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Equivalent Oxide Thickness (EOT) Scaling With Hafnium Zirconium Oxide High-κ Dielectric Near Morphotropic Phase Boundary

相界 铁电性 正交晶系 四方晶系 材料科学 电介质 相(物质) 拓扑(电路) 分析化学(期刊) 物理 结晶学 化学 光电子学 电气工程 晶体结构 有机化学 量子力学 工程类
作者
Kai Ni,Atanu Saha,Wriddhi Chakraborty,Huacheng Ye,Benjamin Grisafe,J. A. Smith,G. B. Rayner,Sumeet Kumar Gupta,Suman Datta
标识
DOI:10.1109/iedm19573.2019.8993495
摘要

We demonstrate a novel strategy to scaling the equivalent oxide thickness (EOT) of MOSFETs by tuning the composition of Hf 1-x Zr x O 2 thin-film near morphotropic phase boundary (MPB) between orthorhombic ferroelectric phase and tetragonal anti-ferroelectric phase. This approach can avoid the shortcomings of mobility and reliability degradation incurred in interlayer (IL) scaling approach and gate leakage increase from band gap reduction in traditional higher κ materials. Through comprehensive theoretical modeling and experimental characterization, we show that: 1) MPB exists in Hf 1-x Zr x O 2 system due to phase transformation from orthorhombic phase to tetragonal phase with the increase of Zr concentration, in order to reduce the dipole-dipole interaction energy between the oxygen sub-lattices under compression; 2) κ is maximum (κ=38) near the MPB around 70% Zr as two phases co-exist and even a slight perturbation creates a large charge response; 3) Higher κ in advanced technology node FinFET improves the electrostatics and boosts drive current by 13%, suggesting that this strategy is a promising approach to designing high-κ dielectrics for the next generation CMOS.

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