KR20060080457A - Non-volatile memory cells having floating gate and method of forming the same - Google Patents
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Abstract
부유 게이트를 갖는 비휘발성 메모리 셀들 및 그 형성 방법을 제공한다. 이 방법은 반도체기판 상에 활성영역들을 정의하는 마스크 패턴들을 형성한 후, 이를 식각 마스크로 사용하여 반도체기판을 이방성 식각함으로써 활성영역들을 한정하는 소자분리 트렌치들을 형성한 후, 소자분리 트렌치들을 채우는 소자분리막 패턴들을 형성하는 단계를 포함한다. 이후, 마스크 패턴들을 선택적으로 제거하여 활성영역의 상부면을 노출시키는 게이트 트렌치들을 형성하고, 노출될 활성영역 상에 게이트 절연막을 형성한 후, 게이트 절연막 상에 게이트 트렌치들을 채우는 부유 게이트 전극을 형성한다. 이때, 게이트 절연막을 형성하는 단계는 게이트 절연막이 활성영역의 중앙부에 비해 가장자리에서 더 얇아지도록 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. Provided are nonvolatile memory cells having a floating gate and a method of forming the same. In this method, after forming mask patterns defining active regions on a semiconductor substrate and forming the isolation trenches defining the active regions by anisotropically etching the semiconductor substrate using this as an etching mask, the device filling the isolation trenches is then formed. Forming separator patterns. Thereafter, mask patterns are selectively removed to form gate trenches that expose the top surface of the active region, a gate insulating layer is formed on the active region to be exposed, and a floating gate electrode is formed on the gate insulating layer to fill the gate trenches. . In this case, the forming of the gate insulating film may include forming the gate insulating film to be thinner at the edge than the center portion of the active region.
Description
도 1은 일반적인 플래쉬 메모리 소자의 단위 셀을 설명하기 위한 단면도이다.1 is a cross-sectional view illustrating a unit cell of a general flash memory device.
도 2는 도 1의 I-I'을 따라 취해진 플래쉬 메모리 셀의 프로그램 동작시 에너지 밴드 다이어그램이다.FIG. 2 is an energy band diagram during program operation of a flash memory cell taken along the line II ′ of FIG. 1.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 비휘발성 메모리 셀들을 설명하기 위한 공정단면도들이다. 3 to 5 are cross-sectional views illustrating processes of nonvolatile memory cells according to exemplary embodiments of the present invention.
도 6은 본 발명에 따른 기술적 효과를 설명하기 위해 게이트 절연막을 흐르는 전류 밀도의 분포를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 다이어그램이다. 6 is a diagram showing a result of simulating the distribution of current density flowing through the gate insulating film to explain the technical effect according to the present invention.
도 7은 도 6의 I-I'의 단면에서의 전기장 세기를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 다이어그램이다. FIG. 7 is a diagram illustrating a result of simulating electric field strength in a cross section taken along line II ′ of FIG. 6.
도 8은 도 6의 Ⅱ-Ⅱ'의 단면에서의 터널링 전류의 크기을 시뮬레이션한 결과를 나타내는 다이어그램이다.FIG. 8 is a diagram showing a result of simulating the magnitude of the tunneling current in the cross section of II-II 'of FIG.
도 9는 본 발명에 따른 비휘발성 메모리 셀의 프로그램 동작을 설명하기 위해 준비된, 도 6의 I-I'의 단면에서의 에너지 밴드 다이어그램이다. 9 is an energy band diagram in cross section of II ′ of FIG. 6, prepared for explaining the program operation of a nonvolatile memory cell according to the present invention.
도 10 내지 도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 셀들의 제 조 방법을 설명하기 위한 공정단면도들이다. 10 through 16 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing nonvolatile memory cells in accordance with an embodiment of the present invention.
본 발명은 반도체 장치 및 그 형성 방법에 관한 것으로, 특히 부유 게이트를 갖는 비휘발성 메모리 셀들 및 그 형성 방법에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to a semiconductor device and a method of forming the same, and more particularly, to nonvolatile memory cells having a floating gate and a method of forming the same.
반도체 메모리 소자들은 휘발성 메모리 소자와 비휘발성 메모리 소자로 구분할 수 있다. 휘발성 메모리 소자란 전원 공급이 중단될때, 메모리 셀이 저장된 데이타를 모두 상실하는 메모리 소자로 예컨대, 디램 소자 및 에스램 소자가 여기에 속한다. 이와는 달리, 비휘발성 메모리 소자는 전원 공급이 중단될지라도, 메모리 셀에 저장된 데이타를 그대로 유지하는 메모리 소자, 예컨대, 플래쉬 메모리 소자가 여기에 속한다.Semiconductor memory devices may be classified into volatile memory devices and nonvolatile memory devices. A volatile memory device is a memory device that loses all stored data when a power supply is interrupted. For example, a DRAM device and an SRAM device are included. In contrast, a nonvolatile memory device includes a memory device such as a flash memory device that retains data stored in a memory cell even when power supply is interrupted.
