Different causes for ferroelectric properties in hafnium oxide were discussed during the last decade including various dopants, stress, electrode materials, and surface energy from different grain sizes. Recently, the focus shifted to the impact of oxygen vacancies on the phase formation process. In this progress report, the recent understanding of the influence of oxygen supplied during deposition on the structural phase formation process is reviewed and supplemented with new data for mixed HfₓZr₁₋ₓOᵧ films. Even though polar and non-polar HfₓZr₁₋ₓOᵧ thin films are well characterized, little is known about the impact of oxygen exposure during the deposition process. Here, a combination of structural and electrical characterization is applied to investigate the influence of the oxygen and zirconium content on the crystallization process during ALD deposition in comparison to other deposition techniques. Different polarization properties are assessed which correlate to the determined phase of the film. Optimized oxygen pulse times can enable the crystallization of HfₓZr₁₋ₓOᵧ in a polar orthorhombic phase rather than a non-polar monoclinic and tetragonal phase.

The polarization reversal in ferroelectric HfO₂ is adopted to store information in three distinct device classes - ferroelectric field effect transistors (FeFET), ferroelectric capacitors (FeCAP) and ferroelectric tunnel junctions (FTJ). Common to all three concepts is the adoption of a ferroelectric layer stack that acts either as gate dielectric in the FeFET or as the capacitor dielectric and tunneling barrier in the FeCAP or FTJ, respectively. A composite structure including an inevitably or purposefully formed dielectric layer is frequently adopted. In this work we report on the co-existence of all three memory concepts within one device structure and propose a 2T1C ferroelectric memory cell that allows the operation and comparative characterization of the trinity of ferroelectric memory devices.

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In den kommenden Jahren ist eine deutliche Erhöhung des digitalen Speicherbedarfs zu erwarten, was neue Anforderungen an künftige Speichertechnologien und –architekturen bringt. Hafniumoxid ist aktuell das Standard-Gatedielektrikum für Transistoren in der Halbleitertechnologie und wird in resistiven und ferroelektrischen Speichern eingesetzt, die für kommende Speichergenerationen geeignet sind. In dieser Arbeit wird die Kombination aus resistiven und ferroelektrischen Speichermechanismen untersucht. Zunächst konnte gezeigt werden, dass sich beide Schaltvorgänge in einer Zelle realisieren lassen. Dazu wurde eine polykristalline, ferroelektrische Hafniumoxidschicht in eine Kondensatorstruktur mit unterschiedlichen Elektroden gebracht. Der reversible resistive und ferroelektrische Schaltvorgang beruht auf einer Zurücksetz-Operation in einen sehr hochohmigen Zustand, wodurch die Oxidschicht für weiteres ferroelektrisches Schalten genutzt werden konnte. Zusätzlich wurde der Einfluss von Sauerstofffehlstellen auf die resistiven Formier- und Schreibspannungen nachgewiesen. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden ferroelektrische Tunnelkontakte (engl. FTJ) hergestellt und systematisch auf ihre Schalt- und Speichereigenschaften untersucht. Diese beruhen auf der Informationsspeicherung in der ferroelektrischen Hafniumzirkoniumoxid-Schicht (HZO) und auf einem resistiven Auslesemechanismus, bei dem der Tunnelstrom für den jeweiligen Polarisationszustand gemessen wird. Dieser Lesevorgang ist nichtdestruktiv. Für den quantenmechanischen Tunnelvorgang sind dünne Oxidschicht notwendig, um einen ausreichend hohen Tunnelstrom zu erreichen. HZO-basierte Schichten verlieren ihre ferroelektrischen Eigenschaften unter einer kritischen Schichtdicke, die für einen klassischen Metall-Ferroelektrikum-Metall-Tunnelkontakt zu hoch ist. Dazu wurde in dieser Arbeit der Ansatz gewählt, zusätzlich eine dielektrische Aluminiumoxid-Tunnelbarriere