KR100663608B1 - Method for manufacturing cell of flash memory device - Google Patents
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Abstract
본 발명은 플로팅 게이트와 액티브 영역 간의 오정렬(misalign)을 방지하여 메모리 셀의 면적을 감소시킬 수 있는 플래시 메모리 소자의 셀 제조 방법에 관한 것으로, 이를 위해 본 발명에서는 액티브 영역과 필드 영역으로 정의되는 기판을 제공하는 단계와, 상기 기판 상에 패드 산화막과 패드 질화막을 순차적으로 증착하는 단계와, 상기 패드 질화막, 상기 패드 산화막 및 상기 기판의 일부를 식각하여 상기 필드 영역에 트렌치를 형성하는 단계와, 상기 트렌치가 매립되도록 소자 분리막을 형성하는 단계와, 상기 패드 질화막과 상기 패드 산화막을 제거하여 상기 소자 분리막의 일부를 돌출시키는 단계와, 상기 액티브 영역에 터널 산화막을 형성하는 단계와, 상기 터널 산화막을 덮도록 플로팅 게이트용 물질을 증착하는 단계와, 돌출된 상기 소자 분리막에 의해 분리되도록 상기 소자 분리막을 식각 정지막으로 이용한 평탄화 공정을 통해 상기 플로팅 게이트용 물질을 식각하여 플로팅 게이트를 형성하는 단계와, 식각된 상기 플로팅 게이트용 물질 상부에 유전체막과 콘트롤 게이트를 순차적으로 형성하는 단계를 포함하는 플래시 메모리 소자의 셀 제조방법을 제공한다. The present invention relates to a cell manufacturing method of a flash memory device capable of reducing the area of a memory cell by preventing misalignment between the floating gate and the active region. To this end, the present invention relates to a substrate defined as an active region and a field region. Providing a trench, sequentially depositing a pad oxide film and a pad nitride film on the substrate, etching the pad nitride film, the pad oxide film, and a portion of the substrate to form a trench in the field region; Forming an isolation layer to fill the trench, removing the pad nitride layer and the pad oxide layer to protrude a portion of the isolation layer, forming a tunnel oxide layer in the active region, and covering the tunnel oxide layer Depositing a material for the floating gate to separate the protruding device Etching the floating gate material to form a floating gate through a planarization process using the device isolation layer as an etch stop layer so as to be separated by the etching process, and sequentially forming a dielectric film and a control gate on the etched floating material. It provides a cell manufacturing method of a flash memory device comprising the step of forming.
플래시 메모리 셀, 평탄화, 플로팅 게이트, 액티브 영역, 자동 정렬.Flash memory cells, planarization, floating gates, active areas, auto alignment.
Description
도 1은 일반적인 플래시 메모리 소자의 셀 어레이를 도시한 등가회로도.1 is an equivalent circuit diagram showing a cell array of a typical flash memory device.
도 2는 도 1에 도시된 셀 어레이의 일부를 도시한 평면도.FIG. 2 is a plan view of a portion of the cell array shown in FIG. 1; FIG.
도 3a 내지 도 3c는 도 2에 도시된 A-A' 절단선을 따라 도시한 단면도. 3A to 3C are cross-sectional views taken along the line AA ′ of FIG. 2.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플래시 메모리 소자의 셀 어레이를 도시한 평면도.4 is a plan view illustrating a cell array of a flash memory device according to a preferred embodiment of the present invention.
