KR20090132292A - Method for fabricating non volatile memory device having floating gate - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반도체소자의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 플로팅 게이트 전극을 갖는 불휘발성 메모리 소자의 제조 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a method for manufacturing a nonvolatile memory device having a floating gate electrode.
불휘발성 메모리소자(non-volatile memory device)는 전기적으로 프로그램(program) 및 소거(erase)가 가능한 메모리 소자로서, 전원이 차단되었을 때도 정보 유지가 되는 전자부품에서 폭 넓게 이용되고 있다. 불휘발성 메모리 소자는 플로팅 게이트 타입(floating gate type)의 메모리 소자와, 플로팅 트랩 타입(flating trap type)의 메모리 소자로 구분될 수 있다. Non-volatile memory devices are electrically programmable and erased, and are widely used in electronic components that maintain information even when power is cut off. The nonvolatile memory device may be classified into a floating gate type memory device and a floating trap type memory device.
플로팅 게이트 타입의 메모리 소자의 경우, 단위 셀은 컨트롤 게이트(control gate)와 폴리실리콘막을 포함하는 플로팅 게이트(floating gate)로 이루어지며, 플로팅 게이트 내의 전하 유무에 따라 정보의 기록 및 소거 기능을 수행한다. 반면에, 플로팅 트랩 타입의 메모리 소자의 경우, 단위 셀은 컨트롤 게이트와 실리콘질화물을 포함하는 전하트랩층으로 이루어지며, 전하트랩층 내의 전하 유무에 따라 정보의 기록 및 소거 기능을 수행한다.In the case of a floating gate type memory device, a unit cell includes a control gate and a floating gate including a polysilicon layer, and performs a function of writing and erasing information according to the presence or absence of charge in the floating gate. . On the other hand, in the case of a floating trap type memory device, the unit cell includes a charge trap layer including a control gate and silicon nitride, and performs information writing and erasing functions depending on the presence or absence of a charge in the charge trap layer.
이때, 플로팅 트랩 타입의 메모리 소자의 경우, 전하 트랩층 내에 저장된 전하는 전하트랩층 내에 트랩사이트에 의해 포획되어 이동이 불가능한 반면에, 플로팅 게이트 타입의 메모리 소자의 경우, 플로팅 게이트 내에 저장된 전하는 필드 차이에 의해 이동이 가능하다. 따라서, 플로팅 게이트 타입의 메모리 소자의 경우, 플로팅 게이트 내에 저장된 전하의 양에 따른 구분밖에 없기 때문에, 메모리 소자의 집적도를 향상시키는데 제한적으로 작용하고 있다. 따라서, 플로팅 게이트 타입 내에서 하나의 단위 셀 안에서 기억 용량을 두배로 향상시키는 듀얼 비트 메모리 소자를 구현하기 위한 연구가 이루어지고 있다. At this time, in the case of the floating trap type memory device, the charge stored in the charge trap layer is trapped by the trap site in the charge trap layer and cannot be moved, whereas in the case of the floating gate type memory device, the charge stored in the floating gate depends on the field difference. It is possible to move by. Therefore, in the case of a floating gate type memory device, since there is only a classification according to the amount of charge stored in the floating gate, it has a limited effect on improving the integration degree of the memory device. Accordingly, research has been made to implement a dual bit memory device that doubles the storage capacity in one unit cell in the floating gate type.
본 발명에 따른 불휘발성 메모리 소자의 제조방법은, 기판 상에 터널옥사이드층, 버퍼층, 층간절연층 및 하드마스크층 패턴을 형성하는 단계; 상기 하드마스크층 패턴을 식각마스크로, 노출된 층간절연층, 버퍼층, 터널옥사이드층 및 기판을 소정 두께 식각하여 라인 형상의 층간절연층 패턴, 버퍼층 패턴 및 터널 옥사이드층 패턴을 형성하면서, 트렌치를 형성하는 단계; 상기 하드마스크층 패턴을 선택적으로 제거하는 단계; 상기 하드마스크층 패턴이 제거된 트렌치 내부에 절연막을 매립하는 단계; 상기 절연막이 형성된 결과물 상에 컨트롤 게이트전극층을 형성하는 단계; 상기 컨트롤게이트층, 층간절연층 패턴 및 버퍼층 패턴을 셀 단위로 분리되게 선택적으로 패터닝하는 단계; 상기 셀 단위로 분리된 버퍼층 패턴 양측을 내측 방향으로 리세스하는 단계; 및 상기 리세스된 버퍼층 패턴 양단에, 상기 리세스된 버퍼층 패턴에 의해 분리된 플로팅 게이트전극들을 형성하는 단계를 포함한다. A method of manufacturing a nonvolatile memory device according to the present invention may include forming a tunnel oxide layer, a buffer layer, an interlayer insulating layer, and a hard mask layer pattern on a substrate; The hard mask layer pattern is used as an etch mask, and the exposed interlayer insulating layer, the buffer layer, the tunnel oxide layer, and the substrate are etched by a predetermined thickness to form a trench while forming a line-shaped interlayer insulating layer pattern, a buffer layer pattern, and a tunnel oxide layer pattern. Making; Selectively removing the hard mask layer pattern; Filling an insulating film in the trench from which the hard mask layer pattern is removed; Forming a control gate electrode layer on a resultant in which the insulating film is formed; Selectively patterning the control gate layer, the interlayer insulating layer pattern, and the buffer layer pattern in cell units; Recessing both sides of the buffer layer pattern separated by the cell in an inward direction; And forming floating gate electrodes separated by the recessed buffer layer pattern at both ends of the recessed buffer layer pattern.
