[논문]Hf0.5Zr0.5O2 강유전체 박막의 다양한 분극 스위칭 모델에 의한 동역학 분석

안승언

doi:10.3740/mrsk.2020.30.2.99

Abstract ▼ AI-Helper

Recent discoveries of ferroelectric properties in ultrathin doped hafnium oxide (HfO2) have led to the expectation that HfO2 could overcome the shortcomings of perovskite materials and be applied to electron devices such as Fe-Random access memory (RAM), ferroelectric tunnel junction (FTJ) and negat...

Recent discoveries of ferroelectric properties in ultrathin doped hafnium oxide (HfO2) have led to the expectation that HfO2 could overcome the shortcomings of perovskite materials and be applied to electron devices such as Fe-Random access memory (RAM), ferroelectric tunnel junction (FTJ) and negative capacitance field effect transistor (NC-FET) device. As research on hafnium oxide ferroelectrics accelerates, several models to analyze the polarization switching characteristics of hafnium oxide ferroelectrics have been proposed from the domain or energy point of view. However, there is still a lack of in-depth consideration of models that can fully express the polarization switching properties of ferroelectrics. In this paper, a Zr-doped HfO2 thin film based metal-ferroelectric-metal (MFM) capacitor was implemented and the polarization switching dynamics, along with the ferroelectric characteristics, of the device were analyzed. In addition, a study was conducted to propose an applicable model of HfO2-based MFM capacitors by applying various ferroelectric switching characteristics models.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 Zr이 도핑된 HfO₂ 박막 기반의 금속/강유전체/금속(metal/ferroelectric/metal, MFM) 커패시터를 구현하고 소자의 강유전 특성과 함께 분극 스위칭 동역학적 특성을 분석을 하였다. 또한 앞서 제시한 강유전체 스위칭 특성 모델을 적용하여 비교 분석 함으로써 HfO₂ 기반 MFM 커패시터의 적용 가능한 모델을 제시하는 연구를 진행하였다.

가설 설정

은 N번째 도메인의 분극, E(t)는 인가되는 전기장을 의미한다. 즉, 다결정 구조의 박막에서 모든 도메인의 특성이 동일하지 않으며 각각의 도메인마다 서로 다른 강유전 특성을 가지고 있고 일정한 분포를 가지고 있다고 가정하였다. 따라서 Landau 계수 α, β, γ와 내부저항 등은 가우시안 분포를 가지도록 설정되었다.
P_N은 N번째 도메인의 분극값을 의미하며 P_(N,t+1), P_(N,t)은 동일한 도메인의 시간에 따른 분극값을 나타낸다. 각 파라메터들은 다결정 구조임을 감안하여 L-K모델과 동일하게 가우시안 분포를 가지고 있다고 가정하였다. 이웃한 도메인 간 상호작용을 고려하기 위해 제일 바깥에 위치한 도메인은 벌크에 있는 도메인보다 이웃한 도메인의 수가 적다는 free boundary조건이 적용하였다.

제안 방법

박막 기반의 금속/강유전체/금속(metal/ferroelectric/metal, MFM) 커패시터를 구현하고 소자의 강유전 특성과 함께 분극 스위칭 동역학적 특성을 분석을 하였다. 또한 앞서 제시한 강유전체 스위칭 특성 모델을 적용하여 비교 분석 함으로써 HfO₂ 기반 MFM 커패시터의 적용 가능한 모델을 제시하는 연구를 진행하였다.
2(a)]. HZO 박막 커패시터의 도메인 반전 현상을 확인하기 위해서 piezoelectric force microscopy(PFM, Park XE7 Park systems)을 이용하여 인가 전압에 따른 분극 반전거동을 확인하였다. Fig.
본 연구에서는 ALD 공정으로 성장시킨 Zr 도핑된 HfO₂ 기반의 MFM 커패시터에 대해 Dynamics, PUND, PFM 측정을 통해 스위칭 특성을 분석하고 다양한 강유전체의 분극 반전 모델의 적용 가능성을 분석하였다. 강유전체 분극 반전을 도메인 핵 생성 및 성장 과정을 통해 설명하는 KAI 모델과 NLS 모델은 PUND 측정 결과와 비교했을 때 짧은 스위칭 영역에서는 일치하나 스위칭 시간이 증가할수록 예측결과와 많은 차이를 보이는 것으로 확인되었다.

