KR100536799B1 - semiconductor device and fabricating method thereof - Google Patents

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KR100536799B1
KR100536799B1 KR10-2003-0049760A KR20030049760A KR100536799B1 KR 100536799 B1 KR100536799 B1 KR 100536799B1 KR 20030049760 A KR20030049760 A KR 20030049760A KR 100536799 B1 KR100536799 B1 KR 100536799B1
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    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66007Multistep manufacturing processes
    • H01L29/66075Multistep manufacturing processes of devices having semiconductor bodies comprising group 14 or group 13/15 materials
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    • H01L29/66477Unipolar field-effect transistors with an insulated gate, i.e. MISFET
    • H01L29/66833Unipolar field-effect transistors with an insulated gate, i.e. MISFET with a charge trapping gate insulator, e.g. MNOS transistors

Abstract

반도체 기판 위에 ONO 3중층, 다결정 규소막 및 질화막을 적층하고 선택적으로 식각하여 상부 절연막, SONOS 게이트 전극 및 ONO 3중층을 형성한다. SONOS 게이트 전극의 측면에 측벽 절연막을 형성하고, 반도체 기판 위에 게이트 산화막을 형성한 후, 게이트 산화막 위의 측벽 절연막의 측면에 패스 및 리콜 게이트 전극을 형성한다. 게이트 전극들과 측벽 절연막을 마스크로 하여 반도체 기판에 불순물 이온을 도핑함으로써 소스 영역 및 드레인 영역을 형성한다. 패스 및 리콜 게이트 전극 위에 층간 절연막을 형성하고, 게이트 전극들과 소스 및 드레인 영역을 노출하는 비아홀을 형성한다. 비아홀을 채우는 플러그를 형성하고, 층간 절연막 위에 배선을 형성한다.An ONO triple layer, a polycrystalline silicon film, and a nitride film are stacked and selectively etched on the semiconductor substrate to form an upper insulating film, a SONOS gate electrode, and an ONO triple layer. A sidewall insulating film is formed on the side of the SONOS gate electrode, a gate oxide film is formed on the semiconductor substrate, and then a pass and recall gate electrode is formed on the side of the sidewall insulating film on the gate oxide film. The source region and the drain region are formed by doping impurity ions into the semiconductor substrate using the gate electrodes and the sidewall insulating film as masks. An interlayer insulating film is formed over the pass and recall gate electrodes, and a via hole exposing the gate electrodes and the source and drain regions is formed. A plug filling the via hole is formed, and a wiring is formed on the interlayer insulating film.

Description

반도체 소자 및 그 제조 방법 {semiconductor device and fabricating method thereof}Semiconductor device and fabrication method thereof

본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로서, 특히 SONOS(Silicon-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon) 구조를 이용하는 반도체 소자에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly, to a semiconductor device using a silicon-oxide-nitride-oxide-silicon (SONOS) structure.

반도체 메모리소자들 중에 비휘발성 메모리소자는 전원이 공급되지 않을지라도 이전 상태의 정보(previous data)가 소멸되지 않는 특징을 갖는다. Among the semiconductor memory devices, the nonvolatile memory device is characterized in that prior data is not destroyed even when power is not supplied.

디지털 데이터를 전기적으로 읽고 쓸 수 있는 반도체 비휘발성 메모리에는 셀 단위로 소거와 기록이 가능한 이이피롬(EEPROM)과 수십 또는 수백 바이트 이상의 블록 단위로만 데이터를 소거하고 바이트 단위로 기록할 수 있는 플래시 메모리의 두 종류가 있다.Semiconductor nonvolatile memory that can read and write digital data electrically includes EEPROM, which can be erased and written in units of cells, and flash memory that can erase and write data in blocks of tens or hundreds of bytes or more. There are two kinds.

이러한 비휘발성 메모리를 구현하는 방법에는 SONOS 셀 구조를 이용하는 방법과 부유 게이트를 이용하는 방법이 있다.The nonvolatile memory may be implemented using a SONOS cell structure or a floating gate.

이중, SONOS 셀 구조를 이용하는 비휘발성 메모리는 전원이 오프(off)될 때 휘발성 메모리 래치에 저장되어 있는 각각의 "H", "L" 상태를 저장하기 위한 SONOS 트랜지스터 2개, SONOS 트랜지스터의 읽기, 쓰기, 지우기 등을 조절하기 위한 패스(pass) 게이트 2개와 리콜(recall) 게이트 2개 등 6개의 트랜지스터가 하나의 기억 소자를 이룬다. 따라서 SONOS 구조를 이용하는 비휘발성 메모리는 소자 하나가 차지하는 면적이 넓어 집적화에 어려움이 있다.Among them, nonvolatile memory using the SONOS cell structure includes two SONOS transistors for storing respective "H" and "L" states stored in the volatile memory latch when the power is turned off, reading of the SONOS transistor, Six transistors, two pass gates and two recall gates, for controlling write, erase, and the like, form one memory element. Therefore, the nonvolatile memory using the SONOS structure has a large area occupied by one device, making it difficult to integrate.

그러면 종래의 SONOS 셀의 구조에 대하여 도면을 참고로 하여 설명한다.The structure of a conventional SONOS cell will now be described with reference to the drawings.

