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Y 도핑 된 HfO₂ 강유전체 박막을 이용한 MFIS 소자의 피로현상에 따른 분극 유지 특성

Title
Y 도핑 된 HfO₂ 강유전체 박막을 이용한 MFIS 소자의 피로현상에 따른 분극 유지 특성
Other Titles
Effects of fatigue on the polarization retention properties of epitaxial Y-doped HfO₂ in metal-ferroelectric-insulator-semiconductor structure
Author
박가연
Alternative Author(s)
Park, Ga-yeon
Advisor(s)
강보수
Issue Date
2019. 8
Publisher
한양대학교
Degree
Master
Abstract
최근 HfO₂ 박막은 high-κ물질이며 두께가 수 나노미터 일 때 강유전 특성을 보여 차세대 소자의 소재로서 많은 주목을 받고 있다. HfO₂ 박막을 강유전체 전계 효과 트랜지스터에 적용하였을 때 주 작동 파트인 금속/강유전체/절연체/반도체(MFIS) 구조의 전기적 특성 파악이 매우 중요하지만, 아직 많은 연구가 이루어지지 않은 실정이다. 따라서 본 연구에서는 펄스 레이저 증착법으로 Y이 도핑 된 HfO₂ 강유전체 박막을 증착한 뒤 MFIS 구조의 소자를 제작하였다. 그 결과 HfO₂ 박막은 (00l) 방향에서 켜 쌓기 (epitaxial) 성장한 것을 확인할 수 있었고, 피로현상 cycling이 10⁴ cycles까지 증가함에 따라 잔류 분극 값이 41.01 μC/cm²에서 9.63 μC/cm²로 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 피로현상 cycling 증가에 따른 짧은 시간 범위 내에서 분극 유지 특성을 측정하였을 때, 분극 유지 시간이 증가함에 따라 스위칭 분극 값이 감소함을 확인할 수 있었다. 이러한 실험결과를 Stretched exponential decay 모델로 피팅을 하였을 때, Y 도핑 된 HfO₂ 강유전체 박막의 스위칭 파라미터를 도출해낼 수 있었는데, 지수 n은 거의 일정한 반면 특성 시간 t_0는 피로현상 cycling이 증가함에 따라 크게 감소함을 확인하였다. 이는 피로현상이 분극감소 뿐만 아니라 분극 유지 특성에도 영향을 미치는 것이라 말할 수 있다. 종합해보면 Y이 도핑 된 HfO₂ 강유전체 박막 내에서 발생된 탈 분극장(depolarization field)이 피로현상과 짧은 분극유지의 주요 원인임을 알 수 있었다. 이는 MFIS 구조에서 절연체와 반도체 계면에서 전하 보상이 완전히 이루어지지 않아 탈 분극 장이 유도되고, 이는 분극 감소에 영향을 미쳤을 것이라 본다. 따라서 피로현상과 분극 유지 특성의 상관관계 연구를 통하여 신뢰도 문제가 개선된다면, HfO₂ 기반 강유전체 메모리 소자의 상용화 가능성이 높을 것으로 보인다.
Recently, Hafnium Oxide (HfO2) thin films have attracted much interest because HfO2 is high-  materials. Especially, the HfO2 thin film shows ferroelectricity even at the thickness of a few nanometers. Therefore, we fabricated Y-doped HfO2 ferroelectric films on Yttria-stabilized Zirconia/Si substrate using pulsed laser deposition. Since metal/ferroelectric/insulator/semiconductor structure is key part of the ferroelectric field effect transistor, the electric characteristics should be thoroughly understood. We could identify Y-doped HfO2 thin film is (002) oriented through X-ray diffraction measurement. As fatigue cycling is increased from pristine to 104 cycles, the remnant polarization is decreased from 41.01 C/cm2 to 9.63 C/cm2, respectively. As retention time is increased, the switching polarization is decreased in various fatigue states. In this study, we obtain the ferroelectric polarization switching parameter of Y-doped HfO2 thin films through the stretched exponential decay, 𝑃(𝑡) = 𝑃0𝑒𝑥𝑝 [−(𝑡⁄𝑡0)𝑛]. The exponent n was about 0.1 in various fatigue states. However, the retention characteristic time t0 is decreased over 103 fatigue cycles. It means that the fatigue not only reduces the amount of switchable polarization but also seriously degrades polarization retention properties.
URI
http://dcollection.hanyang.ac.kr/common/orgView/000000109537http://repository.hanyang.ac.kr/handle/20.500.11754/109096
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GRADUATE SCHOOL[S](대학원) > APPLIED PHYSICS(응용물리학과) > Theses (Master)
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