KR20100011244A - Non volatile memory device with multi blocking layer and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반도체장치 제조 방법에 관한 것으로, 특히 비휘발성메모리장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor device, and more particularly, to a nonvolatile memory device and a method of manufacturing the same.
비휘발성메모리장치는 전하저장막(Charge storage layer)의 종류에 따라 부유형(Floating type)과 전하트랩형(Charge Trap)으로 구분된다. 부유형은 부유게이트 내에 자유전하의 형태로 전하를 저장하고, 전하 트랩형은 전하트랩막 내에서 공간적으로 격리된 트랩에 전하를 저장한다. A nonvolatile memory device is classified into a floating type and a charge trap type according to the type of a charge storage layer. The floating type stores the charge in the form of free charge in the floating gate, and the charge trapping type stores the charge in a trap spatially isolated in the charge trap film.
이와 같은 비휘발성메모리장치들은 전하차단막(blocking layer)을 구비하고 있다. 전하차단막은 전하저장막에서 전자가 빠져나가지 못하게 하는 역할을 한다. 즉, 전하차단막은 데이터의 유지(retention)가 주 역할이며, 프로그램 속도(program speed)와 소거속도(erase speed)도 결정짓는 한가지 요소가 된다.Such nonvolatile memory devices include a charge blocking layer. The charge blocking film prevents electrons from escaping from the charge storage film. In other words, the charge blocking layer has a main role of data retention, and also determines one of program speed and erase speed.
부유형 비휘발성메모리장치와 전하트랩형 비휘발성메모리장치의 전하차단막은 ONO(Oxide Nitride Oxide)보다 유전율이 높은 알루미늄산화막(Al2O3) 등의 고유전체막(high-k dielectric)을 적용하고 있다.The charge blocking layer of the floating nonvolatile memory device and the charge trapping nonvolatile memory device employs a high-k dielectric such as aluminum oxide (Al 2 O 3 ), which has a higher dielectric constant than ONO (Oxide Nitride Oxide). have.
그러나, 전하차단막으로 사용되는 알루미늄산화막(Al2O3) 등의 고유전체막은 에너지밴드갭(energy band-gap)이 작고 막 내에 존재하는 다량의 트랩사이트(trap site)를 포함하고 있기 때문에, 프로그램 및 소거 동작의 속도특성 열화 및 데이터유지 특성의 열화가 일어나고 있다.However, high dielectric films such as aluminum oxide films (Al 2 O 3 ) used as charge blocking films have a small energy band gap and contain a large amount of trap sites present in the film. And deterioration of speed characteristic and data retention characteristic of the erase operation.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 프로그램 및 소거동작의 속도를 향상시키고 데이터 유지 특성을 향상시킬 수 있는 비휘발성메모리장치 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.Disclosure of Invention The present invention has been made to solve the above-described problems of the prior art, and an object thereof is to provide a nonvolatile memory device and a method of manufacturing the same that can improve the speed of program and erase operations and improve data retention characteristics.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 전하저장막에 저장된 전하의 이동을 방지하는 전하차단막을 포함하는 비휘발성메모리장치에 있어서, 상기 전하차단막은 금속실리케이트로 이루어진 제1전하차단막과 상기 제1전하차단막보다 에너지밴드갭이 큰 제2전하차단막을 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 전하차단막은 상기 제2전하차단막 상부에 형성되며 상기 제2전하차단막보다 에너지밴드갭이 더 큰 제3전하차단막을 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 제1전하차단막은 상기 전하저장막과 상기 제2전하차단막 사이에 위치하며, 상기 금속실리케이트는 상기 제2전하차단막에 혼합되어 있는 금속원소의 실리케이트인 것을 특징으로 하고, 상기 금속실리케이트는 Al, Hf, Zr 또는 희토류금속원소 중에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 실리케이트인 것을 특징으로 한다. 상기 금속실리케이트는 알루미늄실리케이트, 하프늄실리케이트, 지르코늄실리케이트, 란탄늄실리케이트 디스프로슘실리케이트, 스칸듐실리케이트, 이트륨실리케이트, 가돌리늄실리케이트 네오디뮴실리케이트, 세륨실리케이트 또는 프라세오디뮴실리케이트 중에서 선택된 어느 하나를 포함 하는 것을 특징으로 한다. 상기 제2전하차단막은 Al, Hf, Zr 또는 희토류금속원소 중에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 금속산화막인 것을 특징으로 하며, 상기 제2전하차단막은 알루미늄산화막, 하프늄산화막, 지르코늄산화막, 란탄늄산화막, 디스프로슘산화막, 스칸듐산화막, 이트륨산화막, 가돌리늄산화막, 네오디뮴산화막, 세륨산화막 또는 프라세오디뮴산화막 중에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다. The present invention for achieving the above object is a non-volatile memory device including a charge blocking film to prevent the movement of the charge stored in the charge storage film, the charge blocking film is a first charge blocking film made of a metal silicate and the first charge blocking film And a second charge blocking film having a larger energy band gap, wherein the charge blocking film further includes a third charge blocking film formed on the second charge blocking film and having an energy band gap larger than that of the second charge blocking film. Characterized in that. The first charge blocking film is positioned between the charge storage film and the second charge blocking film, and the metal silicate is a silicate of a metal element mixed in the second charge blocking film, wherein the metal silicate is Al, It is characterized in that the silicate containing at least one selected from Hf, Zr or rare earth metal elements. The metal silicate is one selected from aluminum silicate, hafnium silicate, zirconium silicate, lanthanum silicate dysprosium silicate, scandium silicate, yttrium silicate, gadolinium silicate, neodymium silicate, cerium silicate or praseodymium silicate. The second charge blocking film is a metal oxide film including at least one selected from Al, Hf, Zr or rare earth metal elements, and the second charge blocking film is an aluminum oxide film, a hafnium oxide film, a zirconium oxide film, a lanthanum oxide film, It characterized in that it comprises at least one selected from dysprosium oxide film, scandium oxide film, yttrium oxide film, gadolinium oxide film, neodymium oxide film, cerium oxide film or praseodymium oxide film.
그리고, 본 발명의 비휘발성메모리장치 제조 방법은 제1도전막 상에 터널링막을 형성하는 단계; 상기 터널링막 상에 전하저장막을 형성하는 단계; 상기 전하저장막 상에 유전체막을 형성하는 단계; 라디칼산화를 통해 상기 전하저장막의 표면을 산화시켜 금속실리케이트를 형성하는 단계; 및 상기 유전체막 상에 제2도전막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 유전체막은 상기 라디칼산화시에 산화 촉매 역할을 하는 금속원소가 혼합된 유전체막을 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 금속실리케이트는 상기 유전체막에 혼합된 상기 금속원소가 혼합된 실리케이트인 것을 특징으로 한다. 상기 금속원소는 Al, Hf, Zr 또는 희토류금속원소 중에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 유전체막은 알루미늄산화막, 하프늄산화막, 지르코늄산화막, 란탄늄산화막, 디스프로슘산화막, 스칸듐산화막, 이트륨산화막, 가돌리늄산화막, 네오디뮴산화막, 세륨산화막 또는 프라세오디뮴산화막 중에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 금속실리케이트는 알루미늄실리케이트, 하프늄실리케이트, 지르코늄실리케이트, 란탄늄실리케이트 디스프로슘실리케이트, 스칸듐실리케이트, 이 트륨실리케이트, 가돌리늄실리케이트 네오디뮴실리케이트, 세륨실리케이트 또는 프라세오디뮴실리케이트 중에서 선택된 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 라디칼산화는 열라디칼산화 또는 플라즈마라디칼산화를 이용하여 진행하는 것을 특징으로 한다.In addition, the method of manufacturing a nonvolatile memory device of the present invention includes the steps of: forming a tunneling film on the first conductive film; Forming a charge storage layer on the tunneling layer; Forming a dielectric film on the charge storage film; Oxidizing the surface of the charge storage layer through radical oxidation to form a metal silicate; And forming a second conductive film on the dielectric film, wherein the dielectric film comprises a dielectric film mixed with metal elements which serve as an oxidation catalyst during the radical oxidation. The silicate is a silicate in which the metal elements mixed in the dielectric film are mixed. The metal element is characterized in that it comprises at least one selected from Al, Hf, Zr or rare earth metal elements. The dielectric film may include at least one selected from aluminum oxide film, hafnium oxide film, zirconium oxide film, lanthanum oxide film, dysprosium oxide film, scandium oxide film, yttrium oxide film, gadolinium oxide film, neodymium oxide film, cerium oxide film or praseodymium oxide film. The metal silicate comprises any one selected from among aluminum silicate, hafnium silicate, zirconium silicate, lanthanum silicate dysprosium silicate, scandium silicate, yttrium silicate, gadolinium silicate neodymium silicate, cerium silicate or praseodymium silicate. The radical oxidation is characterized in that it proceeds using thermal radical oxidation or plasma radical oxidation.
상술한 바와 같은 본 발명은 전하차단막(blocking layer)이 금속실리케이트와 고유전체막을 포함하므로써 고유전체막보다 에너지밴드갭이 크고 트랩밀도가 작은 금속실리케이트가 고유전체막과 전하저장막을 충분히 분리시킬 수 있는 효과가 있다. According to the present invention as described above, since the blocking layer includes a metal silicate and a high dielectric film, the metal silicate having a larger energy band gap and a smaller trap density than the high dielectric film can sufficiently separate the high dielectric film and the charge storage film. It works.
또한, 금속실리케이트가 전하저장막의 실리콘을 산화시켜 성장시키는 라디칼산화 방법을 적용함에 따라 화학기상증착법(CVD)에 의한 막보다 특성이 우수하다.In addition, the metal silicate is superior to the film by chemical vapor deposition (CVD) as a radical oxidation method for oxidizing and growing silicon in the charge storage film.
또한, 라디칼산화시 고유전체막 내에 존재하는 산소공공이 활성산소에 의해 치유되기 때문에 트랩밀도를 감소시킬 수 있다. 즉, 우수한 막질의 금속실리케이트를 쉽게 형성하면서 동시에 고유전체막의 막특성도 향상시킬 수 있다. In addition, since the oxygen pores present in the high dielectric film during radical oxidation are healed by active oxygen, the trap density can be reduced. That is, it is possible to easily form metal silicates of excellent film quality and to improve the film properties of the high dielectric film.
