通过调控形态转变相界（MPB）对HfO2进行工程化处理，以降低矫顽场（Ec）值，从而实现更节能的FeFET（铁电场效应晶体管）

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Morphotropic phase boundary (MPB)-engineered HfO2 to reduce coercive field (Ec) for energy-efficient FeFETs

　　

J.Y. 李 | Z.F. 罗 | M.H. 李

台湾国立大学高级科技研究生院（GSAT）半导体器件、材料与异质集成项目（DMHI），台北，10617，台湾

摘要

基于Hf_1-xZr_xO₂的铁电场效应晶体管（FeFETs）通过形变相界（MPB）工程研究，旨在同时增强极化性能并降低矫顽场强度。采用原子层沉积（ALD）技术制备了HZO/ZrO₂/HZO（HZZ）超晶格结构，其介电常数为46，剩余极化为41 μC/cm²，矫顽场（E_c）降至0.8 MV/cm。与HZO和HfO₂/ZrO₂/HfO₂（HZH）相比，HZZ在较低的应用扫描偏压下实现了更宽的1.6 V记忆窗口，从而实现了低工作电压下的高效极化切换。耐久性测试表明，该结构可进行高达10¹¹次的编程/擦除循环，且开关比超过10⁵。这些结果凸显了HZZ-FeFET作为可扩展且节能的器件平台的潜力，具有出色的可靠性和在高密度非易失性存储器及神经形态计算领域的应用前景。

引言

人工智能和神经形态计算的快速发展对具有快速访问、高密度和优异能效的存储器件产生了强烈需求[[1], [2], [3]]。传统的冯·诺依曼架构受到逻辑计算与存储之间数据传输瓶颈的限制，这推动了结合存储与计算功能的计算在内存（compute-in-memory）范式的开发[4,5]。从这个角度来看，节能型非易失性器件对于实现大规模并行操作以及降低功耗至关重要。基于HfO₂铁电材料的铁电场效应晶体管（FeFETs）因其非易失性极化切换、超低写入能量、与CMOS的兼容性以及出色的可扩展性而成为有前景的候选者[6,7]。FeFETs在嵌入式非易失性存储器、神经形态加速器和数据中心计算引擎方面具有优势。在阵列层面，采用单晶体管（1T）FeFET配置特别具有吸引力，因为与传统的1T1C或2T0C架构相比，它可以最大化密度并简化外围电路（如图1(a)所示[8,9]）。然而，此类阵列中的可靠写入和读取操作严重依赖于降低工作电压以减少干扰并提高耐久性。熵在HZO的铁电相形成中起着重要作用，因为Hf和Zr原子的有序排列有助于降低四方相向正交相的转变能垒。换句话说，超晶格（SL）的沉积增强了极化性能，这归因于配置熵的减少，从而稳定了铁电相。此外，Hf_1-xZr_xO₂中的形变相界（MPB）工程为解决这些挑战提供了有效途径[10,11]。MPB附近正交相和四方相的共存不仅增强了剩余极化，还降低了矫顽场强度，有效降低了偶极子切换的电压门槛（如图1(b)所示）。这种机制能够在较小的访问偏压下实现更大的记忆窗口，从而实现稳健的多级编程和能效提升。在本研究中，我们利用MPB工程化的FeFETs，通过金属-铁电-金属（MFM）电容器降低了矫顽场强度，并实现了FeFETs的工作电压降低，同时提高了可靠性，从而提升了能效。这些结果突显了MPB-FeFET技术在高密度嵌入式非易失性存储器和神经形态计算应用中的影响和潜力。

章节摘录

器件制备

MFMs和FeFETs的制备是在6英寸硅基板上进行的。HfO₂基铁电层采用原子层沉积（ALD）技术制备。沉积过程在250°C、10^?3 Torr的真空中进行，使用200 sccm的Ar作为载气以稳定腔室压力和气体流动。HfO₂和ZrO₂膜的沉积速率分别校准为0.96 ?/cycle和0.92 ?/cycle。HZO层通过交替沉积HfO₂和ZrO₂层来形成。

结果与讨论

如图3(a)所示，HZZ结构的电容和介电常数均高于HZO和HZH结构，这归因于Hf_1-xZr_xO₂系统中的形变相界（MPB）效应。随着Zr浓度的增加，系统从正交相（o-phase）转变为四方相（t-phase），从而降低了弹性能量和氧子晶格间的偶极-偶极相互作用能量。HZO和ZrO₂的超晶格结构通过诱导这种效应而优化了性能

结论

本研究证明了MPB工程化的MFMs和FeFETs在矫顽场强度和工作电压方面均有所改进。采用HZZ堆叠的MFM电容器表现出约46的介电常数和低至0.8 MV/cm的矫顽场（Ec），而相应的FeFETs在±2.5 V的工作电压下实现了1.6 V的更宽记忆窗口。耐久性测试表明，该结构可进行高达10¹¹次的编程/擦除循环，开关比超过10⁵，具有多级存储的潜力

CRediT作者贡献声明

J.Y. 李：概念构思、数据整理、形式分析、实验研究、初稿撰写。Z.F. 罗：数据整理。M.H. 李：项目资助申请、项目管理、监督、审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明以下可能构成潜在利益冲突的财务利益/个人关系：

Min-Hung LEE表示获得了Semiconductor Research Corp.的财务支持；Min-Hung LEE还获得了国家科学技术委员会的财务支持；Min-Hung LEE获得了Powerchip Semiconductor Manufacturing Corporation的财务支持；Min-Hung LEE获得了MATek的财务支持。

致谢

本研究部分得到了国家科学技术委员会（NSTC）（项目编号：114-2221-E-002-212-MY3、112-2221-E-002-252-MY3、114-2640-E-002-007、114-2622-8-002-016）的资助；Powerchip Semiconductor Manufacturing Corporation（PSMC）（项目编号：115H1004-C07, 1151004-C08）的资助；MATek（项目编号：2025-T-007）的资助；以及台湾国立大学（项目编号：NTU-CC-115L890306）的资助；同时得到了台湾半导体研究所（TSRI）和国家应用研究实验室（TSRI）及纳米设施的支持。