KR20090055810A - Semiconductor memory device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반도체 메모리 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 터널 절연막 및 플로팅 게이트의 계면에 도펀트가 응집되는 현상을 개선할 수 있는 반도체 메모리 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor memory device and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a semiconductor memory device and a method of manufacturing the same, which can improve a phenomenon in which a dopant is aggregated at an interface between a tunnel insulating film and a floating gate.
반도체 메모리 소자는 데이터를 저장해 두고 필요할 때 꺼내어 읽어볼 수 있는 기억장치이다. 반도체 메모리 장치는 크게 램(Random Access Memory; RAM)과 롬(Read Only Memory; ROM)으로 나눌 수 있다.A semiconductor memory device is a memory device that stores data and can be read out when needed. The semiconductor memory device may be largely divided into a random access memory (RAM) and a read only memory (ROM).
램(RAM)은 전원이 끊어지면 저장된 데이터가 소멸하는 휘발성 메모리 소자(volatile memory device)이다. 롬(ROM)은 전원이 끊어지더라도 저장된 데이터가 소멸하지 않는 비휘발성 메모리 소자(non-volatile memory device)이다.RAM is a volatile memory device that loses stored data when power is lost. A ROM is a non-volatile memory device in which stored data does not disappear even when a power supply is cut off.
비휘발성 메모리 소자는 PROM(Programmable ROM), EPROM(Erasable PROM), EEPROM(Electrically EPROM), 플래시 메모리 장치(flash memory device) 등을 포함 한다. 플래시 메모리 소자는 일반적으로 낸드형과 노아형으로 나누어진다. 이들 중 낸드 플래시 메모리 소자는 노아 플래시 메모리 소자에 비해 고집적화가 유리하고 제조 단가가 저렴하여 활발히 개발되고 있다.The nonvolatile memory device may include a programmable ROM (PROM), an erasable PROM (EPROM), an electrically EPROM (EPEPROM), a flash memory device, and the like. Flash memory devices are generally divided into NAND and NOA types. Among these, NAND flash memory devices are actively developed due to advantages of higher integration and lower manufacturing cost than Noah flash memory devices.
이러한 낸드 플래시 메모리 소자는 FN(Fowler Nordheim)터널링을 이용하여 전기적인 프로그램(Program) 및 소거(Erase)를 할 수 있다. 이를 위하여, 플래시 메모리 소자는 터널 절연막, 플로팅 게이트(Floating Gate), 유전체 패턴 및 콘트롤 게이트(Control Gate)가 순차적으로 적층된 게이트 패턴을 포함한다.Such NAND flash memory devices can be electrically programmed and erased using Fowler Nordheim (FN) tunneling. To this end, the flash memory device includes a gate pattern in which a tunnel insulating layer, a floating gate, a dielectric pattern, and a control gate are sequentially stacked.
프로그램 상태는 플로팅 게이트에 채널 영역의 전하들이 충전되어 정보가 저장되는 상태이다. 채널 영역의 전하들은 콘트롤 게이트에 고전압이 인가되면, 플로팅 게이트에 충전된다. The program state is a state in which charges in the channel region are charged to the floating gate to store information. The charges in the channel region are charged to the floating gate when a high voltage is applied to the control gate.
소거 상태는 플로팅 게이트에 충전된 전하들이 소스 영역이나 기판으로 빠져나가는 상태이다. 플로팅 게이트에 충전된 전하들은 벌크 영역(예를 들어, P웰)에 고전압이 인가되면, FN 터널링에 의해 소스 영역이나 기판으로 빠져나간다.The erase state is a state in which charges charged in the floating gate exit to the source region or the substrate. The charges charged to the floating gate exit to the source region or the substrate by FN tunneling when a high voltage is applied to the bulk region (eg, P well).
이와 같이 낸드 플래시 메모리 소자에서 전하 충전영역인 플로팅 게이트는 폴리 실리콘막을 포함한다. 이러한 폴리 실리콘막에는 플로팅 게이트에 전기적 특성을 부여하기 위한 도펀트가 주입되어 있다.As such, the floating gate, which is a charge charging region in the NAND flash memory device, includes a polysilicon film. The polysilicon film is implanted with a dopant for imparting electrical characteristics to the floating gate.
