KR100848248B1 - 플래시 메모리 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

플래시 메모리 소자 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 플래시 메모리 소자 및 그 제조 방법을 제공한다. 이에 의하면, 턴널 질화막을 서로 분리시킴으로써 상기 턴널 질화막에서의 전자 이동을 억제시킬 수가 있다. 이는 플래시 메모리 소자의 셀 오동작을 방지하고 나아가 동작 신뢰성을 향상시킨다.
또한 본 발명은 하드 마스크층을 건식 식각시키면서 상기 하드 마스크층의 측벽에 폴리머 스페이서를 형성시킴으로써 상기 턴널 질화막의 분리 간격을 현재의 사진식각공정의 한계 이하로 만들 수가 있다.

Description

플래시 메모리 소자 및 그 제조 방법{Flash Memory Device And Method For Manufacturing The Same}
도 1은 일반적인 에스-오-엔-오-에스 플래시 메모리(SONOS flash memory)의 셀을 나타낸 평면도.
도 2a 및 도 2b는 도 1의 A-A선 및 B-B선을 따라 각각 절단한 단면도.
도 3은 본 발명에 의한 플래시 메모리 소자의 단면도.
도 4 내지 도 9는 본 발명에 의한 플래시 메모리 소자의 제조 방법을 나타낸 단면 공정도.
본 발명은 플래시 메모리에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 턴널 질화막에서의 전자 이동을 차단시킴으로써 셀의 오동작을 방지하도록 한 플래시 메모리 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 메모리 소자는 램(RAM: random access memory)과 롬(ROM: read only memory)으로 구분된다. 상기 램은 디램(DRAM: dynamic random access memory)과 에스램(SRAM: static random access memory)과 같이 시간이 경과함에 따라 이미 저장된 데이터가 소거되는 휘발성이면서도 데이터의 입, 출력이 빠르다. 상기 롬은 한번 데이터를 저장시키고 나면, 그 상태를 계속 유지하지만 데이터의 입, 출력이 느리다. 상기 롬은 롬, 피롬(PROM; programmable ROM), 이피롬(EPROM: erasable PROM), 이이피롬(EEPROM: electrically erasable PROM)으로 세분화된다. 최근에는 전기적으로 데이터를 프로그램하거나 소거할 수 있는 EEPROM에 대한 수요가 급증하고 있다. 상기 EEPROM이나 일괄 소거 기능을 갖는 플래시 메모리의 셀은 플로팅 게이트(floating gate)와 콘트롤 게이트(control gate)가 적층된 스택(stack) 형 게이트 구조를 갖고 있다.
상기 플래시 메모리는 16개의 셀이 직렬로 연결되어 단위 스트링(string)을 이루고 있고, 이러한 단위 스트링이 비트라인과 접지라인 사이에 병렬로 연결되어 있는 낸드(NAND) 형과, 각각의 셀이 비트라인과 접지라인 사이에 병렬로 연결되어 있는 노아(NOR) 형으로 구분된다. 상기 낸드형 플래시 메모리는 고집적화에 유리하고 상기 노아형 플래시 메모리는 고속 동작에 유리하다. 상기 노아형 플래시 메모리는 공통 소스(common source) 방식을 사용한다. 즉, 16개 셀마다 1개 콘택이 형성되며 상기 16개 셀의 소스 라인은 n+ 확산층으로 연결되는 것이 일반적이다.
한편, 에스-오-엔-오-에스 플래시 메모리(SONOS flash memory) 소자의 셀 동작은 비휘발성 메모리 소자와 유사하게 읽기(read), 쓰기(program) 및 소거(erase)의 세가지 동작으로 구분된다. 상기 쓰기 동작의 경우, 상기 셀의 트랜지스터의 게 이트와 드레인에 프로그램 전압을 인가시키면, 핫 전자(hot electron)가 형성된 후 게이트 절연막의 턴널링(tunneling)에 의해 상기 드레인의 인접 영역의 질화막에 포획됨으로써 상기 트랜지스터의 문턱전압이 높아진다. 따라서, 데이터의 쓰기가 이루어진다. 상기 소거 동작의 경우, 상기 게이트와 드레인 및 소스를 오픈시키고 반도체 기판에 소거 전압을 인가시키면, 상기 질화막에 포획되었던 전자가 상기 반도체 기판으로 밀려남으로써 상기 문턱전압이 낮아진다. 따라서, 데이터의 소거가 이루어진다. 상기 읽기 동작의 경우, 상기 게이트에 읽기 전압을 인가시키고 상기 소스와 드레인 사이에 흐르는 전류가 센싱회로에 의해 센싱된다. 따라서, 데이트의 읽기가 이루어진다.
