基于HfO2的多比特铁电存储器结合了非易失性、速度和能效，使其成为大规模数据存储和处理的有前途的技术。然而，仍存在一些挑战，尤其是极化变化、高操作电压和较差的耐久性能。在本研究中，展示了
通过HfO2和ZrO2的顺序原子层沉积（ALD）生长的Hf1−xZrxO2（x = 0.65至0.75）薄膜，表现出三步域切换特性，形式为三峰余电场（EC）分布。
这种长期寻求的行为即使在高达125°C和经过1×10^8次电场循环后也几乎不发生变化。通过结合电气特性和集成差分相位对比扫描透射电子显微镜（iDPC-STEM），揭示了
三峰EC分布是由铁电开关和可逆反铁电-铁电转变的耦合驱动的。
进一步
展示了Hf1−xZrxO2电容器的每个单元3比特操作，具有出色的器件间变化和长期数据保持能力，通过三峰EC中各个峰的完全切换实现。
这项工作代表了在实现可靠的非易失性多态铁电器件方面迈出了重要一步。
1. 薄膜生长
- 材料与设备：Hf1−xZrxO2薄膜通过原子层沉积（ALD）在250°C下生长在W涂层的高掺杂p型Si(100)衬底上。
- 前驱体：使用[(CH3)(C2H5)N]4Hf（TEMAH）作为Hf前驱体，[(CH3)(C2H5)N]4Zr（TEMAZ）作为Zr前驱体，H2O作为氧源。
- 沉积序列：根据设计的配方，HfO2和ZrO2的沉积序列被设计以改变Hf/Zr比例。不同配方下，HfO2和ZrO2的总沉积周期相同，以保持相同的薄膜厚度。
- 电极形成：在Hf1−xZrxO2薄膜沉积后，通过射频磁控溅射和阴影掩模形成顶部W电极，测量电极面积约为17600 μm²。
- 退火：在N2气氛下550°C进行后金属化退火（PMA）30秒，以结晶化沉积的Hf1−xZrxO2薄膜。
2. 多级性能评估
- 3-bit/cell操作：基于三峰EC分布或三步切换特性，在Hf1−xZrxO2薄膜上执行3-bit/cell操作。通过完全切换三峰EC分布中的各个峰值来实现8种极化状态。
- 设备间变异性：在100个W/Hf0.3Zr0.7O2/W电容器上执行3-bit/cell操作，以展示设备间的变异性。
- 保持特性：通过在1×10^4秒后测量8种极化状态的极化损失来评估保持特性。
1. 三步域切换特性的发现：
- 论文展示了Hf1−xZrxO2（x = 0.65至0.75）薄膜通过顺序原子层沉积（ALD）生长，展现出三步域切换特性，这表现为三峰余电场（EC）分布。这种特性在高达125°C的温度和经过1×10^8次电场循环后仍然保持稳定。
2. 铁电与反铁电耦合机制：
- 通过结合第一阶反转曲线（FORC）测量和集成差分相位对比扫描透射电子显微镜（iDPC-STEM），揭示了三峰EC分布是由铁电开关和可逆反铁电-铁电转变的耦合驱动的。这种耦合机制为实现多步域切换提供了新的途径。
3. 高温和循环稳定性：
- 论文证明了三步域切换特性在高温（高达125°C）和电场循环（1×10^8次）下具有出色的稳定性，这对于实现可靠的多级存储操作至关重要。
