KR101327500B1 - Flash memory devices including multi-layer tunnel insulator and method of fabricating the same - Google Patents
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Abstract
다층으로 형성된 터널 절연막을 포함하는 플래시 메모리 소자 및 그 제조 방법이 설명된다. 본 발명의 일 실시예에 의한 플래시 메모리 소자는, 기판 상에 형성된 하부 터널 절연막, 하부 터널 절연막 상에 형성된 비정질 산화물인 상부 터널 절연막, 상부 터널 절연막 상에 형성된 P형 플로팅 게이트, P형 플로팅 게이트 상에 형성된 게이트간 절연막, 및 게이트간 절연막 상에 형성된 제어 게이트를 포함한다.A flash memory device including a tunnel insulating film formed in multiple layers and a manufacturing method thereof are described. A flash memory device according to an embodiment of the present invention includes a lower tunnel insulating film formed on a substrate, an upper tunnel insulating film which is an amorphous oxide formed on a lower tunnel insulating film, a P-type floating gate formed on an upper tunnel insulating film, and a P-type floating gate. An inter-gate insulating film formed on the substrate, and a control gate formed on the inter-gate insulating film.
플래시 메모리, 터널 절연막, 비정질 실리콘, 실리콘-리치-산화막, P형 게이트 Flash Memory, Tunnel Insulation, Amorphous Silicon, Silicon-Rich-Oxide, P-type Gate
Description
본 발명은 플래시 메모리 소자에 관한 것으로서 특히 다층으로 형성된 터널 절연막을 포함하는 플래시 메모리 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to flash memory devices, and more particularly, to a flash memory device including a tunnel insulating film formed in multiple layers and a method of manufacturing the same.
플래시 메모리 소자의 특성을 평가하는 다양한 항목 중, 특히 중요하게 평가 되는 것이 터널 절연막의 특성이다. 터널 절연막은 플로팅 게이트에 정보를 기록하거나, 플로팅 게이트로부터 저장된 정보를 삭제할 때, 수많은 전자들이 터널링을 하는 절연막으로서 플래시 메모리 소자의 특성을 평가하는데 매우 중요한 막이다. 터널링 절연막은 막질의 절연성, 유전율, 두께, 유연성, 열적 안정성, 막질의 결합 및 치밀도 등이 종합적으로 고려되어야 하며, 특히 더 중요하게 고려되는 것은 일반적인 반도체 공정에서 사용되는 비교적 가격이 저렴한 공정들과 호환될 수 있어야한다. 이러한 이유들 때문에 통상적으로 터널 절연막은 실리콘 산화막이 사용되어 왔다. 실리콘 산화막은 터널 절연막이 가져야 하는 대부분의 고려 조건들을 일정 수준 이상으로 만족시켜주고, 특히 반도체 공정에서 널리 사용되는 막질이기 때 문에 가격이 저렴한 공정이기 때문이다.Among the various items for evaluating the characteristics of the flash memory device, it is particularly important to evaluate the characteristics of the tunnel insulating film. The tunnel insulating film is an insulating film in which numerous electrons tunnel when writing information to the floating gate or deleting information stored from the floating gate, and is a very important film for evaluating the characteristics of a flash memory device. Tunneling insulating film should be considered comprehensively in terms of insulation, dielectric constant, thickness, flexibility, thermal stability, film bonding, and density, and more importantly, relatively inexpensive processes used in general semiconductor processes It must be compatible. For these reasons, a silicon oxide film has conventionally been used as the tunnel insulating film. This is because the silicon oxide film satisfies most of the consideration conditions that the tunnel insulating film must have above a certain level, and because it is an inexpensive process because it is a film quality widely used in semiconductor processes.
그러나, 플래시 메모리 소자의 집적도가 증가하면서, 플래시 소자를 구성하는 막질들 및 그 구조가 변화하고 있다. 예를 들어, 전도체가 금속성 물질로 점차 바뀌고 있고, 그 구조도 달라지고 있으며, 특히, 절연막들도 널리 사용되던 실리콘 산화막 및 실리콘 질화막이 아닌 다양한 막질들이 사용되기 시작하였다.However, as the degree of integration of flash memory devices increases, the films and the structure of the flash devices are changing. For example, the conductor is gradually changed to a metallic material, the structure is also changed, and in particular, various film qualities are being used other than the silicon oxide film and silicon nitride film, which are widely used.
터널 절연막은 이론적으로, 플래시 메모리 소자의 집적도가 증가되면 그에 따라 두께가 점차 얇아져야 한다. 플래시 메모리 소자의 집적도가 증가하면, 각 구성 요소들의 크기가 작아지기 때문에, 열화되지 않도록 저전력에서 동작해야 하기 때문에, 낮은 전압, 낮은 전류로도 안정적인 프로그래밍, 이레이징 및 정보 유지 능력을 확보해야 하기 때문이다.The tunnel insulating film should theoretically become thinner as the integration degree of the flash memory device increases. Increasing the density of flash memory devices reduces the size of each component, so that they must operate at low power to prevent degradation, and therefore must have stable programming, erasing, and information retention capabilities at low voltages and low currents. to be.
그러나 터널 절연막을 얇게 형성하는 문제는 쉬운 것이 아니다. 터널 절연막이 너무 얇을 경우, 우선 제조 공정적인 측면에서 큰 어려움을 가지며, 전기적인 관점에서 플로팅 게이트에 저장되어 있던 전자들이 터널 절연막을 뚫고 누설되어 플래시 메모리 소자의 정보 유지 특성을 저하시키게 된다. 때문에 터널 절연막은 전기적으로 적절한 두께를 확보하여야 한다. 기존의 실리콘 산화막으로는 전자들의 터널링을 쉽게 하여 프로그래밍 및 이레이징이 낮은 전압에서도 수행되고, 저장된 정보를 유지하는 정보 유지 특성도 안정될 수 있는 두 가지 특성을 동시에 만족시키기 어렵다.However, the problem of forming a thin tunnel insulating film is not easy. If the tunnel insulating film is too thin, first, the manufacturing process has a great difficulty, and from the electrical point of view, electrons stored in the floating gate leak through the tunnel insulating film to degrade information retention characteristics of the flash memory device. For this reason, the tunnel insulating film must have an appropriate thickness electrically. With conventional silicon oxide films, it is difficult to satisfy both characteristics at the same time that the tunneling of electrons is easy, so that programming and erasing is performed at low voltage, and that the information retention characteristic of maintaining stored information is also stabilized.
터널 절연막의 특성을 개선하기 위한 방법으로, 하프늄 산화물, 알루미늄 산화물, 티타늄 산화물, 탄탈룸 산화물과 같은 금속 산화물 등의 고유전 특성을 갖는 절연막을 얇은 두께로 형성하여 해결할 수 있으나, 반도체 제조 공정에서 널리 사용되는 물질이 아니고, 흔한 물질로 형성하는 것도 아니어서 막질을 형성하는 것이 불안정하고 고가의 공정이다. 또한 실리콘 기판 및 기타 전도체 물질과의 계면 특성도 좋지 않고, 무엇보다 열에 취약하여 고온 공정을 자주 사용하는 반도체 제조 공정에 도입하기 어렵다.As a method for improving the characteristics of the tunnel insulating film, an insulating film having high dielectric properties such as hafnium oxide, aluminum oxide, titanium oxide, and tantalum oxide can be solved by forming a thin film, but widely used in semiconductor manufacturing processes. It is not a material to be formed, nor is it formed of a common material, so forming a film is an unstable and expensive process. In addition, the interface properties with silicon substrates and other conductor materials are poor, and most of all, they are susceptible to heat and are difficult to introduce into semiconductor manufacturing processes that frequently use high temperature processes.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 저전압에서 프로그래밍 및 이레이징되면서도 정보 유지 능력이 우수한 다층 터널 절연막을 포함하는 플래시 메모리 소자를 제공함에 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in an effort to provide a flash memory device including a multilayer tunnel insulating layer having excellent information retention while programming and erasing at a low voltage.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 저전압에서 프로그래밍 및 이레이징되면서도 정보 유지 능력이 우수한 다층 터널 절연막을 포함하는 플래시 메모리 소자를 제조하는 방법을 제공함에 있다.Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a flash memory device including a multilayer tunnel insulating film having excellent information retention capability while programming and erasing at a low voltage.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 저전압에서 프로그래밍 및 이레이징이 쉽고, 정보 유지 능력이 우수하도록 다양한 에너지 밴드 갭을 가진 물질들로 다층 터널 절연막을 형성하는 방법과 플래시 메모리 소자들을 제공함에 있다.Another object of the present invention is to provide a flash memory device and a method of forming a multilayer tunnel insulating film with materials having various energy band gaps so that programming and erasing at low voltage is easy and information holding ability is excellent. .
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problems to be solved by the present invention are not limited to the above-mentioned problems, and other problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
상기 본 발명이 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 플래시 메모리 소자는, 기판 상에 형성된 하부 터널 절연막, 하부 터널 절연막 상에 형성된 상부 터널 절연막, 상부 터널 절연막 상에 형성된 P형 플로팅 게이트, P형 플로팅 게이트 상에 형성된 게이트간 절연막, 및 게이트간 절연막 상에 형성된 제어 게이트를 포함한다.Flash memory device according to an embodiment of the present invention for achieving the problem to be solved by the present invention, the lower tunnel insulating film formed on the substrate, the upper tunnel insulating film formed on the lower tunnel insulating film, P formed on the upper tunnel insulating film A type floating gate, an inter-gate insulating film formed on the P-type floating gate, and a control gate formed on the inter-gate insulating film.
상기 본 발명이 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 의한 플래시 메모리 소자는, 기판 상에 형성된 하부 터널 절연막, 하부 터널 절연막 상에 형성된 상부 터널 절연막, 상부 터널 절연막 상에 형성된 전하 트랩 절연막, 전하 트랩 절연막 상에 형성된 블로킹막, 블로킹막 상에 형성된 P형 게이트 전극, 및 P형 게이트 전극 상에 형성된 절연성 캡핑막을 포함한다.Flash memory device according to another embodiment of the present invention for achieving the problem to be solved by the present invention, the lower tunnel insulating film formed on the substrate, the upper tunnel insulating film formed on the lower tunnel insulating film, the charge formed on the upper tunnel insulating film And a trapping insulating film, a blocking film formed on the charge trap insulating film, a P-type gate electrode formed on the blocking film, and an insulating capping film formed on the P-type gate electrode.
상기 본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 플래시 메모리 소자의 제조 방법은, 기판 상에 하부 터널 절연막을 형성하고, 하부 터널 절연막 상에 상부 터널 절연막을 형성하고, 상부 터널 절연막 상에 P형 플로팅 게이트를 형성하고, P형 플로팅 게이트 상에 게이트간 절연막을 형성하고, 및 게이트간 절연막 상에 제어 게이트를 형성하는 것을 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a flash memory device, which includes forming a lower tunnel insulating film on a substrate and forming an upper tunnel insulating film on a lower tunnel insulating film. Forming a P-type floating gate on the upper tunnel insulating film, forming an inter-gate insulating film on the P-type floating gate, and forming a control gate on the inter-gate insulating film.