in die Struktur einzubringen. Dadurch können die ferroelektrische und dielektrische Schicht unabhängig voneinander optimiert werden (2-lagiger ferroelektrischer Tunnelkontakt). Es konnte gezeigt werden, dass nur in einem bestimmten Dielektrikums-Schichtdickenbereich zwischen etwa 2-2,5nm das gewünschte Tunnelverhalten der Struktur hervortritt. Beim Setzen der jeweiligen Polarisationszustände tritt in der Schaltkinetik der bekannte Zeit-Amplituden-Kompromiss auf. Dieser wurde mithilfe des nukleationslimierten Schaltmodells untersucht. Über eine geeignete Wahl von Pulsdauer und –amplitude können durch Teilpolarisation Zwischenzustände gespeichert werden. Die Zyklenfestigkeit zeigt ein stärkeres Aufwachverhalten als die reine HZO-Schicht. Es konnte gezeigt werden, dass der Auslesetunnelstroms direkt mit dem Anstieg der remanenten Polarisation korreliert und somit das Speicherfenster mit einem An/Aus-Verhältnis von 10 erst nach etwa 10^2 Schaltzyklen vollständig geöffnet ist. Die Datenhaltung zeigte nur ein marginales Speicherfenster bei Extrapolation auf 10 Jahre. Die Datenhaltung konnte durch Abscheidung von Titannitrid- und Platin-Metallelektroden mit unterschiedlichen Austrittsarbeiten stabilisiert werden. Damit ließ sich das Speicherfenster deutlich erhöhen. Die Möglichkeit, Zwischenzustände speichern und graduell einzustellen zu können, erlaubt die Nutzung der zweilagigen FTJs als künstliche Synapsen. Dazu wurde über verschiedene Pulsfolgen der veränderliche Tunnelwiderstand als synaptisches Gewicht interpretiert. Damit konnte Potenzierung- und Depressionsverhalten der künstlichen Synapse emuliert werden.:Danksagung I Kurzzusammenfassung II Abstract III Symbolverzeichnis VI Abkürzungsverzeichnis IX 1 Einführung und Motivation 1 2 Grundlagen 4 2.1 Dielektrizität und Ferroelektrizität 4 2.2 Ferroelektrizität in HfO2 9 2.3 Arten ferroelektrischer Speicher 13 2.3.1 Ferroelektrischer Kondensator 13 2.3.2 Ferroelektrischer Feldeffekttransistor 15 2.3.3 Ferroelektrischer Tunnelkontakt 16 2.4 Überblick über resistive Speicher 24 3 Experimentelle Methoden 28 3.1 Physikalische Charakterisierung 28 3.1.1 Röntgendiffraktometrie unter streifendem Einfall 28 3.1.2 Röntgenreflektometrie 28 3.1.3 Transmissionselektronenmikroskopie 29 3.2 Elektrische Untersuchungsmethoden 29 3.2.1 Elektrische Messung resistiver Schaltkurven 29 3.2.2 Dynamische Hysteresekurven und Messung der Zyklenfestigkeit 29 3.2.3 Elektrische Messung der ferroelektrischen Tunnelkontakte 30 3.3 Abscheideverfahren zur Herstellung der Kondensatorstrukturen 31 3.3.1 Reaktives Magnetronsputtern 32 3.3.2 Elektronenstrahlverdampfung und Thermisches Verdampfen 32 3.3.3 Atomlagenabscheidung 33 4 Resistives und ferroelektrisches Schalten in einer Zelle 34 4.1 Resistives Schalten in amorphem und kristallinem HfO2 34 4.2 Kombination von resistivem und ferroelektrischem Schalten in einer Struktur 38 5 Ferroelektrische Tunnelkontakte 46 5.1 Charakterisierung der ferroelektrischen Hafniumzirkoniumoxid-Schicht 46 5.2 Übersicht und Aufbau der untersuchten Proben 50 5.3 (Ferro-)Elektrische Eigenschaften und Schichtdickenoptimierung der FE/DE-FTJs 53 5.3.1 Einfluss der Al2O3-Schichtdicke 60 5.3.2 Skalierbarkeit 64 5.4 Schaltkinetik 67 5.5 Zyklenfestigkeit 78 5.6 Datenhaltung 87 5.6.1 Einfluss von Depolarisationsfeldern in zweilagigen FTJs 87 5.6.2 Optimierung durch Elektroden mit unterschiedlichen Austrittsarbeiten 93 5.7 Anwendung von FTJs als künstliche Synapse in gepulsten neuronalen Netzen 97 5.8 Vergleich, Ausblick und weiterführende Verbesserung des Bauelements 105 6 Zusammenfassung und Ausblick 109 Literaturverzeichnis XI Curriculum Vitae XXXVIII Publikationsliste XL Selbstständigkeitserklärung XLIII

