First Observation of Ultra-high Polarization (~ 108 μC/cm²) in Nanometer Scaled High Performance Ferroelectric HZO Capacitors with Mo Electrodes

铁电性 电容器 结晶 极化(电化学) 材料科学 缩放比例 物理 光电子学 分析化学(期刊) 电压 电介质 化学 物理化学 热力学 量子力学 有机化学 数学 几何学
作者
Fei Huang,Balreen Saini,L. Wan,Haidong Lu,Xiao He,S. Qin,Wilman Tsai,Alexei Gruverman,Andrew C. Meng,H.‐S. Philip Wong,Paul C. McIntyre,S.S. Wong
标识
DOI:10.23919/vlsitechnologyandcir57934.2023.10185240
摘要

We demonstrate, for the first time, excellent ferroelectricity, and endurance of 4 nm-thick and $65\mathrm{~nm}\times 45\mathrm{~nm}$ size Hf0.5Zr0.5O2(HZO) capacitors with Mo electrodes. We show 1) the crystallization temperature is as low as 400 °C, which is critical for BEOL FeRAM; 2) benefits from thickness scaling, low operation voltage (1.2 V) and high endurance (>1010cycles) are achieved; 3) the wake-up effect is further reduced to 20% and the beginning of fatigue is delayed by an order of magnitude by adding a 1 nm CeO2stressor layer; and 4) direct measurements of ferroelectricity with ultra-high polarization switching $(\sim 108 \mu\mathrm{C}/\mathrm{cm}^{2})$ in devices scaled down to $95\mathrm{~nm}\times 85\mathrm{~nm}$ size. This study advances the understanding of scaling effect in HZO capacitors.
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