KR20090014967A - 부동 게이트, 제어 게이트, 선택 게이트 및 부동 게이트위로 돌출부를 갖는 소거 게이트를 구비한 개선된 분할게이트 비휘발성 플래시 메모리 셀, 배열 및 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
개선된 분할 게이트 비휘발성 메모리 셀은 제 1 도전형이고 실질적으로 단결정인 기판에 제조되며, 제 2 도전형의 제 1 영역, 제 2 도전형의 제 2 영역, 및 제 1 영역과 제 2 영역 사이의 채널 영역을 기판 내에 구비한다. 셀은 채널 영역의 한 부분 위에 선택 게이트, 채널 영역의 다른 부분 위에 부동 게이트, 부동 게이트 위에 제어 게이트, 및 부동 게이트에 인접한 소거 게이트를 구비한다. 소거 게이트는 부동 게이트 위로 확장하는 돌출부(overhang)를 갖는다. 부동 게이트와 소거 게이트 간의 수직 분리의 치수에 대한 돌출부 치수의 비율은 대략 1.0 내지 2.5이고, 이는 소거 동작의 효율성을 개선시킨다.
돌출부, 비휘발성 플래시 메모리 셀, 배열 및 제조 방법, 분할 게이트, 소거 동작
Description
본 발명은 선택 게이트, 부동 게이트, 제어 게이트, 및 부동 게이트와 떨어져 소정의 치수 비율로 돌출부를 갖는 소거 게이트를 구비한 비휘발성 플래시 메모리 셀에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 그러한 플래시 메모리 셀들의 배열, 및 그러한 셀과 배열을 제조하는 방법들에 관한 것이다.
선택 게이트, 부동 게이트, 제어 게이트 및 소거 게이트를 구비한 분할 게이트 비휘발성 플래시 메모리는 당업계에 잘 알려져 있다. 이는 예를 들어, 미국 특허 6,747,310 호를 참조로 알 수 있다. 부동 게이트 위에 돌출부를 갖는 소거 게이트 또한 당업계에 잘 알려져 있다. 이는 예를 들어, 미국 특허 5,242,848 호를 참조로 알 수 있다. 둘 모두의 선행 개시들은 그 전체가 참조로서 여기에 포함된다.
지금까지, 종래 기술은 소거 게이트의 부동 게이트로 소정 제 한(limitations) 내에서의 돌출이 소거 효율성을 향상시키는 점을 알려주거나 개시하지 못하였다.
따라서, 그러한 셀의 소거 효율성을 소거 게이트와 부동 게이트 간의 소정의 치수 관계에 의해 개선하는 것이 본 발명의 하나의 목적이다.
본 발명에서, 분할 게이트 비휘발성 메모리 셀은 제 1 도전형이고 실질적인 단결정인 기판 내에 제조되며, 제 2 도전형의 제 1 영역, 제 2 도전형의 제 2 영역 및 제 1 영역과 제 2 영역 사이의 채널 영역을 기판 내에 구비한다. 셀은 채널 영역의 제 1 부분으로부터 이격되고 절연된 선택 게이트를 구비한다. 또한, 셀은 채널 영역의 제 2 부분으로부터 이격되고 절연된 부동 게이트를 구비한다. 부동 게이트는 선택 게이트에 가장 가까운 제 1 말단(end) 및 선택 게이트로부터 가장 먼 제 2 말단을 갖는다. 소거 게이트는 기판으로부터 절연되고 이격되며, 부동 게이트의 제 2 말단에 가장 가깝다. 제어 게이트는 부동 게이트, 선택 게이트 및 소거 게이트로부터 절연되고 이격되며, 부동 게이트 위에 및 소거 게이트와 선택 게이트 사이에 위치된다. 소거 게이트는 전기적으로 접속된 두 부분을 추가로 갖는데, 제 1 부분은 부동 게이트의 제 2 말단에 수평으로 인접하고 그 말단으로부터 절연되어 있으며, 제 2 부분은 부동 게이트로부터 절연되어 그와 중첩하고 또한 제어 게이트에 인접한다. 소거 게이트의 제 2 부분은 제 1 영역으로부터 제 2 영역으로의 방향에 실질적으로 수직인 방향으로 측정된 제 1 길이만큼 부동 게이트로부터 분리되어 있다. 소거 게이트의 제 2 부분은 제어 게이트에 가장 가까운 말단을 갖고, 소거 게이트의 제 1 부분은 부동 게이트에 가장 가까운 말단을 갖는다. 소거 게이트의 제 2 부분은, 제 1 길이 방향에 실질적으로 수직인 방향으로, 제어 게이트에 가장 가까운 소거 게이트의 제 2 부분의 말단으로부터 부동 게이트에 가장 가까운 소거 게이트의 제 1 부분의 말단으로 측정된 제 2 길이만큼 부동 게이트와 중첩한다. 마지막으로, 제 2 길이와 제 1 길이의 비율은 대략 1.0 내지 2.5이다.
본 발명은 또한 상술한 메모리 셀들의 배열에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 셀의 소거 효율성이 향상된 개선된 분할 게이트 비휘발성 메모리 셀이 제공될 수 있다.
도 1a에 따라 본 발명의 개선된 비휘발성 메모리 셀(10)의 단면도가 도시된다. 메모리 셀(10)은 P 도전형의 실질적인 단결정 실리콘과 같은 단결정 기판(12) 내에 제조된다. 기판(12) 내에는 제 2 도전형의 제 1 영역(14)이 존재한다. 제 1 도전형이 P형이라면 제 2 도전형은 N형이다. 제 1 영역으로부터 떨어진 곳에 제 2 도전형의 제 2 영역(16)이 존재한다. 제 1 영역(14)과 제 2 영역(16) 사이에, 그 두 영역(14, 16) 간에서 전하들의 전도를 위한 채널 영역(18)이 존재한다.
