KR20040063331A - Method of manufacturing a flash memory cell - Google Patents

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KR20040063331A KR1020030000710A KR20030000710A KR20040063331A KR 20040063331 A KR20040063331 A KR 20040063331A KR 1020030000710 A KR1020030000710 A KR 1020030000710A KR 20030000710 A KR20030000710 A KR 20030000710A KR 20040063331 A KR20040063331 A KR 20040063331A
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Abstract

PURPOSE: A method for fabricating a flash memory cell is provided to facilitate an isolation process by eliminating the necessity of a deep trench process, to reduce a junction leakage current by decreasing stress of silicon, and to reduce a cell size by decreasing an active width as compared with a deep trench process. CONSTITUTION: An isolation layer(302) of an STI(shallow trench isolation) structure is formed on a semiconductor substrate(301) in a direction vertical to a wordline direction so as to define an active region for forming a channel region and a drain. After a trench(304) is formed in the region having the isolation layer, the trench is filled with a polysilicon layer to form a control gate(305). An insulation layer is formed on the resultant structure including the upper portion of the control gate and the active region. One end of a floating gate(307) of a predetermined pattern overlaps the control gate, the other end of the floating gate overlaps the active region, and the center portion of the floating gate overlaps the isolation layer. The drain is formed in the active region in the periphery of the floating gate by an ion implantation process.

Description

플래시 메모리 셀의 제조 방법{Method of manufacturing a flash memory cell}Method of manufacturing a flash memory cell

본 발명은 플래시 메모리 셀의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 과도 소거가 발생되는 것을 방지하여 소거 특성을 향상시키고 회로 설계를 용이하게 할 수 있는 플래시 메모리 셀의 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of manufacturing a flash memory cell, and more particularly, to a method of manufacturing a flash memory cell capable of preventing excessive erasing from occurring, thereby improving erase characteristics and facilitating circuit design.

플래시 메모리 셀은 전기적인 프로그램/소거가 가능한 소자로서, 게이트 라인에 인가되는 전압에 의해 발생되는 강한 전기장에 의해 전자가 약 100Å의 얇은 산화막으로 이루어진 터널 산화막을 통과하여 플로팅 게이트로 트랩되거나 플로팅 게이트로부터 방출되는 프로그램/소거 동작을 통해 셀의 문턱전압을 변화시켜 데이터를 저장한다.Flash memory cells are electrically programmable / eraseable devices in which electrons are trapped by a floating gate or formed from a floating gate through a tunnel oxide film consisting of a thin oxide film of approximately 100 kV by a strong electric field generated by a voltage applied to the gate line. Data is stored by changing the threshold voltage of the cell through the emitted program / erase operation.

도 1은 일반적인 플래시 메모리 셀의 구조를 설명하기 위한 개념도이다.1 is a conceptual diagram illustrating a structure of a general flash memory cell.

도 1을 참조하면, 일반적인 플래시 메모리 셀은 적층 구조로 형성된 터널 산화막(102), 플로팅 게이트(103), 유전체막(104) 및 콘트롤 게이트(105)와, 플로팅 게이트(103) 양 가장자리의 반도체 기판(101)에 형성된 소오스/드레인(106a 및 106b)을 포함하여 이루어진다.Referring to FIG. 1, a general flash memory cell includes a tunnel oxide film 102, a floating gate 103, a dielectric film 104, and a control gate 105 formed in a stacked structure, and a semiconductor substrate at both edges of the floating gate 103. And source / drain 106a and 106b formed in 101.

상기의 구성으로 이루어진 플래시 메모리 셀의 프로그램 동작을 설명하면 다음과 같다.A program operation of a flash memory cell having the above configuration will be described below.

플래시 메모리 셀이 형성된 p웰(도시되지 않음)과 소오스(106a)를 접지시키고 콘트롤 게이트(105)에 약 9V의 고전압이 인가된 상태에서 드레인(106b)에 약 5V의 펄스(5us)가 인가되면 플로팅 게이트(103) 하부의 반도체 기판(101) 표면에 채널이 형성되면서 채널 핫 일렉트론(Channel Hot electron; CHE)이 발생된다. 채널 핫 일렉트론은 전기장에 의해 터널 산화막(102)을 통과하여 플로팅 게이트(103)로 트랩된다. 이로 인해, 플래시 메모리 셀의 문턱 전압이 높아지며, 문턱 전압이 목표 전압까지 도달하며 프로그램 동작이 완료된다.When the p well (not shown) where the flash memory cell is formed and the source 106a are grounded and a high voltage of about 9V is applied to the control gate 105, a pulse 5us of about 5V is applied to the drain 106b. Channel hot electrons (CHEs) are generated as channels are formed on the surface of the semiconductor substrate 101 under the floating gate 103. The channel hot electrons are trapped by the electric field through the tunnel oxide film 102 and into the floating gate 103. As a result, the threshold voltage of the flash memory cell is increased, the threshold voltage reaches the target voltage, and the program operation is completed.

상기의 구성으로 이루어진 플래시 메모리 셀의 소거 동작을 설명하면 다음과 같다.The erase operation of the flash memory cell having the above configuration will be described below.

