KR20090110806A - Floating gate memory device with interpoly charge trapping structure - Google Patents
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Abstract
Description
이 출원은 2008년 4월 18일자 US 가특허 출원 제61/124,652호로부터 우선권을 주장한다. This application claims priority from US Provisional Patent Application No. 61 / 124,652 dated April 18, 2008.
본 발명은 함께 출원된 2007년 5월 31일자 US 특허 출원 제11/756,559호 “CHARGE TRAPPING DEVICES WITH FILED DISTRIBUTION LAYER OVER TUNNELING BARRIER”와 관련이 있으며, 상기 출원은 본원에서 참조로서 인용된다. The present invention is related to US Patent Application No. 11 / 756,559, “CHARGE TRAPPING DEVICES WITH FILED DISTRIBUTION LAYER OVER TUNNELING BARRIER,” filed May 31, 2007, which is incorporated herein by reference.
본 발명은 일반적으로 비휘발성 메모리 디바이스에 관한 것이며, 구체적으로는 플래시 메모리 디바이스의 플래시 메모리 및 제조법에 관한 것이다. TECHNICAL FIELD The present invention generally relates to nonvolatile memory devices, and more particularly to flash memory and manufacturing methods of flash memory devices.
플래시 메모리(flash memory) 기술은 전계 트랜지스터의 채널과 게이트 사이에 전하를 저장하는 메모리 셀(memory cell)을 포함한다. 저장된 전하는 트랜지스터의 문턱값에 영향을 미치고, 저장된 전하로 인한 문턱값의 변화가 감지되어, 데이터를 나타낼 수 있다.Flash memory technology includes a memory cell that stores charge between a channel and a gate of a field transistor. The stored charge affects the threshold of the transistor, and a change in the threshold due to the stored charge is sensed to represent data.
전하 저장 메모리 셀의 널리 알려진 하나의 종류로는 플로팅 게이트 메모리 셀(floating gate memory cell)이 있다. 플로팅 게이트 메모리 셀에서, 전도성 물 질, 가령, 폴리실리콘의 플로팅 게이트가 터널링 장벽 구조(tunneling barrier structure) 위에 형성되고, 인터폴리 유전체(interpoly dielectric)가 상기 플로팅 게이트 위에 형성되어, 메모리 셀의 워드라인, 또는 컨트롤 게이트로부터 이를 고립시킬 수 있다. 컨트롤 게이트에 걸리는 전압이 터널링 장벽 구조를 가로지르는 더 강력한 전기장을 도출하도록, 플로팅 게이트의 지오메트리(geometry)는 플로팅 게이트와 채널 사이의 전압에 대한 높은 커플링 비를 확립하도록 설계된다. 예를 들어, 플로팅 게이트는 T-형태, 또는 U-형태를 이용하여 구현되며, 이로써, 플로팅 게이트와 채널 사이에서보다 컨트롤 게이트와 플로팅 게이트 사이에 더 넓은 표면 영역이 도출되고, 따라서, 플로팅 게이트와 컨트롤 간에 더 큰 커패시턴스가 존재하게 된다. 이러한 기술이 널리 성공적이었을지라도, 메모리 셀의 크기 및 메모리 셀 간 간격이 축소함에 따라, 이웃하는 플로팅 게이트들 간의 간섭으로 인해, 플로팅 게이트 기술의 성능은 저하되기 시작했다. One well known type of charge storage memory cell is a floating gate memory cell. In a floating gate memory cell, a conductive material, such as a floating gate of polysilicon, is formed over a tunneling barrier structure, and an interpoly dielectric is formed over the floating gate to form a wordline of the memory cell. , Or it can be isolated from the control gate. The geometry of the floating gate is designed to establish a high coupling ratio for the voltage between the floating gate and the channel so that the voltage across the control gate leads to a stronger electric field across the tunneling barrier structure. For example, the floating gate is implemented using a T-shape, or a U-shape, which results in a larger surface area between the control gate and the floating gate than between the floating gate and the channel, and thus There will be greater capacitance between the controls. Although this technique has been widely successful, as the size of memory cells and the spacing between memory cells shrink, due to interference between neighboring floating gates, the performance of floating gate technology has begun to degrade.
전계 효과 트랜지스터의 채널과 게이트 사이에 전하를 저장하는 것을 기반으로 하는 또 다른 타입의 메모리 셀은 유전체 전하 트래핑 구조를 사용한다. 이러한 종류의 메모리 셀에서, 유전체 전하 트래핑 구조는 터널링 장벽 구조 위에 형성되며, 이때 상기 터널링 장벽 구조는 유전체 전하 트래핑 구조를 채널로부터 고립한다. 상부 유전체 층이 상기 전하 트래핑 구조 위에 형성되어, 워드라인, 또는 게이트로부터 이를 고립시킨다. 대표적인 디바이스로는 실리콘-옥사이드-나이트라이드-옥사이드-실리콘(SONOS) 셀이 있다.Another type of memory cell based on storing charge between the channel and gate of a field effect transistor uses a dielectric charge trapping structure. In this type of memory cell, a dielectric charge trapping structure is formed over the tunneling barrier structure, wherein the tunneling barrier structure isolates the dielectric charge trapping structure from the channel. An upper dielectric layer is formed over the charge trapping structure to isolate it from the wordline, or gate. Representative devices include silicon-oxide-nitride-oxide-silicon (SONOS) cells.
유전체 전하 트래핑 구조를 이용하는 메모리 셀에서, 설계에 포함되는 커플 링 비 설계가 존재하지 않기 때문에, 디바이스는 평면일 수 있다. 제조 공정에 대한 최소 특징부가 약 45나노미터를 초과함에 따라, 유전체 전하 트래핑 구조를 이용하는 메모리 셀은, 평면 구조로 인해, 그리고 인접 셀 간의 커플링이 거의 없기 때문에, 플로팅 게이트 메모리 셀을 추월할 것으로 예견된다. In a memory cell using a dielectric charge trapping structure, the device may be planar because there is no coupling ratio design included in the design. As the minimum features for the fabrication process exceed about 45 nanometers, memory cells using dielectric charge trapping structures will overtake floating gate memory cells because of the planar structure and because there is little coupling between adjacent cells. It is foreseen.
SONOS-타입 메모리 셀은 최소 특징부 크기가 약 45나노미터 이하가 됨에 따라 성능 저하를 겪는다. 특히, 프린징 필드(fringing field)로 인해 유전체 전하 트래핑 구조의 채널 폭을 따라 전하가 균일하지 않게 주입됨으로써, 채널의 중심을 향하는 영역은 유효하게 높은 문턱값을 갖는 것에 비해, 메모리 셀의 에지를 따르는 영역은 유효하게 낮은 문턱 전압을 갖게 된다. 에지를 따르는 낮은 문턱값 영역은 성능 저하를 초래할 수 있다. 본원발명과 동 출원인과 동 발명자를 갖는 2007년 5월 31일자 US 특허 출원 제11/756,559호 “CHARGE TRAPPING DEVICES WITH FIELD DISTRIBUTION LAYER OVER TUNNELING BARRIER”(공개번호 US제2008-0116506호)가 전기장 분산 층(field distribution layer)이라고 일컬어지는 플로팅 게이트 구조와 게이트와 플로팅 게이트 구조 사이의 전하 트래핑 층의 조합을 설명한다. SONOS-type memory cells suffer from performance degradation as the minimum feature size is less than about 45 nanometers. In particular, due to the fringing field, charges are unevenly injected along the channel width of the dielectric charge trapping structure, so that the region toward the center of the channel effectively cuts off the edge of the memory cell, compared to having a high threshold. The following area will effectively have a low threshold voltage. Low threshold regions along the edge can lead to performance degradation. US Patent Application No. 11 / 756,559, entitled "CHARGE TRAPPING DEVICES WITH FIELD DISTRIBUTION LAYER OVER TUNNELING BARRIER" (published US No. 2008-0116506), filed on May 31, 2007, having the present invention and the same applicant and the inventor. A combination of a floating gate structure, referred to as a field distribution layer, and a charge trapping layer between the gate and floating gate structure, is described.
따라서 채널 폭 크기를 따르는 전하 트래핑 구조에서 균일하지 않은 전하 농도(charge concentration)가 존재할 때라도, 채널 폭 크기를 따라 더 일정한 문턱 전압을 유지하는 것이 바람직하다. Thus, even when there is a non-uniform charge concentration in the charge trapping structure along the channel width size, it is desirable to maintain a more constant threshold voltage along the channel width size.
본 발명은 비휘발성 메모리 장치에 관한 것이며, 더 세부적으로는 제 1 터널링 장벽 구조와 유전체 전하 트래핑 구조 사이에 플로팅 게이트를 포함하는 비휘발성 메모리 장치에 관한 것이며, 이때 제 2 터널링 장벽 구조는 플로팅 게이트와 접촉하며, 상기 터널링 장벽은 비대칭이다. 유전체 전하 트래핑 층으로부터 플로팅 게이트를 통과하여 기판으로의 전자 터널링을 방지하면서, 플로팅 게이트의 전자가 유전체 전하 트래핑 층으로 이동하도록 촉진하기 위해, 예를 들어, 밴드갭 엔지니어링(bandgap engineering)에 의해 및/또는 서로 다른 물질, 또는 물질의 서로 다른 두께를 사용함으로써, 제 2 터널링 장벽 구조가 상기 제 1 터널링 장벽 구조와는 다른 전자 터널링 확률 함수를 갖도록 엔지니어링될 수 있다. 상기 플로팅 게이트는, 채널 폭 크기를 따르는 전하 트래핑 구조에서 불균일한 전하 농도가 존재할 때조차, 유전체 전하 트래핑 층에 가둬진(trapped) 전하에 의해 작용되는 전기장을 채널에 걸쳐 보다 균일하게 분포하며, 채널 폭 크기를 따르는 전도성 층 아래에서 보다 일정한 문턱 저압을 도출한다. 플로팅 게이트와 유전체 전하 트래핑 구조의 조합에 의해, 치밀한 어레이에서 이웃하는 디바이스들 간의 간섭을 줄이는 메모리 셀 구조(가령, 평면 플로팅 게이트를 포함하는 셀)의 사용이 가능해진다. 덧붙이자면, 플로팅 게이트와 유전체 전하 트래핑 구조의 조합은, 상기 조합에 의해 가둬지는 전하의 대부분을 유전체 전하 트래핑 층 내의 깊은 트랩(deep trap)이 보유하도록 배열된 제 1 및 제 2 터널링 장벽 구조와 함께, 고밀도 플래쉬 메모리에서 개선된 데이터 보유성을 제시한다.The present invention relates to a nonvolatile memory device, and more particularly, to a nonvolatile memory device including a floating gate between a first tunneling barrier structure and a dielectric charge trapping structure, wherein the second tunneling barrier structure is a floating gate and a floating gate. In contact, the tunneling barrier is asymmetrical. To facilitate the migration of electrons in the floating gate to the dielectric charge trapping layer while preventing electron tunneling from the dielectric charge trapping layer through the floating gate to the substrate, for example by bandgap engineering and / Or by using different materials, or different thicknesses of materials, the second tunneling barrier structure can be engineered to have a different electron tunneling probability function than the first tunneling barrier structure. The floating gate distributes the electric field more uniformly across the channel, acting by a charge trapped in the dielectric charge trapping layer, even when there is a non-uniform charge concentration in the charge trapping structure along the channel width size. It results in a more consistent threshold low pressure below the conductive layer along the width size. The combination of floating gate and dielectric charge trapping structure enables the use of memory cell structures (eg, cells including planar floating gates) that reduce interference between neighboring devices in a dense array. In addition, the combination of the floating gate and the dielectric charge trapping structure together with the first and second tunneling barrier structures arranged such that a deep trap in the dielectric charge trapping layer retains most of the charge trapped by the combination. This results in improved data retention in high density flash memory.
따라서 본원에서 기술된 실시예는 채널 영역에 의해 격리되는 소스 영역과 드레인 영역을 포함하는 메모리 셀을 포함한다. 제 1 터널링 장벽 구조는 상기 채널 영역 위에 배치되며, 터널링 확률 함수를 확립하는 두께와 유전 특성을 갖는다. 플로팅 게이트는 채널 영역을 덮는 제 2 터널링 장벽 구조 위에 배치된다. 제 2 터널링 장벽 구조는 플로팅 게이트 위에 배치된다. 유전체 전하 트래핑 구조는 제 2 터널링 장벽 구조 위에 배치되며, 차단 유전체 구조는 전하 트래핑 구조 위에 배치된다. 차단 유전체 구조 위에 배치되는 상부 전도성 층은 게이트로서 동작한다. 제 2 터널링 장벽 구조는, 본 발명에서 기술되는 메모리 셀의 실시예에 따라, 메모리 셀의 프로그래밍 및 소거를 위해 적용되는 바이어스 상태 하에서 상기 제 2 터널링 장벽 구조를, 제 1 터널링 장벽 구조보다 더 효율적인 터널링 전류의 전도체로 만드는 두께와 유전 특성을 갖는다. 즉, 제 2 터널링 장벽 구조는 주어진 바이어스 상태 하에서 제 1 터널링 장벽 구조보다 더 높은 터널링 확률을 갖는다. 또한 일부 실시예에서 판독 연산 동안 적용되는 바이어스 상태에서는, 주어진 바이어스 상태 하에서 제 2 터널링 장벽 구조가 상기 제 1 터널링 장벽 구조보다 더 낮은 터널링 확률을 갖도록 상기 확률이 반전될 수 있다. 이러한 방식으로, 메모리 셀에 가둬진 전하가 프로그램, 또는 소거 동안 플로팅 게이트로부터 유전체 전하 트래핑 층으로 쓸려지며, 이때, 전하는, 셀의 크기와 인접하는 셀들간의 간격이 모두 감소함에 따라 형편없는 셀 데이터 보유성을 초래할 전하 누설(charge leakage)에 대해 더 내성이 있다.Thus, the embodiment described herein includes a memory cell comprising a source region and a drain region isolated by a channel region. The first tunneling barrier structure is disposed above the channel region and has a thickness and a dielectric property to establish a tunneling probability function. The floating gate is disposed over the second tunneling barrier structure covering the channel region. The second tunneling barrier structure is disposed above the floating gate. The dielectric charge trapping structure is disposed over the second tunneling barrier structure, and the blocking dielectric structure is disposed over the charge trapping structure. The upper conductive layer disposed over the blocking dielectric structure acts as a gate. The second tunneling barrier structure tunnels the second tunneling barrier structure under bias conditions applied for programming and erasing the memory cell, according to an embodiment of the memory cell described herein, more efficient than the first tunneling barrier structure. It has thickness and dielectric properties that make it a conductor of current. That is, the second tunneling barrier structure has a higher tunneling probability than the first tunneling barrier structure under a given bias state. Also in some embodiments in the bias state applied during a read operation, the probability may be reversed such that under a given bias state the second tunneling barrier structure has a lower tunneling probability than the first tunneling barrier structure. In this way, the charge trapped in the memory cell is swept from the floating gate to the dielectric charge trapping layer during program or erase, where the charge is poor as the cell size and spacing between adjacent cells all decrease. It is more resistant to charge leakage which will result in retention.
앞서 언급된 바와 같이 구현되는 셀을 포함하는 집적 회로 메모리 디바이스가 또한 기술된다.Also described is an integrated circuit memory device comprising a cell implemented as mentioned above.
본원발명의 메모리 셀을 제조하기 위한 방법은 반도체 기판의 표면 상에 제 1 터널링 장벽 구조를 형성하는 단계와, 상기 터널링 장벽 구조 상에 플로팅 게이트 층을 형성하는 단계와, 상기 플로팅 게이트 층의 표면 상에 제 2 터널링 장벽 구조를 형성하는 단계와, 상기 제 2 터널링 장벽 구조 상에 전하 트래핑 구조를 형성하는 단계와, 상기 전하 트래핑 구조 상에 상부 유전체 구조를 형성하는 단계와, 상기 유전체 구조 상에 상부 전도성 층을 형성하는 단계를 포함한다. 앞서 언급된 바와 같이, 제 2 터널링 장벽 구조는 제 1 터널링 장벽 구조와 다르다. 반도체 기판에 도펀트를 이온주입함으로써, 소스 영역과 드레인 영역이 채널에 의해 격리되고, 채널이 상기 터널링 장벽 구조 아래에 위치하도록, 상기 소스 영역과 드레인 영역이 형성될 수 있다. A method for manufacturing a memory cell of the present invention includes forming a first tunneling barrier structure on a surface of a semiconductor substrate, forming a floating gate layer on the tunneling barrier structure, and forming a floating gate layer on the surface of the floating gate layer. Forming a second tunneling barrier structure on the substrate, forming a charge trapping structure on the second tunneling barrier structure, forming an upper dielectric structure on the charge trapping structure, and forming an upper portion on the dielectric structure. Forming a conductive layer. As mentioned above, the second tunneling barrier structure is different from the first tunneling barrier structure. By implanting dopants into the semiconductor substrate, the source and drain regions can be formed such that the source and drain regions are isolated by the channel and the channel is located below the tunneling barrier structure.
본질적으로, 플로팅 게이트(FG)와 밴드갭 엔지니어링된 BE-SONOS 전하-트래핑 디바이스의 “융합”인 신규한 메모리가 기재된다. 종래의 플래쉬 메모리 구조와 달리, 전하-트래핑 디바이스(BE-SONOS)가 플로팅 게이트(FG)의 상부 상에 조립 되어, 인터폴리 유전체 층(IPD)를 대체할 수 있다. 극박 폴리 FG(<5나노미터)를 갖는 평면 구조가 제공될 수 있으며, 이는 종래의 구조와는 달리 피치 스케일링(pitch scaling)을 가능하게 한다. In essence, a novel memory is described that is a “fusion” of floating gate (FG) and bandgap engineered BE-SONOS charge-trapping device. Unlike conventional flash memory structures, a charge-trapping device (BE-SONOS) can be assembled on top of the floating gate (FG) to replace the interpoly dielectric layer (IPD). Planar structures with ultra-thin poly FG (<5 nanometers) can be provided, which enables pitch scaling unlike conventional structures.
