image: (a) 示意图说明了计算/存储/内存系统中的集成挑战，强调了 BEOL 安全热预算（≤350°C）对于嵌入式非易失性存储器的重要性。所提出的策略采用精确控制的原位 La 掺杂，在低温退火下实现强铁电性、高剩余极化（2Pr）和低工作电场（Eop），与传统 HZO 相比，具有更优的性能。(b) 对比了纯 HZO 和 La 掺杂 HZO 器件的概念性比较。 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
氧化铪基铁电（FE）材料因其低功耗、良好的CMOS工艺兼容性，以及优异的可微缩极限等独特优势，在嵌入式非易失存储器领域备受关注，成为后摩尔时代信息存储技术的核心候选材料之一。然而，当热预算降低时，传统 HZO 薄膜的铁电相（FE-phase）比例减少，进而导致工作电压（Vop）升高、剩余极化（Pr）下降、开关速度变慢，且可靠性受抑制等一系列问题。这些缺点限制了其在大规模、高密度集成场景中的应用落地。尽管已有多种提升铁电性与可靠性的方法被报道，但要同时实现低操作电压、强铁电性、高可靠性及低工艺热预算，仍是该领域亟待突破的关键挑战。
针对这一核心难题，研究团队创新性地提出了一种原位镧（La）掺杂策略：在原子层沉积（ALD）过程中以原子层精度引入 La。通过精准控制 La2O3, HfO2和ZrO2的ALD脉冲序列，团队成功制备出镧掺杂Hf0.5Zr0.5O2（La: HZO）薄膜，在保持薄膜厚度为 10 nm 的同时，实现了精确可控的 La 浓度。该工艺使器件在极低的退火温度下仍能实现铁电开关功能，大幅降低了工艺热预算。当 La 掺杂量为 0.44% 时，La: HZO电容在 300°C退火后即可表现出明显的铁电滞回特性， 2Pr约为27.8 μC/cm2；在 350°C的退火温度下，优化后的电容进一步实现 2.0 V 的工作电压，表现出更强的铁电性（2Pr约为37.5 μC/cm2），且开关速度最快可达 446 ns。除此之外，器件的可靠性指标也有所改进，包括约5.73 V的高击穿电压，超过1011次耐久循环性，并具有优异的保持特性。为揭示性能提升的内在机制，团队结合第一性原理计算和微观表征技术深入分析，证实La 的掺入促进了氧空位的形成，这有助于稳定La: HZO薄膜中的铁电相，从而在低热预算下保障了器件的强铁电性与高可靠性。
这一原位La掺杂思路的提出，不仅突破了传统铪基铁电材料的工艺与性能瓶颈，更为设计后道工艺兼容的低功耗、高速度的嵌入式铁电存储器提供了可行的途径，有望推动铪基铁电材料在集成电路存储领域的产业化进程。