KR20090002635A - Nonvolatile Memory Device and Manufacturing Method Thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유전체막의 두께를 최소화할 수 있도록 환경을 조성하여 소자의 커플링 비(coupling ratio)를 개선시킬 수 있는 비휘발성 메모리 소자 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명은 기판 상에 형성된 터널링 절연막과, 상기 터널링 절연막 상에 형성된 플로팅 게이트와, 상기 플로팅 게이트와 서로 다른 도전형을 갖는 장벽층과, 상기 장벽층 상에 형성된 유전체막과, 상기 유전체막 상에 형성된 콘트롤 게이트를 포함하는 비휘발성 메모리 소자를 제공한다.The present invention is to provide a non-volatile memory device and a method of manufacturing the same to create an environment to minimize the thickness of the dielectric film to improve the coupling ratio (coupling ratio) of the device, the present invention for this purpose A tunneling insulating film formed on the substrate, a floating gate formed on the tunneling insulating film, a barrier layer having a different conductivity type from the floating gate, a dielectric film formed on the barrier layer, and a control gate formed on the dielectric film. A nonvolatile memory device is provided.
Description
본 발명은 반도체 제조 기술에 관한 것으로, 특히 비휘발성 메모리 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to semiconductor manufacturing technology, and more particularly, to a nonvolatile memory device and a method of manufacturing the same.
DRAM(Dynamic Random Access Memory) 소자와 달리 비휘발성 메모리 소자인 플래시 메모리 소자는 캐패시터 소자가 필요 없지만, 데이터를 독출 및 기입하기 위해서는 전하 저장공간이 필요하게 된다. 이러한 데이터 독출 및 기입 동작을 수행하기 위해서는 터널링 절연막에서 형성되는 정전용량을 포함한 전체 정전용량과, IPD(Inter Poly Dielectric) 또는 IPO(Inter Poly Oxide)라고 불리는 유전체막, 즉 플로팅 게이트와 컨트롤 게이트 사이에 개재된 유전체막의 정전용량 간의 비를 충족시켜야 한다. Unlike DRAM (Dynamic Random Access Memory) devices, flash memory devices, which are nonvolatile memory devices, do not require capacitor devices, but require charge storage space to read and write data. In order to perform the data read and write operation, the entire capacitance including the capacitance formed in the tunneling insulating film and a dielectric film called IPD (Inter Poly Dielectric) or IPO (Inter Poly Oxide), that is, between the floating gate and the control gate, are performed. The ratio between the capacitances of the interposed dielectric films must be satisfied.
그러나, 소자가 고집적화되어 감에 따라 기존의 산화막, 질화막 및 산화막이 적층된 적층 구조(산화막/질화막/산화막)로 유전체막을 형성하는 경우에는 정전용량을 확보하는데 한계가 있다. 따라서, 정전용량을 증대시키기 위해 유전체막의 두 께, 특히 최하부층 산화막의 두께를 감소시키려는 노력이 이루어지고 있으나, 이 경우 직접 터널링(direct tunneling)이 발생되어 누설전류 특성이 열화되는 문제가 발생된다. However, as the device is highly integrated, there is a limit in securing the capacitance when a dielectric film is formed of a laminated structure (oxide film / nitride film / oxide film) in which an oxide film, a nitride film, and an oxide film are stacked. Accordingly, efforts have been made to reduce the thickness of the dielectric film, particularly the thickness of the lowermost layer oxide film, in order to increase the capacitance. However, in this case, direct tunneling occurs to deteriorate leakage current characteristics.
따라서, 본 발명은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 유전체막의 두께를 최소화할 수 있도록 환경을 조성하여 소자의 커플링 비(coupling ratio)를 개선시킬 수 있는 비휘발성 메모리 소자 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다. Accordingly, the present invention has been proposed to solve the problems of the prior art, and a nonvolatile memory device capable of improving the coupling ratio of the device by forming an environment to minimize the thickness of the dielectric film and its manufacture The purpose is to provide a method.
