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Ferroelectric domain imaging and characterization of hafnia thin films for integrated ferroelectrics = 강유전체 집적화를 위한 하프니아 박막의 도메인 영상화 및 특성 연구
서명 / 저자 Ferroelectric domain imaging and characterization of hafnia thin films for integrated ferroelectrics = 강유전체 집적화를 위한 하프니아 박막의 도메인 영상화 및 특성 연구 / Seokjung Yun.
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2021].
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학술문화관(도서관)2층 패컬티라운지(학위논문)

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As the market of IoT semiconductors, artificial intelligence hardware grows, non-volatile memory, high performance, and low power memory is required. For this purpose, FRAM has a fast operation speed and has an advantage in cell size, but the existing ferroelectric materials have been difficult to apply due to limitations in CMOS process compatibility, device scaling, and thermal stability. However, with the introduction of ferroelectric hafnia in 2011, hafnia research as a next-generation memory is rapidly emerging. In this paper, first, to understand atomic layer deposition (ALD), a study on 3D TiN nanotubes and ZnO truss structures was conducted using ALD deposition. After improving the understanding of ALD, a HfxZr(1-x)O2(HZO) thin film was deposited by ALD, and changes in the crystal structure and macroscopic electrical properties of ferroelectric hafnia according to heat treatment and changes in electrodes were confirmed. Second, the fabrication of ferroelectric HZO(HfxZr(1-x)O2) thin films using H2O2 as an oxidant was developed using ALD. After deposition of ferroelectric hafnia, the heat treatment temperature was varied, and the GI-XRD, P-V, and C-V analysis confirmed the ferroelectric properties from 500 to 800 degrees. In the case of HZO deposited with H2O2, it was confirmed that the leakage current through P-V and C-V was large, and it was found through the TOF-SIMS that HZO using H2O2 had extensive hydrogen incorporation. To improve this, we checked whether the hydrogen-related bonds were effectively removed from the thin film by changing the electrode and the hafnia interface and O2 process. To confirm the microscopic ferroelectric properties of HZO according to the previous process, domain analysis and switching analysis were performed using a piezoresponse force microscope. Therefore, we confirmed that the RTA 600℃ or less is the optimal condition in terms of domain size by confirming the change of the domain of various process conditions. Also, by analyzing the switching characteristics of the nano-scale, in the case of the HZO thin film, sideways domain growth was confirmed. From Multi-scale visualization of the physical properties according to the process change, it is possible to present a structure-process-physical correlation. As a result, guidance for optimization of hafnia thin film processing for the integrated ferroelectrics process will be presented.

최근 사물인터넷 반도체, 자동차 반도체, 인공지능 하드웨어의 시장이 커짐에 따라서 비휘발성 메모리, 높은 성능, 저전력 메모리를 필요한다. 이를 위한 FRAM의 경우 동작 속도가 빠르고, 셀 사이즈에 이점을 가졌으나, 기존 강유전체 물질은 CMOS 공정의 호환성, 소자 스케일링 및 열적 안정성의 한계로 인해 그 응용이 어려웠다. 하지만, 2011년 강유전체 하프니아 물질이 소개되면서 차세대 메모리로 하프니아 물질을 이용한 연구가 급부상하게 된다. 본 논문에 우선 atomic layer deposition(ALD)를 이해하기 위해서 ALD 증착법을 이용하여, 3D TiN 나노튜브 및 ZnO truss structure에 대한 연구를 진행하였다. ALD에 이해를 높인 후 ALD를 이용하여 HfxZr(1-x)O2(HZO) 박막을 증착하고, 열처리 및 전극의 변화에 따른 강유전 하프니아의 결정구조의 변화 및 거시적 전기적 특성을 확인하였다. 또한, 직접 설계한 ALD를 이용하여 과산화수소를 산소 소스로 이용한 HZO(HfxZr(1-x)O2) 강유전체 제조에 대한 내용을 처음으로 소개하고자 한다. 9.8 nm의 강유전체 하프니아를 TiN 하부 전극에 증착 한 후 열처리를 변경하여, GI-XRD, P-V, C-V 분석을 통해 강유전체 이력곡선과 나비형 모형이 500~800도에서 확인하였다. 과산화수소를 산화제로 증착 한 HZO의 경우 P-V, C-V를 통해서 제조한 하프니아의 누설전류가 큰 것을 확인하였고, TOF-SIMS를 통해서 과산화수소를 이용한 HZO가 수소 혼입이 크다는 것을 알게 되었다. 이를 개선하기 위해 전극과 하프니아 계면의 변화와 후속 처리를 통해 수소와 관련된 결합이 박막 내에서 효과적으로 제거되는지 확인하고자 한다. 앞선 공정에 따른 HZO의 미시적인 강유전 특성을 확인하고자 압전감응 힘 현미경을 이용한 도메인 거동 및 스위칭 분석을 진행하였다. 그로 인해서 다양한 공정 조건의 domain의 변화를 확인하여, 기존 P-V,C-V, 결정학적인 분석의 연속성으로 600도 이하의 온도가 domain size 관점 최적 조건임을 확인하여다. 또한, 나노스케일의 스위칭 특성을 분석하여 HZO 박막의 경우 Sideways domain 성장을 확인하였다. 멀티스케일 분석을 통해 공정 변화에 따른 물성을 이미징함으로서 구조-공정-물성 상관관계를 제시할 수 있으며, 그로 인해서 강유전체 메모리 공정 직접화를 위한 하프니아 박막의 최적조건의 방법론을 제시할 수 있다.

서지기타정보

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청구기호 {DMS 21037
형태사항 v, 101 p. : 삽화 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 윤석중
지도교수의 영문표기 : Seungbum Hong
지도교수의 한글표기 : 홍승범
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 신소재공학과,
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