近日，信息学院陈杰智教授课题组在新型铪基铁电薄膜可靠性研究领域取得突破性进展，相关成果以“re-annealing-induced recovery in 7nm hf0.5zr0.5o2ferroelectric film: phase transition and non-switchable region repair”为题，发表在微电子器件领域的国际权威期刊ieee electron device letters2023年第8期，并被选为“editors’ picks”以及期刊封面突出报道。山东大学信息科学与工程学院为论文第一作者单位，2023级硕博连读生李晓鹏为第一作者，武继璇研究员和陈杰智教授为共同通讯作者。
图1 ieee electron device letters2023年第8期封面
随着后摩尔时代传统硅半导体器件逐渐逼近其物理极限，探索设计具有更高集成密度、与现有cmos工艺相兼容的新型非易失性半导体存储器，是解决人工智能和物联网中海量数据存储的关键技术路径。新型铪基铁电材料凭借低功耗、高速度、工艺简单、cmos兼容以及极佳的微缩特性等优势受到了广泛关注，是未来三维存储技术中极具应用潜力的技术方案之一。铪基铁电薄膜的铁电极化方向受外加电场调控且撤去电场后保持，是其作为存储器应用的关键。该铁电特性源自非中心对称正交相(o相)，中心对称的单斜相(m相)和四方相(t相)没有铁电特性，但不同晶相的形成、转变受到温度、缺陷、应力等多种因素的影响。因此，深入了解其物理可靠性机理，对指导其工艺优化和高可靠性器件设计至关重要。
图2 再退火工艺对铪锆氧铁电器件的影响
该工作基于7nm铪锆氧铁电电容器，系统地研究了再退火工艺对器件可靠性的影响。研究发现，再退火可以有效改善铁电特性：更大的剩余极化强度、更小的矫顽电场、更快的操作速度、更弱的唤醒/疲劳效应、更弱的非对称性；此外，在循环后器件的再退火实验中观测到了重新初始化现象。温度相关的晶相转变以及不可翻转区域的修复是重要原因。该工作对超薄铪基铁电薄膜的性能优化具有重要指导意义。
近年来，陈杰智教授课题组针对后摩尔时代发展的核心问题，在三维闪存芯片及新型铪基铁电材料器件的物理可靠性机理问题、高性能器件结构设计、工艺优化、存算一体化应用等方面进行了深入研究，相关工作已在international electron devices meeting(iedm)、ieee electron device letters、ieee transactions on electron devices、applied physics letters、journal of applied physics等顶级国际会议和权威学术期刊上发表系列研究论文十余篇，并取得多项技术发明专利。该系列研究工作得到了国家基金委重点项目、重大研究计划项目、山东省自然科学基金以及山东大学齐鲁青年学者项目等科研项目的资助。
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