Unified random access memory (URAM)─functioning 2-bit non-volatile flash memory and a capacitorless 1T-DRAM in a single transistor─is presented based on a partially-depleted (PD) SONOS FinFET and a PD SOI structure. A PD SONOS FinFET performs capacitorless 1T-DRAM in a high speed mode with a program/erase (P/E) of 50nsec as well as 2-bit-multi-level cell (MLC) NVM in a non-volatile mode with data retention of 10 years by using Fowler-Nordheim tunneling and hot carrier injection (HCI) mechanism. In order to prevent soft- program issue for 1T-DRAM, the underlap architecture between gate and junction is suggested in PD SONOS SOI structure as compared with overlap architecture. The fabricated underlap and overlap devices in PD SONOS SOI show characteristics of soft-program immunity and dual-bit NVM as threshold voltage read method and GIDL read method.
충격이온화 방법을 이용하여 생기 초과정공을 부유 기판에다가 저장하는 커패시터리스 1T-DRAM과 Fowler-Nordheim 터널링을 이용하여 전자를 O/N/O layer에 저장하는 비 휘발성 메모리를 부분공핍 SONOS FinFET단일소자에서 구현한 다기능 통합 메모리(URAM)는 소개 되었다. 하지만 통합 메모리도 메모리의 소형화의 한계를 벗어 날 수 없기 때문에, 본 연구에서는 통합 메모리 중에서도 비휘발성 메모리에서 2-비트 멀티 레벨 셀을 구현하여 메모리 소자의 집적도 향상을 위해서 수행되었다. 프로그램 방식은 FN 터널링과 hot electron injection (HCI) 방식으로서 본 연구에서 처음으로 수행 되었다. 10~100K 의 endurance 특성과 데이터를 10년간 보관할 수 retention 특성의 우수함이 증명 되었다.
하지만, 1T-DRAM에서 프로그램 작동 방식으로 인한 충격이온화 현상에서 생기는 과도한 정공과 전자쌍에서, 전자가 에너지를 얻어 HCI 현상으로 인하여 O/N/O 층에 붙잡히게 되는 원치 않는 소프트 프로그램이 일어나게 된다. 그래서, 1T-DRAM 동작할 때, 초과 정공의 유무로 전류를 감지할 수 있는 범위가 줄어들게 되고, 초과 정공이 부유 기판에 저장될 수 있는 시간이 줄어 들게 된다. 그러므로 소프트 프로그램 현상을 개선하고자 게이트와 드레인이 수직적으로 중복되지 않게 underlap 구조가 제안되었다. underlap 구조는 초과 정공을 발생시키는 것과 정공의 보유시간에 대한 특성은 적절히 유지하면서, HCI 현상을 줄여서 소프트 프로그램이 일어나는 것을 막는 것에 목표를 두었다. 통합 메모리의 비 휘발성 메모리 부분에서 NOR 타입의 셀로서 구성되어야 하기 때문에, HCI 프로그램 방식을 이용하여야 한다. 하지만, 1T-DRAM에서 소프트 프로그램 문제를 줄이기 위해 제안된 underlap구조는 HCI 현상을 줄이기 때문에 비 휘발성 메모리 특성에는 장애가 된다. 그래서 본 연구는 URAM의 비 휘발성 메모리에서 underlap 구조에서 프로그램 효율이 좋지 않은 기존의 읽기 방식이 아니라, gate induced drain leakage (GIDL) 전류 읽기 방식을 제안하고자 한다. 비록 GIDL방식은 문턱전압 변화가 작은 량의 전자를 O/N/O 층에 저장하더라도, 읽는 동작에서 정보를 구분하는 전류의 량이 크기 때문에 작은 프로그램 작동 전압과 빠른 프로그램 속도의 특성을 나타내어 파워 소모가 적은 유리함을 지닌다.
