KR20080007939A - Fabrication method of nano floating gate non-volatile memory device - Google Patents

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Abstract

A nano-floating gate type non-volatile memory device is provided to obtain high capacitance and to manufacture a high-speed non-volatile memory device by using a metal nano-particle layer. A semiconductor substrate including an SOI substrate(11), and an insulating layer(12) and an upper silicon layer(13) stacked on the SOI substrate is prepared. The upper silicon layer is patterned and a first tunnel barrier insulating layer(14) is stacked on the exposed insulating layer and the upper silicon layer. A second tunnel barrier insulating layer(15) is stacked on the first tunnel barrier insulating layer. A metal and metal oxide nano-particles layer(16) is deposited on the second tunnel barrier insulating layer to form a nano-quantum dot. A nano-floating gate is formed by depositing a first and second control insulating layers(17,18) on the nano-quantum dot. A source/drain channel region(19) is formed by implanting ions into the exposed upper silicon layer. A silicon insulating layer(20) is formed and etched. A metal electrode(21) is formed.

Description

나노 부유게이트형 비휘발성 메모리소자의 제조방법{Fabrication method of nano floating gate non-volatile memory device}Fabrication method of nano floating gate non-volatile memory device

도 1 내지 도 11은 본 발명에 따른 나노 부유게이트형 비휘발성 메모리소자의 제조방법을 설명하기 위한 제작 단계도이다. 1 to 11 are manufacturing steps for explaining a method of manufacturing a nano floating gate type nonvolatile memory device according to the present invention.

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

11 : SOI 기판 12: 절연층11: SOI substrate 12: insulating layer

13 : 상부 실리콘층 14 : 제1 터널장벽 절연막13: upper silicon layer 14: first tunnel barrier insulating film

15 : 제2 터널장벽 절연막 16 :금속 및 금속산화물 나노입자층15 second tunnel barrier insulating film 16: metal and metal oxide nanoparticle layer

17 : 제1 컨트롤 절연막 18 : 제2 컨트롤 절연막 17: first control insulating film 18: second control insulating film

19 : 소스 및 드레인 채널 20 : 실리콘 절연막19 source and drain channel 20 silicon insulating film

21 : 금속 전극 21: metal electrode

본 발명은 나노 부유게이트형 비휘발성 메모리소자의 제조방법에 관한 것으 로서, 더욱 상세하게는 물리적 기상 증착법으로 형성된 금속 및 금속산화물 나노입자층 또는 고분자 박막 내에 화학적으로 형성된 금속산화물 나노입자층을 비대칭형 터널장벽 절연막 및 컨트롤 절연막 사이에 위치시켜 제조 가능한 나노 부유게이트형 비휘발성 메모리 소자의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for manufacturing a nano-floating gate type nonvolatile memory device, and more particularly, asymmetric tunnel barriers for metal and metal oxide nanoparticle layers or metal oxide nanoparticle layers chemically formed in polymer thin films formed by physical vapor deposition. The present invention relates to a method for manufacturing a nano floating gate type nonvolatile memory device which can be manufactured between an insulating film and a control insulating film.

일반적으로, 비휘발성 메모리 기술은 기술적으로 EPROM(erasable-programmable read-only memory)과 EEPROM(electrically erasable-programmable read-only memory)의 장점뿐만 아니라, DRAM과 ROM(read only memory)의 장점을 모두 갖춘 메모리이다. In general, nonvolatile memory technology has the advantages of both erasable-programmable read-only memory (EPROM) and electrically erasable-programmable read-only memory (EPEROM), as well as both DRAM and read only memory (ROM). Memory.

향후의 비휘발성 메모리는 저장 용량의 증가 및 성능의 개선이 필수적인데, 기존의 폴리 실리콘 부유 게이트(floating gate)를 저장 전극으로 사용하여 제작된 비휘발성 메모리 소자는 고집적/고성능을 구현하는데 어려움이 있으므로 이를 대신할 형태의 메모리가 개발 연구되고 있으며 이러한 메모리 소자를 NFGM(nano-floating gate memory)이라 한다. In future, non-volatile memory needs to increase storage capacity and improve performance. Non-volatile memory devices fabricated by using a conventional polysilicon floating gate as a storage electrode have difficulty in achieving high integration / high performance. A type of memory has been developed and researched instead. Such a memory device is called nano-floating gate memory (NFGM).

위와 같은 NFGM의 경우 전하의 저장 및 지우기 실행 동작을 하기 위하여 직접터널 방식(direct tunneling)을 사용한다. In the case of the NFGM as described above, direct tunneling is used to perform an operation of storing and erasing charges.

이는 나노입자층에 작은 전압을 인가하여 전하를 저장시키기 위하여 보통 터널장벽 절연막을 5nm 이하로 형성한 후 그 상부에 나노입자층을 산포시킨다. In order to store charge by applying a small voltage to the nanoparticle layer, a tunnel barrier insulating film is usually formed at 5 nm or less, and then the nanoparticle layer is scattered thereon.

