We present a hard and soft x-ray photoelectron spectroscopy study of the interface chemistry in pristine TiN/La-doped Hf0.5Zr0.5O2/TiN capacitors. An oxynitride phase (∼1.3 nm) is formed at the top interface, while a TiO2δ phase was detected near the bottom interface. The oxygen vacancy (VO) concentration is higher at the top interface than in the film due to oxygen scavenging by the top electrode. The VO concentration was also found to increase from ∼1.5 to 1.9 × 1020cm3 when increasing La doping from 1.7 to 2.7 mol. %. Two La dopants are compensated by the formation of one positively charged VO.

1.
J. F.
Ihlefeld
,
D. T.
Harris
,
R.
Keech
,
J. L.
Jones
,
J. P.
Maria
, and
S.
Trolier-McKinstry
,
J. Am. Ceram. Soc.
99
,
2537
(
2016
).
2.
J.
Junquera
and
P.
Ghosez
,
Nature
422
,
506
(
2003
).
3.
T. S.
Böscke
,
J.
Müller
,
D.
Bräuhaus
,
U.
Schröder
, and
U.
Böttger
,
Appl. Phys. Lett.
99
,
102903
(
2011
).
4.
T.
Mikolajick
,
S.
Slesazeck
,
M. H.
Park
, and
U.
Schroeder
,
MRS Bull.
43
,
340
(
2018
).
5.
M. H.
Park
,
Y. H.
Lee
,
T.
Mikolajick
,
U.
Schroeder
, and
C. S.
Hwang
,
MRS Commun.
8
,
795
(
2018
).
6.
T.
Mittmann
,
M.
Materano
,
P. D.
Lomenzo
,
M. H.
Park
,
I.
Stolichnov
,
M.
Cavalieri
,
C.
Zhou
,
C. C.
Chung
,
J. L.
Jones
,
T.
Szyjka
,
M.
Müller
,
A.
Kersch
,
T.
Mikolajick
, and
U.
Schroeder
,
Adv. Mater. Interfaces
6
,
1901528
(
2019
).
7.
U.
Schroeder
,
C.
Richter
,
M. H.
Park
,
T.
Schenk
,
M.
Pešić
,
M.
Hoffmann
,
F. P.
Fengler
,
D.
Pohl
,
B.
Rellinghaus
,
C.
Zhou
,
C. C.
Chung
,
J. L.
Jones
, and
T.
Mikolajick
,
Inorg. Chem.
57
,
2752
(
2018
).
8.
C.
Richter
,
T.
Schenk
,
M. H.
Park
,
F. A.
Tscharntke
,
E. D.
Grimley
,
J. M.
LeBeau
,
C.
Zhou
,
C. M.
Fancher
,
J. L.
Jones
,
T.
Mikolajick
, and
U.
Schroeder
,
Adv. Electron. Mater.
3
,
1700131
(
2017
).
9.
Y.
Wei
,
P.
Nukala
,
M.
Salverda
,
S.
Matzen
,
H. J.
Zhao
,
J.
Momand
,
A. S.
Everhardt
,
G.
Agnus
,
G. R.
Blake
,
P.
Lecoeur
,
B. J.
Kooi
,
J.
Íñiguez
,
B.
Dkhil
, and
B.
Noheda
,
Nat. Mater.
17
,
1095
(
2018
).
10.
S. J.
Kim
,
J.
Mohan
,
S. R.
Summerfelt
, and
J.
Kim
,
J. Mater.
71
,
246
(
2019
).
11.
M. G.
Kozodaev
,
A. G.
Chernikova
,
E. V.
Korostylev
,
M. H.
Park
,
R. R.
Khakimov
,
C. S.
Hwang
, and
A. M.
Markeev
,
J. Appl. Phys.
125
,
034101
(
2019
).
12.
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
(
2018
).
13.
F.
Mehmood
,
M.
Hoffmann
,
P. D.
Lomenzo
,
C.
Richter
,
M.
Materano
,
T.
Mikolajick
, and
U.
Schroeder
,
Adv. Mater. Interfaces
6
,
1901180
(
2019
).
14.
C.
Slouka
,
T.
Kainz
,
E.
Navickas
,
G.
Walch
,
H.
Hutter
,
K.
Reichmann
, and
J.
Fleig
,
Materials
9
,
945
(
2016
).
15.
M. D.
Nguyen
,
T. Q.
Trinh
,
M.
Dekkers
,
E. P.
Houwman
,
H. N.
Vu
, and
G.
Rijnders
,
Ceram. Int.
40
,
1013
(
2014
).
16.
H.
Zhang
,
B.
Gao
,
S.
Yu
,
L.
Lai
,
L.
Zeng
,
B.
Sun
,
L.
Liu
,
X.
Liu
,
J.
Lu
,
R.
