通过界面工程增强Hf0.5Zr0.5O2电容器的铁电性能

《Micro and Nanostructures》：Enhancement of Ferroelectric Properties in Hf 0.5Zr 0.5O 2 Capacitors via Interfacial Engineering

　　

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  在 HZO 电容器中展示了采用 HfO₂ 籽晶层和 Al₂O₃ 覆盖层的双面界面工程。
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  正交相分数从 36.7% 增加到 62.6%，同时抑制了氧空位。
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  氧空位浓度从 34% 降低到 23%，使泄漏电流降低了两个数量级以上。
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  4 PUND 测试测得的真实剩余极化为 11.8 μC cm^-2，证实了真实的铁电翻转。
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  在 2.5 和 3 MV/cm 下实现了超过 10⁸ 次循环的稳定耐久性和 10 年的保持特性。

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引言

互补金属氧化物半导体（CMOS）技术的持续微缩推动了针对下一代非易失性存储应用的铁电材料研究，包括铁电场效应晶体管（FeFET）和铁电随机存取存储器（FeRAM）。传统的基于钙钛矿的铁电体，如 Pb(Zr,Ti)O₃ 和 SrBi₂Ta₂O₉，已表现出优异的铁电性能；然而，它们与标准 CMOS 的不兼容性

实验部分

• A
  器件制备

采用重掺杂 p 型 Si (100) 晶圆（电阻率 ρ ≈ 5 mΩ·cm）作为起始衬底，制备了具有双面界面工程方法的电容器结构，该衬底作为低电阻率伪金属底电极。沉积前，所有晶圆均使用标准美国无线电公司（RCA）方法进行彻底清洁，以去除原生氧化物和表面污染物。清洁过程后，多层介质堆叠层被

结果与讨论

对 S3 样品进行了横截面物理表征，以检查基于 HZO 电容器的结构完整性和晶体相。图 2(a) 展示了优化后 S3 堆叠层的高分辨透射电子显微镜（HR-TEM）图像。图像确认了高度均匀的介质层，总堆叠厚度 13 nm 内 HZO 厚度精确控制在 10 nm。在 Al₂O₃ 覆盖层、HZO 铁电层和 HfO₂ 籽晶层之间观察到清晰且定义明确的界面

结论

总之，我们证明了一种结合 HfO₂ 籽晶层和 Al₂O₃ 覆盖层的双面界面工程策略，可有效提高基于 HZO 电容器的铁电性能和可靠性。底部 HfO₂ 籽晶层在沉积时为非晶态，作为促进成核的界面缓冲层，增强了萤石相的均匀结晶，同时抑制了界面缺陷的形成；而顶部 Al₂O₃ 覆盖层则充当氧气扩散

CRediT 作者贡献声明

Junsin Yi: 写作–审阅与编辑，写作–初稿，验证，监督，项目管理，方法学，资金获取，构思。Sangmin Hong: 写作–初稿，方法学，研究，形式分析，数据整理，构思。Ire Oh: 研究，形式分析。Seungwoo Chu: 研究，形式分析。Suji Choi: 研究，形式分析。Jang-Kun Song: 研究，资金获取。Yong-Sang Kim: 研究，

利益声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

数据可用性

支持本研究结果的数据可从通讯作者处合理请求获得。

竞争性利益声明

? 作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了由韩国政府（MOTIE）资助的韩国技术促进院（KIAT）拨款支持（RS-2024-00418086，产业专家能力发展项目），以及由贸易、工业与能源部（MOTIE，韩国）资助的技术创新计划（或产业战略技术开发计划）支持（RS-2023-00266568）。

Sangmin Hong|Ire Oh|Seungwoo Chu|Suji Choi|Jang-Kun Song|Yong-Sang Kim|Junsin Yi