| 초록 |
2011년 HfO2 박막에서 강유전성의 발현이 처음 발견된 이후, Si 기반 반도체 기술과의 높은 호환성과 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition, ALD) 공정 적합성을 기반으로 Ferroelectric Random-Access-Memory(FeRAM), Ferroelectric Field-Effect-Transistor(FeFET), Ferroelectric Tunnel Junction(FTJ) 와 같이 다양한 강유전성 기반 메모리 소자로의 적용이 활발히 연구되고 있다. 소자 신뢰성 문제는 HfO2 기반 강유전 소자 상용화의 중요한 과제 중 하나로 여겨지며, 신뢰성 확보를 위해 Wake-up effect 등의 문제를 해결하기 위한 노력이 이어지고 있다. Wake-up effect는 제작 직후 강유전성이 최적화되지 못한 초기 샘플이 외부 전계에 의한 반복 스위칭 횟수가 증가하면서 강유전성이 강화되는 현상을 말한다. HfO2 기반 박막에서 산소 공공의 국부적인 응집으로 인한 박막 내부 전계 생성 및 grain size에 의한 surface energy가 강유전성 tetragonal phase의 안정화에 영향을 주며, 이는 초기 열화된 강유전성 특성을 유도하는 Wake-up effect의 주원인으로 알려져 있다. 산소 공공의 생성 및 grain size는 박막 증착 과정에서 다양한 변수에 의해 영향을 받으며, 특히 하부 전극 물질에 따른 박막 성장 양상, 계면 반응이 주요 변수로 작용할 수 있다. 따라서, 우리는 ALD 공정 중 쉽게 산화되어 산화막을 형성하고, Hf0.5Zr0.5O2 박막 성장에 영향을 줄 것으로 기대되는 Mo을 전극물질로 선택하여 Mo/Hf0.5Zr0.5O2(10nm)/Mo, Mo/Hf0.5Zr0.5O2(10nm)/TiN구조의 캐패시터를 ALD 및 Sputtering 공정을 통해 제작ㆍ비교 분석하였다. 전기적 특성을 평가한 결과 Mo/Hf0.5Zr0.5O2(10nm)/Mo 캐패시터에 ±3.5MV/cm의 전계를 인가하였을 때, 초기 샘플에서 Mo/Hf0.5Zr0.5O2(10nm)/TiN구조 캐패시터 대비 17% 높은 2Pr(~58.12 μC/cm2)을 보였으며, 전계 cycle이 진행됨에도 2Pr 및 2Ec가 미미한 변화를 보여 Wake-up effect가 억제됨을 확인할 수 있었다. 따라서, 하부 전극을 교체한 것만으로 Wake-up effect를 효과적으로 억제할 수 있었으며, 이 결과를 통해 HfO2 기반 강유전 박막에서 적절한 하부 전극 선택을 통한 산소 공공 및 grain size의 조절이 wake-up effect를 해결하는 효과적인 전략이 될 수 있음을 증명하였다. |
