KR20010011708A - An nonvolatile memory cell and fabricating method thereof - Google Patents

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KR20010011708A
KR20010011708A KR1019990031210A KR19990031210A KR20010011708A KR 20010011708 A KR20010011708 A KR 20010011708A KR 1019990031210 A KR1019990031210 A KR 1019990031210A KR 19990031210 A KR19990031210 A KR 19990031210A KR 20010011708 A KR20010011708 A KR 20010011708A
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박영근
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김영환
현대반도체 주식회사
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    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10BELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B41/00Electrically erasable-and-programmable ROM [EEPROM] devices comprising floating gates
    • H10B41/30Electrically erasable-and-programmable ROM [EEPROM] devices comprising floating gates characterised by the memory core region

Abstract

PURPOSE: A non-volatile memory cell and manufacturing method is to improve the coupling ratio and to embody high integration in EEP ROM and flash memory device. CONSTITUTION: The first gate(23) is formed like concaveness and the second gate(25) like convexity. Both gates(22,23) are in gear. Therefore, The coupling ratio increases with increasing contact area of both the gates. A source region(26) and a drain region(27) are formed in the substrate located at both lowers of the first gate(23). The source region(26) is common source with which neighbor cells share. The source region(26) improves the coupling ratio and operating speed of a program according to retainment of rich ions.

Description

비휘발성 메모리 셀 및 그 제조방법{An nonvolatile memory cell and fabricating method thereof}Nonvolatile memory cell and fabrication method

본 발명은 비휘발성 메모리 셀 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히, 만곡된 형태의 플로팅게이트와 만곡된 부위에 삽입되는 형태의 콘트롤게이트를 상호 요철 형태로 형성하므로서 커플링비를 향상시키고 소거특성을 확보하며 고집적도를 구현하여 프로그램 특성을 개선하는 이이피롬, 플래쉬 메모리소자 등을 포함하는 반도체장치의 비휘발성 메모리 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a nonvolatile memory cell and a method of manufacturing the same, and in particular, by forming a curved floating gate and a control gate inserted into a curved portion in a concave-convex shape to improve the coupling ratio and secure erase characteristics. The present invention relates to a nonvolatile memory device of a semiconductor device including an Ipyrom, a flash memory device, and the like, which implements high integration to improve program characteristics, and a method of manufacturing the same.

플래쉬 메모리 셀은 플로팅게이트(floating gate)와 콘트롤게이트(control gate)가 적층된 구조를 가지며 메모리 어레이 셀들을 동시에 소거(erase)시킬 수 있으므로 소거 속도가 빠른 비휘발성 메모리 소자이다.The flash memory cell is a nonvolatile memory device having a structure in which a floating gate and a control gate are stacked and can erase memory array cells simultaneously.

플래쉬 메모리 셀은 콘트롤게이트에 높은 전압을 인가하여 채널에서 형성되는 고온 열전자(hot-electron)가 플로팅게이트로 주입되어 프로그램 동작이 이루어 진다. 이 때, 콘트롤게이트에 인가되는 전압에 대해 플로팅게이트에 인가되는 전압의 비를 커플링 비(coupling ratio)라 하는 데, 이 커플링 비가 증대될수록 프로그램의 효율이 증가된다.In the flash memory cell, a high voltage is applied to the control gate, and hot-electrons formed in the channel are injected into the floating gate to perform a program operation. At this time, the ratio of the voltage applied to the floating gate with respect to the voltage applied to the control gate is called a coupling ratio. As the coupling ratio increases, the efficiency of the program increases.

소거 동작은 깊은 접합을 가지는 소오스영역에 고전압을 인가하여 파울러-노드하임(Fowler-Nordheim) 터널링의 메카니즘에 의해 플로팅게이트의 전자가 소오스영역 또는 반도체기판으로 주입되도록 하므로써 이루어진다. 또한, 별도의 소거 게이트를 추가하여 플로팅게이트에 저장된 전자를 소거 게이트로 터넬링시키는 것에 의해 소거 동작이 이루어질 수도 있다.The erase operation is performed by applying a high voltage to a source region having a deep junction to inject electrons of the floating gate into a source region or a semiconductor substrate by a mechanism of Fowler-Nordheim tunneling. In addition, an erase operation may be performed by adding an additional erase gate to tunnel electrons stored in the floating gate to the erase gate.

소거 동작시 효율을 향상시키기 위해서는 플로팅게이트 하부의 게이트절연막의 두께를 감소시키는 데, 이는 커플링 비를 작게하여 플로팅게이트에 인가되는 전압을 낮게한다. 그러므로, 커플링 비가 감소되지 않도록 하여 프로그램의 효율이 증가시키면서 소거 효율을 향상시켜야 한다.In order to improve the efficiency in the erase operation, the thickness of the gate insulating layer under the floating gate is reduced, which reduces the coupling ratio and lowers the voltage applied to the floating gate. Therefore, it is necessary to improve the erase efficiency while increasing the program efficiency by preventing the coupling ratio from decreasing.

도 1a와 도 1b는 종래 기술에 따른 비휘발성 메모리소자인 플래쉬 메모리 셀의 채널 길이방향 및 채널폭 방향에서 각각 바라본 단면도이다.1A and 1B are cross-sectional views respectively viewed in a channel length direction and a channel width direction of a flash memory cell which is a nonvolatile memory device according to the prior art.

