메모리 적용을 위한 하프늄옥사이드 기반 강유전성 소자 연구

Abstract

Modern society is experiencing the 4th industrial revolution due to rapid technological developments such as Artificial Intelligence (AI) and Internet of Things (IoT). Accordingly, in addition to handling a large amount of information for data processing, the requirements for device specifications have varied according to application fields. Therefore, various memory devices such as phase change random access memory (PCRAM), resistive random access memory (ReRAM), and ferroelectric-based memory devices have been studied to replace or supplement conventional memory devices. Of these, ferroelectric-based memory devices are in the spotlight due to its excellent electrical properties and the possibilities for various memory applications. There are two types of ferroelectric materials: conventional perovskite-structure-based ferroelectrics and HfOx-based ferroelectrics. Among them, HfOx-based ferroelectrics have recently been discovered and have created a new wind in the field of ferroelectrics by enabling CMOS compatibility and scalability, the limitations of conventional ferroelectrics. Despite these many possibilities of HfOx-based ferroelectrics, excellent performance and reliability are required even under extreme conditions for practical device applications. Therefore, this dissertation focuses on stabilizing ferroelectric, dielectric, and endurance properties of HfOx-based ferroelectrics under extreme conditions by identifying the fundamental origins of degradation in ferroelectric, dielectric, and endurance properties. First, a study on stabilization of ferroelectric properties at ultra-thin film and low crystallization temperature was investigated. Under the extreme conditions as above, the degradation in ferroelectric property by interfacial effect was observed. Therefore, by suppressing the formation of interfacial layer, I could improve the ferroelectric property at ultra-thin film and low crystallization temperature. Second, for high-k dielectric applications, the change of dielectric properties by morphotropic phase boundary (MPB) at HfZrOx (HZO) thin films was observed. As a result, is was confirmed that low Zr ratio is favorable for the formation of MPB as film thickness decreases. It is expected to be due to the change of the ratio between tetragonal and orthorhombic phases by interfacial effect at different film thicknesses. Third, the endurance property of HfOx-based ferroelectrics was investigated. In ferroelectric field effect transistor (FeFET) applications, the interfacial layer has a great effect on the endurance property. Therefore, I performed the high-pressure hydrogen annealing, thereby the endurance property was improved by trap passivation near the interfacial layer. Finally, I confirmed the feasibility of the HfOx-based ferroelectric device as a neuromorphic synapse device. By adopting voltage-increasing pulse scheme, linear potentiation and depression curves with 32 multi-level states were obtained. Therefore, I could conclude that the HfOx-based ferroelectric devices can be applied to the neuromorphic synapse devices.

현대 사회는 인공지능 (AI) 및 사물 인터넷 (IoT)과 같은 분야의 급격한 기술 발전으로 4차 산업혁명을 경험하고 있다. 이에 따라 많은 양의 데이터를 취급하고 처리해야할 뿐만 아니라, 응용 분야에 따라 다양한 사양의 메모리 소자를 필요로 한다. 이러한 요구 사항을 충족시키기 위해, 상변화 소자 (PCRAM), 저항 변화 소자 (ReRAM), 그리고 강유전성 기반 소자와 같은 다양한 메모리 소자들이 활발히 연구되게 되었다. 이러한 소자들은 기존 메모리 소자를 대체하거나 기존 메모리 소자 사양으로는 적합하지 않는 영역에 사용되면서 분야에 따른 소자 응용을 넓히고 있는데, 이 중 강유전성 기반 소자들은 우수한 전기적 특성과 다양한 메모리 응용에 대한 가능성 때문에 각광을 받고 있다. 이러한 각광의 이유로 또 한 가지 핵심이 되는 것은 HfOx 물질에서의 강유전성의 발견이다. 기존 강유전성 물질은 우수한 강유전성을 위해서는 두꺼운 두께 및 복잡한 공정 과정으로 인해 낮은 직접도 및 CMOS 공정과 호환이 되지 않는 문제가 있었다. 하지만, 강유전성 HfOx는 10nm 근처에서 좋은 강유전성 특성을 보이고 기존 고유전체 물질로 연구되었던 터라 CMOS 공정과도 충분히 호환이되어, 기존 강유전성 물질의 한계를 극복할 수 있게 되었다. 본 박사학위 논문에서는 HfOx 기반 강유전성 소자의 강유전성, 유전성 및 내구성을 개선하거나 최적화하여 더 넓은 공정 윈도우에서 강유전성 소자를 이용할 수 있도록 하는 것을 목표로 한다. 첫 번째 장에서는 다양한 박막 두께 및 결정화 온도에서 강유전성의 변화를 조사하였다. 또한, 하부 전극을 바꿔감으로써 초박막 및 낮은 결정화 온도에서 하부 계면과 강유전성 간의 관계를 조사하였다. 그 결과 계면층의 형성을 억제함으로써 2.5nm 두께 및 300°C의 낮은 결정화 온도에서도 우수한 강유전성을 확보할 수 있었다. 두 번째로는 다양한 HfZrOx (HZO) 박막 두께 및 조성에 따른 유전 특성을 조사하였다. 그 결과 HZO 박막 두께가 얇아질수록 Zr ratio가 낮은 조성을 채택해야 morphotropic phase boundary에 의한 높은 유전 상수를 얻는데 유리함을 확인하였다. 최종적으로 6nm의 두께에서 48의 유전 상수를 확보함으로써 0.49nm의 낮은 EOT를 확보할 수 있었다. 두 번째 장에서는 내구성 특성의 개선에 대해 논의 되었다. 특히, metal-ferroelectric-interfacial layer-silicon (MFIS) 구조는 내구성 특성이 취약한데, metal-ferroelectric-metal (MFM) 구조와 비교함으로써 계면층의 역할이 중요하다는 것을 확인하였다. 따라서, 계면층을 강화할 수 있는 고압 수소 열처리 공정을 통하여 계면층 근처에 존재하는 결함 농도를 현저히 줄일 수 있었고, 이로 인해 내구성 특성을 개선할 수 있었다. 마지막 장에서는 HfOx 기반 강유전성 소자를 뉴로모픽 컴퓨팅을 위한 시냅스 소자로서 적용하였다. 다양한 voltage pulse scheme에서 multi-level states와 potentiation 및 depression curve의 선형성 특성을 평가하였다. 최종적으로 voltage-increasing pulse scheme을 채택함으로써, HfOx 기반 강유전성 소자가 multi-level state와 좋은 선형성 특성으로 높은 인식률을 보임으로써 시냅스 소자에도 충분히 응용될 수 있음을 확인하였다.