KR20200045180A - Non-volatile memory device and method for fabricating the same - Google Patents
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- H01L29/772—Field effect transistors
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Abstract
Description
본 발명은 비휘발성 메모리 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 산화물 반도체층과 절연체층을 적층한 구조를 갖는 전하 축적막을 이용하는 비휘발성 메모리 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a nonvolatile memory device and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a nonvolatile memory device using a charge accumulation film having a structure in which an oxide semiconductor layer and an insulator layer are stacked, and a method of manufacturing the same.
전하주입형 메모리는 기본적으로 전하주입을 위한 추가적인 전하축적층을 게이트 스택에 포함시킴으로써, 전하의 터널링 현상을 통한 전하의 구속 또는 해방 과정을 토대로 메모리의 턴온전압을 조절한다. 이때, 일반적으로 전류값이 큰 경우를 ‘ON, 전류값이 적은 상태를 ‘OFF’로 규정한다. Si 전자소자 기술을 바탕으로 전하주입형 메모리에 대하여 많은 연구가 이루어져 왔으나, 고성능 및 고집적을 구현하는데 어려움을 겪고 있는바, 새로운 형태의 메모리의 개발이 필요한 상태다.The charge injection type memory basically controls the turn-on voltage of the memory based on the process of restraining or releasing the charge through the tunneling phenomenon of charge by including an additional charge accumulation layer for charge injection in the gate stack. At this time, in general, the case where the current value is large is defined as 'ON, and the state where the current value is small is defined as' OFF. A lot of research has been conducted on charge-injection memory based on Si electronic device technology, but there is a difficulty in realizing high performance and high integration, so a new type of memory is needed.
이에 대한 하나의 대안으로서 산화물 반도체와 높은 유전 상수를 갖는 절연체를 적층 구조로 구성한 전하축적층을 갖는 전하주입형 메모리를 제시할 수 있다. 산화물 반도체는 넓은 밴드갭으로 인한 가시광 영역에서의 투명성, 높은 이동도 및 저온 공정 구현이 가능하다는 장점이 있고, 이러한 장점들은 빠른 프로그램 특성 및 저전압 구동을 가능케 하며, 투명하고 유연한 소자에 적용하기 쉽다. 높은 유전 상수를 갖는 절연체는 전하 축적 밀도가 높고 고유한 결함 때문에 축적의 효율을 높일 수 있으며, 터널링 절연막에 걸리는 전계를 높여주어 빠른 프로그램 특성 및 저전압 구동을 가능케 한다. 따라서 산화물 반도체와 높은 유전 상수를 가지는 절연체의 적층 구조를 기반으로 한 전하축적층을 갖는 전하주입형 비휘발성 메모리를 제조할 경우, 차세대 메모리로써 많은 잠재력을 지닐 수 있다.As one alternative to this, a charge injection type memory having a charge accumulation layer composed of an oxide semiconductor and an insulator having a high dielectric constant in a stacked structure may be proposed. Oxide semiconductors have the advantage of being able to implement transparency, high mobility, and low temperature processes in the visible light region due to a wide band gap, and these advantages enable fast program characteristics and low voltage driving, and are easy to apply to transparent and flexible devices. Insulators having a high dielectric constant have high charge accumulation density and can increase the efficiency of accumulation due to inherent defects, and increase the electric field applied to the tunneling insulating film, thereby enabling fast program characteristics and low voltage driving. Therefore, when manufacturing a charge injection type nonvolatile memory having a charge accumulation layer based on a stacked structure of an oxide semiconductor and an insulator having a high dielectric constant, it can have many potentials as a next-generation memory.
본 발명의 목적은 전산화물을 이용한 박막 트랜지스터 구조에서 적절히 전도성을 조절한 산화물 반도체 박막과 절연체 박막을 소정의 순서로 적층한 구조를 갖는 전하축적층을 이용하여 우수한 성능의 투명한 메모리 소자를 구현할 수 있는 비휘발성 메모리 소자 및 그 제조 방법을 제공하는데 있다.An object of the present invention is to implement a transparent memory device having excellent performance by using a charge accumulation layer having a structure in which a semiconductor layer and an insulator thin film in which a conductivity is properly adjusted in a thin film transistor structure using an oxide are stacked in a predetermined order. It is to provide a non-volatile memory device and a method of manufacturing the same.
본 발명의 일 실시 예에 따른 비휘발성 메모리 소자는 기판, 상기 기판 상에 서로 이격되어 형성되는 소스/드레인 전극, 상기 소스/드레인 전극 사이의 기판 상에 형성되되, 상기 소스/드레인 전극 각각의 일부를 덮도록 형성되는 산화물 반도체 박막, 상기 산화물 반도체 박막 상에 형성되는 터널링 절연막, 상기 터널링 절연막 상에 형성되고, 상기 터널링 절연막을 통해 터널링된 전하를 축적하는 전하 축적막, 상기 전하 축적막을 덮도록 형성되는 게이트 절연막, 및 상기 게이트 절연막 상에 형성되는 게이트 전극을 포함하고, 상기 전하 축적막은 적어도 하나 이상의 산화물 반도체층과 적어도 하나 이상의 절연체층이 교대로 적층된 구조를 가질 수 있다.A nonvolatile memory device according to an embodiment of the present invention is formed on a substrate, a source / drain electrode formed spaced apart from each other on the substrate, and a substrate between the source / drain electrodes, and a part of each of the source / drain electrodes An oxide semiconductor thin film formed to cover, a tunneling insulating film formed on the oxide semiconductor thin film, a charge accumulation film formed on the tunneling insulating film and accumulating tunneled charge through the tunneling insulating film, formed to cover the charge accumulation film And a gate electrode formed on the gate insulating layer, and the charge accumulation layer may have a structure in which at least one oxide semiconductor layer and at least one insulator layer are alternately stacked.
여기에, 상기 기판은 투명한 재질로 형성될 수 있다.Here, the substrate may be formed of a transparent material.
여기에, 상기 산화물 반도체 박막은 가시광 영역에서 투명한 산화물 반도체로 형성될 수 있다.Here, the oxide semiconductor thin film may be formed of a transparent oxide semiconductor in the visible region.
여기에, 상기 산화물 반도체 박막은 소정 길이를 갖는 채널 영역을 포함하고, 상기 터널링 절연막은 상기 채널 영역 상에 형성될 수 있다.Here, the oxide semiconductor thin film includes a channel region having a predetermined length, and the tunneling insulating layer may be formed on the channel region.
여기에, 상기 전하 축적막에 저장되는 정보의 양, 속도 및 유지시간은 상기 적어도 하나 이상의 산화물 반도체층의 전도성 범위, 상기 적어도 하나 이상의 절연체층의 종류 및 두께, 상기 적어도 하나 이상의 산화물 반도체층과 상기 적어도 하나 이상의 절연체층이 삽입되는 수 및 적층 구조에 따라 조절될 수 있다.Here, the amount, speed and retention time of the information stored in the charge accumulation film are the conductive range of the at least one oxide semiconductor layer, the type and thickness of the at least one insulator layer, the at least one oxide semiconductor layer and the At least one insulator layer may be adjusted according to the number of inserts and the lamination structure.
여기에, 상기 적어도 하나 이상의 산화물 반도체층은 1e14cm-3 내지 1e18cm-3의 캐리어 농도를 가질 수 있다.Here, the at least one oxide semiconductor layer may have a carrier concentration of 1e14cm -3 to 1e18cm -3 .
여기에, 상기 적어도 하나 이상의 절연체층은 4eV 내지 10eV의 에너지 밴드갭을 가지는 절연체로 형성될 수 있다.Here, the at least one insulator layer may be formed of an insulator having an energy band gap of 4eV to 10eV.
여기에, 상기 적어도 하나 이상의 절연체층은 상기 전하 축적막에 2번 적층되고, 1.5nm 내지 2.5nm의 두께를 가질 수 있다.Here, the at least one insulator layer is stacked twice on the charge accumulation film, and may have a thickness of 1.5 nm to 2.5 nm.
여기에, 상기 적어도 하나 이상의 절연체층은 상기 전하 축적막에 2번 적층되고, 3.5nm 내지 4.5nm의 두께를 가질 수 있다.Here, the at least one insulator layer is stacked twice on the charge accumulation film, and may have a thickness of 3.5 nm to 4.5 nm.
여기에, 상기 적어도 하나 이상의 절연체층은 상기 전하 축적막에 4번 적층되고, 1.5nm 내지 2.5nm의 두께를 가질 수 있다.Here, the at least one insulator layer is stacked four times on the charge accumulation layer, and may have a thickness of 1.5 nm to 2.5 nm.
여기에, 상기 소스/드레인 전극이 노출되도록 상기 게이트 절연막을 관통하여 형성되는 한 쌍의 컨택 비아홀, 및 상기 한 쌍의 컨택 비아홀을 채우도록 형성되고, 상기 소스/드레인 전극과 연결되는 소스/드레인 전극 패드를 더 포함할 수 있다.Here, a pair of contact via holes formed through the gate insulating film so that the source / drain electrodes are exposed, and a source / drain electrode formed to fill the pair of contact via holes and connected to the source / drain electrodes It may further include a pad.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 비휘발성 메모리 소자는 기판, 상기 기판 상에 형성되는 게이트 전극, 상기 게이트 전극을 덮도록 형성되는 게이트 절연막, 상기 게이트 절연막의 상부면에 형성된 홈에 형성되고, 터널링된 전하를 축적하는 전하 축적막, 상기 게이트 절연막 및 상기 전하 축적막 상에 형성되는 터널링 절연막, 상기 터널링 절연막 상에 서로 이격되어 형성되는 소스/드레인 전극, 상기 소스/드레인 전극 사이의 터널링 절연막 상에 형성되되, 상기 소스/드레인 전극 각각의 일부를 덮도록 형성되는 산화물 반도체 박막, 및 상기 산화물 반도체 박막 상에 형성되는 보호 절연막을 포함하고, 상기 산화물 반도체 박막은 소정 길이를 갖는 채널 영역을 포함하고, 상기 전하 축적막의 폭은 상기 채널 영역의 길이와 동일하고, 적어도 하나 이상의 산화물 반도체층과 적어도 하나 이상의 절연체층이 교대로 적층된 구조를 가질 수 있다.A nonvolatile memory device according to another embodiment of the present invention is formed in a substrate, a gate electrode formed on the substrate, a gate insulating film formed to cover the gate electrode, and formed in a groove formed in an upper surface of the gate insulating film and tunneled. A charge accumulation film accumulating charge, a tunneling insulation film formed on the gate insulating film and the charge accumulation film, a source / drain electrode formed spaced apart from each other on the tunneling insulating film, and a tunneling insulating film between the source / drain electrodes The oxide semiconductor thin film is formed to cover a portion of each of the source / drain electrodes, and a protective insulating film formed on the oxide semiconductor thin film. The oxide semiconductor thin film includes a channel region having a predetermined length. The width of the charge accumulation film is equal to the length of the channel region, and at least one or more Luggage at least one insulator layer and the semiconductor layer may have a structure of alternately laminated.
여기에, 상기 기판은 투명한 재질로 형성되고, 상기 산화물 반도체 박막은 가시광 영역에서 투명한 산화물 반도체로 형성될 수 있다.Here, the substrate is formed of a transparent material, and the oxide semiconductor thin film may be formed of a transparent oxide semiconductor in the visible light region.
여기에, 상기 전하 축적막에 저장되는 정보의 양, 속도 및 유지시간은 상기 적어도 하나 이상의 산화물 반도체층의 전도성 범위, 상기 적어도 하나 이상의 절연체층의 종류 및 두께, 상기 적어도 하나 이상의 산화물 반도체층과 상기 적어도 하나 이상의 절연체층이 삽입되는 수 및 적층 구조에 따라 조절될 수 있다.Here, the amount, speed and retention time of the information stored in the charge accumulation film are the conductive range of the at least one oxide semiconductor layer, the type and thickness of the at least one insulator layer, the at least one oxide semiconductor layer and the At least one insulator layer may be adjusted according to the number of inserts and the lamination structure.
여기에, 상기 적어도 하나 이상의 절연체층은 상기 전하 축적막에 2번 적층되고, 1.5nm 내지 2.5nm의 두께를 가질 수 있다.Here, the at least one insulator layer is stacked twice on the charge accumulation film, and may have a thickness of 1.5 nm to 2.5 nm.
여기에, 상기 적어도 하나 이상의 절연체층은 상기 전하 축적막에 2번 적층되고, 3.5nm 내지 4.5nm의 두께를 가질 수 있다.Here, the at least one insulator layer is stacked twice on the charge accumulation film, and may have a thickness of 3.5 nm to 4.5 nm.
