电场辅助快速退火技术实现Hf0.5 Zr0.5 O2 薄膜矫顽场降低与铁电极化增强的突破性进展

为解决HfO2 基铁电薄膜高矫顽场（Ec ＞1.0 MV/cm）导致的器件高工作电压和耐久性瓶颈，研究人员通过电场辅助快速热退火（EA-RTP）技术，在原子层沉积（ALD）生长的HZO薄膜中实现了创纪录的低Ec （～0.79 MV/cm）和高达50 μC/cm2 的剩余极化（2Pr ），并通过高分辨透射电镜（HRTEM）揭示了极化轴择优取向的微观机制，为高密度铁电存储器（FeRAM）提供了实用化解决方案。

　　

随着集成电路向高密度、低功耗方向发展，传统铁电存储器（FeRAM）面临材料与工艺的双重挑战。2011年发现的HfO₂
基铁电材料虽具备硅工艺兼容优势，但其高达1.0 MV/cm的矫顽场（E_c
）导致器件工作电压过高，且多晶薄膜中随机取向的晶粒会降低有效极化强度。尽管通过La掺杂或准同型相界（MPB）设计可降低E_c
，但前者缺乏工业化前驱体，后者会牺牲极化值。如何在不增加工艺复杂度前提下同步优化E_c
和极化强度，成为该领域的关键科学问题。

针对这一挑战，国内某研究团队在《Journal of Materiomics》发表研究，创新性地提出直流电场辅助快速退火（EA-RTP）策略。通过Keithley 2410源表在快速热退火过程中施加原位电场，结合等离子体增强原子层沉积（PE-ALD）制备W/HZO/W电容器，利用高分辨透射电镜（HRTEM）和铁电测试系统，系统研究了电场对晶粒取向和器件性能的影响。

研究结果
1. 电场辅助退火工艺设计
通过四种退火序列对比（常规RTP、升温段电场S1、降温段电场S2、平台温度电场S3），发现S1序列（1.2V/5s）使10.5 nm HZO薄膜的2P_r
提升40%至35 μC/cm²
，E_c
降至0.79 MV/cm，创ALD工艺最低记录。S2序列则可通过电场极性调控印迹效应，为无损读取提供新思路。

2. 微观机制解析
HRTEM统计显示，EA-RTP处理样品中正交相（O-phase）晶粒的c轴与膜面平均夹角从36°增至46°，证实电场诱导了极化轴择优取向。快速傅里叶变换（FFT）分析进一步揭示，这种取向优化降低了畴翻转能垒，是E_c
降低和2P_r
提升的结构基础。

3. 工艺优化与性能突破
平台温度退火（S3-400°C）在降低热预算的同时保持性能，7 nm薄膜实现2P_r
＞50 μC/cm²
。开关动力学测试表明，1.0V工作电压下切换速度达240 ns，比未处理样品快4.5倍。

4. 可靠性验证
在相同开关电荷量（15 μC/cm²
）下，EA-RTP样品经10¹⁰
次±2.0V/30ns循环未失效，而对照组在10⁹
次即发生击穿。频率依赖性测试显示其优异的高频稳定性。

该研究通过电场辅助晶粒取向调控，首次在ALD-HZO薄膜中实现E_c
与2P_r
的协同优化。所开发的平台温度退火工艺兼具低热预算和高可靠性优势，为高密度FeRAM的工业化提供了关键技术路径。特别是0.79 MV/cm的E_c
突破，使得HZO基存储器在1.0V以下电压工作成为可能，对推动后摩尔时代非易失性存储器发展具有重要意义。