워드 라인(20; word line)으로도 알려진 선택 게이트(20)가 기판(12)으로부터 절연되고 이격되어 그 위에 위치된다. 선택 게이트(20)는 채널 영역(18)의 제 1 부분 위에 위치한다. 채널 영역(18)의 제 1 부분은 제 1 영역(14)에 바로 인접한다. 따라서, 선택 게이트(20)는 제 1 영역(14)과 전혀 또는 거의 중첩하지 않는다. 부동 게이트(22)도 기판(12)으로부터 절연되고 이격되어 그 위에 위치한다. 부동 게이트(22)는 채널 영역(18)의 제 2 부분 및 제 2 영역(16)의 부분 위에 위치된다. 채널 영역(18)의 제 2 부분은 채널 영역(18)의 제 1 부분과 다르다. 따라서, 부동 게이트(22)는 선택 게이트(20)로부터 수평으로 이격되고 절연되며, 선택 게이트(20)에 인접한다. 소거 게이트(24)는 제 2 영역(16)으로부터 이격되어 그 위에 위치하고, 기판(12)으로부터 절연된다. 소거 게이트(24)는 부동 게이트(22)로부터 수평으로 절연되고 이격되어 있다. 선택 게이트(20)는 부동 게이트(22)의 한 측면에 가깝고, 소거 게이트(24)는 부동 게이트(22)의 다른 측면에 가깝다. 마지막으로, 제어 게이트(26)가 부동 게이트(22)로부터 절연되고 이격되어 그 위에 위치한다. 제어 게이트(26)는 소거 게이트(24) 및 선택 게이트(20)로부터 절연되고 이격되며 소거 게이트(24)와 선택 게이트(20) 사이에 위치된다. 여기까지의 상기한 메모리 셀(10)의 서술은 미국 특허 6,747,310 호에 개시된다.
본 발명의 일 실시 형태에서, 소거 게이트(24)는 부동 게이트(22) 위에 돌출(overhang)한다. 이것은 도 1b에 더 자세히 도시된다. 소거 게이트(24)는 전기적으로 접속된 두 부분을 포함한다. 본 발명은 두 부분이 개별 부분들이고 전기적으로 접속된 경우를 포함하지만, 제시된 실시 형태에서, 두 부분은 단일(monolithic)의 구조를 형성한다. 소거 게이트(24)의 제 1 부분은 부동 게이트(22)에 직접 수평으로 인접하고, 제 2 영역(16) 위에 존재한다. 소거 게이트(24)의 제 1 부분은 부동 게이트(22)에 가장 가까운 말단(32)을 갖는다. 소거 게이트(24)의 제 2 부분은 제어 게이트(26)에 수평으로 인접하고, 부동 게이트(22)의 부분 위에 돌출한다. 소 거 게이트의 제 2 부분은 제어 게이트(26)에 가장 가까운 말단(34)을 갖는다. 말단(34)과 말단(32) 사이의 수평 거리(제 1 영역(14)과 제 2 영역(16) 간의 방향으로 측정됨)는 도 1b에 나타나는 바와 같이 "EG 돌출"이라 불린다. 제어 게이트(26)에 수평으로 인접하고 부동 게이트(22) 위에 돌출하는 소거 게이트(24)의 제 2 부분은 또한 부동 게이트(22)로부터 수직으로 이격되어 있다. 부동 게이트(22)와 소거 게이트(24)의 제 2 부분 간의 수직 거리는, "수직" 방향으로 측정되며 도 1b에 나타나는 바와 같이 "Tox"라 불린다. "Tox"의 수직 거리는 수평 거리 "EG 돌출"에 실질적으로 수직인 방향으로 측정된다.
미국 특허 6,747,310 호에 기술되어 있는 바와 같이, 메모리 셀(10)은 파울러-노르헤임(Fowler-Nordheim) 메커니즘을 통한 부동 게이트(22)로부터 소거 게이트까지의 전자 터널링에 의해 소거된다. 또한, 소거 메커니즘을 개선하기 위해, 부동 게이트(22)는 소거 게이트(24)에 가장 가까히 날카로운 모서리를 가져, 소거 동작 동안에 국부 전기장을 강화하고 부동 게이트(22)의 모서리로부터 소거 게이트(24)로 전자들의 흐름을 강화할 수 있다. 소거 효율성은 "EG 돌출"과 "Tox"의 비율이 대략 1.0 내지 2.5일 때 강화된다는 것을 알 수 있다. 이것은 도 2에 도시되어 있다. 도 2는 "EG 돌출"/"Tox" 비율의 함수로 FTV, CR 및 Verase의 그래프(30)를 도시한다. Verase는 셀을 "1"의 상태로 충분히 소거할 수 있도록, 소거 동작 동안에 소거 게이트(24)에 인가되는 전압이다. Verase=(FTV+QFG/Ctotal)/(1-CR)의 식이 도출되며, 여기에서 Ctotal은 부동 게이트(22)와 모든 주변 노드들 간의 총 캐패시턴 스이다. CR은 소거 게이트(24)와 부동 게이트(22) 간의 커플링 비율(coupling ratio)이다. 즉, CR=CEG - FG/Ctotal이고, CEG-FG는 소거 게이트(24)와 부동 게이트(22) 간의 캐패시턴스이다. QFG는 "1"의 상태에 대응하는 부동 게이트 상의 순(net) 전하량이다. FTV는 셀을 "1"의 상태로 소거하기 위해 요구되는, 소거 게이트(24)와 부동 게이트(22) 사이의 전압 차이이다. "EG 돌출"이 "Tox"보다 상당히 작을 때는, 부동 게이트(22)의 모서리에 인접한 터널 산화물(tunnel oxide)에서의 전자 터널링 장벽이 인접 제어 게이트(26)의 더 낮은 전압에 노출되어, FTV가 증가하고 이어서 Verase도 증가한다. "EG 돌출"이 "Tox"보다 상당히 클 때는, CR이 증가되고, 이어서 또한 Verase도 증가한다. 도 2에 도시되는 바와 같이, 그래프(30)는 "EG 돌출"/"Tox"가 대략 1.6일 때 최소의 Verase를 나타낸다. Verase의 요구 전압이 감소함에 따라, 전하 펌프에 대한 요구도 유사하게 감소한다. 따라서, 소거 동작의 효율성은 향상된다.
