KR20060099153A - Method of manufacturing a flash memory device - Google Patents
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Abstract
본 발명은 플래쉬 메모리 소자의 제조 방법에 관한 것으로, STI(Shallow Trench Isolation) 공정을 이용하여 소자 분리막을 형성하기 위한 트렌치를 반도체 기판 상부로부터 접합부의 깊이까지 수직 프로파일을 갖도록 하고, 그 이후부터 목표 깊이까지 소정의 경사 프로파일을 갖도록 형성함으로써 전체적으로 채널의 면적을 감소시켜 채널 캐패시턴스를 줄일 수 있게 되어 프로그램 속도와 프로그램 디스터번스, 특히 고전압으로 부스팅된 채널에서 워드라인을 공유하는 인접한 셀의 디스터번스를 감소시킬 수 있는 NAND형 플래쉬 메모리 소자의 제조 방법이 제시된다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of fabricating a flash memory device, wherein a trench for forming a device isolation layer using a shallow trench isolation (STI) process has a vertical profile from a top of a semiconductor substrate to a depth of a junction, and thereafter, a target depth. By forming the channel to have a predetermined slope profile, it is possible to reduce the channel capacitance by reducing the area of the channel as a whole, thereby reducing the program speed and the program disturbance, especially the disturbance of adjacent cells sharing the word line in the channel boosted with high voltage. A method of manufacturing a NAND type flash memory device is provided.
소자 분리막, 트렌치, 이중 프로파일, 채널 캐패시턴스 Device Isolation, Trench, Dual Profile, Channel Capacitance
Description
도 1(a) 내지 도 1(c)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 플래쉬 메모리 소자의 제조 방법을 설명하기 위해 순서적으로 도시한 소자의 단면도.1 (a) to 1 (c) are cross-sectional views of devices sequentially shown to explain a method of manufacturing a flash memory device according to an embodiment of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
11 : 반도체 기판 12 : 터널 산화막11
13 : 제 1 폴리실리콘막 14 : 패드 질화막13: 1st polysilicon film 14: pad nitride film
15 : 트렌치 16 : 소자 분리막15 trench 16: device isolation film
17 : 제 2 폴리실리콘막 18 : 유전체막17: second polysilicon film 18: dielectric film
19 : 제 3 폴리실리콘막 20 : 텅스텐 실리사이드막19: third polysilicon film 20: tungsten silicide film
본 발명은 플래쉬 메모리 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 채널 캐패 시턴스를 줄여 프로그램 속도(program speed) 및 프로그램 디스터번스(disturbance)를 개선할 수 있는 NAND형 플래쉬 메모리 소자의 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 device, and more particularly, to a method of manufacturing a NAND type flash memory device that can reduce program capacitance and improve program speed and program disturbance.
NAND형 플래쉬 메모리 소자는 데이터를 저장하기 위한 다수의 셀이 직렬 연결되어 하나의 스트링을 구성하며, 셀 스트링과 드레인 및 셀 스트링과 소오스 사이에 각각 드레인 선택 트랜지스터 및 소오스 선택 트랜지스터가 접속된다. 이러한 NAND형 플래쉬 메모리 소자의 셀은 반도체 기판의 소정 영역에 소자 분리막이 형성된 후 반도체 기판 상부의 소정 영역에 터널 산화막, 플로팅 게이트, 유전체막 및 콘트롤 게이트가 적층되어 게이트가 형성되고, 게이트 양측의 반도체 기판상에 이온 주입 영역이 형성됨으로써 형성된다. 여기서, 소자 분리막은 소자의 고집적화에 따라 반도체 기판의 소정 영역에 소정 깊이의 트렌치를 형성한 후 절연막을 매립하는 STI(Shallow Trench Isolation) 공정에 의해 형성하며, 특히 터널 산화막과 플로팅 게이트용 폴리실리콘막을 형성한 후 소자 분리막을 형성하기도 한다.In the NAND type flash memory device, a plurality of cells for storing data are connected in series to form a string, and a drain select transistor and a source select transistor are connected between the cell string and the drain and the cell string and the source, respectively. In the NAND flash memory cell, a device isolation film is formed in a predetermined region of a semiconductor substrate, and a tunnel oxide film, a floating gate, a dielectric film, and a control gate are stacked in a predetermined region above the semiconductor substrate to form a gate, and semiconductors on both sides of the gate are formed. It is formed by forming an ion implantation region on a substrate. Here, the device isolation film is formed by a shallow trench isolation (STI) process in which a trench is formed in a predetermined region of a semiconductor substrate according to the high integration of the device, and then the insulating film is buried. After forming, an isolation layer may be formed.
