We studied heteroleptic Hf precursors with a linked amido-cyclopentadienyl ligand by density functional theory (DFT) calculation to enable high-temperature atomic layer deposition processes. The thermolysis and hydrolysis of Hf precursors were simulated to expect thermal stability and reactivity with hydroxyl groups. The effects of alkyl groups in the precursors were also investigated. We constructed the hydroxylated HfO2 surface and then simulated the surface reactions of the precursors. The precursors with the linked ligand showed higher activation energies for thermolysis and lower activation energies for hydrolysis as compared with CpHf(NMe2)3. The precursors with the linked ligand also showed low activation energies for the serial ligand exchange reactions on the HfO2 surface, significantly lower than those of CpHf(NMe2)3. Therefore, the DFT calculation suggests that the Hf precursors with the linked ligand are promising due to their thermal stability and reactivity better than CpHf(NMe2)3.
REFERENCES
1.
M.
Godlewski
, S.
Gierałtowska
, Ł.
Wachnicki
, R.
Pietuszka
, B. S.
Witkowski
, A.
Słońska
, Z.
Gajewski
, and M. M.
Godlewski
, J. Vac. Sci. Technol. A
35
, 021508
(2017
). 2.
L.
Zhang
, M.
Liu
, W.
Ren
, Z.
Zhou
, G.
Dong
, Y.
Zhang
, B.
Peng
, X.
Hao
, C.
Wang
, Z. D.
Jiang
, W.
Jing
, and Z. G.
Ye
, RSC Adv.
7
, 8388
(2017
). 3.
J. S.
Daubert
, G. T.
Hill
, H. N.
Gotsch
, A. P.
Gremaud
, J. S.
Ovental
, P. S.
Williams
, C. J.
Oldham
, and G. N.
Parsons
, ACS Appl. Mater. Interfaces
9
, 4192
(2017
). 4.
G. D.
Wilk
, R. M.
Wallace
, and J. M.
Anthony
, J. Appl. Phys.
89
, 5243
(2001
). 5.
M.
Houssa
, L.
Pantisano
, L. Å.
Ragnarsson
, R.
Degraeve
, T.
Schram
, G.
Pourtois
, S.
De Gendt
, G.
Groeseneken
, and M. M.
Heyns
, Mater. Sci. Eng. R. Rep.
51
, 37
(2006
). 6.
L.
Kang
, K.
Onishi
, Y.
Jeon
, B. H.
Lee
, C.
Kang
, W.-J.
Qi
, R.
Nieh
, S.
Gopalan
, R.
Choi
, and J. C.
Lee
, International Electron Devices Meeting 2000. Technical Digest IEDM (Cat. No.00CH37138)
, San Francisco, California, 10–13 December 2000 (IEEE, Piscataway, New Jersey, 2000
), pp. 35
–38
.7.
T. S.
Böscke
, J.
Müller
, D.
Bräuhaus
, U.
Schröder
, and U.
Böttger
, Appl. Phys. Lett.
99
, 102903
(2011
).8.
J.
Müller
, U.
Schröder
, T.S.
Böscke
, I.
Müller
, U.
Böttger
, L.
Wilde
, J.
Sundqvist
, M.
Lemberger
, P.
Kücher
, T.
Mikolajick
, and L.
Frey
, J. Appl. Phys.
110
, 114113
(2011
). 9.
S.
Migita
, 2020 4th IEEE Electron Devices Technology and Manufacturing Conference
, Penang, Malaysia, 6–12 April 2020 (IEEE, Piscataway, New Jersey, 2020
), pp. 1
–4
.10.
S. M.
George
, Chem. Rev.
110
, 111
(2010
). 11.
M.
Seo
, Y.-S.
Min
, S. K.
Kim
, T. J.
Park
, J. H.
Kim
, K. D.
Na
, and C. S.
Hwang
, J. Mater. Chem.
18
, 4324
(2008
). 12.
I.-K.
Oh
, B.-E.
Park
, S.
Seo
, B. C.
Yeo
, J.
Tanskanen
, H.-B.-R.
Lee
, W.-H.
Kim
, and H.
Kim
, J. Mater. Chem. C
6
, 7367
(2018
). 13.
R. D.
Clark
et al, ECS Trans.
11
, 55
(2019
). 14.
E. P.
Gusev
, C.
Cabral
, Jr., M.
Copel
, C.
D’Emic
, and M.
Gribelyuk
, Microelectron. Eng.
69
, 145
(2003
). 15.
A. A.
Sokolov
, A. A.
