Hydrogen (H) plays an important role in determining the reliability and performance of HfO2- and Al2O3-based high-k dielectric electronic devices. In order to understand H behavior, deuterium (D), an isotope of H, was introduced into the poly-Si cap of Al2O3/HfxSi1−xO2/SiO2 high-k stacks by ion implantation. Atom probe tomography was used to image the D distribution in samples annealed under different conditions. The results clearly demonstrated that the D atoms were trapped at the interface of poly-Si and Al2O3 after annealing at 900 K for 10 min. Thus, it is possible that Al2O3 blocks the H atoms at the surface, preventing them from diffusing into the high-k dielectrics during the H2 annealing process in current fabrication technology. The current work also exhibits an example of investigating H behavior in semiconductors by atom probe tomography.

1.
J. H.
Choi
,
Y.
Mao
, and
J. P.
Chang
,
Mater. Sci. Eng., R
72
,
97
(
2011
).
2.
M.
Inoue
,
M.
Mizutani
,
M.
Kadoshima
,
K.
Sonoda
,
T.
Yamashita
, and
M.
Matsuura
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
55
,
08PB03
(
2016
).
3.
M. H.
Cho
,
Y. S.
Roh
,
C. N.
Whang
,
K.
Jeong
,
H. J.
Choi
,
S. W.
Nam
,
D. H.
Ko
,
J. H.
Lee
,
N. I.
Lee
, and
K.
Fujihara
,
Appl. Phys. Lett.
81
,
1071
(
2002
).
4.
K. L.
Brower
,
Phys. Rev. B
38
,
9657
(
1988
).
5.
J. D.
Plummer
,
M. D.
Deal
, and
P. B.
Griffin
,
Silicon VLSI Technology: Fundamentals, Practice and Modeling
(
Prentice Hall
,
New Jersey
,
2000
).
6.
D. K.
Schroder
and
J. A.
Babcock
,
J. Appl. Phys.
94
,
1
(
2003
).
7.
M. A.
Alam
,
H.
Kufluoglu
,
D.
Varghese
, and
S.
Mahapatra
,
Microelectron. Reliab.
47
,
853
(
2007
).
8.
Z.
Liu
,
F.
Hayashi
,
S.
Fujieda
,
M.
Wilde
, and
K.
Fukutani
, in
IEEE International Conference on IC Design Technology
(
2012
).
9.
B.
Yang
,
S. H.
Oh
,
C. H.
Chung
,
K. H.
Noh
,
Y. M.
Kang
,
S. S.
Lee
,
S. K.
Hong
,
N. S.
Kang
, and
J. H.
Hong
,
Appl. Phys. Lett.
79
,
2064
(
2001
).
10.
A.
Chowdhury
,
J.
Kim
, and
R. M.
Wallace
, in
Non-Volatile Memory Technology Symposium
2007
(NVMTS'07) (2007).
11.
F. G.
Wei
and
K.
Tsuzaki
,
Metall. Mater. Trans. A
37
,
331
(
2006
).
12.
R.
Gale
,
F. J.
Feigl
,
C. W.
Magee
, and
D. R.
Young
,
J. Appl. Phys.
54
,
6938
(
1983
).
13.
J. C.
Meyer
,
C. O.
Girit
,
M. F.
Crommie
, and
A.
Zettl
,
Nature
454
,
319
(
2008
).
14.
J.
Takahashi
,
K.
Kawakami
, and
T.
Tarui
,
Scr. Mater.
67
,
213
(
2012
).
15.
J.
Takahashi
,
K.
Kawakami
,
Y.
Kobayashi
, and
T.
Tarui
,
Scr. Mater.
63
,
261
(
2010
).
16.
Y. S.
Chen
,
D.
Haley
,
S. S. A.
Gerstl
,
A. J.
London
,
F.
Sweeney
,
R. A.
Wepf
,
W. M.
Rainforth
,
P. A. J.
Bagot
, and
M. P.
Moody
,
Science
355
,
1196
(
2017
).
17.
G.
Sundell
,
M.
Thuvander
,
A. K.
Yatim
,
H.