이때, 사용되는 나노입자층은 금속 및 금속산화물을 사용해야 하는데, 이는 금속 및 금속산화물 나노 입자의 성질인 큰 전자친화도의 차이가 깊은 양자 우물 구조를 형성하는 것으로 기존 실리콘 나노 양자점을 사용한 NFGM 보다 전하의 유지 시간 (retention time)을 향상시킨다. At this time, the nanoparticle layer to be used should use a metal and a metal oxide, which forms a quantum well structure with a large difference in electron affinity, which is a property of the metal and metal oxide nanoparticles. Improve retention time.

상기 NFGM의 저전력 효과를 위하여 얇은 터널장벽 절연막은 직접터널 방식을 사용하기 때문에 쉽게 전하를 저장할 수 있으나 터널장벽 절연막 형성시 5nm 이하의 두께로 완벽한 절연막 형성이 어려우며, 직접 터널링으로 인한 절연막의 지속적인 스트레스로 인하여 절연막의 일부가 파손되는 경우가 발생하고, 금속 및 금속 산화물 나노입자층의 우물 깊이가 너무 낮아 정보의 저장시간은 빠르나 지우기 실행을 위해서는 정보 저장시보다 더 높은 전압을 인가하여야 하는 문제가 발생하게 된다.For the low power effect of the NFGM, the thin tunnel barrier insulating film can easily store charges because it uses a direct tunnel method, but when forming the tunnel barrier insulating film, it is difficult to form a perfect insulating film with a thickness of 5 nm or less, and due to continuous stress of the insulating film due to direct tunneling. Due to this, a part of the insulating film is broken, and the well depth of the metal and metal oxide nanoparticle layer is too low, so that the information storage time is fast, but a problem in that a higher voltage is required to be executed than the information storage is required for erasing.

즉, 얇은 터널장벽 절연막은 정보저장을 빠르게 할 수 있으나, 정보의 삭제를 위하여 가해주는 전압이 더 클 수 밖에 없으며 우물에서 전하를 채널 영역으로 내보내기 위하여 높은 전압을 인가하여야 하는데, 이는 곧 정보 삭제시 얇은 터널장벽 절연막에 지속적인 스트레스를 인가하는 것을 의미한다. In other words, the thin tunnel barrier insulating film can speed up the storage of information, but the voltage applied to the deletion of the information must be higher and a high voltage must be applied to discharge the charge from the well to the channel region. It means the continuous stress is applied to the thin tunnel barrier insulating film.

한편, 금속산화물 나노입자층을 화학적인 방법으로 제조하는 방법인 국내특허등록 제0585849호는 비휘발성 메모리 소자의 제작을 위해서 폴리이미드 내에 존재하는 금속산화물에 전하가 저장되어야 하나, 사용된 폴리이미드의 유전상수 값이 2.9이하로서, 상기 폴리이미드의 절연막으로 형성된 터널장벽 절연막 및 컨트롤 절연막은 비휘발성 메모리 소자로의 적용이 어려운 기술적인 문제를 가지고 있다. Meanwhile, Korean Patent Registration No. 0585849, which is a method of manufacturing a metal oxide nanoparticle layer by a chemical method, requires charge to be stored in a metal oxide present in a polyimide to fabricate a nonvolatile memory device. As the constant value is 2.9 or less, the tunnel barrier insulating film and the control insulating film formed of the insulating film of the polyimide have a technical problem that is difficult to apply to the nonvolatile memory device.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 물리적 기상 증착법 및 화학적 반응을 이용하여 제조한 금속 및 금속 산화물 나노입자층을 고유전 물질과 실리콘 산화막의 터널장벽 절연막과 컨트롤 절연막 사이에 형성하여 제조하되, 반도체 기판을 준비하는 단계와, 상기 반도체 기판 위에 비대칭형 터널장벽 절연막을 형성하는 단계와, 상기 비대칭형 터널장벽 절연막 위에 금속 및 금속 산화물 나노입자층을 형성하여 나노 양자점을 형성시키는 단계와, 상기 나노입자층 위에 비대칭형 컨트롤 절연막을 형성하여 금속 및 금속 산화물 나노 부유 게이트를 형성하는 단계를 포함하여 이루어진 나노 부유게이트형 비휘발성 메모리소자의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention is invented to solve the above problems, the metal and metal oxide nanoparticle layer prepared by physical vapor deposition and chemical reaction between the high dielectric material and the tunnel barrier insulating film and the control insulating film of silicon oxide film Forming a semiconductor substrate, forming an asymmetric tunnel barrier insulating film on the semiconductor substrate, and forming a metal and metal oxide nanoparticle layer on the asymmetric tunnel barrier insulating film to form nano quantum dots. And forming a non-symmetrical control insulating film on the nanoparticle layer to form metal and metal oxide nano floating gates.

