基于HfO2的铁电薄膜中介观尺度晶粒形成及其对电学特性的影响

摘要：铁电存储器件在低功耗和高速存储应用中备受期待。基于HfO2的铁电材料因其兼容CMOS和高可扩展性而受到关注。介观尺度晶粒的尺寸几乎可与器件尺寸相当，这在基于HfO2的铁电多晶薄膜中形成，极大地影响了存储器件的电学特性。研究介观尺度晶粒形成对电学特性的影响非常重要。在这项工作中，首先我们研究了基于HfO2的铁电材料中极化开关动力学的厚度依赖性。虽然不同厚度的静态低频极化相当，但薄Hf0.5Zr0.5O2 (HZO)电容器中的动态极化开关速度较慢。基于NLS模型和物理表征的分析，较薄的HZO包含较小的晶粒，其取向不均匀性和晶界数量多于厚HZO，这可能阻碍宏观极化开关。我们还理论和实验研究了基于HfO2的铁电薄膜的极性轴对齐。虽然在生长的HZO中面内极性取向稳定，但通过施加电场，面外极化可能占主导地位，这表明铁电相晶粒中从面内极性转变为面外极性的过程。通过使用原子级计算计算动能途径确认了这一点。