상기 본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 의한 플래시 메모리 소자의 제조 방법은, 기판 상에 하부 터널 절연막을 형성하고, 하부 터널 절연막 상에 상부 터널 절연막을 형성하고, 상부 터널 절연막 상에 전하 트랩 절연막을 형성하고, 전하 트랩 절연막 상에 블로킹막을 형성하고, 블로킹막 상에 P형 게이트 전극을 형성하고, 및 P형 게이트 전극 상에 절연성 캡핑막을 형성하는 것을 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a flash memory device, wherein a lower tunnel insulating film is formed on a substrate, and an upper tunnel insulating film is formed on a lower tunnel insulating film. Forming a charge trap insulating film on the upper tunnel insulating film, forming a blocking film on the charge trap insulating film, forming a P-type gate electrode on the blocking film, and forming an insulating capping film on the P-type gate electrode. .
상기 본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 플래시 메모리 소자는, 기판 상에 형성된 다층 터널 절연막, 다층 터널 절연막 상에 형성된 제1 게이트 전극, 제1 게이트 전극 상에 형성된 게이트간 절연막, 및 게이트간 절연막 상에 형성된 제2 게이트 전극을 포함하고, 다층 터널 절연막은, 제1 에너지 밴드 갭을 가진 제1 터널 절연막, 및 제1 에너지 밴드 갭과 다른 제2 에너지 밴드 갭을 가진 제2 터널 절연막을 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a flash memory device including a multilayer tunnel insulating film formed on a substrate, a first gate electrode formed on the multilayer tunnel insulating film, and a first gate electrode. And a second gate electrode formed on the inter-gate insulating film, wherein the multilayer tunnel insulating film includes a first tunnel insulating film having a first energy band gap, and a second energy different from the first energy band gap. And a second tunnel insulating film having a band gap.
상기 본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 의한 플래시 메모리 소자는, 기판 상에 형성된 다층 터널 절연막, 다층 터널 절연막 상에 형성된 전하 트랩 절연막, 전하 트랩 절연막 상에 형성된 블로킹막, 및 블로킹막 상에 형성된 게이트 전극을 포함하고, 다층 터널 절연막은, 제1 에너지 밴드 갭을 가진 제1 터널 절연막, 및 제2 에너지 밴드 갭을 가진 제2 터널 절연막을 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a flash memory device including a multilayer tunnel insulating film formed on a substrate, a charge trap insulating film formed on a multilayer tunnel insulating film, and a charge trap insulating film. A blocking film formed, and a gate electrode formed on the blocking film, wherein the multilayer tunnel insulating film includes a first tunnel insulating film having a first energy band gap, and a second tunnel insulating film having a second energy band gap.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.The details of other embodiments are included in the detailed description and drawings.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예들에 의한 다층 터널 절연막을 포함하는 플래시 메모리 소자는, 프로그래밍 및 이레이징 전압 레벨에서 안정된 프로그래밍 및 이레이징 특성을 가지며, 정보 유지 전압 레벨에서 안정적인 정보 유지 특성을 가질 수 있다.As described above, the flash memory device including the multilayer tunnel insulating layer according to the exemplary embodiments of the present invention may have stable programming and erasing characteristics at the programming and erasing voltage levels, and stable information retaining characteristics at the information holding voltage levels. Can be.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발 명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 도면에서 층 및 영역들의 크기 및 상대적인 크기는 설명의 명료성을 위해 과장된 것일 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.Advantages and features of the present invention and methods for achieving them will be apparent with reference to the embodiments described below in detail with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below but may be embodied in various forms, and these embodiments are not intended to be exhaustive or to limit the invention to the precise forms disclosed, Is provided to fully convey the scope of the invention to those skilled in the art, and the invention is only defined by the scope of the claims. The dimensions and relative sizes of layers and regions in the figures may be exaggerated for clarity of illustration. Like reference numerals refer to like elements throughout.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 개략도인 평면도 및 단면도를 참고하여 설명될 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이고, 발명의 범주를 제한하기 위한 것은 아니다.Embodiments described herein will be described with reference to plan views and cross-sectional views, which are ideal schematics of the present invention. Thus, the shape of the illustrations may be modified by manufacturing techniques and / or tolerances. Accordingly, the embodiments of the present invention are not limited to the specific forms shown, but also include changes in the shapes that are generated according to the manufacturing process. Thus, the regions illustrated in the figures have schematic attributes, and the shapes of the regions illustrated in the figures are intended to illustrate specific types of regions of the elements and are not intended to limit the scope of the invention.
본 명세서에서, 터널 절연막으로 절연물질이 아닌 막, 예를 들어 도핑되지 않은 실리콘막이 적용되는 경우, 본 발명의 기술적 사상을 이해하기 쉽도록 하기 위하여, 편의상 절연막인 것처럼 설명한다.In the present specification, when a non-insulating film, for example, an undoped silicon film is applied as the tunnel insulating film, it is described as an insulating film for convenience in order to make the technical spirit of the present invention easier to understand.
본 발명은 플래시 메모리 소자에 있어서, 전하가 터널링하는 터널 절연막의 에너지 밴드 갭을 조절하여, 터널 절연막의 특성을 개선하는 기술과 관련이 있다. 이 기술은, 에너지 밴드 갭 엔지니어링 또는 에너지 장벽 엔지니어링으로 불린다. 이 기술은 플래시 메모리 소자가 정상 상태에서 읽기 동작을 할 때에는 터널 절연막의 에너지 장벽이 높은 상태를 유지하도록 하고, 프로그래밍/이레이징 동작을 하는 상태에서는 터널 절연막의 에너지 장벽이 낮아지도록 하는 기술이다.BACKGROUND OF THE INVENTION Field of the Invention The present invention relates to a technique for improving the characteristics of a tunnel insulating film by adjusting an energy band gap of a tunnel insulating film through which charge tunnels in a flash memory device. This technique is called energy band gap engineering or energy barrier engineering. This technique is such that the energy barrier of the tunnel insulation layer is kept high when the flash memory device performs the read operation in the normal state, and the energy barrier of the tunnel insulation layer is lowered when the programming / erasing operation is performed.
그러므로, 정상 상태에서는 정보 유지 특성이 우수하고, 프로그래밍/이레이징 동작 상태에서는 터널링 특성이 개선된다.Therefore, the information holding characteristic is excellent in the normal state, and the tunneling characteristic is improved in the programming / erasing operation state.
이 기술은 물리적으로는 상대적으로 두꺼우나 전기적으로는 상대적으로 얇은 터널 절연막을 형성하는 것을 포함한다.This technique involves forming tunnel insulating films that are relatively thick physically but relatively thin electrically.
이하, 본 발명의 실시예들에 의한 플래시 메모리 소자 및 그 제조 방법들을 도면을 참조하여 설명한다.Hereinafter, a flash memory device and a method of manufacturing the same according to embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 1a와 1b는 본 발명의 일 실시예에 의한 플래시 메모리 소자의 단위 셀(100)의 종단면도이다. 특히, 도 1a는 X 방향과 Z 방향을 따른 XZ 면의 종단면도이고, 도 1b는 Y 방향과 Z 방향을 따른 YZ 면의 종단면도이다. X 방향, Y 방향 및 Z 방향은 서로 수직일 수 있다.1A and 1B are longitudinal cross-sectional views of a
도 1a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 플래시 메모리 소자의 단위 셀(100)은, 하부 터널 절연막(131)과 상부 터널 절연막(135)를 포함하는 터널 절연막(130), 플로팅 게이트(140), 게이트간 절연막(150), 제어 게이트(160), 및 캡핑막(170)을 포함한다.Referring to FIG. 1A, a
하부 터널 절연막(131)은 기판(110) 상에 형성될 수 있고, 상부 터널 절연막(135)은 하부 터널 절연막(131) 상에 형성될 수 있으며, 플로팅 게이트(140)는 상부 터널 절연막(135) 상에 형성될 수 있고, 게이트간 절연막(150)은 플로팅 게이트(140) 상에 형성될 수 있으며, 제어 게이트(160)는 게이트간 절연막(150) 상에 형성될 수 있고, 캡핑막(170)은 제어 게이트(160)의 상부 표면을 감싸며, 일부가 기판(110)과 접촉될 수 있다.The lower
도 1b를 참조하면, 하부 및 상부 터널 절연막(131, 135)은 소자 분리 영역(120)들의 사이에 형성될 수 있다. 소자 분리 영역들(120)의 상면(120a) 및/또는 측면(120b)에 플로팅 게이트(140)의 끝단부, 게이트간 절연막(150)의 일 단부 및 제어 게이트(160)의 일부가 접촉될 수 있다. 본 실시예에서, 소자 분리 영역들(120)은 기판(110)의 표면보다 돌출된 상부 표면을 가진 STI(Shallow Trench Isolation)일 수 있다.Referring to FIG. 1B, lower and upper tunnel
기판(110)은 반도체 소자를 제조하기 위한, 잘 알려진 기판이며, 본 실시예에서는 실리콘 기판이다. 특히, 기판(110)의 표면 또는 전체가 단결정(single crystalline)인 실리콘인 기판일 수 있다.The
하부 터널 절연막(131)은 본 실시예에서 정질(crystalline) 실리콘 산화막일 수 있다. 본 실시예에서, 하부 터널 절연막(131)은 기판(110)의 표면이 열산화되어 형성될 수 있다. 예를 들어, 기판(110)의 표면이 정질 실리콘이므로 정질 실리콘이 산화되어 형성된 실리콘 산화막일 수 있다. 하부 터널 절연막(131)은 X 방향으로는 게이트간 절연막(150)과 접촉될 수 있고, Y 방향으로는 소자 분리 영역(120)과 접촉될 수 있다. 하부 터널 절연막(131)을 형성하는 방법은 후술된다.The lower
상부 터널 절연막(135)은 본 실시예에서 비정질 실리콘이 산화되어 형성된 실리콘 산화막일 수 있으며, 특히 비정질 산화막일 수 있다. 상부 터널 절연막(135)은 X 방향으로는 게이트간 절연막(150)과 접촉될 수 있고, Y 방향으로는 소자 분리 영역(120)과 접촉될 수 있다. 상부 터널 절연막(135)을 형성하는 방법은 후술된다.The upper
본 실시예에서, 상부 터널 절연막(135)이 비정질 실리콘이 산화된 실리콘 산화막이므로, 하부 터널 절연막(131)과 같은 정질 실리콘이 산화되어 형성된 실리콘 산화막보다 에너지 밴드 갭이 크다. 본 실시예에서, 상부 터널 절연막(135) 비정질 실리콘이 산화된 실리콘막이고, 하부 터널 절연막(131)이 정질 실리콘이 산화되어 형성된 실리콘 산화막이므로 상부 터널 절연막(135)이 하부 터널 절연막(131)보다 에너지 밴드 갭이 크다. 구체적으로, 상부 터널 절연막(135)은 단결정 또는 다결정 실리콘이 산화되어 형성된 실리콘 산화막보다 약 0.15eV 정도의 에너지 밴드 갭이 더 큰 것으로 측정되었다.In the present exemplary embodiment, since the upper
본 실시예에서, 상부 터널 절연막(135)이 정질 실리콘이 산화되어 형성된 실리콘 산화막보다 에너지 밴드 갭이 크므로 EEPROM 또는 플래시 메모리에서, 저장된 정보의 정보 유지 특성이 개선될 수 있다. 그리고, 전자들의 터널링 특성도 우수해 질 수 있다.In the present embodiment, since the upper
또한, 본 실시예의 도면 1b에서, Z 방향으로 하부 및 상부 터널 절연막들(131, 135)의 총 두께가 소자 분리 영역들(120)이 기판(110)의 표면(110a)위로 돌출된 부분의 높이보다 낮게 도시되었으나, 하부 및 상부 터널 절연막(131, 135)을 포함한 터널 절연막(130)이 소자 분리 영역(120)의 상면(120a)과 동일한 높이일 수도 있고 더 높게 형성될 수도 있다.In addition, in FIG. 1B of the present embodiment, the total thickness of the lower and upper
플로팅 게이트(140)는 정보를 저장하기 위한 전도체일 수 있다. 예를 들어, 전도성을 가진 다결정 실리콘으로 형성될 수 있다. 플로팅 게이트(140)는 소자 분리 영역들(120)과 일정 부분이 중첩 또는 접촉될 수 있다. 구체적으로, 도 1b에 도 시되었듯이, 플로팅 게이트(140)의 일 단부가 소자 분리 영역(120)의 상면(120a) 및/또는 측면(120b)의 일부와 접촉될 수 있다. 다른 말로, 플로팅 게이트(140)의 상면(140a)이 하면(140b)보다 넓게 형성될 수 있다. 또는 하면(140b)의 일부분이 소자 분리 영역들(120)과 중첩 및/또는 접촉되어 상면(140a)보다 좁게 형성될 수 있다.Floating
또, 플로팅 게이트(140)는 통상적으로 N형 게이트로 형성되나, 특별한 경우에 있어서 P형 게이트로 형성될 수 있다. P형 게이트는 N형 게이트보다 일함수(Φ: work function)가 크기 때문에 플래시 메모리 소자의 정보 유지 특성이 개설될 수 있다. 이것은 페르미 준위가 N형 게이트보다 낮기 때문에 터널 절연막(130)의 에너지 장벽을 전자가 넘기 위하여 더 높은 에너지가 필요하기 때문이다.In addition, the floating
그런데, P형 게이트는 N형 게이트에 비하여 이레이징 전압이 1~2V 볼트 정도 더 높은 것으로 알려져 있다. 따라서 단층 터널 절연막을 사용하는 일반적인 플래시 메모리 소자에서는 P형 게이트가 사용되기 어렵다. 이것은 이레이징 전압의 상승이 터널 절연막의 내구성에 좋지 않은 영향을 미치기도 하고, 이레이징 동작시 소요되는 시간이 늘어나기 때문이다.However, the P-type gate is known to have an erasing voltage of about 1 to 2 volts higher than that of the N-type gate. Therefore, the P-type gate is difficult to be used in a general flash memory device using a single-layer tunnel insulating film. This is because an increase in the erasing voltage adversely affects the durability of the tunnel insulating film and increases the time required for the erasing operation.
