KR101034940B1 - Method of manufacturing a non-volatile memory device - Google Patents
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Abstract
본 발명은 비휘발성 메모리 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 전자 저장막 및 상기 전자 저장막 사이에 상기 전자 저장막보다 높이가 낮은 소자 분리막을 포함하는 반도체 기판이 제공되는 단계, 상기 소자 분리막 상부의 상기 전자 저장막 측벽에 스페이서를 형성하는 단계, 상기 스페이서 사이에서 노출된 상기 소자 분리막을 식각하여 상기 소자 분리막의 중앙에 홈을 형성하는 단계, 상기 스페이서 제거 공정을 실시하는 단계, 상기 홈이 형성된 소자 분리막 상에 유전체막을 형성하는 단계, 및 상기 홈 및 상기 전자 저장막 사이의 공간이 채워지도록 상기 유전체막 상에 도전막을 형성하는 단계를 포함함으로써, 산화막보다 매우 높은 식각 선택비를 갖는 절연막을 형성한 후 절연막을 식각한 스페이서를 이용하여 소자 분리막의 중앙에 홈을 형성함에 따라 싸이클링(Cycling) 특성을 개선하고, 셀 간 간섭 효과(Interference Effect)를 감소시키고, 공정의 안정성, 재현성 및 마진을 증대시킬 수 있다.The present invention relates to a method of manufacturing a nonvolatile memory device, and in particular, providing a semiconductor substrate including an element isolation layer having a lower height than the electron storage layer between the electron storage layer and the electron storage layer, Forming a spacer on sidewalls of the electron storage layer, etching the device isolation layer exposed between the spacers to form a groove in the center of the device isolation layer, performing the spacer removing process, and forming the groove Forming a dielectric film on the dielectric film and forming a conductive film on the dielectric film to fill the space between the groove and the electron storage film, thereby forming an insulating film having an etching selectivity much higher than that of the oxide film. After that, a groove is formed in the center of the device isolation layer by using a spacer etched from the insulating layer. As according to improve cycling (Cycling) characteristic, and it is possible to reduce the effect of interference (Interference Effect) between cells and, increasing the stability, reproducibility, and the margin of the process.
소자 분리막, 스페이서, 식각 선택비, 싸이클링, 셀 간섭 Device Isolation, Spacers, Etch Selectivity, Cycling, Cell Interference
Description
도 1a 내지 도 1h는 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 공정단면도이다.1A to 1H are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a nonvolatile memory device in accordance with an embodiment of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
100 : 반도체 기판 102 : 터널 절연막100
104 : 전자 저장막 104a : 플로팅 게이트104:
106 : 버퍼 산화막 108 : 질화막106: buffer oxide film 108: nitride film
110 : 하드 마스크 112 : 소자 분리 마스크110: hard mask 112: device isolation mask
114 : 트렌치 116 : 소자 분리막114: trench 116: device isolation film
118 : 절연막 118a : 스페이서118:
120 : 유전체막 122 : 컨트롤 게이트120
본 발명은 비휘발성 메모리 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 산화막보다 매우 높은 식각 선택비를 갖는 절연막으로 스페이서를 형성한 후 스페이서를 이용하는 식각 공정으로 소자 분리막의 중앙에 홈을 형성하는 비휘발성 메모리 소자의 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of manufacturing a nonvolatile memory device. In particular, a nonvolatile memory device having a groove formed in the center of an isolation layer by an etching process using a spacer after forming a spacer with an insulating film having an etching selectivity much higher than an oxide film. It relates to a method for producing.