도 1은 종래 기술인 SONOS-타입 메모리 셀의 기본 구조를 도시한다. 셀은, 제 1 도핑 영역(11)이 소스 단자로서 기능하고, 제 2 도핑 영역(12)이 드레인 단자로서 기능하는 반도체 기판(10) 위에 형성된다. 컨트롤 게이트(13)가 하부 터널링 장벽 구조(14)와, 유전체 전하 트래핑 층(15)과, 상부 유전체(16)를 포함하는 전하 트래핑 구조 위에 형성된다. 메모리 셀의 채널은 제 1 도핑 영역(11)과 제 2 도핑 영역(12) 사이의 기판(10)의 영역이다. 도 1에서 나타난 크기(L)는 통상적으로 채널 길이(L)라고 일컬어지는데, 왜냐하면 이 채널의 크기를 따라, 소스와 드레인 사이에 전류가 흐르기 때문이다. 도 1에서 도시된 SONOS-타입 메모리 셀은 종종 NAND 어레이 구성으로 구성되며, 여기서, 어레이의 컬럼(column)은 접지와 글로벌 비트라인 접촉부(global bitline contact) 사이에 직렬로 배열된 메모리 셀의 세트를 포함한다.1 shows the basic structure of a prior art SONOS-type memory cell. The cell is formed over the
도 2는 기본적인 종래 기술인 SONOS-타입 메모리 셀의 채널 폭 크기를 따라 NAND 어레이 구성에서 워드라인(13)과 병렬로 취해진 단면도를 도시한다. 소스 및 드레인 단자는 도 2의 도면의 평면의 위와 아래에 배치된다. 메모리 셀의 개별적인 컬럼은 STI(shallow trench isolation) 구조(20)와 같은 고립 구조(isolation structure)에 의해 격리된다. 이러한 방식으로, 메모리 셀의 컬럼은, STI 구조(20) 의 폭에 의해 분리되는 치밀한 어레이로 배치될 수 있으며, 이때, STI 구조의 폭은 디바이스를 제조하기 위해 사용되는 기술의 최소 특징부 크기(F) 수준일 수 있다. 마찬가지로, 채널 폭(W)이 NAND 어레이 구성에 대한 최소 특징부 크기(F)의 수준일 수 있다. 도 2에서, 채널과 워드라인 사이의 유전체 층(가령, 컨트롤 게이트(13))을 통과하는 전기력선(예를 들어, 전기력선(21 및 22))이 채널의 에지 상에 위치하는 것이 나타난다. 전기력선(21 및 22)은 전하 트래핑 층(15)의 에지에서의 전하 트래핑의 영향을 감소시키는 프린징 필드(fringe field)를 나타낸다. 도 2에서 도시된 실시예에서, 하부 터널링 장벽 구조(14)와, 전하 트래핑 층(15)과, 상부 유전체(16)의 조합의 EOT(통상적으로 20나노미터 수준)는 채널 폭(W)보다 확실히 작으며, 프린징 필드 효과는 디바이스의 동작에 간섭을 일으키지 않는다. EOT는 층의 물질의 유전 상수에 대한 실리콘 다이옥사이드의 유전 상수의 비로 스케일링된 유전체 층의 두께와 동일하도록 규정된다. 2 shows a cross-sectional view taken in parallel with the
대칭 SONOS-타입 메모리 셀은, 최소 특징부 크기가 약 45나노미터 이하가 됨에 따라 성능 저하를 겪을 수 있음이 알려져 있다. 예를 들어, 도 3은 도 2의 구조와 유사한 구조를 도시하며, 여기서, 채널 폭(W)은 하부 유전체(54)와, 전하 트래핑 층(55)과 상부 유전체(56)의 조합의 EOT에 비할 만큼 축소된다. 이 실시예에서, 메모리 셀은 폴리실리콘 워드라인(57)을 포함하며, 이때, 셀의 컬럼은 STI 구조(60)에 의해 고립된다. 이 실시예에서, 프린징 필드를 나타내는 전기력선(61 및 62)은 전하 트래핑 층(55)의 효과에 충분히 영향을 미칠 수 있다. 특히, 프린징 필드로 인한 채널 폭을 따르는 전하 트래핑 층으로의 전하의 균일하지 않은 주입이, 채널의 중심 쪽의 영역은 유효하게 높은 문턱값을 갖는 반면에, 채널의 에지를 따르는 영역은 유효하게 낮은 문턱값을 갖는 결과를 초래할 수 있다.It is known that symmetric SONOS-type memory cells may suffer from performance degradation as the minimum feature size becomes less than about 45 nanometers. For example, FIG. 3 shows a structure similar to that of FIG. 2, where the channel width W is in the EOT of the combination of the
도 4는 종래 기술 메모리 셀의 채널 폭 크기를 따르는 채널을 따르는 전하 트래핑 층에서의 비대칭 전하 트래핑 분포를 도시한다. 도 4에서 나타나는 바와 같이, 채널의 좌 측부 상에서 전하 트래핑 층의 전하의 농도는, 채널의 중앙에 가까운 곳의 농도에 비하면 낮다. 또한, 채널의 우 측부 상에서, 전하 트래핑 층의 전하 농도는 채널의 중앙에 가까운 곳의 농도에 비해 낮다. 도 5는 도 4에서 나타난 도시된 고르지 않은 전하 트래핑 분포가 채널 폭 크기를 따르는 메모리 셀의 유효 문턱 전압의 분포를 도출함을 도시한다. 따라서 높은 문턱 상태로 프로그래밍된 메모리 셀이 여전히, 상기 셀의 에지를 따르는 낮은 문턱 영역을 가질 수 있다. 도 6은 프린징 효과로 인해 초래된 비대칭 전하 분포를 겪는 SONOS-타입 셀의 채널을 통과하는 드레인 전류(Id) 대 게이트 전압(Vg) I-V 특성을 도시한다. 좌측의 트레이스(50)가 프로그래밍되지 않은 “생(fresh)”셀에 대한 바람직한 I-V 특성을 보여준다. 프로그래밍이 진행되고, 전하 트래핑 층에 가둬진(trapped) 전하가 증가함에 따라, 트레이스(51, 52 및 53)는, 특히, 문턱 아래 영역(subthreshold region)에서I-V 특성이 저하됨을 나타낸다. 전하 트래핑 구조의 에지에서 전하를 가둘 수 없기 때문에, 상기 문턱 아래 전류는 피닝(pinning)되며, 이는 도면에서 점선 타원형으로 표시된다. 4 illustrates an asymmetrical charge trapping distribution in a charge trapping layer along a channel along a channel width size of a prior art memory cell. As shown in FIG. 4, the concentration of charge in the charge trapping layer on the left side of the channel is low compared to the concentration near the center of the channel. Also, on the right side of the channel, the charge concentration of the charge trapping layer is low compared to the concentration near the center of the channel. FIG. 5 shows that the uneven charge trapping distribution shown in FIG. 4 results in a distribution of effective threshold voltages of the memory cell along the channel width magnitude. Thus, a memory cell programmed to a high threshold state may still have a low threshold region along the edge of the cell. FIG. 6 shows the drain current (Id) versus gate voltage (Vg) I-V characteristics through the channel of a SONOS-type cell undergoing an asymmetrical charge distribution caused by the fringing effect.
도 7은 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 터널링 장벽 구조(105) 위에 전도성 층(101)을 포함하는 유전 전하 트래핑 메모리 셀(100)의 채널 길이 크기(L)를 따라 취해진 단면도를 도시한다. 도 7에서 도시된 실시예에서, 메모리 셀(100)은 각각 소스 및 드레인으로서 기능하는 도핑 영역(102) 및 도핑 영역(103)을 갖는 기판(104)을 포함하며, 이때, 도핑 영역(102)과 도핑 영역(103)은 채널에 의해 분리된다. 도 7에서 도시된 실시예에서, 터널링 장벽 구조(105)가 기판(104)의 표면 상에 위치하는 채널 위에 배치된다. 이 실시예에서, 상기 터널링 장벽 구조(105)는 단일 유전체 층이다. 도 7에서 도시된 실시예에서, 상기 메모리 셀(100)은 상기 터널링 장벽 구조(105) 위에 배치된 전도성 층(101)과, 상기 전도성 층(101) 위에 배치되는 전하 트래핑 구조(106)와, 상기 전하 트래핑 구조(106) 위에 배치되는 상부 유전체 구조(107)와, 상기 상부 유전체 구조(107) 위에 배치되는 상부 전도성 층(108)을 더 포함한다. 특정 실시예에서, 상기 터널링 장벽 구조(105)는 실리콘 다이옥사이드, 또는 실리콘 옥시나이트라이드를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 상기 터널링 장벽 구조(105)는 4 내지 6나노미터 수준의 두께를 갖는 실리콘 다이옥사이드를 포함한다. 특정 실시예에서, 전하 트래핑 구조(106)는 실리콘 나이트라이드, 나노-입자 함유 유전체(nano-particle embedded dielectrics), 또는 Al2O3, Hf2O3 등의 “하이-k” 금속 옥사이드를 포함하는 그 밖의 다른 물질을 포함한다. 특정 실시예에서, 전하 트래핑 구조(106)는 5 내지 7나노미터의 두께를 갖는 실리콘 나이트라이드를 포함한다. 특정 실시예에서, 상부 유전체 구조(107)는 실리콘 다이옥사이드, 또는 그 밖의 다른 유전체 물질(예를 들어, Al2O3, Hf2O3 등의 “하이-k" 금속 옥사이드)을 포함한다. 특정 실시예에서, 상부 유전체 구조(107)는 5 내 지 9나노미터 수준의 두께를 갖는 실리콘 다이옥사이드를 포함한다. 또한, 특정 실시예에서, 전도성 층(101)은 p-타입 폴리실리콘과, n-타입 폴리실리콘과, 그 밖의 다른 도핑된 반도체 물질, 또는 금속(가령, 알루미늄, 구리, 또는 텅스텐)을 포함할 수 있다. 대표적인 실시예에서, 상기 전도성 층(101)은 약 2 내지 6나노미터의 두께를 갖는 도핑된 폴리실리콘을 포함한다. 이웃하는 셀의 전도성 층들 사이의 전기장에 의해 초래되는 간섭이 작아서, 상기 메모리 셀의 성능에 간섭을 일으키지 않도록, 상기 전도성 층(101)은 얇지만, 전기장 분산을 위해 제공되는 층의 안정적인 형성을 위해서는 충분히 두꺼울 수 있다. 특정 실시예에서, 상부 전도성 층(108)은 p-타입 폴리실리콘, n-타입 폴리실리콘, 그 밖의 다른 도핑된 반도체 물질, 또는 금속(알루미늄, 또는 구리, 또는 텅스텐)을 포함할 수 있다. 이 예시적인 실시예에서 선택된 물질은 쉽게 제조되는 대표적인 물질이다. 그 밖의 다른 다양한 물질 및 이들의 조합이 또한, 메모리 셀 층 및 구조를 위해 사용될 수 있다.FIG. 7 shows a cross-sectional view taken along the channel length size L of a dielectric charge trapping
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 채널 폭 크기를 따라 취해진, 도 7에서 도시된 것과 유사한 메모리 셀의 어레이의 단면도를 도시한다. 도 8에서 도시된 실시예에서, 트렌치 고립 구조(110)에 의해 메모리 셀들이 격리된다. 도 8에서 도시된 실시예에서, 상기 채널 폭(W)은 메모리 셀의 터널링 장벽 구조(105)와 전하 트래핑 구조(106)와, 상부 유전체 구조(107)의 EOT(유효 옥사이드 두께)에 비교할 만한 크기이다. 상기 전도성 층(101)은 유전체가 아니라 전도성 층이기 때문에, 메모리 셀의 EOT에 영향을 주지 않는다. 전도성 층(101)의 한 가지 특성은 플로팅 게이트 메모리 셀과 같은 큰 커플링 비를 유도하기 위한 설계에 종속되지 않는다는 것 이다. 오히려, 채널의 영역에 대한 채널 위에 배치된 전도성 층(101)의 영역의 비는, 상기 채널 위에 배치되는 전도성 층(101)의 영역에 대한 상기 채널 위에 배치되는 상부 전도성 층(108)의 영역의 비와 충분히 동일할 수 있다. 이러한 방식으로, 상기 전도성 층(101) 위에 위치하는 전기장이 상기 전도성 층(101) 아래의 전기장과 충분히 동일하다. 전도성 층(101)에서 일부 전자가 포획되는 경우라도, 프로그래밍 동안 가해지는 큰 전기장이 상기 전하 트래핑 구조(106)로의 전자의 대부분, 또는 전부를 즉시 쓸어버릴 것이다.FIG. 8 illustrates a cross-sectional view of an array of memory cells similar to that shown in FIG. 7 taken along a channel width size in accordance with one embodiment of the present invention. In the embodiment shown in FIG. 8, memory cells are isolated by
도 8에서 도시되는 바와 같이, 프린징 필드(111, 112 및 113)는 전도성 층(101)의 정전위(constant potential)에 의해 종료된다. 따라서 전하 트래핑 구조(106)에서의 프린징 필드 효과가 감소된다. 덧붙이자면, 도 8에서 도시된 바와 같이, 전하의 불균일한 분산이 메모리 셀에서 발생하는 한, 전도성 층(101)의 정전위가 터널링 장벽 구조(105)에 걸쳐 전기장을 균일하게 분산시키며, 채널에서의 문턱 전압의 효과적인 분산이 채널 폭 크기에서 더 균일해지게 할 것이다.As shown in FIG. 8, the fringing fields 111, 112, and 113 are terminated by the constant potential of the
도 9는 도 8에서 도시된 바와 같이, 전도성 층을 갖는 유전체 전하 트래핑 메모리 셀의 채널 폭 크기에 걸친 전하 농도의 예시를 도시한다. 이 예시에서, 도 8에서 도시된 바와 같이, 메모리 셀에 대한 전하 농도의 분산이, 앞서 언급된 바와 같은 통상의 SONOS-타입 메모리 셀의 것과 유사하다. 도 10은 전도성 층(101)이 채널 폭 크기에서의 문턱 전압(VT)의 분산에 영향을 미치는 것을 도시한다. 도 10에서 도시된 바와 같이, 전도성 층(101)의 정전위가 채널 폭 크기에서의 문턱 전압의 대칭 분산을 도출한다. 따라서 전하 트래핑 구조(106)에서의 전하의 비대칭적인 분 산에서 조차, 메모리 셀의 성능은 실질적으로 저하되지 않는다.FIG. 9 shows an example of charge concentration across the channel width size of a dielectric charge trapping memory cell with a conductive layer, as shown in FIG. 8. In this example, as shown in FIG. 8, the dispersion of charge concentration for the memory cell is similar to that of a conventional SONOS-type memory cell as mentioned above. FIG. 10 shows that the
도 11은 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 전하 트래핑 구조에서 비대칭적인 전하 분산을 겪고 있는 전도성 층을 포함하는 유전체 전하 트래핑 메모리 셀의 드레인 전류(Id) 대 게이트 전압(Vg)의 I-V 특성의 시뮬레이션을 도시한다. 좌측의 트레이스(80)는 프로그래밍되지 않은 “생(fresh)” 셀에 대한 바람직한 I-V 특성을 도시한다. 프로그래밍이 진행되고, 전하 트래핑 구조에 가둬지는 전하가 증가함에 따라, 트레이스(81 및 82)가 I-V 특성이 저하되지 않음을 도시한다. 문턱 전압이 증가함에 따라, 문턱 아래 전류의 습성(문턱 아래 값 이동)은 일정하게 유지된다. FIG. 11 illustrates IV characteristics of the drain current (Id) versus gate voltage (Vg) of a dielectric charge trapping memory cell including a conductive layer undergoing asymmetrical charge dispersion in a charge trapping structure, in accordance with one embodiment of the present invention. Show the simulation.