이러한 읽기, 쓰기 및 소거의 세가지 동작을 하는 에스-오-엔-오-에스 플래시 메모리 소자는 도 1에 도시된 바와 같이, 각 셀의 도시되지 않은 드레인 및 소스를 위한 각 액티브 영역(ACT)이 반도체 기판(10)의 종방향으로 연장하여 형성되고, 상기 액티브 영역(ACT)이 횡방향으로 일정 간격을 두고 이격하며 나란히 배열된다. 또한, 각 워드라인(WL)이 상기 액티브 영역(ACT)을 직교하도록 가로 방향으로 연장하여 형성되고, 상기 워드라인(WL)이 종방향으로 일정 간격을 두고 이격하며 나란히 배열된다. 상기 워드라인(WL)을 사이에 둔 상기 액티브 영역(ACT)에 각각 소스(S)와 드레인(D)이 형성된다. 상기 액티브 영역(ACT)의 외측에는 상기 액티브 영역(ACT)의 아이솔레이션을 위해 아이솔레이션 영역(ISO)이 배치된다.
그런데, 종래의 에스-오-엔-오-에스 플래시 메모리 소자의 셀을 위한 트랜지스터에서는 도 2a에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(10)의 소스(S)와 드레인(D) 사 이의 액티브 영역 상에 도 1의 워드라인(WL)을 위한 산화막(21)과 질화막(23) 및 산화막(25)이 하측에서 상측으로의 순서로 형성되고, 다결정 실리콘층(30)이 상기 산화막(25) 상에 형성된다. 여기서, 상기 산화막(21), 질화막(23), 산화막(25) 및 다결정 실리콘층(30)이 모두 동일 패턴으로 형성된다. 또한, 도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 산화막(21), 질화막(23), 산화막(25) 및 다결정 실리콘층(30)이 상기 반도체 기판(10)의 액티브 영역과, 아이솔레이션 영역의 트렌치(11) 내의 절연막(13) 상에 함께 형성된다.
그런데, 종래의 에스-오-엔-오-에스 플래시 메모리 소자는 전자의 주입 위치에 따라 트랜지스터의 턴온 전류량을 조절할 수 있으므로, '11', '10','01','00'의 4가지 상태를 나타내는 멀티 비트 셀(multi-bit cell)을 구현할 수 있다. 상기 '10','01' 상태는 전자가 상기 질화막(23)의 소스(S)측과 드레인(D)측에 각각 국부적으로 한정되어 있을 때에만 생성 가능하다.
그러나, 상기 질화막(23)이 서로 분리되지 않은 1개의 막으로 구성되어 있으므로 상기 질화막(23)이 비록 절연막이라고 하더라도 상기 질화막(23)의 일측, 예를 들어 상기 질화막(23)의 소스(S) 측에 포획된 전자가 상기 질화막(23)의 드레인(D) 측으로 이동하기 쉽다. 이는 에스-오-엔-오-에스 플래시 메모리 소자의 셀을 오동작을 가져온다.
따라서, 본 발명의 목적은 턴널 질화막에서의 전자 이동을 억제시킴으로써 에스-오-엔-오-에스 플래시 메모리 소자의 셀의 오동작을 방지하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 질화막의 미세한 분리 간격을 용이하게 조절함으로써 셀 사이즈를 축소시키는데 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 플래시 메모리 소자는
반도체 기판의 액티브 영역에 서로 이격하여 형성된 소스/드레인; 상기 소스/드레인 사이의 게이트 영역의 기판 일부를 노출시키는 개구홀을 포함하여 상기 기판 위에 형성된 제 1 산화막 패턴; 상기 게이트 영역 위의 상기 제 1 산화막의 패턴 위에 형성된 질화막 패턴; 상기 개구홀을 매립하여 상기 질화막 패턴 위에 형성된 제2 산화막 패턴; 상기 제2 산화막 패턴 위에 형성된 도전층 패턴을 포함한다.
