鐵電氧化鉿(Ferroelectric Hafnium Oxide)是在氧化鉿(HfO₂)中摻雜氧化鋯(ZrO₂)等而產生鐵電性的薄膜材料,一般稱為HZO(Hafnium Zirconium Oxide)。自2011年德國Bosch公司與Fraunhofer研究所發現HfO₂基薄膜具有鐵電性以來,應用於次世代非揮發性記憶體與邏輯元件的研究持續加速。
鐵電材料是在未施加電場的情況下也能保持自發極化的材料,利用其極化反轉作為「0」「1」資訊的鐵電記憶體(FeRAM:Ferroelectric RAM)早已存在。然而傳統FeRAM使用PZT(鋯鈦酸鉛)等材料,有與CMOS製程不相容、含鉛的環境問題、難以薄膜化等課題。HZO完全相容於CMOS、無鉛,且可薄膜化至10nm以下,是革命性的材料。
使用HZO的元件中,FeFET(鐵電閘極FET)與FTJ(鐵電穿隧接面)是主要應用。FeFET在閘極介電層中導入HZO,以極化狀態改變電晶體的臨界電壓來保存資料。由於具備高速、低功耗、可直接整合於矽製程等特點,作為嵌入式記憶體(eNVM)與類神經形態元件(類比突觸元件)而受到矚目。
HZO的鐵電性是在特定結晶相(正交晶相)出現時產生,而此相的穩定性是一大課題。退火條件、摻雜濃度(Hf:Zr比)、薄膜厚度與底層材料都會大幅改變鐵電特性,因此難以確保製造再現性。此外,提升抹寫耐久度(循環次數)也是邁向商業應用的重要課題。英特爾也在研究將HZO應用於3D NAND的字元線絕緣膜。
HZO也可作為高介電常數閘極絕緣膜(High-k材料),因此正以取代標準HfO₂、或加入額外摻雜物的形式,逐步應用於先進邏輯製程的閘極堆疊材料。鐵電記憶體元件市場預期將朝2030年代成長,為支援HZO成膜的ALD設備、鐵電性評估設備(PFM:壓電響應力顯微鏡),以及材料廠商(默克、Entegris等)帶來商機。