Because of their full compatibility with CMOS technology, HfO2-based ferroelectrics, and especially Hf0.5Zr0.5O2 (HZO), attract a lot of attention. However, the overwhelming majority of measurement techniques provides only information about the cumulative electrical response of many domains of HZO, i.e., at the macroscopic level. So far, only piezoresponse force microscopy technique was applied to visualize distinct ferroelectric domains in HZO and to analyze the local switching behavior in the microscopic level. This work introduces the possibility of using electron beam-induced current (EBIC) technique in the scanning electron microscope to visualize the gradual polarization reversal of HZO and to obtain the local polarization dynamics. We show that although the local EBIC signal is affected by surrounding domains, studying the variations in the ferroelectric response of individual domains as well as the spread of the local stiffness and local imprint is possible by this method. Besides, we show the connection between the EBIC current and an electric field across passive non-ferroelectric layers at interfaces between HZO and metal electrodes, which opens up additional opportunities to use the EBIC technique for investigations of interface-dependent properties of HZO ferroelectrics in the future.

1.
T. S.
Böscke
,
J.
Müller
,
D.
Bräuhaus
,
U.
Schröder
, and
U.
Böttger
,
Appl. Phys. Lett.
99
(
10
),
102903
(
2011
).
2.
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
).
3.
J.
Muller
,
T. S.
Boscke
,
S.
Muller
,
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.
Schlosser
,
R.
Boschke
,
R.
van Bentum
,
U.
Schroder
, and
T.
Mikolajick
, “
Ferroelectric hafnium oxide A CMOS-compatible and highly scalable approach to future ferroelectric memories
,” in
Electron Devices Meeting (IEDM)
(
IEEE International
,
Washington
,
2013
), pp.
10.8.1
10.8.4
.
4.
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
).
5.
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
2708
(
2018
).
6.
M. H.
Park
,
H. J.
Kim
,
Y. J.
Kim
,
W.
Lee
,
T.
Moon
, and
C. S.
Hwang
,
Appl. Phys. Lett.
102
(
24
),
242905
(
2013
).
7.
A.
Chernikova
,
M.
Kozodaev
,
A.
Markeev
,
Y.
Matveev
,
D.
Negrov
, and
O.
Orlov
,
Microelectron. Eng.
147
,
15
18
(
2015
).
8.
A. G.
Chernikova
,
M. G.
Kozodaev
,
R. R.
Khakimov
,
S. N.
Polyakov
, and
A. M.
Markeev
,
Appl. Phys. Lett.
117
,
192902
(
2020
).
9.
T.
Mittmann
,
T.
Szyjka
,
H.
Alex
,
M. C.
Istrate
,
P. D.
Lomenzo
,
L.
Baumgarten
,
M.
Müller
,
J. L.
Jones
,
L.
Pintilie
,
T.
Mikolajick
, and
U.
Schroeder
,
Phys. Status Solidi Rapid Res. Lett.
15
(
5
),
2100012
(
2021
).
10.
M. H.
Park
,
H. J.
Kim
,
Y. J.
Kim
,
T.
Moon
,
K. D.
Kim
, and
C. S.
Hwang
,
Adv. Energy Mater.
4
,
1400610
(
2014
).
11.
M. G.
Kozodaev
,
A. G.
Chernikova
,
R. R.
Khakimov
,
M. H.
Park
,
A. M.
Markeev
, and
C. S.
Hwang
,
Appl. Phys. Lett.
113
,
123902
(
2018
).
12.
M.
Hoffmann
,
U.
Schroeder
,
C.
Kuenneth
,
A.
Kersch
,
S.
Starschich
,
U.
Boettger
, and
T.
Mikolajick
,
Nano Energy
18
,
154
164
(
2015
).
13.
J.
Müller
,
T. S.
Böscke
,
U.
Schröder
,
S.
Mueller
,
D.
Bräuhaus
,
U.
Böttger
,
L.
Frey
, and
T.
Mikolajick
,
Nano Lett.
12
,
4318
4323
(
2012
).
14.
T. D.
Huan
,
V.
Sharma
,
G. A.
Rossetti
, Jr.
, and
R.
Ramprasad
,
Phys. Rev. B
90
,
064111
(
2014
).
15.
M. H.
Park
,
Y. H.
Lee
,
H. J.
Kim
,
T.
Schenk
,
W.
Lee
,
K. D.
Kim
,
F. P. G.
Fengler
,
T.
Mikolajick
,
U.
Schroeder
, and
C. S.
Hwang
,
Nanoscale
9
,
9973
9986
(
2017
).
16.
S. D.
Hyun
,
H. W.
Park
,
Y. J.
Kim
,
M. H.
Park
,
Y. H.
Lee
,
H. J.
Kim
,
Y. J.
Kwon
,
T.
Moon
,
K. D.
Kim
,
Y. B.
Lee
,
B. S.
Kim
, and
C. S.
Hwang
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
10
,
35374
35384
(
2018
).
17.
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
4612
(
2016
).
