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KR100806087B1 - Nonvolatile memory and manufacturing method thereof - Google Patents

Nonvolatile memory and manufacturing method thereof Download PDF

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KR100806087B1
KR100806087B1 KR1020060083271A KR20060083271A KR100806087B1 KR 100806087 B1 KR100806087 B1 KR 100806087B1 KR 1020060083271 A KR1020060083271 A KR 1020060083271A KR 20060083271 A KR20060083271 A KR 20060083271A KR 100806087 B1 KR100806087 B1 KR 100806087B1
Authority
KR
South Korea
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floating gate
dielectric film
gate
dielectric layer
nonvolatile memory
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Application number
KR1020060083271A
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Korean (ko)
Inventor
류승완
최양규
Original Assignee
한국과학기술원
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.)
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Publication date
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Abstract

A non-volatile memory and a manufacturing method thereof are provided to ensure a wide memory margin and improve a characteristic of erasing operation and storage time. A non-volatile memory includes a substrate(100) and a gate structure. The gate structure has a tunneling dielectric layer(201) formed on the substrate, a first floating gate(202) formed on the tunneling dielectric layer, an interfacial dielectric layer(203) formed on the first floating gate, a second floating gate(204) formed on the facial dielectric layer and having a work function higher than the first floating gate, a control dielectric layer(205) formed on the second floating gate and a gate electrode(206) formed on the control dielectric layer.

Description

비 휘발성 메모리 및 그 제조방법{NONVOLATILE MEMORY AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}Nonvolatile Memory and Manufacturing Method Thereof {NONVOLATILE MEMORY AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

도 1은 종래의 비 휘발성 메모리의 일례를 나타낸 도면.1 is a diagram showing an example of a conventional nonvolatile memory.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 비 휘발성 메모리를 나타낸 도면.2 illustrates a nonvolatile memory according to an embodiment of the present invention.

도 3은 종래의 비 휘발성 메모리와 본 발명의 일 실시 예에 따른 비 휘발성 메모리를 2 비트(bit)로 동작시켰을 때의 메모리 특성을 비교하여 나타낸 도면.3 is a view illustrating a comparison of memory characteristics when a conventional nonvolatile memory and a nonvolatile memory according to an embodiment of the present invention are operated with 2 bits.

도 4 내지 도 6은 부유 게이트의 일함수 레벨에 따른 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸 도면.4 to 6 show energy band diagrams according to the work function level of the floating gate.

도 7은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 비 휘발성 메모리 제조방법을 나타낸 도면.7 is a diagram illustrating a method of manufacturing a nonvolatile memory according to the first embodiment of the present invention.

도 8은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 비 휘발성 메모리 제조방법을 나타낸 도면.8 illustrates a method of manufacturing a nonvolatile memory according to the second embodiment of the present invention.

***** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ********** Explanation of symbols for the main parts of the drawing *****

100: 기판100: substrate

101: 소오스 영역101: source area

102: 드레인 영역102: drain region

201: 터널링 유전막201: tunneling dielectric film

202: 제1 부유 게이트202: first floating gate

203: 계면 유전막203: interfacial dielectric film

204: 제2 부유 게이트204: second floating gate

205: 제어 유전막205: control dielectric film

206: 게이트 전극206: gate electrode

210: 게이트 구조체210: gate structure

본 발명은 비 휘발성 메모리 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a nonvolatile memory and a method of manufacturing the same.

일반적으로, 반도체 메모리는 DRAM(dynamic random access memory) 및 SRAM(static random access memory)과 같이 시간이 지남에 따라 데이터를 잃어버리는 휘발성(volatile) 메모리와, 한번 데이터를 입력하면 그 상태를 유지할 수 있는 비 휘발성(non??volatile) 메모리로 크게 구분할 수 있다.In general, a semiconductor memory is a volatile memory that loses data over time, such as dynamic random access memory (DRAM) and static random access memory (SRAM), and a state in which data can be maintained once inputted. It is largely divided into non-volatile memory.

비 휘발성 메모리는 한번 데이터를 입력하면 시간이 지나도 그 상태를 유지할 수 있는 특성을 갖는데, 최근에는 전기적으로 데이터의 입ㅇ출력이 가능한 플래시 메모리에 대한 수요가 늘고 있다.Non-volatile memory has a characteristic that once the data is input, it can be maintained over time. Recently, there is an increasing demand for flash memory that can input and output data electrically.

도 1은 종래의 비 휘발성 메모리의 일례를 나타낸 도면이다.1 is a view showing an example of a conventional nonvolatile memory.

도 1을 참조하면, 반도체 기판(100)에 불순물이 주입된 소오스 영역(101) 및 드레인 영역(102)이 형성되어 있다. 반도체 기판(100)이 p형인 경우, 소오스 영역(101) 및 드레인 영역(102)에 n 형 불순물이 주입된다. 소오스 영역(101) 및 드레인 영역(102) 사이의 반도체 기판(100)에는 채널 영역(103)이 설정된다. Referring to FIG. 1, a source region 101 and a drain region 102 in which impurities are injected into a semiconductor substrate 100 are formed. When the semiconductor substrate 100 is p-type, n-type impurities are implanted into the source region 101 and the drain region 102. The channel region 103 is set in the semiconductor substrate 100 between the source region 101 and the drain region 102.

채널 영역(103) 상에는 게이트 적층물(110)이 형성되어 있다. The gate stack 110 is formed on the channel region 103.

게이트 적층물(110)은 터널링층(104), 전하 저장층(105), 블로킹층(106) 및 전도성 물질로 형성된 게이트 전극(107)이 순차적으로 형성된 구조를 갖는다.The gate stack 110 has a structure in which the tunneling layer 104, the charge storage layer 105, the blocking layer 106, and the gate electrode 107 formed of a conductive material are sequentially formed.

