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KR19980026205A - Memory Cells in Nonvolatile Semiconductor Memory Devices - Google Patents

Memory Cells in Nonvolatile Semiconductor Memory Devices Download PDF

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KR19980026205A
KR19980026205A KR1019960044571A KR19960044571A KR19980026205A KR 19980026205 A KR19980026205 A KR 19980026205A KR 1019960044571 A KR1019960044571 A KR 1019960044571A KR 19960044571 A KR19960044571 A KR 19960044571A KR 19980026205 A KR19980026205 A KR 19980026205A
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KR
South Korea
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impurity diffusion
gate
diffusion layer
memory cell
oxide film
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Withdrawn
Application number
KR1019960044571A
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Korean (ko)
Inventor
심병섭
Original Assignee
김광호
삼성전자 주식회사
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10BELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B41/00Electrically erasable-and-programmable ROM [EEPROM] devices comprising floating gates
    • H10B41/30Electrically erasable-and-programmable ROM [EEPROM] devices comprising floating gates characterised by the memory core region
    • H10B41/35Electrically erasable-and-programmable ROM [EEPROM] devices comprising floating gates characterised by the memory core region with a cell select transistor, e.g. NAND
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10BELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B41/00Electrically erasable-and-programmable ROM [EEPROM] devices comprising floating gates
    • H10B41/40Electrically erasable-and-programmable ROM [EEPROM] devices comprising floating gates characterised by the peripheral circuit region

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  • Non-Volatile Memory (AREA)

Abstract

본 발명은 불휘발성 반도체 메모리 장치의 메모리 셀에 관한 것으로, 칩의 신뢰성을 높이기 위하여, 반도체 기판상에 형성되는 불휘발성 반도체 메모리 장치의 메모리 셀은 상기 반도체 기판내에 형성되는 제1 및 제2불순물 확산층들을 가지고, 이 제1 및 제2불순물 확산층들사이에 형성되는 채널을 가지며, 이 채널상에 산화막을 개재하여 형성되는 게이트를 가지는 제1선택 트랜지스터와; 상기 제2불순물 확산층상에 유전층을 개재하여 형성되는 게이트폴리층을 가지는 캐패시터와; 상기 반도체 기판내에 형성되는 제3 및 제4불순물 확산층들을 가지고, 이 제3 및 제4불순물 확산층들사이에 형성되는 채널을 가지며, 이 채널상에 산화막을 개재하여 형성되는 게이트를 가지는 제2선택 트랜지스터와; 상기 제4불순물 확산층에 인접하여 형성되는 제5불순물 확산층을 가지고, 상기 제4불순물 확산층상에 형성되는 터널옥사이드를 가지며, 이 터널옥사이드보다 큰 폭을 가지는 게이트를 가지는 센스트랜지스터를 구비함을 특징으로 한다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a memory cell of a nonvolatile semiconductor memory device. In order to improve chip reliability, memory cells of a nonvolatile semiconductor memory device formed on a semiconductor substrate may include first and second impurity diffusion layers formed in the semiconductor substrate. A first selection transistor having a channel formed between the first and second impurity diffusion layers and having a gate formed on the channel via an oxide film; A capacitor having a gate poly layer formed on the second impurity diffusion layer via a dielectric layer; A second selection transistor having third and fourth impurity diffusion layers formed in the semiconductor substrate, a channel formed between the third and fourth impurity diffusion layers, and a gate formed through an oxide film on the channel Wow; And a sense transistor having a fifth impurity diffusion layer formed adjacent to the fourth impurity diffusion layer, a tunnel oxide formed on the fourth impurity diffusion layer, and having a gate having a width greater than that of the tunnel oxide. do.

Description

불휘발성 반도체 메모리 장치의 메모리 셀Memory Cells in Nonvolatile Semiconductor Memory Devices

본 발명은 불휘발성 반도체 메모리 장치의 메모리 셀에 관한 것으로, 특히 칩의 신뢰성을 높이기 위한 불휘발성 반도체 메모리 장치의 메모리 셀에 관한 것이다.The present invention relates to a memory cell of a nonvolatile semiconductor memory device, and more particularly to a memory cell of a nonvolatile semiconductor memory device for improving the reliability of a chip.

