KR20080001281A - Non volatile memory device and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 종래기술에 따른 SONOS(Silicon-Oxide-Nitride-Oxide-Semiconductor; SONOS) 메모리 소자의 단면도.1 is a cross-sectional view of a silicon-oxide-nitride-oxide-semiconductor (SONOS) memory device according to the prior art;
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 단면도.2 is a cross-sectional view of a nonvolatile memory device according to an embodiment of the present invention.
도 3a 내지 도 3g는 도 2에 도시된 비휘발성 메모리 소자의 제조방법을 도시한 공정 단면도.3A to 3G are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing the nonvolatile memory device shown in FIG. 2.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
1, 11 : 기판1, 11: substrate
2, 12 : 소자 분리막2, 12: device separator
3, 13 : 하부 절연막3, 13: lower insulating film
4, 17 : 전하 저장층4, 17: charge storage layer
5, 18 : 상부 절연막5, 18: upper insulating film
6, 19 : 게이트 전극6, 19: gate electrode
14 : 하부 질화막14: lower nitride film
15 : 실리콘막15 silicon film
16 : 상부 질화막16: upper nitride film
본 발명은 반도체 소자 및 그 제조 기술에 관한 것으로, 특히 SONOS(Silicon Oxide Nitride Oxide Silicon) 구조 또는 MONOS(Metal Oxide Nitride Oxide Silicon)를 갖는 비휘발성 메모리 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE
일반적으로, 정보 통신 분야에서 데이터 메모리 소자인 반도체 메모리 소자는 휘발성 메모리 소자(volatile memory device)와 비휘발성 메모리 소자(non-volatile memory device)로 분류된다. 먼저, 휘발성 메모리 소자는 전원을 끊으면 기억하고 있던 데이터(data)가 없어지는 특성을 갖는 메모리 소자로 RAM(Random Access Memory) 등이 있다. 이에 반해, 비휘발성 메모리 소자는 전원을 끊어도 기억하고 있는 데이터를 잃지 않는 특성을 갖는 메모리 소자로 ROM(Read Only Memory) 등이 있다. In general, semiconductor memory devices which are data memory devices in the information and communication field are classified into volatile memory devices and non-volatile memory devices. First, a volatile memory device is a memory device having a characteristic that data stored therein is lost when a power supply is cut off, such as RAM (Random Access Memory). On the other hand, nonvolatile memory devices include ROM (Read Only Memory) and the like that have a characteristic of not losing data stored even when the power supply is turned off.
이중, 비휘발성 메모리 소자로는 전하 포획(charge-trapping) 소자를 들 수가 있다. 예를 들어, 부유 게이트(floating gate)라 지칭하는 고립된 전도체에 전하가 저장되는 전계 효과 소자인 부유 게이트형 메모리 소자가 있다. 부유 게이트형 메모리 소자는 기판과 게이트 전극 사이에 형성된 절연막에 의해 고립된 전도체 인 부유 게이트를 형성하고, 부유 게이트 내에 전하를 저장하는 방법으로 프로그램을 수행한다. Among the nonvolatile memory devices, charge-trapping devices may be used. For example, there is a floating gate type memory element, which is a field effect element in which charge is stored in an isolated conductor called a floating gate. The floating gate type memory device forms a floating gate, which is a conductor isolated by an insulating film formed between the substrate and the gate electrode, and performs a program by storing charge in the floating gate.
부유 게이트형 메모리 소자는 전도체 부유 게이트를 사용하므로 부유 게이트와 기판을 이격시키는 터널 절연막 일부에 결함이 발생하면 부유 게이트에 저장된 모든 전하를 잃을 수 있다. 따라서, 부유 게이트형 메모리 소자는 신뢰성(reliability)을 유지하기 위해 메모리 소자에 후술하는 부유 포획(floating trap)형 메모리 소자에 비해 상대적으로 두꺼운 터널 산화막이 필요하다. 이 경우 터널 산화막의 두께를 증가시킴에 따라 높은 동작전압이 요구되어 복잡한 주변회로가 필요하다. 그 결과 소자 고집적화의 한계를 가지며 높은 소비전력의 문제점을 가진다. Since the floating gate type memory device uses a conductor floating gate, when a defect occurs in a portion of the tunnel insulating layer that separates the floating gate from the substrate, all of the charge stored in the floating gate may be lost. Accordingly, the floating gate type memory device requires a relatively thick tunnel oxide film as compared to the floating trap type memory device described later in the memory device in order to maintain reliability. In this case, as the thickness of the tunnel oxide film is increased, a high operating voltage is required, thereby requiring a complex peripheral circuit. As a result, there is a limit of device integration and high power consumption.
