KR100519163B1 - Manufacturing Method of Flash Memory Device_ - Google Patents
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Abstract
1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야1. TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
본 발명은 플래쉬 메모리 소자의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing a flash memory device.
2. 발명이 이루고자하는 기술적 과제2. The technical problem of the invention
필드 산화막을 형성한 후 실시하는 플래쉬 메모리 소자의 제조 공정에서 필드 산화막에 의해 셀 사이즈가 증가하고, 액티브 영역이 감소하는 문제점을 해결하고자 한다.In the manufacturing process of a flash memory device, which is performed after the field oxide film is formed, the problem of increasing the cell size and decreasing the active region is caused by the field oxide film.
3. 발명의 해결 방법의 요지3. Summary of the Solution of the Invention
본 발명에서는 필드 산화막을 성장시키지 않은 상태에서 플로팅 게이트 및 콘트롤 게이트를 형성하고, 상기 콘트롤 게이트를 마스크로 자기정렬 식각 공정을 실시할 때 상기 플로팅 게이트의 선택된 부분을 제거할 때 상기 플로팅 게이트가 형성되지 않은 반도체 기판을 소정 깊이로 식각하고, 상기 소정 깊이로 식각된 반도체 기판에 절연막을 형성하여 소자 분리 영역으로 작용하도록 한다.In the present invention, the floating gate and the control gate are formed without growing the field oxide layer, and the floating gate is not formed when the selected portion of the floating gate is removed when performing the self-aligned etching process using the control gate as a mask. The semiconductor substrate is etched to a predetermined depth, and an insulating film is formed on the semiconductor substrate etched to the predetermined depth to serve as an isolation region.
Description
본 발명은 플래쉬 메모리 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 필드 산화막을 형성하지 않고 플래쉬 메모리 셀 어레이를 제조하므로써 작을 셀 사이즈 및 공정 마진을 확보할 수 있는 플래쉬 메모리 소자의 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of manufacturing a flash memory device, and more particularly, to a method of manufacturing a flash memory device capable of securing a small cell size and process margin by manufacturing a flash memory cell array without forming a field oxide film.
도 1은 종래의 플래쉬 메모리 셀 어레이의 레이아웃으로, 이를 이용하여 종래의 플래쉬 메모리 셀 어레이의 제조 방법을 설명한다.1 is a layout of a conventional flash memory cell array, and a method of manufacturing a conventional flash memory cell array using the same will be described.
반도체 기판상의 선택된 영역에 필드 산화막(11)을 형성하여 액티브 영역과 필드 영역을 분할시킨다. 전체 구조 상부에 터널 산화막 및 제 1 폴리실리콘막을 형성한 후 패터닝하여 필드 산화막(11)의 소정 부분에 걸쳐 액티브 영역의 반도체 기판 상부에 플로팅 게이트(12)를 형성하여 비트라인으로 작용하도록 한다. 전체 구조 상부에 유전체막 및 제 2 폴리실리콘막을 형성한 후 패터닝하여 콘트롤 게이트(13)를 형성하여 워드라인으로 작용하도록 한다. 콘트롤 게이트(13)는 필드 산화막(11) 및 플로팅 게이트(12)와 직각으로 교차되도록 형성한다. 콘트롤 게이트(13)를 마스크로 자기정렬 식각 공정을 실시하여 공통 소오스 라인(14) 형성 지역에 형성된 플로팅 게이트(12), 터널 산화막 및 필드 산화막(11)을 제거하여 반도체 기판을 노출시킨다. 한편, 자기정렬 식각 공정을 실시하면 드레인 형성 지역에는 플로팅 게이트(12) 및 터널 산화막이 제거되고, 필드 산화막(11)은 잔류하게 된다. 불순물 이온 주입 공정을 실시하여 소오스 및 드레인 영역을 형성한 후 전체 구조 상부에 층간 절연막을 형성한다. 층간 절연막의 선택된 영역을 식각하여 콘택 홀(15)을 형성하되, 드레인 영역이 노출되도록 형성한다.A field oxide film 11 is formed in a selected region on the semiconductor substrate to divide the active region and the field region. A tunnel oxide film and a first polysilicon film are formed over the entire structure, and then patterned to form a floating gate 12 over the semiconductor substrate in the active region over a predetermined portion of the field oxide film 11 to act as a bit line. A dielectric film and a second polysilicon film are formed over the entire structure and then patterned to form a control gate 13 to act as a word line. The control gate 13 is formed to intersect the field oxide film 11 and the floating gate 12 at right angles. The self-aligned etching process is performed using the control gate 13 as a mask to remove the floating gate 12, the tunnel oxide film, and the field oxide film 11 formed in the common source line 14 formation region to expose the semiconductor substrate. On the other hand, when the self-aligned etching process is performed, the floating gate 12 and the tunnel oxide film are removed in the drain formation region, and the field oxide film 11 remains. After the impurity ion implantation process is performed to form the source and drain regions, an interlayer insulating film is formed over the entire structure. The selected region of the interlayer insulating layer is etched to form the contact hole 15, but the drain region is exposed.
