KR101030974B1 - 4-bit memory cell having vertical gate, nor flash memory array using the same and fabrication method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 메모리 셀 및 이를 이용한 노아 플래시 메모리 어레이와 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전도성 물질로 형성된 게이트 핀 양측에 각각 전하 저장 공간부를 사이에 두고 사각 기둥 모양의 실리콘 핀이 위치하고 상기 각 실리콘 핀 양단에 제 1 소스/드레인 및 제 2 소스/드레인이 형성된 구조를 가짐으로써, 하나의 게이트로 4비트 셀 동작이 가능한 수직 게이트를 갖는 4비트 메모리 셀 및 이를 이용한 노아 플래시 메모리 어레이와 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a memory cell, a Noah flash memory array using the same, and a method of manufacturing the same. More specifically, a rectangular pillar-shaped silicon fin is disposed on both sides of a gate fin formed of a conductive material, with charge storage spaces interposed therebetween. By having a structure in which a first source / drain and a second source / drain are formed across silicon fins, a 4-bit memory cell having a vertical gate capable of 4-bit cell operation with one gate, a noah flash memory array using the same, and fabrication thereof It is about a method.
수직 게이트, 4비트, 노아 플래시, 메모리 Vertical Gate, 4-Bit, Noah Flash, Memory
Description
본 발명은 메모리 셀 및 이를 이용한 노아 플래시 메모리 어레이와 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전도성 물질로 형성된 게이트 핀 양측에 각각 전하 저장 공간부를 사이에 두고 사각 기둥 모양의 실리콘 핀이 위치하고 상기 각 실리콘 핀 양단에 제 1 소스/드레인 및 제 2 소스/드레인이 형성된 구조를 가짐으로써, 하나의 게이트로 4비트 셀 동작이 가능한 수직 게이트를 갖는 4비트 메모리 셀 및 이를 이용한 노아 플래시 메모리 어레이와 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a memory cell, a Noah flash memory array using the same, and a method of manufacturing the same. More specifically, a rectangular pillar-shaped silicon fin is disposed on both sides of a gate fin formed of a conductive material, with charge storage spaces interposed therebetween. By having a structure in which a first source / drain and a second source / drain are formed across silicon fins, a 4-bit memory cell having a vertical gate capable of 4-bit cell operation with one gate, a noah flash memory array using the same, and fabrication thereof It is about a method.
플래시 메모리는 그 응용에 따라 코드 플래시와 데이터 플래시로 크게 구분할 수 있는데, 전자는 빠르고 랜덤 엑세스가 가능한 노아(NOR)형 구조가 사용되고, 후자는 페이지 엑세스가 가능하고 고집적이 가능한 낸드(NAND)형 구조가 사용된다.Flash memory can be classified into code flash and data flash according to its application. The former uses NOR type structure with fast and random access, and the latter uses NAND type structure with page access and high density. Is used.
지금까지 이러한 플래시 메모리로 부유 게이트(floating gate) 형이 주로 양산되고 있으나, 부유 게이트 형 메모리는 메모리 셀(소자)이 작아지면서 부유층 물질(floating node)이 일정 두께 이상을 가져야 하는 한계로 쓰기/지우기 동작시 15V이상의 고전압이 요구되는 문제점이 있고, 셀간 커플링(cell-to-cell coupling) 문제와 드레인 간섭 문제 등이 있어, 결국 소자의 스켈링 다운(scaling down)에 한계가 있어 왔다.Until now, the floating gate type has been mass-produced mainly with such flash memory. However, the floating gate type memory has a limitation that the floating node must have a certain thickness or more as the memory cell (element) becomes smaller. In operation, there is a problem that a high voltage of 15V or more is required, cell-to-cell coupling problems, drain interference problems, and the like, and eventually, scaling down of devices has been limited.
상기 부유 게이트 형 메모리의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것이 전하 포획 메모리(CTF: Charge Trap Flash)인데, 이는 부유 게이트 형 메모리와 달리 전하 저장 공간으로 비전도성 물질인 질화막(nitride)을 사용한 것으로, SONOS 및 TANOS 등이 그 예이다.Charge trapping memory (CTF) has been proposed to solve the problem of the floating gate type memory, which, unlike the floating gate type memory, uses a non-conductive material nitride as a charge storage space. And TANOS and the like.
이러한 전하 포획 메모리(CTF)는 전하 저장 공간으로 비전도성 물질을 사용하기 때문에, 도 1과 같이, 하나의 채널 속에서 두 개의 독립된 저장 노드를 구현할 수 있어, 2비트(소스쪽에 한 개 비트, 드레인 쪽에 한 개 비트: 이러한 동작을 mirror-bit라 함) 구현이 가능한 장점이 있고, 쓰기 동작시엔 고온 전자 주입(CHEI: Channel Hot Electron Injection), 지우기 동작시엔 고온 홀주입(HHI: Hot Hole Injection), 그리고 읽기 동작시엔 각 비트를 독립적으로 구분하기 위해 역방향 읽기(reverse reading)를 주로 사용한다.Since the charge trapping memory (CTF) uses a non-conductive material as the charge storage space, as shown in FIG. 1, two independent storage nodes can be implemented in one channel, thereby allowing two bits (one bit on the source side and one drain). One bit per page: this operation is called mirror-bit), and it is possible to implement Channel Hot Electron Injection (CHEI) during write operation, Hot Hole Injection (HHI) during erase operation, In the read operation, reverse reading is mainly used to distinguish each bit independently.
