Ga2O3 seed layer를 활용한 결함 제어를 통한 강유전성 하프늄-지르코늄 산화물 박막의 물성 제어 연구
The study of the property control of ferroelectric hafnium-zirconium oxide thin films through defect control using a Ga₂O₃ seed layer
- 주제(키워드) Hafnium zirconium oxide (HZO) , Ga2O3 , Interface defects , Internal bias field , High reliability
- 주제(DDC) 621.042
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 서형탁
- 발행년도 2026
- 학위수여년월 2026. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 에너지시스템학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000035947
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
Hf₀.₅Zr₀.₅O₂(HZO)와 같은 하프늄 산화물 기반 강유전체는 차세대 비휘발성 메모리 소자로서 큰 잠재력을 가지고 있으나, 박막 두께가 감소에 따른 계면 결함에 기인한 신뢰성 저하 문제가 주요한 기술적 장벽으로 작용하고 있다. 따라서, 본 연구에서는 6 nm 두께의 HZO 박막 하부에 초박막 Ga2O3 시드 레이어(Seed layer)를 도입하여 소자의 강유전 특성 및 신뢰성을 획기적으로 향상시켰다. Ga2O3 층의 두께를 0.5, 1.5 nm로 조절하며 분석한 결과, 0.5 nm의 최적화된 시드 레이어는 과도한 정방정계(Tetragonal) 상의 형성을 억제하고 강유전성 사방정계(Orthorhombic) 상을 안정화하는 것으로 나타났다. 이를 통해 해당 소자는 우수한 강유전 특성을 유지하며(2Pr = 46 μC/cm2, Ec = 1.64 MV/cm) 109 사이클에 달하는 우수한 내구성(Endurance)과 향상된 리텐션(Retention) 특성을 확보하였다. 이러한 성능 향상의 원인을 규명하기 위해 주파수 종속 C-V 측정 및 각도 분해 X선 광전자 분광법(ARXPS)을 수행하였다. 분석 결과, 0.5 nm 시드 레이어는 상부 및 하부 전극 계면 간의 트랩 밀도(Nt) 분포를 대칭적으로 유도하여, 임프린트와 피로 현상의 주원인인 내부 바이어스 전계 형성을 효과적으로 억제함을 확인하였다. 또한, SE, KPFM, XPS 및 REELS 분석을 기반으로 수립된 밴드 정렬(Band alignment) 모델과 활성화 에너지 계산을 통해 Ga2O3 층이 트랩 에너지 준위를 제어하고 전도 활성화 에너지를 높여 누설 전류를 개선함을 입증하였다. 본 연구는 시드 레이어 엔지니어링을 통한 계면 결함의 대칭적 제어가 고신뢰성 강유전체 소자 구현을 위한 핵심 전략임을 제시한다.
more목차
제 1 장. 서 론 1
1. 차세대 메모리 개발의 필요성 1
2. 이론적 배경 3
2.1 강유전성 5
2.1.1 HfO2 의 강유전성 (Hf0.5Zr0.5O2) 5
2.1.2 Ga2O3 seed layer 7
2.1.3 강유전체 메모리 소자 9
2.2 Plasma-Enhanced Atomic Layer Deposition (PEALD) 12
2.3 RF-magnetron Sputtering 14
2.4 Rapid Thermal Annealing (RTA) 15
2.5 X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) 17
2.6 X-ray Diffraction (XRD) 18
2.7 Transmission Electron Microscopy (TEM) 20
2.8 Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM) 22
2.9 Reflection Electron Energy Loss Spectroscopy (REELS) 24
2.10 Spectroscopy Ellipsometer (SE) 26
제 2 장. Ga2O3 seed layer 두께에 따른 MFM HZO Capacitor 특성 평가 및 분석 27
1. 서 론 27
2. 실험 방법 29
2.1 RF-Magnetron Sputtering. 29
2.2 PEALD 29
2.3 RTA 31
3. 실험 결과 및 고찰 32
3.1. TEM 32
3.2. XRD 33
3.3. P-E, I-E, C-E Measurement 35
3.4. Endurance Measurement 38
3.5. Multi-V C-f Measurement 40
3.6. AR-XPS 43
3.7. Retention Measurement 46
3.8. Multi-T I-V Measurement 49
4. 결 론 51
제 3 장. Ga2O3 seed layer 두께에 따른 MFM HZO Capacitor 밴드구조 분석 52
1. 서론 52
2. 분석 결과 및 고찰 54
2.1. KPFM 54
2.2. SE 55
2.3. REELS 56
2.4. XPS 57
2.5. Energy band diagram 59
3. 결 론 61
제 4 장. 결 론 63
참고문헌(References) 65
