플라즈마 원자층 증착법 기반 HfO2-TiO2 Nanolaminates Thin Film의 특성 분석 연구
Characterization Study of HfO2-TiO2 Nanolaminates Thin Films Using Plasma-Enhanced Atomic Layer Deposition
- 주제(키워드) ferroelectric , HfO2-TiO2 , 강유전성 , PEALD
- 주제(DDC) 621.042
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 서형탁
- 발행년도 2024
- 학위수여년월 2024. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 에너지시스템학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000033354
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
기존의 반도체 집적 회로는 메모리와 프로세서가 분리되어 데이터를 처리하는 폰 노이만 아키텍처 방식을 이용한다. 그러나 최근 인공지능 컴퓨팅과 빅데이터 처리를 위해 메모리와 프로세서 간 데이터 전달량이 증가함에 따라 처리 속도가 한계에 이 르는 폰노이만 병목 현상이 발생하고 있다. 이에 해결책으로 메모리와 프로세스를 통합한 프로세스 인 메모리 기술이 주목받고 있다. 이들은 빠른 연산처리 속도와 전 력 소비량을 줄일 수 있다는 점에서 매우 큰 강점이 있다. 이를 달성하기 위해 강유 전성을 활용할 수 있음이 최근 여러 연구를 통해 입증되기 시작하였으며, 상대적으 로 낮은 두께에서 강유전 특성을 갖는 Hafnium oxide 물질이 주목받고 있다. 많은 연구에서 제시하고 있는 Hafnium oxide의 강유전성 발현 방법은 Oxygen Vacancy의 제어이다. Oxygen Vacancy이 생기면, 박막 내에 비 중심 대칭적인 결정 구조가 형성된다. 따라서 결정 구조가 orthorhombic phase로 바뀌게 되는데, 이러한 orthorhombic phase에서 강유전성이 발현되는 것이 이미 활발히 보고되었다. orthorhombic 상을 형성하기 위해 Oxygen Vacancy의 제어가 중요하다는 것이 많 이 알려진 가운데, Zr, Ce, Si 과 같은 원소의 doping을 통한 연구가 많이 이뤄지고 있다. Doping의 경우 화학적 조성, Oxygen Vacancy의 제어와 강유전 특성의 발현을 위한 열처리 조건이 어렵다는 문제점을 극복해야 한다. 본 연구에서는 HfO2 박막의 강유전성 최적화를 위해, TiO2의 도핑을 통한 HfO2- TiO2 박막의 제조 및 열처리 조건 최적화를 진행하고, 차세대 반도체 소자로 응용 가능성을 보여준다. 첫째로, PEALD를 이용해 증착된 HfO2-TiO2 박막의 구조에 따른 전기적 특성을 비 교하기 위해 Si 기판 위에 10nm 의 HfO2-TiO2을 3층 구조와 5층 구조로 증착한 후, 상부 전극으로 E-beam evaporation을 이용해 Ti/Au를 증착하여 MOS stack을 형성 하였다. 이후 박막의 특성 및 전기적 특성을 비교 분석 하였다. 이를 통해 최적의 강 유전성을 위한 구조 선택의 초석을 제공하였다. 둘째로, PEALD를 이용해 증착된 HfO2-TiO2 박막의 강유전성을 확인하였다. 강 유전성을 최적화하기 위하여 박막의 조성과 열처리 공정의 조건을 다양화하였다. 박 막의 조성은 증착 시, HfO2와 TiO2의 cycle 수를 조절하여 제어하였다. 또한, 열처리 공정에서 열처리 온도, 유량, 시간 조건을 다양화하여 진행하였다. 이후 상부 전극으 로 E-beam Evaporation을 이용해 Ti/Au를 증착하여 MIM stack을 형성하였다. 이후 박막의 특성 및 전기적 특성을 비교분석 하였다. 이를 통해, HfO2-TiO2 박막의 강유 전성을 처음으로 확인했으며, 추후 강유전성 소자로의 기능이 가능함을 확인하였다. 결론적으로, 차세대 반도체 소자로서 강유전성 물질이 주목받고 있으며, 본 연 구에서는 HfO2-TiO2 박막의 구조에 따른 강유전성을 확인하였다. 이를 활용하여, 차 세대 강유전성 소자로의 응용 가능성을 보여주었다. 이 연구를 통해서 차세대 초 저 전력 초고속 메모리 소자의 개발에 있어서 HfO2-TiO2 공정의 활용성을 재고해보고, 이 연구의 결과가 HfO2-TiO2 강유전성 연구에 대한 초석이 되길 기대한다.
more목차
제 1장. 서론 1
1. 강유전성 물질 연구 필요성 1
가. 현재 시장 상황 1
나. 강유전성 재료 연구 현황 2
2. 이론적 배경 3
가. 강유전성 (Ferroelectricity) 3
나. HfO2, TiO2 4
다. Plasma-Enhanced Atomic Layer Deposition (PEALD) 5
라. RF magnetron Sputtering 6
마. XPS 8
바. XRD 9
사. Atomic Force Microscopy (AFM) 10
아. Transmission Electron Microscope (TEM) 11
제 2장. PEALD 기반 HfO2-TiO2 Thin Film 제조 및 층상 구조에 따른 특성 분석 13
1. 서론 13
2. 실험 방법 13
가. PEALD 13
나. RTA 14
다. Ti/Au electrode : E-beam evaporation 14
라. Measurement Method 15
3. 실험 결과 및 고찰 16
가. PEALD Growth Per Cycle (GPC) 16
나. 전기적 특성 분석 17
다. 구조적 특성 분석 20
라. 화학적 특성 분석 23
4. 결론 27
제 3장. PEALD 기반 HfO2-TiO2 Nanolaminates Thin Film 강유전성 최적화 28
1. 서론 28
2. 실험 방법 28
가. W Electrode : Sputtering 28
나. PEALD 28
다. Rapid Thermal Annealing 29
라. Ti/Au Electrode : E-beam evaporation 30
3. 실험 결과 및 고찰 31
가. 전기적 특성 분석 31
나. 구조적 특성 분석 33
다. 화학적 특성 분석 36
라. 강유전성 최적화 39
4. 결론 43
제 4장. 결론 44
제 5장. Supporting Figure 47
제 6장. 참고문헌 49