만약, 전하 포획 메모리(CTF)를 더블 게이트(double gate) 구조로 응용하게 되면, 도 2와 같이, 하나의 셀로 4비트도 가능하게 되는 장점이 있으나, 이러한 멀티 저장 노드 셀(MSNC: Multi-Storage Node Cell)을 스켈링 다운함에 있어서는 하기와 같은 근본적인 한계점이 있다.If the charge trapping memory (CTF) is applied to a double gate structure, as shown in FIG. 2, four bits are possible in one cell, but such multi-storage cell (MSNC) Scaling down Node Cells has the following fundamental limitations.
첫째는 짧은 채널 효과(SCE: Short Channel Effect)인데, 짧아진 채널 구조에서 펀치 쓰루(punch-through) 현상이 발생하게 되면 채널이 게이트 표면이 아니 라 벌크 쪽의 깊숙한 곳에 형성하게 되어, 쓰기 동작시엔 고온 전자 주입(CHEI) 효율이 떨어지고, 읽기 동작시엔 전하 저장 노드 및 게이트의 영향을 받지 않게 되어 충분한 문턱전압 변동(threshold voltage window)을 얻기 힘든 문제점이 있다.The first is the short channel effect (SCE). When a punch-through occurs in the short channel structure, the channel is formed deep in the bulk side rather than the gate surface. The high temperature electron injection (CHEI) efficiency is lowered, and the read storage operation is not influenced by the charge storage node and the gate, thereby making it difficult to obtain a sufficient threshold voltage window.
둘째는 저장된 전하의 재분포 문제로, 고온 전자 주입(CHEI)으로 전자를 주입시킬 때 전자들은 약 40 nm의 분포를 가지면서 공간적으로 퍼져서 저장하게 되므로, 100 nm 이하의 짧은 채널에서는 독립적으로 각 비트에 저장되어야할 전자들이 뒤섞여 버리는 문제점이 있다(ITRS road map에 의하면 전하 재분포 문제를 벗어난 안정적인 동작을 위해서는 최소 140 nm의 채널 길이를 확보해야 한다고 알려짐).The second is the redistribution of stored charges. When electrons are injected by high temperature electron injection (CHEI), the electrons are spread around and stored in a distribution of about 40 nm. There is a problem that the electrons to be stored in the mix are mixed up (ITRS road map shows that a channel length of at least 140 nm is required for stable operation beyond the charge redistribution problem).
셋째는 second-bit effect로, 채널의 길이가 짧아짐에 따라 소스 쪽과 드레인 쪽 비트들이 가까워짐에 따라 저장된 전하들이 전기적으로 간섭(electrical coupling)을 일으키게 되어, 읽기 동작시 각 비트들을 구분할 수 있는 충분한 문턱전압 변동을 얻기 힘든 문제점이 있다.Third is the second-bit effect, as the shorter channel lengths bring the source and drain bits closer together, causing electrical charges to cause electrical coupling, which is sufficient to distinguish each bit during a read operation. There is a problem that it is difficult to obtain voltage fluctuations.
또한, 기존 평면형 구조의 멀티 비트 소자의 채널길이는 120 nm로 현재의 노광 기술 기준으로 2F의 크기를 가질 수밖에 없으므로, 도 3과 같이, 2F의 크기에서 1F로 줄일 경우에는 멀티 저장 노드 셀(MSNC)에 의한 멀티 비트 구현은 어렵고 대신 멀티 레벨 셀(MLC: Multi-Level Cell)에 의한 멀티 비트 구현만 가능하므로, 하나의 셀로 4비트 구현을 하며 셀의 크기를 줄이는 데는 근본적인 한계가 있다.In addition, since the channel length of a conventional multi-bit device having a planar structure has a size of 2F based on the current exposure technology, as shown in FIG. 3, when reducing the size from 2F to 1F, the multi storage node cell (MSNC) is used. ) Is difficult to implement multi-bit, and only multi-bit implementation by multi-level cell (MLC) is possible. Therefore, there is a fundamental limitation in reducing a cell size by implementing 4-bit in one cell.
본 발명은 종래 평면형 구조의 멀티 비트 소자가 가지는 문제점(한계점)을 근본적으로 해결하고자 제안된 것으로, 전도성 물질로 형성된 게이트 핀 양측에 각각 전하 저장 공간을 사이에 두고 사각 기둥 모양의 실리콘 핀을 형성하고 상기 각 실리콘 핀 양단에 제 1 소스/드레인 및 제 2 소스/드레인이 형성된 구조를 가짐으로써, 하나의 게이트로 4비트 셀 동작이 가능한 수직 게이트를 갖는 4비트 메모리 셀 및 이를 이용한 노아 플래시 메모리 어레이와 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention is proposed to fundamentally solve a problem (limitation point) of a multi-bit device having a planar structure, and forms a silicon pillar having a rectangular pillar shape with charge storage spaces interposed on both sides of a gate fin formed of a conductive material. A 4-bit memory cell having a vertical gate capable of 4-bit cell operation with one gate by having a structure in which a first source / drain and a second source / drain are formed across each of the silicon fins, and a Noah flash memory array using the same; Its purpose is to provide its manufacturing method.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 수직 게이트를 갖는 4비트 메모리 셀은 트렌치를 갖는 실리콘 기판과; 상기 트렌치에 절연막으로 둘러싸인 수직 형상의 게이트 핀과; 상기 게이트 핀을 중심에 두고 양 측면에 상기 절연막 중 좌, 우 터널링 절연막 상에 각각 전하 저장 공간부 및 블로킹 절연막을 사이에 두고 형성된 2개의 실리콘 트렌치 벽체와; 상기 각 실리콘 트렌치 벽체에 상, 하로 이격되어 형성된 제 1 소스/드레인 및 제 2 소스/드레인을 포함하여 형성되되, 상기 제 2 소스/드레인은 상기 각 실리콘 트렌치 벽체 하부에 형성되고, 상기 게이트 핀의 밑에 있는 트렌치 절연막에 의하여 서로 전기적으로 절연되고, 상기 제 1 소스/드레인은 상기 각 실리콘 트렌치 벽체 상부에 형성되고, 도전성 물질층에 의하여 서로 전기적으로 연결된 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, a 4-bit memory cell having a vertical gate according to the present invention comprises a silicon substrate having a trench; A gate pin having a vertical shape surrounded by an insulating film in the trench; Two silicon trench walls formed on the left and right tunneling insulating films on both sides of the insulating film, with the charge storage space portion and the blocking insulating film interposed between the gate pins; A first source / drain and a second source / drain formed on the silicon trench walls spaced apart from each other, the second source / drain being formed under the silicon trench walls, And electrically insulated from each other by an underlying trench insulating layer, wherein the first source / drain is formed on each of the silicon trench walls and electrically connected to each other by a conductive material layer.