상기와 같은 레이아웃을 갖는 플래쉬 메모리 셀 어레이의 제조 공정중에 자기정렬 식각 공정을 실시한 후 A-A' 라인을 따라 절취한 단면도를 도 2에 도시하였다. 도시된 바와 같이 드레인 형성 지역의 제 1 폴리실리콘막을 식각할 때 필드 산화막(11)의 단차로 인해 필드 산화막(11)상에 제 1 폴리실리콘막 및 유전체막이 잔류되어 제 1 폴리실리콘막 잔류물(23) 및 유전체막 잔류물(24)이 남게 된다. 따라서, 플래쉬 메모리 셀 영역의 필드 산화막의 단차를 감소시키려는 시도가 부단히 이루어지고 있다. 그러나, 고전압에서 동작하는 펌핑 회로를 사용하는 플래쉬 메모리 소자의 특성상 두꺼운 필드 산화막을 사용해야 하므로 필드 산화막의 단차를 줄이는데 한계가 있다. 또한 두꺼운 필드 산화막은 메모리 셀의 액티브 영역의 면적을 감소시켜 셀 전류를 감소시키기 때문에 작은 셀 사이즈를 구현하려는 기술적 추세에 부합되지 않는다. 이러한 일반적인 필드 산화막 성장 방법은 셀과 주변 회로의 단차를 심화시켜 리소그라피 공정의 초점 가능 영역의 감소등 공정을 안정적으로 진행할 수 있는 영역이 감소한다. 이러한 추세는 셀 크기가 감소할수록 심해지며, 차세대 반도체 기술 개발을 위해서는 필드 산화막에 의한 단차를 줄이는 기술이 필수적이다. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line A-A 'after the self-aligned etching process is performed in the manufacturing process of the flash memory cell array having the above layout. As shown in the drawing, when the first polysilicon film in the drain formation region is etched, the first polysilicon film and the dielectric film remain on the field oxide film 11 due to the step difference of the field oxide film 11. 23) and dielectric film residue 24 remain. Therefore, attempts have been made to reduce the step difference of the field oxide film in the flash memory cell region. However, since a thick field oxide film must be used due to the characteristics of a flash memory device using a pumping circuit operating at a high voltage, there is a limit in reducing the step oxide field. In addition, since the thick field oxide film reduces the cell current by reducing the area of the active region of the memory cell, it does not meet the technical trend to realize a small cell size. This general field oxide growth method deepens the step difference between the cell and the peripheral circuit, thereby reducing the area where the process can be stably performed, such as the reduction of the focusable area of the lithography process. This trend is intensified as the cell size decreases, and technology for reducing the step difference caused by the field oxide film is essential for developing next-generation semiconductor technology.