도 1a와 도 1b를 참조하면, 활성영역과 격리영역을 정의하는 LOCOS 형의 필드산화막(11)이 형성된 P형의 반도체기판(10)의 소정 부분에 제 1 게이트절연막(12)을 개재시켜 불순물이 도핑된 다결정실리콘으로 이루어진 제 1 게이트로 플로팅게이트(13)가 형성된다.1A and 1B, an impurity is formed by interposing a first gate insulating film 12 in a predetermined portion of a P-type semiconductor substrate 10 having a LOCOS type field oxide film 11 defining an active region and an isolation region. The floating gate 13 is formed with a first gate made of this doped polycrystalline silicon.

그리고, 플로팅게이트(13) 상에 제 2 게이트절연막(14)을 개재시켜 제 2 게이트인 콘트롤게이트(15)가 형성된다. 상기에서 콘트롤게이트(15)는 채널의 길이 방향과 교차되는 줄무늬 형태로 길게 패터닝되어 형성된다.The control gate 15 serving as the second gate is formed on the floating gate 13 via the second gate insulating film 14. The control gate 15 is formed by patterning the strip in the form of stripes crossing the longitudinal direction of the channel.

플로팅게이트(13)의 양측 하단에 위치한 기판(10)에 N형의 불순물이 고농도로 도핑된 소오스영역(17)과 드레인영역(16)이 형성된다.The source region 17 and the drain region 16 doped with N-type impurities at a high concentration are formed in the substrate 10 positioned at both lower ends of the floating gate 13.

상술한 구조의 플레쉬 메모리 셀은 프로그램 동작시 소오스영역(17)을 접지시킨 상태에서 콘트롤게이트(15)에 12V 정도의 게이트전압(Vg)을 인가하고 드레인영역(16)에 5∼6V 정도의 드레인전압(Vd)을 인가한다. 이에, 콘트롤게이트(15)에 인가되는 게이트전압(Vg)에 의해 플로팅게이트(13) 하부의 반도체기판(10)에 채널이 형성되며, 드레인영역(16)에 인가되는 드레인전압(Vd)에 의해 가속되는 전자가 제 1 게이트절연막(12)의 에너지 장벽을 뛰어 넘어 플로팅게이트(13)로 주입된다. 그러므로, 셀은 문턱 전압이 높아지게 되어 프로그램된다.The flash memory cell having the above-described structure applies a gate voltage of about 12V to the control gate 15 while the source region 17 is grounded during a program operation, and drains about 5 to 6V to the drain region 16. The voltage Vd is applied. Accordingly, a channel is formed in the semiconductor substrate 10 under the floating gate 13 by the gate voltage Vg applied to the control gate 15, and the drain voltage Vd applied to the drain region 16. The accelerated electrons are injected into the floating gate 13 by crossing the energy barrier of the first gate insulating layer 12. Therefore, the cell is programmed with a high threshold voltage.

상기에서 프로그래밍 효율은 콘트롤게이트(15)에 인가되는 게이트전압(Vg)에 대해 플로팅게이트(13)에 유도되는 전압의 크기에 따라 좌우된다. 즉, 콘트롤게이트(15)에 인가되는 게이트전압(Vg)에 대해 플로팅게이트(13)에 유도되는 전압의 크기를 나타내는 커플링 비(coupling ratio)가 클수록 프로그래밍 효율이 향상된다. 커플링 비는 제 1 게이트절연막(12)의 정전 용량이 작거나, 또는, 제 2 게이트절연막(14)의 정전 용량이 증가될수록 크게된다. 그러므로, 제 2 게이트절연막(14)의 정전 용량을 증가시키기 위해 산화막-질화막-산화막(Oxide -Nitride-Oxide : 이하, ONO라 칭함) 구조로 형성할 수 있다.In the above, the programming efficiency depends on the magnitude of the voltage induced in the floating gate 13 with respect to the gate voltage Vg applied to the control gate 15. That is, the greater the coupling ratio representing the magnitude of the voltage induced in the floating gate 13 with respect to the gate voltage Vg applied to the control gate 15, the greater the programming efficiency. The coupling ratio becomes larger as the capacitance of the first gate insulating film 12 becomes smaller or as the capacitance of the second gate insulating film 14 increases. Therefore, in order to increase the capacitance of the second gate insulating film 14, the second gate insulating film 14 may be formed of an oxide-nitride-oxide (hereinafter referred to as ONO) structure.

플레쉬 메모리 셀에 프로그램된 데이터를 소거할 때에는 콘트롤게이트(15)를 접지시키거나, 또는, '­'전압으로 인가한 상태에서 소오스영역(17)에 15V 이상의 소오스전압(Vs)을 인가하여 플로팅게이트(13) 내의 전자를 소오스영역(17)으로 터널링시킨다. 상기에서 전자는 제 1 게이트절연막(12)을 통해 F-N 터넬링(Fowler -Nordheim tunneling) 메카니즘에 의해 플로팅게이트(13)에서 소오스영역(17)으로 전자가 이동되며, 이에 의해 셀은 문턱전압이 낮아져 소거된다. 이때, 비휘발성 메모리 소자가 EPROM 소자인 경우에는 자외선 소거법(UV erase method)를 사용하고, EEPROM & Flash 셀인 경우에는 소오스/드레인 혹은 벌크에 고전압을 인가하여 소거시킨다.When the data programmed into the flash memory cell is erased, the control gate 15 is grounded, or a source voltage Vs of 15 V or more is applied to the source region 17 while the voltage is applied to the floating gate. The electrons in 13 are tunneled to the source region 17. The electrons move from the floating gate 13 to the source region 17 by the FN tunneling mechanism through the first gate insulating layer 12, whereby the threshold voltage of the cell is lowered. Erased. In this case, when the nonvolatile memory device is an EPROM device, an ultraviolet erase method is used. In the case of an EEPROM & Flash cell, a high voltage is applied to a source / drain or bulk to erase the nonvolatile memory device.

