열처리 공정과 기판 구조에 따른 RF Sputtering 기반 HfO2 박막의 강유전성 및 전기적 특성 분석 - 임석원 (The Graduate School, Ajou University, 2023)
현재 폰 노이만 구조의 데이터 처리 시스템에서는 메모리와 중앙처리장치 간의 데이터 병목현상 발생이 필연적이다. 이는 데이터 처리 속도에 악영향을 미치기 때문에 다양한 차세대 반도체 소자가 연구되고 있는데 그중 하나가 Process-In-Memory (PIM)이다. PIM 소자는 단일 메모리 소자에서 데이터의 저장과 처리가 동시에 이뤄지기 때문에 기존 소자 대비 병목현상으로 인한 속도 감소가 완화된다. PIM 소자 개발을 위해 기존의 메모리 반도체 소재 및 동작 방식으로부터의 개선이 필요하기에 다양한 물질이 연구되고 있는데 그중 하나가 강유전체 산화 하프늄 (HfO2)이다. 먼저 강유전체는 외부 전기장 없이 분극이 유지되는 물질을 의미한다. 최근 연구를 통해 강유전체에 열, 전기장과 같은 다양한 외부 요인을 적용해 분극의 방향을 미세하게 조정이 가능하다는 것을 확인했다. 이를 통해 다양한 논리 회로 설계가 가능하여 PIM 소자의 핵심 물질로 주목받고 있다. 다양한 강유전체 중 HfO2는 10nm 수준의 박막에서도 강유전성이 유지되며 CMOS 공정에 대해 우수한 호환성이 강점이라 활발한 연구가 진행되고 있다. HfO2의 다양한 결정상 중 Orthorhombic Phase에서만 강유전성이 발현이 되는데 이는 해당 결정상이 다른 결정상과 달리 중심 비대칭인 구조를 갖기 때문이다. 이를 위해 다양한 증착 방식과 후공정이 연구되고 있다. 대표적인 CVD 증착 방식인 Atomic Layer Deposition (ALD)는 박막 형성에 유리하다는 장점이 있지만 원자층 단위의 안정적인 화학적 결합 때문에 HfO2의 Orthorhombic Phase 유도에 필요한 열처리 온도가 높다는 단점이 있다. PVD 증착 방식 중 하나인 Radio-Frequency Sputtering (RF Sputtering)는 ALD에 비해 증착 속도가 높으며, 물리적 증착 방식이라는 점과 다양한 공정 변수가 존재하기 때문에 ALD 대비 HfO2의 Orthorhombic Phase 유도에 필요한 열처리 온도가 낮다는 장점이 있다. 하지만 ALD 대비 높은 표면 조도와 반복적인 동작에 대해 불안정한 강유전성이 약점이라 추후 소자 적용 단계에서 해결해야 하는 문제가 있다. 이 논문에서는 기판과 열처리 조건 변화를 통해 RF Sputtering 기반 HfO2의 Orthorhombic Phase 유도 및 강유전성 향상을 위한 공정 최적화를 진행했다. 다음으로 각 공정 조건과 강유전성 간의 연관 관계를 규명하고 추후 PIM 소자로의 응용 가능성을 확인했다. 첫째로, 안정적인 증착 속도를 가지는 RF Sputtering 공정 조건을 설계했다. SE 장비를 활용하여 서로 다른 증착 시간을 갖는 HfO2 박막을 증착한 뒤, 두께를 측정하여 증착 속도를 역산하여 구했다. 다음으로 RTP와 GIXRD를 활용하여 박막의 결정화를 유도한 뒤, 두께에 따른 결정성을 분석했다. 이를 통해 소자 적용에 가장 최적화된 HfO2 박막 두께를 선정했다. 둘째로, RF Sputtering을 이용해 증착된 HfO2의 강유전성 비교를 위해 Pt, TiN, Si 기판 위에 15nm의 HfO2를 증착 후, RTP와 E-Beam Evaporation을 이용해 박막의 결정화를 유도한 뒤, Pt/Cr, Au/Cr을 증착하여 MIM, MOS stack을 형성했다. 다음으로 Polarization Hysteresis, Positive-Up-Negative-Down test (PUND test) 측정을 통해 각 공정 조건 별 강유전성의 존재 여부와 잔류 분극을 측정하여 비교했으며, 이를 통해 강유전체 HfO¬2를 위한 최적의 기판과 열처리 조건을 선별했다. 이후 AFM, PFM, c-AFM, Endurance 분석을 통해 추후 소자 적용 가능성을 확인하였다. 마지막으로, GIXRD, XPS, TEM-EDS, 등 다양한 분석 기법을 활용하여 공정 조건에 따른 강유전성 차이에 대한 원인을 규명하였다. 각 분석 결과를 비교하여 기판의 종류에 따라 HfO2¬ 박막의 강유전성에 어떻게 영향을 미치는지 확인하였으며, 강유전체의 PIM 소자 적용에 대한 초석을 제공하였다. 결론지으면, 차세대 메모리인 PIM 소자에 대해서 강유전체 HfO2가 주목받고 있으며, 본 연구에서는 기존 반도체 공정과 호환이 용이하면서도 안정적인 강유전성을 갖는 RF-Sputtering 기반 HfO2 제조 기술 및 공정 조건과 강유전성 HfO2의 상관관계를 제시했다. 이 연구를 통해서 PIM 소자 개발에 강유전체 HfO2 적용과 HfO2의 안정적인 강유전성 발현의 연구에 대한 초석이 되길 기대한다.
학위논문(석사)--아주대학교 일반대학원 :에너지시스템학과,2023. 8
Keywords: Ferroelectricity; Hafnium oxide; Orthorhombic; Sputtering; Substrate