Balancing ferroelectricity and endurance in Hf 0.5 Zr 0.5 O 2 thin films through mixed-oxygen atomic layer deposition

作者
Quanjiang Lv,Zhihan Li,Chuang Zuo,Shanli Ke,焦启明,Wei Xiong,Ming Zhou,Hui Li,Junlin Liu
出处
期刊:Nanotechnology [IOP Publishing]
卷期号:37 (19): 195703-195703
标识
DOI:10.1088/1361-6528/ae643b
摘要

Abstract Simultaneous optimization of remanent polarization (2 Pr ) and long-term endurance remains a critical challenge for Hf 0.5 Zr 0.5 O 2 (HZO)-based ferroelectric thin films in next-generation non-volatile memory technologies. Here, we introduce a sequenced mixed-oxidant atomic layer deposition (ALD) process that employs an initial deionized H 2 O pulse followed by controlled O 3 exposure to decouple the inherent trade-off between strong ferroelectricity and reliability. The optimized Mix-10 s sample delivers a high 2 Pr ≈ 48 μ C cm −2 in ∼10 nm-thick films, accompanied by wake-up-free characteristics and outstanding cycling stability, retaining 98.9% of the pristine polarization after 10 9 bipolar switching cycles with minimal fatigue. Structural and electrical characterizations, including grazing-incidence x-ray diffraction, transmission electron microscopy, piezoresponse force microscopy, and switching current analysis, reveal a cooperative defect-engineering mechanism. The initial H 2 O pulse introduces a moderate oxygen vacancy concentration that lowers the kinetic barrier for stabilizing the ferroelectric orthorhombic phase, whereas the subsequent O 3 pulse removes residual carbon and hydrogen impurities and suppresses excessive vacancy accumulation, thereby mitigating domain wall pinning and leakage. This hybrid oxidant ALD approach provides a scalable and complementary metal-oxide-semiconductor compatible pathway toward high-polarization, fatigue free hafnia-based ferroelectrics for advanced memory and neuromorphic applications.
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