Study of Proximity-Induced Ferroelectric Switching for High-Performance Ferroelectric Field-Effect Transistors = 고성능 강유전 전계 효과 트랜지스터 구현을 위한 근접 유도 강유전체 스위칭 특성 연구

국문 초록 (Abstract)

본 학위논문에서는 다층 구조에서 근접 유도 스위칭 현상을 활용하여 강유전체 특성을 설계하는 방법을 다루었습니다. Fluorite 구조의 HfZrO2는 우사한 상보성 금속 산화막 반도체 호환성을 가져 많은 연구가 되어왔지만, 낮은 항전계를 가져 강유전체 전계효과 트랜지스터 (FeFET)에 사용할 경우 작은 메모리 윈도우가 제한되는 문제가 존재하였습니다. 반면 wurtztie 구조의 AlScN는 높은 항전계를 가져 FeFET의 후보 물질로 많은 주목을 받고 있습니다. 그러나 AlScN는 지나치게 높은 잔류분극을 가져 신뢰성 문제를 야기할 수 있습니다.
이에 본 연구에서는 TiN/AlScN/Al2O3/TiN 구조의 소자를 이용해 AlScN 박막의 탈분극에 대한 안정성을 분석하였습니다. Al2O3 두께를 증가시킴에 따라 Al2O3를 통해 주입되는 전하의 양이 감소하여 탈분극장이 생성됩니다. 탈분극장이 존재하는 경우 AlScN 분극의 손실을 분석하였습니다. 그 결과 AlScN는 높은 항전계와 우수한 균일성으로 인해 탈분극장에 대해 안정적인 특성을 보였습니다. 또한 AlScN는 최대 900 °C의 열처리 후에도 안정적인 결정 구조와 강유전 특성을 보여 우수한 열적 안정성을 입증하였습니다.
하지만 AlScN 기반 FeFET은 높은 잔류분극에 의해 메모리 윈도우와 신뢰성의 열화가 발생하였습니다. 이를 해결하기 위해 본 연구에서는 다층 구조에서 나타나는 근접 유도 강유전성을 통해 강유전체 특성을 최적화하는 방법을 제시하였습니다. 근접 유도 스위칭은 다층 구조 내에서 낮은 스위칭 장벽을 가진 강유전체 층에서 발생한 분극 전이가 인접한 강유전체 층의 분극 전이를 유도하는 현상입니다. 예를들어, 단일막에서는 너무 높은 스위칭 장벽으로 인해 강유전성을 나타내지 않는 AlN 박막이 AlScN/AlN/AlScN 다층 구조에서는 AlScN의 스위칭으로 인해 강유전성을 나타내게 됩니다. 특히 AlN의 비율을 조절함으로써 다층 구조의 잔류분극과 항전계를 독립적으로 제어할 수 있었으며, 이는 wurtzite 결정 구조의 강유전체의 특성을 설계할 수 있는 새로윤 전략으로 볼 수 있습니다.
이러한 다층 구조의 응용 가능성은 비정질 In-Ga-Zn-O (a-IGZO) 기반 강유전체 박막 트랜지스터(FeTFT)를 통해 확인되었습니다. AlScN/AlN/AlScN 게이트 스택을 적용한 a-IGZO FeTFT는 약 12 V에 달하는 넓은 메모리 윈도우와 뛰어난 데이터 유지 특성을 보였으며, 이는 탈분극 효과의 억제에 기인한 것입니다. 더 나아가, 다층 구조의 두께와 채널 길이를 스케일링한 조건에서도 a-IGZO FeTFT는 우수한 성능을 유지하여 고집적 메모리 구현 가능성을 입증하였습니다.
마지막으로 이번 연구에서는 근접 유도 강유전성을 결정 구조가 다른 AlScN과 HfZrO2으로 구성된 이종접합 구조로 확장하였습니다. KOH 용액에서의 습식 식각 실험을 통해 AlScN/HfZrO2 이종접합 구조에서 HfZrO2에서 시작된 분극 전이가 AlScN의 스위칭을 유도함을 확인하였습니다. 이와 같은 협동적 스위칭 현상으로 인해 AlScN(AlN)/HfZrO2 이종접합 구조는 낮은 잔류분극과 높은 항전계를 동시에 가지는 독특한 특성을 보였습니다. 특히, AlN/HfZrO2를 강유전체 게이트로 사용한 FeFET은 약 10.9 V의 넓은 메모리 윈도우를 보였으며 125 °C의 높은 온도에서도 우수한 데이터 유지 및 내구성을 보여주었습니다.
결론적으로 본 연구는 서로 다른 강유전체 물질 간의 계면에서 발생하는 근접 유도 강유전성을 활용해 강유전체 특성을 효과적으로 제어할 수 있음을 입증했고, 강유전체 특성 최적화를 위한 효과적인 설계 전략을 제안했습니다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This dissertation investigates a new method to improve ferroelectric properties for high-performance ferroelectric field-effect transistors (FeFETs) by utilizing proximity-induced polarization switching. While fluorite-structured HfZrO2 has been extensively studied because of its excellent compatibility with complementary metal-oxide-semiconductor technology and scalability, its low coercive field (EC) restricts the memory window in FeFET applications. In contrast, wurtzite-structured AlScN has a considerably larger EC, making it a strong candidate for FeFET use. However, the very high remanent polarization (Pr) of AlScN can decrease the memory window and impact the long-term stability of FeFET devices.
