Recently, the demand for data storage devices such as the solid-state drives and data centers are rapidly increasing due to the development in the IoT, the AI, and the big data. Various attempts are being made to develop next-generation semiconductor devices to keep pace with such an increase in demand, and ferroelectric transistors have device characteristics such as non-volatility and low operation voltage. Studies on the three-dimensional ferroelectric NAND flash using the ferroelectric and ferroelectric transistors in cell stacks or arrays have been reported. However, 3D NAND flash requires a post-annealing process (>650° C) after ion implantation to form a polycrystalline silicon channel and an oxide layer, and ferroelectric may suffer property degradation due to additional thermal budget. In addition, electrical analysis and tools that can analyze the thermal stability of ferroelectrics subjected to the post-annealing have not been clearly presented. Therefore, research and development for the thermally robust ferroelectric are needed. In this study, we report a study on a thermally stable ferroelectric thin film using Zr and Al dopants, and 1nm-thick aluminum oxide and aluminum nitride layers in hafnia ferroelectrics. Through physical and electrical analysis, it was demonstrated through physical and electrical analysis that the degradation of hafnia ferroelectrics such as the leakage current and the phase transitions to the non-ferroelectric phase can suppress the degradation of ferroelectrics by controlling the doping concentration. Furthermore, the effect of the insertion layer (AlO, AlN) was observed and the ferroelectric degradation characteristics were evaluated. Through this, it was verified that the dopants and the insertion layers could suppress the ferroelectric deterioration caused by the post-annealing.
최근 빅데이터, 사물인터넷, 인공지능 등의 디지털기술 발전으로 솔리드 스테이트 드라이브 및 데이터센터 등의 데이터 저장장치에 대한 수요가 점차 급증하고 있다. 이러한 수요 증가에 발맞추어 차세대 반도체 소자 개발을 위한 다양한 시도가 진행되고 있으며 강유전체 트랜지스터는 비휘발성, 저전력, 빠른 동작 등의 소자 특성을 가진다. 기존 낸드플래시도 셀의 스택 혹은 어레이에 강유전체, 강유전체 트랜지스터를 활용한 3D 강유전체 낸드플래시 메모리에 대한 연구가 보고되고 있다. 그러나 3D 낸드플래시는 다결정 실리콘 채널 형성 및 산화물층 형성을 위해 추가 열 소모 비용이 발생하며 강유전체의 특성 열화가 발생할 수 있다. 게다가 후속열처리된 강유전체의 열적안정성을 분석할 수 있는 전기적 분석과 툴은 명확히 제시된 바가 없다. 본 연구에서는 앞서 언급한 한계점들을 해결하기 위해, 하프니아 강유전체에 Zr, Al 도펀트와 1nm 두께의 산화알루미늄과 질화알루미늄층을 활용하여 열적으로 안정한 강유전체 박막에 대한 연구를 보고한다. 하프니아 강유전체의 열화 요인인 누설전류와 m-phase로의 상변이는 도핑농도 조절을 통해 강유전체의 열화를 억제할 수 있음을 물성적 및 전기적 분석을 통해 입증하였다. 더 나아가 삽입층(AlO, AlN)의 효과는 삽입여부 및 종류에 따라 관찰되었으며 강유전성 열화 특성을 평가하였다. 이를 통해 도펀트와 삽입층이 후속열처리에 따른 강유전성 열화를 억제할 수 있는지 검증하였다.