도 12는 종래의 플로팅 게이트 디바이스의 워드라인(200)을 따라 취해진 단면도이다. 예를 들어, NAND 스트링에서 페이지에 수직인 라인으로 뻗어 있는 반도체 몸체(201) 상에 메모리 셀의 채널이 형성된다. 반도체 몸체에서의 각각의 라인들은, STI(shallow trench isolation) 등의 기술을 이용하여 유전체 트렌치(202)에 의해 격리된다. 터널링 장벽 구조(203)는 반도체 몸체(201) 상에 형성된다. 터널링 장벽 구조(203) 상에 폴리실리콘 플로팅 게이트(204)가 형성된다. 인터폴리 유전체(interpoly dielectric), 이 예제에서는 예를 들어 실리콘 옥사이드 층(205), 실리콘 나이트라이드 층(206) 및 실리콘 옥사이드 층(207)이 플로팅 게이트 폴리실리콘(204) 위에 형성된다. 워드라인(200)과 플로팅 게이트(204) 간의 전하 누설(charge leakage)을 차단하기 위해 인터폴리 유전체(205-207)가 설계된다. 또한, 플로팅 게이트(204)와 워드라인(200) 간의 커플링을 위한 큰 표면 영역을 제공하기 위해, 상기 플로팅 게이트(204)는 비교적 두꺼워야한다(통상적으로, 전류 기술에서 100나노미터 이상). 이러한 큰 표면 영역은 플로팅 게이트 디바이스의 게이트 커플링 비를 증가시키고, 이는 프로그래밍 및 소거(erasing) 동안 워드라인(200)에서 플로팅 게이트(204)로 더 큰 전압을 전달한다. 그러나 두꺼운 플로팅 게이트 소자에 의해, 인접 라인에서의 플로팅 게이트들 간의 심각한 간섭이 초래된다. 도면에서, 전자는 특징부의 왼 측부 상의 플로팅 게이트의 표면 주변에 분산되어 있는 것으로 나타난다. 오른 측부 상의 플로팅 게이트(204)의 유사한 전자가 플로팅 게이트 간에 바람직하지 않은 전기장을 생성하고, 예를 들어, STI에서의 주변 결함(surrounding defect)이나 옥사이드 트랩(oxide trap)으로의 디-트래핑(de-trapping)을 통한 전하 누설을 초래할 것이다. 인접하는 셀들 간의 간섭에 대한 이러한 문제가, 전하가 깊은 트랩(deep trap)에 가둬지고, 전하 누설을 초래하는 인접 셀들 간의 간섭이 덜 발생하는 SONOS-타입 유전체 전하 트래핑 디바이스의 연구와 구현에 대한 상당한 동기가 되어 왔다. 12 is a cross-sectional view taken along the
덧붙이자면, 메모리 셀에 대한 제조 기술이 30 나노미터 디바이스를 가능하게 함에 따라, 주어진 셀에 저장되는 전자의 개수가 매우 작아지게 된다. 예를 들어, 100개 미만의 전자가 작은 메모리 셀의 메모리 상태를 확립하기 위해 사용될 것이다. 메모리 상태를 확립하는 전자의 개수가 점점 작아짐에 따라, 인접하는 셀들 간의 간섭과 전하 누설의 그 밖의 다른 형태가 메모리 셀 구조의 설계에 점점 더 중요해진다. In addition, as fabrication techniques for memory cells enable 30 nanometer devices, the number of electrons stored in a given cell becomes very small. For example, less than 100 electrons will be used to establish the memory state of a small memory cell. As the number of electrons establishing a memory state becomes smaller, other forms of interference and charge leakage between adjacent cells become increasingly important in the design of memory cell structures.
도 13은 종래 기술의 플로팅 게이트 디바이스의 워드라인(20)을 따라 취해진 단면도이며, 플로팅 게이트 디바이스를 개선하기 위한 설계 경향을 도시하고 있다. 도 13에서 나타난 구조에서, 메모리 셀의 채널이 반도체 몸체(211) 상에 형성된다. 반도체 몸체의 각각의 라인들은 유전체 트렌치(212)에 의해 격리된다. 터널링 장벽 구조(213)는 반도체 몸체(211) 상에 형성된다. 플로팅 게이트(214)는 터널링 장벽 구조(213) 상에 형성된다. 평면, 또는 거의 평면인 인터폴리 유전체, 예를 들어, 이 실시예에서는 실리콘 옥사이드 층(215), 실리콘 나이트라이드 층(216) 및 실리콘 옥사이드 층(217)이, 워드라인(210)을 따라 플로팅 게이트 구조의 상부 표면에 걸쳐 뻗어 있다. 도 13에서 나타나는 평면, 또는 거의 평면인 디바이스가 갖는 하나의 문제점은 이들이 매우 낮은 게이트 커플링 비(GCR: Gate Coupling Ratio)를 갖는다는 것이다. 게이트 커플링 비를 개선하기 위해, 설계자는 종래의 것이 아닌 인터폴리 유전체 구조를 사용하여, 워드라인 인터페이스로의 플로팅 게이트의 커패시턴스를 개선할 것을 제안한다. 예를 들어, 인터폴리 유전체 구조(가령, 215-217)는 하이-k 유전체 물질로 대체될 수 있다. 예를 들어, 알루미늄 옥사이드, 또는 그 밖의 다른 물질이 제안되어왔다. 대안적인 하이-k 인터폴리 유전체 구조는 하부 버퍼 층으로서 실리콘 옥사이드를 포함하거나, 알루미늄 옥사이드 등의 하이-k 유전체 물질에 대한 하부 버퍼 층과 상부 버퍼 층 모두로서 실리콘 옥사이드를 포함하는 다층 스택을 포함할 수 있다. FIG. 13 is a cross sectional view taken along the
도 13에서 도시되는 바와 같이 평면 플로팅 게이트 디바이스가 갖는 문제점은, 프로그래밍 동안의 큰 전기장의 존재로 인해, 전하가 인터폴리 유전체로 쉽게 주입된다는 것이다. 따라서 상기 인터폴리 유전체는 전하를 쉽게 가둔다. 그러나 인터폴리 유전체의 왼측에 있는 전하를 제거하는 것이 매우 어렵기 때문에, 이는 디바이스가 소거되기 어렵게 만들고, 플래쉬 메모리(flash memory) 디바이스의 다수의 적용예에 대해 비실용적인 결과를 초래한다.The problem with planar floating gate devices as shown in FIG. 13 is that due to the presence of large electric fields during programming, charge is easily injected into the interpoly dielectric. Thus the interpoly dielectric easily traps charge. However, because it is very difficult to remove the charge on the left side of the interpoly dielectric, this makes the device difficult to erase and results in impractical results for many applications of flash memory devices.
도 14는 종래 기술의 플래쉬 메모리 설계에 의해 제시되는 문제점의 다수를 극복하는 전하 트래핑/플로팅 게이트 메모리 디바이스의 단면도이다. 상기 단면도는 워드라인(310)을 따라 취해졌다. 도 14에서 나타난 구조에서, 메모리 셀의 채널은 반도체 몸체(311) 위에 형성된다. 가령, 임플랜팅되는 도펀트, 또는 반전 영역(inversion region)을 이용하여, 소스와 드레인 단자는 워드라인의 마주보는 측부 상에 배치된다. 반도체 몸체에서의 각각의 라인들은 유전체 트렌치(312)에 의해 격리된다. 제 1 터널링 장벽 구조(313)가 반도체 몸체(311) 상에 형성된다. 플로팅 게이트(314)가 상기 제 1 터널링 장벽 구조(313) 위에 형성되며, 이때, 유전성 충진물(dielectric fill)이 상기 플로팅 게이트(314)의 상부 표면을 드러내는 평면, 또는 거의 평면 구조를 제공한다. 플로팅 게이트(314)의 상부 상에서, 전하 트래핑 구조가 형성된다. 상기 전하 트래핑 구조는 제 2 터널링 장벽 구조(315)와, 전하 트래핑 층(319)과, 차단 유전체 층(blocking dielectric layer, 320)을 포함한다. 도시된 예시에서의 제 2 터널링 장벽 구조(315)는, 약 2나노미터 이하 두께인 것이 바람직한 실리콘 다이옥사이드(316)의 층과, 약 3나노미터 이하의 두께인 것이 바람직한 실리콘 나이트라이드(317)의 층과, 약 3.5나노미터 이하의 두께인 것이 바람직한 실리콘 옥사이드의 층을 포함하는 밴드갭 장벽 엔지니어링된 물질의 다층 스택을 포함한다. 워드라인(310)은 차단 유전체 층(320) 위에 형성된다. 이러한 방 식으로, 플로팅 게이트 디바이스(기본적으로는 영역(321))가 전하 트래핑 디바이스(기본적으로 영역(322))로 캡핑(capping)된다. 14 is a cross-sectional view of a charge trapping / floating gate memory device that overcomes many of the problems presented by prior art flash memory designs. The cross section is taken along the
상기 구조는, 프로그램, 또는 소거에 대하여 적용되는 바이어스 상태에서 제 2 터널링 장벽 구조(315)가 제공하는 것보다 더 큰 터널링 장벽을 제공하는 제 1 터널링 장벽 구조(313)를 특징으로 한다. 따라서 제 1 터널링 장벽 구조(313) 및 제 2 터널링 장벽 구조(315)이 함께, 판독(reading)을 위해 적용되는 바이어스 상태 하에서 전하 트래핑 층(319)으로부터 플로팅 게이트(314)를 통과하여, 반도체 몸체(311)까지의 전자 터널링을 방지하면서, 문턱 전압을 증가시키기 위해 적용되는 포지티브 게이트 바이어스 상태 하에서, 플로팅 게이트(314)의 전자가 몸체로부터, 플로팅 게이트를 통해, 전하 트래핑 층(319)으로 이동하게 하는 수단을 제공한다. 이러한 방식으로, 프로그래밍 동안, 전자가 제 1 터널링 장벽 구조(313)를 통과하여 플로팅 게이트로 터널링되고, 프로그래밍 동안의 더 낮은 장벽 높이 때문에, 제 2 터널링 장벽 구조(315)를 통해, 전하 트래핑 층(319)으로 쓸리며, 여기서 전자는 유전 물질의 비교적 깊은 트랩에 가둬진다. 제 1 및 제 2 터널링 구조(313, 315)의 상대적인 장벽 효과를 관리함으로써, 실제로는 극소수의 전자만 플로팅 게이트(314)에 저장되도록, 셀이 설계된다. The structure features a first
나타나다시피, 밴드갭 엔지니어링(BE: bandgap engineering)을 이용하여, 플로팅 게이트 메모리 디바이스의 인터폴리 유전체가 유전체 전하 트래핑 구조로 대체되어, 기판과 플로팅 게이트 사이에 터널링 장벽 구조보다 더 큰 효율을 갖는 터널링 장벽을 제공할 수 있다. 대표적인 배리어 엔지니어링(barrier engineering) 접근법으로는 이른바 크레스티드 장벽 층(crested barrier layer)과 앞서 언급된 ONO 구조와 같은“U-형태” 장벽을 갖는 층이 있다. 전하 트래핑 층은 매우 높은 트래핑 효율을 갖고, 깊은 트랩에 의해 바람직한 데이터 보존(data retention)이 제공되는 것이 바람직하다. 약 5나노미터 이상의 두께의 실리콘 나이트라이드 층이 이러한 특성을 제공하는 대표적인 실시예이다. 또 다른 실시예에서, 나노-입자 함유 유전체(nano-particle embedded dielectric), 또는 Al2O3, Hf2O3 등의 “하이-k(high-k)” 금속 옥사이드를 포함하는 그 밖의 다른 물질이 실리콘 나이트라이드를 대체할 수 있다. As can be seen, using bandgap engineering (BE), the interpoly dielectric of a floating gate memory device is replaced with a dielectric charge trapping structure, resulting in a tunneling barrier with greater efficiency than the tunneling barrier structure between the substrate and the floating gate. Can be provided. Representative barrier engineering approaches include so-called crested barrier layers and layers with “U-shaped” barriers such as the above mentioned ONO structure. The charge trapping layer has a very high trapping efficiency and it is desirable that the desired data retention is provided by deep traps. Silicon nitride layers thicker than about 5 nanometers are representative examples of providing this property. In another embodiment, nano-particle embedded dielectric, or other material including “high-k” metal oxides such as Al 2 O 3 , Hf 2 O 3, and the like. It can replace this silicon nitride.
차단 유전체 층(320)은 실리콘 옥사이드 및 실리콘 옥시나이트라이드에 의해 제공되는 것과 같은 낮은 누설도를 가져야 한다. 워드라인(컨트롤 게이트)과의 경계부에서, 상부 유전체는 게이트 주입(gate injection)을 억제하는 높은 장벽 높이를 가져야 한다. 또한, 차단 유전체 층(320)의 상부 부분의 하이-k 층(가령, 실리콘 옥사이드 버퍼 층의 상부 상의 알루미늄 옥사이드)을 버퍼 옥사이드 층(가령, 실리콘 옥사이드 버퍼 층의 상부 상의 알루미늄 옥사이드) 위에서 이용하는 것이 차단 층(320)에서의 전기장을 축소시켜서, 게이트 주입이 추가로 억제된다. 플로팅 게이트 층은 비교적 얇을 수 있으며, 예를 들어, 20나노미터 이하일 수 있다. 통상의 실시예는 n+ 도핑된 폴리실리콘을 사용한다. 도핑되지 않은 폴리실리콘 및 p+ 도핑된 폴리실리콘이 또한 사용될 수 있다. 기판과 플로팅 게이트 간의 터널링 장벽 구조로서 기능하는 하부 터널 옥사이드 층이 매우 낮은 누설도를 갖는 것이 바 람직하다. 따라서 실리콘 다이옥사이드는 5 내지 7나노미터의 두께를 갖는 선호되는 하부 터널링 장벽 구조의 물질이 된다. The blocking
대표적인 실시예에서 메모리 셀의 게이트로서 기능하는 워드라인(310)이 p+ 폴리실리콘(일함수는 약 5.1eV)을 포함한다. N+ 폴리실리콘이 또한 사용될 수 있다. 그 밖의 다른 실시예가 게이트에 대하여 금속, 또는 금속 화합물, 또는 이들의 조합(가령, 백금, 탄탈륨 나이트라이드, 금속 실리사이드, 알루미늄, 또는 그 밖의 다른 금속이나 금속 화합물 게이트 물질, 예를 들어, Ti, TiN, Ta, Ru, Ir, RuO2, IrO2, W, WN 등)을 사용한다. 일부 적용예에서, 4eV 이상의, 바람직하게는 4.5eV의 일함수를 갖는 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 게이트 단자로서 사용되기에 적합한 다양한 높은 일함수 물질이 US 특허 제6,912,163호에서 기술되어 있다. 통상적으로 이러한 물질은 스퍼터링과 물리 기상 증착 기법을 이용하여 증착되며, 반응성 이온 에칭을 이용하여 패턴처리될 수 있다.In an exemplary embodiment, the
도 14의 실시예에서, 제 1 터널링 장벽 구조(313)는, 예를 들어 증착 후 NO 어닐링(post deposition NO anneal)에 의한, 또는 증착 동안 대기로의 NO의 추가에 의한 선택적 질화를 포함하는 ISSG(in-situ steam generation)를 이용하여 형성된 실리콘 옥사이드를 포함한다. 실리콘 다이옥사이드의 제 1 터널링 장벽 구조(313)의 두께는 70Å 이하이고, 약 40Å 이상이며, 대표적인 실시예에서, 약 50Å이다. 종래의 플로팅 게이트 폴리실리콘 공정을 이용하여, 감소된 두께를 갖는 플로팅 게이트(314)가 형성된다. In the embodiment of FIG. 14, the first
도 14에서 도시된 실시예에서, 플로팅 게이트(314) 위에 위치하는 제 2 터널링 장벽 구조(315)는 물질의 복합물을 포함하는데, 가령, 증착 후 NO 어닐링(post deposition NO anneal)에 의한, 또는 증착 동안 대기로의 NO의 추가에 의한 선택적 질화를 포함하는 ISSG(in-situ steam generation)를 이용하여 형성된 플로팅 게이트(314)의 상부 표면 상에 위치하는 실리콘 다이옥사이드의 제 1 층(316)(정공 터널링 층(hole tunneling layer)이라고 일컬어짐)을 포함한다. 실리콘 다이옥사이드의 제 1 층(316)의 두께는 20Å 이하이고, 바람직하게는 15Å 이하이다. 대표적인 실시예는 10Å, 또는 12Å 두께를 갖는다.In the embodiment shown in FIG. 14, the second
밴드 오프셋 층(band offset layer)이라고 일컬어지는 실리콘 나이트라이드 층(317)은, 예를 들어 680℃에서 디클로로실란(DCS) 및 NH3 전구체를 이용하는 저압 화학 기상 증착(LPCVD: Low-Pressure Chemical Vapor Deposition)을 이용하여 형성된 실리콘 옥사이드의 제 1 층(316) 위에 위치한다. 또 다른 공정에서, 상기 밴드 오프셋 층은 N2O 전구체를 이용하는 유사한 공정을 이용하여 만들어진 실리콘 옥시니트라이드를 포함한다. 실리콘 나이트라이드의 층(317)의 두께는 30Å 이하이고, 바람직하게는 25Å 이하이다.
고립 층(isolation layer)이라고 일컬어지는 실리콘 다이옥사이드의 층(318)이, 예를 들어, LPCVD 고온 옥사이드 HTO 증착을 이용하여 형성된 실리콘 나이트라이드의 층(317) 위에 놓인다. 실리콘 다이옥사이드의 제 2 층(318)의 두께는 35Å 이하이고, 바람직하게는 25Å 이하이다. 제 1 로케이션에서의 원자가띠 에너지 레 벨은, 반도체 몸체와 제 1 로케이션 간의 경계부의 얇은 영역을 통과하는 정공 터널링을 유도하기에 충분한 전기장이 상기 제 1 로케이션 뒤의 원자가띠 에너지 레벨을, 상기 제 1 로케이션 뒤에 엔지니어링된 터널링 장벽 구조에서 정공 터널링 장벽을 효과적으로 제거하는 레벨까지로 상승시키기에 충분하다. 역전된 “U-형태”의 원자가띠를 갖는 이러한 구조에 의해, 전기장이 없을 때, 또는 그 밖의 다른 작업(가령, 셀로부터의 데이터 판독, 또는 인접 셀 프로그래밍)을 위해 유도되는 더 작은 전기장만이 존재할 때, 엔지니어링된 터널링 장벽 구조를 통한 전하 누설을 효과적으로 방지하면서, 전기장에 의해 보조되는 정공 터널링이 고속으로 가능해진다. A
따라서 대표적 디바이스에서, 상기 엔지니어링된 터널링 장벽 구조(315)는 극박(ultralthin) 실리콘 옥사이드 층 O1(가령 18Å 이하)과, 극박 실리콘 나이트라이드 층 N1(가령, 30Å 이하)과, 극박 실리콘 옥사이드 층 O2 (가령, 35Å 이하)로 구성되며, 이는 반도체 몸체와의 경계부로부터의 오프셋(offset) 15Å 이하에서 약 2.6eV의 원자가띠 에너지 레벨의 증가를 도출한다. 상기 O2 층은, 더 낮은 원자가띠 에너지 레벨(더 높은 정공 터널링 장벽)과 더 높은 전도띠 에너지 레벨의 영역에 의해, 제 2 오프셋(가령, 경계부로부터 약 30Å 내지 45Å)에서 전하 트래핑 층으로부터 N1 층을 격리시킨다. 정공 터널링을 유도하기에 충분한 전기장이, 제 2 로케이션 후의 원자가띠 에너지 레벨을, 정공 터널링 장벽을 효과적으로 제거하는 레벨까지로 상승시키는데, 상기 제 2 로케이션은 상기 인터페이스로부터 더 긴 거 리에 위치하기 때문에 그렇다. 따라서 O2 층은, 낮은 전기장 동안 누설을 차단하기 위한 엔지니어링된 터널링 장벽 구조의 기능을 개선하면서, 전기장 보조 정공 터널링, 또는 전기장 보조 전자 터널링과 실질적으로 간섭을 일으키지 않는다. Thus, in a representative device, the engineered
지금부터 상기 엔지니어링된 터널링 장벽 층의 구조에 대한 세부사항이 도 14A와 14B를 참조하여 더 상세히 설명된다. Details of the structure of the engineered tunneling barrier layer will now be described in more detail with reference to FIGS. 14A and 14B.
