KR20060005177A - A gate electrode of nonvolatile memory device and a method for forming the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 비휘발성 메모리 소자의 게이트 전극 및 그 형성방법에 관한 것으로, 본 발명은 핫 캐리어 인젝션(hot carrier injection)이 발생되는 부위에서 터널 산화막의 두께를 더 얇게 형성하여 프로그램 동작시 이 부위를 통해 터널링이 쉽게 발생하도록 한다. 따라서, 본 발명에서는 프로그램 동작 속도를 빠르게 가져갈 수 있다. The present invention relates to a gate electrode of a nonvolatile memory device and a method of forming the same, and the present invention provides a thinner tunnel oxide layer at a portion where hot carrier injection is generated, through the region during a program operation. Make tunneling easy to occur. Therefore, in the present invention, the program operation speed can be increased quickly.

또한, 본 발명은 플로팅 게이트의 상부에 다수의 홈을 형성하여 유전체막과 플로팅 게이트 그리고 컨트롤 게이트 간의 접합면적을 증가시킨다. 따라서, 본 발명에서는 컨트롤 게이트와 플로팅 게이트 간의 커플링 비를 극대화시켜 프로그램/소거 동작 속도를 증가시킬 수 있다. In addition, the present invention increases the junction area between the dielectric film, the floating gate and the control gate by forming a plurality of grooves on the floating gate. Therefore, in the present invention, the program / erase operation speed can be increased by maximizing the coupling ratio between the control gate and the floating gate.

비휘발성 메모리 소자, 플래시 메모리 소자, 커플링 비, 핫 캐리어Nonvolatile Memory Devices, Flash Memory Devices, Coupling Ratio, Hot Carriers

Description

비휘발성 메모리 소자의 게이트 전극 및 그 형성방법{A GATE ELECTRODE OF NONVOLATILE MEMORY DEVICE AND A METHOD FOR FORMING THE SAME}A gate electrode of a nonvolatile memory device and a method of forming the same {A GATE ELECTRODE OF NONVOLATILE MEMORY DEVICE AND A METHOD FOR FORMING THE SAME}

도 1 내지 도 15는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 게이트 전극 및 그 형성방법을 설명하기 위하여 도시된 단면도들이다. 1 to 15 are cross-sectional views illustrating a gate electrode and a method of forming the nonvolatile memory device according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 16 및 도 17은 일반적인 플래시 메모리 소자의 셀의 각 커플링 비를 설명하기 위하여 도시된 도면들이다. 16 and 17 are diagrams for describing respective coupling ratios of cells of a general flash memory device.

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

10 : 반도체 기판 11 : 제1 막10 semiconductor substrate 11 first film

12, 15, 18 : 제1 폴리 실리콘막 13 : 제2 막12, 15, 18: 1st polysilicon film 13: 2nd film

14 : 제1 폴리 실리콘막 14a : 홈14: first polysilicon film 14a: groove

16 : 유전체막 17 : 제2 폴리 실리콘막16 dielectric film 17 second polysilicon film

19 : 게이트 전극 113 : 터널 산화막 19 gate electrode 113 tunnel oxide film

본 발명은 비휘발성 메모리 소자의 게이트 전극 및 그 형성방법에 관한 것으로, 특히 소자의 프로그램 동작 속도를 향상시킬 수 있는 비휘발성 메모리 소자의 게이트 전극 및 그 형성방법에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a gate electrode of a nonvolatile memory device and a method of forming the same, and more particularly to a gate electrode of a nonvolatile memory device and a method of forming the same that can improve the program operation speed of the device.

일반적으로, 비휘발성 메모리 소자(nonvolatile memory device)인 스택형(stack type) 플래시 메모리 소자(flash memory device)의 프로그램 및 소거 동작은 다음과 같이 이루어진다. 우선, 프로그램 동작은 드레인(drain) 영역의 측부를 통해 핫 캐리어(hot carrier)를 발생시키고, 이렇게 발생된 핫 캐리어를 터널 산화막을 통해 플로팅 게이트(floating gate)로 주입(injection)시킴으로써 이루어진다. 그리고, 소거 동작은 소스(source) 영역과 플로팅 게이트, 또는 벌크(bulk)와 플로팅 게이트 간의 고전기장(high electric field)에 의해 발생되는 F-N 터널링(F-N tunneling)을 이용하여 플로팅 게이트 내에 주입된 전자를 방출시킴으로써 이루어진다. In general, program and erase operations of a stack type flash memory device, which is a nonvolatile memory device, are performed as follows. First, a program operation is performed by generating a hot carrier through the side of the drain region, and injecting the hot carrier thus generated into the floating gate through the tunnel oxide film. In addition, the erase operation is performed by using FN tunneling generated by a high electric field between a source region and a floating gate, or a bulk and the floating gate, to remove electrons injected into the floating gate. By releasing.

