KR101003451B1 - Charge trap flash memory using gst nanodot - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 플래시 기억소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전하 트랩 플래시 기억소자에 관한 것이다.The present invention relates to a flash memory device, and more particularly to a charge trap flash memory device.
최근 정보통신 산업의 눈부신 발전으로 인하여 각종 기억소자의 수요가 증가하고 있다. 특히 휴대용 단말기, MP3 플레이어 등에 필요한 기억소자는 전원이 꺼지더라도 기록된 데이터가 지워지지 않는 비휘발성(nonvolatile)이 요구되고 있다. 이러한 비휘발성 기억소자는 전기적으로 데이터의 저장과 소거가 가능하고 전원이 공급되지 않아도 데이터의 보존이 가능하기 때문에, 다양한 분야에서 그 응용이 증가하고 있다.Recently, due to the remarkable development of the information and communication industry, the demand for various memory devices is increasing. In particular, memory devices required for portable terminals, MP3 players and the like are required to be nonvolatile, in which recorded data is not erased even when the power is turned off. Such nonvolatile memory devices can be electrically stored and erased, and data can be stored even when power is not supplied. Therefore, their applications are increasing in various fields.
대표적인 비휘발성 기억소자는 전기적으로 격리된 플로팅 게이트를 갖는 플래시 기억소자(flash memory device)이다. 플래시 기억소자는 수십 또는 수백 비트 이상의 블록 단위로 데이터를 소거하고 비트 또는 페이지 단위로 기록할 수 있는 비휘발성 기억소자의 일종이다.Exemplary nonvolatile memory devices are flash memory devices having electrically isolated floating gates. Flash memory devices are a type of nonvolatile memory device capable of erasing data in blocks of tens or hundreds of bits or more and writing data in bits or pages.
플로팅 게이트 형태의 플래시 기억소자는 반도체 기판 상에 터널 링(tunneling) 절연막, 폴리 실리콘(poly-Si) 플로팅 게이트, 폴리간 절연막(inter-poly dielectric, IPD) 및 콘트롤 게이트가 차례로 적층되는 구조를 갖는다. 이러한 플로팅 게이트 형태의 플래시 기억소자는 기본적으로 프로그래밍(programming)과 소거(erase)가 고전압에서 이루어진다. 따라서 필연적으로 각각의 터널링 절연막과 폴리간 절연막에 원치 않는 누설전류(leakage current)가 발생할 가능성이 높을 뿐 아니라 반복적인 프로그래밍과 소거에 의해 터널링 절연막의 열화가 진행된다. 이러한 특성으로 인하여 타 기억소자에 비해 높은 수준의 신뢰성과 저 누설전류 특성을 요구받는다. 따라서 데이터의 저장과 보존에 중요한 역할을 하는 폴리간 절연막과 터널링 절연막의 두께는 스케일링되지 못하고 일정 두께를 유지하여야만 한다. 결국 이러한 구조상의 한계로 인하여 나노미터 영역으로 스케일링 다운(scaling down)될수록 소자 축소화에 한계를 보이고 있다. A floating gate type flash memory device has a structure in which a tunneling insulating film, a poly-Si floating gate, an inter-poly dielectric (IPD), and a control gate are sequentially stacked on a semiconductor substrate. . Such a floating gate type flash memory device is basically programmed and erased at a high voltage. Therefore, inevitably, unwanted leakage currents are generated in each of the tunneling insulating film and the inter-poly insulating film, and deterioration of the tunneling insulating film proceeds by repeated programming and erasing. Due to these characteristics, high level of reliability and low leakage current characteristics are required compared to other memory devices. Therefore, the thicknesses of the inter-poly insulating film and the tunneling insulating film, which play an important role in data storage and preservation, cannot be scaled but must be kept constant. As a result, due to such structural limitations, scaling down to the nanometer range shows a limit to device miniaturization.
이러한 한계를 극복하기 위한 일환으로 Si, Ge 등의 반도체 나노점(nanodot) 이나 실리콘 질화막, 혹은 금속 나노결정(nanocrystal) 등을 전하 트랩층(charge trap layer)으로 사용하는 전하 트랩 플래시 기억소자(charge trap flash memory, CTF)가 연구되고 있다. As part of overcoming these limitations, a charge trap flash memory device using a semiconductor nanodot such as Si or Ge, a silicon nitride film, or a metal nanocrystal as a charge trap layer is used as a charge trap layer. trap flash memory (CTF) has been studied.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 새로운 형태의 전하 트랩 플래시 기억소자를 제공하는 데에 있다.The technical problem to be solved by the present invention is to provide a new type of charge trap flash memory device.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 전하 트랩 플래시 기억소자는 채널영역에 의해 분리된 소스영역과 드레인영역을 갖는 반도체 기판; 상기 반도체 기판의 채널영역 상에 형성된 터널링(tunneling) 절연막; 상기 터널링 절연막 상에 형성된 칼코제나이드계 화합물 나노점(nanodot); 상기 칼코제나이드계 화합물 나노점이 덮이도록 상기 터널링 절연막 상에 형성된 블로킹(blocking) 절연막; 및 상기 블로킹 절연막 상에 형성된 콘트롤 게이트(control gate);를 구비한다.In order to solve the above technical problem, a charge trap flash memory device according to the present invention comprises a semiconductor substrate having a source region and a drain region separated by a channel region; A tunneling insulating layer formed on the channel region of the semiconductor substrate; Chalcogenide-based compound nanodots formed on the tunneling insulating film; A blocking insulating film formed on the tunneling insulating film so that the chalcogenide-based compound nanopoints are covered; And a control gate formed on the blocking insulating layer.