또한, 이러한 비휘발성 메모리 소자의 읽기(read) 동작은 셀 트랜지스터의 문턱전압을 읽으므로서 셀의 온/오프 상태를 판정하는 것으로 이루어진다. 즉, 콘트롤게이트(15)에 5V를 인가하고 드레인(16)에 1V를 인가하면 프로그램 셀은 높은 상태의 문턱전압(최소 5V이상)으로 오프(off)가 되고, 소거 셀은 낮은 상태의 문턱전압으로 온(on)으로 판정한다.In addition, the read operation of the nonvolatile memory device consists of determining the on / off state of the cell by reading the threshold voltage of the cell transistor. That is, when 5V is applied to the control gate 15 and 1V is applied to the drain 16, the program cell is turned off to a high threshold voltage (at least 5V or more), and the erase cell is turned to a low threshold voltage. It is determined to be on.

그러나, 상술한 종래 기술은 LOCOS법으로 필드산화막을 형성하므로 새부리(bird's beak) 문제 등으로 셀의 집적도에 불리하고, 편평한 적층구조의 게이트를 형성하므로 제 1 게이트인 플로팅게이트와 제 2 게이트인 콘트롤게이트의 커플링비가 작아 프로그램 스피드특성이 저하되고, 이이피롬 및 플래쉬 셀(EEPROM & Flash Cell) 구현시 안정된 소거특성을 실현하기 곤란한 문제점이 있다.However, the conventional technique described above forms a field oxide film by the LOCOS method, which is disadvantageous to cell density due to a bird's beak problem and the like, and forms a flat stacked gate so that the first gate floating gate and the second gate control are formed. Since the coupling ratio of the gate is small, the program speed characteristic is lowered, and it is difficult to realize stable erase characteristics when implementing EPIROM and Flash Cell.

따라서, 본 발명의 목적은 만곡된 형태의 플로팅게이트와 만곡된 부위에 삽입되는 형태의 콘트롤게이트를 상호 요철 형태로 형성하므로서 커플링비를 향상시키고 소거특성을 확보하며 고집적도를 구현하여 프로그램 특성을 개선하는 이이피롬, 플래쉬 메모리소자 등을 포함하는 반도체장치의 비휘발성 메모리 셀 및 그 제조방법을 제공함에 있다.Accordingly, an object of the present invention is to form a floating gate having a curved shape and a control gate having a shape inserted into the curved portion in the form of mutual irregularities, thereby improving the coupling ratio, securing erase characteristics, and implementing high integration to improve program characteristics. The present invention provides a nonvolatile memory cell of a semiconductor device including an Ipyrom, a flash memory device, and the like, and a method of manufacturing the same.

이를 위하여 본 발명에 따른 비휘발성 메모리 셀은 제 1 도전형의 반도체기판과, 반도체기판 상의 소정 부분에 형성된 활성영역과 격리영역을 정의하는 요철형태의 절연막패턴과, 활성영역과 절연막패턴의 상부표면 일부에 연장되어 제 1 방향으로 형성된 제 1 게이트와, 제 1 게이트와 활성영역 기판 사이에 개재된 제 1 게이트절연막과, 제 1 게이트를 덮는 제 2 게이트절연막과, 제 2 게이트절연막을 덮으며 제 1 방향으로 길게 달리는 제 2 게이트와, 제 1 게이트 측면 하단의 활성영역에 제 2 방향으로 형성된 제 2 도전형 불순물확산영역을 포함하여 이루어진다.To this end, the nonvolatile memory cell according to the present invention includes a semiconductor substrate of a first conductivity type, an uneven insulating pattern defining an active region and an isolation region formed in a predetermined portion of the semiconductor substrate, and an upper surface of the active region and the insulating pattern. A first gate extending in a portion and formed in a first direction, a first gate insulating film interposed between the first gate and the active region substrate, a second gate insulating film covering the first gate, and a second gate insulating film; And a second gate running in one direction and a second conductivity type impurity diffusion region formed in the second direction in the active region at the lower end of the first gate side surface.

이를 위하여 또 다른 본 발명에 따른 비휘발성 메모리 셀 제조방법은 제 1 도전형 반도체기판의 소정부위에 활성영역을 노출시키는 절연막패턴을 형성하는 단계와, 활성영역의 소정부위에 제 1 게이트절연막을 개재시킨 제 1 게이트를 제 1 방향으로 절연막패턴의 측면 및 상부 표면 일부까지 연장되도록 소정 두께로 형성하는 단계와, 제 1 게이트의 노출된 표면을 덮는 제 2 게이트절연막을 형성하는 단계와, 제 2 게이트절연막을 덮는 제 2 게이트를 제 1 방향으로 길게 형성하는 단계와, 제 2 방향으로 활성영역에 제 1 게이트의 측면 하단 부위에 불순물 확산영역을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.To this end, another method of manufacturing a nonvolatile memory cell according to the present invention includes forming an insulating layer pattern exposing an active region on a predetermined portion of a first conductive semiconductor substrate, and interposing a first gate insulating layer on a predetermined portion of the active region. Forming the first gate with a predetermined thickness so as to extend to a part of the side surface and the upper surface of the insulating film pattern in the first direction, forming a second gate insulating film covering the exposed surface of the first gate, and forming a second gate. Forming a second gate covering the insulating layer in a first direction, and forming an impurity diffusion region in an active region in a second direction at a lower end portion of a side surface of the first gate in a second direction.

