원자층 증착 공정을 통한 비열처리 Hf1-xZrxO2 박막의 강유전 특성 향상에 대한 연구

Abstract

Hf1-xZrxO2 박막은 다양한 장점들로 인하여 차세대 강유전체 소자에 적용될 수 있는 HfO2 기반 강유전 박막 중 가장 각광받는 물질이다. Hf1-xZrxO2 박막은 공정조건 및 조성에 따라 다양한 상을 가지고 있기 때문에, 상전이와 관련된 조건에 따른 강유전 특성 거동에 관한 많은 연구가 진행되어 왔다. 본 연구에서는 열 안정성이 높은 Hf[Cp(NMe2)3] 및 Zr[Cp(NMe2)3] 전구체를 사용하여 고온에서 ALD 공정을 진행함으로써 as-deposited 상태에서도 결정질인 Hf1-xZrxO2 박막을 증착하고, 이때 Zr 함량에 대한 영향을 조사했다. 기존의 연구에서는 Hf1-xZrxO2 박막의 결정화를 위해 후속 열처리가 필요했지만, 본 연구에서는 열처리 없이 상유전, 강유전, 반강유전 특성의 상전이 거동을 처음으로 명확하게 관찰하였다. Zr이 지배적인 Hf1-xZrxO2 박막의 강유전/반강유전 특성 경계 조성에서, 강유전 특성은 열처리에 의해 반강유전 특성으로 변화함이 관찰되었다. 또한 강유전 및 반강유전 특성의 안정적인 내구성을 확보하기 위한 공정 조건을 제시하였다. 한편, Al, La, Y 등의 3족 원소가 도핑된 Hf1-xZrxO2 박막은 다양한 증착법으로 제작되며, 강화된 강유전상을 보인다. 그 중 Y의 경우, 도핑에 따른 강유전 특성 개선 정도가 큰 도펀트로 알려져 있다. Al, La 원소의 경우, 미세한 도핑 농도 및 두께 제어가 가능한 ALD 공정을 통해 Hf1-xZrxO2로의 도핑 연구가 다수 진행되었다. 그러나 Y의 경우, Hf1-xZrxO2 박막의 강유전 특성 향상을 목적으로 한 ALD 기반 연구는 진행되지 않았다. 따라서, 본 연구에서는 ALD로 증착된 다양한 조성을 가지는 비열처리 Hf1-xZrxO2 박막에서, Y 도핑이 강유전 특성 및 추가적인 전기적 특성에 미치는 영향을 조사하였다. Y 도핑 사이클에 따른 orthorhombic상, tetragonal상, cubic상의 단계적 안정화로 인한 비열처리 Y-Hf1-xZrxO2 박막의 강유전, 반강유전, 상유전 특성 거동이 관찰되었다. 추가적으로, 낮은 thermal budget을 가지는 비열처리 Y-Hf1-xZrxO2 박막에서 강유전 특성의 향상뿐만 아니라, Ec값 감소, 유전상수 증가, 누설전류 밀도 개선 및 wake-up free 특성을 갖춘 내구성 증가라는 복합적인 이점이 확인되었다. 결론적으로, 본 연구는 공정의 간소화 및 낮은 thermal budget과 우수한 전기적 특성을 바탕으로, Hf1-xZrxO2 기반 강유전 박막 및 반강유전 박막의 반도체 소자 적용에 적합한 공정 가이드를 제안한다.