KR101004809B1 - Method for manufacturing gate dielectric layer of the merged memory and logic device - Google Patents
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Abstract
본 발명은 복합 반도체 메모리장치의 게이트 절연막 제조 방법에 관한 것으로서, 특히 반도체 기판 상부 전면에 제 1절연막(실리콘산화막) 및 제 2절연막(실리콘질화막)을 형성하여 메모리 셀 영역의 게이트 절연막을 정의하며 주변 회로 영역 중 로직 트랜지스터 영역의 반도체 기판이 오픈되도록 제 2절연막 및 제 1절연막을 패터닝하고, 메모리 셀 영역의 게이트 절연막 상부에 플로팅 게이트를 형성하고, 반도체 기판 전면에 제 3절연막(비정질 실리콘막)을 형성하며 주변 회로 영역중 I/O 및 로직 트랜지스터 영역의 제 3절연막을 제거한 후에, 반도체 기판 전면에 제 4절연막(실리콘산화막)을 형성하여 주변 회로 영역에 단차가 있는 게이트 절연막을 정의한다. 따라서 본 발명은 메모리 셀 영역에 게이트 절연막을 정의하고 주변 회로영역에 각기 다른 게이트 절연막 제조 공정을 진행하되, 써멀 버젯의 원인이 되는 산화 공정의 개수를 줄이면서 서로 다른 절연막들의 증착으로 주변 회로 영역의 고전압 트랜지스터, I/O 트랜지스터, 로직 트랜지스터의 게이트 절연막을 형성함으로써 이들 트랜지스터들의 수율을 높일 수 있다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing a gate insulating film of a composite semiconductor memory device. In particular, a first insulating film (silicon oxide film) and a second insulating film (silicon nitride film) are formed on an entire surface of a semiconductor substrate to define a gate insulating film of a memory cell region. The second insulating film and the first insulating film are patterned so that the semiconductor substrate of the logic transistor region of the circuit region is opened, a floating gate is formed on the gate insulating film of the memory cell region, and a third insulating film (amorphous silicon film) is formed on the entire surface of the semiconductor substrate. After forming and removing the third insulating film of the I / O and logic transistor areas of the peripheral circuit region, a fourth insulating film (silicon oxide film) is formed on the entire surface of the semiconductor substrate to define a gate insulating film having a step in the peripheral circuit region. Therefore, the present invention defines a gate insulating film in the memory cell region and performs a different gate insulating film manufacturing process in the peripheral circuit region, while reducing the number of oxidation processes that cause thermal budgets and depositing different insulating layers in the peripheral circuit region. The yield of these transistors can be increased by forming gate insulating films of high voltage transistors, I / O transistors, and logic transistors.
복합, 고전압Composite, high voltage
Description
도 1 내지 도 5는 본 발명에 따른 복합 반도체 메모리장치의 셀 영역, 주변 회로 영역에 있는 각 게이트 절연막의 제조 공정을 순차적으로 나타낸 도면들.
1 through 5 are diagrams sequentially illustrating a process of manufacturing each gate insulating layer in a cell region and a peripheral circuit region of a composite semiconductor memory device according to the present invention.
- 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 --Explanation of symbols for the main parts of the drawing-
10 : 반도체 기판 12 : 제 1절연막10
14 : 제 2절연막 16, 22 : 포토레지스트 패턴14 second
18 : 플로팅 게이트 20 : 제 3절연막18: floating gate 20: third insulating film
22a, 22b, 22c, 22d : 제 4절연막22a, 22b, 22c, 22d: fourth insulating film
본 발명은 복합 반도체 메모리장치의 제조 방법에 관한 것으로서, 특히 게이트 절연막 제조 공정시 공정의 단순화 및 수율을 향상시킬 수 있는 복합 반도체 메모리장치의 게이트 절연막 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing a composite semiconductor memory device, and more particularly, to a method for manufacturing a gate insulating film of a composite semiconductor memory device, which can simplify a process and improve a yield in a gate insulating film manufacturing process.
