KR20090010758A - 전하 트랩형 메모리 소자 - Google Patents
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Abstract
전하트랩형 메모리 소자에 관하여 개시된다. 개시된 전하트랩형 메모리 소자는, 반도체 기판 상에 순차적으로 적층된 터널 절연막, 전하 트랩층, 블로킹 절연막 및, 게이트 전극을 구비한다. 상기 전하 트랩층은, 그래핀으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
그래핀, 전하트랩, 비휘발성 메모리 소자
Description
본 발명은 반도체 메모리 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 그래핀을 전하트랩층으로 이용한 전하 트랩형 메모리 소자에 관한 것이다.
메모리 소자 중 비휘발성 메모리 소자는 전원 공급이 차단되더라도 저장된 데이터가 소멸되지 않고 보존되는 저장소자로서, 대표적으로 플래쉬 메모리 소자를 들 수 있다.
플래쉬 메모리 소자에는 플로팅 게이트가 유전막 사이에 형성되어 플로팅 게이트에 전하를 축적하는 부유게이트형 메모리 소자와, 전하 트랩층이 유전막 사이에 형성되며 전하 트랩층에 전하를 축적하여, 이 전하 트랩층을 스토리지 노드로 이용하는 전하 트랩형 메모리 소자가 있다.
전하 트랩형 메모리 소자의 일 예로는, 전하 트랩층으로 실리콘 질화막을 사용하는 소노스(SONOS: silicon-oxide-nitride-oxide-silicon) 형 메모리 소자가 있다. 여기서, 소노스형 메모리 소자는, 소스 영역과 드레인 영역이 형성된 실리콘 기판 위에 터널링 절연막, 전하 트랩층, 블록킹 절연막이 적층되고, 이 블록층 절연막 상에 게이트 전극을 형성한 구조를 가진다. 터널 절연막 및 블록킹 절연막은 SiO2로 형성되고, 전하 트랩층은 실리콘 질화막(Si3N4)으로 형성될 수 있다.
전하트랩형 메모리 소자는 절연층을 전하트랩층으로 사용하므로 셀간 구별없이 구현이 가능하지만 고집적형 메모리에서 셀간 간격이 가까워짐에 따라 전하가 확산될 수 있으며, 이에 따라 리텐션 특성이 나빠질 수 있다.
또한, 전하트랩층을 구비한 메모리 소자는 셀에서 전하의 이동도가 낮아서 플로팅 게이트 처럼 전하가 균일하게 분포하지 못하며, 따라서 전하저장특성이 불량해질 수 있다.
따라서, 전하트랩층을 구비한 메모리 소자에 있어서, 리텐션 특성이 개선되고, 층간절연층으로 형성되면서도 수평적으로 금속적 성질, 즉 전하가 고르게 분포하는 물질을 전하트랩층으로 이용하는 것이 요구된다.
본 발명은 상기한 바와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로, 리텐션 특성이 우수하고 수평적으로 금속처럼 전하 이동성이 향상된 전하트랩층을 구비한 전하 트랩형 메모리 소자를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전하트랩형 메모리 소자는: 반도체 기판 상에 터널 절연막, 전하 트랩층, 블로킹 절연막 및, 톱 게이트 전극이 순차적으로 적층되며, 상기 전하 트랩층은, 그래핀으로 이루어진 것 을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 전하 트랩층은 복수의 그래핀 층으로 이루어질 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 터널절연막은 실리콘 카바이드(SiC)로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 블로킹 절연막은 알루미나(Al2O3) 또는 하프늄 옥사이드(HfO2)층일 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 터널절연막 외측의 상기 반도체 기판에는 각각 소오스 영역 및 드레인 영역이 더 형성될 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 전하트랩형 메모리 소자는:반도체 기판 하부에 터널 절연막, 전하 트랩층, 블로킹 절연막 및, 바텀 게이트 전극이 순차적으로 적층되며, 상기 전하 트랩층은, 그래핀으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 그래핀을 이용한 메모리 소자는 전하트랩층에 전하가 고르게 분포하면서도 트랩된 전하의 누출이 억제되므로 리텐션 특성이 양호해진다. 또한, 수평적으로 전하가 고르게 분포되므로 전하저장특성이 양호해진다.