여기에, 상기 적어도 하나 이상의 절연체층은 상기 전하 축적막에 4번 적층되고, 1.5nm 내지 2.5nm의 두께를 가질 수 있다.Here, the at least one insulator layer is stacked four times on the charge accumulation layer, and may have a thickness of 1.5 nm to 2.5 nm.
본 발명의 일 실시 예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 제조방법은 기판 상에 소스/드레인 전극을 서로 이격하여 형성하는 단계, 상기 소스/드레인 전극 각각의 일부를 덮도록 상기 소스/드레인 전극 사이의 기판 상에 산화물 반도체 박막을 형성하는 단계, 상기 산화물 반도체 박막 상에 터널링 절연막을 형성하는 단계, 상기 터널링 절연막 상에 상기 터널링 절연막을 통해 터널링된 전하를 축적하는 전하 축적막을 형성하는 단계, 상기 산화물 반도체 박막, 터널링 절연막 및 전하 축적막을 동일한 패턴으로 식각하는 단계, 상기 소스/드레인 전극과 전하 축적막을 덮도록 게이트 절연막을 형성하는 단계, 및 상기 게이트 절연막 상에 게이트 전극을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 전하 축적막을 형성하는 단계는 적어도 하나 이상의 산화물 반도체층과 적어도 하나 이상의 절연체층을 교대로 적층하여 상기 전하 축적막을 형성할 수 있다.A method of manufacturing a nonvolatile memory device according to an embodiment of the present invention includes forming a source / drain electrode spaced apart from each other on a substrate, and a substrate between the source / drain electrodes to cover a portion of each of the source / drain electrodes Forming an oxide semiconductor thin film on the oxide film, forming a tunneling insulating film on the oxide semiconductor thin film, forming a charge accumulation film accumulating tunneled charges on the tunneling insulating film, and forming the oxide semiconductor thin film. , Etching the tunneling insulating layer and the charge accumulation layer in the same pattern, forming a gate insulating layer to cover the source / drain electrode and the charge accumulation layer, and forming a gate electrode on the gate insulating layer, The forming of the accumulation film may include at least one oxide semiconductor layer and Even may be alternately laminated in at least one insulating layer to form the charge storage film.
여기에, 상기 전하 축적막을 형성하는 단계는 원자층증착법(Atomic Layer Deposition, ALD)의 사이클 수를 조절하여 상기 적어도 하나 이상의 산화물 반도체층과 상기 적어도 하나 이상의 절연체층의 두께 및 적층 수를 조절할 수 있다.Here, the step of forming the charge accumulation layer may control the number of cycles of the atomic layer deposition (ALD) to control the thickness and the number of stacks of the at least one oxide semiconductor layer and the at least one insulator layer. .
여기에, 상기 게이트 절연막을 식각하여 상기 상기 소스/드레인 전극을 노출시키는 한 쌍의 컨택 비아홀을 형성하는 단계, 및 상기 한 쌍의 컨택 비아홀을 채우고, 상기 소스/드레인 전극과 연결되는 소스/드레인 전극 패드를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.Here, forming a pair of contact via holes exposing the source / drain electrodes by etching the gate insulating layer, and filling the pair of contact via holes, and a source / drain electrode connected to the source / drain electrodes The method may further include forming a pad.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 제조방법은 기판 상에 게이트 전극을 형성하는 단계, 상기 게이트 전극을 덮도록 게이트 절연막을 형성하는 단계, 상기 게이트 절연막의 상부면을 식각하여 홈을 형성하는 단계, 터널링된 전하를 축적하는 전하 축적막을 상기 홈에 형성하는 단계, 상기 게이트 절연막 및 상기 전하 축적막 상에 터널링 절연막을 형성하는 단계, 상기 터널링 절연막 상에 소스/드레인 전극을 서로 이격하여 형성하는 단계, 상기 소스/드레인 전극 각각의 일부를 덮도록 상기 소스/드레인 전극 사이의 터널링 절연막 상에 산화물 반도체 박막을 형성하는 단계, 및 상기 산화물 반도체 박막 상에 보호 절연막을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 전하 축적막을 형성하는 단계는 적어도 하나 이상의 산화물 반도체층과 적어도 하나 이상의 절연체층을 교대로 적층하여 상기 전하 축적막을 형성할 수 있다.A method of manufacturing a nonvolatile memory device according to another embodiment of the present invention includes forming a gate electrode on a substrate, forming a gate insulating film to cover the gate electrode, and etching the upper surface of the gate insulating film to form a groove. Forming, forming a charge accumulation film accumulating tunneled charges in the groove, forming a tunneling insulation film on the gate insulating film and the charge accumulation film, and separating source / drain electrodes on the tunneling insulation film from each other Forming, forming an oxide semiconductor thin film on the tunneling insulating film between the source / drain electrodes to cover a portion of each of the source / drain electrodes, and forming a protective insulating film on the oxide semiconductor thin film, , The step of forming the charge accumulation film may be performed with at least one oxide semiconductor layer. Also it is possible to form the charge storage film are stacked alternately with at least one insulation layer.
여기에, 상기 산화물 반도체 박막은 소정 길이를 갖는 채널 영역을 포함하고, 상기 전하 축적막의 폭은 상기 채널 영역의 길이와 동일할 수 있다.Here, the oxide semiconductor thin film includes a channel region having a predetermined length, and the width of the charge accumulation layer may be the same as the length of the channel region.
여기에, 상기 전하 축적막을 형성하는 단계는 원자층증착법(Atomic Layer Deposition, ALD)의 사이클 수를 조절하여 상기 적어도 하나 이상의 산화물 반도체층과 상기 적어도 하나 이상의 절연체층의 두께 및 적층 수를 조절할 수 있다.Here, the step of forming the charge accumulation layer may control the number of cycles of the atomic layer deposition (ALD) to control the thickness and the number of stacks of the at least one oxide semiconductor layer and the at least one insulator layer. .
본 발명의 일 실시 예에 따르면 전산화물을 이용한 박막 트랜지스터 구조에서 적절히 전도성을 조절한 산화물 반도체층과 높은 유전 상수를 가진 절연체층으로 구성된 적층 구조를 가지는 전하 축적막을 이용하여 우수한 성능의 투명한 메모리 소자를 구현할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, a transparent memory device having excellent performance is obtained by using a charge accumulation film having a stacked structure composed of an oxide semiconductor layer having appropriately controlled conductivity and an insulator layer having a high dielectric constant in a thin film transistor structure using all oxides. Can be implemented.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 단면도이다.
도 2a는 본 발명의 제1 실시예에서 파생된 제1 파생실시예에 따른 전하 축적막 층의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 2b는 본 발명의 제1 실시예에서 파생된 제2 파생실시예에 따른 전하 축적막 층의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 2c는 본 발명의 제1 실시예에서 파생된 제3 파생실시예에 따른 전하 축적막 층의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 게이트 전극에 양의 프로그램 전압이 인가되었을 때의 밴드구조를 설명하는 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 게이트 전극에 음의 프로그램 전압이 인가되었을 때의 밴드구조를 설명하는 개념도이다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 제1 실시예와 그에서 파생된 실시예들에 따른 비휘발성 메모리 소자들의 게이트 전압-드레인 전류 특성을 설명하는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예와 그에서 파생된 실시예들에 따른 비휘발성 메모리 소자들의 온/오프 프로그래밍 특성을 다양한 프로그램 전압을 통해 설명하는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에서 파생된 제2 파생실시예와 제3 파생실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자들의 전하 축적막의 구조를 보여주는 TEM 이미지이다.
도 9a 내지 도 9e는 도 1에 도시된 비휘발성 메모리 소자의 제조 방법을 설명하는 중간 단계 도면들이다.
도 10a 및 10b는 도 3에 도시된 비휘발성 메모리 소자의 제조 방법을 설명하는 중간 단계 도면이다.1 is a cross-sectional view of a nonvolatile memory device according to a first embodiment of the present invention.
2A is a cross-sectional view showing the structure of a charge accumulation film layer according to a first derivative embodiment derived from the first embodiment of the present invention.
2B is a cross-sectional view showing the structure of a charge accumulation film layer according to a second derivative embodiment derived from the first embodiment of the present invention.
2C is a cross-sectional view showing the configuration of a charge accumulation film layer according to a third derivative embodiment derived from the first embodiment of the present invention.
3 is a cross-sectional view of a nonvolatile memory device according to a second embodiment of the present invention.
4 is a conceptual diagram illustrating a band structure when a positive program voltage is applied to a gate electrode of a nonvolatile memory device according to an embodiment of the present invention.
5 is a conceptual diagram illustrating a band structure when a negative program voltage is applied to a gate electrode of a nonvolatile memory device according to an embodiment of the present invention.
6A to 6C are graphs illustrating gate voltage-drain current characteristics of nonvolatile memory devices according to the first embodiment of the present invention and embodiments derived therefrom.
7 is a graph illustrating on / off programming characteristics of nonvolatile memory devices according to a first embodiment of the present invention and embodiments derived therefrom through various program voltages.
8 is a TEM image showing a structure of a charge accumulation layer of nonvolatile memory devices according to the second and third derivatives derived from the first embodiment of the present invention.
9A to 9E are intermediate step views illustrating a method of manufacturing the nonvolatile memory device shown in FIG. 1.
10A and 10B are intermediate step views illustrating a method of manufacturing the nonvolatile memory device shown in FIG. 3.
본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되지 않는다.Specific structural or functional descriptions of the embodiments according to the concept of the present invention disclosed in this specification are exemplified only for the purpose of illustrating the embodiments according to the concept of the present invention, and the embodiments according to the concept of the present invention These can be implemented in various forms and are not limited to the embodiments described herein.
본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.Embodiments according to the concept of the present invention can be applied to various changes and can have various forms, so that the embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail herein. However, this is not intended to limit the embodiments according to the concept of the present invention to specific disclosure forms, and includes changes, equivalents, or substitutes included in the spirit and scope of the present invention.
제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만, 예를 들어 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.Terms such as first or second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The above terms are only for the purpose of distinguishing one component from other components, for example, without departing from the scope of rights according to the concept of the present invention, the first component may be referred to as the second component, Similarly, the second component may also be referred to as the first component.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 표현들, 예를 들어 "~사이에"와 "바로~사이에" 또는 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.When an element is said to be "connected" or "connected" to another component, it is understood that other components may be directly connected to or connected to the other component, but other components may exist in the middle. It should be. On the other hand, when a component is said to be "directly connected" or "directly connected" to another component, it should be understood that no other component exists in the middle. Expressions describing the relationship between the elements, for example, "between" and "immediately between" or "directly neighboring to" should also be interpreted.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is only used to describe specific embodiments and is not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this specification, the terms "include" or "have" are intended to designate the presence of a feature, number, step, action, component, part, or combination thereof as described, one or more other features or numbers, It should be understood that the existence or addition possibilities of steps, actions, components, parts or combinations thereof are not excluded in advance.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by a person skilled in the art to which the present invention pertains. Terms such as those defined in a commonly used dictionary should be interpreted as having meanings consistent with meanings in the context of related technologies, and should not be interpreted as ideal or excessively formal meanings unless explicitly defined herein. Does not. Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 단면도이다. 1 is a cross-sectional view of a nonvolatile memory device according to a first embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자(1)는 기판(100), 소스/드레인 전극(102), 산화물 반도체 박막(104), 터널링 절연막(106), 전하 축적막(108), 게이트 절연막(110), 게이트 전극층(114) 및 소스/드레인 전극패드(112)를 포함한다. 한편, 도 1에서는 게이트 전극이 채널 영역의 상부에 위치한 상부 게이트 구조를 예로 들어 설명할 것이나, 이에 한정된 것은 아니며, 하부 게이트 구조로도 제작이 가능하다. 하부 게이트 구조에 대한 구체적인 설명은 다른 실시예를 통해 후술하도록 한다.Referring to FIG. 1, a
기판(100)은 투명한 기판을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 기판(100)은 유연한 기판 혹은 구부림이 가능한 유연한 기판으로, 유리 기판 혹은 가요성(flexible) 기판을 포함할 수 있다.The
소스/드레인 전극(102)은 기판(100) 상에 제1 방향(X)으로 서로 이격되어 형성된다. 보다 구체적으로, 소스/드레인 전극(102)은 기판(100) 상에 제1 방향(X)으로 서로 이격되어 형성됨으로써, 전기적으로 분리된 영역에 각각 소스 전극과 드레인 전극이 구성될 수 있다. 또한, 소스/드레인 전극(102) 사이의 간격에 의해서 채널 영역(미도시)의 제1 방향(X) 길이가 결정될 수 있다. The source /
소스/드레인 전극(102)은 전도성 산화물 박막 또는 전도성 유기물 박막으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 전도성 산화물 박막은, 전도성 산화물 물질인 인듐-주석 산화물(ITO) 또는 ITO와 비슷한 정도의 높은 전도성과 충분한 투명도 특성을 가진 물질을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The source /
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자(1)의 응용 시스템이 요구하는 특성에 따라, 통상적인 박막 트랜지스터의 제작에서 사용되는 금속박막으로 형성될 수도 있다. 금속박막에는 예를 들면 전극 자체의 저항을 감소시키기 위해 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크로뮴(Cr), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn), 이트륨(Y), 지르코늄(Zr), 니이오븀(Nb), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 은(Ag), 란타늄(La), 하프늄(Hf), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W), 백금(Pt), 금(Au), 어븀(Er), 이트륨(Y), 이터븀(Yb) 또는 이들의 조합과 같은 낮은 비저항을 가지는 금속일 수 있으나, 이러한 실시 예에 한정되는 것은 아니다.Further, according to the characteristics required by the application system of the
또한, 금속층은 질화금속일 수 있다. 질화금속은 예를 들면, 질화 탄탈륨(TaN), 질화 티타늄(TiN), 질화 하프늄(HfN) 및 질화 텅스텐(WN)과 같이 금속/준금속 원소와 질소가 일정 조성비로 결합된 물질일 수 있다.Further, the metal layer may be a metal nitride. The metal nitride may be a material in which metal / metalloid elements and nitrogen are combined at a constant composition ratio, such as tantalum nitride (TaN), titanium nitride (TiN), hafnium nitride (HfN), and tungsten nitride (WN).