터널링층(104)은 그 하부의 소오스 영역(101) 및 드레인 영역(102)과 접촉하며, 전하 저장층(105)은 나노 결정화되어, 터널링층(104)을 통과하는 전하를 저장하는 트랩 사이트(trap site)를 갖는다.The tunneling layer 104 is in contact with the source region 101 and the drain region 102 at the bottom thereof, and the charge storage layer 105 is nanocrystallized to store the charge passing through the tunneling layer 104 ( trap site).

이러한 비 휘발성 메모리의 정보 기록은 게이트 전극에 전압을 인가하여 터널링층(104)을 통과한 전자들이 전하 저장층(105)의 트랩 사이트에 트랩되면서 이루어진다.The information recording of the nonvolatile memory is performed by applying a voltage to the gate electrode so that electrons passing through the tunneling layer 104 are trapped at the trap site of the charge storage layer 105.

블로킹층(106)은 전자들이 전하 저장층(105)의 트랩 사이트에 트랩되는 과정에서 게이트 전극(107)으로 빠져나가는 것을 차단하며, 게이트 전극(107)의 전하가 전하 저장층(105)으로 주입되는 것을 차단하는 역할을 한다.The blocking layer 106 blocks electrons from escaping to the gate electrode 107 in the course of being trapped at the trap site of the charge storage layer 105, and the charge of the gate electrode 107 is injected into the charge storage layer 105. It serves to prevent you from becoming.

게이트 적층물이 게이트 절연층 및 게이트 전극층으로 형성된 MOS(Metal Oxide Silicon) 트랜지스터와는 달리, 도 1에 도시된 종래의 비 휘발성 메모리의 문턱 전압(Vth)(threshold voltage)은 전하 저장층(105)에 전자가 트랩된 경우와 트랩되지 않은 경우에 따라 변하는 특성이 있으며, 종래의 비 휘발성 메모리는 이 러한 특성을 이용하여 비트 정보를 표현한다.Unlike a metal oxide silicon (MOS) transistor in which a gate stack is formed of a gate insulating layer and a gate electrode layer, the threshold voltage (Vth) of the conventional nonvolatile memory shown in FIG. 1 is the charge storage layer 105. There is a characteristic that varies depending on whether an electron is trapped and when it is not trapped, and a conventional nonvolatile memory expresses bit information using this characteristic.

그러나 이러한 구조의 종래의 비 휘발성 메모리는 단일 소자로 다중 비트를 구현하기 어려운 문제점이 있다.However, the conventional nonvolatile memory of this structure has a problem that it is difficult to implement multiple bits in a single device.

또한, 단일 소자를 이용하여 다중 비트를 구현하였다 하여도, 프로그램 마진이 축소되어 메모리 소자의 동작의 신뢰성이 저하되는 문제점이 있다.In addition, even when multiple bits are implemented using a single device, program margins are reduced, thereby reducing the reliability of operation of the memory device.

이러한 문제점들을 해결하기 위한 본 발명은 안정적인 동작이 가능한 멀티 비트 비 휘발성 메모리 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention to solve these problems is to provide a multi-bit nonvolatile memory capable of stable operation and a method of manufacturing the same.

이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 비 휘발성 메모리는 기판 및 상기 기판 상에 형성되고, 일함수가 다른 둘 이상의 부유 게이트를 포함하는 게이트 구조체를 포함한다.A nonvolatile memory according to the present invention for achieving the above technical problem includes a substrate and a gate structure formed on the substrate, the gate structure including two or more floating gates having different work functions.

상기 부유 게이트는 나노 결정화된 것이 바람직하다.Preferably, the floating gate is nanocrystallized.

상기 게이트 구조체는 상기 기판 상에 형성된 터널링 유전막과, 상기 터널링 유전막 상에 형성된 제1 부유 게이트와, 상기 제1 부유 게이트 상에 형성된 계면 유전막과, 상기 계면 유전막 상에 형성된 제2 부유 게이트와, 상기 제2 부유 게이트 상에 형성된 제어 유전막 및 상기 제어 유전막 상에 형성된 게이트 전극을 포함하는 것이 바람직하다.The gate structure includes a tunneling dielectric film formed on the substrate, a first floating gate formed on the tunneling dielectric film, an interfacial dielectric film formed on the first floating gate, a second floating gate formed on the interface dielectric film, and It is preferable to include a control dielectric film formed on the second floating gate and a gate electrode formed on the control dielectric film.

상기 부유 게이트는 실리콘 또는 금속인 것이 바람직하다.Preferably, the floating gate is silicon or metal.

상기 제2 부유 게이트의 일함수는 상기 제1 부유 게이트의 일함수보다 큰 것이 바람직하다.The work function of the second floating gate is preferably larger than the work function of the first floating gate.

상기 제1 부유 게이트는 5족 불순물이 주입된 나노 결정화된 실리콘이고, 상기 제2 부유 게이트는 3족 불순물이 주입된 나노 결정화된 실리콘인 것이 바람직하다.The first floating gate is nanocrystallized silicon implanted with Group 5 impurities, and the second floating gate is nanocrystallized silicon implanted with Group 3 impurities.

상기 계면 유전막의 두께는 1 나노미터 이상 3 나노미터 미만일 수 있다.The interfacial dielectric film may have a thickness of 1 nanometer or more and less than 3 nanometers.

상기 계면 유전막의 두께는 3 나노미터 이상 10 나노미터 이하일 수 있다.The interfacial dielectric film may have a thickness of 3 nanometers or more and 10 nanometers or less.

본 발명에 따른 비 휘발성 메모리 소자 제조방법은 기판 상에 일함수가 다른 둘 이상의 부유 게이트를 포함하는 게이트 구조체를 형성하는 단계 및 상기 기판에 불순물을 주입하여 소스, 드레인 영역을 형성하는 단계를 포함한다.A method of manufacturing a nonvolatile memory device according to the present invention includes forming a gate structure including two or more floating gates having different work functions on a substrate, and forming source and drain regions by injecting impurities into the substrate. .

