KR100811280B1 - Method for fabricating of non-volatile memory device - Google Patents
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Abstract
Description
도 1 및 도 2는 종래 기술의 불휘발성 메모리 소자 및 문제점을 설명하기 위해 나타내보인 도면이다.1 and 2 illustrate a nonvolatile memory device and a problem in the related art.
도 3 내지 도 14는 본 발명의 실시예에 다른 불휘발성 메모리 소자의 제조방법을 설명하기 위해 나타내보인 도면들이다.3 to 14 are views for explaining a method of manufacturing a nonvolatile memory device according to an embodiment of the present invention.
본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 불휘발성 메모리 소자의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a method of manufacturing a nonvolatile memory device.
낸드형 불휘발성 메모리(NAND type flash memory) 소자는 전기적으로 프로그램(program) 및 소거(erase)가 가능한 비휘발성 메모리 소자로서, 전원이 차단되었을 때도 정보 유지가 요구되는 전자부품에서 폭 넓게 이용되고 있다. 낸드형 불휘발성 메모리 소자의 단위 셀은 기본적인 구성이 컨트롤게이트와 플로팅게이트로 이루어지며, 플로팅게이트의 전하 유무에 따라 정보의 기록 및 소거 기능을 수행한 다. NAND type flash memory devices are nonvolatile memory devices that can be electrically programmed and erased, and are widely used in electronic components that require information retention even when power is cut off. . The unit cell of the NAND type nonvolatile memory device has a basic structure consisting of a control gate and a floating gate, and performs a function of writing and erasing information depending on whether or not the floating gate is charged.
도 1 및 도 2는 종래 기술의 불휘발성 메모리 소자 및 문제점을 설명하기 위해 나타내보인 도면이다.1 and 2 illustrate a nonvolatile memory device and a problem in the related art.
먼저 도 1을 참조하면, 불휘발성 메모리 소자는 반도체 기판(100) 위에 터널링층(102), 플로팅게이트(104), 차폐층(106) 및 컨트롤게이트(108)가 적층된 구조로 이루어진다. 이러한 구조로 이루어진 불휘발성 메모리는 FN(Fowler-Nordheim) 터널링 방식으로 프로그램(program) 및 소거(erase)의 반복적인 동작이 이루어지고 있다. 그러나 프로그램 및 소거의 반복적인 동작이 진행되면서, 반도체 기판(100) 계면과 터널링층(102) 내부에 일정량의 전하가 트랩(trap)되어 셀 문턱전압의 분포가 급격하게 저하될 수 있다. 또한, 트랩의 전하 축적 속도도 가속화되어 칩(chip)의 불량이 발생할 수 있다. First, referring to FIG. 1, a nonvolatile memory device includes a structure in which a
더욱이, 프로그램 및 소거의 반복적인 동작시 컨트롤게이트(108)에 인가되는 높은 전압과, 웰 바이어스(well bias)에 인가되는 높은 전계(electric field)에 의해 플로팅게이트(104)와 반도체 기판(100)간의 전계가 발생하면서 프로그램 및 소거의 반복적인 동작에 불량 비트 셀(fail bit cell)이 발생하게 된다. 또한, 멀티레벨 칩(MLC; Multi-level chip)과 같이 집적도가 높은 분포 레벨 (distribution level)이 넓어짐에 따른 데이터 오류가 증대되어 칩 불량이 가속화되고, 신뢰성에 치명적인 결함이 발생할 수 있다. 이와 같은 전계에 의한 영향은 셀 크기(cell size)가 작아질수록 더욱 크게 나타난다. Furthermore, the
이에 따라 윙 스페이서(wing spacer)를 게이트 측면에 형성하여 전계에 의한 영향을 감소시키는 방법이 제안되고 있다. 이를 위해 반도체 기판 위에 플로팅게이트를 형성하고, 플로팅게이트 위에 윙 스페이서용 절연막을 증착한 후, 플로팅게이트 측면을 일부 덮도록 상기 절연막을 선택적으로 식각하여 양 측면에 윙 스페이서를 형성한 후, 플로팅게이트를 덮는 차폐층을 형성한다. 그러나 이와 같이 플로팅게이트를 형성한 다음 윙 스페이서를 형성할 경우, 도 2에 도시된 바와 같이, 플로팅게이트 프로파일에 불량이 발생하는 문제점이 있다. Accordingly, a method of forming a wing spacer on the side of the gate to reduce the influence of the electric field has been proposed. To this end, a floating gate is formed on a semiconductor substrate, the insulating film for wing spacers is deposited on the floating gate, and the insulating film is selectively etched to partially cover the floating gate side to form wing spacers on both sides, and then the floating gate is formed. A covering shield layer is formed. However, when the floating gate is formed in this way and then the wing spacer is formed, as illustrated in FIG. 2, there is a problem in that a defect occurs in the floating gate profile.
