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氧化铪(HfO
2
)中铁电性的发现激发了人们对铁电器件的新兴趣。铁电HfO
2
在纳米厚度下表现出强大的电偶极子，并且与现代互补金属氧化物半导体 (CMOS)技术兼容。与 CMOS 的兼容性使得超密铁电随机存取存储器(FeRAM)的实现成为可能，这使得FeRAM成为下一代非易失性存储器件的有力候选者。
铁电Hf(Zr)O
2
(HZO)的高矫顽场(E
c
)导致高工作电压，是阻碍HZO基FeRAM在最先进技术中应用的关键问题节点。
用于剩余极化(Pr)开关的外加电场约为击穿强度的60 %~80 %，这表明在击穿前获得允许的场循环次数方面具有固有的较小的余量，耐久性有限。
新思路
有鉴于此，
中国科学院微电子研究所刘明院士、罗庆研究员和中国科学院物理研究所杜世萱研究员课题组
等人
发现了一种互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容的富含Hf-Zr[Hf(Zr)]的菱方铁电Hf(Zr)
1+x
O
2
材料
。X射线衍射与扫描透射电子显微镜相结合表明，过量的Hf(Zr)原子嵌入空心位点内。作者发现插入的原子使晶格膨胀并增加了面内和面外应力，从而稳定了菱面体相及其铁电性能。该铁电器件基于r相 Hf(Zr)
1+x
O
2
，具有超低矫顽场（~0.65兆伏/厘米）。此外，在饱和极化下实现了超过10
12
次循环的高耐久性。这一材料的发现可能有助于实现低成本和长寿命的存储芯片。
作者用Hf(Zr)
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薄膜制造并表征了金属铁电金属(MFM) 电容器，表明了其铁电性以及结构特征
。
2、通过DFT计算预测了铁电体Hf(Zr)
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作者计算不同相中富Hf的Hf
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2
和富Zr的Zr
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的形成能，预测了铁电体的结构，并验证了铁电体结构的稳定性。
3、表征了菱面体 Hf(Zr)
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的电学性能
作者通过电学表征表明与o相铁电HfO
2
电池相比，r相Hf(Zr)
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器件漏电流降低了一个数量级，EBD提高了25%，循环提高了大约两个数量级。
作者报告了Hf(Zr)
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材料中的铁电r相，并展示了一种高度 CMOS兼容的方法，通过增加Hf与O的原子比，在HfO
2
材料中构建r相。
作者进行了器件实验，结果显示具有22 mC/cm
2
的高Pr值、小饱和极化电场(Es)[1.25MV/cm]、超低E
c
(~0.65 MV/cm)和高击穿电场(EBD)(4.16MV/cm)。此外，在饱和极化下实现了超过10
12
次循环的长器件寿命。
r相Hf(Zr)
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的制备及结构表征
作者用Hf(Zr)
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薄膜制造并表征了金属铁电金属(MFM) 电容器，以确认其铁电性。表征结果证实了TiN/Hf(Zr)
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/TiN器件具有结构和化学上清晰的界面，没有明显的相互扩散，薄膜中的Hf(Zr)含量高于标准化学计量。制造的r相Hf(Zr)
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薄膜的介电常数比铁电o相HZO薄膜的介电常数大约16.5%。TiN/Hf(Zr)
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/TiN器件具有超低E
c
和大Pr值。进一步地，通过
HAADF-STEM和模拟证实了Hf(Zr)过量原子的有序性。
图 平面金属铁电金属(MFM)电容器和Hf(Zr)
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O
2
薄膜的结构表征
图 菱面体相Hf(Zr)
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的原子尺度STEM分析
作者计算了r、o、m相中富Hf的Hf
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和r、t、m相中富Zr的Zr
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的形成能，结果表明当x>0.039时，r相变得比o相Hf
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更稳定，而在Zr
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中，r-t相变的x值为0.025。当 Zr
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的x>0.079和Hf
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>0.118时，r相Hf
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O
2
/Zr
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具有最低的形成能。通过计算声子色散进一步验证了Hf
1.08
O
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的结构稳定性，并阐明了Zr的存在可以稳定r相Hf(Zr)
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2
，而不会显着改变铁电性能。
图 通过DFT计算预测铁电体Hf(Zr)
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O
2
实验测得x值>0.129的r相Hf(Zr)
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铁电薄膜具有良好的稳定性。测量了r相铁电Hf(Zr)
1.2
O
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电容器在不同电场下的P-E曲线，表明r相铁电Hf(Zr)
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2
电容器的E
s
仅为1.25 MV/cm，因此可以实现22 mC/cm
2
的大Pr值。测量了不同Hf(Zr)成分和不同电场的r相铁电Hf(Zr)
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2
电容器的电流与电场(I-E)曲线，r相铁电Hf(Zr)
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O
2
电容器显示出最小E
s
。此外，实验表明矫顽场随着薄膜厚度的减小而增大。与o相铁电HfO
2
电池相比，r相Hf(Zr)
1+x
O
2
器件3 V直流电压下
漏电流降低了一个数量级
，EBD提高了25%。此外，Es/EBD约为30%，仅为o相HfO
2
基铁电器件的一半。因此，r相Hf(Zr)
1+x
O
2
铁电电池可以在1.25 MV/cm下获得10
12
个场循环，r相铁电Hf(Zr)
1+x
O
2
–基薄膜的
循环提高了大约两个数量级
。
图 r相Hf(Zr)
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2
薄膜的铁电性能
展望
总之，作者报道了r相铁电Hf(Zr)
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2
薄膜。所提出的
基态r相铁电Hf(Zr)
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薄膜解决了O相铁电HfO
2
固有的高E
c
问题。此外，这些r相Hf(Zr)
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铁电薄膜与CMOS兼容
。Hf(Zr)
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O
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薄膜的HAADF-STEM成像显示了过量Hf(Zr)原子的插入，证实了Hf(Zr)过量结构。过量的Hf(Zr)原子使Hf(Zr)
1+x
O
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的晶格膨胀，产生更大的面内和面外应力，更有利于稳定铁电性能。由于Hf嵌入HfO
2
，获得了超低矫顽场，这降低了r相转换势垒和偶极子诱导的宽畴壁的扩散。所提出的
铁电 Hf(Zr)
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电容器同时实现了高EBD、大Pr和良好的耐久性
。因此，r相Hf(Zr)
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铁电薄膜的发现可能有助于实现低成本和长寿命的存储芯片。
YUAN WANG, et al. A stable rhombohedral phase in ferroelectric Hf(Zr)
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O
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capacitor with ultralow coercive field. Science, 2023, 381(6657): 558-563
DOI: 10.1126/science.adf6137
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf6137
同步辐射丨球差电镜丨FIB-TEM
原位XPS、原位XRD、原位Raman、原位FTIR
加急测试
刘老师
156 3737 0993
www.xueyanhui.com