이하, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 대해 설명하면 다음과 같다. Hereinafter, the features of the present invention for achieving the above object are as follows.

본 발명에 따른 나노 부유게이트형 비휘발성 메모리소자의 제조방법은, SOI 기판 위에 절연층 및 상부 실리콘층이 차례로 적층된 반도체 기판을 준비하는 단계와;A method of manufacturing a nano floating gate nonvolatile memory device according to the present invention includes preparing a semiconductor substrate in which an insulating layer and an upper silicon layer are sequentially stacked on an SOI substrate;

상기 상부 실리콘층을 패턴하고, 노출된 절연층과 상부 실리콘층 위에 제1 터널장벽 절연막을 적층하는 제1단계와;Patterning the upper silicon layer and stacking a first tunnel barrier insulating film on the exposed insulating layer and the upper silicon layer;

상기 제1 터널장벽 절연막 위에 제2 터널장벽 절연막을 적층하는 제2단계와;Stacking a second tunnel barrier insulating film on the first tunnel barrier insulating film;

상기 제2 터널장벽 절연막 상부에 금속 및 금속산화물 나노입자층을 물리적인 증착방법 또는 고분자 물질을 이용한 화학적인 방법으로 형성시켜 나노 양자점 을 형성시키는 제3단계와;Forming a nano quantum dot by forming a metal and a metal oxide nanoparticle layer on the second tunnel barrier insulating layer by a physical deposition method or a chemical method using a polymer material;

상기 형성된 금속 및 금속산화물 나노입자층의 나노 양자점 위에 제1 및 제2 컨트롤 절연막을 형성하여 나노 부유게이트를 형성시키는 제4단계와;Forming a nano floating gate by forming first and second control insulating layers on the nano quantum dots of the formed metal and metal oxide nanoparticle layers;

상기 소스, 드레인, 게이트를 형성하기 위하여 마스크를 사용하여 게이트가 형성될 영역만 남기고 식각하여 제거한 후 노출된 상부 실리콘 막에 이온을 주입하여 소스 및 드레인 채널영역을 형성하는 제5단계와;A fifth step of forming a source and a drain channel region by etching ions, leaving only the region where the gate is to be formed using a mask to form the source, drain, and gate, and then implanting ions into the exposed upper silicon film;

상기 소스, 드레인, 게이트의 전극을 형성하기 위하여 실리콘 절연막을 형성하고 소스, 드레인과 게이트의 전극 형성 부분이 노출되도록 식각한 후, 금속전극을 형성하는 제6단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다. And forming a silicon insulating film to form electrodes of the source, drain, and gate, and etching the electrode forming portions of the source, drain, and gate to be exposed, and then forming a metal electrode.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세하게 설명하면 다음과 같다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명은 비대칭 터널장벽 절연막 및 컨트롤 절연막 사이에 금속 및 금속산화물 나노입자층 또는 고분자 물질 사이에 형성된 금속산화물 나노입자층으로 게이트를 형성하여 나노 부유게이트형 비휘발성 메모리소자를 제조하는 방법에 관한 것이며, 특히 본 발명은 실리콘 및 절연층으로 이루어진 SOI(Silicon-On-Insulator) 기판 위에 비대칭 터널장벽 절연막을 형성한 후, 나노입자층이 포함된 부유게이트를 제작하여 정보의 저장이 가능하고, 읽고 지우기가 가능한 나노 부유게이트형 비휘발성 메모리소자의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method of manufacturing a nano floating gate type nonvolatile memory device by forming a gate with a metal oxide nanoparticle layer formed between a metal and a metal oxide nanoparticle layer or a polymer material between an asymmetric tunnel barrier insulating film and a control insulating film. According to the present invention, after forming an asymmetric tunnel barrier insulating film on a silicon-on-insulator (SOI) substrate made of silicon and an insulating layer, a floating gate including a nanoparticle layer is fabricated to store information and to read and erase information. A method of manufacturing a floating gate type nonvolatile memory device.

첨부한 도 1 내지 도 11은 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 나노 부유게이트형 비휘발성 메모리소자의 제조방법을 설명하기 위한 제작 단계도이다. 1 to 11 are manufacturing steps for explaining a method of manufacturing a nano floating gate type nonvolatile memory device according to an embodiment of the present invention.

먼저, 실리콘 및 절연층으로 이루어진 SOI 기판을 구비하는 바, 상기 SOI 기 판(11) 상부에 절연층이 형성되어 있으며, 그 상측에 상부 실리콘층(13)이 형성되어 있다.First, an SOI substrate made of silicon and an insulating layer is provided. An insulating layer is formed on the SOI substrate 11, and an upper silicon layer 13 is formed on the SOI substrate 11.

또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 상부 실리콘층(13)은 소스, 드레인, 게이트를 형성하기 위하여 식각 공정을 실시하게 되는 바, 이때 상부 실리콘층(13)의 식각 공정을 위하여 소스, 드레인, 게이트형의 패턴된 마스크를 사용하여 식각 공정을 실시하게 된다.In addition, as shown in FIG. 2, the upper silicon layer 13 may be etched to form a source, a drain, and a gate. In this case, the source, drain, and the like may be used to etch the upper silicon layer 13. An etching process is performed using a gated patterned mask.