산화물 반도체 박막(104)은 소스/드레인 전극(102) 사이의 기판(100) 상에 형성되고, 소정 길이를 갖는 채널 영역을 포함한다. 보다 구체적으로, 산화물 반도체 박막(104)의 일부는 기판(100)과 접촉하고, 나머지 일부는 소스/드레인 전극(102)의 일부와 접촉할 수 있다. 즉, 산화물 반도체 박막(104)의 양단은, 소스/드레인 전극(102)의 일부를 덮도록 형성될 수 있다. 이는, 산화물 반도체 박막(104)이 소스/드레인 전극(102)을 덮도록 형성된 후, 식각 공정을 통해 패터닝되기 때문이다. 이에 대한 상세한 설명은 후술하도록 한다.The oxide semiconductor
산화물 반도체 박막(104)은 넓은 에너지 밴드갭을 가지고 있기에, 가시광 영역에서 투명하고 반도체의 성질을 갖는 투명한 산화물 반도체 박막으로 형성되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 산화물 반도체 박막(104)은 아연 산화물(ZnO), 인듐-갈륨-아연 산화물(In-Ga-Zn-O), 아연-주석 산화물(Zn-Sn-O)로 형성되거나, 아연(Zn), 인듐(In), 갈륨(Ga), 주석(Sn), 알루미늄(Al) 중 적어도 두 개 이상의 원소를 포함하는 산화물로 형성될 수 있다. 또는, 앞서 언급한 산화물에 다양한 원소를 도핑하여 산화물 반도체 박막(104)을 형성할 수 있다. 이러한 산화물 반도체 박막(104)은 200℃ 이하의 온도에서 형성하는 것이 바람직하다.Since the oxide semiconductor
또한, 산화물 반도체 박막(104)의 상부는 채널 영역을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 실제 구동시에는 산화물 반도체 박막(104) 전체가 채널 영역이 될 수도 있다.In addition, the upper portion of the oxide semiconductor
터널링 절연막(106)은 산화물 반도체 박막(104) 상에 형성된다. 보다 구체적으로, 터널링 절연막(106)은 산화물 반도체 박막(104) 상부의 소스/드레인 전극(102) 사이의 채널 영역 상에 형성될 수 있다. 터널링 절연막(106)은 기본적으로 전하주입형 메모리 소자의 동작에 있어서 산화물 반도체 박막(104)의 전자를 전하 축적막(108)으로 주입하거나 반대로 전자를 이탈시키는 터널링 역할을 한다. 또한, 터널링 절연막(106) 형성 후의 후속 공정 시, 산화물 반도체 박막(104)의 물리적 또는 화학적인 손상을 방지하고, 특성을 개선하는 보호 절연막의 역할을 수행할 수 있다.The tunneling insulating
터널링 절연막(106)은 절연 특성이 우수한 산화물 절연막으로 구성될 수 있으며, 터널링 절연막(106)의 제2 방향(Y)의 두께는 메모리 소자의 데이터 리텐션(data retention)이나 프로그램/소거 특성 등을 고려하여 다양한 두께로 형성될 수 있다. 바람직하게는, 터널링 효율을 감안하여 10 nm 이내로 형성될 수 있다. 또한, 터널링 절연막(106)은 실리콘 계열의 절연막인 실리콘 산화막(SiO2), 실리콘 질화막(SiN), 실리콘산질화막(SiON)등으로 형성되거나, 알루미늄 산화막(Al2O3), 하프늄 산화막(HfO2), 지르코늄 산화막(ZrO2), 마그네슘 산화막(MgO), 티타늄 산화막(TiO2), 탄탈륨 산화막(Ta2O5), 란타늄 산화막(La2O3), 스트론튬-티타늄 산화막(SrTiO3)으로 형성될 수 있다. 또는 앞서 언급된 산화물을 구성하는 금속 원소와 실리콘이 혼합된 실리케이트 절연막으로 터널링 절연막(106)이 형성될 수도 있다. 물론, 일반적인 박막 트랜지스터의 제작에 있어서, 게이트 절연막 재료로 사용 가능한 절연막 소재들로도 터널링 절연막(106)을 형성할 수 있다.The tunneling insulating
전하 축적막(108)은 터널링 절연막(106) 상에 형성되고, 산화물 반도체층과 절연체층의 적층 구조를 가지는 것을 특징으로 한다. 보다 구체적으로, 전하 축적막(108)은 터널링 절연막(106) 상에 형성되고, 산화물 반도체 박막(104)의 채널 영역과 대응되는 폭을 가질 수 있다. 즉, 전하 축적막(108)의 제1 방향(X)의 폭은, 채널 영역의 제1 방향(X)의 폭과 일치할 수 있다. 이는 산화물 반도체 박막(104), 터널링 절연막(106), 전하 축적막(108)이 연속적으로 증착된 후 한번에 동일한 영역에 해당하는 크기의 패턴으로 식각되기 때문이다. 이에 대한 구체적인 설명은 후술하도록 한다.The
전하 축적막(108)은 터널링 절연막(106)과 접촉되도록 형성될 수 있다. 즉, 전하 축적막(108)은 터널링 절연막(106) 상에 형성되며, 직접 접촉되도록 형성될 수 있다.The
또한, 전하 축적막(108)은 앞서 설명한 산화물 반도체 박막(104)과 터널링 절연막(106)과 동일한 조성물의 적층 구조로 구성될 수 있으며, 이때 산화물 반도체층의 경우 비휘발성 메모리 소자의 우수한 성능을 구현하기 위해서 적절한 전도성을 가질 수 있다. 즉, 전하 축적막(108)은 적어도 하나 이상의 산화물 반도체층과 적어도 하나 이상의 절연체층이 교대로 적층된 구조를 갖는다.In addition, the
적절한 전도성과 관련하여, 전하 축적막(108)의 적층 구조를 구성하는 산화물 반도체층의 경우 적합한 캐리어 농도의 범위는 1e14 cm-3 이상 내지 1e18 cm-3 이하일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 전하 축적막(108)은 산화물 반도체 박막(104)과 동일한 조성물로 구성될 수 있는바, 3~4eV의 에너지 밴드 갭을 가질 수 있고, 이러한 에너지 밴드갭 내부의 깊은 준위에 전자가 주입됨으로써 정보가 저장될 수 있다.With respect to proper conductivity, in the case of the oxide semiconductor layer constituting the stacked structure of the
또한, 전하 축적막(108)의 적층 구조를 구성하는 절연체층의 경우 유전 상수가 높은 알루미늄 산화막 (Al2O3), 하프늄 산화막 (HfO2)과 같은 터널링 절연막(106)과 동일한 조성물로 구성될 수 있으나, 특정 원소의 금속산화물로 한정되는 것은 아니다. 절연체층도 에너지 밴드갭의 깊은 준위에 전자가 주입됨으로써 정보가 저장될 수 있으며, 여기서 절연체층의 에너지 밴드갭은 4eV 내지 10eV일 수 있다. 저장되는 정보의 양, 속도, 유지시간은 전하 축적막(108)을 구성하는 산화물 반도체층의 전도성 범위, 절연체층 종류 및 두께, 삽입되는 수, 산화물 반도체층과 절연체층 적층 구조에 따라 다양하게 조절될 수 있다.In addition, in the case of an insulator layer constituting the stacked structure of the
게이트 절연막(110)은 전하 축적막(108)을 덮도록 형성된다. 보다 구체적으로, 게이트 절연막(110)은 전하 축적막(108) 상에 전하 축적막(108)을 감싸도록 형성될 수 있다. 또한, 게이트 절연막(110)은 앞서 설명한 터널링 절연막(106)과 동일한 소재로 구성될 수 있다.The
게이트 절연막(110)은 또한 차단 절연막층(blocking oxide)의 역할을 수행함과 동시에 패시베이션(passivation) 역할도 수행할 수 있다. 즉, 전하 축적막(108)에서 게이트 전극(114)으로 캐리어가 터널링되거나 이동하는 것을 방지할 수 있고, 외부의 충격으로부터 전하 축적막(108)을 보호할 수 있다. 따라서, 게이트 절연막(110)은 비휘발성 메모리 소자의 성능이 환경적인 측면에서 개선되는데 큰 역할을 수행한다.The
소스/드레인 전극패드(112)는 게이트 절연막(110)을 관통하도록 형성되고, 소스/드레인 전극(102)을 노출시키는 컨택 비아홀(H)을 채우도록 형성된다. 즉, 소스/드레인 전극패드(112)는 컨택 비아홀(H)을 채우도록 형성됨으로써, 소스/드레인 전극과 전기적으로 연결될 수 있다.The source /
또한 소스/드레인 전극패드(112)는 앞서 설명한 소스/드레인 전극(102)과 동일한 소재로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In addition, the source /
게이트 전극(114)은 게이트 절연막(110) 상에 형성된다. 보다 구체적으로, 게이트 전극(114)은 게이트 절연막(110) 상에 형성되며, 전하 축적막(108)과 정렬되는 형태로 형성될 수 있다.The
또한, 게이트 전극(114)은 전도성 산화물 박막 또는 전도성 유기물 박막으로 형성될 수 있으며, 통상적인 박막 트랜지스터의 제작에서 사용되는 금속박막으로 형성될 수도 있다. 즉, 게이트 전극(114)은 앞서 설명한 소스/드레인 전극(102)과 동일한 소재로 구성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In addition, the
본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자(1)는 구조적으로 단순화된 공정을 통해 제조될 수 있고, 본 발명에서 제시한 전하 축적막(108)을 구성하는 적층 구조를 적절하게 설계함으로써, 개선된 성능을 가질 수 있다. 즉, 산화물 반도체 박막(104), 터널링 절연막(106), 전하 축적막(108)을 연속적으로 증착한 후 한번의 패터닝 과정을 통해 동시에 동일한 영역에 해당하는 크기로 형성할 수 있으므로, 결과적으로 전하 축적막(108)의 추가적인 증착 공정을 제외하면 통상적인 상부 게이트 구조의 박막 트랜지스터와 거의 동일한 공정 횟수로 제조가 가능하며, 전하 축적막(108)의 적층 구조를 적절히 조절함으로써, 전하 축적막의 에너지 밴드갭 및 적층 구조의 계면에 저장되는 정보의 양, 속도, 유지시간을 향상시킬 수 있다. The
이하에서는, 도 2a 내지 도 2c를 참조하여, 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 전하 축적막 층의 구성 방법에 대해 설명하도록 한다. 앞서 설명한 실시예와 중복되는 내용에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다.Hereinafter, with reference to FIGS. 2A to 2C, a description will be given of a method of configuring a charge accumulation film layer according to some embodiments of the present invention. A detailed description of the content overlapping with the above-described embodiment will be omitted.
도 2a 내지 2c를 참조하면, 본 발명의 전하 축적막 층을 구성하는 산화물 반도체 박막과 절연체 박막의 적층 구조는 다양하게 구성될 수 있음을 알 수 있다.2A to 2C, it can be seen that the stacked structure of the oxide semiconductor thin film and the insulator thin film constituting the charge accumulation film layer of the present invention can be variously configured.