본 발명에 따른 전하 트랩 플래시 기억소자에 있어서, 상기 나노점과 블로킹 절연막 사이의 계면에 전하가 트랩되는 트랩 사이트(trap site)가 형성되어 있을 수 있다. 이때, 상기 나노점과 블로킹 절연막 사이의 계면에 형성되는 트랩 사이트의 밀도를 증가시키기 위해, 상기 블로킹 절연막은 플라즈마를 이용한 증착방법에 의해 형성되거나 300 ℃ 이하의 온도에서 형성될 수 있다.In the charge trap flash memory device according to the present invention, a trap site in which charge is trapped may be formed at an interface between the nano dot and the blocking insulating film. In this case, in order to increase the density of the trap sites formed at the interface between the nano dot and the blocking insulating film, the blocking insulating film may be formed by a deposition method using plasma or at a temperature of 300 ° C. or less.
그리고 상기 칼코제나이드계 화합물은 GST(Ge2Sb2Te5)일 수 있으며, 상기 GST는 사이클릭 플라즈마 강화 화학기상증착법(cyclic plasma enhanced chemical vapor deposition, cyclic PECVD)에 의해 형성될 수 있다. 그리고 상기 터널링 절연막은 SiO2로 이루어질 수 있으며, 상기 블로킹 절연막은 Al2O3 또는 HfO2로 이루어질 수 있다.The chalcogenide-based compound may be GST (Ge 2 Sb 2 Te 5 ), and the GST may be formed by cyclic plasma enhanced chemical vapor deposition (cyclic plasma enhanced chemical vapor deposition). The tunneling insulating film may be made of SiO 2 , and the blocking insulating film may be made of Al 2 O 3 or HfO 2 .
본 발명에 따른 전하 트랩 플래시 기억소자는 칼코제나이드계 화합물 나노점과 블로킹 절연막 사이의 계면에 형성된 트랩 사이트를 이용하여 전하를 트랩시킴으로써 프로그래밍한다. 따라서 나노점 형태로 형성된 칼코제나이드계 화합물은 연속적인 박막 형태로 형성된 경우에 비해 트랩 밀도가 증가하게 되어, 트랩되는 전하량이 증가하므로 소자 특성이 우수하게 된다. 또한, 본 발명에 따른 전하 트랩 플래시 기억소자는 누설전류가 10-7 A/cm2 이하로 아주 작고, 전하 보유능력(retention) 특성이 우수하다.The charge trap flash memory device according to the present invention is programmed by trapping charge using a trap site formed at an interface between a chalcogenide-based compound nanopoint and a blocking insulating film. Therefore, the chalcogenide-based compound formed in the form of nano dots increases the trap density as compared to the case in which the continuous thin film is formed, and thus the device characteristics are excellent because the amount of trapped charge increases. In addition, the charge trap flash memory device according to the present invention has a very small leakage current of 10 −7 A / cm 2 or less, and has excellent charge retention characteristics.
이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 GST 나노점을 이용한 전하 트랩 플래시 기억소자의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of the charge trap flash memory device using the GST nano-dot according to the present invention. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in various forms, and only the present embodiments are intended to complete the disclosure of the present invention and to those skilled in the art to fully understand the scope of the invention. It is provided to inform you.
도 1은 본 발명에 따른 전하트랩 플래시 기억소자의 바람직한 일 실시예의 구조를 나타내는 도면이다.1 is a view showing the structure of a preferred embodiment of a charge trap flash memory device according to the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 전하트랩 플래시 기억소자(100)는 반도체 기판(110), 터널링(tunneling) 절연막(120), 칼코제나이드계 화합물 나노점(nanodot)(130), 블로킹(blocking) 절연막(140) 및 콘트롤 게이트(control gate)(150)를 구비한다.Referring to FIG. 1, a charge trap
반도체 기판(110)은 실리콘(Si)으로 이루어질 수 있으며, 채널영역(113)에 의해 소스영역(111)과 드레인영역(112)으로 분리된다. The
