KR20080054035A - Flash memory device and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
도 1a은 종래 기술에 따라 플래시 메모리 소자를 형성하는 과정에서 발생한 보이드(void)를 나타내는 단면도. 1A is a cross-sectional view illustrating a void generated in a process of forming a flash memory device according to the related art.
도 1b는 종래 기술에 따라 형성된 플래시 메모리 소자의 보이드로 인한 콘택 브릿지(contact bridge) 현상을 나타낸 주사전자현미경 이미지.1B is a scanning electron microscope image showing a contact bridge phenomenon caused by voids of a flash memory device formed according to the prior art.
도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 실시예에 따른 플래시 메모리 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 순차적인 공정 단면도.2A to 2F are sequential cross-sectional views illustrating a method of manufacturing 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>
210 : 반도체 기판210: semiconductor substrate
220 : 제 1 측벽 절연막220: first sidewall insulating film
230 : 제 2 측벽 절연막 230: second sidewall insulating film
240 : 제 3 측벽 절연막240: third sidewall insulating film
250 : 포토레지스트250 photoresist
260 : 제 4 측벽 절연막260: fourth sidewall insulating film
본 발명은 플래시 메모리 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 다층의 절연막으로 이루어진 게이트 스페이서(spacer)의 절연막을 제거하는 과정에서 발생하는 보이드(void)로 인한 콘택 브릿지(contact bridge) 현상을 방지할 수 있는 플래시 메모리 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
플래시 메모리는 기억 정보가 전원이 꺼지더라도 없어지지 않으므로 비휘발성 메모리라 불리며, 이 점에서 DRAM(Dynamic RAM)이나 SRAM(Static RAM) 등과 차이가 있다.The flash memory is called nonvolatile memory because the memory information does not disappear even when the power is turned off. In this regard, the flash memory differs from DRAM (Dynamic RAM) and SRAM (Static RAM).
플래시 메모리는 단위 셀의 구조에 따라, 스택 게이트형과 스플릿 게이트형으로 나뉠 수 있으며, 전하 저장층의 형태에 따라 플로팅 게이트 소자 및 SONOS(Silicon-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon) 소자로 구분될 수 있다. 이 중에서 플로팅 게이트 소자는 통상 그 주위가 절연체로 둘러 싸여진 다결정 실리콘으로 형성된 플로팅 게이트를 포함하고, 이 플로팅 게이트에 채널 핫 캐리어 주입(Channel Hot Carrier Injection) 또는 F-N 터널링(Fowler-Nordheim Tunneling)에 의해 전하가 주입 또는 방출됨으로써 데이터의 저장 및 소거가 이루어진다. Flash memory may be classified into a stack gate type and a split gate type according to the unit cell structure, and may be divided into a floating gate device and a silicon-oxide-nitride-oxide-silicon (SONOS) device according to the shape of the charge storage layer. have. Among them, the floating gate device typically includes a floating gate formed of polycrystalline silicon surrounded by an insulator, and the floating gate is charged by channel hot carrier injection or FN tunneling by Fowler-Nordheim Tunneling. Is injected or discharged to store and erase data.
한편, 플래시 메모리 소자에서 메모리 셀의 성능을 결정하는 중요한 변수는 게이트 결합 계수이다. 이와 같은 게이트 결합 계수는 플로팅 게이트(floating gate)의 전위에 큰 영향을 미친다. 더욱 높은 게이트 결합 계수를 가지는 플래시 메모리 소자는 플로팅 게이트의 전위를 메모리 셀의 컨트롤 게이트(control gate)에 주어진 전위에 근접하게 형성할 수 있으므로, 더욱 높은 프로그램 및 소거 효율 또는 판독 속도를 포함한 플래시 메모리 셀의 성능이 보다 향상될 수 있다. 높은 게이트 결합 비율은 플래시 칩 설계를 간소화하여, 특히 보다 낮은 전원 전압에 대해 플래시 메모리 셀의 동작 전압을 낮출 수 있다. 게이트 결합 계수를 결정하는 중요한 요인은 터널 옥사이드 커패시턴스(tunnel oxide capacitance)에 대한 폴리 실리콘(poly silicon) 사이의 커패시턴스, 즉 플로팅 게이트 폴리(floating gate poly)와 컨트롤 게이트 폴리(control gate poly) 사이의 커패시턴스이다. 폴리실리콘 사이의 커패시턴스가 증가하고 터널 옥사이드 커패시턴스가 감소함에 따라, 게이트 결합 계수는 증가할 수 있다.On the other hand, an important variable that determines the performance of memory cells in flash memory devices is the gate coupling coefficient. This gate coupling coefficient has a great influence on the potential of the floating gate. Flash memory devices with higher gate coupling coefficients can form the potential of the floating gate close to the potential given to the control gate of the memory cell, thereby providing higher program and erase efficiency or read speed. The performance of can be further improved. The high gate coupling ratio simplifies the flash chip design, lowering the operating voltage of the flash memory cell, especially for lower supply voltages. An important factor in determining the gate coupling coefficient is the capacitance between poly silicon for tunnel oxide capacitance, that is, the capacitance between floating gate poly and control gate poly. to be. As the capacitance between polysilicon increases and the tunnel oxide capacitance decreases, the gate coupling coefficient can increase.
