KR20080053099A - Non-volatile memory element having charge trap layers and method of fabricating the same - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 종래 비휘발성 메모리 소자의 한 예를 보인 단면도이다.1 is a cross-sectional view illustrating an example of a conventional nonvolatile memory device.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 구성을 보여주는 단면도이다.2 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a nonvolatile memory device according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 3 및 도 4는 각각 실리콘 옥사이드 상에서 증착된 GaN 나노 크리스털과 AlGaN 나노 크리스털의 전자현미경 사진이다. 3 and 4 are electron micrographs of GaN nanocrystals and AlGaN nanocrystals deposited on silicon oxide, respectively.
도 5 및 도 6은 GaN 나노 크리스털과 AlGaN 나노 크리스털을 각각 전하 트랩층으로 사용하여 제작된 소자의 게이트 전압에 따른 게이트 전류의 특성 그래프이다. 5 and 6 are graphs of the gate current characteristics according to the gate voltage of the device fabricated using GaN nanocrystals and AlGaN nanocrystals as charge trap layers, respectively.
도 7은 GaN 나노 크리스털 또는 AlGaN 나노 크리스털을 전하 트랩층으로 사용하는 메모리 소자의 C-V 특성 그래프이다. 7 is a C-V characteristic graph of a memory device using GaN nanocrystals or AlGaN nanocrystals as a charge trap layer.
도 8은 전하트랩층으로 Si3N4, AlGaN, GaN를 사용한 비휘발성 메모리 소자의 상온 리텐션 특성을 보여주는 그래프이다.8 is a graph showing room temperature retention characteristics of a nonvolatile memory device using Si 3 N 4 , AlGaN, and GaN as a charge trap layer.
*도면의 주요 부분에 대한 부호설명** Description of Signs of Major Parts of Drawings *
100: 비휘발성 메모리 소자 110: 기판100: nonvolatile memory device 110: substrate
120: 터널 절연막 130: 전하 트랩층120 tunnel
131: 제1트랩층 132: 제2트랩층131: first trap layer 132: second trap layer
140: 블로킹 절연막 150: 게이트 전극140: blocking insulating film 150: gate electrode
본 발명은 전하(electric charge)의 트랩층(trap layer)이 복수의 나노 크리스털 층으로 이루어진 비휘발성 메모리 소자에 관한 것이다. The present invention relates to a nonvolatile memory device in which a trap layer of electric charge is composed of a plurality of nanocrystal layers.
최근에는 비휘발성의 특징을 지닌 다양한 형태의 메모리 소자들이 출현되고 있다. 도 1은 전하트랩층(charge trap layer)을 스토리지 노드로 이용하는 소노스(SONOS) 타입 메모리 소자(10)의 구조를 보여주는 도면이다. 소스영역(S)과 드레인영역(D)이 형성된 실리콘 기판(11) 위에, 터널 절연막(12); 전하트랩층(13); 블로킹 절연막(14)이 적층되어 있다. 블로킹 절연막(14) 상에는 게이트 전극(15)가 형성된다. 터널 절연막(12) 및 블로킹 절연막(14)는 SiO2 로 형성될 수 있다. 상기 전하트랩층(13)은 일 예로 Si3N4 층 일 수 있다. 상기 게이트 전극(15)에 양(+)의 바이어스 전압을 인가하면, 상기 전하트랩층(13)에 전자가 모이게 되며, 이에 따라 소스영역(S)과 드레인영역(D) 사이의 채널에 작용되는 전기장의 상태가 변하면서 통전 특성이 달라지게 된다. 상기 전하트랩층(13)에 전자가 트랩된 정도에 따라 1 또는 0의 값을 부여함으로써 메모리 소자(10)는 1 비트 정보를 저장/독출할 수 있다. Recently, various types of memory devices having nonvolatile characteristics have emerged. FIG. 1 is a diagram illustrating a structure of a sonos
그러나 종래 소노스 메모리 소자의 전하 트랩층은 얇은 박막으로 형성되어서 하나의 결점(single defect)에 의해서도 전하가 손실될 수 있으며, 따라서 메모리의 리텐션 특성이 불량해질 수 있다. However, since the charge trapping layer of the conventional Sonos memory device is formed of a thin film, the charge may be lost even by a single defect, and thus the retention characteristics of the memory may be poor.
한편, 미국공개특허 2005-0072989호에는 플로팅 게이트로서 나노 크리스털 상태로 이루어진 비휘발성 메모리를 개시하고 있다. On the other hand, US Patent Publication No. 2005-0072989 discloses a non-volatile memory made of a nano-crystal state as a floating gate.