18.
T.
Schenk
,
M.
Hoffmann
,
J.
Ocker
,
M.
Pešić
,
T.
Mikolajick
, and
U.
Schroeder
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
7
,
20224
20233
(
2015
).
19.
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
).
20.
R. R.
Khakimov
,
A. G.
Chernikova
,
Y.
Lebedinskii
,
A. A.
Koroleva
, and
A. M.
Markeev
,
ACS Appl. Electron. Mater.
3
(
10
),
4317
4327
(
2021
).
21.
A.
Chouprik
,
S.
Zakharchenko
,
M.
Spiridonov
,
S.
Zarubin
,
A.
Chernikova
,
R.
Kirtaev
,
P.
Buragohain
,
A.
Gruverman
,
A.
Zenkevich
, and
D.
Negrov
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
10
,
8818
8826
(
2018
).
22.
A.
Chouprik
,
M.
Spiridonov
,
S.
Zarubin
,
R.
Kirtaev
,
V.
Mikheev
,
Y.
Lebedinskii
,
S.
Zakharchenko
, and
D.
Negrov
,
ACS Appl. Electron. Mater.
1
,
275
287
(
2019
).
23.
W. A.
Hubbard
,
J. J.
Lodico
,
H. L.
Chan
,
M.
Mecklenburg
, and
B. C.
Regan
,
Adv. Funct. Mater.
32
(
2
),
2102313
(
2022
).
24.
V.
Bormashov
,
S.
Troschiev
,
A.
Volkov
,
S.
Tarelkin
,
E.
Korostylev
,
A.
Golovanov
,
M.
Kuznetsov
,
D.
Teteruk
,
N.
Kornilov
,
S.
Terentiev
,
S.
Buga
, and
V.
Blank
,
Phys. Status Solidi A
212
(
11
),
2539
2547
(
2015
).
25.
S.
Tarelkin
,
V.
Bormashov
,
E.
Korostylev
,
S.
Troschiev
,
D.
Teteruk
,
A.
Golovanov
,
A.
Volkov
,
N.
Kornilov
,
M.
Kuznetsov
,
D.
Prikhodko
, and
S.
Buga
,
Phys. Status Solidi A
213
(
9
),
2492
2497
(
2016
).
26.
H. L.
Chan
,
S. S.
Fields
,
T.
O'Neill
,
Y.
Chen
,
W. A.
Hubbard
,
J. F.
Ihlefeld
, and
B. C.
Regan
,
Microsc. Microanal.
28
(
S1
),
2270
2271
(
2022
).
27.
B. Y.
Kim
,
H. W.
Park
,
S. D.
Hyun
,
Y. B.
Lee
,
S. H.
Lee
,
M.
Oh
,
S. K.
Ryoo
,
I. S.
Lee
,
S.
Byun
,
D.
Shim
,
D.-Y.
Cho
,
M. H.
Park
, and
C. S.
Hwang
,
Adv. Electron. Mater.
8
(
6
),
2100042
(
2022
).
28.
A. A.
Koroleva
,
A. G.
Chernikova
,
S. S.
Zarubin
,
E.
Korostylev
,
R. R.
Khakimov
,
M. Y.
Zhuk
, and
A. M.
Markeev
,
ACS Omega
7
(
50
),
47084
47095
(
2022
).
29.
M.
Spiridonov
,
A.
Chouprik
,
V.
Mikheev
,
A. M.
Markeev
, and
D.
Negrov
,
Microsc. Microanal.
27
,
326
336
(
2021
).
30.
A.
Chouprik
,
R.
Kirtaev
,
E.
Korostylev
,
V.
Mikheev
,
M.
Spiridonov
, and
D.
Negrov
,
Nanomaterials
12
,
1483
(
2022
).
31.
M.
Grossmann
,
O.
Lohse
,
D.
Bolten
,
U.
Boettger
, and
R.
Waser
,
J. Appl. Phys.
92
,
2688
2696
(
2002
).
32.
A. K.
Tagantsev
and
G.
Gerra
,
J. Appl. Phys.
100
,
051607
(
2006
).
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.
Y.
Matveyev
,
D.
Nergov
,
A.
Chernikova
,
Y.
Lebedinskii
,
R.
Kirtaev
,
S.
Zarubin
,
E.
Suvorova
,
A.
Gloskovskii
, and
A.
Zenkevich
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
9
(
49
),
43370
43376
(
2017
).
35.
Y.
Matveyev
,
V.
Mikheev
,
D.
Negrov
,
S.
Zarubin
,
A.
Kumar
,
E. D.
Grimley
,
J. M.
LeBeau
,
A.
Gloskovskii
,
E. Y.
Tsymbal
, and
A.
Zenkevich
,
Nanoscale
11
,
19814
19822
(
2019
).
36.
R. R.
Khakimov
,
A. G.
Chernikova
,
A. A.
Koroleva
, and
A. M.
Markeev
,
Nanomaterials
12
(
17
),
3059
(
2022
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.