KR100782911B1 - Method of forming uniformly distributed nanocrystal and device of including the nanocrystal - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 종래의 나노결정이 포함된 저전압 기억소자의 단면도를 도시한 것이다.1 is a cross-sectional view of a low voltage memory device including a conventional nanocrystal.
도 2는 종래의 부유 게이트가 포함된 실리콘 나노결정계 기억소자의 단면도이다.2 is a cross-sectional view of a silicon nanocrystalline memory device including a conventional floating gate.
도 3은 종래의 부유 게이트가 포함된 고속 장기 기억 시간의 나노결정 기억소자의 제조방법을 도시한 것이다.3 illustrates a method of manufacturing a nanocrystalline memory device having a fast long-term storage time including a conventional floating gate.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 균일한 나노결정을 형성하는 방법을 도시한 것이다.4 illustrates a method of forming uniform nanocrystals according to a first embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 균일한 나노결정을 형성하는 방법을 도시한 것이다.5 illustrates a method of forming uniform nanocrystals according to a second embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 균일한 나노결정을 형성하는 방법을 도시한 것이다.6 illustrates a method of forming uniform nanocrystals according to a third embodiment of the present invention.
도 7은 일함수가 상이한 물질을 이용하여 본 발명의 제1 내지 제3 실시예에 따른 균일한 나노결정을 형성하는 방법을 도시한 것이다.FIG. 7 illustrates a method for forming uniform nanocrystals according to the first to third embodiments of the present invention using materials having different work functions.
본 발명은 나노결정을 균일하게 형성하는 방법 및 그 나노결정을 포함하는 소자에 관한 것이다.The present invention relates to a method for uniformly forming nanocrystals and an element comprising the nanocrystals.
전자 기기에서 소비 전력의 절감 및 소형화를 위해서는 집적도가 높고 소비 전력이 낮으며 전기적으로 소거 및 기입이 가능한 비휘발성을 갖는 기억소자가 필요하다. 이러한 비휘발성을 갖는 기억소자는 채널 영역과 게이트 영역 사이에 부유 게이트가 형성된다. 이러한 부유 게이트는 캐리어 제한 영역으로서 동작한다. In order to reduce power consumption and miniaturization in electronic devices, a memory device having a high density, low power consumption, and nonvolatile memory capable of being electrically erased and written is required. In the nonvolatile memory device, a floating gate is formed between the channel region and the gate region. This floating gate acts as a carrier confined region.
그러나, 비휘발성을 갖는 기억소자는 핫 캐리어(hot carriers)로 인한 신뢰성 저하 측면에서 부유 게이트로의 전하의 주입 및 제거의 회수가 제한되기 때문에 기입 및 소거 동작이 제한된다. 또한, 비휘발성을 갖는 기억소자는 비휘발성을 유지하기 위해 비교적 두꺼운 절연막을 필요로 하기 때문에 10V 이상의 큰 전압이 인가되어야 한다. 따라서, 높은 전압이 인가됨에 따라 핫 캐리어가 생성되고, 생성된 핫 캐리어에 의한 트랩의 형성과 계면에서의 반응 및 핫 캐리어의 완화로 인하여 절연막의 열화가 발생하는 단점이 있다. 또한, 비휘발성을 갖는 기억소자는 기입 및 소거 동작이 부유 게이트로의 충전 및 방전을 통해 흐르는 미소 전류에 의해 행해지므로 충전 및 방전 시간이 밀리초 단위로 길어진다.However, nonvolatile memory devices have limited write and erase operations because the number of times of injection and removal of charges into the floating gate is limited in view of a decrease in reliability due to hot carriers. In addition, since a memory device having a nonvolatile requires a relatively thick insulating film to maintain the nonvolatile, a large voltage of 10 V or more must be applied. Therefore, there is a disadvantage in that hot carriers are generated as a high voltage is applied, and deterioration of the insulating layer occurs due to trap formation by the generated hot carriers, reaction at the interface, and relaxation of the hot carriers. In addition, in the nonvolatile memory device, since the write and erase operations are performed by the minute current flowing through the charge and discharge to the floating gate, the charge and discharge time is increased in millisecond units.
이러한 단점을 극복하기 위하여 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 나노결정 이 포함된 비휘발성 저전압 기억소자가 개발되었다.In order to overcome this disadvantage, as shown in FIG. 1, a nonvolatile low voltage memory device including a conventional nanocrystal has been developed.
도 1의 (a)에 도시된 바와 같이, 종래의 나노결정이 포함된 저전압 기억소자는 반도체 기판(106) 상에 하부 절연층(112), 부유 게이트(104), 상부 절연층(102) 및 제어 게이트(100)를 순차적으로 형성한다. 하부 절연층(112), 부유 게이트(104), 상부 절연층(102), 제어 게이트(100)를 제거한 후 소스 영역(108) 및 드레인 영역(110)을 형성함으로서 단위 기억소자를 형성한다. 여기서, 부유 게이트(104)는 도 1의 (b)에 도시한 바와 같이, 지름 1nm ∼ 20nm의 반도체 재료로 구성한 클러스터(cluster) 또는 섬(island)(122)으로 형성된다. 채널 영역(106)과 부유 게이트(104) 사이의 절연층(112)을 전자가 터널 효과에 의해 직접 통과할 수 있을 때까지 얇게 형성함과 동시에, 부유 게이트(104)의 에너지 준위를 채널 영역(106)보다 낮게 하여, 트랩 된 전자가 쉽게 빠져나갈 수 없도록 형성되었다.As shown in FIG. 1A, a low voltage memory device including a conventional nanocrystal includes a lower
상술한 부유 게이트(104)가 포함된 종래의 기억소자는 도 2를 참조하면, 소스 영역(206)과 드레인 영역(207)이 형성된 반도체 기판(201)상에 두께 1.1nm ∼ 1.8nm의 터널 절연막(202)이 형성된다. 터널 절연막(202)상에 CVD(Chemical Vapour Deposition)를 이용하여 지름 5nm, 간격 5nm, 밀도가 1×1O12cm-2인 나노결정(203)이 형성된다. 또한, 나노결정(203)상에 제어 게이트 절연막(204)이 형성되어, 제어 게이트 절연막(204)상에 두께 7nm의 SiO2가 퇴적되어 제어 게이트(205)가 형성되었다.In the conventional memory device including the
그러나, 상술한 종래의 기억소자는 SiO2 막 표면에 우발적으로 존재하는 나 노결정, 또는 CVD 프로세스 초기에 발생하는 랜덤인 결정핵 주위에 섬 형태로 성장하는 나노결정을 이용하는 것이기 때문에, 나노결정 밀도나 나노결정의 크기가 제어되지 않는 단점이 있다.However, since the conventional memory device described above uses nanocrystals that are accidentally present on the SiO 2 film surface or nanocrystals that grow in the form of islands around random crystal nuclei that occur early in the CVD process, nanocrystal density The disadvantage is that the size of the nanocrystals is not controlled.
