Accurate Evaluation of High-k HZO/ZrO2 Films by Morphotropic Phase Boundary

铁电性 电介质 材料科学 相界 超晶格 电容器 凝聚态物理 电容 相(物质) 光电子学 高-κ电介质 分析化学(期刊) 电压 化学 电气工程 物理 物理化学 工程类 有机化学 色谱法 电极
作者
Seungyeol Oh,Hojung Jang,Hyunsang Hwang
出处
期刊:IEEE Electron Device Letters [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:45 (1): 28-31 被引量:37
标识
DOI:10.1109/led.2023.3331001
摘要

This study evaluates HfxZr1-xO2 (HZO)-based high-k dielectrics, where dielectric constant (k) is significantly enhanced through structural engineering. The investigation focuses on their dielectric characteristics by pulse operation for DRAM applications. HZO/ZrO2 (HZZ) films with different superlattice structures display different dielectric behaviors, including ferroelectricity, morphotropic phase boundary (MPB), and anti-ferroelectricity. The HZZ film at the MPB condition exhibits exceptionally high k value of 62 even at voltage of 1 V, which is attributed to the abundance of phase boundaries facilitating phase transition in the superlattice structure. Conversely, the HZZ films with ferroelectric and anti-ferroelectric properties exhibit lower-than-expected k values compared to capacitance measurement, due to overestimation caused by polarization switching. Furthermore, the HZZ film at the MPB condition demonstrates robust endurance above 1012 cycles (k>45 @1015 cycles, extrapolation). These findings highlight the potential of HZZ films at the MPB to replace conventional DRAM capacitors, offering superior dielectric properties.

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