KR102689627B1 - Semiconductor device including single poly non-volatile memory device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명의 반도체 소자는 반도체 기판에 제1, 제2 및 제3 영역; 및 상기 제1, 제2 및 제3 영역에 각각 형성된 제1, 제2 및 제3 반도체 소자를 포함하고, 상기 제1 반도체 소자는 제1 게이트 절연막; 및 상기 제1 게이트 절연막 상에 형성된 제1 게이트 전극을 포함하고, 상기 제2 반도체 소자는 상기 제1 게이트 절연막의 두께보다 두꺼운 제2 게이트 절연막; 및 상기 제2 게이트 절연막 상에 형성된 제2 게이트 전극을 포함하고, 상기 제3 반도체 소자는 복수의 제3 게이트 절연막; 상기 복수의 제3 게이트 절연막 상에 각각 형성된 복수의 제3 게이트 전극; 및 게이트 절연막의 두께 상향을 위한 이온 주입 층을 포함하고, 상기 복수의 제3 게이트 절연막 중에서 어느 하나는, 상기 제2 게이트 절연막보다 두껍게 형성된다. The semiconductor device of the present invention includes first, second and third regions on a semiconductor substrate; and first, second, and third semiconductor devices formed in the first, second, and third regions, respectively, wherein the first semiconductor device includes: a first gate insulating film; and a first gate electrode formed on the first gate insulating layer, wherein the second semiconductor device includes a second gate insulating layer thicker than the first gate insulating layer. and a second gate electrode formed on the second gate insulating film, wherein the third semiconductor device includes a plurality of third gate insulating films; a plurality of third gate electrodes each formed on the plurality of third gate insulating films; and an ion implantation layer for increasing the thickness of the gate insulating layer, wherein one of the plurality of third gate insulating layers is formed to be thicker than the second gate insulating layer.
Description
본 발명은 비휘발성 메모리 소자를 포함하는 반도체 소자 및 이를 이용한 제조 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a semiconductor device including a non-volatile memory device and a manufacturing method using the same.
비휘발성(Non-Volatile memory, NVM) device는 저전력에도 전기적으로 쓰고 지우는 기능 및 data storage가 필요한 Controller IC 및 MCU, RFID Tag등 다양한 Application에 사용되며, 회로 특성을 보정하고 수율을 향상 시키기 위한 trimming 용도뿐만 아니라 Data storage로도 많은 반도체 제품에 사용되고 있다. Non-Volatile memory (NVM) devices are used in various applications such as Controller ICs, MCUs, and RFID Tags that require electrical writing and erasing functions and data storage even at low power, and are used for trimming to correct circuit characteristics and improve yield. In addition, it is used in many semiconductor products as data storage.
CMOS 공정을 이용하여, NVM 소자, LV 소자, MV 소자 및 HV 소자가 하나의 칩에 형성한다. LV, MV, HV 소자 각각에 사용되는 게이트 절연막의 두께는 서로 다르다. NVM 소자도 센싱 게이트 절연막, 선택 게이트 절연막, 컨트롤 게이트 절연막 등 다양한 게이트 절연막이 존재한다. 하나의 칩에 적어도 두께가 다른 4-7개 이상의 복수의 게이트 절연막을 필요로 한다. 복수의 게이트 절연막을 형성하는 공정이 매우 복잡하고, 비용이 매우 증가하는 문제점이 있다.Using the CMOS process, NVM devices, LV devices, MV devices, and HV devices are formed on one chip. The thickness of the gate insulating film used for each LV, MV, and HV device is different. NVM devices also have various gate insulating films, such as sensing gate insulating films, selection gate insulating films, and control gate insulating films. One chip requires at least 4 to 7 gate insulating films of different thicknesses. There is a problem that the process of forming a plurality of gate insulating films is very complicated and the cost increases significantly.
본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 비휘발성 메모리 소자 제조 방법에 대한 것으로, 게이트 절연막 두께 상향을 위한 이온 주입 공정을 이용하여 NVM 소자에서 다양한 두께를 갖는 센싱 게이트 절연막, 선택 게이트 절연막, 컨트롤 게이트 절연막을 저비용으로 형성하는 것을 목적으로 한다. This application is about a method of manufacturing a non-volatile memory device to solve the problems of the prior art described above. A sensing gate insulating film, a selection gate insulating film, and a control device having various thicknesses are used in an NVM device using an ion implantation process to increase the thickness of the gate insulating film. The purpose is to form a gate insulating film at low cost.
본 발명은 상술한 목적을 달성하기 위하여, 반도체 기판에 제1, 제2 및 제3 영역; 및 상기 제1, 제2 및 제3 영역에 각각 형성된 제1, 제2 및 제3 반도체 소자를 포함하고, 상기 제1 반도체 소자는 제1 게이트 절연막; 및 상기 제1 게이트 절연막 상에 형성된 제1 게이트 전극을 포함하고, 상기 제2 반도체 소자는 상기 제1 게이트 절연막의 두께보다 두꺼운 제2 게이트 절연막; 및 상기 제2 게이트 절연막 상에 형성된 제2 게이트 전극을 포함하고, 상기 제3 반도체 소자는 복수의 제3 게이트 절연막; 상기 복수의 제3 게이트 절연막 상에 각각 형성된 복수의 제3 게이트 전극; 및 게이트 절연막의 두께 상향을 위한 이온 주입 층을 포함하고, 상기 복수의 제3 게이트 절연막 중에서 어느 하나는, 상기 제2 게이트 절연막보다 두껍게 형성되는 반도체 소자를 제공한다.In order to achieve the above-described object, the present invention includes first, second and third regions on a semiconductor substrate; and first, second, and third semiconductor devices formed in the first, second, and third regions, respectively, wherein the first semiconductor device includes: a first gate insulating film; and a first gate electrode formed on the first gate insulating layer, wherein the second semiconductor device includes a second gate insulating layer thicker than the first gate insulating layer. and a second gate electrode formed on the second gate insulating film, wherein the third semiconductor device includes a plurality of third gate insulating films; a plurality of third gate electrodes each formed on the plurality of third gate insulating films; and an ion implantation layer for increasing the thickness of the gate insulating layer, wherein one of the plurality of third gate insulating layers is thicker than the second gate insulating layer.
여기서, 상기 복수의 제3 게이트 전극 중에서 적어도 2개의 게이트 전극은 하나의 폴리-실리콘을 이용해서 서로 전기적으로 연결되고, 상기 적어도 2개의 게이트 전극 아래에 각각 형성되는 제3 게이트 절연막의 두께는, 나머지 한 개의 게이트 전극 아래에 형성되는 제3 게이트 절연막의 두께보다 크게 형성될 수 있다.Here, among the plurality of third gate electrodes, at least two gate electrodes are electrically connected to each other using a single piece of poly-silicon, and the thickness of the third gate insulating film formed under each of the at least two gate electrodes is equal to the remaining thickness. The thickness may be greater than the thickness of the third gate insulating film formed under one gate electrode.
여기서, 상기 복수의 제3 게이트 절연막 중의 어느 하나는, 상기 제2 게이트 절연막의 두께와 같은 두께로 형성될 수 있다.Here, one of the plurality of third gate insulating layers may be formed to have the same thickness as the second gate insulating layer.
여기서, 상기 제1 또는 제2 반도체 소자는 SRAM 소자, 스탠다드 셀(standard cell) 소자, 로직 소자, 디지털 소자 또는 아날로그 소자 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하고, 상기 메모리 소자는 electrically programmable read only memory(EPROM), electrically erasable programmable read only memory (EEPROM), Flash memory, multiple time programmable (MTP) 메모리 소자 또는 one time programmable (OTP) 메모리 소자 중의 어느 하나일 수 있다.Here, the first or second semiconductor device is characterized as being one of an SRAM device, a standard cell device, a logic device, a digital device, or an analog device, and the memory device is an electrically programmable read only memory (EPROM). ), electrically erasable programmable read only memory (EEPROM), Flash memory, multiple time programmable (MTP) memory device, or one time programmable (OTP) memory device.
여기서, 상기 제3 반도체 소자는 싱글 폴리 멀티-타임 프로그램 가능한 비휘발성 메모리 소자인 것을 특징으로 하고, 상기 비휘발성 메모리 소자는 센싱 트랜지스터, 선택 트랜지스터, 컨트롤 게이트 구조를 포함하고, 상기 센싱 트랜지스터의 게이트 전극과 상기 컨트롤 게이트 구조의 게이트 전극은 전기적으로 서로 연결될 수 있다.Here, the third semiconductor device is characterized in that it is a single poly multi-time programmable non-volatile memory device, the non-volatile memory device includes a sensing transistor, a selection transistor, and a control gate structure, and the gate electrode of the sensing transistor and the gate electrode of the control gate structure may be electrically connected to each other.
여기서, 상기 센싱 트랜지스터는 센싱 게이트 절연막 및 센싱 게이트 전극을 포함하고, 상기 선택 트랜지스터는 선택 게이트 절연막 및 선택 게이트 전극을 포함하고, 상기 컨트롤 게이트 구조는 컨트롤 게이트 절연막 및 컨트롤 게이트 전극을 포함하고, 상기 센싱 게이트 절연막 및 컨트롤 게이트 절연막의 두께는, 상기 선택 게이트 절연막보다 동일하거나 두껍게 형성될 수 있다.Here, the sensing transistor includes a sensing gate insulating film and a sensing gate electrode, the selection transistor includes a selection gate insulating film and a selection gate electrode, the control gate structure includes a control gate insulating film and a control gate electrode, and the sensing The thickness of the gate insulating layer and the control gate insulating layer may be the same or thicker than the selection gate insulating layer.
