JP2007281470A - Gate structure of integrated circuit memory device having charge storing nano crystals in metal oxide dielectric film and method of forming the same - Google Patents

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Sam-Jong Choi
三 宗 崔
圭 徹 ▲そう▼
Kyoo-Chul Cho
Soo-Yeol Choi
秀 烈 崔
Yong-Kwon Kim
勇 權 金
Young-Soo Park
永 秀 朴
Sankoku In
燦 國 印
Hae-Jin Park
海 珍 朴
Sang-Sik Kim
相 植 金
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a gate structure of an integrated circuit memory device having charge storing nano crystals in a metal oxide dielectric film and a method of forming the gate structure. <P>SOLUTION: The method of forming a gate structure of an integrated circuit memory device includes forming a metal oxide dielectric film 150 on an integrated circuit substrate 100. Ions of an element selected from group IV of the periodic table and having a thermal diffusivity no larger than 0.5 cm<SP>2</SP>/s, such as Ge, are injected into the dielectric film to form a charge storing region in the dielectric film with a tunnel dielectric film 135 formed under the charge storing region and a capping dielectric film 140 formed on the charge storing region. The substrate 100 including the dielectric film 150 is thermally treated to form a plurality of discrete charge storing nano crystals 130_NC in the charge storing region. A gate electrode layer 160 is formed on the dielectric film 150. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、集積回路装置にあ係り、より詳細には、集積回路装置のゲート構造物及びその形成方法に関する。   The present invention relates to an integrated circuit device, and more particularly to a gate structure of an integrated circuit device and a method for forming the same.

携帯用電子製品と埋め込みシステム使用の増加は、低電力、高密度、超高速プログラム可能な不揮発性メモリを必要としている。このように開発されたメモリの一形態がフラッシュEEPROM(Electronically Erasable and Programmable Read Only Memory)である。フラッシュEEPROMは、自動車、飛行機、産業用制御システムなどの巨大な電子システムだけでなく、パソコン、携帯電話、携帯用コンピュータ、レコーダなどの多くの携帯用電子製品にも使われる。   Increasing use of portable electronic products and embedded systems requires low power, high density, ultrafast programmable non-volatile memory. One form of the memory thus developed is a flash EEPROM (Electronically Erasable and Programmable Read Only Memory). Flash EEPROMs are used not only for huge electronic systems such as automobiles, airplanes, and industrial control systems, but also for many portable electronic products such as personal computers, mobile phones, portable computers, recorders and the like.

フラッシュEEPROM装置は、一般的に半導体基板のような集積回路基板上に形成される。基板の表面部にはドーピングされたソース及びドレイン領域が一般的にこれらの間にチャネル領域を有して形成される。トンネルシリコン酸化物絶縁膜は、ソースとドレイン領域との間のチャネル領域上の半導体基板上に形成されうる。チャネル領域上のトンネルシリコン酸化物絶縁膜上には、一般的にフローティングゲート層、コントロールゲート層、そしてその間に介在された電極誘電層を含む積層されたゲート構造物が形成される。ソース領域は、一般的にゲート構造物にソース領域の一端部がオーバーラップされ、積層されたゲート構造物の一側に位置する。ドレイン領域は、一般的にゲート構造物に一端部がオーバーラップされ、積層されたゲート構造物の反対側に位置する。このような装置は、例えば、図1に示されたようにホット電子注入によりプログラムされ、 FN(Fowler− Nordheim)トンネリングにより消去されうる。   Flash EEPROM devices are typically formed on an integrated circuit substrate such as a semiconductor substrate. Doped source and drain regions are generally formed in the surface portion of the substrate with a channel region therebetween. The tunnel silicon oxide insulating film can be formed on the semiconductor substrate on the channel region between the source and drain regions. A laminated gate structure including a floating gate layer, a control gate layer, and an electrode dielectric layer interposed therebetween is generally formed on the tunnel silicon oxide insulating film on the channel region. The source region is generally located on one side of the stacked gate structure, with one end of the source region overlapping the gate structure. The drain region is generally located on the opposite side of the stacked gate structure, with one end overlapping the gate structure. Such an apparatus can be programmed, for example, by hot electron injection as shown in FIG. 1 and erased by FN (Fowler-Nordheim) tunneling.

シリコン(Si)ナノクリスタルフラッシュEEPROM装置は、ダイレクトトンネリングのために低電圧を使用してシリコンナノクリスタルに電子を保存することによって、高速(数百ナノ秒)でプログラム可能であると提案された。電気的に分離されたナノクリスタル電荷保存領域を使用することによって、ゲート絶縁膜内の局部的欠陥による電荷の漏れは、例えば、図14に示されたように減少しうる。これは、図2に示された連続的なフローティングゲート漏れ経路と対照をなすことができる。   It has been proposed that silicon (Si) nanocrystal flash EEPROM devices can be programmed at high speeds (hundreds of nanoseconds) by storing electrons in silicon nanocrystals using a low voltage for direct tunneling. By using electrically isolated nanocrystal charge storage regions, charge leakage due to local defects in the gate dielectric can be reduced, for example, as shown in FIG. This can be contrasted with the continuous floating gate leakage path shown in FIG.

また、GeナノクリスタルフラッシュEEPROM装置も低電力、高速プログラムが可能であると提案されている。このような装置は、シリコン基板にGeイオンを注入することによって製造できる。しかし、イオン注入工程は、Geをシリコン−トンネル絶縁膜の境界領域に位置させ、装置の性能を劣化させうるトラップ領域を形成する。このようなトラップ領域の存在は、トンネル絶縁膜の厚さをあまり制限していないが、これは非常に薄いトンネル絶縁膜内で欠陥の誘発された漏れ電流によって不十分なデータ保有能を持たせることがあるからである。   It has also been proposed that Ge nanocrystal flash EEPROM devices can be programmed with low power and high speed. Such an apparatus can be manufactured by implanting Ge ions into a silicon substrate. However, the ion implantation process places Ge in the boundary region of the silicon-tunnel insulating film and forms a trap region that can degrade the performance of the device. The presence of such a trap region does not significantly limit the thickness of the tunnel dielectric, but it provides insufficient data retention due to defect-induced leakage currents in very thin tunnel dielectrics. Because there are things.

またトンネリング膜、Geのドーピングされた絶縁膜、キャッピング膜構造を有するナノクリスタル電荷トラップ3重膜構造が提案されている。このような構造は、キャパシタンス−電圧カーブのメモリヒステリシス特性が低下し、製造工程の複雑さ、漏れ電流及びイオンの外部への拡散のような問題を有しうる。しかしナノクリスタル電荷トラップ3重膜構造の工程の複雑さは、電荷トラップの形成及び結果的に過度に薄いトンネル絶縁膜の形成における難点を含みうる。   In addition, a nanocrystal charge trap triple film structure having a tunneling film, a Ge-doped insulating film, and a capping film structure has been proposed. Such a structure may reduce memory hysteresis characteristics of the capacitance-voltage curve, and may have problems such as manufacturing process complexity, leakage current, and diffusion of ions to the outside. However, the process complexity of the nanocrystal charge trap triple film structure can include difficulties in forming charge traps and consequently in forming an excessively thin tunnel insulator.

本発明が解決しようとする技術的課題は、メモリヒステリシス特性を示すナノクリスタル不揮発性半導体集積回路装置の製造方法を提供することである。   A technical problem to be solved by the present invention is to provide a method of manufacturing a nanocrystal nonvolatile semiconductor integrated circuit device exhibiting memory hysteresis characteristics.

本発明が解決しようとする他の技術的課題は、メモリヒステリシス特性を示し、単純化された構造を有するナノクリスタル不揮発性半導体集積回路装置を提供することである。   Another technical problem to be solved by the present invention is to provide a nanocrystal nonvolatile semiconductor integrated circuit device that exhibits memory hysteresis characteristics and has a simplified structure.

本発明の目的は、以上で言及した目的に制限されず、言及されていない他の目的は下の記載から当業者に明確に理解されうる。   The objects of the present invention are not limited to the objects mentioned above, and other objects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

本発明は、基板上に絶縁層を形成する段階と、前記絶縁層内に周期律表のIV族から選択され、かつ0.5cm/s以下の熱拡散度を有する元素のイオン注入をする段階と、
前記イオン注入して前記絶縁層内に電荷保存領域を形成することにより、前記電荷保存領域の下部にトンネル絶縁層と、前記電荷保存領域の上部にキャッピング絶縁層とに前記絶縁層を区画する段階と、前記トンネル絶縁層、前記電荷保存領域、および前記キャッピング絶縁層が区画された絶縁層を含む前記基板を熱処理して前記電荷保存領域に複数の分離された電荷保存ナノクリスタルを形成する段階と、前記絶縁層上にゲート電極層を形成する段階と、を含む集積回路メモリ装置のゲート構造物の形成方法により上記課題を解決するものである。
The present invention includes a step of forming an insulating layer on a substrate, and ion implantation of an element selected from group IV of the periodic table and having a thermal diffusivity of 0.5 cm 2 / s or less into the insulating layer. Stages,
Partitioning the insulating layer into a tunnel insulating layer below the charge storage region and a capping insulating layer above the charge storage region by forming a charge storage region in the insulating layer by implanting the ions; And heat-treating the substrate including the insulating layer in which the tunnel insulating layer, the charge storage region, and the capping insulating layer are partitioned to form a plurality of separated charge storage nanocrystals in the charge storage region; And a step of forming a gate electrode layer on the insulating layer to solve the above-mentioned problem by a method of forming a gate structure of an integrated circuit memory device.

本発明の製造方法によれば、5eV超過のエネルギバンドギャップと7超過の比誘電率を有し、シリコン酸化膜より膜質の緻密な膜の内部にイオンを注入してアニーリング工程によってトンネル絶縁膜、ナノクリスタルとカップリング及びブロッキング絶縁膜を同時に形成できるので、工程が単純なだけでなく、単層のナノクリスタル形成が容易である。   According to the manufacturing method of the present invention, a tunnel insulating film having an energy band gap exceeding 5 eV and a relative dielectric constant exceeding 7 and implanting ions into a dense film having a quality higher than that of a silicon oxide film by an annealing process, Since the nanocrystal and the coupling and blocking insulating film can be formed at the same time, not only the process is simple but also the formation of a single-layer nanocrystal is easy.

一方、本発明の集積回路メモリ装置によれば、ナノクリスタルを電荷トラップサイトとして使用するために、従来のフローティングゲートを使用していた集積回路メモリ装置に比べて欠陥によるトラップされた電荷の漏れが顕著に減少しうる。さらに、ナノクリスタルをGeナノクリスタルとして具現する場合、低電力及び高速動作が可能である。また、本発明の集積回路メモリ装置は、従来のナノクリスタル集積回路メモリ装置に比べてメモリヒステリシス特性が顕著に向上する。そして、トンネル絶縁膜が高誘電率物質からなるために漏れ電流特性を向上させ、カップリング及びブロッキング絶縁膜も高誘電率物質からなるために高速動作が可能である。   Meanwhile, according to the integrated circuit memory device of the present invention, since the nanocrystal is used as the charge trap site, the trapped charge leakage due to the defect is less than that of the integrated circuit memory device using the conventional floating gate. Can be significantly reduced. Furthermore, when the nanocrystal is embodied as a Ge nanocrystal, low power and high speed operation are possible. Also, the integrated circuit memory device of the present invention has significantly improved memory hysteresis characteristics as compared with the conventional nanocrystal integrated circuit memory device. Further, since the tunnel insulating film is made of a high dielectric constant material, leakage current characteristics are improved, and the coupling and blocking insulating film is also made of a high dielectric constant material, so that high speed operation is possible.

本発明の利点及び特徴、そしてこれを達成する方法は添付された図面に基づいて詳細に後述されている実施例を参照すれば明確になる。しかし、本発明は以下で開示される実施形態に限定されるものではなく、この実施形態から外れて多様な形に具現でき、本明細書で説明する実施形態は本発明の開示を完全にし、本発明が属する技術分野で当業者に発明の範ちゅうを完全に報せるために提供されるものであり、本発明は請求項及び発明の詳細な説明により定義されるだけである。一方、明細書全体に亙って同一な参照符号は同一な構成要素を示す。   Advantages and features of the present invention and methods of achieving the same will be apparent with reference to the embodiments described below in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiment disclosed below, and can be embodied in various forms that deviate from this embodiment. The embodiment described in this specification completes the disclosure of the present invention, and The present invention is provided in order to fully inform those skilled in the art in the technical field to which the present invention pertains, and the present invention is only defined by the claims and the detailed description of the invention. On the other hand, the same reference numerals denote the same components throughout the specification.

本発明は、発明の実施形態で開示された添付される図面を参照して、以下でさらに詳細に説明する。本発明に示された各図面において各構成要素は説明の便宜を考慮して多少拡大または縮小されて図示されたものであり得る。   The present invention will be described in further detail below with reference to the accompanying drawings disclosed in the embodiments of the invention. In the drawings shown in the present invention, each component may be illustrated in a slightly enlarged or reduced manner for convenience of explanation.

素子(elements)または層が他の素子または層の“上に(on)”、“連結されて(connected to)”または“結合されて(coupled to)”と称されているものは、他の素子または層の直上だけでなく、中間に他の層または他の素子を介在した場合を含む。一方、素子が“直上(directly on)”、“直接的に連結されて(directly connected to)”または“直接的に結合されて(directly coupled to)”等と称されるのは、中間に他の素子または層を介在していないということを示す。同じ参照符号は、同じ構成要素を示す。本明細書で使われた“及び/または”は、言及されたアイテムの各々及び1つ以上のあらゆる組合わせを含む。   What elements or layers are referred to as "on", "connected to" or "coupled to" other elements or layers This includes not only an element or a layer directly above but also a case where another layer or another element is interposed in the middle. On the other hand, the elements are referred to as “directly on”, “directly connected to” or “directly coupled to”, etc. This means that no element or layer is interposed. The same reference numerals indicate the same components. As used herein, “and / or” includes each and every combination of one or more of the items mentioned.

たとえ本明細書で多様な構成要素、成分、領域、膜及び/または区域を説明するために、“第1”、“第2”のような用語を使用したとしても、このような構成要素、成分、領域、膜及び/または区域は、このような用語により制限されてはならない。このような用語は、単に1つの構成要素、成分、領域、膜または区域を他の領域、膜または区域と区分するために使われるだけである。したがって、以下で議論される第1構成要素、成分、領域、膜または区域は、本発明の指針から外れずに、第2構成要素、成分、領域、膜または区域と称されることもある。   Even if terms such as “first”, “second” are used herein to describe various components, components, regions, membranes and / or areas, such components, Components, regions, membranes and / or areas should not be limited by such terms. Such terms are only used to distinguish one component, component, region, film or section from another region, film or section. Accordingly, the first component, component, region, membrane or area discussed below may be referred to as the second component, component, region, membrane or area without departing from the guidelines of the present invention.

空間的に相対的な用語である“下に(beneath)”、“下(below)”、“下部(lower)”、“上(above)”、“上部(upper)”などは、図面に示されたように1つの装置または構成要素との相関関係を容易に記述するために使われうる。空間的に相対的な用語は、図面に示されている方向に加えて使用時または動作時に装置の相異なる方向を含む用語と理解されねばならない。例えば、図面の装置がひっくり返るならば、他の構成要素または図面に対して“下(below)”または“下に(beneath)”と説明された構成要素が他の構成要素または図面の“上(above)”にあるようになる。したがって、例示的な用語である“下(below)”は、上(above)及び下(below)の方向をいずれも含みうる。前記装置は、その他の方向(90°に回転されるか、他の方向を有するように)に向うことができ、空間的に相対的な技術語がそれによって解釈されて使われうる。   The spatially relative terms "beneath", "below", "lower", "above", "upper", etc. are shown in the drawings. As can be used to easily describe the correlation with one device or component. Spatial relative terms should be understood as terms that include different directions of the device in use or operation in addition to the directions shown in the drawings. For example, if the apparatus of the drawing is flipped over, the component described as “below” or “beneath” relative to the other component or drawing is “above” the other component or drawing. above) ”. Thus, the exemplary term “below” may include both above and below directions. The device can be oriented in other directions (rotated to 90 ° or have other directions), and spatially relative terms can be interpreted and used thereby.

本明細書に使われる用語は、実施例を説明するためのものであり、本発明を制限するものではない。本明細書で、単数型は、文句で特別に言及しない限り複数型も含む。明細書に使われる“含む(comprises)及び/または含む(comprising)”は、言及された構成要素、段階、動作及び/または装置以外の1つ以上の他の構成要素、段階、動作及び/または装置の存在または追加を排除しない意味として使用する。   The terminology used herein is for describing the embodiments and is not intended to limit the present invention. In this specification, the singular forms also include plural forms unless the context clearly indicates otherwise. As used herein, “comprises” and / or “comprising” refers to one or more other components, steps, operations and / or other than the mentioned components, steps, operations and / or apparatus. Used to mean that the presence or addition of equipment is not excluded.

また、本明細書で記述する実施例は、本発明の理想的な例示図である断面図及び/または概略図を参照して説明される。したがって、製造技術及び/または許容誤差などにより例示図の形態が変化しうる。したがって、本発明の実施例は、図示された特定形態に制限されるものではなく、製造工程によって生成される形の変化も含むことである。例えば、長方形に示されたエッチングされた領域は、ラウンド状または曲線状であり得る。したがって、図面に示された領域は、概略的なものであり、図面の形態は装置の領域を正確な形に示すためのものではなく、本発明の範囲を制限しようとするものではない。   Also, the embodiments described herein will be described with reference to cross-sectional and / or schematic illustrations that are ideal illustrations of the invention. Therefore, the form of the example diagram may change depending on the manufacturing technique and / or tolerance. Accordingly, embodiments of the present invention are not limited to the specific forms shown, but are to include variations in form produced by the manufacturing process. For example, the etched area shown in the rectangle may be round or curved. Accordingly, the areas shown in the drawings are schematic and the form of the drawings is not intended to accurately illustrate the area of the device and is not intended to limit the scope of the invention.

他の定義がなければ、ここに使われたあらゆる用語(技術的及び科学的な用語を含む)は、当業者により一般的に理解されるような意味を有する。また、一般的に使われる規定の用語は関連分野及び本明細書の背景でのその意味と一致する意味を有すると解釈されねばならず、ここに他の定義がなければ、理想的なまたは過度に定形化された意味と解釈されない。   Unless otherwise defined, all terms used herein (including technical and scientific terms) have the meanings commonly understood by one of ordinary skill in the art. Also, commonly used normative terms shall be construed to have a meaning consistent with their meaning in the relevant field and context of this specification, and unless otherwise defined herein, ideal or excessive It is not interpreted as a stylized meaning.

本発明の集積回路メモリ装置のゲート構造物の実施形態の一例は、図3Aないし図3Dを参照して説明する。   An example of an embodiment of a gate structure of an integrated circuit memory device of the present invention will be described with reference to FIGS. 3A to 3D.

