[논문 리뷰] Tunable charge-trap memory based on few-layer MoS2

Enze Zhang, Weiyi Wang외 7명|arXiv (Cornell University)|2014. 07. 28.

2D Materials and Applications참고 문헌 36인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 채널로 소수층 MoS2를 사용하고 3D Al2O3/HfO2/Al2O3 전하 포획 스택을 갖춘 조절 가능한 이중 게이트 전하 포획 메모리 장치를 제시한다. 이 장치는 20 V를 초과하는 기록적인 메모리 윈도우를 달성했으며, 백게이트 바이어스를 통해 15.6 V에서 21 V로 조절 가능하다. 프로그램/지우기 전류 비율은 10⁴이며, 10년 후 전하 손실이 28%에 불과하여 뛰어난 내구성과 다중 비트 저장 잠재력을 입증한다.

ABSTRACT

Charge-trap memory with high-\k dielectric materials is considered to be a promising candidate for next-generation memory devices. Ultrathin layered two-dimensional (2D) materials like graphene and MoS2 have been receiving much attention because of their novel physical properties and potential applications in electronic devices. Here, we report on a dual-gate charge-trap memory device composed of a few-layer MoS2 channel and a three-dimensional (3D) Al2O3/HfO2/Al2O3 charge-trap gate stack. Owing to the extraordinary trapping ability of both electrons and holes in HfO2, the MoS2 memory device exhibits an unprecedented memory window exceeding 20 V. More importantly, with a back gate the window size can be effectively tuned from 15.6 to 21 V; the program/erase current ratio can reach up to 104, far beyond Si-based flash memory, which allows for multi-bit information storage. Furthermore, the device shows a high mobility of 170 cm2V-1s-1, a good endurance of hundreds of cycles and a stable retention of ~28% charge loss after 10 years which is drastically lower than ever reported MoS2 flash memory. The combination of 2D materials with traditional high-\k charge-trap gate stacks opens up an exciting field of novel nonvolatile memory devices.

연구 동기 및 목표

• 이차원 MoS2를 채널 재료로 사용하여 고성능 비揮성 메모리 장치를 개발하는 것.
• 스케일링 문제와 다중 비트 저장 능력의 한계로 인해 제한되는 전통적인 Si 기반 플래시 메모리의 문제를 해결하는 것.
• HfO2의 전하 포획 특성과 이중 게이트 구조의 조절 가능성 덕분에 메모리 윈도우와 제어성을 향상시키는 것.
• 실제 응용을 위한 차세대 메모리 장치에 적합한 고이동도, 뛰어난 내구성 및 장수명 보존성을 확보하는 것.

제안 방법

• 장치는 소수층 MoS2 채널과 3D Al2O3/HfO2/Al2O3 전하 포획 게이트 스택을 갖춘 이중 게이트 구조를 채택한다.
• 높은 유전율과 깊은 트랩 상태 덕분에 전자와 정공이 HfO2 층에 포획된다.
• 백게이트를 통해 MoS2 채널 내의 페르미 수준과 전하 분포를 조절함으로써 메모리 윈도우를 조절한다.
• 표준 리소그래피 및 물리적 기상 증착 기법을 사용하여 장치를 제작하였으며, 다양한 게이트 바이어스 조건에서 전기적 특성을 측정하였다.
• 안정성과 신뢰성을 평가하기 위해 장기간 및 수천 회의 사이클 동안 프로그램/지우기 사이클을 반복하여 전하 보존성과 내구성을 평가하였다.
• 적절한 전압을 제어게이트와 백게이트에 인가하여 전하를 주입하거나 제거함으로써 프로그램/지우기 동작을 제어한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 소수층 MoS2 채널이 큰 메모리 윈도우를 갖춘 고성능 전하 포획 메모리 장치를 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 이중 게이트 구조에서 백게이트 바이어스를 사용해 메모리 윈도우를 얼마나 효과적으로 조절할 수 있는가?
• RQ3 장기간 동안 MoS2와 HfO2 기반 전하 포획 층을 사용한 전하 포획 메모리의 보존 안정성은 어떠한가?
• RQ4 프로그램/지우기 전류 비율은 얼마이며, 기존의 Si 기반 플래시 메모리와 비교해 볼 때 어떤가?
• RQ5 장치는 실용적인 다중 비트 저장 응용에 적합한 고이동도와 양호한 내구성을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 장치는 20 V를 초과하는 메모리 윈도우를 달성했으며, 백게이트 바이어스를 통해 15.6 V에서 21 V로 조절 가능하여 뛰어난 조절 성능을 입증하였다.
• 프로그램/지우기 전류 비율은 최대 10⁴에 도달하여 기존의 Si 기반 플래시 메모리보다 현저히 높았다.
• MoS2 채널은 170 cm²V⁻¹s⁻¹의 고이동도를 나타내어 뛰어난 실리콘 이동도 특성을 보였다.
• 수백 번의 프로그램/지우기 사이클을 거쳐도 명백한 열화 없이 양호한 내구성을 보였다.
• 10년간의 보존 테스트 후 전하 손실이 28%에 그쳐 이전에 보고된 MoS2 플래시 메모리보다 극적으로 낮았다.
• 2차원 MoS2와 고κ 전하 포획 스택의 조합은 다중 비트 저장 능력을 갖춘 새로운 고성능 비揮성 메모리 아키텍처를 가능하게 하였다.