Physical Mechanisms behind the Field‐Cycling Behavior of HfO2‐Based Ferroelectric Capacitors

材料科学 铁电性 极化(电化学) 光电子学 电容器 氧化物 工程物理 电气工程 电压 电介质 化学 物理化学 冶金 工程类
作者
Milan Pešić,Franz P. G. Fengler,Luca Larcher,Andrea Padovani,Tony Schenk,Everett D. Grimley,Xiahan Sang,James M. LeBeau,Stefan Slesazeck,Uwe Schroeder,Thomas Mikolajick
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:26 (25): 4601-4612 被引量:892
标识
DOI:10.1002/adfm.201600590
摘要

Novel hafnium oxide (HfO 2 )‐based ferroelectrics reveal full scalability and complementary metal oxide semiconductor integratability compared to perovskite‐based ferroelectrics that are currently used in nonvolatile ferroelectric random access memories (FeRAMs). Within the lifetime of the device, two main regimes of wake‐up and fatigue can be identified. Up to now, the mechanisms behind these two device stages have not been revealed. Thus, the main scope of this study is an identification of the root cause for the increase of the remnant polarization during the wake‐up phase and subsequent polarization degradation with further cycling. Combining the comprehensive ferroelectric switching current experiments, Preisach density analysis, and transmission electron microscopy (TEM) study with compact and Technology Computer Aided Design (TCAD) modeling, it has been found out that during the wake‐up of the device no new defects are generated but the existing defects redistribute within the device. Furthermore, vacancy diffusion has been identified as the main cause for the phase transformation and consequent increase of the remnant polarization. Utilizing trap density spectroscopy for examining defect evolution with cycling of the device together with modeling of the degradation results in an understanding of the main mechanisms behind the evolution of the ferroelectric response.
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