상기한 목적을 달성하기 위한 일 측면에 따른 본 발명은, 기판 상에 형성된 터널링 절연막과, 상기 터널링 절연막 상에 형성된 플로팅 게이트와, 상기 플로팅 게이트와 서로 다른 도전형을 갖는 장벽층과, 상기 장벽층 상에 형성된 유전체막과, 상기 유전체막 상에 형성된 콘트롤 게이트를 포함하는 비휘발성 메모리 소자를 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a tunneling insulating film formed on a substrate, a floating gate formed on the tunneling insulating film, a barrier layer having a different conductivity type from the floating gate, and the barrier layer. A nonvolatile memory device comprising a dielectric film formed on and a control gate formed on the dielectric film.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 다른 측면에 따른 본 발명은, 기판 상에 터널링 절연막을 형성하는 단계와, 상기 터널링 절연막 상에 플로팅 게이트를 형성하는 단계와, 상기 플로팅 게이트 상에 상기 플로팅 게이트와 서로 다른 도전형을 갖는 장벽층을 형성하는 단계와, 상기 장벽층 상에 유전체막을 형성하는 단계와, 상기 유전체막 상에 콘트롤 게이트를 형성하는 단계를 포함하는 비휘발성 메모리 소자의 제조방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of forming a tunneling insulating film on a substrate, forming a floating gate on the tunneling insulating film, and forming the floating gate on the floating gate. It provides a method of manufacturing a nonvolatile memory device comprising the steps of forming a barrier layer having different conductivity types, forming a dielectric film on the barrier layer, and forming a control gate on the dielectric film. .
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 플로팅 게이트와 유전체막 사이에 장벽층을 형성하여 유전체막과 플로팅 게이트의 전도대 간의 갭을 증대시킴으로써, 유전체막 두께 감소에 따른 누설전류 특성을 개선시킬 수 있다. 또한, 유전체막 두께 감소에 따라 커플링 비를 증대시켜 소자의 동작 신뢰성을 개선시킬 수있다. As described above, according to the present invention, by forming a barrier layer between the floating gate and the dielectric film to increase the gap between the conduction band of the dielectric film and the floating gate, it is possible to improve the leakage current characteristics due to the decrease in the dielectric film thickness. . In addition, as the dielectric film thickness decreases, the coupling ratio can be increased to improve the operation reliability of the device.
이하에서는, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 또한, 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께와 간격은 설명의 편의와 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이며, 층이 다른 층 또는 기판 '상' 또는 '상부'에 있다고 언급되어지는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나, 또는 그들 사이에 제3의 층이 개재될 수도 있다. 또한, 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 도면번호로 표시된 부분은 동일한 층을 나타내며, 각 도면번호에 영문을 포함하는 경우 동일층이 식각 또는 연마 공정을 통해 일부가 변형된 것을 의미한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, the most preferred embodiment of the present invention will be described. In addition, in the drawings, the thicknesses and spacings of layers and regions are exaggerated for ease of explanation and clarity, and when referred to as being on or above another layer or substrate, it is different. It may be formed directly on the layer or the substrate, or a third layer may be interposed therebetween. In addition, the parts denoted by the same reference numerals throughout the specification represent the same layer, and when the reference numerals include the English, it means that the same layer is partially modified through an etching or polishing process.
실시예Example
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자를 설명하기 위하여 도시한 단면도이다. 여기서는, 설명의 편의를 위해 SA-STI(Self Aligned-Shallow Trench Isolation) 공정을 통해 제조된 낸드 플래시 메모리 소자의 메모리 셀을 일 례로 도시하였다. 1 is a cross-sectional view illustrating a nonvolatile memory device according to an embodiment of the present invention. For convenience of description, a memory cell of a NAND flash memory device manufactured through a self-aligned-shallow trench isolation (SA-STI) process is illustrated as an example.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자는 플로팅 게이트(105A)와 유전체막(107) 사이에 플로팅 게이트(105A)에 도핑된 불순물 이온의 도전형과 반대 타입(type)의 도전형을 갖는 불순물 이온이 도핑된 장벽층(106)을 포함한다. Referring to FIG. 1, a nonvolatile memory device according to an exemplary embodiment of the present invention has a type opposite to that of an impurity ion doped in a
장벽층(106)은 도 3에 도시된 바와 같이 유전체막(107), 특히 산화막(107-1)과 플로팅 게이트(105A)의 전도대(conduction band) 간의 갭(gap)을 그 두께만큼 증대시켜 플로팅 게이트(105A)의 전자(e)들이 산화막(107-1)을 통해 터널링되는 것을 차단한다. The
부연 설명하면, 전술한 바와 같이 정전용량을 증대시키기 위해 유전체막의 두께를 감소시키는 경우, 유전체막과 플로팅 게이트의 전도대 간의 갭이 유전체막 두께 감소에 비례하여 감소하게 된다. 이런 상태에서 기입 동작을 위해 대략 20V 이상의 고전압을 콘트롤 게이트에 인가하게 되면, 플로팅 게이트의 전자들이 얇아진 전도대 간의 갭을 뚫고 지나가는 직접 터널링이 발생되어 누설전류 특성이 열화된다. In other words, as described above, when the thickness of the dielectric film is reduced to increase the capacitance, the gap between the dielectric film and the conduction band of the floating gate decreases in proportion to the decrease in the dielectric film thickness. In this state, applying a high voltage of approximately 20V or more to the control gate for the write operation causes direct tunneling through which the electrons in the floating gate pass through the thinned conduction band, thereby deteriorating leakage current characteristics.