도 1과 도 2는 종래의 기술에 따른 비휘발성 메모리의 SONOS 셀의 단면도이다.1 and 2 are cross-sectional views of SONOS cells of a nonvolatile memory according to the prior art.

먼저, 도 1을 보면, 반도체 기판(10) 상부에 N형 불순물로 도핑된 소스 영역(11)과 드레인 영역(12)이 형성되어 있고, 반도체 기판(10) 위에는 게이트 산화막(21)이 형성되어 있다. First, referring to FIG. 1, a source region 11 and a drain region 12 doped with N-type impurities are formed on a semiconductor substrate 10, and a gate oxide film 21 is formed on the semiconductor substrate 10. have.

게이트 산화막(21) 위에는 다결정 규소로 이루어진 리콜 게이트 전극(41)과 패스 게이트 전극(42)이 형성되어 있다. 이 때, 두 게이트 전극(41, 42) 사이의 중앙 영역에서 게이트 산화막(21)이 제거되어 있다.A recall gate electrode 41 and a pass gate electrode 42 made of polycrystalline silicon are formed on the gate oxide film 21. At this time, the gate oxide film 21 is removed in the center region between the two gate electrodes 41 and 42.

게이트 전극(41, 42) 위에는 측벽 절연막(23)이 형성되어 있고, 측벽 절연막(23) 위에는 제1 산화막(31), 질화막(32) 및 제2 산화막(32)의 ONO 3중층이 형성되어 있다. 이 때, ONO 3중층의 제1 산화막(31)은 두 게이트 전극(41, 42) 사이의 게이트 산화막(21)이 제거된 영역에서 반도체 기판(10) 표면과 접촉하고 있다. A sidewall insulating film 23 is formed on the gate electrodes 41 and 42, and an ONO triple layer of the first oxide film 31, the nitride film 32, and the second oxide film 32 is formed on the sidewall insulating film 23. . At this time, the first oxide film 31 of the ONO triple layer is in contact with the surface of the semiconductor substrate 10 in the region where the gate oxide film 21 between the two gate electrodes 41 and 42 is removed.

ONO 3중층의 제2 산화막(32) 위에는 다결정 규소로 이루어진 SONOS 게이트 전극(43)이 형성되어 있고, SONOS 게이트 전극(43) 위에는 층간 절연막(50)이 형성되어 있다. The SONOS gate electrode 43 made of polycrystalline silicon is formed on the second oxide film 32 of the ONO triple layer, and the interlayer insulating film 50 is formed on the SONOS gate electrode 43.

이 때, 리콜 게이트 전극(21)과 패스 게이트 전극(22)은 층간 절연막(50), ONO 3중층(31, 32, 33) 및 측벽 절연막(23)을 관통하는 비아(61, 62)를 통하여 배선(도시하지 않음)과 연결되어 있고, SONOS 게이트 전극(43)은 층간 절연막(50)을 관통하는 비아(63)를 통하여 배선(도시하지 않음)과 연결되어 있다. 또, 소스 영역(11)과 드레인 영역(12)은 층간 절연막(50), ONO 3중층(31, 32, 33), 측벽 절연막(23) 및 게이트 산화막(21)을 관통하는 비아(64, 65)를 통하여 배선(도시하지 않음)과 연결되어 있다.At this time, the recall gate electrode 21 and the pass gate electrode 22 pass through the vias 61 and 62 passing through the interlayer insulating film 50, the ONO triple layers 31, 32, and 33, and the sidewall insulating film 23. The SONOS gate electrode 43 is connected to a wiring (not shown) through a via 63 penetrating through the interlayer insulating film 50. The source region 11 and the drain region 12 are vias 64 and 65 passing through the interlayer insulating film 50, the ONO triple layers 31, 32 and 33, the sidewall insulating film 23 and the gate oxide film 21. Is connected to a wiring (not shown).

다음, 도 2를 보면, 반도체 기판(10)의 상부에 N형 불순물로 도핑된 소스 영역(11), 소스/드레인 영역(13, 15) 및 드레인 영역(17)이 형성되어 있고, N형 불순물이 고농도로 도핑된 LDD 영역(12, 14, 16)이 소스 영역(11)의 일측, 소스/드레인 영역(13, 15)의 양측 및 드레인 영역(17)의 일측에 각각 형성되어 있다.Next, referring to FIG. 2, the source region 11, the source / drain regions 13 and 15, and the drain region 17 doped with N-type impurities are formed on the semiconductor substrate 10, and the N-type impurities are formed. The heavily doped LDD regions 12, 14, 16 are formed on one side of the source region 11, on both sides of the source / drain regions 13, 15, and on one side of the drain region 17, respectively.

반도체 기판(10)의 위에는 게이트 절연막(21)과 제1 산화막(31), 질화막(32) 및 제2 산화막(33)으로 이루어진 ONO 3중층이 형성되어 있다. An ONO triple layer made of a gate insulating film 21, a first oxide film 31, a nitride film 32, and a second oxide film 33 is formed on the semiconductor substrate 10.

