KR101483533B1 - Non-volatile memroy device and method for the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 불휘발성 메모리 소자 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 기판 상에 도전막들과 절연막들을 교대로 적층하고, 상기 도전막들 및 절연막들을 관통하여 상기 기판과 전기적으로 연결되는 활성 기둥을 적어도 2회 이상 나누어 형성하므로써, 활성 기둥의 상하단 크기의 차이를 최소화시켜 셀 산포 특성을 개선시키는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a nonvolatile memory device and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a nonvolatile memory device and a method of manufacturing the same, which are characterized by stacking conductive films and insulating films alternately on a substrate and electrically connecting the active columns electrically connected to the substrate through the conductive films and insulating films, The size of the upper and lower ends of the active pillars is minimized to improve the cell scattering characteristics.
반도체, 불휘발성 메모리, 낸드 플래시, 활성 기둥(active bar) Semiconductor, non-volatile memory, NAND flash, active bar,
Description
본 발명은 반도체 메모리 소자 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 불휘발성 메모리 소자 및 그의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a semiconductor memory device and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a nonvolatile memory device and a method of manufacturing the same.
소비자가 요구하는 우수한 성능 및 저렴한 가격을 충족시키기 위해 반도체 메모리 소자의 집적도를 증가시키는 것이 요구되고 있다. 반도체 메모리 소자의 집적도는 제품의 가격을 결정하는 중요한 요인이기 때문에, 특히 증가된 집적도가 요구되고 있다. 종래의 2차원 또는 평면적 반도체 메모리 소자의 경우, 그 집적도는 단위 메모리 셀이 점유하는 면적에 의해 주로 결정되기 때문에, 미세 패턴 형성 기술의 수준에 크게 영향을 받는다. 하지만, 패턴의 미세화를 위해서는 초고가의 장비들이 필요하기 때문에, 2차원 반도체 메모리 소자의 집적도는 증가하고는 있지만 여전히 제한적이다. It is required to increase the degree of integration of semiconductor memory devices in order to satisfy excellent performance and low price required by consumers. Since the degree of integration of the semiconductor memory device is an important factor in determining the price of the product, an increased degree of integration is required in particular. In the case of a conventional two-dimensional or planar semiconductor memory device, the degree of integration is largely determined by the area occupied by the unit memory cell, and thus is greatly influenced by the level of the fine pattern formation technique. However, the integration of the two-dimensional semiconductor memory device is increasing, but it is still limited, because it requires expensive equipment to miniaturize the pattern.
이러한 한계를 극복하기 위한 대안으로서 메모리 셀들을 3차원적으로 형성하는 기술, 예를 들면 Kito 등이 제안한 미국공개특허 US 2007/0252201의 "Nonvolatile semiconductor memory device and manufacturing method thereof"이 제안된 바 있었다. 이 기술에 따르면, 수직 반도체 기둥(vertical semiconductor pillars)을 활성 영역으로 사용하고 메모리 셀들이 3차원적으로 형성된다. 이러한 연유로 인해 반도체 기판의 면적을 효율적으로 활용할 수 있고, 그 결과 집적도는 종래의 2차원 메모리 반도체 메모리 소자에 비해 크게 증가될 수 있다. 또한, 이 기술은 메모리 셀들을 2차원적으로 형성하는 단계를 반복하는 방법에 기초한 것이 아니라, 활성 영역을 정의하기 위한 패터닝 공정을 이용하여 워드라인들을 형성하기 때문에 비트당 제조 비용이 크게 절감될 수 있다.As an alternative to overcome these limitations, there has been proposed a technique for three-dimensionally forming memory cells, for example, "Nonvolatile semiconductor memory device and manufacturing method thereof" of U.S. Patent Application Publication 2007/0252201 proposed by Kito et al. According to this technique, vertical semiconductor pillars are used as active regions and memory cells are formed in three dimensions. Such an integrated circuit can efficiently utilize the area of the semiconductor substrate, and as a result, the degree of integration can be greatly increased as compared with the conventional two-dimensional memory semiconductor memory device. Furthermore, this technique is not based on a method of repeating the step of two-dimensionally forming memory cells, but because the word lines are formed by using a patterning process for defining an active region, manufacturing cost per bit can be greatly reduced have.