또한, 앞서 설명한 부유 게이트(104)가 포함된 종래의 다른 기억소자는 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(301)상에 5nm ∼ 20nm의 열산화막(302)이 형성된다. 열산화막(302)이 형성된 후 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 높은 도우즈(high-dose)의 실리콘(Si) 또는 게르마늄(Ge)이 과포화 될 때까지 열산화막(302)에 이온주입 되고, 질소(N2) 분위기에서, 950℃, 30분간의 열처리가 되어, 열산화막(302)에 지름 5nm의 실리콘(Si) 또는 게르마늄(Ge)의 나노결정(303)이 성장되고, 반도체 기판(301)에 소정의 간격으로 소스 영역(305)과 드레인 영역(306)이 형성된다. 여기서, 이온주입은 5keV, 5×1015cm-2의 조건하에서 행해진다. 다음으로, 도 3의 (c)에 도시된 바와 같이, 열산화막(302)상에 게이트 전극(304)이 형성된다.In another conventional memory device including the
그러나, 상술한 기억소자는 열산화막(302)에 실리콘(Si) 또는 게르마늄(Ge)을 이온주입한 후 열처리하여, 열산화막(302)에 나노결정을 성장키기 때문에, 주입 이온 농도는 깊이 방향으로 분포하여, 열산화막(302)의 이온농도를 균일하게 할 수 없는 단점이 있다. 또한, 농도 분포에 격차가 있는 상태로 열처리를 행하므로, 열산화막(302)의 깊이 방향의 나노결정 밀도도 분포를 갖게 되고, 나노결정 밀도, 나노결정의 크기 및 나노결정과 채널 사이의 터널링 절연막의 두께를 제어하기가 어려운 단점이 있다.However, since the above-described memory device implants silicon (Si) or germanium (Ge) into the
결국, 종래의 부유 게이트가 형성된 기억소자는 나노결정 밀도나 나노결정의 크기를 제어할 수 없었고, 열산화막(302)의 이온농도를 균일하게 할 수 없었으며, 나노결정과 채널사이의 터널링 절연막의 두께를 제어하기가 어려웠다.As a result, in the conventional memory device in which the floating gate is formed, the nanocrystal density and the size of the nanocrystal cannot be controlled, the ion concentration of the
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 밀도 및 크기의 제어성이 높고 격차가 적은 나노결정을 형성할 수 있는 제조 방법 및 그 구조를 제공하는 것에 있다.An object of the present invention for solving the above-described problems is to provide a manufacturing method and a structure thereof capable of forming nanocrystals having high controllability in density and size and small gaps.
또한, 상술한 제조방법 및 그 구조에 의하여 임계 전압 및 기입 성능 등의 특성 격차가 적고, 고속의 재기입이 가능하며, 비휘발성을 갖는 기억소자를 제공하는 것에 있다.In addition, the above-described manufacturing method and structure thereof provide a memory device having a small characteristic gap such as a threshold voltage and a write performance, enabling fast rewriting, and having a nonvolatile memory.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 나노결정을 균일하게 형성하는 방법은 균일한 나노결정을 형성하는 방법은 (a) 기판상에 제1 마스크층과 제2 마스크층을 서로 이격되게 형성하는 단계, (b) 상기 제1 마스크층을 마스크로 하여 상기 기판 상면의 일측에 대하여 비스듬한 각도인 제1 경사각으로 제1 나노결정 형성물질을 상기 제2 마스크층과 인접한 기판상에 입사하는 단계, (c) 상기 제2 마스크층을 마스크로 하여 상기 기판 상면의 타측에 대하여 비스듬한 각도인 제2 경사각으로 제2 나노결정 형성물질을 상기 제1 마스크층과 인접한 기판상에 입사하는 단계, (d) 상기 제2 마스크층을 향하여 돌출된 형태로 상기 제1 마스크층 상에 형성된 제1 나노결정 형성물질과 상기 제1 마스크층을 향하여 돌출된 형태로 상기 제2 마스크층상에 형성된 제2 나노결정 형성물질을 마스크로 하여 제3 나노결정 형성물질을 상기 기판에 대하여 수직인 제3 경사각으로 상기 기판상에 입사하는 단계 및 (e) 상기 제1 및 제2 마스크층을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.Method of forming a nanocrystal uniformly according to the present invention for solving the above problems is a method of forming a uniform nanocrystal (a) forming a first mask layer and a second mask layer on the substrate spaced apart from each other (B) injecting the first nanocrystal forming material onto the substrate adjacent to the second mask layer at a first inclination angle at an oblique angle with respect to one side of the upper surface of the substrate using the first mask layer as a mask; c) injecting a second nanocrystal forming material onto the substrate adjacent to the first mask layer at a second inclination angle at an oblique angle with respect to the other side of the upper surface of the substrate using the second mask layer as a mask, (d) A first nanocrystal-forming material formed on the first mask layer in a form protruding toward the second mask layer and a second b formed on the second mask layer in a form protruding toward the first mask layer; Incorporating a third nanocrystal forming material on the substrate at a third inclination angle perpendicular to the substrate using the crystal forming material as a mask, and (e) removing the first and second mask layers. It is characterized by.
