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전하트랩형 NVSM의 게이트 유전막을 위한 질화산화막의 재산화특성에 관한 연구
이상은,한태현,서광열 한국결정성장학회 2001 韓國結晶成長學會誌 Vol.11 No.5
초박막 게이트 유전막 및 비휘발성 기억소자의 게이트 유전막으로 연구되고 있는 $NO/N_2O$ 열처리된 재산화 질화산 화막의 특성을 D-SIMS(Dynamic Secondary Ion Mass Spectrometry), ToF-SIMS(Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry), AES(Auger Electron Spectroscopy)으로 조사하였다. 시료는 초기산화막 공정후에 NO 및 $N_2O$ 열처리를 수행하였으며, 다시 재산화공정을 통하여 질화산화막내 질소의 재분포를 형성토록하였다. 재산화에 있어서 습식산화시 공정에 사용된 수소에 의한 영향으로 계면 근처에 축적된 질소가 Si≡N 결합을 쉽게 이탈함에 따라 방출이 촉진되어 건식산화에 비하여 질소의 감소가 더욱 두드러지게 나타났다. 재산화에 따른 질화산화막내 질소의 거동은 외부로의 방출과 기판으로의 확산이 동시에 나타난다. 재산화후 질화산화막내 축적된 질소의 결합종을 분석한 결과, 초기산화막 계면근처의 질소는 SiON의 결합종이 주도적으로 나타나는 반면 재산화 후 새롭게 형성된 $Si-SiO_2$ 계면근처로 확산한 질소는 $Si_2NO$ 결합종이 주로 검출된다. SiON에 의한 질소의 미결합손과 $Si_2$NO에 의한 실리콘의 미겨랍손은 기억특성에 기여하는 결함을 포함하기 때문에 재산화 질화산화막내 존재하는 SiON과 $Si_2$NO 결합종은 모두 전하트랩의 기원과 관련된 결합상태로 예상된다. The characteristics of $NO/N_2O$ annealed reoxidized nitrided oxide being studied as super thin gate oxide and gate dielectric layers of Non-Volatile Semiconductor Memory (NVSM) were investigated by Dynamic Secondary Ion Mass Spectrometry (D-SIMS), Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry (ToF-SIMS), and Auger Electron Spectroscopy (AES). The specimen was annealed by $NO/N_2O$ after initial oxide process and then rcoxidized for nitrogen redistribution in nitrided oxide. Out-diffusion of incorporated nitrogen during the wet oxidation in reoxidation process took place more strongly than that of the dry oxidation. It seems to indicate that hydrogen plays a role in breaking the Si N bonds. As reoxidation proceeds, incorporated nitrogen of $NO/N_2O$ annealed nitrided oxide is obsen-ed to diffuse toward the surface and substrate at the same time. ToF-SIMS results show that SiON species are detected at the initialoxide interface, and Si,NO species near the new $Si_2NO$ interface that formed after reoxidation. These SiON and $Si_2NO$ species most likely to relate to the origin of the state of memory charge traps in reoxidized nitrided oxide, because nitrogen dangling bonds of SiON and silicon dangling bonds of $Si_2NO$ are contained defects associated with memory effect.
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재산화 질화산화 게이트 유전막을 갖는 전하트랩형 비휘발성 기억소자의 트랩특성
홍순혁,서광열 한국결정성장학회 2002 한국결정성장학회지 Vol.12 No.6
Novel charge trap type memory devices with reoxidized oxynitride gate dielectrics made by NO annealing and reoxidation process of initial oxide on substrate have been fabricated using 0.35 $\mu \textrm{m}$ retrograde twin well CMOS process. The feasibility for application as NVSM memory device and characteristics of traps have been investigated. For the fabrication of gate dielectric, initial oxide layer was grown by wet oxidation at $800^{\circ}C$ and it was reoxidized by wet oxidation at $800^{\circ}C$ after NO annealing to form the nitride layer for charge trap region for 30 minutes at $850^{\circ}C$. The programming conditions are possible in 11 V, 500 $\mu \textrm{s}$ for program and -13 V, 1ms for erase operation. The maximum memory window is 2.28 V. The retention is over 20 years in program state and about 28 hours in erase state, and the endurance is over $3 \times 10^3$P/E cycles. The lateral distributions of interface trap density and memory trap density have been determined by the single junction charge pumping technique. The maximum interface trap density and memory trap density are $4.5 \times 10^{10} \textrm{cm}^2$ and $3.7\times 10^{18}/\textrm{cm}^3$ respectively. After $10^3$ P/E cycles, interlace trap density increases to $2.3\times 10^{12} \textrm{cm}^2$ but memory charges decreases. 실리콘 기판 위의 초기 산화막을 NO 열처리 및 재산화 공정방법으로 성장한 재산화된 질화산화막을 게이트 유전막으로 사용한 새로운 전하트랠형 기억소자로의 응용가능성과 계면트랩특성을 조사하였다. 0.35$\mu$m CMOS 공정기술을 사용하여 게이트 유전막은 초기산화막을 $800^{\circ}C$에서 습식 산화하였다 전하트랩영역인 질화막 층을 형성하기 위해 $800^{\circ}C$에서 30분간 NO 열처리를 한 후 터널 산화막을 만들기 위해 $850^{\circ}C$에서 습식 산화방법으로 재산화하였다. 프로그램은 11 V, 500$\mu$s으로 소거는 -l3 V, 1 ms의 조건에서 프로그래밍이 가능하였으며, 최대 기억창은 2.28 V이었다. 또한 11 V, 1 ms와 -l3 V, 1 ms로 프로그램과 소거시 각각 20년 이상과 28시간의 기억유지특성을 보였으며 $3 \times 10^3$회 정도의 전기적 내구성을 나타내었다. 단일접합 전하펌핑 방법으로 소자의 계면트랩 밀도와 기억트랩 밀도의 공간적 분포를 구하였다. 초기상태에서 채널 중심 부근의 계면트랩 및 기억트랩 밀도는 각각 $4.5 \times 10^{10}/{cm}^2$ 와 $3.7\times 10^{1R}/{cm}^3$ 이었다. $1 \times 10^3$프로그램/소거 반복 후, 계면트랩은 $2.3\times 10^{12}/{cm}^2$으로 증가하였으며, 기억트랩에 기억된 전하량은 감소하였다.
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