도 1은 일반적인 플래쉬 메모리 소자의 단위 셀을 설명하기 위한 단면도이며, 도 2는 도 1의 I-I'을 따라 취해진 플래쉬 메모리 셀의 프로그램 동작시 에너지 밴드 다이어그램이다.FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a unit cell of a general flash memory device, and FIG. 2 is an energy band diagram during a program operation of a flash memory cell taken along line II ′ of FIG. 1.
도 1 및 도 2를 참조하면, 반도체기판(1) 상에 차례로 적층된 터널산화막(2), 부유 게이트(3), 게이트 층간절연막(4) 및 제어 게이트 전극(5)으로 구성된 게이트 패턴(6)이 배치된다. 상기 게이트 패턴(6) 양측의 활성영역들에 각각 불순물 확산층(7)이 형성된다. 상기 불순물 확산층(7)은 소오스/드레인 영역에 해당한다. 상기 게이트 패턴(6) 아래의 상기 반도체기판(1)은 채널영역(8)에 해당한다. 상기 부유 게이트(3)는 전하를 저장하는 장소로서 전기적으로 격리된다. 상기 제어 게이트 전극(5)은 프로그램 동작 또는 소거 동작을 담당한다. 상기 프로그램 동작이란 상기 제어 게이트 전극(5)에 프로그램 전압을 인가하고, 상기 반도체기판(1)에 기준전압을 인가하여 상기 반도체기판(1)내의 전하들을 상기 터널산화막(2)을 터널링시켜 상기 부유 게이트(3) 내로 유입시키는 동작을 말한다. 이와는 달리, 상기 소거 동작이란 상기 제어 게이트 전극(5)에 소거 전압을 인가하고, 상기 반도체기판(1)에 기준전압을 인가하여 상기 부유 게이트(3) 내의 저장된 전하들을 상기 반도체기판(1)으로 방출하는 동작을 말한다. 통상적으로, 상기 프로그램 전압 및 소거 전압은 전원 전압에 비하여 높다.1 and 2, a
상술한 플래쉬 메모리 셀에서, 전하들이 상기 터널산화막(2)을 터널링하는 방식은 Fowler-Nordheim 터널링(이하 FN tunneling이라고 함) 방식을 이용할 수 있다. 이때, 전하들은 상기 채널영역(8) 전체에 걸쳐 상기 터널 산화막(2)을 터널링한다. 전하들, 즉, 전자들 및 정공들이 상기 터널 산화막(2)을 터널링하는 방식을 도 2의 에너지 밴드 다이어그램을 참조하여 설명한다.In the above-described flash memory cell, the charges tunnel the
상기 플래쉬 메모리 셀에 데이타를 기입하는 프로그램 동작시, 상기 제어 게이트 전극(5)에 프로그램 전압을 인가하고, 상기 반도체기판(1)에 기준 전압을 인가한다. 상기 소오스/드레인 영역(7)은 부유 상태일 수 있다. 이때, 상기 프로그램 전압은 상기 기준 전압에 비하여 높다. 이에 따라, 상기 터널 산화막(2)의 에너지 밴드는 기울어져 상부 및 하부의 에너지 밴드 폭이 얇아진다. 이로 인하여, 상기 채널영역(8)의 전도대(Ec; conduction band)에 있던 전자들은 상기 터널산화막(2) 의 얇아진 상부 에너지 밴드를 FN 터널링하여 상기 부유 게이트(3) 내로 이동한다(A). FN 터널링하는 전자들의 량은 상기 상부 에너지 밴드의 폭(10)이 얇아질수록 증가한다. 이때, 상기 부유 게이트(3)의 가전자대(Ev; valence band)의 정공들은 상기 터널 산화막(2)의 얇아진 하부 에너지 밴드를 FN 터널링하여 상기 채널영역(8)으로 이동한다(B). 상기 터널링 하는 정공들의 량 역시 상기 하부 에너지 밴드의 폭(11)이 얇아질수록 증가한다. 상기 터널링되는 정공들의 량은 상기 터널링되는 전자들의 량에 비하여 작다. 이는, 정공들의 유효 질량이 전자들의 유효 질량에 비하여 큰 것에 기인한다.In a program operation of writing data into the flash memory cell, a program voltage is applied to the
한편, 반도체 소자의 고집적화 경향 및 저소비전력 추세로, 상기 프로그램 전압 및 상기 소거 전압의 감소가 요구되고 있다. 또한, 상기 플래쉬 메모리 소자에 대한 향상된 내구성(endurance)이 요구되고 있다. On the other hand, due to the trend toward high integration and low power consumption of semiconductor devices, reduction of the program voltage and the erase voltage is required. There is also a need for improved endurance for the flash memory device.