그런 다음에, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 식각 공정이 완료된 상부 실리콘층(13) 위에 제1 터널장벽 절연막(14)을 적층한다.Next, as shown in FIG. 3, the first tunnel barrier insulating layer 14 is stacked on the upper silicon layer 13 on which the etching process is completed.

이때의 제1 터널장벽 절연막(14)은 실리콘 산화물(SiO2), 실리콘 질화물(SiO2.1N1, SiO1.3N1) 계열로 건식산화법(dry oxidiation) 및 물리적 기상 증착법 (Physical Vapor Deposition; PVD)으로 형성하게 된다. At this time, the first tunnel barrier insulating film 14 is a silicon oxide (SiO 2 ), silicon nitride (SiO 2.1 N 1 , SiO 1.3 N 1 ) -based dry oxidation (Physical Vapor Deposition; PVD) It is formed as.

또한, 이때에 형성되는 실리콘 질화물은 건식 산화법 및 물리적 증기 증착법 공정에서 질소의 혼합비율을 조절하여 형성 시킬 수 있다. In addition, the silicon nitride formed at this time may be formed by adjusting the mixing ratio of nitrogen in the dry oxidation method and physical vapor deposition process.

이는 후술하는 제2 컨트롤 절연막(18)과 동일한 물질을 사용하게 된다. This uses the same material as the second control insulating film 18 described later.

이때에 형성되는 제1 터널장벽 절연막(14)의 두께는 1 ~ 3 nm로 한정하여 성형하게 된다.The thickness of the first tunnel barrier insulating film 14 formed at this time is limited to 1 to 3 nm to be molded.

상기 제1 터널장벽 절연막(14)의 두께는 최소 1 nm 이상이어야 한다. The thickness of the first tunnel barrier insulating layer 14 should be at least 1 nm.

즉, 1 nm 미만인 경우 전하 저장을 위하여 전압을 인가시 제1 터널장벽 절연막(14)이 스트레스를 견디지 못하여 절연막이 파괴되며, 이로 인해 누설전류가 발 생할 수 있는 문제점이 있어 바람직하지 않다.That is, when the voltage is less than 1 nm, the first tunnel barrier insulating film 14 does not endure stress when the voltage is applied for charge storage, and thus the insulating film is destroyed, which may cause a leakage current.

또한, 그 두께가 3 nm를 초과하여 형성되었을 경우 본 발명의 바람직한 구현예인 비대칭형 터널장벽 절연막의 효과를 구현하기 어려운 문제점이 있다. In addition, when the thickness is formed to exceed 3 nm, there is a problem that it is difficult to implement the effect of the asymmetric tunnel barrier insulating film which is a preferred embodiment of the present invention.

한편, 도 4는 상기 제1 터널장벽 절연막(14) 위에 5 ~ 7 nm의 산화하프늄(HfO2), 산화지르코늄(ZrO2) 등의 고유전 물질인 제2 터널장벽 절연막(14)을 원자층 적층법(Atomic Layer Deposition ; ALD) 및 물리적 기상 증착법으로 형성하게 된다. 4 illustrates an atomic layer of a second tunnel barrier insulating layer 14 made of a high dielectric material such as hafnium oxide (HfO 2 ) or zirconium oxide (ZrO 2 ) having a thickness of 5 to 7 nm on the first tunnel barrier insulating layer 14. It is formed by Atomic Layer Deposition (ALD) and physical vapor deposition.

이때, 상기 제1 및 제2 터널장벽 절연막(14,15)의 두께는 터널 효과가 일어나기 위하여 8 nm 이하로 제작되어야 하며, 상기 제2 터널장벽 절연막(15)의 두께는 제1 터널장벽 절연막(14)의 두께에 따라 그 두께를 조절하여야 한다. In this case, the thicknesses of the first and second tunnel barrier insulating films 14 and 15 should be less than or equal to 8 nm in order to produce a tunnel effect, and the thickness of the second tunnel barrier insulating film 15 may be the first tunnel barrier insulating film ( The thickness shall be adjusted according to the thickness of 14).

여기서, 상기 제2 터널장벽 절연막(15)은 고유전 물질을 사용하므로 5 ~ 7 nm 의 두께로 아주 얇은 실리콘 산화물의 특성을 나타내게 된다. Here, since the second tunnel barrier insulating film 15 uses a high dielectric material, the second tunnel barrier insulating film 15 exhibits very thin silicon oxide with a thickness of 5 to 7 nm.