한편, 전하 포획 소자의 다른 예로는 전계 효과 소자의 절연성 벌크 트랩(bulk trap)에 전하를 저장하는 부유 포획형 메모리 소자가 있다. 이러한 부유 포획형 메모리 소자는 게이트 전극과 기판 사이에 설치된 절연성 전하 저장층 내에서 형성되는 트랩에 전하를 저장하는 방법에 의해 프로그램을 수행한다. 부유 포획형 메모리 소자의 예로는 금속-질화막-산화막-반도체(Metal-Nitride-Oxide-Semiconductor; MNOS), 금속-알루미나-산화막-반도체(Metal-Alumina-Oxide-Semiconductor; MAOS), 금속-알루미나-산화막-반도체(Metal-Alumina-Semiconductor; MAS), 실리콘-산화막-질화막-산화막-반도체(Silicon-Oxide-Nitride-Oxide-Semiconductor; SONOS)(이하, 소노스 소자라 함), 금속-산화막-질화막-산화막-반도체(Metal Oxide Nitride Oxide Silicon; MONOS)(이하, 모노스 소자 라 함) 등이 있다. Meanwhile, another example of the charge trapping device is a floating trapping memory device that stores charge in an insulating bulk trap of the field effect device. The floating trap type memory device performs a program by a method of storing charge in a trap formed in an insulating charge storage layer provided between a gate electrode and a substrate. Examples of floating trapped memory devices include metal-nitride-oxide-semiconductor (MNOS), metal-alumina-oxide-semiconductor (MAOS), metal-alumina-semiconductor Oxide-Semiconductor (MAS), Silicon-Oxide-Nitride-Oxide-Semiconductor (SONOS) (hereinafter referred to as Sonos element), Metal-Oxide-Nitride And oxide-semiconductor (Metal Oxide Nitride Oxide Silicon (MONOS)).
도 1은 종래기술에 따른 소노스 소자의 구조를 설명하기 위하여 도시한 단면도이다. 1 is a cross-sectional view illustrating the structure of a sonos device according to the prior art.
도 1에 도시된 바와 같이, 소노스 소자는 소자 분리막(2)이 형성된 기판(1) 상에 순차적으로 적층된 하부 절연막(3), 전하 저장층(4), 상부 절연막(5) 및 게이트 전극(6)으로 이루어진다. 이때, 하부 절연막(3)과 상부 절연막(5)은 CVD(Chemical Vapor Deposition) SiO2막으로 형성하고, 전하 저장층(4)은 실리콘질화막(Si3N4)으로 형성한다. As shown in FIG. 1, the sonos device includes a lower insulating film 3, a
이러한 구조를 갖는 소노스 소자는 부유 게이트형 메모리 소자인 플래시 메모리 소자와 달리 부유 포획형 메모리 소자로서 하부 절연막(3)과 상부 절연막(5) 사이에 개재된 질화막, 즉 전하 저장층(4)에 전하를 저장하는 방식으로 프로그램을 수행한다. 그러나, 전하 저장층(4)으로 사용되는 질화막 내의 트랩 사이트(trap site)가 작아 전하를 많이 저장시키지 못하는 단점이 있으며, 트랩 사이트에 전하를 저장하는 프로그램 동작 및 전하를 제거시키기 위한 소거 동작을 위한 속도가 감소하는 문제가 있다. 이는, 트랩 사이트가 충분치 않아 프로그램 동작시 고전압이 요구되고 있고, 이러한 고전압에 의해 트랩되는 전하들은 상대적으로 깊은 트랩 사이트 영역에 트랩되거나, 하부 절연막(3)과 전하 저장층(4) 사이의 계면에 트랩되어 소거가 상대적으로 어렵게 되며, 이에 따라 소거 동작 속도가 감소하는 문제가 있다. Unlike the flash memory device, which is a floating gate type memory device, a sonoth device having such a structure is a floating trap type memory device and is formed on the nitride film interposed between the lower insulating film 3 and the upper
따라서, 본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 프로그램 및 소거 동작 속도를 향상시킬 수 있는 비휘발성 메모리 소자 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다. Accordingly, an object of the present invention is to provide a nonvolatile memory device and a method of manufacturing the same, which have been proposed to solve the problems of the related art.