한편, 본 발명은 반도체 기판에 로직 소자 및 비휘발성 메모리 소자를 형성하는 단계에 있어서, 상기 비휘발성 메모리 소자가 형성되는 영역에 게이트 절연막 두께 상향을 위해 이온 주입 층을 선택적으로 형성하는 단계; 상기 로직 소자의 게이트 절연막과 상기 비휘발성 메모리 소자의 게이트 절연막을 동시에 형성하는 단계; 및 상기 로직 소자의 게이트 절연막과 상기 비휘발성 메모리 소자의 게이트 절연막 상에 게이트 전극을 각각 형성하는 단계를 포함하고, 상기 비휘발성 메모리 소자의 게이트 절연막의 두께는 상기 로직 소자의 게이트 절연막보다 두꺼운 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조 방법을 추가로 제공한다.Meanwhile, the present invention provides a step of forming a logic device and a non-volatile memory device on a semiconductor substrate, including selectively forming an ion implantation layer to increase the thickness of the gate insulating film in a region where the non-volatile memory device is formed; simultaneously forming a gate insulating layer of the logic device and a gate insulating layer of the non-volatile memory device; and forming a gate electrode on the gate insulating layer of the logic element and the gate insulating layer of the non-volatile memory device, respectively, wherein the gate insulating layer of the non-volatile memory device is thicker than the gate insulating layer of the logic element. A semiconductor device manufacturing method is additionally provided.
여기서, 상기 이온 주입 층은 불소, 비소, 보론, 게르마늄 또는 아르곤 중에서 어느 하나를 포함하는 도펀트를 이용할 수 있다.Here, the ion implantation layer may use a dopant containing any one of fluorine, arsenic, boron, germanium, or argon.
여기서, 상기 비휘발성 메모리 소자는 싱글 폴리 멀티-타임 프로그램 가능한 비휘발성 메모리 소자인 것을 특징으로 하고, 상기 비휘발성 메모리 소자는 센싱 트랜지스터, 선택 트랜지스터, 컨트롤 게이트 구조를 포함하고, 상기 센싱 트랜지스터의 게이트 전극과 상기 컨트롤 게이트 구조의 게이트 전극은 전기적으로 서로 연결될 수 있다.Here, the non-volatile memory device is characterized as a single poly multi-time programmable non-volatile memory device, the non-volatile memory device includes a sensing transistor, a selection transistor, and a control gate structure, and the gate electrode of the sensing transistor and the gate electrode of the control gate structure may be electrically connected to each other.
여기서, 상기 센싱 트랜지스터의 게이트 절연막의 두께는, 상기 로직 소자의 게이트 절연막보다 두껍게 형성될 수 있다. Here, the thickness of the gate insulating film of the sensing transistor may be thicker than that of the logic element.
여기서, 상기 로직 소자의 게이트 절연막과 상기 비휘발성 메모리 소자의 게이트 절연막 상에 게이트 전극을 각각 형성하는 단계 이후에, 상기 로직 소자의 웰 영역, 상기 비휘발성 메모리 소자의 웰 영역을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. Here, after forming a gate electrode on the gate insulating film of the logic device and the gate insulating film of the non-volatile memory device, forming a well region of the logic device and a well region of the non-volatile memory device are further performed. It can be included.
개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시 예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리 범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.The disclosed technology can have the following effects. However, since it does not mean that a specific embodiment must include all or only the following effects, the scope of rights of the disclosed technology should not be understood as being limited thereby.
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 본원에 따른 비휘발성 메모리 소자 제조 방법은 별도의 산화 공정을 추가로 진행하지 않고, 이온주입공정의 이온을 조절함으로써 게이트 절연막의 두께를 조절할 수 있어, 공정의 간소화가 가능하다. 이는 종래에 소자의 일부 게이트 절연막의 두께를 조절하기 위해 추가적인 산화 공정이 요구되는 문제점을 해결하는 것이다. According to the means for solving the problem of the present application described above, the non-volatile memory device manufacturing method according to the present application can control the thickness of the gate insulating film by controlling the ions of the ion implantation process without additionally performing a separate oxidation process. Simplification is possible. This solves the problem of requiring an additional oxidation process to adjust the thickness of some gate insulating films of conventional devices.
본원의 제조 방법을 이용한 비휘발성 메모리소자는 프로그램 영역과 소거 영역을 별도로 구비함으로써 소자의 사이클링 진행에 따른 산화물의 열화를 개선하여 소자의 내구성뿐만 아니라 데이터의 보존 능력을 향상시킬 수 있다. The non-volatile memory device using the manufacturing method of the present application can improve the durability of the device as well as the data preservation ability by improving the deterioration of the oxide as the device cycles by having separate program areas and erase areas.
또한, 비휘발성 메모리소자는 기록 및 소거 동작 효율을 향상시키고 메모리 소자의 면적을 감소시킬 수 있다. Additionally, non-volatile memory devices can improve write and erase operation efficiency and reduce the area of the memory device.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 소자의 게이트 절연막 단면도이다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 소자의 제조 방법이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 반도체 소자의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 반도체 소자의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 평면도이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 단면도이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 단면도이다.
도 10a 내지 도 10g는 본 발명의 실시 예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 제조 방법이다. 1 is a cross-sectional view of a gate insulating film of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
2A to 2E show a method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to another embodiment of the present invention.
Figure 4 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to another embodiment of the present invention.
Figure 5 is a plan view of a non-volatile memory device according to an embodiment of the present invention.
6 and 7 are cross-sectional views of a non-volatile memory device according to an embodiment of the present invention.
8 and 9 are cross-sectional views of a non-volatile memory device according to another embodiment of the present invention.
10A to 10G show a method of manufacturing a non-volatile memory device according to an embodiment of the present invention.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Since the present invention can be subject to various changes and can have various embodiments, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the detailed description. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and should be understood to include all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조 부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다. 제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.While describing each drawing, similar reference signs are used for similar components. Terms such as first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함할 수 있다. For example, a first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may be referred to as a first component without departing from the scope of the present invention. The term “and/or” may include any of a plurality of related stated items or a combination of a plurality of related stated items.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as generally understood by a person of ordinary skill in the technical field to which the present invention pertains.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다. Terms defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related technology, and unless clearly defined in the present application, should not be interpreted as having an ideal or excessively formal meaning. It shouldn't be.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에", "상부에", "상단에", "하에", "하부에", "하단에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함할 수 있다.Throughout this specification, when a member is said to be located “on”, “above”, “at the top”, “below”, “at the bottom”, or “at the bottom” of another member, this means that a member is located on another member. This can include not only cases where they are in contact, but also cases where another member exists between two members.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the specification of the present application, when a part "includes" a certain element, this means that it may further include other elements rather than excluding other elements, unless specifically stated to the contrary.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용 오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 또한, 본원 명세서 전체에서, "~ 하는 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다. As used herein, the terms “about,” “substantially,” and the like are used to mean at or close to a numerical value when manufacturing and material tolerances inherent in the stated meaning are presented, and to aid understanding of the present application. It is used to prevent unscrupulous infringers from unfairly exploiting disclosures in which precise or absolute figures are mentioned. Additionally, throughout the specification herein, “a step of” or “a step of” does not mean “a step for.”
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.Throughout this specification, the term "combination thereof" included in the Markushi format expression means a mixture or combination of one or more components selected from the group consisting of the components described in the Markushi format expression, It means including one or more selected from the group consisting of.
이하에서는 본원의 비휘발성 메모리 소자를 포함하는 반도체 소자 및 이를 이용한 제조 방법에 대하여 구현 예 및 실시 예와 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본원이 이러한 구현 예 및 실시 예와 도면에 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, a semiconductor device including a non-volatile memory device of the present application and a manufacturing method using the same will be described in detail with reference to implementation examples, examples, and drawings. However, the present application is not limited to these implementation examples, examples, and drawings.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 비휘발성 메모리 소자를 포함한 반도체 소자의 게이트 절연막 단면도이다.1 is a cross-sectional view of a gate insulating film of a semiconductor device including a non-volatile memory device according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조했을 때, 반도체 소자는 저전압(Low voltage, LV) 영역(11), 중전압(Medium voltage, MV) 영역(12) 및 비휘발성 메모리(Non-Volatile Memory, NVM) 영역(13)을 포함할 수 있다. 저전압(Low voltage, LV) 영역(11), 중전압(Medium voltage, MV) 영역(12) 및 비휘발성 메모리(Non-Volatile Memory, NVM) 영역(13)에는 각각 제1 내지 제3 게이트 절연막(31, 35, 39)이 형성될 수 있다. 또한 LV 영역(11), MV 영역(12) 및 NVM 영역(13) 에 각각 제1 내지 제3 반도체 소자(미도시)가 형성될 수 있다. 제1 내지 제3 반도체 소자를 동작 전압에 따라 저전압 소자, 중전압 소자 및 비휘발성 메모리 소자로 부를 수 있다. Referring to FIG. 1, the semiconductor device has a low voltage (LV)
저전압(Low voltage, LV) 소자 또는 중전압(Medium voltage, MV) 소자는 SRAM, standard cell, 로직 소자, 디지털 소자 또는 아날로그 소자를 형성하는데 이용될 수 있다. 저전압(Low voltage, LV) 영역(11), 중전압(Medium voltage, MV) 영역(12)을 SRAM 영역, standard cell 영역, 로직 영역, 디지털 영역 또는 아날로그 영역으로 부를 수 있다. Low voltage (LV) devices or medium voltage (MV) devices can be used to form SRAM, standard cells, logic devices, digital devices, or analog devices. The low voltage (LV)
비휘발성 메모리 소자는 electrically programmable read only memory(EPROM), electrically erasable programmable read only memory (EEPROM), Flash memory, multiple time programmable (MTP) 메모리 소자 또는 one time programmable (OTP) 메모리 소자를 말한다. 여기서 multiple time programmable (MTP) 메모리 소자는 싱글 폴리 멀티-타임 프로그램 가능한 메모리 소자 (Single Poly Multi-time Programmable Memory Device) 일 수 있다. Non-volatile memory devices refer to electrically programmable read only memory (EPROM), electrically erasable programmable read only memory (EEPROM), Flash memory, multiple time programmable (MTP) memory devices, or one time programmable (OTP) memory devices. Here, the multiple time programmable (MTP) memory device may be a single poly multi-time programmable memory device.