도 2a는 본 발명의 제1 실시예에서 파생된 제1 파생실시예에 따른 전하 축적막 층의 구성을 나타낸 단면도이다.2A is a cross-sectional view showing the structure of a charge accumulation film layer according to a first derivative embodiment derived from the first embodiment of the present invention.
도 2a를 참조하면, 제1 파생실시예는 전하 축적막(108)으로써 산화물 반도체층(108a)과 절연체층(108b)을 포함한다.Referring to FIG. 2A, the first derivative embodiment includes an
여기에, 산화물 반도체층으로는 산화 아연(ZnO), 인듐 갈륨 아연 산화물 (IGZO) 등이 포함될 수 있으며, 절연체층으로는 하프늄 산화물(HfO2), 알루미늄 산화물 (Al2O3), 실리콘 산화물(SiO2), 실리콘 산질화물(SiON), 실리콘 질화물(SiNx) 등이 포함될 수 있으나, 사용되는 물질은 위에 명시한 것에 한정되지 않는다.Here, the oxide semiconductor layer may include zinc oxide (ZnO), indium gallium zinc oxide (IGZO), etc., and the insulator layer may include hafnium oxide (HfO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), silicon oxide ( SiO 2 ), silicon oxynitride (SiON), silicon nitride (SiNx), and the like may be included, but the materials used are not limited to those specified above.
제1 파생실시예는 20nm 내지 30nm의 전하 축적막 내부에 1.5nm 내지 2.5 nm의 얇은 두께를 가진 절연체층이 산화물 반도체층의 내부에 2번 이하로 들어갈 수 있다. 이에 따라, 전하 축적막에서 절연체층이 차지하는 비율보다 산화물 반도체층의 비율이 더 크므로, 전하 주입에 의한 정보 저장 및 제거 과정에서 산화물 반도체층의 영향이 더 크다.In the first derivative embodiment, an insulator layer having a thickness of 1.5 nm to 2.5 nm inside the charge accumulation film of 20 nm to 30 nm may enter the oxide semiconductor layer twice or less. Accordingly, since the proportion of the oxide semiconductor layer is larger than that of the insulator layer in the charge accumulation film, the influence of the oxide semiconductor layer in the process of storing and removing information by charge injection is greater.
도 2b는 본 발명의 제1 실시예에서 파생된 제2 파생실시예에 따른 전하 축적막 층의 구성을 나타낸 단면도이다.2B is a cross-sectional view showing the structure of a charge accumulation film layer according to a second derivative embodiment derived from the first embodiment of the present invention.
도 2b를 참조하면, 20nm 내지 30nm의 전하 축적막 내부에 1.5nm 내지 2.5 nm의 얇은 두께를 가진 절연체층이 산화물 반도체층의 내부에 4번 이상으로 들어갈 수 있다.Referring to FIG. 2B, an insulator layer having a thickness of 1.5 nm to 2.5 nm inside the charge accumulation film of 20 nm to 30 nm may enter the oxide semiconductor layer four or more times.
도 2c는 본 발명의 제1 실시예에서 파생된 제3 파생실시예에 따른 전하 축적막 층의 구성을 나타낸 단면도이다.2C is a cross-sectional view showing the configuration of a charge accumulation film layer according to a third derivative embodiment derived from the first embodiment of the present invention.
도 2c를 참조하면, 20nm 내지 30nm의 전하 축적막 내부에 3.5nm 내지 4.5 nm의 두꺼운 절연체층이 산화물 반도체층의 내부에 2번 이상으로 들어갈 수 있다. 이 때, 절연체층과 산화물 반도체층 사이의 거리는 일정하게 유지한다.Referring to Figure 2c, a thick insulator layer of 3.5nm to 4.5nm inside the charge accumulation film of 20nm to 30nm may enter the oxide semiconductor layer more than once. At this time, the distance between the insulator layer and the oxide semiconductor layer is kept constant.
이하에서는, 도 3을 참조하여, 본 발명의 제2 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자에 대해 설명하도록 한다. 앞서 설명한 실시예들과 중복되는 내용은 생략하도록 한다.Hereinafter, a nonvolatile memory device according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 3. Details overlapping with the above-described embodiments will be omitted.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 단면도이다.3 is a cross-sectional view of a nonvolatile memory device according to a second embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자(3)는 도 1의 비휘발성 메모리 소자(1)와 달리, 하부 게이트 구조의 비휘발성 메모리 소자라는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 3, it can be seen that the nonvolatile memory device 3 according to the second embodiment of the present invention is a non-volatile memory device having a lower gate structure, unlike the
하부 게이트 구조의 비휘발성 메모리 소자(3)는 기판(100), 게이트 전극(214), 게이트 절연막(210), 전하 축적막(208), 터널링 절연막(216), 소스/ 드레인 전극(202), 산화물 반도체 박막(204), 보호 절연막(206), 도 5에 도시되지 않은 게이트 전극패드와 컨택 비아홀을 포함한다.The non-volatile memory device 3 having a lower gate structure includes a
게이트 전극(214)은 기판(100) 상에 형성된다. 보다 구체적으로, 게이트 전극(214)은 기판(100) 상에 형성되고, 가시광에서 투명한 특성을 갖는 도전성 산화물 전극 또는 도전성 유기물 전극 등으로 구성될 수 있다. 또한, 게이트 전극(214)이 형성되는 영역은 채널 영역에 기초하여 패터닝될 수 있고, 비휘발성 메모리 소자(1)의 게이트 전극과 동일한 물질을 포함할 수 있다.The
게이트 절연막(210)은 게이트 전극(214)을 덮는 형태로 형성된다. 보다 구체적으로, 게이트 절연막(210)은 게이트 전극(214)의 상부에 형성되어, 차단 절연막층(blocking oxide) 역할을 수행할 수 있다. 또한, 게이트 절연막(210)은 가시광에서 투명한 특성을 갖는 산화물 절연막층 또는 유기물 절연막층으로 구성될 수 있다. 즉, 비휘발성 메모리 소자(1)의 게이트 절연막과 동일한 물질을 포함할 수 있다.The
전하 축적막(208)은 게이트 절연막(210) 상부에 형성된다. 보다 구체적으로, 전하 축적막(208)은 게이트 절연막(210)에 의해 둘러싸이도록 형성될 수 있으며, 산화물 반도체 박막(204)에 포함되는 채널 영역의 제1 방향(X) 폭과 동일한 제1 방향(X) 폭을 가질 수 있다. 또한, 전하 축적막(208)은 비휘발성 메모리 소자(1)의 전하 축적막과 동일한 물질을 포함할 수 있으며, 앞서 설명한 적절한 전도성을 지니도록 형성될 수 있다.The
터널링 절연막(216)은 전하 축적막(208) 상에 형성된다. 보다 구체적으로, 터널링 절연막(216)은 전하 축적막(208) 및 게이트 절연막(210) 상에 형성되고, 비휘발성 메모리 소자의 구동 시 전하들의 적절한 터널링 현상을 유도하기 위해서 제2 방향(Y)의 두께가 4nm 내지 10nm로 구성될 수 있다. 또한, 비휘발성 메모리 소자(1)의 터널링 절연막과 동일한 물질을 포함할 수 있다. The tunneling insulating
게이트 전극패드는 도 3에서는 도시되어 있지 않지만, 터널링 절연막(216)과 게이트 절연막(210)을 관통하는 컨택 비아홀(미도시)을 매립하는 형태로 형성될 수 있다. 또한 게이트 전극패드는, 컨택 비아홀(미도시)을 매립하도록 형성됨으로써, 게이트 전극(214)과 연결될 수 있다.Although the gate electrode pad is not illustrated in FIG. 3, a contact via hole (not shown) penetrating through the tunneling insulating
소스/드레인 전극(202)은 터널링 절연막(216) 상에 제1 방향(X)으로 이격되도록 형성된다. 보다 구체적으로, 소스/드레인 전극(202)은 터널링 절연막(216) 상에 제1 방향(X)으로 이격되도록 형성되고, 비휘발성 메모리 소자(1)의 소스/드레인 전극과 동일한 물질을 포함할 수 있다. The source /
산화물 반도체 박막(204)은 소스/드레인 전극(202) 사이의 터널링 절연막(216) 상에 형성되고, 채널 영역을 포함한다. 보다 구체적으로, 산화물 반도체 박막(204)의 일부는 터널링 절연막(216)과 접촉하고, 나머지 일부는 소스/드레인 전극(202)의 일부와 접촉할 수 있다. 즉, 산화물 반도체 박막(204)의 양단은, 소스/드레인 전극(202)의 일부를 덮도록 형성될 수 있다. 또한, 산화물 반도체 박막(204)은 비휘발성 메모리 소자(1)의 산화물 반도체 박막과 동일한 물질을 포함할 수 있다.The oxide semiconductor
보호 절연막(206)은 산화물 반도체 박막(204) 상에 형성된다. 보다 구체적으로, 보호 절연막(206)은 산화물 반도체 박막(204) 상부의 소스/드레인 전극(202) 사이의 채널 영역 상에 형성될 수 있다. 또한, 보호 절연막(206)은 비휘발성 메모리 소자(1)의 터널링 절연막과 동일한 물질을 포함할 수 있다.The protective
이하에서는, 도 4 및 도 5를 참조하여, 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 게이트 전극에 양 또는 음의 프로그램 전압이 인가되었을 때의 캐리어의 이동에 대해 설명하도록 한다.Hereinafter, with reference to FIGS. 4 and 5, the movement of a carrier when a positive or negative program voltage is applied to a gate electrode of a nonvolatile memory device according to some embodiments of the present invention will be described.
도 4는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 게이트 전극에 양의 프로그램 전압이 인가되었을 때의 밴드구조를 설명하는 개념도이고, 도 5는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 게이트 전극에 음의 프로그램 전압이 인가되었을 때의 밴드구조를 설명하는 개념도이다.4 is a conceptual diagram illustrating a band structure when a positive program voltage is applied to a gate electrode of a nonvolatile memory device according to some embodiments of the present invention, and FIG. 5 is a nonvolatile memory according to some embodiments of the present invention This is a conceptual diagram illustrating a band structure when a negative program voltage is applied to the gate electrode of the device.
게이트 전극에 인가되는 프로그램 전압에 의해 전하 축적막에 주입되는 전하의 양은, 터널링 절연막과 전하 축적막 사이에 형성되는 장벽 높이의 크기 및 터널링 절연막(또는 비휘발성 메모리 소자(1) 또는 비휘발성 메모리 소자(3)의 보호 절연막; 이하, 터널링 절연막이라 칭하도록 한다) 자체의 두께에 따라 변화하게 된다. 터널링 절연막이 충분한 장벽 높이와 10nm 이하의 적절한 두께를 가지고 있다고 가정할 때, 전하의 터널링 이동 가능성은 산화물 반도체층과 절연체층의 적층 구조로 구성되는 전하 축적막의 구조에 의존할 수 있다. 기본적으로 N-형 반도체물질인 산화물 반도체와 절연체는 고유의 밴드 구조를 가지고 있다. 산화물 반도체의 고유의 다수 전자들은 대부분 얕은 레벨 상태에 존재하며, 깊은 레벨 상태에는 많은 결함(defect)들이 존재한다. 절연체는 밴드갭 내의 얕은 레벨 상태와 깊은 레벨 상태에 고유의 결함이 존재한다.The amount of charge injected into the charge accumulation film by the program voltage applied to the gate electrode is the size of the barrier height formed between the tunneling insulation film and the charge accumulation film and the tunneling insulation film (or
따라서, 도 4를 참조하면, 이러한 고유의 밴드 구조로 인해 양의 프로그램 전압을 게이트 전극에 인가시, 산화물 반도체 박막(300)으로부터 터널링 절연막(302)을 통해 터널링된 전자들이 전하 축적막(304)을 구성하는 산화물 반도체층의 깊은 레벨 상태(308) 또는 전하 축적막(304)을 구성하는 절연체의 얕은 레벨 상태(306)에 주입된다. 이 상태를 메모리 오프(꺼짐) 상태로 규정한다. Therefore, referring to FIG. 4, when a positive program voltage is applied to the gate electrode due to this unique band structure, electrons tunneled through the tunneling insulating
반면에, 도 5를 참조하면, 음의 프로그램 전압을 게이트 전극에 인가하게 되면, 전하 축적막 내부의 얕은 레벨 상태(326) 및 깊은 레벨 상태(328)에 존재하는 고유 전자들이 쉽게 전하 축적막(324)으로부터 터널링 절연막(322)을 통해 터널링 되어 메모리 온(켜짐) 상태가 된다. 여기서 전하 축적막(324)을 구성하는 산화물 반도체층 및 절연체층의 조성 및 종류를 변화시킴에 따라 전하 저장 능력이 변화될 수 있으며, 전하 축적막(324)을 구성하는 적층 구조에 따라 메모리 특성의 변화를 초래할 수 있다. 즉, 전하 축적막(324)의 적층 구조를 조절함으로써 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른 비휘발성 메모리 소자의 성능을 결정할 수 있다.On the other hand, referring to FIG. 5, when a negative program voltage is applied to the gate electrode, intrinsic electrons existing in the
이와 관련하여, 전하 축적막의 적층 구조가 메모리 성능에 미치는 영향을 다음의 3가지 경우로 나누어 설명할 수 있다. 각 경우는 상기 제1 실시예에서 파생된 제1 파생실시예, 제2 파생실시예 및 제3 파생실시예에 해당한다. In this regard, the effect of the stacked structure of the charge accumulation film on the memory performance can be explained by dividing it into the following three cases. Each case corresponds to the first derived embodiment, the second derived embodiment, and the third derived embodiment derived from the first embodiment.