일반적인 비휘발성 메모리 소자는 플로팅 게이트 전극의 전자를 F-N 터널링(Tunneling)을 통하여 데이터를 프로그램(Program) 또는 소거(Erase)하여 정보를 기록한다. 이와같이 비휘발성 메모리 소자는 정보를 저장하기 위해 소자별로 각기 고립된 플로팅 게이트 전극이 필수적이다. 종래의 고립된 플로팅 게이트 전극을 형성하기 위해서는 SA-STI(Self-Aligned Shallow Trench Isolation)의 소자 분리 공정을 통해 제1 폴리실리콘막을 형성하고, 그 상부에 제2 폴리실리콘막을 형성한 다음 제2 폴리실리콘막을 패터닝하여 플로팅 게이트 전극 패턴을 형성하였다. 이때, 제2 폴리실리콘막은 셀의 커플링 비(Coupling Ratio)의 문제로 인해 두껍게 형성하여야 하고, 제1 폴리실리콘막은 소자 분리 공정의 문제로 인해 얇게 형성하여야 한다. 점차적으로 셀의 사이즈가 작아짐에 따라 플로팅 게이트 전극 패턴을 고립하기 위해 식각하여야 하는 영역은 줄어들고, 식각하여야 할 단차는 증가하는 문제가 발생한다. 이로 인해 플로팅 게이트 전극을 고립하기 위한 식각공정시 폴리실리콘이 잔류하게 되어 소자의 동작에 악영향을 미치게 되는 문제가 발생한다. 이를 해결하기 위해서는 제2 폴리실리콘막의 두께를 줄이는 것이 유리하지만, 앞서 설명한 셀의 커플링 비의 문제로 인해 그 또한 어려운 문제점이 발생한다.In general, a nonvolatile memory device programs or erases data of electrons of a floating gate electrode through F-N tunneling to record information. As such, in order to store information, nonvolatile memory devices require floating gate electrodes that are isolated from each device. In order to form a conventional isolated floating gate electrode, a first polysilicon film is formed through a device isolation process of self-aligned shallow trench isolation (SA-STI), and a second polysilicon film is formed on the second polysilicon film. The silicon film was patterned to form a floating gate electrode pattern. In this case, the second polysilicon film should be formed thick due to the problem of coupling ratio of the cell, and the first polysilicon film should be formed thin due to the problem of device isolation process. As the size of the cell gradually decreases, the area to be etched to isolate the floating gate electrode pattern is reduced, and the step to be etched increases. As a result, polysilicon remains during the etching process to isolate the floating gate electrode, which adversely affects the operation of the device. In order to solve this problem, it is advantageous to reduce the thickness of the second polysilicon film, but it is also difficult due to the problem of the coupling ratio of the cell described above.
상술한 문제를 해결하기 위해 플로팅 게이트와 소자 분리 영역을 한 번에 구 현하는 ASA-STI(Advanced Self-Aligned Shallow Trench Isolation) 공정이 사용되고 있다. 이와 같은 공정으로 인해 플로팅 게이트와 소자 분리 영역 간의 오버랩(overlap) 문제는 해결되지만, 플로팅 게이트의 폴리 실리콘막의 크기는 소자 분리 영역에 의해 결정되기 때문에 플로팅 게이트의 표면적이 제한된다. 이로 인해 셀의 커플링 비(coupling ratio)가 작아지고, 싸이클링(cycling) 특성 열화로 인해 플로팅 게이트 사이의 소자 분리막을 제거하여 유효 필드 산화막 두께(Effective Field oxide Height; EFH)를 낮추는데 제한을 받는다. 한편, 싸이클링 특성을 개선하기 위해서는 EFH가 높아질수록 유리한데, 그럴 경우에는 인접한 폴리실리콘막과의 간섭 특성이 저하되는 문제점이 있다. In order to solve the above problem, an ASA-STI (Advanced Self-Aligned Shallow Trench Isolation) process that implements the floating gate and the device isolation region at once is used. This process solves the overlap problem between the floating gate and the device isolation region, but the surface area of the floating gate is limited because the size of the polysilicon film of the floating gate is determined by the device isolation region. As a result, the coupling ratio of the cell is reduced, and due to the deterioration of cycling characteristics, the device isolation layer between the floating gates is removed, thereby limiting the effective field oxide height (EFH). On the other hand, in order to improve the cycling characteristics, the higher the EFH, the more advantageous, in which case there is a problem that the interference characteristics with the adjacent polysilicon film is reduced.