本発明に係る集積回路メモリ装置のゲート構造物は、基板と、前記基板上の絶縁層の一部である、前記基板上のトンネル絶縁層と、、前記トンネル絶縁層上の周期律表のIV族から選択され、0.5cm/s以下の熱拡散度を有する元素の複数の分離されたナノクリスタルを含む電荷保存領域と、前記電荷保存領域上の前記基板上の絶縁層の一部であるキャッピング絶縁層と、前記キャッピング絶縁層上のゲート電極層と、を備える集積回路装置のゲート構造物有するものであり、例えばフラッシュメモリ装置内で使用でき、基板内のソース及びドレイン領域により定義されるチャネル領域を有するゲート構造が提供されうる。第1絶縁層は、チャネル領域上に形成され、第2絶縁層は、約5eV超過のエネルギバンドギャップを有し、第1絶縁層より薄い構造で第1絶縁奏上に形成される。複数の電荷保存ナノクリスタルが第1絶縁層内に埋め込まれており、コントロールゲートが第2絶縁奏上に提供されて、フローティングゲート構造を提供する。第1絶縁層は、電荷保存ナノクリスタルが埋め込まれるような形になることから、前記ナノクリスタルの下部は、トンネル絶縁層に、前記ナノクリスタル上部の第1絶縁層の部分及び第2絶縁層は、カップリング/キャッピング及びブロッキング絶縁層になり、トンネル絶縁膜とカップリング/キャッピング及びブロッキング絶縁層との間に複数の分離された電荷保存ナノクリスタルを含む電荷保存層を有するカップリング/キャッピング及びブロッキング絶縁層に該当しうる。 The gate structure of the integrated circuit memory device according to the present invention includes a substrate, a tunnel insulating layer on the substrate that is a part of the insulating layer on the substrate, and an IV of a periodic table on the tunnel insulating layer. A charge storage region comprising a plurality of isolated nanocrystals of an element selected from the group and having a thermal diffusivity of 0.5 cm 2 / s or less, and a portion of an insulating layer on the substrate on the charge storage region A gate structure of an integrated circuit device comprising a capping insulating layer and a gate electrode layer on the capping insulating layer, which can be used in, for example, a flash memory device and is defined by source and drain regions in a substrate A gate structure having a channel region can be provided. The first insulating layer is formed on the channel region, and the second insulating layer has an energy band gap exceeding about 5 eV and is formed on the first insulating film with a structure thinner than that of the first insulating layer. A plurality of charge storage nanocrystals are embedded in the first insulating layer, and a control gate is provided on the second insulating layer to provide a floating gate structure. Since the first insulating layer has a shape in which a charge storage nanocrystal is embedded, the lower portion of the nanocrystal is a tunnel insulating layer, the first insulating layer portion above the nanocrystal and the second insulating layer are Coupling / capping and blocking having a charge storage layer comprising a plurality of isolated charge storage nanocrystals between the tunnel insulating film and the coupling / capping and blocking insulating layer, which becomes a coupling / capping and blocking insulating layer It can correspond to an insulating layer.

本発明に係るゲート構造物の形成方法は、基板上に絶縁層を形成する段階Iと、
前記絶縁層内に周期律表のIV族から選択され、かつ0.5cm/s以下の熱拡散度を有する元素のイオン注入をする段階IIと、
前記イオン注入をして前記前記絶縁層内に電荷保存領域を形成することにより、前記電荷保存領域の下部にトンネル絶縁層と、前記電荷保存領域の上部にキャッピング絶縁層とに前記絶縁層を区画する段階IIIと、
前記トンネル絶縁層、前記電荷保存領域、および前記キャッピング絶縁層が区画された絶縁層を含む前記基板を熱処理して前記電荷保存領域に複数の分離された電荷保存ナノクリスタルを形成する段階IVと、
前記絶縁層上にゲート電極層を形成する段階Vと、
を含む集積回路メモリ装置のゲート構造物およびその形成方法であり、以下本発明に係る実施形態の一例を図を用いて説明する。
A method for forming a gate structure according to the present invention includes a step I of forming an insulating layer on a substrate, and
Performing an ion implantation of an element selected from group IV of the periodic table and having a thermal diffusivity of 0.5 cm 2 / s or less into the insulating layer;
By performing the ion implantation to form a charge storage region in the insulating layer, the insulating layer is partitioned into a tunnel insulating layer below the charge storage region and a capping insulating layer above the charge storage region. Stage III to
Heat treating the substrate including the insulating layer in which the tunnel insulating layer, the charge storage region, and the capping insulating layer are partitioned to form a plurality of separated charge storage nanocrystals in the charge storage region; and
Forming a gate electrode layer on the insulating layer;
An example of an embodiment according to the present invention will be described below with reference to the drawings.

本発明に係る絶縁層は、第1絶縁層からなることが好ましく、前記絶縁層は、金属酸化物であること、または7超の比誘電率を有するAl、Hf、Ti、Zr、Sc、YおよびLaの酸化物または酸窒化物からなる群から選択される少なくとも一つを含むものであることがより好ましい。また、以下詳説するが前記絶縁層は、第1絶縁層からなり、イオン注入と基板の熱処理との間に第1絶縁層上に金属酸化物を含む第2絶縁層を形成することがより好ましい。   The insulating layer according to the present invention is preferably composed of a first insulating layer, and the insulating layer is a metal oxide or Al, Hf, Ti, Zr, Sc, Y having a relative dielectric constant of more than 7. And at least one selected from the group consisting of oxides and oxynitrides of La. In addition, as will be described in detail below, the insulating layer is made of a first insulating layer, and it is more preferable to form a second insulating layer containing a metal oxide on the first insulating layer between the ion implantation and the heat treatment of the substrate. .

図16のフローチャート及び図3Aの断面図を参照すれば、ステップ1600の低比誘電率絶縁層の形成工程は、第1絶縁層110が基板100上に形成されたことを示す図3Aに示されていることがわかる。第1絶縁層110は、金属酸化物であることが好ましく、中でもシリコン酸化膜であることがより好ましく、約5eV超過のエネルギバンドギャップを有することができる。第1絶縁層110の厚さは、約30nm以下であることが好ましく、20nm以下であることが好ましく、17nm以下であることが特に好ましい。また、いくつかの実施形態では、約15nmにして第1絶縁層110内にナノクリスタル単一膜を容易に形成することができる。   Referring to the flowchart of FIG. 16 and the cross-sectional view of FIG. 3A, the low dielectric constant insulating layer forming process of step 1600 is shown in FIG. 3A showing that the first insulating layer 110 is formed on the substrate 100. You can see that The first insulating layer 110 is preferably a metal oxide, more preferably a silicon oxide film, and may have an energy band gap exceeding about 5 eV. The thickness of the first insulating layer 110 is preferably about 30 nm or less, more preferably 20 nm or less, and particularly preferably 17 nm or less. In some embodiments, a single nanocrystal film can be easily formed in the first insulating layer 110 to about 15 nm.

ステップ1610の第1絶縁層内にイオンを注入して電荷保存領域を形成する工程は、本発明のいくつかの実施形態を説明した図3Bに示されている。図3Bを参照すれば、第1絶縁層110内に周期律表IV族から選択され、0.5cm/s以下の熱拡散度を有する元素のイオンを注入して第1絶縁層110内に電荷保存領域を形成するが、電荷保存領域の下部はトンネル絶縁層を有するように形成する。例えば、図3Bに示されたように、周期律表IV族から選択された元素のイオンは特に制限されないがGeであることが特に好ましい。 The step of implanting ions into the first insulating layer in step 1610 to form the charge storage region is shown in FIG. 3B illustrating some embodiments of the present invention. Referring to FIG. 3B, ions of an element selected from group IV of the periodic table and having a thermal diffusivity of 0.5 cm 2 / s or less are implanted into the first insulating layer 110 into the first insulating layer 110. A charge storage region is formed, and a lower portion of the charge storage region is formed to have a tunnel insulating layer. For example, as shown in FIG. 3B, the ion of an element selected from Group IV of the periodic table is not particularly limited, but Ge is particularly preferable.

下記表1は、本発明の多様な実施形態を説明するために絶縁層内で注入するイオンであるGeとシリコンとの間の多様な特性の差異点を示す。表1から分かるように、Geがシリコンに比べて比誘電率が大きく、エネルギバンドギャップは小さいために、低電圧駆動観点で有利である。また表1から分かるように、Geはナノクリスタル形成温度が低く、熱拡散度が小さいために所望の深さの位置にさらに容易に形成され、さらに低い拡散変化性を有する。また、Geは、急速熱アニーリング工程をさらに低温で実施でき、イオン注入後に低温アニーリング工程を実施する場合、絶縁層中に埋め込まれるようなナノクリスタル構造が垂直で多層に広げられないので、ナノクリスタルを単一層に形成し易い。熱工程進行の際に、Geはシリコンより外部に拡散されることを容易に防止しうる。結果的に、隣接したナノクリスタル点間の干渉が最小化するためにナノクリスタル粒子を均一なサイズに形成しうる。また、Geは、シリコンより移動度が大きいために、高速動作の不揮発性集積回路装置の具現にさらに適合しうる。   Table 1 below shows various characteristic differences between Ge, which is an ion implanted in the insulating layer, and silicon to illustrate various embodiments of the present invention. As can be seen from Table 1, Ge has a larger relative dielectric constant and smaller energy band gap than silicon, which is advantageous from the viewpoint of low voltage driving. Further, as can be seen from Table 1, Ge has a low nanocrystal formation temperature and a low thermal diffusivity, so that it is more easily formed at a desired depth, and has a lower diffusion variability. In addition, Ge can perform a rapid thermal annealing process at a lower temperature, and when performing a low temperature annealing process after ion implantation, the nanocrystal structure embedded in the insulating layer is vertical and cannot be spread in multiple layers. Is easily formed in a single layer. During the thermal process, Ge can be easily prevented from diffusing out of the silicon. As a result, nanocrystal particles can be formed to a uniform size in order to minimize interference between adjacent nanocrystal points. Further, since Ge has a higher mobility than silicon, it can be further adapted to the implementation of a high-speed nonvolatile integrated circuit device.

ステップ1610でイオン注入条件は、所望の平均注入深さと注入される層のデルタプロジェクション範囲を提供するために選択されうる。さらに具体的に、イオン注入エネルギ及びドーズはTRIM(Transport of Ionsin Matter)シミュレーションコードを使用して決定しうる。   In step 1610, ion implantation conditions may be selected to provide the desired average implantation depth and the delta projection range of the implanted layer. More specifically, the ion implantation energy and dose can be determined using a TRIM (Transport of Ionsin Matter) simulation code.

いくつかの実施例では、約7nmのデルタプロジェクション範囲が選択された平均注入深さについて提供される。7nm以下のデルタプロジェクション範囲は、図5のような分離されたナノクリスタル粒子層130_NCの下部絶縁膜135の厚さを約6nm以下にしうる。本発明のいくつかの実施例で、イオンは約80Åないし約120Åのデルタプロジェクション範囲でステップ1610のように選択された平均注入深さで注入される。   In some embodiments, a delta projection range of about 7 nm is provided for the selected average implant depth. In the delta projection range of 7 nm or less, the thickness of the lower insulating film 135 of the separated nanocrystal particle layer 130_NC as shown in FIG. 5 can be about 6 nm or less. In some embodiments of the present invention, ions are implanted at an average implantation depth selected as in step 1610 with a delta projection range of about 80 to about 120 inches.

本発明のいくつかの実施形態の一つでは、第1絶縁層110は、約17nm以下の厚さを有する。いくつかの実施形態で、ステップ1610のイオン注入工程は、約30KeV以下の注入エネルギで周期律表のIV族から選択される少なくとも一つのイオンを注入することが好ましく、10eV以下の注入エネルギで周期律表のIV族から選択される少なくとも一つのイオンを注入することがより好ましく、5eV〜10eVの注入エネルギがさらに好ましく、7KeV以上10eV以下であることが特に好ましく、約30KeV以下のイオン注入エネルギと約1×1014/cmないし約2×1016/cmのドーズでイオンを注入することを含む。 In one of several embodiments of the present invention, the first insulating layer 110 has a thickness of about 17 nm or less. In some embodiments, the ion implantation process of step 1610 preferably implants at least one ion selected from group IV of the periodic table with an implant energy of about 30 KeV or less, and a period with an implant energy of 10 eV or less. More preferably, at least one ion selected from group IV of the table is implanted, more preferably an implantation energy of 5 eV to 10 eV, particularly preferably 7 KeV to 10 eV, and an ion implantation energy of about 30 KeV or less. Implanting ions at a dose of about 1 × 10 14 / cm 2 to about 2 × 10 16 / cm 2 .

また、本明細書における「絶縁層」と「イオンの注入エネルギ」との関係を、以下説明する。上記ではイオン注入エネルギを具体的に記載したが、本来イオンの注入エネルギは、絶縁層の厚さによって適宜選択されるものであり、例えば、絶縁層を1層だけ形成する場合は、例えば、高いイオンの注入エネルギ(7KeV以上10eV以下)でイオンが当該絶縁層に注入されることが好ましく、一方、絶縁層を2層形成する場合(第1絶縁層、および第2絶縁層)は、例えば、低いイオンの注入エネルギ(5KeV以上10eV以下)でイオンが当該第1絶縁層に注入されることが好ましい。   The relationship between the “insulating layer” and “ion implantation energy” in this specification will be described below. Although the ion implantation energy is specifically described above, the ion implantation energy is originally appropriately selected depending on the thickness of the insulating layer. For example, when only one insulating layer is formed, the ion implantation energy is high, for example. Ions are preferably implanted into the insulating layer with ion implantation energy (7 KeV or more and 10 eV or less). On the other hand, when two insulating layers are formed (the first insulating layer and the second insulating layer), for example, It is preferable that ions are implanted into the first insulating layer with low ion implantation energy (5 KeV or more and 10 eV or less).

なぜなら、絶縁層を2層設けた場合、各絶縁層の厚さは、1層だけ設けた場合と比較して薄くなるためである。   This is because when two insulating layers are provided, the thickness of each insulating layer is thinner than when only one layer is provided.

図16及び図3Cを参照すれば、第2絶縁層120は、第1絶縁層110上に形成される(ステップ1620)ことが好ましい。さらに具体的に、本発明のいくつかの実施形態で第2絶縁層120は、金属酸化物であることが好ましい。具体的な実施形態で、第2絶縁層120は、Al、Hf、Ti、Zr、Sc、Y及びLaの酸化物または酸窒化物からなる群から選択される少なくとも一つであることがより好ましい。第1絶縁膜110は、基板100上に熱酸化工程により形成され、第2絶縁膜120は、原子層蒸着及び/またはPECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)などで形成されることができる。   Referring to FIGS. 16 and 3C, the second insulating layer 120 is preferably formed on the first insulating layer 110 (step 1620). More specifically, in some embodiments of the present invention, the second insulating layer 120 is preferably a metal oxide. In a specific embodiment, the second insulating layer 120 is more preferably at least one selected from the group consisting of oxides or oxynitrides of Al, Hf, Ti, Zr, Sc, Y, and La. . The first insulating film 110 may be formed on the substrate 100 by a thermal oxidation process, and the second insulating film 120 may be formed by atomic layer deposition and / or PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition).

第2絶縁膜120として金属酸化物は、エネルギバンドギャップが5eV超過であり、第1絶縁膜110より薄く、緻密な膜であり得る。第2絶縁膜120は、プログラミング動作時に電子が第1絶縁膜110を通過して第2絶縁膜120上に形成されたコントロールゲートにトンネリングされることを制限するか、防止する作用を行う。第2絶縁膜120の厚さは、本発明のいくつかの実施形態からも約10nm以下であることが好ましく、第2絶縁膜120を含むゲートのキャパシタンスを増加させることができて高速動作を容易にする。第2絶縁膜120では、例えば、Al、HfO及びZrOなどを使用しうる。Alは誘電率9とエネルギバンドギャップ8.7eVとを、HfOは誘電率25とエネルギバンドギャップ5.7eVとを、ZrOは誘電率25とエネルギバンドギャップ7.8eVとを各々有する。 The metal oxide as the second insulating film 120 may be a dense film having an energy band gap exceeding 5 eV and being thinner than the first insulating film 110. The second insulating film 120 acts to limit or prevent electrons from passing through the first insulating film 110 and tunneling to the control gate formed on the second insulating film 120 during the programming operation. The thickness of the second insulating film 120 is preferably about 10 nm or less from some embodiments of the present invention, and the capacitance of the gate including the second insulating film 120 can be increased to facilitate high-speed operation. To. For the second insulating film 120, for example, Al 2 O 3 , HfO 2, ZrO 2 or the like can be used. Al 2 O 3 has a dielectric constant of 9 and an energy band gap of 8.7 eV, HfO 2 has a dielectric constant of 25 and an energy band gap of 5.7 eV, and ZrO 2 has a dielectric constant of 25 and an energy band gap of 7.8 eV. Have.

第1絶縁膜110及び第2絶縁膜120を含む基板を熱処理して第1絶縁膜110の電荷保存領域に複数の分離された電荷保存ナノクリスタルを形成する工程が図16のステップ1630に示されており、図3Dと図4A及び図4Bを参照して説明する。図3Dに示されたように、本発明のいくつかの実施例では、急速熱アニーリング122が第1絶縁膜110を熱処理するために使われる。急速熱アニーリングは、例えば、窒素ガス雰囲気下で行われうる。   A step of forming a plurality of separated charge storage nanocrystals in the charge storage region of the first insulating film 110 by heat-treating the substrate including the first insulating film 110 and the second insulating film 120 is shown in Step 1630 of FIG. This will be described with reference to FIGS. 3D and 4A and 4B. As shown in FIG. 3D, in some embodiments of the present invention, rapid thermal annealing 122 is used to heat-treat the first insulating film 110. The rapid thermal annealing can be performed, for example, in a nitrogen gas atmosphere.

図4A及び図4Bに示されたように、図16のステップ1630の工程のために第1段階(図4A)または第2段階(図4B)のアニーリング工程が使われうる。第1段階アニーリングは、約700℃〜950℃で約5分ないし約30分間行われうることが好ましく、約700℃ないし約900℃で約5分ないし約30分間行われることがより好ましい。さらに具体的に、第1段階アニーリングは、10分間行われうる。図4Bを参照すれば、図4Aと関連して説明した温度条件より低温で第1熱アニーリングを行って第1絶縁層110の電荷保存領域に分離されたナノクリスタルを形成しうる。本発明のナノクリスタルは、約1nmないし約7nmの直径を有することが好ましく、ナノクリスタル間の間隔は、約1nmないし約7nm間であることが好ましい。いくつかの実施例で、ナノクリスタルの単一層が第1絶縁層110内に形成される。他の実施形態としては、ナノクリスタルの直径範囲は、約3nmないし約7nmがより好ましい。   As shown in FIGS. 4A and 4B, a first stage (FIG. 4A) or second stage (FIG. 4B) annealing process may be used for the process of step 1630 of FIG. The first stage annealing may be performed at about 700 ° C. to 950 ° C. for about 5 minutes to about 30 minutes, more preferably about 700 ° C. to about 900 ° C. for about 5 minutes to about 30 minutes. More specifically, the first stage annealing may be performed for 10 minutes. Referring to FIG. 4B, the first thermal annealing may be performed at a temperature lower than the temperature condition described with reference to FIG. 4A to form nanocrystals separated in the charge storage region of the first insulating layer 110. The nanocrystals of the present invention preferably have a diameter of about 1 nm to about 7 nm, and the spacing between nanocrystals is preferably between about 1 nm and about 7 nm. In some embodiments, a single layer of nanocrystals is formed in the first insulating layer 110. In another embodiment, the diameter range of the nanocrystal is more preferably about 3 nm to about 7 nm.

図4Bに示されたように、ナノクリスタルを形成した後、第2段階アニーリングを行って第1絶縁層110を稠密化し、イオン注入する間に第1絶縁層110内に発生した損傷をさらに修復しうる。いくつかの実施形態で、第2急速熱アニーリングは約900℃ないし約1050℃の温度で約5分ないし約30分間行える。また、第2急速熱アニーリングは約900℃ないし約950℃の温度で行なうことがより好ましい。相対的に高温である第2アニーリングは、第1絶縁膜110内に発生した欠陥などを効果的に修復しうる。   As shown in FIG. 4B, after the nanocrystal is formed, a second step annealing is performed to densify the first insulating layer 110 and further repair the damage generated in the first insulating layer 110 during ion implantation. Yes. In some embodiments, the second rapid thermal annealing can be performed at a temperature of about 900 ° C. to about 1050 ° C. for about 5 minutes to about 30 minutes. The second rapid thermal annealing is more preferably performed at a temperature of about 900 ° C. to about 950 ° C. The second annealing at a relatively high temperature can effectively repair defects generated in the first insulating film 110.