따라서, 본 발명은 필드 산화막을 성장시키지 않고 플래쉬 메모리 셀 어레이를 제조하므로써 셀 사이즈를 줄일 수 있는 플래쉬 메모리 소자의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a method of manufacturing a flash memory device which can reduce a cell size by manufacturing a flash memory cell array without growing a field oxide film.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 반도체 기판 상부에 터널 산화막 및 제 1 폴리실리콘막을 형성한 후 패터닝하여 플로팅 게이트를 형성하는 단계와, 전체 구조 상부에 유전체막 및 제 2 폴리실리콘막을 형성한 후 상기 플로팅 게이트와 직각으로 교차되도록 패터닝하여 콘트롤 게이트를 형성하는 단계와, 상기 콘트롤 게이트를 마스크로 식각 공정을 실시하여 노출된 상기 플로팅 게이트를 식각하여 스택 게이트 구조를 형성하고, 상기 플로팅 게이트가 형성되지 않은 반도체 기판을 소정 깊이로 식각하는 단계와, 상기 노출된 반도체 기판 및 소정 깊이로 식각된 반도체 기판중 공통 소오스 라인으로 작용할 부분에 불순물 이온 주입 공정을 실시하는 단계와, 전체 구조 상부에 절연막을 형성하여 상기 소정 깊이로 식각된 반도체 기판을 매립하여 소자 분리 영역으로 작용하도록 하는 단계와, 상기 절연막이 형성된 부분중 드레인으로 작용할 부분의 상기 절연막을 식각하여 콘택 홀을 형성하는 단계와, 상기 콘택 홀에 의해 노출된 반도체 기판에 불순물 이온 주입 공정을 실시하여 드레인 영역을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a method of forming a floating gate by forming a tunnel oxide film and a first polysilicon film on a semiconductor substrate and then patterning the dielectric film and a second polysilicon film on the entire structure. Patterning the gate to cross the floating gate at a right angle to form a control gate; and etching the exposed floating gate by etching the control gate using a mask to form a stack gate structure, and not forming the floating gate. Etching an undoped semiconductor substrate to a predetermined depth, performing an impurity ion implantation process on a portion of the exposed semiconductor substrate and the semiconductor substrate etched to a predetermined depth to serve as a common source line, and forming an insulating film on the entire structure Embedding the semiconductor substrate etched to the predetermined depth Acting as a device isolation region, etching the insulating film in a portion of the insulating film-forming portion to serve as a drain, forming a contact hole, and performing an impurity ion implantation process on the semiconductor substrate exposed by the contact hole To form a drain region.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.The present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 3은 본 발명에 따른 플래쉬 메모리 셀 어레이의 레이아웃으로, 이를 이용하여 본 발명에 따른 플래쉬 메모리 소자의 제조 방법을 설명한다.3 is a layout of a flash memory cell array according to the present invention, and a method of manufacturing the flash memory device according to the present invention will be described.
반도체 기판 상부에 터널 산화막 및 제 1 폴리실리콘막을 형성한 후 제 1 마스크를 이용한 리소그라피 공정 및 식각 공정으로 제 1 폴리실리콘막 및 터널 산화막을 패터닝하여 플로팅 게이트(31)를 형성한다. 플로팅 게이트(31)는 비트라인으로 작용한다. 전체 구조 상부에 유전체막 및 제 2 폴리실리콘막을 형성한 후 제 2 마스크를 이용한 리소그라피 공정 및 식각 공정으로 제 2 폴리실리콘막 및 유전체막을 식각하여 콘트롤 게이트(32)를 형성한다. 콘트롤 게이트(32)는 워드라인으로 작용한다. 그런데, 유전체막이 형성되기 전에 플로팅 게이트(31)이 형성되지 않아 반도체 기판이 그대로 있는 상태에서 유전체막 및 제 2 폴리실리콘막을 형성하면 반도체 기판에 채널이 형성되기 때문에 반도체 기판과 워드라인이 연결된다. 즉, 워드라인 아래쪽의 반도체 기판으로 채널이 반전되어 누설 전류가 흐르게 되고, 이를 차단하기 위해 반도체 기판과 같은 타입의 소오스로 이온 주입을 하여 소자 분리를 시킨다. 이때의 차단 영역을 X로 표시하였다. 콘트롤 게이트(32)를 마스크로 자기정렬 식각 공정을 실시하여 플로팅 게이트(31)가 형성된 영역의 제 1 폴리실리콘막 및 터널 산화막을 제거하고, 플로팅 게이트(31)가 형성되지 않은 영역은 반도체 기판이 식각된다. 반도체 기판은 플로팅 게이트(31)가 형성된 영역의 제 1 폴리실리콘막 및 터널 산화막이 완전히 제거될 때가지 식각된다. 이러한 공정에 의해 식각된 반도체 기판 부분은 이후 절연막이 매립되어 소자 분리 영역(33)이 된다. 이때, 드레인이 형성될 1-1' 라인을 따라 절취한 상태의 단면도를 도 4에 도시하였고, 소오스가 형성될 2-2' 라인을 따라 절취한 상태의 단면도를 도 5에 도시하였다. 도 5에 도시하였듯이 소오스 영역은 공통 소오스 라인을 형성하기 위해 이온 주입 공정을 실시한다. 전체 구조 상부에 절연막을 형성하여 리세스 구조의 반도체 기판을 매립하여 셀간의 소자 분리를 이루고, 드레인 영역의 일부를 개방하는 콘택 홀(34)을 형성한 후 드레인 형성을 위한 이온 주입 공정을 실시한다. 이후 콘택 홀(34)을 매립하는 금속 배선을 형성할 때 워드라인과 전기적 분리를 위하여 절연막으로 콘택 홀(34)내의 스택 게이트 구조 측벽에 스페이서를 형성한다. 이때, 스페이서를 형성하기 위한 식각 공정에서 워드라인의 상단 부분이 노출되어 전기적으로 연결될 가능성이 있으므로 워드라인의 상부에 언도프트 폴리실리콘막을 형성한다. 