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KR101149572B1 - Nonvolatile memory device with staggered tunnel barrier - Google Patents

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KR101149572B1
KR101149572B1 KR1020090050526A KR20090050526A KR101149572B1 KR 101149572 B1 KR101149572 B1 KR 101149572B1 KR 1020090050526 A KR1020090050526 A KR 1020090050526A KR 20090050526 A KR20090050526 A KR 20090050526A KR 101149572 B1 KR101149572 B1 KR 101149572B1
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광운대학교 산학협력단
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Abstract

높은 속도 특성과 오랜 데이터 보존 특성을 가지는 스태거 터널 배리어(staggered tunnel barrier) 절연막을 갖는 비휘발성 메모리 소자가 제공된다. 이 소자는 반도체 기판, 상기 기판 상에 형성된 소스 및 드레인 영역과 상기 소스 및 드레인 영역과 접촉하여 상기 반도체 기판 상에 형성된 게이트 구조체를 포함하며 상기 게이트 구조체는 실리콘 질화막(Si3N4)을 사용하며 4nm 이하 두께의 제 1 터널링 절연막, 상기 제 1 터널링 절연막 상에 하프늄 산화막(HfO2)을 5nm 이하 두께로 제 2 터널링 절연막을 적층시켜 스태거 터널 배리어(staggered tunnel barrier) 절연막으로 형성되고, 상기 스태거 터널 배리어 절연막 상에 형성된 전하 축적층, 상기 전하 축적층 상에 형성되는 블로킹 절연막, 및 상기 블로킹 절연막 상에 형성되면서 금속 재료를 이용한 게이트 전극층을 포함하는 것을 특징으로 한다. A nonvolatile memory device having a staggered tunnel barrier insulating film having high speed characteristics and long data retention characteristics is provided. The device includes a semiconductor substrate, a source and drain region formed on the substrate, and a gate structure formed on the semiconductor substrate in contact with the source and drain region, the gate structure using a silicon nitride film (Si 3 N 4 ), A first tunneling insulating film having a thickness of 4 nm or less and a second tunneling insulating film having a thickness of 5 nm or less of hafnium oxide (HfO 2 ) are stacked on the first tunneling insulating film to form a staggered tunnel barrier insulating film. A charge accumulation layer formed on the tagger tunnel barrier insulating film, a blocking insulating film formed on the charge accumulation layer, and a gate electrode layer formed of the metal material while being formed on the blocking insulating film.

비휘발성 메모리, 스태거 터널 배리어, 실리콘 질화막, 블로킹 절연막 Nonvolatile Memory, Stagger Tunnel Barrier, Silicon Nitride, Blocking Insulation

Description

스태거 터널 배리어를 가지는 비휘발성 메모리 소자{Nonvolatile memory device with staggered tunnel barrier}Nonvolatile memory device with staggered tunnel barrier

본 발명은 극박 스태거 터널 배리어(staggered tunnel barrier) 절연막을 가지는 비휘발성 메모리 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 좀더 상세하게는 전기적 정보의 읽기, 쓰기, 저장이 가능하고, 대용량/고집적 특징을 가지는 동시에 고속 기록/소거 동작이 가능한 반도체 제조에 관한 것으로서, 반도체 기판에 높은 유전상수를 갖는 고유전율(high-k) 유전막의 적층구조를 채용한 터널링 절연막을 갖는 메모리 소자에 관한 것이다. The present invention relates to a nonvolatile memory device having an ultra-thin staggered tunnel barrier insulating film and a method of manufacturing the same. More specifically, the present invention relates to a semiconductor fabrication capable of reading, writing, and storing electrical information, and having high-capacity and high-density features, and capable of high-speed write / erase operations, and having a high dielectric constant having a high dielectric constant on a semiconductor substrate. The present invention relates to a memory device having a tunneling insulating film employing a laminated structure of dielectric films.

본 발명은 지식경제부의 지원하에 광운대학교 산학협력단이 수행한 연구로부터 도출된 것이다. [과제고유번호 : 10029946, 과제명: 고신뢰성 TBE-NFGM 소자개발]The present invention is derived from a study performed by the Kwangwoon University Industry-Academic Cooperation Group with the support of the Ministry of Knowledge Economy. [Task unique number: 10029946, Title: Development of high reliability TBE-NFGM device]

반도체 메모리 소자는 데이터 저장 방식에 따라 휘발성 메모리 소자와 비휘발성 메모리 소자로 분류된다. 휘발성 메모리 소자는 전원 공급이 차단되면 저장된 데이터를 잃는다. 휘발성 메모리로는 DRAM(dynamic random access memory) 또는 SRAM(static random access memory) 등이 있다. 반면, 비휘발성 메모리 소자는 전 원이 공급되지 않는 상태에서도 데이터를 유지하는 특성을 가진다. 비휘발성 메모리 소자는 대표적으로 플래시 메모리 소자를 들 수 있다.Semiconductor memory devices are classified into volatile memory devices and nonvolatile memory devices according to data storage methods. Volatile memory devices lose their stored data when their power supplies are interrupted. Volatile memory includes dynamic random access memory (DRAM) or static random access memory (SRAM). On the other hand, the nonvolatile memory device retains data even when power is not supplied. Representative examples of the nonvolatile memory device include flash memory devices.

이러한 플래시(flash) 메모리는 휴대가 가능하도록 이동성이 요구되는 휴대폰 등의 개인용 통신 기기나, USB 메모리, MP3, PMP 등의 각종 소형 전자기기, 디지털 음성 기록기나 메모리 카드 등의 데이터 저장 장치로 널리 사용되고 있다. Such flash memory is widely used as a personal communication device such as a mobile phone that requires mobility to be portable, various small electronic devices such as USB memory, MP3, and PMP, and a data storage device such as a digital voice recorder or a memory card. have.

특히 휴대폰, MP3, 디지털 카메라, USB 메모리 등에 사용되고 있는 NAND(NOT-AND) 플래시 메모리는 DRAM(Dynamic Random Access Memory) 소자의 휘발성 동작의 단점을 해결한 대표적 비휘발성 메모리 소자이다. In particular, NAND (NOT-AND) flash memory, which is used in mobile phones, MP3s, digital cameras, and USB memories, is a representative nonvolatile memory device that solves a disadvantage of volatile operation of a DRAM (Dynamic Random Access Memory) device.

이렇게 플래시 메모리는 비휘발성 및 저전력 소모 특성으로 휴대기기의 주기억 소자로 사용되기 시작하였으며, 특히 DRAM 보다 우수한 집적도로 인해 디지털 가전제품 등의 대용량 저장매체로서 그 수요가 급속히 신장되고 있다. As such, flash memory has started to be used as a main memory device for portable devices due to its nonvolatile and low power consumption. In particular, the demand for flash memory is rapidly increasing as a mass storage medium such as digital home appliances due to its higher density than DRAM.

한편, 플래시 메모리 기술은 기술적으로 EPROM(Erasable-Programmable Read-Only Memory)과 EEPROM(Electrically Erasable-Programmable Read-Only Memory)의 장점 뿐 아니라, DRAM과 ROM(Read-Only Memory)의 장점을 모두 갖춘 메모리이다. 특히 DRAM과 ROM의 집적도를 능가하는 높은 집적도를 가지고, EPROM이나 DRAM 같이 필요에 따라 저장 내용을 다시 쓸 수 있으며, ROM과 EEPROM의 비휘발성을 동시에 가지고 있다. 현재 상용화되고 있는 NAND형 플래시 메모리는 집적도면에서 2기가 바이트 급이며, 저장하고 지우는 시간이 수십 us로 느리고, 10V 내지 20V의 높은 공급 전압에서 동작하는 특성을 나타낸다. Flash memory technology, on the other hand, is not only a technical advantage of EPROM (Erasable-Programmable Read-Only Memory) and EEPROM (Electrically Erasable-Programmable Read-Only Memory), but also a memory with both DRAM and Read-Only Memory (ROM). to be. In particular, it has a higher density than the density of DRAM and ROM, and can rewrite the storage contents as necessary, such as EPROM or DRAM, and has both non-volatile ROM and EEPROM. NAND-type flash memory, which is currently commercialized, is 2 gigabytes in density, has a slow storage and erase time of several tens of us, and operates at a high supply voltage of 10V to 20V.

현재의 플래시 메모리는 MOSFET(Metal-oxide semiconductor field effect transistor) 구조를 바탕으로 게이트 전극과 채널 사이에 산화막/부유 게이트(floating gate)/산화막을 삽입한 구조를 가진다. 이러한 플래시 메모리 소자의 동작 원리는 폴리실리콘으로 만들어진 부유 게이트에 전하의 주입 여부에 따라 트랜지스터의 문턱 전압의 변화를 이용한 것이다. Current flash memories have a structure in which an oxide film, a floating gate, and an oxide film are inserted between a gate electrode and a channel based on a metal-oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET) structure. The operation principle of such a flash memory device is to use a change in the threshold voltage of a transistor depending on whether or not charge is injected into a floating gate made of polysilicon.