本発明のいくつかの実施例による集積回路装置のゲート構造は、図5の断面図を参照して説明する。図5は、アニーリングされた第1絶縁層110とアニーリングされた第2絶縁層120とを含む電荷トラップ二重層150を図示する。複数の電荷保存ナノクリスタル130_NCがアニーリングされた第1絶縁層110内に埋め込まれた形状になる。そして、ナノクリスタル130_NCの下部の第1絶縁膜領域110aは、トンネル絶縁層135を形成する。ナノクリスタル130_NCの上部の第1絶縁層領域110bと第2絶縁層120は、カップリング及びブロッキング絶縁層140となる。ここで、第1絶縁層110の上部領域110bは、カップリング絶縁層になり、第2絶縁層120は、ブロッキング絶縁層になりうる。   The gate structure of the integrated circuit device according to some embodiments of the present invention will be described with reference to the cross-sectional view of FIG. FIG. 5 illustrates a charge trap bilayer 150 including a first insulating layer 110 that is annealed and a second insulating layer 120 that is annealed. A plurality of charge storage nanocrystals 130_NC are embedded in the annealed first insulating layer 110. The first insulating film region 110a below the nanocrystal 130_NC forms a tunnel insulating layer 135. The first insulating layer region 110b and the second insulating layer 120 on the nanocrystal 130_NC form a coupling and blocking insulating layer 140. Here, the upper region 110b of the first insulating layer 110 may be a coupling insulating layer, and the second insulating layer 120 may be a blocking insulating layer.

本発明に係るトンネル絶縁層135は、約9nm以下の厚さであることが好ましく、約6nm以下の厚さを有することがより好ましい。第1絶縁層110は、シリコン酸化層であり、第2絶縁層120は高比誘電率絶縁層であり得る。   The tunnel insulating layer 135 according to the present invention preferably has a thickness of about 9 nm or less, and more preferably has a thickness of about 6 nm or less. The first insulating layer 110 may be a silicon oxide layer, and the second insulating layer 120 may be a high relative dielectric constant insulating layer.

第1絶縁層110は、シリコン酸化層であり、第2絶縁層120は、Al、HfOまたはZrOのような金属酸化物である時、アニーリングされた第2絶縁層120は、アニーリング時に第1絶縁層110から広がったシリコンを含みうる。この際、第2絶縁層120に広がったシリコンの密度は、第1絶縁層110と第2絶縁層120との境界面から第2絶縁層120の表面に沿って減少しうる。 When the first insulating layer 110 is a silicon oxide layer and the second insulating layer 120 is a metal oxide such as Al 2 O 3 , HfO 2 or ZrO 2 , the annealed second insulating layer 120 is Silicon that has spread from the first insulating layer 110 during annealing may be included. At this time, the density of silicon spread in the second insulating layer 120 may decrease along the surface of the second insulating layer 120 from the boundary surface between the first insulating layer 110 and the second insulating layer 120.

同様に、第2絶縁層120には、第1絶縁層110に注入されたGeイオンが広がったものも含み、第2絶縁層120に広がったイオンの密度も第1絶縁層110と第2絶縁層120との境界面から第2絶縁層120の表面に沿って減少しうる。このような拡散は、両方向に進むことができ、シリコン酸化物からなる第1絶縁層110は、アニーリング時に第2絶縁層120から広がったAl、Hf、Zrまたは他の金属物質を含みうる。このように、第1絶縁層120に広がった金属物質の密度は、第1絶縁層110と第2絶縁層120との境界面から基板100の方向に順次に減少しうる。   Similarly, the second insulating layer 120 includes those in which Ge ions implanted into the first insulating layer 110 spread, and the density of the ions spread into the second insulating layer 120 is also different from that of the first insulating layer 110. The distance from the interface with the layer 120 may decrease along the surface of the second insulating layer 120. Such diffusion can proceed in both directions, and the first insulating layer 110 made of silicon oxide may include Al, Hf, Zr, or other metal material that has spread from the second insulating layer 120 during annealing. As described above, the density of the metal material spreading in the first insulating layer 120 may be sequentially decreased from the boundary surface between the first insulating layer 110 and the second insulating layer 120 toward the substrate 100.

図5を参照すれば、いくつかの実施形態で第2絶縁層120は、第1絶縁膜110より薄い。例えば、第2絶縁膜120は、約10nm以下の厚さを有し、第1絶縁膜110は約17nm以下の厚さを有しうる。   Referring to FIG. 5, the second insulating layer 120 is thinner than the first insulating film 110 in some embodiments. For example, the second insulating film 120 may have a thickness of about 10 nm or less, and the first insulating film 110 may have a thickness of about 17 nm or less.

一方、図5では、単一平均注入深さに分離されたナノクリスタル130_NCの単一層と示したが、本発明のいくつかの実施形態で多層の分離されたナノクリスタル130_NCは第1絶縁層110内の電荷保存領域に提供されるものと理解せねばならない。このような実施形態では、第1イオン注入エネルギで選択された元素のイオンを注入してトンネル絶縁層135上に第1電荷保存領域を形成し、第1イオン注入エネルギより低い第2イオン注入エネルギと選択された元素のイオンを注入して、第1電荷保存層と異なる深さの第2電荷保存層であって、第1電荷保存層と第2電荷保存層との間に実質的に注入されたイオンのない領域を形成することによって、多層構造が提供されることが好ましい。ここで、実質的に注入されたイオンのない領域を有する多層構造は、イオン注入工程の選択された平均注入深さとデルタプロジェクション範囲特性に基づいてイオンを注入すると理解されねばならない。また、前記では、二重膜構造を参照して説明したが、イオンは第1絶縁層110内で基板100と比較して複数の異なる高さの位置に注入され、基板100と第1絶縁層110と第2絶縁層120の熱処理工程は、分離された電荷保存ナノクリスタルがオーバーラップされる多層構造を提供できると理解されねばならない。   Meanwhile, although FIG. 5 illustrates a single layer of nanocrystals 130_NC separated to a single average implantation depth, in some embodiments of the present invention, multiple layers of separated nanocrystals 130_NC are represented by the first insulating layer 110. It must be understood that it is provided to the charge storage region within. In such an embodiment, ions of an element selected by the first ion implantation energy are implanted to form the first charge storage region on the tunnel insulating layer 135, and the second ion implantation energy lower than the first ion implantation energy. A second charge storage layer having a depth different from that of the first charge storage layer, substantially implanted between the first charge storage layer and the second charge storage layer. Preferably, a multi-layer structure is provided by forming a region that is free of ionized ions. Here, it should be understood that a multi-layer structure having regions substantially free of implanted ions implants ions based on the selected average implantation depth and delta projection range characteristics of the ion implantation process. In the above description, the double film structure has been described. However, ions are implanted into the first insulating layer 110 at a plurality of different heights as compared with the substrate 100, and the substrate 100 and the first insulating layer. It should be understood that the heat treatment process of 110 and the second insulating layer 120 can provide a multilayer structure in which the separated charge storage nanocrystals are overlapped.

本発明のいくつかの実施例によるゲート構造を含むフラッシュメモリ装置は、図6の断面図を参照して説明する。図6に示されたように、フラッシュメモリ装置は、ソース/ドレイン領域170S、170D及びソース/ドレイン領域170S、170Dの間に延びるチャネル領域180を有する基板100を含む。   A flash memory device including a gate structure according to some embodiments of the present invention will be described with reference to the cross-sectional view of FIG. As shown in FIG. 6, the flash memory device includes a substrate 100 having source / drain regions 170S and 170D and a channel region 180 extending between the source / drain regions 170S and 170D.

電荷トラップ二重層150は、チャネル領域180上に形成される。図示された電荷トラップ二重層150は、第1絶縁層110の下部領域110aに定義されたトンネル絶縁層135を含む。トンネル絶縁層135の厚さは、9nm以下であることが好ましく、6nm以下であることがより好ましくいくつかの実施形態では、約4.5nmないし5.5nmであり得る。トンネル絶縁層135の厚さは、プログラム電圧がフラッシュメモリ装置に印加された時、電子のトンネリングを十分に提供するように薄く選択されうる。   The charge trap bilayer 150 is formed on the channel region 180. The illustrated charge trap bilayer 150 includes a tunnel insulating layer 135 defined in the lower region 110 a of the first insulating layer 110. The thickness of the tunnel insulating layer 135 is preferably 9 nm or less, more preferably 6 nm or less, and in some embodiments, may be about 4.5 nm to 5.5 nm. The thickness of the tunnel insulating layer 135 may be selected to be thin enough to provide electron tunneling when a program voltage is applied to the flash memory device.

分離されたナノクリスタル130_NCは、多様な実施形態で約1nmないし約15nmの直径を有し、いくつかの実施形態では約3nmないし約7nmの直径を有する。ナノクリスタル130_NCは、ドット状であり、ナノクリスタル130_NC間の間隔は、約3nmないし7nmであり得る。ナノクリスタル130−NC間の距離は、電荷の側面拡散を制限するか、防止するように選択されうる。図示された電荷トラップ二重膜150は、第1絶縁層110の上部領域110bと第2絶縁層120とを含むカップリング及びブロッキング絶縁層140をさらに含む。   The isolated nanocrystal 130_NC has a diameter of about 1 nm to about 15 nm in various embodiments, and in some embodiments has a diameter of about 3 nm to about 7 nm. The nanocrystals 130_NC are dot-shaped, and the distance between the nanocrystals 130_NC may be about 3 nm to 7 nm. The distance between the nanocrystals 130-NC can be selected to limit or prevent side diffusion of charge. The illustrated charge trap bilayer 150 further includes a coupling and blocking insulating layer 140 including the upper region 110 b of the first insulating layer 110 and the second insulating layer 120.

ゲート電極層は、基板上に形成されて第2絶縁層120上にコントロールゲート160を定義する。コントロールゲート160は、金属物質またはドーピングされたポーリシリコンであり得る。コントロールゲート160は、図6の実施形態のように単一層構造であり、また多層構造でもあり得る。   The gate electrode layer is formed on the substrate and defines the control gate 160 on the second insulating layer 120. The control gate 160 may be a metal material or doped poly silicon. The control gate 160 has a single layer structure as in the embodiment of FIG. 6, and may have a multilayer structure.

また、図6に示されたフラッシュメモリ装置には、側壁スペーサ165とキャッピング層162がさらにある。側壁スペーサ165は、コントロールゲート160の各側面にあり、シリコン酸化層ラインから形成されうる。   Further, the flash memory device shown in FIG. 6 further includes a sidewall spacer 165 and a capping layer 162. Sidewall spacers 165 are on each side of control gate 160 and may be formed from silicon oxide layer lines.

フラッシュメモリ装置であって、図6を参照して説明するが、本発明の多様な実施例は不揮発性メモリ装置及び/またはDRAMで使われうるゲート構造を提供できると理解せねばならない。ここで説明された実施例は、フラッシュメモリ装置に根拠をおくが、フローティングゲート構造を参照して説明される。   Although a flash memory device will be described with reference to FIG. 6, it should be understood that various embodiments of the present invention can provide a gate structure that can be used in a non-volatile memory device and / or a DRAM. The embodiment described here is based on a flash memory device, but will be described with reference to a floating gate structure.

図6のメモリ装置の作動は、図7Aないし図7Cのエネルギバンドダイアグラムを参照して本発明のいくつかの実施例をさらに説明する。図7Aは、初期状態のエネルギバンドダイアグラムを例示した図面である。具体的に、図7Aは、第1絶縁層110のエネルギバンドギャップは9eVであり、第1絶縁層をシリコン酸化膜として、第2絶縁層120のエネルギバンドギャップは8.7eVであり、第2絶縁膜をアルミニウム酸化膜として、分離されたナノクリスタル130_NCをエネルギバンドギャップが約0.66eVであるGeナノクリスタルとして、コントロールゲート160をアルミニウムとして具現した場合を例示したものである。   6 will be further described with reference to the energy band diagrams of FIGS. 7A-7C. FIG. 7A is a diagram illustrating an energy band diagram in an initial state. Specifically, in FIG. 7A, the energy band gap of the first insulating layer 110 is 9 eV, the first insulating layer is a silicon oxide film, the energy band gap of the second insulating layer 120 is 8.7 eV, In this example, the insulating film is an aluminum oxide film, the separated nanocrystal 130_NC is a Ge nanocrystal having an energy band gap of about 0.66 eV, and the control gate 160 is aluminum.

図7Aにおいて、トンネル絶縁層135は、約6nmの厚さを有するシリコン酸化膜であり得る。Geナノクリスタル130_NCの平均直径は4nmであり、ナノクリスタル130_NCの単一膜が提供されうる。図7Aに示されたカップリング及びブロッキング絶縁層140は、約7nmの厚さを有する絶縁層110のシリコン酸化膜領域110bと約10nmの厚さを有するアルミニウム酸化物第1絶縁膜120からなる。   In FIG. 7A, the tunnel insulating layer 135 may be a silicon oxide film having a thickness of about 6 nm. The average diameter of the Ge nanocrystals 130_NC is 4 nm, and a single film of the nanocrystals 130_NC can be provided. The coupling and blocking insulating layer 140 shown in FIG. 7A includes a silicon oxide film region 110b of the insulating layer 110 having a thickness of about 7 nm and an aluminum oxide first insulating film 120 having a thickness of about 10 nm.

図7Aで示したエネルギバンドダイアグラム例に対する消去及びプログラム動作は、図7B及び図7Cのエネルギバンドダイアグラムを参照して説明する。   The erase and program operations for the example energy band diagram shown in FIG. 7A will be described with reference to the energy band diagrams of FIGS. 7B and 7C.

図7Cを参照すれば、図6に示された装置の消去動作状態が示されている。具体的に、接地電圧(GND)は、コントロールゲート160に印加されており、負の消去電圧(Verase)は、基板100に印加されている。そうすると、分離された電荷保存ナノクリスタル130_NCに保存されていた電荷が図7Cに矢印で示されたようにFNトンネリング及び/またはホットキャリア注入により基板100側に放出される。   Referring to FIG. 7C, the erase operation state of the apparatus shown in FIG. 6 is shown. Specifically, the ground voltage (GND) is applied to the control gate 160, and the negative erase voltage (Verase) is applied to the substrate 100. Then, the charges stored in the separated charge storage nanocrystals 130_NC are released to the substrate 100 side by FN tunneling and / or hot carrier injection as indicated by arrows in FIG. 7C.

図7Bを参照して、図6の装置のプログラム動作状態を説明する。図7Bに示されたように、正のプログラム電圧Vpgmは、コントロールゲート160に印加して接地電圧GNDは、基板100に印加する。これにより、チャネル領域180から移動する電子がFNトンネリングによりトンネル絶縁層135を通過して分離された電荷保存Geナノクリスタル130_NCを含む電荷保存領域にトラップされる。しかし、正のプログラム電圧Vpgmがコントロールゲート160に印加され、プログラム電圧Vpgmと類似した高電圧がソース領域170Sに印加され、接地電圧GNDがドレイン領域170Dに印加された時、ソース領域170sに隣接して生成されたホットキャリア電子は、図7Bに矢印で示されたように、トンネル絶縁層135を通過してGeナノクリスタル130_NCに注入されるか、トラップされうる。すなわち、FNトンネリング及び/またはホットキャリア電子プログラミングが本発明のいくつかの実施形態で使われうる。   With reference to FIG. 7B, the program operation state of the apparatus of FIG. 6 will be described. As shown in FIG. 7B, the positive program voltage Vpgm is applied to the control gate 160 and the ground voltage GND is applied to the substrate 100. Thereby, electrons moving from the channel region 180 are trapped in the charge storage region including the charge storage Ge nanocrystals 130_NC separated by passing through the tunnel insulating layer 135 by FN tunneling. However, when the positive program voltage Vpgm is applied to the control gate 160, a high voltage similar to the program voltage Vpgm is applied to the source region 170S, and the ground voltage GND is applied to the drain region 170D, it is adjacent to the source region 170s. The hot carrier electrons generated in this way can be injected into the Ge nanocrystal 130_NC or trapped through the tunnel insulating layer 135, as indicated by arrows in FIG. 7B. That is, FN tunneling and / or hot carrier electronic programming can be used in some embodiments of the present invention.

プログラム動作時にコントロールゲート160に印加された電圧のカップリング率が高ければ、ナノクリスタル130_NCにより高い電圧が伝達されるために、FNトンネリング及び/またはホットキャリア電子注入がさらに効果的に行われうる。すなわち、第2絶縁膜120を金属酸化物のような高誘電率物質で形成すれば、不揮発性メモリ装置の高速動作を可能ならしめる。   If the coupling ratio of the voltage applied to the control gate 160 during the program operation is high, the FN tunneling and / or hot carrier electron injection may be more effectively performed because the high voltage is transmitted through the nanocrystal 130_NC. That is, if the second insulating film 120 is formed of a high dielectric constant material such as a metal oxide, the nonvolatile memory device can operate at high speed.

いくつかの実施形態で第1絶縁層領域110bのエネルギバンドギャップが約8eVないし約9eVである時、もし、第2絶縁膜120のエネルギバンドギャップが5eV以下であれば、図7Bに示す点線で表されるようにナノクリスタル130_NCのトラップ電子は、コントロールゲート160方向にさらにトンネリングされうる。結果的に、本発明のいくつかの実施形態で第2絶縁層120は、5eV超過のエネルギバンドギャップを持たせてナノクリスタル130_NCからコントロールゲート160方向に電子のトンネリングを防止する性能を提供する。   In some embodiments, when the energy band gap of the first insulating layer region 110b is about 8 eV to about 9 eV, if the energy band gap of the second insulating layer 120 is 5 eV or less, the dotted line shown in FIG. As shown, the trap electrons of the nanocrystal 130_NC can be further tunneled in the direction of the control gate 160. As a result, in some embodiments of the present invention, the second insulating layer 120 has an energy band gap of more than 5 eV to provide the ability to prevent electron tunneling from the nanocrystal 130_NC toward the control gate 160.

集積回路メモリ装置の他の実施形態は、図8ないし図11の断面図を参照して説明する。まず、図8に示された実施例を参照すれば、電荷トラップ二重膜150は、チャネル領域180の一部に形成されている。第2絶縁層120は、チャネル領域180の残りの部分上にゲート絶縁層として形成されている。コントロールゲート160は、第2絶縁層120上に形成されている。すなわち、図8に示された実施形態で電荷トラップ二重膜150は、図6の実施形態と比較して説明すれば、チャネル領域180に沿って完全に延びない。図8に示された実施形態の構成は、メモリ装置の動作時に消耗電力を低め、よってメモリ装置のプログラム及び消去効率を高めうる。   Another embodiment of the integrated circuit memory device will be described with reference to the cross-sectional views of FIGS. First, referring to the embodiment shown in FIG. 8, the charge trap double film 150 is formed in a part of the channel region 180. The second insulating layer 120 is formed as a gate insulating layer on the remaining portion of the channel region 180. The control gate 160 is formed on the second insulating layer 120. That is, the charge trapping bilayer 150 in the embodiment shown in FIG. 8 does not extend completely along the channel region 180 as compared with the embodiment of FIG. The configuration of the embodiment shown in FIG. 8 can reduce power consumption during operation of the memory device, and thus increase the program and erase efficiency of the memory device.

図8に示されたゲート構造は、実質的に前述したように形成しうる。具体的に、基板100上に第1絶縁層110を選択された大きさに形成した後、分離された電荷保存ナノクリスタル形成用イオンを第1絶縁層110に注入する。第2絶縁層120は、第1絶縁層と基板100とを覆って形成される。以後、前述した急速熱アニーリング工程のような熱処理により第1絶縁層110内にナノクリスタル130_NCが形成されうる。   The gate structure shown in FIG. 8 may be formed substantially as described above. Specifically, after the first insulating layer 110 is formed on the substrate 100 to a selected size, the separated charge storage nanocrystal forming ions are implanted into the first insulating layer 110. The second insulating layer 120 is formed to cover the first insulating layer and the substrate 100. Thereafter, the nanocrystals 130_NC may be formed in the first insulating layer 110 by a heat treatment such as the rapid thermal annealing process described above.

本発明の他の実施形態によるフラッシュメモリ装置は、図9を参照して説明する図9の断面図に示されたように、電荷トラップ二重層150は、ゲート側壁167とチャネル領域180との間に形成される。電荷トラップ二重層150は、側壁ゲート167と共通コントロールゲート160との間に延びている。ゲート絶縁層105は、コントロールゲート160とチャネル領域180内の基板100との間に形成されている。ゲート絶縁層105とコントロールゲート160とを形成した後、電荷トラップ二重層150が基板100の結果物上に形成される。次いで、側壁ゲート形成用の導電膜を蒸着する。側壁ゲート167は、例えば、エッチバック工程により蒸着された導電膜から形成されうる。したがって、図9に示されたようなマルチビットメモリセルのためのフローティングゲート構造が提供される。   The flash memory device according to another embodiment of the present invention has a charge trap double layer 150 between the gate sidewall 167 and the channel region 180 as shown in the cross-sectional view of FIG. 9 described with reference to FIG. Formed. The charge trap double layer 150 extends between the sidewall gate 167 and the common control gate 160. The gate insulating layer 105 is formed between the control gate 160 and the substrate 100 in the channel region 180. After forming the gate insulating layer 105 and the control gate 160, a charge trap bilayer 150 is formed on the resultant substrate 100. Next, a conductive film for forming a sidewall gate is deposited. The sidewall gate 167 can be formed of, for example, a conductive film deposited by an etch back process. Accordingly, a floating gate structure for a multi-bit memory cell as shown in FIG. 9 is provided.

