综述：用于三维集成的具有多晶TiO2沟道的稳健且兼容的铁电存储器

《Advanced Electronic Materials》：Robust and Compatible Ferroelectric Memories with Polycrystalline TiO2 Channel for 3D Integration

这篇综述全面总结了基于多晶TiO2沟道的铁电场效应晶体管（FeFET）的最新进展。文章系统阐述了HfO2-TiO2铁电-氧化物半导体（FE-OS）栅堆叠的材料特性、稳定性物理机制及其在多维可靠性（电学、热学、环境）方面的卓越表现，并通过平面双栅和垂直沟道等新颖器件架构，展示了该平台在实现高密度、高能效单片三维集成（M3D）和存内计算（CIM）方面的巨大潜力。

　　

在人工智能时代，对更高计算效率的需求正驱动着存内计算（CIM）和单片三维（M3D）集成等新型内存技术的发展。采用氧化物半导体（OS）沟道的铁电场效应晶体管（OS-FeFET）结合了氧化铪（HfO₂）基铁电栅的优良可扩展性、快速开关和低功耗特性，以及OS沟道与M3D工艺的出色兼容性，成为一种极具前景的候选技术。然而，传统非晶氧化物半导体（如非晶铟镓锌氧化物，a-IGZO）固有的热不稳定性和操作不稳定性，长期限制了其可靠性发展。

多晶TiO₂：一种稳健的沟道材料

近年来，多晶二氧化钛（TiO₂）作为一种稳健的沟道材料脱颖而出，有效应对了上述稳定性和兼容性挑战。其优势源于根本性的结晶学和热力学机制。结构上，多晶TiO₂（主要为锐钛矿相）提供了刚性的晶格框架，具有优异的相稳定性。化学上，其简单的二元成分（Ti-O键）和均匀的键合强度，使其比成分复杂的非晶氧化物（如a-IGZO）更能抵抗选择性断键和点缺陷（如氧空位，V_O）的无控生成。在界面层面，TiO₂与掺杂HfO₂铁电体（如HfLaO）展现出卓越的热力学兼容性，两者共享重叠的工艺温度窗口（约350-800°C）。通过原子层沉积（ALD）连续生长HfO₂和TiO₂并辅以快速热退火（RTA），可以形成结晶良好的异质结，高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）和能谱分析证实其界面尖锐，无明显元素互扩散。这种高质量的界面是器件高性能的基石。

卓越的多维稳定性表现

基于此稳健的材料平台，TiO₂沟道FeFET在多个关键维度上展现了出色的可靠性：

• •
  电学稳定性：器件表现出显著的内存窗口（MW，可达1.82 V）和快速的极化翻转（在10 μs内）。在±4 V、100 kHz的脉冲循环下，器件耐久性可超过10⁸次，且内存窗口无明显闭合，证明了其优异的抗疲劳特性。
• •
  热稳定性：该平台拥有宽泛的工艺热窗口，RTA温度在600°C至700°C之间变化或在氮气/真空不同气氛下，器件的铁电性能和转移特性均保持稳定。在高达475 K（约202°C）的操作温度下，器件功能完整，内存窗口甚至有所增大，程序/擦除电流比仍维持超过一个数量级，显示了其在高温环境或高功耗堆叠系统中的适用潜力。
• •
  环境稳定性：得益于多晶TiO₂致密的晶格结构，未加钝化层保护的FeFET在环境空气中暴露一至两年后，阈值电压漂移极小（<115 mV），且仍保持完整功能。X射线光电子能谱（XPS）分析表明，氮掺杂有助于抑制氧空位形成和湿气吸附，增强了本征环境稳定性。

面向三维集成的新颖器件架构

材料层面的稳健性为设计先进的器件架构以实现M3D集成铺平了道路。

• •
  平面双栅FeFETs：利用HfLaO-TiO₂堆叠的热稳健性，可以构建对称铁电层封装TiO₂沟道的双栅结构。这种设计不仅钝化了沟道表面，抑制了后续工艺引起的阈值电压漂移，还增强了静电控制。通过独立操控顶栅和背栅的极化状态，可以实现固有的2比特/单元存储。进一步利用两个铁电层的部分极化状态，结合分层编程方案，可实现4比特/单元的多级存储操作，显著提升了存储密度。
• •
  垂直沟道铁电存储器：为应对三维铁电NAND阵列集成中的热失配问题，基于HfLaO-TiO₂堆叠的垂直沟道FeFET被成功演示。该器件在550°C至650°C的不同RTA温度下以及经历多次退火后，均表现出稳定的存储窗口和阈值电压，验证了其宽且宽容的工艺热窗口，这对于三维集成至关重要。该垂直器件在高达475 K时仍能工作，且性能有所提升。
• •
  1FeFET-1FeCAP器件：为进一步简化三维铁电RAM集成，提出了一种共享FE-OS堆叠的新型1FeFET-1FeCAP架构。该设计将铁电电容器和选通晶体管单片集成，利用共享OS沟道的栅控特性，在板线电压低于阈值时使沟道关闭，从而获得接近零的基线电容，有效放大了电容性内存窗口（CMW），且无需改变本征铁电特性。该器件同样展示了优异的高温工作稳定性。

挑战与未来展望

尽管前景广阔，TiO₂沟道FeFET的发展仍面临挑战，主要为载流子迁移率相对较低（通常为0.1-10 cm²/V·s）。未来可通过缺陷工程（精确控制氧空位）和微结构控制（优化晶粒尺寸）来提升迁移率。此外，在器件缩微化过程中，多晶沟道晶界引入的随机波动性也是阵列级集成需要解决的关键问题。

然而，TiO₂FeFET在恶劣环境下（高温、高湿）无与伦比的稳健性，为其开辟了独特的应用前景，例如汽车电子、工业物联网传感器等无需昂贵密封封装的应用场景。通过充分利用其稳定性优势，并致力于解决迁移率和缩放可靠性问题，多晶HfO₂-TiO₂平台有望成为构建未来高密度、高能效三维计算系统的基石技术。