고온 재료 소재 및 MOSCAP 스택 구조 비교 분석

문서 내 토픽

1. 트랩층 재료 비교

SiO, SiON, SiN, CN, ZrN, HfN 6종 재료의 트랩 특성을 비교 분석했다. 트랩 깊이(Et)는 HfN > ZrN > CN > SiN > SiON > SiO 순으로 깊으며, 결함 종류는 재료별로 상이하다. 고온 안정성은 HfN이 최강이고 ZrN, CN, SiN, SiON, SiO 순이다. 상대유전율(εr)은 HfN ≥ ZrN > SiN ≥ CN > SiON > SiO 순서를 보인다. Deep trap 기반 NVM에서는 HfN이 최우수 후보로 평가된다.
2. HfN/SiN 기반 MOSCAP 스택 구조

TaN / Al₂O₃ 1.6 nm / HfN 4.0 nm / SiN 3.0 nm / Al₂O₃ 1.4 nm / SiO₂ 2.5 nm / Si(or SiC) 구조로 설계되었다. HfN은 deep trap층, SiN은 medium trap 및 trap density 향상층 역할을 수행한다. 이중 트랩 구조로 고온 보유 및 속도 균형을 최적화하며, Et_eff는 2.7~3.2 eV 수준이다.
3. 고온 보유 특성 및 신뢰성

150°C에서 수 년~수십 년, 250°C에서 수 일~수 주(SiC 적용 시 수 개월), 300~400°C에서 수 분~수 시간의 보유 특성을 나타낸다. 전계 분포 분석 결과 HfN에 우선적으로 trap이 채워져 retention에 유리하다. Deep retention, 고온 안정성, radiation hardness 측면에서 우수한 실용적 NVM stack으로 평가된다.
4. 프로그램/삭제 속도 특성

12~14 V에서 50~150 ns, 10~11 V에서 200~500 ns, 10 V 이하에서 μs 수준의 프로그램/삭제 속도를 보인다. 다양한 전압 범위에서 빠른 동작 속도를 제공하며, 저전압 동작 시에도 마이크로초 수준의 응답 시간을 유지한다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

1. 트랩층 재료 비교

트랩층 재료의 선택은 메모리 소자의 성능을 결정하는 핵심 요소입니다. 실리콘 나이트라이드(SiN), 알루미나(Al2O3), 하프늄 옥사이드(HfO2) 등 다양한 재료들이 사용되고 있으며, 각각의 장단점이 있습니다. SiN은 우수한 전하 트래핑 특성과 안정성으로 널리 사용되지만, 높은 유전상수를 가진 재료들은 더 나은 전하 저장 용량을 제공합니다. 재료 선택 시 트래핑 밀도, 방출 시간, 누설 전류 등을 종합적으로 고려해야 하며, 공정 호환성과 신뢰성도 중요한 판단 기준입니다. 향후 고성능 메모리 개발을 위해서는 다층 트랩층 구조나 새로운 재료 조합에 대한 연구가 필요합니다.
2. HfN/SiN 기반 MOSCAP 스택 구조

HfN/SiN 기반 MOSCAP 스택 구조는 현대 비휘발성 메모리 소자에서 매우 유망한 구조입니다. 하프늄 나이트라이드(HfN)는 높은 유전상수와 우수한 전하 트래핑 특성을 제공하며, SiN과의 조합은 계면 특성을 최적화할 수 있습니다. 이러한 이중층 구조는 전하 저장 용량을 증대시키면서도 누설 전류를 억제할 수 있는 장점이 있습니다. 다만 재료 간 격자 부정합과 계면 결함 관리가 중요하며, 공정 온도와 분위기 제어가 필수적입니다. 이 구조는 차세대 플래시 메모리와 저항성 메모리 개발에 중요한 역할을 할 것으로 예상됩니다.
3. 고온 보유 특성 및 신뢰성

고온 환경에서의 보유 특성은 메모리 소자의 실용성을 결정하는 중요한 지표입니다. 높은 온도에서는 열 에너지에 의한 전하 방출이 가속화되어 데이터 손실이 발생할 수 있습니다. 특히 85°C 이상의 고온에서 장시간 보유 특성을 유지하는 것이 산업 표준입니다. 신뢰성 향상을 위해서는 트랩층의 깊은 에너지 준위 설계, 계면 결함 최소화, 그리고 적절한 산화층 두께 조절이 필요합니다. 또한 반복적인 프로그램/삭제 사이클에 따른 열화 메커니즘을 이해하고 예측하는 것이 중요합니다. 신뢰성 평가를 위한 가속 수명 시험과 장기 신뢰성 데이터 축적이 필수적입니다.
4. 프로그램/삭제 속도 특성

프로그램/삭제 속도는 메모리 소자의 동작 성능을 나타내는 핵심 파라미터입니다. 빠른 프로그램 속도는 높은 처리량을 가능하게 하며, 효율적인 삭제 속도는 소자의 재사용성을 보장합니다. 일반적으로 프로그램 속도는 마이크로초 단위, 삭제 속도는 밀리초 단위로 요구됩니다. 속도 특성은 트랩층의 전하 트래핑 효율, 터널링 산화층의 두께, 그리고 인가 전압에 크게 영향을 받습니다. 그러나 속도 향상과 신뢰성 사이에는 트레이드오프 관계가 존재하므로, 최적의 균형점을 찾는 것이 중요합니다. 향후 고속 메모리 개발을 위해서는 새로운 터널링 메커니즘과 재료 조합에 대한 연구가 필요합니다.