KR20080040214A - Method for manufacturing gate electrode of semiconductor memory device - Google Patents

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KR20080040214A
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조두현
이성수
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삼성전자주식회사
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Abstract

A method for manufacturing a gate electrode of a semiconductor memory device is provided to enhance reliability and productivity by suppressing generation of a fitting effect on a semiconductor substrate. A silicon oxide layer, a first polysilicon layer, an ONO layer including upper oxide-nitride-lower oxide layers, and a second polysilicon layer are deposited on a semiconductor substrate(S200). A control gate is formed by etching the second polysilicon layer. A gate interlayer dielectric layer is formed by performing a wet-etch process for the upper oxide layer, a dry-etch process for the nitride layer, and the wet-etch process for the lower oxide layer(S204,S206,S208). A floating gate is formed by patterning the first polysilicon layer(S210). A tunnel oxide layer is formed by etching the silicon oxide layer(S212).

Description

반도체 메모리 소자의 게이트 전극 제조방법{method for manufacturing gate electrode of semiconductor memory device}Method for manufacturing gate electrode of semiconductor memory device

도 1은 통상적인 낸드형 플래쉬 메모리 장치의 셀 어레이를 나타낸다. 1 illustrates a cell array of a conventional NAND flash memory device.

도 2a 및 도 2b는 종래 기술에 따른 플래쉬 메모리 장치의 게이트 전극 형성과정을 나타내는 단면도들이다.2A and 2B are cross-sectional views illustrating a gate electrode forming process of a flash memory device according to the related art.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플래쉬 메모리 장치의 게이트 전극 형성과정을 나타내는 플로우챠트이다. 3 is a flowchart illustrating a process of forming a gate electrode of a flash memory device according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플래쉬 메모리 장치의 게이트 전극 형성과정을 나타내는 단면도들이다. 4A through 4F are cross-sectional views illustrating a process of forming a gate electrode of a flash memory device according to an exemplary embodiment of the present invention.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Main Parts of Drawings>

300: 반도체 기판 302: 실리콘 산화막300: semiconductor substrate 302: silicon oxide film

304: 제1폴리실리콘막 306: 하부 산화막304: first polysilicon film 306: lower oxide film

308: 질화막 310: 상부 산화막308: nitride film 310: upper oxide film

312: ONO막 314: 제2폴리실리콘막312: ONO film 314: second polysilicon film

316: 캡핑막 318: 감광막 패턴316: capping film 318: photosensitive film pattern

본 발명은 반도체 메모리 소자의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반도체 메모리 소자의 게이트 전극 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor memory device, and more particularly, to a method of manufacturing a gate electrode of a semiconductor memory device.

데이터를 저장하기 위해 사용되는 반도체 메모리 소자들은 일반적으로 휘발성 메모리 소자와 비휘발성 메모리 소자로 구분될 수 있다. 이러한 반도체 메모리 소자에 있어서, 먼저 DRAM(Dynamic Random Access Memory)이나 SRAM(Static Rrandom Access Memory)등으로 대표되는 휘발성 메모리 소자는 데이터의 입출력 동작은 빠르지만 전원 공급이 중단됨에 따라 저장된 데이터를 소실하는 단점이 있다. 반면에, EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory)이나 EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)등으로 대표되는 비휘발성 메모리 소자는 상기 휘발성 메모리 소자에 비해 데이터의 입출력 동작은 느리지만 전원 공급이 중단되더라도 저장된 데이터가 그대로 유지되는 장점을 가지고 있다. 따라서, 이러한 비휘발성 메모리 소자는 음악 또는 영상 데이터를 저장하기 위한 메모리 카드나 이동통신 시스템과 같이 전원을 항상 공급할 수 없거나 전원 공급이 간헐적으로 중단되는 영역에 폭넓게 사용되고 있다.Semiconductor memory devices used to store data may be generally classified into volatile memory devices and nonvolatile memory devices. In such a semiconductor memory device, first, a volatile memory device represented by DRAM (Dynamic Random Access Memory) or SRAM (Static Rrandom Access Memory) has a drawback in that data input / output operation is fast but data is lost when power supply is interrupted. There is this. On the other hand, nonvolatile memory devices represented by EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory) or EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory), etc., have slower input / output operations than the volatile memory devices, but stored data even when power supply is interrupted. Has the advantage of being kept intact. Therefore, such nonvolatile memory devices are widely used in areas where power cannot always be supplied or power supply is intermittently interrupted, such as a memory card for storing music or image data or a mobile communication system.

이러한 비휘발성 메모리 소자 중에서도 특히, EEPROM의 집적도 한계를 극복하기 위하여 일괄소거방식의 1 Tr/1 Cell 구조를 채택하고 있는 플래쉬 메모리 소자는 전기적으로 데이터를 자유롭게 입/출력할 수 있으며, 전력소모가 적고 고속 프로그래밍이 가능하여 향후 컴퓨터의 하드디스크드라이브(HDD)를 대체할 수 있을 것으로 기대되어 점차 그 수요가 늘고 있는 추세이다. 이러한 플래쉬 메모리 소자는 1개의 비트라인에 2개 이상의 셀 트랜지스터가 병렬로 연결되어 있는 노아(NOR)형 플래쉬 메모리와 1개의 비트라인에 2개 이상의 셀 트랜지스터가 직렬로 연결되어 있는 낸드(NAND)형 플래쉬 메모리로 구분될 수 있다. 그러나, 이러한 플래쉬 메모리 소자는 전원이 중단될 경우에도 저장되어 있는 데이터가 보존된다는 우수한 장점에도 불구하고 휘발성 메모리 소자에 비하여 동작속도가 느리다는 취약점을 극복하기 위하여 가지고 있기 때문에 플래쉬 메모리 소자의 프로그램 및 소거 속도를 높이기 위한 다양한 셀 구조 및 구동 방법이 활발히 연구되고 있다.Among these non-volatile memory devices, in particular, the flash memory device adopting the 1 Tr / 1 Cell structure of the batch erasing method to overcome the limitation of the integration density of EEPROM can freely input / output data electrically and consumes less power. The high-speed programming is expected to replace the hard disk drive (HDD) of the computer in the future, the demand is gradually increasing. Such a flash memory device is a NAND flash memory in which two or more cell transistors are connected in parallel on one bit line, and a NAND type in which two or more cell transistors are connected in series on one bit line. It can be divided into flash memory. However, these flash memory devices have the advantage of overcoming vulnerabilities that their operation speed is slower than volatile memory devices, despite the excellent advantage that the stored data is preserved even in the event of a power failure. Various cell structures and driving methods for increasing the speed have been actively studied.

