Dimensional Scaling of Ferroelectric Properties of Hafnia-Zirconia Thin Films: Electrode Interface Effects

哈夫尼亚 铁电性 材料科学 缩放比例 电极 薄膜 立方氧化锆 接口(物质) 光电子学 纳米技术 复合材料 电介质 化学 陶瓷 数学 毛细管数 物理化学 毛细管作用 几何学
作者
Fei Huang,Balreen Saini,Lei Wan,Haidong Lu,Xiaoqing He,Shengjun Qin,Wilman Tsai,Alexei Gruverman,Andrew C. Meng,H.‐S. Philip Wong,Paul C. McIntyre,S.S. Wong
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:18 (27): 17600-17610 被引量:10
标识
DOI:10.1021/acsnano.4c01992
摘要

Hafnia-based ferroelectric (FE) thin films are promising candidates for semiconductor memories. However, a fundamental challenge that persists is the lack of understanding regarding dimensional scaling, including thickness scaling and area scaling, of the functional properties and their heterogeneity in these films. In this work, excellent ferroelectricity and switching endurance are demonstrated in 4 nm-thick Hf0.5Zr0.5O2 (HZO) capacitors with molybdenum electrodes in capacitors as small as 65 nm × 45 nm in size. The HZO layer in these capacitors can be crystallized into the ferroelectric orthorhombic phase at the low temperature of 400 °C, making them compatible for back-end-of-line (BEOL) FE memories. With the benefits of thickness scaling, low operation voltage (1.2 V) is achieved with high endurance (>1010 cycles); however, a significant fatigue regime is noted. We observed that the bottom electrode, rather than the top electrode, plays a dominant role in the thickness scaling of HZO ferroelectric behavior. Furthermore, ultrahigh switched polarization (remanent polarization 2Pr ∼ 108 μC cm–2) is observed in some nanoscale devices. This study advances the understanding of dimensional scaling effects in HZO capacitors for high-performance FE memories.

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