As the artificial intelligence (AI) and big data processing have become an invaluable component of future technology, the need for new memory devices with higher performance, lower power consumption, and larger scalability has become critical. From this point of view, ferroelectric memory devices, including ferroelectric random access memories (FRAM) and ferroelectric field-effect transistors (FeFET), are powerful candidates for the next-generation memory devices that can substitute current dynamic random access memory (DRAM) and flash memory devices. After the recent emergence of the ferroelectricity of doped hafnium oxide thin films, many types of research based on hafnia materials are underway continuously. In this work, the fabrication of ferroelectric Zr doped hafnium oxide ($Hf_{0.5}Zr_{0.5}O_2$, HZO) thin film using hydrogen peroxide ($H_2O_2$) is firstly reported. Firstly, atomic layer deposition (ALD) equipment setup and optimization of process parameters were conducted to obtain ferroelectric HZO thin film. Its ferroelectric property was analyzed by physical, chemical, and electrical measurement tools. Fabricated HZO thin film showed ferroelectric o-phase and a 1:1 ratio between Hf and Zr. However, the film exhibited a round-shaped P-E hysteresis loop and leaky I-V characteristics. Secondly, the cause of leaky property was investigated which is related to hydrogen incorporation. Furthermore, $O_2$ plasma treatment was proposed to improve this issue. Hydrogen related bonding could be effectively removed inside the film and its effect was visualized by ToF-SIMS, GIXRD, and kelvin probe force microscopy (KPFM). This research can broaden the methodology to fabricate ferroelectric HZO thin film utilizing $H_2O_2$ oxidant and to remove the leaky components inside the ferroelectric film using $O_2$ plasma treatment.
인공지능과 빅데이터 처리가 미래 기술에서 가장 중요한 요소가 되면서 높은 성능, 낮은 전력 소모, 그리고 소형화 가능성을 갖춘 새로운 메모리 소자에 대한 필요성이 매우 중요해지고 있다. 이러한 관점에서 강유전체 램(FRAM)과 강유전체 전계 효과 트랜지스터(FeFET)와 같은 강유전체 기반 메모리 소자들은 현재 사용되고 있는 동적 램(DRAM)이나 플래시 메모리를 대체할 수 있는 유력한 차세대 메모리 소자 후보이다. 최근 도핑된 하프늄 산화물 박막에서 강유전성이 발견이 되었고, 그 이후 하프니아 물질에 기반한 수많은 연구가 지속적으로 진행중에 있다. 이에 따라 이번 연구에서는 과산화수소를 산소 소스로 이용한 지르코늄이 도핑된 하프늄 산화물($Hf_{0.5}Zr_{0.5}O_2$, HZO) 강유전체 박막 제조에 대한 내용이 처음으로 발표된다. 첫번째로 강유전체 HZO 박막 합성을 위한 원자층 증착 장비 셋업과 공정 변수 최적화가 진행되었다. 박막의 강유전 특성은 물리적, 화학적, 전기적인 다양한 측정 툴을 이용하여 분석되었다. 제조된 HZO 박막의 경우 강유전 특성을 보이는 사방정계 결정상을 보였으며 하프늄과 지르코늄의 조성비는 1:1을 보였으나, 전기 이력 곡선과 전류-전압 특성 분석 결과 누설이 컸다. 두번째로 누설이 원인이 수소 혼입인 것이 규명되었으며, 산소 플라즈마를 이용한 개선 방법이 제안되었다. 수소와 관련된 결합이 박막 내에서 효과적으로 제거되었고, 그 효과가 비행시간형 이차이온 질량분석, 스침각 X-선 분석, 표면 전위 현미경을 통해 영상화 하였다. 이 연구는 처음으로 과산화수소를 이용하여 강유전체 HZO 박막을 합성하였다는 점과 산소 플라즈마를 이용하여 강유전체 박막 내의 누설 요소를 제거하는 방법을 제시하였다는 점을 고려하여볼 때 그 방법론을 확장하였다는 점에서 의의를 가진다.