도 1에는 통상적인 낸드형 플래쉬 메모리 장치의 셀 어레이 일부가 도시되어 있다.1 illustrates a portion of a cell array of a typical NAND flash memory device.

도 1을 참조하면, 반도체 기판상에 복수개의 액티브 영역(도시되지 않음)이 한 방향으로 평행하게 형성되어 있으며, 상기 각각의 액티브 영역과 직교하는 스트링 선택라인(1)이 복수개의 워드라인(3) 및 접지 선택라인(5)과 서로 평행하게 형성되어 있다. 또한, 상기 접지 선택라인(5)과 인접한 액티브 영역들은 상기 접지 선택라인(5)과 평행한 방향으로 연장되어 공통 소오스 라인(7)을 형성하고 있다.Referring to FIG. 1, a plurality of active regions (not shown) are formed on a semiconductor substrate in parallel in one direction, and a string select line 1 orthogonal to each of the active regions is formed in a plurality of word lines 3. And the ground selection line 5 are formed in parallel with each other. In addition, active regions adjacent to the ground selection line 5 extend in a direction parallel to the ground selection line 5 to form a common source line 7.

그리고, 상기 각 액티브 영역의 상부에는 상기 액티브 영역의 진행방향과 동일한 방향으로 진행하며, 상기 액티브 영역과 전기적으로 연결되는 비트라인(9)이 형성되어 있다. 그리고, 상기 스트링 선택라인(1)과 인접한 액티브 영역은 콘택(11)에 의해 상부의 비트라인(9)과 연결되어 있으며, 상기 스트링 선택라인(1)과 상기 각 액티브 영역이 교차하는 지점에는 스트링 선택 트랜지스터로 구성된 스트링 선택 트랜지스터부가 형성되고, 상기 각 워드라인과 상기 각 액티브 영역이 교차하는 지점에는 각각 셀 트랜지스터로 구성된 셀 트랜지스터부가 형성된다. 또한, 접지 선택라인(5)과 액티브 영역이 교차하는 지점에는 접지 선택 트랜지스터로 구성된 접지 선택 트랜지스터부가 형성된다.In addition, a bit line 9 is formed on the upper portion of each of the active regions and runs in the same direction as the moving direction of the active region and is electrically connected to the active region. The active region adjacent to the string selection line 1 is connected to the upper bit line 9 by a contact 11, and a string is formed at a point where the string selection line 1 and the active region cross each other. A string select transistor portion composed of select transistors is formed, and a cell transistor portion composed of cell transistors is formed at a point where each of the word lines and the active regions cross each other. In addition, a ground select transistor portion composed of a ground select transistor is formed at a point where the ground select line 5 and the active region cross each other.

또한, 본 분야에서는 반도체 메모리 소자의 고집적화 및 대용량화 추세로 인해 메모리셀을 구성하는 각각의 단위소자 사이즈가 축소됨에 따라 제한된 면적내에 다층구조를 형성하는 고집적화 기술 또한 눈부신 발전을 거듭하고 있으며, 이러한 고집적화 기술의 한 일환으로 적층 게이트 구조가 널리 채택되고 있다. 상기 적층 게이트 구조는, 예컨대 실리콘 산화막으로 이루어진 터널 산화막, 폴리실리콘으로 이루어진 플로팅 게이트, ONO(Oxide-Nitride-Oxide)막으로 이루어진 게이트 층간유전막 및 폴리실리콘으로 이루어진 콘트롤 게이트막이 차례로 적층된 구조를 이루고 있다.In addition, in this field, as the size of each unit device constituting the memory cell is reduced due to the trend of high integration and large capacity of semiconductor memory devices, high integration technology for forming a multilayer structure within a limited area has also been remarkably developed. As part of the multilayer gate structure is widely adopted. For example, the stacked gate structure includes a tunnel oxide film made of a silicon oxide film, a floating gate made of polysilicon, a gate interlayer dielectric film made of an oxide-nitride-oxide (ONO) film, and a control gate film made of polysilicon. .

