基于 $\mathrm{HfO_2/ZrO_2}$ 超晶格结构设计无唤醒铁电电容器

唤醒现象广泛存在于铪基铁电电容器中，导致器件参数随时间变化。已有报道表明较高温度结晶可有效消除唤醒，但高温可能产生单斜相或生成高浓度氧空位。本工作中，提出一种单向退火方法用于 $\mathrm{Hf_{0.5}Zr_{0.5}O_2}$ (HZO) 超晶格铁电体的结晶，其涉及从 $\mathrm{Pt/ZrO_2}$ 界面侧加热。选取纳米级 $\mathrm{ZrO_2}$ 以抑制单斜相形成，且化学惰性的 Pt 电极可避免退火期间氧空位的持续生成。结果表明，$\mathrm{600^oC}$ 退火仅在 HZO 中导致中等含量的单斜相，且 TiN/HZO/Pt 电容器呈现无唤醒特性及 27.4 $\mu\mathrm{C/cm^2}$ 的 $2P_\mathrm{r}$ 值。另一方面，从 $\mathrm{TiN/HfO_2}$ 侧加热，或使用 $\mathrm{500^oC}$ 退火温度，均得到需要唤醒过程的铁电器件。通过与其他几种超晶格结构及 HZO 固溶体的对比研究，证实了 $\mathrm{Pt/ZrO_2}$ 的特殊构型。研究发现，在 $\mathrm{600^oC}$ 下从 $\mathrm{Pt/HfO_2}$ 侧加热会导致高漏电流与忆阻器行为。文中讨论了铁电相稳定与忆阻器形成的机制。该单向加热方法亦可用于其他铪基铁电器件。