The hexagonal phase of La2O3 is obtained upon vacuum annealing of hydroxilated La2O3 films grown with atomic layer deposition at 200°C using La(PirCp)3 and O3. A dielectric constant value of 24±2 and 22±1 is obtained on Si-based and Ge-based metal-oxide-semiconductor capacitors, respectively. However, the relatively good La2O3 dielectric properties are associated with significant interface reactivity on both semiconductor substrates. This leads to the identification of a minimum critical thickness that limits the scaling down of the equivalent oxide thickness of the stack. These findings are explained by the spontaneous formation of lanthanum silicate and germanate species which takes place during the growth and also upon annealing. Although the ultimate film thickness scalability remains an unsolved concern, the use of an O3-based process is demonstrated to be a suitable solution to fabricate La2O3 films that can be successfully converted into the high-k hexagonal phase.

1.
D. G.
Schlom
,
S.
Guha
, and
S.
Datta
,
MRS Bull.
33
,
1017
(
2008
).
2.
B. H.
Lee
,
S. C.
Song
,
R.
Choi
, and
P.
Kirsch
,
IEEE Trans. Electron Devices
55
,
8
(
2008
).
3.
M.
Bohr
,
R.
Chau
,
T.
Ghani
, and
K.
Mistry
,
IEEE Spectrum
44
,
29
(
2007
).
4.
Rare Earth Oxide Thin Films: Growth, Characterization, and Applications
,
Topics in Applied Physics
, edited by
M.
Fanciulli
and
G.
Scarel
(
Springer
,
Berlin
,
2007
), Vol.
106
, pp.
1
14
.
5.
J.
Robertson
,
J. Appl. Phys.
104
,
124111
(
2008
).
6.
G.
Scarel
,
A.
Debernardi
,
D.
Tsoutsou
,
S.
Spiga
,
S. C.
Capelli
,
L.
Lamagna
,
S. N.
Volkos
,
M.
Alia
, and
M.
Fanciulli
,
Appl. Phys. Lett.
91
,
102901
(
2007
).
7.
D.
Tsoutsou
,
G.
Scarel
,
A.
Debernardi
,
S. C.
Capelli
,
S. N.
Volkos
,
L.
Lamagna
,
S.
Schamm
,
P. E.
Coulon
, and
M.
Fanciulli
,
Microelectron. Eng.
85
,
2411
(
2008
).
8.
Y.
Zhao
,
K.
Kita
,
K.
Kyuno
, and
A.
Toriumi
,
Appl. Phys. Lett.
94
,
042901
(
2009
).
9.
S.
Jeon
and
H.
Hwang
,
J. Appl. Phys.
93
,
6393
(
2003
).
10.
M.
Nieminen
,
M.
Putkonen
, and
L.
Niinistö
,
Appl. Surf. Sci.
174
,
155
(
2001
).
11.
Y.
Zhao
,
M.
Toyama
,
K.
Kita
,
K.
Kyuno
, and
A.
Toriumi
,
Appl. Phys. Lett.
88
,
072904
(
2006
).
12.
X.
Li
,
D.
Tsoutsou
,
G.
Scarel
,
C.
Wiemer
,
S. C.
Capelli
,
S. N.
Volkos
,
L.
Lamagna
, and
M.
Fanciulli
,
J. Vac. Sci. Technol. A
27
,
L1
(
2009
).
13.
Y.
Zhao
,
K.
Kita
,
K.
Kyuno
, and
A.
Toriumi
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
46
,
4189
(
2007
).
14.
H.
Ono
and
T.
Katsumata
,
Appl. Phys. Lett.
78
,
1832
(
2001
).
15.
S.
Schamm
,
P. E.
Coulon
,
S.
Miao
,
S. N.
Volkos
,
L. H.
Lu
,
L.
Lamagna
,
C.
Wiemer
,
D.
Tsoutsou
,
G.
Scarel
, and
M.
Fanciulli
,
J. Electrochem. Soc.
156
,
H1
(
2009
).
16.
G.
Lippert
,
J.
Dąbrowski
,
V.
Melnik
,
R.
Sorge
,
Ch.
Wenger
,
P.
Zaumseil
, and
H. J.
Müssig
,
Appl. Phys. Lett.
86
,
042902
(
2005
).
17.
D.
Rébiscoul
,
S.
Favier
,
J. P.
Barnes
,
J. W.
Maes
, and
F.
Martin
,
Microelectron. Eng.
87
,
278
(
2010
).
18.
B. H.
Lee
,
J.
Oh
,
H. H.
Tseng
,
R.
Jammy
, and
H.
Huff
,
Mater. Today
9
,
32
(
2006
).
19.
Y.
Kamata
,
Mater. Today
11
,
30
(
2008
).
20.
J.
Song
,
K.
Kakushima
,
P.
Ahmet
,
K.
Tsutsui
,
N.
Sugii
,
T.
Hattori
, and
H.
Iwai
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 2
46
,
L376
(
2007
).
21.
J.
Song
,
K.
Kakushima
,
P.
Ahmet
,
K.
Tsutsui
,
N.
Sugii
,
T.
Hattori
, and
H.