이 실시예에서, 전하 트래핑 층(319)은, 예를 들어 LPCVD를 이용하여 형성된, 약 50Å 이상, 예를 들어 일부 구현예에서 70Å의 두께를 갖는 실리콘 나이트라이드를 포함한다. 그 밖의 다른 트래핑 물질 및 구조가 사용될 수 있으며, 예를 들어, 실리콘 옥시나이트라이드(SixOyNz), 실리콘-풍부 나이트라이드, 실리콘-풍부 옥사이드, 나노-입자가 심어진 트래핑 층 등이 있다. 앞서 언급된 US 특허 출원 공개 제2006/0261401 A1호 “Novel Low Power Non-Volatile Memory and Gate Stack”(Bhattacharyya, 2006년 11월 23일 공개)에서 다양한 전하 트래핑 물질이 설명된다. In this embodiment, the
이 실시예에서의 차단 유전 층(320)은 실리콘 다이옥사이드이며, 예를 들어, 습식 노 산화 공정(wet furnace oxidation process)에 의한 나이트라이드의 습식 변이에 의해 형성될 수 있다. 고온 옥사이드(HTO: high temperature oxide), 또는 LPCVD SiO2를 이용하여 그 밖의 다른 실시예가 구현될 수 있다. 차단 유전 층의 두께는 약 50Å 이상일 수 있으며, 예를 들어, 일부 실시예에서 90Å일 수 있다. The blocking
도 14A는 “U-형태” 전도띠와 “역 U-형태” 원자가띠를 보여주는 낮은 전기장 하에서 도 14의 층(316-318)의 스택을 포함하는 유전체 터널링 구조의 전도띠 및 원자가띠의 에너지 레벨의 다이어그램이며, 이는 판독 연산 동안 직면할 수 있는 낮은 바이어스 상태 하에서의 터널링에 대한 확률 함수를 보여준다. 오른쪽부터, 반도체 몸체에 대한 밴드갭이 영역(30)으로 나타나고, 오프셋 층에 대한 밴드갭이 영역(32)으로 나타나며, 고립 층에 대한 원자가띠 및 전도띠가 영역(33)에서 나타나며, 전하 트래핑 층에 대한 원자가띠 및 전도띠가 영역(34)에서 나타난다. 마이너스 부호(-)를 갖는 원으로 표현되는 전하 트래핑 영역(34) 내에 가둬진 전자는 채널에서는 전도띠로 터널링할 수 없는데, 왜냐하면, 3개 모두의 영역(31, 32, 33)에서 터널링 장벽 구조의 전도띠가 트랩의 에너지 레벨에 비해 높게 유지되기 때문이다. 전자 터널링의 확률은 터널링 장벽 구조의“U-형태” 전도띠 아래와 채널에 대한 트랩의 에너지 레벨에서의 수평선 위의 영역과 상호 관련이 있다. 따라서 전자 터널링은 낮은 전기장 상태에서는 거의 발생하지 않으며, 도시된 장벽 구조는 하나의 실시예이며, 상기 도시된 장벽 구조는 플로팅 게이트와 몸체 사이의 터널링 장벽 구조와 조합되어, 판독을 위해 적용되는 바이어스 상태 하에서 유전 전하 트래핑 층으로부터 플로팅 게이트를 통해 반도체 몸체로의 전자 터널링을 효과적으로 방지할 수 있다. 마찬가지로, 영역(30)에서 채널의 원자가띠의 정공들이 전하 트래핑 층(영역 34)으로 터널링하는 것이, 영역(31, 32 및 33)의 전체 두께와, 채널 경계부에서의 높은 정공 터널링 장벽 높이에 의해, 차단된다. 정공 터널링의 확률은 “역 U-형태” 원자가띠 위와 전하 트래핑 층에 대한 채널의 에너지 레벨에서의 수평 선 아래의 영역과 상호 관련되어 있다. 따라서 정공 터널링은 낮은 전기장 상태에서는 거의 존재하지 않는다.FIG. 14A shows the energy levels of conduction bands and valence bands in a dielectric tunneling structure including a stack of layers 316-318 of FIG. 14 under a low electric field showing “U-shaped” conduction bands and “inverse U-shaped” valence bands. Is a diagram of which shows the probability function for tunneling under low bias conditions that may be encountered during a read operation. From the right, the bandgap for the semiconductor body is shown as
정공 터널링 층이 실리콘 다이옥사이드를 포함하는 대표적인 실시예에서, 약 4.5eV의 정공 터널링 장벽 높이가 정공 터널링을 방지한다. 실리콘 나이트라이드의 원자가띠는 채널에서의 원자가띠의 일함수인 1.9eV 이하로 유지된다. 따라서 실질적으로 터널링 장벽 구조의 3개 영역(31, 32, 33) 모두에서의 원자가띠는 채널 영역(30)에서의 원자가띠 아래로 유지된다. 따라서 본원에서 설명된 터널링 장벽 구조는, 반도체 몸체와의 경계부의 얇은 층(영역 31)에서의 비교적 큰 정공 터널링 장벽 높이와, 채널 표면으로부터 2나노미터 이하만큼 떨어진 제 1 로케이션에서의 원자가띠 에너지 레벨의 증가(37) 등의 밴드 오프셋 특성에 의해 특징지워진다. 또한 상기 맨드 오프셋 특성은, 비교적 높은 터널링 장벽 높이를 갖는 물질의 얇은 층(영역(33))을 제공함에 따른, 채널로부터 떨어진 제 2 로케이션에서의 원자가띠 에너지 레벨의 감소(38)를 포함하고, 이는 역 U-형태 원자가띠 형태를 도출한다. 마찬가지로, 동일한 물질을 선택함으로써 도출되는 전도띠는 U-형태를 갖는다.In an exemplary embodiment in which the hole tunneling layer comprises silicon dioxide, a hole tunneling barrier height of about 4.5 eV prevents hole tunneling. The valence band of silicon nitride remains below 1.9 eV, the work function of the valence band in the channel. Thus, substantially the valence bands in all three
도 14B는 정공 터널링을 유도하기 위해, 터널링 영역(31)에서의 약 -12MV/㎝의 전기장 상태 하에서의 유전체 터널링 구조에 대한 대역 다이어그램을 도시한다(도 14B에서, O1 층은 약 15Å의 두께를 갖는다). 전기장 하에서, 원자가띠는 채널 표면으로부터 오르막을 형성한다. 따라서 채널 표면으로부터의 오프셋 간격에서, 터널링 장벽 구조의 원자가띠의 띠에너지 레벨이 증가되며, 도면에서, 채널 영역의 원자가띠의 띠에너지 이상으로 상승된다. 따라서 채널에서의 원자가 띠의 레벨과 터널링 스택의 역 U-형태의 원자가 띠 사이의 영역(도 14B에서 어둡게 표시된 영역)이 감소됨에 따라, 정공 터널링 확률은 증가된다. 밴드 오프셋이, 비교적 작은 전기장(가령, E<14MV/㎝) 하에서는 큰 정공 터널링 전류를 허용하면서, 높은 전기장 동안 터널링 장벽 구조로부터, 영역(32)에서 오프셋 층과 영역(33)에서 고립 층의 차단 기능을 효과적으로 제거한다. FIG. 14B shows a band diagram for a dielectric tunneling structure under an electric field condition of about −12 MV / cm in the
고립 층(영역(33))은 오프셋 층(영역(32))을 전하 트래핑 층(영역(34))으로부터 고립시킨다. 이는 전자와 정공 모두에 대하여, 낮은 전기장 동안 유효 차단 능력을 증가시켜서, 전하 보유력을 개선한다.Isolation layer (region 33) isolates the offset layer (region 32) from the charge trapping layer (region 34). This increases the effective blocking ability during low electric fields, for both electrons and holes, thereby improving charge retention.
이 실시예의 오프셋 층(영역(32))은 무시할만한 전하 트래핑 효율을 갖는 충분히 얇다. 또한 오프셋 층은 유전성이지, 전도성이 아니다. 따라서 실리콘 나이트라이드를 사용하는 실시예에 있어서, 오프셋 층은 30옹스트럼 이하 두꺼여야 하고, 더 바람직하게는 약 25Å 이하이다.The offset layer (region 32) of this embodiment is thin enough with negligible charge trapping efficiency. The offset layer is also dielectric, not conductive. Thus, for embodiments using silicon nitride, the offset layer should be 30 angstroms thick or less, more preferably about 25 kPa or less.
실리콘 다이옥사이드를 사용하는 하나의 실시예에서, 정공 터널링 영역(31)은 20Å 이하의 두께여야하고, 더 바람직하게는 15Å 이하의 두께를 갖는다. 예를 들어, 바람직한 실시예에서, 정공 터널링 영역(31)은 약 13Å, 또는 10Å 두께의 실리콘 다이옥사이드이며, 앞서 언급된 바와 같은 질화 공정(nitridation process)에 노출되어, 극박(ultrathin) 실리콘 옥시나이트라이드를 도출한다. In one embodiment using silicon dioxide, the
플로팅 게이트(314) 위에 위치하는 터널링 장벽 구조(315)는, 실리콘 옥사이드, 실리콘 옥시나이트라이드 및 실리콘 나이트라이드의 복합물을 이용하는 본 발명의 실시예에서 구현될 수 있으며, 상기 복합물이 요구되는 역 U-형태의 원자가띠 를 도출하는 한, 층간 정교한 이동 없으며, 효율적인 정공 터널링을 위해 요구되는 채널 표면으로부터의 오프셋 간격에서의 원자가띠의 에너지 레벨의 변화를 갖는다. 또한 밴드 오프셋 기술을 제공하기 위한 그 밖의 다른 물질의 조합이 사용될 수 있다.
유전체 터널링 장벽 구조물(315)에 대한 기재는 전자 터널링보다는 “정공 터널링”에 초점을 맞췄는데, 왜냐하면, 기술이 SONOS 타입 메모리에서의 정공 터널링에 의존하기 위한 필요성과 관련된 문제를 해결하였기 때문이다. 예를 들어, 실용적인 속도의 정공 터널링을 지원하기에 충분히 얇은 실리콘 다이옥사이드로 구성된 터널링 장벽 구조가, 전자 터널링에 의한 누설을 차단하기에는 너무 얇을 것이다. 그러나 엔지니어링의 효과가 전자 터널링의 성능을 개선한다. 따라서 장벽 엔지니어링을 이용하여, 전자 터널링에 의한 프로그래밍과 정공 터널링에 의한 소거가 충분히 개선된다. 하나의 실시예에서 도시되는, 플로팅 게이트와 몸체 사이의 터널링 장벽 구조와 조합되는 장벽 구조가, 프로그래밍을 위해 적용되는 포지티브 게이트 바이어스 상태 하에서, 몸체로부터 플로팅 게이트를 통과하여 유전체 전하 트래핑 층으로의 전자 터널링을 효과적으로 가능하게 할 수 있다.The description of the dielectric
도 15는 전하 트래핑/플로팅 게이트 구조의 단면도이며, 도 14의 구조에서와 같이, 전하 트래핑 구조는 워드라인 방향에서 인접하는 셀에 대한 유전체 전하 트래핑 구조를 고립시켜, 상기 인접하는 셀들 간의 매우 치밀한 어레이에서의 전하 이동의 가능성이 제거되도록 패턴처리된다. 도 15의 단면도는 워드라인(330)을 따라 취해진 것이다. 도 15에서 나타난 구조에서, 메모리 셀의 채널이 반도체 몸 체(331) 상에서 형성된다. 반도체 몸체의 각각의 라인은 유전체 트렌치(332)에 의해 서로 격리된다. 제 1 터널링 장벽(333)이 반도체 몸체(331) 상에 형성되며, 이때, 유전체 충진물이 플로팅 게이트(334)의 상부 표면을 노출하는 평면의, 또는 거의 평면의 구조를 제공한다. 플로팅 게이트(334)의 상부 상에서, 전하 트래핑 구조가 형성된다. 상기 전하 트래핑 구조는 제 2 터널링 장벽(335)과, 전하 트래핑 층(339)과, 차단 유전체 층(340)을 포함한다. 도시된 예시에서의 제 2 터널링 장벽(335)은 장벽-엔지니어링된 물질의 다층 스택을 포함하며, 상기 스택은 바람직하게는 약 2나노미터 미만의 두께를 갖는 실리콘 다이옥사이드의 층(336)과, 바람직하게는 약 3나노미터 미만의 두께를 갖는 실리콘 나이트라이드의 층(337)과, 바람직하게는 약 3.5나노미터 미만의 두께를 갖는 실리콘 옥사이드의 층(338)을 포함한다. 워드라인(330)은 차단 유전체 층(340) 위에 형성된다. 전하 트래핑 구조를 형성하는 유전체 스택은 워드라인 방향과, 상기 워드라인 방향에 수직인 방향 모두를 따라 패턴처리되어, 각각의 플로팅 게이트(334) 위에 고립된 전하 트래핑 섬(isolated charge trapping island)이 제공될 수 있다. 도 15의 실시예에서, 워드라인 방향과 비트라인 방향 모두에서 전하 트래핑 구조를 고립함으로써, 고온 저장(high-temperature storage) 동안 유전체 전하 트래핑 층에서 임의의 가능한 전하의 횡방향 이동의 감소가 보조될 수 있다.15 is a cross-sectional view of the charge trapping / floating gate structure, as in the structure of FIG. 14, the charge trapping structure isolates the dielectric charge trapping structure for adjacent cells in the wordline direction, resulting in a very dense array between adjacent cells. The patterning is done to eliminate the possibility of charge transfer at. 15 is taken along the
도 14와 도 15 실시예 모두에서, 전하 트래핑/플로팅 게이트 구조가 더 높은 신뢰도와 더 바람직한 소거 성능을 제공하며, 동시에, 평면 플로팅 게이트 디바이스와 유사한 방식으로 평면인 구조를 가질 수 있다. 표준 플로팅 게이트 디바이스 의 인터폴리 유전체(interpoly dielectric)는 비-트래핑 인터폴리 유전체(non-trapping interpoly dielectric)이도록 설계된다. 도 14 및 15의 구조에서 표준 플로팅 게이트 디바이스의 인터폴리 유전체가, 메모리 상태(memory state)를 확립하는 메모리 셀의 전하의 대다수를 저장하기 위해 동작하도록 조정된 전하 트래핑 디바이스로 대체된다. In both FIGS. 14 and 15 embodiments, the charge trapping / floating gate structure provides higher reliability and more desirable erase performance, while at the same time having a planar structure in a similar manner as a planar floating gate device. The interpoly dielectric of a standard floating gate device is designed to be a non-trapping interpoly dielectric. The interpoly dielectric of the standard floating gate device in the structures of FIGS. 14 and 15 is replaced with a charge trapping device that is tuned to operate to store the majority of the charge in the memory cell that establishes a memory state.
바람직한 전하 트래핑 구조는 US 특허 출원 공개번호 제2007/0268753호에서 기술된 밴드갭 엔지니어링된 SONOS 디바이스, 즉 BE-SONOS를 기반으로 하며, 상기 BE-SONOS는 매우 효율적인 터널링 장벽 구조를 제공하는데, 비교적 두꺼운 실리콘 다이옥사이드의 제 1 터널링 장벽 구조(313 및 333)가 하는 것보다 프로그래밍 및 소거 바이어스 상태 동안은 터널링에 대해 더 약한 장벽을 제공한다. 정공, 또는 전자의 형태인 주입되는 전하의 대부분이 플로팅 게이트로부터 유전체 전하 트래핑 층(319, 339)의 깊은 트랩(deep trap)으로 쓸려지기 때문에, 높은 문턱 상태에서조차, 플로팅 게이트는 거의 변화되지 않은 채, 즉, 중성 상태로 유지된다.The preferred charge trapping structure is based on the bandgap engineered SONOS device described in US Patent Application Publication No. 2007/0268753, BE-SONOS, which provides a very efficient tunneling barrier structure, which is relatively thick It provides a weaker barrier to tunneling during programming and erase bias states than the first
대표적인 실시예에서, 제 1 터널링 장벽 구조(도 14의 313)는 5 내지 7나노미터 두께의 실리콘 다이옥사이드 층을 포함한다. 이는 제 2 터널링 장벽 구조(도 14의 315)의 밴드갭 엔지니어링된 터널링 장벽 층(또는 그 밖의 다른 실시예)의 프로그램 및 소거 바이어스 상태 동안의 장벽 높이에 기여하는 유효 두께에 비교할 때 비교적 두꺼운 것이다. 그러나 통상의 플로팅 게이트 디바이스에서, 상기 플로팅 게이트에의 전하 저장으로 인한 누설의 확률이 증가하기 때문에, 터널링 유전체는 7나노미터 이상의 두께를 갖는 것이 통상적이다. In an exemplary embodiment, the first tunneling barrier structure (313 in FIG. 14) includes a silicon dioxide layer 5-7 nanometers thick. This is relatively thick compared to the effective thickness that contributes to the barrier height during the program and erase bias states of the bandgap engineered tunneling barrier layer (or other embodiments) of the second tunneling barrier structure (315 of FIG. 14). However, in a typical floating gate device, it is common for the tunneling dielectric to have a thickness of at least 7 nanometers because of the increased probability of leakage due to charge storage in the floating gate.