결국, 본 발명은 금속실리케이트와 고유전체막을 전하차단막으로 사용하므로써 전하차단막의 누설전류가 감소하고, 프로그램 및 소거 속도를 향상시키고, 데이터유지특성이 개선시킬 수 있는 효과가 있다.As a result, the present invention has the effect of reducing the leakage current of the charge blocking film, improving the program and erase speed, and improving the data retention characteristics by using the metal silicate and the high dielectric film as the charge blocking film.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.Hereinafter, the most preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily implement the technical idea of the present invention. .
본 발명은 전하저장막에 저장된 전하의 이동을 방지하는 전하차단막을 포함하는 비휘발성메모리장치에 있어서, 전하차단막으로 고유전체막을 형성한 후에 후속하여 라디칼산화 방법을 통해 산화시킨다. 이와 같은 라디칼산화에 의해 고유전체막의 일부가 실리케이트(Silicate)가 되어 고유전체막과 실리케이트의 순서로 적층된 전하차단막을 형성할 수 있다.The present invention is a nonvolatile memory device including a charge blocking film that prevents the movement of charge stored in a charge storage film. The high dielectric film is formed as a charge blocking film and subsequently oxidized through a radical oxidation method. Due to such radical oxidation, a part of the high dielectric film becomes a silicate to form a charge blocking film laminated in the order of the high dielectric film and the silicate.
실리케이트는 에너지밴드갭이 크고 트랩밀도가 작기 때문에 다량의 트랩사이트를 포함하는 고유전체막을 전하저장막과 분리시키게 된다. 특히, 본 발명의 실리케이트는 전하저장막의 실리콘을 산화시켜 성장시키는 방법이기 때문에 기존의 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition; CVD)에 의한 막보다 특성이 우수하다. 또한, 라디칼산화시 고유전체막 내에 존재하는 산소공공이 활성산소에 의해 치유되기 때문에 트랩밀도를 감소시키는 장점도 있다. 즉, 우수한 막질의 실리케이트를 쉽게 형성하고 고유전체막 특성도 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 전하차단막의 누설전류가 감소하고, 프로그램 및 소거 속도를 향상시키고, 데이터유지특성이 개선된다.Since the silicate has a large energy band gap and a small trap density, the high dielectric film containing a large amount of trap sites is separated from the charge storage film. In particular, since the silicate of the present invention is a method of oxidizing and growing silicon in a charge storage film, the silicate has superior characteristics to a film by conventional chemical vapor deposition (CVD). In addition, since oxygen vacancy present in the high dielectric film during radical oxidation is healed by active oxygen, there is an advantage of reducing the trap density. That is, it is possible to easily form a good film silicate and to improve the high dielectric film properties. This reduces the leakage current of the charge blocking film, improves the program and erase speeds, and improves the data retention characteristics.
도 1a는 본 발명의 제1실시예에 따른 비휘발성메모리장치의 구조를 도시한 도면이다.1A is a diagram showing the structure of a nonvolatile memory device according to the first embodiment of the present invention.
도 1a를 참조하면, 제1도전막(100) 상에 터널링막(101)이 형성된다. 터널링 막(101) 상에 전하저장막(102)이 형성되며, 전하저장막(102) 상에 전하차단막(103)이 형성된다. 전하차단막(103) 상에 제2도전막(104)이 형성된다. Referring to FIG. 1A, a
제1도전막(100)은 실리콘기판을 포함하며, 실리콘기판은 P형 도전형 또는 N형 도전형의 불순물이 도핑될 수 있다. 바람직하게는 붕소(Boron)와 같은 P형 도전형 불순물이 도핑되어 있을 수 있다. 또한, 제1도전막(100)은 채널영역과 채널영역 양측에 형성된 소스영역과 드레인영역을 포함할 수 있다.The first
제2도전막(104)은 폴리실리콘막을 포함하거나, 폴리실리콘막과 금속막이 적층된 2층 구조 또는 제1금속막(104A), 폴리실리콘막(104B) 및 제2금속막(104C)이 적층된 3층 구조를 포함할 수 있다. 제1도전막(104)으로 사용된 폴리실리콘막은 컨트롤게이트가 된다. 이하, 실시예에서는 3층 구조에 대해 설명하기로 한다.The second
3층 구조를 갖는 제2도전막(104)에서 제1금속막(104A)은 중간갭(Mid gap) 이상의 고일함수를 갖는 금속막을 포함할 수 있다. 금속막에 있어서 일함수는 페르미 레벨(Fermi level)과 진공 레벨(Vacuum level) 사이의 에너지 차이를 의미한다. 중간갭 이상의 고일함수란 실리콘의 중간갭 이상의 일함수를 의미하는 것으로서, 중간갭은 가전자대(Valence band; Ev)와 전도대(Conduction band; Ec) 사이의 에너지준위를 의미한다. 따라서, 중간갭 이상의 고일함수는 4.0eV 보다 크고 5.3eV 보다 작은 범위를 가질 수 있다. 이러한 범위의 고일함수를 갖는 금속막은 Pt, Ru, TiN, WN, TaN, Ir, Mo, Co, Ni, NiSi, NiPtSi, NiCSi 또는 CoSi 중에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 이와 같이 고일함수를 갖는 제1금속막(104A)은 전하차단막(103)과 접촉하여 전하차단막(103)의 누설전류특성을 개선시킨다. 그리고, 3 층 구조에서 폴리실리콘막(104B)은 컨트롤게이트(Control gate)로 사용되고, 제2금속막(104C)은 컨트롤게이트의 저항을 낮추기 위한 저저항 금속막(Low resistive metal)으로서 텅스텐막을 포함할 수 있다. 도시하지 않았지만, 제2도전막(104) 상에는 하드마스크절연막이 구비될 수 있다.In the second
터널링막(101)은 제1도전막(100) 및 전하저장막(102)보다 에너지밴드갭이 큰 물질을 포함한다. 바람직하게, 터널링막(101)은 산화막 또는 질소가 혼합된 산화막을 포함할 수 있는데, 예를 들어, 실리콘산화막(SiO2) 또는 실리콘산화질화막(SiON)을 포함한다. 이와 같이, 터널링막(101)이 에너지밴드갭이 크면 프로그램되어 전하저장막(102)에 저장되어 있는 전하가 쉽게 이동하지 못한다.The
전하저장막(102)은 터널링막(101)을 통해 주입된 전자(Electron)이나 정공(Hole)을 트랩(trap)하는 기능을 갖는 막으로서, 전하트랩층 또는 전하축적층이라고도 한다. 전하저장막(102)은 트랩사이트 밀도(Trap site density)가 높도록 질소가 혼합된 물질을 포함하는데, 예를 들어, 실리콘질화막(Si3N4)을 포함할 수 있다. 또한, 전하저장막(102)은 폴리실리콘막을 포함할 수 있다. 이와 같이, 전하저장막(102)이 실리콘질화막(Si3N4)인 경우는 전하트랩형 비휘발성메모리장치가 되고, 전하저장막(102)이 폴리실리콘막인 경우는 부유형 비휘발성메모리장치가 된다.The
전하저장막(102)과 제2도전막(104) 사이에 구비된 전하차단막(Blocking layer, 103)은 터널링막(101)을 통과한 전자들이 전하저장막(102)에 트랩되는 과정에서 제2도전막(104)으로 이동하는 것을 차단하는 절연막의 역할을 하는 것이다. 전하차단막(103)은 전하이동을 차단하면서도 등가산화막두께(EOT)를 낮추도록 높은 유전율(High-k)을 갖는 고유전체막을 포함하는 것이 바람직하다. 하지만, 고유전체막이 낮은 에너지밴드갭을 갖고 다량의 트랩사이트가 존재하므로 전하차단막(103)이 전하저장막(102)과 직접 접촉하는 경우에는 전하저장막(102) 내 전하의 손실이 불가피하다. 즉, 고유전체막의 낮은 에너지밴드갭에 의해 전하저장막(102)의 전하가 고유전체막으로 쉽게 이동하고, 이에 따라 고유전체막 내 다량의 트랩사이트에 전하가 트랩되어 전하저장막(102)의 전하손실이 발생한다.The
이와 같은 전하저장막(102)의 전하손실을 방지하기 위해 전하차단막(103)은 전하저장막(102)과 접촉하는 제1전하차단막(103A)을 포함한다. 따라서, 전하차단막(103)은 전하저장막(102)과 접촉하여 계면을 형성하는 제1전하차단막(103A)과 고유전체막으로 형성된 제2전하차단막(103B)을 포함한다. 제2전하차단막(103B)은 제2도전막(104)과 접촉한다.In order to prevent the charge loss of the
제1전하차단막(103A)은 전하저장막(102)내 전하가 쉽게 이동하지 못하도록 제2전하차단막(103B)보다 큰 에너지밴드갭(Energy band gap; Eg)을 갖는 유전체막으로 형성한다. 이와 같이 에너지밴드갭이 큰 제1전하차단막(103A)은 큰 에너지밴드갭에 의해 낮은 유전율을 갖고, 이에 따라 고유전체막인 제2전하차단막(103B)보다 트랩사이트(trap site)의 수가 작다. 제1전하차단막(103A)은 제2전하차단막(103B)보다 유전율이 낮다.The first