게이트 절연막(21) 위에는 다결정 규소로 이루어진 리콜 게이트 전극(41)과 패스 게이트 전극(42)이 형성되어 있고, 이들 두 게이트 전극(41, 42) 사이에 위치하는 ONO 3중층의 제2 산화막(33) 위에는 다결정 규소로 이루어진 SONOS 게이트 전극(43)이 형성되어 있다. A recall gate electrode 41 and a pass gate electrode 42 made of polycrystalline silicon are formed on the gate insulating film 21, and the second oxide film 33 of the ONO triple layer located between the two gate electrodes 41 and 42 is formed. ), A SONOS gate electrode 43 made of polycrystalline silicon is formed.

게이트 전극(41, 42, 43)은 보호 산화막(71)에 덮여 있고, 그 바깥으로 측벽 절연막(72)이 형성되어 있고, 측벽 절연막(72)의 위에는 층간 절연막(50)이 형성되어 있다.The gate electrodes 41, 42, 43 are covered with the protective oxide film 71, and the sidewall insulating film 72 is formed outside thereof, and the interlayer insulating film 50 is formed on the sidewall insulating film 72.

이 때, 3개의 게이트 전극(21, 22, 23)은 층간 절연막(50) 및 보호 산화막(71)을 관통하는 비아(61, 62, 63)를 통하여 배선(도시하지 않음)과 연결되어 있고, 소스 영역(11)과 드레인 영역(17)은 층간 절연막(50) 및 게이트 산화막(21)을 관통하는 비아(64, 65)를 통하여 배선(도시하지 않음)과 연결되어 있다.In this case, the three gate electrodes 21, 22, and 23 are connected to a wiring (not shown) through the vias 61, 62, and 63 passing through the interlayer insulating film 50 and the protective oxide film 71. The source region 11 and the drain region 17 are connected to a wiring (not shown) through the vias 64 and 65 passing through the interlayer insulating film 50 and the gate oxide film 21.

도 1 및 도 2의 구조를 보면, 종래의 기술에 따른 SONOS 셀의 구조에서는 SONOS 게이트(43)와 리콜 게이트(41) 및 패스 게이트(42) 사이에 다중의 절연막이 형성되어 있어서 이들이 차지하는 면적을 줄이기가 어렵다.1 and 2, in the structure of a SONOS cell according to the related art, multiple insulating layers are formed between the SONOS gate 43, the recall gate 41, and the pass gate 42 so that the area occupied by them is reduced. Difficult to reduce

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 SONOS 구조를 사용하는 반도체 소자가 차지하는 면적을 축소하는 것이다.The technical problem to be achieved by the present invention is to reduce the area occupied by semiconductor devices using the SONOS structure.

이러한 과제를 해결하기 위하여 본 발명에서는 소소 영역 및 드레인 영역을 가지는 반도체 기판, 상기 반도체 기판의 상기 소스 영역 및 드레인 영역 위에 형성되어 있는 게이트 산화막, 상기 반도체 기판 위의 상기 소스 영역과 상기 드레인 영역 사이에 형성되어 있는 산화막/질화막/산화막 삼중층, 상기 산화막/질화막/산화막 삼중층 위에 형성되어 있는 SONOS 게이트 전극, 상기 SONOS 게이트 전극의 측면에 형성되어 있는 측벽 절연막, 상기 게이트 산화막 위에 형성되어 있으며 상기 측벽 절연막의 측면에 형성되어 있는 제2 및 제3 게이트 전극을 포함하는 반도체 소자를 마련한다.In order to solve this problem, the present invention provides a semiconductor substrate having a source region and a drain region, a gate oxide film formed on the source region and the drain region of the semiconductor substrate, between the source region and the drain region on the semiconductor substrate. An oxide film / nitride film / oxide film triple layer formed, a SONOS gate electrode formed on the oxide film / nitride film / oxide film triple layer, a sidewall insulating film formed on the side of the SONOS gate electrode, and formed on the gate oxide film, and the sidewall insulating film A semiconductor device including second and third gate electrodes formed on side surfaces of a semiconductor device is provided.

이 때, 상기 제1 게이트 전극 위에 형성되어 있는 상부 절연막, 상기 상부 절연막, 상기 제1 및 제2 게이트 전극 위에 형성되어 있는 층간 절연막, 상기 층간 절연막 위에 형성되어 있는 배선, 상기 소스 영역, 상기 드레인 영역 및 상기 제1 내지 제3 게이트 전극과 상기 배선을 연결하는 복수의 비아를 더 포함할 수 있고, 상기 측벽 절연막은 상기 게이트 산화막과 상기 산화막/질화막/산화막 삼중층 사이의 반도체 기판 표면과 접하고 있는 것이 바람직하다. 또, 상기 상부 절연막은 질화막일 수 있다.In this case, an upper insulating film formed on the first gate electrode, an upper insulating film, an interlayer insulating film formed on the first and second gate electrodes, a wiring formed on the interlayer insulating film, the source region, and the drain region. And a plurality of vias connecting the first to third gate electrodes and the wiring, wherein the sidewall insulating layer is in contact with the surface of the semiconductor substrate between the gate oxide layer and the oxide layer / nitride layer / oxide layer triple layer. desirable. In addition, the upper insulating film may be a nitride film.

