KR100745030B1 - Flash memory device, method for manufacturing the same and driving method for the same - Google Patents
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Abstract
Description
도 1a 및 도 1b는 종래의 플래시 메모리 소자을 나타낸 단면도 및 평면도1A and 1B are a cross-sectional view and a plan view of a conventional flash memory device
도 2는 종래의 싱글 폴리 플래시 EEPROM을 나타낸 단면도2 is a cross-sectional view showing a conventional single poly flash EEPROM.
도 3a 및 도 3b는 종래의 싱글 폴리 실리콘 플래시 EEPROM의 일함수를 나타낸 도면3A and 3B show a work function of a conventional single polysilicon flash EEPROM.
도 4는 본 발명의 싱글 폴리 실리콘 플래시 메모리 소자를 나타낸 단면도4 is a cross-sectional view showing a single polysilicon flash memory device of the present invention.
도 5는 종래 및 본 발명의 싱글 폴리 실리콘 플래시 메모리 소자의 채널의 전계 효과를 나타낸 그래프5 is a graph showing the electric field effect of the channel of the conventional single polysilicon flash memory device of the present invention
도 6은 본 발명의 싱글 폴리 실리콘 플래시 메모리 소자의 영역별 일함수를 나타낸 도면6 illustrates a work function for each region of a single polysilicon flash memory device of the present invention.
도 7은 본 발명의 싱글 폴리 실리콘 플래시 메모리 소자를 나타낸 회로도7 is a circuit diagram showing a single polysilicon flash memory device of the present invention.
도 8은 본 발명의 싱글 폴리 실리콘 플래시 메모리 소자를 나타낸 평면도8 is a plan view showing a single polysilicon flash memory device of the present invention.
도 9는 도 8의 I~I' 선상의 단면도9 is a cross-sectional view taken along line II ′ of FIG. 8.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 적층형 플래시 메모리 소자의 서로 다른 실시예를 나타낸 단면도10A and 10B are cross-sectional views illustrating different embodiments of the stacked flash memory device of the present invention.
도 11a은 종래 및 본 발명의 싱글 폴리 실리콘 플래시 메모리 소자에서 플로 팅 게이트에 인가된 전압 대비 드레인 전류(Vgs-Id)의 특성을 나타낸 그래프11A is a graph showing the characteristics of the drain current (Vgs-Id) versus the voltage applied to the floating gate in a single polysilicon flash memory device of the prior art and the present invention.
도 11b는 종래 및 본 발명의 싱글 폴리 실리콘 플래시 메모리 소자에서 플로팅 게이트에 인가된 전압 대비 트랜스 컨덕턴스(Vgs-Gm) 특성을 나타낸 그래프FIG. 11B is a graph showing the transconductance (Vgs-Gm) characteristics of a voltage applied to a floating gate in a single polysilicon flash memory device of the related art and the present invention.
도 12는 종래 및 본 발명의 싱글 폴리 실리콘 플래시 메모리 소자에서 플로팅 게이트에 인가된 전압(Vgs)에 따른 플로팅 게이트로의 전자 주입 효율을 나타낸 그래프12 is a graph illustrating electron injection efficiency into a floating gate according to a voltage Vgs applied to a floating gate in a single polysilicon flash memory device of the related art and the present invention.
도 13은 종래 및 본 발명의 싱글 폴리 실리콘 플래시 메모리 소자에서 플로팅 게이트에 인가된 전압(Vg)에 대한 문턱 전압 쉬프트 특성을 나타낸 그래프FIG. 13 is a graph showing threshold voltage shift characteristics of a voltage Vg applied to a floating gate in a single polysilicon flash memory device of the related art and the present invention.
*도면의 주요 부분을 나타낸 부호의 설명** Description of the Signs of the Major Parts of the Drawings *
100 : 반도체 기판 101 : 게이트 절연막100
102 : 게이트 전극 102a: 제 1 영역102:
102b : 제 2 영역 103 : 소오스 영역102b: second region 103: source region
104 : 드레인 영역 200 : 반도체 기판104: drain region 200: semiconductor substrate
201 : 게이트 절연막 202 : 게이트 전극201: gate insulating film 202: gate electrode
202a : 제 1 영역 202b : 제 2 영역202a:
203 : 소오스 영역 204 : 드레인 영역203: source region 204: drain region
300 : 반도체 기판 301 : 제 1 액티브 영역300: semiconductor substrate 301: first active region
302 : 제 2 액티브 영역 305 : 제 1 게이트 전극302: second active region 305: first gate electrode
305a: 제 1 영역 305b : 제 2 영역305a:
305c : 제 2 게이트 전극 310 : 폴리 실리콘층305c: second gate electrode 310: polysilicon layer
316a : 소오스 영역316a: source region
316b : 드레인 영역 316c : 제 1 고농도 불순물 영역316b: drain
316d : 제 2 고농도 불순물 영역 308a~308d : 측벽 절연막316d: second high
317 : 소오스 단자 318 : 드레인 단자317: source terminal 318: drain terminal
319, 320 : 컨트롤 게이트 단자 400 : 반도체 기판319 and 320: control gate terminal 400: semiconductor substrate
401 : 게이트 절연막 402, 412 : 제 1 영역401: gate
403, 413 : 제 2 영역 404 : 층간 절연막403 and 413: second region 404: interlayer insulating film
405 : 컨트롤 게이트 406 : 소오스 영역405
407 : 드레인 영역 408 : 측벽 절연막407: drain region 408: sidewall insulating film
본 발명은 비휘발성 메모리 소자(Non-volatile Memory device)에 관한 것으로, 특히 프로그램 속도가 개선된 플래시 메모리 소자(Flash Memory Device : EEPROM), 이의 제조 방법 및 이의 구동 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
최근 등장하고 있는 디지털 미디어 기기들은 언제, 어디서 원하는 정보를 간편하게 이용할 수 있는 생활환경으로 바꾸어가고 있다. 아날로그에서 디지털로 전환되면서 급속하게 확산되고 있는 디지털 방식의 각종 기기들은 촬영한 영상, 녹음한 음악, 그리고 각종 데이터를 간편하게 보관할 수 있는 저장매체를 필요로 하게 되었고, 보다 빠른 데이터 입출력을 할 수 있는 저장매체로 광학, 고밀도 마그네 틱, 플래시 메모리가 급속하게 발전 중에 있다.Recently emerging digital media devices are changing into a living environment that can easily access the information you want when and where. As digital devices are rapidly spreading from analog to digital, various types of digital devices need storage media that can easily store recorded images, recorded music, and various data. Optical, high-density magnetic and flash memories are rapidly developing as media.
이에 발맞추어 비메모리 반도체에도 고집적화 경향에 따라 시스템 온 칩(System on Chip; 이하, "SoC"라 함) 분야에 관심을 쏟고 있으며, 세계 반도체 업계가 SoC 기반 기술 강화를 위해 투자 경쟁을 벌이고 있다. 상기 SoC는 하나의 반도체에 모든 시스템 기술을 집적하는 것으로, 시스템 설계 기술을 확보하지 못하면 이제 비메모리 반도체 개발은 어려워지게 될 것이다. In line with this trend, non-memory semiconductors are becoming more highly integrated and are focusing on System on Chip (hereinafter referred to as "SoC") fields, and the global semiconductor industry is competing for investment in strengthening SoC-based technologies. The SoC integrates all system technologies in one semiconductor. If the system design technology is not secured, the development of non-memory semiconductors will be difficult.
이러한 복잡한 기술이 집약되어 있는 SoC 분야에 빼놓을 수 없는 것 중 하나가 임베디드 메모리(embedded memory)이며, 이 가운데 각광받은 메모리가 플래시 EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)이라 할 수 있는데, 이는 롬(ROM, Read-only memory)처럼 전원이 없는 상태에서도 데이터를 저장할 수 있고 전기적으로 데이터의 소거와 프로그램이 가능한 고집적 비휘발성 기억소자(Non-volatile memory device)이기 때문이다. 이 소자는 전력 소모가 적고 고속 프로그래밍이 가능하여 메모리를 자주 변경해야 하는 제품에 주로 채용되고 있다.One of the indispensable parts of SoC, where this complex technology is concentrated, is embedded memory, and the most popular of these is the flash EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory). This is because it is a highly integrated non-volatile memory device that can store data even when there is no power supply, such as ROM, read-only memory, and can erase and program data electrically. This device is mainly used in products with low power consumption and high-speed programming that require frequent memory changes.
상기 플래시 메모리는 크게 NAND형 방식과 NOR형 방식으로 나누어진다. 그 차이는 읽기 동작 속도와 집적도의 차이인데, NOR형은 NAND형에 비해서 읽기 속도가 빠르다. 주로 휴대폰, 셋톱박스, PDA와 같은 기기에 사용되며 코드 플래시라고도 불린다.The flash memory is largely divided into a NAND type and a NOR type. The difference is the difference between the read operation speed and the density. The NOR type has a faster read speed than the NAND type. It is mainly used in devices such as mobile phones, set-top boxes, and PDAs, also called code flash.
NAND형은 NOR형에 비해 읽기 속도는 느리지만 집적도가 매우 높아서 디지털 카메라, MP3 플레이어 등의 대용량 메모리가 필요한 기기에 사용된다.NAND type is slower than NOR type, but its density is very high, so it is used in devices requiring large memory such as digital cameras and MP3 players.
이하, 일반적인 플래시 메모리를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a general flash memory will be described with reference to the accompanying drawings.
도 1a는 일반적인 플래시 메모리 셀 구조를 나타낸 단면도이고, 도 1b는 일반적인 플래시 메모리 셀의 레이 아웃도이다.1A is a cross-sectional view illustrating a general flash memory cell structure, and FIG. 1B is a layout view of a general flash memory cell.
일반적인 플래시 메모리 소자의 단위 셀은, 도 1a에 도시한 바와 같이, P형의 반도체 기판(1)상에 게이트 산화막(4), 플로팅 게이트(Floating gate)(5), 및 컨트롤 게이트(Control gate)(7)가 차례로 적층되고, 상기 플로팅 게이트(5) 양측의 상기 반도체 기판(1)에 고농도 N형 불순물 이온주입에 의해 소오스 영역(2)과 드레인 영역(3)이 형성된다. As shown in FIG. 1A, a unit cell of a general flash memory device includes a
상기 소오스 영역(2)과 드레인 영역(3) 사이의 상기 플로팅 게이트(5) 하측의 상기 반도체 기판(1)에는 채널 영역이 정의된다.A channel region is defined in the
여기서, 상기 플로팅 게이트(5)와 컨트롤 게이트(7)의 사이에는 산화막(Inter-Poly Oxide: IPO)(6)이 더 형성된다.Here, an inter-poly oxide (IPO) 6 is further formed between the floating gate 5 and the control gate 7.
