Skip to main content
Erschienen in: Journal of Sol-Gel Science and Technology 3/2017

17.07.2017 | Original Paper: Sol-gel and hybrid materials for dielectric, electronic, magnetic and ferroelectric applications

Annealing temperature-dependent microstructure and optical and electrical properties of solution-derived Gd-doped ZrO2 high-k gate dielectrics

Erschienen in: Journal of Sol-Gel Science and Technology | Ausgabe 3/2017

Einloggen

Aktivieren Sie unsere intelligente Suche, um passende Fachinhalte oder Patente zu finden.

search-config
loading …

Abstract

In current work, the microstructure and optical and electrical properties of sol–gel-derived Gd-doped ZrO2 gate dielectric thin films as functions of annealing temperatures were systemically investigated. Analyzes by x-ray diffraction have indicated that the 240 °C-baked sample as well as those samples annealed at lower temperatures keep amorphous state. In the sample annealed at 500 °C, however, the amorphous phase disappears and tetragonal ZrO2 is formed. Measurements from ultraviolet-visible spectroscopy (UV/Vis) have demonstrated that transmittance of all samples in the visible region is approximately 80% and the increase in band gap energy has been found with increasing the annealing temperature. Electrical properties of all samples based on Al/Si/ZrGdOx/Al MOS capacitor have been investigated by using semiconductor device analyzer. Through the analysis and calculation of the electrical characteristic curves, solution-processed Al/ZrGdOx/Si/Al capacitor shows improved performances at a annealing temperature of 400 °C, such as high dielectric constant (k) of 16.56, lowest oxidation charge density (Q ox) of −0.74 × 1012 cm−2, and boundary trap oxidation charge density (N bt) of 3.17 × 1012 cm−2. In addition, the leakage current mechanism for 400 °C-annealed sample has been discussed in detail.

Graphical Abstract

solution-processed Gd-doped ZrO2 gate dielectric films were realized. Al/ZrGdOx/Si/Al capacitor shows optimized and improved performances at a annealing temperature of 400 °C. https://static-content.springer.com/image/art%3A10.1007%2Fs10971-017-4468-y/MediaObjects/10971_2017_4468_Figa_HTML.gif

Sie haben noch keine Lizenz? Dann Informieren Sie sich jetzt über unsere Produkte:

Springer Professional "Technik"

Online-Abonnement

Mit Springer Professional "Technik" erhalten Sie Zugriff auf:

  • über 67.000 Bücher
  • über 390 Zeitschriften

aus folgenden Fachgebieten:

  • Automobil + Motoren
  • Bauwesen + Immobilien
  • Business IT + Informatik
  • Elektrotechnik + Elektronik
  • Energie + Nachhaltigkeit
  • Maschinenbau + Werkstoffe




 

Jetzt Wissensvorsprung sichern!

Springer Professional "Wirtschaft+Technik"

Online-Abonnement

Mit Springer Professional "Wirtschaft+Technik" erhalten Sie Zugriff auf:

  • über 102.000 Bücher
  • über 537 Zeitschriften

aus folgenden Fachgebieten:

  • Automobil + Motoren
  • Bauwesen + Immobilien
  • Business IT + Informatik
  • Elektrotechnik + Elektronik
  • Energie + Nachhaltigkeit
  • Finance + Banking
  • Management + Führung
  • Marketing + Vertrieb
  • Maschinenbau + Werkstoffe
  • Versicherung + Risiko

Jetzt Wissensvorsprung sichern!

