Nanosecond Polarization Switching and Long Retention in a Novel MFIS-FET Based on Ferroelectric $\hbox{HfO}_{2}$

铁电性 材料科学 电容器 极化(电化学) 光电子学 场效应晶体管 晶体管 电气工程 电压 化学 电介质 物理化学 工程类 冶金
作者
Johannes Müller,T. S. Böscke,U. Schröder,Raik Hoffmann,Thomas Mikolajick,L. Frey
出处
期刊:IEEE Electron Device Letters [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:33 (2): 185-187 被引量:168
标识
DOI:10.1109/led.2011.2177435
摘要

We report the fabrication of completely CMOS-compatible ferroelectric field-effect transistors (FETs) by stabilization of a ferroelectric phase in 10-nm-thin Si:HfO 2 . The program and erase operation of this metal-ferroelectric-insulator-silicon FET (MFIS) with poly-Si/TiN/Si:HfO 2 /SiO 2 /Si gate stack is compared to the transient switching behavior of a TiN-based metal-ferroelectric-metal (MFM) capacitor. Polarization reversal in the MFM capacitor follows a characteristic time and field dependence for ferroelectric domain switching, leading to a higher switching speed with increasing applied field. Similar observations were made for the material when implemented into an MFIS structure. Nonvolatile switching was observed down to 20-ns pulsewidth, yielding a memory window (MW) of 1.2 V. Further increase in gate bias or pulsewidth led to charge injection and degradation of the MW. Retention measurements for up to 10 6 s suggest a retention of more than ten years.

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