KR20120137838A - 프린징 효과를 이용하는 3차원 플래시 메모리 및 이의 제조하는 방법 - Google Patents
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Abstract
프린징 효과를 이용하는 3차원 구조의 플래시 메모리 및 이의 제조방법이 개시된다. 기판에 수직으로 적층된 다수의 게이트 전극을 관통하는 관통홀이 형성되고, 관통홀의 내부는 터널링 절연막 또는 활성 영역으로 매립된다. 따라서, 전하 저장층은 관통홀 내부에 형성되지 않고, 관통홀의 외부에 형성된자. 전하 저장층은 게이트 전극 사이의 이격공간을 매립하는 셀간 절연막 내부에 형성된다. 프린징 전계가 인가되는 경우, 활성 영역의 전하는 셀간 절연막을 통해 전하 저장층에 트랩된다.
Description
본 발명은 비휘발성 메모리 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 3차원 구조를 가지는 플래시 메모리 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
플래시 메모리로 대표되는 비휘발성 메모리 소자는 전원의 제거에도 저장된 데이터를 유지할 수 있는 특성을 가진다. 특히, 최근에는 반도체 공정 기술의 발달로 인해 디자인 룰이 지속적으로 축소되고 있으며, 저장능력은 대용량화되고 있다.
대용량화로 인해 플래시 메모리는 모바일 기기 및 디지털 카메라 등에서 저장용 메모리로 광범위하게 사용되고 있으며, 출원일 현재 약 30nm 스케일의 32 Gbit 제품의 양산이 예측되고 있다. 또한, 플래시 메모리에서 전하를 저장하는 요소인 플로팅 게이트의 가공기술로 인해 10nm 내지 20nm 까지 스케일이 다운될 것으로 예상된다. 또한, 2차원 평면구조의 셀 구조 이외에 다양한 구조의 모색을 통해 저장능력의 극대화를 위한 노력이 지속적으로 시도되고 있다. 대표적으로는 2차원 구조가 가지는 집적화의 한계를 극복하기 위해 3차원 구조에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는 상황이다.
특히, 플래시 메모리는 데이터를 저장하는 요소가 셀 트랜지스터 내부에 형성되는 관계로 다른 메모리 소자에 비해 컨택을 도입해야하는 부담이 경감된다. 따라서, 개별적인 메모리 셀을 직렬로 연결하는 스트링 구조의 형성이 용이하며, 메모리 셀을 수직형 타입으로 구현할 수 있는 장점이 있다. 최근에 알려진 대표적인 3차원 낸드 플래시 메모리의 구조는 BiCS(Bit Cost Scalable) 구조이다.
도 1은 종래 기술에 따른 3차원 낸드 플레시 메모리 구조를 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 개시된 구조는 전형적인 BiCS 구조를 나타낸다. 즉, 기판(미도시)에 수직방향으로 번갈아가며 적층된 제어 게이트들(100)이 형성되고, 내부 공간에는 전하저장 영역(110) 및 채널층(120)이 형성된다. 즉, 제어 게이트들(100)의 중심 부위를 관통하는 영역은 전하를 저장하기 위한 블로킹 절연막(115), 전하 트랩층(113) 및 터널링 절연막(111)으로 구성된다. 또한, 터널링 절연막(111)과 접하는 내부 공간은 다결정 실리콘 재질의 채널층(120)으로 매립되며, 제어 게이트들(100) 사이의 이격공간은 절연물(130)로 채워진다.
상술한 구조에서 대부분의 경우, 전하저장 영역(110)은 ONO 구조를 가진다. 즉, 산화물-질화물-산화물의 적층구조가 터널링 절연막(111)-전하 트랩층(113)-블로킹 절연막(115)을 형성한다. 실제 제조공정에서 ONO 구조가 가지는 두께는 10nm 내지 20nm 로 설정될 것이 요구된다. 또한, ONO 구조와 접하는 다결정 실리콘층은 높은 종횡비를 가지는 구조 내부에 매립되어야 한다. 특히, ONO 구조를 통상의 증착인 CVD 또는 ALD 공정을 이용하는 경우, 제어 게이트들(100)을 관통하는 홀 내부에 균일한 두께로 형성하기 곤란한 특징을 가진다. 즉, 증착물이 침투하여야 하는 깊이가 큰 이유로 인해, 하부의 ONO의 두께는 다소 낮은 경향을 가지며, 상부의 ONO의 두께는 상대적으로 증가하는 경향을 가진다.
ONO의 두께가 제어 게이트(100)를 관통하는 홀 내부에서 일정하지 않은 경우, 내부 공간을 최종적으로 매립하는 다결정 실리콘 재질의 채널층(120)은 용이하게 형성되지 못하는 문제가 발생한다. 또한, 높은 종횡비로 인해 다수의 셀 트랜지스터를 스트링 구조에 도입하는 것도 일정한 한계가 있다.