EEPROM 등의 플래시 메모리 소자와 로직 회로를 집적화한 복합 반도체 메모리장치인 MFL(Merged Flash and Logic) 장치는 기존 마스크 롬(MASK ROM), OPT, PLD 등의 시장을 대치하면서 라이프 싸이클이 짧은 디지털 시장, 모바일 제품 등으로 그 적용이 확대되고 있다.MFL (Merged Flash and Logic) devices, which are complex semiconductor memory devices integrating flash memory devices such as EEPROM and logic circuits, replace the existing mask ROM, OPT, and PLD markets, and have a short life cycle in the digital market, The application is expanding to mobile products.
이러한 복합 반도체 메모리장치의 레이아웃은 메모리 셀 영역과 주변 회로 영역으로 구분된다. 셀 영역에는 EEPROM과 같은 메모리 셀 트랜지스터가 형성되며 그 주변 영역에는 고전압(high voltage)용 트랜지스터와, I/O(Input/Output) 버퍼 회로의 트랜지스터, 로직 트랜지스터 등이 형성된다.The layout of the complex semiconductor memory device is divided into a memory cell region and a peripheral circuit region. In the cell region, a memory cell transistor such as an EEPROM is formed, and in the peripheral region, a high voltage transistor, an input / output (I / O) buffer circuit, a logic transistor, and the like are formed.
한편 상기 복합 반도체 메모리장치의 제조 방법에 있어서, 셀 영역 및 주변 회로 영역의 각 게이트 절연막 제조 공정은 각각 진행된다. 왜냐하면 프로그램/소거 동작에 영향을 주는 셀 트랜지스터의 터널 산화막의 유효 두께가 주변 회로 영역에서 사용되어지는 고전압 트랜지스터용 게이트 절연막과 특정 전압에서 동작되는 I/O 트랜지스터용 게이트 절연막과 더불어 저전압 트랜지스터의 게이트 절연막의 두께가 서로 다르기 때문이다. 즉, 메모리 셀 트랜지스터는 프로그램/소거 동 작시 전하 주입을 위해 적정 두께의 터널 산화막이 필요하고, 주변 회로인 고전압 트랜지스터는 대개 8V∼20V의 고전압이 인가되므로 브레이크 다운(break down)을 방지하기 위해 다른 영역보다 훨씬 두꺼운 게이트 절연막이 요구된다. 또한 로직 트랜지스터는 고속 특성을 위해 얇은 게이트 절연막이 필요하고, I/O 트랜지스터는 I/O 버퍼, 칩 보호 등을 위해 다양한 입력 전압에 견딜 수 있는 게이트 절연막 구조가 필요하다.In the method of manufacturing the composite semiconductor memory device, the gate insulating film manufacturing process of the cell region and the peripheral circuit region is performed respectively. Because the effective thickness of the tunnel oxide film of the cell transistor affecting the program / erase operation is the gate insulating film of the low voltage transistor, together with the gate insulating film for the high voltage transistor used in the peripheral circuit region and the gate insulating film for the I / O transistor operated at a specific voltage. This is because the thicknesses of are different. That is, the memory cell transistor needs a tunnel oxide film having a suitable thickness for charge injection during program / erase operation, and the high voltage transistor, which is a peripheral circuit, is usually applied with a high voltage of 8V to 20V to prevent breakdown. A gate insulating film much thicker than the region is required. In addition, logic transistors require a thin gate insulating film for high-speed characteristics, and I / O transistors require a gate insulating film structure capable of withstanding various input voltages for I / O buffers and chip protection.