즉, 3 nm 두께의 제1 터널장벽 절연막(14) 및 5nm 두께의 제2 터널장벽 절연막(15)은 약 4 nm의 실리콘 산화물의 터널장벽 절연막의 효과를 나타낸다.In other words, the first tunnel barrier insulating film 14 having a thickness of 3 nm and the second tunnel barrier insulating film 15 having a thickness of 5 nm exhibit the effects of the tunnel barrier insulating film of silicon oxide having a thickness of about 4 nm.

한편, 상기 제2 터널장벽 절연막(15)으로 사용되는 물질은 후술하는 제1 컨트롤 절연막(17)과 동일 물질이다. On the other hand, the material used as the second tunnel barrier insulating film 15 is the same material as the first control insulating film 17 to be described later.

첨부한 도 4에 도시된 바와 같이, 비대칭으로 이루어진 제1 및 제2 터널장벽 절연막(14,15)은 기존의 단일 터널장벽 절연막일 경우의 전류의 누설을 본 발명에 따른 제2 터널장벽 절연막(15)에서 억제하게 된다. As shown in FIG. 4, the first and second tunnel barrier insulating layers 14 and 15 which are asymmetrical to each other are used as the second tunnel barrier insulating layer according to the present invention. 15).

다음으로는, 도 5에 도시된 바와 같이, 금속 및 금속산화물 나노입자층(16)을 형성시켜 나노 양자점을 형성시킨다. Next, as shown in FIG. 5, the metal and metal oxide nanoparticle layers 16 are formed to form nano quantum dots.

이때, 상기와 같이 형성되는 직경 3 ~ 4 nm의 입자 크기를 갖는 금속 및 금속산화물 나노입자층(16)은 1 x 1012 ~ 5 x 1012 cm-2의 밀도 및 0.5 ~ 1 nm의 두께를 갖게 된다.At this time, the metal and metal oxide nanoparticle layer 16 having a particle size of 3 to 4 nm in diameter formed as described above has a density of 1 x 10 12 to 5 x 10 12 cm -2 and a thickness of 0.5 to 1 nm. do.

상기 나노입자층의 직경을 3 ~ 4 nm 의 크기로 한정한 이유는 입자의 균등성 문제로 3 nm 미만일 경우, 상기 나노입자층은 물리적 기상 증착법 및 펄스레이저 적층법으로 제조가 불가능하며, 나노입자층의 밴드갭이 증가하여 전하보존 특성이 현저하게 저하된다. 반면에 4 nm를 초과하게 되면, 균등성이 현저하게 저하되고, 이로 인하여 문턱전압의 불안정이 유발된다. The reason for limiting the diameter of the nanoparticle layer to a size of 3 to 4 nm is that if the particle size is less than 3 nm, the nanoparticle layer cannot be manufactured by physical vapor deposition and pulse laser lamination, and the band gap of the nanoparticle layer This increases and the charge storage characteristic is significantly lowered. On the other hand, if it exceeds 4 nm, the uniformity is significantly lowered, thereby causing instability of the threshold voltage.

또한, 상기 밀도가 1 x 1012 cm-2 미만인 경우는 문턱전압이 너무 작으며 메모리 소자에 저장되는 전하의 양이 적어 메모리의 효율이 급격히 감소하는 반면, 5x1012cm-2 를 초과하게 되면 입자의 크기를 작게 해야 하므로 전하보존 특성이 저하된다. In addition, when the density is less than 1 x 10 12 cm -2 , the threshold voltage is too small and the amount of charge stored in the memory device is small, so that the efficiency of the memory is drastically reduced, whereas when the density exceeds 5x10 12 cm -2 , the particles Since the size of is to be small, the charge retention characteristics are reduced.

또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 금속 및 금속산화물 나노입자층(16) 위에 제1 및 제2 컨트롤 절연막(17,18)을 적층하여 나노 부유게이트를 형성하는 바, 상기 제1 컨트롤 절연막(17)은 제2 터널장벽 절연막(15)과, 상기 제2 컨트롤 절연막(18)은 제1 터널장벽 절연막(14)과 동일한 물질로 적층하게 된다.In addition, as shown in FIG. 6, first and second control insulating layers 17 and 18 are stacked on the metal and metal oxide nanoparticle layer 16 to form nano floating gates. 17, the second tunnel barrier insulating layer 15 and the second control insulating layer 18 are stacked with the same material as the first tunnel barrier insulating layer 14.

이는 상기 제1 및 제2 터널장벽 절연막(14,15) 및 제1 및 제2 컨트롤 절연 막(17,18) 사이에 분포하는 금속 및 금속산화물 나노입자층(16)의 우물구조의 양쪽 벽이 동일한 높이가 되어야 우물 내부에 존재하는 전하가 저장되는 에너지 준위가 일정하게 형성되기 때문이다.This is because both walls of the well structure of the metal and metal oxide nanoparticle layer 16 distributed between the first and second tunnel barrier insulating films 14 and 15 and the first and second control insulating films 17 and 18 are the same. This is because the energy level at which the electric charge inside the well is stored is formed at a height.

