The purpose of this research is to analyze the material, electrical and reliability properties of hafnium-zirconium oxide($Hf_{0.5}Zr_{0.5}O_2$) based ferroelectric devices based on ruthenium oxide electrodes using atomic layer deposition(ALD). The ruthenium oxide electrode deposited by ALD method was applied to the metal-ferroelectric-metal(MFM) devices to suppress the oxygen vacancy in the hafnium thin films which cause the wake-up effect and the degradation of reliability. The difference in material, electrical and reliability characteristics was analyzed by applying titanium nitride(TiN) which are typical electrode materials and ruthenium oxide($RuO_2$) thin films to the top electrode(TE), respectively. The device with $RuO_2$ electrode at the TE has less oxygen vacancy at the interface with the upper hafnium - zirconium oxide than the device with the TiN TE. Less oxygen vacancy occurred at the upper interface between $RuO_2$ and $Hf_{0.5}Zr_{0.5}O_2$, resulting in less wake-up effect and improved electrical properties. However, another improvement goal, reliability, did not improve. Through electrical analysis, it was confirmed that the work function of the electrode changed at the interface, and indirectly found that the $RuO_2$ was reduced to ruthenium(Ru) through materials property analysis. During rapid thermal annealing(RTA) process, the reduction to Ru led to a decrease in work function, which in turn resulted in poorer leakage properties.
본 연구는 원자층 증착법을 이용한 루테늄 옥사이드 산화물 전극에 따른 하프늄-지르코늄 옥사이드 기반 강유전체 소자의 물성 분석, 전기적 특성과 신뢰성 특성 분석을 목적으로 한다.
웨이크-업 효과와 신뢰성 저하의 원인인 하프늄 박막의 산소 결원을 억제하기 위해 원자층 증착법으로 증착한 루테늄 옥사이드 산화물 전극을 금속-강유전체-금속 소자에 적용하였다. 대표적인 전극 물질인 타이타늄 나이트 라이드와 루테늄 옥사이드 박막을 상부 전극에 각각 적용해 재료적, 전기적, 신뢰성 특성이 어떠한 차이를 나타내는지 분석하였다. 상부에 루테늄 옥사이드 전극을 적용한 소자가 타이타늄 나이트 라이드 상부 전극을 적용한 소자보다 상부 하프늄-지르코늄 옥사이드와의 계면에 산소 결원이 덜 발생하였다. 루테늄 옥사이드와 하프늄-지르코늄 옥사이드와의 상부 계면에서 산소 결원이 덜 발생하면서 웨이크-업 효과가 덜 이뤄지면서 특성이 개선됐다. 하지만, 또 다른 개선 목표인 신뢰성 특성은 개선이 되지 않았다. 전기적 분석을 통해, 계면에서 전극의 일함수가 변한 것을 확인하였고, 물성 분석을 통해 루테늄 옥사이드가 루테늄으로 환원된 것을 간접적으로 찾아냈다. 열처리 시, 루테늄으로의 환원은 일함수의 감소로 이어졌고, 결국 리키지 특성이 보다 안 좋아지게 되었다.