Nordin
, and
H. O.
Andrén
,
Corros. Sci.
90
,
1
(
2015
).
18.
T. F.
Kelly
and
M. K.
Miller
,
Rev. Sci. Instrum.
78
,
031101
(
2007
).
19.
B.
Han
,
H.
Takamizawa
,
Y.
Shimizu
,
K.
Inoue
,
Y.
Nagai
,
F.
Yano
,
Y.
Kunimune
,
M.
Inoue
, and
A.
Nishida
,
Appl. Phys. Lett.
107
,
23506
(
2015
).
20.
H.
Takamizawa
,
Y.
Shimizu
,
K.
Inoue
,
T.
Toyama
,
N.
Okada
,
M.
Kato
,
H.
Uchida
,
F.
Yano
,
A.
Nishida
,
T.
Mogami
, and
Y.
Nagai
,
Appl. Phys. Lett.
99
,
133502
(
2011
).
21.
K.
Inoue
,
F.
Yano
,
A.
Nishida
,
H.
Takamizawa
,
T.
Tsunomura
,
Y.
Nagai
, and
M.
Hasegawa
,
Ultramicroscopy
109
,
1479
(
2009
).
22.
Y.
Kunimune
,
Y.
Shimada
,
Y.
Sakurai
,
M.
Inoue
,
A.
Nishida
,
B.
Han
,
Y.
Tu
,
H.
Takamizawa
,
Y.
Shimizu
,
K.
Inoue
,
F.
Yano
,
Y.
Nagai
,
T.
Katayama
, and
T.
Ide
,
AIP Adv.
6
,
45121
(
2016
).
23.
G.
Sundell
,
M.
Thuvander
, and
H. O.
Andrén
,
Ultramicroscopy
132
,
285
(
2013
).
24.
B. P.
Gorman
,
A. G.
Norman
, and
Y.
Yan
,
Microsc. Microanal.
13
,
493
(
2007
).
25.
H.
Takamizawa
,
K.
Hoshi
,
Y.
Shimizu
,
F.
Yano
,
K.
Inoue
,
S.
Nagata
,
T.
Shikama
, and
Y.
Nagai
,
Appl. Phys. Express
6
,
066602
(
2013
).
26.
J. F.
Ziegler
,
M. D.
Ziegler
, and
J. P.
Biersack
,
SRIM—the Topping and Range of Ions in Matter
(
Pergamon, New York
,
1985
).
27.
M. K.
Miller
,
K. F.
Russell
,
K.
Thompson
,
R.
Alvis
, and
D. J.
Larson
,
Microsc. Microanal.
13
,
428
(
2007
).
28.
B.
Gault
,
M. P.
Moody
,
J. M.
Cairney
, and
S. P.
Ringer
,
Atom Probe Microscopy
(
Springer
,
New York, NY
,
2012
).
29.
N. M.
Johnson
,
D. K.
Biegelsen
, and
M. D.
Moyer
,
Appl. Phys. Lett.
40
,
882
(
1982
).
30.
G.
Dingemans
,
W.
Beyer
,
M. C. M.
van de Sanden
, and
W. M. M.
Kessels
,
Appl. Phys. Lett.
97
,
152106
(
2010
).
31.
A.
Stesmans
and
V. V.
Afanas'ev
,
Appl. Phys. Lett.
80
,
1957
(
2002
).
32.
V.
Verlaan
,
L. R. J. G.
van den Elzen
,
G.
Dingemans
,
M. C. M.
van de Sanden
, and
W. M. M.
Kessels
,
Phys. Status Solidi C
7
,
976
(
2010
).
33.
J.
T-Thienprasert
,
A.
Boonchun
,
P.
Reunchan
, and
S.
Limpijumnong
,
Phys. Rev. B
95
,
134103
(
2017
).
34.
R.
Ramírez
,
I.
Colera
,
R.
González
,
Y.
Chen
, and
M. R.
Kokta
,
Phys. Rev. B
69
,
14302
(
2004
).
35.
P. F.
Carcia
,
R. S.
Mclean
, and
M. H.
Reilly
,
Appl. Phys. Lett.
97
,
221901
(
2010
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.