터널링 절연막(120)은 반도체 기판(110)의 채널영역(113) 상에 형성되며, 수 nm 정도의 두께로 형성될 수 있다. 터널링 절연막(120)을 이루는 물질에 따라 칼코제나이드계 화합물 나노점(130)이 아일랜드 형태(island) 형태로 성장될 것인가, 연속적인 박막(continuous layer) 형태로 성장될 것인가가 결정된다. 터널링 절연막(120)의 종류에 따른 칼코제나이드계 화합물 나노점(130)의 성장 형태를 도 2a 및 도 2b에 나타내었고, 각각의 XPS(X-ray photoelectron spectroscopy) 그래프를 도 3a 및 도 3b에 나타내었다.The tunneling insulating
도 2a 및 도 3a는 각각 터널링 절연막(120)이 실리콘 산화막(SiO2)인 경우의 단면(cross-section) 투과전자현미경(transmission electron microscopy, TEM) 사진 및 XPS 그래프이다. 그리고 도 2b 및 도 3b는 터널링 절연막(120)이 실리콘 산화막과 티타늄 산화막(TiO2) 이중층으로 이루어진 경우의 단면 투과전자현미경 사진 및 XPS 그래프이다. 2A and 3A are cross-sectional transmission electron microscopy (TEM) images and XPS graphs when the tunneling
도 2a에 나타낸 바와 같이, 터널링 절연막(120)의 표면이 실리콘 산화막으로 이루어진 경우에는 칼코제나이드계 화합물의 일종인 GST가 아일랜드 형태로 성장됨을 확인할 수 있으나, 도 2b에 나타낸 바와 같이 터널링 절연막(120)의 표면이 티타늄 산화막으로 이루어진 경우에는 GST가 연속적인 박막 형태로 성장됨을 확인할 수 있다. As shown in FIG. 2A, when the surface of the tunneling
그리고 도 3a 및 도 3b를 살펴보면, 터널링 절연막(120)의 표면이 실리콘 산화막으로 이루어진 경우가, 티타늄 산화막으로 이루어진 경우에 비해 GeO2의 형성이 많은 것을 확인할 수 있었다. 이는 터널링 절연막(120)의 표면이 실리콘 산화막으로 이루어지면, GST와 실리콘 산화막과의 반응으로 인하여 생긴 반응물인 GeO2에 의해 전하의 교환이 쉽게 이루어지지 않아, 핵(necleation) 생성이 억제됨을 의미한다. 핵 생성이 억제되면, GST가 아일랜드 성장을 하게 된다. 3A and 3B, it can be seen that the case where the surface of the tunneling insulating
따라서, 칼코제나이드계 화합물 나노점(130)이 핵생성이 억제됨으로 인해 아일랜드 형태로 성장되도록, 터널링 절연막(120)은 칼코제나이드계 화합물 나노점(130)과 반응하여 반응물을 형성하는 물질로 이루어지는 것이 바람직하다. 이를 위해, 상술한 바와 같이 터널링 절연막(120)은 실리콘 산화막으로 이루어질 수 있다. 실리콘 산화막으로 이루어진 터널링 절연막(120)은 실리콘 기판을 산화시키는 방식으로 손쉽게 구현할 수 있다.Accordingly, the tunneling
칼코제나이드계 화합물 나노점(130)은 터널링 절연막(120) 상에 형성된다. 칼코제나이드계 화합물 나노점(130)은 반구형의 형상을 가지며, GST(Ge2Sb2Te5)로 이루어질 수 있다. 상술한 바와 같이 GST와 같은 칼코제나이드계 화합물은 실리콘 산화막 상에서 아일랜드 형태로 성장하므로 반구형상의 나노점을 손쉽게 얻을 수 있다. GST는 사이클릭 플라즈마 강화 화학기상증착법(cyclic plasma enhanced chemical vapor deposition, cyclic PECVD)에 의해 형성될 수 있다. 이를 위해, Ge(i-C4H9)4, Sb(i-C3H7)3, Te(i-C3H7)2가 각각 Ge 전구체(precursor), Sb 전구체, Te 전구체로 이용될 수 있다. 실리콘 산화막 상에 사이클릭 PECVD에 의해 증착된 GST의 평면(plan-view) 주사전자현미경(scanning electron microscopy, SEM) 사진을 도 4에 나타내었다.The chalcogenide-based
도 4에 도시된 바와 같이, 실리콘 산화막 상에 사이클릭 PECVD로 GST를 증착하면 아일랜드 형태로 GST가 증착되어, GST 나노점이 형성됨을 알 수 있다. 그리고 사이클 회수가 증가할수록 실리콘 산화막을 덮는 커버리지(coverage)가 증가함을 알 수 있다.As shown in FIG. 4, it can be seen that when GST is deposited by cyclic PECVD on a silicon oxide film, GST is deposited in an island form to form GST nanodots. As the number of cycles increases, the coverage covering the silicon oxide layer increases.
갓 증착된(as-dep) 상태의 GST는 비정질 상태이나, 후속 공정인 블로킹 절연막(140) 증착 공정에서 결정질 상태가 된다. 이 결정질 상태의 GST는 준안정상으로 FCC(meta-stable face centered cubic) 구조를 갖는다. 이는 단면(cross-section) 투과전자현미경(transmission electron micrescopy) 사진을 통해 확인할 수 있다. 실리콘 산화막 상에 GST 나노점을 형성하고, 알루미늄 산화막(Al2O3)이 형성된 적층구조물의 단면 투과전자현미경 사진을 도 5에 나타내었다.The freshly deposited (as-dep) GST is in an amorphous state, but becomes a crystalline state in a subsequent blocking process for depositing the
도 5에 도시된 바와 같이, 실리콘 산화막과 알루미늄 산화막 사이에 준안정상으로 FCC 구조를 갖는 GST 나노점이 형성되어 있음을 확인할 수 있다.As shown in FIG. 5, it can be seen that a GST nanospot having a FCC structure is metastable between the silicon oxide film and the aluminum oxide film.
