Ferroelectric switching characteristics in Si-doped HfO2 thin film: Explanation for the negative capacitance phenomena

Abstract

강유전체는 전압 인가 없이 두 개의 안정된 분극 상태를 갖고 각 상태로의 변화 속도가 빠르다는 특징으로, 차세대 메모리 소자의 대표 물질로서 연구 되어왔다. 2008년 이론적으로 제안된 negative capacitance (NC) 개념은 스위칭 속도의 열적 한계에 대한 극복 가능성을 제시하였고, 이를 이용하여 낮은 전력 소모와 빠른 스위칭 속도를 갖는 NC FET 소자 개발이 진행되어 왔다. 연구는 perovskite 물질을 중심으로 이루어 졌다가 20 nm 이하의 두께에서 높은 분극 값과 뛰어난 열적 안정성을 갖는 강유전체 HfO2 (하프늄 옥사이드) 물질 발견 이후, 하프늄 옥사이드 기반의 NC FET 연구가 중심을 이루게 되었다. 그러나, 예측과 달리 아직까지 스위칭 속도는 이론적 수치에 도달할 수 없었고, 이로 인해 하프늄 옥사이드 물질의 특성 연구와 NC 현상에 대한 관측 및 물리적 근원에 대한 이해가 더욱 중요하게 되었다. 하프늄 옥사이드는 기존 물질과 다른 제작 공정을 거쳐 강유전성이 유도 되므로, 물질의 특성 변화에 대한 분석이 요구 되었다. 2장에서는 Si-doped HfO2 (실리콘 도핑 된 하프늄 옥사이드)에서 열처리 온도에 따른 스위칭 특성에 대해 이해하고자 한다. 열처리 온도는 분극 크기보다 스위칭 시간 변화에 큰 영향을 미친다는 사실에 주목하였다. Nucleation limited switching (NLS) 모델을 기반으로 스위칭 특성을 파악하고, 임피던스 분석을 통해 강유전체 박막의 구조/전기적 특성 변화를 해석하고자 한다. 스위칭 특성은 하프늄 옥사이드 내 산소 공핍의 밀도 변화가 주된 원인임을 증명하고자 한다. 3장에서는 실리콘 도핑 된 하프늄 옥사이드의 음의 커패시터 현상에 대해 이해하고자 한다. 음의 커패시터 현상이 분극 스위칭 과정에서 관측 된다는 사실에 주목하여 강유전성 변화에 따른 음의 커패시터 현상과의 상관관계를 확인하고자 한다. 반복적인 분극 반전에 의해 분극 값이 증가하는 wake-up 현상과 온도에 의한 강유전체-상유전체 상변이를 이용하여 강유전 특성 변화를 파악한다. NC의 증거인 전압강하 현상과 NC의 근원인 에너지 개형 변화를 바탕으로 NC 현상이 강유전체의 본질적인 특성 임을 증명하고자 한다. 끝으로 음의 커패시터 현상 연구에 대한 전반적인 흐름을 설명하고, 그 과정에서 한계와 앞으로의 연구 방향에 대해 설명하고자 한다.|Ferroelectrics possess bi-stable and switchable polarization states, which can be utilized in next-generation memory devices with low power consumption and fast switching speed. Recently, the observation of the ferroelectricity in HfO2-based films and the negative capacitance effect should facilitate the development of memory devices. For example, the subthreshold swing under 60 mV/decade can be attained in the negative capacitance field effect transistor embedded with ferroelectric HfO2 film at a few-nm thickness. We need to figure out the polarization switching characteristics in HfO2-based ferroelectric and the physical origin of the negative capacitance phenomena. HfO2-based ferroelectrics have resulted in the pursuit of ferroelectric field-effect transistors with higher scalability as well as enhanced switching speed. The doped HfO2 films are fabricated through a different process from the traditional method for perovskite to obtain ferroelectricity, which is expected to induce different characteristics. In chapter 2, we figured out the effect of annealing temperature on the switching properties in Si-doped HfO2 film. Polarization switching is analyzed based on the nucleation-limited switching model with a Lorentzian distribution of logarithmic switching time. The activation field governing the switching kinetics can be explained in terms of the density of oxygen vacancies caused by the annealing temperatures. The impedance measurement was used to understand the migration of oxygen vacancies between the bulk and interface in the ferroelectric film. This indicates that oxygen vacancies can be a dominant factor in the polarization switching of Si-doped HfO2 films. The negative capacitance phenomena are recently suggested as a breakthrough that can lead to the improved transistor by decreasing the subthreshold swing. To understand the negative capacitance phenomena, in chapter 3, we investigated the effects of the ferroelectric properties such as the remnant polarization depending on the Si dopant content, the temperature, and the switching cycles in Si-doped HfO2 thin film capacitor. The ferroelectric properties were controlled by using the wake-up effect in which the remnant polarization enhances as the number of switching cycles increases, and the ferroelectric-paraelectric phase transition. The relation between the ferroelectricity and the voltage drop region with the negative differential capacitance was elucidated. The dynamic hysteresis loop was fitted based on the Landau-Khalatnikov equation, and the free energy as a function of polarization was obtained. The Landau coefficients showed that the double-well feature of the free energy becomes more apparent due to the wake-up. Based on the wake-up effect on negative capacitance phenomena, we show that the negative capacitance phenomena are well described by the Landau-Ginzburg theory of ferroelectrics and can be modulated by controlling ferroelectricity.