본 발명은 산화막보다 매우 높은 식각 선택비를 갖는 절연막으로 스페이서를 형성한 후 스페이서를 이용하는 식각 공정으로 소자 분리막의 중앙에 홈을 형성함으로써, 싸이클링(Cycling) 특성을 개선하고, 셀 간 간섭 효과(interference effect)를 감소시키고, 공정의 안정성, 재현성 및 마진을 증대시킬 수 있는 비휘발성 메모리 소자의 제조 방법을 제공함에 있다.The present invention improves the cycling characteristics by forming a groove in the center of the device isolation layer by forming a spacer with an insulating film having an etching selectivity higher than that of the oxide film and then using a spacer, thereby improving the cycling characteristics and inter-cell interference effects (interference) It is to provide a method of manufacturing a nonvolatile memory device that can reduce the effect) and increase the stability, reproducibility and margin of the process.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 비휘발성 메모리 소자의 제조 방법은, 전자 저장막 및 상기 전자 저장막 사이에 전자 저장막보다 높이가 낮은 소자 분리막을 포함하는 반도체 기판이 제공되는 단계, 소자 분리막 상부의 전자 저장막 측벽에 스페이서를 형성하는 단계, 스페이서 사이에서 노출된 소자 분리막을 식각하여 소자 분리막의 중앙에 홈을 형성하는 단계, 스페이서 제거 공정을 실시하는 단계, 홈이 형성된 소자 분리막 상에 유전체막을 형성하는 단계, 및 홈 및 전자 저장막 사이의 공간이 채워지도록 유전체막 상에 도전막을 형성하는 단계를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a nonvolatile memory device, including: providing a semiconductor substrate including an element isolation layer having a height lower than that of the electron storage layer between the electron storage layer and the electron storage layer; Forming a spacer on the sidewalls of the electron storage layer on the separator, forming a groove in the center of the device isolation layer by etching the device isolation layer exposed between the spacers, performing a spacer removing process, and forming a groove on the device isolation layer Forming a dielectric film, and forming a conductive film on the dielectric film so that the space between the groove and the electron storage film is filled.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안되며, 당업계에서 보편적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것으로 해석되는 것이 바람직하다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described an embodiment of the present invention in more detail. However, the embodiments of the present invention can be modified in many different forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited by the embodiments described below, and those skilled in the art It is preferred that the present invention be interpreted as being provided to more fully explain the present invention.
