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KR20090041196A - Nonvolatile Memory Device, Method and System for Manufacturing the Same - Google Patents

Nonvolatile Memory Device, Method and System for Manufacturing the Same Download PDF

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Publication number
KR20090041196A
KR20090041196A KR1020070106780A KR20070106780A KR20090041196A KR 20090041196 A KR20090041196 A KR 20090041196A KR 1020070106780 A KR1020070106780 A KR 1020070106780A KR 20070106780 A KR20070106780 A KR 20070106780A KR 20090041196 A KR20090041196 A KR 20090041196A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
film
charge trap
upper insulating
layer
insulating film
Prior art date
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Withdrawn
Application number
KR1020070106780A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
백승재
최시영
황기현
Original Assignee
삼성전자주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성전자주식회사 filed Critical 삼성전자주식회사
Priority to KR1020070106780A priority Critical patent/KR20090041196A/en
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Abstract

본 발명은 전하 트랩막(charge trap layer)을 포함하는 비휘발성 메모리 소자, 그 제조 방법 및 이를 포함하는 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 일실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자는 제 1 및 제 2 소오스/드레인 영역 및 상기 소오스/드레인 영역들 사이의 채널 영역을 포함하는 반도체 기판; 상기 반도체 기판의 상기 채널 영역 상에 순차대로 적층된 제 1 유전율을 갖는 하부 절연막, 전하 트랩막, 상기 제 1 유전률보다 작은 제 2 유전률을 갖는 상부 절연막 및 제어 게이트 전극을 포함하며, 상기 전하 트랩막 내의 트랩핑 센터는 상기 상부 절연막/상기 전하 트랩막의 계면 부근에 분포한다.The present invention relates to a nonvolatile memory device including a charge trap layer, a method of manufacturing the same, and a system including the same. A nonvolatile memory device according to an embodiment of the present invention may include a semiconductor substrate including first and second source / drain regions and a channel region between the source / drain regions; A lower insulating film having a first dielectric constant sequentially stacked on the channel region of the semiconductor substrate, a charge trap film, an upper insulating film having a second dielectric constant smaller than the first dielectric constant, and a control gate electrode; The trapping center within is distributed near the interface of the upper insulating film / charge trap film.

Description

비휘발성 메모리 소자, 그 제조 방법 및 시스템{Nonvolatile memory device, method of fabricating the same and system incorporating the same}Nonvolatile memory device, method and fabrication method thereof Non-volatile memory device, method of fabricating the same and system incorporating the same

본 발명은 반도체 메모리 소자, 그 제조 방법 및 시스템에 관한 것이며, 더욱 상세하게는, 전하 트랩막(charge trap layer)을 포함하는 비휘발성 메모리 소자, 그 제조 방법 및 이를 포함하는 시스템에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor memory device, a method and system for manufacturing the same, and more particularly, to a nonvolatile memory device including a charge trap layer, a method for manufacturing the same, and a system including the same.

비휘발성 메모리 소자는 전원 공급이 차단되더라도 저장된 정보를 유지할 수 있는 메모리 장치이다. 최근, 휴대용 멀티미디어 재생 장치, 디지털 카메라, 피디에이 등의 소형 전자 제품들의 수요가 증대됨에 따라, 이에 적용되는 비휘발성 메모리 소자의 대용량화와 고집적화가 급속히 진행되고 있다.A nonvolatile memory device is a memory device capable of retaining stored information even when a power supply is cut off. Recently, as the demand for small electronic products such as a portable multimedia playback device, a digital camera, and a PD increases, a large capacity and high integration of a nonvolatile memory device applied thereto is rapidly progressing.

비휘발성 메모리 소자로서 한번에 블록 단위로 소거 동작과 재기록 동작이 수행되는 플래시 메모리 소자가 광범위하게 상용화되고 있다. 플래시 메모리 소자의 예로서, 실리콘-산화막-질화막-산화막-실리콘(SONOS) 게이트 스택을 이용한 전하 트랩 타입의 비휘발성 메모리가 대표적이다. 상기 SONOS 타입의 메모리 소자에서, 상기 질화막은 전자 또는 홀을 트랩하여 트랜지스터의 문턱 전압(Vth)을 변화시킴으로써 비휘발성 메모리 기능을 제공한다. 상기 SONOS 메모리 소자는 낮은 프 로그래밍 전압, 더 작은 셀 크기 그리고 우수한 데이터 유지 특성(data retention)으로 인하여, 종래의 플로팅 게이트 타입의 비휘발성 메모리 소자를 광범위하게 대체하고 있다.BACKGROUND OF THE INVENTION As a nonvolatile memory device, a flash memory device in which erase and rewrite operations are performed in block units at a time is widely used. As an example of a flash memory device, a charge trap type nonvolatile memory using a silicon-oxide-nitride-oxide-silicon (SONOS) gate stack is representative. In the SONOS type memory device, the nitride film provides a nonvolatile memory function by trapping electrons or holes to change the threshold voltage Vth of the transistor. The SONOS memory device is widely replacing the conventional floating gate type nonvolatile memory device due to its low programming voltage, smaller cell size, and excellent data retention.

일반적으로 이들 비휘발성 메모리 소자에서는, 사용에 따른 반복적인 프로그래밍/소거 동작 후에도 문턱 전압이 시간에 따라 감소되지 않는 우수한 데이터 유지(data retention) 특성이 요구된다. 플래시 메모리의 경우 프로그래밍/소거 동작을 수행하기 위하여 비교적 높은 전압이 요구되므로, 플래시 메모리 셀을 구성하는 터널링 산화막을 포함하는 다양한 재료층들에서 열화가 발생할 수 있으며, 이로 인하여 데이터 유지 특성이 열화될 수 있다.In general, these nonvolatile memory devices require excellent data retention characteristics such that the threshold voltage does not decrease with time even after repeated programming / erase operations. In the case of a flash memory, a relatively high voltage is required to perform a programming / erase operation. Therefore, deterioration may occur in various material layers including a tunneling oxide layer constituting a flash memory cell, which may degrade data retention characteristics. have.

또한, 플래시 메모리 소자에서는, 반복되는 프로그래밍/소거 동작에 의해 상기 터널링 산화막에 또는 실리콘 기판과 터널링 산화막 사이의 계면 트랩에 트랩된 전하가 점차적으로 축적될 수 있다. 이들 트랩된 전하들은 트랩 어시스트 터널링(trap-assisted tunneling; TAT)에 의한 스트레스 유도성 누설 전류(stress-induced leakage current; SILC)를 발생시켜 데이터 유지 특성을 열화시킨다. 특히, 플래시 메모리 소자의 집적도가 증가되어 셀 크기가 작아짐에 따라, 상기 계면 트랩의 생성과 소멸 현상은 데이터 유지 특성의 열화에 중대한 요인이 되고 있다.In addition, in the flash memory device, charge trapped in the tunneling oxide film or the interface trap between the silicon substrate and the tunneling oxide film may be gradually accumulated by repeated programming / erase operations. These trapped charges generate stress-induced leakage current (SILC) by trap-assisted tunneling (TAT), which degrades data retention characteristics. In particular, as the integration degree of the flash memory device is increased and the cell size is reduced, the generation and destruction of the interface trap is a significant factor in deterioration of data retention characteristics.