콘트롤 게이트(105)에 약 -8V의 고전압이 인가된 상태에서 반도체 기판(101)에 약 8V의 고전압이 인가되면 FN(Fowler Nerdheim) 터널링에 의해 플로팅 게이트(103)에 트랩된 전자가 터널 산화막(102)을 통과하여 플로팅 게이트(103)로부터 방출된다. 이로 인해, 플래시 메모리 셀의 문턱 전압이 낮아지며, 문턱 전압이 목표 전압까지 도달하며 소거 동작이 완료된다.When a high voltage of about 8V is applied to the semiconductor substrate 101 while a high voltage of about -8V is applied to the control gate 105, electrons trapped at the floating gate 103 by FN (Fowler Nerdheim) tunneling are tunnel oxide films ( Passed through 102 and exits from floating gate 103. As a result, the threshold voltage of the flash memory cell is lowered, the threshold voltage reaches the target voltage, and the erase operation is completed.

이때, 소거 동작 시 전자를 뽑아내는 속도는 주로 게이트 커플링과 터널 산화막의 두께에 의해 달라지며, 터널링은 자기 제어가 되지 않으므로 플래시 메모리 셀이 소거되는 속도의 분포에 따라 셀의 문턱 전압 분포가 결정된다.At this time, the rate of extracting electrons during the erasing operation depends mainly on the thickness of the gate coupling and the tunnel oxide layer. Since the tunneling is not self-controlled, the threshold voltage distribution of the cell is determined by the distribution of the speed at which the flash memory cell is erased. do.

도 2는 일반적인 플래시 메모리 셀 어레이를 설명하기 위한 회로도이다.2 is a circuit diagram illustrating a general flash memory cell array.

도 2를 참조하면, 플래시 메모리 셀 어레이는 다수의 플래시 메모리 셀(도면에서는 편의상 6개만 도시됨; C201 내지 C206)로 이루어진다. 이때, 플래시 메모리 셀의 콘트롤 게이트는 워드 라인에 의해 행마다 공통으로 연결되며, 드레인은 비트 라인에 의해 열마다 공통으로 연결된다.Referring to FIG. 2, a flash memory cell array is composed of a plurality of flash memory cells (only six are shown in the drawings; C201 to C206). At this time, the control gates of the flash memory cells are commonly connected to each row by word lines, and the drains are commonly connected to each column by bit lines.

상기의 구성에 의해, 제1 워드 라인(W/Ln-1)에 바이어스를 인가하면 제1 및 제2 플래시 메모리 셀(C201 및 C202)의 콘트롤 게이트에 바이어스가 인가되고, 제2 워드 라인(W/Ln)에 바이어스를 인가하면 제3 및 제4 플래시 메모리 셀(C203 및 C204)의 콘트롤 게이트에 바이어스가 인가되며, 제3 워드 라인(W/Ln+1)에 바이어스를 인가하면 제5 및 제6 플래시 메모리 셀(C205 및 C206)의 콘트롤 게이트에 바이어스가 인가된다.According to the above configuration, when a bias is applied to the first word line W / L n-1 , a bias is applied to the control gates of the first and second flash memory cells C201 and C202, and the second word line ( When applying a bias to the W / L n) the third and the fourth flash memory cells (is applied to the bias on the control gate of the C203 and C204), the when applying a bias to the third word line (W / L n + 1) the A bias is applied to the control gates of the fifth and sixth flash memory cells C205 and C206.

또한, 제1 비트 라인(B/Ln)에 바이어스를 인가하면 제1, 제3 및 제5 플래시 메모리 셀(C201, C203 및 C205)의 드레인에 바이어스가 인가되고, 제2 비트 라인(B/Ln+1)에 바이어스를 인가하면 제2, 제4 및 제6 플래시 메모리 셀(C202, C204 및 C206)의 드레인에 바이어스가 인가된다.In addition, when a bias is applied to the first bit line B / L n , a bias is applied to the drains of the first, third and fifth flash memory cells C201, C203, and C205, and the second bit line B / L n is applied. Applying a bias to L n + 1 applies a bias to the drains of the second, fourth and sixth flash memory cells C202, C204, and C206.

상기에서, 플래시 메모리 셀의 소거 속도가 균일하지 않으면, 과도 소거되는 셀이 발생되고, 이로 인해 과도 소거된 셀이 있는 비트 라인에서는 항상 누설 전류가 흐른다.In the above, if the erase speed of the flash memory cell is not uniform, a cell that is over erased is generated, so that a leakage current always flows in the bit line where the cell is over erased.

예를 들어, 제1 플래시 메모리 셀(C201)이 과도 소거된 셀이라면, 제3 및제5 플래시 메모리 셀(C203 및 C205)의 선택 여부나 저장된 데이터에 상관없이 제1 비트 라인(B/Ln)에는 제1 플래시 메모리 셀(C201)을 통해 항상 전류가 흐른다. 따라서, 정상적으로 데이터를 독출할 수가 없다.For example, if the first flash memory cell C201 is over erased, the first bit line B / L n may be selected regardless of whether the third and fifth flash memory cells C203 and C205 are selected or stored data. Current always flows through the first flash memory cell C201. Therefore, data cannot be read normally.

