Структурная эволюция наноразмерных сегнетоэлектрических слоев Hf0.5Zr0.5O2 в результате их циклической электрической стимуляции

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Несмотря на очень большое число уже опубликованных статей на тему сегнетоэлектрических слоев Hf0.5Zr0.5O2 (HZO), этот материал продолжает привлекать к себе повышенное внимание исследователей благодаря перспективам создания на его основе совместимых с современной кремниевой технологией конкурентоспособных устройств энергонезависимой памяти. Среди трудностей на пути создания промышленной технологии таких устройств — нестабильность остаточной поляризации сегнетоэлектрика в процессе многократных переключений внешним электрическим полем. В частности, на начальных этапах такого “циклирования”, как правило, наблюдается значительный рост остаточной поляризации (эффект “пробуждения”), а затем после достижения некоторого количества циклов — ее снижение (эффект “усталости”). Вопрос о том, какие процессы приводят к такой нестабильности, остается дискуссионным. При использовании ранее разработанной методологии анализа фазового состава сверхтонких слоев HZO синхротронным методом NEXAFS показано, что в конденсаторах на основе структур TiN/HZO/TiN “пробуждение”, наблюдающееся в течение первых 105 циклов переключений, объясняется увеличением относительного содержания полярной ромбической фазы в HZO за счет уменьшения содержания “паразитной” тетрагональной фазы. Полученные результаты подтверждают стимулированный электрическим полем структурный фазовый переход в пленках как один из механизмов, объясняющих эволюцию функциональных свойств сегнетоэлектрических элементов памяти на основе HZO на протяжении их срока эксплуатации.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Л. Л. Лев

Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)

Автор, ответственный за переписку.
Email: lev.ll@mipt.ru
Россия, Долгопрудный, Московская область

А. С. Конашук

Санкт-Петербургский государственный университет

Email: lev.ll@mipt.ru
Россия, Санкт-Петербург

Р. Р. Хакимов

Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)

Email: lev.ll@mipt.ru
Россия, Долгопрудный, Московская область

А. Г. Черникова

Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)

Email: lev.ll@mipt.ru
Россия, Долгопрудный, Московская область

А. М. Маркеев

Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)

Email: lev.ll@mipt.ru
Россия, Долгопрудный, Московская область

А. М. Лебедев

Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”

Email: lev.ll@mipt.ru
Россия, Москва

В. Г. Назин

Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”

Email: lev.ll@mipt.ru
Россия, Москва

Р. Г. Чумаков

Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”

Email: lev.ll@mipt.ru
Россия, Москва

А. В. Зенкевич

Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)