도 5a 내지 도 5f는 도 4에 도시된 A-A' 절단선을 따라 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플래시 메모리 소자의 셀의 제조 방법을 도시한 단면도. 5A through 5F are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a cell of a flash memory device according to a preferred embodiment of the present invention along the AA ′ cut line shown in FIG. 4.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉<Explanation of symbols for main parts of drawing>
MC0, MC1, MC2, MC3 : 메모리 셀MC0, MC1, MC2, MC3: memory cells
10, 110 : 반도체 기판 11, 111 : 패드 산화막10, 110:
12, 112 : 패드 질화막 13, 114 : 라이너 산화막12, 112:
14, 115 : 소자 분리막 15, 116 : 터널 산화막14, 115:
16, 117 : 폴리실리콘층 16a, 117a : 플로팅 게이트16, 117: polysilicon
17 : 하드 마스크 패턴 18, 118 : 절연막17: hard mask pattern 18, 118: insulating film
19, 119 : 콘트롤 게이트 113 : 트렌치19, 119: control gate 113: trench
B : 필드 영역 C : 액티브 영역B: field area C: active area
본 발명은 플래시 메모리 소자(FLASH memory device)의 셀의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 STI(Shallow Trench Isolation) 공정을 이용하는 플래시 메모리 소자의 셀 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a cell of a flash memory device, and more particularly, to a method for manufacturing a cell of a flash memory device using a shallow trench isolation (STI) process.
최근에는 전기적으로 프로그램(program)과 소거(erase)가 가능하며, 일정 주기로 데이터(data)를 재작성하는 리프레시(refresh) 기능이 필요 없는 플래시 메모리 소자의 수요가 증가하고 있다. 그리고, 많은 데이터를 저장할 수 있는 대용량 메모리 소자의 개발을 위해서 메모리 소자의 고집적화 기술에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 여기서, 프로그램이라 함은 데이터를 메모리 셀에 기입(write)하는 동작을 가리키며, 소거라 함은 메모리 셀에 기입된 데이터를 제거하는 동작을 가리킨다. Recently, the demand for flash memory devices that can be electrically programmed and erased and that does not require a refresh function to rewrite data at regular intervals is increasing. In order to develop a large-capacity memory device capable of storing a large amount of data, researches on a high integration technology of the memory device have been actively conducted. Here, the program refers to an operation of writing data to a memory cell, and the erasing refers to an operation of removing data written to the memory cell.
일반적으로, 플래시 메모리 소자의 셀은 고집적화에 유리한 적층 게이트 구조를 갖는다. 이러한 적층 게이트 구조는 반도체 기판 상에 적층된 터널 산화막, 플로팅 게이트(floating gate), 유전체막 및 콘트롤 게이트(control gate)로 이루 어진다. In general, cells of flash memory devices have a stacked gate structure that is advantageous for high integration. The stacked gate structure includes a tunnel oxide film, a floating gate, a dielectric film, and a control gate stacked on a semiconductor substrate.
한편, 플래시 메모리 소자에서 프로그램(program) 동작은 F-N 터널링(Fowler-nordheim tunneling) 방식과 열전자 주입(hot electron injection) 방식에 의해 이루어진다. F-N 터널링 방식은 터널 산화막으로 고전계를 인가하여 전자가 반도체 기판으로부터 플로팅 게이트로 주입됨으로써 프로그램 동작이 수행되도록 하는 방식이다. 열전자 주입방식은 드레인 부근의 채널영역에서 발생한 열전자(hot electron)가 플로팅 게이트에 주입됨으로써 프로그램 동작이 수행되도록 하는 방식이다. 한편, 플래시 메모리 소자의 소거(erase) 동작은 프로그램 동작을 통해 플로팅 게이트에 주입된 전자를 반도체 기판 또는 소오스로 방출시킴으로써 이루어진다. Meanwhile, a program operation in a flash memory device is performed by F-N tunneling (Fowler-nordheim tunneling) method and hot electron injection method. The F-N tunneling method is a method in which a program operation is performed by applying a high electric field to a tunnel oxide film by injecting electrons into a floating gate from a semiconductor substrate. The hot electron injection method is a method in which a hot electron generated in a channel region near a drain is injected into a floating gate to perform a program operation. Meanwhile, an erase operation of the flash memory device is performed by releasing electrons injected into the floating gate into a semiconductor substrate or a source through a program operation.
