KR100660022B1 - 2-bit non-volatile memory device and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
2-비트 불휘발성 메모리 장치에 있어서, 기판의 표면 부위에 형성된 리세스에 의해 분리되고 제1 방향을 따라 연장하는 비트 라인으로 각각 기능하는 제1 불순물 영역 및 제2 불순물 영역이 형성된다. 리세스에 의해 분리된 제1 및 제2 불순물 영역 상에 제1 절연막 패턴이 형성된다. 리세스 내부의 측면들 및 저면 상에 제2 절연막이 형성된다. 제1 및 제2 불순물 영역에 각각 인접하는 제2 절연막의 측면들 상에 제1 전하트랩핑 스페이서 및 제2 전하트랩핑 스페이서가 형성된다. 제1 및 제2 전하트랩핑 스페이서 상에 제3 절연막이 형성된다. 제1 및 제2 불순물 영역과 전기적으로 절연되도록 제1 및 제3 절연막 상에 리세스를 매립하며, 제1 방향에 대하여 수직하는 제2 방향으로 연장하는 워드 라인으로 기능하는 게이트 전극이 형성된다. 이와 같이 전하트랩핑 스페이서들이 각각의 전하 저장 영역을 가짐으로서 2-비트 정보를 저장하는 저장 노드의 역할을 할 수 있다.In a 2-bit nonvolatile memory device, a first impurity region and a second impurity region are formed which are separated by a recess formed in a surface portion of a substrate and function as bit lines extending along a first direction, respectively. The first insulating film pattern is formed on the first and second impurity regions separated by the recesses. A second insulating film is formed on the side surfaces and the bottom surface of the recess. First charge trapping spacers and second charge trapping spacers are formed on side surfaces of the second insulating layer adjacent to the first and second impurity regions, respectively. A third insulating film is formed on the first and second charge trapping spacers. A gate electrode is formed on the first and third insulating layers so as to be electrically insulated from the first and second impurity regions, and serves as a word line extending in a second direction perpendicular to the first direction. As such, the charge trapping spacers have respective charge storage regions, and thus may serve as storage nodes for storing 2-bit information.
Description
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 2-비트 불휘발성 메모리 장치를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.1 is a schematic cross-sectional view for describing a 2-bit nonvolatile memory device according to a first embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 2-비트 불휘발성 메모리 장치를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.2 is a schematic cross-sectional view for describing a 2-bit nonvolatile memory device according to a second embodiment of the present invention.
도 3은 도 1 및 도2 에 도시된 2-비트 불휘발성 메모리 장치의 전기적 등가 회로도이다.3 is an electrical equivalent circuit diagram of the 2-bit nonvolatile memory device illustrated in FIGS. 1 and 2.
도 4는 도 1 및 도 2에 도시된 2-비트 불휘발성 메모리 장치를 설명하기 위한 평면도이다.FIG. 4 is a plan view illustrating the 2-bit nonvolatile memory device illustrated in FIGS. 1 and 2.
도 5 내지 도 9는 본 발명의 제1실시예에 따른 2-비트 불휘발성 메모리 장치를 제조하는 단계를 설명하기 위한 단면도들 및 평면도들이다.5 through 9 are cross-sectional views and plan views illustrating a process of manufacturing a 2-bit nonvolatile memory device according to a first embodiment of the present invention.
도 10은 본 발명의 제2실시예에 따른 2-비트 불휘발성 메모리 장치를 제조하는 단계를 설명하기 위한 단면도이다.10 is a cross-sectional view for describing a step of manufacturing a 2-bit nonvolatile memory device according to the second embodiment of the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
10 : 반도체 기판 20 : 리세스10: semiconductor substrate 20: recess
30 : 채널 100, 200 : 2-비트 불휘발성 메모리 장치30:
104 : 게이트 전극 106 : 워드 라인104: gate electrode 106: word line
107, 108, 109 : 비트 라인 110 : 복합 절연막107, 108, 109: bit line 110: composite insulating film
112 : 제2절연막 114a, 114b : 제1및 제2 전하트랩핑스페이서112: second
116 : 제3절연막 118 : 제4절연막116: third insulating film 118: fourth insulating film
120 : 불순물층 122 : 제1불순물 영역120
124 : 제2불순물 영역 132 : 제1절연막124: second impurity region 132: first insulating film
134 : 제1절연막 패턴 A : 제1전하 저장 영역134: first insulating film pattern A: first charge storage region
B : 제2전하 저장 영역 T : 단위 트랜지스터B: second charge storage region T: unit transistor
본 발명은 불휘발성 메모리 장치(non-volatile memory device)에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 2-비트 불휘발성 메모리 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a non-volatile memory device. More specifically, it relates to a 2-bit nonvolatile memory device.
반도체 메모리 장치는 DRAM(dynamic random access memory) 및 SRAM(static random access memory)과 같이 데이터의 입·출력이 상대적으로 빠른 반면, 시간이 경과됨에 따라 데이터가 소실되는 휘발성(volatile) 메모리 장치와, ROM(read only memory)과 같이 데이터의 입·출력이 상대적으로 느리지만, 데이터를 영구 저장이 가능한 불휘발성(non-volatile) 메모리 장치로 구분될 수 있다. 상기 불휘발성 메모리 장치의 경우, 전기적으로 데이터의 입·출력이 가능한 EEPROM(electrically erasable programmable read only memory) 또는 플래시 EEPROM 메모리에 대한 수요 가 늘고 있다. 상기 플래시 EEPROM 메모리 장치는 F-N 터널링(Fowler-Nordheim tunneling) 또는 채널 열전자 주입(channel hot electron injection)을 이용하여 전기적으로 데이터의 프로그래밍(programming) 및 소거(erasing)를 수행한다. 상기 플래시 메모리 장치는 플로팅 게이트 타입의 불휘발성 메모리 장치와 SONOS 타입의 불휘발성 메모리 장치로 크게 구분될 수 있다.Semiconductor memory devices, such as dynamic random access memory (DRAM) and static random access memory (SRAM), have relatively fast data input and output, while volatile memory devices lose data over time, and ROM Although data input and output is relatively slow, such as read only memory, it can be classified as a non-volatile memory device that can store data permanently. In the case of the nonvolatile memory device, there is an increasing demand for an electrically erasable programmable read only memory (EEPROM) or a flash EEPROM memory capable of electrically inputting / outputting data. The flash EEPROM memory device electrically performs programming and erasing of data using F-N tunneling or channel hot electron injection. The flash memory device may be classified into a floating gate type nonvolatile memory device and a SONOS type nonvolatile memory device.