제1 파생실시예를 참조하는 첫 번째 경우는, 전하 축적막을 구성하는 요소 중 하나인 절연체가 1.5nm 내지 2.5nm 정도의 상대적으로 얇은 두께를 가지고 두 번 이하로 들어갔을 때의 경우이다. 얇은 절연체가 두 번 이하로 적게 들어간 상태에서 프로그램 전압이 게이트 전극에 인가될 경우, 절연체가 매우 얇아 전하 축적막으로 작용하기 어려우며, 오히려 방해 인자로 작용될 수 있어 전하 축적 능력이 떨어진다. 하지만, 전체 전하 축적막에서 절연체가 차지하는 비율이 매우 적기 때문에 전체 메모리 성능에 미치는 영향은 크지 않다. 전체 전하 축적막에서 얇은 절연막이 적게 들어가기 때문에, 산화물 반도체가 상대적으로 큰 비율을 차지하여 전하 주입에 의한 정보 저장 과정에서 전하 축적막을 구성하는 산화물 반도체층의 영향이 크다.The first case referring to the first derived embodiment is a case in which an insulator, which is one of elements constituting the charge accumulation film, has a relatively thin thickness of about 1.5 nm to 2.5 nm and enters twice or less. When the program voltage is applied to the gate electrode in a state where the thin insulator is less than twice, the insulator is very thin and difficult to act as a charge accumulation film, but rather, it can act as a disturbance factor, thereby deteriorating the charge accumulation capability. However, since the ratio of the insulator to the total charge accumulation film is very small, the effect on the overall memory performance is not large. Since the thin insulating film is less in the entire charge accumulation film, the oxide semiconductor occupies a relatively large proportion, and thus the influence of the oxide semiconductor layer constituting the charge accumulation film in the information storage process by charge injection is large.
산화물 반도체의 전도성이 적절한 상태에서 양의 프로그램 전압이 게이트 전극에 인가될 경우, 산화물 반도체 박막 내부에서 흐르던 전자들이 큰 저항 요소 없이 전하 축적막 내부의 깊은 레벨 상태에 주입된다. 뿐만 아니라, 주입된 전하가 깊은 상태에 효과적으로 주입되었기 때문에, 저장된 정보가 오랫동안 유지 될 수 있다.When a positive program voltage is applied to the gate electrode in a state where the conductivity of the oxide semiconductor is appropriate, electrons flowing inside the oxide semiconductor thin film are injected into a deep level state inside the charge accumulation film without a large resistance element. In addition, since the injected charge is effectively injected into a deep state, stored information can be maintained for a long time.
또한, 전하 축적막의 전도성이 적절한 상태에서 음의 프로그램 전압이 게이트 전극에 인가될 경우, 적절한 양의 얕은 레벨 상태에 있는 고유 전자들이 산화물 반도체 박막으로 터널링 되어 충분한 메모리 특성을 얻을 수 있다. 결과적으로 산화물 반도체의 적절한 전도성으로 인해 우수한 메모리 성능을 얻을 수 있다. In addition, when a negative program voltage is applied to the gate electrode in a state where the conductivity of the charge accumulation film is appropriate, intrinsic electrons in an appropriate amount of shallow level state can be tunneled into the oxide semiconductor thin film to obtain sufficient memory characteristics. As a result, excellent memory performance can be obtained due to the proper conductivity of the oxide semiconductor.
제2 파생실시예를 참조하는 두 번째 경우는, 전하 축적막을 구성하는 요소 중 하나인 절연체가 1.5nm 내지 2.5nm 정도의 상대적으로 얇은 두께를 가지고 네 번 이상 들어갔을 때의 경우이다. 얇은 절연체가 네 번 이상으로 많이 들어간 상태에서 프로그램 전압이 게이트 전극에 인가될 경우, 절연체가 매우 얇아 전하 축적막으로 작용하기 어려우며, 오히려 방해 인자로 작용될 수 있다. 이는 전하의 저장 능력뿐만 아니라 전하의 이동 또한 방해하는 효과가 있어 프로그램 속도의 저하를 일으킨다. 따라서, 얇은 두께의 절연체가 많이 들어갈수록, 전체 전하 축적막에 대해 전하의 축적을 방해하는 절연체가 가지는 비율이 높아지기 때문에, 메모리 소자의 성능이 떨어지게 된다.The second case, referring to the second derivative, is a case in which an insulator, one of elements constituting the charge accumulation film, has a relatively thin thickness of about 1.5 nm to 2.5 nm and has been entered more than four times. When the program voltage is applied to the gate electrode in a state in which a thin insulator has been entered more than four times, the insulator is very thin, which makes it difficult to act as a charge accumulation film, and may act as a disturbance factor. This has the effect of not only storing the charge, but also preventing the movement of the charge, causing a decrease in program speed. Therefore, the more the thin-walled insulator enters, the higher the proportion of the insulator that prevents the accumulation of charges with respect to the entire charge accumulation film increases, so the performance of the memory device deteriorates.
제3 파생실시예를 참조하는 세 번째 경우는, 전하 축적막을 구성하는 요소 중 하나인 절연체가 3.5nm 내지 4.5nm의 상대적으로 두꺼운 두께를 가지고 두 번 이상 들어갔을 때의 경우이다. 두꺼운 절연체가 두 번 들어간 상태에서 프로그램 전압이 게이트 전극에 인가될 경우, 절연체가 충분한 트랩(trap) 밀도를 가져 전하 축적 능력이 향상된다. 절연체에서 전하 이동 속도가 산화물 반도체에 비해 느리기 때문에 프로그램 속도는 비교적 느리기는 하지만 전체 메모리 성능에 미치는 영향은 크지 않다. 따라서 충분한 두께의 절연체를 산화물 반도체와 적층 구조로 넣어줌으로써 전하 저장 능력이 우수한 메모리 특성이 획득될 수 있다. The third case, referring to the third derivative, is a case in which an insulator, which is one of elements constituting the charge accumulation film, has a relatively thick thickness of 3.5 nm to 4.5 nm and is entered more than once. When the program voltage is applied to the gate electrode in a state where the thick insulator is twice, the insulator has a sufficient trap density to improve the charge accumulation ability. Although the rate of charge transfer in the insulator is slower than that of the oxide semiconductor, the program speed is relatively slow, but the impact on overall memory performance is not large. Therefore, a memory property having excellent charge storage capability can be obtained by inserting an insulator of sufficient thickness into an oxide semiconductor and a stacked structure.
즉, 앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른 비휘발성 메모리 소자의 경우, 적절한 전도성을 가지는 산화물 반도체와 높은 유전 상수를 가지는 절연체의 적층 구조를 적용하여 전하 축적막을 구성함으로써, 비휘발성 메모리 소자의 구동 과정에서 전하의 주입 효율을 개선할 수 있을 뿐만 아니라 주입된 전하를 오랫동안 유지시키는 능력도 개선 할 수 있다. That is, as described above, in the case of a nonvolatile memory device according to some embodiments of the present invention, by applying a stacked structure of an oxide semiconductor having an appropriate conductivity and an insulator having a high dielectric constant, a charge accumulation film is formed, so that it is nonvolatile In the process of driving the memory device, not only can the efficiency of charge injection be improved, but also the ability to maintain the injected charge for a long time can be improved.
이하에서는, 도 6a 내지 도 6c를 참조하여, 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자들의 게이트 전압-드레인 전류 특성을 설명하도록 한다.Hereinafter, gate voltage-drain current characteristics of nonvolatile memory devices according to some embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. 6A to 6C.
<< 실험예Experimental example >>
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 제1 실시예와 그에서 파생된 실시예들에 따른 비휘발성 메모리 소자들의 게이트 전압-드레인 전류 특성을 설명하는 그래프이다.6A to 6C are graphs illustrating gate voltage-drain current characteristics of nonvolatile memory devices according to the first embodiment of the present invention and embodiments derived therefrom.
먼저, 도 6a 내지 도 6c에 도시된 게이트 전압(VGS)-드레인 전류(IDS) 특성에 대한 테스트 조건은 아래와 같다.First, test conditions for the gate voltage (VGS) -drain current (IDS) characteristics shown in FIGS. 6A to 6C are as follows.
드레인 단자에는 0.5 V(VDS)의 고정적인 전압을 인가하고, 게이트 단자에는 -10V ~ +10 V, -15V ~ +15 V, -20V ~ +20 V 그리고 -25V ~ +25 V의 스윕전압(VGS)을 연속적으로 인가하는 조건으로 게이트전압-드레인전류 특성을 평가하도록 한다.A fixed voltage of 0.5 V (VDS) is applied to the drain terminal, and sweep voltages of -10 V to +10 V, -15 V to +15 V, -20 V to +20 V, and -25 V to +25 V to the gate terminal ( VGS) to evaluate the gate voltage-drain current characteristics.
먼저, 기판은 유리 기판을 사용하고, 소스/드레인 전극은 150nm 두께의 ITO 박막을 사용한다. 산화물 반도체 박막으로는, 스퍼터링 방법으로 형성된 16nm 두께의 인듐-갈륨-아연 산화물(In-Ga-Zn-O) 박막을 사용하고, 터널링 절연막의 역할을 하는 터널링 절연막은 원자층 증착법으로 180℃의 온도에서 형성된 5nm 두께의 알루미늄 산화막(Al2O3)을 사용한다. 전하 축적막으로는, 원자층 증착법으로 아연 산화물(ZnO)과 하프늄 산화물(HfO2)이 총 22nm가 되도록 적층 구조를 사용한다. 이때, 아연 산화물 사이에 하프늄 산화물(HfO2) 2nm 또는 4nm가 총 한 번, 두 번 또는 네 번 들어가도록 구성하며, 아연 산화물(ZnO)과 하프늄 산화물(HfO2)의 거리는 일정하도록 조절한다. 또한, 게이트 절연막으로는 원자층 증착법으로 150℃의 온도에서 형성된 50nm 두께의 알루미늄 산화막(Al2O3)을 사용하고, 게이트 절연막을 식각하여 컨택 비아홀을 형성하는 식각 공정으로는, 포토레지스트를 식각 마스크로 이용한 습식 식각 공정을 적용할 수 있다. 게이트 전극 및 소스/드레인 전극패드로는 150nm 두께의 인듐 주석 산화물 박막을 사용하고, 게이트 전극 및 소스/드레인 전극패드는 스퍼터링 방식을 이용하여 형성할 수 있다.First, the substrate uses a glass substrate, and the source / drain electrode uses an ITO thin film having a thickness of 150 nm. As the oxide semiconductor thin film, a 16 nm thick indium-gallium-zinc oxide (In-Ga-Zn-O) thin film formed by a sputtering method is used, and the tunneling insulating film serving as a tunneling insulating film has a temperature of 180 ° C by atomic layer deposition. The aluminum oxide film (Al 2 O 3 ) having a thickness of 5 nm was used. As the charge accumulation film, a layered structure is used such that zinc oxide (ZnO) and hafnium oxide (HfO 2 ) are 22 nm in total by atomic layer deposition. At this time, 2 nm or 4 nm of hafnium oxide (HfO 2 ) between zinc oxide is configured to enter once, twice, or four times, and the distance between zinc oxide (ZnO) and hafnium oxide (HfO 2 ) is controlled to be constant. In addition, a 50 nm thick aluminum oxide film (Al 2 O 3 ) formed at a temperature of 150 ° C. by an atomic layer deposition method is used as the gate insulating film, and the photoresist is etched by etching the gate insulating film to form a contact via hole. A wet etching process used as a mask can be applied. A 150 nm thick indium tin oxide thin film is used as the gate electrode and the source / drain electrode pad, and the gate electrode and the source / drain electrode pad can be formed by sputtering.
