KR20010060548A - Flash EEPROM cell and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 플래쉬 이이피롬 셀 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 일부분이 중첩되며 전기적으로 분리된 이중 플로팅 게이트를 이용하여, 집적도를 향상시키고, 데이터 리텐션(data retention) 특성 디스터브(disturb) 특성을 개선시키고, 전자 주입시 소요되는 시간을 줄여 프로그램 효율을 높일 수 있는 플래쉬 이이피롬 셀 및 그 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a flash ypyrom cell and a method of fabricating the same, and in particular, by using a double floating gate in which portions are overlapped and electrically separated from each other, to improve integration, and to improve data retention characteristic disturbance characteristics. The present invention relates to a flash Y pyrom cell and a method of manufacturing the same, which can improve program efficiency by reducing the time required for electron injection.
현재 플래쉬 이이피롬의 대중화를 가로막고 있는 가장 큰 장애점은 단위 정보량당 비용이 크다는 것이다. 이를 위해서는 셀의 고집적화가 필수적이며, 각 제조 업체는 이를 위해 연구에 몰두하고 있는 실정이다. 그러나 플래쉬 이이피롬은 그 구조가 DRAM에 비해 상대적으로 복잡하므로 고집적화에 많은 어려움이 있다.Currently, the biggest obstacle to the popularization of flash Y pyrom is the high cost per unit of information. For this purpose, high integration of cells is essential, and each manufacturer is focusing on research for this purpose. However, since the flash Y pyrom structure is relatively complicated compared to DRAM, there are many difficulties in high integration.
현재 인텔(Intel)사에서 발표한 스트라타 플래쉬(Strata Flash)는 최초로 발표된 멀티 레벨 셀을 이용한 제품이나 프로그램시 매우 작은 양의 전자 예를 들어, 약 3000개 정도의 전자를 조금씩 차례로 주입하여 원하는 준위까지 프로그램시키는 방식을 사용한다. 이로 인해 다량의 데이터를 기록할 때 많은 시간이 소요되는 문제가 있다.Currently, Intel's Strata Flash is the first level of multi-level cells to be used in products or programs, which inject very small amounts of electrons, for example, about 3000 electrons in small increments, at the desired level. Use the programming method up to. This causes a problem that takes a long time when recording a large amount of data.
플래쉬 이이피롬 셀의 고집적화가 진행됨에 따라 셀당 기록 시간을 줄이기 위해 일반적으로 파울러-노드하임 터널링(F-N tunneling)을 프로그램/소거시 사용한다. 그러나 이를 위해서는 얇은 터널 산화막이 필요하고, 이는 데이터 리텐션 특성 및 디스터브 특성의 열화로 이어지므로 제품의 신뢰성에 문제를 일으킬 수 있다.As high integration of flash Ipyrom cells proceeds, F-N tunneling is generally used for program / erase to reduce the recording time per cell. However, this requires a thin tunnel oxide film, which leads to deterioration of data retention characteristics and disturbance characteristics, which may cause problems in product reliability.
따라서, 본 발명은 일부분이 중첩되며 전기적으로 분리된 이중 플로팅 게이트를 이용하여, 집적도를 향상시키고, 데이터 리텐션(data retention) 특성 디스터브(disturb) 특성을 개선시키고, 전자 주입시 소요되는 시간을 줄여 프로그램 효율을 높일 수 있는 플래쉬 이이피롬 셀 및 그 제조 방법을 제공함에 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention uses dual floating gates that are partially overlapped and electrically separated to improve density, improve data retention characteristic disturbation characteristics, and reduce the time required for electron injection. It is an object of the present invention to provide a flash Y pyrom cell and a method of manufacturing the same which can increase program efficiency.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 플래쉬 이이피롬 셀은 제 1 터널 산화막에 의해 반도체 기판과 전기적으로 분리되도록 형성되는 제 1 플로팅 게이트; 제 2 터널 산화막에 의해 반도체 기판과 전기적으로 분리되며, 절연막 스페이서 및 제 1 유전체막에 의해 상기 제 1 플로팅 게이트와 전기적으로 분리되며, 상기 제 1 플로팅 게이트와 일부분이 중첩되도록 형성되는 제 2 플로팅 게이트; 제 2 유전체막에 의해 상기 제 1 및 제 2 플로팅 게이트와 전기적으로 분리되도록 형성되는 콘트롤 게이트; 및 콘트롤 게이트의 양측 종단에 의해 자기정렬방식으로 형성되는 소오스 및 드레인을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.The flash ypyrom cell of the present invention for achieving the above object comprises a first floating gate formed to be electrically separated from the semiconductor substrate by a first tunnel oxide film; A second floating gate electrically separated from the semiconductor substrate by a second tunnel oxide layer, electrically separated from the first floating gate by an insulating layer spacer and a first dielectric layer, and formed to overlap a portion of the first floating gate. ; A control gate formed to be electrically separated from the first and second floating gates by a second dielectric film; And a source and a drain formed in a self-aligning manner by both ends of the control gate.