최근, 반도체 장치의 집적도 향상에 대한 요구에 부응하여 다양한 시도들이 수행되고 있으며, 이에 대한 일 예로써, 미합중국 특허 제5,834,808호(issued to Tsukiji)에는 하나의 컨트롤 게이트와 두 개의 플로팅 게이트를 갖는 불휘발성 메모리 장치가 개시되어 있고, 미합중국 특허 제6,649,972호(issued to Eitan)에는 기판에 형성된 두 개의 확산 영역과 그들 사이에 형성된 채널과 ONO(oxide-nitride-oxide)막을 포함하는 2-비트 불휘발성 반도체 메모리 셀이 개시되어 있다. 상기 미합중국 특허 제6,649,972호에 따르면, 상기 ONO막은 제1산화막, 질화막 및 제2산화막을 포함하며, 상기 질화막은 100Å 이하의 두께를 가지며 두 개의 전하 저장 영역을 갖는다.Recently, various attempts have been made in response to the demand for improving the integration density of semiconductor devices. For example, US Patent No. 5,834,808 (issued to Tsukiji) has a nonvolatile device having one control gate and two floating gates. A memory device is disclosed, and US Pat. No. 6,649,972 (issued to Eitan) includes a two-bit nonvolatile semiconductor memory comprising two diffusion regions formed in a substrate, a channel formed between them, and an oxide-nitride-oxide (ONO) film. A cell is disclosed. According to US Pat. No. 6,649,972, the ONO film includes a first oxide film, a nitride film, and a second oxide film, the nitride film having a thickness of less than 100 GPa and two charge storage regions.
그러나, 상기와 같은 시도들에도 불구하고, 반도체 장치의 집적도 향상에 대한 요구는 여전히 존재하며, 상기 특허들의 경우, 플로팅 게이트의 구조 또는 데이터 저장막으로 사용되는 질화막의 사용 방법 등을 개선하여 불휘발성 메모리 장치의 데이터 집적도(storage density of data)를 향상시키고 있으나, 상기 플로팅 게이트 및 질화막이 수평 방향으로 형성되기 때문에 상기 불휘발성 메모리 장치의 크기 축소는 매우 제한적일 수밖에 없다.However, despite such attempts, there is still a need for improving the integration density of semiconductor devices, and in the case of the above patents, non-volatile by improving the structure of the floating gate or the method of using the nitride film used as the data storage film Although the storage density of data of the memory device is improved, the size reduction of the nonvolatile memory device is very limited since the floating gate and the nitride film are formed in the horizontal direction.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 제1목적은 향상된 데이터 집적도를 갖고, 셀 크기를 감소시킬 수 있는 2-비트 불휘발성 메모리 장치를 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION A first object of the present invention for solving the above problems is to provide a 2-bit nonvolatile memory device having improved data density and capable of reducing cell size.
본 발명의 제2목적은 상술한 바와 같은 불휘발성 메모리 장치를 제조하는 방법을 제공하는데 있다.A second object of the present invention is to provide a method of manufacturing the nonvolatile memory device as described above.
상기 제1목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1실시예에 따른 2-비트 불휘발성 메모리 장치는, 기판의 표면 부위에 형성된 리세스에 의해 분리되고 상기 반도체 기판을 가로지르는 제1 방향을 따라 연장하는 비트 라인으로 각각 기능하는 제1 불순물 영역 및 제2 불순물 영역과, 상기 리세스에 의해 분리된 제1 및 제2 불순물 영역 상에 구비되는 제1 절연막 패턴과, 상기 리세스 내부의 측면들 및 저면 상에 형성된 제2 절연막과, 상기 제1 및 상기 제2 불순물 영역에 각각 인접하는 제2 절연막의 측면들 상에 형성되는 제1 전하트랩핑 스페이서 및 제2 전하트랩핑 스페이서와, 상기 제1 및 제2 전하트랩핑 스페이서 상에 형성된 제3 절연막과, 상기 제1 및 제2 불순물 영역과 전기적으로 절연되도록 상기 제1 및 제3 절연막 상에 상기 리세스를 매립하며 상기 제1 방향에 대하여 실질적으로 수직하는 제2 방향으로 연장하는 워드 라인으로 기능하는 게이트 전극을 포함한다.A 2-bit nonvolatile memory device according to a first embodiment of the present invention for achieving the first object is separated by a recess formed in a surface portion of a substrate and extends in a first direction crossing the semiconductor substrate. A first impurity region and a second impurity region each functioning as a bit line, a first insulating layer pattern provided on the first and second impurity regions separated by the recess, side surfaces of the recess, and A second insulating film formed on the bottom surface, a first charge trapping spacer and a second charge trapping spacer formed on side surfaces of the second insulating film adjacent to the first and second impurity regions, respectively, and the first And a third insulating film formed on the second charge trapping spacer, and filling the recess on the first and third insulating films so as to be electrically insulated from the first and second impurity regions. And a gate electrode functioning as a word line extending in a second direction substantially perpendicular to the second direction.
