KR101105645B1 - 나노입자계 비휘발성 메모리 소자의 동작방법 및 제조방법 - Google Patents
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Abstract
나노입자계 비휘발성 메모리 소자의 동작방법 및 제조방법이 제공된다. 적어도 한 층의 나노입자계 전하트랩층에 적어도 한 레벨의 전하들을 주입하여 데이터를 기록한다. 상기 데이터를 기록하는 단계는 상기 적어도 한 층의 나노입자계 전하트랩층에 각 레벨의 전하들의 주입이 포화되도록 수행한다.
Description
본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로서, 특히 나노입자계 전하트랩층을 이용하는 나노입자계 비휘발성 메모리 소자에 관한 것이다.
[지원 과제] 본 발명은 교육과학기술부 기초연구사업(과제번호: 2008-0059952호, 2009-0077593호, 313-2008-2-D00597호), 선도연구센터육성사업(과제번호: R11-2005-048-00000-0호), G.R.O.W. project of World Gold Council(과제번호: RP05-08호)의 지원으로 수행된 결과를 토대로 한다.
전자 제품의 소형화와 더불어 고용량화가 요구됨에 따라서, 이러한 전자 제품에 사용되는 비휘발성 메모리 소자의 고집적화가 요구되고 있다. 하지만, 반도체 집적 공정의 한계로 인해서, 이러한 비휘발성 메모리 소자의 고집적화는 한계에 부딪치고 있다.
멀티 레벨 셀(multi level cell; MLC) 동작 방식은 비휘발성 메모리 소자의 집적도를 늘리지 않으면서도 고용량 데이터 처리를 위해서 도입되고 있다. 통상적인 질화물계 전하트랩층을 이용한 경우, 그 트랩 레벨을 제어하는 데 어려움이 있어서 멀티 레벨 셀 동작의 신뢰성이 떨어지고 있다. 이러한 문제는 질화물계 전하트랩층의 트랩 레벨이 널리 분포되어 있어서, 각 데이터 레벨이 잘 구분되지 않기 때문에 발생된다.
이에, 본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 나노입자계 비휘발성 메모리 소자의 동작방법과, 이러한 나노입자계 비휘발성 메모리 소자의 제조 방법을 제공하는 것이다. 전술한 과제는 예시적으로 제시되었고, 본 발명의 범위가 이러한 과제에 의해서 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 형태에 따른 적어도 한 층의 나노입자계 전하트랩층을 포함하는 나노입자계 비휘발성 메모리 소자의 동작방법이 제공된다. 상기 적어도 한 층의 나노입자계 전하트랩층에 적어도 한 레벨의 전하들을 주입하여 데이터를 기록한다. 상기 데이터를 기록하는 단계는 상기 적어도 한 층의 나노입자계 전하트랩층에 각 레벨의 전하들의 주입이 포화되도록 수행한다.
상기 동작방법의 일 측면에 있어서, 상기 데이터를 기록하는 단계는 상기 적어도 한 층의 나노입자계 전하트랩층에 용량 결합된 제어 게이트 전극에 적어도 한 레벨의 프로그램 전압을 각 레벨의 전하들의 주입이 포화되는 시간 동안 인가하여 수행할 수 있다.
상기 동작방법의 다른 측면에 있어서, 상기 적어도 한 층의 나노입자계 전하트랩층에 주입된 전하들의 레벨은 상기 제어 게이트 전극에 인가된 프로그램 전압의 레벨에 의존할 수 있다.
상기 동작방법의 또 다른 측면에 있어서, 상기 적어도 한 레벨의 전하들의 주입이 포화되는 시간 동안 상기 비휘발성 메모리 소자의 플랫밴드 전압이 포화될 수 있다.
상기 동작 방법의 또 다른 측면에 있어서, 상기 적어도 한 층의 나노입자계 전하트랩층에 주입된 적어도 한 레벨의 전하를 제거하여 데이터를 소거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 형태에 따르면, 서로 용량 결합된 적어도 한 층의 나노입자계 전하트랩층 및 제어 게이트 전극을 포함하는 나노입자계 비휘발성 메모리 소자의 동작방법이 제공된다. 상기 제어 게이트 전극에 멀티 레벨의 프로그램 전압을 인가하여, 상기 적어도 한 층의 나노입자계 전하트랩층에 멀티 레벨의 전하들을 주입하여 멀티 비트의 데이터를 기록한다. 상기 멀티 비트의 데이터를 기록하는 단계는 각 레벨의 프로그램 전압에 따라서 상기 적어도 한 층의 나노입자계 전하트랩층에 각 레벨의 전하들의 주입이 포화되는 시간 동안 수행한다.