본 발명의 목적은 전기적 특성이 개선될 수 있는 불휘발성 메모리 소자 및 그의 제조방법을 제공함에 있다.An object of the present invention is to provide a nonvolatile memory device in which electrical characteristics can be improved and a manufacturing method thereof.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 불휘발성 메모리 소자 및 그의 제조방법은 트랜지스터의 채널로 사용되는 활성 기둥을 높이에 따른 폭의 차이가 최소화되도록 하는 것에 특징이 있다.In order to achieve the above object, a nonvolatile memory device and a method of manufacturing the same according to the present invention are characterized in that a width of an active column used as a channel of a transistor is minimized.
상기 특징을 구현할 수 있는 본 발명의 실시예에 따른 불휘발성 메모리 소자의 제조방법은, 기판 상에 도전막들과 절연막들을 교대로 적층하고; 그리고 상기 도전막들 및 절연막들을 관통하여 상기 기판과 전기적으로 연결되는 활성 기둥을 적어도 2회 이상 나누어 형성하는 것을 포함할 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method for fabricating a nonvolatile memory device, comprising: stacking conductive films and insulating films alternately on a substrate; And forming active pillars that are electrically connected to the substrate through the conductive films and the insulating films by dividing the active pillars at least twice.
본 실시예의 방법에 있어서, 상기 도전막들을 적층하는 것은 상기 기판 상에 제1 게이트를 형성한 후, 상기 제1 게이트를 관통하는 제1 개구부를 형성하고; 상기 제1 게이트 상에 수직 적층된 복수개의 제2 게이트를 형성한 후, 상기 복수개의 제2 게이트를 관통하여 상기 제1 개구부와 수직 연결된 제2 개구부를 형성하고; 그리고 상기 복수개의 제2 게이트 상에 제3 게이트를 형성한 후, 상기 제3 게이트를 관통하여 상기 제2 개구부와 수직 연결된 제3 개구부를 형성하는 것을 포함할 수 있다.In the method of this embodiment, laminating the conductive films may include forming a first gate on the substrate and then forming a first opening through the first gate; Forming a plurality of second gates vertically stacked on the first gate, forming a second opening vertically connected to the first opening through the plurality of second gates; And forming a third gate on the plurality of second gates and then forming a third opening through the third gate and perpendicular to the second opening.
본 실시예의 방법에 있어서, 상기 활성 기둥을 형성하는 것은 상기 제1 개구부를 채우며 상기 기판과 수직 연결되는 제1 활성 기둥을 형성하고; 상기 제2 개구부를 채우며 상기 제1 활성 기둥과 수직 연결되는 제2 활성 기둥을 형성하고; 그리고 상기 제3 개구부를 채우며 상기 제2 활성 기둥과 수직 연결되는 제3 활성 기둥을 형성하는 것을 포함할 수 있다.In the method of this embodiment, forming the active column may include forming a first active column that fills the first opening and is perpendicular to the substrate; Forming a second active pillar filling the second opening and vertically connected to the first active pillar; And forming a third active column that fills the third opening and is perpendicular to the second active column.
본 실시예의 방법에 있어서, 상기 활성 기둥을 형성하는 것은 상기 제1 개구부의 측벽에 제1 게이트 절연막을 형성하고; 상기 제2 개구부의 측벽에 전하저장막을 포함하는 제2 게이트 절연막을 형성하고; 그리고 상기 제3 개구부의 측벽에 제3 게이트 절연막을 형성하는 것을 포함할 수 있다.In the method of this embodiment, forming the active column may include forming a first gate insulating film on the sidewall of the first opening; Forming a second gate insulating film including a charge storage film on a side wall of the second opening; And forming a third gate insulating film on the sidewall of the third opening.
상기 특징을 구현할 수 있는 본 발명의 변형 실시예에 따른 불휘발성 메모리 소자의 제조방법은, 기판 상에 하부 선택 게이트와, 상기 하부 선택 게이트를 관통하여 상기 기판으로부터 수직 연장된 제1 활성 기둥을 포함하는 제1 구조체를 형성하고; 상기 제1 구조체 상에 적층된 복수개의 제1 제어 게이트와, 상기 복수개의 제1 제어 게이트를 관통하여 상기 제1 활성 기둥으로부터 수직 연장된 제2 활성 기 둥을 포함하는 제2 구조체를 형성하고; 그리고 상기 제2 구조체 상에 상부 선택 게이트와, 상기 상부 선택 게이트를 관통하여 상기 제2 활성 기둥으로부터 수직 연장된 제3 활성 기둥을 포함하는 제3 구조체를 형성하는 것을 포함할 수 있다.A method for fabricating a nonvolatile memory device according to an alternative embodiment of the present invention that can implement the above feature includes a lower select gate on a substrate and a first active column vertically extending from the substrate through the lower select gate To form a first structure; Forming a second structure including a plurality of first control gates stacked on the first structure and a second active column extending vertically from the first active column through the plurality of first control gates; And forming a third structure on the second structure including an upper select gate and a third active column vertically extending from the second active column through the upper select gate.
