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하부전극 산소 열처리를 통한 강유전체 터널접합 구조 메모리 소자의 전기저항 변화 특성 분석
Variations in Tunnel Electroresistance for Ferroelectric Tunnel Junctions Using Atomic Layer Deposited Al doped HfO2 Thin Films 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.33 no.6, 2020년, pp.433 - 438  

배수현 (경희대학교 정보전자신소재공학과) ,  윤소정 (경희대학교 정보전자신소재공학과) ,  민대홍 (경희대학교 정보전자신소재공학과) ,  윤성민 (경희대학교 정보전자신소재공학과)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

To enhance the tunneling electroresistance (TER) ratio of a ferroelectric tunnel junction (FTJ) device using Al-doped HfO2 thin films, a thin insulating layer was prepared on a TiN bottom electrode, for which TiN was preliminarily treated at various temperatures in O2 ambient. The composition and th...

주제어

표/그림 (6)

AI 본문요약
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문제 정의

  • )비가 100 이하로 낮은 문제점을 나타내었다 [11]. 따라서 본 연구에서는 터널링 효율을 상승시켜 TER 비를 높이기 위해 TiN 하부전극을 산소 열처리함으로써 추가적인 절연체층을 형성하였다. 하부 전극 산소 열처리에 따른 FTJ의 특성 변화를 조사하기 위해 다양한 조건에서 산소 열처리를 진행하였다.
  • 또한 인가 전압 펄스폭에 따른 TER 변조 결과를 분석하여 이번에 제작한 FTJ 소자가 10ms 이상의 펄스 조건에서 분극 스위칭에 기인하는 터널링 전류 변화와 두 개의 명확한 저항상태를 나타낼 수 있음을 확인하였다. 따라서 이번 연구의 주요 목적인 Al:HfO2 박막을 적용한 FTJ 소자에서의 높은 TER비 특성을 TiN 하부전극의 산소 열처리를 공정 추가를 통해 달성할 수 있었다. 이는 FTJ 소자 제작에 있어서 상부전극과 하부전극의 비대칭 유전체 차폐 특성을 유도하여 유효 전위장벽 높이를 효과적으로 높이는 것이 소자 성능 향상에 매우 유효하다는 것을 시사한다.
  • 본 연구에서는 MFM (Pt/Al:HfO2/TiN) 구조의 FTJ 소자의 TER 성능을 향상시키기 위해, 하부전극 TiN의 산소 열처리를 통해 하부전극 상부에 추가 절연체층을 형성하는 공정 방법을 제안하고, 그 효과를 확인하였다. 그 결과 최적 열처리 공정조건으로 확인된 600℃, 50 torr 조건에서 430의 가장 높은 TER 비를 확보할 수 있었다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
MFM 구조를 갖는 FTJ소자의 on/off비가 낮은 이유는 무엇인가? 하지만 MFM 구조를 가지는 FTJ 소자의 경우 on/off 비가 10 이하로 매우 낮다. on/off 비가 낮은 이유는 분극 방향에 따른 유효 전위장벽의 변화가 작기 때문이다. 따라서 유효 전위장벽의 변화를 크게 하기 위한 방법으로서 추가적인 방법의 도입이 필요하다.
FTJ는 무엇인가? FTJ는 판독 작업 동안 저장된 정보가 사라지는 파괴적 판독을 하는 FeRAM과는 달리 비파괴적 판독이 가능하다 [6-8]. FTJ는 두 개의 전극 사이에 얇은 강유전체 박막이 삽입됨으로써 전자가 터널링 되는 현상을 이용하는 2단자 저항변화형 메모리 소자이다 [9]. 두 개의 전극 사이에 존재하는 강유전체 장벽의 두께가 수나노미터 정도로 감소하면 전자는 양자역학적 터널링 효과로 인해 강유전체 장벽을 통과할 수 있다.
FTJ는 FeRAM과 비교해 어떤 장점이 있는가? 최근 HfO2 기반 전자소자의 새로운 응용 분야로서 강유전체 터널접합(ferroelectric tunnel junction, FTJ) 구조의 메모리 소자 기술이 활발하게 연구되고 있다. FTJ는 판독 작업 동안 저장된 정보가 사라지는 파괴적 판독을 하는 FeRAM과는 달리 비파괴적 판독이 가능하다 [6-8]. FTJ는 두 개의 전극 사이에 얇은 강유전체 박막이 삽입됨으로써 전자가 터널링 되는 현상을 이용하는 2단자 저항변화형 메모리 소자이다 [9].
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참고문헌 (12)

  1. J. F. Scott and C. A. Paz de Araujo, Science, 246, 1400 (1989). [DOI: https://doi.org/10.1126/science.246.4936.1400] 

  2. T. Kim and S. Jeon, IEEE Trans. Electron Devices, 65, 1771 (2018). [DOI: https://doi.org/10.1109/TED.2018.2816968] 

  3. M. H. Park, H. J. Kim, Y. J. Kim, T. Moon, K. D. Kim, and C. S. Hwang, Adv. Energy Mater., 4, 140061 (2014). [DOI: https://doi.org/10.1002/aenm.201400610] 

  4. J. Muller, T. S. Boscke, U. Schroder, S. Mueller, D. Brauhaus, U. Bottger, L. Frey, and T. Mikolajick, Nano Lett., 12, 4318 (2012). [DOI: https://doi.org/10.1021/nl302049k] 

  5. P. Polakowski, S. Riedel, W. Weinreich, M. Rudolf, J. Sundqvist, K. Seidel, and J. Muller, Proc. 2014 IEEE 6th International Memory Workshop (IMW) (IEEE, Taipei, Taiwan, 2014) p. 1. [DOI: https://doi.org/10.1109/IMW.2014.6849367] 

  6. A. Chanthbouala, A. Crassous, V. Garcia, K. Bouzehouane, S. Fusil, X. Moya, J. Allibe, B. Dlubak, J. Grollier, S. Xavier, C. Deranlot, A. Moshar, R. Proksch, N. D. Mathur, M. Bibes, and A. Barthelemy, Nat. Nanotechnol., 7, 101 (2012). [DOI: https://doi.org/10.1038/nnano.2011.213] 

  7. M. Y. Zhuravlev, R. F. Sabirianov, S. S. Jaswal, and E. Y. Tsymbal, Phys. Rev. Lett., 94, 246802 (2005). [DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.94.246802] 

  8. H. Kohlstedt, N. A. Pertsev, J. R. Contreras, and R. Waser, Phys. Rev. B, 72, 125341 (2005). [DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.72.125341] 

  9. L. Esaki, R. B. Lailbowitz, and P. J. Stiles, IBM Tech. Discl. Bull., 13, 2161 (1971). 

  10. D. Pantel and M. Alexe, Phys. Rev. B, 82, 134105 (2010). [DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.82.134105] 

  11. M. Kobayashi, Y. Tagawa, F. Mo, T. Saraya, and T. Hiramoto, IEEE J. Electron Devices Soc., 7, 134 (2019). [DOI: https://doi.org/10.1109/JEDS.2018.2885932] 

  12. S. Dahle, R. Gustus, W. Viol, and W. Maus-Friedrichs, Plasma Chem. Plasma Process., 32, 1109 (2012). [DOI: https://doi.org/10.1007/s11090-012-9392-x] 

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