폴리 실리콘막의 그레인(grain) 크기는 소정 두께의 플로팅 게이트를 형성하기 위해 1000Å으로 형성되며, 크게는 2000Å까지 형성될 수 있다. 이러한 그레인의 경계는 플로팅 게이트를 패터닝 할 때 셀 마다 다양하게 분포되는데, 최근에는 반도체 메모리 소자의 집적화에 따라 플로팅 게이트의 면적이 줄어들고 있어서 그 레인의 경계가 셀마다 불규칙하게 분포되는 경향이 있다. 또한 그레인의 모서리가 마주하는 경계에 접촉되는 터널 절연막은 다른 부분보다 더 두껍게 형성된다. 즉, 각 셀에 포함된 터널 절연막에는 철(凸)부가 형성된다. 결과적으로 그레인의 경계가 셀마다 불규칙하게 형성되면 터널 절연막의 철(凸)부가 불규칙하게 형성된다. 즉, 그레인의 경계가 셀마다 불규칙하게 형성되면 터널 절연막의 두께 또한 셀마다 불균일하게 형성된다.The grain size of the polysilicon film is formed to 1000 mW to form a floating gate of a predetermined thickness, and may be formed up to 2000 mW. Such grain boundaries vary widely from cell to cell when the floating gate is patterned. In recent years, the area of the floating gate is reduced due to the integration of semiconductor memory devices, and thus the boundary of the lane tends to be irregularly distributed from cell to cell. In addition, the tunnel insulating film in contact with the boundary facing the edges of the grain is formed thicker than the other portion. That is, the iron portion is formed in the tunnel insulating film included in each cell. As a result, when the grain boundary is irregularly formed in each cell, the iron portions of the tunnel insulating film are irregularly formed. That is, when grain boundaries are irregularly formed in each cell, the thickness of the tunnel insulating film is also irregularly formed in each cell.
터널 절연막의 균일도는 문턱 전압을 결정하는 중요한 요인인데, 셀 마다 터널 절연막이 균일하게 형성되지 못하면 문턱 전압의 분포 특성이 열화되는 문제가 있다. 이에 따라 각 셀마다 폴리 실리콘막의 그레인이 조밀하고 균일하게 형성될 필요가 있다. 그러나 그레인이 조밀하고 균일하게 형성되더라도 각 셀에는 그레인 경계가 발생할 수 밖에 없다. 그레인 경계에서는 터널 절연막이 두껍게 형성되어 도펀트가 응집된다. 도펀트가 응집되는 영역은 패스트 프로그램(fast program)을 유발하거나 사이클링(Cycling) 특성을 열화시킨다. 이러한 현상을 완화하기 위해 폴리 실리콘막에 포함된 도펀트의 농도를 줄이면, 비정상적으로 프로그램되는 셀이 발생하게 되므로 문제가 된다.The uniformity of the tunnel insulation layer is an important factor in determining the threshold voltage. If the tunnel insulation layer is not formed uniformly in each cell, there is a problem in that the distribution characteristic of the threshold voltage is deteriorated. Accordingly, grains of the polysilicon film need to be densely and uniformly formed in each cell. However, even when grains are densely and uniformly formed, grain boundaries are bound to occur in each cell. At the grain boundary, the tunnel insulating film is formed thick, and the dopant is aggregated. Regions in which the dopant is aggregated cause a fast program or deteriorate cycling characteristics. In order to alleviate this phenomenon, reducing the concentration of the dopant included in the polysilicon film is a problem because abnormally programmed cells are generated.
본 발명은 플로팅 게이트에 확산 방지막을 형성하여 플로팅 게이트의 그레인과 터널 절연막의 계면에 도펀트가 응집되는 현상을 개선할 수 있는 반도체 메모리 소자 및 그 제조방법을 제공함에 있다.The present invention provides a semiconductor memory device and a method of manufacturing the same, which can improve a phenomenon in which a dopant is aggregated at an interface between grains of a floating gate and a tunnel insulating layer by forming a diffusion barrier in the floating gate.
본 발명에 따른 반도체 메모리 소자는 반도체 기판 상에 형성된 터널 절연막; 터널 절연막 상에 형성된 언도프트(undoped) 폴리 실리콘막, 확산 방지막 및 도프트(doped) 폴리 실리콘막을 포함하는 플로팅 게이트; 플로팅 게이트 상에 형성된 유전체막; 및 유전체막 상에 형성된 콘트롤 게이트를 포함한다.A semiconductor memory device according to the present invention includes a tunnel insulating film formed on a semiconductor substrate; A floating gate including an undoped polysilicon film, a diffusion barrier film, and a doped polysilicon film formed on the tunnel insulating film; A dielectric film formed on the floating gate; And a control gate formed on the dielectric film.
언도프트 폴리 실리콘막과 확산 방지막은 다수의 층으로 형성되어 서로 교대로 적층된다.The undoped polysilicon film and the diffusion barrier film are formed of a plurality of layers and alternately stacked with each other.
