KR101052328B1 - Charge-Trap Nonvolatile Memory Devices - Google Patents

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Abstract

본 발명에서는 기록/소거 특성이 좋은 트랜치 구조를 갖는 비휘발성 반도체 소자가 제공된다. 이 반도체 소자는 반도체 기판 및 상기 기판 상에 소스 및 드레인 영역을 형성하고 상기 기판을 식각하여 상기 소스 및 드레인 영역보다 낮게 형성된 트랜치 채널을 포함하는 트랜치형 게이트 구조체를 포함하고 이 게이트 구조체는 식각된 트랜치 채널의 사이드 벽면에 사이드월 스페이서(sidewall spacer) 구조의 소스 및 드레인 확장(Source Drain Extension : SDE) 영역, 상기 트랜치 채널 상에 3 nm 이하 두께의 실리콘 질화막(Si3N4)으로 형성되는 제 1 터널링 절연막, 상기 제 1 터널링 절연막 상에 상기 제 1 터널링 절연막보다 높은 전도대 에너지를 가지면서 4 nm 이하 두께의 실리콘 산화막(SiO2)으로 형성되는 제 2 터널링 절연막, 상기 제 2 터널링 절연막 상에 4 nm 이하 두께의 실리콘 질화막(Si3N4)으로 형성되는 제 3 터널링 절연막, 상기 제 3 터널링 절연막 상에 상기 실리콘 질화막(Si3N4)보다 전도대 에너지 준위가 낮으며 10nm 이하 두께의 하프늄 산화막(HfO2)으로 형성되는 전하 트랩층, 상기 전하 트랩층 상에 상기 하프늄 산화막(HfO2)보다 전도대의 에너지 준위가 높으며 20nm 이하 두께의 알루미늄 산화막(Al2O3)으로 형성되는 블로킹 절연막, 및 상기 블로킹 절연막 상에 형성되면서 4.5 eV 이상의 일함수를 갖는 금속 게이트 전극층을 포함하는 것을 특징으로 한다.In the present invention, a nonvolatile semiconductor device having a trench structure having good recording / erasing characteristics is provided. The semiconductor device comprises a trenched gate structure comprising a semiconductor substrate and trench channels forming source and drain regions on the substrate and etching the substrate to form lower than the source and drain regions, the gate structure comprising an etched trench A source and drain extension (SDE) region of a sidewall spacer structure on a side wall of the channel, and a first silicon nitride layer (Si 3 N 4 ) having a thickness of 3 nm or less on the trench channel. A tunneling insulating film, a second tunneling insulating film formed on the first tunneling insulating film having a higher conduction band energy than the first tunneling insulating film and having a silicon oxide film (SiO 2 ) having a thickness of 4 nm or less, and 4 nm on the second tunneling insulating film. or less thick silicon nitride film (Si 3 N 4) the third tunneling insulating film formed by, the first phase 3 tunneling insulation film The silicon nitride film (Si 3 N 4) than the conduction band energy level is low and the conduction band than the charge trap layer, wherein the charge trap layer and the hafnium oxide film on the (HfO 2) formed of a hafnium oxide film (HfO 2) of 10nm or less thick energy A blocking insulating film formed of an aluminum oxide film (Al 2 O 3 ) having a high level and a thickness of 20 nm or less, and a metal gate electrode layer formed on the blocking insulating film and having a work function of 4.5 eV or more.

비휘발성 메모리, 전하트랩형, 실리콘 질화막, 블로킹 절연막 Nonvolatile Memory, Charge Trap, Silicon Nitride, Blocking Insulation

Description

전하트랩형 비휘발성 메모리 소자{Charge trap flash type nonvolatile memory device}Charge trap flash type nonvolatile memory device

본 발명은 터널링 절연막을 트랜치 구조의 채널 상에 실리콘 질화막(Si3N4)/실리콘 산화막(SiO2)/실리콘 질화막(Si3N4)의 적층구조로 형성하고 전하트랩층과 블로킹 절연막을 고유전율 박막으로 형성하는 비휘발성 메모리 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 좀더 상세하게는 전기적 정보의 읽기, 쓰기, 저장이 가능하고, 대용량/고집적 특징을 가지는 동시에 고속 기록/소거 동작이 가능한 반도체 제조에 관한 것이다. In the present invention, a tunneling insulating film is formed in a stacked structure of a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) / silicon oxide film (SiO 2 ) / silicon nitride film (Si 3 N 4 ) on a trench structure channel, and a charge trap layer and a blocking insulating film are inherently formed. The present invention relates to a nonvolatile memory device formed of a thin film and a method of manufacturing the same. More specifically, the present invention relates to a semiconductor fabrication capable of reading, writing, and storing electrical information, and having high-capacity and high-density features and capable of high-speed write / erase operations.

본 발명은 지식경제부의 지원하에 광운대학교 산학협력단이 수행한 연구로부터 도출된 것이다. [과제고유번호 : 10029946, 과제명: 고신뢰성 TBE-NFGM 소자개발]The present invention is derived from a study performed by the Kwangwoon University Industry-Academic Cooperation Group with the support of the Ministry of Knowledge Economy. [Task unique number: 10029946, Title: Development of high reliability TBE-NFGM device]

반도체 메모리 소자는 데이터 저장 방식에 따라 휘발성 메모리 소자와 비휘발성 메모리 소자로 분류된다. 휘발성 메모리 소자는 전원 공급이 차단되면 저장된 데이터를 잃는다. 휘발성 메모리로는 DRAM(dynamic random access memory) 또는 SRAM(static random access memory) 등이 있다. 반면, 비휘발성 메모리 소자는 전원이 공급되지 않는 상태에서도 데이터를 유지하는 특성을 가진다. 비휘발성 메모리 소자는 대표적으로 플래시 메모리 소자를 들 수 있다.Semiconductor memory devices are classified into volatile memory devices and nonvolatile memory devices according to data storage methods. Volatile memory devices lose their stored data when their power supplies are interrupted. Volatile memory includes dynamic random access memory (DRAM) or static random access memory (SRAM). On the other hand, the nonvolatile memory device retains data even when power is not supplied. Representative examples of the nonvolatile memory device include flash memory devices.

이러한 플래시(flash) 메모리는 휴대가 가능하도록 이동성이 요구되는 휴대폰 등의 개인용 통신 기기나, USB 메모리, MP3, PMP 등의 각종 소형 전자기기, 디지털 음성 기록기나 메모리 카드 등의 데이터 저장 장치로 널리 사용되고 있다. Such flash memory is widely used as a personal communication device such as a mobile phone that requires mobility to be portable, various small electronic devices such as USB memory, MP3, and PMP, and a data storage device such as a digital voice recorder or a memory card. have.

특히 휴대폰, MP3, 디지털 카메라, USB 메모리 등에 사용되고 있는 NAND(NOT-AND) 플래시 메모리는 DRAM(Dynamic Random Access Memory) 소자의 휘발성 동작의 단점을 해결한 대표적 비휘발성 메모리 소자이다. In particular, NAND (NOT-AND) flash memory, which is used in mobile phones, MP3s, digital cameras, and USB memories, is a representative nonvolatile memory device that solves a disadvantage of volatile operation of a DRAM (Dynamic Random Access Memory) device.

이렇게 플래시 메모리는 비휘발성 및 저전력 소모 특성으로 휴대기기의 주기억 소자로 사용되기 시작하였으며, 특히 DRAM 보다 우수한 집적도로 인해 디지털 가전제품 등의 대용량 저장매체로서 그 수요가 급속히 신장되고 있다. As such, flash memory has started to be used as a main memory device for portable devices due to its nonvolatile and low power consumption. In particular, the demand for flash memory is rapidly increasing as a mass storage medium such as digital home appliances due to its higher density than DRAM.

