微电子所在HfO2基铁电存储器研究领域取得进展

　　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Hf_0.5Z_0.5rO₂（HZO）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/Zr和O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（1T1C、FeFET和FTJ）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2020年3月13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（a）HZO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。