그러나, 본 발명의 실시예에 의한 다층 터널 절연막은 터널링 특성이 단층 터널 절연막보다 이레이징 전압을 낮출 수 있기 때문에 터널 절연막의 내구성에도 좋으며 이레이징 동작시에 소요되는 시간이 줄어든다. 즉, 예전에 단층 터널 절연막을 사용할 경우에는 적용할 수 없었던 P형 게이트를 적용할 수 있다.However, the multi-layer tunnel insulating film according to the embodiment of the present invention has better tunneling characteristics than the single-layer tunnel insulating film, so that the tunnel insulating film has excellent durability, and the time required for the erasing operation is reduced. In other words, a P-type gate that has not been applicable in the past when a single-layer tunnel insulating film is used can be applied.
그러므로, 본 발명에 의한 다층 터널 절연막 및 P형 게이트를 적용할 경우, 이레이징 전압을 상승시키지 않고 플래시 메모리 소자의 정보 유지 특성을 더욱 개선할 수 있다.Therefore, when the multilayer tunnel insulating film and the P-type gate according to the present invention are applied, the information retention characteristic of the flash memory device can be further improved without raising the erasing voltage.
게이트간 절연막(150)은 플로팅 게이트(140)를 다른 전도체, 예를 들어 제어 게이트(160)와 전기적으로 절연시킨다. 본 실시예에서 게이트간 절연막(150)은 실리콘 산화막 / 실리콘 질화막 / 실리콘 산화막의 3층 구조로 형성될 수 있으나, 하나의 물질을 이용한 단층 구조로 형성될 수도 있다. 또한, 게이트간 절연막(150)은 플로팅 게이트(140)의 상면(140a)뿐만 아니라, 측면(140c)에도 형성될 수 있다. 즉, 게이트간 절연막(150), 기판(110), 소자 분리 영역(120)이 플로팅 게이트(140)를 감싸는 모양으로 형성될 수 있다. 또, 게이트간 절연막(150)은 하부 터널 절연막(131) 및 상부 터널 절연막(135)의 측면(131a, 135a)에도 연장되어 형성될 수 있다. 또한, 소자 분리 영역들(120)의 상면(120a)에도 연장되어 형성될 수 있다. 부가하여, 기판(110)의 표면(110a)과 일단부 또는 양단부가 접촉되도록 형성될 수 있다. 또한, 기판(110)의 표면(110a) 방향(X 방향)으로 연장된 것으로 도시되었지만, 기판(110)의 표면 방향(X 방향)으로 연장되지 않도록 형성될 수 있다. 다른 말로, 기판(120)과 접촉하는 끝단부가 플로팅 게이트(140) 또는 터널 절연막들(131, 135)의 측면에 형성된 두께와 동일한 두께일 수 있다.The inter-gate
제어 게이트(160)는 전도체이며, 본 실시예에서 전도성을 가진 다결정 실리콘으로 형성될 수 있다. 제어 게이트(160)는 게이트간 절연막(150)의 상부에 형성되며, 플로팅 게이트(140)의 상면(140a)과 측면(140c) 및/또는 하부 및 상부 터널 절연막(131, 135)의 측면들(131a, 135a)에 형성된 게이트간 절연막(150)의 측면에 도 형성될 수 있다. 또, 기판(110)과 접촉된 게이트간 절연막(150)의 상면에도 형성될 수 있다. 그리고, 기판(110)과 접촉된 게이트간 절연막(150)의 측면에는 형성되지 않을 수 있다. 다른 말로, 제어 게이트(160)는 기판(110)의 표면(110a)과 직접적으로 접촉되지 않을 수 있다.The
캡핑막(170)은 본 실시예에서 실리콘 산화물로 형성될 수 있다. 캡핑막(170)은 제어 게이트(160)의 상면(160a)과 측면(160b)을 감싸도록 형성될 수 있다. 또, X 방향으로 게이트간 절연막(150)의 노출 및 터널 절연막(130)과 이격된 부분 및 기판(110)과 접촉되도록 형성될 수 있다. 캡핑막(170)은 전체적으로 균일한 두께로 형성될 수 있다.The
본 실시예에서, 터널 절연막(130)은 하나 또는 그 이상의 다양한 모양으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 1a의 단위 셀(100)이 전하 트랩 방식의 플래시(CTF: Charge Trap Flash) 메모리 소자일 수 있다. 전하 트랩 방식의 플래시 메모리 소자의 경우, 본 실시예에서의 하층 절연막(131)이 터널 절연막으로 적용될 수 있다. 전하 트랩 방식의 플래시 메모리는 일반적으로 SONOS(Silicon - Oxide - Nitride - Oxide - Silicon)의 구조로 형성된다. 이때, 본 실시예에 의한 터널 절연막(130)이 하부의 산화막으로 응용될 수 있다. 또, TANOS(Tantalum - Aluminum oxide - Nitride - Oxide - Silicon)의 구조에서도 하부의 산화막으로 응용될 수 있다. 탄탈룸(T)은 산화 또는 질화된 형태(TaO 또는 TaN)로 형성될 수 있다. N은 실리콘 질화막을 의미하고, O는 실리콘 산화막을 의미하며, S는 실리콘 기판을 의미하는 것으로 이해될 수 있다. SONOS 및 TANOS는 알려져 있으므로 더 이상의 상세 한 설명을 생략한다.In this embodiment, the
터널 절연막(130)의 특성을 결정하는 팩터로 두께와 밴드 갭을 예로 들 수 있다. 플로팅 게이트(140)에 정보를 저장하기 위한 동작들, 즉 프로그래밍 및 이레이징 동작들은 정보를 읽기 위한 동작에 비하여 상대적으로 전위차가 큰 레벨에서 동작한다. 상세하게, 이레이징 동작이 프로그래밍 동작보다 조금 더 큰 전위차에서 동작한다. 예를 들어, 정보를 읽기 위한 동작은 2 내지 5볼트의 수 볼트 전압 레벨에서 동작하고, 프로그래밍 및 이레이징 동작은 12 내지 18볼트의 십 수 볼트 전압 레벨에서 동작한다. 프로그래밍 및 이레이징 동작 전압중 하나는 네가티브 전압일 수 있다. 정보 유지해야 하는 전압 레벨은 정보를 읽기 위한 동작 전압 레벨 이하이다. 따라서, 터널 절연막(130)은 상대적으로 고전압인 레벨에서 터널링이 쉬워야 하고, 저전압 레벨에서 정보 유지 특성이 우수하여야 한다.Examples of factors for determining the characteristics of the
본 실시예에 의한 플래시 메모리 소자의 터널 절연막(130)은 기존의 단층 터널 절연막보다 높은 밴드 갭을 가지며, 얇지 않은 두께로 형성될 수 있다. 그러므로, 저전압 레벨에서 정보 유지 특성이 개선된다.The
도 2a 및 2b는 본 발명의 다른 실시예에 의한 플래시 메모리 소자의 단위 셀(200)의 종단면도이다.2A and 2B are longitudinal cross-sectional views of a
도 2a 및 2b를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 의한 플래시 메모리 소자는, 도 1a 및 1b에 도시 및 설명된 본 발명의 일 실시예에 의한 플래시 메모리 소자와 비교하여, 터널 절연막(230)이 3층 이상으로 형성된다. 구체적으로 하부 터널 절연막(231)과 상부 터널 절연막(235) 사이에 중간 터널 절연막(233)이 형성된다.2A and 2B, a flash memory device according to another embodiment of the present invention is compared with a flash memory device according to an embodiment of the present invention shown and described with reference to FIGS. 1A and 1B. It is formed with three or more layers. In detail, an intermediate
중간 터널 절연막(233)은 본 실시예에서 비정질 실리콘, 또는 실리콘이 완전하게 산화되지 못한 실리콘-리치-산화막(silicon-rich-oxide)으로 형성될 수 있다. 중간 터널 절연막(233)에는 불순물이 주입되지 않을 수 있다.The intermediate
도 3a 내지 3c는 본 발명의 실시예들을 이론적으로 설명하기 위한 에너지 밴드 다이어그램이다. 도 3a 및 3b에서, Egs1 > Egr1 > Egp1 이고, Egs2 > Egr2 > Egp2 일 수 있다.3A to 3C are energy band diagrams for explaining theoretically embodiments of the present invention. 3A and 3B, Egs1> Egr1> Egp1 and Egs2> Egr2> Egp2.