도 1a 내지 도 1h는 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 공정단면도이다.1A to 1H are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a nonvolatile memory device in accordance with an embodiment of the present invention.
도 1a를 참조하면, 반도체 기판(100) 상에 터널 절연막(102), 플로팅 게이트용 전자 저장막(104) 및 소자 분리 마스크(112)가 순차적으로 형성된다. 소자 분리 마스크(112)는 버퍼 산화막(106), 질화막(108) 및 하드 마스크(110)의 적층 구조로 형성될 수 있다. 하드 마스크(110)는 질화물, 산화물, SiON 또는 아모퍼스 카본으로 형성될 수 있다. 한편, 전자 저장막(104)은 비휘발성 메모리 소자의 플로팅 게이트를 형성하기 위한 것으로, 폴리실리콘막으로 형성된다.Referring to FIG. 1A, a
도 1b를 참조하면, 소자 분리 영역의 소자 분리 마스크(112), 전자 저장막(104) 및 터널 절연막(102)이 순차적으로 식각되어 반도체 기판(100)의 소자 분 리 영역이 노출된다. 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 소자 분리 마스크(112) 상에 포토레지스트(미도시)를 도포하고 노광 및 현상 공정을 실시하여 소자 분리 영역의 소자 분리 마스크(112)를 노출시키는 포토레지스트 패턴(미도시)을 형성한다. 이어서, 포토레지스트 패턴을 이용한 식각 공정으로 소자 분리 마스크(112)의 소자 분리 영역을 식각한다. 이후, 포토레지스트 패턴을 제거한다. 계속해서, 소자 분리 마스크(112)를 이용한 식각 공정으로 전자 저장막(104) 및 터널 절연막(102)을 식각한다. 이로써, 소자 분리 영역의 반도체 기판(100)이 노출된다. 질화막(108), 버퍼 산화막(106), 전자 저장막(104) 및 터널 절연막(102)을 식각하는 과정에서 하드 마스크(110)도 소정의 두께만큼 식각된다. 이어서, 노출된 소자 분리 영역의 반도체 기판(100)이 식각 공정으로 식각되어 트렌치(114)가 형성된다.Referring to FIG. 1B, the
도 1c를 참조하면, 트렌치(114)를 채우도록 절연 물질이 증착되어 절연막(미도시)이 형성된다. 절연막은 산화막으로 형성될 수 있으며, 바람직하게 HDP(High Density Plasma) 산화막, SOG(Spin On Glass)막, BPSG(Boron Phosphorus Silicate Glass)막, PSG(Phosphorus Silicate Glass)막 및 USG(Undoped Silicate Galss)막 중에서 선택되는 어느 하나로 형성될 수 있다. 이후, 절연막이 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing; CMP) 공정으로 소자 분리 마스크(112)의 질화막(108) 표면이 노출되는 시점까지 평탄화되어 소자 분리막(미도시)이 형성된다. 그런 다음, 소자 분리막이 전자 저장막(104)의 외벽 일부를 노출시키도록 리세스(Recess)되어 유효 산화막 높이(Effective Field oxide Height; EFH)가 제어된 소자 분리막(116)이 형성된다. 이때, 소자 분리막(116)은 전자 저장막(104)의 높이 보다 낮고, 반도체 기판(100)의 활성 영역의 높이보다 높게 형성된다. 이후, 잔류된 질화막(108)이 제거된다. Referring to FIG. 1C, an insulating material is deposited to fill the
한편, 소자 분리막(116)을 형성하기 전에 트렌치(114)를 형성하기 위한 식각 공정에 의해 트렌치(114)의 측벽 및 저면에 발생된 식각 손상을 치유하기 위하여 산화 공정이 더 실시될 수 있다. 이로써, 산화 공정을 통해 트렌치(114)의 측벽 및 저면이 산화되어 식각 손상층이 측벽 산화막(미도시)으로 형성된다. Meanwhile, an oxidation process may be further performed to etch damage caused on the sidewalls and the bottom of the
도 1d를 참조하면, 전자 저장막(104) 및 소자 분리막(116)의 표면을 따라 절연막(118)을 형성한다. 절연막(118)은 이후에 형성될 스페이서(미도시)를 형성하기 위하여 형성하며, 100Å 내지 1000Å의 두께로 형성한다. Referring to FIG. 1D, an
여기서, 절연막(118)은 후속하는 스페이서 식각 공정에서 소자 분리막(116)의 산화막보다 높은 식각 선택비를 갖도록 SiH4, NH3 및 N20 가스를 사용하여 SiON막으로 형성한다. 이렇게, SiH4, NH3 및 N20 가스를 사용하여 형성된 SiON막은 기존의 SiH4, N20 및 He 가스 등을 사용하여 형성된 SiON막과 매우 다른 물성을 가지고 있다. 즉, SiON막 증착 시 NH3를 사용할 경우에는 식각 선택비가 HDP 산화막에 비해 약 30배 이상 빠른 박막을 형성할 수 있다.Here, the