따라서 종래 기술의 복합 반도체 메모리장치의 제조 공정은 각기 다른 게이트 절연막의 두께를 위하여 적정 두께의 게이트 절연막을 형성하고 필요한 영역에만 남기고 나머지 다른 영역의 게이트 절연막을 식각하는 방법으로 복합 반도체 메모리장치내 각 트랜지스터에서 요구하는 게이트 절연막들을 형성하였다.Therefore, in the manufacturing process of the conventional semiconductor memory device, each transistor in the semiconductor memory device is formed by forming a gate insulating film having an appropriate thickness for the different thickness of the gate insulating film, leaving only the necessary area, and etching the gate insulating film in the remaining areas. The gate insulating films required by were formed.
그러므로 종래 기술에 의한 게이트 절연막 제조 공정은 여러 번의 포토 마스크 공정과 그에 따른 식각 공정 또는 절연막 증착 공정이 이루어짐에 따라 전체 제조 공정이 복잡해지며 공정 시간이 증가되는 문제점이 있었다. 또한 여러 번의 게이트 절연막 제조 공정인 산화에 의한 써멀 버젯(thermal budget)으로 산화 공정이전의 도핑 프로파일에 많은 영향을 주어 반도체 장치의 수율 및 신뢰성이 저하되는 문제점이 있었다.
Therefore, the gate insulating film manufacturing process according to the prior art has a problem in that the entire manufacturing process is complicated and the process time is increased as a number of photo mask process and the etching process or the insulating film deposition process according to it is made. In addition, there is a problem that the yield and reliability of the semiconductor device are deteriorated due to a large effect on the doping profile prior to the oxidation process due to thermal budget due to oxidation, which is a process of manufacturing a plurality of gate insulating layers.
본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 메모리 셀 영역에 게이트 절연막을 정의하고 주변 회로영역에 각기 다른 게이트 절연막 제조 공정을 진행하되, 써멀 버젯의 원인이 되는 산화 공정의 개수를 줄이고 서로 다른 절연막들의 증착으로 각 주변 회로 영역의 고전압 트랜지스터, I/O 트랜지스터, 로직 트랜지스터의 게이트 절연막을 형성함으로써 이들 주변 회로 영역내 각 트랜지스터의 문턱 전압을 조정할 수 있어 반도체장치의 수율 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 복합 반도체 메모리장치의 게이트 절연막 제조 방법을 제공하는데 있다.
An object of the present invention is to define a gate insulating film in the memory cell region and to perform a different gate insulating film manufacturing process in the peripheral circuit region in order to solve the problems of the prior art as described above, the number of oxidation processes that cause thermal budget By reducing and depositing different insulating layers, the gate insulating films of the high voltage transistors, I / O transistors, and logic transistors in each peripheral circuit region can be formed to adjust the threshold voltages of each transistor in these peripheral circuit regions, thereby improving the yield and reliability of the semiconductor device. The present invention provides a method for manufacturing a gate insulating film of a composite semiconductor memory device.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 주변 회로 영역에 적어도 2이상의 트랜지스터를 갖는 복합 반도체 메모리장치의 제조 방법에 있어서, 반도체 기판 상부 전면에 제 1 및 제 2절연막을 형성하여 메모리 셀 영역의 게이트 절연막을 정의하고 주변 회로 영역 중 제 3영역의 반도체 기판이 오픈되도록 제 2절연막 및 제 1절연막을 패터닝하는 단계와, 메모리 셀 영역의 게이트 절연막 상부에 플로팅 게이트를 형성하는 단계와, 반도체 기판 전면에 제 3절연막을 형성하고 주변 회로 영역중 제 2 및 제 3영역의 제 3절연막을 제거하는 단계와, 반도체 기판 전면에 제 4절연막을 형성하여 주변 회로 영역의 제 1영역, 제 2영역, 제 3영역에 각각 남아 있는 제 1절연막 내지 제 4절연막에 의해 해당 영역의 게이트 절연막을 정의하는 단계를 포함하여 이루어진다.