플로팅 게이트의 최하부에는 언도프트 폴리 실리콘막이 형성된다.An undoped polysilicon film is formed at the bottom of the floating gate.
확산 방지막은 도프트 폴리 실리콘막 하부에 형성된다.The diffusion barrier is formed under the doped polysilicon film.
본 발명의 제1 실시예에 따른 반도체 메모리 소자의 제조 방법은 소자 분리 영역에 상부가 돌출된 소자 분리막이 형성된 반도체 기판이 제공되는 단계; 소자 분리막 사이의 반도체 기판 상에 터널 절연막을 형성하는 단계; 터널 절연막 상에 언도프트 폴리 실리콘막 및 확산 방지막을 포함하는 하부막을 형성하는 단계; 하부막 상에 도프트 폴리 실리콘막을 형성하는 단계; 언도프트 폴리 실리콘막, 확산 방 지막 및 도프트 폴리 실리콘막을 패터닝하는 단계; 플로팅 게이트용 도전막을 포함한 반도체 기판 상에 유전체막을 형성하는 단계; 및 유전체막 상에 콘트롤 게이트용 도전막을 형성하는 단계를 포함한다.A method of manufacturing a semiconductor memory device according to a first embodiment of the present invention includes the steps of providing a semiconductor substrate having a device isolation film protruding from the upper portion in the device isolation region; Forming a tunnel insulating film on the semiconductor substrate between the device isolation films; Forming a lower layer including an undoped polysilicon layer and a diffusion barrier layer on the tunnel insulating layer; Forming a doped polysilicon film on the lower film; Patterning the undoped polysilicon film, the diffusion barrier film, and the doped polysilicon film; Forming a dielectric film on the semiconductor substrate including the conductive film for the floating gate; And forming a conductive film for the control gate on the dielectric film.
본 발명의 제2 실시예에 따른 반도체 메모리 소자의 제조 방법은 반도체 기판 상에 터널 절연막을 형성하는 단계; 터널 절연막 상에 언도프트 폴리 실리콘막 및 확산 방지막을 포함하는 하부막을 형성하는 단계; 확산 방지막, 상기 언도프트 폴리 실리콘막, 상기 터널 절연막 및 상기 반도체 기판을 식각하여 트렌치를 형성하는 단계; 트렌치가 형성된 영역에 소자 분리막을 형성하는 단계; 소자 분리막을 포함하는 상기 반도체 기판 상에 도프트 폴리 실리콘막을 형성하는 단계; 소자 분리막을 사이에 두고 분리되도록 도프트 폴리 실리콘막을 패터닝하는 단계; 도프트 폴리 실리콘막을 포함한 반도체 기판 상에 유전체막을 형성하는 단계; 및 유전체막 상에 콘트롤 게이트용 도전막을 형성하는 단계를 포함한다.A method of manufacturing a semiconductor memory device according to a second embodiment of the present invention includes forming a tunnel insulating film on a semiconductor substrate; Forming a lower layer including an undoped polysilicon layer and a diffusion barrier layer on the tunnel insulating layer; Etching the diffusion barrier layer, the undoped polysilicon layer, the tunnel insulation layer, and the semiconductor substrate to form a trench; Forming an isolation layer in the region where the trench is formed; Forming a doped polysilicon film on the semiconductor substrate including an isolation layer; Patterning the doped polysilicon film to be separated with the device isolation film therebetween; Forming a dielectric film on the semiconductor substrate including the doped polysilicon film; And forming a conductive film for the control gate on the dielectric film.
언도프트 폴리 실리콘막과 확산 방지막은 다수의 층으로 형성되어 서로 교대로 적층된다.The undoped polysilicon film and the diffusion barrier film are formed of a plurality of layers and alternately stacked with each other.
하부막의 최하층에는 언도프트 폴리 실리콘막이 형성된다.An undoped polysilicon film is formed on the lowermost layer of the lower film.
하부막을 형성하는 단계는 터널 절연막 상에 언도프트(undoped) 폴리 실리콘을 증착하는 단계; 및 언도프트 폴리 실리콘의 표면을 산화시키는 단계를 포함한다.Forming the underlayer includes depositing undoped polysilicon on the tunnel insulator; And oxidizing the surface of the undoped polysilicon.
언도프트 폴리 실리콘의 두께는 50Å 내지 150Å이다.The thickness of the undoped polysilicon is 50 kPa to 150 kPa.
언도프트 폴리 실리콘은 원주형 구조 또는 다결정 구조의 그레인을 포함한 다.Undoped polysilicon includes grains of columnar or polycrystalline structure.
그레인의 평균 직경은 50Å 내지 150Å이다.The average diameter of the grains is 50 kPa to 150 kPa.