도 1은 일반적으로 널리 알려진 플래시 메모리 소자의 셀 어레이를 설명하기 위한 등가 회로도이다. 여기서는, 설명의 편의를 위해 노아(NOR)형 플래시 메모리 소자를 도시하였다. 1 is an equivalent circuit diagram illustrating a cell array of a flash memory device that is generally known. Here, a NOR type flash memory device is shown for convenience of description.
도 1에 도시된 바와 같이, 일례로, 노아형 플래시 메모리 소자의 셀 어레이는 복수의 메모리 셀(MC0 내지 MC3)로 이루어진다. 이때, 메모리 셀의 콘트롤 게이트(G)는 워드라인(WL)에 의해 행마다 공통으로 연결되며, 소스(S) 또는 드레인(D)은 비트라인(BL)에 의해 열마다 공통으로 연결된다. 이러한 구성을 통해 메모리 셀(MC0 내지 MC3)은 워드라인(WL)과 비트라인(WL)으로 인가되는 바이어스 전압에 의해 선택된다. As shown in FIG. 1, as an example, a cell array of a quinoa flash memory device is composed of a plurality of memory cells MC0 to MC3. In this case, the control gate G of the memory cell is commonly connected to each row by the word line WL, and the source S or the drain D is commonly connected to each column by the bit line BL. Through this configuration, the memory cells MC0 to MC3 are selected by bias voltages applied to the word line WL and the bit line WL.
한편, 플래시 메모리 소자의 메모리 셀의 제조공정에 있어서, 소자를 분리시 키기 위한 소자 분리공정으로 STI(Shallow Trench Isolation) 공정이 널리 사용되고 있다. On the other hand, in the manufacturing process of a memory cell of a flash memory device, a shallow trench isolation (STI) process is widely used as a device isolation process for separating devices.
도 2는 이러한 STI 공정을 이용하여 형성된 일반적인 플래시 메모리 소자의 셀의 평면도이고, 도 3a 내지 도 3c는 도 2에 도시된 A-A'의 절단선을 따라 절취한 상태에서 종래 기술에 따른 플래시 메모리 소자의 셀의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.FIG. 2 is a plan view of a cell of a typical flash memory device formed using such an STI process, and FIGS. 3A to 3C illustrate a flash memory according to the prior art in a state cut along a cutting line of AA ′ shown in FIG. 2. Sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the cell of an element.
먼저, 도 3a에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(10; 이하, 기판이라 함) 상에 패드 산화막(11)과 패드 질화막(12)을 순차적으로 증착한 후, 필드 영역(B)의 기판(10)의 일부가 식각되도록 패드 질화막(12), 패드 산화막(11) 및 기판(10)을 순차적으로 식각한다. 이로써, 미도시된 트렌치(trench)가 형성된다. 그런 다음, 트렌치를 포함한 결과물 상부의 단차를 따라 라이너 산화막(13)을 증착한다. 그런 다음, 라이너 산화막(13) 상에 트렌치가 매립되도록 HDP(High Density Isolation) 산화막(14)을 형성한다. First, as illustrated in FIG. 3A, the
이어서, 도 3b에 도시된 바와 같이, 패드 질화막(12) 및 패드 산화막(11)을 순차적으로 제거하여 트렌치에 의해 고립된 소자 분리막(14)을 형성한다. 그런 다음, 액티브 영역(C)의 기판(10) 상에 터널 산화막(15)을 형성한다. 그런 다음, 터널 산화막(15) 상부에 플로팅 게이트용 폴리 실리콘막(16)을 증착한 후 그 상부에 게이트 패턴용 마스크(17)를 형성한다. 이때, 게이트 패턴용 마스크(17)의 오정렬(misalign)을 고려하여 보편적으로 게이트 패턴용 마스크(17) 간의 간격을 좁게 형성한다. Subsequently, as shown in FIG. 3B, the