상기 버퍼층은 상기 터널옥사이드층 및 층간절연층보다 상대적으로 식각 속도가 빠른 절연막을 포함하여 형성하는 것이 바람직하다. The buffer layer may be formed to include an insulating layer having an etching rate relatively higher than that of the tunnel oxide layer and the interlayer insulating layer.
상기 절연막은 SOD막 또는 화학기상증착방법으로 증착된 TEOS막으로 형성하는 것이 바람직하다. The insulating film is preferably formed of a SOD film or a TEOS film deposited by a chemical vapor deposition method.
상기 하드마스크층 패턴은, 폴리실리콘층 또는 실리콘나이트라이드층을 단독으로 형성하거나, 이들을 적층하여 형성하는 것이 바람직하다. It is preferable that the hard mask layer pattern is formed by forming a polysilicon layer or a silicon nitride layer alone or by laminating them.
상기 하드마스층 패턴은, 상기 터널 옥사이드층, 버퍼층 및 층간절연층을 워드라인방향으로 분리되게 상기 층간절연층을 선택적으로 노출시키는 것이 바람직하 다. The hard mask layer pattern may selectively expose the interlayer insulating layer so that the tunnel oxide layer, the buffer layer, and the interlayer insulating layer are separated in the word line direction.
상기 셀 단위로 분리되게 패터닝하는 단계는, 상기 층간절연층 패턴, 버퍼층 패턴, 터널 옥사이드층 패턴 및 트렌치가 형성되는 방향과 직교하는 방향으로 분리되게 패터닝하는 것이 바람직하다. The patterning of the cell unit may be performed by patterning the interlayer insulating layer pattern, the buffer layer pattern, the tunnel oxide layer pattern and the trench in a direction orthogonal to the direction in which the trench is formed.
상기 플로팅 게이트전극을 형성하는 단계는, 상기 리세스된 버퍼층 패턴이 형성된 결과물 전면에, 플로팅 게이트전극층을 형성하는 단계; 및 상기 플로팅 게이트전극층을 상기 리세스된 버퍼층 패턴 양단에 잔류되게 등방성 식각공정을 수행하는 단계로 이루어지는 것이 바람직하다. The forming of the floating gate electrode may include forming a floating gate electrode layer on the entire surface of the resultant buffer layer pattern; And performing an isotropic etching process so that the floating gate electrode layer remains at both ends of the recessed buffer layer pattern.
상기 플로팅 게이트전극층은 화학기상 증착 방법 또는 원자층 증착 방법을 이용하여 폴리실리콘층을 형성하는 것이 바람직하다. The floating gate electrode layer preferably forms a polysilicon layer using a chemical vapor deposition method or an atomic layer deposition method.
상기 플로팅 게이트전극을 형성하기 이전에, 캡핑막을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. The method may further include forming a capping layer before forming the floating gate electrode.
상기 캡핑막은 질화막을 포함하여 형성하는 것이 바람직하다. The capping film is preferably formed including a nitride film.
상기 플로팅 게이트전극을 형성한 이후에, 산화공정을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다. After forming the floating gate electrode, the method may further include performing an oxidation process.