도 1e를 참조하면, 절연막(118)을 스페이서 식각 공정을 이용하여 소자 분리막(116) 상부의 전자 저장막(104)이 노출된 측벽에 스페이서(118a)를 형성한다. 스페이서 식각 공정은 건식 식각 공정으로 실시하며, 소자 분리막(116)의 손실(loss)을 최소화하기 위하여 소자 분리막(116)보다 절연막(118)에 대해 식각 선택비가 높 은 식각 가스를 사용하여 실시한다. 바람직하게, 스페이서 식각 공정은 CH2F2 또는 CF4 계열의 식각 가스를 사용하여 실시하며, 식각 목표 두께를 100Å 내지 1000Å으로 하여 실시한다. Referring to FIG. 1E, the
스페이서 식각 공정을 실시하면, 수평부에 증착된 절연막(118)은 완전히 제거되고 수평부에 비해 두껍게 수직부에 증착된 절연막(118)만이 잔류됨으로써, 전자 저장막(104)의 측벽에만 스페이서(118a)가 형성된다. 이로써, 절연막(118)의 SiON막을 쉽게 식각하여 스페이서(118a)를 형성하면서 소자 분리막(116)의 손실은 최소화하여 공정 편차에 따른 소자 분리막(116)의 식각량 차이를 최소화할 수 있고, 공정의 안정성, 재현성 및 마진을 증대시킬 수 있다.When the spacer etching process is performed, the insulating
도 1f를 참조하면, 스페이서(118a) 사이의 소자 분리막(116)을 식각하여 홈(A)을 형성한다. 홈(A)을 형성하기 위한 식각 공정은 건식 식각 공정으로 실시하며, 스페이서(118a)의 손실을 최소화하기 위하여 스페이서(118a)보다 소자 분리막(116)에 대해 식각 선택비가 높은 식각 가스를 사용하여 실시한다. 바람직하게, 식각 공정은 C4F6, C4F8 또는 C5F8 계열의 식각 가스를 사용하여 실시한다. 식각 공정은 식각 목표 두께를 100Å 내지 1000Å으로 하여 실시하며, 이때 홈(A)은 반도체 기판(100)의 활성 영역의 높이보다 높게 형성한다.Referring to FIG. 1F, the
이렇게 함으로써, 소자 분리막(116)은 쉽게 식각하여 소자 분리막(116)의 중앙에 홈(A)을 형성하면서 스페이서(118a)의 손실은 최소화하여 공정 편차에 따른 토폴로지(topology) 편차를 최소화할 수 있다. 또한, 유효 산화막 높이(Effective Field oxide Height; EFH) 조절을 위한 공정의 안정성, 재현성 및 마진을 증대시킬 수 있다.In this way, the
도 1g를 참조하면, 스페이서(118a) 제거 공정을 실시한다. 스페이서(118a) 제거 공정은 습식 식각(Wet Etch) 공정으로 실시하며, 바람직하게 HF 용액, BOE(Buffered Oxide Etchant) 또는 SC-1(Standard Cleaning-1) 용액을 이용하여 실시할 수 있다.Referring to FIG. 1G, a
본 발명에 따른 SiH4, NH3 및 N20 가스를 사용하여 형성된 SiON막으로 이루어지는 스페이서(118a)는 상술한 바와 같이 식각액에 의한 식각 속도가 빠르기 때문에 최소한의 에칭 시간(Etch Time)을 이용해서 제거가 가능하다. 따라서, 스페이서 제거 공정은 HF 용액, BOE 또는 SC-1 용액을 이용하여 1초 내지 100초 동안 실시한다. The
한편, 스페이서(118a)를 제거하는 과정에서 스페이서(118a) 사이의 소자 분리막(116)도 소정 두께만큼 식각되어 홈(A)의 깊이가 낮아질 수 있다. 그러나, 스페이서(118a) 제거를 위한 공정 시간이 짧아지므로 소자 분리막(116)의 손실을 최소화하여 유효 산화막 높이(EFH)를 제어할 수 있어, 후속 형성되는 컨트롤 게이트와 반도체 기판(100)의 활성 영역 상부와의 최소 거리를 제어하여 싸이클링 특성을 개선할 수 있다. 아울러, 공정 시간도 단축할 수 있다.Meanwhile, in the process of removing the
도 1h를 참조하면, 홈(A)이 형성된 소자 분리막(116)을 포함하는 전자 저장막(104) 상에 유전체막(120) 및 컨트롤 게이트용 도전막(미도시)을 형성한다. 유전 체막(120)은 ONO(Oxide-Nitride-Oxide) 적층 구조로 형성할 수 있다. 도전막은 폴리실리콘막, 금속막 또는 이들의 적층막으로 형성할 수 있으며, 바람직하게 폴리실리콘막으로 형성한다. Referring to FIG. 1H, the
이후, 통상적인 공정으로 도전막, 유전체막(120) 및 전자 저장막(104)을 순차적으로 패터닝한다. 이로써, 전자 저장막(104)으로 이루어진 플로팅 게이트(104a)와 도전막으로 이루어진 컨트롤 게이트(122)가 형성된다. Thereafter, the conductive film, the
본 발명은, 소자 분리막(116)의 중앙에 홈(A)을 형성하는 프로파일을 통해 컨트롤 게이트 형성 시 반도체 기판(100)의 활성 영역 상부와 컨트롤 게이트와 간 최소 거리를 넓힘으로써 싸이클링 특성을 개선하고, 컨트롤 게이트를 플로팅 게이트 사이에 깊숙히 위치하게 형성함으로써 셀 간 간섭 효과도 감소시킬 수 있다.The present invention improves the cycling characteristics by widening the minimum distance between the upper portion of the active region of the