이어서, 도 3c에 도시된 바와 같이, 게이트 패턴용 마스크(17)를 이용한 식각공정을 실시하여 폴리 실리콘막(16, 도 3b참조)을 식각한다. 이로써, 도 2에 도시된 바와 같이, 소자 분리막(14)의 가장자리 부분과 중첩(overlap)되어 액티브 영역(C)보다 넓은 폭을 갖는 플로팅 게이트(16a)가 정의된다. 그런 다음, 플로팅 게이트(16a) 상에 유전체막(18)과 콘트롤 게이트(19)를 순차적으로 형성하여 게이트 전극을 형성한다. Subsequently, as illustrated in FIG. 3C, an etching process using the
상기에서 설명한 바와 같이, 종래기술에 따른 플래시 메모리 소자의 셀 제조방법에서는 소자 분리막(14)을 형성한 후 포토리소그래피 공정을 실시하여 플로팅 게이트(16a)를 형성하고 있다. 이로 인하여, 포토리소그래피 공정시 플로팅 게이트(16a)와 액티브 영역(C)의 기판(10) 간에 오정렬이 발생할 수 있다. 따라서, 오정렬 마진(margin)을 고려하여 플로팅 게이트를 형성해야 하므로 플로팅 게이트(16a)의 폭을 넓혀야 한다. 이는, 플로팅 게이트(16a) 간의 최소 간격에 대한 디자인 룰(design rule)과 플로팅 게이트(16a) 및 소자 분리막(14) 간의 오버랩에 대한 디자인 룰을 고려하여야 하므로, 액티브 영역에서의 기판 간의 간격을 최소 디자인 룰보다 크게 구현할 수 밖에 없어 메모리 셀의 면적이 증가하는 문제점이 있다.As described above, in the cell manufacturing method of a flash memory device according to the related art, the
따라서, 본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 플래시 메모리 소자의 셀 제조공정시 플로팅 게이트와 액티브 영역 간의 오정렬을 방지하여 메모리 셀의 면적을 감소시킬 수 있는 플래시 메모리 소자의 셀의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
Accordingly, the present invention has been proposed to solve the above-described problems of the prior art, and has been proposed in the flash memory device, which can reduce the area of the memory cell by preventing misalignment between the floating gate and the active region during the cell manufacturing process of the flash memory device. It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a cell.
상기에서 설명한 목적을 달성하기 위한 일측면에 따른 본 발명은, 액티브 영역과 필드 영역으로 정의되는 기판을 제공하는 단계와, 상기 기판 상에 패드 산화막과 패드 질화막을 순차적으로 증착하는 단계와, 상기 패드 질화막, 상기 패드 산화막 및 상기 기판의 일부를 식각하여 상기 필드 영역에 트렌치를 형성하는 단계와, 상기 트렌치가 매립되도록 소자 분리막을 형성하는 단계와, 상기 패드 질화막과 상기 패드 산화막을 제거하여 상기 소자 분리막의 일부를 돌출시키는 단계와, 상기 액티브 영역에 터널 산화막을 형성하는 단계와, 상기 터널 산화막을 덮도록 플로팅 게이트용 물질을 증착하는 단계와, 돌출된 상기 소자 분리막에 의해 분리되도록 상기 소자 분리막을 식각 정지막으로 이용한 평탄화 공정을 통해 상기 플로팅 게이트용 물질을 식각하여 플로팅 게이트를 형성하는 단계와, 식각된 상기 플로팅 게이트용 물질 상부에 유전체막과 콘트롤 게이트를 순차적으로 형성하는 단계를 포함하는 플래시 메모리 소자의 셀 제조방법을 제공한다. According to an aspect of the present invention, there is provided a method including: providing a substrate defined by an active region and a field region; sequentially depositing a pad oxide film and a pad nitride film on the substrate; Etching a portion of the nitride film, the pad oxide film, and the substrate to