We reconstruct the interface between ferroelectric (FE) lanthanum-doped lead zirconate titanate (PLZT) and an iridium oxide (IrOx) top electrode (TE), taking advantage of the interdiffusion of Ir and Pb during postdeposition annealing. The tetragonal perovskite phase with a low c/a axis ratio at the IrOx/PLZT interface is observed by X-ray diffraction. It is suggested that the low c/a axis ratio in the interfacial layer is due to the effect of diffusion of Ir from the TE-IrOx. It is also considered that the low c/a axis ratio interfacial layer functions as a nucleation layer for reversal of polarization, thereby achieving a low coercive electric field. The formation of the interfacial layer is very sensitive to the O2 content of the Ar/O2 atmosphere during TE-IrOx deposition. Although an optimized Ar/O2 ratio achieves excellent polarization characteristics (high polarization value and low coercive field), the optimum Ar/O2 region is very narrow at around 36% O2. In other Ar/O2 regions, a pyrochlore phase is formed at the interface owing to interdiffusion of the TE and FE films, and polarization characteristics deteriorate.

1.
J. F.
Scott
,
Ferroelectric Memories
(
Springer
,
Heidelberg
,
2000
).
2.
K.
Haga
,
Y.
Nakada
,
D.
Ricinschi
, and
E.
Tokumitsu
,
Jpn. J. Appl. Phys.
53
,
09PA07
(
2014
).
3.
M.
Aramaki
,
K.
Kariya
,
T.
Yoshimura
,
S.
Murakami
, and
N.
Fujimura
,
Jpn. J. Appl. Phys.
55
,
10TA16
(
2016
).
4.
Y.
Tsujiura
,
S.
Kawabe
,
F.
Kurokawa
,
H.
Hida
, and
I.
Kanno
,
Jpn. J. Appl. Phys.
54
,
10NA04
(
2015
).
5.
A. M.
Eltanany
,
T.
Yoshimura
,
N.
Fujimura
,
N. Z.
Elsayed
,
M. R.
Ebied
, and
M. G. S.
Ali
,
Jpn. J. Appl. Phys.
54
,
10ND02
(
2015
).
6.
T.
Yamashita
,
H.
Okada
,
T.
Itoh
, and
T.
Kobayashi
,
Jpn. J. Appl. Phys.
54
,
10ND08
(
2015
).
7.
R.
Takei
,
H.
Okada
,
N.
Makimoto
,
T.
Itoh
, and
T.
Kobayashi
,
Jpn. J. Appl. Phys.
55
,
10TA06
(
2016
).
8.
R.
Sano
,
J.
Inoue
,
K.
Kanda
,
T.
Fujita
, and
K.
Maenaka
,
Jpn. J. Appl. Phys.
54
,
10ND03
(
2015
).
9.
S.
Nakashima
,
K.
Takayama
,
K.
Shigematsu
,
H.
Fujisawa
, and
M.
Shimizu
,
Jpn. J. Appl. Phys.
55
,
10TA07
(
2016
).
10.
S.
Nakashima
,
K.
Takayama
,
T.
Uchida
,
H.
Fujisawa
, and
M.
Shimizu
,
Jpn. J. Appl. Phys.
54
,
10NA16
(
2015
).
11.
S.
Okamoto
,
S.
Okamoto
,
S.
Yokoyama
,
K.
Akiyama
, and
H.
Funakubo
,
Jpn. J. Appl. Phys.
55
,
10TA08
(
2016
).
12.
H.
Fukushima
,
D.
Ichinose
,
H.
Funakubo
,
H.
Uchida
,
H.
Shima
, and
K.
Nishida
,
Jpn. J. Appl. Phys.
55
,
10TC07
(
2016
).
13.
T.
Yamada
,
D.
Ito
,
O.
Sakata
,
J.
Kuroishi
,
T.
Namazu
,
Y.
Imai
,
T.
Shiraishi
,
T.
Shimizu
,
H.
Funakubo
,
M.
Yoshino
, and
T.
Nagasaki
,
Jpn. J. Appl. Phys.
54
,
10NA07
(
2015
).
14.
Y.
Hiranaga
and
Y.
Cho
,
Jpn. J. Appl. Phys.
53
,
09PA05
(
2014
).
15.
M.
Iwata
,
T.
Ido
,
M.
Maeda
, and
Y.
Ishibashi
,
Jpn. J. Appl. Phys.
53
,
09PD05
(
2014
).
16.
Y.
Takada
,
N.
Okamoto
,
T.
Saito
,
T.
Yoshimura
,
N.
Fujimura
,
K.
Higuchi
,
A.
Kitajima
, and
R.