상기와 같은 적층 게이트 구조에 있어서, 상기 플로팅 게이트는 외부와 전기적으로 완전히 절연되어 고립된 구조를 가지고 있으며, 상기 플로팅 게이트로의 전자 주입과 방출에 따라 메모리 셀의 전류가 변하는 성질을 이용하여 데이터를 저장하게 된다. 이러한 플로팅 게이트로의 전자 주입(프로그램)은 플로팅 게이트와 콘트롤 게이트 사이에 존재하는 게이트층간 유전체막을 통한 F-N 터널링(Fowler Nordheim tunneling) 또는 채널에서의 고온 전자를 이용한 CHEI(Channel Hot Electron Injection) 방식으로 이루어진다. 그리고, 플로팅 게이트에 주입된 전자 방출(소거)은 플로팅 게이트와 콘트롤 게이트 사이에 존재하는 게이트층간 유전체막을 통한 F-N(Fowler-Nordheim) 터널링을 통해 이루어지게 된다. 이때, 상기 F-N 터널링은 플로팅 게이트와 반도체 기판 사이에 개지된 터널 산화막에 6~8MV/cm의 전계가 인가됨으로써 발생하게 된다. 그리고, 상기 플로팅 게이트 및 반도체 기판 사이의 전계는 상기 플로팅 게이트 상부에 위치한 콘트롤 게이트에 15~20V의 고전압을 인가함으로써 유기되는 것이다. 따라서, 상기 프로그램 전압 및 소거 전압을 감소시키기 위해서는 플래쉬 메모리 소자를 구성하는 단위 셀의 커플링 비율을 증가시키는 것이 필요하다. 이러한 커플링 비율(coupling ratio)을 결정하는 변수는 하기 [수학식 1]으로 표현된 것과 같이, 상기 터널 산화막의 캐패시턴스(capacitance)와 ONO막으로 이루어진 상기 게이트층간 유전체막의 캐패시턴스이다.In the stacked gate structure as described above, the floating gate has a structure in which the floating gate is electrically insulated from and completely isolated from the outside, and uses the property that the current of the memory cell changes according to the electron injection and emission to the floating gate. Will be saved. The electron injection (programming) to the floating gate is performed by FN tunneling (Fowler Nordheim tunneling) through the inter-gate dielectric film existing between the floating gate and the control gate or channel hot electron injection (CHEI) using high temperature electrons in the channel. . In addition, electron emission (erasure) injected into the floating gate is performed through F-N (Fowler-Nordheim) tunneling through an inter-gate dielectric layer existing between the floating gate and the control gate. In this case, the F-N tunneling is generated by applying an electric field of 6 to 8 MV / cm to the tunnel oxide film interposed between the floating gate and the semiconductor substrate. The electric field between the floating gate and the semiconductor substrate is induced by applying a high voltage of 15 to 20 V to the control gate located above the floating gate. Therefore, in order to reduce the program voltage and the erase voltage, it is necessary to increase the coupling ratio of the unit cells constituting the flash memory device. The parameter for determining the coupling ratio is the capacitance of the gate interlayer dielectric film composed of the capacitance of the tunnel oxide film and the ONO film, as expressed by Equation 1 below.

[수학식 1] [Equation 1]

Figure 112006080458915-PAT00001
Figure 112006080458915-PAT00001

여기서, 상기 Ci는 게이트층간 유전체막의 캐패시턴스를 의미하며, Ct는 터널 산화막의 캐패시턴스를 의미한다. Here, Ci denotes the capacitance of the gate interlayer dielectric film, and Ct denotes the capacitance of the tunnel oxide film.

상기 Ci 및 Ct의 크기는 플로팅 게이트의 면적에 비례하고, 두께에 반비례한다. 따라서, 플로팅 게이트의 두께는 얇을수록, 플로팅 게이트의 면적은 넓을수록 플래쉬 메모리 소자의 전기적 특성이 우수해진다. The sizes of Ci and Ct are proportional to the area of the floating gate and inversely proportional to the thickness. Therefore, the thinner the thickness of the floating gate and the larger the area of the floating gate, the better the electrical characteristics of the flash memory device.

하기 도 2a 및 도 2b에는 종래 기술에 따른 플래쉬 메모리 장치의 게이트 전 극 형성과정이 도시되어 있다.2A and 2B illustrate a process of forming a gate electrode of a flash memory device according to the prior art.

먼저, 도 2a를 참조하면, 피형 또는 엔형의 불순물이 도우프되어 있는 반도체 기판(100)에 통상의 STI(Shallow Trench Isolation) 공정을 실시하여 소자분리막(도시되지 않음)을 형성한다.First, referring to FIG. 2A, a device isolation film (not shown) is formed by performing a conventional shallow trench isolation (STI) process on a semiconductor substrate 100 doped with doped or en-type impurities.

이어서, 상기 반도체 기판(100) 상부에 실리콘 산화막(102), 제1폴리실리콘막(104), ONO막(106) 제2폴리실리콘막(108) 및 텅스텐 실리사이드막(110)을 차례로 증착한다. 그리고 나서, 상기 텅스텐 실리사이드막(110) 상부에 통상의 포토리소그라피 공정을 실시하여 감광막 패턴(112)을 형성한다.Subsequently, a silicon oxide film 102, a first polysilicon film 104, an ONO film 106, a second polysilicon film 108, and a tungsten silicide film 110 are sequentially deposited on the semiconductor substrate 100. Then, a photolithography process is performed on the tungsten silicide layer 110 to form a photoresist pattern 112.

도 2b를 참조하면, 상기 감광막 패턴(112)을 식각 마스크로 이용하여 상기 텅스텐 실리사이드막(110)을 이방성 식각하여 텅스텐 실리사이드 패턴(110-1)을 형성한다. 이때, 상기 텅스텐 실리사이드막(110)을 이방성 식각하기 위한 에천트로서, 예컨대 SF6/Cl2 혼합가스가 사용될 수 있다. Referring to FIG. 2B, the tungsten silicide layer 110 is anisotropically etched using the photosensitive layer pattern 112 as an etching mask to form a tungsten silicide pattern 110-1. In this case, as an etchant for anisotropically etching the tungsten silicide layer 110, for example, an SF 6 / Cl 2 mixed gas may be used.

이어서, 상기 텅스텐 실리사이드 패턴(110-1)을 식각 마스크로 이용하여 제2폴리실리콘막(108)을 이방성 식각함으로써, 콘트롤 게이트(108-1)를 형성한다. 이때, 상기 제2폴리실리콘막(108)을 이방성 식각하기 위한 에천트로서, 예컨대 HBr/O2/He/HeO2 혼합가스가 사용될 수 있다. Next, the control gate 108-1 is formed by anisotropically etching the second polysilicon layer 108 using the tungsten silicide pattern 110-1 as an etching mask. In this case, as an etchant for anisotropically etching the second polysilicon film 108, for example, a mixed gas of HBr / O 2 / He / HeO 2 may be used.

이어서, 상기 콘트롤 게이트(108-1)를 식각 마스크로 이용하여 상기 ONO막(106)을 이방성 식각함으로써, 게이트 층간유전막(106-1)을 형성한다. 이때, 상기 ONO막(106)을 이방성 식각하기 위한 에천트로서, 예컨대 CHF3/Ar 혼합가스가 사 용될 수 있다.Subsequently, the ONO film 106 is anisotropically etched using the control gate 108-1 as an etch mask to form a gate interlayer dielectric film 106-1. In this case, as an etchant for anisotropically etching the ONO film 106, for example, a CHF 3 / Ar mixed gas may be used.