한편, 반도체 소자의 고집적화 경향에 따라 플래시 메모리 셀의 설계 규칙(design rule)이 감소하고 이에 따라, 셀(cell)의 크기가 축소됨으로써 게이트와 게이트 간의 거리(pitch)가 좁아지게 되는데 이때, 게이트 스페이서(spacer)를 사용할 경우, PMD(premetal dielectric) 갭필(gap fill) 공정이 매우 어려워진다.On the other hand, the design rule of the flash memory cell is reduced according to the tendency of high integration of the semiconductor device, and as a result, the size of the cell is reduced, so that the pitch between the gate and the gate is narrowed. Using spacers makes the PMD (premetal dielectric) gap fill process very difficult.
따라서, 도 1a에 도시된 바와 같이, PMD 갭필 공정을 개선하기 위해서 게이트 양 측벽에 형성된 스페이서의 두께를 줄이게 되는데 이때, 다층의 절연막으로 이루어진 스페이서의 일부 절연막을 제거하는 과정에서 산화막(Oxide)의 로스(loss)가 발생하여 보이드(Void, X)의 문제가 나타난다. Therefore, as shown in FIG. 1A, in order to improve the PMD gapfill process, the thickness of the spacer formed on both sidewalls of the gate is reduced. (loss) occurs and the problem of void (X) appears.
즉, 도 1b에서 보듯이, 워드 라인과 워드 라인이 서로 다르게 동작 되도록 상호 간에 절연되어야함에도 불구하고, 후속의 콘택(contact)을 형성하기 위하여 텅스텐(W) 등의 금속 물질을 유입하면, 전술한 바와 같은 보이드(X) 쪽으로 텅스텐이 확산 됨에 따라 인접한 게이트 간에 서로 전기적으로 연결되어 콘택 브릿 지(contact to contact bride) 현상이 발생한다. 텅스텐은 비트 라인 콘택 형성을 위해 형성되는 도전층이다. That is, as shown in Figure 1b, although the word line and the word line must be insulated from each other to operate differently, when a metal material such as tungsten (W) is introduced to form a subsequent contact, As tungsten is diffused toward the void X, the adjacent gates are electrically connected to each other to generate a contact to contact bride phenomenon. Tungsten is a conductive layer formed for forming bit line contacts.
이로 인해 워드 라인에 형성된 게이트가 올바르게 작동되지 않고 동작 오류가 발생하여 셀 동작이 불량함에 따라 플래시 메모리 소자의 신뢰성 및 수율을 크게 저하시킨다.As a result, the gate formed on the word line does not operate correctly and an operation error occurs, thereby deteriorating the reliability and yield of the flash memory device.
전술한 문제를 해결하기 위해 본 발명은, 특히 다층의 절연막으로 이루어진 게이트 스페이서(spacer)의 절연막을 제거하는 과정에서 발생하는 보이드(void)로 인한 콘택 브릿지(contact bridge) 현상을 방지할 수 있는 플래시 메모리 소자의 제조 방법을 제공하는데 목적이 있다.In order to solve the above-described problem, the present invention, in particular, the flash can prevent the contact bridge (contact bridge) phenomenon caused by the void (void) generated in the process of removing the insulating film of the gate spacer made of a multi-layer insulating film It is an object to provide a method of manufacturing a memory device.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 게이트의 양 측벽에 형성된 스페이서의 두께를 줄임으로써 PMD(premetal dielectric) 갭필(gap fill) 공정을 효과적으로 개선할 수 있는 플래시 메모리 소자에 관한 것이다.In addition, another object of the present invention relates to a flash memory device that can effectively improve the PMD (premetal dielectric) gap fill process by reducing the thickness of the spacer formed on both sidewalls of the gate.
