Significant improvement of ferroelectricity and reliability in Hf0.5Zr0.5O2 films by inserting an ultrathin Al2O3 buffer layer

铁电性 材料科学 电介质 极化(电化学) 光电子学 电容器 原子层沉积 薄膜 电极 图层(电子) 纳米技术 电压 电气工程 化学 工程类 物理化学
作者
Haiyan Chen,Lin Tang,Leyang Liu,Yonghong Chen,Hang Luo,Xi Yuan,Dou Zhang
出处
期刊:Applied Surface Science [Elsevier BV]
卷期号:542: 148737-148737 被引量:46
标识
DOI:10.1016/j.apsusc.2020.148737
摘要

Abstract Due to the full compatibility with modern complementary-metal-oxidesemiconductor (CMOS) technology and scalable capability, HfO2-based ferroelectric films have been considered as the most potential materials in micro-nano non-volatile memories. However, despite great achievements, the existence of poor interface still poses a great threat to the improve of ferroelectricity and polarization stability. Here, the excellent ferroelectricity and reliability in the 21.6 nm-thick Hf0.5Zr0.5O2 (HZO) films are reported through interface modification by inserting an ultrathin Al2O3 (AO) layer using atomic layer deposition method. Improved polarization and stability are achieved in HZO/AO bilayers with the AO thickness below 2.4 nm. When the thickness of AO dielectric layer is 1.6 nm, the maximum remnant polarization reaches 30.19 μC/cm2 and the leakage current is decreased by 2 ~ 3 orders of magnitude. The strong interface polarization resulted from the electrostatic coupling between HZO and AO films contributes to the improved ferroelectricity of HZO films. Furthermore, the AO layer, as a dielectric capacitor after switching or during non-switching, can block the electron injection from bottom electrode and therefore improve the cycling reliability. This work demonstrates that an inlaid dielectric layer with much lower dielectric constant can significantly enhance the electrical properties of ferroelectric films.
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