随着人工智能、物联网和大数据等新兴信息技术的快速发展与普及，全球数据量呈现爆炸式增长，迫切需要更高容量、更高可靠性的非易失性存储器。铁电存储器依赖于铁电材料铁电相的极化特性去实现信息的读写，铪基铁电存储器由于其超强尺寸微缩、低功耗及超高抗辐射能力等特性，成为未来极具发展前景的新型存储器之一。其中铪基铁电薄膜作为铁电存储器件的核心存储功能材料，其铁电相的结晶通常需要极高的后端退火温度（＞500 ℃）,然而从存储材料到存储器件的后端集成工艺（Back end of line，BEOL）温度往往要求低于400 ℃，过高的退火温度会造成存储器件阵列单元可靠性的急剧衰退，甚至直接发生失效。因此，如何在低温下诱导铪基铁电薄膜实现铁电相结晶，不仅直接决定存储单元的可靠性与良率水平，更是氧化铪基铁电薄膜材料研发迈向器件集成的核心桥梁。

近日，西安电子科技大学周益春教授团队从氧化铪铁电相结晶的形核动力学理论出发，通过HZO-ZrO2多层薄膜电容结构设计调控临界晶核界面能和体能的相对比例，诱导铁电相母相的“预成核”机制，该机制可有效降低铪基铁电薄膜结晶过程中的临界晶核半径（降幅31.4 %）与结晶势垒（降幅15.2 %），使低温铁电相母相结晶形核率提升5个数量级以上，实现了与互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）后端集成工艺温度完全兼容的低温铁电相结晶 (300 ℃, 2Pr >40 μC/cm2)。该成果不仅攻克了铪基铁电薄膜“低退火温度”与“高极化性能”难以协同兼顾的材料难题，更为提升铁电存储器件后端集成工艺与材料结晶温度的兼容性，提供了重要解决策略；同时阐明了铪基铁电薄膜动态结晶过程中的形核动力学机制，为降低HZO基铁电薄膜的结晶能垒提供了新的思路。相关研究成果以“Tailoring crystallization kinetics of HZO-based ferroelectric thin films for low-temperature process”为题，发表于材料领域知名期刊《Acta Materialia》 (2025年影响因子9.3)。西安电子科技大学先进材料与纳米科技学院博士生贾世杰、黄瑾为共同第一作者，周益春教授、廖佳佳副教授与王志鹏副教授为共同通讯作者，西安电子科技大学为第一完成单位。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121670

图1展示了HZO薄膜与HZO-ZrO2薄膜的微观结构与性能对比。HZO-ZrO2薄膜呈现出预期的多层结构，经300℃退火后展现出优异的结晶特性，并呈现显著的铁电“蝴蝶”曲线；与之形成鲜明对比的是，同等退火条件下的 HZO 薄膜无明显结晶的铁电性。

图1. 两种Hf0.5Zr0.5O2基铁电薄膜截面TEM、GIXRD、和PFM测试结果对比图

通过HZO-ZrO2多层结构设计，团队在300 ℃的退火温度下成功实现了优异的铁电极化特性（2Pr＞40 μC/cm2），并在常温饱和电压下的展现出高耐久性（＞1010次读写循环），保持时间可达10年且期间无显著极化衰减。