High-capacity capacitors are essential for many electronic devices, including cell phones, computers, digital TVs, and electric vehicles. Previously, higher dielectric constant materials were used or reduced dielectric thickness to achieve greater capacitance (charge). It has been recognized that this existing strategy consists of a very thin, high dielectric constant layer of dynamic random access memory capacitors and high-performance logic transistors. However, this approach is no longer compatible with the extreme miniaturization and low operating voltage trends found in future electronic devices, requiring radical alternatives. Accordingly, exploiting the negative capacitance (NC) effect of ferroelectric materials has emerged as a possible solution for low-power transistor devices and high-charge-density capacitors, and is emerging as an attractive competitor in solving this problem. However, although steep switching characteristics (subthreshold swing < sub-60 mV/dec) have been demonstrated in various devices combining conventional transistors and ferroelectric gates, the practical application of the NC effect is still somewhat problematic due to the inherent hysteresis problem. Therefore, in order to confirm the unstable NC effect, a study using a dielectric/ferroelectric (DE/FE) laminated film with an added dielectric layer that can receive boosting and stabilize the W-shape of internal energy vs electrical polarization(U-P) to a U-shape is in progress. In this paper, we report on transient NC effects through an amorphous-Al2O3/polycrystalline-Hf0.25Zr0.75O2(HZO) bilayer system prepared using atomic layer deposition. The ferroelectric thin film processing conditions were carefully adjusted to align the dipoles to one side, a prerequisite for examining the transient NC effect by creating a positive fixed charge on top through post-deposition-annealing(PDA). In the case of the dielectric thin film, the focus was on suppressing the leakage current to prevent charge injection that suppresses the NC effect. Capacitance boosting was observed depending on the dielectric and ferroelectric thicknesses in the Al2O3/Hf0.25Zr0.75O2 bilayer thin film using the short-pulse type. Furthermore, we study hafnia ferroelectric field effect transistors using an optimized ferroelectric layer showing NC effect. We studied a ferroelectric field effect transistor of a structure including a floating gate (metal-halfnia ferroelectric-metal-gate oxide-silicon) using a short-pulse type, and improved the operating voltage at the point where the NC effect occurs by controlling the capacitance of ferroelectric and gate oxide film. Through this, the NC effect of the hafnia-based ferroelectric thin film was confirmed and the subthreshold swing of sub-60 mV/dec was verified.
고용량 커패시터는 휴대폰, 컴퓨터, 디지털 TV 및 전기 자동차를 포함한 많은 전자 장치에 필수적이다. 이전에는, 더 큰 캐패시턴스(정전 용량)을 달성하기 위해 유전체 두께를 감소시키거나 더 높은 유전 상수 재료가 사용되었다. 이러한 기존 전략은 동적 랜덤 액세스 메모리 커패시터와 고성능 로직 트랜지스터의 매우 얇고, 높은 유전 상수 층으로 이루어졌다고 인지되어 왔다. 하지만 이러한 접근 방식은 미래형 전자장치에서 발견되는 극도의 소형화 및 낮은 동작 전압 추세와 더 이상 호환하지 않으므로 근본적인 다른 대안이 필요하다. 이에 따라 강유전성 재료의 네거티브 커패시턴스 효과를 활용하여 저전력 트랜지스터 장치 및 고-충전-밀도 커패시터에 대한 가능한 솔루션으로 등장했고, 이 문제를 해결하는데 매력적인 경쟁자로 떠오르고 있다. 하지만 가파른 스위칭 특성(문턱이하 스윙 < 60mV/dec 이하)이 기존 트랜지스터와 강유전체 게이트를 결합한 다양한 장치에서 입증되었지만 네거티브 커패시턴스 효과의 실제 적용은 내재된 히스테리시스 문제로 인해 여전히 어느정도 문제가 되고 있다. 그렇기에 불안정한 네거티브 커패시턴스 효과를 확인하기 위해서, 부스팅을 받을 수 있으면서 내부 에너지 vs. 전기 분극의 W-shape을 U-shape으로 안정화 시켜줄 수 있는 유전체층을 추가한 유전체/강유전체 적층 필름을 이용한 연구가 진행되고 있다. 이 논문에서는, 원자층 증착을 사용하여 준비된 비정질-Al2O3/다결정-Hf0.25Zr0.75O2 이중층 시스템을 통해 일시적인 네거티브 커패시턴스 효과에 대해 보고한다. 강유전체 박막 처리 조건은 증착-후-어닐링(PDA)을 통해 상부에 양의 고정 전하 만들어 일시적인 네거티브 커패시턴스 효과를 검사하기 위한 전제 조건인 다이폴들을 한쪽으로 정렬시키도록 신중하게 조정됐다. 유전체 박막의 경우에는 네거티브 커패시턴스 효과를 억제하는 전하 주입이 발생하지 않도록 하기 위해 누설 전류를 억제하는데 초점을 맞추었다. 커패시턴스 부스팅은 짧은-펄스 타입을 이용하여 Al2O3/Hf0.25Zr0.75O2 이중층 박막에서 유전체와 강유전체의 두께에 따라 관찰되었다. 더 나아가 네거티브 커패시턴스 효과를 보이는 최적화된 강유전체층을 이용하여 하프니아 강유전체 필드 이펙트 트랜지스터에 대해 연구한다. 우리는 플로팅 게이트를 포함하는 구조(메탈-하프니아 강유전체-메탈-게이트 산화막-실리콘)의 강유전체 필드 이펙트 트랜지스터를 짧은-펄스 타입을 사용하여 연구했고 강유전체와 게이트 산화막의 커패시턴스를 조절하여 네거티브 커패시턴스 효과가 발생하는 지점의 동작 전압을 개선했다. 이를 통해 하프니아 기반 강유전체 박막이 가지는 네거티브 커패시턴스 효과를 확인하고 60mV/dec 이하의 문턱이하 스윙을 검증하였다.
