Embedding hafnium oxide based FeFETs in the memory landscape

During the last decade ferroelectrics based on doped hafnium oxide emerged as promising candidates for realization of ultra-low-power non-volatile memories. Two spontaneous polarization states occurring in the material that can be altered by applying electrical fields rather than forcing a current through and the materials compatibility to CMOS processing are the main benefits setting the concept apart from other emerging memories. 1T1C ferroelectric random access memories (FeRAM) as well as 1T FeFET concepts are under investigation. In this article the application of hafnium based ferroelectric memories in different flavours and their ranking in the memory landscape are discussed

Stabilization of Ferroelectricity in Hafnia, Zirconia and their Mixtures by Dopants and Interface Energy

Die überraschende Entdeckung von ferroelektrischem Hafniumoxid durch Böscke et al. im Jahre 2011 eröffnet zahlreich technologische Möglichkeiten wie zum Beispiel voll CMOS kompatible ferroelektrische RAM Speicherzellen. Als kristallographische Ursache für dieses Verhalten erwies sich die Raumgruppe Pca21. In theoretischen Untersuchungen mit Hilfe der Dichtefunktionaltheorie erwies sich diese Phase jedoch als thermodynamisch instabil. Ziel dieser Dissertation ist daher zu klären, wie diese Phase stabilisiert werden kann. Dazu werden Faktoren wie Stöchiometrie, Temperatur, Druck, Spannung, Grenzflächenenergie sowie Defekte und Dotierung mit Hilfe der Dichtefunktionaltheorie untersucht. Die errechneten Ergebnisse werden mit Hilfe von Modellen interpretiert, welche im laufe dieser Dissertation erarbeitet werden. Es zeigt sich, dass neben dem energetischen Zustand auch der Herstellungsprozess des Materials eine bedeutende Rolle in der Stabilisierung der ferroelektrischen Phase von Hafniumoxid spielt. Abschließend wird versucht Verbindung zum Experiment herzustellen, in dem experimentell zugängliche Stellschrauben aufgezeigt werden, welche die ferroelektrischen Eingenschaften von Hafniumoxid verbessern können und sich aus den erarbeiteten Ergebnissen ableiten.The surprising discovery of ferroelectric hafnium oxide by Böscke et al. in 2011 enables various technological possibilities like CMOS compatible ferroelectric RAM devices. The space group Pca21 was identified as the crystallographic cause of this behavior. However, this phase was proved to be thermodynamically unstable by several theoretical studies using density functional theory. Therefore, the goal of this dissertation is to investigate physical effects contributing to the stabilization of the ferroelectric phase by means of density functional theory. These effects include stoichiometry, temperature, stress, strain, interface energy, as well as defects and dopants. The computational results will be interpreted with models, which will be developed within this dissertation. It will become apparent, that in addition to the energetic state, the production process of a sample plays an important role in the stabilization of the ferroelectric phase of hafnium oxide. In the conclusion, this work will attempt to find a connection to the experiment, by identifying experimentally accessible parameters within the computational results which can be used to optimize the ferroelectric properties of ferroelectric materials