본 발명의 메모리 셀(10)의 두 실시 형태들이 존재한다. 메모리 셀(10)의 선택 게이트(20)는 절연 영역(W1)에 의해 부동 게이트로부터 분리되어 있다. 메모리 셀(10)의 제 1 실시 형태에서, 영역(W1)은 이산화 실리콘이다. 이것은 셀(10) 옵션 A라 불린다. 메모리 셀(10)의 제 2 실시 형태에서, 영역(W1)은 이산화 실리콘, 질화 실리콘 및 이산화 실리콘을 포함하는 복합층(composite layer)이며, 이러한 실시 형태는 셀(10) 옵션 B라 불린다.
도 3(a ~ l)은 본 발명의 셀(10) 옵션 A를 만드는 공정 단계들의 단면도들을 도시한다. 도 3a로 시작하면, P형 단결정 실리콘의 기판(12) 상에 이산화 실리콘 층(40)의 형성이 도시된다. 90nm(또는 120nm) 공정에 대하여, 이산화 실리콘의 층(40)은 대략 80 ~ 100옹스트롬이다. 그 후에 폴리실리콘(또는 비결정질 실리콘)의 제 1 층(42)이 이산화 실리콘의 층(40) 위에 퇴적되거나 형성된다. 90nm 공정을 위한 설명에서, 폴리실리콘의 제 1 층(42)은 대략 300 ~ 800옹스트롬이다. 그 다음에 폴리실리콘의 제 1 층(42)은 선택 게이트(20)에 수직인 방향으로 패턴화된다.
도 3b는 본 발명의 셀(10) 옵션 A를 만드는 공정의 다음 단계들의 단면도를 도시한다. 이산화 실리콘(또는 ONO와 같은 복합층)과 같은 다른 절연층(44)은 폴리실리콘의 제 1 층(42) 위에 퇴적되거나 형성된다. 물질이 이산화 실리콘인지 ONO인지에 따라, 절연층(44)은 대략 100 ~ 200옹스트롬이 될 수 있다. 그 다음 폴리실리콘의 제 2 층(46)은 절연층(44) 위에 퇴적되거나 형성된다. 폴리실리콘의 제 2 층(46)은 대략 500 ~ 4000옹스트롬 두께이다. 절연체의 다른 층(48)은 폴리실리콘의 제 2 층(46) 상에 퇴적되거나 형성되고, 이어지는 건식 식각(dry etching) 동안에 단단한 마스크로서 사용된다. 제시된 실시 형태에서, 층(48)은 질화 실리콘(48a), 이산화 실리콘(48b) 및 질화 실리콘(48c)을 포함하는 복합층이다. 90nm 공정에 대한 제시된 실시 형태에서, 층(48a)을 위한 두께는 200 ~ 600옹스트롬, 층(48b)을 위한 두께는 200 ~ 600옹스트롬, 및 층(48c)을 위한 두께는 500 ~ 3000옹스트롬이다.
도 3c는 본 발명의 셀(10) 옵션 A를 만드는 공정의 다음 단계들의 단면도를 도시한다. 포토레지스트 물질(도시되지 않음)은 도 3b에 도시된 구조 상에 퇴적되 고, 포토레지스트 물질의 선택된 부분들을 노출시키는 마스킹 단계가 수행된다. 포토레지스트는 현상되고, 마스크로서 포토레지스트를 사용하여 구조가 식각된다. 그 다음, 복합층(48), 폴리실리콘의 제 2 층(46) 및 절연층(44)은 폴리실리콘의 제 1 층(42)이 노출될 때까지 이방적으로(anisotropically) 식각된다. 결과 구조가 도 3c에 도시된다. 단지 두 개의 "스택들", 즉 S1 및 S2가 도시되어 있지만, 서로 분리된 많은 "스택들"이 존재한다.
도 3d는 본 발명의 셀(10) 옵션 A를 만드는 공정의 다음 단계들의 단면도를 도시한다. 이산화 실리콘(49)이 구조 상에 퇴적 또는 형성된다. 그 다음 질화 실리콘 층(50)이 퇴적된다. 이산화 실리콘(49) 및 질화 실리콘(50)은 이방적으로 식각되어 스택들 S1 및 S2 각각의 주변에 스페이서(51; spacer; 이산화 실리콘(49) 및 질화 실리콘(50)의 조합임)를 남긴다. 결과 구조는 도 3d에 도시된다.
도 3e는 본 발명의 셀(10) 옵션 A를 만드는 공정의 다음 단계들의 단면도를 도시한다. 포토레지스트 마스크는 스택들 S1과 S2, 및 교호적인(alternating) 스택 쌍들 사이의 영역들 위에 형성된다. 이러한 논의를 위해, 스택들 S1과 S2 사이의 영역은 "내부 영역"으로 불리고, 포토레지스트에 의해 덮히지 않은 영역들은 "외부 영역들"로 언급될 것이다. 외부 영역들에서 노출된 제 1 폴리실리콘 층(42)은 이방적으로 식각된다. 산화층(40)도 유사하게 이방적으로 식각된다. 결과 구조는 도 3e에 도시된다.
