단차형상산화막 나노 플로팅 게이트 메모리의 multi-bit 저장 특성을 위한 구조변수 분석

Abstract

최근 들어 정보화 시대가 도래됨에 따라 각종 휴대정보전자기기의 수요와 발달이 급증하게 되었고, 이에 따라 비휘발성 메모리의 고성능화, 고집적화를 위한 연구가 정보, 전자 분야의 중요한 이슈로 자리 잡았다. 현재 상용화 되고 있는 비휘발성 메모리 기술인 TANOS 메모리는 멀티-레벨 저장기술을 응용하여 높은 수준의 집적도를 가지고 있지만, 기존 NAND 플래시 메모리의 특성 상 높은 구동전압을 가진다는 단점을 안고 있으며, 멀티-레벨 저장기술은 오류에 의해 정보의 신뢰도가 떨어져 개선의 필요성을 나타내고 있다.

나노플로팅게이트 메모리(Nano Floating Gate Memory, NFGM)는 기존의 NAND 플래시 메모리의 회로 구조를 그대로 사용할 수 있으면서도 전하의 포획에 사용하는 tunneling mechanism의 차이로 구동전압을 낮출 수 있고, 저장되는 전하를 제어하기에 용이하다는 장점을 가지고 있다. 뿐만 아니라 최근에는 이 NFGM의 절연막에 단차를 형성함으로써 멀티-레벨 저장 특성을 구현하는 연구가 진행된 바 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 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 NFGM의 최적공정조건 수립, 성능개선 등이 가능할 것으로 기대된다.

본 연구에서는 이러한 단차형상산화막 NFGM의 구조변수 분석을 위해 구조재료인 나노입자층과 산화막의 전기적 특성을 분석하였고, 이들의 설계적 변수에 따른 소자의 저장 특성을 예측하고 확인하였다.

단차형상산화막 NFGM은 그 콘트롤산화막의 상이한 두께에 의하여 터널링산화막에 전기장이 독립적으로 인가되도록 제어함으로써 나노입자층으로의 전하의 포획이 불연속적으로 일어나도록 하는 원리로 동작하므로, 두 번의 포획전압이 서로 충분한 차이를 가질 수 있도록 하는 단차 조건을 알아내기 위하여서 터널링산화막의 누설전류 특성 및 소자 각 산화막의 전기장 인가 분포를 비롯하여 포획전압을 나타내도록 하는 인자들을 이해하고 분석하는 연구가 진행되었고, 소자의 두 번째 포획전압에 이르기 전에 첫 번째 포획이 포화되어 두 포획이 명확히 구분될 수 있도록 하기 위하여서 전하 포획층으로 사용되는 나노입자의 크기에 따른 최대 주입가능 전자 수 및 밀도에 따른 메모리윈도우 크기 변화 등을 분석하여 제어하는 연구가 진행되었다.

연구결과 충분히 작은 전압에서 전하포획이 포화될 수 있도록 하기 위하여서 나노입자의 크기와 밀도가 제어될 필요가 있음이 나타났으며, 충분한 포획전압 차이를 확보하기 위하여서 충분히 큰 단차를 필요로 하되, 전체 두께를 키움으로써 그 비율은 제어할 필요가 있음이 나타났다. 또한 콘트롤산화막의 유전율이 터널링산화막보다는 커야하되 비교적 작은 것이 특성 구현을 위해 유리하며, 우수한 누설전류 특성이 요구됨을 확인하였다.

본 연구에서 사용한 분석방법과 그 결과를 이용하여 단차형상산화막 NFGM에 적용한다면 후속연구에서 우수한 특성의 비휘발성 멀티-레벨 메모리 특성을 얻을 수 있을 것으로 기대된다.