<A. 1> Experimental method for time-dependent switched polarization
The polarization change due to the full-switching (FS) pulse and the polarization change due to the non-switching (NS) current should be obtained using TFA-3000.
These measurements can be made using the pulse measurement menu in TFA-3000.
For a reading pulse that measures the polarization change, a sufficient voltage and length are required to reverse almost all polarization in the film. In this paper, a trapezoidal pulse with a rise and fall time of 125 microseconds and a duration time of 125 microseconds is used. When the amount of polarization change is measured using a leading pulse after polling using a pulse different from the leading pulse only in the direction, it is possible to know the amount of change when all the polarization is inverted. This value is called FS polarization. Of course, this variation includes the effect of leakage current. Therefore, it is necessary to measure the amount of polarization change with the leading pulse again in the state that the polling is not performed in the opposite direction, that is, in the state where the polling is performed with the leading pulse. This value is called NS polarization.
By subtracting NS from FS, we can obtain a polarization change by pure polarization inversion. This value is called spontaneous or switchable polarization (2PS).
To investigate the polarization switching dynamics, we experimented with changing the size and length of the polling pulse. To reduce the effects of phenomena such as fatigue or wakeup, it is better to start with a small voltage and
experiment with short pulses. In this study, we have proposed a method that uses a 200ns, 250ns, 300ns, 400ns, 500ns, 630ns, 800ns, 1us, 1.3us, 1.6us, 2us, 2.5us, 3us, 4us, 5us, 6.3us, 8us, 10us, 16us, 25us, 40us, 63us, 100us, 200us, 300us, 500us and 1ms pulses. These pulses used for polling were square waves. The shortest pulse is 200ns because the shortest pulse that the TFA-3000 can make is 140ns and is believed to be reliable from 200ns pulse. The reason why the longest pulse is 1 ms is because a pulse having a length of 1 ms is a sufficient length to flip the ferroelectric polarization. Since the x-axis of the graph of time dependent switched polarization is usually the time of the logarithmic scale, it is recommended to change the length of the pulse to the logarithmic scale. Variations in polarization can be obtained by using the leading pulse on cells polled by pulses of various bolts and lengths. By subtracting the amount of change in polarization due to NS from the amount of change in polarization, only a response due to polarization change can be obtained. This value is specified as ∆P(t). We can see how a fraction of the polarization is switched by comparing ∆P(t) to 2PS.
Enter the information (thickness, capacitor size) of the measurement sample and verify the ferroelectricity of the cell using the appropriate length and pulse of volt.
You can use DHM mode at this time.
When ready to measure Time-dependent switched polarization, first polling is performed in PM mode using a pulse that is opposite in direction to the reading pulse, and the full switching (FS) current is measured using a reading pulse. At this time, the reading pulse should be of sufficient voltage and sufficient length to flip almost all the polarization of the film. A rise / fall time of 125us and a duration time of 125us is sufficient.
The measurement result can be confirmed by a polarization versus time graph.
For all measurements, only the maximum value of the graph of the change in polarization over time is used.
If the measurement is done without poling immediately after the FS measurement is completed, a response by the non-switching (NS) current can be obtained. By subtracting the change in polarization due to NS from the polarization change due to FS, the polarization switching amount except the influence due to leakage can be obtained. FS-NS =2PS
After all polarization is poled by up pulse, by using down pulse of arbitrary voltage and length as a poling pulse, it is possible to measure how much the polarization is inverted by the voltage and the length. In this case, the poling pulse is a square wave whose rise time is 0 s. The ∆P(t) value can be obtained by subtracting the influence of NS from the amount of polarization change obtained from this measurement.
<A. 2> Deposition condition of HfO
2film using ALD system.
We deposited thin HfO2 films using NCD's D100 equipment. The process conditions using the TEMAHf source provided by the company were assist 0.3s, pulse time 0.5s, purge time 10s, and ozone pulse 3s. However, this condition is not optimized for making ferroelectric hafnium thin films. When deposition is performed using this condition, the growth rate is about 0.06 to 0.08 nm per 1 cycle.
The growth rate affects the ferroelectricity of the hafnium thin film. Previously reported hafnium films showed good ferroelectricity when the growth rate was about 0.1 nm per cycle. We could achieve growth rate of 0.1nm per cycle by modifying Hf pulse time, purge time and ozone pulse to 1s, 20s, and 48s, respectively.
국문초록
산화물 하프늄 박막의 강유전성은 강유전성 랜덤 억세스 메모리에 대 한 실용적인 대안을 제공한다. 상업적 응용에 앞서 신뢰성있는 스위칭 동작이 요구되지만 많은 흥미로운 기능들은 아직 명확하게 이해되지 않 았다. 본 연구에서는 실리콘이 도핑된 산화물 하프늄 박막을 이용하여 wake-up 효과로 알려진 외부 전기장 사이클링에 의한 잔류 분극의 증 가를 강유전성 분극 스위칭 동역학 변화의 관점에서 보고한다. wake- up 과정을 겪지 않은 실리콘이 도핑 된 산화물 하프늄 박막은 한정된 수의 분극 스위칭 거동 후에 잔류 분극 값의 증가를 나타낸다. 분극 스 위칭 거동은 nucleation limited switching 모델을 사용하여 분석되었다.
