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微电子所在HfO2基铁电存储器研究领域取得进展

稿件来源:重点实验室 罗庆 张康玮 发布时间:2020-03-20

  近日,微电子所微电子器件与集成技术重点实验室刘明院士的科研团队在HfO2基铁电存储器研究领域取得了进展,提出了一种基于Hf0.5Z0.5rO2HZO)材料的铁电二极管(Fe-diode),并实现了三维集成。 

       铁电存储器具有高速、低功耗、高可靠性的优点,是下一代非挥发性存储器的有力竞争者之一。然而,传统铁电材料与标准CMOS工艺兼容性差问题和尺寸微缩难的问题制约着铁电存储器的发展。2011年,掺杂HfO2的铁电材料的问世开启了铁电存储器研究的新时代。HZO材料的铁电性起源问题是该领域长期争议的焦点。在本项工作中,微电子所科研团队利用原子分辨率球差校正透射电镜,观察到了Hf/ZrO原子的在晶格中的排列,国际上首次确认了Pca21相的存在,为HfO2铁电的基础理论提供了最为直接的证据。 

  不同结构的HfO2基铁电存储器(1T1CFeFETFTJ)已相继问世。1T1C结构的铁电存储器是破环性读取,操作复杂,对疲劳特性要求高;FeFET可实现三维集成,但不能实现随机访问;FTJ是一种电阻型存储器,但由于线性低阻态,用于垂直结构的三维交叉阵列中存在串扰问题。微电子所科研团队提出了一种新型的HZO基铁电二极管(Fe-diode)器件,通过极化方向的改变来控制铁电二极管导通方向。由于界面势垒的存在,该器件具有高度的非线性(>100),可以克服交叉阵列中的漏电,实现自选通功能。该器件操作速度<20ns,疲劳特性>109,开态电流密度>200A/cm2,实现了垂直尺寸小于20nm的三维集成。 

  上述成果于2020313日以“A highly CMOS compatible hafnia-based ferroelectric diode为题发表在Nature Communications期刊上(DOI:10.1038/s41467-019-13827-6)。微电子所罗庆副研究员和华师大成岩副教授为该文章第一作者,微电子所刘明院士、吕杭炳研究员为共同通讯作者。上述工作得到了国家基金委、科技部、中科院等相关项目的资助。 

  全文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-020-15159-2 

图(aHZO铁电相的原子排列。(b)三维垂直结构的TEM图。

c)铁电二级管的典型IV特性曲线。(d)该器件可以实现20ns的操作速度。

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