상기 플래쉬 메모리 셀에 프로그램 및 소거 동작을 반복할수록 내구성은 열화될 수 있다. 즉, 상기 터널산화막(2)을 터널링하는 전하들에 의해 상기 터널 산화막(2)의 계면에 계면 트랩들이 형성될 수 있다. 상기 계면 트랩에 터널링하는 전하들이 트랩되어 플래쉬 메모리 소자의 내구성이 열화될 수 있다. 특히, 전자들에 비하여 유효 질량이 큰 정공들은 상기 계면 트랩들의 생성에 더 큰 영향을 줄 수 있다.As the program and erase operations are repeated in the flash memory cell, durability may deteriorate. That is, interface traps may be formed at an interface of the
이에 더하여, 반도체 장치가 고집적화됨에 따라, 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 사용하는 통상적인 패터닝 공정은 상기 부유 게이트(3)를 활성영역 상에 정확하게 정렬시키기 어려운 기술적 문제를 갖는다. 상기 부유 게이트(3)의 정확한 정렬은 반도체 장치의 신뢰성을 증가시키기 위해 확보되어야되는 제조 과정에서의 또다른 기술적 과제이다. In addition, as semiconductor devices become highly integrated, a conventional patterning process using a photoresist pattern as an etching mask has a technical problem that makes it difficult to accurately align the
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 프로그램 전압 또는 소거 전압을 감소시키고, 내구성을 향상시킬 수 있는 부유 게이트를 갖는 비휘발성 메모리 셀들을 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in an effort to provide nonvolatile memory cells having floating gates capable of reducing program voltage or erase voltage and improving durability.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 프로그램 전압 또는 소거 전압을 감소시키고, 내구성을 향상시킬 수 있는 부유 게이트를 갖는 비휘발성 메모리 셀의 형성 방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a method of forming a nonvolatile memory cell having a floating gate that can reduce a program voltage or an erase voltage and improve durability.
본 발명이 이루고자 하는 또다른 기술적 과제는 부유 게이트를 활성영역에 올바르게 정렬할 수 있는 비휘발성 메모리 셀의 형성 방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a method of forming a nonvolatile memory cell capable of correctly aligning a floating gate in an active region.
상기 기술적 과제들을 달성하기 위하여, 본 발명은 자기 정렬 방식으로 부유 게이트 전극을 형성하는 단계를 포함하는 비휘발성 메모리 셀의 형성 방법을 제공한다. 이 방법은 반도체기판 상에 활성영역들을 정의하는 마스크 패턴들을 형성하고, 상기 마스크 패턴들을 식각 마스크로 사용하여 상기 반도체기판을 이방성 식각함으로써 상기 활성영역들을 한정하는 소자분리 트렌치들을 형성한 후, 상기 소자분리 트렌치들을 채우는 소자분리막 패턴들을 형성하는 단계를 포함한다. 이후, 상기 마스크 패턴들을 선택적으로 제거하여 상기 활성영역의 상부면을 노출시키는 게이트 트렌치들을 형성하고, 상기 노출될 활성영역 상에 게이트 절연막을 형성한 후, 상기 게이트 절연막 상에 상기 게이트 트렌치들을 채우는 부유 게이트 전극을 형성한다. 이때, 상기 게이트 절연막을 형성하는 단계는 상기 게이트 절연막이 상기 활성영역의 중앙부에 비해 상기 활성영역의 가장자리에서 더 얇아지도록 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. In order to achieve the above technical problem, the present invention provides a method of forming a nonvolatile memory cell comprising forming a floating gate electrode in a self-aligned manner. The method includes forming mask patterns defining active regions on a semiconductor substrate, forming device isolation trenches defining the active regions by anisotropically etching the semiconductor substrate using the mask patterns as an etch mask, and then forming the device isolation trenches defining the active regions. Forming device isolation layer patterns filling the isolation trenches. Thereafter, the mask patterns are selectively removed to form gate trenches that expose the top surface of the active region, a gate insulating layer is formed on the exposed active region, and then the floating trenches fill the gate trenches on the gate insulating layer. A gate electrode is formed. In this case, the forming of the gate insulating film may include forming the gate insulating film to be thinner at the edge of the active region than in the central portion of the active region.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 마스크 패턴들을 선택적으로 제거하는 단계는 상기 활성영역의 상부 측벽이 노출되지 않도록 실시한다. In example embodiments, the removing of the mask patterns may be performed so that the upper sidewall of the active region is not exposed.
또한, 상기 게이트 절연막을 형성하는 단계는 상기 활성영역의 상부 측벽이 노출되지 않는 효과 및 상기 활성영역의 가장자리에 가해진 스트레스를 이용하여, 상기 활성영역의 중앙부에 비해 상기 활성영역의 가장자리에서 산화 반응의 반응 깊이가 얕아지도록 한다. In the forming of the gate insulating layer, an oxidation reaction may be performed at an edge of the active region compared to a center portion of the active region by utilizing the effect that the upper sidewall of the active region is not exposed and the stress applied to the edge of the active region. Allow the reaction depth to be shallow.
