Study on ferro-resistive switching behavior in metal-ferroelectric-dielectric-metal tunnel junctions for memory applications = 메모리 응용을 위한 금속-강유전체-절연체-금속 터널 접합에서의 강유전 저항 스위칭 거동에 관한 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This dissertation thoroughly investigates ferro-resistive switching (FRS) behavior in metal-ferroelectric-dielectric-metal (MFDM) tunnel junctions to advance their use as scalable and reliable non-volatile memory devices.
The study confirms that in asymmetric MFDM configurations, FRS behavior stems from ferroelectric polarization switching, validated by nucleation-limited-switching (NLS) analysis and one-dimensional (1-D) dynamic tunneling simulations. It highlights the crucial role of the interfacial dielectric layer, which facilitates charge injection, modulates electrostatic potential, and acts as a tunneling barrier.
A comparative study of ferroelectric Hf0.5Zr0.5O2 (HZO) and Al0.7Sc0.3N (ASN) reveals ASN's superior FRS performance in current density and read stability. This is attributed to its lower barrier height and higher coercive field. ASN-based devices showed higher ON currents and improved read disturbance immunity, particularly in asymmetric MFDM structures, demonstrating the benefit of wide read voltage windows enabled by ASN's intrinsic properties.
To further optimize FRS characteristics, interfacial dielectric engineering was applied to ASN-based ferroelectric tunnel junctions (FTJs). Electrical and simulation analyses showed that dielectric (DE) layers with moderate barrier heights, such as HfO2 and ZrO2, enable efficient ON-state conduction while suppressing OFF-state leakage. The ZrO2/ASN system achieved the highest ON/OFF ratio and most stable retention, proving its potential for robust non-volatile memory.
The collective findings of this dissertation underscore the superiority of ASN as a ferroelectric material for MFDM tunnel junctions, alongside the optimization of the interfacial dielectric layer. The insights derived from this work provide a framework for the design of bilayer tunnel junctions, thereby supporting the development of high-performance, CMOS-compatible non-volatile memory technologies.

국문 초록 (Abstract)

본 학위논문은 금속-강유전체-유전체-금속 (MFDM) 터널 접합에서 나타나는 강유전 저항 스위칭 (FRS) 거동에 대한 포괄적인 연구를 제시하며, 이는 확장 가능하고 신뢰성 있는 비휘발성 메모리 소자로서의 응용을 발전시키는 것을 목표로 한다.
본 연구는 비대칭 MFDM 구조에서의 FRS 거동이 강유전 분극 스위칭에서 비롯됨을 핵생성-제한-스위칭 (Nucleation-Limited-Switching) 분석 및 1차원 동적 터널링 시뮬레이션을 통해 확인하였다. 또한, 계면 유전층의 중요한 역할을 강조한다. 이 계면 유전층은 강유전체/유전체 계면으로의 전하 주입을 촉진하여 정전기적 전위 프로파일을 조절하고, 동시에 터널링 장벽 역할을 한다.
강유전체 Hf0.5Zr0.5O2 (HZO)와 Al0.7Sc0.3N (ASN)에 대한 비교 연구를 통해 ASN이 더 낮은 장벽 높이와 더 높은 보자력을 가짐으로써 전류 밀도 및 판독 안정성 측면에서 우수한 FRS 성능을 나타냄을 밝혀냈다. ASN 기반 소자는 특히 비대칭 MFDM 구조에서 더 높은 ON 전류와 향상된 판독 방해 내성을 보였다. 이는 ASN 고유의 재료 특성으로 인해 넓은 판독 전압 범위가 가능함을 입증한다.
FRS 특성을 더욱 최적화하기 위해 ASN 기반 강유전체 터널 접합(FTJ)에 계면 유전체 엔지니어링을 적용하였다. 시뮬레이션 분석 결과, HfO2 및 ZrO2와 같이 낮은 장벽 높이를 갖는 고유전율 유전체 층이 ON 상태에서 효율적인 전도를 가능하게 하는 동시에 OFF 상태에서의 누설 전류를 효과적으로 억제함을 보여주었다. 연구된 구성 중 ZrO2/ASN 시스템은 가장 높은 ON/OFF 비율과 가장 안정적인 유지 특성을 달성하여 견고한 비휘발성 메모리 응용을 위한 잠재력을 입증했다.
본 학위논문의 종합적인 연구 결과는 MFDM 터널 접합 소자로서 ASN 강유전체 물질의 우수성과 함께 계면 유전층 최적화의 중요성을 명확히 강조한다. 이 연구에서 도출된 통찰은 고성능, CMOS 호환 비휘발성 메모리 기술 개발을 지원하는 이중층 터널 접합의 설계를 위한 가이드라인을 제시한다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Table of Contents iii
• List of Tables vi
• List of Figures vii
• List of Abbreviations xvii
• 1. Introduction 1
• 1.1. Overview and Issues on the Ferroelectric Tunnel Junctions 1
• 1.2. Objective and Chapter Overview 3
• 1.3. Bibliography 5
• 2. Investigation of Ferro-resistive Switching Behavior in a Metal-Ferroelectric-Dielectric-Metal Ferroelectric Tunnel Junction 7
• 2.1. Introduction 7
• 2.2. Experimental Methods 10
• 2.2.1. Sample fabrication 10
• 2.2.2. Numerical simulation method 13
• 2.3. Results and Discussion 14
• 2.3.1. Polarization and ferro-resistive switching kinetics analysis 14
• 2.3.2. Barrier modulation and tunneling current simulations 29
• 2.3.3. Reevaluation of the conventional ferroelectric tunnel junction model 42
• 2.4. Conclusion 46
• 2.5. Bibliography 48
• 3. Comparative Study of Ferro-resistive Switching Properties with Different Ferroelectric Materials: Al2O3/Hf0.5Zr0.5O2 and Al2O3/Al0.7Sc0.3N 55
• 3.1. Introduction 55
• 3.2. Experimental Methods 58
• 3.2.1. Sample fabrication 58
• 3.2.2. Numerical simulation method 61
• 3.3. Results and Discussion 62
• 3.3.1. Evaluation of HZO and ASN MFM devices for MFDM FTJ applications 62
• 3.3.2. Comparative analysis of ferro-resistive switching behavior of AO/HZO and AO/ASN MFDM FTJ devices 69
• 3.4. Conclusion 83
• 3.5. Bibliography 86
• 4. Enhancement of Ferro-resistive Switching Performance through Interfacial Dielectric Layer Modification 91
• 4.1. Introduction 91
• 4.2. Experimental Methods 93
• 4.2.1. Sample fabrication and simulation method 93
• 4.3. Results and Discussion 96
• 4.4. Conclusion 118
• 4.5. Bibliography 120
• 5. Conclusion 122
• Abstract (in Korean) 125