상술한 문제는 전하저장 영역(110)의 고유의 구조에 기인한다. 즉, 전하저장 영역(110)은 ONO 구조를 가지므로, 다수의 이질적인 막질이 적층된다. 따라서, 전하저장 영역(110)을 형성하기 위해서는 적어도 2회의 증착공정이 수행되어야 한다. 증착 공정의 반복으로 인해 이질적인 막질의 균일도는 저하되며, 하나의 스트링 내부에서 각각의 셀 트랜지스터의 문턱전압의 균일도도 저하되는 문제가 발생된다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 제1 목적은 프린징 필드를 이용하는 플래시 메모리를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 제2 목적은 상기 제1 목적을 달성하기 위해 사용되는 플래시 메모리의 제조방법을 제공하는데 있다.
상기 제1 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 반도체 소재를 가지는 활성 영역; 상기 활성 영역상에 형성된 터널링 절연막; 상기 터널링 절연막 상에 형성된 게이트 전극; 상기 게이트 전극들 사이의 이격공간을 매립하고, 상기 터널링 절연막 상에 형성된 셀간 절연막; 및 상기 셀간 절연막 내부에 형성되고, 게이트 전극에서 인가되는 전계의 프린징 효과에 의해 전하를 저장하기 위한 전하 저장층을 포함하는 플래시 메모리를 제공한다.
또한, 본 발명의 상기 제1 목적은, 반도체 소재를 가지는 활성 영역; 상기 활성 영역상에 형성된 게이트 절연막; 상기 게이트 절연막 상에 형성된 게이트 전극; 상기 게이트 전극들 사이의 이격공간을 매립하고, 상기 활성 영역 상에 형성된 셀간 절연막; 및 상기 셀간 절연막 내부에 형성되고, 게이트 전극에서 인가되는 전계의 프린징 효과에 의해 전하를 저장하기 위한 전하 저장층을 포함하는 플래시 메모리의 제공을 통해서도 달성된다.
또한, 상기 제2 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 기판 상에 게이트 전극 및 셀간 절연막을 번갈아가며 적층하는 단계; 상기 게이트 전극 및 셀간 절연막을 관통하는 관통홀을 제1 방향으로 형성하는 단계; 상기 관통홀의 측벽에 터널링 절연막을 형성하는 단계; 및 상기 터널링 절연막에 의해 구획된 공간을 매립하는 활성 영역을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 셀간 절연막은 프린징 효과에 의한 전하를 저장하기 위한 전하 저장층을 포함하고, 상기 전하 저장층은 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 신장되는 것을 특징으로 하는 플래시 메모리의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 상기 제2 목적은, 기판 상에 희생층 및 셀간 절연막을 번갈아가며 적층하는 단계; 상기 희생층 및 셀간 절연막을 관통하는 관통홀을 제1 방향으로 형성하는 단계; 상기 관통홀의 측벽에 활성 영역을 형성하는 단계; 및 상기 희생층을 제거하고, 제1방향으로 신장된 상기 활성 영역 및 상기 제1 방향과 수직인 제2 방향으로 신장된 상기 셀간 절연막을 잔류시키는 단계; 상기 희생층이 제거된 공간에 상기 제2방향으로 게이트 절연막을 형성하는 단계; 및 상기 게이트 절연막과 상기 제2 방향으로 접하는 게이트 전극을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 셀간 절연막은 프린징 효과에 의한 전하를 저장하기 위한 전하 저장층을 포함하고, 상기 전하 저장층은 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 신장되는 것을 특징으로 하는 플래시 메모리의 제조방법의 제공을 통해서도 달성된다.
본 발명에 따르면, 통상의 플래시 메모리 구조에 비해 블로킹 절연막의 구조가 생략된다. 즉, 전하를 저장하는 전하 트랩층과 제어 게이트 사이에 배치된 블로킹 절연막은 개재되지 않는다. 대신, 셀간 절연막의 내부에 형성된 전하 저장층을 이용하여 프로그램 및 소거 동작이 발생된다.
또한, 스트링 구조의 형성을 위해 관통홀을 형성하고, 관통홀 내부에서 다수의 막질을 형성하는 기술적 곤란성은 해결될 수 있다. 즉, 전하 저장층 및 블로킹 절연막의 형성이 관통홀 내부에서 수행되지 않으므로 직렬로 연결된 플래시 메모리 사이의 전기적 특성의 균일도를 유지할 수 있다.
