0.1 nm AlOx插层增强HfO2基铁电薄膜的极化特性与可靠性研究

为解决HfO2基铁电材料极化特性与可靠性间的固有矛盾，研究人员通过原子层沉积（ALD）技术引入0.1 nm AlOx插层，系统研究了其对Hf0.5Zr0.5O2（HZO）薄膜晶粒尺寸和氧空位的调控作用。结果表明，该插层可显著降低漏电流（2个数量级）、提升剩余极化强度（Pr/Ec值增加44.6%），并通过抑制m相和平衡t-o相变实现优异的抗疲劳特性，为高性能存储器开发提供了新策略。

　　

论文解读
在半导体技术迈向纳米尺度的今天，传统钙钛矿铁电材料因与CMOS工艺兼容性差而面临瓶颈。2011年，HfO₂基铁电材料的发现为高密度非易失性存储器带来曙光，但其高压极化特性与可靠性间的矛盾始终未解——高矫顽场（E_c）导致显著疲劳效应，氧空位分布不均又引发漏电流激增。更棘手的是，铁电正交相（o相）与反铁电四方相（t相）的竞争关系使性能调控雪上加霜。

针对这一难题，华南理工大学的研究团队在《Journal of Materiomics》发表创新成果。他们采用原子层沉积技术，在HZO薄膜中插入仅0.1 nm厚的AlO_x层，通过精确调控晶粒尺寸和氧空位浓度，实现了极化特性与可靠性的协同优化。研究团队运用掠入射X射线衍射（GIXRD）分析相组成，结合扫描电镜（SEM）统计晶粒分布，并通过X射线光电子能谱（XPS）量化氧空位浓度。电学性能测试采用铁电测试系统（PUND和P-V曲线）与半导体参数分析仪（I-V特性）。

关键发现

1. 相组成调控：GIXRD显示0.1 nm AlO_x插层使m相衍射峰（28.5°和31.5°）显著减弱，o/t相（30.5°）占比提升。当插层增至5周期时，t相比例因晶粒细化（从13.3 nm降至7.7 nm）而再度升高。
2. 电学性能突破：1周期插层样品在3.5 MV/cm场强下获得49.6 μC/cm²的2P_r值，P_r/E_c提升44.6%，漏电流降低两个数量级（2 MV/cm时从1.57×10^–8 A降至3.45×10^–10 A）。
3. 疲劳机制创新：XPS证实氧空位浓度随插层周期呈先增后减趋势。1周期样品通过平衡t→o唤醒效应与o→t疲劳相变，在10⁶次循环后仍保持稳定极化，而5周期样品因晶粒过小（7.7 nm）抑制了氧空位重分布，导致唤醒效应延迟。

结论与意义
该研究揭示了AlO_x插层在HZO薄膜中的双重作用：超薄插层（<0.5 nm）通过Al掺杂效应降低氧空位形成能并细化晶粒，协同抑制m相；而厚插层则通过隔离效应调控相组成。这种“缺陷-相工程”策略不仅解决了传统铁电材料的可靠性瓶颈，更通过ALD技术实现了纳米级精确调控，为后道工艺（BEOL）兼容的存储器开发铺平道路。尤其值得注意的是，0.1 nm插层在提升性能的同时，使器件均匀性显著改善（36点P-V映射验证），展现出工业化应用的巨大潜力。