그리고, 상기 셀을 이용한 노아 플래시 메모리 어레이는 상기 게이트 핀을 길이 방향과 수직하게 복수 개 형성하여 각 게이트 핀을 워드 라인으로 하고, 상기 각 게이트 핀의 일측 또는 양측 및 상기 각 게이트 핀의 길이 방향을 따라 일정거 리 이격되며 상기 사각 기둥형상의 실리콘 핀을 복수 개 형성하여, 상기 워드 라인과 평행하게 배열된 상기 각 사각 기둥형상의 실리콘 핀 하부에 형성된 소스 또는 드레인은 서로 연결하여 하부 비트 라인으로 하고, 상기 워드 라인과 수직하게 배열된 상기 각 사각 기둥형상의 실리콘 핀 상부에 형성된 상기 도전성 물질층은 상부 비트 라인으로 하는 것을 특징으로 한다.In the NOR flash memory array using the cell, a plurality of gate pins are formed perpendicularly to a length direction to form each gate pin as a word line, and one side or both sides of each gate pin and a length direction of each gate pin. A plurality of square pillar-shaped silicon fins spaced apart from each other along the source line and a source or a drain formed under each of the square pillar-shaped silicon fins arranged in parallel with the word line are connected to each other to form a lower bit line. The conductive material layer formed on each of the rectangular pillar-shaped silicon fins arranged perpendicular to the word line is an upper bit line.
그리고, 상기 노아 플래시 메모리 어레이의 제조방법은 실리콘 기판 상부에 질화막을 증착하고 패터닝하여 복수 개의 실리콘 핀을 형성하는 제 1 단계와; 상기 기판 전면에 제 1 절연물질을 증착하고 비등방성으로 식각하여 상기 각 실리콘 핀에 절연막 측벽을 형성하는 제 2 단계와; 상기 기판 전면에 이온주입을 하여 상기 실리콘 핀 사이의 트렌치 바닥에 불순물 도핑층을 형성하는 제 3 단계와; 어닐링 공정을 통하여 상기 불순물 도핑층을 상기 각 실리콘 핀 하부까지 확산시켜 하부 비트 라인 도핑층을 형성하는 제 4 단계와; 실리콘 식각 공정을 통하여 상기 하부 비트 라인 도핑층을 각각의 하부 비트 라인으로 분리시키는 제 5 단계와; 상기 기판 전면에 제 2 절연물질을 증착하고 평탄화시켜 상기 트렌치에 상기 제 2 절연물질로 채워넣는 제 6 단계와; 상기 트렌치에 채워진 비실리콘 물질을 선택적으로 리세스(recess) 식각하여 트렌치 절연막을 형성시켜 상기 각각의 하부 비트 라인을 전기적으로 격리시켜주는 제 7 단계와; 상기 리세스(recess) 식각으로 노출된 상기 각 실리콘 핀의 양 측면에 전하 저장 공간부를 형성시키는 제 8 단계와; 상기 기판 전면에 제 1 전도성 물질을 증착하고 식각하여 워드 라인을 형성하는 제 9 단계와; 이후 상기 기판 전면에 층간 절연물질을 증착하고 평탄화시키는 제 10 단계와; 상 기 질화막을 선택 식각하여 상기 각 실리콘 핀의 상부가 드러나게 하는 제 11 단계와; 이온주입공정을 통하여 상기 노출된 각 실리콘 핀의 상부에 상부 비트 라인 도핑층을 형성시키는 제 12 단계와; 상기 기판 전면에 제 2 전도성 물질을 증착하고, 상기 제 2 전도성 물질, 상기 상부 비트 라인 도핑층 및 상기 각 실리콘 핀을 순차적으로 식각하여 상부 비트 라인을 형성하는 제 13 단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.The method for manufacturing a Noah flash memory array includes: a first step of forming a plurality of silicon fins by depositing and patterning a nitride film on a silicon substrate; Depositing a first insulating material on the entire surface of the substrate and etching anisotropically to form insulating film sidewalls on each of the silicon fins; A third step of forming an impurity doping layer in the bottom of the trench between the silicon fins by implanting ions into the entire surface of the substrate; A fourth step of forming a lower bit line doping layer by diffusing the impurity doping layer to the lower portion of each silicon fin through an annealing process; A fifth step of separating the lower bit line doped layer into each lower bit line through a silicon etching process; Depositing and planarizing a second insulating material over the entire surface of the substrate to fill the trench with the second insulating material; A seventh step of selectively recessing and etching the non-silicon material filled in the trench to form a trench insulating film to electrically isolate each of the lower bit lines; An eighth step of forming charge storage spaces on both sides of each of the silicon fins exposed by the recess etch; A ninth step of depositing and etching a first conductive material on the entire surface of the substrate to form a word line; A tenth step of depositing and planarizing an interlayer insulating material over the substrate; An eleventh step of selectively etching the nitride film to expose an upper portion of each of the silicon fins; A twelfth step of forming an upper bit line doping layer on each of the exposed silicon fins through an ion implantation process; And depositing a second conductive material on the entire surface of the substrate, and sequentially etching the second conductive material, the upper bit line doping layer, and each of the silicon fins to form an upper bit line. do.