상기 제1목적을 달성하기 위한 본 발명의 제2실시예에 따른 2-비트 불휘발성 메모리 장치는, 기판의 표면 부위에 형성된 리세스에 의해 분리되고 상기 반도체 기판을 가로지르는 제1 방향을 따라 연장하는 비트 라인들로 각각 기능하는 제1 불순물 영역 및 제2 불순물 영역과, 상기 리세스에 의해 분리된 제1 및 제2 불순물 영역 상에 구비되는 제1 절연막 패턴과, 상기 리세스의 측면들과 인접하여 형성된 제1 전하트랩핑 스페이서 및 제2 전하트랩핑 스페이서와, 상기 리세스의 측면들 및 저면, 상기 제1 및 제2 전하트랩핑 스페이서 사이에 형성된 제2 절연막과, 상기 제1 및 상기 제2 전하트랩핑 스페이서 상에 형성된 제3 절연막과, 상기 제1 및 상기 제2 전하트랩핑 스페이서 사이에서 상기 리세스의 저면 상에 형성된 제4 절연막과, 상기 제1 및 제2 불순물 영역과 전기적으로 절연되도록 상기 제1 및 제3 절연막 상에 상기 리세스를 매립하며 상기 제1 방향에 대하여 실질적으로 수직하는 제2 방향으로 연장하는 워드 라인으로 기능하는 게이트 전극을 포함한다.A 2-bit nonvolatile memory device according to a second embodiment of the present invention for achieving the first object is separated by a recess formed in a surface portion of a substrate and extends along a first direction across the semiconductor substrate. A first impurity region and a second impurity region respectively functioning as bit lines, a first insulating layer pattern provided on the first and second impurity regions separated by the recess, and side surfaces of the recess; A first charge trapping spacer and a second charge trapping spacer formed adjacent to each other, a side surface and a bottom of the recess, a second insulating film formed between the first and second charge trapping spacers, and the first and the A third insulating film formed on a second charge trapping spacer, a fourth insulating film formed on a bottom surface of the recess between the first and second charge trapping spacers, and the first and second impurity regions And electrically so that embedding the recesses on the first and the third insulating film, and insulated from the gate electrode serving as a word line extending in a second direction substantially perpendicular to the first direction.
상기 제1 및 제2 전하트랩핑 스페이서는 실리콘 질화물(SiN), 비정질 실리콘(amorphous-Si), 폴리 실리콘(poly-Si), 나노크리스탈(nano-crystal) 물질 또는 고유전체(high-K dielectric) 물질 등으로 형성 가능하며, 상기 제1 및 제2 전하트랩핑 스페이서는 30Å 내지 200Å의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 또한, 상기 제2 절연막 및 상기 제3 절연막은 실리콘 산화물이나 고유전체 절연막 등으로 형성하는 것이 바람직하다.The first and second charge trapping spacers may be silicon nitride (SiN), amorphous silicon (amorphous-Si), polysilicon (poly-Si), nano-crystal material, or high-K dielectric. The first and second charge trapping spacers may be formed of a material, or the like, and have a thickness of about 30 μs to about 200 μs. The second insulating film and the third insulating film are preferably formed of silicon oxide, a high dielectric film, or the like.
또한, 상기 제1불순물 영역 및 제2불순물 영역 사이에는 상기 리세스의 표면을 따라 채널이 형성된다.In addition, a channel is formed along the surface of the recess between the first impurity region and the second impurity region.
이로써, 상기 전하트랩핑 스페이서들은 각각 1-비트의 정보를 저장하는 저장 노드(storage node)로 기능하므로, 상기 불휘발성 메모리 장치는 2-비트의 정보를 저장할 수 있다. 따라서, 상기 불휘발성 메모리 장치의 데이터 집적도를 향상시킬 수 있다.Thus, the charge trapping spacers each function as a storage node for storing 1-bit information, so that the nonvolatile memory device can store 2-bit information. Therefore, the data density of the nonvolatile memory device can be improved.
상기 제2목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1실시예에 따른 2-비트 불휘발성 메모리 장치의 제조 방법은, 먼저 기판의 표면 부위에 모포(blanket) 형태의 불순물층을 형성한다. 다음에 상기 기판의 표면 부위에 리세스를 형성하여, 상기 불순물층으로부터 상기 반도체 기판을 기로지르는 제1 방향을 따라 연장하는 비트 라인들로 각각 기능하는 제1 불순물 영역 및 제2 불순물 영역으로 분리시킨다. 이어서, 상기 리세스에 의해 분리된 제1 및 제2 불순물 영역 상에 제1 절연막 패턴을 형성한다. 상기 리세스의 측면들 및 저면 상에 제2 절연막 형성한다. 그리고, 상기 제1 및 제2 불순물 영역에 각각 인접하는 제2 절연막의 측면들 상에 전하를 각각 트랩핑하기 위한 제1 전하트랩핑 스페이서 및 제2 전하트랩핑 스페이서를 형성한다. 상기 제1 및 제2전하트랩핑 스페이서 및 상기 제2 절연막 상에 제3 절연막을 형성한다. 마지막으로, 상기 제1 및 제2 불순물 영역과 전기적으로 절연되도록 상기 제1 및 제3 절연막 상에 상기 리세스를 매립하도록 형성되며, 상기 제1 방향에 대하여 실질적으로 수직하는 제2 방향으로 연장하는 워드 라인으로 기능하는 게이트 전극을 형성하여 2-비트 불휘발성 메모리 장치를 완성한다.In the manufacturing method of the 2-bit nonvolatile memory device according to the first embodiment of the present invention for achieving the second object, first, an impurity layer in the form of a blanket is formed on the surface of the substrate. Next, a recess is formed in a surface portion of the substrate, and is separated from the impurity layer into first impurity regions and second impurity regions respectively functioning as bit lines extending along a first direction across the semiconductor substrate. . Subsequently, a first insulating layer pattern is formed on the first and second impurity regions separated by the recesses. A second insulating film is formed on the side surfaces and the bottom surface of the recess. A first charge trapping spacer and a second charge trapping spacer are formed on the side surfaces of the second insulating layer adjacent to the first and second impurity regions, respectively. A third insulating film is formed on the first and second charge trapping spacers and the second insulating film. Finally, the recess is formed on the first and third insulating layers to be electrically insulated from the first and second impurity regions, and extends in a second direction substantially perpendicular to the first direction. A gate electrode that functions as a word line is formed to complete a 2-bit nonvolatile memory device.
