KR100426817B1 - 에스오엔오에스 구조를 갖는 비휘발성 메모리소자 및 그의제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전하저장층으로 안정적인 밴드갭을 갖는 보론 나이트 라이드막 또는 실리콘 보론 나이트 라이드막을 사용한 SONOS 구조의 비휘발성 메모리소자 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 SONOS 구조의 비휘발성 메모리소자는 기판상에 순차 형성된 터널링 절연막, 전하저장층 및 게이트를 포함하며, 상기 전하 저장층이 보론 나이트 라이드막 또는 실리콘 보론 나이트 라이드막으로 이루어진다.
본 발명의 비휘발성 메모리소자의 제조방법은 기판상에 터널링 절연막을 형성하는 단계와; 상기 터널링 절연막상에 전하저장층으로 보론 나이트 라이드막 또는 실리콘 보론 나이트 라이드막을 증착하는 단계와; 상기 보론 나이트 라이드막상에 게이트 물질을 형성하는 단계와; 상기 적층막을 패터닝하여 SONOS 구조를 형성하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 비휘발성 메모리소자에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 안정적인 밴드갭을 갖는 보론 나이트 라이드막 또는 실리콘 보론 나이트 라이드막을 전하저장층으로 이용한 SONOS 구조의 비휘발성 메모리소자 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 비휘발성 메모리소자는 플로팅 게이트 계열의 메모리소자와 MNOS 계열의 메모리소자로 구분되는데, 플로팅 게이트 계열의 비휘발성 메모리소자는 전위우물(potential well)을 이용하여 기억특성을 구현하는 소자이고, MNOS 계열의 비휘발성 메모리소자는 유전막인 실리콘 나이트 라이드막의 벌크(bulk) 내에 존재하는 트랩사이트(trap site) 또는 유전막과 유전막사이의 계면 및 유전막과 반도체사이의 계면에 존재하는 트랩사이트를 이용하여 기억특성을 구현하는 소자이다.
여기서, MNOS 계열의 비휘발성 메모리소자라 함은 MNOS(metal nitride oxide semiconductor) 또는 MONOS(metal oxide nitride oxide semiconductor) 구조의 메모리소자를 말하는 것으로서, 게이트가 금속 대신 폴리실리콘막으로 이루어지는 경우 SONOS(silicon oxide nitride oxide semiconductor) 구조를 갖는다.
도 1은 종래의 SONOS 구조의 비휘발성 반도체 메모리장치의 단면구조를 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 종래의 비휘발성 반도체 메모리장치는 반도체 기판(10)상에 제1산화막(11), 실리콘 나이트라이드막(12) 및 제2산화막(13)의 ONO 구조가 적층되고, 상기 제2산화막(13)상에 게이트(14)가 형성되며, 상기 게이트(14) 양측의 기판에 소오스/드레인 영역(15), (16)이 형성된 구조를 갖는다.
상기 제1산화막(11)은 터널산화막이고, 제2산화막(13)은 블록킹 산화막으로 작용하며, 실리콘 질화막(12)은 전하 저장층으로서 작용한다.
상기한 바와같은 구조를 갖는 종래의 비휘발성 메모리장치는 플로팅 게이트타입의 플래쉬 메모리장치와 구동방식이 비슷하고, 폴리실리콘막으로 된 플로팅 게이트 대신에 실리콘 나이트 라이드막을 전하저장층으로 이용하여 전하를 저장하기 때문에, 소자의 수직 두께를 낮추어 줄 수 있으므로 집적도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
그러나, 종래의 플로팅 게이트타입의 플래쉬 메모리장치는 전하저장층으로 작용하는 플로팅 게이트가 도전체인 폴리실리콘막으로 이루어지기 때문에, 게이트에 인가되는 전압에 따라 전하가 기판으로부터 플로팅 게이트로 터널링되어 저장되거나, 저장된 전하가 플로팅 게이트로부터 기판으로 터널링되어 소거됨으로써, 데이터의 프로그램 및 소거동작이 용이하였다.
하지만, 종래의 SONOS 구조의 플래쉬 메모리장치는 전하 저장층이 절연막인 실리콘 나이트 라이드막으로 이루어지기 때문에, 게이트에 인가되는 전압에 의해 기판으로부터 터널링된 전하가 트랩사이트에 저장되어야 한다.
그러므로, 데이터 프로그램시에 트랩사이트의 에너지 레벨이 낮으면 트랩사이트에 저장된 전하가 쉽게 소거되어 유지(retention) 특성을 만족시키지 못하게되고, 에너지 레벨이 너무 높으면 트랩사이트에 저장된 전하가 잘 소거되지 않는 문제점이 있었다. 또한, 데이터 프로그램 및 소거동작이 산화막과 실리콘 나이트라이드막의 계면의 트랩에 영향을 받기 때문에 메모리소자의 안정성이 문제가 되고 있다.