제1전하차단막(103A)이 큰 에너지밴드갭을 갖게 되면, 전하저장막(102)과의 계면에서 형성되는 밴드오프셋(Band offset)이 크다. 밴드오프셋이란 에너지밴드다 이어그램에서 접촉하고 있는 두 물질의 전도대(Ec)간 에너지 차이를 의미한다.When the first
바람직하게, 제1전하차단막(103A)은 제2전하차단막(103B)과 전하저장막(102)이 접촉하여 형성되는 밴드오프셋보다 더 큰 밴드오프셋을 갖는 물질이다. 밴드오프셋이 크면 전하저장막(102) 내 전하가 이동할 수 있는 전위장벽이 높아지므로 그만큼 전하의 이동이 억제된다.Preferably, the first
아울러, 제1전하차단막(103A)이 낮은 유전율을 갖게 되면, 트랩사이트의 수가 작기 때문에 전하가 트랩되는 확률이 그만큼 감소한다. 즉, 제1전하차단막(103A)은 제2전하차단막(103B)보다 트랩밀도가 낮고, 전하저장막(102)보다도 트랩밀도가 낮다.In addition, when the first
제2전하차단막(103B)이 고유전체막을 포함하는 경우, 제1전하차단막(103A)은 고유전체막보다 에너지밴드갭이 큰 유전체막을 포함할 수 있다.When the second
바람직하게, 제2전하차단막(103B)으로 사용되는 고유전체막은 Al, Hf, Zr 또는 희토류금속원소 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 금속원소를 함유하는 금속산화막을 포함한다. 예를 들어, 고유전체막은 알루미늄산화막(AlxOy), 하프늄산화막(HfxOy), 지르코늄산화막(ZrxOy), 란탄늄산화막(LaxOy), 디스프로슘산화막(DyxOy), 스칸듐산화막(ScxOy), 이트륨산화막(YxOy), 가돌리늄산화막(GdxOy), 네오디뮴산화막(NdxOy), 세륨산화막(CexOy) 또는 프라세오디뮴산화막(PrxOy) 중에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함한다. 여기서, '적어도 어느 하나'란 단층, 2층, 3층 또는 2가지 이상의 고유전체막이 혼합된 혼합막을 포함한다. 위와 같은 고유전체막들은 4∼8eV 정도의 에너지밴드갭을 갖는다.Preferably, the high dielectric film used as the second
바람직하게, 제1전하차단막(103A)은 실리케이트(Silicate), 더욱 바람직하게는 금속실리케이트(Metal silicate)를 포함할 수 있다. 금속실리케이트는 약 9eV 정도의 큰 에너지밴드갭을 갖는 물질이다. 이처럼 에너지밴드갭이 큰 제1전하차단막(103A)은 전하저장막(102)과의 계면에서 높은 밴드오프셋을 갖게 되므로, 전하저장막(102)내 전하가 쉽게 이동하지 못한다.Preferably, the first
제1전하차단막(103A)으로 사용되는 금속실리케이트는 알루미늄산화막(AlxOy), 하프늄산화막(HfxOy), 지르코늄산화막(ZrxOy), 란탄늄산화막(LaxOy), 디스프로슘산화막(DyxOy), 스칸듐산화막(ScxOy), 이트륨산화막(YxOy), 가돌리늄산화막(GdxOy), 네오디뮴산화막(NdxOy), 세륨산화막(CexOy) 또는 프라세오디뮴산화막(PrxOy) 중에서 선택된 어느 하나에 실리콘이 혼합된 실리케이트(Silicate)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 금속실리케이트는 알루미늄실리케이트(AlxSiyOz), 하프늄실리케이트(HfxSiyOz), 지르코늄실리케이트(ZrxSiyOz), 란탄늄실리케이트(LaxSiyOz), 디스프로슘실리케이트(DyxSiyOz), 스칸듐실리케이트(ScxSiyOz), 이트륨실리케이트(YxSiyOz), 가돌리늄실리케이트(GdxSiyOz), 네오디뮴실리케이트(NdxSiyOz), 세륨실리케이트(CexSiyOz) 또는 프라세오디뮴실리케이트(PrxSiyOz) 중에서 선택된 어느 하나를 포함한다.The metal silicate used as the first
위와 같이 제1전하차단막(103A)은 제2전하차단막(103B)으로 사용된 고유전체막의 금속원소를 포함하고 있음을 알 수 있다. 즉, 제1전하차단막(103A)은 고유전체막에 혼합되어 있는 금속원소(Al, Hf, Zr 또는 희토류금속원소)의 실리케이트이다. 제조 방법에서 후술하겠지만, 이는 고유전체막이 형성된 상태에서 라디칼산화공정에 의해 제1전하차단막이 형성되기 때문이다. 제1전하차단막(103A)은 전하저장막(102)의 실리콘을 산화시켜 형성하고, 이때, 고유전체막의 금속원소가 혼합되어 금속실리케이트가 된다.As described above, it can be seen that the first
제1전하차단막(103A)은 제2전하차단막(103B) 및 전하저장막(102)보다 두께가 얇다. 제1전하차단막(103A)의 두께는 20∼50Å이고, 제2전하차단막(103B)의 두께는 100∼300Å이며, 전하저장막(102)의 두께는 50∼300Å이다.The first
도 1b는 종래 MANOS 구조와 본 발명의 제1실시예에 따른 전하저장막과 전하차단막 사이의 에너지밴드다이아그램(Energyband idagram)을 비교한 도면이다. 도 1b에서, MANOS 구조는 전하저장막이 실리콘질화막(Si3N4)이고, 전하차단막이 알루미늄산화막(Al2O3)이다. 본 발명의 제1실시예는 전하저장막(102)은 실리콘질화막(Si3N4)을 사용하고, 제1전하차단막(103A)은 알루미늄실리케이트(AlSiO)를 사용하며, 제2전하차단막(103B)은 알루미늄산화막(Al2O3)을 사용한다. 알루미늄실리케이트(AlSiO)는 알루미늄산화막(Al2O3)에 실리콘(Si)이 혼합된 물질로서, 실리콘(Si)이 혼합됨에 따라 알루미늄산화막(Al2O3)보다 에너지밴드갭이 커진다. 알루미늄산화 막(Al2O3)의 에너지밴드갭은 8.7eV이므로 알루미늄실리케이트의 에너지밴드갭은 적어도 8.7eV보다 큰 값을 갖는다. 실리콘질화막(Si3N4)의 에너지밴드갭은 5.3eV이다. 각 물질의 에너지밴드갭은 전도대(Ec)와 가전자대(Ev) 사이의 에너지준위 차이이다. 각 물질의 에너지밴드갭은 여러 공정조건에 따라 값이 일부 변동되므로 근사치 값으로 기재하기로 한다.FIG. 1B is a diagram comparing an energy band diagram between a conventional MANOS structure and a charge storage layer and a charge blocking layer according to a first embodiment of the present invention. In FIG. 1B, the MANOS structure has a charge storage film of silicon nitride film (Si 3 N 4 ) and a charge blocking film of aluminum oxide film (Al 2 O 3 ). In the first embodiment of the present invention, the
도 1b를 참조하면 전하저장막과 전하차단막이 접촉하는 경우 각 물질이 갖는 에너지밴드갭 차이에 따라 전위장벽이 형성된다. 실리콘질화막과 알루미늄산화막의 전도대간 밴드오프셋(도면부호 'BO')에 비해 실리콘질화막과 알루미늄실리케이트간 전도대간 밴드오프셋(도면부호 'BO1')이 더 크다.Referring to FIG. 1B, when the charge storage layer is in contact with the charge blocking layer, a potential barrier is formed according to an energy band gap difference of each material. The band offset between conduction bands between silicon nitride film and aluminum silicate (BO1) is larger than the band offset between conduction bands of silicon nitride film and aluminum oxide film (BO).
결국, 제1실시예에 따르면 종래 MANOS 구조와 다르게, 전하저장막인 실리콘질화막에 저장된 전자(e)가 열이나 기타 주위 환경에 의해 에너지를 받더라도 높은 밴드오프셋을 뛰어 넘지 못하기 때문에(③) 비휘발성메모리장치의 데이터유지특성이 개선된다. 종래 MANOS 구조에서는 실리콘질화막과 알루미늄산화막의 전도대간 밴드오프셋이 낮으므로 실리콘질화막에 저장된 전자(e)가 알루미늄산화막으로 뛰어넘어 이동하는 것을 알 수 있다(①).After all, according to the first embodiment, unlike the conventional MANOS structure, even if the electron (e) stored in the silicon nitride film, which is a charge storage film, is energized by heat or other surrounding environment, it does not exceed the high band offset (③). The data holding characteristic of the volatile memory device is improved. Since the band offset between the conduction bands of the silicon nitride film and the aluminum oxide film is low in the conventional MANOS structure, it can be seen that electrons e stored in the silicon nitride film jump over the aluminum oxide film (①).
또한, 종래 MANOS 구조에서는 실리콘질화막의 전도대(Ec)로 이동한 전자(e)가 알루미늄산화막내 존재하는 다량의 트랩(T)을 통하여 유출된다(②). 이에 반해, 알루미늄실리케이트는 트랩사이트밀도가 낮기 때문에 실리콘질화막의 전도대(Ec)로 이동한 전자(e)가 알루미늄실리케이트 내부로 유출될 확률이 감소한다(④). In addition, in the conventional MANOS structure, electrons e moved to the conduction band Ec of the silicon nitride film flow out through a large amount of traps T present in the aluminum oxide film (2). On the other hand, since aluminum silicate has a low trap site density, the probability that electrons e moved to the conduction band Ec of the silicon nitride film flows into the aluminum silicate is reduced (4).
도 2a는 본 발명의 제2실시예에 따른 비휘발성메모리장치의 구조를 도시한 도면이다.2A is a diagram showing the structure of a nonvolatile memory device according to the second embodiment of the present invention.