図9に示された実施形態は、第1絶縁層110を形成する前に共通ゲート電極160がゲート絶縁膜105と基板100上に形成されるという点で、図6及び図8の実施形態と差がある。第1絶縁層110及び第2絶縁層120のイオン注入及び熱処理工程が共通ゲート電極層160の側壁上及び共通ゲート電極層160の各側面に隣接した基板100のチャネル部180上で行われる。側壁ゲート167は、共通ゲート160の各側面に隣接した第2絶縁層120上及び電荷トラップ二重膜150を含むチャネル部180上に延びて形成される。   The embodiment shown in FIG. 9 differs from the embodiment of FIGS. 6 and 8 in that the common gate electrode 160 is formed on the gate insulating film 105 and the substrate 100 before the first insulating layer 110 is formed. There is a difference. The ion implantation and heat treatment processes of the first insulating layer 110 and the second insulating layer 120 are performed on the side wall of the common gate electrode layer 160 and on the channel portion 180 of the substrate 100 adjacent to each side surface of the common gate electrode layer 160. The sidewall gate 167 is formed to extend on the second insulating layer 120 adjacent to each side surface of the common gate 160 and on the channel portion 180 including the charge trap double film 150.

すなわち、本発明に係る集積回路メモリ装置のゲート構造物の形成方法は、絶縁層の形成前に基板上のゲート絶縁層上に共通ゲート電極層を形成し、前記絶縁層の形成とイオン注入とは、前記共通ゲート電極層の側壁上及び前記共通ゲート電極層の各側面に隣接した前記基板のチャネル部上で行われ、前記ゲート電極層を形成することは、前記共通ゲート電極層の各側面に隣接した前記第2絶縁層上及び前記チャネル部上に延びる側壁ゲートを形成することを含むことが好ましい。   That is, in the method of forming a gate structure of an integrated circuit memory device according to the present invention, a common gate electrode layer is formed on a gate insulating layer on a substrate before forming an insulating layer, and the insulating layer is formed and ion-implanted. Is performed on a side wall of the common gate electrode layer and on a channel portion of the substrate adjacent to each side surface of the common gate electrode layer, and the gate electrode layer is formed on each side surface of the common gate electrode layer. Forming a sidewall gate extending on the second insulating layer adjacent to the channel portion and on the channel portion.

本発明のさらに他の実施形態によるメモリセル構造は、図10を参照して説明する。図10に示されたように、チャネル領域180は、リセス領域180_RC及び基板100内のソース領域170Sとドレイン領域170Dとの間に延びる領域のリセス領域180_RCに隣接したステップ領域180_SCを含む。電荷トラップ二重膜150はリセス領域180_RCとステップ領域180_SCとを含むチャネル領域180上に形成される。また、図10の実施例には、側壁スペーサ165とキャッピング膜162とがさらにある。また、リセス領域とは、歪み技術によるものであり、例えばSiの結晶格子に引き伸ばし(張力)あるいは押しつぶして(圧縮応力)、印加電圧に対するSi中の電荷キャリア(電子と正孔)の反応を高速化できるものである。   A memory cell structure according to still another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 10, the channel region 180 includes a recess region 180_RC and a step region 180_SC adjacent to the recess region 180_RC in the region extending between the source region 170S and the drain region 170D in the substrate 100. The charge trap double film 150 is formed on the channel region 180 including the recess region 180_RC and the step region 180_SC. Further, the embodiment of FIG. 10 further includes a sidewall spacer 165 and a capping film 162. The recess region is based on a strain technique. For example, the recesses are stretched (tensile) or crushed (compressive stress) into the crystal lattice of Si, and the reaction of charge carriers (electrons and holes) in Si to applied voltage is accelerated. It can be made.

すなわち、本発明に係る集積回路メモリ装置のゲート構造物の形成方法は、絶縁層の形成前にリセス領域及び基板内のソース領域とドレイン領域との間に延びる前記リセス領域に隣接したステップ領域を含むチャネル領域を形成し、前記絶縁層の形成、前記イオン注入、及び前記ゲート電極の形成、ならびに必要に応じて前記第2絶縁層は、前記リセス領域と前記ステップ領域とを含む前記チャネル領域上で行われることが好ましい。   That is, in the method for forming a gate structure of an integrated circuit memory device according to the present invention, a step region adjacent to the recess region and the recess region extending between the source region and the drain region in the substrate is formed before the insulating layer is formed. A channel region including the insulating layer, the ion implantation, the gate electrode, and the second insulating layer as necessary on the channel region including the recess region and the step region. Is preferably carried out.

図11の実施形態で示されたメモリセル構造は、図10を参照して説明したものと類似している。図11に示された実施形態は、リセス領域180−RCがラウンド部を含むという点で図10の実施形態と差がある。図10及び図11に示された実施形態は、図9の実施形態のようにメモリ装置のマルチビット保存を容易に具現しうる。   The memory cell structure shown in the embodiment of FIG. 11 is similar to that described with reference to FIG. The embodiment shown in FIG. 11 differs from the embodiment of FIG. 10 in that the recess region 180-RC includes a round portion. 10 and 11 may easily implement multi-bit storage of a memory device as in the embodiment of FIG.

本発明のいくつかの実施形態による作動は、図12Aないし図12Cのキャパシタンス(C)−電圧(V)ヒステリシスカーブを参照してさらに説明する。図12Aは、周期律表のIV族から選択されて第1絶縁層110内に注入されたイオンがGeである時の本発明の実施形態についての動作特性を例示する。さらに具体的に、図12AではGeイオンを約2×1016/cmのドーズと約30KeVのイオン注入エネルギで約17nmの厚さを有するシリコン酸化物第1絶縁層110に注入したシミュレーション結果を示す。第1絶縁層110は、p型半導体基板100上に熱酸化工程により成長させる。アルミニウム酸化膜第2絶縁層120は、約10nmの厚さに形成される。分離された電荷保存ナノクリスタル130_NCは、窒素(N)雰囲気で約800℃で約10分間急速熱アニーリングして形成される。アルミニウムコントロールゲート120は、第2絶縁層120上に形成される。 Operation according to some embodiments of the invention is further described with reference to the capacitance (C) -voltage (V) hysteresis curves of FIGS. 12A-12C. FIG. 12A illustrates operating characteristics for an embodiment of the present invention when the ion selected from group IV of the periodic table and implanted into the first insulating layer 110 is Ge. More specifically, FIG. 12A shows a simulation result in which Ge ions are implanted into the silicon oxide first insulating layer 110 having a thickness of about 17 nm with a dose of about 2 × 10 16 / cm 2 and an ion implantation energy of about 30 KeV. Show. The first insulating layer 110 is grown on the p-type semiconductor substrate 100 by a thermal oxidation process. The aluminum oxide film second insulating layer 120 is formed to a thickness of about 10 nm. The separated charge storage nanocrystals 130_NC are formed by rapid thermal annealing at about 800 ° C. for about 10 minutes in a nitrogen (N 2 ) atmosphere. The aluminum control gate 120 is formed on the second insulating layer 120.

図12に示されたように電荷トラップ二重層120を有する本発明の実施形態例を使用すれば、キャパシタンスは、負で印加された電圧から正で印加された電圧への偏向電圧により“81”方向、すなわち逆方向に変化する。キャパシタンスは、正で印加された電圧から負で印加された電圧への偏向電圧によりキャパシタンスは、“82”方向に変化する。すなわち、図12Aに示された実施形態は、好ましい逆時計回り方向ヒステリシス特性を示す。“81”方向へのキャパシタンス変化は、シリコン酸化膜110とp型基板100との境界面が電子の蓄積により反転状態に変化しうるということを示す。p型基板100の表面が反転状態に到達した時、電子は第1絶縁膜110の電荷保存領域内のGeナノクリスタル130_NCにトラップされうる。一方、“82”方向へのキャパシタンスカーブは、分離された電荷保存ナノクリスタル130_NC内にトラップされた電子によって正のフラットバンド電圧シフトを有する。   Using the example embodiment of the present invention having a charge trapping bilayer 120 as shown in FIG. 12, the capacitance is “81” due to the deflection voltage from a negative applied voltage to a positive applied voltage. Change in direction, ie in the opposite direction. The capacitance changes in the “82” direction due to a deflection voltage from a positive applied voltage to a negative applied voltage. That is, the embodiment shown in FIG. 12A exhibits favorable counterclockwise hysteresis characteristics. The capacitance change in the “81” direction indicates that the boundary surface between the silicon oxide film 110 and the p-type substrate 100 can be changed to an inverted state by the accumulation of electrons. When the surface of the p-type substrate 100 reaches an inverted state, electrons can be trapped in the Ge nanocrystals 130_NC in the charge storage region of the first insulating film 110. On the other hand, the capacitance curve in the “82” direction has a positive flat band voltage shift due to electrons trapped in the isolated charge storage nanocrystal 130_NC.

図12のC−Vカーブから印加された電圧の範囲が増加するにつれて、正のフラットバンド電圧シフトが増加してヒステリシス幅(width)が大きく増加するということが分かる。これは印加された電圧が大きくなるほど、Geナノクリスタル130_NCにトラップされた電子の数が多くなり、これによって多くの容量の電荷が蓄積されうることを示す。換言すれば、蓄積された電荷が多くなれば、プログラミング時に素子の動作と性能とが向上しうる。したがって、図12Aに示された本発明の実施例は、メモリ素子に適用可能な逆時計回り方向のヒステリシス特性とヒステリシス幅とを提供する。   From the CV curve of FIG. 12, it can be seen that as the applied voltage range increases, the positive flat band voltage shift increases and the hysteresis width increases greatly. This indicates that the greater the applied voltage, the greater the number of electrons trapped in the Ge nanocrystal 130_NC, thereby accumulating a large amount of charge. In other words, if the accumulated charge increases, the operation and performance of the device can be improved during programming. Accordingly, the embodiment of the present invention shown in FIG. 12A provides a counterclockwise hysteresis characteristic and a hysteresis width applicable to a memory device.

図12Bに示されたC−Vヒステリシスカーブでは、第2絶縁層120が約30nmの厚さを有するシリコンナイトライド酸化膜であって、図12Aに示された実施形態で使われた10nm厚さのアルミニウム酸化膜と対照される。図12Bに示されたヒステリシス範囲は、5eVのエネルギバンドギャップを有するシリコンナイトライドが第2絶縁膜120として使われた時、時計回り方向ヒステリシス特性が現れるということを示す。   In the CV hysteresis curve shown in FIG. 12B, the second insulating layer 120 is a silicon nitride oxide film having a thickness of about 30 nm, and the 10 nm thickness used in the embodiment shown in FIG. 12A. This contrasts with the aluminum oxide film. The hysteresis range shown in FIG. 12B indicates that a clockwise hysteresis characteristic appears when silicon nitride having an energy band gap of 5 eV is used as the second insulating film 120.

図12Cに示されたC−Vヒステリシスカーブでは、約100nmの厚さを有するシリコン酸化膜が図12Aでのアルミニウム酸化膜を代替して第2絶縁膜120として使われた。図12Cに示されたヒステリシスカーブは、シリコン酸化膜が第2絶縁膜120として使われた時、正常な特性を示していないことが分かる。   In the CV hysteresis curve shown in FIG. 12C, a silicon oxide film having a thickness of about 100 nm is used as the second insulating film 120 instead of the aluminum oxide film in FIG. 12A. It can be seen that the hysteresis curve shown in FIG. 12C does not show normal characteristics when the silicon oxide film is used as the second insulating film 120.

図13Aないし図13Eは、第1絶縁膜110の電荷保存領域内の分離された電荷保存ナノクリスタル130_NCを形成するに当たって、多様なアニーリング温度を使用したC−Vヒステリシスカーブを例示する。図13Aないし13Eに示されているカーブは、p型基板上に熱酸化工程によって約17nm厚さに成長させたシリコン酸化物第1絶縁膜110の内部に約2×1016/cmのドーズと約7KeVのイオン注入エネルギで注入されたGeイオンを含む構造に基づく。次いで、約10nmの厚さを有するアルミニウム酸化物第2絶縁層120が第1絶縁層110上に形成される。 13A to 13E illustrate CV hysteresis curves using various annealing temperatures in forming the isolated charge storage nanocrystals 130_NC in the charge storage region of the first insulating layer 110. FIG. The curves shown in FIGS. 13A to 13E show a dose of about 2 × 10 16 / cm 2 in the silicon oxide first insulating film 110 grown on the p-type substrate to a thickness of about 17 nm by a thermal oxidation process. And a structure containing Ge ions implanted with an ion implantation energy of about 7 KeV. Next, an aluminum oxide second insulating layer 120 having a thickness of about 10 nm is formed on the first insulating layer 110.

分離された電荷保存ナノクリスタル130_NCを形成するための熱処理は、窒素雰囲気で約10分間相異なる温度で急速熱アニーリングして行われる。さらに具体的に、図13Aは約600℃の温度に、図13Bは約700℃の温度に、図13Cは約800℃の温度に、図13Dは約900℃の温度に、図13Eは約950℃の温度に該当する。アルミニウムコントロールゲートは、電荷トラップ二重層150の結果物上に形成される。   The heat treatment for forming the separated charge storage nanocrystal 130_NC is performed by rapid thermal annealing at different temperatures for about 10 minutes in a nitrogen atmosphere. More specifically, FIG. 13A shows a temperature of about 600 ° C., FIG. 13B shows a temperature of about 700 ° C., FIG. 13C shows a temperature of about 800 ° C., FIG. 13D shows a temperature of about 900 ° C., and FIG. Corresponds to a temperature of ℃. An aluminum control gate is formed on the resulting charge trap bilayer 150.

図13Aに示された600℃の温度でのC−Vヒステリシスカーブでは、正常なヒステリシス特性が提供されない。図13Eに示された約950℃の温度でアニーリングした場合には、適用不可能な時計回り方向ヒステリシス特性が現れる。   The CV hysteresis curve at a temperature of 600 ° C. shown in FIG. 13A does not provide normal hysteresis characteristics. When annealing is performed at a temperature of about 950 ° C. shown in FIG. 13E, a clockwise hysteresis characteristic that cannot be applied appears.

これと異なって、図13Bないし13Dに示されたように700℃、800℃、そして900℃の温度でアニーリングした場合には、好ましい逆時計回り方向ヒステリシス特性がメモリ装置に提供される。さらに詳細には、図13Cの800℃のアニーリング温度に対するC−Vヒステリシスカーブは、本発明の実施形態で形成されたいくつかのメモリ装置に対して好ましいメモリヒステリシス特性を提供しうる。   In contrast, when annealed at temperatures of 700 ° C., 800 ° C., and 900 ° C. as shown in FIGS. 13B through 13D, a preferred counterclockwise hysteresis characteristic is provided to the memory device. More specifically, the CV hysteresis curve for the 800 ° C. annealing temperature of FIG. 13C may provide favorable memory hysteresis characteristics for some memory devices formed in embodiments of the present invention.

本発明の実施形態によるヒステリシス特性の他の例が次の表2に例示されている。さらに具体的に、表2は、各々10nmと20nm厚さのアルミニウム酸化物第2絶縁層120を含む装置に対して多様なGeイオン注入エネルギと多様なアニーリング温度でのヒステリシス特性の例を提供する。表2で時計回り方向ヒステリシス特性はCWと、逆時計回り方向ヒステリシス特性はCCWと表す。表2の例で現れたように、約10nm以下のアルミニウム酸化膜の厚さに、7KeV以上で30KeV以下のイオン注入エネルギで、700℃ないし900℃のアニーリング温度で約10分間行った場合、適した素子の特性が現れる。   Other examples of hysteresis characteristics according to embodiments of the present invention are illustrated in Table 2 below. More specifically, Table 2 provides examples of hysteresis characteristics at various Ge ion implantation energies and various annealing temperatures for devices including 10 nm and 20 nm thick aluminum oxide second insulation layers 120, respectively. . In Table 2, the clockwise hysteresis characteristic is represented as CW, and the counterclockwise hysteresis characteristic is represented as CCW. As shown in the example of Table 2, when the thickness of the aluminum oxide film is about 10 nm or less and the ion implantation energy is 7 KeV or more and 30 KeV or less and the annealing temperature is 700 ° C. to 900 ° C., it is suitable for about 10 minutes. The characteristics of the device appear.

このような結果は、本発明のいくつかの実施形態が分離された電荷保存ナノクリスタル130_NCを提供すると理解されうる。したがって、図14に示されたように、トラップされた電荷の単一漏れ経路が提供され、これは、図2を参照して説明した連続的なフローティングゲート構造の漏れ経路と対照的である。すなわち、第1絶縁層110の欠陥により発生された漏れ経路は、分離された電荷保存ナノクリスタル130_NCにより形成されたフローティングゲートの連続した動作を印加する電荷漏れの制限された量を発生させうる。   Such a result may be understood that some embodiments of the present invention provide isolated charge storage nanocrystals 130_NC. Thus, as shown in FIG. 14, a single leakage path for trapped charges is provided, in contrast to the leakage path of the continuous floating gate structure described with reference to FIG. That is, the leakage path generated due to the defect of the first insulating layer 110 may generate a limited amount of charge leakage applying a continuous operation of the floating gate formed by the isolated charge storage nanocrystal 130_NC.

本発明の多様な実施形態について付加して説明すれば、工程の単純化は、ここに説明された方法により提供されうる。さらに、イオン拡散は、第2絶縁膜120のキャッピング膜構造により制限するか、防止しうる。アニーリングを行うことによって、イオン注入する間に絶縁層に発生した損傷を修復し、安定したナノクリスタルを形成しうる。例えば、図4Bを参照して説明した2ステップアニーリング工程を行うことによって、イオン注入時に絶縁層110に発生した損傷を効果的に修復しうる。しかも、いくつかの実施形態で電荷トラップ二重膜150を備えるメモリ装置は、高誘電率を有するブロッキング及びカップリング絶縁層140によりメモリ装置の低電圧及び高速動作を可能にすることができる。図15は、Geイオン注入シミュレーション結果を示す。さらに具体的に、図15はGeイオンを500Å厚さのシリコン酸化膜ターゲット層に7゜の角度に、20KeV、30KeV、35KeV、そして40KeVのイオン注入エネルギで各々注入したシミュレーション結果である。図15に示されたシミュレーション結果は、約80Åないし約120Åのデルタプロジェクション範囲で約350Åないし約400Åの平均注入深さ(Rp)を示す。次の表3にそれぞれのイオン注入エネルギに対して平均注入深さとデルタプロジェクション範囲が現れてある。   With additional description of various embodiments of the present invention, process simplification can be provided by the methods described herein. Furthermore, ion diffusion can be limited or prevented by the capping film structure of the second insulating film 120. By performing annealing, damage generated in the insulating layer during ion implantation can be repaired, and a stable nanocrystal can be formed. For example, by performing the two-step annealing process described with reference to FIG. 4B, damage generated in the insulating layer 110 during ion implantation can be effectively repaired. In addition, the memory device including the charge trapping bilayer 150 in some embodiments may enable low voltage and high speed operation of the memory device due to the blocking and coupling insulating layer 140 having a high dielectric constant. FIG. 15 shows a Ge ion implantation simulation result. More specifically, FIG. 15 shows simulation results in which Ge ions are implanted into a silicon oxide film target layer having a thickness of 500 mm at an angle of 7 ° with ion implantation energies of 20 KeV, 30 KeV, 35 KeV, and 40 KeV. The simulation results shown in FIG. 15 show an average implantation depth (Rp) of about 350 mm to about 400 mm in a delta projection range of about 80 mm to about 120 mm. Table 3 below shows the average implantation depth and delta projection range for each ion implantation energy.

