微电子所在铪基铁电存储器芯片研究领域取得重要进展

基于Zr掺杂HfO2（HZO）材料的铁电存储器有望通过后道工艺进行大规模阵列集成，但仍存在两个关键的优化问题：一方面，HZO的最佳退火温度仍高于后道工艺的热预算限制（为保证前道工艺制备的晶体管及互联金属的可靠性，通常后道工艺的热预算通常被限制在400℃以下）；另一方面，对于器件在先进工艺节点中的应用，以及降低器件的写操作功耗，需要降低HZO铁电器件的操作电压。

团队通过预结晶工程，以及对TiN底电极进行预氧化处理，实现了小于8nm膜厚尺度的HZO铁电电容器制备，器件最低可以在300℃下退火，且没有表现出明显的剩余极化强度退化或唤醒效应，器件的操作电压可以降低至2V以下。优化后的器件通过后道工艺，实现了基于130nm CMOS技术的256Kbit 1T1C结构FeRAM芯片集成。由于退火温度的降低，芯片表现出100%的初始良率。器件的耐久性超过10¹²，可实现超过10年的数据保持，且在2V操作电压下芯片的功耗被降低至0.7pJ/bit。

上述成果以题“A 256 Kbit Hf_0.5Zr_0.5O₂-based FeRAM Chip with Scaled Film Thickness (sub 8nm), Low Thermal Budget (350℃), 100% Initial Chip Yield, Low Power Consumption (0.7 pJ/bit at 2V write voltage), and Prominent Endurance (>10¹²)”入选2023 IEDM。微电子所姜鹏飞助理研究员为第一作者，微电子所罗庆研究员和杨建国副研究员为通讯作者。研究工作获得基金委“后摩尔”重大专项重点支持项目和国家自然科学基金面上项目等的支持。