본 발명의 일 형태에 따른 나노입자계 비휘발성 메모리 소자의 제조방법이 제공된다. 기판 상에 터널링 절연층을 형성한다. 상기 터널링 절연층 상에 적어도 한 층의 나노입자계 전하트랩층을 형성한다. 상기 적어도 한 층의 나노입자계 전하트랩층 상에 제어 게이트 전극을 형성한다. 상기 적어도 한 층의 나노입자계 전하트랩층을 형성하는 단계는 상기 터널링 절연층 상에 나노입자들의 전구체를 포함하는 폴리머 미셀층을 형성하는 단계; 및 상기 폴리머 미셀층으로부터 상기 나노입자들을 합성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제조방법의 일 측면에 있어서, 상기 나노입자들을 합성하는 단계는 상기 폴리머 미셀층을 플라즈마 처리하는 단계를 포함할 수 있다. 나아가, 상기 플라즈마 처리하는 단계는 산소 플라즈마를 이용할 수 있다.
상기 제조방법의 다른 측면에 있어서, 상기 나노입자들은 금 나노입자들을 포함하고, 상기 플라즈마 처리하는 단계 동안 상기 폴리머 미셀층으로부터 금 산화물이 합성되고 이어서 상기 금 산화물이 금으로 환원될 수 있다.
상기 제조방법의 또 다른 측면에 있어서, 상기 제어 게이트 전극을 형성하기 전에, 상기 적어도 한 층의 나노입자계 전하트랩층 상에 블로킹 절연층을 더 형성할 수 있다.
상기 제조방법의 또 다른 측면에 있어서, 상기 적어도 한 층의 나노입자계 전하트랩층을 형성하는 단계는 복수의 층들의 나노입자계 전하트랩층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 나노입자계 비휘발성 메모리 소자를 이용하면, 데이터의 프로그램/소거 시간에 크게 상관없이 인가된 프로그램/소거 전압 레벨에 따라서 메모리셀의 플랫밴드 전압 또는 전하 주입을 포화시킬 수 있다. 이에 따라, 멀티 레벨 셀 동작 방식에 의한 멀티 비트 동작의 신뢰성이 향상될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 나노입자계 비휘발성 메모리 소자의 제조방법에 의하면, 별도의 패터닝 공정 없이 플라즈마 처리를 이용하여 나노입자들을 균일하게 형성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자를 도시하는 개략적인 단면도이고;
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자를 도시하는 개략적인 단면도이고;
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 동작방법을 나타내는 순서도이고;
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 동작방법을 나타내는 순서도이고;
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 비휘발성 메모리 소자들의 프로그램 동작 동안 플랫밴드 전압의 변화를 보여주는 그래프이고;
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 비휘발성 메모리 소자들의 소거 동작 동안 플랫밴드 전압의 변화를 보여주는 그래프이고;
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 비휘발성 메모리 소자들의 멀티비트 동작 특성을 보여주는 그래프이고;
도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 비휘발성 메모리 소자들의 멀티레벨 데이터 상태를 보여주는 그래프이고;
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 비휘발성 메모리 소자들의 시간에 따른 전하 저장 상태를 보여주는 그래프들이고;
도 10 내지 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 제조방법을 보여주는 개략적인 단면도들이고;
도 14는 PS-b-P4VP의 화학 구조를 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자를 도시하는 개략적인 단면도이고;
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 동작방법을 나타내는 순서도이고;
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 동작방법을 나타내는 순서도이고;
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 비휘발성 메모리 소자들의 프로그램 동작 동안 플랫밴드 전압의 변화를 보여주는 그래프이고;
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 비휘발성 메모리 소자들의 소거 동작 동안 플랫밴드 전압의 변화를 보여주는 그래프이고;
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 비휘발성 메모리 소자들의 멀티비트 동작 특성을 보여주는 그래프이고;
도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 비휘발성 메모리 소자들의 멀티레벨 데이터 상태를 보여주는 그래프이고;
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 비휘발성 메모리 소자들의 시간에 따른 전하 저장 상태를 보여주는 그래프들이고;
도 10 내지 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 제조방법을 보여주는 개략적인 단면도들이고;
도 14는 PS-b-P4VP의 화학 구조를 보여주는 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면에서 구성 요소들은 설명의 편의를 위하여 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자를 도시하는 개략적인 단면도이다. 이 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자는 플래시 메모리 소자로 불릴 수도 있으나, 이 실시예가 이러한 명칭에 제한되는 것은 아니다. 도 1은 비휘발성 메모리 소자의 낸드(NAND) 셀 구조 또는 노어(NOR) 셀 구조의 일부분일 수 있다.
