Ferroelectric Phase Stability of Trivalent-Doped Hf0.5Zr0.5O2 Thin Films Under Substrate and Capping-Layer Environments = 기판 및 캐핑층 환경에 따른 3가 도핑 Hf0.5Zr0.5O2 박막의 강유전상 안정성 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This work examines how trivalent dopants and growth environments shape the phase stability and ferroelectric response of Hf1-xZrxO2 thin films. Polycrystalline films grown on Si and epitaxial films grown on STO were compared to clarify how chemical strain, defect formation, and mechanical confinement act together to influence the orthorhombic phase. In Si-based films, La and Y expanded the local lattice and created oxygen vacancies for charge balance, which promoted the orthorhombic phase and improved switching polarization. Smaller dopants such as Ga and Al mainly introduced compressive strain and did not stabilize the ferroelectric phase. Epitaxial films showed a different pattern. The substrate strain already constrained the lattice, so dopants acted mainly by moderating defect behavior. Y doped films showed the most complete switching, while La doped films displayed reduced polarization despite strong structural stability. Wake-up measurements revealed that remanent polarization saturated early, while the coercive field continued to shift as defect dipoles aligned. These results show that dopant effects depend strongly on the mechanical and structural environment, and that chemical strain, defect energetics, and external confinement must be considered together to understand ferroelectric behavior. This study clarifies why the same dopant can enhance ferroelectricity in one system but suppress it in another, and provides a framework for tuning HZO films through coordinated control of composition, defects, and strain.

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 Hf0.5Zr0.5O2 (HZO) 박막에서 3가 도펀트가 유도하는 상 안정화 메커니즘을 기판환경과 구조적 제한 조건에서 체계적으로 분석하였다. 실리콘 기반 폴리 결정 박막과 STO 기반 에피택셜 박막을 비교함으로써, 동일한 도펀트라도 박막이 놓인 조건에 따라 전혀 다른 상 안정화 경향을 보인다. Si 기반 박막에서는 La3+와 Y3+처럼 큰 이온 반지름을 가진 도펀트가 주변 격자를 넓히고, 산소 공공의 증가를 통해 정방정계가 형성된다. 반면 Al3+와 Ga3+처럼 작은 도펀트는 격자구조를 압축시켜 단사정계가 그대로 남아 강유전 특성도 크게 약해진다. STO 기반 박막에서는 기판 자체가 격자를 강하게 구속하여 도펀트가 결정 구조를 바꾸는 역할보다는 결함 분포나 전기적 특성을 높이는 방향으로 작용하였다. 그 결과Si 기판에서는 La가 가장 큰 효과를 보였으나, STO 기판에서는 Y가 더 높은 분극을 보여 기판 조건에 따라 가장 적합한 도펀트가 달라짐을 확인할 수 있다. 또한 La 도핑 박막의 wake-up 거동을 분석한 결과, 2Pr은 수천 사이클 이내에 빠르게 포화되지만 coercive voltage는 104사이클까지 서서히 변화하여 도펀트와 산소 공공의 결합, 산소 공공의 재배열, 그리고 박막 외부 구조적 제약이 서로 얽혀 상 안정성과 강유전 특성을 결정한다는 사실을 확인했다. 마지막으로 Al2O3 인터페이스 캡핑층 실험에서는 박막이 받는 외부 인장 효과와 산소 공공 이동이 억제되는 조건이 도펀트 크기에 따라 서로 다른 결과를 낳는다는 점을 확인했다. 큰 도펀트 (La, Y)는 추가적인 인장 효과가 누적되며 강유전성이 오히려 약해졌고, 작은 도펀트 (Ga, Al)는 기존의 압축 변형이 상쇄되며 강유전성이 회복되는 경향을 보였다. 본 연구는 도펀트 크기, 산소 공공의 결합 세기, 그리고 박박이 놓인 구조적 조건이 함께 상 안정성을 결정한다는 통합적 관점을 제시하며, 향후 HZO 기반 강유전체 소자의 재료 설계에 중요한 근거를 제공한다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1 Ferroelectric HfO2 for next generation devices 1
• 1.2. Determinants of Phase Stabilization and Current Limitations 3
• 1.3 Research Objectives 5
• Chapter 2. Theoretical Background 6
• 2.1 Structural Characteristics of HfO2 and Hf0.5Zr0.5O2 (HZO) Formation 6
• 2.2 Key Factors affecting stability and Electrical Properties of HZO 7
• 2.3 Influence of Trivalent Dopants on HZO Phase Stability 9
• Chapter 3. Experimental Methods 12
• 3.1. Thin Film Deposition using PLD 12
• 3.1.1 Material Preparation 12
• 3.1.2 Deposition Conditions 12
• 3.2. Fabrication of Metal–Ferroelectric–Metal (MFM) Capacitors 13
• 3.3. Structural and Electrical Characterization Methods 15
• 3.3.1 Structural Characterization 16
• 3.3.2 Electrical Characterization 16
• Chapter 4. Results and Discussion 18
• 4.1. Optimization of PLD Process Parameters 18
• 4.2. Trivalent Doped HZO Thin Films on Si Substrates 21
• 4.2.1 Structural Properties of Doped HZO on Si 21
• 4.2.2 Electrical Properties of Doped HZO on Si 24
• 4.3. Trivalent Doped HZO Thin Films on STO Substrates 31
• 4.3.1 Structural Properties of Doped HZO on STO 31
• 4.3.2 Electrical Properties of Doped HZO on STO 37
• 4.4. Comparative Analysis of Substrate-Dependent Ferroelectric Behavior 42
• 4.4.1. Substrate-Driven Phase Stability and Microstructural Ordering 42
• 4.4.2. Polarity Asymmetry and Substrate-Dependent Optimal Doping 48
• 4.5 Al2O3 Interfacial Engineering for HZO Thin Films on Si Substrates 52
• 4.5.1 Effect of Al2O3 Capping on Large Radius Dopants (La, Y) 54
• 4.5.2 Effect of Al2O3 Capping on Small Radius Dopants (Ga, Al) 56
• 4.5.3 Strain Vo Coupled Phase Stability Model 58
• Chapter 5. Conclusion 61
• 5.1 Experimental Results and Prospects 61
• 5.2 Futures Improvements 64
• Reference 67