도 3a의 (a)를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 플래시 메모리 소자(100)의 에너지 밴드는 전압이 인가되지 않은 평형 상태에서 기판(110), 하부 터널 절연막(131), 상부 터널 절연막(135) 및 플로팅 게이트(140)의 에너지 밴드가 열적 평형 상태를 이루고 있다. 도 3a의 (a)를 더 참조하면, 기판(110)과 플로팅 게이트(140)가 유사한 에너지 밴드 갭을 갖는 것으로 가정하였고, 하부 터널 절연막(131)의 밴드 갭은 그 둘 보다 크고, 상부 터널 절연막(135)의 밴드 갭은 하부 터널 절연막(131)보다 조금 더 큰 것으로 설명된다. 전하 또는 전자가 터널링해야 하는 에너지 장벽은 수평 방향의 터널 절연막(131, 135)의 두께의 합으로 설명될 수 있다.Referring to FIG. 3A, the energy band of the
본 발명의 실시예에 의한 다층 터널 절연막(130)은 에너지 밴드 갭이 서로 다른 두 층 이상의 터널 절연막들(131, 135)을 포함하며, 특히 상부 터널 절연막(135)의 에너지 밴드 갭이 하부 터널 절연막(131)보다 크도록 형성될 수 있다.The multilayer
도 3a의 (b)는 본 발명의 일 실시예에 의한 플래시 메모리 소자(100)가 동작 영역, 즉 읽기(read) 동작을 하는 동안 에너지 밴드의 모양을 모델링한 것이다. 읽 기 동작 시에는 그리 높지 않은 전압이 인가되므로 에너지 밴드는 약간의 휨(bending)이 일어나게 되어 터널링에 필요한 에너지 장벽은 충분한 두께를 유지 할 수 있다. 따라서 정보 유지 특성이 개선된다.FIG. 3A (b) illustrates the shape of the energy band during the operation of the
도 3a의 (c)는 본 발명의 일 실시예에 의한 플래시 메모리 소자(100)가 프로그래밍 및 이레이징 동작 영역에서 에너지 밴드의 모양을 모델링한 것이다. 프로그래밍 및 이레이징 동작 시에는 읽기 동작 시 보다 매우 높은 전압이 인가되므로 에너지 밴드가 상대적으로 많이 휘게 되어 터널링이 충분히 일어날 수 있다.3C illustrates a shape of an energy band in a
즉, 읽기 동작을 하는 정상 상태에서는 상대적으로 높은 에너지 장벽을 유지하고, 프로그래밍 및 이레이징 동작 상태에서는 상대적으로 낮은 에너지 장벽을 유지한다.In other words, a relatively high energy barrier is maintained in a normal state in which a read operation is performed, and a relatively low energy barrier is maintained in a programming and erasing state.
도 3b의 (a)를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 의한 플래시 메모리 소자(200)의 에너지 밴드는 전압이 인가되지 않은 평형 상태에서 기판(210), 하부 터널 절연막(231), 중간 터널 절연막(233), 상부 터널 절연막(235) 및 플로팅 게이트(140)의 에너지 밴드가 열적 평형 상태를 이루고 있다. 도 3b의 (a)를 더 참조하면, 기판(210)과 플로팅 게이트(240)가 유사한 에너지 밴드 갭을 갖는 것으로 가정하였고, 하부 터널 절연막(231)의 에너지 밴드 갭은 그 둘 보다 크고, 상부 터널 절연막(235)의 에너지 밴드 갭은 하부 터널 절연막(231)보다 조금 더 크며, 중간 터널 절연막(233)은 하부 터널 절연막(231) 및 상부 터널 절연막(235)보다 낮은 에너지 밴드 갭을 가진 것으로 설명될 수 있다. 전하 또는 전자가 터널링해야 하는 에너지 장벽은 수평 방향의 터널 절연막들(231, 233, 235) 의 두께의 합으로 설명 될 수 있다.Referring to (a) of FIG. 3B, the energy band of the
본 발명의 실시예에 의한 다층 터널 절연막(230)은 에너지 밴드 갭이 서로 다른 세 층 이상의 터널 절연막들(231, 233, 235)을 포함한다. 특히 하부 터널 절연막(231)의 에너지 밴드 갭이 상부 터널 절연막(235)의 에너지 밴드 갭보다 작도록 형성될 수 있다. 중간 터널 절연막(233)의 에너지 밴드 갭은 하부 터널 절연막(231)의 에너지 밴드 갭보다도 작도록 형성될 수 있다.The multilayer
도 3b의 (b)는 본 발명의 다른 실시예에 의한 플래시 메모리 소자(200)가 동작 영역, 즉 읽기(read) 동작을 하는 동안 에너지 밴드의 모양을 모델링한 것이다. 읽기 동작 시에는 그리 높지 않은 전압이 인가되므로 에너지 밴드는 약간의 휨이 일어나게 되어 터널링에 필요한 에너지 장벽은 충분한 두께를 유지 할 수 있다. 따라서 정보 유지 특성이 개선된다.FIG. 3B (b) illustrates the shape of the energy band during the operation of the
도 3b의 (c)는 본 발명의 다른 실시예에 의한 플래시 메모리 소자(200)가 프로그래밍 및 이레이징 동작 영역에서 에너지 밴드의 모양을 모델링한 것이다. 프로그래밍 및 이레이징 동작 시에는 읽기 동작 시 보다 매우 높은 전압이 인가되므로 에너지 밴드가 상대적으로 많이 휘게 되어 터널링이 충분히 일어날 수 있다.3B (c) illustrates a
즉, 읽기 동작을 하는 정상 상태에서는 상대적으로 높은 에너지 장벽을 유지하고, 프로그래밍 및 이레이징 동작 상태에서는 상대적으로 낮은 에너지 장벽을 유지하는 특성이 더욱 개선된다.That is, the characteristics of maintaining a relatively high energy barrier in the normal state of the read operation, and a relatively low energy barrier in the programming and erasing operation state are further improved.
그러므로, 본 발명의 실시예들에 의한 플래시 메모리 소자들(100, 200)은, 읽기 동작시에 정보 유지 특성이 크게 개선된다.Therefore, the
부가하여, 중간 터널 절연막(233)이 실리콘, 특히 비정질 실리콘인 경우, 이러한 동작이 좀 더 원활할 수 있다.In addition, when the intermediate
결론적으로, 본 발명의 실시예들에 의한 플래시 메모리 소자들(100, 200)들은 프로그래밍 및 이레이징 동작, 특히 이레이징 동작을 위한 전압 레벨에서는 기존의 단층 절연막으로 형성된 터널 절연막보다 우수한 터널링 특성을 가진다.In conclusion, the
중간 터널 절연막(233)이 실리콘-리치-산화막인 경우, 실리콘막 보다는 에너지 밴드 갭이 크지만 완전한 절연막일 경우보다는 에너지 밴드 갭이 작다. 따라서, 단일 절연막으로 터널 절연막을 형성할 경우보다 전기적으로는 얇고 물리적으로는 두껍게 형성될 수 있다. 이것은 플래시 메모리 소자의 터널링 특성 또는 정보 유지 특성이 선택적으로, 혹은 양자가 모두 개선될 수 있음을 의미한다.When the intermediate
실리콘-리치-산화막은 제조 공정 중에 상부 터널 절연막(235)을 형성하는 과정에서 형성될 수 있다. 구체적으로, 실리콘막을 형성하고, 상면으로부터 산화시키는 공정을 수행하되, 실리콘막을 모두 산화시키는 것이 아니라 적절한 곳에서 산화 반응이 멈추어지도록 공정을 진행하면 상면쪽에 가까울수록 완전히 산화된 실리콘 산화막이고, 하면쪽에 가까울수록 산화되지 않은 온전한 실리콘이다. 그러므로, 이때의 실리콘막은 불완전하게 산화된 실리콘 산화막이며, 이러한 막질이 실리콘-리치-산화막이다.The silicon-rich-oxide film may be formed in the process of forming the upper
반면에, 물리적으로는 더 두꺼운 두께로 형성될 수 있으므로 제조 공정적으로는 터널 절연막(230)을 형성하는 공정이 쉬워진다. 터널 절연막(230)이 물리적으로는 종래의 단층 절연막보다 더 두꺼운 두께로 형성될 수 있고, 전기적으로는 정 보를 유지해야 하는 전압 레벨에서는 상부에 밴드 갭이 큰 상부 터널 절연막(235)이 형성되어 있으므로 본 실시예에 의한 플래시 메모리 소자는 정보 유지 특성이 향상된다.On the other hand, since it can be physically formed to a thicker thickness, the process of forming the
도 3c는 본 발명의 실시예들에 따른 N형 게이트와 P형 게이트에 대하여, 정보 유지 특성이 개선될 수 있는 것을 설명하기 위한 에너지 밴드 다이어그램이다.3C is an energy band diagram for explaining that information retention characteristics can be improved for N-type gates and P-type gates according to embodiments of the present invention.
도 3c의 (a) 및 (b)를 참조하면, 플로팅 게이트가 N형인 경우와 P형인 경우, 각각 페르미 레벨들(En, Ep)이 다른 곳에 위치한다. 상세하게, N형 게이트의 페르미 레벨(En)은 진성 반도체의 페르미 레벨(Ef)과 전도대(Ec: conduction band)의 사이에 위치하고, P형 게이트의 페르미 레벨(Ep)은 진성 반도체의 페르미 레벨(Ef)과 기저대(Ev: valance band)의 사이에 위치한다. 그러므로, P형 게이트는 N형 게이트보다 에너지 장벽을 넘기 위하여 (예를 들어, 화살표 방향) 전자들이 더 많은 에너지를 필요로 한다. (Φn < Φp) 따라서, P형 게이트의 경우, N형 게이트보다 정보 유지 특성이 우수하다.Referring to (a) and (b) of FIG. 3C, when the floating gate is N-type and P-type, Fermi levels En and Ep are respectively located at different locations. In detail, the Fermi level (En) of the N-type gate is located between the Fermi level (Ef) of the intrinsic semiconductor and the conduction band (Ec), and the Fermi level (Ep) of the P-type gate is the Fermi level ( Ef) is located between the valance band (Ev). Therefore, P-type gates require more energy for electrons (eg, arrow direction) to cross an energy barrier than N-type gates. Therefore, the P-type gate has better information retention characteristics than the N-type gate.
도 4a 및 4b는 본 발명의 기술적 사상을 SONOS 또는 TANOS와 같은 전하 트랩 플래시에 적용한 실시예를 도시한 XZ 방향의 단면도이다.4A and 4B are cross-sectional views in the XZ direction showing an embodiment in which the technical idea of the present invention is applied to a charge trap flash such as SONOS or TANOS.