도 1은 종래의 SONOS 구조의 비휘발성 메모리 소자에서 나타나는 데이터 유지 특성의 열화 현상을 설명하기 위한 드레인 전류(Id)와 게이트 전압(Vg)의 관계를 도시하는 그래프이다. 그래프는, 약 17.1 V 에서 100 μS 동안 수행되는 프로 그래밍 동작과 약 -19.0 V에서 25 ms 동안 수행되는 소거 동작을 적어도 103 사이클 이상 반복한 플래시 메모리 셀에 대한 것으로서, 각각 2시간 동안 200 ℃에서 베이크(bake)을 수행하기 전과 후의 프로그래밍된 플래시 메모리 셀에 대한 측정 결과이다. 도 1에서, 곡선 I로 지시되는 Id-Vg 곡선은 베이크를 하기 전의 측정값을 나타내며, 곡선 F로 지시되는 Id-Vg 곡선은 베이크를 한 후의 측정값을 나타낸다.FIG. 1 is a graph showing a relationship between a drain current Id and a gate voltage Vg for explaining a deterioration phenomenon of data retention characteristics in a nonvolatile memory device having a conventional SONOS structure. The graphs are for flash memory cells that repeat at least 10 3 cycles of programming operations performed at about 17.1 V for 100 μS and erase operations for about 25 ms at about −19.0 V, each at 200 ° C. for 2 hours. Measurement results for programmed flash memory cells before and after a bake. In Fig. 1, the Id-Vg curve indicated by the curve I represents the measured value before baking, and the Id-Vg curve indicated by the curve F represents the measured value after the baking.

상기 베이크 공정에 의해 전하 트랩막에 포획된 전하와 터널링 절연막/반도체 기판 사이의 계면 트랩에 포획된 전하가 디트랩핑(de-trapping)되어, 프로그래밍된 정보가 소실된다. 점선(L)은 10-12 A의 전류에 대한 미드갭 전압(midgap voltage) 이동을 정성적으로 평가하기 위한 기울기를 갖는 직선이다. 상기 베이크 공정으로 인한 상기 미드갭 전압의 이동(ΔVth1)은 약 0.66 V 이다. 상기 Vth1의 감소는 전하 트랩막에 트랩된 전하의 누설에 기인하는 것이다.The charge trapped in the charge trap film by the bake process and the charge trapped in the interface trap between the tunneling insulating film / semiconductor substrate are de-trapping so that the programmed information is lost. The dashed line L is a straight line with a slope for qualitatively evaluating the midgap voltage shift for a current of 10 -12 A. The shift ΔV th1 of the midgap voltage due to the bake process is about 0.66V . The decrease in V th1 is due to the leakage of charge trapped in the charge trap film.

이에 비하여, 10-7 A 의 전류에 대한 ΔVth2 는 약 1.08 V 이다. ΔVth2 중 점선과 곡선 F 사이의 전압 값의 차이(ΔVthx)는 상기 ΔVth1의 경우와 같이, 전하 트랩막에 트랩된 전하의 누설에 기인하는 것이다. 따라서, 점선과 곡선 I 사이의 전압 값의 차이(ΔVthy)는 베이킹에 의한 계면 트랩의 소실에 기인하는 것으로 해석될 수 있다. 상기 ΔVthx와 ΔVthy의 크기를 고려하면, Vth2의 감소는 전하 트랩막에 트랩된 전하의 누설보다 계면 트랩의 소실에 따른 기여에 의해 더 큰 영향을 받는 것을 확 인할 수 있다. 특히, 플래시 메모리 소자의 집적도가 증가함에 따라 채널 폭이 축소되면서, 시간의 경과에 따른 계면 트랩의 소실에 의한 Vth 값의 감소 현상은 플래시 메모리 셀의 데이터 유지 특성을 개선하기 위해 반드시 고려해야 하는 사항으로 간주된다.In comparison, ΔV th2 for a current of 10 −7 A is about 1.08 V. The difference ΔV thx between the dotted line and the curve F in ΔV th2 is due to the leakage of charge trapped in the charge trap film, as in the case of ΔV th1 . Thus, the difference ΔV thy of the voltage value between the dashed line and the curve I can be interpreted as due to the loss of the interface trap by baking. Considering the magnitudes of ΔV thx and ΔV thy , it can be seen that the reduction of V th2 is more affected by the contribution due to the loss of the interface trap than the leakage of the charge trapped in the charge trap film. In particular, as the channel width decreases as the density of flash memory devices increases, a decrease in V th value due to the loss of the interface trap over time must be considered to improve data retention characteristics of flash memory cells. Is considered.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 비휘발성 메모리 소자의 집적도가 증가함에 따라 더욱 중요해지는, 터널링 절연막과 채널 영역 사이의 계면 트랩 전하의 소실로 인한 데이터 유지 특성의 열화를 개선시킬 수 있는 비휘발성 메모리 소자 및 이를 포함하는 시스템을 제공하는 것이다.Therefore, the technical problem to be achieved by the present invention is a ratio that can improve the degradation of data retention characteristics due to the loss of the interface trap charge between the tunneling insulating film and the channel region, which becomes more important as the integration degree of the nonvolatile memory device increases. To provide a volatile memory device and a system including the same.

또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 상술한 비휘발성 메모리 소자의 제조 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing the nonvolatile memory device described above.

본 발명자들은 실험으로부터, 터널링 산화막을 통하여 터널링하는 전자가 에너지를 소실하면서 반도체 기판과 터널링 절연막 사이의 계면에 지속적으로 손상을 주는 것을 확인하였다. 이러한 손상은 반도체 기판과 터널링 절연막 사이의 계면에 계면 트랩 사이트를 증가시키고, 이로 인하여 계면 트랩 사이트에 트랩된 전하의 수가 증가하며, 시간의 경과에 따른 트랩된 전하의 소실로 인해 Vth가 감소하여, 데이터 유지 특성이 열화되는 것을 확인하였다. 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 비휘발성 메모리 소자는 계면 트랩 사이트의 생성 원인이 되는 종래의 프로그래밍/소거 동작 방식을 수정할 수 있는 게이트 구조를 제공한다.From the experiments, the inventors confirmed that electrons tunneling through the tunneling oxide film continuously damage the interface between the semiconductor substrate and the tunneling insulating film while losing energy. This damage increases the interfacial trap site at the interface between the semiconductor substrate and the tunneling insulating film, thereby increasing the number of charges trapped at the interfacial trap site and decreasing Vth due to the loss of trapped charge over time, It was confirmed that data retention characteristics deteriorated. The nonvolatile memory device according to various embodiments of the present disclosure provides a gate structure capable of modifying a conventional programming / erase operation method that causes generation of an interface trap site.

본 발명의 일 실시 태양에 따른 비휘발성 메모리 소자는 제 1 및 제 2 소오스/드레인 영역 및 상기 소오스/드레인 영역들 사이의 채널 영역을 포함하는 반도체 기판; 상기 반도체 기판의 상기 채널 영역 상에 순차대로 적층된 제 1 유전율을 갖는 하부 절연막, 전하 트랩막, 상기 제 1 유전률보다 작은 제 2 유전률을 갖는 상부 절연막 및 제어 게이트 전극을 포함하며, 상기 전하 트랩막 내의 트랩핑 센터는 상기 상부 절연막/상기 전하 트랩막의 계면 부근에 분포한다.A nonvolatile memory device according to an embodiment of the present invention may include a semiconductor substrate including first and second source / drain regions and a channel region between the source / drain regions; A lower insulating film having a first dielectric constant sequentially stacked on the channel region of the semiconductor substrate, a charge trap film, an upper insulating film having a second dielectric constant smaller than the first dielectric constant, and a control gate electrode; The trapping center within is distributed near the interface of the upper insulating film / charge trap film.

