KR20080029656A - Gate dielectric and emthod for fabrication of the same - Google Patents
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- H10B43/00—EEPROM devices comprising charge-trapping gate insulators
- H10B43/30—EEPROM devices comprising charge-trapping gate insulators characterised by the memory core region
Abstract
Description
도 1은 일반적인 SONOS 소자를 나타낸 도면.1 shows a typical SONOS device.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 게이트 유전체의 구조를 나타낸 도면.2 is a view showing the structure of a gate dielectric according to the first embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 게이트 유전체의 구조를 나타낸 도면.3 is a view showing a structure of a gate dielectric according to a second embodiment of the present invention.
도 4a 내지 도 4g는 도 2와 같은 구조를 갖는 게이트 유전체의 제조 방법을 나타낸 도면.4A to 4G illustrate a method of manufacturing a gate dielectric having the structure shown in FIG. 2.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
11 : 반도체 기판 12 : 소자분리막11
13 : 게이트 절연막 14A~18A : 게이트 패턴13 gate insulating film 14A-18A gate pattern
본 발명은 반도체 제조 기술에 관한 것으로 특히, 반도체 소자 제조 공정 중, 게이트 유전체의 형성 공정에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to semiconductor manufacturing technology, and more particularly, to a process of forming a gate dielectric during a semiconductor device manufacturing process.
데이터를 저장하기 위해 사용되는 반도체 메모리 소자들은, 일반적으로, 휘발성(volatile) 또는 불휘발성(non-volatile) 메모리 소자로 구별될 수 있다. 휘발성 메모리 소자들은 전원 공급이 중단됨에 따라 저장된 데이터를 소실하지만, 불휘발성 메모리 소자는 전원 공급이 중단되더라도 저장된 데이터를 유지한다. 따라서 이동 전화 시스템, 음악 및/또는 영상 데이터를 저장하기 위한 메모리 카드 및 그 밖의 다른 응용 장치에서와 같이, 전원을 항상 사용할 수 없거나, 자주 중단되거나, 또는 낮은 파워 사용이 요구되는 상황에서는 불휘발성 메모리 소자들이 폭넓게 사용된다.Semiconductor memory devices used to store data can generally be classified as either volatile or non-volatile memory devices. Volatile memory devices lose stored data as power supply is interrupted, while nonvolatile memory devices retain stored data even when power supply is interrupted. Thus, in situations where power is not always available, frequently interrupted, or when low power usage is required, such as in mobile phone systems, memory cards and other applications for storing music and / or video data. Devices are widely used.
일반적으로 불휘발성 메모리 소자의 셀 트랜지스터들은 적층된 게이트(stacked gate) 구조를 갖는다. 적층된 게이트 구조는, 예를 들어, 플래쉬(flash) 소자는 셀 트랜지스터의 채널 영역 위에서 순차적으로 적층되는 게이트 절연막, 플로팅 게이트 전극, 게이트간 절연막 및 컨트롤 게이트 전극을 포함한다. 반면에 SONOS(silicon/oxide/nitride/oxide/silicon) 구조를 갖는 불휘발성 메모리 소자는, 내부에 채널 영역이 형성되는 실리콘막(S, 실리콘 기판), 터널링층을 형성하는 산화막(O), 전하를 트랩하는 질화막(N, Si3N4), 차폐층으로 사용되는 산화막(O, CVD 산화막), 및 컨트롤 게이트 전극으로 사용되는 실리콘막(S, 폴리실리콘막)을 갖는다. 이를 뒷받침하는 도면으로써, 도 1은 SONOS 소자를 나타낸 도면이다.In general, cell transistors of a nonvolatile memory device have a stacked gate structure. In the stacked gate structure, for example, a flash element includes a gate insulating film, a floating gate electrode, an inter-gate insulating film, and a control gate electrode sequentially stacked on the channel region of the cell transistor. On the other hand, a nonvolatile memory device having a SONOS (silicon / oxide / nitride / oxide / silicon) structure includes a silicon film (S, silicon substrate) having a channel region therein, an oxide film (O) forming a tunneling layer, and a charge. And a nitride film (N, Si 3 N 4 ) for trapping, an oxide film (O, CVD oxide film) used as a shielding layer, and a silicon film (S, polysilicon film) used as a control gate electrode. As a diagram supporting this, FIG. 1 shows a SONOS device.