상기 다른 기술적 과제들을 달성하기 위하여, 본 발명은 가장자리가 얇은 게이트 절연막을 갖는 비비휘발성 메모리 소자를 제공한다. 이 소자는 반도체기판의 소정영역에 형성되어 활성영역들을 정의하는 소자분리막 패턴들, 상기 활성영역들을 가로지르는 제어 게이트 전극들, 상기 제어 게이트 전극과 상기 활성영역 사이에 배치된 부유 게이트 전극들, 상기 제어 게이트 전극과 상기 부유 게이트 전극 사이에 배치된 게이트 층간절연막, 및 상기 부유 게이트 전극과 상기 활성영역 사이에 배치된 게이트 절연막들을 포함한다. 이때, 상기 게이트 절연막은 상기 활성영역의 중앙부에 비해 상기 활성영역의 가장자리에서 더 얇고, 상기 부유 게이트 전극들은 그 하부의 활성영역에 대해 좌우 대칭적으로 배치되는 것을 특징으로 한다. In order to achieve the above technical problem, the present invention provides a non-volatile memory device having a gate insulating film having a thin edge. The device includes device isolation layer patterns formed in a predetermined region of a semiconductor substrate to define active regions, control gate electrodes crossing the active regions, floating gate electrodes disposed between the control gate electrode and the active region, and A gate interlayer insulating film disposed between a control gate electrode and the floating gate electrode, and a gate insulating film disposed between the floating gate electrode and the active region. In this case, the gate insulating layer is thinner at the edge of the active region than the central portion of the active region, and the floating gate electrodes are symmetrically disposed with respect to the active region below the gate insulating layer.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 활성영역은 상기 소자분리막 패턴으로부터 이격된 중앙부에 비해 상기 소자분리막 패턴에 인접한 가장자리가 위쪽으로 돌출된다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 부유 게이트 전극들은 그 아래에 배치된 상기 활성영역의 중앙부에 비해 상기 활성영역의 가장자리에서 아래쪽으로 돌출된다. According to an embodiment of the present invention, an edge adjacent to the device isolation layer pattern protrudes upward from the center portion spaced apart from the device isolation layer pattern. According to another embodiment of the present invention, the floating gate electrodes protrude downward from the edge of the active region compared to the central portion of the active region disposed below it.
이에 더하여, 상기 부유 게이트 전극들은 그 아래에 배치된 활성영역보다 넓은 폭을 가질 수 있다. 이때, 상기 부유 게이트 전극이 그 아래에 배치된 활성영역에 대해 좌우 대칭적으로 배치된다. In addition, the floating gate electrodes may have a wider width than the active region disposed thereunder. In this case, the floating gate electrode is symmetrically disposed with respect to the active region disposed below the floating gate electrode.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 또한 층이 다른 층 또는 기판 상에 있다고 언급되어지는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 층이 개재될 수도 있다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein but may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided to ensure that the disclosed subject matter is thorough and complete, and that the spirit of the present invention to those skilled in the art will fully convey. In the drawings, the thicknesses of layers and regions are exaggerated for clarity. If it is also mentioned that the layer is on another layer or substrate it may be formed directly on the other layer or substrate or a third layer may be interposed therebetween.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 비휘발성 메모리 셀들을 설명하기 위한 공정단면도들이다. 3 to 5 are cross-sectional views illustrating processes of nonvolatile memory cells according to exemplary embodiments of the present invention.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 반도체기판(100)의 소정영역에는 활성영역들을 한정하는 소자분리막 패턴들(125)이 배치된다. 상기 소자분리막 패턴들(125)은 상 기 반도체기판(100) 내에 형성된 소자분리 트렌치들(105)을 채우며, 실리콘 산화막, 실리콘막, 실리콘 게르마늄막 또는 에스오지(SOG)막 중에서 선택된 적어도 한가지로 이루어질 수 있다. 3 to 5, device
상기 활성영역들의 상부에는 상기 소자분리막 패턴들(125)의 상부를 가로지르는 제어 게이트 전극들(170)이 배치되고, 상기 제어 게이트 전극들(170)과 상기 활성영역 사이에는 부유 게이트 전극들(150)이 배치된다. 이에 더하여, 상기 부유 게이트 전극들(150)과 상기 활성영역 사이에는 게이트 절연막들(140)이 배치되고, 상기 부유 게이트 전극들(150)과 상기 제어 게이트 전극들(170) 사이에는 게이트 층간절연막들(160)이 배치된다.