図16のフローチャートを参照すれば、集積回路メモリ装置のゲート構造形成方法が要約されている。ステップ1600は、集積回路基板上に第1絶縁層としてシリコン酸化膜のような低誘電率絶縁膜を形成する工程である。ステップ1610では、第1絶縁層110内にGeのような周期律表IV族から選択された元素のイオンを例として、7KeV以上のイオン注入エネルギと約1×1014/cmないし約2×1016/cmのドーズで注入して第1絶縁層内に電荷保存領域を形成するが、電荷保存領域の下部に約6nm以下のトンネル絶縁層を、電荷保存領域の上部にキャッピング絶縁膜を有するように形成する。ステップ1620では、第2絶縁層が第1絶縁層上に、例えば、10nm以下の厚さに形成される。ステップ1630では第1及び第2絶縁層を含む基板が、例えば、約700℃ないし約900℃で約5分ないし約30分間急速熱アニーリングにより熱処理されて電荷保存領域内に複数の分離された電荷保存ナノクリスタルが形成される。ステップ1640では、ゲート電極層が第2絶縁層上に形成される。 Referring to the flowchart of FIG. 16, a method for forming a gate structure of an integrated circuit memory device is summarized. Step 1600 is a process of forming a low dielectric constant insulating film such as a silicon oxide film as a first insulating layer on the integrated circuit substrate. In step 1610, the ion of the element selected from group IV of the periodic table such as Ge in the first insulating layer 110 is taken as an example and ion implantation energy of 7 KeV or more and about 1 × 10 14 / cm 2 to about 2 ×. A charge storage region is formed in the first insulating layer by implantation at a dose of 10 16 / cm 2. A tunnel insulating layer of about 6 nm or less is formed below the charge storage region, and a capping insulating film is formed above the charge storage region. Form to have. In step 1620, a second insulating layer is formed on the first insulating layer to a thickness of, for example, 10 nm or less. In step 1630, the substrate including the first and second insulating layers is heat-treated, for example, by rapid thermal annealing at about 700 ° C. to about 900 ° C. for about 5 minutes to about 30 minutes, to form a plurality of separated charges in the charge storage region. Conserved nanocrystals are formed. In step 1640, a gate electrode layer is formed on the second insulating layer.

本発明の他の実施形態は、図17及び図18を参照して説明する。図17及び図18の参照符号は、図3Aないし図3D及び図5を参考にして説明した参照符号と一致し、重複された説明は省略する。図17及び図18の実施例は、各々電荷トラップ二重膜と電荷トラップ単一膜構造であって、ゲート構造の部分においてフラッシュメモリ装置と同様に不揮発性メモリ装置またはDRAMに好適に使われうる。メモリ装置は、前記図6で参照して説明したような構造をさらに含みうる。   Another embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 17 and 18. Reference numerals in FIGS. 17 and 18 are the same as those described with reference to FIGS. 3A to 3D and FIG. 5, and redundant descriptions are omitted. The embodiments of FIGS. 17 and 18 each have a charge trap double film structure and a charge trap single film structure, and can be suitably used in a nonvolatile memory device or DRAM as well as a flash memory device in the gate structure portion. . The memory device may further include a structure as described with reference to FIG.

図17及び図18に示された実施形態を参照すれば、前述したようなシリコン酸化膜よりさらに緻密な構造を有する金属酸化膜(いわゆる絶縁層)または高誘電率絶縁膜をチャネル領域上に形成してイオンを注入するという点で他の実施形態と差がある。さらに詳細には、第1絶縁層110は、基板100上に5eV超過のエネルギバンドギャップを有し、7超過の比誘電率を有し、シリコン酸化膜より薄くかつ緻密な構造で形成し、イオン注入で形成されたナノクリスタル形成用イオンの垂直及び/または水平方向への拡散を最小化しうる。   Referring to the embodiment shown in FIGS. 17 and 18, a metal oxide film (so-called insulating layer) or a high dielectric constant insulating film having a denser structure than the silicon oxide film as described above is formed on the channel region. Thus, there is a difference from the other embodiments in that ions are implanted. More specifically, the first insulating layer 110 has an energy band gap of more than 5 eV on the substrate 100, a relative dielectric constant of more than 7, and a thinner and denser structure than the silicon oxide film. Vertical and / or horizontal diffusion of nanocrystal-forming ions formed by implantation can be minimized.

図17に示された実施形態は、高誘電率電荷トラップ二重膜構造150aを含む。図17に示されたゲート構造はいくつかの実施形態で、集積回路基板100上に金属酸化物絶縁膜として第1絶縁層110を形成することによってなされうる。前述した実施形態のように、絶縁層膜110内に周期律表のIV族から選択され、0.5cm/s以下の熱拡散度を有する元素のイオンを注入して絶縁層内に電荷保存領域を形成するが、電荷保存領域の下部にトンネル絶縁層を、電荷保存領域上部にキャッピング絶縁層を有するように形成する。さらに具体的に、図17で第1絶縁層110の下部領域110aは、トンネル絶縁層135aに該当し、第1絶縁層110の上部領域110bは、キャッピング絶縁層に該当する。図17の実施形態で、第2絶縁層120は、第1絶縁膜110上にブロッキング絶縁膜として形成される。図17の実施形態で、第1絶縁層110の上部領域110bは、第2絶縁層120と共にカップリング及びブロッキング絶縁層140aに該当する。 The embodiment shown in FIG. 17 includes a high dielectric constant charge trapping bilayer structure 150a. The gate structure shown in FIG. 17 may be formed by forming the first insulating layer 110 as a metal oxide insulating film on the integrated circuit substrate 100 in some embodiments. As in the above-described embodiment, ions of an element selected from group IV of the periodic table and having a thermal diffusivity of 0.5 cm 2 / s or less are implanted into the insulating layer film 110 to store charges in the insulating layer. A region is formed, and a tunnel insulating layer is formed below the charge storage region and a capping insulating layer is formed above the charge storage region. More specifically, in FIG. 17, the lower region 110a of the first insulating layer 110 corresponds to the tunnel insulating layer 135a, and the upper region 110b of the first insulating layer 110 corresponds to the capping insulating layer. In the embodiment of FIG. 17, the second insulating layer 120 is formed on the first insulating film 110 as a blocking insulating film. In FIG. 17, the upper region 110 b of the first insulating layer 110 corresponds to the coupling and blocking insulating layer 140 a together with the second insulating layer 120.

イオンが注入された絶縁層110を含む基板100は、熱処理されて絶縁層110の電荷保存領域に複数の分離された電荷保存ナノクリスタル130_NCが形成される。図6のようなゲート電極160が第2絶縁層120上に形成され、図17の実施形態のようなゲート構造を形成する。   The substrate 100 including the insulating layer 110 into which ions are implanted is heat-treated to form a plurality of separated charge storage nanocrystals 130_NC in the charge storage region of the insulating layer 110. A gate electrode 160 as shown in FIG. 6 is formed on the second insulating layer 120 to form a gate structure as shown in the embodiment of FIG.

本発明絶縁層110は、7超過の誘電率を有するAl、Hf、Ti、Zr、Sc、Y及びLaの酸化物または酸窒化物からなる群から選択される少なくとも一つを含むことが好ましい。いくつかの実施形態では、絶縁層膜110は、9の比誘電率と8.7eVのエネルギバンドギャップを有するAlを含むことがより好ましい。他の実施形態では、酸化物絶縁層膜110は25の比誘電率と5.7eVのエネルギバンドギャップを有するHfOを含むことが好ましい。さらに他の実施形態では、第1絶縁層110は、25の比誘電率と7.8eVのエネルギバンドギャップを有するZrOを含むことが好ましい。酸化物前記絶縁層110の厚さは、約30nm以下であることが好ましく、いくつかの実施形態では約20nm以下であり得る。 The insulating layer 110 of the present invention preferably includes at least one selected from the group consisting of oxides or oxynitrides of Al, Hf, Ti, Zr, Sc, Y, and La having a dielectric constant exceeding 7. In some embodiments, the insulating layer film 110 more preferably includes Al 2 O 3 having a relative dielectric constant of 9 and an energy band gap of 8.7 eV. In another embodiment, the oxide insulating layer film 110 preferably includes HfO 2 having a relative dielectric constant of 25 and an energy band gap of 5.7 eV. In yet another embodiment, the first insulating layer 110 preferably includes ZrO 2 having a relative dielectric constant of 25 and an energy band gap of 7.8 eV. The thickness of the oxide insulating layer 110 is preferably about 30 nm or less, and in some embodiments may be about 20 nm or less.

分離された電荷保存ナノクリスタル130_NCを形成するために絶縁層110の内部に注入されるイオンはGeであり、イオンのドーズは1×1016/cm以下であり、本発明のいくつかの実施形態では約1×1014/cmないし約2×1016/cmであり得る。イオンは、約10KeV以下のイオン注入エネルギで注入され、その結果、トンネル絶縁層135aの厚さは、約9nm以下であり得る。いくつかの実施例で、5KeV以上の注入エネルギが絶縁層110内にGeイオンを注入するのに使われうる。 The ions implanted into the insulating layer 110 to form the isolated charge storage nanocrystals 130_NC are Ge and the ion dose is 1 × 10 16 / cm 2 or less, and some implementations of the invention In form, it may be from about 1 × 10 14 / cm 2 to about 2 × 10 16 / cm 2 . The ions are implanted with an ion implantation energy of about 10 KeV or less, so that the thickness of the tunnel insulating layer 135a can be about 9 nm or less. In some embodiments, an implantation energy of 5 KeV or higher can be used to implant Ge ions into the insulating layer 110.

絶縁層110内にイオン注入を行う前に、イオン注入エネルギとドーズは、絶縁層110の厚さ及び/またはエンベデッドされたナノクリスタル130_NCの下部のトンネル絶縁層135aの所望の厚さによって調節されうる。イオン注入エネルギ及びドーズは、例えば、TRIM(Transport of Ions in Matter)シミュレーションコードを使用して決定されうる。   Prior to ion implantation in the insulating layer 110, the ion implantation energy and dose may be adjusted by the thickness of the insulating layer 110 and / or the desired thickness of the tunnel insulating layer 135a below the embedded nanocrystal 130_NC. . The ion implantation energy and dose can be determined using, for example, TRIM (Transport of Ions in Matter) simulation code.

第2絶縁層120は、金属酸化物または4以上の高比誘電率を有する物質であることが好ましく、キャパシタンス特性を増大させうる。これにより、図17に示されたゲート構造を含む最終メモリ装置の高速動作及び大容量を可能にすることができる。第2絶縁層120は、約10nm以下の厚さを有することができ、これは図示された構造を含むメモリ装置の高速動作のためのキャパシタンスを最大化しうる。いくつかの実施形態で、第2絶縁層120は、Al、Hf、Ti、Zr、Sc、Y及びLaの酸化物または酸窒化物からなる群から選択される少なくとも一つであることが好ましい。例えば、第2絶縁層120は、Al、HfO、ZrO及び第1絶縁層110と同種の物質で形成しうる。他の実施形態で、第2絶縁層膜120は、シリコンナイトライド膜であることが好ましい。 The second insulating layer 120 is preferably a metal oxide or a material having a high relative dielectric constant of 4 or more, and can increase capacitance characteristics. Thereby, the high speed operation and large capacity of the final memory device including the gate structure shown in FIG. 17 can be realized. The second insulating layer 120 can have a thickness of about 10 nm or less, which can maximize the capacitance for high speed operation of the memory device including the illustrated structure. In some embodiments, the second insulating layer 120 is preferably at least one selected from the group consisting of oxides or oxynitrides of Al, Hf, Ti, Zr, Sc, Y, and La. For example, the second insulating layer 120 may be formed of Al 2 O 3 , HfO 2 , ZrO 2 and the same material as the first insulating layer 110. In another embodiment, the second insulating layer film 120 is preferably a silicon nitride film.

第2絶縁層120は、第1絶縁層膜110内の所望の位置に分離されたナノクリスタル130_NCを形成するための熱処理工程時に注入されたイオンが第1絶縁層110から外部に拡散されることを制限するか、防止しうる。したがって、第2絶縁層120は、ブロッキング層として作動し、第1絶縁層110の上部キャッピング部110aと共にキャッピング及びブロッキング絶縁層140aを提供する。   In the second insulating layer 120, ions implanted during the heat treatment process for forming the nanocrystals 130_NC separated at desired positions in the first insulating layer film 110 are diffused from the first insulating layer 110 to the outside. Can be limited or prevented. Accordingly, the second insulating layer 120 operates as a blocking layer and provides the capping and blocking insulating layer 140a together with the upper capping portion 110a of the first insulating layer 110.

一方、第1及び第2絶縁層110及び120は、同種の高誘電率物質であり得る。このような実施形態で、同種の物質選択は、図17のゲート構造を使用する最終メモリ装置の高速動作または大容量を可能にし、図17に示された構造の形成において製造工程を単純化しうる。第2絶縁層120は、例えば、原子層蒸着(ALD)及び/またはPECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)を使用して形成しうる。   Meanwhile, the first and second insulating layers 110 and 120 may be the same type of high dielectric constant material. In such an embodiment, the same kind of material selection may enable high speed operation or large capacity of the final memory device using the gate structure of FIG. 17, and may simplify the manufacturing process in forming the structure shown in FIG. . The second insulating layer 120 may be formed using, for example, atomic layer deposition (ALD) and / or PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition).

図18の断面図を参照して本発明のいくつかの実施形態による電荷トラップ単一膜構造150bを説明する。図18の実施形態では、第1絶縁層110が基板100上に形成され、いくつかの実施形態で、5eV超過のエネルギバンドギャップ及び7超過の誘電率及び図3Aないし図3D及び図5を参照して言及した一般的に提供されるシリコン酸化膜構造より緻密な構造を有する。図18の電荷トラップ単一膜構造150bで、第1絶縁層110は、トンネル絶縁層135bを定義する基板100に隣接した下部110a及びカップリング及びブロッキング絶縁層140bを定義する上部110bを含む。ナノクリスタル130_NCは、基板100の表面から約9nm距離の第1絶縁層110内にエンベデッドされ、約9nm以下のトンネル絶縁層135bを提供する。したがって、図18の構造は、第2絶縁層120が提供形成されず、第1絶縁層110の上部110bがカップリング及びブロッキング絶縁層140bを形成するという点で、図17の構造と異なる。図18の実施形態で、第1絶縁層膜110の厚さは図17の実施形態よりさらに厚している。図18の単一膜構造でイオン注入エネルギは、約10KeV以下であり、いくつかの実施形態では、約7KeV以上であり、約10KeV以下であり得る。図17の構造に対して、いくつかの実施形態でイオン注入エネルギは、約5KeV以上であり、約10KeV以下であり得る。   A charge trapping single membrane structure 150b according to some embodiments of the present invention will be described with reference to the cross-sectional view of FIG. In the embodiment of FIG. 18, a first insulating layer 110 is formed on the substrate 100, and in some embodiments, an energy band gap greater than 5 eV and a dielectric constant greater than 7, and see FIGS. 3A-3D and FIG. It has a denser structure than the generally provided silicon oxide film structure mentioned above. In the charge trap single membrane structure 150b of FIG. 18, the first insulating layer 110 includes a lower portion 110a adjacent to the substrate 100 defining the tunnel insulating layer 135b and an upper portion 110b defining the coupling and blocking insulating layer 140b. The nanocrystal 130_NC is embedded in the first insulating layer 110 at a distance of about 9 nm from the surface of the substrate 100 to provide a tunnel insulating layer 135b of about 9 nm or less. Therefore, the structure of FIG. 18 differs from the structure of FIG. 17 in that the second insulating layer 120 is not provided and the upper portion 110b of the first insulating layer 110 forms the coupling and blocking insulating layer 140b. In the embodiment of FIG. 18, the first insulating layer film 110 is thicker than the embodiment of FIG. In the single film structure of FIG. 18, the ion implantation energy is about 10 KeV or less, and in some embodiments, about 7 KeV or more, and can be about 10 KeV or less. For the structure of FIG. 17, in some embodiments, the ion implantation energy is about 5 KeV or more and can be about 10 KeV or less.

一方、図17及び図18の実施形態で分離された電荷保存ナノクリスタル130_NCは、イオン注入後、第1絶縁層110を含む基板100を熱処理して形成しうる。図4A及び図4Bの実施形態で説明したように、熱処理工程は、約700℃ないし約900℃で約5分ないし約30分間行われる急速熱アニーリング工程であり得る。図17の実施形態で急速熱アニーリングは、第2絶縁層120の形成後に行われることもある。   Meanwhile, the charge storage nanocrystals 130_NC separated in the embodiments of FIGS. 17 and 18 may be formed by heat-treating the substrate 100 including the first insulating layer 110 after ion implantation. As described in the embodiment of FIGS. 4A and 4B, the heat treatment process may be a rapid thermal annealing process performed at about 700 ° C. to about 900 ° C. for about 5 minutes to about 30 minutes. In the embodiment of FIG. 17, the rapid thermal annealing may be performed after the second insulating layer 120 is formed.

図4Aに示された1ステップアニーリングの実施形態で、急速熱アニーリングは、約700℃ないし約950℃で約10分ないし約30分間行われうる。図4Bに示したような2ステップアニーリングで第1アニーリングは、約700℃ないし約900℃で約5分ないし約30分間行え、次いで、約900℃ないし約1050℃で約5分ないし約30分間第2アニーリングを行える。図4Aの1ステップアニーリングまたは図4Bの第1アニーリングは、選択された温度で行い、第1絶縁層110内に注入されたイオンの外部への拡散を最小化してイオンをクリスタル化して、分離された電荷保存ナノクリスタル130_NCを形成しうる。   In the one-step annealing embodiment shown in FIG. 4A, rapid thermal annealing can be performed at about 700 ° C. to about 950 ° C. for about 10 minutes to about 30 minutes. In the two-step annealing as shown in FIG. 4B, the first annealing may be performed at about 700 ° C. to about 900 ° C. for about 5 minutes to about 30 minutes, and then at about 900 ° C. to about 1050 ° C. for about 5 minutes to about 30 minutes. Second annealing can be performed. The one-step annealing of FIG. 4A or the first annealing of FIG. 4B is performed at a selected temperature and is separated by crystallizing the ions by minimizing the outward diffusion of ions implanted in the first insulating layer 110. The charge storage nanocrystal 130_NC may be formed.

図4Bに示されたさらに高温の第2アニーリングは、第1絶縁膜110をさらに稠密化し、例えば、イオン注入時に第1絶縁層110内に発生した損傷を修復しうる。また、第2アニーリングは、図17または図18のゲート構造を含むメモリ装置の作動において漏れ電流の生成を抑制するだけでなく、第1絶縁膜110内に発生した欠陥などを修復しうる。   The higher-temperature second annealing shown in FIG. 4B may further densify the first insulating film 110 and repair, for example, damage generated in the first insulating layer 110 during ion implantation. In addition, the second annealing not only suppresses the generation of leakage current in the operation of the memory device including the gate structure of FIG. 17 or FIG. 18, but can repair defects generated in the first insulating film 110.

ナノクリスタル130_NCは、図4Bに示されたようなさらに高温の第2熱処理を行う前に形成されうる。第1アニーリング工程は、単一層のナノクリスタルの配列を提供し、約3nmないし約7nmの直径を有するナノクリスタルを形成しうる。いくつかの実施形態でナノクリスタル130_NCは、約1nmないし約7nmの直径を有し、ナノクリスタル間の間隔は、約1nmないし約7nmであり得る。   The nanocrystal 130_NC may be formed before performing the higher temperature second heat treatment as shown in FIG. 4B. The first annealing step provides an array of single layer nanocrystals and can form nanocrystals having a diameter of about 3 nm to about 7 nm. In some embodiments, nanocrystals 130_NC have a diameter of about 1 nm to about 7 nm, and the spacing between nanocrystals can be about 1 nm to about 7 nm.