(실시예)(Example)
도 1을 참조하면, 반도체기판(100) 상에 터널옥사이드층(tunnel oxide layer)(110), 버퍼층(buffer layer)(120), 층간 절연층(130), 하드마스크(hard mask)층(140)을 순차적으로 형성한다. 터널옥사이드층(110)은, 반도체기판 및 후속 형성되는 플로팅 게이트층 사이의 전하가 이동되는 통로 역할을 한다. 버퍼층(120)은 터널옥사이드층(110) 및 층간절연층(120) 보다 상대적으로 습식 식각 속도가 빠른 산화막 예컨대, SOD(spin on dielectric)막 또는 화학기상증착방법으로 증착된 TEOS막으로 형성할 수 있다. 버퍼층(120)은 후속 하나의 단위 셀 내에 플로팅 게이트를 분리하는데 이용될 막이다. Referring to FIG. 1, a
층간절연층(130)은 실리콘옥사이드(SiO2), 실리콘나이트라이드(SixNy) 또는, 알루미나(Al2O3), 하프늄옥사이드(HfO3), 지르코늄옥사이드(ZrO2)와 같은 고유전물질을 포함하는 그룹 중에서 단독으로 사용하거나 이들을 조합한 박막으로 형성할 수 있다. 예를 들어, 층간절연층(130)은 ONO(Oxide-Nitride-Oxide)구조, OAO(Oxide-Alumina-Oxide) 구조, OKO(Oxide-high K-Oxide)구조와 같은 3중 구조로 형성할 수 있다. 층간절연층(130)은 후속 형성되는 플로팅 게이트 내에 저장된 전하가 상부층 예컨대, 후속 형성된 컨트롤 게이트전극으로 이동하는 것을 방지하는 역할을 한다. 하드마스크층(140)은 폴리실리콘층 또는 실리콘나이트라이드층을 포함하여 형성하거나, 폴리실리콘층 및 실리콘나이트라이드층을 적층하여 형성할 수 있다. 하드마스크층(140)은 후속 패터닝되어 소자분리 영역을 노출시키게 된다. The
도 2를 참조하면, 포토리소그라피(photolithogrphy) 공정을 수행하여 활성 영역을 설정하는 하드마스크막 패턴(140a)을 형성한다. 하드마스크막 패턴(140a)은 층간절연층, 버퍼층, 터너링층을 반도체기판의 X축 방향 예컨대, 워드라인방향으로 소자 분리를 위한 식각마스크 역할을 한다. 하드마스크막 패턴(140a)에 의해 노출 된 층간절연층, 버퍼층, 터널링층 및 반도체기판을 순차적으로 식각하여 라인 형상(line type)의 층간절연층 패턴(130a), 버퍼층 패턴(120a) 및 터널링층 패턴(130a)을 형성하면서, 반도체기판 내에 소정 깊이를 갖는 트렌치(141)를 형성한다. 층간절연층 패턴(130a), 버퍼층 패턴(120a) 및 터널링층 패턴(110a)이 형성됨에 따라, 층간절연층, 버퍼층 및 터너링층은 X축 방향 예컨대, 워드라인 방향으로 분리된다. Referring to FIG. 2, a hard
도 3a을 참조하면, 하드마스크막 패턴(도 2의 140a)을 선택적으로 제거한 후, 트렌치(141)를 채우면서, 층간절연층 패턴(130a), 버퍼층 패턴(120a), 터널링층 패턴(110a) 사이를 매립하는 절연막(150)을 형성한다. 구체적으로, 하드마스크막 패턴이 제거된 결과물 전면에, 절연막(150)을 형성한 후, 평탄화 예컨대, 화학기계연마(CMP;Chemical Mechnical Polishing) 공정을 수행하여 층간절연층 패턴(130a)의 표면을 노출시킨다. 절연막(150)에 의해 반도체기판(100)의 활성(active)영역이 설정된다. Referring to FIG. 3A, after the hard
절연막(150) 및 층간절연층 패턴(130a) 상에 컨트롤 게이트(control gate) 전극층(160)을 형성한다. 컨트롤 게이트 전극층(160)은 금속층을 포함하여 형성하거나 경우에 따라, 금속층 및 폴리실리콘층의 이중층으로 형성할 수 있다. 금속층은 티타늄나이트라이드(TiN), 탄탈륨나이트라이드(TaN), 탄탄륨카본나이트라이드(TaCN)와 같은 물질막을 포함하여 형성할 수 있다.The control
한편, X축 방향으로 소자 분리를 위한 하드마스크층(도 1의 140)을 실리콘나이트라이드막으로 형성하는 경우, 컨트롤 게이트전극층(160)은 하드마스크층을 제 거한 후, 폴리실리콘층, 텅스텐실리사이드층 및 텅스텐층을 적층하여 형성할 수도 있다. 반면에, 하드마스크층(140)을 폴리실리콘층으로 형성하는 경우, 컨트롤 게이트층(160)은 하드마스크층 제거없이 텅스텐실리사이드층 및 텅스텐층을 적층할 수도 있다. 컨트롤 게이트 전극층(160)은 반도체기판(100)의 전하들이 터널링층(110)을 관통하여 후속 형설될 플로팅 게이트 전극에 저장되도록 일정 크기의 바이어스(bias)를 인가하기 위한 층이며, 컨트롤 게이트전극층에 인가되는 바이어스에 따라 프로그램(program) 및 소거(erase) 동작을 수행할 수 있다. 다음은 설명의 편의를 위하여, 반도체기판을 y축 방향 예컨대, 비트라인 방향으로 틀어서 제시하였다. On the other hand, when the hard mask layer (140 of FIG. 1) for device isolation in the X-axis direction is formed of a silicon nitride film, the control
반도체기판을 y축 방향 예컨대 비트라인 방향으로 틀게 되면, 도 3b에 제시된 바와 같이, 반도체기판(100) 상에, 터널 옥사이드층 패턴(110a), 버퍼층 패턴(120a), 층간절연층 패턴(130a), 컨트롤 게이트전극층(160)이 순차적으로 형성되어 있다. When the semiconductor substrate is twisted in the y-axis direction, for example, in the bit line direction, as shown in FIG. 3B, the tunnel
