KR100947562B1 - Manufacturing methode and cell transistor for memory device by using a ferroelectric layer - Google Patents
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Abstract
본 발명은 강유전체막을 이용한 반도체 메모리소자의 제조 방법 및 그의 셀 트랜지스터에 관한 것으로, 특히 본 발명의 셀 게이트 전극을 갖는 메모리 소자는 반도체 기판 상부에 순차적으로 형성된 게이트 유전막 및 금속 게이트와, 금속 게이트 양쪽 기판 내에 형성된 소오스/드레인 영역과, 금속 게이트가 형성된 기판 전면에 형성된 층간 절연막과, 층간 절연막내의 개구부를 통해 금속 게이트와 수직으로 연결된 강유전체막과, 층간 절연막 상부에 강유전체막과 연결되는 컨트롤 게이트를 포함한다.
따라서 본 발명은 셀 트랜지스터의 게이트 부분에 금속 게이트, 강유전체막 및 컨트롤 게이트의 3층 구조를 형성함으로써 컨트롤 게이트의 구동 전압에 따라 강유전체막의 분극 방향이 바뀌는 성질을 이용하여 데이터를 읽어낸다.
FRAM, 금속 게이트, 강유전체막, 컨트롤 게이트, 로직
The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor memory device using a ferroelectric film and a cell transistor thereof. In particular, a memory device having a cell gate electrode of the present invention includes a gate dielectric film and a metal gate sequentially formed on a semiconductor substrate, and a metal gate both substrate. A source / drain region formed therein, an interlayer insulating film formed on the front surface of the substrate on which the metal gate is formed, a ferroelectric film vertically connected to the metal gate through an opening in the interlayer insulating film, and a control gate connected to the ferroelectric film on the interlayer insulating film. .
Accordingly, the present invention reads data using the property that the polarization direction of the ferroelectric film is changed according to the driving voltage of the control gate by forming a three-layer structure of a metal gate, a ferroelectric film, and a control gate in the gate portion of the cell transistor.
FRAM, Metal Gate, Ferroelectric Film, Control Gate, Logic
Description
도 1 내지 도 8은 본 발명에 따른 강유전체막을 이용한 반도체 메모리소자의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 순서도.
1 to 8 are process flowcharts illustrating a method of manufacturing a semiconductor memory device using a ferroelectric film according to the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
A : 메모리 영역 B : 로직 영역A: memory area B: logic area
10 : 반도체 기판 12 : 소자분리막10
14 : 게이트 절연막 16a : 게이트 전극14 gate
18 : 스페이서 20 : 소오스/드레인 영역18: spacer 20: source / drain region
22, 38 : 층간 절연막 17, 24, 36 : 포토레지스트 패턴22, 38: interlayer
26 : 개구부 28 : 게이트 유전막26: opening 28: gate dielectric film
30a : 금속 게이트 32 : 강유전체막30a: metal gate 32: ferroelectric film
34 : 컨트롤 게이트 40 : 콘택34: control gate 40: contact
42 : 배선 42: wiring
본 발명은 비휘발성 메모리 장치 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 특히 정보통신기기의 소형화, 저전력화 및 고성능화에 따라 비휘발성, 고속 읽기/쓰기가 요구되는 차세대 기억소자인 강유전체막을 이용한 반도체 메모리소자의 제조 방법 및 그의 셀 트랜지스터에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a nonvolatile memory device and a method of manufacturing the same. In particular, a semiconductor memory device using a ferroelectric film, which is a next-generation memory device requiring nonvolatile and high-speed read / write in accordance with miniaturization, low power, and high performance of information and communication devices, is manufactured. And a cell transistor thereof.