Shishido
,
IEEE Trans. UFFC
63
,
1668
(
2016
).
17.
S. R.
Shannigrahi
and
H. M.
Jang
,
Appl. Phys. Lett.
79
,
1051
(
2001
).
18.
N.
Inoue
and
Y.
Hayashi
,
IEEE Trans. Electron Devices
48
,
2266
(
2001
).
19.
M. M.
Zhang
,
Z.
Jia
, and
T. L.
Ren
,
Solid-State Electron.
53
,
473
(
2009
).
20.
S.-G.
Yoon
,
D.
Wicaksana
,
D.-J.
Kim
,
S.-H.
Kim
, and
A. I.
Kingon
,
J. Mater. Res.
16
,
1185
(
2001
).
21.
K.
Kushida-Abdelghafar
,
H.
Miki
,
F.
Yano
, and
Y.
Fujisaki
,
Jpn. J. Appl. Phys.
36
,
L1032
(
1997
).
22.
S.-O.
Chung
,
H.-C.
Lee
, and
W.-J.
Lee
,
Jpn. J. Appl. Phys.
39
,
1203
(
2000
).
23.
D. P.
Vijay
and
S. B.
Desu
,
J. Electrochem. Soc.
140
,
2640
(
1993
).
24.
L.
Trupina
,
C.
Miclea
,
L.
Amarande
, and
M.
Cioangher
,
J. Mater. Sci.
46
,
6830
(
2011
).
25.
Y.
Gong
,
C.
Wang
,
Q.
Shen
, and
L.
Zhang
,
Appl. Surf. Sci.
285
,
324
(
2013
).
26.
K.
Kushida-Abdelghafar
and
Y.
Fujisaki
,
Jpn. J. Appl. Phys.
37
,
L804
(
1998
).
27.
Y.
Masuda
and
T.
Nozaka
,
Jpn. J. Appl. Phys.
43
,
6576
(
2004
).
28.
Y.
Kuratani
,
Y.
Morikawa
, and
M.
Okuyama
,
Jpn. J. Appl. Phys.
37
,
5421
(
1998
).
29.
T.
Sakoda
,
T. S.
Moise
,
S. R.
Summerfelt
,
L.
Colombo
,
G.
Xing
,
S. R.
Gilbert
,
A. L. S.
Loke
,
S.
Ma
,
R.
Kavari
,
L. A.
Wills
, and
J.
Amano
,
Jpn. J. Appl. Phys.
40
,
2911
(
2001
).
30.
E.
Bouyssou
,
P.
Leduc
,
G.
Guégan
, and
R.
Jérisian
,
J. Phys. Conf. Ser.
10
,
317
(
2005
).
31.
J. S.
Cross
,
Y.
Horii
,
N.
Mizuta
,
S.
Watanabe
, and
T.
Eshita
,
Jpn. J. Appl. Phys.
41
,
698
(
2002
).
32.
M.-S.
Lee
,
K.-S.
Park
,
S.-D.
Nam
,
K.-M.
Lee
,
J.-S.
Seo
,
S.-H.
Joo
,
S.-W.
Lee
,
Y.-T.
Lee
,
H.-G.
An
,
H.-J.
Kim
,
S.-L.
Cho
,
Y.-H.
Son
,
Y.-D.
Kim
,
Y.-J.
Jung
,
J.-E.
Heo
,
S.-O.
Park
,
U.-I.
Chung
, and
J.-T.
Moon
,
Jpn. J. Appl. Phys.
41
,
6709
(
2002
).
33.
K.-M.
Lee
,
H.-G.
An
,
J.-K.
Lee
,
Y.-T.
Lee
,
S.-W.
Lee
,
S.-H.
Joo
,
S.-D.
Nam
,
K.-S.
Park
,
M.-S.
Lee
,
S.-O.
Park
,
H.-K.
Kang
, and
J.-T.
Moon
,
Jpn. J. Appl. Phys.
40
,
4979
(
2001
).
34.
Y.
Nakao
,
T.
Nakamura
,
A.
Kamisawa
,
H.
Takasu
,
N.
Soyama
,
T.
Atsuki
, and
K.
Ogi
,
Jpn. J. Appl. Phys.
33
,
5265
(
1994
).
35.
T.
Nakamura
,
Y.
Nakao
,
A.
Kamisawa
, and
H.
Takasu
in
Proceedings of ISAF’94
(IEEE,
1994
), p.
547
.
36.
K. B.
Lee
,
S.
Tirumala
, and
S. B.
Desu
,
Appl. Phys. Lett.
74
,
1484
(
1999
).
37.
Y.
Fujisaki
,
K.
Kushida-Abdelghafar
,
H.
