KR100975941B1 - Nonvolatile Memory Device Using an impurity trap formed by a metal doping as a charge storage level and a Manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 금속도핑에 의해 형성된 불순물트랩을 전하저장준위로 이용한 비휘발성 메모리소자에 관한 것으로, p-형 실리콘기판; 상기 p-형 실리콘기판상에 형성된 5nm의 두께로 증착된 실리콘산화막; 상기 실리콘산화막상에 원자층증착법(ALD)을 통해 40nm두께로 증착된 알루미나층(Al2O3); 및 상기 알루미나층상에서 이온주입법을 통해 상기 알루미나층내에 이온주입된 Nb, V, Ta, Ru 금속이온들 중 하나로 이루어진 이온주입층;을 포함하여 이루어지되, 상기 이온주입층은 불순물트랩으로 작용하며, 상기 금속은 원자단위로 형성된 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a nonvolatile memory device using an impurity trap formed by metal doping as a charge storage level, comprising: a p-type silicon substrate; A silicon oxide film deposited to a thickness of 5 nm formed on the p-type silicon substrate; An alumina layer (Al 2 O 3 ) deposited at a thickness of 40 nm on the silicon oxide film through atomic layer deposition (ALD); And an ion implantation layer comprising one of Nb, V, Ta, and Ru metal ions implanted into the alumina layer through an ion implantation method on the alumina layer, wherein the ion implantation layer acts as an impurity trap. The metal is characterized in that formed in atomic units.

본 발명에 따른 금속도핑에 의해 형성된 불순물트랩을 전하저장준위로 이용한 비휘발성 메모리소자 및 그 제조방법에 의하면, 물리적인 계산에 의해 적절한 금속이온의 종류를 선택하여 정확하게 불순물 준위를 정하고 그 농도를 조절할 수 있는 효과가 있다. According to the nonvolatile memory device using the impurity trap formed by the metal doping according to the present invention as a charge storage level and a method of manufacturing the same, the impurity level is accurately determined by selecting a suitable type of metal ion by physical calculation and the concentration thereof is adjusted. It can be effective.

불순물 트랩, 이온주입, 도핑, 전하저장 Impurity Trap, Ion Implantation, Doping, Charge Storage

Description

금속도핑에 의해 형성된 불순물트랩을 전하저장준위로 이용한 비휘발성 메모리소자 및 그 제조방법{Nonvolatile Memory Device Using an impurity trap formed by a metal doping as a charge storage level and a Manufacturing method thereof}Nonvolatile memory device using an impurity trap formed by a metal doping as a charge storage level and a manufacturing method

본 발명은 금속도핑에 의해 형성된 불순물트랩을 전하저장준위로 이용한 비휘발성 메모리소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 금속이온의 종류를 선택하여 정확하게 불순물 준위를 정하고 그 농도를 조절할 수 있도록 함으로써 우수한 특성을 제공할 수 있도록 하는 금속도핑에 의해 형성된 불순물트랩을 전하저장준위로 이용한 비휘발성 메모리소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a nonvolatile memory device using the impurity trap formed by metal doping as a charge storage level, and a method of manufacturing the same. More particularly, the impurity level can be accurately determined by selecting the type of metal ion and the concentration thereof can be adjusted. The present invention relates to a non-volatile memory device using the impurity trap formed by metal doping as a charge storage level and thereby a method of manufacturing the same.

현재 연구되고 있는 차세대 비휘발성 메모리 분야 중 전하트랩메모리(charge trap memory:CTF)에서 실리콘(Si) 혹은 게르마늄(Ge) 나노결정, 질화물 트랩같은 불연속 형태의 전하 저장 매질을 이용한 연구가 활발히 진행되어 왔다. 이러한 연구는 전하의 이동에 의한 손실을 방지할 수 있어서 저장된 데이터의 보존을 향상시킨다. 하지만 실리콘(Si) 나노결정을 기반으로 한 물질의 전하 저장 트랩의 밀도는 1011~1012 cm- 2 의 영역에 머물러 있어 다중비트(multibit)메모리를 구현할 말한 충분한 메모리 윈도우를 제공하지 못한다는 단점을 가지고 있었다. 최근에 질화물 트랩을 이용한 Si/SiO2/SiN/SiO2/poly Si(SONOS)와 Si/SiO2/SiN/Al2O3/TaN(TANOS)같은 메모리 소자가 낮은 구동 전압과 얇은 터널 절연막의 덕분으로 고집적도의 가능성이 높아 주목을 받고 있으나 45 nm 정도의 소자구현을 하기에는 질화막의 트랩의 수가 충분치 않고, 특히 SONOS의 경우 자연적으로 형성된 결함준위의 에너지와 농도를 제어하기 어렵기 때문에 소자의 향상이 제한적이라는 단점을 가지고 있다.In the field of next-generation nonvolatile memory currently being studied, researches using discontinuous charge storage media such as silicon (Si) or germanium (Ge) nanocrystals and nitride traps have been actively conducted in charge trap memory (CTF). . Such research can prevent the loss of charge transfer, thereby improving the preservation of stored data. However, the density of charge storage traps of materials based on silicon (Si) nanocrystals stays in the range of 10 11 to 10 12 cm - 2 , which does not provide enough memory window to implement multibit memory. Had Recently, memory devices such as Si / SiO 2 / SiN / SiO 2 / poly Si (SONOS) and Si / SiO 2 / SiN / Al 2 O 3 / TaN (TANOS) using nitride traps have been developed for low driving voltage and thin tunnel insulating film. This is attracting attention because of the high possibility of high integration. However, the number of nitride traps is not enough to implement a device of about 45 nm, and especially in the case of SONOS, it is difficult to control the energy and concentration of naturally formed defect levels. This has the disadvantage of being limited.

