Interfacial Layer Engineering in Sub-5-nm HZO: Enabling Low-Temperature Process, Low-Voltage Operation, and High Robustness

符号 缩放比例 铁电性 算法 材料科学 物理 数学 光电子学 电介质 算术 几何学
作者
Eunseon Yu,Xiao Lyu,Mengwei Si,Peide D. Ye,Kaushik Roy
出处
期刊:IEEE Transactions on Electron Devices [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:70 (6): 2962-2969 被引量:38
标识
DOI:10.1109/ted.2023.3270397
摘要

For low-voltage reliable operation of ferroelectric devices, the scaling of Hf $_{{1}-{x}}$ ZrxO2 (HZO) thickness ( ${t}_{\text {HZO}}$ ) is important. Despite the importance of scaling, ferroelectricity degradation and increased process thermal budget hinder progress. In this work, we propose the use of an interfacial layer (IL) to mitigate these scaling issues and validate its effectiveness in thin ${t}_{\text {HZO}}$ . Our findings demonstrate that IL can activate ferroelectricity below the critical temperature of ferroelectric HZO. Moreover, we report $2\times $ polarization improvement, reduced operation voltage from 1.5 to 1.2 V, and substantially improved endurance with $>$ 10 years of reliability, all based on experimental results. We believe this systematic work offers a simple yet efficient route toward HZO scaling in ferroelectric devices.
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