또한, 관통홀의 내부에 전하 저장층 및 블로킹 절연막의 형성이 없으며, 게이트 전극 사이의 절연물 내부에 전하 저장층을 형성하므로, 스트링 구조의 집적도를 향상할 수 있는 잇점이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 3차원 낸드 플레시 메모리 구조를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플래시 메모리의 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플래시 메모리의 구조를 설명하기 위한 다른 단면도이다.
도 4는 상기 도 3에 도시된 플래시 메모리의 프로그램 동작 및 소거 동작을 설명하기 위한 모식도이다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기 도 2에 도시된 플래시 메모리의 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 8 내지 도 12는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기 도 3에 도시된 플래시 메모리의 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플래시 메모리의 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플래시 메모리의 구조를 설명하기 위한 다른 단면도이다.
도 4는 상기 도 3에 도시된 플래시 메모리의 프로그램 동작 및 소거 동작을 설명하기 위한 모식도이다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기 도 2에 도시된 플래시 메모리의 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 8 내지 도 12는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기 도 3에 도시된 플래시 메모리의 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
실시예
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플래시 메모리의 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 플래시 메모리는 활성 영역(200), 터널링 절연막(210), 셀간 절연막(220), 전하 저장층(230) 및 게이트 전극(240)을 포함한다.
활성 영역(200)은 제1 방향으로 형성된다. 또한, 활성 영역(200)은 반도체 재질로 게이트 전극(240)의 인가 전압에 따른 전하를 공급한다. 따라서, 상기 활성 영역(200)은 실리콘 재질로 구성되며, 다결정 실리콘으로 구성됨이 바람직하다. 또한, 실시의 형태에 따라 상기 활성 영역(200)은 특정의 도전형으로 도핑될 수 있다.
상기 활성 영역(200)으로부터 제1 방향에 수직인 제2 방향 상에는 터널링 절연막(210)이 구비된다. 상기 터널링 절연막(210)은 열산화 공정 또는 통상의 증착 공정을 통해 형성될 수 있다. 열산화 공정의 경우, 특정의 온도 분위기에서 산소의 공급을 통해 형성될 수 있다. 또한, 통상의 증착 공정은 화학적 기상증착, 물리적 기상증착 또는 원자층 증착에 따른다.
상기 터널링 절연막(210)으로부터 제2 방향으로 셀간 절연막(220)이 형성된다. 특히, 셀간 절연막(220)은 인접한 게이트 전극(240) 사이의 이격공간을 매립하며 형성된다. 셀간 절연막(220)은 절연물로 구성되며, 고유전율(high-k) 특성을 가진 물질로 형성됨이 바람직하다. 따라서, 상기 셀간 절연막(220)은 Al2O3, HfO2, TiO2, La2O5, BaZrO3, Ta2O5, ZrO2, Gd2O3 또는 Y2O3을 포함할 수 있다. 또한, 실시의 형태에 따라 상기 셀간 절연막(220)은 터널링 절연막(210)과 동일한 물질로 구성될 수 있다.
상기 셀간 절연막(220) 내부에는 전하 저장층(230)이 형성된다. 전하 저장층(230)은 양자점 또는 특정의 막질의 형태로 형성될 수 있다. 특히, 상기 전하 저장층(230)은 상기 제2 방향과 수직인 제1 방향으로 신장되어 형성된다.
상기 전하 저장층(230)이 양자점의 형태로 구비되는 경우, 반도체 원소를 포함하거나, 금속 및 자성 물질을 포함할 수 있다.
예컨대, 상기 전하 저장층(230)이 반도체 원소를 포함하는 경우, 이를 형성하는 양자점은 C, Si, SiGe, SiN, GaN 또는 ZnO의 나노 입자로 구성됨이 바람직하다. 또한, 상기 전하 저장층(230)이 금속 및 자성 물질로 구성되는 경우, 이를 형성하는 양자점은 W, Co, Ti 또는 Pd의 나노 입자로 구성될 수 있다. 다만, 본 실시예에서 개시된 양자점은 예시에 불과하며, 활성영역(200)에서 이동된 전하가 포집될 수 있는 특성이라면 여하한 물질이라도 사용가능할 것이다.
또한, 상기 전하 저장층(230)이 특정의 막질의 형태로 구비되는 경우, 상기 전하 저장층(230)은 SiN 또는 다결정 실리콘으로 구성될 수 있다.
상기 셀간 절연막(220)의 측면에는 게이트 전극(240)이 형성된다. 상기 게이트 전극(240)은 인접한 셀간 절연막들(220)의 이격공간을 매립하는 양상으로 제공된다. 게이트 전극(240)의 재질은 도전성 재질이라면 어느 것이나 가능할 것이나, 금속 또는 다결정 실리콘으로 형성됨이 바람직하다. 따라서, 상기 터널링 절연막(210) 상에는 셀간 절연막(220) 및 게이트 전극(240)이 형성되며, 셀간 절연막(220) 내부에는 전하 저장층(230)이 형성된다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플래시 메모리의 구조를 설명하기 위한 다른 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 플래시 메모리는 활성 영역(200), 터널링 절연막(210), 게이트 절연막(215), 셀간 절연막(220), 전하 저장층(230) 및 게이트 전극(240)을 포함한다.
