KR0174633B1 - 이중 제어 게이트를 갖는 실리콘-온-절연물 상의 반도체 랜덤 액세스 메모리 셀 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 목적은 메모리 셀 어레이의 스택된 게이트 메모리 셀로서 SOI 기판 상에서 구성되며 셀의 전도 채널 바로 아래에 매립된 제2제어 게이트와, 제2제어 게이트의 전압을 변화시켜 플로팅 채널의 전위를 조정시키도록 플로팅 게이트 상에 침착된 워드 라인인 제1제어 게이트를 포함하여 어레이에서 특정 셀이 선택된 후 플로팅 게이트 및 채널을 통한 FN 터널링에 의해 인접한 셀들의 교란없이 선택된 셀이 프로그램 또는 소거되어지는 메모리 셀 어레이의 스택된 게이트 메모리 셀을 제공하는데 있다. 제2제어 게이트는 플로팅 게이트에 기억된 정보를 판독하면서 또한 교란 방지를 위해 사용될 수 있다. 제2제어 게이트는 비트 라인과는 평행하며 워드 라인 제1제어 게이트와는 수직이다. 플로팅 게이트 및 셀은 제1제어 게이트와 제2제어 게이트의 교차점에 위치된다. 따라서, 제1 및 제2제어 게이트의 전압만을 변화시킴으로써 FN 터널링을 통해 셀을 프로그램 또는 소거시킬 수 있다.
Description
제1도는 실리콘-온-절연체 구조체(silicon-on-insulator structure)상의 이중 제어 게이트 비휘발성 랜덤 액세스 반도체 메모리 셀(a dual control gate non-volatile random acess semiconductor memory cell)에 대한 정단면도.
제2도는 제1도에서 도시된 메모리 셀의 평면도.
제3도 내지 제12도는 제1 및 제2도의 메모리 셀을 그 제조 공정 중의 여러단계로 도시한 정단면도 및 평면 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 실리콘 기판층 14 : 제2제어 게이트
40 : 플로팅 게이트 44 : 제1제어 게이트
[발명의 분야]
본 발명은 일반적으로 반도체 랜덤 액세스 메모리 셀 구조체(semiconductor random acess memory cell strucrure) 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이중의 제어 게이트(dual control gates)를 가지며 실리콘-온-절연물 구조체(silicon-on-insulator structure)상에서 제조되는 비휘발성 랜덤 액세스 메모리 셀(non-volatile random acess memory cell)에 관한 것이다.
[발명의 배경]
반도체 메모리 셀들은 프로그램 및 소거 기능(progran and erase funtions)을 위해 파울러-노드하임 터널링(Fowler-Nordheim tunneling)을 이용하여 제조되어 왔으며, 이들 반도체 메모리 셀은 소거 가능한 프로그래머블 랜덤 액세스 메모리 셀(EPROM), 전기적으로 소거 가능한 프로그래머블 메모리 셀(EEPROM) 및 플래시메모리(flash memories)로서 사용되고 있다.
1991년 10월 8일자로 Belistein등에게 허여된 발명의 명칭이 매립된 기억 노드 상에 위치한 수평 SOI 전송 소자를 갖는 DRAM 메모리 셀 및 그 제조 방법(DRAM MEMORY CELL HAVING A HORIZONTAL SOI TRANSFER DEVICE DISPOSED OVER A BURIED STORAGE NODE AND FABRICATION METHODS THEREFOR)인 미국 특허 제5,005,898호에서는 기판(substrate)과, 이 기판내에 최소한 부분적으로 형성되어 기판과 전기 절연되어 있는 다수의 트렌치 캐패시터(trench capacitors)를 포함하는 반도체 메모리 셀 및 그 제조 방법에 대해 기술되어 있다. 실리콘-온-절연물(SOI)영역은 절연물 상에 놓여 있는 실리콘층을 포함한다. 이 실리콘층은 다수의 능동 소자 영역(active device regions)으로 나누어 지는데, 이들 각각의 능동 소자 영역은 전도 영역(eletrically conductive regions)중 한 영역 상에 배치되며, 액세스 트랜지스터(acess transistor)의 게이트 노드(gate node)를 형성하는 상측의 제1전극, 즉 워드 라인(word line)과, 액세스 트랜지스터의 소스 노드(source node)를 형성하는 제2전극, 즉 비트 라인(bit line)과, 액세스 트랜지스터의 드레인 노드(drain node)를 형성하는 하측의 트렌치 캐패시터에 결합되어 있다. 상기 워드 라인은 서로 대향하고 있으며 전기적으로 절연되는 한 쌍의 수직 측벽(a pair of opposed, electrically insulating vertical sidewalls)을 포함하는데, 액세스 트랜지스터 각각의 소스 노드 및 드레인 노드 각각은 수직 측벽 중 하나에 배치된 전기 도체로 구성되어 있다. 상기 반도체 메모리 셀 어레이는 능동 소자 영역들을 기판에 결합시켜 부유 기판 효과(floating substrate effect)를 감소시키거나 제거시키는 구조체를 더 포함한다.