한편, 플래시 메모리 기술은 기술적으로 EPROM(Erasable-Programmable Read-Only Memory)과 EEPROM(Electrically Erasable-Programmable Read-Only Memory)의 장점 뿐 아니라, DRAM과 ROM(Read-Only Memory)의 장점을 모두 갖춘 메모리이다. 특히 DRAM과 ROM의 집적도를 능가하는 높은 집적도를 가지고, EPROM이나 DRAM 같이 필요에 따라 저장 내용을 다시 쓸 수 있으며, ROM과 EEPROM의 비휘발성을 동시에 가지고 있다. 현재 상용화되고 있는 NAND형 플래시 메모리는 집적도면에서 2기가 바이트 급이며, 저장하고 지우는 시간이 수십 us로 느리고, 10V 내지 20V의 높은 공급 전압에서 동작하는 특성을 나타낸다. Flash memory technology, on the other hand, is not only a technical advantage of EPROM (Erasable-Programmable Read-Only Memory) and EEPROM (Electrically Erasable-Programmable Read-Only Memory), but also a memory with both DRAM and Read-Only Memory (ROM). to be. In particular, it has a higher density than the density of DRAM and ROM, and can rewrite the storage contents as necessary, such as EPROM or DRAM, and has both non-volatile ROM and EEPROM. NAND-type flash memory, which is currently commercialized, is 2 gigabytes in density, has a slow storage and erase time of several tens of us, and operates at a high supply voltage of 10V to 20V.

현재의 플래시 메모리는 MOSFET(Metal-oxide semiconductor field effect transistor) 구조를 바탕으로 게이트 전극과 채널 사이에 산화막/부유 게이트(floating gate)/산화막을 삽입한 구조를 가진다. 이러한 플래시 메모리 소자의 동작 원리는 폴리실리콘으로 만들어진 부유 게이트에 전하의 주입 여부에 따라 트랜지스터의 문턱 전압의 변화를 이용한 것이다. Current flash memories have a structure in which an oxide film, a floating gate, and an oxide film are inserted between a gate electrode and a channel based on a metal-oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET) structure. The operation principle of such a flash memory device is to use a change in the threshold voltage of a transistor depending on whether or not charge is injected into a floating gate made of polysilicon.

통상적으로, 일단 비휘발성 메모리에 데이터가 쓰여지고 난 후 그 데이터를 유지하는 시간은 10년 이상이다. 이 기간 동안 부유 게이트에 전자를 저장하기 위해서는 터널링 산화막의 두께를 얇게 하는데 한계가 있다. 상기 플래시 메모리 소자의 현재 터널링 산화막의 두께는 7nm 내지 8nm로, 이는 부유 게이트에 직접 터널링으로 전자를 주입하거나 제거시킬 수 없는 두께이다. 따라서 속도 향상 및 저전력 동작을 위해서 부유 게이트에 전자를 주입 또는 제거하기 위해서 다른 방법을 이용하고 있다. Typically, once data has been written to a nonvolatile memory, the time to retain that data is more than 10 years. In order to store electrons in the floating gate during this period, there is a limit to thinning the thickness of the tunneling oxide film. The thickness of the current tunneling oxide layer of the flash memory device is 7 nm to 8 nm, which is a thickness that cannot inject or remove electrons by tunneling directly to the floating gate. Therefore, other methods are used to inject or remove electrons into the floating gate for speed improvement and low power operation.

대표적으로 비휘발성 메모리에 전자를 저장하거나 제거하기 위해서 직접 터널링이 아닌 CHE(Channel Hot-Electron) 주입 방식이나 F-N(Fowler-Nordheim) 터널링 방식이 이용되고 있다. 이러한 이유로 전자의 저장이나 제거하기 위해서 높은 동작 전압을 필요로 하고 있다. Typically, channel hot-electron (CHE) injection or Fowler-Nordheim (F-N) tunneling is used instead of direct tunneling to store or remove electrons in nonvolatile memory. For this reason, high operating voltages are required for the storage and removal of electrons.

현재의 플래시 메모리의 경우는 저장하고 지우는 전압이 10V 이상으로 CMOS(complementary metal-oxide-semiconductor) 구동 전압과 비교해 볼 때 매우 큰 편이다. 이는 고전압으로 인한 터널링 산화막 내의 결함이 발생되고 메모리 소자의 성능을 저하시키는 원인이 되고 있다. 따라서 플래시 메모리의 셀 크기가 작 아질 경우 더욱 심각한 문제점이 발생할 것으로 예상하고 있다. Current flash memories have a storage and erase voltage of more than 10V, which is very large compared to complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) driving voltages. This causes defects in the tunneling oxide film due to the high voltage and causes the performance of the memory device to deteriorate. Therefore, it is expected that more serious problems will occur when the cell size of the flash memory is reduced.

또한 기존의 플래시 메모리는 폴리실리콘으로 이루어진 부유 게이트를 저장 전극으로 이용하기 때문에 고집적화 시 인접 게이트 사이에 간섭현상이 발생하며, 저장된 전하는 폴리실리콘을 통하여 자유롭게 이동할 수 있기 때문에 산화막에 결함이 존재하면 그를 통하여 저장된 전하가 모두 누설되는 단점을 가지고 있다. In addition, since the conventional flash memory uses a floating gate made of polysilicon as a storage electrode, interference occurs between adjacent gates when high integration, and stored charge can move freely through polysilicon, so that if there is a defect in the oxide film, The disadvantage is that all stored charges leak out.

도 1은 이러한 문제점을 해결하기 위해 제작된 전하트랩형 비휘발성 메모리인 SONOS(Silicon-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon) 형태의 전하트랩형 비휘발성 메모리 소자의 단면 구조를 나타낸다.1 illustrates a cross-sectional structure of a charge trapping nonvolatile memory device having a silicon-oxide-nitride-oxide-silicon (SONOS) type, which is a charge trapping nonvolatile memory manufactured to solve such a problem.

도 1을 참조하면, 반도체 채널 위에 실리콘 산화막(SiO2)으로 이루어진 터널링 절연막, 실리콘 질화막(Si3N4)으로 이루어진 전하트랩층, 그리고 실리콘 산화막(SiO2)으로 이루어진 블로킹 절연막 및 폴리실리콘의 게이트 전극층이 순차적으로 적층된 구조를 가지고 있다. SONOS 형태의 전하트랩형 비휘발성 메모리는 40 nm이하 급의 부유 게이트(floating gate)메모리에서 발생하는 간섭문제를 제거하고, 불연속적인 트랩을 가지고 있어 메모리 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있지만, 다음과 같은 단점을 가진다. Referring to FIG. 1, a tunneling insulating film made of silicon oxide (SiO 2 ), a charge trap layer made of silicon nitride (Si 3 N 4 ), a blocking insulating film made of silicon oxide (SiO 2 ), and a gate of polysilicon are formed on a semiconductor channel. The electrode layer has a structure in which the electrode layers are sequentially stacked. SONOS-type charge trap type nonvolatile memory eliminates interference problems caused by floating gate memory below 40 nm and has discrete traps to improve the reliability of memory devices. Has its drawbacks.

첫번째로 단일 층의 실리콘 산화막으로 구성된 터널링 절연막은 동작 속도의 향상을 위하여 두께를 감소시킬 경우 직접 터널링(direct tunneling) 현상과 전기적 스트레스에 의한 누설 전류(stress induced leakage current) 현상이 증가하게 되어 비휘발성 메모리가 가져야 할 10년 이상의 데이터 보존 특성을 확보할 수 없 다. 데이터 보존 특성을 달성하기 위하여 단일 층의 실리콘 산화막으로 구성된 터널링 절연막의 두께를 증가시키게 되면, 데이터 기록/소거 특성의 열화가 발생되는 단점이 있다. First, the tunneling insulating layer composed of a single layer of silicon oxide has a non-volatile property due to an increase in direct tunneling and stress induced leakage current when the thickness is reduced to improve the operation speed. Data retention characteristics of more than 10 years that memory must have cannot be obtained. When the thickness of the tunneling insulating film composed of a single layer of silicon oxide film is increased to achieve data retention characteristics, there is a disadvantage in that deterioration of data recording / erasing characteristics occurs.