블로킹 절연막(140)은 터널링 절연막(120) 상에 형성되며, 칼코제나이드계 화합물 나노점(130)이 덮이도록 형성된다. 블로킹 절연막(140)은 고유전율(high-k) 물질로 형성될 수 있다. 이를 위해, 블로킹 절연막(140)은 HfO2 또는 Al2O3으로 형성될 수 있다. 고유전율 박막이 블로킹 절연막(140)으로 사용되는 경우에는 누설전류가 감소됨으로써, 소거 동작에서 발생할 수 있는 전자 백-터널링(electron back-tunneling) 현상이 방지되어 소거 동작 시간과 동작 전압을 줄일 수 있다. 전자 백-터널링 현상은 트랩된 전자를 추출하기 위해 콘트롤 게이트(150)에 음(-)의 전압을 인가할 때 콘트롤 게이트(150)에서 나온 전자에 의해 트랩 사이트(trap site)가 채워지는 현상을 말한다. The blocking insulating
블로킹 절연막(140)과 칼코제나이드계 화합물 나노점(130) 사이의 계면에는 전하가 트랩될 수 있는 트랩 사이트(trap site)가 형성된다. 본 발명에 따른 전하 트랩 플래시 기억소자는 블로킹 절연막(140)과 칼코제나이드계 화합물 나노점(130) 사이의 계면에 형성된 트랩 사이트에 프로그램시에는 음(-) 전하가, 소거시에는 양(+) 전하가 트랩되어 동작하게 된다. 따라서 블로킹 절연막(140)과 칼코제나이드계 화합물 나노점(130) 사이의 계면에 형성되는 트랩 사이트의 밀도를 증가시키는 것이 필요하다. 블로킹 절연막(140)을 플라즈마를 이용한 증착방법에 의해 형성시키거나 300 ℃ 이하의 온도에서 형성시킨다면 상기 트랩 사이트의 밀도가 증가하게 된다. 바람직하게는 300 ℃ 이하의 온도에서 플라즈마를 이용한 증착방법에 의해 블로킹 절연막(140)이 형성된다.A trap site is formed at the interface between the blocking insulating
콘트롤 게이트(150)는 블로킹 절연막(140) 상에 형성되고, 폴리 실리콘(poly-Si) 박막 및 폴리 실리콘 박막보다 일함수가 큰 박막 중 어느 하나로 형성될 수 있다. 폴리 실리콘 박막보다 일함수가 큰 박막은 TaN, HfN, ZrN, Pt, Ru 및 Ir 중에서 적어도 어느 하나일 수 있다. 이와 같이 일함수가 큰 물질을 포함하는 박막을 콘트롤 게이트(150)로 사용할 경우 블로킹 절연막(140)과 콘트롤 게이트(150) 사이의 계면의 배리어 높이(barrier height)가 높아지기 때문에 상술한 전자 백-터널링 현상을 막을 수 있다.The
제조예Production Example 1 : 알루미늄 1: aluminum 산화막(AlOxide (Al 22 OO 33 )을)of 블로킹 절연막으로 이용하는 경우 When used as a blocking insulating film
n-형 실리콘 기판을 산화하여 6 nm 정도의 실리콘 산화막을 형성하였다. 그리고 150 ℃ 정도의 온도에서 Ge(i-C4H9)4, Sb(i-C3H7)3, Te(i-C3H7)2를 각각 Ge 전구체(precursor), Sb 전구체, Te 전구체로 이용하여 사이클릭 PECVD에 의해 GST 나노점을 실리콘 산화막 상에 형성하였다. 이때, 사이클 회수를 10, 20, 30, 40 및 50으로 하여 GST 나노점을 형성하였다. 다음으로, 250 ℃ 정도의 온도에서 TMA(Al(CH3)3)와 산화제를 이용하여 플라즈마 강화 원자층증착법(plasma enhanced atomic layer deposition, PEALD)에 의해 알루미늄 산화막을 형성시켰다. 이때 산화제는 O2를 이용하였고, 형성된 알루미늄 산화막의 두께는 16 nm 정도이었다. 그리고 알루미늄 산화막 상에 Pt를 스퍼터링하여, 300 μm의 직경을 갖는 원판 형상의 콘트롤 게이트를 형성하였다.The n-type silicon substrate was oxidized to form a silicon oxide film of about 6 nm. At a temperature of about 150 ° C., Ge (iC 4 H 9 ) 4 , Sb (iC 3 H 7 ) 3 , and Te (iC 3 H 7 ) 2 are used as Ge precursors, Sb precursors, and Te precursors, respectively. GST nanodots were formed on the silicon oxide film by click PECVD. At this time, the number of cycles was set to 10, 20, 30, 40, and 50 to form GST nanodots. Next, an aluminum oxide film was formed by plasma enhanced atomic layer deposition (PEALD) using TMA (Al (CH 3 ) 3 ) and an oxidizing agent at a temperature of about 250 ° C. At this time, the oxidizing agent was O 2 , and the thickness of the formed aluminum oxide film was about 16 nm. And sputtering Pt on the aluminum oxide film, the disk-shaped having a diameter of 300 μm The control gate was formed.