도 2a를 참조하면, 제1도전막(200) 상에 터널링막(201)이 형성된다. 터널링막(201) 상에 전하저장막(202)이 형성되며, 전하저장막(202) 상에 전하차단막(203)이 형성된다. 전하차단막(203) 상에 제2도전막(204)이 형성된다. Referring to FIG. 2A, a
제1도전막(200)은 실리콘기판을 포함하며, 실리콘기판은 P형 도전형 또는 N형 도전형의 불순물이 도핑될 수 있다. 바람직하게는 붕소(Boron)와 같은 P형 도전형 불순물이 도핑되어 있을 수 있다. 또한, 제1도전막(200)은 채널영역과 채널영역 양측에 형성된 소스영역과 드레인영역을 포함할 수 있다.The first
제2도전막(204)은 폴리실리콘막을 포함하거나, 폴리실리콘막과 금속막이 적층된 구조 또는 제1금속막(204A), 폴리실리콘막(204B) 및 제2금속막(204C)이 적층된 적층체를 포함할 수 있다. 적층체에서 제1금속막(204A)은 중간갭(Mid gap) 이상의 고일함수를 갖는 금속막을 포함할 수 있다. 금속막에 있어서 일함수는 페르미 레벨(Fermi level)과 진공 레벨(Vacuum level) 사이의 에너지 차이를 의미한다. 중간갭 이상의 고일함수란 실리콘의 중간갭 이상의 일함수를 의미하는 것으로서, 중간갭은 가전자대(Valence band)와 전도대(Conduction band) 사이의 에너지준위를 의미한다. 따라서, 중간갭 이상의 고일함수는 4.0eV 보다 크고 5.3eV 보다 작은 범위를 가질 수 있다. 이러한 범위의 고일함수를 갖는 금속막은 Pt, Ru, TiN, WN, TaN, Ir, Mo, Co, Ni, NiSi, NiPtSi, NiCSi 또는 CoSi 중에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 이와 같이 고일함수를 갖는 제1금속막(204A)은 전하차단 막(203)과 접촉하여 전하차단막(203)의 누설전류특성을 개선시킨다. 그리고, 적층체에서 폴리실리콘막(204B)은 컨트롤게이트(Control gate)로 사용되고, 제2금속막(204C)은 컨트롤게이트의 저항을 낮추기 위한 저저항 금속막(Low resistive metal)으로서 텅스텐막을 포함할 수 있다. 도시하지 않았지만, 제2도전막(204) 상에는 하드마스크절연막이 구비될 수 있다.The second
터널링막(201)은 제1도전막(200) 및 전하저장막(202)보다 에너지밴드갭이 큰 물질을 포함한다. 바람직하게, 터널링막(201)은 산화막 또는 질소가 혼합된 산화막을 포함할 수 있는데, 예를 들어, 실리콘산화막(SiO2) 또는 실리콘산화질화막(SiON)을 포함한다. 이와 같이, 터널링막(201)이 에너지밴드갭이 크면 프로그램되어 전하저장막(202)에 저장되어 있는 전하가 터널링막(201)쪽으로 쉽게 이동하지 못한다.The
전하저장막(202)은 터널링막(201)을 통해 주입된 전자(Electron)이나 정공(Hole)을 트랩(trap)하는 기능을 갖는 절연막으로서, 전하트랩층 또는 전하축적층이라고도 한다. 전하저장막(202)은 트랩사이트 밀도(Trap site density)가 높도록 질소가 혼합된 물질을 포함하는데, 예를 들어, 실리콘질화막(Si3N4)을 포함할 수 있다. 또한, 전하저장막(202)은 폴리실리콘막을 포함한다. 이와 같이, 전하저장막(202)이 실리콘질화막인 경우는 전하트랩형 비휘발성메모리장치가 되고, 전하저장막(202)이 폴리실리콘막인 경우는 부유형 비휘발성메모리장치가 된다.The
전하저장막(202)과 제2도전막(204) 사이에 구비된 전하차단막(Blocking layer, 203)은 터널링막(201)을 통과한 전하들이 전하저장막(202)에 트랩되는 과정 에서 제2도전막(204)으로 이동하는 것을 차단하는 절연막의 역할을 하는 것이다. 전하차단막(203)은 전하이동을 차단하면서도 등가산화막두께(EOT)를 낮추도록 높은 유전율(High-k)을 갖는 고유전체막을 포함하는 것이 바람직하다. 하지만, 고유전체막이 낮은 에너지밴드갭을 갖고 다량의 트랩사이트가 존재하므로 전하저장막(202)과 직접 접촉하는 경우에는 전하저장막(202) 내 전하의 손실이 불가피하다. 즉, 고유전체막의 낮은 에너지밴드갭에 의해 전하저장막(202)의 전하가 고유전체막으로 쉽게 이동하고, 이에 따라 고유전체막 내 다량의 트랩사이트에 전하가 트랩되어 전하저장막(202)의 전하손실이 발생한다.The
이와 같은 전하저장막(202)의 전하손실을 방지하기 위해 전하차단막(203)은 전하저장막(202)과 접촉하는 제1전하차단막(203A)을 포함한다. 따라서, 전하차단막(203)은 전하저장막(202)과 접촉하여 계면을 형성하는 제1전하차단막(203A)과 고유전체막으로 형성된 제2전하차단막(203B)을 포함한다. 아울러, 전하차단막(203)은 제2도전막(204)와 접촉하는 부분에서의 전하 차단 특성을 향상시기 위한 제3전하차단막(203C)을 더 포함한다.In order to prevent the charge loss of the
제1전하차단막(203A)은 전하저장막(202)내 전하가 쉽게 이동하지 못하도록 제2전하차단막(203B)보다 큰 에너지밴드갭(Energy band gap; Eg)을 갖는 유전체막으로 형성한다. 이와 같이 에너지밴드갭이 큰 제1전하차단막(203A)은 큰 에너지밴드갭에 의해 낮은 유전율을 갖고, 이에 따라 고유전체막인 제2전하차단막(203B)보다 트랩사이트(trap site)의 수가 작다.The first
제1전하차단막(203A)이 큰 에너지밴드갭을 갖게 되면, 전하저장막(202)과의 계면에서 형성되는 밴드오프셋(Band offset)이 크다. 밴드오프셋이란 에너지밴드다이어그램에서 접촉하고 있는 두 물질의 전도대(Conduction band)간 에너지 차이를 의미한다.When the first
바람직하게, 제1전하차단막(203A)은 제2전하차단막(203B)과 전하저장막(202)이 접촉하여 형성되는 밴드오프셋(Band offset)보다 더 큰 밴드오프셋을 갖는 물질이다. 밴드오프셋이 크면 전하저장막(202) 내 전하가 이동할 수 있는 전위장벽이 높아지므로 그만큼 전하의 이동이 억제된다.Preferably, the first
아울러, 제1전하차단막(203A)이 낮은 유전율을 갖게 되면, 트랩사이트의 수가 작기 때문에 전하가 트랩되는 확률이 그만큼 감소한다. 즉, 제1전하차단막(203A)은 제2전하차단막(203B)보다 트랩사이트 밀도가 낮고, 전하저장막(202)보다도 트랩사이트밀도가 낮다.In addition, when the first
제2전하차단막(203B)이 고유전체막을 포함하는 경우, 제1전하차단막(203A)은 고유전체막보다 에너지밴드갭이 큰 유전체막을 포함할 수 있다.When the second
바람직하게, 제2전하차단막(203B)으로 사용되는 고유전체막은 Al, Hf, Zr 또는 희토류금속원소 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 금속원소를 함유하는 금속산화막을 포함한다. 예를 들어, 고유전체막은 알루미늄산화막(AlxOy), 하프늄산화막(HfxOy), 지르코늄산화막(ZrxOy), 란탄늄산화막(LaxOy), 디스프로슘산화막(DyxOy), 스칸듐산화막(ScxOy), 이트륨산화막(YxOy), 가돌리늄산화막(GdxOy), 네오디뮴산화막(NdxOy), 세륨산화막(CexOy) 또는 프라세오디뮴산화막(PrxOy) 중에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함한다. 여기서, '적어도 어느 하나'란 단층, 2층, 3층 또는 2가지 이상의 고유전체막이 혼합된 혼합막을 포함한다. 위와 같은 고유전체막들은 4∼8eV 정도의 에너지밴드갭을 갖는다.Preferably, the high dielectric film used as the second
바람직하게, 제1전하차단막(203A)은 실리케이트(Silicate), 더욱 바람직하게는 금속실리케이트(Metal silicate)를 포함할 수 있다. 금속실리케이트는 약 9eV 정도의 큰 에너지밴드갭을 갖는 물질이다. 이처럼 에너지밴드갭이 큰 제1전하차단막(203A)은 전하저장막(202)과의 계면에서 높은 밴드오프셋을 갖게 되므로, 전하저장막(202)내 전하가 쉽게 이동하지 못한다.Preferably, the first
제1전하차단막(203A)으로 사용되는 금속실리케이트는 알루미늄산화막(AlxOy), 하프늄산화막(HfxOy), 지르코늄산화막(ZrxOy), 란탄늄산화막(LaxOy), 디스프로슘산화막(DyxOy), 스칸듐산화막(ScxOy), 이트륨산화막(YxOy), 가돌리늄산화막(GdxOy), 네오디뮴산화막(NdxOy), 세륨산화막(CexOy) 또는 프라세오디뮴산화막(PrxOy) 중에서 선택된 어느 하나에 실리콘이 혼합된 실리케이트(Silicate)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 금속실리케이트는 알루미늄실리케이트(AlxSiyOz), 하프늄실리케이트(HfxSiyOz), 지르코늄실리케이트(ZrxSiyOz), 란탄늄실리케이트(LaxSiyOz), 디스프로슘실리케이트(DyxSiyOz), 스칸듐실리케이트(ScxSiyOz), 이트륨실리케이트(YxSiyOz), 가돌리늄실리케이트(GdxSiyOz), 네오디뮴실리케이트(NdxSiyOz), 세륨실리 케이트(CexSiyOz) 또는 프라세오디뮴실리케이트(PrxSiyOz) 중에서 선택된 어느 하나를 포함한다.The metal silicate used as the first
위와 같이 제1전하차단막(203A)은 제2전하차단막(203B)으로 사용된 고유전체막의 금속원소를 포함하고 있음을 알 수 있다. 즉, 제1전하차단막(203A)은 고유전체막에 혼합되어 있는 금속원소(Al, Hf, Zr 또는 희토류금속원소)의 실리케이트이다. 제조 방법에서 후술하겠지만, 이는 고유전체막이 형성된 상태에서 라디칼산화공정에 의해 제1전하차단막이 형성되기 때문이다. 제1전하차단막(203A)은 전하저장막(202)의 실리콘을 산화시켜 형성하고, 이때, 고유전체막의 금속원소가 혼합되어 금속실리케이트가 된다.As described above, it can be seen that the first
제3전하차단막(203C)은 제2전하차단막(203B)보다 유전율은 낮으나 에너지밴드갭이 큰 유전체막을 포함한다. 제3전하차단막(203C)이 큰 에너지밴드갭을 가짐에 따라 전하손실을 더욱더 억제할 수 있다. 예컨대, 제1 및 제2전하차단막(203A, 203B)으로 일부 전하가 이동되었다고 하더라도 제3전하차단막(203C)이 제2전하차단막(203B)보다 에너지밴드갭이 크므로 제2전하차단막(203B)에서 제3전하차단막(203C)으로 전하가 이동하지 못한다.The third
바람직하게, 제3전하차단막(203C)은 제1전하차단막(203A)과 동일한 에너지밴드갭을 갖거나 그보다 더 큰 에너지밴드갭을 가질 수 있다. 제3전하차단막(203C)은 금속산화막을 포함하는데, 예를 들면, 알루미늄산화막(Al2O3)을 포함할 수 있다. 알루미늄산화막은 에너지밴드갭이 8.7eV 정도로 매우 크다. 제3전하차단막(203C)이 알루미늄산화막을 포함하는 경우에, 제2전하차단막(203B)과 제3전하차단막(203C)간 에너지밴드갭 차이를 주기 위해 제2전하차단막(203C)은 알루미늄산화막이 제외될 수 있다.Preferably, the third
전술한 바와 같이, 제2실시예는 전하차단막(203)이 서로 다른 에너지밴드갭을 갖는 유전체막들의 적층구조임을 알 수 있다. 전하저장막(202)에 접촉하는 제1전하차단막(203A)과 제2도전막(204)에 접촉하는 제3전하차단막(203C)의 에너지밴드갭이 제2전하차단막(203B)의 에너지밴드갭보다 더 크므로 제1실시예보다 전하차단 효과가 더욱 증대된다.As described above, in the second embodiment, it can be seen that the
