확산 방지막을 사용한 하프니아 기반의 강유전체 소자에 대한 연구

Abstract

ABO3-type 페로브스카이트 재료를 기반으로 하는 기존의 강유전체와 비교하여 fluorite-type 강유전체는 CMOS 호환성, 큰 밴드갭 및 높은 확장성을 나타낸다. 그러나, fluorite-type 강유전체는 입자 크기 효과, 계면 비강유전체 층, 표면 기계적 응력 및 큰 탈분극 필드의 결과로 두께를 6nm 이하로 축소하는 데 여전히 어려움을 겪고 있다. 6nm 이하의 극박막에서 강유전성 개선을 위해 o-phase를 활성화시키기 위한 높은 인장 응력을 요구된다. 전극의 열 팽창 계수가 감소함에 따라 HZO 박막에 더 높은 인장 응력이 인가되는데, 열 팽창 계수가 낮은 W 전극은 높은 확산성으로 인해 HZO 박막 내로 확산되어 높은 누설 전류를 야기한다. 이는 소자의 신뢰성 문제를 야기하는 주요한 문제이다. 따라서, W 하부 전극의 HZO 박막 내 확산을 막을 수 있는 새로운 기술이 필요하다. 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 W 하부 전극과 HZO 박막 사이에 전이 금속 질화물을 확산 방지막으로 사용하였다. GIXRD 분석을 통해 확산 방지막의 삽입에도 불구하고 W의 높은 인장 응력이 HZO 박막에 인가되는 것을 입증하였으며, XPS depth 프로파일 분석을 활용하여 HZO 하부 계면의 W 원자 농도의 급격한 감소를 통해 금속 질화물의 확산 방지막 역할을 입증하였다. 추가적인 강유전성 개선을 위해 데드 레이어의 최소화하기 위한 HfN와 ZrN 확산 방지막을 사용하였으며, 스위칭 키네틱스 측정을 통해 데드 레이어의 감소 및 강유전성 개선을 입증하였다. 또한, TaN, NbN 확산 방지막을 이용하여 임프린트 엔지니어링을 통한 HZO 하부와 확산 방지막의 계면에 고정 전하 형성을 유도하고, 소자의 임프린트 특성 및 내구성을 평가하였다. 이를 통해 본 연구에서는 강유전성 개선, 누설 전류 감소, 우수한 신뢰성을 갖는 극박막 HZO 기반 커패시터 제조를 위한 방법을 제공하였다.