KR20100057345A - Multi-bit nonvolatile memory device - Google Patents

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KR20100057345A
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최덕균
김영배
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한양대학교 산학협력단
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    • H10B43/00EEPROM devices comprising charge-trapping gate insulators
    • H10B43/30EEPROM devices comprising charge-trapping gate insulators characterised by the memory core region
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Abstract

PURPOSE: In order to etch a part of the control insulating layer or the tunneling insulation layer and it has the mutually different thickness the multi-bit non-volatile memory device forms. According to the thickness, the multi-bit is embodied with the differently applied electric field. CONSTITUTION: The tunneling insulation layer(120) is formed on the substrate(110). The charge trapping layer(130) is formed on the tunneling insulation layer. The control insulating layer(140) is formed on the charge trapping layer. The gate electrode(150) is formed on the control insulating layer. One part of the insulating layer is formed in order to have rest and mutually different thickness.

Description

멀티 비트 비휘발성 메모리 소자{Multi-bit nonvolatile memory device}Multi-bit nonvolatile memory device

본 발명은 비휘발성 메모리 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 멀티 비트 비휘발성 메모리 소자에 관한 것이다.The present invention relates to a nonvolatile memory device, and more particularly, to a multi-bit nonvolatile memory device.

최근 정보통신 산업의 눈부신 발전으로 인하여 각종 메모리 소자의 수요가 증가하고 있다. 특히 휴대용 단말기, MP3 플레이어 등에 필요한 메모리 소자는 전원이 꺼지더라도 기록된 데이터가 지워지지 않는 비휘발성(nonvolatile)이 요구되고 있다. 비휘발성 메모리 소자는 전기적으로 데이터의 저장과 소거가 가능하고 전원이 공급되지 않아도 데이터의 보존이 가능하기 때문에, 다양한 분야에서 그 응용이 증가하고 있다. 그러나 종래에 반도체를 이용하여 구성된 다이나믹 랜덤 액세스 메모리(dynamic RAM, DRAM)는 전원이 공급되지 않는 상황에서는 저장된 정보를 모두 잃어버리는 휘발성(volatile)의 특징을 가지므로 이를 대체할 비휘발성 메모리 소자의 연구가 수행되고 있다.Recently, due to the remarkable development of the information and communication industry, the demand of various memory devices is increasing. In particular, memory devices required for portable terminals, MP3 players, and the like are required to be nonvolatile, in which recorded data is not erased even when the power is turned off. Nonvolatile memory devices can be electrically stored and erased, and data can be stored even when power is not supplied. Therefore, their applications are increasing in various fields. However, the conventional dynamic random access memory (DRAM) constructed using semiconductors has a volatile characteristic that loses all stored information when power is not supplied. Is being performed.

대표적인 비휘발성 메모리 소자는 전기적으로 격리된 플로팅 게이트를 갖는 플래시 메모리 소자(flash memory device)로서, 폴리실리콘(poly Si) 플로팅 게이트(floating gate)를 갖는 플래시 메모리 소자가 급속히 성장하였다. 그러나 대용 량 메모리에 대한 요구가 증대되면서 기존의 폴리실리콘 플로팅 게이트 구조의 플래시 메모리 소자는 스케일 다운(scale down)에 따라 용량 증가에 한계를 드러내고 있다. 이는 스케일 다운에 의한 터널링 산화막의 신뢰성 저하에 기인하는 것이다. 이를 개선하기 위하여, 현재 기존의 플래시 메모리 소자에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있지만, 지금까지 2-비트 플래시 메모리 소자만으로는 만족할 정도의 성과가 보이지 않고 있는 실정이다.A representative nonvolatile memory device is a flash memory device having electrically isolated floating gates, and a flash memory device having a polysilicon floating gate has grown rapidly. However, as the demand for large-capacity memory increases, the flash memory device of the conventional polysilicon floating gate structure has shown a limit to increase in capacity as it scales down. This is due to the deterioration in reliability of the tunneling oxide film due to scale down. In order to improve this problem, studies on existing flash memory devices have been actively conducted, but until now, only 2-bit flash memory devices have not been satisfactory.

결국, 소자의 크기를 감소시키지 않으면서 용량을 획기적으로 증가시키기 위해서는 멀티 비트 비휘발성 메모리 소자의 개발이 요구된다.As a result, development of a multi-bit nonvolatile memory device is required to dramatically increase the capacity without reducing the size of the device.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 간단한 공정으로 제작이 가능하면서 멀티 비트가 명확히 구현되는 멀티 비트 비휘발성 메모리 소자를 제공하는 것이다.The technical problem to be solved by the present invention is to provide a multi-bit non-volatile memory device that can be fabricated in a simple process, the multi-bit is clearly implemented.

