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표제지
목차
국문요지 9
제1장 서론 11
1.1. Nano floating gate memory (NFGM) 의 등장 배경 11
1.2. NFGM의 기본 구조 및 개념 13
1.3. NFGM의 동작 원리 16
1.4. 나노입자의 형성 방법 20
1.4.1. 화학적 방법(chemical method) 20
1.4.2. 열적 방법(annealing method) 23
1.4.3. 생성된 나노입자의 확인 방법 26
1.5. NFGM의 전기적 특성 측정 방법 29
1.5.1. Capacitance-Voltage (C-V) 측정 29
1.5.2. Current-Voltage (I-V) 측정 32
1.6. 터널장벽조절(Tunnel Barrier Engineering) 기술 34
제2장 실험 39
2.1. WSi₂ 나노입자의 형성 39
2.1.1. WSi₂의 특성 및 장점 39
2.1.2. WSi₂ 나노입자의 형성 조건 및 분석 41
2.2. WSi₂ nano floating gate capacitor 의 제작 45
2.3. 터널장벽조절을 이용한 WSi₂ NGFM 소자의 제작 48
제3장 실험 결과 및 토의 52
3.1. WSi₂ nano floating gate capacitor 의 전기적 특성 52
3.1.1. 상온에서의 실험 결과 52
3.1.2. 측정온도 변화에 따른 실험 결과 59
3.2. 터널장벽조절을 이용한 WSi₂ NGFM 소자의 전기적 특성 61
3.2.1. 출력 및 전달 특성 61
3.2.2. 메모리 특성 63
3.2.3. 동작 속도와 retention의 trade-off 문제 해결 69
제4장 결론 72
참고문헌 74
ABSTRACT 77
연구 윤리 서약서 79
Declaration of Ethical Conduct in Research 80
표 1.1. 터널장벽조절을 이용한 WSi₂ NFGM 소자의 메모리 특성 비교 68
그림 1.1. NFGM의 기본구조 15
그림 1.2. NFGM의 동작원리 (a) 쓰기(program), (b) 지우기(erase) 상태 18
그림 1.3. NFGM에서의 터널링 메커니즘 (a) 직접 터널링, (b) FN 터널링 19
그림 1.4. 화학적 방법으로 형성된 (a) In₂O₃, (b) ZnO 나노입자 22
그림 1.5. 열처리를 통한 나노입자의 형성 과정 25
그림 1.6. 나노입자의 확인방법 (a) 전기적 방법, (b) 광학적 방법 28
그림 1.7. (a) 이상적인 C-V 곡선, (b) 전하저장에 따른 C-V 곡선의 이동 31
그림 1.8. 나노입자의 전하저장에 따른 I-V 곡선의 이동 33
그림 1.9. Likharev가 제안한 TBE 터널 산화막 구조 37
그림 1.10. 전압에 따라 변화하는 SiO₂, TBE 터널 산화막의 에너지 밴드 구조 38
그림 2.1. (a) RTA, (b) 퍼니스를 이용한 열처리 공정을 통하여 형성된 WSi₂ 나노입자 44
그림 2.2. WSi₂ nano floating gate capacitor의 제작 공정 및 구조 47
그림 2.3. 터널장벽조절을 이용한 WSi₂ NFGM 소자의 제작 공정 50
그림 2.4. (a) 제작된 WSi₂ NFGM 소자의 전체 구조, (b) TBE 터널 산화막의 종류와 그 제작 방법 51
그림 3.1. (a) WSi₂ 나노입자가 있는 경우, (b) 없는 경우의 C-V 곡선 54
그림 3.2. WSi₂ nano floating gate capacitor 의 (a) 쓰기/지우기 속도, (b) retention 특성 55
그림 3.3. WSi₂ nano floating gate capacitor 의 누설전류밀도 56
그림 3.4. WSi₂ nano floating gate capacitor 의 endurance 특성 58
그림 3.5. 측정 온도 변화에 따른 (a) C-V hysteresis, (b) retention 변화 60
그림 3.6. WSi₂ NFGM 소자의 전달/출력 특성 62
그림 3.7. SiO₂ 터널 산화막 위에 형성된 WSi₂ NFGM 소자의 메모리 특성 64
그림 3.8. VARIOT(ONO) 터널 산화막 위에 형성된 WSi₂ NFGM 소자의 메모리 특성 66
그림 3.9. Crested(NON) 터널 산화막 위에 형성된 WSi₂ NFGM 소자의 메모리 특성 67
그림 3.10. 세 가지 터널 산화막을 이용한 WSi₂ NFGM 소자의 메모리 특성 비교 71
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본 논문에서는 터널장벽조절을 이용한 WSi₂ NFGM 소자를 제작하여 차세대 비휘발성 메모리 소자로의 응용 가능성과 함께 동작 속도와 retention 특성 사이의 trade-off 문제 해결 가능성에 대해 연구하였다.
WSi₂ 나노입자는 스퍼터링 방법으로 WSi₂ 박막을 1∼2 nm 두께로 얇게 증착한 후, 1000 ℃ 에서 1 분 동안 RTA 를 이용하여 제조하였으며, TEM 을 통하여 분석한 결과 2.5 nm 크기의 WSi₂ 나노입자가 4.5 nm 두께의 SiO₂ 터널 산화막과 30 nm 두께의 SiO₂ 컨트롤 산화막 사이에 균일한 크기와 3.59×1012cm-²의 높은 밀도를 지니는 단일 층으로 잘 형성 되어 있음을 확인할 수 있었다.
WSi₂ nano floating gate capacitor 의 C-V hysteresis 곡선을 통하여 WSi₂ 나노입자의 메모리 효과를 확인할 수 있었으며, 이를 바탕으로 터널장벽조절(TBE 터널 산화막)을 이용한 WSi₂ NFGM 소자를 제작하였다. SiO₂, VARIOT(ONO), crested(NON)의 세 가지 터널 산화막을 이용한 WSi₂ NFGM 소자의 1.0 V memory window 에서의 동작속도와 106 초 후의 전하손실(retention) 특성은 각각 50 ms, 83.3 %(SiO₂), 100 ms, 33.3 %(VARIOT), 80 ms, 31.5 %(crested) 였다. 이를 통하여 터널 장벽조절을 이용한 WSi₂ NFGM 소자의 메모리 효과와 비휘발성 특성을 확인할 수 있었다.
또한 SiO₂ 터널 산화막의 경우에서는 빠른 동작 속도와 긴 retention 특성을 동시에 향상 시킬 수 없는 trade-off 문제를 확실히 확인할 수 있었으며, 이와는 달리 TBE 터널 산화막의 경우에는 SiO₂ 의 경우보다 두꺼운 EOT 에도 불구하고, 확연히 나쁘지 않은 동작 속도와 두꺼운 물리적 두께(7∼8 nm)로 인하여 훨씬 우수한 retention 특성을 가지는 것을 확인 할 수 있었다. 더욱이, EOT 조절을 통하여 빠른 동작속도 역시 얻을 수 있음을 확인하였다.
이러한 결과를 통하여 터널장벽조절을 이용한 WSi₂ NFGM 소자가 차세대 비휘발성 메모리로의 응용 가능성이 있음을 확인하였으며, TBE 터널 산화막을 사용함으로써 빠른 동작속도와 긴 retention 특성을 동시에 얻을 수 있어 현재 플래시 메모리 소자의 문제점인 동작속도와 retention 의 trade-off 문제를 해결할 수 있음을 확인하였다.
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