1991년 3월 12일자로 Arikawa등에게 허여된 발명의 명칭이 아모퍼스 시드를 이용하여 반도체 물질을 성장시키기 위한 반도체 제품의 제조(PREPARATION OF A SEMICONDUCTOR ARTICLE USING AN AMORPHOUS SEED TO GROW SINGLE CEYSTAL SEMICONDUCTOR MATERIAL)인 미국 특허 제4,999,313호에서는 동일한 절연체 기판 상에 어느 한 전기 도전형의 반도체 단결정 영역(semiconductor single crystal region)과 반대의 전기 도전형 반도체 단결정 영역을 갖는 다수의 반도체 단결정 영역을 포함하고 있는 반도체 제품 및 그 제조 방법에 대해 기술되어 있다. 최소한 어느 한 전기 도전형의 반도체 단결정 영역은, 핵형성 밀도(nucleation density)가 절연체 기판 물질보다 충분히 크고 반도체 물질의 단지 하나의 단일 핵(single nucleus)만을 성장시킬 수 있는 정도로까지 충분히 상질(fine)인 다른 물질을 형성하고, 반도체 물질이 형성된 단일 핵 주위에 성장되도록 허용함으로써 제공된다.
1982년 6월 15일자로 Goldsmith씨 등에게 허여된 발명의 명칭이 게이트 주입식 플로팅 게이트 메모리 소자용 개량 게이트 부재 형성 방법(METHOD OF FORMING AN IMPROVED GATE MEMBER FOR A GATE INJECTED FLOATING GATE MEMORY DEVICE)인 미국 특허 제4,334,347호에서는 플로팅 게이트(floating gate)로의 전하(전자 또는 정공들)의 주입을 위한 장벽 높이(barrier height)가 감소되고, 개선된 전하의 보유력 및 내구력 특성(charge retention and endurance characteristics)을 갖는 개선된 게이트 주입식 플로팅 게이트 메모리 장치에 대해 기술되어 있다. 이것은 제어 전극과, 플로팅 게이트의 절연층 사이의 반절연 다결정 실리콘층을 사용하므로써 달성된다. IBM Technical Disclosure Bulletin의 1991년 11월자 제34권 제6호 238면 내지 241면의 Acovic씨 등에 의한 문헌에서는 제어 게이트 및 플로팅 게이트 상의 실리콘이 풍부한 산화물 인젝터(silicon-rich-oxide injectors) 사이의 진공(vacuum)으로 전자를 이동시키는 것에 대해 기술되어 있다. SiO2대신에 진공을 이용하기 때문에 셀의 내구력 및 보유력이 매우 높아 진정한 비휘발성 RAM 셀이 될 수 있으며, SRO 인젝터와 진공의 사용으로 프로그래밍 전압을 낮출 수 있다.
[발명의 요약]
본 발명의 목적은 이중의 제어 게이트를 갖는 개선된 비휘발성 랜덤 액세스 반도체 메모리 셀을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 실리콘-온-절연물 구조체 상에 제조된 이중 게이트의 비휘발성 랜덤 액세스 반도체 메모리 셀을 제공하는데 있다.
