The influence of oxygen vacancies on ferroelectricity in (Hf,Zr)O2 thin films
- 주제어 (키워드) HfO2 기반 강유전체 , 비휘발성 메모리 , 압전 감응 힘 현미경 , 산소 공공 , 분극 반전 속도
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 양상모
- 발행년도 2025
- 학위수여년월 2025. 8
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 물리학과
- 실제 URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000081936
- UCI I804:11029-000000081936
- 본문언어 영어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권 보호를 받습니다.
초록 (요약문)
하프늄 산화물 기반의 강유전체 박막은 차세대 비휘발성 메모리와 뉴로모픽 컴퓨팅 소자 등 첨단 소자 응용에 적합한 소재로 주목 받고 있습니다. 특히, HfO2 기반 박막에서 대표적인 결함 중 하나인 산소 공공 (VO)은 잔류 분극이나 분극 반전 특성 등 강유전 특성에 큰 영향을 미치는 중요한 요인입니다. 그러나, HfO2 기반 박막 내 VO 농도와 강유전 특성 간의 근본적인 관계에 대한 연구는 아직 부족합니다. 본 연구에서는 HfO2 기반 박막의 강유전상(사방정계 결정상, orthorhombic phase; Pca21)과 VO 농도를 조절하기 위해 두 가지 접근법을 활용했습니다. 첫 번째는 열처리 온도를 조절하는 방식이고, 두 번째는 산소 제거 효과를 이용하는 방식입니다. 먼저, 서로 다른 열처리 온도 (550 – 700 ℃ )로 열처리를 진행한 결과, Hf0.5Zr0.5O2 박막의 강유전 특성이 온도에 따라 달라지는 것을 확인했습니다. 구조적 및 전기적 특성은 열처리 온도에 따라 단조롭게 변화했지만, 분극 반전 속도에서는 온도에 따른 비선형적인 변화가 나타났습니다. 이는 열처리 온도 변화로 인해 VO 농도가 달라지고, 이로 인해 분극 전환 과정에서 핵 형성 메커니즘에 영향을 미쳤기 때문으로 해석됩니다. 두 번째로는, VO가 HfO2 기반 박막의 강유전성에 미치는 영향을 보다 명확하게 검증하기 위해, Hf0.7Zr0.3O2 박막 축전기에 서로 다른 두께 (0, 2, 3 nm)의 Ti 박막을 삽입하여 VO 농도를 조절했습니다. 산소 제거 효과를 활용한 이 방법을 통해 VO 농도를 체계적으로 조절할 수 있었습니다. 그 결과, 잔류 분극 값은 2 nm Ti 박막을 삽입한 축전기에서 최대값을 보였으며, 분극 반전 속도는 VO 농도가 높을수록 더 빠르게 나타났습니다. 이는 고속 동작을 위해 최적화된 VO 농도와 최대 분극을 위한 VO 농도가 서로 다를 수 있음을 의미합니다. 결론적으로, HfO2 기반 강유전체에서 VO 농도 조절은 소자의 특성을 원하는 방향으로 맞추는 데 핵심적인 역할을 하며, 소자의 신뢰성 확보 또는 고속 동작 등 목표에 따라 적절한 VO 농도를 조절할 필요가 있음을 본 연구를 통해 확인했습니다.
more초록 (요약문)
Ferroelectric thin films based on hafnium oxide have emerged as key materials owing to their promising properties for advanced device application, such as next-generation nonvolatile memories and neuromorphic computing devices. In particular, oxygen vacancies (VO), one of the most representative defects of HfO2-based thin films, play a crucial role in determining their ferroelectric properties, such as remnant polarization and polarization switching behavior. Nevertheless, fundamental investigations into the relationship between VO concentration in HfO2-based thin films and their ferroelectric properties are still lacking. In this study, we employed the two approaches to control the ferroelectric orthorhombic phase and VO concentration in HfO2-based thin films; modulation of the post-annealing temperature and utilization of oxygen scavenging effect. First, through thermal treatment with different annealing temperature (550–700 ℃), we found that this process significantly influences their ferroelectric behavior of Hf0.5Zr0.5O2 thin films. While the structural and electrical properties changed monotonically with annealing temperature, an exceptional variation in polarization switching speed was observed, attributed to variations in VO concentrations affecting nucleation formation during polarization switching process. Second, to strictly verify the influence of VO on ferroelectricity of doped-HfO2 thin film, we explored the ferroelectric properties of Hf0.7Zr0.3O2 thin film capacitor with different VO concentration. To adjust the amount of VO, we inserted different thickness of Ti interlayers (0, 2, and 3 nm) into these capacitors by utilizing oxygen scavenging effect. Whereas the value of remnant polarization reaches a maximum in the capacitor with 2 nm-thick Ti interlayer, the polarization switching speed increases with higher VO concentration in these samples. This indicates that VO concentration required to optimize the switching speed differs from that to maximize remnant polarization. In conclusion, our findings highlight that tuning the VO concentration in HfO2-based ferroelectrics plays an important role in tailoring device performances for specific applications. Moreover, VO concentration should be tailored depending on purpose of device application, such as device reliability or high-speed operation.
more목차
1. Introduction 13
1.1 Ferroelectricity of HfO2-based thin films 13
1.2 Role of oxygen vacancies on ferroelectricity in HfO2-based films 17
1.3 Engineering of oxygen vacancy concentration in doped-HfO2 thin films 22
1.3.1 Modulation of post-annealing temperature 22
1.3.2 Utilization of oxygen scavenging effect 26
1.4. Overview 29
2. Experimental details 31
2.1 Details of sample fabrication 31
2.2 Structural, chemical, and electrical measurements 34
2.3 Methodology of transient switching current measurement 35
2.4 Piezoresponse force microscopy 37
2.4.1 Principles of piezoresponse force microscopy 37
2.4.2 Piezoresponse force microscopy with dual frequency resonance tracking system 38
3. Results & Discussion 41
3.1 Ferroelectric properties of Hf0.5Zr0.5O2 films annealed at different temperatures 41
3.1.1 Analysis of the structural properties 41
3.1.2 Measurements of electrical properties 46
3.1.3 Transient switching current measurement 50
3.1.4 Visualization of domain switching dynamics 54
3.1.5 Quantification of oxygen vacancies and their impact on the polarization switching behavior 61
3.2 Ferroelectric properties of oxygen-scavenged Hf0.7Zr0.3O2 thin films 65
3.2.1 Modulation of oxygen scavenging by adjusting thickness of Ti interlayer 65
3.2.2 Quantification of oxygen vacancies content 68
3.2.3 Measurements of electrical properties 71
3.2.4 Transient switching current measurement 74
3.2.5 Influence of oxygen vacancies content on the polarization switching behavior 77
4. Conclusion 78
5. References 80