도 2b는 종래 MANOS 구조와 본 발명의 제2실시예에 따른 전하저장막과 전하차단막 사이의 에너지밴드다이아그램(Energyband idagram)을 비교한 도면이다. 도 2b에서, MANOS 구조는 전하저장막이 실리콘질화막(Si3N4)이고, 전하차단막이 알루미늄산화막(Al2O3)이다. 본 발명의 제2실시예에 따른 전하저장막은 실리콘질화막(Si3N4)을 사용하고, 제1전하차단막은 지르코늄실리케이트(ZrSiO)를 사용하고, 제2전하차단막은 지르코늄산화막을 사용하며, 제3전하차단막은 Al2O3를 사용한 경우이다. 지르코늄실리케이트는 지르코늄산화막에 실리콘이 혼합된 물질로서 실리콘이 혼합됨에 따라 지르코늄산화막보다 에너지밴드갭이 높아진다. Al2O3의 에너지밴드갭은 8.7eV이고, 지르코늄산화막의 에너지밴드갭은 7.8eV이며, 실리콘질화막(Si3N4)의 에너지밴드갭은 5.3eV이고, 지르코늄실리케이트(ZrSiO)의 에너지밴드갭은 7.8eV보 다 더 크다. 각 물질의 에너지밴드갭은 전도대(Ec)와 가전자대(Ev) 사이의 에너지준위 차이이다.FIG. 2B is a diagram comparing an energy band diagram between a conventional MANOS structure and a charge storage layer and a charge blocking layer according to a second embodiment of the present invention. In FIG. 2B, the MANOS structure has a charge storage film of silicon nitride film (Si 3 N 4 ) and a charge blocking film of aluminum oxide film (Al 2 O 3 ). The charge storage layer according to the second embodiment of the present invention uses a silicon nitride film (Si 3 N 4 ), the first charge blocking film is used zirconium silicate (ZrSiO), the second charge blocking film is a zirconium oxide film, 3 is a case where Al 2 O 3 is used. Zirconium silicate is a material in which silicon is mixed with a zirconium oxide film, and as the silicon is mixed, the energy band gap is higher than that of the zirconium oxide film. The energy band gap of Al 2 O 3 is 8.7 eV, the energy band gap of the zirconium oxide film is 7.8 eV, the energy band gap of the silicon nitride film (Si 3 N 4 ) is 5.3 eV, and the energy band gap of zirconium silicate (ZrSiO). Is larger than 7.8 eV. The energy band gap of each material is the difference in energy levels between the conduction band Ec and the valence band Ev.
도 2b를 참조하면 전하저장막과 전하차단막이 접촉하는 경우 각 물질이 갖는 에너지밴드갭 차이에 따라 전위장벽이 형성된다. 실리콘질화막과 알루미늄산화막의 전도대간 밴드오프셋(BO)에 비해 실리콘질화막과 지르코늄실리케이트간 전도대간 밴드오프셋(BO2)가 더 크다.Referring to FIG. 2B, when the charge storage layer is in contact with the charge blocking layer, a potential barrier is formed according to an energy band gap difference of each material. The conduction band offset BO2 between the silicon nitride film and the zirconium silicate is larger than the conduction band offset BO between the silicon nitride film and the aluminum oxide film.
따라서, 전하저장막인 실리콘질화막에 저장된 전자(e)가 열이나 기타 주위 환경에 의해 에너지를 받더라도 높은 밴드오프셋(BO2)을 뛰어 넘지 못하기 때문에(⑤) 비휘발성메모리장치의 데이터유지특성이 개선된다. Therefore, even if the electron (e) stored in the silicon nitride film, which is a charge storage film, does not exceed the high band offset (BO2) even if it is energized by heat or other surrounding environment (⑤), the data retention characteristic of the nonvolatile memory device is improved. do.
종래 MANOS 구조에서는 실리콘질화막과 알루미늄산화막의 전도대간 밴드오프셋(BO)이 낮으므로 실리콘질화막에 저장된 전자(e)가 알루미늄산화막으로 뛰어넘어 이동하는 것을 알 수 있다(①).In the conventional MANOS structure, since the band offset (BO) between the conduction bands of the silicon nitride film and the aluminum oxide film is low, it can be seen that electrons e stored in the silicon nitride film jump over the aluminum oxide film (①).
또한, 지르코늄실리케이트는 트랩사이트밀도가 낮기 때문에 실리콘질화막의 전도대(Ec)로 이동한 전자(e)가 실리콘산화막 내부로 유출될 확률이 감소한다(⑥).In addition, since the zirconium silicate has a low trap site density, the probability that electrons e moved to the conduction band Ec of the silicon nitride film flows into the silicon oxide film is reduced (6).
그리고, 본 발명의 제2실시예는 제2전하차단막인 지르코늄산화막에 전자가 트랩된다고 하더라도 지르코늄산화막과 알루미늄산화막간 밴드오프셋(BO3)이 존재하므로 트랩된 전하가 트랩준위로부터 밴드오프셋을 뛰어넘어 이동하지 못한다(⑦). 따라서, 전하차단막이 제3전하차단막을 포함하므로써 전하의 손실을 더욱 최소화할 수 있다.According to the second embodiment of the present invention, even if electrons are trapped in the zirconium oxide film, which is the second charge blocking film, a band offset (BO3) between the zirconium oxide film and the aluminum oxide film exists, so that the trapped charge moves beyond the band offset from the trap level. (⑦) Therefore, since the charge blocking film includes the third charge blocking film, the loss of charge can be further minimized.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 제3실시예에 따른 비휘발성메모리장치 제조 방법을 도시한 공정 단면도이다.3A through 3E are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a nonvolatile memory device in accordance with a third embodiment of the present invention.
도 3a에 도시된 바와 같이, 소자 분리막(42) 및 이온주입공정이 진행된 반도체 기판(41)에 일정 두께의 터널링막(43)을 형성한다. 소자분리막(42)은 STI(Shallow Trench Isolation) 공정을 통해 형성하며, 이온주입공정은 문턱전압조절을 위한 이온주입공정을 포함한다. 도면에서 소자분리막(42)의 표면이 반도체기판(41)보다 높게 도시되었으나, 이러한 높이 차이는 공정 조건에 따라 조절할 수 있다. 즉, 반도체기판(41)과 소자분리막(42)의 표면을 동일하게 형성할 수도 있다. 터널링막(43)은 산화막 또는 질소를 포함하는 산화막을 포함할 수 있다. 바람직하게, 터널링막(43)은 순수 실리콘산화막(pure SiO2) 또는 실리콘산화질화막(Silicon Oxynitride; SiON)을 포함한다.As shown in FIG. 3A, a
이어서, 전하저장막(44)을 형성한다. 전하저장막(44)은 실리콘질화막(Si3N4)또는 폴리실리콘막을 포함한다. 전하저장막(44)은 50∼200Å 두께이다.Subsequently, the
위와 같이 전하저장막(44)을 형성한 후에는 전하저장막(44)과 후속의 도전막간 전하이동에 의한 전류흐름을 차단하는 전하차단막을 형성한다.After the
도 3b에 도시된 바와 같이, 전하저장막(44) 상에 고유전체막(45)을 형성한다.As shown in FIG. 3B, a
고유전체막(45)은 Al, Hf, Zr 또는 희토류금속원소 중에서 선택된 적어도 어느 1 종류의 금속원소를 함유하는 금속산화막을 포함한다. 예를 들어, 고유전체막(45)은 알루미늄산화막(AlxOy), 하프늄산화막(HfxOy), 지르코늄산화막(ZrxOy), 란탄 늄산화막(LaxOy), 디스프로슘산화막(DyxOy), 스칸듐산화막(ScxOy), 이트륨산화막(YxOy), 가돌리늄산화막(GdxOy), 네오디뮴산화막(NdxOy), 세륨산화막(CexOy) 또는 프라세오디뮴산화막(PrxOy) 중에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함한다. 여기서, '적어도 어느 하나'란 단층, 2층, 3층 또는 2가지 이상의 고유전체막이 혼합된 혼합막을 포함한다. 위와 같은 고유전체막(45)은 4∼8eV 정도의 에너지밴드갭을 갖는다.The
고유전체막(45)은 원자층증착법(ALD), 화학기상증착법(CVD) 또는 촉매화학기상증착법(Catalytic CVD)을 이용하여 30∼300Å 두께로 형성한다.The
상술한 바와 같은 고유전체막(45)은 막내에 Al, Hf, Zr 또는 희토류금속원소 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 금속원소를 포함하고 있는데, 이들 금속원소는 후속의 라디칼산화공정시 산화를 촉진시켜 빠른 시간 내에 전하저장막의 실리콘을 산화시킬 수 있는 촉매 역할도 한다.As described above, the high-
도 3c에 도시된 바와 같이, 라디칼산화(radical oxidation)을 통하여 전하저장막(44) 표면을 산화시켜 금속실리케이트(Thick oxide, 46)을 형성한다. 라디칼산화 공정시 고유전체막(45), 특히 고유전체막(45) 내의 금속원소가 산화촉매로 작용하여 짧은 시간에 금속실리케이트(46)를 형성할 수 있다.As illustrated in FIG. 3C, the surface of the
전하저장막(44)이 실리콘을 포함하는 물질이므로, 라디칼산화공정에 의해 전하저장막(44)의 실리콘이 산화되어 금속실리케이트(46)가 형성된다. 바람직하게, 금속실리케이트(46)는 고유전체막(45)의 금속원소가 확산되어 일부 혼합된 금속실 리케이트라 볼 수 있다. 예를 들어, 금속실리케이트(46)는 알루미늄실리케이트(AlxSiyOz), 하프늄실리케이트(HfxSiyOz), 지르코늄실리케이트(ZrxSiyOz), 란탄늄실리케이트(LaxSiyOz), 디스프로슘실리케이트(DyxSiyOz), 스칸듐실리케이트(ScxSiyOz), 이트륨실리케이트(YxSiyOz), 가돌리늄실리케이트(GdxSiyOz), 네오디뮴실리케이트(NdxSiyOz), 세륨실리케이트(CexSiyOz) 또는 프라세오디뮴실리케이트(PrxSiyOz) 중에서 선택된 어느 하나를 포함한다.Since the
라디칼산화는 열라디칼산화(thermal radical oxidation) 또는 플라즈마라디칼산화(plasma radical oxidation)로 진행한다.The radical oxidation proceeds to thermal radical oxidation or plasma radical oxidation.