이러한 문제점을 해소하기 위해서는, 게이트 커플링을 결정하는 중요한 요소인 소자 분리막, 플로팅 게이트의 임계 치수, 유전체막, 터널 산화막 등을 형성하는 공정을 아주 세밀하게 조절해야 하므로 공정 진행에 많은 어려움이 따르게 된다. 그리고, 플래시 메모리 셀을 제조한 후 테스트나 동작 시 과도 소거된 셀에 의해 오동작이 발생되는 것을 방지하기 위하여 또 다른 알고리즘이 요구된다.In order to solve such a problem, the process of forming the device isolation film, the critical dimension of the floating gate, the dielectric film, the tunnel oxide film, and the like, which are important factors for determining the gate coupling, must be very finely controlled. . After the flash memory cell is manufactured, another algorithm is required in order to prevent a malfunction caused by a cell that is excessively erased during a test or operation.

예를 들면, 소거 동작을 실시하는 과정에서 과도 소거되는 셀이 발생되는 것을 방지하기 위하여 초기에 셀의 문턱 전압을 어느 정도 일치시키기 위한 프리프로그램(Pre-program)을 실시하며, 소거 동작이 완료된 후에는 과도 소거된 셀의 문턱 전압을 목표 문턱 전압까지 상승시키기 위하여 포스트 프로그램(Post-program)을 실시한다. 그러나, 이러한 방식은 소거와 소거 검증의 알고리즘 외에 소거 동작 전 프로그램 상태가 검증될 때까지 프리 프로그램과 검증을 계속적으로 실시되며, 소거 동작 후 과도 소거된 셀의 문턱 전압이 상승될 때까지 포스트 프로그램과 검증이 계속적으로 실시되므로, 셀을 소거함에 있어 시간적 효율성이 떨어진다.For example, in order to prevent a cell from being excessively erased in the course of performing an erase operation, a pre-program is initially performed to match the threshold voltage of the cell to some extent, and after the erase operation is completed, Performs a post-program to raise the threshold voltage of the over erased cell to the target threshold voltage. However, in addition to the algorithm of erasing and erasing verification, this method continuously performs preprogramming and verifying until the program state before the erasing operation is verified, and post-programming and verification until the threshold voltage of the over erased cell increases after the erasing operation. Since the verification is performed continuously, the time efficiency of erasing the cell is reduced.

그리고, 셀의 소거 동작 시 이용되는 FN 터널링에서는 전류가 거의 흐르지 않기 때문에 전력 소모가 크지 않지만, 프로그램 동작 시에는 셀당 대략 200㎂ 이상의 전류가 흐르고 포스트 프로그램 시에는 비트 라인당 200㎂ 이상의 전류가 흐르므로, 실제 소거 동작에서보다 과도 소거를 방지하기 위한 알고리즘 내에서 훨씬 많은 전력이 소모된다. 더욱이, 상기의 소거 알고리즘에서는 포스트 프로그램을 위한 주변 회로가 포함되어야 하고, 소거 동작 시 네가티브 차지 펌프 회로뿐만 아니라 포지티브 차지 펌프 회로를 구동시켜야 하므로, 내부 클럭에 의해 구동되는 주변회로 블록에서 부가적인 전력 소비가 발생되어 소비 전력 측면에서 결점을 갖는다. 또한, 포스트 프로그램 시에는 많은 핫 캐리어(Hot carrier)가 발생하는데, 그 중 터널 산화막을 통해 플로팅 게이트로 트랩되는 핫 홀(Hot hole)은 전자에 비해 터널 산화막의 전기적 특성을 보다 더 열화(Degradation)시켜 셀의 전기적 특성을 저하시킨다.In the FN tunneling used during the erase operation of the cell, power consumption is not large because almost no current flows. However, in the program operation, approximately 200 mA or more current flows per cell, and in the post program, 200 mA or more current flows per bit line. As a result, much more power is consumed in the algorithm to prevent over erase than in an actual erase operation. Moreover, since the erase algorithm must include a peripheral circuit for the post program and drive the positive charge pump circuit as well as the negative charge pump circuit during the erase operation, additional power consumption in the peripheral circuit block driven by the internal clock is required. Is generated and has drawbacks in terms of power consumption. In addition, many hot carriers are generated during post programming, and hot holes trapped to the floating gate through the tunnel oxide film deteriorate the electrical characteristics of the tunnel oxide film more than the electrons. This reduces the electrical characteristics of the cell.

