Ferroelectric (Hf,Zr)O2 thin films have attracted increased interest from the ferroelectrics community and the semiconductor industry due to their ability to exhibit ferroelectricity at nanoscale dimensions. The properties and performance of the ferroelectric (Hf,Zr)O2 films generally depend on various factors such as surface energy (e.g., through grain size or thickness), defects (e.g., through dopants, oxygen vacancies, or impurities), electrodes, interface quality, and preferred crystallographic orientation (also known as crystallographic texture or simply texture) of grains and/or domains. Although some factors affecting properties and performance have been studied extensively, the effects of texture on the material properties are still not understood. Here, the influence of texture of the bottom electrode and Hf0.5Zr0.5O2 (HZO) films on properties and performance is reported. The uniqueness of this work is the use of a consistent deposition process known as Sequential, No-Atmosphere Processing (SNAP) that produces films with different preferred orientations yet minimal other differences. The results shown in this study provide both new insight on the importance of the bottom electrode texture and new fundamental processing-structure–property relationships for the HZO films.

1.
T. S.
Böscke
,
J.
Müller
,
D.
Bräuhaus
,
U.
Schröder
, and
U.
Böttger
,
Appl. Phys. Lett.
99
,
102903
(
2011
).
2.
J.
Müller
,
E.
Yurchuk
,
T.
Schlösser
,
J.
Paul
,
R.
Hoffmann
,
S.
Müller
,
D.
Martin
,
S.
Slesazeck
,
P.
Polakowski
,
J.
Sundqvist
,
M.
Czernohorsky
,
K.
Seidel
,
P.
Kücher
,
R.
Boschke
,
M.
Trentzsch
,
K.
Gebauer
,
U.
Schröder
, and
T.
Mikolajick
, in
Digest of Technical Papers—Symposium on VLSI Technology (VSLIT)
(IEEE,
2012
), p.
25
.
3.
Z.
Krivokapic
,
U.
Rana
,
R.
Galatage
,
A.
Razavieh
,
A.
Aziz
,
J.
Liu
,
J.
Shi
,
H.J.
Kim
,
R.
Sporer
, and
C.
Serrao
, in
2017 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM)
(
IEEE
,
2017
), pp.
11
15
.
4.
J. Y.
Park
,
K.
Yang
,
D. H.
Lee
,
S. H.
Kim
,
Y.
Lee
,
P. R. S.
Reddy
,
J. L.
Jones
, and
M. H.
Park
,
J. Appl. Phys.
128
, 240904 (
2020
).
5.
A. I.
Khan
,
A.
Keshavarzi
, and
S.
Datta
,
Nat. Electron.
3
,
588
(
2020
).
6.
D. H.
Lee
,
Y.
Lee
,
K.
Yang
,
J. Y.
Park
,
S. H.
Kim
,
P. R. S.
Reddy
,
M.
Materano
,
H.
Mulaosmanovic
,
T.
Mikolajick
,
J. L.
Jones
,
U.
Schroeder
, and
M. H.
Park
,
Appl. Phys. Rev.
8
, 021312 (
2021
).
7.
H. A.
Hsain
,
Y.
Lee
,
M.
Materano
,
T.
Mittmann
,
A.
Payne
,
T.
Mikolajick
,
U.
Schroeder
,
G. N.
Parsons
, and
J. L.
Jones
,
J. Vac. Sci. Technol. A
40
,
010803
(
2022
).
8.
T.
Schenk
,
C. M.
Fancher
,
M. H.
Park
,
C.
Richter
,
C.
Künneth
,
A.
Kersch
,
J. L.
Jones
,
T.
Mikolajick
, and
U.
Schroeder
,
Adv. Electron. Mater.
5
,
1900303
(
2019
).
9.
G. L.
Messing
,
S.
Trolier-McKinstry
,
E. M.
Sabolsky
,
C.
Duran
,
S.
Kwon
,
B.
Brahmaroutu
,
P.
Park
,
H.
Yilmaz
,
P. W.
Rehrig
,
K. B.
Eitel
,
E.
Suvaci
,
M.
Seabaugh
, and
K. S.
Oh
,
Crit. Rev. Solid State Mater. Sci.
29
,
45
(
2004
).
10.
J. L.
Jones
,
B. J.
Iverson
, and
K. J.
Bowman
,
J. Am. Ceram. Soc.
90
,
2297
(
2007
).
11.
S.
Wada
,
K.
Takeda
,
T.
Muraishi
,
H.
Kakemoto
,
T.
Tsurumi
, and
T.
Kimura
,
Ferroelectrics
373
,
11
(
2008
).
12.
J. H.
Park
,
F.
Xu
, and
S.
Trolier-McKinstry
,
J. Appl. Phys.
89
,
568
(
2001
).
13.
T. D.
Huan
,
V.
Sharma
,
G. A.
Rossetti
, and
R.
Ramprasad
,
Phys. Rev. B
90
, 064111 (
2014
).