열라디칼산화 공정은 600℃ 이상의 고온으로 유지되는 열처리로(Furnace) 내에서 열해리된 활성 산소 라디칼(Active oxygen radical)을 이용하여 수행된다. 열라디칼산화 공정은 600∼1200℃의 온도 및 1mTorr∼100Torr의 압력 범위에서 수소함유가스(H2, D2)와 산소가스(O2) 가스를 열처리로 내에 동시에 주입하여 진행한다. 'D2'는 중수소를 의미한다. 이와 같이, 수소함유가스와 산소가스를 동시에 주입하므로써 활성화된 활성산소라디칼을 생성하게 되고, 활성산소라디칼이 전하저장막(44)의 표면을 산화시키게 된다.The thermal radical oxidation process is performed using active oxygen radicals that are thermally dissociated in a furnace maintained at a high temperature of 600 ° C. or higher. The thermal radical oxidation process is performed by simultaneously injecting hydrogen-containing gas (H 2 , D 2 ) and oxygen gas (O 2 ) gas into a heat treatment furnace at a temperature of 600 to 1200 ° C. and a pressure range of 1 mTorr to 100 Torr. 'D 2 ' means deuterium. As described above, the active oxygen radicals are activated by simultaneously injecting the hydrogen-containing gas and the oxygen gas, and the active oxygen radicals oxidize the surface of the
플라즈마라디칼산화 공정은 플라즈마 내에 포함된 활성 산소라디칼을 이용한 라디칼 산화공정이다. 플라즈마 라디칼산화 공정은 플라즈마 해리된 활성 산소 라디칼을 이용하므로, 열해리된 활성산소 라디칼을 이용하는 열라디칼 산화공정에 비 하여 저온에서 수행될 수 있다.The plasma radical oxidation process is a radical oxidation process using active oxygen radicals contained in the plasma. Since the plasma radical oxidation process uses plasma dissociated active oxygen radicals, the plasma radical oxidation process may be performed at a low temperature as compared with a thermal radical oxidation process using thermal dissociated active oxygen radicals.
플라즈마라디칼산화 공정은 산소 가스를 단독으로 사용하여 진행하거나 또는 산소(O2) 가스를 기본으로 사용하되 산소 가스에 아르곤(Ar), 수소(H2) 또는 헬륨(He) 중에서 선택된 적어도 어느 하나를 혼합한 혼합가스로 진행할 수 있다. 예를 들어, 플라즈마 라디칼산화 공정은 아르곤, 수소 및 산소의 혼합가스(Ar/ H2/O2), 아르곤과 산소의 혼합가스(Ar/O2), 헬륨, 수소 및 산소의 혼합가스(He/H2/O2), 헬륨과 산소의 혼합가스(He/O2), 수소와 산소의 혼합가스(H2/O2)를 사용하거나, 이들 혼합가스들을 적어도 2가지 이상 혼합한 혼합가스를 사용할 수도 있다. 산소가스 또는 혼합가스들의 유량은 5∼2000sccm로 한다.The plasma radical oxidation process may be performed using oxygen gas alone or oxygen (O 2 ) gas as a base, and at least one selected from argon (Ar), hydrogen (H 2 ), or helium (He) as the oxygen gas. Proceed to mixed gas mixture. For example, the plasma radical oxidation process includes a mixed gas of argon, hydrogen, and oxygen (Ar / H 2 / O 2 ), a mixed gas of argon and oxygen (Ar / O 2 ), a mixed gas of helium, hydrogen, and oxygen (He / H 2 / O 2 ), a mixed gas of helium and oxygen (He / O 2 ), a mixed gas of hydrogen and oxygen (H 2 / O 2 ), or a mixed gas of at least two of these mixed gases You can also use The flow rate of the oxygen gas or the mixed gases is 5 to 2000 sccm.
플라즈마소스로는 마이크로파(micro wave) 또는 RF(Radio Frequency)를 이용하며 플라즈마파워(plasma power)는 100∼3000W를 이용한다. 플라즈마처리 시간은 5∼600초로 하고, 기판온도는 0∼600℃로 한다.Microwave or RF (Radio Frequency) is used as the plasma source, and plasma power is 100 to 3000W. The plasma treatment time is 5 to 600 seconds, and the substrate temperature is 0 to 600 ° C.
전술한 바와 같이, 라디칼산화 방식에 의해 형성되는 금속실리케이트(46)는 고유전체막(45)내에 함유되어 있는 금속원소에 의해 산화가 촉진되므로 짧은 시간동안 산화를 진행하더라도 충분한 두께로 성장시킬 수 있다. 열라디칼산화방식을 적용하는 경우에는 짧은 시간동안만 진행하여도 성장시킬 수 있기 때문에 전하저장막(44)에 대한 손상이 적다. 플라즈마라디칼산화를 적용하면, 짧은 시간동안 저온에서도 충분한 두께로 성장시킬 수 있다. 금속실리케이트(45)는 고유전체막(46)보다 에너지밴드갭이 큰 물질이다.As described above, since the
상술한 일련의 공정에 의해 전하차단막이 형성된다. 전하차단막은 금속실리케이트(46)와 고유전체막(45)을 포함한다. 금속실리케이트(46)는 전하저장막(44)과의 계면을 형성하는 막이고, 고유전체막(45)은 후속 도전막과의 계면을 형성하는 막이다. 고유전체막(45)에 의한 전하차단 효과를 얻으면서도 금속실리케이트(46)에 의해 고유전체막(45)과 전하저장막(44)을 분리시킬 수 있다.The charge blocking film is formed by the series of steps described above. The charge blocking film includes a
제3실시예에 따른 금속실리케이트(46)는 화학기상증착법(CVD)과 같은 증착법에 의해 형성되는 것이 아니라 라디칼산화를 통해 형성하므로, 막특성이 우수하다. 또한, 라디칼산화 공정시 고유전체막(45) 내 존재하는 산소공공(Oxygen vacancy)이 활성산소라디칼에 의해서 치유되기 때문에 트랩밀도를 더욱 감소시키는 장점이 있다.The
결과적으로, 라디칼산화를 이용하면 우수한 막질의 금속실리케이트(46)를 쉽게 형성할 수 있고, 고유전체막(45)의 막특성도 향상시킬 수 있다. 이를 통해 전하차단막의 누설전류가 감소하고 프로그램속도 및 소거속도를 향상시키며, 데이터유지특성을 개선시킬 수 있다.As a result, the use of radical oxidation makes it possible to easily form the
도 3d에 도시된 바와 같이, 고유전체막(45) 상에 제1금속막(47), 폴리실리콘막(48), 제2금속막(49)을 적층한다. 제1금속막(47)은 고유전체막(45)의 누설 전류를 억제하기 위한 물질로서 높은 일함수를 갖는 금속막이다. 제1금속막(47)은 중간갭(mid-gap ) 이상의 일함수를 갖는 물질로서, Pt, Ru, TiN, WN, TaN, Ir, Mo, Co, Ni, NiSi, NiPtSi, NiCSi 또는 CoSi 중에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함한다. 제1금속막(47)의 두께는 50∼200Å이다. 폴리실리콘막(48)은 컨트롤게이트(Control gate)로 사용된다. 제2금속막(49)은 컨트롤게이트의 저항을 낮추기 위한 저저항 금속막(Low resistive metal)으로서, 텅스텐막을 포함할 수 있다. 폴리실리콘막(48)과 제2금속막(49)간의 상호확산을 방지하기 위해 배리어금속막(Barrier metal)이 삽입될 수도 있다.As shown in FIG. 3D, the
제2금속막(49) 상에 하드마스크절연막(50)을 형성하는데, 하드마스크절연막(50)은 후속 식각공정시 식각장벽으로 이용되는 물질로서, 질화막을 포함할 수 있다.The hard
도 3e에 도시된 바와 같이, 하드마스크절연막(50), 제2금속막(49), 폴리실리콘막(48), 제1금속막(47), 고유전체막(45), 금속실리케이트(46) 및 전하저장막(44)을 순차적으로 식각한다.As shown in FIG. 3E, the hard
위와 같이 형성된 구조는 전하저장막(44)이 실리콘질화막이면 전하트랩형 비휘발성메모리장치가 되고, 전하저장막(44)이 폴리실리콘막이면 부유형 비휘발성메모리장치가 된다.The structure formed as described above is a charge trapping nonvolatile memory device when the
도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 제4실시예에 따른 비휘발성메모리장치 제조 방법을 도시한 공정 단면도이다.4A through 4F are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a nonvolatile memory device in accordance with a fourth embodiment of the present invention.