또한 CTF의 핵심적인 이슈 중의 하나는 쓰기/지우기 (Program/Erase, P/E)속도와 데이터 보존인데 이 두 요소는 서로 상충되는 특성을 가지고 있다. Fowler-Nordheim(FN) 터널링(tunneling) 체제에서 수 백초 동안 다준위 쓰기를 위해서는 터널 산화막의 두께는 7 nm 이하이어야 하는데 이렇게 얇은 두께에서는 10년 이상의 데이터 보존을 기대할 수 없다. 이러한 절충(trade-off)을 극복하기 위한 방안으로 터널 배리어(tunnel barrier), 전하트랩 층(charge trap layer), 제어 배리어 (control barrier)등의 물질과 구조의 최적화 상태를 필요로 한다. CTF 메모리의 성능 향상을 위하여 실리콘질화막(SiN) 와 알루미나(Al2O3)같은 high-k(고유전체) 물질을 사용하면 절연막 두께의 한계를 극복할 수 있어서 이를 이용한 비휘발성 메모리 연구도 매우 활발하다.In addition, one of the key issues of CTF is the write / erase (Program / Erase, P / E) speed and data preservation. These two factors have conflicting characteristics. For multilevel writes in the Fowler-Nordheim (FN) tunneling regime for hundreds of seconds, the thickness of the tunnel oxide should be less than 7 nm. In order to overcome such a trade-off, an optimized state of materials and structures such as a tunnel barrier, a charge trap layer, and a control barrier is required. In order to improve the performance of CTF memory, the use of high-k dielectric materials such as silicon nitride (SiN) and alumina (Al 2 O 3 ) can overcome the limitations of the thickness of the insulating film. Do.

도 1은 종래 기술에 따른 폴리실리콘 플로팅 게이트 메모리 반도체소자의 기술적 문제점에 따른 나노크리스탈 메모리 등의 전하트랩시 메모리 반도체소자의 필 요성을 나타내는 그래프이다.1 is a graph showing the necessity of a memory semiconductor device during a charge trap such as a nanocrystal memory according to a technical problem of a polysilicon floating gate memory semiconductor device according to the related art.

도 1을 참조하면, 종래의 폴리실리콘 플로팅 게이트 메모리 반도체소자는 높은 동작전압(9-10V)이 요구되며, 유전물질(dielectric material)인 산화막의 두께가 두꺼워지는 문제점이 있었고, 프로그래밍/삭제(programming/erasing) 속도가 느린 문제점이 있었다.Referring to FIG. 1, the conventional polysilicon floating gate memory semiconductor device requires a high operating voltage (9-10V), has a problem that the thickness of an oxide film, which is a dielectric material, becomes thick, and is programmed / deleted. / erasing) was a slow problem.

또한, 65nm이하의 공정에서는 낮은 실행가능성(feasibility)이 존재하고 있었다(기술적 갭(technical gap)이라고 표시된 부분, 도 1 참조). 따라서, 실행가능한 기준이하에 있는 문제점이 있었다.In addition, there was a low feasibility in the process of 65 nm or less (parts indicated as technical gaps, see FIG. 1). Thus, there has been a problem under viable standards.

도 2는 종래 전하트랩 플래시 메모리반도체소자의 예를 나타낸 도면이다.2 is a view showing an example of a conventional charge trap flash memory semiconductor device.

도 2를 참조하면, 종래 폴리실리콘 플로팅게이트를 대체하기 위한 방법으로서 제안된 것으로서 연속적인 전하저장물질의 한계를 극복하기 위한 방법이다. 즉, p-형실리콘기판상에 증착된 고유전체재료(high-k)인 실리콘산화막 또는 알루미나(Al2O3)안에 형성된 전하트랩에 전하가 주입되어 저장되는 구조이다.Referring to Figure 2, as a method for replacing the conventional polysilicon floating gate as a method for overcoming the limitation of the continuous charge storage material. That is, a charge is injected and stored in a charge trap formed in a silicon oxide film or alumina (Al 2 O 3 ), which is a high-k material deposited on a p-type silicon substrate.

도 3a 내지 도 3c는 종래의 SONOS 및 SANOS 구조의 반도체 소자의 프로그래밍 및 삭제 모드에서의 에너지밴드 도표 및 SANOS구조에서의 TEM 그래프이다.3A to 3C are energy band diagrams and a TEM graph in a SANOS structure in a programming and erasing mode of a semiconductor device of a conventional SONOS and SANOS structure.

도 3a 내지 도 3c에 도시된 바와 같이, 기존의 연구는 질화막의 트랩을 이용하여 메모리 소자를 구현하였는데 이런 물질은 메모리 소자가 소형화됨에 따라서 트랩의 수가 충분치 않게 되었다. 또한 질화막 물질에 자연적으로 형성된 트랩을 이용하므로 결함준위의 에너지와 농도를 제어하는데 큰 어려움이 있었다.As shown in Figs. 3A to 3C, previous research has implemented a memory device using a trap of nitride film, and this material has not had enough traps as the memory device is miniaturized. In addition, since the trap formed naturally in the nitride material has a great difficulty in controlling the energy and concentration of the defect level.

본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래기술에서의 문제점을 해결하고자 제안된 것으로, 금속도핑에 의해 형성되며 에너지 준위와 농도를 인위적으로 조절할 수 있으며 원자단위에 전하를 저장함으로써 소자의 크기를 줄여도 소자의 특성이 저하되지 않는 금속도핑에 의해 형성된 불순물트랩을 전하저장준위로 이용한 비휘발성 메모리소자 및 그 제조방법을 제공함에 있다.An object of the present invention is proposed to solve the problems in the prior art as described above, formed by metal doping and can artificially control the energy level and concentration, and even by reducing the size of the device by storing charge in atomic units The present invention provides a nonvolatile memory device using the impurity trap formed by metal doping that does not deteriorate as a charge storage level, and a method of manufacturing the same.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 금속도핑에 의해 형성된 불순물트랩을 전하저장준위로 이용한 비휘발성 메모리소자는 p-형 실리콘기판; 상기 p-형 실리콘기판상에 형성된 5nm의 두께로 증착된 실리콘산화막; 상기 실리콘산화막상에 원자층증착법(ALD)을 통해 40nm두께로 증착된 알루미나층(Al203); 및 상기 알루미나층상에서 이온주입법을 통해 상기 알루미나층내에 이온주입된 Nb, V, Ta, Ru 금속이온들 중 하나로 이루어진 이온주입층;을 포함하여 이루어지되, 상기 이온주입층은 불순물트랩으로 작용하며, 상기 금속은 원자단위로 형성된 것을 특징으로 한다.According to a preferred embodiment of the present invention for achieving the above object, the nonvolatile memory device using the impurity trap formed by the metal doping as the charge storage level is a p-type silicon substrate; A silicon oxide film deposited to a thickness of 5 nm formed on the p-type silicon substrate; An alumina layer (Al 2 O 3 ) deposited on the silicon oxide film by atomic layer deposition (ALD) at a thickness of 40 nm; And an ion implantation layer comprising one of Nb, V, Ta, and Ru metal ions implanted into the alumina layer through an ion implantation method on the alumina layer, wherein the ion implantation layer acts as an impurity trap. The metal is characterized in that formed in atomic units.