一方、単一層構造を参照して選択された元素をイオン注入する工程を説明したが、前述した多様な実施形態のように、電荷保存ナノクリスタル130_NCの多重層構造は、第1絶縁層膜110内で基板100と比較して複数の異なる高さの位置にイオンを注入することにより提供され、基板100と第1絶縁膜110とをアニーリングすることは、分離された電荷保存ナノクリスタル130_NCがオーバーラップされる多層構造を提供することと理解せねばならない。このように、第1イオン注入エネルギでイオンを注入してトンネル絶縁層135a、135b上に第1電荷保存層を形成し、次いで、第1イオン注入エネルギより低い第2イオン注入エネルギで選択された元素をイオン注入して第1電荷保存膜上に第2電荷保存膜を形成するが、第1電荷保存膜と第2電荷保存膜との間には実質的に注入されたイオンのない領域をことが好ましく、このような実質的に注入されたイオンのない中間領域はイオン注入工程のデルタプロジェクションレンジに起因する。   Meanwhile, although the process of ion-implanting a selected element with reference to a single layer structure has been described, the multilayer structure of the charge storage nanocrystal 130_NC has a first insulating layer film 110 as in various embodiments described above. The annealing of the substrate 100 and the first insulating layer 110 is performed by implanting ions at a plurality of positions at different heights compared to the substrate 100 in the separated charge storage nanocrystal 130_NC. It should be understood as providing a multilayer structure to be wrapped. As described above, ions are implanted with the first ion implantation energy to form the first charge storage layer on the tunnel insulating layers 135a and 135b, and then selected with the second ion implantation energy lower than the first ion implantation energy. An element is ion-implanted to form a second charge storage film on the first charge storage film, and a region substantially free of implanted ions is formed between the first charge storage film and the second charge storage film. Preferably, such an intermediate region substantially free of implanted ions is due to the delta projection range of the ion implantation process.

前述したような図5に示された電荷トラップ層構造は、図6及び図8ないし図11に示された構造のように多様な集積回路メモリ装置に含まれうる。また、図17及び/または図18に示された電荷トラップ構造は、図6及び図8ないし図11に示されたメモリ装置の構造でも同様に使われ、このような図面で示した参照符号150の構造は、150a及び150bの構造でも使われうる。例えば、図17及び図6を参照すれば、図6の構造は、約9nm以下の厚さと約7超過の比誘電率及び約5eV超過のエネルギバンドギャップを有する緻密な構造を有するトンネル絶縁層135a(110a)が提供され、トンネル絶縁層135aを通過して分離された電荷保存ナノクリスタル130_NCにより定義されるフローティングゲートで電子のトンネリングが起こり得る。電荷保存ナノクリスタル130_NC間の間隔は、約3nmないし約7nmであり、分離された電荷保存ナノクリスタル130_NC間の電荷の水平方向拡散を制限するか、防止しうる。カップリング及びブロッキング絶縁層140aは、素子の作動時にコントロールゲート160に電圧が印加された時、分離された電荷保存ナノクリスタル130_NCに保存された電荷がコントロールゲート160方向に移動することを制限するか、防止しうる。   The charge trap layer structure shown in FIG. 5 as described above may be included in various integrated circuit memory devices like the structures shown in FIGS. 6 and 8 to 11. The charge trap structure shown in FIG. 17 and / or FIG. 18 is also used in the structure of the memory device shown in FIG. 6 and FIGS. This structure can also be used in the structure of 150a and 150b. For example, referring to FIGS. 17 and 6, the structure of FIG. 6 includes a tunnel insulating layer 135a having a dense structure having a thickness of about 9 nm or less, a dielectric constant of more than about 7, and an energy band gap of more than about 5 eV. (110a) is provided, and electron tunneling may occur at the floating gate defined by the charge storage nanocrystals 130_NC separated through the tunnel insulating layer 135a. The spacing between the charge storage nanocrystals 130_NC is about 3 nm to about 7 nm, which may limit or prevent horizontal diffusion of charges between the separated charge storage nanocrystals 130_NC. The coupling and blocking insulating layer 140a restricts movement of charges stored in the separated charge storage nanocrystals 130_NC toward the control gate 160 when a voltage is applied to the control gate 160 during device operation. Can be prevented.

図17の電荷トラップ層構造150aを含むゲート構造の動作は、図19Aないし図19Cのエネルギバンドダイアグラムを参照してさらに詳細に説明する。まず、図19Aを参照すれば、初期状態のエネルギバンドダイアグラムを例示したものである。図19Aは、第1絶縁層110と第2絶縁層120をいずれもエネルギバンドギャップが約8.7eVであり、比誘電率が9であるAlとして、ナノクリスタル130_NCをエネルギバンドギャップが約0.66eVであるGeナノクリスタルとして具現したものである。図19Aないし19Cに示された実施形態は、コントロールゲート160は、アルミニウムであり、トンネル絶縁層135aの厚さは、約9nmである。Geナノクリスタル130_NCの直径平均は、実質的に単一層構造で約4nmである。カップリング及びブロッキング絶縁層140aの厚さは、約17nm厚さのAl膜110b、120からなる場合を例示している。 The operation of the gate structure including the charge trap layer structure 150a of FIG. 17 will be described in more detail with reference to the energy band diagrams of FIGS. 19A to 19C. First, referring to FIG. 19A, an energy band diagram in an initial state is illustrated. FIG. 19A shows that the first insulating layer 110 and the second insulating layer 120 are both Al 2 O 3 having an energy band gap of about 8.7 eV and a relative dielectric constant of 9, and the nanocrystal 130_NC has an energy band gap. This is embodied as a Ge nanocrystal having a voltage of about 0.66 eV. In the embodiment shown in FIGS. 19A to 19C, the control gate 160 is aluminum, and the thickness of the tunnel insulating layer 135a is about 9 nm. The average diameter of the Ge nanocrystals 130_NC is substantially 4 nm with a single layer structure. The thickness of the coupling and blocking insulating layer 140a is exemplified by the case where the Al 2 O 3 films 110b and 120 are about 17 nm thick.

図19Bは、プログラム動作を説明するためのエネルギバンドダイアグラムであり、正のプログラム電圧Vpgmがコントロールゲート160に印加され、接地電圧GNDが基板100に印加されれば、FNトンネリングによりチャネル領域180の電子はトンネル絶縁層135aを通過してGeナノクリスタル130_NCにトラップされうる。   FIG. 19B is an energy band diagram for explaining the program operation. When the positive program voltage Vpgm is applied to the control gate 160 and the ground voltage GND is applied to the substrate 100, the electrons in the channel region 180 are formed by FN tunneling. Can be trapped in the Ge nanocrystal 130_NC through the tunnel insulating layer 135a.

いくつかの実施形態で、正のプログラム電圧Vpgmがコントロールゲート160に印加され、コントロールゲート160に印加される電圧と実質的に類似した高電圧がソース領域170Sに印加され、接地電圧GNDがドレイン領域170Dに印加されれば、ソース領域170S方向に集中して発生するホットキャリア電子は、図19Bに示されたように、トンネル絶縁層135aを通過してGeナノクリスタル130_NCに注入されうる。   In some embodiments, a positive program voltage Vpgm is applied to the control gate 160, a high voltage substantially similar to the voltage applied to the control gate 160 is applied to the source region 170S, and the ground voltage GND is applied to the drain region. If applied to 170D, hot carrier electrons generated concentrated in the direction of the source region 170S may be injected into the Ge nanocrystal 130_NC through the tunnel insulating layer 135a as shown in FIG. 19B.

プログラム動作時にコントロールゲート160に印加された電圧のカップリング率が高ければ、ナノクリスタル130_NCにさらに高い電圧が伝えられるために、FNトンネリングまたはホットキャリア電子注入がさらに効果的に起こりうる。すなわち、本発明のいくつかの実施形態で、不揮発性メモリ装置は、約4以上の比誘電率を有する高誘電物質で形成されたカップリング及びブロッキング層140aを使用すれば、高速動作が提供されうる。   If the coupling ratio of the voltage applied to the control gate 160 during the program operation is high, a higher voltage is transmitted to the nanocrystal 130_NC, so that FN tunneling or hot carrier electron injection can occur more effectively. That is, in some embodiments of the present invention, the non-volatile memory device is provided with high speed operation by using a coupling and blocking layer 140a formed of a high dielectric material having a relative dielectric constant of about 4 or more. sell.

図19Cは、消去動作を説明するためのエネルギバンドダイアグラムである。図19Cに示されたように、接地電圧GNDは、コントロールゲート160に印加し、負の消去電圧Veraseは、基板100に印加すれば、ナノクリスタル130_NCにトラップされた電荷が図19Cに矢印で示されたようにFNトンネリングまたはホットホール注入により基板100方向に放出されうる。   FIG. 19C is an energy band diagram for explaining the erase operation. As shown in FIG. 19C, when the ground voltage GND is applied to the control gate 160 and the negative erase voltage Verase is applied to the substrate 100, the charge trapped in the nanocrystal 130_NC is indicated by an arrow in FIG. 19C. As described above, it can be emitted toward the substrate 100 by FN tunneling or hot hole injection.

図20は、本発明のいくつかの実施形態による高誘電率電荷トラップ二重層150aのTEM(Transmissive Electron Microscopy)写真である。図20の写真を参照すれば、第1絶縁層110は、p型半導体基板100上に原子層蒸着法で成長させた約20nmの厚さを有するアルミニウム酸化膜である。アルミニウム酸化膜110の内部にGeイオンを約10KeVのイオン注入エネルギと約1×1016/cmのドーズで注入する。第2絶縁層120もアルミニウム酸化膜であり、約10nmの厚さを有する。ナノクリスタル130_NCの形成のための熱アニーリングは、窒素(N)雰囲気で約800℃に約30分間行われる。 FIG. 20 is a TEM (Transmissive Electron Microscopy) photograph of a high dielectric constant charge trapping bilayer 150a according to some embodiments of the present invention. Referring to the photograph of FIG. 20, the first insulating layer 110 is an aluminum oxide film having a thickness of about 20 nm grown on the p-type semiconductor substrate 100 by atomic layer deposition. Ge ions are implanted into the aluminum oxide film 110 at an ion implantation energy of about 10 KeV and a dose of about 1 × 10 16 / cm 2 . The second insulating layer 120 is also an aluminum oxide film and has a thickness of about 10 nm. Thermal annealing for the formation of the nanocrystal 130_NC is performed at about 800 ° C. for about 30 minutes in a nitrogen (N 2 ) atmosphere.

図20に具現した実施例では、ナノクリスタル130_NCを形成するための熱アニーリングに加えて図24のフローチャートを参照すれば、イオン注入前に急速熱アニーリングをさらに行う。図20に図示した実施形態で、イオン注入前のアニーリングは、窒素(N)雰囲気で約950℃で約30分間急速熱アニーリングを行う。図20に示されているように、ナノクリスタル130_NCは、多層膜構造というよりは、ほぼ単一膜構造に近く形成されるということが分かる。 In the embodiment illustrated in FIG. 20, in addition to the thermal annealing for forming the nanocrystal 130_NC, referring to the flowchart of FIG. 24, rapid thermal annealing is further performed before ion implantation. In the embodiment illustrated in FIG. 20, annealing prior to ion implantation is rapid thermal annealing at about 950 ° C. for about 30 minutes in a nitrogen (N 2 ) atmosphere. As shown in FIG. 20, it can be seen that the nanocrystal 130_NC is formed almost like a single film structure rather than a multilayer film structure.

これにより、本発明に係る絶縁層を含む基板は、イオン注入する前に熱処理することが好ましく、前記イオン注入する前に前記絶縁層を含む前記基板は、前記絶縁層の結晶化温度以上の温度で熱処理されることがより好ましく、窒素(N)雰囲気で950℃以上の温度で熱処理することが特に好ましい。 Accordingly, the substrate including the insulating layer according to the present invention is preferably heat-treated before ion implantation, and the substrate including the insulating layer before the ion implantation is a temperature equal to or higher than the crystallization temperature of the insulating layer. It is more preferable that the heat treatment be performed at a temperature of 950 ° C. or higher in a nitrogen (N 2 ) atmosphere.

本発明のいくつかの実施形態は、図21に示したC−Vヒステリシスカーブを参照して説明する。図21は、図20の電荷トラップ二重膜構造上にアルミニウムコントロールゲートを具備する不揮発性メモリ集積回路装置のC−Vヒステリシスカーブを示す。図21に示したように、本発明のいくつかの実施形態は、逆時計回り方向ヒステリシス特性を示す。また、印加される電圧の範囲が増加するほど正のフラットバンド電圧シフトが増加してヒステリシス幅Dが増加することが分かる。これは印加される電圧が増加するほど、Geナノクリスタルにトラップされた電子の数が多くなり、したがってナノクリスタル130_NCにより提供されるフローティングゲート構造で多くの容量の電荷が蓄積されるということを示す。すなわち、本発明のいくつかの実施形態は、多様な集積回路装置メモリ素子に適用可能な逆時計回り方向のヒステリシス特性を提供しうる。   Some embodiments of the present invention will be described with reference to the CV hysteresis curve shown in FIG. FIG. 21 shows a CV hysteresis curve of a nonvolatile memory integrated circuit device having an aluminum control gate on the charge trapping double film structure of FIG. As shown in FIG. 21, some embodiments of the present invention exhibit counterclockwise hysteresis characteristics. It can also be seen that as the range of applied voltages increases, the positive flat band voltage shift increases and the hysteresis width D increases. This indicates that as the applied voltage increases, the number of electrons trapped in the Ge nanocrystal increases and thus a larger amount of charge is stored in the floating gate structure provided by the nanocrystal 130_NC. . That is, some embodiments of the present invention may provide a counterclockwise hysteresis characteristic applicable to a variety of integrated circuit device memory devices.

一方、実施形態で第1絶縁層110の厚さを過度に薄く形成した場合には、集積回路メモリ装置に適用できない時計回り方向ヒステリシス特性を示しうる。例えば、第1絶縁層110としてアルミニウム酸化膜を約20nm以下形成した場合には、時計回り方向ヒステリシス特性を示しうる。また、図17に示された電荷トラップ二重膜150a構造を使用した実施例において、第2絶縁層の厚さを約10nm以下に形成した場合には、向上したヒステリシス特性を示しうる。   On the other hand, when the thickness of the first insulating layer 110 is excessively thin in the embodiment, it may exhibit a clockwise hysteresis characteristic that cannot be applied to the integrated circuit memory device. For example, when an aluminum oxide film having a thickness of about 20 nm or less is formed as the first insulating layer 110, clockwise hysteresis characteristics can be exhibited. Further, in the embodiment using the charge trap double film 150a structure shown in FIG. 17, when the thickness of the second insulating layer is about 10 nm or less, improved hysteresis characteristics can be exhibited.

一方、本発明のいくつかの実施形態では、第1絶縁層110内にイオンを注入する前に熱処理を提供する。図22は、本発明のいくつかの実施形態においてイオン注入前の熱処理に対する他のアニーリング温度が漏れ電流特性に及ぼす影響を測定したグラフである。図22のグラフは、各々イオン注入前アニーリングを行わない場合、約900℃で約30分間進めた場合、約950℃で約30分間進めた場合を示す。図22を参照すれば、イオン注入前のアニーリングを行っていない場合に比べて、アニーリングを行った場合に漏れ電流が顕著に減少するということが分かり、約950℃でアニーリングを行った場合に漏れ電流の減少にさらに効果的であるということが分かる。   On the other hand, some embodiments of the present invention provide a heat treatment prior to implanting ions into the first insulating layer 110. FIG. 22 is a graph that measures the effect of other annealing temperatures on leakage current characteristics for heat treatment prior to ion implantation in some embodiments of the present invention. The graph of FIG. 22 shows the case where annealing is not performed before ion implantation, when the process is advanced at about 900 ° C. for about 30 minutes, and when the process is advanced at about 950 ° C. for about 30 minutes. Referring to FIG. 22, it can be seen that the leakage current is remarkably reduced when annealing is performed compared to the case where annealing before ion implantation is not performed, and leakage occurs when annealing is performed at about 950 ° C. It can be seen that it is more effective in reducing the current.

図23A及び図24Bは、本発明のさらに他の実施形態によって製造された高誘電率電荷トラップ単一層150bのC−Vヒステリシスカーブである。さらに具体的に、図23Aは、第1絶縁層110としてアルミニウム酸化膜の厚さを約20nmに形成した場合を、図23Bは、アルミニウム酸化膜の厚さを約60nmに形成した場合を各々表す。それぞれの場合で、第1絶縁膜110は、p型基板100上に原子層蒸着工程により基板100上に成長させうる。両実施形態はいずれもイオン注入前の急速熱アニーリングを窒素雰囲気で約950℃で約30分間行える。Geイオンは、約10KeVのイオン注入エネルギと約1×1016/cmのドーズで注入した後、窒素(N)雰囲気で約950℃に約30分間急速熱アニーリングを行ってナノクリスタル130_NCを形成する。図23A及び図23Bに示されているように、高誘電率電荷トラップ単一膜の場合にもメモリに適用可能な逆時計回り方向ヒステリシス特性を示すということが分かり、単一膜の厚さが増加するほどヒステリシス幅が大きくなることが分かる。 23A and 24B are CV hysteresis curves of a high dielectric constant charge trap single layer 150b fabricated according to yet another embodiment of the present invention. More specifically, FIG. 23A shows a case where the thickness of the aluminum oxide film is formed as the first insulating layer 110 to about 20 nm, and FIG. 23B shows a case where the thickness of the aluminum oxide film is formed to about 60 nm. . In each case, the first insulating film 110 can be grown on the p-type substrate 100 by an atomic layer deposition process. In both embodiments, rapid thermal annealing before ion implantation can be performed in a nitrogen atmosphere at about 950 ° C. for about 30 minutes. Ge ions are implanted at an ion implantation energy of about 10 KeV and a dose of about 1 × 10 16 / cm 2 , and then subjected to rapid thermal annealing at about 950 ° C. for about 30 minutes in a nitrogen (N 2 ) atmosphere to form nanocrystals 130_NC. Form. As shown in FIGS. 23A and 23B, it can be seen that even in the case of a high dielectric constant charge trapping single film, it exhibits a counterclockwise hysteresis characteristic applicable to a memory. It can be seen that the hysteresis width increases as the value increases.

図24の概略的な工程断面図を参照して本発明の実施形態の一例を説明する。図24を参照すれば、それぞれの行は本発明の実施形態を構成する多様な工程を表し、第1列及び第2列は、高誘電率電荷トラップ二重膜製造方法の実施形態を、第3列及び第4列は、高誘電率電荷トラップ単一膜の製造方法の実施形態を各々表す。総てのる実施形態において、集積回路メモリ装置のゲート構造を形成することは、基板100上に第1絶縁層110を形成することを含む。第1列及び第3列の実施形態は、図20を参照して説明したように、熱処理はイオン注入前に提供される。図24の第2行に示されたように、イオン注入前に第1絶縁膜110を含む基板100に熱処理工程111を行う。さらに詳細には、第1列及び第3列の実施例は、窒素(N)雰囲気で急速熱アニーリング工程を行う。絶縁層110の結晶化温度以上の温度が図24の第2行に示された急速熱アニーリング工程111に使われうる。いくつかの実施形態で、急速熱アニーリング工程は、窒素(N)雰囲気で約950℃で行われる。 An example of an embodiment of the present invention will be described with reference to a schematic process cross-sectional view of FIG. Referring to FIG. 24, each row represents various processes constituting the embodiment of the present invention, and the first column and the second column represent the embodiment of the high dielectric constant charge trap dual film manufacturing method, and the first column. The third and fourth columns each represent an embodiment of a method for manufacturing a high dielectric constant charge trapping single film. In all embodiments, forming the gate structure of the integrated circuit memory device includes forming a first insulating layer 110 on the substrate 100. The first and third row embodiments are provided with heat treatment prior to ion implantation, as described with reference to FIG. As shown in the second row of FIG. 24, a heat treatment step 111 is performed on the substrate 100 including the first insulating film 110 before ion implantation. More specifically, the first and third row embodiments perform the rapid thermal annealing process in a nitrogen (N 2 ) atmosphere. A temperature above the crystallization temperature of the insulating layer 110 may be used in the rapid thermal annealing step 111 shown in the second row of FIG. In some embodiments, the rapid thermal annealing step is performed at about 950 ° C. in a nitrogen (N 2 ) atmosphere.

