특허 개요
본 특허는 3차원 낸드 플래시에서 전하를 저장하는 방식과 강유전체의 전기적 방향 전환을 결합한 듀얼 스위칭 메모리 소자 및 제조 방법입니다. 차단 레이어를 알루미늄 도핑 하프늄 옥사이드(Al doped HfO2) 강유전체로 구성하고, 게이트 전극의 음의 전압으로 주입된 전하를 전하 트랩 레이어에 포획하는 동시에 강유전체 분극 스위칭을 유도합니다. 두 메커니즘이 문턱전압 변화 방향을 정렬하도록 설계해 메모리 윈도우 확보를 도모하며, Hf:Al 조성비는 20:1～26:1, 바람직하게는 23:1로 제시합니다.
- 핵심 기능
게이트 전극이 전압을 인가하면 전하가 터널 레이어를 거쳐 전하 트랩 레이어에 포획되고, Al 도핑 HfO2 차단 레이어에서는 강유전체 분극 스위칭이 함께 일어납니다. 전하 포획과 분극 스위칭이 같은 방향의 문턱전압 변화를 만들도록 구성해 저장 상태 간 판별 여유인 메모리 윈도우를 확보합니다.
- 차별 강점
기존 HfZrO2 강유전체는 900℃를 넘는 후속 공정에서 누설전류 특성과 강유전성이 열화될 수 있었습니다. 본 특허는 차단 기능만 수행하던 레이어에 Al 도핑 HfO2 강유전체를 적용해 고온 공정 안정성 확보와 듀얼 스위칭 동작을 함께 도모하는 점에서 차별화됩니다.
- 활용 범위
기술·연구 측면에서는 3차원 낸드 플래시, 전하 트랩 기반 비휘발성 메모리, 강유전체 메모리 및 고온 반도체 공정 안정성 연구에 활용 가능하며, QLC 메모리의 판별 여유 확보 검토로도 확장할 수 있습니다. 사업 측면에서는 고집적 저장장치, CIM용 메모리 소자, 엣지 디바이스용 비휘발성 메모리와 관련 공정·소재 부품 개발로 확장할 수 있습니다.
연구 개발 단계
Al 도핑 HfO2 차단 레이어의 조성비별 강유전성 및 메모리 윈도우 특성이 제시되었으며, Hf:Al=23:1 및 Al 원자 농도 1.6% 조건에서 가장 높은 강유전성과 가장 큰 메모리 윈도우가 확인되었습니다. 장기 내구성, 반복 프로그램·소거 신뢰성, 데이터 보존성과 실셀 공정 재현성에 관한 구체적 검증 자료는 제시되지 않았습니다.
- 소자 구조: 강유전체 차단 레이어·전하 트랩 레이어·터널 레이어·게이트 전극을 포함한 듀얼 스위칭 메모리
- 조성 조건: Al 도핑 HfO2의 Hf:Al 조성비 20:1～26:1
- 평가 항목: 조성비별 강유전성 및 메모리 윈도우 특성
현재 성과
Al 도핑 HfO2를 차단 레이어에 적용해 고온 열처리 공정에서도 우수한 누설전류 특성을 갖는 차단 레이어 확보와 강유전성 유지를 도모합니다. 전하 트랩과 분극 스위칭을 결합해 메모리 상태 간 문턱전압 차이 확대를 목표로 합니다.
Al 농도 1.3%～1.9% 범위에서 강유전성 특성을 비교했으며, Hf:Al=23:1과 Al 농도 1.6% 조건에서 가장 높은 강유전성이 제시되었습니다. 동일 조성 조건에서 가장 큰 메모리 윈도우가 나타난 것으로 제시되었으나, 장기 신뢰성 및 실셀 수준의 검증 자료는 별도로 제시되지 않았습니다.
기존 전하 트랩 메모리의 차단 레이어는 전하 이동 차단을 주 기능으로 하며, 기존 HfZrO2 강유전체는 고온 후속 공정 안정성에 한계가 있었습니다. 본 특허는 Al 도핑 HfO2 차단 레이어가 전하 차단과 강유전체 분극 스위칭을 함께 수행하도록 구성하고, 두 메커니즘의 문턱전압 변화 방향을 정렬한 점이 핵심입니다.
상용화까지 남은 부분
소자 단위의 장기 내구성 및 반복 프로그램·소거 신뢰성 검증
데이터 보존성 및 고온 후속 공정 이후의 전기적 특성 장기 평가
대면적 공정과 실셀 구조에서의 조성 제어 및 공정 재현성 검증
기술 이전 형태·도입 과정
도입은 이렇게 진행됩니다.
검토 미팅
귀사 상황·데이터 구조 기준으로 적합성을 논의합니다. 자료 검토만으로 끝나도 됩니다.
PoC 공동 검증
연구팀 동행 하에 귀사 데이터 기준 재학습·성능을 확인합니다.
라이센싱 계약
PoC 결과를 기반으로 희망 형태(실시권·공동연구 등)를 협의합니다.
기술지도·후속
도입 초기 기술지도, 필요 시 후속 공동연구·정부과제 연계까지 진행합니다.
특허 정보
듀얼 스위칭 메모리 소자 제작을 위한 열적 안정성 확보 방법
10-2024-0036372 (2024.09.25)
미등록 (심사 중)
조병진 (한국과학기술원), 박영근 (한국과학기술원), 정재중 (한국과학기술원), 강대현 (한국과학기술원), 김승훈 (한국과학기술원), 추준홍 (한국과학기술원)
한국과학기술원