In this Letter, the robust ferroelectric properties of low-temperature (350 °C) Hf0.5Zr0.5O2 (HZO) films are investigated. We demonstrate that the lower crystallization temperature of HZO films originates from a densified film deposition with an anhydrous H2O2 oxidant in the atomic layer deposition process. As a consequence of this densification, H2O2-based HZO films showed completely crystallinity with fewer defects at a lower annealing temperature of 350 °C. This reduction in the crystallization temperature additionally suppresses the oxidation of TiN electrodes, thereby improving device reliability. The low-temperature crystallization process produces an H2O2-based HZO capacitor with a high remanent polarization (Pr), reduced leakage current, high breakdown voltage, and better endurance. Furthermore, while an O3-based HZO capacitor requires wake-up cycling to achieve stable Pr, the H2O2-based HZO capacitor demonstrates a significantly reduced wake-up nature. Anhydrous H2O2 oxidant enables the fabrication of a more reliable ferroelectric HZO device using a low process thermal budget (350 °C).

1.
T. S.
Böscke
,
J.
Müller
,
D.
Bräuhaus
,
U.
Schröder
, and
U.
Böttger
,
Appl. Phys. Lett.
99
,
102903
(
2011
).
2.
S. J.
Kim
,
D.
Narayan
,
J.-G.
Lee
,
J.
Mohan
,
J. S.
Lee
,
H. S.
Kim
,
Y.-C.
Byun
,
A. T.
Lucero
,
C. D.
Young
,
S. R.
Summerfelt
,
T.
San
,
L.
Colombo
, and
J.
Kim
,
Appl. Phys. Lett.
111
,
242901
(
2017
).
3.
T.
Onaya
,
T.
Nabatame
,
M.
Inoue
,
Y. C.
Jung
,
H.
Hernandez-Arriaga
,
J.
Mohan
,
H. S.
Kim
,
N.
Sawamoto
,
T.
Nagata
,
J.
Kim
, and
A.
Ogura
,
Appl. Phys. Lett.
117
,
232902
(
2020
).
4.
H. J.
Kim
,
Y.
An
,
Y. C.
Jung
,
J.
Mohan
,
J. G.
Yoo
,
Y. I.
Kim
,
H.
Hernandez-Arriaga
,
H. S.
Kim
,
J.
Kim
, and
S. J.
Kim
,
Phys. Status Solidi RRL
15
,
2100028
(
2021
).
5.
Y. C.
Jung
,
J.
Mohan
,
S. M.
Hwang
,
J.-H.
Kim
,
D. N.
Le
,
A.
Sahota
,
N.
Kim
,
H.
Hernandez-Arriaga
,
J.-F.
Veyan
,
H. S.
Kim
,
S. J.
Kim
,
R.
Choi
, and
J.
Kim
,
Phys. Status Solidi RRL
15
,
2100053
(
2021
).
6.
S. J.
Kim
,
J.
Mohan
,
J.
Lee
,
J. S.
Lee
,
A. T.
Lucero
,
C. D.
Young
,
L.
Colombo
,
S. R.
Summerfelt
,
T.
San
, and
J.
Kim
,
Appl. Phys. Lett.
112
,
172902
(
2018
).
7.
T.
Onaya
,
T.
Nabatame
,
N.
Sawamoto
,
A.
Ohi
,
N.
Ikeda
,
T.
Nagata
, and
A.
Ogura
,
Microelectron. Eng.
215
,
111013
(
2019
).
8.
J.
Hur
,
N.
Tasneem
,
G.
Choe
,
P.
Wang
,
Z.
Wang
,
A. I.
Khan
, and
S.
Yu
,
Nanotechnology
31
,
505707
(
2020
).
9.
Y.
Qi
,
X.
Xu
,
I.
Krylov
, and
M.
Eizenberg
,
Appl. Phys. Lett.
118
,
032906
(
2021
).
10.
V.