상기 제2목적을 달성하기 위한 본 발명의 제2실시예에 따른 2-비트 불휘발성 메모리 장치의 제조 방법은, 상기 제2절연막 형성 후 상기 제1 및 제2 전하트랩핑 스페이서 사이에 존재하는 상기 리세스 저면 상의 제2 및 제3 절연막을 이방성 식각하여 상기 리세스의 저면을 부분적으로 노출시킨다. 이어서, 상기 노출된 리세스의 저면 상에 제4 절연막을 형성하는 단계를 더 포함한다.A method of manufacturing a 2-bit nonvolatile memory device in accordance with a second embodiment of the present invention for achieving the second object includes: presenting between the first and second charge trapping spacers after forming the second insulating layer. The second and third insulating layers on the bottom of the recess are anisotropically etched to partially expose the bottom of the recess. Subsequently, the method may further include forming a fourth insulating layer on the bottom of the exposed recess.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 2-비트 불휘발성 메모리 장치를 설명하기 위한 개략적인 단면도이고, 도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 2-비트 불휘발성 메모리 장치를 설명하기 위한 개략적인 단면도이고, 도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 2-비트 불휘발성 메모리 장치에서 단위 트랜지스터의 전기적 등가 회로도이며, 도 4는 도 1 및 도 2에 도시된 2-비트 불휘발성 메모리 장치를 설명하기 위한 평면도이다.1 is a schematic cross-sectional view illustrating a 2-bit nonvolatile memory device according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 illustrates a 2-bit nonvolatile memory device according to a second embodiment of the present invention. 3 is an electrical equivalent circuit diagram of a unit transistor in the 2-bit nonvolatile memory device shown in FIGS. 1 and 2, and FIG. 4 is a 2-bit nonvolatile memory shown in FIGS. 1 and 2. It is a top view for demonstrating an apparatus.
도 1, 도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 일 실시예에 따른 2-비트 불휘발성 메모리 장치(100)의 단위 트랜지스터(T)는 실리콘 웨이퍼와 같은 반도체 기판(10)의 표면 부위에 수직 방향으로 형성된 리세스(20) 내에 매립된 게이트 전극(104) 및 상기 게이트 전극(104)과 연결되는 워드 라인(106)을 갖는다. 게이트 전극(104)과 리세스(20)의 측벽들 사이에는 복합 절연막(110)이 형성되어 있고, 리세스(20)의 측면 부위들에는 리세스(20)에 의해 분리된 제1 및 제2불순물 영역(122, 124) 및 제1절연막 패턴(134)이 각각 형성되어 있다. 제1 및 제2불순물 영역(122, 124)은 각각 비트 라인(107, 108)으로 기능한다. 제1절연막 패턴(134)은 실리콘 질화물(SiN)로 형성될 수 있으며, 워드 라인(106)과 비트 라인(107, 108)을 전기적으로 절연시키는 기능을 한다. 상기 불순물 영역(122, 124)과 제1절연막 패턴(134) 사이에는 패드 산화막(130)이 형성될 수 있다. 게이트 전극(104)은 리세스(20) 내에 형성되며, N 타입 또는 P 타입 불순물들을 함유하는 도프트 폴리실리콘(doped poly-Si) 또는 금속으로 이루어질 수 있다.1, 3, and 4, the unit transistor T of the 2-bit
복합 절연막(110)은 터널 산화막(tunnel oxide layer)으로 기능하는 제2절연막(112)과 전하를 각각 트랩핑하기 위한 제1 및 제2전하트랩핑 스페이서(114a, 114b) 및 블록킹 산화막(blocking oxide layer)으로 기능하는 제3절연막(116)을 포함한다. 제2절연막(112)은 상기 리세스(20)의 저면 및 측면들 상에 형성되며, 상기 각각의 전하트랩핑 스페이서(114a, 114b)는 게이트 전극(104)의 측면들과 마주하도록 제2절연막(112) 상에 형성되며, 제3절연막(116)은 전하트랩핑 스페이서들(114a, 114b), 상기 리세스(20) 저면 상의 제2절연막(112) 및 제1절연막 패턴(134) 상에 형성된다. 제1불순물 영역(122)과 제2불순물 영역(124) 사이에는 리세스(20)의 표면을 따라 채널(30)이 형성된다.The composite insulating
상기와 같이, 전하트랩핑 스페이서(114)가 상기 제2 및 제3절연막(112, 116) 사이에 개재되는 경우, 전하트랩핑 스페이서(114)는 실리콘 질화물을 이용하여 30Å 내지 200Å의 두께로 형성되는 것이 바람직하며, 제2 및 제3절연막(112, 116)은 실리콘 산화물 또는 고유전체 절연막으로 형성될 수 있다. 이와는 다르게, 전하트랩핑 스페이서(114)를 비정질 실리콘, 폴리 실리콘, 금속, 나노크리스탈, 고유전체 등으로 이루어진 플로팅 게이트(floating gate)로 형성하여, 상기 산화막-질화막-산화막(ONO)과 같은 저장 노드의 기능을 수행하도록 할 수도 있다.As described above, when the