본 발명에 따른 금속도핑에 의해 형성된 불순물트랩을 전하저장준위로 이용한 비휘발성 메모리소자의 제조방법은 열증착법(thermal Deposition)에 의해 p-형 실리콘기판상에 실리콘산화막을 5nm의 두께로 증착하는 제1 단계; 상기 실리콘산화막상에 원자층증착법(ALD)을 통해 알루미나층(Al203)을 40nm두께로 증착하는 제2 단계; 및 상기 알루미나층상에 Nb, V, Ta, Ru 금속이온들 중 하나를 사용하여 이온주입법을 통해 이온주입과정을 수행하는 제3 단계;를 포함하여 이루어지되, 상기 제 3 단계의 이온주입결과 금속으로 이루어진 불순물트랩이 형성되며 상기 금속은 원자단위로 형성된 것을 특징으로 한다.A method of manufacturing a nonvolatile memory device using an impurity trap formed by metal doping as a charge storage level according to the present invention is a method of depositing a silicon oxide film on a p-type silicon substrate with a thickness of 5 nm by thermal deposition. Stage 1; Depositing an alumina layer (Al 2 O 3 ) to a thickness of 40 nm on the silicon oxide film by atomic layer deposition (ALD); And a third step of performing an ion implantation process through an ion implantation method using one of Nb, V, Ta, and Ru metal ions on the alumina layer. An impurity trap is formed and the metal is formed in atomic units.

바람직하게는, 상기 제 3 단계후에 이온주입된 알루미나층을 포함한 메모리소자를 급속 열처리하는 제 4 단계를 더 포함하여 이루어지되, 상기 제4 단계는 N2 분위기에서 약800도 온도에서 약 1분간 수행하는 것을 특징으로 한다.Preferably, the method further includes a fourth step of rapidly heat-treating the memory device including the alumina layer ion-implanted after the third step, wherein the fourth step is performed at a temperature of about 800 degrees in an N 2 atmosphere for about 1 minute. Characterized in that.

또한 바람직하게는, 상기 제 3 단계이후에 전극으로서 사용하기 위하여 알루미늄을 증착하는 제5 단계를 수행하되, 상기 제5 단계에서의 알루미늄 전극의 지름은 100 마이크로미터인 것을 특징으로 한다.Also preferably, a fifth step of depositing aluminum for use as an electrode after the third step is performed, wherein the diameter of the aluminum electrode in the fifth step is 100 micrometers.

또한 바람직하게는, 상기 이온주입결과 금속이 상기 알루미나층의 소정깊이만큼 주입되어 형성된 금속층의 깊이는 상기 알루미나층 상부표면에서 부터 수직하방으로 20~25nm의 깊이에 형성된 것을 특징으로 한다.Also preferably, the depth of the metal layer formed by implanting the metal by a predetermined depth of the alumina layer as a result of the ion implantation is formed at a depth of 20 to 25 nm vertically downward from the upper surface of the alumina layer.

또한 바람직하게는, 상기 이온주입결과 금속이 상기 알루미나층의 소정깊이만큼 주입되어 형성된 금속층의 깊이는 상기 알루미나층 상부표면에서 부터 수직하방으로 30~35nm의 깊이에 형성된 것을 특징으로 한다.Also preferably, the depth of the metal layer formed by implanting the metal by a predetermined depth of the alumina layer as a result of the ion implantation is formed at a depth of 30 to 35 nm vertically downward from the upper surface of the alumina layer.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 금속도핑에 의해 형성된 불순물트랩을 전하저장준위로 이용한 비휘발성 메모리소자 및 그 제조방법에 의하면, 물리적인 계산에 의해 적절한 금속이온의 종류를 선택하여 정확하게 불순물 준위를 정하고 그 농도를 조절할 수 있는 효과가 있다.As described above, according to the nonvolatile memory device using the impurity trap formed by the metal doping according to the present invention as the charge storage level and a method of manufacturing the same, the impurity level is accurately determined by selecting the appropriate type of metal ion by physical calculation. It has the effect of setting and adjusting the concentration.

따라서 본원 발명에 의하면, 종래의 비휘발성 메모리소자에 비해 전하트랩의 에너지와 농도를 인위적으로 조절할 수 있으며 트랩이 원자단위로 형성됨으로써 더 작은 소자를 제작하는 데 유리하며, 소자의 신뢰성이 증대되는 효과가 있다.Therefore, according to the present invention, the energy and concentration of the charge trap can be artificially controlled compared to the conventional nonvolatile memory device, and the trap is formed in atomic units, which is advantageous to manufacture a smaller device, and the reliability of the device is increased. There is.

본 발명에 따르면, 기존 연구는 SiN 물질이 자연적으로 가지고 있는 트랩층을 메모리 소자로 이용한 반면 본 발명은 Al2O3물질 내에 metal (V, Nb, Ru, Ta) ion 을 이온주입하여 인위적으로 트랩층을 형성하여 메모리 소자로 활용했다는 점에서 매우 큰 차별성이 있으며 이러한 물질/구조는 전 세계적으로 최초로 개발된 연구기술이다.According to the present invention, the existing research is to use the trap layer of SiN material as a memory device while the present invention artificially trapped by ion implanting metal (V, Nb, Ru, Ta) ion into Al 2 O 3 material It is very different in that it is used as a memory device by forming a layer, and this material / structure is the first research technology developed worldwide.