그래서 크게 보면, 저전압 및 중전압 소자 영역(11, 12)은 SRAM 소자, 스탠다드 셀(standard cell) 소자, 로직 소자, 디지털 소자 또는 아날로그 소자 등이 형성되는 영역으로 볼 수 있다. 반면에 비휘발성 메모리(Non-Volatile Memory, NVM) 영역(13)은 메모리 소자가 형성되는 영역으로 볼 수 있다. So, broadly speaking, the low-voltage and
저전압 영역(11)의 동작 전압은 1-3V, 중전압 영역(12)의 동작 전압은 2-10V, 비휘발성 메모리(Non-Volatile Memory, NVM) 영역(13)은 2-15V 일 수 있다. The operating voltage of the
한편, 중전압(Medium voltage, MV) 영역(12)과 비휘발성 메모리(Non-Volatile Memory, NVM) 영역(13)은 서로 유사한 동작 전압을 갖는다. 그래서 중전압(Medium voltage, MV) 영역(12)과 비휘발성 메모리(Non-Volatile Memory, NVM) 영역(13)에서 게이트 절연막의 두께는 유사한 경우가 많을 수 있다. NVM 영역(13)을 메모리 영역(13)으로 부를 수 있다. Meanwhile, the medium voltage (MV)
저전압 영역(11)에서 제1 게이트 절연막(31)의 두께가 5 Å 내지 40 Å의 두께로 형성되는 것을 확인할 수 있다. 중전압 영역(12)에서 제2 게이트 절연막(35)의 두께는 30 Å 내지 150 Å로 형성될 수 있다, 비휘발성 메모리(NVM) 영역(13)에서 제3 게이트 절연막(39)의 두께는 50 Å 내지 200 Å로 형성될 수 있다. NVM 영역(13)의 제3 게이트 절연막(39) 두께가 중전압 영역(12)의 제2 게이트 절연막(35)의 두께보다 최소한 두껍게 형성될 수 있다. It can be seen that the first
메모리 영역(13)의 제3 게이트 절연막(39) 및 중전압 영역(12)의 제2 게이트 절연막(35)의 두께 차이는 제조 방법에 기인한다. 도시 되지 않았지만, NVM 영역 만을 오픈(open)하여 불소 이온 주입 공정을 수행한다. 불소 이온 주입 공정을 수행한 후, 산화 공정을 진행했을 때의 결과이다. 불소 이온 대신, 비소(As), 아르곤(Ar) 또는 인(P), 보론(B), 게르마늄(Ge) 이온이 주입될 수 있다. 여기서는 대표적으로 불소 이온을 예로 들었다. 불소 이온 주입 공정을 수행하지 않은 중전압 영역(12)에서는 제2 게이트 절연막(35)의 두께가 30 Å 내지 150 Å인 반면, 불소 이온 주입 공정을 수행한 메모리 영역(13)에서 제3 게이트 절연막(39)의 두께가 50 Å 내지 200 Å으로 더 두껍게 형성될 수 있다. 도 2a, 도2b, 도 2c, 도 2d, 도 3에서 자세히 설명하고자 한다. The thickness difference between the third
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 실시 예에 따른 비휘발성 메모리 소자를 포함한 반도체 소자의 제조 방법 도면이다.2A to 2E are diagrams of a method of manufacturing a semiconductor device including a non-volatile memory device according to an embodiment of the present invention.
도 2a를 참조하면, 기판(21)의 NMV 영역 또는 메모리 영역(13)에 DNW 영역(13DN)을 형성할 수 있다. 메모리 소자 아래에 형성되는 웰 영역(미도시)과 기판 사이의 분리를 위해 DNW 영역(13DN)을 형성한다. 그리고 마스크 패턴(25)을 형성한다. 마스크 패턴(25)은 LV 및 MV 영역(11, 12)을 덮을 수 있다. 그리고 메모리 영역(13)은 오픈한다. 그리고 불소 이온(F)을 이용해서 기판에 이온 주입(27)을 실시한다. 이온 주입(27)은 스크린 절연막(29)를 통과시키면서 진행할 수 있다. 스크린 절연막(29)는 기판 표면을 보호하기 위한 절연막으로 이온 주입 후 제거될 수 있다. 또는 스크린 절연막(29) 없이 이온 주입을 진행할 수 있다. 불소(F) 원자 대신, 비소(Arsenic), 아르곤(Argon), 인(Phosphorus), 보론(boron) 등을 이용할 수 있다. 그래서 메모리 영역(13)에만 불소 이온(F) 주입 층(30)이 형성될 수 있다. 불소 이온(F) 주입 영역(30)을 게이트 절연막 두께 상향 용 이온 주입 층(30)으로 부를 수 있다. 또는 메모리 영역(13)의 일부 영역에 불소 이온 주입을 막기 위해서 마스크 패턴(25)가 메모리 영역(13)의 일부 영역에 형성될 수 있다(도 10a 참조).Referring to FIG. 2A, a DNW area 13DN may be formed in the NMV area or memory area 13 of the substrate 21. A DNW region 13DN is formed to separate the substrate from the well region (not shown) formed below the memory device. And a mask pattern 25 is formed. The mask pattern 25 may cover the LV and
도 2b를 참조하면, 중전압 영역 및 비휘발성 메모리 영역에 게이트 절연막(35, 37, 39) 형성 공정을 동시에 진행한다. 그래서 상기 중전압 영역(12) 및 비휘발성 메모리 영역(13)에, 서로 다른 두께를 갖는, 중전압 게이트 절연막(35, 37) 및 비휘발성 메모리 게이트 절연막(39)을 각각 형성할 수 있다. 제2 게이트 절연막(35, 37) 및 NVM 게이트 절연막(39)은 동시에 같은 스텝에서 게이트 절연막을 형성하기 때문에, 공정 비용을 대폭 절감할 수 있다. 그 이유는 마스크 수가 줄어들기 때문이다. NVM 게이트 절연막(39) 형성을 위해 따로 마스크를 사용할 경우, 그 비용이 대폭 증가된다. 이와 같이 중전압(Medium voltage, MV) 영역(12)과 비휘발성 메모리(Non-Volatile Memory, NVM) 영역(13)의 동작 전압이 유사하고, 서로 다른 두께를 필요로 한 경우, 공정 비용을 줄이기 위해서 동시에 게이트 절연막을 형성하는 방법이 유리하다. NVM 게이트 절연막(39)의 두께가 제2 게이트 절연막(35, 37)의 두께보다 두껍게 형성될 수 있다. 그 이유는 메모리 영역(13)에만 불소 이온(F) 주입이 되었기 때문이다. 불소(F), 비소(As), 아르곤(Ar) 또는 인(P), 보론(B), 게르마늄(Ge) 이온이 주입된 후, 산화 공정을 진행하게 되면 산화 속도가 3배 이상 빨라지기 때문에 다른 영역보다 두꺼운 게이트 절연막이 형성될 수 있다. Referring to FIG. 2B, the process of forming
도 2c를 참조하면, 저전압 영역(11)에 제1 게이트 절연막(31, 33) 형성 공정을 진행한다. 제1 게이트 절연막(31, 33)이 형성될 때, 제2 게이트 절연막(35, 37)과 NVM 게이트 절연막(39)이 조금 더 두께가 증가할 수 있다. 그래서 최종적으로 기판(21) 상에 복수의 게이트 절연막을 형성한다. LV 영역(11)에는 P형 웰 영역(PW, 11P) 및 N형 웰 영역(NW, 11N) 상에 각각 제1 게이트 절연막(31, 33)이 형성될 수 있다. MV 영역(12)에는 P형 웰 영역(PW, 12P) 및 N형 웰 영역(NW, 12N) 상에 각각 제2 게이트 절연막(35, 37)이 형성될 수 있다. 메모리 영역(13)에는 N형 딥웰 영역(DNW, 13DN) 상에 NVM 게이트 절연막(39)가 형성될 수 있다. Referring to FIG. 2C, a process of forming first
도 2d를 참조하면, 각각의 게이트 절연막 상에 게이트 전극을 형성한다. LV 영역(11)에는 제1 게이트 절연막(31, 33) 상에 제1 게이트 전극(41, 43)을 포함하는 제1 반도체 소자가 형성될 수 있다. MV 영역(12)에는 제2 게이트 절연막(35, 37) 상에 제2 게이트 전극(45, 47)을 포함하는 제2 반도체 소자가 형성될 수 있다. 메모리 영역(13)에는 복수의 게이트 절연막과 복수의 게이트 전극이 형성될 수 있다. 먼저 복수의 게이트 절연막으로 제1 내지 제3 NVM 게이트 절연막(39a, 39b, 39c)이 형성된다. 그리고 복수의 게이트 전극으로 복수의 제1, 제2 및 제3 NVM 게이트 전극(49a, 49b, 49c)이 형성될 수 있다. 여기서 복수의 제1, 제2 및 제3 NVM 게이트 전극(49a, 49b, 49c)을 형성을 위한 식각 공정에 의해, 도 2b 또는 도 2c에서 설명한 NVM 게이트 절연막(39)이 복수의 NVM 게이트 절연막(39a, 39b, 39c)으로 분리될 수 있다. 그래서 NVM 게이트 절연막(39a, 39b, 39c)은 제1, 제2 및 제3 NVM 게이트 전극(49a, 49b, 49c) 아래에 서로 떨어져서, 각각 형성될 수 있다. Referring to FIG. 2D, a gate electrode is formed on each gate insulating film. In the
도 2d는 제1, 제2 및 제3 NVM 게이트 절연막(39a, 39b, 39c)은 제1, 제2 및 제3 NVM 게이트 전극(49a, 49b, 49c) 아래에 서로 동일한 두께로 형성된 경우이다. 그리고 제1 NVM 게이트 전극(49a)와 제3 NVM 게이트 전극(49c)는 플로팅 게이트 전극(49d)를 통해서 전기적으로 서로 연결될 수 있다. 그러나 제2 NVM 게이트 전극(49b)는 플로팅 게이트 전극(49d)과 연결되지 않을 수 있다.FIG. 2D shows a case where the first, second, and third NVM gate insulating films 39a, 39b, and 39c are formed to have the same thickness under the first, second, and third NVM gate electrodes 49a, 49b, and 49c. And the first NVM gate electrode 49a and the third NVM gate electrode 49c may be electrically connected to each other through the floating gate electrode 49d. However, the second NVM gate electrode 49b may not be connected to the floating gate electrode 49d.