플래쉬 소자와 SONOS 소자의 차이점은 구조적인 측면에서 플래쉬 소자는 플로팅 게이트(floating gate)에 전하를 저장하는 반면, SONOS 소자는 질화막에 전하를 저장한다는 것이다.The difference between the flash device and the SONOS device is that in terms of structure, the flash device stores charge in a floating gate, while the SONOS device stores charge in a nitride film.
이는 플로팅 게이트로 폴리실리콘(poly silicon)을 사용하는 플래쉬 소자의 경우 폴리실리콘에 결함(defect)이 존재한다면 전하의 저장 능력(retention time)이 현저하게 떨어지는 반면, 공정상의 결함에 민감하지 않은 질화막을 사용하는 SONOS 소자는 전하의 저장 능력 측면에서 플래쉬 소자와 같은 문제점에 덜 민감하다.In the case of a flash device using polysilicon as a floating gate, if the defect is present in the polysilicon, the retention time of the charge is remarkably decreased, while the nitride film is insensitive to process defects. The SONOS device used is less susceptible to problems like flash devices in terms of the charge storage capability.
또한, 플래쉬 소자는 플로팅 게이트 하부에 적어도 70Å이상의 터널 산화막(tunnel oxide)을 적용해야 하기 때문에 저전압 운영(low voltage operation) 및 고속 동작(high speed)하는데 한계가 있다. 그러나, SONOS 소자는 질화막 하부에 다이렉트 터널 산화막(direct tunneling oxide)를 적용하기 때문에 저전압 운영 및 고속 동작하는 메모리 소자의 구현을 가능케 한다.In addition, the flash device is limited to low voltage operation and high speed because at least 70 kW of tunnel oxide must be applied to the bottom of the floating gate. However, since the SONOS device applies a direct tunneling oxide under the nitride film, it is possible to implement a low voltage operating and high speed memory device.
그러나, 이러한 장점을 갖는 SONOS 소자도 전하를 저장하는 역할을 하는 전하 저장층(= 부도체(insultor) 성질을 갖는 질화막) 내에 트랩 사이트(trap site)가 작아서 전하를 많이 저장하지 못하는 단점이 있으며, 이 때문에 전하를 저장하거나 제거하기 위한 속도가 떨어지는 문제점을 안고 있다.However, the SONOS device having such an advantage also has a disadvantage in that it does not store much charge because a trap site is small in the charge storage layer (= nitride film having an insulator property), which serves to store charge. As a result, there is a problem in that the speed for storing or removing electric charges is slowed.
따라서, SONOS 소자에서 전하 저장 물질로써 전하 저장 능력이 우수한 물질의 필요성이 요구되고 있는 실정이다.Therefore, there is a need for a material having excellent charge storage capability as a charge storage material in a SONOS device.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 전하 저장 능력이 우수한 게이트 유전체 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 제1 목적으로 한다.The present invention has been proposed to solve the above problems of the prior art, and a first object of the present invention is to provide a gate dielectric having excellent charge storage capability and a method of manufacturing the same.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따르면, 기판 상에 형성된 터널 산화막 및 상기 터널 산화막 상에 형성되고, 적어도 한 층의 도전층을 개재하여 적층된 유전체를 포함하는 전하 저장층을 포함하는 게이트 유전체를 제공한다.According to an aspect of the present invention for achieving the above object, a tunnel oxide film formed on a substrate and a charge storage layer comprising a dielectric formed on the tunnel oxide film, laminated via at least one conductive layer A gate dielectric is provided.
그리고, 기판 상에 터널 산화막을 형성하는 단계 및 상기 터널 산화막 상에 적어도 한 층의 도전층을 개재하여 적층된 유전체를 포함하는 전하 저장층을 형성하는 단계를 포함하는 게이트 유전체의 제조 방법을 제공한다.And forming a tunnel oxide film on the substrate and forming a charge storage layer including a dielectric stacked on the tunnel oxide film via at least one conductive layer. .
본 발명은 기존에 SONOS 소자에서 전하 저장층으로 사용된 전하(charge) 저장능력이 낮은 질화막 대신에 고유전율(high k) 유전막(dielectric)/도전층(conductor)층의 2층막 또는 제1 고유전율(high k) 유전막/도전층/제2 고유전율 유전막의 3층막을 사용한다.The present invention provides a two-layered film or a first high dielectric constant of a high k dielectric / conductor layer instead of a nitride film having a low charge storage capability used as a charge storage layer in a SONOS device. (k) Three layer films of dielectric film / conductive layer / second high dielectric constant film are used.
