AFM：新型印記抑制方法提高鐵電存儲器件的可靠性

隨著信息技術的快速發展，全球數據量以驚人的速度持續增長，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，是指在單個存儲單元中實現多比特的存儲態，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異的CMOS工藝兼容性、高速讀寫特性和低功耗優勢，特別是其獨特的晶胞內隔離帶-極化帶結構可實現亞納米尺度偶極子獨立翻轉的特征，有望推動鐵電存儲器成為下一代存儲技術。

印記效應是鐵電存儲器主要的可靠性問題之一，宏觀表現為特性極化狀態保持之后的電滯回線沿電壓軸產生偏移，易導致數據寫入錯誤。值得指出的是，相對于鈣鈦礦結構鐵電電容，HfO2基鐵電電容表現出更顯著的印記效應。例如，使某一極化狀態在85℃下保持數分鐘后，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，相鄰狀態間的裕度(可區分各存儲態的允許誤差)減小，且中間極化態的電疇演變及其與缺陷的耦合機制更為復雜。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域取得重要進展。研究團隊在多值HfAlOx鐵電電容中發現盡管飽和極化狀態受到印記影響后仍能被準確寫入，但所有中間極化狀態的寫入卻完全發生錯誤。針對這一發現，團隊重點分析了印記效應產生前后鐵電薄膜內建電場和帶電缺陷(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建電場，導致中間極化狀態無法被準確寫入的失效模型。

團隊設計制備的能長時間保存數據、實現2-bit/cell多值存儲HfAlOx電容。

在寫入操作中飽和極化狀態寫入準確，中間極化狀態受印記效應影響容易出錯。

該模型通過相場模擬得到了進一步驗證。在此基礎上，團隊設計了一種預編程方法，通過使鐵電薄膜的內氧空位重新分布來抵消印記效應的影響。實驗證明該策略能在室溫環境下實現長期穩定的準確編程，為發展可靠的多值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”為題發表在材料領域著名學術期刊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下產生印記效應后出現的復雜內建電場。

經相場模擬驗證的多值鐵電HfO2印記失效模型；以及實現室溫長期穩定寫入的預編程方法。

論文鏈接：

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