도 2e는 게이트 전극 형성 후, 복수의 웰 영역을 형성하는 공정이다. LV 영역(11)에는 P형 웰 영역(PW, 11P), N형 웰 영역(NW, 11N)이 각각 형성될 수 있다. MV 영역(12)에는 P형 웰 영역(PW, 12P), N형 웰 영역(NW, 12N)이 각각 형성될 수 있다. 메모리 영역(13)에는 N형 딥웰 영역(DNW, 13DN) 안에 복수의 P형 웰 영역(13P1, 13P2)이 추가로 형성될 수 있다. P형 웰 영역(13P1, 13P2) 사이에는 아이솔레이션 목적의 NW(13N)이 형성될 수 있다. DNW 영역(13DN)의 깊이는 PW(11P), NW(11N), PW(12P), NW(12N), P형 웰 영역(13P1, 13P2), NW(13N) 보다 깊게 형성된다. PW(11P), NW(11N), PW(12P), NW(12N), P형 웰 영역(13P1, 13P2), NW(13N)은 게이트 전극을 마스크로 이용해서 형성하기 때문에 하면의 깊이가 평평하지 않고 굴곡이 생길 수 있다. 게이트 전극과 중첩되는 PW(11P), NW(11N), PW(12P), NW(12N), P형 웰 영역(13P1, 13P2), NW(13N) 등의 웰 영역의 깊이가, 게이트 전극과 중첩되지 않는 웰 영역의 깊이보다 더 얕은 깊이를 가질 수 있다. 게이트 전극이 마스크 역할을 해서, 중첩되는 웰 영역의 깊이가 작아진다. Figure 2e shows a process of forming a plurality of well regions after forming the gate electrode. A P-type well region (PW, 11P) and an N-type well region (NW, 11N) may be formed in the
한편, 다른 방안으로 PW(11P), NW(11N), PW(12P), NW(12N), P형 웰 영역(13P1, 13P2), NW(13N) 등의 웰 영역을 게이트 절연막(31, 33, 35, 37, 39) 형성 공정 이전에 형성될 수 있다. 그 경우, PW(11P), NW(11N), PW(12P), NW(12N), P형 웰 영역(13P1, 13P2), NW(13N) 등의 웰 영역의 바닥 면의 깊이는 평평하게 형성될 수 있다. Meanwhile, as another method, well regions such as PW (11P), NW (11N), PW (12P), NW (12N), P-type well regions (13P1, 13P2), and NW (13N) are formed using
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 반도체 소자의 단면도이다. Figure 3 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to another embodiment of the present invention.
도 3를 참조하면, 도 2e와 구조가 유사하다. 다른 점은, 제1, 제2 및 제3 NVM 게이트 절연막(39a, 39b, 39c)은 제1, 제2 및 제3 NVM 게이트 전극(49a, 49b, 49c) 아래에 서로 다른 두께로 형성될 수 있다. 이 경우, 일부 영역에, 불소 이온 주입을 막기 위해서 마스크 패턴(25)가 메모리 영역(13)에 형성될 수 있다(미도시). 제1 NVM 게이트 전극(49a)와 제3 NVM 게이트(49c)는 플로팅 게이트 전극(49d)를 통해서 전기적으로 서로 연결될 수 있다. 제2 NVM 게이트 전극(49b)는 플로팅 게이트 전극(49d)에 연결되지 않을 수 있다. 제2 NVM 게이트 전극(49b) 아래에 형성된 제2 NVM 게이트 절연막(39b)의 두께는 제1 및 제2 NVM 게이트 절연막(39a)의 두께보다 작을 수 있다. 다시 말하면, 플로팅 게이트 전극(49d)과 연결된 제1 및 제3 NVM 게이트 전극(49a, 49c) 아래에 형성된 제1 및 제3 NVM 게이트 절연막(39a, 39c)의 두께는, 플로팅 게이트 전극(49d)과 연결되지 않은 제2 NVM 게이트 전극(49b) 아래에 형성된 제2 게이트 절연막(39b)의 두께보다 클 수 있다. 도 6 또는 도 7에서 제1 내지 제3 NVM 게이트 절연막(39a, 39b, 39c)에 대해 자세히 설명하고자 한다. Referring to Figure 3, the structure is similar to Figure 2e. The difference is that the first, second and third NVM gate insulating films 39a, 39b and 39c may be formed with different thicknesses under the first, second and third NVM gate electrodes 49a, 49b and 49c. there is. In this case, a mask pattern 25 may be formed in the memory area 13 to prevent fluorine ion implantation in some areas (not shown). The first NVM gate electrode 49a and the third NVM gate 49c may be electrically connected to each other through the floating gate electrode 49d. The second NVM gate electrode 49b may not be connected to the floating gate electrode 49d. The thickness of the second NVM gate insulating layer 39b formed below the second NVM gate electrode 49b may be smaller than the thickness of the first and second NVM gate insulating layers 39a. In other words, the thickness of the first and third NVM gate insulating films 39a and 39c formed below the first and third NVM gate electrodes 49a and 49c connected to the floating gate electrode 49d is equal to the thickness of the floating gate electrode 49d. It may be greater than the thickness of the second gate insulating film 39b formed under the second NVM gate electrode 49b that is not connected to the second NVM gate electrode 49b. The first to third NVM gate insulating films 39a, 39b, and 39c in FIG. 6 or 7 will be described in detail.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 반도체 소자의 단면도이다. Figure 4 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to another embodiment of the present invention.
LV 영역(11) 및 MV 영역(12)에는 각각 LV 소자 및 MV 소자가 형성될 수 있다. LV 소자 및 MV 소자는 앞서 설명한 바가 있어서 생략한다. 그리고 구동 소자 영역(15)에는 NVM 소자를 구동하기 위한 고전압(high voltage, HV) 구동 소자가 형성될 수 있다. HV 구동 소자는 각각 P형의 고전압 웰 영역(high voltage P-type well region, 줄여서 HPW, 15HPW) 또는 N형의 고전압 웰 영역(high voltage N-type well 영역, 줄여서 HNW, 15HNW) 위에 각각 HV 구동 소자가 형성될 수 있다. HV 구동 소자의 게이트 절연막(50, 54)의 두께는 MV 게이트 절연막(35, 37)의 두께보다 크게 형성될 수 있다. HV 구동 소자는 MV 소자보다 더 높은 전압에서 동작하기 위해 더 두꺼운 게이트 절연막을 필요로 한다. 본 발명에서는 공정 비용을 줄이기 위해서, 게이트 절연막 두께 상향 용 이온 주입 층(30)을 형성할 수 있다. 게이트 절연막 두께 상향 용 이온 주입 층(30)은 불소(F), 비소(Arsenic), 아르곤(Argon), 인(Phosphorus), 보론(boron) 등의 도펀트를 사용해서 기판(21)에 이온 주입하여 형성할 수 있다. 그래서 MV 게이트 절연막(35, 37)과 HV 구동 소자의 게이트 절연막(50, 54)은 동시에 형성될 수 있다. 동시에 형성되어도, 상기 도펀트가 이온 주입되어 있어서 HV 구동 소자의 게이트 절연막(50, 54)의 성장 속도가 MV 게이트 절연막(35, 37)보다 빨라서 더 두껍게 형성될 수 있다. LV elements and MV elements may be formed in the
도 4를 참조하면, 반도체 소자는 NVM 영역(17)에는 HV 구동 소자에 의해 동작하는 NVM 소자가 더 형성될 수 있다. HV 구동 소자는 터널링 게이트 절연막(60), 플로팅 게이트(62), 유전막(64), 컨트롤 게이트(66), 선택 게이트 절연막(68) 및 선택 게이트(70)가 N형의 깊은 웰 영역(17DNW) 및 P형 웰 영역(17PW) 위에 형성될 수 있다. Referring to FIG. 4, the semiconductor device may further include an NVM device operating by an HV driving device in the NVM region 17. The HV driving element includes a tunneling gate insulating film 60, a floating gate 62, a dielectric film 64, a control gate 66, a selection gate insulating film 68, and a selection gate 70 in an N-type deep well region (17DNW). and may be formed on the P-type well region 17PW.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 평면도이다. Figure 5 is a plan view of a non-volatile memory device according to an embodiment of the present invention.