그리고, 상기 플로팅 게이트(5)는 전하를 저장하기 위한 수단이고, 상기 플로팅 게이트(5)상의 컨트롤 게이트(7)는 상기 플로팅 게이트(5)에 전압을 유기시키기 위한 것이다.The floating gate 5 is a means for storing charge, and the control gate 7 on the floating gate 5 is for inducing a voltage to the floating gate 5.
상기 플로팅 게이트(5)와 컨트롤 게이트(7)는, 도 1a에 도시한 바와 같이, 적층 구조로 형성되며 상기 적층 구조를 갖는 게이트의 양 측면들에서 나란하게 상기 소오스 영역(2)과 드레인 영역(3)이 상기 반도체 기판(1) 내에 형성되어 단일 트랜지스터 단위 블록이 구성된다. As shown in FIG. 1A, the floating gate 5 and the control gate 7 are formed in a stacked structure, and the
일반적인 플래시 메모리 소자의 레이아웃 구조는, 도 1b에 도시한 바와 같 이, 각각의 단위 셀(11)들은 필드 절연 영역(10)에 의해 분리되고 각 셀의 컨트롤 게이트(15)는 대응하는 하나의 워드 라인(12)에 연결되고 각 워드 라인(12)은 서로 분리되어 있다. 상기 워드 라인(12)에 수직 방향으로 비트 라인(13)이 구성되고, 각 셀의 드레인 영역(17)은 비트 라인 콘택(14)을 통해 비트 라인(13)에 연결된다.The layout structure of a typical flash memory device is as shown in FIG. 1B, where each
이와 같이 구성된 일반적인 플래시 메모리 소자의 동작(읽기, 쓰기 및 소거)을 설명하면 다음과 같다.The operation (read, write and erase) of a general flash memory device configured as described above will be described below.
일반적인 플래시 메모리 소자의 동작은 주로 고에너지 전자를 플로팅 게이트(5)에 주입시킴으로써 셀을 기록하고, 반대로 F-N 터널링(Fowler-Nordheim tunneling)을 이용하여 상기 플로팅 게이트(5)에 있는 전자를 기판(1) 또는 소오스/드레인 영역(2, 3)으로 빼냄으로써 셀을 소거한다. The operation of a general flash memory device mainly writes a cell by injecting high-energy electrons into the floating gate 5, and conversely, by using Fowler-Nordheim tunneling, electrons in the floating gate 5 are transferred to the substrate 1. ) Or the cell is erased by pulling it out into the source /
즉, 기록(프로그래밍)시에는 상기 드레인 영역(3)에는 5V 정도의 전압을 인가하고 상기 소오스 영역(2)은 접지(0V)되고 상기 컨트롤 게이트(7)에는 8V 정도가 인가되어 채널 열전자가 상기 플로팅 게이트에 주입된다. That is, during writing (programming), a voltage of about 5V is applied to the
그리고 상기 단위 블록의 소거 시에는 상기 소오스 영역(2) 또는 상기 반도체 기판(1) 방향으로 전하의 터널링이 일어나도록 상기 컨트롤 게이트(7)에는 0V 또는 네거티브 고전압이 인가되고 상기 소오스 영역(2) 또는 상기 반도체 기판(1)에는 포지티브 고전압이 인가된다. When the unit block is erased, 0 V or a negative high voltage is applied to the control gate 7 so that tunneling of charge occurs toward the
이와 같은 일반적인 적층형 플래시 메모리 소자(EEPROM)에 있어서는 다음과 같은 문제점이 있었다.Such a general stacked flash memory device (EEPROM) has the following problems.
첫째, 일반적인 적층형 플래시 메모리 소자(EEPROM)는 플로팅 게이트와 컨트 롤 게이트가 적층된 구조로 형성되므로, 플로팅 게이트 및 컨트롤 게이트를 형성하기 위해서는 폴리실리콘 증착 공정과 식각 공정이 각각 실시되어야 하므로 공정 비용과 마스크 장수가 증가한다.First, since a typical stacked flash memory device (EEPROM) is formed of a structure in which a floating gate and a control gate are stacked, a polysilicon deposition process and an etching process must be performed to form a floating gate and a control gate, respectively. Longevity increases
둘째, 플래시 메모리 소자와 메모리 소자를 구동하는 로직 회로를 동시에 구현하여야 하므로 많은 마스크 장수를 필요로 한다. Second, since the flash memory device and the logic circuit driving the memory device must be implemented at the same time, a large number of masks is required.
따라서, 상기와 같은 일반적인 적층형 플래시 메모리 소자(EEPROM)의 문제점을 극복하기 위하여, 최근에는 싱글 폴리 실리콘 EEPROM(Single-Poly pure CMOS EEPROM) 메모리 소자가 연구되어 왔다.Accordingly, in order to overcome the problems of the general stacked flash memory device (EEPROM) as described above, a single-poly pure CMOS EEPROM (Single Poly Silicon EEPROM) memory device has recently been studied.
이와 같은 종래의 싱글 폴리 실리콘 EEPROM 메모리 소자를 설명하면 다음과 같다.The conventional single polysilicon EEPROM memory device will be described as follows.
도 2는 종래의 싱글 폴리 실리콘 플래시 EEPROM을 나타낸 단면도이다.2 is a cross-sectional view of a conventional single polysilicon flash EEPROM.
도 2와 같이, 종래의 싱글 폴리 실리콘 플래시 EEPROM의 단위 셀에 형성되는 트랜지스터는 기판(40)과, 게이트 절연막(41)과, 상기 기판(40) 상의 소정 부위에 대응되어 형성된 게이트 전극(42) 및 상기 게이트 전극(42) 양측에 대응되는 상기 기판(40)에 소정 깊이로 형성된 소오스/드레인 영역(43a, 43b)을 포함하여 이루어진다.As shown in FIG. 2, a transistor formed in a unit cell of a conventional single polysilicon flash EEPROM includes a
여기서, 상기 게이트 전극(42)은 플로팅 게이트(floating gate)로 기능하며, 상기 소오스/드레인 영역(43a, 43b)과 함께 고농도 불순물이 도핑된다. 트랜지스터의 형에 따라 n+ 형 또는 p+형의 불순물 이온이 도핑된다. 예를 들어, 상기 게이트 전극(42) 및 소오스/드레인 영역(43a, 43b)에 n+형의 불순물이 도핑되었을 경우, 상기 기판(40)은 p형 반도체 기판으로 정의된다.Here, the
그리고, 상기 게이트 전극(42)은 이격하여 형성된 컨트롤 게이트(Cg)와 연결된다.The
따라서, 상기와 같은 구조의 종래의 싱글 폴리 실리콘 EEPROM 메모리 소자는 일반적인 적층형 플래시 메모리 소자에 비해 비교적 간단한 공정으로 구현할 수 있다는 장점이 있다. 한편, 상기와 같은 구조의 종래의 싱글 폴리 실리콘 EEPROM 메모리 소자는 도 1a 및 도 1b에서 설명한 일반적인 적층형 플래시 EEPROM 메모리소자와 프로그램 및 소거 동작이 거의 동일하다. 따라서, 상기 종래의 싱글 폴리 실리콘 EEPROM 메모리 소자가 프로그램 및 소거 동작을 수행하기 위해서는 다양한 레벨의 고전압이 필요하고 많은 고 전압 스위칭 회로가 필요하다.Therefore, the conventional single polysilicon EEPROM memory device having the above structure has an advantage that it can be implemented in a relatively simple process compared to the general stacked flash memory device. Meanwhile, the conventional single polysilicon EEPROM memory device having the above structure has almost the same program and erase operations as the general stacked flash EEPROM memory device described with reference to FIGS. 1A and 1B. Accordingly, the conventional single polysilicon EEPROM memory device requires various levels of high voltage and many high voltage switching circuits to perform program and erase operations.
이하에서는 싱글 폴리 실리콘 플래시 EEPROM으로 nMOS 트랜지스터와 pMOS 트랜지스터를 구현시 일함수를 비교하여 살펴본다.In the following, a single polysilicon flash EEPROM will be described by comparing the work function when implementing an nMOS transistor and a pMOS transistor.
도 3a 및 도 3b는 종래의 싱글 폴리 실리콘 플래시 EEPROM의 일함수를 나타낸 도면이다.3A and 3B show a work function of a conventional single polysilicon flash EEPROM.
도 3a 및 도 3b와 같이, CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)형으로 형성되는 종래의 싱글 폴리 플래쉬 EEPROM에 있어서, nMOS 트랜지스터(25)와 pMOS 트랜지스터(35)는 각각 기판(20) 또는 웰 영역(30)과, 게이트 절연막(21, 31)과, 상기 기판 또는 웰 영역(20, 30) 상의 소정 부위에 대응되어 형성된 게이트 전극(23, 33) 및 상기 게이트 전극(23, 33) 양측에 대응되는 상기 기판 또는 웰 영역(20, 30)에 소정 깊이로 형성된 소오스/드레인 영역(22a, 22b)(32a, 32b)을 포함하 여 이루어진다. 여기서, 상기 nMOS 트랜지스터(25)의 게이트 전극(23) 및 소오스/드레인 영역(22a, 22b)은 n+형으로 도핑되며, 기판(20)은 p형으로 도핑되어 있으며, 상기 pMOS 트랜지스터(35)의 게이트 전극(33) 및 소오스/드레인 영역(32a, 32b)은 p+형으로 도핑되며, 상기 웰 영역(30)은 n형으로 도핑되어 있는 상태이다. 이 때, 상기 웰 영역(30)은 상기 기판(20) 내에 소정 부위에 소정 깊이로 정의되어 있다.3A and 3B, in the conventional single poly flash EEPROM formed of a complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) type, the
이러한 nMOS 트랜지스터(25)와 pMOS 트랜지스터(35)의 각각의 게이트 전극(23, 33)의 일함수(work function)는 Φ2, Φ1이라 하며, 상기 pMOS 트랜지스터(35)의 게이트 전극(33)의 일함수 Φ1가 상대적으로 nMOS 트랜지스터(25)의 게이트 전극(23)의 일함수 Φ2에 비해 크다. The work functions of the
임베디드 비휘발성 메모리 소자(embedded non-volatile memory device) 에서 싱글 폴리 실리콘 플래시 EEPROM은 로직 공정 상에 임베디드하기 쉬운 소자로 알려져 있다.In embedded non-volatile memory devices, single polysilicon flash EEPROMs are known to be easy to embed in logic processes.