두번째로 실리콘 질화막으로 이루어진 전하트랩층은 공정온도가 높기 때문에 허용 공정 온도가 낮은 고유전막의 터널링 절연막 적용을 제한된다. Second, since the charge trap layer made of a silicon nitride film has a high process temperature, the application of the tunneling insulating film of the high dielectric film having a low allowable process temperature is limited.

세번째로 실리콘 산화막으로 이루어진 블로킹 절연막은 유전상수가 낮기 때문에 채널에 전하를 형성하기 위해 고전압을 필요로 한다. 또한, 고전압에 의해 게이트 전극으로부터의 전자 역주입 현상이 일어나면서 데이터 소거를 위해 실리콘 기판 측에서 주입되는 정공과 상쇄되어서 소거속도가 느려지게 된다. 따라서 데이터가 완전히 소거되지 않는 문제점이 있다. Third, the blocking insulating film made of the silicon oxide film requires a high voltage to form charge in the channel because the dielectric constant is low. In addition, due to the high voltage, an electron back injection phenomenon occurs from the gate electrode, which is canceled with the hole injected from the silicon substrate side for data erasing, so that the erase speed is lowered. Therefore, there is a problem that data is not completely erased.

도 2a는 도 1의 SONOS 메모리 소자의 A-A'방향으로의 단면 구조에 대한 열평형 상태에서의 에너지 밴드 다이어 그램을 나타낸다. FIG. 2A shows an energy band diagram in thermal equilibrium with respect to the cross-sectional structure in the A-A 'direction of the SONOS memory device of FIG. 1.

도 2a를 참조하면 전체 시스템에서 페르미 준위는 일정하기 때문에 일함수 차이에 의해 P형으로 도핑된 반도체 기판과 N형으로 도핑된 제어 게이트 전극의 에너지 밴드는 도시된 바와 같이 열평형 상태에서 휘어지게 된다. Referring to FIG. 2A, since the Fermi level is constant in the entire system, the energy bands of the semiconductor substrate doped with P-type and the control gate electrode doped with N-type are bent in the thermal equilibrium state as shown in FIG. .

도 2b를 참조하면, 소거모드에서 SONOS 메모리 소자의 제어게이트 전극에 비해 반도체 기판에 높은 전압이 인가된다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 외부 인가 전압에 의해 열평형 상태는 깨어지게 되어 전극의 페르미 준위(Efn)가 반도체 기판의 페르미 준위 보다 높게 상승하고 터널링 절연막(22), 전하 트랩층(23), 블로킹 절 연막(24)의 전도대의 형태가 변형된다. Referring to FIG. 2B, a high voltage is applied to the semiconductor substrate as compared to the control gate electrode of the SONOS memory device in the erase mode. As shown in FIG. 2B, the thermal equilibrium is broken by an externally applied voltage so that the Fermi level E fn of the electrode rises higher than the Fermi level of the semiconductor substrate, and the tunneling insulating layer 22 and the charge trap layer 23 are formed. , The shape of the conduction band of the blocking insulation film 24 is modified.

이러한 소거 동작 시 상기 전하 트랩층(23)의 내부에 저장된 전자들이 터널링 절연막(22)을 터널링하여 반도체 기판으로 주입되어 데이터 소거가 이루어진다. 그러나 정공의 주입이 용이하지 못하고, 폴리실리콘의 일함수가 낮기 때문에 전극으로부터 블로킹 절연막을 터널링하여 전자가 전하 트랩층으로 주입됨으로써 문턱전압을 낮추는데 오랜 시간이 소요되어 전체적으로 데이터 소거 시간이 길어지게 되는 문제점이 발생된다.In this erase operation, electrons stored in the charge trap layer 23 are tunneled through the tunneling insulating layer 22 and injected into the semiconductor substrate, thereby performing data erasing. However, since the hole injection is not easy and the work function of the polysilicon is low, the electron is injected into the charge trapping layer by tunneling the blocking insulating film from the electrode, so that it takes a long time to lower the threshold voltage, which results in a long data erasing time. Is generated.

이와 같은 문제점을 해결하고, 메모리 소자가 고집적화됨에 따라 비휘발성 메모리 소자의 빠른 기록/소거 동작과 10년 이상의 데이터 보존 특성을 동시에 확보하기 위하여 새로운 소자 구조 및 제조 공정 기술이 요구된다. As these problems are solved, and as the memory devices are highly integrated, new device structures and manufacturing process technologies are required to simultaneously secure fast write / erase operations and data retention characteristics of 10 years or more.

현재의 비휘발성 메모리의 경우 저장하고 지우는 전압이 매우 큰 편이다. 이는 고전압으로 인한 터널링 산화막 내의 결함이 발생되고 메모리 소자의 성능을 저하시키는 원인이 되고 있다. 따라서 플래시 메모리의 셀 크기가 작아질 경우 더욱 심각한 문제점이 발생할 것으로 예상하고 있다. Current non-volatile memory stores voltages that are very large. This causes defects in the tunneling oxide film due to the high voltage and causes the performance of the memory device to deteriorate. Therefore, it is expected that more serious problems will occur when the cell size of the flash memory becomes smaller.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 종래 비휘발성 메모리의 터널링 절연막의 재료 및 구조를 개선하여 기록/소거 시 낮은 전압에서 빠른 속도를 가지며 데이터 보존 특성을 동시에 향상시킬 수 있는 비휘발성 메모리 소자 및 그 제조방법을In order to solve the above problems, by improving the material and structure of the tunneling insulating film of the conventional nonvolatile memory, a nonvolatile memory device and a method of manufacturing the same, which have a high speed at a low voltage at the time of writing and erasing and can improve data retention characteristics simultaneously. of

제공하는데 있다.To provide.

상기의 과제를 해결하기 위해 반도체 기판, 상기 기판 상에 소스 및 드레인 영역을 형성하고 상기 기판을 식각하여 상기 소스 및 드레인 영역보다 낮게 형성된 트랜치 채널을 포함하는 트랜치형 게이트 구조체를 포함하는 반도체 메모리 소자가 제공되는데, 이러한 반도체 메모리 소자의 트랜치형 게이트 구조체는, 상기 식각된 트랜치 채널의 사이드 벽면에 사이드월 스페이서(sidewall spacer) 구조의 소스 및 드레인 확장(Source Drain Extension : SDE) 영역, 상기 트랜치 채널 상에 3 nm 이하 두께의 실리콘 질화막(Si3N4)으로 형성되는 제 1 터널링 절연막, 상기 제 1 터널링 절연막 상에 상기 제 1 터널링 절연막보다 높은 전도대 에너지를 가지면서 4 nm 이하 두께의 실리콘 산화막(SiO2)으로 형성되는 제 2 터널링 절연막, 상기 제 2 터널링 절연막 상에 4 nm 이하 두께의 실리콘 질화막(Si3N4)으로 형성되는 제 3 터널링 절연막, 상기 제 3 터널링 절연막 상에 상기 실리콘 질화막(Si3N4)보다 전도대 에너지 준위가 낮으며 10nm 이하 두께의 하프늄 산화막(HfO2)으로 형성되는 전하 트랩층, 상기 전하 트랩층 상에 상기 하프늄 산화막(HfO2)보다 전도대의 에너지 준위가 높으며 20nm 이하 두께의 알루미늄 산화막(Al2O3)으로 형성되는 블로킹 절연막, 및 상기 블로킹 절연막 상에 형성되면서 4.5 eV 이상의 일함수를 갖는 금속 게이트 전극층을 포함하는 것을 특징으로 한다. In order to solve the above problems, a semiconductor memory device including a trench type gate structure including a trench channel having a source and a drain region formed on the substrate and etching the substrate to be lower than the source and drain regions. A trench gate structure of such a semiconductor memory device is provided on a sidewall of the etched trench channel, a source drain drain (SDE) region of a sidewall spacer structure, on the trench channel. A first tunneling insulating film formed of a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) having a thickness of 3 nm or less, and a silicon oxide film having a higher conduction band energy than the first tunneling insulating film (SiO 2 ) on the first tunneling insulating film (SiO 2). The second tunneling insulating film formed on the second tunneling insulating film; A silicon nitride (Si 3 N 4) The third tunneling insulation film, said third tunnel of the silicon nitride film on the insulating film (Si 3 N 4) than the conduction band was the energy level is low, the hafnium oxide film is 10nm or less thick (HfO 2) formed by a On the charge trap layer to be formed, a blocking insulating film formed of an aluminum oxide film (Al 2 O 3 ) having a higher energy level than the hafnium oxide film (HfO 2 ) and having a thickness of 20 nm or less on the charge trap layer, and the blocking insulating film It is characterized in that it comprises a metal gate electrode layer having a work function of 4.5 eV or more.