이하, 본 발명에 따른 전하 트랩형 메모리 소자의 바람직한 실시예들을 첨부 된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 톱 게이트형 비휘발성 메모리 소자(100)의 구성을 보여주는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 실리콘 기판(110)에 이격된 불순물 영역인 소스영역(S)과 드레인영역(D)이 형성되어 있다. 메모리 소자(100)는 상기 소스영역(S) 및 드레인 영역(D) 사이 위로 터널절연막(120), 전하 트랩층(130), 블로킹 절연막(140) 및 톱 게이트 전극(150)이 순차적으로 적층된 구조를 가지고 있다.
터널 절연막(120)은 절연층으로 형성되며, 실리콘 옥사이드(SiO2) 또는 실리콘 카바이드(SiC)로 형성될 수 있다. 터널 절연막(120)은 50nm ~ 200nm 두께로 형성될 수 있다. 터널 절연막(120)이 50nm 이하로 형성되는 경우, 너무 많은 전하가 터널링할 수 있으며, 200nm 이상으로 형성되는 경우, 전하가 터널링하기 어렵다.
전하트랩층(130)은 그래핀(graphene) 단일층 또는 복층의 그래핀으로 형성될 수 있다. 그래핀은 대략 2~3 Å 두께로 형성될 수 있으며, 수평적으로는 금속과 같이 전하의 이동도가 빠르며, 수직적으로는 절연성을 가진다. 따라서, 그래핀을 전하트랩층(130)으로 사용하는 경우, 플로팅 게이트 처럼 단위셀 마다 격리(isolation) 시켜야 한다. 그래핀은 금속적 성질을 가지므로 트랩된 전하가 고르게 분포하므로 전하저장특성이 양호해진다. 또한, 복층의 그래핀은 층간 절연성이 좋으므로 트랩된 전하들이 게이트 전압이 변하지 않는 한 전하의 누출이 거의 없으며, 따라서 리텐션 특성이 양호해진다.
전하트랩층(130)은 복층의 그래핀이 단위셀 크기로 패터닝된 상태에서 상층의 단일층 그래핀 만 테이프 등으로 이격되어서 웨이퍼 스케일로 터널 절연막(120) 위에 배치될 수 있다.
또한, 터널 절연막(120)이 SiC 인 경우, 기판(110)을 고온, 예컨대 1000 ℃에서 10-9~10-11 Torr 조건에서 어닐링하면, SiC 의 표면에서 실리콘(Si)이 증발하면서 표면에 탄소(C)가 남아서 그래핀, 즉 전하트랩층(130)을 형성한다. 이때, 어닐링 시간을 조정하면, SiC 위에 복층의 그래핀, 즉 그라파이트를 형성할 수 있다. 터널 절연막(120) 위에 그래핀을 성장시킨 후, 그래핀을 단위셀 단위로 다이싱한다.
상기 전하트랩층(130)은 대략 20nm ~ 150nm 폭으로 형성될 수 있다.
상기 블로킹 절연막(140)은 알루미나(Al2O3) 또는 하프늄 옥사이드(HfO2) 등으로 형성될 수 있다. 또한, 게이트 전극(150)은 알루미늄(Al) 또는 TiAu 등으로 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 그래핀을 이용한 메모리 소자는 전하트랩층에 전하가 고르게 분포하면서도 트랩된 전하의 누출이 억제되므로 리텐션 특성이 양호해진다.
본 발명에 따른 메모리 소자의 기록 및 읽기 방법은 종래의 플래쉬 메모리 소자와 같으므로 상세한 설명은 생략한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 바텀 게이트형 비휘발성 메모리 소자(200)의 구성을 보여주는 단면도이다. 상기 실시예의 구성요소와 실질적으로 동일한 구성요소에는 동일한 명칭을 사용하고 상세한 설명은 생략한다.
도 2를 참조하면, 메모리 소자는, 바텀 게이트 전극(250) 상에 블로킹 절연막(240), 전하 트랩층(230), 터널절연막(220), 이격된 불순물 영역인 소스영역(S)과 드레인영역(D)이 형성된 기판(210)이 순차적으로 적층된 구조를 가지고 있다.