Gaddam
,
D.
Das
,
T.
Jung
, and
S.
Jeon
,
IEEE Electron Device Lett.
42
,
812
(
2021
).
11.
S. J.
Kim
,
Y. C.
Jung
,
J.
Mohan
,
H. J.
Kim
,
S. M.
Rho
,
M. S.
Kim
,
J. G.
Yoo
,
H. R.
Park
,
H.
Hernandez-Arriaga
,
J.-H.
Kim
,
H. T.
Kim
,
D. H.
Choi
,
J.
Jung
,
S. M.
Hwang
,
H. S.
Kim
,
H. J.
Kim
, and
J.
Kim
,
Appl. Phys. Lett.
119
,
242901
(
2021
).
12.
J. H.
Carey
,
Water Qual. Res. J.
27
(
1
),
1–22
(
1992
).
13.
National Bureau of Standards
,
National Standards Reference Data System
(
National Bureau of Standards
,
1970
).
14.
See https://www.rasirc.com/wp-content/uploads/2022/501281-HydrogenPeroxide-2022.pdf for “more information about ultra-pure anhydrous hydrogen peroxide used in this study.”
15.
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
).
16.
E. D.
Grimley
,
T.
Schenk
,
X.
Sang
,
M.
Pešić
,
U.
Schroeder
,
T.
Mikolajick
, and
J. M.
LeBeau
,
Adv. Electron. Mater.
2
,
1600173
(
2016
).
17.
W.
Hamouda
,
A.
Pancotti
,
C.
Lubin
,
L.
Tortech
,
C.
Richter
,
T.
Mikolajick
,
U.
Schroeder
, and
N.
Barrett
,
J. Appl. Phys.
127
,
064105
(
2020
).
18.
J.
Mohan
,
H.
Hernandez-Arriaga
,
Y. C.
Jung
,
T.
Onaya
,
C.-Y.
Nam
,
E. H. R.
Tsai
,
S. J.
Kim
, and
J.
Kim
,
Appl. Phys. Lett.
118
,
102903
(
2021
).
19.
International Roadmap for Devices and Systems (IRDS)
,
2021
.
20.
J.
Mohan
,
Y. C.
Jung
,
H.
Hernandez-Arriaga
,
J.-H.
Kim
,
T.
Onaya
,
A.
Sahota
,
S. M.
Hwang
,
D. N.
Le
,
J.
Kim
, and
S. J.
Kim
,
ACS Appl. Electron. Mater.
4
,
1405
(
2022
).
21.
Y. A.
Genenko
,
J.
Glaum
,
M. J.
Hoffmann
, and
K.
Albe
,
Mater. Sci. Eng., B
192
,
52
(
2015
).
22.
T.
Schenk
,
E.
Yurchuk
,
S.
Mueller
,
U.
Schroeder
,
S.
Starschich
,
U.
Böttger
, and
T.
Mikolajick
,
Appl. Phys. Rev.
1
,
041103
(
2014
).
23.
S.
Li
,
D.
Zhou
,
Z.
Shi
,
M.
Hoffmann
,
T.
Mikolajick
, and
U.
Schroeder
,
Adv. Electron. Mater.
6
,
2000264
(
2020
).
24.
T.
Onaya
,
T.
Nabatame
,
Y. C.
Jung
,
H.
Hernandez-Arriaga
,
J.
Mohan
,
H. S.
Kim
,
N.
Sawamoto
,
C.-Y.
Nam
,
E. H. R.
Tsai
,
T.
Nagata
,
J.
Kim
, and
A.
Ogura
,
APL Mater.
9
,
031111
(
2021
).
25.
M.
Modreanu
,
J.
Sancho-Parramon
,
D.
O'Connell
,
J.
Justice
,
O.
Durand
, and
B.
Servet
,
Mater. Sci. Eng., B
118
,
127
(
2005
).
26.
S.
Kishimoto
,
T.
Hashiguchi
,
S.
