用于抑制HfZrO2铁电电容器中压印效应的界面工程技术

《Microelectronic Engineering》：WO x interfacial engineering for imprint suppression in HfZrO 2 ferroelectric capacitors

　　

摘要

基于HfO₂的铁电薄膜因其出色的CMOS兼容性，被视为下一代非易失性存储器的理想材料。然而，严重的压印效应仍是这类薄膜可靠性的关键问题。在本研究中，通过钨膜的O₂等离子体氧化处理，在W/WO_x/HfZrO₂/W铁电电容器中引入了可调控的WO_x中间层。系统研究了WO_x中间层对电容器器件的极化强度、耐久性以及压印特性的影响。优化后的器件其2Pr值从33 μC/cm²提升至45 μC/cm²，耐久性也提高到了10⁸次循环。压印测试表明，WO_x中间层能够有效抑制PV环的位移，尤其是在高温环境下，可使位移量减少41%。本研究结果证明，WO_x界面工程通过充当界面缓冲层和氧储备库的作用，有效提升了基于HfO₂的铁电器件的压印性能与可靠性。

引言

2011年，人们在掺硅的HfO₂薄膜中发现了铁电性，这一发现解决了传统钙钛矿型铁电材料与CMOS技术之间长期存在的兼容性问题，推动了基于HfO₂的铁电存储器的发展[1]、[2]、[3]、[4]。由于具备优异的铁电性能和CMOS兼容性，基于HfO₂的铁电薄膜在非易失性存储器领域受到了广泛关注。不过，压印效应仍然制约着它们的实际应用，该效应会导致工作电压偏移、读写故障以及存储性能下降[5]、[6]、[7]。

压印效应通常归因于铁电薄膜界面处的不对称电荷重分布以及由此产生的内建电场[8]。目前已有多种理论模型被提出，包括畴固定模型[9]、[10]、[11]、电荷注入模型[8]、[12]、[13]以及界面死层模型[14]、[15]。其中，电荷注入模型因能够解释压印效应随时间及极化状态的变化而得到广泛认可。在外加电场作用下，铁电薄膜与电极之间的界面层内会形成较强的局部电场，从而引发电荷注入。不断积累在界面处的注入电荷最终会导致不对称的电荷分布和内建电场的产生，进而引发压印效应[12]。在基于HfO₂的铁电器件中，界面氧空位（V_O）对电子的捕获被认为是导致压印效应的主要因素之一[8]、[10]、[16]。研究表明，通过调控氧空位，WO_x界面工程能够提升基于HfO₂的铁电器件的性能[17]、[18]，但其对于抑制压印效应带来的性能退化，尤其是在高温环境下的作用机制，目前仍需进一步阐明。

在本研究中，人们在W/HZO/W铁电电容器结构中引入了可调控的WO_x中间层，旨在优化器件的极化性能与压印特性。研究结果表明，WO_x中间层通过两种机制提升器件性能：其一，它能够减轻钨电极的氧清除作用，从而抑制界面缺陷的形成；其二，适度氧化的WO_x层可作为氧储备库，有助于在脉冲应力作用下重新分配氧物种，并部分补偿HZO界面附近产生的V_O。这样一来，电子捕获现象得以缓解，进而有效降低了压印效应。值得注意的是，在高温环境下，WO_x/HZO界面附近的氧物种与氧空位的重新分布更为活跃，这有利于氧原子进入界面氧空位位置，进一步提升器件的抗压印能力。

章节节选

实验部分

铁电电容器的制备流程如图1(a)所示。钨底电极的O₂等离子体氧化处理是在恒定的等离子体功率、腔室压力、O₂流量以及基底温度条件下进行的。通过精确控制处理循环次数，可实现0分钟（WO_x-0）、10分钟（WO_x-10）、20分钟（WO_x-20）以及30分钟（WO_x-30）的不同总处理时间。研究人员通过相关方法分析了薄膜中钨元素的化学状态以及V_O的相对浓度

结果与讨论

图1(b)和图1(c)展示了在不同O₂等离子体处理时间下，钨底电极的XPS分析结果。对于未经等离子体处理的纯钨材料（WO_x-0），其在暴露于空气后会发生自发的表面氧化反应，形成一层含有高密度V_O的超薄氧化层。根据XPS光谱中金属钨信号的衰减情况，该表面氧化层的厚度约为0.36纳米。该氧化层的相对氧空位浓度为21.57%。

结论

综上所述，研究证明WO_x界面工程是提升基于HfO₂的铁电电容器可靠性的有效策略。WO_x中间层既可以通过减轻钨电极的氧清除作用来减少界面氧空位缺陷，又能在极化切换过程中充当氧储备库。因此，采用该中间层的器件具有更高的剩余极化强度、更优异的耐久性，且压印现象也得到了显著抑制。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了华东师范大学/华大集成电路工程技术联合实验室的支持。

Zibo Dong|Zeping Weng|Daolin Cai|Yi Zhao

中国上海200241，华东师范大学集成电路科学与工程学院