산화텅스텐 층으로 고온에서도 깨끗한 웨이크업 없는 Hf0.5Zr0.5O2 구현

초록

ALD로 증착한 산화텅스텐(WO₃₋ₓ) 얇은 층을 Hf₀.₅Zr₀.₅O₂(HZO)와 인터페이스에 삽입하면 125 °C에서도 강한 페로전기(o‑phase)를 유지하고, 기존 10⁵ 사이클이 필요하던 웨이크업 현상을 10 사이클로 감소시킨다. DFT 계산은 WO₃₋ₓ가 정방형‑정방상 전이 에너지 차이를 확대하고, 유리한 포논 모드 결합을 강화해 고온에서 o‑phase의 열역학·동역학적 안정성을 높인다는 것을 보여준다.

상세 분석

본 연구는 5 nm 두께의 Hf₀.₅Zr₀.₅O₂(HZO) 얇은 막에 산화텅스텐(WO₃₋ₓ) 층을 인터페이스 산소 저장소로 활용함으로써 고온(125 °C)에서도 페로전기 특성을 유지하는 새로운 접근법을 제시한다. WO₃₋ₓ는 두 가지 방법, 즉 W 전극 표면을 O₂ 플라즈마로 부분 산화시키는 방법과 플라즈마‑ALD(PE‑ALD)로 직접 5 nm·6 nm 두께의 WO₃₋ₓ를 증착하는 방법으로 구현되었다. STEM‑EDS와 XPS 분석을 통해 두 방법 모두 WO₆⁺ 산화 상태와 비정질 산소 결함(V_O) 존재를 확인했으며, 플라즈마 처리 방식이 V_O 농도가 약 28 %로 높아 전도성이 증가함을 밝혀냈다. 반면 ALD 방식은 V_O가 21 % 수준으로 낮아 전도성이 감소하고, 이로 인해 HZO 층에 가해지는 전압이 증가해 강한 코히어시브 전압을 나타냈다.

전기적 특성 평가에서는 모든 장치가 비슷한 잔류 분극(2P_r)을 보였으며, WO₃₋ₓ 삽입이 엔듀런스와 누설 전류 감소에 기여함을 확인했다. 특히 온도 상승에 따라 기준 장치는 85 °C에서 이중 피크 형태의 스위칭 전류를 보여 안티페로전이 전이 현상이 조기에 발생했지만, WO₃₋ₓ가 삽입된 장치는 피크 간격이 크게 감소하거나 사라져 고온에서도 o‑phase가 유지되는 것을 입증했다. 125 °C에서 기준 장치는 2P_r이 급격히 감소했으나, WO₃₋ₓ 장치는 약 90 % 이상의 분극을 유지했다.

DFT 계산은 WO₃₋ₓ가 HZO 표면에 존재할 때 정방형(t)‑정방상(o) 자유에너지 차이가 30 meV 정도 확대되어 고온에서 o‑phase가 열역학적으로 우세해짐을 보여준다. 또한 X₂′ 포논 모드와의 결합이 강화되어 구조적 전이 장벽이 상승하고, 이는 실험적으로 관찰된 고온 안정성 향상과 일치한다.

결과적으로, WO₃₋ₓ는 산소 저장소 역할을 넘어 인터페이스 응력 완화, 전자/이온 전도성 조절, 그리고 페로전기 상의 에너지 지형 변형을 동시에 제공한다. 이는 BEOL 공정에서 요구되는 125 °C 이상의 동작 온도와 JEDEC 기준을 만족시키는 메모리‑온‑로직(3D‑IC) 구현에 핵심적인 소재 전략으로 평가된다.