Retention of the storing polarization state at elevated temperatures (typically 85–105 °C) as well as the ability to rewrite and subsequently read it are an essential property of usable HfO2-based ferroelectrics for ferroelectric random access memory implementation. This work shows that retention loss in TiN/Hf0.5Zr0.5O2 (HZO)/TiN capacitors is highly dependent on the duration of pulses that are used for measurements, i.e., there is better retention of the same state (SS), new same state (NSS), and opposite state (OS) for longer pulses. The root cause of this phenomenon is the dynamic recovery of the imprint, which happens during the first long SS measurement. This may be due to the fast re-injection of charges injected from the electrode and trapped in the HZO during storage at elevated temperatures. Such dynamic imprint recovery underlies the best NSS behavior compared to other states and may affect the worst retention loss of the OS.

1.
T. S.
Böscke
,
J.
Müller
,
D.
Bräuhaus
,
U.
Schröder
, and
U.
Böttger
,
Appl. Phys. Lett.
99
,
102903
(
2011
).
2.
U.
Schroeder
,
E.
Yurchuk
,
J.
Müller
,
D.
Martin
,
T.
Schenk
,
C.
Adelmann
,
M. I.
Popovici
,
S. V.
Kalinin
, and
T.
Mikolajick
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
53
,
08LE02
(
2014
).
3.
J.
Müller
,
U.
Schröder
,
T. S.
Böscke
,
I.
Müller
,
U.
Böttger
,
L.
Wilde
,
J.
Sundqvist
,
M.
Lemberger
,
P.
Kücher
,
T.
Mikolajick
, and
L.
Frey
,
J. Appl. Phys.
110
,
114113
(
2011
).
4.
J.
Mueller
,
T. S.
Boescke
,
S.
Mueller
,
E.
Yurchuk
,
P.
Polakowski
,
J.
Paul
,
D.
Martin
,
T.
Schenk
,
K.
Khullar
,
A.
Kersch
,
W.
Weinreich
,
S.
Riedel
,
K.
Seidel
,
A.
Kumar
,
T. M.
Arruda
,
S. V.
Kalinin
,
T.
Schloesser
,
R.
Boschke
,
R.
van Bentum
,
U.
Schroeder
, and
T.
Mikolajick
, in
IEDM Technical Digest
(
IEEE
,
2013
), p.
10.8.1
.
5.
A. G.
Chernikova
,
D. S.
Kuzmichev
,
D. V.
Negrov
,
M. G.
Kozodaev
,
S. N.
Polyakov
, and
A. M.
Markeev
,
Appl. Phys. Lett.
108
,
242905
(
2016
).
6.
J.
Müller
,
T. S.
Böscke
,
U.
Schröder
,
S.
Mueller
,
D.
Bräuhaus
 et al,
Nano Lett.
12
,
4318
(
2012
).
7.
M. H.
Park
,
H. J.
Kim
,
Y. J.
Kim
,
W.
Lee
,
H. K.
Kim
, and
C. S.
Hwang
,
Appl. Phys. Lett.
102
,
112914
(
2013
).
8.
M. H.
Park
,
H. J.
Kim
,
W.
Lee
,
T.
Moon
, and
C. S.
Hwang
,
Appl. Phys. Lett.
102
,
242905
(
2013
).
9.
S.
Zarubin
,
E.
Suvorova
,
M.
Spiridonov
,
D.
Negrov
,
A.
Chernikova
,
A.
Markeev
, and
A.
Zenkevich
,
Appl. Phys. Lett.
109
,
192903
(
2016
).
10.
T.
Mittmann
,
M.
Materano
,
P. D.
Lomenzo
,
M. H.
Park
,
I.
Stolichnov
,
M.
Cavalieri
,
C.
Zhou
,
C.-C.
Chung
,
J. L.
Jones
,
T.
Szyjka
,
M.
Müller
,
A.
Kersch
,
T.
Mikolajick
, and
U.
Schroeder
,
Adv. Mater. Interfaces
6
(
11
),
1900042
(
2019
).
11.
M.
Materano
,
T.
Mittmann
,
P. D.
Lomenzo
,
C.
Zhou
,
J. L.
Jones
,
M.
Falkowski
,
A.
Kersch
,
T.
Mikolajick
, and
U.
Schroeder
,
ACS Appl. Electron. Mater.
2
(
11
),
3618
3626
(
2020
).
12.
T.
Mittmann
,
M.
Materano
,
S.-C.
Chang
,
I.
Karpov
,
T.
Mikolajick
, and
U.
Schroeder
, in
IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM)
(
IEEE
,
2020
), pp.
18.4.1
18.4.4
.
13.
D. R.
Islamov
,
V. A.
Gritsenko
,
T. V.
Perevalov
,
V. A.
Pustovarov
,
O. M.
Orlov
,
A. G.
Chernikova
,
A. M.
Markeev
,
S.
Slesazeck
,
U.
Schroeder
,
T.
Mikolajick
, and
G. Y.
Krasnikov
,
Acta Mater.
166
,
47
(
2019
).
14.
F. P. G.
Fengler
,
M.
Hoffmann
,
S.
Slesazeck
,
T.
Mikolajick
, and
U.
