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표제지

목차

국문초록 11

제1장 서론 12

제2장 이론적 배경 14

2.1. 강유전체 (Ferroelectrics) 14

2.2. HfO₂ 결정구조 17

2.2.1. HfO₂의 강유전 특성 19

2.2.2. HfO₂ 에피택셜 성장 박막 19

2.3. HZO 박막 증착을 위한 off-axis RF 스퍼터링 법 20

2.3.1. 물리적 기상 증착 (Physical Vapor Deposition) 20

2.3.2. 스퍼터링 (Sputtering) 22

2.3.3. off-axis RF 스퍼터링 22

제3장 실험 방법 및 측정 24

3.1. HZO 분말 및 타겟 제작 24

3.2. 에피택셜 성장 HZO 박막 증착 26

3.3. 특성 측정 방법 27

제4장 실험 결과 및 고찰 29

4.1. HZO 분말 및 타겟의 특성 29

4.2. HZO 박막의 특성 36

4.2.1. 후 열처리 (after annealing) 한 HZO 박막 특성 38

4.2.2. 기판온도에 따른 HZO 박막 특성 41

4.2.3. 증착시간에 따른 HZO 박막 특성 44

4.2.4. HZO 박막의 에피택셜 성장 관찰 47

제5장 결론 49

참고문헌 51

Abstract 57

표목차

표 2.1. 복합 재료를 타겟으로 사용하는 다양한 타겟 특성 (+++~---) 21

표 3.1. HZO 박막 증착을 위한 스퍼터링 조건 26

표 4.1. 1000~1600℃ 온도범위에서 소결된 HZO 타겟의 접촉각 및 표면 자유 에너지 35

그림목차

그림 2.1. 강유전체 재료의 폐곡선 15

그림 2.2. BaTiO₃의 결정구조 (a) cubic (b) Tetragonal 16

그림 2.3. HfO₂ 결정구조 (a)monoclinic (b)tetragonal, (c)cubic, (d)orthorhombic 18

그림 2.4. 압력-온도에 따른 HfO₂ 상 다이어그램 18

그림 2.5. off-axis RF 스퍼터링 구조 23

그림 3.1. 볼-밀링을 사용한 HZO 분말 제작방법 25

그림 3.2. 측정 장비 28

그림 4.1. 하소온도에 따른 HZO 분말 FE-SEM 이미지 (a)1000 ℃, (b)1300℃,... 31

그림 4.2. 1000~1600℃ 온도범위에서 하소된 HZO 분말 X선 회절 패턴 32

그림 4.3. 1000~1600℃ 온도범위에서 소결된 HZO 타겟의 (a) 밀도 (b) 비커스경도 값 33

그림 4.4. 1000~1600℃ 온도범위에서 소결된 HZO 타겟의 접촉각 측정 이미지... 35

그림 4.5. (a) xYO1.5(1-x)HfO₂ 박막의 X-선 회절 패턴, (b) 0.07YO1.5-0.93HfO₂... 37

그림 4.6. (a) 샘플 측정 개략도, (b) WRSM 측정 개략도, (100) cubic YSZ 기판... 37

그림 4.7. 상온에서 30W로 증착한 HZO 박막의 (a) 상온, (b) 후 열처리... 39

그림 4.8. 상온에서 50W로 증착한 HZO 박막의 (a) 상온, (b) 후 열처리... 39

그림 4.9. 상온에서 50W로 증착한 HZO 박막의 고온 X-선 회절 패턴 40

그림 4.10. 상온에서 증착한 HZO 박막 (a) 30W, (b) 50W X-선 회절 패턴 42

그림 4.11. 750 ℃에서 증착한 HZO 박막 (a) 30W, (b) 50W X-선 회절 패턴 42

그림 4.12. 750 ℃에서 증착한 HZO 박막 SEM 이미지 (a) 30W 측면, (b) 30W... 43

그림 4.13. 750 ℃에서 50W로 2h 동안 증착한 HZO 박막 AFM 이미지 43

그림 4.14. 750 ℃에서 50W로 증착한 HZO 박막의 X-선 회절 패턴 (a) 1분,... 45

그림 4.15. 750 ℃에서 50W로 증착한 HZO 박막 표면 SEM 이미지 (a) 1분,... 46

그림 4.16. 750 ℃에서 50W로 증착한 HZO 박막 표면 AFM 이미지 (a) 7분,... 46

그림 4.17. YSZ (220) 피크에 ailgn 한 HZO 박막의 x-선 회절 패턴 48

그림 4.18. YSZ (220) 피크에 ailgn 후 HZO의 (110) orthorhombic... 48

초록보기

실리콘 기반의 산화물 반도체의 발견은 반도체 산업의 큰 발전을 가져왔으며 이와 함께 메모리 반도체 시장도 큰 성장을 하게 되었다. 공정기술의 고도화, 소자의 크기 축소 등으로 실리콘 기반 소자가 한계에 도달하게 되면서 이를 대체할 소재를 개발하고 발굴하려는 시도가 잇따랐다. HfO₂ 기반의 박막은 다양한 특성으로 인해 미래 메모리 소자의 후보물질로 떠오르고 있다. HfO₂ 기반의 High-k 박막은 실리콘 기반의 게이트 절연막을 대체 하고 있다. 최근 HfO₂ 강유전 특성이 보고되면서 미래 강유전체 메모리 소재로 시용할 가능성이 제시되었고 이에 대한 연구가 진행되고 있다.

본 연구에서는 off-axis RF 스퍼터링을 이용하여 HZO(HfxZr1-xO2) 박막을 제작 하였으며 다양한 방법으로 HZO 박막의 특성을 관찰하였다.

HZO 박막을 제조하기 위해, HfO₂, ZrO₂ 분말을 이용한 soild-state reaction 방식으로 타겟을 제조 하였다. 분말 및 타겟은 X-선 회절, 비커스 경도계, 접촉각 측정기 등을 이용해 품질 및 특성을 확인하였다. 또한, 타겟을 이용하여 off-axis RF 스퍼터링을 이용하여 다양한 조건에서 HZO 박막을 증착하여 조건에 따른 두께, 표면, 거칠기, X-선 회절 패턴 등을 확인하였다.

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