KR100680456B1 - 플래쉬 메모리 소자 및 그의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 플래쉬 메모리 소자 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 플로팅 게이트를 하부보다 상부가 좁게 되도록 구성하여 컨트롤 게이트와 플로팅 게이트간 오버랩 면적은 유지시키면서 플로팅 게이트의 면적을 감소시키어 프로그램 스피드(program speed)의 저하 없이 셀간 간섭(interference)을 줄이기 위한 기술이다.
플래쉬 메모리, 플로팅 게이트, 셀 분포, MLC
Description
도 1은 종래 기술에 따른 플래쉬 메모리 셀의 제조방법과 구조를 설명하기 위한 소자의 단면도
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 플래쉬 메모리 소자의 단면도
도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 실시예에 따른 플래쉬 메모리 소자의 제조공정 단면도
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
201 : 반도체 기판 202 : 터널 산화막
203 : 제 1 폴리실리콘층 205 : 소자분리막
207 : 제 2 폴리실리콘층 208 : 플로팅 게이트
209 : 층간유전막 210 : 제 3 폴리실리콘층
본 발명은 플래쉬 메모리 소자의 제조방법에 관한 것으로, 특히 프로그램 스 피드(program speed)를 저하시키지 않고 셀간 간섭(interference)을 줄이기 위한 플래쉬 메모리 소자 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
반도체 소자의 집적도가 높아짐에 따라서 플래쉬 소자 제조 공정에서 SA-STI(Self Aligned Shallow Trench Isolation) 방식을 이용하여 소자분리막을 형성하고 있다.
소자분리막을 SA-STI 방식으로 형성한 플래쉬 메모리 셀 구조를 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래 기술에 따른 플래쉬 메모리 셀의 제조방법과 구조를 설명하기 위한 소자의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 반도체 기판(101)상에 터널 산화막(102)과, 플로팅 게이트를 형성하기 위한 제 1 폴리실리콘층(103)을 순차적으로 형성한 후, SA-STI 방식을 이용하여 제 1 폴리실리콘층(103)과 터널 산화막(102)을 패터닝(patterning)하고, 소자분리영역에 소자분리막(104)을 형성한다.
이렇게, SA-STI 공정으로 소자분리막(104)을 형성하면 소자분리막(104)의 상부가 반도체 기판(101)보다 높게 돌출되면서 소자분리막(104)의 돌출부 사이의 활성영역에 터널 산화막(102)과 제 1 폴리실리콘층(103)이 잔류된다.
이어서, 전체 상부에 플로팅 게이트를 형성하기 위한 제 2 폴리실리콘층(105)을 형성한 후, 식각 공정으로 소자분리막(104) 상부의 제 2 폴리실리콘층(105)을 일부 제거하여 워드라인과 수직한 방향으로 패터닝한다. 이때, 소자분리막(104)의 상부에서 제 2 폴리실리콘층(105)의 일부만이 제거되기 때문에, 제 2 폴리 실리콘층(105)의 가장자리는 소자분리막(104)과 중첩(A)되게 된다. 이로써, 제 1, 제 2 폴리실리콘층(103)(105)으로 이루어진 플로팅 게이트(106)가 형성된다.
계속해서, 전체 상부에 ONO(oxide Nitride Oxide) 구조의 층간유전막(107)과 컨트롤 게이트용 폴리실리콘층(108)을 형성한 후, 컨트롤 게이트용 폴리실리콘층(108) 상부에는 면저항을 낮추기 위하여 텅스텐 실리사이드층(미도시)을 형성하고, 사진 식각 공정으로 상기 텅스텐 실리사이드층과 컨트롤 게이트용 폴리실리콘층(108)과 층간유전막(107)과 플로팅 게이트(106)를 패터닝하여 게이트를 형성하고 후속 공정을 실시하여 플래쉬 메모리 소자 제조를 완료한다.
플래쉬 메모리 셀(flash memory cell)은 플로팅 게이트(floating gate)에 전자가 주입된 상태와 그렇지 않은 상태에서 문턱전압(threshold voltage)의 이동에 의해 정보를 저장하고 읽어내는 소자로써, 프로그램 스피드는 컨트롤 게이트(control gate)와 플로팅 게이트간의 오버랩 면적 즉, 커플링 비(coupling ratio)에 비례한다.
반면, 주변 셀의 상태에 따라서 문턱전압이 영향을 받는 셀간 간섭(interference)은 플로팅 게이트의 면적이 증가할수록 커지게 된다.
