차세대 HZO 메모리 강유전체의 실시간 결정화 포착 및 산소 빈자리 역할 규명으로 Advanced Functional Materials 지 논문 게재
서울대학교 재료공학부 박민혁 교수 연구팀(공동 제1저자 정현우, 이재욱 박사과정생)은 성균관대, 전남대, 포항가속기연구소 연구진과 공동으로 차세대 비휘발성 메모리 소재인 하프니아-지르코니아(HZO) 박막의 결정화 과정을 실시간으로 추적하고, 산소 빈자리가 강유전상 형성에 미치는 역할을 규명하였다.
연구팀은 HZO 박막 내 산소 빈자리 농도를 제어하고, 포항가속기연구소의 실시간 스침각 광각 X선 산란(GIWAXS)을 이용해 가열부터 냉각까지의 결정화 경로를 분석하였다.
그 결과, 산소 빈자리가 적은 박막에서는 결정화 에너지 장벽이 낮아져 결정화 시작 온도가 약 30 ℃ 감소하고, 강유전성 사방정상의 형성이 촉진되는 것을 확인하였다. 이에 따라 동일한 400 ℃ 열처리 조건에서 전환 가능 분극량이 약 11배 증가하였다.
이번 연구는 산소 빈자리가 단순한 결함을 넘어 HZO의 결정화 및 강유전상 형성을 제어하는 핵심 공정 변수임을 제시했으며, 향후 저온 공정 기반의 3차원 고집적·저전력 비휘발성 메모리 개발에 기여할 것으로 기대된다.
(제목: Oxygen-Vacancy-Regulated Crystallization and Ferroelectric Phase Stabilization in Hf0.5Zr0.5O2 Thin Films, Advanced Functional Materials, DOI: 10.1002/adfm.77918)
▲ (좌측부터) 서울대학교 박민혁 교수, 정현우 박사과정생, 이재욱 박사과정생
▲ 실시간 열처리 방사광 X선 분석과 산소 빈자리에 따른 결정화 및 결정상 선택 모식도