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Structural and Electrical Comparison of Si and Zr Doped Hafnium Oxide Thin Films and Integrated FeFETs Utilizing Transmission Kikuchi Diffraction

机译：利用透射菊池衍射的Si和Zr掺杂氧化Ha薄膜和集成FeFET的结构和电学比较

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摘要

The microstructure of ferroelectric hafnium oxide plays a vital role for its application, e.g., non-volatile memories. In this study, transmission Kikuchi diffraction and scanning transmission electron microscopy STEM techniques are used to compare the crystallographic phase and orientation of Si and Zr doped HfO thin films as well as integrated in a 22 nm fully-depleted silicon-on-insulator (FDSOI) ferroelectric field effect transistor (FeFET). Both HfO films showed a predominately orthorhombic phase in accordance with electrical measurements and X-ray diffraction XRD data. Furthermore, a stronger texture is found for the microstructure of the Si doped HfO (HSO) thin film, which is attributed to stress conditions inside the film stack during crystallization. For the HSO thin film fabricated in a metal-oxide-semiconductor (MOS) like structure, a different microstructure, with no apparent texture as well as a different fraction of orthorhombic phase is observed. The 22 nm FDSOI FeFET showed an orthorhombic phase for the HSO layer, as well as an out-of-plane texture of the [111]-axis, which is preferable for the application as non-volatile memory.
机译：铁电氧化ha的微观结构对其应用（例如非易失性存储器）起着至关重要的作用。在这项研究中，使用透射菊池衍射和扫描透射电子显微镜STEM技术来比较Si和Zr掺杂的HfO薄膜的晶体相和取向，以及集成在22 nm的全耗尽绝缘体上硅上（FDSOI）铁电场效应晶体管（FeFET）。根据电学测量和X射线衍射XRD数据，两种HfO膜均显示出主要为斜方晶相。此外，发现掺Si的HfO（HSO）薄膜的微观结构具有更强的织构，这归因于结晶过程中膜堆叠内部的应力条件。对于以金属氧化物半导体（MOS）状结构制造的HSO薄膜，观察到不同的微结构，没有明显的织构以及不同比例的正交晶相。 22 nm FDSOI FeFET对HSO层显示出正交相，并具有[111]轴的面外纹理，因此对于作为非易失性存储器的应用是优选的。

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