Silicon doped hafnium oxide (HSO) and hafnium zirconium oxide (HZO) based FeFET: A material relation to device physics

材料科学 兴奋剂 铁电性 光电子学 堆栈(抽象数据类型) 薄膜 氧化物 纳米技术 冶金 电介质 计算机科学 程序设计语言
作者
Tarek Ali,P. Polakowski,S. Riedel,Thiess Büttner,Thomas Kämpfe,Matthias Rudolph,B. Pätzold,Konrad Seidel,D. A. Lohr,Raik Hoffmann,M. Czernohorsky,Kati Kühnel,Xaver Thrun,Norbert Hanisch,P. Steinke,Jesús Calvo,Johannes Müller
出处
期刊:Applied Physics Letters [American Institute of Physics]
卷期号:112 (22) 被引量:119
标识
DOI:10.1063/1.5029324
摘要

The recent discovery of ferroelectricity in thin film HfO2 materials renewed the interest in ferroelectric FET (FeFET) as an emerging nonvolatile memory providing a potential high speed and low power Flash alternative. Here, we report more insight into FeFET performance by integrating two types of ferroelectric (FE) materials and varying their properties. By varying the material type [HfO2 (HSO) versus hafnium zirconium oxide (HZO)], optimum content (Si doping/mixture ratio), and film thickness, a material relation to FeFET device physics is concluded. As for the material type, an improved FeFET performance is observed for HZO integration with memory window (MW) comparable to theoretical values. For different Si contents, the HSO based FeFET exhibited a MW trend with different stabilized phases. Similarly, the HZO FeFET shows MW dependence on the Hf:Zr mixture ratio. A maximized MW is obtained with cycle ratios of 16:1 (HfO2:Si) and 1:1 (Hf:Zr) as measured on HSO and HZO based FeFETs, respectively. The thickness variation shows a trend of increasing MW with the increased FE layer thickness confirming early theoretical predictions. The FeFET material aspects and stack physics are discussed with insight into the interplay factors, while optimum FE material parameters are outlined in relation to performance.

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