본 발명에 의한 수직 게이트를 갖는 4비트 메모리 셀은 수직채널 구조를 가짐으로써, 1F의 크기 내에서도 채널을 충분히 길게 가져갈 수 있으므로, 종래 지적된 짧은 채널 효과, 전하 재분포 문제, second-bit effect 등과 같은 문제점을 근본적으로 해결하며, 하나의 게이트로 대칭적인 4비트 메모리 셀 동작이 가능한 효과가 있다.Since a 4-bit memory cell having a vertical gate according to the present invention has a vertical channel structure, the channel can be sufficiently long even within the size of 1F, and thus, such as a short channel effect, a charge redistribution problem, a second-bit effect, and the like, which are conventionally pointed out, It fundamentally solves the problem and has the effect of symmetrical 4-bit memory cell operation with a single gate.
그리고, 본 발명에 의한 셀을 이용한 노아 플래시 메모리 어레이는 하나의 워드 라인이 양쪽 사각 기둥 형상의 실리콘 핀을 공유하게 됨으로써, 종래보다 워드 라인의 개수를 줄일 수 있게 되어, 줄어든 워드 라인 자체 폭 및 워드 라인간 격리 공간의 폭을 줄일 수 있게 되어 집적도 향상은 물론, 컨택(contact) 개수가 적어지고 워드 라인과 연결되는 주변회로(예: 워드 라인 디코더) 등이 간단해지는 장점이 있다.In addition, in the NOR flash memory array using a cell according to the present invention, since one word line shares both rectangular pillar-shaped silicon pins, it is possible to reduce the number of word lines compared to the prior art, resulting in a reduced word line width and words. Since the width of the isolation space between lines can be reduced, the integration is improved, the number of contacts is reduced, and peripheral circuits (eg, word line decoders) connected to the word lines are simplified.
또한, 비트 라인은 2가지로 나뉘어 하나는 실리콘 핀 상부를 워드 라인과 수직하게 형성되고, 다른 하나는 실리콘 핀 하부에서 매몰된 형태로 워드 라인과 평 행하게 형성되어, 각 비트 라인 형성을 위한 별도의 수평공간이 필요 없게 됨으로써, 집적도를 획기적으로 향상시킨 효과가 있다.In addition, the bit line is divided into two types, one is formed on the upper side of the silicon fin perpendicular to the word line, and the other is formed parallel to the word line in the form buried under the silicon pin, a separate for forming each bit line By eliminating the need for a horizontal space, there is an effect of significantly improving the degree of integration.
나아가, 본 발명에 의한 노아 플래시 메모리 어레이의 제조방법은 기존 CMOS 공정을 그대로 이용 가능한 장점이 있다.Furthermore, the method of manufacturing a Noah flash memory array according to the present invention has an advantage of using an existing CMOS process as it is.
이하, 첨부 도면을 참조하며 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of the present invention.
[셀의 구조에 관한 [About structure of cell 실시예Example ]]
우선, 본 발명에 의한 메모리 셀은 기본적으로, 도 24와 같이, 트렌치를 갖는 실리콘 기판(10a)과; 상기 트렌치에 절연막(52, 54, 62)으로 둘러싸인 수직 형상의 게이트 핀(70)과; 상기 게이트 핀을 중심에 두고 양 측면에 상기 절연막 중 좌, 우 터널링 절연막(62) 상에 각각 전하 저장 공간부(64) 및 블로킹 절연막(66)을 사이에 두고 형성된 2개의 실리콘 트렌치 벽체(44a1, 12b1, 42c1; 44a2, 12b2, 42c2)와; 상기 각 실리콘 트렌치 벽체에 상, 하로 이격되어 형성된 제 1 소스/드레인(44a1, 44a2) 및 제 2 소스/드레인(42c1, 42c2)을 포함하여 형성된 것을 특징으로 한다.First, a memory cell according to the present invention basically includes a
여기서, 상기 전하 저장 공간부(64)는 질화막(nitride)으로 하여 상기 터널링 절연막(62) 및 블로킹 절연막(66)과 함께 ONO 구조(60)가 되도록 함이 바람직하나, 상기 질화막(nitride) 대신 도핑된 실리콘계 물질층 등 도전성 물질층으로 하여 부유 게이트(floating gate) 구조가 되도록 할 수도 있다.In this case, the
그리고, 상기 제 2 소스/드레인(42c1, 42c2)은, 도 24와 같이, 상기 각 실리콘 트렌치 벽체 하부에 형성되고, 상기 게이트 핀(70)의 밑에 있는 트렌치 절연막(STI)에 의하여 이웃 제 2 소스/드레인과 서로 전기적으로 절연된다. The second source / drain 42c1 and 42c2 are formed under each silicon trench wall as shown in FIG. 24, and are adjacent to the second source by the trench insulating layer STI under the
여기서, 상기 트렌치 절연막(STI)은 상기 게이트 핀(70) 밑에 있는 트렌치에 채워진 절연막으로, 도 24에서 도면부호 62, 52, 32a가 이에 해당된다.The trench insulating layer STI is an insulating layer filled in the trench under the
이렇게 함으로써, 상기 게이트 핀(70)에 충분히 높은 전압이 인가되더라도 상기 트렌치 하부의 기판에 채널 형성을 근본적으로 차단시켜 이웃하고 있는 제 2 소스/드레인 간의 전기적 절연을 효과적으로 달성할 수 있게 된다.By doing so, even if a sufficiently high voltage is applied to the
한편, 상기 제 1 소스/드레인(44a1, 44a2)은, 도 24와 같이, 상기 각 실리콘 트렌치 벽체 상부에 형성되고, 도전성 물질층(80a)에 의하여 서로 전기적으로 연결된다.Meanwhile, the first sources / drains 44a1 and 44a2 are formed on the silicon trench walls as shown in FIG. 24 and electrically connected to each other by the
이렇게 함으로써, 상기 게이트 핀(70)에 고전압을 인가하고, 상기 제 1 소스/드레인(44a1, 44a2)에 동일한 전압을 인가한 상태에서 좌, 우측 제 2 소스/드레인(42c1, 42c2)에 전압을 번갈아 가며 인가시켜 상기 각 전하 저장 공간부(64)의 상측 또는 하측에 효과적으로 프로그램시킬 수 있다. 리드 및 이레이즈 동작도 마찬가지여서 4비트 셀로 완전하게 구동할 수 있다.In this way, a high voltage is applied to the
그리고, 상기 각 실리콘 트렌치 벽체는, 도 24와 같이, 일정 폭, 두께 및 높이를 가진 사각 기둥형상의 실리콘 핀으로 구현함이 바람직하다.And, each of the silicon trench wall, as shown in Figure 24, it is preferable to implement a rectangular pillar-shaped silicon fin having a predetermined width, thickness and height.
