近日，集成電路學(xué)院劉景全團(tuán)隊(duì)李秀妍副教授及合作者在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《Nature Communications》上發(fā)表了題為“Hidden structural phase transition assisted ferroelectric domain orientation engineering in Hf0.5Zr0.5O2 films”（新型相變路徑輔助的氧化鉿鋯鐵電薄膜疇取向調(diào)控）的最新研究成果。該研究首次揭示了一種氧化鉿基鐵電材料從反鐵電四方相到鐵電正交相的潛在相變路徑，為多晶氧化鉿基薄膜中鐵電疇取向的調(diào)控提供了新的思路。

研究背景氧化鉿基鐵電材料自2011年發(fā)現(xiàn)以來(lái)因其良好的CMOS兼容性和尺寸微縮性能在集成電路非易失性存儲(chǔ)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景，受到學(xué)術(shù)和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。由于氧化鉿基材料中鐵電正交相是在四方相到單斜相轉(zhuǎn)變過(guò)程形成的亞穩(wěn)相，因此鐵電薄膜材料一般呈現(xiàn)多晶多相特征，這為鐵電疇取向以及極化強(qiáng)度的調(diào)控帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)。研究思路本研究著眼于四方相到正交相的微觀相變路徑，提出通過(guò)同時(shí)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)和潛在的相變路徑，使多種取向的四方相都能轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌蛲耆暙I(xiàn)面外極化強(qiáng)度的(010)和(001)取向的正交相，從而在多晶氧化鉿基薄膜中實(shí)現(xiàn)鐵電疇取向及極化強(qiáng)度的調(diào)控（見(jiàn)圖1）。

圖1 基于Hf0.5Zr0.5O2中四方相（T）到正交相（O）相變路徑調(diào)控的鐵電疇取向調(diào)控思路示意圖

基于這一創(chuàng)新思路，研究團(tuán)隊(duì)采用(001)、(110)和(111)三種取向的單晶氮化鈦（TiN）襯底和原子層沉積技術(shù)制備了鐵電氧化鉿鋯薄膜（Hf0.5Zr0.5O2）及電容器件，并基于同步輻射X射線、透射電子顯微鏡以及電學(xué)表征表征確認(rèn)了（001）和（111）氮化鈦襯底上氧化鉿鋯薄膜中(010)和/或(001)正交相鐵電疇擇優(yōu)取向的實(shí)現(xiàn)以及極化強(qiáng)度的調(diào)控（見(jiàn)圖2-3）。

圖2 在不同取向TiN襯底上的Hf0.5Zr0.5O2中正交相區(qū)域的透射電子顯微鏡圖像，顯示了鐵電疇擇優(yōu)取向的調(diào)控

圖3 不同取向TiN襯底上的Hf0.5Zr0.5O2電容器的電學(xué)測(cè)試結(jié)果，顯示了基于疇取向調(diào)控的極化強(qiáng)度調(diào)控

此外，通過(guò)熱場(chǎng)原位X射線以及熱場(chǎng)原位透射電子顯微鏡技術(shù)觀察到了兩種四方相到鐵電正交相的微觀動(dòng)態(tài)相變路徑，包括已經(jīng)提出的四方相長(zhǎng)軸轉(zhuǎn)變?yōu)檎幌嚅L(zhǎng)軸的傳統(tǒng)相變路徑以及新發(fā)現(xiàn)的四方相長(zhǎng)軸轉(zhuǎn)變?yōu)檎幌喽梯S的潛在路徑，并深入探討了潛在相變路徑產(chǎn)生的物理機(jī)制（見(jiàn)圖4）。

圖4 Hf0.5Zr0.5O2在TiN (001)襯底上新發(fā)現(xiàn)的T-O相變路徑及其形成機(jī)制分析

該工作不僅為氧化鉿基鐵電薄膜的鐵電疇取向調(diào)控提供了新方法，還為未來(lái)高性能鐵電器件的設(shè)計(jì)與優(yōu)化開(kāi)辟了新思路。