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 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 — её снижение (эффект “усталости”). Вопрос о том, какие процессы приводят к такой нестабильности, остаётся 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 счёт 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.

Об авторах

Л. Л. Лев

Московский физико-технический институт

Email: lev.ll@mipt.ru
Россия, Долгопрудный, Московская область, 141701

А. С. Конашук

Санкт-Петербургский государственный университет

Email: lev.ll@mipt.ru
Санкт-Петербург, 199034

Р. Р. Хакимов

Московский физико-технический институт

Email: lev.ll@mipt.ru
Россия, Долгопрудный, Московская область, 141701

А. Г. Черникова

Московский физико-технический институт

Email: lev.ll@mipt.ru
Россия, Долгопрудный, Московская область, 141701

А. М. .Маркеев

Московский физико-технический институт

Email: lev.ll@mipt.ru
Россия, Долгопрудный, Московская область, 141701

А. М. Лебедев

Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”

Email: lev.ll@mipt.ru
Россия, Москва, 123182

В. Г. Назин

Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”

Email: lev.ll@mipt.ru
Россия, Москва, 123182

Р. Г. Чумаков

Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”

Email: lev.ll@mipt.ru
Россия, Москва, 123182

А. В. Зенкевич

Московский физико-технический институт

Автор, ответственный за переписку.
Email: lev.ll@mipt.ru
Россия, Долгопрудный, Московская область, 141701

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. 1. 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., 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. 7. № 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. // J. Appl. Phys. 2019. 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. 2013. V. 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. // Phys. Rev. B. 2010. 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

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

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).