상기 제 1 컨트롤 절연막(17)은 상기 제2 터널장벽 절연막(15)과 동일한 고 유전 물질인 산화하프늄(HfO2), 산화지르코늄(ZrO2) 등을 원자층 적층법(Atomic Layer Deposition; ALD) 및 물리적 기상 증착법으로 형성하게 된다. The first control insulating layer 17 is formed of atomic layer deposition (ALD) using the same high dielectric materials as hafnium oxide (HfO 2 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), and the like as the second tunnel barrier insulating layer 15. And physical vapor deposition.

이때에 형성되는 제1 컨트롤 절연막(17)의 두께는 형성되는 두께가 5 ~ 10 nm 이하로 한다. The thickness of the first control insulating film 17 formed at this time is 5 to 10 nm or less.

이는 고 유전 물질인 계열인 산화하프늄(HfO2)과 산화지르코늄(ZrO2) 등이 10 nm를 초과하게 될 경우, 건식 식각(Dry etching)에 의한 식각 공정이 어려운 문제점이 있으며, 반면에 5 nm 미만일 경우, 상기 제1 컨트롤 절연막(17)에서 나노 부유 게이트에 저장된 전하 제거시 인가되는 전압에 의하여 절연막이 파괴되거나 누설전류가 발생할 가능성이 있어 바람직하지 않다. This is because when the high dielectric materials such as hafnium oxide (HfO 2 ) and zirconium oxide (ZrO 2 ) exceed 10 nm, the etching process by dry etching is difficult, whereas 5 nm If less, the insulating film may be destroyed or a leakage current may be generated by a voltage applied when the charge stored in the nano floating gate is removed from the first control insulating film 17.

또한, 상기 제2 컨트롤 절연막(18)은 상기 제1 터널장벽 절연막(14)과 동일한 물질로 형성되는 바, SiO2, SiO2.1N1, SiO1.3N1을 물리적 기상 증착법(Physical Vapor Deposition; PVD)으로 형성된다. In addition, since the second control insulating layer 18 is formed of the same material as the first tunnel barrier insulating layer 14, SiO 2 , SiO 2.1 N 1 , and SiO 1.3 N 1 may be formed by physical vapor deposition (PVD). Is formed.

이때에 형성되는 제2 컨트롤 절연막(18)의 두께는 형성되는 두께가 5 ~ 10 nm 이하로 한다. The thickness of the second control insulating film 18 formed at this time is 5 to 10 nm or less.

상기 제2 컨트롤 절연막(18)은 상기 제1 컨트롤 절연막(17)을 보호하고, 그 상부에 금속 전극을 형성 시키는 것이 목적이며, 상기 제1 컨트롤 절연막(17)에 충분한 전압의 인가가 가능하도록 10 nm를 초과하지 않는 것이 바람직하며, 5 nm 미만으로 형성 되었을 경우 누설 전류가 발생할 수 있다. The second control insulating film 18 is intended to protect the first control insulating film 17 and to form a metal electrode thereon, so that a sufficient voltage can be applied to the first control insulating film 17. It is preferable not to exceed nm, and leakage current may occur when formed below 5 nm.

여기서, 상기 나노 부유게이트는 고분자 물질의 폴리이미드 용매 N-Metyl-2-Pyrrolidone(NMP)와, 전구체 Biphenyltertracaboxylic Dianhydide-p-Phenylenediamind(BPDA-PDA)에 의해 형성된 금속산화물 나노입자층으로 형성된다.Here, the nano floating gate is formed of a metal oxide nanoparticle layer formed by a polyimide solvent N-Metyl-2-Pyrrolidone (NMP) of a polymer material and a precursor Biphenyltertracaboxylic Dianhydide-p-Phenylenediamind (BPDA-PDA).

또한, 상기 제2 컨트롤 절연막(18)은 상기 제1 터널장벽 절연막(14)과 동일한 물질로 형성되는 바, SiO2, SiO2.1N1, SiO1.3N1 및 산화하프늄(HfO2)으로 형성된다. In addition, the second control insulating film 18 is formed of the same material as the first tunnel barrier insulating film 14, and is formed of SiO 2 , SiO 2.1 N 1 , SiO 1.3 N 1, and hafnium oxide (HfO 2 ). .

이는 소자 공정상의 복잡성을 감소시킬 수 있도록 하기 위함이며, 밴드갭의 차이로 인하여 나노 부유 게이트에 저장된 전하가 게이트쪽으로 이동됨을 막기 위함이다. This is to reduce the complexity of the device process, and to prevent the charge stored in the nano floating gate from moving toward the gate due to the difference in the band gap.

한편, 상기 제1 터널장벽 절연막(14) 위에 적층되는 제2 터널장벽 절연막(15), 금속 및 금속산화물 나노입자층(16), 제1 컨트롤 절연막(17)은 그 제조 방법의 특성상 동시에 형성된다. On the other hand, the second tunnel barrier insulating film 15, the metal and metal oxide nanoparticle layer 16, and the first control insulating film 17 stacked on the first tunnel barrier insulating film 14 are formed simultaneously due to the characteristics of the manufacturing method.