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 2-비트 불휘발성 메모리 장치(200)를 나타내는 단면도로서, 도 1에 도시된 제1실시예에 따른 2-비트 불휘발성 메모리 장치(100)와 동일한 부재들에 대해서는 도 1을 참조하여 기 설명한 내용과 유사한 구조를 가지므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a 2-bit
도 2를 참조하면, 상기 리세스(20)의 측면들과 인접하여 제1전하트랩핑 스페이서(114a) 및 제2전하트랩핑 스페이서(114b)가 구비된다. 상기 리세스(20)의 측면들 및 저면과 상기 제1 및 제2전하트랩핑 스페이서(114a, 114b) 사이에는 제2절연막(112)이 구비된다. 상기 제1전하트랩핑 스페이서(114a) 및 상기 제2전하트랩핑 스페이서(114b) 상에는 제3절연막(116)이 구비된다. 상기 제1전하트랩핑 스페이서(114a) 및 상기 제2전하트랩핑 스페이서(114b) 사이의 상기 리세스(20)의 저면 상에는 제4절연막(118)이 구비된다. 상기 제4절연막(118)은 산화막으로 형성될 수 있으며, 열산화 공정 등을 이용하여 형성될 수 있다. 이에 따라, 상기 리세스(20) 하부의 채널(30) 영역과 게이트 전극(104) 사이에는 제4절연막(118)이 구비된다. 상 기 제3절연막(116) 및 상기 제4절연막(118) 상에는 상기 리세스(20)를 매립하도록 형성된 게이트 전극(104)이 구비된다.2, a first
한편, 도시되지는 않았지만, 제3절연막(114)을 형성하기 전에, 상기 제1 및 제2트랩핑 스페이서들(114a, 114b) 사이의 리세스(20) 저면에 존재하는 제2절연막(112)을 상기 기판(10)이 노출되도록 이방성 식각 공정을 이용하여 제거할 수도 있다. 그러면, 상기 리세스(20) 하부의 채널(30) 영역과 게이트 전극(104) 사이에는 제3절연막(116)만 구비된다.Although not shown, before forming the third insulating
따라서, 상기 채널(30) 영역과 게이트 전극(104) 사이에 구비되는 절연막의 두께를 달리하여 문턱 전압(threshold voltage)을 조절할 수 있다.Therefore, the threshold voltage may be adjusted by varying the thickness of the insulating layer provided between the
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같은 2-비트 불휘발성 메모리 장치들(100, 200)의 단위 트랜지스터(T)는 도 3에 도시된 바와 같은 전기적 등가 회로로 표시될 수 있다. 여기서, 도 3에 도시된 등가 요소들은 도 1에서와 같이 동일한 참조 부호로 표현된다. 게이트 전극(104)은 워드 라인(106)과 연결되며, 전하트랩핑 스페이서(114)와 정전용량적으로(capacitively) 결합된다. 제1 및 제2불순물 영역들(122, 124)은 리세스(20)에 의해 서로 이격되어 있다. 구체적으로, 제1 및 제2불순물 영역들(122, 124)이 리세스(20)를 기준으로 서로 대향하여 위치하며, 제1불순물 영역(122)과 제2불순물 영역(124) 사이에는 리세스(20)의 표면을 따라 채널(30)이 형성된다. 채널(30)과 전하트랩핑 스페이서들(114a, 114b) 사이에는 제2절연막(112) 또는 제4절연막(118)이 위치하며, 게이트 전극(104)과 전하트랩핑 스페이서들(114a, 114b)은 각각 제3절연막(116)에 의해 서로 절연된다.The unit transistors T of the 2-bit
제1 및 제2불순물 영역(122, 124)은 이온 주입 공정을 통하여 상기 반도체 기판(10)의 상부면 부위에 불순물을 주입함으로서 형성되거나 또는 도핑된 실리콘 에피택셜 성장(epitaxial growth)으로 형성될 수도 있다. 상기 반도체 기판(10)이 P 타입 기판이면, 상기 제1 및 제2불순물 영역들(122, 124)에 주입되는 불순물은 N 타입으로 형성하여 접합을 만든다. 이와는 반대로, 상기 기판(10)이 N 타입 기판이면, 상기 제1 및 제2불순물 영역들(122, 124)에 주입되는 불순물은 P 타입으로 형성하여 접합을 형성한다.The first and
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같은 2-비트 불휘발성 메모리 장치들(100, 200)의 셀 어레이(cell array)를 도 4와 같이 간략하게 표현할 수 있다.A cell array of the 2-bit
도 4를 참조하면, 불순물 영역들(122, 124, 126), 즉 비트 라인(107, 108, 109)은 반도체 기판(10)을 가로지르는 제1방향을 따라 연장하며, 게이트 전극(104)은 상기 제1방향에 대하여 실질적으로 수직하는 제2방향으로 연장하는 워드 라인(106)과 연결된다. 여기서, 불순물 영역(122, 124, 126)은 그 자체가 비트 라인(107, 108, 109)이므로 별도의 비트 라인 및 비트 라인과 불순물 영역을 연결하는 콘택 플러그들을 형성할 필요가 없다. 즉, 잘 알려진 바와 같이, 비트 라인과 콘택 플러그의 형성은 반도체 장치의 집적도를 향상을 막는 장벽이기 때문에, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치는 집적도를 용이하게 향상시킬 수 있다.Referring to FIG. 4, the