전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 다수의 스택 게이트 및 트랜지스터가 형성된 반도체 기판상에 제 1 측벽 절연막, 제 2 측벽 절연막 및 제 3 측벽 절연막을 순차적으로 형성하는 단계와, 상기 제 3 측벽 절연막 및 상기 제 2 측벽 절연막에 대해 제 1 식각공정을 수행하여 상기 스택 게이트 양 측벽 및 상기 트랜지스터 양 측벽에 스페이서를 형성하는 단계와, 상기 스페이서를 구비한 기판에 대해 포토레지스트를 도포한 후, 상기 셀 영역을 오픈하는 단계와, 상기 오픈된 셀 영역 에서 상기 스페이서의 제 3 측벽 절연막을 제거하는 과정에서 발생하는 상기 제 1 측벽 절연막의 보이드(void)를 채우도록 상기 스택 게이트 상에 제 4 측벽 절연막을 형성하는 단계와, 상기 제 4 측벽 절연막에 대해 제 2 식각공정 및 세정 공정을 수행하는 단계를 포함하는 플래시 메모리 소자의 제조 방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention is a step of sequentially forming a first sidewall insulating film, a second sidewall insulating film and a third sidewall insulating film on a semiconductor substrate formed with a plurality of stack gates and transistors, and the third sidewall insulating film And forming a spacer on both sidewalls of the stack gate and both sidewalls of the transistor by performing a first etching process on the second sidewall insulating film, applying a photoresist to the substrate including the spacers, and then Opening a region, and forming a fourth sidewall insulating layer on the stack gate so as to fill a void of the first sidewall insulating layer generated in the process of removing the third sidewall insulating layer of the spacer from the open cell region. Forming a substrate; and performing a second etching process and a cleaning process on the fourth sidewall insulating layer. A method of manufacturing a lash memory device is provided.
본 발명에서, 상기 제 1 측벽 절연막은 HTO(High Temperature Oxide)으로 형성하고, 상기 제 2 측벽 절연막은 TEOS(Tetra Ethyl Ortho Silicate)계의 산화막으로 형성하며, 상기 제 3 측벽 절연막은 실리콘 질화막(SiN)으로 형성한다.In the present invention, the first sidewall insulating film is formed of high temperature oxide (HTO), the second sidewall insulating film is formed of an oxide film of TEOS (Tetra Ethyl Ortho Silicate), and the third sidewall insulating film is a silicon nitride film (SiN). To form).
본 발명에서, 상기 제 1 측벽 절연막은 50 ~ 100Å 두께로 형성하고, 상기 제 2 측벽 절연막은 200 ~ 300Å 두께로 형성하며, 상기 제 3 측벽 절연막은 700 ~ 1500Å 두께로 형성한다.In an embodiment of the present invention, the first sidewall insulating film is formed to a thickness of 50 to 100 GPa, the second sidewall insulating film is formed to a thickness of 200 to 300 GPa, and the third sidewall insulating film is formed to be 700 to 1500 GPa thick.
본 발명에서, 상기 제 3 측벽 절연막을 제거하는 단계에서, 상기 제 3 측벽 절연막은 DHF(diluted HF)를 사용하여 습식 식각을 수행하여 제거한다.In the present invention, in the removing of the third sidewall insulating film, the third sidewall insulating film is removed by performing wet etching using diluted HF (DHF).
본 발명에서, 상기 제 4 측벽 절연막은 열적 CVD(Thermal Chamical Mechanical Deposition) 방식으로 HTO, TEOS계의 산화막 및 HTO와 TEOS계의 산화막 중 어느 하나를 이용하여 180 ~ 220Å 두께로 형성한다.In the present invention, the fourth sidewall insulating film is formed to a thickness of 180 ~ 220Å by using any one of HTO, TEOS-based oxide film and HTO and TEOS-based oxide film by thermal CVD (Thermal Chamical Mechanical Deposition) method.
또한, 본 발명에 따른 플래시 메모리 소자는, 반도체 기판상에 터널 산화막, 플로팅 게이트, ONO막 및 콘트롤 게이트로 이루어진 다수의 스택 게이트가 구비된 상태에서, 상기 스택 게이트의 양 측벽을 따라 순차적으로 제 1 측벽 절연막 및 제 2 측벽 절연막으로 이루어진 스페이서를 포함한다.In addition, in the flash memory device according to the present invention, a plurality of stack gates including a tunnel oxide film, a floating gate, an ONO film, and a control gate are provided on a semiconductor substrate, and are sequentially formed along both sidewalls of the stack gate. And a spacer comprising a sidewall insulating film and a second sidewall insulating film.