또한 본 발명에 따르면, 각각의 금속에 따라서 메모리 특성에 차이를 보이는데 그 중에서 V 과 Nb 이 메모리 특성상 우수한 성능을 보이며 다음으로 Ru, Ta 순으로 적은 양의 메모리 특성을 보였다.In addition, according to the present invention, there is a difference in memory characteristics according to each metal, among which V and Nb showed excellent performance in terms of memory characteristics, followed by Ru and Ta in the order of small amount of memory characteristics.

또한 본 발명에 따르면, 바나듐(V)이온이 주입된 시료의 SIMS 측정 결과 대부분의 바나듐 이온이 Al2O3와 SiO2의 계면근처(Al2O3의 약 35~38nm)에 위치함을 측정하였으며 이는 또한 STEM을 통하여 같은 결과가 확인되었다.In addition, according to the present invention, as a result of SIMS measurement of a sample injected with vanadium (V) ions, it is determined that most vanadium ions are located near the interface between Al 2 O 3 and SiO 2 (about 35 to 38 nm of Al 2 O 3 ). This was also confirmed by STEM.

또한 본 발명에 따르면, CV 히스테리시스(hysteresis)를 측정한 결과 게이트 전압 증가에 따라 금속이온(metal ion)이 주입되지 않은 시료의 경우 적은 양의 메모리 윈도우(memory window)가 나타난 반면 금속이온(metal ion)이 주입된 시료는 메모리 윈도우(memory window)가 증가하였다.In addition, according to the present invention, as a result of measuring CV hysteresis, a small amount of memory window appears in the case of a sample in which metal ion is not injected as the gate voltage increases, whereas metal ion ) Was injected into the memory window (memory window) increased.

또한 본 발명에 따르면, Full program/erase 의 전압을 각각 +12/-12 V , 1s 초로 정하고 pulse를 이용하여 memory 특성을 측정한 결과 low energy 시료의 경우 program/erase (P/E) 시간이 각각 1 ms, 1 ms 정도인데 반해 High energy 시료의 경우 P/E 시간이 각각 100 μs, 1 ms로서 향상된 특성을 보였다.Also, according to the present invention, the voltage of the full program / erase is set to + 12 / -12 V and 1 s, respectively, and the memory characteristics are measured using pulses. In the case of low energy samples, the program / erase (P / E) time is respectively 1 ms and 1 ms, however, the P / E time of the high energy samples was improved to 100 μs and 1 ms, respectively.

또한 본 발명에 따르면, 상온에서 low energy 로 V ion 이 주입된 시료의 Retention 측정결과 10년을 기준으로 약 38%의 전하손실율이 일어난 반면에 high energy 로 V 과 Nb ion 이 주입된 시료의 Retention 측정결과 V 의 경우 약 26%, Nb 의 경우 19% 정도의 전하손실율로서 더 우수한 특성을 보였다.According to the present invention, the retention rate of the sample injected with low energy at room temperature resulted in about 38% charge loss based on 10 years, while the retention of the sample injected with high energy with V and Nb ion occurred. As a result, the charge loss ratio was about 26% for V and 19% for Nb.

또한 본 발명에 따르면, 이러한 실험결과를 바탕으로 금속이온주입에 의한 불순물 깊은 트랩 준위를 이용한 CTF 비휘발성 메모리 기술은 상업화의 가능성이 높은 기술임을 확인할 수 있다.In addition, according to the present invention, it can be seen that the CTF nonvolatile memory technology using the deep impurity trap level by metal ion implantation is a highly commercialized technology.

이하 본 발명에 따른 금속도핑에 의해 형성된 불순물트랩을 전하저장준위로 이용한 비휘발성 메모리소자 및 그 제조방법에 대하여 첨부도면을 참조로 상세히 설명한다.Hereinafter, a nonvolatile memory device using the impurity trap formed by metal doping according to the present invention as a charge storage level and a method of manufacturing the same will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명에서는 불연속적인 전하 저장 트랩층 형성의 한 방법으로서 high-k 박막인 Al2O3에 금속이온을 도핑하여 불연속적인 불순물 깊은 준위(impurity deep-level)를 에너지 밴드 갭 안에 인위적으로 형성하여 이를 전하 저장 준위로 활용하여 비휘발성 반도체 소자를 개발하였다.In the present invention, as a method of forming a discontinuous charge storage trap layer, a high-k thin film Al 2 O 3 is doped with metal ions to artificially form a discontinuous impurity deep-level in an energy band gap. A nonvolatile semiconductor device was developed using the charge storage level.

본 발명의 장점은 물리적인 기본 계산에 의해 적절한 금속이온의 종류를 선택하여 정확하게 불순물 준위를 정하고 그 농도를 조절할 수 있다는 것이다. 원자층 증착방법(atomic layer deposition:ALD)방법으로 형성한 Al2O3 박막에 금속 이온을 도핑하는 방법으로 이온주입법(ion implantation)을 사용하였으며, 이렇게 제작된 시료의 비휘발성 메모리 반도체소자의 특성을 측정한 결과 우수한 특성의 메모리 반도체 소자를 개발할 수 있었다.An advantage of the present invention is that it is possible to accurately determine the impurity level and control its concentration by selecting the appropriate type of metal ion by physical basic calculation. Ion implantation was used as a method of doping metal ions to an Al 2 O 3 thin film formed by atomic layer deposition (ALD). As a result, the memory semiconductor device having excellent characteristics could be developed.

도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 반도체소자의 도핑된 금속이온에 의한 전하트랩 메카니즘 및 에너지밴드를 나타낸 도면이다4A and 4B are diagrams illustrating a charge trap mechanism and an energy band by doped metal ions of a semiconductor device according to the present invention.