일부 실시예에서, 상기 전하 트랩막은 상기 상부 절연막/상기 전하 트랩막의 계면 부근에 산화층을 갖는 실리콘질화막을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 전하 트랩막은 상기 상부 절연막/상기 전하 트랩막의 계면 부근에 실리콘과잉-산소질화막(Silicon-rich oxynitride; SRON)을 포함할 수 있다. 또한, 다른 실시예에서, 상기 전하 트랩막은 상기 상부 절연막/상기 전하 트랩막의 계면 부근에 나노 결정을 포함할 수도 있다.In some embodiments, the charge trap layer may include a silicon nitride layer having an oxide layer near an interface between the upper insulating layer and the charge trap layer. In another embodiment, the charge trap layer may include a silicon-rich oxynitride (SRON) near an interface between the upper insulating layer and the charge trap layer. In another embodiment, the charge trap layer may include nanocrystals near an interface between the upper insulating layer and the charge trap layer.

일부 실시예에서, 상기 비휘발성 메모리 소자는 상부 절연막을 통하는 터널링에 의해 프로그래밍 및 소거 동작이 수행될 수 있다. 선택적으로는, 상기 비휘발성 메모리 소자는 하부 절연막을 통과하는 열전하 주입(hot carrier injection)에 의해 프로그래밍 동작이 수행되고, 상기 상부 절연막을 통하는 터널링에 의해 소거 동작이 수행될 수도 있다.In some embodiments, the nonvolatile memory device may be programmed and erased by tunneling through an upper insulating layer. In some embodiments, the nonvolatile memory device may be programmed by hot carrier injection through a lower insulating layer, and an erase operation may be performed by tunneling through the upper insulating layer.

본 발명의 다른 실시 태양으로서, 본 발명의 일실시예에 따른 시스템은, 복수의 행과 열로 배치된 제1항 내지 제9항 기재의 비휘발성 메모리 셀을 포함하는 메모리 어레이; 메모리 인터페이스; 및 상기 메모리 인터페이스와 상기 메모리 어레이 사이에 결합된 제어 회로를 포함하는 메모리 장치; 및 상기 메모리 장치와 결합되는 호스트를 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 호스트는 처리용 장치 또는 메모리 제어기일 수 있다.In another embodiment of the present invention, a system according to an embodiment of the present invention includes a memory array comprising the nonvolatile memory cells of claims 1 to 9 arranged in a plurality of rows and columns; Memory interface; And a control circuit coupled between the memory interface and the memory array; And a host coupled with the memory device. In some embodiments, the host can be a processing device or a memory controller.

본 발명의 또 다른 실시 태양으로서, 본 발명의 일실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 제조 방법은, 활성 영역을 포함하는 반도체 기판을 제공하는 단계; 상기 활성 영역 상에 순차대로 제 1 유전율을 갖는 하부 절연막을 형성하는 단계; 상기 하부 절연막 상에 전하 트랩막을 형성하는 단계; 상기 제 1 유전률보다 작은 제 2 유전률을 갖는 상부 절연막을 형성하는 단계; 상기 상부 절연막 상에 제어 게이트 전극을 형성하는 단계; 및 상기 반도체 기판의 활성 영역 내에 제어 게이트 전극에 의해 이격된 제 1 및 제 2 소오스/드레인 영역을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 전하 트랩막 내의 유효 전하 트랩 사이트는 상기 상부 절연막/상기 전하 트랩막의 계면 부근에 분포한다.In still another aspect of the present invention, a method of manufacturing a nonvolatile memory device according to an embodiment of the present invention includes providing a semiconductor substrate including an active region; Forming a lower insulating film having a first dielectric constant sequentially on the active region; Forming a charge trap layer on the lower insulating layer; Forming an upper insulating film having a second dielectric constant less than the first dielectric constant; Forming a control gate electrode on the upper insulating film; And forming first and second source / drain regions spaced apart by a control gate electrode in an active region of the semiconductor substrate, wherein an effective charge trap site in the charge trap layer is formed of the upper insulating film / charge trap layer. It is distributed near the interface.

본 발명의 비휘발성 메모리 소자는 하부 절연막의 유전율보다 작은 유전율을 갖는 상부 절연막을 사용하여, 상부 절연막을 통한 터널링에 의해 소거 동작이 쉽게 일어날 수 있다. 소거 동작이 전하 트랩막과 제어 게이트 전극 사이에서 일어나므로, 반도체 기판과 하부 절연막의 계면 손상으로부터 발생하는 계면 트랩 사이트가 억제되어, 상기 계면 트랩 사이트에 의한 데이터 유지 특성의 열화가 개선된다. 또한, 전하 트랩막 내의 트래핑 센터가 상부 절연막과 전하 트랩막의 계면 부근에 분포하여, 소거 동작의 효율과 속도가 증가되며, 반도체 기판으로 저장된 저하가 디트래핑되지 않아 데이터 유지 특성이 개선될 수 있다.In the nonvolatile memory device of the present invention, an erase operation can be easily performed by tunneling through the upper insulating film using the upper insulating film having a dielectric constant smaller than that of the lower insulating film. Since the erase operation takes place between the charge trap film and the control gate electrode, the interface trap site resulting from the interface damage between the semiconductor substrate and the lower insulating film is suppressed, and the deterioration of the data retention characteristic by the interface trap site is improved. In addition, since the trapping center in the charge trap film is distributed near the interface between the upper insulating film and the charge trap film, the efficiency and speed of the erase operation are increased, and the deterioration stored in the semiconductor substrate is not de-trapped so that the data retention characteristics can be improved.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면 데이터 유지 특성과 소거 동작의 효율과 속도가 개선된 시스템이 제공될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 비휘발 성 메모리 소자의 제조 방법은 상술한 특징을 갖는 비휘발성 메모리 소자의 제조 방법을 제공할 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, a system having improved data retention characteristics and an efficiency and speed of an erase operation may be provided. In addition, the method of manufacturing a nonvolatile memory device according to an embodiment of the present invention can provide a method of manufacturing a nonvolatile memory device having the above characteristics.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.The embodiments of the present invention are provided to more fully explain the present invention to those skilled in the art, and the following examples can be modified in various other forms, and the scope of the present invention is It is not limited to an Example. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the inventive concept to those skilled in the art.

이하의 설명에서 어떤 층이 다른 층의 위에 존재한다고 기술될 때, 이는 다른 층의 바로 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 제3의 층이 개재될 수도 있다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.In the following description, when a layer is described as being on top of another layer, it may be directly on top of another layer, and a third layer may be interposed therebetween. In addition, the thickness or size of each layer in the drawings is exaggerated for convenience and clarity, the same reference numerals in the drawings refer to the same elements. As used herein, the term "and / or" includes any and all combinations of one or more of the listed items.

본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하 는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. As used herein, the singular forms "a", "an" and "the" may include the plural forms as well, unless the context clearly indicates otherwise. Also, as used herein, "comprise" and / or "comprising" specifies the presence of the shapes, numbers, steps, actions, members, elements and / or groups mentioned. It is not intended to exclude the presence or addition of one or more other shapes, numbers, acts, members, elements and / or groups.

본 명세서에서 제 1, 제 2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제 1 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제 2 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.Although the terms first, second, etc. are used herein to describe various members, parts, regions, layers, and / or parts, these members, parts, regions, layers, and / or parts are defined by these terms. It is obvious that not. These terms are only used to distinguish one member, part, region, layer or portion from another region, layer or portion. Thus, the first member, part, region, layer or portion, which will be discussed below, may refer to the second member, component, region, layer or portion without departing from the teachings of the present invention.

