KR20100003961A - Non-volatile memory device and method for fabricating the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반도체소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 불휘발성 메모리 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a semiconductor device and a method of manufacturing the same, and more particularly to a nonvolatile memory device and a method of manufacturing the same.
불휘발성 메모리소자는 플로팅 게이트 타입(floating gate type)의 메모리소자와 플로팅 트랩 타입(floating trap type)의 메모리소자로 구분될 수 있다. 특히, 플로팅 트랩 타입의 메모리소자는 플로팅 게이트 타입의 메모리소자에 비해 상호간섭(interference)과 전하보유(retention) 특성이 우수하여 불휘발성 메모리소자 분야에서 주요한 위치에 자리잡고 있다. The nonvolatile memory device may be classified into a floating gate type memory device and a floating trap type memory device. In particular, the floating trap type memory device is superior to the floating gate type memory device in terms of mutual interference and charge retention, and thus, is positioned in a major position in the field of nonvolatile memory devices.
플래시 메모리 소자의 집적도가 더욱 증가 됨에 따라, 하나의 메모리 셀에 복수 개의 데이터를 선택적으로 저장할 수 있도록 하는 멀티 레벨 셀(MLC;Multi-Level Cell) 구조가 제안되고 있다. 멀티 레벨 셀은 하나의 메모리 셀이 프로그램/ 소거의 두 개의 상태(state)를 가지는 싱글 레벨 셀(SLC;Single Level Cell)과 달리, 하나의 메모리 셀을 가지고, 두 비트, 세 비트 그리고 네 비트 이상의 데이터를 나타낼 수 있으므로, 싱글 레벨 셀보다 2배 이상의 메모리 용량을 구현할 수 있 다. 멀티 레벨 셀은 세가지 이상의 프로그램 상태를 가지기 때문에, 프로그램 상태에서의 메모리 셀의 문턱전압 분포를 균일해야 한다. As the integration degree of a flash memory device is further increased, a multi-level cell (MLC) structure for selectively storing a plurality of data in one memory cell has been proposed. A multi-level cell has one memory cell, unlike a single level cell (SLC) in which one memory cell has two states of program / erase, and has more than two bits, three bits and four bits. Data can be represented, enabling more than twice the memory capacity of a single-level cell. Since multi-level cells have three or more program states, the threshold voltage distribution of the memory cells in the program state must be uniform.
그런데, 플래시 메모리 소자의 메모리 셀 사이즈(size)가 축소됨에 따라, 멀티 레벨 셀에 필요한 셀의 문턱 전압(VT) 분포를 확보하기가 어려워지고 있다. 예컨대, 메모리 셀 사이즈가 축소됨에 따라, 메모리 셀들의 문턱전압(VT) 분포가 증가하여 문턱 전압의 변화폭이 증가하고 있다. 또한, 문턱 전압 분포 향상을 위해, ISPP(Incremental Step Pulse Proram) 방식의 프로그램 시 스텝(step) 간의 프로그램 전압(PV;Program Voltage)을 줄일 경우, 프로그램 타임(time)이 증가하여 플래지 메모리 소자의 성능(performance)을 저하시키는 요인으로 작용하고 있다. However, as the memory cell size of the flash memory device is reduced, it is difficult to secure the threshold voltage VT distribution of the cells required for the multi-level cells. For example, as the memory cell size is reduced, the distribution of threshold voltages VT of the memory cells is increased, and thus the variation width of the threshold voltage is increasing. In addition, in order to improve the threshold voltage distribution, when the program voltage (PV) between steps is reduced during the programming of the ISPP (Incremental Step Pulse Proram) method, the program time is increased to increase the performance of the flange memory device. It is acting as a factor to lower performance.
본 발명에 따른 반도체소자의 불휘발성 메모리 소자의 제조 방법은, 기기판 내에 선택적으로 그루브를 형성하는 단계; 상기 기판 내에 형성된 그루브를 따라 터널링층, 전하저장층, 차폐층을 형성하는 단계; 상기 차폐층 상에 컨트롤 게이트층을 형성하는 단계; 및 상기 그루브의 일부가 중첩되게 상기 컨트롤 게이트층, 차페층, 전하저장층 및 터널링층을 패터닝하는 단계를 포함한다. A method of manufacturing a nonvolatile memory device of a semiconductor device according to the present invention comprises the steps of selectively forming a groove in the device plate; Forming a tunneling layer, a charge storage layer, and a shielding layer along grooves formed in the substrate; Forming a control gate layer on the shielding layer; And patterning the control gate layer, the shielding layer, the charge storage layer, and the tunneling layer such that a portion of the groove overlaps.