언도프트 폴리 실리콘은 480℃ 내지 750℃의 온도에서 형성된다.The undoped polysilicon is formed at a temperature of 480 ° C to 750 ° C.
언도프트 폴리 실리콘은 0.1torr 내지 500torr 압력에서 LP-CVD 방식으로 형성된다.The undoped polysilicon is formed by LP-CVD at 0.1torr to 500torr pressure.
LP-CVD 방식에서 주입되는 가스는 SiH4가스 , SiH4가스 + H2가스 , SiH4가스 + NH3가스 , 및 SiH4가스 + N2O 가스 중 적어도 어느 하나를 포함한다.Gas injected in LP-CVD method is SiH 4 gas , SiH 4 gas + H 2 gas, SiH 4 gas + NH 3 gas, and SiH 4 gas At least one of + N 2 O gas.
SiH4가스 + NH3가스 또는 SiH4가스 + N2O 가스는 0.1sccm 내지 200sccm의 유량으로 주입된다.SiH 4 gas + NH 3 gas or SiH 4 gas + N 2 O gas is injected at a flow rate of 0.1 sccm to 200 sccm.
언도프트 폴리 실리콘의 표면을 산화시키는 단계에서 N2O 가스가 0.1sccm 내지 2000sccm의 유량으로 주입된다. In the step of oxidizing the surface of the undoped polysilicon, N 2 O gas is injected at a flow rate of 0.1 sccm to 2000 sccm.
본 발명은 플로팅 게이트에 확산 방지막을 형성하여 도프트 폴리 실리콘막으로부터의 도펀트가 터널 절연막과 플로팅 게이트의 계면으로 확산되는 것을 방지할 수 있으므로 터널 절연막과 플로팅 게이트의 계면에 도펀트가 응집되는 현상을 개선할 수 있다. The present invention can prevent diffusion of dopants from the doped polysilicon film into the interface between the tunnel insulating film and the floating gate by forming a diffusion barrier in the floating gate, thereby improving the phenomenon of dopant aggregation at the interface between the tunnel insulating film and the floating gate. can do.
이와 더불어 확산 방지막은 터널 절연막 상의 언도프트 폴리 실리콘 상에 적층되므로 언도프트 폴리 실리콘막을 구성하는 그레인이 더 이상 성장하지 않도록 제어하는 역할을 할 수 있다. 이에 따라 본 발명은 각 셀마다 터널 절연막과 접하는 그레인 경계가 균일하게 분포할 수 있도록 그레인을 작게 형성함으로써 터널 절연막의 표면 상태를 균일화 할 수 있을 뿐 아니라, 확산 방지막으로 그레인의 성장을 제어하여 그 균일도를 유지할 수 있다. In addition, since the diffusion barrier layer is stacked on the undoped polysilicon on the tunnel insulation layer, the diffusion barrier layer may play a role of controlling the grains constituting the undoped polysilicon layer to no longer grow. Accordingly, the present invention not only makes the surface state of the tunnel insulation film uniform by forming grains small so that grain boundaries in contact with the tunnel insulation film can be uniformly distributed for each cell, but also controls the growth of grain with the diffusion barrier to provide uniformity. Can be maintained.
결과적으로 본 발명은 그레인 경계와 접하는 터널 절연막의 표면 상태를 각 셀마다 균일화할 수 있으므로 문턱 전압 분포 특성을 개선함과 더불어 도프트 폴리 실리콘막에 포함된 도펀트의 농도를 높이더라도 터널 절연막과 언도프트 폴리 실리콘막의 경계에 도펀트가 확상되는 현상을 개선할 수 있다.As a result, the present invention can uniformize the surface state of the tunnel insulating film in contact with the grain boundary for each cell, thereby improving the threshold voltage distribution and increasing the concentration of the dopant included in the doped polysilicon film. The phenomenon in which the dopant is enlarged at the boundary of the polysilicon film can be improved.
또한 본 발명은 언도프트 폴리 실리콘막과 확산 방지막을 다수의 층으로 형성함과 아울러 서로 교대로 적층함으로써 플로팅 게이트에 포함된 언도프트 폴리 실리콘막 결정 격자가 다양한 방향성을 띄게 되므로 도펀트가 터널 절연막과 언도프트 폴리 실리콘막의 경계로 침투하기가 더 어려워져 반도체 메모리 소자의 안정성이 더욱 향상된다.In addition, the present invention forms a plurality of layers of the undoped polysilicon film and the diffusion barrier layer and alternately stacks the undoped polysilicon film crystal lattice included in the floating gate to have various orientations. It is more difficult to penetrate into the boundary of the loft polysilicon film, and the stability of the semiconductor memory device is further improved.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described a preferred embodiment of the present invention. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but can be implemented in various forms, and only the present embodiments are intended to complete the disclosure of the present invention and to those skilled in the art. It is provided for complete information.
