利用HfN/TiN和W/TiN双层底电极增强Hf0.5Zr0.5O2薄膜的铁电性能与可靠性研究

针对HZO薄膜铁电性能优化难题，研究人员创新性地采用HfN/TiN和W/TiN双层底电极结构，通过调控热膨胀系数诱导面内张应力，显著提升正交相(o-phase)比例和剩余极化强度(Pr)。研究发现10nm TiN中间层可有效抑制界面氧化，使HfN40nm/TiN10nm体系在2.7MV/cm低场下实现109次稳定切换，为下一代FeRAM器件开发提供关键技术路径。

　　

在半导体存储器技术快速发展的今天，铁电随机存取存储器(FeRAM)因其非易失性和低功耗特性成为研究热点。然而，作为核心材料的10nm厚Hf_0.5Zr_0.5O₂(HZO)薄膜面临重大挑战：热力学稳定的单斜相(m-phase)会抑制铁电性能，而亚稳态的正交相(o-phase)难以稳定控制。更棘手的是，传统TiN底电极(BE)无法提供足够的应变调控，且界面氧化问题严重影响器件可靠性。

为突破这些限制，研究人员开展了一项创新研究。通过系统比较单层(TiN、HfN、W)和双层(HfN/TiN、W/TiN)底电极对HZO薄膜的影响，发现W和HfN因其更低的热膨胀系数(CTE)能施加更强的面内张应力——W(4.5×10^-6/°C)和HfN(5.4×10^-6/°C)相比TiN(7.0×10^-6/°C)可显著提升o-phase比例，使剩余极化强度(P_r)增加30%。但直接接触会形成厚界面层(WOx或HfO_xN_y)，导致漏电流激增。

研究团队采用原子力显微镜(AFM)和掠入射X射线衍射(GIXRD)等表征手段，发现插入5-20nm TiN中间层的双层结构可完美平衡性能与可靠性。特别是HfN40nm/TiN10nm结构，其表面粗糙度(R_q)低至0.5nm，在2.7MV/cm场强下实现10⁹次稳定切换，比传统TiN电极所需场强(3.7MV/cm)降低27%。而W/TiN体系虽能获得更高P_r(66.6% o-phase)，但因W易氧化导致的界面粗糙使其过早失效。

关键技术方法包括：直流/射频反应溅射制备50nm厚底电极，280℃原子层沉积(ALD)生长10nm HZO薄膜，450℃快速热退火(RTP)结晶处理，结合正负电压脉冲(PUND)测试消除漏电流干扰。通过同步辐射X射线光电子能谱(XPS)证实TiN中间层能有效阻隔氧扩散。

研究结果部分：
3.1 底电极物理性质
AFM显示W/TiN双层电极的R_z粗糙度达6.6nm，是TiN单层(4.5nm)的1.5倍，而HfN/TiN保持优异平整度。SEM统计表明HZO晶粒半径从TiN的11.1nm降至W45nm/TiN5nm的7.8nm。

3.2 HZO薄膜物化特性
GIXRD证实双层电极使o(111)/t(011)衍射峰位移0.2°，对应面内应力增加1.2GPa。sin²ψ分析显示W40nm/TiN10nm样品应力达1.8GPa，是TiN单层的3倍。

3.3 铁电性能
P-E测试表明HfN40nm/TiN10nm使P_r从TiN的20μC/cm²提升至26μC/cm²，同时E_C降低15%。但W单层电极因WO_x界面导电性导致过早击穿。

这项发表于《Journal of Materiomics》的研究具有三重意义：首次阐明CTE差异诱导的应变调控机制，开发出HfN/TiN双层电极的创新结构，为FeRAM器件提供兼具高P_r(>25μC/cm²)和长寿命(>10⁹次)的解决方案。特别值得注意的是，该工作通过10nm级精度的界面工程，实现了铁电性能与可靠性的协同优化，为后摩尔时代存储器开发树立了新范式。