제조예Production Example 2 : 하프늄 2: hafnium 산화막(HfOOxide (HfO 22 )을)of 블로킹 절연막으로 이용하는 경우 When used as a blocking insulating film
n-형 실리콘 기판을 산화하여 6 nm 정도의 실리콘 산화막을 형성하였다. 그리고 150 ℃ 정도의 온도에서 Ge(i-C4H9)4, Sb(i-C3H7)3, Te(i-C3H7)2를 각각 Ge 전구체(precursor), Sb 전구체, Te 전구체로 이용하여 사이클릭 PECVD에 의해 GST 나노점을 실리콘 산화막 상에 형성하였다. 이때, 사이클 회수를 10, 20, 30, 40 및 50으로 하여 GST 나노점을 형성하였다. 다음으로, 300 ℃ 정도의 온도에서 HfOt(C4H9)(NC2H5CH3)3와 산화제를 이용하여 일반적인 원자층증착법(atomic layer deposition, ALD)에 의해 하프늄 산화막을 형성시켰다. 이때 산화제는 O3를 이용하였고, 형성된 하프늄 산화막의 두께는 40 nm 정도이었다. 그리고 하프늄 산화막 상에 Pt를 스퍼터링하여, 300 μm의 직경을 갖는 원판 형상의 콘트롤 게이트를 형성하였다.The n-type silicon substrate was oxidized to form a silicon oxide film of about 6 nm. At a temperature of about 150 ° C., Ge (iC 4 H 9 ) 4 , Sb (iC 3 H 7 ) 3 , and Te (iC 3 H 7 ) 2 are used as Ge precursors, Sb precursors, and Te precursors, respectively. GST nanodots were formed on the silicon oxide film by click PECVD. At this time, the number of cycles was set to 10, 20, 30, 40, and 50 to form GST nanodots. Next, a hafnium oxide film was formed by general atomic layer deposition (ALD) using HfO t (C 4 H 9 ) (NC 2 H 5 CH 3 ) 3 and an oxidizing agent at a temperature of about 300 ° C. At this time, the oxidizing agent was O 3 , and the thickness of the formed hafnium oxide film was about 40 nm. Pt was sputtered on the hafnium oxide film to form a disc shaped control gate having a diameter of 300 μm.
제조예 1, 2를 통해 제조된 전하 트랩 플래시 메모리 기억소자의 특성을 비교하기 위해, GST 나노점이 없는 두 개의 비교예를 제조하였고, 이를 제조예 1, 2를 통해 제조된 전하 트랩 플래시 메모리 기억소자와 함께 표 1에 나타내었다.In order to compare the characteristics of the charge trap flash memory storage devices manufactured in Preparation Examples 1 and 2, two comparative examples without GST nano-dots were prepared, and the charge trap flash memory storage devices prepared in Preparation Examples 1 and 2 were prepared. It is shown in Table 1 with.
[표 1]TABLE 1
샘플 1-1
Sample 1-1
SiO2(6nm)/GST(사이클 회수:10회)/Al2O3(16nm)
SiO 2 (6 nm) / GST (cycle recovery: 10) / Al 2 O 3 (16 nm)
샘플 1-2
Sample 1-2
SiO2(6nm)/GST(사이클 회수:20회)/Al2O3(16nm)
SiO 2 (6 nm) / GST (cycles: 20 cycles) / Al 2 O 3 (16 nm)
샘플 1-3
Sample 1-3
SiO2(6nm)/GST(사이클 회수:30회)/Al2O3(16nm)
SiO 2 (6 nm) / GST (cycle recovery: 30 times) / Al 2 O 3 (16 nm)
샘플 1-4
Sample 1-4
SiO2(6nm)/GST(사이클 회수:40회)/Al2O3(16nm)
SiO 2 (6 nm) / GST (40 cycles) / Al 2 O 3 (16 nm)
샘플 1-5
Sample 1-5
SiO2(6nm)/GST(사이클 회수:50회)/Al2O3(16nm)
SiO 2 (6 nm) / GST (cycle recovery: 50 cycles) / Al 2 O 3 (16 nm)
샘플 2-1
Sample 2-1
SiO2(6nm)/GST(사이클 회수:10회)/HfO2(40nm)
SiO 2 (6 nm) / GST (cycles: 10 cycles) / HfO 2 (40 nm)
샘플 2-2
Sample 2-2
SiO2(6nm)/GST(사이클 회수:20회)/HfO2(40nm)
SiO 2 (6 nm) / GST (20 cycles) / HfO 2 (40 nm)
샘플 2-3
Sample 2-3
SiO2(6nm)/GST(사이클 회수:30회)/HfO2(40nm)
SiO 2 (6 nm) / GST (cycle recovery: 30 times) / HfO 2 (40 nm)
샘플 2-4
Sample 2-4
SiO2(6nm)/GST(사이클 회수:40회)/HfO2(40nm)
SiO 2 (6 nm) / GST (40 cycles) / HfO 2 (40 nm)
샘플 2-5
Sample 2-5
SiO2(6nm)/GST(사이클 회수:50회)/HfO2(40nm)
SiO 2 (6 nm) / GST (cycles: 50 cycles) / HfO 2 (40 nm)
비교예 1
Comparative Example 1
SiO2(6nm)/Al2O3(16nm)
SiO 2 (6 nm) / Al 2 O 3 (16 nm)
비교예 2
Comparative Example 2
SiO2(6nm)/HfO2(40nm)
SiO 2 (6nm) / HfO 2 (40nm)
도 6a는 샘플 1-1의 게이트 전압에 따른 전류밀도를 나타내는 그래프이고, 도 6b는 샘플 2-1의 게이트 전압에 따른 전류밀도를 나타내는 그래프이다.6A is a graph showing the current density according to the gate voltage of Sample 1-1, and FIG. 6B is a graph showing the current density according to the gate voltage of Sample 2-1.