기존의 메모리는 휘발성과 비휘발성 메모리로 나누어진다. 휘발성인 DRAM은 하나의 트랜지스터와 하나의 커패시터로 구성되어 정보를 입출력하므로 셀 사이즈가 작아 집적도에서 장점을 나타내지만, 전원이 끊어지면 정보가 없어지고 전원이 연결된 상태에서도 오랜 시간이 지나면 정보를 잃어버리기 때문에 리프래쉬(refresh)를 해야한다. 비휘발성 메모리는 EEPROM과 플래시 메모리 등이 있는데 집적도에서 장점을 갖지만, 정보를 쓰거나 소거하는 방식이 높은 전압을 가하여 채널에서 발생하는 전자의 핫 캐리어(hot carrier) 또는 터널링(tunneling) 특성을 이용하기 때문에 데이터 저장에 많은 시간이 걸려 다른 메모리에 비해 동작 속도가 느리고 높은 전압에서 동작하는 소자가 필요하므로 여러 전압에서 동작하는 소자들을 한 칩에 구성해야 한다. 그리고 높은 전압에서 구동되므로 전력 소비가 많이 정보의 저장과 칩의 동작이 저전압, 저전력을 요구하거나 고속의 동작을 필요로 하는 곳에 적용하는데 한계가 있다. 또한 데이터 프로그램과 소거에 다른 메모 리 소자에 비해 오래 걸리고 메모리장치와 로직 회로(logic circuit)를 집적화하는 엠비디드 메모리를 구현하는데 어려움이 있다.Conventional memory is divided into volatile and nonvolatile memory. Volatile DRAM is composed of one transistor and one capacitor to input and output information, which shows the advantage of compactness due to the small cell size.However, the information is lost when the power is cut off and the information is lost after a long time even when the power is connected. Therefore, you need to refresh. Non-volatile memories include EEPROM and flash memory, which have advantages in density, but because the method of writing or erasing information takes advantage of the hot carrier or tunneling characteristics of electrons generated in the channel by applying a high voltage. Data storage takes a lot of time and requires devices that operate at higher voltages and are slower than other memories. Therefore, devices that operate at multiple voltages must be configured on one chip. In addition, since it is driven at a high voltage, it consumes a lot of power, and thus there is a limit to the application of a place where information storage and chip operation require low voltage, low power, or high speed operation. In addition, it is difficult to implement an embedded memory that takes longer to program and erase data than other memory devices and integrates a memory device and a logic circuit.
이에 반하여, 강유전체(ferroelectric) 물질을 이용한 FRAM은 메모리의 데이터를 쓰고 지우는데 로직의 코어 동작에서 사용하는 전압을 사용하여 강유전체 물질을 자발 분극시킬 수 있다. 또한 분극된 후에 전원을 끊어도 분극 상태를 유지한다. 그리고 메모리에 걸리는 전압 방향을 바꾸어 줌으로써 분극의 방향을 반대로 할 수도 있다.In contrast, FRAM using ferroelectric materials can spontaneously polarize ferroelectric materials using voltages used in the core operation of logic to write and erase data in the memory. In addition, the polarization state is maintained even if the power is cut off after polarization. It is also possible to reverse the direction of polarization by changing the voltage across the memory.
따라서 강유전체 물질을 사용하여 기존의 비휘발성 메모리와 로직 회로의 엠비디드 메모리 제품을 제조한다면 전원의 계속적인 공급이 없어도 저장된 기억이 지워지지 않는 비휘발성 특성과 더불어, 저전력과 동작의 고속화를 이룰 수 있다는 장점이 있다.
Therefore, when manufacturing non-volatile memory and logic circuit embedded memory products using ferroelectric materials, it is possible to achieve low power and high speed of operation as well as non-volatile property that stored memory is not erased even without continuous supply of power. There is this.