이때, 실리콘 트렌치 벽체의 폭은 이웃 셀의 게이트 핀에 의한 쌍을 이루는 셀간의 간섭(Paired Cell Interference: PCI)을 방지할 수 있도록 하고, 실리콘 트렌치 벽체의 두께는 읽기전류(리드시 저항) 및 집적도를 고려하고, 실리콘 트렌치 벽체의 높이는 읽기전류(리드시 저항)를 고려하되 종래 기술의 문제점(짧은 채널 효과, 전하 재분포 문제, secind-bit effect 등)을 극복할 수 있도록 그 크기를 결정할 수 있다.At this time, the width of the silicon trench wall can prevent the paired cell interference (PCI) by the gate pin of the neighboring cell, and the thickness of the silicon trench wall is read current (resistance at read) and integration degree. And the height of the silicon trench walls can be sized to account for the read current (resistance at read), but to overcome the problems of the prior art (short channel effect, charge redistribution problem, secind-bit effect, etc.). .
이렇게 함으로써, 동일한 게이트 핀(70)을 공유하며 복수 개의 메모리 셀을 일정 간격으로 이격시키며 효과적으로 배치시킬 수 있다. By doing so, the
[메모리 어레이에 관한 [Regarding Memory Array 실시예Example ]]
본 발명에 의한 메모리 어레이는 상기 셀의 구조에 관한 실시예에 따른 4비트 메모리 셀을 이용한 것으로서, 기본적으로, 도 23과 같이, 상기 게이트 핀(70)을 길이 방향과 수직하게 복수 개 형성하여 각 게이트 핀을 워드 라인(WL1, WL2 등)으로 하고, 상기 각 게이트 핀의 일측 또는 양측 및 상기 각 게이트 핀의 길이 방향을 따라 일정거리 이격되며 상기 사각 기둥형상의 실리콘 핀(실리콘 트렌치 벽체)을 복수 개 형성하여, 상기 워드 라인과 평행하게 배열된 상기 각 사각 기둥형상의 실리콘 핀 하부에 형성된 소스 또는 드레인(제 2 소스/드레인)은 서로 연결하여 하부 비트 라인(BBL1, BBL2, BBL3 등)으로 하고, 상기 워드 라인과 수직하게 배열된 상기 각 사각 기둥형상의 실리콘 핀 상부에 형성된 상기 도전성 물질층(80a)은 상부 비트 라인(TBL1, TBL2 등)으로 하는 것을 특징으로 한다.The memory array according to the present invention uses a 4-bit memory cell according to an embodiment of the cell structure. Basically, as illustrated in FIG. 23, a plurality of
여기서, 상기 하부 비트 라인(BBL1, BBL2, BBL3 등) 형성을 위한 상기 워드 라인과 평행하게 배열된 상기 각 사각 기둥형상의 실리콘 핀 하부에 형성된 소스 또는 드레인(제 2 소스/드레인)의 연결은, 도 22와 같이, 불순물 도핑층(46)에 의할 수도 있으나, 어레이 공정 조건을 조절하여, 도 18과 같이, 상기 워드 라인과 평행하게 배열된 제 2 소스/드레인의 하측이 서로 연결(42b)될 수 있도록 할 수도 있다.Here, a connection of a source or a drain (second source / drain) formed under each of the rectangular pillar-shaped silicon fins arranged in parallel with the word line for forming the lower bit lines BBL1, BBL2, BBL3, etc., As shown in FIG. 22, the impurity doped
기타, 상기 메모리 어레이에 사용된 각 셀의 구조에 대해서는 상기 셀의 구조에 관한 실시예에서 이미 설명한 바에 따르므로, 이에 대한 설명은 생략한다.In addition, since the structure of each cell used in the memory array is as described above in the embodiment of the structure of the cell, description thereof will be omitted.
다음, 본 실시예에 의한 메모리 어레이의 동작 방법에 대하여 간단히 설명하면 하기와 같다.Next, a brief description of the operation method of the memory array according to the present embodiment.
