Hafnia (HfO_2)-based ferroelectric tunnel junction (FTJ) device is a promising candidate in the field of next-generation memory technology, owing to its non-volatile storage capability, complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) compatibility, fast switching speed, and low-power consumption. TER (tunneling Electro-resistance) ratio and RR (rectifying ratio) are representative characteristics used as performance metrics for FTJs. To achieve high performance, introducing asymmetry to FTJ is necessary. However, extreme asymmetry can compromise the endurance and reliability characteristics of FTJ. Therefore, this study aims to mitigate severe asymmetry while maintaining high performance, by proposing methods to enhance the defects within FTJ to improve reliability characteristics. This approach resulted in FTJ with high TER ratio (29000) and high RR (11000). Furthermore, TER was maintained as 1280 up to 10^8 cycles, and as 2600 at 10 years extrapolation, meaning that good endurance and retention characteristics were achieved in this work.
하프니아 기반 강유전체 물질은 뛰어난 CMOS 공정 호환성을 바탕으로 차세대 비휘발성 메모리 소자로써 활발하게 연구되고 있다. 이 중 강유전체 터널링 접합 소자 (FTJ)는 기존의 메모리 소자에 비해 비 파괴적 구동, 빠른 동작 속도, 저전력 동작 등 우수한 성능을 잠재하고 있다. FTJ는 2단자로 구성되어 있어 크로스바 어레이 형태로 집적이 가능하여, 인-메모리 컴퓨팅 (IMC)와 같은 어플리케이션으로 활용할 수 있다. 흔히 FTJ 소자의 성능 지표로써 터널링 전기 저항 (TER) 비율과 정류 비율 (RR)이 사용되는데, 높은 TER과 RR을 확보하기 위해서 FTJ에 비대칭성을 추가하여야 한다. 하지만 극심한 비대칭성은 FTJ의 보존성과 내구성이 열화시킨다. 따라서 본 연구에서는 FTJ의 극심한 비대칭성을 완화하기 위해 하프니아 박막 증착 과정 중 산소 유량을 조절하는 방안을 제시하여, 강유전체 내부 결함을 개선하고 우수한 신뢰성을 확보하고자 하였다. 해당 방식으로 제작한 FTJ로는 높은 TER 비율 (29000)과 RR (11000)을 확보할 수 있었고, 10^8 번의 사이클 이후에도 1280의 TER을 유지하는 내구성과 10년의 이후 TER을 2600까지 유지하는 보존성을 확인할 수 있었다.