Therefore, the stability of AlScN domains against depolarization fields was studied using the TiN/AlScN/Al2O3/TiN structure. The amount of injected charges through the Al2O3 film decreased as the Al2O3 thickness increased, leading to a depolarization field across the AlScN film. The polarization loss over delay times was systematically analyzed, and AlScN domains demonstrated excellent stability due to their high EC and uniformity. Additionally, AlScN maintained a stable crystalline structure and ferroelectric properties even after annealing at temperatures as high as 900 °C, confirming its superior thermal stability.
However, AlScN-based FeFET still experienced degradation in the memory window and reliability due to the high Pr of AlScN. To address these issues, this work investigates proximity-induced switching in the multilayer structure to alter ferroelectric properties. Proximity ferroelectricity occurs when ferroelectric switching initiated at a layer with a lower switching barrier causes polarization reversal in an adjacent ferroelectric layer. For example, AlN does not display ferroelectricity because of its high switching barrier. However, scanning transmission electron microscopy confirmed that the AlN film became switchable when integrated into an AlScN/AlN/AlScN multilayer structure. The strong electrostatic energy generated at the AlScN/AlN interface lowered the switching barrier of the AlN layer, enabling its switching. Furthermore, this structure allows decoupling the linear relationship between Pr and EC by adjusting the AlN ratio, providing a new strategy to engineer ferroelectric properties.
The practical viability of this structure was confirmed in amorphous In-Ga-Zn-O (a-IGZO) ferroelectric thin-film transistors (FeTFTs). Increasing the AlN ratio within the AlScN/AlN/AlScN gate stack improved both the memory window and retention properties of the a-IGZO FeTFTs. Specifically, FeTFTs with the AlScN/AlN/AlScN gate stack achieved a wide memory window of ~ 12 V, along with enhanced data retention, due to the reduction of depolarization field effects. Furthermore, the FeTFT device maintained strong performance when scaling ferroelectric thickness and channel length, demonstrating its potential for high-density memory applications.
Finally, the proximity-induced switching was extended to heterostructures made of crystallographically distinct materials, such as wurtzite-structured AlScN and fluorite-structured HfZrO2. Wet etching experiments using KOH solution confirmed that ferroelectric switching initiated in the HfZrO2 layer triggered polarization reversal in the AlScN film. This cooperative switching behavior in AlScN(AlN)/HfZrO2 bilayers resulted in a unique ferroelectric property characterized by low Pr and high EC. Notably, a FeFET fabricated with an AlN/HfZrO2 ferroelectric gate stack demonstrated a broad memory window of ~ 10.9 V, along with excellent retention and endurance properties, even at elevated temperatures up to 125 °C. These findings provide a strategy for designing ferroelectric properties through proximity-induced switching across ferroelectric materials.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Table of Contents iv
• List of Tables viii
• List of Figures ix
• List of Abbreviations xviii
• 1. Introduction 1
• 1.1. Overview and Issues on the Ferroelectric Field-Effect Transistors 1
• 1.2. Optimize ferroelectric properties utilizing proximity-induced polarization switching 3
• 1.3. Objective and Chapter Overview 4
• 1.4. References 6
• 2. Stability of AlScN Ferroelectric Domains and Thermal Reliability of AlScN Films 9
• 2.1. Introduction 9
• 2.2. Experimental Methods 11
• 2.2.1. Sample fabrication 11
• 2.2.2. Characterization 11
• 2.3. Results and Discussions 12
• 2.3.1. Effects of Al2O3 film on the growth of AlScN film 12
• 2.3.2. Stability of AlScN domains against the depolarization field 20
• 2.3.3. Thermal stability of AlScN film 30
• 2.4. Conclusion 37
• 2.5. References 39
• 3. Decoupling the Remanent Polarization and Coercive Field in AlScN/AlN/AlScN Multilayer Structure 43
• 3.1. Introduction 43
• 3.2. Experimental Methods 45
• 3.2.1. Sample fabrication 45
• 3.2.2. Characterization 45
• 3.3. Results and Discussions 46
• 3.3.1. Characterizations of the multilayer structure 46
• 3.3.2. Polarity determination of AlScN and AlN films via STEM analysis 51
• 3.3.3. Ferroelectric properties of multilayer structure 54
• 3.4. Conclusion 62
• 3.5. References 63
• 4. AlScN/AlN/AlScN Gate Stack for Enhanced Memory Window and Retention in FeTFTs 66
• 4.1. Introduction 66
• 4.2. Experimental Methods 68
• 4.2.1. a-IGZO FeTFT fabrication 68
• 4.2.2. Characterization 68
• 4.3. Results and Discussions 70
• 4.3.1. Impact of the multilayer structure on the program operation of FeTFTs 70
• 4.3.2. Impact of the multilayer structure on the memory window and retention characteristics of FeTFTs 76
• 4.3.3. Scalability of the FeTFT devices 80
• 4.4. Conclusion 84
• 4.5. References 85
• 5. Proximity-Induced Ferroelectric Switching in Wurtzite/Fluorite Bilayers for High-Performance FeFETs 88
• 5.1. Introduction 88
• 5.2. Experimental Methods 90
• 5.2.1. Capacitor fabrication 90
• 5.2.2. FeFET fabrication 91
• 5.2.3. Characterization 91
• 5.3. Results and Discussions 93
• 5.3.1. Ferroelectric switching behavior of Al2O3/HfZrO2 and AlScN/HfZrO2 bilayer structures 93
• 5.3.2. Proximity-induced switching in AlScN/HfZrO2 bilayer structure 99
• 5.3.3. Wide memory window and superior reliability of AlN/HZO FeFET 110
• 5.4. Conclusion 118
• 5.5. References 119
• 6. Conclusion 127
• Abstract (in Korean) 129