또 다른 과제를 해결하기 위해 반도체 기판 상에 소스와 드레인을 형성한 후 상기 반도체 기반을 식각하여 트랜치 채널을 형성하는 단계; 상기 식각된 트랜치 채널의 사이드 벽면에 사이드월 스페이서(sidewall spacer) 구조의 소스 및 드레인 확장(Source Drain Extension : SDE) 영역을 형성하는 단계; 상기 트랜치 채널 상에 3 nm 이하 두께의 실리콘 질화막(Si3N4)으로 이루어진 제 1 터널링 절연막을 형성하는 단계;상기 제 1 터널링 절연막 상에 상기 제 1 터널링 절연막보다 높은 전도대 에너지를 가지면서 4 nm 이하 두께의 실리콘 산화막(SiO2)으로 이루어진 제 2 터널링 절연막을 형성하는 단계; 상기 제 2 터널링 절연막 상에 4 nm 이하 두께의 실리콘 질화막(Si3N4)으로 이루어진 제 3 터널링 절연막을 형성하는 단계; 상기 제 3 터널링 절연막 상에 상기 실리콘 질화막(Si3N4)보다 전도대 에너지 준위가 낮으면서 10nm 이하 두께의 하프늄 산화막(HfO2)으로 이루어진 전하 트랩층을 형성하는 단계; 상기 전하 트랩층 상에 상기 하프늄 산화막(HfO2)보다 전도대의 에너지 준위가 높으면서 20nm 이하 두께의 알루미늄 산화막(Al2O3)으로 이루어진 블로킹 절연막을 형성하는 단계 및, 상기 블로킹 절연막 상에 4.5 eV 이상의 일함수를 갖는 게이트 전극층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전하트랩형 비휘발성 메모리 소자 제조방법이 제공된다. Forming a trench channel by etching the semiconductor substrate after forming a source and a drain on a semiconductor substrate to solve another problem; Forming a source drain drain (SDE) region of a sidewall spacer structure on a side wall of the etched trench channel; Forming a first tunneling insulating film including a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) having a thickness of 3 nm or less on the trench channel; 4 nm having a higher conduction band energy than the first tunneling insulating film on the first tunneling insulating film; Forming a second tunneling insulating film made of a silicon oxide film (SiO 2 ) having a thickness less than or equal to; Forming a third tunneling insulating film including a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) having a thickness of 4 nm or less on the second tunneling insulating film; Forming a charge trap layer including a hafnium oxide layer (HfO 2 ) having a conduction band energy level lower than that of the silicon nitride layer (Si 3 N 4 ) and having a thickness of 10 nm or less on the third tunneling insulating layer; Forming a blocking insulating film formed of an aluminum oxide film (Al 2 O 3 ) having a thickness of 20 nm or less and having a higher energy level than that of the hafnium oxide film (HfO 2 ) on the charge trap layer, and 4.5 eV or more on the blocking insulating film There is provided a method for manufacturing a charge trapping nonvolatile memory device comprising forming a gate electrode layer having a work function.

본 발명에 따른 트랜치 구조를 채택한 비휘발성 메모리를 통해 기록/소거 특성과 데이터 보존 특성을 동시에 향상시킬 수 있는 효과를 기대할 수 있다. The nonvolatile memory employing the trench structure according to the present invention can be expected to improve the write / erase characteristics and the data retention characteristics at the same time.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 전하트랩형 비휘발성 반도체 소자 및 그 제조방법에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략될 것이다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 클라이언트나 운용자, 사용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. Hereinafter, a charge trapping nonvolatile semiconductor device and a method of manufacturing the same according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear. In addition, terms to be described below are terms defined in consideration of functions in the present invention, which may vary according to a client's or operator's intention or custom. Therefore, the definition should be based on the contents throughout this specification.

도 3 내지 도 9는 본 발명의 바람직한 실시 예에 의해 Si3N4/SiO2/Si3N4 적층구조의 크레스트 배리어(CRESTED barrier)를 갖는 전하 트랩형 비휘발성 메모리 소자 제조 방법과 실험결과를 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 단면도와 그래프이다.3 to 9 illustrate a method and an experimental result of a charge trapping type nonvolatile memory device having a CRESTED barrier having a Si 3 N 4 / SiO 2 / Si 3 N 4 stacked structure according to a preferred embodiment of the present invention. It is sectional drawing and graph which are shown schematically for explanation.

먼저 도 3에서는 본 발명에 따른 전하트랩형 비휘발성 메모리 소자를 제조하는 방법을 단계적으로 도시한다. First, FIG. 3 shows a step by step method of manufacturing a charge trap type nonvolatile memory device according to the present invention.

도 3a에서 기판(30) 상에 도핑된 실리콘 박막을 형성한다. 기판(30)은 반도체 기판, 예컨대 실리콘 기판을 이용할 수 있으며, SOI 기판 또는 다결정 실리콘 기판을 이용할 수도 있다. 이때 도핑된 실리콘 박막(31)은 n-형 불순물이 고농도로 도핑된 다결정 실리콘 박막을 CVD (chemical vapor deposition) 또는 스퍼터링 방법에 의해서 5~100 nm 두께로 형성하거나, 에피택시 방법에 의하여 불순물이 도핑된 단결정 실리콘 박막을 형성할 수 있다. In FIG. 3A, a doped silicon thin film is formed on the substrate 30. The substrate 30 may use a semiconductor substrate, such as a silicon substrate, and may use an SOI substrate or a polycrystalline silicon substrate. In this case, the doped silicon thin film 31 is formed of a polycrystalline silicon thin film doped with a high concentration of n-type impurities to a thickness of 5 to 100 nm by CVD (chemical vapor deposition) or sputtering, or doped with impurities by an epitaxy method. The single crystal silicon thin film can be formed.

또 다른 실시 예로서 실리콘 박막 대신에 이온 주입, 플라즈마 도핑 또는 고상확산 방법 등을 이용하여 불순물이 얕게 도핑된 층을 실리콘 반도체 표면에 형성할 수 있다.In another embodiment, a shallow dopant-doped layer may be formed on the surface of the silicon semiconductor using ion implantation, plasma doping, or solid phase diffusion instead of the silicon thin film.

도 3b를 참조하면, 도핑된 실리콘 박막(31)과 기판(30)을 식각하여 실리콘 표면에 트랜치 영역을 형성한다. 이 때, 트랜치 영역 형성을 위한 식각은 플라즈마를 이용한 반응성 이온식각 공정(RIE: reactive ion etching) 또는 화학용액을 이용한 습식각 방법을 이용할 수 있다.Referring to FIG. 3B, the doped silicon thin film 31 and the substrate 30 are etched to form trench regions on the silicon surface. In this case, the etching for forming the trench region may use a reactive ion etching (RIE) process using plasma or a wet etching method using a chemical solution.