도 4a 및 도 4b를 참조하면, Al203의 에너지간격은 8.7eV이고 금속 도핑(doping)과정 즉, 알루미늄(Al) 또는 산소(o)원자의 치환에 의한 금속도핑과정이 수행된다. 이 방법의 장점은 트랩층(deep-level traps)을 형성한다는 것과, 도핑물질에 따른 전자저장 트랩밀도를 제어한다는 것과, 도핑물질에 따른 전자/홀 비율을 제어하게 되며, 고유전체(high-k)에 의한 커플링비율(coupling ratio)가 증가된다는 점이다.4A and 4B, the energy interval of Al 2 O 3 is 8.7 eV and a metal doping process, that is, a metal doping process by substitution of aluminum (Al) or oxygen (o) atoms is performed. The advantages of this method are the formation of deep-level traps, control of the electron storage trap density by the doping material, control of the electron / hole ratio by the doping material, and high-k ), The coupling ratio (coupling ratio) is increased.

여기서 k=9이고, 에너지간격은 알루미나에 대해 8.7eV이다.Where k = 9 and the energy interval is 8.7 eV for alumina.

본 발명에 따르면, 물리적인 근거에 비춰서 계산한 결과 4가지 금속 (V, Nb, Ru, Ta)을 Al2O3 물질에 도핑하여 원자치환(substitution) 등에 의해 불연속적인 불순물 깊은 준위(impurity deep-level)가 에너지 밴드 갭 안에 인위적으로 형성하며, 이렇게 만들어진 불순물 깊은 준위에 전자를 저장하면 외부로 빠져나오기가 힘들다는 원리를 이용하여 CTF 메모리 소자를 개발하였다.According to the present invention, as a result of calculation based on a physical basis, four metals (V, Nb, Ru, Ta) are doped into an Al 2 O 3 material and discontinuous impurity deep-substitution by substitution or the like. The CTF memory device was developed using the principle that the level) is artificially formed in the energy band gap, and it is difficult to escape to the outside when electrons are stored in the deep impurity level.

이하 본 발명에 따른 금속도핑에 의해 형성된 불순물트랩을 전하저장준위로 이용한 비휘발성 메모리소자의 제조방법을 도 5a 내지 도 5c를 참조로 순차적으로 살펴본다.Hereinafter, a method of manufacturing a nonvolatile memory device using an impurity trap formed by metal doping according to the present invention as a charge storage level will be described sequentially with reference to FIGS. 5A to 5C.

도 5a을 참조하면, 열증착법(thermal deposition)에 의해 p-형 실리콘기판(12)상에 실리콘산화막(14)을 5nm의 두께로 증착한다.Referring to FIG. 5A, a silicon oxide film 14 is deposited to a thickness of 5 nm on the p-type silicon substrate 12 by thermal deposition.

이후 상기 실리콘산화막(14)상에 원자층증착법(ALD)을 통해 알루미나층(Al203)(16)을 40nm두께로 증착한다.Subsequently, an alumina layer (Al 2 O 3 ) 16 is deposited to 40 nm on the silicon oxide layer 14 by atomic layer deposition (ALD).

도 5b를 참조하면, 도 5a에서 형성된 알루미나층(16)상에 Nb, V, Ta, Ru 금속이온들 중 하나를 사용하여 이온주입법을 통해 이온주입과정을 수행한다.Referring to FIG. 5B, an ion implantation process is performed on the alumina layer 16 formed in FIG. 5A through ion implantation using one of Nb, V, Ta, and Ru metal ions.

참조부호 15는 이온주입된 금속을 나타내며, 참조부호 19는 이온주입된 금속의 주입깊이를 나타내기 위한 금속주입층 범위를 나타낸다.Reference numeral 15 denotes an ion implanted metal, and reference numeral 19 designates a metal injection layer range for indicating an implantation depth of the ion implanted metal.

도 5c를 참조하면, 도 5b에서 이온주입된 알루미나층(16)을 포함한 메모리소자를 급속 열처리 한다(N2 분위기에서 약800도 온도에서 약 1분간). 이후 전극(18) 으로서 사용하기 위하여 알루미늄을 증착한다(지름 100 마이크로미터).Referring to FIG. 5C, the memory device including the alumina layer 16 implanted with ion in FIG. 5B is rapidly heat treated (about 1 minute at about 800 ° C. in an N 2 atmosphere). Aluminum is then deposited (100 micrometers in diameter) for use as electrode 18.

상기 이온주입된 금속(15)은 원자단위로 주입된 것을 특징으로 하며, (종래 나노단위의 입자와 차이가 있고 증착밀도를 더욱 증대시킬 수 있고 이로 인해 소자의 특성을 향상시킬 수 있다). 상기 이온주입된 금속(15)으로 인해 생성된 층(즉, 불순물 트랩)을 전하저장준위로 사용하게 된다. 이로인해 전하트랩의 에너지와 농도를 인위적으로 조절할 수 있게 되는데, 이는 상기와 같이 불순물트랩이 원자단위로 형성됨으로써 가능한 것이다. The ion-implanted metal 15 is characterized by being implanted in atomic units, which is different from conventional nano-particles and can further increase the deposition density, thereby improving the characteristics of the device. The layer (ie, impurity trap) generated by the ion implanted metal 15 is used as the charge storage level. As a result, it is possible to artificially control the energy and concentration of the charge trap, which is possible by forming the impurity trap in atomic units as described above.

도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 상기 도 5b의 과정에서 수행된 금속이온주입과정에서 주입되는 금속이온들과 그에 따른 주입에너지를 도식적으로 나타낸 도면이다.6 and 7 are diagrams schematically showing the metal ions implanted in the metal ion injection process performed in the process of FIG. 5b according to the present invention and the resulting implantation energy.

도 6을 참조하면, 주입되는 금속이온으로서 V(바나듐), Nb(니오븀), Ru(루테늄), Ta(탄탈륨) 중 적어도 하나의 물질을 V는 50keV, Nb 와 Ta는 80keV, Ru는 110keV의 이온주입에너지로 1x 1012, 혹은 1x 1013,1x 1014,1x 1015,1x 1016cm-2의 이온주입공정을 수행하며, Projected Distance는 표면으로부터 20~25nm이다.Referring to FIG. 6, at least one of V (vanadium), Nb (niobium), Ru (ruthenium), and Ta (tantalum) as the metal ions to be implanted is 50 keV, 80 keV for Nb and Ta, and 110 keV for Ru. The ion implantation energy is ion implanted at 1x 10 12 , 1x 10 13 , 1x 10 14 , 1x 10 15 , 1x 10 16 cm -2 , and the projected distance is 20-25nm from the surface.

