KR20110000208A - Non-volatile memory device and a method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 비휘발성 메모리 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly, to a nonvolatile memory device and a method of manufacturing the same.
비휘발성 메모리 소자는 외부 전원의 공급이 차단된 상태에서도 정보를 저장할 수 있는 반도체 소자이다. 그 일 예로 EEPROM(electrically erasable programmable read only memory)이 있다. EEPROM은 쓰기(program, write)와 소거(erase)가 가능한 비휘발성 메모리 소자이며, 게이트로 작용하는 두 개의 다결정 실리콘층이 수직으로 적층된 적층형 게이트 구조의 EEPROM, 다결정 실리콘층이 단일층인 단일 폴리 EEPROM(single poly EEPROM) 등이 있다.A nonvolatile memory device is a semiconductor device capable of storing information even when an external power supply is cut off. An example is an electrically erasable programmable read only memory (EEPROM). EEPROM is a non-volatile memory device that can be programmed, written and erased, and has a stacked gate structure in which two polycrystalline silicon layers serving as gates are vertically stacked, and a single poly polysilicon layer is used. Single poly EEPROM (EEPROM).
적층형의 EEPROM은 소자의 고집적화에 유리한 반면에 단층 구조의 싱글 게이트 공정을 따르는 MOSFET(metaloxide-semiconductor Field Effect Transistor) 또는 CMOSFET(complementary MOSFET)과 같은 논리소자(logic device)와 함께 제조되기 위해서는 복잡한 공정을 거쳐야 하는 단점이 있다. 반면에 싱글 게이트 구조의 단일 폴리 EEPROM(single poly EEPROM)은 셀의 집적도와 성능 측면에서 상기 적층 형 게이트 구조의 EEPROM(stacked gate EEPROM)에 비해 단점을 가지더라도, 단순화된 표준공정을 갖기 때문에 CMOS 논리 및 혼합 신호 회로에 자주 혼재(embedded)되며 저가, 저밀도 소자에서 유용하게 적용된다.Stacked EEPROMs are advantageous for high integration, while complex processes are required to be fabricated with logic devices such as metal oxide-semiconductor field effect transistors (MOSFETs) or complementary MOSFETs (CMOSFETs) that follow a single-layer single gate process. There are drawbacks to go through. On the other hand, single-poly EEPROM (single-poly EEPROM) with single gate structure has a disadvantage in comparison with stacked gate EEPROM (EEPROM) of stacked gate structure in terms of cell density and performance, but it has a simplified standard process. And are often embedded in mixed signal circuits and are useful in low cost, low density devices.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 로직 특성에 전혀 영향을 주지 않고 채널 열전자(Channel hot electron) 주입 방식으로 프로그램 동작을 수행하고, BTBT-HH 방식으로 소거 동작을 수행하도록 하는 것이 가능한 비휘발성 메모리 소자 및 그 제조 방법을 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a nonvolatile memory device capable of performing a program operation by a channel hot electron injection method and an erase operation by a BTBT-HH method without affecting logic characteristics at all. It is providing the manufacturing method.
상기와 같은 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 비휘발성 메모리 소자는 반도체 기판 내에 서로 인접하여 형성되는 제1 도전형 웰과 제2 도전형 웰, 상기 제1 도전형 웰 표면 상에 형성되는 제1 게이트 산화막, 상기 제2 도전형 웰 표면 상에 형성되며, 상기 제1 게이트 산화막보다 두껍게 형성되는 제2 게이트 산화막, 상기 제1 게이트 산화막과 상기 제2 게이트 산화막 상에 형성되는 플로팅 게이트 전극, 및 상기 제2 게이트 산화막 하부의 제2 도전형 웰 상부 표면 내에 형성되는 액티브 컨트롤 게이트를 포함한다.A nonvolatile memory device according to an embodiment of the present invention for achieving the above object is formed on the surface of the first conductivity type well, the second conductivity type well, the first conductivity type well formed adjacent to each other in the semiconductor substrate A first gate oxide film formed on the second conductive well surface, a second gate oxide film formed thicker than the first gate oxide film, and a floating gate electrode formed on the first gate oxide film and the second gate oxide film. And an active control gate formed in an upper surface of a second conductivity type well under the second gate oxide layer.