이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 비휘발성 메모리 소자는 전하 트랩막을 갖는 기억 소자를 지칭하며, 플래시 메모리 또는 EEPROM 등 그 용어에 의해 제한되는 것이 아니다.Embodiments of the present invention will now be described with reference to the drawings, which schematically illustrate ideal embodiments of the present invention. In the figures, for example, variations in the shape shown may be expected, depending on manufacturing techniques and / or tolerances. Accordingly, embodiments of the present invention should not be construed as limited to the specific shapes of the regions shown herein, but should include, for example, changes in shape resulting from manufacturing. As used herein, a nonvolatile memory device refers to a memory device having a charge trap film, and is not limited by such terms as flash memory or EEPROM.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 단위 셀(1000)을 도시하는 단면도이다.2 is a cross-sectional view illustrating a unit cell 1000 of a nonvolatile memory device according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 비휘발성 메모리 소자의 셀(1000)은 제 1 소오스/드레인 영역(101) 및 제 2 소오스/드레인 영역(102) 및 소오스/드레인 영역들(101, 102) 사이의 채널 영역(103)을 포함하는 반도체 기판(100)과 반도체 기판(100) 상에 순차대로 적층된 하부 절연막(200), 전하 트랩막(300), 상부 절연막(400) 및 제어 게이트 전극(500)을 포함한다. 비휘발성 메모리 소자의 셀(1000)은 반도체 기판(100)의 활성 영역 상에 순차대로 하부 절연 재료층, 전하 트랩 재료층, 상부 절연 재료층 및 제어 게이트 도전층을 순차대로 적층하고 이를 패터닝하여 하부 절연막(200), 전하 트랩막(300), 상부 절연막(400) 및 제어 게이트 전극(500)을 포함하는 게이트 스택(600)을 형성한 후, 반도체 기판(102)의 활성 영역 내에 제 1 및 제 2 소오스/드레인 영역(101, 102)을 형성함으로써 제조될 수 있다.Referring to FIG. 2, a cell 1000 of a nonvolatile memory device includes a channel region between a first source / drain region 101 and a second source / drain region 102 and a source / drain regions 101 and 102. The semiconductor substrate 100 including the 103 and the lower insulating film 200, the charge trap film 300, the upper insulating film 400 and the control gate electrode 500 sequentially stacked on the semiconductor substrate 100 are included. do. The cell 1000 of the nonvolatile memory device sequentially stacks and patterns the lower insulating material layer, the charge trap material layer, the upper insulating material layer, and the control gate conductive layer on the active region of the semiconductor substrate 100 in order. After the gate stack 600 including the insulating film 200, the charge trap film 300, the upper insulating film 400, and the control gate electrode 500 is formed, the first and first portions are formed in the active region of the semiconductor substrate 102. By forming two source / drain regions 101 and 102.

본 발명의 실시예에 따른 제어 게이트 전극(500)은 알루미늄, 텅스텐, 폴리실리콘 또는 다른 도전성 재료로 형성될 수 있으며, 워드 라인 또는 제어 라인에 전기적으로 연결될 수 있다. 제 1 및 제 2 소오스/드레인 영역들(101, 102) 중 어느 하나는 소오스 라인에 연결되고 다른 하나는 비트 라인에 연결될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 하부 절연막(200), 전하 트랩막(300), 상부 절연막(400)에 관하여는 도 3과 도 4a 내지 도 4c를 참조하여 후술한다.The control gate electrode 500 according to the embodiment of the present invention may be formed of aluminum, tungsten, polysilicon, or another conductive material, and may be electrically connected to a word line or a control line. One of the first and second source / drain regions 101 and 102 may be connected to a source line and the other may be connected to a bit line. The lower insulating film 200, the charge trap film 300, and the upper insulating film 400 according to the exemplary embodiment of the present invention will be described later with reference to FIGS. 3 and 4A to 4C.

종래의 SONOS 소자는 소거 동작시 반도체 기판(100)이 전하 싱크(sink)로 작용하지만, 본 발명의 비휘발성 메모리 소자는 제어 게이트 전극(500)이 전하 싱크(sink) 작용을 한다. 예를 들면, 제어 게이트 전극(500)과 반도체 기판(100) 사이에 소거 전압이 인가되면, 전하 트랩막(300)에 저장된 전하는, 상부 절연막(400) 을 통하여 파울러-노드하임 터널링 방식에 의해 제어 게이트 전극(500)으로 추출(extraction)된다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따르면 전하의 추출이 전하 트랩막(300)과 제어 게이트 전극(500) 사이에서 일어나므로, 소거 동작이 반복되더라도 반도체 기판(100)과 하부 절연막(100) 사이의 계면의 손상이 초래되지 않는다.In the conventional SONOS device, the semiconductor substrate 100 acts as a charge sink during an erase operation. However, in the nonvolatile memory device of the present invention, the control gate electrode 500 acts as a charge sink. For example, when an erase voltage is applied between the control gate electrode 500 and the semiconductor substrate 100, the charge stored in the charge trap layer 300 is controlled by the Fowler-Nordheim tunneling method through the upper insulating layer 400. The gate electrode 500 is extracted. Therefore, according to the embodiment of the present invention, since the extraction of the charge occurs between the charge trap layer 300 and the control gate electrode 500, the interface between the semiconductor substrate 100 and the lower insulating film 100 even if the erase operation is repeated. Does not cause damage.

또한, 일부 실시예에서는, 프로그래밍 동작시 제어 게이트 전극(500)이 전하 소스(source)로 작용하도록 구동될 수 있다. 예를 들면, 제어 게이트 전극(500)과 반도체 기판(100) 사이에 프로그래밍 전압이 인가되면, 파울러-노드하임 터널링 방식에 의해 상부 절연막(400)을 통하여 제어 게이트 전극(500)에서 전하 트랩막(300)으로 전하가 주입(injection)된다. 선택적으로는, 프로그래밍 동작이 반도체 기판(100)과 하부 절연막(200) 사이의 계면 손상에 영향을 주지 않음을 고려하여, 반도체 기판(100)이 전하 소스(source)로 작용하도록 구동될 수도 있다. 예를 들면, 제 1 소오스/드레인 영역(101)과 제 2 소오스/드레인 영역(102) 사이에 소정의 전압을 인가하고 열전하 주입(hot carrier injection) 방식에 의해 하부 절연막(200)을 통하여 채널 영역(103)으로부터 전하 트랩막(300)에 전하가 주입되는 프로그래밍 방식을 채택할 수도 있다.Further, in some embodiments, the control gate electrode 500 can be driven to act as a charge source during programming operations. For example, when a programming voltage is applied between the control gate electrode 500 and the semiconductor substrate 100, the charge trap film (at the control gate electrode 500) through the upper insulating film 400 by the Fowler-Nordheim tunneling method. Charge 300 is injected into 300. Optionally, the semiconductor substrate 100 may be driven to act as a charge source in consideration that the programming operation does not affect the interface damage between the semiconductor substrate 100 and the lower insulating film 200. For example, a predetermined voltage is applied between the first source / drain region 101 and the second source / drain region 102 and the channel is formed through the lower insulating layer 200 by a hot carrier injection method. A programming scheme in which charge is injected into the charge trap film 300 from the region 103 may be adopted.