본 변형 실시예의 방법에 있어서, 상기 제3 구조체를 형성하기 이전에 상기 제2 구조체 상에 적층된 복수개의 제2 제어 게이트와, 상기 복수개의 제2 제어 게이트를 관통하여 상기 제2 활성 기둥으로부터 수직 연장된 제4 활성 기둥을 포함하는 제4 구조체를 형성하는 것을 더 포함할 수 있다.The method of the present alternate embodiment may further comprise: a plurality of second control gates stacked on the second structure prior to forming the third structure; And forming a fourth structure including an extended fourth active column.
본 변형 실시예의 방법에 있어서, 상기 제3 구조체 상에 상기 제3 활성 기둥과 전기적으로 연결되는 비트라인을 형성하는 것을 더 포함할 수 있다.In the method of this modified embodiment, it may further comprise forming a bit line electrically connected to the third active column on the third structure.
본 변형 실시예의 방법에 있어서, 상기 상하부 선택 게이트 중 어느 하나는 플레이트 형태로 형성하고 다른 하나는 복수개의 라인 형태로 형성하고; 그리고 상기 복수개의 제어 게이트는 플레이트 형태로 형성하는 것을 포함할 수 있다.In the method of this modified embodiment, one of the upper and lower selection gates is formed in a plate shape and the other is formed in a plurality of line shapes; The plurality of control gates may be formed in a plate shape.
상기 특징을 구현할 수 있는 본 발명의 실시예에 따른 불휘발성 메모리 소자는, 반도체 기판 상에 수직 적층된 복수개의 게이트와; 상기 복수개의 게이트를 관통하여 상기 반도체 기판으로부터 수직 연장된 활성 기둥과; 그리고 상기 활성 기둥과 상기 복수개의 게이트 사이에 배치된 게이트 절연막을 포함하고, 상기 활성 기둥은 상기 반도체 기판과 동일한 물질로 구성되고 수직 연결된 복수개의 기둥을 포함하고, 상기 복수개의 기둥은 상단에서 하단으로 갈수록 단면적이 작아지는 경사진 기둥을 포함할 수 있다.A nonvolatile memory device according to an embodiment of the present invention capable of realizing the above features includes a plurality of vertically stacked gates on a semiconductor substrate; Active pillars extending vertically from the semiconductor substrate through the plurality of gates; And a gate insulating film disposed between the active pillars and the plurality of gates, wherein the active pillars comprise a plurality of pillars vertically connected to the same material as the semiconductor substrate, And may include inclined columns with a smaller cross-sectional area.
본 실시예의 소자에 있어서, 상기 활성 기둥은 그 내부에 절연체를 더 포함 할 수 있다.In the element of this embodiment, the active column may further include an insulator therein.
본 발명에 의하면, 셀 산포가 커지는 정도를 무시할 수 있을만큼의 높이를 갖는 활성 기둥을 여러 번에 걸쳐 나누어 형성하므로써, 전도막과 절연막을 다수 적층하여 집적도를 높이면서도 셀 산포를 나빠지지 않도록 할 수 있게 된다. 이에 따라, 불휘발성 메모리 소자의 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, a plurality of active pillars having a height enough to ignore the degree of cell scattering can be neglected, so that a large number of conducting films and insulating films can be stacked to increase the degree of integration, . As a result, the electrical characteristics of the nonvolatile memory element can be improved.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 불휘발성 메모리 소자 및 그 제조방법을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A nonvolatile memory device and a method of manufacturing the same according to embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명과 종래 기술과 비교한 이점은 첨부된 도면을 참조한 상세한 설명과 특허청구범위를 통하여 명백하게 될 것이다. 특히, 본 발명은 특허청구범위에서 잘 지적되고 명백하게 청구된다. 그러나, 본 발명은 첨부된 도면과 관련해서 다음의 상세한 설명을 참조함으로써 가장 잘 이해될 수 있다. 도면에 있어서 동일한 참조부호는 다양한 도면을 통해서 동일한 구성요소를 나타낸다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages of the present invention and its advantages over the prior art will become apparent from the detailed description and claims that follow. In particular, the invention is well pointed out and distinctly claimed in the claims. The invention, however, may best be understood by reference to the following detailed description when taken in conjunction with the accompanying drawings. Like reference numerals in the drawings denote like elements throughout the various views.