여기서, 각 적층막간의 계면이 트랩 사이트(trap site)가 되고, 도전층이 전하를 저장하는 역할을 수행하는 것을 의미한다.Here, it means that the interface between each laminated film becomes a trap site, and the conductive layer plays a role of storing charge.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명 의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.Hereinafter, the most preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily implement the technical idea of the present invention. .
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 게이트 유전체의 구조를 나타낸 도면이다.2 is a view showing the structure of a gate dielectric according to the first embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 게이트 유전체는 소자분리막(32)이 형성된 기판(31) 상에 터널 절연막(33)/제1 고유전율 유전막(34)/도전층(35)/제2 고유전율 유전막(36)/전하 차단막(37)/게이트 전도막(38)이 순차적으로 적층된 구조를 갖는다.Referring to FIG. 2, the gate dielectric is formed on the
여기서, 전하 저장층으로 작용하는 막은 제1 고유전율 유전막(34)/도전층(35)/제2 고유전율 유전막(36)의 적층막으로, 이들이 접하는 각 계면은 트랩 사이트가 되고, 도전층(35)가 전하를 저장하는 역할을 수행한다.Here, the film serving as the charge storage layer is a laminated film of the first high dielectric
그리고, 이때, 제1 고유전율 유전막(34)과 제2 고유전율 유전막(36)은 메탈계열의 산화막 - Si3N4, HfO2, ZrO2, TiO2, Ta2O3 및 LaOX 중 어느 하나의 막 - 또는 실리케이트(silicate) 계열 - HfSiOX, ZrSiOX 및 LaSiOX중 어느 하나의 막 - 로 형성되는 것이 바람직하다. 이상 X는 자연수이다. 그리고, 두께는 30~100Å로 형성되고, CVD(chemical vapor deposition) 방식 또는 ALD(atomic layer deposition) 방식으로 형성되는 것이 바람직하다.At this time, the first high dielectric
또한, 도전층(35)는 폴리실리콘, 텅스텐(W), 텅스텐실리콘막(WSi)과 같은 절연체가 아닌 물질이며, 두께는 5~100Å으로 형성된다. 또한, 도전층(35)는 CVD 방식, PECVD 방식, ALD 방식, PVD 방식 중 어느 하나의 방식으로 형성되는 것이 바람 직하다.In addition, the conductive layer 35 is a material other than an insulator such as polysilicon, tungsten (W), and tungsten silicon film (WSi), and has a thickness of 5 to 100 kPa. In addition, the conductive layer 35 is preferably formed by any one of a CVD method, a PECVD method, an ALD method, and a PVD method.
다음으로, 도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 게이트 유전체의 구조를 나타낸 도면이다.3 is a view showing the structure of a gate dielectric according to a second embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 게이트 유전체는 소자분리막(52)이 형성된 기판(51) 상에 터널 절연막(53)/고유전율 유전막(54)/도전층(55)/전하 차단막(56)/게이트 전도막(57)이 순차적으로 적층된 구조를 갖는다.Referring to FIG. 3, the gate dielectric layer includes a tunnel
여기서, 전하 저장층으로 작용하는 막은 고유전율 유전막(54)/도전층(55)의 적층막으로, 이들이 접하는 각 계면은 트랩 사이트가 되고, 도전층(55)가 전하를 저장하는 역할을 수행한다.Here, the film serving as the charge storage layer is a laminated film of the high dielectric constant
그리고, 이때, 고유전율 유전막(54)은 메탈계열의 산화막 - Si3N4, HfO2, ZrO2, TiO2, Ta2O3 및 LaOX 중 어느 하나의 막 - 또는 실리케이트(silicate) 계열 - HfSiOX, ZrSiOX 및 LaSiOX중 어느 하나의 막 - 로 형성되는 것이 바람직하다. 이상 X는 자연수이다. 그리고, 두께는 30~100Å로 형성되고, CVD(chemical vapor deposition) 방식 또는 ALD(atomic layer deposition) 방식으로 형성되는 것이 바람직하다.In this case, the high-k
또한, 도전층(55)는 폴리실리콘, 텅스텐(W), 텅스텐실리콘막(WSi)과 같은 절연체가 아닌 물질이며, 두께는 5~100Å으로 형성된다. 또한, 도전층(35)는 CVD 방식, PECVD 방식, ALD 방식, PVD 방식 중 어느 하나의 방식으로 형성되는 것이 바람직하다.In addition, the conductive layer 55 is a material other than an insulator such as polysilicon, tungsten (W), and tungsten silicon film (WSi), and has a thickness of 5 to 100 kPa. In addition, the conductive layer 35 is preferably formed by any one of a CVD method, a PECVD method, an ALD method, and a PVD method.