특히, 상기 도 3에서 활성영역(200) 및 터널링 절연막(210)의 구성 및 재질은 상기 도 2에서 설명된 바와 동일하다.
또한, 게이트 절연막(215)은 상기 터널링 절연막(210)으로부터 제2 방향으로 형성되며, 게이트 전극(240)의 하부에 형성된다. 특히, 상기 게이트 절연막(215)은 게이트 전극(240)과 활성영역(200) 사이에 형성된다. 이는 금속 재질의 게이트 전극(240)과 활성영역(200) 사이의 거리를 증가시켜서, 게이트 전극(240)에서 인가되는 전계에 의한 활성영역(200)의 오동작을 방지한다. 특히, 게이트 전극(240)에서 강한 전계가 인가되어 활성영역(200)으로부터 직접 게이트 전극(240)으로 전하가 이동하는 터널링 현상을 방지할 수 있다. 따라서, 상기 게이트 절연막(215)의 두께는 터널링 절연막(210)의 두께를 상회할 것이 요청된다.
이외의 셀간 절연막(220) 및 전하 저장층(230)의 구성 및 재질은 상기 도 2에서 설명된 바와 동일하다.
도 4는 상기 도 3에 도시된 플래시 메모리의 프로그램 동작 및 소거 동작을 설명하기 위한 모식도이다.
도 4를 참조하면, 게이트 전극(240)과 활성 영역(200) 사이에 프로그램 전압을 인가한다. 프로그램 전압의 인가에 의해 게이트 전극(240)의 측면으로 프린징 필드(fringing field)가 형성된다. 따라서, 셀간 절연막(220) 하부에 형성된 활성 영역(200)의 전하는 셀간 절연막(220)을 통과하여 전하 저장층(230)으로 포집된다. 또한, 셀간 절연막(220) 내에 형성된 전하 저장층(230)으로 트랩되는 전하는 기 형성된 터널링 산화막(210)을 직접 관통할 수 있다. 즉, 셀간 절연막(220)을 거치지 않고 터널링 산화막(210)을 관통하여 포집되는 양상으로 이루어 질 수 있다.
만일, 터널링 산화막(210)의 형성이 생략된 경우, 활성 영역(200)과 셀간 절연막(220)은 직접 접하며, 셀간 절연막(220) 내부에 형성된 전하 저장층(230)도 활성 영역(200)과 직접 접할 수 있다. 이러한 경우, 프로그램 전압의 인가에 대해 전하 저장층(220)은 더욱 용이하게 전하를 트랩할 수 있다.
프로그램 동작에 따라 전하 저장층(230)에 저장된 전하는 활성 영역(200)에 전계를 인가하고, 활성 영역(200)에 채널을 형성하기 위해 요구되는 셀의 문턱전압을 상승시킨다.
소거 동작은 프로그램 동작과 상보적으로 수행된다. 즉, 전하 저장층(230)에 트랩된 전하는 소거 전압의 인가로 인해 활성 영역(200)으로 이동한다. 따라서, 프로그램 동작에 비해 셀의 문턱전압은 감소한다.
상술한 과정을 통해 플래시 메모리의 프로그램 동작과 소거 동작은 수행될 수 있다.
특히, 인접한 게이트 전극에 인가되는 전압의 조절을 통해 본 발명의 플래시 메모리는 2개 이상의 상태를 구현할 수 있다. 따라서, 하나의 메모리 셀을 통해 2비트 이상의 데이터를 저장할 수 있다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기 도 2에 도시된 플래시 메모리의 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
특히, 상기 도 5 내지 도 7은 개별적인 단위로 개시된 상기 도 2의 플래시 메모리를 스트링의 형태로 제조하기 위한 것들이다.
먼저, 도 5를 참조하면, 기판(10) 상에 셀간 절연막(220) 및 게이트 전극(240)을 제1 방향으로 순차적으로 적층한다. 특히, 셀간 절연막(220)은 내부에 전하 저장층(230)을 포함한다.
특히, 셀간 절연막(220)과 그 내부에 형성된 전하 저장층(230)은 순차적인 적층에 의해 형성될 수 있다. 예컨대, 셀간 절연막(220)의 일부를 먼저 게이트 전극(240) 상에 형성한다. 상기 셀간 절연막(220)은 절연물이라면 어느 것이나 가능할 것이다.