Han
, and
J.
Kang
, in
International Conference on Simulation of Semiconductor Processes and Devices
(SISPAD) (
2009
), p.
1
.
17.
M. K.
Mendes
,
E.
Martinez
,
J. M.
Ablett
,
M.
Veillerot
,
R.
Gassilloud
,
M.
Bernard
,
O.
Renault
,
J. P.
Rueff
, and
N.
Barrett
,
Sci. Rep.
8
(
1
),
17919
(
2018
).
18.
E. O.
Filatova
,
A. S.
Konashuk
,
S. S.
Sakhonenkov
,
A. A.
Sokolov
, and
V. V.
Afanas'ev
,
Sci. Rep.
7
,
4541
(
2017
).
19.
Y. A.
Matveyev
,
A. M.
Markeev
,
Y. Y.
Lebedinskii
,
A. A.
Chouprik
,
K. V.
Egorov
,
W.
Drube
, and
A. V.
Zenkevich
,
Thin Solid Films
563
,
20
(
2014
).
20.
C.
Lenser
,
A.
Köhl
,
M.
Patt
,
C. M.
Schneider
,
R.
Waser
, and
R.
Dittmann
,
Phys. Rev. B
90
,
115312
(
2014
).
21.
C. Y.
Kang
,
P. D.
Kirsch
,
B. H.
Lee
,
H. H.
Tseng
, and
R.
Jammy
,
IEEE Trans. Device Mater. Reliab.
9
,
171
(
2009
).
22.
S.
Ueda
,
Y.
Katsuya
,
M.
Tanaka
,
H.
Yoshikawa
,
Y.
Yamashita
,
S.
Ishimaru
,
Y.
Matsushita
, and
K.
Kobayashi
,
AIP Conf. Proc.
1234
,
403
(
2010
).
23.
D. R.
Islamov
,
A. G.
Chernikova
,
M. G.
Kozodaev
,
T. V.
Perevalov
,
V. A.
Gritsenko
,
O. M.
Orlov
, and
A.
Markeev
,
ECS Trans.
75
,
123
(
2017
).
24.
D. R.
Islamov
,
V. A.
Gritsenko
,
C. H.
Cheng
, and
A.
Chin
,
Appl. Phys. Lett.
105
,
222901
(
2014
).
25.
D. R.
Islamov
,
V. A.
Gritsenko
,
T. V.
Perevalov
,
V. A.
Pustovarov
,
O. M.
Orlov
,
A. G.
Chernikova
,
A. M.
Markeev
,
S.
Slesazeck
,
U.
Schroeder
,
T.
Mikolajick
, and
G. Y.
Krasnikov
,
Acta Mater.
166
,
47
(
2019
).
26.
S.
Tanuma
,
C. J.
Powell
, and
D. R.
Penn
,
Surf. Interface Anal.
43
,
689
(
2011
).
27.
W.
Hamouda
,
A.
Pancotti
,
C.
Lubin
,
L.
Tortech
,
C.
Richter
,
T.
Mikolajick
,
U.
Schroeder
, and
N.
Barrett
,
J. Appl. Phys.
127
,
064105
(
2020
).
28.
O.
Renault
,
E.
Martinez
,
C.
Zborowski
,
J.
Mann
,
R.
Inoue
,
J.
Newman
, and
K.
Watanabe
,
Surf. Interface Anal.
50
,
1158
(
2018
).
29.
B.
Meunier
,
E.
Martinez
,
R.
Rodriguez-Lamas
,
D.
Pla
,
M.
Burriel
,
M.
Boudard
,
C.
Jiménez
,
J. P.
Rueff
, and
O.
Renault
,
J. Appl. Phys.
126
,
225302
(
2019
).
30.
D. H.
Kwon
,
K. M.
Kim
,
J. H.
Jang
,
J. M.
Jeon
,
M. H.
Lee
,
G. H.
Kim
,
X. S.
Li
,
G. S.
Park
,
B.
Lee
,
S.
Han
,
M.
Kim
, and
C. S.
Hwang
,
Nat. Nanotechnol.
5
,
148
(
2010
).
31.
N.
Umezawa
,
K.
Shiraishi
,
S.
Sugino
,
A.
Tachibana
,
K.
Ohmori
,
K.
Kakushima
,
H.
Iwai
,
T.
Chikyow
,
T.
Ohno
,
Y.
Nara
, and
K.
Yamada
,
Appl. Phys. Lett.
91
,
132904
(
2007
).
32.
Y.
Matveyev
,
D.
Negrov
,
A.
Chernikova
,
Y.
Lebedinskii
,
R.
Kirtaev
,
S.
Zarubin
,
E.
Suvorova
,
A.
Gloskovskii
, and
A.
Zenkevich
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
9
,
43370
(
2017
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.