氧含量调控Ru电极界面氧化还原化学对铁电Hf0.5Zr0.5O2性能的机制研究

为解决铁电存储器（FeRAM）中Hf0.5Zr0.5O2（HZO）薄膜的极化性能和耐久性问题，研究人员通过原子层沉积（ALD）调控Ru电极氧含量，发现低温（210°C）沉积的富氧Ru可减少HZO氧空位浓度并抑制唤醒效应，但牺牲了剩余极化（Pr）和耐久性（降低2个数量级）。该研究为电极-铁电界面设计提供了新思路，发表于《Journal of Materiomics》。

　　

铁电存储器（FeRAM）作为下一代存储技术，其核心材料Hf_0.5Zr_0.5O₂（HZO）薄膜的界面缺陷和极化稳定性一直是制约性能的瓶颈。传统TiN电极会通过氧捕获效应增加界面氧空位浓度，而非晶态界面层在5 nm超薄HZO薄膜中占比高达40%，导致唤醒效应和耐久性下降。如何通过电极工程调控界面化学，成为突破性能极限的关键科学问题。

针对这一挑战，国内研究机构的研究团队创新性地采用原子层沉积（ALD）技术制备氧含量可调的Ru电极，系统研究了Ru-O化学状态对HZO铁电性能的影响机制。通过精确控制Ru沉积温度（210-300°C），实现了氧含量从26.3%到7.4%的梯度调控，发现低温沉积的富氧Ru能向HZO提供氧原子，使氧空位浓度降低13.9个百分点，显著抑制唤醒效应。但令人意外的是，这种"氧供给"策略虽将泄漏电流密度降低至Poole-Frenkel机制主导水平，却导致单斜相（m-phase）比例增加至15.4%，使剩余极化（P_r）降低至7.5 μC/cm²，且界面氧扩散损伤使耐久性骤降2个数量级。该研究首次揭示了电极氧化学状态通过"氧扩散-晶相竞争-缺陷累积"三重机制影响铁电性能的规律，为3D FeRAM器件设计提供了理论依据，成果发表于材料学期刊《Journal of Materiomics》。

研究团队采用多项关键技术：通过X射线光电子能谱（XPS）定量分析Ru 3d轨道化学态，结合紫外光电子能谱（UPS）测定功函数；利用掠入射X射线衍射（GIXRD）解析HZO多晶相比例；采用正上负下（PUND）脉冲测量排除漏电流干扰，精确提取铁电参数；通过原子力显微镜（AFM）和扫描电镜（SEM）表征界面形貌与晶粒尺寸。

研究结果揭示以下重要发现：

1. 氧含量调控机制：XPS证实Ru沉积温度每降低30°C可使RuO_x（x=2-4）含量增加6%，210°C沉积的Ru电极氧含量达26.3%，经快速热退火（RTP）后仍保留11.7%的氧化态，表明氧向HZO扩散。
2. 晶相竞争效应：GIXRD显示富氧Ru电极使HZO单斜相比例增加至15.4%，因氧空位减少导致亚稳态正交相（o-phase）自由能升高，这与密度泛函理论计算结果一致。
3. 电性能调控：PUND测试表明300°C沉积的贫氧Ru电极使P_r提升至15.6 μC/cm²，矫顽场（E_c）降至0.86 MV/cm，为文献报道最低值之一；而富氧Ru电极因界面偶极子效应产生-0.4 MV/cm的印压场（E_imp）。
4. 耐久性瓶颈：疲劳测试发现富氧Ru电极器件在10⁶次循环前即失效，SEM显示界面氧扩散形成缺陷聚集通道，而贫氧Ru电极可维持10⁷次循环。

讨论部分指出，虽然Ru电极的氧供给能力可抑制唤醒效应，但实际应用中需权衡三重矛盾：氧含量增加会降低漏电流却牺牲P_r；减少单斜相需提高氧空位浓度但会加剧唤醒效应；提高耐久性需抑制氧扩散但会削弱界面耦合。研究建议采用梯度氧含量Ru电极或界面阻挡层设计，为开发兼具高极化、低功耗的3D FeRAM提供了新方向。该工作首次建立"电极氧化学-铁电相变-器件性能"的定量关系，被审稿人评价为"界面工程领域的里程碑式研究"。