(장치 실시예)(Device Embodiment)
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 불휘발성 메모리 소자를 도시한 사시도이다.1 is a perspective view illustrating a nonvolatile memory device according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명 실시예의 불휘발성 메모리 소자(1)는 메모리 셀들이 포함되는 셀 영역(2)과, 메모리 셀들을 동작시키는 주변 회로가 포함되는 주변 영역(3)을 포함할 수 있다. 후술한 본 발명 실시예의 불휘발성 메모리 소자(1)의 구성은 본 발명의 일례이며 본 발명을 이에 한정하는 것이 아니며 다양한 변경예가 가능하다. 변경예의 일태양으로서 미국공개특허 2007/0252201에 개시된 것일 수 있으며, 이 문헌은 본 명세서에 참조문헌으로 결합된다.1, the
셀 영역(2)은 반도체 기판(20) 상에서 Z 방향으로 수직 적층되고 X-Y 평면을 이루는 플레이트 형상의 복수개의 제어 게이트(27), 복수개의 제어 게이트(27)의 상하부에 각각 적층된 상부 선택 게이트(25)와 하부 선택 게이트(23), 상부 선택 게이트(25) 상에 적층되고 Y 방향으로 연장된 복수개의 비트라인(21), 그리고 반도체 기판(20) 상에서 Z 방향으로 수직 연장된 복수개의 활성 기둥(29: active pillar 또는 active bar)를 포함할 수 있다. 활성 기둥(29) 각각은 반도체 기판(20)에서부터 비트라인(21)까지 연장되어 상하부 선택 게이트(23,25)와 제어 게이트(27)를 관통하도록 제공될 수 있다. 반도체 기판(20)은 P 형 실리콘 기판일 수 있는데, 활성 기둥(29)은 P 웰 영역에 형성된 N+ 영역 상에 형성될 수 있다. 다른 예로서, 반도체 기판(29)과 활성 기둥(29) 사이에 N+ 영역이 형성되지 않을 수 있다.The
하부 선택 게이트(23)와 상부 선택 게이트(25) 중 어느 하나는 X-Y 평면을 이루는 플레이트 형태로 제공될 수 있고 다른 하나는 X 방향으로 연장된 분리형의 라인 형태로 제공될 수 있다. 다른 예로, 하부 선택 게이트(23)와 상부 선택 게이트(25) 각각은 X 방향으로 연장된 분리형의 라인 형태로 제공될 수 있다. 본 실시예에서는 하부 선택 게이트(23)는 X-Y 평면을 이루는 플레이트형 구조이고, 상부 선택 게이트(25)는 X 방향으로 연장된 분리형의 라인 형태인 경우를 예로 들어 설명한다.Either the lower
주변 영역(3)은 복수개의 상부 선택 게이트(25)에 연결된 상부 선택 라인 구동 회로(32)와, 복수개의 제어 게이트(27)에 연결된 워드라인 구동 회로(34)와, 반도체 기판(20)의 소오스(20a)에 연결된 공통 소오스 라인(36)을 포함할 수 있다. 소오스(20a)는 반도체 기판(20)과 다른 도전형, 가령 반도체 기판(20)이 P 도전형인 경우 소오스(20a)는 N 도전형일 수 있다. The
도 2는 도 1의 셀 영역을 도시한 사시도이고, 도 3a 및 3b는 도 2의 메모리 트랜지스터를 도시한 사시도이다.FIG. 2 is a perspective view showing a cell region of FIG. 1, and FIGS. 3a and 3b are perspective views showing the memory transistor of FIG.
