Ferroelectric $HfO_2$ films have drawn significant attention in recent times due to its potential applications in ferroelectric random access memory (FeRAM), negative capacitance field effect transistors (NCFET), ferroelectric tunnel junction (FTJ), synaptic devices. Ferroelectricity in $HfO_2$ depends on various factors such as composition, post metallization process, process conditions, etc. In this research report, an in-depth analysis is carried out to understand the role of high-pressure annealing (HPA) conditions on ferroelectricity as well as interfacial non-ferroelectric film in $Hf_xZr_{1-x}O_2$ (HZO) capacitors in metal-ferroelectric-metal (MFM) structure. HZO demonstrates highest ferroelectricity at 1:3 Hf:Zr ratio in HPA and a maximum remanent polarization (Pr) of 31 ${\mu C cm^{-2}}$ was achieved as compared to 19 ${\mu C cm^{-2}}$ obtained in RTA (1:1 HZO). To understand the influence of HPA conditions, HZO 1:3 capacitors are annealed at various temperatures (300 °C, 400 °C, 500 °C, 600 °C) and pressures (1 atm, 50 atm, 200 atm). Ferroelectricity in HZO is found to enhance with increasing HPA temperature or pressure due to higher ferroelectric phase formation as revealed by GIXRD analysis. Transient pulse switching measurement suggests reduction in the effective thickness of the interfacial non-ferroelectric film at a high HPA temperature and pressure which was also validated by impedance analysis. Further, impedance analysis reveals a reduction in the number of oxygen vacancy defects with increasing annealing temperature and pressure implying a phase transition from the tetragonal phase of non-ferroelectric layer to ferroelectric orthorhombic phase. Additionally, excellent endurance property till $10^{9}$ cycles with reduced wake-up effect was observed in 1:3 HZO capacitors with increasing the HPA temperature, while higher annealing pressure is found to increase Pr without affecting its endurance property. The results obtained herein, can be of significant scientific importance, especially to achieve enhanced ferroelectric property with reduced wake-up effect in HZO ferroelectrics, which is beneficial for FeRAM applications.
하프니아 강유전체 박막은 최근 FeRAM, NCFET, FTJ, 신경망 소자 등의 응용의 잠재적 후보군으로써많은 이목을 끌고 있다. 하프니아 기반의 강유전체 물질은 조성 비율과 금속 증착 후 과정, 공정 조건에 따라 특성이 결정된다. 본 연구는 고압 열처리 (HPA)의 효과와 $Hf_xZr_{1-x}O_2$ (HZO) 금속-강유전체-금속 구조 커패시터의 계면에 존재하는 비강유전성 박막에 대해서 깊이 있는 분석을 진행하였다. HZO 물질의 경우 HPA (1:3 HZO)를 이용하였을 때 잔류 분극 31 ${\mu C cm^{-2}}$의 가장 높은 강유전성을 보여주며,이는 RTA (1:1 HZO)에서 얻은 19 ${\mu C cm^{-2}}$ 보다 훨씬 높다. HPA 조건의 영향에 대해 알아보기 위해, HZO 1:3 커패시터를 다양한 온도 (300, 400, 500, 600 °C) 와 다양한 압력 (1, 50, 200 atm )에서 열처리를 진행했다. HPA 온도와 압력이 증가함에 따라 강유전성을 띄는 상의 형성이 증가함을 GIXRD 분석을 통해 확인할 수 있었으며, 이에 따라 강유전성이 향상되었다. 펄스 스위칭 측정를 통해 고온 고압의 HPA 를 이용할 경우 계면의 비강유전성 물질의 형성이 줄어듦을 확인할 수 있었으며,이를 저항 분석을 통해 재확인하였다. 이에 더해 저항 분석을 통해 열처리 온도와 압력이 증가함에 따라 산소 공백 결함이 감소함을 확인하였고 이는 비강유전성 단계인 정방정계상에서 강유전성인 사방정계 상의 상변화를 시사한다. 추가적으로 1:3 HZO 캐패시터에서, HPA 열처리 온도가 증가함에 따라 웨이크-업 효과가 감소함과 동시에 매우 우수한 지구력 특성이 $10^{9}$ 주기 까지 확보되었으며, 열처리 압력이 증가함에 따라 지구력 특성의 변화 없이 더 높은 Pr값을 보임을 확인할 수 있었다. 이러한 연구 결과는 매우 과학적 의미가 있으며, HZO 강유전체에서 웨이크-업 효과를 감소시켜 더 우수한 강유전성을 확보할 수 있다는 점에서, FeRAM과 같은 메모리 소자에 매우 유용하게 적용될 수있다.
