Figure 1. Epitaxial growth of HZO thin film on YSZ substrate using ALD process
HfO2에서의 강유전성 발견 이후 박막에서의 에피택셜 안정화 및 강유전성 발현 기작에 대한 설명은 과학적 관심뿐만 아니라 산업적 응용 측면에서도 어려운 과제였다. 본 연구에서는 원자층 증착법을 이용하여 지르코니나 기판위에 Hf0.5Zr0.5O2(HZO) 박막의 에피택셜 성장에 성공하였고, X선 회절, 2차 고조파 발생 및 투과 전자 현미경을 사용하여 확인되는 강유전성 및 사방정계 결정 특성을 확인하였다. 또한, 지르코니아를 완충층으로 사용하여 Si 기판에 에피택셜 HZO 박막을 성장하여, 강유전성 HZO 박막이 CMOS 기술과의 호환성이 가능함을 보여줄 수 있었다. 이러한 강유전성 HfO2 기반 물질의 대규모 합성 시스템 구현이 가능함을 제시한 이러한 결과는 향후 다양한 전자 기술 구현에 실제 적용될 수 있을 것으로 기대된다. 이 결과는 응용 재료 분야의 권위지인 Advanced Functional Materials지에 (IF 19.41) 2024년 2월에 출판되었다. 본 연구는 서울대 채승철 교수 연구팀과 포스텍 최시영 교수 연구팀과의 공동연구로 진행되었다.
Since the discovery of unconventional ferroelectricity in HfO2 for next-generation memory devices, its epitaxial stabilization and elucidation of intrinsic ferroelectricity have been challenging in terms of industrial applications as well as scientific interests. This study establishes the efficacy of atomic layer deposition (ALD) as a viable method for large-scale production in contemporary industries, showcasing its capability to achieve epitaxial growth of ferroelectric Hf0.5Zr0.5O2 (HZO) thin film on Yttria-stabilized zirconia (YSZ) substrates. Its crystallographic orientation can be controlled by the surface orientation of the YSZ substrate and formed with ferroelectric orthorhombic phases that are confirmed by using X-ray diffraction, second harmonic generation, and transmission electron microscope. Additionally, we also present ferroelectric properties in epitaxial HZO thin films deposited via ALD on YSZ buffered Si substrates, showing their compatibility with CMOS technology. These HZO thin films exhibit well-defined ferroelectric switching currents, underscoring their promising potential for advanced device applications. Our finding suggests the fPeasibility of a large-scale synthesis system of ferroelectric HfO2-based materials, thereby opening avenues for low-temperature epitaxial nanoelectronics.
Authors: Jung Woo Cho, Myeong Seop Song, In Hyeok Choi (GIST, 공동저자), Kyoung-June Go, Jaewoo Han, Tae Yoon Lee, Chihwan An, Hyung Jin Choi, Changhee Sohn, Min Hyuk Park, Seung Hyup Baek, Jong Seok Lee (GIST, 공동교신저자), Si-Young Choi (POSTECH, 공동교신저자), and Seung Chul Chae (서울대, 공동교신저자)
Publication Date: February 2024
Journal link: https://doi.org/10.1002/adfm.202314396