상기의 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 멀티 비트 비휘발성 메모리 소자는 절연층을 구비하며, 상기 절연층의 일부분에 인가되는 전기장이 나머지 부분과 다르게 되도록, 상기 절연층은 일부분이 나머지 부분과 서로 다른 두께를 갖도록 형성된다.The multi-bit nonvolatile memory device according to the present invention for solving the above technical problem is provided with an insulating layer, so that the electric field applied to a portion of the insulating layer is different from the rest, the insulating layer is part of the remaining portion It is formed to have different thicknesses.

상기의 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 멀티 비트 비휘발성 메모리 소자는 기판; 상기 기판 상에 형성된 터널링 절연층; 상기 터널링 절연층 상에 형성된 전하 트랩층; 상기 전하 트랩층 상에 형성된 컨트롤 절연층; 및 상기 컨트롤 절연층 상에 형성된 게이트 전극;을 구비하며, 상기 터널링 절연층 및 상기 컨트롤 절연층 중 적어도 하나의 절연층은 일부분이 나머지 부분과 서로 다른 두께를 갖도록 형성된다.In order to solve the above technical problem, a multi-bit nonvolatile memory device according to the present invention comprises a substrate; A tunneling insulating layer formed on the substrate; A charge trap layer formed on the tunneling insulating layer; A control insulating layer formed on the charge trap layer; And a gate electrode formed on the control insulating layer, wherein at least one insulating layer of the tunneling insulating layer and the control insulating layer has a thickness different from that of the remaining portion.

본 발명에 따르면, 컨트롤 절연층 또는 터널링 절연층의 일부를 식각하는 간단한 공정만을 통해, 동일 전압을 인가하더라도 두께에 따라 인가되는 전기장의 세기가 다르게 되어 멀티 비트를 구현할 수 있게 된다.According to the present invention, even through a simple process of etching a part of the control insulating layer or the tunneling insulating layer, even if the same voltage is applied, the strength of the applied electric field varies depending on the thickness, thereby realizing a multi-bit.

본 발명에 따른 멀티 비트 비휘발성 메모리 소자는 일부분이 나머지 부분과 서로 다른 두께를 갖는 절연층을 구비한다. 절연층의 일부분이 나머지 부분과 서로 다른 두께를 갖는다면, 절연층의 두께에 따라 인가되는 전기장이 다르게 되어 멀티 비트가 구현 가능하게 된다. 이러한 멀티 비트 비휘발성 메모리 소자는 플래시 메모리 소자(flash memory device), 강유전체 메모리 소자(ferroelectric memory device), 유기쌍안정성 메모리 소자(organic bistable memory device), 자기 메모리 소자(magnetic memory device), 저항변화 메모리 소자(resistive memory device), 상변화 메모리 소자(phase change memory device) 등과 같이 절연층을 구비하는 모든 비휘발성 메모리 소자에 적용 가능하다.The multi-bit nonvolatile memory device according to the present invention includes an insulating layer having a portion having a thickness different from that of the remaining portion. If a part of the insulating layer has a different thickness from the other part, the electric field is different depending on the thickness of the insulating layer is possible to implement a multi-bit. Such multi-bit nonvolatile memory devices include flash memory devices, ferroelectric memory devices, organic bistable memory devices, magnetic memory devices, and resistance change memories. The present invention can be applied to all nonvolatile memory devices having an insulating layer, such as a resistive memory device, a phase change memory device, and the like.

이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 멀티 비트 비휘발성 메모리 소자의 바람직한 실시예에 대해 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. Hereinafter, exemplary embodiments of a multi-bit nonvolatile memory device according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in various forms, and only the present embodiments are intended to complete the disclosure of the present invention and to those skilled in the art to fully understand the scope of the invention. It is provided to inform you.

도 1은 본 발명에 따른 멀티 비트 비휘발성 메모리 소자에 대한 바람직한 일 실시예의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.1 is a view showing a schematic configuration of a preferred embodiment of a multi-bit nonvolatile memory device according to the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 멀티 비트 비휘발성 메모리 소자(100)는 기판(110), 터널링 절연층(120), 전하 트랩층(130), 컨트롤 절연층(140) 및 게이트 전극(150)을 구비한다.Referring to FIG. 1, the multi-bit nonvolatile memory device 100 according to the present invention may include a substrate 110, a tunneling insulating layer 120, a charge trap layer 130, a control insulating layer 140, and a gate electrode 150. ).

