於本周舉行的2022年IEEE國際電子會議（IEDM）上，比利時微電子研究中心（imec）展示了一款摻雜鑭（La）元素的氧化鉿鋯（HZO）電容器，成功取得1011次循環操作與更佳的電滯曲線（電場為1.8MV/cm時，殘留極化值達到30μC/cm2），並減緩了喚醒效應。此次能夠實現鐵電電容的多項性能升級，關鍵在於介面氧化工程技術。這項鐵電電容技術具備高性能、微縮能力與CMOS相容性，將是實現新一代嵌入式與獨立式鐵電隨機存取記憶體（FeRAM）應用的關鍵。

不同鐵電電容與氮化鈦（TiN）電極的元件耐久性測量（殘留極化值與循環次數的比較）。綠色曲線是重點，該元件採用三層（TriLayer）堆疊，包含一層二氧化鈦（TiO2）種子層與五氧化二鈮（Nb2O5）覆蓋層。

鐵電記憶體（FeRAM）是一種非揮發性記憶體，可望作為新興的嵌入式或儲存級記憶體，滿足高速DRAM（讀取時間小於10奈秒）與高密度NAND快取記憶體未能填補的市場需求。與DRAM結構相似，鐵電記憶體也是由1個電晶體與1個電容組成；為了實現非揮發性，以鐵電材料取代介電材料作為電容。鐵電材料包含兩種極化狀態（+P與-P），藉由施加外部電場就能轉換。過去幾年，氧化鉿鋯（HZO）因為可用於CMOS製程並具備10奈米以下的微縮潛能，成為備受矚目的鐵電材料。

為了製成嵌入式記憶體或儲存級記憶體，必須具備幾項元件特性。理想情況下，鐵電記憶體的電容具備1012次以上的超耐久循環，同時，在生命週期內殘留極化量（2PR）達到30-40μC/cm2。但到目前為止，仍無元件能同時實現這兩者，因為鐵電材料的電容面臨了延遲喚醒（最初的殘留極化量低）與快速疲勞（殘留極化量快速下降）的問題。

比利時微電子研究中心（imec）鐵電元件研究計畫主持人Jan Van Houdt說明：「利用介面氧化工程技術，以及在鑭（La）摻雜氧化鉿鋯（HZO）元件層各導入一層1nm二氧化鈦（TiO2）種子層與一層2nm五氧化二鈮（Nb2O5）覆蓋層，我們成功開發了同時具備優良耐久性（1011次循環操作）與殘留極化量（在施加1.8MV/cm外部電場的情況下，殘留極化量達到30μC/cm2）的元件，而且起始操作階段的極化性也不錯。」

「經過初步了解，該元件與Nb2O5覆蓋層的接面能促進HZO材料轉換至所需的斜方晶相，也就是鐵電相，做法是在HZO層注入氧離子，TiO2層則有利於製出（002）晶體，進一步提高殘留極化的初始值。」他說道。另一種做法是採用不同的前驅物來沉積HZO層，結果創下了歷史新高的極化值，電場為3MV/cm的情況下達到66.5μC/cm2，但循環操作只有106次。“

Jan Van Houdt接著表示：「現在有了這項高性能、與CMOS相容且可微縮化的鐵電電容技術，我們就能步入下個振奮人心的新階段，就是導入原子層沉積技術，將原先採用平面結構的鐵電電容3D化。如此一來就能實現儲存密度的升級，將鐵電記憶體推向市場， 製成新一代嵌入式或獨立式記憶體。」