Caractérisation avancée des domaines ferroélectriques dans les couches minces à base de HfO2 // Advanced characterization of ferroelectric domains in hafnia-based thin films

Ferroelectric random access memories (FeRAM) based on hafnium zirconium oxide (HZO) are intrinsically ultra-low power thanks to the voltage switching mechanism, the scaling potential of HZO to below 10 nm and full CMOS compatibility. In addition, they demonstrate low latency necessary for a wide variety of edge logic and memory applications. Understanding the underlying mechanisms and kinetics of ferroelectric domains switching is essential for intelligent FeRAM design and optimal performance.

This thesis focuses on the comprehensive characterization of ferroelectric (FE) domains in ultra-thin HZO films. The student will use several surface imaging techniques (piezoelectric force microscopy, PFM, low energy electron microscopy, LEEM, and x-ray photoemission electron microscopy, PEEM) combined with advanced operando characterization methods (time-resolved detection coupled with synchrotron radiation) for this purpose. This project will mark an important progress on the fundamental research on the polarization switching mechanisms of ultra-thin hafnia-based FE layer, elucidating the specific effects of the metal electrode/FE layer interface in the electrostatic behaviour of the studied capacitors. It will ultimately allow a significant breakthrough on the industrial development of ferroelectric emerging memories, essential for large-scale artificial intelligence (AI) applications.

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Les mémoires ferroélectriques à accès aléatoire (FeRAM en anglais) à base d'oxyde d’hafnium et de zirconium (HZO) sont intrinsèquement ultra-faibles en consommation grâce au mécanisme de changement de tension, au potentiel de mise à l'échelle du HZO en dessous de 10 nm et à la compatibilité CMOS complète. De plus, elles présentent une faible latence nécessaire à une grande variété d'applications de logique et de mémoire. La compréhension des mécanismes sous-jacents et de la cinétique du ‘switching’ des domaines ferroélectriques est essentielle pour une conception intelligente des FeRAMs avec des performances optimales.

Cette thèse porte sur la caractérisation complète des domaines ferroélectriques (FE) dans des films HZO ultra-minces. L'étudiant utilisera plusieurs techniques d'imagerie de surface (microscopie à force piézoélectrique, PFM, microscopie électronique à basse énergie, LEEM, et microscopie électronique à photoémission de rayons X, PEEM) combinées à des méthodes avancées de caractérisation operando (détection résolue dans le temps couplée au rayonnement synchrotron). Ce projet marquera une avancée importante dans la recherche fondamentale des mécanismes de basculement de polarisation des couches FE ultra-minces à base d'hafnium, en élucidant les effets spécifiques de l'interface électrode métallique/couche FE dans le comportement électrostatique des condensateurs étudiés. Il permettra à terme une avancée significative dans le développement industriel des mémoires émergentes ferroélectriques, essentielles pour les applications d'intelligence artificielle (IA) à grande échelle.

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Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut rayonnement et matière de Saclay
Service : Service de Physique de l’Etat Condensé
Laboratoire : Laboratoire d’Etude des NanoStructures et Imagerie de Surface
Date de début souhaitée : 01-10-2025
Ecole doctorale : Physique en Île-de-France (EDPIF)
Directeur de thèse : BARRETT NiCK
Organisme : CEA
Laboratoire : DRF/IRAMIS/SPEC/LENSIS
URL : https://iramis.cea.fr/spec/pisp/nick-barrett-2/
URL : https://iramis.cea.fr/en/spec/lensis/

Financement public/privé

Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut rayonnement et matière de Saclay
Service : Service de Physique de l’Etat Condensé

M2 physique ou nanosciences