Iwai
,
Microelectron. Eng.
84
,
2336
(
2007
).
22.
K.
Kita
,
T.
Takahashi
,
H.
Nomura
,
S.
Suzuki
,
T.
Nishimura
, and
A.
Toriumi
,
Appl. Surf. Sci.
254
,
6100
(
2008
).
23.
J.
Song
,
K.
Kakushima
,
P.
Ahmet
,
K.
Tsutsui
,
N.
Sugii
,
T.
Hattori
, and
H.
Iwai
,
Microelectron. Eng.
86
,
1638
(
2009
).
24.
G.
Mavrou
,
S.
Galata
,
P.
Tsipas
,
A.
Sotiropoulos
,
Y.
Panayiotatos
,
A.
Dimoulas
,
E. K.
Evangelou
,
J. W.
Seo
, and
Ch.
Dieker
,
J. Appl. Phys.
103
,
014506
(
2008
).
25.
M.
Houssa
,
G.
Pourtois
,
M.
Caymax
,
M.
Meuris
, and
M. M.
Heyns
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
242101
(
2008
).
26.
A.
Dimoulas
,
D.
Tsoutsou
,
Y.
Panayiotatos
,
A.
Sotiropoulos
,
G.
Mavrou
,
S. F.
Galata
, and
E.
Golias
,
Appl. Phys. Lett.
96
,
012902
(
2010
).
27.
V. V.
Afanas’ev
,
A.
Stesmans
,
G.
Mavrou
, and
A.
Dimoulas
,
Appl. Phys. Lett.
93
,
102115
(
2008
).
28.
G.
Mavrou
,
P.
Tsipas
,
A.
Sotiropoulos
,
S. F.
Galata
,
Y.
Panayiotatos
,
A.
Dimoulas
,
C.
Marchiori
, and
J.
Fompeyrine
,
Appl. Phys. Lett.
93
,
212904
(
2008
).
29.
S. F.
Galata
,
G.
Mavrou
,
P.
Tsipas
,
A.
Sotiropoulos
,
Y.
Panayiotatos
, and
A.
Dimoulas
,
J. Vac. Sci. Technol. B
27
,
246
(
2009
).
30.
S.
Abermann
,
O.
Bethge
,
C.
Henkel
, and
E.
Bertagnolli
,
Appl. Phys. Lett.
94
,
262904
(
2009
).
31.
C.
Andersson
,
C.
Rossel
,
M.
Sousa
,
D. J.
Webb
,
D.
Caimi
,
H.
Siegwart
,
Y.
Panayiotatos
,
A.
Dimoulas
, and
J.
Fompeyrine
,
Microelectron. Eng.
86
,
1635
(
2009
).
32.
S.
Guha
,
E.
Cartier
,
M. A.
Gribelyuk
,
N. A.
Bojarczuk
, and
M. C.
Copel
,
Appl. Phys. Lett.
77
,
2710
(
2000
).
33.
S.
Stemmer
,
J. P.
Maria
, and
A. I.
Kingon
,
Appl. Phys. Lett.
79
,
102
(
2001
).
34.
T. M.
Pan
,
C. L.
Chen
,
W. W.
Ye
, and
W. J.
Lai
,
Electrochem. Solid-State Lett.
10
,
H101
(
2007
).
35.
S. W.
Kang
and
S. W.
Rhee
,
J. Electrochem. Soc.
149
,
C345
(
2002
).
36.
C.
Bedoya
,
G. G.
Condorelli
,
S. T.
Finocchiaro
,
A.
Di Mauro
,
D.
Atanasio
,
I. L.
Fragalà
,
L.
Cattaneo
, and
S.
Carella
,
Chem. Vap. Deposition
12
,
46
(
2006
).
37.
H.
Nohira
,
T.
Shiraishi
,
K.
Takahashi
,
T.
Hattori
,
I.
Kashiwagi
,
C.
Ohshima
,
S.
Ohmi
,
H.
Iwai
,
S.
Joumori
,
K.
Nakajima
,
M.
Suzuki
, and
K.
Kimura
,
Appl. Surf. Sci.
234
,
493
(
2004
).
38.
Y. H.
Lin
,
C. H.
Chien
,
T. Y.
Yang
, and
T. F.
Lei
,
J. Electrochem. Soc.
154
,
H619
(
2007
).
39.
H.
Kim
,
H. B. R.
Lee
, and
W. J.
Maeng
,
Thin Solid Films
517
,
2563
(
2009
).
40.
B. Y.
Kim
,
M. G.
Ko
,
E. J.
Lee
,
M. S.
Hong
,
Y. J.
Jeon
, and
J. W.
Park
,
J. Korean Phys. Soc.
49
,
1303
(
2006
).
41.
W.
He
,
S.
Schuetz
,
R.
Solanki
,
J.
Belot
, and
J.
McAndrew
,
Electrochem. Solid-State Lett.
7
,
G131
(
2004
).
42.
D. H.
Triyoso
,
R. I.
Hedge
,
J. M.
Grant
,
J. K.
Schaeffer
,
D.
Roan
,
B. E.
White
, Jr.
