隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，全球數(shù)據(jù)量以驚人的速度持續(xù)增長，對非易失性存儲器提出了大容量、高速、低功耗的迫切需求。隨著器件特征尺寸縮微日益困難，多值存儲技術(shù)，是指在單個存儲單元中實現(xiàn)多比特的存儲態(tài)，已成為大幅提升存儲容量的重要方向。氧化鉿(HfO2)基鐵電薄膜憑借其優(yōu)異的CMOS工藝兼容性、高速讀寫特性和低功耗優(yōu)勢，特別是其獨特的晶胞內(nèi)隔離帶-極化帶結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)亞納米尺度偶極子獨立翻轉(zhuǎn)的特征，有望推動鐵電存儲器成為下一代存儲技術(shù)。

印記效應(yīng)是鐵電存儲器主要的可靠性問題之一，宏觀表現(xiàn)為特性極化狀態(tài)保持之后的電滯回線沿電壓軸產(chǎn)生偏移，易導(dǎo)致數(shù)據(jù)寫入錯誤。值得指出的是，相對于鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鐵電電容，HfO2基鐵電電容表現(xiàn)出更顯著的印記效應(yīng)。例如，使某一極化狀態(tài)在85℃下保持數(shù)分鐘后，其電滯回線偏移量達到1.5 MV/cm，與其矯頑電場值相當。在HfO2基鐵電多值存儲中，相鄰狀態(tài)間的裕度(可區(qū)分各存儲態(tài)的允許誤差)減小，且中間極化態(tài)的電疇演變及其與缺陷的耦合機制更為復(fù)雜。目前，HfO2基鐵電多值存儲的印記行為與物理機制尚未被揭示。

近日，我校先進材料與納米科技學院周益春教授團隊在這一研究領(lǐng)域取得重要進展。研究團隊在多值HfAlOx鐵電電容中發(fā)現(xiàn)盡管飽和極化狀態(tài)受到印記影響后仍能被準確寫入，但所有中間極化狀態(tài)的寫入?yún)s完全發(fā)生錯誤。針對這一發(fā)現(xiàn)，團隊重點分析了印記效應(yīng)產(chǎn)生前后鐵電薄膜內(nèi)建電場和帶電缺陷(主要是帶電氧空位)的變化，進而提出了一種帶電氧空位在薄膜中形成內(nèi)建電場，導(dǎo)致中間極化狀態(tài)無法被準確寫入的失效模型。

團隊設(shè)計制備的能長時間保存數(shù)據(jù)、實現(xiàn)2-bit/cell多值存儲HfAlOx電容。

在寫入操作中飽和極化狀態(tài)寫入準確，中間極化狀態(tài)受印記效應(yīng)影響容易出錯。

該模型通過相場模擬得到了進一步驗證。在此基礎(chǔ)上，團隊設(shè)計了一種預(yù)編程方法，通過使鐵電薄膜的內(nèi)氧空位重新分布來抵消印記效應(yīng)的影響。實驗證明該策略能在室溫環(huán)境下實現(xiàn)長期穩(wěn)定的準確編程，為發(fā)展可靠的多值HfO2基鐵電存儲器提供了新的途徑。該研究成果以“The Imprint Failure and Suppression of the Multi-Level Memory in HfAlOxFerroelectric Capacitor”為題發(fā)表在材料領(lǐng)域著名學術(shù)期刊Advanced Functional Materials上。論文的第一單位為西安電子科技大學，材料院博士生包克瑜為論文第一作者，通訊作者為周益春教授、廖佳佳副教授、彭仁賜副教授。

HfAlOx電容在不同多值存儲狀態(tài)下產(chǎn)生印記效應(yīng)后出現(xiàn)的復(fù)雜內(nèi)建電場。

經(jīng)相場模擬驗證的多值鐵電HfO2印記失效模型；以及實現(xiàn)室溫長期穩(wěn)定寫入的預(yù)編程方法。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202509227