(Hf,Zr)O2（HZO）薄膜中的铁电效应因其兼具与互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺的兼容性、较大的剩余极化强度(Pr)以及优异的可靠性而受到了学术界和工业界的广泛关注，被视为下一代非易失性存储器和新兴计算设备的理想平台[[1], [2], [3], [4], [5], [6]]。特别是，铁电材料的固有Pr可以有效增强有效介电响应[1,7]。将这一特性应用于单晶体管单电容器（1T–1C）单元被视为扩展当前动态随机存取存储器（DRAM）尺寸极限的有希望的方法[5,[8], [9], [10]]。然而，当HZO处于铁电模式时，与Pr相关的非易失性要求双极操作，实际驱动电压通常是矫顽场(Vc)的两到三倍，这成为降低工作电压的瓶颈[11]。
为了克服铁电HZO的电压限制，Pe?i?及其同事提出了利用反铁电材料（AFE），后者由于场诱导的相变而表现出双滞回特性，与铁电材料的单滞回特性不同[12]。虽然较大的Pr对传统铁电存储器有利，但反铁电操作本质上需要一种权衡：为了获得更低的有效矫顽场(Ec和切换电压，Pr会相应降低。对于类似eDRAM和逻辑兼容的非易失性电容存储器而言，低工作电压、高耐久性和操作稳定性比最大化Pr更为重要，因此这种权衡在目标应用中是可以接受的[13,14]。在DRAM/eDRAM类型的1T–1C电荷共享读出机制下，关键要求是在工作电压下满足电荷/传感预算，而不是单独最大化Pr；相应地，所需的平面等效电容器面积随着额外切换电荷的增加而减小（约2PrA）。此外，降低工作电压还可以通过电压缩放（E ∝ V2）来降低动态能耗[12,13]。尽管AFE本质上是易失性的，但通过内置场(Ebi工程可以诱导非易失性。Pe?i?等人实验表明，通过顶部和底部电极之间的功函数差异产生Ebi的不对称电容器可以实现“印迹”AFE。这种印迹AFE的Ec可以低于相同厚度的铁电材料，从而实现更低的电压、更低的功耗，并且在给定偏压下切换速度更快。此外，铁电HZO在极化切换速度和耐久性之间存在权衡；降低Ec被认为是一种根本解决方案，而印迹AFE为缓解这一权衡提供了有前景的途径[[14], [15], [16], [17], [18], [19], [20], [21]]。最近的研究还表明，通过成分或相工程也可以在铁电HZO中实现较低的Ec值[[22], [23], [24]]。然而，AFE操作本身可以实现更低的有效Ec值，并为解决电压缩放和可靠性限制提供了另一种设计思路。
除了功函数不对称性外，还可以通过其他方法在反铁电HZO中引入Ebi，包括电荷缺陷工程[[14], [15], [16]]。虽然在高电场下电荷缺陷可能会发生漂移，从而改变它们的空间分布和Ebi，但在足够低的场强下操作印迹AFE有望抑制缺陷漂移，同时保持稳定的Ebi[25], [26], [27]]。
在这项研究中，我们建议在富含Zr的Hf0.3Zr0.7O2超薄薄膜中进行缺陷工程，以诱导印迹效应并实现非易失性反铁电电容器。与之前依赖于功函数不对称性或额外氧化物插入来诱导印迹的方法不同[28,29]，本策略仅通过顶部电极的重新沉积来利用界面缺陷工程。这样可以确定性地控制Ebi，同时保持TiN/HZO/TiN堆栈的对称性和与工业标准的兼容性。基于一种广泛使用的工艺流程——先沉积覆盖层再通过湿化学蚀刻——该流程已知会显著影响HZO的结晶度和铁电行为，我们在顶部界面层引入了足够密度的缺陷，以建立稳定的Ebi》。由此产生的印迹AFE电容器能够在1.25伏的电压下实现低功耗操作，并且耐久性可达1010次循环。这项工作提出了一种新的缺陷工程策略，为反铁电材料赋予非易失性，推动了低功耗、高可靠性的铁电存储器技术的发展。