여기서, 상기 (e)단계 이후에, 상기 기판에 형성된 상기 제1 내지 제3 나노결정 형성물질을 등간격의 복수의 구형(spherical) 나노결정으로 형성하는 단계; 를 더 포함하는것이 바람직하다.Here, after the step (e), forming the first to third nanocrystal forming material formed on the substrate into a plurality of spherical nanocrystals of equal intervals; It is preferable to further include.
여기서, 상기 구형 나노결정은, 10Torr 이하의 가스분위기에서 열처리되어 형성되는 것이 바람직하다.Here, the spherical nanocrystals are preferably formed by heat treatment in a gas atmosphere of 10 Torr or less.
여기서, 상기 제1 또는 제2 경사각은 다음 식을 만족하는, Θ=tan-1(B/A), 여기서, Θ은 제1 또는 제2 경사각이고, B는 상기 제1 또는 제2 마스크층의 높이이고, A는 상기 제1 마스크층의 일면으로부터 상기 제2 마스크층의 일면까지의 거리인 것이 바람직하다.Wherein the first or second tilt angle satisfies the following equation, Θ = tan −1 (B / A), where Θ is the first or second tilt angle and B is the angle of the first or second mask layer. It is preferable that A is the height from one surface of the first mask layer to one surface of the second mask layer.
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여기서, 상기 제1 내지 제3 나노결정 형성물질은 일함수가 각각 상이한 물질인 것이 바람직하다.Here, it is preferable that the first to third nanocrystal forming materials are materials having different work functions.
또한, 본 발명에 따른 균일한 나노결정을 형성하는 방법은 (a) 제1 기판상에 형성된 제2 기판을 사이에 두고 상기 제1 기판상에 제1 마스크층과 제2 마스크층을 형성하는 단계, (b) 상기 제1 마스크층을 마스크로 하여 상기 제1 마스크층 상면에 대하여 비스듬한 각도인 제1 경사각으로 제1 나노결정 형성물질을 상기 제2 기판의 일측면 상에 입사하는 단계, (c) 상기 제2 마스크층을 마스크로 하여 상기 제2 마스크층 상면에 대하여 비스듬한 각도인 제2 경사각으로 제2 나노결정 형성물질을 상기 제2 기판의 타측면 상에 입사하는 단계 및 (d) 상기 제1 및 제2 마스크층을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the method for forming a uniform nanocrystal according to the present invention comprises the steps of (a) forming a first mask layer and a second mask layer on the first substrate with a second substrate formed on the first substrate therebetween; (b) injecting a first nanocrystal forming material on one side of the second substrate at a first inclination angle at an oblique angle with respect to an upper surface of the first mask layer using the first mask layer as a mask, (c (B) injecting a second nanocrystal forming material onto the other side of the second substrate at a second inclination angle at an oblique angle with respect to an upper surface of the second mask layer using the second mask layer as a mask; and (d) Removing the first and second mask layers.
여기서, 상기 (d)단계 이후에, 상기 제2 기판의 일측면 또는 타측면에 형성된 상기 제1 및 제2 나노결정 형성물질을 등간격의 복수의 구형 나노결정으로 형성하는 단계; 를 더 포함하는 것이 바람직하다.Here, after the step (d), the step of forming the first and second nanocrystal forming material formed on one side or the other side of the second substrate into a plurality of spherical nanocrystals of equal intervals; It is preferable to further include.
여기서, 상기 구형 나노결정은, 10Torr 이하의 가스분위기에서 열처리되어 형성되는 것이 바람직하다.Here, the spherical nanocrystals are preferably formed by heat treatment in a gas atmosphere of 10 Torr or less.
여기서, 상기 제1 또는 제2 경사각은 다음 식을 만족하는, 0°<Θ≤tan-1(B/A) 여기서, Θ은 제1 또는 제2 경사각이고, B는 상기 제1 또는 제2 마스크층의 높이이고, A는 상기 제1 마스크층의 일면으로부터 상기 제2 마스크층의 일면까지의 거리인 것이 바람직하다.Wherein the first or second tilt angle satisfies the following equation: 0 ° <Θ ≦ tan −1 (B / A) where Θ is the first or second tilt angle and B is the first or second mask It is preferable that it is the height of a layer, and A is the distance from one surface of the said 1st mask layer to one surface of the said 2nd mask layer.
여기서, 상기 제1 나노결정 형성물질은 상기 제1 경사각에 따라 이격되어 상기 제2 기판의 일측면 상에 둘 이상 형성되고, 상기 제1 경사각에 따라 각각 상이한 일함수를 갖고,상기 제2 나노결정 형성물질은 상기 제2 경사각에 따라 이격되어 상기 제2 기판의 타측면 상에 둘 이상 형성되고, 상기 제2 경사각에 따라 각각 상이한 일함수를 갖는 것이 바람직하다.Here, the first nanocrystal forming material is formed on at least two sides on one side of the second substrate spaced apart according to the first inclination angle, each having a different work function according to the first inclination angle, the second nanocrystal It is preferable that at least two forming materials are formed on the other side of the second substrate by being spaced apart according to the second inclination angle, and have different work functions according to the second inclination angle.
또한, 본 발명에 따른 균일한 나노결정을 형성하는 방법은 (a) 기판 상에 나노입자를 형성하는 단계, (b) 상기 나노입자 상에 복수의 나노결정 형성물질을 서로 다른 입사각으로 입사하는 단계 및 (c) 상기 나노입자를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the method for forming a uniform nanocrystal according to the present invention comprises the steps of (a) forming nanoparticles on a substrate, (b) injecting a plurality of nanocrystal forming materials on the nanoparticles at different incidence angles And (c) removing the nanoparticles.