본 발명에서, 상기 제 1 측벽 절연막은 50 ~ 100Å 두께의 HTO, TEOS계의 산 화막 및 HTO와 TEOS계의 산화막 중 어느 하나로 형성하고, 상기 제 2 측벽 절연막은 200 ~ 300Å 두께의 TEOS계의 산화막으로 형성한다.In the present invention, the first sidewall insulating film is formed of any one of HTO, TEOS-based oxide film having a thickness of 50 ~ 100 GPa, and an oxide film of the HTO and TEOS system, the second sidewall insulating film is a TEOS oxide film having a thickness of 200 ~ 300Å To form.
본 발명에서, 상기 다수의 스택 게이트의 양 측벽에 상기 제 1 측벽 절연막 및 상기 제 2 측벽 절연막이 콘포멀(conformal)하게 형성된 상기 스페이서는 직각형태이다.In the present invention, the spacer in which the first sidewall insulating film and the second sidewall insulating film are conformally formed on both sidewalls of the plurality of stack gates is at right angles.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 플래시 메모리 소자 및 그 제조 방법을 자세히 설명한다.Hereinafter, a flash memory device and a manufacturing method thereof according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명이 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.Descriptions of technical contents that are well known in the art to which the present invention pertains and are not directly related to the present invention will be omitted. This is to more clearly communicate without obscure the subject matter of the present invention by omitting unnecessary description.
먼저, 도 2a에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(210)상에 터널 산화막, 플로팅 게이트, ONO(Oxide-Nitride-Oxide)막 및 컨트롤 게이트를 포함하는 다수의 스택 게이트(stack gate)가 구비된 셀(cell) 영역(A)과 다수의 트랜지스터가 구비된 로직(logic) 영역(B)으로 구성된 상태에서, 스택 게이트 및 트랜지스터를 포함하는 기판(210) 전면에 제 1 측벽 절연막(220), 제 2 측벽 절연막(230) 및 제 3 측벽 절연막(240)을 콘포멀(conformal)하게 순차적으로 형성한다. First, as illustrated in FIG. 2A, a cell having a plurality of stack gates including a tunnel oxide layer, a floating gate, an oxide-nitride-oxide (ONO) layer, and a control gate on a
여기서, 제 1 측벽 절연막(220)은 HTO(High Temperature Oxide)으로 형성하고, 제 2 측벽 절연막(230)은 TEOS(Tetra Ethyl Ortho Silicate)계의 산화막으로 형성하며, 제 3 측벽 절연막(240)은 실리콘 질화막(SiN)으로 형성한다. 이때, 제 1 측벽 절연막(220)은 50 ~ 100Å 두께로 형성하고, 제 2 측벽 절연막(230)은 200 ~ 300Å 두께로 형성하며, 제 3 측벽 절연막(240)은 700 ~ 1500Å 두께로 형성할 수 있다.Here, the first sidewall
다음으로, 도 2b에 도시된 바와 같이, 제 3 측벽 절연막(240) 및 제 2 측벽 절연막(230)에 대해 제 1 식각공정을 수행하여 스택 게이트의 양 측벽 및 트랜지스터의 양 측벽에 스페이서를 형성한다. 즉, SiN으로 이루어진 제 3 측벽 절연막(240)에 대해 90% 정도 메인 식각한 후, 나머지 10%의 오버 식각(over etch)을 진행한다. 이어서, TEOS계의 산화막으로 이루어진 제 2 측벽 절연막(230)에 대해 90% 정도 메인 식각한 후, 나머지 10%의 오버 식각공정을 수행한다. 이러한 스페이이서를 형성하기 위한 식각 공정은 등방성 RIE(Reactive Ion Etch) 또는 등방성 플라즈마 식각 공정 방법으로 수행하는 것이 바람직하다.Next, as shown in FIG. 2B, a first etching process is performed on the third
다음으로, 도 2c에 도시된 바와 같이, TEOS의 제 2 측벽 절연막(230)을 포함한 SiN의 제 3 측벽 절연막(240)으로 이루어진 스페이서를 구비한 기판(210) 전면에 포토레지스트(250)를 도포한 후, 셀 영역(A)에 도포된 포토레지스트(250)를 제거하여 다수의 스택 게이트가 구비된 셀 영역(A)을 오픈한다. 여기서, 포토레지스트(250)는 0.85 ~ 3㎛ 두께로 도포하는 것이 바람직하다. Next, as shown in FIG. 2C, a
다음으로, 도 2d에 도시된 바와 같이, 오픈된 셀 영역(A)에서 스페이서의 제 3 측벽 절연막(240)을 제거한다. 이것은 플래시 메모리 셀의 설계 규칙(design rule)이 감소하고 이에 따라, 셀(cell)의 크기가 축소됨으로써 게이트와 게이트 간의 거리(pitch)가 좁아지는데 이때, 게이트 스페이서(spacer)를 사용할 경우, PMD(premetal dielectric) 갭필(gap fill) 공정이 매우 어려워짐에 따라 PMD 갭필 공정을 개선하기 위해서 스페이서의 두께를 줄이기 위함이다. Next, as shown in FIG. 2D, the third