Ovchinnikov
, K. M.
Lysenkov
, D. E.
Marchenko
, and E. O.
Filatova
, Tech. Phys.
55
, 1045
(2010
). 16.
K.
Kukli
, M.
Ritala
, T.
Sajavaara
, J.
Keinonen
, and M.
Leskelä
, Thin Solid Films
416
, 72
(2002
). 17.
T.
Roessler
, J.
Gluch
, M.
Albert
, and J. W.
Bartha
, Thin Solid Films
518
, 4680
(2010
). 18.
R.
Rammula
, J.
Aarik
, H.
Mändar
, P.
Ritslaid
, and V.
Sammelselg
, Appl. Surf. Sci.
257
, 1043
(2010
). 19.
E. O.
Filatova
, A. A.
Sokolov
, A. A.
Ovchinnikov
, S. Y.
Tveryanovich
, E. P.
Savinov
, D. E.
Marchenko
, V. V.
Afanas’Ev
, and A. S.
Shulakov
, J. Electron Spectros. Relat. Phenom.
181
, 206
(2010
). 20.
P.
Gonon
, M.
Mougenot
, C.
Vallée
, C.
Jorel
, V.
Jousseaume
, H.
Grampeix
, and F. E.
Kamel
, J. Appl. Phys.
107
, 074507
(2010
). 21.
D.
Triyoso
, R.
Liu
, D.
Roan
, M.
Ramon
, N. V.
Edwards
, R.
Gregory
, D.
Werho
, J.
Kulik
, G.
Tam
, E.
Irwin
, X.-D.
Wang
, L. B.
La
, C.
Hobbs
, R.
Garcia
, J.
Baker
, B. E.
White
, and P.
Tobin
, J. Electrochem. Soc.
151
, F220
(2004
). 22.
R. L.
Puurunen
, J. Appl. Phys.
95
, 4777
(2004
). 23.
K.
Kukli
, J.
Aarik
, M.
Ritala
, T.
Uustare
, T.
Sajavaara
, J.
Lu
, J.
Sundqvist
, A.
Aidla
, L.
Pung
, A.
Hårsta
, M.
Leskelä
, J. Appl. Phys.
96
, 5298
(2004
). 24.
M.
Ritala
, M.
Leskelä
, L.
Niinistö
, T.
Prohaska
, G.
Friedbacher
, and M.
Grasserbauer
, Thin Solid Films
250
, 72
(1994
). 25.
J. F.
Conley
, Jr., Y.
Ono
, W.
Zhuang
, D. J.
Tweet
, W.
Gao
, S. K.
Mohammed
, and R.
Solanki
, Electrochem. Solid-State Lett.
5
, 2000
(2002
). 26.
L.
Zhong
, W. L.
Daniel
, Z.
Zhang
, S. A.
Campbell
, and W. L.
Gladfelter
, Chem. Vap. Depos.
12
, 143
(2006
). 27.
D. M.
Hausmann
, E.
Kim
, J.
Becker
, and R. G.
Gordon
, Chem. Mater.
14
, 4350
(2002
). 28.
D.
Blaschke
, F.
Munnik
, J.
Grenzer
, L.
Rebohle
, H.
Schmidt
, P.
Zahn
, and S.
Gemming
, Appl. Surf. Sci.
506
, 144188
(2020
). 29.
Y.
Senzaki
, S.
Park
, H.
Chatham
, L.
Bartholomew
, and W.
Nieveen
, J. Vac. Sci. Technol. A
22
, 1175
(2004
). 30.
A.
Deshpande
, R.
Inman
, G.
Jursich
, and C.
Takoudis
, J. Vac. Sci. Technol. A
22
, 2035
(2004
). 31.
K.
Kukli
, T.
Pilvi
, M.
Ritala
, T.
Sajavaara
, J.
Lu
, and M.
Leskelä
, Thin Solid Films
491
, 328
(2005
). 32.
T. J.
Park
, K. J.
Chung
, H.-C.
Kim
, J.
Ahn
, R. M.
Wallace
, and J.
Kim
, Electrochem. Solid-State Lett.
13
, G65
(2010
). 33.
C. L.
Platt
, N.
Li
, K.
Li
, and T. M.
Klein
, Thin Solid Films
518
, 4081
(2010
). 34.
D.-Y.
Cho
, H.-S.
Jung
, and C. S.
Hwang
, Phys. Rev. B Condens. Matter Mater. Phys.
82
, 094104
(2010
).35.
K.
Park
, Y.