최근, 불휘발성 반도체 메모리 장치 예컨대 싱글 폴리실리콘(Single PolySi) EEPROM의 경우에는 신뢰도에 관심이 모아지고 있다.Recently, in the case of a nonvolatile semiconductor memory device such as a single polysilicon (Single PolySi) EEPROM, attention has been focused on reliability.

도 1은 종래기술의 실시예에 따라 싱글 폴리실리콘 EEPROM의 메모리 셀을 나타낸 레이아웃이다.1 is a layout showing a memory cell of a single polysilicon EEPROM according to an embodiment of the prior art.

도 1에서와 같이 메모리 셀의 싱글 폴리실리콘만을 게이트로 사용하므로 선택 트랜지스터들 T1, T2과 센스 트랜지스터 T3의 게이트 물질이 동일하다. 비트라인 BL과 제어게이트에 인가되는 전압은 워드라인 WL을 통해 각각 플로팅 졍션과 제어게이트 졍션에 전달 될 수 있게 설계되어 있다. 플로팅 게이트는 파울러 노르다임 터널링을 통해 프로그램과 소거를 할 수 있도록 얇은 옥사이드 영역인 터널산화막(104)을 하단에 가지는 프로그램용 트랜지스터의 역할을 하는 센스 트랜지스터 T3와 커플링을 통해 플로팅 게이트와 터널산화막(104)의 양단에 고전압이 인가될 수 있도록 제어게이트 졍션과의 사이에 하이 캐패시터 예를 들면 ONO구조(산화막/질화막/산화막이 순차적으로 적층된 구조)의 유전층을 가지는 커플링용 캐패시터 C1로 이루어진다.As shown in FIG. 1, since only a single polysilicon of the memory cell is used as a gate, the gate materials of the selection transistors T1 and T2 and the sense transistor T3 are the same. The voltage applied to the bit line BL and the control gate is designed to be transferred to the floating section and the control gate section through the word line WL, respectively. The floating gate is connected to the floating gate and the tunnel oxide layer through coupling with a sense transistor T3 which serves as a programming transistor having a thin oxide region, the tunnel oxide layer 104 at the bottom, for programming and erasing through Fowler Nordim tunneling. A coupling capacitor C1 having a dielectric layer of a high capacitor, for example, an ONO structure (an oxide film / nitride film / oxide film is sequentially stacked) between the control gate cushion and a high voltage can be applied to both ends of 104.

상기 메모리 셀에서 참조부호(105)는 터널산화막(104)과 커플링용 캐패시터 C1의 하단 영역은 하이 도핑(Doping)된 영역으로 형성키 위한 임플랜테이션(Implantation) 영역으로 게이트(108)을 형성하기 위한 메탈 침적전에 행해준다. 이러한 기본적인 메모리 셀의 동작은 노말 EEPROM의 셀과 동일하다.In the memory cell, reference numeral 105 denotes a gate 108 as an implantation region for forming the tunnel oxide layer 104 and the lower region of the coupling capacitor C1 as a high doped region. Before metal deposition. The operation of this basic memory cell is the same as that of a normal EEPROM.

상기 메모리 셀에서의 문제점은 플로팅 게이트를 가지는 프로그램용 트랜지스터 T3의 하단에 형성되는 터널산화막(104)이 도 1에서와 같이 플로팅 게이트(108)의 프로그램용 트랜지스터 T3보다 활성영역(101) 방향으로 신장되어 형성되기 때문에 이 플로팅 게이트(108)의 양단으로 터널산화막(104)가 드러나 있다는 점이다. 즉, 게이트(108) 밖으로 터널산화막(104)의 양단이 드러남에 따라 게이트 패터닝(Patternning)후의 공정에서 손상을 받을 수 있다. 예를 들면, 후속 에칭 단계에서의 플라즈마 손상과 후속 주입단계에서의 불순물 트래핑(Trapping) 및 후속 클리닝(Cleaning)단계에서의 습식식각 손상등에 의해 터널 옥사이드 막질의 손상이 가능하며, 이는 EEPROM 셀의 리텐션(Retention) 및 내구성(Endurance)의 특성 저하를 초래한다.The problem with the memory cell is that the tunnel oxide film 104 formed at the bottom of the programming transistor T3 having the floating gate extends toward the active region 101 than the programming transistor T3 of the floating gate 108 as shown in FIG. The tunnel oxide film 104 is exposed at both ends of the floating gate 108 because it is formed. That is, as both ends of the tunnel oxide film 104 are exposed out of the gate 108, damage may occur in a process after gate patterning. For example, damage to the tunnel oxide film can be caused by plasma damage in a subsequent etching step, impurity trapping in a subsequent implantation step, and wet etching damage in a subsequent cleaning step. This results in deterioration of the properties of tension and endurance.