일반적으로 싱글 폴리 EEPROM 소자는 소오스/드레인 접합으로 로직 소자에서 사용하는 게이트 전극과 소오스/드레인 영역의 양경계부에 LDD(Lightly Doped Drain) 형태의 접합을 사용한다. 그런데, 싱글 폴리 EEPROM 소자는 통상적으로 채널 핫 캐리어 주입법(CHE : Channel Hot Electron)을 이용하여 프로그래밍하는데, 소오스/드레인 영역과 채널과의 접합부가 LDD 영역이므로 핫 캐리어(hot carrier)의 발생 효율이 좋지 않아서 프로그램 속도가 많이 저하된다.In general, a single poly EEPROM device uses a lightly doped drain (LDD) type junction at both boundaries of a gate electrode and a source / drain region used in a logic device as a source / drain junction. However, a single poly EEPROM device is typically programmed using channel hot carrier injection (CHE). Since the junction between the source / drain region and the channel is an LDD region, hot carrier generation efficiency is good. This slows down the program much.
한편, 비휘발성 메모리 소자의 프로그램 속도를 향상하기 위해서 일반적으로 많이 사용하는 방법으로는 소자의 채널 영역과 드레인/소오스 영역의 도핑을 조정하는 경우와 프로그림시 기판 전압을 인가하는 시도들이 있다.On the other hand, in order to improve the program speed of a nonvolatile memory device, a method commonly used includes adjusting the doping of a channel region and a drain / source region of the device, and attempting to apply a substrate voltage during programming.
한 예로, MCI(Mid-Channel Injection) 셀 구조를 이용시 프로그래밍시, 드레인 영역을 채널 중앙 방향으로 연장하는 구조를 이용하는데, 이 때에는 연장된 드레인 영역의 재정의를 위한 별도의 마스크가 요구되며, 이에 따른 공정 추가가 발생되어 공정 비용이 증가한다.For example, when programming using a MCI (Mid-Channel Injection) cell structure, a structure that extends the drain region toward the channel center direction is used. In this case, a separate mask for redefining the extended drain region is required. Process additions occur and process costs increase.
혹은 다른 예로, CHISEL(Channel Initiated Secondary Electron Injection)방법을 이용시, 기판에 네거티브 전압을 인가하므로 딥 N-well 형성 공정이 필요하여 공정 비용이 증가하게 된다.Alternatively, when using a channel initiated secondary electron injection (CHISEL) method, since a negative voltage is applied to the substrate, a deep N-well forming process is required, thereby increasing the process cost.
간단한 해결방법으로, 임베디드용 싱글 폴리 실리콘 플래시 EEPROM 소자의 소오스/드레인 접합을 로직 소자의 소오스/드레인과 구별된 별도의 접합 구조를 적용할 수 있는데, 이러한 경우에도 추가적인 마스크 작업이 필요하고, 비용의 증가가 필수적이다.As a simple solution, the source / drain junction of the embedded single polysilicon flash EEPROM device can be applied with a separate junction structure that is distinct from the source / drain of the logic device, which requires additional masking and cost. An increase is essential.
종래의 싱글 폴리 실리콘 EEPROM 소자는 표준 CMOS 로직 공정상에 임베디드하기 위해 로직 소자의 접합(junction) 구조, 예를 들어, LDD(Lightly Doped Drain) 구조 등을 그대로 사용한다. 만일 로직 소자에서 이용하는 LDD 구조를 적용하지 않고, 싱글 드레인 구조를 형성하면 추가 공정 비용이 발생한다.Conventional single polysilicon EEPROM devices use a junction structure of a logic device, for example, a lightly doped drain (LDD) structure, etc., for embedding in a standard CMOS logic process. If a single-drain structure is formed without applying the LDD structure used in the logic device, additional process costs are incurred.
또한, 일반적으로 EEPROM과 같은 플래시 메모리 소자에 있어서, 프로그램시 동작 전압과 시간을 줄이기 위해서는 위하여 CHE(Channel Hot Electron) 방법을 FN(Fowler-Nordheim) 방법을 보다 선호한다.Also, in flash memory devices such as EEPROM, channel hot electron (CHE) method is more preferred to FN (Fowler-Nordheim) method in order to reduce operating voltage and time during programming.
정리하면, LDD 접합 구조의 소자를 CHE 방법으로 프로그램 동작시 핫 캐리어(예를 들어, hot electron)의 발생 효율이 저하되고, 프로그램을 위해서는 전압을 높여야 한다. 또한, LDD 접합 구조의 이용시 결과적으로 셀 프로그램 시간의 증가를 초래한다.In summary, the generation efficiency of hot carriers (for example, hot electrons) during the program operation of the device having the LDD junction structure by the CHE method decreases, and the voltage must be increased for the program. In addition, the use of LDD junction structures results in an increase in cell program time.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로 비휘발성 메모리 소자(Non-volatile Memory devcie)에 관한 것으로, 특히 프로그램 속도가 개선된 플래시 메모리 소자(Flash Memory Device : EEPROM), 이의 제조 방법 및 이의 구동 방법을 제공하는 데, 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above problems, and relates to a non-volatile memory device (Non-volatile Memory devcie), in particular a flash memory device (EEPROM) with improved program speed, a manufacturing method and It is an object of the present invention to provide a driving method thereof.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 플래시 메모리 소자는 액티브 영역과 소자 격리 영역으로 구분되어 정의된 반도체 기판과, 상기 액티브 영역의 소정 부위의 반도체 기판 상에 형성되며, 영역이 제1, 제 2 영역으로 이분되어 각 영역에 대응되어 서로 상이한 일함수를 갖는 물질로 이루어진 제 1 게이트 전극 및 상기 제 1 게이트 전극 양측에 대응되어 상기 반도체 기판에 형성된 소오스/드레인 영역을 포함하여 이루어진 것에 그 특징이 있다.The flash memory device of the present invention for achieving the above object is formed on a semiconductor substrate defined by being divided into an active region and a device isolation region, and formed on a semiconductor substrate of a predetermined portion of the active region, the region is first, It comprises a first gate electrode made of a material divided into two regions and having a different work function corresponding to each region, and a source / drain region formed on the semiconductor substrate corresponding to both sides of the first gate electrode. have.
여기서, 상기 제 1 게이트 전극은 상기 제 1 영역 및 제 2 영역에 대응되어, 각각 제 1, 제 2 도전형의 고농도 불순물이 도핑된 폴리 실리콘으로 이루어진다. Here, the first gate electrode corresponds to the first region and the second region, and is made of polysilicon doped with high concentration impurities of first and second conductivity types, respectively.
또는 상기 제 1 게이트 전극은 상기 제 1 영역 및 제 2 영역에 대응되어, 각각 서로 다른 일함수를 갖는 금속으로 이루어질 수 있다.Alternatively, the first gate electrode may correspond to the first region and the second region, and may be formed of metal having different work functions.
그리고, 상기 소오스/드레인 영역은 제 1 도전형의 고농도 불순물이 도핑되어 이루어지며, 상기 반도체 기판은 제 2 도전형으로 정의된다.The source / drain regions are doped with a high concentration of impurities of a first conductivity type, and the semiconductor substrate is defined as a second conductivity type.
이 때, 상기 제 1 도전형은 n형이고, 상기 제 2 도전형은 p형일 경우, 상기 소오스 영역에 인접한 상기 제 1 영역은 p형의 고농도 불순물이 도핑되어 이루어지며, 상기 드레인 영역에 인접한 상기 제 2 영역은 n형의 고농도 불순물이 도핑되어 이루어진다.In this case, when the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type, the first region adjacent to the source region is doped with a high concentration of impurity of p-type and is adjacent to the drain region. The second region is formed by doping with an n-type high concentration impurity.
혹은 상기 제 1 도전형은 p형이고, 상기 제 2 도전형은 n형일 경우, 상기 소오스 영역에 인접한 상기 제 1 영역은 n형의 고농도 불순물이 도핑되어 이루어지며, 상기 드레인 영역에 인접한 상기 제 2 영역은 p형의 고농도 불순물이 도핑되어 이루어진다.Alternatively, when the first conductivity type is p-type and the second conductivity type is n-type, the first region adjacent to the source region is doped with n-type high concentration impurities and the second region adjacent to the drain region. The region is doped with a high concentration of p-type impurities.
또한, 상기 반도체 기판 상에 상기 제 1 게이트 전극으로부터 제 1 방향으로 연장되어 제 2 게이트 전극이 더 형성되며, 상기 제 1 방향과 교차하는 방향으로 상기 제 2 게이트 전극의 양측에 대응되는 상기 반도체 기판에 고농도 불순물 영역이 더 형성될 수 있다.In addition, a second gate electrode is further formed on the semiconductor substrate in a first direction from the first gate electrode, and the semiconductor substrate corresponds to both sides of the second gate electrode in a direction crossing the first direction. High concentration impurity regions may be further formed in the.
상기 드레인 영역은 비트 라인과 연결되며, 상기 제 2 게이트 전극 양측의 고농도 불순물 영역은 워드 라인과 연결된다.The drain region is connected to the bit line, and the high concentration impurity regions on both sides of the second gate electrode are connected to the word line.
여기서, 상기 제 1 게이트 전극은 플로팅 게이트로 기능하며, 상기 고농도 불순물 영역은 컨트롤 게이트로 기능한다.Here, the first gate electrode functions as a floating gate, and the high concentration impurity region functions as a control gate.
또한, 동일한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 플래시 메모리 소자는 제 1 영역 및 제 2 영역으로 구분되어 정의되는 반도체 기판과, 상기 제 1 영역 및 제 2 영역을 가로지르며 제 1 방향으로 형성된 폴리 실리콘층과, 상기 제 1 영역의 상기 제 1 방향과 교차하는 제 2 방향으로 상기 폴리 실리콘층 양측에 대응되어 상기 반도체 기판에 형성된 제 1 및 제 2 고농도 불순물 영역과, 상기 제 2 영역의 상기 제 1 방향과 교차하는 제 2 방향으로 상기 폴리 실리콘층 양측에 대응되어 상기 반도체 기판에 형성된 제 3 및 제 4 고농도 불순물 영역과, 상기 제 1 고농도 불순물 영역과 상기 제 2 고농도 불순물 영역 사이의 상기 폴리 실리콘층이 이분되어 서로 다른 일함수를 갖도록 하여 정의된 플로팅 게이트 및 상기 제 3 고농도 불순물 영역 및 제 4 고농도 불순물 영역과 연결된 컨트롤 게이트 단자를 포함하여 이루어짐에 또 다른 특징이 있다.In addition, the flash memory device of the present invention for achieving the same object is a semiconductor substrate divided into a first region and a second region, and a polysilicon layer formed in a first direction across the first region and the second region And first and second high concentration impurity regions formed on the semiconductor substrate so as to correspond to both sides of the polysilicon layer in a second direction crossing the first direction of the first region, and the first direction of the second region. The third and fourth high concentration impurity regions formed on the semiconductor substrate in correspondence to both sides of the polysilicon layer in a second direction crossing the second direction, and the polysilicon layer between the first high concentration impurity region and the second high concentration impurity region A floating gate defined by dividing to have different work functions, and the third high concentration impurity region and the fourth high concentration impurity region In the yirueojim including a control terminal coupled to the gate, there is another characteristic.
