アニールなしでシクロペンタディエニルベースの前駆体を使用して原子層堆積を介して堆積したハフニウム - ジルコニウム - 酸化物薄膜の上上および安定した強誘電特性

原子層堆積法によって堆積された HfO2 ベースの強誘電体薄膜は、次世代強誘電体デバイスの有望な候補として広く研究されています。アモルファス Hf1-xZrxO2 膜の強誘電相 (非中心対称斜方晶相) への変換は、ポストサーマル プロセスを使用したアニーリングによって達成されました。しかし、この研究では、追加の後熱処理を行わずに、シクロペンタジエニルベースの前駆体を使用して原子層堆積によって堆積されたハフニウムジルコニウム酸化物（HZO）薄膜の強誘電性についての最初の報告を提示します。シクロペンタジエニルベースのカクテル前駆体を使用して堆積温度を高めることにより、堆積したままの HZO 薄膜が斜方晶相でよく結晶化する条件が確保され、大きな残留分極 (2Pr 〜 47.6 μC cm-2) を持つ優れた強誘電特性が得られました。）は結晶化アニーリングなしで実装されました。堆積したままの HZO 薄膜は、最大 106 サイクルまでウェイクアップ効果や重大な疲労を生じることなく、非常に安定した強誘電特性を備えていました。さらに、負性容量と不揮発性メモリの特性を利用したデバイスへの適用可能性を実証しました。この結果は、バックエンドプロセスや強誘電体ベースのフレキシブルデバイスアプリケーションなど、その後の処理温度の制約が必要な強誘電体デバイスに新しい戦略を適用できることを示唆しています。

HfO2-based ferroelectric thin films deposited via atomic layer deposition have been extensively studied as promising candidates for next-generation ferroelectric devices. The conversion of an amorphous Hf1-xZrxO2 film to the ferroelectric phase (non-centrosymmetric orthorhombic phase) has been achieved through annealing using a post-thermal process. However, in this study, we present the first report of ferroelectricity of hafnium-zirconium-oxide (HZO) thin films deposited via atomic layer deposition using cyclopentadienyl-based precursors without additional post-thermal processing. By increasing the deposition temperature using a cyclopentadienyl-based cocktail precursor, the conditions of the as-deposited HZO thin film to crystallize well with an orthorhombic phase were secured, and excellent ferroelectric properties with a large remanent polarization (2Pr ∼ 47.6 μC cm-2) were implemented without crystallization annealing. The as-deposited HZO thin film possessed very stable ferroelectric properties without a wake-up effect or significant fatigue up to 106 cycles. Futhermore, we demonstrated the applicability to devices using negative capacitance and non-volatile memory characteristics. This result suggests that a new strategy can be applied to ferroelectric devices where subsequent processing temperature constraints are required, such as back-end-of-line processes and ferroelectric-based flexible device applications.