상기한 목적을 달성하기 위한 일 측면에 따른 본 발명은, 기판 상에 형성된 하부 절연막과, 상기 하부 절연막 상에 형성된 전하 저장층과, 상기 전하 저장층 상에 형성된 상부 절연막과, 상기 상부 절연막 상에 형성된 게이트 전극을 포함하되, 상기 전하 저장층은, 상기 하부 절연막 상에 형성된 제1 질화막과, 상기 제1 질화막 상에 형성된 실리콘막과, 상기 실리콘막 상에 형성된 제2 질화막을 포함하는 비휘발성 메모리 소자를 제공한다. According to an aspect of the present invention, a lower insulating film formed on a substrate, a charge storage layer formed on the lower insulating film, an upper insulating film formed on the charge storage layer, and an upper insulating film And a gate electrode formed, wherein the charge storage layer includes a first nitride film formed on the lower insulating film, a silicon film formed on the first nitride film, and a second nitride film formed on the silicon film. Provided is an element.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 다른 측면에 따른 본 발명은, 기판 상에 하부 절연막을 형성하는 단계와, 상기 하부 절연막 상에 제1 질화막을 형성하는 단계와, 상기 제1 질화막 상에 실리콘막을 형성하는 단계와, 상기 실리콘막 상에 제2 질화막을 형성하는 단계와, 상기 제2 질화막 상에 상부 절연막을 형성하는 단계와, 상기 상부 절연막 상에 게이트 전극을 형성하는 단계를 포함하는 비휘발성 메모리 소자의 제조방법을 제공한다. According to another aspect of the present invention, there is provided a method of forming a lower insulating film on a substrate, forming a first nitride film on the lower insulating film, and forming a silicon film on the first nitride film. And forming a second nitride film on the silicon film, forming an upper insulating film on the second nitride film, and forming a gate electrode on the upper insulating film. Provided is a method for manufacturing a device.
본 발명은 트랩 밀도(trap density)를 증가시키기 위하여 전하 저장층인 Si3N4층에 의도적으로 SiH4 가스 처리(treatment)를 행함으로써 국부적으로 실리콘이 다량 함유된 층을 만들고, 이를 통해 프로그램/소거 동작 속도를 크게 개선시킬 수 있다. The present invention intentionally performs a SiH 4 gas treatment on the Si 3 N 4 layer, which is a charge storage layer, in order to increase the trap density, thereby creating a layer containing a large amount of silicon, thereby providing a program / The erase operation speed can be greatly improved.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 또한, 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이며, 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되어지는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나, 또는 그들 사이에 제3의 층이 개재될 수도 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분은 동일한 구성요소들을 나타낸다. DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the technical idea of the present invention. In addition, in the drawings, the thicknesses of layers and regions are exaggerated for clarity, and in the case where the layers are said to be "on" another layer or substrate, they may be formed directly on another layer or substrate or Or a third layer may be interposed therebetween. In addition, the same reference numerals throughout the specification represent the same components.
실시예Example
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 구조를 설명하기 위하여 도시한 단면도이다. 2 is a cross-sectional view illustrating the structure of a nonvolatile memory device according to an embodiment of the present invention.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자는 전하 저장층(17)이 질화막(14), 실리콘막(15) 및 질화막(16)의 적층 구조로 형성된다. 이때, 질화막(14, 16)은 Si3N4막으로 이루어진다. As shown in FIG. 2, in the nonvolatile memory device according to the embodiment of the present invention, the
전하 저장층(17)은 전술한 바와 같이 질화막(14, 16) 사이에 실리콘이 다량 함유된 실리콘막(15)을 포함한다. 실리콘이 다량 함유된 실리콘막(15)은 화학량론(stoichiometric)적인 Si3N4에 비해 트랩 사이트를 많이 가지게 되어 상대적으로 낮은 전압에서도 프로그램이 용이할 뿐만 아니라, 낮은 전압에 의한 프로그램 동작 때문에 트랩핑이 주로 얕은 트랩 사이트에서 일어나 소거 동작 속도을 개선시킬 수 있다. As described above, the
이하, 도 3a 내지 도 3g를 참조하여 이러한 구조를 갖는 본 발명의 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 제조방법을 설명하기로 한다. 여기서, 도 3a 내지 도 3g는 도 2에 도시된 비휘발성 메모리 소자의 제조방법을 설명하기 위하여 도시한 제조 공정도이다. Hereinafter, a method of manufacturing a nonvolatile memory device according to an embodiment of the present invention having such a structure will be described with reference to FIGS. 3A to 3G. 3A to 3G are diagrams illustrating a manufacturing process of the method for manufacturing the nonvolatile memory device illustrated in FIG. 2.