도 1a와 도 1b는 종래 기술에 따른 비휘발성 메모리 셀의 채널 길이방향 및 채널폭 방향에서 각각 바라본 단면도1A and 1B are cross-sectional views, respectively, as viewed in a channel length direction and a channel width direction of a conventional nonvolatile memory cell.

도 2a 내지 도 2c는 각각 본 발명에 따른 비휘발성 메모리 셀의 레이아웃, 채널폭방향 및 채널길이방향에서 바라본 단면도2A through 2C are cross-sectional views of a nonvolatile memory cell according to the present invention as viewed from the layout, channel width direction and channel length direction, respectively.

도 3a 내지 도 5는 본 발명에 따른 비휘발성 메모리 셀의 제조공정도로서 각각 채널길이방향 및 채널폭방향에서 바라본 공정단면도3A through 5 are cross-sectional views of a nonvolatile memory cell according to an embodiment of the present invention as viewed in a channel length direction and a channel width direction, respectively.

본 발명은 EEPROM, Flash 등 비휘발성 메모리(nonvolatile memory)의 셀을 구현함에 있어 프로그램 특성의 주요 요소중 하나인 커플링비(copling ratio)와 칩의 집적도를 향상시키는 메모리 셀 및 그 제조방법을 제공한다.The present invention provides a memory cell that improves the coupling ratio and chip integration, which are one of the main elements of program characteristics, in implementing nonvolatile memory cells such as EEPROM and Flash, and a manufacturing method thereof. .

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2a 내지 도 2c는 각각 본 발명에 따른 비휘발성 메모리 셀의 레이아웃, 채널폭방향 및 채널길이방향에서 바라본 단면도이며, 특히, 도 2b는 도 2a의 절단선 I-I'를 따라 절단된 단면도이고 도 2c는 도 2a의 절단선 II-II'에 따른 단면도이다.2A to 2C are cross-sectional views respectively viewed from a layout, a channel width direction, and a channel length direction of a nonvolatile memory cell according to the present invention, and FIG. 2B is a cross-sectional view taken along the line II ′ of FIG. 2A. FIG. 2C is a cross-sectional view taken along the line II-II ′ of FIG. 2A.

도 2a 내지 도 2c를 참조하면, 활성영역과 격리영역을 정의하는 산화막패턴(21)이 반도체기판(20)인 p형 실리콘기판(20)위의 소정 부위에 형성되어 있다. 이러한 산화막패턴(21)은 활성영역에는 형성되지 않고 격리영역의 기판(20)을 덮고 있다.2A to 2C, an oxide film pattern 21 defining an active region and an isolation region is formed on a predetermined portion on a p-type silicon substrate 20, which is a semiconductor substrate 20. The oxide layer pattern 21 is not formed in the active region and covers the substrate 20 in the isolation region.

활성영역을 가로지르며 제 2 게이트(25)인 콘트롤게이트(25)가 길게 수직방향으로 형성되어 있다.The control gate 25, which is the second gate 25 and crosses the active region, is formed in the vertical direction for a long time.

그리고, 도 2b에 도시된 바와 같이, 제 2 게이트(25) 하부에는 제 1 게이트(23)인 플로팅게이트(23)가 위치하며, 산화막패턴(21)을 사이에 두고 이웃한 제 1 게이트들과 서로 격리되어 있다. 또한, 채널폭 방향의 제 1 게이트(23)는 산화막패턴(21) 사이의 골을 일부 매립하며 산화막패턴(21)의 상부 일부까지 연장된 요(凹)자 형태를 이룬다. 한편, 제 1 게이트(23)와 활성영역의 실리콘 기판(20) 사이에는 산화막으로 이루어진 제 1 게이트절연막(22)이 개재되어 있다.As shown in FIG. 2B, the floating gate 23, which is the first gate 23, is positioned under the second gate 25, and the first gates adjacent to each other with the oxide layer pattern 21 therebetween. It is isolated from each other. In addition, the first gate 23 in the channel width direction partially fills the valleys between the oxide film patterns 21 and forms a yaw shape extending to an upper portion of the oxide film pattern 21. Meanwhile, a first gate insulating film 22 made of an oxide film is interposed between the first gate 23 and the silicon substrate 20 in the active region.

이때, 제 1 게이트(23)가 연장된 부위의 끝부위의 산화막패턴(21)은 상부 일부가 함몰된 형태를 갖는다.In this case, the oxide layer pattern 21 at the end of the portion where the first gate 23 extends may have a recessed upper portion.

함몰된 산화막패턴(21) 부위와 제 1 게이트(230 표면에는 산화막으로 이루어진 제 2 게이트절연막(24)이 제 2 게이트(25)와 동일한 패턴을 이루며 수직방향으로 길게 형성되어 있다. 즉, 제 2 게이트절연막(24)은 제 2 게이트(25)와 제 1 게이트(23) 사이에 개재되어 있다.A second gate insulating film 24 made of an oxide film is formed on the recessed oxide film pattern 21 portion and the surface of the first gate 230 to form the same pattern as that of the second gate 25 and extend in the vertical direction. The gate insulating film 24 is interposed between the second gate 25 and the first gate 23.