따라서, 본 발명의 목적은 메모리 칩의 신뢰성을 높일 수 있는 불휘발성 반도채 메모리 장치의 메모리 셀을 제공함에 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a memory cell of a nonvolatile semiconductor device capable of increasing the reliability of a memory chip.

본 발명의 다른 목적은 게이트 패터닝후의 후속공정에서 발생될 수 있는 플라즈마 손상이나 습식식각 손상등에 의한 리텐션 및 내구성의 저하를 방지할 수 있는 불휘발성 반도체 메모리 장치의 메모리 셀을 제공함에 있다.It is another object of the present invention to provide a memory cell of a nonvolatile semiconductor memory device capable of preventing retention and durability degradation due to plasma damage or wet etching damage that may occur in a subsequent process after gate patterning.

도 1은 종래기술의 실시예에 따라 구현된 불휘발성 반도체 메모리 장치의 메모리 셀을 개략적으로 나타낸 레이아웃.1 is a layout schematically showing a memory cell of a nonvolatile semiconductor memory device implemented according to an embodiment of the prior art.

도 2는 본 발명의 실시예에 따라 구현된 불휘발성 반도체 메모리 장치의 메모리 셀을 개략적으로 나타낸 레이아웃.2 is a layout schematically illustrating a memory cell of a nonvolatile semiconductor memory device implemented according to an embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따라 도 2에 도시된 레이아웃을 A에서 A'방향으로 절단한 공정 단면도.3 is a cross-sectional view of the layout shown in FIG. 2 taken from A to A 'in accordance with another embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 도 2에 도시된 레이아웃을 B에서 B'방향으로 절단한 공정 단면도.4 is a cross-sectional view of the layout shown in FIG. 2 taken from B to B 'in accordance with another embodiment of the present invention.

도 5는 일반적인 불휘발성 반도체 메모리 장치의 메모리 셀의 등가회로도.5 is an equivalent circuit diagram of a memory cell of a general nonvolatile semiconductor memory device.

이하 본 발명의 바람직한 실시예들의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명된다. 도면들중 동일한 구성요소 및 부분들은 가능한한 어느곳에서든지 동일한 부호들을 나타내고 있음을 유의하여야 한다.DETAILED DESCRIPTION A detailed description of preferred embodiments of the present invention will now be described with reference to the accompanying drawings. It should be noted that like elements and parts in the figures represent the same numerals wherever possible.

도 2는 본 발명의 실시예에 따라 구성된 불휘발성 반도체 메모리 장치의 메모리 셀의 레이아웃이고, 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따라 도 2에 도시된 레이아웃을 A에서 A'방향으로 절단한 공정 단면도이며, 도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 도 2에 도시된 레이아웃을 B에서 B'방향으로 절단한 공정 단면도이다. 그리고, 도 5는 일반적인 불휘발성 반도체 메모리 장치의 메모리 셀의 등가회로도이다.2 is a layout of a memory cell of a nonvolatile semiconductor memory device constructed according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a process of cutting the layout shown in FIG. 2 from A to A 'according to another embodiment of the present invention. 4 is a cross-sectional view of the layout shown in FIG. 2 taken from B to B 'according to another embodiment of the present invention. 5 is an equivalent circuit diagram of a memory cell of a general nonvolatile semiconductor memory device.