이러한 반도체 소자는 반도체 기판 위에 제1 내지 제3 절연막, 다결정 규소막 및 제4 절연막을 적층하고 선택적으로 식각하여 상부 절연막, 제1 게이트 전극 및 산화막/질화막/산화막의 삼중층을 형성하는 단계, 상기 제1 게이트 전극의 측면에 측벽 절연막을 형성하는 단계, 상기 반도체 기판 위에 게이트 산화막을 형성하는 단계, 상기 게이트 산화막 위의 상기 측벽 절연막의 측면에 제2 및 제3 게이트 전극을 형성하는 단계, 상기 제1 내지 제3 게이트 전극과 상기 측벽 절연막을 마스크로 하여 상기 반도체 기판에 불순물 이온을 도핑함으로써 소스 영역 및 드레인 영역을 형성하는 단계를 포함하는 방법을 통하여 제조한다.In the semiconductor device, the first to third insulating films, the polycrystalline silicon film, and the fourth insulating film are stacked on the semiconductor substrate and selectively etched to form a triple layer of an upper insulating film, a first gate electrode, and an oxide film / nitride film / oxide film. Forming a sidewall insulating film on a side of the first gate electrode, forming a gate oxide film on the semiconductor substrate, forming second and third gate electrodes on a side of the sidewall insulating film on the gate oxide film, the second And forming a source region and a drain region by doping impurity ions to the semiconductor substrate using the first to third gate electrodes and the sidewall insulating layer as a mask.

이 때, 상기 제2 및 제3 게이트 전극 위에 층간 절연막을 형성하는 단계, 상기 제1 내지 제3 게이트 전극 상기 소스 및 드레인 영역을 노출하는 비아홀을 형성하는 단계, 상기 비아홀을 채우는 플러그를 형성하는 단계, 상기 층간 절연막 위에 배선을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있고, 상기 제1 및 제3 절연막은 산화막이고, 상기 제2 및 제4 절연막은 질화막인 것이 바람직하다.In this case, forming an interlayer insulating film on the second and third gate electrodes, forming a via hole exposing the source and drain regions of the first to third gate electrodes, and forming a plug filling the via hole. The method may further include forming a wiring on the interlayer insulating film, wherein the first and third insulating films are oxide films, and the second and fourth insulating films are nitride films.

첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.DETAILED DESCRIPTION Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.In the drawings, the thickness of layers, films, panels, regions, etc., are exaggerated for clarity. Like parts are designated by like reference numerals throughout the specification. When a part of a layer, film, region, plate, etc. is said to be "on" another part, this includes not only the other part being "right over" but also another part in the middle. On the contrary, when a part is "just above" another part, there is no other part in the middle.

이제 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.A semiconductor device according to an embodiment of the present invention will now be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 비휘발성 메모리의 SONOS 셀의 단면도이다.3 is a cross-sectional view of a SONOS cell of a nonvolatile memory in accordance with an embodiment of the present invention.

반도체 기판(10)의 상부에 N형 불순물로 도핑되어 있는 소스 영역(11)과 드레인 영역(12)이 형성되어 있다.The source region 11 and the drain region 12 doped with N-type impurities are formed on the semiconductor substrate 10.

반도체 기판(10)의 표면에 게이트 산화막(21)과 제1 산화막(31), 질화막(32) 및 제2 산화막(33)으로 이루어진 ONO(Oxide-Nitride_Oxide) 3중층이 형성되어 있다. 또, 게이트 산화막(21)과 ONO 3중층 사이의 반도체 기판(10) 표면에는 측벽 절연막(71)이 형성되어 있다. The triple layer of ONO (Oxide-Nitride_Oxide) formed of the gate oxide film 21, the first oxide film 31, the nitride film 32, and the second oxide film 33 is formed on the surface of the semiconductor substrate 10. A sidewall insulating film 71 is formed on the surface of the semiconductor substrate 10 between the gate oxide film 21 and the ONO triple layer.

여기서, 소스 영역(11)과 드레인 영역(12)의 위에는 게이트 산화막(21)이 배치되어 있고, ONO 3중층은 소스 영역(11)과 드레인 영역(12)의 사이에 형성되어 있다.Here, the gate oxide film 21 is disposed on the source region 11 and the drain region 12, and the ONO triple layer is formed between the source region 11 and the drain region 12.

ONO 3중층의 위에는 다결정 규소나 금속으로 이루어진 SONOS 게이트 전극(43)이 형성되어 있다. SONOS 게이트 전극(43)의 측면은 측벽 절연막(71)이 감싸고 있고, SONOS 게이트 전극(43)의 위에는 상부 절연막(72)이 형성되어 있다. A SONOS gate electrode 43 made of polycrystalline silicon or a metal is formed on the ONO triple layer. The side surface of the SONOS gate electrode 43 is surrounded by the sidewall insulating film 71, and the upper insulating film 72 is formed on the SONOS gate electrode 43.

게이트 산화막(21)의 위에는 리콜 게이트 전극(41)과 패스 게이트 전극(42)이 측벽 절연막(71)의 측면에 밀착하여 형성되어 있다. 상기 전극들은 다결정 규소 또는 금속으로 이루어질 수 있다. 상기 3중 게이트 구조는 다수개의 트랜지스터를 갖는 반도체 소자에서 소자의 종류나 게이트의 종류 및 배열에 상관없이 다양하게 측면에 절연막을 경계로 다수개가 형성됨으로써 소자의 면적을 감소시킬 수 있다.On the gate oxide film 21, a recall gate electrode 41 and a pass gate electrode 42 are formed in close contact with the side surface of the sidewall insulating film 71. The electrodes may be made of polycrystalline silicon or metal. In the semiconductor device having a plurality of transistors, the triple gate structure may reduce the area of the device by forming a plurality of gates on the side of the semiconductor device regardless of the type of the device, the type of the gate, and the arrangement of the gates.