이처럼 플래시 메모리 소자의 프로그램 및 소거 동작시에는 모두 게이트에 고전압을 인가해야 하는데, 이럴 경우 저전압 구동에 많은 제약을 받게 된다. 이는 바이어스 전압을 직접 플로팅 게이트에 직접 인가(biasing)할 수 없고, 컨트롤 게이트를 통해서만 가능하기 때문이다. 즉, 컨트롤 게이트와 플로팅 게이트 간에 형성된 인터 폴리 산화막(inter poly oxide, IPO)(이하, '유전체막'이라 함)에 의해 전압 강하가 발생하기 때문이다. 이러한 전압 강하는 유전체막의 두께 및 접합 면적에 따라 달라지게 된다. As such, during the program and erase operations of the flash memory device, a high voltage must be applied to the gate. In this case, the driving of the low voltage is severely limited. This is because the bias voltage cannot be directly applied to the floating gate directly, only through the control gate. That is, the voltage drop is caused by an inter poly oxide (IPO) (hereinafter, referred to as a 'dielectric film') formed between the control gate and the floating gate. This voltage drop depends on the thickness and the junction area of the dielectric film.

한편, 캐패시턴스(capacitance)의 비율을 커플링비(coupling ratio)라고 하는데, 커플링 비가 "1"일 경우 컨트롤 게이트에 가해진 바이어스 전압이 전압 강하없이 그대로 플로팅 게이트에 가해진다는 의미이며, 커플링 비가 작을 수록 메모리 셀을 구동시키기 위해 컨트롤 게이트에 인가되는 바이어스 전압은 그 만큼 더 높아져야 함을 의미한다. On the other hand, the ratio of capacitance is called a coupling ratio. When the coupling ratio is "1", it means that the bias voltage applied to the control gate is applied to the floating gate as it is without a voltage drop. This means that the bias voltage applied to the control gate to drive the memory cell must be higher by that amount.

참고로, 도 16 및 도 17을 참조하여 각 단자의 커플링 비를 설명하기로 한다. 도 16은 플래시 메모리 소자의 게이트 전극을 나타낸 단면도이고, 도 17은 도 16의 등가 회로도이다. 하기 수학식 1에는 게이트 커플링 비(Gate coupling ratio, αG), 드레인 커플링 비(Drain coupling ratio, αD), 소스 커플링 비(Source coupling ratio, αS) 및 바디 커플링 비(Body coupling ratio, αB)가 나타나 있다. For reference, the coupling ratio of each terminal will be described with reference to FIGS. 16 and 17. 16 is a cross-sectional view illustrating a gate electrode of a flash memory device, and FIG. 17 is an equivalent circuit diagram of FIG. 16. Equation 1 includes a gate coupling ratio (α G ), a drain coupling ratio (α D ), a source coupling ratio (α S ), and a body coupling ratio (Body) coupling ratio, α B ) is shown.

Figure 112004030736210-PAT00001
Figure 112004030736210-PAT00001

Figure 112004030736210-PAT00002
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Figure 112004030736210-PAT00003
Figure 112004030736210-PAT00003

Figure 112004030736210-PAT00004
Figure 112004030736210-PAT00004

상기 수학식 1, 도 16 및 도 17에서 나타낸 바와 같이 메모리 셀에서 커플링 비는 유전체막의 두께, 그리고 유전체막과 게이트 간의 접합면적에 많은 영향을 받게 된다. 유전체막의 커플링 비를 증가시키기 위해서는 게이트와 유전체막 간의 접합면적을 증가시키거나, 유전체막의 두께를 얇게 형성하여야 한다. 그러나, 메모리 칩(memory chip)의 크기를 축소시키기 위해 셀 크기(dimension)를 감소시키면 당연히 게이트와 유전체막 간의 접합면적 또한 감소하게 되고, 그리고 유전체막의 두께를 감소시키게 되면 데이터 유지(data retention) 특성이 열화되는 문제가 발생하게 된다. As shown in Equations 1, 16, and 17, the coupling ratio in the memory cell is greatly influenced by the thickness of the dielectric film and the junction area between the dielectric film and the gate. In order to increase the coupling ratio of the dielectric film, the junction area between the gate and the dielectric film should be increased or the thickness of the dielectric film should be made thin. However, reducing the cell dimension to reduce the size of the memory chip naturally reduces the junction area between the gate and the dielectric film, and reducing the thickness of the data chip results in data retention characteristics. This deterioration problem occurs.

따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 셀 크기의 변화없이 게이트와 유전체막 간의 접합면적을 증가시켜 커플링비를 증가시킬 수 있는 비휘발성 메모리 소자의 게이트 전극 및 그 형성방법을 제공하는데 그 목적이 있다. Accordingly, the present invention has been made to solve the above problems, and a gate electrode of a nonvolatile memory device and a method for forming the same, which can increase the coupling ratio by increasing the junction area between the gate and the dielectric film without changing the cell size. The purpose is to provide.