여기에서, 게이트 전압-드레인 전류 특성 측정에 사용되는 소자들로는, 앞서 설명한 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자를 중 어느 하나가 적용될 수 있다. Here, as the elements used for measuring the gate voltage-drain current characteristic, any one of the nonvolatile memory elements according to some embodiments of the present invention described above may be applied.
이하에서는, 전하 축적막의 적층 구조에 따른 특성에 대해 확인하기 위해서 각기 다른 구조의 전하 축적막을 가지는 3개의 비휘발성 메모리 소자를 예로 들어 설명하도록 한다. Hereinafter, three nonvolatile memory elements having charge accumulation films of different structures will be described as an example in order to check characteristics according to the stacked structure of the charge accumulation film.
먼저, 3개의 비휘발성 메모리 소자(제1 파생실시예, 제2 파생실시예, 제3 파생실시예)는 각기 서로 다른 구조의 전하 축적막을 가지고 있기에, 각각의 전하 축적막은 각각 도 2a 내지 도 2c에 명시된 것과 같이, 2nm의 하프늄 산화물(HfO2) 막을 두 번, 네 번 또는 4nm의 하프늄 산화물 막을 두 번 포함한다. 즉, 이러한 3가지 조건으로 제조된 비휘발성 메모리 소자를 각각 제1 파생실시예(device 1 : 하프늄 산화물 막 2nm 두 번 포함), 제2 파생실시예(device 2 : 하프늄 산화물 막 2nm 네 번 포함), 제3 파생실시예(device 3 : 하프늄 산화물 막 4nm 두 번 포함)으로 정한다.First, since the three nonvolatile memory devices (first derived embodiment, second derived embodiment, and third derived embodiment) each have a charge accumulation film having a different structure, each charge accumulation film is respectively shown in FIGS. 2A to 2C. As specified in, a 2 nm hafnium oxide (HfO 2 ) film is included twice, four times, or a 4 nm hafnium oxide film twice. That is, each of the non-volatile memory devices manufactured under these three conditions is the first derived embodiment (device 1: contains hafnium oxide film twice 2 nm), and the second derived embodiment (device 2: includes
상기 실험예에 대하여 도 6a 내지 도 6c를 참조하면, 제1 파생실시예, 제2 파생실시예 및 제3 파생실시예는 게이트 전압(VGS)을 소인(sweep)할 때 시계방향의 히스테리시스 곡선(①->② 방향)을 보이며, 게이트 전압을 상승시킴에 따라 동작 전압 폭(가로 방향 폭)이 같이 상승하는 것을 확인할 수 있다. 이를 통해, 파울러-노드하임 터널링 과정을 통한 비휘발성 메모리 소자의 성공적인 동작이 확인되었다. 또한, 동작 전압 폭은 하프늄 산화물 막을 두껍게 넣을수록(제3 파생실시예), 하프늄 산화물 막이 얇을 때는 적게 넣을수록(제1 파생실시예) 크게 나타났다. 이는 하프늄 산화물 막이 4nm 이상으로 두껍게 도입될 때 충분한 전하 축적막 역할을 한다는 것을 의미한다.Referring to FIGS. 6A to 6C for the experimental example, the first, second, and third derivatives are clockwise hysteresis curves when sweeping the gate voltage VGS. ①-> ②), and it can be seen that the operating voltage width (width in the horizontal direction) increases as the gate voltage increases. Through this, the successful operation of the nonvolatile memory device through the Fowler-Nordheim tunneling process was confirmed. In addition, the operating voltage width was greater as the hafnium oxide film was thicker (third derivative) and less when the hafnium oxide film was thin (first derivative). This means that the hafnium oxide film acts as a sufficient charge accumulation film when it is thickly introduced at 4 nm or more.
이하에서는, 도 7을 참조하여, 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자들의 온/오프 프로그래밍 특성을 다양한 프로그램 전압을 통해 설명하도록 한다.Hereinafter, on / off programming characteristics of nonvolatile memory devices according to some embodiments of the present invention will be described with reference to FIG. 7 through various program voltages.
도 7은 본 발명의 제1 실시예와 그에서 파생된 실시예들에 따른 비휘발성 메모리 소자들의 온/오프 프로그래밍 특성을 다양한 프로그램 전압을 통해 설명하는 그래프이다.7 is a graph illustrating on / off programming characteristics of nonvolatile memory devices according to a first embodiment of the present invention and embodiments derived therefrom through various program voltages.
도 7에 도시된 게이트 전압(VGS)-드레인 전류(IDS) 특성에 대한 테스트 조건은 아래와 같다.The test conditions for the gate voltage (VGS) -drain current (IDS) characteristic shown in FIG. 7 are as follows.
드레인 단자에는 0.1V(VDS)의 고정적인 전압을 인가하고, 게이트 단자에는 -20V 또는 +20V의 펄스를 인가하는 조건으로 펄스 길이에 따른 프로그램 속도 특성을 평가하도록 한다.A program voltage characteristic according to the pulse length is evaluated under the condition that a fixed voltage of 0.1 V (VDS) is applied to the drain terminal and a pulse of -20 V or +20 V is applied to the gate terminal.
또한, 온/오프 프로그래밍 특성을 실험하기 위해 온/오프 프로그램 전압을 +20V 및 -20V로 1us, 10us, 100us, 500us, 1ms, 10ms, 100ms, 200ms, 500ms, 1s 동안 각각 인가한 뒤, 판독 전압을 게이트 전극에 0V, 그리고 드레인 전극에 0.1V로 각각 인가함으로써, 드레인 전류(IDS)를 획득하였다.In addition, to test the on / off programming characteristics, the on / off program voltage was applied to + 20V and -20V for 1us, 10us, 100us, 500us, 1ms, 10ms, 100ms, 200ms, 500ms, and 1s, respectively, and then the read voltage Drain current IDS was obtained by applying 0 V to the gate electrode and 0.1 V to the drain electrode, respectively.
동일한 온/오프 프로그램 전압의 크기와 폭을 게이트 전극에 인가하였을 때, 각 파생실시예에 따라 제작한 세 가지 종류의 소자에 따라 프로그램 특성에서 큰 차이를 보이는 것을 알 수 있다. 프로그램 속도는 제1 파생실시예(Device1), 제3 파생실시예(Device3) 및 제2 파생실시예(Device2) 순서로 빠른 것으로 나타났다. 또한, 최고 1e8 이상의 메모리 온/오프 전류 비를 획득할 수 있다는 것을 알 수 있다. 결과적으로, 메모리 프로그램 특성면에서는, 얇은 하프늄 산화물(HfO2) 막을 적게 넣어줄 때 속도가 가장 빠르지만, 세 소자 모두 성공적인 동작을 하는 것을 확인할 수 있다.When the same size and width of the on / off program voltage were applied to the gate electrode, it can be seen that there is a large difference in program characteristics according to the three types of devices manufactured according to each derivative. The program speed was found to be fast in the order of the first derived embodiment (Device1), the third derived embodiment (Device3), and the second derived embodiment (Device2). In addition, it can be seen that a memory on / off current ratio of up to 1e8 or more can be obtained. As a result, in terms of memory program characteristics, the speed is fastest when a thin hafnium oxide (HfO 2 ) film is put in, but it can be seen that all three devices perform successfully.
이하에서는, 도 8을 참조하여, 본 발명의 몇몇 파생실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자들의 전하 축적막의 TEM 이미지를 설명하도록 한다.Hereinafter, with reference to FIG. 8, a TEM image of a charge accumulation film of nonvolatile memory devices according to some derivative embodiments of the present invention will be described.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에서 파생된 제2 파생실시예와 제3 파생실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자들의 전하 축적막의 구조를 보여주는 TEM 이미지이다.8 is a TEM image showing a structure of a charge accumulation layer of nonvolatile memory devices according to the second and third derivatives derived from the first embodiment of the present invention.
도 8을 참조하면, 두 소자 모두 균일하면서도 깨끗한 계면을 가지는 하프늄 산화물(HfO2)막과 아연 산화물(ZnO)막의 적층 구조의 전하 축적막을 가지는 것을 확인할 수 있다. 소자 2(Device2)의 전하 축적막에 포함된 하프늄 산화물(HfO2) 막은 약 2nm의 두께를 가지고 있으며 총 22nm 두께의 전하 축적막 내부에 4번 들어가 있다. 소자 3(Device3)의 전하 축적막에 포함된 하프늄 산화물(HfO2) 막은 약 4nm의 두께를 가지고 있으며 총 22nm 두께의 전하 축적막 내부에 2번 들어가 있다. 따라서 전하 축적막의 적층 구조가 잘 조절되고 있음을 확인할 수 있다. 또한, 상기 소자들의 전기적 특성 차이는 전하 축적막의 구조 차이로부터 발생함을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 8, it can be seen that both devices have a charge accumulation film having a stacked structure of a hafnium oxide (HfO 2 ) film and a zinc oxide (ZnO) film having uniform and clean interfaces. The hafnium oxide (HfO 2 ) film included in the charge accumulation film of
앞서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른 비휘발성 메모리 소자들의 특성을 살펴보면, 전하 축적막의 구조에 따라 메모리 트랜지스터의 기본 게이트 전압-드레인 전류 특성뿐만 아니라, 프로그램 특성이 제어될 수 있다는 것을 알 수 있다. 보다 구체적으로, 아연 산화물(ZnO) 내부에 하프늄 산화물(HfO2)막이 어떤 두께로 몇 번 들어가는지에 따라 메모리 트랜지스터의 특성을 조절할 수 있다. 너무 얇은 1.5nm 내지 2.5nm의 하프늄 산화물(HfO2) 막이 4번 이상 많이 들어갈 경우, 하프늄 산화물(HfO2) 막은 절연체 역할을 하여 메모리 트랜지스터의 기본 동작을 방해하는 요소로 작용할 수 있으며, 동작 전압 폭 및 프로그램 특성을 저해한다. 반면, 적절한 두께의 하프늄 산화물(HfO2)막은 충분한 전하 축적 밀도를 가져 넓은 동작 전압 폭 및 충분한 메모리 온/오프 프로그램 특성에 핵심적인 영향을 미친다는 것을 알 수 있다. 이러한 결과는 앞서 설명한 바와 같이, 전도성을 조절한 산화물 반도체와 높은 유전 상수를 가지는 절연체를 이용한 적층 구조로 구성되는 전하 축적막을 포함하는 비휘발성 메모리 소자 및 그 제조 방법을 제공함으로써 확보할 수 있다. As described above, looking at the characteristics of the nonvolatile memory devices according to some embodiments of the present invention, it can be seen that the program characteristics can be controlled as well as the basic gate voltage-drain current characteristics of the memory transistor according to the structure of the charge accumulation layer. Able to know. More specifically, the characteristics of the memory transistor may be controlled according to the thickness and number of times the hafnium oxide (HfO2) film is contained in the zinc oxide (ZnO). If the hafnium oxide (HfO 2 ) film of too thin 1.5nm to 2.5nm enters more than 4 times, the hafnium oxide (HfO 2 ) film acts as an insulator and can act as an element that interferes with the basic operation of the memory transistor. And program characteristics. On the other hand, it can be seen that a hafnium oxide (HfO 2 ) film of an appropriate thickness has a sufficient charge accumulation density and thus has a key effect on a wide operating voltage width and sufficient memory on / off program characteristics. As described above, these results can be secured by providing a nonvolatile memory device comprising a stacked structure using an oxide semiconductor having a controlled conductivity and an insulator having a high dielectric constant and a method of manufacturing the same.
이하에서는 도 9a 내지 도 9e를 참조하여, 도 1의 비휘발성 메모리 소자의 제조 방법을 설명하도록 한다. 이하에서는 도 1에서 설명된 내용과 중복되는 내용은 생략하도록 한다.Hereinafter, a method of manufacturing the nonvolatile memory device of FIG. 1 will be described with reference to FIGS. 9A to 9E. Hereinafter, contents overlapping with those described in FIG. 1 will be omitted.
도 9a 내지 도 9e는 도 1의 비휘발성 메모리 소자의 제조 방법을 설명하는 중간 단계 도면들이다.9A to 9E are intermediate step views illustrating a method of manufacturing the nonvolatile memory device of FIG. 1.