셀간 간섭 현상은 주변 셀이 프로그램되어 있는지 여부에 따라서 프로그램 셀의 문턱전압이 달라지므로, 결과적으로 셀 분포가 그 만큼 넓어지게 되어 소자의 특성과 균일도(uniformity)가 떨어지게 된다.
종래 기술에서와 같이 제 2 폴리실리콘층(105)의 면적이 넓을 경우 셀간 간섭에 의해 셀 분포가 증가되게 되며, 셀 분포 감소를 위하여 제 2 폴리실리콘층 (105)의 폭을 줄이면 커플링비가 감소되어 프로그램 스피드가 저하되는 문제가 발생된다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로써, 프로그램 스피드를 결정하는 플로팅 게이트와 컨트롤 게이트간 오버랩 면적을 그대로 유지시키면서 셀간 간섭 증가를 유발시키는 플로팅 게이트의 면적을 줄일 수 있는 플래쉬 메모리 소자 및 그의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 프로그램 스피드 저하 없이 셀 분포를 줄이어 소자의 특성과 균일도(uniformity)를 향상시키는데 있다.
본 발명에 따른 플래쉬 메모리 소자는 필드 영역 및 액티브 영역이 정의된 반도체 기판과, 상기 필드 영역의 반도체 기판에 얕은 트렌치 분리 구조로 형성되는 소자분리막과, 상기 액티브 영역의 반도체 기판상의 터널 산화막과, 상기 터널 산화막상에 형성되며 상부보다 하부의 폭이 넓은 플로팅 게이트와, 상기 플로팅 게이트를 포함한 반도체 기판의 표면 단차를 따라서 형성된 층간유전막과, 상기 층간유전막상에 형성되는 컨트롤 게이트를 포함하여 구성된다.
상기와 같은 구조를 갖는 플래쉬 메모리 소자의 제조방법은 액티브 영역 및 필드 영역이 정의된 반도체 기판상에 터널 산화막과 제 1 폴리실리콘층과 희생 절연막을 형성하는 단계와, 상기 필드 영역의 희생 절연막과 제 1 폴리실리콘층과 터널 산화막과 반도체 기판을 식각하여 트렌치를 형성하고 상기 트렌치내에 소자분리막을 형성하는 단계와, 상기 희생 절연막을 제거하여 상기 소자분리막 상부 측면을 노출시키는 단계와, 상기 노출된 소자분리막 측면에 절연막 측벽을 형성하는 단계와, 상기 희생 절연막이 제거된 부분에 제 2 폴리실리콘층을 채우는 단계와, 상기 소자분리막과 절연막 측벽을 제거하여 상기 제 2 폴리실리콘층을 노출시키는 단계와, 상기 제 2 폴리실리콘층의 모서리 부분을 라운드시키고 제 2 폴리실리콘층이 갖는 네거티브 프로파일을 완화시키는 단계와, 전면에 층간유전막과 컨트롤 게이트를 차례로 형성하는 단계를 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명의 범위는 본원의 특허 청구 범위에 의해서 이해되어야 한다.
도 2는 본 발명에 따른 플래쉬 메모리 소자의 단면도이다.
본 발명에 따른 플래쉬 메모리 소자 구조는 도 2에 도시하는 바와 같이, 필드 영역 및 액티브 영역을 갖는 반도체 기판(201)의 필드 영역에 얕은 트렌치 구조의 소자분리막(205)이 형성되어 있고, 상기 액티브 영역의 반도체 기판(201)상에는 터널 산화막(202)이 형성되어 있으며, 상기 터널 산화막(202)상에는 상부보다 하부의 폭이 넓은 플로팅 게이트(208)가 형성되어 있다.
상기 플로팅 게이트(208)는 제 1 폴리실리콘층(203)과 제 2 폴리실리콘층(207)의 적층막으로 구성되며, 상기 제 1, 제 2 폴리실리콘층(203)(207)은 액티브 영역상에만 형성되어 상기 소자분리막(205)과 오버랩(overlap)되지 않는다. 그리고, 상기 제 2 폴리실리콘층(207)은 상기 제 1 폴리실리콘층(203)의 폭보다 좁은 폭을 갖는다.
한편, 상기 소자분리막(205)의 상부는 반도체 기판(201)의 표면보다 일정두께 돌출되어 있으며, 상기 제 1 폴리실리콘층(203)의 상부는 상기 소자분리막(205)의 표면보다 일정두께 돌출되어 있다.
그리고, 상기 플로팅 게이트(208)를 포함한 전표면상에는 표면 단차를 따라서 ONO 구조의 층간유전막(209)이 형성되어 있고, 상기 층간유전막(209)상에는 컨트롤 게이트용 제 3 폴리실리콘층(210)이 형성되어 있다.