Lee
, K. T.
Im
, J. Y.
Lee
, and S.
Lim
, Thin Solid Films
518
, 4126
(2010
). 36.
Q.
Tao
, G.
Jursich
, and C.
Takoudis
, Appl. Phys. Lett.
96
, 192105
(2010
). 37.
C. J.
Chen
, C. A.
Husko
, I.
Meric
, K. L.
Shepard
, C. W.
Wong
, W. M. J.
Green
, Y. A.
Vlasov
, and S.
Assefa
, Appl. Phys. Lett.
96
, 081107
(2010
). 38.
K.
Kukli
, M.
Ritala
, T.
Sajavaara
, J.
Keinonen
, and M.
Leskelä
, Chem. Vap. Depos.
8
, 199
(2002
). 39.
K.
Kukli
, M.
Ritala
, M.
Leskelä
, T.
Sajavaara
, J.
Keinonen
, A. C.
Jones
, and N. L.
Tobin
, Chem. Vap. Depos.
10
, 91
(2004
). 40.
K.
Endo
and T.
Tatsumi
, Jpn. J. Appl. Phys.
42
, L685
(2003
). 41.
J. C.
Kim
, J. S.
Heo
, Y. S.
Cho
, and S. H.
Moon
, Thin Solid Films
517
, 5695
(2009
). 42.
W.
Cho
, K.-S.
An
, T.-M.
Chung
, C. G.
Kim
, B.-S.
So
, Y.-H.
You
, J.-H.
Hwang
, D.
Jung
, and Y.
Kim
, Chem. Vap. Depos.
12
, 665
(2006
). 43.
E.
Granneman
, P.
Fischer
, D.
Pierreux
, H.
Terhorst
, and P.
Zagwijn
, Surf. Coatings Technol.
201
, 8899
(2007
). 44.
A. L.
Johnson
and J. D.
Parish
, in Organometallic Chemistry
, edited by N. J.
Patmore
and P. I. P.
Elliott
(The Royal Society of Chemistry
, Croydon, UK, 2019
), Vol. 42, pp.1–53. 45.
H. C. M.
Knoops
, S. E.
Potts
, A. A.
Bol
, and W. M. M.
Kessels
, Handbook of Crystal Growth
, 2nd ed. (Elsevier
, Amsterdam, Netherlands
, 2015
), pp. 1101
–1134
. 46.
T.
Hatanpää
, M.
Ritala
, and M.
Leskelä
, Coord. Chem. Rev.
257
, 3297
(2013
). 47.
J.
Niinistö
, M.
Mäntymäki
, K.
Kukli
, L.
Costelle
, E.
Puukilainen
, M.
Ritala
, and M.
Leskelä
, J. Cryst. Growth
312
, 245
(2010
). 48.
S.
Consiglio
, R. D.
Clark
, G.
Nakamura
, C. S.
Wajda
, and G. J.
Leusink
, J. Vac. Sci. Technol. A
30
, 01A119
(2012
). 49.
J.-M.
Park
, S. J.
Jang
, L. L.
Yusup
, W.-J.
Lee
, and S.-I.
Lee
, ACS Appl. Mater. Interfaces
8
, 20865
(2016
). 50.
J.-M.
Park
, S. J.
Jang
, S.-I.
Lee
, and W.-J.
Lee
, ACS Appl. Mater. Interfaces
10
, 9155
(2018
). 51.
N.
Boysen
, B.
Misimi
, A.
Muriqi
, J.-L.
Wree
, T.
Hasselmann
, D.
Rogalla
, T.
Haeger
, D.
Theirich
, M.
Nolan
, T.
Riedl
, and A.
Devi
, Chem. Commun.
56
, 13752
(2020
). 52.
L. L.
Yusup
, J.-M.
Park
, Y.-H.
Noh
, S.-J.
Kim
, W.-J.
Lee
, S.
Park
, and Y.-K.
Kwon
, RSC Adv.
6
, 68515
(2016
). 53.
T. R.
Mayangsari
, J.-M.
Park
, L. L.
Yusup
, J.
Gu
, J.-H.
Yoo
, H.-D.
Kim
, and W.-J.
Lee
, Langmuir
34
, 6660
(2018
). 54.
G.
Fang
, L.
Xu
, Y.
Cao
, and A.
Li
, Coord. Chem. Rev.
322
, 94
(2016
). 55.
A.
Zydor
and S. D.
Elliott
, J. Phys. Chem. A
114
, 1879
(2010
). 56.
Y.