여기서, 상기 제 1 영역에는 제 2 도전형 웰이 형성되며, 상기 제 2 영역에는 제 1 도전형 웰이 형성된다.Here, a second conductivity type well is formed in the first region, and a first conductivity type well is formed in the second region.
그리고, 상기 플로팅 게이트는 이분된 영역 중 상기 제 1 고농도 불순물 영역에 인접한 부위에는 제 2 도전형 고농도 불순물이 주입되고, 상기 제 2 고농도 불순물 영역에 인접한 부위에는 제 1 도전형 고농도 불순물이 주입된다.In the floating gate, a second conductivity type high concentration impurity is injected into a portion adjacent to the first high concentration impurity region and a first conductivity type high concentration impurity is injected into a portion adjacent to the second high concentration impurity region.
또한, 상기 제 1 내지 제 4 고농도 불순물 영역에는 제 1 도전형 고농도 불순물이 주입된다.In addition, a first conductivity type high concentration impurity is implanted into the first to fourth high concentration impurity regions.
상기 플로팅 게이트 및 컨트롤 게이트와 상기 반도체 기판 사이에 게이트 절연막이 더 개재될 수 있다.A gate insulating layer may be further interposed between the floating gate and the control gate and the semiconductor substrate.
여기서, 상기 제 1 도전형은 n형이며, 상기 제 2 도전형은 p형이거나 혹은 그 역으로 상기 제 1 도전형은 p형이며, 상기 제 2 도전형은 n형일 수 있다.Here, the first conductivity type may be n-type, the second conductivity type may be p-type or vice versa, the first conductivity type may be p-type, and the second conductivity type may be n-type.
상기 제 1, 제 2 고농도 불순물 영역 사이 및 상기 제 3, 제 4 고농도 불순물 영역 사이의 상기 폴리 실리콘층의 측벽에는 측벽 절연막이 더 형성될 수 있다. 이러한 상기 측벽 절연막 하측의 상기 반도체 기판에는 저농도 불순물 영역이 더 형성될 수 있다.Sidewall insulating films may be further formed on sidewalls of the polysilicon layer between the first and second high concentration impurity regions and between the third and fourth high concentration impurity regions. A low concentration impurity region may be further formed on the semiconductor substrate under the sidewall insulating layer.
그리고, 상기 제 1 내지 제 4 고농도 불순물 영역들에 대응되어 각각 제 1 내지 제 4 콘택홀을 구비하여 상기 기판 전면에 층간 절연막이 더 개재될 수 있다. 이 때, 상기 제 1 내지 제 4 콘택홀을 통해 상기 제 1, 제 2 고농도 불순물 영역은 각각 상기 층간 절연막 상측에 더 형성되는 소오스 단자 및 드레인 단자에 연결되고, 상기 제 3, 제 4 고농도 불순물 영역은 상기 층간 절연막 상측에 더 형성되는 상기 컨트롤 게이트 단자와 연결된다. 그리고, 상기 드레인 단자는 비트 라인에 연결되며, 상기 컨트롤 게이트 단자는 워드 라인에 연결되며, 상기 소오스 단자는 소오스 선에 연결될 것이다.The interlayer insulating layer may be further interposed on the entire surface of the substrate by including first to fourth contact holes corresponding to the first to fourth high concentration impurity regions. In this case, the first and second high concentration impurity regions are respectively connected to source and drain terminals further formed on the interlayer insulating layer through the first to fourth contact holes, and the third and fourth high concentration impurity regions are respectively formed. Is connected to the control gate terminal further formed on the interlayer insulating layer. The drain terminal is connected to a bit line, the control gate terminal is connected to a word line, and the source terminal is connected to a source line.
또한, 동일한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 플래시 메모리 소자의 제조 방법은 반도체 기판에 제 1 액티브 영역과 제 2 액티브 영역을 정의하고, 상기 제 1, 제 2 액티브 영역을 제외한 영역에 소자 격리막을 형성하는 단계와, 상기 제 1 액티브 영역 및 제 2 액티브 영역을 가로지르는 방향의 일방향으로 폴리 실리콘층을 형성하는 단계와, 상기 폴리 실리콘 양측의 상기 제 1 액티브 영역의 상기 폴리 실리콘층을 이분하여 소오스/드레인 영역 중 어느 한 영역에 인접한 부위를 가려, 상기 제 1 액티브 영역 및 상기 제 2 액티브 영역에 대하여 제 1 형의 고농도 불순물을 주입하여 상기 제 1, 제 2 액티브 영역의 상기 폴리 실리콘층 영역 양측에 각 각 제 1, 제 2 고농도 불순물 영역 및 제 3, 제 4 고농도 불순물 영역을 형성하는 단계 및 상기 가린 부위를 오픈하고, 나머지 부위를 가린 상태에서 제 2형 고농도 불순물을 주입하는 단계를 포함하여 이루어짐에 또 다른 특징이 있다.In addition, in the method of manufacturing the flash memory device of the present invention for achieving the same object, a first active region and a second active region are defined on a semiconductor substrate, and a device isolation film is formed in regions other than the first and second active regions. Forming a polysilicon layer in one direction crossing the first active region and the second active region; dividing the polysilicon layer in the first active region on both sides of the polysilicon; Covering a portion adjacent to any one of the drain regions, high concentration impurities of a first type are implanted into the first active region and the second active region, and both sides of the polysilicon layer regions of the first and second active regions are injected. Forming first and second high concentration impurity regions and third and fourth high concentration impurity regions, respectively, and In addition, there is another feature that is made, including the step of injecting a high concentration of the second type of impurities in a state in which the remaining part is covered.
여기서, 상기 제 2 액티브 영역에는 제 1 형의 웰이 형성되며, 상기 제 1 액티브 영역에는 제 2 형의 웰이 형성된다.Here, a well of a first type is formed in the second active region, and a well of a second type is formed in the first active region.
그리고, 상기 폴리 실리콘층을 포함한 상기 반도체 기판 전면에 층간 절연막을 증착하고, 이를 선택적으로 제거하여 상기 제 1 내지 제 4 고농도 불순물 영역의 소정 부위들을 노출하는 제 1 내지 제 4 콘택홀을 형성하는 단계와, 상기 제 1 내지 제 4 콘택홀을 매립하며, 상기 층간 절연막 상부에 금속층을 증착하고 이를 선택적으로 제거하여 상기 제 1 콘택홀 및 제 2 콘택홀 상에 소오스/드레인 전극을 형성하고, 상기 제 3 콘택홀 및 제 4 콘택홀 상에 컨트롤 게이트 전극을 형성하는 단계를 더 포함하여 이루어진다.And depositing an interlayer insulating film on the entire surface of the semiconductor substrate including the polysilicon layer and selectively removing the interlayer insulating film to form first to fourth contact holes exposing predetermined portions of the first to fourth high concentration impurity regions. And filling the first to fourth contact holes, and depositing a metal layer on the interlayer insulating layer and selectively removing the first and fourth contact holes to form source / drain electrodes on the first and second contact holes. And forming a control gate electrode on the third contact hole and the fourth contact hole.
그리고, 상기 드레인 전극과 연결하는 비트 라인을 더 형성하고, 상기 컨트롤 게이트 전극과 연결되는 워드 라인을 더 형성한다.A bit line is further formed to connect to the drain electrode, and a word line is further formed to be connected to the control gate electrode.
상기 소오스 영역 및 드레인 영역 사이의 상기 제 1, 제 2 형 고농도 불순물이 도핑된 상기 폴리 실리콘은 플로팅 게이트로 기능한다.The polysilicon doped with the first and second high concentration impurities between the source and drain regions serves as a floating gate.
또한, 동일한 목적을 달성하기 위한 상술한 바와 같이 구성되는 본 발명의 플래시 메모리 소자의 구동 방법은 상기 비트 라인에 제 1 전압을 인가하고, 상기 소오스 선을 접지하고, 상기 워드 라인에 상기 제 1 전압 이상의 전압을 인가하여 프로그래밍하며, 상기 소오스 선 및 워드 라인을 접지하고, 상기 비트 라인에 파지 티브 고전압을 인가하여 상기 플로팅 게이트에 주입된 전자들을 소거하고, 상기 소오스 선을 접지하고, 상기 워드 라인에 문턱 전압 이상의 제 1 전압을 인가하고, 상기 비트 라인에 파지티브 전압을 인가하여 상기 플로팅 게이트에 을 접지하고, 상기 비트 라인에 고전압을 인가하여 상기 플로팅 게이트에 데이터가 프로그래밍되어 있는가를 읽어내도록 동작한다.In addition, the driving method of the flash memory device of the present invention configured as described above to achieve the same object is to apply a first voltage to the bit line, ground the source line, and the first voltage to the word line Programming by applying the above voltage, grounding the source line and the word line, applying a positive high voltage to the bit line to erase the electrons injected into the floating gate, grounding the source line, and A first voltage equal to or greater than a threshold voltage is applied, a positive voltage is applied to the bit line to ground the floating gate, and a high voltage is applied to the bit line to read whether data is programmed in the floating gate.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 플래시 메모리 소자와 이의 제조방법 및 이의 구동 방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a flash memory device, a manufacturing method thereof, and a driving method thereof of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 4는 본 발명의 플래시 메모리 소자를 나타낸 단면도이다.4 is a cross-sectional view showing a flash memory device of the present invention.