form a trench in the field region, forming a device isolation layer to fill the trench, and removing the pad nitride film and the pad oxide film to remove the device isolation film. Protruding a portion of the semiconductor substrate; forming a tunnel oxide layer in the active region; depositing a floating gate material to cover the tunnel oxide layer; and etching the device isolation layer to be separated by the protruding element isolation layer. The floating gate material is etched through a planarization process using a stop film W forming the floating gate, there is provided a method of manufacturing a flash memory cell device, comprising forming a dielectric film and a control gate on top for the etching the floating gate material sequentially.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the technical idea of the present invention. do.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플래시 메모리 소자의 셀 어레이의 평면도이고, 도 5a 내지 도 5f는 도 4에 도시된 A-A'의 절단선을 따라 본 발명 의 바람직한 실시예에 따른 플래시 메모리 소자의 셀 제조방법을 설명하기 위하여 도시한 단면도들이다. FIG. 4 is a plan view of a cell array of a flash memory device according to a preferred embodiment of the present invention, and FIGS. 5A to 5F illustrate a flash according to a preferred embodiment of the present invention along the cutting line AA ′ of FIG. 4. FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a cell manufacturing method of a memory device.
먼저, 도 4 및 도 5a에 도시된 바와 같이, 기판(110) 상에 패드 산화막(111) 및 패드 질화막(112)을 순차적으로 증착한다. 이때, 패드 산화막(111)은 기판(110)의 상부 표면의 결정결함 및 표면처리를 위하여 건식산화방식 또는 습식산화방식을 이용한 산화공정을 통해 형성한다. 또한, 후속 패드 질화막(112) 증착공정시 가해지는 스트레스(stress)로부터 기판(110)을 보호하는 완충 산화막으로 기능한다. 한편, 패드 질화막(112)은 CVD(Chemical Vapor Deposition) 방식을 이용한 증착공정을 실시하여 비교적 두껍게 형성한다. First, as illustrated in FIGS. 4 and 5A, the
이어서, 패드 질화막(112) 상에 포토 레지스트(photoresist; 미도시)를 도포한 후 포토 마스크(photo mask)를 이용한 노광공정 및 현상공정을 순차적으로 실시하여 포토 레지스트 패턴(미도시)을 형성한다. 이때, 포토레지스트를 이용하는 이유는 후속 트렌치 식각공정시 폴리머(polymer) 형성에 의한 슬로프(slope)의 제어가 가능하기 때문이다. Subsequently, a photoresist (not shown) is coated on the
이어서, 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 이용한 식각공정을 실시하여 기판(110)의 필드 영역(B)에 트렌치(113)를 형성한다. Next, an etching process using a photoresist pattern as an etching mask is performed to form the
이어서, 스트립(strip) 공정을 통해 포토레지스트 패턴을 제거한 후 세정공정(cleaning)을 실시할 수 있다.Subsequently, the photoresist pattern may be removed through a strip process and then cleaned.