도 1을 참조하면, 전하의 도전 통로를 제공하는 기판(105)이 제공될 수 있다. 기판(105)은 적절한 반도체 물질, 예컨대 IV족 반도체, III-V족 화합물 반도체, 또는 II-VI족 산화물 반도체를 포함할 수 있다. 이러한 반도체 물질은 독립적으로 제공되거나 또는 비반도체 물질 상에 적층되어 제공될 수도 있다. 예를 들어, IV족 반도체는 실리콘, 게르마늄 또는 실리콘-게르마늄을 포함할 수 있다. 기판(105)은 벌크 웨이퍼, 에피택셜층 또는 이들의 적층 구조로 제공될 수 있다.
기판(105)에는 불순물 도핑을 통해서, 채널 영역(미도시), 소오스/드레인 영역들(미도시)이 한정될 수 있다. 예를 들어, 채널 영역이 제 1 도전형의 불순물로 도핑된 경우, 소오스/드레인 영역은 제 1 도전형의 반대인 제 2 도전형의 불순물로 도핑될 수 있다. 이에 따라, 채널 영역과 소오스/드레인 영역은 다이오드 접합, 예컨대 PN접합을 형성할 수 있다.
나노입자계(nanoparticle-based) 전하트랩층(120)은 기판(105) 상에 제공될 수 있다. 전하트랩층(120)은 캡핑 절연층(117) 내에 복수의 나노입자들(nanopartciles, 115)을 포함할 수 있다. 전하트랩층(120)은 기판(105)으로부터 주입된 전하를 나노입자들(115)에 트랩시킬 수 있고, 이러한 전하 저장 상태가 데이터 상태와 결부될 수 있다.
나노입자들(115)은 그 결정 형태, 크기, 기능 등에 따라서, 나노 도트(nano dots), 양자 도트(quantum dots), 나노크리스탈(nanocrystals) 등으로 불릴 수도 있다. 나노입자들(115)은 금속과 같은 도전체, 반도체 또는 밴드갭(band gap)이 작은 절연물의 미세 입자들을 지칭할 수 있다. 나노입자들(115)은 캡핑 절연층(117) 내에 어레이 형태로 분산 배치될 수 있다.
예를 들어, 나노입자들(115)은 코발트(Co), 철(Fe), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 주석(Sn), 텅스텐(W), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd) 및 카드뮴(Cd)과 같은 금속의 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또는, 나노입자들(115)은 IV족 단일 반도체, III-V족 화합물 반도체 및 II-VI족 화합물 반도체와 같은 반도체의 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하거나, 밴드갭이 작은 절연물, 예컨대 하프늄 산화물(HfO2)을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 나노입자들(115)은 0.1 내지 100 nm 사이의 크기를 가질 수 있다. 전술한 나노입자들(115)의 물질 및 크기는 예시적으로 제시되었고, 이 실시예의 범위를 제한하지 않는다.
제어 게이트 전극(130)은 전하트랩층(120) 상에 전하트랩층(120)과 용량 결합되도록 제공될 수 있다. 기판(105) 상의 전하트랩층(120) 및 제어 게이트 전극(130)의 적층 구조는 메모리셀들(미도시)을 형성할 수 있다. 제어 게이트 전극(130)은 이러한 메모리셀들의 동작을 제어할 수 있다. 제어 게이트 전극(130)은 적절한 여하의 도전체, 예컨대 금속층, 금속 질화층, 금속 실리사이드층 또는 이들의 적층 구조를 포함할 수 있다.