도 7을 참조하면, 주입되는 금속이온으로서 V(바나듐) 및 Nb(니오븀) 중 적어도 하나의 물질을 V는 70keV, Nb는 100keV의 이온주입에너지로 1x 1014,1x 1015,1x 1016cm-2의 이온주입공정을 수행하며, Projected Distance는 표면으로부터 30~35nm이다.Referring to FIG. 7, at least one material of V (vanadium) and Nb (niobium) as the implanted metal ion is 70 keV and Nb is 100 keV with ion implantation energy of 1x 10 14 , 1x 10 15 , 1x 10 16 cm The ion implantation process is -2 , and the projected distance is 30 to 35 nm from the surface.

도 8 내지 도 10은 각각의 금속이온주입에 따른 메모리 특성을 나타낸 그래 프들로서, 각각의 metal ion 주입에 따른 메모리 특성은 1x1015 cm- 2 의 V ion을 주입한 경우 메모리 윈도우가 최대 8.71 V가 측정되었으며, 1x1014 cm- 2 의 Nb ion을 주입한 경우 메모리 윈도우가 최대 5.02 V가 측정되었다. Ru 과 Ta ion 주입의 경우 전체적으로 적은양의 메모리 윈도우가 측정되었다.A memory characteristic according to Figure 8 to Figure 10 is an ion implantation respectively of the metal as graphs showing, respectively, the memory characteristics of the metal ion implantation is 1x10 15 cm - 2 of V ion the case of injection memory window up to 8.71 V is was measured, 1x10 14 cm - the memory window was measured up to 5.02 V when the inject two of Nb ion. In the case of Ru and Ta ion implantation, a small amount of memory window was measured overall.

도 11는 도 7의 이온주입에너지(도 6에 비해 높은 에너지(high energy))상태에서의 프로파일 깊이를 나타낸 그래프이다.FIG. 11 is a graph showing the profile depth in the ion implantation energy (high energy (high energy) compared to FIG. 6) of FIG.

도 11을 참조하면, Secondary ion mass spectrometry (SIMS) 를 통하여 도 7의 시료에 대해 V ion의 depth profile을 측정하였다. 위의 결과와 같이 열처리후에(After Annealing) 대부분의 V ion 이 Al2O3 와 SiO2 물질의 계면근처 (Al2O3의 약 35~38 nm)에 위치함을 확인하였다.Referring to FIG. 11, the depth profile of V ions was measured for the sample of FIG. 7 through secondary ion mass spectrometry (SIMS). After the heat treatment (After Annealing) as shown in the above results, it was confirmed that most of the V ion is located near the interface between the Al 2 O 3 and SiO 2 material (about 35 ~ 38 nm of Al 2 O 3 ).

도 12는 도 7의 시료에 대해 금속이온을 나타낸 그래프이다.12 is a graph showing metal ions for the sample of FIG.

도 12를 참조하면, Scanning transmission electron microscope (STEM) 을 이용하여 시료를 분석한 결과 SIMS 측정결과가 V ion 이 SIMS 측정결과와 같이 동일한 위치에서 검출됨을 확인하였다.Referring to FIG. 12, as a result of analyzing a sample by using a scanning transmission electron microscope (STEM), it was confirmed that V ion was detected at the same position as the SIMS measurement result.

도 13은 도 7의 시료에 대해 히스테리시스 폭을 나타낸 그래프이다.FIG. 13 is a graph showing the hysteresis width for the sample of FIG. 7.

도 13을 참조하면, 어떠한 metal ion 도 주입하지 않은 시료의 경우는 gate 전압을 증가시켜도 hysteresis window 폭이 거의 증가하지 않는 반면에 cm-2당 1x1014, 1x1015을 주입시킨 V ion 과 Nb ion 의 시료의 경우 측정구간 전압이 증가함 에 따라서 hysteresis window 가 증가하였다. 이는 메모리 효과가 금속 이온주입에 의한 것임을 확인해 주는 결과이다.Referring to FIG. 13, in the case of the sample in which no metal ion was injected, the hysteresis window width was hardly increased even though the gate voltage was increased, whereas Vx and Nb ion injected with 1x10 14 and 1x10 15 per cm −2 were added. In the case of the sample, the hysteresis window increased as the measurement section voltage increased. This confirms that the memory effect is due to the metal ion implantation.

도 14는 도 6의 시료에 대해 프로그래밍/삭제 속도 대 주입된 이온과의 관계를 나타낸 그래프이다.FIG. 14 is a graph showing the relationship between programming / erase rate versus implanted ions for the sample of FIG. 6.

도 14를 참조하면, Agilent 4284A CV meter 와 Agilent 8114A pulse generator 를 이용하여 pulse 인가시간에 따른 메모리 윈도우의 증가 및 감소를 측정한 결과이다. Referring to FIG. 14, the increase and decrease of the memory window according to the pulse application time are measured using an Agilent 4284A CV meter and an Agilent 8114A pulse generator.

Full program/erase 의 전압을 각각 +12/-12 V , 1s 초로 정하고 측정한 결과, 도 6의 시료의 경우 program 시간이 1 ms, erase 시간이 1ms 정도이다 As a result of setting the voltage of full program / erase to + 12 / -12 V and 1s, respectively, the program time of the sample of FIG. 6 is about 1 ms and the erase time is about 1ms.

도 15는 도 7의 시료에 대해 프로그래밍/삭제 속도 대 주입된 이온과의 관계를 나타낸 그래프이다.FIG. 15 is a graph showing the relationship between programming / erase rate versus implanted ions for the sample of FIG. 7.

도 15를 참조하면, 도 7의 시료의 경우 program 시간이 100 μs, erase 시간이 1 ms 정도로 매우 우수하다. 도 6의 시료와 비교하여 high energy 에서 보다 빠른 P/E 속도를 가짐을 확인하였다Referring to FIG. 15, in the case of the sample of FIG. 7, the program time is 100 μs and the erase time is about 1 ms. Compared with the sample of FIG. 6, it was confirmed to have a faster P / E rate at higher energy.