먼저, 읽기(리드)나 쓰기(프로그램) 동작에 있어서 원하지 않는 비트 라인에는 0 V를 인가하는 것이 아니라, 플로팅(floating)시켜 준다.First, in the read (read) or write (program) operation, 0 V is not applied to an unwanted bit line, but is floated.
도 23에서 Bit 1(①)에 전하를 저장(프로그램)시키기 위해서는 BBL1에 0 V가 가해지고, TBL1에는 3 V의 전압이 인가된다. 그리고, WL2에는 5 V의 전압이 가해진다. 이 경우 Bit 2(②)에는 원하지 않는 비트 라인(BBL2)이 플로팅(floating)되어 있으므로 TBL1 및 WL2에 동일한 전압이 인가되어 있어도 전하가 저장되질 않는다.In FIG. 23, 0 V is applied to BBL1 and 3 V is applied to TBL1 to store (program) charge in Bit 1 (①). Then, a voltage of 5 V is applied to WL2. In this case, since the undesired bit line BBL2 is floating in Bit 2 (2), even if the same voltage is applied to TBL1 and WL2, no charge is stored.
이를 확인하기 위하여 시뮬레이션한 결과, 도 25 내지 도 27과 같은 결과를 얻었다.In order to confirm this, simulation results were obtained as shown in FIGS. 25 to 27.
도 25는 시뮬레이션을 위한 전압 인가 방식을 보여준 것이고, 도 36 및 도 27은 도 25와 같이 전압을 인가하였을 경우 각각 포텐셜(potential) 및 전류밀도(current density)를 보여주는 시뮬레이션 결과이다.FIG. 25 illustrates a voltage application method for simulation, and FIGS. 36 and 27 are simulation results showing potentials and current densities when voltages are applied as shown in FIG. 25.
상기 시뮬레이션을 통하여, BBL2를 플로팅(floating)시켜 주게 되면, Fin 2 의 실리콘 부분의 채널 역시 전기적으로 플로팅되어, 셀프 부스팅(self- boosting) 효과로 WL2의 고전압에 의한 Fin 2의 채널 포텐셜도 올라가게 됨으로써, WL2에 고전압이 인가되더라도 Bit 2(②) 및 Bit 4(④)에는 터널링에 의한 프로그램도 일어나지 않게 됨을 확인할 수 있었고, 또한 도 27과 같이 BBL1과 TBL1 사이에만 높은 전류 밀도가 나타나, Bit 1(①)에만 고온 전자 주입(CHEI)에 의한 프로그램이 일어남을 확인할 수 있었다.Through the simulation, when BBL2 is floated, the channel of the silicon portion of
상기와 같은 방식으로, 선택되지 않은 비트 라인들은 플로팅시켜 줌으로써, 각 비트에 임의적으로 쓰기, 읽기, 지우기 동작이 가능하게 할 수 있다.In this manner, by selecting the bit lines that are not selected, random write, read, and erase operations may be performed on each bit.
각 비트마다 각각의 동작전압의 일 예를 들면, 도 28 내지 도 31과 같다.Examples of the respective operating voltages for each bit are as shown in FIGS. 28 to 31.
도 28은 Bit 1(①)의 동작전압, 도 29는 Bit 2(②)의 동작전압, 도 30은 Bit 3(③)의 동작전압, 도 31은 Bit 4(④)의 동작전압을 각각 나타낸다.28 shows the operating voltage of Bit 1 (①), FIG. 29 shows the operating voltage of Bit 2 (②), FIG. 30 shows the operating voltage of Bit 3 (③), and FIG. 31 shows the operating voltage of Bit 4 (④), respectively. .
[메모리 어레이의 제조방법에 관한 [Method of Manufacturing Memory Array 실시예Example ]]
상기 실시예에 따른 메모리 어레이의 제조방법은, 기본적으로, 도 4 내지 도 18과 같은 제조공정을 거치게 된다. 이를 구체적으로 살펴보면 하기와 같다.The manufacturing method of the memory array according to the above embodiment basically goes through a manufacturing process as shown in FIGS. 4 to 18. Looking at this in detail.
먼저, 도 4와 같이, 실리콘 기판(10) 상부에 질화막(20)을 증착하고 패터닝하여 복수 개의 실리콘 핀(12)을 형성한다(제 1 단계).First, as shown in FIG. 4, the
물론, 상기 질화막(20)을 증착하기 이전에 기판에 채널 이온주입(p+ channel implantation) 및 실리콘 기판과 질화막 사이의 스트레스를 줄이기 위한 산화막을 증착할 수도 있다. 여기서 상기 질화막(20)은 차후 평탄화 공정으로 실시되는 CMP 공정시 식각 스토퍼(stopper)의 역할을 하게 된다.Of course, before depositing the
이어, 도 5와 같이, 상기 기판 전면에 제 1 절연물질을 증착하고 비등방성으로 식각하여 상기 각 실리콘 핀에 절연막 측벽(30)을 형성한다(제 2 단계).Subsequently, as shown in FIG. 5, a first insulating material is deposited on the entire surface of the substrate, and anisotropically etched to form insulating film sidewalls 30 on the silicon fins (second step).