또한, 본 발명에서는 터널 산화막의 두께를 제어하여 셀의 프로그램 동작 속도를 개선시킬 수 있는 비휘발성 메모리 소자의 게이트 전극 및 그 형성방법을 제공하는데 다른 목적이 있다. Another object of the present invention is to provide a gate electrode of a nonvolatile memory device capable of improving the program operation speed of a cell by controlling the thickness of a tunnel oxide film and a method of forming the same.

상기한 목적을 구현하기 위한 본 발명의 일측면에 따르면, 반도체 기판 상에 형성되고, 일부분이 얇게 형성된 터널 산화막과, 상기 터널 산화막 상에 형성되고, 상부에 다수의 홈이 형성된 플로팅 게이트와, 상기 다수의 홈을 포함하는 상기 플로팅 게이트의 상부면의 단차를 따라 형성된 유전체막과, 상기 유전체막 상에 형성된 컨트롤 게이트와, 상기 컨트롤 게이트의 양측으로 노출되는 상기 반도체 기판에 형성된 소스/드레인 영역을 포함하는 비휘발성 메모리 소자의 게이트 전극이 제공된다. According to an aspect of the present invention for realizing the above object, a tunnel oxide film formed on a semiconductor substrate, a thin portion is formed, a floating gate formed on the tunnel oxide film, a plurality of grooves formed on the top, A dielectric film formed along a step of an upper surface of the floating gate including a plurality of grooves, a control gate formed on the dielectric film, and a source / drain region formed on the semiconductor substrate exposed to both sides of the control gate. A gate electrode of a nonvolatile memory device is provided.                     

또한, 상기한 목적을 구현하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따르면, 반도체 기판 상에 서로 다른 두께를 갖는 터널 산화막을 형성하는 단계와, 상기 터널 산화막에 플로팅 게이트용 제1 폴리 실리콘막을 형성하는 단계와, 상기 제1 폴리 실리콘막의 일부를 식각하여 상부에 다수의 홈을 형성하는 단계와, 상기 제1 폴리 실리콘막을 포함하는 전체 구조 상부면의 단차를 따라 유전체막을 형성하는 단계와, 상기 유전체막의 상부에 컨트롤 게이트용 제2 폴리 실리콘막을 형성하는 단계와, 상기 컨트롤 게이트용 제2 폴리 실리콘막, 상기 유전체막, 상기 플로팅 게이트용 제1 폴리 실리콘막 및 상기 터널 산화막을 패터닝하여 게이트 전극을 정의하는 단계와, 상기 게이트 전극의 양측벽으로 노출되는 상기 반도체 기판에 소스 영역 및 드레인 영역을 형성하는 단계를 포함하는 비휘발성 메모리 소자의 게이트 전극 형성방법이 제공된다. In addition, according to another aspect of the present invention for achieving the above object, forming a tunnel oxide film having a different thickness on the semiconductor substrate, forming a first polysilicon film for the floating gate in the tunnel oxide film and Etching a portion of the first polysilicon film to form a plurality of grooves thereon; forming a dielectric film along a step of an upper surface of the entire structure including the first polysilicon film; and forming a dielectric film on the dielectric film. Forming a second polysilicon film for a control gate, patterning the second polysilicon film for the control gate, the dielectric film, the first polysilicon film for the floating gate, and the tunnel oxide film to define a gate electrode; Forming a source region and a drain region on the semiconductor substrate exposed by both sidewalls of the gate electrode; A method of forming a gate electrode of a nonvolatile memory device including a system is provided.

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 완전하도록하며 통상의 지식을 가진자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 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 implemented in various forms, and only the present embodiments are intended to complete the disclosure of the present invention and to those skilled in the art. It is provided for complete information.

도 1 내지 도 15는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 게이트 전극 및 그 형성방법을 설명하기 위하여 도시된 단면도들이다. 이하에서 설명되는 참조번호들 중 동일한 참조번호는 동일한 기능을 수행하는 동일한 요소이다. 1 to 15 are cross-sectional views illustrating a gate electrode and a method of forming the nonvolatile memory device according to an exemplary embodiment of the present invention. The same reference numerals among the reference numbers described below are the same elements performing the same function.                     

도 1을 참조하면, 전처리 세정공정에 의해 세정된 반도체 기판(10)이 제공된다. 상기 전처리 세정공정은 DHF(Diluted HF)로 세정한 후 SC-1(NH4OH/H2O2/H 2O)로 실시되거나, BOE(Buffer Oxide Etchant)로 세정한 후 SC-1로 순차적으로 실시될 수 있다. Referring to FIG. 1, a semiconductor substrate 10 cleaned by a pretreatment cleaning process is provided. The pretreatment cleaning process is performed with DHF (Diluted HF) followed by SC-1 (NH 4 OH / H 2 O 2 / H 2 O), or with BOE (Buffer Oxide Etchant) followed by SC-1 It can be carried out as.