이어서, 도 5b에 도시된 바와 같이, 트렌치(113, 도 5a 참조)가 형성된 전체 구조의 단차를 따라 라이너 산화막(114)을 증착한다. Subsequently, as shown in FIG. 5B, the
이어서, 트렌치(113)가 매립되도록 전체 구조 상부에 HDP(High Density Plasma) 산화막(115)을 증착한다. Subsequently, a high density plasma (HDP)
이어서, CMP(chemical mechanical polishing) 공정을 실시하여 HDP 산화막(115)을 평탄화한다. 이로써, 트렌치 내부에 고립된 소자 분리막(115)이 형성된다. Subsequently, the chemical mechanical polishing (CMP) process is performed to planarize the
이어서, 도 5c에 도시된 바와 같이, 패드 질화막(112) 및 패드 산화막(111)을 순차적으로 제거하여 소자 분리막(115)이 액티브 영역(C)의 기판(110) 표면보다 돌출되도록 한다. 이때, 패드 질화막(112)은 인산을 이용한 습식식각공정을 실시하여 제거하고, 패드 산화막(111)은 DHF(Diluted HF) 또는 BOE(Bufferd Oxide Etchant) 용액을 이용한 세정공정을 실시하여 제거한다.Subsequently, as shown in FIG. 5C, the
이어서, 도 5d에 도시된 바와 같이, 산화(oxidation)공정을 실시하여 액티브 영역(C)의 기판(110) 표면 상에 터널 산화막(116)을 형성한다. 이때, 산화공정은 건식 또는 습식방식으로 진행한다. Subsequently, as shown in FIG. 5D, an oxidation process is performed to form the
이어서, 터널 산화막(116)을 포함하는 전체 구조 상부에 플로팅 게이트용 폴리 실리콘층(117)을 증착한다.Subsequently, a
이어서, 도 5e에 도시된 바와 같이, 소자 분리막(115)을 평탄화 정지막으로 한 CMP 공정을 실시하여 폴리 실리콘막(117)을 평탄화함으로써 소자 분리막(115)에 의해 전기적으로 분리되는 플로팅 게이트(117a)를 형성한다. 여기에서는, 마스크 없이 평탄화공정을 실시하여 플로팅 게이트(117a)를 액티브 영역(C)과 자기 정렬(self align)시키므로 도 4에서 보는 바와 같이, 플로팅 게이트(117a)가 액티브 영역(C)과 동일한 폭으로 형성된다.Subsequently, as shown in FIG. 5E, the floating
이어서, 도 4 및 도 5f에 도시된 바와 같이, 습식식각공정을 실시하여 소자 분리막(115)와 라이너 산화막(114)을 일정 깊이로 리세스(recess)시켜 홈(미도시)을 형성한다. 이로써, 플로팅 게이트(117a) 측벽의 일부가 노출된다. 따라서, 후속공정을 통해 형성될 콘트롤 게이트(119)가 이 홈을 매립하여 형성되므로, 플로팅 게이트(117a)와의 커플링비를 높일 수 있다.Subsequently, as shown in FIGS. 4 and 5F, a wet etching process may be performed to recess the
이어서, 플로팅 게이트(117a) 측면의 일정부분이 노출된 결과물 상부의 단차를 따라 유전체막(118)을 증착한 후 그 상부에 콘트롤 게이트용 폴리 실리콘막(119)을 증착한다. 이후, 식각공정을 실시하여 콘트롤 게이트(119)를 정의한다. 이때, 유전체막(118)은 ONO(Oxide/Nitride/Oxide) 구조로 형성한다. Subsequently, the
이후, 일반적인 공정을 통해 콘트롤 게이트(119)의 양측으로 노출되는 액티브 영역에 소오스/드레인 영역(미도시)을 형성한다. Thereafter, a source / drain region (not shown) is formed in the active region exposed to both sides of the
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.Although the technical idea of the present invention has been described in detail according to the above preferred embodiment, it should be noted that the above-described embodiment is for the purpose of description and not of limitation. In addition, those skilled in the art will understand that various embodiments are possible within the scope of the technical idea of the present invention.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 플래시 메모리 소자의 셀 제조공정에 있어서, 플로팅 게이트를 정의하기 위한 식각공정을 평탄화 공정으로 실시하여 플로팅 게이트를 액티브 영역과 자기정렬시킴으로써 플로팅 게이트와 액티 브 영역의 오정렬을 방지할 수 있다. 따라서, 메모리 셀의 면적을 감소시켜 집적도를 향상시킬 수 있다.As described above, according to the present invention, in the cell fabrication process of a flash memory device, an etching process for defining a floating gate is performed by a planarization process to self-align the floating gate with an active region, thereby forming a floating gate and an active region. Misalignment can be prevented. Therefore, the integration degree can be improved by reducing the area of the memory cell.
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