Enhancing ferroelectric performance in hafnia-based MFIS capacitor through interface passivation and bulk doping

材料科学 哈夫尼亚 钝化 铁电性 兴奋剂 掺杂剂 光电子学 纳米技术 复合材料 陶瓷 电介质 立方氧化锆 图层(电子)
作者
Jianxing Yang,Yufang Xie,Chengyan Zhu,Sixue Chen,Jiajing Wei,Yuan Liu,Mingming Chen,Dawei Cao
出处
期刊:Nanotechnology [IOP Publishing]
卷期号:35 (23): 235704-235704
标识
DOI:10.1088/1361-6528/ad2f74
摘要

Abstract In recent times, there has been a notable surge of interests in hafnia (HfO 2 )-based ferroelectrics, primarily due to their remarkable ferroelectric properties employed in ultra-thin configurations, alongside their compatibility with the conventional CMOS manufacturing process. In order to harness the full potential of HfO 2 -based films for high-performance non-volatile memory applications, it is imperative to enhance their ferroelectric characteristics and durability. This study introduces a straightforward approach aimed at augmenting the ferroelectric performance of Hf x Zr 1− x O 2 (HZO) films deposited on silicon (Si) substrates through the engineering of oxygen vacancies ( V O ). The results of this endeavor demonstrate a significant enhancement in ferroelectric performance, characterized by a 2Pr value of 47 μ C cm −2 and impressive endurance, enduring up to 10 8 cycles under an 8 MV cm −1 electric field without the need of a wake-up process. This marked improvement can be attributed to a dual-pronged approach, involving the incorporation of an Al 2 O 3 interlayer and the introduction of Al atoms into the HZO film. The Al 2 O 3 interlayer primarily serves to mitigate the presence of oxygen vacancies at the interface, while the introduction of Al dopants elevates the concentration of oxygen vacancies within the bulk material. This modulation of oxygen vacancy concentration proves instrumental in facilitating the formation of a ferroelectric o-III phase within the HZO-based films, thereby further augmenting their ferroelectric performance. This innovative and effective strategy offers an alternative avenue for enhancing the ferroelectric properties of materials characterized by a fluorite crystal structure.
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