Influence of the Ozone Dose Time during Atomic Layer Deposition on the Ferroelectric and Pyroelectric Properties of 45 nm-Thick ZrO2 Films

铁电性 材料科学 薄膜 四方晶系 原子层沉积 热电性 分析化学(期刊) 电介质 纳米技术 光电子学 结晶学 晶体结构 化学 色谱法
作者
Bohan Xu,Liam Collins,Kristina M. Holsgrove,Thomas Mikolajick,Uwe Schroeder,Patrick D. Lomenzo
出处
期刊:ACS applied electronic materials [American Chemical Society]
卷期号:5 (4): 2288-2295 被引量:14
标识
DOI:10.1021/acsaelm.3c00117
摘要

Over a decade ago, ferroelectricity was discovered in doped HfO2 thin films. The HfO2-based thin films have attracted much attention due to their remarkable scalability and CMOS compatibility. Other than the HfO2-based thin films, the undoped ZrO2 thin films are understudied despite their commonly reported antiferroelectric behavior. However, being of the same fluorite structure as HfO2-based thin films, the undoped ZrO2 also displayed considerable ferroelectricity as demonstrated in recent studies. In this work, 45 nm-thick polycrystalline undoped ZrO2 films are synthesized using atomic layer deposition with different ozone dose times. The ZrO2 films are crystallized after atomic layer deposition at 350 °C without anneals. In general, the longer ozone dose time causes a lower in-plane tensile stress and oxygen vacancy content, which help facilitate an irreversible non-polar tetragonal to polar orthorhombic phase transition with electric-field cycling. However, the lower in-plane tensile stress and oxygen vacancy content also stabilize the monoclinic phase so that a long ozone dose time (>17.5 s) reduces the ferroelectric behavior. After wake-up cycles, the ZrO2 thin film with an ozone dose time of 17.5 s exhibits a remanent polarization of 6 μC·cm–2 and a pyroelectric coefficient of −35 μC·K–1·m–2. Moreover, the wake-up behavior is consistent between the ferroelectric and pyroelectric response. As essential factors in optimizing the growth of fluorite-structure thin films for ferroelectric applications, the in-plane tensile stress and oxygen vacancy content significantly influence the ferroelectric and pyroelectric properties. Additionally, the low thermal budget for processing ferroelectric ZrO2 thin films is valuable for semiconductor back-end-of-line processes.
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