이어서, 상기 콘트롤 게이트(108-1) 및 게이트 층간유전막(106-1)을 식각 마스크로 이용하여 상기 제1폴리실리콘막(104)을 이방성 식각함으로써, 플로팅 게이트(104-1)를 형성한다. 이때, 상기 제1폴리실리콘막(104)을 이방성 식각하기 위한 에천트로서, 예컨대 HBr/O2/He/HeO2 혼합가스가 사용될 수 있다.Subsequently, the first polysilicon film 104 is anisotropically etched using the control gate 108-1 and the gate interlayer dielectric film 106-1 as an etching mask to form the floating gate 104-1. In this case, as an etchant for anisotropically etching the first polysilicon film 104, for example, a mixed gas of HBr / O 2 / He / HeO 2 may be used.

이어서, 상기 콘트롤 게이트(108-1), 게이트 층간유전막(106-1) 및 플로팅 게이트(104-1)를 식각 마스크로 이용하여 상기 실리콘 산화막(102)을 이방성 식각함으로써, 터널 산화막(102-1)을 형성한다. 그 결과, 상기 반도체 기판(100) 상부에는 텅스텐 실리사이드 패턴(110-1), 콘트롤 게이트(108-1), 게이트 층간유전막(106-1), 플로팅 게이트(104-1) 및 터널 산화막(102-1)으로 구성되는 플래쉬 메모리 소자의 적층 게이트 전극이 완성된다. Subsequently, the silicon oxide film 102 is anisotropically etched using the control gate 108-1, the gate interlayer dielectric film 106-1, and the floating gate 104-1 as an etching mask, thereby tunneling the oxide film 102-1. ). As a result, a tungsten silicide pattern 110-1, a control gate 108-1, a gate interlayer dielectric film 106-1, a floating gate 104-1, and a tunnel oxide film 102-are formed on the semiconductor substrate 100. The stacked gate electrode of the flash memory device constituted by 1) is completed.

그러나, 상기와 같이 게이트 전극을 형성함에 있어서, 종래에는 상기 ONO막(106) 및 제1폴리실리콘막(104)을 건식 식각 공정을 이용하여 패터닝하였다. 통상적으로, 건식 식각은 플라즈마를 이용한 식각 공정으로서, 가속화된 플라즈마 입자들이 수직으로 이동함으로써, 상기 ONO막(106) 및 제1폴리실리콘막(104)을 이방성 식각하게 된다. 그 결과, 상기 ONO막(106) 및 제1폴리실리콘막(104)과 인접한 반도체 기판(100)이 데미지를 입게 되어 도 2b의 참조부호 A로 나타낸 것과 같이 피팅(pitting)이 발생하게 된다. However, in forming the gate electrode as described above, the ONO film 106 and the first polysilicon film 104 are conventionally patterned using a dry etching process. Typically, dry etching is an etching process using plasma, in which the accelerated plasma particles move vertically, thereby anisotropically etching the ONO film 106 and the first polysilicon film 104. As a result, the semiconductor substrate 100 adjacent to the ONO film 106 and the first polysilicon film 104 is damaged, causing pitting to occur as indicated by reference numeral A of FIG. 2B.

이처럼, 반도체 기판(100)에 피팅이 발생하게 되면, 후속의 메탈 증착이나 리플로우(reflow)시 상기 피팅(A) 부분에 메탈이 채워지면서 누설 전류(leakage current)를 유발하게 된다. 그 결과, 플래쉬 메모리 소자의 전기적 특성이 저하되어 신뢰성 및 생산성에 악영향을 미치게 된다. As such, when fitting occurs in the semiconductor substrate 100, metal is filled in the fitting portion A during subsequent metal deposition or reflow, causing leakage current. As a result, the electrical characteristics of the flash memory device are degraded, which adversely affects reliability and productivity.

상기와 같은 종래의 문제점들을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 반도체 기판에 피팅을 유발하지 않는 반도체 메모리 소자의 게이트 전극 제조방법을 제공함에 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a gate electrode of a semiconductor memory device that does not cause fitting to a semiconductor substrate.

본 발명의 다른 목적은, 반도체 메모리 소자의 전기적 특성 저하를 방지할 수 있는 반도체 메모리 소자의 게이트 전극 제조방법을 제공함에 있다. Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a gate electrode of a semiconductor memory device capable of preventing the electrical characteristics of the semiconductor memory device from deteriorating.

상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체 메모리 소자의 게이트 전극 제조방법은, 반도체 기판 상부에 게이트 전극 형성을 위한 물질막으로서, 실리콘 산화막, 제1폴리실리콘막, 상부 산화막-질화막-하부 산화막으로 이루어진 ONO막, 제2폴리실리콘막을 차례로 증착하는 단계와; 상기 제2폴리실리콘막을 식각하여 콘트롤 게이트를 형성하는 단계와; 상기 ONO막을 구성하는 상부 산화막, 질화막 및 하부 산화막을 각각 습식 식각, 건식 식각, 습식 식각으로 패터닝하여 게이트 층간유전막을 형성하는 단계와; 상기 제1폴리실리콘막을 건식 식각으로 패터닝하여 플로팅 게이트를 형성하는 단계와; 상기 실리콘 산화막을 식각하여 터널 산화 막을 형성하는 단계를 포함함을 특징으로 한다. A method of manufacturing a gate electrode of a semiconductor memory device according to the present invention for achieving the above objects, as a material film for forming a gate electrode on a semiconductor substrate, a silicon oxide film, a first polysilicon film, an upper oxide film-nitride film-lower oxide film Sequentially depositing an ONO film and a second polysilicon film; Etching the second polysilicon layer to form a control gate; Patterning the upper oxide film, the nitride film, and the lower oxide film constituting the ONO film by wet etching, dry etching, and wet etching, respectively, to form a gate interlayer dielectric film; Patterning the first polysilicon layer by dry etching to form a floating gate; Etching the silicon oxide film to form a tunnel oxide film.

바람직하게는, 상기 상부 산화막은 HF를 이용하여 습식 식각한다. Preferably, the upper oxide film is wet etched using HF.