SUMMARY OF THE INVENTION In order to achieve the above object, the present invention provides a method of manufacturing a composite semiconductor memory device having at least two transistors in a peripheral circuit region, wherein the gate insulating layer of the memory cell region is formed by forming first and second insulating layers over the entire upper surface of the semiconductor substrate. Defining and patterning the second insulating film and the first insulating film to open the semiconductor substrate in the third region of the peripheral circuit region; forming a floating gate over the gate insulating film of the memory cell region; Forming an insulating film and removing the third insulating film of the second and third regions of the peripheral circuit region; and forming a fourth insulating film on the entire surface of the semiconductor substrate to form the first, second, and third regions of the peripheral circuit region. And defining the gate insulating film of the corresponding region by the remaining first insulating film and the fourth insulating film.
이하, 첨부한 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 5는 본 발명에 따른 복합 반도체 메모리장치의 셀 영역, 주변 회로 영역에 있는 각 게이트 절연막의 제조 공정을 순차적으로 나타낸 도면들이다. 이들 도면들에서, A는 셀 트랜지스터가 형성되는 메모리 셀 영역을 나타낸 것이며 B 내지 D는 고전압, I/O, 로직 트랜지스터가 각각 형성되는 주변 회로 영역(제 1영역∼제 3영역)을 나타낸 것이다. 좀더 상세하게 B는 주변 회로 영역내에 고전압 트랜지스터가 형성되는 영역(제 1영역)이며 C는 I/O 트랜지스터가 형성되는 영역(제 2영역), D는 로직 트랜지스터가 형성되는 영역(제 3영역)을 정의한다.1 through 5 are diagrams sequentially illustrating a process of manufacturing each gate insulating layer in a cell region and a peripheral circuit region of a composite semiconductor memory device according to the present invention. In these figures, A represents a memory cell region in which cell transistors are formed, and B to D represent peripheral circuit regions (first to third regions) in which high voltage, I / O, and logic transistors are formed, respectively. More specifically, B is a region (first region) in which a high voltage transistor is formed in a peripheral circuit region, C is a region (second region) in which an I / O transistor is formed, and D is a region (third region) in which a logic transistor is formed. Define.
우선 도 1에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(10)으로 실리콘 기판에서 STI(Shallow Trench Isolation) 등의 소자 분리 공정을 진행하고 메모리 셀 영역(A)에 웰(well)(미도시됨)을 형성한다. 반도체 기판(10) 상부에 제 1절연막(12)으로서 실리콘산화막(SiO2)을 20Å∼50Å정도 형성한 후에 셀 영역내 터널 부위를 정의하도록 식각한다. 이로 인해 셀 트랜지스터 영역(A)내 제 1절연막(12)은 터널 부위가 식각된 터널 산화막이 되며 나머지의 주변 회로 영역(B, C, D)내 제 1절연막(12)은 식각되지 않은 그대로의 상태를 갖는다. 그리고 반도체 기판(10) 상부 전면에 제 2절연막(14)으로서 실리콘질화막(SiN)을 50Å∼100Å정도 형성하고 사진 공정을 진행하여 주변 회로 영역내 로직 트랜지스터 영역(D)이 오픈된 포토레지스트 패턴(16)을 형성한다. 이때 메모리 셀 영역(A)의 제 1절연막(12) 및 제 2절연막(14)이 셀 트랜지스터의 전체 게이트 절연막이 되기 때문에 일반적인 단일 산화막 구조에 비해 정전 용량이 커지게 된다.
First, as shown in FIG. 1, an isolation process such as shallow trench isolation (STI) is performed on a silicon substrate with a
다음에 아래 도면들을 참조하여 주변 회로 영역의 제 1영역(B), 제 2영역(C), 제 3영역(D)내 각 트랜지스터들에서 단차가 있는 게이트 절연막을 제조한다.Next, referring to the drawings below, a stepped gate insulating film is manufactured in the transistors in the first region B, the second region C, and the third region D of the peripheral circuit region.
