A study on the design of two-bit NAND-type SONOS flash memory devices with a separated double-gate FinFET structure

Abstract

비휘발성 메모리 소자의 대용량 및 고집적화를 위해 분리된 더블게이트 FinFET 구조를 가진 2 비트 낸드 SONOS 플래시 메모리 소자를 설계하였다. 제안한 SDG-Fin SONOS 메모리 소자는 소스와 드레인을 공유하면서 한 셀 내에 있는 컨트롤 게이트를 Fin의 두께 방향으로 두개로 나누었기 때문에, NAND 셀어레이를 형성할 때 전체적인 스트링의 크기를 효과적으로 줄일 수 있다. SDG-Fin SONOS 메모리 소자를 두개의 비트로 동작시키기 위하여 각각의 제어게이트와 관련된 채널의 도핑 농도를 다르게 하는 방법과, 터널링 유전물질의 두께를 다르게 하는 방법을 사용하였다. 제조공정과 소자의 전기적 특성은 기존의 상용화된 TCAD 시뮬레이터를 이용하여 평가하였다. 시뮬레이션을 이용하여 얻은 쓰기/소거 특성과 전하분포 특성을 통해, 채널의 도핑 농도와 터널링 유전물질의 두께 조건에 따라 각각 4개의 상태로 전하가 트랩 되는 양이 달라지고, 그에 따라 흐르는 전류의 양이 변화함을 알 수 있다. 시뮬레이션 특성을 기반으로 최적화 된 SDG-Fin SONOS 메모리 소자는 상태별로 각기 다른 문턱전압 가지기 때문에, 읽기전압 범위 내에서 독립적인 두 개의 비트로 동작할 수 있다. 이러한 결과들은 3차원 FinFET 나노구조를 가진 SONOS 메모리 소자의 채널의 도핑 농도와 터널링 유전물질의 두께 조건에 따른 전기적 특성 변화를 이해하는데 도움이 되었다. 제안된 SDG-Fin SONOS 메모리 소자는 대용량 및 고집적화에 초점이 맞춰져 있는 차세대 비휘발성 메모리 소자의 응용에 적용될 수 있을것이다.; NAND-type SONOS with a separated double-gate FinFET structure(SDG-Fin SONOS) flash memory devices are proposed to reduce the unitcell size of the memory devices and increase the memory density in comparison with conventional non volatile memory (NVM) devices. The proposed memory device consists of a pair of control gates separated along the direction of the Fin width. Two unique alternative technologies in this study: a channel doping method and an oxide thickness variation method are used to operate the SDG-Fin SONOS memory devices as two-bit. The fabrication processes and device characteristics are simulated by using technology computer-aided design (TCAD) tools. The results of the program/erase characteristics and charge densities indicate that the charge trap probability is dependent on the different channel doping concentrations and tunneling oxide thicknesses, so that the optimized SDG-Fin SONOS memory devices are independently operated as two-bit. These results can help improve understanding of the electrical characteristics according to different channel doping concentrations and tunneling oxide thicknesses. The proposed SDG-Fin SONOS memory devices hold promise for potential applications in next-generation NVM devices.