도 3f는 본 발명의 셀(10) 옵션 A를 만드는 공정의 다음 단계들의 단면도를 도시한다. 포토레지스트 물질은 도 3e에 도시된 구조로부터 제거된다. 그 다음, 산 화층(52)이 퇴적되거나 형성된다. 그 다음, 산화층(52)은 이방 식각 처리되어 스택들 S1 및 S2에 인접한 스페이서(52)를 남긴다. 결과 구조는 도 3f에 도시된다.
도 3g는 본 발명의 셀(10) 옵션 A를 만드는 공정의 다음 단계들의 단면도를 도시한다. 포토레지스트 물질이 퇴적되고, 스택들 S1과 S2 사이의 내부 영역들에 개구들(openings)을 남기며 마스킹될 수 있다. 또한, 도 3e에 도시된 도면과 유사하게, 포토레지스트는 스택들의 다른 교호의 쌍들 간에 존재한다. 스택들 S1과 S2(및 스택들의 다른 교호적인 쌍들) 사이 내부 영역들의 폴리실리콘(42)은 이방적으로 식각된다. 폴리실리콘(42) 아래의 이산화 실리콘 층(40)은 또한 이방적으로 식각될 것이다. 결과 구조는 고전압 이온 주입 처리되어 제 2 영역들(16)이 형성된다. 결과 구조는 도 3g에 도시된다.
도 3h는 본 발명의 셀(10) 옵션 A를 만드는 공정의 다음 단계들의 단면도를 도시한다. 내부 영역에서 스택들 S1 및 S2에 인접한 산화 스페이서(52)는 예를 들어, 습식 식각 또는 건식 등방 식각에 의해 제거된다. 결과 구조는 도 3h에 도시된다.
도 3i는 본 발명의 셀(10) 옵션 A를 만드는 공정의 다음 단계들의 단면도를 도시한다. 스택들 S1 및 S2의 외부 영역들에서 포토레지스트 물질은 제거된다. 이산화 실리콘(54)은 모든 곳에 퇴적되거나 형성된다. 결과 구조가 도 3i에 도시된다.
도 3j는 본 발명의 셀(10) 옵션 A를 만드는 공정의 다음 단계들의 단면도를 도시한다. 구조는 다시 한번 포토레지스트 물질에 의해 덮히고, 마스킹 단계가 수 행되어 스택들 S1 및 S2의 외부 영역들을 노출시키고, 스택들 S1과 S2 사이의 내부 영역을 덮는 포토레지스트 물질만을 남긴다. 산화 이방 식각은 스택들 S1 및 S2의 외부 영역들 내 스페이서(54)의 두께를 줄이고, 및 외부 영역들의 노출된 실리콘 기판(12)에서 이산화 실리콘을 완전히 제거하기 위해 수행된다. 결과 구조는 도 3j에 도시된다.
도 3k는 본 발명의 셀(10) 옵션 A를 만드는 공정의 다음 단계들의 단면도를 도시한다. 대략 20 ~ 100옹스트롬의 이산화 실리콘의 얇은 층(56)이 구조 상에 형성된다. 이러한 산화층(56)은 선택 게이트와 기판(12) 사이의 산화 게이트이다. 결과 구조는 도 3k에 도시된다.
도 3l은 본 발명의 셀(10) 옵션 A를 만드는 공정의 다음 단계들의 단면도를 도시한다. 폴리실리콘(60)이 모든 곳에 퇴적된다. 폴리실리콘의 층(60)은 이방 식각 처리되어 스택들 S1 및 S2의 외부 영역들 내에 스페이서들을 형성하며, 스택들 S1 및 S2는 공통의 제 2 영역(16)을 공유하며 서로 인접해 있는 두 메모리 셀들(10)의 선택 게이트들(20)을 형성한다. 부가하여, 스택들 S1 및 S2의 내부 영역들 내의 스페이서들은 함께 결합되어, 두 개의 인접한 메모리 셀들(10)에 의해 공유되는 단일 소거 게이트(24)를 형성한다. 절연층(62)은 구조 상에 퇴적되고 이방적으로 식각되어, 선택 게이트(20) 옆의 스페이서들(62)을 형성한다. 제시된 실시 형태에서, 절연층(62)은 이산화 실리콘 및 질화 실리콘을 포함하는 복합층이다. 그 후에, 이온 주입 단계가 제 1 영역들(14)을 형성하며 수행된다. 다른 측 상의 이들 메모리 셀 각각은 공통의 제 1 영역(14)을 공유한다. 후속하여 절연층들과 금속배 선(metalization) 층들이 퇴적되고, 비트 라인(70) 및 비트 라인 컨택트들(72)을 형성하기 위해서 패턴화된다.
도 4(a ~ l)는 본 발명의 셀(10) 옵션 B를 만드는 공정의 단계들의 단면도들을 도시한다. 이하에 제시되는 단계들 및 설명은 도 3(a ~l)에 도시되고 서술된 메모리 셀들(10) 옵션 A를 형성하는 방법에 대한 상기의 단계들 및 설명과 유사하다. 따라서, 같은 숫자들이 같은 부분들에 사용될 것이다. 도 4a로 시작하면, P형 단결정 실리콘의 기판(12) 상에 이산화 실리콘 층(40)의 형성이 도시된다. 90nm의 공정에 대하여, 이산화 실리콘의 층(40)은 대략 80 ~ 100옹스트롬이다. 그 후에 폴리실리콘(또는 비결정질 실리콘)의 제 1 층(42)이 이산화 실리콘의 층(40) 위에 퇴적되거나 형성된다. 90nm 공정을 위한 설명에서, 폴리실리콘의 제 1 층(42)은 대략 300 ~ 800옹스트롬이다. 그 다음에 폴리실리콘의 제 1 층(42)은 선택 게이트(20)에 수직인 방향으로 패턴화된다.