또한, 본 발명의 플래쉬 이이피롬 셀 제조 방법은 반도체 기판상에 제 1 터널 산화막 및 제 1 폴리실리콘층을 증착한 후 패터닝하는 단계; 상기 패터닝된 제 1 폴리실리콘층의 식각된 측벽에 절연막 스페이서를 형성하고, 상부에 제 1 유전체막을 형성하는 단계; 제 2 터널 산화막 및 제 2 폴리실리콘층을 증착한 후 패터닝하는 단계; 전체구조상에 제 2 유전체막 및 제 3 폴리실리콘층을 형성한 후, 자기정렬방식으로 상기 제 3, 제 2 및 제 1 폴리실리콘층을 식각하고, 이로인하여 제 1 플로팅 게이트, 제 2 플로팅 게이트 및 콘트롤 게이트가 형성되는 단계; 및 셀 소오스/드레인 이온 주입 공정을 자기정렬방식으로 진행하여 소오스 및 드레인을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.In addition, the method of manufacturing a flash ypyrom cell of the present invention comprises the steps of depositing and patterning a first tunnel oxide film and a first polysilicon layer on a semiconductor substrate; Forming an insulating film spacer on the etched sidewalls of the patterned first polysilicon layer and forming a first dielectric film thereon; Depositing and patterning a second tunnel oxide film and a second polysilicon layer; After the second dielectric film and the third polysilicon layer are formed on the entire structure, the third, second and first polysilicon layers are etched by a self-alignment method, thereby forming a first floating gate, a second floating gate, and Forming a control gate; And forming a source and a drain by performing a cell source / drain ion implantation process in a self-aligning manner.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 실시예에 따른 플래쉬 이이피롬 셀 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도.1A to 1C are cross-sectional views of a device for explaining a flash ypyrom cell and a method of manufacturing the same according to an embodiment of the present invention.
도 2는 도 1c에서 드레인쪽에 위치된 제 1 플로팅 게이트의 전위에 따른 소오스쪽에 위치된 스플릿-타입의 제 2 플로팅 게이트의 문턱전압 변화를 나타낸 그래프.FIG. 2 is a graph showing a change in the threshold voltage of a split-type second floating gate located on the source side according to the potential of the first floating gate located on the drain side in FIG.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
11: 반도체 기판 12: 제 1 터널 산화막11: semiconductor substrate 12: first tunnel oxide film
13: 제 1 폴리실리콘층 (제 1 플로팅 게이트) 14: 절연막 스페이서13: first polysilicon layer (first floating gate) 14: insulating film spacer
15: 제 1 유전체막 16: 제 2 터널 산화막15: first dielectric film 16: second tunnel oxide film
17: 제 2 폴리실리콘층 (제 2 플로팅 게이트) 18: 제 2 유전체막17: second polysilicon layer (second floating gate) 18: second dielectric film
19: 제 3 폴리실리콘층 (콘트롤 게이트) 20a: 소오스19: third polysilicon layer (control gate) 20a: source
20b: 드레인20b: drain
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 실시예에 따른 플래쉬 이이피롬 셀 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도이고, 도 2는 도 1c에서 드레인쪽에 위치된 제 1 플로팅 게이트의 전위에 따른 소오스쪽에 위치된 스플릿-타입의 제 2 플로팅 게이트의 문턱전압 변화를 나타낸 그래프이다.1A to 1C are cross-sectional views of a flash Y-pyrom cell according to an embodiment of the present invention and a method for manufacturing the same, and FIG. 2 is a source side of a first floating gate positioned at a drain side in FIG. 1C. A graph showing a threshold voltage change of the split-type second floating gate located.