여기서, 상기 나노입자는 폴리스타일렌 나노입자인 것이 바람직하다.Here, the nanoparticles are preferably polystyrene nanoparticles.
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여기서, 상기 복수의 나노결정 형성물질의 일함수가 서로 상이한 것이 바람직하다.Here, it is preferable that the work functions of the plurality of nanocrystal forming materials are different from each other.
또한, 본 발명에 따른 나노결정을 포함하는 소자는 기판, 기판에 이격되어 형성된 드레인 및 소오스, 상기 기판 상에 형성된 제1 절연막, 상기 제1 절연막 상에 형성되고, 상기 제1, 제7 및 제12 항 중 어느 한 항의 균일한 나노결정을 형성하는 방법으로 형성된 나노결정을 포함하는 부유 게이트, 부유 게이트 상에 형성된 제2 절연막 및 상기 제2 절연막 상에 형성된 제어 게이트를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, a device including a nanocrystal according to the present invention is a substrate, a drain and source formed spaced apart from the substrate, a first insulating film formed on the substrate, formed on the first insulating film, the first, seventh and A floating gate comprising nanocrystals formed by the method of forming a uniform nanocrystal according to any one of claims 12, a second insulating film formed on the floating gate and a control gate formed on the second insulating film.
여기서, 상기 나노결정은 지름이 3 내지 5nm인 것이 바람직하다.Here, the nanocrystals are preferably 3 to 5nm in diameter.
또한, 본 발명에 따른 나노결정을 포함하는 소자는 기판; 기판 상에 이격되어 형성된 드레인 및 소오스; 상기 드레인 및 소오스와 연결된 채널; 상기 드레인과 상기 소오스와 이격되어 상기 채널을 감싸도록 형성된 제1 절연막; 상기 제1 절연막을 감싸도록 형성되고, 상기 제1, 제7 및 제12 항 중 어느 한 항의 균일한 나노결정을 형성하는 방법으로 형성된 나노결정을 포함하는 부유 게이트, 상기 부유 게이트를 감싸도록 형성된 제2 절연막; 및 상기 제2 절연막을 감싸도록 형성된 제어 게이트를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, a device comprising a nanocrystal according to the present invention is a substrate; Drains and sources formed spaced apart on the substrate; A channel connected to the drain and the source; A first insulating layer spaced apart from the drain and the source to surround the channel; A floating gate formed to surround the first insulating layer, the floating gate including nanocrystals formed by a method of forming the uniform nanocrystals of any one of the first, seventh, and twelfth layers; 2 insulating film; And a control gate formed to surround the second insulating film.
여기서, 상기 나노결정은 지름이 3 내지 5nm인 것이 바람직하다.Here, the nanocrystals are preferably 3 to 5nm in diameter.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 균일한 나노결정을 형성하는 방법을 도시한 것이다.4 illustrates a method of forming uniform nanocrystals according to a first embodiment of the present invention.
본 발명의 제1 실시예에 따른 균일한 나노결정을 형성하는 방법은 기판상에 제1 및 제2 마스크층(403a, 403b)을 서로 이격되도록 형성한다. 여기서, 기판은 일반적인 물질을 의미하는 것으로, 본 발명의 제1 실시예에서는 반도체 기판(401) 또는 반도체 기판(401)상에 절연막(402)이 형성된 것을 지칭할 수 있다. 여기서, 제1 및 제2 마스크층(403a, 403b)을 형성하는 방법은 공지의 기술에 해당되어 생략한다. 여기서, 설명의 편의를 위하여 기판은 반도체 기판(401)상에 절연막(402)이 형성된 것으로 설명한다. 여기서, 제1 및 제2 마스크층(403a, 403b)은 대기압 이하의 저압하에서 일정한 간격을 두고 병렬로 배열된 포토레지스트, SiO2, SiN4, Al2O3 또는 HfO2과 같은 증착 마스크층인 것이 가장 바람직하다.In the method of forming a uniform nanocrystal according to the first embodiment of the present invention, the first and
도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 제1 나노결정 형성물질(404a)은 제1 마스크층(403a)을 마스크로 하여 기판(401)의 상면의 일측에 대하여 비스듬한 각도인 제1 경사각(Θ1)으로 제2 마스크층(403b)과 인접한 절연막(402) 상에 정배열 되도록 입사된다. 여기서, 제1 나노결정 형성물질(404a)의 제1 경사각(Θ1)은 제1 마스크층(403a)의 높이(B1)와 제1 마스크층(403a)의 일면으로부터 제2 마스크층(403b)의 일면까지의 거리(A)의 비율(Θ1=tan-1(B1/A))과 같아야 한다. 이러한 방법에 의하여, 제1 나노결정 형성물질(404a)은 제1 경사각(Θ1)으로 입사되어 제1 나노결정 형성물질(404a)이 맞닿는 제1 마스크층(403a)의 상면과 절연막(402)의 상면에 균일하게 분포된 나노선으로 형성된다.As shown in FIG. 4A, the first