상기 부유 게이트는 실리콘인 것이 바람직하다.It is preferable that the floating gate is silicon.

상기 부유 게이트는 금속이고, 상기 소스, 드레인 영역을 형성한 후, 상기 부유 게이트를 포함하는 게이트 구조체를 형성하는 것이 바람직하다.Preferably, the floating gate is a metal, and after forming the source and drain regions, a gate structure including the floating gate is formed.

상기 부유 게이트는 나노 결정화된 것이 바람직하다.Preferably, the floating gate is nanocrystallized.

상기 게이트 구조체를 형성하는 단계는 상기 기판 상에 터널링 유전막을 형성하는 단계와, 상기 터널링 유전막 상에 제1 부유 게이트를 형성하는 단계와, 상기 제1 부유 게이트 상에 계면 유전막을 형성하는 단계와, 상기 계면 유전막 상에 제2 부유 게이트를 형성하는 단계와, 상기 제2 부유 게이트 상에 제어 유전막을 형성하는 단계 및 상기 제어 유전막 상에 게이트 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.The forming of the gate structure may include forming a tunneling dielectric layer on the substrate, forming a first floating gate on the tunneling dielectric layer, forming an interfacial dielectric layer on the first floating gate; And forming a second floating gate on the interface dielectric layer, forming a control dielectric layer on the second floating gate, and forming a gate electrode on the control dielectric layer.

상기 제2 부유 게이트의 일함수는 상기 제1 부유 게이트의 일함수보다 큰 것이 바람직하다.The work function of the second floating gate is preferably larger than the work function of the first floating gate.

상기 제1 부유 게이트는 5족 불순물이 주입된 나노 결정화된 실리콘이고, 상기 제2 부유 게이트는 3족 불순물이 주입된 나노 결정화된 실리콘인 것이 바람직하다.The first floating gate is nanocrystallized silicon implanted with Group 5 impurities, and the second floating gate is nanocrystallized silicon implanted with Group 3 impurities.

상기 계면 유전막의 두께는 1 나노미터 이상 3 나노미터 미만일 수 있다.The interfacial dielectric film may have a thickness of 1 nanometer or more and less than 3 nanometers.

상기 계면 유전막의 두께는 3 나노미터 이상 10 나노미터 이하일 수 있다.The interfacial dielectric film may have a thickness of 3 nanometers or more and 10 nanometers or less.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described a preferred embodiment of the present invention;

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 비 휘발성 메모리를 나타낸 도면이다.2 illustrates a nonvolatile memory according to an embodiment of the present invention.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 비 휘발성 메모리는 기판, 게이트 구조체를 포함한다.As shown in FIG. 2, a nonvolatile memory according to an embodiment of the present invention includes a substrate and a gate structure.

기판(100)은 실리콘, 실리콘 게르마늄, 인장 실리콘, 인장 실리콘 게르마늄 또는 절연층 매몰 실리콘(Silicon - On - Insulator; SOI) 등을 채택하여 구성할 수 있다. 이러한 기판(100)에 불순물 도펀트(dopant)를 포함하는 소오스 영역(101) 및 드레인 영역(102)이 형성되어 있다. 기판(100)의 소오스 영역(101) 및 드레인 영역(102) 사이에는 채널 영역(103)이 형성되어 있다.The substrate 100 may be formed by adopting silicon, silicon germanium, tensile silicon, tensile silicon germanium, or insulating layer embedded silicon (SOI). The source region 101 and the drain region 102 including the impurity dopant are formed in the substrate 100. A channel region 103 is formed between the source region 101 and the drain region 102 of the substrate 100.

채널 영역(103) 상에는 소오스 영역(101) 및 드레인 영역(102)과 접촉하여 게이트 구조체(210)가 형성되어 있다. 게이트 구조체(210)는 일함수가 서로 다른 둘 이상의 부유 게이트(202, 204)를 포함한다. 이러한 게이트 구조체(210)는 터널링 유전막(201), 제1 부유 게이트(202), 계면 유전막(203), 제2 부유 게이트(204), 제어 유전막(205) 및 게이트 전극(206)이 순차적으로 적층된 구조이다.The gate structure 210 is formed on the channel region 103 in contact with the source region 101 and the drain region 102. The gate structure 210 includes two or more floating gates 202 and 204 with different work functions. The gate structure 210 includes a tunneling dielectric film 201, a first floating gate 202, an interfacial dielectric film 203, a second floating gate 204, a control dielectric film 205, and a gate electrode 206 sequentially stacked. Structure.

터널링 유전막(201)은 산화물로 형성될 수 있다. 예를 들면, SiO2, Al2O3, MgO, SrO, SiN, BaO, TiO, Si3N4, Ta2O5, BaTiO3, BaZrO, ZrO2, HfO2, Al2O3, Y2O3, ZrSiO, HfSiO 또는 LaAlO3 중 적어도 하나 이상을 포함하여 형성될 수 있다.The tunneling dielectric layer 201 may be formed of an oxide. For example, SiO 2 , Al 2 O 3 , MgO, SrO, SiN, BaO, TiO, Si 3 N 4 , Ta 2 O 5 , BaTiO 3 , BaZrO, ZrO 2 , HfO 2 , Al 2 O 3 , Y 2 It may be formed including at least one of O 3 , ZrSiO, HfSiO or LaAlO 3 .