도 3c를 참조하면, 트랜치 영역 내부에 사이드월 스페이서(31b) 구조를 형성하여 소스 드레인 확장 영역(SDE : Source Drain Extension)으로 이용하는 실시예를 보여준다. Referring to FIG. 3C, an embodiment in which a sidewall spacer 31b is formed inside a trench region and used as a source drain extension region (SDE) is shown.

사이드월 스페이서(31b) 구조는 불순물을 도핑시킨 다결정 실리콘 또는 실리콘 에피택시 막을 성장시킨 후에 이온식각 공정(RIE) 장비를 이용한 에치백(etchback) 공정에 의하여 측벽 구조의 소스 및 드레인의 확장영역을 제작한 구조를 나타낸다. 이 때, 사이드월 스페이서의 두께를 조절함으로써 게이트 길이의 조절이 가능하며, 따라서 초미세 게이트 길이를 가지는 소자의 제작이 가능해진다. 또한, 사이드월 스페이서에 도핑되는 불순물의 농도를 조절하여 드레인측 채널의 전계를 조절함으로써 핫 캐리어의 발생 및 단채널 효과를 억제하는 효과도 가질 수 있게 된다. The sidewall spacer 31b has an extended region of the source and drain of the sidewall structure by an etchback process using an ion etching process (RIE) after growing a polycrystalline silicon or silicon epitaxy film doped with impurities. One structure is shown. At this time, the gate length can be adjusted by adjusting the thickness of the sidewall spacers, thus making it possible to fabricate an element having an ultra-fine gate length. In addition, by adjusting the concentration of the impurities doped in the sidewall spacer by controlling the electric field of the drain-side channel can also have the effect of suppressing the generation of hot carriers and short-channel effects.

또한 도 3c처럼 실리콘 사이드월 스페이서 형성 후에 이온식각 공정(RIE)에 의한 오버 에칭을 통하여 실리콘 채널 부분에 미세 트랜치형으로 채널을 형성할 수 있으며, 이것은 단채널 효과를 억제하는 장점을 가진다. In addition, as shown in FIG. 3C, after the silicon sidewall spacer is formed, a channel may be formed in a fine trench in the silicon channel portion through over etching by an ion etching process (RIE), which has an advantage of suppressing a short channel effect.

실리콘 사이드월 스페이서 식각을 통한 미세 트랜치 형성 후에 700℃ 이상의 온도에서 상압 또는 감압 분위기에서 수소 열처리를 통하여 트랜치형 채널 내부의 실리콘 결함 및 표면 거칠기를 제거할 수 있다. After forming the fine trench through silicon sidewall spacer etching, the silicon defect and the surface roughness inside the trench channel may be removed by hydrogen heat treatment at atmospheric pressure or reduced pressure at a temperature of 700 ° C. or higher.

도 3d를 참조하면, SDE 영역의 역할을 하도록 도핑된 실리콘 사이드월 스페이서(31b) 영역 사이에 미세 트랜치형의 채널영역이 형성되어있다. 게이트 구조는 제 1 터널링 절연막(32), 제 2 터널링 절연막(33), 제 3 터널링 절연막(34), 전하 트랩층(35), 블로킹 절연막(36), 금속 게이트 전극(37)이 순차적으로 적층된 구조를 지니고 있다. Referring to FIG. 3D, a fine trench type channel region is formed between regions of the silicon sidewall spacers 31b doped to serve as SDE regions. The gate structure is formed by sequentially stacking a first tunneling insulating film 32, a second tunneling insulating film 33, a third tunneling insulating film 34, a charge trap layer 35, a blocking insulating film 36, and a metal gate electrode 37. Has a structure.

상기의 제 1 터널링 절연막(32)은 전자나 정공이 터널링을 하기 쉬운 두께로 형성시킨다. 상기 제 1 터널링 절연막(32)은 DCS(dichlorosilane)와 NH3 가스를 이용하여 700~800℃에서 LPCVD (low pressure chemical vapor deposition) 방법, 스퍼터링 방법 또는 ALD 방법 등으로 Si3N4를 1~3 nm의 두께로 형성한다. The first tunneling insulating film 32 is formed to a thickness where electrons or holes are easy to tunnel. The first tunneling insulating layer 32 is a Si 3 N 4 1 ~ 3 by a low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) method, a sputtering method or an ALD method at 700 ~ 800 ℃ using DCS (dichlorosilane) and NH 3 gas It is formed to a thickness of nm.

제 2 터널링 절연막(33)은 제 1 터널링 절연막(32)보다 전도대(conduction band) 에너지 준위가 높고 가전자대(valence band) 에너지 준위가 낮으며 유전율이 낮은 물질인 SiO2를 TEOS (tetraethyl orthosilicate) 가스를 이용하여 600~700℃에서 LPCVD 방법, 스퍼터링 방법 또는 ALD 방법 등으로 2~4 nm의 두께로 형성한다.The second tunneling insulating layer 33 is a tetraethyl orthosilicate (TEOS) gas containing SiO 2 , which has a higher conduction band energy level, a lower valence band energy level, and a lower dielectric constant than the first tunneling insulating layer 32. It is formed to a thickness of 2 ~ 4 nm by LPCVD method, sputtering method or ALD method at 600 ~ 700 ℃ using.

제 3 터널링 절연막(34)은 DCS와 NH3 가스를 이용하여 700~800℃에서 LPCVD 방법, 스퍼터링 방법 또는 ALD 방법으로 Si3N4를 2~4 nm의 두께로 형성한다. The third tunneling insulating film 34 is formed of Si 3 N 4 to a thickness of 2 to 4 nm by LPCVD method, sputtering method or ALD method at 700 ~ 800 ℃ using DCS and NH 3 gas.

제 3 터널링 절연막(34) 상의 전하 트랩층(35)은 Si3N4보다 전도대의 에너지 준위가 낮으며 고유전율을 가지는 하프늄 산화막(HfO2)을 ALD (atomic layer deposition) 방법 또는 스퍼터링 방법 등으로 5~10 nm 두께로 증착한다.The charge trapping layer 35 on the third tunneling insulating layer 34 has a lower energy level of the conduction band than Si 3 N 4 and has a high dielectric constant of hafnium oxide (HfO 2 ) by ALD (atomic layer deposition) or sputtering. Deposit 5-10 nm thick.

상기의 제 1 터널링 절연막(32), 제 2 터널링 절연막(33) 및 제 3 터널링 절연막(34) 전체를 터널링 절연막(38)이라고 한다. The entirety of the first tunneling insulating film 32, the second tunneling insulating film 33, and the third tunneling insulating film 34 is referred to as a tunneling insulating film 38.

전하 트랩층(35) 상의 블로킹 절연막(36)은 하프늄 산화막(HfO2) 보다 전도 대의 에너지 준위가 높으며 가전자대 에너지 준위가 낮은 알루미늄 산화막(Al2O3)을 ALD 방법 또는 스퍼터링 방법 등으로 10 ~ 20 nm 두께로 증착한다.The blocking insulating film 36 on the charge trap layer 35 has a higher energy level in the conduction band than the hafnium oxide film HfO 2 and lowers the valence band energy level from the aluminum oxide film Al 2 O 3 by ALD method or sputtering method. Deposit 20 nm thick.

상기의 블로킹 절연막(36) 상에 4.5 eV 이상의 높은 일함수를 갖는 게이트 전극(37), 예를 들어 TiN 또는 TaN 등의 재료를 CVD 또는 스퍼터링 방법으로 100~200 nm를 증착한다. A gate electrode 37 having a high work function of 4.5 eV or more, for example, TiN or TaN, is deposited on the blocking insulating layer 36 by 100 to 200 nm by CVD or sputtering.

도 4는 도 3d와 같이 게이트 구조체를 형성한 후 식각을 통해 게이트 영역을 형성하여 NON 적층구조의 터널링 절연막이 포함된 전하 트랩형 비휘발성 메모리 소자의 구조를 나타낸 단면도이다. 4 is a cross-sectional view illustrating a structure of a charge trap type nonvolatile memory device including a tunneling insulating layer having a NON stacked structure by forming a gate region through etching after forming a gate structure as shown in FIG. 3D.