본 발명의 또다른 목적은 프로그램 또는 소거를 위해 파울러/노드하임 터널링을 사용하거나 또한 채널 핫 캐리어 프로그래밍(channek hot carrier programming)을 사용할 수 있는 비휘발성 랜덤 액세스 메모리 셀을 제공하는데 있다.
본 발명의 또다른 목적은 제1제어 게이트 및 제2제어 게이트를 포함하여 인접한 셀을 교란시키지 않고 저전압 터널링 동작을 행할 수 있는 파울로-노드하임 터널링을 사용하는 랜덤 액세스 메모리 셀을 제공하는데 있다.
제1도를 참조해 보면, 실리콘-온-절연체(SOI) 구조체 상에서 제조된 이중의 제어 게이트를 포함하여 특히 파울러-노드하임 터널링을 사용할 때 프로그램 및 소거 모드동안 소거 기능을 향상시키고 교란(disturbance)을 피할 수 있는 비휘발성 랜덤 액세스 메모리(NVRAM)셀의 단면을 도시하고 있다.
NVRAM 셀에 대한 프로그래밍 메카니즘(programming mechanism)으로서 채널 핫 캐리어 주입(channel hot carrer injection)대신에 파울러-노드하임 터널링을 사용하면 전력 소모를 줄일 수 있으며 또한 성능을 개선시킬 수 있다. 그러나, 스택되어진(staked)-게이트 NVRAM에서 FN 터널링을 사용하는 경우, 하나의 셀을 프로그래밍하게 되면, 인접한 셀들로 연장되어 있는 워드라인(제어 게이트)상에는 고전압이 필요하기 때문에, 대개 인접한 셀들을 교란시킬 것이다. 그 결과, 선택된 워드 라인의 모든 셀들이 프로그램되거나 또는 소스 및 드레인을 선택된 셀과 공유하는 셀들도 또한 프로그램되어진다. 이러한 결함을 교란(disturb)이라 한다.
소거 메키니즘(erase mechanism)으로서 파울러-노드하임 터널링을 사용하는 때에도 동일한 교란 문제가 발생될 것이다. 비록 현재의 NVRAM 응용에 있어서는 블럭 소거가(block erase)가 허용될 수 있지만, 고상 디스크(solid state disk)의 응용에 있어서는 NVRAM이 선택적인 소거 능력을 갖는 것이 바람직하다.
제1도에서 도시된 본 발명의 실시예의 경우, FN 터널링의 사용에 따른 프로그램 및 소거동안에 생겨나는 상기 교란의 문제점은, 본원 발명인 셀의 전도 채널 바로 아래에 매립된 제2제어 게이트(14)을 갖는 SOI[층(10), (12)] 구조체 상에 형성된 스택되어진-케이트 NVRAM 셀에 의해 극복되어질 수 있다.
제2제어 게이트(14)의 전압을 변화시킴으로써 플로팅 채널의 전위가 조정되어, 특정 셀이 선택되어진 후, 선택된 셀은 플로팅 게이트(40) 및 채널을 통한 FN 터널링에 의해 인접한 셀들을 교란시키지 않고 프로그램 또는 소거될 수 있다. 제2제어 게이트(14)는 플로팅 게이트(40)에 기억된 정보를 판독하면서 또한 교란 방지를 위해 사용될 수 있다.
선택적으로, 산화물층(12) 대신에 P형 실리콘층을 사용할 수 있다.
제2제어 게이트(14)는 비트 라인[소스/드레인(34-1/34-2)]과 평행하며 워드 라인(44)(제1제어 게이트)과는 수직이다. 플로팅 게이트 및 셀은 제1제어 게이트 및 제2제어 게이트(44 및 14)의 교차점(크로스 포인트)에 배치된다. 따라서, 단지 제1제어 게이트 및 제2제어 게이트(44 및 14)의 전압만을 변화시킴으로써, FN 터널링을 통해 셀을 프로그램 또는 소거시킬 수 있다.