도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 제2 나노결정 형성물질(404b)은 제2 마스크층(403b)을 마스크로 하여 기판(401)의 상면의 타측에 대하여 비스듬한 각도인 제2 경사각(Θ2)으로 제1 마스크층(403a)과 인접한 절연막(402) 상에 정배열 되도록 입사된다. 여기서, 제2 나노결정 형성물질(404b)의 제2 경사각(Θ2)은 제2 마스크층(403b)의 높이(B2)와 제2 마스크층(403b)의 일면으로부터 제1 마스크층(403a)의 일면까지의 거리(A)의 비율(Θ2=tan-1(B2/A))과 같아야 한다. 이러한 방법에 의하여, 제2 나노결정 형성물질(404b)은 제2 경사각(Θ2)으로 입사되어 제2 나노결정 형성물질(404b)이 입사되는 경로상에 위치한 제2 마스크층(403b)의 상면과 제1 마스크층(403a)과 인접한 절연막(402)의 상면에 균일하게 분포된 나노선으로 형성된다. 여기서, 제1 마스크층(403a)의 높이와 제2 마스크층(403b)의 높이가 동일할 경우의 제2 경사각(Θ2)은 음의 제1 경사각(-Θ1)이 된다.As shown in FIG. 4B, the second
도 4의 (c)에 도시된 바와 같이, 제3 나노결정 형성물질(404c)은 제2 마스크층(403b)을 향하여 돌출된 형태로 제1 마스크층(403a) 상에 형성된 제1 나노결정 형성물질(404a)과 제1 마스크(403a)층을 향하여 돌출된 형태로 제2 마스크(403b)층 상에 형성된 제2 나노결정 형성물질(404b)을 마스크로하여 기판에 대하여 수직인 제3 경사각(Θ3)으로 입사된다. 여기서, 제3 나노결정 형성물질(404c)의 제3 경사각(Θ3)은 90° 또는 -90°가 가장적합하다. 즉, 도 4의 (a) 및 도 4의 (b)에 의하여 제1 마스크층(403a)상에 제1 나노결정 형성물질(404a)이 형성되고, 제2 마스크층(403b)상에 제2 나노결정 형성물질(404b)이 형성되어 입구가 좁아지기 때문에, 좁아진 입구에 의하여 제3 나노결정 형성물질(404c)은 절연막(402)의 상면에 균일하게 분포된 나노선으로 형성된다. 보다 구체적으로, 제3 나노결정 형성물질(404c)은 제 나노결정 형성물질(404a)과 제2 나노결정 형성물질(404b) 사이의 중간 지점에 나노선 형태로 형성된다.As shown in FIG. 4C, the third
도 4의 (d)에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 마스크층(403a, 403b)을 제거한다. 여기서, 제1 및 제2 마스크층(403a, 403b)을 lift-off 공정을 이용하여 제거하는 것으로, 제1 및 제2 마스크층(403a, 403b)을 제거하면, 제1 및 제2 마스크층(403a, 403b)의 상면에 형성된 제1 및 제2 나노결정 형성물질(404a, 404b)도 제거된다. 여기서, 제1 및 제2 마스크층(403a, 403b)을 선택적으로 제거하는 공정은 공지기술에 해당하여 생략한다.As shown in FIG. 4D, the first and
여기서, 상술한 도 4의 (a) 내지 도 4의 (d)에 도시된 공정을 이용하면, 제1 및 제3 나노결정 형성물질(404a, 404b, 404c)을 제1 내지 제3 경사각(Θ1, Θ2, Θ3)에 따라, 절연막(402)상에 입사하여 소정의 간격, 소정의 크기로 균일하게 분포된 나노선을 직접 형성할 수 있다. 여기서, 제1 및 제3 나노결정 형성물질(404a, 404b, 404c)이 반도체 또는 금속(TiN, TaN, Ag, Pt, Ni, Zn, Au)인 경우에는 제1 및 제3 나노결정 형성물질(404a, 404b, 404c)을 제1 내지 제3 경사각(Θ1, Θ2, Θ3)에 따라, 절연막(402)상에 입사하여 소정의 간격, 소정의 크기로 균일하게 분포된 나노결정을 직접 형성할 수 있다.Here, using the process illustrated in FIGS. 4A to 4D, the first and third
또한, 제1 및 제3 나노결정 형성물질(404a, 404b, 404c)이 반도체 또는 금속이 아닌 경우에는 도 4의 (e)와 같은 공정을 이용하여 소정의 간격, 소정의 크기로 균일하게 분포된 나노결정을 형성할 수 있다. 여기서, 도 4의 (e)에 도시된 바와 같이, 10Torr 이하의 진공 또는 10Torr 이하의 헬륨, 질소, 아르곤 또는 수소 등의 산화성을 갖지 않는 가스분위기에서 나노선의 퇴적 온도 이상의 온도로 나노선을 열처리하면 등간격으로 지름 3-5nm 영역의 복수의 구형(spherical) 나노결정을 형성할 수 있다.In addition, when the first and third
여기서, 상술한 나노결정을 포함하는 기억소자에서 나노결정 당 1개의 전자가 축적되었을 때의 문턱전압변화(Vth)의 변이(ΔVth)는 다음 식으로 나타낼 수 있다.Here, the variation ΔVth of the threshold voltage change Vth when one electron is accumulated per nanocrystal in the storage device including the nanocrystal may be expressed by the following equation.
여기서, q는 전자의 전하이고,Where q is the charge of the electron,
nwell은 나노결정 밀도이고,n well is nanocrystalline density,
εox는 산화막의 유전율이고,ε ox is the dielectric constant of the oxide film,
tcntl은 제어 게이트 산화막의 두께이고,t cntl is the thickness of the control gate oxide film,
εsi는 실리콘의 유전율이고,ε si is the dielectric constant of silicon,
twell은 나노결정의 크기이다.t well is the size of the nanocrystals.
상술한 식 1로부터 나노결정 밀도(nwell) 및 나노결정의 크기(twell)의 격차를 감소시키면 소자의 문턱전압변화(Vth)의 변이(ΔVth)를 일정하게 유지할 수 있다.By reducing the gap between the nanocrystal density (n well ) and the nanocrystal size (t well ) from
또한, 나노결정과 채널 사이의 터널 절연막의 두께는 나노결정으로의 전자의 직접적인 터널링을 결정짓는 채널 조건이므로 막두께의 격차가 기입 특성의 격차에 영향을 준다. 이러한 구조에 의하여 기억소자의 특성을 향상시키기 위해서는 나노결정 밀도, 나노결정의 크기 및 나노결정과 채널 사이의 터널 절연막의 두께가 제어되어야 한다.In addition, since the thickness of the tunnel insulating film between the nanocrystal and the channel is a channel condition that determines direct tunneling of electrons to the nanocrystal, the difference in film thickness affects the difference in writing characteristics. In order to improve the characteristics of the memory device by such a structure, the nanocrystal density, the size of the nanocrystal, and the thickness of the tunnel insulating layer between the nanocrystal and the channel must be controlled.