바람직하게는, 상기 질화막은 CH2F2/O2/Ar으로 건식 식각한다. Preferably, the nitride film is dry etched with CH 2 F 2 / O 2 / Ar.

바람직하게는, 상기 하부 산화막은 HF를 이용하여 습식 식각한다. Preferably, the lower oxide layer is wet etched using HF.

바람직하게는, 상기 제1폴리실리콘은 HBr/O2를 이용하여 건식 식각한다. Preferably, the first polysilicon is dry etched using HBr / O 2 .

또한, 상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체 메모리 소자의 게이트 전극 제조방법은, 반도체 기판 상부에 게이트 전극 형성을 위한 물질막으로서, 실리콘 산화막, 제1폴리실리콘막, 상부 산화막-질화막-하부 산화막으로 이루어진 ONO막, 제2폴리실리콘막을 차례로 증착하는 단계와; 상기 제2폴리실리콘막을 식각하여 콘트롤 게이트를 형성하는 단계와; 상기 ONO막을 구성하는 물질중, 상기 상부 산화막은 습식 식각으로 패터닝하고, 상기 질화막은 산화막과의 식각 선택비가 우수한 에천트를 이용하여 건식 식각으로 패터닝하고, 상기 하부 산화막을 습식 식각으로 패터닝하여 게이트 층간유전막을 형성하는 단계와; 상기 제1폴리실리콘막을 산화막과의 식각 선택비가 우수한 에천트를 이용하여 건식 식각으로 패터닝함으로써, 플로팅 게이트를 형성하는 단계와; 상기 실리콘 산화막을 식각하여 터널 산화막을 형성하는 단계를 포함함을 특징으로 한다.In addition, a method of manufacturing a gate electrode of a semiconductor memory device according to the present invention for achieving the above objects, as a material film for forming a gate electrode on a semiconductor substrate, a silicon oxide film, a first polysilicon film, an upper oxide film- nitride film- Sequentially depositing an ONO film and a second polysilicon film made of a lower oxide film; Etching the second polysilicon layer to form a control gate; Among the materials constituting the ONO layer, the upper oxide layer is patterned by wet etching, the nitride layer is patterned by dry etching using an etchant having an excellent etching selectivity with respect to the oxide layer, and the lower oxide layer is patterned by wet etching to form gate interlayers. Forming a dielectric film; Forming a floating gate by patterning the first polysilicon film by dry etching using an etchant having an excellent etching selectivity with respect to an oxide film; Etching the silicon oxide film to form a tunnel oxide film.

바람직하게는, 상기 상부 산화막은 HF를 이용하여 습식 식각한다. Preferably, the upper oxide film is wet etched using HF.

바람직하게는, 상기 질화막은 CH2F2/O2/Ar으로 건식 식각한다. Preferably, the nitride film is dry etched with CH 2 F 2 / O 2 / Ar.

바람직하게는, 상기 하부 산화막은 HF를 이용하여 습식 식각한다. Preferably, the lower oxide layer is wet etched using HF.

바람직하게는, 상기 제1폴리실리콘은 HBr/O2를 이용하여 건식 식각한다. Preferably, the first polysilicon is dry etched using HBr / O 2 .

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다. 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 본 발명의 카테고리를 벗어나지 않는 범위내에서 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the present invention. The present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but can be embodied in various other forms without departing from the scope of the present invention, and only the embodiments allow the disclosure of the present invention to be complete and common knowledge It is provided to fully inform the person of the scope of the invention.

통상적으로, 콘트롤 게이트, 게이트 층간유전막, 플로팅 게이트 및 터널 산화막으로 구성되는 플래쉬 메모리 소자의 적층 게이트 전극을 구현함에 있어서, 종래에는 상기 게이트 층간유전막으로서 기능하는 ONO막 및 플로팅 게이트로서 기능하는 폴리실리콘막을 건식 식각 공정을 이용하여 패터닝하였다. 그로 인해 반도체 기판에 피팅이 발생하여 플래쉬 메모리 소자의 전기적 특성이 크게 저하되는 문제점이 있었다. In general, in implementing a stacked gate electrode of a flash memory device including a control gate, a gate interlayer dielectric film, a floating gate, and a tunnel oxide film, conventionally, an ONO film serving as the gate interlayer dielectric film and a polysilicon film serving as a floating gate are used. Patterned using a dry etching process. As a result, fittings are generated in the semiconductor substrate, thereby greatly reducing the electrical characteristics of the flash memory device.

따라서, 본 발명에서는 상기 ONO막 및 플로팅 게이트를 효과적으로 식각하면서도 반도체 기판에 피팅이 발생하는 문제점을 해소할 수 있는 개선된 식각 공정하과알루미늄 상부에 자연산화막이 형성되는 것을 방지할 수 있는 반도체 메모리 소자의 게이트 전극 제조방법을 제시하고자 한다. Accordingly, the present invention provides a semiconductor memory device capable of preventing the formation of a native oxide film on the aluminum under an improved etching process that can effectively eliminate the problem of fitting to the semiconductor substrate while effectively etching the ONO film and the floating gate. The present invention provides a method for manufacturing a gate electrode.

그러면, 하기의 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 메모리 소자의 게이트 전극 제조방법을 구체적으로 살펴보기로 하자.Next, a method of manufacturing a gate electrode of a semiconductor memory device according to an exemplary embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 메모리 소자의 게이트 전 극 형성과정을 나타내는 플로우챠트이다. 그리고, 도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플래쉬 메모리 장치의 게이트 전극 형성과정을 나타내는 단면도들이다.3 is a flowchart illustrating a process of forming a gate electrode of a semiconductor memory device according to an exemplary embodiment of the present invention. 4A through 4F are cross-sectional views illustrating a process of forming a gate electrode of a flash memory device according to an exemplary embodiment of the present invention.

먼저, 도 3 및 도 4a를 참조하면, 피형 또는 엔형의 불순물이 도우프되어 있는 반도체 기판(300)에 통상의 STI(Shallow Trench Isolation) 공정을 실시하여 소자분리막(도시되지 않음)을 형성한다.First, referring to FIGS. 3 and 4A, a device isolation film (not shown) is formed by performing a conventional shallow trench isolation (STI) process on a semiconductor substrate 300 doped with doped or en-type impurities.

