산화물 반도체 채널 및 HfZrO 유전막 기반 강유전체 전계효과 트랜지스터 연구

Abstract

본 연구는 하프늄 옥사이드 (HfO2) 기반 강유전체와 비정질 인듐·갈륨·아연 산화물 (IGZO) 기반의 Ferroelectric Field Effect Transistors (Fe-FET)를 차세대 비휘발성 메모리 소자로 제안하였다. IGZO 반도체는 넓은 밴드 갭으로 인해 홀 캐리어에 의해 발생되는 누설 전류가 극히 낮기 때문에 차세대 반도체 물질로 다양한 분야에서 연구되고 있다. 또한 IGZO는 강유전체의 Capping layer로 사용되는 티타늄 질화물 (TiN)보다 낮은 열팽창계수를 갖기 때문에 정방정계 (tetragonal phase)의 c-axis에 대한 인장 응력 (Tensile Stress)이 높아 강유전성을 갖는 사방정계 (orthorhombic phase)로의 상변이에 대해 더욱 안정적일 수 있고, 박막 내 o-phase 존재를 고분해능 X선 회절 분석 (GI-XRD)를 통해 확인할 수 있었다. TiN과 IGZO Capping 결과, TiN (2Pr = 40.12)보다 IGZO (2Pr = 48.20) 박막에서 더 높은 잔류 분극 (Pr, Remnant Polarity)을 확인하였다. 이후 IGZO증착 시 PO2 조절을 통해 HZO내 강유전성 변화를 확인하였으며 IGZO PO2 조건에 따른 Fe-FET을 제작하여 IGZO내 산소량에 따른 Fe-FET 특성 변화를 확인하였다. 또한 Fe-FET의 메모리 윈도우(MW, Memory Window) 확보를 위해 Interlayer를 도입하였으며 1.18V의 특성을 보이는 메모리 디바이스 실현을 보고하였다. | In this study, hafnium oxide (HfO2) based ferroelectric and amorphous indium gallium zinc oxide (IGZO) based Ferroelectric Field Effect Transistors (Fe-FET) were proposed as next-generation non-volatile memory devices. IGZO semiconductors are being studied in various fields as a next-generation semiconductor material because the leakage current generated by the hole carriers is extremely low due to the wide band gap. In addition, since IGZO has a lower coefficient of thermal expansion than titanium nitride (TiN) used as a capping layer of a ferroelectric, the tensile stress for the c-axis of the tetragonal phase is high. Therefore, a phase change to an orthorhombic phase with ferroelectricity occurred, and the existence of an o-phase in the thin film could be confirmed through high-resolution X-ray diffraction analysis (GI-XRD). As a result of TiN and IGZO capping, higher residual polarization (Pr, Remnant Polarity) was confirmed in the IGZO (2Pr = 48.20) thin film than in TiN (2Pr = 40.12). Then, during IGZO deposition, changes in ferroelectricity in HZO were confirmed through PO2 control, and Fe-FET characteristics according to oxygen content in IGZO were confirmed by fabricating Fe-FETs according to IGZO PO2 conditions. In addition, an interlayer was introduced to secure the memory window (MW, Memory Window) of Fe-FET, and the realization of a memory device showing a characteristic of 1.18V was reported.