도 9a를 참조하면, 기판(100) 상에 제1 방향(X)으로 서로 이격된 소스/드레인 전극(102)을 형성한다.9A, source /
여기서, 기판(100)은 유리 기판 또는 가요성 기판을 포함할 수 있다. 만약, 가요성 기판일 경우, 평활도 개선을 위해서 적절한 전처리 과정이 필요할 수 있다.Here, the
또한, 소스/드레인 전극(102)의 경우, 기판(100)상에 소스/드레인 전극용 도전막(미도시)을 형성한 후, 이를 습식 식각 또는 건식 식각 공정을 통해 패터닝하여 형성할 수 있다. 여기서 소스/드레인 전극용 도전막(미도시)은 스퍼터링 방식으로 형성될 수 있다.In addition, in the case of the source /
도 9b를 참조하면, 소스/드레인 전극(102) 사이의 기판(100) 상에 산화물 반도체 박막(103), 터널링 절연막(105), 전하 축적막(107)을 순서대로 적층하여 형성한다.Referring to FIG. 9B, an oxide semiconductor
여기서, 산화물 반도체 박막(103)의 두께 및 조성은 메모리 소자의 동작조건을 결정하는 중요한 변수로 작용하므로, 다음을 고려하여 산화물 반도체 박막(103)의 증착 두께(제2 방향(Y) 두께)를 결정하는 것이 바람직하다.Here, since the thickness and composition of the oxide semiconductor
첫 번째로, 메모리 소자의 동작특성을 확보할 수 있는 범위 내에서 산화물 반도체 박막(103)의 두께를 결정한다. 두 번째로, 메모리 트랜지스터의 저 전압 구동이 가능할 수 있도록 산화물 반도체 박막(103)의 두께를 결정하는 것이 바람직하다. 또한, 산화물 반도체 박막(103)은 200℃ 이하의 온도에서 형성되는 것이 바람직하다. First, the thickness of the oxide semiconductor
또한, 터널링 절연막(105)의 두께는 메모리 동작 특성을 결정짓는 중요한 소자 변수로 작용할 수 있다. 따라서, 다음의 사항을 고려하여 터널링 절연막(105)의 증착 두께(제2 방향(Y) 두께)를 결정하는 것이 바람직하다. In addition, the thickness of the tunneling insulating
첫 번째로, 메모리 트랜지스터의 동작 전압을 과하게 증가시키지 않는 범위에서 결정되어야 한다. 즉, 터널링 절연막(105)의 두께가 너무 두꺼운 경우, 전하 주입효율이 떨어질 뿐만 아니라, 트랜지스터의 게이트 스택의 일부를 구성하는 절연막에 의해 생기는 직렬 커패시터로 인해서 메모리 트랜지스터의 구동전압을 상승시키는 원인이 될 수 있기 때문이다. 따라서, 이러한 사항을 고려할 때 터널링 절연막(105)의 두께는 10nm 이하의 범위에서 결정되는 것이 바람직하다. 두 번째로, 산화물 반도체 박막(103)의 식각 공정 중 공정 열화를 충분히 억제할 수 있는 범위 및 과도한 터널링을 방지할 수 있는 범위에서 결정되어야 한다. 결과적으로, 두 가지 사항을 동시에 고려할 때, 터널링 절연막(105)의 두께는 4nm 내지 10nm의 범위에서 결정되는 것이 바람직하다. First, it must be determined in a range that does not excessively increase the operating voltage of the memory transistor. That is, when the thickness of the tunneling insulating
한편, 산화물 반도체 박막(103), 터널링 절연막(105) 및 전하 축적막(107)은 반도체 장치 제조 공정에서 통상적으로 사용되는 박막 형성 방식에 의해 형성될 수 있는데, 예를 들어, 원자층증착법(Atomic Layer Deposition, ALD), 화학 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD), 반응성 스퍼터링법(Reactive Sputtering)등에 의해 형성될 수 있다. 이때, 구체적인 공정 조건은 하부에 형성된 산화물 반도체 박막(103) 및 터널링 절연막(105)의 특성을 열화 시키지 않도록 공정 온도, 플라즈마 사용 여부, 박막 형성 원료 등을 결정하는 것이 바람직하다. 또한, 산화물 반도체 박막(103), 터널링 절연막(105) 및 전하 축적막(107)의 형성공정은 동일한 장비 내에서 연속적으로 수행(즉, 인시츄 공정)되는 것이 바람직하다. Meanwhile, the oxide semiconductor
여기에서, 전하 축적막(107)의 경우, 적층 구조의 변화를 통해서 전기적인 특성을 조절할 수 있다. 보다 구체적으로, 원자층증착법을 활용하여 박막을 구성할 때를 예로 들 수 있다. 원자층증착법을 이용하여 박막을 형성할 때 사이클 구성을 조절함에 따라 원하는 구조의 적층 막을 형성시킬 수 있다. 예를 들면, 아연 산화막(ZnO)과 하프늄 산화막(HfO2)의 적층 구조를 형성할 때 원자층 증착법의 사이클 수를 조절하면 하프늄 산화막(HfO2)이 어느 정도의 두께를 가지고 몇 번 들어가는지에 따라 전하 축적 능력을 변화시킨다. 이를 고려할 때, 원자층증착법을 활용하여 전하 축적막(107)의 적층 구조를 적절히 조절한다면, 본 발명에서 제안한 우수한 성능을 가지는 적층 구조의 전하 축적막(107)으로 구성된 비휘발성 메모리 소자를 구현 할 수 있다.Here, in the case of the
도 9c를 참조하면, 산화물 반도체 박막(103), 터널링 절연막(105), 전하 축적막(107)을 동일한 패턴으로 식각한다. 보다 구체적으로, 산화물 반도체 박막(103), 터널링 절연막(105) 및 전하 축적막(107)을 식각하여, 메모리 트랜지스터의 채널 영역 상에 산화물 반도체 박막(104), 터널링 절연막(106) 및 전하 축적막(108)을 형성할 수 있다. 여기서 식각 공정은 포토 리소그래피 공정에 의해 수행될 수 있다. 예를 들어, 소정의 습식 식각 용액을 사용하여 습식 식각 공정을 수행하거나, 플라즈마를 이용한 건식 식각 공정을 수행할 수 있다. 이와 같은 식각 공정 수행 시, 터널링 절연막(106)은 산화물 반도체 박막(108)이 열화 되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.9C, the oxide semiconductor
한편, 상술한 바와 같이 전하 축적막(108)을 형성하는 단계는 적어도 하나 이상의 산화물 반도체층과 적어도 하나 이상의 절연체층을 교대로 적층하여 전하 축적막(108)을 형성함으로써 전하 축적막(108)이 산화물 반도체층과 절연체층의 적층 구조를 갖도록 한다.On the other hand, as described above, the step of forming the
도 9d를 참조하면, 소스/드레인 전극(102)과 식각된 전하 축적막(108)을 덮도록 게이트 절연막(110)을 형성한다. 보다 구체적으로, 소스/드레인 전극(102), 산화물 반도체 박막(104), 터널링 절연막(106) 및 전하 축적막(108)을 덮도록 게이트 절연막(110)을 형성할 수 있다.Referring to FIG. 9D, a
도 9e를 참조하면, 게이트 절연막(110)을 관통하고, 소스/드레인 전극(102)를 노출시키는 컨택 비아홀(H)을 형성한다. 보다 구체적으로, 게이트 절연막(110)을 식각하여 소스/드레인 전극(102)을 노출시키는 컨택 비아홀(H)을 형성할 수 있다. 여기서 컨택 비아홀(H)의 형성 공정은 포토 리소그래피를 이용한 식각 공정 또는 소정의 습식 식각 용액을 이용한 습식 식각 공정에 의해 수행되는 것이 바람직하다. Referring to FIG. 9E, a contact via hole H that penetrates the
또한, 컨택 비아홀(H)을 형성한 후, 컨택 비아홀(H)을 채우고, 소스/드레인 전극과 연결되는 소스/드레인 전극패드(도 1의 112)를 형성하는 것에 의해 도 1에 도시된 비휘발성 메모리 소자(1)를 제조할 수 있다.In addition, after forming the contact via hole H, the contact via hole H is filled, and the non-volatile shown in FIG. 1 is formed by forming a source / drain electrode pad (112 of FIG. 1) connected to the source / drain electrode. The
이하에서는, 도 10을 참조하여, 도 3의 비휘발성 메모리 소자(2)의 제조 방법을 설명하도록 한다. 도 3 및 도 9a 내지 도 9e를 참조하여 설명한 내용과 중복되는 내용은 생략하도록 한다.Hereinafter, a method of manufacturing the
도 10a 및 10b는 도 3의 비휘발성 메모리 소자의 제조 방법을 설명하는 중간 단계 도면이다.10A and 10B are intermediate step views illustrating a method of manufacturing the nonvolatile memory device of FIG. 3.
도 10a를 참조하면, 먼저, 기판(100) 상에 게이트 전극(214)을 형성한다. 그 후, 게이트 전극(214)을 덮도록 게이트 절연막(210)을 형성할 수 있다.Referring to FIG. 10A, first, a
도 10b를 참조하면, 게이트 절연막(210)을 형성한 후, 기판(100)이 아닌 게이트 절연막(210) 상부면을 식각하여 홈을 형성한다. 식각은 예를 들면 포토레지스트를 식각 마스크로 이용한 습식 시각 공정을 적용할 수 있으며, 게이트 절연막(210) 상부면에서 홈이 형성되는 영역을 제외한 나머지 영역에 마스크를 적용하여 수행될 수 있다.Referring to FIG. 10B, after the
형성된 홈에는 식각된 전하 축적막(208)을 형성한다. 게이트 절연막(210)의 상부면에 전하 축적막을 형성한 후에, 홈에 해당하는 영역을 제외한 나머지 영역에 마스크를 적용하여 전하 축적막을 식각함으로써 식각된 전하 축적막(208)을 형성할 수 있다.An etched
전하 축적막(208)을 형성한 후에 도 9a 내지 도 9e에서 설명한 공정을 적용하여 터널링 절연막, 산화물 반도체 박막 및 보호 절연막을 순차적으로 형성하면, 도 3에 도시된 비휘발성 메모리 소자(2)가 제조될 수 있다.If the tunneling insulating film, the oxide semiconductor thin film, and the protective insulating film are sequentially formed by applying the process described in FIGS. 9A to 9E after the
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.Although the embodiments have been described by the limited drawings as described above, a person skilled in the art can make various modifications and variations from the above description. For example, the described techniques are performed in a different order than the described method, and / or the components of the described system, structure, device, circuit, etc. are combined or combined in a different form from the described method, or other components Alternatively, even if replaced or substituted by equivalents, appropriate results can be achieved.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are also within the scope of the following claims.
1, 3 : 비휘발성 메모리 소자
100 : 기판
102, 202 : 소스/드레인 전극
104, 204 : 산화물 반도체 박막
106, 216 : 터널링 절연막
108, 208 : 전하 축적막
110, 210 : 게이트 절연막
112 : 소스/드레인 전극패드
114, 214 : 게이트 전극
206 : 보호 절연막
H : 컨택 비아홀1, 3: Non-volatile memory device
100:
104, 204: oxide semiconductor
108, 208:
112: source /
206: protective insulating film H: contact via hole
Claims (22)
상기 기판 상에 서로 이격되어 형성되는 소스/드레인 전극;
상기 소스/드레인 전극 사이의 기판 상에 형성되되, 상기 소스/드레인 전극 각각의 일부를 덮도록 형성되는 산화물 반도체 박막;
상기 산화물 반도체 박막 상에 형성되는 터널링 절연막;
상기 터널링 절연막 상에 형성되고, 상기 터널링 절연막을 통해 터널링된 전하를 축적하는 전하 축적막;
상기 전하 축적막을 덮도록 형성되는 게이트 절연막; 및
상기 게이트 절연막 상에 형성되는 게이트 전극을 포함하고,
상기 전하 축적막은 적어도 하나 이상의 산화물 반도체층과 적어도 하나 이상의 절연체층이 교대로 적층된 구조를 갖는 비휘발성 메모리 소자.
Board;
A source / drain electrode spaced apart from each other on the substrate;
An oxide semiconductor thin film formed on a substrate between the source / drain electrodes and formed to cover a portion of each of the source / drain electrodes;
A tunneling insulating film formed on the oxide semiconductor thin film;
A charge accumulation film formed on the tunneling insulating film and accumulating electric charges tunneled through the tunneling insulating film;
A gate insulating film formed to cover the charge accumulation film; And
It includes a gate electrode formed on the gate insulating film,
The charge accumulation layer has a structure in which at least one oxide semiconductor layer and at least one insulator layer are alternately stacked.
상기 기판은 투명한 재질로 형성되는 비휘발성 메모리 소자.
According to claim 1,
The substrate is a non-volatile memory device formed of a transparent material.
상기 산화물 반도체 박막은 가시광 영역에서 투명한 산화물 반도체로 형성되는 비휘발성 메모리 소자.