도 4a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 전하 트랩 플래시 메모리 소자(300a)는 다층 터널 절연막(330a), 전하 트랩막(337), 블로킹막(339), 게이트 전극(360), 및 절연성 캡핑막(370)을 포함한다.Referring to FIG. 4A, the charge trap
다층 터널 절연막(330a)은 기판(310) 상에 형성될 수 있고, 전하 트랩막(337)은 다층 터널 절연막(330a) 상에 형성될 수 있으며, 블로킹막(339)은 전하 트랩막(337) 상에 형성될 수 있고, 게이트 전극(360)은 블로킹막(339) 상에 형성될 수 있으며, 및 절연성 캡핑막(370)은 게이트 전극(360) 상에 형성될 수 있다. 또한 다층 터널 절연막(330a)은 하부 터널 절연막(331) 및 상부 터널 절연막(335)을 포함한다. 상부 터널 절연막(335)은 하부 터널 절연막(331) 상에 형성될 수 있다.The multilayer
전하 트랩막(337)은 실리콘 질화막으로 형성될 수 있고 블로킹막(339)은 실리콘 산화막으로 형성될 수 있다. 전하 트랩막(337) 및 블로킹막 (339)에 대한 기술은 잘 알려져 있으므로 상세한 설명을 생략한다.The
터널 절연막(330a)에 대한 상세한 설명은 도 1a 및 1b의 터널 절연막(130)과 그 설명을 참조할 수 있다.For a detailed description of the
도 4b를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 의한 전하 트랩 플래시 메모리 소자(300b)는 다층 터널 절연막(330b), 전하 트랩막(337), 블로킹막(330), 게이트 전극(360) 및 절연성 캡핑막(370)을 포함한다.Referring to FIG. 4B, the charge trap
다층 터널 절연막(330b)은 기판(310) 상에 형성될 수 있고, 전하 트랩막(337)은 다층 터널 절연막(330b) 상에 형성될 수 있으며, 블로킹막(339)은 전하 트랩막(337) 상에 형성될 수 있고, 게이트 전극(360)은 블로킹막(339) 상에 형성될 수 있으며, 및 절연성 캡핑막(370)은 게이트 전극(360) 상에 형성될 수 있다. 또한, 다층 터널 절연막(330b)은 하부 터널 절연막(331), 하부 터널 절연막(331) 상에 형성된 중간 터널 절연막(333) 및 중간 터널 절연막(333) 상에 형성된 상부 터널 절연막(335)을 포함할 수 있다.The multilayer
터널 절연막(330b)에 대한 상세한 설명은 도 2a 및 2b의 터널 절연막(230)과 그 설명을 참조할 수 있다.For a detailed description of the
전하 트랩 플래시 메모리 소자들(300a, 300b)에서도 게이트 전극(360)으로 P형 게이트를 적용함으로써 정보 유지 특성을 개선할 수 있다. 이에 대한 설명은 이미 언급한 바 있으므로 중복을 피하기 위하여 설명을 생략한다.In the charge trap
부가하여, 전하 트랩 플래시 메모리 소자들(300a, 300b)에서는 게이트 전극(360) 전체를 P형으로 할 경우, 전도성 등이 낮아질 우려가 있다. 이 경우, P형 게이트 층을 박막화하여 해결할 수 있다. 예를 들어, 전하 트랩막(337)과 인접하게 박막화된 P형 전도층을 형성하고, 금속 실리사이드층으로 게이트 전극(360)을 구성하거나, 금속 실리사이드층을 개재한 후 N형 게이트를 형성할 수 있다. 이에 대한 간략한 설명을 도 5a 및 도 5b에 도시한다.In addition, in the charge trap
도 5a 및 5b는 전하 트랩 플래시 메모리 소자들의 게이트 전극이 P형 게이트층을 포함하는 경우를 도시한 단면도 들이다.5A and 5B are cross-sectional views illustrating a case where the gate electrode of the charge trap flash memory devices includes a P-type gate layer.
도 5a를 참조하면, 본 발명에 의한 전하 트랩 플래시 소자(300c)는 게이트 전극(360)이 P형 게이트 전극(360p)과 금속 실리사이드층(360m)을 포함한다.Referring to FIG. 5A, in the charge
본 실시예에서는, 전하 트랩막(337)과 인접한 위치에 P형 게이트(360p)가 형성되므로 정보 유지 특성이 개선되고, 금속 실리사이드층(360m)이 형성되므로 게이트 저항은 더욱 낮아진다.In this embodiment, since the P-
도 5b를 참조하면, 본 발명에 의한 전하 트랩 메모리 소자(300d)는 게이트 전극(360)이 P형 게이트(360p), 금속 실리사이드층(360m) 및 N형 게이트(360n)을 포함한다.Referring to FIG. 5B, in the charge
본 실시예에서는, 전하 트랩막(337)과 인접한 위치에 P형 게이트(360p)가 형성되므로 정보 유지 특성이 개선되고 금속 실리사이드층(360m) 및 N형 게이트(360n)가 적층되어 저항이 낮은 게이트 전극(360)을 형성한다.In this embodiment, since the P-
본 실시예들에 의한 터널 절연막들(130, 230, 330a, 330b)의 두께를 기존의 단층 터널 절연막의 두께와 비교하여, 물리적으로 더 두꺼운 두께로 형성될 수 있다. 그러나 전기적으로는 더 얇은 두께의 특성을 나타낸다. 본 실시예들에 의한 터널 절연막들(130, 230, 330a, 330b)은 전기적인 두께가 낮으므로 좋은 터널링 특성을 가지며, 물리적으로 더 두꺼운 두께이고, 에너지 밴드로 고려하면 더 높은 에너지 장벽을 가지므로 정보 유지 특성이 우수하다.The thicknesses of the tunnel insulation layers 130, 230, 330a, and 330b according to the present embodiments may be formed to have a physically thicker thickness compared to the thickness of the conventional single layer tunnel insulation layer. Electrically, however, they exhibit thinner thicknesses. Since the tunnel insulation layers 130, 230, 330a, and 330b according to the present embodiments have a low electrical thickness, they have good tunneling characteristics, are physically thicker, and have a higher energy barrier when considered as an energy band. Excellent information retention characteristics.
이어서, 본 발명의 실시예들에 의한 플래시 메모리 소자를 제조하는 방법을 설명한다.Next, a method of manufacturing a flash memory device according to embodiments of the present invention will be described.
도 6 내지 10b는 도 1a 및 1b에 도시된 본 발명의 일 실시예에 의한 플래시 메모리 소자의 셀을 형성하는 방법을 설명하기 위한 제조 공정 도면들이다. 상세하게, 도 7a, 8a, 9a 및 10a는 XZ 면을 따른 단면도이고, 도 7b, 8b, 9b 및 10b는 YZ 면을 따른 단면도이다.6 to 10B are manufacturing process diagrams for describing a method of forming a cell of a flash memory device according to an embodiment of the present invention shown in FIGS. 1A and 1B. In detail, FIGS. 7A, 8A, 9A and 10A are sectional views along the XZ plane, and FIGS. 7B, 8B, 9B and 10B are sectional views along the YZ plane.
도 6을 참조하면, 기판(110) 상에, 하부 터널 절연막(131)을 형성하기 위한 제1 절연막(131`), 상부 터널 절연막(135)을 형성하기 위한 제2 절연막(135`) 및 마스크층(M)을 형성한다. 제1 절연막(131`) 및 제2 절연막(135`)은 터널 절연막(130)을 형성하기 위한 절연막(130`)이다.6, a first
먼저 기판(110) 상에 하부 터널 절연막(131)을 형성하기 위한 제1 절연 막(131`)을 형성한다. 기판(110)의 표면이 단결정 실리콘이므로 제1 절연막(131`)은 단결정 실리콘이 산화될 실리콘 산화막일 수 있다. 제1 절연막(131`)은 기판(110) 상에 전면적으로 넓게 형성될 수 있다. 본 실시예에서, 제1 절연막(131`)은 예를 들어, H2O 또는 O2 가스를 주입하고 약 900℃의 온도로 가열하여 H+ 라디칼 또는 O- 라디칼을 생성함으로써 기판(110)의 표면을 산화시켜 형성될 수 있다. 이때, 제1 절연막(131`)은 30Å 내지 50Å 정도의 두께로 형성될 수 있으나 이에 한정되지 아니한다. 본 실시예에서, 열 산화 방법은 라디칼 산화 방법의 한 예일 수 있다. 즉, 다른 산화 방법도 사용될 수 있다.First, a first insulating
부가하여, 제1 절연막(131`)의 표면을 오존수(O3 water)로 처리할 수 있다. 제1 절연막(131`)의 표면을 오존수로 처리할 경우, 제2 절연막(135`)이 형성되기 좋도록 하기 위한 인큐베이션(incubation) 시간을 줄이면서, 그 효과를 증대할 수 있다. 이 경우, 제1 절연막(131`)의 표면을 오존수로 처리하지 않을 경우보다 양질의 제2 절연막(135`)이 같은 시간에 더 두껍게 형성될 수 있다. 따라서, 제2 절연막(135`)을 더 두껍게 형성할 수 있으므로, 제2 절연막(135`)의 표면 거칠기가 개선된다.In addition, the surface of the first insulating
제1 절연막(131`)의 표면을 오존수로 처리하는 방법은, 웨이퍼를 실온(clean room temperature)에서 약 50ppm의 농도의 오존수(O3 water) 내에 300초 정도 담그는 방법으로 진행하였으나, 이는 본 발명의 기술적 사상을 구현하기 위하여 실시한 예시적인 것이다. 웨이퍼를 다양한 농도의 오존수 내에서 다양한 시간으로 공정 진 행할 수 있다.In the method of treating the surface of the first insulating
본 실시예에서, 제2 절연막(135`)은 비정질 실리콘이 산화된 실리콘 산화막일 수 있다. 상세하게, 제1 절연막(131`) 상에 비정질 실리콘막을 형성하고, 산화시켜 제2 절연막(135`)을 형성할 수 있다. 또는 불완전하게 산화된 실리콘-리치-산화막일 수 있다. 실리콘-리치-산화막은 제1 절연막(131`) 상에 실리콘막을 형성하고, 완전히 산화시키지 않고 적당히 산화시킴으로써 형성할 수 있다.In the present exemplary embodiment, the second insulating
제2 절연막(135`)을 형성하기 위하여, 제1 절연막(131`) 상에 비정질 실리콘막을 형성하는 공정은, SiH4, Si2H6, Si3H8, SiH2Cl2, SiCl4, Si2Cl6 또는 둘 이상의 조합된 가스를 소스 가스로 하여 원자층 증착 방법과 유사하게(ALD-like) 수행될 수 있다. 원자층 증착 방법과 유사하다는 의미는 원자층 증착 방법은 아니지만, 물질막을 형성하는 단계를 여러 단계로 나누어 조금씩 증착하는 방법으로 형성한다는 의미이다. 본 실시예에서는 예시적으로, 저압 화학 기상 증착법(LP-CVD: Low Pressure - Chemical Vapore Deposition) 등으로 비정질 실리콘막을 형성할 수 있다. 이때, 비정질 실리콘막은 도시된 두께보다 더 두껍게 형성될 수 있다.In order to form the second
그러나, 다른 증착 방법들이 배제되는 것은 아니다. 원자층 증착 방법을 사용할 수도 있으며, 물리적 증착 방법(PVD)을 사용할 수도 있다. 또한, ALD 방법과 유사하게 진행하려고 하지 않아도 된다. 즉, 일반적인 CVD 방법으로도 비정질 실리콘막을 형성할 수도 있다.However, other deposition methods are not excluded. An atomic layer deposition method may be used, and a physical deposition method (PVD) may be used. In addition, there is no need to proceed similarly to the ALD method. That is, the amorphous silicon film can also be formed by a general CVD method.
