通过TiO2界面层协同调控MPB-HZO电容器的极化与漏电流：面向下一代铁电存储器的可靠性突破

本综述创新性地提出利用TiO2界面层调控近同质相界（MPB）HfxZr1-xO2（HZO）基金属-铁电-金属（MFM）电容器的电学特性。研究通过多尺度表征揭示了TiO2层可同步实现漏电流抑制、极化稳定性提升、氧空位（VO）分布调控及低频噪声（LFN）降低四大协同效应，为突破铁电存储器（DRAM）的可靠性瓶颈提供了创新性界面工程策略。

　　

2.1 MFM电容器的电学与储能特性

通过直流溅射和原子层沉积（ALD）技术在重掺杂硅基底上制备了金属-铁电-金属（MFM）结构电容器。采用6 nm HZO作为铁电层，实验组（HZO_Ti）在底层界面插入0.4 nm TiO₂界面层，对照组（HZO_Ref）则无该界面层，顶电极与底电极均采用钼（Mo）材料。

电流-电压（I–V）与极化-电压（P–V）测试结果显示：TiO₂界面层的引入使漏电流在负电压区域降低约80%，正电压区域同样观察到显著抑制。HZO_Ref表现出未闭合的弥散电滞回环，表明存在高漏电流与电荷俘获现象；而HZO_Ti则呈现完全闭合的回环，证实其具有更稳定的铁电特性。此外，HZO_Ti的开关电流曲线更为尖锐，表明其偶极子在更一致的电压下切换，显著提升了开关效率。

历经10⁰至10⁷次循环的耐久性测试进一步验证了HZO_Ti的优越性能：HZO_Ref出现渐进式回环劣化和峰值电压漂移，而HZO_Ti保持高度稳定的开关特性，这对需要频繁读写的DRAM应用具有重要意义。

储能特性分析表明，HZO_Ti的能量损耗密度（J_loss）显著降低，能量效率（η）达到HZO_Ref的两倍。直流击穿特性测试显示HZO_Ti具有更高的击穿电压（V_BD），与漏电流抑制行为一致。

电容-电压（C–V）与介电常数-电压（k–V）测试表明：两种结构在0 V附近均呈现最高电容值，符合MPB材料的典型特征。HZO_Ti在100 kHz下的介电常数较对照组提高约10%，且在1–100 kHz频率范围内仅下降10%，而HZO_Ref下降达20%，证明TiO₂层有效提升了频率稳定性。

2.2 MFM电容器的相组成与结晶性

采用掠入射X射线衍射（GIXRD）分析薄膜的晶体结构，衍射峰位于30.5°附近对应正交相（111）_o、四方相（011）_t和单斜相（111）_m的重叠峰。通过分峰拟合计算相比例，发现两组样品具有相似的o/t/m相比例，表明TiO₂层的引入并未改变MPB相组成。横截面透射电镜（TEM）及快速傅里叶变换（FFT）图谱进一步在局部区域观察到正交相与四方相的晶格条纹，为GIXRD结果提供了佐证。

2.3 MFM电容器的氧空位调控

通过X射线光电子能谱（XPS）深度剖析研究氧空位（V_O）分布。O1s谱分解为晶格氧（530.7 eV）和氧空位（532.8 eV）两个组分。深度分析发现：在底层界面区域，HZO_Ref的V_O浓度为10.18%，而HZO_Ti降至5.86%，降幅近50%。这表明TiO₂层发挥了氧库作用，向HZO层注入氧原子从而填补空位。

V_O浓度的降低直接解释了漏电流抑制现象：减少的电荷俘获中心降低了陷阱辅助隧穿（TAT）概率。此外，更低的V_O浓度促使偶极子退钉扎，从而改善了高频下的介电响应特性。

2.4 MFM电容器的低频噪声特性

归一化电流噪声功率谱密度（S_I/I_T²）测试表明：在低电流区域以散粒噪声为主，高电流区域则以1/f噪声为主导。这种转变源于准费米能级（E_F）随电流增大而上升，导致陷阱占据时间延长。HZO_Ti在全电流范围内表现出更低的噪声幅度，尤其在1/f噪声主导区域差异显著，这归因于氧空位减少带来的能带波动抑制。

3 结论

本研究系统论证了TiO₂界面层在MPB-HZO电容器中的多重效益：有效抑制漏电流通路、稳定极化特性、调控氧空位分布、降低低频噪声。这些协同效应显著提升了铁电存储器的可靠性与能效，为下一代DRAM技术提供了创新的界面工程解决方案。

4 实验方法

MFM电容器采用标准微纳加工工艺制备：硅片经SC-1溶液和稀氢氟酸清洗后，直流溅射20 nm钼底电极，通过热ALD沉积6 nm HZO薄膜（HfO₂与ZrO₂循环比为2:1）。实验组增加0.4 nm TiO₂界面层，顶电极采用图案化的钼电极，最终进行600°C氮气环境快速热退火。电学测试采用Keithley 4200-SCS参数分析仪，C–V测试使用Keysight B1500A分析仪，结构表征采用GIXRD和TEM，成分分析采用ThermoFisher NEXSA XPS系统，噪声测试通过B1500A配合SR570低噪声放大器完成。