먼저, 도 3a에 도시된 바와 같이, STI(Shallow Trench Isolation) 공정을 실시하여 반도체 기판(11) 내에 HDP(High Density Plasma) 산화막으로 소자 분리막(12)을 형성한다. 이때, STI 공정은 다음과 같은 과정으로 이루어진다. 먼저, 기판(11) 상에 미도시된 패드 산화막(pad oxide)과 패드 질화막(pad nitride)을 순차적으로 증착 또는 형성한 후 포토리소그래피(photolithography) 공정을 실시하여 기판(11) 내에 일정 깊이를 갖는 트렌치(trench)를 형성한다. 이후, 상기 트렌치가 매립되도록 상기 HDP 산화막을 증착한 후 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정을 통해 평탄화하고, 상기 패드 질화막과 패드 산화막을 제거하여 소자 분리막(12)을 완성한다. 한편, 소자 분리막(12)을 형성하기 전에 웰(well) 이온주입공정을 실시하여 기판(11)에 웰(well) 영역(미도시)을 형성한다. 이때, 웰 이온주입 공정은 다음과 같은 과정으로 이루어진다. 먼저, 기판(11) 상에 스크린 산화막(screen oxide, 미도시)을 형성한 후 웰 이온주입공정을 실시하여 웰 영역을 형성한다. 여기서, 상기 스크린 산화막은 웰 이온주입공정시 기판(11)의 계면(surface)이 손상되는 것을 방지한다. First, as shown in FIG. 3A, a shallow trench isolation (STI) process is performed to form the
이어서, 문턱전압조절용 이온주입공정을 실시할 수도 있다. 물론, 경우에 따라서는 문턱전압조절용 이온주입공정은 소자 분리막(12)을 형성한 후 형성할 수도 있다. Subsequently, an ion implantation step for adjusting the threshold voltage may be performed. Of course, in some cases, the ion implantation process for adjusting the threshold voltage may be formed after the
한편, 스크린 산화막은 이온주입공정 후 프리-세정(pre-cleaning) 공정을 통해 제거된다. On the other hand, the screen oxide film is removed through a pre-cleaning process after the ion implantation process.
이어서, 기판(11) 상에 터널 산화막으로 기능하는 하부 절연막(13)을 형성한다. 이때, 하부 절연막(13)은 열산화 공정을 통해 기판(11)의 실리콘을 성장시켜 형성하거나, 증착공정을 통해 형성한다. 여기서, 하부 절연막(13)은 SiO2막으로 20 이상의 두께로 형성한다. Subsequently, a lower insulating
이어서, 도 3b에 도시된 바와 같이, 하부 절연막(13) 상부에 하부 질화막(14)을 증착한다. 이때, 하부 질화막(14)은 CVD(Chemical Vapor Deposition) 또는 ALD(Automic Layer Deposition) 공정을 이용하여 Si3N4막으로 20~60Å의 두께로 형성한다. Subsequently, as shown in FIG. 3B, a
이어서, 도 3c에 도시된 바와 같이, 하부 질화막(14, 도 3b참조)에 대하여 SiH4 가스 처리(SiH4 gas treatment)를 실시하여 실리콘이 다량 함유된 실리콘 막(15)을 형성한다. 이때, SiH4 가스 처리는 열 분해(thermal decomposition)가 일어나도록 적어도 400℃ 온도, 바람직하게는 400~600℃ 온도에서 10초~10분 동안 실시한다. Then, to form a lower nitride layer 14 (see Fig. 3b), SiH 4 gas treatment (SiH 4 gas treatment), the
한편, SiH4 가스 처리는 하부 질화막(14) 형성공정과 인-시튜(in-situ)로 진행할 수도 있다. On the other hand, the SiH 4 gas treatment may proceed in the process of forming the
이어서, 도 3d에 도시된 바와 같이, 실리콘막(15) 상에 상부 질화막(16)을 증착한다. 이때, 상부 질화막(16)은 하부 질화막(14)과 마찬가지로 CVD 또는 ALD 공정을 이용하여 Si3H4막을 이용하여 20~60Å의 두께로 형성한다. 이로써, 하부 질화막(14), 실리콘막(15) 및 상부 질화막(16)이 적층된 구조를 갖는 전하 저장층(17)이 완성된다. Next, as shown in FIG. 3D, an
이어서, 도 3e에 도시된 바와 같이, 상부 질화막(16) 상에 상부 절연막(18)을 형성한다. 이때, 상부 절연막(18)은 실리콘산화막(SiO2) 또는 알루미늄산화막(Al2O3)을 이용하여 50~300Å의 두께로 형성한다. 여기서, 상부 절연막(18)은 게이트 전극(19)(도 3f참조)으로부터 전하를 저장하는 전하 저장층(17)을 고립시켜 전하 저장층(17)에 저장된 전하를 보전시키는 한편, 게이트 전극(19)으로부터 전기장(electric field)을 형성시키는 역할을 하게 된다. Subsequently, as shown in FIG. 3E, the upper insulating