상기 게이트 절연막들(140)은 실리콘 산화막인 것이 바람직한데, 알루미늄 산화막 또는 하프늄 산화막 등과 같은 고유전막일 수도 있다. 상기 게이트 층간절연막들(160)은 차례로 적층된 실리콘 산화막-실리콘 질화막-실리콘 산화막인 것이 바람직하다. 상기 부유 게이트 전극들(150)은 다결정 실리콘막으로 이루어지는 것이 바람직하고, 상기 제어 게이트 전극들(170)은 차례로 적층된 다결정 실리콘막 및 실리사이드막으로 이루어지는 것이 바람직하다. The
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 게이트 절연막(140)은 상기 소자분리막 패턴(125)으로부터 이격된 상기 활성영역의 중앙부에서보다 상기 소자분리막 패턴들(125)에 인접한 상기 활성영역의 가장자리에서 더 얇은 두께를 갖는다. 이에 더하여, 상기 부유 게이트 전극들(150)은 그 아래의 활성영역에 비해 넓은 폭을 갖는다. 이때, 소정의 활성영역에 대해 그 상부에 배치되어 일 방향에서 돌출되는 상기 부유 게이트 전극들(150)의 길이를 나타내는 제 1 폭(d)은 그 반대 방향으로 돌출된 길이를 나타내는 제 2 폭(d)과 같다. 즉, 상기 부유 게이트 전극들(150)은 그 아래의 활성영역에 대해 좌우 대칭적으로 배치된다. In example embodiments, the
본 발명의 제 1 실시예에 따르면, 상기 활성영역의 모양은 상기 소자분리막 패턴(125)으로부터 이격된 그 중앙부에 비해, 상기 소자분리막 패턴(125)에 인접한 그 가장자리에서 위쪽으로 뾰족하다(도 3 참조). 본 발명의 제 2 실시예에 따르면, 상기 활성영역은 평탄한 상부면을 갖되, 상기 부유 게이트 전극들(150)이 가장자리에서 아래로 뾰족한 돌출부들을 갖는다(도 4 참조). 본 발명의 제 3 실시예에 따르면, 상기 활성영역은, 제 1 실시예에서 설명한 바와 같이, 위쪽으로 뾰족한 가장자리를 가질뿐만 아니라, 제 2 실시예에서 설명한 바와 같이, 상기 부유 게이트 전극들(150) 역시 아래로 뾰족한 가장자리를 갖는다(도 5 참조). 이러한 실시예들은 모두 상술한 것처럼 중앙부에 비해 얇은 두께의 가장자리를 갖는 게이트 절연막들(140)을 개시한다. According to the first embodiment of the present invention, the shape of the active region is pointed upward at an edge thereof adjacent to the device
도 6 내지 도 8은 얇은 가장자리를 갖는 본 발명에 따른 상기 게이트 절연막(140)을 통해 얻을 수 있는 기술적 효과를 설명하기 위한 시뮬레이션 결과들이다. 보다 자세하게는, 도 6은 상기 게이트 절연막(140)을 흐르는 전류 밀도의 공간적 분포를 시각적으로 도시하는 시뮬레이션 그래프이고, 도 7은 도 6의 I-I'의 단면에서의 전기장 세기를 나타내는 시뮬레이션 그래프이고, 도 8은 도 6의 Ⅱ-Ⅱ'의 단면에서의 터널링 전류의 크기을 나타내는 시뮬레이션 그래프이다. 도 7의 그래프에 있어서, x축은 도 6의 I-I'의 절취면에 따른 위치를 나타내고, y축은 전기장의 세 기를 나타낸다. 도 8의 그래프에 있어서, x축은 도 6의 II-II'의 절취면에 따른 위치를 나타내며, y축은 FN 터널링 전류의 크기를 나타낸다.6 to 8 are simulation results for explaining a technical effect obtained through the
도 6 내지 도 8을 참조하면, 상기 부유 게이트 전극(150)에 10 V를 인가하고, 상기 반도체기판(100)에 0 V(ground voltage)을 인가하였다. 상기 부유 게이트 전극(150) 양옆에 형성되는 불순물 영역들은 플로팅시켰다. 6 to 8, 10 V is applied to the floating
이 경우, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 부유 게이트 전극(150)로부터 상기 활성영역 돌출부(99)의 끝단으로 갈수록 전기장의 세기가 증가한다. 즉, 상기 활성영역 돌출부(99) 끝단의 전기장 세기는 상기 부유 게이트 전극(150) 및 상기 게이트 절연막(140)의 경계면에 대하여 약 1.6배 증가한다. 결과적으로, 상기 활성영역 돌출부(99)의 끝단에 전기장이 집중되어 전기장의 세기가 증가함을 알 수 있다. 이처럼 증가된 전기장의 세기로 인하여, 상기 활성영역 돌출부(99)의 끝단에서 터널링되는 전류의 크기는 상기 활성영역의 중앙부에 비하여 증가한다. In this case, as shown in FIG. 7, the intensity of the electric field increases from the floating