본 발명의 실시예에 따른 반도체 메모리 소자는 데이터를 저장하는 다수의 셀을 포함한다. 각각의 셀에는 터널 절연막, 플로팅 게이트, 유전체막, 콘트롤 게이트가 적층된 구조의 게이트 패턴이 포함된다.The semiconductor memory device according to the embodiment of the present invention includes a plurality of cells for storing data. Each cell includes a gate pattern in which a tunnel insulating film, a floating gate, a dielectric film, and a control gate are stacked.
도 1a 내지 도 1h는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 게이트 패턴의 형성방법을 단계적으로 나타내는 단면도들이다.1A through 1H are cross-sectional views illustrating a method of forming a gate pattern in accordance with a first embodiment of the present invention.
도 1a를 참조하면, 반도체 기판(101) 상에 하드 마스크막(106)을 형성한다. 하드 마스크막(106)은 반도체 기판(101) 상에 패드 산화막(103) 및 패드 질화막(105)을 적층하여 형성할 수 있다. 이 후, 하드 마스크막(106) 상에 포토레지스트 패턴(107)을 형성한다. 하드 마스크막(106)은 후속 공정에서 형성될 소자 분리막이 반도체 기판(101) 상으로 돌출되는 높이를 결정하므로, 이를 고려하여 하드 마스크막(106)의 두께를 결정한다. 포토레지스트 패턴(107)은 트렌치가 형성될 부분의 하드 마스크막(106)을 노출시킨다. Referring to FIG. 1A, a
도 1b를 참조하면, 포토레지스트 패턴(107)에 의해 노출된 하드 마스크막(106)이 식각되어 트렌치 하드 마스크 패턴(106a)이 형성된다. 트렌치 하드 마스크 패턴(106a)에 의해 노출된 반도체 기판(101)은 식각되어 소자 분리 영역에 트렌치(109)가 형성된다. 이 후, 포토레지스트 패턴(107)을 제거하고, 트렌치(109)가 완전히 매립되도록 반도체 기판(101)상에 절연 물질층(111)을 형성한다. 이 후, 절연 물질층(111)이 소자 분리 영역에만 잔류하도록 트렌치 하드 마스크 패턴(106a) 상부의 절연 물질층(111)을 화학적 기계적 연마(chemical mechanical polishing; 이하, "CMP"라 함) 공정으로 제거한다. 여기서, 절연 물질층(111)은 고밀도 플라즈마 산화물(High Density Plasma Oxide)으로 형성할 수 있다.Referring to FIG. 1B, the
도 1c를 참조하면, 트렌치 하드 마스크 패턴(106a)이 제거되고, 반도체 기판(101)의 활성영역이 노출된다. 이에 따라 반도체 기판(101)의 상부로 돌출된 소자분리막(111)이 노출된다. 이 후, 소자분리막의 돌출부(111a)를 추가로 식각한다. 이로써, 소자 분리막 돌출부(111a) 사이의 간격이 넓어진다. Referring to FIG. 1C, the trench
도 1d를 참조하면, 소자 분리막(111a) 사이의 반도체 기판(101) 상에 터널 절연막(113)을 형성한다.Referring to FIG. 1D, a
도 1e를 참조하면, 터널 절연막(113) 형성 후, 터널 절연막(113) 및 소자 분리막(111a)의 표면에 언도프트(undoped) 폴리 실리콘막(116) 및 확산 방지막(117)이 적층된 구조의 하부막(115)이 형성된다. 언도프트 폴리 실리콘막(116)과 확산 방지막(117)은 서로 교대로 적층된 다수의 층으로 형성될 수 있다. 이 때 하부막(115)의 최하부에는(즉, 터널 절연막(113)과 접하는 부분에는) 언도프트 폴리 실리콘막(116)이 형성되는 것이 바람직하다. 확산 방지막(117)은 도펀트의 확산은 방지하되 전자의 터널링이 원활하게 이루어질 수 있도록 형성되는 것이 바람직하다. 이러한 구조의 하부막(115)은 언도프트 폴리 실리콘막(116)을 형성한 후, 언도프트 폴리 실리콘막(116)의 표면을 산화시킴으로써 형성된다. 즉, 언도프트 폴리 실리콘막(116)의 표면이 산화됨으로써 확산 방지막(117)이 형성된다. Referring to FIG. 1E, after the
더욱 상세히 설명하면, 언도프트 폴리 실리콘막(116)은 150Å이하의 조밀한 크기의 그레인을 가지도록 형성된다. 이를 위하여 언도프트 폴리 실리콘막(116)은 480℃ 내지 750℃ 온도에서 증착된다. 또한, 언도프트 폴리 실리콘막(116)은 SiH4를 소스 가스로 이용하는 LP-CVD 방식으로 증착될 수 있다. 이때 주입되는 가스는 소스 가스인 SiH4 가스 이외에 H2 가스, NH3 가스, 및 N2O 가스 중 적어도 어느 하나가 더 주입될 수 있다. SiH4 가스와 NH3 가스가 함께 주입되거나 SiH4 가스와 N2O 가스가 함께 주입되는 경우, 증착 가스의 유량은 0.1sccm 내지 200sccm인 것이 바람직하다. 언도프트 폴리 실리콘 증착시 압력 조건은 0.1torr 내지 500torr인 것이 바람직하다. In more detail, the