각각의 불순물 영역들(122, 124)은 워드 라인(106) 및 비트 라인들(107, 108)에 인가되는 전압들에 따라 소스 또는 드레인으로 기능한다. 게이트 전극(104) 및 상기 불순물 영역들(122, 124) 중 하나에 프로그래밍(또는 쓰기)을 위한 프로그 래밍 전압들이 인가될 경우, 제1불순물 영역(122)과 제2불순물 영역(124)에서 상기 리세스(20) 측부 및 하부를 따라 채널이 형성된다 예를 들면, 게이트 전극(104)과 제1불순물 영역(122)에 프로그래밍 전압들이 인가되고, 제2불순물 영역(124)이 접지되는 경우, 제1불순물 영역(122)은 드레인으로 기능하며 상기 제1불순물 영역(122)으로부터 리세스(20)의 측부 및 하부를 따라 제2불순물 영역(124)까지 채널(30)이 형성된다. 전자들은 채널(30)을 따라 제2불순물 영역(124)으로부터 제1불순물 영역(122)으로 이동한다.Each of the
도시된 바에 의하면, 전하트랩핑 스페이서(114)는 불휘발성 메모리 장치(100)의 데이터 저장 노드(storage node)로서 기능하며, 상기 리세스(20) 측면의 제2절연막(112) 상에 형성되어 있다. 채널(30)과 인접한 제1전하트랩핑 스페이서(114a)에 제1전하 저장 영역(A)을 가지며, 채널(30)과 인접한 제2전하트랩핑 스페이서(114b)에 제2전하 저장 영역(B)을 갖는다. 구체적으로, 상기 전하 저장 영역들(A, B)은 도 1에서 점선으로 표시된 원들로 표시된다.As shown, the
한편, 상기 채널(30)을 따라 전자들이 이동하는 동안, 상기 전자들 중 일부는 제2절연막(112)의 전위 장벽(potential barrier)을 뛰어넘기에 충분한 에너지를 얻게 되며, 전하트랩핑 스페이서(114)의 트랩 사이트(trap site)에 트랩된다. 예를 들면, 게이트 전극(104)과 제2불순물 영역(124)에 프로그래밍 전압들이 인가되고, 제1불순물 영역(122)이 접지되는 경우, 전자들은 채널(30)을 따라 제1불순물 영역(122)으로부터 제2불순물 영역(124)으로 이동하며, 전자들의 일부는 제2불순물 영역(124)과 인접하는 제1전하 저장 영역(A)으로 주입된다. 따라서, 제1불순물 영역 (122)과 제2불순물 영역(124) 사이에서 제1전하 저장 영역(A)과 인접하는 채널(30) 부위의 문턱 전압이 상승된다.Meanwhile, while electrons move along the
상기 전하 저장 영역들(A, B)은 각각 1-비트의 정보를 저장할 수 있으므로, 상기 불휘발성 메모리 장치(100)는 2-비트의 정보를 저장할 수 있다. 구체적으로, 상기 전하 저장 영역들(A, B)에는 각각 '0' 또는 '1'의 로직 상태(또는 바이너리 값'0' 또는 '1')가 저장될 수 있다. 각각의 전하 저장 영역(A, B)이 프로그램되는 경우(예를 들면, '0'의 로직 상태), 채널 전류는 매우 낮아야 하며, 이와 반대로 각각의 전하 저장 영역(A, B)이 프로그램되지 않는 경우(예를 들면 '1'의 로직 상태), 채널 전류는 상대적으로 높아야 한다. 특히, 상기 '0'과 '1'의 로직 상태들 사이의 구별을 위해 상기 '0'과 '1'의 로직 상태들 사이에서의 채널 전류 차이가 최대화되는 것이 바람직하다.Since the charge storage regions A and B may store 1-bit information, the
그래서, 제1전하 저장 영역(A)에 제1정방향(forward)으로 프로그램이 진행된 경우, 읽기(reading)는 제1역방향(reverse)으로 수행되는 것이 바람직하다. 이는 제1역방향으로의 읽기를 수행할 때 전체 채널(30)의 문턱 전압이 프로그램된 영역에 의해서 결정되기 때문이다. 반대로 제1정방향 읽기를 수행하면 프로그램된 영역이 핀치 오프(pinch-off) 영역에 존재하게 되어 채널(30)의 문턱 전압에 미치는 영향이 미미하기 때문이다. 상기 제1정방향은 제1전하 저장 영역(A)이 프로그램되는 동안 채널(30)을 통한 전자들의 이동 방향을 의미한다. 상기 제1역방향은 상기 제1정방향에 대하여 반대 방향을 의미한다.Thus, when the program is performed in the first forward storage area A in the first forward direction, it is preferable that reading is performed in the first reverse direction. This is because the threshold voltage of the
구체적으로 상술하면, 제1전하 저장 영역(A)에 저장된 정보를 제1정방향으로 읽기 위하여 게이트 전극(104)과 제2불순물 영역(124)에 읽기 전압들을 인가하고, 제1불순물 영역(122)을 접지하는 경우, 읽기 전압들에 의해 형성된 전계들이 제2불순물 영역(124)의 근처에서 가장 강하기 때문에 채널의 문턱 전압이 상대적으로 낮다. 그러나, 제1전하 저장 영역(A)에 저장된 정보를 제1역방향으로 읽기 위하여 게이트 전극(104)과 제1불순물 영역(122)에 읽기 전압들을 인가하고, 제2불순물 영역(124)을 접지시키는 경우, 읽기 전압들에 의해 형성된 전계들이 제2불순물 영역(124)의 근처에서는 상대적으로 약하기 때문에 채널의 문턱 전압이 상대적으로 높다. 예를 들면, 제1역방향 읽기에서는 채널(30)의 문턱 전압이 4V 이상이지만, 제1정방향 읽기에서는 채널(30)의 문턱 전압은 1V 미만으로 유지된다. 따라서 '0'과 '1'의 로직 상태들 사이에서의 전류 차이를 용이하게 검출하기 위해서는 역방향 읽기가 적용되는 것이 바람직하다. 일 예로서, 미합중국 특허 제6,649,972호는 정방향 읽기 및 역방향 읽기를 상세하게 설명하고 있다.Specifically, read voltages are applied to the
도 5 내지 도 9는 본 발명의 제1실시예에 따른 2-비트 불휘발성 메모리 장치를 제조하는 단계를 설명하기 위한 단면도들 및 평면도들이다.5 through 9 are cross-sectional views and plan views illustrating a process of manufacturing a 2-bit nonvolatile memory device according to a first embodiment of the present invention.