Literatur
1.
Zurück zum Zitat He G, Zhu LQ, Liu M, Fang Q, Zhang LD (2007) Appl Surf Sci 253:3413–3418CrossRef He G, Zhu LQ, Liu M, Fang Q, Zhang LD (2007) Appl Surf Sci 253:3413–3418CrossRef
2.
Zurück zum Zitat He G, Fang Q, Liu M, Zhu LQ, Zhang LD (2004) J Cryst Growth 268:155–162CrossRef He G, Fang Q, Liu M, Zhu LQ, Zhang LD (2004) J Cryst Growth 268:155–162CrossRef
3.
Zurück zum Zitat He G, Deng B, Liu M, Ma YQ, Chen XS, Lv JG, Shi SW, Song XP, Sun ZQ (2013) Sci Adv Mater 5:709–712CrossRef He G, Deng B, Liu M, Ma YQ, Chen XS, Lv JG, Shi SW, Song XP, Sun ZQ (2013) Sci Adv Mater 5:709–712CrossRef
4.
Zurück zum Zitat Jones AC, Aspinall HC, Chalker PR, Potter RJ, Kukli K, Rahtu A, Ritala M, LeskeläM (2004) J Mater Chem 14:3101–3112CrossRef Jones AC, Aspinall HC, Chalker PR, Potter RJ, Kukli K, Rahtu A, Ritala M, LeskeläM (2004) J Mater Chem 14:3101–3112CrossRef
5.
6.
Zurück zum Zitat Liao L, Bai JW, Lin YC, Qu YQ, Huang Y, Duan XF (2010) Adv Mater 22:1941–1945CrossRef Liao L, Bai JW, Lin YC, Qu YQ, Huang Y, Duan XF (2010) Adv Mater 22:1941–1945CrossRef
7.
Zurück zum Zitat Zhang W, Cui Y, Hu ZG, Yu WL, Sun J, Xu N, Ying ZF, Wu JD (2012) Thin Solid Films 520:6361–6367CrossRef Zhang W, Cui Y, Hu ZG, Yu WL, Sun J, Xu N, Ying ZF, Wu JD (2012) Thin Solid Films 520:6361–6367CrossRef
8.
Zurück zum Zitat Xiong Y, Tu H, Du J, Ji M, Zhang X, Wang L, (2010) Appl Phys Lett 97:012901 Xiong Y, Tu H, Du J, Ji M, Zhang X, Wang L, (2010) Appl Phys Lett 97:012901
9.
Zurück zum Zitat Xiao DQ, He G, Lv JG, Wang PH, Liu M, Gao J, Jin P, Jiang SS, Li WD, Sun ZQ (2017) J Alloys Compd 699:415–420CrossRef Xiao DQ, He G, Lv JG, Wang PH, Liu M, Gao J, Jin P, Jiang SS, Li WD, Sun ZQ (2017) J Alloys Compd 699:415–420CrossRef
10.
Zurück zum Zitat Jõgi Indrek, Tamm A, Kukli K, Kemell M, Lu J, Sajavaara T, Ritala M, Leskeläb M (2010) J Electrochem Soc 157:G202–G210CrossRef Jõgi Indrek, Tamm A, Kukli K, Kemell M, Lu J, Sajavaara T, Ritala M, Leskeläb M (2010) J Electrochem Soc 157:G202–G210CrossRef
11.
Zurück zum Zitat Cho MH, Moon DW, Park SA, RhoYS, Kim YK, Jeong K, Chang CH, Gu JH, Lee JH, Choi SY (2004) Appl Phys Lett 84:678–680CrossRef Cho MH, Moon DW, Park SA, RhoYS, Kim YK, Jeong K, Chang CH, Gu JH, Lee JH, Choi SY (2004) Appl Phys Lett 84:678–680CrossRef
12.
Zurück zum Zitat Venkatachalam DK, Bradby JE, Saleh MN, Ruffell S, Elliman RG (2011) J Appl Phys 110:043527 Venkatachalam DK, Bradby JE, Saleh MN, Ruffell S, Elliman RG (2011) J Appl Phys 110:043527
13.
15.
16.
Zurück zum Zitat Liu A, Liu G, Zhu H, Shin B, Fortunato E, Martions R, Shan F, (2016) Appl Phys Lett 108:233506 Liu A, Liu G, Zhu H, Shin B, Fortunato E, Martions R, Shan F, (2016) Appl Phys Lett 108:233506
17.