본 발명의 목적은 3족-나이트라이드 물질로 이루어진 나노 크리스털이 치밀하게 형성된 전하트랩층을 구비한 비휘발성 메모리 소자를 제공하는 것이다. It is an object of the present invention to provide a nonvolatile memory device having a charge trap layer in which nanocrystals made of a group III-nitride material are densely formed.
본 발명의 다른 목적은 상기 전하트랩층을 구비한 비휘발성 메모리 소자의 제조방법을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a nonvolatile memory device having the charge trap layer.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 복수의 전하 트랩층을 구비한 비휘발성 메모리 소자는: A nonvolatile memory device having a plurality of charge trap layers of the present invention for achieving the above object is:
반도체 기판 상에 터널 절연막, 전하 트랩층, 블로킹 절연막 및, 게이트 전극이 순차적으로 적층된 비휘발성 메모리 소자에 있어서,In a nonvolatile memory device in which a tunnel insulating film, a charge trap layer, a blocking insulating film, and a gate electrode are sequentially stacked on a semiconductor substrate,
상기 전하 트랩층은, 나노 크리스털로 이루어진 제1트랩층과, 상기 제1트랩층 상에 형성되며, 상기 제1트랩층 보다 큰 직경의 나노 크리스털로 이루어진 제2트랩층을 구비하며, The charge trap layer includes a first trap layer made of nanocrystals, and a second trap layer made of nanocrystals having a larger diameter than the first trap layer and formed on the first trap layer.
상기 제1트랩층 및 제2트랩층은 각각 GaN, AlxGa1 - xN, InyGa1 - yN, AlxInyGa1 -x- yN (0<x,y,x+y≤1) 중 선택된 물질로 이루어진 것을 특징으로 한다. The first trap layer and the second trap layer are GaN, Al x Ga 1 - x N, In y Ga 1 - y N, Al x In y Ga 1 -x- y N (0 <x, y, x + y≤1) characterized in that the material is made of.
본 발명에 따르면, 상기 제1트랩층은 0.5~3 nm 직경의 나노 크리스털로 이루어진 것이 바람직하다. According to the present invention, the first trap layer is preferably made of nano-crystal of 0.5 ~ 3 nm diameter.
또한, 상기 제1트랩층은 상기 AlxGa1 - xN 나노 크리스털((0<x≤1) 로 이루어질 수 있다. In addition, the first trap layer may be made of Al x Ga 1 - x N nanocrystals ((0 <x ≦ 1).
본 발명에 따르면, 상기 제2트랩층은 3~20 nm 직경의 나노 크리스털로 이루어질 수 있다. According to the present invention, the second trap layer may be made of nanocrystals having a diameter of 3 to 20 nm.
또한, 상기 제2트랩층은 상기 제1트랩층 보다 밴드갭이 작으며, 바람직하게는 상기 제2트랩층은 상기 GaN 나노 크리스털 또는 상기 InyGa1 - yN 나노 크리스털((0<y≤1)로 이루어진다. In addition, the second trap layer has a smaller band gap than the first trap layer, and preferably, the second trap layer is formed of the GaN nanocrystal or the In y Ga 1 - y N nanocrystal ((0 <y≤ 1) consists of.
본 발명에 따르면, 상기 블로킹 절연막은 하프늄 옥사이드(HfO2) 층이다. According to the present invention, the blocking insulating layer is a hafnium oxide (HfO 2 ) layer.
본 발명에 따르면, 상기 터널절연막 외측의 상기 반도체 기판에는 각각 소오스 영역 및 드레인 영역이 더 형성된다. According to the present invention, a source region and a drain region are further formed in the semiconductor substrate outside the tunnel insulating layer.
상기의 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 복수의 전하트랩층을 구비한 비휘발성 메모리 소자의 제조방법은:Method of manufacturing a nonvolatile memory device having a plurality of charge trap layer of the present invention for achieving the above another object:
반도체 기판 상에 터널 절연막, 전하 트랩층, 블로킹 절연막 및, 게이트 전극이 순차적으로 적층되며, 상기 전하 트랩층은, 나노 크리스털로 이루어진 제1트랩층과, 상기 제1트랩층 상에 형성되며, 상기 제1트랩층 보다 큰 직경의 나노 크리 스털로 이루어진 제2트랩층을 구비하며, A tunnel insulating film, a charge trap layer, a blocking insulating film, and a gate electrode are sequentially stacked on the semiconductor substrate, and the charge trap layer is formed on the first trap layer made of nanocrystals and the first trap layer. It has a second trap layer made of nano crystals of a larger diameter than the first trap layer,
상기 제1트랩층 및 제2트랩층은 각각 GaN, AlxGa1 - xN, InyGa1 - yN, AlxInyGa1 -x- yN (0<x,y,x+y≤1) 중 선택된 물질로 이루어진 비휘발성 메모리 소자의 제조방법에 있어서, The first trap layer and the second trap layer are GaN, Al x Ga 1 - x N, In y Ga 1 - y N, Al x In y Ga 1 -x- y N (0 <x, y, x + In the method of manufacturing a nonvolatile memory device made of a material selected from y≤1),
상기 제1트랩층 및 제2트랩층은 각각 300~900 ℃에서 순차적으로 증착된 것을 특징으로 한다. The first trap layer and the second trap layer are each sequentially deposited at 300 ~ 900 ℃.