상기 제1 터널장벽 절연막(14)은 앞서 말한 바와 같이, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 및 고유전 물질로 형성할 수 있으며, 상기 제2 컨트롤 절연막(18)은 제1 터널장벽 절연막(14)을 형성했을 때와 동일한 물질로 형성한다. As described above, the first tunnel barrier insulating layer 14 may be formed of silicon oxide, silicon nitride, and a high dielectric material, and the second control insulating layer 18 may form the first tunnel barrier insulating layer 14. It is formed of the same material as when.

한편, 첨부한 도 7은 게이트 전극을 형성하기 위하여 게이트 영역만을 남긴 나머지 영역을 식각한 도면이며, 도 8은 상기 도 7과 같이 식각공정 이후 상부 실 리콘층(13)에 소스와 드레인을 형성하기 위하여 이온 주입법을 사용하여 채널을 형성하게 되는 바, MOSFET 구조로 이루어진 것이 바람직하다.Meanwhile, FIG. 7 is a view illustrating etching the remaining regions leaving only the gate region in order to form a gate electrode, and FIG. 8 illustrates forming a source and a drain in the upper silicon layer 13 after the etching process as shown in FIG. 7. In order to form the channel using the ion implantation method, it is preferable that the MOSFET structure.

첨부한 도 9는 소스, 드레인, 게이트에 전극을 형성하기 위하여 실리콘 절연막(20)을 형성함을 나타내며, 도 10에서는 형성된 실리콘 절연막(20)을 식각공정을 통하여 제거함을 나타내며, 도 11은 상기 식각 공정을 통해 제거된 실리콘 절연막(20) 위의 소스, 드레인과 게이트의 전극 형성 부분이 노출되도록 식각한 후, 금속전극(21)을 형성한 것을 나타낸다. FIG. 9 shows that the silicon insulating film 20 is formed to form electrodes on the source, drain, and gate. In FIG. 10, the formed silicon insulating film 20 is removed through an etching process, and FIG. 11 shows the etching. The metal electrode 21 is formed after etching to expose the electrode forming portions of the source, drain, and gate on the silicon insulating film 20 removed through the process.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 나노 부유게이트형 비휘발성 메모리소자의 제조방법에 의하면, 실리콘 기반의 메모리소자의 재료적인 응용성 확대를 도모하며, 금속 나노입자층을 사용하여 고용량, 고속의 비휘발성 메모리소자의 제작을 가능하게 하므로 차세대 비휘발성 메모리소자로의 응용성이 높은 효과가 있다. As described above, according to the method of manufacturing a nano-floating gate type nonvolatile memory device according to the present invention, it is possible to expand the material applicability of a silicon-based memory device, and use a metal nanoparticle layer to achieve high capacity and high speed of nonvolatile memory. Since it is possible to manufacture the memory device, there is a high applicability to the next-generation nonvolatile memory device.

Claims (7)

