一种具有低矫顽场、长寿命的铁电三方相Hf(Zr)1+xO2材料
2023年08月03日
互联网、人工智能等信息技术的快速发展，对存储器的存储密度、访问速度以及操作次数都提出了更高的要求。氧化铪基铁电存储器具有低功耗、高速、高可靠性等优势，被认为是下一代非易失性存储器技术的潜在解决方案。然而，现在普遍研究的正交相（orthorhombic phase，o相）的铁电HZO材料由于其高铁电翻转势垒和“独立翻转”的偶极子翻转模式，导致了基于该铁电材料的器件具有高矫顽场，并导致了器件工作电压与先进的技术节点不兼容、和擦写次数受限等问题。这一问题是基于o相铁电HZO材料的本征特性，难以通过传统的优化工艺等方式解决。因此，寻找一个结构稳定且具有低翻转势垒的铁电HZO材料是需要迫切解决的难题。
针对以上难题，物理所杜世萱教授团队与微电子所微电子器件与集成技术重点实验室刘明院士团队合作，发现了一种稳定的铁电三方相Hf(Zr)1+xO2材料结构，这种结构降低了HZO铁电材料中铁电偶极子的翻转势垒。通过基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算发现，当Hf(Zr)1+xO2材料中，Hf(Zr)与氧的比例大于1.079:2时，三方相的形成能低于铁电o相和单斜相（m相）的形成能。嵌入的Hf(Zr)原子扩展了晶格，增加了其面内和面外应力，起到了稳定Hf(Zr)1+xO2材料结构和降低其铁电翻转势垒的作用。通过扫描透射电子显微镜（STEM）实验清楚地显示了过量Hf(Zr)原子嵌入在铁电三方相晶格的晶体结构，证实了理论计算的预言。基于Hf(Zr)1+xO2薄膜的铁电器件展示了超低矫顽场（~0.65MV/cm）、高剩余极化（Pr）值(22μC/cm2的)、小的饱和极化电场（1.25MV/cm）、和大的击穿电场（4.16MV/cm），并在饱和极化下实现了1012次循环的耐久性。这一研究结果为低功耗、低成本、长寿命的存储器芯片提供了一种有效的解决方案。
相关工作发表在Science, 381, 558 (2023)上，标题为“A stable rhombohedral phase in ferroelectric Hf(Zr)1+xO2 capacitor with ultralow coercive field”。
文章链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf6137
图1. 原子分辨的STEM图像和DFT理论预言的Hf(Zr)1+xO2材料结构及铁电性质。(A) Hf(Zr)1+xO2材料的STEM 图像，显示Hf/Zr原子的插层结构（嵌入的Hf/Zr原子以蓝色表示，并以箭头指出）。(B) 铁电HfO2（左）和Hf1.08O2（右）的原子结构图。虚线表示的是该结构的菱方表示（r相）的晶格，实线是其六角表示的晶格。(C) r相（三方相）, 铁电o相 和单斜相（m相）的Hf(Zr)1+xO2材料的形成能。随着x增大到0.079，Hf(Zr)1+xO2材料的基态从m相转换到r相（三方相）。(D) HfO2 和Hf1+xO2 的铁电极化值随着 [111]面间距d111变化的关系。E. 三方相Hf1+xO2铁电材料的极化翻转路径。F. HfO2和Hf1.08O2材料的极化翻转势垒随着应力变化的关系。
互联网、人工智能等信息技术的快速发展，对存储器的存储密度、访问速度以及操作次数都提出了更高的要求。氧化铪基铁电存储器具有低功耗、高速、高可靠性等优势，被认为是下一代非易失性存储器技术的潜在解决方案。然而，现在普遍研究的正交相（orthorhombic phase，o相）的铁电HZO材料由于其高铁电翻转势垒和“独立翻转”的偶极子翻转模式，导致了基于该铁电材料的器件具有高矫顽场，并导致了器件工作电压与先进的技术节点不兼容、和擦写次数受限等问题。这一问题是基于o相铁电HZO材料的本征特性，难以通过传统的优化工艺等方式解决。因此，寻找一个结构稳定且具有低翻转势垒的铁电HZO材料是需要迫切解决的难题。
针对以上难题，物理所杜世萱教授团队与微电子所微电子器件与集成技术重点实验室刘明院士团队合作，发现了一种稳定的铁电三方相Hf(Zr)1+xO2材料结构，这种结构降低了HZO铁电材料中铁电偶极子的翻转势垒。通过基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算发现，当Hf(Zr)1+xO2材料中，Hf(Zr)与氧的比例大于1.079:2时，三方相的形成能低于铁电o相和单斜相（m相）的形成能。嵌入的Hf(Zr)原子扩展了晶格，增加了其面内和面外应力，起到了稳定Hf(Zr)1+xO2材料结构和降低其铁电翻转势垒的作用。通过扫描透射电子显微镜（STEM）实验清楚地显示了过量Hf(Zr)原子嵌入在铁电三方相晶格的晶体结构，证实了理论计算的预言。基于Hf(Zr)1+xO2薄膜的铁电器件展示了超低矫顽场（~0.65MV/cm）、高剩余极化（Pr）值(22μC/cm2的)、小的饱和极化电场（1.25MV/cm）、和大的击穿电场（4.16MV/cm），并在饱和极化下实现了1012次循环的耐久性。这一研究结果为低功耗、低成本、长寿命的存储器芯片提供了一种有效的解决方案。
相关工作发表在Science, 381, 558 (2023)上，标题为“A stable rhombohedral phase in ferroelectric Hf(Zr)1+xO2 capacitor with ultralow coercive field”。
文章链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf6137
图1. 原子分辨的STEM图像和DFT理论预言的Hf(Zr)1+xO2材料结构及铁电性质。(A) Hf(Zr)1+xO2材料的STEM 图像，显示Hf/Zr原子的插层结构（嵌入的Hf/Zr原子以蓝色表示，并以箭头指出）。(B) 铁电HfO2（左）和Hf1.08O2（右）的原子结构图。虚线表示的是该结构的菱方表示（r相）的晶格，实线是其六角表示的晶格。(C) r相（三方相）, 铁电o相 和单斜相（m相）的Hf(Zr)1+xO2材料的形成能。随着x增大到0.079，Hf(Zr)1+xO2材料的基态从m相转换到r相（三方相）。(D) HfO2 和Hf1+xO2 的铁电极化值随着 [111]面间距d111变化的关系。E. 三方相Hf1+xO2铁电材料的极化翻转路径。F. HfO2和Hf1.08O2材料的极化翻转势垒随着应力变化的关系。