상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에서는 소거 동작이 상부 절연막(400)을 통하는 터널링에 의해 수행된다. 이하에서는 상부 절연막(400)을 통한 터널링 효율을 개선시킬 수 있는 본 발명의 실시예들에 관하여 더욱 상세히 설명한다.As described above, in the embodiment of the present invention, the erase operation is performed by tunneling through the upper insulating film 400. Hereinafter, embodiments of the present invention that can improve the tunneling efficiency through the upper insulating film 400 will be described in more detail.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 소거 동작을 설명하기 위한 에너지 밴드 모델을 도시한다. 도 2와 함께 도 3을 참조하면, 게이트 스택(600)에서 상부 절연막(400)의 유전 상수(ε2)는 하부 절연막(200)의 유전 상수(ε1)보다 작다. 본 발명의 실시예에서, 하부 절연막(200)은 실리콘 산화막 또는 다른 고유전율 절연막일 수 있다. 상기 고유전율 절연막은, 예를 들면, 실리콘산소질화막, 알루미늄산화막, 란탄산화막, 란탄알루미늄산화막, 하프늄산화막, 하프늄알루미늄산화막, 란탄하프늄산화막, 지르코늄산화막 및 탄탈륨산화막 중 어느 하나 또는 이들 막들의 조합으로 이루어진 다층막을 포함할 수도 있다. 상기 고유전율 절연막은 예로서 개시된 것이며, 본 발명은 이들 재료에 의해 제한되는 것이 아니다. 이들 막들은 당해 기술 분야에 잘 알려진 바와 같이, 화학기상증착법 또는 원자층 증착법 등에 의해 형성될 수 있다.3 is an energy band model for explaining an erase operation of a nonvolatile memory device according to an exemplary embodiment of the present invention. Referring to FIG. 3 along with FIG. 2, the dielectric constant ε 2 of the upper insulating layer 400 in the gate stack 600 is smaller than the dielectric constant ε 1 of the lower insulating layer 200. In an embodiment of the present invention, the lower insulating film 200 may be a silicon oxide film or another high dielectric constant insulating film. The high dielectric constant insulating film is, for example, made of any one of silicon oxynitride film, aluminum oxide film, lanthanum oxide film, lanthanum aluminum oxide film, hafnium oxide film, hafnium aluminum oxide film, lanthanum hafnium oxide film, zirconium oxide film and tantalum oxide film or a combination thereof. It may also include a multilayer film. The high dielectric constant insulating film is disclosed as an example, and the present invention is not limited by these materials. These films may be formed by chemical vapor deposition, atomic layer deposition, or the like, as is well known in the art.

상부 절연막(400)은 실리콘 산화막으로 이루어질 수 있으며, 상기 실리콘 산화막은 당해 기술 분야에서 잘 알려진 바와 같이 화학기상증착법 등에 의해 형성될 수 있다. 상기 실리콘 산화막은 전자 및 홀에 대하여 각각 3.2 eV 및 4.7 eV의 비교적 높은 에너지 장벽을 제공하기 때문에 프로그래밍 전압과 구동 전력이 클 수 있다. 상기 실리콘 산화막은 예로서 개시된 것이며, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들면, 상부 절연막(400)으로서 실리콘 산화막 대신에, 하부 절연막(200)의 유전율(ε1)보다 작은 유전율(ε2)을 갖는 다른 고유전율 재료, 예를 들면, 실리콘산소질화막, 알루미늄산화막, 란탄산화막, 란탄알루미늄산화막, 하프늄산화막, 하프늄알루미늄산화막, 란탄하프늄산화막, 지르코늄산화막 및 탄탈륨산화막와 같은 고유전율 재료를 선택하여 사용할 수도 있다. 상기 고유전율 물질의 낮은 터널링 장벽은 낮은 프로그래밍/소거 전압 하에서도 높은 터널링 전류를 제공할 수 있는 이점이 있다. 또한, 상부 절연막(400)은 단일 막으로 또는 필요에 따라 상술한 막들 중 적어도 2 이상의 막이 적층된 다층막으로 형성될 수도 있다. 이들 막은 당해 기술 분야에 잘 알려진 바와 같은 화학기상증착법 또는 원자층 증착법 등에 의해 형성될 수 있다.The upper insulating film 400 may be formed of a silicon oxide film, and the silicon oxide film may be formed by a chemical vapor deposition method as is well known in the art. Since the silicon oxide film provides a relatively high energy barrier of 3.2 eV and 4.7 eV for electrons and holes, the programming voltage and the driving power can be large. The silicon oxide film is disclosed as an example, and the present invention is not limited thereto. For example, instead of the silicon oxide film as the upper insulating film 400, other high dielectric constant materials having a dielectric constant ε 2 smaller than the dielectric constant ε 1 of the lower insulating film 200, for example, silicon oxynitride film, aluminum oxide film, and lanthanum. High dielectric constant materials such as an oxide film, a lanthanum aluminum oxide film, a hafnium oxide film, a hafnium aluminum oxide film, a lanthanum hafnium oxide film, a zirconium oxide film and a tantalum oxide film may be selected and used. The low tunneling barrier of the high dielectric constant material has the advantage of providing high tunneling current even under low programming / erase voltages. In addition, the upper insulating film 400 may be formed as a single film or a multilayer film in which at least two or more of the above-described films are stacked as necessary. These films may be formed by chemical vapor deposition, atomic layer deposition, or the like as is well known in the art.

상술한 바와 같이, 상부 절연막의 유전 상수(ε2)가 하부 절연막의 유전 상수(ε1)보다 작으면, 제어 게이트 전극(500)과 반도체 기판(100) 사이에 인가된 소거 전압이 대부분 상부 절연막(400)에 커플링될 수 있다. 그 결과, 도 3에 도시된 바와 같이 상부 절연막(400)의 에너지 밴드는 하부 절연막(200)의 에너지 밴드에 비해 더 많이 왜곡된다. 따라서, 소거 전압 인가시 터널링은 하부 절연막(200)보다 상부 절연막(400)을 통해서 더욱 쉽게 발생한다. 하부 절연막(200)으로서 고유전율 절연막을 사용하고, 상기 고유전율 절연막이 물리적으로 두껍다면, 소거 동작 동안, 채널 영역(103)과 전하 트랩막(300) 사이에서 발생할 수 있는 전자 및 홀의 터널링이 억제되고, 데이터 유지 특성도 개선될 수 있다.As described above, when the dielectric constant ε2 of the upper insulating film is smaller than the dielectric constant ε1 of the lower insulating film, the erase voltage applied between the control gate electrode 500 and the semiconductor substrate 100 is mostly the upper insulating film 400. ) May be coupled to. As a result, as shown in FIG. 3, the energy band of the upper insulating layer 400 is more distorted than the energy band of the lower insulating layer 200. Therefore, tunneling occurs more easily through the upper insulating film 400 than the lower insulating film 200 when the erase voltage is applied. If a high dielectric constant insulating film is used as the lower insulating film 200 and the high dielectric constant insulating film is physically thick, tunneling of electrons and holes that may occur between the channel region 103 and the charge trap film 300 is suppressed during the erase operation. And data retention characteristics can be improved.