이어서, 상기 반도체 기판(300) 상부에 게이트 전극 형성을 위한 물질막으로서, 실리콘 산화막(302), 제1폴리실리콘막(304), ONO막(312) 제2폴리실리콘막(314) 및 캡핑막(316)을 차례로 증착한다. 그리고 나서, 상기 텅스텐 실리사이드막(316) 상부에 통상의 포토리소그라피 공정을 실시하여 감광막 패턴(318)을 형성한다(S200). 여기서, 상기 캡핑막(316)은 WSix등의 텅스텐 실리콘막 또는 텅스텐(W)막으로 형성할 수 있다. 그리고, 상기 ONO막(312)은 상부 산화막(306), 질화막(308) 및 하부 산화막(310)으로 이루어져 있다.Subsequently, a silicon oxide film 302, a first polysilicon film 304, an ONO film 312, a second polysilicon film 314, and a capping film are formed as a material film for forming a gate electrode on the semiconductor substrate 300. 316 is deposited one after the other. Then, a photolithography process is performed on the tungsten silicide layer 316 to form a photoresist pattern 318 (S200). Here, the capping film 316 may be formed of a tungsten silicon film such as WSix or a tungsten (W) film. The ONO film 312 includes an upper oxide film 306, a nitride film 308, and a lower oxide film 310.

도 3 및 도 4b를 참조하면, 상기 감광막 패턴(318)을 식각 마스크로 이용하여 상기 텅스텐 실리사이드막(316)을 이방성 식각하여 텅스텐 실리사이드 패턴(316-1)을 형성한다. 이때, 상기 텅스텐 실리사이드막(316)을 이방성 식각하기 위한 에천트로서, 예컨대 SF6/Cl2 혼합가스가 사용될 수 있다.3 and 4B, the tungsten silicide layer 316 is anisotropically etched using the photoresist pattern 318 as an etching mask to form a tungsten silicide pattern 316-1. In this case, as an etchant for anisotropically etching the tungsten silicide layer 316, for example, an SF 6 / Cl 2 mixed gas may be used.

이어서, 상기 텅스텐 실리사이드 패턴(316-1)을 식각 마스크로 이용하여 제2폴리실리콘막(314)을 이방성 식각함으로써, 콘트롤 게이트(314-1)를 형성한 다(S202). 이때, 상기 제2폴리실리콘막(314)을 이방성 식각하기 위한 에천트로서, 예컨대 HBr/O2/He/HeO2 혼합가스가 사용될 수 있다.Subsequently, the second polysilicon layer 314 is anisotropically etched using the tungsten silicide pattern 316-1 as an etching mask to form the control gate 314-1 (S202). In this case, as an etchant for anisotropically etching the second polysilicon layer 314, for example, a mixed gas of HBr / O 2 / He / HeO 2 may be used.

도 3 및 도 4c를 참조하면, 상기 콘트롤 게이트(314-1)를 식각 마스크로 이용하여 상기 ONO막(312) 중, 상부 산화막(310)을 식각하여 상부 산화막 패턴(310-1)을 형성한다. 이때, 상기 상부 산화막(310)은 HF를 이용하여 습식 식각으로 패터닝한다(S204).3 and 4C, the upper oxide layer 310 is etched from the ONO layer 312 by using the control gate 314-1 as an etch mask to form an upper oxide layer pattern 310-1. . In this case, the upper oxide layer 310 is patterned by wet etching using HF (S204).

도 3 및 도 4d를 참조하면, 상기 상부 산화막 패턴(310-1)를 식각 마스크로 이용하여 상기 ONO막(312) 중, 질화막(308)을 식각하여 질화막 패턴(308-1)을 형성한다. 이때, 상기 질화막(308)은 산화막과의 식각 선택비가 우수한 에천트로서, 예컨대 CH2F2/O2/Ar을 이용하여 건식 식각으로 패터닝한다(S206).3 and 4D, the nitride layer 308-1 is formed by etching the nitride layer 308 of the ONO layer 312 using the upper oxide layer pattern 310-1 as an etching mask. In this case, the nitride layer 308 is an etchant having an excellent etching selectivity with respect to the oxide layer, and is patterned by dry etching using, for example, CH 2 F 2 / O 2 / Ar (S206).

도 3 및 도 4e를 참조하면, 상기 질화막 패턴(308-1)를 식각 마스크로 이용하여 상기 ONO막(312) 중, 하부 산화막(306)을 식각하여 하부 산화막 패턴(306-1)을 형성함으로써, 게이트 층간유전막을 형성한다. 이때, 상기 하부 산화막(306) HF를 이용하여 습식 식각으로 패터닝한다(S208).3 and 4E, by using the nitride film pattern 308-1 as an etching mask, the lower oxide film 306 is etched in the ONO film 312 to form a lower oxide film pattern 306-1. A gate interlayer dielectric film is formed. In this case, the lower oxide layer 306 is patterned by wet etching using HF (S208).

도 3 및 도 4f를 참조하면, 상기 하부 산화막 패턴(306-1)을 식각 마스크로 상기 제1폴리실리콘막(304)을 식각하여 플로팅 게이트(304-1)를 형성한다. 이때, 상기 제1폴리실리콘막(304)는 산화막과의 식각 선택비가 우수한 에천트로서, 예컨대 HBr/O2 를 이용하여 건식 식각으로 패터닝한다(S210).3 and 4F, the first polysilicon layer 304 is etched using the lower oxide layer pattern 306-1 as an etch mask to form a floating gate 304-1. In this case, the first polysilicon layer 304 is an etchant having an excellent etching selectivity with respect to the oxide layer, and is patterned by dry etching using, for example, HBr / O 2 (S210).