보다 상세히 설명하고자 제1도를 다시 참조해 보면, 제2도에서 도시된 어레이에 대한 평면도의 AA′를 따라 절취한 비휘발성 랜덤 액세스 메모리 어레이의 단면도가 도시되어 있다. 제1도의 구조체는 기판인 실리콘층(10)을 포함한다. 2,000옹스트롱의 두께를 가질 수 있는 절연 산화물층(12)과, 1,000옹스트롱의 두께를 가질 수 있는 매립된 제어 게이트(14)는 0.5미크론 두께일 수 있는 전도 채널(34)아래에서 산화물층(26) 바로 아래에 침착된다. 전도 채널(34)은 소스 영역과 드레인 영역(34-1과 34-2)간에 배치된다.
예를 들어 7nm 두께의 게이트 산화물층(38)이 소스, 드레인 및 채널영역 상에 위치된다. 플로팅 게이트(40)는 게이트 산화물층(38)상에 위치되며, 예를 들어, 5nm 두께의 SiO2, 5nm 두께의 Si3N4및 5nm 두께의 SiO2를 갖는 산화물/질화물/산화물층(ONO)(42)으로 피복된다. 예를 들어 1,000 내지 2,000옹스트롱 두께의 도핑된(doped) 폴리실리콘층(44)은 워드 라인 제어 게이트를 제공한다. 워드 라인 (44)은 제1제어 게이트로 언급될 것이며, 매립된 게이트(14)는 제2제어 게이트로 언급될 것이다.
제2도를 참조해 보면, 제1도의 제어 게이트(14 및 44)와 비트라인(26)을 나타내는 제1도의 구조체에 대한 평면도를 도시하고 있다.
제3도 내지 제10도를 참조해 보면 NVRAM의 제조 공정에서의 여러 단계들을 단면도를 통해 도시하고 있다. 제3도에서, 실리콘층(10) 상에 이산화 실리콘층(12)이 제공되고 있으며, 실리콘 측방향 오버그로우(silicon lateral overgrow, SLO)와 같은 본 기술에서 공지된 공정을 이용하여, 이산화 실리콘층(12)상에 제2실리콘층(14)이 성장된다. SLO 공정을 통해 이산화 실리콘층(12)에 구멍을 형성시키고, 적정온도와 압력 조건하에서, 시드(seed)로서 실리콘층(10)을 사용하여 구멍(16)을 통해 이산화 실리콘층(12) 상에 실리콘층(14)을 (예를 들어 에피택셜로)성장시킨다. 구멍(16)은 장치(device)가 제조될 영역에서 이격된 위치에 형성된다. 만일 상술한 바와 같이, 이산화 실리콘층(12)대신에 P형 실리콘을 사용하면 SLO 공정은 불필요하다.
선택적으로, 제3도의 구조체를 산화물층(즉, 12)과 실리콘층(즉, 14)으로 구성된 실리콘-온-구조체로 대체할 수 있으며, 필요한 경우에는 N+도펀트(dopants)를 고에너지로 주입시킬 수 있다.
또 다른 대안으로서, 매립된 산화물을 형성하기 위해 산소를 주입시키고 난 후 20시간동안 1300℃에서 어닐링(annel)시키는 SIMOX(Separation by Implanted Oxygen)공정을 이용할 수 있다.
제3도의 구조체를 이용하여 제4도에 도시된 바와 같이 실리콘층(14) 상에, 예를 들어 20nm 두께의 산화물층(18)과 질화물층(20)을 침착시킨다. 상측의 질화물층(20)은 포토레지스트(22)로 패턴 형성(pattern)되는데, 이 포토레지스트는 제5도에서 도시된 바와 같이 질화물층(20) 및 산화물층(18)을 통해 실리콘층(14)까지 구멍을 에칭시키기 위한 에칭 마스크(etch mask)로서 사용된다.
