光分子效应理论

《Materials Today Physics》：Theory of the photomolecular effect

负电容增强型电荷陷阱闪存通过双界面工程实现高编程效率（近理想ISPP斜率0.95）、长数据保留和优异循环稳定性（超10^4次周期），为低功耗存储器和神经形态计算提供可扩展的CMOS兼容平台。

　　

李尚镐|金吉旭|南允硕|郑阳珍|姜贤俊|金雄珍|申勋燮|申民哲|朴相勋|徐光佑|金光洙|金万基|河大元|安镇浩|郑尚勋

摘要

铁电异质结构中的负电容（NC）为高效能电子设备的内部电压应用提供了有前景的途径。然而，其在非易失性存储器中的应用受到了不稳定性和有限耐久性的限制。在这里，我们展示了一种稳定的、通过双重界面工程实现的增强负电容的电荷陷阱闪存（NC-CTF）存储器，该存储器同时具备高编程效率、长保持时间和强大的循环耐久性。在Hf_0.5Zr_0.5O₂（HZO）中加入的超薄Al₂O₃中间层调节了畴结构，并促进了能量向退极化能量的重新分配，增强了负电容效应。同时，电荷陷阱层（CTL）和阻挡氧化物（BO）之间的TiO₂层增加了导带偏移，抑制了寄生电荷注入和退化。因此，NC-CTF器件实现了接近理想的增量阶跃脉冲编程（ISPP）斜率约0.95，13.4 V的存储窗口，支持四级单元（QLC）操作，并且耐久性超过了10⁴次编程/擦除循环。将负电容物理特性与闪存架构相结合，为超低功耗存储器和神经形态计算提供了一个可扩展且与CMOS兼容的平台，有助于推进高效能和智能纳米电子系统的发展。

章节摘录

引言

随着对高效能、高密度非易失性存储器（NVM）需求的持续增长[[1], [2], [3], [4], [5], [6]]，由于其结构简单性、与CMOS的兼容性和可扩展性[[7], [8], [9], [10], [11]]，CTF存储器仍然是一个强有力的候选者。然而，传统的CTF架构在同时实现低电压编程、高速度和长期耐久性方面遇到了重大挑战。特别是增量阶跃脉冲编程（ISPP）

提高负电容增强效应的工程策略

在NC-CTF存储器中，栅极堆栈由一系列介电层组成，这些层的电容共同决定了整体电压分布。与传统CTF结构不同，NC-CTF利用了铁电/介电（FE/DE）异质结构（通常由HZO和相邻介电层组成）的负电容效应来放大BO的有效电容。这使得更多的栅极电压分布到隧穿氧化物（TO）上，从而

将负电容集成到电荷陷阱闪存中

通过将之前分析的HZO和Al₂O₃异质结构集成到CTF存储器的栅极堆栈中，我们制造出了图4a所示结构的CTF单元，具体制造过程详见实验部分。为了进行全面比较，我们评估了四种不同的CTF栅极堆栈，如图S4a所示。这些包括：（i）没有负电容效应的传统CTF栅极堆栈，作为参考（Ref）样本；（ii）没有中间层（w/o IL）的NC-CTF栅极堆栈；（iii）

基于仿真的负电容增强效应与NC-CTF性能提升之间的直接相关性验证

到目前为止，我们讨论了负电容在电容器层面引起的电容增强效应以及CTF单元层面的性能提升。然而，验证观察到的CTF性能提升是否确实由负电容效应驱动，而不是受到HZO集成引入的外在因素的影响是至关重要的。图S11展示了在NC-CTF栅极堆栈中，随着V_{PGM的变化，HZO和BO的电容变化情况}

结论

总之，我们展示了一种通过双重界面工程实现的稳定负电容增强电荷陷阱闪存（NC-CTF）存储器，它实现了接近理论值的编程效率和卓越的循环可靠性。通过在Hf_0.5Zr_0.5O₂中引入超薄Al₂O₃中间层，我们实现了有效的畴壁调节和退极化能量恢复，从而增强了固有的负电容效应，而不影响可扩展性。此外，在电荷

器件制造

HZO/Al₂O₃异质结构电容器的制造：HZO/Al₂O₃异质结构电容器是在热生长的300 nm SiO₂上制备的，基底为p型Si。首先，通过直流溅射沉积了50 nm厚的TiN底电极。随后，使用等离子体增强原子层沉积（PEALD）依次沉积了4 nm厚的Al₂O₃和10 nm厚的Hf_0.5Zr_0.5O₂（HZO）双层介电堆栈。对于包含中间层（IL）的样品，对HZO薄膜进行了工程处理

CRediT作者贡献声明

李尚镐：撰写——原始草稿、可视化、方法论、研究、数据管理、概念化。金吉旭：可视化、研究、数据管理。南允硕：方法论、研究。郑阳珍：方法论。姜贤俊：方法论。金雄珍：可视化。申勋燮：研究、数据管理。申民哲：监督、方法论。朴相勋：监督。徐光佑：监督。金光洙：监督。河大元：

资助

本工作得到了Samsung Electronics有限公司（IO241203-11376-01）、K-CHIPS（韩国半导体研究合作与高科技计划）（1415187390, 00231985, 23005-30FC）的支持，该计划由韩国贸易、工业与能源部（MOTIE）和NRF（编号：RS-2023-00260527）资助。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了K-CHIPS（韩国半导体研究合作与高科技计划）（2410011938, 00235655, 23006-15TC, 2410010173, 00231985, 23005-30FC）的支持，该计划由韩国贸易、工业与能源部（MOTIE）资助；以及由KIAT（由MOTIE资助的HRD工业创新计划RS-2023-KI002692）和BK21 FOUR（编号4120200113769）的支持。此外，本工作还得到了Samsung Electronics有限公司（IO241203-11376-01和国家研究的支持