그런 다음, 웰(well) 형성용 이온주입공정과 문턱전압 조절용 이온주입공정이 실시된다. 상기 이온주입공정들을 실시하기 전에 반도체 기판(10) 상에는 희생 산화막(sacrificial oxide; 미도시)이 증착되고, 그리고, 이 희생 산화막을 스크린 산화막(screen oxide)으로 이용하여 이온주입공정을 실시한다. 이로써, 반도체 기판(10)에는 웰 영역(미도시)이 형성된다. 여기서, 웰 영역은 트리플(triple) 구조로 형성될 수 있다.Then, an ion implantation process for forming a well and an ion implantation process for adjusting a threshold voltage are performed. Before performing the ion implantation processes, a sacrificial oxide (not shown) is deposited on the semiconductor substrate 10, and an ion implantation process is performed using the sacrificial oxide film as a screen oxide. As a result, a well region (not shown) is formed in the semiconductor substrate 10. Here, the well region may be formed in a triple structure.

그런 다음, 반도체 기판(10) 상에는 터널 산화막(11)(이하, '제1 막'이라 함)이 형성된다. 여기서, 제1 막(11)은 습식산화공정으로 750℃ 내지 800℃의 온도범위 내에서 형성될 수 있다. Then, a tunnel oxide film 11 (hereinafter referred to as 'first film') is formed on the semiconductor substrate 10. Here, the first film 11 may be formed in a temperature range of 750 ° C to 800 ° C by a wet oxidation process.

그런 다음, 반도체 기판(10) 계면과의 결함밀도를 최소화시키기 위하여 제1 막(11)에 대하여 900℃ 내지 910℃의 온도범위 내에서 N2 가스를 이용한 어닐공정을 20분 내지 30분 동안 실시할 수도 있다.Then, an annealing process using N 2 gas is performed for 20 minutes to 30 minutes in the temperature range of 900 ° C. to 910 ° C. with respect to the first film 11 to minimize the defect density with the interface of the semiconductor substrate 10. You may.

도 2를 참조하면, 제1 막(11)이 형성된 전체 구조 상부에 포토레지스트(photoresist)를 도포한 후 포토 마스크를 이용한 노광 및 현상공정을 실시하여 포토레지스트 패턴(12)을 형성한다. 이때, 포토레지스트 패턴(12)은 제1 막(11)의 일 부가 노출되도록 형성되는데, 여기서 제1 막(11)이 노출되는 부위는 핫 캐리어 인젝션(injection)이 일어나는 부분이다. Referring to FIG. 2, a photoresist is applied over the entire structure on which the first film 11 is formed, followed by an exposure and development process using a photo mask to form a photoresist pattern 12. In this case, the photoresist pattern 12 is formed so that a portion of the first film 11 is exposed, where a portion where the first film 11 is exposed is a portion where hot carrier injection occurs.

도 3을 참조하면, 포토레지스트 패턴(12)을 식각 마스크로 이용한 식각공정을 실시하여 노출된 제1 막(11)을 패터닝하여 제거한다. 이때, 식각공정은 반도체 기판(10)의 상부 표면을 손상시키지 않도록 습식식각방식으로 실시하는 것이 바람직하다. Referring to FIG. 3, an etching process using the photoresist pattern 12 as an etching mask is performed to pattern and remove the exposed first film 11. In this case, the etching process is preferably performed by a wet etching method so as not to damage the upper surface of the semiconductor substrate 10.

도 4를 참조하면, 포토레지스트 패턴(12)을 마스크로 하여 노출된 반도체 기판(10)의 상부에 제1 막(11)의 두께보다 얇은 터널 산화막(13)(이하, '제2 막'이라 함)을 형성한다. 이때, 제2 막(13)은 제1 막(11)과 마찬 가지로 습식산화공정으로 형성될 수 있다. 이처럼, 핫 캐리어 인젝션이 일어나는 부위의 터널 산화막의 두께를 감소시킴으로써 소자의 프로그램 동작시 전자의 터널링이 더 쉽게 발생하여 전자 트랩, 즉 핫 캐리어 인젝션이 더 빨리 발생하게 되어 그 만큼 프로그램 동작 속도가 빨라지게 된다. Referring to FIG. 4, a tunnel oxide film 13 (hereinafter referred to as a “second film”) that is thinner than the thickness of the first film 11 on the exposed semiconductor substrate 10 using the photoresist pattern 12 as a mask. Form). In this case, the second layer 13 may be formed by a wet oxidation process similarly to the first layer 11. As such, by reducing the thickness of the tunnel oxide layer at the site where the hot carrier injection occurs, the tunneling of the electrons occurs more easily during the program operation of the device, so that the electron trap, that is, the hot carrier injection, occurs more quickly, thereby increasing the program operation speed. do.