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또한, 이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 플래시 메모리 소자의 제조 방법은
반도체 기판 상에 제 1 산화막, 질화막, 희생 산화막, 하드 마스크층을 순서대로 형성시키는 단계; 상기 하드 마스크층을 식각하여 측벽이 스페이서를 이루는 개구홀을 형성하는 단계; 상기 하드 마스크층을 마스크로 이용하여 상기 희생 산화막 및 상기 질화막을 식각함으로써 소스/드레인 사이의 게이트 영역의 제1 산화막 일부를 노출시키는 개구홀을 가지는 질화막 패턴을 형성하는 단계; 상기 하드 마스크층을 제거한 후, 상기 질화막 패턴을 통하여 노출된 제1 산화막 및 상기 희생 산화막을 제거하여 상기 기판의 일부를 노출시키는 개구홀을 가지는 제1 산화막 패턴을 형성하는 단계; 상기 제1 산화막 패턴 및 상기 질화막 패턴의 개구홀을 매립하도록 하여 상기 기판 상에 제 2 산화막을 형성하고, 상기 제2 산화막 위에 도전층을 형성하는 단계; 상기 도전층 및 상기 제 2 산화막을 패터닝하여 상기 게이트 영역 위에 제 2 산화막 패턴 및 도전층 패턴을 형성하는 단계를 포함한다.
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이하, 본 발명에 의한 플래시 메모리 소자 및 그 제조 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 종래의 부분과 동일 구성 및 동일 작용의 부분에는 동일 부호를 부여한다.
도 3은 본 발명에 의한 플래시 메모리 소자를 나타낸 단면 구조도이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 플래시 메모리 소자의 셀은 반도체 기판(10)의 액티브 영역에 서로 이격하여 형성된 소스/드레인(S, D), 상기 소스/드레인(S, D) 사이의 게이트 영역의 기판 일부를 노출시키는 개구홀을 포함하여 상기 기판(10) 위에 형성된 제 1 산화막 패턴(40), 상기 게이트 영역 위의 제 1 산화막 패턴(40) 위에 형성된 질화막 패턴(50a, 50b), 상기 제1 산화막 패턴(40) 및 질화막 패턴(50a, 50b)의 개구홀을 매립하여 상기 질화막 패턴(50a, 50b) 위에 형성된 제2 산화막 패턴(60), 상기 제2 산화막 패턴(60) 위에 형성된 도전층 패턴(70)을 포함한다.
상기 질화막 패턴(50a, 50b)은 상기 제 1 산화막 패턴(40)의 개구홀, 즉 분리 간격(D)의 분리 영역을 두고 이격되어 배치된다.
이하, 설명의 편의를 위하여, 우측의 질화막 패턴을 "제 1 질화막 패턴(50a)"이라 하고, 좌측의 질화막 패턴을 "제2 질화막 패턴(50b)"이라 한다.
상기 도전층 패턴(70)은 게이트 전극의 기능을 수행하며, 가령 다결정 실리콘층으로 형성될 수 있다.
이와 같이 구성된 플래시 메모리 소자의 경우, 상기 제 1 질화막 패턴(50a)과 상기 제 2 질화막 패턴(50b)이 상기 분리 간격(D)의 분리 영역을 그 사이에 두고 이격하여 배치된다. 그러므로, 상기 제 1 질화막 패턴(50a)과 상기 제 2 질화막 패턴(50b) 중 일측, 예를 들어 상기 제 1 질화막 패턴(50a)에 포획되어 있던 전자는 종래와는 달리 상기 제 2 질화막 패턴(50b)으로 이동하기가 어려워진다.
따라서, 본 발명은 에스-오-엔-오-에스 플래시 메모리 소자의 셀을 오동작을 방지시킴으로써 동작 신뢰성을 향상시킬 수가 있다.
이와 같이 구성되는 본 발명에 의한 플래시 메모리 소자의 제조 방법을 도 4 내지 도 9를 참조하여 설명하기로 한다.
도 4를 참조하면, 먼저, 샐로우 트렌치 아이솔레이션(shallow trench isolation: STI) 공정과 같은 아이솔레이션 공정을 이용하여 반도체 기판(10)의 아이솔레이션 영역(도시 안됨)에 트렌치를 형성시키고 상기 트렌치 내에 절연막을 매립, 평탄화시킨다.
이러한 상태에서 상기 반도체 기판(10), 예를 들어 제 1 도전형인 P형 단결정 실리콘 기판의 액티브 영역 상에 열 산화 공정에 의해 제 1 산화막(40)을 예를 들어 50~150Å의 두께로 형성시킨다. 이어서, 예를 들어 저압 화학기상증착공정을 이용하여 상기 제 1 산화막(40) 상에 질화막(50)을 예를 들어 50~150Å의 두께로 적층시키고, 상기 질화막(50) 상에 희생 산화막(51)을 50~150Å적층시키고, 상기 희생 산화막(51) 상에 하드 마스크층(53)을 1000~3000Å의 두께로 적층시킨다.
