An ultra-fast erasing process that acts within 200 ns is demonstrated in a junctionless gate-all-around nanowire silicon-oxide？nitride-oxide-silicon (SONOS) device. Rapid erasing is enabled with the use of instantaneous thermal excitation (TE) process through a double-ended gate structure of the fabricated device. Charges inside the charge trap layer comprised of a silicon nitride are de-trapped by Joule heating. Moreover, an in-situ self-annealing effect accompanied by the TE erase method is achieved; hence, both the tunnel oxide quality and the retention characteristics are less degraded compared with the conventional Fowler-Nordheim erase method.
종래의 낸드(NAND) 방식의 비휘발성 메모리는 전계방출 터널링 방법(Field emission 혹은 Fowler-Nordheim tunneling)을 사용하여 부유게이트(Floating gate)나 전하 트랩 공간(charge trap site)과 같은 전하 저장 공간에 전자를 저장하고, 빼내는 방식으로 데이터의 상태(state)를 1과 0으로 구분하고 있다. 하지만, 기존의 방식인 전계방출 터널링을 사용함에 따라 터널링 절연막 (Tunneling oxide)에 발생되는 열화현상은 결국 전하가 전하 저장 공간에 머무는 시간을 단축시켜 데이터 보존시간을 악화시키고, 이는 낸드형 비휘발성 메모리의 고질적인 문제로 인식되어왔다. 또한, 플래시 메모리에서 하나의 메모리 단위에 많은 메모리 상태를 정의함으로써 궁극적으로 더욱 많은 셀 (cell)당 비트(bit)를 저장하는 기술인 다중레벨 셀 (Multi-Level Cell) 기술은 터널링 절연막의 특성이 열화 됨에 따라 각자의 독립된 메모리 상태를 유지하기 어려워지고, 결국 단일레벨 셀(Single-Level Cell)보다 훨씬 낮은 쓰기/지우기(Write/Erase) 반복 재현성 횟수(Cycling endurance)를 갖게 된다. 마지막으로, 기존의 전계방출 터널링 방법을 이용해서 지우기 동작을 구현할 때, 전자를 전하 저장 공간에 저장하는 쓰기 동작보다 10 ~ 100배 이상의 시간이 더 필요하게 된다. 이러한 쓰기, 지우기 시간의 차이는 시스템의 비효율적인 동작을 수반하게 되어 전체적인 시스템 속도의 저하를 야기한다. 이렇게, 전통적으로 비휘발성 메모리를 사용하는 시장에는 느린 지우기 시간과 반복적인 메모리 사용에 따른 터널링 절연막의 열화라는 두 가지 큰 문제점이 존재하지만, 이러한 문제점들은 전계방출 터널링이라는 근간원리에서 비롯되기 때문에 획기적인 해결이 일어나지 못하고 있다. 본 연구는 빠른 메모리 동작속도와 더불어 자가 치유를 하는 비휘발성 메모리 소자의 제작과 그 동작 특성을 관찰, 그리고 기존의 전계방출 터널링을 사용하는 비휘발성 메모리와 비교하는 것을 연구 의 내용으로 다룬다. 두 개의 전극으로 구성된 게이트 전극에 아주 짧은 시간(~ 수백 나노초)동안 전류를 흘려서 순간적인 줄 열(Joule heat)이 양 게이트 전극 사이에 발생하면, 전하 저장 공간에 존재하는 전자가 터널링 절연막에 의해 존재하는 에너지 장벽(Energy barrier)을 뛰어 넘어 전자 저장 층을 빠져나오는 열적 여기(Thermal excitation) 현상을 이용해서 지우기 동작 구현한다. 기존의 전계방출 터널링 방법을 이용해서 지우기 동작을 구현하면, 느린 지우기 시간과 터널링 절연막의 열화라는 단점이 존재하지만, 새롭게 제안되는 열적 여기 현상을 이용해서 지우기 동작을 구현하면 다음과 같은 장점을 기대할 수 있다. 먼저, 터널링이라는 메커니즘에 비해 열적 여기 현상을 이용한다면 더욱 빠른 시간 내에 지우기 동작을 구현할 수 있음을 기대할 수 있다. 또한, 이러한 빠른 지우기 속도의 비휘발성 메모리 동작과 더불어 짧은 시간 동안 흐르는 전류에 의해 발생되는 열은 자동적으로 자가 어닐링(Self-annealing) 효과를 유발하고, 즉 이러한 방식을 통해 반복적인 사용에 의해 열화된 터널링 절연막을 자가 치유(Self-Healing) 할 수 있다. 결국, 이러한 터널링 절연막의 자가 치유 현상을 통해 메모리 보존시간을 기존의 방식에 비해 향상 시킬 수 있음을 기대할 수 있다.