리콜 게이트 전극(41)과 패스 게이트 전극(42) 및 상부 절연막(72)의 위에는 층간 절연막(50)이 형성되어 있다. An interlayer insulating film 50 is formed on the recall gate electrode 41, the pass gate electrode 42, and the upper insulating film 72.

여기서, 리콜 게이트 전극(41)과 패스 게이트 전극(42)은 층간 절연막(50)에 형성되어 있는 비아(61, 62)를 통하여 층간 절연막(50) 위에 형성되어 있는 배선(도시하지 않음)과 연결되어 있고, SONOS 게이트 전극(41)은 층간 절연막(50)과 상부 절연막(72)을 관통하는 비아(63)를 통하여 층간 절연막(50) 위에 배선(도시하지 않음)과 연결되어 있다. 또, 소스 영역(11)과 드레인 영역(12)은 층간 절연막(50)과 게이트 산화막(21)을 관통하는 비아(64, 65)를 통하여 층간 절연막(50) 위에 형성되어 있는 배선(도시하지 않음)과 연결되어 있다.Here, the recall gate electrode 41 and the pass gate electrode 42 are connected to a wiring (not shown) formed on the interlayer insulating layer 50 through vias 61 and 62 formed in the interlayer insulating layer 50. The SONOS gate electrode 41 is connected to a wiring (not shown) on the interlayer insulating film 50 through a via 63 passing through the interlayer insulating film 50 and the upper insulating film 72. The source region 11 and the drain region 12 are wirings (not shown) formed on the interlayer insulating film 50 through vias 64 and 65 passing through the interlayer insulating film 50 and the gate oxide film 21. )

이러한 구조로 SONOS 셀을 형성하면, 리콜 및 패스 게이트(41, 42)와 SONOS 게이트(43)의 사이에 측벽 절연막(71) 하나만 존재하므로 SONOS 셀이 차지하는 면적이 종래에 비하여 감소한다. 또한 리콜 및 패스 게이트(41, 42)가 측벽 절연막(71)의 측면에 측벽 형태로 밀착 형성되므로 SONOS 셀이 차지하는 면적이 종래에 비하여 감소한다. When the SONOS cell is formed in such a structure, since only one sidewall insulating film 71 exists between the recall and pass gates 41 and 42 and the SONOS gate 43, the area occupied by the SONOS cell is reduced compared with the prior art. In addition, since the recall and pass gates 41 and 42 are formed in close contact with the sidewall insulating film 71 in the form of sidewalls, the area occupied by the SONOS cell is reduced compared with the prior art.

이러한 구조에서, 패스 게이트 전극(43)에 소정의 고전압(H)을 걸어주고 드레인 영역(12)에 소정의 저전압(L)을 걸어주면, SONOS 게이트 전극(42) 아래의 반도체 기판(10)은 저전압이 되어 SONOS 게이트 전극(42)에 걸어준 프로그램 전압의 대부분이 ONO 3중층에 걸리게 된다. 이로 인해 반도체 기판(10) 표면에 모인 전자들이 ONO 3중층의 하부 터널 산화막(31)을 터널링하여 ONO 3중층의 질화막(32)에 트랩핑(trapping)되는 프로그램 동작이 발생하고, 이렇게 트랩된 전자들이 SONOS 트랜지스터의 문턱 전압을 높인다.In such a structure, when a predetermined high voltage H is applied to the pass gate electrode 43 and a predetermined low voltage L is applied to the drain region 12, the semiconductor substrate 10 under the SONOS gate electrode 42 is formed. The low voltage causes most of the program voltage applied to the SONOS gate electrode 42 to be applied to the ONO triple layer. As a result, a program operation occurs in which electrons collected on the surface of the semiconductor substrate 10 tunnel through the lower tunnel oxide film 31 of the ONO triple layer to be trapped by the nitride film 32 of the ONO triple layer. Increase the threshold voltage of the SONOS transistor.

한편, 패스 게이트 전극(43)과 드레인 영역(12) 모두에 고전압(H)을 걸어주면 패스 게이트 하부의 채널이 오프(off) 상태로 된다. 이 상태에서는 SONOS 게이트 전극(42)에 걸어준 프로그램 전압에 의하여 SONOS 게이트 전극 하부의 반도체 기판(10)이 딥 디플리션(deep depletion) 상태에 놓이게 된다. 이러한 딥 디플리션 상태에서는 SONOS 게이트에 걸어준 프로그램 전압이 대부분 딥 디플리션 영역에 걸리고 ONO 3중층에는 전계가 거의 인가되지 않기 때문에 전자가 터널 산화막을 터널링하여 질화막에 트래핑되는 프로그램 동작이 발생하지 않는다. 이러한 현상을 DWI(Dynamic Write Inhibition)라 부른다.On the other hand, when the high voltage H is applied to both the pass gate electrode 43 and the drain region 12, the channel under the pass gate is turned off. In this state, the semiconductor substrate 10 under the SONOS gate electrode is placed in a deep depletion state by a program voltage applied to the SONOS gate electrode 42. In this deep depletion state, most of the program voltage applied to the SONOS gate is applied to the deep depletion region, and almost no electric field is applied to the ONO triple layer. Therefore, a program operation in which electrons tunnel through the tunnel oxide film and traps the nitride film does not occur. Do not. This phenomenon is called DWI (Dynamic Write Inhibition).

