| 초록 |
1. 개요 HfO2 기반의 강유전체 물질은 램(RAM; Random-Access Memory), 강유전성 전계효과트랜지스터(F-FETs; Ferroelectric Field-Effect Transistors), FTJs(ferroelectric tunneling junctions), steep-slope devices, 그리고 synaptic devices와 같은 다양한 소자 개발 측면에서 주목을 받고 있다. 특히 Hf0.5Zr0.5O2(HZO)는 상보형 금속산화물반도체(CMOS; Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 공정에 적용이 가능하고 두께가 두꺼워도 강유전체 특성을 나타내는 장점이 있다. 본 보고서에서는 도핑, 스트레스, 계면, 그리고 박막 두께를 포함하여 HZO의 최근 연구 동향을 살펴보고자 한다. 지난 수십 년간 비휘발성 반도체 소자, 특히 강유전성 램(FRAM; Ferroelectric Random-Acess Memory) 개발을 위해 강유전성 물질 연구가 집중적으로 이루어졌다. FRAM은 현재의 플래시메모리 특성을 뛰어넘는 몇 가지 장점이 있다. 예를 들어 구동 전력이 작고, 쓰기 속도가 빠르며, 무한대로 읽고 쓰기가 가능하며, 또한 공정이 매우 간단하다. 현재 130nm 노드의 CMOS 공정에는 PZT(Pb(Zr, Ti)O3) 기반 평판 구조의 커패시터 FRAM이 활용되고 있고, PZT 박막은 70nm 두께로 1.5V에서 구동된다. 하지만 계속적인 소자의 소형화에 따라 3차원 구조의 커패시터가 요구되고 있다. PZT 물질은 약 3~4eV 수준으로 밴드갭이 상대적으로 낮기 때문에 누설전류 및 절연파괴 측면에서 한계가 있다. 또한 PZT 박막은 3차원 구조로 증착 자체가 어려운 물질이다. Pb 원소는 크기가 크고 휘발성으로, 원자층 증착법(ALD; Atomic Layer Deposition)을 통한 공정 개발이 어렵다. 게다가 양이온과 oxygen과의 결합이 상대적으로 약하기 때문에 소자 신뢰성에 문제점을 야기할 수 있다. 또한 유해한 Pb 기반의 물질 활용은 환경 측면에서도 이슈가 있다. 2011년 HfO2 기반의 강유전성 박막에 대한 보고와 함께 앞에서 언급한 PZT 박막의 이슈들을 해결할 수 있는 길이 열렸다[1]. HZO 박막은 결정형에 따라 여러 특성을 갖는데, Tetragonal 또는 cubic 상은 monoclinic 구조보다 유전상수가 높다. 또한 Tetragonal 상은 상대적으로 밴드갭이 크다. 하지만 Tetragonal 및 cubic 상은 열역학적으로 1750oC, 2700oC에서 나타나는 반면, monoclinic 구조는 상온에서 얻을 수 있다. 낮은 온도 영역에서 유전상수가 높은 상태를 얻기 위해 HfO2에 도핑을 할 수 있다. 2006년 Tomida et al. 그룹은 Si 도핑 후 열처리를 통해 Hf1-xSixO2 박막의 유전상수를 향상시킬 수 있음을 발표했다[2]. Fischer et al. 연구진은 제일원리 계산을 통해 HfO2와 ZrO2 박막 내 dopant가 tetragonal 상을 유도함으로써 유전상수에 미치는 영향을 밝혀냈다[3]. 이러한 흐름 속에서 2007년 HfO2 박막의 예상치 못했던 강유전성이 발견됐고, 2011년 연구 결과가 최초로 발표됐다. 연구진은 ALD 공정을 통해 증착된 SiO2 도핑된 HfO2 박막에서 강유전성 결정상이 형성됨을 밝혀냈다. 기존 HfO2 박막의 equi-librium phase diagram에는 없던 orthorhombic 상이 나타나면서 강유전체 거동을 나타냈다. 그 후 HfO2 기반 물질에 대해 광범위한 실험적/이론적 연구가 진행되고 있다. 본 보고서에서는 HZO 박막의 강유전체 특성에 대한 최근 연구 동향들을 리뷰하고자 한다. 특히, 도핑 효과, 스트레스 효과, 계면 효과, 그리고 강유전체 박막 두께 의한 영향들을 광범위하게 살펴보고, 기존의 PZT 박막 및 여러 강유전성 물질들과 특성을 비교하고자 한다. ** 원문은 파일 다운받기를 해주세요 :-) |