제어 게이트 전극들(165)의 수는 비휘발성 메모리 소자의 용량에 따라서 적절하게 선택될 수 있고, 이 실시예의 범위를 제한하지 않는다. 제어 게이트 전극들(165)의 배치는 비휘발성 메모리 소자의 타입에 따라서 적절하게 선택될 수 있고, 이 실시예의 범위를 제한하지 않는다.
터널링 절연층(110)은 기판(105)과 전하트랩층(120) 사이에 제공될 수 있다. 터널링 절연층(110)은 기판(105)과 전하트랩층(120) 사이에서 전하의 터널링을 조절할 수 있다. 터널링 절연층(110)이 너무 두꺼우면 전하의 터널링이 발생하기 어렵고, 너무 얇으면 전하트랩층(120) 내의 전하가 역터널링에 의해서 소실되기 쉽다.
블로킹 절연층(125)은 전하트랩층(120) 및 제어 게이트 전극(130) 사이에 제공될 수 있다. 블로킹 절연층(125)은 전하트랩층(120)의 전하가 제어 게이트 전극(130)으로 역터널링되는 것을 막는 역할을 할 수 있다. 터널링 절연층(110)과 블로킹 절연층(125)은 전하트랩층(120)과 기판(105) 또는 전하트랩층(120)과 제어 게이트 전극(130) 사이의 커플링 비(coupling ratio)에 영향을 미칠 수 있다.
이 실시예에서, 터널링 절연층(110), 캡핑 절연층(117) 및 블로킹 절연층(125)은 적절한 여하의 절연물로 구성될 수 있고, 동일한 절연물 또는 서로 다른 절연물로 구성될 수 있다. 캡핑 절연층(117) 및 블로킹 절연층(125)이 동일한 절연물인 경우, 이 둘은 서로 구분되지 않고 하나의 층, 예컨대 블로킹 절연층으로 불릴 수도 있다. 예를 들어, 터널링 절연층(110), 캡핑 절연층(117) 및 블로킹 절연층(125)은 산화층, 질화층, 고유전율층 또는 이들의 적층 구조를 포함할 수 있다. 이 실시예에서 고유전율층은 산화층 및 질화층보다 그 유전상수가 큰 절연층, 예컨대 알루미늄 산화층, 하프늄 산화층, 티타늄 산화층, 탄탈륨 산화층 등을 지칭할 수 있다.
전술한 비휘발성 메모리 소자에 따르면, 제어 게이트 전극(130)에 적절한 프로그램 전압을 인가하여 전하의 터널링을 이용하여 전하트랩층(120) 내에 전하, 예컨대 전자를 주입하여 데이터를 기록할 수 있다. 더불어, 제어 게이트 전극(130)에 적절한 소거 전압을 인가하여 전하트랩층(120) 내의 전하를 제거하여 데이터를 소거할 수도 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자를 도시하는 개략적인 단면도이다. 이 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자는 도 1의 비휘발성 메모리 소자에서 일부 구성을 변형한 것이고, 따라서 두 실시예들에서 중복된 설명은 생략된다.
도 2를 참조하면, 터널링 절연층(110) 및 블로킹 절연층(125) 사이에 복수의 층들의 전하트랩층들(120)이 제공될 수 있다. 전하트랩층들(120)의 수가 증가함에 따라서 전하 트랩 용량이 3차원적으로 증가될 수 있다. 단일 전하트랩층(120) 내에 나노입자들(115)의 수를 증가시키는 데에는 한계가 있으므로, 이러한 전하트랩층들(120)의 적층 구조는 나노입자들(115)의 수를 3차원적으로 증가시켜 전하 트랩 용량을 증가시키는 데에 이용될 수 있다.
트랩 용량이 증가하면, 전하트랩층들(120) 내에 저장되는 전하의 수가 많아져, 이러한 전하의 수를 구분하여 동작하는 멀티 레벨 셀(MLC) 동작의 마진이 향상될 수 있다. 전하트랩층들(120)의 수는 비휘발성 메모리 소자의 용량에 따라서 적절하게 선택될 수 있고, 이 실시예의 범위를 제한하지 않는다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 동작방법을 나타내는 순서도이다. 이하에서 이 실시예에 따른 동작 방법을 도 1의 비휘발성 메모리 소자를 참조하여 예시적으로 설명한다.