따라서, 본 발명의 실시예에서는 플로팅 게이트(105A)와 유전체막(107) 사이에 장벽층(106)을 형성하고, 이를 통해 유전체막(107)과 플로팅 게이트(105A)의 전도대 간의 갭을 증대시켜 유전체막(107) 두께 감소에 따른 전도대 간의 갭 감소를 보상한다. Therefore, in the embodiment of the present invention, the
이하, 도 2a 내지 도 2d를 참조하여 도 1에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 제조방법을 설명하기로 한다. 도 2a 내지 도 2d는 공정 단면도이다. Hereinafter, a method of manufacturing a nonvolatile memory device according to an exemplary embodiment of the present invention shown in FIG. 1 will be described with reference to FIGS. 2A to 2D. 2A to 2D are cross-sectional views of the process.
먼저, 도 2a에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(100), 예컨대 p형 기판 내에 트리플 n-웰(triple n-type well)(미도시)을 형성한 후 p-웰(p-type well)(미도시)을 형성한다. First, as shown in FIG. 2A, triple n-type wells (not shown) are formed in a
이어서, p-웰 내의 채널 영역 내에 문턱전압 조절용 이온주입 공정을 실시한다.Subsequently, an ion implantation process for adjusting the threshold voltage is performed in the channel region in the p-well.
이어서, 기판(100) 상에 실질적으로 F-N 터널링(Fouler-Nordheim Tunneling)이 일어나는 터널링 절연막(101)을 형성한다. 이때, 터널링 절연막(101)은 산화막, 예컨대 실리콘산화막(SiO2)으로 형성하거나, 실리콘산화막(SiO2)을 형성한 후 질소, 예컨대 N2 가스를 이용한 열처리 공정을 실시하여 실리콘산화막(SiO2)과 기판(200) 계면에 질화층을 형성할 수도 있다. 그 제조방법으로는 건식 산화, 습식 산화 공정 또는 라디컬 이온을 이용한 산화 공정을 이용할 수도 있으나, 특성 측면에서 라디컬 이온을 이용한 산화 공정 대신에 건식 산화, 습식 산화 공정으로 실시하는 것이 바람직하다. 한편, 질소 가스를 이용한 열처리 공정은 퍼니스(furnace) 장비를 이용하여 실시할 수 있다. 이러한 터널링 절연막(101)은 50~100Å 정도의 두께로 형성할 수 있다. Subsequently, a tunneling
이어서, 터널링 절연막(101) 상에 플로팅 게이트용 제1 도전막(102)을 형성한다. 이때, 제1 도전막(102)은 도전성을 갖는 물질로 형성하며, 예컨대 다결정실 리콘막, 전이 금속, 희토류 금속 또는 이들이 혼합된 합금막 중 선택된 어느 하나의 물질로 형성할 수 있다. 예컨대, 다결정실리콘막은 불순물 이온이 도핑되지 않은 언-도프트(un-doped) 다결정실리콘막 또는 불순물 이온이 도핑된 도프트(doped) 다결정실리콘막 모두 사용할 수 있으나, 후속 열처리 공정에 의해 도핑된 불순물 이온들이 터널링 절연막(101)으로 확산되어 터널링 절연막(101) 내에 트랩 사이트(trap site)를 형성하는 것을 방지하기 위해 언-도프트 다결정실리콘막으로 형성하는 것이 바람직하다. 언-도프트 다결정실리콘막은 저압 화학 기상 증착(Low Pressure Chemical Vapor Deposition, 이하 LPCVD라 함) 방식으로 형성하고, 이때 소스 가스로는 실란(SiH4) 사용한다. 또한, 전이 금속으로는 철(Fe), 코발트(Co), 텅스텐(W), 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 몰리브덴(Mo) 또는 티타늄(Ti) 등을 사용하고, 희토류 금속으로는 어븀(Er), 이터륨(Yb), 사마륨(Sm), 이트륨(Y), 란탄(La), 세륨(Ce), 테르븀(Tb), 디스프로슘(Dy), 홀뮴(Ho), 톨륨(Tm) 및 루테튬(Lu) 등을 사용한다. Subsequently, the first
이어서, 후속 공정을 통해 형성될 소자 분리막(103)을 트렌치(trench) 구조로 형성하고, 이때 식각 마스크로 하드 마스크를 적용하는 경우 제1 도전막(102) 상에 완충막(미도시)을 형성할 수도 있다. 이때, 완충막(미도시)은 하드 마스크 증착공정 및 제거공정시 제1 도전막(102)의 손상을 방지하기 위한 것으로, 하드 마스크와 높은 식각 선택비를 갖는 물질로 형성하는 것이 바람직하다. 예컨대, 하드 마스크가 질화막, 예컨대 실리콘질화막(Si3N4)으로 형성된 경우 실리콘산화막(SiO2)으 로 형성한다.Subsequently, a
이어서, 완충막 상에 하드 마스크(미도시)를 형성한 후, 상기 하드 마스크, 완충막, 제1 도전막(102), 터널링 절연막(101) 및 기판(100)을 일부 식각하여 트렌치(미도시)를 형성한다. Subsequently, after forming a hard mask (not shown) on the buffer film, the hard mask, the buffer film, the first
