Effects of ZrO2 Seed Layer on Hf0.5Zr0.5O2 for Back-End-of-Line Compatible Ferroelectric
- 주제어 (키워드) Ferroelectric , HfxZr1-xO2 (HZO) , Thickness scaling , ZrO2 , Seed layer , Position , Back-end-of-line compatibility , low temperature , Annealing , Orthorhombic phase , Oxygen scavenging , Oxygen vacancy , Wake-up , 강유전체 , HfxZr1-xO2 (HZO) , 두께 감소 , ZrO2 , 시드층 , 위치 , 후속 공정 호환 , 저온 , 열처리 , 사방정계 , 산소 스캐벤징 , 산소 결손 , 웨이크업
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 김시현
- 발행년도 2025
- 학위수여년월 2025. 8
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 전자공학과
- 실제 URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000082159
- UCI I804:11029-000000082159
- 본문언어 영어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권 보호를 받습니다.
초록 (요약문)
인공지능 (AI) 기술의 급속한 발전에 따라 고속 및 에너지 효율적인 데이터 처리 능력의 필요성을 부각되고 있다. 기존의 비휘발성 메모리 (NVM) 소자는 데이터 전송 속도와 에너지 소비의 한계로 인해 대규모 연산 시 전력 소모와 열 발생 문제가 발생하며, 이에 따라 고속 및 저전력 작동이 가능한 차세대 NVM 반도체의 필요성이 커지고 있다. 유망한 후보 중 하나로 강유전체 기반 비휘발성 메모리 소자에 대한 연구가 이뤄지고 있으며, 이를 위한 강유전체 물질로 지르코늄으로 도핑된 하프늄 산화물 (HfₓZr₁₋ₓO₂, HZO)은 얇은 박막에서도 안정적인 강유전성을 유지하며, 상보성 금속 산화물 반도체(CMOS) 기술과의 호환성을 통해 주목받고 있다. 본 논문은 지르코늄 산화물 (ZrO₂) 시드층이 HZO 박막의 두께 감소 과정에서 강유전성에 미치는 영향을 분석하며, 특히 후속 공정과 호환 가능한 조건 (≤400℃)에서의 성능 향상을 목표로 한다. HZO 구조 내 ZrO₂ 시드층의 최적 위치를 찾기 위해 금속-강유전체-금속 (MFM) 커패시터를 제작하여 ZrO₂ 시드층을 하단, 중간, 상단에 배치하고 HZO 박막의 두께를 감소시키며 강유전성에 미치는 영향을 분석했다. PUND 측정, 그레이징 입사 X선 회절, 산소 결손 조사 등을 통해 분석한 결과, HZO 박막의 중간에 ZrO₂ 시드층을 배치하는 것이 스트레스를 효과적으로 유도하여 8 nm의 두께에서 350℃의 낮은 열처리로도 사방정계 (o-phase) 형성을 촉진함으로써 15.8 μC/cm2의 잔류 분극을 가지는 것을 확인했다. 또한, 장기간의 사이클링 조건 (~108 cycles)에서도 강유전성 열화가 발생하지 않고 안정적으로 분극을 유지하며 저장된 데이터를 10년 간 유지할 수 있다는 것을 확인했다. 본 논문은 HZO 박막의 차세대 비휘발성 메모리 소자의 소재로서 가능성을 입증하며, HZO 박막이 후속 공정 호환 가능한 소재라는 것을 보여준다. 이러한 우수한 특성은 현대 AI 시스템의 요구를 충족하는 동시에 기존 반도체 공정과의 호환성을 보장하여 HZO 기반 비휘발성 메모리 소자의 상용화를 위한 중요한 자료를 제공한다.
more초록 (요약문)
The rapid advancement of artificial intelligence (AI) technology has highlighted the need for high-speed and energy-efficient data processing capabilities. Conventional non- volatile memory (NVM) devices face limitations in data transfer rates and energy consumption, leading to significant power and heat generation issues during large-scale computations. Consequently, there is an increasing demand for next-generation NVM semiconductors capable of high-speed and low-power operation. Research is being conducted on ferroelectric-based NVM devices as one of the promising candidates, and zirconium-doped hafnium oxide (HfₓZr₁₋ₓO₂, HZO) has gained attention for its ability to maintain stable ferroelectricity even in thin films and its compatibility with complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) technology. This paper aims to analyze the impact of a zirconium dioxide (ZrO₂) seed layer on the ferroelectric properties of HZO thin films as their thickness is reduced, with a focus on improving performance under conditions compatible with subsequent processing (≤400°C). To find the optimal positioning of the ZrO₂ seed layer within the HZO structure, metal- ferroelectric-metal (MFM) capacitors were fabricated with the ZrO₂ seed layer placed at the bottom, middle, and top, while reducing the thickness of the HZO films to analyze ferroelectricity. Through PUND measurements, grazing incidence X-ray diffraction, and oxygen vacancy investigations, it was found that positioning the ZrO₂ seed layer in the middle of the HZO film effectively induces stress, promoting the formation of the orthorhombic phase (o-phase) at a low annealing temperature of 350°C even at a thickness of 8 nm, achieving a remnant polarization of 15.8 μC/cm². Furthermore, under prolonged cycling conditions (~10⁸ cycles), no ferroelectric degradation was observed, and the ability to retain stored data for 10 years was confirmed. This paper demonstrates the potential of HZO thin films as a material for next- generation NVM devices, showing that HZO is a material compatible with subsequent processing. These excellent properties meet the demands of modern AI systems while ensuring compatibility with existing semiconductor processes, providing crucial insights into the commercialization of HZO-based NVM devices.
more목차
초록 I
Abstract III
List of Figures V
Chapter 1. Introduction 1
1.1. The Need for High-Speed, Low-Power Memories 1
1.2. Development of Ferroelectrics 4
1.3. BEOL Compatibility 7
1.3.1. BEOL-Compatible Ferroelectric 7
1.3.2. Seed Layer Engineering 10
Chapter 2. MFM Capacitors with ZrO2 Seed Layer 12
2.1. Effects of ZrO2 Seed Layer Position 12
2.2. Fabrication of MFM Capacitors 14
Chapter 3. Ferroelectricity Analysis 17
3.1. Analysis Method 17
3.2. MFM Capacitor Measurement 20
3.2.1. P-E Curves with Thickness Scaling and Annealing Temp 20
3.2.2. Analysis of Pr and Ec Tendency 25
3.3. Crystal Structure and Oxygen Bonding Analysis 29
3.3.1. O-phase Formation 29
3.3.2. Oxygen Scavenging Effect 34
3.4. Reliability Analysis 39
3.4.1. Endurance 39
3.4.2. Retention 42
3.4.3. Properties in High-Temperature Environments 44
Chapter 4. Conclusion 46
Bibliography 48
List of Publications 55
Conferences 55
Journals 56
