Compared with conventional ferroelectrics based on ABO3-type perovskite materials, fluorite-type ferroelectrics exhibit CMOS compatibility, large bandgap and high scalability. However, fluorite-type ferroelectrics still struggle to reduce their thickness to below 6 nm as a result of particle size effects, interfacial non-ferroelectric layers, surface mechanical stress, and large depolarization fields. A high tensile stress is required to activate the o-phase to improve ferroelectricity in ultra-thin films of 6 nm or less. A higher tensile stress is applied to the HZO thin film as the thermal expansion coefficient of the electrode decreases, and the W electrode with a low thermal expansion coefficient diffuses into the HZO thin film due to its high diffusivity, resulting in high leakage current. This is a major problem that causes device reliability problems. Therefore, there is a need for a new technology that can prevent the diffusion of the W bottom electrode in the HZO thin film. In this study, a transition metal nitride was used as a diffusion barrier between the W bottom electrode and the HZO thin film to solve this problem. Through GIXRD analysis, it was demonstrated that high tensile stress of W was applied to the HZO thin film despite the insertion of the diffusion barrier. Using XPS depth profile analysis, the metal nitride diffusion barrier film was rapidly reduced in the W atom concentration at the HZO bottom interface. role has been demonstrated. To further improve ferroelectricity, HfN and ZrN diffusion barriers were used to minimize the dead layer, and the reduction of the dead layer and improvement in ferroelectricity were verified through switching kinetics measurements. In addition, the formation of fixed charges at the interface between the HZO bottom and the diffusion barrier through imprint engineering was induced using the TaN and NbN diffusion barrier films, and the imprint characteristics and durability of the device were evaluated. Through this, this study provided a method for manufacturing ultra-thin HZO-based capacitors with improved ferroelectricity, reduced leakage current, and excellent reliability.
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.
