In this work, we present a vertical structured Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET) flash memory with metal nanocrystals for future 3-D device applications and new nanocrystal formation method using diblock copolymer and dipping scheme for nanocrystals stiction on the sidewall structure. The proposed device was fabricated by conventional MOS memory process and the device structure was the same as FinFET except having a very wide fin, quasi-FinFET with a wide Si body.
To investigate the feasibility of the device with 3-dimensional structure such as FinFET, 100nm-thick high density plasma (HDP) oxide, which was used to exclude the nanocrystals effect on the top, for hard mask was deposited. So, channels of the proposed device locate on each vertical sidewall, not on the top planar surface.
Using highly ordered micellar template which diblock copolymer presents, uniform size and spatial distribution of nanocrystal formation on the tunneling oxide were possible. Specially, this kind of micelle and solvent dipping method which uses theory of Langmuir-Blodgett film can realize nanocrystals formation on any preferred location including sidewall surface such as FinFET structure which we aimed. Co and Au nanocrystals were chosen as the electron storage node. Diameter of Co-Au nanocrystals were about 9nm-12nm and density were $2.3 \times 10^{11}/cm^2-1 \times 10^{11}/cm^2$, respectively. These kinds of diameter and density can be manipulated by modification of each diblock copolymer molecular weight.
Typical I-V transfer characteristics of the fabricated device were observed. Due to the long channel length with narrow width, it showed low drain current level.
The memory characteristics of the vertical flash memory were investigated. Hysteresis of 1.5V was observed when 11V pulse was applied for 100ms in case of Au nanocrystals embedded device and the fact that hysteresis phenomena were purely by nanocrystals was verified through observation of little threshold voltage shift in case of the device without nanocrystal. This hysteresis is expected to be by nanocrystals on the sidewall and small threshold voltage shift comparing to the planar nanocrystal memory is due to the small amount of nanocrystal by narrow width.
Threshold voltage shift amounts on each control group were observed with hydrogen annealing. The trend of threshold voltage window differences between hydrogen annealed device and no annealed device showed that difference of Co nanocrystals embedded case is bigger than Au nanocrystals embedded case.
The reason why Au nanocrystals embedded devices show no significant threshold voltage shift difference is from the oxygen binding energy difference between Au and Co. Namely, Co was well metal-reduced by hydrogen annealing. In case of Au nanocrystal, however, because Au is noble metal it showed low oxidation / reduction rate and no significant threshold voltage window difference by hydrogen annealing.
Good retention characteristics, which show how well stored information is conserved, over 10 years were observed in case of Au nanocrystals embedded devices. Because Au nanocrystal ($W_F$=5.1eV) has deeper energy level than Co nanocrystal ($W_F$=4.4eV), better retention characteristics of Au was observed. Also, endurance tests which show how well it stands in frequent write/erase operations was done and good endurance characteristics were observed in case of hydrogen annealed devices.
이번 연구에서 3차원 소자 응용을 위한 수직형 구조의 모스펫 플래시 메모리와 함께 측벽 구조 상에의 나노크리스탈의 부착을 위해 이중블록공중합체와 딥 코팅을 이용하는 새로운 나노크리스탈 형성 방법을 제안한다. 제안된 소자는 일반적인 모스 메모리 과정을 통해 제작되었고, 소자 구조는 매우 넓은 핀을 가지는 것을 제외하면 핀펫, 곧 넓은 실리콘 바디를 가지는 준-핀펫 이다.
핀펫과 같은 3차원 구조를 가진 소자로의 가능성을 알아보기 위해 상부에 존재하는 나노크리스탈의 영향을 배제하기 위한 100nm 두께의 고밀도 플라즈마 산화막을 하드마스크로 증착하였다. 그래서 제안된 소자의 채널은 상부 표면이 아닌 좌우측의 수직한 측벽에 위치한다. 이중블록공중합체가 제공하는 잘 정렬된 마이셀 템플릿을 이용하여, 터널링 산화막 상에 균일한 크기와 위치 분포를 가지는 나노크리스탈의 형성이 가능하였다. 특히, 랭뮤-블로제 박막 원리를 이용한 이러한 마이셀과 용매에 담그는 방법은 우리가 목표하였던 핀펫 구조의 측벽 표면을 포함한 원하는 위치상에의 나노크리스탈 형성을 가능케 한다. 코발트와 금 나노크리스탈이 전자의 저장소로 쓰였고, 코발트와 금 나노크리스탈의 지름과 밀도는 각각 9nm, 12nm 그리고 2.3E11, $1E11/cm^3$ 이었다. 이러한 지름과 밀도는 각 이중블록공중합체의 분자량의 조절을 통해 제어할 수 있다. 제작된 소자의 일반적인 전류-전압 전달 특성을 관찰하였다. 좁은 채널 폭에 비해 채널 길이가 길기 때문에, 제작된 소자는 낮은 드레인 전류 레벨을 보였다.
그리고 수직형 플래시 메모리의 메모리 특성을 관찰하였다. 금 나노크리스탈이 포함된 소자의 경우 11V/100ms의 펄스를 가했을 때 1.5V의 히스테리시스가 관찰되었고, 나노크리스탈이 없는 소자의 경우 문턱전압의 변화가 거의 보이지 않았기 때문에 이러한 히스테리시스 현상은 순수하게 나노크리스탈에 의한 것이란 사실이 증명된다. 히스테리시스는 측벽에 존재하는 나노크리스탈에 의한 것으로 생각되고, 나노크리스탈이 위치할 수 있는 폭이 좁기 때문에 평면형 나노크리스탈에 비해 문턱전압의 변화량이 작게 나타났다. 수소 어닐링을 하였을 때의 각 제어 그룹에 대한 문턱 전압의 변화량을 관찰하였다. 수소 어닐링을 한 소자와 안 한 소자 사이의 문턱 전압 윈도우 차이는 코발트 나노크리스탈의 경우 그 차이가 금 나노크리스탈의 차이보다 큰 경향을 보였다.
금 나노크리스탈이 포함된 소자의 경우 문턱 전압의 변화가 거의 보이지 않은 이유는 금과 코발트의 산소와의 결합에너지 차이 때문이다. 즉, 코발트는 수소 어닐링에 의해 금속으로의 환원이 잘 된 것이다. 하지만 금 나노크리스탈의 경우 귀금속이란 금의 특성 때문에 낮은 산화/환원률을 보이고, 수소 어닐링에 의해서 문턱 전압 윈도우의 차이가 거의 나지 않는 것이다. 저장된 정보가 얼마나 잘 보존되나를 보여주는 전하 유지 특성에서 금 나노크리스탈이 포함된 소자는 10년이 넘는 좋은 전하 유지 특성을 보였고, 이것은 금 나노크리스탈의 경우 일함수가 5.1eV로서 4.4eV의 코발트보다 깊은 에너지 준위를 갖고 있기 때문이다. 반복적인 쓰기/지우기 동작 상황에서 얼마나 잘 견디나를 나타내는 반복적 쓰기/지우기 내구성 특성을 보았고, 수소 어닐링 처리를 한 소자의 경우 더 좋은 특성을 보였다.