상기와 같은 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 제조 방법은 불순물을 주입하여 반도체 기판에 서로 인접하는 제1 도전형 웰 및 제2 도전형 웰을 형성하는 단계, 제2 도전형 웰의 상부 표면 내에 제1 도 전형 불순물을 선택적으로 주입하는 단계, 및 열적 산화(thermal oxidation) 공정을 수행하여, 제1 도전형 웰 및 제2 도전형 웰 상에 산화막을 성장시킴과 동시에 상기 선택적으로 주입된 제1 도전형 불순물을 확산시켜 상기 제2 도전형 웰의 상부 표면 내에 액티브 컨트롤 게이트를 형성하는 단계를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a nonvolatile memory device, in which a first conductive well and a second conductive well are adjacent to each other on a semiconductor substrate by implanting impurities. Selectively implanting a first conductive impurity into the upper surface of the second conductive well, and performing a thermal oxidation process to grow an oxide film on the first conductive well and the second conductive well; Simultaneously diffusing the selectively implanted first conductivity type impurity to form an active control gate in an upper surface of the second conductivity type well.
본 발명의 실시 예에 따른 비휘발성 메모리 소자 및 그 제조 방법은 마스크 공정을 하나의 추가하여 로직 특성에 영향을 주지 않고, 작은 셀 사이즈를 가지는 비휘발성 메모리 소자를 제작할 수 있다The nonvolatile memory device and the method of manufacturing the same according to an embodiment of the present invention can add a mask process to manufacture a nonvolatile memory device having a small cell size without affecting logic characteristics.
또한 본 발명의 실시 예에 따른 비휘발성 메모리 소자 및 그 제조 방법은 열산화에 의하여 게이트 산화막과 액티브 컨트롤 게이트를 동시에 형성함으로써 공정 단계를 줄일 수 있고, 소거 동작을 위하여 액티브 컨트롤 게이트에 음의 바이어스 전압을 인가할 수 있음을 물론 프로그램 바이어스 전압을 낮출 수 있는 효과가 있다.In addition, the nonvolatile memory device and the method of manufacturing the same according to the embodiment of the present invention can reduce the process step by simultaneously forming the gate oxide film and the active control gate by thermal oxidation, the negative bias voltage on the active control gate for the erase operation Of course, there is an effect that can reduce the program bias voltage.
이하, 본 발명의 기술적 과제 및 특징들은 첨부된 도면 및 실시 예들에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다. 본 발명을 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.Hereinafter, the technical objects and features of the present invention will be apparent from the description of the accompanying drawings and the embodiments. Looking at the present invention in detail.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 비휘발성 메모리 소자(100)의 단면도를 나타낸다. 