도 5를 참조하면, 스트립(strip) 공정을 실시하여 포스트레지스트 패턴(12)을 제거한다. Referring to FIG. 5, the post resist pattern 12 is removed by performing a strip process.

도 6을 참조하면, 제1 및 제2 막(11, 13) 상에 플로팅 게이트용 폴리 실리콘막(14)(이하, '제1 폴리 실리콘막'이라 함)을 증착한다. 이때, 제1 폴리 실리콘막(14)은 산화 저항성이 낮은 언도프트(undoped) 비정질 실리콘막으로 증착하거나, 도핑 농도가 낮은 저농도 도프트(doped) 비정질 실리콘막으로 증착할 수 있다. 여기서, 언도프트 비정질 실리콘막은 LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition) 방식으로 SiH4 가스를 이용하여 480℃ 내지 550℃의 온도 범위내에서 0.1torr 내지 0.3torr의 낮은 압력으로 1000Å 내지 3000Å의 두께로 증착할 수 있다. 도프트 비정질 실리콘막은 LPCVD 방식으로 Si2H6와 PH3 가스를 이용하여 480℃ 내지 550℃의 온도 범위내에서 0.1torr 내지 0.3torr의 낮은 압력으로 1000Å 내지 3000Å의 두께로 증착할 수 있다. Referring to FIG. 6, a polysilicon film 14 for floating gate (hereinafter, referred to as a 'first polysilicon film') is deposited on the first and second films 11 and 13. In this case, the first polysilicon film 14 may be deposited as an undoped amorphous silicon film having low oxidation resistance or a low concentration doped amorphous silicon film having a low doping concentration. Here, the undoped amorphous silicon film may be deposited at a thickness of 1000 kPa to 3000 kPa at a low pressure of 0.1torr to 0.3torr in the temperature range of 480 ° C to 550 ° C using SiH 4 gas by LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition) method. Can be. The doped amorphous silicon film may be deposited to a thickness of 1000 kPa to 3000 kPa at a low pressure of 0.1torr to 0.3torr in a temperature range of 480 ° C to 550 ° C using Si 2 H 6 and PH 3 gas by LPCVD.

도 7을 참조하면, 제1 폴리 실리콘막(14)이 형성된 전체 구조 상부에 포토레지스트를 도포한 후 포토 마스크를 이용한 노광 및 현상공정을 실시하여 포토레지스트 패턴(15)을 형성한다. Referring to FIG. 7, after the photoresist is coated on the entire structure on which the first polysilicon layer 14 is formed, the photoresist pattern 15 is formed by performing exposure and development processes using a photomask.

도 8을 참조하면, 포토레지스트 패턴(15)을 이용한 식각공정을 실시하여 제1 폴리 실리콘막(14)의 상부에 요철(凹凸) 형태를 갖도록 다수의 홈(14a)을 형성한다. 여기서, 홈(14a)을 형성하는 이유는 후속 공정을 통해 제1 폴리 실리콘막(14) 상에 형성되는 유전체막(도 10의 '16' 참조)과 플로팅 게이트, 그리고 유전체막(16)과 컨트롤 게이트 간의 캐패시턴스(도 16 및 도 17의 'FG' 참조)를 증가시키기 위함이다. Referring to FIG. 8, an etching process using the photoresist pattern 15 is performed to form a plurality of grooves 14a on the first polysilicon film 14 to have an uneven shape. Here, the reason for forming the groove 14a may be a dielectric film (see '16' of FIG. 10), a floating gate, a dielectric film 16, and a control formed on the first polysilicon film 14 through a subsequent process. This is to increase the capacitance between the gates (see 'FG' in FIGS. 16 and 17).

도 9를 참조하면, 스트립 공정을 실시하여 포토레지스트 패턴(15)을 제거한다. Referring to FIG. 9, a strip process is performed to remove the photoresist pattern 15.