도 16은 도 6의 시료에 대해 유지시간 대 주입된 V 이온농도와 관계를 나타낸 그래프이다.FIG. 16 is a graph showing the relationship between the retention time versus the injected V ion concentration for the sample of FIG. 6.

도 16을 참조하면, 상온에서 도 6의 시료에 대해 retention 측정 결과 주입한 V ion의 양의 증가에 따라 memory window가 증가하는 반면에 주입된 양에 거의 상관 없이 전체적으로 10년을 기준으로 계산한 결과 전체적으로 38~39% 정도의 charge loss (전하손실율)를 보였다.Referring to FIG. 16, the retention measurement of the sample of FIG. 6 at room temperature increases the memory window according to the increase of the amount of injected V ions, whereas the calculation is based on 10 years overall regardless of the amount injected. Overall, the charge loss was about 38 ~ 39%.

도 17은 같은 농도의 V 또는 Nb이 이온주입된 도 7의 시료에 대해 유지시간을 나타낸 그래프이다.17 is a graph showing the retention time for the sample of FIG. 7 in which the same concentration of V or Nb is ion-implanted.

도 17을 참조하면, 상온에서 도 7의 시료에 대해 retention 측정 결과, V ion 과 Nb ion 의 주입량이 각각 1x1014 인 시료를 10년을 기준으로 연장한 결과 V ion 이 주입된 시료의 경우 약 26%, Nb ion 이 주입된 시료의 경우 19% 정도의 charge loss (전하 손실율) 를 측정하였다. 따라서 이는 도 6의 시료에 비해 우수한 결과이며 이전의 다른 물질/구조에서 발표된 결과들과 비교할 때도 매우 우수한 결과이다. 특히, V(1014) 26.1%감소하였고, Nb(1014) 19.3%감소 하였다.Referring to FIG. 17, as a result of retention measurement for the sample of FIG. 7 at room temperature, a sample in which the amount of V ion and Nb ion was 1x10 14 was extended by 10 years. For samples injected with% and Nb ions, a charge loss of about 19% was measured. Thus, this is a good result compared to the sample of FIG. 6 and very good when compared to the results published in other materials / structures previously. In particular, V (10 14 ) decreased by 26.1% and Nb (10 14 ) by 19.3%.

도 1은 종래 기술에 따른 폴리실리콘 플로팅 게이트 메모리 반도체소자의 기술적 문제점에 따른 나노크리스탈 메모리 등의 전하트랩 플래시 메모리반도체소자의 필요성을 나타내는 그래프이다.1 is a graph illustrating the necessity of a charge trap flash memory semiconductor device such as a nanocrystal memory according to a technical problem of a polysilicon floating gate memory semiconductor device according to the related art.

도 2는 종래 전하트랩 플래시 메모리반도체소자의 예를 나타낸 도면이다.2 is a view showing an example of a conventional charge trap flash memory semiconductor device.

도 3a 내지 도 3c는 종래의 SONOS 및 SANOS 구조의 반도체 소자의 프로그래밍 및 삭제 모드에서의 에너지밴드 도표 및 SANOS구조에서의 TEM 그래프들이다.3A to 3C are energy band diagrams and TEM graphs in a SANOS structure in a programming and erasing mode of a semiconductor device of a conventional SONOS and SANOS structure.

도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 반도체소자의 도핑된 금속이온에 의한 전하트랩 메카니즘 및 에너지밴드를 나타낸 도면들이다.4A and 4B are diagrams illustrating a charge trap mechanism and an energy band by doped metal ions of a semiconductor device according to the present invention.

도 5a 내지 도 5c는 본 발명에 따른 금속도핑에 의해 형성된 불순물트랩을 전하저장준위로 이용한 비휘발성 메모리소자의 제조방법을 순차적으로 나타낸 도면들이다.5A through 5C are diagrams sequentially illustrating a method of manufacturing a nonvolatile memory device using an impurity trap formed by metal doping as a charge storage level.

도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 상기 도 5b의 과정에서 수행된 금속이온주입과정에서 주입되는 금속이온들과 그에 따른 주입에너지를 도식적으로 나타낸 도면들이다.6 and 7 are diagrams schematically showing the metal ions implanted in the metal ion implantation process performed in the process of FIG. 5b according to the present invention and the resulting implantation energy.

도 8 내지 도 10은 각각의 금속이온주입에 따른 메모리 특성을 나타낸 그래프들이다.8 to 10 are graphs showing memory characteristics according to respective metal ion implantations.

도 11은 도 7의 시료에 대해 V 이온 프로파일 깊이를 나타낸 그래프이다.FIG. 11 is a graph showing the V ion profile depth for the sample of FIG. 7. FIG.

도 12는 도 7의 시료에 대해 그 구조와 V 이온과의 관계를 나타내는 STEM 이미지이다.FIG. 12 is a STEM image showing a relationship between a structure and V ions of the sample of FIG. 7.

도 13은 도 7의 시료에 대해 히스테리시스 폭을 나타낸 그래프이다.FIG. 13 is a graph showing the hysteresis width for the sample of FIG. 7.

도 14는 도 6의 시료에 대해 프로그래밍/삭제 속도 대 주입된 이온과의 관계를 나타낸 그래프이다.FIG. 14 is a graph showing the relationship between programming / erase rate versus implanted ions for the sample of FIG. 6.

도 15는 도 7의 시료에 대해 프로그래밍/삭제 속도 대 주입된 이온과의 관계를 나타낸 그래프이다.FIG. 15 is a graph showing the relationship between programming / erase rate versus implanted ions for the sample of FIG. 7.

도 16은 도 6의 시료에 대해 유지시간 대 주입된 V 이온 농도와의 관계를 나타낸 그래프이다.FIG. 16 is a graph showing the relationship between the retention time versus the injected V ion concentration for the sample of FIG. 6.

