저가형 MOSCAP 기술 기획 및 스택 설계

문서 내 토픽

1. MOSCAP 구조 및 스택 설계

Metal(TaN) / Al2O3(1.6nm) / Al2O(2.76)(5.5nm) / SiO2(2.6nm) / Si로 구성된 산소결핍형 Al-O 기반 전자트랩 구조의 MOSCAP 기술. Gate Metal은 TaN, Blocking층은 Al2O3 1.6nm, Trap Layer는 Al2O(2.76) 5.5nm, Tunnel층은 SiO2 2.6nm, Substrate는 Si로 설계되어 있다. 이 구조는 저가형 MOSCAP 제작을 위한 최적화된 스택 구성이다.
2. 전자트랩 및 Deep Et 특성

Al2O(2.76)은 산소결핍 기원의 V_O trap을 기반으로 하며, Deep Et ~ 2.5~2.6eV를 기대한다. 2.6nm 터널막은 보유성 중심 설계에 유리하며, 이러한 특성은 메모리 소자의 데이터 보유 성능을 향상시킨다.
3. Program/Erase 및 읽기 동작

Program 동작은 +Vg에서 전자 주입으로 수행되고, Erase 동작은 -Vg에서 트랩 전자 제거로 진행된다. 읽기 동작은 Gate≈0V 또는 소신호 AC 기반 near-NDR 읽기 방식을 사용하여 메모리 상태를 감지한다.
4. 온도별 실효 보유시간

27°C에서는 만년~10^5년대의 보유시간, 85°C에서는 수백~수천년, 125°C에서는 수십~수백년, 150°C에서는 수년~수십년의 실효 보유시간을 나타낸다. 온도가 증가할수록 보유시간이 감소하는 특성을 보인다.

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1. MOSCAP 구조 및 스택 설계

MOSCAP(Metal-Oxide-Semiconductor Capacitor) 구조는 비휘발성 메모리 소자의 핵심 기반이 되는 중요한 구조입니다. 효과적인 스택 설계는 게이트 산화막의 두께, 터널링 산화막, 그리고 블로킹 산화막 간의 최적화된 조합을 필요로 합니다. 특히 고집적도 메모리 구현을 위해서는 얇은 산화막으로 충분한 전기장을 형성하면서도 누설 전류를 최소화해야 합니다. 플로팅 게이트와 컨트롤 게이트 사이의 커플링 비율은 프로그래밍 효율성에 직접적인 영향을 미치므로, 정밀한 공정 제어와 재료 선택이 매우 중요합니다. 현대의 3D NAND 플래시 메모리에서도 이러한 MOSCAP 원리가 적용되고 있어 기초 기술로서의 가치가 지속적입니다.
2. 전자트랩 및 Deep Et 특성

전자트랩(Electron Trap)과 Deep Et(Deep Energy Trap) 특성은 메모리 소자의 신뢰성과 데이터 보유 특성을 결정하는 중요한 요소입니다. 산화막 내의 트랩은 전자를 포획하여 임계전압 변화를 야기하며, 이는 프로그래밍 상태의 안정성에 영향을 줍니다. Deep Et는 특히 장시간 데이터 보유 시 중요한 역할을 하는데, 깊은 에너지 준위의 트랩은 포획된 전자의 방출 확률을 낮춰 데이터 손실을 방지합니다. 다만 과도한 트랩 밀도는 프로그래밍 특성을 악화시킬 수 있으므로, 공정 조건 최적화를 통해 적절한 트랩 분포를 유지하는 것이 필수적입니다.
3. Program/Erase 및 읽기 동작

Program/Erase(P/E) 동작과 읽기 동작은 플래시 메모리의 기본적인 기능을 구현하는 핵심 프로세스입니다. 프로그래밍은 높은 전압을 인가하여 전자를 플로팅 게이트로 주입하고, 소거는 역방향 전압으로 전자를 제거합니다. 읽기 동작은 낮은 전압에서 임계전압 변화를 감지하여 저장된 데이터를 판별합니다. P/E 사이클 반복에 따른 산화막 열화는 프로그래밍 속도 저하와 임계전압 분포 확대를 초래하므로, 신뢰성 있는 동작을 위해서는 정확한 전압 제어와 타이밍 최적화가 필요합니다. 멀티레벨 셀(MLC) 이상의 고밀도 메모리에서는 이러한 동작의 정밀성이 더욱 중요합니다.
4. 온도별 실효 보유시간

온도별 실효 보유시간(Data Retention Time)은 메모리 소자의 신뢰성을 평가하는 가장 중요한 지표 중 하나입니다. 높은 온도에서는 열에너지가 증가하여 플로팅 게이트의 전자가 더 쉽게 방출되므로, 보유시간이 급격히 단축됩니다. 일반적으로 온도가 10°C 상승할 때마다 보유시간은 지수적으로 감소하는 경향을 보입니다. 따라서 상온에서의 보유시간을 정확히 예측하기 위해서는 고온에서의 가속 열화 시험 데이터를 활용한 외삽이 필수적입니다. 산업 표준에서는 55°C 또는 85°C에서의 측정값을 기반으로 실제 사용 환경에서의 보유시간을 추정하고 있으며, 이는 메모리 제품의 신뢰성 보증 기간 결정에 직접적인 영향을 미칩니다.