도 10을 참조하면, 홈(14a)이 형성된 제1 폴리 실리콘막(14)의 상부면의 단차를 따라 유전체막(16)을 증착한다. 이때, 유전체막(16)은 산화막/질화막/산화막(SiO2/Si3N4/SiO2)으로 이루어질 수 있다. 그리고, 산화막은 우수한 내압과 TDDB(Time Depedent Dielectric Breakdown) 특성이 우수한 DCS(Dichloro Silane; SiH2Cl2)와 N2O 가스를 소스로 하는 고온 산화막(hot temperature oxide)으로 증착할 수 있다. 이때, 증착 조건은 600℃ 내지 700℃의 온도 분위기에서 반도체 기판(10)을 로딩하여 0.1torr 내지 3torr의 낮은 압력과 810℃ 내지 850℃ 정도의 온도 하에서 스텝 커버리지(step coverage)가 좋은 공정 조건으로 CVD(Chemical Vapor Deposition), PECVD(Plasma Enhanced CVD) 또는 APCVD(Atmospheric Pressure CVD) 방식을 이용하여 증착할 수 있다. 한편, 질화막은 DCS와 NH3 가스를 이용하여 1torr 내지 3torr의 낮은 압력과 650℃ 내지 800℃ 정도의 온도하에서 스텝 커버리지가 우수한 CVD, PECVD 또는 APCVD 방식으로 증착할 수 있다. Referring to FIG. 10, the dielectric film 16 is deposited along a step of the top surface of the first polysilicon film 14 having the grooves 14a formed therein. In this case, the dielectric film 16 may be formed of an oxide film / nitride film / oxide film (SiO 2 / Si 3 N 4 / SiO 2 ). In addition, the oxide film may be deposited as a high temperature oxide film using DCS (Dichloro Silane; SiH 2 Cl 2 ) and N 2 O gas having excellent internal pressure and TDDB (Time Depedent Dielectric Breakdown) characteristics. In this case, the deposition condition is a process condition having good step coverage under the low pressure of 0.1torr to 3torr and the temperature of about 810 ° C to 850 ° C by loading the semiconductor substrate 10 in a temperature atmosphere of 600 ° C to 700 ° C. The deposition may be performed using chemical vapor deposition (CVD), plasma enhanced CVD (PECVD), or atmospheric pressure CVD (APCVD). On the other hand, the nitride film can be deposited by a CVD, PECVD or APCVD method with excellent step coverage under a low pressure of 1torr to 3torr and a temperature of about 650 ℃ to 800 ℃ using DCS and NH 3 gas.

도 11을 참조하면, 유전체막(16)을 포함하는 전체 구조 상부에 컨트롤 게이트용 폴리 실리콘막(17)(이하, 제2 폴리 실리콘막이라 함)을 형성한다. 이때, 제2 폴리 실리콘막(17)은 제1 폴리 실리콘막(14)과 동일한 증착조건으로 형성할 수 있다. 그러나, 도시되진 않았지만, 제2 폴리 실리콘막(17)의 저항을 낮추기 위하여 그 상부에 텅스텐 실리사이드막을 형성하는 경우, 텅스텐 실리사이드막 형성공정시 유전체막(16)에 치환 고용되어 유전체막(16)의 최상부층인 산화막 두께를 증가시킬 수 있는 불산의 확산을 방지하고, 텅스텐(W)과 인(P)의 결합을 통해 형성되는 WPx 층의 생성을 방지하기 위하여 도핑처리된 막과 도핑처리되지 않은 막(doped and undoped)의 2중 구조로 형성할 수 있다. 이 경우 약 510℃ 내지 550℃의 온도와 1.0torr 내지 3.0torr의 압력하에서 CVD, PECVD 또는 APCVD 방식을 이용하여 비정 질 실리콘막으로 형성한다. 만약, 상기에서 설명한 바와 같이 2층 구조로 제2 폴리 실리콘막(17)을 형성할 때, SiH4 또는 SiH6와 PH3 가스를 이용하여 도프트 막을 형성하고, 이후 PH3 가스를 차단하고 연속적으로 언도프트 막을 형성하는 것이 바람직하다. Referring to FIG. 11, a control gate polysilicon film 17 (hereinafter referred to as a second polysilicon film) is formed on the entire structure including the dielectric film 16. In this case, the second polysilicon film 17 may be formed under the same deposition conditions as the first polysilicon film 14. However, although not shown, in the case where the tungsten silicide film is formed thereon in order to lower the resistance of the second polysilicon film 17, the tungsten silicide film is replaced with the dielectric film 16 during the tungsten silicide film forming process to form the dielectric film 16. Doped and undoped films to prevent the diffusion of hydrofluoric acid, which can increase the thickness of the oxide layer, the top layer, and to prevent the formation of a WPx layer formed through the combination of tungsten (W) and phosphorus (P). It can be formed into a double structure of (doped and undoped). In this case, an amorphous silicon film is formed using a CVD, PECVD, or APCVD method at a temperature of about 510 ° C to 550 ° C and a pressure of 1.0torr to 3.0torr. When the second polysilicon film 17 is formed in a two-layer structure as described above, a dopant film is formed using SiH 4 or SiH 6 and PH 3 gas, and then the PH 3 gas is blocked and continuously It is preferable to form an undoped film.

도 12를 참조하면, 제2 폴리 실리콘막(17)이 형성된 전체 구조 상부에 포토레지스트를 도포한 후 포토 마스크를 이용한 노광 및 현상공정을 실시하여 포토레지스트 패턴(18)을 형성한다.Referring to FIG. 12, after the photoresist is coated on the entire structure of the second polysilicon layer 17, the photoresist pattern 18 is formed by performing exposure and development processes using a photomask.

