互聯網、人工智能等信息技術的快速發(fā)展，對存儲器的存儲密度、訪問速度以及操作次數都提出了更高的要求。氧化鉿基鐵電存儲器具有低功耗、高速、高可靠性等優(yōu)勢，被認為是下一代非易失性存儲器技術的潛在解決方案。現在普遍研究的正交相（orthorhombic phase，簡稱“o相”）HfO2基鐵電材料由于自身高鐵電翻轉勢壘和“獨立翻轉”的偶極子翻轉模式，使基于該鐵電材料的器件具有高矯頑場，進而導致器件工作電壓與先進技術節(jié)點不兼容、擦寫次數受限等問題。這一問題是基于o相HfO2基鐵電材料的本征特性，難以通過傳統(tǒng)的優(yōu)化工藝加以解決。因此，尋找一個結構穩(wěn)定且具有低翻轉勢壘的HfO2基鐵電材料是迫切需要解決的難題。
針對這一問題，微電子器件與集成技術重點實驗室劉明院士團隊與中國科學院物理所杜世萱研究員團隊合作，發(fā)現了一種穩(wěn)定的鐵電三方相Hf(Zr)1+xO2材料結構，這種結構降低了HfO2基鐵電材料中鐵電偶極子的翻轉勢壘。通過基于密度泛函理論（DFT）的第一性原理計算發(fā)現，當Hf(Zr)1+xO2材料中，Hf(Zr)與氧的比例大于1.079:2時，三方相的形成能低于鐵電o相和單斜相（m相）的形成能。掃描透射電子顯微鏡（STEM）實驗清晰顯現了過量Hf(Zr)原子嵌入在鐵電三方相晶格的晶體結構，證實了理論計算的結果。嵌入的Hf(Zr)原子擴展了晶格，增加了其面內和面外應力，起到了穩(wěn)定Hf(Zr)1+xO2材料結構和降低其鐵電翻轉勢壘的作用。基于Hf(Zr)1+xO2薄膜的鐵電器件展示了超低矯頑場（~0.65MV/cm）、高剩余極化（Pr）值(22μC/cm2的)、小的飽和極化電場（1.25MV/cm）、和大的擊穿電場（4.16MV/cm），并在飽和極化下實現了1012次循環(huán)的耐久性。這一研究結果為低功耗、低成本、長壽命的存儲器芯片提供了一種有效的解決方案。
該研究成果得到了科技部、國家自然科學基金委、北京市自然科學基金委、中國科學院的支持。成果近期發(fā)表在Science期刊上（DOI: 10.1126/science.adf6137），微電子所王淵博士為文章的第一作者，中國科學院大學陶蕾博士為共同第一作者，微電子所劉明院士、羅慶研究員和中國科學院物理所杜世萱研究員為該文章的共同通訊作者。此外，參與本工作的主要研究人員還包括微電子所劉宇工程師和楊陽博士、中國科學院大學Roger Guzman博士和周武研究員等。
文章鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf6137
圖1平面鐵電電容器的基本特性及Hf(Zr)1+xO2薄膜的結構表征
圖2富含Hf(Zr)原子的菱面體Hf(Zr)1+xO2薄膜的原子尺度STEM分析
圖3 基于密度泛函理論（DFT）的第一性原理計算
圖4基于Hf(Zr)1+xO2薄膜的鐵電電容器的性能
綜合信息