Impact of Oxygen Vacancy on Ferroelectric Characteristics and Its Implication for Wake-Up and Fatigue of HfO2-Based Thin Films

铁电性 物理 材料科学 算法 数学 量子力学 电介质
作者
Jiajia Chen,Chengji Jin,Xiao Yu,Xiaole Jia,Yue Peng,Yan Liu,Bing Chen,Ran Cheng,Genquan Han
出处
期刊:IEEE Transactions on Electron Devices [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:69 (9): 5297-5301 被引量:24
标识
DOI:10.1109/ted.2022.3190256
摘要

In this article, a phase-field polarization switching model for ferroelectric HfO 2 -based thin films considering oxygen vacancies ( ${V}_{o}$ ) has been developed based on the 2-D time-dependent Ginzburg–Landau (TDGL) equation coupling with Poisson’s equation. The impacts of nonuniform ${V}_{o}$ distributions induced by the monolayer grains in ultra-scaled Hf 0.5 Zr 0.5 O 2 (HZO) films and ${V}_{o}$ concentrations on ferroelectric characteristics are investigated in detail by the developed model which is verified and calibrated by measurement results of HZO. Furthermore, possible mechanisms of wake-up and fatigue are revealed by the simulation with the proposed model. It is clarified that the redistribution of nonuniform ${V}_{o}$ in the in-plane direction leads to the transition from a pinched polarization-voltage curve to a conventional one at the early stage of wake-up, while the generation of ${V}_{o}$ within a ferroelectric film results in ferroelectricity enhancement and reduction in wake-up and fatigue processes, respectively.

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