본 발명에 따른 반도체 소자는 질화막의 전자 트래핑에 의한 문턱 전압 상승과 DWI로 인한 현상 유지 현상을 이용하여 정보를 저장한다.The semiconductor device according to the present invention stores information by using a threshold voltage increase due to electron trapping of a nitride film and a phenomenon maintaining phenomenon due to DWI.

도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 제조 공정 단면도이다.4A through 4E are cross-sectional views illustrating a process of manufacturing a semiconductor device in accordance with an embodiment of the present invention.

먼저, 반도체 기판(10) 위에 LOCOS(local oxidation silicon) 또는 STI(shallow trench isolation) 방식을 이용하여 활성 영역을 정의하는 소자 분리 영역(도시하지 않음)을 형성한다. LOCOS 방식은 기판(10)의 소정 영역을 산화시켜 소자 분리 영역을 형성하는 방식이고, STI 방식은 기판에 트렌치를 형성한 후 절연 물질을 채워 소자 분리 영역을 형성하는 방식이다.First, an isolation region (not shown) defining an active region is formed on the semiconductor substrate 10 by using a local oxidation silicon (LOCOS) or shallow trench isolation (STI) scheme. The LOCOS method forms a device isolation region by oxidizing a predetermined region of the substrate 10. The STI method forms a device isolation region by forming a trench in the substrate and then filling an insulating material.

다음, 반도체 기판(10)의 활성 영역 위에 제1 산화막(31), 제1 질화막(32), 제2 산화막(33), 다결정 규소막, 제2 질화막을 순차적으로 적층한다. Next, the first oxide film 31, the first nitride film 32, the second oxide film 33, the polycrystalline silicon film, and the second nitride film are sequentially stacked on the active region of the semiconductor substrate 10.

제1 산화막(31)은 반도체 기판(10)을 산화(oxidation)시켜 15~30Å의 두께로 형성하고 제2 산화막(33)은 CVD(chemical vapor deposition : 이하 CVD라 함) 등의 방법으로 증착하여 형성한다. 그리고 제1 질화막(32)과 제2 질화막은 CVD 방법으로 증착하여 각각 60~200Å, 500~1,500Å의 두께로 형성한다. 또한, 금속 게이트 또는 다결정 규소막은 도핑된 다결정 규소를 CVD 등의 방법으로 증착하여 1,000~3,000Å의 두께로 형성한다. The first oxide film 31 is formed by oxidizing the semiconductor substrate 10 to a thickness of 15 to 30 μm, and the second oxide film 33 is deposited by a method such as CVD (chemical vapor deposition). Form. The first nitride film 32 and the second nitride film are deposited by CVD to form a thickness of 60 to 200 mW and 500 to 1,500 mW, respectively. In addition, the metal gate or the polycrystalline silicon film is formed by depositing the doped polycrystalline silicon by a method such as CVD to a thickness of 1,000 ~ 3,000Å.

다음, 제2 질화막 위에 감광막 패턴을 형성한 후, 감광막 패턴을 식각 마스크로 하여 제2 질화막 및 다결정 규소막을 플라즈마를 이용하는 건식 식각 방법을 사용하여 식각함으로써, 도 4a에 도시한 바와 같이, 상부 절연막(72) 및 SONOS 게이트 전극(43)을 형성한다. Next, after the photoresist pattern is formed on the second nitride film, the second nitride film and the polysilicon film are etched using a dry etching method using plasma using the photoresist pattern as an etch mask. 72 and a SONOS gate electrode 43.

이어서, 도 4b에 도시한 바와 같이, 상부 절연막(72) 및 SONOS 게이트 전극(43) 형성을 위하여 사용한 감광막 패턴을 식각 마스크로 사용하여 ONO 3중층(31, 32, 33)을 식각한다.4B, the ONO triple layers 31, 32, and 33 are etched using the photoresist pattern used for forming the upper insulating film 72 and the SONOS gate electrode 43 as an etching mask.

도 4c에 나타낸 바와 같이, 산화막을 증착하고 선택적 식각 방법으로 패터닝(patterning)하여 측벽 절연막(71)을 형성한다.As shown in FIG. 4C, an oxide film is deposited and patterned by a selective etching method to form a sidewall insulating film 71.

측벽 절연막(71)은 SONOS 게이트 전극(43)에 고전압이 인가되더라도 파괴되지 않도록 하기 위하여 5~300Å의 두께를 가지도록 형성한다. The sidewall insulating layer 71 is formed to have a thickness of 5 to 300 kV so as not to be destroyed even when a high voltage is applied to the SONOS gate electrode 43.