통상적으로, 일단 비휘발성 메모리에 데이터가 쓰여지고 난 후 그 데이터를 유지하는 시간은 10년 이상이다. 이 기간 동안 부유 게이트에 전자를 저장하기 위해서는 터널링 산화막의 두께를 얇게 하는데 한계가 있다. 상기 플래시 메모리 소자의 현재 터널링 산화막의 두께는 7nm 내지 8nm로, 이는 부유 게이트에 직접 터널링으로 전자를 주입하거나 제거시킬 수 없는 두께이다. 따라서 속도 향상 및 저전력 동작을 위해서 부유 게이트에 전자를 주입 또는 제거하기 위해서 다른 방법을 이용하고 있다. Typically, once data has been written to a nonvolatile memory, the time to retain that data is more than 10 years. In order to store electrons in the floating gate during this period, there is a limit to thinning the thickness of the tunneling oxide film. The thickness of the current tunneling oxide layer of the flash memory device is 7 nm to 8 nm, which is a thickness that cannot inject or remove electrons by tunneling directly to the floating gate. Therefore, other methods are used to inject or remove electrons into the floating gate for speed improvement and low power operation.

대표적으로 비휘발성 메모리에 전자를 저장하거나 제거하기 위해서 직접 터널링이 아닌 CHE(Channel Hot-Electron) 주입 방식이나 F-N(Fowler-Nordheim) 터널링 방식이 이용되고 있다. 이러한 이유로 전자의 저장이나 제거하기 위해서 높은 동작 전압을 필요로 하고 있다. Typically, channel hot-electron (CHE) injection or Fowler-Nordheim (F-N) tunneling is used instead of direct tunneling to store or remove electrons in nonvolatile memory. For this reason, high operating voltages are required for the storage and removal of electrons.

현재의 플래시 메모리의 경우는 저장하고 지우는 전압이 10V 이상으로 CMOS(complementary metal-oxide-semiconductor) 구동 전압과 비교해 볼 때 매우 큰 편이다. 이는 고전압으로 인한 터널링 산화막 내의 결함이 발생되고 메모리 소자의 성능을 저하시키는 원인이 되고 있다. 따라서 플래시 메모리의 셀 크기가 작아질 경우 더욱 심각한 문제점이 발생할 것으로 예상하고 있다. Current flash memories have a storage and erase voltage of more than 10V, which is very large compared to complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) driving voltages. This causes defects in the tunneling oxide film due to the high voltage and causes the performance of the memory device to deteriorate. Therefore, it is expected that more serious problems will occur when the cell size of the flash memory becomes smaller.

또한 기존의 플래시 메모리는 폴리실리콘으로 이루어진 부유 게이트를 저장 전극으로 이용하기 때문에 고집적화 시 인접 게이트 사이에 간섭현상이 발생하며, 저장된 전하는 폴리실리콘을 통하여 자유롭게 이동할 수 있기 때문에 산화막에 결함이 존재하면 그를 통하여 저장된 전하가 모두 누설되는 단점을 가지고 있다. In addition, since the conventional flash memory uses a floating gate made of polysilicon as a storage electrode, interference occurs between adjacent gates when high integration, and stored charge can move freely through polysilicon, so that if there is a defect in the oxide film, The disadvantage is that all stored charges leak out.

도 1은 이러한 문제점을 해결하기 위해 제작된 전하트랩형 비휘발성 메모리인 SONOS(Silicon-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon) 형태의 전하트랩형 비휘발성 메모리 소자의 단면 구조를 나타낸다.1 illustrates a cross-sectional structure of a charge trapping nonvolatile memory device having a silicon-oxide-nitride-oxide-silicon (SONOS) type, which is a charge trapping nonvolatile memory manufactured to solve such a problem.

도 1을 참조하면, 반도체 채널 위에 실리콘 산화막으로 이루어진 터널링 절연막, 실리콘 질화막으로 이루어진 전하트랩층, 그리고 실리콘 산화막으로 이루어진 블로킹 절연막 및 폴리실리콘의 게이트 전극층이 순차적으로 적층된 구조를 가지고 있다. SONOS 형태의 전하트랩형 비휘발성 메모리는 40 nm이하 급의 부유 게이트(floating gate)메모리에서 발생하는 간섭문제를 제거하고, 불연속적인 트랩을 가지고 있어 메모리 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있지만, 다음과 같은 단점을 가진다. Referring to FIG. 1, a tunneling insulating film made of a silicon oxide film, a charge trap layer made of a silicon nitride film, a blocking insulating film made of a silicon oxide film, and a gate electrode layer of polysilicon are sequentially stacked on a semiconductor channel. SONOS-type charge trap type nonvolatile memory eliminates interference problems caused by floating gate memory below 40 nm and has discrete traps to improve the reliability of memory devices. Has its drawbacks.

첫번째로 단일 층의 실리콘 산화막으로 구성된 터널링 절연막은 동작 속도의 향상을 위하여 두께를 감소시킬 경우 직접 터널링(direct tunneling) 현상과 전기적 스트레스에 의한 누설 전류(stress induced leakage current) 현상이 증가하게 되어 비휘발성 메모리가 가져야 할 10년 이상의 데이터 보존 특성을 확보할 수 없다. 데이터 보존 특성을 달성하기 위하여 단일 층의 실리콘 산화막으로 구성된 터널링 절연막의 두께를 증가시키게 되면, 데이터 기록/소거 특성의 열화가 발생되는 단점이 있다. First, the tunneling insulating layer composed of a single layer of silicon oxide has a non-volatile property due to an increase in direct tunneling and stress induced leakage current when the thickness is reduced to improve the operation speed. It is not possible to secure the data retention characteristics of more than 10 years that memory should have. When the thickness of the tunneling insulating film composed of a single layer of silicon oxide film is increased to achieve data retention characteristics, there is a disadvantage in that deterioration of data recording / erasing characteristics occurs.

두번째로 실리콘 질화막으로 이루어진 전하트랩층은 공정온도가 높기 때문에 허용 공정 온도가 낮은 고유전막의 터널링 절연막 적용을 제한된다. Second, since the charge trap layer made of a silicon nitride film has a high process temperature, the application of the tunneling insulating film of the high dielectric film having a low allowable process temperature is limited.

세번째로 실리콘 산화막으로 이루어진 블로킹 절연막은 유전상수가 낮기 때문에 채널에 전하를 형성시키는 전압이 커서 메모리 소자의 저전압화 및 고속화를 방해한다. Third, since the blocking insulating layer made of the silicon oxide film has a low dielectric constant, the voltage for forming charge in the channel is high, which hinders the low voltage and high speed of the memory device.

네번째로 다결정 실리콘을 이용한 게이트 전극은 낮은 일함수를 가지고 있어서 데이터를 소거하기 위하여 실리콘 기판 측에서 주입시킨 정공이 제어 게이트에서 주입되는 전자에 의하여 상쇄되기 때문에 소거 속도가 느려지거나 완전히 소거되지 않는 문제점이 있다. Fourthly, the gate electrode using polycrystalline silicon has a low work function, and thus, since the holes injected from the silicon substrate side to cancel data are canceled by the electrons injected from the control gate, the erase speed may not be slowed or completely erased. have.

도 2는 단일 층의 터널링 절연막을 가지는 종래의 SONOS 형태의 전하 트랩형 비휘발성 메모리 소자의 구조를 나타낸 단면도이다. 2 is a cross-sectional view showing the structure of a conventional SONOS type charge trapping nonvolatile memory device having a single layer of tunneling insulating film.

도 3a는 도 2의 SONOS 메모리 소자의 A-A'방향으로의 단면 구조에 대한 열평형 상태에서의 에너지 밴드 다이어 그램을 나타낸다. FIG. 3A shows an energy band diagram in thermal equilibrium with respect to the cross-sectional structure in the A-A 'direction of the SONOS memory element of FIG. 2.

도 3a를 참조하면 전체 시스템에서 페르미 준위는 일정하기 때문에 일함수 차이에 의해 P형으로 도핑된 반도체 기판과 N형으로 도핑된 제어 게이트 전극의 에너지 밴드는 도시된 바와 같이 열평형 상태에서 휘어지게 된다. Referring to FIG. 3A, since the Fermi level is constant in the entire system, the energy bands of the semiconductor substrate doped with the P-type and the control gate electrode doped with the N-type are bent in the thermal equilibrium state as shown in FIG. .

