In recent years, thick films (> 30 nm) based hafnium zirconium oxide (HZO) devices gained considerable attention in sensors, displays, logic and memory devices. However, one of the main drawbacks of HZO material is that as the film thickness increases, dielectric constant (κ) can deteriorate. To address this issue, we investigated a study on the enhancement of dielectric constant for thick HZO films at low thermal budget process. In this work, we experimentally demonstrated the existence of a morphotropic phase boundary (MPB) in the relatively thick HZO films with Al2O3 insertion thin film by employing microwave annealing process at 350 °C. A high dielectric constant was achieved by optimizing processes parameters such as HZO compositions (1:1, 1:3, and 1:5), HZO film thicknesses (15, 30, and 45 nm), different annealing conditions (PMA 350 °C and PDA 350 °C), different electrode and annealing approaches (MWA and FA) near MPB. The optimized dielectric constant was found to be around 42 near MPB for the 30nm-thick HZO (1:5) films due to the formation of high tetragonal phase (t-phase) in Zr rich films. Further, GIXRD reveals the formation of higher tetragonal phase (t-phase) in the case of HZO (1:5) films under the PMA condition, resulting in an increased dielectric constant. On the other hand, Mo electrode has larger tensile stress than TiN, and different electrodes in HZO capacitors can prevent the etching issue in thin-film-transistor integration process. To better understand device reliability, endurance measurements were performed, revealing that devices with TiN electrode are endurable up to 109 cycles, while Mo can only endurance to 105 cycles. The present work provides a promising method for achieving a high dielectric constant in thick HZO films for sensors, display devices and smart electronic systems in the contemporary electronic industry.
최근 몇 년 동안 후막 (> 30nm) 기반 하프늄 지르코늄 산화물 (HZO) 장치가 센서, 디스플레이, 논리 및 메모리 장치에서 상당한 주목을 받았습니다. 그러나 HZO 재료의 주요 단점 중 하나는 필름 두께가 증가함에 따라 유전 상수 (κ)가 저하될 수 있다는 것입니다. 이 문제를 해결하기 위해 낮은 열 예산 공정에서 두꺼운 HZO 필름의 유전 상수 향상에 대한 연구를 조사했습니다. 본 연구에서는 350 °C에서 마이크로웨이브 어닐링 공정을 사용하여 Al2O3 삽입 박막을 갖는 상대적으로 두꺼운 HZO 박막에서 모르포트로픽 위상 경계 (MPB)의 존재를 실험적으로 입증했습니다. HZO 조성(1:1, 1:3, 1:5), HZO 필름 두께 (15, 30, 45nm), 다양한 어닐링 조건 (PMA 350°C 및 PDA 350°C), MPB 근처에서 다른 전극 및 어닐링 접근법(MWA 및 FA). 최적화된 유전 상수는 Zr이 풍부한 필름에서 높은 정방정계 위상(t-상)의 형성으로 인해 30nm 두께의 HZO(1:5) 필름에 대해 MPB 근처에서 약 42인 것으로 밝혀졌습니다. 또한, GIXRD는 PMA 조건 하에서 HZO(1:5) 필름의 경우 더 높은 정방정계 상(t-상)의 형성을 나타내며, 그 결과 유전 상수가 증가합니다. 반면에 Mo 전극은 TiN보다 인장 응력이 크며 HZO 커패시터의 다른 전극은 박막 트랜지스터 통합 공정에서 에칭 문제를 방지할 수 있습니다. 장치의 신뢰성을 더 잘 이해하기 위해 내구성 측정을 수행하여 TiN 전극이 있는 장치는 최대 109 주기까지 견딜 수 있는 반면 Mo는 105주기까지만 견딜 수 있음을 보여주었습니다. 본 연구는 현대 전자 산업에서 센서, 디스플레이 장치 및 스마트 전자 시스템을 위한 두꺼운 HZO 필름에서 높은 유전 상수를 달성하기 위한 유망한 방법을 제공합니다.
