프레젠테이션

강력한 기술 발전으로 자기 저항성 랜덤 액세스 메모리와 강유전체 랜덤 액세스 메모리(FRAM)를 포함한 저전력 비휘발성 메모리가 IoT 장치용 저전력 마이크로 컨트롤러와 통합되었습니다). 강유전체 Pb(ZrTi)O3(PZT) 필름을 사용한 FRAM은 플래시 메모리에 비해 훨씬 저렴합니다. 일반적으로 강유전체 필름의 두께를 늘리면 강유전체 커패시터의 크기가 줄어들어 전력 소비가 감소합니다. 그러나 PZT 필름은 100nm 미만으로 얇아지면 강유전성을 잃는 것으로 알려져 있습니다. 또한 귀금속 전극이 있는 PZT 필름은 반도체 공정과 완전히 호환되지 않습니다. 지금까지 기존의 강유전체 소재를 대체할 수 있는 여러 강유전체 소재가 보고되었습니다. 2011년에 보고된 강유전체 HfO2 필름은 강유전성을 3nm 이하로 유지할 수 있다는 장점이 있습니다. 제조 공정은 반도체 공정과 완전히 호환되는 방식으로 저온에서 수행할 수 있습니다. 또한 2019년에 100μC cm-2 이상의 잔류 분극(Pr)을 갖는 강유전체 Al1-xScxN 필름이 보고되었습니다.26,27) 높은 Pr은 강유전체 커패시터의 전극을 더욱 줄여 더 높은 부피 밀도를 얻을 수 있고 쓰기 및 읽기 작업 중 전류 쓰기 및 읽기 작업 중 감지는 노이즈에 쉽게 저항할 수 있습니다.

Al1-xScxN 필름의 문제점 중 하나는 상대적으로 높은 보자력(EC)으로, 이는 Al1-xScxN 필름의 Sc 원자의 구성(x)에 따라 달라지며 제어할 수 있습니다. 용어적 측면에서의 장점 Al1-xScxN의 피브릴 징크사이트형 구조는 0 < x < 0.46 범위(질화물, 금속면 또는 N면의 경우)에서 Al-Sc-N 시스템에서 안정적인 상 극성을 가지며, 필름 영역에서도 자기 편광된 c축 방향의 Al1-xScxN 필름 증착을 기대할 수 있습니다.

우리는 두께에 따른 강유전 특성을 20nm까지 보고했습니다. 우리는 Al0.78Sc0.22N 필름에서 두께 효과를 특성화하는 작업을 필름의 결정 배향 및 강유전 특성 정도까지 확장했습니다. 도핑 밀도가 3 × 1018 cm-3인 n+Si 기판을 과산화황 혼합물 용액(SPM, H2SO4/H2O2= 3:1)으로 화학적으로 세척한 다음 묽은 HF(1%)로 함침시켰습니다. TiN 바닥 전극은 300W의 RF 전력에서 각각 4 및 6 sccm의 Ar 및 N2 가스 유속으로 Ti 타겟에 0.22 Pa의 압력으로 기판에 스퍼터 증착된 다음 기판은 3 × 1018 cm-3의 도핑 밀도 및 3 × 1018 cm-3의 도펀트 밀도로 n+Si 용액에 스퍼터 증착되었습니다. 그런 다음 각각 5 및 10 sccm의 Ar 및 N2 가스 유량과 0.7 Pa의 압력으로 300W에서 DC 스퍼터링을 통해 Al0.57Sc0.43 타겟에서 Al0.78Sc0.22N 필름을 증착했습니다. 이러한 조건에서 증착된 Al0.78Sc0.22N 필름의 조성은 X-선 광전자 분광법으로 결정되었습니다. 우리는 Al0.78Sc0.22N 필름의 증착 시간을 변화시켜 10-47nm 두께의 필름을 형성했습니다. Al0.78Sc0.22N 필름 위에 또 다른 TiN 층을 제자리에서 증착했습니다. 모든 증착 공정은 400°C의 일정한 온도에서 유지되었습니다. 상단 TiN 층은 과산화암모늄 혼합물(APM, NH4OH: H2O2:H2O = 1:5:5)을 사용하여 습식 에칭으로 포토리소그래피 패턴을 형성하여 상단 전극을 형성했습니다. 마지막으로 열 증발에 의해 알루미늄 후면 접촉이 형성됩니다. 우리는 커패시터가 인가된 전기장에서 거의 동일한 누설 전류를 가지며, 이는 필름 내부와 계면 근처의 결함 밀도 크기가 동일하다는 것을 시사합니다. 필름 내 결정화 및 결정립의 방향은 평면 외 및 흔들리는 곡선 구성에서 X선 회절(XRD)로 평가했습니다. X-선 소스는 발산각이 0.04°인 CuKa를 사용했습니다. 정전 용량-전압(CV) 특성은 50mV의 작은 신호 진폭으로 100kHz에서 애질런트 E4980A LCR 미터를 사용하여 얻었습니다. 커패시터의 특성을 파악하기 위해 10kHz에서 TOYO FCE10 시리즈 설정을 사용하여 편광-전압(PV)을 측정했습니다.