도 13을 참조하면, 포토레지스트 패턴(18)을 식각 마스크로 이용한 식각공정을 실시하여 제2 폴리 실리콘막(17), 유전체막(16), 제1 폴리 실리콘막(14), 제1 및 제2 막(11, 13)을 식각하여 게이트 전극(19)을 정의한다. 이하에서는 게이트 전극(19)의 정의하기 위한 식각공정에 의해 패터닝된 제1 및 제2 막(11, 13)은 터널 산화막(도 15의 '113' 참조)이라 한다. Referring to FIG. 13, an etching process using the photoresist pattern 18 as an etching mask is performed to form the second polysilicon layer 17, the dielectric layer 16, the first polysilicon layer 14, and the first and first layers. The two films 11 and 13 are etched to define the gate electrode 19. Hereinafter, the first and second films 11 and 13 patterned by an etching process for defining the gate electrode 19 are referred to as tunnel oxide films (see 113 in FIG. 15).

도 14를 참조하면, 스트립 공정을 실시하여 포토레지스트 패턴(18)을 제거한다. Referring to FIG. 14, a strip process is performed to remove the photoresist pattern 18.

이어서, 도시되진 않았지만 소스/드레인 이온주입공정을 실시하여 게이트 전극(19)의 측벽으로 노출되는 반도체 기판(10)에 소스/드레인 영역(미도시)을 형성한다. Subsequently, although not shown, a source / drain ion implantation process may be performed to form a source / drain region (not shown) in the semiconductor substrate 10 exposed to the sidewall of the gate electrode 19.

일례로, 소스/드레인 영역을 형성하기 위한 공정은, 게이트 전극(19)의 양측벽에 LDD(Lightly Doped Drain) HLD(High temperature Low pressure Dielectric)용 스페이서(미도시)를 형성하는 공정을 추가하여 소스/드레인 영역을 2중 구조로 형성할 수도 있다. 이 경우, 소스/드레인 이온주입공정은 저농도 이온주입공정을 실시하여 저농도 접합영역을 형성하고, 이어서, 스페이서를 게이트 전극(19)의 양측벽에 형성한 후 이 스페이서를 마스크로 이용하여 고농도 접합영역을 형성하는 과정으로 실시될 수 있다. For example, the process for forming the source / drain region may further include forming a spacer (not shown) for lightly doped drain (LDD) high temperature low pressure dielectric (LDD) on both sidewalls of the gate electrode 19. The source / drain regions may be formed in a double structure. In this case, the source / drain ion implantation process performs a low concentration ion implantation process to form a low concentration junction region, and then forms spacers on both side walls of the gate electrode 19, and then uses the spacers as a mask to form a high concentration junction region. It can be carried out by forming a process.

도 15는 도 1 내지 도 14의 공정을 통해 형성된 비휘발성 메모리 소자의 게이트 전극의 단면도이다. 도 15에 도시된 바와 같이 터널 산화막(113)을 일률적으로 동일한 두께로 형성하는 것이 아니라. 핫 캐리어 인젝션이 발생되는 부위(즉, 드레인 영역 측)의 두께를 더 얇게 형성함으로써 프로그램 동작시 이 부위를 통해 터널링이 쉽게 발생하도록 한다. 이로써, 프로그램 동작 속도를 빠르게 가져갈 수 있다. 그리고, 플로팅 게이트(14)의 상부에 다수의 홈(14a)을 형성함으로써 유전체막(16)과 플로팅 게이트(14) 그리고 컨트롤 게이트(17) 간의 접합면적을 증가시켜 이 부위에서의 커플링 비를 증가시키는 것이 가능하다. 15 is a cross-sectional view of a gate electrode of a nonvolatile memory device formed through the process of FIGS. 1 to 14. As shown in FIG. 15, the tunnel oxide film 113 is not uniformly formed to have the same thickness. The thickness of the portion where the hot carrier injection is generated (that is, the drain region side) is made thinner so that tunneling easily occurs through the portion during the program operation. This can speed up the program operation speed. In addition, by forming a plurality of grooves 14a on the floating gate 14, the bonding area between the dielectric film 16, the floating gate 14, and the control gate 17 is increased to reduce the coupling ratio at this portion. It is possible to increase.

상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명은 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.Although the technical spirit of the present invention described above has been described in detail in a preferred embodiment, it should be noted that the above-described embodiment is for the purpose of description and not of limitation. In addition, the present invention will be understood by those skilled in the art that various embodiments are possible within the scope of the technical idea of the present invention.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 핫 캐리어 인젝션(hot carrier injection)이 발생되는 부위에서 터널 산화막의 두께를 더 얇게 형성하여 프로그램 동작시 이 부위를 통해 터널링이 쉽게 발생하도록 함으로써 프로그램 동작 속도를 빠르게 가져갈 수 있다. As described above, according to the present invention, the thickness of the tunnel oxide film is made thinner at the site where the hot carrier injection is generated, so that tunneling is easily generated through the site during the program operation, thereby increasing the program operation speed. You can take it quickly.