도 8은 이러한 FN 터널링 전류의 크기에서의 위치적 차이를 도시하였다. 도 8은 위치에 따른 FN 터널링 전류의 크기를 상기 활성영역의 중앙부에서 터널링되는 전류의 크기에 대한 비율(ratio)로 나타낸다. 도 8의 y축은 로그(log) 스케일로 표현되었다. 도 8을 참조하면, 상기 활성영역 돌출부(99)를 터널링하는 FN 터널링 전류의 크기는 상기 활성영역의 중앙부에서의 FN 터널링 전류량에 비하여 약 1만배 정도 크다. 이는 상술한 돌출에 따른 전기장 집중에 더하여, 상기 활성영역 돌출부(99)의 끝단 상에 위치한 상기 게이트 절연막(140)의 두께가 상기 활성영역의 중앙부에 위치한 상기 게이트 절연막(140)의 두께에 비하여 얇아진 효과의 결과이기도 한다. 상기 게이트 절연막(140)의 두께가 얇아진 효과를 배제할 경우, 상기 활성영역 돌출부(99) 끝단의 FN 전류량은 상기 활성영역의 중앙부의 FN 터널링 전류량의 약 1천배 정도 증가한다.8 shows the positional difference in the magnitude of this FN tunneling current. 8 shows the magnitude of the FN tunneling current according to the position as a ratio of the magnitude of the current tunneled at the center of the active region. The y-axis of FIG. 8 is represented by a log scale. Referring to FIG. 8, the magnitude of the FN tunneling current tunneling the
상기 활성영역 돌출부(99)의 끝단에 인가되는 전기장의 세기는 앞서 설명한 프로그램 동작에서 뿐만이 아니라 소거 동작을 진행할 경우에도 증가한다. 이로 인하여, 상기 부유 게이트 전극(150)로부터 상기 활성영역으로 방출되는 전자들의 량은 상기 활성영역의 중앙부에 비해 상기 활성영역 돌출부(99)에서 크다. 결과적으로, 프로그램 또는 소거 동작시, 상기 게이트 절연막(140)을 터널링하는 전자들의 량이 일반적인 플래쉬 기억 셀에 비하여 증가한다. 이로 인하여, 상기 비휘발성 기억 셀은 일반적인 비휘발성 기억 셀에 비하여 프로그램 또는 소거 전압을 감소시킬 수 있다.The intensity of the electric field applied to the end of the
한편, 본 발명에 따르면, 종래에 비해 상기 게이트 절연막(140)을 터널링하는 정공들(holes)의 량을 감소시킬 수 있으며, 이는 도 9에 도시된 에너지 밴드 다이어그램을 참조하여 설명한다.Meanwhile, according to the present invention, the amount of holes for tunneling the
도 9는 본 발명에 따른 비휘발성 메모리 셀의 프로그램 동작을 설명하기 위해 준비된, 도 6의 I-I'의 단면에서의 에너지 밴드 다이어그램이다. 9 is an energy band diagram in cross section of II ′ of FIG. 6, prepared for explaining the program operation of a nonvolatile memory cell according to the present invention.
도 9를 참조하면, 프로그램 동작시, 상기 게이트 절연막(140)의 에너지 밴드는 기울어진다. 이때, 상기 활성영역 돌출부(99)에 인접할수록 인가되는 전기장의 세기가 증가하기 때문에, 상기 게이트 절연막(140)의 상부 에너지 밴드 폭(201)은 도 2의 상부 에너지 밴드 폭(10)에 비하여 좁아진다. 이로 인하여, 상기 활성영역 돌출부(99)의 전도대(Ec; conduction band)로부터 상기 상부 에너지 밴드 폭(201)을 터널링하는 전자들의 량은 증가한다. 9, in the program operation, the energy band of the
이에 비해, 상기 부유 게이트 전극(150) 내의 정공들이 터널링하는 상기 게이트 절연막(140)의 하부 에너지 밴드 폭(202)은 도 2의 에너지 밴드의 하부 폭(11)에 비하여 넓어진다. 이에 따라, 상기 부유 게이트 전극(150)로부터 상기 게이트 절연막(140)을 터널링하는 정공들의 수는 감소된다. 그 결과, 상기 게이트 절연막(140)을 터널링하는 정공들의 량이 감소하여 상기 게이트 절연막(140)의 계면에 형성되는 계면 트랩들이 감소됨으로써, 상기 비휘발성 메모리 셀의 내구성은 향상될 수 있다. In contrast, the lower
도 10 내지 도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 셀들의 제조 방법을 설명하기 위한 공정단면도들이다. 10 through 16 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing nonvolatile memory cells in accordance with an embodiment of the present invention.
