微电子所刘明院士团队发现铪基铁电材料新结构，或为新型存储技术带来有力竞争者
DeepTech深科技 2023-09-27 16:56HfO2 材料，是集成电路互补金属氧化物半导体（CMOS，Complementary Metal Oxide Semiconductor）工艺中常用的一种 high-k 材料，制备工艺较为成熟。
因此，当学界在 HfO2 基材料中发现铁电特性之后，氧化铪基铁电存储器被认为是最有潜力的下一代非易失性存储器。
但是，对于目前正交相结构的 HfO2 基铁电材料来说，由于其极化翻转势垒较高，以及偶极子的“独立翻转”模式等特点，会让其产生高矫顽场，并因此产生器件工作电压与先进技术节点不兼容、以及擦写次数受限等问题。
这一问题的根源来自于正交相铁电体本征特性。所以，只有实现新的相结构，才能从根本上解决问题。
近日，中国科学院微电子所刘明院士团队发现了关于 HfO2 基铁电材料的新结构，有望解决 HfO2 基铁电材料高矫顽场的本征问题。
在富含 Hf（Zr）原子的 HZO 材料中，他们发现一种稳定的铁电三方相结构，嵌入到三方相结构中的 Hf（Zr）原子，降低了偶极子的翻转势垒，这从根本上解决了 HfO2 基铁电材料高矫顽场的问题。这种结构的 HfO2 基铁电材料具备较低的矫顽场、以及较低的饱和极化场，可以增强自身耐久性，并有望应用于非易失性铁电存储器领域。
研究中，他们先是制备了相关样品，在测试过程中发现，相比采用常规原子层沉积技术方法制备的 o 相 HZO 薄膜，该样品具有超低的矫顽电场。但在当时他们还不理解其中的原因。
为了解释上述样品与 o 相 HZO 薄膜在性能上的区别，课题组对其进行一系列的物理表征，从表征结果中发现了该薄膜样品中富含铪（锆）原子，并且其中产生铁电性能的晶格结构是 R3m 相。
因此，他们认为超低矫顽场产生的原因可能是因为 R 相的极化翻转模式与 o 相不同，相比于 o 相铁电偶极子高势垒的独立翻转模式，R 相偶极子极化翻转所需要的能量势垒低。
为进一步了解薄膜样品中产生 R 相的原因，课题组与中国科学院物理所杜世萱研究员团队合作，进一步通过使用基于密度泛函理论的第一性原理计算发现，当 HZO 薄膜中富含的金属原子逐渐增多时，薄膜中 R 相的形成能是最低的，因此在薄膜结晶过程中更容易形成 R 相。
进一步地，他们发现过量的间隙原子导致了与 o 相不同的极化翻转模式，因此其极化翻转能量势垒低，并且铁电畴畴壁结构的存在可以进一步降低翻转偶极子的所需的能量。研究进行到这里基本告一段落，随后他们进行投稿。
日前，相关论文以《超低矫顽场铁电 Hf（Zr）1+xfO2 电容器中稳定的菱形相》（A stable rhombohedral phase in ferroelectric Hf(Zr)1+xO2capacitor with ultralow coercive field）为题发在 Science[1]。
中国科学院微电子所王渊博士是第一作者，中国科学院大学陶蕾博士是共同一作，中国科学院微电子研究所刘明院士和罗庆研究员、以及中国科学院物理研究所杜世萱研究员担任共同通讯作者。
随着物联网、可穿戴设备、汽车电子等行业的发展，终端设备对于低功耗存储器的需求正在不断增大。凭借高速、低功耗的优势，铁电存储器有望成为大数据物联网时代新型存储技术的有力竞争者。
目前，关于富含金属原子的 HZO 薄膜铁电性的机理方面还有需要进一步探究的问题，未来其将围绕材料机理开展研究。
另外，基于该材料的在大生产平台的验证，是其真正走向应用的关键。罗庆表示：“接下来我们一个很重要的工作就是，对基于该材料的铁电存储器芯片进行验证，这可能会花费漫长的时间，还需要负责集成技术和电路设计的同事们的紧密合作。不过，我们有信心完成这项挑战，希望这个材料能够真正走向应用。”
另据悉，罗庆所在的刘明院士团队长期致力于研究新型存储器，在存储器模型机理、材料结构、核心共性技术和集成电路的微纳加工等方面做出了系统性的创新贡献。
早年间，课题组的主要研究方向是新型闪存和阻变存储器。在这两个方向上，该团队建立了阻变存储器物理模型，提出并实现了高性能阻变存储器和集成的基础理论以及关键技术方法。
此外，他们还拓展了新型闪存材料和结构体系，提出了新型可靠性表征技术、失效模型和物理机理，开发了国内首款自主 IP 的 8M 纳米晶和 1G NOR 型存储芯片。
随着阻变存储器和新型闪存技术逐渐走向产业化，课题组也在不断发展新的基础研究方向。
在存储器方面，目前该团队在铪基铁电和 IGZO DRAM 领域进行了布局。“基于我们前期在存储器领域的积累，以及对于存储器领域的深刻理解，这两个新布局的基础科研方向也在蓬勃发展，希望有朝一日这两个新方向也能像阻变存储器一样走向产业化。”
