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2023年8月3日，中國(guó)科學(xué)院微電子研究所劉明院士、羅慶研究員與中國(guó)科學(xué)院物理研究所杜世萱研究員以共同通訊作者身份在Science上發(fā)表題為“A stable rhombohedral phase in ferroelectric Hf(Zr)1+xO2 capacitor with ultralow coercive field”的研究論文，中國(guó)科學(xué)院微電子研究所Yuan Wang（王淵）與中國(guó)科學(xué)院大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院Lei Tao（陶蕾）為共同第一作者

【DFT+實(shí)驗(yàn)】中國(guó)科學(xué)院微電子研究所在鐵電材料研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展

https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.adf6137

該研究發(fā)現(xiàn)了一種富含鉿鋯[Hf(Zr)]的兼容互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體CMOS的菱形鐵電 Hf(Zr)1+xO2材料，這一材料的發(fā)現(xiàn)有助于實(shí)現(xiàn)低成本、長(zhǎng)壽命的存儲(chǔ)芯片。X射線衍射結(jié)合掃描透射電子顯微鏡分析表明，過(guò)量的Hf(Zr) 原子嵌入到中空位點(diǎn)內(nèi)。插入的原子擴(kuò)展了晶格，增加了面內(nèi)和面外應(yīng)力，從而穩(wěn)定了菱面體相（r相）及其鐵電性質(zhì)。基于r相Hf(Zr)1+xO2鐵電器件，表現(xiàn)出超低矯頑場(chǎng)（~0.65兆伏/厘米），在飽和極化下，實(shí)現(xiàn)了超過(guò)10E12次循環(huán)的高耐久性

平面金屬-鐵電金屬M(fèi)FM電容器和Hf(Zr)1+xO2薄膜結(jié)構(gòu)特性

研究人員基于Hf(Zr)1+xO2薄膜制作了金屬-鐵電-金屬M(fèi)FM電容器，為了確認(rèn)其鐵電性，對(duì)其進(jìn)行了表征分析。STEM-HAADF截面圖表明：TiN/Hf(Zr)1+xO2/TiN器件具有結(jié)構(gòu)和化學(xué)清晰的界面，沒(méi)有明顯的相互擴(kuò)散；將光譜擬合后結(jié)果顯示，薄膜中的Hf4+和Zr4+成分與金屬Hf0和Zr0共存；對(duì)Hf(Zr)1+xO2薄膜進(jìn)行了掠入射X射線衍射，結(jié)果表明該多晶樣品同時(shí)含有m相和r相

菱面體相Hf(Zr)1+xO2的原子尺度STEM分析

富含Hf(Zr)的Hf(Zr)1+xO2薄膜沿[1-21]區(qū)軸觀察的高分辨率HAADF-STEM特寫圖像顯示過(guò)量的Hf(Zr)原子嵌入到結(jié)構(gòu)中，在中空位點(diǎn)內(nèi)形成有序陣列，這與Hf-過(guò)量模型一致，相應(yīng)的快速傅立葉變換FFT與模擬的Hf-excess R3m相電子衍射圖完全吻合。為證實(shí)Hf過(guò)量結(jié)構(gòu)，對(duì)R3相、無(wú)過(guò)量Hf的R3m相以及Hf過(guò)量的R3m相進(jìn)行了HAADF圖像模擬，結(jié)果顯示：帶有過(guò)量Hf的R3m結(jié)構(gòu)的圖像模擬與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果一致

通過(guò)DFT計(jì)算預(yù)測(cè)了鐵電體Hf(Zr)1+xO2

通過(guò)DFT 計(jì)算隨著Hf(Zr)比例的增加，r相、o相和m相中富含Hf的Hf1+xO2以及r相、t相和m相中富含Zr的Zr1+xO2的形成能；研究人員展示了應(yīng)變?yōu)?%的 Hf1.08O2和HfO2的鐵電轉(zhuǎn)換路徑，結(jié)果表明：雖然HfO2和Hf1.08O2的開關(guān)勢(shì)壘都隨著d111的增大而增大，但在不同d111條件下，r相Hf1.08O2的開關(guān)勢(shì)壘始終比r相HfO2低的多

r相Hf(Zr)1+xO2膜的鐵電特性

實(shí)驗(yàn)測(cè)得x值大于0.129的r相Hf(Zr)1+xO2鐵電薄膜具有良好的穩(wěn)定性，對(duì)于不同Hf功率制備的r相Hf(Zr)1+xO2鐵電薄膜，雖然Hf(Zr)1+xO2薄膜中的x值從0.129變化到0.273，但Pr值和Ec值幾乎沒(méi)有變化；r相Hf(Zr)1+xO2鐵電電池可以在1.25MV/cm的條件下獲得10E12次電場(chǎng)循環(huán)，與飽和擊穿周期相比，基于 Hf(Zr)1+xO2的r相鐵電薄膜的周期提高了約兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

該研究提出的基態(tài)r相鐵電Hf(Zr)1+xO2薄膜，解決了鄰相鐵電HfO2固有的高Ec問(wèn)題，并可與CMOS兼容，它的發(fā)現(xiàn)有助于實(shí)現(xiàn)低成本、長(zhǎng)壽命的存儲(chǔ)芯片

劉明，中國(guó)科學(xué)院微電子研究所研究員、博士生導(dǎo)師，中國(guó)科學(xué)院微電子器件與集成技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，復(fù)旦大學(xué)芯片與系統(tǒng)前沿技術(shù)研究院院長(zhǎng)，中國(guó)科學(xué)院院士、發(fā)展中國(guó)家科學(xué)院院士、IEEE Fellow、國(guó)家杰青；長(zhǎng)期從事微電子科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的研究，研究興趣：存儲(chǔ)器模型機(jī)理、材料結(jié)構(gòu)、核心共性技術(shù)和集成電路的微納加工等

杜世萱，中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員、博士生導(dǎo)師，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院崗位教授，國(guó)家杰青；課題組以基于密度泛函理論DFT的第一性原理計(jì)算方法為主要研究手段，與實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合，對(duì)新型低維材料設(shè)計(jì)、界面特性與組裝機(jī)制、以及功能單元結(jié)構(gòu)物性等方面做了系統(tǒng)性研究工作

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【DFT+實(shí)驗(yàn)】中國(guó)科學(xué)院微電子研究所在鐵電材料研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展

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