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텅스텐 전극 결정상 제어를 통한 Hf0.5Zr0.5O2 강유전체 커패시터의 향상된 내구성 및 저전압 동작 구현

Enhanced Endurance & Low Voltage Operation of Hf0.5Zr0.5O2 Ferroelectric Capacitor via W Electrode Crystal Phase Control

  • 이상민 (아주대학교 일반대학원)

초록/요약

Hf-Zr Oxide 강유전체는 우수한 CMOS 호환성과 10nm 이하의 얇은 두께에서도 우수한 강유전성을 나타내는 물성으로 인해 많은 연구가 진행되고 있다. 이때 Metal- Ferroelectric-Metal(MFM) 커패시터의 전극으로는 HZO 의 강유전성을 띄는 Orthorhombic 상 결정화를 돕는 텅스텐이 많이 활용되고 있다. 텅스텐은 알파와 베타라는 두가지 결정상을 갖고 있으며 두 결정상은 결정립 크기, 일함수, 결정구조에 기인한 배위수 등 많은 물성차이를 갖고 있다. 이러한 물성차이는 HZO 의 orthorhombic 상 결정화와 MFM 커패시터의 동작에 직접적인 영향을 미친다. O-phase 결정화를 위해 전극으로부터 인가되는 응력과 HZO 와 맞닿은 전극의 결정립의 크기가 영향을 미치며, 전극과 HZO 박막 간의 계면에서 형성되는 산소공공은 소자의 반복 동작에서의 안정성에 영향을 미친다. 따라서 본 연구에서는 알파와 베타 텅스텐을 증착하는 RF-magnetron sputtering 공정을 개발하고 이를 HZO MFM 커패시터의 전극에 적용하여 물성 평가를 진행하고 그 원인에 대한 전기적, 광학적 분석을 진행하였다. 결과적으로, 베타 텅스텐은 알파 텅스텐에 비해 작은 결정립의 크기와 결정구조적 차이에 의한 큰 배위수를 갖고 있으며 이는 작은 스위칭 배리어를 통한 저전압 동작과 향상된 내구성을 구현하며, 상대적으로 작은 W-Hf/Zr 전기음성도 차이를 바탕으로 안정적인 W/HZO 계면을 형성할 수 있음을 확인하였다.

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목차

제 1 장. 서 론 1
1. 차세대 메모리 개발의 필요성 1
2. 이론적 배경 3
2.1 강유전성 3
2.1.1 HfO2 의 강유전성 (Hf0.5Zr0.5O2) 5
2.1.2 텅스텐 7
2.1.3 강유전체 메모리 소자 9
2.2 Plasma-Enhanced ALD 10
2.3 RF- magnetron Sputtering 10
2.4 Rapid Thermal Annealing (RTA) 13
2.5 X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) 16
2.6 X-ray Diffraction (XRD) 18
2.7 Transmission Electron Microscopy (TEM) 19
2.8 Atomic Force Measurement (AFM), Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM) 21
제 2 장. RF- Magnetron Sputtering 기반 알파, 베타 W 박막 제조 및 특성 분석 23
1. 서론 23
2. 실험 방법 24
2.1 RF-Magnetron Sputtering 24
3. 실험 결과 및 고찰 24
3.1. XRD 24
3.2. I-V Measurement 28
3.3. AFM, KPFM 30
4. 결 론 31
제 3 장. 알파, 베타 W 전극을 활용한 MFM HZO Capacitor 특성 평가 및 분석 33
1. 서론 33
2. 실험방법 35
2.1. RF-Magnetron Sputtering 35
2.2. PEALD 36
2.3. RTA 36
3. 실험 결과 및 고찰 37
3.1. XRD 37
3.2. P-E Measurement 41
3.3 C-V, Endurance Test 44
3.4 TEM-EDS 45
3.5 AR-XPS 47
4. 결론 53
제 4장. 결론 55
참고문헌(References) 57

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