도 1을 참조하면, 상기 비휘발성 메모리 소자(100)는 반도체 기판(110), 상기 반도체 기판(110) 내에 형성되는 제1 도전형 웰(115), 상기 제1 도전형 웰(115)과 인접하여 상기 반도체 기판(110) 내에 형성되는 제2 도전형 웰(117), 상기 반도체 기판 내에 형성되는 소자 분리막(119-1 내지 119-3), 상기 제1 도전형 웰(115) 표면상에 형성되는 제1 게이트 산화막(122), 상기 제2 도전형 웰(117) 표면상에 형성되는 제2 게이트 산화막(124), 상기 제1 게이트 산화막(122)과 상기 제2 게이트 산화막(124) 상에 걸쳐 형성되는 플로팅 게이트 전극(132), 상기 제1 게이트 산화막(122) 양측에 인접하여 제1 도전형 웰 내에 형성되는 소스(140)/드레인(145), 및 상기 제2 게이트 산화막(124) 하부의 제2 도전형 웰(117) 상부 표면 내에 형성되는 액티브 컨트롤 게이트(150)를 포함한다.1 is a cross-sectional view of a
상기 제1 도전형 웰(115)은 P형 웰이고, 상기 제2 도전형 웰(117)은 N형 웰일 수 있다. 또한 상기 제1 도전형 웰(115)과 상기 제2 도전형 웰(117)은 동일한 깊이로 상기 반도체 기판(110) 내에 형성된다.The first conductivity type well 115 may be a P type well, and the second
상기 소자 분리막은 상기 제1 도전형 웰(115) 내에 형성되는 제1 소자 분리 구조물(119-1), 상기 제2 도전형 웰(117) 내에 형성되는 제2 소자 분리 구조물(119-2), 및 상기 제1 도전형 웰(115)과 제2 도전형 웰(117)의 경계 영역에 형성되는 제3 소자 분리 구조물(119-3)을 포함할 수 있다.The device isolation layer may include a first device isolation structure 119-1 formed in the first
상기 제2 게이트 산화막(124)은 상기 제1 게이트 산화막(122)보다 두껍게 형성된다. 그리고 상기 액티브 컨트롤 게이트(150)는 상기 제2 소자 분리 구조물(119-2)과 상기 제3 소자 분리 구조물(119-3) 사이의 제2 도전형 웰 상부 표면 내에 형성될 수 있다. 또한 상기 액티브 컨트롤 게이트(150)는 상기 제2 소자 분리 구조물(119-2)과 상기 제3 소자 분리 구조물(119-3)보다 반도체 기판 표면으로부터 낮은 깊이를 갖도록 형성될 수 있다.The second
이와 같이 액티브 컨트롤 게이트(150)는 상기 제2 도전형 웰 내에서 경사 접합(예컨대, graded high doped P+ junction)을 형성함으로써, 상기 액티브 컨트롤 게이트(150)에 양의 바이어스 또는 음의 바이어스가 가능할 수 있다. As such, the
예컨대, P+의 액티브 컨트롤 게이트(150)는 N형 웰(117) 내에서 경사 접합(예컨대, graded high doped P+ junction)을 형성함으로써, 상기 액티브 컨트롤 게이트(150)에 프로그램 동작시에는 양의 바이어스를 인가하고, 소거 동작시에는 음의 바이어스를 인가할 수 있다. For example, the
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 일 실시 예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 제조 방법을 나타내는 단면도이다.2A to 2D are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a nonvolatile memory device according to an embodiment of the present invention.
먼저 도 2a에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(300)에 서로 인접하는 제1 도전형 웰(315) 및 제2 도전형 웰(320)을 형성한다. 여기서 제1 도전형은 P형(P type)이고, 제2 도전형은 N형(N type)일 수 있다.First, as shown in FIG. 2A, first
예컨대, 상기 반도체 기판(300)의 일 영역에 P형 불순물(인 또는 비소)을 선택적으로 주입 및 확산시켜 상기 제1 도전형 웰(315)을 형성하고, 상기 반도체 기판(300)의 단른 영역에 N형 불순물(붕소)을 선택적으로 주입 및 확산시켜 상기 제1 도전형 웰(315)에 인접하는 제2 도전형 웰(320)을 형성할 수 있다. 이때 형성되는 제1 도전형 웰(315) 및 제2 도전형 웰(320)은 동일한 깊이를 갖도록 형성될 수 있다.For example, the P-type impurity (phosphorus or arsenic) may be selectively implanted and diffused into one region of the
그리고 상기 제1 도전형 웰(315) 및 제2 도전형 웰(320)이 형성된 반도체 기 판(300) 내에 소자 분리막(310-1 내지 310-3)을 형성한다. 상기 소자 분리막(310-1 내지 310-3)은 STI(Shallow Trench Isolation) 방법을 이용하여 형성될 수 있다. In addition, device isolation layers 310-1 to 310-3 are formed in the
