2024年12月7日至11日，第70屆IEEE國際電子器件會議（International Electron Devices Meeting, IEDM）在美國舊金山舉行。華東師大極化材料與器件教育部重點實驗室成巖教授研究團隊的最新研究進展，以“Polarization degradation and recovery strategies of hafnia-based ferroelectric capacitors after thermal budget in Back-End of Line process”為題在IEDM 2024會議發表，博士后鄭赟喆和碩士研究生趙戚文冬赴美參會，鄭赟喆代表研究團隊受邀作會議報告。
華東師大極化材料與器件教育部重點實驗室成巖教授研究團隊成果在IEDM 2024會議發表
博士后鄭赟喆和碩士研究生趙戚文冬赴美參會（右圖左起：鄭赟喆、趙戚文冬）
鉿基氧化物鐵電隨機存取存儲器（FeRAM）兼具良好的鐵電特性、尺寸微縮性以及與CMOS工藝的高度兼容性，有望實現高密度三維集成，在非易失存儲和計算領域有著極大的應用前景。英特爾、華為、美光、海力士、富士康、IBM、臺積電等全球各大半導體龍頭企業均在該領域進行了布局，先后實現了鉿基1T1C結構FeRAM（8 Gbit，海力士）、鉿基三維堆疊全環繞柵極鐵電晶體管（Fe-GAAFET，臺積電）、雙層鉿基堆疊 FeRAM（32 Gbit，美光）等。鉿基鐵電電容作為FeRAM的基本存儲單元，在芯片集成制造后端工藝（Back-End of Line，BEOL）經歷由金屬互連等熱處理帶來的長時間和高溫（300℃-500℃）熱預算，導致器件性能退化，FeRAM實際應用面臨挑戰。
針對上述制約器件實用化的關鍵問題，團隊通過400℃-3h的高溫退火（Furnace）模擬BEOL熱預算，揭示了熱效應帶來的鉿基鐵電電容（Hf0.5Zr0.5O2，HZO）性能退化機理，并提出了有效的性能恢復策略。研究團隊系統分析Furnace前后鐵電結構和缺陷結構演變，闡明了器件極性退化源自Furnace過程中氧離子經由金屬電極注入引起HZO薄膜氧含量發生變化，并率先觀察到由氧離子釘扎引起的未完全翻轉“頭對頭”180度鐵電疇壁。基于上述理論，提出了一種BEOL兼容的超高真空低溫退火工藝，能夠有效調控薄膜氧含量并控制氧離子遷移，從而實現器件性能的再恢復，可將HZO電容單元剩余極化恢復高達112%，對提升FeRAM器件的高溫可靠性具有重要意義。
（a）后端工藝熱預算導致鐵電單元極性退化，（b）器件性能退化源自熱工藝過程中氧離子注入釘扎形成“頭對頭“180度鐵電疇壁，（c）超高真空低溫退火工藝幫助器件性能恢復，（d）提出了氧離子遷移引起的極性退化與恢復機制
在此項工作中，華東師大極化材料與器件教育部重點實驗室為論文完成單位，鄭赟喆博士和2023級碩士研究生趙戚文冬為論文第一作者，高兆猛博士和成巖教授為論文通訊作者，研究工作得到了國家自然科學基金委、上海市科委和博士后科學基金會的大力支持。
IEEE國際電子器件會議（IEDM）和超大規模集成電路國際研討會（VLSI）是世界學術界和企業界公認的半導體器件/集成電路領域最高級別會議，在國際半導體技術界享有很高的學術地位和廣泛的影響力。IEDM始于1955年，已累計舉辦70屆，在國際半導體和集成電路領域的工業界和學術界均享有很高的學術地位和廣泛影響。IEDM會議議題涵蓋半導體電子器件制造、設計、物理和建模等各方面，每年Intel、IBM、Samsung、TSMC等知名半導體公司都在會上發布最新研究進展。截至目前，華東師大已有3篇論文相繼發表于半導體/集成電路領域頂會IEDM，包括2021年華東師大首篇IEDM。
附：會議鏈接：https://www.ieee-iedm.org/
來源｜科技處、極化材料與器件教育部重點實驗室 編輯｜毛宇彤 編審｜郭文君