이어서, 상기 플로팅 게이트(304-1)를 식각 마스크로 이용하여 상기 실리콘 산화막(302)을 이방성 식각함으로써, 터널 산화막(302-1)을 형성한다(S212). 그 결과, 상기 반도체 기판(300) 상부에는 텅스텐 실리사이드 패턴(316-1), 콘트롤 게이트(314-1), ONO(310-1,308-1,306-1), 플로팅 게이트(304-1) 및 터널 산화막(302-1)으로 구성되는 플래쉬 메모리 소자의 적층 게이트 전극이 완성된다.Subsequently, the silicon oxide film 302 is anisotropically etched using the floating gate 304-1 as an etching mask to form a tunnel oxide film 302-1 (S212). As a result, the tungsten silicide pattern 316-1, the control gate 314-1, the ONOs 310-1, 308-1, 306-1, the floating gate 304-1, and the tunnel oxide layer are formed on the semiconductor substrate 300. The stacked gate electrode of the flash memory device composed of 302-1 is completed.

종래에는 플래쉬 메모리 소자의 게이트 전극을 형성함에 있어서, ONO막(106) 및 플로팅 게이트로서 기능하는 폴리실리콘막을 건식 식각 공정으로 패터닝하였다. 그 결과, 가속화된 플라즈마 입자들에 의해 반도체 기판이 수직으로 패이는 피팅 현상이 발생하였으며, 그로 인해 플래쉬 메모리 소자의 전기적 특성이 크게 저하되었다. Conventionally, in forming the gate electrode of a flash memory element, the ONO film 106 and the polysilicon film which functions as a floating gate were patterned by the dry etching process. As a result, a fitting phenomenon in which the semiconductor substrate is vertically vertically caused by the accelerated plasma particles has occurred, thereby greatly reducing the electrical characteristics of the flash memory device.

그러나, 본 발명에서와 같이, 상기 ONO막(312)을 이루고 있는 상부 산화막(310), 질화막(308), 하부 산화막(306), 그리고 플로팅 게이트로서 기능하는 제1폴리실리콘막(304)을 각각 습식 식각, 건식 식각, 습식 식각 및 건식 식각으로 차례로 패터닝할 경우, 가속화된 플라즈마의 영향을 완화시켜 반도체 기판에 피팅이 발생하는 종래의 문제점을 해소하면서도 양호한 프로파일의 게이트 전극을 형성할 수 있게 된다.However, as in the present invention, the upper oxide film 310, the nitride film 308, the lower oxide film 306, and the first polysilicon film 304 which function as the floating gate, respectively, which constitute the ONO film 312, respectively. When patterning in the order of wet etching, dry etching, wet etching, and dry etching, the influence of the accelerated plasma is alleviated, thereby eliminating the conventional problem of fitting to the semiconductor substrate, and forming a gate electrode having a good profile.

상기한 바와 같이, 본 발명에서는 플래쉬 메모리 소자의 게이트 전극을 구현함에 있어서, 상기 ONO막을 구성하는 상부 산화막, 질화막, 하부 산화막 및 플로팅 게이트로서 기능하는 제1폴리실리콘막을 각각 습식 식각, 건식 식각, 습식 식각 및 건식 식각으로 차례로 패터닝함으로써, 반도체 기판에 피팅이 발생하는 문제점을 해소할 수 있게 된다. 그리고, 반도체 기판에 피팅이 발생되지 않도록 함으로써, 플래쉬 메모리 소자의 신뢰성 및 생산성을 보다 향상시킬 수 있게 된다. As described above, in implementing the gate electrode of the flash memory device, wet etching, dry etching, and wet etching the first polysilicon film constituting the ONO film as the upper oxide film, the nitride film, the lower oxide film, and the floating gate, respectively, are performed. By sequentially patterning by etching and dry etching, it is possible to solve the problem that the fitting occurs in the semiconductor substrate. In addition, by preventing the fitting from occurring in the semiconductor substrate, the reliability and productivity of the flash memory device can be further improved.

Claims (18)

