基于帽层电极与铁电HfO2薄膜匹配优化的MFIS器件存储性能增强机制研究

本研究针对铁电HfO2基MFIS栅堆叠中界面兼容性问题，系统评估了W/Pt/Cu帽层电极(CE)与Hf0.5Zr0.5O2(HZO)体系对铁电极化(2Pr～58.1 μC/cm2)和存储特性(MW>1.1V@±5V)的影响，揭示W电极通过稳定o相和抑制氧空位实现性能突破，为FeFET器件设计提供关键CE匹配方案。

　　

铁电存储器作为新一代非易失性存储技术，因其高速读写、低功耗等优势备受关注。特别是掺杂HfO₂薄膜中铁电性的发现，使其与现有CMOS工艺的兼容性大幅提升。然而，金属-铁电-绝缘体-半导体(MFIS)结构中，帽层电极与铁电薄膜的界面匹配问题严重制约器件性能。热膨胀系数失配导致的应力分布不均、界面氧空位积累引发的漏电流增加，以及铁电相稳定性不足等问题，直接影响存储窗口、耐久性等关键指标。

针对这一挑战，研究人员通过系统研究W/Pt/Cu三种帽层电极对Hf_0.5Zr_0.5O₂(HZO)薄膜的影响机制，发现W电极因其低热膨胀系数和高热稳定性，可诱导HZO薄膜形成最优的铁电正交相(o相)。通过掠入射X射线衍射(GIXRD)和电学测试证实，W-HZO体系展现出58.1 μC/cm²的剩余极化强度，较传统Pt体系提升显著。在MFIS器件中，该组合实现了1.1V的存储窗口和超过10⁵次的耐久性，同时将数据保持时间延长至10⁴秒以上。

研究采用MFM(金属-铁电-金属)和MFIS两种结构对比分析。通过原子层沉积(ALD)制备超薄HAO绝缘层，结合快速热退火(PMA-RTA)工艺调控HZO结晶过程。电学性能测试包含极化-电压(P-V)回线、电容-电压(C-V)特性以及可靠性评估。微观表征结合第一性原理计算，阐明W电极通过抑制氧空位形成能来稳定界面结构。

Ferroelectricity of HZO films
GIXRD分析显示W电极样品在30.5°处出现显著o/t相衍射峰，而Pt样品则以28.5°的m相为主。这表明W的低热膨胀系数产生的压应力有利于亚稳态铁电相形成。

Interface charge transfer analysis
XPS深度剖析发现Cu-HZO界面存在明显的氧空位聚集，导致Cu样品在±5V扫描时出现异常漏电流，其MW值较W样品降低约40%。

Device performance optimization
W-MFIS器件展现出最优的综合性能：2P_r值达58.1 μC/cm²，是Pt样品的1.8倍；10⁵次循环后极化衰减<15%，而Cu样品在10⁴次后即失效。

该研究不仅证实帽层电极选择对HZO基存储器件的决定性影响，更建立了"热力学参数-微观结构-器件性能"的定量关联模型。W电极通过双重作用机制实现性能突破：一方面其低热膨胀系数产生的压应力稳定铁电o相；另一方面高氧空位形成能抑制界面缺陷产生。这一发现为开发高性能FeFET提供了明确的材料选择准则，特别是对于需要高密度集成的嵌入式存储应用具有重要指导价值。研究提出的CE匹配方案，可推广至其他铁电氧化物体系，为后摩尔时代存储器开发提供新思路。