도 6a 및 도 6b를 살펴보면, 게이트 전압이 -10 V 내지 10 V인 경우, 누설전류가 10-7 A/cm2보다 작으므로, 블로킹 절연막으로 알루미늄 산화막을 이용한 경우와 하프늄 산화막을 이용한 경우 모두 프로그래밍하거나 소거할 때 누설전류가 큰 문제가 되지 않음을 알 수 있다.6A and 6B, when the gate voltage is -10 V to 10 V, since the leakage current is less than 10 -7 A / cm 2 , both the case of using an aluminum oxide film and a hafnium oxide film as a blocking insulating film are programmed. It can be seen that the leakage current is not a big problem when performing or erasing.
도 7a 및 도 7b는 전압에 따른 커패시턴스를 나타내는 그래프이다. 도 7a는 알루미늄 산화막이 블로킹 절연막으로 이용된 경우로, 샘플 1-1 내지 샘플 1-5와 비교예 1의 전압에 따른 커패시턴스를 나타내는 그래프이고, 도 7b는 하프늄 산화막이 블로킹 절연막으로 이용된 경우로, 샘플 2-1 내지 샘플 2-5와 비교예 2의 전압에 따른 커패시턴스를 나타내는 그래프이다.7A and 7B are graphs showing capacitance according to voltage. FIG. 7A is a graph showing capacitance when the aluminum oxide film is used as the blocking insulating film, and the capacitance according to the voltages of Samples 1-1 to 1-5 and Comparative Example 1. FIG. 7B is a case where the hafnium oxide film is used as the blocking insulating film. , Graphs showing capacitances according to voltages of Samples 2-1 to 2-5 and Comparative Example 2. FIG.
도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이, GST 나노점이 존재하지 않는 비교예 1, 2의 플랫밴드 전압(Vfb)의 이동도(Vfb shift)에 비해 GST 나노점이 존재하는 샘플 1-1 내지 샘플 1-5, 샘플 2-1 내지 샘플 2-5의 플랫밴드 전압의 이동도가 더 큼을 알 수 있다. 플랫밴드 전압의 이동도인 ΔVfb는 ΔVfb = Vfb + - Vfb -로 표시된다. 여기서 Vfb +는 전압을 음에서 양으로 스윕하는 동안의 플랫밴드 전압이고, Vfb -는 전압을 양에서 음으로 스윕하는 동안의 플랫밴드 전압이다. GST 증착 사이클 회수에 따른 ΔVfb를 도 8에 나타내었다.As shown in FIGS. 7A and 7B, the samples 1-1 to GST nanopoints are present compared to the mobility (V fb shift) of the flat band voltages V fb of Comparative Examples 1 and 2 where the GST nanopoints do not exist. It can be seen that the mobility of the flat band voltages of Samples 1-5, Samples 2-1 to 2-5 is greater. Mobility of the flat-band voltage ΔV fb is fb = V fb + ΔV - is represented by - V fb. Where V fb + is the flatband voltage during the sweep of the voltage from negative to positive, and V fb - is the flatband voltage during the sweep of the voltage from positive to negative. ΔV fb according to the number of GST deposition cycles is shown in FIG. 8.
도 7a, 도 7b 및 도 8을 함께 살펴보면, GST 나노점이 존재하는 경우 ΔVfb가 증가하는 이유는 GST 나노점과 블로킹 절연막 사이의 계면에 의해 전하가 트랩되기 때문이다. 따라서 GST 증착 사이클 회수가 증가할수록 GST 나노점과 블로킹 절연막 사이의 계면의 넓이가 증가하여, 전하가 트랩되는 양이 증가하므로, GST 증 착 사이클 회수가 증가할수록 ΔVfb의 증가가 더욱 커지게 된다. Referring to FIGS. 7A, 7B, and 8, the reason why ΔV fb increases when GST nanopoints are present is that charges are trapped by the interface between the GST nanopoints and the blocking insulating layer. Therefore, as the number of GST deposition cycles increases, the area of the interface between the GST nano-dots and the blocking insulating layer increases, and the amount of charge trapping increases. As the number of GST deposition cycles increases, the increase in ΔV fb increases.
이때, 블로킹 절연막으로 알루미늄 산화막이 이용되는 경우가 하프늄 산화막이 이용되는 경우에 비해 ΔVfb의 증가가 더욱 크다는 것을 알 수 있다. GST 나노점이 증착될 때에는 블로킹 절연막이 증착되기 전이므로, 블로킹 절연막과는 관계없다. 따라서 전하가 트랩되는 트랩 사이트가 GST 나노점 내부이거나 GST 나노점과 터널링 절연막인 실리콘 산화막 사이의 계면에 존재한다면, ΔVfb는 블로킹 절연막과 관계없이 동일할 것이다. 그러나 블로킹 절연막이 알루미늄 산화막인 경우가 하프늄 산화막인 경우에 비해 ΔVfb가 크다는 것은 트랩 사이트가 GST 나노점과 블로킹 절연막 사이의 계면에 존재한다는 것을 의미한다. 따라서 GST를 연속적인 박막 형태로 형성시키는 것에 비해, 본 실시예에서와 같이 나노점 형태로 형성시키는 것이 블로킹 절연막 사이의 계면 넓이를 증가시킬 수 있어, 트랩 사이트가 증가하게 된다.At this time, it can be seen that the case where the aluminum oxide film is used as the blocking insulating film is larger than the case where the hafnium oxide film is used, and the increase in ΔV fb is greater. Since the blocking insulating film is deposited before the GST nanodots are deposited, it is irrelevant to the blocking insulating film. Thus, if the trap site where the charge is trapped is present inside the GST nanopoint or at the interface between the GST nanopoint and the silicon oxide film which is the tunneling insulating film, ΔV fb will be the same regardless of the blocking insulating film. However, when the blocking insulating film is an aluminum oxide film, the ΔV fb is larger than that of the hafnium oxide film, which means that the trap site exists at the interface between the GST nanopoint and the blocking insulating film. Therefore, as compared with forming the GST in the form of a continuous thin film, forming in the form of nano dots as in this embodiment can increase the interface area between the blocking insulating films, thereby increasing the trap site.