도 3b를 참조하면, 소거모드에서 SONOS 메모리 소자의 제어게이트 전극에 비해 반도체 기판에 높은 전압이 인가된다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 외부 인가 전 압에 의해 열평형 상태는 깨어지게 되어 전극의 페르미 준위(Efn)가 반도체 기판의 페르미 준위 보다 높게 상승하고 터널링 절연막(22), 전하 트랩층(23), 블로킹 절연막(24)의 전도대의 형태가 변형된다. Referring to FIG. 3B, a high voltage is applied to the semiconductor substrate as compared to the control gate electrode of the SONOS memory device in the erase mode. As shown in FIG. 3B, the thermal equilibrium state is broken by an external applied voltage so that the Fermi level E fn of the electrode rises higher than the Fermi level of the semiconductor substrate, and the tunneling insulating layer 22 and the charge trap layer 23 are formed. ), The conduction band of the blocking insulating film 24 is deformed.

이러한 소거 동작 시 상기 전하 트랩층(23)의 내부에 저장된 전자들이 터널링 절연막(22)을 터널링하여 반도체 기판으로 주입되어 데이터 소거가 이루어진다. 그러나 정공의 주입이 용이하지 못하고, 폴리실리콘의 일함수가 낮기 때문에 전극으로부터 블로킹 절연막을 터널링하여 전자가 전하 트랩층으로 주입됨으로써 문턱전압을 낮추는데 오랜 시간이 소요되어 전체적으로 데이터 소거 시간이 길어지게 되는 문제점이 발생된다.In this erase operation, electrons stored in the charge trap layer 23 are tunneled through the tunneling insulating layer 22 and injected into the semiconductor substrate, thereby performing data erasing. However, since the hole injection is not easy and the work function of the polysilicon is low, the electron is injected into the charge trapping layer by tunneling the blocking insulating film from the electrode, so that it takes a long time to lower the threshold voltage, which results in a long data erasing time. Is generated.

이와 같은 문제점을 해결하고, 메모리 소자가 고집적화됨에 따라 비휘발성 메모리 소자의 빠른 기록/소거 동작과 10년 이상의 데이터 보존 특성을 동시에 확보하기 위하여 새로운 소자 구조 및 제조 공정 기술이 요구된다. As these problems are solved, and as the memory devices are highly integrated, new device structures and manufacturing process technologies are required to simultaneously secure fast write / erase operations and data retention characteristics of 10 years or more.

현재의 비휘발성 메모리의 경우는 저장하고 지우는 전압이 매우 큰 편이다. 이는 고전압으로 인한 터널링 산화막 내의 결함이 발생되고 메모리 소자의 성능을 저하시키는 원인이 되고 있다. 따라서 플래시 메모리의 셀 크기가 작아질 경우 더욱 심각한 문제점이 발생할 것으로 예상하고 있다. In current nonvolatile memory, the voltage stored and erased is very large. This causes defects in the tunneling oxide film due to the high voltage and causes the performance of the memory device to deteriorate. Therefore, it is expected that more serious problems will occur when the cell size of the flash memory becomes smaller.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 종래 비휘발성 메모리의 터널링 절연막의 재료 및 구조를 개선하여 기록/소거시 낮은 전압에서 빠른 속도를 가지며 데이터 보존 특성을 동시에 향상시킬 수 있는 비휘발성 메모리 소자 및 그 제조방법을In order to solve the above problems, by improving the material and structure of the tunneling insulating film of the conventional nonvolatile memory, a nonvolatile memory device having a high speed at a low voltage at the time of writing / erasing and simultaneously improving data retention characteristics and a manufacturing method thereof of

제공하는데 있다.To provide.

상기의 과제를 해결하기 위해 반도체 기판, 상기 기판 상에 형성된 소스 및 드레인 영역과 상기 소스 및 드레인 영역과 접촉하여 상기 반도체 기판 상에 형성된 게이트 구조체를 포함하는 반도체 메모리 소자에 있어서, 상기 게이트 구조체는 실리콘 질화막(Si3N4)을 사용하며 4nm 이하 두께의 제 1 터널링 절연막, 상기 제 1 터널링 절연막 상에 하프늄 산화막(HfO2)을 5nm 이하 두께로 제 2 터널링 절연막을 적층시켜 스태거 터널 배리어(staggered tunnel barrier) 절연막으로 형성되고, 상기 스태거 터널 배리어 절연막 상에 형성된 전하 축적층, 상기 전하 축적층 상에 형성되는 블로킹 절연막, 및 상기 블로킹 절연막 상에 형성되면서 금속 재료를 이 용한 게이트 전극층을 포함하는 것을 특징으로 하는 스태거 터널 배리어(staggered tunnel barrier)를 가지는 비휘발성 메모리 소자가 제공된다. In order to solve the above problems, a semiconductor memory device comprising a semiconductor substrate, a source and drain region formed on the substrate and a gate structure formed on the semiconductor substrate in contact with the source and drain regions, the gate structure is silicon nitride film (Si 3 N 4) to use, and by laminating a first tunnel insulating film, the first second tunnel insulating film of hafnium oxide (HfO 2) in the tunnel insulating film as 5nm or less thick than the thickness 4nm staggered tunnel barrier (staggered tunnel barrier) insulating film, the charge accumulation layer formed on the staggered tunnel barrier insulating film, a blocking insulating film formed on the charge accumulation layer, and a gate electrode layer formed on the blocking insulating film using a metal material Non-volatile with a staggered tunnel barrier characterized in that The memory device is provided.

상기의 또 다른 과제를 해결하기 위해 반도체 기판 상에 소스와 드레인을 형성하는 단계; 상기 기판 상에 소스와 드레인에 접촉하면서 4nm 이하 두께의 실리콘 질화막(Si3N4)으로 이루어진 제 1 터널링 절연막을 형성하는 단계; 상기 제 1 터널링 절연막 상에 5nm 이하 두께의 하프늄 산화막(HfO2)으로 이루어진 제 2 터널링 절연막을 적층시켜 상기 제 1 터널링 절연막과 제 2 터널링 절연막을 포함하는 스태거 터널 배리어 절연막을 형성하는 단계; 상기 스태거 터널 배리어 절연막 상에 전하 축적층을 형성하는 단계; 상기 전하 축적층 상에 블로킹 절연막을 형성하는 단계; 상기 블로킹 절연막 상에 금속 재료로 게이트 전극층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스태거 터널 배리어를 가지는 비휘발성 메모리 소자 제조방법이 제공된다. Forming a source and a drain on the semiconductor substrate to solve the above another problem; Forming a first tunneling insulating film made of a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) having a thickness of 4 nm or less while contacting a source and a drain on the substrate; Stacking a second tunneling insulating film including a hafnium oxide film (HfO 2 ) having a thickness of 5 nm or less on the first tunneling insulating film to form a staggered tunnel barrier insulating film including the first tunneling insulating film and the second tunneling insulating film; Forming a charge accumulation layer on the staggered tunnel barrier insulating film; Forming a blocking insulating layer on the charge accumulation layer; A method of manufacturing a nonvolatile memory device having a staggered tunnel barrier is provided, including forming a gate electrode layer on the blocking insulating layer using a metal material.

본 발명에 따른 스태거 터널 배리어 구조를 채택한 비휘발성 메모리를 통해 기록/소거 특성과 데이터 보존 특성을 동시에 향상시킬 수 있는 효과를 기대할 수 있다. The nonvolatile memory employing the staggered tunnel barrier structure according to the present invention can be expected to simultaneously improve the write / erase characteristics and the data retention characteristics.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 스태거 터널 배리어 구조를 채택한 비휘발성 메모리 소자 및 그 제조방법에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명 을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략될 것이다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 클라이언트나 운용자, 사용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. Hereinafter, a nonvolatile memory device employing a staggered tunnel barrier structure and a method of manufacturing the same will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description of the present invention, if it is determined that detailed descriptions of related well-known technologies or configurations may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description will be omitted. In addition, terms to be described below are terms defined in consideration of functions in the present invention, which may vary according to a client's or operator's intention or custom. Therefore, the definition should be based on the contents throughout this specification.

도 4는 본 발명에 따른 Si3N4와 HfO2를 이용한 극박 스태거 터널 배리어(staggered tunner barrier)를 가지는 비휘발성 메모리 소자의 구조를 나타낸 단면도이다.4 is a cross-sectional view illustrating a structure of a nonvolatile memory device having an ultra-thin staggered tunner barrier using Si 3 N 4 and HfO 2 according to the present invention.

기판(20) 상에 소스와 드레인(21)을 마련한 상태에서 그 위에 제 1 터널링 절연막(22), 제 2 터널링 절연막(23)이 순차적으로 형성된다. 제 1 터널링 절연막(22)과 제 2 터널링 절연막(23)의 두 박막이 스태거 터널 배리어(staggered tunnel barrier) 절연막(27)을 형성한다. In the state where the source and drain 21 are provided on the substrate 20, the first tunneling insulating film 22 and the second tunneling insulating film 23 are sequentially formed thereon. Two thin films of the first tunneling insulating film 22 and the second tunneling insulating film 23 form a staggered tunnel barrier insulating film 27.

