In this paper, we investigate the polarization retention of Hf0.5Zr0.5O2 (HZO)-based metal–ferroelectric–insulator–Si (MFIS) capacitors with scaling of the ferroelectric (FE) layer thickness from 5 nm to 20 nm. The capacitors have a constant interface layer capacitance of ∼24 μF/cm2, developed due to the integration of HZO on a degenerated Si as a bottom conducting electrode. It is observed that 20 nm HZO films show a small change (∼5%) in FE polarization (PFE) between short (10 μs) and long (6 s) retention time, while 5-nm-thick films exhibit a large difference (∼90%). The dependence of PFE retention loss on the FE thickness can be understood by the presence of a built-in electric field in the FE layer, generated due to charge continuity between the FE and the interface layers in the ground state without any external bias. A direct experimental observation also confirms that a residual voltage is developed at the node between the metal–ferroelectric–metal and metal–oxide–semiconductor capacitors connected in series, in the ground state with zero external bias. It is expected that a proper understanding of the built-in field developed in the FE layer in an MFIS stack is crucial for FE memory retention characteristics.

1.
K.
Ni
,
P.
Sharma
,
J.
Zhang
,
M.
Jerry
,
J. A.
Smith
,
K.
Tapily
,
R.
Clark
,
S.
Mahapatra
, and
S.
Datta
,
IEEE Trans. Electron Devices
65
,
2461
(
2018
).
2.
N.
Gong
and
T.-P.
Ma
,
IEEE Electron Device Lett.
37
,
1123
(
2016
).
3.
S. J.
Kim
,
J.
Mohan
,
S. R.
Summerfelt
, and
J.
Kim
,
J. Mater.
71
,
246
(
2019
).
4.
S. J.
Kim
,
J.
Mohan
,
J. S.
Lee
,
H. S.
Kim
,
J.
Lee
,
C. D.
Young
,
L.
Colombo
,
S. R.
Summerfelt
,
T.
San
, and
J.
Kim
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
11
,
5208
(
2019
).
5.
T. S.
Böscke
,
J.
Müller
,
D.
Bräuhaus
,
U.
Schröder
, and
U.
Böttger
,
Appl. Phys. Lett.
99
,
102903
(
2011
).
6.
M. H.
Park
,
Y. H.
Lee
,
H. J.
Kim
,
Y. J.
Kim
,
T.
Moon
,
K.
Do Kim
,
J.
Müller
,
A.
Kersch
,
U.
Schroeder
,
T.
Mikolajick
, and
C. S.
Hwang
,
Adv. Mater.
27
,
1811
(
2015
).
7.
J.-P.
Han
and
T. P.
Ma
,
Appl. Phys. Lett.
71
,
1267
(
1997
).
8.
S. J.
Kim
,
J.
Mohan
,
H. S.
Kim
,
J.
Lee
,
S. M.
Hwang
,
D.
Narayan
,
J.
Lee
,
C. D.
Young
,
L.
Colombo
,
G.
Goodman
,
A. S.
Wan
,
P.
Cha
,
S. R.
Summerfelt
,
T.
San
, and
J.
Kim
,
Appl. Phys. Lett.
115
,
182901
(
2019
).
9.
S. J.
Kim
,
D.
Narayan
,
J. G.
Lee
,
J.
Mohan
,
J. S.
Lee
,
J.
Lee
,
H. S.
Kim
,
Y. C.
Byun
,
A. T.
Lucero
,
C. D.
Young
,
S. R.
Summerfelt
,
T.
San
,
L.
Colombo
, and
J.
Kim
,
Appl. Phys. Lett.
111
,
242901
(
2017
).
10.
S. J.
Kim
,
J.
Mohan
,
H. S.
Kim
,
S. M.
Hwang
,
N.
Kim
,
Y. C.
Jung
,
A.
Sahota
,
K.
Kim
,
H.-Y.
Yu
,
P.-R.
Cha
,
C. D.
Young
,
R.
Choi
,
J.
Ahn
, and
J.
Kim
,
Materials
13
,
2968
(
2020
).
11.
W.
Gao
,
A.
Khan
,
X.
Marti
,
C.
Nelson
,
C.
Serrao
,
J.
Ravichandran
,
R.
