일괄(in-situ)공정을 통한 저전압, 고집적 소자의 구현을 위하여 초기산화막 형성과 NO(nitric oxide) 질화 열처리, 재산화를 거친 재산화 질화산화막을 게이트 유전막으로 갖는 전하트랩형 비휘발성 반도체 기억소자를 제작하고 그 특성을 조사하였다. 적층 ONO 공정과 달리 일괄공정은 자연산화막이 배제된 우수한 산화막을 얻을 수 있고 공정이 간단하다는 장점이 있다. 그리고 질화 열처리는 산화막의 성능 향상에 기여한다는 것이 이미 잘 알려져 있다. 이 연구에서는 우선 재산화 질화산화막을 제작하고 질소의 분포와 결합상태를 분석, 조사하였고 게이트 유전막으로 재산화 질화산화막을 사용한 ...
일괄(in-situ)공정을 통한 저전압, 고집적 소자의 구현을 위하여 초기산화막 형성과 NO(nitric oxide) 질화 열처리, 재산화를 거친 재산화 질화산화막을 게이트 유전막으로 갖는 전하트랩형 비휘발성 반도체 기억소자를 제작하고 그 특성을 조사하였다. 적층 ONO 공정과 달리 일괄공정은 자연산화막이 배제된 우수한 산화막을 얻을 수 있고 공정이 간단하다는 장점이 있다. 그리고 질화 열처리는 산화막의 성능 향상에 기여한다는 것이 이미 잘 알려져 있다. 이 연구에서는 우선 재산화 질화산화막을 제작하고 질소의 분포와 결합상태를 분석, 조사하였고 게이트 유전막으로 재산화 질화산화막을 사용한 비휘발성 메모리 소자를 제작하여 질화 열처리 온도에 따른 메모리 특성을 조사하였다. 비휘발성 소자의 제작에는 리트로그레이드 트윈웰(retrograde twin well)과 일층 폴리, 일층 금속배선을 갖는 0.35㎛ CMOS 표준 로직 공정을 그대로 사용하였고 유전막의 질화 열처리 조건에 따라 소자를 구분하였다. 열처리 조건에 따른 유전막 내의 질소의 분포와 결합상태 분석을 위해서 D-SIMS(Dynamic Secondary Ion Mass Spectrometry)와 ToF-SIMS (Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry), XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy) 분석을 수행하였다. 질소의 농도에 따른 전하트랩형 비휘발성 기억소자로서의 특성을 비교하였다. 분석 결과, 질화 열처리 온도가 높아질수록 초기계면에 축적되는 질소의 농도는 증가하였다. 재산화시 확산하는 질소의 농도도 재산화 온도가 높을수록 증가하였다. 그러나 초기계면 부근에 남아있는 질소의 농도는 재산화 공정에 의해 어느 한정된 값 이상은 감소되지 않음을 알 수 있었다. 초기계면 근처에는 질소의 미결합손에 의한 SiON 결합이, 재산화후 새로운 Si-SiO2 계면근처에는 실리콘의 미결합손에 의한 Si2NO 결합이 주된 질소의 결합종이며, 기억특성에 기여하는 부분은 SiON 임을 보였다. 재산화 질화산화막을 게이트 유전막으로 하는 전하트랩형 기억소자를 제작하여 기억특성을 조사한 결과, 질화 열처리 온도가 높을수록 기억유지특성 및 열화특성이 저하된다는 결과를 보여주었다. 800℃ NO 질화 열처리를 수행한 유전막의 갖는 소자의 경우 0.6V과 1.6V의 초기 문턱전압에서 12V, 100㎳의 기억조건과 -13V, 100㎳의 소거조건에서 약 2V의 기억창을 얻었다. 기억유지 특성에서는 질화 열처리 온도가 높은 소자일수록 소거상태에서의 기억유지 감쇠율이 크게 나타났다. 초기의 계면상태는 질화 열처리 온도가 높아질수록 계면트랩밀도가 조금씩 증가하였으며 기억/소거 반복 후의 계면의 열화는 질화 열처리 온도와 비례하여 더 크게 발생하였다. 질화 열처리 온도가 높을수록, 초기계면 근처의 축적된 질소중에서 재산화에 의해 확산되는 질소의 양이 많아지기 때문에 전자의 트랩이 증가하는 것으로 볼 수 있다. 또한 질소에 의해 생성되는 트랩의 수가 많아지므로 높은 질화 열처리 온도에서 가장 큰 누설전류를 나타내었다. 본 연구를 통해서 재산화 질화산화막의 구조가 적층 ONO 구조와 같이 기억특성에 기여하는 질소의 결합종이 산화막 내에 매몰된 형태를 가지고 있으며, 재산화 질화산화막을 게이트 유전막으로 갖는 새로운 전하트랩형 비휘발성 반도체 기억소자의 개발 가능성을 확인할 수 있었다.