According to claim 1,
The oxide semiconductor thin film is a non-volatile memory device formed of a transparent oxide semiconductor in the visible region.
상기 산화물 반도체 박막은 소정 길이를 갖는 채널 영역을 포함하고,
상기 터널링 절연막은 상기 채널 영역 상에 형성되는 비휘발성 메모리 소자.
According to claim 1,
The oxide semiconductor thin film includes a channel region having a predetermined length,
The tunneling insulating layer is a non-volatile memory device formed on the channel region.
상기 전하 축적막에 저장되는 정보의 양, 속도 및 유지시간은 상기 적어도 하나 이상의 산화물 반도체층의 전도성 범위, 상기 적어도 하나 이상의 절연체층의 종류 및 두께, 상기 적어도 하나 이상의 산화물 반도체층과 상기 적어도 하나 이상의 절연체층이 삽입되는 수 및 적층 구조에 따라 조절되는 비휘발성 메모리 소자.
According to claim 1,
The amount, speed, and retention time of the information stored in the charge accumulation layer are the conductive range of the at least one oxide semiconductor layer, the type and thickness of the at least one insulator layer, the at least one oxide semiconductor layer and the at least one or more A non-volatile memory device that is controlled according to the number of insulating layers inserted and the stacked structure.
상기 적어도 하나 이상의 산화물 반도체층은 1e14cm-3 내지 1e18cm-3의 캐리어 농도를 갖는 비휘발성 메모리 소자.
The method of claim 5,
The at least one oxide semiconductor layer is a non-volatile memory device having a carrier concentration of 1e14cm -3 to 1e18cm -3 .
상기 적어도 하나 이상의 절연체층은 4eV 내지 10eV의 에너지 밴드갭을 가지는 절연체로 형성되는 비휘발성 메모리 소자.
The method of claim 5,
The at least one insulator layer is formed of an insulator having an energy band gap of 4eV to 10eV.
상기 적어도 하나 이상의 절연체층은 상기 전하 축적막에 2번 적층되고, 1.5nm 내지 2.5nm의 두께를 갖는 비휘발성 메모리 소자.
The method of claim 5,
The at least one insulator layer is stacked twice on the charge accumulation layer and has a thickness of 1.5 nm to 2.5 nm.
상기 적어도 하나 이상의 절연체층은 상기 전하 축적막에 2번 적층되고, 3.5nm 내지 4.5nm의 두께를 갖는 비휘발성 메모리 소자.
The method of claim 5,
The at least one insulator layer is stacked twice on the charge accumulation layer and has a thickness of 3.5 nm to 4.5 nm.
상기 적어도 하나 이상의 절연체층은 상기 전하 축적막에 4번 적층되고, 1.5nm 내지 2.5nm의 두께를 갖는 비휘발성 메모리 소자.
The method of claim 5,
The at least one insulator layer is stacked four times on the charge accumulation layer and has a thickness of 1.5 nm to 2.5 nm.
상기 소스/드레인 전극이 노출되도록 상기 게이트 절연막을 관통하여 형성되는 한 쌍의 컨택 비아홀; 및
상기 한 쌍의 컨택 비아홀을 채우도록 형성되고, 상기 소스/드레인 전극과 연결되는 소스/드레인 전극 패드를 더 포함하는 비휘발성 메모리 소자.
According to claim 1,
A pair of contact via holes formed through the gate insulating layer to expose the source / drain electrodes; And
A non-volatile memory device further comprising source / drain electrode pads formed to fill the pair of contact via holes and connected to the source / drain electrodes.
상기 기판 상에 형성되는 게이트 전극;
상기 게이트 전극을 덮도록 형성되는 게이트 절연막;
상기 게이트 절연막의 상부면에 형성된 홈에 형성되고, 터널링된 전하를 축적하는 전하 축적막;
상기 게이트 절연막 및 상기 전하 축적막 상에 형성되는 터널링 절연막;
상기 터널링 절연막 상에 서로 이격되어 형성되는 소스/드레인 전극;
상기 소스/드레인 전극 사이의 터널링 절연막 상에 형성되되, 상기 소스/드레인 전극 각각의 일부를 덮도록 형성되는 산화물 반도체 박막; 및
상기 산화물 반도체 박막 상에 형성되는 보호 절연막을 포함하고,
상기 산화물 반도체 박막은 소정 길이를 갖는 채널 영역을 포함하고,
상기 전하 축적막의 폭은 상기 채널 영역의 길이와 동일하고, 적어도 하나 이상의 산화물 반도체층과 적어도 하나 이상의 절연체층이 교대로 적층된 구조를 갖는 비휘발성 메모리 소자.
Board;
A gate electrode formed on the substrate;
A gate insulating film formed to cover the gate electrode;
A charge accumulation film formed in a groove formed in an upper surface of the gate insulating film and accumulating tunneled charges;
A tunneling insulating film formed on the gate insulating film and the charge accumulation film;
A source / drain electrode formed spaced apart from each other on the tunneling insulating film;
An oxide semiconductor thin film formed on a tunneling insulating layer between the source / drain electrodes and formed to cover a portion of each of the source / drain electrodes; And
It includes a protective insulating film formed on the oxide semiconductor thin film,
The oxide semiconductor thin film includes a channel region having a predetermined length,
The width of the charge accumulation film is the same as the length of the channel region, and has a structure in which at least one oxide semiconductor layer and at least one insulator layer are alternately stacked.
상기 기판은 투명한 재질로 형성되고,
상기 산화물 반도체 박막은 가시광 영역에서 투명한 산화물 반도체로 형성되는 비휘발성 메모리 소자.
The method of claim 12,
The substrate is formed of a transparent material,
The oxide semiconductor thin film is a non-volatile memory device formed of a transparent oxide semiconductor in the visible region.
상기 전하 축적막에 저장되는 정보의 양, 속도 및 유지시간은 상기 적어도 하나 이상의 산화물 반도체층의 전도성 범위, 상기 적어도 하나 이상의 절연체층의 종류 및 두께, 상기 적어도 하나 이상의 산화물 반도체층과 상기 적어도 하나 이상의 절연체층이 삽입되는 수 및 적층 구조에 따라 조절되는 비휘발성 메모리 소자.
The method of claim 12,
The amount, speed, and retention time of the information stored in the charge accumulation layer are the conductive range of the at least one oxide semiconductor layer, the type and thickness of the at least one insulator layer, the at least one oxide semiconductor layer and the at least one or more A non-volatile memory device that is controlled according to the number of insulating layers inserted and the stacked structure.
상기 적어도 하나 이상의 절연체층은 상기 전하 축적막에 2번 적층되고, 1.5nm 내지 2.5nm의 두께를 갖는 비휘발성 메모리 소자.
The method of claim 14,
The at least one insulator layer is stacked twice on the charge accumulation layer and has a thickness of 1.5 nm to 2.5 nm.
상기 적어도 하나 이상의 절연체층은 상기 전하 축적막에 2번 적층되고, 3.5nm 내지 4.5nm의 두께를 갖는 비휘발성 메모리 소자.
The method of claim 14,
The at least one insulator layer is stacked twice on the charge accumulation layer and has a thickness of 3.5 nm to 4.5 nm.
상기 적어도 하나 이상의 절연체층은 상기 전하 축적막에 4번 적층되고, 1.5nm 내지 2.5nm의 두께를 갖는 비휘발성 메모리 소자.
The method of claim 14,
The at least one insulator layer is stacked four times on the charge accumulation layer and has a thickness of 1.5 nm to 2.5 nm.
상기 소스/드레인 전극 각각의 일부를 덮도록 상기 소스/드레인 전극 사이의 기판 상에 산화물 반도체 박막을 형성하는 단계;
상기 산화물 반도체 박막 상에 터널링 절연막을 형성하는 단계;
상기 터널링 절연막 상에 상기 터널링 절연막을 통해 터널링된 전하를 축적하는 전하 축적막을 형성하는 단계;
상기 산화물 반도체 박막, 터널링 절연막 및 전하 축적막을 동일한 패턴으로 식각하는 단계;
상기 소스/드레인 전극과 전하 축적막을 덮도록 게이트 절연막을 형성하는 단계; 및
상기 게이트 절연막 상에 게이트 전극을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 전하 축적막을 형성하는 단계는 적어도 하나 이상의 산화물 반도체층과 적어도 하나 이상의 절연체층을 교대로 적층하여 상기 전하 축적막을 형성하는 비휘발성 메모리 소자의 제조방법.
Forming source / drain electrodes spaced apart from each other on a substrate;
Forming an oxide semiconductor thin film on the substrate between the source / drain electrodes so as to cover a portion of each of the source / drain electrodes;
Forming a tunneling insulating film on the oxide semiconductor thin film;
Forming a charge accumulation film on the tunneling insulating film to accumulate charges tunneled through the tunneling insulating film;
Etching the oxide semiconductor thin film, the tunneling insulating film, and the charge accumulation film in the same pattern;
Forming a gate insulating film to cover the source / drain electrodes and the charge accumulation film; And
And forming a gate electrode on the gate insulating layer,
The forming of the charge accumulation film is a method of manufacturing a nonvolatile memory device in which at least one oxide semiconductor layer and at least one insulator layer are alternately stacked to form the charge accumulation film.
상기 전하 축적막을 형성하는 단계는 원자층증착법(Atomic Layer Deposition, ALD)의 사이클 수를 조절하여 상기 적어도 하나 이상의 산화물 반도체층과 상기 적어도 하나 이상의 절연체층의 두께 및 적층 수를 조절하는 비휘발성 메모리 소자의 제조방법.
The method of claim 18,
The step of forming the charge accumulation layer is a nonvolatile memory device that controls the number of cycles of atomic layer deposition (ALD) to control the thickness and the number of stacks of the at least one oxide semiconductor layer and the at least one insulator layer. Method of manufacturing.
상기 게이트 절연막을 식각하여 상기 상기 소스/드레인 전극을 노출시키는 한 쌍의 컨택 비아홀을 형성하는 단계; 및
상기 한 쌍의 컨택 비아홀을 채우고, 상기 소스/드레인 전극과 연결되는 소스/드레인 전극 패드를 형성하는 단계를 더 포함하는 비휘발성 메모리 소자의 제조방법.
The method of claim 18,
Etching the gate insulating layer to form a pair of contact via holes exposing the source / drain electrodes; And
And forming a source / drain electrode pad connected to the source / drain electrode and filling the pair of contact via holes.
상기 게이트 전극을 덮도록 게이트 절연막을 형성하는 단계;
상기 게이트 절연막의 상부면을 식각하여 홈을 형성하는 단계;
터널링된 전하를 축적하는 전하 축적막을 상기 홈에 형성하는 단계;
상기 게이트 절연막 및 상기 전하 축적막 상에 터널링 절연막을 형성하는 단계;
상기 터널링 절연막 상에 소스/드레인 전극을 서로 이격하여 형성하는 단계;
상기 소스/드레인 전극 각각의 일부를 덮도록 상기 소스/드레인 전극 사이의 터널링 절연막 상에 산화물 반도체 박막을 형성하는 단계; 및
상기 산화물 반도체 박막 상에 보호 절연막을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 전하 축적막을 형성하는 단계는 적어도 하나 이상의 산화물 반도체층과 적어도 하나 이상의 절연체층을 교대로 적층하여 상기 전하 축적막을 형성하는 비휘발성 메모리 소자의 제조방법.
Forming a gate electrode on the substrate;
Forming a gate insulating film to cover the gate electrode;
Forming a groove by etching an upper surface of the gate insulating film;
Forming a charge accumulation film in the groove to accumulate tunneled charges;
Forming a tunneling insulating film on the gate insulating film and the charge accumulation film;
Forming source / drain electrodes spaced apart from each other on the tunneling insulating film;
Forming an oxide semiconductor thin film on the tunneling insulating layer between the source / drain electrodes so as to cover a portion of each of the source / drain electrodes; And
And forming a protective insulating film on the oxide semiconductor thin film,
The forming of the charge accumulation film is a method of manufacturing a nonvolatile memory device in which at least one oxide semiconductor layer and at least one insulator layer are alternately stacked to form the charge accumulation film.
상기 전하 축적막을 형성하는 단계는 원자층증착법(Atomic Layer Deposition, ALD)의 사이클 수를 조절하여 상기 적어도 하나 이상의 산화물 반도체층과 상기 적어도 하나 이상의 절연체층의 두께 및 적층 수를 조절하는 비휘발성 메모리 소자의 제조방법.
The method of claim 21,
The step of forming the charge accumulation layer is a nonvolatile memory device that controls the number of cycles of atomic layer deposition (ALD) to control the thickness and the number of stacks of the at least one oxide semiconductor layer and the at least one insulator layer. Method of manufacturing.
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