도 5를 참조하면, 실리콘 웨이퍼와 같은 반도체 기판(10) 상에 불순물층(120)을 모포(blanket) 형태로 형성한다. 이어서, 불순물층(120) 상에 제1절연막(132)을 형성한다. 불순물층(120) 및 제1절연막(132) 사이에는 패드 산화막(130)이 개재될 수 있다. 구체적으로, 반도체 기판(10) 상에 N 타입 불순물층(120)을 이온 주입으로 형성한다. 이어서 기판에 주입된 불순물들을 어닐링 처리(annealing process)를 통해 확산시킴으로서 상기 불순물층(120)을 완성한다. 상기 어닐링 처 리는 약 600℃ 이상의 온도에서 수행될 수 있다. 이와는 다르게, 도핑된 실리콘 에피택셜 성장을 통해 상기 불순물층(120)을 형성할 수도 있다. 제1절연막(132)은 실리콘 질화물(SiN)로 형성하는 것이 바람직하다.Referring to FIG. 5, an
도 6 및 도 7을 참조하면, 상기 기판(10)의 표면 부위에 상기 불순물층(120)을 제1불순물 영역(122) 및 제2불순물 영역(124)으로 분리시키는 리세스(20)를 형성한다. 구체적으로, 상기 제1절연막(132) 상에 제1포토레지스트 패턴(미도시)을 형성한다. 상기 제1포토레지스트 패턴은 반도체 기판(10)을 가로지르는 제1방향으로 상기 제1절연막(132)의 상부 일부가 노출되도록 형성된다. 이어서, 상기 제1포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 사용하여 상기 노출된 제1절연막(132) 및 상기 기판(10)의 표면 부위를 이방성 식각하여 상기 리세스(20)를 형성한다. 상기 이방성 식각 공정은 통상적인 건식 식각 방법을 사용한다. 상기 리세스(20)에 의해 상기 기판(10)의 표면에 형성된 불순물층(120)은 제1 및 제2 불순물 영역(122, 124)으로 분리되며, 상기 제1절연막(132)으로부터 제1절연막 패턴(134)이 형성된다.6 and 7, a
한편, 기판(10)의 실리콘 식각량은 후속하여 형성되는 저장 노드(미도시)와 제1 또는 제2불순물(122, 124) 영역 사이의 간격을 조절하는 역할을 한다. 이는 소자 동작시 핀치 오프 영역에 머무를 정도의 간격이어야 2-비트 형태로 동작시킬 수 있다.On the other hand, the silicon etching amount of the
도 8 및 도 9를 참조하면, 리세스(20)의 측면들 및 저면 상에 터널 산화막(tunnel oxide)으로서 기능하는 제2절연막(112)을 형성한다. 상기 제2절연막(112)은 실리콘 산화물 또는 고유전체 절연막으로 이루어질 수 있으며, 저압CVD 공정 또 는 ALD 공정을 통해 형성될 수 있다.8 and 9, a second
상기와 같은 결과물이 형성된 기판 상에 전하트랩핑용 실리콘 질화막(113, SiN)을 상기 리세스(20)를 따라 연속적으로 형성한다. 이어서, 상기 전하트랩핑용 실리콘 질화막(113)을 부분적으로 식각하여 상기 리세스(20)의 측면 부위에 전하트랩핑 스페이서(114a, 114b)를 형성한다.The
구체적으로, 상기 실리콘 질화막(113)을 이방성 건식 식각 공정 또는 에치백(etch back) 공정을 이용하여 식각한다. 이때, 상기 실리콘 질화막(113)으로부터 형성되는 제1 및 제2전하트랩핑 스페이서(114a, 114b)는 제2불순물 영역(124)과 제1불순물 영역(122)에 각각 인접하는 제2절연막(112)의 측면들 상에 형성되도록 한다. 상기 전하트랩핑 스페이서(114a, 114b)는 전하를 각각 트랩핑하는 저장 노드의 역할을 하기 때문에, 30Å내지 200Å의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.Specifically, the
상기 각각의 전하트랩핑 스페이서(114a, 114b)는 각각 1-비트의 정보를 저장하는 저장 노드로서, 상기와 같은 구조를 갖는 트랜지스터는 2-비트 불휘발성 메모리 장치를 구성하는데 이용될 수 있다.Each of the
이와는 다르게, 전하트랩핑 스페이서(114)를 비정질 실리콘, 폴리 실리콘, 금속, 나노크리스탈, 고유전체 등으로 이루어진 플로팅 게이트(floating gate)로 형성하여, 상기 산화막-질화막-산화막(ONO)과 같은 저장 노드의 기능을 수행하도록 할 수도 있다.Alternatively, the
도시되지는 않았으나, 상기 전하트랩핑 스페이서(114)를 형성하기 위한 에치백 공정을 수행할 때 상기 반도체 기판(10)의 손상을 방지하기 위해서는 상기 실리 콘 질화막을 형성하기 전에 제2패드 산화막을 형성할 수 있다.Although not shown, in order to prevent damage to the
이어서, 상기 전하트랩핑 스페이서(114)를 포함하는 상기 결과물 상에 블록킹 산화막(blocking oxide)으로 기능하는 제3절연막(116)을 형성한다. 상기 제3절연막(116)은 실리콘 산화물 또는 고유전체 절연막으로 이루어질 수 있으며, 저압CVD 공정 또는 ALD 공정을 통해 형성될 수 있다.Subsequently, a third
다시 도 1 내지 도 3을 참조하면, 제3절연막(116) 상에 리세스(20)를 충분히 매립하는 도전층(미도시)을 형성하고, 상기 도전층을 패터닝하여 리세스(20) 내에 게이트 전극(104)과 제2방향을 따라 연장하는 워드 라인(106)을 형성한다. Referring back to FIGS. 1 to 3, a conductive layer (not shown) filling a
구체적으로, 상기 도전층은 불순물 도핑된 폴리실리콘 또는 금속으로 이루어질 수 있으며, LPCVD 공정, ALD 공정, 물리 기상 증착(physical vapor deposition; PVD) 공정, 금속 유기 화학 기상 증착(metal organic chemical vapor deposition; MOCVD) 공정 등을 통해 형성될 수 있다. 마지막으로, 상기 도전층 상에 제2방향을 따라 연장하는 제2포토레지스트 패턴(미도시)을 형성하고, 상기 제2포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 하는 이방성 식각 공정을 수행함으로써 게이트 전극(104) 및 워드 라인(106)을 형성한다. 상기 제2포토레지스트 패턴은 게이트 전극(104) 및 워드 라인(106)을 형성하고, 상기 제2포토레지스트 패턴을 스트립 공정 및 애싱 공정을 통해 제거함으로서 본 발명의 제1실시예에 따른 2-비트 불휘발성 메모리 장치(100)를 완성한다.Specifically, the conductive layer may be made of an impurity doped polysilicon or metal, LPCVD process, ALD process, physical vapor deposition (PVD) process, metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) ) May be formed through a process or the like. Finally, by forming a second photoresist pattern (not shown) extending along the second direction on the conductive layer, and performing an anisotropic etching process using the second photoresist pattern as an etching mask. And
도 10은 본 발명의 제2실시예에 따른 2-비트 불휘발성 메모리 장치를 제조하는 단계를 설명하기 위한 단면도이다.10 is a cross-sectional view for describing a step of manufacturing a 2-bit nonvolatile memory device according to the second embodiment of the present invention.
