Trade-Off Relationship of Size and Density of Platinum Nanocrystal in Nonvolatile Memory Characteristics

연구 배경

금속 NC처럼 분리된 저장 노드에 전하를 저장하는 메모리는 전하를 국소화하고 셀 간 간섭을 줄일 수 있어 다결정 실리콘 부유 게이트 메모리의 대안으로 주목받아 왔습니다. 백금(5.65 eV)과 금(5.1 eV)처럼 일함수가 높은 금속은 실리콘 NC보다 결합이 강하고 프로그램 속도가 빠르며 유지 시간이 길 것으로 기대됩니다. 메모리 성능은 NC의 크기와 밀도에 함께 좌우되지만, 제한된 면적에서 두 변수는 서로 상충하고 하나만 독립적으로 조절하기 어려워 복합 효과가 분명하지 않았습니다.

설계와 접근

p형 Si 기판에 두께 4.5 nm의 열산화 SiO2 터널링 산화막을 기른 금속-산화물-반도체(MOS) 커패시터를 제작했습니다. 이 산화막 위에 초기 두께 2, 4, 6, 8 nm의 얇은 Pt 젖음층을 스퍼터링하고, N2 분위기에서 800 °C, 30초 급속 열처리(RTA)로 분리된 NC로 바꾸어 막 두께로 NC 크기와 밀도를 함께 조절했습니다. 플라스마 화학기상증착(PE-CVD)으로 300 °C에서 두께 60 nm의 SiO2 제어 산화막을 올리고 두께 200 nm의 알루미늄 게이트를 형성했습니다. 분석에서는 NC 밀도와 표면적에, 터널링 확률을 좌우하는 터널링 산화막 전계(Eox)의 자연로그를 함께 고려했습니다.

평가 방법

NC 형상은 전계방출 주사전자현미경(FE-SEM)과 원자힘현미경(AFM)으로 관찰했습니다. 전하 저장은 1 MHz 정전용량-전압(C–V) 측정으로 ±20 V 정·역방향 스윕과 스윕 전압 변화에 따라 평가했고, NC가 없는 커패시터 및 기존에 보고된 Si, Au, Pt NC 메모리와 비교했습니다. 상온 전하 유지는 +20 V에서 3초 동안 프로그램한 뒤 과도 정전용량(C–t) 측정으로 평가했습니다.

연구 내용과 주요 결과

초기 Pt 두께를 2 nm에서 8 nm로 늘리자 NC 평균 크기는 15.1 nm에서 55.2 nm로 커졌고(시료별 15.1, 26.7, 47.3, 55.2 nm) 밀도는 줄었습니다. 밀도 범위는 초록, 서론, 그림 2 설명, 표 I과 결론에서 5.6 × 10¹¹~3.2 × 10¹⁰ cm⁻²이지만, 결과 본문의 한 문장에는 5.2 × 10¹¹~3.2 × 10¹⁰ cm⁻²로 적혀 있습니다. 2 nm와 4 nm 막에서 얻은 NC는 반구형으로 고르게 떨어져 있었고, 6 nm와 8 nm 막에서는 일부 NC가 숙성과 합체로 타원형이 되었습니다. 10 nm보다 두꺼운 막은 NC가 완전히 분리되지 않아 분석에서 제외했습니다.

모든 NC 커패시터는 NC로의 전자 주입에 따른 반시계 방향 C–V 히스테리시스를 보였습니다. 40 V 스윕에서 평탄대 전압 이동은 NC 크기에 따라 5.75 V에서 13.05 V로 커졌으며, NC가 없는 커패시터는 약 0.4 V였습니다. 평탄대 전압 이동은 스윕 전압에 따라 지수적으로 증가해 Fowler–Nordheim(FN) 터널링과 부합했고, 작은 NC일수록 증가 속도가 느렸습니다. 기존 보고(Si NC: Eox = 3.57 MV/cm에서 1.8 V, Au NC: 1.88 MV/cm에서 6.5 V, Pt NC: 6.67 MV/cm에서 3.2 V)와 비교해 15.1 nm Pt NC는 3.31 MV/cm에서 5.75 V를 나타냈습니다.

평탄대 전압 이동을 NC 밀도와 ln Eox로 정규화하면 반구형 단일 NC의 표면적과 선형 관계를 보였고 이론 추정과 일치했으며, 기존 Si, Au, Pt NC 메모리 자료도 같은 선형 경향을 따랐습니다. 계산된 저장 전하 밀도는 1.38 × 10¹²~3.32 × 10¹² cm⁻²였고, 평균 크기 15.1, 26.7, 47.3, 55.2 nm에서 NC 하나당 저장 전자 수는 각각 약 3, 14, 76, 118개였습니다.

전하 유지 곡선은 단일 NC 안에 저장된 전하 사이의 쿨롱 반발로 설명되는 빠른 감쇠와, 터널링 산화막 약점을 통한 측면 누설로 설명되는 느린 감쇠로 이루어졌습니다. 큰 NC일수록 감쇠가 가팔라 작은 NC의 전하 유지가 더 좋았으며, 15.1 nm NC는 520초로 기존 보고의 Si NC(100초)와 저마늄(Ge) NC(90초)보다 길었습니다. 저자들은 큰 NC가 더 많은 전하를 저장하지만 더 짧게 유지한다고 결론지었습니다.

남은 과제

저자들은 정량 분석에서 Pt NC가 균일하게 분포한 반구형이라고 가정했으나, 6 nm와 8 nm 막에서 얻은 NC에는 크기 편차가 크고 합체된 타원형 입자가 포함되어 있었습니다.

다른 연구와의 연결

Tiwari 등의 실리콘 나노결정 메모리는 직접 터널링으로 나노결정에 전자를 저장하며, 초록은 나노결정의 제한된 크기와 정전용량이 저장 전자 수를 제한한다고 밝힙니다. 이 연구는 Pt NC의 크기를 바꾸어 NC 하나당 저장 전하를 표면적 및 터널링 산화막 전계와 연결했습니다.