Origin of Ferroelectric Phase Stabilization via the Clamping Effect in Ferroelectric Hafnium Zirconium Oxide Thin Films

材料科学 铁电性 正交晶系 电极 薄膜 极化(电化学) 氧化物 相(物质) 分析化学(期刊) 复合材料 光电子学 电介质 结晶学 纳米技术 冶金 晶体结构 物理化学 化学 有机化学
作者
Shelby S. Fields,Truong Cai,Samantha T. Jaszewski,Alejandro Salanova,Takanori Mimura,Helge Heinrich,Michael David Henry,Kyle P. Kelley,Brian W. Sheldon,Jon F. Ihlefeld
出处
期刊:Advanced electronic materials [Wiley]
卷期号:8 (12) 被引量:66
标识
DOI:10.1002/aelm.202200601
摘要

Abstract The presence of the top electrode on hafnium oxide‐based thin films during processing has been shown to drive an increase in the amount of metastable ferroelectric orthorhombic phase and polarization performance. This “Clamping Effect,” also referred to as the Capping or Confinement Effect, is attributed to the mechanical stress and confinement from the top electrode layer. However, other contributions to orthorhombic phase stabilization have been experimentally reported, which may also be affected by the presence of a top electrode. In this study, it is shown that the presence of the top electrode during thermal processing results in larger tensile biaxial stress magnitudes and concomitant increases in ferroelectric phase fraction and polarization response, whereas film chemistry, microstructure, and crystallization temperature are not affected. Through etching experiments and measurement of stress evolution for each processing step, it is shown that the top electrode locally inhibits out‐of‐plane expansion in the HZO during crystallization, which prevents equilibrium monoclinic phase formation and stabilizes the orthorhombic phase. This study provides a mechanistic understanding of the clamping effect and orthorhombic phase formation in ferroelectric hafnium oxide‐based thin films, which informs the future design of these materials to maximize ferroelectric phase purity and corresponding polarization behavior.
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