도 4b는 본 발명의 셀(10) 옵션 B를 만드는 공정의 다음 단계들의 단면도를 도시한다. 이산화 실리콘(또는 ONO와 같은 복합층)과 같은 다른 절연층(44)은 폴리실리콘의 제 1 층(42) 위에 퇴적되거나 형성된다. 물질이 이산화 실리콘인지 ONO인지에 따라, 절연층(44)은 대략 100 ~ 200옹스트롬이 될 수 있다. 폴리실리콘의 제 2 층(46)은 절연층(44) 위에 퇴적되거나 형성된다. 폴리실리콘의 제 2 층(46)은 대략 500 ~ 4000옹스트롬 두께이다. 절연체의 다른 층(48)은 폴리실리콘의 제 2 층(46) 상에 퇴적되거나 형성되고, 이어지는 건식 식각 동안에 단단한 마스크로서 사용된다. 제시된 실시 형태에서, 층(48)은 질화 실리콘(48a), 이산화 실리콘(48b) 및 질화 실리콘(48c)을 포함하는 복합층이다. 90nm 공정에 대한 제시된 실시 형태에서, 층(48a)을 위한 두께는 200 ~ 600옹스트롬, 층(48b)을 위한 두께는 200 ~ 600옹스트롬, 및 층(48c)을 위한 두께는 500 ~ 3000옹스트롬이다.
도 4c는 본 발명의 셀(10) 옵션 B를 만드는 공정의 다음 단계들의 단면도를 도시한다. 포토레지스트 물질(도시되지 않음)은 도 4b에 도시된 구조 상에 퇴적되고, 포토레지스트 물질의 선택된 부분들을 노출시키는 마스킹 단계가 수행된다. 포토레지스트는 현상되고, 마스크로서 포토레지스트를 사용하여 구조가 식각된다. 그 다음, 복합층(48), 폴리실리콘의 제 2 층(46), 및 절연층(44)은 폴리실리콘의 제 1 층(42)이 노출될 때까지 이방적으로 식각된다. 결과 구조가 도 4c에 도시된다. 단지 두 "스택들", 즉 S1 및 S2가 도시되어 있지만, 서로 분리된 많은 "스택들"이 존재한다.
도 4d는 본 발명의 셀(10) 옵션 B를 만드는 공정의 다음 단계들의 단면도를 도시한다. 포토레지스트 마스크는 스택들 S1과 S2, 및 교호적인 스택 쌍들 사이의 영역들 위에 형성된다. 이러한 논의를 위해, 스택들 S1과 S2 사이의 영역은 "내부 영역"으로 불리고, 포토레지스트에 의해 덮히지 않은 영역들은 "외부 영역들"로 언급될 것이다. 외부 영역들에서 노출된 제 1 폴리실리콘 층(42)은 이방적으로 식각된다. 산화층(40)도 유사하게 이방적으로 식각된다. 결과 구조는 도 4d에 도시된다.
도 4e는 본 발명의 셀(10) 옵션 B를 만드는 공정의 다음 단계들의 단면도를 도시한다. 이산화 실리콘(49)이 구조 상에 퇴적 또는 형성된다. 그 다음 질화 실리 콘 층(50)이 퇴적된다. 이산화 실리콘(49) 및 질화 실리콘(50)은 이방적으로 식각되어 스택들 S1 및 S2(및 도시되지 않은 모든 다른 이격된 스택들) 각각의 주변에 스페이서(51; 이산화 실리콘(49)과 질화 실리콘(50)의 조합임)를 남긴다. 결과 구조는 도 4e에 도시된다.
도 4f는 본 발명의 셀(10) 옵션 B를 만드는 공정의 다음 단계들의 단면도를 도시한다. 그 다음, 산화층(52)이 퇴적되거나 형성된다. 그 다음, 산화층(52)은 이방 식각 처리되어 스택들 S1 및 S2에 인접한 스페이서(52)를 남긴다. 결과 구조는 도 4f에 도시된다.
도 4g는 본 발명의 셀(10) 옵션 B를 만드는 공정의 다음 단계들의 단면도를 도시한다. 포토레지스트 물질이 퇴적되고, 스택들 S1과 S2 사이의 내부 영역들의 공간들에 개구들을 남기며 마스킹될 수 있다. 또한, 포토레지스트는 스택들의 다른 교호의 쌍들 간에 존재한다. 스택들 S1과 S2(및 스택들의 다른 교호적인 쌍들) 사이 내부 영역의 폴리실리콘(42)은 이방적으로 식각된다. 폴리실리콘(42) 아래의 이산화 실리콘 층(40)은 또한 이방적으로 식각될 것이다. 결과 구조는 고전압 이온 주입에 처리되어 제 2 영역들(16)이 형성된다. 결과 구조는 도 4g에 도시된다.
도 4h는 본 발명의 셀(10) 옵션 B를 만드는 공정의 다음 단계들의 단면도를 도시한다. 내부 영역에서 스택들 S1 및 S2에 인접한 산화 스페이서(52)는 예를 들어, 습식 식각 또는 건식 등방 식각에 의해 제거된다. 결과 구조는 도 4h에 도시된다.