또한, 전하저장층인 실리콘 나이트 라이드막을 CVD법으로 증착할 때 수소(H)가 실리콘 나이트 라이드막내에 포함되어 데이터 유지특성을 저하시키는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 상기한 바와같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 실리콘 나이트 라이드막보다 안정적인 밴드갭을 갖는 보론 나이트 라이드막 또는 실리콘 보론 나이트 라이드막을 전하 저장층으로 사용한 비휘발성 메모리소자 및 그의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 프로그램 및 소거효율 그리고 데이터 유지특성을 향상시킬 수 있는 SONOS 구조의 비휘발성 메모리소자 및 그의 제조방법을 제공하는 것이다.
도 1은 종래의 SONOS 구조의 비휘발성 메모리소자의 단면 구조도,
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 실시예에 따른 SONOS 구조의 비휘발성 메모리소자의 제조방법을 설명하기 위한 공정 단면도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 비활발성 메모리소자에 있어서, 전하저장층으로 사용된 보론 나이트 라이드막과 실리콘 보론 나이트 라이드막의 전류-전압 특성을 도시한 도면,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 비활발성 메모리소자에 있어서, 전하저장층으로 사용된 보론 나이트 라이드막과 실리콘 보론 나이트 라이드막의 전압-캐패시턴스 특성을 도시한 도면,
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
21 : 반도체 기판 22 : 터널 산화막
23 : 전하저장층 24 : 블록킹 산화막
25 : 폴리실리콘막 30 : SONOS 구조
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 기판상에 순차 형성된 터널링 절연막, 전하저장층 및 게이트를 포함하며, 상기 전하 저장층이 보론 나이트 라이드막 또는 실리콘 보론 나이트 라이드막으로 이루어지는 비휘발성 메모리소자를 제공하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 비휘발성 메모리소자는 상기 전하저장층과 게이트사이에 형성된, 상기 전하저장층과 상기 게이트간의 전하이동을 방지하기 위한 블록킹 절연막을 더 포함한다.
또한, 본 발명은 기판상에 터널링 절연막을 형성하는 단계와; 상기 터널링 절연막상에 보론 나이트 라이드막 또는 실리콘 보론 나이트 라이드막을 전하저장층으로 증착하는 단계와; 상기 전하저장층상에 게이트물질을 형성하는 단계와; 상기 적층막을 패터닝하여 SONOS 구조를 형성하는 단계를 포함하는 비휘발성 메모리소자의 제조방법을 제공하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 SONOS 구조의 비휘발성 메모리소자는 도 2e에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(20)상에 제1산화막(21)과 보론 나이트 라이드막(boron nitride film, BN) 또는 실리콘 보론 라이트 라이드막(silicon boron nitride film, SiBN)으로 된 전하저장층(22) 및 제2산화막(23)이 순차 적층되고, 그위에 폴리실리콘막으로 된 게이트(24)가 형성되며, 상기 게이트 양측의 기판(20)에 소오스/드레인 영역(25), (26)이 형성된 구조를 갖는다.
상기한 바와 같은 구조를 갖는 SONOS 구조의 비휘발성 메모리소자의 동작을 살펴보면 다음과 같다.
데이터 프로그램시에는 게이트(24)에 양(+)의 프로그램전압을 인가하면, 전자가 제1산화막(21)을 통해 기판(20)으로부터 보론 나이트라이드막 또는 실리콘 보론 나이트 라이드막으로 된 전하저장층(22)으로 트랩되고, 이에 따라 문턱전압이 상승하여 프로그램이 이루어지게 된다.
한편, 데이터 소거시에는 게이트(24)에 음(-)의 프로그램전압을 인가하면, 전하저장층(22)에 트랩된 전자가 제1산화막(21)을 통해 기판(20)으로 빠져나가고, 이에 따라 문턱전압이 낮아져 데이터 소거가 이루어지게 된다.
SONOS 구조(30)에서, 상기 제1산화막(21)은 터널링 산화막으로 작용하고, 보론 나이트 라이드막 또는 실리콘 보론 나이트 라이드막으로 이루어진 전하저장층(22)은 기판(20)으로부터 트랩된 전자를 저장하기 위한 것이며, 상기 제2산화막(23)은 기판(21)으로부터 상기 터널링산화막(22)을 통해 터널링된 전자가 게이트(24)로 빠져나가는 것을 방지하는 블록킹 산화막으로 작용한다.
따라서, 본 발명의 실시예에서는 전하 저장층으로서, 실리콘 나이트 라이드막보다 안정적인 밴드갭을 갖는 보론 나이트라이드막 또는 실리콘 보론 나이트 라이드막을 사용함으로써, 메모리소자의 안정성이 향상되어 데이터의 유지특성이 좋아지게 되고, 프로그램 및 소거동작이 용이하다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 실시예에 따른 SONOS 구조의 비휘발성 메모리소자의 공정 단면도를 도시한 것이다.