도 5을 참조하면, 비휘발성 메모리 소자는 센싱 트랜지스터(1301), 선택 트랜지스터(1302) 및 컨트롤 게이트 구조(1303)를 포함할 수 있다. 센싱 트랜지스터(1301), 선택 트랜지스터(1302)는 제1 P형 웰 영역(110)에 형성될 수 있다. Referring to FIG. 5 , the non-volatile memory device may include a
센싱 트랜지스터(1301)는 센싱 게이트 전극(150), 제1 컨택 플러그(170)을 포함할 수 있다. 또한 제1 컨택 플러그(170)에 드레인 전압 또는 비트 라인 전압(VBL)을 인가하기 위해 센싱 트랜지스터의 드레인 컨택에 비트 라인(Bit line 줄여서 BL)이 연결될 수 있다. 여기서 센싱 게이트 전극(150)는 플로팅 게이트(FG)(400)의 일부라고 볼 수 있다. 플로팅 게이트(400)은 컨트롤 게이트 구조(1303)에도 사용된다. 플로팅 게이트(FG)(400) 상에는 연결된 컨택 플러그가 없다. The
선택 트랜지스터(1302)는 선택 게이트 전극(250), 제2 컨택 플러그(270), 제3 컨택 플러그(290)를 포함할 수 있다. 제2 컨택 플러그(270)에 소스 라인(source line, 줄여서 SL)이 연결될 수 있다. 선택 게이트 전극(250)에 전압을 인가하기 위해 제3 컨택 플러그(290)에 선택 게이트 라인(SG line 줄여서 SG)이 연결될 수 있다. 여기서 SG line은 Word line(줄여서 WL)으로 부를 수 있다. The
컨트롤 게이트 구조(1303)는 제2 P형 웰 영역(310)에 형성된 제4 컨택 플러그(370), 컨트롤 게이트 전극(350)를 포함할 수 있다. 제2 P 형 웰 영역(310)에 형성된 제4 컨택 플러그(370)는 컨트롤 게이트 양쪽에 형성될 수 있다. 제4 컨택 플러그(370)에 컨트롤 게이트 라인(CG line, 줄여서 CG)가 연결될 수 있다. The
컨트롤 게이트 전극(350)는 플로팅 게이트(FG)(400)의 일부라고 볼 수 있다. 센싱 게이트 전극(150) 및 컨트롤 게이트 전극(350)을 전기적으로 서로 연결하기 위해서 하나의 폴리실리콘을 이용하여 형성하는 것이다. 센싱 게이트 전극(150) 및 컨트롤 게이트 전극(350)과 직접 연결된 컨택 플러그가 없기 때문에 플로팅 게이트(FG)(400)로 부르기도 하는 것이다. 그래서 플로팅 게이트 전극(400)에 전자가 충전 또는 방전된다고 볼 수 있다. The
도 5는 2개의 트랜지스터(1301, 1302)와 1개의 컨트롤 게이트 구조(1303)을 포함하는 1개의 메모리 셀을 보여준다. 여기서 2개의 트랜지스터는 각각 센싱 트랜지스터(1301)와 선택 트랜지스터(1302)이다. 센싱 트랜지스터(1301)를 통해 전자를 충전 또는 방전에 의해 프로그램 가능하다. 센싱 트랜지스터(1301)는 프로그램 트랜지스터라고 부를 수 있다. 센싱 트랜지스터(1301)의 드레인 단자(170)에 비트 라인(BL) 전압 (VBL)이 인가된다. 선택 트랜지스터(1302)는 상기 1개의 셀을 선택 또는 비 선택의 기능을 한다. 또한 선택 트랜지스터(1302)는, 센싱 트랜지스터(1301)에 전자가 충전 또는 방전되었는지 알아보기 위한 읽기 기능을 위해 필요하다. 선택 트랜지스터(1302)의 게이트 단자(290) 및 소스 단자(270)에 각각 선택 게이트 전압(VSG) 및 소스 전압(V-SL)이 인가된다. 선택 트랜지스터(1302)는 선택 게이트 전극에 인가되는 선택 게이트 전압(VSG)을 통해 턴-온 또는 턴-오프 될 수 있다. 센싱 트랜지스터(1301) 및 선택 트랜지스터(1302)는 하나의 제1 웰 영역(110)에 형성될 수 있다. 선택 트랜지스터(1302)는 소거 상태에서 누설 전류(leakage)가 흐르는 것을 차단할 수 있다. 1 개의 컨트롤 게이트 구조(1303)는 센싱 트랜지스터(1301)의 센싱 게이트에 전자를 충전 또는 방전을 컨트롤하기 위한 컨트롤 게이트 구조를 갖는다. 컨트롤 게이트 구조의 제4 컨택 플러그(370)에 컨트롤 게이트 전압(VCG)가 인가된다. 1 개의 컨트롤 게이트 구조는 제2 웰 영역(310)에 형성될 수 있다.Figure 5 shows one memory cell including two transistors (1301, 1302) and one control gate structure (1303). Here, the two transistors are a
도 6 및 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 단면도로서, 도 5의 X-X'를 절단한 단면도이다.Figures 6 and 7 are cross-sectional views of a non-volatile memory device according to an embodiment of the present invention, taken along line XX' in Figure 5.
도 6를 참조하면, 비휘발성 메모리 소자는 앞서 언급한대로, 제1, 제2 및 제3 NVM 게이트 절연막(130, 230, 330)을 포함할 수 있다. 제1, 제2 및 제3 NVM 게이트 절연막(130, 230, 330)은 앞서 제시한 도 2d의 NVM 게이트 절연막(39a, 39b, 39c)에 대응될 수 있다. 그리고 비휘발성 메모리 소자는 제1, 제2 및 제3 NVM 게이트 절연막(130, 230, 330) 상에 각각 형성된 제1, 제2 및 제3 NVM 게이트 전극(150, 250, 350)을 더 포함할 수 있다. 제1, 제2 및 제3 NVM 게이트 전극(150, 250, 350)은 도 2d 또는 도 3의 제1, 제2 및 제3 NVM 게이트 전극(49a, 49b, 49c)에 대응될 수 있다. Referring to FIG. 6 , the non-volatile memory device may include first, second, and third NVM
이하에서는 설명의 편의를 위해, 제1, 제2 및 제3 NVM 게이트 절연막(130, 230, 330)을 각각 센싱 게이트 절연막(130), 선택 게이트 절연막(230) 및 컨트롤 게이트 절연막(330)으로 부르고자 한다. 그리고 설명의 편의를 위해, 제1, 제2 및 제3 NVM 게이트 전극(150, 250, 350)을 각각 센싱 게이트 전극(150), 선택 게이트 전극(250) 및 컨트롤 게이트 전극(350)으로 부르고자 한다. 센싱 게이트 전극(150)은 프로그램 게이트 전극으로도 부를 수 있다. Hereinafter, for convenience of explanation, the first, second, and third NVM
센싱 게이트 절연막(130) 및 선택 게이트 절연막(230)이 제1 P형 웰 영역(110) 상에 형성될 수 있다. 그리고 컨트롤 게이트 절연막(330)이 제2 P형 웰 영역(310) 상에 형성될 수 있다. 컨트롤 게이트 절연막(330)은 컨트롤 게이트 구조(1303)의 유전 막으로 볼 수 있다. 센싱 게이트 절연막(130), 선택 게이트 절연막(230) 및 컨트롤 게이트 절연막(330) 상에 각각 센싱 게이트 전극(150), 선택 게이트 전극(250) 및 컨트롤 게이트 전극(350)가 형성될 수 있다. 센싱 게이트 전극(150) 및 컨트롤 게이트 전극(350)는 플로팅 게이트(400)의 일부로서 서로 물리적 및 전기적으로 연결되어 있다. 센싱 게이트 전극(150) 및 컨트롤 게이트 전극(350)은 하나의 폴리-실리콘 막으로 이루어진 게이트 전극이다. A sensing
센싱 게이트 절연막(130), 선택 게이트 절연막(230) 및 컨트롤 게이트 절연막(330)의 두께는 서로 동일하다. 그러나 앞서 설명한 것처럼, 제2 게이트 절연막(35, 37)의 두께보다 두껍게 형성될 수 있다. 게이트 절연막 두께 상향 용 이온 주입 층(120)이 형성되어 있기 때문이다. 상기 이온 주입 층은 불소, 아르곤, 인, 보론, 게르마늄(Ge) 등의 도펀트를 이용하여 두께를 두껍게 하고자 하는 게이트 절연막 아래에 형성될 수 있다. 여기서 센싱 게이트 절연막(130)의 두께가 상향 되면 MTP Cell의 데이터 보존 능력, retention이 좋아진다. 게이트 절연막의 두께가 상향 됨으로써 프로그램(프로그램) 또는 제거(소거)동작을 수행한 후 플로팅 게이트에 저장된 전자가 빠져나가기 어려워져 데이터의 보존 능력이 향상된다. 센싱 게이트 절연막(130)이 두껍기 때문에, 전자가 쉽게 방전되지 않게 막아 주기 때문이다. The thicknesses of the sensing
비휘발성 메모리 소자는 상기 제1 P형 웰 영역(110) 및 제2 P형 웰 영역(310) 사이에 형성된 복수의 트렌치(106)을 포함할 수 있다. 그리고 복수의 N형 웰 영역(NW, 108)을 더 포함할 수 있다. 트렌치(106) 하부에 형성된 N형 웰 영역(NW, 108)은 이웃하는 소자 간의 채널 정지 역할을 할 수 있다. 제1 P형 웰 영역(110), 제2 P형 웰 영역(310) 및 N형 웰 영역(108)을 둘러 싸는 딥웰 영역(DNW, 107)을 더 포함할 수 있다. The non-volatile memory device may include a plurality of
프로그램 동작 시, 제4 컨택 플러그(370)에 Positive VPP를 인가할 수 있다. 그리고 제2 컨택 플러그(270)에 negative VPP를 인가할 수 있다. 그러면 제1 PW에서 센싱 게이트 전극(150)으로 electron이 주입되어 프로그램 동작이 이루어진다. Single poly NVM(100)의 문턱 전압(Vt)가 상향 된다. 반대로, 소거 동작 시 제4 컨택 플러그(370)에 negative VPP를 인가하고 제2 컨택 플러그(270)에 positive VPP를 인가하면 센싱 게이트 전극(150)에 있는 electron이 제1 P형 웰 영역(110)으로 빠져나가 소거 동작을 하는 것이다.During program operation, Positive VPP can be applied to the
도 7을 참조하면, 도 7의 구조는 도 6와 유사하다. 다른 점은 센싱 게이트 절연막(130) 및 컨트롤 게이트 절연막(330)의 두께가 선택 게이트 절연막(230)의 두께보다 두껍다는 것이다. 센싱 게이트 절연막(130) 및 컨트롤 게이트 절연막(330)의 두께를 증가 시키기 위해 센싱 게이트 절연막(130) 및 컨트롤 게이트 절연막(330) 아래에는 각각 불소, 인, 보론, 게르마늄 등의 이온 주입 층(120)이 형성되어 있다. 반면에, 선택 게이트 절연막(230)의 아래에는 상기 이온 주입 층(120)이 형성되지 않는다. Referring to Figure 7, the structure of Figure 7 is similar to Figure 6. The difference is that the thickness of the sensing
MV게이트 절연막(35, 37), 센싱 게이트 절연막(130), 선택 게이트 절연막(230) 및 컨트롤 게이트 절연막(330)는 앞서 설명한대로 하나의 공정에서 동시에 형성한다. 이온 주입 층(120)이 형성되어 있는 센싱 게이트 절연막(130) 및 컨트롤 게이트 절연막(330)의 두께는 앞서 설명한대로, MV게이트 절연막(35, 37)의 두께보다 두껍게 형성될 수 있다. 반면에 이온 주입 층(120)이 없는 선택 게이트 절연막(230) 및 MV게이트 절연막(35, 37)의 두께는 센싱 게이트 절연막(130) 및 컨트롤 게이트 절연막(330)의 두께보다 얇게 형성된다. The MV
센싱 게이트 절연막(130) 및 컨트롤 게이트 절연막(330)의 두께를 증가시킬수록 MTP Cell의 데이터 보존 능력, retention이 좋아진다. 선택 게이트 절연막(230)은 데이터 보존 능력에 미치는 영향이 작아, MV게이트 절연막(35, 37)의 두께와 동일한 두께로 형성되어도 무방하다. 도 6과 도 7을 통해서, 센싱 게이트 절연막(130)의 두께는 선택 게이트 절연막(230)의 두께와 동일하거나 두껍게 형성될 수 있다. 결국, 서로 전기적으로 연결되어 있는 센싱 게이트 전극(150) 및 컨트롤 게이트 전극(350)의 아래에 형성된 게이트 절연막들(130, 330)의 두께는 선택 게이트 절연막(230)의 두께보다 두껍게 형성됨을 알 수 있다. As the thickness of the sensing
도 8 및 도 9는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 단면도이다.8 and 9 are cross-sectional views of a non-volatile memory device according to another embodiment of the present invention.