이 스태거 터널 배리어 절연막(27) 상에 전하 축적층(24)이 형성되고 그 위에 블로킹 절연막(25)이 형성된다. 블로킹 절연막(25) 상으로는 금속 재료를 이용한 금속 게이트 전극층(26)이 형성된다. 본 명세서 전반에 걸쳐 금속 게이트는 제어 게이트와 혼용되어 사용될 것이다. The charge accumulation layer 24 is formed on the staggered tunnel barrier insulating film 27, and the blocking insulating film 25 is formed thereon. A metal gate electrode layer 26 using a metal material is formed on the blocking insulating film 25. Throughout this specification, metal gates will be used interchangeably with control gates.

실리콘 기판 상에 도핑된 실리콘 박막에 의하여 형성되는 소스와 드레인은 미세 소자에서 요구되는 매우 얕은 접합 형성을 용이하게 한다. Sources and drains formed by thin silicon films doped on silicon substrates facilitate the formation of the very shallow junctions required in microdevices.

반도체 기판(20) 위에 전도대의 에너지 준위와 가전자대의 에너지 준위가 다 르며 유전율이 다른 제 1 터널링 절연막과 제 2 터널링 절연막을 적층한 도 4와 같은 스태거 터널 배리어 절연막(27)을 형성한 소자는 전계의 민감도가 향상되며 전자와 정공의 유효 터널링 두께를 감소시킨다. 따라서 낮은 게이트 전압에서도 빠른 기록/소거 속도를 확보할 수 있으며 잦은 기록/소거 동작에도 터널링 절연막에 인가되는 스트레스의 감소로 인해 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. A device in which a staggered tunnel barrier insulating film 27 as shown in FIG. 4 is formed on the semiconductor substrate 20 by stacking a first tunneling insulating film and a second tunneling insulating film having different permittivity and conduction band energy levels, and having different dielectric constants. Improves the sensitivity of the electric field and reduces the effective tunneling thickness of electrons and holes. Therefore, a fast write / erase speed can be obtained even at a low gate voltage, and the reliability of the device can be improved due to the reduction of stress applied to the tunneling insulating layer even during frequent write / erase operations.

극박 스태거 터널 배리어(staggered tunnel barrier) 절연막(27)과 종래의 단층 터널링 절연막이 같은 전기적 두께임에도 극박 스태거 터널 배리어(staggered tunnel barrier) 절연막(27)의 물리적 두께는 증가된다. 터널링 절연막의 물리적 두께가 증가한다는 것은 누설전류의 감소를 의미하며 이로 인해 데이터 보존 특성의 향상을 얻을 수 있다. 본 명세서에 걸쳐 극박 스태거 터널 배리어 절연막과 터널링 절연막이 동일한 막을 지칭하도록 사용된다. Although the ultra thin staggered tunnel barrier insulating film 27 and the conventional single layer tunneling insulating film are the same electrical thickness, the physical thickness of the ultra thin staggered tunnel barrier insulating film 27 is increased. Increasing the physical thickness of the tunneling insulating layer means a reduction of the leakage current, thereby improving data retention characteristics. Throughout this specification, ultra-thin staggered tunnel barrier insulating film and tunneling insulating film are used to refer to the same film.

상기 극박 스태거 터널 배리어(staggered tunnel barrier) 절연막(27)상에는 전하 축적층(24)이 형성된다. 전하 축적층(24)은 폴리실리콘을 이용한 부유 게이트, 금속, 반도체 또는 산화물 나노결정을 가지는 나노 부유 게이트, 또는 HfO2, ZrO2 및 Si3N4 중 적어도 하나를 포함하는 전하 트랩층 중 적어도 어느 하나를 포함하여 형성될 수 있다. The charge accumulation layer 24 is formed on the ultra-thin staggered tunnel barrier insulating layer 27. The charge accumulation layer 24 may include at least one of a floating gate using polysilicon, a nano floating gate having a metal, semiconductor, or oxide nanocrystal, or at least one of HfO 2 , ZrO 2, and Si 3 N 4 . It can be formed including one.

이러한 나노 결정 부유 게이트 또는 전하 트랩층은 터널링 절연막(27)을 통과한 전자의 트랩에 의해 데이터 기록 및 정공 트랩에 의한 데이터 소거 기능을 가지며, 제어 게이트의 전계가 채널 및 터널링 절연막에 효과적으로 인가되게 한다.The nanocrystalline floating gate or charge trap layer has a function of data writing and data erasing by hole traps by trapping electrons passing through the tunneling insulating layer 27, and enables the electric field of the control gate to be effectively applied to the channel and the tunneling insulating layer. .

상기 나노 결정 부유 게이트 또는 전하 트랩층 상에 형성된 높은 유전율과 큰 밴드갭을 가지는 블로킹 절연막(25)은 상기의 전하 축적층에 포획된 전자가 제어 게이트로 빠져 나가는 것을 방지하며, 나노 결정 부유 게이트 또는 전하 또는 전하 트랩층에 갇히도록 전계우물을 형성함으로써 데이터 보존 특성을 향상시키는 기능을 한다. 또한, 제어 게이트의 전계가 채널 및 터널링 절연막에 효과적으로 인가되도록 한다.The blocking dielectric layer 25 having a high dielectric constant and a large band gap formed on the nanocrystalline floating gate or the charge trap layer prevents electrons trapped in the charge accumulation layer from escaping to the control gate, and the nanocrystalline floating gate or By forming the electric field well so as to be trapped in the charge or charge trap layer, it functions to improve data retention characteristics. In addition, the electric field of the control gate is effectively applied to the channel and the tunneling insulating film.

상기 블로킹 절연막(25) 상에 형성된 게이트 전극층(26)은 전압을 인가하여 소자를 동작시키는 역할을 한다.The gate electrode layer 26 formed on the blocking insulating layer 25 applies a voltage to operate the device.

본 발명의 실시 예에 의한 스태거 터널 배리어(staggered tunnel barrier)는 다양한 비휘발성 메모리 소자에 적용될 수 있다.The staggered tunnel barrier according to an embodiment of the present invention may be applied to various nonvolatile memory devices.

전하트랩형의 비휘발성 메모리 소자의 경우에는 터널링 절연막(27)이 종래의 단층 절연막대신 적용될 수 있다. 또한, 기존의 폴리실리콘을 이용한 부유 게이트나 나노결정을 이용한 부유 게이트의 비휘발성 메모리 소자 구조에서도 터널링 절연막으로 적용될 수 있다. In the case of the charge trap type nonvolatile memory device, the tunneling insulating film 27 may be applied instead of the conventional single layer insulating film. In addition, the non-volatile memory device structure of the conventional floating gate using polysilicon or the floating gate using nanocrystals may be applied as a tunneling insulating layer.

비휘발성 메모리 소자에서 터널링 절연막은 크게 두 가지 조건을 만족하여야 한다. 첫 번째로, 기존의 SiO2 단층 터널링 절연막보다 전계에 민감하여 기록/소거 특성이 향상되어야 한다. 두 번째로, 터널링 절연막에 전자나 정공의 트랩을 억제하여 터널링 절연막에 의한 메모리 효과가 최소화되어야 한다. In the nonvolatile memory device, the tunneling insulating layer must satisfy two conditions. Firstly, the recording / erasing characteristics should be improved because they are more sensitive to electric fields than conventional SiO 2 single layer tunneling insulating films. Second, the memory effect by the tunneling insulating film should be minimized by suppressing trapping of electrons or holes in the tunneling insulating film.

상기 터널링 절연막(27)을 형성하였을 경우 실험을 통해 두께에 따른 트랩 특성을 확인하였고, 또한 시뮬레이션을 통해 에너지 밴드 다이어그램과 소자의 기록/소거 동작 시의 I-V( current-voltage) 특성을 확인하였다.When the tunneling insulating layer 27 was formed, the trap characteristic according to the thickness was confirmed through experiments, and the energy band diagram and the current-voltage (I-V) characteristic during the write / erase operation of the device were confirmed through the simulation.

도 5는 본 발명에 따른 스태거 터널 배리어(staggled tunnel barrier) 절연막을 채용한 비휘발성 반도체 소자의 실험과 시뮬레이션을 위한 소자의 단면도이다. 5 is a cross-sectional view of a device for experiment and simulation of a nonvolatile semiconductor device employing a staggled tunnel barrier insulating film according to the present invention.