도 3d와 같이 게이트 구조체를 형성한 후 게이트 이외의 영역은 이온식각 공정 등을 이용한 건식 식각 방법 또는 화학 용액을 이용한 습식 식각 방법을 이용하여 제거한다. 게이트 영역을 형성한 이후, 게이트 식각 공정에서 발생한 결함은 수소를 함유하는 분위기에서 300~500 ℃의 저온에서 후속 열처리 공정을 통해 제거 할 수 있다.After forming the gate structure as shown in FIG. 3d, regions other than the gate are removed by a dry etching method using an ion etching process or a wet etching method using a chemical solution. After forming the gate region, defects generated in the gate etching process may be removed through a subsequent heat treatment process at a low temperature of 300 ~ 500 ℃ in an atmosphere containing hydrogen.

도 5a 및 5b는 도 4의 소자에서 B - B' 방향으로의 단면 구조에 대한 기록 및 소거 모드 시의 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸다. 5A and 5B show energy band diagrams in write and erase modes for the cross-sectional structure in the direction B-B 'in the device of FIG.

도 5a를 살펴보면 기록 모드에서 도 4에 나타낸 메모리 소자의 반도체 기판에 비해 게이트 전극에 높은 전압이 인가된다. 도 5a에 도시된 바와 같이 외부 인가 전압에 의해 열평형 상태가 깨어지게 되고 터널링 절연막(38)을 통하여 전자가 전하 트랩층(35)의 내부에 저장된다. 이 때, 적층된 터널링 절연막(38)의 전도대 에너지 준위 장벽은 낮아지게 되어 더 큰 전류의 흐름을 예상할 수 있다. Referring to FIG. 5A, a high voltage is applied to the gate electrode in the write mode as compared with the semiconductor substrate of the memory device shown in FIG. 4. As shown in FIG. 5A, the thermal equilibrium is broken by an external applied voltage, and electrons are stored in the charge trap layer 35 through the tunneling insulating layer 38. At this time, the conduction band energy level barrier of the stacked tunneling insulating film 38 is lowered, so that a larger current flow can be expected.

도 5b를 살펴보면 소거 모드에서 도 4에 나타난 메모리 소자의 게이트 전극에 비해 반도체 기판에 높은 전압이 인가된다. 이러한 소거 모드 시 상기 전하 트랩층(35)의 내부에 저장된 전자들이 터널링 절연막(38)을 터널링하여 반도체 기판으로 주입되어 데이터 소거가 이루어진다. 동시에 가전자대 에너지 준위 장벽이 낮아지면서 전하 트랩층(35)의 내부에 정공의 주입이 원활해지므로 소거 속도의 향상을 가져올 수 있다.Referring to FIG. 5B, a high voltage is applied to the semiconductor substrate in the erase mode compared to the gate electrode of the memory device illustrated in FIG. 4. In this erase mode, the electrons stored in the charge trap layer 35 are tunneled through the tunneling insulating layer 38 and injected into the semiconductor substrate to perform data erasing. At the same time, as the valence band energy level barrier is lowered, the injection of holes into the inside of the charge trap layer 35 is facilitated, thereby improving the erase speed.

도 6은 본 발명에 따른 전하트랩형 비휘발성 메모리 소자의 기록 특성을 나타내는 도면이다. 6 is a diagram showing the write characteristics of the charge trap type nonvolatile memory device according to the present invention.

NONHA는 도 4에 도시된 Si3N4/SiO2/Si3N4 터널링 절연막과 HfO2 전하 트랩층과 Al2O3 블로킹 절연막을 갖는 메모리 소자이고, OHA는 NON 터널링 절연막 대신 단일 층의 SiO2를 가지며 HfO2 전하 트랩층과 Al2O3 블로킹 절연막을 갖는 메모리 소자이며, NONNO는 NON 터널링 절연막을 가지며 Si3N4 전하 트랩층과 SiO2 블로킹 절연막을 갖는 메모리 소자이다. 게이트 전극은 세가지 경우 모두 TiN을 적용하였다. NONHA is a memory device having a Si 3 N 4 / SiO 2 / Si 3 N 4 tunneling insulating film, an HfO 2 charge trap layer and an Al 2 O 3 blocking insulating film shown in FIG. 4, and OHA is a single layer of SiO instead of the NON tunneling insulating film. 2 is a memory device having an HfO 2 charge trap layer and an Al 2 O 3 blocking insulating film, and NONNO is a memory device having a NON tunneling insulating film and a Si 3 N 4 charge trap layer and an SiO 2 blocking insulating film. In all three cases, TiN was applied to the gate electrode.

도 6을 살펴보면 본 발명의 실시 예에 의한 NONHA 메모리 소자는 OHA나 NONNO 소자보다 빠른 기록 속도를 가지는 것을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 6, it can be seen that a NONHA memory device according to an embodiment of the present invention has a faster writing speed than an OHA or NONNO device.

도 7은 본 발명에 따른 전하트랩형 비휘발성 메모리 소자의 소거 특성을 나타내는 도면이다.7 is a diagram illustrating erase characteristics of a charge trap type nonvolatile memory device according to the present invention.

마찬가지로 NONHA는 도 4에 도시된 Si3N4/SiO2/Si3N4 터널링 절연막과 HfO2 전하 트랩층과 Al2O3 블로킹 절연막을 갖는 메모리 소자이고, OHA는 NON 터널링 절연막 대신 단일 층의 SiO2를 가지며 HfO2 전하 트랩층과 Al2O3 블로킹 절연막을 갖는 메모리 소자이며, NONNO는 NON 터널링 절연막을 가지며 Si3N4 전하 트랩층과 SiO2 블로킹 절연막을 갖는 메모리 소자이다. 게이트 전극은 세가지 경우 모두 TiN을 적용하였다. Similarly, NONHA is a memory device having a Si 3 N 4 / SiO 2 / Si 3 N 4 tunneling insulating film, an HfO 2 charge trap layer, and an Al 2 O 3 blocking insulating film shown in FIG. 4, and OHA is a single layer instead of a NON tunneling insulating film. A memory device having SiO 2 and having a HfO 2 charge trap layer and an Al 2 O 3 blocking insulating film, NONNO is a memory device having a NON tunneling insulating film and a Si 3 N 4 charge trap layer and a SiO 2 blocking insulating film. In all three cases, TiN was applied to the gate electrode.

도 7을 살펴보면 NONHA 메모리 소자는 OHA나 NONNO 소자보다 빠른 소거 속도를 가지는 것을 확인할 수 있다. 이러한 기록과 소거 속도는 터널링 배리어를 적층시켜서 전계민감도가 향상되었을 뿐만 아니라 고유전율의 전하 트랩층 및 블로킹 절연막 적용으로 인해 터널링 배리어에 전계가 집중되었기 때문이다. Referring to FIG. 7, it can be seen that a NONHA memory device has a faster erase speed than an OHA or NONNO device. This recording and erasing rate is due to not only the field sensitivity being improved by stacking the tunneling barrier, but also the electric field is concentrated in the tunneling barrier due to the application of the high-permittivity charge trap layer and the blocking insulating film.

도 8은 본 발명에 따른 전하트랩형 비휘발성 메모리 소자의 내구성을 나타내는 도면이다. 도 8에 따르면 총 104번의 기록/소거 이후에도 1.92 V의 메모리 윈도우가 남는 것을 확인할 수 있다. 이는 낮은 구동 전압과 빠른 속도에 의해 터널링 절연막의 열화가 감소되었기 때문이다. 8 is a view showing the durability of the charge trap type nonvolatile memory device according to the present invention. According to FIG. 8, it can be seen that a memory window of 1.92 V remains even after a total of 10 4 write / erase operations. This is because deterioration of the tunneling insulating film is reduced by the low driving voltage and the high speed.