도 2를 참조하면, 플로팅게이트(200)를 형성한 다음 윙 스페이서를 형성하는 경우, 윙 스페이서를 형성하는 과정에서 플로팅게이트(200) 상부가 심하게 깎여 둥글어지는 현상(A)이 발생하거나, 플로팅게이트(200)의 측벽이 과도하게 어택(attack)되어 내측으로 휘어지면서 항아리 모양처럼 쪼그라드는 현상(B)이 발생할 수 있다. 이와 같이 윙 스페이서를 형성하는 과정에서 플로팅게이트(200)의 프로파일이 변하는 현상에 의해 불휘발성 메모리 소자의 전기적 특성을 저하시킬 수 있으며, 데이터 보유 능력 또한 저하될 수 있다. 여기서 도면에서 미설명된 부분은 산화막(202), 질화막(204) 및 산화막(206)이 적층된 차폐층(208) 및 저저항층(210)이다.Referring to FIG. 2, when the
소자가 고집적화됨에 따라 디자인 룰(design rule)이 축소되면서 이러한 플로팅게이트(200)의 어택 문제는 불휘발성 메모리 소자를 제조하는데 있어서 가장 치명적인 문제로 대두되고 있다. 이에 따라 플로팅게이트의 어택 문제를 개선시켜 플로팅게이트의 신뢰성, 반복동작 및 분포를 향상시킬 수 있는 방법이 요구된다. As the device is highly integrated, a design rule is reduced and the attack problem of the
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 플로팅게이트의 어택 문제를 개선하여 소자의 신뢰성을 향상시키고, 소자의 전기적으로 반복동작 특성을 향상시키면서 윙 스페이서를 안정적으로 형성할 수 있는 불휘발성 메모리 소자의 제조방법을 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a method of manufacturing a nonvolatile memory device capable of stably forming wing spacers while improving the reliability of the device by improving the attack problem of the floating gate and improving the electrical repeatability of the device. To provide.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 불휘발성 메모리 소자의 제조방법은, 반도체 기판의 소정 영역을 노출시키는 터널층 패턴, 제1 도전막 패턴 및 하드마스크막 패턴을 형성하는 단계; 상기 막들을 마스크로 상기 반도체 기판 내에 트렌치를 형성하는 단계; 상기 트렌치를 매립하는 소자분리막을 형성하는 단계; 상기 소자분리막 및 하드마스크막 패턴의 측면 일부를 덮는 윙 스페이서를 형성하는 단계; 상기 윙 스페이서를 매립하는 절연막 패턴을 형성하는 단계; 상기 하드마스크막 패턴을 제거하여 상기 제1 도전막 패턴을 노출시키는 단계; 상기 절연막 패턴과 동일한 높이의 제2 도전막 패턴을 형성하여 제1 도전막 패턴 및 제2 도전막 패턴을 포함하는 플로팅게이트전극을 형성하는 단계; 상기 절연막 패턴을 제거하여 상기 윙 스페이서를 노출시키는 단계; 상기 윙 스페이서 및 플로팅게이트 전극 위에 차폐층을 형성하는 단계; 및 상기 차폐층 위에 컨트롤게이트전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above technical problem, a method of manufacturing a nonvolatile memory device according to the present invention, forming a tunnel layer pattern, a first conductive film pattern and a hard mask film pattern to expose a predetermined region of the semiconductor substrate; Forming a trench in the semiconductor substrate with the films as a mask; Forming an isolation layer filling the trench; Forming a wing spacer covering a portion of side surfaces of the device isolation layer and the hard mask layer pattern; Forming an insulating layer pattern filling the wing spacers; Removing the hard mask layer pattern to expose the first conductive layer pattern; Forming a floating gate electrode including a first conductive layer pattern and a second conductive layer pattern by forming a second conductive layer pattern having the same height as the insulating layer pattern; Removing the insulating layer pattern to expose the wing spacers; Forming a shielding layer on the wing spacer and the floating gate electrode; And forming a control gate electrode on the shielding layer.
본 발명에 있어서, 상기 제1 도전막 패턴은 언도프트 폴리실리콘막, 도프트 폴리실리콘막 또는 언도프트 폴리실리콘막 및 도프트 폴리실리콘막의 적층구조로 형성할 수 있다. In the present invention, the first conductive film pattern may be formed as a laminated structure of an undoped polysilicon film, a dope polysilicon film or an undoped polysilicon film, and a dope polysilicon film.
