氧空位调控钨氧化物界面层实现Hf1-XZrXO2铁电存储器超低工作电压（<1V）与高可靠性

这篇研究通过精确调控钨氧化物（WO3-X）界面层的化学计量比，成功开发出工作电压低于1V的Hf1-XZrXO2（HZO）铁电存储器，兼具超强耐久性（>1011次循环）和10年数据保持能力。创新性提出氧缺陷型WO2.3界面层可优化氧供应与导电性，显著提升疲劳特性和开关动力学，为先进节点兼容的低功耗非易失性存储器（FeRAM）提供关键技术突破。

　　

引言

传统铁电材料如锆钛酸铅（PZT）在厚度缩减时面临极化损失问题，而掺杂氧化铪（HZO）在20纳米以下仍能保持显著极化特性，兼具非易失性、与互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺兼容等优势。然而，HZO在低于1V工作电压下的可靠性尚未充分探索，且界面层（IL）位置与导电性对器件性能的影响机制不明。本研究通过调控钨氧化物界面层的氧化学计量比，实现了HZO电容器在0.7-0.8V超低电压下的稳定运行，突破了铁电存储器（FeRAM）的低压可靠性瓶颈。

界面层化学计量比的影响

钨氧化物作为过渡金属氧化物（TMO），其氧空位（V_O）形成能和迁移势垒与氧含量密切相关。通过调节Ar:O₂比例，实验制备了富氧WO₃和缺氧型WO_2.3界面层。X射线光电子能谱（XPS）证实，WO_2.3中W⁵⁺峰的出现表明其更高的氧空位浓度，从而增强氧供应能力。电学测试显示，WO_2.3界面层使6.9纳米HZO的矫顽电压降低，开关特性更陡峭，且疲劳损耗显著减少。密度泛函理论（DFT）计算进一步揭示，WO_X的氧空位形成能低于HZO，证实其氧缓冲作用可抑制缺陷生成。

界面层位置的优化

研究发现，将WO_2.3置于顶电极界面（TIL）而非底电极界面（BIL）时，器件性能提升更显著。透射电镜（TEM）和电子能量损失谱（EELS）分析表明，TIL设计可减少顶电极对HZO层的氧掠夺，从而降低体相氧空位浓度。低应力循环测试中，TIL器件疲劳起始点从10²次延迟至10⁷次，且数据保持能力提升至10年（85°C）。此外，界面电容（C_i）的增加有效抑制了退极化场（E_dep），进一步保障了存储稳定性。

厚度缩放与低压可靠性

将HZO厚度缩减至5.6纳米后，WO_2.3 TIL仍能促进正交相（o相）结晶，使原始极化强度提升65%。通过协同优化原子层沉积（ALD）工艺与界面工程，最终器件在0.7V电压下实现>10¹¹次循环耐久性，且传感电压计算显示其适用于130纳米及更先进技术节点。与既往研究相比，该工作首次在亚1V电压下同时满足高耐久性和数据保持要求，突破了铁电存储器的电压-可靠性权衡困境。

结论

通过调控WO_2.3界面层的氧缺陷浓度与位置，结合ALD工艺优化，本研究实现了5.6纳米HZO铁电器件在0.7-0.8V的超低压可靠运行。这一成果为下一代低功耗FeRAM的商业化应用提供了关键技术路径。