Email: lev.ll@mipt.ru
Россия, Долгопрудный, Московская область

Список литературы

  1. Robertson J. // Rep. Progress Phys. 2005. V. 69. P. 327. https://doi.org/10.1088/0034-4885/69/2/R02
  2. Kim S. K., Lee S. W., Han J. H., Lee B., Han S., Hwang C. S. // Adv. Funct. Mater. 2010. V 20. P. 2989. https://doi.org/10.1002/adfm.201000599
  3. Böscke T.S., Müller J., Bräuhaus D., Schröder U., Böttger U. // Appl. Phys. Lett. 2011. V. 99. P. 102903. https://doi.org/10.1063/1.3634052
  4. Mueller S., Mueller J., Singh A., Riedel S., Sundqvist J., Schroeder U., Mikolajick T. // Adv. Funct. Mater. 2012. V. 22. P. 2412. https://doi.org/10.1002/adfm.201103119
  5. Chernikova A.G., Kuzmichev D.S., Negrov D.V., Kozodaev M.G., Polyakov S.N., Markeev A.M. // Appl. Phys. Lett. 2016. V. 108. P. 242905. https://doi.org/10.1063/1.4953787
  6. Hoffmann M., Schroeder U., Schenk T., Shimizu T., Funakubo H., Sakata O., Pohl D., Drescher M., Adelmann C., Materlik R., Kersch A., Mikolajick T. // J. Appl. Phys. 2015. V. 118. P. 072006. https://doi.org/10.1063/1.4927805
  7. Müller J., Schröder U., Böscke T. S., Müller I., Böttger U., Wilde L., Sundqvist J., Lemberger M., Kücher P., Mikolajick T., Frey L. // J. Appl. Phys. 2011. V. 110. P. 114113. https://doi.org/10.1063/1.3667205
  8. Schroeder U., Yurchuk E., Müller J., Martin D., Schenk T., Polakowski P., Adelmann C., Popovici M.I., Kalinin S.V., Mikolajick T. // Jpn. J. Appl. Phys. 2014. V. 53. P. 08LE02. https://doi.org/10.7567/JJAP.53.08LE02
  9. Müller J., Böscke T.S., Schröder U., Mueller S., Bräuhaus D., Böttger U., Frey L., Mikolajick T. // Nano Lett. 2012. V. 12. P. 4318. https://doi.org/10.1021/nl302049k
  10. Hyuk Park M., Joon Kim H., Jin Kim Y., Lee W., Moon T., Seong Hwang C. // Appl. Phys. Lett. 2013. V. 102. P. 242905. https://doi.org/10.1063/1.4811483
  11. Chernikova A., Kozodaev M., Markeev A., Negrov D., Spiridonov M., Zarubin S., Bak O., Buragohain P., Lu H., Suvorova E., Gruverman A., Zenkevich A. // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2016. V. 11. P. 7232. https://doi.org/10.1021/acsami.5b11653
  12. Chouprik A., Zakharchenko S., Spiridonov M., Zarubin S., Chernikova A., Kirtaev R., Buragohain P., Gruverman A., Zenkevich A., Negrov D. // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2018. V. 10. P. 8818. https://doi.org/10.1021/acsami.7b17482
  13. Zarubin S., Suvorova E., Spiridonov M., Negrov D., Chernikova A., Markeev A., Zenkevich A. // Appl. Phys. Lett. 2016. V. 109. P. 192903. https://doi.org/10.1063/1.4966219
  14. Hwang C.S. // Adv. Electron. Mater. 2015. V. one. P. 1400056. https://doi.org/10.1002/aelm.201400056
  15. Kim S. K., Popovici M. // MRS Bull. 2018. V. 43. P. 334. https://doi.org/10.1557/mrs.2018.95
  16. Pešić M., Fengler F.P.G., Larcher L., Padovani A., Schenk T., Grimley E.D., Sang X., LeBeau J.M., Slesazeck S., Schroeder U. and Mikolajick T. // Adv. Funct. Mater. 2016. V. 26. P. 4601. https://doi.org/10.1002/adfm.201600590
  17. Hamouda W., Pancotti A., Lubin C., Tortech L., Richter C., Mikolajick T., Schroeder U., Barrett N. // J. Appl. Phys. 2020. V. 127. P. 064105. https://doi.org/10.1063/1.5128502
  18. Chouprik A., Negrov D., Tsymbal E., Zenkevich A. // Nanoscale. 2021. V. 13. P. 11635. https://doi.org/10.1039/D1NR01260F
  19. Koroleva A.A., Chernikova A.G., Zarubin S.S., Korostylev E.V., Khakimov R.R., Zhuk M.Yu., Markeev A.M. // ACS Omega. 2022. V. seven. № 50. P. 47084. https://doi.org/10.1021/acsomega.2c06237
  20. Colla E.L., Taylor D.V., Tagantsev A.K., Setter N. // Appl. Phys. Lett. 1998. V. 72. № 19. P. 2478. https://doi.org/10.1063/1.121386
  21. Stöhr J. NEXAFS Spectroscopy. Vol. 25. Springer Berlin Heidelberg, 1992.
  22. Filatova E.O., Sokolov A.A. // J. Synchrotron Radiat. 2018. V. 25. P. 232. https://doi.org/10.1107/S1600577517016253
  23. Filatova E.O., Sokolov A.A., Kozhevnikov I.V., Taracheva E.Y., Grunsky O.S., Schaefers F., Braun W. // J. Phys. Condens. Matter. 2009. V. 21. P. 185012. https://doi.org/10.1088/0953-8984/21/18/185012