도 4와 같이, 본 발명의 싱글 폴리 플로팅 게이트(single poly floating gate) 구조의 플래시 EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)으로 형성되는 플래시 메모리 소자는 기판(100)과, 기판(100) 상에 증착된 게이트 절연막(101)과, 상기 기판(100) 상의 소정 부위에 대응되어 상기 게이트 절연막(101) 상에 형성된 게이트 전극(102)과 상기 게이트 전극(102)의 양측에 대응되는 기판(100) 내에 정의된 소오스/드레인 영역(103, 104)을 포함하여 이루어진다. 여기서, 상기 게이트 전극(102)은 이분되어 서로 다른 형의 불순물이 도핑된 폴리 실리콘으로 이루어지며, 각각 소오스 영역(103) 측에 인접한 제 1 영역(102a)은 p+형의 불순물이 도핑되어 있으며, 상기 드레인 영역(104)측에 인접한 제 2 영역(102b)은 n+형의 불순물이 도핑되어 있다. 그리고, 상기 게이트 전극(102)과 소오스/드레인 영역(103/104)과의 오버랩 부위는 n-형의 불순물이 도핑된 저농도 불순물 영역(LDD: Lightly Doped Drain)으로 정의된다. 이 경우, 상기 소오스/드레인 영역(103, 104)은 n+형의 고농도 불순물 이온이 도핑되어 있다.As shown in FIG. 4, a flash memory device formed of a flash electrically erasable programmable read only memory (EEPROM) having a single poly floating gate structure of the present invention is deposited on a
앞의 설명에서는 상기 게이트 전극(102)이 폴리 실리콘으로 형성된 점만을 나타냈지만, 경우에 따라 상기 게이트 전극(102)은 상기 제 1, 제 2 영역(102a, 102b)에 대하여 각각 상이한 일함수(work function)을 갖는 금속과 같은 도전형 물질 등 여러가지 예로 변경 가능하다. In the above description, only the point where the
또한, 상기 소오스/드레인 영역(103, 104)이 n+형의 고농도 불순물 이온 대신 p+형의 고농도 불순물 이온이 도핑될 수도 이루어질 수 있을 것이다. 상기 소오스/드레인 영역(103, 104)에 n+형의 고농도 불순물 이온이 도핑되었을 경우, 상기 게이트 전극(102), 소오스/드레인 영역(103, 104)으로 이루어지는 소자는 nMOS 트랜지스터라 할 수 있을 것이며, 상기 소오스/드레인 영역(103, 104)에 p+형의 고농도 불순물 이온이 도핑되었을 경우, 상기 게이트 전극(102), 소오스/드레인 영역(103, 104)으로 이루어지는 소자는 pMOS 트랜지스터라 할 수 있을 것이다. 전자의 경우 상기 소오스 영역(103)에 인접한 제 1 영역(102a)에는 p+형 불순물 이온이 주입되며, 상기 드레인 영역(104)에 인접한 제 2 영역(102b)에는 n+형불순물 이온이 주입된다. 후자의 경우에는 반대로, 상기 소오스 영역(103)에 인접한 제 1 영역(102a)에는 n+형 불순물 이온이 주입되며, 상기 드레인 영역(104)에 인접한 제 2 영역(102b)에는 p+형 불순물 이온이 주입된다. In addition, the source /
도 4의 예에서는 상기 게이트 전극(102)이 플로팅 전극(floating)으로 이용되고, 이격된 컨트롤 게이트(Cg)와 상기 플로팅 전극이 연결된 경우를 도시하고 있다.In the example of FIG. 4, the
도 4와 같은 본 발명에서는 별도의 마스크 형성이나 공정 증가로 인한 비용의 증가없이 싱글 폴리 실리콘 플래시 EEPROM 소자의 프로그램 속도를 개선하기 위한 것으로, 이중 일함수(dual work function) 게이트라는 새로운 구조를 고안하여 제안하고 있다.In the present invention as shown in Figure 4 to improve the program speed of a single polysilicon flash EEPROM device without increasing the cost of forming a separate mask or increase the process, by devising a new structure called a dual work function gate I'm proposing.
도 5는 종래 및 본 발명의 싱글 폴리 실리콘 플래시 EEPROM의 채널의 전계 분포를 나타낸 그래프이다.5 is a graph showing the electric field distribution of the channels of the single polysilicon flash EEPROM of the prior art and the present invention.
도 5에서는 본 발명과 종래의 구조의 싱글 폴리 실리콘 플래시 EEPROM의 채널의 거리에 따른 전계 변화를 나타낸 것으로, 먼저 본 발명과 종래의 싱글 폴리 실리콘 플래시 EEPROM에 있어서, 각각 채널의 길이를 1㎛ 라하고, 각각 채널 양측의 소오스/드레인 영역의 길이를 1㎛ 라 할 때, 채널과 소오스 영역 경계부 지점을 1㎛ 라 하고, 채널과 드레인 영역 경계부를 2㎛라 정의한다. 그리고, 본 발명과 종래에 있어서, 상기 게이트 절연막의 두께(Tox)는 7nm라 하고, 드레인-소오스 간 전압(Vds)은 6.0V로 하고, 게이트-소오스간 전압(Vgs)은 2.0V로 동일하게 정의한다. 또한, 본 발명과 종래의 싱글 폴리 실리콘 플래시 EEPROM에서 동일하게 소오스/드레인 영역과 게이트 접합부에 LDD 구조가 더 형성된 것으로 가정한다.Figure 5 shows the electric field change according to the distance of the channel of the single polysilicon flash EEPROM of the present invention and the conventional structure. First, in the present invention and the conventional single polysilicon flash EEPROM, the length of each channel is 1㎛ When the length of the source / drain regions on both sides of the channel is 1 mu m, the channel and source region boundary points are 1 mu m, and the channel and drain region boundary portions are 2 mu m. In the present invention and the prior art, the thickness of the gate insulating film Tox is 7 nm, the drain-source voltage Vds is 6.0 V, and the gate-source voltage Vgs is 2.0 V. define. In addition, it is assumed that the LDD structure is further formed at the source / drain region and the gate junction in the same manner as in the present invention and the conventional single polysilicon flash EEPROM.
이러한 정의에 따라 상기 채널의 각 지점에서 전계 변화를 살펴보면 다음과 같다.According to this definition, the electric field change at each point of the channel is as follows.
종래의 싱글 폴리 실리콘 플래시 EEPROM의 경우는, 채널과 소오스 영역의 경계부(거리 1.0㎛) 에서부터 약 1.1㎛ 까지 2.75E+0.5[V/cm]까지 급격히 증가하다가, 거리 1.8㎛ 까지 약 3.5E+0.5[V/cm]까지 서서히 오르다가, 이어 거리 1.8㎛ 부 근에서 전계가 정점을 이루다가 다시 채널과 드레인 영역의 경계부까지 약 2.5E+05 [V/cm]의 값으로 하강한다.In the case of the conventional single polysilicon flash EEPROM, it rapidly increases from 2.75E + 0.5 [V / cm] from the boundary between the channel and source region (distance 1.0 μm) to about 1.1 μm, and then reaches 3.5 E + 0.5 up to 1.8 μm. It gradually rises to [V / cm], and then the electric field reaches its peak near the distance of 1.8 mu m, and then falls back to the boundary of the channel and drain region to about 2.5E + 05 [V / cm].
본 발명의 싱글 폴리 실리콘 플래시 EEPROM의 경우는, 상술한 종래의 싱글 폴리 실리콘 플래시 EEPROM과 유사한 경향을 보이나, 게이트 전극이 서로 다른 이형의 불순물로 도핑되었기에, 게이트 전극의 제 1 영역과 제 2 영역의 경계부, 즉, 상기 채널 중심부에서 약 2.5E+05 에서 4.0E+05[ V/cm]의 정도로 높은 전계 변화를 보이게 되며, 채널과 소오스 영역의 경계부와 채널 중심부까지는 상기 종래의 경우보다 약간 낮은 약 2.5E+05[V/cm] 정도까지의 전계 상승을 보이며, 상기 채널 중심부에서 상기 채널과 드레인 영역의 경계부로 갈수록 약간 하강한 전계 값을 소정의 채널 길이에서 유지하고 이어 상기 채널과 드레인 영역의 경계부에서는 상기 종래의 싱글 폴리 실리콘 플래시 EEPROM과 유사한 정도로 하강하는 경향을 보인다.In the case of the single polysilicon flash EEPROM of the present invention, there is a tendency similar to the conventional single polysilicon flash EEPROM described above, but since the gate electrode is doped with different heterogeneous impurities, the first region and the second region of the gate electrode At the boundary, that is, at the center of the channel, the electric field changes from about 2.5E + 05 to 4.0E + 05 [V / cm], and the boundary and the center of the channel and source region are slightly lower than those of the conventional case. The electric field rises to about 2.5E + 05 [V / cm], and the electric field value slightly lowered from the center of the channel to the boundary between the channel and the drain region is maintained at a predetermined channel length, and then the The boundary tends to fall to a similar extent as the conventional single polysilicon flash EEPROM.
이러한 그래프에서 본 발명의 싱글 폴리 실리콘 플래시 EEPROM에 있어서, 채널 내에서의 전계 변화가 소오스 영역에 인접한 영역과 드레인 영역에 인접한 영역이 서로 구분되는 전계 특성 변화를 보이고 있으며, 또한, 종래와 비교하여 전체적으로 동일한 바이어스 전압 인가시 전계 변화가 크기 때문에, 프로그래밍에 걸리는 시간이 짧아짐을 예상할 수 있다. 역으로 생각해보면, 프로그래밍시에 종래와 비교하여 보다 낮은 전압을 인가하게 되더라도 동일한 정도의 프로그래밍 효율을 얻을 수 있음도 예상해볼 수 있다.In this graph, in the single polysilicon flash EEPROM of the present invention, the electric field change in the channel shows a change in electric field characteristics in which the region adjacent to the source region and the region adjacent to the drain region are distinguished from each other. Since the electric field change is large when the same bias voltage is applied, the programming time can be expected to be short. On the contrary, it can be expected that the same programming efficiency can be obtained even if a lower voltage is applied at the time of programming.
도 6은 본 발명의 싱글 폴리 실리콘 플래시 EEPROM의 영역별 일함수를 나타낸 도면이다.6 is a diagram illustrating work functions for respective regions of a single polysilicon flash EEPROM of the present invention.
도 6과 같이, 본 발명의 싱글 폴리 실리콘 플래시 EEPROM은 서로 다른 형의 불순물이 도핑된 게이트 전극(202)으로 이루어져 있기 때문에, 각각 보다 일함수 값이 높은 p+ 형의 불순물이 도핑된 제 1 영역(202a)과 보다 일함수 값이 낮은 n+ 형의 불순물이 도핑된 제 2 영역(202b)이 정의된다. 그리고, 이 때, 상기 게이트 전극(202) 양측의 반도체 기판(200)에 형성된 소오스/드레인 영역(203, 204)은 n+ 불순물 이온이 도핑되어 있다.As shown in FIG. 6, since the single polysilicon flash EEPROM of the present invention is composed of
도시되지 않은 경우이지만, 경우에 따라, 상기 소오스/드레인 영역(203, 204)이 p+ 불순물 이온이 도핑될 경우도 있는데, 이 경우에는 상기 소오스 영역(203)에 인접한 상기 제 1 영역(202a)에는 n+형 불순물 이온이 상기 드레인 영역(204)에 인접한 상기 제 2 영역(202b)에는 p+ 형 불순물 이온이 도핑되어 있다.Although not shown, in some cases, the source /
일반적으로 nMOS 트랜지스터의 게이트 전극과 pMOS 트랜지스터의 게이트 전극간의 일함수는 각각 상이하며, 상대적으로 pMOS 트랜지스터의 일함수 값이 크다. In general, the work function between the gate electrode of the nMOS transistor and the gate electrode of the pMOS transistor is different, and the work function of the pMOS transistor is relatively large.