이어서, 상기 트렌치가 매립되도록 소자 분리막용 절연막을 형성한 후 평탄화 공정, 예컨대 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing, 이하, CMP라 함) 공정을 실시하여 상기 트렌치 내부에 고립된 소자 분리막(103)을 형성한다. 이때, 소자 분리막(103)은 높은 종횡비에서도 매립 특성이 우수한 고밀도 플라즈마(High Density Plasma)으로 형성된 막(이하, HDP라 함)으로 형성하거나, HDP와 스핀 코팅(spin coating) 방식으로 형성된 SOD(Spin On Dielectric)막이 적층된 적층 구조로 형성할 수 있다. 이때, SOD막으로는 PSZ(polisilazane)막을 사용할 수 있다. Subsequently, an insulating film for an isolation layer is formed to fill the trench, and then a planarization process, for example, chemical mechanical polishing (hereinafter, referred to as CMP), is performed to form an
이어서, 도 2b에 도시된 바와 같이, 제1 도전막(102) 상에 플로팅 게이트용 제2 도전막(104)을 형성한다. 이때, 제2 도전막(104)은 제1 도전막(102)보다 큰 선폭으로 형성되며, 불순물 이온이 도핑된 도프트 다결정실리콘막으로 형성한다. 예컨대 도프트 다결정실리콘막은 LPCVD 방식으로 형성하며, 이때 소스 가스로는 실란(SiH4) 가스를 사용하고, 도핑 가스로는 포스핀(PH3), 3염화불소(BCl3) 또는 지보란(B2H6)가스 사용한다.Subsequently, as illustrated in FIG. 2B, a second
이어서, 도 2c에 도시된 바와 같이, 제2 도전막(104A) 상에 제2 도전 막(104A)과 서로 다른 도전형을 갖는 불순물 이온이 도핑된 장벽층(106)을 형성한다. 이때, 장벽층(106)은 카운터 도핑(counter-doping) 공정으로 형성한다. 여기서, 카운터 도핑 공정이라 함은 전극용 불순물 이온의 도전형과 반대 타입의 분순물 이온을 주입하는 공정을 의미한다. 예컨대, 카운터 도핑 공정은 제2 도전막(104A)이 주기율표 상에서 5족 물질인 인(P) 또는 비소(As)와 같은 n형 불순물 이온으로 도핑된 경우, 3족 물질인 붕소(B)와 같은 p형 불순물 이온을 사용한다. 더욱 구체적으로, 제2 도전막(104)이 인(P)으로 도핑된 경우 붕소(B), 불화붕소(BF), 이불화붕소(BF2) 또는 이들의 혼합을 이용하며, 이때 이온주입량(dose)은 1×1012~5×1012ions/cm2로 하고, 이온주입에너지는 5~10KeV로 한다. 또한, 이온주입각(tilt)은 0~10°또는 15°로 한다. Subsequently, as shown in FIG. 2C, a
이어서, 도 2d에 도시된 바와 같이, 장벽층(106)을 포함하는 기판(100) 상부의 단차면을 따라 유전체막(107)을 형성한다. 이때, 유전체막(107)은 산화막-질화막-산화막, 예컨대 실리콘산화막(SiO2)-실리콘질화막(Si3N4)-실리콘산화막(SiO2)이 적층된 구조로 형성하거나, 유전율이 실리콘산화막(SiO2)보다 높은 3.9 이상인 알루미늄산화막(Al2O3), 지르코늄산화막(ZrO2), 하프늄산화막(HfO2) 또는 이들의 적층막으로 형성하거나, 또는 이들이 혼합된 혼합막으로 형성할 수도 있다. Subsequently, as illustrated in FIG. 2D, the
이어서, 유전체막(107) 상에 콘트롤 게이트용 도전막(이하, 제3 도전막이라 함)을 형성한다. 이때, 상기 제3 도전막은 도프트 다결정실리콘막, 전이 금속, 희 토류 금속 또는 이들이 혼합된 합금막 중 선택된 어느 하나의 도전막으로 형성할 수 있다. Next, a control gate conductive film (hereinafter referred to as a third conductive film) is formed on the
이어서, 상기 제3 도전막 상에는 비저항을 낮추기 위해 금속 질화물, 금속 실리사이드층 또는 이들이 적층된 적층막을 더 형성할 수도 있다. 예컨대, 금속 질화물로는 티타늄질화막(TiN), 탄탈늄질화막(TaN), 텅스텐질화막(WN)으로 사용하고, 금속 실리사이드층으로는 티타늄실리사이드층(TiSi2), 텅스텐실리사이드층(Wsi) 등을 사용한다. Subsequently, on the third conductive film, a metal nitride, a metal silicide layer, or a laminated film in which these layers are laminated may be further formed to lower the specific resistance. For example, a titanium nitride layer (TiN), a tantalum nitride layer (TaN), or a tungsten nitride layer (WN) is used as the metal nitride, and a titanium silicide layer (TiSi 2 ), a tungsten silicide layer (Wsi), or the like is used as the metal silicide layer. do.
이어서, 도시되진 않았지만, 제3 도전막(108), 유전체막(107), 장벽층(106), 제2 도전막(104A), 제1 도전막(102)을 식각하여 원하는 선폭을 갖는 메모리 셀의 게이트 전극을 형성한다. Subsequently, although not illustrated, the third
이후 공정은 일반적인 공정과 동일함에 따라 그에 대한 설명은 생략하기로 한다.Since the process is the same as the general process, a description thereof will be omitted.
