The nonvolatile memory semiconductor market is mainly focused on NAND flash memory using a charge trap type memory. In particular, the integration density of the device is greatly improved with the introduction of the concept of 3-D stacked structure. The NAND flash market is expected to continuously grow. Recently, the multi-level cell (MLC) technology has been adopted to store more than one bit of the information in a single device. The bit density of the device could be enhanced by adopting MLC technology. However, the program speed and endurance characteristics are deteriorated because of the working principle of incremental step pulse program (ISPP) which repeats program and verify operation.
Therefore, in the paper, the anti-ferroelectric $HfZrO_2$ is inserted between blocking oxide and metal gate in charge trap memory. As a result, the memory window and program efficiency are improved compared to control samples which have same equivalent oxide thickness (EOT). The enhancement of program efficiency ensures the same level of memory window with fewer program operations. In addition, the degradation of retention characteristics which occurs with ferroelectric $HfZrO_2$ is minimized with anti-ferroelectric $HfZrO_2$. In conclusion, the program efficiency could be improved with the application of anti-ferroelectric $HfZrO_2$ in charge trap memory while ensuring reliability of the device.
최근 전하 트랩형 메모리 소자를 이용한 NAND 플래시 메모리는 한정된 공간에 물리적인 소자의 개수를 늘려 집적도를 높이는 것에 더하여 하나의 소자에 2개 이상의 정보를 저장하는 Multi-level cell(MLC) 개념을 도입시켜 단일 소자의 효율성을 극대화하고 있다. 그러나, MLC 기술 적용을 위해서는 소자 간 문턱 전압의 산포가 줄어들어야 하고 이를 위해 이용되는 Incremental step pulse program(ISPP) 방식으로 인해 하나의 소자에 저장되는 정보가 많아질수록 프로그램 동작 시간이 길어지고, 소자의 반복 동작으로 인한 신뢰성 열화가 심각해지고 있다. 이에 본 논문에서는 프로그램 동작의 효율성을 높이기 위해 전하 트랩 메모리 소자의 차단 절연막과 게이트 전극 사이에 반강유전성 하프늄 지르코늄 산화막(Hafnium Zirconium Oxide, HfZrO2)을 삽입한 소자를 제작하여 성능을 확인하였다. 그 결과 반강유전성 하프늄 지르코늄 산화막을 적용한 소자의 메모리 윈도우 및 프로그램 동작의 효율성이 동일한 등가 산화물 두께(Equivalent oxide thickness, EOT)는 가지는 소자 대비 향상되어 더 적은 횟수의 ISPP 동작으로도 같은 수준의 메모리 윈도우를 확보할 수 있음을 확인할 수 있었다. 또한, 반강유전성 $HfZrO_2$를 적용 시 강유전성 $HfZrO_2$을 적용했을 때 나타나는 Retention 특성 열화를 최소화할 수 있음과 동시에 $10^4$번의 반복 동작 이후에도 성능 향상 효과를 유지하는 것을 통해서 반강유전성 $HfZrO_2$를 전하 트랩형 메모리 소자에 적용 시 소자의 신뢰성은 보장하면서도 프로그램 동작의 효율성을 향상시킬 수 있음을 보였다.