14.
I.
Fina
and
F.
Sánchez
,
ACS Appl. Electron. Mater.
3
,
1530
(
2021
).
15.
Z.
Fan
,
J.
Deng
,
J.
Wang
,
Z.
Liu
,
P.
Yang
,
J.
Xiao
,
X.
Yan
,
Z.
Dong
,
J.
Wang
, and
J.
Chen
,
Appl. Phys. Lett.
108
, 012906 (
2016
).
16.
M. H.
Park
,
H. J.
Kim
,
Y. J.
Kim
,
T.
Moon
, and
C. S.
Hwang
,
Appl. Phys. Lett.
104
, 072901 (
2014
).
17.
J.
Lyu
,
I.
Fina
,
R.
Bachelet
,
G.
Saint-Girons
,
S.
Estandía
,
J.
Gázquez
,
J.
Fontcuberta
, and
F.
Sánchez
,
Appl. Phys. Lett.
114
, 222901 (
2019
).
18.
K. W.
Huang
,
S. H.
Yi
,
Y.
Sen Jiang
,
W. C.
Kao
,
Y. T.
Yin
,
D.
Beck
,
V.
Korolkov
,
R.
Proksch
,
J.
Shieh
, and
M. J.
Chen
,
Acta Mater.
205
,
116536
(
2021
).
19.
Y.
Lee
,
H.
Alex Hsain
,
S. S.
Fields
,
S. T.
Jaszewski
,
M. D.
Horgan
,
P. G.
Edgington
,
J. F.
Ihlefeld
,
G. N.
Parsons
, and
J. L.
Jones
,
Appl. Phys. Lett.
118
, 012903 (
2021
).
20.
I.
Krylov
,
X.
Xu
,
E.
Zoubenko
,
K.
Weinfeld
,
S.
Boyeras
,
F.
Palumbo
,
M.
Eizenberg
, and
D.
Ritter
,
J. Vac. Sci. Technol. A
36
,
06A105
(
2018
).
21.
G.
Esteves
,
K.
Ramos
,
C. M.
Fancher
, and
J. L.
Jones
, “LIPRAS: Line-profile analysis software,”
ResearchGate preprint
(2017).
22.
A.
Christensen
and
E. A.
Carter
,
Phys. Rev. B
58
, 8050 (1998).
23.
G. L.
Brennecka
,
J. F.
Ihlefeld
,
J. P.
Maria
,
B. A.
Tuttle
, and
P. G.
Clem
,
J. Am. Ceram. Soc.
93
,
3935
(
2010
).
24.
J. F.
Scott
,
Ferroelectric Memories
, Springer Series in Advanced Microelectronics (
Springer
,
2000
), Vol. 3.
25.
A. K.
Tagantsev
,
I.
Stolichnov
,
N.
Setter
,
J. S.
Cross
, and
M.
Tsukada
,
Phys. Rev. B
66
,
214109
(
2002
).
26.
N.
Setter
,
D.
Damjanovic
,
L.
Eng
,
G.
Fox
,
S.
Gevorgian
,
S.
Hong
,
A.
Kingon
,
H.
Kohlstedt
,
N. Y.
Park
,
G. B.
Stephenson
,
I.
Stolitchnov
,
A. K.
Taganstev
,
D. V.
Taylor
,
T.
Yamada
, and
S.
Streiffer
,
J. Appl. Phys.
100
, 051606 (
2006
).
27.
J. Y.
Jo
,
H. S.
Han
,
J. G.
Yoon
,
T. K.
Song
,
S. H.
Kim
, and
T. W.
Noh
,
Phys. Rev. Lett.
99
,
267602
(
2007
).
28.
N.
Gong
,
X.
Sun
,
H.
Jiang
,
K. S.
Chang-Liao
,
Q.
Xia
, and
T. P.
Ma
,
Appl. Phys. Lett.
262903,
112
(
2018
).
29.
X.
Du
and
I. W.
Chen
,
Mater. Res. Soc. Symp. Proc.
493
,
311
(
1998
).
30.
D.
Damjanovic
,
Rep. Prog. Phys.
61
,
1267
(
1998
).
31.
J.
Miao
,
J.
Yuan
,
H.
Wu
,
S. B.
Yang
,
B.
Xu
,
L. X.
Cao
, and
B. R.
Zhao
,
Appl. Phys. Lett.
90
,
022903
(
2007
).
32.
R.
Materlik
,
C.
Künneth
, and
A.
Kersch
,
J. Appl. Phys.
117
,
134109
(
2015
).
33.
E. D.
Grimley
,
T.
Schenk
,
X.
Sang
,
M.
Pešić
,
U.
Schroeder
,
T.
Mikolajick
, and
J. M.
LeBeau
,
Adv. Electron. Mater.
2
,
1600173
(
2016
).
34.
L.
Rayleigh
,
Lond. Edinb. Dublin Philos. Mag. J. Sci.