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Ferroelectric and ferromagnetic materials have been extensively studied for potential applications in sensors, actuators and transducers. Highly electrostrictive (1-x)Pb(Mg_1/3Nb_2/3)-xPbTiO₃ (PMN-xPT) and highly magnetostrictive Fe-xat.%Ga are two such novel materials. Both materials systems have chemical disorders and structural inhomogeneity on a microscale, giving rise to an interesting diversity of crystal structures and novel macroscopic physical properties, which are dependent on thermal and electrical histories of the crystals. In this thesis, I have to investigated phase transformations in these two systems under thermal and field (electric/magnetic) histories, using x-ray and neutron scattering techniques. In PMN-xPT crystals, x-ray and neutron diffractions were performed along the different crystallographic orientations and for different thermal and electrical histories. Various intermediate monoclinic (M) phases that structurally “bridge” the rhombohedral (R) and tetragonal (T) ones across a morphtropic phase boundary (MPB) have been observed. Systematic investigations of (001) and (110) electric (E) field-temperature phase diagrams of PMN-xPT crystals have demonstrated that the phase stability of PMN-xPT crystals is quite fragile: depending not only on modest changes in E (≤ 0.5kV/cm), but also on the direction along which E is applied. Structurally bridging monoclinic Mc or orthorhombic (O) phases were found to be associated with the T phase, whereas the monoclinic Ma or Mb phases bridged the Cubic (C) and R ones. In addition, neutron inelastic scattering was performed on PMN-0.32PT to study the dynamic origin of the MPB. Data were obtained between 100 and 600 K under various E applied along the cubic [001] direction. The lowest frequency zone-center, transverse optic phonon was strongly damped and softened over a wide temperature range, but started to recover on cooling into the T phase at the Curie temperature (TC). Comparisons of my findings with prior ones for PMN and PMN-0.60PT suggest that the temperature dependence and energy scales of the soft mode dynamics in PMN-xPT are independent of PT concentration below the MPB, and that the MPB may be defined in composition space x when TC matches the temperature at which the soft mode frequency begins to recover. High-resolution x-ray studies then showed that the C–T phase boundary shifted to higher temperatures under E by an expected amount within the MPB region: suggesting an unusual instability within the apparently cubic phase at the MPB. In Fe-xat.%Ga alloys, the addition of Ga atoms into the b.c.c. α-Fe phase also results in diversity of crystal structures and structural inhomogeneity, which are likely the source of its unusual magneto-elastic properties. I have carefully investigated decomposition of Fe-xat.%Ga alloys subjected to different thermal treatments by x-ray and neutron diffraction for 12 < x < 25. Quenching was found to suppress the formation of a DO₃ structure in favor of a high-temperature disordered bcc (A2) one. By contrast, annealing produced a two-phase mixture of A2 + DO₃ for 14 < x < 20 and a fully DO₃ phase for x = 25. A splitting of the (2 0 0) and (0 0 2) Bragg peaks observed along the respective transverse directions indicated that Fe-xat.%Ga –crystals' are composed of several crystal grain orientations (or texture structures), which are slightly tilted with respect to each other. In order to investigate the local structural distortions and heterogeneities, neutron diffuse scattering was performed on Fe-x%Ga alloys for different thermal conditions. Diffuse scattering around a (100) superlattice reflection was found for 14 < x < 22 in the furnace-cooled condition, indicative of short-range ordered DO₃ nanoprecipitates in an A2 matrix. This diffuse intensity had an asymmetric radial contour and an off-centering. Analysis (x=19) revealed two broad peaks with c/a–1.2: indicating that the DO₃-like nanoprecipitates are not cubic, but rather of lower symmetry with a large elastic strain. The strongest diffuse scattering was observed for x=19, which correspondingly had maximum magnetostriction: indicating a structural origin for enhanced magnetostriction. / Ph. D.