반도체 메모리 소자의 게이트 전극 제조방법에 있어서:In the method of manufacturing a gate electrode of a semiconductor memory device: 반도체 기판 상부에 게이트 전극 형성을 위한 물질막으로서, 실리콘 산화막, 제1폴리실리콘막, 상부 산화막-질화막-하부 산화막으로 이루어진 ONO막, 제2폴리실리콘막을 차례로 증착하는 단계와;Depositing a silicon oxide film, a first polysilicon film, an ONO film made of an upper oxide film-nitride film and a lower oxide film, and a second polysilicon film in order to form a gate electrode on the semiconductor substrate; 상기 제2폴리실리콘막을 식각하여 콘트롤 게이트를 형성하는 단계와;Etching the second polysilicon layer to form a control gate; 상기 ONO막을 구성하는 상부 산화막, 질화막 및 하부 산화막을 각각 습식 식각, 건식 식각, 습식 식각으로 패터닝하여 게이트 층간유전막을 형성하는 단계와;Patterning the upper oxide film, the nitride film, and the lower oxide film constituting the ONO film by wet etching, dry etching, and wet etching, respectively, to form a gate interlayer dielectric film; 상기 제1폴리실리콘막을 건식 식각으로 패터닝하여 플로팅 게이트를 형성하는 단계와;Patterning the first polysilicon layer by dry etching to form a floating gate; 상기 실리콘 산화막을 식각하여 터널 산화막을 형성하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 반도체 메모리 소자의 게이트 전극 제조방법. Etching the silicon oxide film to form a tunnel oxide film. 제 1항에 있어서, 상기 상부 산화막은 HF를 이용하여 습식 식각함을 특징으로 하는 반도체 메모리 소자의 게이트 전극 제조방법. The method of claim 1, wherein the upper oxide layer is wet etched using HF. 제 2항에 있어서, 상기 질화막은 CH2F2/O2/Ar으로 건식 식각함을 특징으로 하는 반도체 메모리 소자의 게이트 전극 제조방법.The method of claim 2, wherein the nitride layer is dry etched with CH 2 F 2 / O 2 / Ar. 제 3항에 있어서, 상기 하부 산화막은 HF를 이용하여 습식 식각함을 특징으로 하는 반도체 메모리 소자의 게이트 전극 제조방법.The method of claim 3, wherein the lower oxide layer is wet etched using HF. 제 4항에 있어서, 상기 제1폴리실리콘은 HBr/O2 를 이용하여 건식 식각함을 특징으로 하는 반도체 메모리 소자의 게이트 전극 제조방법.The method of claim 4, wherein the first polysilicon is dry-etched using HBr / O 2 . 제 5항에 있어서, 상기 제2폴리실리콘막은 HBr/O2/He/HeO2를 이용하여 건식 식각함을 특징으로 하는 반도체 메모리 소자의 게이트 전극 제조방법. The method of claim 5, wherein the second polysilicon layer is dry etched using HBr / O 2 / He / HeO 2 . 제 6항에 있어서, 상기 제2폴리실리콘막 상부에 캡핑막을 증착하는 단계를 더 포함함을 특징으로 하는 반도체 메모리 소자의 게이트 전극 제조방법.The method of claim 6, further comprising depositing a capping layer over the second polysilicon layer. 제 7항에 있어서, 상기 캡핑막은 텅스텐 실리콘막 또는 텅스텐막으로 형성함을 특징으로 하는 반도체 메모리 소자의 게이트 전극 제조방법.8. The method of claim 7, wherein the capping film is formed of a tungsten silicon film or a tungsten film. 제 8항에 있어서, 상기 캡핑막은 SF6/Cl2를 이용하여 건식 식각함을 특징으로 하는 반도체 메모리 소자의 게이트 전극 제조방법.The method of claim 8, wherein the capping layer is dry etched using SF 6 / Cl 2 . 반도체 메모리 소자의 게이트 전극 제조방법에 있어서:In the method of manufacturing a gate electrode of a semiconductor memory device: 반도체 기판 상부에 게이트 전극 형성을 위한 물질막으로서, 실리콘 산화막, 제1폴리실리콘막, 상부 산화막-질화막-하부 산화막으로 이루어진 ONO막, 제2폴리실리콘막을 차례로 증착하는 단계와;Depositing a silicon oxide film, a first polysilicon film, an ONO film made of an upper oxide film-nitride film and a lower oxide film, and a second polysilicon film in order to form a gate electrode on the semiconductor substrate; 상기 제2폴리실리콘막을 식각하여 콘트롤 게이트를 형성하는 단계와;Etching the second polysilicon layer to form a control gate; 상기 ONO막을 구성하는 물질중, 상기 상부 산화막은 습식 식각으로 패터닝하고, 상기 질화막은 산화막과의 식각 선택비가 우수한 에천트를 이용하여 건식 식각으로 패터닝하고, 상기 하부 산화막을 습식 식각으로 패터닝하여 게이트 층간유전막을 형성하는 단계와;Among the materials constituting the ONO layer, the upper oxide layer is patterned by wet etching, the nitride layer is patterned by dry etching using an etchant having an excellent etching selectivity with respect to the oxide layer, and the lower oxide layer is patterned by wet etching to form gate interlayers. Forming a dielectric film; 상기 제1폴리실리콘막을 산화막과의 식각 선택비가 우수한 에천트를 이용하 여 건식 식각으로 패터닝함으로써, 플로팅 게이트를 형성하는 단계와;Forming a floating gate by patterning the first polysilicon film by dry etching using an etchant having an excellent etching selectivity with respect to an oxide film; 상기 실리콘 산화막을 식각하여 터널 산화막을 형성하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 반도체 메모리 소자의 게이트 전극 제조방법. Etching the silicon oxide film to form a tunnel oxide film. 제 10항에 있어서, 상기 상부 산화막은 HF를 이용하여 습식 식각함을 특징으로 하는 반도체 메모리 소자의 게이트 전극 제조방법. The method of claim 10, wherein the upper oxide layer is wet etched using HF. 제 11항에 있어서, 상기 질화막은 CH2F2/O2/Ar으로 건식 식각함을 특징으로 하는 반도체 메모리 소자의 게이트 전극 제조방법.The method of claim 11, wherein the nitride layer is dry etched with CH 2 F 2 / O 2 / Ar. 제 12항에 있어서, 상기 하부 산화막은 HF를 이용하여 습식 식각함을 특징으로 하는 반도체 메모리 소자의 게이트 전극 제조방법.The method of claim 12, wherein the lower oxide layer is wet etched using HF. 제 13항에 있어서, 상기 제1폴리실리콘은 HBr/O2 를 이용하여 건식 식각함을 특징으로 하는 반도체 메모리 소자의 게이트 전극 제조방법.The method of claim 13, wherein the first polysilicon is dry etched using HBr / O 2 . 제 14항에 있어서, 상기 제2폴리실리콘막은 HBr/O2/He/HeO2를 이용하여 건식 식각함을 특징으로 하는 반도체 메모리 소자의 게이트 전극 제조방법. 15. The method of claim 14, wherein the second polysilicon layer is dry etched using HBr / O 2 / He / HeO 2 . 제 15항에 있어서, 상기 제2폴리실리콘막 상부에 캡핑막을 증착하는 단계를 더 포함함을 특징으로 하는 반도체 메모리 소자의 게이트 전극 제조방법.16. The method of claim 15, further comprising depositing a capping layer over the second polysilicon layer. 제 16항에 있어서, 상기 캡핑막은 텅스텐 실리콘막 또는 텅스텐막으로 형성함을 특징으로 하는 반도체 메모리 소자의 게이트 전극 제조방법.17. The method of claim 16, wherein the capping film is formed of a tungsten silicon film or a tungsten film. 제 17항에 있어서, 상기 캡핑막은 SF6/Cl2를 이용하여 건식 식각함을 특징으로 하는 반도체 메모리 소자의 게이트 전극 제조방법.The method of claim 17, wherein the capping layer is dry etched using SF 6 / Cl 2 .
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US8039345B2 (en) 2009-09-04 2011-10-18 Samsung Electronics Co., Ltd. Methods of forming semiconductor devices
CN105826181A (en) * 2015-01-07 2016-08-03 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 Method for preventing peeling defect of ONO structure
CN113964032A (en) * 2020-07-20 2022-01-21 和舰芯片制造(苏州)股份有限公司 Method of manufacturing nonvolatile memory array, computer device, and storage medium

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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