상기의 실리콘 반도체 기판(30)위에 제 1 터널링 절연막(31)과 제 2 터널링 절연막(32)을 차례로 형성한 후, 제 2 터널링 절연막 상부에 게이트 전극(33)을 형성하였다.After the first tunneling insulating layer 31 and the second tunneling insulating layer 32 were sequentially formed on the silicon semiconductor substrate 30, the gate electrode 33 was formed on the second tunneling insulating layer 30.

도 6a는 본 발명에 따른 도 5의 소자구조에서 실험적으로 얻어진 Si3N4의 두께에 따른 C-V 히스테리시스 곡선을 나타내고 있다.6A illustrates a CV hysteresis curve according to the thickness of Si 3 N 4 experimentally obtained in the device structure of FIG. 5 according to the present invention.

도 6a를 참조하면, 전극에 인가되는 전압을 -1.2V ~ +1.2V로 변화시켰을 때 플랫밴드 전압의 변화량을 볼 수 있다. 제 1 터널링 절연막(31)은 SiO2를 열산화막 방법으로 2 nm 두께로 형성하였고, Si3N4 는 LPCVD(low pressure chemical vapor deposition)방법으로 증착하였다. Referring to FIG. 6A, when the voltage applied to the electrode is changed from -1.2 V to +1.2 V, the change amount of the flat band voltage can be seen. The first tunneling insulating layer 31 was formed of SiO 2 to a thickness of 2 nm by a thermal oxide film method, and Si 3 N 4 was deposited by a low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) method.

Si3N4 두께는 6.7 nm, 6 nm, 5 nm, 4 nm 로 Si3N4 두께가 5 nm에서 4 nm로 감소하면서 플랫밴드 전압 간격이 크게 감소하는 것을 볼 수 있다. 이를 통해 Si3N4 두께가 5 nm에서 4 nm로 감소하면서 전하의 트랩량이 급격히 감소하는 것을 알 수 있으며, 3 nm이하에서는 터널 배리어(tunnel barrier)에 의한 전하 트랩의 영향이 없음을 알 수 있다. The Si 3 N 4 thickness is 6.7 nm, 6 nm, 5 nm, and 4 nm, and the Si 3 N 4 thickness decreases from 5 nm to 4 nm, and the flat band voltage spacing is greatly reduced. Through this, it can be seen that the trap amount of charge decreases rapidly as the thickness of Si 3 N 4 decreases from 5 nm to 4 nm, and below 3 nm, there is no influence of the charge trap due to the tunnel barrier. .

도 6b는 본 발명의 따른 도 5의 소자구조에서 실험적으로 얻어진 HfO2의 두께에 따른 C-V 히스테리시스 곡선을 나타낸다.Figure 6b shows the CV hysteresis curve according to the thickness of HfO 2 experimentally obtained in the device structure of Figure 5 according to the present invention.

도 6b를 참조하면, 전극에 인가되는 전압을 -5 V ~+5 V, +5 V~ -5 V로 변화시켰을 때 플랫밴드 전압의 변화량을 볼 수 있다. 제 1 터널링 절연막(31)은 SiO2를 열산화막 방법으로 2 nm 두께로 형성하였고, HfO2 두께는 17.9 nm, 11.6 nm, 4.3 nm 로 각각 ALD(atomic layer deposition) 방법으로 증착하였다. 상기의 Si3N4와 마찬가지로 두께가 감소함에 따라 플랫밴드 전압 간격이 감소하는 것을 볼 수 있으며, 특히 HfO2의 두께가 5 nm 이하일 때는 플랫밴드 전압의 변화량이 크게 감소하는 것을 확인 할 수 있다. 따라서, HfO2막의 경우에도 Si3N4와 마찬가지로 두께의 감소에 따라 트랩량이 급격이 감소함을 알 수 있다.Referring to FIG. 6B, when the voltage applied to the electrode is changed from -5 V to +5 V and +5 V to -5 V, the variation in the flat band voltage can be seen. The first tunneling insulating layer 31 was formed by SiO 2 to a thickness of 2 nm by a thermal oxide film method, HfO 2 thickness was deposited by ALD (atomic layer deposition) method of 17.9 nm, 11.6 nm, 4.3 nm. Similar to Si 3 N 4 , as the thickness decreases, the flat band voltage interval decreases. In particular, when the thickness of HfO 2 is 5 nm or less, it can be seen that the amount of change in the flat band voltage is greatly reduced. Therefore, in the case of the HfO 2 film, as in Si 3 N 4 , it can be seen that the trap amount decreases rapidly as the thickness decreases.

도 7a는 본 발명에 따른 도 5의 소자 구조에서 시뮬레이션을 통한 기록 동작에서의 에너지 밴드다이어그램을 나타내고 있다. 도 7a를 참조하면, 점선은 SiO2 단층 터널링 절연막을 나타내고 실선은 Si3N4와 HfO2가 적층된 본 발명에 따른 극박 스태거 터널 배리어(staggered tunnel barrier) 절연막이다.FIG. 7A shows an energy band diagram in a write operation through simulation in the device structure of FIG. 5 according to the present invention. Referring to FIG. 7A, a dotted line represents an SiO 2 single layer tunneling insulating film and a solid line is an ultra-thin staggered tunnel barrier insulating film according to the present invention in which Si 3 N 4 and HfO 2 are stacked.

이 경우 전극에 같은 전압을 인가하였을 때 기록 동작에서의 에너지 밴드 다이어그램을 나타내고 있다. SiO2 단층 터널링 절연막 보다 극박 스태거 터널 배리 어(staggered tunnel barrier) 절연막이 전자가 터널링 되는 유효두께가 더 얇아져 더 큰 전류가 흐름을 예상할 수 있다.In this case, the energy band diagram in the write operation when the same voltage is applied to the electrode is shown. The thinner staggered tunnel barrier insulating film than the SiO 2 single layer tunneling insulating film has a thinner effective thickness at which electrons are tunneled, so that a larger current flow can be expected.

도 7b는 본 발명에 따른 도 5의 소자 구조를 시뮬레이션을 통한 소거 동작 시의 에너지 밴드다이어그램을 나타내고 있다. FIG. 7B illustrates an energy band diagram of an erase operation by simulating the device structure of FIG. 5 according to the present invention.

도 7b를 참조하면, 도 7a에서와 마찬가지로 점선은 SiO2 단층 터널링 절연막Referring to FIG. 7B, the dotted line as in FIG. 7A is a SiO 2 single layer tunneling insulating layer.

이며 실선은 Si3N4와 HfO2가 적층된 극박 스태거 터널 배리어(staggered tunnel barrier) 절연막이다. The solid line is an ultra-thin staggered tunnel barrier insulating film in which Si 3 N 4 and HfO 2 are stacked.

이 경우 게이트에 같은 전압을 인가하였을 때 소거 동작에서의 에너지 밴드 다이어그램을 나타내고 있다. SiO2 단층 터널링 절연막 보다 극박 스태거 터널 배리어(staggered tunnel barrier) 절연막에서 정공(hole)이 터널링 되는 유효두께가 더 얇아져 더 큰 전류가 흐름을 예상할 수 있다.In this case, the energy band diagram in the erase operation when the same voltage is applied to the gate is shown. In the ultra-thin staggered tunnel barrier insulating film than the SiO 2 single-layer tunneling insulating film, the effective thickness of the holes (tuned) is thinner can be expected to flow a larger current.

도 7a와 도 7b를 통해 동일한 두께에서 SiO2 단층 터널링 절연막 보다 극박 스태거 터널 배리어(staggered tunnel barrier) 절연막이 같은 전압에서 터널링 전류의 민감도가 증가된다는 것을 확인할 수 있다.7A and 7B, it can be seen that the ultra-thin staggered tunnel barrier insulating film has an increased sensitivity of the tunneling current at the same voltage than the SiO 2 single-layer tunneling insulating film at the same thickness.

도 8은 본 발명에 따른 도 5의 소자 구조에서 터널링 절연막(40)의 물리적 두께(POT: physical oxide thickness)를 5 nm로 하여 I-V 특성을 시뮬레이션한 결과이다. 계산에 사용된 절연막의 두께는 각각 Si3N4/HfO2=1 nm/4 nm, Si3N4/HfO2=2 nm/3 nm, Si3N4/HfO2=3 nm/2 nm로 하였다. 또한, 극박 스태거 터널 배리 어(staggered tunnel barrier) 절연막(40)과의 비교를 위해 5 nm의 단층 SiO2에 대해서도 I-V 특성을 시뮬레이션하였다. FIG. 8 illustrates simulation results of IV characteristics by setting a physical oxide thickness (POT) of the tunneling insulating layer 40 to 5 nm in the device structure of FIG. 5 according to the present invention. The thickness of the insulating film used in the calculation was Si 3 N 4 / HfO 2 = 1 nm / 4 nm, Si 3 N 4 / HfO 2 = 2 nm / 3 nm, and Si 3 N 4 / HfO 2 = 3 nm / 2 nm It was set as. In addition, IV characteristics were simulated for 5 nm single layer SiO 2 for comparison with the ultra-thin staggered tunnel barrier insulating film 40.