한편, 상부 절연막(18)을 Al2O3막으로 형성하는 경우에는 Al2O3막 증착 후 추가로 RTP(Rapid Temperature Process) 공정을 실시하여 Al2O3막을 경화시킨다. 또 한, 상부 절연막(18)을 SiO2막으로 형성하는 경우에는 CVD 공정을 이용하여 형성한다. On the other hand, in the case of forming the upper insulating
이어서, 도 3f에 도시된 바와 같이, 상부 절연막(18) 상에 게이트 전극(19)을 형성한다. Subsequently, as shown in FIG. 3F, the
이때, 게이트 전극(19)은 소노스 소자인 경우, 산화 저항성이 낮은 언도프트(undoped) 또는 도핑 농도가 낮은 저농도 도프트(doped) 폴리 실리콘막으로 형성한다. 여기서, 언도프트 폴리 실리콘막 LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition) 방식으로 SiH4 가스를 이용하여 형성한다. 또한, 도프트 폴리 실리콘막은 LPCVD 방식으로 Si2H6와 PH3 가스를 이용하여 형성하며, 도핑 농도는 1E19~5E20/cm3 정도로 하여 게이트 공핍 효과(gate depletion effect)가 최소화될 수 있도록 한다. 이에 반해, 모노스 소자인 경우, 일함수(work fucction)이 적어도 4.5eV, 바람직하게는 4.5~6eV인 금속물질로 형성한다. 예컨대 TaN, TiN, WN 등으로 형성한다. In this case, the
이어서, 도시되지 않았지만 소노스 소자의 경우에는 폴리실리콘막의 비저항을 낮추기 위해 그 상부에 텅스텐실리사이드(WSi), 텅스텐질화막(WN)/텅스텐실리사이드(WSi)막을 형성할 수 있다. 모노스 소자의 경우에는 금속막, 예컨대 TaN막의 비저항을 낮추기 위해서 그 상부에 폴리실리콘막/WN/WSi막을 순차적으로 형성할 수 있다. Subsequently, in the case of the sonos device, although not shown, a tungsten silicide (WSi) and a tungsten nitride film (WN) / tungsten silicide (WSi) film may be formed on the silicon silicon film to reduce the specific resistance of the polysilicon film. In the case of the monos device, a polysilicon film / WN / WSi film may be sequentially formed on the metal film, for example, in order to lower the specific resistance of the TaN film.
이어서, 도 3g에 도시된 바와 같이, 게이트 전극(19) 상부에 하드 마스크(미 도시)를 증착한 후 포토리소그래피(photolithograpy) 공정을 실시하여 스택(stack) 구조를 갖는 게이트를 완성한다. Subsequently, as illustrated in FIG. 3G, a hard mask (not shown) is deposited on the
본 발명의 기술 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명은 이 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예들이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.Although the technical spirit of the present invention has been described in detail in the preferred embodiments, it should be noted that the above-described implementation is for the purpose of description and not of limitation. In addition, it 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 전하 저장층인 Si3N4층에 의도적으로 SiH4 가스 처리를 행함으로써 국부적으로 실리콘이 다량 함유된 층을 만들고, 이를 통해 트랩 밀도를 증가시켜 프로그램/소거 동작 속도를 크게 개선시킬 수 있다. As described above, according to the present invention, by intentionally performing SiH 4 gas treatment on the Si 3 N 4 layer, which is a charge storage layer, a layer containing a large amount of silicon is locally formed, thereby increasing the trap density to program / erase It can greatly improve the operation speed.
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Legal Events
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