The authors report the relationship between HfO2 crystalline phase and the resulting electrical properties. Crystallization of amorphous HfO2 into the monoclinic phase led to a significant increase in leakage current and formation of local defects. Admixture of 10% SiO2 avoided formation of these defects by stabilization of the tetragonal phase, and concurrently increased the permittivity to 35. This understanding enabled fabrication of crystalline HfO2 based metal-insulator-metal capacitors able to withstand a thermal budget of 1000°C while optimizing capacitance equivalent thickness (<1.3nm) at low leakage [J(1V)<107Acm2].

1.
J.
Gavartin
,
D. M.
Ramo
,
A.
Shluger
,
G.
Bersuker
, and
B.
Lee
,
Appl. Phys. Lett.
89
,
082908
(
2006
).
2.
A.
Kerber
,
E.
Cartier
,
L.
Pantisano
,
R.
Degraeve
,
T.
Kauerauf
,
Y.
Kim
,
A.
Hou
,
G.
Groeseneken
,
H. E.
Maes
, and
U.
Schwalke
,
IEEE Electron Device Lett.
24
,
87
(
2003
).
3.
C.
Cho
,
S.
Song
,
S.
Kim
,
S.
Jang
,
S.
Lee
,
H.
Kim
,
Y.
Sung
,
S.
Jeon
,
G.
Yeo
,
Y
Kim
,
Y.
Kim
,
G.
Jin
, and
K.
Kim
,
Tech. Dig. VLSI Symp.
2005
, p.
36
.
4.
P. D.
Kirsch
,
M. A.
Quevedo-Lopez
,
S. A.
Krishnan
,
B. H.
Lee
,
G.
Pant
,
M. J.
Kim
,
R. M.
Wallace
, and
B. E.
Gnade
,
Appl. Phys. Lett.
89
,
242909
(
2006
).
5.
W.
Mueller
,
W.
Bergner
,
E.
Erben
,
T.
Hecht
,
S.
Jakschik
,
C.
Kapteyn
,
A.
Kersch
,
S.
Kudelka
,
F.
Lau
,
J.
Luetzen
, and
A.
Orth
,
Tech. Dig. - Int. Electron Devices Meet.
2005
,
347
.
6.
G.
Pant
,
A.
Gnade
,
M. J.
Kim
,
R. M.
Wallace
,
B. E.
Gnade
,
M. A.
Quevedo-Lopez
, and
P. D.
Kirsch
,
Appl. Phys. Lett.
88
,
032901
(
2006
).
7.
A.
Navrotsky
,
J. Mater. Chem.
15
,
1883
(
2005
).
8.
J.
Wang
,
H. P.
Li
, and
R.
Stevens
,
J. Mater. Sci.
27
,
5397
(
1992
).
9.
G.-M.
Rignanese
,
X.
Gonze
,
G.
Jun
,
K.
Cho
, and
A.
Pasquarello
,
Phys. Rev. B
69
,
184301
(
2004
).
10.
X.
Zhao
and
D.
Vanderbilt
,
Phys. Rev. B
65
,
233106
(
2002
).
11.
K.
Tomida
,
K.
Kita
, and
A.
Toriumi
,
Appl. Phys. Lett.
89
,
142902
(
2006
).
12.
K.
Kita
,
K.
Kyuno
, and
A.
Toriumi
,
Appl. Phys. Lett.
86
,
102906
(
2005
).
13.
E.
Rauwel
,
C.
Dubourdieua
,
B.
Holländer
,
N.
Rochat
,
F.
Ducroquet
,
M. D.
Rossell
,
G. V.
Tendeloo
, and
B.
Pelissier
,
Appl. Phys. Lett.
89
,
012902
(
2006
).
14.
Y.
Senzaki
,
S.
Park
,
H.
Chatham
,
L.
Bartholomew
, and
W.
Nieveen
,
J. Vac. Sci. Technol. A
22
,
1175
(
2004
).
15.
J.
Heitmann
,
A.
Avellán
,
T.
Böscke
,
E.
Erben
,
B.
Hintze
,
S.
Jakschik
,
S.
Kudelka
, and
U.
Schröder
,
ECS. Trans.
2
,
217
(
2006
).
16.
A. H.
Heuer
,
M.
Ruble
, and
D. B.
Marshall
,
J. Am. Ceram. Soc.
73
,
1084
(
1990
).
17.
C.
Zhao
,
V.
Cosnier
,
P. J.
Chen
,
O.
Richard
,
G.
Roebben
,
J.
Maes
,
S. V.
Elshocht
,
H.
Bender
,
E.
Young
,
O. V. D.
Biest
,
M.
Caymax
,
W.
Vandervorst
,
S.
De Gendt
, and
M.
Heyns
,
Mater. Res. Soc. Symp. Proc.
745
,
N1
5
(
2003
).
18.
D. A.
Neumayer
and
E.
Cartier
,
J. Appl. Phys.
90
,
1801
(
2001
).
19.
S. V.
Ushakov
,
A.
Navrotsky
,
Y.
Yang
,
S.
Stemmer
,
K.
Kukli
,
M.
Ritala
,
M. A.
Leskel
,
P.
Fejes
,
A.
Demkov
,
C.
Wang
,
B.-Y.
Nguyen
,
D.
Triyoso
, and
P.
Tobin
,
Phys. Status Solidi B
241
,
2268
(
2004
).
20.
T. S.
Böscke
,
S.
Govindarajan
,
C.
Fachmann
,
J.
Heitmann
,
A.
Avellan
,
U.
Schröder
,
S.
Kudelka
,
P.
Kirsch
,
C.
Krug
,
P. Y.
Hung
,
J.
Price
,
M.
Quevedo-Lopz
,
G.
Pant
,
B. E.
Gnade
,
W.
Krautschneider
,
B. H.
Lee
, and
R.
Jammy
,
Tech. Dig. - Int. Electron Devices Meet.
2006
,
255
.
21.
T.
Ando
,
N.
Sato
,
S.
Hiyama
,
T.
Hirano
,
K.
Nagaoka
,
H.
Abe
,
A.
Okuyama
,
H.
Ugajin
,
K.
Tai
,
S.
Fujita
,
K.
Watanabe
,
R.
Katsumata
,
J.
Idebuchi
,
T.
Haseqawa
,
H.
Iwamoto
, and
S.
Kadomura
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
45
,
3165
(
2006
).
You do not currently have access to this content.