Deep Insights into the Failure Mechanisms in Field-cycled Ferroelectric Hf0.5Zr0.5O2 Thin Film: TDDB Characterizations and First-Principles Calculations

铁电性 退火(玻璃) 材料科学 无定形固体 随时间变化的栅氧化层击穿 凝聚态物理 物理 光电子学 电介质 结晶学 化学 量子力学 复合材料 栅极电介质 电压 晶体管
作者
Wei Wei,Weiqiang Zhang,Fei Wang,Xiaolei Ma,Qianwen Wang,Pengpeng Sang,Xuepeng Zhan,Yuan Li,Lu Tai,Qing Luo,Hangbing Lv,Jiezhi Chen
标识
DOI:10.1109/iedm13553.2020.9371932
摘要

To address the failure mechanisms in ferroelectric devices, this work presents a systematical study on Hf 0.5 Zr 0.5 O 2 -based ferroelectric memory. Firstly, by detail electrical characterizations of P-V and C-V curves in field-cycled devices, three dominant failure modes can be well distinguished. Then, by combining the TDDB measurements and first-principles calculations, it is found that, 1) the annealing temperature has large impacts on the initial defects concentrations while weakly affect the trap generation rate; 2) the breakdown paths take place mainly in the amorphous regions, which could generate reconfigurable filaments and cause RRAM properties; 3) temporary recovered ferroelectricity during cycling can be explained by considering the unstable breakdown paths generated at the grain boundary.
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