Zr의 잔여분극 개선

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 16750(2022) 이 기사 인용

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본 연구에서는 HfZrOx(HZO) 기반 강유전체 커패시터에 대한 불소(CF4) 및 산소(O2) 플라즈마 패시베이션의 영향을 조사했습니다. 불소 부동태화에 의해 HZO 기반 MFIS(금속 강유전성 절연체 반도체) 커패시터의 표면 트랩 밀도와 산소 결손이 억제되어 원래의 잔류 분극(2Pr)이 증가했습니다. 500°C와 600°C에서 어닐링된 기준 샘플의 원래 값(2Pr)은 각각 11.4μC/cm2 및 24.4μC/cm2였습니다. 그러나 F-패시베이션을 사용하면 2Pr 값이 500°C와 600°C에서 각각 30.8μC/cm2 및 48.2μC/cm2로 증가했습니다. 표면결함량과 산소 결손량은 컨덕턴스법과 XPS 분석을 통해 정량적으로 확인됩니다. 그러나 강유전성 절연체 필름에 불소 원자가 결합됨에 따라 내구성 특성이 바람직하지 않게 저하되는 것이 관찰되었습니다.

2011년 HfO2의 강유전성이 발견된 이후 HfO2 기반 강유전성 전계 효과 트랜지스터(FeFET)는 상보성 금속 산화물 반도체(CMOS) 기술과의 호환성과 뛰어난 성능으로 인해 미래의 비휘발성 메모리 응용 분야에서 많은 관심을 끌었습니다. 확장성1,2,3. 그러나 강유전체층의 표면 품질이 좋지 않으면 소자 성능이 저하됩니다. 강유전성 재료 표면의 결함은 재료의 탈분극 장을 증가시키거나 데드 레이어를 생성합니다(즉, 강유전성 재료의 얇은 "데드" 레이어에서는 너무 많은 분극이 유도되지 않습니다). 이로 인해 강유전성 물질의 잔여 분극(2Pr)이 저하됩니다4,5. 또한 대부분 산소 결손으로 구성된 강유전성 재료(여기서는 강유전성 HfO2)의 벌크 결함도 2Pr 분해의 원인이 됩니다6. 산소 결손은 잔여 분극 및 내구성 성능을 포함한 강유전성에 강한 영향을 미칠 것으로 예상됩니다. 산소 결손으로 인해 계면에 비강유전성 데드층이 형성되기 때문입니다. 이로 인해 분극 영역 고정 효과가 발생하여 분극 대 전압(P-V) 특성이 조여지고 신뢰성 특성이 저하됩니다7. 이전 연구에서는 불소 플라즈마 처리가 Al 도핑된 HfO2 강유전체막의 표면/벌크 결함을 부동태화할 수 있다는 것이 밝혀졌습니다9. 그러나 HfO2 유전체 필름에 불소 플라즈마 처리를 하면 HZO의 Hf/Zr 원자에 불소 원자가 과도하게 결합되어 중간층(IL)이 형성되고 유전 상수가 저하됩니다10.

표면/벌크 결함의 패시베이션을 위한 CF4/O2 플라즈마 처리가 다양한 유형의 박막에 사용되었지만 강유전체 필름에 대한 CF4 및 O2 패시베이션의 영향에 대한 연구는 여전히 부족합니다. 본 연구에서는 CF4 및 O2 플라즈마 패시베이션이 강유전체 기반 MFIS 커패시터의 잔류 분극 및 내구성 특성에 미치는 영향을 조사했습니다. 강유전체막의 표면결함량과 산소결손량을 분석하기 위해 XPS, 컨덕턴스법 등의 정량분석이 수행되어 왔다. 또한, 강유전체막의 열악한 내구성 특성(Hf/Zr 원자에 불소 원자가 과도하게 결합되어 발생함)이 처음으로 관찰되었습니다.

MFIS(금속/강유전체/절연체/반도체) 커패시터는 150mm 실리콘 웨이퍼에 제작되었습니다. 먼저, 저항률이 < 0.005 Ω∙cm인 p-Si(100) 웨이퍼에 대해 표준 세척 작업과 희석 HF(1:50) 세척 작업을 수행했습니다. 이후 HPM(HCl:H2O2:H2O = 1:1:5)을 이용한 습식 화학적 산화를 통해 1 nm 두께의 SiO2를 형성하였다. 그런 다음 열 원자층 증착(ALD)을 통해 10 nm 두께의 HZO(Zr 도핑된 HfO2)를 증착했는데, 여기에 테트라키스(에틸메틸아미노) 하프늄(TEMAH) 전구체, 테트라키스(에틸메틸아미노) 지르코늄(TEMAZ) 전구체 및 H2O가 포함되어 있습니다. 소스를 사용했습니다. 표면 결함과 산소 결손을 부동태화하기 위해 CDE(Chemical Dry Etcher)를 사용하여 불소 플라즈마 부동태화(F-passivation)를 수행했습니다. 불소 플라즈마 처리를 위한 세 가지 다른 조건, 즉 기준선(F-부동태화 없음), CDE1, CDE2 및 CDE3이 사용되었습니다. 구체적으로 CDE1, CDE2, CDE3의 O2 가스 유량은 각각 30sccm, 40sccm, 60sccm이었다. CF4 가스 유량과 같은 다른 모든 조건은 모든 샘플에서 동일했습니다. F-패시베이션 후, 물리적 기상 증착(PVD)을 통해 50nm 두께의 TiN을 증착하고, HZO 필름의 결정화를 위해 금속화 후 어닐링(PMA)을 수행했습니다. 기준 샘플). 기준선/CDE1/CDE2/CDE3에 대한 어닐링 온도의 영향을 조사하기 위해 세 가지 다른 온도, 즉 500℃, 600℃ 및 700℃를 N2 분위기에서 30초 동안 사용했습니다.