강유전성 기반 메모리 소자 제작을 위한 플라즈마 원자층 증착법 기반의 HfO₂-ZrO₂ Nanolaminates 제조 및 특성 평가 연구
The Study of HfO₂-ZrO₂ Nanolaminates using Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition for Ferroelectric based Memory Device
- 주제(키워드) ALD , PEALD , Ferroelectric , HfO₂ , ZrO₂
- 주제(DDC) 621.042
- 발행기관 아주대학교
- 지도교수 서형탁
- 발행년도 2023
- 학위수여년월 2023. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 에너지시스템학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000032570
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
기존의 비휘발성 메모리 소자인 플래시 메모리의 한계를 극복하기 위해서 초 저전력, 초고속 구동이 가능한 차세대 미래형 메모리를 구현하고자 하는 노력이 계속되고 있다. 이를 달성하기 위해 강유전성을 활용할 수 있음이 최근 여러 연구를 통해 입증되기 시작하였으며, 상대적으로 낮은 두께에서 강유전 특성을 갖고 Si기반 device로서의 확장 가능성을 갖는 Hafnium oxide 물질이 주목받고있다. Hafnium oxide의 강유전성 원인은 아직 자세히 밝혀지지 않았지만, 많은 연구에서 비대칭적인 준안정상 orthorhombic phase 형성을 이유로 제시하고 있다. 준안정상 orthorhombic phase를 형성을 위해 Zr, Al, Si과 같은 원소의 doping, PMA가 가능하다. 저전력 구동 특성, 초고속 구동이라는 장점을 가지고 있기 때문에 많이 연구되고 있지만, 화학양론비, oxygen vacancy 제어가 까다롭고 강유전 특성의 발현을 위한 열처리 조건이 어렵다는 점을 극복해야 한다. 이 논문에서는 HfO2의 안정적인 강유전성 형성을 위해 HfO2-ZrO2 Nanolaminates 형성 및 열처리 조건 최적화를 진행하고 메모리 소자로의 응용가능성을 보여준다. 첫째로, Thermal ALD와 Plasma ALD를 이용해 증착된 HfO2박막의 특성을 비교하기 위해 각 증착법을 이용해 Si 기판 위에 10nm의 HfO2를 증착한 후, 상부 전극으로 E-beam evaporation을 이용해 Ti/Au를 증착하여 MOS stack을 형성한 뒤, 화학적 조성 및 전기적 특성을 비교분석하였다. Atomic Percent, GPC, Leakage Current, Capacitance를 분석했으며, 이를 통해 적절한 특성확보를 위한 증착 공정 선택의 초석을 제공하였다. 둘째로, FET형 FERAM으로의 응용가능성을 확인하기 위해서 Si 기판 위 Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition을 사용하여 HfO2-ZrO2 Nanolaminates 을 형성 한 후, 상부 전극으로 Sputter를 이용해TiN을 증착하여 MFS 구조를 형성한 뒤, 전기적특성을 확인하였다. 이를 통해 FeFET으로의 응용가능성을 확인하였다. 마지막으로, 멤리스터로의 응용가능성을 확인하기 위해 e-beam을 가해주면서 전기적 특성 분석을 진행했다. 다양한 세기의 e-beam을 가해주면서 소자의 저항 변화를 측정했을 시, e-beam의 세기가 강할수록 저항이 작아지는 결과를 확인했다. 또한 전자빔의 세기가 강할수록 retention time이 증가함을 확인했으며, 이에 따라 저항 변화 메모리 소자로서의 기능이 가능하며 더 나아가서 뉴로모픽 소자로서의 기능도 수행할 수 있음을 확인했다. 결론 지으면, 차세대 메모리 소자로서 강유전성 물질이 주목받고 있으며, 본 연구에서는 안정적인 강유전성을 갖는 HfO2-ZrO2 Nanolaminates 형성 기술, 이를 활용한 차세대 메모리 소자로써 확장 가능성을 보여주었다. 이 연구를 통해서 차세대 초 저전력 초고속 메모리 소자의 개발에 있어서 HfO2-ZrO2 Nanolaminates 공정의 접목성을 재고해보고, 연구 결과가 HfO2-ZrO2 Nanolaminates 강유전성 연구에 대한 초석이 되길 기대한다.
more목차
제 1장. 서 론 1
1. 차세대 메모리를 위한 신소재 연구의 필요성 1
2. 이론적 배경 3
가. Hafnium Dioxide (HfO2) 3
나. Zirconium Dioxide (ZrO2) 5
다. 강유전성 (Ferroelectricity) 7
라. 강유전성 메모리 (Ferroelectric RAM, FeRAM) 8
마. 강유전성 전계효과 트랜지스터 (Ferroelectric FET, FeFET) 9
바. Plasma Enhanced ALD 10
사. X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) 13
아. Transmission Electron Microscopy (TEM) 14
자. Spectroscopic Ellipsometry (SE) 15
제 2장. Thermal ALD, PEALD를 통한 HfO2 Film 제조 및 특성 비교 18
1. 서론 18
2. 실험 방법 20
가. Thermal ALD 20
나. Plasma Enhanced ALD 20
3. 실험 결과 및 고찰 20
가. Growth Per Cycle (GPC) 20
나. 전기적 특성 분석 21
다. 계면 특성 분석 23
라. 화학적 조성 분석 24
마. 표면 거칠기 분석 26
4. 결론 27
제 3장. PEALD기반 HfO2-ZrO2 Nanolaminates의 플라즈마 세기에 따른 강유전 특성 분석 28
1. 서론 28
2. 실험 방법 32
가. Oxide deposition by PEALD 32
나. Ti/Au Electrode by E-beam evaporation 32
다. Rapid Thermal Annealing 32
3. 실험 결과 및 고찰 33
가. 구조적 분석 33
나. 화학적 조성 분석 35
다. 표면 분석 37
라. 전기적 특성 분석 38
마. 광학적 특성 분석 40
4. 결론 42
제 4장. E-beam을 이용한 HfO2기반 멤리스터 43
1. 서론 43
2. 실험 방법 44
가. TiN deposition by Reactive sputter 44
나. HfO2 deposition by PEALD 44
다. Ti/Au Electrode by E-beam evaporation 44
3. 실험 결과 및 고찰 44
가. 구조 및 전기적 특성 분석 45
나. 구조적 특성 분석 49
다. 저항 스위칭 특성 분석 55
라. 나노 스케일 특성 및 인체 유사 거동 59
4. 결론 64
제5장. 결론 65
제6장. Supporting Figure 68
참고문헌 70