기판(110)은 소스 영역과 드레인 영역이 형성되어 있는 실리콘 기판일 수 있다. The substrate 110 may be a silicon substrate on which a source region and a drain region are formed.

터널링 절연층(120)은 기판(110) 상에 형성되며, 산화실리콘(SiO2)과 같은 절연 물질로 이루어질 수 있다. 산화실리콘은 실리콘 기판을 이용할 경우 실리콘 기판을 열산화하는 방법으로 형성할 수 있다.The tunneling insulating layer 120 is formed on the substrate 110 and may be made of an insulating material such as silicon oxide (SiO 2 ). Silicon oxide may be formed by thermally oxidizing a silicon substrate when using a silicon substrate.

전하 트랩층(130)은 터널링 절연층(120) 상에 형성되며, 전하가 트랩 및 디트랩되는 영역으로서, 전하의 트랩 및 디트랩으로 인해 메모리 특성을 나타내게 된다. 전하 트랩층(130)은 폴리 실리콘, 절연물질, 나노입자 등으로 이루어질 수 있다. 절연물질은 산화하프늄(HfO2), 산화루테늄(RuO2), 산화티타늄(TiO2), 산화탄탈룸(Ta2O5), 산화아연(ZrO2), 산화란타늄(La2O3)와 같은 전이금속 산화물이나 페로브스카이트 등이 이용될 수 있다. 그리고 나노입자는 일함수가 큰 금속 나노점(nanodot), 금속 산화물 나노점 또는 화합물 반도체 나노점일 수 있다. 금속 나노점은 금(Au), 텅스텐(W), 백금(Pt)과 같은 금속으로 형성될 수 있으며, 금속 산화물 나노점은 산화철(Fe2O3), 산화아연(ZnO)과 같은 산화금속으로 형성될 수 있으며, 화합물 반도체 나노점은 수은텔르라이드(HgTe), 카드뮴텔르라이드(CdTe)와 같은 화합물 반도체로 형성될 수 있다.The charge trap layer 130 is formed on the tunneling insulating layer 120, and is a region in which charge is trapped and de-trapped and exhibits memory characteristics due to trap and detrap of charge. The charge trap layer 130 may be made of polysilicon, an insulating material, nanoparticles, or the like. Insulation materials such as hafnium oxide (HfO 2 ), ruthenium oxide (RuO 2 ), titanium oxide (TiO 2 ), tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), zinc oxide (ZrO 2 ), and lanthanum oxide (La 2 O 3 ) Transition metal oxide, perovskite, or the like may be used. The nanoparticles may be metal nanodots, metal oxide nanodots, or compound semiconductor nanodots having a large work function. The metal nanopoints may be formed of metals such as gold (Au), tungsten (W), and platinum (Pt), and the metal oxide nanopoints may be formed of metal oxides such as iron oxide (Fe 2 O 3 ) and zinc oxide (ZnO). The compound semiconductor nano dot may be formed of a compound semiconductor such as mercury telluride (HgTe) or cadmium telluride (CdTe).

컨트롤 절연층(140)은 전하 트랩층(130) 상에 형성되며, 도 1에 도시된 바와 같이 제1두께(t1)를 갖는 제1절연부(141)와 제1두께(t1)보다 큰 제2두께(t2, t1<t2) 를 갖는 제2절연부(142)를 갖도록 형성된다. 컨트롤 절연층(140)은 제2두께(t2)를 갖는 절연층을 전하 트랩층(130) 상에 형성한 후, 일부 영역(141)을 식각함으로써 형성시킬 수 있다. 컨트롤 절연층(140) 형성시 이용되는 식각은 초미세 선폭을 갖도록 하는 것이 아니고, 프로세스 윈도우(process window)가 넓으므로, 컨트롤 절연층(140)은 기존의 리쏘그라피 기술과 식각기술로서 용이하게 형성할 수 있다. 그리고 컨트롤 절연층(140)은 산화하프늄(HfO2)과 같은 산화실리콘(SiO2)보다 유전율이 큰 물질로 이루어질 수 있다. Control dielectric layer 140 than a charge trap layer 130 is formed on a first insulating section (141) having a first thickness (t 1), as shown in Figure 1 and the first thickness (t 1) It is formed to have a second insulating portion 142 having a large second thickness (t 2 , t 1 <t 2 ). The control insulating layer 140 may be formed by forming an insulating layer having a second thickness t 2 on the charge trap layer 130 and then etching a portion of the region 141. The etching used to form the control insulation layer 140 does not have an ultra fine line width, but the process window is wide, so that the control insulation layer 140 is easily formed using conventional lithography and etching techniques. can do. The control insulating layer 140 may be formed of a material having a higher dielectric constant than silicon oxide (SiO 2 ) such as hafnium oxide (HfO 2 ).