일 예시에서, 플로팅 게이트 위의 BE-SONOS-타입 전하 트래핑 구조에 있어서, 실리콘 다이옥사이드 층(316)은 약 13Å 두께를 갖고, 실리콘 나이트라이드 층(317)은 약 20Å 두께를 갖고, 실리콘 옥사이드 층(318)은 약 25Å 두께를 가지며, 전하 트래핑 유전체 층(319)은 약 50Å 두께의 실리콘 나이트라이드일 수 있으며, 차단 유전체 층(320)은 약 50Å 두께의 실리콘 다이옥사이드일 수 있다. 그러나 전하 트래핑 유전체 층(319)의 두께는 70Å, 또는 그 이상일 수 있다. 또한 실리콘 다이옥사이드 실시예의 차단 유전체 층(320)의 두께가 70Å, 또는 그 이상일 수 있다. 스택의 전체 두께가 동작 전압을 결정하는 하나의 매개변수이다. 따라서 전체 두께가 커질수록, 더 큰 동작 전압이 필요하다.In one example, for a BE-SONOS-type charge trapping structure over a floating gate, the
워드라인(310)은 통상적으로 폴리실리콘 구조이다. 바람직한 실시예에서, 소거 작업 동안 게이트 주입을 억제하기 위해 P+ 도핑된 폴리실리콘과 같은 더 높은 일함수 물질이 선호된다. 폴리실리콘 워드라인과 전하 트래핑 구조물 사이의 경계부에서, 또는 폴리실리콘 워드라인의 위치에서 더 높은 일함수 물질이 사용될 수 있다. 이러한 물질들로는 TaN, WN, Pt 등이 있다. The
도 14를 참조하여 설명된 메모리 셀의 프로그램 및 소거 성능에 대한 시뮬레이션의 결과가 도 16-19A 및 19B에서 나타난다. 시뮬레이션된 셀에서, 제 2 터널링 장벽 층은 13Å 두께의 실리콘 다이옥사이드 층(316)과, 20Å 두께의 실리콘 나이트라이드 층(317)과, 25Å 두께의 실리콘 옥사이드 층(318)을 포함했다. 전하 트래핑 유전체 층(319)은 50Å 두께의 실리콘 나이트라이드였고, 차단 유전체 층(320)은 50Å 두께의 실리콘 다이옥사이드였다. 제 1 터널링 장벽 구조는 50Å 두께의 실리콘 다이옥사이드였다. 플로팅 게이트는 20Å, 또는 그 이하만큼 얇을 수 있는 층 내의 폴리실리콘이다. 100 내지 1000Å의 범위의 더 두꺼운 폴리실리콘이 본원에서 설명되는 이점을 제공한다. 그러나 매우 치밀한 어레이를 제조하기 위해, 폴리실리콘 층은 100Å 이하의 두께를 갖는 것이 바람직하다.The results of the simulation of the program and erase performance of the memory cell described with reference to FIG. 14 are shown in FIGS. 16-19A and 19B. In the simulated cell, the second tunneling barrier layer included a 13 micron thick
도 16은 Fowler-Nordheim 터널링을 유도하기 위한 셀의 게이트에서 기판으로의 프로그래밍 바이어스 하에서의 시간에 따른 문턱 전압의 변화를 보여주는 그래프이며, 이때, 바이어스 전압은 트레이스(400) 상에서 +21V이고, 바이어스 전압은 트레이스(401) 상에서 +20V이며, 바이어스 전압은 트레이스(402) 상에서 +19V이고, 바이어스 전압은 트레이스(403) 상에서 +18V이다. 따라서 메모리 셀은 적정한 시점에서, 적정한 프로그래밍 바이어스 전압으로, 프로그래밍될 수 있다. FIG. 16 is a graph showing the change in threshold voltage over time under programming bias from gate to substrate of a cell to induce Fowler-Nordheim tunneling, where the bias voltage is + 21V on
도 17은, +21V의 프로그래밍 바이어스 하에서, 시간에 대한, 유전체 전하 트래핑 층 내부에 가둬진 전자(Qtrap)의 계산된 바를 트레이스(404)로 보여주고, 플로팅 게이트 내부에 가둬진 전자(QFG)의 계산된 바를 트레이스(405)로 보여주는 그래프이다. 시뮬레이션이 유전체 전하 트래핑 층 내에 가둬진 전하가 플로팅 게이트에 가둬진 전하보다 훨씬 더 많음을 보여준다. 이는 플로팅 게이트와 유전체 전하 트래핑 층 간의 밴드갭 엔지니어링된 터널링 장벽 층의 터널링 효율이, 기판과 플로팅 게이트 간의 터널링 장벽 층의 터널링 효율보다 훨씬 더 좋기 때문에 발생한다. FIG. 17 shows the calculated bars of electrons (Q trap ) trapped inside the dielectric charge trapping layer over time, under a programming bias of + 21V, as
도 18은 Fowler-Nordheim 터널링을 유도하기 위한, 셀의 게이트에서 기판으로의 소거 바이어스 하에서의 시간에 따른 문턱 전압의 변화를 나타내는 그래프이 며, 이때, 바이어스 전압은 트레이스(410) 상에서 -21V이고, 바이어스 전압은 트레이스(411) 상에서 -20V이며, 바이어스 전압은 트레이스(412) 상에서 -19V이고, 바이어스 전압은 트레이스(413) 상에서 -18V이다. 따라서 메모리 셀은 적정한 시점에서, 적정한 소거 바이어스 전압으로, 소거될 수 있다. 프로그래밍 동작은 프로그래밍 전위(programming potential)에 비례하며, 이때 증가하는 계단 펄스 프로그래밍(ISPP: incremental step pulse programming)의 기울기가 거의 1이다.FIG. 18 is a graph showing the change in threshold voltage over time under an erase bias from the gate to the substrate of a cell to induce Fowler-Nordheim tunneling, where the bias voltage is -21 V on
도 19는 -21V의 소거 바이어스 하에서, 시간에 대한, 유전체 전하 트래핑 층 내부에 가둬지는 전자(Qtrap)의 계산된 바를 트레이스(415)로 나타내고, 플로팅 게이트 내부에 가둬지는 전자(QFG)의 계산된 바를 트레이스(414)로 나타내는 그래프이다. 시뮬레이션이 유전체 전하 트래핑 층 내에 가둬진 전하가 빨리 제거되며, 상기 유전체 전하 트래핑 층에서의 정공 트래핑이 플로팅 게이트에서의 정공 트래핑보다 더 바람직함을 보여준다. 이는 플로팅 게이트와 유전체 전하 트래핑 층 간의 밴드갭 엔지니어링된 터널링 장벽 층의 터널링 효율이, 기판과 플로팅 게이트 간의 터널링 장벽 구조의 터널링 효율보다 더 바람직하기 때문에, 발생한다. 상기 시뮬레이션은 폴리실리콘 워드라인으로부터의 게이트 주입이 더 긴 소거 시간 후에 발생함에 따른 소거 포화 상태(erase saturation condition)를 보여준다. FIG. 19 shows a calculated bar of electrons (Q trap ) trapped inside the dielectric charge trapping layer over time, under an erase bias of −21 V, as
상기 시뮬레이션은 유전체 전하 트래핑 층 내에 가둬진 전하가 빨리 제거되고, 유전체 전하 트래핑 층에서의 정공 트래핑이 플로팅 게이트에서의 정공 트래핑보다 훨씬 더 바람직함으로 보여준다.The simulation shows that the charge trapped in the dielectric charge trapping layer is quickly removed and that hole trapping in the dielectric charge trapping layer is much more desirable than hole trapping in the floating gate.
도 17-19에 의해 나타나는 시뮬레이션에 의해 도시되는 바와 같이, 본원에서 설명되는 전하 트래핑/플로팅 게이트 메모리 셀이 종래 기술의 디바이스와는 다른 새로운 동작 조건(operating condition)을 제공한다. 플로팅 게이트는 채널 위에 등 전위 영역(equal potential region)을 확립하고, 상기 채널에 걸친 문턱값 분산(threshold distribution)을 제어한다. 가둬진 전하가 유전체 전하 트래핑 층에서 불균일하게 존재할 수 있을지라도, 채널은 여전히, 등전위 전도체(equi-potential conductor)로서의 플로팅 게이트에 의해 제어된다. 따라서 디바이스는 프로그램 및 소거 연산 동안 전류/전압 곡선에서 거의 이상적인 평행 이동을 가질 수 있는데, 이는 디바이스의 에지에서의 국부적인 전하 트래핑에 의해, 또는 STI(shallow trench isolation) 구조의 에지의 구성에 의해 제어되지 않는다는 사실로부터 기인한다. 따라서 종래 기술의 전하 트래핑 유전체 기반의 메모리 셀의 에지 효과(edge problem) 문제에 면역을 가질 수 있다. As shown by the simulation represented by FIGS. 17-19, the charge trapping / floating gate memory cells described herein provide a new operating condition different from prior art devices. The floating gate establishes an equal potential region over the channel and controls the threshold distribution across the channel. Although the trapped charge may be non-uniform in the dielectric charge trapping layer, the channel is still controlled by a floating gate as an equi-potential conductor. Thus, the device can have nearly ideal parallel movement in the current / voltage curve during program and erase operations, controlled by local charge trapping at the edge of the device, or by configuration of the edge of a shallow trench isolation (STI) structure. It is due to the fact that it is not. Therefore, it is possible to be immune to the edge problem problem of the charge trapping dielectric based memory cell of the prior art.
도 17-19에 의해 나타나는 시뮬레이션에 의해 도시되는 바와 같이, 주입되는 전하의 대부분은, 플로팅 게이트의 내부보다는 유전체 전하 트래핑 층 내부에 저장된다. 따라서 전하가 유전체 전하 트래핑 층 내의 깊은 트랩에 저장되어, 바람직한 데이터 보유성(data retention)을 제공하고, 기판-유도성 누설 전류(SILC: substrate induced leakage current)에 대한 바람직한 면역성을 제공한다. 덧붙이자면, 플로팅 게이트를 형성하기 위해 사용되는 폴리실리콘 층은 소량의 전하만을 저장하기 때문에, 플로팅 게이트와 기판 사이의 유전체 터널링 장벽 층은 감소된 두께(가령, 플로팅 게이트 플래쉬 메모리에 대하여 통상적으로 요구되는 7나노미터 이하)를 갖도록 제조될 수 있다. 앞서 언급된 바와 같이, 시뮬레이트된 셀은 플로팅 게이트와 기판 사이에 약 5나노미터 두께의 터널링 장벽 구조를 사용했다. As shown by the simulation shown by FIGS. 17-19, most of the injected charge is stored inside the dielectric charge trapping layer rather than inside the floating gate. The charge is thus stored in a deep trap in the dielectric charge trapping layer, providing desirable data retention and providing desirable immunity to substrate induced leakage current (SILC). In addition, since the polysilicon layer used to form the floating gate stores only a small amount of charge, the dielectric tunneling barrier layer between the floating gate and the substrate is reduced in thickness (eg, typically required for floating gate flash memory). 7 nanometers or less). As mentioned above, the simulated cell used a tunneling barrier structure about 5 nanometers thick between the floating gate and the substrate.
따라서 전하 트래핑 플로팅 게이트 메모리 디바이스는 플로팅 게이트와 전하 트래핑 디바이스 기술 모두의 바람직한 특징을 조합한다. 덧붙이자면, 이들 종래 기술 타입의 플래쉬 메모리 디바이스 모두가 갖고 있는 스케일링(scaling) 및 신뢰성 문제를 해결하기 위해 구조가 사용될 수 있다. The charge trapping floating gate memory device thus combines the desirable features of both floating gate and charge trapping device technology. In addition, the structure can be used to solve the scaling and reliability problems that all of these prior art types of flash memory devices have.
도 20-24는 전하 트래핑 플로팅 게이트 메모리 셀을 사용하는 NAND 플래시 메모리 어레이를 제조하기 위한 공정 흐름의 하나의 실시예를 도시한다. 제조 공정의 하나의 실시예에 따르는 제 1 스테이지가 도 20에서 도시되며, 여기서, 물질의 스택이 반도체 기판(500) 상에 형성된다. 우선, 이 실시예에서는 5 내지 7나노미터 두께의 실리콘 다이옥사이드의 층을 포함하는 터널링 장벽 구조(501)가 기판(500)의 표면 상에 형성된다. 그 후, 폴리실리콘 층(502)이 터널링 장벽 구조(501) 상에 형성된다. 대표적인 실시예에서, 상기 폴리실리콘 층은 100나노미터 이하의 두께를 가지며, 10나노미터 수준의, 또는 그 이하의 두께를 가져서, 디바이스의 상당한 스케일링을 성취할 수 있다. 도 20에서 도시된 실시예에서, 그 후, 하드 마스크 층(hard mask layer, 503)이 폴리실리콘 층(502) 위에 형성된다. 하드 마스크 층(503)이 실리콘 나이트라이드를 포함하는 특정 실시예에서, 실리콘 나이트라이드의 두께는 약 100나노미터일 수 있다.20-24 illustrate one embodiment of a process flow for fabricating a NAND flash memory array using charge trapping floating gate memory cells. A first stage according to one embodiment of a manufacturing process is shown in FIG. 20, where a stack of material is formed on a
도 21은 공정의 하나의 실시예에 따르는 제조 공정의 다음 스테이지를 도시한다. 이 스테이지에서, 포토리소그래피 공정, 또는 그 밖의 다른 패턴 형성 공정 이 사용되어, 트렌치 고립 구조의 위치를 형성할 수 있다. 그 후, 트렌치가 패턴에 따라 에칭된다. 상기 에칭이 하드 마스크 층(503)과, 플로팅 게이트 폴리 층(502)과, 터널링 장벽 구조(501)를 통해, 기판(500)으로 이뤄져서, 메모리 셀의 컬럼을 고립시키기 위한 기판 트렌치가 형성될 수 있다. 그 후, 예를 들어, 고밀도 플라스마(HDP: high density plasma) 화학 기상 증착 기법을 이용하여, 갭이 실리콘 다이옥사이드, 또는 그 밖의 다른 유전체 물질로 충진되어, 트렌치들 사이에서 하드 마스크 층의 상부 상에 위치하는 모자(hat) 형태의 구조(513, 514)가 도출되고, 기판(500) 내부로 뻗어 있는 트렌치 고립 구조(510, 511, 512)가 도출된다. 특정 실시예에서, 트렌치 고립 구조가 기판 내부로 약 200나노미터만큼 뻗어 있다. 21 shows the next stage of the manufacturing process according to one embodiment of the process. At this stage, a photolithography process or other pattern forming process may be used to form the location of the trench isolation structure. After that, the trench is etched according to the pattern. The etching is made to the
도 22는 상기 제조 공정의 그 다음 스테이지를 도시한다. 도 22에서 도시된 실시예는, 예를 들어, 화학 기계 연마(CMP: chemical mechanical polishing)를 이용하여, 트렌치 고립 증착 공정으로부터 임의의 과도한 옥사이드를 제거하고, 하드 마스크 층을 벗겨내며, 예를 들어, 습식 하이드로젠 플루오라이드 용액 딥 에칭(dip etch)을 이용하여 플로팅 게이트 폴리 층(502)의 상부로부터 옥사이드를 제거하는 것을 포함한다.22 shows the next stage of the manufacturing process. The embodiment shown in FIG. 22 removes any excess oxide from the trench isolation deposition process, for example using chemical mechanical polishing (CMP), and strips off the hard mask layer, for example. Removing oxide from the top of floating
도 23은 상기 제조 공정의 그 다음 스테이지를 도시한다. 이 스테이지에서, 전하 트래핑 구조를 형성하기 위해 사용되는 유전체의 층(536-540)의 형성과, 워드라인 폴리실리콘 층(530)의 형성이 완성된다. 도시된 실시예에서, 바람직하게는 2나노미터 이하의 두께를 갖는 실리콘 다이옥사이드의 층(536)과, 3나노미터 이하의 두께(바람직하게는 2.5나노미터 이하의 두께)를 갖는 실리콘 나이트라이드의 층(537)과, 바람직하게는 3.5나노미터 이하의 두께(더 바람직하게는 3나노미터 이하의 두께)를 갖는 실리콘 옥사이드의 층(538)이 형성되어, 제 2 터널링 장벽 구조가 제공될 수 있다. 약 5 내지 7나노미터 두께의 실리콘 나이트라이드의 층(539)이 형성되어, 전하 트래핑 층이 제공될 수 있다. 그 후, 약 5 내지 9나노미터 두께를 갖는 실리콘 다이옥사이드를 포함하는 차단 유전체 층(540)이 형성된다. 워드라인 폴리실리콘 층(530)이 차단 유전체 층(540) 위에 형성된다.Figure 23 shows the next stage of the manufacturing process. At this stage, the formation of the layers 536-540 of the dielectric used to form the charge trapping structure and the formation of the
그 후, 상기 층(530)은 어레이의 워드라인을 형성하기 위한 리소그래피 단계, 또는 그 밖의 다른 패턴처리 단계를 위한 준비로서 세정된다. 워드라인에 대한 패턴은 플로팅 게이트 폴리실리콘 층(502)을 통과하여 에칭되어, 분리된 플로팅 게이트(502-1, 502-2)가 제공되고, 메모리 셀의 로우(row)가 생성될 수 있다. The
도 24는 메모리 셀의 로우(row)를 따라 배열된 제 1 워드라인(615-1)과 제 2 워드라인(615-2)을 갖는 최종 구조의 일부분을 간단하게 도시한다. 그 후, 워드라인들 사이에 도펀트를 이온주입(implanting)하고, 상기 워드라인의 마주보는 측부 상에 소스 및 드레인 영역을 형성하고, 셀 내의 플로팅 게이트를 고립시키기 위해 워드라인들 사이에 유전체 충진물을 더 제공함으로써, 소스 및 드레인 단자가 형성되고, 금속 층 패턴처리 등이 실행되어, 디바이스가 완성된다. 도 24에서, 플로팅 게이트 요소(601)와 유전체 전하 트래핑 요소(602)를 하나의 단일 유닛으로서 나타내기 위해 구조는 단순화되어 있으며, 이들 부분들은 서로 다른 물질과 두께의 조합을 이용하여 만들어질 수 있다. 예를 들어, 도 27-28을 참조하자.24 simply shows a portion of the final structure having a first word line 615-1 and a second word line 615-2 arranged along a row of memory cells. Thereafter, a dopant is implanted between the word lines, a source and drain region is formed on opposite sides of the word line, and dielectric fill is deposited between the word lines to isolate the floating gate in the cell. By further providing, source and drain terminals are formed, and metal layer pattern processing or the like is performed, thereby completing the device. In FIG. 24, the structure is simplified to represent the floating
최종 디바이스의 거의 평면인 구조에 의해, 메모리 셀의 피치(pitch)를, 상 기 제조 공정에 대하여 축소된 최소 특징부 크기로서 스케일링하는 것이 가능해진다. 또한, 플로팅 게이트와 유전체 전하 트래핑 요소의 조합, 또는 인터포리 유전체 구조를 전하 트래핑 유전체 요소로 대체하는 것은 어떠한 종래 기술 디바이스와도 다르다. 기재되는 실시예에서, 플로팅 게이트로부터 전하 트래핑 층으로의 터널링 효율이 기판과 플로팅 게이트 간의 터널링 효율보다 훨씬 더 좋도록, 전하 트래핑 요소가 구성된다. 따라서 밴드갭 엔지니어링된 터널링 장벽 구조는 이러한 구조에서 사용되기에 적합하다. 덧붙이자면, 유전체 전하 트래핑 층 내부에 전하의 대부분이 저장되는 메모리 셀을 제공함으로써, 디바이스에 대한 바람직한 보유성과 신뢰성이 얻어질 수 있다. 덧붙이자면, 디바이스의 채널은 등-전위 플로팅 게이트(equi-potential floating gate)에 의해 직접 제어된다. 이는 종래의 MOSFET과 같은 DC 특성을 제공한다. The nearly planar structure of the final device makes it possible to scale the pitch of the memory cell as the minimum feature size reduced for the fabrication process. In addition, the combination of floating gate and dielectric charge trapping elements, or the substitution of an interpore dielectric structure with a charge trapping dielectric element, is unlike any prior art device. In the described embodiment, the charge trapping element is configured such that the tunneling efficiency from the floating gate to the charge trapping layer is much better than the tunneling efficiency between the substrate and the floating gate. Thus, bandgap engineered tunneling barrier structures are suitable for use in such structures. In addition, by providing a memory cell in which most of the charge is stored inside the dielectric charge trapping layer, desirable retention and reliability for the device can be obtained. In addition, the channel of the device is directly controlled by an equi-potential floating gate. This provides the same DC characteristics as a conventional MOSFET.