Miki
, and
Y.
Shimamoto
,
Integr. Ferroelectr.
21
,
83
(
1998
).
38.
V. K.
Khanna
,
J. Phys. D Appl. Phys.
44
,
034004
(
2011
).
39.
I.
Gueye
,
G. L.
Rhun
,
O.
Renault
,
D.
Cooper
,
E.
Defay
, and
N.
Barrett
,
Appl. Phys. Lett.
113
,
132901
(
2018
).
40.
S. Y.
Lee
,
H. J.
Seog
,
C. W.
Ahn
,
A.
Ullah
, and
I. W.
Kim
,
Jpn. J. Appl. Phys.
51
,
09MD03
(
2012
).
41.
X. J.
Lou
,
H. J.
Zhang
,
Z. D.
Luo
,
F. P.
Zhang
,
Y.
Liu
,
Q. D.
Liu
,
A. P.
Fang
,
B.
Dkhil
,
M.
Zhang
,
X. B.
Ren
, and
H. L.
He
,
Appl. Phys. Lett.
105
,
102907
(
2014
).
42.
H. B.
Sharma
and
S. B.
Singh
,
Integr. Ferroelectr.
159
,
14
(
2015
).
43.
M.
Stengel
and
N. A.
Spaldin
,
Nature
443
,
679
(
2006
).
44.
Q.
Jiang
,
M.
Dawber
,
J. F.
Scott
,
C.
Wang
,
P.
Migliorato
, and
M.
Gregg
,
Jpn. J. Appl. Phys.
42
,
6973
(
2003
).
45.
H.
Zhu
,
Y.
Chen
,
D.
Chu
,
S.
Feng
,
Y.
Zhang
, and
P.
Wang
,
Jpn. J. Appl. Phys.
55
,
091501
(
2016
).
46.
U.
Bottger
and
R.
Waser
,
J. Appl. Phys.
122
,
024105
(
2017
).
47.
W.
Yunyi
,
Z.
Duanming
,
Y.
Jun
, and
W.
Yunbo
,
J. Appl. Phys.
105
,
061613
(
2009
).
48.
L.
Pei
,
N.
Hu
,
G.
Deng
,
Y.
Bie
,
Y.
Chen
, and
M.
Li
,
J. Electron. Mater.
44
,
2340
(
2015
).
49.
M.-T.
Chentir
,
E.
Bouyssou
,
L.
Ventura
, and
C.
Anceau
,
J. Appl. Phys.
105
,
061605
(
2009
).
50.
P.
Chen
,
S.
Wu
,
P.
Li
,
J.
Zhai
, and
B.
Shen
,
J. Eur. Ceram. Soc.
38
,
4640
(
2018
).
51.
T. V.
Pham
,
T. N. Q.
Bui
,
T. T.
Phan
,
T.
Miyasako
,
E.
Tokumitsu
, and
T.
Shimoda
,
Mater. Res. Soc. Symp. Proc.
(
2011
), Vol. 1368.
52.
Y.
Wang
,
H.
Zhao
,
L.
Zhang
,
J.
Chen
, and
X.
Xing
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
19
,
17493
(
2017
).
53.
Q.
Zhang
,
W.
Geng
,
J.
Zhang
,
X.
Qiao
,
X.
Chen
,
X.
Fan
, and
X.
Chou
,
Ceram. Int.
45
,
3159
(
2019
).
54.
N.
Samaa
,
C.
Soyera
,
D.
Remiensa
,
C.
Verruea
, and
R.
Bouregbab
,
Sens. Actuators A
158
,
99
(
2010
).
55.
M.-T.
Chentir
,
E.
Bouyssou
,
L.
Ventura
, and
C.
Anceau
,
J. Appl. Phys.
105
,
061605
(
2009
).
56.
M. T.
Chentir
,
J.-B.
Jullien
,
B.
Valtchanov
,
E.
Bouyssou
,
L.
Ventura
, and
C.
Anceau
,
Microelectron. Reliab.
49
,
1074
(
2009
).
57.
W.
Wang
,
K.
Nomura
,
H.
Yamaguchi
,
K.
Nakamura
,
T.
Eshita
,
S.
Ozawa
,
K.
Takai
,
S.
Mihara
,
Y.
Hikosaka
,
M.
Hamada
, and
Y.
Kataoka
,
Jpn. J. Appl. Phys.
56
,
10PF14
(
2017
).
58.
W.
Wang
,
K.
Nomura
,
K.
Nakamura
,
T.
Eshita
,
S.
Ozawa
,
H.
Yamaguchi
,
K.
Takai
,
J.
Watanabe
,
S.
Mihara
,
Y.
