HfO₂基铁电材料因具有优异的硅工艺兼容性和良好的厚度可缩放性，被认为是发展先进高密度动态随机存储器（DRAM）和铁电随机存储器（FeRAM）的重要材料体系。然而，随着薄膜厚度缩减至亚10纳米尺度，界面扩散、氧空位、晶界缺陷和杂质残留等问题显著增强，往往导致铁电极化、介电常数、漏电流和循环耐久性难以同时优化。

我们发展了高压退火（HPA）结合真空退火（VA）的退火策略（HPA+VA），高压N₂气氛退火可改善金属/氧化物界面质量、抑制界面互扩散并降低非晶格氧相关缺陷；后续真空退火可减少碳相关残留杂质，降低缺陷钉扎。由此提升了超薄氧化铪基薄膜铁电与介电性能，主要成果如下：

1、在Pt/TiN/Al₂O₃/Hf_0.5Zr_0.5O₂/TiO₂/TiN电容器件中，我们实现了超薄介质层（总厚度约5.9 nm）铁电与介电性能的显著提升（图1）：样品兼具高铁电极化（2P_r~33 μC/cm²），高介电常数（ε_r~49），低等效氧化层厚度（EOT~0.47 nm）和低漏电（J_leak<10^-7 A/cm²@1 V）；并且样品具有超高铁电循环耐久性（>10¹³次），循环后2P_r仍保持23.0 μC/cm²（满足IEEE国际设备与系统路线图IRDS对先进FeRAM用铁电材料的标准>18.1 μC/cm²）。

2、样品具有良好的高温稳定性：如图2所示，150 ℃下2P_r~28.0 μC/cm²，循环耐久性超过10¹²次，循环后2P_r仍保持约22.3 μC/cm²。经HPA+VA热处理后的HfO₂基超薄膜，其性能明显提升（图3）。本工作为超薄HfO₂基薄膜中铁电介电性能的协同优化提供了有效策略，为发展高密度、低漏电和高可靠性的DRAM与FeRAM器件提供了重要工艺基础。

相关工作以“Enhanced ferroelectric and dielectric performance of ultrathin Hf_0.5Zr_0.5O₂ films via high-pressure annealing followed by vacuum annealing”为题发表在Acta Materialia（https://doi.org/10.1016/j.actamat.2026.122161），博士生朱汉生为该论文的第一作者。该项研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目资助。

图1：不同退火工艺下HZO薄膜结构、缺陷和电学性能的综合比较。

图2：HPA+VA处理超薄HZO电容的高温性能和热稳定性。

图3 经HPA+VA热处理后的HfO₂基超薄膜，其漏电流密度、铁电极化以及循环寿命与其它已发表的数据相比优势明显。