상기 소자 분리막은 상기 제1 도전형 웰(315) 내에 형성되는 제1 소자 분리 구조물(310-1), 상기 제2 도전형 웰(320) 내에 형성되는 제2 소자 분리 구조물(310-2), 및 상기 제1 도전형 웰(215)과 제2 도전형 웰(217)의 경계 영역에 형성되는 제3 소자 분리 구조물(310-3)을 포함하도록 형성될 수 있다. The device isolation layer may include a first device isolation structure 310-1 formed in the first
상술한 바와 달리, 상기 소자 분리막을 먼저 반도체 기판(300)에 형성한 후 제1 도전형 웰(315)과 제2 도전형 웰(320)을 형성할 수도 있다.Unlike the above-described method, the device isolation layer may be first formed on the
다음으로 도 2b에 도시된 바와 같이, 제2 도전형 웰(320)을 노출시키는 포토레지스트 패턴(330)을 반도체 기판(300) 상에 형성한다. 이때 상기 포토레지스트 패턴(330)은 상기 제1 도전형 웰(315)은 노출시키지 않도록 패터닝된다.Next, as shown in FIG. 2B, a
그리고 상기 포토레지스트 패턴(330)을 마스크로 이용하여 노출된 제2 도전형 웰(315)의 상부 표면 내에 제1 도전형 불순물(335)을 주입한다. 여기서 주입되는 제1 도전형 불순물(335)은 인(P) 또는 비소(As)일 수 있다. 이때 주입되는 제1 도전형 불순물(335)의 농도는 상기 제1 도전형 웰(315)을 형성하기 위하여 주입하는 불순물 농도보다 높다.The first
다음으로 도 2c에 도시된 바와 같이, 상기 포토레지스트 패턴(330)을 에싱 (ashing)또는 스트립(strip) 공정을 통하여 제거한다.Next, as shown in FIG. 2C, the
상기 포토레지스트 패턴(330)이 제거된 반도체 기판(300)에 대하여 열적 산화(thermal oxidation) 공정을 수행하여 제1 도전형 웰(315) 및 제2 도전형 웰(320) 상에 산화막(340)을 형성함과 동시에 상기 열적 산화 공정에 의하여 상기 주입된 제1 도전형 불순물(335)을 확산시켜 상기 제2 도전형 웰(320)의 상부 표면 내에 액티브 컨트롤 게이트(345)를 형성한다.The
열적 산화에 의하여 산화막(340)이 형성될 때, 주입된 제1 도전형 불순물(335)이 활성화되어 확산하는 정도는 단순한 RTP 공정에 의한 확산보다 더 크다. 이러한 열적 산화에 의한 확산을 통하여 상기 제2 도전형 웰(320) 내에서 P+ 정션(junction)이 형성됨으로써 비휘발성 메모리 소자는 높은 브레이크 다운 전압(Breakdown Voltage)을 가질 수 있다. When the
또한 로직 프로세스 형성 이전에 형성되는 추가 마스크, 즉 포토레지스트 패턴(330)을 사용하여 P+ 정션(junction)을 형성함으로써 임베디드(embedded)하기 전의 로직의 소자의 특성에 전혀 영향을 주지 않도록 비휘발성 메모리 소자를 형성할 수 있다.Also, by forming a P + junction using an additional mask formed before the formation of the logic process, that is, the
또한 로직 프로세스 형성 이전에 형성되는 추가 마스크, 즉 포토레지스트 패턴(330)을 사용하여 P+ 정션(junction)을 형성함으로써 로직 특성은 전혀 영향을 받지 않는 비휘발성 메모리 소자를 형성할 수 있다.In addition, by forming a P + junction using an additional mask formed before the formation of the logic process, that is, the
이때 상기 제2 도전형 웰(320) 상에 형성되는 산화막(이하 "제1 산화막"이라 한다.)은 상기 제1 도전형 웰(315) 상에 형성되는 산화막(이하 "제2 산화막"이라 한다.)보다 두껍게 형성된다. 이는 제2 도전형 웰(320) 내에는 고농도의 제1 도전형 불순물(335)이 주입되었기 때문이다. 예컨대, 제2 산화막의 두께가 60~70Å일 때, 제1 산화막의 두께는 100Å~300Å이 될 수 있다.In this case, an oxide film (hereinafter referred to as a "first oxide film") formed on the second conductivity type well 320 is referred to as an oxide film (hereinafter referred to as a "second oxide film") formed on the first