도 8을 참조하면, 도 2d 및 4b에 도시된 NVM 게이트 절연막(39a, 39b, 39c)은 제1, 제2, 제3 및 제4 NVM 게이트 절연막(130, 230, 330, 530)을 포함할 수 있다. 그리고 도 2d 및 4b에 도시된 NVM 게이트 전극(49a. 49b, 49c)은 제1, 제2, 제3 및 제4 NVM 게이트 절연막(130, 230, 330, 530) 상에 각각 형성된 제1, 제2, 제3 및 제4 NVM 게이트 전극(150, 250, 350, 550)을 포함할 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해, 제1, 제2, 제3 및 제4 NVM 게이트 절연막(130, 230, 330, 530)을 각각 센싱 게이트 절연막(130), 선택 게이트 절연막(230), 컨트롤 게이트 절연막(330) 및 소거 게이트 절연막(530)으로 부르고자 한다. 그리고 설명의 편의를 위해, 제1, 제2, 제3 및 제4 NVM 게이트 전극(150, 250, 350, 550)을 각각 센싱 게이트 전극(150), 선택 게이트 전극(250), 컨트롤 게이트 전극(350) 및 소거 게이트 전극(550)으로 부르고자 한다. 센싱 게이트 전극(150)은 프로그램 게이트 전극으로도 부를 수 있다. 선택 게이트 전극(250)를 제외하고, 센싱 게이트 전극(150), 컨트롤 게이트 전극(350) 및 소거 게이트 전극(550)은 전기적으로 서로 연결되어 있다. 하나의 플로팅 게이트 전극(400)을 사용해서 센싱 게이트 전극(150), 컨트롤 게이트 전극(350) 및 소거 게이트 전극(550)을 서로 전기적으로 연결할 수 있다. Referring to FIG. 8, the NVM gate insulating films 39a, 39b, and 39c shown in FIGS. 2d and 4b may include first, second, third, and fourth NVM
센싱 게이트 절연막(130), 선택 게이트 절연막(230), 컨트롤 게이트 절연막(330) 및 소거 게이트 절연막(530)의 두께는 서로 동일할 수 있고, 또한 MV 게이트 절연막(35, 37)의 두께보다 두껍게 형성될 수 있다. The thickness of the sensing
도 9를 참조하면, 센싱 게이트 절연막(130), 컨트롤 게이트 절연막(330) 또는 소거 게이트 절연막(530)의 두께가 선택 게이트 절연막(230)의 두께보다 두껍다는 것이다. 센싱 게이트 절연막(130), 컨트롤 게이트 절연막(330) 또는 소거 게이트 절연막(530)의 두께는 앞서 설명한대로, MV게이트 절연막(35, 37)의 두께보다 두껍게 형성될 수 있다. 반면에 선택 게이트 절연막(230)의 두께는 MV게이트 절연막(35, 37)와 동일하게 형성될 수 있다. 센싱 게이트 절연막(130) 및 컨트롤 게이트 절연막(330)의 두께를 증가시킬수록 MTP Cell의 데이터 보존 능력, retention이 좋아진다. 선택 게이트 절연막(230)은 데이터 보존 능력에 미치는 영향이 작아, MV게이트 절연막(35, 37)의 두께와 동일한 두께로 형성되어도 무방하다. Referring to FIG. 9 , the thickness of the sensing
결국, 서로 전기적으로 연결되어 있는 센싱 게이트 전극(150), 컨트롤 게이트 전극(350) 및 소거 게이트 전극(550)의 아래에 형성된 게이트 절연막들(130, 330, 530)의 두께는 선택 게이트 절연막(230)의 두께보다 두껍게 형성됨을 알 수 있다. Ultimately, the thickness of the
도 10a 내지 도 10g는 본 발명의 실시 예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 제조 방법을 나타낸다. 10A to 10G show a method of manufacturing a non-volatile memory device according to an embodiment of the present invention.
도 10a를 참조하면, 기판에 서로 다른 두께를 갖는 게이트 절연막을 형성하기 위해, 불소 이온 주입을 실시한다. 먼저, 반도체 기판(105)에 복수의 소자 분리 막(106)을 형성할 수 있다. 소자 분리 막(106)은 STI(Shallow Trench Isolation)을 이용하여 형성하거나, LOCOS(LOCal Oxidation of silicon)을 이용하여 형성한다. 반도체 기판에 이온 주입을 실시하여, DNW(107)을 형성할 수 있다. Coupling ratio 증가를 위해 제2 P형 웰 영역(310)에 보론(B)과 인듐(In) 이온을 이용해서 컨트롤 게이트 이온 주입 영역(320)을 추가로 형성할 수 있다. 컨트롤 게이트 이온 주입 영역(320)은 보론(B)과 인듐(In) 이온을 연속해서 주입하여 형성할 수 있다. 또는 보론(B) 이온 또는 인듐(In) 이온 중에서 어느 하나만을 이온 주입하여 형성할 수 있다. 보론 이온(11B+) 주입은 10 - 40 KeV 이온 주입 에너지와 1.0E11 - 1.0 E13/cm2 도즈로 이온 주입을 실시할 수 있다. 그리고 인듐 이온(Indium, 115In+)은 100 - 300 KeV, 1.0E11 - 1.0E 13/cm2 도즈로 이온 주입을 실시할 수 있다. 제1 P형 웰 영역(110)의 일부 영역 및 제2 P형 웰 영역(310)을 오픈하는 기판(105) 상에 마스크 패턴(125)을 형성할 수 있다. 그리고 마스크 패턴을 이용해서 오픈된 영역에 불소(F) 이온 주입 공정을 실시하여, 서로 떨어져 형성되는 제1 및 제2 불소(F) 이온 주입 영역(120a, 120b)을 형성할 수 있다. 상기 불소(F) 이온 주입 공정은 불소(F) 이온을 이용하여 1E12 - 1E15 atoms/cm2, 5-30 KeV의 에너지를 주입하여 불소(F) 이온 주입 영역(120a, 120b)을 형성할 수 있다. 불소(F) 이온 대신, 비소(As), 아르곤(Ar) 또는 인(P) 이온을 주입할 수 있다. 불소(F), 비소(As), 아르곤(Ar) 또는 인(P) 이온이 주입될 경우 이후에 산화 공정을 진행하게 되면 많게는 산화 속도가 3배 이상 빨라지기 때문에 이온 주입 층의 표면에는 다른 부분보다 두꺼운 게이트 절연막이 형성될 수 있다. 본 발명에서는 센싱 게이트 절연막(130) 및 컨트롤 게이트 절연막(330)이 형성될 영역에 불소(F) 이온이 주입된다. 이후 마스크 패턴(125)을 제거한다.Referring to FIG. 10A, fluorine ion implantation is performed to form gate insulating films having different thicknesses on the substrate. First, a plurality of
도 10b을 참조하면, 게이트 절연막 형성을 위해 750 oC 이상의 고온에서 산화 공정을 실시한다. 센싱 게이트 절연막(130), 선택 게이트 절연막(230) 및 컨트롤 게이트 절연막(330)이 동시에 형성될 수 있다. 센싱 게이트 절연막(130) 및 컨트롤 게이트 절연막(330)의 두께가 5 ~ 20 nm로 두껍게 형성될 수 있다. 선택 게이트 절연막(230)은 3 ~ 15 nm 두께를 가질 수 있다. 센싱 게이트 절연막(130) 및 컨트롤 게이트 절연막(330) 두께가 선택 게이트 절연막(230)의 두께보다 두껍게 형성되는 것이다. 게이트 절연막의 두께 차이는 앞서 설명한대로, 불소 이온 주입에 기인하다. 종래에는 소자의 일부 게이트 절연막의 두께를 조절하기 위해 추가적인 산화 공정이 요구되었으나, 본원 발명의 비휘발성 메모리 소자의 제조 방법을 적용하면, 별도의 산화 공정을 추가로 진행하지 않고, 이온주입공정의 이온을 조절함으로써 게이트 절연막의 두께를 조절할 수 있어, 공정의 간소화가 가능하다. Referring to FIG. 10b, an oxidation process is performed at a high temperature of 750 o C or higher to form the gate insulating film. The sensing
도 10c를 참조하면, 게이트 전극을 형성하기 위해 도전층(140)을 형성한다. 도전층(140)으로 폴리-실리콘 물질을 이용할 수 있다. 폴리-실리콘 층은 LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition) 공정으로 도핑된 비정질 실리콘 막으로 형성하거나, 도핑 되지 않은(undoped) 비정질 실리콘 막으로 형성할 수 있다. 예컨대, 도핑된 비정질 실리콘 막은 SiH4또는 Si2H6와 PH3 가스를 이용하여 형성한다. 도핑 되지 않은(undoped) 비정질 실리콘 막은 SiH4 또는 Si2H6 가스를 이용하여 형성한다. Referring to FIG. 10C, a conductive layer 140 is formed to form a gate electrode. Poly-silicon material can be used as the conductive layer 140. The poly-silicon layer can be formed as an amorphous silicon film doped through a low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) process, or as an undoped amorphous silicon film. For example, the doped amorphous silicon film is formed using SiH 4 or Si 2 H 6 and PH 3 gas. An undoped amorphous silicon film is formed using SiH 4 or Si 2 H 6 gas.