상기 제 1 절연물질은 통상의 산화막일 수 있고, 상기 절연막 측벽(30) 형성은 상기 산화막을 LPCVD로 증착 후 비등방성으로 식각하는 통상의 측벽(side wall) 공정을 이용할 수 있다. 상기 절연막 측벽(30)은 차후 이온주입시 실리콘 트렌치 벽에 이온이 도핑되는 것을 방지하는 barrier 역할을 하게 된다.The first insulating material may be a conventional oxide film, and the formation of the insulating
다음, 도 6과 같이, 상기 기판 전면에 n+ 이온주입을 하여 상기 실리콘 핀(12) 사이의 트렌치 바닥에 불순물 도핑층(40)을 형성한다(제 3 단계).Next, as shown in FIG. 6, an
이때, n+ 이온 주입은 웨이퍼 기울기의 방향을 0도로 하여(즉, 실리콘 핀과 수직으로 이온주입되도록 하여) 상기 절연막 측벽(30)을 뚫고 실리콘 트렌치 벽에 n+ 이온이 도핑되지 않도록 한다. 또한, 충분히 높은 dose로 이온 주입하여 차후 어닐링 공정시 실리콘 핀(12) 하부까지 확산될 수 있도록 하고 하부 비트 라인(BBL: Bottom Bit Line)의 저항을 줄일 수 있도록 한다.In this case, n + ion implantation causes the wafer inclination direction to be 0 degrees (ie, to implant ion perpendicularly to the silicon fin) to penetrate the insulating
이어, 도 7과 같이, 고온 열처리 등 어닐링 공정을 통하여 상기 불순물 도핑층(40)을 상기 각 실리콘 핀(12) 하부까지 확산시켜 하부 비트 라인 도핑층(42)을 형성한다(제 4 단계).Subsequently, as shown in FIG. 7, the
이때, 열처리 시간 등을 조절하여 상기 불순물 도핑층(40)이 상기 각 실리콘 핀(12) 하부까지 충분히 확산될 수 있도록 한다.In this case, the
다음, 도 8과 같이, 실리콘 식각 공정을 통하여 상기 하부 비트 라인 도핑 층(42)을 각각의 하부 비트 라인(42a)으로 분리시킨다(제 5 단계).Next, as shown in FIG. 8, the lower bit
이어, 도 9와 같이, 상기 절연막 측벽(30)을 제거하고, 열 산화 공정으로 노출된 트렌치(14) 전면에 열산화막(32)을 형성시키고, 도 10과 같이, 기판 전면에 제 2 절연물질을 증착하고 평탄화시켜 상기 트렌치(14)에 상기 제 2 절연물질(50)로 채워넣는다(제 6 단계).Next, as shown in FIG. 9, the insulating
상기 열산화막(32) 형성은 상기 제 2 절연물질(50)을 채워넣기 전에 계면을 깨끗이 하기 위한 것이나, 상기 절연막 측벽(30)을 제거 및 상기 열산화막(32) 형성없이 바로 상기 제 2 절연물질(50)을 채워넣을 수도 있다.The
상기 제 2 절연물질(50) 증착은 산화막으로 상기 트렌치(14)를 빈틈없이 채우기 위해 LPCVD나 HDP oxide 등을 이용하여 실시할 수 있고, 상기 평탄화 공정 역시 통상의 CMP 공정을 이용할 수 있다.The deposition of the second insulating
다음, 도 11과 같이, 상기 트렌치(14)에 채워진 비실리콘 물질을 선택적으로 리세스(recess) 식각하여 트렌치 절연막(STI, 52)을 형성함으로써, 이를 통해 상기 각각의 하부 비트 라인(42a)을 전기적으로 격리시켜 준다(제 7 단계).Next, as shown in FIG. 11, the trench insulating layer STI is formed by selectively recessing the non-silicon material filled in the
여기서, 상기 비실리콘 물질은 제 6 단계에서 상기 절연막 측벽(30)을 제거 없이 바로 트렌치(14)에 제 2 절연물질(50)을 채워넣었다면, 절연막 측벽(30) 및 제 2 절연물질(50)을 말하나, 그렇지 않다면, 열산화막(32)과 제 2 절연물질(50)을 말한다.Here, if the non-silicon material is directly filled with the second insulating
이어, 도 12와 같이, 상기 리세스(recess) 식각으로 노출된 상기 각 실리콘 핀의 양 측면에 전하 저장 공간부(64)를 형성시킨다(제 8 단계).Subsequently, as shown in FIG. 12,
상기 전하 저장 공간부(64) 형성은 통상의 ONO(60) 형성 공정이나, 부유 게이트(floating gate) 형성 공정을 통해 이루어질 수 있다.The
다음, 도 13과 같이, 상기 기판 전면에 제 1 전도성 물질을 증착하고 식각하여 워드 라인(70)을 형성한다(제 9 단계).Next, as shown in FIG. 13, the first conductive material is deposited and etched on the entire surface of the substrate to form a word line 70 (ninth step).
상기 제 1 전도성 물질은 도핑된 실리콘계 물질이 이용될 수 있다.The first conductive material may be a doped silicon-based material.
이후, 도 14와 같이, 상기 기판 전면에 층간 절연물질(ILD, 54)을 증착하고 CMP 공정 등을 이용하여 평탄화시킨다(제 10 단계).Thereafter, as shown in FIG. 14, an interlayer insulating material (ILD) 54 is deposited on the entire surface of the substrate and planarized by using a CMP process or the like (step 10).
