芯片與系統前沿技術研究院

近日，2024年超大規模集成電路國際研討會（IEEE Symposium on VLSI Technology and Circuits）在美國召開。復旦大學芯片與系統前沿技術研究院的劉明院士團隊在會上展示了鉿基鐵電器件可靠性方面的最新研究進展。

基于Hf?Zr???O?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，受到了廣泛關注。然而，器件的可靠性是影響其大規模應用的關鍵問題之一。在程序代碼存儲以及人工智能網絡（AI）推理等以讀操作為主的應用中，鐵電電容既不會像在傳統耐久性測試中一樣被頻繁擦寫，也不會像在傳統保持性測試中一樣長時間維持在同一極化狀態。因此，器件在這些應用場景下的可靠性失效規律及背后的物理機制值得深入的研究。

針對上述問題，團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。研究發現，在電學測試過程中，隨著占空比的減小，極化強度（Psw）損失和翻轉電壓（Vc）偏移程度加劇，最終使得器件更快失效。在此基礎上，研究人員建立了包含氧空位缺陷動力學和Preisach極化翻轉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動下氧空位重新分布主導的失效機制（圖1）。

圖1 Duty cycling失效電學行為及氧缺陷遷移主導的物理機制

最后，團隊針對性地提出了利用超晶格結構以及Hf:Zr比例調控，抑制電學刺激下的氧缺陷生成，成功緩解了上述失效行為，并實現了在128Kb鉿基FeRAM芯片上的驗證，推動了鉿基鐵電存儲技術的更廣泛應用。

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