Widjaja
and C. B.
Musgrave
, J. Chem. Phys.
117
, 1931
(2002
). 57.
A. B.
Mukhopadhyay
, C. B.
Musgrave
, and J. F.
Sanz
, J. Am. Chem. Soc.
130
, 11996
(2008
). 58.
M.
Shirazi
and S. D.
Elliott
, Chem. Mater.
25
, 878
(2013
). 59.
S.
Park
, B.-E.
Park
, H.
Yoon
, S.
Lee
, T.
Nam
, T.
Cheon
, S.-H.
Kim
, H.
Cheon
, S.
Im
, T.
Seong
, and H.
Kim
, J. Mater. Chem. C
8
, 1344
(2020
). 60.
J.-S.
Jung
, S.-K.
Lee
, C.-S.
Hong
, J.-H.
Shin
, J.-M.
Kim
, and J.-G.
Kang
, Thin Solid Films
589
, 831
(2015
). 61.
M. H. V.
Huynh
, J.
Smyth
, M.
Wetzler
, B.
Mort
, P. K.
Gong
, L. M.
Witham
, D.L.
Jameson
, D. K.
Geiger
, J. M.
Lasker
, M.
Charepoo
, M.
Gornikiewicz
, J. M.
Cintron
, G.
Imahori
, R. R.
Sanchez
, A. C.
Marschilok
, L. M.
Krajkowski
, D. G.
Churchill
, M. R.
Churchill
, and K. J.
Takeuchi
, Angew. Chemie Int. Ed.
40
, 4469
(2001
). 62.
B.
Delley
, J. Chem. Phys.
113
, 7756
(2000
). 63.
B.
Delley
, Theor. Comput. Chem.
2
, 221
(1995
). 64.
J. P.
Perdew
, K.
Burke
, and M.
Ernzerhof
, Phys. Rev. Lett.
77
, 3865
(1996
). 65.
B.
Delley
, J. Chem. Phys.
92
, 508
(1990
). 66.
L. L.
Yusup
, J.-M.
Park
, T. R.
Mayangsari
, Y.-K.
Kwon
, and W.-J.
Lee
, Appl. Surf. Sci.
432
, 127
(2018
). 67.
T. R.
Mayangsari
, L. L.
Yusup
, J.-M.
Park
, E.
Blanquet
, M.
Pons
, J.
Jung
, and W.-J.
Lee
, J. Cryst. Growth
468
, 278
(2017
). 68.
L.
Bengtsson
, Phys. Rev. B
59
, 12301
(1999
). 69.
K.
Li
, S.
Li
, N.
Li
, T. M.
Klein
, and D. A.
Dixon
, J. Phys. Chem. C
115
, 18560
(2011
). 70.
S. D.
Elliott
, Surf. Coatings Technol.
201
, 9076
(2007
). 71.
I.
Kazadojev
, D. J.
Otway
, and S. D.
Elliott
, Chem. Vap. Depos.
19
, 117
(2013
). 72.
N.
Govind
, M.
Petersen
, G.
Fitzgerald
, D.
King-Smith
, and J.
Andzelm
, Comput. Mater. Sci.
28
, 250
(2003
). 73.
B.
Pinter
, T.
Fievez
, F. M.
Bickelhaupt
, P.
Geerlings
, and F. D.
Proft
, Phys. Chem. Chem. Phys.
14
, 9846
(2012
). 74.
S.-J.
Jeong
, Y.
Gu
, J.
Heo
, J.
Yang
, C.-S.
Lee
, M.-H.
Lee
, Y.
Lee
, H.
Kim
, S.
Park
, and S.
Hwang
, Sci. Rep.
6
, 20907
(2016
). 75.
R. E.
Hann
, P. R.
Suitch
, and J. L.
Pentecost
, J. Am. Ceram. Soc.
68
, C-285
(1985
). 76.
W. M.
Haynes
, D. R.
Lide
, and T. J.
Bruno
, CRC Handbook of Chemistry and Physics
(CRC Taylor & Francis Group
, Boca Raton, Florida
, 2016
).77.
F. M.
Bickelhaupt
and K. N.
Houk
, Angew. Chemie Int. Ed.
56
, 10070
(2017
). 78.
See supplementary material at http://dx.doi.org/10.1116/6.0000796 for the purity change of precursors 1, 2, and 3 after maintaining at different temperatures for different periods and for data of the purity data and color change of precursors, and convergence test of the surface model.
© 2021 Author(s).
2021
Author(s)
You do not currently have access to this content.