분극 스위칭 거동의 분석과정에서 박막내에 무작위로 존재하는 전하를 띈 결함이 고려되었다. 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 분극 스위칭에서 결함이 미치는 영향에 대해 조사하였다. 시뮬레이션 결과와 실험 결과를 비교하면 산화물 하프늄 박막의 wake-up 효과는 화학적 무질서의 감 소 때문인 것으로 생각된다.
주요어: 강유전성, 산화물 하프늄, FeRAM, 결함, 박막, 구역 스위칭
학번: 2016-27278
감사의 글
어느덧 석사과정 학생으로서 공부한지 2년이 다 되어갑니다. 서울대학 교 물리교육과에 입학한 뒤 6년 넘는 기간 동안 많은 시간을 13동에서 보내왔기에, 이곳을 떠나야 할 시기가 다가왔다는 것이 실감나지 않습니 다. 돌이켜보면 지난 2년은 매우 값진 시간이었고, 저희 연구실과 제가 변화하기에도 짧지만은 않은 시간이었습니다.
많은 가르침을 주신 채승철 교수님께 가장 먼저 감사의 마음을 전하고 싶습니다. 항상 가까이에서 저희를 지켜봐 주셨고 디테일한 부분까지도 세심하게 지도해주셨습니다. 연구 경험이 부족했던 저는 실험과 과제 수 행 과정에서 여러 번 난관에 부딪혔습니다. 그때마다 교수님께서 지도해 주시고 격려해주셨기에 어려움을 극복할 수 있었습니다. 지난 2년 동안 교수님께 많은 것을 배웠습니다. 연구 분야에 대한 지식에서부터 연구자 로서의 소양과 살아가면서 필요한 지혜까지 얻을 수 있었습니다. 교수님 의 소중한 가르침들을 잊지 않겠습니다. 다시 한번 진심으로 감사드립니 다.
실험에 많은 도움을 주신 전동렬 교수님께 감사드립니다. 교수님께서 여러 장비를 대여해주시고 장비 사용에 대한 노하우를 전해주셨기에 다 양한 실험을 할 수 있었습니다. 또한 바쁘신 일정에도 졸업논문 심사위 원장을 맡아주셔서 감사합니다. 제 논문 심사를 위해 시간을 내어주신 유준희 교수님께 감사드립니다. 교수님의 강의들이 제 대학원 생활에 많 은 도움이 되었습니다. 이경호 교수님께 감사드립니다. 복도에서 뵐 때 마다 교수님께서 저를 걱정해주시고 위해주셨던 순간들은 잊을 수 없습 니다. 여러 학생들의 롤모델이신 송진웅 교수님께도 감사드립니다. 교수
님께 연구자로서 갖춰야 할 자세를 배울 수 있었습니다.
연구실에서 함께 생활하며 많은 도움을 주신 선배님, 후배님들께 감사 의 마음을 보냅니다. 초기 멤버로서 연구실 발전에 많은 기여를 한 경준 이형에게 고맙다는 말 전하고 싶습니다. 실험실을 꾸리느라 함께 고생 했던 기억은 잊을 수 없는 추억이 되었습니다. 제가 어려움을 겪을 때마 다 자기 일처럼 도와주는 모습은 닮고 싶은 선배의 모습이었습니다. 최 근 전문연구요원에 합격한 것을 진심으로 축하합니다. 앞으로 더욱 성장 하여 훌륭한 연구자가 되길 응원하겠습니다. 함께 여러 과제와 연구를 수행한 종찬이형에게도 고맙습니다. 형이 책임감을 갖고 맡은 실험들을 잘 수행해주었기 때문에 많은 도움이 되고 의지가 되었습니다. 과제 수 행 과정에서 많은 어려움이 있었는데 형과 함께 했기에 무사히 극복할 수 있었습니다. 앞으로도 좋은 연구결과가 있기를 응원하겠습니다. 이준 행 선생님께도 감사합니다. 연구뿐 아니라 모든 수업에 최선을 다하시는 선생님께 본받을 점이 많았습니다. 또한 코딩과 관련된 문제가 생기면 언제나 선생님께 조언을 구했습니다. 매번 친절히 답해주셔서 감사합니 다. 그리고 연구실의 막내 홍헌이에게도 고마운 마음을 전합니다. 일 처 리를 꼼꼼하게 하여 연구실 운영에 큰 도움이 되고 있습니다. 여러 주제 에 대해 관심을 가지고 연구를 하느라 아직은 주제가 구체화되지 않았지 만, 지금처럼 성실히 연구해 나간다면 반드시 훌륭한 연구자가 될 것이 라 믿어 의심치 않습니다.
마지막으로 가족들에게 감사의 말을 남기고 싶습니다. 저를 항상 응원 해주신 아버지, 감사합니다. 아버지의 믿음과 지원이 있었기에 여기까지 올 수 있었습니다. 저를 든든하게 지켜주시는 어머니, 감사합니다. 자상 하신 어머니의 가르침 덕택에 긍정적인 삶의 자세를 배울 수 있었습니다.