GST 증착 사이클 회수에 따른 GST 나노점의 커버리지와 부피를 도 9에 나타내었다.The coverage and volume of the GST nanodots according to the number of GST deposition cycles are shown in FIG. 9.
도 8과 도 9를 비교하면, GST 증착 사이클 회수에 따른 ΔVfb의 변화와 커버리지의 변화가 유사하다. 이에 반해 GST 증착 사이클 회수에 따른 ΔVfb의 변화와 GST 나노점의 부피의 변화는 유사하지 않다. 이는 GST 나노점의 부피보다는 GST 나노점의 커버리지가 ΔVfb의 변화에 영향을 끼친다는 것을 의미한다. 즉 전하가 트랩 되는 트랩 사이트는 GST 나노점의 내부가 아니라 GST 나노점과 블로킹 절연막 사이의 계면 사이에 존재한다는 것을 의미한다. GST 나노점과 블로킹 절연막 사이의 계면에 존재하는 트랩 밀도(interface trap density)를 표시하는 Nit는 아래의 식에 의해 도출될 수 있다.8 and 9, the change in ΔV fb and the change in coverage according to the number of GST deposition cycles are similar. In contrast, the change in ΔV fb and the volume change of the GST nanodots with the number of GST deposition cycles are not similar. This means that the coverage of GST nanodots, rather than the volume of GST nanodots, influences the change in ΔV fb . That is, the trap site where the charge is trapped does not exist inside the GST nano dot but between the interface between the GST nano dot and the blocking insulating film. N it representing the interface trap density present at the interface between the GST nanodots and the blocking insulating film can be derived by the following equation.
qNit = CBOΔVfb qN it = C BO ΔV fb
여기서, q는 기본 전하량이고, CBO는 블로킹 절연막의 커패시턴스 값이다. 상기 식으로부터 블로킹 절연막이 알루미늄 산화막인 경우, 계면 트랩 밀도(Nit)는 1.85×1013 cm-2이고, 블로킹 절연막이 하프늄 산화막인 경우, 계면 트랩 밀도(Nit)는 1.11×1013 cm-2이다.Where q is the basic charge amount and C BO is the capacitance value of the blocking insulating film. From the above formula, when the blocking insulating film is an aluminum oxide film, the interface trap density N it is 1.85 × 10 13 cm −2 , and when the blocking insulating film is a hafnium oxide film, the interface trap density N it is 1.11 × 10 13 cm −. 2
블로킹 절연막에 따라 GST 나노점과의 계면 트랩 밀도가 다른 이유는 블로킹 절연막의 물질에 기인하는 것이 아니라, 알루미늄 산화막과 하프늄 산화막의 증착방법이 상이함에 기인하는 것이다. 본 실시예에서 알루미늄 산화막은 플라즈마를 이용하여 형성됨에 반하여, 하프늄 산화막은 플라즈마를 이용하지 않고 형성된다. 그리고 본 실시예에서 알루미늄 산화막은 하프늄 산화막에 비해 상대적으로 낮은 온도에서 형성된다. 따라서 GST 나노점과 블로킹 절연막 사이의 계면 트랩 밀도를 증가시키기 위해서는 블로킹 절연막을 플라즈마를 이용하여 형성하거나 300 ℃ 이하의 저온에서 형성함이 바람직하다.The reason why the interfacial trap density with the GST nanopoints differs depending on the blocking insulating film is not due to the material of the blocking insulating film, but is due to the different deposition methods of the aluminum oxide film and the hafnium oxide film. In this embodiment, the aluminum oxide film is formed using plasma, while the hafnium oxide film is formed without using plasma. In this embodiment, the aluminum oxide film is formed at a relatively lower temperature than the hafnium oxide film. Therefore, in order to increase the interfacial trap density between the GST nano dot and the blocking insulating film, the blocking insulating film is preferably formed using plasma or at a low temperature of 300 ° C. or lower.
도 10a 및 도 10b는 시간에 따른 ΔVfb를 나타내는 그래프로서, 도 10a는 알루미늄 산화막이 블로킹 절연막으로 이용된 경우이고, 도 10b는 하프늄 산화막이 블로킹 절연막으로 이용된 경우이다.10A and 10B are graphs showing ΔV fb over time. FIG. 10A is a case where an aluminum oxide film is used as a blocking insulating film, and FIG. 10B is a case where a hafnium oxide film is used as a blocking insulating film.