이후의 공정은 일반적인 공정을 따라 실시한다.After the tunnel oxide film and the first polysilicon film are formed on the semiconductor substrate, the floating gate 31 is formed by patterning the first polysilicon film and the tunnel oxide film by a lithography process and an etching process using a first mask. The floating gate 31 acts as a bit line. After forming the dielectric film and the second polysilicon film on the entire structure, the control gate 32 is formed by etching the second polysilicon film and the dielectric film by a lithography process and an etching process using a second mask. The control gate 32 acts as a word line. However, when the floating film 31 is not formed before the dielectric film is formed and the dielectric film and the second polysilicon film are formed while the semiconductor substrate is intact, the semiconductor substrate and the word line are connected because the channel is formed in the semiconductor substrate. In other words, the channel is inverted to the semiconductor substrate below the word line, and a leakage current flows. In order to block this, the device is separated by ion implantation into a source of the same type as the semiconductor substrate. Blocking area at this time is indicated by X. The self-aligned etching process is performed using the control gate 32 as a mask to remove the first polysilicon film and the tunnel oxide film in the region where the floating gate 31 is formed, and the region in which the floating gate 31 is not formed is a semiconductor substrate. Etched. The semiconductor substrate is etched until the first polysilicon film and the tunnel oxide film in the region where the floating gate 31 is formed are completely removed. The semiconductor substrate portion etched by this process is then filled with an insulating film to become the device isolation region 33. At this time, a cross-sectional view of a state cut along the 1-1 'line to form a drain is shown in Figure 4, a cross-sectional view of a state cut along the 2-2' line to form a source is shown in FIG. As shown in FIG. 5, the source region performs an ion implantation process to form a common source line. An insulating film is formed over the entire structure to fill the recessed semiconductor substrate to form device isolation between cells, and to form a contact hole 34 for opening a part of the drain region, and then performing an ion implantation process for forming a drain. . Subsequently, when forming a metal wiring to fill the contact hole 34, a spacer is formed on the sidewall of the stack gate structure in the contact hole 34 using an insulating layer for electrical separation from the word line. At this time, in the etching process for forming the spacer, the upper portion of the word line may be exposed and electrically connected, thereby forming an undoped polysilicon layer on the word line. The subsequent process is carried out according to the general process.
콘택 홀을 형성한 후 드레인 이온 주입 및 스페이서 형성 공정을 설명하기 위해 3-3' 라인을 따라 절취한 상태의 제조 공정을 설명하기 위한 도면을 도 6(a) 내지 도 6(c)에 도시하였다.6 (a) to 6 (c) are views for explaining a manufacturing process of cutting along the 3-3 'line to explain the drain ion implantation and the spacer forming process after the contact hole is formed. .
도 6(a)를 참조하면, 반도체 기판(41) 상부의 선택된 영역에 터널 산화막(42), 플로팅 게이트(43), 유전체막(44) 및 콘트롤 게이트(45)가 순차적으로 적층된 스택 게이트 구조가 형성된 상태에서 전체 구조 상부에 절연막(46)을 형성한다. 절연막(46) 상부에 콘택 홀을 형성하기 위한 감광막 패턴(47)을 형성한다.Referring to FIG. 6A, a stacked gate structure in which a tunnel oxide layer 42, a floating gate 43, a dielectric layer 44, and a control gate 45 are sequentially stacked on a selected region on a semiconductor substrate 41 is sequentially formed. Is formed, an insulating film 46 is formed over the entire structure. A photosensitive film pattern 47 for forming contact holes is formed on the insulating film 46.