도 4a에 도시된 바와 같이, 소자 분리막(52) 및 이온주입공정이 진행된 반도체 기판(51)에 일정 두께의 터널링막(53)을 형성한다. 소자분리막(52)은 STI(Shallow Trench Isolation) 공정을 통해 형성하며, 이온주입공정은 문턱전압조절을 위한 이온주입공정을 포함한다. 도면에서 소자분리막(52)의 표면이 반도체기판(51)보다 높게 도시되었으나, 이러한 높이 차이는 공정 조건에 따라 조절할 수 있다. 즉, 반도체기판(51)과 소자분리막(52)의 표면을 동일하게 형성할 수도 있다. 터널링막(53)은 산화막 또는 질소를 포함하는 산화막을 포함할 수 있다. 바람직하게, 터널링막(53)은 순수 실리콘산화막(pure SiO2) 또는 실리콘산화질화막(Silicon Oxynitride; SiON)을 포함한다.As shown in FIG. 4A, a
이어서, 전하저장막(54)을 형성한다. 전하저장막(54)은 실리콘질화막(Si3N4)을 포함한다. 전하저장막(54)은 50∼200Å 두께이다.Subsequently, the
위와 같이 전하저장막(54)을 형성한 후에는 전하저장막(54)과 후속의 도전막간 전하이동에 의한 전류흐름을 차단하는 전하차단막을 형성한다.After the
도 4b에 도시된 바와 같이, 전하저장막(54) 상에 고유전체막(55)을 형성한다.As shown in FIG. 4B, a
고유전체막(55)은 Al, Hf, Zr 또는 희토류금속원소 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 금속원소를 함유하는 금속산화막을 포함한다. 예를 들어, 고유전체막(55)은 알루미늄산화막(AlxOy), 하프늄산화막(HfxOy), 지르코늄산화막(ZrxOy), 란탄늄산화막(LaxOy), 디스프로슘산화막(DyxOy), 스칸듐산화막(ScxOy), 이트륨산화막(YxOy), 가돌리늄산화막(GdxOy), 네오디뮴산화막(NdxOy), 세륨산화막(CexOy) 또는 프라세오디뮴산화막(PrxOy) 중에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함한다. 여기서, '적어도 어느 하나'란 단층, 2층, 3층 또는 2가지 이상의 고유전체막이 혼합된 혼합막을 포함한다. 위와 같은 고유전체막(55)은 4∼8eV 정도의 에너지밴드갭을 갖는 다.The
고유전체막(55)은 원자층증착법(ALD), 화학기상증착법(CVD) 또는 촉매화학기상증착법(Catalytic CVD)을 이용하여 30∼300Å 두께로 형성한다.The
상술한 바와 같은 고유전체막(55)은 막내에 Al, Hf, Zr 또는 희토류금속원소 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 금속원소를 포함하고 있는데, 이들 금속원소는 후속의 라디칼산화공정시 산화를 촉진시켜 빠른 시간 내에 전하저장막의 실리콘을 산화시킬 수 있는 촉매 역할도 한다.As described above, the high-
도 4c에 도시된 바와 같이, 라디칼산화(radical oxidation)을 통하여 전하저장막(54) 표면을 산화시켜 금속실리케이트(Thick oxide, 56)을 형성한다. 라디칼산화 공정시 고유전체막(55), 특히 고유전체막(55) 내의 금속원소가 산화촉매로 작용하여 짧은 시간에 금속실리케이트(56)를 형성할 수 있다.As shown in FIG. 4C, the surface of the
전하저장막(54)이 실리콘을 포함하는 물질이므로, 라디칼산화공정에 의해 전하저장막(54)의 실리콘이 산화되어 금속실리케이트(56)가 형성된다. 바람직하게, 금속실리케이트(56)는 고유전체막(55)의 금속원소가 확산되어 일부 혼합된 금속실리케이트라 볼 수 있다. 예를 들어, 금속실리케이트(56)는 알루미늄실리케이트(AlxSiyOz), 하프늄실리케이트(HfxSiyOz), 지르코늄실리케이트(ZrxSiyOz), 란탄늄실리케이트(LaxSiyOz), 디스프로슘실리케이트(DyxSiyOz), 스칸듐실리케이트(ScxSiyOz), 이트륨실리케이트(YxSiyOz), 가돌리늄실리케이트(GdxSiyOz), 네오디뮴실리케이트(NdxSiyOz), 세륨실리케이트(CexSiyOz) 또는 프라세오디뮴실리케이트(PrxSiyOz) 중에 서 선택된 어느 하나를 포함한다.Since the
라디칼산화는 열라디칼산화(thermal radical oxidation) 또는 플라즈마라디칼산화(plasma radical oxidation)로 진행한다.The radical oxidation proceeds to thermal radical oxidation or plasma radical oxidation.
열라디칼산화 공정은 600℃ 이상의 고온으로 유지되는 열처리로(Furnace) 내에서 열해리된 활성 산소 라디칼(Active oxygen radical)을 이용하여 수행된다. 열라디칼산화 공정은 600∼1200℃의 온도 및 1mTorr∼100Torr의 압력 범위에서 수소함유가스(H2, D2)와 산소가스(O2) 가스를 열처리로 내에 동시에 주입하여 진행한다. 'D2'는 중수소를 의미한다. 이와 같이, 수소함유가스와 산소가스를 동시에 주입하므로써 활성화된 활성산소라디칼을 생성하게 되고, 활성산소라디칼이 전하저장막(54)의 표면을 산화시키게 된다.The thermal radical oxidation process is performed using active oxygen radicals that are thermally dissociated in a furnace maintained at a high temperature of 600 ° C. or higher. The thermal radical oxidation process is performed by simultaneously injecting hydrogen-containing gas (H 2 , D 2 ) and oxygen gas (O 2 ) gas into a heat treatment furnace at a temperature of 600 to 1200 ° C. and a pressure range of 1 mTorr to 100 Torr. 'D 2 ' means deuterium. As described above, the active oxygen radicals are generated by simultaneously injecting the hydrogen-containing gas and the oxygen gas, and the active oxygen radicals oxidize the surface of the
플라즈마라디칼산화 공정은 플라즈마 내에 포함된 활성 산소라디칼을 이용한 라디칼 산화공정이다. 플라즈마 라디칼산화 공정은 플라즈마 해리된 활성 산소 라디칼을 이용하므로, 열해리된 활성산소 라디칼을 이용하는 열라디칼 산화공정에 비하여 저온에서 수행될 수 있다.The plasma radical oxidation process is a radical oxidation process using active oxygen radicals contained in the plasma. Since the plasma radical oxidation process uses plasma dissociated active oxygen radicals, the plasma radical oxidation process may be performed at a low temperature as compared with a thermal radical oxidation process using thermal dissociated active oxygen radicals.
플라즈마라디칼산화 공정은 산소 가스를 단독으로 사용하여 진행하거나 또는 산소(O2) 가스를 기본으로 사용하되 산소 가스에 아르곤(Ar), 수소(H2) 또는 헬륨(He) 중에서 선택된 적어도 어느 하나를 혼합한 혼합가스로 진행할 수 있다. 예를 들어, 플라즈마 라디칼산화 공정은 아르곤, 수소 및 산소의 혼합가스(Ar/ H2/O2), 아르곤과 산소의 혼합가스(Ar/O2), 헬륨, 수소 및 산소의 혼합가 스(He/H2/O2), 헬륨과 산소의 혼합가스(He/O2), 수소와 산소의 혼합가스(H2/O2)를 사용하거나, 이들 혼합가스들을 적어도 2가지 이상 혼합한 혼합가스를 사용할 수도 있다. 산소가스 또는 혼합가스들의 유량은 5∼2000sccm로 한다.The plasma radical oxidation process may be performed using oxygen gas alone or oxygen (O 2 ) gas as a base, and at least one selected from argon (Ar), hydrogen (H 2 ), or helium (He) as the oxygen gas. Proceed to mixed gas mixture. For example, the plasma radical oxidation process includes a mixed gas of argon, hydrogen and oxygen (Ar / H 2 / O 2 ), a mixed gas of argon and oxygen (Ar / O 2 ), a mixture of helium, hydrogen and oxygen (He / H 2 / O 2 ), a mixed gas of helium and oxygen (He / O 2 ), a mixed gas of hydrogen and oxygen (H 2 / O 2 ), or a mixed gas of at least two of these mixed gases You can also use The flow rate of the oxygen gas or the mixed gases is 5 to 2000 sccm.
플라즈마소스로는 마이크로파(micro wave) 또는 RF(Radio Frequency)를 이용하며 플라즈마파워(plasma power)는 100∼3000W를 이용한다. 플라즈마처리 시간은 5∼600초로 하고, 기판온도는 0∼600℃로 한다.Microwave or RF (Radio Frequency) is used as the plasma source, and plasma power is 100 to 3000W. The plasma treatment time is 5 to 600 seconds, and the substrate temperature is 0 to 600 ° C.