이러한 NAND형 플래쉬 메모리 셀은 플로팅 게이트에 전자를 주입하거나 방출시켜 프로그램 또는 소거 동작을 실시하는데, 프로그램 동작은 드레인의 측부를 통해 핫 캐리어(hot carrier)를 발생시키고, 핫 캐리어를 터널 산화막을 통해 플로팅 게이트로 주입하여 실시한다. 또한, 소거 동작은 소오스와 플로팅 게이트, 또는 벌크(bulk)와 플로팅 게이트 사이의 높은 전기장(high electric field)에 의해 발생되는 F-N 터널링(F-N tunneling)을 이용하여 플로팅 게이트 내의 전자를 방출시켜 실시한다. The NAND-type flash memory cell injects or emits electrons into a floating gate to perform a program or erase operation. The program operation generates a hot carrier through the side of the drain, and floats the hot carrier through the tunnel oxide layer. This is done by injecting into the gate. In addition, the erase operation is performed by emitting electrons in the floating gate using F-N tunneling generated by a high electric field between the source and the floating gate or the bulk and the floating gate.
이처럼 플래쉬 메모리 셀의 프로그램 및 소거 동작을 수행하기 위해서는 게이트에 고전압을 인가해야 하는데, 이 경우 저전압 구동에 많은 제약을 받게 된다. 이는 바이어스를 플로팅 게이트에 직접 인가할 수 없고, 콘트롤 게이트를 통해서만 가능하기 때문이다. 즉, 콘트롤 게이트와 플로팅 게이트 사이에 형성된 유전체막에 의해 전압 강하가 발생하기 때문에 저전압 구동에 많은 제약을 받게 된다. 이러한 전압 강하는 유전체막의 두께 및 접합 면적등에 따라 달라지게 된다.In order to perform the program and erase operations of the flash memory cell, a high voltage must be applied to the gate. In this case, a low voltage driving is restricted. This is because bias cannot be applied directly to the floating gate, only through the control gate. That is, since the voltage drop is generated by the dielectric film formed between the control gate and the floating gate, many restrictions are placed on low voltage driving. This voltage drop depends on the thickness of the dielectric film and the junction area.
한편, 캐패시턴스(capacitance)의 비율을 커플링비(coupling ratio)라고 하는데, 커플링비가 "1"일 경우 콘트롤 게이트에 가해진 바이어스가 전압 강하없이 그대로 플로팅 게이트에 가해진다는 의미이며, 커플링비가 작을수록 플래쉬 메모리 셀을 구동시키기 위해 콘트롤 게이트에 인가되는 바이어스는 그 만큼 더 높아져야 함을 의미한다. 플래쉬 메모리 셀의 커플링비는 유전체막의 두께, 유전체막과 게이트 간의 접합 면적, 그리고 채널 캐패시턴스에 의해 많은 영향을 받게 되는데, 특히 채널 캐패시턴스가 감소할수록 커플링비는 커지게 된다.On the other hand, the capacitance ratio is called a coupling ratio. When the coupling ratio is "1", it means that the bias applied to the control gate is applied to the floating gate as it is without a voltage drop. This means that the bias applied to the control gate to drive the memory cell must be higher by that amount. The coupling ratio of the flash memory cell is affected by the thickness of the dielectric film, the junction area between the dielectric film and the gate, and the channel capacitance. In particular, as the channel capacitance decreases, the coupling ratio becomes large.
이러한 NAND형 플래쉬 메모리 셀은 프로그램 속도와 프로그램 디스터번스가 셀 성능을 결정하는 중요한 인수로서 작용하며, 프로그램 속도를 빠르게 하면서도 디스터번스를 줄이는 것이 중요한데, 이들은 서로 트레이드 오프(trade-off)되는 부분이 많아서 두 가지를 모두 개선시키는 것은 어려운 일이기도 하다.These NAND-type flash memory cells are important factors that determine program performance and program disturbance, and it is important to reduce the disturbance while increasing the program speed. It is also difficult to improve all of them.