도 1 및 도 3을 같이 참조하면, 전하트랩층(120)에 적어도 한 레벨의 전하들을 주입하여 메모리셀에 데이터를 기록할 수 있다(S10). 이러한 데이터 기록 단계 또는 데이터 프로그램 단계(S10)는 전하의 터널링을 이용할 수 있다. 예를 들어, 제어 게이트 전극(130)에 양의 프로그램 전압을 인가함으로써, 기판(105)으로부터 전하트랩층(120)으로 전자의 터널링이 발생된다. 터널링에 의해서 전하트랩층(120) 내로 주입된 전자는 나노입자들(115) 내에 트랩될 수 있다. 예를 들어, 프로그램 전압은 스윕(sweep) 전압 또는 펄스(pulse) 전압 형태로 제공될 수 있다.
나노입자들(115)의 트랩 에너지 레벨은 나노입자들(115)을 이루는 도전체의 일함수(work function)에 의해서 고정될 수 있다. 반면, 통상적으로 전하트랩을 위해서 이용되는 질화물의 경우에는 트랩 에너지 레벨이 고정되지 않고 넓게 분포된 것으로 알려져 있다. 이러한 나노입자들(115)의 고정된 트랩 에너지 레벨은 후술하는 바와 같이 나노입자들(115)을 통한 전하 트랩 조절을 용이하게 한다.
이어서, 전하트랩층(120)에 주입된 전하를 제거하여 데이터를 소거할 수 있다(S20). 예를 들어, 제어 게이트 전극(130)에 음의 소거 전압을 인가하여, 전하트랩층(120)으로부터 전자가 기판(105)으로 터널링될 수 있다. 예를 들어, 소거 전압은 스윕(sweep) 전압 또는 펄스(pulse) 전압 형태로 제공될 수 있다.
한편, 전하트랩층(120) 내의 전하 트랩 여부에 따라서 메모리셀의 문턱전압(threshold voltage)이 달라지기 때문에, 이러한 데이터의 기록 또는 소거 상태는 메모리셀의 전류를 측정하여 판독될 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 동작방법을 나타내는 순서도이다. 이하에서 이 실시예에 따른 동작 방법은 도 1의 비휘발성 메모리 소자를 참조하여 예시적으로 설명한다.
도 1 및 도 4를 같이 참조하면, 제어 게이트 전극(130)에 멀티 레벨의 프로그램 전압을 인가하여 전하트랩층(120)에 멀티 레벨의 전하들을 주입할 수 있다. 이러한 전하 주입에 의해서 멀티 비트의 데이터가 메모리셀들 내에 기록될 수 있다(S15).
도 5에 도시된 바와 같이, 멀티 레벨의 프로그램 전압이 인가됨에 따라서 멀티 레벨의 플랫밴드(flatband) 전압을 얻을 수 있음을 알 수 있다. 각 레벨의 프로그램 전압의 인가 시간이 증가함에 따라서 플랫밴드 전압은 빠르게 포화되는 것을 알 수 있다. 이러한 포화된 플랫밴드 전압의 레벨은 프로그램 레벨로 불릴 수 있다. 도 5에서 10V, 13V, 15V 및 20V의 프로그램 전압은 예시적으로 도시되었고, 이 실시예의 범위를 제한하지 않는다.
플랫밴드 전압의 프로그램 레벨은 프로그램 전압이 커질수록 커지고, 포화 시간 이후에는 측정 시간에 상관없이 서로 잘 구분된다는 것을 알 수 있다. 이러한 결과는 플랫밴드 전압이 짧은 시간 안에 포화되기 때문에 얻어질 수 있다. 이러한 플랫밴드 전압의 포화 거동은 전술한 바와 같이 나노입자들(115)의 트랩 에너지 레벨이 그 일함수에 의해서 고정되기 때문으로 이해될 수 있다. 이와 달리, 질화물로 구성된 전하트랩층의 경우 트랩 에너지 레벨이 넓은 범위에 걸쳐 퍼져 있기 때문에, 플랫밴드 전압이 잘 포화되지 않는 것으로 알려져 있다.
플랫밴드 전압의 포화는 전하트랩층(120) 내에 전하 주입이 포화된 것을 의미할 수 있다. 이러한 전하 포화 거동은 도 9의 시뮬레이션 결과를 참조하여 더 상세하게 설명될 수 있다. 아래의 시뮬레이션 결과는 도 1의 비휘발성 메모리 소자에 대해서 수행되었다.