따라서, 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 채널 영역과 전기적으로 격리되도록 소자 분리막이 형성된 영역에 트렌치 형태로 콘트롤 게이트를 형성한 상태에서, 전체 상부에 절연막을 형성하고 한쪽 끝 부분이 콘트롤 게이트와 중첩되고 다른 쪽 끝부분이 채널 영역과 중첩되도록 기판 상부에 플로팅 게이트를 형성한 후 이온 주입 공정으로 채널 영역 주변의 반도체 기판에 드레인을 형성하여, 드레인 및 플로팅 게이트 사이와 콘트롤 게이트 및 플로팅 게이트 사이의 전기장이 같아지면 소거 동작이 더 이상 진행되지 않도록 함으로써, 과도 소거가 발생되는 것을 방지하여 소자의 신뢰성을 향상시키고 포스트 프로그램 동작을 실시하기 위한 주변 회로가 필요없어 설계를 단순화할 수 있는 플래시 메모리 셀의 제조 방법을제공하는데 그 목적이 있다.Therefore, in order to solve the above problem, in the state in which the control gate is formed in the trench form in the region where the device isolation layer is formed so as to be electrically isolated from the channel region, an insulating film is formed on the entire upper portion and one end portion of the control gate is formed. A floating gate is formed on the substrate so that the other end overlaps with the channel region, and then a drain is formed on the semiconductor substrate around the channel region by an ion implantation process, so that the drain and the floating gate and between the control gate and the floating gate are formed. When the electric field is the same, the erase operation no longer proceeds, thereby preventing excessive erase from occurring, improving the reliability of the device and eliminating the need for peripheral circuitry to perform post program operation, thereby simplifying the design of the flash memory cell. To provide a method of manufacture for that purpose There is this.

도 1은 일반적인 플래시 메모리 셀의 구성을 설명하기 위한 개념도이다.1 is a conceptual diagram illustrating a configuration of a general flash memory cell.

도 2는 일반적인 플래시 메모리 셀 어레이를 설명하기 위한 회로도이다.2 is a circuit diagram illustrating a general flash memory cell array.

도 3은 본 발명에 따른 플래시 메모리 셀의 제조 방법을 설명하기 위한 레이 아웃도이다.3 is a layout diagram illustrating a method of manufacturing a flash memory cell according to the present invention.

도 4a 내지 도 4d는 도 3의 레이 아웃도를 선A-A'에 따라 절취한 상태에서 본 발명에 따른 플래시 메모리 셀의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.4A to 4D are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a flash memory cell according to the present invention with the layout diagram of FIG. 3 taken along line A-A '.

도 5는 플로팅 게이트 전압에 따른 콘트롤 게이트 전류와 벌크 전류의 변화를 나타내기 위한 특성 그래프이다.5 is a characteristic graph for illustrating a change in the control gate current and the bulk current according to the floating gate voltage.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

101, 301 : 반도체 기판 102, 306 : 터널 산화막101, 301: semiconductor substrate 102, 306: tunnel oxide film

103, 307 : 플로팅 게이트 104 : 유전체막103, 307: floating gate 104: dielectric film

105 : 콘트롤 게이트 106a : 소오스105: control gate 106a: source

106b, 308 : 드레인 302 : 소자 분리막106b, 308: Drain 302: Device isolation film

303 : 포토레지스트 패턴 304 : 트렌치303 photoresist pattern 304 trench

305 : 폴리실리콘, 콘트롤 게이트 306 : 터널 산화막305: polysilicon, control gate 306: tunnel oxide film

본 발명의 실시예에 따른 플래시 메모리 셀의 제조 방법은 반도체 기판에 워드라인 방향과 수직 방향으로 구비된 STI 구조의 소자 분리막을 형성하여 채널 영역이나 드레인이 형성될 활성 영역을 정의하는 단계와, 소자 분리막이 형성된 영역에 트렌치를 형성한 후 폴리실리콘층으로 트렌치를 매립하여 콘트롤 게이트를 형성하는 단계와, 콘트롤 게이트 및 활성 영역 상부를 포함한 전체 상부에 절연막을 형성하는 단계와, 한쪽 끝부분은 콘트롤 게이트와 중첩되고 다른 쪽 끝부분은 활성 영역과 중첩되며 중앙부분은 소자 분리막과 중첩되는 플로팅 게이트를 소정의 패턴으로 형성하는 단계 및 이온 주입 공정으로 플로팅 게이트 주변의 활성 영역에 드레인을 형성하는 단계를 포함한다.A method of manufacturing a flash memory cell according to an embodiment of the present invention includes the steps of defining an active region in which a channel region or a drain is to be formed by forming a device isolation layer having an STI structure provided on a semiconductor substrate in a direction perpendicular to a word line direction. Forming a trench in a region in which a separator is formed, and then filling a trench with a polysilicon layer to form a control gate, forming an insulating film over the entire area including the control gate and the upper portion of the active region, and one end of the control gate. And forming a floating gate in a predetermined pattern and overlapping the other end portion with the active region and the center portion overlapping the device isolation layer, and forming a drain in the active region around the floating gate by an ion implantation process. do.

상기에서, 소자 분리막의 폭은 활성 영역 폭의 2배 내지 4배로 설정할 수 있다.In the above, the width of the device isolation layer may be set to 2 to 4 times the width of the active region.