이와 같은 구조를 갖는 본 발명에 따른 플래쉬 메모리 소자의 제조방법은 다음과 같다.
도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 실시예에 따른 플래쉬 메모리 소자의 제조공정 단면도이다.
본 발명에 따른 플래쉬 메모리 소자 제조를 위해서는 먼저 도 3a에 도시하는 바와 같이, 필드 영역 및 액티브 영역을 갖는 반도체 기판(201)상에 터널 산화막(202)과 플로팅 게이트용 제 1 폴리실리콘층(203)과 희생 절연막(204)을 차례로 형 성하고, 사진 식각 공정으로 필드 영역의 희생 절연막(204)과 제 1 폴리실리콘층(203)과 터널 산화막(202)과 반도체 기판(201)을 식각하여 트렌치를 형성한다.
여기서, 상기 희생 절연막(204)은 질화막을 이용하여 형성하는 것이 좋다.
그런 다음, 측벽 산화 공정으로 상기 트렌치가 형성된 반도체 기판(201) 표면상에 측벽 산화막(미도시)을 형성하고, 상기 트렌치가 완전히 매립되도록 전면에 산화막을 증착한 후 상기 희생 절연막(204)을 타겟으로 산화막에 평탄화 공정을 수행하여 상기 트렌치내에 소자분리막(205)을 형성한다. 여기서, 상기 평탄화 공정은 화학적 기계적 연마공정(CMP; Chemical Mechanical Polishing) 공정 또는 에치백(etch back) 공정을 이용하여 수행한다.
이어, 도 3b에 도시하는 바와 같이 습식 식각 공정으로 상기 희생 절연막(204)을 제거하여 상기 소자분리막(205)의 상부 측면을 노출시킨다.
그리고, 전표면상에 스페이서용 절연막을 증착하고 블랭킷 에치(blanket etch)하여 상기 노출된 소자분리막(205) 측면에 절연막 측벽(206)을 형성한다.
상기 스페이서용 절연막은 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막 중 어느 하나로 형성하되, 상기 실리콘 산화막으로는 HTO(High Temperature Oxide), TEOS(Tetra Ethyl Ortho Silicate) 산화막, HLD(High temperature Low pressure Deposition) 산화막을 사용하는 것이 좋다. 그리고, 상기 실리콘 산화막 및 실리콘 질화막은 저압화학증착법(LPCVD), 상압 화학증착법(APCVD), 플라즈마 응용 화학증착법(PECVD) 중 어느 하나를 이용하여 형성하는 것이 바람직하다.
그런 다음, 도 3c에 도시하는 바와 같이 상기 희생 절연막(204)이 제거된 부 분이 모두 채워지도록 전면에 플로팅 게이트용 제 2 폴리실리콘층(207)을 증착하고 상기 소자분리막(205)이 노출되도록 제 2 폴리실리콘층(207)을 평탄화한다. 여기서는, CMP(Chemical Mechanical Polishing)을 이용하여 평탄화 공정을 진행한다.
이로써, 상기 제 1, 제 2 폴리실리콘층(203)(207)의 적층막으로 구성되는 플로팅 게이트(208)가 형성된다. 이와 같은 플로팅 게이트 구조를 프로파일드 셀프 얼라인 플로팅 게이트(Profiled Self Aligned floating Gate : PSAG) 구조라 한다.
그리고 나서, 도 3d에 도시하는 바와 같이 상기 소자분리막(205)의 높이(Effective Field Height: EFH)가 상기 제 1 폴리실리콘층(203)의 상부 높이 이하가 되도록 습식 식각 공정으로 상기 소자분리막(205)을 리세스(recess)시킴과 동시에 상기 절연막 측벽(206)을 제거한다.
상기 공정 결과, 모서리 부분이 뾰족한 형태를 가지며 상부의 폭이 하부의 폭보다 넓은 네거티브 프로파일(negative profile)을 갖는 제 2 폴리실리콘층(207)이 노출되게 된다.
이 상태에서 층간유전막을 형성하게 되면, 제 2 폴리실리콘층(207)의 뾰족한 모서리 부분의 영향으로 층간유전막에 누설전류가 발생되게 되고, 제 2 폴리실리콘층(207)의 네거티브 프로파일로 인하여 후속 게이트 식각 공정시 공정에 부담이 될 수 있다.
이에, 도 3e에 도시하는 바와 같이 플라즈마 처리된 등방성 식각 공정을 실시하여 상기 제 2 폴리실리콘층(207)의 모서리 부분을 라운딩(rounding)시키고, 제 2 폴리실리콘층(207)의 네거티브 프로파일을 완화시킨다.