제1 부유 게이트(202) 와 제2 부유 게이트(204)는 비 휘발성 메모리의 동작 과정에서, 전하 저장층의 역할을 한다. 이러한 제1 부유 게이트(202) 와 제2 부유 게이트(204)는 나노 결정화된 실리콘 또는 금속이고, 제2 부유 게이트(204)의 일함수가 제1 부유 게이트(202)의 일함수보다 크도록 하는 것이 바람직하다.The first floating gate 202 and the second floating gate 204 serve as a charge storage layer in an operation of the nonvolatile memory. The first floating gate 202 and the second floating gate 204 are nano-crystallized silicon or metal, and the work function of the second floating gate 204 is greater than the work function of the first floating gate 202. It is preferable.

계면 유전막(203)은 제1 부유 게이트(202) 와 제2 부유 게이트(204) 사이에 형성되며, 계면 유전막(203)의 두께를 조절하여 비 휘발성 메모리의 특성을 조절할 수 있다. 예를 들어, 1) 빠른 속도를 갖는 비 휘발성 메모리를 구현하고자 하는 경우, 계면 유전막(203)의 두께를 1 나노미터 이상 3 나노미터 미만으로 설정하여, 다이렉트(direct) 터널링이 우세하도록 함으로써, 비 휘발성 메모리의 속도를 높일 수 있고, 2) 긴 전하 저장시간을 갖는 비 휘발성 메모리를 구현하고자 하는 경우, 계면 유전막(203)의 두께를 3 나노미터 이상 10 나노미터 이하로 설정하여, 파울러 - 노드하임(Fowler - Nordheim; F-N) 터널링이 우세하도록 함으로써, 비 휘발성 메모리의 전하 저장시간을 늘일 수 있다. 또한, 계면 유전막(203)을 이루는 물질의 특성을 조절하여 비 휘발성 메모리의 특성을 조절할 수 있다. 예를 들어, 1) 빠른 속도를 갖는 비 휘발성 메모리를 구현하고자 하는 경우, 높은 유전상수와 낮은 에너지 장벽을 갖는 유전물질을 계면 유전막(203)의 구성물질로 채택함으로써, 비 휘발성 메모리의 속도를 높일 수 있고, 2) 긴 전하 저장시간을 갖는 비 휘발성 메모리를 구현하고자 하는 경우, 낮은 유전상수와 높은 에너지 장벽을 갖는 유전물질을 계면 유전막(203)의 구성물질로 채택함으로써, 비 휘발성 메모리의 전하 저장시간을 늘일 수 있다.The interfacial dielectric film 203 is formed between the first floating gate 202 and the second floating gate 204, and the characteristics of the nonvolatile memory may be adjusted by adjusting the thickness of the interfacial dielectric film 203. For example, 1) If the nonvolatile memory having a high speed is to be implemented, the thickness of the interfacial dielectric film 203 is set to 1 nanometer or more and less than 3 nanometers so that direct tunneling prevails. 2) to realize a non-volatile memory having a long charge storage time, the thickness of the interfacial dielectric film 203 is set to 3 nanometers or more and 10 nanometers or less, Fowler-Nordheim By preserving (Fowler-Nordheim; FN) tunneling, the charge storage time of nonvolatile memory can be extended. In addition, the characteristics of the non-volatile memory may be controlled by adjusting the properties of the material of the interfacial dielectric layer 203. For example, 1) to implement a nonvolatile memory having a high speed, by adopting a dielectric material having a high dielectric constant and a low energy barrier as a constituent of the interfacial dielectric film 203, the speed of the nonvolatile memory is increased. And 2) to implement a nonvolatile memory having a long charge storage time, by adopting a dielectric material having a low dielectric constant and a high energy barrier as the constituent material of the interfacial dielectric film 203, the charge storage of the nonvolatile memory You can increase your time.

이러한 본 발명의 일 실시 예에 따른 비 휘발성 메모리에서의 구체적인 정보 저장 및 소거 동작의 하나의 예를 설명한다. 기판(100)은 p형인 경우이다.One example of specific information storage and erase operations in the nonvolatile memory according to an embodiment of the present invention will be described. The substrate 100 is a p-type case.

1) 정보를 저장하기 위하여, 소오스 영역(101)을 접지하거나 소오스 영역(101)에 낮은 전압을 인가한 상태에서 드레인 영역(102)에 제1 레벨의 양 전압을 인가하고, 게이트 전극(206)에 상기 제1 레벨보다 높은 제2 레벨의 양 전압을 인가한다. 이 상태에서 소오스 영역(101)으로부터 드레인 영역(102)으로 전자의 채널이 형성되고 드레인 영역(102)으로 이동하는 전자는 게이트 전극(206)에서 형성된 전기장에 의해 터널링 유전막(201)을 터널링하여 제1 부유 게이트(202)에 트랩되거나, 터널링 유전막(201)과 제1 부유 게이트(202)와 계면 유전막(203)을 터널링하여 제2 부유 게이트(204)에 저장된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 비 휘발성 메모리는 종래의 비 휘발성 메모리에 비해 전자가 저장되는 사이트가 넓어짐으로써 고용 량의 정보를 기록할 수 있는 효과가 있다.1) In order to store information, the source region 101 is grounded or a low voltage is applied to the source region 101 to apply the first voltage of the first level to the drain region 102, and the gate electrode 206 is applied. A positive voltage of a second level higher than the first level is applied to the second voltage. In this state, a channel of electrons is formed from the source region 101 to the drain region 102 and the electrons moving to the drain region 102 tunnel through the tunneling dielectric layer 201 by an electric field formed at the gate electrode 206. The first floating gate 202 is trapped, or the tunneling dielectric film 201, the first floating gate 202, and the interfacial dielectric film 203 are tunneled and stored in the second floating gate 204. Non-volatile memory according to an embodiment of the present invention has an effect that can record the amount of high-capacity because the site where the electron is stored is wider than the conventional non-volatile memory.