도 2에 도시된 바와 같이, 식각 공정으로 오픈된 로직 트랜지스터 영역(D)의 제 2절연막(14) 및 제 1절연막(12)을 제거하여 해당 영역(D)의 반도체 기판(10) 표면을 노출시킨다. 그리고 상기 포토레지스트 패턴(16)을 제거한다.As shown in FIG. 2, the surface of the
결과물 전면에 플로팅 게이트용 도전막으로서 도프트 폴리실리콘막을 증착하고 그 위에 게이트간 절연막으로서 ONO(Oxide Nitride Oxide)막을 증착하고 이를 패터닝하여 메모리 셀 영역(A)에 플로팅 게이트(18) 및 유전체막 패턴(미도시됨)을 형성한다.A doped polysilicon film is deposited on the entire surface of the resultant as a conductive film for the floating gate, and an oxide Nitride Oxide (ONO) film is deposited thereon as an inter-gate insulating film and patterned to form the
그 다음 도 3에 도시된 바와 같이, 고전압 트랜지스터 영역(B)에 필요한 게이트 절연막 공정을 위해 상기 결과물 전면에 제 3절연막(20)으로서 언도프트 비정질 실리콘막을 150Å∼300Å정도 증착한 후에 열처리 공정을 진행한다. 이때 제 3절연막(20)은 비정질 실리콘막 대신에 고온 산화막(HTO : High Temperature Oxide)을 증착할 수 있고, 열처리 공정은 RTP(Rapid Thermal Process) 공정으로 진행한다. 그런 다음 제 3절연막(20) 상부에 사진 공정으로 주변 회로 영역내 I/O 및 로직 트랜지스터 영역들(C, D)이 오픈된 포토레지스트 패턴(22)을 형성한다.Next, as shown in FIG. 3, an undoped amorphous silicon film is deposited on the entire surface of the resultant as the third
이어서 식각 공정으로 상기 포토레지스트 패턴(22)에 의해 I/O 및 로직 트랜지스터 영역들(C, D)에 노출된 제 3절연막(20)인 비정질 실리콘막을 제거한다. 이로 인해 도 4에 도시된 바와 같이, 셀 영역(A)과 주변 회로 영역내 고전압 트랜지 스터 영역(B)에는 제 3절연막(20)만 남게 되고 I/O 및 로직 트랜지스터 영역들(C, D)에는 각각 제 2절연막(14)과 반도체 기판(10) 표면이 노출된다.Subsequently, an amorphous silicon layer, which is the third
계속해서 로직 트랜지스터에 필요한 게이트 절연막을 위해 메모리 셀 영역(A)과 주변 회로 영역(B, C, D)에 각각 제 4절연막(22a, 22b, 22c, 22d)으로서 실리콘산화막(SiO2)을 20Å∼45Å정도 성장시킨다. 이때 메모리 셀 영역(A)과 주변 회로 영역내 고전압 트랜지스터 영역(B)에는 제 3절연막(20)인 비정질 실리콘막이 드러난 상태이고 I/O 트랜지스터 영역(C)에는 제 2절연막(14)인 실리콘질화막이 드러난 상태이고 로직 트랜지스터 영역(D)에는 반도체 기판(10) 표면이 드러난 상태이므로 각 영역에 성장되는 제 4게이트 절연막(22a, 22b, 22c, 22d)의 두께가 달라지게 된다. Subsequently, for the gate insulating film required for the logic transistor, the silicon oxide film (SiO2) is formed in the memory cell region A and the peripheral circuit regions B, C, and D as the fourth
그리고나서 도 5에 도시된 바와 같이, 상기와 같은 구조물을 갖는 반도체 기판(10) 전면에 컨트롤 게이트용 도전막으로서 도프트 폴리 실리콘막을 증착하고 이를 패터닝하여 메모리 셀 영역(A)에 컨트롤 게이트(24a)를 형성함과 동시에 주변 회로 영역인 B, C, D에 각각 게이트를 형성한다. 즉, B 영역에 고전압 트랜지스터의 게이트(24b), C 영역에 I/O 트랜지스터의 게이트(24c), 및 D 영역에 로직 트랜지스터의 게이트(24d)를 각각 형성한다.Then, as shown in FIG. 5, a doped polysilicon film is deposited on the entire surface of the
이후 도면에 도시되지 않았지만, 반도체 기판(10)에 소오스/드레인 이온 주입, 배선 공정 등을 진행하여 본 발명에 따른 복합 반도체 메모리장치의 제조 공정을 완료한다.Although not shown in the drawings, a source / drain ion implantation and a wiring process are performed on the
