Morphotropic Phase Boundary 기반 Hf1-xZrxO2 박막의 전기적 특성 분석 및 하부 전극에 따른 영향 연구
- 주제(키워드) Hf1-xZrxO2 , morphotropic phase boundary , high-k dielectric , DRAM capacitor
- 주제(DDC) 621.042
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 서형탁
- 발행년도 2026
- 학위수여년월 2026. 8
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 에너지시스템학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000036219
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
본 연구에서는 차세대 DRAM capacitor향 high-k 유전체로서 Hf1-xZrxO₂ 박막의 적용 가능성을 확인하기 위해 Hf/Zr 조성, 적층 구조 및 하부 전극에 따른 전기적, 구조적, 화학적 특성을 분석하였다. 약 6.5 nm 두께의 HZO 박막을 PEALD로 증착하였으며, polar orthorhombic phase와 non-polar tetragonal phase가 공존하는 morphotropic phase boundary（MPB）를 이용하여 높은 유전 응답을 구현하고자 하였다. 조성별 분석 결과 Hf0.25Zr0.75O2 박막에서 우수한 유전 특성과 o/t-phase 공존이 확인 되었다. 이후 solid-solution, heterostructure 및 nanolaminate 구조를 비교한 결과, nanolaminate 구조에서 반복적인 내부 계면과 phase boundary 형성에 의해 가장 높은 유전상수 40.7과 6.21 Å의 낮은 EOT를 확보하였다. 최적화된 nanolaminate HZO에 TiN, Mo 및 MoN 하부 전극을 적용한 결과, 하부 전 극에 따라 산소 교환, 결정상 및 계면 결함 특성이 크게 변화하였다. TiN 시편은 oxygen scavenging에 의해 높은 o-phase 분율을 형성하여 유전상수 41.4와 EOT 6.11 Å 의 가장 우수한 high-k 특성을 나타냈다. 반면 MoN 시편은 HZO bulk의 산소 결핍을 억제하여 가장 낮은 누설전류를 보였으나, 계면 반응층과 결함에 의해 유전 응답이 감 소하였다. 이러한 결과를 통해 HZO 박막의 유전 특성은 조성에 따른 MPB 형성, 적층 구조에 따른 phase boundary 증가 및 하부 전극에 의한 계면 화학 제어에 의해 복합적으로 결정됨을 확인하였다. 본 연구는 HZO 박막의 조성·구조·전극을 통합적으로 제어하는 방 법이 차세대 DRAM capacitor향 초박막 high-k 유전체 구현에 효과적임을 제시한다.
more초록/요약
In this study, the electrical, structural, and chemical properties of Hf1-xZrxO₂ （HZO） thin films were investigated as a function of Hf/Zr composition, stacking configuration, and bottom-electrode material to evaluate their potential as high-k dielectrics for next-generation DRAM capacitors. Approximately 6.5nm HZO films were deposited by plasma-enhanced atomic layer deposition （PEALD）. A high dielectric response was pursued by utilizing a morphotropic phase boundary （MPB）, in which the polar orthorhombic phase and nonpolar tetragonal phase coexist. Among the investigated compositions, the Hf0.25Zr0.75O2 film exhibited favorable dielectric properties and clear coexistence of the orthorhombic and tetragonal phases. Solid-solution, heterostructure, and nanolaminate configurations were subsequently compared. The nanolaminate structure exhibited the highest dielectric constant of 40.7 and the lowest equivalent oxide thickness （EOT） of 6.21 Å, which were attributed to the formation of repeated internal interfaces and an increased density of phase boundaries. TiN, Mo, and MoN bottom electrodes were then applied to the optimized nanolaminate HZO structure. The bottom-electrode material significantly influenced oxygen exchange, phase formation, and interfacial defect characteristics. The TiN based sample exhibited the highest orthorhombic-phase fraction owing to oxygen scavenging and consequently achieved the best high-k performance, with a dielectric constant of 41.4 and an EOT of 6.11 Å. In contrast, the MoN based sample effectively suppressed oxygen deficiency in the HZO bulk and exhibited the lowest leakage current density. However, its dielectric response was reduced, presumably because of interfacial reaction layers and defects. These results demonstrate that the dielectric properties of HZO thin films are collectively governed by MPB formation through compositional control, increased phase-boundary density through stacking-structure engineering, and interfacial chemical modification induced by the bottom electrode. This study suggests that the integrated control of HZO composition, stacking structure, and electrode interface is an effective strategy for realizing ultrathin high-k dielectrics for next-generation DRAM capacitors
more목차
제 1 장. 서 론 1
1. DRAM Capacitor 향 high-k 유전체의 필요성 1
2. 이론적 배경 4
가. High-k 유전체 재료 4
나. HfO2 박막의 결정상 특성 7
다. HfO2 기반 Hf1-xZrxO2 박막의 조성 의존적 특성 9
라. Morphotropic Phase Boundary 효과 13
마. 하부 전극 엔지니어링의 필요성 23
3. 분석 방법 28
가. XRD （X-ray Diffraction） 28
나. XPS （X-ray Photoelectron Spectroscopy） 29
다. TEM （Transmission Electron Microscopy） 30
제 2 장. PEALD 기반 Hafnium-Zirconium oxide 박막 제조 및 특성 분석 32
1. 서론 32
2. 실험 방법 33
3. 실험 결과 및 고찰 34
가. 전기적 특성 분석 34
나. 결정화도 분석 40
다. 미세구조 분석 42
4. 결론 44
제 3 장. Hf1-xZrxO2 superlattice 구조 설계 45
1. 서론 45
2. 실험 방법 47
3. 실험 결과 및 고찰 48
가. 전기적 특성 분석 48
4. 결론 54
제 4 장. 하부 전극에 따른 박막 특성 분석 55
1. 서론 55
2. 실험 방법 56
3. 실험 결과 및 고찰 57
가. 전기적 특성 분석 57
나. 결정화도 분석 64
다. 화학적 특성 분석 66
라. 계면 결함 밀도 분석 73
4. 결론 77
제 5 장. 결론 79
제 6 장. Supporting Figure 81
참고문헌 84
Abstract 90