상기 하드마스크막 패턴은 질화막으로 형성할 수 있다.The hard mask layer pattern may be formed of a nitride layer.
상기 소자분리막은 SOG(Spin on glass)막 또는 고밀도 플라즈마 산화막(HDP; High density plasma oxide) 가운데 하나 이상의 막이 적층된 구조로 형성할 수 있다.The device isolation layer may have a structure in which at least one of a spin on glass (SOG) film or a high density plasma oxide (HDP) film is stacked.
상기 윙 스페이서는, 고온열산화막(HTO; High thermal oxide) 또는 TEOS막(Tetra ethyl oxide silicon)을 포함하여 형성할 수 있다.The wing spacer may include a high thermal oxide (HTO) or TEOS film (Tetra ethyl oxide silicon).
상기 절연막 패턴은 상기 윙 스페이서와 식각선택비를 갖는 물질로 형성할 수 있다.The insulating layer pattern may be formed of a material having an etching selectivity with respect to the wing spacers.
상기 하드마스크막 패턴은 0-250℃의 공정 온도에서 인산(H3PO4)을 베이스로 하는 습식식각용액을 이용하여 제거하는 것이 바람직하다.The hard mask layer pattern may be removed using a wet etching solution based on phosphoric acid (H 3 PO 4 ) at a process temperature of 0-250 ° C.
상기 차폐층은 산화막,질화막 및 산화막이 적층된 구조를 포함하여 형성하는 것이 바람직하다.The shielding layer may be formed to include a structure in which an oxide film, a nitride film, and an oxide film are stacked.
상기 컨트롤게이트전극은, 폴리실리콘막 또는 폴리실리콘막 위에 금속막을 적층하여 형성할 수 있다.The control gate electrode may be formed by stacking a metal film on a polysilicon film or a polysilicon film.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하고자 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분 에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention. In the drawings, the thickness of layers, films, panels, regions, etc., are exaggerated for clarity. Like parts are designated by like reference numerals throughout the specification.
도 3 내지 도 14는 본 발명의 실시예에 다른 불휘발성 메모리 소자의 제조방법을 설명하기 위해 나타내보인 도면들이다.3 to 14 are views for explaining a method of manufacturing a nonvolatile memory device according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 반도체 기판(300) 위에 소정 두께의 터널링막(302)을 형성한다. 다음에 터널링막(302) 위에 제1 도전막(304) 및 하드마스크막(306)을 순차적으로 형성한다. Referring to FIG. 3, a
터널링막(302)은 일정한 바이어스 하에서 전자 또는 홀(hole)과 같은 전하 캐리어들이 플로팅게이트 내로 터널링하여 주입될 수 있도록 하는 역할을 한다. 여기서 터널링막(302)은 소정 두께의 산화막을 증착 또는 성장시켜 형성할 수 있다. 또한, 제1 도전막(304)은 언도프트 폴리실리콘막(undoped polysilicon)으로 10-500Å의 두께를 갖도록 형성할 수 있다. 하드마스크막(306)은 후속 반도체 기판(300) 내에 트렌치를 형성하기 위한 식각 공정에서 식각마스크 역할을 한다. 이러한 하드마스크막(306)은 질화막으로 형성할 수 있으며, 100-4000Å의 두께를 갖도록 형성할 수 있다. 한편, 하드마스크막(306)은 하부에 배치된 제1 도전막(304)을 결정화시키기 위해 550℃ 이상의 온도에서 형성 한다. The