이와 같은 구조를 갖는 게이트 유전체의 제조 방법을 설명하면 하기와 같다.A method of manufacturing a gate dielectric having such a structure will be described below.
우선, 도 2와 같은 구조를 갖는 게이트 유전체의 제조 방법은 도 4a 내지 도 4g와 같다.First, a method of manufacturing a gate dielectric having the structure as shown in FIG. 2 is the same as that of FIGS. 4A to 4G.
도 4a에 도시된 바와 같이, 일반적인 STI(shallow trench isolation) 공정을 진행하여 형성된 소자분리막(12) 및 웰 공정과 같은 이온주입(implantation) 공정이 진행된 기판(11) 상에 터널 절연막(13)을 형성한다. As shown in FIG. 4A, a
이때, 터널 절연막(13)은 열산화 공정 또는 증착 공정을 통해 성장 및 형성된 SiO2막으로 형성하거나, SiO2막(유전율=3.9)보다 유전율이 높은 고유전율 유전체막으로 형성할 수 있다.In this case, the
다음으로, 도 4b에 도시된 바와 같이, 터널 절연막(13)이 형성된 결과물 상에 제1 고유전율 유전막(14)을 형성한다. Next, as shown in FIG. 4B, the first high-k
이때, 제1 고유전율 유전막(14)은 메탈계열의 산화막 - Si3N4, HfO2, ZrO2, TiO2, Ta2O3 및 LaOX 중 어느 하나의 막 - 또는 실리케이트(silicate) 계열 - HfSiOX, ZrSiOX 및 LaSiOX중 어느 하나의 막 - 로 형성하는 것이 바람직하다. 이상 X는 자연수이다. 그리고, 두께는 30~100Å로 형성하고, CVD(chemical vapor deposition) 방식 또는 ALD(atomic layer deposition) 방식으로 형성하는 것이 바람직하다.In this case, the first high
다음으로, 도 4c에 도시된 바와 같이, 제1 고유전율 유전막(14)이 형성된 결과물 상에 도전층(15)를 형성한다.Next, as shown in FIG. 4C, the
여기서, 도전층(15)는 폴리실리콘, 텅스텐(W), 텅스텐실리콘막(WSi)과 같은 절연체가 아닌 물질이며, 두께는 5~100Å으로 형성한다. 또한, 도전층(15)는 CVD 방식, PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition) 방식, ALD 방식, PVD(physical vapor deposition) 방식 중 어느 하나의 방식으로 형성하는 것이 바람직하다.Here, the
다음으로, 도 4d에 도시된 바와 같이, 도전층(15)가 형성된 결과물 상에 제2 고유전율 유전막(16)을 형성한다.Next, as shown in FIG. 4D, the second high dielectric
이때, 제2 고유전율 유전막(16)은 메탈계열의 산화막 - Si3N4, HfO2, ZrO2, TiO2, Ta2O3 및 LaOX 중 어느 하나의 막 - 또는 실리케이트(silicate) 계열 - HfSiOX, ZrSiOX 및 LaSiOX중 어느 하나의 막 - 로 형성하는 것이 바람직하다. 이상 X는 자연수이다. 그리고, 두께는 30~100Å로 형성하고, CVD 방식 또는 ALD 방식으로 형성하는 것이 바람직하다.In this case, the second high dielectric
다음으로, 도 4e에 도시된 바와 같이, 제2 고유전율 유전막(16)이 형성된 결과물 상에 전하 차단막(17)을 형성한다.Next, as shown in FIG. 4E, the
여기서 전하 차단막(17)은 SiO2막으로 형성하거나, SiO2막(유전율=3.9)보다 유전율이 높은 고유전율 유전체막으로 형성할 수 있다. 그리고, 두께는 30~100Å으로 형성한다.The
전하 차단막(17)은 게이트 전도막(후속 공정에서 형성)과 전하를 저장하는 전하 저장층(14~16)을 격리(isolation)시켜 저장된 전하를 보존하며, 게이트 전도막으로부터 전기장(electric field)을 형성시키는 역할을 한다.The
다음으로, 도 4f에 도시된 바와 같이, 전하 차단막(17)이 형성된 결과물 상에 게이트 전도막(18)을 형성한다.Next, as shown in FIG. 4F, the gate
여기서, 게이트 전도막(18)은 일반적으로 폴리실리콘막을 사용한다.Here, the gate
다음으로, 도 4g에 도시된 바와 같이, 게이트 전도막(18)이 형성된 결과물 상에 게이트 패터닝을 위한 하드마스크(미도시)를 형성하고, 이를 식각 장벽으로 게이트 전도막(18)으로 부터 제1 고유전율 유전막(14)을 식각하여 게이트 패턴(14A~18A)을 형성한다.Next, as illustrated in FIG. 4G, a hard mask (not shown) for gate patterning is formed on the resultant product on which the gate
이후, 게이트 패턴(14A~18A)의 양측 기판(11)에 불순물을 이온주입하여 소스/드레인 영역(미도시)을 형성한다.Thereafter, impurities are ion implanted into both
이로써, 제1 실시예에 따른 게이트 유전체를 획득한다.Thus, the gate dielectric according to the first embodiment is obtained.