이와 같은 조건에서 언도프트 폴리 실리콘막(116)의 그레인은 평균 150Å 이하로 성장할 수 있다. 여기서, 그레인의 최소 크기는 각각의 조건에 따라 다양할 수 있으나, 일반적으로 50Å이상이다. 그레인의 형태는 원기둥(columnar) 구조 또는 구와 같은 다결정(polycrystal) 구조로 형성된다. 그레인은 등방적으로 성장하려는 특성이 있어 높이가 50Å내지 150Å로 형성되면, 그 폭도 50Å내지 150Å로 형성된다.Under such conditions, the grains of the
언도프트 폴리 실리콘막(116)의 증착 두께는 언도프트 폴리 실리콘막(116)의 표면 거칠기(Roughness)를 균일화하고, 플로팅 게이트의 전하저장영역을 플로팅 게이트의 하부로 제한하기 위하여 그레인 크기와 동일한 50Å 내지 150Å로 형성한다.The deposition thickness of the
이와 같이 터널 절연막(113)에 접촉된 언도프트 폴리 실리콘막(116)의 그레인이 150Å이하로 조밀하게 형성되면, 후속 공정에서 플로팅 게이트를 패터닝하더 라도 각각의 셀에 포함된 그레인 경계의 분포가 균일화된다.As such, when the grains of the
확산 방지막(117)은 언도프트 폴리 실리콘막(116)을 증착한 후, 700℃ 이상의 고온에서 N2O 가스를 0.1sccm 내지 2000sccm의 유량으로 주입하여 언도프트 폴리 실리콘막(116)의 표면을 산화시킴으로써 형성된다. 이러한 확산 방지막(117)은 후속 공정에서 형성되는 도프트 폴리 실리콘막에 포함된 도펀트가 터널 절연막(113)으로 확산되는 것을 차단한다. 이와 더불어 확산 방지막(117)은 터널 절연막(113)에 접촉된 언도프트 폴리 실리콘막(116)의 그레인이 150Å이상으로 성장하려는 것을 차단한다. 이에 따라 확산 방지막(117)은 터널 절연막(113)에 도펀트가 응집되는 것을 방지할 뿐 아니라, 터널 절연막(113)에 접촉된 언도프트 폴리 실리콘막(116)의 그레인이 더 이상 성장하지 않고 조밀한 형태를 유지하도록 한다.The
언도프트 폴리 실리콘막(116) 및 확산 방지막(117)은 상술한 증착과 산화 공정을 반복함으로써 서로 교대로 적층된 다수의 층으로 형성될 수 있다. 언도프트 폴리 실리콘막(116)이 다수의 층으로 형성되면 각 층의 결정 격자 방향이 다양화될 수 있으므로 후속 공정에서 형성되는 도프트 폴리 실리콘막의 도펀트가 터널 절연막(113)과 언도프트 폴리 실리콘막(116)의 경계로 침투하기가 더 어려워져 반도체 메모리 소자의 안정성이 더욱 향상된다.The
도 1f를 참조하면, 하부막(115) 상에는 도프트(doped) 폴리 실리콘막(119)이 형성된다. 도프트 폴리 실리콘막(119)은 플로팅 게이트와 후속 공정에서 형성될 콘트롤 게이트의 커플링 비를 고려하여 500Å 내지 2000Å의 두께로 형성된다. 도 프트 폴리 실리콘막(119)은 480℃ 내지 620℃의 온도, 0.1torr 내지 3torr의 낮은 압력조건에서 LP-CVD방식으로 증착되는 것이 바람직하다. 도프트 폴리 실리콘막(119) 증착시 PH3 가스와 함께 SiH4 또는 Si2H6 중 어느 하나를 주입하여 인(P)이 주입된 폴리 실리콘막을 형성한다. 증착 가스에 포함된 인(P)의 농도는 1.0E19 내지 1.0E21(atoms/cc)인 것이 바람직하다.Referring to FIG. 1F, a doped
도 1g를 참조하면, CMP공정으로 소자 분리막(111)의 상부가 노출되도록 하부막(115) 및 도프트 폴리 실리콘막(119)을 제거하여 플로팅 게이트용 도전막을 형성한다. 이 후, 후속 공정에서 형성되는 플로팅 게이트의 충전용량을 확보하기 위해 일부 소자 분리막(111)을 제거한다. Referring to FIG. 1G, the
도 1h를 참조하면, 소자 분리막(111)과 플로팅 게이트용 도전막이 형성된 반도체 기판(101)상에 유전체막과 콘트롤 게이트용 도전막이 적층된다. 이 후, 하드 마스크 패턴을 이용한 식각 공정으로 콘트롤 게이트(125), 유전체막(123) 및 플로팅 게이트(121)가 패터닝된다. 이에 따라 플로팅 게이트(121)의 하부막(115)은 터널 절연막(113) 상에 "凹"자 형태로 형성되고, 도프트 폴리 실리콘막(119)은 "凹"자 형태에 마련된 내부 공간에 채워지도록 형성된다. 한편, 콘트롤 게이트용 도전막은 도프트 폴리 실리콘, 텅스텐실리사이드(WSi) 및 텅스텐(W) 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다.Referring to FIG. 1H, a dielectric film and a control gate conductive film are stacked on the