상기의 시뮬레이션에서 기록(program) 동작은 0 V에서 +10 V에 이르는 전압을 인가하였을 경우 전자 전류의 변화량을 나타내며, 소거(erase) 동작은 0 V에서 -10 V에 이르는 전압을 인가하였을 경우에 정공 전류의 변화량을 나타낸다. In the above simulation, the program operation indicates the amount of change in electron current when a voltage from 0 V to +10 V is applied, and the erase operation when a voltage from 0 V to -10 V is applied. The amount of change in hole current is shown.

시뮬레이션 결과, 동일한 물리적 두께에서 극박 스태거 터널 배리어(staggered tunnel barrier) 절연막(40)이 단층의 SiO2 터널링 절연막 보다 같은 전압에서 매우 큰 전류가 흐름을 알 수 있고 특히, 소거 모드시에 전류의 차이는 더 크다는 것을 알 수 있다. Simulation results show that the ultra-thin staggered tunnel barrier insulating film 40 at the same physical thickness has a much larger current flow at the same voltage than the single-layer SiO 2 tunneling insulating film. It can be seen that is larger.

또한 Si3N4(31)의 두께가 감소하고 HfO2(32)의 두께가 증가할 경우 높은 전압에서 더 큰 전류량을 확인할 수 있었다. 결국 이를 통해서 단층의 SiO2 터널링 절연막보다 극박 스태거 터널 배리어(staggered tunnel barrier) 절연막을 형성하면 기록/소거의 전압은 낮추고 동작 속도는 보다 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.In addition, when the thickness of Si 3 N 4 (31) decreases and the thickness of HfO 2 (32) increases, a larger amount of current can be confirmed at high voltage. As a result, when the ultra-thin staggered tunnel barrier insulating film is formed than the single layer SiO 2 tunneling insulating film, it can be seen that the write / erase voltage can be lowered and the operation speed can be further improved.

도 9는 본 발명에 따른 도 5의 소자 구조에서 터널링 절연막(40)의 전기적 두께(EOT: equivalent oxide thickness)가 1.5 nm인 경우에 대해서 시뮬레이션한 I-V 특성 그래프이다. FIG. 9 is a graph illustrating simulated I-V characteristics of a case where an equivalent oxide thickness (EOT) of the tunneling insulating layer 40 is 1.5 nm in the device structure of FIG. 5 according to the present invention.

계산에 사용된 각 절연막의 두께는 Si3N4/HfO2=2 nm/4 nm, Si3N4/HfO2=3 nm/1 nm로 두었다. 또한, 극박 스태거 터널 배리어(staggered tunnel barrier) 절연 막(40)과 비교를 위해 1.5 nm 두께의 단층 SiO2에 대해서 I-V 특성을 시뮬레이션 하였다.The thickness of each insulating film used for the calculation was set to Si 3 N 4 / HfO 2 = 2 nm / 4 nm and Si 3 N 4 / HfO 2 = 3 nm / 1 nm. In addition, IV characteristics were simulated for a single layer SiO 2 having a thickness of 1.5 nm for comparison with the ultra-thin staggered tunnel barrier insulating film 40.

시뮬레이션 결과, 기록(program) 동작 시 높은 전압에서 비슷한 전류량을 볼 수 있지만 낮은 전압에서는 단층의 SiO2 터널링 절연막에서 더 큰 전류량을 나타냄을 알 수 있다. 소거(erase) 동작 시에는 극박 스태거 터널 배리어(staggered tunnel barrier) 절연막(40)은 높은 전압에서 큰 전류량을, 낮은 전압에서는 작은 전류량을 나타냄을 알 수 있다.Simulation results show that similar currents can be seen at high voltages during program operation, but at higher voltages, higher currents can be seen in single-layer SiO 2 tunneling insulating films. In the erase operation, it can be seen that the ultra-thin staggered tunnel barrier insulating film 40 shows a large amount of current at a high voltage and a small amount of current at a low voltage.

또한, 물리적 두께(POT)가 가장 두꺼운 Si3N4(31)를 2 nm, HfO2(32)를 4 nm 증착한 소자가 낮은 전압에서는 작은 전류량이, 높은 전압에서는 큰 전류량을 나타냈다. 이와 같은 결과는 낮은 전압에서 작은 전류량은 누설전류(leakage current)의 감소를 의미하고, 높은 전압에서 큰 전류량은 기록/소거 특성의 향상을 의미한다.In the physical thickness (POT) is thickest Si 3 N 4 deposited by the device 31 to 2 nm, HfO 2 (32) 4 nm This small amount of current low voltage, the high voltage showed a large amount of current. This result indicates that a small amount of current at a low voltage means a decrease in leakage current, and a large amount of a current at a high voltage means an improvement in write / erase characteristics.

도 10은 본 발명에 따른 도 5의 소자 구조에서 HfO2(32)의 두께를 3 nm로 고정하고 Si3N4(31)를 1 nm, 2 nm, 3 nm로 각각 증착하여 I-V특성을 시뮬레이션한 결과를 나타내는 그래프이다. FIG. 10 illustrates IV characteristics by fixing the thickness of HfO 2 (32) to 3 nm and depositing Si 3 N 4 (31) to 1 nm, 2 nm, and 3 nm in the device structure of FIG. 5 according to the present invention. A graph showing one result.

시뮬레이션 결과 Si3N4(31)의 두께가 감소할수록 높은 전압에서 큰 전류량을 나타냈고 낮은 전압에서는 비슷한 전류량을 보였다.Simulation results showed that as the thickness of Si 3 N 4 (31) decreased, a large amount of current was shown at a high voltage and a similar amount of current was shown at a low voltage.

도 11은 본 발명에 따른 도 5의 소자 구조에서 Si3N4(31)의 두께를 2 nm로 고정하고 HfO2(32)를 1 nm, 3 nm, 5 nm 각각 증착하여 I-V특성을 시뮬레이션한 결과를 나타내는 그래프이다. FIG. 11 illustrates IV characteristics by fixing the thickness of Si 3 N 4 (31) to 2 nm and depositing HfO 2 (1), 1 nm, 3 nm, and 5 nm in the device structure of FIG. 5 according to the present invention. A graph showing the results.

시뮬레이션 결과 HfO2(32)의 두께가 증가할수록 낮은 전압에서 낮은 전류량을 나타냈고 높은 전압에서는 비슷한 전류량을 보였다.Simulation results showed that as the thickness of HfO 2 (32) was increased, the current was lower at low voltage and similarly at high voltage.

이상의 시뮬레이션 결과를 통해, 본 발명에서와 같이 터널링 절연막을 단층의 SiO2 가 아닌 적층된 고유전율(high-k) 유전막으로 형성함으로써, 낮은 전압에서는 작은 전류량이, 높은 전압에서는 큰 전류량이 흐르는 것을 확인하였다. 이를 통해 누설전류를 감소시켜 데이터 보존 특성을 향상 시킬 수 있으며 동시에 기록/소거 특성을 향상을 이룰 수 있게 한다. 또한 터널링 절연막의 두께에 따라 비휘발성 메모리 소자의 특성을 최적화 할 수 있다.As a result of the simulation results, as in the present invention, the tunneling insulating film is formed of a laminated high-k dielectric film instead of a single layer of SiO 2 , thereby confirming that a small amount of current flows at a low voltage and a large amount of current flows at a high voltage. It was. This reduces leakage current and improves data retention while simultaneously improving write / erase characteristics. In addition, the characteristics of the nonvolatile memory device may be optimized according to the thickness of the tunneling insulating layer.

도 12는 본 발명에 따른 스태거 터널 배리어 절연막을 채용한 비휘발성 메모리 소자를 제조하는 방법을 상세히 기술한 흐름도이다. 도 4를 참조하면 이해하기가 용이하므로 도 4를 참조하여 도 12에 따른 소자 제조 방법을 기술한다. 12 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a nonvolatile memory device employing a staggered tunnel barrier insulating film according to the present invention in detail. Referring to FIG. 4, the device manufacturing method according to FIG. 12 will be described with reference to FIG. 4.

먼저 반도체 기판(20) 상에 소스와 드레인(21)을 형성한다(1210).First, a source and a drain 21 are formed on the semiconductor substrate 20 (1210).

소스와 드레인(21)과 접촉하면서 상기 반도체 기판 상에 실리콘 질화막( Si3N4)으로 이루어진 제 1 터널링 절연막(22)을 형성한다(1220). The first tunneling insulating layer 22 made of a silicon nitride film Si 3 N 4 is formed on the semiconductor substrate while being in contact with the source and drain 21 (1220).