도 1a를 참조하면, 반도체 기판(11)상에 제 1 터널 산화막(12)을 형성하고, 제 1 터널 산화막(12)상에 제 1 폴리실리콘층(13)을 증착한 후 패터닝하여 일부분을 확정(define)한다. 패터닝된 제 1 폴리실리콘층(13)의 식각된 측벽에 절연막 스페이서(14)를 형성한다.Referring to FIG. 1A, a first tunnel oxide film 12 is formed on a semiconductor substrate 11, a first polysilicon layer 13 is deposited on the first tunnel oxide film 12, and then patterned to determine a portion thereof. (define) An insulating film spacer 14 is formed on the etched sidewall of the patterned first polysilicon layer 13.
상기에서, 제 1 터널 산화막(12)은 파울러-노드하임 터널링(F-N tunneling)을 이용하여 셀당 기록 시간을 줄이기에 적합하도록 얇은 두께로 형성한다.In the above, the first tunnel oxide film 12 is formed to a thin thickness suitable for reducing the recording time per cell by using F-N tunneling (F-N tunneling).
도 1b를 참조하면, 패터닝된 제 1 폴리실리콘층(13)상에 제 1 유전체막(15)을 형성하고, 반도체 기판(11)에 제 2 터널 산화막(16)을 형성한다. 제 1 유전체막(15) 및 제 2 터널 산화막(16)의 상부에 제 2 폴리실리콘층(17)을 증착한 후 패터닝하여 일부분을 확정한다.Referring to FIG. 1B, the first dielectric layer 15 is formed on the patterned first polysilicon layer 13, and the second tunnel oxide layer 16 is formed on the semiconductor substrate 11. A second polysilicon layer 17 is deposited on the first dielectric film 15 and the second tunnel oxide film 16, and then patterned to determine a portion thereof.
상기에서, 제 2 터널 산화막(16)은 제 1 터널 산화막(16)처럼 얇게 형성할 필요가 없다. 그 이유는 후술하기로 한다.In the above, the second tunnel oxide film 16 need not be formed as thin as the first tunnel oxide film 16. The reason will be described later.
도 1c를 참조하면, 전체구조상에 제 2 유전체막(18)을 형성하고, 제 2 유전체막(18)상에 제 3 폴리실리콘층(19)을 형성한 후, 자기정렬방식으로 제 3 폴리실리콘층(19), 제 2 폴리실리콘층(17) 및 제 1 폴리실리콘층(13)을 식각하고, 이로인하여 제 1 폴리실리콘층으로된 제 1 플로팅 게이트(13), 제 2 폴리실리콘층으로된 제 2 플로팅 게이트(17) 및 제 3 폴리실리콘층으로된 콘트롤 게이트(19)가 완성된다. 셀 소오스/드레인 이온 주입 공정을 자기정렬방식으로 진행하여 제 2 플로팅 게이트(17) 쪽의 반도체 기판(11)에 소오스(20a)를, 제 1 플로팅 게이트(13) 쪽의 반도체 기판(11)에 드레인(20b)을 형성한다.Referring to FIG. 1C, after forming the second dielectric film 18 on the entire structure, and forming the third polysilicon layer 19 on the second dielectric film 18, the third polysilicon is formed in a self-aligned manner. The layer 19, the second polysilicon layer 17 and the first polysilicon layer 13 are etched, thereby forming a first floating gate 13 made of the first polysilicon layer and a second polysilicon layer. The control gate 19 of the second floating gate 17 and the third polysilicon layer is completed. The cell source / drain ion implantation process is performed in a self-aligning manner so that the source 20a is applied to the semiconductor substrate 11 on the second floating gate 17 side and the semiconductor substrate 11 on the first floating gate 13 side. The drain 20b is formed.
상기에서, 자기정렬 식각 방식으로 형성되는 제 1 플로팅 게이트(13)와 제 2 플로팅 게이트(17)는 제 2 플로팅 게이트(17)의 채널 길이 보다 제 1 플로팅 게이트(13)의 채널 길이가 짧게되도록 한다. 그 이유는 후술하기로 한다.In the above, the channel length of the first floating gate 13 is shorter than that of the first floating gate 13 and the second floating gate 17 formed by the self-aligned etching method. do. The reason will be described later.