게이트 전극(150)은 컨트롤 절연층(140) 상에 형성되며, 백금(Pt)과 같은 전도성 물질로 이루어진다.The gate electrode 150 is formed on the control insulating layer 140 and is made of a conductive material such as platinum (Pt).

이하에서는 도 1에 도시된 멀티 비트 비휘발성 메모리 소자(100)가 멀티 비트가 구현 가능함에 대해 설명한다.Hereinafter, the multi-bit nonvolatile memory device 100 shown in FIG. 1 will be described in that multi-bits can be implemented.

전하 트랩층(130)에 전하가 비어 있는 상태를 초기 상태라 하고, 멀티 비트 비휘발성 메모리 소자(100)가 초기 상태일 때를 "0"이라 정의한다.A state in which the charge is empty in the charge trap layer 130 is called an initial state, and a state in which the multi-bit nonvolatile memory device 100 is in an initial state is defined as "0".

그리고 기판(110)을 접지한 상태에서 게이트 전극(150)에 전압을 인가하여, 전하 트랩층(130)에 전하를 트랩시킨다. 이때 컨트롤 절연층(140)의 제1절연부(141)의 두께(t1)가 제2절연부(142)의 두께(t2)보다 작으므로, 제1절연부(141)가 제2절연부(142)에 비해 큰 전기장이 인가된다. 이는 터널링 절연층(120)에도 영향을 미치게 되어, 제1절연부(141)의 하부에 위치한 터널링 절연층 부분이 제2절연부(142)의 하부에 위치한 터널링 절연층 부분보다 큰 전기장이 인가된다. 따라서 게이트 전극(150)에 인가되는 전압의 크기를 적절히 조절하면, 제1절연부(141)의 하부에 위치한 터널링 절연층 부분을 통해서는 전하가 터널링 되지만, 제2절연부(142)의 하부에 위치한 터널링 절연층 부분을 통해서는 전하가 터널링 되지 않게 된다. In addition, a voltage is applied to the gate electrode 150 while the substrate 110 is grounded to trap the charge in the charge trap layer 130. In this case, since the thickness t 1 of the first insulation portion 141 of the control insulation layer 140 is smaller than the thickness t 2 of the second insulation portion 142, the first insulation portion 141 is second-insulated. A large electric field is applied compared to the portion 142. This also affects the tunneling insulation layer 120, whereby an electric field having a larger portion of the tunneling insulation layer disposed under the first insulation portion 141 than the tunneling insulation layer portion disposed under the second insulation portion 142 is applied. . Therefore, when the magnitude of the voltage applied to the gate electrode 150 is properly adjusted, charge is tunneled through the tunneling insulating layer portion disposed below the first insulating portion 141, but is lower than the second insulating portion 142. Charges are not tunneled through the portion of the tunneling insulation layer located.

즉, 제1절연부(141)의 하부에 위치한 터널링 절연층 부분을 통해서만 전하가 터널링되도록 하는 전압인 제1전압(V1)을 게이트 전극(150)에 인가하면, 참조번호 131로 표시된 나노입자에만 전하가 트랩되고, 참조번호 132로 표시된 나노입자에는 전하가 트랩되지 않는다. 이와 같이 일부의 나노입자(131)에만 전하가 트랩된 상태를 "1"이라고 정의한다.That is, when the first voltage V 1 is applied to the gate electrode 150, the voltage that allows charge to be tunneled only through a portion of the tunneling insulating layer positioned below the first insulating portion 141, the nanoparticle indicated by reference numeral 131. Only charges are trapped, and charges are not trapped in the nanoparticles indicated by reference numeral 132. As such, the state in which the charge is trapped in only some of the nanoparticles 131 is defined as "1".

