Enhanced Ferroelectricity and Reliability in Sub-6 nm Ferroelectric Hf0.5Zr0.5O2/ZrO2/Hf0.5Zr0.5O2 Stack Film Compatible with BEOL Process

铁电性 材料科学 可靠性(半导体) 分析化学(期刊) 光电子学 电介质 化学 物理 热力学 环境化学 功率(物理)
作者
Yinchi Liu,Jining Yang,Hao Zhang,Д. А. Голосов,Chenjie Gu,Xiaohan Wu,Hong‐Liang Lu,Lin Chen,Shi‐Jin Ding,Wen-Jun Liu
出处
期刊:ACS applied electronic materials [American Chemical Society]
卷期号:6 (11): 8507-8512
标识
DOI:10.1021/acsaelm.4c01745
摘要

In this work, the back-end of line (BEOL) compatible sub-6 nm Hf0.5Zr0.5O2/ZrO2/Hf0.5Zr0.5O2 (HZO/ZrO2/HZO) stack and the corresponding capacitors were fabricated. The capacitor with the sub-6 nm HZO/ZrO2/HZO stack annealed at 400 °C shows a superior remanent polarization (2Pr) of 26.3 μC/cm2 under only ±1.25 V sweeping, while the conventional HZO film presents nonferroelectricity. The enhanced ferroelectricity stems from the increased ferroelectric phase proportion with ZrO2 insertion. Moreover, the capacitor with a HZO/ZrO2/HZO stack also achieved an excellent endurance with a 2Pr of 27.1 μC/cm2 after 1011 cycles without breakdown and only ∼12% 2Pr degradation at 85 °C. The robust reliability is ascribed to the suppressed generation of defects and domain pinning under the low operating voltage. The sub-6 nm HZO/ZrO2/HZO stack presents great potential for BEOL compatible nonvolatile memories in advanced process nodes.

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