Recent discoveries of ferroelectric properties in ultrathin doped hafnium oxide (HfO2) have led to the expectation that HfO2 could overcome the shortcomings of perovskite materials and be applied to electron devices such as Fe-Random access memory (RAM), ferroelectric tunnel junction (FTJ) and negative capacitance field effect transistor (NC-FET) device. As research on hafnium oxide ferroelectrics accelerates, several models to analyze the polarization switching characteristics of hafnium oxide ferroelectrics have been proposed from the domain or energy point of view. However, there is still a lack of in-depth consideration of models that can fully express the polarization switching properties of ferroelectrics. In this paper, a Zr-doped HfO2 thin film based metal-ferroelectric-metal (MFM) capacitor was implemented and the polarization switching dynamics, along with the ferroelectric characteristics, of the device were analyzed. In addition, a study was conducted to propose an applicable model of HfO2-based MFM capacitors by applying various ferroelectric switching characteristics models.
본 연구에서는 강유전체 박막의 게이트 산화물로 사용한 $Pt/SrBi_2Ta_2O_9(SBT)/CeO_2/Si(MFS)$와 Pt/SBT/Si(MFS) 구조의 결정 구조 및 전기적 성질 의 차이를 연구하였다. XRD 및 SEM 측정 결과 SBT/$CeO_2$/Si박막은 약5nm정도의 $SiO_2$층 이 형성되었고 비교적 평탄한 계면의 미세구조를 가지는 반면, SBT/Si는 각각 약6nm와 7nm정도의 $SiO_2$층과 비정질 중간상층이 형성되었음을 알 수 있다. 즉 CeO2 박막을 완충층 으로 사용함으로써 SBT박막과 Si기판의 상호 반응을 적절히 억제할 수 있음을 확인하였다. Pt/SBT/$CeO_2/Pt/SiO_2$/와 Pt/SBT/Pt/$SiO_2$/Si구조에서 Polarization-Electric field(P-E) 특 성을 비교해 본 결과 CeO2박막의 첨가에 따라 잔류분극값은 감소하였고 항전계값은 증가하 였다. MFIS구조에서 memory window값은 항전계값과 직접적 관련이 있으므로 이러한 항 전계값의 증가는 MFIS구조에서의 memory window값이 증가할 수 있음을 나타낸다. Pt-SBT(140nm)/$CeO_2$(25nm)/Si구조에서 Capacitance-Voltage(C-V) 측정 결과로부터 동작 전압 4-6V에서 memory wondows가 1-2V정도로 나타났다. SBT박막의 두께가 증가할수록 memory window값은 증가하였는데 memory wondows가 1-2V정도로 나타났다. SBT박막의 두께가 증가할수록 memory window값은 증가하였는데 이는 SBT박막에 걸리는 전압강하가 증가하기 때문인 것으로 생각되어진다. Pt/SBT/$CeO_2$/Si의 누설전류는 10-8A/cm2정도였고 Pt/SBT/Si 구조에서는 약10-6A/cm2정도로 약간 높은 값을 나타내었다.
Ferroelectric $Bi_{3.35}Sm_{0.65}Ti_3O_{12}(BST)$ thin films were deposited on $Pt(111)/Ti/SiO_2/Si(100)$ substrates by a sol-gel spin-coating process. In this experiments, $Bi(TMHD)_3$, $Sm_5(O^iPr)_{13}$, $Ti(O^iPr)_4$ were used as precursors, which were dissolved in 2-methoxyethanol. Thereafter, the thin films with the thickness, of 240nm were annealed from 600 to $720^{\circ}C$ in oxygen atmosphere for 1 hr, and post-annealed in oxygen atmosphere for 1 hr after deposition of Pt electrode to enhance the electrical properties. The remanent polarization and coercive voltage of the BST thin films annealed at $720^{\circ}C$ were $19.48\;{\mu}C/cm^2$ and 3.40 V, respectively, and a fatigue-free characteristics. As a result, Sm-substituted bismuth titanate films with good ferroelectric properties and excellent fatigue resistance are useful candidates for ferroelectric memory applications.
In recent year, BLT($Bi_{3.25}La_{0.75}Ti_{3}O_{12}$) has been one of promising substitute materials at the ferroelectric random access memory applications. We manufactured $Bi_{3.25}La_{0.75}Ti_3O_{12}$ Target with a ceramic process. The BLT target was sintered at ${1100^{\circ}C}$ for 4 hours. Using RF magnetron sputtering, a deposited BLT thin films were estimated about ferroelectric properly as a functions of post annealing temperatures. The BLT thin films showed a promoted ferroelectric characteristics at the post annealied sample of ${700^{\circ}C}$. This sample exhibited the (117) preferred crystal orientation, current density of $3{\times}10^{-8}A/cm^2$, a remanent polarization of $8{\mu}C/cm^2$ and a coercive field of 42.1 KV/cm respectively.