다음으로, 비정질 실리콘막을 산화시키는 방법은 제1 절연막(131`)을 형성하 는 것과 같이, 비정질 실리콘막을 열 산화 또는 라디칼 산화 방법을 이용할 수 있다. 이 방법에 대한 설명은 제1 절연막(131`)을 형성하는 방법을 참조할 수 있다.Next, as a method of oxidizing the amorphous silicon film, the amorphous silicon film may be thermally oxidized or radically oxidized, such as to form the first insulating
제1 절연막(131`) 및 제2 절연막(135`)을 한 번의 공정으로 원하는 두께로 형성할 수도 있으나, 제2 절연막(135`) 또는 비정질 실리콘막을 원하는 두께보다 두껍게 형성하고 표면을 제거하는 방법으로 두께를 낮춤으로써 최종적으로 원하는 두께의 제1 절연막(131`)과 제2 절연막(135`)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 제2 절연막(135`)의 표면을 원하는 두께보다 두껍게 형성한 다음, 표면을 불산 용액 등으로 부분적으로 제거하여 원하는 두께로 형성할 수 있다. 이때 사용되는 불산 용액은 통상적으로 반도체 생산 라인에서 사용되는 희석된 불산 용액이며, 0.1% 내지 10% 체적비율로 물과 혼합, 희석된 불산 용액일 수 있다. 이 경우, 보통 제2 절연막(135`)은 약 0.3Å/sec 정도로 제거될 수 있다.Although the first insulating
본 발명의 응용 실시예에서, 희석된 불산 용액이 아닌 SC-1을 사용하여 제2 절연막(135`)의 표면을 부분적으로 제거할 수 있다. SC-1은 액상의 과산화수소와 암모니아 및 물을 함유하며, 반도체 공정에서 세정용 용액으로 잘 알려져 있다. SC-1의 혼합 비율은 매우 다양하게 응용될 수 있고 용도 및 목적에 따른 혼합 비율이 잘 알려져 있으므로 구체적인 수치를 밝힐 필요가 없다.In an application embodiment of the present invention, the surface of the second
본 실시예에서, 제2 절연막(135`)을 충분히 두껍게 형성하였을 경우, 상부 터널 절연막(135)의 특성이 나아지는 경향이 있음을 발견할 수 있었다. 그러므로, 제2 절연막(135`)을 원하는 두께보다 충분히 두껍게 형성하여 상부 터널 절연막(135)의 특성을 최대화할 수 있다.In the present embodiment, when the second
끝으로 제1 절연막(131`) 및 제2 절연막(135`)을 하부 터널 절연막(131) 및 상부 터널 절연막(135)으로 패터닝하기 위한 마스크층(M)을 형성한다. 본 실시예에서, 마스크층(M)은 포토레지스트 또는 하드 마스크층일 수 있다. 하드 마스크층일 경우, 실리콘 질화막 또는 실리콘 산화질화막 등의 무기물일 수 있다.Finally, a mask layer M for patterning the first insulating
도 7a를 참조하면, 포토리소그래피 공정을 수행하여 하부 터널 절연막(131), 상부 터널 절연막(135) 및 플로팅 게이트(140)를 형성한 다음 마스크층(M)을 제거한다. 포토리소그래피 공정은 잘 알려져 있으므로 상세한 설명을 생략한다.Referring to FIG. 7A, the lower
도 7b를 참조하면, 소자 분리 영역들(120)을 형성한다.Referring to FIG. 7B,
예를 들어, 터널 절연막(130) 상에 실리콘 질화막(미도시) 등을 형성하고 포토리소그래피 공정을 수행하여 소자 분리 영역들(120)을 형성하기 위한 트렌치를 형성하고 절연물을 채운 다음, CMP 공정을 수행하여 터널 절연막(130)을 분리하는 소자 분리 영역들(120)을 형성할 수 있다. 이때, CMP 공정을 수행하므로 도면에는 터널 절연막(130)이 Z 방향으로 소자 분리 영역들(120)보다 낮은 높이로 형성되었지만, 동일한 높이로 형성될 수 있다. 만약, 터널 절연막(130) 상에 실리콘막 등의 버퍼막(미도시)을 형성한 다음 실리콘 질화막을 형성하고 소자 분리 영역들(120)을 형성할 경우, 터널 절연막(130)과 소자 분리 영역들(120)이 동일한 높이로 형성될 수 있다. 이러한 모든 경우들은 본 발명의 기술적 사상의 범주에 포함된다.For example, a silicon nitride film (not shown) is formed on the
이전 단계에서, 마스크층(M)으로 하드 마스크를 사용하였을 경우, 마스크층(M)을 제거하는 공정이 도입되지 않을 수 있다. 즉, 마스크층(M)을 한 번 형성하여 터널 절연막(130)을 형성하는 공정과 트렌치를 형성하는 공정을 이어서, 또는 동시에 진행할 수 있다.In the previous step, when a hard mask is used as the mask layer M, a process of removing the mask layer M may not be introduced. That is, the process of forming the
이후, 플로팅 게이트(140)를 형성하기 위한 전도층을 형성하고 포토리소그래피 공정을 수행하여 셀 별로 분리된 플로팅 게이트(140)를 형성한다. 플로팅 게이트(140)는 전도성 다결정 실리콘일 수 있다. 플로팅 게이트(140)에 전도성을 부여할 경우, 플로팅 게이트(140)를 형성하기 위한 다결정 실리콘막을 형성하고, 버퍼층(예를 들어 실리콘 산화막, 미도시)을 형성하고 B, P 또는 As 이온을 주입할 수 있다. N형 게이트를 형성할 경우, P, As 또는 그 이온들을 함유하는 이온을 주입하면 되고, P형 게이트를 형성하고자할 경우 B 이온을 함유하는 이온을 주입할 수 있다. 이온 주입 방법은 이온 빔 임플란테이션 방법 또는 플라즈마 이온 주입 방법 등이 모두 사용될 수 있으며, 이에 사용될 수 있는 다양한 가스 조합들은 잘 알려져 있다.Thereafter, a conductive layer for forming the floating
버퍼층은 플로팅 게이트(140)을 형성하기 전 또는 후에 제거될 수 있다. 예를 들어, 플로팅 게이트(140)를 형성하기 위한 전도층은, 먼저 단결정 실리콘막을 형성한 다음 800℃ 정도로 어닐링하여 다결정 실리콘으로 변화시킬 수 있다.The buffer layer may be removed before or after forming the floating
도 8a 및 8b를 참조하면, 전면적으로 게이트간 절연막(150)을 형성하기 위한 절연층(150')을 형성하고, 절연층(150') 상에 제어 게이트(160)를 형성하기 위한 전도층(160')을 형성한다.Referring to FIGS. 8A and 8B, an insulating
본 실시예에서, 게이트간 절연막(150)을 형성하기 위한 절연층(150')은 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, 실리콘 산화막의 3중층 구조일 수 있다. 3중층으로 형성할 경우, 전면적으로 실리콘 산화막을 형성하고, 실리콘 산화막 상에 실리콘 질 화막을 형성하고, 실리콘 질화막 상에 실리콘 산화막을 형성하여 게이트간 절연막(150)을 형성하기 위한 절연층(150')을 형성한다. 이러한 3중층 구조의 게이트간 절연막(150)은 전하를 트랩할 수 있어서 전하 트랩 방식의 플래시 메모리 소자로 응용될 수 있다. 게이트간 절연막(150)을 형성하기 위한 절연층(150a)은 증착 방법으로 형성될 수 있으며, 특히 화학 기상 증착(CVD) 방법으로 형성될 수 있다.In this embodiment, the insulating
본 실시예에에서, 제어 게이트(160)를 형성하기 위한 전도층(160a)은 전도성 다결정 실리콘으로 형성될 수 있다. 또한, 제어 게이트(160)를 형성하기 위한 전도층(160a)은 금속-실리사이드 또는 금속층으로 형성될 수도 있다.In this embodiment, the
도 9a 및 9b를 참조하면, 포토리소그래피 공정을 수행하여 게이트간 절연막(150)과 제어 게이트(160)를 형성한다. 게이트간 절연막(150)은 X방향으로는 각 셀마다 분리되도록 형성될 수 있다. Y방향으로는 도면에 도시된 것처럼 셀 별로 분리될 수도 있지만, 셀 별로 분리되지 않을 수도 있다. 제어 게이트(160)는 X방향으로는 셀 별로 분리되도록 형성되며, Y방향으로는 셀 별로 분리되지 않고 길게 연장되도록 형성될 수 있다. 포토리소그래피 공정을 수행하여 게이트간 절연막(150)과 제어 게이트(160)를 형성하는 방법은 잘 알려져 있으므로 상세한 설명을 생략한다.9A and 9B, an inter-gate
도 10a 및 10b를 참조하면, 제어 게이트(160) 상에 캡핑막(170)을 형성한다. 본 실시예에서, 캡핑막(170)은 실리콘 산화막으로 형성될 수 있다. 도면에서, 캡핑막(170)은 X방향으로 제어 게이트(160)의 상면 및 양 측면을 감싸도록 형성될 수 있으며, 기판(110)과 접촉되도록 형성될 수 있다. Y방향으로는 제어 게이트(160)의 상면을 덮으며 형성될 수 있다. 캡핑막(170)은 증착 방법으로 형성될 수 있다.10A and 10B, a
이후, 캡핑막(170) 상에 실리콘 질화막 등을 형성하고, 신호 전달을 위한 컨택, 신호선 및 비아 등을 형성하여 플래시 메모리를 완성한다.Thereafter, a silicon nitride film or the like is formed on the
본 발명의 다른 실시예에 의한 플래시 메모리 소자의 제조 방법이 설명된다.A method of manufacturing a flash memory device according to another embodiment of the present invention is described.