전하 트랩막(300)은 전자 또는 홀의 트랩핑 센터(TC)가 상부 절연막(400)과 전하 트랩막(300)의 계면 부근에 분포하도록 형성한다. 전하 트랩막(300) 내에서, 트랩핑 센터(TC)가 상부 절연막(400) 쪽에 분포함에 따라 하부 절연막(200)을 통한 터널링 또는 누설 전류가 감소될 수 있다. 반면에, 제어 게이트 전극(500)과 반도체 기판(100) 사이에 소거 전압이 인가된 경우, 상부 절연막(400)을 통한 전하의 터널링이 용이하게 일어날 수 있으므로, 소거 효율과 소거 속도가 개선될 수 있다. 다만, 데이터 유지 특성 관점에서, 트랩된 전하가 시간 경과에 따라 트랩핑 센 터(TC)로부터 제어 게이트 전극(500)으로 쉽게 디드랩핑되지 않는 것이 바람직하다. 일부 실시예에서는 상부 절연막(400)으로서, 적어도 2 이상의 막이 적층된 다층막을 적용하여 제어 게이트 전극으로의 전하 누설을 억제할 수 있다. 선택적으로는 깊은 포텐셜 웰을 제공하여 디트랩핑을 억제할 수 있는 트랩핑 센터를 형성하는 방법을 고려할 수 있다. 이하에서는, 데이터 유지 특성을 개선하기 위한 우수한 디트랩핑 억제력을 갖는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 전하 트랩막에 대하여 상술한다.The charge trap layer 300 is formed such that the trapping center TC of electrons or holes is distributed near the interface between the upper insulating layer 400 and the charge trap layer 300. In the charge trap layer 300, as the trapping center TC is distributed toward the upper insulating layer 400, tunneling or leakage current through the lower insulating layer 200 may be reduced. On the other hand, when an erase voltage is applied between the control gate electrode 500 and the semiconductor substrate 100, tunneling of the charge through the upper insulating film 400 can easily occur, the erase efficiency and the erase speed can be improved. have. However, in view of the data retention characteristic, it is preferable that the trapped charge is not easily de-wrapped from the trapping center TC to the control gate electrode 500 over time. In some embodiments, as the upper insulating film 400, a multilayer film in which at least two or more films are stacked may be applied to suppress charge leakage to the control gate electrode. Optionally, a method of forming a trapping center capable of providing deep potential wells to suppress detrapping can be considered. Hereinafter, a charge trap film according to various embodiments of the present invention having excellent detrapping suppression force for improving data retention characteristics will be described in detail.

도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 전하 트랩막(310, 320, 330)을 포함하는 비휘발성 메모리 소자(2000, 3000, 4000)를 도시하는 단면도이다. 이들 도면에서, 도 2에 도시된 구성 요소와 동일한 참조 부호를 갖는 구성 요소는 도 2를 참조하여 상술한 것과 동일하다.4A through 4C are cross-sectional views illustrating nonvolatile memory devices 2000, 3000, and 4000 including charge trap layers 310, 320, and 330 according to various embodiments of the present disclosure. In these figures, components having the same reference numerals as those shown in FIG. 2 are the same as those described above with reference to FIG.

도 4a를 참조하면, 전하 트랩막(310)은 실리콘 질화막으로 형성될 수 있다. 이 경우, 상부 절연막/전하 트랩막의 계면 부근에 트랩핑 센터(TC)를 제공하기 위하여 상기 실리콘 질화막의 표면을 산화 처리하여 실리콘산소질화막(SiOxNy; 310a)을 형성할 수 있다. 예를 들면, 하부 절연막(200) 상에 실리콘 질화막(310)을 형성하고, 이후 실리콘 질화막(310)의 상부 표면을 소정 깊이만큼 산화 처리할 수 있다. 상기 산화 처리는 예를 들면, 실리콘 질화막(310)이 형성된 반도체 기판을 산소 플라즈마에 노출시키거나, 산소 분위기에서 어닐링하는 공정에 의해 수행될 수 있다.Referring to FIG. 4A, the charge trap layer 310 may be formed of a silicon nitride layer. In this case, in order to provide a trapping center TC near the interface between the upper insulating film / charge trap film, the surface of the silicon nitride film may be oxidized to form a silicon oxynitride film (SiOxNy) 310a. For example, the silicon nitride layer 310 may be formed on the lower insulating layer 200, and then the upper surface of the silicon nitride layer 310 may be oxidized to a predetermined depth. The oxidation treatment may be performed by, for example, exposing a semiconductor substrate on which the silicon nitride film 310 is formed to an oxygen plasma or annealing in an oxygen atmosphere.

도 4b를 참조하면, 전하 트랩막(320)은 실리콘 질화막 또는 실리콘 산화막과 같은 절연막(320a)과 그 위에 형성된 실리콘과잉-산소질화막(Silicon-rich oxynitride, SRON; 320b)을 포함할 수 있다. SRON 막(320b)은 전하 트랩막(320)과 상부 절연막(400)의 계면 부근에 우수한 트랩핑 센터(TC)를 제공할 수 있다. 예를 들면, SRON 막(320b)은 실리콘 질화막 또는 실리콘 산화막(320a) 상에, 산소 함유 가스 및 질소 함유 가스, 예를 들면, O2, O3, N2, NH3 및 N2O 등에 대하여 실리콘 함유 가스, 예를 들면, SiH4 가스의 분압비를 더 크도록 소오스 가스를 제공하는 화학기상증착법에 의해 형성될 수 있다.Referring to FIG. 4B, the charge trap layer 320 may include an insulating layer 320a such as a silicon nitride layer or a silicon oxide layer and a silicon-rich oxynitride (SRON) 320b formed thereon. The SRON film 320b may provide an excellent trapping center TC near the interface between the charge trap film 320 and the upper insulating film 400. For example, the SRON film 320b may be formed on the silicon nitride film or the silicon oxide film 320a by using a silicon-containing gas, such as O2, O3, N2, NH3, N2O, or the like, for example, oxygen-containing gas and nitrogen-containing gas. For example, it may be formed by chemical vapor deposition which provides a source gas so that the partial pressure ratio of the SiH 4 gas is greater.

도 4c를 참조하면, 전하 트랩막(330)은 상부 절연막(400)과 전하 트랩막(330)의 계면 부근에 나노 결정들(330b)을 포함할 수 있다. 나노 결정(330b)은 당해 기술 분야에서 잘 알려진 바와 같이, 금속, 반도체 또는 고유전율 물질 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다. 상기 금속은 예를 들면, Pt, Pd, Ni, Ru, Co, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Ru, Os, Ph, Ir, Ta, Au 및 Ag 중 어느 하나 또는 이들의 합금일 수 있다. 또한, 상기 반도체는, Si 및 Ge 등의 단일 원소 또는 SiC, SiGe, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, ZnO, HgS, HgSe, HgTe CdSeS, CdSeTe, CdSTe, ZnSeS, ZnSeTe, ZnSTe, HgSeS, HgSeTe, HgSTe, CdZnS, CdZnSe, CdZnTe, CdHgS, CdHgSe, CdHgTe, HgZnS 및 HgZnSe 등의 이원소 이상의 화합물일 수 있다. 또한, 상기 고유전율 물질은 HfO2, ZrO2, Al2O3, HfSiO, HfSiON, HfON 및 HfAlO 등일 수 있다. 상술한 나노 결정의 재료들은 예시적일 뿐이며, 이에 의해 본 발명이 제한되는 것은 아니다.Referring to FIG. 4C, the charge trap layer 330 may include nanocrystals 330b near an interface between the upper insulating layer 400 and the charge trap layer 330. The nanocrystals 330b may be formed of at least one of a metal, a semiconductor, or a high dielectric constant material, as is well known in the art. The metal may be, for example, any one of Pt, Pd, Ni, Ru, Co, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Ru, Os, Ph, Ir, Ta, Au, and Ag or an alloy thereof. . In addition, the semiconductor is a single element such as Si and Ge or SiC, SiGe, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, ZnO, HgS, HgSe, HgTe CdSeS, CdSeTe, CdSTe, ZnSeS, ZnSeTe, ZnSTe, HgSeS, HgSeS It may be a compound of two or more elements such as HgSTe, CdZnS, CdZnSe, CdZnTe, CdHgS, CdHgSe, CdHgTe, HgZnS and HgZnSe. In addition, the high dielectric constant material may be HfO 2 , ZrO 2 , Al 2 O 3 , HfSiO, HfSiON, HfON and HfAlO. The materials of the above-described nanocrystals are merely exemplary, and the present invention is not limited thereby.