도 10을 참조하면, 반도체기판(100) 상에 활성영역들을 정의하는 트렌치 마스크 패턴들(110)을 형성한다. 상기 트렌치 마스크 패턴들(110)은 상기 반도체기판(100)에 대해 식각 선택성을 갖는 물질로 형성하는 것이 바람직하다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 트렌치 마스크 패턴들(110)은 차례로 적층된 패드 산화막(112) 및 실리콘 질화막(114)으로 형성된다. 상기 패드 산화막(112)은 상기 실리콘 질화막(114)과 상기 반도체기판(100)이 직접 접촉할 경우 발생할 수 있는 스트레스를 완충시킬 수 있도록, 실리콘 산화막인 것이 바람직하다. Referring to FIG. 10,
상기 트렌치 마스크 패턴들(110)은 소정영역에서 상기 반도체기판(100)의 상부면을 노출시킨다. 상기 트렌치 마스크 패턴들(110)을 식각 마스크로 사용하여 상 기 노출된 반도체기판(100)을 이방성 식각한다. 이에 따라, 상기 트렌치 마스크 패턴들(110) 사이의 노출된 상기 반도체기판(100)은 식각되어 활성영역들을 한정하는 소자분리 트렌치들(105)을 형성한다. 상기 활성영역들은 상기 반도체기판(100)에서 상기 트렌치 마스크 패턴들(110)에 의해 덮힌 영역들에 해당한다. The
도 11을 참조하면, 상기 소자분리 트렌치들(105)이 형성된 결과물 전면에, 상기 소자분리 트렌치들(105)을 채우는 소자분리막을 형성한다. 상기 소자분리막은 화학기상증착 공정을 사용하여 형성한 실리콘 산화막인 것이 바람직한데, 다결정 실리콘막, 실리콘 게르마늄막 및 에스오지(SOG)막 등이 사용될 수도 있다. Referring to FIG. 11, a device isolation layer filling the
이어서, 상기 트렌치 마스크 패턴들(110)의 상부면이 노출될 때까지, 상기 소자분리막을 화학적 기계적 연마(chemical mechanical polishing, CMP) 기술을 사용하여 평탄화 식각한다. 이에 따라, 상기 소자분리 트렌치들(105)을 채우는 소자분리막 패턴들(120)이 형성된다. Subsequently, the device isolation layer is planarized etched using chemical mechanical polishing (CMP) until the upper surfaces of the
본 발명의 다른 실시예들에 따르면, 상기 소자분리막을 형성하기 전에, 상기 소자분리 트렌치(105)의 내벽에 열산화막(도시하지 않음)을 더 형성할 수도 있다. 상기 열산화막은 상기 소자분리 트렌치(105)를 형성하는 동안 발생하는 상기 반도체기판(100)의 식각 손상을 치유한다. 이에 더하여, 상기 열산화막이 형성된 결과물 전면에 실리콘 질화막 라이너(도시하지 않음)를 더 형성할 수도 있다. 상기 실리콘 질화막 라이너는 후속 공정에서 트랜지스터의 특성에 악영향을 미치는 불순물들이 상기 반도체기판(100)으로 침투하는 것을 막는 역할을 한다. According to other embodiments of the present invention, a thermal oxide film (not shown) may be further formed on an inner wall of the
도 12를 참조하면, 상기 노출된 트렌치 마스크 패턴들(110)을 제거하여, 상 기 활성영역의 상부면을 노출시키는 게이트 트렌치들(130)을 형성한다. 상기 게이트 트렌치들(130)을 형성하는 단계는 상기 실리콘 질화막(114)을 제거하여 상기 패드 산화막(112)을 노출시키는 단계 및 상기 노출된 패드 산화막(112)을 습식 식각의 방법으로 제거하는 단계를 포함한다. Referring to FIG. 12, the exposed
상기 실리콘 질화막(114)을 제거하는 단계는 실리콘 산화막에 대해 식각 선택성을 갖는 식각 레서피를 사용하여, 습식 식각의 방법으로 실시하는 것이 바람직하다. 이어서, 상기 패드 산화막(112)을 제거하는 단계는 상기 반도체기판(100)에 대해 식각 선택성을 갖는, 즉 실리콘막에 대해 식각 선택성을 가지면서 실리콘 산화막을 식각할 수 있는 식각 레서피를 사용하여 실시하는 것이 바람직하다. Removing the
본 발명에 따르면, 상기 패드 산화막(112)을 제거하는 단계는 상기 활성영역의 상부 측벽이 노출되지 않도록 식각 중간 시점을 엄밀하게 제어하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 게이트 트렌치(130)의 폭은 그 아래에 배치된 상기 활성영역의 폭보다 넓은 것이 바람직한데, 상기 활성영역의 폭보다 좁은 실시예도 가능하다. 상술한 것처럼, 상기 트렌치 마스크 패턴들(110)은 상기 활성영역을 정의하기 위한 식각 마스크로 사용되기 때문에, 이를 등방적으로 식각함으로써 형성되는 상기 게이트 트렌치(130)는 그 아래의 활성영역에 대해 좌우 대칭적으로 배치된다. According to the present invention, the step of removing the
도 13을 참조하면, 상기 노출된 활성영역의 상부면에 게이트 절연막(140)을 형성한다. 본 발명에 따르면, 상기 게이트 절연막(140)은 열산화 공정을 통해 형성된 실리콘 산화막인 것이 바람직하다. Referring to FIG. 13, a
이때, 상기 소자분리막 패턴(120)이 상기 활성영역의 측벽을 덮고, 상기 활 성영역의 상부 가장자리에 가해진 스트레스 때문에, 상기 열산화 공정은 상기 활성영역의 가장자리에서보다 그 중앙부에서 더 활발하게 이루어진다. 그 결과, 도시한 것처럼, 상기 게이트 절연막(140)은 활성영역의 중앙부에 비해 가장자리에서 더 얇은 두께로 형성된다. 즉, 상기 활성영역은 상기 소자분리막 패턴(120)에 인접하는 가장자리에서 뾰족한 형태(tapered shape)의 돌출부(99)를 갖는다. In this case, the device
상기 활성영역의 돌출부(99)는 상기 게이트 트렌치(130)의 내측벽에 형성된 스페이서들(도시하지 않음)을 마스크로 상기 활성영역의 상부면을 리세스시키는 공정을 통해 형성될 수도 있다. 즉, 상기 게이트 절연막(140)을 형성하기 전에, 상기 스페이서들을 상기 게이트 트렌치(130)의 내측벽에 형성하고, 상기 스페이서들을 식각 마스크로 사용하여 상기 활성영역을 소정의 깊이로 리세스시킨 후, 상기 스페이서를 제거함으로써, 상기 돌출부(99)를 형성할 수 있다. 이후, 열산화 공정을 수행할 경우, 도시된 것과 같은 모양을 갖는 상기 활성영역 및 상기 게이트 절연막(140)을 형성할 수 있다. The