도 2 내지 도 5를 참조하여 구성을 살펴보면, 종래와는 달리 터널링에 의한 전자의 경로가 되는 터널산화막(204)가 차아지를 저장하는 역할을 하는 플로팅 게이트(208) 하단에 완전히 포함되어 있다. 이와 같은 구조에서는 플로팅 게이트 하단의 터널산화막(204)가 게이트 패터닝후의 공정에 의한 영향을 받지 않기 때문에 산화막 고유의 특성을 유지할 수 있다.2 to 5, unlike the related art, the tunnel oxide film 204 which is a path of electrons due to tunneling is completely included at the bottom of the floating gate 208 which serves to store the charge. In such a structure, since the tunnel oxide film 204 at the bottom of the floating gate is not affected by the process after the gate patterning, the characteristic of the oxide film can be maintained.

도 3은 본 발명에 따라 A에서 A'방향으로 절단한 수직 단면도로써, 콘택(207)은 제어게이트 메탈 콘택을 나타낸 것이고, 콘택(207)에 인접한 트랜지스터 T11는 워드라인 게이트에 의한 선택 트랜지스터를 나타내며, N+ 및 N- 졍션인 불순물 확산층(205)은 각각 고농도 엔형 불순물 이온주입에 의한 것이고, 졍션(205)는 그 상단에 하이 캐패시턴스의 캐패시터 C11와 플로팅 게이트 커플링 트랜지스터를 가지며, N- 졍션과 플로팅 게이트간의 캐패시터 C11는 노말 EEPROM 셀에서의 제어게이트와 플로팅 게이트사이의 캐패시터와 동일한 역할을 하게 된다. 즉 N- 졍션이 실질적으로 제어게이트의 역할을 한다.3 is a vertical cross-sectional view cut along A to A 'in accordance with the present invention wherein contact 207 represents a control gate metal contact and transistor T11 adjacent to contact 207 represents a select transistor by a wordline gate. The impurity diffusion layer 205, which is an N + and N- caption, is a high concentration en-type impurity ion implantation. The capacitor C11 between the gates plays the same role as the capacitor between the control gate and the floating gate in the normal EEPROM cell. In other words, the N-function substantially acts as a control gate.

도 4는 도 2에 도시된 레이아웃을 B에서 B'방향으로 절단한 수직단면도이다. 좌측부터 비트라인 콘택(207), 워드라인 WL 게이트로 이루어진 선택 트랜지스터 T12 그리고 N+ 및 N- 졍션(302, 305)으로 이루어져 있다. N- 졍션 역시 반도체 기판(301)에 N- 이온주입에 의해 형성되며, 그 상단에 게이트 옥사이드와 얇은 옥사이드인 터널산화막(204)을 함께 가지고, 이 터널산화막(204)의 상단에 플로팅 게이트(202)를 가지는 센스 트랜지스터 T13를 갖는다. 파울러 노르다임 터널링이 일어나는 얇은 옥사이드(204)는 게이트 패터닝후의 공정에의 노출을 피하기 위해 플로팅 게이트 내부에 위치하고 있다.4 is a vertical cross-sectional view of the layout shown in FIG. 2 taken from B to B '. It consists of a bit line contact 207 from the left, a select transistor T12 consisting of a word line WL gate and N + and N− options 302 and 305. The N-section is also formed by implanting N- ions into the semiconductor substrate 301, and has a gate oxide and a thin oxide tunnel oxide film 204 on top thereof, and a floating gate 202 on top of the tunnel oxide film 204. Has a sense transistor T13. The thin oxide 204 where the Fowler Nordim tunneling takes place is located inside the floating gate to avoid exposure to the process after gate patterning.

전술한 바와 같이, 본 발명은 메모리 칩의 신뢰성을 높일 수 있는 이점을 가진다. 또한, 본 발명은 게이트 패터닝후의 후속공정에서 발생될 수 있는 플라즈마 손상이나 습식식각 손상등에 의한 리텐션 및 내구성의 저하를 방지할 수 있는 이점을 가진다.As described above, the present invention has the advantage of increasing the reliability of the memory chip. In addition, the present invention has the advantage of preventing retention and durability degradation due to plasma damage or wet etching damage that may occur in subsequent processes after gate patterning.