상기 기판 내에 그루브를 형성하는 단계는, 상기 기판 상에 버퍼산화막을 형성하는 단계; 상기 버퍼산화막 상에 하드마스크 질화막 패턴을 형성하는 단계; 상기 하드마스크 질화막 패턴에 의해 노출된 버퍼산화막 부분을 성장시키는 산화공정을 수행하여 산화막을 형성하는 단계: 상기 하드마스크 질화막 패턴을 제거하는 단계; 및 상기 하드마스크 질화막 패턴이 제거되어 노출된 버퍼산화막 일부 및 산화막을 제거하는 단계로 이루어지는 것이 바람직하다. Forming a groove in the substrate may include forming a buffer oxide film on the substrate; Forming a hard mask nitride layer pattern on the buffer oxide layer; Forming an oxide layer by performing an oxidation process of growing a portion of the buffer oxide layer exposed by the hard mask nitride layer pattern: removing the hard mask nitride layer pattern; And removing the exposed portion of the buffer oxide layer and the oxide layer by removing the hard mask nitride layer pattern.
상기 컨트롤 게이트층을 형성하는 단계 이후에, 상기 컨트롤 게이트층에 평탄화공정을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다. After forming the control gate layer, the method may further include performing a planarization process on the control gate layer.
상기 컨트롤 게이트층, 차페층, 전하저장층 및 터널링층을 패터닝하는 단계는, 상기 컨트롤 게이트층, 차폐층, 전하저장층 및 터널링층은, 상기 그루브와 중첩되게 패터닝하는 것이 바람직하다. In the patterning of the control gate layer, the shielding layer, the charge storage layer, and the tunneling layer, the control gate layer, the shielding layer, the charge storage layer, and the tunneling layer are preferably patterned to overlap the groove.
상기 전하저장층은 폴리실리콘층을 포함하는 플로팅 게이트층 또는 실리콘나이트라이드층을 포함하는 전하트랩층으로 형성하는 것이 바람직하다. The charge storage layer may be formed of a floating gate layer including a polysilicon layer or a charge trap layer including a silicon nitride layer.
본 발명에 따른 불휘발성 메모리 소자는, 표면으로부터 소정 깊이로 오목한 그루브가 선택적으로 배치된 기판; 및 상기 기판 상에 상기 그루브의 일부와 중첩되게 배치되는 터널링층 패턴, 전하저장층 패턴, 차폐층 패턴 및 컨트롤 게이트 패턴을 포함한다. A nonvolatile memory device according to the present invention includes a substrate on which grooves selectively recessed to a predetermined depth from a surface thereof are disposed; And a tunneling layer pattern, a charge storage layer pattern, a shielding layer pattern, and a control gate pattern disposed on the substrate to overlap a portion of the groove.
상기 터널링층 패턴, 전하저장층 패턴, 차폐층 패턴은 상기 그루브가 형성된 영역과 중첩하여 배치되는 것이 바람직하다. The tunneling layer pattern, the charge storage layer pattern, and the shielding layer pattern may be disposed to overlap the region where the groove is formed.
상기 기판 표면은 상기 그루브에 의해 웨이브 형상으로 이루어지는 것이 바람직하다. The substrate surface is preferably formed in a wave shape by the groove.