다음, 도 4d에 나타낸 바와 같이, 반도체 기판(10) 표면을 산화하여 게이트 산화막(21)을 형성한다. 소스, 드레인 영역 및 게이트 전극 등에 가해지는 전압에 의하여 파괴되지 않도록 20~200Å의 범위로 형성한다. Next, as shown in FIG. 4D, the surface of the semiconductor substrate 10 is oxidized to form a gate oxide film 21. It is formed in a range of 20 to 200 kHz so as not to be destroyed by voltages applied to the source, the drain region, the gate electrode and the like.

이어서, 도 4e에 나타낸 바와 같이, 게이트 산화막(21) 위에 다결정 규소막을 1,000~3,000Å의 두께로 형성한 후, 선택적 식각 공정을 사용하여 건식 식각함으로써 측벽 절연막(71)의 측면에 밀착되어 있는 리콜 게이트 전극(41)과 패스 게이트 전극(42)을 형성한다. Subsequently, as shown in FIG. 4E, the polysilicon film is formed on the gate oxide film 21 to a thickness of 1,000 to 3,000 kPa, and then the dry etching is performed using a selective etching process to closely adhere to the side surface of the sidewall insulating film 71. The gate electrode 41 and the pass gate electrode 42 are formed.

도 4f에 도시한 바와 같이, 게이트 전극(41, 42, 43) 및 측벽 절연막(71)을 자기 정렬 마스크로 하여 활성 영역에 N형 불순물 이온을 도핑하여 소스 영역(11) 및 드레인 영역(12)을 형성한다. As shown in FIG. 4F, the source region 11 and the drain region 12 are doped by doping N-type impurity ions into the active region using the gate electrodes 41, 42, 43, and the sidewall insulating layer 71 as a self-aligning mask. To form.

소스 영역(11) 및 드레인 영역(12)을 형성하기 전에 저농도 도핑 영역(도시하지 않음)을 형성하는 공정이 추가될 수 있다. 저농도 도핑 영역을 형성하기 위해서는 먼저 반도체 기판(10)의 활성 영역에 불순물 이온을 저농도로 도핑하고, 리콜 게이트 전극(41)과 패스 게이트 전극(42)의 측벽에 소정의 두께를 가지는 스페이서를 형성한다. 이후 활성 영역에 소스 및 드레인 영역 형성을 위한 불순물 도핑 공정을 실시한다. 이렇게 하면 스페이서의 하부에만 저농도 도핑 영역이 형성된다. A process of forming a lightly doped region (not shown) may be added before forming the source region 11 and the drain region 12. To form a low concentration doped region, first, dopant ions are lightly doped in an active region of the semiconductor substrate 10, and spacers having a predetermined thickness are formed on sidewalls of the recall gate electrode 41 and the pass gate electrode 42. . Thereafter, an impurity doping process for forming source and drain regions is performed in the active region. This forms a lightly doped region only under the spacer.

다음, 도 3에 나타낸 바와 같이, PE-TEOS, FSG, USG 등의 절연 물질로 층간 절연막(50)을 형성한 후 소스 영역(11) 및 드레인 영역(12)을 노출하는 비아홀과 게이트 전극(41, 42, 43)을 각각 노출하는 비아홀을 형성한다. 비아홀에는 텅스텐 등의 금속을 채워 플러그를 형성함으로써 비아를 완성한다.Next, as shown in FIG. 3, after the interlayer insulating film 50 is formed of an insulating material such as PE-TEOS, FSG, USG, the via hole and the gate electrode 41 exposing the source region 11 and the drain region 12. To form via holes exposing 42, 43 respectively. The via hole is filled with metal such as tungsten to form a plug to complete the via.

이후 층간 절연막(50) 위에 금속막을 형성한 후 선택적 식각 공정으로 금속막을 패터닝하여 비아(61, 62, 63, 64, 65)와 연결되는 금속 배선층을 형성한다. 이후 필요에 따라 층간 절연막과 금속 배선층을 몇 층 더 형성할 수 있다. Thereafter, a metal film is formed on the interlayer insulating film 50, and then the metal film is patterned by a selective etching process to form a metal wiring layer connected to the vias 61, 62, 63, 64, and 65. Thereafter, several more interlayer insulating films and metal wiring layers may be formed.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements of those skilled in the art using the basic concepts of the present invention defined in the following claims are also provided. It belongs to the scope of rights.

본 발명의 실시예에 따르면 리콜 및 패스 게이트와 SONOS 게이트의 사이에 측벽 절연막 하나만 존재하고, 리콜 및 패스 게이트가 측벽 절연막의 측면에 측벽 형태로 밀착 형성되므로 SONOS 셀이 차지하는 면적이 종래에 비하여 감소한다. According to an embodiment of the present invention, since only one sidewall insulating film exists between the recall and pass gate and the SONOS gate, and the recall and pass gate are formed in close contact with the sidewall insulating film, the area occupied by the SONOS cell is reduced. .

도 1과 도 2는 종래의 기술에 따른 비휘발성 메모리의 SONOS 셀의 단면도이다.1 and 2 are cross-sectional views of SONOS cells of a nonvolatile memory according to the prior art.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 비휘발성 메모리의 SONOS 셀의 단면도이다.3 is a cross-sectional view of a SONOS cell of a nonvolatile memory in accordance with an embodiment of the present invention.

도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 실시예에 따른 비휘발성 메모리의 제조 공정 단면도이다.4A through 4F are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of a nonvolatile memory in accordance with an embodiment of the present invention.

