Role of Nitrogen in Ferroelectricity of Hf x Zr1-x O2-Based Capacitors With Metal-Ferroelectric-Insulator-Metal Structure

铁电性 材料科学 电容器 退火(玻璃) 氧化物 金属 分析化学(期刊) 物理 化学 光电子学 有机化学 电介质 量子力学 电压 冶金 复合材料
作者
Dong‐Ru Hsieh,Chia‐Chin Lee,Tien‐Sheng Chao
出处
期刊:IEEE Transactions on Electron Devices [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:69 (4): 2074-2079 被引量:11
标识
DOI:10.1109/ted.2022.3153263
摘要

In this study, Hf x Zr 1-x O 2 (HZO)-based capacitors with a metal–ferroelectric–insulator–metal (MFIM) structure were fabricated without and with ammonia (NH 3 ) plasma nitridation at both metal/oxide interfaces to experimentally investigate and discuss the role of nitrogen (N) in the ferroelectric. For the first time, we found that the ferroelectricity in the HZO thin film weakened after NH 3 plasma nitridation. Material analysis results indicated that the reduced ferroelectricity was attributable to N diffusion from both metal/oxide interfaces into the HZO thin film to further produce a N-doped HZO thin film with numerous N bonds, leading to the decreased oxygen vacancy mobility during post metal annealing (PMA). However, the ferroelectricity can be effectively improved by increasing the PMA temperature from 300 °C to 650 °C. Furthermore, the NH 3 plasma nitridation at both metal/oxide interfaces that can greatly suppress the oxygen vacancy generation results in a significantly improved voltage stress immunity in the HZO-based capacitors under a stress voltage of 3 V.
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