蓝谷高校动态 | 山东大学信息科学与工程学院陈杰智教授课题组在新型铪基铁电存储器集成工艺方面取得新进展

近日，山东大学信息科学与工程学院陈杰智教授课题组在新型铪基铁电薄膜高密度集成工艺领域取得突破性进展，相关成果以“Towards Low-thermal-budget Processing in Ferroelectric Hf0.5Zr0.5O2Thin Films by Ozone Interface Oxidation”为题，发表在集成电路微电子器件领域的国际期刊IEEE Electron Device Letters2023年第12期，并被选为“Editors Picks”在期刊封面突出报道。信息科学与工程学院为论文第一作者单位，2020级博士研究生台路为第一作者，武继璇研究员和陈杰智教授为共同通讯作者。

新型氧化铪（HfO2）铁电器件结构简单、可微缩性强、易于三维集成，是下一代非易失性存储器和人工突触应用的核心器件之一。原子层沉积（ALD）制备的Hf0.5Zr0.5O2（HZO）薄膜可实现三维结构下的厚度精确控制，在铁电存储器、铁电晶体管、DRAM、NAND Flash中都得到了广泛关注和深入研究。通常这种高质量HZO铁电薄膜的铁电性需要通过金属化后退火工艺（PMA）来促进铁电正交相的形成，然而目前研究报道的退火温度通常在400℃到600℃之间，这与后端集成工艺并不完全兼容。因此，探索适于后端三维集成架构的铪基铁电低温退火工艺，对于研发高性能大容量非易失存储芯片是至关重要的。

该工作原创性提出了臭氧界面氧化的铁电存储器低温工艺技术，在ALD中沉积HZO之前采用臭氧作为前驱体氧化TiN电极表面，从而在HZO与TiN之间形成TiO2界面层。研究表明，TiO2界面层在低温RTA工艺过程中可提供更多的拉伸应力用以促进铁电相形成。通过优化工艺时间，课题组可以在低至300℃的退火温度下制备强铁电性薄膜，并在保持13.3μC/cm2两倍剩余极化强度的同时实现超过108场循环次数的高耐久性。界面氧化工艺比传统插层结构更简单有效，为新型铪基铁电材料的三维集成应用提供了一种有效可行的低温工艺策略。

近年来，陈杰智教授课题组针对后摩尔时代发展的核心问题，在高密度三维闪存芯片、新型铪基铁电存储器、低功耗逻辑器件、存算一体芯片应用等方面进行了深入研究，相关工作已在International Electron Devices Meeting(IEDM)、IEEE Electron Device Letters、IEEE Transactions on Electron Devices、Applied Physics Letters、Journal of Applied Physics等顶级国际会议和权威学术期刊上发表，并取得多项技术发明专利。该系列研究工作得到了国家基金委重点项目、重大研究计划项目、山东省自然科学基金以及山东大学齐鲁青年学者项目等科研项目的资助。