도 11 및 12는 본 발명의 다른 실시예에 의한 플래시 메모리 소자의 터널링 절연막(230)을 형성하는 방법을 설명하기 위한 도면들이다.11 and 12 are diagrams for describing a method of forming a tunneling insulating
도 11을 참조하면, 기판(210) 상에 하부 터널 절연막(231)을 형성하기 위한 하부 절연막(231a)과 중간 터널 절연막(233)을 형성하기 위한 비정질 실리콘막(233a)을 형성한다. 본 실시예에서도, 중간 터널 절연막(233)은 실리콘-리치-산화막일 수 있다.Referring to FIG. 11, a lower insulating film 231a for forming the lower
본 실시예에서도, 하부 터널 절연막(231)을 형성하기 위한 하부 절연막(231`)을 형성한 다음, 오존수로 하부 절연막(231`)의 표면을 처리하는 공정을 수행할 수 있다.Also in this embodiment, after forming the lower insulating
또한, 본 실시예에서도, 비정질 실리콘막(233`)은 하부 터널 절연막(231)을 형성하기 위한 하부 절연막(231`)보다 두껍게 형성될 수 있다. 하부 터널 절연막(230)을 형성하기 위한 하부 절연막(231`)은 기판(210)을 열 산화 또는 라디칼 산화시켜 형성할 수 있다. 중간 터널 절연막(233)을 형성하기 위한 비정질 실리콘막(233`)은 앞서 언급하였듯이 SiH4, Si2H6, Si3H8, SiH2Cl2, SiCl4, Si2Cl6 또는 둘 이상의 조합된 가스를 소스 가스로 하여 원자층 증착 방법과 유사하게(ALD-like) 형성할 수 있다.Also, in this embodiment, the amorphous silicon film 233 'may be formed thicker than the lower insulating film 231' for forming the lower
앞서 언급하였듯이, 비정질 실리콘막을 형성하는 방법으로는 CVD 방법을 원자층 증착 방법과 유사하게 천천히 수행하는 방법외에도, 일반적인 CVD 방법, ALD 방법 또는 PVD 방법이 다양하게 사용될 수 있다.As mentioned above, in addition to the method of slowly performing the CVD method similarly to the atomic layer deposition method, a general CVD method, an ALD method, or a PVD method may be used as a method of forming an amorphous silicon film.
도 12를 참조하면, 비정질 실리콘막(233`)을 산화시켜 상부 터널 절연막(235)을 형성하기 위한 상부 절연막(235`)을 형성한다. 본 실시예에서, 비정질 실리콘막(233`)을 열산화 방법으로 표면을 산화시켜 상부 터널 절연막(235)을 형성하기 위한 상부 절연막(235`)을 형성할 수 있다. 비정질 실리콘막(233`)을 적정한 시간동안 열산화시키면 본 실시예에 의한 3중층의 터널 절연막(230)을 형성할 수 있다. 비정질 실리콘막(233`)을 열산화시키는 방법은 잘 알려져 있으며, 온도 등의 공정 조건이 매우 다양하므로 상세한 설명을 생략한다.Referring to FIG. 12, an upper
본 실시예에서도, 상부 터널 절연막(235)을 형성하기 위한 상부 절연막(235`)을 형성한 다음, 불산 용액 또는 SC-1을 사용하여 표면을 부분적으로 제거함으로써 터널 절연막(230)의 전체 두께를 조절하는 공정을 수행할 수 있다.Also in this embodiment, the entire thickness of the
이어서, 본 발명의 다양한 실시예들에 의한 효과들을 그래프들을 참조하여 설명한다.Next, effects according to various embodiments of the present invention will be described with reference to graphs.
도 13은 본 발명의 실시예에 의해 오존수로 하부 터널 산화막의 표면을 처리하지 않은 경우와 처리한 경우에 따라 비정질 실리콘막의 증착 두께의 추세를 설명하기 위한 그래프이다. X축은 증착 시간이고, Y축은 증착 두께이다.FIG. 13 is a graph for explaining a trend of deposition thickness of an amorphous silicon film according to an embodiment of the present invention when the surface of the lower tunnel oxide film is not treated with ozone water and when the surface is treated. X axis is deposition time and Y axis is deposition thickness.
도 13을 참조하면, 오존수로 하부 터널 산화막의 표면을 처리한 경우, 처리하지 않은 경우에 비하여 비정질 실리콘의 증착 속도가 빠름을 알 수 있다. 즉, 같 은 시간에 비정질 실리콘을 더 두껍게 형성할 수 있다. 다시 도 13을 참조하면, 하부 터널 절연막의 표면을 오존수로 처리한 경우, 약 3.2Å 내지 8.3Å의 두께 차이를 유지함을 알 수 있다. 시간에 비해 작은 차이 같지만, 이러한 증착 공정을 수 십, 수 백 매의 웨이퍼를 동시에 가공하는 배치 타입으로 수행할 경우, 매우 큰 공정 능력의 차이가 된다.Referring to FIG. 13, it can be seen that when the surface of the lower tunnel oxide film is treated with ozone water, the deposition rate of amorphous silicon is faster than when the surface of the lower tunnel oxide film is not treated. That is, at the same time it can form thicker amorphous silicon. Referring back to FIG. 13, it can be seen that when the surface of the lower tunnel insulating film is treated with ozone water, a thickness difference of about 3.2 kW to 8.3 kW is maintained. Although a small difference over time, this deposition process results in a very large process capability difference when batched with tens or hundreds of wafers simultaneously processed.
도 14는 본 발명의 실시예들에 의한 이레이징 터널링 효과를 측정한 그래프이다. X축은 터널링 전압(VE)이고 Y축은 터널링 전류(IE)이다.14 is a graph measuring the erasing tunneling effect according to embodiments of the present invention. The X axis is the tunneling voltage V E and the Y axis is the tunneling current I E.
터널 절연막의 구조를 하부/중간/상부의 3층 구조로 하여 각각 A, B, C 및 D로 다양한 두께에 따른 특성을 측정한 그래프이다. 상세하게, A는 터널 절연막의 총 두께가 72Å이며, 하부, 중간 및 상부 터널 절연막의 두께가 각각 32Å, 10Å, 및 30Å이고, B는 터널 절연막의 총 두께가 90Å이며 하부, 중간 및 상부 터널 절연막의 두께가 각각 40Å, 10Å, 40Å이며, C는 터널 절연막의 총 두께가 100Å이고, 하부, 중간 및 상부 터널 절연막의 두께가 각각 45Å, 10Å, 및 45Å이고, 및 D는 터널 절연막의 총 두께가 110Å이며, 하부, 중간 및 상부 터널 절연막의 두께가 40Å, 10Å, 60Å이다. 종래의 단층 터널 절연막은 본 실험에서 약 83Å의 두께로 설정하였다.It is a graph in which the characteristics of various thicknesses are measured with A, B, C, and D, respectively, with the structure of the tunnel insulation layer having a lower, middle, and upper three-layer structure. Specifically, A has a total thickness of the tunnel insulating film is 72Å, the thickness of the lower, middle and upper tunnel insulating film is 32Å, 10Å, and 30Å, respectively, B is a total thickness of the tunnel insulating film is 90Å and the lower, middle and upper tunnel insulating film Are 40, 10Å, 40Å, C is the total thickness of the tunnel insulation film 100Å, the thickness of the lower, middle and upper tunnel insulation films is 45Å, 10Å, and 45Å respectively, and D is the total thickness of the tunnel insulation film. 110 kPa, and the thicknesses of the lower, middle, and upper tunnel insulating films are 40 kPa, 10 kPa, and 60 kPa. The conventional single-layer tunnel insulating film was set to a thickness of about 83 kPa in this experiment.
도 14를 더 참조하면, 같은 터널링 전압일 때 종래(conventional)의 단층 터널 절연막보다 본 발명의 실시예들에 의한 다층 터널 절연막들의 터널링 전류들이 더 높은 것을 알 수 있다. 즉, 종래의 단층 터널 절연막보다 더 두꺼운 두께임에도 더 좋은 특성을 나타낸다. 다른 말로, 같은 터널링 전류를 얻기 위해 더 낮은 전압으로 동작시킬 수 있으므로 저전력화를 실현할 수 있다.Referring to FIG. 14, it can be seen that the tunneling currents of the multi-layer tunnel insulating films according to the embodiments of the present invention are higher than the conventional single-layer tunnel insulating film at the same tunneling voltage. That is, it shows better characteristics even with a thicker thickness than the conventional single-layer tunnel insulating film. In other words, it is possible to operate at a lower voltage to obtain the same tunneling current, thereby achieving lower power.
도 15는 본 발명의 실시예들에 의한 다층 터널 절연막들과 종래의 단층 터널 절연막이 동일 또는 유사한 특성을 가질 때의 전기적 특성에 따른 두께로 환산된 결과를 도시한 그래프이다. X축은 다층 터널 절연막들(A, B, C, D)의 다양한 조합이고, Y축은 환산된 전기적 두께(TOX(Å): thickness of oxide)이다.FIG. 15 is a graph illustrating results converted into thicknesses according to electrical characteristics when the multilayer tunnel insulation layers and the conventional single layer tunnel insulation layer have the same or similar characteristics according to embodiments of the present disclosure. The X axis is various combinations of the multilayer tunnel insulating films A, B, C, and D, and the Y axis is the converted electrical thickness (T OX (thickness of oxide)).
도 15를 더 참조하면, 본 발명의 다양한 실시예들에 의한 다층 터널 절연막들은 물리적인 두께들이 두꺼운 결과를 나타낸다. 구체적으로, 터널 절연막의 캐퍼시턴스를 측정, 환산하면 물리적인 두께가 두꺼운 것을 알 수 있다. 캐퍼시턴스 값이 낮을 경우 두께가 두꺼운 것이고, 캐퍼시턴스 값이 높을 경우 두께가 얇은 것이라 할 수 있다. 본 그래프에서, 환산된 터널 절연막의 물ㄹ적 두께가 두껍다는 것은 정보 유지 특성이 우수함을 의미하는 것이다.Referring to FIG. 15, the multilayer tunnel insulating layers according to various embodiments of the present disclosure may have thick physical thicknesses. Specifically, when the capacitance of the tunnel insulating film is measured and converted, it can be seen that the physical thickness is thick. If the capacitance value is low, the thickness is thick, and if the capacitance value is high, the thickness is thin. In this graph, the physical thickness of the converted tunnel insulation film means that the information retention characteristic is excellent.
도 16은 본 발명의 실시예들에 의한 다층 터널 절연막의 이레이징 전압 특성을 측정한 그래프이다. X축은 터널 절연막들이고, Y축은 터널링이 일어날 때의 전압(VE), 즉 이레이징 전압을 측정한 그래프이다.16 is a graph measuring the erasing voltage characteristics of a multilayer tunnel insulating layer according to embodiments of the present invention. The X axis is the tunnel insulating film, and the Y axis is a graph measuring the voltage (V E ), that is, the erasing voltage when tunneling occurs.