본 발명은 상기에서 서술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 상기의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 본원의 특허 청구 범위에 의해서 이해되어야 한다. The present invention is not limited to the above-described embodiments, but may be implemented in various forms, and the above embodiments are intended to complete the disclosure of the present invention and to completely convey the scope of the invention to those skilled in the art. It is provided to inform you. Therefore, the scope of the present invention should be understood by the claims of the present application.
상술한 바와 같이 본 발명은 다음과 같은 효과가 있다.As described above, the present invention has the following effects.
첫째, 스페이서용 절연막을 SiH4, NH3 및 N20 가스를 사용하여 산화막보다 식 각 선택비가 매우 높은 SiON막으로 형성함으로써 스페이서 형성 및 스페이서를 이용한 소자 분리막의 중앙부 식각 시 식각 선택비에 의해 비식각되는 막의 손실을 최소화하고, 공정의 안정성, 재현성 및 마진을 증대시킬 수 있다.First, the spacer insulating film is formed of a SiON film having a much higher etch selectivity than the oxide film using SiH 4 , NH 3 and N 2 O gases, and thus the ratio of the spacer selectivity and the etch selectivity during the etching of the center portion of the device isolation layer using the spacer. The loss of the etched film can be minimized and process stability, reproducibility and margins can be increased.
둘째, 플로팅 게이트 간 소자 분리막의 중앙 부분을 식각하는 프로파일을 형성하여 반도체 기판의 활성 영역 상부와 컨트롤 게이트 간 최소 거리를 넓혀 싸이클링 특성을 개선할 수 있고, 컨트롤 게이트가 플로팅 게이트 간 위치에 깊숙히 형성되게 함으로써 셀 간섭 효과를 감소시킬 수 있다.Second, by forming a profile to etch the central portion of the device isolation layer between the floating gates to improve the cycling characteristics by increasing the minimum distance between the active region of the semiconductor substrate and the control gate, so that the control gate is formed deep in the position between the floating gates As a result, the cell interference effect can be reduced.
셋째, 산화막보다 식각 선택비가 매우 높은 SiON막으로 형성된 스페이서 제거 시 공정 시간을 단축할 수 있다.Third, the process time can be shortened when removing the spacer formed of the SiON film having a much higher etching selectivity than the oxide film.
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KR20060006556A (en) * | 2004-07-16 | 2006-01-19 | 삼성전자주식회사 | Method of forming non-volatile memory device having field isolation layer |
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2006
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