도 10a 및 도 10b를 살펴보면, 프로그램하는 경우나 소거하는 경우 모두 블로킹 절연막의 물질에 관계없이 104 초까지 ΔVfb가 일정하게 유지됨을 알 수 있다. 이러한 결과는 본 실시예의 저항 트랩 플래시 기억소자가 저항 보유능력(retention) 특성이 우수하다는 것을 의미한다.Referring to FIGS. 10A and 10B, it can be seen that ΔV fb is kept constant for 10 4 seconds regardless of the material of the blocking insulating layer in both programming and erasing. This result means that the resistance trap flash memory device of this embodiment has excellent resistance retention characteristics.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.Although the preferred embodiments of the present invention have been shown and described above, the present invention is not limited to the specific preferred embodiments described above, and the present invention belongs to the present invention without departing from the gist of the present invention as claimed in the claims. Various modifications can be made by those skilled in the art, and such changes are within the scope of the claims.
도 1은 본 발명에 따른 전하트랩 플래시 기억소자의 바람직한 일 실시예의 구조를 나타내는 도면이다.1 is a view showing the structure of a preferred embodiment of a charge trap flash memory device according to the present invention.
도 2a는 터널링 절연막이 실리콘 산화막(SiO2)인 경우의 단면(cross-section) 투과전자현미경(transmission electron microscopy, TEM) 사진이다.FIG. 2A is a cross-sectional transmission electron microscopy (TEM) photograph when the tunneling insulating layer is a silicon oxide layer (SiO 2 ).
도 2b는 터널링 절연막이 실리콘 산화막과 티타늄 산화막(TiO2) 이중층으로 이루어진 경우의 단면 투과전자현미경 사진이다. FIG. 2B is a cross-sectional transmission electron micrograph when the tunneling insulating film is formed of a silicon oxide film and a titanium oxide film (TiO 2 ) double layer.
도 3a는 터널링 절연막이 실리콘 산화막(SiO2)인 경우의 XPS 그래프를 나타내는 도면이다.3A is a diagram illustrating an XPS graph when the tunneling insulating film is a silicon oxide film (SiO 2 ).
도 3b는 터널링 절연막이 실리콘 산화막과 티타늄 산화막(TiO2) 이중층으로 이루어진 경우의 XPS 그래프를 나타내는 도면이다.FIG. 3B is a diagram illustrating an XPS graph when the tunneling insulating film is formed of a silicon oxide film and a titanium oxide (TiO 2 ) double layer.
도 4는 실리콘 산화막 상에 사이클릭 플라즈마 강화 화학기상증착법에 의해 증착된 GST의 평면(plan-view) 주사전자현미경(scanning electron microscopy, SEM) 사진이다.4 is a plan-view scanning electron microscopy (SEM) photograph of GST deposited by cyclic plasma enhanced chemical vapor deposition on a silicon oxide film.
도 5는 실리콘 산화막 상에 GST 나노점을 형성하고, 알루미늄 산화막(Al2O3)이 형성된 적층구조물의 단면 투과전자현미경 사진이다.5 is a cross-sectional transmission electron micrograph of a laminated structure in which a GST nanodot is formed on an silicon oxide film and an aluminum oxide film (Al 2 O 3 ) is formed.
도 6a 및 도 6b는 게이트 전압에 따른 전류밀도를 나타내는 그래프로서, 도 6a는 알루미늄 산화막이 블로킹 절연막으로 이용된 경우이고, 도 6b는 하프늄 산화 막이 블로킹 절연막으로 이용된 경우이다.6A and 6B are graphs showing current densities according to gate voltages. FIG. 6A is a case where an aluminum oxide film is used as a blocking insulating film, and FIG. 6B is a case where a hafnium oxide film is used as a blocking insulating film.
도 7a 및 도 7b는 전압에 따른 커패시턴스를 나타내는 그래프로서, 도 7a는 알루미늄 산화막이 블로킹 절연막으로 이용된 경우이고, 도 7b는 하프늄 산화막이 블로킹 절연막으로 이용된 경우이다.7A and 7B are graphs showing capacitance according to voltage. FIG. 7A is a case where an aluminum oxide film is used as a blocking insulating film, and FIG. 7B is a case where a hafnium oxide film is used as a blocking insulating film.
도 8은 GST 증착 사이클 회수에 따른 ΔVfb를 나타내는 그래프이다.8 is a graph showing ΔV fb according to the number of GST deposition cycles.
도 9는 GST 증착 사이클 회수에 따른 GST 나노점의 커버리지와 부피를 나타내는 그래프이다.9 is a graph showing the coverage and volume of the GST nanodots according to the number of GST deposition cycles.
도 10a 및 도 10b는 시간에 따른 ΔVfb를 나타내는 그래프로서, 도 10a는 알루미늄 산화막이 블로킹 절연막으로 이용된 경우이고, 도 10b는 하프늄 산화막이 블로킹 절연막으로 이용된 경우이다.10A and 10B are graphs showing ΔV fb over time. FIG. 10A is a case where an aluminum oxide film is used as a blocking insulating film, and FIG. 10B is a case where a hafnium oxide film is used as a blocking insulating film.
Claims (9)
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KR1020090065764A KR101003451B1 (en) | 2009-07-20 | 2009-07-20 | Charge trap flash memory using gst nanodot |
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