도 14를 참조하면, 상기 게이트 절연막(140)이 형성된 결과물 전면에, 상기 게이트 트렌치들(130)을 채우는 부유 게이트 도전막을 형성한다. 상기 부유 게이트 도전막은 불순물들이 도핑된 다결정 실리콘막인 것이 바람직하다. 상기 부유 게이트 도전막에 도핑된 불순물들은 엔형 불순물들인 것이 바람직하다. Referring to FIG. 14, a floating gate conductive layer filling the
이후, 상기 소자분리막 패턴(120)의 상부면이 노출될 때까지, 상기 부유 게이트 도전막을 평탄화 식각한다. 상기 평탄화 식각은 화학적 기계적 연마 기술을 사용하여 실시하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 상기 게이트 트렌치(130)를 채우 면서 상기 소자분리막 패턴들(120)에 의해 분리되는 부유 게이트 패턴들(150)이 형성된다. Thereafter, the floating gate conductive layer is planarized and etched until the upper surface of the device
도 15 및 도 16을 참조하면, 상기 부유 게이트 패턴들(150)에 대해 식각 선택성을 갖는 식각 레서피를 사용하여 상기 소자분리막 패턴들(120)을 식각함으로써, 상기 부유 게이트 패턴들(150)보다 낮은 상부면을 갖는 리세스된 소자분리막 패턴(125)을 형성한다. 이후, 상기 리세스된 소자분리막 패턴들(125)이 형성된 결과물 상에 게이트 층간절연막(160) 및 제어 게이트 전극(170)을 차례로 형성한다. 상기 게이트 층간절연막(160)은 차례로 적층된 실리콘 산화막-실리콘 질화막-실리콘 산화막인 것이 바람직하다. 상기 제어 게이트 전극(170)은 상기 활성영역들을 가로지르는 방향으로 패터닝되며, 바람직하게는 다결정 실리콘막 및 실리사이드가 차례로 적층된 구조를 가질 수 있다. 15 and 16, the device
본 발명에 따르면, 본 발명의 비휘발성 메모리 셀은 부유 게이트의 하부면 또는 상기 부유 게이트의 하부에 배치된 활성영역의 일부분이 돌출된 돌출부를 구비한다. 이러한 부유 게이트 또는 활성영역의 돌출된 모양에 의해 프로그램 또는 소거동작에서 인가되는 전기장이 집중되기 때문에, 보다 낮은 전압에서 상기 비휘발성 메모리 셀을 프로그램 또는 소거할 수 있다. According to the present invention, the nonvolatile memory cell of the present invention includes a protrusion on which a bottom surface of the floating gate or a portion of an active region disposed below the floating gate protrudes. Since the electric field applied in the program or erase operation is concentrated by the protruding shape of the floating gate or the active region, the nonvolatile memory cell can be programmed or erased at a lower voltage.
이에 더하여, 상술한 집중된 전기장으로 인하여 터널 절연막의 하부 에너지 밴드의 폭이 증가됨으로써, 게이트 절연막을 터널링하는 정공들의 량을 감소시킬 수 있다. 그 결과, 계면 트랩 전하를 줄일 수 있어, 비휘발성 메모리 셀의 내구성 을 향상시킬 수 있다.In addition, the width of the lower energy band of the tunnel insulating layer is increased due to the concentrated electric field, thereby reducing the amount of holes tunneling the gate insulating layer. As a result, the interface trap charge can be reduced, and the durability of the nonvolatile memory cell can be improved.
또한, 본 발명은 자기 정렬적으로 부유 게이트 전극을 활성영역에 정렬시키는 방법을 제공한다. 이에 따라, 부유 게이트 전극의 오정렬에 따른 신뢰성의 감소를 예방할 수 있다. The present invention also provides a method of aligning the floating gate electrode to the active region in a self-aligned manner. Accordingly, it is possible to prevent a decrease in reliability due to misalignment of the floating gate electrodes.
Claims (8)
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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KR1020050000937A KR20060080457A (en) | 2005-01-05 | 2005-01-05 | Non-volatile memory cells having floating gate and method of forming the same |
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US8587045B2 (en) | 2010-08-13 | 2013-11-19 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Nonvolatile memory device and method of forming the same |
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- 2005-01-05 KR KR1020050000937A patent/KR20060080457A/en not_active Application Discontinuation
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