그리고 제1전압(V1)보다 큰 전압을 게이트 전극(150)에 인가하면, 제1절연부(141) 하부에 위치하는 터널링 절연층 부분 뿐만 아니라, 제2절연부(142) 하부에 위치하는 터널링 절연층 부분을 통해서도 전하가 터널링 된다. 즉 터널링 절연층(120)의 모든 부분을 통해 전하가 터널링되도록 하는 전압인 제2전압(V2)을 게이트 전극에 인가하면, 참조번호 131로 표시된 나노입자 뿐만 아니라 참조번호 132로 표시된 나노입자에도 전하가 트랩된다. 이와 같이 전하 트랩층(130)에 존재하는 모든 나노입자(131, 132)에 전하가 트랩된 상태를 "2"라고 정의한다.When a voltage greater than the first voltage V 1 is applied to the gate electrode 150, the portion of the tunneling insulating layer located below the first insulating portion 141 and the lower portion of the second insulating portion 142 may be disposed. Charge is also tunneled through the tunneling insulating layer portion. That is, when the second voltage V 2 , which is a voltage for allowing charge to tunnel through all parts of the tunneling insulating layer 120, is applied to the gate electrode, not only the nanoparticles indicated by reference numeral 131 but also the nanoparticles indicated by reference numeral 132. The charge is trapped. As such, the state in which the charge is trapped in all the nanoparticles 131 and 132 existing in the charge trap layer 130 is defined as "2".

결국 본 발명에 따른 멀티 비트 비휘발성 메모리 소자(100)는 초기 상태에서 게이트 전극(150)에 제1전압(V1)을 인가하여 "1"을 프로그래밍하거나, 제2전압(V2)을 인가하여 "2"를 프로그래밍하는 것이 가능하다. 그리고 "0", "1" 및 "2" 상태는 각각 전하 트랩층(130)에 트랩된 전하의 양이 다르므로, 이를 통해 프로그래밍된 정보를 판독할 수 있게 된다. 따라서 컨트롤 절연층(140)의 일부를 기존의 리쏘그라피 기술을 이용하여 식각하는 간단한 공정만을 통해, 멀티 비트를 구현할 수 있게 되므로, 소자의 크기를 줄이지 않으면서 대용량의 메모리 소자를 구현하는 것이 가능하게 된다.As a result, the multi-bit nonvolatile memory device 100 according to the present invention applies the first voltage V 1 to the gate electrode 150 in the initial state to program “1” or to apply the second voltage V 2 . It is possible to program "2". In addition, the "0", "1", and "2" states have different amounts of charge trapped in the charge trap layer 130, and thus, the programmed information can be read. Therefore, since only a simple process of etching part of the control insulating layer 140 using conventional lithography technology can realize multi-bits, it is possible to implement a large-capacity memory device without reducing the size of the device. do.

<제조예><Production Example>

먼저, p-형 실리콘 기판을 아세톤, 메탄올, JTB-111 및 탈이온수(DI water)를 이용하여 세척한 후, 희석된 불산(HF:DI water=1:100) 용액을 이용하여 자연 산화막(native oxide)을 제거한다. 그리고 실리콘 기판을 열산화(oxidation) 공정(900℃, 1분)을 통해 실리콘 기판 상에 터널링 절연막으로 이용될 산화실리콘(SiO2)막을 5nm의 두께로 형성한다. First, the p-type silicon substrate is washed with acetone, methanol, JTB-111 and deionized water (DI water), and then a native oxide film (native) is used with diluted hydrofluoric acid (HF: DI water = 1: 100) solution. oxide) is removed. The silicon substrate is thermally oxidized (900 ° C., 1 minute) to form a silicon oxide (SiO 2 ) film having a thickness of 5 nm on the silicon substrate to be used as a tunneling insulating film.

그리고 산화실리콘막 상에 금 나노입자를 형성한다. 금 나노입자는 polystyrene-block-poly(4-vinyl pyridine)을 사용하여 형성한다. 이때 금 나노입자의 평균 크기는 5nm이고, 밀도는 2.2×1011cm-2이다. And gold nanoparticles are formed on a silicon oxide film. Gold nanoparticles are formed using polystyrene-block-poly (4-vinyl pyridine). At this time, the average size of the gold nanoparticles is 5nm, the density is 2.2 × 10 11 cm -2 .