본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 셀 트랜지스터의 게이트 부분에 금속 게이트 및 강유전체막을 형성하고 강유전체막에 연결되는 컨트롤 게이트를 형성함으로써 컨트롤 게이트의 전압에 따라 강유전체막의 분극 방향이 바뀌며 이로 인해 셀 트랜지스터의 문턱 전압이 달라져 데이터의 읽기가 가능하고, 메모리와 로직 회로를 집적화한 소자에 적용할 경우 비휘발성 특성과 저전력 및 동작의 고속화를 함께 달성할 수 있는 강유전체막을 이용한 반도체 메모리소자의 제조 방법을 제공하는데 있다. An object of the present invention is to form a metal gate and a ferroelectric film in the gate portion of the cell transistor and to form a control gate connected to the ferroelectric film in order to solve the problems of the prior art as described above, the polarization direction of the ferroelectric film according to the voltage of the control gate As a result, the threshold voltage of the cell transistor is changed to read data, and when applied to a device in which a memory and logic circuit are integrated, a semiconductor memory device using a ferroelectric film that can simultaneously achieve nonvolatile characteristics, low power, and high speed of operation. It is to provide a method for producing.
상기 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 셀 트랜지스터의 게이트 부분에 히스테리시스 특성을 갖는 강유전체막을 형성하고 강유전체막에 연결되는 컨트롤 게이트에 +, - 전압을 인가하여 강유전체막의 분극 방향에 따라 셀 트랜지스터의 문턱 전압이 달라지도록 하여 데이터를 빠르게 읽는 강유전체막을 이용한 반도체 메모리소자의 셀 트랜지스터를 제공하는데 있다.
In order to achieve the above object, the present invention forms a ferroelectric film having hysteresis characteristics in the gate portion of a cell transistor, and applies + and − voltages to a control gate connected to the ferroelectric film, thereby applying a threshold voltage of the cell transistor according to the polarization direction of the ferroelectric film. The present invention provides a cell transistor of a semiconductor memory device using a ferroelectric film for quickly reading data.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 강유전체막을 갖는 비휘발성 메모리소자를 형성함에 있어서, 반도체 기판 상부에 게이트 절연막 및 게이트 전극을 순차 형성하는 단계와, 게이트 전극 양쪽 기판내에 소오스/드레인 영역을 형성하는 단계와, 결과물 전면에 층간 절연막을 형성하고 층간 절연막을 선택 식각하여 게이트 전극 및 게이트 절연막을 제거하여 개구부를 형성하는 단계와, 개구부에 게이트 유전막 및 금속 게이트를 순차적으로 형성하는 단계와, 금속 게이트 상부의 개구부에 강유전체막을 매립하는 단계와, 층간 절연막 상부에 강유전체막과 연결되는 컨트롤 게이트를 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.In order to achieve the above object, the present invention provides a method of forming a nonvolatile memory device having a ferroelectric film, sequentially forming a gate insulating film and a gate electrode on a semiconductor substrate, and forming source / drain regions in both gate electrode substrates. Forming an opening by forming an interlayer insulating film on the entire surface of the resultant and selectively etching the interlayer insulating film to remove the gate electrode and the gate insulating film, and sequentially forming a gate dielectric film and a metal gate in the opening; Embedding the ferroelectric film in the opening, and forming a control gate connected to the ferroelectric film on the interlayer insulating film.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 방법은 강유전체막을 갖는 비휘발성 메모리소자 및 로직 회로를 집적화한 엠비디드 메모리 소자를 형성함에 있어서, 반도체 기판 상부에 게이트 절연막 및 게이트 전극을 순차 형성하는 단계와, 게이트 전극 양쪽 기판 내에 소오스/드레인 영역을 형성하는 단계와, 결과물 전면에 층간 절연막을 형성하고 메모리 영역의 층간 절연막을 선택 식각하여 게이트 전 극 및 게이트 절연막을 제거하여 개구부를 형성하는 단계와, 메모리 영역의 개구부에 게이트 유전막 및 금속 게이트를 순차적으로 형성하는 단계와, 금속 게이트 상부의 개구부에 강유전체막을 매립하는 단계와, 메모리 영역의 층간 절연막 상부에 강유전체막과 연결되는 컨트롤 게이트를 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.In order to achieve the above object, another method of the present invention is to form a nonvolatile memory device having a ferroelectric film and an embedded memory device integrating a logic circuit, the steps of sequentially forming a gate insulating film and a gate electrode on the semiconductor substrate; Forming a source / drain region in both substrates of the gate electrode, forming an interlayer insulating film on the entire surface of the resultant, and selectively etching the interlayer insulating film of the memory region to remove the gate electrode and the gate insulating film to form openings; Sequentially forming a gate dielectric film and a metal gate in the opening of the semiconductor substrate, embedding a ferroelectric film in the opening of the metal gate, and forming a control gate connected to the ferroelectric film on the interlayer insulating film of the memory region. Is done.