도 9를 참조하면, 프로그램 시간이 t1에서 t3로 증가함에 따라서(t3 > t2 > t1) 전하트랩층(도 1의 120) 내에 주입된 전하의 수가 증가함을 알 수 있다. 하지만, 프로그램 시간이 t3에서 t4로 더 증가하여도(t4 > t3), 주입된 전하의 수는 더 이상 증가하지 않고 포화되는 것을 알 수 있다. 따라서 프로그램 시간 t3이상 되면 전하트랩층(120) 내에 전하 주입이 포화됨을 알 수 있다. 이러한 전하의 포화 레벨은 프로그램 전압의 레벨에 의존할 수 있다.
이러한 전하 주입의 포화는 나노입자들 내 전하들간의 쿨롱 반발력(coulomb repulsion)과 관련된 것으로 알려진다. 따라서 나노입자들의 균일한 분포는 쿨롱 반발력을 일정하게 하여 프로그램 동작 신뢰성을 높일 수 있다.
전술한 바에 따르면, 멀티 레벨의 프로그램 전압을 인가하여, 서로 잘 구분된 멀티 레벨의 플랫밴드 전압을 얻을 수 있음을 알 수 있다. 이러한 멀티 레벨의 플랫밴드 전압은 전하트랩층(120) 내에 멀티 레벨의 전하가 저장되었음을 의미할 수 있다. 따라서 프로그램 전압의 인가 시간은 변수로 삼지 않고, 프로그램 전압만을 멀티 레벨로 분리함으로써 멀티 비트의 데이터 프로그램이 가능함을 알 수 있다.
다시 도 1 및 도 4를 같이 참조하면, 전하트랩층(120)에 주입된 멀티 레벨의 전하들을 제거하여 데이터를 소거할 수 있다(S25). 이러한 데이터 소거 단계(S25)는 비휘발성 메모리 소자의 타입에 따라서 메모리셀 단위, 페이지 단위 또는 블록 단위로 수행될 수 있다. 예를 들어, 제어 게이트 전극(130)에 멀티 레벨의 소거 전압을 인가함으로써, 전하의 터널링을 통해서 전하트랩층(120) 내의 전하들을 단계적으로 제거할 수 있다. 다른 예로, 제어 게이트 전극(130)에 블록 소거 전압을 인가하여, 전하트랩층(120) 내의 전하들을 일시에 제거할 수도 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 멀티 레벨의 소거 전압이 인가됨에 따라서 멀티 레벨의 플랫밴드(flatband) 전압을 얻을 수 있음을 알 수 있다. 각 레벨의 소거 전압의 인가 시간이 증가함에 따라서 플랫밴드 전압은 빠르게 포화되는 것을 알 수 있다. 이러한 포화된 플랫밴드 전압의 레벨은 소거 레벨로 불릴 수 있다. 도 6에서 -5V, -6V, -7V 및 -8V의 소거 전압은 예시적으로 도시되었고, 이 실시예의 범위를 제한하지 않는다.
플랫밴드 전압의 소거 레벨은 소거 전압이 작아질수록 작아지고, 짧은 포화 시간 이후에는 측정 시간에 상관없이 서로 잘 구분된다는 것을 알 수 있다. 이러한 결과는 도 5의 프로그램 동작에서 설명한 바와 같이, 나노입자들(115)의 특성으로부터 기인한 것으로 이해될 수 있다.
전하트랩층(120) 내에 프로그램 된 멀티 비트의 데이터는, 제어 게이트 전극(130)에 멀티 레벨의 읽기 전압을 인가하여 판독될 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 비휘발성 메모리 소자들의 멀티비트 동작 특성을 보여주는 그래프이다. 도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 비휘발성 메모리 소자들의 멀티레벨 데이터 상태를 보여주는 그래프이다.
도 7을 참조하면, 멀티 레벨의 프로그램 전압 및 멀티 레벨의 소거 전압이 인가된 상태에서, 메모리셀의 용량-전압(capacitance-voltage) 특성을 알 수 있다. 이러한 용량-전압 그래프로부터 플랫밴드 전압을 구할 수 있다. 도 8에 도시된 바와 같이, 이러할 결과로부터 5 데이터 레벨이 얻어지는 것을 알 수 있다. 이러한 5 데이터 레벨은 예시적으로 제시되었고, 이보다 작거나 큰 데이터 레벨을 얻을 수도 있다. 또한, 도 7의 화살표에서 나타내는 바와 같이, 프로그램 전압 또는 소거 전압을 적절하게 인가함으로써 하나의 데이터 레벨에서 다른 데이터 레벨로 접근될 수 있다.