상술한 바와 같이 본 발명의 제1 실시 예에 따른 플로팅 게이트(121)는 언도프트 폴리 실리콘막(116), 확산 방지막(117), 도프트 폴리 실리콘막(119)을 포함한 다. 확산 방지막(117)은 도프트 폴리 실리콘막(119)에 포함된 도펀트가 터널 절연막(113)으로 확산되는 것을 방지할 수 있다. 또한 확산 방지막(117)은 터널 절연막(113)과 접하는 언도프트 폴리 실리콘막(116)에 포함된 그레인이 150Å이상의 크기로 성장하는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라 본 발명은 언도프트 폴리 실리콘막(116)의 그레인이 더 이상 성장하지 않도록 제어할 수 있으므로 각 셀마다 그레인과 접하는 터널 절연막(113)의 표면 균일도를 유지할 수 있다.As described above, the floating
도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 게이트 패턴의 형성방법을 단계적으로 나타내는 단면도들이다.2A through 2F are cross-sectional views illustrating a method of forming a gate pattern according to a second exemplary embodiment of the present invention.
도 2a를 참조하면, 반도체 기판(201) 상에 터널 절연막(213), 하부막(215), 및 하드 마스크막(205)을 증착한다. 하부막(215)은 도 1e에서 상술한 바와 동일하게 언도프트 폴리 실리콘막(216)과 확산 방지막(217)이 적층되어 형성된다. 본 발명의 제2 실시예에 따른 언도프트 폴리 실리콘막(216)은 도 1e에서 상술한 바와 동일한 방법으로 형성되므로 50Å 내지 150Å 크기의 그레인을 포함한다.Referring to FIG. 2A, a
이와 같이 터널 절연막(213)에 접촉된 언도프트 폴리 실리콘막(216)의 그레인이 150Å이하로 조밀하게 형성되면, 후속 공정에서 플로팅 게이트를 패터닝하더라도 각각의 셀에 포함된 그레인 경계의 분포가 균일화된다.As such, when the grains of the
확산 방지막(217)은 터널 절연막(213)에 도펀트가 응집되는 것을 방지할 뿐 아니라, 언도프트 폴리 실리콘막(216)의 그레인이 더 이상 성장하지 않고 조밀한 형태를 유지하도록 한다.The
도 2b를 참조하면, 포토레지스트 패턴을 이용하여 하드 마스크막(205)을 패 터닝 한 후, 트렌치 하드 마스크 패턴(205a)을 형성한다. 트렌치 하드 마스크 패턴(205a)은 트렌치가 형성될 부분의 하부막(215)을 노출시킨다. 노출된 하부막(215), 그 하부의 터널 절연막(213) 및 반도체 기판(201)은 식각되어 소자 분리 영역에 트렌치(209)가 형성된다. 이어서, 트렌치(209)가 완전히 매립되도록 절연 물질층을 형성한 후, 절연 물질층이 소자 분리 영역에만 잔류하도록 트렌치 하드 마스크 패턴(205a) 상부의 절연 물질층을 CMP 공정으로 제거한다. 이에 따라 트렌치(209) 내에 소자 분리막(211)이 형성된다. 여기서, 절연 물질층은 고밀도 플라즈마 산화물(High Density Plasma Oxide)으로 형성할 수 있다.Referring to FIG. 2B, after the
도 2c를 참조하면, 트렌치 하드 마스크 패턴(205a)을 제거함으로써 소자 분리막(211)이 하부막(215)의 표면보다 돌출되게 형성된다.Referring to FIG. 2C, the
도 2d를 참조하면, 하부막(215) 및 소자 분리막(211)의 표면에 도프트 폴리 실리콘막(219)을 증착한다.Referring to FIG. 2D, a doped
도프트 폴리 실리콘막(219)은 도 1f에서 상술한 바와 동일한 방법으로 형성된다. The doped
도 2e를 참조하면, 도프트 폴리 실리콘막(219) 형성 후 하드 마스크 패턴을 이용한 식각 공정으로 도프트 폴리 실리콘막(219)을 패터닝한다. 이에 따라 도프트 폴리 실리콘막(219)은 소자 분리막(211)을 사이에 두고 분리된다.Referring to FIG. 2E, after forming the doped
도 2f를 참조하면, 소자 분리막(211) 및 도프트 폴리 실리콘막(219)의 표면에는 유전체막과 콘트롤 게이트용 도전막이 적층된다. 이 후, 하드 마스크 패턴을 이용한 식각 공정으로 콘트롤 게이트(225), 유전체막(223), 및 플로팅 게이트(221) 가 패터닝된다. 콘트롤 게이트용 도전막은 도프트 폴리 실리콘, 텅스텐 실리사이드(WSi) 및 텅스텐(W) 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다.Referring to FIG. 2F, a dielectric film and a conductive film for a control gate are stacked on the surfaces of the