이어서, 약 절반의 두께로 형성된 셀간 절연막(220)의 상부에 전하 저장층(230)을 형성한다. 전하 저장층(230)은 다양한 형태로 구비될 수 있다. 예컨대, 상기 전하 저장층(230)은 나노 입자들인 분산된 양자점의 형태로 구비되거나, 막질의 형태로 구비될 수 있다.
특히, 양자점으로 제공되는 경우, C, Si, SiGe, SiN, GaN 또는 ZnO의 나노 입자로 구성되거나, W, Co, Ti 또는 Pd의 나노 입자로 구성될 수 있다. 또한, 양자점의 형성은 다양한 방법을 통해 구현될 수 있다. 일반적으로 기 형성된 나노 입자들을 용매에 분산시키고, 스핀 코팅의 방법으로 하부 막질인 셀간 절연막(220) 상부에 도포한다. 이어서, 후열처리를 통해 용매를 제거하고, 나노 입자들의 응집을 이용하여 양자점을 형성할 수 있다. 이외에도 타겟물질에 대한 스퍼터링 등을 통해 나노 크기의 양자점을 형성할 수도 있다.
계속해서, 양자점 상부를 통상의 증착을 통해 셀간 절연막(220)으로 매립한다. 따라서, 셀간 절연막(220) 내부에 전하 저장층(230)이 형성되는 구조가 나타난다.
전술한 바와 같이 상기 전하 저장층(230)은 막질로 형성될 수 있다. 특히, 전하의 포집을 위해 SiN 또는 다결정 실리콘이 전하 저장층(230)으로 사용될 수 있다. 이를 위해 화학적 기상 증착법, 물리적 기상 증착법 또는 원자층 증착법이 사용된다.
또한, 셀간 절연막(220)과 교대로 형성되는 게이트 전극(240)은 도전성 물질로 형성된다. 따라서, 금속 또는 다결정 실리콘으로 형성될 수 있다. 게이트 전극(240)의 형성은 통상의 증착공정에 따른다.
또한 본 실시예에서는 기판(10) 상에 직접 소정의 절연막이 형성되고, 그 상부에 게이트 전극(240)이 형성되는 것으로 도시하고 있으나, 실시의 형태에 따라서, 기판(10)과 게이트 전극(240) 사이에는 다른 기능성 막질이 개입될 수 있다. 또한, 최상층에서도 절연막이 형성되는 것으로 도시하였으나, 최상이 게이트 전극(240) 상부에는 절연막 이외에 다른 기능성 막질들이 개입될 수 있다.
또한, 게이트 전극(240) 및 셀간 절연막(220)의 개수는 스트링 구조에 포함되는 메모리 셀의 개수의 선택에 따라 충분히 변경 가능함은 당업자에게 자명한 사항이라 할 것이다.
도 6을 참조하면, 상기 도 5에 개시된 구조물에 대해 식각 공정을 수행하여 관통홀(20)을 형성한다. 상기 관통홀(20)은 최상층의 절연막으로부터 하부의 기판(10) 또는 다른 기능을 수행하는 막질이 노출될 때까지 제1 방향으로 진행된다.
관통홀(20)의 형성은 통상의 포토리소그래피 공정에 따른다. 예컨대, 최상층의 절연막 상부에 포토레지스트를 도포하고, 포토리소그래피 공정을 통해 포토레지스트 패턴을 형성한다. 형성된 포토레지스트 패턴을 식각마스크로 하여 식각을 수행하여 관통홀(20)을 형성한다. 관통홀(20)의 형성을 통해 관통홀(20)의 내부 공간에는 게이트 전극(240) 및 셀간 절연막(220)의 일부 표면이 노출된다.
도 7을 참조하면, 관통홀에 대한 증착 공정을 수행하여 이를 매립한다.
먼저, 관통홀의 내벽과 접하도록 터널링 절연막(210)을 형성한다. 상기 터널링 절연막(210)은 열산화 공정 또는 통상의 증착 공정을 통해 형성한다. 상기 터널링 절연막(210)은 실리콘산화물임이 바람직하다.
이어서, 터널링 절연막(210)이 형성된 관통홀을 완전히 매립하여 활성영역(200)을 형성한다. 상기 활성영역(200)은 반도체 재질을 가질 것이 요구되며, 바람직하게는 다결정 실리콘의 매립이 수행된다. 또한, 관통홀을 매립하는 활성 영역(200) 상부에 금속 전극(30)을 연결하여, 활성 영역(200)에 바이어스 인가 조건을 형성할 수 있다.