그리고 금 나노입자 상에 컨트롤 절연층으로 이용될 산화하프늄(HfO2)막을 형성한다. 산화하프늄막은 원자층증착법(atomic layer deposition, ALD)을 이용하여, 120nm 정도의 두께로 형성한다. 그리고 산화하프늄막의 일부분을 패터닝하고 식각한다. 이때 식각된 부분의 두께는 60nm 정도이다. 그리고 산화하프늄막의 결함을 제거하기 위하여 질소(N2) 분위기에서 급속열처리(rapid thermal annealing, RTA)(800℃, 5초)한다. A hafnium oxide (HfO 2 ) film is formed on the gold nanoparticles to be used as a control insulating layer. The hafnium oxide film is formed to a thickness of about 120 nm by using atomic layer deposition (ALD). A portion of the hafnium oxide film is patterned and etched. At this time, the thickness of the etched portion is about 60nm. In order to remove defects of the hafnium oxide film, rapid thermal annealing (RTA) (800 ° C., 5 seconds) is performed in a nitrogen (N 2 ) atmosphere.

그리고 게이트 전극으로 이용될 백금(Pt)을 100nm 정도 증착한 후, 계면의 결함과 트랩된 전하를 제거하기 위하여, 환원성 분위기에서 400℃에서 30분 동안 열처리한다.After depositing about 100 nm of platinum (Pt) to be used as a gate electrode, heat treatment is performed at 400 ° C. for 30 minutes in a reducing atmosphere to remove interface defects and trapped charges.

상기의 방법으로 제조된 멀티 비트 비휘발성 메모리 소자(100)의 기판(110)을 접지하고, 게이트 전극(150)에 더블스윕전압(forward and reverse sweep voltage)을 인가하여, 획득한 커패시턴스-전압 그래프로부터 스윕전압(sweep voltage)에 따른 플랫밴드 전압(flatband voltage, VFB)의 그래프를 도 2에 도시하였다. 참조번호 210으로 표시된 그래프가 순방향(forward) 스윕전압에 따른 플랫밴드 전압을 나타내는 그래프이고, 참조번호 220으로 표시된 그래프가 역방향(reverse) 스윕전압에 따른 플랫밴드 전압을 나타내는 그래프이다.Capacitance-voltage graph obtained by grounding the substrate 110 of the multi-bit nonvolatile memory device 100 manufactured by the above method and applying a forward and reverse sweep voltage to the gate electrode 150. A graph of the flatband voltage (V FB ) according to the sweep voltage is shown in FIG. 2. A graph denoted by reference numeral 210 is a graph showing a flat band voltage according to a forward sweep voltage, and a graph denoted by reference numeral 220 is a graph showing a flat band voltage according to a reverse sweep voltage.

도 2를 참조하면, 10V 이하에서는 순방향과 역방향 스윕전압에 무관하게 비슷한 플랫밴드 전압을 가진다. 그러나 10V 이상으로 스윕전압이 증가하게 되면, 순방향 스윕전압에 따른 플랫밴드 전압과 역방향 스윕전압에 따른 플랫밴드의 차이가 발생하게 된다. 이는 게이트 전극(150)에 10V 이상의 전압을 인가하면, 컨트롤 절연층(140)의 제1절연부(141)의 하부에 위치하는 터널링 절연층 부분을 통해 전하가 터널링 되어 참조번호 131로 표시된 나노입자에 전하가 트랩되기 때문이다. Referring to Figure 2, below 10V has a similar flatband voltage regardless of the forward and reverse sweep voltage. However, when the sweep voltage increases above 10V, a difference between the flat band voltage according to the forward sweep voltage and the flat band according to the reverse sweep voltage occurs. When a voltage of 10 V or more is applied to the gate electrode 150, the charge is tunneled through the tunneling insulating layer portion positioned below the first insulating portion 141 of the control insulating layer 140, and the nanoparticles indicated by reference numeral 131. This is because charge is trapped in the.

그리고 17V 이상으로 스윕전압이 증가하면, 축적영역(accumulation region)에서 반전영역(inversion region) 방향으로 트랩되는 전하의 양이 급속히 증가하여 순방향 스윕전압에 다른 플랫밴드 전압이 급격하게 증가하게 된다. 이는 게이트 전극(150)에 17V 이상의 전압을 인가하면, 컨트롤 절연층(140)의 제2절연부(142)의 하부에 위치하는 터널링 절연층 부분을 통해서도 전하가 터널링 되어, 즉 모든 터널링 절연층(120)을 통해 전하가 터널링 되어 모든 나노입자(131, 132)에 전하가 트랩되기 때문이다.When the sweep voltage is increased to 17 V or more, the amount of charge trapped in the accumulation region in the inversion region increases rapidly, and the flat band voltage different from the forward sweep voltage increases rapidly. When a voltage of 17V or more is applied to the gate electrode 150, charge is also tunneled through a portion of the tunneling insulating layer positioned below the second insulating portion 142 of the control insulating layer 140, that is, all tunneling insulating layers ( This is because the charge is tunneled through the 120 so that the charge is trapped in all the nanoparticles 131 and 132.

