Влияние легирования цирконием на диэлектрические свойства пленок оксида гафния

Проведено сравнение диэлектрических характеристик (относительной диэлектрической проницаемости, тангенса угла диэлектрических потерь, ширины запрещенной зоны, тока утечки и пробивного напряжения) пленок оксидов гафния и гафния-циркония. Показано, что импульсным реактивным магнетронным распылением Hf-мишени в среде рабочих газов Ar/O₂ могут быть получены пленки HfO_x с относительной диэлектрической проницаемостью e = 12,5–16,0 и e = 12,0–14,0 на частотах F = 1 кГц и F = 1 МГц соответственно, с тангенсом угла диэлектрических потерь tgj = 0,012–0,022 (F = 1 кГц) и tgj = 0,053–0,062 (F = 1 МГц), плотностью тока утечки J_L = (1,0–3,0) × 10^–3 A/м² при напряженности электрического поля E = 5 × 10⁷ В/м, с шириной запрещенной зоны E_g = 5,85–5,87 эВ и напряженностью поля пробоя E_пр = (2,1–2,4) × 10⁸ В/м. Легирование оксида гафния цирконием (40 ат.%) позволило уменьшить тангенс угла диэлектрических потерь до 0,008–0,012 (F = 1 кГц) и до 0,04–0,05 (F = 1 МГц), плотность тока утечки – до (3–5) × 10^–5 А/м², увеличить пробивное напряжение до (2,5–3,0) × 10⁸ В/м. При этом наблюдалось незначительное повышение относительной диэлектрической проницаемости пленок до 14–16 на частотах 1 кГц и 1 МГц за счет уменьшения частотной дисперсии от 1,15 до значений менее 1,10 и увеличения E_g до 5,86–5,89 эВ.

1. Zagni N., Puglisi F. M., Pavan P., Alam M. A. (2023) Reliability of HfO2-Based Ferroelectric FETs: A Critical Review of Current and Future Challenges. Proceedings of the IEEE. 111 (2), 158–184.

2. Jones M. N., Kwon Y. W., Norton D. P. (2005) Dielectric Constant and Current Transport for HfO2 Thin Films on ITO. Applied Physics A: Materials Science and Processing. 81 (2), 285–288.

3. Zhang H. H., Ma C. Y., Zhang Q. Y. (2009) Scaling Behavior and Structure Transition of ZrO2 Films Deposited by RF Magnetron Sputtering. Vacuum. 83 (11), 1311–1316.

4. Choi W. J., Lee E. J., Yoon K. S., Yang J. Y., Lee J. H., Kim C. O., et al. (2004) Annealing Effects of HfO2 Gate Thin Films Formed by Inductively Coupled Sputtering Technique at Room Temperature. Journal of the Korean Physical Society. 45, S716–S719.

5. Mikhelashvili V., Brener R., Kreinin O., Meyler B., Shneider J., Eisenstein G. (2004) Characteristics of Metal-Insulator-Semiconductor Capacitors Based on High-k HfAlO Dielectric Films Obtained by Low-Temperature Electron-Beam Gun Evaporation. Applied Physics Letters. 85, 5950–5952.

6. Li F. M., Bayer B. C., Hofmann S., Dutson J. D., Wakeham S. J., Thwaites M. J., et al. (2011) High-k (k = 30) Amorphous Hafnium Oxide Films from High Rate Room Temperature Deposition. Applied Physics Letters. 98.

7. Zhao X., Vanderbilt D. (2002) First-Principles Study of Structural, Vibrational, and Lattice Dielectric Properties of Hafnium Oxide. Physical Review. 65.

8. Kim S. J., Mohan J., Summerfelt S. R., Kim J. (2019) Ferroelectric thin Hf0.5Zr0.5O2 films: A review of Recent Advances. JOM. 71, 246–255.

9. Schroeder U., Materano M., Mittmann T., Lomenzo P. D., Mikolajick T., Toriumi A. (2019) Recent Progress for Obtaining the Ferroelectric Phase in Hafnium Oxide Based Films Impact of Oxygen and Zirconium. Japanese Journal of Applied Physics. 58.

10. Kumar J., Birla S., Agarwal G. (2023) A Review on Effect of Various High-K Dielectric Materials on the Performance of FinFET Device. Materials Today Proceedings. 79 (2), 297–302.

11. Kim S. E., Sung J. Y., Yun Y., Jeon B., Moon S. M., Lee H. B., et al. (2024) Atomic Layer Deposition of High-K and Metal Thin Films for High-Performance DRAM Capacitors: A Brief Review. Current Applied Physics. 64, 8–15.

12. Jeon S., Yang H., Park D.-G., Hwang H. (2002) Electrical and Structural Properties of Nanolaminate (Al2O3/ ZrO2/Al2O3) for Metal Oxide Semiconductor Gate Dielectric Applications. Japanese Journal of Applied Physics. 41 (4S), 2390–2393.

13. Wong H., Iwai H. (2006) On the Scaling Issues and High-κ Replacement of Ultrathin Gate Dielectrics for Nanoscale MOS Transistors. Microelectronic Engineering. 83 (10), 1867–1904.

14. Bӧscke T. S., Müller J., Bräuhaus D., Schrӧder U., Bӧttger U. (2011) Ferroelectricity in Hafnium Oxide Thin Films. Applied Physics Letters. 99, 102903-1–102903-3.

15. Nakano J., Miyazaki H., Kimura T., Goto T., Zhang S. (2004) Thermal Conductivity of Yttria-Stabilized Zircon