이후, 도 3f에 도시하는 바와 같이 전표면상에 표면 단차를 따라서 ONO막을 증착하여 층간유전막(209)을 형성하고, 상기 층간유전막(209)상에 컨트롤 게이트용 제 3 폴리실리콘층(210)을 형성한다.
그런 다음, 도면에는 도시하지 않았지만 사진 식각 공정으로 상기 제 3 폴리실리콘층(210)과 층간유전막(209)과 플로팅 게이트(208)를 식각하여 게이트를 형성하고, 후속 공정을 실시하여 플래쉬 메모리 소자 제조를 완료한다.
본 발명은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 컨트롤 게이트와 플로팅 게이트간 오버랩 면적을 유지시키면서 플로팅 게이트의 면적을 감소시킬 수 있으므로 프로그램 스피드(program speed)의 저하 없이 셀간 간섭을 줄일 수 있다.
둘째, 셀간 간섭을 줄일 수 있으므로 셀 분포를 줄일 수 있다.
셋째, 셀 분포를 줄일 수 있으므로 작은 셀 분포(Cell distribution)가 요구되는 MLC(Multi Level Cell) 제조가 용이해진다.
Claims (8)
- 필드 영역 및 액티브 영역이 정의된 반도체 기판;상기 필드 영역의 반도체 기판에 얕은 트렌치 분리 구조로 형성되는 소자분리막;상기 액티브 영역의 반도체 기판상의 터널 산화막;상기 터널 산화막상에 형성되며 상부보다 하부의 폭이 넓은 플로팅 게이트;상기 플로팅 게이트를 포함한 반도체 기판의 표면 단차를 따라서 형성된 층간유전막; 및상기 층간유전막상에 형성되는 컨트롤 게이트를 포함하여 구성되는 플래쉬 메모리 소자.
- 제 1항에 있어서,상기 플로팅 게이트는 상기 터널 산화막이 형성된 액티브 영역의 반도체 기판상에 형성되는 제 1 폴리실리콘층과 상기 제 1 폴리실리콘층상에 형성되며 상기 제 1 폴리실리콘층의 폭보다 좁은 폭을 갖는 제 2 폴리실리콘층의 적층막으로 구성됨을 특징으로 하는 플래쉬 메모리 소자.
- (a) 액티브 영역 및 필드 영역이 정의된 반도체 기판상에 터널 산화막과 제 1 폴리실리콘층과 희생 절연막을 형성하는 단계;(b) 상기 필드 영역의 희생 절연막과 제 1 폴리실리콘층과 터널 산화막과 반도체 기판을 식각하여 트렌치를 형성하고 상기 트렌치내에 소자분리막을 형성하는 단계;(c) 상기 희생 절연막을 제거하여 상기 소자분리막 상부 측면을 노출시키는 단계;(d) 상기 노출된 소자분리막 측면에 절연막 측벽을 형성하는 단계;(e) 상기 희생 절연막이 제거된 부분에 제 2 폴리실리콘층을 채우는 단계;(f) 상기 소자분리막과 절연막 측벽을 제거하여 상기 제 2 폴리실리콘층을 노출시키는 단계;(g) 상기 제 2 폴리실리콘층의 모서리 부분을 라운드시키고 제 2 폴리실리콘층이 갖는 네거티브 프로파일을 완화시키는 단계; 및(h) 전면에 층간유전막과 컨트롤 게이트를 차례로 형성하는 단계를 포함하는 플래쉬 메모리 소자의 제조방법.
- 제 3항에 있어서,상기 (g) 단계를 플라즈마 처리된 등방성 식각 공정을 이용하여 실시하는 것을 특징으로 하는 플래쉬 메모리 소자의 제조방법.
- 제 3항에 있어서,상기 희생 절연막을 질화막을 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 플래쉬 메모리 소자의 제조방법.
- 제 3항에 있어서,상기 절연막 측벽을 실리콘 산화막이나 실리콘 질화막 중 어느 하나를 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 플래쉬 메모리 소자의 제조방법.
- 제 6항에 있어서,상기 실리콘 산화막은 HTO(High Temperature Oxide), TEOS(Tetra Ethyl Ortho Silicate) 산화막, HLD(High temperature Low pressure Deposition) 산화막 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 플래쉬 메모리 소자의 제조방법.
- 제 6항에 있어서,상기 실리콘 산화막 및 실리콘 질화막을 저압 화학증착법, 상압 화학증착법, 플라즈마 응용 화학증착법 중 어느 하나를 사용하는 형성하는 것을 특징으로 하는 플래쉬 메모리 소자의 제조방법.
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