原子尺度调控亚4纳米铁电薄膜：多脉冲掺杂与单层工程新策略

《Journal of Alloys and Compounds》：Atomic-Scale Tailoring of Sub-4 nm Ferroelectric Films via Multi-Pulse Doping and Monolayer Control

本文报道了通过多脉冲原子层沉积（ALD）技术实现亚4纳米HfxZr1-xO2铁电薄膜的原子级精准调控。该研究创新性地采用Zr优先的多脉冲掺杂策略，结合双脉冲ZrO2种子层（ZZ层）技术，在无需唤醒处理的前提下使3.8纳米薄膜获得30μC/cm2的剩余极化强度（2Pr），为先进半导体器件中的超薄铁电材料应用提供了新范式。

　　

亮点

本研究通过多脉冲原子层沉积（ALD）技术实现了亚4纳米铁电薄膜的原子级精准调控。创新性地采用锆（Zr）优先的脉冲序列，结合双脉冲ZrO₂种子层（ZZ层）工程，在超薄Hf_xZr_1-xO₂薄膜中诱导出均匀掺杂和优异正交相（o-phase）结晶。

结果与讨论

厚度约3.80纳米的薄膜电学表征结果令人振奋：传统HZO样品仅显示微弱的铁电响应，而采用Zr优先脉冲的ZH样品则展现出典型的电滞回线，剩余极化强度（2P_r）显著提升。通过掠入射X射线衍射（GIXRD）和高分辨透射电镜（HRTEM）分析，证实了正交相晶粒的增强形成。定量X射线光电子能谱（XPS）分析更揭示实际Zr/Hf比例与多脉冲掺杂模型高度吻合。

结论

这项研究成功将多脉冲掺杂与单层工程相结合，为亚4纳米铁电薄膜的性能优化开辟了新途径。该方法通过单循环内的精准掺杂控制，实现了沿生长方向的均匀元素分布，使Zr富集型Hf_xZr_1-xO₂薄膜在无需唤醒处理的原始状态下即展现优异铁电特性，为先进半导体技术节点的器件集成提供了可靠方案。