2024年12月7日至11日，第70届IEEE国际电子器件会议（International Electron Devices Meeting, IEDM）在美国旧金山举行。华东师大极化材料与器件教育部重点实验室成岩教授研究团队的最新研究进展，以“Polarization degradation and recovery strategies of hafnia-based ferroelectric capacitors after thermal budget in Back-End of Line process”为题在IEDM 2024会议发表，博士后郑赟喆和硕士研究生赵戚文冬赴美参会，郑赟喆代表研究团队受邀作会议报告。
华东师大极化材料与器件教育部重点实验室成岩教授研究团队成果在IEDM 2024会议发表
博士后郑赟喆和硕士研究生赵戚文冬赴美参会（右图左起：郑赟喆、赵戚文冬）
铪基氧化物铁电随机存取存储器（FeRAM）兼具良好的铁电特性、尺寸微缩性以及与CMOS工艺的高度兼容性，有望实现高密度三维集成，在非易失存储和计算领域有着极大的应用前景。英特尔、华为、美光、海力士、富士康、IBM、台积电等全球各大半导体龙头企业均在该领域进行了布局，先后实现了铪基1T1C结构FeRAM（8 Gbit，海力士）、铪基三维堆叠全环绕栅极铁电晶体管（Fe-GAAFET，台积电）、双层铪基堆叠 FeRAM（32 Gbit，美光）等。铪基铁电电容作为FeRAM的基本存储单元，在芯片集成制造后端工艺（Back-End of Line，BEOL）经历由金属互连等热处理带来的长时间和高温（300℃-500℃）热预算，导致器件性能退化，FeRAM实际应用面临挑战。
针对上述制约器件实用化的关键问题，团队通过400℃-3h的高温退火（Furnace）模拟BEOL热预算，揭示了热效应带来的铪基铁电电容（Hf0.5Zr0.5O2，HZO）性能退化机理，并提出了有效的性能恢复策略。研究团队系统分析Furnace前后铁电结构和缺陷结构演变，阐明了器件极性退化源自Furnace过程中氧离子经由金属电极注入引起HZO薄膜氧含量发生变化，并率先观察到由氧离子钉扎引起的未完全翻转“头对头”180度铁电畴壁。基于上述理论，提出了一种BEOL兼容的超高真空低温退火工艺，能够有效调控薄膜氧含量并控制氧离子迁移，从而实现器件性能的再恢复，可将HZO电容单元剩余极化恢复高达112%，对提升FeRAM器件的高温可靠性具有重要意义。
（a）后端工艺热预算导致铁电单元极性退化，（b）器件性能退化源自热工艺过程中氧离子注入钉扎形成“头对头“180度铁电畴壁，（c）超高真空低温退火工艺帮助器件性能恢复，（d）提出了氧离子迁移引起的极性退化与恢复机制
在此项工作中，华东师大极化材料与器件教育部重点实验室为论文完成单位，郑赟喆博士和2023级硕士研究生赵戚文冬为论文第一作者，高兆猛博士和成岩教授为论文通讯作者，研究工作得到了国家自然科学基金委、上海市科委和博士后科学基金会的大力支持。
IEEE国际电子器件会议（IEDM）和超大规模集成电路国际研讨会（VLSI）是世界学术界和企业界公认的半导体器件/集成电路领域最高级别会议，在国际半导体技术界享有很高的学术地位和广泛的影响力。IEDM始于1955年，已累计举办70届，在国际半导体和集成电路领域的工业界和学术界均享有很高的学术地位和广泛影响。IEDM会议议题涵盖半导体电子器件制造、设计、物理和建模等各方面，每年Intel、IBM、Samsung、TSMC等知名半导体公司都在会上发布最新研究进展。截至目前，华东师大已有3篇论文相继发表于半导体/集成电路领域顶会IEDM，包括2021年华东师大首篇IEDM。
附：会议链接：https://www.ieee-iedm.org/
来源｜科技处、极化材料与器件教育部重点实验室 编辑｜毛宇彤 编审｜郭文君