상술한 바와 같이 본 발명의 제2 실시예에 따른 플로팅 게이트(221) 또한 제1 실시예에서와 마찬가지로 언도프트 폴리 실리콘막(216), 확산 방지막(217) 및 도프트 폴리 실리콘막(219)이 적층된 구조를 포함한다. 확산 방지막(217)은 도프트 폴리 실리콘막(219)에 포함된 도펀트가 터널 절연막(213)으로 확산되는 것을 방지할 수 있다. 또한 확산 방지막(217)은 터널 절연막(213)에 접촉된 언도프트 폴리 실리콘막(216)의 그레인이 150Å이상의 크기로 성장하는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라 본 발명은 언도프트 폴리 실리콘막(216)의 그레인이 더 이상 성장하지 않도록 제어할 수 있으므로 각 셀마다 그레인과 접하는 터널 절연막(213)의 표면 균일도를 유지할 수 있다.As described above, the floating
상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명은 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.Although the technical spirit of the present invention described above has been described in detail in a preferred embodiment, it should be noted that the above-described embodiment is for the purpose of description and not of limitation. In addition, the present invention will be understood by those skilled in the art that various embodiments are possible within the scope of the technical idea of the present invention.
도 1a 내지 도 1h는 본 발명의 제1 실시예에 따른 반도체 메모리 소자의 게이트 패턴을 형성하는 방법을 단계적으로 나타낸 단면도들.1A to 1H are cross-sectional views illustrating a method of forming a gate pattern of a semiconductor memory device according to a first embodiment of the present invention.
도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 제2 실시예에 따른 반도체 메모리 소자의 게이트 패턴을 형성하는 방법을 단계적으로 나타낸 단면도들.2A through 2F are cross-sectional views illustrating a method of forming a gate pattern of a semiconductor memory device according to a second embodiment of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
101, 201 : 반도체 기판 111, 121 : 소자 분리막101, 201:
113, 213 : 터널 절연막 121, 221 : 플로팅 게이트 113, 213:
115, 215 : 하부막 116, 117 : 언도프트 폴리 실리콘막115, 215:
117, 217 : 확산 방지막 119, 219 : 도프트 폴리 실리콘막117 and 217:
123, 223 : 유전체 막 125, 225 : 콘트롤 게이트123 and 223
Claims (23)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020070122636A KR20090055810A (en) | 2007-11-29 | 2007-11-29 | Semiconductor memory device and manufacturing method thereof |
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Cited By (2)
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---|---|---|---|---|
KR20120092954A (en) * | 2011-02-14 | 2012-08-22 | 에스케이하이닉스 주식회사 | Gate of semiconductor device having nano grain of columnar structure and fabricating method thereof |
CN110265294A (en) * | 2019-06-17 | 2019-09-20 | 武汉新芯集成电路制造有限公司 | A kind of method improving floating gate the thickness uniformity and a kind of semiconductor structure |
-
2007
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