도 10 내지 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 제조방법을 보여주는 개략적인 단면도들이다.
도 10을 참조하면, 기판(105) 상에 터널링 절연층(110)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 터널링 절연층(110)은 적절한 증착 방법, 예컨대 화학기상증착(chemical vapor deposition; CVD)법 또는 코팅 방법을 이용하여 형성할 수 있다.
도 11을 참조하면, 터널링 절연층(110) 상에 폴리머 미셀층(polymer micelle layer, 112)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 폴리머 미셀층(112)은 블록 코폴리머(block copolymer) 용매에 나노입자 전구체를 부가한 미셀 용액(micellar solution)을 스핀코팅 방식을 이용하여 터널링 절연층(110) 상에 코팅하여 제조할 수 있다.
예를 들어, 블록 코폴리머 용매는 폴리머 소스 인코퍼레이션 사로부터 구매할 수 있는 폴리스티렌-블록-폴리(4-비닐 피리딘(polystyrene-block-poly(4-vinyl pyridine); PS-b-P4VP)을 톨루엔(toluene)에 용해하여 제조하고, 나노입자 전구체는 금의 경우 HAuCl4 용액으로 준비할 수 있다. 도 14에 도시된 바와 같이, PS-b-P4VP는 PS 코로나 구조(114)와 P4VP 코어 구조(113)가 결합된 구조를 갖는다. HAuCl4 용액을 블록 코폴리머 용매에 부가하면, Au가 P4VP 코어 구조(113)로 치환해서 들어가서 나노입자 형태를 포함하는 폴리머 미셀층(112)을 형성할 수 있다. 이러한 블록 코폴리머 용매 및 나노입자 전구체의 종류는 예시적으로 제시되었고 이 실시예의 범위를 제한하지 않는다.
도 12를 참조하면, 폴리머 미셀층(112)을 플라즈마 처리하여 나노입자들(115)을 합성할 수 있다. 예를 들어, 금 나노입자 형태를 포함하는 폴리머 미셀층(112)을 산소 플라즈마로 처리하면, PS 코로나 구조(114)가 제거되면서 금 산화물 나노입자들이 형성되고 이어서 불안정한 금 산화물 나노입자들이 상온에서도 금 나노입자들(115)로 환원될 수 있다.
도 13을 참조하면, 나노입자들(115) 상에 캡핑 절연층(117)을 형성할 수 있다. 이에 따라, 나노입자들(115) 및 캡핑 절연층(117)을 포함하는 전하트랩층(120)이 형성될 수 있다. 캡핑 절연층(117)은 적절한 증착 방법, 예컨대 화학기상증착(CVD)법 또는 코팅 방법을 이용하여 형성할 수 있다.
이어서, 캡핑 절연층(117) 상에 블로킹 절연층(125)을 형성할 수 있다. 블로킹 절연층(125)은 적절한 증착 방법, 예컨대 화학기상증착(CVD)법 또는 코팅 방법을 이용하여 형성할 수 있다. 한편, 캡핑 절연층(117)과 블로킹 절연층(125)이 동일한 절연물인 경우, 캡핑 절연층(117)과 블로킹 절연층(125)은 서로 구분되지 않고 하나의 층으로 형성될 수도 있다.
이어서, 블로킹 절연층(125) 상에 제어 게이트 전극들(130)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 제어 게이트 전극들(130)은 적절한 도전층을 형성한 후, 이를 포토리소그래피 및 식각 기술을 이용해서 패터닝해서 형성할 수 있다.
전술한 제조 방법으로 도 1의 비휘발성 메모리 소자가 제조될 수 있다. 나아가, 도 11 내지 도 13의 나노입자들(115) 및 캡핑 절연층(117)의 형성 단계들을 반복함으로써, 도 2의 비휘발성 메모리 소자가 제조될 수도 있다.