나노 결정(330b)은 전하 트랩막(330)을 이루는 매트릭스(330a)에 삽입된 형태로 제공될 수 있으며, 매트릭스(330a)는 실리콘질화물 또는 실리콘 산소질화물로 형성될 수 있다. 나노 결정(330b)은 당해 기술 분야에 공지된 방법에 의해 형성될 수 있다. 예를 들면, 매트릭스(330a)를 형성하고, 매트릭스(330a) 내에 나노 결정이 될 재료의 이온을 주입한 후, 적절한 열처리에 의해 주입된 이온을 소정 크기로 성장시킬 수 있다. 또는, 매트릭스(330a)가 될 재료층 상에 화학기상증착법 또는 원자층 증착법에 의해 얇은 층을 형성하고 다시 얇은 층 상에 매트릭스(330a)가 될 재료층 또는 다른 재료층을 성장시킨 후에 열처리하여 나노 결정(330b)을 형성할 수 있다. 나노 결정(330b)은 높은 일함수를 가지고 있기 때문에 깊은 포텐셜 웰(deep potential well)을 제공하여, 트랩된 전하의 누설을 방지하고 데이터 유지 특성을 개선시킨다.The nanocrystal 330b may be provided in a form inserted into the matrix 330a constituting the charge trap layer 330, and the matrix 330a may be formed of silicon nitride or silicon oxynitride. Nanocrystals 330b may be formed by methods known in the art. For example, after forming the matrix 330a and implanting ions of the material to be nanocrystal into the matrix 330a, the implanted ions may be grown to a predetermined size by appropriate heat treatment. Alternatively, a thin layer may be formed on the material layer to be the matrix 330a by chemical vapor deposition or atomic layer deposition, and then the material layer or another material layer to be the matrix 330a is grown on the thin layer, followed by heat treatment. Crystal 330b may be formed. Nanocrystal 330b has a high work function and thus provides a deep potential well, preventing leakage of trapped charges and improving data retention characteristics.

도 5는 본 발명의 비휘발성 메모리 소자(5000)를 포함하는 시스템(10)을 도시하는 블록도이다.5 is a block diagram illustrating a system 10 including a nonvolatile memory device 5000 of the present invention.

도 5를 참조하면, 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 반도체 메모리 셀들은 당해 기술 분야에서 잘 알려진 바와 같이 해당 로직 게이트 설계에 대응하여 "NAND" 및 "NOR" 아키텍쳐 어레이로 배치될 수 있다. 복수의 행과 열로 배치된 메모리 어레이는 하나 이상의 어레이 뱅크(5100)를 구성한다. 어레이 뱅크(5100)에는 감지 증폭기가 배치된다. 비휘발성 메모리 소자(5000)는 당해 기술 분야에 잘 알려진 바와 같이, 메모리 뱅크(5100)를 구동하기 위한 행 디코더(5200), 열디코더(5300), I/O 버퍼들(5310, 5320), 제어부(5400), 제어 레지스터(5500)를 더 포함 한다.Referring to FIG. 5, semiconductor memory cells according to various embodiments of the present disclosure may be arranged in “NAND” and “NOR” architecture arrays corresponding to a logic gate design as is well known in the art. Memory arrays arranged in a plurality of rows and columns constitute one or more array banks 5100. A sense amplifier is disposed in the array bank 5100. As is well known in the art, the nonvolatile memory device 5000 may include a row decoder 5200, a column decoder 5300, I / O buffers 5310 and 5320, and a controller for driving the memory bank 5100. 5400, the control register 5500 is further included.

비휘발성 메모리 소자(5000)는 일반적으로 마이크로 프로세서와 같은 처리용 장치 또는 메모리 제어기인 호스트(6000)에 결합된다. 비휘발성 메모리 소자(5000)는 호스트(6000)의 메모리 읽기 및 기록 액세스를 위한 어드레스 인터페이스(5610), 제어 인터페이스(5620) 및 데이터 인터페이스(5630)를 더 포함할 수 있다. 상술한 인터페이스들(5610, 5620, 5630)은 당해 분야에 잘 알려진 바와 같이 다양하게 변형 실시될 수 있다. 예를 들어 SDRAM 또는 DDR-SDRAM 인터페이스와 같은 동기식 인터페이스일 수 있다.The nonvolatile memory device 5000 is generally coupled to a host 6000 that is a memory controller or processing device such as a microprocessor. The nonvolatile memory device 5000 may further include an address interface 5610, a control interface 5620, and a data interface 5630 for memory read and write access of the host 6000. The above-described interfaces 5610, 5620, and 5630 may be modified in various ways as is well known in the art. For example, it may be a synchronous interface such as an SDRAM or DDR-SDRAM interface.

당해 기술 분야의 숙련자는 본 발명의 개시로부터 본 발명의 실시예들의 비휘발성 메모리 소자가 2비트의 플래시 메모리 소자에 한정되지 않으며, 제어 게이트 전극을 통하여 소거 동작이 수행되는 멀티 비트 플래시 메모리 소자도 본 발명의 범위에 속하는 것을 이해할 수 있을 것이다.Those skilled in the art will see from the present disclosure that the nonvolatile memory device of the embodiments of the present invention is not limited to a 2-bit flash memory device, but also a multi-bit flash memory device in which an erase operation is performed through a control gate electrode. It will be understood that it belongs to the scope of the invention.

이상에서 설명한 본 발명이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.The present invention described above is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and various substitutions, modifications, and alterations are possible within the scope without departing from the technical spirit of the present invention, which are common in the art. It will be apparent to those who have knowledge.

도 1은 종래의 SONOS 구조의 비휘발성 메모리 소자에서 나타나는 데이터 유지 특성의 열화 현상을 설명하기 위한 드레인 전류(Id)와 게이트 전압(Vg)의 관계를 도시하는 그래프이다.FIG. 1 is a graph showing a relationship between a drain current Id and a gate voltage Vg for explaining a deterioration phenomenon of data retention characteristics in a nonvolatile memory device having a conventional SONOS structure.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 단위 셀을 도시하는 단면도이다.2 is a cross-sectional view illustrating a unit cell of a nonvolatile memory device according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 소거 동작을 설명하기 위한 에너지 밴드 모델을 도시한다.3 is an energy band model for explaining an erase operation of a nonvolatile memory device according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 전하 트랩막을 포함하는 비휘발성 메모리 소자를 도시하는 단면도이다.4A through 4C are cross-sectional views illustrating a nonvolatile memory device including a charge trap layer according to various embodiments of the present disclosure.

도 5는 본 발명의 비휘발성 메모리 소자를 포함하는 시스템을 도시하는 블록도이다.5 is a block diagram showing a system including the nonvolatile memory device of the present invention.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

100: 반도체 기판 101, 102: 제 1, 2 소오스/드레인 영역100: semiconductor substrate 101, 102: first and second source / drain regions

103: 채널 영역 200: 하부 절연막103: channel region 200: lower insulating film

300, 310, 320, 330: 전하 트랩막300, 310, 320, 330: charge trapping film

400: 상부 절연막 500: 제어 게이트 전극400: upper insulating film 500: control gate electrode

Claims (16)