여기서, 상기 하드 마스크층(53)으로는 TEOS(tetra ethyl ortho silane) 계열의 산화막이나 질화막을 사용할 수 있다. 특히, 상기 하드 마스크층(53)으로는 예를 들어, CF4 가스를 이용한 건식 식각공정을 진행할 때 폴리머가 용이하게 생성되는 물질로 구성되는 것이 바람직하다.
이후, 상기 하드 마스크층(53) 상에 상기 감광막(55)을 코팅시키고, 듀얼 비트 셀(dual bit cell)을 위한 영역 상에 상기 감광막(55)의 창(56)이 위치하도록 상기 감광막(55)의 패턴을 형성시킨다.
도 5를 참조하면, 그런 다음, 상기 감광막(55)의 패턴을 식각 마스크로 이용하여 상기 하드 마스크층(53)을 건식 식각시킴으로써 상기 희생 산화막(51)의 표면을 노출시킨다. 이때, 상기 하드 마스크층(53)을 건식 식각 공정, 예를 들어 CF4가스를 이용한 반응성 이온 식각 공정에 의해 식각시키면, 상기 하드 마스크층(53)의 식각되는 양 측벽에 폴리머 스페이서(57)를 형성시킬 수가 있다.
따라서, 상기 하드 마스크층(53)에는 측벽이 스페이서(57)를 이루는 개구홀이 형성된다.
여기서, 상기 폴리머 스페이서(57)의 저부 간격(D)은 상기 희생 산화막(51)의 노출 영역의 사이즈를 결정한다. 이는 후속 공정에서 형성할 상기 질화막(50)의 분리 영역의 간격(D)을 결정한다. 따라서, 본 발명은 상기 질화막(50)의 분리 간격(D)을 현재의 사진식각공정에 의해 정의하기 어려운 미세한 사이즈, 예를 들어 0.02~0.5μm로 축소시킬 수가 있다.
도 6을 참조하면, 이어서, 도 5의 감광막(55)의 패턴을 제거시킨 후 상기 폴리머 스페이서(57)와 상기 하드 마스크층(53)을 식각 마스크로 이용하여 상기 희생 산화막(51)의 노출 부분과 그 아래의 질화막(50)을 식각시킴으로써 제 1 산화막(40)을 노출시킨다. 따라서, 상기 질화막(50)은 제 1, 2 질화막 패턴(50a, 50b)으로 분리 간격(D), 예를 들어 0.02~0.5μm을 두고 이격하여 배치된다.
도 7을 참조하면, 그런 다음, 도 6의 폴리머 스페이서(57)와 하드 마스크층(53) 및 희생 산화막(51)을 순차적으로 식각시킴으로써 상기 제 1, 2 질화막 패턴(50a),(50b)을 노출시킨다. 이때, 상기 분리 영역의 노출된 제 1 산화막(40)도 식각되므로 그 아래의 반도체 기판(10)이 노출된다.
따라서, 제 1, 2 질화막 패턴(50a, 50b)에 의하여 형성된 개구홀과 동일한 크기의 개구홀이 형성된 제 1 산화막 패턴(40)이 형성된다.
도 8을 참조하면, 이어서, 상기 제 1, 2 질화막 패턴(50a),(50b)과 상기 제1 산화막 패턴(40)의 개구홀이 매립되도록 하여 제 2 산화막(60)을 50~150Å의 두께로 적층시키고, 상기 제 2 산화막(60) 상에 도전층, 예를 들어 다결정 실리콘층(70)을 1500~3000Å의 두께로 적층시킨다.
도 9를 참조하면, 이후, 상기 다결정 실리콘층(70)의 일부분, 예를 들어 게이트를 위한 부분 상에 감광막(80)의 패턴을 형성시킨다. 그런 다음, 상기 감광막(80)의 패턴을 식각 마스크로 이용하여 상기 다결정 실리콘층(70)과 상기 제 2 산화막(60) 및 상기 제 1, 2 질화막 패턴(50a),(50b)을 식각시킨다.
이후, 통상적인 공정을 이용하여 상기 게이트 영역을 가운데 두고 제 2 도전형인 N+형 소스/드레인(S/D)을 형성시킴으로써 도 3에 도시된 바와 같은 구조를 형성시킨다.
따라서, 본 발명은 워드라인의 제 1 산화막-질화막-제 2 산화막 중 상기 질화막을 제 1, 2 질화막 패턴으로 분리시킴으로써 제 1, 2 질화막 패턴 사이에서 전자 이동을 차단시킬 수가 있다. 그 결과, 플래시 메모리 소자의 셀의 오동작을 방지할 수가 있다.