도 16을 참조하면, 왼쪽의 세 점들은 종래의 단층 터널 절연막의 이레이징 전압 특성이고, 오른쪽의 점들은 본 발명의 실시예들에 의한 다층 터널 절연막의 이레이징 전압 특성을 의미한다. 즉, 본 발명의 실시예들에 의한 다층 터널 절연막들의 이레이징 전압들이 종래의 이레이징 전압보다 약 2V 가량 낮아진 것을 알 수 있다. 즉, 종래 보다 더 낮은 이레이징 전압 영역에서 소자가 동작할 수 있다는 것을 의미한다. 더 낮은 이레이징 전압 영역에서 소자가 동작한다는 것은 저전력을 소모한다는 의미와 함께, 커플링이나 소자의 신뢰성 및 내구성이 더 증진될 수 있다는 의미이다.Referring to FIG. 16, the three points on the left side are the erasing voltage characteristics of the conventional single-layer tunnel insulating layer, and the points on the right side represent the erasing voltage characteristics of the multilayer tunnel insulating layer according to the embodiments of the present invention. That is, it can be seen that the erasing voltages of the multilayer tunnel insulating layers according to embodiments of the present invention are about 2V lower than the conventional erasing voltage. This means that the device can operate in a lower erasing voltage range than in the prior art. Operating the device in the lower erasing voltage range means that it consumes less power, and that coupling and device reliability and durability can be further enhanced.
이외에도, 본 발명의 다양한 실시예들에 의한 다층 터널 절연막들의 내구성(endurance)을 측정한 결과, 종래보다 뛰어난 내구성을 가지고 있음을 알 수 있었다. 그러한 이유는, 종래 보다 더 낮은 전압에서 프로그래밍 및 이레이징 동작이 수행되므로 터널 절연막이 물리적인 스트레스를 덜 받기 때문인 것으로 추정된다. 또, 극한 조건에서도 더 나은 특성들 더 오랫동안 유지 하는 것으로 측정되었고, 정보의 유지 특성도 뛰어난 것으로 측정되었다.In addition, as a result of measuring the endurance of the multilayer tunnel insulating layers according to various embodiments of the present invention, it can be seen that it has superior durability than the prior art. The reason for this is presumably because the tunnel insulating film is less physically stressed because the programming and erasing operations are performed at a lower voltage than the prior art. In addition, better properties were measured for longer periods of time, even under extreme conditions, and information retention was also measured.
도 17은 본 발명의 실시예들에 의한 다층의 터널 절연막의 오존수 처리에 따른 터널링 전류-전압 특성을 도시한 도면이다. X축은 인가되는 전압이고, Y축은 전압에 따른 전류이다.FIG. 17 is a view illustrating tunneling current-voltage characteristics according to ozone water treatment of a multilayer tunnel insulating layer according to embodiments of the present invention. The X axis is the applied voltage and the Y axis is the current according to the voltage.
도 17을 참조하면, 종래 기술에 의한 단층 터널 절연막의 특성보다, 본 발명의 실시예들에 의한 다층의 터널 절연막들이 보다 뛰어난 특성을 보인다. 구체적으로, 터널링이 일어나기 전에는 같은 전압에서 상대적으로 더 낮은 전류를 보임으로써 정보 유지 특성이 개선됨을 보여준다. 또, 터널링이 일어나면 같은 전압에서 상대적으로 더 많은 전류가 흐름을 보여준다. 이때, 보다 중요한 것이 그래프의 기울기이다. 보다 낮은 터널링 전압에서, 보다 많은 전류가 흘러야 하는 것이므로, 터널링이 일찍 일어나면서도 기울기가 급할수록 좋은 특성을 의미하는 것이다. 결론 적으로, 본 발명의 실시예들에 의한 다층의 터널링 절연막들의 특성이 종래 기술에 의한 단층 터널 절연막보다 모든 면에서 좋은 특성을 보여준다. 참고로, 종래 기술에 의한 단층 터널 절연막은 약 82Å이었고, 본 발명이 실시예들에 의한 다층 터널 절연막들은 오존수 처리를 하지 않은 경우 102Å이었으며, 오존수 처리를 한 경우는 112Å의 두께였다.Referring to FIG. 17, multilayer tunnel insulating films according to embodiments of the present invention exhibit better characteristics than those of the conventional single layer tunnel insulating film. Specifically, it shows that the information retention characteristic is improved by showing a relatively lower current at the same voltage before tunneling occurs. In addition, when tunneling occurs, relatively more current flows at the same voltage. At this time, more important is the slope of the graph. At lower tunneling voltages, more current must flow, so the earlier the tunneling, the steeper the slope, the better the characteristics. In conclusion, the characteristics of the multilayer tunneling insulating films according to the embodiments of the present invention show better characteristics in all aspects than the single-layer tunnel insulating film according to the prior art. For reference, the single-layer tunnel insulating film according to the prior art was about 82 kW, the multilayer tunnel insulating film according to the embodiments of the present invention was 102 kPa when the ozone water treatment was not performed, and 112 kPa when the ozone water treatment was used.
도 18은 본 발명의 실시예들에 의한 상부 터널 절연막의 표면을 불산 용액으로 부분적으로 제거한 경우에 따른 터널링 전류-전압 특성을 도시한 도면이다. X축은 인가되는 전압이고, Y축은 전압에 따른 전류이다.FIG. 18 illustrates tunneling current-voltage characteristics when a surface of an upper tunnel insulating layer is partially removed with a hydrofluoric acid solution according to example embodiments. The X axis is the applied voltage and the Y axis is the current according to the voltage.
도 18을 참조하면, 종래 기술에 의한 단층 터널 절연막의 특성(H)보다, 상부 터널 절연막의 표면을 불산 용액으로 부분적으로 제거하지 않은 경우(D), 약 15Å 정도를 제거한 경우(F), 및 약 30Å 정도를 제거한 경우(G) 등이 모두 우수한 특성을 보인다. 또한 도 17에 도시된 특성을 그대로 유지하는 것을 알 수 있다. 따라서, 최종적인 다층 터널 절연막의 두께를 얼마든지 조절할 수 있음을 알 수 있다.Referring to FIG. 18, when the surface of the upper tunnel insulating film is not partially removed with a hydrofluoric acid solution (D), about 15 ms is removed (F), rather than the characteristic (H) of the single-layer tunnel insulating film according to the prior art, and In the case of removing about 30Å (G) and all show excellent properties. It can also be seen that the characteristics shown in FIG. 17 are maintained as they are. Therefore, it can be seen that the thickness of the final multilayer tunnel insulating film can be adjusted to any extent.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, You will understand. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive.
도 1a와 1b는 본 발명의 일 실시예에 의한 플래시 메모리 소자의 단위 셀의 종단면도이다.1A and 1B are longitudinal cross-sectional views of a unit cell of a flash memory device according to an embodiment of the present invention.
도 2a 및 2b는 본 발명의 다른 실시예에 의한 플래시 메모리 소자의 단위 셀의 종단면도이다.2A and 2B are longitudinal cross-sectional views of a unit cell of a flash memory device according to another embodiment of the present invention.
도 3a 내지 3c는 본 발명의 실시예들을 이론적으로 설명하기 위한 에너지 밴드 다이어그램이다.3A to 3C are energy band diagrams for explaining theoretically embodiments of the present invention.
도 4a 및 4b는 본 발명의 기술적 사상을 SONOS 또는 TANOS와 같은 전하 트랩 플래시에 적용한 실시예를 도시한 XZ 방향의 단면도이다.4A and 4B are cross-sectional views in the XZ direction showing an embodiment in which the technical idea of the present invention is applied to a charge trap flash such as SONOS or TANOS.
도 5a 및 5b는 전하 트랩 플래시 메모리 소자들의 게이트 전극이 P형 게이트층을 포함하는 경우를 도시한 단면도 들이다.5A and 5B are cross-sectional views illustrating a case where the gate electrode of the charge trap flash memory devices includes a P-type gate layer.
도 6 내지 10b는 도 1a 및 1b에 도시된 본 발명의 일 실시예에 의한 플래시 메모리 소자의 셀을 형성하는 방법을 설명하기 위한 제조 공정 도면들이다.6 to 10B are manufacturing process diagrams for describing a method of forming a cell of a flash memory device according to an embodiment of the present invention shown in FIGS. 1A and 1B.
도 11 및 12는 본 발명의 다른 실시예에 의한 플래시 메모리 소자를 형성하는 방법을 설명하기 위한 도면들이다.11 and 12 are diagrams for describing a method of forming a flash memory device according to another exemplary embodiment of the present invention.
도 13은 본 발명의 실시예에 의해 오존수로 하부 터널 산화막의 표면을 처리하지 않은 경우와 처리한 경우에 따라 비정질 실리콘막의 증착 두께의 추세를 설명하기 위한 그래프이다.FIG. 13 is a graph for explaining a trend of deposition thickness of an amorphous silicon film according to an embodiment of the present invention when the surface of the lower tunnel oxide film is not treated with ozone water and when the surface is treated.
도 14는 본 발명의 실시예들에 의한 이레이징 터널링 효과를 측정한 그래프이다.14 is a graph measuring the erasing tunneling effect according to embodiments of the present invention.
도 15는 본 발명의 실시예들에 의한 다층 터널 절연막들과 종래의 단층 터널 절연막이 동일 또는 유사한 특성을 가질 때의 전기적 특성에 따른 두께로 환산된 결과를 도시한 그래프이다.FIG. 15 is a graph illustrating results converted into thicknesses according to electrical characteristics when the multilayer tunnel insulation layers and the conventional single layer tunnel insulation layer have the same or similar characteristics according to embodiments of the present disclosure.
도 16은 본 발명의 실시예들에 의한 다층 터널 절연막의 이레이징 전압 특성을 측정한 그래프이다.16 is a graph measuring the erasing voltage characteristics of a multilayer tunnel insulating layer according to embodiments of the present invention.
도 17은 본 발명의 실시예들에 의한 다층의 터널 절연막의 오존수 처리에 따른 터널링 전류-전압 특성을 도시한 도면이다.FIG. 17 is a view illustrating tunneling current-voltage characteristics according to ozone water treatment of a multilayer tunnel insulating layer according to embodiments of the present invention.
도 18은 본 발명의 실시예들에 의한 상부 터널 절연막의 표면을 불산 용액으로 부분적으로 제거한 경우에 따른 터널링 전류-전압 특성을 도시한 도면이다.FIG. 18 illustrates tunneling current-voltage characteristics when a surface of an upper tunnel insulating layer is partially removed with a hydrofluoric acid solution according to example embodiments.
(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명) DESCRIPTION OF THE REFERENCE NUMERALS (S)
100, 200, 300: 플래시 메모리 소자100, 200, 300: flash memory device
110, 210, 310: 기판110, 210, 310: substrate
120, 220: 소자 분리 영역120, 220: device isolation region
130, 230, 330: 터널 절연막130, 230, 330: tunnel insulation film
131, 231, 331: 하부 터널 절연막131, 231, and 331: lower tunnel insulating film
233, 333: 중간 터널 절연막233, 333: intermediate tunnel insulating film
135, 235, 335: 상부 터널 절연막135, 235, 335: upper tunnel insulating film
140, 240: 플로팅 게이트140, 240: floating gate
150, 250: 게이트간 절연막150, 250: inter-gate insulating film
160, 260: 제어 게이트160, 260: control gate
170, 270, 370: 캡핑막170, 270, 370: capping film
337: 전하 트랩막337: charge trapping film
339: 블로킹막339: blocking film
360: 게이트 전극360: gate electrode
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