결국, 본 발명의 제1 실시예에 따른 균일한 나노결정을 형성하는 방법을 이용하여 기억소자를 형성하면 나노결정이 될 금속성 물질이 일차원인 선모양의 등간격으로 균일하게 분포되어 형성되기 때문에 나노결정의 구경과 개수의 이산도가 개선된다.As a result, when the memory device is formed by using the method of forming a uniform nanocrystal according to the first embodiment of the present invention, since the metallic material to be nanocrystal is uniformly distributed at a uniform one-dimensional line shape, the nano The diameter of the crystal and the discreteness of the number are improved.
또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 균일한 나노결정을 형성하는 방법을 이용하여 기억소자를 형성하면 나노결정 밀도, 나노결정의 크기 및 나노결정과 채널 사이의 터널링 절연막의 두께에 대하여 제어성 및 균일성이 향상되고, 문턱전압의 변동이 적어 신뢰성 있는 소자를 만들기 위해 요구되는 나노결정의 균일성 마진(uniformity margin)이 증가된다.In addition, when the memory device is formed using the method of forming a uniform nanocrystal according to the first embodiment of the present invention, the controllability of the nanocrystal density, the size of the nanocrystal and the thickness of the tunneling insulating film between the nanocrystal and the channel is controlled. And uniformity is improved, and the uniformity margin of the nanocrystals required to make a reliable device is increased due to a small variation in threshold voltage.
또한, 도 7의 (a)에 도시된 바와 같이, 각각 일함수가 다른 제1 내지 제3 나노결정 형성물질(404a, 404b, 404c)이 각각 상이한 제1 내지 제3 경사각(Θ1, Θ2, Θ3)으로 형성될 경우에는 동일층에 일함수가 다른 나노결정군을 형성할 수 있고, 일함수에 따라 전하가 나노결정에 저장되기 위한 전압을 달리 할 수 있어, 단일 메모리 셀마다 여러 비트를 저장할 수 있는 장점이 있다.In addition, as shown in FIG. 7A, the first to third inclination angles Θ 1 and Θ 2 , wherein the first to third
여기서, 본 발명의 제1 실시예에 따른 균일한 나노결정을 형성하는 방법을 이용하여 트랜지스터(FinFET, Ω-FET, π-FET) 구조가 포함되는 비휘발성 기억소자 또는 센서(이미지 또는 바이오)를 형성할 수 있다.Here, a non-volatile memory device or sensor (image or bio) including a transistor (FinFET, Ω-FET, π-FET) structure using a method of forming a uniform nanocrystal according to the first embodiment of the present invention Can be formed.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 균일한 나노결정을 형성하는 방법을 도시한 것이다.5 illustrates a method of forming uniform nanocrystals according to a second embodiment of the present invention.
본 발명의 제2 실시예에 따른 균일한 나노결정을 형성하는 방법은 제1 기판(501)상에 형성된 제2 기판(502)을 사이에 두고 제1 기판(501)상에 제1 및 제2 마스크층(503a, 503b)을 형성한다. 여기서, 제2 기판(502)은 일반적인 물질을 의미하는 것으로, 본 발명의 제2 실시예에서는 제1 기판(501)을 패터닝하여 형성된 물질이거나 또는 연층 매몰 실리콘(Silicon-On-Insulator, SOI)에서 제 1기판(501)은 절연체이고 제 2기판(502)은 일반적인 물질로 제 2기판을 패터닝하여 형성할 수 있다. 여기서, 제1 및 제2 마스크층(503a, 503b)을 형성하는 방법은 공지의 기술에 해당되어 생략한다. 여기서, 설명의 편의를 위하여 제1 및 제2 마스크층(503a, 503b)은 패터닝된 제1 기판(501)의 일부인 제2 기판(502)으로 형성되는 것으로 설명한다. 제1 및 제2 마스크층(503a, 503b)은 대기압 이하의 저압하에서 일정한 간격을 두고 병렬로 배열된 포토레지스트, SiO2, SiN4, Al2O3 또는 HfO2과 같은 증착 마스크층인 것이 가장 바람직하다.In the method of forming a uniform nanocrystal according to the second embodiment of the present invention, the first and second on the
도 5의 (a)와 (b)에 도시된 바와 같이, 제1 나노결정 형성물질(504a)은 제1 마스크층(503a)을 마스크로 하여 제1 마스크(503a)층 상면에 대하여 비스듬한 각도인 제1 경사각(Θ1)으로 입사된다. 입사된 제1 나노결정 형성물질(504a)은 제2 기판(502)의 일측면 및 제1 마스크층(503a)의 상면에 나노선의 형태로 형성된다. 제2 기판(502)의 일측면은 제2 기판(502)의 양측면 중 제1 마스크층(503a)을 향한 쪽의 측면을 지칭한다. 여기서, 제1 나노결정 형성물질(504a)의 제1 경사각(Θ1)은 제1 마스크층(503a)의 높이(B1)와 제1 마스크층(503a)의 일면으로부터 제2 기판(502)의 일측면까지의 거리(A1)의 비율(Θ1≤tan-1(B1/A1))보다 같거나 작아야 한다. 따라서 제1 경사각(Θ1)은 (Θ1≤tan-1(B1/A1))의 범위 내에서 가변될 수 있다. 이러한 방법에 의하여, 다수의 제1 나노결정 형성물질(504a)은 제1 경사각(Θ1) 중 작은 경사각부터 순차적으로 다수 입사되어 제1 마스크층(503a)의 일부와 제2 기판(502)의 일측면 상에 다수의 나노선이 형성된다.As shown in FIGS. 5A and 5B, the first