또한, 본 발명에 의하면, 플로팅 게이트의 상부에 다수의 홈을 형성하여 유전체막과 플로팅 게이트 그리고 컨트롤 게이트 간의 접합면적을 증가시킴으로써 컨트롤 게이트와 플로팅 게이트 간의 커플링 비를 극대화시켜 프로그램/소거 동작 속도를 증가시킬 수 있다. In addition, according to the present invention, a plurality of grooves are formed on the floating gate to increase the junction area between the dielectric film, the floating gate, and the control gate, thereby maximizing the coupling ratio between the control gate and the floating gate, thereby increasing the program / erase operation speed. Can be increased.

Claims (4)

반도체 기판 상에 형성되고, 일부분이 얇게 형성된 터널 산화막;A tunnel oxide film formed on the semiconductor substrate and having a thin portion; 상기 터널 산화막 상에 형성되고, 상부에 다수의 홈이 형성된 플로팅 게이트;A floating gate formed on the tunnel oxide film and having a plurality of grooves formed thereon; 상기 다수의 홈을 포함하는 상기 플로팅 게이트의 상부면의 단차를 따라 형성된 유전체막;A dielectric film formed along a step of an upper surface of the floating gate including the plurality of grooves; 상기 유전체막 상에 형성된 컨트롤 게이트; 및A control gate formed on the dielectric layer; And 상기 컨트롤 게이트의 양측으로 노출되는 상기 반도체 기판에 형성된 소스/드레인 영역을 포함하는 비휘발성 메모리 소자의 게이트 전극.And a source / drain region formed in the semiconductor substrate exposed to both sides of the control gate. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 터널 산화막이 얇게 형성된 부위는 프로그램 동작시 핫 캐리어 인젝션이 발생되는 부위인 비휘발성 메모리 소자의 게이트 전극.The thin portion of the tunnel oxide layer is a gate electrode of a non-volatile memory device that is a hot carrier injection occurs during the program operation. (a) 반도체 기판 상에 서로 다른 두께를 갖는 터널 산화막을 형성하는 단계;(a) forming tunnel oxide films having different thicknesses on the semiconductor substrate; (b) 상기 터널 산화막에 플로팅 게이트용 제1 폴리 실리콘막을 형성하는 단계;(b) forming a first polysilicon film for a floating gate on the tunnel oxide film; (c) 상기 제1 폴리 실리콘막의 일부를 식각하여 상부에 다수의 홈을 형성하는 단계;(c) etching a portion of the first polysilicon film to form a plurality of grooves on the top; (d) 상기 제1 폴리 실리콘막을 포함하는 전체 구조 상부면의 단차를 따라 유전체막을 형성하는 단계;(d) forming a dielectric film along a step of an upper surface of the entire structure including the first polysilicon film; (e) 상기 유전체막의 상부에 컨트롤 게이트용 제2 폴리 실리콘막을 형성하는 단계;(e) forming a second polysilicon film for a control gate on the dielectric film; (f) 상기 컨트롤 게이트용 제2 폴리 실리콘막, 상기 유전체막, 상기 플로팅 게이트용 제1 폴리 실리콘막 및 상기 터널 산화막을 패터닝하여 게이트 전극을 정의하는 단계; 및(f) patterning the second polysilicon film for the control gate, the dielectric film, the first polysilicon film for the floating gate, and the tunnel oxide film to define a gate electrode; And (g) 상기 게이트 전극의 양측벽으로 노출되는 상기 반도체 기판에 소스 영역 및 드레인 영역을 형성하는 단계를 포함하는 비휘발성 메모리 소자의 게이트 전극 형성방법.(g) forming a source region and a drain region in the semiconductor substrate exposed by both sidewalls of the gate electrode. 제 3 항에 있어서, 상기 (a) 단계는,The method of claim 3, wherein step (a) comprises: (a-1) 상기 반도체 기판 상에 제1 막을 형성하는 단계;(a-1) forming a first film on the semiconductor substrate; (a-2) 상기 제1 막의 일부를 식각하여 제거하는 단계; 및(a-2) etching and removing a portion of the first film; And (a-3) 상기 제1 막이 제거된 부위에 상기 제1 막보다 얇은 제2 막을 형성하는 단계를 포함하는 비휘발성 메모리 소자의 게이트 전극 형성방법. (A-3) A method of forming a gate electrode of a nonvolatile memory device comprising forming a second film thinner than the first film on a portion where the first film is removed.
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KR100847828B1 (en) * 2006-12-29 2008-07-23 동부일렉트로닉스 주식회사 Method of Forming Flash Memory Device
WO2011159001A1 (en) * 2010-06-14 2011-12-22 고려대학교 산학협력단 Non-volatile memory device including a charge trapping layer in a nano pattern, and a method for fabricating the same

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