한편, 콘트롤 게이트와 활성 영역 사이의 소자 분리막은 20V 내지 25V의 브레이크다운 전압이 인가되어도 안정적으로 동작할 수 있을 정도의 폭이 유지되도록 소자 분리막에 형성되는 콘트롤 게이트의 위치를 조절할 수 있다. 이때, 콘트롤 게이트와 활성 영역 사이의 소자 분리막의 폭을 500 내지 1000Å으로 조절하는 것이 바람직하다.Meanwhile, the device isolation layer between the control gate and the active region may adjust the position of the control gate formed in the device isolation layer so that the width of the device isolation layer may be stably operated even when a breakdown voltage of 20V to 25V is applied. At this time, it is preferable to adjust the width of the device isolation layer between the control gate and the active region to 500 to 1000 mW.

플로팅 게이트와 콘트롤 게이트가 중첩되는 정도와, 플로팅 게이트와 활성영역이 중첩되는 정도의 비율은 소거 상태 시 목표 문턱 전압에 따라 결정할 수 있다. 이때, 플로팅 게이트와 콘트롤 게이트가 중첩되는 정도와, 플로팅 게이트와 활성 영역이 중첩되는 정도의 비율은 1:1로 설정하는 것이 바람직하다.The ratio of overlapping the floating gate and the control gate and overlapping the floating gate and the active region may be determined according to the target threshold voltage in the erase state. In this case, it is preferable that the ratio of the overlapping level of the floating gate and the control gate and the overlapping level of the floating gate and the active region is set to 1: 1.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 한편, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described a preferred embodiment of the present invention. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be embodied in various different forms, and only the embodiments are intended to complete the disclosure of the present invention and to those skilled in the art. It is provided for complete information. In the drawings, like reference numerals refer to like elements.

도 3은 본 발명에 따른 플래시 메모리 셀의 제조 방법을 설명하기 위한 레이 아웃도이고, 도 4a 내지 도 4d는 도 3의 레이 아웃도를 선A-A'에 따라 절취한 상태에서 본 발명에 따른 플래시 메모리 셀의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.3 is a layout for explaining a method of manufacturing a flash memory cell according to the present invention, Figures 4a to 4d is a view of the layout of Figure 3 taken along the line A-A 'according to the present invention Sectional drawing for explaining the manufacturing method of a flash memory cell.

도 4a를 참조하면, 콘트롤 게이트 라인이 형성될 영역을 포함한 소자 분리 영역의 반도체 기판(301)에 STI(Shallow Trench Isolation) 구조의 소자 분리막(302)을 워드라인 방향과 평행한 방향으로 형성한다. 이로써, 채널 영역이나 드레인이 형성될 활성 영역이 정의된다. 이때, 소자 분리막(302)은 2000 내지 4000Å의 깊이로 형성하며, 소자 분리막(302)의 폭은 활성 영역 폭의 2배 내지 4배가 되도록 한다.Referring to FIG. 4A, a device isolation layer 302 having a shallow trench isolation (STI) structure is formed in a direction parallel to a word line direction in a semiconductor substrate 301 of an element isolation region including a region where a control gate line is to be formed. This defines an active region in which a channel region or a drain is to be formed. In this case, the device isolation layer 302 is formed to a depth of 2000 to 4000Å, and the width of the device isolation layer 302 is 2 to 4 times the width of the active region.

도 4b를 참조하면, 콘트롤 게이트 라인 영역이 정의된 포토레지스트패턴(303)을 형성한 후 포토레지스트 패턴(303)을 식각 마스크로 사용하는 식각 공정으로 콘트롤 게이트 라인 영역의 소자 분리막(302)을 소정 깊이까지 식각한다. 이로써, 콘트롤 게이트 라인이 형성될 영역의 소자 분리막(302)에는 워드라인 방향과 평행한 방향으로 소자 분리막(302)보다 낮은 깊이의 트렌치(304)가 형성된다. 이때, 트렌치(304)는 소자 분리막(302)의 한쪽 가장자리 부분으로 치우치도록 형성하며, 트렌치(304)와 활성 영역(301a) 사이의 폭이 좁은 소자 분리막(302)에 20V 내지 25V 이상의 브레이크다운 전압(Breakdown voltage)이 인가되어도 소자가 안정적으로 동작할 수 있도록 트렌치(304)와 활성 영역(301a) 사이의 폭을 500 내지 1000Å으로 조절한다.Referring to FIG. 4B, after forming the photoresist pattern 303 in which the control gate line region is defined, the device isolation layer 302 of the control gate line region is defined by an etching process using the photoresist pattern 303 as an etching mask. Etch to depth. As a result, a trench 304 having a depth lower than that of the device isolation layer 302 is formed in the device isolation layer 302 in the region where the control gate line is to be formed. In this case, the trench 304 is formed to be biased to one edge portion of the device isolation layer 302, and breakdown of 20V to 25V or more is applied to the narrow device isolation layer 302 between the trench 304 and the active region 301a. The width between the trench 304 and the active region 301a is adjusted to 500 to 1000 kW so that the device can operate stably even when a voltage (Breakdown voltage) is applied.

