Ge 기판의 S-passivation을 이용한 charge trapping type 소자의 메모리 특성 연구

Abstract

낸드 플래시 소자가 미세화 되면서 인접 셀 간의 간섭 정도가 증가하여 동작 전압의 제어가 어려워지고 coupling ratio가 감소하는 등의 문제점이 있다. Charge-trapping type(Metal gate/Blocking oxide/Charge trap layer/Tunnel oxide) 메모리는 기존의 Floating gate type 플래시 메모리(Control gate/Inter-poly dielectric/Floating gate/Tunnel oxide)의 문제점을 해결한 방식이다. 즉, poly-Si 대신 Si3N4 박막 내에 전하를 저장하므로 기존 floating gate type에 비해 전하를 안전하게 저장 할 수 있다. 더 나아가 Si3N4 대신에 HfO2 등의 고유전 물질을 적용하면 큰 전도대 오프셋과 높은 포획 밀도를 얻을 수 있어 더 큰 전하 포획을 기대할 수 있다. 그리고 기존 Si 기판 대신 Ge 기판을 사용하면 전자와 전공의 이동도가 높아 특성을 개선할 수 있다. 그러나 Ge기판 표면의 자연 산화막은 다수의 dangling 결합을 발생시켜 계면 제어를 어렵게 하여 전기적 특성이 나빠지는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 극복하기 위해 다양한 passivation 기술이 필요하며 그 중 (NH4)2S를 이용한 S-passivation은 dangling 결합 위치에 sulfur가 결합하게 하여 전기적 특성을 향상시키며, 이때 형성된 S-doped Ge oxide는 tunnel layer로써 역할을 할 수 있다는 장점이 있다. 본 연구에서는 (NH4)2S의 농도를 변화(5, 10, 15, 20%)시키면서 passivation 처리한 Ge 상에 HfO2 유전체와 Ru 전극을 증착하여 메모리 특성의 개선효과를 살펴보았다. Ellipsometry로 각 농도별 두께 측정 결과 5, 10, 15%에서는 약 2nm이며 20%에서는 약 4nm로 농도가 증가하면 S-doped Ge oxide의 두께가 증가하는 경향을 보였다. 전기적 특성 측정 결과 (NH4)2S 10% 농도 이상에서 소자의 C-V곡선에서 kink, stretch out 특성이 양호해지며, 포획 전하가 비교적 많이 발생됨을 확인할 수 있었다. Retention 특성 확인을 위해 소자에 계속적인 스윕 전압을 인가하여 소자의 hysteresis의 변화, 소자의 파괴 정도를 측정하였다. S처리를 한 소자의 경우 약 70회까지 hysteresis를 유지했다. 그러나 S처리 하지 않은 샘플은 3회만에 소자가 파괴되는 현상을 보였다. 그리고 XPS 측정으로 (NH4)2S의 농도별 sulfur의 정량 분석결과 농도가 20%일때 함량이 가장 많았다. Ge 기판에 S-passivation처리 후 GeS만이 존재하나, FGA 처리 후 화학적 변화로 GeS와 GeO2으로 존재한다. TEM 측정으로 S-passivation을 한 소자와 S-passivation을 하지 않은 소자의 interfacial layer를 비교한 결과 S-passivation을 한 소자가 약 0.5nm 더 두꺼웠다. 결론적으로 Ge 기판에 S-passivation을 하면 GeOS가 생성되며, 이것은 tunnel layer와 passivation의 역할을 한다.