애플리케이션

이 백서의 주요 초점은 강유전 특성을 조사한 스퍼터 증착된 무극성 Al0.78Sc0.22N 필름의 두께 스케일링에 있습니다. 10nm 정도의 얇은 필름으로 X-선 위글 곡선 측정을 통해 c축 배향 필름이 확인되었습니다. 20nm 두께에서도 정전용량 측정에서 강유전 히스테리시스 및 비분극 거동이 관찰되었습니다. 잔류 편광(Pr)은 35nm 미만의 두께에서 점진적으로 저하되는 것으로 나타났습니다. 스위칭(SW) 사이클링 테스트에서는 특히 35nm보다 두꺼운 필름의 경우 필름에서 웨이크업 효과가 나타납니다.

그림 4와 같이 20 및 40nm 두께의 Al0.78Sc0.22N 필름에서 극성 의존적 CV 측정을 수행했습니다. 처음에 샘플에 적용된 커패시턴스는 상단과 하단 스캔 간에 거의 차이가 없었습니다 [그림 4(a)]. 그 후, 상단 전극에 음의 전압을 가하면 특정 전압에서 급격한 강하와 함께 커패시턴스가 점진적으로 증가하는 것이 관찰되었습니다. 이어서 양의 방향으로 전압을 인가하면 강유전체 스위칭(SW) 동작이 나타났습니다. 반면에 그림 4(b)와 같이 신선한 샘플에 초기 전압을 음의 방향으로 설정하면 필름이 스위칭되었음을 나타내는 커패시턴스가 급격히 떨어지는 것을 볼 수 있습니다. 이러한 측정 결과를 통해 Al0.78Sc0.22N 필름이 표면에서 기판 방향으로 자체 편광되었다는 결론을 내릴 수 있습니다.

출처

저자: 차이 성린, 호시이 타쿠야1, 와카바야시 히토시1, 츠츠이 카즈오, 정 티엔 칸, 에드워드 이 창, 카쿠시마 쿠니유키

기관 : 도쿄공업대학 공학부, 4259 S2-20, 나가츠타, 미도리구, 요코하마 226-8502, 일본 2국제대학 오브 반도체 기술, 국립 중정대학교, 1001 University Road, Hsinchu 30010, Taiwan ROC 3혁신 연구 연구소, 도쿄 일본 요코하마 미도리구 나가츠타 4259 S2-20, 나가츠타 226-8502, 일본 4 국립 치아오퉁대학교 기계공학과 국립 중정대학교 기계공학과, 1001 University Road, Hsinchu 30010, Taiwan ROC

발행: 2020년 10월 16일 접수, 2021년 3월 7일 수정, 2021년 3월 16일 승인, 2021년 4월 1일 온라인 게시

저널: 일본 응용 물리학 저널 60, SBBA05(2021)

기사 출처 웹사이트: 강유전체(Al0.78Sc0.22N) 필름의 두께 스케일링에 관하여 ((https://iopscience.iop.org/article/10.35848/1347-4065/abef15/pdf)