【DFT+实验】中国科学院微电子研究所在铁电材料研究领域取得重要进展

2023年8月3日，中国科学院微电子研究所刘明院士、罗庆研究员与中国科学院物理研究所杜世萱研究员以共同通讯作者身份在Science上发表题为“A stable rhombohedral phase in ferroelectric Hf(Zr)1+xO2 capacitor with ultralow coercive field”的研究论文，中国科学院微电子研究所Yuan Wang（王渊）与中国科学院大学物理科学学院Lei Tao（陶蕾）为共同第一作者

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

该研究发现了一种富含铪锆[Hf(Zr)]的兼容互补金属氧化物半导体CMOS的菱形铁电 Hf(Zr)1+xO2材料，这一材料的发现有助于实现低成本、长寿命的存储芯片。X射线衍射结合扫描透射电子显微镜分析表明，过量的Hf(Zr) 原子嵌入到中空位点内。插入的原子扩展了晶格，增加了面内和面外应力，从而稳定了菱面体相（r相）及其铁电性质。基于r相Hf(Zr)1+xO2铁电器件，表现出超低矫顽场（~0.65兆伏/厘米），在饱和极化下，实现了超过10E12次循环的高耐久性

平面金属-铁电金属MFM电容器和Hf(Zr)1+xO2薄膜结构特性

研究人员基于Hf(Zr)1+xO2薄膜制作了金属-铁电-金属MFM电容器，为了确认其铁电性，对其进行了表征分析。STEM-HAADF截面图表明：TiN/Hf(Zr)1+xO2/TiN器件具有结构和化学清晰的界面，没有明显的相互扩散；将光谱拟合后结果显示，薄膜中的Hf4+和Zr4+成分与金属Hf0和Zr0共存；对Hf(Zr)1+xO2薄膜进行了掠入射X射线衍射，结果表明该多晶样品同时含有m相和r相

菱面体相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]区轴观察的高分辨率HAADF-STEM特写图像显示过量的Hf(Zr)原子嵌入到结构中，在中空位点内形成有序阵列，这与Hf-过量模型一致，相应的快速傅立叶变换FFT与模拟的Hf-excess R3m相电子衍射图完全吻合。为证实Hf过量结构，对R3相、无过量Hf的R3m相以及Hf过量的R3m相进行了HAADF图像模拟，结果显示：带有过量Hf的R3m结构的图像模拟与实验观测结果一致

通过DFT计算预测了铁电体Hf(Zr)1+xO2

通过DFT 计算随着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；研究人员展示了应变为7%的 Hf1.08O2和HfO2的铁电转换路径，结果表明：虽然HfO2和Hf1.08O2的开关势垒都随着d111的增大而增大，但在不同d111条件下，r相Hf1.08O2的开关势垒始终比r相HfO2低的多

r相Hf(Zr)1+xO2膜的铁电特性

实验测得x值大于0.129的r相Hf(Zr)1+xO2铁电薄膜具有良好的稳定性，对于不同Hf功率制备的r相Hf(Zr)1+xO2铁电薄膜，虽然Hf(Zr)1+xO2薄膜中的x值从0.129变化到0.273，但Pr值和Ec值几乎没有变化；r相Hf(Zr)1+xO2铁电电池可以在1.25MV/cm的条件下获得10E12次电场循环，与饱和击穿周期相比，基于 Hf(Zr)1+xO2的r相铁电薄膜的周期提高了约两个数量级。

该研究提出的基态r相铁电Hf(Zr)1+xO2薄膜，解决了邻相铁电HfO2固有的高Ec问题，并可与CMOS兼容，它的发现有助于实现低成本、长寿命的存储芯片

刘明，中国科学院微电子研究所研究员、博士生导师，中国科学院微电子器件与集成技术重点实验室主任，复旦大学芯片与系统前沿技术研究院院长，中国科学院院士、发展中国家科学院院士、IEEE Fellow、国家杰青；长期从事微电子科学技术领域的研究，研究兴趣：存储器模型机理、材料结构、核心共性技术和集成电路的微纳加工等

杜世萱，中国科学院物理研究所研究员、博士生导师，中国科学院大学物理科学学院岗位教授，国家杰青；课题组以基于密度泛函理论DFT的第一性原理计算方法为主要研究手段，与实验紧密结合，对新型低维材料设计、界面特性与组装机制、以及功能单元结构物性等方面做了系统性研究工作

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【DFT+实验】中国科学院微电子研究所在铁电材料研究领域取得重要进展

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