계면층이 삽입된 강유전체 박막 커패시터의 분극 반전 거동 분석

Abstract

최근 강유전체의 메모리 소자의 응용에서의 연구 경향은 크게 두 가지 항목으로 분류할 수 있다, 첫 번째는 메모리의 집적도를 높이기 위하여 행해지는 강유전체 박막의 scaling down이며, 두 번째는 FeFET, FRRAM 등과 같은 새로운 구조와 구동 메커니즘을 가지는 차세대 강유전체 비휘발성 메모리 소자의 구현이다. 문제는 강유전체의 박막 두께가 감소함에 따라 내부 또는 외부적으로 존재하는 계면 효과가 전체 강유전체 거동에 미치는 영향이 증대되고 있으며, 또한 새로운 소자의 구현에 있어서 강유전체 계면에 유전체나 반도체 물질이 적층되야 한다. 따라서 강유전체의 메모리 소자 응용 분야에서 강유전체의 거동에 있어서 계면층의 영향을 분석하는 것이 요구되고 있다. 기존 연구에서 계면의 비강유전성을 띄는 계면층이 존재할 때 강유전체의 물리적, 전기적 특성을 열화되는 것으로 알려져 있다. 하지만 최근 연구결과에 의하면 강유전체에 우수한 특성을 가지는 균일한 계면층을 강유전체 계면과 금속 전극 사이에 형성함으로써 강유전체 특성을 향상시켰다는 보고도 있으며, 유전박막과 강유전체 박막의 상호 작용을 이용하여 기존에 관찰하지 못하였던 강유전체의 새로운 특성이 발견될 수 있다. 본 연구에서는 ALD 공정을 통하여 매우 얇은 계면층을 강유전체 박막에 적층한 커패시터 구조에서의 강유전성 및 분극 반전 거동에서의 계면층의 영향을 분석하였고, 또한 계면층 형성시 강유전체 박막과 계면층간의 물리적•화학적 변화를 연구하였다. 첫 번째로 ALD를 통한 silicon oxide 계면층 형성시 비정상적인 박막 성장 거동 및 그때의 강유전체의 강유전성의 변화를 분석하였다. 계면층의 초기 박막 성장거동은 Volmer-Weber type의 island 성장 거동을 따르며, 이때의 화학적 상태는 강유전체로 사용한 PZT 계면의 Zr, Ti 원자가 계면층으로 확산되어 silicate를 형성하게 되는 것을 확인하였다. 이때 Pb 함량이 상대적으로 부족한 PZT 계면의 Zr, Ti가 ALD 공정시 형성된 계면층으로 이동함에 따라 계면에서 양이온 비율이 개선되었으며, 따라서 커패시터의 강유전성이 향상되는 결과를 얻었다. 계면층이 특정 두께 이상으로 성장하게 되면 PZT 계면에서 Pb또한 계면층으로 확산되어 Pb-silicate 가 형성되게 되며, 이때 계면층의 물리적 상태를 변화시켜 Frank-van der Merwe type의 박막 성장 거동을 통한 전체적으로 균일한 계면층이 PZT계면에 형성되는 것을 확인하였다. 이 때에는 계면층의 두께에 커짐에 따라 강유전체의 강유전성이 점점 열화되는 일반적인 경향을 따르는 것으로 분석되었다. 결과적으로 계면층 형성과정에서 강유전체의 강유전성이 크게는 30%이상 향상되는 결과를 얻을 수 있었다. 두 번째로 계면층이 존재할 때 강유전체 커패시터의 분극 반전 거동을 분석하기 위해 강유전체 커패시터에 사각펄스를 인가하였을 때의 전류변화를 관찰하였고, 이러한 전류변화로부터 회로의 커패시턴스 값의 변화를 추출하기 위하여 새로운 분석 방법을 고안하였다. 새로이 고안한 방법으로 강유전체의 분극 반전 전류를 재해석 하였을 때 분극 반전시 회로의 커패시턴스 값이 하나의 최대값을 가지는 시간에 대한 함수로 표현 되는 것을 확인하였다, 또 펄스의 파형과 관계없이 최대값을 나타내는 시간에서의 강유전체 커패시터의 분극반전 거동이 동역학적으로 동일한 상태를 가지는 것으로 분석되었다. 그리고 외부 저항과 외부 커패시터를 직렬로 연결하여 구성하였을 때의 커패시턴스 최대값을 분석하여 보면 새로이 고안된 방법을 통하여 구해진 커패시턴스 값이 일반적인 RC 회로 요소로서 동작하는 의미 있는 값임을 증명하였다. 세 번째로는 분석된 커패시턴스의 시간에 따른 거동이 기존 연구에서 보고한 강유전체의 분극 반전 모델과 유사성을 가짐을 주목하여, 이 둘의 연관성을 찾는 것에서부터 시작하여 본 연구에 사용된 펄스 스위칭 방법에서의 강유전체 분극 반전 모델을 재구성 하였다. 이는 외부 전류에 제한이 있을 때의 강유전체 커패시터에서 일어나는 분극 반전 모델로서 실제 강유전체 소자가 동작하는 환경과 유사하다는 점에서 의미 있는 연구 결과이다. 또한 계면층의 두께와 종류를 조작하여 분극 반전시의 강유전체의 커패시턴스 값을 분석하여 보면 분극 반전시의 강유전체는 음의 커패시터로 동작한다는 흥미로운 사실을 발견하였다. 강유전체가 스위칭 되는 짧은 순간에서 강유전체의 도메인 벽이 음의 커패시턴스를 가질 수 있으며, 동적인 상황에서의 분극 값의 변화와 강유전체 박막에 인가되는 전압으로부터 음의 커패시턴스 동작원리를 설명할 수 있다. 결론적으로 강유전체의 계면층은 단순히 강유전체의 특성을 열화시키는 것이 아닌 계면층이 존재함으로 인해서 강유전체 특성이 개선되거나 기존에 관찰하지 못하였던 강유전체의 특성을 분석할 수 있는 요소로 작용될 수 있음을 보였다.