또한, 본 발명은 상기 하드 마스크층의 측벽에 스페이서를 형성시킴으로써 현재의 사진식각공정의 한계 이하의 간격으로 상기 제 1, 2 질화막 패턴을 분리시킬 수가 있다. 이는 셀의 사이즈를 축소시킬 수 있다.
따라서, 본 발명은 플래시 메모리의 동일한 셀 사이즈에서 4개의 셀을 형성할 수 있으며 셀의 동작 신뢰성을 향상시킬 수가 있다.
한편, 설명의 편의상 상기 질화막이 2개의 제 1, 2 질화막 패턴으로 분리된 것을 기준으로 설명하였으나, 2개보다 많은 개수의 질화막 패턴으로 분리될 수 있음은 자명한 사실이다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 플래시 메모리 소자 및 그 제조 방법은 턴널 질화막을 서로 분리시킴으로써 상기 턴널 질화막에서의 전자 이동을 억제시킬 수가 있다. 이는 플래시 메모리 소자의 셀 오동작을 방지하고 나아가 동작 신뢰성을 향상시킨다.
또한 본 발명은 하드 마스크층을 건식 식각시키면서 상기 하드 마스크층의 측벽에 폴리머 스페이서를 형성시킴으로써 상기 턴널 질화막의 분리 간격을 현재의 사진식각공정의 한계 이하로 만들 수가 있다. 이는 플래시 메모리 소자의 셀 사이즈를 축소시킨다.
한편, 본 발명은 도시된 도면과 상세한 설명에 기술된 내용에 한정하지 않으며 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 변형도 가능함은 이 분야에 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 사실이다.

Claims (11)

  1. 반도체 기판의 액티브 영역에 서로 이격하여 형성된 소스/드레인;
    상기 소스/드레인 사이의 게이트 영역의 기판 일부를 노출시키는 개구홀을 포함하여 상기 기판 위에 형성된 제 1 산화막 패턴;
    상기 게이트 영역 위의 상기 제 1 산화막 패턴 위에 형성된 질화막 패턴;
    상기 개구홀을 매립하여 상기 질화막 패턴 위에 형성된 제2 산화막 패턴;
    상기 제2 산화막 패턴 위에 형성된 도전층 패턴을 포함하는 플래시 메모리 소자.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 개구홀은
    0.02~0.5μm의 간격을 가지는 것을 특징으로 하는 플래시 메모리 소자.
  4. 반도체 기판 상에 제 1 산화막, 질화막, 희생 산화막, 하드 마스크층을 순서대로 형성시키는 단계;
    상기 하드 마스크층을 식각하여 측벽이 스페이서를 이루는 개구홀을 형성하는 단계;
    상기 하드 마스크층을 마스크로 이용하여 상기 희생 산화막 및 상기 질화막을 식각함으로써 소스/드레인 사이의 게이트 영역의 제1 산화막 일부를 노출시키는 개구홀을 가지는 질화막 패턴을 형성하는 단계;
    상기 하드 마스크층을 제거한 후, 상기 질화막 패턴을 통하여 노출된 제1 산화막 및 상기 희생 산화막을 제거하여 상기 기판의 일부를 노출시키는 개구홀을 가지는 제1 산화막 패턴을 형성하는 단계;
    상기 제1 산화막 패턴 및 상기 질화막 패턴의 개구홀을 매립하도록 하여 상기 기판 상에 제 2 산화막을 형성하고, 상기 제2 산화막 위에 도전층을 형성하는 단계;
    상기 도전층 및 상기 제 2 산화막을 패터닝하여 상기 게이트 영역 위에 제 2 산화막 패턴 및 도전층 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 플래시 메모리 소자의 제조 방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 4 항에 있어서, 상기 제1 산화막 패턴 및 상기 질화막 패턴의 개구홀은
    0.02~0.5μm의 간격을 가지는 것을 특징으로 하는 플래시 메모리 소자의 제조 방법.
  8. 삭제
  9. 제 4 항에 있어서, 상기 스페이서는
    폴리머 스페이서로 형성되는 것을 특징으로 하는 플래시 메모리 소자의 제조 방법.
  10. 제 4 항에 있어서, 상기 하드 마스크층은
    TEOS 계열의 산화막으로 형성되는 것을 특징으로 하는 플래시 메모리 소자의 제조 방법.
  11. 제 4 항에 있어서, 상기 하드 마스크층은
    질화막으로 형성되는 것을 특징으로 하는 플래시 메모리 소자의 제조 방법.
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