(실시예)(Example)
도 1을 참조하면, 반도체기판(100) 상에 버퍼산화막(110)을 형성한 후, 버퍼산화막(110) 상에 하드마스크 질화막 패턴(120)을 형성한다. Referring to FIG. 1, after forming the
구체적으로, 반도체기판(100) 상에 버퍼산화막(110) 및 하드마스크 질화막을 형성한 후, 포토리소그라피(photolithography) 공정을 수행하여 하드마스크 질화막을 선택적으로 노출시키는 레지스트막 패턴(도시되지 않음)을 형성하고, 레지스트막 패턴을 식각마스크로 노출된 하드마스크 질화막을 식각한다. 그러면, 버퍼산화막(110)을 선택적으로 노출시키는 하드마스크 질화막 패턴(120)이 형성된다. Specifically, after forming the
여기서, 버퍼산화막(110)은 하드마스크 질화막의 인력에 의해 반도체기판(100)이 받는 스트레스(stress)를 완화시켜주는 역할을 한다. 하드마스크질화막 패턴(120)에 의해 노출된 버퍼산화막(110) 부분은, 후속 반도체기판(100) 내에 표면으로부터 소정 깊이로 오목하게 제거되는 그루브(groove)가 형성될 영역이다. 하 드마스크 질화막 패턴(120)은 후속 반도체기판 내에 그루브(groove)를 선택적으로 형성하기 위한 산화공정에서, 반도체기판(100)의 일부가 산화되는 것을 방지하는 역할을 한다. Here, the
도 2를 참조하면, 하드마스크 질화막 패턴(120)에 의해 노출된 버퍼산화막 부분에 열 산화(thermal oxidation) 공정을 수행한다. 그러면, 노출된 버퍼산화막(110) 부분이 상하로 확장되면서, 상대적으로 두껍게 성장되는 산화막(130)이 형성된다. 이때, 산화막(130)이 상하로 확장되면서, 길게 형성되어 하드마스크 질화막 패턴(120)의 가장자리로 마치 새부리 형상으로 파고들어가는 형상 예컨대, 버즈비크(Bird's beak)가 발생될 수 있다. Referring to FIG. 2, a thermal oxidation process is performed on a portion of the buffer oxide layer exposed by the hard mask
이때, 하드마스크 질화막 패턴(120)에 의해 노출된 버퍼산화막(110) 부분이 산화 공정에 의해 두꺼운 산화막(130)으로 상하로 확장 과정에서, 하부의 반도체기판(100) 일부와 반응하여 산화막(130)이 성장됨에 따라, 반도체기판(100) 내에 오목한 형상의 그루브(groove)가 형성된다. At this time, the portion of the
도 3을 참조하면, 하드마스크 질화막 패턴(도 2의 120)을 선택적으로 제거한다, 계속해서, 버퍼산화막(도 2의 110)의 일부 및 산화막(도 2의 130)을 습식 식각(wet etch)하여 선택적으로 제거하여 반도체기판(100) 내에 형성된 그루브(140)를 노출시킨다. 예컨대, 반도체기판(100) 표면의 일부는 그루브에 의해 볼록한 부분(141)이 되고, 그루브(140)가 형성된 영역은 반도체기판(100) 표면으로부터 소정 두께로 제거되어 오목한 부분이 된다.Referring to FIG. 3, the hard mask nitride film pattern 120 (refer to FIG. 2) may be selectively removed. Then, a portion of the buffer oxide film (110 of FIG. 2) and the oxide film (130 of FIG. 2) may be wet etched. And selectively removed to expose the
이에 따라, 반도체기판(100) 내에 그루브(140)가 형성됨에 따라, 후속 게이 트전극이 형성될 반도체기판 (100) 표면은 웨이브(wave) 형상의 프로파일(profile)을 갖게 된다. 한편, 산화막(130)을 선택적으로 제거한 이후에, 그루브(140)가 형성된 반도체기판(100)에 추가 산화 공정을 수행하여 그루브(140)가 형성된 영역 및 불록한 부분(141)의 반도체기판(100) 표면을 보다 완만한 굴곡을 갖게 할 수 있다. Accordingly, as the
도 4를 참조하면, 그루브(140)가 형성된 반도체기판(100)의 표면을 따라 터널링층(150), 전하저장층(160) 및 차폐층(170)을 형성한다. 이때, 터널링층(150), 전하트랩층(160) 및 차폐층(170)은 반도체기판(100) 표면의 그루브(140)에 의해 굴곡을 갖는 웨이브(wave) 형상으로 형성될 수 있다. Referring to FIG. 4, the
터널링층(150)은 라디컬 산화(radical oxidaion)공정, 열적건식산화 공정 또는 열적 습식산화공정을 수행하여 형성할 수 있다. 터널링층(150)은, 반복되는 전하들의 터널링에 의해 열화되는 것을 방지할 수 있을 정도의 두께로 형성할 수 있다. The
전하저장층(160)은 전하트랩층 또는 플로팅 게이트층으로 형성할 수 있다. 예컨대, 전하트랩층은, Si3N4 또는 SixNy의 화학식을 갖는 실리콘나이트라이드막을 포함하여 형성하고, 플로팅 게이트층은 폴리실리콘막을 포함하여 형성할 수 있다. 플로팅 게이트층 또는 전하트랩층은, 반도체기판(100)의 채널영역으로부터 터널산화막 또는 터널링층을 관통한 전하들을 저장하는 전하 저장층 역할을 한다. The