그런데, 기존의 NAND형 플래쉬 메모리 소자의 제조 공정에서 소자 분리막을 형성하기 위한 트렌치가 반도체 기판 상부로부터 목표 깊이까지 소정의 기울기를 갖도록 형성한 후 다른 공정, 예컨데 접합 면적과 유전체막의 두께등을 변화시키면서 프로그램 속도 및 디스터번스 특성을 개선하기 위한 시도가 많았다. 그러나, 이러한 과정에서 여러가지 부가적인 문제가 발생하게 되며, 이러한 부가적인 문제를 해결하는데 많은 시간과 어려움이 있을 뿐만 아니라 프로그램 속도 및 디스터번스를 동시에 모두 개선하는데는 여러가지 어려움이 발생하게 된다.However, in the conventional manufacturing process of the NAND type flash memory device, the trench for forming the device isolation film is formed to have a predetermined slope from the upper portion of the semiconductor substrate to the target depth, and then other processes such as changing the junction area and the thickness of the dielectric film are made. Many attempts have been made to improve program speed and disturbance characteristics. However, in this process, various additional problems occur, and not only a lot of time and difficulty in solving these additional problems, but also various difficulties in simultaneously improving both program speed and disturbance.
본 발명의 목적은 채널 캐패시턴스를 줄여 프로그램 속도 및 디스터번스를 동시에 개선할 수 있는 플래쉬 메모리 소자의 제조 방법을 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a flash memory device capable of reducing channel capacitance and simultaneously improving program speed and disturbance.
본 발명의 다른 목적은 소자 분리막을 형성하기 위한 트렌치를 반도체 기판 상부로부터 소정 깊이까지는 수직 프로파일을 갖도록 하고, 그 이후 목표 깊이까지는 소정의 경사 프로파일을 갖도록 형성함으로써 다른 공정의 변화없이 채널 캐패시턴스를 줄일 수 있는 플래쉬 메모리 소자의 제조 방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to form a trench for forming the device isolation layer to have a vertical profile from the top of the semiconductor substrate to a predetermined depth, and then to have a predetermined inclined profile up to the target depth, thereby reducing channel capacitance without changing other processes. The present invention provides a method of manufacturing a flash memory device.
프로그램을 실시하지 않는 셀 어레이에는 일반적으로 프로그램 디스터번스를 억제하기 위해 채널을 고전압으로 부스팅시키게 된다. 그런데, 소오스와 소오스 선택 트랜지스터에 의해 누설성 전자가 발생하게 되고, 누설성 전자에 의해 워드라인을 공유하는 인접한 셀의 프로그램 동작시 디스터번스를 유발하게 되며, 이는 곧 수율의 감소로 이어지게 되어 생산성에 영향을 미치게 된다.Non-programmed cell arrays typically boost the channel to high voltages to suppress program disturbances. However, leaky electrons are generated by the source and the source select transistor, and the discontinuity is caused during the program operation of adjacent cells sharing the wordline by the leaky electrons, which leads to a decrease in yield, which affects productivity. Get mad.
이러한 셀의 프로그램 디스터번스는 오랜 시간동안 반복적으로 프로그램을 실행할 때 발생하게 된다. 따라서, 셀의 프로그램 동작시에만 채널에 높은 바이어스를 유지시키고 프로그램 동작이 종료된 후에는 바로 0V 또는 낮은 바이어스 조건으로 다스차징한다. 그런데, 채널의 캐패시턴스가 크게 되면 채널의 바이어스를 디스차징시키는데 지연 요소가 되므로, 채널 캐패시턴스를 작게하는 것이 유리하게 되며, 이렇게 감소된 채널 캐패시턴스로 셀의 프로그램 디스터번스를 최소화할 수 있게 된다.The program disturbance of these cells occurs when a program is repeatedly executed for a long time. Therefore, high bias is maintained in the channel only during the program operation of the cell and immediately after the program operation is terminated, dosing to 0V or a low bias condition. However, when the capacitance of the channel is increased, it becomes a delay factor in discharging the bias of the channel. Therefore, it is advantageous to reduce the channel capacitance, and thus the program capacitance of the cell can be minimized with the reduced channel capacitance.