상기 열적 산화 공정을 통하여 상기 액티브 컨트롤 게이트(345)는 소자 분리막(310-2와 310-3)보다 얕게 형성될 수 있다. 예컨대, 상기 액티브 컨트롤 게이트(345)는 제2 소자 분리 구조물(310-2)과 제3 소자 분리 구조물(119-3) 사이의 제2 도전형 웰(320) 상부 표면 내에 형성될 수 있다.The
다음으로 도 2d에 도시된 바와 같이, 상기 산화막(340) 상에 폴리 실리콘을 증착한다. 그리고 포토리쏘그라피(photolithography) 및 식각 공정을 수행하여 상기 폴리 실리콘과 산화막(340)을 패터닝하여 게이트 산화막(340-1, 340-2) 및 플로팅 게이트 전극(350)을 형성한다.Next, as shown in FIG. 2D, polysilicon is deposited on the
여기서 패터닝된 제1 산화막을 플로팅 게이트 산화막(340-1)이라 하고, 패터닝된 제2 산화막을 컨트롤 게이트 산화막(340-2)이라 한다. 상기 플로팅 게이트 전극(350)은 상기 플로팅 게이트 산화막(340-1)과 상기 컨트롤 게이트 산화막(340-2) 상에 일체형으로 형성된다.The patterned first oxide film is referred to as a floating gate oxide film 340-1, and the patterned second oxide film is referred to as a control gate oxide film 340-2. The floating
그리고 상기 플로팅 게이트 산화막(340-1) 양측에 인접한 제1 도전형 웰(315) 내에 소스(360) 및 드레인(365)을 형성한다. A
제1 도전형 웰(115)과 제2 도전형 웰(117) 사이의 역방향 바이어스를 사용하여 상기 비휘발성 메모리 소자의 프로그램 동작시 게이트 바이어스를 인가하고, 제2 도전형 웰(117)과 액티브 컨트롤 게이트(150) 사이의 정션(junction)을 사용하여 소거 동작시 네거티브 바이어스(negative bias)를 인가할 수 있다. A reverse bias between the first
제1 도전형 웰(115)과 제2 도전형 웰(117) 사이의 역방향 바이어스, 즉 액티브 컨트롤 게이트에 양의 바이어스를 인가하여 상기 비휘발성 메모리 소자를 프로 그램시킬 수 있다. 또한 제2 도전형 웰(117)과 액티브 컨트롤 게이트(150) 사이의 정션(junction)을 사용하여 액티브 컨트롤 게이트에 음의 바이어스(negative bias)를 인가함으로써 BTBT-HH(Band to band tunneling induced hot hole) 방식으로 상기 비휘발성 메모리 소자를 소거시킬 수 있다. 여기서 BTBT-HH 방식은 다음과 같다.The nonvolatile memory device may be programmed by applying a reverse bias between the first
액티브 컨트롤 게이트에 음의 바이어스가 인가될 때 제2 도전형 웰(117)과 액티브 컨트롤 게이트(150) 사이의 정션(junction)이 GIDL 효과에 의해 Band to Band tunneling이 발생하고, 이때 전자는 밴드(Band)를 넘어 터널링이 되고 홀(hole)은 반도체 기판으로 가속되어 핫 홀(Hot Hole)이 된다. 이러한 핫 홀이 음의 바이어스에 의하여 액티브 컨트롤 게이트로 빨려 들어감으로 소거 동작이 수행된다. When a negative bias is applied to the active control gate, a junction between the second conductivity type well 117 and the
따라서 본 발명의 비휘발성 메모리 소자는 소거 동작을 위하여 액티브 컨트롤 게이트에 음의 바이어스 인가가 가능하므로 소스(source)에 인가하는 양의 바이어스 전압의 크기를 감소시킬 수 있다. 이로 인하여 소스 정션의 브레이크 다운 전압이 낮아도 된다. 이는 일반적으로 소스에만 높은 양의 바이어스 전압을 인가하여 F-N(Flower-Nordheim) 방식에 의하여 소거 동작을 수행하기 때문이다.Therefore, the nonvolatile memory device of the present invention can apply a negative bias to the active control gate for the erase operation, thereby reducing the magnitude of the positive bias voltage applied to the source. This may result in a lower breakdown voltage at the source junction. This is because in general, a high positive bias voltage is applied only to a source to perform an erase operation by a F-N (Flower-Nordheim) method.