SOI 기판 위에 절연층 및 상부 실리콘층이 차례로 적층된 반도체 기판을 준비하는 단계와;Preparing a semiconductor substrate in which an insulating layer and an upper silicon layer are sequentially stacked on the SOI substrate; 상기 상부 실리콘층을 패턴하고, 노출된 절연층과 상부 실리콘층 위에 제1 터널장벽 절연막을 적층하는 제1단계와;Patterning the upper silicon layer and stacking a first tunnel barrier insulating film on the exposed insulating layer and the upper silicon layer; 상기 제1 터널장벽 절연막 위에 제2 터널장벽 절연막을 적층하는 제2단계와;Stacking a second tunnel barrier insulating film on the first tunnel barrier insulating film; 상기 제2 터널장벽 절연막 상부에 금속 및 금속산화물 나노입자층을 물리적인 증착방법 또는 고분자 물질을 이용한 화학적인 방법으로 형성시켜 나노 양자점을 형성시키는 제3단계와;Forming a nano quantum dot by forming a metal and a metal oxide nanoparticle layer on the second tunnel barrier insulating layer by a physical deposition method or a chemical method using a polymer material; 상기 형성된 금속 및 금속산화물 나노입자층의 나노 양자점 위에 제1 및 제2 컨트롤 절연막을 형성하여 나노 부유게이트를 형성시키는 제4단계와;Forming a nano floating gate by forming first and second control insulating layers on the nano quantum dots of the formed metal and metal oxide nanoparticle layers; 상기 소스, 드레인, 게이트를 형성하기 위하여 마스크를 사용하여 게이트가 형성될 영역만 남기고 식각하여 제거한 후 노출된 상부 실리콘 막에 이온을 주입하여 소스 및 드레인 채널영역을 형성하는 제5단계와;A fifth step of forming a source and a drain channel region by etching ions, leaving only the region where the gate is to be formed using a mask to form the source, drain, and gate, and then implanting ions into the exposed upper silicon film; 상기 소스, 드레인, 게이트의 전극을 형성하기 위하여 실리콘 절연막을 형성하고 소스, 드레인과 게이트의 전극 형성 부분이 노출되도록 식각한 후, 금속전극을 형성하는 제6단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 나노 부유게이트형 비휘발성 메모리소자의 제조방법.And a sixth step of forming a silicon insulating film to form electrodes of the source, drain, and gate, etching the exposed electrode forming portions of the source, drain, and gate, and forming a metal electrode. A method of manufacturing a floating gate type nonvolatile memory device. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 제1 터널장벽 절연막은 실리콘 산화물(SiO2) 및 실리콘 질화물(SiO2.1N1, SiO1.3N1)로서, 건식산화법(dry oxidiation) 및 물리적 기상 증착법(Physical Vapor Deposition; PVD)을 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 나노 부유게이트형 비휘발성 메모리소자의 제조방법.The first tunnel barrier insulating film is silicon oxide (SiO 2 ) and silicon nitride (SiO 2.1 N 1 , SiO 1.3 N 1 ), and is formed using dry oxidiation and physical vapor deposition (PVD). Method of manufacturing a nano floating gate type nonvolatile memory device, characterized in that. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 제1 터널장벽 절연막은 실리콘 산화물(SiO2) 및 실리콘 질화물(SiO2.1N1, SiO1.3N1) 중 선택된 어느 하나의 물질로 형성하며, 상기 SOI 기판 위에 1 ~ 3 nm 두께로 적층되는 것을 특징으로 하는 나노 부유게이트형 비휘발성 메모리소자의 제조방법.The first tunnel barrier insulating film is formed of any one material selected from silicon oxide (SiO 2 ) and silicon nitride (SiO 2.1 N 1 , SiO 1.3 N 1 ), and stacked on the SOI substrate with a thickness of 1 to 3 nm. A method of manufacturing a nano floating gate type nonvolatile memory device. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 제2 터널장벽 절연막은 산화하프늄(HfO2), 산화지르코늄(ZrO2)의 고유전 물질 중, 선택된 어느 하나의 물질로 형성하며, 5 ~ 7 nm의 두께로 적층되는 것 을 특징으로 하는 나노 부유게이트형 비휘발성 메모리소자의 제조방법.The second tunnel barrier insulating film is formed of any one selected from high-k dielectric materials such as hafnium oxide (HfO 2 ) and zirconium oxide (ZrO 2 ), and is characterized in that the nano-layer is laminated with a thickness of 5 to 7 nm. A method of manufacturing a floating gate type nonvolatile memory device. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 금속 및 금속산화물 나노입자층은 입자 크기가 직경 3 ~ 4 nm이고, 밀도 1 x 1012 ~ 5 x 1012 cm-2 이며, 두께 0.5 ~ 1 nm로 형성된 것을 특징으로 하는 나노 부유게이트형 비휘발성 메모리소자의 제조방법.The metal and metal oxide nanoparticle layers have a particle size of 3 to 4 nm in diameter, a density of 1 x 10 12 to 5 x 10 12 cm -2 , and a thickness of 0.5 to 1 nm. Method of manufacturing a memory device. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 제1 컨트롤 절연막은 산화하프늄(HfO2), 산화지르코늄(ZrO2)의 고 유전 물질 중, 선택된 어느 하나의 물질로 형성되며, 5 ~ 10 nm의 두께로 금속 및 금속산화물 나노 입자층 위에 원자층 적층법(Atomic Layer Deposition; ALD) 및 물리적 기상증착법(Physical Vapor Deposition; PVD)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 나노 부유 게이트형 비휘발성 메모리소자의 제조방법.The first control insulating layer is formed of any one material selected from high dielectric materials such as hafnium oxide (HfO 2 ) and zirconium oxide (ZrO 2 ), and has an atomic layer on the metal and metal oxide nanoparticle layer with a thickness of 5 to 10 nm. A method of manufacturing a nano-floating gate type nonvolatile memory device, which is formed by an Atomic Layer Deposition (ALD) and a Physical Vapor Deposition (PVD). 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 제2 컨트롤 절연막은 실리콘 산화물(SiO2) 및 실리콘 질화물(SiO2.1N1, SiO1.3N1) 중, 선택된 어느 하나의 물질로 형성되며, 5 ~ 10 nm의 두께로 제1 컨트롤 절연막 위에 물리적 기상증착법(Physical Vapor Deposition; PVD)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 나노 부유 게이트형 비휘발성 메모리소자의 제조방법.The second control insulating layer is formed of any one selected from silicon oxide (SiO 2 ) and silicon nitride (SiO 2.1 N 1 , SiO 1.3 N 1 ), and has a thickness of 5 to 10 nm on the first control insulating layer. A method of manufacturing a nano-floating gate type nonvolatile memory device, which is formed by physical vapor deposition (PVD).
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