도 5의 (c)에 도시된 바와 같이, 제2 나노결정 형성물질(504b)은 제2 마스크층(503b)을 마스크로 하여 제2 마스크층(503b)의 상면에 대하여 비스듬한 각도인 제2 경사각(Θ2)으로 입사된다. 입사된 제2 나노결정 형성물질(504b)은 제2 기판(502)의 타측면 및 제2 마스크층(503b)의 상면에 나노선 형태로 형성된다. 제2 기판(502)의 타측면은 제2 기판(502)의 일측면의 반대쪽을 지칭한다. 여기서, 제2 나노결정 형성물질(504b)의 제2 경사각(Θ2)은 제2 마스크층(503b)의 높이(B2)와 제2 마스크층(503b)의 일면으로부터 제2 기판(502)의 타측면까지의 거리(A2)의 비율(Θ2≤tan-1(B2/A2))보다 같거나 작아야 한다. 따라서 제2 경사각(Θ2)은 (Θ2≤tan-1(B1/A1))의 범위 내에서 가변될 수 있다. 이러한 방법에 의하여, 다수의 제2 나노결정 형성물질(504b)은 제2 경사각(Θ2) 중 작은 경사각으로 순차적으로 다수 입사되어 제2 마스크층(503b)의 일부와 제2 기판(502)의 타측면 상에 다수의 나노선이 형성된다. 여기서, 제1 마스크층(503a)의 높이와 제2 마스크층(503b)의 높이가 동일할 경우에 제2 경사각(Θ2)은 음의 제1 경사각(-Θ1)이다.As shown in FIG. 5C, the second
도 5의 (d)에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 마스크층(503a, 503b)을 제거한다. 여기서, 제1 및 제2 마스크층(503a, 503b)을 제거하는 방법은 공지기술에 해당하여 생략한다.As shown in FIG. 5D, the first and
상술한 도 5의 (a) 내지 도 5의 (d)에 도시된 공정을 이용하면, 제1 나노결정 형성물질(504a)을 제1 경사각(Θ1)보다 작게 순차적으로 입사하면, 제2 기판(502)의 일측면에 다수의 나노선이 순차적으로 형성되고, 제2 나노결정 형성물질(504b)을 제2 경사각(Θ2)보다 작게 순차적으로 입사하면, 제2 기판(502)의 타측면에 다수의 나노선이 순차적으로 형성된다. 여기서, 제1 및 제2 나노결정 형성물질(504a, 504b)이 반도체 또는 금속(TiN, TaN, Ag, Pt, Ni, Zn, Au)인 경우에는 제1 및 제2 나노결정 형성물질(504a, 504b)을 제1 및 제2 경사각(Θ1, Θ2)에 따라 제2 기판(502)의 일측면과 제2 기판(502)의 타측면에 순차적으로 입사하여 소정의 간격, 소정의 크기로 균일하게 분포된 나노결정을 직접 형성할 수 있다.Using the process illustrated in FIGS. 5A to 5D, when the first
또한, 제1 및 제2 나노결정 형성물질(504a, 504b)이 반도체 또는 금속이 아 닌 경우에는 도 5의 (e)와 같은 공정을 이용하여 소정의 간격, 소정의 크기로 균일하게 분포된 나노결정을 형성할 수 있다. 여기서, 도 5의 (e)에 도시된 바와 같이, 10Torr 이하의 진공 또는 10Torr 이하의 헬륨, 질소, 아르곤 또는 수소 등의 산화성을 갖지 않는 가스분위기에서 나노선의 퇴적 온도 이상의 온도로 나노선을 열처리하면 등간격으로 지름 3-5nm 영역의 복수의 구형 나노결정을 형성할 수 있다.In addition, when the first and second
결국, 앞서 설명한 식 1과 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 균일한 나노결정을 형성하는 방법을 이용하여 기억소자를 형성하면 나노결정이 될 금속성 물질이 일차원인 선모양의 등간격으로 균일하게 분포되어 형성되기 때문에 나노결정의 구경과 개수의 이산도가 개선된다.As a result, as shown in
또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 균일한 나노결정을 형성하는 방법을 이용하여 기억소자를 형성하면 나노결정 밀도, 나노결정의 크기 및 나노결정과 채널 사이의 터널링 절연막의 두께에 대하여 제어성 및 균일성이 향상되고, 문턱전압의 변동이 적어 신뢰성 있는 소자를 만들기 위해 요구되는 나노결정의 균일성 마진이 증가된다.In addition, when the memory device is formed using the method of forming a uniform nanocrystal according to the second embodiment of the present invention, the controllability of the nanocrystal density, the size of the nanocrystal and the thickness of the tunneling insulating film between the nanocrystal and the channel is controlled. And uniformity is improved, and the uniformity margin of the nanocrystals required to make a reliable device is increased due to a small variation in threshold voltage.
또한, 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이, 각각 일함수가 다른 제1 및 제2 나노결정 형성물질(504a, 504b)이 각각 상이한 제1 및 제2 경사각(Θ1, Θ2)으로 순차적으로 형성될 경우에는 동일층에 일함수가 다른 나노결정군을 형성할 수 있고, 일함수에 따라 전하가 나노결정에 저장되기 위한 전압을 달리 할 수 있어, 단일 메모리 셀마다 여러 비트를 저장할 수 있는 장점이 있다.In addition, as shown in FIG. 7B, the first and second
여기서, 본 발명의 제2 실시예에 따른 균일한 나노결정을 형성하는 방법을 이용하여 트랜지스터(FinFET, Ω-FET, π-FET) 구조가 포함되는 비휘발성 기억소자 또는 센서(이미지 또는 바이오)를 형성할 수 있다.Here, a non-volatile memory device or sensor (image or bio) including a transistor (FinFET, Ω-FET, π-FET) structure using a method of forming a uniform nanocrystal according to a second embodiment of the present invention Can be formed.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 균일한 나노결정을 형성하는 방법을 도시한 것이다.6 illustrates a method of forming uniform nanocrystals according to a third embodiment of the present invention.