결국, 도 2에 도시된 그래프로부터, 본 발명에 따른 멀티 비트 비휘발성 메모리 소자(100)는 게이트 전극(150)의 전압에 따라 전하 트랩층(140)에 트랩되는 전하의 양이 다르게 되어, 멀티 비트가 구현 가능하게 됨을 알 수 있다.As a result, from the graph shown in FIG. 2, the amount of charge trapped in the charge trap layer 140 varies according to the voltage of the gate electrode 150 in the multi-bit nonvolatile memory device 100 according to the present invention. It can be seen that the bits become implementable.

한편, 스윕전압에 따른 커패시턴스-전압 히스테리시스(C-V hysteresis)의 변화 그래프를 도 3에 도시하였다. 커패시턴스-전압 히스테리시스는 메모리 윈도우(memory window)를 나타내는 것이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 최대의 히스테리시스의 값은 4.5V 정도로서, 이는 멀티 비트 소자를 제작할 때 충분한 크기의 메모리 윈도우 값에 해당한다.Meanwhile, FIG. 3 shows a graph of change in capacitance-voltage hysteresis according to the sweep voltage. Capacitance-voltage hysteresis refers to a memory window. As shown in Fig. 3, the maximum hysteresis value is about 4.5V, which corresponds to a memory window value of sufficient size when fabricating a multi-bit device.

이상에서, 제1두께(t1)를 갖는 제1절연부(141)와 제2두께(t2)를 갖는 제2절연부(142)로 이루어진 컨트롤 절연층(140)을 통해 3-비트를 구현하는 소자(100)에 대해서 설명하였다. 그러나 컨트롤 절연층(140)의 두께를 더욱 다양하게 변화시키면, 3-비트 이상의 멀티 비트를 구현하는 것이 가능함은 물론이다. In the above description, 3-bits are formed through the control insulating layer 140 including the first insulating portion 141 having the first thickness t 1 and the second insulating portion 142 having the second thickness t 2 . The device 100 to be implemented has been described. However, if the thickness of the control insulating layer 140 is changed in various ways, it is of course possible to realize multi-bits of 3 bits or more.

또한, 도 1에서는 제1두께(t1)를 갖는 제1절연부(141)와 제2두께(t2)를 갖는 제2절연부(142)로 이루어진 컨트롤 절연층(140)을 구비한 멀티 비트 비휘발성 메모 리 소자(100)에 대해서 도시하였으나 이에 한정되는 것은 아니다. 터널링 절연층(120) 역시 두께를 다르게 형성한다면, 두께에 따라 터널링 절연층(120)에 인가되는 전기장의 세기가 변화되므로 컨트롤 절연층(140)의 두께를 다르게 형성한 것과 마찬가지로 멀티 비트를 구현할 수 있게 된다. 그리고 컨트롤 절연층(140)과 터널링 절연층(120)의 두께를 모두 변화시키는 경우도 멀티 비트를 구현할 수 있음은 물론이다. 다만, 터널링 절연층(120)의 두께는 일반적으로 수 nm 정도로 두껍지 않으므로, 상대적으로 두꺼운 두께로 형성하는 것이 가능한 컨트롤 절연층(140)의 두께를 조절하는 것이 공정상 용이하다.In addition, in FIG. 1, the control insulating layer 140 including the first insulating portion 141 having the first thickness t 1 and the second insulating portion 142 having the second thickness t 2 is provided. The bit nonvolatile memory device 100 is illustrated, but is not limited thereto. If the tunneling insulation layer 120 also has a different thickness, the strength of the electric field applied to the tunneling insulation layer 120 is changed according to the thickness, so that the multi-bits can be implemented in the same manner as the control insulation layer 140 has a different thickness. Will be. In addition, the multi-bit may be implemented even when the thicknesses of the control insulating layer 140 and the tunneling insulating layer 120 are changed. However, since the thickness of the tunneling insulating layer 120 is generally not thick as a few nm, it is easy to control the thickness of the control insulating layer 140 that can be formed to a relatively thick thickness.