결국 본 발명의 실시 예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 제조 방법은 게이트 산화막 형성 전에 액티브 컨트롤 게이트 형성을 위한 임플란트 공정을 하나 추가하여 액티브 컨트롤 게이트에 충분히 높은 양의 바이어스 전압 또는 음의 바이어스 전압을 인가할 수 있다. As a result, a method of manufacturing a nonvolatile memory device according to an embodiment of the present invention may add a high bias voltage or a negative bias voltage to the active control gate by adding an implant process for forming an active control gate before forming the gate oxide layer. Can be.
도 3는 도 1에 도시된 비휘발성 메모리 소자의 동작 바이어스 전압을 나타낸다. 도 1 및 도 3를 참조하면, 프로그램 동작을 위하여 액티브 컨트롤 게이트(ACG)에 9V가 인가되고, 소거 동작을 위하여 액티브 컨트롤 게이트(ACG)에 -5V가 인가될 수 있다.3 illustrates an operation bias voltage of the nonvolatile memory device illustrated in FIG. 1. 1 and 3, 9V may be applied to the active control gate ACG for a program operation, and −5V may be applied to the active control gate ACG for an erase operation.
이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시 예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 종래의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention. Will be clear to those who have knowledge of. Therefore, the technical scope of the present invention should not be limited to the contents described in the detailed description of the specification but should be defined by the claims.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 비휘발성 메모리 소자(100)의 단면도를 나타낸다.1 is a cross-sectional view of a
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 일 실시 예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 제조 방법을 나타내는 단면도이다.2A to 2D are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a nonvolatile memory device according to an embodiment of the present invention.
도 3는 도 1에 도시된 비휘발성 메모리 소자의 동작 바이어스 전압을 나타낸다.3 illustrates an operation bias voltage of the nonvolatile memory device illustrated in FIG. 1.
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KR1020090057604A KR101585970B1 (en) | 2009-06-26 | 2009-06-26 | A method for manufacturing a Non-Volatile memory device |
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US20010030343A1 (en) * | 1998-12-01 | 2001-10-18 | Xia0-Yu Li | Eeprom cell with tunneling across entire separated channels |
KR100465606B1 (en) * | 1998-06-30 | 2005-04-06 | 주식회사 하이닉스반도체 | Triple well manufacturing method of semiconductor device |
US20060054966A1 (en) * | 2004-09-16 | 2006-03-16 | Jung-Ching Chen | Electrically erasable programmable read-only memory cell and memory device and manufacturing method thereof |
-
2009
- 2009-06-26 KR KR1020090057604A patent/KR101585970B1/en active IP Right Grant
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US20060054966A1 (en) * | 2004-09-16 | 2006-03-16 | Jung-Ching Chen | Electrically erasable programmable read-only memory cell and memory device and manufacturing method thereof |
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