도 4c를 참조하면, 포토레지스트 패턴(도 4b의 303)을 제거하고, 전체 상부에 폴리실리콘층을 형성한 후 화학적 기계적 연마 공정으로 반도체 기판(301) 상부에 형성된 폴리실리콘층을 제거하여 트렌치(도 4b의 304)에만 폴리실리콘층(305)을 잔류시킨다. 트렌치(도 4b의 304)에 잔류된 폴리실리콘층(305)은 콘트롤 게이트의 역할을 한다. 상기에서, 포토레지스트 패턴(도 4b의 303)은 폴리실리콘층을 먼저 형성한 후 화학적 기계적 연마 공정 시 함께 제거할 수도 있다.Referring to FIG. 4C, the photoresist pattern 303 of FIG. 4B is removed, a polysilicon layer is formed on the entire upper portion, and the polysilicon layer formed on the semiconductor substrate 301 is removed by a chemical mechanical polishing process. The polysilicon layer 305 remains only at 304 in FIG. 4B. The polysilicon layer 305 remaining in the trench (304 in FIG. 4B) serves as a control gate. In the above, the photoresist pattern (303 of FIG. 4B) may be removed together during the chemical mechanical polishing process after forming the polysilicon layer first.

도 3 및 도 4d를 참조하면, 전체 상부에 절연막(306)을 형성한다. 절연막(306)은 터널 산화막의 역할을 한다. 이어서, 전체 상부에 폴리실리콘층을 형성한 후 플로팅 게이트 마스크를 이용한 식각 공정으로 폴리실리콘층을 패터닝하여, 한쪽 끝부분은 트렌치(도 4b의 304)에 잔류하는 폴리실리콘층(305)과 중첩되고 다른 쪽 끝부분은 활성 영역(도 4c의 301a)과 중첩되면서 중앙부분은 폭이 좁은 부분의 소자 분리막(302)과 중첩되는 플로팅 게이트(307)를 소정의 패턴으로 형성한다.3 and 4D, an insulating film 306 is formed over the entire surface. The insulating film 306 serves as a tunnel oxide film. Subsequently, after the polysilicon layer is formed on the whole, the polysilicon layer is patterned by an etching process using a floating gate mask, and one end thereof overlaps with the polysilicon layer 305 remaining in the trench (304 in FIG. 4B). A floating gate 307 overlapping with the active region (301a of FIG. 4C) and the center portion overlaps with the device isolation layer 302 having a narrow width is formed in a predetermined pattern.

이후, 플로팅 게이트(307)가 형성되지 않아 노출된 활성 영역(도 4c의 301a)에 이온 주입 공정으로 불순물을 주입하여 드레인(309)을 형성한다. 이로써, 플래시 메모리 셀(C300)이 제조된다.Thereafter, the floating gate 307 is not formed so that impurities are implanted into the exposed active region (301a of FIG. 4C) by an ion implantation process to form a drain 309. As a result, the flash memory cell C300 is manufactured.

상기의 공정을 통해 형성된 본 발명의 플래시 메모리 셀은 소오스 라인을 별로돌 구비하고 않으며, 셀의 독출(Read) 및 프로그램(Program) 동작 시에는 접지 단자와 연결된 인접 셀의 드레인이 소오스 역할을 한다. 콘트롤 게이트(305)는 소자 분리막(302)에 의해 벌크(Bulk)와 완전히 격리되어 있으며, 플로팅 게이트(307)와 벌크 사이에서처럼 플로팅 게이트(307)와 콘트롤 게이트(305)는 동일한 두께의 절연막(306)으로 격리된다.The flash memory cell of the present invention formed through the above process does not have a source line, and the drain of an adjacent cell connected to the ground terminal serves as a source during the read and program operations of the cell. The control gate 305 is completely isolated from the bulk by the device isolation layer 302, and the floating gate 307 and the control gate 305 have the same thickness as the insulating layer 306 between the floating gate 307 and the bulk. Are isolated.

도 5는 플로팅 게이트 전압에 따른 콘트롤 게이트 전류와 벌크 전류의 변화를 나타내기 위한 특성 그래프이다. 도 4d 및 도 5를 참조하여 상기의 구조로 이루어진 플래시 메모리 셀의 문턱 전압이 소거 동작 시 특정 전압에 다다르면 소거 동작이 중지되는 이유를 설명하면 다음과 같다. 한편, 설명의 이해를 돕기 위해, 콘트롤 게이트(305)와 채널 쪽의 활성 영역(301a) 폭이 같아 플로팅 게이트(307)와 중첩되는 비율이 1:1(게이트 커플링=0.5)이고, 셀의 자외선 소거 상태의 문턱 전압이 2V라고 가정한 상태에서, 채널 영역에 7.5V, 콘트롤 게이트(305)에 -7.5V를 인가하여 소거 동작을 실시하는 경우를 설명하기로 한다.5 is a characteristic graph for illustrating a change in the control gate current and the bulk current according to the floating gate voltage. The reason why the erase operation is stopped when the threshold voltage of the flash memory cell having the above structure reaches a specific voltage during the erase operation will be described with reference to FIGS. 4D and 5. On the other hand, for convenience of explanation, the width of the control gate 305 and the active region 301a on the channel side is the same and overlaps with the floating gate 307 at 1: 1 (gate coupling = 0.5). In the state where the threshold voltage of the ultraviolet ray erasing state is assumed to be 2V, the case of performing the erase operation by applying 7.5V to the channel region and -7.5V to the control gate 305 will be described.

