With the advent of the Big Data era, memory demand is expected to increase by five times within 10 years. Memory semiconductor integration, computing performance, power, and cost should be improved to store and utilize a large amount of data, but there are limitations of memory such as DRAM and NAND Flash that are currently commercially available, so new materials and various types of memory research are being conducted. Among them, memory research using ferroelectricity has recently been most widely conducted. Hafnium oxide is a material that is actively used in research such as FeFET, FeRAM, FeCap, etc. because it can be sizable compared to the existing PZT-based ferroelectric materials and is suitable for the CMOS process. In this paper, research was conducted using the MFM capacitor structure to improve ferroelectricity by applying chemical treatment to the interface between the lower titanium nitride electrode and the hafnium zirconium oxide. Based on chemical treatment methods such as HF, BOE, H2O2, and SC-1, ferroelectric changes according to MFM's current-electric field, capacitance-electric field, and polarization-electric field were compared. Interface energy was compared by DIW contact angle measurement. By GIXRD and FE-TEM analysis, crystal structure of halide zirconium oxide were analyzed and measurement was conducted by AFM analysis. Based on the analysis results, BOE is applied to remove some of the natural oxide film on the titanium nitride surface and make the surface hydrophilic, while creating a nitrogen-rich interface to even hafnium zirconium oxide crystal growth. After that, additional condition was selected that by applying SC-1 additionally, the roughness of the interface is intentionally degraded to increase the stress of the interface. And a method was selected that help hafnium zirconium oxide crystal growth by applying hydrogen peroxide to even out the titanium oxide layer. Through the above three methods, the amount of ferroelectricity improvement was compared for each condition by manufacturing 5 nm, 10 nm, and 15 nm and each cases by increasing wake up cycles. In conclusion, a BOE treatment method capable of improving ferroelectricity by 3.6 times compared to the conventional one at a thickness of 5 nm and a method of treating SC-1 after BOE were finally proposed.
Big Data 시대가 도래함에 따라 메모리 수요는 10년 내에 5배 가량 증가할 것으로 예상된다. 수많은 양의 데이터를 저장하고 활용하기 위해 메모리 반도체 집적도, 컴퓨팅 성능, 전력, 비용 등의 개선이 수반 되어야 하나, 현재 상용화된 DRAM, NAND Flash 등의 메모리가 가진 한계가 존재하여 이를 뛰어넘기 위해 새로운 소재와 다양한 방식의 메모리 연구가 진행 되고 있다. 이 중 강유전체를 이용한 메모리 연구는 최근 가장 널리 진행되고 있다. 하프늄 옥사이드는 기존 PZT 기반의 강유전체 대비 소형화가 가능하고, CMOS 공정에 적합하다는 장점이 있기 때문에 FeFET, FeRAM, FeCap 등의 연구에 활발히 이용되고 있는 물질이다. 본 논문에서는 하부 티타늄 나이트라이드 전극과 하프늄 지르코늄 옥사이드 사이의 계면에 화학처리를 적용함에 따라 강유전성이 어떻게 개선되는지 MFM 캐패시터 구조를 이용하여 연구하였다. HF, BOE, H2O2, SC-1 등의 화학처리 방법에 따라 MFM의 전류-전기장, 캐패시턴스-전기장, 분극성-전기장 측정을 통해 각 조건에 따른 강유전성 변화를 비교하였고, DIW 접촉각 측정을 통한 계면 에너지 비교 분석, GIXRD와 FE-TEM 분석을 통해 하프늄 지르코늄 옥사이드의 결정 구조를 분석, AFM 측정을 통해 표면 거칠기 비교 분석을 하였으며, 분석 결과를 토대로 티타늄 나이트라이드 표면의 자연 산화막을 일부 제거하고 표면을 친수성으로 만드는 한편 질소가 풍부한 계면을 만들어 하프늄 지르코늄 옥사이드 결정 성장을 고르게 하는 BOE를 적용하는 방법, 그 이후에 SC-1를 추가로 적용함으로써 계면의 거칠기를 의도적으로 열화시켜 계면의 응력을 증가시키는 방법, 과산화수소를 적용하여 티타늄 옥사이드 층을 고르게 하여 하프늄 지르코늄 옥사이드 결정 성장을 돕는 방법을 선별하여, 하프늄 지르코늄 옥사이드 두께에 따른 평가 또한 진행하였다. 5nm, 10nm, 15nm 로 제작하여 각 조건별로 강유전성 개선량을 비교하였고, wake up cycle 증가에 따른 강유전성 거동 등을 비교 분석하여 결론적으로 5nm 두께에서 기존 대비 3.6배 가량의 강유전성을 개선할 수 있는 BOE 처리 방법과, BOE 후에 SC-1을 처리하는 방법을 최종적으로 제안하였다.