대상 데이터

Zr을 도핑한 HfO₂를(HZO) 강유전체 층으로 사용하는 MFM 커패시터가 제조되었고 전체적인 구조는 Fig. 1에서 보여주고 있다. atomic layer deposition(ALD) 시스템을 이용하여 TiN 하부 전극 상에 두께 7 nm의 도핑된 HfO₂ 막이 성장되었다.
1에서 보여주고 있다. atomic layer deposition(ALD) 시스템을 이용하여 TiN 하부 전극 상에 두께 7 nm의 도핑된 HfO₂ 막이 성장되었다. HZO 박막은 사이클 당 약 0.

이론/모형

HZO의 스위칭 동역학 분석을 위해서 도메인 관점의 강유전 특성 분석 모델인 KAI 모델 기반의 NLS 모델을 이용하여 분석을 하였다. 두 모델의 차이는 다결정강유전체 박막의 불균일한 핵 성장의 고려 여부이다.
결과적으로 이상적인 수치적 모델에 실제 데이터를 추가하여 계산함으로써 여러 가지 오차가 발생하는 것으로 생각된다. 따라서 스위칭 전류를 사용하지 않고 주어진 초기 몇 개의 분극값을 기반으로 다음 분극 값을 유추할 수 있도록 상미분 방정식을 해석하는 수치해석 모델인 오일러 방법(Euler method)를 L-K 모델에 접목 하여 실제 측정데이터의 의존성을 낮추도록 하였다. 분극 파라미터에 대한 오일러 식을 적용한 Landau-Euler (L-E) 모델은 N번째 도메인의 시간에 따른 강유전체 분극을 다음과 같이 표현할 수 있다.

성능/효과

기반의 MFM 커패시터에 대해 Dynamics, PUND, PFM 측정을 통해 스위칭 특성을 분석하고 다양한 강유전체의 분극 반전 모델의 적용 가능성을 분석하였다. 강유전체 분극 반전을 도메인 핵 생성 및 성장 과정을 통해 설명하는 KAI 모델과 NLS 모델은 PUND 측정 결과와 비교했을 때 짧은 스위칭 영역에서는 일치하나 스위칭 시간이 증가할수록 예측결과와 많은 차이를 보이는 것으로 확인되었다. 이는 얇은 박막의 다결정 HfO2 강유전체 박막에서 도메인 관점의 모델로는 강유전체 스위칭 특성 분석에 한계가 있음을 의미한다.
이는 얇은 박막의 다결정 HfO2 강유전체 박막에서 도메인 관점의 모델로는 강유전체 스위칭 특성 분석에 한계가 있음을 의미한다. 분극과 에너지 관점에서 강유전체 분극 반전을 설명하는 L-K 모델의 경우 비 평형 상태의 분극 반전 표현을 위해 함께 계산되는 실제 측정된 동적전류(dynamic current)의 오차로 인해 포화 영역에서는 측정데이터와 유사한 특성을 보여주었으나 스위칭 영역에서 큰 차이가 발생하는 것을 확인했다. 마지막으로 오일러 방법을 L-K 모델에 접목하여 측정데이터의 의존도를 낮추어 제안된 다중 도메인 L-E 모델은 강유전체의 분극 반전 거동을 완벽하게 재현해냈다.
분극과 에너지 관점에서 강유전체 분극 반전을 설명하는 L-K 모델의 경우 비 평형 상태의 분극 반전 표현을 위해 함께 계산되는 실제 측정된 동적전류(dynamic current)의 오차로 인해 포화 영역에서는 측정데이터와 유사한 특성을 보여주었으나 스위칭 영역에서 큰 차이가 발생하는 것을 확인했다. 마지막으로 오일러 방법을 L-K 모델에 접목하여 측정데이터의 의존도를 낮추어 제안된 다중 도메인 L-E 모델은 강유전체의 분극 반전 거동을 완벽하게 재현해냈다. 결론적으로, L-E 모델을 이용하여 보다 효율적이고 정확한 강유전 특성 모델링을 통해 Landau계수를 추출하고 공정 변수에 따른 Landau 계수의 변화를 관찰하여 강유전성 형성에 영향을 미치는 변수를 파악할 수 있을 것으로 기대된다.