따라서, 본 발명에서는 소자 분리막을 형성하기 위한 트렌치를 반도체 기판 상부로부터 소정 깊이까지는 수직으로 형성하고, 그 이후 목표 깊이까지는 소정의 각도를 갖도록 형성하여 채널 캐패시턴스를 줄임으로써 프로그램 속도와 프로그램 디스터번스 모두를 개선시킬 수 있고, 다른 셀 특성에는 거의 영향을 미치지 않게 된다.Therefore, in the present invention, the trench for forming the device isolation layer is formed vertically from the top of the semiconductor substrate to a predetermined depth, and then formed to have a predetermined angle up to the target depth, thereby reducing channel capacitance, thereby improving both program speed and program disturbance. And little effect on other cell characteristics.
본 발명의 일 실시 예에 따른 플래쉬 메모리 소자의 제조 방법은 반도체 기판상의 소정 영역에 이중 기울기를 갖는 트렌치를 형성하는 단계; 상기 트렌치가 매립되도록 절연막을 형성하여 소자 분리막을 형성하는 단계; 상기 반도체 기판 상부의 소정 영역에 터널 산화막, 플로팅 게이트, 유전체막 및 콘트롤 게이트가 적층된 게이트를 형성하는 단계; 및 상기 게이트 양측의 상기 반도체 기판상에 접합부를 형성하는 단계를 포함한다.A method of manufacturing a flash memory device according to an embodiment of the present invention may include forming a trench having a double slope in a predetermined region on a semiconductor substrate; Forming an isolation layer by forming an insulating layer to fill the trench; Forming a gate in which a tunnel oxide film, a floating gate, a dielectric film, and a control gate are stacked in a predetermined region on the semiconductor substrate; And forming a junction on the semiconductor substrate at both sides of the gate.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 플래쉬 메모리 소자의 제조 방법은 반도체 기판 상부에 터널 산화막, 제 1 폴리실리콘막 및 패드 질화막을 순차적으로 형성하는 단계;소자 분리 마스크를 이용한 사진 및 식각 공정으로 상기 패드 질화막 내지 상기 터널 산화막의 소정 영역을 식각한 후 상기 반도체 기판의 소정 영역에 이중 기울기를 갖는 트렌치를 형성하는 단계; 상기 트렌치가 매립되도록 절연막을 형성한 후 연마 공정을 실시하고, 상기 패드 질화막을 제거하여 소자 분리막을 형성하는 단계; 전체 구조 상부에 제 2 폴리실리콘막을 형성한 후 패터닝하여 상기 제 1 및 제 2 폴리실리콘막으로 구성된 플로팅 게이트 패턴을 형성하는 단계; 전체 구조 상부에 유전체막, 제 3 폴리실리콘막 및 텅스텐 실리사이드막을 형성한 후 패터닝하여 플로팅 게이트 및 콘트롤 게이트가 적층된 게이트를 형성하는 단계; 및 상기 게이트 양측의 상기 반도체 기판상에 접합부를 형성하는 단계를 포함한다. In another embodiment, a method of manufacturing a flash memory device may include sequentially forming a tunnel oxide layer, a first polysilicon layer, and a pad nitride layer on a semiconductor substrate; the pad nitride layer by a photo-etching process using an isolation mask. Forming a trench having a double slope in a predetermined region of the semiconductor substrate after etching the predetermined region of the tunnel oxide layer; Forming an insulating film to fill the trench, and then performing a polishing process, and removing the pad nitride film to form an isolation layer; Forming a second polysilicon layer over the entire structure and patterning the second polysilicon layer to form a floating gate pattern formed of the first and second polysilicon layers; Forming a dielectric film, a third polysilicon film, and a tungsten silicide film on the entire structure, and then patterning to form a gate in which a floating gate and a control gate are stacked; And forming a junction on the semiconductor substrate at both sides of the gate.