도 4i는 본 발명의 셀(10) 옵션 B를 만드는 공정의 다음 단계들의 단면도를 도시한다. 스택들 S1 및 S2의 외부 영역들에서 포토레지스트 물질은 제거된다. 이산화 실리콘(54)은 모든 곳에 퇴적되거나 형성된다. 결과 구조가 도 4i에 도시된다.
도 4j는 본 발명의 셀(10) 옵션 B를 만드는 공정의 다음 단계들의 단면도를 도시한다. 구조는 다시 한번 포토레지스트 물질에 의해 덮히고, 마스킹 단계가 수행되어 스택들 S1 및 S2의 외부 영역들을 노출시키고, 스택들 S1과 S2 사이의 내부 영역을 덮는 포토레지스트 물질만을 남긴다. 산화 이방 식각은 스택들 S1 및 S2의 외부 영역들 내 산화 스페이서(54)의 두께를 줄이고, 및 외부 영역들의 노출된 실리콘 기판(12)에서 이산화 실리콘을 완전히 제거하기 위해 수행된다. 결과 구조는 도 4j에 도시된다.
도 4k는 본 발명의 셀(10) 옵션 B를 만드는 공정의 다음 단계들의 단면도를 도시한다. 대략 20 ~ 100옹스트롬의 이산화 실리콘의 얇은 층(56)이 구조 상에 형성된다. 이러한 산화층(56)은 선택 게이트와 기판(12) 사이의 산화 게이트이다. 결과 구조는 도 4k에 도시된다.
도 4l은 본 발명의 셀(10) 옵션 B를 만드는 공정의 다음 단계들의 단면도를 도시한다. 폴리실리콘(60)이 모든 곳에 퇴적된다. 폴리실리콘의 층(60)은 이방 식각 처리되어 스택들 S1 및 S2의 외부 영역들의 스페이서들을 형성하며, 스택들 S1 및 S2는 공통의 제 2 영역(16)을 공유하며 서로 인접해 있는 두 메모리 셀들(10)의 선택 게이트들(20)을 형성한다. 부가하여, 스택들 S1 및 S2의 내부 영역들 내의 스페이서들은 함께 결합되어, 두 개의 인접한 메모리 셀들(10)에 의해 공유되는 단일 소거 게이트(24)를 형성한다. 절연층(62)은 구조 상에 퇴적되고 이방적으로 식각되어, 선택 게이트들(20) 옆의 스페이서들(62)을 형성한다. 제시된 실시 형태에서, 절연층(62)은 이산화 실리콘 및 질화 실리콘을 포함하는 복합층이다. 그 후에 이온 주입 단계가 제 1 영역들(14)을 형성하며 수행된다. 다른 측 상의 이들 메모리 셀 각각은 공통의 제 1 영역(14)을 공유한다. 후속하여 절연층들과 금속배선들이 퇴적되고, 비트 라인(70) 및 비트 라인 컨택트들(72)을 형성하기 위하여 패턴화된다.
프로그램, 읽기, 소거의 동작들 및 특히 인가될 전압들은 그 개시 전체가 여기에 참조로서 포함된 USP 6,747,310 호에 제시된 바와 동일할 수 있다.
그러나, 동작 조건들은 또한 다를 수 있다. 예를 들어, 소거 동작을 위해서 다음의 전압들이 인가될 수 있다.
WL(20) | BL(70) | SL(16) | CG(26) | EG(24) | |||||
선택 | 비선택 | 선택 | 비선택 | 선택 | 비선택 | 선택 | 비선택 | 선택 | 비선택 |
0v | 0v | 0v | 0v | 0v | 0v | 0v 또는 6v ~ 9v | 0v | 9 ~ 11v 또는 7 ~ 9v | 0v |
소거 동작 동안에 대략 -6 내지 -9 볼트의 음 전압이 선택된 제어 게이트(26)에 인가될 수 있다. 그러한 경우, 선택된 소거 게이트(24)에 인가되는 전압은 대략 7 ~ 9볼트로 더 낮아질 수 있다. 소거 게이트(24)의 "돌출"은 터널링 장벽을 선택된 제어 게이트(26)에 인가되는 음의 전압으로부터 보호한다.
프로그래밍을 위해, 다음의 전압들이 인가될 수 있다.
WL(20) | BL(70) | SL(16) | CG(26) | EG(24) | |||||
선택 | 비선택 | 선택 | 비선택 | 선택 | 비선택 | 선택 | 비선택 | 선택 | 비선택 |
1 ~ 2v | 0v | 0.5 ~ 5uA | 1.5 ~ 3v | 3 ~ 6v | 0v | 6 ~ 9v | 0v | 6 ~ 9v | 0v |
프로그래밍 동안에, 선택된 셀은 부동 게이트 아래의 채널 부분이 반전된 상 태로 효율적인 과에너지-전자(hot-electron) 주입을 통해 프로그래밍된다. 3 ~ 6볼트의 중간 접압이 과에너지 전자들을 발생하기 위해 선택 게이트(SL)에 인가된다. 선택된 제어 게이트(26) 및 소거 게이트(24)는, 높은 커플링 비율을 사용하고 부동 게이트에 커플링하는 전압을 최대화하기 위해 높은 전압(6 ~ 9볼트)으로 바이어싱된다. 부동 게이트에 커플링된 높은 전압은 FG 채널의 반전 상태를 유도하고 과에너지 전자들을 더 효율적으로 발생하도록 분할 영역에서 횡전계(lateral field)를 집중시킨다. 부가하여, 전압들은 과에너지 전자들을 부동 게이트로 이끌고 주입 에너지 장벽을 낮추기 위한 높은 수직 전계를 제공한다.
읽기 동작을 위해, 다음의 전압들이 인가될 수 있다.