도 9는 본 발명에 따른 전하트랩형 비휘발성 메모리 소자의 데이터 보존 특성을 나타낸다. 9 shows data retention characteristics of a charge trap type nonvolatile memory device according to the present invention.

10년 이후 상온에서는 1.65 V, 85℃에서는 1.2 V의 메모리 윈도우를 보이고 있다. 고온에서도 10년 이후에 1 V이상의 메모리 윈도우를 보이는 것을 알 수 있는 데, 이는 적층된 터널링 절연막의 물리적인 두께의 증가와 높은 일함수의 게이트 전극으로 인해 누설전류가 감소되었고 이로 인해 데이터 보존특성이 향상되었기 때문이다.After 10 years, the memory window has been 1.65V at room temperature and 1.2V at 85 ℃. It can be seen that the memory window of more than 1 V is shown after 10 years even at high temperature, and the leakage current is reduced due to the increase in the physical thickness of the stacked tunneling insulating layer and the gate electrode of high work function, which results in the data retention characteristics. Because it improved.

도 10은 본 발명에 따른 전하트랩형 비휘발성 메모리 소자를 제조하는 방법을 단계적으로 나타낸 흐름도이다.10 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a charge trap type nonvolatile memory device according to the present invention.

먼저 반도체 기판 상에 소스와 드레인을 형성한다(1010). First, a source and a drain are formed on a semiconductor substrate (1010).

그 다음에는 반도체 기판을 식각하여 트랜치 채널을 형성한다(1020).Next, the semiconductor substrate is etched to form a trench channel (1020).

트랜치 채널을 형성하면 트랜치 채널의 사이드 벽면에 사이드월 스페이서(sidewall spacer) 구조의 소스 및 드레인 확장(Source Drain Extension : SDE) 영역을 형성한다(1030). 이렇게 이루어진 사이드월 스페이서 구조는 본 발명에 따른 반도체 소자의 특성을 결정짓는다.When the trench channel is formed, a source drain drain (SDE) region having a sidewall spacer structure is formed on the side wall of the trench channel (1030). This sidewall spacer structure determines the characteristics of the semiconductor device according to the present invention.

이제 사이드월 스페이스 구조의 소스 및 드레인 확장 영역이 형성되었으면 트랜치 채널 상에 3 nm 이하 뚜께의 실리콘 질화막(Si3N4)으로 이루어진 제 1 터널링 절연막을 형성한다(1040).When the source and drain extension regions of the sidewall space structure are formed, a first tunneling insulating layer made of a silicon nitride layer (Si 3 N 4 ) having a thickness of 3 nm or less is formed on the trench channel (1040).

제 1 터널링 절역막 상에 제 1 터널링 절연막보다 높은 전도대 에너지를 가지면서 4 nm 이하 두께의 실리콘 산화막(SiO2)으로 이루어진 제 2 터널링 절연막을 형성한다(1050). A second tunneling insulating layer formed of silicon oxide (SiO 2 ) having a thickness of 4 nm or less and having a higher conduction band energy than the first tunneling insulating layer is formed on the first tunneling switching layer (1050).

이제 제 2 터널링 절연막 상에는 4 nm 이하 두께의 실리콘 질화막(Si3N4)으로 이루어진 제 3 터널링 절연막을 형성하도록 한다(1060). 이렇게 함으로써 제 1 터널링 절연막으로부터 제 3 터널링 절연막까지 터널링 절연막이 형성되었다. In operation 1060, a third tunneling insulating film including a silicon nitride film Si 3 N 4 having a thickness of 4 nm or less is formed on the second tunneling insulating film. In this way, a tunneling insulating film was formed from the first tunneling insulating film to the third tunneling insulating film.

제 3 터널링 절연막 상에는 상기 실리콘 질화막(Si3N4)보다 전도대 에너지 준위가 낮으면서 10 nm 이하 두께의 하프늄 산화막(HfO2)으로 이루어진 전하 트랩층을 형성한다(1070).On the third tunneling insulating layer, a charge trap layer including a hafnium oxide layer (HfO 2 ) having a thickness of 10 nm or less while having a lower conduction band energy level than the silicon nitride layer (Si 3 N 4 ) is formed (1070).

상기 전하 트랩층 상에는 상기 하프늄 산화막(HfO2)보다 전도대의 에너지 준위가 높으면서 20nm 이하 두께의 알루미늄 산화막(Al2O3)으로 이루어진 블로킹 절연막을 형성한다(1080).On the charge trap layer, a blocking insulating layer made of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) having a thickness of 20 nm or less is formed while the energy level of the conduction band is higher than that of the hafnium oxide (HfO 2 ) (1080).

블로킹 절연막 상에는 4.5 eV 이상의 일함수를 갖는 게이트 전극층을 형성(1090)하면 소자의 기본적인 구조가 이루어진다.When the gate electrode layer having a work function of 4.5 eV or more is formed on the blocking insulating film (1090), the basic structure of the device is achieved.

앞에서 본 바와 같이 본 발명에서는 터널링 절연막을 단층의 SiO2 가 아닌 적층된 Si3N4/SiO2/Si3N4 터널링 절연막과 고유전율의 전하 트랩층 및 블로킹 절연막을 사용하여 낮은 구동 전압 및 빠른 기록/소거 특성을 확인하였으며, 이로 인해 내구성의 향상을 이룰 수 있었다. 또한 적층된 터널링 절연막의 물리적인 두께의 증가와 높은 일함수의 게이트 전극으로 인해 누설전류가 감소되어 데이터 보존 특성을 향상 시킬 수 있었다. As described above, in the present invention, the tunneling insulating layer is formed by using a stacked Si 3 N 4 / SiO 2 / Si 3 N 4 tunneling insulating layer, a high-k dielectric charge trap layer, and a blocking insulating layer instead of a single layer of SiO 2. The recording / erasing characteristics were checked, which resulted in improved durability. In addition, due to the increase in the physical thickness of the stacked tunneling insulating layer and the gate electrode having a high work function, the leakage current is reduced, thereby improving data retention characteristics.

이상과 같이 본 발명은 양호한 실시예에 근거하여 설명하였지만, 이러한 실시예는 이 발명을 제한하려는 것이 아니라 예시하려는 것이므로, 본 발명이 속하는 기술분야의 숙련자라면 이 발명의 기술사상을 벗어남이 없이 위 실시예에 대한 다 양한 변화나 변경 또는 조절이 가능할 것이다. 그러므로, 이 발명의 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 한정될 것이며, 변화예나 변경예 또는 조절예를 모두 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다. As described above, the present invention has been described based on the preferred embodiments, but these embodiments are intended to illustrate the present invention, not to limit the present invention. Various changes, modifications or adjustments to the examples will be possible. Therefore, the protection scope of this invention will be limited only by the appended claims, and should be construed as including all changes, modifications or adjustments.

도 1은 종래기술에 의한 SONOS(Silicon-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon) 형태의 전하 트랩형 비휘발성 메모리 소자의 구조의 단면도이다. 1 is a cross-sectional view of a structure of a charge trapping nonvolatile memory device having a silicon-oxide-nitride-oxide-silicon (SONOS) type according to the prior art.

도 2는 도 1의 SONOS 메모리 소자의 A-A'방향으로의 단면 구조에 대한 열평형 상태에서의 에너지 밴드 다이어 그램이다. FIG. 2 is an energy band diagram in thermal equilibrium with respect to the cross-sectional structure in the A-A 'direction of the SONOS memory element of FIG.

도 3은 본 발명에 따른 전하트랩형 비휘발성 메모리 소자를 제조하는 방법을 나타내는 도면이다. 3 is a view showing a method for manufacturing a charge trap type nonvolatile memory device according to the present invention.