, and
P. J.
Tobin
,
J. Vac. Sci. Technol. B
23
,
288
(
2005
).
43.
B.
Lee
,
T. J.
Park
,
A.
Hande
,
M. J.
Kim
,
R. M.
Wallace
,
J.
Kim
,
X.
Liu
,
J. H.
Yi
,
H.
Li
,
M.
Rousseau
,
D.
Shenai
, and
J.
Suydam
,
Microelectron. Eng.
86
,
1658
(
2009
).
44.
J. M.
Gaskell
,
A. C.
Jones
,
P. R.
Chalker
,
M.
Werner
,
H. C.
Aspinall
,
S.
Taylor
,
P.
Taechakumput
, and
P. N.
Heys
,
Chem. Vap. Deposition
13
,
684
(
2007
).
45.
D.
Eom
,
S. Y.
No
,
C. S.
Hwang
, and
H. J.
Kim
,
J. Electrochem. Soc.
154
,
G49
(
2007
).
46.
S. D.
Elliott
,
G.
Scarel
,
C.
Wiemer
,
M.
Fanciulli
, and
G.
Pavia
,
Chem. Mater.
18
,
3764
(
2006
).
47.
D. H.
Triyoso
,
R.
Gregory
,
M.
Park
,
K.
Wang
, and
S. I.
Lee
,
J. Electrochem. Soc.
155
,
H43
(
2008
).
48.
J.
Niinistö
,
K.
Kukli
,
T.
Sajavaara
,
M.
Ritala
,
M.
Leskelä
,
L.
Oberbeck
,
J.
Sundqvist
, and
U.
Schröder
,
Electrochem. Solid-State Lett.
12
,
G1
(
2009
).
49.
D.
Tsoutsou
,
L.
Lamagna
,
S. N.
Volkos
,
A.
Molle
,
S.
Baldovino
,
S.
Schamm
,
P. E.
Coulon
, and
M.
Fanciulli
,
Appl. Phys. Lett.
94
,
053504
(
2009
).
50.
A.
Delabie
,
A.
Alian
,
F.
Bellenger
,
M.
Caymax
,
T.
Conard
,
A.
Franquet
,
S.
Sioncke
,
S.
Van Elshocht
,
M. M.
Heyns
, and
M.
Meuris
,
J. Electrochem. Soc.
156
,
G163
(
2009
).
51.
L.
Lamagna
,
C.
Wiemer
,
S.
Baldovino
,
A.
Molle
,
M.
Perego
,
S.
Schamm-Chardon
,
P. E.
Coulon
, and
M.
Fanciulli
,
Appl. Phys. Lett.
95
,
122902
(
2009
).
52.
J.
Kwon
,
M.
Dai
,
M. D.
Halls
, and
Y. J.
Chabal
,
Chem. Mater.
20
,
3248
(
2008
).
53.
J. B.
Kim
,
D. R.
Kwon
,
K.
Chakrabarti
,
C.
Lee
,
K. Y.
Oh
, and
J. H.
Lee
,
J. Appl. Phys.
92
,
6739
(
2002
).
54.
D.
Kuzum
,
T.
Krishnamohan
,
A. J.
Pethe
,
A. K.
Okyay
,
Y.
Oshima
,
Y.
Sun
,
J. P.
McVittie
,
P. A.
Pianetta
,
P. C.
McIntyre
, and
K. C.
Saraswat
,
IEEE Electron Device Lett.
29
,
328
(
2008
).
55.
C.
Wiemer
,
S.
Ferrari
,
M.
Fanciulli
,
G.
Pavia
, and
L.
Lutterotti
,
Thin Solid Films
450
,
134
(
2004
).
56.
Inorganic Crystal Structure Database
, Fachinformationszentrum, Karlsruhe,
2009
, file no. 31584.
57.
Inorganic Crystal Structure Database
, Fachinformationszentrum, Karlsruhe,
2009
, file no. 24693.
58.
W. A.
Hill
and
C. C.
Coleman
,
Solid-State Electron.
23
,
987
(
1980
).
59.
S.
Spiga
,
C.
Wiemer
,
G.
Tallarida
,
G.
Scarel
,
S.
Ferrari
,
G.
Seguini
, and
M.
Fanciulli
,
Appl. Phys. Lett.
87
,
112904
(
2005
).
60.
This work, that will be the subject of another publication, is on-going using systematic coupling of HRTEM to electron energy-loss spectroscopy experiments giving access to elemental profiles across interfaces.
61.
S. D.
Elliott
,
Surf. Coat. Technol.
201
,
9076
(
2007
).
62.
N. K.
Park
,
D. K.
Kang
,
B. H.
Kim
,
S. J.
Jo
, and
J. S.
Ha
,
Appl. Surf. Sci.
252
,
8506
(
2006
).
63.
J. S.
Jur
,
D. J.
Lichtenwalner
, and
A. I.
Kingon
,
Appl. Phys. Lett.
90
,
102908
(
2007
).
64.
M.
Copel
,
E.
Cartier
, and
F. M.
Ross
,
Appl. Phys. Lett.
78
,
1607
(
2001
).
You do not currently have access to this content.