WL(20) | BL(70) | SL(16) | CG(26) | EG(24) | |||||
선택 | 비선택 | 선택 | 비선택 | 선택 | 비선택 | 선택 | 비선택 | 선택 | 비선택 |
1.5 ~ 3.7v | 0v | 0.5 ~ 1.5v | 0v | 0v | 0v | 0v ~ 3.7V | 0v | 0v ~ 3.7V | 0v |
읽기 동작 동안에, 프로그램과 읽기 동작들 사이의 균형(balance)에 맞추어, 선택된 제어 게이트(26) 및 선택된 소거 게이트(24) 상의 전압들이 균형 맞추어질 수 있는데, 이는 게이트(26, 24) 각각이 부동 게이트에 커플링 되어있기 때문이다. 따라서, 각각의 선택된 제어 게이트(26) 및 선택된 소거 게이트(24)에 인가되는 전압들은 최적의 윈도우(window)를 얻기 위해 0V 내지 3.7V 범위의 전압들의 조합이 될 수 있다. 부가하여, 선택된 제어 게이트 상의 전압은 RC 커플링 때문에 바람직하지 않으므로, 선택된 소거 게이트(24) 상의 전압들에 의해 더 빠른 읽기 동작을 달성할 수 있다.
본 발명에 의하면, 셀의 소거 효율성이 향상된 개선된 분할 게이트 비휘발성 메모리 셀이 제공될 수 있다.
도 1a는 본 발명의 개선된 비휘발성 메모리 셀의 단면도이다.
도 1b는 도 1a에 도시된 셀 부분의 확대도이며, 소거 게이트의 돌출과 부동 게이트의 치수 관계를 더 자세히 도시한다.
도 2는 본 발명의 개선된 셀에 의한 소거 효율성의 개선을 도시한 그래프이다.
도 3(a ~ l)은 본 발명의 일 실시 형태의 메모리 셀을 만드는 한 공정의 단면도들이다.
도 4(a ~ l)는 본 발명의 다른 실시 형태의 메모리 셀을 만드는 다른 공정의 단면도들이다.
Claims (23)
- 제 1 도전형의 실질적인 단결정 기판 내의 비휘발성 메모리 셀로서,제 2 도전형의 제 1 영역, 상기 제 2 도전형의 제 2 영역, 상기 기판 내 상기 제 1 영역 및 상기 제 2 영역 사이의 채널 영역; 상기 채널 영역의 제 1 부분으로부터 이격되고 절연된 선택 게이트; 상기 채널 영역의 제 2 부분으로부터 이격되고 절연된 부동 게이트로서, 상기 선택 게이트에 가장 가까운 제 1 말단(end) 및 상기 선택 게이트로부터 가장 먼 제 2 말단을 갖는 상기 부동 게이트; 상기 기판으로부터 절연되고 이격되며, 상기 부동 게이트의 상기 제 2 말단에 가장 가까운 소거 게이트; 상기 부동 게이트, 상기 선택 게이트 및 상기 소거 게이트로부터 절연되고 이격되며, 상기 부동 게이트 위에 및 상기 소거 게이트와 상기 선택 게이트 사이에 위치된 제어 게이트를 구비하며,상기 소거 게이트는 전기적으로 접속된 두 부분을 가지며, 제 1 부분은 상기 부동 게이트의 상기 제 2 말단에 수평으로 인접하고 그 말단으로부터 절연되며, 제 2 부분은 상기 부동 게이트로부터 절연되어 그와 중첩하고 상기 제어 게이트에 인접하고;상기 소거 게이트의 제 2 부분은 상기 제 1 영역으로부터 상기 제 2 영역으로의 방향에 실질적으로 수직인 방향으로 측정된 제 1 길이만큼 상기 부동 게이트로부터 분리되어 있고;상기 소거 게이트의 상기 제 2 부분은 상기 제어 게이트에 가장 가까운 말단 을 갖고, 상기 소거 게이트의 제 1 부분은 상기 부동 게이트에 가장 가까운 말단을 갖으며;상기 소거 게이트의 제 2 부분은, 상기 제 1 길이 방향에 실질적으로 수직인 방향으로, 상기 제어 게이트에 가장 가까운 상기 소거 게이트의 상기 제 2 부분의 말단으로부터 상기 부동 게이트에 가장 가까운 상기 소거 게이트의 제 1 부분의 말단으로 측정된 제 2 길이만큼 상기 부동 게이트와 중첩하고; 및상기 제 2 길이와 상기 제 1 길이의 비율이 대략 1.0 내지 2.5인 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 셀.
- 청구항 1에 있어서,상기 소거 게이트의 두 부분은 단일로(monolithically) 형성되는 비휘발성 메모리 셀.
- 청구항 1에 있어서,상기 소거 게이트의 두 부분은 서로 전기적으로 접속된 개별의 두 부분인 비휘발성 메모리 셀.
- 청구항 2에 있어서,상기 부동 게이트는 날카로운 모서리를 갖으며, 상기 부동 게이트의 제 2 말단에 존재하는 상기 모서리는 상기 소거 게이트의 제 1 부분에 가장 가까운 비휘발 성 메모리 셀.
- 청구항 4에 있어서,상기 모서리는 상기 소거 동작 동안에 상기 부동 게이트로부터 상기 소거 게이트로의 전자 흐름을 용이하게 하는 비휘발성 메모리 셀.
- 청구항 2에 있어서,상기 부동 게이트는 상기 제 2 영역의 부분으로부터 이격되고 절연되며, 상기 소거 게이트는 상기 제 2 영역으로부터 이격되고 절연되는 비휘발성 메모리 셀.
- 청구항 6에 있어서,그 위에 상기 선택 게이트가 절연되고 이격되는 상기 채널 영역의 제 1 부분은 상기 제 1 영역에 인접하는 비휘발성 메모리 셀.