도 2a 와 같이 반도체 기판(20)상에 제1산화막(21)을 예를 들면 CVD 법으로 증착하고, 도 2b와 같이 전하저장층(22)으로 보론 나이트라이드막 또는 실리콘 보론 나이트 라이드막을 증착한다. 상기 전하저장층(22)인 보론 나이트라이드막 또는 실리콘 보론 나이트 라이드막은 2.4GHz, 400W의 마이크로 웨이브를 이용한 리모트플라즈마 원자층 증착법(RP-ALD, remote plasma atomic layer deposition) 또는 CVD 법을 통해 증착한다. 이때, RP-ALD 방식의 경우 보론 나이트 라이드막은 530℃의 온도, 1.5torr 압력에서, BCl3, NH4, 및 Ar 가스를 이용하여 증착하는데, BCl3/Ar/NH3/Ar=50sccm,1sec/750sccm,10sce/500sccm,10sec/750sccm,10sec 를 1사이클로 하여 증착한다.
도 2c와 같이 상기 전하저장층(22)상에 제2산화막(23)과 게이트용 폴리실리콘막(24)을 순차 증착하는데, 상기 게이트용 폴리실리콘막(24)으로는 인이온이 도핑된 폴리실리콘막을 LPCVD 법으로 증착한다.
도 2d와 같이, 게이트 형성용 마스크(27)를 이용하여 상기 폴리실리콘막(24)과 그 하부의 산화막(23, 21) 및 전하저장층(22)을 패터닝한다.
도 2e와 같이, 상기 마스크(27)를 제거하면 기판(20)상에 산화막(21), 보론 나이트 라이드막 또는 실리콘 보론 나이트 라이드막으로 된 전하저장층(22), 산화막(23) 및 게이트용 폴리실리콘막(24)으로 된 SONOS 구조(30)가 형성된다. 이어서, 기판으로 소정 도전형, 예를 들면 n형 또는 p형의 불순물을 이온주입하여 소오스/드레인 영역(25), (26)을 형성하면, 본 발명의 SONOS구조를 갖는 비휘발성 메모리소자가 제작된다.
상기한 바와같이 제작된 SONOS 구조의 비휘발성 메모리소자에 있어서, 전하저장층으로 사용된 보론 나이트 라이드막과 실리콘 보론 나이트 라이드막의 전류-전압 특성 및 전압-캐패시턴스 특성을 도 3 및 도 4를 참조하여 설명하면 다음과같다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 비휘발성 메모리소자에 있어서, 전하저장층으로 사용된 보론 나이트 라이드막과 실리콘 나이트 라이드막의 전류-전압 특성을 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, 실리콘 보론 나이트 라이드막은 고유 트랩(intrinsic trap) 구조에 의해 일정이상의 전압이 인가되면 터널링전류가 흘러 전자가 트랩되는 구조를 갖으며, 보론 나이트 라이드막은 고유 트랩구조에 의해 도전체와 유사하게 바로 터널링전류가 흘러 전자가 트랩되는 구조를 갖음을 알 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 비휘발성 메모리소자에 있어서, 전하저장층으로 사용된 보론 나이트 라이드막과 실리콘 나이트 라이드막의 전압-캐패시턴스 특성을 도시한 것이다.
도 4을 참조하면, 실리콘 보론 나이트 라이드막은 히스테리시스(hysterisis) 특성을 보여주는 반면에 보론 나이트 라이드막은 전하저장체로 도전체를 사용하는 경우와 유사한 특성을 보여줌을 알 수 있다.
본 발명의 실시예는 SONOS 구조를 갖는 비휘발성 메모리소자를 예로 들어 설명하였으나, MNOS 또는 MONOS 구조를 갖는 비휘발성 메모리소자에도 적용 가능함은 물론이다.
상기한 바와같은 본 발명에 따르면, SONOS 구조의 비휘발성 메모리소자에 있어서 전하 저장층으로서 실리콘 나이트라이드막 대신에 안정적인 밴드갭을 갖는 보론 나이트 라이드막 또는 실리콘 보론 나이트 라이드막을 사용함으로써, 프로그램 및 소거효율을 향상시킬 수 있으며, 데이터 유지특성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
Claims (5)
- 기판상에 순차 형성된 터널링 절연막, 전하저장층 및 게이트를 포함하며,상기 전하 저장층이 보론 나이트 라이드막 또는 실리콘 보론 나이트 라이드막으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리소자.
- 제1항에 있어서, 상기 전하저장층과 게이트사이에 형성된, 상기 전하저장층과 상기 게이트간의 전하이동을 방지하기 위한 블록킹 절연막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리소자.
- 기판상에 터널링 절연막을 형성하는 단계와;상기 터널링 절연막상에 전하저장층으로서 보론 나이트 라이드막 또는 실리콘 보론 나이트 라이드막을 형성하는 단계와;상기 전하저장층상에 게이트 물질을 형성하는 단계와;상기 적층막을 패터닝하여 SONOS 구조를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리소자의 제조방법.
- 제 3 항에 있어서, 상기 보론 나이트라이드막 또는 실리콘 보론 나이트 라이드막은 RP-ALD 법으로 증착하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리소자의 제조방법.
- 제 3 항에 있어서, 상기 보론 나이트 라이드막 또는 실리콘 보론 나이트 라이드막은 CVD 법으로 증착하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리소자의 제조방법.
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