Electrical Characteristic of Macaroni Channel Structure for Vertical 3D NAND Flash

Abstract

We simulated a macaroni poly-Si structure for 3D NAND flash in terms of threshold voltage, subthreshold swing and drain current characteristic. The variation of electrical characteristics due to single grain boundary and random interface trap is also investigated. Macaroni structure has dielectric filler in the middle of the nanowire poly-Si channel, experiencing thin body effect. Thus, it can provide higher channel controllability; higher threshold voltage and lower subthreshold swing, compared to conventional nanowire channel. The macaroni structure can reduce the off-current where the dielectric filler block main flow path of the off-current which is in the middle of channel while exhibiting less influence on the on-current. Therefore, the macaroni structure has showed higher on/off current ratio. From the simulation results of poly-Si channel with single grain boundary, the macaroni structure reduced the variation of threshold voltage and subthreshold swing due to mainly the reduction of effective grain boundary trap density and lower grain boundary potential barriers. When consider the additional Si/SiO2 interface traps with the dielectric filler in the macaroni structure, it turns out to generate more fluctuation in the electrical characteristic, compared to conventional structures.

본 논문에서는 conventional 구조와 macaroni 구조에서의 threshold voltage, subthreshold swing, drain current 특성을 3D 시뮬레이션을 통하여 비교한다. 또한, single grain boundary와 random interface trap 에 의한 전기적 특성들의 변화를 분석하여 구조적 영향을 확인한다. Macaroni 구조는 중앙에 dielectric filler를 추가하여thin body effect를 야기한다. 이는 gate voltage에 의한 channel control강화시켜 높은 threshold voltage와 낮은 subthreshold swing을 가져온다. Current의 경우, 중앙의dielectric filler에 의하여, off current의 주요 흐름을 막아 크게 감소시킨다. 이와 달리, on current는 macaroni 구조로 인하여 큰 영향이 없어, 결과적으로 macaroni 구조는 높은 on/off current ratio를 가져온다. Single grain boundary에 의한 영향을 고려하여 시뮬레이션한 결과에서, macaroni 구조가 전체적인 grain boundary trap의 개수를 감소시켜 threshold voltage와 subthreshold swing의 변화량을 감소시킴을 확인하였다. 또한 macaroni 구조는 single grain boundary에 의한 potential barrier 영향도 감소시킨다. 하지만 macaroni 구조는 dielectric filler로 인하여 추가적인 Si/SiO2 interface trap를 가진다. 이에 따라, macaroni 구조는 conventional 구조보다random interface trap에 의하여 영향을 크게 받는다. 따라서, single grain boundary와 random interface trap을 동시에 고려할 경우, macaroni 구조보다 scaling down한 conventional 구조가 trap들에 의한 전기적 특성의 변화가 적음을 확인하였다.