| 초록 |
2011년 처음 발견된 HfO2 및 ZrO2 기반 플루오라이트 구조 강유전체는 기존 페로브스카이트 구조 강유전체에 비해 우수한 complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) 공정 적합성과 성숙한 atomic layer deposition (ALD) 공정 기반으로 수 nm 대 두께에서도 강유전성이 발현되는 등 우수한 특성으로 학계와 산업계에서 많은 관심을 끌고 있다. 특히, 전계가 인가되지 않는 상황에서도 자발 분극이 유지되는 특성을 활용하여 storage class memory, stateful logic, 및 brain-inspired computing 등 차세대 반도체 장치에 적용이 유망하다. 위 장치에서 강유전체 기반 소자들은 자발 분극 상태 조절을 통해 동작이 이루어지기 때문에 강유전체 도메인의 역학 및 분극 반전 키네틱스에 대한 이해는 필수적이나, 해당 특성에 영향을 미치는 다양한 요인들에 대한 연구는 부족한 상황이다. 플루오라이트 구조 기반 강유전체를 증착하는 ALD 공정은 금속-유기 전구체, 산화제, 및 기판 간 자기 포화 반응을 기반으로 하는 화학적 공정이기 때문에 증착 온도 (Tdep)는 박막의 물리적/화학적 특성에 영향을 미칠 수 있으며, 이로 인한 분극 반전 특성에도 영향을 미칠 수 있다. 따라서 본 연구에서는 ALD 공정으로 증착 된 Hf0.5Zr0.5O2 박막의 Tdep 변화에 의한 물리적/화학적 특성을 분석하고 이들이 분극 반전 키네틱스에 미치는 영향을 nucleation limited switching (NLS) model 기반으로 분석하였다. Tdep가 감소함에 따라 금속-유기 전구체의 리간드에서 기인한 탄소 및 질소 등의 불순물 농도는 증가하였고, 결정립 크기는 줄어들었다. 특히, 260℃에서 증착된 커패시터의 경우 위 효과로 인해 안정화된 centrosymmetric한 tetragonal 상 (t-상)의 형성으로, pinched 히스테리시스 형태를 보였다. t-상은 전계에 의해 orthorhombic 상 (o-상)으로 상전이가 일어나 강유전 특성을 보이면서 Lorentzian 분포를 따르는 로그 스케일의 분극 반전 시간 중앙값(logt1)은 낮아졌으며, 넓은 스위칭 시간 분포의 반가폭 (w) 및 낮은 분극 반전 활성화 전계 (Ea)를 보였다. Tdep이 300℃에서 280℃으로 감소하는 경우 logt1은 3 V 인가 시 -5.71에서 -6.04으로, 1 V 인가 시 -4.73에서 -5.21로 감소했으며 높은 전압에서 w는 0.16 s에서 0.18 s로 약 12% 증가했다. 또한 Ea는 2.70 MV/cm에서 1.76 MV/cm로 감소하였다. 이 결과는 ALD 공정에서 증착 온도를 최적화하는 것이 강유전성 Hf0.5Zr0.5O2 박막의 도메인 역학과 스위칭 역학을 조절하는 데 중요한 요소임을 시사한다. |
