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Stress-Memorized HZO for High-Performance Ferroelectric Field-Effect Memtransistor

铁电性 光电子学 材料科学 场效应晶体管 电介质 极化(电化学) 晶体管 兴奋剂 电子工程 电压 电气工程 化学 工程类 物理化学
作者
Shih-Hao Tsai,Zihang Fang,Xinghua Wang,Umesh Chand,Chun-Kuei Chen,Sonu Hooda,Maheswari Sivan,Jieming Pan,Evgeny Zamburg,Aaron Thean
出处
期刊:ACS applied electronic materials [American Chemical Society]
卷期号:4 (4): 1642-1650 被引量:28
标识
DOI:10.1021/acsaelm.1c01321
摘要

A ferroelectric field-effect transistor (FeFET), capable of logic and memory functionalities in a single device, is a promising three-terminal memtransistor that enables high-performance in-memory computing for non Von Neumann architectures. Among all HfO2-based ferroelectric materials, HfZrO2 (HZO) has attracted the most attention due to the low process temperature of ≤500 °C; however, it has relatively weak polarization. Many prior works claimed that the way to improve HZO-based FeFET characteristics is to enhance HZO ferroelectric properties, while they did not account for the fundamental compromise on dielectric breakdown strength (BDS), transistor ON/OFF current (ION/IOFF) ratio, and memory window (MW) due to the enhanced polarization. In this work, we propose an approach for controlling the ferroelectric orthorhombic phase (O phase) and the corresponding polarization in optimal value by engineering both the surface morphology and stress of HZO layer by a thermal expansion mismatch with a TiN/W stacked capping layer, to improve the BDS, ION/IOFF ratio, and MW. Through electrode surface optimization and stress memorization we achieved an 18% HZO ferroelectricity increase with a high BDS value of ≥4.8 MV/cm. Our optimized FeFET shows good electrical characteristics and supports operation in an identical pulse programming (IPP) mode, showing good potentiation and depression nonlinearity (−0.84 and −2.04) with an asymmetry factor of 1.2. A simulation based on the proposed FeFET array demonstrates the high potential of application in an artificial neural network (ANN).

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