상기 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 강유전체막을 갖는 비휘발성 메모리소자의 셀 트랜지스터에 있어서, 반도체 기판 상부에 순차적으로 형성된 게이트 유전막 및 금속 게이트와, 금속 게이트 양쪽 기판내에 형성된 소오스/드레인 영역과, 금속 게이트가 형성된 기판 전면에 형성된 층간 절연막과, 층간 절연막내의 개구부를 통해 금속 게이트와 수직으로 연결된 강유전체막과, 층간 절연막 상부에 강유전체막과 연결되는 컨트롤 게이트를 구비한다.
In order to achieve the above object, the present invention provides a cell transistor of a nonvolatile memory device having a ferroelectric film, comprising: a gate dielectric film and a metal gate sequentially formed on a semiconductor substrate, source / drain regions formed in both metal gate substrates, and a metal. An interlayer insulating film formed on the entire surface of the substrate on which the gate is formed, a ferroelectric film vertically connected to the metal gate through an opening in the interlayer insulating film, and a control gate connected to the ferroelectric film on the interlayer insulating film.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명하고자 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1 내지 도 8은 본 발명에 따른 강유전체막을 이용한 반도체 메모리소자의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 순서도로서, 이들 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 제조 공정에 대해 설명한다. 본 실시예는 메모리와 로직 회로를 집적화한 엠비디드 메모리 소자의 제조 공정에 관한 것이다.1 to 8 are process flowcharts for explaining a method of manufacturing a semiconductor memory device using a ferroelectric film according to the present invention, with reference to these drawings will be described a manufacturing process according to an embodiment of the present invention. The present embodiment relates to a manufacturing process of an embedded memory device in which a memory and a logic circuit are integrated.
우선 도 1에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(10)으로서 실리콘 기판의 메모리 영역(A)과 로직 영역(B)에 소자분리 공정으로 소자의 활성 영역과 비활성 영역을 정의하는 소자분리막(12)을 형성한다. 예를 들어, 소자분리막(12)은 셀로우 트 렌치(shallow trench)형 소자분리막으로 형성한다. 그리고 불순물 이온 주입 공정, 예를 들어 p- 웰 공정을 진행하여 기판(10)내에 웰(미도시됨)을 형성한다. 계속해서 기판(10)에 셀 트랜지스터 및 로직 트랜지스터의 n- 채널, 문턱 전압 조절 등을 위한 불순물 이온 주입 공정을 진행한다.First, as shown in FIG. 1, as the