도 24에서 나타나는 바와 같이 구현되는 셀의 채널 영역이, 이온 주입 공정 동안 도펀트의 확산에 의해 축소되는 워드라인(615-1)의 폭에 의해 정의되는 소스 영역과 드레인 영역 간의 길이를 갖는다. 채널의 폭(W)은 STI 구조(511, 512) 사이의 간격에 의해 정의된다. 본원에서 정의되는 채널의 길이와 폭은 채널의 활성 영역(active region)의 면적을 확립하며, 상기 면적은 워드라인(615-1)의 폭 곱하기 STI 구조들 간의 간격과 같거나 더 작다.The channel region of the cell implemented as shown in FIG. 24 has a length between the source region and the drain region defined by the width of the word line 615-1 that is reduced by diffusion of the dopant during the ion implantation process. The width W of the channel is defined by the spacing between the
도시된 구조에서 플로팅 게이트 요소(601)는 충분히 평면이며, 상부 및 하부 표면상에서 거의 동일한 면적을 갖는다. 플로팅 게이트 요소(601)의 면적은, STI 구조들 간의 간격 및 워드라인의 폭을 설정하는 에칭 공정에 의해 정의된다. 따라 서 플로팅 게이트 요소(601)의 상부 및 하부 표면의 면적은 실질적으로 서로 동일하며, 워드라인의 폭과 STI 구조 간의 간격의 곱과 실질적으로 동일하다. 마찬가지로, 이 실시예에서의 셀에 대한 상부 접촉부의 면적이, STI 구조들 간의 간격과 워드라인의 폭을 설정하는 에칭 공정에 의해 정의된다. 따라서 셀에 대한 상부 접촉부로서 기능하는 워드라인의 하부 표면의 면적은 전도성 층의 상부 표면의 면적과 실질적으로 동일하며, 이러한 면적은 워드라인의 폭과 STI 구조들 간의 간격의 곱에 의해 정의된다.In the structure shown, the floating
도 24의 도시로부터 나타나는 바와 같이, 45나노미터 이하의 핵심 특징부(critical feature)를 형성하는 공정을 이용하여 제조된 대표적인 메모리 셀의 채널 영역은 45나노미터 이하의 소스와 드레인 간 길이를 가지며, 상기 길이에 직교하는 45나노미터 이하의 폭을 갖는다.As shown from the illustration of FIG. 24, the channel region of a typical memory cell fabricated using a process for forming critical features of 45 nanometers or less has a length between source and drain of 45 nanometers or less, It has a width of 45 nanometers or less orthogonal to the length.
30나노미터 이하의 핵심 특징부를 형성하는 공정을 이용하여 제조되는 대표적인 실시예는 30나노미터 이하의 소스와 드레인 간 길이를 갖고, 상기 길이에 직교하는 30나노미터 이하의 폭을 가지며, 다층 스택이 약 20나노미터 이하의 유효 옥사이드 두께를 가지며, 채널 영역은 상기 길이와 직교하고, 다층 스택의 유효 옥사이드 두께의 1.5배 이하인 폭을 갖는다.A representative embodiment fabricated using a process to form key features of 30 nanometers or less has a length between source and drain of 30 nanometers or less, has a width of 30 nanometers or less orthogonal to the length, It has an effective oxide thickness of about 20 nanometers or less and the channel region is orthogonal to the length and has a width that is 1.5 times or less of the effective oxide thickness of the multilayer stack.
대표적인 실시예에서, 메모리 셀의 채널 폭(W)은 45나노미터 이하이다. 메모리 셀의 전하 트래핑 요소(602)의 유효 옥사이드 두께(EOT)(물질의 유전 상수에 의해 나눠지는 실리콘 다이옥사이드의 유전 상수의 함수로서 스케일링되는 실제 두께)가 15 내지 25나노미터의 수준일 수 있다. 이러한 구조를 갖는 메모리 셀에 있 어서, 채널 폭은, 터널링 장벽 구조와 전하 트래핑 구조와 상부 유전체 층의 조합의 EOT로서 계산된 메모리 셀의 전하 트래핑 요소(602)의 유효 옥사이드 두께의 약 1.5배 이하일 수 있으며, 더 바람직하게는 메모리 셀의 유효 옥사이드 두께와 거의 동일하다. 20나노미터 이하의, 그리고 메모리 셀의 EOT보다 작은 채널 폭을 갖는 실시예가 포토레지스트 트리밍 기법(photoresist trimming technique), 또는 PSM(phase shift masking), 또는 그 밖의 다른 서브리소그래피 패턴처리 기법을 이용하여 구현될 수 있다. In an exemplary embodiment, the channel width W of the memory cell is less than 45 nanometers. The effective oxide thickness (EOT) (the actual thickness scaled as a function of the dielectric constant of silicon dioxide divided by the dielectric constant of the material) of the
특정 실시예에서, 메모리 셀은 45나노미터 이하의, 바람직하게는 다층 스택의 EOT 수준의 채널 폭을 갖는 NAND 어레이로 구성될 수 있다. In a particular embodiment, the memory cells may be composed of NAND arrays having channel widths of 45 nanometers or less, preferably at the EOT level of the multilayer stack.
또한 본원에서 기재되는 메모리 셀은 그 밖의 다른 어레이 구조로 구현될 수 있다. 예를 들어, 본원에서 설명되는 전하 트래핑/플로팅 게이트 메모리 셀을 이용하는 어레이 구조가 NOR 구성과 AND 구성으로 구현될 수 있다. 덧붙이자면, 본원에서 기재되는 바와 같은 전하 트래핑/플로팅 게이트 메모리 셀을 이용하는 메모리 어레이는, 예를 들어, 동 출원인의 함께 출원된 2008년 7월 24일자 US 특허 공개 제2008/0175053호(출원번호 제12/056,489호, 출원일자 2008년 3월 27일)에서 기재된 것과 같은 박막 트랜지스터(TFT) 기법과 실리콘-온-인슐레이터(silicon-on-insulator) 기법을 이용하여 구현될 수 있으며, 상기 출원은 본원에서 참조로서 인용된다.In addition, the memory cells described herein may be implemented in other array structures. For example, an array structure using the charge trapping / floating gate memory cells described herein can be implemented in NOR and AND configurations. In addition, memory arrays using charge trapping / floating gate memory cells as described herein are described, for example, in US Patent Publication No. 2008/0175053, filed July 24, 2008, filed with the same applicant. 12 / 056,489, filed March 27, 2008, which may be implemented using a thin film transistor (TFT) technique and a silicon-on-insulator technique. Cited by reference.
제조 공정은 현재의 플로팅 게이트 플래쉬 메모리 기술에 대하여 적용되는 것과 매우 유사하지만, 플로팅 게이트와 거의-평면 인터폴리 유전체 전하 트래핑 구조에 대하여 얇은 폴리실리콘 층을 제공하기 위해 변경되었다. 따라서 다양한 어레이 구조로 쉽게 적용될 수 있다. 덧붙이자면, 플로팅 게이트/전하 트래핑 메모리 디바이스가 p-채널 및 n-채널 기술 모두로 구현될 수 있다. The fabrication process is very similar to that applied for current floating gate flash memory technology, but has been modified to provide a thin polysilicon layer for floating gates and near-plane interpoly dielectric charge trapping structures. Therefore, it can be easily applied to various array structures. In addition, floating gate / charge trapping memory devices may be implemented in both p-channel and n-channel technologies.
도 25는 전하 트래핑 플로팅 게이트(CTFG) 메모리 셀의 어레이를 갖는 집적 회로의 단순화된 다이어그램이다. 집적 회로(1950)는 본원에서 설명되는 바와 같이, 반도체 기판 상에, 비-휘발성 CTFG 메모리 셀을 이용하여 구현되는 메모리 어레이(1900)를 포함한다. 어레이(1900)의 메모리 셀은 병렬로, 또는 직렬로, 또는 VGA(virtual ground array)로, 상호연결될 수 있다. 로우 디코더(row decoder, 1901)가, 메모리 어레이(1900)의 로우(row)를 따라 배열된 복수 개의 워드라인(1902)으로 연결된다. 본원에서 설명되는 메모리 셀은 NAND 어레이, NOR 어레이, 또는 그 밖의 다른 타입의 어레이 구조로 구성될 수 있다. 컬럼 디코더(column decoder, 1903)가, 상기 메모리 어레이(1900)의 컬럼(column)을 따라 배열된 복수 개의 비트라인(1904)로 연결된다. 버스(1905)를 통해, 컬럼 디코더(1903)와 로우 디코더(1901)로 어드레스가 제공된다. 블록(1906)의 감지 증폭기 및 데이터-유입 구조가 데이터 버스(1907)를 통해 컬럼 디코더(1903)로 연결된다. 데이터가 집적 회로(1950) 상의 입력/출력 포트로부터, 또는 집적 회로(1950)의 내부나 외부의 그 밖의 다른 데이터 소스로부터, 데이터-유입 라인(data-in line, 1911)을 통해, 블록(1906)의 데이터-유입 구조로 공급된다. 데이터가, 블록(1906)의 감지 증폭기로부터, 데이터-유출 라인(1915)을 통해, 집적 회로(1950) 상의 입력/출력 포트로, 또는 집적 회로(1950)의 내부나 외부에 위치하는 그 밖의 다른 데이터 도착지로 공 급된다. 바이어스 배열 상태 머신(bias arrangement state machine, 1909)은, 예를 들어, 소거 검증 전압(erase verify voltage)과 프로그램 검증 전압(program verify voltage) 등의 바이어스 배열 공급 전압(bias arrangement supply voltage, 1908)의 적용을 제어하고, 메모리 셀을 프로그래밍, 소거 및 판독하기 위한 배열을 제어한다. 어레이는, 프로세서, 그 밖의 다른 메모리 어레이, 프로그램가능한 로직, 전용 로직 등의 그 밖의 다른 모듈과 집적 회로 상에서 조합될 수 있다. 25 is a simplified diagram of an integrated circuit having an array of charge trapping floating gate (CTFG) memory cells. Integrated
도 26은 본원에서 기재되는 제조된 메모리 셀이 주변 회로에서 사용되는 CMOS 디바이스와 일체 구성될 수 있는 효과적인 방식을 도시한다. 도 26에서, 도 23의 것과 같은 메모리 셀이 동일한 도면 부호를 갖고 도시된다. 주변 MOSFET이 오른쪽에 도시되어 있다. 나타나다시피, 주변 MOSFET은 메모리 셀의 채널/비트라인 구조와 동시에 형성되고 패턴처리될 수 있는 채널 몸체(550)를 갖는다. 마찬가지로, 상기 주변 MOSFET은, 메모리 어레이 영역에서 터널링 장벽 구조(501)가 형성되는 것과 동시에 놓일 수 있는 게이트 유전체 층(551)을 갖는다. 공정 일체화를 위해, 플로팅 게이트(502-1) 위에서의 전하 트래핑 구조의 형성을 위해 사용되는 층의 스택(536-540)은 어레이의 주변 영역 모두를 덮는 블랭킷 공정(blanket process)에서 형성된다. 주변 영역에서, 리소그래피 공정, 또는 그 밖의 다른 패턴 처리 공정이 사용되어, 접촉 오프닝, 예를 들어, 층(536-540)의 스택을 관통하는 오프닝(600)을 형성할 수 있다. 어레이에서 워드라인(530)에 대한 폴리실리콘이 증착될 때, 폴리실리콘이 상기 접촉 오프닝을 충진하여, 메모리 셀에서 플로팅 게이트를 형성하기 위해 사용되는 제 1 폴리실리콘 층을, 메모리 셀에서 워드라인을 형 성하고 주변주 MOSFET에서 트랜지스터 게이트 구조와 인터커넥트를 형성하기 위해 사용되는 제 2 폴리실리콘으로 연결한다. 따라서 제조 공정은, 메모리 셀을 주변 회로와 완전히 일체 구성하기 위한 접촉 오프닝(600)을 형성하기 위해, 단 하나의 추가적인 패턴 처리 단계만 필요로 한다. 최종 MOSFET은 메모리 어레이의 로컬 비트라인 선택 트랜지스터로서 사용될 수 있으며, 로컬 비트라인을 글로벌 금속 비트라인으로 연결한다. FIG. 26 illustrates an effective manner in which the fabricated memory cells described herein can be integrated with CMOS devices used in peripheral circuits. In FIG. 26, memory cells such as those in FIG. 23 are shown with the same reference numerals. The peripheral MOSFET is shown on the right. As can be seen, the peripheral MOSFET has a
주변 CMOS 회로는 종종 다중 게이트 옥사이드 두께와 구현을 필요로 한다. 두꺼운 게이트 옥사이드와 얇은 게이트 옥사이드가, 디바이스 위에 두꺼운 옥사이드(thick oxide)를 먼저 형성하고, 두꺼운 옥사이드가 요구되는 지정된 영역으로 패턴을 적용하며, 상기 패턴 외부의 두꺼운 옥사이드를 제거하는 기법에 의한 공정에서 일체 구현될 수 있다. 두꺼운 옥사이드를 제거한 후, 터널링 장벽 구조(501) 및 게이트 유전체 층을 위한 얇은 게이트 옥사이드(551)와 같은 얇은 옥사이드(thin oxide)가 성장될 수 있다. 두꺼운 옥사이드의 두께는 상기 얇은 옥사이드의 성장 동안 거의 변하지 않는다.Peripheral CMOS circuits often require multiple gate oxide thicknesses and implementations. Thick gate oxide and thin gate oxide are all formed in a process by a technique of first forming a thick oxide on a device, applying a pattern to a designated area where a thick oxide is required, and removing a thick oxide outside the pattern. Can be implemented. After removing the thick oxide, a thin oxide such as
도 27은 또 하나의 전하 트래핑 플로팅 게이트 메모리 셀을 도시하며, 여기서 전하 트래핑 유전체 요소(602)는 도 14의 전하 트래핑 유전체 스택(322)에 비교할 대 수정되어, 이 실시예에서는 버퍼 층(640)과 하이-k 캡핑 층(641)을 포함하는 스택을 포함하는 차단 유전체 층을 제공할 수 있다. 도 27에서 사용된 도면 부호는 적정한 경우, 도 14에서 사용된 것에 일치시켰다. 본원의 하이-k는 7보다 큰 유전 상수를 일컬으며, Al2O3, HfO, ZrO2, La2O3, AlSiO, HfSiO 및 ZrSiO 등의 물질에서 발견된다. FIG. 27 illustrates another charge trapping floating gate memory cell, where the charge trapping
습식 노 산화 공정(wet furnace oxidation process)에 의한 나이트라이드의 습식 변이(wet conversion)에 의해, 실리콘 다이옥사이드의 버퍼 층(640)이 형성될 수 있다. 고온 옥사이드(HTO), 또는 LPCVD SiO2를 이용하여, 그 밖의 다른 실시예가 구현될 수 있다. 막을 강화하기 위한 60초 동안의 약 900℃에서의 후 급속 열 어닐링(post rapid thermal anneal)을 포함하여, 원자 기상 증착에 의해, 알루미늄 옥사이드 캡핑 유전체 층(641)이 만들어질 수 있다. By wet conversion of nitride by a wet furnace oxidation process, a
이들 공정을 사용하여, (거의 결함 없이 형성될 수 있는) 실리콘 옥사이드의 층과, 하이-k의 캡핑 층과, 알루미늄 옥사이드 등의 높은 전도띠 오프셋 물질이 조합되어, 바람직한 보유 특성과 매우 낮은 소거 포화 전압을 제공하는 차단 유전체 층을 제공할 수 있다. 따라서 EOT는 감소될 수 있고, 동작 전압은 낮아질 수 있다.Using these processes, a layer of silicon oxide (which can be formed almost without defects), a high-k capping layer, and a high conduction band offset material such as aluminum oxide are combined to provide desirable retention properties and very low erase saturation. A blocking dielectric layer may be provided that provides a voltage. Thus the EOT can be reduced and the operating voltage can be lowered.