상기한 공정으로 형성된 본 발명의 플래쉬 이이피롬 셀은 제 1 플로팅 게이트(13)가 제 1 터널 산화막(12)에 의해 반도체 기판(11)과 전기적으로 분리되도록 형성되며, 제 2 플로팅 게이트(17)가 제 2 터널 산화막(16)에 의해 반도체 기판(11)과 전기적으로 분리되며, 절연막 스페이서(14) 및 제 1 유전체막(15)에 의해 제 1 플로팅 게이트(13)와 전기적으로 분리되며, 제 1 플로팅 게이트(13)와 일부분이 중첩되어 스플릿-타입(split-type)으로 형성되며, 콘트롤 게이트(19)가 제 2 유전체막(18)에 의해 제 1 및 제 2 플로팅 게이트(13 및 17)와 전기적으로 분리되도록 형성되며, 소오스(20a) 및 드레인(20b)이 콘트롤 게이트(19)의 양측 종단에 의해 자기정렬방식으로 반도체 기판(11)에 형성되되, 소오스(20a)는 제 2 플로팅 게이트(17) 쪽에 위치되고, 드레인(20b)은 제 1 플로팅 게이트(13) 쪽에 위치된다.The flash Y pyrom cell of the present invention formed by the above process is formed such that the first floating gate 13 is electrically separated from the semiconductor substrate 11 by the first tunnel oxide film 12, and the second floating gate 17 is formed. Is electrically separated from the semiconductor substrate 11 by the second tunnel oxide film 16, and electrically separated from the first floating gate 13 by the insulating film spacer 14 and the first dielectric film 15. A portion of the first floating gate 13 is overlapped to form a split-type, and the control gate 19 is formed by the second dielectric layer 18 to form the first and second floating gates 13 and 17. And a source 20a and a drain 20b are formed on the semiconductor substrate 11 in a self-aligned manner by both ends of the control gate 19, and the source 20a is formed on the second floating gate. Located on the (17) side, the drain 20b is the first floating gate 13 It is located on the side.
본 발명의 실시예에서는 여러가지 상태가 가능한 셀로써, 실제적으로는 집적도를 크게 높인 효과를 얻고자 한다. 그리고 셀당 동일한 프로그램 속도를 얻기 위하여 기존의 스플릿 게이트형 셀의 프로그램 특성을 이용하는데, 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다.In the embodiment of the present invention, as a cell capable of various states, it is practical to obtain an effect of greatly increasing the degree of integration. In addition, the program characteristic of the existing split gate type cell is used to obtain the same program rate per cell. Referring to FIG.
도 2에서 전위를 낮은 전위인 "A"영역과 높은 전위인 "B"영역으로 나눌때, 만일 드레인(20b) 쪽의 제 1 플로팅 게이트(13)가 "A"영역에 있다면 결과의 제 2 플로팅 게이트(17)는 높은 문턱 전압을, "B"영역에 있다면 제 2 플로팅 게이트(17)는 낮은 문턱 전압을 가진다, 그러므로 원래 소거된 상태와, 높은 문턱 전압, 낮은 문턱 전압으로 3개의 전위가 가능하다.In FIG. 2, when the potential is divided into the low potential "A" region and the high potential "B" region, the second floating result is obtained if the first floating gate 13 on the drain 20b side is in the "A" region. The gate 17 has a high threshold voltage, and the second floating gate 17 has a low threshold voltage if in the " B " region, so three potentials are possible with the original erased state, high threshold voltage and low threshold voltage. Do.
프로그램시 제 1 단계에서 제 1 플로팅 게이트(13)의 전위를 "A"영역과 "B"영역으로 나누어 준 후, 제 2 단계에서 제 2 플로팅 게이트(17)를 동일한 시간 동안 기록하면 된다. 이때, 제 2 플로팅 게이트(17)의 기록은 채널 핫 일렉트론 주입을 이용하므로 얇은 산화막을 필요로 하지 않는다. 즉, 제 2 터널 산화막(16)으로 얇은 산화막을 필요로 하지 않으므로 신뢰성이 향상된다. 파울러-노드하임 터널링을 이용하는 제 1 플로팅 게이트(13)는 얇은 산화막(제 1 터널 산화막)이 필요하나 판독시 제 1 플로팅 게이트(13)의 문턱 전압의 영향을 무시할 수 있으므로 신뢰성의 향상을 기대할 수 있다.During programming, the potential of the first floating gate 13 may be divided into an "A" region and a "B" region in the first stage, and then the second floating gate 17 may be recorded for the same time in the second stage. At this time, writing of the second floating gate 17 does not require a thin oxide film because it uses channel hot electron injection. That is, since the thin oxide film is not required as the second tunnel oxide film 16, the reliability is improved. Although the first floating gate 13 using Fowler-Nordheim tunneling requires a thin oxide film (first tunnel oxide film), it is possible to ignore the influence of the threshold voltage of the first floating gate 13 at the time of reading, thereby improving reliability. have.