전술한 비휘발성 메모리 소자의 제조방법에 따르면, 별도의 패터닝 공정 없이 플라즈마 처리를 이용하여 자기-정합적으로 나노입자들을 형성할 수 있다. 이에 따라, 제조 공정이 단순화되고 제조 비용이 절감될 수 있다. 또한, 나노입자들(115)을 균일하게 배치시켜, 프로그램 동작시 쿨롱 반발력을 균일하게 할 수 있다.
발명의 특정 실시예들에 대한 이상의 설명은 예시 및 설명을 목적으로 제공되었다. 따라서 본 발명은 상기 실시예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 상기 실시예들을 조합하여 실시하는 등 여러 가지 많은 수정 및 변경이 가능함은 명백하다.
105: 기판 110: 터널링 절연층
112: 미셀층 115; 나노입자
117; 캡핑 절연층 120; 전하트랩층
125; 블로킹 절연층 130; 제어 게이트 전극
112: 미셀층 115; 나노입자
117; 캡핑 절연층 120; 전하트랩층
125; 블로킹 절연층 130; 제어 게이트 전극
Claims (14)
- 적어도 한 층의 나노입자계 전하트랩층을 포함하는 비휘발성 메모리 소자의 상기 적어도 한 층의 나노입자계 전하트랩층에 멀티 레벨의 전하들을 주입하여 멀티 비트의 데이터를 기록하는 단계를 포함하고,
상기 데이터를 기록하는 단계는 상기 적어도 한 층의 나노입자계 전하트랩층에 용량 결합된 제어 게이트 전극에 멀티 레벨의 프로그램 전압들을 각 레벨의 전하들의 주입이 포화되는 시간 동안 인가하여 상기 적어도 한 층의 나노입자계 전하트랩층에 각 레벨의 전하들의 주입이 포화되도록 수행하고,
상기 적어도 한 층의 나노입자계 전하트랩층에 주입된 전하들의 레벨은 상기 제어 게이트 전극에 인가된 상기 프로그램 전압의 인가 시간보다는 상기 프로그램 전압의 각 레벨에 의존하는, 나노입자계 비휘발성 메모리 소자의 멀티레벨 동작방법. - 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서, 상기 멀티 레벨의 전하들의 주입이 포화되는 시간 동안 상기 비휘발성 메모리 소자의 플랫밴드 전압이 멀티 프로그램 레벨로 포화되는, 나노입자계 비휘발성 메모리 소자의 멀티레벨 동작방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 한 층의 나노입자계 전하트랩층에 주입된 멀티 레벨의 전하를 제거하여 데이터를 소거하는 단계를 더 포함하는, 나노입자계 비휘발성 메모리 소자의 멀티레벨 동작방법.
- 제 5 항에 있어서, 상기 데이터를 소거하는 단계는 상기 비휘발성 메모리 소자의 플랫밴드 전압이 적어도 한 소거 레벨로 포화되도록 수행하는, 나노입자계 비휘발성 메모리 소자의 멀티레벨 동작방법.
- 복수의 층들의 나노입자계 전하트랩층들 및 상기 복수의 층들의 나노입자계 전하트랩층들에 용량 결합된 제어 게이트 전극을 포함하는 나노입자계 비휘발성 메모리 소자를 이용한 것으로서,
상기 제어 게이트 전극에 멀티 레벨의 프로그램 전압을 인가하여, 상기 복수의 층들의 나노입자계 전하트랩층들에 멀티 레벨의 전하들을 주입하여 멀티 비트의 데이터를 기록하는 단계를 포함하고,
상기 멀티 비트의 데이터를 기록하는 단계는 각 레벨의 프로그램 전압에 따라서 상기 복수의 층들의 나노입자계 전하트랩층들에 각 레벨의 전하들의 주입이 포화되는 시간 동안 수행하고,
상기 복수의 층들의 나노입자계 전하트랩층들에 주입된 전하들의 각 레벨은 상기 프로그램 전압의 인가 시간보다는 상기 프로그램 전압의 각 레벨에 의존하는, 나노입자계 비휘발성 메모리 소자의 멀티레벨 동작방법. - 제 7 항에 있어서, 각 레벨의 전하들의 주입이 포화되는 시간 동안 상기 비휘발성 메모리 소자의 플랫밴드 전압이 적어도 한 프로그램 레벨로 포화되는, 나노입자계 비휘발성 메모리 소자의 멀티레벨 동작방법.
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Patent Citations (4)
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