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三星团队在《Nature》发表铁电晶体管突破性研究：实现超低功耗NAND闪存

作者及发表信息
该研究由三星电子（Samsung Electronics）高级技术研究院（SAIT）的Sijung Yoo、Duk-Hyun Choe等27位作者共同完成，于2025年12月11日发表于《Nature》第648卷。研究团队来自三星的薄膜技术单元（Thin Film Technical Unit）、材料分析中心（Material Research Center）及半导体研发中心（Semiconductor Research and Development Center）。

学术背景
NAND闪存是现代存储技术的核心，但传统架构因需高电压“通过操作”（pass operation）导致功耗过高。随着人工智能和数据中心对低功耗需求的激增，降低功耗与保持多级存储能力（multi-level capability）之间的矛盾成为关键挑战。铁电NAND（FeNAND）虽被视为潜在解决方案，但硅基铁电场效应晶体管（ferroelectric field-effect transistor, FeFET）存在界面层（interlayer, IL）介电常数低、可靠性差等问题。本研究通过创新性设计锆掺杂铪氧化物（HZO）铁电层与氧化物半导体（oxide semiconductor, OS）通道的结合，解决了这一矛盾。

研究流程与方法
1. 器件设计与仿真
- 数值模型构建：开发了涵盖极化切换、电荷注入和界面陷阱的TCAD（Technology Computer-Aided Design）仿真框架，模拟FeFET的阈值电压（Vth）与记忆窗口（memory window）关系。
- 关键设计原则：提出仅利用铁电层“上极化”（up polarization）的策略，搭配高k通道界面层（如Ta2O5）和低k栅极界面层（SiO2/SiNx），以扩大记忆窗口并降低最大Vth。

1. 器件制备

   • 平面器件：采用原子层沉积（ALD）制备10 nm厚HZO铁电层与铟镓锌氧化物（IGZO）通道，通道宽度/长度为1 μm。通过钼（Mo）应力层诱导正交相形成，退火后移除应力层。
     
   • 三维结构验证：制备四层堆叠的垂直结构器件，栅极长度缩至25 nm，验证实际NAND架构兼容性。
     

2. 电学性能测试

   • 多级操作：通过增量步进脉冲编程（ISPP）和擦除（ISPE）实现5比特/单元（PLC）存储，验证32个独立状态（记忆窗口达11.7 V）。
     
   • 功耗分析：与传统电荷陷阱NAND相比，通过电压（Vpass）降至近零，功耗降低96%（286层堆叠下）。
     
   • 抗干扰性：在107次通过干扰（pass disturb）循环后，记忆窗口退化%，远优于硅基FeFET（退化50%）。
     

3. 可靠性验证

   • 高温测试：85°C下保持>6.5 V记忆窗口（QLC要求）超过1000次循环，满足工业标准。
     
   • 三维集成：垂直结构中单字线（word line）编程/擦除操作验证了低Vpass（1 V）下的稳定串级（string-level）性能。
     

主要结果与逻辑关联
- 记忆窗口扩展：通过增加栅极界面层厚度（SiO2从3 nm增至5 nm），记忆窗口从9 V提升至11.7 V（图3a-b），支持PLC操作（图3c）。TCAD仿真表明，此设计通过降低栅极界面层电容（Cg.il）增强电荷注入效率（Extended Data Fig. 7）。
- 功耗优化：OS通道缺乏空穴的特性使擦除态Vth≈0，结合低Vpass设计，显著降低串级操作功耗（图1f）。
- 抗干扰机制：高k通道界面层（Ta2O5）抑制氧空位，减少漏电流（Extended Data Fig. 2f），同时通过非对称极化设计降低读取扰动（图2e-g）。

结论与价值
本研究提出了一种颠覆性FeNAND设计，首次实现5比特/单元存储与超低功耗的兼容。其科学价值在于揭示了OS通道与铁电层的协同机制，而应用价值体现在：
1. 存储领域：为千层堆叠3D NAND提供可行性路径，功耗降低96%可缓解数据中心能源压力。
2. 扩展应用：基于NAND架构的神经形态计算（neuromorphic computing）和存内计算（in-memory computing）潜力。

研究亮点
- 创新设计：首次利用OS通道“无空穴”特性实现Vth≈0，突破传统FeFET对称极化限制。
- 工艺兼容性：无需修改现有3D NAND架构，HZO与IGZO的ALD工艺成熟。
- 多维验证：从TCAD仿真到25 nm三维器件，全流程验证可靠性。

其他价值
- 方法学贡献：开发的数值模型可提取内部参数（极化强度P、界面电荷Qit），为后续研究提供工具。
- 行业影响：三星通过该研究巩固了在先进存储技术中的领先地位，相关专利可能主导未来FeNAND市场。

此报告完整覆盖了研究的背景、方法、结果与意义，并突出了其创新性与应用潜力。