  24. Dmitriyeva A.V., Zarubin S.S., Konashuk A.S., Kasatikov S.A., Popov V.V., Zenkevich A.V. // J. Appl. Phys. 2023. V. 133. P. 054103. https://doi.org/10.1063/5.0131893
  25. Cheema S.S., Kwon D., Shanker N., dos Reis R., Hsu S.-L., Xiao J., Zhang H., Wagner R., Datar A., McCarter M.R., Serrao C.R., Yadav A.K., Karbasian G., Hsu C.-H., Tan A.J., Wang L.-C., Thakare V., Zhang X., Mehta A., Karapetrova E., Chopdekar R.V, Shafer P., Arenholz E., Hu C., Proksch R., Ramesh R., Ciston J., Salahuddin S. // Nature. 2020. V. 580. P. 478. https://doi.org/10.1038/s41586-020-2208-x
  26. Kozodaev M.G., Chernikova A.G., Korostylev E.V., Park M.H., Khakimov R.R., Hwang C.S., Markeev A.M. // 2019. J. Appl. Phys. V. 125. P. 034101. https://doi.org/10.1063/1.5050700
  27. Lebedev A.M., Menshikov K.A., Nazin V.G., Stankevich V.G., Tsetlin M.B., Chumakov R.G. // J. Surf. Invest.: X-Ray Synchrotron Neutron Tech. 2021. V. 15. P. 1039. https://doi.org/10.1134/S1027451021050335
  28. Henke B.L., Gullikson E.M., Davis J.C. // Atomic Data and Nuclear Data Tables. 1993. V. 54. № 2. P. 181. https://doi.org/10.1006/adnd.1993.1013
  29. Vasić R., Consiglio S., Clark R. D., Tapily K., Sallis S., Chen B., Newby, Jr. D., Medikonda M., Muthinti G.R., Bersch E., Jordan-Sweet J., Lavoie C., Leusink G.J., Diebold A.C. // J. Appl. Phys. V. 2013. 113. P. 234101. https://doi.org/10.1063/1.4811446
  30. Jain A., Ong S. P., Hautier G., Chen W., Davidson Richards W., Dacek S., Cholia S., Gunter D., Skinner D., Ceder G., Persson K.A. // APL Mater. 2013. V. 1. P. 011002. https://doi.org/10.1063/1.4812323
  31. Cho D.-Y., Jung H.-S., Hwang C. S. // 2010. Phys. Rev. B. V. 82. P. 094104. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.82.094104
  32. Martin D., Müller J., Schenk T., Arruda T.M., Kumar A., Strelcov E., Yurchuk E., Müller S., Pohl D., Schröder U., Kalinin S.V., Mikolajick T. // Adv. Mater. 2014. V. 26. P. 8198. https://doi.org/10.1002/adma.201403115
  33. Lederer M., Abdulazhanov S., Olivo R., Lehninger D., Kämpfe T., Seidel K., Eng L. M. // Sci. Rep. 2021. V. 11. P. 22266. https://doi.org/10.1038/s41598-021-01724-2
  34. Lomenzo P.D., Takmeel Q., Zhou C., Fancher C.M., Lambers E., Rudawski N.G., Jones J.L., Moghaddam S., Nishida T. // J. Appl. Phys. 2015. V. 117. P. 134105. https://doi.org/10.1063/1.4916715
  35. Kim H.J., Park M.H., Kim Y.J., Lee Y.H., Moon T., Kim K.D., Hyun S.D., Hwang C.S. // Nanoscale. 2016. V. 8. P. 1383. https://doi.org/10.1039/C5NR05339K
  36. Grimley E.D., Schenk T., Sang X., Pešić M., Schroeder U., Mikolajick T., LeBeau J.M. // Adv. Electron. Mater. 2016. V. 2. P. 1600173. https://doi.org/10.1002/aelm.201600173
  37. Pešić M., Fengler F.P.G., Larcher L., Padovani A., Schenk T., Grimley E.D., Sang X., LeBeau J.M., Slesazeck S., Schroeder U., Mikolajick T. // Adv. Funct. Mater. 2016. V. 26. P. 4601. https://doi.org/10.1002/adfm.201600590
  38. Chouprik A., Zakharchenko S., Spiridonov M., Zarubin S., Chernikova A., Kirtaev R., Buragohain P., Gruverman A., Zenkevich A., Negrov D. // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2018. V. 10. P. 8818. https://doi.org/10.1021/acsami.7b17482

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схема слоев в образцах, подвергнутых исследованию методом NEXAFS (а); шаблон для изготовления сегнетоэлектрических конденсаторов (б).

Скачать (40KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Кривые P–V, измеренные интеграцией токовых откликов в ответ на треугольную развертку напряжения с частотой 2.5 кГц для исходной конденсаторной структуры TiN/HZO/TiN (1) и после ее “пробуждения” (2) путем подачи 105 биполярных трапециевидных импульсов с длительностью/амплитудой 3 мкс/3.0 В (а); зависимость остаточной поляризации 2Pr от числа импульсов переключения (б).

Скачать (24KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Спектры поглощения OK (1s) в слое HZO в исходном состоянии (1) и после “пробуждения” (105 импульсов переключения), снятые в двух разных точках (2) и (3) (а). Те же спектры в увеличенном масштабе (б).

Скачать (30KB)
Метаданные

© Институт физики твердого тела РАН, Российская академия наук, 2025