본 발명은 소오스/드레인 영역에 각각 인접한 게이트 전극을 이분하고, 이분된 양측에 일함수의 차이를 유도함으로써 채널 영역의 포텐셜(potential) 분포를 원하는 정도로 조정할 수 있도록 하며, 이러한 포텐셜 분포의 조정으로 소자의 채널 영역에서 전계의 분포를 조정할 수 있다. 이러한 채널 영역에서 포텐셜 분포의 조정으로 비휘발성 메모리 소자에서 채널 핫 일렉트론(CHE: Channel Hot Electron) 방법을 이용한 프로그램 시간의 감소를 유도함으로써, 프로그램 효율을 증가시킨다.According to the present invention, the potential distribution of the channel region can be adjusted to a desired degree by dividing the gate electrodes adjacent to the source / drain regions, respectively, and inducing a difference in the work function on both sides of the divided region. You can adjust the distribution of the electric field in the channel region of. By adjusting the potential distribution in this channel region, the program efficiency is increased by inducing a reduction in program time using a Channel Hot Electron (CHE) method in a nonvolatile memory device.
이와 같은 일함수의 조정을 게이트의 도핑을 조정함으로써 가능하다. 즉, 게 이트의 도핑을 이온 주입 방법 또는 확산 방법을 이용하여 선택적으로 도핑을 진행함으로써 게이트 물질의 일함수의 임의 조정이 가능하다.Such adjustment of the work function is possible by adjusting the doping of the gate. That is, by selectively doping the gate doping using an ion implantation method or a diffusion method, it is possible to arbitrarily adjust the work function of the gate material.
본 발명의 플래시 EEPROM의 제조시 게이트의 도핑을 소오스/드레인 형성 공정에서 진행하고 있으므로, 소오스/드레인을 형성하기 위해 진행하는 이온 주입 공정을 (폴리 실리콘) 게이트 물질에 적용함으로써 구현이 가능하다. 또는 별도의 이온주입 및 추가적인 마스크를 이용한 확산공정을 이용하여도 구현이 가능함을 물론이다.Since the doping of the gate is performed in the source / drain formation process in the manufacture of the flash EEPROM of the present invention, it is possible to implement by applying an ion implantation process to the (polysilicon) gate material to form the source / drain. Alternatively, the present invention can be implemented using a separate ion implantation and a diffusion process using an additional mask.
이하, 도면을 참조하여 상술한 이분된 양측에 서로 일함수가 상이한 폴리 게이트를 적용하여 싱글 폴리 실리콘 플래시 EEPROM을 구현한 본 발명의 플래시 메모리 소자에 대해 설명한다.Hereinafter, a flash memory device according to the present invention will be described in which a single polysilicon flash EEPROM is implemented by applying polygates having different work functions to both sides of the above-described bifurcation with reference to the drawings.
도 7은 본 발명의 싱글 폴리 실리콘 플래시 메모리 소자를 나타낸 회로도이며, 도 8은 본 발명의 플래시 메모리 소자를 나타낸 평면도이며, 도 9는 도 8의 I~I' 선상의 단면도이다.FIG. 7 is a circuit diagram illustrating a single polysilicon flash memory device of the present invention, FIG. 8 is a plan view illustrating the flash memory device of the present invention, and FIG. 9 is a cross-sectional view taken along line II ′ of FIG. 8.
도 7 내지 도 9와 같이, 본 발명의 플래시 메모리 소자는 제 1 액티브 영역(301) 및 제 2 액티브 영역(302)으로 구분되어 정의되는 반도체 기판(300)과, 상기 제 1 액티브 영역(301) 및 제 2 액티브 영역(302)을 가로지르며 제 1 방향으로 형성된 폴리 실리콘층(310)과, 상기 제 1 액티브 영역(301)의 상기 제 1 방향과 교차하는 제 2 방향으로 상기 폴리 실리콘층(310) 양측에 대응되어 상기 반도체 기판(300)에 형성된 소오스/드레인 영역(316a , 316b)과, 상기 제 2 액티브 영역(302)의 상기 제 1 방향과 교차하는 제 2 방향으로 상기 폴리 실리콘층(310) 양측에 대 응되어 상기 반도체 기판(300)에 형성된 제 1 고농도 불순물 영역 및 제 2 고농도 불순물 영역(316c, 316d)과, 상기 소오스/드레인 영역(316a, 316b) 사이의 상기 폴리 실리콘층(310)이 이분되어 서로 상이한 일함수를 갖도록 형성된 플로팅 게이트(floating gate)의 제 1 게이트 전극(305: 305a, 305b) 및 상기 제 2 소오스/제 2 드레인 영역(316c, 316d)의 사이에 상기 폴리 실리콘층(310)이 제 1 도전형의 고농도 불순물이 주입되어 정의되는 플로팅 게이트의 제 2 게이트 전극(305c)을 포함하여 이루어진다.As shown in FIGS. 7 to 9, the flash memory device of the present invention may be divided into a first
여기서, 상기 폴리 실리콘층(310) 및 상기 소오스/드레인 영역(316a, 316b) 및 제 1, 제 2 고농도 불순물 영역(316c, 316d)을 제외한 영역들에는 소자 격리 영역(303)이 형성되어, 상기 반도체 기판(300) 상에 형성된 소자간의 분리를 담당한다.The
이 때, 상기 제 1 액티브 영역(301)에는 p형 웰이 형성되며, 상기 제 2 액티브 영역(302)에는 n형 웰이 형성된다. 여기서, 상기 반도체 기판(300)은 p형 도전형 기판이다.In this case, a p-type well is formed in the first
그리고, 상기 폴리 실리콘층(310)은 상기 제 1 액티브 영역(301) 및 제 2 액티브 영역(302)을 지나도록 형성되어, 상기 제 1 액티브 영역(301)의 소오스/드레인 영역(316a, 316b) 사이에서는 제 1 게이트 전극(305)으로 기능하며, 상기 제 2 액티브 영역(302)의 상기 제 1, 제 2 고농도 불순물 영역(316c, 316d) 사이에서는 제 2 게이트 전극(305c)으로 기능한다. 여기서, 제 1, 제 2 게이트 전극(305, 305c)은 플로팅(floating) 상태에 놓여있어 플로팅 게이트라 하며, 또한, 모두 상 기 폴리 실리콘층(310) 상에 소정의 불순물이 주입되어 정의된다. 즉, 상기 제 1 게이트 전극(305)는 이분된 영역 중 상기 소오스 영역(316a)에 인접한 부위 제 1 영역(305a)에는 p+형 고농도 불순물이 주입되고, 상기 드레인 영역(316b)에 인접한 제 2 영역(305b) 에는 n+형 고농도 불순물이 주입되어 이루어진다. 여기서, 상기 폴리 실리콘층(310)은 상기 제 1 게이트 전극(305a) 부위를 제외한 나머지 영역이 모두 n+형 고농도 불순물이 주입된다. 즉, 나머지 폴리 실리콘층(310) 중 상기 제 2 게이트 전극(305c)이 형성되는 부위에도 n+형의 고농도 불순물이 도핑되게 된다.The
이 때, 상기 소오스/드레인 영역(316a, 316b) 및 상기 제 1, 제 2 고농도 불순물 영역(316c, 316d)에는 n+형 고농도 불순물이 주입된다. 그리고, 상기 소오스/드레인 영역(316a, 316b)은 각각 상측에 형성되는 소오스 단자(317), 드레인 단자(318)와 연결되며, 상기 제 1, 제 2 고농도 불순물 영역(316c, 316d)은 함께 컨트롤 게이트 단자(319, 320)에 연결된다.At this time, n + type high concentration impurities are implanted into the source /
상기 제 1 게이트 전극(305)과 상기 반도체 기판(300) 사이에는 게이트 절연막(304a)이 더 개재되어, 상기 플로팅 게이트로 기능하는 상기 제 1 게이트 전극(305)과 상기 반도체 기판(300) 사이에 터널링 산화막(tunnelling oxide)로 기능한다. 그리고, 상기 제 2 게이트 전극(305c)과 상기 반도체 기판(300) 사이에는 게이트 절연막(304b)이 더 개재되어, 상기 플로팅 게이트로 기능하는 상기 제 1 게이트 전극(305)과 상기 컨트롤 게이트 단자(319, 320)에 연결되어 컨트롤 게이트 기능을 하는 상기 제 1, 제 2 고농도 불순물 영역(316c, 316d)과의 사이에서 플로팅-컨트롤 게이트간의 층간 절연막으로 기능하여, 싱글 폴리 실리콘 플래시 메모리 소자 (EEPROM)으로 구현될 수 있다.A
그리고, 상기 플로팅 게이트(305) 및 상기 컨트롤 게이트(307)의 측벽에는 측벽 절연막(308a, 308b)이 더 형성되며, 이 때, 상기 측벽 절연막 하측의 상기 반도체 기판에는 저농도 불순물 영역(LDD: Lightly Doped Drain)이 더 형성될 수 있다.Further, sidewall insulating
한편, 앞서의 설명에서는 상기 n형 메모리 소자가 형성되는 예에 대하여 설명하였지만, 상기 소오스/드레인 영역과 상기 고농도 불순물 영역 및 웰 영역의 도전형을 반대로(p형을 n형으로, n형을 p형으로) 하여 p형 메모리 소자를 형성할 수도 있을 것이다.In the foregoing description, the n-type memory element is formed, but the conductive type of the source / drain region, the high concentration impurity region and the well region is reversed (p type to n type, n type to p type). To form a p-type memory device.
또한, 상기 소오스/드레인 영역(316a, 316b) 및 상기 제 1, 제 2 고농도 불순물 영역(316c, 316d)들에 대응되어 각각 제 1 내지 제 4 콘택홀(315a, 315b, 315c, 315d)을 구비한 상기 반도체 기판(300) 전면에 층간 절연막(미도시)이 더 개재될 수 있다. 이 경우, 상기 제 1 내지 제 4 콘택홀(315a, 315b, 315c, 315d)을 통해 상기 소오스/드레인 영역(316a, 316b)은 각각 상기 층간 절연막 상측에 더 형성되는 소오스 단자(317) 및 드레인 단자(318)에 연결되고, 상기 제 1, 제 2 고농도 불순물 영역(316c, 316d)은 상기 층간 절연막 상측에 더 형성되는 컨트롤 게이트 단자(319, 320)와 연결된다. In addition, first to
그리고, 상기 드레인 단자(318)는 상기 폴리 실리콘층(310)과 교차하는 방향으로 길게 형성되는 비트 라인(BL: Bit Line, 미도시)에 연결되며, 상기 컨트롤 게이트 단자(319, 320)는 상기 폴리 실리콘층(310) 방향의 워드 라인(WL: Word Line, 미도시)에 연결되며, 상기 소오스 단자는 소오스 선(SL: Source Line, 미도시)에 연결된다.In addition, the
이러한 본 발명의 플래시 메모리 소자의 제조 방법은 다음과 같이 이루어진다.The method of manufacturing the flash memory device of the present invention is made as follows.