일괄(in-situ)공정을 통한 저전압, 고집적 소자의 구현을 위하여 초기산화막 형성과 NO(nitric oxide) 질화 열처리, 재산화를 거친 재산화 질화산화막을 게이트 유전막으로 갖는 전하트랩형 비휘발성 반도체 기억소자를 제작하고 그 특성을 조사하였다. 적층 ONO 공정과 달리 일괄공정은 자연산화막이 배제된 우수한 산화막을 얻을 수 있고 공정이 간단하다는 장점이 있다. 그리고 질화 열처리는 산화막의 성능 향상에 기여한다는 것이 이미 잘 알려져 있다. 이 연구에서는 우선 재산화 질화산화막을 제작하고 질소의 분포와 결합상태를 분석, 조사하였고 게이트 유전막으로 재산화 질화산화막을 사용한 비휘발성 메모리 소자를 제작하여 질화 열처리 온도에 따른 메모리 특성을 조사하였다. 비휘발성 소자의 제작에는 리트로그레이드 트윈웰(retrograde twin well)과 일층 폴리, 일층 금속배선을 갖는 0.35㎛ CMOS 표준 로직 공정을 그대로 사용하였고 유전막의 질화 열처리 조건에 따라 소자를 구분하였다. 열처리 조건에 따른 유전막 내의 질소의 분포와 결합상태 분석을 위해서 D-SIMS(Dynamic Secondary Ion Mass Spectrometry)와 ToF-SIMS (Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry), XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy) 분석을 수행하였다. 질소의 농도에 따른 전하트랩형 비휘발성 기억소자로서의 특성을 비교하였다. 분석 결과, 질화 열처리 온도가 높아질수록 초기계면에 축적되는 질소의 농도는 증가하였다. 재산화시 확산하는 질소의 농도도 재산화 온도가 높을수록 증가하였다. 그러나 초기계면 부근에 남아있는 질소의 농도는 재산화 공정에 의해 어느 한정된 값 이상은 감소되지 않음을 알 수 있었다. 초기계면 근처에는 질소의 미결합손에 의한 SiON 결합이, 재산화후 새로운 Si-SiO2 계면근처에는 실리콘의 미결합손에 의한 Si2NO 결합이 주된 질소의 결합종이며, 기억특성에 기여하는 부분은 SiON 임을 보였다. 재산화 질화산화막을 게이트 유전막으로 하는 전하트랩형 기억소자를 제작하여 기억특성을 조사한 결과, 질화 열처리 온도가 높을수록 기억유지특성 및 열화특성이 저하된다는 결과를 보여주었다. 800℃ NO 질화 열처리를 수행한 유전막의 갖는 소자의 경우 0.6V과 1.6V의 초기 문턱전압에서 12V, 100㎳의 기억조건과 -13V, 100㎳의 소거조건에서 약 2V의 기억창을 얻었다. 기억유지 특성에서는 질화 열처리 온도가 높은 소자일수록 소거상태에서의 기억유지 감쇠율이 크게 나타났다. 초기의 계면상태는 질화 열처리 온도가 높아질수록 계면트랩밀도가 조금씩 증가하였으며 기억/소거 반복 후의 계면의 열화는 질화 열처리 온도와 비례하여 더 크게 발생하였다. 질화 열처리 온도가 높을수록, 초기계면 근처의 축적된 질소중에서 재산화에 의해 확산되는 질소의 양이 많아지기 때문에 전자의 트랩이 증가하는 것으로 볼 수 있다. 또한 질소에 의해 생성되는 트랩의 수가 많아지므로 높은 질화 열처리 온도에서 가장 큰 누설전류를 나타내었다. 본 연구를 통해서 재산화 질화산화막의 구조가 적층 ONO 구조와 같이 기억특성에 기여하는 질소의 결합종이 산화막 내에 매몰된 형태를 가지고 있으며, 재산화 질화산화막을 게이트 유전막으로 갖는 새로운 전하트랩형 비휘발성 반도체 기억소자의 개발 가능성을 확인할 수 있었다.
Charge trap type NVSMs(Non-Volatile Semiconductor Memory) with reoxidized nitrided oxide gate were fabricated by in-situ process to realize low voltage and high density device and the characteristics of devices were investigated. An excellent oxide film which has excluded native oxide can be obtaine...