본 발명에 따르면, 상기 제1트랩층 및 제2트랩층은 질소 원소가 해당 3족 원소 보다 10~10000 배 많게 공급되며, MOCVD, MBE, CBE, MOMBE, 스퍼터링 방법 중 어느 하나의 방법으로 증착될 수 있다. According to the present invention, the first trap layer and the second trap layer are supplied to the nitrogen element 10-10000 times more than the
이하, 본 발명에 따른 비휘발성 메모리 소자 및 그 제조방법의 바람직한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of a nonvolatile memory device and a method of manufacturing the same according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자(100)의 구성을 보여주는 단면도이다. 소스영역(S)과 드레인영역(D)이 마련된 실리콘 기판(110) 위에 터널절연막(120), 전하 트랩층(130), 블로킹 절연막(140) 및 게이트 전극(150)이 순차적으로 적층된 구조를 가지고 있다. 2 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a
터널 절연막(120)은 SiO2 로 4 nm 두께로 형성될 수 있다. The
전하 트랩층(130)은, 0.5~3 nm 직경의 시드층인 제1트랩층(131)과, 제1트랩층(131) 상에 형성되며 3~20 nm 직경으로 이루어진 제2트랩층(132)을 구비한다. 제1트랩층(131)은 터널절연막(120) 상에 고밀도로 형성되며, 제2트랩층(132)은 고밀 도의 제1트랩층(131) 상에 고밀도로 형성될 수 있다. The
제1트랩층(131) 및 제2트랩층(132)은 각각 GaN, AlxGa1 - xN, InyGa1 - yN, AlxInyGa1-x-yN (0<x,y,x+y≤1) 중 선택된 물질로 된 나노 크리스털로 형성될 수 있다. The
상기 블로킹 절연막(140)은 유전상수가 크며, 제1트랩층(131) 및 제2트랩층(132) 보다 밴드갭이 큰 하프늄 옥사이드(HfO2)로 20 nm 두께로 형성될 수 있다. 또한, 게이트 전극(150)은 알루미늄(Al)으로 형성될 수 있다. The blocking insulating
도 3 및 도 4는 각각 실리콘 옥사이드 상에서 증착된 GaN 나노 크리스털과 AlGaN 나노 크리스털의 전자현미경(SEM) 사진이다. 3 and 4 are electron microscopy (SEM) photographs of GaN nanocrystals and AlGaN nanocrystals deposited on silicon oxide, respectively.
도 3 및 도 4를 참조하면, GaN 나노 크리스털과 AlGaN 나노 크리스털이 MOCVD법으로 SiO2/Si 위에서 잘 성장되어 있다. 상기 GaN 나노 크리스털과 AlGaN 나노 크리스털은 트리메틸 갈륨(TMGa), 트리메틸 알루미늄(TMAl)의 소스와 NH3 나이트라이드 소스를 사용하여 형성하였다. 3 and 4, GaN nanocrystals and AlGaN nanocrystals are well grown on SiO 2 / Si by MOCVD. The GaN nanocrystals and AlGaN nanocrystals were formed using a source of trimethyl gallium (TMGa), trimethyl aluminum (TMAl) and an NH 3 nitride source.
GaN 나노 크리스털은 SiO2/Si 기판위에 550 ℃, V/III 원자 ratio 8000 에서 성장하였다. 일반적으로 나이트라이드계(nitride based) 질화물 반도체 박막의 경우 900~1100 ℃에서 성장되는 것에 비하여는 본 발명에서는 매우 낮은 온도인 550 ℃에서 성장되어 터널 절연물인 SiO2의 탈착(desorption)을 억제시킨다. 일반적인 III-nitride 계열과 같이 높은 온도로 성장시 SiO2의 탈착이 발생하므로 저온 성장이 중요하다. GaN nanocrystals were grown on a SiO 2 / Si substrate at 550 ° C and a V / III atomic ratio of 8000. In general, the nitride based nitride semiconductor thin film is grown at a very low temperature of 550 ℃ in the present invention compared to the growth at 900 ~ 1100 ℃ to suppress the desorption (desorption) of SiO2 as a tunnel insulator. Low temperature growth is important because SiO2 desorption occurs when growing at high temperature like general III-nitride series.
