芯片與系統(tǒng)前沿技術(shù)研究院

近日，2024年超大規(guī)模集成電路國際研討會(huì)（IEEE Symposium on VLSI Technology and Circuits）在美國召開。復(fù)旦大學(xué)芯片與系統(tǒng)前沿技術(shù)研究院的劉明院士團(tuán)隊(duì)在會(huì)上展示了鉿基鐵電器件可靠性方面的最新研究進(jìn)展。

基于Hf?Zr???O?材料的鐵電存儲(chǔ)器（FeRAM）由于其高速、良好的可微縮性和CMOS工藝兼容性，受到了廣泛關(guān)注。然而，器件的可靠性是影響其大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵問題之一。在程序代碼存儲(chǔ)以及人工智能網(wǎng)絡(luò)（AI）推理等以讀操作為主的應(yīng)用中，鐵電電容既不會(huì)像在傳統(tǒng)耐久性測(cè)試中一樣被頻繁擦寫，也不會(huì)像在傳統(tǒng)保持性測(cè)試中一樣長(zhǎng)時(shí)間維持在同一極化狀態(tài)。因此，器件在這些應(yīng)用場(chǎng)景下的可靠性失效規(guī)律及背后的物理機(jī)制值得深入的研究。

針對(duì)上述問題，團(tuán)隊(duì)首先提出了一種包含不同脈沖占空比的耐久性（duty cycling）測(cè)試方法。研究發(fā)現(xiàn)，在電學(xué)測(cè)試過程中，隨著占空比的減小，極化強(qiáng)度（Psw）損失和翻轉(zhuǎn)電壓（Vc）偏移程度加劇，最終使得器件更快失效。在此基礎(chǔ)上，研究人員建立了包含氧空位缺陷動(dòng)力學(xué)和Preisach極化翻轉(zhuǎn)機(jī)制的鐵電器件三維物理模型，揭示了duty cycling背后由電場(chǎng)及濃度驅(qū)動(dòng)下氧空位重新分布主導(dǎo)的失效機(jī)制（圖1）。

圖1 Duty cycling失效電學(xué)行為及氧缺陷遷移主導(dǎo)的物理機(jī)制

最后，團(tuán)隊(duì)針對(duì)性地提出了利用超晶格結(jié)構(gòu)以及Hf:Zr比例調(diào)控，抑制電學(xué)刺激下的氧缺陷生成，成功緩解了上述失效行為，并實(shí)現(xiàn)了在128Kb鉿基FeRAM芯片上的驗(yàn)證，推動(dòng)了鉿基鐵電存儲(chǔ)技術(shù)的更廣泛應(yīng)用。

該研究成果以題為“Comprehensive Analysis of Duty-cycle Induced Degradations in Hf?Zr???O?-based Ferroelectric Capacitors: Behavior, Modeling, and Optimization”入選2024 VLSI。芯片院博士生馮冠和博士后李昱為共同第一作者，芯片院蔣昊青年研究員、魏瑩芬青年研究員和劉琦教授為通訊作者。

審核編輯 黃宇