Charge trap type NVSMs(Non-Volatile Semiconductor Memory) with reoxidized nitrided oxide gate were fabricated by in-situ process to realize low voltage and high density device and the characteristics of devices were investigated. An excellent oxide film which has excluded native oxide can be obtained by simple in-situ process. And it is well known that the thermal nitridation improve the properties of silicon oxide. In this research, at first, the reoxidized nitrided oxides were fabricated and the nitrogen distribution and bonding state were analyzed. And the nitridation temperature dependent memory characteristics of NVSMs using reoxidized nitrided oxide as a gate dielectric were investigated. The devices were fabricated using 0.35㎛ retrograde twin well CMOS processes and splitted by thermal nitridation condition of dielectric. D-SIMS, ToF-SIMS, and XPS analyses were performed to investigate the distribution of nitrogen and bonding species in the dielectrics. The concentration of nitrogen near initial interface was increased as the thermal nitridation temperature increased and nitrogen redistribution also increased in reoxidation. But, there remained some nitrogen, which has not redistributed, near initial interface. The nitrogen bonding species of initial interface and new Si-SiO2 interface which was formed after reoxidation are SiON bonding by nitrogen dangling bond and Si2NO bonding by silicon dangling bond. The SiON species contributed to the memory characteristics. With the charge trap type NVSMs using reoxidized nitrided oxide, as a result of investigation of memory characteristics, the device got inferior memory characteristics as the nitridation temperature increased. In the case of 800℃ NO annealed device, it showed about 2V memory window at 12V, 100㎳ write and -13V, 100㎳ erase conditions with the initial threshold voltage of 0.6V and 1.6V. The higher temperature annealed device showed the higher decay rate of retention at erased state. The intial interface states densities were increased proportional to the nitridation temperature increment. After write/erase cycling of devices, the more degradation was observed with the nitridation temperature increment. It can be said that as the nitridation temperature increased, the redistribution of nitrogen is increased so the electron traps are increased. And there were some more leakage currents in the higher nitridation temperatures due to the traps generated by nitrogen. According to this study, the structure of reoxidized nitrided oxide was similar to that of stack ONO which has buried nitrogen bonding species. We could see the probability of development of new charge trap type NVSM using reoxidized nitrided oxide gate dielectric.
Charge trap type NVSMs(Non-Volatile Semiconductor Memory) with reoxidized nitrided oxide gate were fabricated by in-situ process to realize low voltage and high density device and the characteristics of devices were investigated. An excellent oxide film which has excluded native oxide can be obtained by simple in-situ process. And it is well known that the thermal nitridation improve the properties of silicon oxide. In this research, at first, the reoxidized nitrided oxides were fabricated and the nitrogen distribution and bonding state were analyzed. And the nitridation temperature dependent memory characteristics of NVSMs using reoxidized nitrided oxide as a gate dielectric were investigated. The devices were fabricated using 0.35㎛ retrograde twin well CMOS processes and splitted by thermal nitridation condition of dielectric. D-SIMS, ToF-SIMS, and XPS analyses were performed to investigate the distribution of nitrogen and bonding species in the dielectrics. The concentration of nitrogen near initial interface was increased as the thermal nitridation temperature increased and nitrogen redistribution also increased in reoxidation. But, there remained some nitrogen, which has not redistributed, near initial interface. The nitrogen bonding species of initial interface and new Si-SiO2 interface which was formed after reoxidation are SiON bonding by nitrogen dangling bond and Si2NO bonding by silicon dangling bond. The SiON species contributed to the memory characteristics. With the charge trap type NVSMs using reoxidized nitrided oxide, as a result of investigation of memory characteristics, the device got inferior memory characteristics as the nitridation temperature increased. In the case of 800℃ NO annealed device, it showed about 2V memory window at 12V, 100㎳ write and -13V, 100㎳ erase conditions with the initial threshold voltage of 0.6V and 1.6V. The higher temperature annealed device showed the higher decay rate of retention at erased state. The intial interface states densities were increased proportional to the nitridation temperature increment. After write/erase cycling of devices, the more degradation was observed with the nitridation temperature increment. It can be said that as the nitridation temperature increased, the redistribution of nitrogen is increased so the electron traps are increased. And there were some more leakage currents in the higher nitridation temperatures due to the traps generated by nitrogen. According to this study, the structure of reoxidized nitrided oxide was similar to that of stack ONO which has buried nitrogen bonding species. We could see the probability of development of new charge trap type NVSM using reoxidized nitrided oxide gate dielectric.
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