近日，2024年超大规模集成电路国际研讨会（IEEE Symposium on VLSI Technology and Circuits）在美国召开。复旦大学芯片与系统前沿技术研究院的刘明院士团队在会上展示了铪基铁电器件可靠性方面的最新研究进展。
基于HfxZr1-xO2材料的铁电存储器（FeRAM）由于其高速、良好的可微缩性和CMOS工艺兼容性，受到了广泛关注。然而，器件的可靠性是影响其大规模应用的关键问题之一。在程序代码存储以及人工智能网络（AI）推理等以读操作为主的应用中，铁电电容既不会像在传统耐久性测试中一样被频繁擦写，也不会像在传统保持性测试中一样长时间维持在同一极化状态。因此，器件在这些应用场景下的可靠性失效规律及背后的物理机制值得深入的研究。
针对上述问题，团队首先提出了一种包含不同脉冲占空比的耐久性（duty cycling）测试方法。研究发现，在电学测试过程中，随着占空比的减小，极化强度（Psw）损失和翻转电压（Vc）偏移程度加剧，最终使得器件更快失效（图1a）。在此基础上，研究人员建立了包含氧空位缺陷动力学和Preisach极化翻转机制的铁电器件三维物理模型，揭示了duty cycling背后由电场及浓度驱动下氧空位重新分布主导的失效机制（图1b）。最后，团队针对性地提出了利用超晶格结构以及Hf:Zr比例调控，抑制电学刺激下的氧缺陷生成，成功缓解了上述失效行为，并实现了在128Kb铪基FeRAM芯片上的验证，推动了铪基铁电存储技术的更广泛应用。
该研究成果以题为“Comprehensive Analysis of Duty-cycle Induced Degradations in HfxZr1-xO2-based Ferroelectric Capacitors: Behavior, Modeling, and Optimization”入选2024 VLSI。芯片院博士生冯冠和博士后李昱为共同第一作者，芯片院蒋昊青年研究员、魏莹芬青年研究员和刘琦教授为通讯作者。
图1 Duty cycling失效电学行为及氧缺陷迁移主导的物理机制