The recent research trend for potential applications in the field of ferroelectric memory devices can be classified into two major topics. The first one is device-scaling down, which is done to increase the memory density of the ferroelectric memory device. The second is the implementation of new non-volatile ferroelectric memory devices that have non-electrode interfaces. As the thickness and lateral size of the ferroelectric thin films decrease, the influence the interfacial effects have on the overall operation of the ferroelectric thin films becomes remarkable. Moreover, the novel branch of ferroelectric devices requires dielectric or semiconductor thin films to be stacked on top of the interface of the ferroelectric thin films. Therefore, there have been many reports on the fundamental aspects of these multilayer systems, and previous studies show that the interfacial effect and non-polar interface can affect the performance of ferroelectric thin films. The influence of these phenomena has been found to be detrimental in almost all cases, and any significant advances in the field were impeded by this characteristic. However, some recent studies show that interposing high quality conformal interface layers between the metal electrode and ferroelectric thin film can improve overall ferroelectric performance. Moreover, a novel functionality was observed in these materials stacks due to the interplay between the ferroelectric film and the introduced interfacial layer. In this study, the physical and chemical change and polarization reversal behavior of ferroelectric thin films with various interposed interfacial layers were investigated. At first, the abnormal growth characteristics of the ALD interfacial layers were analyzed. The initial growth of the silicon oxide interfacial layer on a PZT substrate obeyed the Volmer-Weber type island growth mechanism. The chemical state of interfacial layer, analyzed by XPS, indicated that Zr-Ti silicates were formed during the initial periods of the ALD process. In this time regime, the performances of the ferroelectric thin films were enhanced due to the improved interfacial properties at the Pb deficient PZT surfaces. When the interfacial layer thickness exceeded a specific thickness, the Pb atoms in the surface region started to diffuse into interfacial layer, forming Pb- silicates. In this regime, the growth mechanism of the interfacial layer changed to the Frank-van der Merwe type 2-dimnesional conformal films growth, and the ferroelectricity was decreased as the interfacial layer thickness was increased. Using the knowledge acquired from these preliminary experiments, the ferroelectric performance was enhaced by ~30% by optimizing the silicate interfacial layer. Second, in order to analyze the polarization switching behavior of a ferroelectric capacitor with an interposed interfacial layer, a novel method to analyze capacitance values from transient current responses was invented. When applying this new method, time dependent capacitance functions with single maximum points were obtained. Also, it was shown that each maximum point in the transient capacitance profiles was in good correspondence to the dynamic state of the ferroelectric thin films during polarization switching, meaning the analyzed capacitance value acted as real capacitance in the ferroelectric devices. Finally, the kinetic model of polarization switching in ferroelectric thin films was reconstructed noting that s direct relation exists between the measured time dependent capacitance function and the well-known ferroelectric polarization switching kinetics. This model can be widely adapted to describe any general ferroelectric device operation which are the situations that the ferroelectric polarization switching operation systems have restriction of external current or external circuit In addition, by alternating the thickness and material of the interfacial layer, the circuit properties of the ferroelectric thin film without any interfacial layers can be analyzed. As a result, it was found that the ferroelectric thin films exhibited a so-called Negative Capacitance during polarization switching. Theoretical studies supported that this type of Negative Capacitance could exist indeed in suchshort polarization switching regimes. In conclusion, the interfacial layer of ferroelectric thin film can give positive effects on ferroelectric properties, and can be used as a tool to analyze novel functionalities in ferroelectric thin films.