The crystallographic characteristics of the $(Bi, La)_4$$Ti_3$$O_{12}$ thin film, which is considered as an applicable dielectrics in the ferroelectric RAM device due to a low crystallization temperature and a good fatigue property, were investigated at the atomic scale by high resolution transmission electron microscopy and the high resolution Z-contrast technique. The analysis showed that a (00c) preferred orientation and a crystallization of the film were enhanced with the diffraction intensity increase of the (006) and (008) plane as the annealing temperature increased. It indicated a change of the atomic arrangement in the (00c) plane. Stacking faults on the (00c) plane were also observed. Through the comparison of the high-resolution Z-contrast image and the $Bi_4$$Ti_3$$O_{12}$ atomic model, it was evaluated that the intensity of the Bi atom was different according to the atomic plane, and it was attributed to a substitution of La atom for Bi at the specific atom position.
Metal-ferroelectric-insulator-semiconductor(WFIS) capacitors using rapid thermal annealed LiNbO$_3$/AlN/Si(100) structure were fabricated and demonstrated nonvolatile memory operations. The capacitors on highly doped Si wafer showed hysteresis behavior like a butterfly shape due to the ferroelectric nature of the LiNbO$_3$ films. The typical dielectric constant value of LiNbO$_3$ film in the MFIS device was about 27, The gate leakage current density of the MFIS capacitor was 10$^{-9}$ A/cm$^2$ order at the electric field of 500 kV/cm. The typical measured remnant polarization(2P$_{r}$) and coercive filed(Ec) values were about 1.2 $\mu$C/cm$^2$ and 120 kV/cm, respectively The ferroelectric capacitors showed no polarization degradation up to 10$^{11}$ switching cycles when subjected to symmetric bipolar voltage pulses of 1 MHz. The switching charges degraded only by 10 % of their initial values after 4 days at room temperature.e.
Epitaxial complex oxide thin film heterostructures have attracted a great attention for their multifunctional properties, such as ferroelectricity, and ferromagnetism. Two dimensional electron gas (2DEG) confined at the interface between two insulating perovskite oxides such as LaAlO3/SrTiO3 interface, provides opportunities to expand various electronic and memory devices in nano-scale. Recently, it was reported that the conductivity of 2DEG could be controlled by external electric field. However, the switched conductivity of 2DEG was not stable with time, resulting in relaxation due to the reaction between charged surface on LaAlO3 layer and atmospheric conditions. In this report, we demonstrated a way to control the conductivity of 2DEG in non-volatile way integrating ferroelectric materials into LAO/STO heterostructure. We fabricated epitaxial Pb(Zr0.2Ti0.8)O3 films on LAO/STO heterostructure by pulsed laser deposition. The conductivity of 2DEG was reproducibly controlled with 3-order magnitude by switching the spontaneous polarization of PZT layer. The controlled conductivity was stable with time without relaxation over 60 hours. This is also consistent with robust polarization state of PZT layer confirmed by piezoresponse force microscopy. This work demonstrates a model system to combine ferroelectric material and 2DEG, which guides a way to realize novel multifunctional electronic devices.
A prototype MFSFET using ferroelectric fluoride BaMgF$_4$as a gate insulator has been successfully fabricated with the help of 2 sheets of metal mask. The fluoride film was deposited in an ultrai-high vacuum system at a substrate temperature of below 30$0^{\circ}C$ and an in-situ post-deposition annealing was conducted for 20 seconds at $650^{\circ}C$ in the same chamber. The interface state density of the BaMgF$_4$/Si(100) interface calculated by a MFS capacitor fabricated on the same wafer was about 8$\times$10$^{10}$ /cm$^2$.eV. The I$_{D}$-V$_{G}$ characteristics of the MFSFET show a hysteresis loop due to the ferroelectric nature of the BaMgF$_4$film. It is also demonstrated that the I$_{D}$ can be controlled by the “write” plus which was applied before the measurements even at the same “read”gate voltage.ltage.
Ferroelectric $LiNbO_3$ thin films were grown directly on Si(100) substrates by 13.55MHz RF magnetron sputtering system using a ceramic target ($Nb_2O_5/Li_2C0_3$ = 51.4/48.6). Because high temperature process have to avoided to prevent degradation of the interface (insulator/Si), $LiNbO_3$ thin films were deposited below $300^{\circ}C$. After as-deposited films were performed RTA treatments in an oxygen ambient at $600^{\circ}C$ for 60s, electrical measurements performed films before and after anneal treatment. In high field region, the leakage current density of the films after annealing was deceased about 4order and the resistivity of these was increased to about 5\times 10^{11} \Omega \cdot cm$ at 500kV/cm. In accumulation region of C-V curve, we calculated dielectric constant of thin film $LiNbO_3$ as 27.9 which is close to that of bulk value.
Platinum is a candidate of top and bottom electrode in ferroelectric random access memory and dynamic random access memory. High dielectric materials and ferroelectric materials were generally patterned by plasma etching, however, the low etch rate and low etching profile were repoted. We proposed the damascene process of high dielectric materials and ferroelectric materials for patterning process through the chemical mechanical polishing process. At this time, platinum as a top electrode was used for the stopper for the end-point detection as Igarashi model. Therefore, the control of removal rate in platinum chemical mechanical polishing process was required. In this study, an addition of $H_{2}O_{2}$ oxidizer to alumina slurry could control the removal rate of platinum. The removal rate of platinum rapidly increased with an addition of 10wt% $H_{2}O_{2}$ oxidizer from 24.81nm/min to 113.59nm/min. Within-wafer non-uniformity of platinum after chemical mechanical polishing process was 9.93% with an addition of 5wt% $H_{2}O_{2}$ oxidizer.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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