제 1 터널링 절연막(22) 상에 5nm 이하 두께의 하프늄 산화막(HfO2)으로 이루어진 제 2 터널링 절연막(23)을 적층시켜 상기 제 1 터널링 절연막과 제 2 터널 링 절연막을 포함하는 스태거 터널 배리어 절연막(27)을 형성한다(1230).A staggered tunnel barrier insulating film including the first tunneling insulating film and the second tunneling insulating film by stacking a second tunneling insulating film 23 including a hafnium oxide film HfO 2 having a thickness of 5 nm or less on the first tunneling insulating film 22. (27) is formed (1230).

제 2 터널링 절연막은 하프늄 산화막(HfO2) 대신에 ZrO2, HfSiOx, ZrSiOx, La2O3로 이루어진 물질 중 적어도 어느 하나를 포함하여 형성될 수도 있다.The second tunneling insulating layer may include at least one of materials consisting of ZrO 2 , HfSiOx, ZrSiOx, and La 2 O 3 instead of the hafnium oxide layer HfO 2 .

스태거 터널 배리어 절연막(27) 상에 전하 축적층(24)을 형성한다(1240). 이러한 전하 축적층은 폴리실리콘을 이용한 부유 게이트, 금속, 반도체 또는 산화물 나노결정을 가지는 나노 부유 게이트, 또는 HfO2, ZrO2 및 Si3N4 중 적어도 하나를 포함하는 전하 트랩층 중 적어도 어느 하나를 포함하여 형성하는 것을 특징으로 한다. The charge accumulation layer 24 is formed on the staggered tunnel barrier insulating layer 27 (1240). The charge accumulation layer may include at least one of a floating gate using polysilicon, a nano floating gate having a metal, semiconductor, or oxide nanocrystal, or at least one of HfO 2 , ZrO 2, and Si 3 N 4 . It is characterized by including the.

전하 축적층을 형성할 때는 ALD(Atomic Layer Deposition) 방법을 통해 전하 축적층을 형성할 수 있다. When the charge accumulation layer is formed, the charge accumulation layer may be formed through an atomic layer deposition (ALD) method.

다음은 상기 전하 축적층(24) 상에 블로킹 절연막(25)을 형성한다(1250). Next, a blocking insulating layer 25 is formed on the charge accumulation layer 24 (1250).

마지막으로 블로킹 절연막(25) 상에 금속 재료로 된 게이트 전극층(26)을 형성하는 단계(1260)를 포함하여 스태거 터널 배리어를 가지는 비휘발성 메모리 소자를 제조할 수 있다. Finally, forming a gate electrode layer 26 made of a metal material on the blocking insulating layer 25 may include manufacturing a nonvolatile memory device having a staggered tunnel barrier.

또한 상기 비휘발성 메모리 소자를 수소가 함유된 가운데 300 ℃ 내지 500 ℃의 온도로 열처리를 하는 공정(도시되지 않음)을 더 포함하는 것이 바람직하다. In addition, the nonvolatile memory device may further include a step (not shown) of performing heat treatment at a temperature of 300 ° C. to 500 ° C. in the presence of hydrogen.

이상 극박 스태거 터널 배리어 절연막을 채용한 비휘발성 메모리 소자에 대하여 설명하였다. 본 발명에 따른 극박 스태거 터널 배리어 절연막을 채용한 비휘발성 메모리 소자에서는 터널링 절연막과 전하축적층 및 블로킹 절연막의 재료 및 구조를 개선하였고, 이에 따라 기록/소거 특성과 데이터 보존 특성을 동시에 향상시킬 수 있다. 본 발명에 따라 저전력 및 고속 동작이 필요한 고성능, 극소 채널을 가지는 고집적 메모리를 제작할 수 있다. The nonvolatile memory device employing the ultra-thin staggered tunnel barrier insulating film has been described above. In the nonvolatile memory device employing the ultra-thin staggered tunnel barrier insulating film according to the present invention, the materials and structures of the tunneling insulating film, the charge storage layer and the blocking insulating film have been improved, and thus the write / erase characteristics and the data retention characteristics can be simultaneously improved. have. According to the present invention, it is possible to fabricate a high-density memory having a high performance and very small channel that requires low power and high speed operation.

이상과 같이 본 발명은 양호한 실시예에 근거하여 설명하였지만, 이러한 실시예는 이 발명을 제한하려는 것이 아니라 예시하려는 것이므로, 본 발명이 속하는 기술분야의 숙련자라면 이 발명의 기술사상을 벗어남이 없이 위 실시예에 대한 다양한 변화나 변경 또는 조절이 가능할 것이다. 그러므로, 이 발명의 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 한정될 것이며, 변화예나 변경예 또는 조절예를 모두 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다. As described above, the present invention has been described based on the preferred embodiments, but these embodiments are intended to illustrate the present invention, not to limit the present invention, so that those skilled in the art to which the present invention pertains can practice the above without departing from the technical spirit of the present invention. Various changes, modifications or adjustments to the example will be possible. Therefore, the protection scope of this invention will be limited only by the appended claims, and should be construed as including all changes, modifications or adjustments.

도 1은 종래기술에 의한 SONOS(Silicon-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon) 형태의 전하 트랩형 비휘발성 메모리 소자의 구조의 단면도이다. 1 is a cross-sectional view of a structure of a charge trapping nonvolatile memory device having a silicon-oxide-nitride-oxide-silicon (SONOS) type according to the prior art.

도 2는 단일 층의 터널링 절연막을 가지는 종래의 SONOS 형태의 전하 트랩형 비휘발성 메모리 소자의 구조를 나타낸 단면도이다. 2 is a cross-sectional view showing the structure of a conventional SONOS type charge trapping nonvolatile memory device having a single layer of tunneling insulating film.

도 3은 도 2의 SONOS 메모리 소자의 A-A'방향으로의 단면 구조에 대한 열평형 상태에서의 에너지 밴드 다이어 그램이다. 3 is an energy band diagram in thermal equilibrium with respect to the cross-sectional structure in the A-A 'direction of the SONOS memory device of FIG.

도 4는 본 발명에 따른 Si3N4와 HfO2를 이용한 극박 스태거 터널 배리어(staggered tunner barrier)를 가지는 비휘발성 메모리 소자의 구조를 나타낸 단면도이다.4 is a cross-sectional view illustrating a structure of a nonvolatile memory device having an ultra-thin staggered tunner barrier using Si 3 N 4 and HfO 2 according to the present invention.

도 5는 본 발명에 따른 스태거 터널 배리어(staggled tunnel barrier) 절연막을 채용한 비휘발성 반도체 소자의 실험과 시뮬레이션을 위한 소자구조의 단면도이다. FIG. 5 is a cross-sectional view of a device structure for experiment and simulation of a nonvolatile semiconductor device employing a staggered tunnel barrier insulating film according to the present invention.

도 6a는 본 발명에 따른 도 5의 소자구조에서 실험적으로 얻어진 Si3N4의 두께에 따른 C-V 히스테리시스 곡선 그래프이다.FIG. 6A is a graph of a CV hysteresis curve according to the thickness of Si 3 N 4 experimentally obtained in the device structure of FIG. 5 according to the present invention. FIG.

도 6b는 본 발명에 따른 도 5의 소자구조에서 실험적으로 얻어진 HfO2의 두께에 따른 C-V 히스테리시스 곡선을 그래프이다.FIG. 6B is a graph showing a CV hysteresis curve according to the thickness of HfO 2 experimentally obtained in the device structure of FIG. 5 according to the present invention. FIG.

도 7a는 본 발명에 따른 도 5의 소자 구조에서 시뮬레이션을 통한 기록 동작에서의 에너지 밴드다이어그램을 나타낸다.FIG. 7A shows an energy band diagram in a write operation through simulation in the device structure of FIG. 5 in accordance with the present invention. FIG.

도 7b는 본 발명에 따른 도 5의 소자 구조를 시뮬레이션을 통한 소거 동작 시의 에너지 밴드다이어그램을 나타낸다. FIG. 7B is an energy band diagram of an erase operation by simulating the device structure of FIG. 5 according to the present invention.

도 8은 본 발명에 따른 도 5의 소자 구조에서 터널링 절연막(40)의 물리적 두께(POT: physical oxide thickness)를 5 nm로 하여 I-V 특성을 시뮬레이션한 결과를 나타낸다. FIG. 8 illustrates simulation results of I-V characteristics using a physical oxide thickness (POT) of the tunneling insulating film 40 as 5 nm in the device structure of FIG. 5 according to the present invention.

도 9는 본 발명에 따른 도 5의 소자 구조에서 터널링 절연막(40)의 전기적 두께(EOT: equivalent oxide thickness)가 1.5 nm인 경우에 대해서 시뮬레이션한 I-V 특성 그래프이다. FIG. 9 is a graph illustrating simulated I-V characteristics of a case where an equivalent oxide thickness (EOT) of the tunneling insulating layer 40 is 1.5 nm in the device structure of FIG. 5 according to the present invention.

