Effects of the Doping Concentration of the Floating Gate on the Erase Characteristics of the Flash EEPROM's

Flash EEPROM에서 부유게이트의 도핑 농도가 소거 특성에 미치는 영향

All the cells on the whole memory array or a block of the memory array in the Flash EEPROM's are erased at the same time using Fowler-Nordheim (FN) tunneling. some of the cels are often overerased since the tunneling is not a self-limited process. In this paper, the optimum doping concentration of the floating gate solve the overerase problem has been studied. For these studies, N-type MOSFETs and MOS capacitors with various doping concentrations of the gate polysilicon have been fabricated and their electrical characteristics have been measured and analyzed. As the results of the experiment, it has been found that the overerase problem can be prevented if the doping concentration of the floating gate is low enough (i.e. below $1.3{\times}10^{18}/cm^3$). It is because the potential difference between the floating gate and the source is lowered due to the formation of the depletion layer in the floating gate and thus the erasing operation stops by itself after most of the electrons stored in the floating gate are extracted. On the other hand, the uniformity of the Vt and the gm has been significantly poor if the coping concentration of the floating, gate is too much lowered (i.e. below $1.3{\times}10^{17}/cm^3$), which is believed to be due to nonuniform loss of the dopants from the nonuniform segregation in the floating gate. Consequently, the optimum doping concentration of the floating gate to suppress the overerase problem and get the uniform Vt and has been found to range from $1.3{\times}10^{17}/cm^3$ to $1.3{\times}10^{18}/cm^3$ in the Flash EEPROM.

Flash EEPROM에서 칩 전체나 또는 칩의 한 블록에 속에 있는 모든 셀들의 소거는 Fowler-Nordheim (FN) 터널링 방식을 사용하여 일괄적으로 수행되고 있다. 이러한 FN 터널링에 의한 소거는 self-limited 공정이 아니기 때문에 일부의 셀들이 심하게 과소거되는 문제가 자주 발생하고 있다. 본 논문에서는 이러한 과소거 문제를 해결하기 위한 부유게이트의 최적 도핑 농도에 관하여 연구하였다. 이러한 연구를 위하여 다양한 도핑 농도를 갖는 n-type MOSFET과 MOS 커패시터를 제작하였고, 이 소자들의 전기적인 특성들을 측정 및 분석하였다. 실험 결과, 부유게이트의 도핑 농도가 충분히 낮다면 ($1.3{\times}10^{18}/cm^3$ 이하) 과소거가 방지될 수 있음을 볼 수 있었다. 이는, 소거시 부유게이트에 저장되었던 전자들의 대부분이 빠져나가면 부유게이트에 공핍층이 형성되어 부유게이트와 소스 사이의 전압 차가 감소하고 따라서 소거가 자동적으로 멈추기 때문이라고 판단된다. 반면에 부유게이트의 도핑 농도가 너무 낮을 경우 ($1.3{\times}10^{17}/cm^3$ 이하)에는 문턱 전압과 gm의 균일도가 크게 나빠졌는데, 이는 부유게이트에서 segregation으로 인한 불순물의 불균일한 손실에 의한 것이로 판단된다. 결론적으로 Flash EEPROM에서 과소거 현상을 방지하고 균일한 문턱 전압과 gm을 갖기 위한 최적의 부유게이트의 도핑 농도는 $1.3{\times}10^{17}/cm^3$에서 $1.3{\times}10^{18}/cm^3$의 범위인 것으로 발견되었다.