차폐층(170)은 실리콘옥사이드 또는 고유전산화막과 같은 절연막을 포함하여 형성할 수 있다. 차폐층(170)은 전하저장층(160) 상에 포획된 전하가 상부층 예컨 대, 후속 형성될 컨트롤 게이트전극으로 이동하는 것을 방지하는 역할을 한다. The
차폐층(170) 상에 컨트롤 게이트전극층(180)을 형성한다. 컨트롤 게이트전극층(180)은 금속층으로 형성하거나, 경우에 따라 금속층 및 폴리실리콘층의 이중층으로 형성할 수 있다. 금속층은 티타늄나이트라이드(TiN), 탄탈륨나이트라이드(TaN), 탄탄륨카본나이트라이드(TaCN)와 같은 물질막을 포함하여 형성할 수 있다. 컨트롤 게이트 전극층(180)은 반도체기판(100)의 전하들이 터널링층(150)을 관통하여 전하트랩층(160) 내의 트랩 사이트(trap site)로 포획되도록 일정 크기의 바이어스(bias)를 인가하기 위한 층이며, 컨트롤 게이트 전극층(180)에 인가되는 바이어스에 따라 프로그램(progarm) 및 소거(erase) 동작을 수행할 수 있다. The control
한편, 컨트롤 게이트전극층(180)을 형성한 이후에, 평탄화 예컨대, 화학기계연마(CMP;Chemical Mechanical Polishing) 공정을 수행한다. 평탄화 공정을 수행함에 따라, 컨트롤 게이트전극층(180)의 표면이 평탄해지고, 후속 게이트패터닝과정이 용이하게 진행될 수 있다. On the other hand, after the control
도 5를 참조하면, 평탄화된 컨트롤 게이트전극층(180) 상에 레지스트막 패턴(도시되지 않음)을 형성하고, 레지스트막 패턴을 식각마스크로 노출된 컨트롤 게이트층, 차폐층, 전하저장층, 터널링층을 선택적으로 식각한다. 그러면, 반도체기판(100) 상에 그루브(140)의 일부와 중첩되게 컨트롤 게이트층 패턴(181), 차폐층 패턴(171), 전하저장층 패턴(161) 및 터널링층 패턴(151)이 형성된다. Referring to FIG. 5, a resist film pattern (not shown) is formed on the planarized control
이때, 레지스트막 패턴은 반도체기판(100)의 그루브(140)의 일부가 중첩되게 형성하거나 그루브(140)가 형성된 영역과 중첩되게 형성할 수 있다. 따라서, 레지 스트막 패턴이 형성되는 영역에 따라, 컨트롤 게이트층 패턴(181), 차폐층 패턴(171), 전하저장층 패턴(161) 및 터널링층 패턴(151)이 그루브(140)의 일부와 그루브(140)에 의해 볼록한 부분(140) 일부와 각각 중첩되게 형성될 수 있으며, 그루브(140)가 형성된 영역과 중첩되게 형성될 수 있다. In this case, the resist film pattern may be formed to overlap a portion of the
이러한 불휘발성 메모리 소자는, 도 5에 제시된 바와 같이, 표면으로부터 소정 깊이로 오목한 그루브(140)가 선택적으로 배치된 반도체기판(100)과, 반도체기판(100) 상에 그루브(140)의 일부와 중첩되게 배치되는 터널링층 패턴(151), 전하저장층 패턴(161), 차폐층 패턴(171) 및 컨트롤 게이트 패턴(191)을 포함한다. 이때, 반도체기판(100) 표면은 오목한 그루브(140) 및 볼록한 부분(141)이 교대로 형성되는 웨이브 형상으로 이루어질 수 있다. 또한, 터널링층 패턴(151), 전하저장층 패턴(161), 차폐층 패턴(171)은 그루브(140)가 형성된 영역과 중첩하여 배치될 수도 있다. As shown in FIG. 5, the nonvolatile memory device may include a
본 발명에 따른 불휘발성 메모리 소자 및 그 제조 방법에 따르면, 반도체기판 내에 오목한 그루브가 배치됨에 따라, 터널링층 패턴, 전하트랩층 패턴, 차폐층 패턴 내에 오목한 부분 및 볼록한 부분을 포함하게 된다. 이에 따라 후속 프로그램 전압을 가할 경우, 굴곡을 따라 전하저장층에 트랩되는 전하량과 트랩 사이트를 조정하여 멀티 레벨 셀을 구현하기 위한 문턱접압 분포를 개선할 수 있다. According to the nonvolatile memory device and the manufacturing method thereof according to the present invention, as the concave groove is disposed in the semiconductor substrate, the concave portion and the convex portion are included in the tunneling layer pattern, the charge trap layer pattern, and the shielding layer pattern. Accordingly, when a subsequent program voltage is applied, the threshold voltage distribution for implementing a multi-level cell can be improved by adjusting the amount of charge trapped in the charge storage layer and the trap site along the bend.