도 6의 (a)에 도시된 바와 같이, 기판(603)상에 다수의 구형의 나노입자(601)를 형성한다. 여기서, 나노입자(601)는 폴리스타일렌 나노입자인 것이 가장 바람직하다. 여기서, 기판(603)상에 나노입자(601)를 구형으로 형성하는 방법은 공지의 기술에 해당되어 생략한다.As shown in FIG. 6A, a plurality of
복수의 나노결정 형성물질은 나노입자 상에 서로 다른 입사각으로 입사된다. 여기서, 입사각은 경사각 및 방향각을 지칭하며, 경사각은 복수의 나노결정 형성물질이 입사되는 경로와 기판 상면에 대한 법선이 이루는 각도를 지칭하고, 방향각은 입사 경로들 간에 사잇각을 지칭한다. 예를 들면, 도6의 (b) 및 (c)에서 도시된 바와 같이, 복수의 나노결정 형성물질은 복수의 경사각(Θ1, Θ2, Θ3) 및 방향각(Θ11,Θ21, Θ31)을 갖는 서로 다른 입사각으로 나노입자(601) 상에 입사되어 균일하게 형성될 수 있다. 여기서, 복수의 방향각(Θ11, Θ21, Θ31)은 각각 120°씩 차이로 나노입자(601) 상에 입사될 수 있다. 여기서, 도 6의 (c)는 도 6의 (b)에서 x-x'의 절단면이 도시된 것으로 복수의 나노결정 형성물질이 나노입자(601) 상에 서로 같은 각도를 갖는 복수의 경사각(Θ1, Θ2, Θ3)으로 입사될 수 있다. 여기서, 입사되는 복수의 나노결정 형성물질의 일함수가 서로 상이한 것이 바람직하다.The plurality of nanocrystal forming materials are incident on the nanoparticles at different incident angles. Here, the incidence angle refers to the inclination angle and the direction angle, the inclination angle refers to the angle formed by the path of the plurality of nanocrystal forming materials and the normal to the upper surface of the substrate, the direction angle refers to the angle between the incident paths. For example, as shown in FIGS. 6B and 6C, the plurality of nanocrystal forming materials may include a plurality of inclination angles Θ 1 , Θ 2 , Θ 3 , and azimuth angles Θ 11 , Θ 21 , Incident on the
다음으로, 도 6의 (d)에 도시된 바와 같이, 나노입자(601)를 제거한다. 여기서, 나노입자(601)를 기판(603)에서 제거하면, 일정하게 배열된 높은 밀도의 나노결정(602)을 형성할 수 있다.Next, as shown in FIG. 6D, the
결국, 본 발명의 제3 실시예에 따른 균일한 나노결정을 형성하는 방법을 이용하여 기억소자를 형성하면 나노결정이 될 금속성 물질(TiN, TaN, Ag, Pt, Ni, Zn, Au)이 등간격으로 균일하게 분포되어 형성되기 때문에 나노결정의 구경과 개수의 이산도가 개선된다.As a result, when the memory device is formed using the method of forming a uniform nanocrystal according to the third embodiment of the present invention, the metallic material (TiN, TaN, Ag, Pt, Ni, Zn, Au) to be nanocrystals is Since it is formed evenly distributed at intervals, the discreteness of the diameter and number of nanocrystals is improved.
또한, 본 발명의 제3 실시예에 따른 균일한 나노결정을 형성하는 방법을 이용하여 기억소자를 형성하면 나노결정 밀도, 나노결정의 크기 및 나노결정과 채널 사이의 터널링 절연막의 두께에 대하여 제어성 및 균일성이 향상되고, 문턱전압의 변동이 적어 신뢰성 있는 소자를 만들기 위해 요구되는 나노결정의 균일성 마진이 증가된다.In addition, when the memory device is formed using the method of forming a uniform nanocrystal according to the third embodiment of the present invention, the controllability of the nanocrystal density, the size of the nanocrystal and the thickness of the tunneling insulating film between the nanocrystal and the channel is controlled. And uniformity is improved, and the uniformity margin of the nanocrystals required to make a reliable device is increased due to a small variation in threshold voltage.
또한, 도 7의 (c)에 도시된 바와 같이, 각각 일함수가 다른 제1 내지 제3 나노결정 형성물질(604a, 604b, 604c)이 각각 상이한 제1 내지 제3 방향각(Θ11, Θ21, Θ31)으로 입사되어 형성될 경우에는 동일층에 일함수가 다른 나노결정군을 형성할 수 있고, 일함수에 따라 전하가 나노결정에 저장되기 위한 전압을 달리 할 수 있어, 단일 메모리 셀마다 여러 비트를 저장할 수 있는 장점이 있다.In addition, as shown in FIG. 7C, the first to third direction angles Θ 11 and Θ that the first to third nanocrystal forming materials 604a, 604b, and 604c each having different work functions are different from each other. 21 , Θ 31 ), which may form a group of nanocrystals having different work functions in the same layer, and may vary voltages for storing charges in the nanocrystals according to the work function. Each bit has the advantage of storing multiple bits.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. Although the embodiments of the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings, the technical configuration of the present invention described above may be modified in other specific forms by those skilled in the art to which the present invention pertains without changing its technical spirit or essential features. It will be appreciated that it may be practiced.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.Therefore, the above-described embodiments are to be understood as illustrative and not restrictive in all respects, and the scope of the present invention is indicated by the appended claims rather than the detailed description, and the meaning and scope of the claims and All changes or modifications derived from the equivalent concept should be interpreted as being included in the scope of the present invention.
상술한 본 발명의 구성에 따르면, 밀도 및 크기의 제어성이 높고 격차가 적은 나노결정을 형성할 수 있다.According to the configuration of the present invention described above, it is possible to form nanocrystals having high controllability of density and size and small gaps.
또한, 나노결정과 나노결정들 사이의 거리의 제어가 용이하며, 임계 전압 및 기입 성능 등의 특성 격차가 적고, 고속의 재기입이 가능하한 비휘발성 기억소자를 제조할 수 있다.In addition, it is possible to manufacture a nonvolatile memory device that can easily control the distance between the nanocrystals and the nanocrystals, has a small characteristic gap such as threshold voltage and write performance, and enables high-speed rewriting.
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