Ohshio
, and
H.
Saitoh
,
Chem. Vap. Deposition
14
,
303
(
2008
).
27.
M. M.
Hasan
,
C. W.
Ahn
,
T. H.
Kim
, and
J.
Jang
,
Appl. Phys. Lett.
118
,
152901
(
2021
).
28.
Y. C.
Jung
,
S.
Seong
,
T.
Lee
,
S. Y.
Lee
,
I.-S.
Park
, and
J.
Ahn
,
Mater. Sci. Semicond. Process.
88
,
207
(
2018
).
29.
H. W.
Cho
,
P.
Pujar
,
M.
Choi
,
S.
Kang
,
S.
Hong
,
J.
Park
,
S.
Baek
,
Y.
Kim
,
J.
Lee
, and
S.
Kim
,
npj 2D Mater. Appl.
5
,
46
(
2021
).
30.
D.
Alvarez
, Jr.
,
K.
Andachi
,
G.
Tsuchibuchi
,
K.
Suzuki
, and
J.
Spiegelman
, in
Proceedings of the SPIE Advanced Lithography
(
SPIE
,
San Jose, CA
,
2020
), p.
113260S
.
31.
S. W.
Park
,
H.
Kim
,
E.
Chagarov
,
S.
Siddiqui
,
B.
Sahu
,
N.
Yoshida
,
J.
Kachian
,
R.
Feenstra
, and
A.
Kummel
,
Surf. Sci.
652
,
322
(
2016
).
32.
M.-J.
Choi
,
H.-H.
Park
,
D. S.
Jeong
,
J. H.
Kim
,
J.-S.
Kim
, and
S. K.
Kim
,
Appl. Surf. Sci.
301
,
451
(
2014
).
33.
S. J.
Kim
,
J.
Mohan
,
H. S.
Kim
,
J.
Lee
,
S. M.
Hwang
,
D.
Narayan
,
J.-G.
Lee
,
C. D.
Young
,
L.
Colombo
,
G.
Goodman
,
A. S.
Wan
,
P.-R.
Cha
,
S. R.
Summerfelt
,
T.
San
, and
J.
Kim
,
Appl. Phys. Lett.
115
,
182901
(
2019
).
34.
K.
Kukli
,
M.
Ritala
,
J.
Sundqvist
,
J.
Aarik
,
J.
Lu
,
T.
Sajavaara
,
M.
Leskelä
, and
A.
Hårsta
,
J. Appl. Phys.
92
,
5698
(
2002
).
35.
V.
Yanev
,
M.
Rommel
,
M.
Lamberger
,
S.
Petersen
,
B.
Amon
,
T.
Erlbacher
,
A. J.
Bauer
,
H.
Ryssel
,
A.
Paskaleva
,
W.
Weinreich
,
C.
Fachmann
,
J.
Heitmann
, and
U.
Schroeder
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
252910
(
2008
).
36.
K.
McKenna
and
A.
Shluger
,
Appl. Phys. Lett.
95
,
222111
(
2009
).
37.
S.
Migita
,
H.
Ota
,
H.
Yamada
,
K.
Shibuya
,
A.
Sawa
, and
A.
Toriumi
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
57
,
04FB01
(
2018
).
38.
R.
Cao
,
B.
Song
,
D.
Shang
,
Y.
Yang
,
Q.
Luo
,
S.
Wu
,
Y.
Li
,
Y.
Wang
,
H.
Lv
,
Q.
Liu
, and
M.
Liu
,
IEEE Electron Device Lett.
40
,
1744
(
2019
).
39.
H. A.
Hsain
,
Y.
Lee
,
S.
Lancaster
,
M.
Materano
,
R.
Alcala
,
B.
Xu
,
T.
Mikolajick
,
U.
Schroeder
,
G. N.
Parsons
, and
J. L.
Jones
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
14
,
42232
(
2022
).
You do not currently have access to this content.