도 4를 참조하면, 컨트롤 게이트전극층, 층간절연층 패턴 및 버퍼층 패턴을 셀 단위로 분리되게 예컨대, y축 방향으로 선택적으로 패터닝한다. 그러면, 컨트롤 게이트전극층, 층간절연층 패턴 및 버퍼층 패턴은 Y축 방향 예컨대, 비트라인 방향으로 분리되어 셀 단위로 분리된 컨트롤 게이트전극층 패턴(161), 층간절연층 패턴(131) 및 버퍼층 패턴(121) 형성된다. 예컨대, 플로팅 게이트 전극을 갖는 메모리 소자의 경우, 폴리실리콘층과 같은 도전물질을 포함하는 플로팅 게이트 내에 저장된 전하는 필드 차이에 의해 이동이 가능하다. 따라서, 플로팅 게이트 전극의 경우, 워드 라인 방향 및 비트라인 방향으로 분리되어 각각의 메모리 셀 간 전하가 이동하는 것을 방지할 수 있다. Referring to FIG. 4, the control gate electrode layer, the interlayer insulating layer pattern, and the buffer layer pattern are selectively patterned in the y-axis direction, for example, in units of cells. Then, the control gate electrode layer, the interlayer insulating layer pattern, and the buffer layer pattern are separated in the Y-axis direction, for example, in the bit line direction, and separated in the cell unit. The control gate
도 5를 참조하면, 셀 단위로 분리된 버퍼층 패턴(121) 양측을 내측방향으로 리세스한다. 그러면, 반도체기판(100)의 활성영역과 층간절연층 패턴(131) 사이에 리세스된 버퍼층 패턴(121a) 양단에 리세스 영역이 형성된다. 이때, 버퍼층 패턴(121)이 리세스되는 깊이는 층간절연층 패턴의 선폭보다 1/2 이내로 남도록 리세스할 수 있다. Referring to FIG. 5, both sides of the
도 6을 참조하면, 리세스 영역이 형성된 결과물 전면에, 플로팅 게이트전극층(170)을 형성한다. 플로팅 게이트 전극층(170)은 폴리실리콘층을 포함하여 형성하며, 화학기상증착(CVD;Chemical Vapor Deposition) 방법 또는 원자층 증착(ALD;Atomic Layer Deposition)방법을 이용하여 형성할 수 있다. 플로팅 게이트전극층(170)을 화학기상증착 방법 또는 원자층 증착 방법을 이용하여 형성하게 되면, 리세스된 버퍼층 패턴(121a) 양단의 리세스 영역을 키홀(key hole)와 같이 매립 불량없이 균일하게 채울 수 있다. Referring to FIG. 6, the floating
플로팅 게이트전극층(170)을 형성하기 이전에, 캡핑막(capping) 예컨대, 실리콘나이트라이드막을 형성할 수 있다. 캡핑막은 후속 플로팅 게이트전극을 선택적으로 식각하기 위한 식각공정에서 컨트롤 게이트전극층 패턴(161), 층간절연층 패턴(131)을 보호하는 배리어(barrier)막으로 이용될 수 있다. Before forming the floating
한편, 플로팅 게이트 전극층(170)은 증착 방법에 따라 키홀 등이 형성될 수 있으나, 스텝 커버리지(step coverage)가 우수한 증착 방법을 사용하거나 리세스 영역을 확장시키게 되면 키홀 등이 생성되는 것을 억제시킬 수 있다, 또한, 키홀 등이 생성되더라도, 플로팅 게이트전극의 역할을 수행하는데 영향을 미치지 않는다. On the other hand, the floating
도 7을 참조하면, 플로팅 게이트전극층을 리세스된 버퍼층 패턴(121a) 양단에만 플로팅 게이트전극층이 남도록 선택적으로 식각한다. 그러면, 리세스된 버퍼층 패턴(121a) 양단에, 버퍼층 패턴(121a)에 의해 분리된 플로팅 게이트 전극(171)들이 형성된다. 플로팅 게이트 전극(171)들은, 습식식각 공정 또는 등방성isotropic) 건식식각 공정을 수행하여 형성할 수 있다, 또한, 플로팅 게이트 전극(171)들은, 리세스 영역 내에만 플로팅 게이트전극층이 남도록 산화(oxidaion)공정을 수행하여 리세스 영역이외의 플로팅 게이트전극층을 산화시킬 수 있다. Referring to FIG. 7, the floating gate electrode layer is selectively etched so that the floating gate electrode layer remains only at both ends of the recessed
이때, 플로팅 게이트전극층을 선택적으로 식각한 이후에, 컨트롤 게이트전극층 패턴, 층간절연막 패턴 측벽에 남아있는 플로팅 게이트전극층을 완전히 제거하기 위한 재산화공정을 수행할 수 있다. In this case, after selectively etching the floating gate electrode layer, a reoxidation process may be performed to completely remove the floating gate electrode layer remaining on the sidewalls of the control gate electrode layer pattern and the interlayer insulating layer pattern.