도 4는 도 3d와 같은 게이트 구조체를 형성한 후 식각을 통해 게이트 영역을 형성하여 NON 적층구조의 터널링 절연막이 포함된 전하 트랩형 비휘발성 메모리 소자의 구조를 나타낸 단면도이다.FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a structure of a charge trapping nonvolatile memory device including a tunneling insulating layer having a NON stacked structure by forming a gate region through etching after forming the gate structure as shown in FIG. 3D.

도 5a 및 5b는 도 4의 소자에서 B - B' 방향으로의 단면 구조에 대한 기록 및 소거 모드 시의 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸다. 5A and 5B show energy band diagrams in write and erase modes for the cross-sectional structure in the direction B-B 'in the device of FIG.

도 6은 본 발명에 따른 전하트랩형 비휘발성 메모리 소자의 기록 특성을 나타내는 도면이다. 6 is a diagram showing the write characteristics of the charge trap type nonvolatile memory device according to the present invention.

도 7은 본 발명에 따른 전하트랩형 비휘발성 메모리 소자의 소거 특성을 나타내는 도면이다.7 is a diagram illustrating erase characteristics of a charge trap type nonvolatile memory device according to the present invention.

도 8은 본 발명에 따른 전하트랩형 비휘발성 메모리 소자의 내구성을 나타내는 도면이다.8 is a view showing the durability of the charge trap type nonvolatile memory device according to the present invention.

도 9는 본 발명에 따른 전하트랩형 비휘발성 메모리 소자의 데이터 보존 특성을 나타내는 도면이다.9 is a view showing data retention characteristics of a charge trap type nonvolatile memory device according to the present invention.

도 10은 본 발명에 따른 전하트랩형 비휘발성 메모리 소자를 제조하는 방법을 단계적으로 나타낸 흐름도이다.10 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a charge trap type nonvolatile memory device according to the present invention.

Claims (7)

반도체 기판, 상기 기판 상에 소스 및 드레인 영역을 형성하고 상기 기판을 식각하여 상기 소스 및 드레인 영역보다 낮게 형성된 트랜치 채널을 포함하는 트랜치형 게이트 구조체를 포함하는 반도체 메모리 소자에 있어서, 상기 트랜치형 게이트 구조체는12. A semiconductor memory device comprising a semiconductor substrate, a trench type gate structure including a trench channel having a source and a drain region formed on the substrate and etching the substrate to form a lower channel than the source and drain regions. Is 상기 식각된 트랜치 채널의 사이드 벽면에 사이드월 스페이서(sidewall spacer) 구조의 소스 및 드레인 확장(Source Drain Extension : SDE) 영역, A source drain drain (SDE) region of a sidewall spacer structure on a side wall of the etched trench channel, 상기 트랜치 채널 상에 3 nm 이하 두께의 실리콘 질화막(Si3N4)으로 형성되는 제 1 터널링 절연막,A first tunneling insulating layer formed of a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) having a thickness of 3 nm or less on the trench channel; 상기 제 1 터널링 절연막 상에 상기 제 1 터널링 절연막보다 높은 전도대 에너지를 가지면서 4 nm 이하 두께의 실리콘 산화막(SiO2)으로 형성되는 제 2 터널링 절연막,A second tunneling insulating film formed on the first tunneling insulating film with a silicon oxide film (SiO 2 ) having a thickness of 4 nm or less while having a higher conduction band energy than the first tunneling insulating film, 상기 제 2 터널링 절연막 상에 4 nm 이하 두께의 실리콘 질화막으로 형성되는 제 3 터널링 절연막,A third tunneling insulating film formed on the second tunneling insulating film by a silicon nitride film having a thickness of 4 nm or less; 상기 제 3 터널링 절연막 상에 상기 실리콘 질화막보다 전도대 에너지 준위가 낮으며 10nm 이하 두께의 하프늄 산화막으로 형성되는 전하 트랩층,A charge trap layer formed of a hafnium oxide film having a lower conduction band energy level than the silicon nitride film and having a thickness of 10 nm or less on the third tunneling insulating film; 상기 전하 트랩층 상에 상기 하프늄 산화막보다 전도대의 에너지 준위가 높으며 20nm 이하 두께의 알루미늄 산화막으로 형성되는 블로킹 절연막, 및A blocking insulating film formed on the charge trap layer with an aluminum oxide film having a higher energy level than the hafnium oxide film and having a thickness of 20 nm or less, and 상기 블로킹 절연막 상에 형성되면서 4.5 eV 이상의 일함수를 갖는 금속 게이트 전극층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전하트랩형 비휘발성 메모리 소자. And a metal gate electrode layer formed on the blocking insulating layer and having a work function of 4.5 eV or more. 제1항에 있어서, 상기 트랜치 채널은 상기 사이드월 스페이서(sidewall spacer) 구조의 소스 및 드레인 확장(Source Drain Extension : SDE) 영역보다 더 낮게 형성되는 것을 특징으로 하는 전하트랩형 비휘발성 메모리 소자. The charge trap type nonvolatile memory device of claim 1, wherein the trench channel is formed lower than a source drain drain (SDE) region of the sidewall spacer structure. 삭제delete 삭제delete 반도체 기판 상에 소스와 드레인을 형성한 후 상기 반도체 기판을 식각하여 트랜치 채널을 형성하는 단계;Forming a trench channel by etching the semiconductor substrate after forming a source and a drain on the semiconductor substrate; 상기 식각된 트랜치 채널의 사이드 벽면에 사이드월 스페이서(sidewall spacer) 구조의 소스 및 드레인 확장(Source Drain Extension : SDE) 영역을 형성하는 단계;Forming a source drain drain (SDE) region of a sidewall spacer structure on a side wall of the etched trench channel; 상기 트랜치 채널 상에 3 nm 이하 두께의 실리콘 질화막(Si3N4)으로 이루어 진 제 1 터널링 절연막을 형성하는 단계;Forming a first tunneling insulating film formed of a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) having a thickness of 3 nm or less on the trench channel; 상기 제 1 터널링 절연막 상에 상기 제 1 터널링 절연막보다 높은 전도대 에너지를 가지면서 4 nm 이하 두께의 실리콘 산화막(SiO2)으로 이루어진 제 2 터널링 절연막을 형성하는 단계;Forming a second tunneling insulating layer on the first tunneling insulating layer, the second tunneling insulating layer having a higher conduction band energy than the first tunneling insulating layer and having a silicon oxide film (SiO 2 ) having a thickness of 4 nm or less; 상기 제 2 터널링 절연막 상에 4 nm 이하 두께의 실리콘 질화막(Si3N4)으로 이루어진 제 3 터널링 절연막을 형성하는 단계;Forming a third tunneling insulating film including a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) having a thickness of 4 nm or less on the second tunneling insulating film; 상기 제 3 터널링 절연막 상에 상기 실리콘 질화막(Si3N4)보다 전도대 에너지 준위가 낮으면서 10nm 이하 두께의 하프늄 산화막(HfO2)으로 이루어진 전하 트랩층을 형성하는 단계;Forming a charge trap layer including a hafnium oxide layer (HfO 2 ) having a conduction band energy level lower than that of the silicon nitride layer (Si 3 N 4 ) and having a thickness of 10 nm or less on the third tunneling insulating layer; 상기 전하 트랩층 상에 상기 하프늄 산화막(HfO2)보다 전도대의 에너지 준위가 높으면서 20nm 이하 두께의 알루미늄 산화막(Al2O3)으로 이루어진 블로킹 절연막을 형성하는 단계 및,Forming a blocking insulating layer formed of an aluminum oxide film (Al 2 O 3 ) having a thickness of 20 nm or less on the charge trap layer and having a higher energy level than that of the hafnium oxide film (HfO 2 ); 상기 블로킹 절연막 상에 4.5 eV 이상의 일함수를 갖는 게이트 전극층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전하트랩형 비휘발성 메모리 소자 제조방법.And forming a gate electrode layer having a work function of 4.5 eV or more on the blocking insulating layer. 삭제delete 삭제delete
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