도 10d을 참조하면, 게이트 전극을 형성하기 위해, 도전층(140)을 패터닝한다. 센싱 게이트 절연막(130), 선택 게이트 절연막(230) 및 컨트롤 게이트 절연막(330) 상에 각각 센싱 게이트 전극(150), 선택 게이트 전극(250) 및 컨트롤 게이트 전극(350)이 동시에 형성될 수 있다. 센싱 게이트 전극(150) 및 컨트롤 게이트 전극(350)는 플로팅 게이트(400)의 일부로서 서로 물리적 및 전기적으로 연결되어 있다. 센싱 게이트 전극(150) 및 컨트롤 게이트 전극(350)는 하나의 폴리-실리콘 막으로 이루어진 게이트 전극이다. Referring to FIG. 10D, the conductive layer 140 is patterned to form a gate electrode. A
도 10e를 참조하면, 게이트 전극 형성 후에 복수의 웰 영역(110, 310)을 형성한다. 게이트 전극을 마스크로 이온 주입을 실시하여 웰 영역(110, 310)을 형성하기 때문에, 웰 영역(110, 310)의 깊이가 굴곡이 있을 수 있다. 게이트 전극과 중첩되는 웰 영역(110, 310)은 상대적으로 얇게 형성될 수 있다. 그러나 게이트 전극과 중첩되지 않는 웰 영역(110, 310)은 상대적으로 깊게 형성될 수 있다. 웰 영역(110, 310)은 P형 웰 영역일 수 있다. 도시 되지 않았지만, 각종 N형 또는 P형의 LDD 영역이 형성될 수 있다. Referring to FIG. 10E, after forming the gate electrode, a plurality of
도시 되지 않았지만, 웰 영역(110, 310)을 게이트 전극 이전에 미리 형성할 수도 있다. 불소 이온 주입 전에 미리 형성될 수 있다. 웰 영역을 형성하고, 불소 이온 주입하고, 게이트 절연막 및 게이트 전극을 형성할 수 있다. Although not shown, the
도 10f를 참조하면, 센싱 게이트 전극(150), 선택 게이트 전극(250) 및 컨트롤 게이트 전극(350) 양 측면에 스페이서(411, 412, 413)를 각각 형성할 수 있다. 그리고 고농도 이온 주입을 통해서 고농도 도핑 영역인 N+ 영역 (401, 402, 403, 404) 및 P+ 영역 (405, 406, 407)를 기판에 각각 형성한다. N+ 영역 (401, 402, 403, 404) 형성을 위해 Arsenic 이온(75As+)을 이용해서 50-70KeV 이온 주입 에너지와 1E15-1E16/cm2 도즈로 이온 주입한다. 그리고 이어서 Phosphorous 이온(31P+)을 이용해서 30-50KeV 이온 주입 에너지와 1E12-1E14/cm2 도즈로 이온 주입한다. P+ 영역 (405, 406, 407)을 형성하기 위해 Boron Fluoride 이온(49BF2)를 이용해서, 20- 50 KeV 이온 주입 에너지와 1E15-1E16/cm2 도즈로 이온 주입한다. 이어서, 보론 이온(11B+) 이용해서, 20-40KEV 이온 주입 에너지와 1E12-1E14/cm2 도즈로 이온주입한다. 앞서 설명한 F 이온 주입 에너지보다 N+, P+ 이온 주입 에너지가 크기 때문에 N+, P+ 이온 주입 영역의 깊이가 F 이온 주입 영역(120a, 120b)의 깊이보다 작다. 제1 P형 웰 영역에 형성되고, 센싱 게이트 전극(150)의 일 측에 형성된 N+ 영역 (402)은 드레인 영역이다. 그리고 센싱 게이트 전극(150) 타 측과 선택 게이트 전극(250) 일 측 사이에 형성된 N+ 영역 (403)은 소스 영역이면서 드레인 영역이다. 선택 게이트 전극(250) 타 측에 형성된 N+ 영역 (404)은 소스 영역이다. 그리고 소스 영역(404)과 접하여 형성된 P+ 영역 (405)은 제1 P형 웰 영역의 픽업 영역이다. 그리고 컨트롤 게이트 전극(350) 양측에 형성되고, 제2 PW(310)에 형성된 P+ 영역 (406, 407)은 픽업 영역(pick up region)으로 부를 수 있다. 제2 PW(310) 및 P+ 영역 (406, 407)은 서로 같은 도전 형이다. 한편, 위에서 설명한 드레인 영역, 소스 영역 및 픽업 영역은 제1 P형 웰 영역(110) 및/또는 제2 P형 웰 영역(310) 내 형성되는 것이다.Referring to FIG. 10F, spacers 411, 412, and 413 may be formed on both sides of the
도 10g를 참조하면, N+ 영역(401, 402, 403, 404) 또는 P+ 영역(405, 406, 407)와 각각 연결된 컨택 플러그(170, 270, 290, 370, 470)가 형성될 수 있다. 그리고 상기 컨택 플러그와 각각 연결된 금속 배선(601-606)이 형성될 수 있다. 비트 라인(BL)은 제1 컨택 플러그(170)를 통해서 드레인 영역(402)과 전기적으로 연결될 수 있다. 소스 라인(SL)은 제2 컨택 플러그(270)를 통해서 소스 영역(404) 및 픽업 영역(405)와 동시에 전기적으로 연결될 수 있다. 선택 게이트 라인(SG)은 제3 컨택 플러그(290)을 통해서 선택 게이트 전극(250)와 연결될 수 있다. 컨트롤 게이트 라인(CG)은 제4 컨택 플러그(370)를 통해서 픽업 영역(406, 407)와 연결될 수 있다. 센싱 게이트 전극(150)과 컨트롤 게이트 전극(350)은 하나의 폴리-실리콘(701)으로 서로 연결될 수 있다. Referring to FIG. 10G, contact plugs 170, 270, 290, 370, and 470 respectively connected to the N+ regions 401, 402, 403, and 404 or the P+ regions 405, 406, and 407 may be formed. And metal wires 601-606 connected to the contact plugs may be formed. The bit line BL may be electrically connected to the drain region 402 through the
본원에 따른 비휘발성 메모리 소자 제조 방법은 별도의 산화 공정을 추가로 진행하지 않고, 이온주입공정의 이온을 조절함으로써 게이트 절연막의 두께를 조절할 수 있어, 공정의 간소화가 가능하다. 이는 종래에 소자의 일부 게이트 절연막의 두께를 조절하기 위해 추가적인 산화 공정이 요구되는 문제점을 해결하는 것이다. The method for manufacturing a non-volatile memory device according to the present application can control the thickness of the gate insulating film by controlling the ions of the ion implantation process without performing an additional separate oxidation process, making it possible to simplify the process. This solves the problem of requiring an additional oxidation process to adjust the thickness of some gate insulating films of conventional devices.
본원의 제조 방법을 이용한 비휘발성 메모리소자는 프로그램 영역과 소거 영역을 별도로 구비함으로써 소자의 사이클링 진행에 따른 산화물의 열화를 개선하여 소자의 내구성뿐만 아니라 데이터의 보존 능력을 향상시킬 수 있다. The non-volatile memory device using the manufacturing method of the present application can improve the durability of the device as well as the data preservation ability by improving the deterioration of the oxide as the device cycles by having separate program areas and erase areas.
또한, 비휘발성 메모리소자는 기록 및 소거 동작 효율을 향상시키고 메모리 소자의 면적을 감소시킬 수 있다. Additionally, non-volatile memory devices can improve write and erase operation efficiency and reduce the area of the memory device.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일 형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The description of the present application described above is for illustrative purposes, and those skilled in the art will understand that the present application can be easily modified into other specific forms without changing its technical idea or essential features. Therefore, the embodiments described above should be understood in all respects as illustrative and not restrictive. For example, each component described as a single type may be implemented in a distributed form, and similarly, components described as distributed may also be implemented in a combined form.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present application is indicated by the claims described below rather than the detailed description above, and all changes or modified forms derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts should be construed as being included in the scope of the present application.