제 1 및 제 2 소오스/드레인 영역 및 상기 소오스/드레인 영역들 사이의 채널 영역을 포함하는 반도체 기판;A semiconductor substrate comprising first and second source / drain regions and a channel region between the source / drain regions; 상기 반도체 기판의 상기 채널 영역 상에 순차대로 적층된 제 1 유전율을 갖는 하부 절연막, 전하 트랩막, 상기 제 1 유전률보다 작은 제 2 유전률을 갖는 상부 절연막 및 제어 게이트 전극을 포함하며,A lower insulating film having a first dielectric constant sequentially stacked on the channel region of the semiconductor substrate, a charge trap film, an upper insulating film having a second dielectric constant smaller than the first dielectric constant, and a control gate electrode, 상기 전하 트랩막 내의 트랩핑 센터는 상기 상부 절연막/상기 전하 트랩막의 계면 부근에 분포하는 비휘발성 메모리 소자.The trapping center in the charge trap film is distributed near the interface between the upper insulating film and the charge trap film. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 전하 트랩막은 상기 상부 절연막/상기 전하 트랩막의 계면 부근에 산화층을 갖는 실리콘질화막을 포함하는 비휘발성 메모리 소자.And the charge trap film includes a silicon nitride film having an oxide layer near an interface between the upper insulating film and the charge trap film. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 전하 트랩막은 상기 상부 절연막/상기 전하 트랩막의 계면 부근에 실리콘과잉-산소질화막(Silicon-rich oxynitride; SRON)을 포함하는 비휘발성 메모리 소자.The charge trap layer includes a silicon-rich oxynitride (SRON) near an interface between the upper insulating layer and the charge trap layer. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 전하 트랩막은 상기 상부 절연막/상기 전하 트랩막의 계면 부근에 나노 결정을 포함하는 비휘발성 메모리 소자.And the charge trap layer includes nanocrystals near an interface between the upper insulating layer and the charge trap layer. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 나노 결정은 금속, 반도체 또는 고유전율(high-K) 물질 중 적어도 어느 하나를 포함하는 비휘발성 메모리 소자.The nanocrystal includes at least one of a metal, a semiconductor, and a high-k material. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 하부 절연막은 실리콘산화막, 실리콘산소질화막, 알루미늄산화막, 란탄산화막, 란탄알루미늄산화막, 하프늄산화막, 하프늄알루미늄산화막, 란탄하프늄산화막, 지르코늄산화막, 탄탈륨산화막 중 적어도 어느 하나 또는 이들의 조합을 포함하는 비휘발성 메모리 소자.The lower insulating layer may include at least one of silicon oxide film, silicon oxynitride film, aluminum oxide film, lanthanum oxide film, lanthanum aluminum oxide film, hafnium oxide film, hafnium aluminum oxide film, lanthanum hafnium oxide film, zirconium oxide film, and tantalum oxide film, or a combination thereof. Memory elements. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 상부 절연막은 CVD 산화막 및 열 산화막 중 어느 하나 또는 이들을 모두 포함하는 비휘발성 메모리 소자. The upper insulating film includes any one or both of a CVD oxide film and a thermal oxide film. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 비휘발성 메모리 소자는 상부 절연막을 통하는 터널링에 의해 프로그래밍 및 소거 동작이 수행되는 비휘발성 메모리 소자.The nonvolatile memory device may be programmed and erased by tunneling through an upper insulating layer. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 비휘발성 메모리 소자는 하부 절연막을 통과하는 열전하 주입(hot carrier injection)에 의해 프로그래밍 동작이 수행되고, 상기 상부 절연막을 통하는 터널링에 의해 소거 동작이 수행되는 비휘발성 메모리 소자.The nonvolatile memory device may include a programming operation by hot carrier injection through a lower insulating layer, and an erase operation by tunneling through the upper insulating layer. 복수의 행과 열로 배치된 제1항 내지 제9항 기재의 비휘발성 메모리 셀을 포함하는 메모리 어레이; 메모리 인터페이스; 및 상기 메모리 인터페이스와 상기 메모리 어레이 사이에 결합된 제어 회로를 포함하는 메모리 장치; 및A memory array comprising a nonvolatile memory cell of claim 1 arranged in a plurality of rows and columns; Memory interface; And a control circuit coupled between the memory interface and the memory array; And 상기 메모리 장치와 결합되는 호스트를 포함하는 시스템.And a host coupled with the memory device. 제 8 항에 있어서,The method of claim 8, 상기 호스트는 처리용 장치 또는 메모리 제어기인 시스템The host is a processing device or memory controller 제 10 항에 있어서,The method of claim 10, 상기 어레이는 NOR 아키텍쳐 또는 NAND 아키택쳐 어레이인 시스템.And the array is a NOR architecture or a NAND architecture array. 활성 영역을 포함하는 반도체 기판을 제공하는 단계;Providing a semiconductor substrate comprising an active region; 상기 활성 영역 상에 순차대로 제 1 유전율을 갖는 하부 절연막을 형성하는 단계;Forming a lower insulating film having a first dielectric constant sequentially on the active region; 상기 하부 절연막 상에 전하 트랩막을 형성하는 단계;Forming a charge trap layer on the lower insulating layer; 상기 제 1 유전률보다 작은 제 2 유전률을 갖는 상부 절연막을 형성하는 단계; Forming an upper insulating film having a second dielectric constant less than the first dielectric constant; 상기 상부 절연막 상에 제어 게이트 전극을 형성하는 단계; 및Forming a control gate electrode on the upper insulating film; And 상기 반도체 기판의 활성 영역 내에 제어 게이트 전극에 의해 이격된 제 1 및 제 2 소오스/드레인 영역을 형성하는 단계를 포함하며,Forming first and second source / drain regions spaced apart by a control gate electrode in an active region of the semiconductor substrate, 상기 전하 트랩막 내의 유효 전하 트랩 사이트는 상기 상부 절연막/상기 전하 트랩막의 계면 부근에 분포하는 비휘발성 메모리 소자의 제조 방법.The effective charge trap site in the charge trap film is distributed near the interface between the upper insulating film and the charge trap film. 제 13 항에 있어서, 상기 전하 트랩막을 형성하는 단계는,The method of claim 13, wherein the forming of the charge trap layer comprises: 상기 하부 절연막 상에 실리콘 질화막을 증착하는 단계; 및Depositing a silicon nitride film on the lower insulating film; And 상기 실리콘 질화막의 표면을 산화시키는 단계를 포함하는 비휘발성 메모리 소자의 제조 방법.And oxidizing a surface of the silicon nitride film. 제 13 항에 있어서, 상기 전하 트랩막을 형성하는 단계는,The method of claim 13, wherein the forming of the charge trap layer comprises: 상기 하부 절연막 상에 실리콘 질화막 또는 실리콘 산화막을 증착하는 단계; 및Depositing a silicon nitride film or a silicon oxide film on the lower insulating film; And 상기 증착된 실리콘 질화막 또는 실리콘 산화막 상에 실리콘과잉-산소질화막을 증착하는 단계를 포함하는 비휘발성 메모리 소자의 제조 방법.And depositing a silicon over-oxygen nitride film on the deposited silicon nitride film or silicon oxide film. 제 15 항에 있어서,The method of claim 15, 상기 실리콘과잉-산소질화막은 산소 함유 가스 및 질소 함유 가스 중 어느 하나 또는 이들 모두에 대한 실리콘 함유 가스의 분압비를 조절하여 형성되는 비휘발성 메모리 소자의 제조 방법.And the silicon over-oxygen nitride film is formed by adjusting the partial pressure ratio of the silicon-containing gas to any one or both of the oxygen-containing gas and the nitrogen-containing gas.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101150565B1 (en) * 2008-02-19 2012-06-11 가부시끼가이샤 도시바 Nonvolatile memory element and method of manufacturing the same
KR20190108619A (en) * 2012-07-01 2019-09-24 롱지튜드 플래쉬 메모리 솔루션즈 리미티드 Radical oxidation process for fabricating a nonvolatile charge trap memory device
US10593812B2 (en) 2007-05-25 2020-03-17 Longitude Flash Memory Solutions Ltd. Radical oxidation process for fabricating a nonvolatile charge trap memory device

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