得益于富TiO2界面层的ZrO2反铁电电容器的非挥发性半循环操作

《IEEE Transactions on Electron Devices》：Nonvolatile Half-Loop Operation of ZrO2 Antiferroelectric Capacitors Enabled by a TiO2-Rich Interfacial Layer

氧化锆基铁电电容通过优化后沉积退火温度（450℃）和底部电极氧处理时长（5分钟），实现不对称电极结构6纳米厚ZrO2层薄膜的非易失性半循环操作，在极低电压下获得16.29 μC/cm2双剩余极化及101?次循环耐久性和10秒保持率，密度泛函理论模拟表明TiO2富集界面层降低极化切换势垒。

　　

摘要：

在这项工作中，我们提出了一种针对基于ZrO2的反铁电（AFE）电容器的低热预算加工优化策略，实现了在超低电压下的非易失性半循环操作。通过调节沉积后的退火（PDA）温度和底部电极（BE）的O3处理时间，制备出了具有6纳米ZrO2层和不对称电极的AFE电容器。最佳性能是在450°C的PDA温度和5分钟的BE O3处理条件下获得的，其双剩余极化强度为16.29 μC/cm2，循环寿命为10^10次，保持率为4 s。结构和化学分析表明，较长的O3处理时间会形成富TiO2的界面层，该层稳定了反极性的正交相，并有助于界面偶极子辅助的半循环中心对齐。密度泛函理论（DFT）模拟进一步表明，ZrO2/TiO2界面降低了极化切换的势垒。这些结果为开发高效能的基于ZrO2的AFE电容器用于嵌入式非易失性存储器（eNVM）提供了可靠的途径。