도 10은 본 발명에 따른 도 5의 소자 구조에서 HfO2(32)의 두께를 3 nm로 고정하고 Si3N4(31)를 1 nm, 2 nm, 3 nm로 각각 증착하여 I-V특성을 시뮬레이션한 결과를 나타내는 그래프이다. FIG. 10 illustrates IV characteristics by fixing the thickness of HfO 2 (32) to 3 nm and depositing Si 3 N 4 (31) to 1 nm, 2 nm, and 3 nm in the device structure of FIG. 5 according to the present invention. A graph showing one result.

도 11은 본 발명에 따른 도 5의 소자 구조에서 Si3N4(31)의 두께를 2 nm로 고정하고 HfO2(32)를 1 nm, 3 nm, 5 nm 각각 증착하여 I-V특성을 시뮬레이션한 결과를 나타내는 그래프이다. FIG. 11 illustrates IV characteristics by fixing the thickness of Si 3 N 4 (31) to 2 nm and depositing HfO 2 (1), 1 nm, 3 nm, and 5 nm in the device structure of FIG. 5 according to the present invention. A graph showing the results.

도 12는 본 발명에 따른 스태거 터널 배리어 절연막을 채용한 비휘발성 메모리 소자를 제작하는 방법을 상세히 기술한 흐름도이다. 12 is a detailed flowchart illustrating a method of fabricating a nonvolatile memory device employing a staggered tunnel barrier insulating film according to the present invention.

Claims (8)

반도체 기판, 상기 기판 상에 형성된 소스 및 드레인 영역과 상기 소스 및 드레인 영역과 접촉하여 상기 반도체 기판 상에 형성된 게이트 구조체를 포함하는 반도체 메모리 소자에 있어서, 상기 게이트 구조체는,A semiconductor memory device comprising a semiconductor substrate, a source and drain region formed on the substrate, and a gate structure formed on the semiconductor substrate in contact with the source and drain region, wherein the gate structure includes: 유전율이 서로 다른 제1 터널링 절연막과 제2 터널링 절연막을 적층하여 형성하되, 상기 제2 터널링 절연막의 전도대 에너지 준위 및 가전자대 에너지 준위는 각각 상기 제1 터널링 절연막의 전도대 에너지 준위 및 가전자대 에너지 준위보다 낮은 스태거 터널 배리어 절연막, The first tunneling insulating film and the second tunneling insulating film having different dielectric constants are formed by laminating, and the conduction band energy level and valence band energy level of the second tunneling insulation film are respectively higher than the conduction band energy level and valence band energy level of the first tunneling insulation film. Low staggered tunnel barrier insulation film, 상기 스태거 터널 배리어 절연막 상에 형성된 전하 축적층,A charge accumulation layer formed on the staggered tunnel barrier insulating film, 상기 전하 축적층 상에 형성되는 블로킹 절연막, 및A blocking insulating film formed on said charge storage layer, and 상기 블로킹 절연막 상에 형성되면서 금속 재료를 이용한 게이트 전극층을 포함하는 것을 특징으로 하는 스태거 터널 배리어를 가지는 비휘발성 메모리 소자.And a gate electrode layer formed on the blocking insulating layer and using a metal material. 제1항에 있어서, 상기 전하 축적층은 The method of claim 1, wherein the charge accumulation layer 폴리실리콘을 이용한 부유 게이트, Floating gate using polysilicon, 금속, 반도체 또는 산화물 나노결정을 가지는 나노 부유 게이트, 또는Nano floating gates having metal, semiconductor or oxide nanocrystals, or HfO2, ZrO2 및 Si3N4 중 적어도 하나를 포함하는 전하 트랩층 중 적어도 어느 하나를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 스태거 터널 배리어를 가지는 비 휘발성 메모리 소자.A nonvolatile memory device having a staggered tunnel barrier, characterized in that it comprises at least one of a charge trap layer comprising at least one of HfO 2 , ZrO 2, and Si 3 N 4 . 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 제1 터널링 절연막은 실리콘 질화막으로 형성되며,The first tunneling insulating film is formed of a silicon nitride film, 상기 제 2 터널링 절연막은 하프늄 산화막(HfO2), ZrO2, HfSiOx, ZrSiOx, La2O3로 이루어진 물질 중 적어도 어느 하나를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 스태거 터널 배리어를 가지는 비휘발성 메모리 소자.The second tunneling insulating layer is formed of at least one of a material consisting of a hafnium oxide (HfO 2 ), ZrO 2 , HfSiOx, ZrSiOx, La 2 O 3 Non-volatile memory device having a staggered tunnel barrier . 반도체 기판 상에 소스와 드레인을 형성하는 단계;Forming a source and a drain on the semiconductor substrate; 상기 기판 상에 제1 터널링 절연막을 형성하는 단계;Forming a first tunneling insulating film on the substrate; 상기 제1 터널링 절연막과 유전율이 상이한 제2 터널링 절연막을 상기 제1 터널링 절연막상에 적층하여 형성하되, 상기 제2 터널링 절연막의 전도대 에너지 준위 및 가전자대 에너지 준위를 각각 상기 제1 터널링 절연막의 전도대 에너지 준위 및 가전자대 에너지 준위보다 낮게 형성하여, 상기 제1 터널링 절연막 및 상기 제2 터널링 절연막을 포함하는 스태거 터널 배리어 절연막을 형성하는 단계;A second tunneling insulating layer having a dielectric constant different from that of the first tunneling insulating layer is formed by stacking on the first tunneling insulating layer, wherein the conduction band energy of the second tunneling insulating layer and the valence band energy level of the second tunneling insulating layer are respectively. Forming a staggered tunnel barrier insulating film including the first tunneling insulating film and the second tunneling insulating film by lowering the level and the valence band energy level; 상기 스태거 터널 배리어 절연막 상에 전하 축적층을 형성하는 단계;Forming a charge accumulation layer on the staggered tunnel barrier insulating film; 상기 전하 축적층 상에 블로킹 절연막을 형성하는 단계; 및Forming a blocking insulating layer on the charge accumulation layer; And 상기 블로킹 절연막 상에 금속 재료로 게이트 전극층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스태거 터널 배리어를 가지는 비휘발성 메모리 소자 제조방법. And forming a gate electrode layer on the blocking insulating layer with a metal material. 제4항에 있어서, 상기 전하 축적층은 The method of claim 4, wherein the charge accumulation layer is 폴리실리콘을 이용한 부유 게이트, Floating gate using polysilicon, 금속, 반도체 또는 산화물 나노결정을 가지는 나노 부유 게이트, 또는Nano floating gates having metal, semiconductor or oxide nanocrystals, or HfO2, ZrO2 및 Si3N4 중 적어도 하나를 포함하는 전하 트랩층 중 적어도 어느 하나를 포함하여 형성하는 것을 특징으로 하는 스태거 터널 배리어를 가지는 비휘발성 메모리 소자 제조방법.A method of manufacturing a nonvolatile memory device having a staggered tunnel barrier, characterized in that it comprises at least one of a charge trap layer comprising at least one of HfO 2 , ZrO 2 and Si 3 N 4 . 제4항에 있어서, 5. The method of claim 4, 상기 제1 터널링 절연막은 실리콘 질화막으로 형성되며,The first tunneling insulating film is formed of a silicon nitride film, 상기 제 2 터널링 절연막은 하프늄 산화막(HfO2), ZrO2, HfSiOx, ZrSiOx, La2O3로 이루어진 물질 중 적어도 어느 하나를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 스태거 터널 배리어를 가지는 비휘발성 메모리 소자 제조방법.The second tunneling insulating layer is formed of at least one of a material consisting of a hafnium oxide (HfO 2 ), ZrO 2 , HfSiOx, ZrSiOx, La 2 O 3 Non-volatile memory device having a staggered tunnel barrier Manufacturing method. 제4항에 있어서, 상기 비휘발성 메모리 소자를 수소가 함유된 분위기에서 300 내지 500 ℃의 온도로 열처리를 하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스태거 터널 배리어를 가지는 비휘발성 메모리 소자 제조방법.The method of claim 4, further comprising heat treating the nonvolatile memory device at a temperature of 300 to 500 ° C. in an atmosphere containing hydrogen. 제4항에 있어서, 상기 전하 축적층을 형성할 때 ALD(Atomic Layer Deposition) 방법을 통해 상기 전하 축적층을 형성하는 것을 특징으로 하는 스태거 터널 배리어를 가지는 비휘발성 메모리 소자 제조방법.The method of claim 4, wherein the charge accumulation layer is formed by an atomic layer deposition (ALD) method when forming the charge accumulation layer.
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