Simultaneously achieving high-κ and strong ferroelectricity in Hf0.5Zr0.5O2 thin film by structural stacking design

材料科学 堆积 铁电性 薄膜 工程物理 复合材料 纳米技术 光电子学 核磁共振 电介质 工程类 物理
作者
Yuchen Wang,Jiachen Li,Hansheng Zhu,Haifeng Bu,Xinzhe Du,Shengchun Shen,Yuewei Yin,Xiaoguang Li
出处
期刊:Journal of Materiomics [Elsevier BV]
卷期号:11 (5): 101016-101016 被引量:6
标识
DOI:10.1016/j.jmat.2025.101016
摘要

The superior dielectric and ferroelectric properties of HfO 2 -based thin films, coupled with excellent silicon compatibility, position them as highly attractive candidates for dynamic and ferroelectric random-access memories (DRAM and FeRAM). However, simultaneously achieving high dielectric constant ( κ ) and strong ferroelectricity in HfO 2 -based films presents a challenge, as high- κ and ferroelectricity are associated with the tetragonal and orthorhombic phases, respectively. In this study, we report both the good ferroelectric and dielectric properties obtained in W/Hf 0.5 Zr 0.5 O 2 (HZO ∼6.5 nm)/W with morphotropic phase boundary structure by optimizing stacking sequence of HfO 2 and ZrO 2 sublayers. Notably, by alternating stacking of 1-cycle HfO 2 with 1-cycle ZrO 2 sublayers ((1–HfO 2 )/(1–ZrO 2 )), high- κ (>50) and large polarization (2 P r > 40 μC/cm 2 , after wake-up) can be achieved. Besides, the (1–HfO 2 )/(1–ZrO 2 ) stacking configuration presents better thermal stability compared to other stacking sequences. Furthermore, the incorporation of an Al 2 O 3 layer leads to a low leakage current density (<10 −7 A/cm 2 at 0.65 V) and high dielectric endurance over 10 13 cycles (operating voltage ∼0.5 V). A low equivalent oxide thickness (EOT ∼0.53 nm) and considerable polarization with low leakage are simultaneously achieved. These results highlight the potential of HfO 2 -based films with optimized structural stacking as a trade-off approach for integrating DRAM and FeRAM on one-chip.
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