상술한 과정에 의해 형성된 도 2의 플래시 메모리는 프린징 필드(fringing field)를 이용한 프로그램 및 소거 동작이 가능해진다. 프린징 필드라 함은 스트립 라인의 에지나 가장자리 부분에서 외부로 향해 누설되는 전계를 지칭한다. 이를 이용하여 상기 도 2에 개시된 게이트 전극(240)은 셀간 절연막(220) 내부에 형성된 전하 저장층(230)에 전하를 트랩시킬 수 있는 동작을 수행할 수 있다. 즉, 게이트 전극(240)과 활성 영역(200) 사이에 인가되는 전계 중에 셀간 절연막(220)을 통해 인가되는 전계를 이용하여, 활성 영역(200)의 전하는 전하 저장층(230)에 저장된다. 따라서, 전하 저장층(230)이 포함된 셀간 절연막(220) 하부의 활성 영역(200)은 트랩된 전하에 의해 높은 문턱전압을 유지할 수 있다. 소거 동작 또한 이와 상보적으로 수행할 수 있다. 즉, 프린징 필드를 이용하여 전하 저장층(230)에 트랩된 전하는 하부의 활성 영역(200)으로 이동하며, 이를 통해 소거 동작이 수행된다.
도 8 내지 도 12는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기 도 3에 도시된 플래시 메모리의 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
특히, 상기 도 8 내지 도 11는 개별적인 단위로 개시된 상기 도 3의 플래시 메모리를 스트링의 형태로 제조하기 위한 것들이다.
먼저, 도 8을 참조하면, 기판(10) 상에 희생층(250)과 셀간 절연막(220)을 제1 방향으로 번갈아가며 형성한다. 상기 희생층(250)은 셀간 절연막(220)과 식각 선택비를 가지는 재질이라면 어느 것이나 가능할 것이다. 예컨대 상기 셀간 절연막(220)이 실리콘 산화물인 경우, 상기 셀간 절연막(220)과 식각 선택비를 가지는 물질로는 질화막 등이 사용될 수 있다. 또한, 셀간 절연막(220)이 전기적으로 절연성을 가지는 물질이므로, 이와 달리 상기 희생층(250)은 소정의 도전성을 가진 도전물일 수 있다.
또한, 상기 셀간 절연막(220)의 형성은 도 5에 개시된 바에 따른다. 예컨대, 셀간 절연막(220)의 일부를 희생층(250) 상부에 형성하고, 전하 저장층(230)을 소정의 두께의 셀간 절연막(220) 상부에 형성한다. 이어서, 전하 저장층(230)을 매립하는 셀간 절연막(220)의 나머지 부위를 형성한다. 따라서, 전하 저장층(230)을 내부에 가지는 셀간 절연막(220)이 형성된다.
계속해서 도 9를 참조하면 상기 도 8에 도시된 구조물에 대해 식각 공정을 수행하여 관통홀(20)을 제1 방향으로 형성한다. 관통홀(20)의 형성은 통상의 포토리소그래피 공정과 식각 공정을 이용한다. 예컨대, 도 8의 구조물의 최상층에 포토레지스트를 도포하고, 통상의 포토리소그래피 공정을 이용하여 포토레지스트 패턴을 형성한다. 형성된 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 이용하여 식각을 수행하여 관통홀(20)을 형성한다.
관통홀(20)의 형성에 의해 관통홀(20)이 형성된 방향으로 희생층(250)의 일부 표면 및 셀간 절연막(220)의 일부 표면은 노출된다.
도 10을 참조하면, 관통홀 내부에 터널링 절연막(210) 및 활성 영역(200)을 형성한다. 상기 터널링 절연막(210) 및 활성 영역(200)의 형성은 상기 도 7에서 개시된 바와 동일한다.
다만, 상기 터널링 절연막(210)의 형성은 생략될 수 있다. 즉, 도 10에서 터널링 절연막(210)의 형성없이 관통홀을 매립하는 활성 영역(200)이 직접 형성될 수 있다. 따라서, 활성 영역(200)과 셀간 절연막(220)은 직접 접촉될 수도 있다.
도 11을 참조하면, 도 10의 구조물에 대한 선택적 식각을 통해 희생층(250)을 제거한다. 희생층(250)은 셀간 절연막(220)에 대해 식각 선택비를 가지는 물질이므로 희생층(250)의 제거에도 셀간 절연막(220)은 잔류한다. 또한, 터널링 절연막(210) 및 활성 영역(200)도 잔류하게 된다.
따라서, 희생층(250)이 제거된 공간을 통해 셀간 절연막(220)의 일부 표면, 터널링 절연막(210)의 일부 표면은 노출된다. 만일, 상기 도 10에서 터널링 절연막(210)의 형성 공정이 생략된 경우, 다결정 실리콘 재질의 활성 영역(200)의 일부 표면이 노출될 수 있다.