Claims (10)

삭제delete 삭제delete 소소 영역 및 드레인 영역을 가지는 반도체 기판,A semiconductor substrate having a source region and a drain region, 상기 반도체 기판의 상기 소스 영역 및 드레인 영역 위에 형성되어 있는 게이트 절연막,A gate insulating film formed on the source region and the drain region of the semiconductor substrate, 상기 반도체 기판 위의 상기 소스 영역과 상기 드레인 영역 사이에 형성되어 있는 산화막/질화막/산화막 삼중층,An oxide film / nitride film / oxide film triple layer formed between the source region and the drain region on the semiconductor substrate, 상기 산화막/질화막/산화막 삼중층 위에 형성되어 있는 SONOS 게이트 전극,A SONOS gate electrode formed on the oxide layer / nitride layer / oxide layer triple layer; 상기 SONOS 게이트 전극의 측면에 형성되어 있는 측벽 절연막,A sidewall insulating film formed on a side of the SONOS gate electrode, 상기 게이트 산화막 위에 형성되어 있으며 상기 측벽 절연막의 측면에 형성되어 있는 제2 및 제3 게이트 전극Second and third gate electrodes formed on the gate oxide layer and formed on side surfaces of the sidewall insulating layer. 을 포함하는 반도체 소자.Semiconductor device comprising a. 제3항에서,In claim 3, 상기 제1 게이트 전극 위에 형성되어 있는 상부 절연막,An upper insulating film formed on the first gate electrode, 상기 상부 절연막, 상기 제1 및 제2 게이트 전극 위에 형성되어 있는 층간 절연막,An interlayer insulating layer formed on the upper insulating layer, the first and second gate electrodes, 상기 층간 절연막 위에 형성되어 있는 배선,Wiring formed on the interlayer insulating film, 상기 소스 영역, 상기 드레인 영역 및 상기 제1 내지 제3 게이트 전극과 상기 배선을 연결하는 복수의 비아A plurality of vias connecting the source region, the drain region, and the first to third gate electrodes to the wiring; 를 더 포함하는 반도체 소자. A semiconductor device further comprising. 제4항에서,In claim 4, 상기 측벽 절연막은 상기 게이트 산화막과 상기 산화막/질화막/산화막 삼중층의 사이의 반도체 기판 표면과 접하고 있는 반도체 소자.And the sidewall insulating film is in contact with a semiconductor substrate surface between the gate oxide film and the oxide film / nitride film / oxide film triple layer. 제4항에서,In claim 4, 상기 상부 절연막은 질화막인 반도체 소자.The upper insulating film is a semiconductor device. 반도체 기판 위에 제1 내지 제3 절연막, 다결정 규소막 및 제4 절연막을 적층하고 선택적으로 식각하여 상부 절연막, 제1 게이트 전극 및 산화막/질화막/산화막의 삼중층을 형성하는 단계,Stacking and selectively etching the first to third insulating films, the polycrystalline silicon film, and the fourth insulating film on the semiconductor substrate to form a triple layer of the upper insulating film, the first gate electrode, and the oxide film / nitride film / oxide film, 상기 제1 게이트 전극의 측면에 측벽 절연막을 형성하는 단계,Forming a sidewall insulating film on a side of the first gate electrode; 상기 반도체 기판 위에 게이트 절연막을 형성하는 단계,Forming a gate insulating film on the semiconductor substrate, 상기 게이트 산화막 위의 상기 측벽 절연막의 측면에 제2 및 제3 게이트 전극을 형성하는 단계,Forming second and third gate electrodes on side surfaces of the sidewall insulating film over the gate oxide film, 상기 제1 내지 제3 게이트 전극과 상기 측벽 절연막을 마스크로 하여 상기 반도체 기판에 불순물 이온을 도핑함으로써 소스 영역 및 드레인 영역을 형성하는 단계Forming a source region and a drain region by doping impurity ions to the semiconductor substrate using the first to third gate electrodes and the sidewall insulating layer as a mask; 를 포함하는 반도체 소자의 제조 방법.Method for manufacturing a semiconductor device comprising a. 제7항에서,In claim 7, 상기 제2 및 제3 게이트 전극 위에 층간 절연막을 형성하는 단계,Forming an interlayer insulating film on the second and third gate electrodes, 상기 제1 내지 제3 게이트 전극 상기 소스 및 드레인 영역을 노출하는 비아홀을 형성하는 단계,Forming a via hole exposing the source and drain regions of the first to third gate electrodes; 상기 비아홀을 채우는 플러그를 형성하는 단계,Forming a plug filling the via hole; 상기 층간 절연막 위에 배선을 형성하는 단계Forming a wire on the interlayer insulating film 를 더 포함하는 반도체 소자의 제조 방법.Method of manufacturing a semiconductor device further comprising. 제8항에서,In claim 8, 상기 제1 및 제3 절연막과 제2 및 제4 절연막은 산화막 또는 질화막으로 교대로 형성된 반도체 소자의 제조 방법.And the first and third insulating layers and the second and fourth insulating layers are alternately formed of an oxide film or a nitride film. 제7항에서,In claim 7, 상기 측벽 절연막은 5~300Å인 반도체 소자의 제조 방법.The sidewall insulating film is a semiconductor device manufacturing method of 5 ~ 300Å.
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