본 발명의 기술 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 특히, 본 발명의 실시예는 SA-STI 공정을 적용한 낸드 플래시 메모리 소자를 예로 들어 기술되었으나, 이는 설명의 편의를 위한 것으로서, 노아 플래시 메모리 소자를 포함하는 모든 비휘발성 메모리 소자, 또는 평면 상에 스택 구조로 형성된 구조, SAFG(Self Aligned-Floating Gate), ASA-STI(Advanced Self Aligned-STI) 공정을 적용한 구조에도 모두 적용할 수 있다. 또한, 본 발명은 이 기술 분야의 통상 의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예들이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.Although the technical spirit of the present invention has been described in detail in the preferred embodiments, it should be noted that the above-described embodiments are for the purpose of description and not of limitation. In particular, the embodiment of the present invention has been described using a NAND flash memory device to which the SA-STI process is applied as an example, but for convenience of description, all non-volatile memory devices including a NOA flash memory device, or a stack on a plane The structure may be applied to a structure formed of a structure, a self-aligned-floating gate (SAFG), and a structure to which an advanced self-aligned-sti (ASA-STI) process is applied. In addition, the present invention will be understood by those skilled in the art that various embodiments are possible within the scope of the technical idea of the present invention.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자를 도시한 단면도.1 is a cross-sectional view illustrating a nonvolatile memory device according to an embodiment of the present invention.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 제조방법을 도시한 공정 단면도.2A through 2D are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a nonvolatile memory device in accordance with an embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 장벽층을 기능을 설명하기 위하여 도시한 개념도.3 is a conceptual diagram illustrating the function of the barrier layer according to an embodiment of the present invention.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉<Explanation of symbols for main parts of drawing>
100 : 반도체 기판 101 : 터널링 절연막100
102 : 제1 도전막 103 : 소자 분리막102: first conductive film 103: device isolation film
104, 104A : 제2 도전막 105, 105A : 플로팅 게이트104, 104A: second
107 : 유전체막 107-1, 107-3 : 산화막107: dielectric film 107-1, 107-3: oxide film
107-2 : 질화막 108 : 제3 도전막107-2: Nitride film 108: Third conductive film
Claims (10)
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PA0109 | Patent application |
Patent event code: PA01091R01D Comment text: Patent Application Patent event date: 20070702 |
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PG1501 | Laying open of application | ||
PC1203 | Withdrawal of no request for examination | ||
WITN | Application deemed withdrawn, e.g. because no request for examination was filed or no examination fee was paid |