Al2O3 단차형상산화막을 이용한 나노 플로팅 게이트 메모리 멀티-레벨 특성

Abstract

정보통신기술과 나노기술의 비약적 발전으로 인한 유비쿼터스 시대의 도래는 기술의 다양성을 통한 휴대용 정보통신 제품의 초고속화, 초고집적화, 다기능화, 고용량화, 경량화의 가속화를 요구한다. 현재 널리 사용되고 있는 메모리 소자 중 DRAM은 휘발성 메모리 소자라는 치명적인 단점을, 비휘발성 메모리 소자인 플래쉬 메모리는 터널링산화막 신뢰성 및 cell 간 잡음, 저전압 동작의 한계 등으로 인하여 집적도 향상에 있어서 한계를 가지고 있다는 단점이 있다. 그로 인해, 이러한 물리적, 전기적 문제의 한계를 극복 할 수 있으며, 향후 현재의 플래쉬 메모리를 대체할 수 있는 새로운 개념의 신기능성 메모리 소자 개발이 요구되고 있다.

나노 플로팅 게이트 메모리(Nano Floating Gate Memory, NFGM)는 기존의 NAND 플래쉬 메모리의 회로 구조를 그대로 사용할 수 있으면서도 전하의 포획에 사용하는 tunneling mechanism의 차이로 구동전압을 낮출 수 있고, 저장되는 전하를 제어하기에 용이하다는 장점을 가지고 있다.

이러한 가능성을 가진 NFGM의 절연막에 단차를 형성함으로써 멀티-레벨 저장 특성을 구현하는 연구가 진행되고 있다. 단차형상을 적용한 NFGM은 기존 NFGM 공정에 식각과정만을 추가함으로써 비교적 간단한 방법으로 멀티-레벨 저장 특성을 구현할 수 있으며, 차후 절연막을 사용하는 다른 저장방식의 메모리에도 단차를 이용한 멀티-레벨 특성에 응용될 수 있는 가능성이 있다는 장점을 가지고 있다. 해당 연구를 더욱 발전시키기 위해서는 소자의 구조를 이루는 각 재료에 대한 분석을 바탕으로 구조변수에 따른 소자의 구동을 이해할 필요가 있다. 이와 같은 연구를 통하여 단차형상산화막 NFGM 최적공정조건 수립, 성능개선 등이 가능할 것으로 기대된다.

단차형상산화막 NFGM은 그 콘트롤산화막의 상이한 두께에 의하여 터널링산화막에 전기장이 독립적으로 인가되도록 제어함으로써 나노입자층으로의 전하의 포획이 불연속적으로 일어나도록 하는 원리로 동작하므로 단차형상산화막 NFGM 구현을 위해서는 콘트롤산화막 구조변수 분석 및 전산모사를 통해 멀티-레벨 NFGM 특성을 명확히 구현할 수 있는 콘트롤 산화막 선정이 요구되고 또한 멀티-레벨을 좀 더 명확히 구현하기 위해 금속 입자의 전기적 특성 분석이 요구되어 진다. 본 연구에서는 콘트롤산화막과 터널링산화막의 유전상수 차이에 의한 첫 번째 포획전압과 두 번째 포획전압 차이를 분석한 결과 터널링 산화막과의 유전상수 차이가 작을수록 멀티-레벨 구현에 좀 더 유리한 것으로 밝혀졌다. 하지만 유전상수가 터널링 산화막과 작거나 같으면 터널링 산화막에 인가되는 전기장의 크기가 커지므로 retention 특성이 저하되는 단점을 가지게 된다. 그래서 기존 멀티-레벨 NFGM의 콘트롤 산화막이였던 HfO2 와 SiO2 의 중간값의 유전상수인 ‘7’이며 ALD로 조밀한 박막 증착이 가능한 Al2O3를 콘트롤 산화막으로 결정했다. Al2O3 60 nm 박막 증착 후 30 nm를 부분 식각하여 Al2O3를 콘트롤 산화막으로 이용하여 멀티-레벨 특성을 구현하였다. 또한 금속 나노 입자 종류에 따른 저장 특성을 평가하고 차후 멀티-레벨 NFGM 연구 적용을 위하여 기존 연구에 이용되었던 Au와 새로운 나노입자인 Ag 두 가지의 금속을 플로팅 게이트로 증착하여 일함수 차이에 따른 정보 저장 특성과 유지 특성을 평가하는 연구가 함께 진행되었다.

연구 결과, 첫 번째 포획이 포화상태에 이르는 전압과 두 번째 포획이 시작되는 전압을 좀 더 분명히 하기 위해서는 충분히 낮은 전압에서 전하포획이 포화 될 수 있도록 하기 위하여 Au의 일함수인 5.1 eV보다 작은 일함수를 가지는 나노 입자의 도입이 필요한 것으로 확인되었다. 이에 따라 내화학성이 뛰어나며 상온에서 비교적 간단한 공정을 통해 나노입자 형성이 가능하며 일함수가 5.1 eV보다 낮은 값인 4.52 eV의 일함수 값을 가지고 있는 Ag를 Au와 비교 분석한 결과 나노입자의 크기과 밀도는 비슷한 가운데 메모리 윈도우는 각각 Au일 때 4.6V, Ag일 때 2.8V로 나타났으며 이는 flat-band voltage shift 계산 값인 5V, 2.2V와 큰 차이가 없는 것으로 나타났다. 또한 포획전압이 서로 충분한 차이를 가질 수 있도록 하는 단차 조건을 알아내기 위하여 Al2O3 산화막의 두께에 따른 메모리 윈도우 값을 예상한 결과 Au를 나노입자로 이용했을 때에는 55nm/15nm, Ag 나노입자가 형성되었을때는 45nm/15nm로 Ag 입자를 적용 했을 때 더 작은 단차로 포획 차이를 명확히 할 수 있으나 retention 특성은 Ag가 Au보다 상대적으로 낮은 effective potential well로 인한 장벽높이의 차이 때문에 낮은 특성을 나타냈다.