따라서, 제1 방향으로 신장된 활성 영역(200) 또는 터널링 절연막(210)은 잔류하며, 제2 방향으로 신장된 셀간 절연막(220) 및 그 내부에 형성된 전하 저장층(230)도 잔류하게 된다.
도 12를 참조하면, 도 11에 의하여 제거된 희생층이 형성된 부위에 게이트 절연막(215)을 형성한다. 즉, 노출된 터널링 산화막(210)의 측면인 제2 방향으로 게이트 절연막(215)을 형성한다. 만일, 터널링 절연막(210)의 형성이 생략된 경우, 게이트 절연막(215)은 활성 영역(200)으로부터 제2 방향으로 직접 형성된다.
상기 게이트 절연막(215)은 산화물 또는 질화물로 구성될 수 있다. 따라서, 실리콘산화물 또는 실리콘 질화물로 구성될 수 있다. 이외에 상기 게이트 절연막(215)은 high-k 물질로도 형성될 수 있다. 예컨대, Al2O3, HfO2, TiO2, La2O5, BaZrO3, Ta2O5, ZrO2, Gd2O3 또는 Y2O3을 포함할 수 있다.
계속해서 게이트 절연막(215)과 접하는 공간에 제2 방향으로 게이트 전극(240)을 매립한다. 따라서, 상기 게이트 전극(240)은 셀간 절연막(220)과 게이트 절연막(215)에 의해 구획된 공간을 매립한다. 게이트 전극(240)의 재질은 도전성 금속물 또는 다결정 실리콘으로 이루어진다. 따라서, 상기 게이트 전극(240)의 형성은 통상의 증착공정으로 이루어진다.
바람직하게는 상기 게이트 절연막(215)은 high-k 물질로 이루어진다. 따라서, 게이트 전극(240)과 활성 영역(200) 사이에 인가되는 전계는 셀간 절연막(220)에 집중될 수 있으며, 프린징 효과에 의해 전하의 이동이 발생되며, 프로그램 동작 및 소거 동작이 발생될 수 있다.
본 발명에서는 통상의 플래시 메모리 구조에 비해 블로킹 절연막의 구조가 생략된다. 즉, 전하를 저장하는 전하 트랩층과 제어 게이트 사이에 배치된 블로킹 절연막은 개재되지 않는다. 대신, 셀간 절연막의 내부에 형성된 전하 저장층을 이용하여 프로그램 및 소거 동작이 발생된다.
또한, 스트링 구조의 형성을 위해 관통홀을 형성하고, 관통홀 내부에서 다수의 막질을 형성하는 기술적 곤란성은 해결될 수 있다. 즉, 전하 저장층 및 블로킹 절연막의 형성이 관통홀 내부에서 수행되지 않으므로 직렬로 연결된 플래시 메모리 사이의 전기적 특성의 균일도를 유지할 수 있다.
또한, 관통홀의 내부에 전하 저장층 및 블로킹 절연막의 형성이 없으며, 게이트 전극 사이의 절연물 내부에 전하 저장층을 형성하므로, 스트링 구조의 집적도를 향상할 수 있는 잇점이 있다.
200 : 활성 영역 210 : 터널링 절연막
215 : 게이트 절연막 220 : 셀간 절연막
230 : 전하 저장층 240 : 게이트 전극
215 : 게이트 절연막 220 : 셀간 절연막
230 : 전하 저장층 240 : 게이트 전극
Claims (20)
- 반도체 소재를 가지는 활성 영역;
상기 활성 영역상에 형성된 터널링 절연막;
상기 터널링 절연막 상에 형성된 게이트 전극;
상기 게이트 전극들 사이의 이격공간을 매립하고, 상기 터널링 절연막 상에 형성된 셀간 절연막; 및
상기 셀간 절연막 내부에 형성되고, 게이트 전극에서 인가되는 전계의 프린징 효과에 의해 전하를 저장하기 위한 전하 저장층을 포함하는 플래시 메모리. - 제1항에 있어서, 상기 셀간 절연막은 상기 게이트 전극과 제1 방향으로 접하여 형성되는 것을 특징으로 하는 플래시 메모리.
- 제2항에 있어서, 상기 전하 저장층은 상기 제1 방향과 수직인 제2 방향으로 신장되어 형성되는 것을 특징으로 하는 플래시 메모리.
- 제3항에 있어서, 상기 전하 저장층은 양자점의 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 플래시 메모리.
- 제4항에 있어서, 상기 양자점은 C, Si, SiGe, SiN, GaN 또는 ZnO의 나노 입자이거나, W, Co, Ti 또는 Pd의 나노 입자인 것을 특징으로 하는 플래시 메모리.