11: 저전압(Low voltage, LV) 영역
12: 중전압(Medium voltage, MV) 영역
13: 비휘발성 메모리(Non-Volatile Memory, NVM) 영역
25: 마스크 패턴
31, 33: LV 게이트 절연막
35, 37: MV 게이트 절연막
39: NVM 게이트 절연막
49: NVM 게이트 전극
105: 반도체 기판
106: 트렌치 영역, 소자 분리 막
107: 깊은 딥 웰 영역, DNW
108: N형 웰 영역, NW
110, 310: 제1 및 제2 P형 웰 영역
120, 120a, 120b: 제1, 2 불소(F) 이온 주입 영역
130: 센싱 게이트 절연막
140: 도전층
150: 센싱 게이트
170, 270, 290: 제1, 제2 및 제3 컨택 플러그
230: 선택 게이트 절연막
250: 선택 게이트
320: 컨트롤 게이트 이온 주입 영역
330: 컨트롤 게이트 절연막
350: 컨트롤 게이트
370: 제4 컨택 플러그
400: 플로팅 게이트
401, 402, 403, 404: N+ 영역
405, 406, 407: P+ 영역
411, 412, 413: 스페이서
530: 소거 게이트 절연막
550: 소거 게이트 전극
1301: 센싱 트랜지스터
1302: 선택 트랜지스터
1303: 컨트롤 게이트 구조11: Low voltage (LV) area
12: Medium voltage (MV) area
13: Non-Volatile Memory (NVM) area
25: Mask pattern
31, 33: LV gate insulation film
35, 37: MV gate insulating film
39: NVM gate insulation film
49: NVM gate electrode
105: semiconductor substrate
106: Trench area, device isolation membrane
107: Deep deep well region, DNW
108: N-type well region, NW
110, 310: first and second P-type well regions
120, 120a, 120b: first and second fluorine (F) ion implantation areas
130: Sensing gate insulating film
140: conductive layer
150: sensing gate
170, 270, 290: first, second and third contact plugs
230: Select gate insulating film
250: selection gate
320: Control gate ion implantation area
330: control gate insulating film
350: control gate
370: fourth contact plug
400: floating gate
401, 402, 403, 404: N+ area
405, 406, 407: P+ area
411, 412, 413: Spacer
530: erase gate insulating film
550: erase gate electrode
1301: Sensing transistor
1302: Select transistor
1303: Control gate structure
Claims (11)
상기 제1, 제2 및 제3 영역에 각각 형성된 제1, 제2 및 제3 반도체 소자를 포함하고,
상기 제1 반도체 소자는
제1 게이트 절연막; 및
상기 제1 게이트 절연막 상에 형성된 제1 게이트 전극을 포함하고,
상기 제2 반도체 소자는
상기 제1 게이트 절연막의 두께보다 두꺼운 제2 게이트 절연막; 및
상기 제2 게이트 절연막 상에 형성된 제2 게이트 전극을 포함하고,
상기 제3 반도체 소자는 비휘발성 메모리 소자로서,
복수의 제3 게이트 절연막;
상기 복수의 제3 게이트 절연막 상에 각각 형성된 복수의 제3 게이트 전극;
상기 복수의 제3 게이트 절연막의 두께 상향을 위한 이온 주입 층;
센싱 게이트 절연막 및 센싱 게이트 전극을 포함하는 센싱 트랜지스터;
선택 게이트 절연막 및 선택 게이트 전극을 포함하는 선택 트랜지스터; 및
컨트롤 게이트 절연막 및 컨트롤 게이트 전극을 포함하는 컨트롤 게이트 구조를 포함하고,
상기 복수의 제3 게이트 절연막 중에서 어느 하나는, 상기 제2 게이트 절연막보다 두껍게 형성되며,
상기 센싱 게이트 절연막 및 상기 컨트롤 게이트 절연막의 두께는, 상기 선택 게이트 절연막보다 두껍게 형성되는 반도체 소자.
first, second and third regions on a semiconductor substrate; and
Comprising first, second, and third semiconductor elements formed in the first, second, and third regions, respectively,
The first semiconductor device is
a first gate insulating film; and
It includes a first gate electrode formed on the first gate insulating film,
The second semiconductor device is
a second gate insulating layer thicker than the thickness of the first gate insulating layer; and
It includes a second gate electrode formed on the second gate insulating film,
The third semiconductor device is a non-volatile memory device,
a plurality of third gate insulating films;
a plurality of third gate electrodes each formed on the plurality of third gate insulating films;
an ion implantation layer for increasing the thickness of the plurality of third gate insulating layers;
A sensing transistor including a sensing gate insulating film and a sensing gate electrode;
A selection transistor including a selection gate insulating film and a selection gate electrode; and
A control gate structure including a control gate insulating film and a control gate electrode,
One of the plurality of third gate insulating films is formed thicker than the second gate insulating film,
A semiconductor device wherein the sensing gate insulating layer and the control gate insulating layer are formed to be thicker than the selection gate insulating layer.
상기 복수의 제3 게이트 전극 중에서 적어도 2개의 게이트 전극은 하나의 폴리-실리콘을 이용해서 서로 전기적으로 연결되고,
상기 적어도 2개의 게이트 전극 아래에 각각 형성되는 제3 게이트 절연막의 두께는, 나머지 한 개의 게이트 전극 아래에 형성되는 제3 게이트 절연막의 두께보다 크게 형성되는 반도체 소자.
According to claim 1,
Among the plurality of third gate electrodes, at least two gate electrodes are electrically connected to each other using a single piece of poly-silicon,
A semiconductor device in which the thickness of the third gate insulating film formed under each of the at least two gate electrodes is greater than the thickness of the third gate insulating film formed under the remaining one gate electrode.
상기 복수의 제3 게이트 절연막 중의 어느 하나는, 상기 제2 게이트 절연막의 두께와 같은 두께로 형성되는 반도체 소자.
According to claim 1,
A semiconductor device wherein one of the plurality of third gate insulating films is formed to have the same thickness as the second gate insulating film.
상기 제1 또는 제2 반도체 소자는 SRAM 소자, 스탠다드 셀(standard cell) 소자, 로직 소자, 디지털 소자 또는 아날로그 소자 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하고,
상기 비휘발성 메모리 소자는 electrically programmable read only memory(EPROM), electrically erasable programmable read only memory (EEPROM), Flash memory, multiple time programmable (MTP) 메모리 소자 또는 one time programmable (OTP) 메모리 소자 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
According to claim 1,
The first or second semiconductor device is characterized in that it is one of an SRAM device, a standard cell device, a logic device, a digital device, or an analog device,
The non-volatile memory device is one of electrically programmable read only memory (EPROM), electrically erasable programmable read only memory (EEPROM), Flash memory, multiple time programmable (MTP) memory device, or one time programmable (OTP) memory device. Characterized semiconductor device.
상기 제3 반도체 소자는 싱글 폴리 멀티-타임 프로그램 가능한 비휘발성 메모리 소자인 것을 특징으로 하고,
상기 센싱 트랜지스터의 상기 센싱 게이트 전극과 상기 컨트롤 게이트 구조의 상기 컨트롤 게이트 전극은 전기적으로 서로 연결되는 반도체 소자.
According to claim 1,
The third semiconductor device is a single poly multi-time programmable non-volatile memory device,
A semiconductor device in which the sensing gate electrode of the sensing transistor and the control gate electrode of the control gate structure are electrically connected to each other.
상기 비휘발성 메모리 소자가 형성되는 영역에 게이트 절연막 두께 상향을 위해 이온 주입 층을 선택적으로 형성하는 단계;
상기 로직 소자의 게이트 절연막과 상기 비휘발성 메모리 소자의 게이트 절연막을 동시에 형성하는 단계; 및
상기 로직 소자의 게이트 절연막과 상기 비휘발성 메모리 소자의 게이트 절연막 상에 게이트 전극을 각각 형성하는 단계를 포함하고,
상기 비휘발성 메모리 소자의 게이트 절연막의 두께는 상기 로직 소자의 게이트 절연막보다 두꺼우며,
상기 비휘발성 메모리 소자는 센싱 트랜지스터, 선택 트랜지스터, 및 컨트롤 게이트 구조를 포함하고,
상기 센싱 트랜지스터의 센싱 게이트 절연막 및 상기 컨트롤 게이트 구조의 컨트롤 게이트 절연막의 두께는, 상기 선택 트랜지스터의 선택 게이트 절연막보다 두껍게 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조 방법.
In the step of forming a logic element and a non-volatile memory element on a semiconductor substrate,
selectively forming an ion implantation layer in an area where the non-volatile memory device is formed to increase the thickness of the gate insulating layer;
simultaneously forming a gate insulating layer of the logic device and a gate insulating layer of the non-volatile memory device; and
Forming gate electrodes on the gate insulating film of the logic device and the gate insulating film of the non-volatile memory device, respectively,
The thickness of the gate insulating film of the non-volatile memory device is thicker than the gate insulating film of the logic device,
The non-volatile memory element includes a sensing transistor, a selection transistor, and a control gate structure,
A semiconductor device manufacturing method, wherein the sensing gate insulating film of the sensing transistor and the control gate insulating film of the control gate structure are formed thicker than the selection gate insulating film of the selection transistor.
상기 이온 주입 층은 불소, 비소, 보론, 게르마늄 또는 아르곤 중에서 어느 하나를 포함하는 도펀트를 이용하는 반도체 소자 제조 방법.
According to claim 6,
A method of manufacturing a semiconductor device in which the ion implantation layer uses a dopant containing any one of fluorine, arsenic, boron, germanium, or argon.
상기 비휘발성 메모리 소자는 싱글 폴리 멀티-타임 프로그램 가능한 비휘발성 메모리 소자인 것을 특징으로 하고,
상기 센싱 트랜지스터의 센싱 게이트 전극과 상기 컨트롤 게이트 구조의 컨트롤 게이트 전극은 전기적으로 서로 연결되는 반도체 소자 제조 방법.
According to claim 6,
The non-volatile memory device is characterized in that it is a single poly multi-time programmable non-volatile memory device,
A semiconductor device manufacturing method in which the sensing gate electrode of the sensing transistor and the control gate electrode of the control gate structure are electrically connected to each other.
상기 센싱 트랜지스터의 상기 센싱 게이트 절연막의 두께는, 상기 로직 소자의 게이트 절연막보다 두껍게 형성되는 반도체 소자 제조 방법.
According to claim 6,
A semiconductor device manufacturing method wherein the sensing gate insulating film of the sensing transistor is formed to be thicker than the gate insulating film of the logic device.
상기 로직 소자의 게이트 절연막과 상기 비휘발성 메모리 소자의 게이트 절연막 상에 게이트 전극을 각각 형성하는 단계 이후에, 상기 로직 소자의 웰 영역, 상기 비휘발성 메모리 소자의 웰 영역을 형성하는 단계를 더 포함하는 반도체 소자 제조 방법.
According to claim 6,
After forming a gate electrode on the gate insulating film of the logic device and the gate insulating film of the non-volatile memory device, forming a well region of the logic device and a well region of the non-volatile memory device. Semiconductor device manufacturing method.
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