또한 실리콘 옥사이드(k1=3.9)와 알루미늄 옥사이드(k2=약8)의 조합에 대하여, 차단 유전 층의 하부 층(640)의 두께에 대한 상부 층(641)의 두께의 비는 2 이하일 수 있다. 일반적으로, 상부 층(641)이 유전 상수의 비(8/3.9)와 하부 층(640)의 두께를 곱한 값보다 작은 두께를 가질 수 있다. 따라서 본원에서 기재되는 차단 유전체 층은 전하 트래핑 유전체 층과 접촉하며 유전 상수 k1을 갖는 제 1 층(640)과, 상기 제 1 층의 k1보다 높은 유전 상수 k2를 갖는 제 2 층(641)을 포함하며, 상 기 제 2 층은 상기 제 1 층의 두께에 k2/k1을 곱한 값보다 작은 두께를 갖는다. Al2O3의 장벽 높이가 거의 SiO2와 동일하기 때문에, N+ 폴리실리콘 게이트를 포함하는 알루미늄 옥사이드의 전자 장벽 높이, 또는 전도띠 오프셋은 약 3.1eV가 된다. 일반적으로, 이러한 실시예에 따라, 제 2 층은 제 1 층의 k1보다 높은 유전 상수 k2를 가지며, 제 2 층은 제 1 층의 두께에 k2/k1을 곱한 값보다 작은 두께를 갖는다. 도 27의 구조는, 바람직한 보유성은 유지하면서, 네거티브 바이어스 Fowler-Nordheim 소거 프로세스 동안 게이트 주입 전류를 낮추는 것을 제공한다.Also for a combination of silicon oxide (k 1 = 3.9) and aluminum oxide (k 2 = about 8), the ratio of the thickness of the
도 14의 스택이 전하 트래핑 유전체 스택(652)으로 대체되어, 터널링 장벽 구조(315)와 차단 유전체 층(320)이 모두 대체되는 또 다른 대안예가 도 28에서 도시된다. 종래의 MONOS 디바이스에서 사용되는 것과 같은 단일 층 터널링 옥사이드를 이용하여, 또는 그 밖의 다른 터널링 장벽 구조를 이용하여, 제 2 터널링 장벽 구조(650)가 구현된다. 이 실시예에서, 상기 터널링 장벽 구조(650)는, 앞서 언급된 바와 같이, 가령, 3나노미터 이하의 두께를 갖는 실리콘 다이옥사이드를 이용하여 구현됨으로써, 제 1 터널링 장벽 구조(313)보다 터널링에 대한 더 작은 장벽을 제공해야 한다. 덧붙이자면, 차단 유전체 층(651)이 하이-k 물질, 예를 들어, 알루미늄 옥사이드에 의해 구현된다. 또한 워드라인 층(653)이 TaN, 또는 그 밖의 다른 높은 일함수의 물질을 이용하여 구현되어, 도 14의 워드라인(310)에 대한 대안적 물질을 강조할 수 있다. MANOS/TANOS 구조라고 일반적으로 알려진 최종 구조가 플로팅 게이트 위의 인터폴리 유전체를 대신하여 제공된다.Another alternative is shown in FIG. 28 where the stack of FIG. 14 is replaced with a charge trapping
도 29-38은 FG-BE-SONOS 디바이스의 테스트의 결과를 나타내며, 여기서 제 1 터널링 장벽 구조는 ISSG(in situ steam generation)에 의해 형성된 실리콘 옥사이드(54Å 두께 이상)이고, 플로팅 게이트는 도핑되지 않은 폴리실리콘(40Å 두께 이상)이며, 제 2 터널링 장벽 구조는 각각 약 13Å, 20Å 및 25Å의 두께를 갖는 O1/N1/O2을 포함하는 밴드갭 엔지니어링된 구조이며, 전하 트래핑 층은 약 50Å 두께의 실리콘 나이트라이드이고, 차단 유전체 층은 약 40Å 두께의 실리콘 옥사이드이다. 자가-정렬된 STI 구조는 STI와 WL 방향 모두에서 플로팅 게이트 폴리를 고립시키도록 제조되었다. 테스트되는 디바이스는 구조의 실행가능성(viability)을 실험하면서 주변 효과 없이 내부 특성의 모니터링을 가능하게 하는 넓은 면적 디바이스(large area device)였다.29-38 show the results of a test of the FG-BE-SONOS device, where the first tunneling barrier structure is silicon oxide (over 54 microns thick) formed by in situ steam generation (ISSG) and the floating gate is undoped Polysilicon (40 microns thick or more), the second tunneling barrier structure is a bandgap engineered
도 29는 +15V 내지 +22V 범위의 +FN 프로그래밍 바이어스 하에서의 테스트 결과를 나타낸다. 상기 디바이스의 최초 문턱 전압 Vt는 약 2.2V였다. 문턱값은 테스트되는 샘플에서 약 6V의 레벨에서 포화상태가 된다. 나타나다시피, 셀은 +18V 이하의 바이어스 상태 하에서, 10ms 이하 내에 매우 빠르게 4V보다 큰 레벨로 프로그래밍될 수 있다. 더 높은 전기장을 이용해 더 빠른 프로그래밍 속도가 얻어질 수 있다. 29 shows test results under a + FN programming bias in the range of + 15V to + 22V. The initial threshold voltage V t of the device was about 2.2V. The threshold is saturated at a level of about 6V on the sample under test. As can be seen, the cell can be programmed to a level greater than 4V very quickly within 10ms or less, under a bias state of + 18V or less. Faster programming speeds can be achieved with higher electric fields.
도 30은 -17V 내지 -20V의 네거티브 FN 소거 바이어스 하에서의 테스트 결과를 나타낸다. 소거된 상태는 최초 문턱값보다 약 2V만큼 낮을 수 있다. 이 디바이스에서 소거 포화는 약 0V의 문턱 전압에서 발생한다. 상기 디바이스는 18 이하의 크기를 갖는 네거티브 전압 바이어스 상태 하에서, 100ms 이하 내에, 1V 이하의 문턱 전압으로 소거될 수 있다. 더 높은 전기장을 이용하여, 더 빠른 소거 속도가 얻어질 수 있다.30 shows test results under negative FN erase bias of −17 V to −20 V. FIG. The erased state may be about 2V below the initial threshold. In this device, erase saturation occurs at a threshold voltage of about 0V. The device can be erased to a threshold voltage of 1V or less, within 100ms or less, under a negative voltage bias condition having a magnitude of 18 or less. With higher electric fields, faster erase rates can be obtained.
도 31은 테스트되는 디바이스에 대한 +FN ISPP(incremental step pulse programming)의 결과를 도시하며, 이때, 시작 프로그램 펄스 크기는, 증분(increment) 당 100㎲ 펄스를 이용하여, 17 내지 20V이다. 이 예시에서 ISSP 기울기는 약 0.7이다. 일반적으로, 테스트되는 디바이스는, 6V 이상의 문턱 전압을 얻기 위해, 25V 수준의 비교적 높은 전압을 필요로 한다. 또한, ISPP 프로그래밍은, ISPP 프로그래밍이 12V 수준의 전위에서 개시되는 표준 밴드갭 엔지니어링된 SONOS에 비교할 때, 16V 이상의 비교적 더 높은 프로그램 전위에서 개시된다. 상기 비교적 더 높은 전압 동작은, 약 13나노미터인 BE-SONOS 구조의 EOT와, 플로팅 게이트 아래의 터널링 장벽 구조의 약 5나노미터인 EOT와, 공핍 모드의 플로팅 게이트의 유효 옥사이드 두께를 고려하는, 구조의 더 큰 유효 옥사이드 두께로부터 기인한다. FIG. 31 shows the result of + FN incremental step pulse programming (ISPP) for the device under test, wherein the start program pulse size is 17-20 V, using 100 Hz pulses per increment. In this example, the ISSP slope is about 0.7. In general, the device under test requires a relatively high voltage, on the order of 25V, to achieve a threshold voltage of 6V or higher. In addition, ISPP programming is initiated at a relatively higher program potential of 16V or more, compared to standard bandgap engineered SONOS where ISPP programming is initiated at a 12V level potential. The relatively higher voltage operation takes into account the EOT of the BE-SONOS structure, which is about 13 nanometers, the EOT which is about 5 nanometers of the tunneling barrier structure below the floating gate, and the effective oxide thickness of the floating gate in the depletion mode. It results from the larger effective oxide thickness of the structure.
도 32 및 33은 약 0.2μ의 길이와 약 0.07μ의 폭을 갖는 제 1 셀 및 약 0.2μ의 길이와 약 0.15μ의 폭을 갖는 제 2 셀에 대한 드레인 전류 대 게이트 전압(IV) 곡선을 각각 도시한다. 테스트에서, 소스가 약 0.5V의 전위에 연결되는 동안 드레인과 몸체는 접지되었다. 도면에서는 최초 문턱 전압에서의 IV 곡선이 판독될 수 없다. 그러나 실질적으로, 최초 문턱 전압에서의 IV 곡선은, 약 2.2V의 문턱값에서 시작하여, 나머지 모든 라인에 평행이다. 이들 도면에서 데이터에 의해 나 타나는 바와 같이, IV 곡선은 프로그램 및 소거 연산 동안 평행하게 이동한다.32 and 33 show drain current versus gate voltage (IV) curves for a first cell having a length of about 0.2 μm and a width of about 0.07 μ and a second cell having a length of about 0.2 μ and a width of about 0.15 μ Each is shown. In the test, the drain and body were grounded while the source was connected to a potential of about 0.5V. In the figure, the IV curve at the initial threshold voltage cannot be read. In practice, however, the IV curve at the initial threshold voltage is parallel to all remaining lines, starting at a threshold of about 2.2V. As represented by the data in these figures, the IV curves move in parallel during the program and erase operations.
도 34는 테스트되는 메모리 셀에 대한 문턱 아래 값(sub-threshold)의 이동을 도시한다. 나타나다시피, 임계 전압의 큰 범위에 걸친 문턱 아래 값 이동(SS)의 매우 미세한 변동이 존재한다. 34 shows the shift of the sub-threshold for the memory cell under test. As can be seen, there is a very slight variation in the value shift (SS) below the threshold over a large range of threshold voltages.
도 35는 문턱 전압에 걸리는 트랜스컨덕턴스(gm)의 변동을 도시한다. 문턱 아래 값 이동 및 트랜스컨덕턴스가 표준 BE-SONOS 셀에서 나타나는 것보다 비교적 더 작다. 이러한 효과는 전하 트래핑 플로팅 게이트 셀의 플로팅 게이트가 등전위 평면(equipotential plane)을 제공하여, 표준 유전체 전하 트래핑 셀에서 발생하는 에지 효과를 상쇄한다는 사실의 결과인 것이다.35 shows the variation in transconductance g m over the threshold voltage. The sub-threshold value shift and transconductance are relatively smaller than those seen in a standard BE-SONOS cell. This effect is the result of the fact that the floating gate of the charge trapping floating gate cell provides an equipotential plane, which offsets the edge effect that occurs in standard dielectric charge trapping cells.
도 36은 8V의 게이트 전압과 4V의 드레인 전압에서 시작하여, 1마이크로세컨드의 펄스와 0.1V의 단(step)을 갖는 계단형 게이트 전압(stepped gate voltage)과 계단형 드레인 전압(stepped drain voltage)을 이용하여, CHE(channel hot electron) 프로그래밍 바이어스 하에서, 테스트되는 셀의 성능을 도시한다. 프로그래밍 후, 역방향 판독(reverse read)과 순방향 판독(forward read)이 셀에 적용된다. FIG. 36 illustrates a stepped gate voltage and stepped drain voltage starting with a gate voltage of 8V and a drain voltage of 4V, with a pulse of 1 microsecond and a step of 0.1V. Is used to show the performance of the cell under test, under channel hot electron programming bias. After programming, reverse read and forward read are applied to the cell.
도 37은 -FN 터널링을 이용하여 이뤄진 소거된 상태와, 드레인 측으로부터의 CHE 프로그래밍을 이용하여 이뤄진 프로그램된 상태에 대한 대수 배율(logarithmic scale) 상의 게이트 전압 대 드레인 전류를 도시한다. 도 38은 0 내지 5x10-5amps의 선형 배율(linear scale) 상의 게이트 전압 대 드레인 전류를 도시한다. 도 36 내지 38은 순방향 및 역방향 판독은 본질적으로 동일한 전류를 도출한다. 이는 얇은 플로팅 게이트(이 예시에서는 약 40Å의 두께)가, 유전체 전하 트래핑 층 때문에 발생할 임의의 불균일한 주입으로부터 채널을 차단함을 의미한다. 또한 CHE 프로그래밍은 매우 높은 속도로의 7V 이상의 문턱 전압까지의 프로그래밍을 위해 제공되어, 4V 이상의 메모리 윈도우가 가능해진다. CHE 프로그래밍이 Fowler Nordheim 프로그래밍보다 훨씬 더 효율적일 수 있다.FIG. 37 shows the gate voltage versus drain current on a logarithmic scale for an erased state made using -FN tunneling and a programmed state made using CHE programming from the drain side. FIG. 38 shows the gate voltage versus drain current on a linear scale of 0-5x10-5 amps. 36-38 show that the forward and reverse reads lead to essentially the same current. This means that a thin floating gate (about 40 microns thick in this example) shields the channel from any non-uniform implantation that would occur due to the dielectric charge trapping layer. CHE programming is also provided for programming up to threshold voltages above 7V at very high speeds, allowing memory windows above 4V. CHE programming can be much more efficient than Fowler Nordheim programming.
도 39 및 40은 제 1 및 제 2 터널링 장벽 구조가 약 54Å 두께의 실리콘 다이옥사이드의 동일한 층인 전하 트래핑 플로팅 게이트 디바이스를 테스트하는 결과를 도시한다. 플로팅 게이트 층, 전하 트래핑 층 및 차단 층은, 제 2 터널링 장벽 구조의 밴드갭 엔지니어링된 구조를 이용하여 테스트된 것과 동일하였다. 도 39는 디바이스 상의 ISPP 프로그래밍 작업에 대한 문턱 전압 대 프로그래밍 전압 그래프를 도시한다. 나타나다시피, 상기 디바이스는 효율적으로 프로그래밍되지 않을 수 있다. 도 40은 -20V의 소거 전압에 대한 문턱 전압 대 소거 시간을 도시한다. 다시, 이 도면은 셀이 소거되지 않을 수 있음을 보여준다. 이 테스트를 바탕으로, 앞서 언급된 바와 같이, 누설을 방지하도록 동작하면서, 바람직한 내구력을 제공하면서, 전하 트래핑 층으로의 전하 터널링을 촉진하기 위해, 제 2 터널링 장벽 구조는 제 1 터널링 장벽 구조와는 다른 터널링 동작을 가져야 한다고 결론내릴 수 있다. 39 and 40 show the results of testing a charge trapping floating gate device in which the first and second tunneling barrier structures are the same layer of silicon dioxide about 54 microns thick. The floating gate layer, the charge trapping layer and the blocking layer were the same as tested using the bandgap engineered structure of the second tunneling barrier structure. 39 shows a threshold voltage versus programming voltage graph for an ISPP programming task on a device. As can be seen, the device may not be programmed efficiently. 40 shows the threshold voltage versus erase time for an erase voltage of -20V. Again, this figure shows that the cell may not be erased. Based on this test, as mentioned above, in order to facilitate charge tunneling into the charge trapping layer while operating to prevent leakage, while providing the desired durability, the second tunneling barrier structure is different from the first tunneling barrier structure. It can be concluded that it should have different tunneling behavior.