즉, 반도체 기판(300)에 제 1 액티브 영역(301)과 제 2 액티브 영역(302)을 정의하고, 상기 제 1, 제 2 액티브 영역(301, 302)을 제외한 영역에 소자 격리막(303)을 형성한다. 여기서, 상기 제 2 액티브 영역(302)에는 제 1 도전형의 웰을 형성하고, 상기 제 1 액티브 영역에는 제 2 도전형의 웰이 형성하여 정의할 수 있다.That is, the first
이어, 상기 제 1 액티브 영역(301) 및 제 2 액티브 영역(302)을 가로지르는 방향의 일방향으로 폴리 실리콘층(310)을 형성한다.Next, the
이어, 상기 폴리 실리콘(310) 양측의 상기 제 1 액티브 영역(301) 중 소정 부위의 상기 폴리 실리콘층을 이분하여 이분된 부위 중 일부분을 가린 상태에서, 상기 제 1 액티브 영역(301) 및 상기 제 2 액티브 영역(302)에 대하여 제 1 형의 고농도 불순물을 주입하여 상기 제 1, 제 2 액티브 영역(301, 302)의 상기 폴리 실리콘층(310) 양측에 각각 소오스/드레인 영역(316a, 316b) 및 제 1, 제 2 고농도 불순물 영역(316c, 316d)을 형성한다.Subsequently, the polysilicon layer of a predetermined portion of the first
이어, 상기 가린 부위를 오픈하고, 나머지 부위를 가린 상태에서 제 2형 고농도 불순물을 주입한다.Subsequently, the blind region is opened, and the second type high concentration impurity is injected while the remaining portion is blocked.
이와 같이, 상기 폴리 실리콘층(310)의 불순물 주입에 의해, 상기 소오스 영 역(316a) 및 드레인 영역(316b) 사이의 상기 제 1, 제 2 형 고농도 불순물이 도핑된 상기 폴리 실리콘층 부위는 플로팅 게이트(floating gate)로 기능한다.As described above, the polysilicon layer portion doped with the first and second high concentration impurities between the
그리고, 상기 폴리 실리콘층(310)을 포함한 상기 반도체 기판(300) 전면에 층간 절연막(미도시)을 증착하고, 이를 선택적으로 제거하여 상기 소오스/드레인 영역(316a, 316b) 및 제 1, 제 2 고농도 불순물 영역(316c, 316d)에 대해 소정 부위들을 노출하는 제 1 내지 제 4 콘택홀(315a~315d)을 형성한다.In addition, an interlayer insulating film (not shown) is deposited on the entire surface of the
이어, 상기 제 1 내지 제 4 콘택홀(315a~315d)을 매립하며, 상기 층간 절연막 상부에 금속층(미도시)을 증착하고 이를 선택적으로 제거하여 상기 제 1 콘택홀(315a) 및 제 2 콘택홀(315b) 상에 소오스/드레인 전극(317, 318)을 형성하고, 상기 제 3 콘택홀(315c) 및 제 4 콘택홀(315d) 상에 컨트롤 게이트 단자(319, 320)을 형성한다. 이 때, 상기 드레인 전극(318)과 연결하는 비트 라인(BL, 미도시)을 더 형성하고, 상기 컨트롤 게이트 전극과 연결되는 워드 라인(WD, 미도시)을 더 형성한다. 이러한 상기 비트 라인 및 워드 라인의 형성은 별도의 층간 절연막 및 콘택 홀 형성 공정을 더 진행하여 서로 다른 층의 금속 배선으로 형성할 수 있다.Subsequently, the first to
한편, 본 발명의 플래시 메모리 소자의 구동시 프로그래밍은, 상기 드레인 전극(318)과 연결된 비트 라인에 5~10V의 제 1 전압을 인가하고, 상기 소오스 선을 접지하고, 상기 워드 라인에 상기 제 1 전압 이상의 전압을 인가하여 프로그래밍한다. On the other hand, when driving the flash memory device of the present invention, programming, applying a first voltage of 5 ~ 10V to the bit line connected to the
그리고, 본 발명의 플래시 메모리 소자의 구동시 소거는 상기 소오스 선 및 워드 라인을 접지하고, 상기 비트 라인에 약 10V 이상의 파지티브 고전압을 인가하 여 상기 플로팅 게이트에 주입된 전자들을 소거한다. The erase operation of the flash memory device of the present invention grounds the source line and the word line, and erases electrons injected into the floating gate by applying a positive high voltage of about 10V or more to the bit line.
또한, 본 발명의 플래시 메모리 소자의 구동시 리딩(reading)은 상기 소오스 선을 접지하고, 상기 워드 라인에 문턱 전압 이상의 제 1 전압을 인가하고, 상기 비트 라인에 파지티브 전압을 인가하여 상기 플로팅 게이트에 을 접지하고, 상기 비트 라인에 고전압을 인가하여 상기 플로팅 게이트에 데이터가 프로그래밍되어 있는가를 읽어낸다.In addition, when the flash memory device of the present invention is driven, a reading may be performed by grounding the source line, applying a first voltage equal to or greater than a threshold voltage to the word line, and applying a positive voltage to the bit line. Is grounded and a high voltage is applied to the bit line to read whether data is programmed in the floating gate.
여기서, 상기 도 8에 도시한 바와 같이, 상기 컨트롤 게이트(Cg)에 의해 정의되는 채널의 폭(Wcg)은 상기 플로팅 게이트(Fg)에 의해 형성되는 채널 폭(Wfg)보다 더 넓게 형성된다. As shown in FIG. 8, the width Wcg of the channel defined by the control gate Cg is wider than the channel width Wfg formed by the floating gate Fg.
이하, 다른 실시예로 본 발명의 이중 일함수(dual work function)를 갖는 게이트 전극을 포함한 적층형 게이트 플래시 메모리 소자(EEPROM)에 대해 설명한다.In another embodiment, a stacked gate flash memory device (EEPROM) including a gate electrode having a dual work function of the present invention will be described.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 적층형 플래시 메모리 소자(EEPROM)의 서로 다른 실시예를 나타낸 단면도이다.10A and 10B are cross-sectional views illustrating different embodiments of a stacked flash memory device (EEPROM) of the present invention.
도 10a와 같이, 본 발명의 적층형 플래시 EEPROM은 반도체 기판(400)과, 상기 기판(400) 상의 소정 부위에 차례로 적층되어 형성된 게이트 구조물과, 상기 게이트 구조물 양측에 형성된 측벽 절연막(408)과, 상기 게이트 구조물 양측에 대응되어 상기 기판(400)에 정의된 소오스/드레인 영역(406, 407)을 포함하여 이루어진다. 여기서, 상기 게이트 구조물은 상기 기판(400) 상에 차례로 적층된 게이트 절연막(401), 서로 다른 불순물로 도핑된 제 1 영역(402) 및 제 2 영역(403)을 포함하는 플로팅 게이트, 층간 절연막(404) 및 컨트롤 게이트(405)를 말한다.As shown in FIG. 10A, the stacked flash EEPROM of the present invention includes a
여기서, 상기 제 1 영역(402) 및 제 2영역(403)을 포함하는 플로팅 게이트 전극은 폴리 실리콘으로 이루어지며, 채널에 대응되는 길이가 이분되어, 소오스 영역(406)에 인접한 제 1 영역(402)에 일함수가 높은 p+형의 불순물이 도핑되며, 드레인 영역(407)에 인접한 제 2 영역(403)에 일함수가 높은 n+형의 불순물이 도핑된다.Here, the floating gate electrode including the
그리고, 상기 컨트롤 게이트(405)은 전체가 n+형의 불순물이 도핑된다.The
도 10b는 적층형 플래시 EEPROM의 다른 예로, 상기 플로팅 게이트를 불순물이 도핑된 폴리 실리콘이 아닌 재료로 형성되는 것으로, 예를 들어, 이분된 각 영역(412, 413)에 일함수가 서로 상이한 금속 또는 유사 금속 재료로 이루어진 예를 나타낸 것이다. 이 경우, 상기 소오스/드레인 영역(406, 407) 및 컨트롤 게이트(405)는 모두 n+형의 이온이 도핑된다고 가정한다.FIG. 10B illustrates another example of a stacked flash EEPROM, wherein the floating gate is formed of a material other than polysilicon doped with impurities, for example, a metal or a similar work function in each of the divided
도 10a 및 도 10b에서, 만일 상기 소오스/드레인 영역(406, 407) 및 컨트롤 게이트(405)가 p+형으로 도핑되거나 혹은 p+형의 폴리 실리콘일 경우에는, 플로팅 게이트는 도시된 바와 반대로 소오스 영역(406)에 인접한 제 1 영역(402, 412)은 일함수가 낮은 물질로 형성하고, 드레인 영역(407)에 인접한 제 2 영역(403, 413)은 일함수가 높은 물질로 형성한다.10A and 10B, if the source /
도 10a 및 도 10b에 도시된 적층형 플래시 EEPROM의 경우도 그 구동 방법은 도 7 내지 도 9에서 설명한 본 발명의 플래시 메모리 소자의 구동 방법과 유사하게 적용될 수 있을 것이다.The driving method of the stacked flash EEPROM shown in FIGS. 10A and 10B may be similarly applied to the driving method of the flash memory device of the present invention described with reference to FIGS. 7 to 9.
이하에서 설명하는 그래프들은 본 발명의 플래시 메모리 소자와 종래의 플래 시 메모리 소자의 특성을 비교하여 본 것이다.The graphs described below compare the characteristics of the flash memory device and the conventional flash memory device of the present invention.
도 11a은 종래 및 본 발명의 플래시 메모리 소자에서 임의의 드레인 전압을 인가한 상태에서 플로팅 게이트에 인가된 전압 대비 드레인 전류(Vgs-Id)의 특성을 나타낸 그래프이다.FIG. 11A is a graph illustrating the characteristics of the drain current Vgs-Id compared to the voltage applied to the floating gate in the state in which a predetermined drain voltage is applied in the flash memory device of the prior art and the present invention.