Ramesh
, and
S.
Salahuddin
,
Nano Lett.
14
,
5814
(
2014
).
12.
P.
Zubko
,
J. C.
Wojdeł
,
M.
Hadjimichael
,
S. F.
Pena
,
A.
Sené
,
I.
Luk'uanchuk
,
J.-M.
Triscone
, and
J.
Iniguez
,
Nature
534
,
524
(
2016
).
13.
M.
Seo
,
M.
Kang
,
S.
Jeon
,
H.
Bae
,
M.
Kim
,
K.
Hwang
,
S.
Hong
,
S.
Choi
, and
Y.
Choi
,
IEEE Electron Device Lett.
39
,
1445
(
2018
).
14.
M.
Jerry
,
P.
Chen
,
J.
Zhang
,
P.
Sharma
,
K.
Ni
,
S.
Yu
, and
S.
Datta
, in
IEEE International Electron Devices Meeting
, San Francisco, CA, USA (
2017
), pp.
139
142
.
15.
M.
Jerry
,
S.
Dutta
,
A.
Kazemi
,
K.
Ni
,
J.
Zhang
,
P.-Y.
Chen
,
P.
Sharma
,
S.
Yu
,
X. S.
Hu
,
M.
Niemier
, and
S.
Datta
,
J. Phys. D
51
,
434001
(
2018
).
16.
K.
Ni
,
X.
Yin
,
A. F.
Laguna
,
S.
Joshi
,
S.
Dünkel
,
M.
Trentzsch
,
J.
Müller
,
S.
Beyer
,
M.
Niemier
,
X. S.
Hu
, and
S.
Datta
,
Nat. Electron.
2
,
521
(
2019
).
17.
P. D.
Lomenzo
,
S.
Slesazeck
,
T.
Mikolajick
,
U.
Schroeder
,
B.
Max
, and
T.
Mikolajick
, in
IEEE 19th Non-Volatile Memory Technology Symposium
, Durham, NC, USA (
2019
), pp.
1
8
.
18.
C.
Zacharaki
,
P.
Tsipas
,
S.
Chaitoglou
,
E. K.
Evangelou
,
C. M.
Istrate
,
L.
Pintilie
, and
A.
Dimoulas
,
Appl. Phys. Lett.
116
,
182904
(
2020
).
19.
S.
Deng
,
Z.
Liu
,
X.
Li
,
T. P.
Ma
, and
K.
Ni
,
IEEE Electron Device Lett.
41
,
1348
(
2020
).
20.
B. L.
Henke
,
E. M.
Gullikson
, and
J. C.
Davis
,
At. Data Nucl. Data Tables
54
(
2
),
181
(
1993
).
21.
T.
Onaya
,
T.
Nabatame
,
N.
Sawamoto
,
A.
Ohi
,
N.
Ikeda
,
T.
Nagata
, and
A.
Ogura
,
APL Mater.
7
,
061107
(
2019
).
22.
H. T.
Martirena
and
J. C.
Burfoot
,
J. Phys. C
7
,
3182
(
1974
).
23.
S. J.
Kim
,
J.
Mohan
,
J.
Lee
,
J. S.
Lee
,
A. T.
Lucero
,
C. D.
Young
,
L.
Colombo
,
S. R.
Summerfelt
,
T.
San
, and
J.
Kim
,
Appl. Phys. Lett.
112
,
172902
(
2018
).
24.
X.
Pan
and
T.-P.
Ma
,
Appl. Phys. Lett.
99
,
013505
(
2011
).
25.
C.-G.
Duan
,
R. F.
Sabirianov
,
W.-N.
Mei
,
S. S.
Jaswal
, and
E. Y.
Tsymbal
,
Nano Lett.
6
,
483
(
2006
).
26.
A. K.
Tangantsev
and
G.
Gerra
,
J. Appl. Phys.
100
,
051607
(
2006
).
27.
F.-C.
Sun
,
M. T.
Kesim
,
Y.
Espinal
, and
S. P.
Alpay
,
J. Mater. Sci.
51
,
499
(
2016
).
28.
C. T.
Black
,
C.
Farrell
, and
T. J.
Licata
,
Appl. Phys. Lett.
71
,
2041
(
1997
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.