Schroeder
,
J. Appl. Phys.
123
,
204101
(
2018
).
15.
A. G.
Chernikova
,
M. G.
Kozodaev
,
D. V.
Negrov
,
E. V.
Korostylev
,
M. H.
Park
,
U.
Schroeder
,
C. S.
Hwang
, and
A. M.
Markeev
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
10
,
2701
(
2018
).
16.
M. G.
Kozodaev
,
A. G.
Chernikova
,
E. V.
Korostylev
,
M. H.
Park
,
R. R.
Khakimov
,
C. S.
Hwang
, and
A. M.
Markeev
,
J. Appl. Phys.
125
,
034101
(
2019
).
17.
M.
Hoffmann
,
U.
Schroeder
,
T.
Schenk
,
T.
Shimizu
,
H.
Funakubo
,
O.
Sakata
,
D.
Pohl
,
M.
Drescher
,
C.
Adelmann
,
R.
Materlik
,
A.
Kersch
, and
T.
Mikolajick
,
J. Appl. Phys.
118
(
7
),
072006
(
2015
).
18.
Y.
Goh
,
S. H.
Cho
,
S.-H. K.
Park
, and
S.
Jeon
,
Nanoscale
12
,
9024
(
2020
).
19.
S.
Mueller
,
J.
Müller
,
U.
Schroeder
, and
T.
Mikolajick
,
IEEE Trans. Device Mater. Reliab.
13
(
1
),
93
(
2013
).
20.
F.
Mehmood
,
M.
Hoffmann
,
P. D.
Lomenzo
,
C.
Richter
,
M.
Materano
,
T.
Mikolajick
, and
U.
Schroeder
,
Adv. Mater. Interfaces
6
(
21
),
1901180
(
2019
).
21.
G.
Walters
,
P.
Chojecki
,
Z.
Forrester
, and
T.
Nishida
,
Appl. Phys. Lett.
118
(
3
),
032904
(
2021
).
22.
H.
Jiang
,
M. A.
Bhuiyan
,
Z.
Liu
, and
T. P.
Ma
, “
A study of BEOL processed Hf0.5Zr0.5O2-based ferroelectric capacitors and their potential for automotive applications
,” in
2020 IEEE International Memory Workshop (IMW)
(
IEEE
,
2020
), pp.
1
4
.
23.
J.-G.
Yoon
,
B. S.
Kang
,
J. D.
Kim
,
T. W.
Noh
,
T. K.
Song
,
Y. K.
Lee
, and
J. K.
Lee
,
Integr. Ferroelectr.
53
,
401
(
2003
).
24.
S. N.
Fedosov
and
H.
von Seggern
,
J. Appl. Phys.
96
,
2173
(
2004
).
25.
B. Y.
Kim
,
B. S.
Kim
,
S. D.
Hyun
,
H. H.
Kim
,
Y. B.
Lee
,
H. W.
Park
,
M. H.
Park
, and
C. S.
Hwang
,
Appl. Phys. Lett.
117
,
022902
(
2020
).
26.
W.
Hamouda
,
C.
Lubin
,
S.
Ueda
,
Y.
Yamashita
,
O.
Renault
,
F.
Mehmood
,
T.
Mikolajick
,
U.
Schroeder
,
R.
Negrea
, and
N.
Barrett
,
Appl. Phys. Lett.
116
,
252903
(
2020
).
27.
W.
Hamouda
,
A.
Pancotti
,
C.
Lubin
,
L.
Tortech
,
C.
Richter
,
T.
Mikolajick
,
U.
Schroeder
, and
N.
Barrett
,
J. Appl. Phys.
127
,
064105
(
2020
).
28.
S. D.
Hyun
,
H. W.
Park
,
Y. J.
Kim
,
M. H.
Park
,
Y. H.
Lee
,
H. J.
Kim
,
Y. J.
Kwon
,
T.
Moon
,
K.
Do Kim
,
Y.
Bin Lee
,
B. S.
Kim
, and
C. S.
Hwang
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
10
,
35374
(
2018
).
29.
Y.
Li
,
J.
Li
,
R.
Liang
,
R.
Zhao
,
B.
Xiong
,
H.
Liu
,
H.
Tian
,
Y.
Yang
, and
T.-L.
Ren
,
Appl. Phys. Lett.
114
,
142902
(
2019
).
30.
P.
Buragohain
,
A.
Erickson
,
P.
Kariuki
,
T.
Mittmann
,
C.
Richter
,
P. D.
Lomenzo
,
H.
Lu
,
T.
Schenk
,
T.
Mikolajick
,
U.
Schroeder
, and
A.
Gruverman
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
11
(
38
),
35115
(
2019
).
31.
A. K.
Tagantsev
and
G.
Gerra
,
J. Appl. Phys.
100
,
051607
(
2006
).
32.
A.
Chouprik
,
E.
Kondratyuk
,
V.
Mikheev
,
Y.
Matveyev
,
M.
Spiridonov
,
A.
Chernikova
,
M. G.
Kozodaev
,
A. M.
Markeev
,
A.
Zenkevich
, and
D.
Negrov
,
Acta Mater.
204
,
116515
(
2021
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.