Zurück zum Zitat Jin P, He G, Fang ZB, Liu M, Xiao DQ, Gao J, Jiang SS, Li WD, Sun ZQ, Zhang M (2017) Ceram Int 43:3101–3106CrossRef Jin P, He G, Fang ZB, Liu M, Xiao DQ, Gao J, Jiang SS, Li WD, Sun ZQ, Zhang M (2017) Ceram Int 43:3101–3106CrossRef
19.
Zurück zum Zitat Chaneliere C, Four S, Autran JL, Devine RAB, Sandler NP (1998) J Appl Phys 83:4823–4829CrossRef Chaneliere C, Four S, Autran JL, Devine RAB, Sandler NP (1998) J Appl Phys 83:4823–4829CrossRef
20.
Zurück zum Zitat Jo SJ, Ha JS, Park NK, Kang DK, Kim BH (2006) Thin Solid Films 513:253–257CrossRef Jo SJ, Ha JS, Park NK, Kang DK, Kim BH (2006) Thin Solid Films 513:253–257CrossRef
21.
Zurück zum Zitat Park JH, Yoo YB, Lee KH, Jang WS, Oh JY, Chae SS, Baik HK (2013) ACS Appl Mater Interfaces 5:410–417CrossRef Park JH, Yoo YB, Lee KH, Jang WS, Oh JY, Chae SS, Baik HK (2013) ACS Appl Mater Interfaces 5:410–417CrossRef
22.
Zurück zum Zitat Tan TT, Liu ZT, Lu HC, Liu WT, Yan F, Zhang WH (2009) Appl Phys A 97:475–479CrossRef Tan TT, Liu ZT, Lu HC, Liu WT, Yan F, Zhang WH (2009) Appl Phys A 97:475–479CrossRef
23.
24.
Zurück zum Zitat Liang LP, Sheng YG, Xu Y, Wu D, Sun YH (2007) Thin Solid Films 515:7765–7771CrossRef Liang LP, Sheng YG, Xu Y, Wu D, Sun YH (2007) Thin Solid Films 515:7765–7771CrossRef
25.
Zurück zum Zitat Liu M, Fang Q, He G, Li L, Zhu LQ, Li GH, Zhang LD (2006) Appl Phys Lett 88:192904-192904-3 Liu M, Fang Q, He G, Li L, Zhu LQ, Li GH, Zhang LD (2006) Appl Phys Lett 88:192904-192904-3
26.
Zurück zum Zitat Fan JB, Liu HX, Kuang QW, Gao B, Ma F, Hao Y (2012) Microelectron Reliab 52:1043–1049CrossRef Fan JB, Liu HX, Kuang QW, Gao B, Ma F, Hao Y (2012) Microelectron Reliab 52:1043–1049CrossRef
28.
Zurück zum Zitat Lai PT, Chakraborty S, Chan CL, Cheng YC (2000) Appl Phys Lett 76:3744–3746CrossRef Lai PT, Chakraborty S, Chan CL, Cheng YC (2000) Appl Phys Lett 76:3744–3746CrossRef
29.
Zurück zum Zitat Zhang JQ, Li ZX, Zhou H, Ye C, Wang H (2014) Appl Surf Sci 294:58–65CrossRef Zhang JQ, Li ZX, Zhou H, Ye C, Wang H (2014) Appl Surf Sci 294:58–65CrossRef
30.
Zurück zum Zitat Liu JW, Liao MY, Imura M, Tanaka A, Iwai H, Koide Y (2014) Sci Rep 4:6395 Liu JW, Liao MY, Imura M, Tanaka A, Iwai H, Koide Y (2014) Sci Rep 4:6395
31.
Zurück zum Zitat Liu JW, Liao MY, Imura M, Oosato H, Watanabe E, Koide Y, (2013) Appl Phys Lett 102:112910 Liu JW, Liao MY, Imura M, Oosato H, Watanabe E, Koide Y, (2013) Appl Phys Lett 102:112910
32.
Zurück zum Zitat Zhang JW, He G, Zhou L, Chen HS, Chen XS, Chen XF, Deng B, Lv JG, Sun ZQ (2014) J Alloy Comp 611:253–259CrossRef Zhang JW, He G, Zhou L, Chen HS, Chen XS, Chen XF, Deng B, Lv JG, Sun ZQ (2014) J Alloy Comp 611:253–259CrossRef
33.