Claims (6)

반도체 기판상에 형성되는 불휘발성 반도체 메모리 장치의 메모리 셀에 있어서:In a memory cell of a nonvolatile semiconductor memory device formed on a semiconductor substrate: 상기 반도체 기판내에 형성되는 제1 및 제2불순물 확산층들을 가지고, 이 제1 및 제2불순물 확산층들사이에 형성되는 채널을 가지며, 이 채널상에 산화막을 개재하여 형성되는 게이트를 가지는 제1선택 트랜지스터와;A first selection transistor having first and second impurity diffusion layers formed in the semiconductor substrate, a channel formed between the first and second impurity diffusion layers, and having a gate formed on the channel via an oxide film Wow; 상기 제2불순물 확산층상에 유전층을 개재하여 형성되는 게이트폴리층을 가지는 캐패시터와;A capacitor having a gate poly layer formed on the second impurity diffusion layer via a dielectric layer; 상기 반도체 기판내에 형성되는 제3 및 제4불순물 확산층들을 가지고, 이 제3 및 제4불순물 확산층들사이에 형성되는 채널을 가지며, 이 채널상에 산화막을 개재하여 형성되는 게이트를 가지는 제2선택 트랜지스터와;A second selection transistor having third and fourth impurity diffusion layers formed in the semiconductor substrate, a channel formed between the third and fourth impurity diffusion layers, and a gate formed through an oxide film on the channel Wow; 상기 제4불순물 확산층에 인접하여 형성되는 제5불순물 확산층을 가지고, 상기 제4불순물 확산층상에 형성되는 터널옥사이드를 가지며, 이 터널옥사이드보다 큰 폭을 가지는 게이트를 가지는 센스트랜지스터를 구비함을 특징으로 하는 반도체 메모리 장치의 메모리 셀.And a sense transistor having a fifth impurity diffusion layer formed adjacent to the fourth impurity diffusion layer, a tunnel oxide formed on the fourth impurity diffusion layer, and having a gate having a width greater than that of the tunnel oxide. Memory cells of a semiconductor memory device. 제1항에 있어서, 상기 제1불순물 확산층은 드레인으로 사용될때 상기 제2불순물 확산층은 소오스로 사용됨을 특징으로 하는 반도체 메모리 장치의 메모리 셀.The memory cell of claim 1, wherein the second impurity diffusion layer is used as a source when the first impurity diffusion layer is used as a drain. 제2항에 있어서, 상기 드레인은 컨트롤 게이트라인과 접속됨을 특징으로 하는 반도체 메모리 장치의 메모리 셀.The memory cell of claim 2, wherein the drain is connected to a control gate line. 제1항에 있어서, 상기 제3불순물 확산층은 드레인으로 사용될때 상기 제4불순물 확산층은 소오스로 사용됨을 특징으로 하는 반도체 메모리 장치의 메모리 셀.The memory cell of claim 1, wherein the fourth impurity diffusion layer is used as a source when the third impurity diffusion layer is used as a drain. 제4항에 있어서, 상기 제3불순물 확산층은 비트라인과 접속됨을 특징으로 하는 반도체 메모리 장치의 메모리 셀.The memory cell of claim 4, wherein the third impurity diffusion layer is connected to a bit line. 제1항에 있어서, 상기 유전층은 산화막과 질화막 및 산화막이 순차적으로 적층된 구조의 유전층임을 특징으로 하는 반도체 메모리 장치의 메모리 셀.The memory cell of claim 1, wherein the dielectric layer is a dielectric layer having a structure in which an oxide film, a nitride film, and an oxide film are sequentially stacked.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20170095059A (en) * 2016-02-12 2017-08-22 에스케이하이닉스 주식회사 Single poly non-volatile memory cell, memory cell array, and methods of operating the same

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KR20170095059A (en) * 2016-02-12 2017-08-22 에스케이하이닉스 주식회사 Single poly non-volatile memory cell, memory cell array, and methods of operating the same

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Patent event code: PA01091R01D

Comment text: Patent Application

Patent event date: 19961008

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PC1203 Withdrawal of no request for examination
WITN Application deemed withdrawn, e.g. because no request for examination was filed or no examination fee was paid