Mg 도핑 농도에 따른 HfₓZr₁₋ₓO₂ 박막의 전계 유도 강유전 특성 = Field-Induced Ferroelectric Properties of HfₓZr₁₋ₓO₂ films as a Function of Mg Doping Level

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 약 7 nm 두께의 ALD 기반 Hf₀.₅Zr₀.₅O₂(HZO) 박막에 초박막 MgO insertion layer를 중앙에 도입하여, 이에 따른 phase evolution 및 전기적 특성을 체계적으로 분석하였다. HZO 박막의 중앙에 MgO를 1 cycle 삽입한 경우, Mg²⁺ 이온이 Hf/Zr site로의 부분 치환(substitutional) 확산되면서 charge compensation 메커니즘에 따른 oxygen vacancy를 생성하고, 이로 인해 tetragonal phase가 안정화되어 field-induced ferroelectric switching이 발현됨을 확인하였다. 이러한 변화는 유전율을 약 42까지 향상시키고, leakage current를 undoped HZO 대비 약 1.5 order 감소시키는 효과를 보였다. 반면 MgO를 2 cycle 삽입하면 전체적인 결정성이 저하되었으며, 3 cycle 이상 삽입 시에는 tetragonal (011) 및 orthorhombic (111) 면에 해당하는 약 30.5° 부근의 회절 피크가 소멸하는 등 결정 구조적 phase degradation이 관찰되었다.
추가적으로, MgO 1 cycle이 도핑된 HZO 박막에 대해 RTA 온도 split 평가를 수행한 결과, 370℃ 조건에서 Rapid Thermal Annealing을 적용할 때 DRAM 동작 전압 범위(±0.8V)에서 leakage current를 -0.8V에서 - 6.30 x10⁻⁸A/cm², +0.8V에서 8.66 x10⁻⁸A/cm² 수준으로 낮출 수 있었으며, 이는 DRAM 요구 조건인 <10⁻⁷A/cm² 이하를 만족한다.
이러한 결과는 약 0.1 nm 수준의 ALD MgO center doping이 oxygen vacancy 기반의 HZO phase evolution을 효과적으로 제어하여, 차세대 DRAM 소자 적용을 위한 leakage 억제 및 전기적 신뢰성 향상에 효과적인 접근임을 제시한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study systematically investigated the phase evolution and electrical properties of ~7-nm-thick ALD-based Hf₀.₅Zr₀.₅O₂ (HZO) thin films by introducing an ultrathin MgO insertion layer at the center of the film. When a single cycle of MgO was inserted, Mg²⁺ ions partially substituted Hf⁴⁺/Zr⁴⁺ sites through diffusion, generating oxygen vacancies via a charge-compensation mechanism. This process stabilized the tetragonal phase and induced field-driven ferroelectric switching. As a result, the dielectric constant increased to approximately 42, and the leakage current was reduced by about 1.5 orders of magnitude compared to undoped HZO.
In contrast, inserting two cycles of MgO degraded the overall crystallinity, and inserting three or more cycles led to structural phase degradation, including the disappearance of diffraction peaks near 30.5°, corresponding to the tetragonal (011) and orthorhombic (111) planes.
Additionally, rapid thermal annealing (RTA) temperature-split evaluations of HZO films doped with a single MgO cycle showed that applying RTA at 370°C lowered the leakage current within the DRAM operating voltage range (±0.8 V) to –6.30×10⁻⁸A/cm² at –0.8 V and 8.66×10⁻⁸A/cm² at +0.8 V, satisfying the DRAM requirement of <10⁻⁷A/cm².
These results demonstrate that ALD-based MgO center doping at an ultra-thin level of approximately 0.1nm can effectively control oxygen-vacancy-mediated HZO phase evolution, thereby providing an effective approach for leakage suppression and electrical-reliability enhancement toward next-generation DRAM applications.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 제 2 장 문헌 연구 5
• 제 1 절 HfO₂ 기반 강유전 특성 5
• 1. 강유전체 물질의 특성 5
• 2. HfO₂의 구조 및 특성 11
• 3. FE 특성을 갖도록 유도하는 인자들 19
• 제 2 절 전계유도 강유전 특성 24
• 1. 전계유도 강유전 특성 24
• 2. 외부 전계에 의한 Phase Transition Mechanism 28
• 3. Cycling에 따른 Wake-Up Effecct 31
• 제 3 절 Dopant 유도 상전이 33
• 1. HfO₂ 박막에 삽입되는 Dopant 효과 33
• 2. Hf₀.₅Zr₀.₅O₂ 내 Al₂O₃ 삽입층 36
• 제 3 장 본문 43
• 제 1 절 Hf₀.₅Zr₀.₅O₂ 내 Mg dopant 효과 43
• 1. 실험 설계 및 절차 43
• 2. 결정 구조 분석 45
• 3. 깊이 프로파일 및 TEM 분석 51
• 4. 표면 화학 상태 분석 56
• 5. 분극 및 유전 특성 58
• 6. 누설 전류 특성 61
• 제 2 절 Mg-doped Hf₀.₅Zr₀.₅O₂의 RTA 영향 분석 65
• 1. 실험 설계 및 절차 65
• 2. 결정 구조 분석 67
• 3. 유전 특성 69
• 4. 누설 전류 특성 및 Mechanism 71
• 제 4 장 결론 78
• 참고문헌 79
• Abstract 82