2) 정보를 소거하기 위하여, 게이트 전극(206)의 전압을 0 볼트(V)로 하고 소오스 영역(101)에 고전압을 인가하고 드레인 영역(102)을 개방하면 전자가 소오스 영역(101)으로 빠져나가게 되어 메모리의 정보가 소거된다.2) To erase the information, when the voltage of the gate electrode 206 is set to 0 volts (V), a high voltage is applied to the source region 101, and the drain region 102 is opened, electrons fall into the source region 101. It exits and the information in the memory is erased.

도 3은 종래의 비 휘발성 메모리와 본 발명의 일 실시 예에 따른 비 휘발성 메모리를 2 비트(bit)로 동작시켰을 때의 메모리 특성을 비교하여 나타낸 도면이다.FIG. 3 is a diagram illustrating a comparison of memory characteristics when a conventional nonvolatile memory and a nonvolatile memory according to an embodiment of the present invention are operated with 2 bits.

도 3의 (a)는 종래의 비 휘발성 메모리를 2 비트(bit)로 동작시켰을 때의 메모리 특성을 나타낸 것이고, 도 3의 (b)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 비 휘발성 메모리를 2 비트(bit)로 동작시켰을 때의 메모리 특성을 나타낸 것이다.Figure 3 (a) shows the memory characteristics when the conventional non-volatile memory is operated by two bits (bit), Figure 3 (b) shows a non-volatile memory 2 bits according to an embodiment of the present invention Memory characteristics when operated in (bit).

도 3의 (a) 및 도 3의 (b)를 통하여 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 비 휘발성 메모리는 서로 다른 일함수를 갖는 이중 나노 결정층 즉, 제1 부유 게이트(202) 및 제2 부유 게이트(204)를 형성함으로써 2배로 늘어난 전하 저장 노드들로 인해 더 넓어진 프로그램 마진을 갖는 2 비트(bit) 메모리 소자를 구현할 수 있으며, 계면 유전막(203)의 두께를 조절하여 전하 저장시간을 늘일 수 있다.As shown in FIGS. 3A and 3B, a nonvolatile memory according to an embodiment of the present invention may include a double nanocrystal layer having a different work function, that is, a first floating gate ( By forming the 202 and the second floating gate 204, a 2-bit memory device having a wider program margin can be realized due to the doubled charge storage nodes, and the thickness of the interfacial dielectric film 203 can be adjusted. The charge storage time can be extended.

도 4 내지 도 6은 부유 게이트의 일함수 레벨에 따른 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸 도면이다.4 to 6 are diagrams showing energy band diagrams according to the work function level of the floating gate.

도 4는 제1 부유 게이트(202)와 제2 부유 게이트(204)의 일함수가 동일하고, 일함수가 Ec-E1인 경우이고, 도 5는 제1 부유 게이트(202)와 제2 부유 게이트(204)의 일함수가 동일하고, 일함수가 도 4의 경우보다 높은 Ec-E2인 경우이다.4 illustrates a case in which the work functions of the first floating gate 202 and the second floating gate 204 are the same, and the work function is Ec-E1. FIG. 5 shows the first floating gate 202 and the second floating gate. The work function of 204 is the same, and the work function is Ec-E2 higher than the case of FIG.

도 4의 경우와 비교하여, 깊은 포텐셜 우물(potential well)을 형성하는 도 5의 경우 넓은 메모리 마진과 긴 전하 저장시간을 획득할 수 있다. 그러나 도 5의 경우 높은 포텐셜로 인해 소거동작의 효율이 좋지 않다.Compared to the case of FIG. 4, a wide memory margin and a long charge storage time can be obtained in the case of FIG. 5 forming a deep potential well. However, in FIG. 5, the efficiency of the erase operation is not good due to the high potential.

도 6은 제1 부유 게이트(202)의 일함수(Ec-E1)가 제2 부유 게이트(204)의 일함수 (Ec-E2)보다 작은 경우이고, 제1 부유 게이트(202)의 일함수(Ec-E1)는 제2 부유 게이트(204)의 일함수(Ec-E2)와 비교하여, △E(E1-E2)만큼 낮다. 이 경우, 소거 동작시 제2 부유 게이트(204)에 저장된 전하들이 버퍼처럼 동작하는 제1 부유 게이트(202)의 도움으로 도 5의 경우보다 낮은 전압과 짧은 시간에 기판으로 소거되므로, 메모리 소자의 소거 속도가 빨라진다.6 illustrates a case where the work function Ec-E1 of the first floating gate 202 is smaller than the work function Ec-E2 of the second floating gate 204, and the work function ( Ec-E1 is as low as ΔE (E1-E2) compared to the work function Ec-E2 of the second floating gate 204. In this case, since the charges stored in the second floating gate 204 during the erase operation are erased to the substrate at a lower voltage and a shorter time than in the case of FIG. 5 with the aid of the first floating gate 202 operating as a buffer. The erase speed is faster.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 비 휘발성 메모리에 따르면, 넓은 메모리 마진과 긴 전하 저장시간, 빠른 소거특성을 확보할 수 있다.As described above in detail, according to the non-volatile memory according to an embodiment of the present invention, a wide memory margin, a long charge storage time, and a fast erase characteristic can be secured.

이러한 본 발명의 일 실시 예에 따른 비 휘발성 메모리 구조는 기존의 2차원 평면 메모리 소자에 적용할 수 있고, FinFET, U-FET(glooved MOSFET)와 같은 3차원 다중 게이트 소자등 어떠한 구조의 단일소자에도 적용하여, 비 휘발성 메모리의 특성을 향상시킬 수 있다.The nonvolatile memory structure according to an embodiment of the present invention may be applied to a conventional two-dimensional planar memory device, and may be applied to a single device of any structure such as a three-dimensional multi-gate device such as a FinFET or a U-FET (glooved MOSFET). By applying, the characteristics of the nonvolatile memory can be improved.