그러므로 본 발명에서 메모리 셀 영역(A)의 게이트 절연막은 제 1절연막(12)과 제 2절연막(14)이 합쳐져 전체적으로 70Å∼120Å 두께가 되기 때문에 단일 절연막(실리콘 산화막)에 비해 2중 절연막으로 구성되어 셀 트랜지스터의 정전 용량이 증가된다. 고전압 트랜지스터 영역(B)의 게이트 절연막은 제 1 내지 제 4절연막(12, 14, 20, 22b)은 전체적으로 200Å∼350Å 두께가 되므로 대개 8V∼20V의 고전압이 인가되더라도 브레이크 다운(break down)을 방지할 수 있을 정도의 두께가 된다. I/O 트랜지스터 영역(C)의 게이트 절연막은 제 1 절연막(12), 제2 절연막(14) 및 제4절연막(22c)이 합쳐져 전체적으로 50Å∼70Å 두께가 되므로 I/O 버퍼, 칩 보호 등을 위해 다양한 입력 전압에 결딜 수 있을 뿐만 아니라, 로직 트랜지스터 영역(D)의 게이트 절연막은 제 4절연막(22d) 그대로 25Å∼45Å의 두께로 얇기 때문에 고속 작동이 가능하다.Therefore, in the present invention, the gate insulating film of the memory cell region A is composed of a double insulating film as compared to a single insulating film (silicon oxide film) because the first
이상 상술한 바와 같이, 본 발명은 메모리 셀 영역에 게이트 절연막을 정의하고 주변 회로영역에 각기 다른 게이트 절연막 제조 공정을 진행하되, 서로 다른 절연막들의 증착으로 각 주변 회로 영역의 고전압 트랜지스터, I/O 트랜지스터, 로직 트랜지스터의 게이트 절연막을 형성한다.As described above, the present invention defines a gate insulating film in the memory cell region and performs a different gate insulating film manufacturing process in the peripheral circuit region, but by depositing different insulating layers, the high voltage transistor and the I / O transistor in each peripheral circuit region. The gate insulating film of the logic transistor is formed.
따라서 본 발명은 써멀 버젯의 원인이 되는 산화 공정의 개수를 줄이고, 메모리 셀 및 주변 회로 영역내 각 트랜지스터의 문턱 전압을 조정할 수 있어 반도체장치의 수율 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.Therefore, the present invention can reduce the number of oxidation processes that cause thermal budgets and adjust the threshold voltages of the transistors in the memory cell and the peripheral circuit region, thereby improving the yield and reliability of the semiconductor device.
한편, 본 발명은 상술한 실시예에 국한되는 것이 아니라 후술되는 청구범위 에 기재된 본 발명의 기술적 사상과 범주내에서 당업자에 의해 여러 가지 변형이 가능하다.On the other hand, the present invention is not limited to the above-described embodiment, various modifications are possible by those skilled in the art within the spirit and scope of the present invention described in the claims to be described later.
Claims (5)
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KR101525796B1 (en) * | 2014-04-11 | 2015-06-04 | 충북대학교 산학협력단 | Mixed-MOSFET for Analog Integrated Circuit |
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KR20030053320A (en) * | 2001-12-22 | 2003-06-28 | 주식회사 하이닉스반도체 | Method of manufacturing a flash memory cell |
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- 2003-09-30 KR KR1020030068011A patent/KR101004809B1/en active IP Right Grant
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