Demonstration of Robust Breakdown Reliability and Enhanced Endurance in Gallium Doped HfO2 Ferroelectric Thin Films

铁电性 电容器 电介质 材料科学 分析化学(期刊) 物理 光电子学 量子力学 化学 有机化学 电压
作者
Teng Huang,Yuchun Li,C. Chen,Xiaoxi Li,Ze-Yu Gu,David Wei Zhang,Xiaona Zhu,Hong-Liang Lü
出处
期刊:IEEE Electron Device Letters [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:44 (9): 1476-1479 被引量:24
标识
DOI:10.1109/led.2023.3299728
摘要

In this letter, gallium doped HfO2(Ga:HfO $_{{2}}{)}$ ferroelectric capacitors were fabricated and characterized. It is demonstrated that the W/Ga:HfO2/W capacitors under 650 °C rapid thermal annealing achieved a comprehensively good ferroelectricity, including a large remnant polarization ( $2{P}_{\text {r}}{)}$ of $32.0~\mu \text{C}$ /cm2 and a small coercive electric field ( ${E}_{\text {c}}{)}$ of 0.9 MV/cm. Moreover, the devices exhibit robust breakdown reliability including high breakdown electric field ( ${E}_{\text {BD}}{)}$ (>4.5 MV/cm), and large breakdown voltage (>2.7 V) for 10-year time-dependent dielectric breakdown (TDDB) lifetime. Moreover, the robust endurance ( $10^{{10}}{)}$ was achieved in W/Ga:HfO2/W capacitors under 1 MHz loading. Such improvements were mainly attributed to the decreased ${E}_{\text {c}}/{E}_{\text {BD}}$ ratio from Ga effectively doping, which lowered the probability of breakdown during cycling. This work provides the perspective to optimize the reliability HfO2-based ferroelectric devices through doping engineering.
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