하지만, 이때, 스페이서의 제 3 측벽 절연막(240)을 제거하는 과정에서 제 1 측벽 절연막(220)에 대해 로스(loss)가 발생하여 보이드(Void, Y)의 문제가 나타난다. However, at this time, in the process of removing the third
따라서, 도 2e에 도시된 바와 같이, 제 3 측벽 절연막(240)을 제거하는 과정에서 발생한 스택 게이트 상의 제 1 측벽 절연막(220)의 보이드(Y)를 채우도록 다수의 스택 게이트 상에 제 4 측벽 절연막(260)을 형성한다. 여기서, 제 4 측벽 절연막(260)은 열적 CVD(Thermal Chamical Vapor Deposition) 방식으로 HTO, TEOS계의 산화막 및 HTO와 TEOS계의 산화막 중 어느 하나를 이용하여 180 ~ 220Å 두께로 형성한다. 이때, 열에 의한 CVD 방식으로 증착시키기 때문에 워드 라인 방향으로 잘 퍼져 나가 보이드(Y)에 대해 충진할 수 있는데 효과적이다. Thus, as shown in FIG. 2E, the fourth sidewall on the plurality of stack gates to fill the void (Y) of the first
다음으로, 도 2f에 도시된 바와 같이, 보이드(Y)를 충진하기 위하여 증착한 제 4 측벽 절연막(260)에 대해 등방성 RIE(Reactive Ion Etch) 또는 등방성 플라즈마 식각 공정을 이용하여 제 2 식각공정을 수행한 후, 소정의 세정 공정을 진행한다. 따라서, 보이드(Y)가 발생한 영역에는 제 1 측벽 절연막(220)과 동일한 물질 또는 TEOS계의 산화막으로 충진되어지기 때문에 보이드(Y) 문제로 인한 콘택 브릿지 현상을 억제할 수 있다. Next, as shown in FIG. 2F, a second etching process is performed on the fourth
또한, 본 발명에 의해 형성된 스페이서는 통상적인 라운드 형태의 스페이서가 아닌 스택 게이트 양 측벽에 직각 형태의 스페이서로 형성됨에 따라 스페이서의 두께를 감소시킬 수 있어 PMD 갭필 공정을 효과적으로 수행할 수 있다.In addition, since the spacer formed by the present invention is formed as a spacer having a right-angled shape on both sidewalls of the stack gate rather than the conventional round-shaped spacer, the thickness of the spacer can be reduced, so that the PMD gapfill process can be effectively performed.
지금까지 본 발명의 구체적인 구현예를 도면을 참조로 설명하였지만 이것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 평균적 지식을 가진 자가 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것이고 발명의 기술적 범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 따라서 본 발명의 기술적 범위는 특허청구범위에 기재된 사항에 의하여 정하여지며, 도면을 참조로 설명한 구현예는 본 발명의 기술적 사상과 범위 내에서 얼마든지 변형하거나 수정할 수 있다. Although specific embodiments of the present invention have been described with reference to the drawings, this is intended to be easily understood by those skilled in the art and is not intended to limit the technical scope of the present invention. Therefore, the technical scope of the present invention is determined by the matters described in the claims, and the embodiments described with reference to the drawings may be modified or modified as much as possible within the technical spirit and scope of the present invention.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면 다층의 절연막으로 이루어진 게이트 스페이서(spacer)의 절연막을 제거하는 과정에서 발생할 수 있는 보이드(void)에 대해 산화막의 절연물질을 충진함으로써 콘택을 형성하기 위한 금속 증착시, 콘택 브릿지(contact bridge) 현상을 방지할 수 있다.As described above, according to the present invention, metal deposition for forming a contact by filling an insulating material of an oxide film with a void, which may occur in a process of removing an insulating film of a gate spacer made of a multilayer insulating film, is performed. As a result, a contact bridge phenomenon can be prevented.
또한, 게이트의 양 측벽에 형성된 스페이서의 두께를 효과적으로 줄임으로써 셀(vell)간의 거리가 감소하여도 효율적인 PMD(premetal dielectric) 갭필(gap fill) 공정을 수행할 수 있다.In addition, by effectively reducing the thicknesses of the spacers formed on both sidewalls of the gate, an efficient premetal dielectric (PMD) gap fill process may be performed even if the distance between the cells is reduced.
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