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Impact of Hafnium Doping on Phase Transition, Interface, and Reliability Properties of ZrxHf1–xO2-Based Capacitors

材料科学 兴奋剂 电介质 铁电性 薄膜 光电子学 氧化物 纳米技术 冶金
作者
Pramoda Vishnumurthy,Bohan Xu,Florian Wunderwald,Claudia Richter,Oliver Rehm,L. Baumgarten,Martina Müller,Thomas Mikolajick,Alfred Kersch,Uwe Schroeder
出处
期刊:ACS applied electronic materials [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsaelm.4c01025
摘要

Zirconium oxide and zirconium-rich ZrxHf1–xO2 thin films have attracted attention owing to their switching stability and significant promise for commercial applications such as high-performance, nonvolatile memory devices, high-density energy storage devices, and supercapacitors. In the path toward commercial applications, understanding the factors influencing the formation of ferroelectric properties in these films is essential. This study explores the impact of hafnium doping on various factors affecting the formation of the ferroelectric phase in zirconium-rich hafnium oxide thin films. This work highlights that hafnium doping in zirconium oxide monotonically lowers the energy barrier for the antiferroelectric to ferroelectric phase transition. At the same time, it reduces the thickness of the parasitic layers formed at the metal nitride electrode-dielectric interfaces. Furthermore, it is demonstrated that the hafnium doping decreases the leakage current density, thus providing insights into lowering the defect density in zirconium-rich hafnium oxide films.
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