Zurück zum Zitat Chen F, Bin X, Hella C, Shi X, Gladfelter WL, Campbell SA (2004) Microelectron Eng 72:263–266CrossRef Chen F, Bin X, Hella C, Shi X, Gladfelter WL, Campbell SA (2004) Microelectron Eng 72:263–266CrossRef
35.
Zurück zum Zitat Quah HJ, Cheong KY, Hassan Z, Lockman Z (2011) J Mater Sci Mater Electron 22:583–591CrossRef Quah HJ, Cheong KY, Hassan Z, Lockman Z (2011) J Mater Sci Mater Electron 22:583–591CrossRef
36.
Zurück zum Zitat Quah HJ, Lim WF, Cheong KY, Hassan Z, Lockman Z (2011) J Cryst Growth 326:2–8CrossRef Quah HJ, Lim WF, Cheong KY, Hassan Z, Lockman Z (2011) J Cryst Growth 326:2–8CrossRef
37.
Zurück zum Zitat Gao F, Lee SJ, Chi DZ, Balakumar SK, Wong DL, (2007) Appl Phys Lett 90:252904 Gao F, Lee SJ, Chi DZ, Balakumar SK, Wong DL, (2007) Appl Phys Lett 90:252904
38.
Zurück zum Zitat Gao J, He G, Deng B, Xiao DX, Liu M, Jin P, Zheng CY, Sun ZQ (2016) J Alloy Compd 622:339–347CrossRef Gao J, He G, Deng B, Xiao DX, Liu M, Jin P, Zheng CY, Sun ZQ (2016) J Alloy Compd 622:339–347CrossRef
39.
Zurück zum Zitat Chiu FC (2006) J Appl Phys 100:114102 Chiu FC (2006) J Appl Phys 100:114102
40.
Metadaten
Titel
Annealing temperature-dependent microstructure and optical and electrical properties of solution-derived Gd-doped ZrO2 high-k gate dielectrics
Publikationsdatum
17.07.2017
Erschienen in
Journal of Sol-Gel Science and Technology / Ausgabe 3/2017
Print ISSN: 0928-0707
Elektronische ISSN: 1573-4846
DOI
https://doi.org/10.1007/s10971-017-4468-y

Weitere Artikel der Ausgabe 3/2017

Journal of Sol-Gel Science and Technology 3/2017 Zur Ausgabe

Original Paper: Sol-gel and hybrid materials with surface modification for applications

Facile low temperature immobilization of N-doped TiO2 prepared by sol–gel method

Original Paper: Sol-gel and hybrid materials for dielectric, electronic, magnetic and ferroelectric applications

Low temperature, fast synthesis and ionic conductivity of Li6MLa2Nb2O12 (M = Ca, Sr, Ba) garnets

Original Paper: Sol-gel and hybrid materials for energy, environment and building applications

Thermal properties of silica-coated cellulose fibers for increased fire-resistance

Original Paper: Sol-gel and hybrid materials with surface modification for applications

Hydrophobic silica composite aerogels using poly(methyl methacrylate) by rapid supercritical extraction process

Original Paper: Nano-structured materials (particles, fibers, colloids, composites, etc.)

Application of sol–gel technique for preparation of nanosilica from coal powered thermal power plant fly ash

    Marktübersichten

    Die im Laufe eines Jahres in der „adhäsion“ veröffentlichten Marktübersichten helfen Anwendern verschiedenster Branchen, sich einen gezielten Überblick über Lieferantenangebote zu verschaffen.