한편, 제 2 게이트(25)의 채널폭 방향의 단면구조는 요(凹)자 형태의 제 1 게이트(23)의 오목한 부위에 맞물리는 철(凸)자 형태를 이루어 제 2 게이트절연막(24)이 개재된 요철(凹凸)이 서로 맞물린 형태를 이룬다. 따라서, 제 2 게이트(25)와 제 1 게이트(23)의 대응 면적이 증가하여 커플링비를 향상시키고, F-N 터널링 효과를 이용한 소거 동작을 원활하게 한다.On the other hand, the cross-sectional structure of the second gate 25 in the channel width direction is in the form of an iron shape that engages with a concave portion of the first gate 23 having a concave shape to form a second gate insulating film 24. These intervening irregularities form the interlocking form. Therefore, the corresponding area of the second gate 25 and the first gate 23 is increased to improve the coupling ratio, and smooth the erase operation using the F-N tunneling effect.

제 1 게이트(23)의 양측 하단에 위치한 기판(20)에 N형의 불순물이 고농도로 도핑된 소스영역(26)과 드레인영역(27)이 형성된다. 이때, 소스영역(26)은 이웃한 셀과 공유하는 공통 소스이며, 이러한 소스영역(26)은 추가 이온주입으로 풍부한 전하를 보유하여 프로그램 동작시 향상된 커플링비와 더불어 프로그램 동작 속도를 향상시킨다. 또한 제 1 게이트(23) 하부에 대응하는 소스영역(26)과 드레인영역(27) 사이의 기판(20)부위는 채널영역이 된다.A source region 26 and a drain region 27 doped with N-type impurities at a high concentration are formed on the substrate 20 positioned at both lower ends of the first gate 23. In this case, the source region 26 is a common source shared with neighboring cells, and the source region 26 retains abundant charge by additional ion implantation, thereby improving the program operation speed as well as an improved coupling ratio during the program operation. In addition, the portion of the substrate 20 between the source region 26 and the drain region 27 corresponding to the lower portion of the first gate 23 becomes a channel region.

상술한 구조의 비휘발성 메모리 셀은 프로그램 동작시 소오스영역(26)을 접지시킨 상태에서 제 2 게이트(25)인 콘트롤게이트에 12V 정도의 게이트전압(Vg)을 인가하여 채널영역을 인버젼(inversion)시키고 드레인영역(27)에 7V 정도의 드레인전압(Vd)을 인가한다. 이에, 콘트롤게이트(25)에 인가되는 게이트전압(Vg)에 의해 플로팅게이트(23) 하부의 반도체기판(20)에 채널이 형성되며, 드레인영역(27)에 인가되는 드레인전압(Vd)에 의해 가속되는 전자가 제 1 게이트절연막(22)의 에너지 장벽을 뛰어 넘어 플로팅게이트(23)로 주입된다. 그러므로, 셀은 문턱 전압이 높아지게 되어 프로그램된다. 이때, 전술한 바와 같이, 소스영역(26)의 추가 이온주입으로 풍부한 전하와 향상된 커플링비 덕분에 프로그램 동작 속도가 향상된다.The nonvolatile memory cell having the above-described structure inverts the channel region by applying a gate voltage Vg of about 12V to the control gate, which is the second gate 25, with the source region 26 grounded during a program operation. And a drain voltage Vd of about 7V is applied to the drain region 27. Accordingly, a channel is formed in the semiconductor substrate 20 under the floating gate 23 by the gate voltage Vg applied to the control gate 25, and the drain voltage Vd applied to the drain region 27. The accelerated electrons are injected into the floating gate 23 by crossing the energy barrier of the first gate insulating layer 22. Therefore, the cell is programmed with a high threshold voltage. At this time, as described above, the program operation speed is improved due to the rich charge and the improved coupling ratio by the additional ion implantation of the source region 26.

상기에서 프로그래밍 효율은 콘트롤게이트(25)에 인가되는 게이트전압(Vg)에 대해 플로팅게이트(23)에 유도되는 전압의 크기에 따라 좌우된다. 즉, 콘트롤게이트(25)에 인가되는 게이트전압(Vg)에 대해 플로팅게이트(23)에 유도되는 전압의 크기를 나타내는 커플링 비(coupling ratio)가 클수록 프로그래밍 효율이 향상된다. 커플링 비는 제 1 게이트절연막(22)의 정전 용량이 작거나, 또는, 제 2 게이트절연막(24)의 정전 용량이 증가될수록 크게된다. 그러므로, 본 발명에서는 제 2 게이트절연막(24)의 정전 용량을 증가시키기 위해 산화막-질화막-산화막(Oxide -Nitride-Oxide : 이하, ONO라 칭함)으로 형성하고 플로팅게이트와 콘트롤게이트의 대응면적을 증가시키는 요철형 구조를 형성한다.In the above, the programming efficiency depends on the magnitude of the voltage induced in the floating gate 23 with respect to the gate voltage Vg applied to the control gate 25. That is, the greater the coupling ratio representing the magnitude of the voltage induced in the floating gate 23 with respect to the gate voltage Vg applied to the control gate 25, the greater the programming efficiency. The coupling ratio becomes larger as the capacitance of the first gate insulating film 22 becomes smaller or as the capacitance of the second gate insulating film 24 increases. Therefore, in the present invention, in order to increase the capacitance of the second gate insulating film 24, an oxide-nitride-oxide film (hereinafter referred to as ONO) is formed and the corresponding area of the floating gate and the control gate is increased. To form a concave-convex structure.