다음, 도 15와 같이, 상기 질화막(20)을 선택 식각하여 상기 각 실리콘 핀(12)의 상부가 드러나도록 한다(제 11 단계).Next, as shown in FIG. 15, the
이어, 도 16과 같이, n+ 이온 주입공정을 통하여 상기 노출된 각 실리콘 핀(12)의 상부에 상부 비트 라인 도핑층(44)을 형성시킨다(제 12 단계).Next, as shown in FIG. 16, an upper bit
다음, 도 17과 같이, 상기 기판 전면에 제 2 전도성 물질(80)을 증착하고, 도 18과 같이, 상기 제 2 전도성 물질(80), 상부 비트 라인 도핑층(44) 및 상기 각 실리콘 핀(12)을 순차적으로 식각하여 상부 비트 라인(80a)을 형성한다(제 13 단계).Next, as shown in FIG. 17, a second
상기 제 2 전도성 물질도 도핑된 실리콘계 물질이 이용될 수 있고, 이를 통해 노출된 각 실리콘 핀(12)의 상부(44a)에만 접속되며 self-align이 자연스럽게 되면서 상부 비트 라인(TBL: Top Bit Line, 80a)을 형성할 수 있다.The second conductive material may also be a doped silicon-based material, and is connected only to the
상기 공정을 진행하며, 상기 제 13 단계에서 상기 상부 비트 라인(80a) 형성을 위하여 상기 제 2 전도성 물질(80), 상부 비트 라인 도핑층(44) 및 상기 각 실 리콘 핀(12)을 순차적으로 식각할 때, 도 19와 같이, 상기 각 하부 비트 라인(42c)도 식각되어 절단되었을 경우에는 노출된 홈(90a)에, 도 21과 같이, 절연막(92)을 형성한 후, 도 22와 같이, n+ 이온 주입 공정 및 어닐링 공정을 더 진행하여 상기 절단된 상기 각 하부 비트 라인(42c)을 불순물 도핑층(46)으로 연결시킨다.In the process, the second
상기 절연막은 열 산화막(도 22에서 도면부호 92)도 가능하나, LPCVD에 의한 측벽 산화막(미도시)이 실리콘 핀 등에의 이온 주입을 막는데 효과적이어서, 후자가 보다 바람직하다.The insulating film may be a thermal oxide film (refer to reference numeral 92 in Fig. 22), but the latter is more preferable because the sidewall oxide film (not shown) by LPCVD is effective in preventing ion implantation into silicon fins or the like.
상기 n+ 이온 주입시 웨이퍼 기울기는 0도로 하여 트렌치 바닥에만 이온주입되도록 하고, 상기 어닐링 공정은 RTA를 통해 짧은 시간 동안만 이루어지도록 한다.In the n + ion implantation, the wafer slope is 0 degrees to allow ion implantation only at the bottom of the trench, and the annealing process is performed only for a short time through the RTA.
그리고, 상기 이온주입공정을 더 진행하기 위한 상기 절연막 형성 공정 전에, 도 20과 같이, 상기 전하 저장 공간부(64)를 먼저 제거할 수 있는데, 이는 상기 전하 저장 공간부(64)를 도전성 물질층으로 하였을 경우에는 필수적으로 요구되나, 질화막 등 비도전성 물질층으로 하였을 경우에는 생략가능하다.In addition, before the insulating film forming process for further proceeding with the ion implantation process, as shown in FIG. 20, the charge
도 1은 하나의 채널 속에서 두 개의 독립된 저장 노드를 구현하여 2비트 동작이 가능함을 보여주는 종래 기술의 개념도이다.FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating a prior art showing that two independent storage nodes may be implemented in a single channel to enable 2-bit operation.
도 2는 하나의 셀로 4비트가 가능함을 보여주는 종래 더블 게이트(double gate)의 구조 단면 사진이다.2 is a structural cross-sectional photograph of a conventional double gate showing that 4 bits are possible in one cell.
도 3은 도 2에 의한 구조를 1F로 줄일 경우 멀티 저장 노드 셀(MSNC)에 의한 멀티 비트 구현이 어려움을 보여주는 구조 단면 사진이다.FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a difficulty in implementing multi-bits by a multi storage node cell (MSNC) when the structure of FIG. 2 is reduced to 1F.
도 4 내지 도 22는 본 발명에 의한 노아 어레이의 제조방법을 보여주는 공정 사시도이다.4 to 22 are process perspective views showing a method of manufacturing a quinoa array according to the present invention.
도 23은 도 22에 본 발명의 어레이 구성을 나타낸 도면이다.FIG. 23 is a diagram showing the arrangement of the present invention in FIG.
도 24는 도 23에서 본 발명의 메모리 셀만을 도시한 셀의 구조 사시도이다.FIG. 24 is a structural perspective view of a cell showing only the memory cell of the present invention in FIG. 23.
도 25 내지 도 27은 본 발명에 의한 셀 및 어레이의 동작에 관한 시뮬레이션 결과도이다.25 to 27 are simulation results of the operation of the cell and the array according to the present invention.
도 28은 도 23에서 비트 1(①)의 동작전압을 나타낸 표이다. FIG. 28 is a table showing the operating voltages of bit 1 (①) in FIG.
도 29는 도 23에서 비트 2(②)의 동작전압을 나타낸 표이다. FIG. 29 is a table showing the operating voltages of bit 2 (2) in FIG.
도 30은 도 23에서 비트 3(③)의 동작전압을 나타낸 표이다. FIG. 30 is a table showing the operating voltages of bit 3 (③) in FIG.
도 31은 도 23에서 비트 4(④)의 동작전압을 나타낸 표이다. FIG. 31 is a table showing the operating voltages of bit 4 (④) in FIG.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
10, 10a : 실리콘 기판 12 : 실리콘 핀10, 10a: silicon substrate 12: silicon fin
20 : 질화막 30 : 절연막 측벽20
42c1, 42c2 : 제 2 소스/드레인 44a1, 44a2 : 제 1 소스/드레인 42c1, 42c2: second source / drain 44a1, 44a2: first source / drain
52, 54 : 절연막 62 : 터널링 산화막52, 54 insulating
64 : 전하 저장 공간부 66 : 블로킹 산화막64: charge storage space 66: blocking oxide film
70 : 게이트 핀(워드 라인) 80a : 도전성 물질층(상부 비트 라인)70 gate pin (word line) 80a: conductive material layer (upper bit line)
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