- 제3항에 있어서, 상기 전하 저장층은 실리콘 질화물 또는 다결정 실리콘을 포함하는 막질인 것을 특징으로 하는 플래시 메모리.
- 반도체 소재를 가지는 활성 영역;
상기 활성 영역상에 형성된 게이트 절연막;
상기 게이트 절연막 상에 형성된 게이트 전극;
상기 게이트 전극들 사이의 이격공간을 매립하고, 상기 활성 영역 상에 형성된 셀간 절연막; 및
상기 셀간 절연막 내부에 형성되고, 게이트 전극에서 인가되는 전계의 프린징 효과에 의해 전하를 저장하기 위한 전하 저장층을 포함하는 플래시 메모리. - 제7항에 있어서, 상기 활성 영역과 상기 게이트 절연막 사이에 형성된 터널링 절연막을 더 포함하고, 상기 터널링 절연막은 상기 활성 영역과 상기 셀간 절연막 사이에도 형성되는 것을 특징으로 하는 플래시 메모리.
- 제7항에 있어서, 상기 셀간 절연막은 상기 게이트 전극과 제1 방향으로 접하여 형성되고, 상기 게이트 절연막 및 상기 게이트 전극은 상기 활성 영역으로부터 상기 제1 방향과 수직인 제2 방향으로 적층되는 것을 특징으로 하는 플래시 메모리.
- 제9항에 있어서, 상기 셀간 절연막은 Al2O3, HfO2, TiO2, La2O5, BaZrO3, Ta2O5, ZrO2, Gd2O3 또는 Y2O3을 포함하는 것을 특징으로 하는 플래시 메모리.
- 제9항에 있어서, 상기 전하 저장층은 양자점의 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 플래시 메모리.
- 제11항에 있어서, 상기 양자점은 C, Si, SiGe, SiN, GaN 또는 ZnO의 나노 입자이거나, W, Co, Ti 또는 Pd의 나노 입자인 것을 특징으로 하는 플래시 메모리.
- 제9항에 있어서, 상기 전하 저장층은 실리콘 질화물 또는 다결정 실리콘을 포함하는 막질인 것을 특징으로 하는 플래시 메모리.
- 기판 상에 게이트 전극 및 셀간 절연막을 번갈아가며 적층하는 단계;
상기 게이트 전극 및 셀간 절연막을 관통하는 관통홀을 제1 방향으로 형성하는 단계;
상기 관통홀의 측벽에 터널링 절연막을 형성하는 단계; 및
상기 터널링 절연막에 의해 구획된 공간을 매립하는 활성 영역을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 셀간 절연막은 프린징 효과에 의한 전하를 저장하기 위한 전하 저장층을 포함하고, 상기 전하 저장층은 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 신장되는 것을 특징으로 하는 플래시 메모리의 제조방법. - 기판 상에 희생층 및 셀간 절연막을 번갈아가며 적층하는 단계;
상기 희생층 및 셀간 절연막을 관통하는 관통홀을 제1 방향으로 형성하는 단계;
상기 관통홀의 측벽에 활성 영역을 형성하는 단계; 및
상기 희생층을 제거하고, 제1방향으로 신장된 상기 활성 영역 및 상기 제1 방향과 수직인 제2 방향으로 신장된 상기 셀간 절연막을 잔류시키는 단계;
상기 희생층이 제거된 공간에 상기 제2방향으로 게이트 절연막을 형성하는 단계; 및
상기 게이트 절연막과 상기 제2 방향으로 접하는 게이트 전극을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 셀간 절연막은 프린징 효과에 의한 전하를 저장하기 위한 전하 저장층을 포함하고, 상기 전하 저장층은 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 신장되는 것을 특징으로 하는 플래시 메모리의 제조방법. - 제14항 또는 제15항에 있어서, 상기 전하 저장층은 양자점의 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 플래시 메모리.
- 제16항에 있어서, 상기 양자점은 C, Si, SiGe, SiN, GaN 또는 ZnO의 나노 입자이거나, W, Co, Ti 또는 Pd의 나노 입자인 것을 특징으로 하는 플래시 메모리.
- 제14항 또는 제15항에 있어서, 상기 전하 저장층은 실리콘 질화물 또는 다결정 실리콘을 포함하는 막질인 것을 특징으로 하는 플래시 메모리.
- 제15항에 있어서, 상기 활성 영역을 형성하는 단계 이전에,
상기 관통홀에 의해 노출된 상기 희생층 및 상기 셀간 절연막의 표면 상에 터널링 절연막을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플래시 메모리의 제조방법. - 제19항에 있어서, 상기 게이트 절연막의 두께는 상기 터널링 절연막의 두께를 상회하는 것을 특징으로 하는 플래시 메모리의 제조방법.
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