In recent years, there has been increasing demand for the next-generation memory that can replace the current memory devices. Many researchers have devoted their efforts to develop the universal nonvolatile memory devices, such as resistive switching memory, phase change memory, and magnetoresistance memory. Although ferroelectric memory device was first suggested in 1950s, scaling issue and CMOS compatibility problem remain unsolved until the discovery of ferroelectricity in hafnium oxide ($HfO_2$) film. The $HfO_2$ based memory can utilize the current CMOS technologies, and also it is relatively free from the scaling issue.
In this thesis, fabrication and characterization of ferroelectric $HfO_2$ film are demonstrated for the application to future nonvolatile memories. By doping small amount of aluminum oxide ($Al_2O_3$) in $HfO_2$ film, ferroelectric property was achieved. The ferroelectric properties were examined depending on the dopant concentration, annealing condition, electrode materials, and deposition order of $HfO_2$ and $Al_2O_3$ in atomic layer deposition. The origin of ferroelectricity in $HfO_2$ film was thoroughly investigated through XPS, ToF-SIMS, GI-XRD, and TEM.
최근 몇 년 동안 현재의 메모리 소자를 대체할 수 있는 차세대 메모리 소자에 대한 수요가 계속해서 늘어나고 있다. 많은 연구자들이 저항 변화 메모리, 상변화 메모리, 자기저항 메모리 등 차세대 비휘발성 메모리 소자를 개발하기 위해 노력하고 있다. 비록 강유전체 메모리의 개념은 1950년대에 처음으로 제시되었지만, 집적화 문제 및 CMOS 공정 적용 가능성 문제는 산화하프늄의 강유전성이 밝혀지기 전까지 풀리지 않고 있었다. 산화하프늄 기반 메모리는 현재의 CMOS 공정을 이용 가능하며, 상대적으로 집적화 문제에서 자유롭다.
본 연구에서는 차세대 비휘발성 메모리 소자를 위한 강유전성 산화하프늄 박막의 제작 및 특성 평가를 진행하였다. 산화하프늄 박막에 소량의 산화알루미늄을 도핑함으로써 강유전성을 구현할 수 있었다. 도펀트의 농도, 열처리 조건, 전극 물질, 산화하프늄과 산화알루미늄 층의 증착 순서에 따른 강유전 특성의 변화를 분석하였다. 산화하프늄의 강유전성의 원인을 XPS, ToF-SIMS, GI-XRD, TEM 을 통해 분석하였다.
