近日，在2024年超大規(guī)模集成電路國際研討會上，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)隊在會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HfxZr1-xO2材料的鐵電存儲器（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，鐵電電容既不會像在傳統(tǒng)耐久性測試中一樣被頻繁擦寫，也不會像在傳統(tǒng)保持性測試中一樣長時間維持在同一極化狀態(tài)。因此，器件在這些應(yīng)用場景下的可靠性失效規(guī)律及背后的物理機制值得深入的研究。

針對上述問題，團(tuán)隊首先提出了一種包含不同脈沖占空比的耐久性（duty cycling）測試方法。研究發(fā)現(xiàn)，在電學(xué)測試過程中，隨著占空比的減小，極化強度（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力學(xué)和Preisach極化翻轉(zhuǎn)機制的鐵電器件三維物理模型，揭示了duty cycling背后由電場及濃度驅(qū)動下氧空位重新分布主導(dǎo)的失效機制。

最后，團(tuán)隊針對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，并實現(xiàn)了在128Kb鉿基FeRAM芯片上的驗證，推動了鉿基鐵電存儲技術(shù)的更廣泛應(yīng)用。