HfO2 材料，是集成電路互補金屬氧化物半導體（CMOS，Complementary Metal Oxide Semiconductor）工藝中常用的一種 high-k 材料，制備工藝較為成熟。

因此，當學界在 HfO2 基材料中發現鐵電特性之後，氧化鉿基鐵電存儲器被認為是最有潛力的下一代非易失性存儲器。

但是，對於目前正交相結構的 HfO2 基鐵電材料來說，由於其極化翻轉勢壘較高，以及偶極子的“獨立翻轉”模式等特點，會讓其產生高矯頑場，並因此產生器件工作電壓與先進技術節點不兼容、以及擦寫次數受限等問題。

這一問題的根源來自於正交相鐵電體本征特性。所以，隻有實現新的相結構，才能從根本上解決問題。

近日，中國科學院微電子所劉明院士團隊發現瞭關於 HfO2 基鐵電材料的新結構，有望解決 HfO2 基鐵電材料高矯頑場的本征問題。

在富含 Hf（Zr）原子的 HZO 材料中，他們發現一種穩定的鐵電三方相結構，嵌入到三方相結構中的 Hf（Zr）原子，降低瞭偶極子的翻轉勢壘，這從根本上解決瞭 HfO2 基鐵電材料高矯頑場的問題。這種結構的 HfO2 基鐵電材料具備較低的矯頑場、以及較低的飽和極化場，可以增強自身耐久性，並有望應用於非易失性鐵電存儲器領域。

（來源：Science）

研究中，他們先是制備瞭相關樣品，在測試過程中發現，相比采用常規原子層沉積技術方法制備的 o 相 HZO 薄膜，該樣品具有超低的矯頑電場。但在當時他們還不理解其中的原因。

為瞭解釋上述樣品與 o 相 HZO 薄膜在性能上的區別，課題組對其進行一系列的物理表征，從表征結果中發現瞭該薄膜樣品中富含鉿（鋯）原子，並且其中產生鐵電性能的晶格結構是 R3m 相。

因此，他們認為超低矯頑場產生的原因可能是因為 R 相的極化翻轉模式與 o 相不同，相比於 o 相鐵電偶極子高勢壘的獨立翻轉模式，R 相偶極子極化翻轉所需要的能量勢壘低。

為進一步瞭解薄膜樣品中產生 R 相的原因，課題組與中國科學院物理所杜世萱研究員團隊合作，進一步通過使用基於密度泛函理論的第一性原理計算發現，當 HZO 薄膜中富含的金屬原子逐漸增多時，薄膜中 R 相的形成能是最低的，因此在薄膜結晶過程中更容易形成 R 相。

進一步地，他們發現過量的間隙原子導致瞭與 o 相不同的極化翻轉模式，因此其極化翻轉能量勢壘低，並且鐵電疇疇壁結構的存在可以進一步降低翻轉偶極子的所需的能量。研究進行到這裡基本告一段落，隨後他們進行投稿。

日前，相關論文以《超低矯頑場鐵電 Hf（Zr）1+xfO2 電容器中穩定的菱形相》（A stable rhombohedral phase in ferroelectric Hf(Zr)1+xO2capacitor with ultralow coercive field）為題發在 Science[1]。

中國科學院微電子所王淵博士是第一作者，中國科學院大學陶蕾博士是共同一作，中國科學院微電子研究所劉明院士和羅慶研究員、以及中國科學院物理研究所杜世萱研究員擔任共同通訊作者。

圖 | 相關論文（來源：Science）

隨著物聯網、可穿戴設備、汽車電子等行業的發展，終端設備對於低功耗存儲器的需求正在不斷增大。憑借高速、低功耗的優勢，鐵電存儲器有望成為大數據物聯網時代新型存儲技術的有力競爭者。

目前，關於富含金屬原子的 HZO 薄膜鐵電性的機理方面還有需要進一步探究的問題，未來其將圍繞材料機理開展研究。

另外，基於該材料的在大生產平臺的驗證，是其真正走向應用的關鍵。羅慶表示：“接下來我們一個很重要的工作就是，對基於該材料的鐵電存儲器芯片進行驗證，這可能會花費漫長的時間，還需要負責集成技術和電路設計的同事們的緊密合作。不過，我們有信心完成這項挑戰，希望這個材料能夠真正走向應用。”

圖 | 羅慶（來源：羅慶）

另據悉，羅慶所在的劉明院士團隊長期致力於研究新型存儲器，在存儲器模型機理、材料結構、核心共性技術和集成電路的微納加工等方面做出瞭系統性的創新貢獻。

早年間，課題組的主要研究方向是新型閃存和阻變存儲器。在這兩個方向上，該團隊建立瞭阻變存儲器物理模型，提出並實現瞭高性能阻變存儲器和集成的基礎理論以及關鍵技術方法。

此外，他們還拓展瞭新型閃存材料和結構體系，提出瞭新型可靠性表征技術、失效模型和物理機理，開發瞭國內首款自主 IP 的 8M 納米晶和 1G NOR 型存儲芯片。

隨著阻變存儲器和新型閃存技術逐漸走向產業化，課題組也在不斷發展新的基礎研究方向。

在存儲器方面，目前該團隊在鉿基鐵電和 IGZO DRAM 領域進行瞭佈局。“基於我們前期在存儲器領域的積累，以及對於存儲器領域的深刻理解，這兩個新佈局的基礎科研方向也在蓬勃發展，希望有朝一日這兩個新方向也能像阻變存儲器一樣走向產業化。”

參考資料：

1.A stable rhombohedral phase in ferroelectric Hf(Zr)1+xO2 capacitor with ultralow coercive field Y Wang，L Tao , R Guzman, Q Luo*, W Zhou, Y Yang, Y Wei,Y Liu, P Jiang, Y Chen, Sh Lv, Y Ding, W Wei, T Gong,Y Wang, Q Liu, Sh Du*, M iu*https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf6137

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