예컨대, 후속 프로그램 동작 시 컨트롤 게이트전극층에 프로그램 전압을 가할 경우, 볼록한 전하트랩층 부분에 전기장이 그루브 영역에 비해 강하게 걸리게 되어, 낮은 프로그램 전압에서 전하가 프로그램(program)되기 시작한다. 이후에, 프로그램 전압을 증가시키게 되면, 그루브 영역의 전기장도 강하게 걸리게 되어 전하트랩층 전체에 전하가 트랩된다. 즉, 프로그램 전압에 따라 전하저장층 내에 저장되는 전하량이 민감하게 변하게 된다. 따라서, 멀티 레벨 셀의 제1 프로그램 전압, 제2 프로그램 전압, 제3 프로그램 전압 레벨(level)에 따른 프로그램 시 각 전압에 따른 전하트랩양이 각 레벨에 따라 분리되어 각 프로그램 전압 레벨에 따른 문턱전압 분포가 개선될 수 있다. 또한, 채널 길이를 보다 더 확장할 수 있으므로, 셀 문턱전압 간섭을 개선시킬 수 있다. For example, when a program voltage is applied to the control gate electrode layer during a subsequent program operation, an electric field is strongly applied to the convex charge trap layer portion, compared to the groove region, so that charge starts to be programmed at a low program voltage. Subsequently, when the program voltage is increased, the electric field of the groove region is strongly applied, and charges are trapped in the entire charge trap layer. That is, the amount of charge stored in the charge storage layer is sensitively changed according to the program voltage. Accordingly, the amount of charge trapping according to each voltage during the programming according to the first program voltage, the second program voltage, and the third program voltage level of the multi-level cell is separated according to each level, and thus the threshold voltage according to each program voltage level. Distribution can be improved. In addition, since the channel length can be further extended, cell threshold voltage interference can be improved.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능함은 당연하다. As mentioned above, although the present invention has been described in detail with reference to preferred embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications may be made by those skilled in the art within the technical spirit of the present invention. Of course.
도 1 내지 도 5는 본 발명에 따른 불휘발성 메모리소자 및 그 제조 방법을 설명하기 위해 나타내 보인 단면도들이다.1 to 5 are cross-sectional views illustrating a nonvolatile memory device and a method of manufacturing the same according to the present invention.
Claims (8)
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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KR1020080064034A KR20100003961A (en) | 2008-07-02 | 2008-07-02 | Non-volatile memory device and method for fabricating the same |
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KR1020080064034A KR20100003961A (en) | 2008-07-02 | 2008-07-02 | Non-volatile memory device and method for fabricating the same |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN113629062A (en) * | 2020-05-08 | 2021-11-09 | 力晶积成电子制造股份有限公司 | Memory structure and manufacturing method thereof |
-
2008
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