Heat Treatment Effects of Staggered Tunnel Barrier (Si3N4 / HfAlO) for Non-volatile Memory Application

NAND형 charge trap flash (CTF) non-volatile memory (NVM) 소자가 30nm node 이하로 고집적화 되면서, 기존의 SONOS형 CTF NVM의 tunnel barrier로 쓰이는 SiO2는 direct tunneling과 stress induced leakage current (SILC)등의 효과로 인해 data retention의 감소 등 물리적인 한계에 이르렀다. 이에 따라 개선된 retention과 빠른 쓰기/지우기 속도를 만족시키기 위해서 tunnel barrier engineering (TBE)가 제안되었다. TBE NVM은 tunnel layer의 전위장벽을 엔지니어드함으로써 낮은 전압에서 전계의 민감도를 향상 시켜 동일한 두께의 단일 SiO2 터널베리어 보다 빠른 쓰기/지우기 속도를 확보할 수 있다. 또한 최근에 각광받는 high-k 물질을 TBE NVM에 적용시키는 연구가 활발히 진행 중이다. 본 연구에서는 Si3N4와 HfAlO (HfO2 : Al2O3 = 1:3)을 적층시켜 staggered의 새로운 구조의 tunnel barrier Capacitor를 제작하여 전기적 특성을 후속 열처리 온도와 방법에 따라 평가하였다. 실험은 n-type Si (100) wafer를 RCA 클리닝 실시한 후 Low pressure chemical vapor deposition (LPCVD)를 이용하여 Si3N4 3 nm 증착 후, Atomic layer deposition (ALD)를 이용하여 HfAlO를 3 nm 증착하였다. 게이트 전극은 e-beam evaporation을 이용하여 Al를 150 nm 증착하였다. 후속 열처리는 수소가 2% 함유된 질소 분위기에서 $300^{\circ}C$와 $450^{\circ}C$에서 Forming gas annealing (FGA) 실시하였고 질소 분위기에서 $600^{\circ}C{\sim}1000^{\circ}C$까지 Rapid thermal annealing (RTA)을 각각 실시하였다. 전기적 특성 분석은 후속 열처리 공정의 온도와 열처리 방법에 따라 Current-voltage와 Capacitance-voltage 특성을 조사하였다.