In this dissertation, advanced charge trap type flash memory has been developed through blocking oxide layer and charge trap layer engineering by rare earth high-K oxides. Rare earth oxide was selected due to its high dielectric constant and relative high bandgap and band offset.
To enhance flash memory property by blocking oxide engineering, GdAlO was applied to blocking oxide layer. It was found that non-volatile memory properties are strongly dependent on structural and compositional change of blocking oxide. Leakage current decreased with Gd concentration due to the increase of physical thickness. However, above 50% Gd concentration, GdAlO thin film tends to be crystallized after source/drain activation temperature. After crystallization, leakage current increased, therefore erase window reduced. In retention property, charge loss increased with Gd concentration due to its lower band offset. However, above 50% Gd concentration, GdAlO thin film was crystallized, and bandgap and band offset increased with Gd concentration. Therefore, charge loss decreased with Gd concentration after crystallization. Although leakage current increased after crystallization, the bandgap and band offset of blocking oxide increased, and retention property was enhanced.
To improve retention property, charge trap layer has been improved by dopant. Very thin rare earth oxide layer was introduced into silicon nitride without changing a total gate stack EOT value. Among various dopants, Lanthanum oxide dopant showed similar program/erase speed, but retention property was improved. There is an optimum condition of La concentration and the position of dopant in silicon nitride. To maximize the effect of doping and to control the doping effect easily, ALD process of silicon nitride has been developed at low deposition temperature. To enhance thin film property and ALD process, hydrogen plasma treatment was introduced. Therefore, high growth rate and high throughput was achieved at low temperature. The doping effect in silicon nitride thin film grown by ALD process was also investigated and rare earth oxide is also the most effective dopant to improve retention property.
To investigate the mechanism of program characteristic, the program speed dependence on temperature has been investigated qualitatively as well as quantitatively. The reason of enhanced program speed with temperature is the increase of Fowler-Nordheim current with temperature. Because electron in conduction band can occupy higher energy state due to thermal energy, which is known as Fermi-Dirac distribution, FN current increases with temperature due to thermal energy. This phenomenon can affect program voltage, threshold voltage distribution, and program disturbance when the device is operated at high temperature. The simulation results are well fitted to experiment results in transient behavior. Therefore, the mechanism of program characteristic with temperature was analyzed, and it provides new model for high temperature operation.
이 학위논문에서는 희토류 고유전 유전체를 사용하여 차단산화막 및 전하포획막 개발을 이용한 플래쉬 메모리 개발을 다루고 있다. 희토류 유전체는 높은 유전상수값과 높은 밴드갭 및 밴드 오프셋을 가지므로 고유전 유전체로 선택되었다.
차단산화막 개발을 이용하여 플래쉬 메모리 특성을 향상시키기 위해 GdAlO 물질이 차단산화막에 적용되었다. 차단산화막의 구조적, 조성적 변화에 따라 비휘발성 메모리 특성이 크게 변하는 것이 밝혀졌다. Gd 농도가 증가할 수록 물리적 두께가 증가하기 때문에 누설전류는 감소한다. 하지만 50% 이상의 Gd 농도에서는 소스.드래인 활성화 온도에서 GdAlO 박막이 쉽게 결정화 된다. 결정화 후, 누설전류는 증가하게 되고 그러므로 erase window 는 감소하게 된다. 전하 보유 특성 면에서는 Gd 농도가 증가할수록 낮은 band offset 때문에 전하손실량이 증가하게 된다. 그러나 50% 이상 Gd 농도에서 GdAlO 는 결정화 되고 bandgap 및 band offset 은 Gd 농도가 증가할수록 증가하게 된다. 그러므로 결정화 후 Gd 농도가 증가하면 전하손실량도 감소하게 된다. 비록 결정화 후 누설전류량이 증가하지만 차단산화막의 bandgap 및 band offset 은 증가하게 되므로 전하 보유 특성이 개선된다.
전하 보유 특성을 개선하기 위해 불순물을 전하포획막에 삽입함으로써 전체특성을 향상시킬 수 있다. 매우 얇은 희토류 산화물 막을 실리콘 질화물 중간에 삽입함으로써 전체 게이트 EOT 값을 바꾸지 않는 범위내에서 삽입 가능하다. 여러가지 불순물 중에서 Lanthanum 을 이용하는 경우 비슷한 기록/지우기 특성을 보이지만 전하 보유 특성이 개선된다. La 의 농도와 삽입 위치에 따라 최적의 특성을 보이는 경우가 있으므로 이러한 불순물 효과를 최대화 하기 위해서 실리콘 질화물을 낮은 온도에서 원자층 증착 방법을 통해서 증착할 필요성이 있다. 박막의 특성 향상과 원자층 증착 방식의 개선을 위하여 수소 플라즈마 처리방법이 도입되었다. 그 결과 낮은 온도에서 높은 증착률 및 높은 처리량을 보이는 공정이 개발되었다. 이러한 원자층 증착 방식으로 증착된 실리콘 질화물에서도 앞의 경우와 마찬가지로 희토류 불순물을 이용하는 경우가 전하손실량이 가장 적어 전하 보유 특성이 개선되는 것을 알 수 있다.
비휘발성 메모리에 기록하는 원리를 이해하기 위해 온도에 따라서 나타나는 기록 특성의 변화를 정량적, 정성적으로 분석하였다. 온도가 증가함에 따라서 쓰기 특성이 개선되는 이유는 온도에 따라 증가하는 Fowler-Nordheim 전류 때문이다. 열에너지에 의해서 conduction band 에 존재하는 전자가 높은 에너지 상태의 값을 가질 수 있는 확률이 증가하게 된다. 그러므로 이러한 이유로 인하여 FN 전류량은 온도에 의존성을 가지게 된다. 이러한 현상 때문에 높은 온도에서 소자가 동작할 시에 쓰기 전압값, 문턱전압 분포 및 쓰기로 인한 인접셀 효과까지 영향을 주게 된다. 시뮬레이션 결과는 실험 결과와 잘 일치하므로 이로부터 쓰기특성의 온도의존성 이유를 분석할 수 있으며 이런 결과는 높은 온도에서 동작시 해석가능한 모델을 제시할 수 있다.