플레쉬 메모리 셀에 프로그램된 데이터를 소거할 때에는 콘트롤게이트(25)를 접지시키거나, 또는, '­'전압으로 인가한 상태에서 소오스영역(26)에 15V 이상의 고전압으로 소오스전압(Vs)을 인가하여 플로팅게이트(23) 내의 전자를 소오스영역(26)으로 터널링시킨다. 상기에서 전자는 제 1 게이트절연막(22)을 통해 F-N 터넬링(Fowler -Nordheim tunneling) 메카니즘에 의해 플로팅게이트(23)에서 소오스영역(26)으로 전자가 이동되며, 이에 의해 셀은 문턱전압이 낮아져 소거된다.When erasing the data programmed in the flash memory cell, the control gate 25 is grounded or floated by applying a source voltage Vs to the source region 26 at a high voltage of 15 V or more while being applied as a '' voltage. The electrons in the gate 23 are tunneled into the source region 26. The electrons move from the floating gate 23 to the source region 26 by the FN tunneling mechanism through the first gate insulating layer 22, whereby the cell has a low threshold voltage. Erased.

또한, 이러한 비휘발성 메모리 소자의 읽기(read) 동작은 셀 트랜지스터의 문턱전압을 읽으므로서 셀의 온/오프 상태를 판정하는 것으로 이루어진다. 즉, 콘트롤게이트(25)에 5V를 인가하고 드레인(27)에 1V를 인가하면 프로그램 셀은 높은 상태의 문턱전압(최소 5V이상)으로 오프(off)가 되고, 소거 셀은 낮은 상태의 문턱전압으로 온(on)으로 판정한다.In addition, the read operation of the nonvolatile memory device consists of determining the on / off state of the cell by reading the threshold voltage of the cell transistor. That is, when 5V is applied to the control gate 25 and 1V is applied to the drain 27, the program cell is turned off to a high threshold voltage (at least 5V or more), and the erase cell is turned to a low threshold voltage. It is determined to be on.

도 3a 내지 도 5는 본 발명에 따른 비휘발성 메모리 셀의 제조공정도로서 각각 채널길이방향 및 채널폭방향에서 바라본 공정단면도이다.3A to 5 are process cross-sectional views of a nonvolatile memory cell according to the present invention as viewed in a channel length direction and a channel width direction, respectively.

도 3a와 도 3b를 참조하면, p형 반도체기판(20)인 실리콘 기판(21) 위에 절연막을 두껍게 증착하여 형성한 다음 소정 형태로 패터닝하여 활성영역과 격리영역을 정의하는 절연막패턴(21)을 형성한다. 이때, 절연막패턴(21)은 HLD 등의 산화막을 화학기상증착법으로 형성한 다음 포토리쏘그래피(photolithography)로 패터닝하여 형성한다. 따라서, 메모리 소자의 활성영역이 되는 기판(20) 표면이 노출된다.Referring to FIGS. 3A and 3B, an insulating film pattern 21 defining an active region and an isolation region is formed by depositing a thick insulating film on a silicon substrate 21, which is a p-type semiconductor substrate 20, and then patterning a predetermined shape. Form. In this case, the insulating film pattern 21 is formed by forming an oxide film such as HLD by chemical vapor deposition and then patterning the photolithography. Thus, the surface of the substrate 20, which is an active region of the memory device, is exposed.

그리고, 노출된 기판(20)의 표면을 열산화 방법으로 산화시켜 열산화막을 형성한 다음, 플로팅게이트인 제 1 게이트를 형성하기 위하여 제 1 도전층으로 불순물이 도핑된 폴리실리콘을 화학기상증착법으로 열산화막과 절연막패턴(21)의 표면에 소정 두께로 형성한다.Then, the surface of the exposed substrate 20 is oxidized by a thermal oxidation method to form a thermal oxide film, and then polysilicon doped with impurities to the first conductive layer to form a first gate, which is a floating gate, is formed by chemical vapor deposition. It is formed on the surface of the thermal oxide film and the insulating film pattern 21 to have a predetermined thickness.

그다음, 포토리쏘그래피로 제 1 도전층과 열산화막을 일차 패터닝하여 제 1 방향으로 잔류한 띠형태로 제 1 도전층과 열산화막을 잔류시킨다. 이때, 잔류한 열산화막(22)은 제 1 게이트절연막(22)이 된다. 이때, 제 1 방향은 채널폭방향 즉, 소스/드레인영역과 직교하는 방향이다.Next, the first conductive layer and the thermal oxide film are first patterned by photolithography to leave the first conductive layer and the thermal oxide film in the form of a band remaining in the first direction. At this time, the remaining thermal oxide film 22 becomes the first gate insulating film 22. In this case, the first direction is a channel width direction, that is, a direction orthogonal to the source / drain region.

