通过氧等离子体处理TiN底电极，调节TiN/Hf0.5Zr0.5O2/TiN电容器中的铁电性能

《Surfaces and Interfaces》：Modulation of ferroelectric properties in TiN/Hf 0.5Zr 0.5O 2/TiN capacitors through oxygen plasma treatment of the TiN bottom electrode

氧掺入调控ALD TiN电极对10 nm HZO薄膜铁电性能的影响。优化3次O2等离子处理使HZO获得53.68 μC/cm2高剩磁极化、1.02 MV/cm低矫顽场、35.9高相对介电常数及优异耐久性，XRD和P-E曲线证实界面层促进正交相与四方相共存。

　　在当前快速发展的半导体行业中，高性能、低功耗以及多功能的电子器件需求日益增长。其中，铁电材料因其独特的电荷存储能力，成为下一代非易失性存储器（NVM）和逻辑器件的重要候选材料。作为铁电材料研究的热点之一，铪氧化物（HfO?）因其高介电常数、良好的热稳定性以及与互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺的兼容性，受到了广泛关注。然而，HfO?的铁电性在某些条件下并不稳定，因此研究者们开始探索其与锆的合金体系，如Hf?Zr???O?（HZO），以优化其铁电性能。HZO在x≈0.5时表现出显著的铁电性，这使其成为替代传统动态随机存取存储器（DRAM）的关键材料。为了实现这一目标，研究人员不仅关注HZO本身的特性，还深入探讨了其与电极材料之间的相互作用，特别是钛氮（TiN）作为底电极和顶电极的使用。

TiN作为一种常见的金属电极材料，因其高导电性、良好的热稳定性和与CMOS工艺的兼容性而被广泛应用于铁电器件中。在铁电HZO薄膜的结构中，TiN电极对相形成和电学性能具有重要影响。研究表明，TiN电极的氧含量会显著改变HZO薄膜的界面特性，从而影响其铁电行为。因此，调控TiN底电极中的氧含量成为提升HZO薄膜性能的关键策略之一。本研究采用原子层沉积（ALD）技术制备TiN底电极，并通过调整O?等离子体处理的循环次数（0、1、2、3、4次），系统地研究了其对HZO薄膜相组成和铁电性能的影响。同时，为了确保实验的可比性，所有样品均采用相同的TiN顶电极结构，从而排除了顶电极对结果的干扰。

在实验过程中，研究人员利用多种先进的表征技术，包括掠入射X射线衍射（GIXRD）、高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）以及俄歇电子能谱（AES），对样品进行了深入分析。这些技术能够提供关于HZO薄膜结构、界面层组成以及相态分布的详细信息。通过GIXRD分析，研究人员发现，经过O?等离子体处理的TiN底电极能够显著影响HZO薄膜中正交相（O-phase）和四方相（T-phase）的形成。而HRTEM和AES则进一步揭示了氧含量对界面层厚度和化学组成的影响。结果表明，当O?等离子体处理循环次数为3次时，HZO薄膜表现出最佳的铁电性能。具体而言，该条件下HZO薄膜的剩余极化（2P?）达到了53.68 μC/cm2，矫顽场（E??）仅为1.02 MV/cm，相对介电常数（ε?）高达35.9，并且具有优异的耐久性。这些性能指标均优于其他处理条件下的样品，说明3次O?等离子体处理是优化TiN底电极氧含量的关键。

进一步分析发现，氧含量的调控不仅影响了HZO薄膜的相组成，还对界面层的形成起到了决定性作用。研究指出，经过O?等离子体处理的TiN底电极能够促进HZO与TiN之间形成一层理想的TiO?N?界面层。这一界面层的厚度和化学组成直接影响HZO薄膜的极化行为和相稳定性。通过GIXRD和极化-电场（P–E）回滞曲线的分析，研究人员确认了该界面层对HZO薄膜中正交相和四方相共存的促进作用。这种相共存现象有助于提高HZO薄膜的极化因子，从而增强其铁电性能。此外，研究还发现，低温退火（400?°C）能够进一步优化HZO薄膜的铁电性，使得其在保持高极化能力的同时，还能维持较低的矫顽场，这对实际应用具有重要意义。

本研究的结果表明，通过精确控制TiN底电极中的氧含量，可以有效提升HZO薄膜的铁电性能和可靠性。这不仅为铁电存储器和逻辑器件的开发提供了新的思路，也为未来纳米级电子器件的设计和制造提供了重要的技术支持。在实际应用中，HZO薄膜的高极化能力和低矫顽场使其成为替代传统DRAM的理想材料。通过与TiN电极的协同作用，HZO薄膜能够在不改变现有电荷感应电路的前提下，实现非易失性存储功能，从而提高存储器的效率和实用性。这一发现为实现更小型化、更高性能的存储设备提供了坚实的理论基础和技术路线。