상기 포토레지스트를 제거시키고 에칭된 구멍을 산화물층(24)으로 충진시키며 질화물층(20) 및 산화물층(18)을 제거시키기 위해 표준의 화학-기계 연마 기술(standard chemical-mechanical polishings)을 이용하여 제5도의 구조체를 연마시켜 제6도에서 도시된 구조체를 얻는다.
제7도에서 도시된 바와 같이 예를 들어 10nm 두께의 박막의 산화물층(26)을 침착 또는 성장시킨다. 제7도의 산화물층(26) 상에 연마 저지대(polish stop)로서 사용되는 국소의 질화물층(28)과 후막의 산화물층(30)을 형성시킨다. 산화물층(26)에서 구멍(32)을 형성하고 SLO 공정을 반복하여 시드로서 실리콘층(14)을 사용하여 산화물층(26) 상에 실리콘층(34)을 형성시킨다.
질화물층(28) 및 산화물층(30)을 연마. 저지대로서 사용하여, 실리콘층(34)을 산화물층(30)의 레벨까지 하향 연마시킨다. 다음 단계는 제8도에서 도시된 바와 같이 채널 도핑(channel doping)으로서 P형 도펀트(5 × 1016)를 이온 주입시키는 것이다.
다음에 제9도에서 도시된 바와 같이 예를 들어 7nm 두께의 게이트 산화물층(38)을 제8도의 구조체 상에 침착시킨다. 제1도를 참조해 보면, 제9도의 구조체 상에 도핑되지 않은(undoped) 폴리실리콘층(40)이 침착되어 있다. 폴리실리콘층(40)을 리소그래픽 기술을 이용하여 패턴 형성화하여 채널 영역(40)을 형성한다. 폴리실리콘층은 먼저 x방향으로 패턴 형성되어 (제11도), 소스, 드레인 및 플로팅 게이트에 대해 동시에 이온 주입(N + 1020)된다. 다음에 폴리실리콘층은 y방향으로 패턴 형성되어 플로팅 게이트(사각형)가 형성된다(제12도). 다음에 이온 주입(P형 5 × 1019)에 의해 소스와 드레인 간에는 분리(isolations)가 형성된다.
폴리실리콘층(40) 상에, 5nm의 SiO2, 10nm Si3N4및 5nm SiO2의 ONO 층(42)이 침착되며, ONO 층(42)상에 도핑된 폴리실리콘층(44)이 침착되어 NVRAM의 워드 라인(제어 게이트)(44)이 제공된다.
다시 제1도를 참조해 보면, 제2제어 게이트(14)가 제공되어 있는 것을 알 수 있다. 이것에 의해 프로그램 및 소거를 하기 위해 고전압 없이도 FN 터널링을 바람직하게 이용할 수 있다. FN 터널링은 실리콘 영역들 간의 산화물층을 횡단하는 전자들(electrons)을 가속시킴에 있어서 강한 전계(strong electric fields)를 필요로 하기 때문에, 종래에는 강한 전계를 제공하기 위해 고전압을 사용하였다. 이러한 고전압으로 인하여 워드 라인을 따르는 모든 셀들은 워드 라인이 연속되어 있고 고전압을 전달하기 때문에 모두 함께 프로그램 또는 소거되도록 된다. 이러한 상태를 교란(disturb)이라 한다. 제1도에서 도시된 본 발명의 실시예에 있어서, 만일 실제 채널 영역들 간에 큰 전압이 필요하면 제1제어 게이트(워드 라인)(44)와 제2제어 게이트(14)에 전압이 인가될 수 있다. 예를 들어, FN 터널링에서 15 볼트의 전압차를 필요로 하면, 종래에는 워드 라인에 15 볼트가 걸리게 되어 교란 상태가 발생하였다. 그러나, 본 발명을 이용하면 -10 볼트의 전압이 제2제어 게이트(14)에 인가되고 +5 볼트의 전압이 워드 라인 제어 게이트(44)에 인가되어 교란 상태를 일으키지 않고 15 볼트의 전압차를 제공할 수 있다.