잔류한 제 1 도전층에 다시 포토리쏘그래피로 이차 패터닝하여 절연막패턴(21)의 일부 표면을 노출시킨다. 이때, 식각되는 방향은 제 1 방향과 직교하는 제 2 방향으로 한다. 따라서, 이차 패터닝된 제 1 도전층은 플로팅게이트인 제 1 게이트(23)가 되며, 절연막패턴(21)을 사이에 두고 이웃한 제 1 게이트들과 서로 격리되어 있다. 또한, 채널폭 방향의 제 1 게이트(23)는 산화막패턴(21) 사이의 골을 일부 매립하며 산화막패턴(21)의 상부 일부까지 연장된 요(凹)자 형태를 이룬다. 한편, 전술한 바와 같이, 제 1 게이트(23)와 활성영역의 실리콘 기판(20) 사이에는 산화막으로 이루어진 제 1 게이트절연막(22)이 개재되어 있다.Partial surface of the insulating film pattern 21 is exposed by second patterning again on the remaining first conductive layer by photolithography. At this time, the etching direction is a second direction perpendicular to the first direction. Accordingly, the second patterned first conductive layer becomes a first gate 23 that is a floating gate, and is isolated from neighboring first gates with an insulating layer pattern 21 therebetween. In addition, the first gate 23 in the channel width direction partially fills the valleys between the oxide film patterns 21 and forms a yaw shape extending to an upper portion of the oxide film pattern 21. As described above, a first gate insulating film 22 made of an oxide film is interposed between the first gate 23 and the silicon substrate 20 in the active region.

도 4a와 도 4b를 참조하면, 제 1 게이트(23)를 식각마스크패턴으로 이용하여 노출된 절연막패턴의 일부를 제거하여 홈을 형성한다.4A and 4B, a groove is formed by removing a portion of the exposed insulating layer pattern by using the first gate 23 as an etch mask pattern.

제 1 게이트(23)의 노출된 표면과 절연막패턴(21)을 포함하는 기판의 전면에 제 2 게이트절연막 형성용 산화막을 형성한 다음 플로팅게이트를 형성하기 위하여 그 위에 불순물이 도핑된 폴리실리콘을 사용하여 제 2 도전층을 증착한다. 이때, 제 2 게이트절연막은 정전용량을 향상시키기 위하여 ONO막으로 형성할 수 있다.An oxide film for forming a second gate insulating film is formed on the exposed surface of the first gate 23 and the substrate including the insulating film pattern 21, and then polysilicon doped with impurities is formed thereon to form a floating gate. To deposit the second conductive layer. In this case, the second gate insulating film may be formed as an ONO film to improve capacitance.

그리고, 제 1 게이트(23) 일차 패터닝시와 동일한 형태를 갖도록 제 2 도전층과 산화막에 포토리쏘그래피로 식각을 실시하여 잔류한 제 2 도전층으로 이루어진 콘트롤게이트인 제 2 게이트(25)와 잔류한 산화막으로 이루어진 제 2 게이트절연막(24)을 형성한다. 이때, 제 2 게이트(25)는 요(凹)자 형태의 제 1 게이트(23)의 오목한 부위에 맞물리는 철(凸)자 형태를 이루어 제 2 게이트절연막(24)이 개재된 요철(凹凸)이 서로 맞물린 형태를 이루고, 또한, 절연막패턴(21)의 홈부위에서도 제 1 게이트(23)와 제 2 게이트(25)는 일부 요촐형태를 이룬다. 따라서, 제 2 게이트(25)와 제 1 게이트(23)의 대응 면적이 증가하여 커플링비를 향상시키고, F-N 터널링 효과를 이용한 소거 동작을 원활하게 한다.In addition, the second gate 25, which is a control gate including a second conductive layer remaining by performing photolithography etching on the second conductive layer and the oxide film so as to have the same shape as in the first patterning of the first gate 23, remains. A second gate insulating film 24 made of one oxide film is formed. At this time, the second gate 25 has an iron shape that engages with the concave portion of the first gate 23 having a concave shape to form an unevenness having the second gate insulating film 24 interposed therebetween. The first gate 23 and the second gate 25 form some concave shape at the grooves of the insulating film pattern 21. Therefore, the corresponding area of the second gate 25 and the first gate 23 is increased to improve the coupling ratio, and smooth the erase operation using the F-N tunneling effect.

도 5를 참조하면, 노출된 활성영역에 n형 불순물 이온주입을 고농도로 실시하여 소스영역(26)과 드레인영역(27)을 형성한다. 그리고, 포토마스킹공정으로 이온주입마스크를 형성하여 다시 소스영역(26)에만 n형 불순물 이온주입을 추가로 실시한다.Referring to FIG. 5, the source region 26 and the drain region 27 are formed by performing a high concentration of n-type impurity ions in the exposed active region. Then, an ion implantation mask is formed by a photomasking process, and n-type impurity ion implantation is further performed only in the source region 26.

이때, 소스영역(26)은 이웃한 셀과 공유하는 공통 소스이며, 이러한 소스영역(26)은 추가 이온주입으로 풍부한 전하를 보유하여 프로그램 동작시 향상된 커플링비와 더불어 프로그램 동작 속도를 향상시킨다. 또한 제 1 게이트(23) 하부에 대응하는 소스영역(26)과 드레인영역(27) 사이의 기판(20)부위는 채널영역이 된다.In this case, the source region 26 is a common source shared with neighboring cells, and the source region 26 retains abundant charge by additional ion implantation, thereby improving the program operation speed as well as an improved coupling ratio during the program operation. In addition, the portion of the substrate 20 between the source region 26 and the drain region 27 corresponding to the lower portion of the first gate 23 becomes a channel region.

본 발명의 실시예는 소자격리를 위한 절연막패턴(21)을 화학기상증착법으로 형성한 산화막패턴으로 형성하였으나 종래의 LOCOS법으로 형성한 필드산화막에도 적용될 수 있다.The embodiment of the present invention is formed by the oxide film pattern formed by the chemical vapor deposition method of the insulating film pattern 21 for device isolation can be applied to the field oxide film formed by the conventional LOCOS method.