콘트롤 게이트(305)와 반도체 기판(301) 사이의 산화막(소자 분리막의 폭이좁은 부분)은 최소 20V 이상의 브레이크다운 전압을 가지므로 누설 전류가 발생되지 않는다.Since the oxide film (the narrow portion of the device isolation film) between the control gate 305 and the semiconductor substrate 301 has a breakdown voltage of at least 20V, no leakage current is generated.

만일, 프로그램 동작에 의해 플래시 메모리 셀의 문턱 전압이 6V 정도로 상승되어 있는 경우에는, 플로팅 게이트(307)에는 -4V 정도의 전압이 가해진 경우와 같아지므로, 반도체 기판 쪽으로는 11.5V의 전압이 가해지고 콘트롤 게이트 쪽으로는 3.5V 정도의 전압이 가해진다. 따라서, 콘트롤 게이트(305)에서 플로팅 게이트(307)로의 전자 이동은 거의 발생되지 않고 플로팅 게이트(307)로부터 반도체 기판 쪽으로만 전자가 방출되어 소거 동작이 진행된다.If the threshold voltage of the flash memory cell is raised to about 6V by the program operation, the floating gate 307 is equal to the case where a voltage of about -4V is applied, so that a voltage of 11.5V is applied to the semiconductor substrate. A voltage of about 3.5V is applied to the control gate. Therefore, electron movement from the control gate 305 to the floating gate 307 is hardly generated, and electrons are emitted only from the floating gate 307 toward the semiconductor substrate to perform an erase operation.

상기와 같이 소거 동작이 진행되다가 플로팅 게이트(307)의 전압이 0V에 가까워지면 플로팅 게이트(307)와 반도체 기판 사이의 전압과, 플로팅 게이트(307)와 콘트롤 게이트(305) 사이의 전압이 같아진다. 그러면, 반도체 기판 쪽으로 방출되는 전자와 콘트롤 게이트(305)로부터 주입되는 전자가 같아지는 점(도 5에서 게이트 전류 특성 그래프와 벌크 전류 특성 그래프가 일치하는 점)에서 더 이상 플로팅 게이트(307)의 전압은 변하지 않고 소거 동작이 중지된다.As described above, if the voltage of the floating gate 307 approaches 0V, the voltage between the floating gate 307 and the semiconductor substrate and the voltage between the floating gate 307 and the control gate 305 become the same. . Then, at the point where the electrons emitted toward the semiconductor substrate and the electrons injected from the control gate 305 are equal (the gate current characteristic graph and the bulk current characteristic graph in FIG. 5 coincide), the voltage of the floating gate 307 is no longer present. Does not change and the erase operation is stopped.

여기서의 예와 같이, 게이트 커플링이 0.5인 경우에는 문턱 전압이 자외선 소거 상태의 문턱 전압인 2V가 되면 소거 동작이 중지된다. 한편, 게이트 커플링이 0.5보다 큰 경우는 자외선 소거 문턱 전압보다 낮은 곳에서, 0.5보다 작은 경우는 자외선 소거 문턱 전압보다 높은 곳에서 소거 동작이 중지된다.As in the example here, when the gate coupling is 0.5, the erase operation is stopped when the threshold voltage becomes 2V, which is the threshold voltage of the ultraviolet erasing state. On the other hand, when the gate coupling is greater than 0.5, the erase operation is stopped at a position lower than the ultraviolet erasure threshold voltage, and when the gate coupling is smaller than 0.5, the erase operation is stopped at a position higher than the ultraviolet erasure threshold voltage.

상기와 같이, 본 발명의 플래시 메모리 셀은 문턱 전압이 특정 전압이 되면 소거 동작이 중지되며, 소거 동작이 중지되는 시점은 게이트 커플링으로 조절할 수있다. 하지만, 소거 바이어스에 따라 소거가 멈추게 되는 문턱 전압의 변화를 없애기 위해서는 게이트 커플링을 0.5로 하는 것이 바람직하다.As described above, in the flash memory cell of the present invention, when the threshold voltage reaches a specific voltage, the erase operation is stopped, and the timing at which the erase operation is stopped may be adjusted by gate coupling. However, in order to eliminate the change in the threshold voltage at which erasing stops due to the erase bias, it is preferable to set the gate coupling to 0.5.

상기에서 서술한 방법을 통해 플래시 메모리 셀을 제조함으로써, 본 발명은 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.By manufacturing a flash memory cell by the above-described method, the present invention can obtain the following effects.

첫째, 딥 트렌치 공정을 사용하지 않으므로 소자 분리 공정이 쉬워지며, 실리콘의 스트레스가 줄어들어 정션간의 누설전류의 위험이 줄어든다. 또한, 딥 트렌치 공정에 비해 액티브 폭을 줄이기가 쉬어 셀 크기를 더 줄일 수가 있다.First, the device does not use a deep trench process, which facilitates device isolation, and reduces stress on silicon, reducing the risk of leakage current between junctions. In addition, compared to the deep trench process, it is easier to reduce the active width, thereby further reducing the cell size.