상기 게이트 전극(250)은 불순물이 고농도, 예컨대 1017/cm3 이상으로 도핑된 실리콘 기판일 수 있다.
상기 블로킹 절연막(240)은 절연층으로 형성되며, 실리콘 옥사이드(SiO2) 또는 실리콘 카바이드(SiC)로 형성될 수 있다. 블로킹 절연막(240)은 50nm ~ 200nm 두께로 형성될 수 있다.
상기 전하트랩층(230)은 그래핀(graphene) 단일층 또는 복층의 그래핀으로 형성될 수 있다. 그래핀은 대략 2~3 Å 두께로 형성될 수 있으며, 수평적으로는 금속과 같이 전하의 이동도가 빠르며, 수직적으로는 절연성을 가진다. 따라서, 그래핀을 전하트랩층(230)으로 사용하는 경우, 플로팅 게이트 처럼 단위셀 마다 격리(isolation) 시켜야 한다. 그래핀은 금속적 성질을 가지므로 트랩된 전하가 고르게 분포하므로 전하저장특성이 양호해진다. 또한, 복층의 그래핀은 층간 절연성이 좋으므로 트랩된 전하들이 게이트 전압이 변하지 않는 한 전하의 누출이 거의 없으며, 따라서 리텐션 특성이 양호해진다.
상기 전하트랩층(230)은 대략 20nm ~ 150nm 폭으로 형성될 수 있다.
상기 터널 절연막(220)은 실리콘 옥사이드(SiO2), 알루미나(Al2O3) 또는 하프 늄 옥사이드(HfO2) 등으로 형성될 수 있다.
상기 기판은 게르마늄(Ge) 또는 불순물이 도핑된 징크 옥사이드(ZnO), 또는 실리콘 옥사이드(SiO2)로 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 그래핀을 이용한 메모리 소자는 전하트랩층에 전하가 고르게 분포하면서도 트랩된 전하의 누출이 억제되므로 리텐션 특성이 양호해진다.
본 발명에 따른 전하 트랩형 메모리 소자는 비휘발성 메모리 소자 산업에 유용하게 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자(100)의 구성을 보여주는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자(200)의 구성을 보여주는 단면도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호설명*
100,200: 전하트랩형 메모리소자 110,210: 기판
120,220: 터널 절연막 130,230: 전하 트랩층
140,240: 블로킹 절연막 150,250: 게이트 전극
Claims (10)
- 반도체 기판 상에 터널 절연막, 전하 트랩층, 블로킹 절연막 및, 톱 게이트 전극이 순차적으로 적층된 비휘발성 메모리 소자에 있어서,상기 전하 트랩층은, 그래핀으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전하트랩형 메모리 소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 전하 트랩층은 복수의 그래핀 층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 메모리 소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 터널절연막은 실리콘 카바이드(SiC)로 이루어진 것을 특징으로 하는 메모리 소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 블로킹 절연막은 알루미나(Al2O3) 또는 하프늄 옥사이드(HfO2)층인 것을 특징으로 하는 메모리 소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 터널절연막 외측의 상기 반도체 기판에는 각각 소오스 영역 및 드레인 영역이 더 형성된 것을 특징으로 하는 메모리 소자.
- 반도체 기판 하부에 터널 절연막, 전하 트랩층, 블로킹 절연막 및, 바텀 게이트 전극이 순차적으로 적층된 비휘발성 메모리 소자에 있어서,상기 전하 트랩층은, 그래핀으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전하트랩형 메모리 소자.
- 제 6 항에 있어서,상기 전하 트랩층은 복수의 그래핀 층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 메모리 소자.
- 제 6 항에 있어서,상기 터널절연막은 실리콘 카바이드(SiC)로 이루어진 것을 특징으로 하는 메모리 소자.
- 제 6 항에 있어서,상기 블로킹 절연막은 알루미나(Al2O3) 또는 실리콘 옥사이드(SiO2)층인 것을 특징으로 하는 메모리 소자.
- 제 6 항에 있어서,상기 반도체 기판에는 각각 소오스 영역 및 드레인 영역이 더 형성된 것을 특징으로 하는 메모리 소자.
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