《Vacuum》：Endurance Enhancement of Sub-10 nm Ferroelectric HfZrO Capacitors via Ti-Capped Electrode and CMP Treatment Surface Engineering
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本研究通过化学机械抛光（CMP）结合钛层覆盖，显著提升了纳米级HfZrO薄膜铁电电容器的耐久性和剩余极化强度，有效抑制了氧空位形成和局部电场不均问题。
作者：Zefu Zhao、Kai-Jhih Gan、Qian Cheng Yang、Zeqiu Tang、Bo-Syun Syu、Kuei-Shu Chang-Liao、Dun-Bao Ruan
福建师范大学晋江联合微电子研究所，物理与信息工程学院，福州350108，中国
摘要
基于铁电HfZrO (HZO) 的器件在非易失性存储器和逻辑器件中具有广泛的应用前景。然而，铁电HZO在经过反复电循环后会出现极化疲劳现象，这限制了其在实际应用中的长期可靠性。本研究证明，经过化学机械平坦化（CMP）处理的镀钛金属电极能够提高亚10纳米级铁电HZO薄膜的耐久性。超平坦的电极表面（均方根粗糙度=0.2纳米）有助于实现均匀的电场分布和铁电切换性能。采用镀钛电极的铁电电容器在没有形成死层的情况下，达到了61 μC/cm2的高剩余极化强度（2P_r）。X射线光电子能谱分析表明，平坦的电极表面抑制了氧空位的形成。CMP表面工程使电容器在经过10^12次循环后仍保持54 μC/cm2的剩余极化强度。
章节摘录
引言
具有可切换自发电极化的铁电材料是先进非易失性存储器和场效应晶体管的理想候选材料[1][2]。氟石结构的HfZrO (HZO) 薄膜在厚度低于20纳米时仍保持优异的铁电性能，为开发高集成度、低功耗的器件提供了可能[3][4]。此外，作为高介电常数的材料，HZO能够与标准DRAM电容器和硅CMOS工艺无缝集成[5][6]。然而，基于HZO的铁电器件仍面临一些挑战...
实验
在SiO?/Si衬底上制备了钨(W)/HZO/Ti/铂(Pt)和W/Ti/HZO/Ti/Pt结构的铁电电容器。为了研究界面形态对性能的影响，制备了三种类型的底部电极：未经处理的W电极（原始表面粗糙度）、经过CMP处理以实现平坦界面的W电极，以及CMP前先镀覆一层薄Ti的W电极（如图1(a)所示）。ZrO?层作为HZO的底部界面，有助于促进其正交晶体结构的形成...结果与讨论
图2展示了通过原子力显微镜（AFM）测量的三个样品在5 μm × 5 μm区域内的表面形态：未经CMP处理的W电极、经过CMP处理的W电极以及W/Ti复合电极。未经CMP处理的W电极表面粗糙度较高，均方根粗糙度为4.2纳米；经过CMP处理后，W电极的表面粗糙度显著降低至1.2纳米；W/Ti复合电极的表面最为平坦，均方根粗糙度为0.2纳米。这种平坦化效果归因于脆性的WO?层的存在...
结论
本研究探讨了CMP和镀钛工艺对铁电电容器剩余极化强度（2P_r）和耐久性的提升作用。界面工程有效消除了局部电场集中、提高了电极表面的均匀性，并减少了氧空位的形成。TCAD模拟和XPS分析均证实了电极平整度对电场均匀性和缺陷减少的关键作用。这种高性能的铁电电容器为实际应用提供了可行的路径...
作者贡献声明
Zeqiu Tang：资源调配、实验研究。
Qian Cheng Yang：资金申请、数据分析。
Kuei-Shu Chang-Liao：资金申请。
Bo-Syun Syu：数据分析。
Dun-Bao Ruan：资金申请。
Kai-Jhih Gan：结果验证、软件开发。
Zefu Zhao：初稿撰写、结果验证、实验设计。
未引用参考文献
[31]
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
致谢
本研究部分得到了国家自然科学基金（项目编号：62204043、92464206、62574046）以及MIND项目（项目编号：MINDKT202405、MINDKT202501）的支持。（Zefu Zhao和Kai-Jhih Gan对这项工作做出了同等贡献。）