図24の第3行に示されたあらゆる実施形態は、周期律表のIV族から選択された元素のイオンを第1絶縁層110にイオン注入112する工程である。さらに具体的に、第3行の総て実施形態には、第1絶縁層膜110内にGeイオンを注入する。   Every embodiment shown in the third row of FIG. 24 is a step of ion-implanting 112 ions of an element selected from group IV of the periodic table into the first insulating layer 110. More specifically, in all the embodiments in the third row, Ge ions are implanted into the first insulating layer film 110.

一方、第3列及び第4列の実施形態における第1絶縁層110の厚さは、第1列及び第2列の実施形態よりさらに厚く形成される。例えば、第3列及び第4列の実施形態で第1絶縁層110の厚さは約30nmであり、第1及び第2列の実施形態では約20nmであり得る。   On the other hand, the thickness of the first insulating layer 110 in the third and fourth row embodiments is formed to be thicker than that in the first and second row embodiments. For example, the thickness of the first insulating layer 110 may be about 30 nm in the third and fourth row embodiments, and may be about 20 nm in the first and second row embodiments.

第4行を参照すれば、第1列及び第2列の実施形態は、第1絶縁層110上に第2絶縁層膜120が形成されるという点では、第2絶縁層を形成しない第3列及び第4列の実施例と相違がある。第2絶縁層120は、金属酸化物であることが好ましく、約10nm以下の厚さを有することができる。第1及び/または第2列の実施形態において、第2絶縁層120は、第1絶縁層110と同種の物質であり得る。最後に、第1ないし第4列の実施形態で第5行は、第1絶縁層110内にナノクリスタル130_NCを形成するための急速熱アニーリング工程122を行って、図17及び図18を参照して説明した構造を提供する。   Referring to the fourth row, the embodiments of the first column and the second column do not form the second insulating layer in that the second insulating layer film 120 is formed on the first insulating layer 110. There are differences from the column and fourth column embodiments. The second insulating layer 120 is preferably a metal oxide, and may have a thickness of about 10 nm or less. In the first and / or second row embodiments, the second insulating layer 120 may be the same material as the first insulating layer 110. Finally, in the first to fourth column embodiments, the fifth row performs a rapid thermal annealing step 122 to form the nanocrystals 130_NC in the first insulating layer 110, referring to FIGS. The structure described above is provided.

いくつかの実施形態において、第5行の急速熱アニーリング工程の条件は、第2行のイオン注入前アニーリング工程の実行如何によって決定される。すなわち、第1列の実施形態は、第2列の実施形態と相異なる条件で第5行の熱処理が使われうる。同様に、第3列の実施形態は、第4列の実施形態と相異なる条件で第5行の熱処理が使われうる。例えば、図24の第1列及び第3列の第2行に示されたように、イオン注入前にアニーリングを実施した場合には、第5行のアニーリングは、図4Aに示されているように、1ステップアニーリングで約700℃ないし約950℃で約5分ないし約30分間行われうる。一方、図24の第2及び第4列の第2行のようにイオン注入前にアニーリングを省略した場合には、第5行のアニーリングをさらに高温である約900℃ないし約950℃で約5分ないし約30分間行える。   In some embodiments, the conditions for the fifth row rapid thermal annealing step are determined by the performance of the second row pre-implant annealing step. That is, the first column embodiment may use the fifth row heat treatment under different conditions than the second column embodiment. Similarly, the third column embodiment may use the fifth row heat treatment under different conditions than the fourth column embodiment. For example, when annealing is performed before ion implantation as shown in the second row of the first and third columns in FIG. 24, the annealing in the fifth row is as shown in FIG. 4A. In addition, the single step annealing may be performed at about 700 ° C. to about 950 ° C. for about 5 minutes to about 30 minutes. On the other hand, when the annealing is omitted before ion implantation as in the second row of the second and fourth columns in FIG. 24, the annealing in the fifth row is performed at a higher temperature of about 900 ° C. to about 950 ° C. for about 5 ° C. Can be done for about 30 minutes.

本発明のいくつかの実施形態で、Geイオンは、200Åの厚さを有するアルミニウム酸化物(Al)ターゲット層に7゜の角度で、7KeVと10KeVのイオン注入エネルギで各々注入される。このような実施例のシミュレーション結果は、約20Åないし約60Åのデルタプロジェクション範囲を有し、約100Åないし約170Åの平均注入深さ(Rp)を示す。10KeVでのいくつかのシミュレーション結果は、約30Åのデルタプロジェクション範囲を有し、約131Åの平均注入深さ(Rp)を示す。いくつかの実施例で、イオン注入は、約20Åないし約160Åのデルタプロジェクション範囲を有することが好ましく、約20Åないし約60Åのデルタプロジェクション範囲を有することがより好ましく、選択された平均注入深さでイオンを注入することを含む。 In some embodiments of the invention, Ge ions are implanted into an aluminum oxide (Al 2 O 3 ) target layer having a thickness of 200 mm at an angle of 7 ° and an ion implantation energy of 7 KeV and 10 KeV, respectively. . The simulation results of such an example have a delta projection range of about 20 to about 60 mm and an average implantation depth (Rp) of about 100 to about 170 mm. Some simulation results at 10 KeV have a delta projection range of about 30 mm and an average implantation depth (Rp) of about 131 mm. In some embodiments, the ion implantation preferably has a delta projection range of about 20 to about 160 inches, more preferably a delta projection range of about 20 to about 60 inches, with a selected average implantation depth. Including implanting ions.

以上、添付図を参照して本発明の実施例を説明したが、本発明が属する技術分野で当業者ならば本発明がその技術的思想や必須特徴を変更せずとも他の具体的な形に実施されうるということが理解できるであろう。したがって、前述した実施例は全ての面で例示的なものであって、限定的なものではないと理解せねばならない。   The embodiments of the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings. However, those skilled in the art to which the present invention pertains may have other specific forms without changing the technical idea and essential features thereof. It will be understood that this can be implemented. Accordingly, it should be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not limiting.

本発明は、フラッシュEEPROM装置、不揮発性メモリ装置またはDRAMに適用されうる。   The present invention can be applied to a flash EEPROM device, a nonvolatile memory device, or a DRAM.

従来のフローティングゲートメモリセルで消去及びプログラム動作を示す概略的な断面図である。FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing erase and program operations in a conventional floating gate memory cell. 従来の連続的なフローティングゲートセルの漏れ経路を示す概略的な断面図である。It is a schematic sectional view showing a leakage path of a conventional continuous floating gate cell. 本発明のいくつかの実施形態による集積回路装置のゲート構造物の形成方法を示す断面図である。6 is a cross-sectional view illustrating a method of forming a gate structure of an integrated circuit device according to some embodiments of the present invention. FIG. 本発明のいくつかの実施形態による集積回路装置のゲート構造物の形成方法を示す断面図である。6 is a cross-sectional view illustrating a method of forming a gate structure of an integrated circuit device according to some embodiments of the present invention. FIG. 本発明のいくつかの実施形態による集積回路装置のゲート構造物の形成方法を示す断面図である。6 is a cross-sectional view illustrating a method of forming a gate structure of an integrated circuit device according to some embodiments of the present invention. FIG. 本発明のいくつかの実施形態による集積回路装置のゲート構造物の形成方法を示す断面図である。6 is a cross-sectional view illustrating a method of forming a gate structure of an integrated circuit device according to some embodiments of the present invention. FIG. 本発明のいくつかの実施形態による分離された電荷保存ナノクリスタルを含む電荷保存領域の形成のための熱処理を示すダイアグラムである。2 is a diagram illustrating a heat treatment for the formation of a charge storage region comprising isolated charge storage nanocrystals according to some embodiments of the present invention. 本発明のいくつかの実施形態による分離された電荷保存ナノクリスタルを含む電荷保存領域の形成のための熱処理を示すダイアグラムである。2 is a diagram illustrating a heat treatment for the formation of a charge storage region comprising isolated charge storage nanocrystals according to some embodiments of the present invention. 本発明のいくつかの実施形態による電荷トラップ二重膜構造を示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a charge trap bilayer structure according to some embodiments of the present invention. 本発明のいくつかの実施形態によるゲート構造を含むフラッシュメモリ装置を示す断面図である。1 is a cross-sectional view illustrating a flash memory device including a gate structure according to some embodiments of the present invention. 本発明のいくつかの実施形態によるフラッシュメモリ装置のエネルギバンドダイアグラムである。2 is an energy band diagram of a flash memory device according to some embodiments of the present invention. 本発明のいくつかの実施形態によるフラッシュメモリ装置のエネルギバンドダイアグラムである。2 is an energy band diagram of a flash memory device according to some embodiments of the present invention. 本発明のいくつかの実施形態によるフラッシュメモリ装置のエネルギバンドダイアグラムである。2 is an energy band diagram of a flash memory device according to some embodiments of the present invention. 本発明のさらに他の実施形態によるゲート構造を含むフラッシュメモリ装置を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a flash memory device including a gate structure according to still another embodiment of the present invention. 本発明のさらに他の実施形態によるゲート構造を含むフラッシュメモリ装置を示す断面図である。6 is a cross-sectional view illustrating a flash memory device including a gate structure according to still another embodiment of the present invention. 本発明のさらに他の実施形態によるゲート構造を含むフラッシュメモリ装置を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a flash memory device including a gate structure according to still another embodiment of the present invention. 本発明のさらに他の実施形態によるゲート構造を含むフラッシュメモリ装置を示す断面図である。6 is a cross-sectional view illustrating a flash memory device including a gate structure according to still another embodiment of the present invention. 本発明のいくつかの実施形態によるフラッシュメモリ装置のキャパシタンス(C)−電圧(V)ヒステリシスカーブを示す図面である。3 is a capacitance (C) -voltage (V) hysteresis curve of a flash memory device according to some embodiments of the present invention. 金属酸化物キャッピング絶縁層のないフラッシュメモリ装置のキャパシタンス(C)−電圧(V)ヒステリシスカーブを示す図面である。3 is a capacitance (C) -voltage (V) hysteresis curve of a flash memory device without a metal oxide capping insulating layer. 金属酸化物キャッピング絶縁層のないフラッシュメモリ装置のキャパシタンス(C)−電圧(V)ヒステリシスカーブを示す図面である。3 is a capacitance (C) -voltage (V) hysteresis curve of a flash memory device without a metal oxide capping insulating layer. 本発明のいくつかの実施形態による他の温度で熱処理されたフラッシュメモリ装置のキャパシタンス(C)−電圧(V)ヒステリシスカーブを示す図面である。3 is a capacitance (C) -voltage (V) hysteresis curve of a flash memory device thermally treated at another temperature according to some embodiments of the present invention. 本発明のいくつかの実施形態による他の温度で熱処理されたフラッシュメモリ装置のキャパシタンス(C)−電圧(V)ヒステリシスカーブを示す図面である。3 is a capacitance (C) -voltage (V) hysteresis curve of a flash memory device thermally treated at another temperature according to some embodiments of the present invention. 本発明のいくつかの実施形態による他の温度で熱処理されたフラッシュメモリ装置のキャパシタンス(C)−電圧(V)ヒステリシスカーブを示す図面である。3 is a capacitance (C) -voltage (V) hysteresis curve of a flash memory device thermally treated at another temperature according to some embodiments of the present invention. 本発明のいくつかの実施形態による他の温度で熱処理されたフラッシュメモリ装置のキャパシタンス(C)−電圧(V)ヒステリシスカーブを示す図面である。3 is a capacitance (C) -voltage (V) hysteresis curve of a flash memory device thermally treated at another temperature according to some embodiments of the present invention. 本発明のいくつかの実施形態による他の温度で熱処理されたフラッシュメモリ装置のキャパシタンス(C)−電圧(V)ヒステリシスカーブを示す図面である。3 is a capacitance (C) -voltage (V) hysteresis curve of a flash memory device thermally treated at another temperature according to some embodiments of the present invention. 分離された電荷保存ナノクリスタルフローティングゲートでの漏れ経路を示す概略的な断面図である。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing a leakage path in a separated charge storage nanocrystal floating gate. 本発明のいくつかの実施形態によるイオン注入シミュレーション結果を示すダイアグラムである。6 is a diagram illustrating ion implantation simulation results according to some embodiments of the present invention. 本発明のいくつかの実施形態による集積回路装置のゲート構造を形成するための作業を示すフローチャートである。6 is a flowchart illustrating operations for forming a gate structure of an integrated circuit device according to some embodiments of the present invention. 本発明の他の実施形態による電荷トラップ二重膜構造を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a charge trap double membrane structure according to another embodiment of the present invention. 本発明のさらに他の実施形態による電荷トラップ単一膜構造を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a charge trapping single film structure according to still another embodiment of the present invention. 本発明の他の実施形態によるフラッシュメモリ装置のエネルギバンドダイアグラムである。4 is an energy band diagram of a flash memory device according to another embodiment of the present invention. 本発明の他の実施形態によるフラッシュメモリ装置のエネルギバンドダイアグラムである。4 is an energy band diagram of a flash memory device according to another embodiment of the present invention. 本発明の他の実施形態によるフラッシュメモリ装置のエネルギバンドダイアグラムである。4 is an energy band diagram of a flash memory device according to another embodiment of the present invention. 本発明のいくつかの実施形態による電荷トラップ二重層構造の断面を示すTEM写真である。4 is a TEM photograph showing a cross section of a charge trapping bilayer structure according to some embodiments of the present invention. 本発明の他の実施形態によるフラッシュメモリ装置のキャパシタンス(C)−電圧(V)ヒステリシスカーブを示す図面である。6 is a capacitance (C) -voltage (V) hysteresis curve of a flash memory device according to another embodiment of the present invention. 本発明のいくつかの実施形態による漏れ電流特性を示すグラフである。6 is a graph illustrating leakage current characteristics according to some embodiments of the present invention. 本発明のさらに他の実施形態によるフラッシュメモリ装置のキャパシタンス(C)−電圧(V)ヒステリシスカーブを示す図面である。4 is a capacitance (C) -voltage (V) hysteresis curve of a flash memory device according to another embodiment of the present invention. 本発明のさらに他の実施形態によるフラッシュメモリ装置のキャパシタンス(C)−電圧(V)ヒステリシスカーブを示す図面である。4 is a capacitance (C) -voltage (V) hysteresis curve of a flash memory device according to another embodiment of the present invention. 本発明のいくつかの実施形態による電荷トラップ構造及びその形成方法を説明するための概略的な工程断面図である。FIG. 6 is a schematic cross-sectional process diagram illustrating a charge trap structure and a method of forming the same according to some embodiments of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

100 基板、
110 第1絶縁層、
111 アニーリング、
112 ナノクリスタル形成用イオン注入、
120 第2絶縁層、
122 アニーリング、
130_NC 電荷トラップナノクリスタル、
135a、135b トンネリング層、
140a、140b カップリング及びブロッキング絶縁層、
150a ナノクリスタルエンベデッド高誘電率電荷トラップ二重層、
150b ナノクリスタルエンベデッド高誘電率電荷トラップ単一層、
160 コントロールゲート、
170S、170D ソース、ドレイン、
180 チャネル。
100 substrates,
110 first insulating layer,
111 annealing,
112 Ion implantation for nanocrystal formation,
120 second insulating layer;
122 annealing,
130_NC charge trap nanocrystal,
135a, 135b tunneling layer,
140a, 140b coupling and blocking insulation layers,
150a nanocrystal embedded high dielectric constant charge trap double layer,
150b nanocrystal embedded high dielectric constant charge trap single layer,
160 control gate,
170S, 170D source, drain,
180 channels.

Claims (48)