둘째, 폴리실리콘층을 한번만 형성하므로 공정 단계가 단순해진다.Secondly, since the polysilicon layer is formed only once, the process step is simplified.

셋째, ONO 유전체막을 사용하지 않으므로 ONO를 통해 전자가 방출되지 않아 전자 보존 특성(Retention)을 향상시킬 수 있다.Third, since the ONO dielectric film is not used, electrons are not emitted through the ONO, thereby improving electron retention.

넷째, ONO막이나 콘트롤 게이트의 식각 공정이 생략되므로 공정 단계가 단순해지며, 게이트 커플링을 용이하게 제어할 수 있다.Fourth, since the etching process of the ONO film or the control gate is omitted, the process step is simplified, and the gate coupling can be easily controlled.

다섯째, 과도 소거가 발생되지 않기 때문에, 포스트 프로그램과 같은 알고리즘을 수행하기 위한 주변 회로가 필요 없어지므로 설계가 단순해진다.Fifth, since no over erase occurs, peripheral circuitry for performing an algorithm such as a post program is unnecessary, which simplifies the design.

여섯째, 포스트 프로그램에 의해 소자의 수명이나 전기적 특성이 저하되는 것을 방지할 수 있다.Sixth, it is possible to prevent the lifespan and electrical characteristics of the device from being degraded by the post program.

Claims (6)

반도체 기판에 워드라인 방향과 수직 방향으로 구비된 STI 구조의 소자 분리막을 형성하여 채널 영역이나 드레인이 형성될 활성 영역을 정의하는 단계;Defining an active region in which a channel region or a drain is to be formed by forming a device isolation layer having an STI structure in a semiconductor substrate in a direction perpendicular to a word line direction; 상기 소자 분리막이 형성된 영역에 트렌치를 형성한 후 폴리실리콘층으로 상기 트렌치를 매립하여 콘트롤 게이트를 형성하는 단계;Forming a trench in an area in which the device isolation layer is formed, and then filling the trench with a polysilicon layer to form a control gate; 상기 콘트롤 게이트 및 상기 활성 영역 상부를 포함한 전체 상부에 절연막을 형성하는 단계;Forming an insulating film over the entire region including the control gate and the active region; 한쪽 끝부분은 상기 콘트롤 게이트와 중첩되고 다른 쪽 끝부분은 상기 활성 영역과 중첩되며 중앙부분은 상기 소자 분리막과 중첩되는 플로팅 게이트를 소정의 패턴으로 형성하는 단계; 및Forming a floating gate in a predetermined pattern on one end of which overlaps the control gate, the other end of which overlaps the active region, and a central portion of which overlaps the device isolation layer; And 이온 주입 공정으로 상기 플로팅 게이트 주변의 상기 활성 영역에 드레인을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플래시 메모리 셀의 제조 방법.Forming a drain in the active region around the floating gate by an ion implantation process. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 소자 분리막의 폭은 상기 활성 영역 폭의 2배 내지 4배인 것을 특징으로 하는 플래시 메모리 셀의 제조 방법.And the width of the device isolation layer is two to four times the width of the active region. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 콘트롤 게이트와 상기 활성 영역 사이의 소자 분리막은 20V 내지 25V의 브레이크다운 전압이 인가되어도 안정적으로 동작할 수 있을 정도의 폭이 유지되도록 상기 소자 분리막에 형성되는 상기 콘트롤 게이트의 위치를 조절하는 것을 특징으로 하는 플래시 메모리 셀의 제조 방법.The device isolation layer between the control gate and the active region controls the position of the control gate formed on the device isolation layer so that the width of the device isolation layer is maintained to be stable even when a breakdown voltage of 20V to 25V is applied. The manufacturing method of the flash memory cell. 제 3 항에 있어서,The method of claim 3, wherein 상기 콘트롤 게이트와 상기 활성 영역 사이의 상기 소자 분리막의 폭은 500 내지 1000Å인 것을 특징으로 하는 플래시 메모리 셀의 제조 방법.And a width of the device isolation layer between the control gate and the active region is 500 to 1000 mW. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 플로팅 게이트와 상기 콘트롤 게이트가 중첩되는 정도와, 상기 플로팅 게이트와 상기 활성 영역이 중첩되는 정도의 비율은 소거 상태 시 목표 문턱 전압에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 플래시 메모리 셀의 제조 방법.And a ratio between the level of overlapping the floating gate and the control gate and the level of overlapping the floating gate and the active region is determined according to a target threshold voltage in an erased state. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 플로팅 게이트와 상기 콘트롤 게이트가 중첩되는 정도와, 상기 플로팅게이트와 상기 활성 영역이 중첩되는 정도의 비율은 1:1인 것을 특징으로 하는 플래시 메모리 셀의 제조 방법.And a ratio between the level of overlapping the floating gate and the control gate and the level of overlapping the floating gate and the active region is 1: 1.
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