도 4를 참조하면, 하드마스크막(306)을 패터닝하여 트렌치가 형성될 영역을 정의하는 하드마스크막 패턴(308)을 형성한다. 계속해서 하드마스크막 패턴(308)을 식각마스크로 제1 도전막(304) 및 터널링막(302)을 식각하여 제1 도전막패턴(310) 및 터널링막패턴(312)을 형성한다. 다음에 상기 막들을 식각마스크로 반도체 기판(300) 내에 소정 깊이를 갖는 트렌치(314)를 형성한다. 여기서 트렌치(314)는 자 기정렬(self align) 방법을 이용하여 형성할 수 있다.Referring to FIG. 4, the
도 5를 참조하면, 트렌치(314)가 형성된 결과물 상에 상기 트렌치(314)가 충분히 매립될 수 있도록 제1 절연막을 증착한 다음, 평탄화 공정, 예를 들어 화학기계적연마(CMP; Chemical mechanical polishing) 공정을 실시하여 소자분리막(316)을 형성한다. 이때, 트렌치(314)를 매립하는 절연막은 한 가지 이상의 옥사이드 물질, 예를 들어 SOG(Spin on glass)막 또는 고밀도 플라즈마 산화막(HDP; High density plasma oxide)을 포함하여 형성할 수 있다.Referring to FIG. 5, a first insulating film is deposited to sufficiently fill the
도 6을 참조하면, 반도체 기판(300)에 형성된 소자분리막(316)에 대해 전면 식각을 실시하여 소자분리막이 노출된 표면으로부터 일정 두께(d)만큼 식각하여 소자분리막(316)을 리세스(recess)시킨다. 여기서 소자분리막(316)을 식각하여 리세스 시키는 단계는 식각 용액을 이용하는 습식식각으로 진행할 수 있다. Referring to FIG. 6, the entire surface of the
도 7을 참조하면, 리세스된 소자분리막(316) 위에 제2 절연막(318)을 증착한다. 다음에 제2 절연막(318)에 대해 평탄화 공정, 예를 들어 화학적기계적연마(CMP) 또는 에치백(etchback) 공정을 진행하여 제2 절연막(318)의 표면을 평탄화시킨다. 계속해서 평탄화시킨 제2 절연막에 대해 전면 식각을 실시하여 노출된 표면으로부터 일정 두께만큼 식각하여 리세스시킨다. 여기서 제2 절연막(318)은 막질의 밀도가 높은(dense) 물질로 형성하며, 고밀도 플라즈마 산화막(HDP)으로 형성할 수 있다. Referring to FIG. 7, a second
도 8을 참조하면, 하드마스크막 패턴(308)의 측면 일부 및 제2 절연막(318)을 덮는 윙 스페이서(320)를 형성한다.Referring to FIG. 8, a
구체적으로, 리세스된 제2 절연막(318)을 포함하는 반도체 기판(300) 상에 스페이서막을 증착한다. 스페이서막은 이후 플로팅게이트전극 측면을 보호하는 윙 스페이서를 형성한다. 여기서 스페이서막은 고온열산화막(HTO; High thermal oxide) 또는 TEOS막(Tetra ethyl oxide silicon)을 포함하여 10-1000Å의 두께로 형성할 수 있다. 다음에 스페이서막을 선택적으로 식각하여 하드마스크막 패턴(308)의 측면 일부 및 제2 절연막(318)을 덮는 윙 스페이서(320)를 형성한다. Specifically, a spacer film is deposited on the
본 발명의 실시예에서는 플로팅게이트전극을 형성하기 전에 윙 스페이서를 먼저 형성함으로써 윙 스페이서를 형성하는 과정에서 플로팅게이트전극 상부가 심하게 깎여 둥글어지는 현상(A, 도 2 참조)이 발생하거나, 플로팅게이트전극의 측벽이 과도하게 어택(attack)되어 내측으로 휘어지면서 항아리 모양처럼 쪼그라드는 현상(B, 도 2참조)이 발생하는 것을 방지할 수 있다. In the exemplary embodiment of the present invention, the wing spacer is first formed before the floating gate electrode is formed, so that a phenomenon in which the upper portion of the floating gate electrode is severely cut and rounded in the process of forming the wing spacer (A, FIG. 2) occurs, or the floating gate electrode The sidewalls of the substrate may be excessively attacked and bent inward to prevent the occurrence of a jar-shaped phenomenon (B, FIG. 2).