그리고 도 1에서는 비휘발성 메모리 소자 중 나노입자를 플로팅 게이트로 이용하는 플래시 메모리 소자에 대해서 도시하고 설명하였으나, 상술한 바와 같이, 절연층을 구비하는 다른 비휘발성 메모리 소자인 강유전체 메모리 소자, 유기쌍안정성 메모리 소자, 자기 메모리 소자, 저항변화 메모리 소자, 상변화 메모리 소자 등에도 적용하여 멀티 비트로 구현하는 것이 가능하다.In FIG. 1, a flash memory device using nanoparticles as a floating gate among the nonvolatile memory devices is illustrated and described. However, as described above, another nonvolatile memory device including an insulating layer is a ferroelectric memory device or an organic bistable memory. It is possible to implement a multi-bit by applying to devices, magnetic memory devices, resistance change memory devices, phase change memory devices, and the like.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.Although the preferred embodiments of the present invention have been shown and described above, the present invention is not limited to the specific preferred embodiments described above, and the present invention belongs to the present invention without departing from the gist of the present invention as claimed in the claims. Various modifications can be made by those skilled in the art, and such changes are within the scope of the claims.

도 1은 본 발명에 따른 멀티 비트 비휘발성 메모리 소자에 대한 바람직한 일 실시예의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.1 is a view showing a schematic configuration of a preferred embodiment of a multi-bit nonvolatile memory device according to the present invention.

도 2는 본 발명에 따른 멀티 비트 비휘발성 메모리 소자의 스윕전압에 따른 플랫밴드 전압(flatband voltage, VFB)의 그래프를 도시한 도면이다.FIG. 2 is a graph illustrating a flatband voltage (V FB ) according to a sweep voltage of a multi-bit nonvolatile memory device according to the present invention.

도 3은 본 발명에 따른 멀티 비트 비휘발성 메모리 소자의 스윕전압에 따른 커패시턴스-전압 히스테리시스(C-V hysteresis)의 변화 그래프를 도시한 도면이다.FIG. 3 is a diagram illustrating a change graph of capacitance-voltage hysteresis according to a sweep voltage of a multi-bit nonvolatile memory device according to the present invention.

Claims (6)

절연층을 구비하는 멀티 비트 비휘발성 메모리 소자에 있어서,In a multi-bit nonvolatile memory device having an insulating layer, 상기 절연층의 일부분에 인가되는 전기장이 나머지 부분과 다르게 되도록, 상기 절연층은 일부분이 나머지 부분과 서로 다른 두께를 갖도록 형성된 것을 특징으로 하는 멀티 비트 비휘발성 메모리 소자.And the insulating layer is formed such that the portion has a different thickness from the remaining portion so that the electric field applied to the portion of the insulating layer is different from the remaining portion. 기판;Board; 상기 기판 상에 형성된 터널링 절연층;A tunneling insulating layer formed on the substrate; 상기 터널링 절연층 상에 형성된 전하 트랩층;A charge trap layer formed on the tunneling insulating layer; 상기 전하 트랩층 상에 형성된 컨트롤 절연층; 및A control insulating layer formed on the charge trap layer; And 상기 컨트롤 절연층 상에 형성된 게이트 전극;을 포함하며,A gate electrode formed on the control insulating layer; 상기 터널링 절연층 및 상기 컨트롤 절연층 중 적어도 하나의 절연층은 일부분이 나머지 부분과 서로 다른 두께를 갖도록 형성된 것을 특징으로 하는 멀티 비트 비휘발성 메모리 소자.And at least one insulating layer of the tunneling insulating layer and the control insulating layer is formed such that a portion has a thickness different from that of the remaining portion. 제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 전하 트랩층은 나노입자를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 멀티 비트 비휘발성 메모리 소자.And the charge trap layer comprises nanoparticles. 제3항에 있어서,The method of claim 3, 상기 나노입자는 금속 나노점, 금속 산화물 나노점 및 화합물 반도체 나노점 중에서 선택된 1종 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 멀티 비트 비휘발성 메모리 소자.The nanoparticles multi-bit nonvolatile memory device, characterized in that made of at least one selected from metal nano dots, metal oxide nano dots and compound semiconductor nano dots. 제2항 또는 제3항에 있어서,The method according to claim 2 or 3, 상기 컨트롤 절연층은 산화실리콘(SiO2)보다 유전율이 큰 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 멀티 비트 비휘발성 메모리 소자.The control insulating layer is a multi-bit nonvolatile memory device, characterized in that made of a material having a higher dielectric constant than silicon oxide (SiO 2 ). 제5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 컨트롤 절연층은 산화하프늄(HfO2)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 멀티 비트 비휘발성 메모리 소자.And the control insulating layer is made of hafnium oxide (HfO 2 ).
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