As research on technologies such as AI, PIM, and neuromorphic becomes active and popular, the need for innovation in semiconductor memory device technology is on the rise. Demand for high-performance memory devices is greatly increasing in various fields including conventional DRAM, Flash, and next-generation memories such as FeRAM using ferroelectrics. In particular, capacitors are one of these very important components, and high capacitance is required according to the trend of semiconductor scaling and low-power operation. In this study, we propose a capacitance boosting effect based on negative capacitance in hafnium oxide-based ferroelectrics and antiferroelectrics. In addition, a thin film engineering of imprint and low-damage deposition to maximize and optimize the capacitance boosting effect is suggested. Their effectiveness was demonstrated in a charge trap flash (CTF) memory device. Development of antiferroelectric thin films optimized for maximizing the capacitance boosting, verification of the boosting characteristics in antiferroelectric/dielectric bi-layer, and application of the bi-layer to block oxide in CTF to increase program efficiency and obtain large memory window which show a high performance operation were verified.
AI, PIM, 뉴로모픽 등의 기술에 대한 연구가 활발해지고 점차 대중화 됨에 따라, 반도체 메모리 소자 기술 혁신에 대한 필요성이 크게 대두되고 있다. 기존의 DRAM, 플래시 메모리부터, 강유전체를 이용한 FeRAM과 같은 차세대 메모리에 이르기까지 다방면에 걸쳐 고성능 메모리 소자의 수요가 크게 증가하고 있는데, 특히 커패시터는 이들의 매우 중요한 구성 요소들 중 하나로서 반도체의 미세화, 저전력 동작 트렌드에 따라 높은 정전용량이 요구되고 있다. 본 연구에서는 하프늄 옥사이드 기반 강유전체와 반강유전체의 음의 정전용량에 기반한 정전용량 부스팅 효과와 이들의 극대화 및 최적화를 위한 임프린트 및 저손상 증착의 박막 엔지니어링 기술을 제안하며, 이들의 실효성을 전하트랩플래시 (CTF) 메모리 소자를 통해 검증하였다. 정전용량 부스팅 극대화에 최적화된 반강유전체 박막 개발, 반강유전체/유전체 이중층에서의 부스팅 특성 검증 단계를 거쳐 CTF의 blocking layer에 이중층을 적용하여 프로그램 효율을 높이고 넓은 메모리 윈도우를 확보하는 등 고성능 동작과 그 실효성을 검증하였다.