도 7은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 비 휘발성 메모리 제조방법을 나타낸 도면이다.7 is a diagram illustrating a nonvolatile memory manufacturing method according to a first embodiment of the present invention.

도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 비 휘발성 메모리 제조방법은 터널링 유전막 형성단계(710)와, 제1 부유 게이트 형성단계(720)와, 계면 유전막 형성단계(730)와, 제2 부유 게이트 형성단계(740)와, 제어 유전막 형성단계(750)와, 게이트 전극 형성단계(760)와, 소스, 드레인 영역 형성단계(770)를 포함한다.As shown in FIG. 7, in the nonvolatile memory manufacturing method according to the first embodiment of the present invention, a tunneling dielectric film forming step 710, a first floating gate forming step 720, and an interfacial dielectric film forming step 730 are performed. And a second floating gate forming step 740, a control dielectric film forming step 750, a gate electrode forming step 760, and a source and drain region forming step 770.

이하에서는 도 2 및 도 7을 참조하여 본 발명의 제1 실시 예에 따른 비 휘발성 메모리 제조방법을 순차적으로 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing a nonvolatile memory according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 2 and 7.

먼저, 기판(100) 상에 터널링 유전막(201)을 형성한다. 기판(100)은 실리콘, 실리콘 게르마늄, 인장 실리콘, 인장 실리콘 게르마늄 또는 절연층 매몰 실리콘(Silicon - On - Insulator; SOI) 등을 채택하여 구성할 수 있다. 터널링 유전막(201)은 산화물로 형성될 수 있다. 예를 들면, SiO2, Al2O3, MgO, SrO, SiN, BaO, TiO, Si3N4, Ta2O5, BaTiO3, BaZrO, ZrO2, HfO2, Al2O3, Y2O3, ZrSiO, HfSiO 또는 LaAlO3 중 적어도 하나 이상을 포함하여 형성될 수 있다.First, the tunneling dielectric layer 201 is formed on the substrate 100. The substrate 100 may be formed by adopting silicon, silicon germanium, tensile silicon, tensile silicon germanium, or insulating layer embedded silicon (SOI). The tunneling dielectric layer 201 may be formed of an oxide. For example, SiO 2 , Al 2 O 3 , MgO, SrO, SiN, BaO, TiO, Si 3 N 4 , Ta 2 O 5 , BaTiO 3 , BaZrO, ZrO 2 , HfO 2 , Al 2 O 3 , Y 2 It may be formed including at least one of O 3 , ZrSiO, HfSiO or LaAlO 3 .

다음으로, 터널링 유전막(201) 상에 제1 부유 게이트(202)를 형성하고, 제1 부유 게이트(202) 상에 계면 유전막(203)을 형성하고, 계면 유전막(203) 상에 제2 부유 게이트(204)를 형성한다. 제1 부유 게이트(202) 와 제2 부유 게이트(204)는 비 휘발성 메모리의 동작 과정에서, 전하 저장층의 역할을 한다. 이러한 제1 부유 게이트(202)와 제2 부유 게이트(204)는 나노 결정화된 실리콘이고, 제2 부유 게이 트(204)의 일함수가 제1 부유 게이트(202)의 일함수보다 크도록 하는 것이 바람직하다. 계면 유전막(203)은 제1 부유 게이트(202) 와 제2 부유 게이트(204) 사이에 형성되며, 계면 유전막(203)의 두께를 조절하여 비 휘발성 메모리의 특성을 조절할 수 있다. 예를 들어, 1) 빠른 속도를 갖는 비 휘발성 메모리를 구현하고자 하는 경우, 계면 유전막(203)의 두께를 1 나노미터 이상 3 나노미터 미만으로 설정하여, 다이렉트(direct) 터널링이 우세하도록 함으로써, 비 휘발성 메모리의 속도를 높일 수 있고, 2) 긴 전하 저장시간을 갖는 비 휘발성 메모리를 구현하고자 하는 경우, 계면 유전막(203)의 두께를 3 나노미터 이상 10 나노미터 이하로 설정하여, 파울러 - 노드하임(Fowler - Nordheim; F-N) 터널링이 우세하도록 함으로써, 비 휘발성 메모리의 전하 저장시간을 늘일 수 있다. 또한, 계면 유전막(203)을 이루는 물질의 특성을 조절하여 비 휘발성 메모리의 특성을 조절할 수 있다. 예를 들어, 1) 빠른 속도를 갖는 비 휘발성 메모리를 구현하고자 하는 경우, 높은 유전상수와 낮은 에너지 장벽을 갖는 유전물질을 계면 유전막(203)의 구성물질로 채택함으로써, 비 휘발성 메모리의 속도를 높일 수 있고, 2) 긴 전하 저장시간을 갖는 비 휘발성 메모리를 구현하고자 하는 경우, 낮은 유전상수와 높은 에너지 장벽을 갖는 유전물질을 계면 유전막(203)의 구성물질로 채택함으로써, 비 휘발성 메모리의 전하 저장시간을 늘일 수 있다.Next, a first floating gate 202 is formed on the tunneling dielectric film 201, an interfacial dielectric film 203 is formed on the first floating gate 202, and a second floating gate is formed on the interfacial dielectric film 203. 204 is formed. The first floating gate 202 and the second floating gate 204 serve as a charge storage layer in an operation of the nonvolatile memory. The first floating gate 202 and the second floating gate 204 are nano-crystallized silicon, and the work function of the second floating gate 204 is greater than the work function of the first floating gate 202. desirable. The interfacial dielectric film 203 is formed between the first floating gate 202 and the second floating gate 204, and the characteristics of the nonvolatile memory may be adjusted by adjusting the thickness of the interfacial dielectric film 203. For example, 1) If the nonvolatile memory having a high speed is to be implemented, the thickness of the interfacial dielectric film 203 is set to 1 nanometer or more and less than 3 nanometers so that direct tunneling prevails. 2) to realize a non-volatile memory having a long charge storage time, the thickness of the interfacial dielectric film 203 is set to 3 nanometers or more and 10 nanometers or less, Fowler-Nordheim By preserving (Fowler-Nordheim; FN) tunneling, the charge storage time of nonvolatile memory can be extended. In addition, the characteristics of the non-volatile memory may be controlled by adjusting the properties of the material of the interfacial dielectric layer 203. For example, 1) to implement a nonvolatile memory having a high speed, by adopting a dielectric material having a high dielectric constant and a low energy barrier as a constituent of the interfacial dielectric film 203, the speed of the nonvolatile memory is increased. And 2) to implement a nonvolatile memory having a long charge storage time, by adopting a dielectric material having a low dielectric constant and a high energy barrier as the constituent material of the interfacial dielectric film 203, the charge storage of the nonvolatile memory You can increase your time.