여기서, 상기 트렌치는 상기 접합부의 깊이 까지는 수직 프로파일을 갖고, 그 이후부터 목표 깊이까지는 소정의 경사 프로파일을 갖도록 형성한다.Here, the trench is formed to have a vertical profile up to the depth of the junction and a predetermined inclined profile up to a target depth thereafter.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described an embodiment of the present invention;
도 1(a) 내지 도 1(c)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 NAND형 플래쉬 메모리 소자의 제조 방법을 설명하기 위해 순서적으로 도시한 소자의 단면도이다.1 (a) to 1 (c) are cross-sectional views of devices sequentially shown to explain a method of manufacturing a NAND type flash memory device according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 1(a)를 참조하면, 소정의 구조가 형성된 반도체 기판(11) 상부에 터널 산화막(12), 제 1 폴리실리콘막(13) 및 패드 질화막(14)을 순차적으로 형성한다. 소자 분리 마스크를 이용한 사진 및 식각 공정으로 패드 질화막(14), 제 1 폴리실리 콘막(13) 및 터널 산화막(12)의 소정 영역을 식각한 후 반도체 기판(11)을 소정 깊이로 식각하여 트렌치(15)를 형성한다. 이때, 트렌치(15)는 이중 기울기를 갖도록 형성되는데, 소정 깊이, 예컨데 이후 형성되는 접합부의 깊이 까지는 수직 프로파일(A)을 갖고, 그 이후 목표 깊이까지는 소정의 경사 프로파일(B)을 갖도록 형성한다. 즉, 트렌치(15)는 이후 게이트 형성 공정 이후 형성되는 웰과 접합부의 경계까지 수직 프로파일을 갖는다.Referring to FIG. 1A, a
도 1(b)를 참조하면, 산화 공정을 실시하여 트렌치(15) 내부에 월 산화막(도시안됨)을 형성한 후 트렌치(15)가 매립되도록 전체 구조 상부에 절연막, 예컨데 HDP 산화막을 형성한다. 그리고, CMP 공정을 실시하여 절연막을 연마한 후 패드 질화막(14)을 제거하여 소자 분리막(16)을 형성한다.Referring to FIG. 1B, an oxide process is performed to form a monthly oxide film (not shown) inside the
도 1(c)를 참조하면, 전체 구조 상부에 제 2 폴리실리콘막(17)을 형성한 후 제 2 폴리실리콘막(17)이 소자 분리막(16)과 소정 영역 중첩되도록 패터닝하여 플로팅 게이트를 확정한다. 전체 구조 상부에 유전체막(18), 제 3 폴리실리콘막(19) 및 텅스텐 실리사이드막(20)을 형성한 후 패터닝하여 플로팅 게이트와 콘트롤 게이트가 적층된 게이트를 형성한다. 이후 소정의 이온 주입 공정을 실시하여 게이트 양측의 반도체 기판(11)상에 접합부(도시안됨)를 형성한다. 이때, 접합부(도시안됨)는 소자 분리막(16)의 수직 프로파일을 갖는 부분까지 형성되도록 한다.Referring to FIG. 1C, after forming the second polysilicon layer 17 on the entire structure, the second polysilicon layer 17 is patterned so as to overlap a predetermined region with the
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 STI 공정을 이용하여 소자 분리막을 형 성하기 위한 트렌치 형성시 반도체 기판 상부로부터 접합부의 깊이까지 수직 프로파일을 갖도록 하고, 그 이후부터 목표 깊이까지 소정의 경사 프로파일을 갖도록 형성함으로써 전체적으로 채널의 면적을 감소시켜 채널 캐패시턴스를 줄일 수 있게 되어 프로그램 속도와 프로그램 디스터번스, 특히 고전압으로 부스팅된 채널에서 워드라인을 공유하는 인접한 셀의 디스터번스를 감소시킬 수 있다.As described above, according to the present invention, when forming a trench for forming a device isolation layer using an STI process, the semiconductor substrate has a vertical profile from the top of the semiconductor substrate to the depth of the junction, and then has a predetermined inclined profile from thereafter to the target depth. This reduces the channel capacitance by reducing the area of the channel as a whole, thereby reducing program speed and program disturbances, particularly the discontinuity of adjacent cells sharing wordlines in high-voltage boosted channels.
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