따라서, 본 발명은 절연막패턴의 요철구조를 이용하여 구부러진 형태의 제 1 게이트를 형성하므로 제 2 게이트와의 커플링 비를 증가시키고 추가 이온주입된 소스영역을 형성하여 프로그래밍 특성과 소거동작 특성을 개선하고, 공통소스 구조를 구현하여 소자의 집적도를 향상시키는 장점이 있다.Therefore, the present invention forms the first gate having a bent shape using the uneven structure of the insulating film pattern, thereby increasing the coupling ratio with the second gate and forming an additional ion implanted source region to improve the programming characteristics and the erase operation characteristics. In addition, there is an advantage of improving the integration degree of the device by implementing a common source structure.

Claims (8)

제 1 도전형의 반도체기판과,A first conductive semiconductor substrate, 상기 반도체기판 상의 소정 부분에 형성된 활성영역과 격리영역을 정의하는 요철형태의 절연막패턴과,An uneven insulating pattern defining an active region and an isolation region formed in a predetermined portion on the semiconductor substrate; 상기 활성영역과 상기 절연막패턴의 상부표면 일부에 연장되어 제 1 방향으로 형성된 제 1 게이트와,A first gate extending in a portion of the upper surface of the active region and the insulating layer pattern in a first direction; 상기 제 1 게이트와 상기 활성영역 기판 사이에 개재된 제 1 게이트절연막과,A first gate insulating film interposed between the first gate and the active region substrate; 상기 제 1 게이트를 덮는 제 2 게이트절연막과,A second gate insulating film covering the first gate; 상기 제 2 게이트절연막을 덮으며 상기 제 1 방향으로 길게 달리는 제 2 게이트와,A second gate covering the second gate insulating layer and running long in the first direction; 상기 제 1 게이트 측면 하단의 상기 활성영역에 제 2 방향으로 형성된 제 2 도전형 불순물확산영역으로 이루어지는 비휘발성 메모리 셀.And a second conductivity type impurity diffusion region formed in the active region under the first gate side surface in a second direction. 청구항 1에 있어서 상기 절연막패턴의 상부는 상기 제 1 게이트가 연장된 부위의 끝 부위가 함몰된 형태인 것이 특징인 비휘발성 메모리 셀.The nonvolatile memory cell of claim 1, wherein an upper portion of the insulating layer pattern is recessed in an end portion of a portion in which the first gate extends. 청구항 1에 있어서, 상기 불순물 확산영역의 소스는 이우한 셀과 공통으로 사용하는 공통소스인 것이 특징인 비휘발성 메모리 셀.The nonvolatile memory cell of claim 1, wherein the source of the impurity diffusion region is a common source commonly used with Yiwu cells. 제 1 도전형 반도체기판의 소정부위에 활성영역을 노출시키는 절연막패턴을 형성하는 단계와,Forming an insulating film pattern exposing an active region on a predetermined portion of the first conductive semiconductor substrate; 상기 활성영역의 소정부위에 제 1 게이트절연막을 개재시킨 제 1 게이트를 제 1 방향으로 상기 절연막패턴의 측면 및 상부 표면 일부까지 연장되도록 소정 두께로 형성하는 단계와,Forming a first gate having a first gate insulating film interposed in a predetermined portion of the active region to a predetermined thickness in a first direction so as to extend to a part of the side surface and the upper surface of the insulating film pattern; 상기 제 1 게이트의 노출된 표면을 덮는 제 2 게이트절연막을 형성하는 단계와,Forming a second gate insulating film covering the exposed surface of the first gate; 상기 제 2 게이트절연막을 덮는 제 2 게이트를 상기 제 1 방향으로 길게 형성하는 단계와,Forming a second gate covering the second gate insulating layer in the first direction, 상기 제 2 방향으로 상기 활성영역에 상기 제 1 게이트의 측면 하단 부위에 불순물 확산영역을 형성하는 단계로 이루어진 비활성 메모리 셀 제조방법.And forming an impurity diffusion region in the active region in the second direction and in the lower region of the side surface of the first gate in the second direction. 청구항 1에 있어서, 상기 절연막패턴은 절연막을 화학기상증착법으로 증착한 후 패터닝하여 형성하는 것이 특징인 비휘발성 메모리 셀 제조방법.The method of claim 1, wherein the insulating layer pattern is formed by depositing an insulating layer by chemical vapor deposition and then patterning the insulating layer. 청구항 1에 있어서, 상기 절연막패턴은 상기 제 1 게이트가 연장된 부위에서 함몰된 상부구조를 갖도록 형성하는 것이 특징인 비휘발성 메모리 셀 제조방법.The method of claim 1, wherein the insulating layer pattern is formed to have an upper structure recessed in a portion where the first gate extends. 청구항 1에 있어서, 상기 불순물 확산영역의 소스영역은 추가이온주입으로 불순물 이온의 농도를 증가시키는 것이 특징인 비휘발성 메모리 셀 제조방법.The method of claim 1, wherein the source region of the impurity diffusion region increases the concentration of impurity ions by additional ion implantation. 청구항 7에 있어서, 상기 소스영역은 이웃한 셀과 공통으로 사용하는 공통 소스영역인 것이 특징인 비휘발성 메모리 셀 제조방법.The method of claim 7, wherein the source region is a common source region commonly used with neighboring cells.
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