The influence of top electrode materials on ferroelectricity in post-deposition annealing-treated (Hf,Zr)O2 thin films
- 주제어 (키워드) 강유전체 , 상부 전극 , 열처리 공정 , 증착 후 열처리
- 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/000000082010
- UCI I804:11029-000000082010
- 본문언어 영어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권 보호를 받습니다.
초록 (요약문)
HfO2 기반 강유전체 박막은 비휘발성 메모리 소자, 음의 캐패시턴스 전계 효과 트랜지스터, 뉴로모픽 컴퓨팅 등 다양한 응용 가능성으로 인해 많은 관심을 받고 있다. HfO2의 강유전성은 준안정 상태의 극성 정방형 상 (Pca21)의 형성에 기인하며, 이는 후열처리 공정에 의해 크게 영향을 받는다. 지금까지는 후금속화 열처리(post-metallization annealing, PMA)를 거친 시료를 중심으로 연구가 활발히 진행되어 왔으나, 후증착 열처리(post- deposition annealing, PDA)된 HfO2 기반 박막에서 상부 전극 물질이 강유전 특성에 미치는 영향에 대해서는 상대적으로 거의 연구되지 않았다. 본 연구에서는 두께 5 nm의 PDA 처리된 Hf0.5Zr0.5O2 (HZO) 캐패시터를 대상으로 상부 전극 재료(W, Mo, TiN)에 따른 강유전체 특성, 특히 분극 반전 거동을 관찰했다. PDA 처리된 박막임에도 불구하고, 상부 전극 물질에 따라 상부 전극 계면의 구조적 특성이 달라지는 것을 확인했다. 나아가, 상부 전극 증착 과정에서 형성되는 계면 층의 차이는 소자의 전기적 특성에 상당한 영향을 미친 것으로 나타났다. 특히, 전극 증착 중 계면에서 비활성층이 형성되지 않은 W 전극을 사용한 캐패시터의 경우, 다른 전극을 사용한 캐패시터 대비 낮은 동작 전압에서도 우수한 강유전 특성을 나타내었으며, 가장 빠른 분극 반전 속도를 보였다. 본 연구는 PDA 처리된 강유전체 HZO 박막 커패시터에서도 상부 전극 물질이 소자 성능 향상에 핵심적인 역할을 할 수 있음을 강조하며, 향후 소자 설계 및 개발에 중요한 통찰을 제공한다.
more초록 (요약문)
HfO2-based ferroelectric thin films have garnered significant interest due to their potential applications including non-volatile memory devices, negative capacitance field-effect transistors, and neuromorphic computing systems. The ferroelectricity in HfO2 is attributed to the formation of a metastable polar orthorhombic phase (Pca21), which is strongly influenced by the post-annealing process. While extensive research has focused on samples undergoing post-metallization annealing, the influence of top electrode materials on the ferroelectric properties of HfO2-based thin films treated with post-deposition annealing (PDA) remains relatively unexplored. In this study, we examined the ferroelectric characteristics, particularly the polarization switching behavior, of PDA-treated Hf0.5Zr0.5O2 (HZO) capacitors with a thickness of 5 nm, using different top electrode materials: W, Mo, and TiN. Although the films were PDA-treated, we found that the structural properties of the top electrode interface varied depending on the top electrode material. Furthermore, variations in the formation of interfacial layers during the top electrode deposition process significantly influenced the electrical properties of the devices. Notably, HZO capacitors with W top electrodes, which exhibited minimal dead layer formation at the interface during electrode deposition, demonstrated enhanced ferroelectricity at lower operating voltages compared to other capacitors. Additionally, these capacitors achieved the fastest polarization switching speeds. This study underscores the pivotal role of the top electrode material in enhancing the performance of even PDA-treated ferroelectric HZO thin film capacitors, offering valuable insights for future device design and development.
more목차
1. Introduction 8
1.1. Ferroelectricity of HfO2-based thin films 8
1.2. Effect of post-annealing on ferroelectric HfO2-based films 11
2. Experimental details 15
2.1. Sample fabrication 15
2.2. Structural measurements 17
2.3. Electrical measurements 18
2.3.1 Polarization–Voltage (P–V) characteristics and leakage current measurements 18
2.3.2 Time-dependent polarization switching behaviors 18
3. Results & Discussion 22
3.1. Observation of interfacial layer formation depending on top electrodes 22
3.2. Elemental analysis of interfacial dead layers 26
3.3. Electrical measurements according to top electrodes 31
3.4. Analysis of the influence of interfacial layers on polarization switching kinetics 35
4. Conclusion 41
5. References 43