그 다음 기판 전면에 게이트 절연막(14)으로서 실리콘산화막(SiO2)과 게이트 전극용 도전막(16)으로서 도프트 폴리실리콘을 순차 증착한다. 포토리소그래피 공정으로 게이트전극용 도전막(16) 상부에 게이트 전극 영역을 정의하는 포토레지스트 패턴(18)을 형성한다.Subsequently, silicon oxide film (SiO2) as a
포토레지스트 패턴(18)을 이용한 식각 공정을 진행하여 게이트 전극용 도전막(16) 및 게이트 절연막(14)을 패터닝하고, 포토레지스트 패턴(18)을 제거한다. An etching process using the
도 2에 도시된 바와 같이, 메모리 영역(A)의 기판 상부에는 셀 트랜지스터의 게이트 절연막(14b) 및 게이트 전극(16a)이 형성되고, 로직 영역(B)의 기판 상부에도 로직 트랜지스터의 게이트 절연막(14) 및 게이트 전극(16a)이 형성된다. 그리고 메모리 및 로직 영역(A, B)의 기판 전면에 절연막으로서 실리콘질화막(Si3N4)을 증착하고 이를 건식 식각해서 게이트 전극(16a)의 양쪽 측벽에 스페이서(18)를 형성한다. 또한 메모리 및 로직 영역(A, B)의 게이트 전극(16a) 및 스페이서(18)를 마스크로 삼아 이온 주입(예를 들어 n+ 이온 주입)을 실시하여 게이트 전극(16a) 양쪽 기판내에 소오스/드레인 영역(20)을 형성한다.As shown in FIG. 2, the gate insulating layer 14b and the
그 다음 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 결과물 전면에 USG(Undoped Silicate Glass), BPSG(BoroPhospho Silicate Glass) 등으로 층간 절연막(22)을 형 성한 후에, 포토리소그래피 공정으로 층간 절연막(22) 상부에 로직 영역(B)을 마스킹하고 메모리 영역(A)의 게이트 전극(16a)이 오픈되는 포토레지스트 패턴(24)을 형성한다. 이어서 식각 공정으로 포토레지스트 패턴(24)에 의해 드러난 층간 절연막(22)을 선택 식각하여 메모리 영역(A)의 게이트 전극(16a) 및 게이트 절연막(14)을 제거하고 해당 부분의 기판 표면이 노출되는 개구부(26)를 형성한다. 그리고 나서 도 4에 도시된 바와 같이, 포토레지스트 패턴(24)을 제거한다.Then, as shown in FIG. 3, after forming the
계속해서 도 5에 도시된 바와 같이, 메모리 영역(A)의 개구부에 게이트 유전막(28) 및 금속 게이트용 금속(30)을 순차적으로 형성한다. 이때, 게이트 유전막(28)은 개구부 바닥에 일정 두께가 증착되도록 하고, 나머지 개구부를 채우도록 금속(30)을 증착한다. 여기서 게이트 유전막(28)은 Al2O3이고, 금속(30)은 W, Pt, IrO2, Ir, RuO2, 또는 Ru 비활성 금속 물질이다.Subsequently, as shown in FIG. 5, the gate
그리고 도 6에 도시된 바와 같이, 금속(30)을 전면 식각(etch back)해서 메모리 영역(A)의 개구부의 일정 높이까지 금속이 매립되도록 하여 금속 게이트(30a)를 형성한다. 금속 게이트(30a)의 높이는 스페이서(18) 높이와 동일 또는 낮도록 하는 것이 바람직하다.As shown in FIG. 6, the
그 다음 금속 게이트(30a) 상부의 개구부에 강유전체막(32)을 매립한다. 이때 강유전체막(32)은 솔젤(sol-gel) 방법으로 코팅 또는 CVD(Chemical Vapor Deposition)로 증착하고, 전면 식각 또는 CMP(Chemical Mechanical Polishing)로 층간 절연막(22) 상부의 강유전체막을 제거한다.