Hikosaka
,
H.
Saito
,
Y.
Kataoka
, and
M.
Kojima
,
Jpn. J. Appl. Phys.
58
,
016503
(
2019
).
59.
W.
Wang
,
T.
Karaki
, and
M.
Adachi
,
Jpn. J. Appl. Phys.
37
,
4910
(
1998
).
60.
J.
Zhong
,
V.
Batra
,
H.
Han
, and
S.
Kotru
,
J. Vac. Sci. Technol. A
33
,
05E119
(
2015
).
61.
E. S.
Lee
,
H. W.
Chung
,
S. H.
Lim
, and
S. Y.
Lee
,
J. Vac. Sci. Technol. A
23
,
773
(
2005
).
62.
H.
Fujita
,
S.
Goto
,
M.
Sakashita
,
H.
Ikeda
,
A.
Sakai
,
S.
Zaima
, and
Y.
Yasuda
,
Jpn. J. Appl. Phys.
39
,
7035
(
2000
).
63.
L. M.
Sanchez
,
D. M.
Potrepka
,
G. R.
Fox
,
I.
Takeuchi
,
K.
Wang
,
L. A.
Bendersky
, and
R. G.
Polcawich
,
J. Mater. Res.
28
,
1920
(
2013
).
64.
K. K.
Maurya
,
S. K.
Haldera
,
S.
Senb
,
A.
Boseb
, and
S.
Bysakhb
,
Appl. Surf. Sci.
313
,
196
(
2014
).
65.
J. F.
Scott
,
C. A.
Araujo
,
H. B.
Meadows
,
L. D.
McMillan
, and
A.
Shawabkeh
,
J. Appl. Phys.
66
,
1444
(
1989
).
66.
F.
Chu
,
Integr. Ferroelectr.
48
,
255
(
2002
).
67.
W.
Wang
,
U.S. patent
7,663,710 (
2010
).
68.
R.
Tickoo
,
R. P.
Tandon
,
N. C.
Mehra
, and
P. N.
Kotru
,
Mater. Sci. Eng. B
94
,
1
(
2002
).
69.
T.
Yamamoto
,
H.
Igarashi
, and
K.
Okazaki
,
J. Am. Ceram. Soc.
66
,
363
(
1983
).
70.
J.
Mendiola
,
B.
Jiménez
,
C.
Alemany
,
L.
Pardo
, and
L. D.
Olmo
,
Ferroelectrics
94
,
183
(
1989
).
71.
X. Y.
Zhou
,
H. S.
Gu
,
Y.
Wang
,
W. Y.
Li
, and
T. S.
Zhou
,
Mater. Lett.
59
,
1649
(
2005
).
72.
73.
J.-H.
Park
,
B.-K.
Kim
,
K.-H.
Song
, and
S. J.
Park
,
J. Mater. Sci.: Mater. Electron.
6
,
97
(
1995
).
74.
J.
Cheng
,
R.
Eitel
,
N.
Li
, and
L. E.
Cross
,
J. Appl. Phys.
94
,
605
(
2003
).
75.
J.
Yoo
,
Y.
Lee
,
K.
Yoon
,
S.
Hwang
,
S.
Suh
,
J.
Kim
, and
C.
Yoo
,
Jpn. J. Appl. Phys.
40
,
3256
(
2001
).
76.
H. D.
Chen
,
K. R.
Udayakumar
,
C. J.
Gaskey
, and
L. E.
Cross
,
Appl. Phys. Lett.
67
,
3411
(
1995
).
77.
J. H.
Yoo
,
Y. W.
Lee
,
S. M.
Hwang
,
H. S.
Yoon
,
H. S.
Jeong
,
J. S.
Kim
, and
C. S.
Yoo
, in
Proceedings of IEEE International Symposium on Applied Ferroelectrics
(
IEEE
,
2000
), Vol. 1, p.
495
.
78.
S.
Ducharme
,
V. M.
Fridkin
,
A. V.
Bune
,
S. P.
Palto
,
L. M.
Blinov
,
N. N.
Petukhova
, and
S. G.
Yudin
,
Phys. Rev. Lett.
84
,
175
(
2000
).
79.
M.
Molotskii
,
J. Appl. Phys.
97
,
014109
(
2005
).
80.
S.-H.
Kim
,
D.-J.
Kim
,
S. K.
Streiffer
, and
A. I.
Kingon
,
J. Mater. Res.
14
,
2476
(
1999
).
81.
E. S.
Lee
,
H. W.
Chung
,
S. H.
Lim
, and
S. Y.
Lee
,
Appl. Phys. Lett.
86
,
032903
(
2005
).
You do not currently have access to this content.