도 6(b)를 참조하면, 감광막 패턴(47)을 마스크로 식각 공정을 실시하여 반도체 기판을 노출시키는 콘택 홀을 형성한다. 콘택 홀이 형성된 상태에서 불순물 이온 주입 공정을 실시하여 드레인(48)을 형성한다.Referring to FIG. 6B, an etching process is performed using the photoresist pattern 47 as a mask to form a contact hole exposing a semiconductor substrate. The impurity ion implantation process is performed while the contact hole is formed to form the drain 48.
도 6(c)를 참조하면, 후속 콘택 홀을 매립하는 금속 배선 형성 공정에서 워드라인간의 전기적 분리를 위하여 콘택 홀내의 스택 게이트 측벽에 스페이서(49)를 형성한다. 한편, 스페이서를 형성하는 공정에서 콘트롤 게이트(45)가 노출되어 이후 형성될 금속 배선과 접속되는 것을 방지하기 위해 언도프트 폴리실리콘막을 형성한다.Referring to FIG. 6C, spacers 49 are formed on the sidewalls of the stack gates in the contact holes for electrical separation between the word lines in the subsequent metal line forming process of filling the contact holes. Meanwhile, an undoped polysilicon film is formed in order to prevent the control gate 45 from being exposed and being connected to the metal wiring to be formed later in the process of forming the spacer.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 필드 산화막을 형성하지 않고 플래쉬 메모리 셀 어레이를 형성하므로써 평탄화된 셀을 제조할 수 있으며, 필드 산화막의 버즈빅에 의한 액티브 영역의 감소를 피할 수 있으므로 작은 셀 사이즈를 구현할 수 있고, 단차를 감소시켜 공정 마진을 확보할 수 있다.As described above, according to the present invention, a flattened cell can be manufactured by forming a flash memory cell array without forming a field oxide film, and a small cell size can be realized because a reduction of the active region due to the buzz of the field oxide film can be avoided. The process margin can be reduced and the process margin can be secured.
도 1은 종래의 플래쉬 메모리 셀 어레이의 레이아웃.1 is a layout of a conventional flash memory cell array.
도 2는 도 1의 A-A'라인을 따라 절취한 상태의 단면도.2 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. 1.
도 3은 본 발명에 따른 플래쉬 메모리 셀 어레이의 레이아웃. 3 is a layout of a flash memory cell array in accordance with the present invention.
도 4는 도 3의 1-1' 라인을 따라 절취한 상태의 단면도.4 is a cross-sectional view taken along the line 1-1 ′ of FIG. 3.
도 5는 도 3의 2-2' 라인을 따라 절취한 상태의 단면도.5 is a cross-sectional view taken along the line 2-2 ′ of FIG. 3.
도 6(a) 내지 도 6(c)는 도 3의 3-3' 라인을 따라 절취한 상태의 공정을 설명하기 위한 단면도.6 (a) to 6 (c) are cross-sectional views for explaining the steps taken along the 3-3 'line of FIG.
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
11 및 22 : 필드 산화막 12, 31 및 43 : 플로팅 게이트11 and 22: field oxide films 12, 31, and 43: floating gate
13, 32 및 45 : 콘트롤 게이트 14 : 공통 소오스 라인13, 32, and 45: control gate 14: common source line
15, 34 : 콘택 홀 33 : 소자 분리 영역15, 34: contact hole 33: device isolation region
21 및 41 : 반도체 기판 22 : 필드 산화막21 and 41: semiconductor substrate 22: field oxide film
23 : 제 1 폴리실리콘막 잔류물 24 : 유전체막 잔류물23: first polysilicon film residue 24: dielectric film residue
42 : 터널 산화막 44 : 유전체막42 tunnel oxide film 44 dielectric film
46 : 절연막 47 : 감광막 패턴46: insulating film 47: photosensitive film pattern
48 : 드레인 49 : 스페이서48: drain 49: spacer
X : 차단 영역X: blocking area
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