도 3에서 보면, GaN 나노 크리스털이 아일랜드(island) 형태로 형성되어 있다. 한편, 도 4에서 보면, AlGaN 나노 크리스털이 고밀도로 형성되어 있으며, 그 직경이 감소되었다. 이는 AlGaN이 저온에서 3차원적 성장(3-dimensional growth)이된 것을 보여준다. 따라서, 제1트랩층(131)은 AlGaN 나노 크리스털로 고밀도층으로 형성하고, 제2트랩층(132)은 제1트랩층(131) 보다 밴드갭이 작은 물질, 예컨대, GaN 나노 크리스털 또는 InyGa1 - yN 나노 크리스털((0<y≤1)로 형성하는 것이 바람직하다. 따라서, 제2트랩층(132)이 메인 트랩층으로서 작용을 한다. 3, GaN nanocrystals are formed in an island shape. On the other hand, as shown in Figure 4, AlGaN nanocrystals are formed at a high density, the diameter thereof is reduced. This shows that AlGaN is 3-dimensional growth at low temperature. Therefore, the
특히, 제1트랩층(131)은 0.5~3 nm 크기의 시드 층으로 형성하고, 제2트랩층(132)은 대략 3~20 nm 두께로 형성될 수 있다. 제1트랩층(131)으로서의 AlGaN 나노 크리스털은 시드층으로서 고밀도로 형성하며, 따라서 제1트랩층(131) 상에 형성되는 제2트랩층(132)은 고밀도로 형성될 수 있다. 따라서, 제1트랩층(131)은 제2트랩층(132)의 고밀도 형성을 위한 시드 역할을 하게 된다. In particular, the
상기 제1트랩층(131) 및 제2트랩층(132)은 MOCVD 이외의 CVD, MBE, MOMBE, CBE, 및 스퍼터링 방법으로 형성될 수도 있다. The
상기 제1트랩층 및 제2트랩층은 각각 300~900 ℃에서 나이트라이드 원소가 해당 5족 원소 보다 10~10000 배 많게 공급되어 형성될 수 있다. The first trap layer and the second trap layer may be formed by supplying 10 to 10,000 times more nitride elements than the corresponding
도 5 및 도 6은 GaN 나노 크리스털과 AlGaN 나노 크리스털을 각각 전하 트랩층으로 사용하여 제작된 소자의 게이트 전압에 따른 게이트 전류의 특성 그래프이 다. GaN 나노 크리스털과 AlGaN 나노 크리스털이 전하 트랩층으로 작용하는 것을 보여준다. 5 and 6 are graphs of gate current characteristics according to gate voltages of devices fabricated using GaN nanocrystals and AlGaN nanocrystals as charge trap layers, respectively. It shows that GaN nanocrystals and AlGaN nanocrystals act as charge trap layers.
도 7은 GaN 나노 크리스털 또는 AlGaN 나노 크리스털을 전하 트랩층으로 사용하는 메모리 소자의 C-V 특성 그래프이다. 전하가 없는 상태(erased state)에서 전압인가로 전하가 트랩된 경우, 즉 프로그램된 경우(programed state) 플래트 밴드가 이동되는 것을 보여주고 있으며 이는 GaN 나노 크리스털 또는 AlGaN 나노 크리스털이 커패시터로 작용하는 것을 보여준다. 7 is a C-V characteristic graph of a memory device using GaN nanocrystals or AlGaN nanocrystals as a charge trap layer. It is shown that when the charge is trapped by the application of voltage in the erased state, that is, in the programmed state, the plate band is shifted, which shows that the GaN nanocrystals or AlGaN nanocrystals act as capacitors. .
도 8은 전하트랩층으로 Si3N4, AlGaN, GaN를 사용한 비휘발성 메모리 소자의 상온 리텐션 특성을 보여주는 그래프이다. 속이 찬 그래프는 메모리 소자를 처음 사용시의 특성이며, 속이 빈 그래프는 데이터를 기록/소거를 1000 번 수행한 메모리의 특성을 보여주는 그래프이다. 8 is a graph showing room temperature retention characteristics of a nonvolatile memory device using Si 3 N 4 , AlGaN, and GaN as a charge trap layer. The solid graph is a characteristic when the memory device is used for the first time, and the hollow graph is a graph showing the characteristic of the memory that has performed data recording / erasing 1000 times.