- 청구항 2에 있어서,상기 선택 게이트는 상기 부동 게이트의 제 1 말단으로부터 복합 절연 물질에 의해 분리되는 비휘발성 메모리 셀.
- 청구항 8에 있어서,상기 복합 절연 물질은 이산화 실리콘 및 질화 실리콘인 비휘발성 메모리 셀.
- 청구항 2에 있어서,상기 선택 게이트는 상기 부동 게이트의 제 1 말단으로부터 동종(homogeneous) 절연 물질에 의해 분리되는 비휘발성 메모리 셀.
- 청구항 10에 있어서,상기 동종 절연 물질은 이산화 실리콘인 비휘발성 메모리 셀.
- 비휘발성 메모리 셀들의 배열로서,제 1 도전형의 실질적인 단결정 물질의 기판;다수의 행과 열로 정렬한 다수의 비휘발성 메모리 셀로서, 셀 각각은상기 기판 내 제 2 도전형의 제 1 영역;상기 기판 내 상기 제 2 도전형의 제 2 영역;상기 기판 내 상기 제 1 영역 및 상기 제 2 영역 사이의 채널 영역;상기 채널 영역의 제 1 부분으로부터 이격되고 절연된 선택 게이트;상기 채널 영역의 제 2 부분으로부터 이격되고 절연되며, 상기 선택 게이트에 가장 가까운 제 1 말단 및 상기 선택 게이트로부터 가장 먼 제 2 말단을 갖는 부동 게이트;상기 기판으로부터 절연되고 이격되며, 상기 부동 게이트의 상기 제 2 말단 에 가장 가까운 소거 게이트;상기 부동 게이트, 상기 선택 게이트 및 상기 소거 게이트로부터 절연되고 이격되며, 상기 부동 게이트 위에 및 상기 소거 게이트와 상기 선택 게이트 사이에 위치된 제어 게이트를 구비하며;상기 소거 게이트는 전기적으로 접속된 두 부분을 가지며, 제 1 부분은 상기 부동 게이트의 상기 제 2 말단에 수평으로 인접하고 그 말단으로부터 절연되며, 제 2 부분은 상기 부동 게이트로부터 절연되어 그와 중첩하고 상기 제어 게이트에 인접하고;상기 소거 게이트의 제 2 부분은 상기 제 1 영역으로부터 상기 제 2 영역으로의 방향에 실질적으로 수직인 방향으로 측정된 제 1 길이만큼 상기 부동 게이트로부터 분리되어 있고;상기 소거 게이트의 상기 제 2 부분은 상기 제어 게이트에 가장 가까운 말단을 갖고, 상기 소거 게이트의 제 1 부분은 상기 부동 게이트에 가장 가까운 말단을 갖으며, 상기 소거 게이트의 제 2 부분은, 상기 제 1 길이 방향에 실질적으로 수직인 방향으로, 상기 소거 게이트의 제 2 부분의 말단으로부터 상기 소거 게이트의 제 1 부분의 말단으로 측정된 제 2 길이만큼 상기 부동 게이트와 중첩하고;상기 제 2 길이와 상기 제 1 길이의 비율이 대략 1.0 내지 2.5이며;한 측 상에서 서로 인접한 셀들은 공통의 제 1 영역을 갖고, 다른 측 상에서 서로 인접한 셀들은 공통의 제 2 영역을 갖는 비휘발성 메모리 셀들의 배열.
- 청구항 12에 있어서,다른 측 상에서 서로 인접한 셀들은 공통의 소거 게이트를 갖는 비휘발성 메모리 셀들의 배열.
- 청구항 13에 있어서,상기 소거 게이트의 두 부분은 단일로 형성되는 비휘발성 메모리 셀들의 배열.
- 청구항 12에 있어서,상기 소거 게이트의 두 부분은 서로 전기적으로 접속된 개별의 두 부분인 비휘발성 메모리 셀들의 배열.
- 청구항 14에 있어서,상기 부동 게이트는 날카로운 모서리를 갖으며, 상기 부동 게이트의 제 2 말단에 존재하는 상기 모서리는 상기 소거 게이트의 제 1 부분에 가장 가까운 비휘발성 메모리 셀들의 배열.
- 청구항 16에 있어서,상기 모서리는 상기 소거 동작 동안에 상기 부동 게이트로부터 상기 소거 게이트로의 전자 흐름을 용이하게 하는 비휘발성 메모리 셀들의 배열.
- 청구항 14에 있어서,상기 부동 게이트는 상기 제 2 영역의 부분으로부터 이격되고 절연되며, 상기 소거 게이트는 상기 제 2 영역으로부터 이격되고 절연되는 비휘발성 메모리 셀들의 배열.
- 청구항 18에 있어서,그 위에 상기 선택 게이트가 절연되고 이격되는 상기 채널 영역의 제 1 부분은 상기 제 1 영역에 인접하는 비휘발성 메모리 셀들의 배열.
- 청구항 12에 있어서,상기 선택 게이트는 상기 부동 게이트의 제 1 말단으로부터 복합 절연 물질에 의해 분리되는 비휘발성 메모리 셀들의 배열.
- 청구항 20에 있어서,상기 복합 절연 물질은 이산화 실리콘 및 질화 실리콘인 비휘발성 메모리 셀들의 배열.
- 청구항 12에 있어서,상기 선택 게이트는 상기 부동 게이트의 제 1 말단으로부터 동종 절연 물질 에 의해 분리되는 비휘발성 메모리 셀들의 배열.
- 청구항 22에 있어서,상기 동종 절연 물질은 이산화 실리콘인 비휘발성 메모리 셀들의 배열.
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