도 17은 같은 농도의 V 또는 Nb이 이온주입된 도 7의 시료에 대해 유지시간을 나타낸 그래프이다.17 is a graph showing the retention time for the sample of FIG. 7 in which the same concentration of V or Nb is ion-implanted.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

12: p-형 실리콘기판12: p-type silicon substrate

14: 실리콘산화막14: silicon oxide film

15: 금속15: metal

16: 알루미나층(Al203)16: alumina layer (Al 2 0 3 )

18: 전극층18: electrode layer

19: 금속주입범위19: metal injection range

Claims (6)

p-형 실리콘기판;p-type silicon substrate; 상기 p-형 실리콘기판상에 형성된 5nm의 두께로 증착된 실리콘산화막;A silicon oxide film deposited to a thickness of 5 nm formed on the p-type silicon substrate; 상기 실리콘산화막상에 원자층증착법(ALD)을 통해 40nm두께로 증착된 알루미나층(Al203); 및An alumina layer (Al 2 O 3 ) deposited on the silicon oxide film by atomic layer deposition (ALD) at a thickness of 40 nm; And 상기 알루미나층상에서 이온주입법을 통해 상기 알루미나층내에 이온주입된 Nb, V, Ta, Ru 금속이온들 중 하나로 이루어진 이온주입층;을 포함하여 이루어지되,It comprises a; ion implantation layer made of one of the Nb, V, Ta, Ru metal ions implanted into the alumina layer through the ion implantation method on the alumina layer, 상기 이온주입층은 불순물트랩으로 작용하며, 상기 금속은 원자단위로 형성된 것을 특징으로 하는 금속도핑에 의해 형성된 불순물트랩을 전하저장준위로 이용한 비휘발성 메모리소자.The ion implantation layer acts as an impurity trap, and the metal is a nonvolatile memory device using an impurity trap formed by metal doping as a charge storage level, characterized in that formed in atomic units. 열증착법(thermal deposition)에 의해 p-형 실리콘기판상에 실리콘산화막을 5nm의 두께로 증착하는 제1 단계;Depositing a silicon oxide film to a thickness of 5 nm on the p-type silicon substrate by thermal deposition; 상기 실리콘산화막상에 원자층증착법(ALD)을 통해 알루미나층(Al203)을 40nm두께로 증착하는 제2 단계; 및Depositing an alumina layer (Al 2 O 3 ) to a thickness of 40 nm on the silicon oxide film by atomic layer deposition (ALD); And 상기 알루미나층상에 Nb, V, Ta, Ru 금속이온들 중 하나를 사용하여 이온주입법을 통해 이온주입과정을 수행하는 제3 단계;를 포함하여 이루어지되,A third step of performing an ion implantation process through an ion implantation method using one of Nb, V, Ta, and Ru metal ions on the alumina layer; 상기 제 3 단계의 이온주입결과 금속으로 이루어진 불순물트랩이 형성되며 상기 금속은 원자단위로 형성된 것을 특징으로 하는 금속도핑에 의해 형성된 불순물트랩을 전하저장준위로 이용한 비휘발성 메모리소자의 제조방법.A method of manufacturing a nonvolatile memory device using an impurity trap formed by metal doping as a charge storage level, wherein an impurity trap made of metal is formed as a result of ion implantation in the third step, and the metal is formed in atomic units. 제 2 항에 있어서, 상기 제 3 단계후에 이온주입된 알루미나층을 포함한 메모리소자를 급속 열처리하는 제 4 단계를 더 포함하여 이루어지되, 상기 제4 단계는 N2 분위기에서 약800도 온도에서 약 1분간 수행하는 것을 특징으로 하는 금속도핑에 의해 형성된 불순물트랩을 전하저장준위로 이용한 비휘발성 메모리소자의 제조방법.The method of claim 2, further comprising a fourth step of rapidly heat-treating the memory device including the alumina layer implanted after the third step, wherein the fourth step is performed at about 800 ° C. in an N 2 atmosphere. A method of manufacturing a nonvolatile memory device using an impurity trap formed by metal doping as a charge storage level, which is performed for a minute. 제 2 항에 있어서, 상기 제 3 단계이후에 전극으로서 사용하기 위하여 알루미늄을 증착하는 제5 단계를 수행하되, 상기 제5 단계에서의 알루미늄 전극의 지름은 100 마이크로미터인 것을 특징으로 하는 금속도핑에 의해 형성된 불순물트랩을 전하저장준위로 이용한 비휘발성 메모리소자의 제조방법.The method of claim 2, wherein after the third step, performing a fifth step of depositing aluminum for use as an electrode, wherein the diameter of the aluminum electrode in the fifth step is 100 micrometers. A method of manufacturing a nonvolatile memory device using the impurity trap formed by the charge storage level. 제 2 항에 있어서, 상기 이온주입결과 금속이 상기 알루미나층의 소정깊이만큼 주입되어 형성된 금속층의 깊이는 상기 알루미나층 상부표면에서 부터 수직하방으로 20~25nm의 깊이에 형성된 것을 특징으로 하는 금속도핑에 의해 형성된 불순물 트랩을 전하저장준위로 이용한 비휘발성 메모리소자의 제조방법. 3. The metal doping method of claim 2, wherein a depth of the metal layer formed by implanting the metal by a predetermined depth of the alumina layer as a result of the ion implantation is formed at a depth of 20 to 25 nm vertically downward from an upper surface of the alumina layer. A method of manufacturing a nonvolatile memory device using the impurity trap formed by the charge storage level. 제 2 항에 있어서, 상기 이온주입결과 금속이 상기 알루미나층의 소정깊이만큼 주입되어 형성된 금속층의 깊이는 상기 알루미나층 상부표면에서 부터 수직하방으로 30~35nm의 깊이에 형성된 것을 특징으로 하는 금속도핑에 의해 형성된 불순물트랩을 전하저장준위로 이용한 비휘발성 메모리소자의 제조방법.3. The metal doping method of claim 2, wherein a depth of the metal layer formed by implanting the metal by a predetermined depth of the alumina layer as a result of the ion implantation is formed at a depth of 30 to 35 nm vertically downward from an upper surface of the alumina layer. A method of manufacturing a nonvolatile memory device using the impurity trap formed by the charge storage level.
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