계속해서, 도 3과 같은 구조를 갖는 게이트 유전체의 제조 방법은 도 4c에 도시된 공정 이후, 도 4d의 공정을 생략하고 도전층(15) 상에 전하 차단막(17)을 형성한다. Subsequently, in the method of manufacturing the gate dielectric having the structure as shown in FIG. 3, after the process shown in FIG. 4C, the process of FIG. 4D is omitted and the
즉, 기판(11) 상에 터널 절연막(13)/고유전율 유전막(14)/도전층(15)/전하 차단막(17)/게이트 전도막(18)을 순차적으로 적층한 후에 게이트 패턴 공정을 수행하여 제2 실시예에 따른 게이트 유전체를 획득하는 것이다.That is, after the
본 발명에서 전하 저장층으로 사용된 적층막(제1 고유전율 유전막/도전층/제2 고유전율 유전막 또는 고유전율 유전막/도전층)의 특징은 각 층(layer)이 계면을 형성하여 트랩 사이트 - 각 유전막 및 도전층 내의 트랩 사이트도 포함한다. 여기서는 각 층의 계면이 트랩 사이트가 가장 강하기 때문에 대표로 기술함 - 를 제공 하고, 도전층가 전하를 저장하는 역할을 하여 프로그램(program) 및 소거(erase)의 문턱전압(Vth) 윈도우(window)를 크게 할 수 있는 장점이 생기게 된다.In the present invention, the laminated film used as the charge storage layer (first high-k dielectric film / conductive layer / second high-k dielectric film or high-k dielectric film / conductive layer) is characterized in that each layer forms an interface to form a trap site. Trap sites in each dielectric film and conductive layer are also included. In this case, the interface of each layer is represented as a representative because the trap site is the strongest, and the conductive layer serves to store the charge so that the threshold voltage (Vth) window of program and erase is established. There is an advantage that can be increased.
즉, 기존 전하 저장층으로써의 질화막에 비해서 전하를 저장하는 공간이 형성되기 때문에 전하를 저장하는 능력이 높으며, 전하의 저장과 제거하는 시간이 짧아져 소자의 속도를 향상시킬 수 있는 장점을 갖게 된다.That is, since the space for storing the charge is formed as compared to the nitride film as the conventional charge storage layer, the ability to store the charge is high, and the time for storing and removing the charge is shortened, thereby improving the speed of the device. .
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.The present invention described above is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and various substitutions, modifications, and changes can be made in the art without departing from the technical spirit of the present invention. It will be clear to those of ordinary knowledge.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 전하 저장층으로써, 상술한 2층막 또는 3층막을 적용하여 전하 저장능력이 우수한 게이트 유전체를 획득한다.As described above, the present invention obtains a gate dielectric having excellent charge storage capability by applying the above-described two-layer or three-layer film as a charge storage layer.
따라서, 게이트 유전체의 속도 향상 및 전하 저장시간 특성과 같은 신뢰성에 관여하는 특성을 향상시킬 수 있다.Therefore, it is possible to improve characteristics related to reliability, such as speed improvement and charge storage time characteristics of the gate dielectric.
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101149572B1 (en) * | 2009-06-08 | 2012-05-29 | 광운대학교 산학협력단 | Nonvolatile memory device with staggered tunnel barrier |
-
2006
- 2006-09-29 KR KR1020060096526A patent/KR20080029656A/en not_active Application Discontinuation
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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KR101149572B1 (en) * | 2009-06-08 | 2012-05-29 | 광운대학교 산학협력단 | Nonvolatile memory device with staggered tunnel barrier |
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