基板上に絶縁層を形成する段階と、
前記絶縁層内に周期律表のIV族から選択され、かつ0.5cm/s以下の熱拡散度を有する元素のイオン注入をする段階と、
前記イオン注入して前記絶縁層内に電荷保存領域を形成することにより、前記電荷保存領域の下部にトンネル絶縁層と、前記電荷保存領域の上部にキャッピング絶縁層とに前記絶縁層を区画する段階と、
前記トンネル絶縁層、前記電荷保存領域、および前記キャッピング絶縁層が区画された絶縁層を含む前記基板を熱処理して前記電荷保存領域に複数の分離された電荷保存ナノクリスタルを形成する段階と、
前記絶縁層上にゲート電極層を形成する段階と、
を含む集積回路メモリ装置のゲート構造物の形成方法。
Forming an insulating layer on the substrate;
Implanting an ion of an element selected from group IV of the periodic table into the insulating layer and having a thermal diffusivity of 0.5 cm 2 / s or less;
Partitioning the insulating layer into a tunnel insulating layer below the charge storage region and a capping insulating layer above the charge storage region by forming a charge storage region in the insulating layer by implanting the ions; When,
Heat treating the substrate including the insulating layer in which the tunnel insulating layer, the charge storage region, and the capping insulating layer are partitioned to form a plurality of separated charge storage nanocrystals in the charge storage region;
Forming a gate electrode layer on the insulating layer;
A method for forming a gate structure of an integrated circuit memory device.
前記絶縁層は、第1絶縁層からなり、前記イオン注入と前記基板の熱処理との間に前記第1絶縁層上に金属酸化物を含む第2絶縁層を形成することをさらに含む請求項1に記載の集積回路メモリ装置のゲート構造物の形成方法。   The insulating layer includes a first insulating layer, and further includes forming a second insulating layer including a metal oxide on the first insulating layer between the ion implantation and the heat treatment of the substrate. A method for forming a gate structure of an integrated circuit memory device according to claim 1. 前記絶縁層は、7超の比誘電率を有するAl、Hf、Ti、Zr、Sc、YおよびLaの酸化物または酸窒化物からなる群から選択される少なくとも一つを含むものであり、前記選択された元素は、Geを含む請求項1または2に記載の集積回路メモリ装置のゲート構造物の形成方法。   The insulating layer includes at least one selected from the group consisting of oxides or oxynitrides of Al, Hf, Ti, Zr, Sc, Y, and La having a relative dielectric constant of greater than 7, The method for forming a gate structure of an integrated circuit memory device according to claim 1, wherein the selected element includes Ge. 前記イオンは、10KeV以下の注入エネルギで前記イオンを注入されることを含む請求項1〜3のいずれか1項に記載の集積回路メモリ装置のゲート構造物の形成方法。   The method for forming a gate structure of an integrated circuit memory device according to claim 1, wherein the ions are implanted with an implantation energy of 10 KeV or less. 前記イオンは、5KeV以上の注入エネルギで前記イオンを注入されることを含む請求項1〜4のいずれか1項に記載の集積回路メモリ装置のゲート構造物の形成方法。   5. The method of forming a gate structure of an integrated circuit memory device according to claim 1, wherein the ions are implanted with an implantation energy of 5 KeV or more. 前記イオンは、7KeV以上の注入エネルギで前記イオンを注入されることを含む、請求項1〜5のいずれか1項に記載の集積回路メモリ装置のゲート構造物の形成方法。   The method for forming a gate structure of an integrated circuit memory device according to claim 1, wherein the ions are implanted with an implantation energy of 7 KeV or more. 前記基板上に形成された前記絶縁層の厚さは、30nm以下である請求項1〜6のいずれか1項に記載の集積回路メモリ装置のゲート構造物の形成方法。   The method for forming a gate structure of an integrated circuit memory device according to claim 1, wherein a thickness of the insulating layer formed on the substrate is 30 nm or less. 前記基板上に形成された前記絶縁層の厚さは、20nm以下である請求項1〜7に記載のいずれか1項に記載の集積回路メモリ装置のゲート構造物の形成方法。   The method for forming a gate structure of an integrated circuit memory device according to claim 1, wherein a thickness of the insulating layer formed on the substrate is 20 nm or less. 前記イオン注入する前に前記縁層を含む前記基板が熱処理される請求項1〜8のいずれか1項に記載の集積回路メモリ装置のゲート構造物の形成方法。   9. The method of forming a gate structure of an integrated circuit memory device according to claim 1, wherein the substrate including the edge layer is heat-treated before the ion implantation. 前記イオン注入する前に前記絶縁層を含む前記基板は、前記絶縁層の結晶化温度以上の温度で熱処理される請求項1〜9のいずれか1項に記載の集積回路メモリ装置のゲート構造物の形成方法。   The gate structure of the integrated circuit memory device according to claim 1, wherein the substrate including the insulating layer is heat-treated at a temperature equal to or higher than a crystallization temperature of the insulating layer before the ion implantation. Forming method. 前記イオン注入する前に前記絶縁層を含む前記基板は、窒素雰囲気で950℃以上の温度で熱処理される請求項1〜10のいずれか1項に記載の集積回路メモリ装置のゲート構造物の形成方法。   11. The integrated circuit memory device gate structure according to claim 1, wherein the substrate including the insulating layer is heat-treated at a temperature of 950 ° C. or more in a nitrogen atmosphere before the ion implantation. Method. 前記イオン注入した後に、前記トンネル絶縁層、前記電荷保存領域、および前記キャッピング絶縁層が区画された絶縁層を含む前記基板を700℃ないし900℃で5分ないし30分間急速熱アニーリングすることを含む請求項1〜10のいずれか1項に記載の集積回路メモリ装置のゲート構造物の形成方法。   After the ion implantation, the substrate including the tunnel insulating layer, the charge storage region, and the insulating layer in which the capping insulating layer is partitioned includes rapid thermal annealing at 700 ° C. to 900 ° C. for 5 to 30 minutes. A method for forming a gate structure of an integrated circuit memory device according to claim 1. 前記急速熱アニーリング後に900℃ないし1050℃で5分ないし30分間第2急速熱アニーリングが行われる請求項12に記載の集積回路メモリ装置のゲート構造物の形成方法。   13. The method of forming a gate structure of an integrated circuit memory device according to claim 12, wherein the second rapid thermal annealing is performed at 900 to 1050 [deg.] C. for 5 to 30 minutes after the rapid thermal annealing. 前記イオン注入した後に前記基板を熱処理することは、前記トンネル絶縁層、前記電荷保存領域、および前記キャッピング絶縁層が区画された絶縁層を含む前記基板を900℃ないし950℃で5分ないし30分間急速熱アニーリングすることを含む請求項1〜13のいずれか1項に記載の集積回路メモリ装置のゲート構造物の形成方法。   The heat treatment of the substrate after the ion implantation may be performed by heating the substrate including the tunnel insulating layer, the charge storage region, and the insulating layer in which the capping insulating layer is partitioned at 900 ° C. to 950 ° C. for 5 minutes to 30 minutes. The method for forming a gate structure of an integrated circuit memory device according to claim 1, comprising performing rapid thermal annealing. 前記絶縁層の厚さは、30nm以下である請求項1〜14のいずれか1項に記載の集積回路メモリ装置のゲート構造物の形成方法。   The method of forming a gate structure of an integrated circuit memory device according to claim 1, wherein the insulating layer has a thickness of 30 nm or less. 前記トンネル絶縁層の厚さは、9nm以下である請求項1〜15のいずれか1項に記載の集積回路メモリ装置のゲート構造物の形成方法。   The method of forming a gate structure of an integrated circuit memory device according to claim 1, wherein the tunnel insulating layer has a thickness of 9 nm or less. 前記イオンは、前記絶縁層の厚さに基づいて選択された平均注入深さと7nm以下のデルタプロジェクション範囲とで前記イオンを注入することを含む請求項1〜15に記載の集積回路メモリ装置のゲート構造物の形成方法。   The gate of an integrated circuit memory device according to claim 1, wherein the ions are implanted with an average implantation depth selected based on a thickness of the insulating layer and a delta projection range of 7 nm or less. A method of forming a structure. 前記イオンは、20Åないし60Åのデルタプロジェクション範囲で前記イオンを注入することを含む請求項17に記載の集積回路メモリ装置のゲート構造物の形成方法。   18. The method of forming a gate structure of an integrated circuit memory device according to claim 17, wherein the ions include implanting the ions in a delta projection range of 20 to 60 inches. 前記絶縁層は、5eV超過のエネルギバンドギャップを有する請求項1〜18のいずれか1項に記載の集積回路メモリ装置のゲート構造物の形成方法。   The method of forming a gate structure of an integrated circuit memory device according to claim 1, wherein the insulating layer has an energy band gap exceeding 5 eV. 前記イオンは、1×1014/cmないし2×1016/cmのドーズで前記イオンを注入することを含む請求項1〜19に記載の集積回路メモリ装置のゲート構造物の形成方法。 20. The method of forming a gate structure of an integrated circuit memory device according to claim 1, wherein the ions are implanted at a dose of 1 × 10 14 / cm 2 to 2 × 10 16 / cm 2 . 前記ナノクリスタルは、1nmないし7nmの直径を有し、前記ナノクリスタル間の間隔は、1nmないし7nmである請求項1〜20に記載の集積回路メモリ装置のゲート構造物の形成方法。   21. The method of forming a gate structure of an integrated circuit memory device according to claim 1, wherein the nanocrystal has a diameter of 1 nm to 7 nm, and a distance between the nanocrystals is 1 nm to 7 nm. 前記イオン注入をする段階は、第1イオン注入エネルギで前記選択された元素のイオンを注入して第1電荷保存膜を形成する段階と、
前記第1イオン注入エネルギより低い第2イオン注入エネルギで前記選択された元素のイオンを注入し、前記第1電荷保存膜上に第2電荷保存膜を形成する段階と、を有し、
前記第1電荷保存膜と前記第2電荷保存膜との間には実質的に注入されたイオンのない領域を有することを特徴とする請求項1〜21のいずれか1項に記載の集積回路メモリ装置のゲート構造物の形成方法。
The ion implantation includes implanting ions of the selected element with a first ion implantation energy to form a first charge storage film.
Implanting ions of the selected element with a second ion implantation energy lower than the first ion implantation energy to form a second charge storage film on the first charge storage film,
The integrated circuit according to claim 1, further comprising a region substantially free of implanted ions between the first charge storage film and the second charge storage film. A method of forming a gate structure of a memory device.
前記イオン注入をする段階は、前記絶縁層内で前記基板と比較して複数の異なる高さの位置にイオンを注入することを含み、
前記基板の熱処理は、前記分離された電荷保存ナノクリスタルがオーバーラップされる多層の構造を有する請求項1〜22のいずれか1項に記載の集積回路メモリ装置のゲート構造物の形成方法。
The step of implanting ions includes implanting ions into the insulating layer at a plurality of different height positions compared to the substrate;
23. The method of forming a gate structure of an integrated circuit memory device according to claim 1, wherein the heat treatment of the substrate has a multilayer structure in which the separated charge storage nanocrystals are overlapped.
前記絶縁層の形成前に前記基板上のゲート絶縁層上に共通ゲート電極層を形成し、前記絶縁層の形成と前記イオン注入とは、前記共通ゲート電極層の側壁上及び前記共通ゲート電極層の各側面に隣接した前記基板のチャネル部上で行われ、前記ゲート電極層を形成することは、前記共通ゲート電極層の各側面に隣接した前記第2絶縁層上及び前記チャネル部上に延びる側壁ゲートを形成することを含む請求項1〜23のいずれか1項に記載の集積回路メモリ装置のゲート構造物の形成方法。   A common gate electrode layer is formed on the gate insulating layer on the substrate before the insulating layer is formed, and the formation of the insulating layer and the ion implantation are performed on the side wall of the common gate electrode layer and the common gate electrode layer. Forming the gate electrode layer on the second insulating layer adjacent to each side surface of the common gate electrode layer and on the channel portion. The method for forming a gate structure of an integrated circuit memory device according to claim 1, comprising forming a sidewall gate. 前記絶縁層の形成前にリセス領域及び前記基板内のソース領域とドレイン領域との間に延びる前記リセス領域に隣接したステップ領域を含むチャネル領域を形成し、前記絶縁層の形成、前記イオン注入、及び前記ゲート電極の形成は、前記リセス領域と前記ステップ領域とを含む前記チャネル領域上で行われる請求項1〜24のいずれか1項に記載の集積回路メモリ装置のゲート構造物の形成方法。   Forming a channel region including a recess region and a step region adjacent to the recess region extending between a source region and a drain region in the substrate before forming the insulating layer; forming the insulating layer; 25. The method for forming a gate structure of an integrated circuit memory device according to claim 1, wherein the gate electrode is formed on the channel region including the recess region and the step region. 前記第2絶縁層は、10nm以下の厚さを有する請求項2〜25のいずれか1項に記載の集積回路メモリ装置のゲート構造物の形成方法。   26. The method of forming a gate structure of an integrated circuit memory device according to claim 2, wherein the second insulating layer has a thickness of 10 nm or less. 前記第1及び第2絶縁層は、同種の物質を含む請求項2〜26のいずれか1項に記載の集積回路メモリ装置のゲート構造物の形成方法。   27. The method of forming a gate structure of an integrated circuit memory device according to claim 2, wherein the first and second insulating layers include the same kind of material. 前記第1及び第2絶縁層は、Al、Hf、Ti、Zr、Sc、Y及びLaの酸化物または酸窒化物からなる群から選択される少なくとも一つを含み、前記選択された元素は、Geを含む請求項2〜27のいずれか1項に記載の集積回路メモリ装置のゲート構造物の形成方法。   The first and second insulating layers include at least one selected from the group consisting of oxides or oxynitrides of Al, Hf, Ti, Zr, Sc, Y, and La, and the selected element is 28. The method of forming a gate structure of an integrated circuit memory device according to claim 2, comprising Ge. 前記第2絶縁層は、原子層蒸着及び/またはPECVDで形成することを含む請求項2〜28のいずれか1項に記載の集積回路メモリ装置のゲート構造物の形成方法。   29. The method of forming a gate structure of an integrated circuit memory device according to claim 2, wherein the second insulating layer includes atomic layer deposition and / or PECVD. 前記第1絶縁層の形成前に前記基板上のゲート絶縁層上に共通ゲート電極層を形成し、前記第1絶縁層の形成、前記イオン注入、及び前記第2絶縁層の形成は、前記共通ゲート電極層の側壁上及び前記共通ゲート電極層の各側面に隣接した前記基板のチャネル部上で行われ、前記共通ゲート電極層を形成することは、前記共通ゲート電極層の各側面に隣接した前記第2絶縁層上及び前記チャネル部上に延びる側壁ゲートを形成することを含む請求項2〜29のいずれか1項に記載の集積回路メモリ装置のゲート構造物の形成方法。   Before forming the first insulating layer, a common gate electrode layer is formed on the gate insulating layer on the substrate, and the formation of the first insulating layer, the ion implantation, and the formation of the second insulating layer are the common. Forming the common gate electrode layer on the side wall of the gate electrode layer and on the channel portion of the substrate adjacent to each side surface of the common gate electrode layer is adjacent to each side surface of the common gate electrode layer 30. The method of forming a gate structure of an integrated circuit memory device according to claim 2, further comprising forming a sidewall gate extending on the second insulating layer and on the channel portion. 前記第1絶縁層の形成前にリセス領域及び前記基板内のソースとドレイン領域との間に延びる前記リセス領域に隣接したステップ領域を含むチャネル領域を形成し、前記第1絶縁層の形成、前記イオン注入、及び前記第2絶縁膜とゲート電極の形成は、前記リセス領域と前記ステップ領域とを含む前記チャネル領域上で行われる請求項2〜30に記載の集積回路メモリ装置のゲート構造物の形成方法。   Forming a channel region including a recess region and a step region adjacent to the recess region extending between the source and drain regions in the substrate before forming the first insulating layer; and forming the first insulating layer; 31. The gate structure of an integrated circuit memory device according to claim 2, wherein the ion implantation and the formation of the second insulating film and the gate electrode are performed on the channel region including the recess region and the step region. Forming method. 前記リセス領域は、ラウンド部を含む請求項25または31に記載の集積回路メモリ装置のゲート構造物の形成方法。   32. The method of forming a gate structure of an integrated circuit memory device according to claim 25, wherein the recess region includes a round portion. 請求項1〜32に記載の集積回路メモリ装置は、不揮発性メモリ装置またはDRAMを含む集積回路メモリ装置のゲート構造物の形成方法。   33. A method of forming a gate structure of an integrated circuit memory device, comprising a non-volatile memory device or a DRAM. 請求項1〜33に記載の集積回路メモリ装置は、フラッシュメモリを含み、前記電荷保存領域は、前記フラッシュメモリのセルのフローティングゲートを含む集積回路メモリ装置のゲート構造物の形成方法。   34. The method of forming a gate structure of an integrated circuit memory device according to claim 1, wherein the integrated circuit memory device includes a flash memory, and the charge storage region includes a floating gate of a cell of the flash memory. 基板上に絶縁層を形成する段階と、
前記絶縁層を含む前記基板は、前記金属酸化物絶縁膜の結晶化温度以上の温度で熱処理する段階と、
Geイオンを前記熱処理された第1絶縁膜内に10KeV以下のイオン注入エネルギと1×1014/cmないし2×1016/cmのドーズで注入して前記第1絶縁層内に電荷保存領域を形成することにより、前記電荷保存領域の下部にトンネル絶縁層を、前記電荷保存領域の上部にキャッピング絶縁層を有するように形成する段階と、
前記絶縁層を含む前記基板を700℃ないし900℃で5分ないし30分間急速熱アニーリングして前記電荷保存領域に複数の分離された電荷保存ナノクリスタルを形成する段階と、
前記絶縁層上にゲート電極層を形成する段階と、を有する集積回路メモリ装置のゲート構造物の形成方法。
Forming an insulating layer on the substrate;
The substrate including the insulating layer is heat-treated at a temperature equal to or higher than a crystallization temperature of the metal oxide insulating film;
Ge ions are implanted into the heat-treated first insulating film at an ion implantation energy of 10 KeV or less and a dose of 1 × 10 14 / cm 2 to 2 × 10 16 / cm 2 to preserve electric charge in the first insulating layer. Forming a tunnel insulating layer below the charge storage region and a capping insulating layer above the charge storage region by forming a region; and
Rapid thermal annealing of the substrate including the insulating layer at 700 ° C. to 900 ° C. for 5 to 30 minutes to form a plurality of separated charge storage nanocrystals in the charge storage region;
Forming a gate electrode layer on the insulating layer; and forming a gate structure of an integrated circuit memory device.
前記絶縁層は、第1絶縁層からなり、前記イオン注入と前記急速熱アニーリングとの間に前記絶縁層上に金属酸化物を含む第2絶縁層を形成することをさらに含み、前記第2絶縁層は10nm以下の厚さを有する請求項35に記載の集積回路メモリ装置のゲート構造物の形成方法。   The insulating layer includes a first insulating layer, and further includes forming a second insulating layer including a metal oxide on the insulating layer between the ion implantation and the rapid thermal annealing, and the second insulating layer. 36. The method of forming a gate structure of an integrated circuit memory device according to claim 35, wherein the layer has a thickness of 10 nm or less. 基板と、
前記基板上の絶縁層の一部である、前記基板上のトンネル絶縁層と、
、前記トンネル絶縁層上の周期律表のIV族から選択され、0.5cm/s以下の熱拡散度を有する元素の複数の分離されたナノクリスタルを含む電荷保存領域と、
前記電荷保存領域上の前記基板上の絶縁層の一部であるキャッピング絶縁層と、
前記キャッピング絶縁層上のゲート電極層と、を備える集積回路装置のゲート構造物。
A substrate,
A tunnel insulating layer on the substrate that is part of the insulating layer on the substrate;
A charge storage region comprising a plurality of isolated nanocrystals of an element selected from group IV of the periodic table on the tunnel insulating layer and having a thermal diffusivity of 0.5 cm 2 / s or less;
A capping insulating layer that is part of an insulating layer on the substrate on the charge storage region;
And a gate electrode layer on the capping insulating layer.
前記絶縁層は、第1絶縁層からなり、請求項36または37に記載のゲート構造物は、前記キャッピング絶縁層と前記ゲート電極層との間に介在された第2絶縁層をさらに備え、前記第2絶縁層は金属酸化物を含んで10nm以下の厚さを有する請求項37に記載の集積回路装置のゲート構造物。   The insulating layer comprises a first insulating layer, and the gate structure according to claim 36 or 37, further comprising a second insulating layer interposed between the capping insulating layer and the gate electrode layer, 38. The gate structure of an integrated circuit device according to claim 37, wherein the second insulating layer includes a metal oxide and has a thickness of 10 nm or less. 前記第1絶縁層は、20nm以下の厚さを有する請求項38に記載の集積回路メモリ装置のゲート構造物。   39. The gate structure of an integrated circuit memory device according to claim 38, wherein the first insulating layer has a thickness of 20 nm or less. 前記第1及び第2絶縁層は、Al、Hf、Ti、Zr、Sc、Y及び/またはLaの酸化物及び/または酸窒化物を含む請求項38または39に記載の集積回路装置のゲート構造物。   40. The gate structure of an integrated circuit device according to claim 38 or 39, wherein the first and second insulating layers include an oxide and / or oxynitride of Al, Hf, Ti, Zr, Sc, Y, and / or La. object. 前記トンネル絶縁層は、9nm以下の厚さを有する請求項37〜40のいずれか1項に記載の集積回路メモリ装置のゲート構造物。   41. The gate structure of an integrated circuit memory device according to claim 37, wherein the tunnel insulating layer has a thickness of 9 nm or less. 前記ナノクリスタルは、1nmないし7nmの直径を有し、前記ナノクリスタル間の間隔は、1nmないし7nmである請求項37〜41のいずれか1項に記載の集積回路メモリ装置のゲート構造物。   The gate structure of the integrated circuit memory device according to any one of claims 37 to 41, wherein the nanocrystals have a diameter of 1 nm to 7 nm, and an interval between the nanocrystals is 1 nm to 7 nm. 前記電荷保存領域は、前記分離された電荷保存ナノクリスタルがオーバーラップされる多層の構造を含む請求項37〜42のいずれか1項に記載の集積回路装置のゲート構造物。   43. The gate structure of an integrated circuit device according to claim 37, wherein the charge storage region includes a multilayer structure in which the separated charge storage nanocrystals are overlapped. 請求項37〜43に記載の集積回路メモリ装置は、不揮発性メモリ装置またはDRAMを含む集積回路メモリ装置のゲート構造物。   44. The integrated circuit memory device according to claim 37, wherein the integrated circuit memory device includes a nonvolatile memory device or a DRAM. 請求項37〜44に記載の集積回路メモリ装置は、フラッシュメモリ装置を含み、前記電荷保存領域は、前記フラッシュメモリ装置のセルのフローティングゲートを含む集積回路装置のゲート構造物。   45. The integrated circuit memory device according to claim 37, wherein the integrated circuit memory device includes a flash memory device, and the charge storage region includes a floating gate of a cell of the flash memory device. 請求項37に記載の前記ゲート構造物を含むメモリセルであって、
前記メモリセルは、前記基板上のゲート絶縁層上に共通ゲート電極層をさらに含み、前記絶縁層は、前記共通ゲート電極層の側壁に沿って、及び前記共通ゲート電極層の各側面に隣接した前記基板のチャネル部上に延びて、前記メモリセルは、前記共通ゲート電極層の各側面に隣接した前記絶縁層上及び前記チャネル部上に延びる側壁ゲートをさらに含むゲート構造を含むメモリセル。
A memory cell comprising the gate structure of claim 37,
The memory cell further includes a common gate electrode layer on a gate insulating layer on the substrate, and the insulating layer is adjacent to each side surface of the common gate electrode layer along a side wall of the common gate electrode layer. The memory cell includes a gate structure that extends over a channel portion of the substrate, and the memory cell further includes a sidewall gate that extends over the insulating layer adjacent to each side surface of the common gate electrode layer and over the channel portion.
請求項37に記載の前記ゲート構造物を含むメモリセルであって、
前記メモリセルは、リセス領域及び前記基板内のソースとドレイン領域との間に延びる前記リセス領域に隣接したステップ領域を含むチャネル領域をさらに含み、前記絶縁層は、前記リセス領域と前記ステップ領域とを含む前記チャネル領域に沿って延びるゲート構造を含むメモリセル。
A memory cell comprising the gate structure of claim 37,
The memory cell further includes a channel region including a recess region and a step region adjacent to the recess region extending between the source and drain regions in the substrate, and the insulating layer includes the recess region and the step region. A memory cell comprising a gate structure extending along said channel region comprising:
前記リセス領域は、ラウンド部を有するゲート構造を含む請求項47に記載のメモリセル。   48. The memory cell of claim 47, wherein the recess region includes a gate structure having a round portion.
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