도 11a와 같이, 종래와 도 9a또는 도 9b와 같이 형성한 본 발명의 플래시 메모리 소자에서, 각각 채널의 W/L=0.6/1.0으로 하고, 드레인 전압(Vds)에 1.0V의 동일 조건을 주고 플로팅 게이트에 인가된 전압(Vgs)의 변화에 따른 드레인 전류(Ids)의 변화를 살펴본다.In the flash memory device of the present invention conventionally formed as in FIG. 11A and as shown in FIG. 9A or 9B, the channel W / L = 0.6 / 1.0 and the same condition of 1.0V are applied to the drain voltage Vds. The change of the drain current Ids according to the change of the voltage Vgs applied to the floating gate will be described.
이 때, 종래의 플래시 메모리 소자의 경우는 Vgs가 0에서 5V로 변화하는 동안, 거의 초기 값에서부터 Ids의 증가를 보인 반면, 본 발명의 이중 일함수 플로팅 게이트 구조의 플래시 메모리 소자의 경우는 Vgs 값이 약 1.2V 이상까지는 Ids의 변화가 없고, 그 다음부터 Ids의 증가를 보이고 있어, 종래와 비교하여 약 1.0V 이상의 문턱 전압 상승의 경향을 보이고 있다. 이러한 문턱 전압의 차이는 플로팅 게이트를 구성하는 물질의 일함수 차이로부터 자연스럽게 발생한다.At this time, while the Vgs changes from 0 to 5V in the conventional flash memory device, the Ids increases from the initial value, whereas the Vgs value is used in the flash memory device having the double work function floating gate structure of the present invention. There is no change of Ids up to about 1.2V or more, and since then, the increase of Ids has shown, and the tendency of the threshold voltage rise of about 1.0V or more compared with the conventional is shown. This difference in threshold voltage naturally occurs from the difference in the work function of the materials constituting the floating gate.
도 11b는 종래 및 본 발명의 플래시 메모리 소자에서 플로팅 게이트에 인가된 전압 대비 트랜스 컨덕턴스(Vgs-Gm)의 특성을 나타낸 그래프이다.FIG. 11B is a graph showing the characteristics of the transconductance (Vgs-Gm) versus the voltage applied to the floating gate in the flash memory device of the prior art and the present invention.
도 11b와 같이, gm 특성도 종래의 경우는 Vgs 값이 약 0.5V에서 상승하기 시작하여, 약 0.5E-05[A/V] 의 값의 정점을 갖고 점차 하강하는 데, 본 발명의 경우는 Vgs 값이 약 1.6V에서 상승하기 시작하여 약 8.0E-04[A/V] 의 정점을 가진 후 하강하게 된다. As shown in FIG. 11B, in the case of the conventional gm characteristic, the Vgs value starts to rise at about 0.5V, and gradually decreases with a peak of about 0.5E-05 [A / V]. The Vgs value starts to rise at about 1.6V and then drops after reaching a peak of about 8.0E-04 [A / V].
이와 같이, 본 발명의 플래시 메모리 소자도 종래에 비해 문턱 전압과 트랜스 컨덕턴스가 증가한 점을 제외하면, 정상적인 드레인 전류(Ids) 특성 및 트랜스 컨덕턴스(gm) 특성을 갖는 점을 알 수 있다.As described above, it can be seen that the flash memory device of the present invention also has a normal drain current (Ids) characteristic and a transconductance (gm) characteristic except for an increase in threshold voltage and transconductance.
도 12는 종래 및 본 발명의 플래시 메모리 소자에서 플로팅 게이트에 인가된 전압(Vgs)에 따른 핫 일렉트론의 플로팅 게이트로의 주입 효율(게이트 전류/드레인 전류)을 나타낸 그래프이다.12 is a graph showing the injection efficiency (gate current / drain current) of a hot electron to a floating gate according to a voltage Vgs applied to the floating gate in the flash memory device of the prior art and the present invention.
도 12와 같이, Vg의 변화에 따른 주입 효율(Ig/Id)[A/A]의 변화를 살펴보면, 상대적으로 종래의 플래시 메모리 소자에 비해 본 발명의 EEPROM이 보다 효율이 높아 상측으로 쉬프트된 경향의 그래프를 나타냄을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 EEPROM이 게이트 전류/드레인 전류의 값이 높게 되며, 이에 따라 프로그래밍시의 주입 효율이 높음을 알 수 있다.As shown in FIG. 12, the change in the implantation efficiency (Ig / Id) [A / A] according to the change of Vg is relatively higher than that of the conventional flash memory device, and thus the EEPROM of the present invention is more efficient and shifted upward. It can be seen that the graph of. Therefore, the value of the gate current / drain current of the EEPROM of the present invention is high, and thus it can be seen that the injection efficiency during programming is high.
도 13은 종래 및 본 발명의 EEPROM의 프로그램 시간에 대한 문턱 전압 쉬프트 특성을 나타낸 그래프이다.13 is a graph showing threshold voltage shift characteristics with respect to program time of the EEPROM according to the related art and the present invention.
도 13과 같이, 종래 및 본 발명의 EEPROM의 Vg에 대한 문턱 전압 쉬프트 특성을 Vd 값이 모두 7V라고 하고, 컨트롤 게이트 전압 값을 종래와 본 발명에서 7V에서 10V까지 차례로 1V씩 늘려가며 Vgs 값에 따른 문턱 전압 쉬프트의 경향을 살펴본다.As shown in FIG. 13, the threshold voltage shift characteristic of the EEPROM of the prior art and the present invention is set to 7 V for the Vd value, and the control gate voltage value is increased by 1 V from 7 V to 10 V in the conventional and the present invention in order to Vgs value. The trend of the threshold voltage shift is explained.
이 경우, 종래와 본 발명의 EEPROM의 경우 동일한 컨트롤 게이트의 전압에서, 약 1V 이상의 문턱 전압 쉬프트 특성이 차이가 있으며, 초기 1E-06[sec]에서 약 1E-04[sec]의 변화에서는 종래나 본 발명의 겨우 거의 유사하게 증가하는 특성 을 보이나 약 1E-04[sec]에서 문턱 전압 쉬프트 특성 변화가 큰 값을 나타냄을 알 수 있다.In this case, in the case of the conventional EEPROM, the threshold voltage shift characteristic of about 1 V or more is different at the voltage of the same control gate, and the change of the initial 1E-06 [sec] to about 1E-04 [sec] is different. Although the characteristic of the present invention is increased almost similarly, it can be seen that the threshold voltage shift characteristic change shows a large value at about 1E-04 [sec].
이에 따라 본 발명의 EEPROM이 동일한 프로그램 조건하에서 문턱전압의 쉬프트가 훨씬 높기 때문에, 고속 프로그램 및 저전압 프로그램이 가능한 것을 알 수 있다.Accordingly, it can be seen that the high-speed program and the low-voltage program are possible because the EEPROM of the present invention has a much higher shift of the threshold voltage under the same program condition.
이러한 본 발명의 플래시 메모리 소자는 플로팅 게이트를 이분하여, 이분된 영역에 서로 다른 일함수를 갖는 물질로 형성함으로써, 소오스 인접 영역과 드레인 인접 영역을 전압 인가시 서로 상이한 전계 효과를 갖도록 할 수 있다. 따라서, 채널 핫 캐리어(CHE : Channel Hot Electron) 주입법에 의해 프로그램 효율을 높이며, 이에 따라 프로그램 시간이 감소하며, 기존 구조 대비 저전압에서 프로그램 동작이 가능하다.In the flash memory device of the present invention, the floating gate is divided into two and formed of a material having a different work function in the divided region so that the source and drain adjacent regions have different electric field effects when voltage is applied. Accordingly, the program efficiency is increased by the channel hot carrier (CHE) injection method, which reduces the program time and enables the program operation at a lower voltage than the existing structure.
또한, 상기 플로팅 게이트에 서로 다른 일함수를 갖는 물질로 형성시, 플로팅 게이트를 폴리 실리콘으로 형성시 소오스/드레인 영역의 불순물 주입과 같은 공정에서, 상기 플로팅 게이트의 각 이분된 영역에 서로 다른 불순물을 도핑하여 일함수를 달리한 효과를 주어, 별도의 공정 추가 없이, 기존 대비 프로그래밍 효율이 좋은 플래시 메모리 소자의 구현이 가능하다.In addition, when the floating gate is formed of a material having a different work function, and the floating gate is formed of polysilicon, such as impurity implantation of source / drain regions, different impurities may be added to each divided region of the floating gate. By doping, the work function is different, and thus, a flash memory device having a higher programming efficiency can be realized without additional process.
상기와 같은 본 발명의 플래시 메모리 소자, 이의 제조 방법 및 이의 구동 방법은 다음과 같은 효과가 있다.The flash memory device of the present invention, a manufacturing method thereof, and a driving method thereof have the following effects.
본 발명의 플래시 메모리 소자는 플로팅 게이트를 소오스 영역에 인접한 측 과 드레인 영역에 인접한 측으로 양분하여, 각각 상이한 일함수를 갖는 물질로 형성함으로써, 소오스/드레인 영역간의 채널 영역간에 전계 변화를 보다 크게 하여, CHE 프로그래밍 효율을 향상시킬 수 있다. 프로그래밍시 인가 전압을 상대적으로 작게 할 수 있어, 구동 전압 감소의 효과를 얻을 수 있으며, 또한, 동일한 구동 전압 인가시는 프로그래밍시 걸리는 시간을 줄이는 효과를 얻을 수 있다.The flash memory device of the present invention divides the floating gate into a side adjacent to the source region and a side adjacent to the drain region, and is formed of a material having a different work function, thereby increasing the electric field change between the channel regions between the source / drain regions. CHE programming efficiency can be improved. Since the applied voltage can be made relatively small during programming, an effect of reducing the driving voltage can be obtained, and an effect of reducing the time taken during programming can be obtained when the same driving voltage is applied.
또한, 본 발명에서는 이중 일함수(dual work function) 구조의 플로팅 게이트 형성시 별도의 공정을 요하지 않고, CMOS형 소오스/드레인 영역의 정의시, 즉, p+형 고농도 불순물 영역과 n+형의 고농도 불순물 영역의 정의시 함께 상기 플로팅 게이트 역시 양분하여 서로 상이한 불순물을 주입하여 형성할 수 있어, 별도의 마스크나 공정의 추가 없이 이중 일함수 구조의 플로팅 게이트를 형성할 수 있다. In addition, the present invention does not require a separate process for forming a floating gate having a dual work function structure, and defines a CMOS source / drain region, that is, a p + type high concentration impurity region and an n + type high concentration impurity region. In addition, the floating gate may also be bisected and formed by injecting different impurities, thereby forming a floating gate having a double work function structure without adding a separate mask or process.
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