지금까지는 셀의 전도 채널 바로 아래에 제2제어 게이트가 매립된 SOI 구조체 상에 스택된 게이트의 NVRAM 셀에 대해 기술하였다. 제2제어 게이트에 전압을 인가하고 변화시킴으로써 채널의 전위가 조정되고, 이에 따라 특정 셀을 선택한 후 선택한 셀을 인접한 셀들을 교란시키지 않고 플로팅 게이트 및 채널을 통한 FN 터널링에 의해 프로그램 또는 소거할 수 있다. 제2제어 게이트는 플로팅 게이트에 기억된 정보를 판독하는 동안 교란 방지를 위해 사용될 수 있다.
제2제어 게이트는 비트 라인들(소스 및 드레인)과는 평행하며 제1제어 게이트인 워드 라인과는 수직이다. 플로팅 게이트 및 셀은 제1제어 게이트와 제2제어 게이트가 교차하는 교차점에 위치된다. 이 때문에, 제1 및 제2제어 게이트에 대한 전압만을 변화심으로써, FN 터널링을 통해 셀을 프로그램 또는 소거시킬 수 있다. 그러나, 본 발명은 FN 터널링 응용에만 국한되지 않고 핫 채널 캐리어 주입에 대해서도 적용될 수 있다.
상기한 기술은 단지 본 발명의 예시에 지나지 않는다는 것에 주목해야 할 필요가 있다. 본 발명의 사상 및 범주를 벗어나지 않는 한은 본 기술 분야에 숙련된 자들은 여러 가지의 변형 및 수정이 가능하다. 따라서, 본 발명은 첨부된 특허 청구의 범위 내에 속하는 모든 변형 실시예를 포함한다.
Claims (3)
- 메모리 어레이를 위한 이중 제어 게이트 랜덤 액서스 메모리 셀(a dual control gate random acess memory cell for a memory array)에 있어서, 전기적 절연 재료의 제1층, 상기 제1층 상에 놓여 있으며, 능동 소자의 서로 인접한 소오스, 채널, 및 드레인 영역을 포함하는 반도체 재료층, 상기 반도체 재료층의 상시 채널 영역 상에 놓여 있는 플로팅 게이트 요소, 상기 플로팅 게이트 요소 상에 놓여 있으며, 상기 소오스 및 드레인 영역과 평행하게 배치되는 제1제어 게이트 요소, 및 상기 전기적 절연 재료의 제1층 내에 배치되며 상기 채널 영역 아래에 놓여 상기 제1제어 게이트 요소에 수직하게 배치된 제2게이트를 제공하는 이산 영역을 포함하며, 상기 제1제어 게이트 요소, 상기 플로팅 게이트 요소, 상기 소오스, 상기 채널과 상기 드레인 영역, 및 상기 제2제어 게이트 요소는 서로 조합되어 스택된 랜덤 액세스 메모리 어레이 구조체용 2중 게이트 메모리 셀을 형성하며, 상기 수직으로 배치된 제1 및 제2게이트 요소는 상기 메모리 셀을 선택적으로 판독, 기록 및 소거하기 위한 전압에 응답하는 이중 제어 게이트 랜덤 액세스 메모리 셀.
- 제1항에 있어서, 상기 제1층 상에 놓여 있는 상기 반도체 재료층은, 상기 소오스, 채널 및 드레인 영역을 제공하기 위해 도전성이 교번하는 이산 영역들로 세분화되며, 상기 메모리 셀 구조체는 상기 반도체 재료층과 그 위에 놓여있는 상기 플로팅 게이트 요소 사이에 배치된 절연 재료층, 및 상기 플로팅 게이트 요소와 그 위에 놓여 있는 상기 제1제어 게이트 요소 사이에 배치된 절연 재료층을 더 포함하는 이중 제어 게이트 랜덤 액세스 메모리 셀.
- 제2항에 있어서, 상기 제1제어 게이트는, 상기 메모리 어레이 내에 각각의 메모리 셀의 상기 제2제어 게이트에 수직으로 배치된 폴리실리콘 워드 라인인 이중 제어 게이트 랜덤 액세스 메모리 셀.
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