도 10을 참조하면, 먼저, 반도체 기판(10) 상에 불순물층(120), 패드 산화막(130), 제1절연막(132), 리세스(20), 불순물 영역들(122, 124, 126), 제1절연막 패턴(134), 제2절연막(112), 전하트랩핑용 실리콘 질화막(113), 전하트랩핑 스페이서(114a, 114b) 및 제3절연막(116)을 형성한다. 상기한 바와 같은 요소들은 도 5 내지 도 9를 참조하여 기 설명된 부분들과 동일한 방법으로 형성할 수 있으므로 이들에 대한 추가적인 상세 설명은 생략한다.Referring to FIG. 10, first, an
상기와 같이 제3절연막(114)을 형성한 후에 상기 제1 및 제2전하트랩핑 스페이서들(114a, 114b) 사이의 리세스(20) 저면 상에 존재하는 제2 및 제3절연막(112, 114)을 이방성 식각 공정을 이용하여 제거하여 상기 리세스(20)의 저면을 부분적으로 노출시키고, 상기 노출된 리세스(20) 저면 상에 산화막 등으로 이루어진 제4절연막(118)을 형성할 수 있다. 상기 제4절연막(118)은 산화막이 바람직하며, 열산화 공정 등을 이용하여 형성할 수 있다. 이에 따라, 상기 리세스(20) 하부의 채널(30) 영역과 게이트 전극(104) 사이에는 제4절연막(118)이 구비된다.After the third insulating
한편, 도시되지는 않았지만, 상기한 방법과는 다르게, 상기 제1 및 제2트랩핑 스페이서들(114a, 114b) 사이의 리세스(20) 저면 상에 존재하는 제2절연막(112)을 상기 기판(10)이 노출되도록 이방성 식각 공정을 이용하여 제거하고, 상기 결과물 상에 제3절연막(114)을 형성할 수도 있다. 그러면, 상기 리세스(20) 하부의 채널(30) 영역과 게이트 전극(104) 사이에는 제3절연막(116)만 구비된다. 상기와 같은 방법들을 이용하여 상기 채널(30) 영역과 게이트 전극(104) 사이에 구비되는 절연막의 두께를 다르게 형성하여 문턱 전압을 조절할 수 있다.On the other hand, although not shown, unlike the method described above, the second
다시 도 2를 참조하면, 상기 결과물 상에 리세스(20)를 충분히 매립하는 도전층(미도시)을 형성하고, 상기 도전층을 패터닝하여 리세스(20) 내에 게이트 전극(104)과 제2방향을 따라 연장하는 워드 라인(106)을 형성한다. 구체적으로, 상기 도전층 상에 제2방향을 따라 연장하는 제3포토레지스트 패턴(미도시)을 형성하고, 상기 제3포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 하는 이방성 식각 공정을 수행함으로써 게이트 전극(104) 및 워드 라인(106)을 형성한다. 상기 제3포토레지스트 패턴은 게이트 전극(104) 및 워드 라인(106)을 형성한 후 스트립 공정 및 애싱 공정을 통해 제거함으로서 본 발명의 제2실시예에 따른 2-비트 불휘발성 메모리 장치(200)를 완성한다.Referring back to FIG. 2, a conductive layer (not shown) filling the
상기와 같은 본 발명에 따르면, 상기 불휘발성 메모리 장치는 반도체 기판의 표면 부위에 형성된 불순물층을 분리하는 리세스를 형성하고, 상기 리세스 내부의 양 측면에는 스페이서 형태로 형성되는 2-비트 저장 노드를 갖는다. 또한, 상기 분리된 불순물 영역들을 비트 라인들로 사용할 수 있기 때문에 상기 2-비트 불휘발성 메모리 장치의 데이터 집적도를 크게 향상시킬 수 있다.According to the present invention as described above, the nonvolatile memory device forms a recess for separating the impurity layer formed on the surface portion of the semiconductor substrate, the two-bit storage node formed in the form of a spacer on both sides of the recess Has In addition, since the separated impurity regions may be used as bit lines, data density of the 2-bit nonvolatile memory device may be greatly improved.
또한, 상기 채널 영역과 게이트 전극 사이의 절연막의 두께를 변화시킴으로서 문턱 전압의 세기를 용이하게 조절할 수 있다.In addition, the intensity of the threshold voltage can be easily adjusted by changing the thickness of the insulating film between the channel region and the gate electrode.
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.Although described above with reference to a preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art will be variously modified and changed within the scope of the invention without departing from the spirit and scope of the invention described in the claims below I can understand that you can.
Claims (12)
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