氧清除 - 储库杂化电极最小化超薄 Hf0.5Zr0.5O2 铁电体中的界面氧化还原

《Device》：Oxygen scavenger-reservoir hybrid electrode minimizes interfacial redox in ultrathin Hf0.5Zr0.5O2 ferroelectrics

　　

全局视野

对节能高效数据处理的需求要求将非易失性存储器与逻辑电路集成。铁电Hf_0.5Zr_0.5O₂是与互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容的实现此类存储器的途径，但将其缩放至超薄薄膜受到金属界面处氧交换的限制，该交换会产生缺陷、相不稳定性、唤醒效应和击穿。本工作引入了氧亲和力中和作为一种材料设计原则，其中单层岩盐结构(Ti,Mo)N电极将Ti驱动的氧清除与Mo介导的氧缓冲相结合，以最小化净氧转移。通过将界面化学、氧空位分布、残余应变、相稳定性和器件可靠性联系起来，我们表明氧化还原平衡的氮化物电极可以在5 nm的Hf_0.5Zr_0.5O₂中协调高极化、低热预算、快速开关和长耐久性。该概念适用于界面氧化学势控制功能相和可靠性的氧化物电子学领域。

要点

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氧化还原平衡的(Ti,Mo)N电极中和了Hf_0.5Zr_0.5O₂界面的氧亲和力

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Ti清除与Mo缓冲共同抑制界面氧交换

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界面氧化还原的缓解增强了应变转移并实现了抑制唤醒效应的开关特性

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5 nm Hf_0.5Zr_0.5O₂实现了超过10¹¹次循环的耐久性，预计可达亚纳秒级开关

摘要

超薄Hf_0.5Zr_0.5O₂铁电体可作为与互补金属氧化物半导体工艺兼容的存储器件，但由氧交换驱动的界面氧化还原反应会破坏极性正交相的稳定性，导致唤醒效应和可靠性问题。在此，我们展示了利用氧化还原平衡的(Ti,Mo)N电极实现氧亲和力中和的方法，该电极将钛驱动的氧清除与钼介导的氧缓冲相结合。在5 nm厚的Hf_0.5Zr_0.5O₂电容器中，透射电子显微镜、X射线光电子能谱和掠入射广角X射线散射分析表明，氧交换受到抑制，界面层更薄，氧空位更少，面内拉应变增强，且未检测到非铁电单斜相。这些界面改善带来了无凸起的极化-电场迟滞回线、超过10¹¹次循环的耐久性（双剩余极化为38.2 μC/cm²），以及在0.1 μm²电容器面积下经面积外推所得的亚纳秒中位数开关时间。该清除器-储库电极设计能够实现快速、稳定且抑制唤醒效应的氧化铪锆铁电体，适用于先进存储技术。

图形摘要