Al-doped and Deposition Temperature-engineered HfO2 Near Morphotropic Phase Boundary with Record Dielectric Permittivity (~68)

电介质 相界 介电常数 兴奋剂 材料科学 相(物质) 分析化学(期刊) 物理 光电子学 化学 有机化学 量子力学
作者
Jiuren Zhou,Zuopu Zhou,Leming Jiao,Xinke Wang,Yuye Kang,Haibo Wang,Kaizhen Han,Zijie Zheng,Xiao Gong
标识
DOI:10.1109/iedm19574.2021.9720632
摘要

We report the realization of a HfO 2 -based dielectric with the highest permittivity (~68) among all the reported works, approaching their theoretical limit of 70 [Fig. 1]. This is enabled by the use of Al incorporation in HfO 2 films and the careful temperature engineering from 300 to 260 °C during the atomic layer deposition to realize morphotropic phase boundary (MPB), which provides a giant enhancement in dielectric response. With this ultra-high permittivity, our Al-doped HfO 2 near MPB films deposited at 270 °C with a physical thickness of 9.4 nm exhibit an ultra-low leakage current density of 1.5×10 −5 A/cm 2 at 1 V with an extremely small equivalent oxide thickness of 0.53 nm. These films are also able to endure a high operation voltage of 2.4 V for more than 5×10 10 cycles and 10 years at 0.01% failure rate and 0.1 cm 2 dielectric area, holding great promise to be one of the key enablers for future ultra-low power transistors and ultra-high density memories (i.e. DRAM).
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