전술한 바와 같이, 라디칼산화 방식에 의해 형성되는 금속실리케이트(56)는 고유전체막(55)내에 함유되어 있는 금속원소에 의해 산화가 촉진되므로 짧은 시간동안 산화를 진행하더라도 충분한 두께로 성장시킬 수 있다. 열라디칼산화방식을 적용하는 경우에는 짧은 시간동안만 진행하여도 성장시킬 수 있기 때문에 전하저장막(54)에 대한 손상이 적다. 플라즈마라디칼산화를 적용하면, 짧은 시간동안 저온에서도 충분한 두께로 성장시킬 수 있다. As described above, since the
상술한 금속실리케이트(55)는 고유전체막(56)보다 에너지밴드갭이 큰 물질이다.The
도 4d에 도시된 바와 같이, 고유전체막(55) 상에 알루미늄산화막(57)을 형성한다.As shown in FIG. 4D, an aluminum oxide film 57 is formed on the
알루미늄산화막(57)은 고유전체막(56)보다 유전율은 낮으나 에너지밴드갭이 크다. 알루미늄산화막(57)이 큰 에너지밴드갭을 가짐에 따라 전하손실을 더욱더 억제할 수 있다. 예컨대, 금속실리케이트(56) 및 고유전체막(55)으로 일부 전하가 이 동되었다고 하더라도 알루미늄산화막(57)이 고유전체막(55)보다 에너지밴드갭이 크므로 고유전체막(55)에서 알루미늄산화막(57)으로 전하가 이동하지 못한다.The aluminum oxide film 57 has a lower dielectric constant than the
알루미늄산화막(57)을 고유전체막(56) 상에 형성하는 경우, 고유전체막(56)은 알루미늄산화막이 제외될 수 있다. 그 이유는 고유전체막(56)과 알루미늄산화막(57)간 에너지밴드갭 차이를 주기 위해서이다. 알루미늄산화막(57)은 에너지밴드갭이 약 8.7eV 정도로 매우 크다.When the aluminum oxide film 57 is formed on the
상술한 일련의 공정에 의해 전하차단막이 형성된다. 전하차단막은 금속실리케이트(56), 고유전체막(55) 및 알루미늄산화막(57)을 포함한다. 금속실리케이트(56)는 전하저장막(54)과의 계면을 형성하는 막이고, 알루미늄산화막(57)은 후속 도전막과의 계면을 형성하는 막이다. 고유전체막(55) 및 알루미늄산화막(57)에 의한 전하차단 효과를 얻으면서도 금속실리케이트(56)에 의해 고유전체막(55)과 전하저장막(54)을 분리시킬 수 있다.The charge blocking film is formed by the series of steps described above. The charge blocking film includes a
제4실시예에 따른 금속실리케이트(56)는 화학기상증착법과 같은 증착법에 의해 형성되는 것이 아니라 라디칼산화를 통해 형성하므로, 막특성이 우수하다. 또한, 라디칼산화 공정시 고유전체막 내 존재하는 산소공공(Oxygen vacancy)이 활성산소라디칼에 의해서 치유되기 때문에 트랩밀도를 더욱 감소시키는 장점이 있다.The
결과적으로, 라디칼산화를 이용하면 우수한 막질의 금속실리케이트(56)를 쉽게 형성할 수 있고, 고유전체막(55)의 막특성도 향상시킬 수 있다. 이를 통해 전하차단막의 누설전류가 감소하고 프로그램속도 및 소거속도를 향상시키며, 데이터유지특성을 개선시킬 수 있다.As a result, the use of radical oxidation makes it possible to easily form the
도 4e에 도시된 바와 같이, 제3전하차단막(57) 상에 제1금속막(58), 폴리실리콘막(59), 제2금속막(60)을 적층한다. 제1금속막(58)은 고유전체막(55) 및 알루미늄산화막(57)의 누설 전류를 억제하기 위한 물질로서 높은 일함수를 갖는 금속막이다. 제1금속막(58)은 중간갭(mid-gap ) 이상의 일함수를 갖는 물질로서, Pt, Ru, TiN, WN, TaN, Ir, Mo, Co, Ni, NiSi, NiPtSi, NiCSi 또는 CoSi 중에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함한다. 제1금속막(58)의 두께는 50∼200Å이다. 폴리실리콘막(59)은 컨트롤게이트(Control gate)로 사용된다. 제2금속막(60)은 컨트롤게이트의 저항을 낮추기 위한 저저항 금속막(Low resistive metal)으로서, 텅스텐막을 포함할 수 있다. 폴리실리콘막(59)과 제2금속막(60)간의 상호확산을 방지하기 위해 배리어금속막(Barrier metal)이 삽입될 수도 있다.As shown in FIG. 4E, the first metal film 58, the polysilicon film 59, and the second metal film 60 are stacked on the third charge blocking film 57. The first metal film 58 is a metal film having a high work function as a material for suppressing leakage currents of the
제2금속막(60) 상에 하드마스크절연막(61)을 형성하는데, 하드마스크절연막(61)은 후속 식각공정시 식각장벽으로 이용되는 물질로서, 질화막을 포함할 수 있다.The hard
도 4f에 도시된 바와 같이, 하드마스크절연막(61), 제2금속막(60), 폴리실리콘막(59), 제1금속막(58), 알루미늄산화막(57), 고유전체막(55), 금속실리케이트(56) 및 전하저장막(54)을 순차적으로 식각한다.As shown in FIG. 4F, the hard
위와 같이 형성된 구조는 전하저장막(54)이 실리콘질화막이면 전하트랩형 비휘발성메모리장치가 되고, 전하저장막(54)이 폴리실리콘막이면 부유형 비휘발성메모리장치가 된다.The structure formed as described above is a charge trapping nonvolatile memory device when the
도 5는 고유전체막을 일정 두께로 증착시킨 사진으로서, 전하저장막이 폴리 실리콘막(Si)인 경우이다. 도 5를 참조하면, 전하저장막(Si) 상에 고유전체막(High k)이 일정 두께를 갖고 형성됨을 알 수 있다.FIG. 5 is a photograph in which a high dielectric film is deposited to a predetermined thickness, where the charge storage film is a polysilicon film (Si). Referring to FIG. 5, it can be seen that a high dielectric film High k is formed on the charge storage layer Si with a predetermined thickness.
도 6은 라디칼산화 진행후 고유전체막(High-k) 아래에 금속실리케이트(Silicate)가 형성됨을 보여주는 사진이다. 도 6을 참조하면, 고유전체막(High-k)과 전하저장막(Si) 사이에서 금속실리케이트(Silicate)가 성장된 것을 확인할 수 있다. FIG. 6 is a photograph showing that a metal silicate is formed under a high-k film after radical oxidation. Referring to FIG. 6, it can be seen that a metal silicate is grown between the high-k film and the charge storage film Si.
한편, 고유전체막 없이 라디칼산화를 진행한 경우에는 금속실리케이트가 30Å 정도로 얇게 형성되지만, 고유전체막을 형성한 후에 라디칼산화를 진행하면 금속실리케이트는 180Å 정도의 두께로 성장된다. 이로 미루어볼 때, 고유전체막을 도입하므로써 산화 속도가 6배 정도 증가됨을 알 수 있다.On the other hand, when the radical oxidation is performed without the high dielectric film, the metal silicate is formed as thin as 30 kPa, but when the radical oxidation is performed after the high dielectric film is formed, the metal silicate is grown to a thickness of about 180 kPa. In view of this, it can be seen that the oxidation rate is increased by about 6 times by introducing the high dielectric film.
도 7은 도 6의 시편을 깊이 방향으로 조성을 분석한 결과이다. 도 7을 참조하면, 고유전체막(High-k)과 전하저장막(Si) 사이에 금속실리케이트(Silicate)가 형성된 것을 알 수 있다. 아울러, 금속실리케이트 내에는 실리콘(Si)과 산소(O)는 물론 고유전체막의 금속원소(도면부호 High-k 참조)도 소량 관찰되고 있음을 알 수 있다. 즉, 본 발명에서 형성된 금속실리케이트는 고유전체막을 구성하는 금속원소가 소량이 존재하는 금속실리케이트라고 할 수 있다.7 is a result of analyzing the composition of the specimen of FIG. 6 in the depth direction. Referring to FIG. 7, it can be seen that a metal silicate is formed between the high-k film and the charge storage film Si. In addition, it can be seen that in the metal silicate, a small amount of silicon (Si) and oxygen (O) as well as a metal element of the high dielectric film (see reference numeral High-k) are observed. That is, the metal silicate formed in the present invention may be referred to as a metal silicate in which a small amount of metal elements constituting the high dielectric film is present.
도 6 및 도 7의 결과로부터 알 수 있듯이, 전하차단막으로 사용되는 금속실리케이트는 막내에 금속원소가 소량 혼합되어 실리케이트 구조가 되므로, 유전율이 크다. 이처럼 유전율이 큰 금속실리케이트를 전하차단막으로 사용하면 얇은 등가산화막 두께를 유지하면서 누설 전류를 감소시킬 수 있는 효과를 부가적으로 얻을 수 있다.As can be seen from the results of FIGS. 6 and 7, the metal silicate used as the charge blocking film has a large dielectric constant because a small amount of metal elements are mixed into the film to form a silicate structure. The use of such a high dielectric constant metal silicate as a charge blocking film can additionally obtain the effect of reducing the leakage current while maintaining a thin equivalent oxide film thickness.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.Although the technical idea of the present invention has been described in detail according to the above preferred embodiment, it should be noted that the above-described embodiment is for the purpose of description and not of limitation. In addition, those skilled in the art will understand that various embodiments are possible within the scope of the technical idea of the present invention.
도 1a는 본 발명의 제1실시예에 따른 비휘발성메모리장치의 구조를 도시한 도면.1A is a diagram showing the structure of a nonvolatile memory device according to the first embodiment of the present invention;
도 1b는 종래 MANOS 구조와 본 발명의 제1실시예에 따른 전하저장막과 전하차단막 사이의 에너지밴드다이아그램을 비교한 도면.Figure 1b is a comparison of the energy band diagram between the conventional MANOS structure and the charge storage film and charge blocking film according to the first embodiment of the present invention.
도 2a는 본 발명의 제2실시예에 따른 비휘발성메모리장치의 구조를 도시한 도면.2A is a diagram showing the structure of a nonvolatile memory device according to the second embodiment of the present invention;
도 2b는 종래 MANOS 구조와 본 발명의 제2실시예에 따른 전하저장막과 전하차단막 사이의 에너지밴드다이아그램을 비교한 도면.Figure 2b is a comparison of the energy band diagram between the conventional MANOS structure and the charge storage film and the charge blocking film according to the second embodiment of the present invention.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 제3실시예에 따른 비휘발성메모리장치 제조 방법을 도시한 공정 단면도.3A to 3E are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a nonvolatile memory device in accordance with a third embodiment of the present invention.
도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 제4실시예에 따른 비휘발성메모리장치 제조 방법을 도시한 공정 단면도.4A through 4F are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a nonvolatile memory device in accordance with a fourth embodiment of the present invention.
도 5는 고유전체막을 일정 두께로 증착시킨 사진.5 is a photograph of a high-k dielectric film deposited to a predetermined thickness.
도 6은 라디칼산화 진행후 고유전체막(High-k) 아래에 금속실리케이트가 형성됨을 보여주는 사진. Figure 6 is a photograph showing that the metal silicate is formed under the high-k dielectric (High-k) after radical oxidation.
도 7은 도 6의 시편을 깊이 방향으로 조성을 분석한 결과.7 is a result of analyzing the composition in the depth direction of the specimen of FIG.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for the main parts of the drawings
100 : 제1도전막 101 : 터널링막100: first conductive film 101: tunneling film
102 : 전하저장막 103A : 제1전하차단막102:
103B : 제2전하차단막103B: second charge barrier
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- 2008-07-24 KR KR1020080072378A patent/KR20100011244A/en not_active Application Discontinuation
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