도 8을 참조하면, Si3N4를 전하 트랩층으로 사용하는 소노스 메모리 소자는 시간 경과에 따라서 전하가 리크되는 현상이 심하다. 특히, 1000 번 반복 사용한 메모리 소자의 리텐션 타임이 매우 짧은 것을 알 수 있었다. Referring to FIG. 8, in a sonos memory device using Si 3 N 4 as a charge trap layer, a phenomenon in which a charge leaks is severe over time. In particular, it was found that the retention time of the memory element used repeatedly 1000 times is very short.
반면에, GaN 나노 크리스털과 AlGaN 나노 크리스털을 전하 트랩층으로 사용한 메모리 소자는 시간 경과에 따라서도 전하가 리크되는 양이 적으며, 1000 번 반복 사용한 메모리 소자의 리텐션 타임도 매우 양호한 것을 알 수 있었다. On the other hand, memory devices using GaN nanocrystals and AlGaN nanocrystals as the charge trapping layer have a small amount of charge leakage over time, and the retention time of the memory device used 1000 times is also very good. .
이는 GaN 계열의 나노 크리스털을 전하 트랩층으로 사용시 Si 기판보다 더 낮은 conduction band에 기인한 deep energy level에 전자가 트랩되므로 터널 절연 층 및 블로킹 절연층으로의 전류 리크가 최소화되기 때문이다. This is because when the GaN-based nanocrystals are used as charge trap layers, electrons are trapped at a deep energy level due to a lower conduction band than the Si substrate, thereby minimizing current leakage to the tunnel insulating layer and the blocking insulating layer.
따라서, GaN 나노 크리스털과 AlGaN 나노 크리스털으로 제1트랩층(131) 및 제2트랩층(132)으로 형성하는 경우, AlGaN 나노크리스털로 제1트랩층(131)을 시드층으로 고밀도로 형성한 후, GaN 나노 크리스털로 제2트랩층(132)을 형성하는 것이 바람직하다. Therefore, when the
상기 실시예에서는 두개의 트랩층을 구비한 전하 트랩층을 설명하였으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 제1트랩층 상에 제2트랩층을 형성하고 제2트랩층 상에 GaN 나노 크리스털 또는 InGaN 나노 크리스털로 이루어진 제3트랩층을 형성할 수도 있다. In the above embodiment, a charge trap layer having two trap layers has been described, but is not necessarily limited thereto. That is, a second trap layer may be formed on the first trap layer, and a third trap layer made of GaN nanocrystals or InGaN nanocrystals may be formed on the second trap layer.
상술한 바와 같은 본 발명의 나노 크리스털로 이루어진 전하 트랩층을 구비한 비휘발성 메모리 소자는, 전하 트랩층에 적은 결함(defect)이 생기더라도 메모리의 리텐션 타임이 긴 장점을 가지고 있다. 또한, 본 발명의 전하 트랩층은 시드 상태의 제1트랩층과 제1트랩층 상의 제2트랩층을 구비하며, 제1트랩층을 터널절연막 상에 치밀하게 형성함으로써 치밀한 구조의 나노 크리스털로 이루어진 전하 트랩층을 구현할 수 있다. The nonvolatile memory device having the charge trap layer made of the nanocrystal of the present invention as described above has the advantage that the retention time of the memory is long even if a small defect occurs in the charge trap layer. In addition, the charge trap layer of the present invention includes a first trap layer in a seed state and a second trap layer on the first trap layer, and the first trap layer is densely formed on the tunnel insulating layer to form a nanocrystal having a dense structure. The charge trap layer can be implemented.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다. As described above, although the present invention has been described by way of limited embodiments and drawings, the present invention is not limited thereto and is intended by those skilled in the art to which the present invention pertains. Of course, various modifications and variations are possible within the scope of equivalents of the claims to be described.
Claims (15)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020060125070A KR20080053099A (en) | 2006-12-08 | 2006-12-08 | Non-volatile memory element having charge trap layers and method of fabricating the same |
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Cited By (2)
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---|---|---|---|---|
CN101901754A (en) * | 2010-06-25 | 2010-12-01 | 上海新傲科技股份有限公司 | Method for preparing semiconductor material with nanocrystal embedded insulating layer |
KR20160019151A (en) * | 2014-08-11 | 2016-02-19 | 고려대학교 산학협력단 | Semiconductor device and method for fabricating the semiconductor device |
-
2006
- 2006-12-08 KR KR1020060125070A patent/KR20080053099A/en not_active Application Discontinuation
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