铁电器件，前景繁花
（原标题：铁电器件，前景繁花）
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在与集成电路制造兼容的材料中发现铁电性激励了东说念主们对铁电器件的酷好酷好。
铁电体是具有弥远极化的材料，其地点不错通过施加场来切换。这种极化可用于进步或镌汰晶体管的阈值电压，如 FeFET，或可变调结的隧穿电阻，如铁电纯正结 (FTJ)。更传统的 DRAM 想象还不错欺诈铁电性来变调存储电容器的介电常数。铁电性材料科学（特点若何取决于因素、晶体结构和加工）在整个这些应用中齐起着枢纽作用。为了使铁电栽植具有交易可行性，业界需要更好地了解这些关系。
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铁电体和 DRAM
DRAM 与 CMOS 器件相似，濒临着减小电介质厚度和最小化走电流之间的矛盾。增多存储电容器的介电常数有助于竣事这种均衡。
铁电铪锆氧化物 (HZO) 具有高介电常数和可禁受的低走电流。然则，尽管铪氧化物栅极电介质口舌晶态的，但 HZO 的性质与材料的晶体结构息息干系。为了奏效放松 HZO 电介质的限度，制造商需要纳米级结构适度，这是一项发愤的加工挑战。
在钙钛矿铁电体（如 PbZrO 3 -PbTiO 3 (PZT)）中，晶体结构主要由因素决定。在一篇综述中，韩国科学期间院 (KAIST) 的 Minhyun Jung 偏激共事评释说，钙钛矿死守 ABO 3方法，其中 A 原子位点与氧离子杂化以走漏铁电活动。[?1] B 原子影响菱面体和四方晶相之间的能量各别。比拟之下， HfO 2和 ZrO 2具有萤石结构 AB 2。铁电性来解放于离子通顺而对晶体 a 轴产生的张力。
他们暗示，在高 Hf 浓度下，均衡相为单斜晶，具有顺电活动。在高 Zr 浓度和高温下，会出现反铁电四方相。在这两个顶点之间不错看到正交铁电相，但薄膜厚度、温度以及电场的存在与否齐会影响相变。
图1：氧化铪的单斜相、铁电相和四方相的晶胞。开始：FMC
当 HZO 用于 DRAM 存储电容器时，狡计是最大化介电常数，而不一定是极化。笔据 Jung 的说法，这个最大介电常数发生在准同型相领域 (MPB) 隔邻，该领域位于四方相和正交相之间。在两者之间的因素领域处，自便 Hf0.3 Zr0.7 O2，远离相变的能量樊篱十分低。电场足以使材料在铁电和反铁电活动之间切换。介电常数和压电常数齐会急剧增多。
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氧空位和铁电存储器
比拟之下，铁电存储器（如 FeFET 和铁电纯正结 (FTJ)）依赖于铁电极化。举例， FeFET使用与传统电介质串联的铁电体动作栅极电容器。铁电极化充任弥远栅极偏置，笔据极化景况，可为正或负。该偏置会进步或镌汰阈值电压。存储器窗口（V tlo和 V thi值之间的差值）跟着铁电体的极化密度而增多。
频繁，薄的 HZO 层是通过 ALD 千里积的，使用 HfO2、ZrO2和H2O前体。为了适度因素和由此产生的晶体结构，制造商会变调前体轮回的比例。在旧年 12 月的 IEEE 电子栽植会议上展示的一项扣问中，中国科学院的蒋鹏飞和共事发现，6:6 的 Hf:Zr 轮回比可产生最大的运转极化。四方相 ZrO2核有助于促进铁电正交相的形成。不外，HF:Zr 比率并不是一齐。氧空位（氧原子应该所在的未占据的晶格位置）会对萤石和钙钛矿材料的性质产生高大影响。imec 的 Sergiu Clima 和共事评释说，氧空位会摧毁局部对称性，从而变调载流子通顺和相变的能源学繁难。
最近，北京理工大学的赵泽福偏激共事发现，借钱炒股低氧空位浓度成心于形成正交相，而高浓度成心于形成四方相。果不其然，氧等离子退火镌汰了氧空位的浓度。然则，等离子退火也会酿成名义毁伤。相悖，韩国科学期间扣问院的另一个扣问小组使用了相对较低的退火温度，但压力较高，从而形成了名义毁伤较少、夹层较薄的铁电相。
HZO 与底层材料之间的界面频繁是氧的开始或接收源。韩国科学期间扣问院的 Bong Ho Kim 和其他扣问东说念主员不雅察到，当 HZO 千里积在硅上时，界面 SiO2层是不成幸免的。二氧化硅相干于 HZO 的介电常数较低，导致界面处电容电压下落和高电应力。由此产生的界面退化可能是比铁电体退化更严重的器件疲顿因素。在 FeFET 器件中，Bong Ho Kim 团队发现，引入非凡的高 k 层以幸免电压下落会减小存储窗口或镌汰电荷保捏才智。相悖，他们将钛加入到 FeFET 栅极金属堆栈中。钛不错消除满盈的氧，将中间层厚度从 1.2 纳米镌汰到 0.3 纳米。
千里积基片还可动作 HZO 结晶的模板。Zhao 评释说，由于立方 TiN 与正交 ZrO2的晶格失配较大，因此非晶态 TiN 试验上不错动作更好的底层。由于 TiN 的结晶度会跟着厚度的增多而镌汰，因此更薄的层是首选。此外，使用 CMP 来创建平坦的千里积名义不错赢得更好的 HZO 膜，并具有更高的击穿场。
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劣势和栽植可靠性
依赖于铁电开关的栽植频繁需要“叫醒”周期来激活铁电材料。天然更薄的层是可取的，因为它们频繁更容易切换，但它们也往往需要更高的叫醒电压。一个台湾扣问小组同期使用实验和建模扣问来寻找 FTJ 中叫醒活动的原因，其中载流子隧穿取决于铁电极化地点。在制造好的栽植中，他们发现界面层的拿获和去拿获会远离载流子到达铁电体，从而扼制开关。一朝积蓄了足够的电荷，界面层的软击穿就会排斥这种扼制。然后栽植活动仅反应铁电体。在较薄的栽植中，界面层相应较厚，因此叫醒效应更严重。
由于氧空位充任电荷陷坑，它们在器件历久性和系念保捏性方面也阐明醒目要作用。铁电材料与其他材料界面处的氧空位是拿获活动的特殊重要的因素。块体材料中产生的空位需要时辰迁徙到界面。正因为如斯，关锋和复旦大学的共事觉得，历久性和保捏性测试齐不及以斟酌铁电电容器在读取密集型应用中的性能。
典型的历久性测试使用鸠合的读取/归附轮回，其中读取电容器，立即归附，然后再次读取。保留测试测量归附操作和下一次奏效读取之间的最大时辰。复旦大学的扣问小组还测量了占空比，即给定时辰内读取/归附操作的次数。他们发现，较小的占空比（对应于读取/归附操作之间的较长蔓延）会导致更早和更快的退化。他们假定脉冲之间的时辰越长，空位迁徙的时辰就越多。
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论断
工程师和材料科学家之间的联接弥远是集成电路制造企业的重要构成部分，尤其是跟着新栽植从实验室中出生并平缓走向交易可行性。铁电存储器的最新发展突显了晶体结构和界面劣势等基高兴趣若何守旧诸如历久性和保留性等豪迈的问题。
https://semiengineering.com/preparing-for-ferroelectric-devices/
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