The authors discuss temperature-dependent dysprosium (Dy) diffusion and the diffusion-driven Dy-silicate formation process in Dy incorporated HfO2. The Dy-induced dipoles are closely related to the Dy-silicate formation at the high-k/SiO2 interfaces since the VFB shift in Dy2O3 is caused by the dipole and coincides with the Dy-silicate formation. Dipole formation is a thermally activated process, and more dipoles are formed at a higher temperature with a given Dy content. The Dy-silicate related bonding structure at the interface is associated with the strength of the Dy dipole moment and becomes dominant in controlling the VFB/VTH shift during the high temperature annealing in the DyHfO/SiO2 gate oxide system. Dy-induced dipole reduces the degradation of the electron mobility.

1.
K.
Choi
,
H. -C.
Wen
,
G.
Bersuker
,
R.
Harris
, and
B.
Lee
,
Appl. Phys. Lett.
93
,
133506
(
2008
).
2.
Y.
Yamamoto
,
K.
Kita
,
K.
Kyuno
, and
A.
Toriumi
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
46
,
7251
(
2007
).
3.
H.
Arimura
,
R.
Haight
,
S. L.
Brown
,
A.
Kellock
,
A.
Callegari
,
M.
Copel
,
H.
Wantanabe
,
V.
Narayanan
, and
T.
Ando
,
Appl. Phys. Lett.
96
,
132902
(
2010
).
4.
T.
Ando
,
M.
Copel
,
J.
Bruley
,
M. M.
Frank
,
H.
Wantanabe
, and
V.
Narayanan
,
Appl. Phys. Lett.
96
,
132904
(
2010
).
5.
H.
Iwai
,
S.
Ohmi
,
S.
Akama
,
C.
Ohshima
,
A.
Kikuchi
,
I.
Kashiwagi
,
J.
Taguchi
,
H.
Yamamoto
,
J.
Tonotani
,
Y.
Kim
,
I.
Ueda
,
A.
Kuriyama
, and
Y.
Yoshihara
,
Tech. Dig. - Int. Electron Devices Meet.
2002
,
625
.
6.
T.
Lee
,
S.
Rhee
,
C. Y.
Kang
,
F.
Zhu
,
C.
Choi
,
I.
Ok
,
M.
Zhang
,
S.
Krishnan
,
G.
Thareja
, and
J. C.
Lee
,
IEEE Electron Device Lett.
27
,
640
(
2006
).
7.
H. Y.
Yu
,
S. Z.
Chang
,
A.
Veloso
,
A.
Lauwers
,
C.
Adelmann
,
B.
Onsia
,
S.
Van Elshocht
,
R.
Singanamalla
,
M.
Demand
,
R.
Vos
,
T.
Kauerauf
,
S.
Brus
,
X.
Shi
,
S.
Kubicek
,
C.
Vrancken
,
R.
Mitsuhashi
,
P.
Lehnen
,
J.
Kittl
,
M.
Niwa
,
K. M.
Yin
,
T.
Hoffmann
,
S.
Degendt
,
M.
Jurczak
,
P.
Absil
, and
S.
Biesemans
,
Tech. Dig. VLSI Symp.
2007
,
18
.
8.
Y. -C.
Yeo
,
T. -J.
King
, and
C.
Hu
,
J. Appl. Phys.
92
,
7266
(
2002
).
9.
A. E.-J.
Lim
,
W. -W.
Fang
,
F.
Liu
,
R. T.-P.
Lee
,
G.
Samudra
,
D. -L.
Kwong
, and
Y. -C.
Yeo
,
Appl. Phys. Lett.
91
,
172115
(
2007
).
10.
R.
Jha
,
J.
Gurganos
,
Y. H.
Kim
,
R.
Choi
,
J.
Lee
, and
V.
Misra
,
IEEE Electron Device Lett.
25
,
420
(
2004
).
11.
P. D.
Kirsch
,
P.
Sivasubramani
,
J.
Huang
,
C. D.
Young
,
M. A.
Quevedo-Lopez
,
H. C.
Wen
,
H.
Alshareef
,
K.
Choi
,
C. S.
Park
,
K.
Freeman
,
M. M.
Hussain
,
G.
Bersuker
,
H. R.
Harris
,
P.
Majhi
,
R.
Choi
,
P.
Lysaght
,
B. H.
Lee
,
H. -H.
Tseng
,
R.
Jammy
,
T. S.
Böscke
,
D. J.
Lichtenwalner
,
J. S.
Jur
, and
A. I.
Kingon
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
092901
(
2008
).
12.
K.
Kita
and
A.
Toriumi
,
Appl. Phys. Lett.
94
,
132902
(
2009
).
13.
C. S.
Kang
,
H. J.
Cho
,
Y. H.
Kim
,
R.
Choi
,
K.
Onishi
,
A.
Shahriar
, and
J. C.
Lee
,
J. Vac. Sci. Technol. B
21
,
2026
(
2003
).
14.
G.
Thareja
,
H. C.
Wen
,
R.
Harris
,
P.
Majhi
,
B. H.
Lee
, and
J. C.
Lee
,
IEEE Electron Device Lett.
27
,
802
(
2006
).
15.
M.
Copel
,
E.
Cartier
, and
F. M.
Ross
,
Appl. Phys. Lett.
78
,
11
(
2001
).
16.
G.
He
,
M.
Liu
,
L. Q.
Zhu
,
M.
Chang
,
Q.
Fang
, and
L. D.
Zhang
,
Surf. Sci.
576
,
67
(
2005
).
17.
S. Q.
Wang
and
J. W.
Mayer
,
J. Appl. Phys.
64
,
4711
(
1988
).
18.
H.
Jagannathan
,
V.
Narayanan
, and
S.
Brown
,
ECS Trans.
19–26
,
16
(
2008
).
19.
P.
Sivasubramani
,
T. S.
Boscke
,
J.
Huang
,
C. D.
Young
,
P. D.
Kirsch
,
S. A.
Krishnan
,
M. A.
Quevedo-Lopez
,
S.
Govindarajan
,
B. S.
Ju
,
H. R.
Harris
,
D. J.
Lichtenwalner
,
S. J.
Jur
,
A. I.
Kingon
,
J.
Kim
,
B. E.
Gnade
,
R. M.
Wallace
,
G.
Bersuker
,
B. H.
Lee
, and
R.
Jammy
,
Tech. Dig. VLSI Symp.
2007
,
68
.
20.
H.
Ota
,
A.
Hirano
,
Y.
Watanabe
,
N.
Yasuda
,
K.
Iwamoto
,
K.
Akiyama
,
K.
Okada
,
S.
Migita
,
T.
Nabatame
, and
A.
Toriumi
,
Tech. Dig. - Int. Electron Devices Meet.
2007
,
65
.
You do not currently have access to this content.