본 발명의 실시예에 의해 제조된 플래쉬 이이피롬 셀의 프로그램, 소거 및 판독 동작을 간단하게 설명하면 다음과 같다.The program, erase, and read operations of the flash Y pyrom cell produced by the embodiment of the present invention will be briefly described as follows.
프로그램시에는, 기판(11)을 접지한 후, 제 1 단계에서 드레인(20b)에 3V/5V, 콘트롤 게이트(19)에 -9V 정도를 가하여 제 1 플로팅 게이트(13)가 각각 "A"영역과 "B"영역에 있게한 후, 제 2 단계에서 소오스(20a)에 5V, 콘트롤 게이트(19)에 9V 정도를 가하여 프로그램을 완성한다.In programming, after the substrate 11 is grounded, in the first step, 3V / 5V is applied to the drain 20b and -9V is applied to the control gate 19 so that the first floating gate 13 is in the "A" region. In the second step, 5V is applied to the source 20a and 9V to the control gate 19 to complete the program.
소거시에는, 제 1 단계에서 드레인(20b)에 -5V, 콘트롤 게이트(19)에 9V 정도를 가하여 제 1 플로팅 게이트(13)를 소거한 후, 제 2 단계에서 소오스(20a)에 5V, 콘트롤 게이트(19)에 -9V 정도를 가하여 소거한다.At the time of erasing, -5V is applied to the drain 20b and about 9V to the control gate 19 in the first step to erase the first floating gate 13, and then 5V, control to the source 20a in the second step. The gate 19 is erased by adding about -9V.
판독시에는, 드레인(20a)과 기판(11)을 접지한 후, 소오스(20a)에 2V, 콘트롤 게이트(19)에 5V 정도를 가하여 결과를 판독한다. 제 1 플로팅 게이트(13)의 채널 길이를 제 2 플로팅 게이트(17)보다 짧게 하면, 제 1 플로팅 게이트(13)의 전위 변화가 판독 결과에 큰 영향을 주지 않으므로 얇은 산화막(제 1 터널 산화막)의 신뢰성은 큰 문제가 되지 않는다.In reading, after the drain 20a and the substrate 11 are grounded, 2V is applied to the source 20a and about 5V is applied to the control gate 19 to read the result. If the channel length of the first floating gate 13 is made shorter than that of the second floating gate 17, since the potential change of the first floating gate 13 does not significantly affect the readout result, a thin oxide film (first tunnel oxide film) Reliability is not a big problem.
상술한 바와 같이, 본 발명은 제 1 플로팅 게이트 및 제 2 플로팅 게이트를전기적으로 분리되도록 형성하되, 제 2 플로팅 게이트는 하부의 제 1 플로팅 게이트와 일부분이 중첩되며 스플릿-타입(split-type)으로 형성하고, 콘트롤 게이트는 제 1 플로팅 게이트와 제 2 플로팅 게이트위를 지나도록 형성하고, 자기 정렬 방식으로 소오스/드레인 접합부를 형성하므로써, 기존의 셀보다 집적도를 2배 높일 수 있고, 전자 주입시 소요되는 시간을 줄여 프로그램 효율을 높일 수 있으며, 신뢰성을 향상시킬 수 있다.As described above, the present invention is configured to electrically separate the first floating gate and the second floating gate, wherein the second floating gate overlaps a portion of the lower first floating gate and is split-type. The control gate is formed so as to pass over the first floating gate and the second floating gate, and the source / drain junction is formed in a self-aligned manner, so that the integration density can be increased twice as much as that of a conventional cell, and is required for electron injection. This reduces the time required to increase program efficiency and improves reliability.
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