요컨대, 본원에서 기재된 바와 같이, 얇은 플로팅 게이트 메모리 셀을 포함하는 플래쉬 메모리 디바이스는 제공될 수 있으며, 이때, 상기 얇은 플로팅 게이트 메모리 셀에서, 인터폴리 유전체는 전하 트래핑 디바이스로서 동작하도록 배열된 평면, 또는 거의 평면의 유전체 스택으로 대체되고, 플로팅 게이트와 전하 트래핑 디바이스 간의 터널링 효율은 채널과 플로팅 게이트 간의 터널링 효율보다 더 크다. 메모리 셀의 내부에 저장된 전하의 대부분은 유전체 전하 트래핑 디바이스 내부에 가둬진다. 그러나 채널 동작은 가둬진 전하와 채널 사이의 등전위 플로팅 게이트 구조에 의해 제어되며, MOSFET, 또는 전통적인 플로팅 게이트 셀의 성능과 유사한 DC 성능을 제공한다. 상기 메모리 셀은 NAND, NOR 및 가상 접지 AND-형 구조 등의 많은 타입의 어레이 구조에 적용될 수 있다. 상기 디바이스는 n-채널 및 p-채널 기술 모두를 이용하여 구현될 수 있다. 덧붙이자면, 이러한 구성에 의해, 전하 트래핑 요소에 인접한 트렌치 고립 구조에 의해 초래되는 에지 효과를 피하는 구조가 가능하고, 바람직한 데이터 보유성 및 터널 옥사이드 결함에 대한 면역성이 제공되며, 또한 이러한 구성은 현재의 플로팅 게이트 플래쉬 메모리 기술로 쉽게 통합되는 제조 단계를 이용하여 만들어질 수 있다.In sum, as described herein, a flash memory device comprising a thin floating gate memory cell may be provided, wherein in the thin floating gate memory cell, an interpoly dielectric is planar arranged to operate as a charge trapping device, or Replaced by a nearly planar dielectric stack, the tunneling efficiency between the floating gate and the charge trapping device is greater than the tunneling efficiency between the channel and the floating gate. Most of the charge stored inside the memory cell is trapped inside the dielectric charge trapping device. However, channel operation is controlled by trapped charge and the equipotential floating gate structure between the channels, providing DC performance similar to that of MOSFETs or traditional floating gate cells. The memory cell can be applied to many types of array structures, such as NAND, NOR, and virtual ground AND-type structures. The device can be implemented using both n-channel and p-channel techniques. In addition, such a configuration allows for a structure that avoids the edge effect caused by the trench isolation structure adjacent to the charge trapping element, provides desirable data retention and immunity to tunnel oxide defects, and this configuration also provides It can be made using fabrication steps that are easily integrated into floating gate flash memory technology.
본 발명이 앞서 상세히 설명된 바람직한 실시예와 예시들을 참조하여 기술되었지만, 이들 예시들은 설명을 위한 것이지 제한하기 위한 것이 아니다. 본원에서 설명되는 조립 단계 및 구조들은 전체 집적 회로의 제조에 대한 완전한 공정 흐름을 커버하는 것이 아니다. 본 발명은 해당 분야에 알려져 있거나 미래에 개발될 다양한 집적 회로 조립 기법과 연계되어 실현될 수 있다.Although the present invention has been described with reference to the preferred embodiments and examples described above in detail, these examples are intended to be illustrative and not restrictive. The assembly steps and structures described herein do not cover the complete process flow for the fabrication of the entire integrated circuit. The invention can be realized in connection with various integrated circuit assembly techniques known in the art or developed in the future.
도 1은 종래 기술의 SONOS-형 메모리 셀의 기본 구조를 도시한다.1 shows the basic structure of a prior art SONOS-type memory cell.
도 2는 NAND 어레이 구성에서 워드라인과 평행하는 채널 폭 크기를 따라 취해진 기본 종래 기술의 SONOS-형 메모리 셀의 단면도를 도시한다.2 shows a cross-sectional view of a basic prior art SONOS-type memory cell taken along a channel width size parallel to the wordline in a NAND array configuration.
도 3은 하부 유전체, 전하 트래핑 층 및 상부 유전체의 조합의 유효 옥사이드 두께에 비해 채널 폭이 감소된 도 2와 유사한 구조를 도시한다. FIG. 3 shows a structure similar to FIG. 2 with a reduced channel width compared to the effective oxide thickness of the combination of the bottom dielectric, charge trapping layer and top dielectric.
도 4는 종래 기술 메모리 셀의 채널 폭 크기를 따르는 비대칭 전하 트래핑 분호를 도시한다. 4 illustrates an asymmetric charge trapping derivation along the channel width size of a prior art memory cell.
도 5는 채널 폭 크기를 따르는 메모리 셀의 유효 문턱 전압의 분포를 도출하는 도 4에서 도시된 비대칭 전하 트래핑 분포를 도시한다.FIG. 5 illustrates the asymmetric charge trapping distribution shown in FIG. 4 resulting in a distribution of effective threshold voltages of the memory cells along the channel width magnitude.
도 6은 비대칭 전하 트래핑 분포로 인해 바람직하지 않은 SONOS-형 메모리 셀의 채널을 통과하는 드레인 전류 대 게이트 전압 I-V를 도시한다.FIG. 6 shows the drain current vs. gate voltage I-V through the channel of an undesired SONOS-type memory cell due to an asymmetric charge trapping distribution.
도 7은 터널링 장벽 구조 위에 위치하는 전도성 층을 포함하는 유전체 전하 트래핑 메모리 셀의 채널 길이 크기를 따라 취해진 단면도를 도시한다. FIG. 7 shows a cross-sectional view taken along the channel length of a dielectric charge trapping memory cell including a conductive layer located over a tunneling barrier structure.
도 8은 도 7에서 나타는 것과 같은 메모리 셀의 어레이의 채널 폭 크기를 따라 취해진 단면도를 도시한다.FIG. 8 illustrates a cross-sectional view taken along the channel width size of an array of memory cells as shown in FIG. 7.
도 9는 도 8에서 도시된 것과 같은 전도성 층을 포함하는 유전체 전하 트래핑 메모리 셀의 채널 폭 크기에 걸친 전하 농도의 하나의 예시를 도시한다.FIG. 9 shows one example of charge concentration across a channel width size of a dielectric charge trapping memory cell including a conductive layer as shown in FIG. 8.
도 10은 전도성 층에서의 일정한 전위를 도시하며, 상기 일정한 전위가 채널 폭 크기에서의 문턱 전압의 분포 분포에 미칠 수 있는 영향을 도시한다.FIG. 10 shows a constant potential in the conductive layer and illustrates the effect that constant potential can have on the distribution of the threshold voltage in the channel width magnitude.
도 11은 바람직하지 못한 비대칭 전하 분포를 갖고 있는 전도성 층을 포함하는 유전체 전하 트래핑 메모리 셀의 드레인 전류 대 게이트 전압 I-V 특성의 시뮬레이션을 도시한다. FIG. 11 shows a simulation of the drain current versus gate voltage I-V characteristics of a dielectric charge trapping memory cell including a conductive layer having an undesirable asymmetrical charge distribution.
도 12는 종래 기술의 플로팅 게이트 메모리 셀의 워드라인 크기르 fEk라 취해진 단면도를 도시한다.12 shows a cross-sectional view taken as the word line size fEk of a floating gate memory cell of the prior art.
도 13은 평면 셀 구조를 포함하는, 종래 기술의 플로팅 게이트 메모리 셀의 워드라인 크기를 따라 취해지는 단면도를 도시한다. 13 illustrates a cross-sectional view taken along the wordline size of a prior art floating gate memory cell, including a planar cell structure.
도 14는 본원 발명의 전하 트래핑 플로팅 게이트 메모리 셀에서의 워드라인을 따라 취해진 단면도를 도시한다.14 shows a cross-sectional view taken along the wordline in the charge trapping floating gate memory cell of the present invention.
도 14A는 낮은 전기장에서의 밴드 오프셋 기술을 포함하는 밴드갭 엔지니어링된 터널링 장벽 구조에 대한 밴드 다이어그램이며, 비교적 낮은 터널링 확률을 나타낸다.FIG. 14A is a band diagram for a bandgap engineered tunneling barrier structure including a band offset technique at low electric field, showing a relatively low tunneling probability.
도 14B는 높은 전기장에서의 밴드 오프셋 기술을 포함하는 밴드갭 엔지니어링된 터널링 장벽 구조에 대한 밴드 다이어그램이며, 비교적 높은 터널링 확률을 보여준다.14B is a band diagram for a bandgap engineered tunneling barrier structure that includes a band offset technique at high electric fields, showing a relatively high tunneling probability.
도 15는 제 2 터널링 장벽 구조에 의해 플로팅 게이트로부터 격리되는 전하 트래핑 층을 포함하는, 본원 발명의 전하 트래핑 플로팅 게이트 메모리 셀의 워드라인 상에서 취해진 단면도를 도시한다. FIG. 15 illustrates a cross-sectional view taken on the wordline of a charge trapping floating gate memory cell of the present invention, including a charge trapping layer isolated from the floating gate by a second tunneling barrier structure.
도 16은 본원에서 공개되는 전하 트래핑 플로팅 게이트 메모리 셀에 대한 프로그래밍 연산의 시뮬레이션의 결과를 나타내는 그래프이다. FIG. 16 is a graph showing the results of a simulation of a programming operation for a charge trapping floating gate memory cell disclosed herein.
도 17은 본원 발명의 전하 트래핑 플로팅 게이트 메모리 셀에 대한 프로그래밍 연산을 위한 가둬진 전하의 농도의 시뮬레이션의 결과를 나타내는 그래프이다. FIG. 17 is a graph showing the results of simulation of the concentration of confined charges for programming operations for the charge trapping floating gate memory cell of the present invention.
도 18은 본원 발명의 전하 트래핑 플로팅 게이트 메모리 셀을 위한 소거 연산의 시뮬레이션의 결과를 나타내는 그래프이다.18 is a graph showing the results of a simulation of an erase operation for the charge trapping floating gate memory cell of the present invention.
도 19는 본원 발명의 전하 트래핑 플로팅 게이트 메모리 셀을 위한 소거 연산에 대한 가둬진 전하의 농도의 시뮬레이션의 결과를 나타내는 그래프이다.19 is a graph showing the results of a simulation of the concentration of confined charges for an erase operation for the charge trapping floating gate memory cell of the present invention.
도 20은 반도체 기판 상에서 형성되는 제 1 터널링 장벽 구조와 플로팅 게이트 폴리실리콘 층을 포함하는 메모리 어레이를 제조하기 위한 방법 중 하나의 스테이지를 도시한다. 20 illustrates a stage of one of the methods for fabricating a memory array comprising a first tunneling barrier structure and a floating gate polysilicon layer formed on a semiconductor substrate.
도 21은 고립 트렌치를 에칭하고, 기판 내부의 고립 트렌치에 유전 물질을 증착하는 것을 포함하는 메모리 어레이를 제조하기 위한 방법 중 하나의 스테이지를 도시한다. 21 illustrates one stage of a method for fabricating a memory array that includes etching an isolation trench and depositing a dielectric material in the isolation trench inside the substrate.
도 22는 고립 트렌치 증착 단계로부터 여분의 옥사이드를 제거하고, 하드 마스크 층을 벗겨내며, 플로팅 게이트 폴리실리콘 층으로부터 옥사이드를 제거하는 것을 포함하는 메모리 어레이를 제조하기 위한 방법 중 하나의 스테이지를 도시한다. FIG. 22 illustrates a stage of one of the methods for manufacturing a memory array that includes removing excess oxide from an isolated trench deposition step, stripping off the hard mask layer, and removing oxide from the floating gate polysilicon layer.
도 23은 제 2 터널링 장벽 구조와, 전하 트래핑 층과, 차단 유전체 층과, 워드라인 형성을 위한 추가적인 상부 층 전도성 물질을 포함하는 물질의 스택을 형성하는 것을 포함하는 메모리 어레이를 제조하기 위한 방법 중 하나의 스테이지를 도시한다. FIG. 23 illustrates a method of fabricating a memory array comprising forming a stack of materials including a second tunneling barrier structure, a charge trapping layer, a blocking dielectric layer, and an additional top layer conductive material for wordline formation. One stage is shown.
도 24는 플로팅 게이트 구조와 유전체 전하 트래핑 구조의 조합을 포함하는 본원 발명의 메모리 셀을 포함하는 메모리 어레이를 조립하기 위한 방법 중 하나의 스테이지에 대한 도시이다.24 is an illustration of one stage of a method for assembling a memory array including a memory cell of the present invention that includes a combination of a floating gate structure and a dielectric charge trapping structure.
도 25는 전하 트래핑 플로팅 게이트(CTFG) 메모리 셀과 제어 회로의 어레이를 포함하는 집적 회로의 하나의 실시예에 따르는 단순화된 다이어그램이다. 25 is a simplified diagram in accordance with one embodiment of an integrated circuit that includes an array of charge trapping floating gate (CTFG) memory cells and control circuitry.
도 26은 주변 회로에 트랜지스터를 포함하는 본원 발명의 메모리 셀을 제조하기 위한 공정을 일체화하는 제조 스테이지를 도시한다. Figure 26 illustrates a fabrication stage integrating a process for fabricating a memory cell of the present invention comprising a transistor in a peripheral circuit.
도 27은 하이-k 캡핑된 버퍼 옥사이드 차단 유전체 층을 이용하는 대안적 전하 트래핑 플로팅 게이트 구조를 도시한다.27 shows an alternative charge trapping floating gate structure using a high-k capped buffer oxide blocking dielectric layer.
도 28은 알루미늄 옥사이드 차단 층과 일함수 게이트 물질을 이용하는 대안적 전하 트래핑 플로팅 게이트 구조를 도시한다. 28 illustrates an alternative charge trapping floating gate structure using an aluminum oxide blocking layer and a workfunction gate material.
도 29는 본원 발명의 전하 트래핑 플로팅 게이트 메모리 디바이스를 이용하는 포지티브 전압 Fowler-Nordheim(FN) 프로그래밍 연산을 테스트하는 결과를 나타내는 그래프이다. 29 is a graph showing results of testing a positive voltage Fowler-Nordheim (FN) programming operation using the charge trapping floating gate memory device of the present invention.
도 30은 본원발명의 전하 트래핑 플로팅 게이트 메모리 디바이스를 이용한 네거티브 전압 Fowler Nordheim(FN) 소거 연산을 테스트하는 결과를 보여주는 그래프이다. 30 is a graph showing the results of testing a negative voltage Fowler Nordheim (FN) erase operation using the charge trapping floating gate memory device of the present invention.
도 31은 본원발명의 전하 트래핑 플로팅 게이트 메모리 디바이스를 이용하는 ISPP(incremental step pulse programming) 연산을 테스트하는 결과를 보여주는 그래프이다. 31 is a graph showing the results of testing an incremental step pulse programming (ISPP) operation using the charge trapping floating gate memory device of the present invention.
도 32는 문턱 전압의 이동 하에서, 제 1 길이와 폭을 갖는 전하 트래핑 플로팅 게이트 메모리 디바이스를 테스트함으로써 발생되는 게이트 전압 대 드레인 전류의 그래프이다. 32 is a graph of gate voltage versus drain current generated by testing a charge trapping floating gate memory device having a first length and width under a shift in threshold voltage.
도 33은 문턱 전압의 이동 하에서, 제 2 길이 및 폭을 갖는 전하 트래핑 플로팅 게이트 메모리 디바이스를 테스트함으로써 발생되는 게이트 전압 대 드레인 전류의 그래프이다. FIG. 33 is a graph of gate voltage versus drain current generated by testing a charge trapping floating gate memory device having a second length and width under a shift in threshold voltage.
도 34는 본원발명의 전하 트래핑 플로팅 게이트 메모리 디바이스에 대한 문턱값 이동을 테스트하는 결과를 나타내는 그래프이다. 34 is a graph showing results of testing threshold shifts for the charge trapping floating gate memory device of the present invention.
도 35는 본원발명의 전하 트래핑 플로팅 게이트 메모리 디바이스에 대한 트랜스컨덕턴스를 테스트한 것의 결과를 보여주는 그래프이다.35 is a graph showing the results of testing the transconductance for the charge trapping floating gate memory device of the present invention.
도 36은 본원발명의 전하 트래핑 플로팅 게이트 메모리 디바이스의 CHE 프로그래밍 시간 대 문턱 전압의 그래프이며, 이때, 문턱 전압은 역방향 및 순방향 판독 연산에 대하여 감지된다.36 is a graph of CHE programming time versus threshold voltage of a charge trapping floating gate memory device of the present invention, wherein the threshold voltage is sensed for reverse and forward read operations.
도 37은 소거 및 프로그래밍 상태 모두에서의 본원발명의 전하 트래핑 플로팅 게이트 메모리 디바이스를 위한 게이트 전압 대 드레인 전류의 대수 배율의 그래프이다. FIG. 37 is a graph of logarithmic magnification of gate voltage versus drain current for the charge trapping floating gate memory device of the present invention in both erase and programming states.
도 38은 소거 및 프로그래밍 상태 모두에서의 본원발명의 전하 트래핑 플로팅 게이트 메모리 디바이스를 위한 게이트 전압 대 드레인 전류의 선형 배율의 그래프이다. 38 is a graph of the linear magnification of gate voltage versus drain current for the charge trapping floating gate memory device of the present invention in both erase and programming states.
도 39는 반도체 몸체와 플로팅 게이트 사이의 터널링 장벽 구조와 동일한 전 하 트래핑 층과 플로팅 게이트 사이에 터널링 장벽 구조를 포함하는 테스트되는 전하 트래핑 플로팅 게이트 메모리 디바이스에 대한 프로그래밍 전압 대 문턱 전압의 그래프이다. FIG. 39 is a graph of programming voltage versus threshold voltage for a tested charge trapping floating gate memory device that includes a tunneling barrier structure between the floating gate and a charge trapping layer that is identical to the tunneling barrier structure between the semiconductor body and the floating gate.
도 40은 반도체 몸체와 플로팅 게이트 사이의 터널링 장벽 구조와 동일한 전하 트래핑 층과 플로팅 게이트 사이에 터널링 장벽 구조를 갖는 테스트되는 전하 트래핑 플로팅 게이트 메모리 디바이스에 대한 소거 전압 대 문턱 전압의 그래프이다.40 is a graph of erase voltage vs. threshold voltage for a tested charge trapping floating gate memory device having a tunneling barrier structure between the floating gate and a charge trapping layer that is identical to the tunneling barrier structure between the semiconductor body and the floating gate.
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