此外，研究还强调了界面层在铁电性能中的关键作用。界面层不仅影响HZO薄膜的相态分布，还决定了其在电场作用下的极化行为。通过调整O?等离子体处理的循环次数，研究人员能够调控界面层的厚度和化学组成，从而优化HZO薄膜的整体性能。这一过程涉及复杂的物理和化学机制，包括界面应力的调控、晶格匹配的优化以及氧扩散行为的控制。在这些机制的共同作用下，HZO薄膜能够在不同的处理条件下表现出截然不同的铁电特性。因此，理解这些机制对于实现HZO薄膜的可控合成和性能优化至关重要。

在当前的电子器件设计中，界面层的质量直接影响器件的性能和寿命。因此，研究者们致力于开发能够精确控制界面层特性的工艺方法。本研究通过O?等离子体处理和ALD技术的结合，实现了对TiN底电极氧含量的精准调控，进而优化了HZO薄膜的界面层特性。这种优化不仅提升了HZO薄膜的铁电性能，还增强了其在实际应用中的可靠性。研究结果表明，通过合理的工艺设计，可以实现HZO薄膜在极小厚度下的高性能表现，这为未来纳米级电子器件的发展提供了重要的技术支撑。

在材料科学领域，界面工程已成为提升器件性能的重要手段。通过调控界面层的化学组成和结构，可以显著改善材料的电学、光学和机械性能。本研究中的发现进一步证明了界面工程在铁电材料中的重要性。研究人员发现，界面层的厚度和氧含量对HZO薄膜的极化行为具有显著影响。因此，未来的研究可以进一步探索如何通过不同的处理方法，如热处理、化学处理或物理处理，来优化界面层的特性。这些研究不仅有助于提高HZO薄膜的性能，还可能为其他铁电材料的界面优化提供借鉴。

从应用角度来看，HZO薄膜的高性能表现使其在多种电子器件中具有广泛的应用前景。例如，在非易失性存储器（NVM）中，HZO薄膜可以替代传统的铁电材料，如PZT（锆钛酸铅）和BST（钡锶钛酸盐），从而实现更低的功耗和更高的集成度。此外，HZO薄膜还可能用于逻辑器件、传感器和能量存储系统等领域。在这些应用中，界面层的优化是实现器件高性能的关键因素之一。因此，本研究的成果不仅对铁电存储器的开发具有重要意义，还可能推动其他领域的技术进步。

为了实现HZO薄膜的高性能表现，研究人员还需要进一步探索其与其他材料的兼容性。例如，在与不同类型的电极材料（如Pt、Ta、Al等）结合时，HZO薄膜的铁电性能可能会受到不同程度的影响。因此，未来的研究可以关注如何通过调整电极材料的组成和处理工艺，来进一步优化HZO薄膜的性能。同时，研究者们还需要考虑HZO薄膜在不同环境下的稳定性，例如在高温、高湿或高辐射条件下，其铁电性能是否会受到影响。这些问题的解答将有助于推动HZO薄膜在实际应用中的可靠性。

此外，HZO薄膜的制造工艺也需要不断优化。目前，ALD和PVD是常用的沉积方法，但它们各自的优缺点也需要进一步研究。例如，ALD能够实现更精确的厚度控制，但其沉积速度相对较慢；而PVD则具有较高的沉积速率，但可能难以实现均匀的薄膜生长。因此，研究者们需要寻找一种能够结合两者优势的工艺方法，以提高HZO薄膜的制造效率和均匀性。同时，研究人员还需要探索如何通过引入其他元素或调整沉积参数，来进一步优化HZO薄膜的性能。

在本研究中，研究人员还强调了低温退火对HZO薄膜性能的提升作用。低温退火可以在不破坏薄膜结构的前提下，促进氧的扩散和相的转变，从而提高其铁电性能。然而，低温退火的具体机制仍需进一步研究。例如，低温退火过程中，氧的扩散路径、界面层的重构行为以及晶格结构的变化都需要深入分析。这些研究将有助于揭示HZO薄膜性能优化的微观机制，并为未来的技术改进提供理论依据。

综上所述，本研究通过调控TiN底电极中的氧含量，成功优化了HZO薄膜的铁电性能。这一成果不仅为铁电存储器和逻辑器件的开发提供了新的思路，还为其他铁电材料的界面优化和性能提升提供了重要的参考。未来的研究可以进一步探索如何通过不同的工艺方法和材料组合，来实现HZO薄膜的更广泛应用。同时，还需要关注HZO薄膜在实际应用中的稳定性和可靠性，以确保其在复杂环境下的性能表现。这些研究将为下一代电子器件的开发提供坚实的基础，并推动半导体技术的持续进步。