다음으로, 제 2 부유 게이트(204) 상에 제어 유전막(205)을 형성하고, 제어 유전막(205) 상에 도전성의 게이트 전극(206)을 형성한다.Next, the control dielectric film 205 is formed on the second floating gate 204, and the conductive gate electrode 206 is formed on the control dielectric film 205.

다음으로, 터널링 유전막(201), 제1 부유 게이트(202), 계면 유전막(203), 제2 부유 게이트(204), 제어 유전막(205) 및 게이트 전극(206)의 양 측부를 식각하여 게이트 구조체(210)를 완성한다. 이에 따라, 기판(100)의 양측 표면이 노출된다.Next, the gate structure is etched by etching both sides of the tunneling dielectric layer 201, the first floating gate 202, the interfacial dielectric layer 203, the second floating gate 204, the control dielectric layer 205, and the gate electrode 206. Complete 210. As a result, both surfaces of the substrate 100 are exposed.

다음으로, 소스, 드레인 영역(101, 102)을 형성한다. 노출된 기판(21)의 양측 표면에 불순물 도펀트(dopant)를 도핑하여 소오스 영역(101) 및 드레인(102)영역을 형성하고, 열처리를 통하여 소오스 영역(101) 및 드레인 영역(102)을 활성화시켜 본 발명의 일 실시 예에 따른 비 휘발성 메모리를 완성한다.Next, source and drain regions 101 and 102 are formed. The source region 101 and the drain 102 region are formed by doping impurity dopants on both surfaces of the exposed substrate 21, and the source region 101 and the drain region 102 are activated by heat treatment. A nonvolatile memory according to an embodiment of the present invention is completed.

도 8은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 비 휘발성 메모리 제조방법을 나타낸 도면이다.8 is a diagram illustrating a nonvolatile memory manufacturing method according to a second embodiment of the present invention.

도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 비 휘발성 메모리 제조방법은 소스, 드레인 영역 형성단계(810), 터널링 유전막 형성단계(820)와, 제1 부유 게이트 형성단계(830)와, 계면 유전막 형성단계(840)와, 제2 부유 게이트 형성단계(850)와, 제어 유전막 형성단계(860)와, 게이트 전극 형성단계(870)를 포함한다.As shown in FIG. 8, in the nonvolatile memory manufacturing method according to the second embodiment of the present invention, a source and drain region forming step 810, a tunneling dielectric layer forming step 820, and a first floating gate forming step 830 are provided. ), An interfacial dielectric film forming step 840, a second floating gate forming step 850, a control dielectric film forming step 860, and a gate electrode forming step 870.

본 발명의 제2 실시 예에 따른 비 휘발성 메모리 제조방법에 따르면, 게이트 구조체(210)가 형성되기 이전에, 소스, 드레인 영역(101, 102)이 형성된다. 이와 같이, 게이트 구조체(210)를 형성하기 이전에, 소스, 드레인 영역(101, 102)을 형성하는 이유는 제1, 제2 부유 게이트가 금속인 경우의 녹는점의 차이를 고려한 것이다.According to the nonvolatile memory manufacturing method according to the second embodiment of the present invention, source and drain regions 101 and 102 are formed before the gate structure 210 is formed. As described above, the reason for forming the source and drain regions 101 and 102 before forming the gate structure 210 is to consider a difference in melting points when the first and second floating gates are metal.

본 발명의 제2 실시 예에 따른 비 휘발성 메모리 제조방법은 게이트 구조체(210)를 형성하기 이전에, 소스, 드레인 영역(101, 102)을 형성한다는 점을 제외하고는 앞서 상세히 설명한 본 발명의 제1 실시 예에 따른 비 휘발성 메모리 제조방법과 동일하므로, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 비 휘발성 메모리 제조방법에 대한 상세한 설명은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 비 휘발성 메모리 제조방법에 대한 상세한 설명으로 대체한다.In the nonvolatile memory manufacturing method according to the second embodiment of the present invention, the source and drain regions 101 and 102 are formed before the gate structure 210 is formed. Since the method is the same as the method of manufacturing the nonvolatile memory according to the first embodiment, a detailed description of the method of manufacturing the nonvolatile memory according to the second embodiment of the present invention will be described in detail. Replace with a description.

이상에서 보는 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.As described above, those skilled in the art will appreciate that the present invention can be implemented in other specific forms without changing the technical spirit or essential features. Therefore, the exemplary embodiments described above are to be understood as illustrative and not restrictive in all respects, and the scope of the present invention is indicated by the following claims rather than the detailed description, and the meaning and scope of the claims and All changes or modifications derived from the equivalent concept should be interpreted as being included in the scope of the present invention.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 이중나노결정층 사이의 계면 유전막의 두께를 소자 특성에 따라 조절함으로서 비 휘발성 메모리 소자의 특성을 최적화할 수 있는 효과가 있다. As described in detail above, according to the present invention, the thickness of the interfacial dielectric film between the double nanocrystal layers may be adjusted according to device characteristics, thereby optimizing the characteristics of the nonvolatile memory device.