본 발명에 실시예에 따르면, 버퍼층 패턴에 의해 분리된 플로팅 게이트 전극들을 형성함으로써, 하나의 단위 셀 안에, 각각 독립적으로 분리되게 전하를 저장할 수 있다. 예컨대, 플로팅 게이트 전극의 경우, 플로팅 게이트 전극 내에 저장된 전하가 필드 차이에 의해 이동한다. 이때, 버퍼층 패턴에 의해 플로팅 게이트 전극들이 분리되어 있으므로, 각각의 플로팅 게이트전극으로 전하가 이동하는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, 하나의 단위 셀 동작은 소스/ 드레인 방향을 바꾸면서 양쪽 저장 영역에 독립적으로 전하를 저장하여, SONOS 소자에서 구현 가능한 듀얼 비트(daul bit) 메모리 소자를 구현할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, by forming the floating gate electrodes separated by the buffer layer pattern, the charges may be stored independently in each unit cell. For example, in the case of a floating gate electrode, the charge stored in the floating gate electrode is moved by the field difference. At this time, since the floating gate electrodes are separated by the buffer layer pattern, it is possible to prevent the charge from moving to each floating gate electrode. Accordingly, one unit cell operation may store charges independently in both storage regions while changing a source / drain direction, thereby implementing a dual bit memory device that may be implemented in a SONOS device.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다. As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described in detail, this invention is not limited to this, It is clear that the deformation | transformation and improvement are possible by the person of ordinary skill in the art within the technical idea of this invention. .
도 1 내지 도3a는 본 발명에 따른 플로팅 게이트 전극을 갖는 불휘발성 메모리 소자를 워드라인 방향으로 제시한 단면도이다. 1 to 3A are cross-sectional views of a nonvolatile memory device having a floating gate electrode according to the present invention in a word line direction.
도 3b 내지 도 7은 본 발명에 따른 플로팅 게이트 전극을 갖는 불휘발성 메모리 소자를 비트라인 방향으로 제시한 단면도이다. 3B to 7 are cross-sectional views of a nonvolatile memory device having a floating gate electrode according to the present invention in a bit line direction.
Claims (11)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020080058488A KR20090132292A (en) | 2008-06-20 | 2008-06-20 | Method for fabricating non volatile memory device having floating gate |
Applications Claiming Priority (1)
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KR1020080058488A KR20090132292A (en) | 2008-06-20 | 2008-06-20 | Method for fabricating non volatile memory device having floating gate |
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KR20090132292A true KR20090132292A (en) | 2009-12-30 |
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KR1020080058488A KR20090132292A (en) | 2008-06-20 | 2008-06-20 | Method for fabricating non volatile memory device having floating gate |
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2008
- 2008-06-20 KR KR1020080058488A patent/KR20090132292A/en not_active Application Discontinuation
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