도 9를 참조하면, 윙 스페이서(320)를 매립하는 제3 절연막(322)을 형성한다. Referring to FIG. 9, a third
제3 절연막(322)은 막질의 구조가 조밀하지 않고, 윙 스페이서(320)와 식각 선택비를 가지는 물질, 예를 들어 SOG막 또는 PSG(Phosphorus silicate glass)막으로 형성하는 것이 바람직하다. 계속해서 제3 절연막(322) 상에 평탄화 공정, 예컨대 화학적기계적연마(CMP) 공정 또는 에치백 공정을 하드마스크막 패턴(308)의 표면이 노출될 때까지 진행한다.The third
도 10을 참조하면, 반도체 기판(300)에 습식식각을 진행하여 하드마스크막 패턴(308)을 제거한다. 이러한 습식식각공정에 의해 하드마스크막 패턴(308)이 제 거되면서, 제1 도전막 패턴(310)의 표면이 노출된다. 습식식각공정은 0-250℃의 공정 온도에서 인산(H3PO4)을 베이스로 하는 습식식각용액을 이용하여 진행할 수 있다. 여기서 제3 절연막(322) 및 윙 스페이서(320)는 제거되지 않고 남아있다.Referring to FIG. 10, the hard
도 11을 참조하면, 하드마스크막 패턴(308)이 제거되어 제1 도전막 패턴(310)이 노출된 부분을 매립시키는 제2 도전막(324)을 증착한다. 제2 도전막(324)은 500-1000℃의 온도에서 언도프트 폴리실리콘막, 도프트 폴리실리콘막 또는 언도프트 폴리실리콘막 및 도프트 폴리실리콘막의 적층구조로 형성할 수 있다.Referring to FIG. 11, the hard
도 12를 참조하면, 제2 도전막(324) 상에 평탄화 공정을 진행하여 제2 도전막 패턴(326)을 형성하여 제1 도전막 패턴(310) 및 제2 도전막 패턴(326)이 적층된 구조로 이루어진 플로팅게이트전극(328)을 형성한다. 여기서 평탄화 공정은 화학적기계적연마(CMP) 공정 또는 에치백 공정을 이용하여 진행할 수 있다. Referring to FIG. 12, a planarization process is performed on the second
이와 같이, 윙 스페이서(320)를 먼저 형성된 상태에서 플로팅게이트전극(328)을 형성함으로써 윙 스페이서를 형성하는 과정에서 플로팅게이트전극 상부가 심하게 깎여 둥글어지거나, 플로팅게이트전극 측벽이 어택(attack)되는 것을 방지할 수 있다. As such, by forming the floating
도 13을 참조하면, 반도체 기판(300)에 습식식각을 진행하여 제3 절연막(322)을 제거한다. 이러한 습식식각에 의해 제3 절연막(322)이 제거되면서 윙 스페이서(320)가 노출된다. 여기서 제3 절연막(322)을 식각하는 과정에서 제3 절연막(322)은 윙 스페이서(320)와 식각 선택비가 차이가 나 제거되지 않고, 윙 스페이 서(322)의 표면이 노출되는 시점에서 식각이 정지된다. Referring to FIG. 13, the third insulating
도 14를 참조하면, 노출된 윙 스페이서(320) 및 플로팅게이트전극(328) 위에 상기 플로팅게이트전극(328)로부터 후속 형성될 상부 전극으로 전하가 이동하는 것을 방지하는 차폐층(336)을 형성한다. 차폐층(336)은 절연막으로 형성할 수 있으며, 본 발명의 실시예에서는 산화막(oxide)(330), 질화막(nitride)(332) 및 산화막(oxide)(334)이 적층된 ONO 구조로 형성하였다. Referring to FIG. 14, a shielding layer 336 is formed on the exposed
다음에 차폐층(336) 위에 컨트롤게이트전극(342)을 형성하기 위한 물질층을 증착한다. 컨트롤게이트전극(342)은, 폴리실리콘막(338)으로 형성하거나, 경우에 따라서는 폴리실리콘막(338) 위에 금속막(340)을 적층하여 형성할 수 있다. 컨트롤게이트전극(342)을 폴리실리콘막(338)으로 형성하는 경우, 게이트라인의 저항을 감소시키기 위하여 폴리실리콘막(338) 위에 예를 들어 텅스텐실리사이드(WSi)로 이루어진 저저항막(도시하지 않음)을 형성할 수도 있다. Next, a material layer for forming the
본 발명에 의한 불휘발성 메모리 소자는, 플로팅게이트전극을 형성하기 전에 윙 스페이서를 먼저 형성함으로써 윙 스페이서를 형성하는 과정에서 플로팅게이트전극 상부가 심하게 깎여 둥글어지는 것을 방지할 수 있다. 또한, 윙 스페이서를 형성한 이후 플로팅게이트전극을 형성함으로써 플로팅게이트전극의 측벽이 어택받는 것을 방지할 수 있다. In the nonvolatile memory device according to the present invention, the wing spacers are first formed before the floating gate electrodes are formed, thereby preventing the top of the floating gate electrodes from being severely cut off and rounded. In addition, since the floating gate electrode is formed after the wing spacer is formed, the sidewall of the floating gate electrode may be prevented from being attacked.
지금까지 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 불휘발성 메모리 소자의 제조방법에 의하면, 윙 스페이서 형성방법을 개선하여 불휘발성 메모리 소자의 신뢰성, 분포 레벨을 향상시킬 수 있다. 또한, 불휘발성 메모리 소자의 전기적인 반복 특성을 향상시킬 수 있다. 아울러 윙 스페이서를 안정적으로 형성할 수 있다.As described above, according to the method of manufacturing the nonvolatile memory device according to the present invention, the wing spacer forming method can be improved to improve the reliability and distribution level of the nonvolatile memory device. In addition, electrical repeatability of the nonvolatile memory device may be improved. In addition, the wing spacers can be stably formed.
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2007
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