또한, 서로 다른 일함수의 이중나노결정층을 부유 게이트로 이용함으로써, 더욱 넓은 메모리 마진을 확보하고, 저장시간과 소거동작에서의 특성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다. In addition, by using double nanocrystal layers having different work functions as floating gates, it is possible to secure a wider memory margin and to improve storage time and characteristics in an erase operation.

또한, 비 휘발성 메모리 소자의 제조 공정이 간단하며 재현성이 높아 메모리의 고집적화를 안정적으로 이룰 수 있는 효과가 있다.In addition, the manufacturing process of the nonvolatile memory device is simple and the reproducibility is high, there is an effect that can be stably high integration of the memory.

Claims (17)

기판; 및Board; And 상기 기판 상에 형성된 터널링 유전막, 상기 터널링 유전막 상에 형성된 제1 부유 게이트, 상기 제1 부유 게이트 상에 형성된 계면 유전막, 상기 계면 유전막 상에 형성되고 상기 제1 부유 게이트의 일함수보다 큰 일함수를 갖는 제2 부유 게이트, 상기 제2 부유 게이트 상에 형성된 제어 유전막 및 상기 제어 유전막 상에 형성된 게이트 전극을 포함하는 게이트 구조체;A tunneling dielectric film formed on the substrate, a first floating gate formed on the tunneling dielectric film, an interfacial dielectric film formed on the first floating gate, and a work function formed on the interfacial dielectric film and larger than a work function of the first floating gate. A gate structure including a second floating gate having a control dielectric layer, a control dielectric layer formed on the second floating gate, and a gate electrode formed on the control dielectric layer; 를 포함하는 비 휘발성 메모리.Non-volatile memory comprising a. 제1 항에 있어서,According to claim 1, 상기 제1 및 제2 부유 게이트는 나노 결정화된 비 휘발성 메모리.And the first and second floating gates are nano-crystallized. 삭제delete 제1 항에 있어서,According to claim 1, 상기 부유 게이트는 실리콘인 비 휘발성 메모리.And the floating gate is silicon. 삭제delete 제1 항에 있어서,According to claim 1, 상기 제1 부유 게이트는 5족 불순물이 주입된 나노 결정화된 실리콘이고,The first floating gate is nano-crystallized silicon implanted with Group 5 impurities, 상기 제2 부유 게이트는 3족 불순물이 주입된 나노 결정화된 실리콘인 비휘발성 메모리.And the second floating gate is nanocrystallized silicon implanted with group III impurities. 제1 항에 있어서,According to claim 1, 상기 계면 유전막의 두께는 1 나노미터 이상 3 나노미터 미만인 비 휘발성 메모리.The thickness of the interfacial dielectric film is more than 1 nanometer and less than 3 nanometers. 제1 항에 있어서,According to claim 1, 상기 계면 유전막의 두께는 3 나노미터 이상 10 나노미터 이하인 비 휘발성 메모리.And a thickness of the interfacial dielectric layer is greater than or equal to 3 nanometers and less than or equal to 10 nanometers. 기판 상에 터널링 유전막을 형성하는 단계, 상기 터널링 유전막 상에 제1 부유 게이트를 형성하는 단계, 상기 제1 부유 게이트 상에 계면 유전막을 형성하는 단계, 상기 계면 유전막 상에 상기 제1 부유 게이트의 일함수보다 큰 일함수를 갖는 제2 부유 게이트를 형성하는 단계, 상기 제2 부유 게이트 상에 제어 유전막을 형성하는 단계 및 상기 제어 유전막 상에 게이트 전극을 형성하는 단계를 포함하는 게이트 구조체를 형성하는 단계; 및Forming a tunneling dielectric film on a substrate, forming a first floating gate on the tunneling dielectric film, forming an interfacial dielectric film on the first floating gate, and forming one of the first floating gate on the interface dielectric film Forming a gate structure comprising forming a second floating gate having a work function greater than a function, forming a control dielectric layer on the second floating gate, and forming a gate electrode on the control dielectric layer ; And 상기 기판에 불순물을 주입하여 소스, 드레인 영역을 형성하는 단계;Implanting impurities into the substrate to form source and drain regions; 를 포함하는 비 휘발성 메모리 제조방법.Non-volatile memory manufacturing method comprising a. 제9 항에 있어서,The method of claim 9, 상기 제1 및 제2 부유 게이트는 실리콘인 비 휘발성 메모리 제조방법.And the first and second floating gates are silicon. 삭제delete 제9 항에 있어서,The method of claim 9, 상기 제1 및 제2 부유 게이트는 나노 결정화된 비 휘발성 메모리 제조방법.And the first and second floating gates are nanocrystallized. 삭제delete 삭제delete 제9 항에 있어서,The method of claim 9, 상기 제1 부유 게이트는 5족 불순물이 주입된 나노 결정화된 실리콘이고,The first floating gate is nano-crystallized silicon implanted with Group 5 impurities, 상기 제2 부유 게이트는 3족 불순물이 주입된 나노 결정화된 실리콘인 비 휘발성 메모리 제조방법.And the second floating gate is nanocrystallized silicon implanted with group III impurities. 제9 항에 있어서,The method of claim 9, 상기 계면 유전막의 두께는 1 나노미터 이상 3 나노미터 미만인 비 휘발성 메모리 제조방법.The interfacial dielectric film has a thickness of 1 nanometer or more and less than 3 nanometers. 제9 항에 있어서,The method of claim 9, 상기 계면 유전막의 두께는 3 나노미터 이상 10 나노미터 이하인 비 휘발성 메모리 제조방법.And a thickness of the interfacial dielectric layer is greater than or equal to 3 nanometers and less than or equal to 10 nanometers.
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