The
이어서 도 7에 도시된 바와 같이, 층간 절연막(22) 전면에 금속(34)을 증착하고 그 위에 포토레지스트 패턴(36)을 형성한다. 식각 공정으로 포토레지스트 패턴에 맞추어 금속을 패터닝하여 메모리 영역(A)의 층간 절연막(22) 상부에 강유전체막(32)과 연결되는 컨트롤 게이트(34)를 형성한다. 그리고 포토레지스트 패턴(36)을 제거한다. 이때 컨트롤 게이트(34)용 금속은 W, Pt, IrO2, Ir, RuO2, 또는 Ru의 비활성 금속으로 형성한다.Subsequently, as shown in FIG. 7, a
그리고나서 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 결과물 전면에 HDP(High Density Plasma) 산화막 등으로 층간 절연막(38)을 형성하고 배선 공정을 진행하여 메모리 영역(A) 및 로직 영역(B)의 층간 절연막(38, 22)내에 소오스/드레인 영역(20) 또는 컨트롤 게이트(34)에 연결되는 콘택(40) 및 배선(42)을 형성한다.Then, as shown in FIG. 8, an interlayer insulating film 38 is formed on the entire surface of the resultant by using an HDP (High Density Plasma) oxide film or the like, and a wiring process is performed to form an interlayer insulating film of the memory area A and the logic area
이상 설명한 본 발명의 실시예에서는 메모리와 로직 회로를 집적화한 엠비디드 메모리 소자에 대한 것이지만, 본 발명은 메모리 소자의 제조 공정에만 적용할 수도 있다.Although the embodiment of the present invention described above relates to an embedded memory device in which a memory and a logic circuit are integrated, the present invention may be applied only to a manufacturing process of a memory device.
상기와 같이 제조된 본 발명에 따른 강유전체막을 갖는 메모리소자의 셀 트랜지스터는 다음과 같이 구성된다. 반도체 기판(10) 상부에 순차적으로 형성된 게이트 유전막(28) 및 금속 게이트(30a)와, 금속 게이트(30a) 양쪽 기판 내에 형성된 소오스/드레인 영역(20)과, 금속 게이트(30a)가 형성된 기판 전면에 형성된 층간 절연막(22)과, 층간 절연막(22)내의 개구부를 통해 금속 게이트(30a)와 수직으로 연결된 강유전체막(32)과, 층간 절연막(22) 상부에서 강유전체막(32)과 연결되는 컨트롤 게이트(34)를 포함한다.The cell transistor of the memory device having the ferroelectric film according to the present invention manufactured as described above is configured as follows. The
그러므로 본 발명의 셀 게이트 전극은 금속 게이트(30a)-강유전체막(32)-컨트롤 게이트(34)의 3층 구조를 갖는다. 본 발명의 컨트롤 게이트(34)에 + 전압, - 전압을 인가하게 되면 강유전체막(32)에 분극이 일어나 셀 게이트인 금속 게이트(30a)의 전위가 바뀌게 된다. 이에 따라 메모리 영역(A)의 기판 상태가 변하여 셀 트랜지스터의 문턱 전압은 분극 방향에 따라 변화하게 된다. 이렇게 변화된 문턱 전압의 차이를 감지하여 0, 1의 데이트 정보를 출력하게 된다.
Therefore, the cell gate electrode of the present invention has a three-layer structure of a
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 셀 트랜지스터의 게이트 부분에 금속 게이트, 강유전체막 및 컨트롤 게이트의 3층 구조를 형성함으로써 컨트롤 게이트의 구동 전압에 따라 강유전체막의 분극 방향이 바뀌는 성질을 이용하여 데이터를 빠르게 읽어낸다.As described above, the present invention forms a three-layer structure of a metal gate, a ferroelectric film, and a control gate in the gate portion of the cell transistor to quickly read data using a property in which the polarization direction of the ferroelectric film changes according to the driving voltage of the control gate. Serve
게다가 본 발명은 메모리와 로직 회로를 집적화한 소자에 적용할 경우 비휘발성 특성과 저전력 및 동작의 고속화를 함께 달성할 수 있는 효과가 있다.Furthermore, when the present invention is applied to a device in which a memory and a logic circuit are integrated, it is possible to achieve nonvolatile characteristics, low power, and high speed of operation.
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KR20010091999A (en) * | 2000-03-13 | 2001-10-23 | 마츠시타 덴끼 산교 가부시키가이샤 | Semiconductor device and method for fabricating the same |
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2002
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