23
,
225
(
1887
).
35.
D. A.
Hall
,
J. Mater. Sci.
36
,
4575
(
2001
).
36.
G.
Tutuncu
,
D.
Damjanovic
,
J.
Chen
, and
J. L.
Jones
,
Phys. Rev. Lett.
108
,
177601
(
2012
).
37.
Y. A.
Genenko
,
J.
Glaum
,
M. J.
Hoffmann
, and
K.
Albe
,
Mater. Sci. Eng. B
192
,
52
(
2015
).
38.
A. Q.
Jiang
,
Y. Y.
Lin
, and
T. A.
Tang
,
J. Appl. Phys.
102
, 074109 (
2007
).
39.
S. S.
Fields
,
S. W.
Smith
,
S. T.
Jaszewski
,
T.
Mimura
,
D. A.
Dickie
,
G.
Esteves
,
M.
David Henry
,
S. L.
Wolfley
,
P. S.
Davids
, and
J. F.
Ihlefeld
,
J. Appl. Phys.
130
,
134101
(
2021
).
40.
M.
Pešić
,
F. P. G.
Fengler
,
L.
Larcher
,
A.
Padovani
,
T.
Schenk
,
E. D.
Grimley
,
X.
Sang
,
J. M.
LeBeau
,
S.
Slesazeck
,
U.
Schroeder
, and
T.
Mikolajick
,
Adv. Funct. Mater.
26
,
4601
(
2016
).
41.
E. L.
Colla
,
A. K.
Tagantsev
,
D. V.
Taylor
, and
A. L.
Kholkin
,
Integr. Ferroelectr.
18
,
19
(
1997
).
42.
E. L.
Colla
,
D. V.
Taylor
,
A. K.
Tagantsev
, and
N.
Setter
,
Appl. Phys. Lett.
72
,
2478
(
1998
).
43.
W. Y.
Liu
,
J. J.
Liao
,
J.
Jiang
,
Y. C.
Zhou
,
Q.
Chen
,
S. T.
Mo
,
Q.
Yang
,
Q. X.
Peng
, and
L. M.
Jiang
,
J. Mater. Chem. C
8
,
3878
(
2020
).
44.
P.
Zhou
,
B.
Zeng
,
W.
Yang
,
J.
Liao
,
F.
Meng
,
Q.
Zhang
,
L.
Gu
,
S.
Zheng
,
M.
Liao
, and
Y.
Zhou
,
Acta Mater.
232
,
117920
(
2022
).
45.
D.
Bolten
,
U.
Böttger
, and
R.
Waser
,
J. Appl. Phys.
93
,
1735
(
2003
).
46.
S.
Ito
,
K.
Takahashi
,
S.
Okamoto
,
I. P.
Koutsaroff
,
A.
Cervin-Lawry
, and
H.
Funakubo
,
Jpn. J. Appl. Phys.
44
,
6881
(
2005
).
47.
J.
Li
,
J.
Wang
,
M.
Wuttig
,
R.
Ramesh
,
N.
Wang
,
B.
Ruette
,
A. P.
Pyatakov
,
A. K.
Zvezdin
, and
D.
Viehland
,
Appl. Phys. Lett.
84
,
5261
(
2004
).
48.
W.
Zhang
,
H.
Cheng
,
Q.
Yang
,
F.
Hu
, and
J.
Ouyang
,
Ceram. Int.
42
,
4400
(
2016
).
49.
J.
Wu
and
J.
Wang
,
Acta Mater.
58
,
1688
(
2010
).
50.
N. B.
Gharb
and
S.
Trolier-Mckinstry
,
J. Appl. Phys.
97
,
064106
(
2005
).
51.
W. J.
Merz
,
Phys. Rev.
76
,
1221
(
1949
).
52.
G.
Esteves
,
M.
Wallace
,
R.
Johnson-Wilke
,
C. M.
Fancher
,
R. H. T.
Wilke
,
S.
Trolier-Mckinstry
, and
J. L.
Jones
,
J. Am. Ceram. Soc.
99
,
1802
(
2016
).
53.
W.
Ding
,
Y.
Zhang
,
L.
Tao
,
Q.
Yang
, and
Y.
Zhou
,
Acta Mater.
196
,
556
(
2020
).
54.
T.
Kiguchi
,
T.
Shiraishi
,
T.
Shimizu
,
H.
Funakubo
, and
T. J.
Konno
,
Jpn. J. Appl. Phys.
57
,
11UF16
(
2018
).
55.
T.
Shimizu
,
T.
Mimura
,
T.
Kiguchi
,
T.
Shiraishi
,
T.
Konno
,
Y.
Katsuya
,
O.
Sakata
, and
H.
Funakubo
,
Appl. Phys. Lett.
113
,
212901
(
2018
).
56.
D.
Wang
,
Y.
Fotinich
, and
G. P.
Carman
,
J. Appl. Phys.
83
,
5342
(
1998
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.