후속연구

마지막으로 오일러 방법을 L-K 모델에 접목하여 측정데이터의 의존도를 낮추어 제안된 다중 도메인 L-E 모델은 강유전체의 분극 반전 거동을 완벽하게 재현해냈다. 결론적으로, L-E 모델을 이용하여 보다 효율적이고 정확한 강유전 특성 모델링을 통해 Landau계수를 추출하고 공정 변수에 따른 Landau 계수의 변화를 관찰하여 강유전성 형성에 영향을 미치는 변수를 파악할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	페로브스카이트 강유전체의 특성은?	강유전체를 이용한 메모리 연구는 주로 Pb(Zr,Ti)O3(PZT), SrBi2Ta2O9(SBT) 등의 페로브스카이트강유전체를 기반으로 연구가 되어져 왔다.1,2) 하지만 페로브스카이트 강유전체는 50 nm 이하의 두께에서 강유전성이 사라지는 특성으로 인해 scale down에 많은 어려움이 있었다.3) 그러나 최근에 수 nm 두께의 HfO2 박막에서 강유전성이 발견되면서 이러한 문제를 해결할 수 있는 가능성을 제시하였다.
	플래쉬 메모리가 가지고 있는 이슈는?	따라서 원활한 정보의 저장 및 관리를 위한 고속, 고밀도 및 저전력 소모를 갖는 고성능 비휘발성 메모리의 필요성이 꾸준히 재기되어 왔다. 현재 상용화되어 널리 쓰이는 플래쉬 메모리(NAND Flash)도 끊임없는 진화를 통해 많은 발전을 거듭하고 있지만 여전히 동작속도 및 높은 동작 전압등의 이슈에서 자유롭지 못하고 있다. 따라서 이러한 문제를 해결하기 위해 다양한 물리적, 전기적 특성을 이용한 새로운 개념의 메모리가 제안되고 있으며 그 중에서 강유전체의 안정적인 분극 상태 변화(-P, +P)를 이용한 메모리는 전기장에 의한 구동으로 인한 저전력 비휘발성 메모리 구현이 가능하여 많은 관심을 받고 있다.
	플래쉬 메모리의 동작속도 및 높은 동작 전압 문제를 해결하기 위해 제안된 내용 중 많은 관심을 받고 있는 것은?	현재 상용화되어 널리 쓰이는 플래쉬 메모리(NAND Flash)도 끊임없는 진화를 통해 많은 발전을 거듭하고 있지만 여전히 동작속도 및 높은 동작 전압등의 이슈에서 자유롭지 못하고 있다. 따라서 이러한 문제를 해결하기 위해 다양한 물리적, 전기적 특성을 이용한 새로운 개념의 메모리가 제안되고 있으며 그 중에서 강유전체의 안정적인 분극 상태 변화(-P, +P)를 이용한 메모리는 전기장에 의한 구동으로 인한 저전력 비휘발성 메모리 구현이 가능하여 많은 관심을 받고 있다. 강유전체를 이용한 메모리 연구는 주로 Pb(Zr,Ti)O3(PZT), SrBi2Ta2O9(SBT) 등의 페로브스카이트강유전체를 기반으로 연구가 되어져 왔다.

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M. Dawber, K. M. Rabe and J. F. Scott, Rev. Mod. Phys., 77, 1083 (2005).

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M. H. Park, Y. H. Lee, T. Mikolajick, U. Schroeder and C. S. Hwang, MRS Commun., 8, 795 (2018).

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C. Li, C. Li, L. Huang, T. Li, W. Lu, X. Qiu, Z. Huang, Z. Liu, S. Zeng, R. Guo, Y. Zhao, K. Zeng, M. Coey, J. Chen, Ariando and T. Venkatesan, Nano Lett., 15, 2568 (2015)

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F. A. Vargas, G. Kolhatkar, M. Broyer, A. H. Youssef, R. Nouar, A. Sarkissian, R. Thomas, C. Gomez-yanez, M. A. Gauthier and A. Ruediger, ACS Appl. Mater. Interfaces, 9, 13262 (2017)

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H. Ishiwara, Curr. Appl. Phys., 12, 603 (2012)

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V. V. Zhirnov and R. K. Cavin, Nat. Nanotechnol., 3, 77 (2008).

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J. Jo and C. Shin, IEEE Electron Device Lett., 37, 245 (2016).

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