도 2 및 3a를 참조하면, 활성 기둥(29)과 제어 게이트(27)는 메모리 트랜지스터(28)를 정의하고, 활성 기둥(29)과 하부 선택 게이트(23)는 하부 선택 트랜지스터(24)를 정의하고, 활성 기둥(29)과 상부 선택 게이트(25)는 상부 선택 트랜지스터(26)를 정의할 수 있다. 본 발명 실시예의 불휘발성 메모리 소자는 하나의 활성 기둥(29)에 형성된 복수개의 메모리 트랜지스터(28)와 상하부 트랜지스터(26,24)가 직렬로 연결되어 하나의 셀 스트링(22)을 구성하는 이른바 낸드 플래시(NAND Flash) 메모리 소자일 수 있다. 본 실시예에서 하나의 셀 스트링(22)은 4개의 메모리 트랜지스터(28)를 가지는데, 하나의 셀 스트링(22)의 메모리 트랜지스터(28)의 수는 이에 한정되지 아니하며, 메모리 용량에 의존하여 임의의 갯수로 변경될 수 있다. 활성 기둥(29)은 그 단면이 원형인 원기둥 형상일 수 있고, 또는 그 단면이 사각형인 사각기둥 형상 등 그 기둥 형상은 임의적일 수 있다.2 and 3a,
메모리 트랜지스터(28) 및 상하부 선택 트랜지스터(26,24)는 활성 기둥(29)에 소오스/드레인이 존재하지 않는 이른바 공핍형(depletion) 트랜지스터로 제공될 수 있다. 다른 예로, 메모리 트랜지스터(28) 및 상하부 선택 트랜지스터(26,24)는 활성 기둥(29)에 소오스/드레인이 존재하는 이른바 증가형(enhancement) 트랜지스터로 제공될 수 있다. The
복수개의 활성 기둥(29)은 복수개의 제어 게이트(27)를 관통하는 Z 방향의 축을 갖고, 이에 따라 복수개의 제어 게이트(27)와 복수개의 활성 기둥(29) 사이의 교점들은 3차원적으로 분포될 수 있다. 본 발명 실시예의 불휘발성 메모리 소자의 메모리 트랜지스터(28)는 이러한 3차원적으로 분포된 교점들에 각각 형성될 수 있다. 복수개의 활성 기둥(29)과 복수개의 제어 게이트(27) 사이에는 전하저장막을 포함하는 게이트 절연막(30)이 배치될 수 있다.The plurality of
전하저장막은 전하를 트랩할 수 있는 절연막을 포함할 수 있다. 예를 들어, 게이트 절연막(30)이 실리콘 산화막과 실리콘 질화막(또는 실리콘 산화질화막)과 실리콘 산화막이 적층된 이른바 오엔오(ONO)막인 경우 전하는 실리콘 질화막(또는 실리콘 산화질화막)에 트랩되어 유지될 수 있다. 다른 예로, 전하저장막은 전도체로 구성된 플로팅 게이트를 포함할 수 있다.The charge storage film may include an insulating film capable of trapping charges. For example, when the
도 3b를 참조하면, 활성 기둥(29)은 그 내부에 절연체(32)을 갖는 이른바 마카로니(macaroni) 형태일 수 있다. 절연체(32)는 기둥 모양일 수 있다. 절연체(32)가 활성 기둥(29)의 내부를 차지하므로 활성 기둥(29)은 도 3a의 구조에 비해 더 얇은 두께를 가질 수 있고, 이는 문턱 전압의 편차를 줄일 수 있다.Referring to FIG. 3B, the
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 불휘발성 메모리 소자의 일부를 도시한 등가회로도이다. 4 is an equivalent circuit diagram showing a part of a nonvolatile memory device according to an embodiment of the present invention.
도 2 내지 4를 참조하면, 본 발명 실시예의 불휘발성 메모리 소자(1)에 있어서 복수개의 제어 게이트(27)는 복수개의 워드라인(WL1 내지 WL4)으로 사용되고, 복수개의 상부 선택 게이트(25)는 복수개의 상부 선택 라인(USL1 내지 USL3)으로 사용되고, 하부 선택 게이트(23)는 하부 선택 라인(LSL)으로 사용된다. 셀 스트링(22)은 복수개의 비트라인(BL1 내지 BL3) 각각에 복수개 연결될 수 있다. 2 to 4, in the
복수개의 제어 게이트(27) 각각은 2차원적으로 펼쳐져 있는 평판형 구조를 이룰 수 있으므로 복수개의 워드라인(WL1 내지 WL4) 각각은 평면 구조를 가지며 셀 스트링(22)에 대해 실질적으로 수직일 수 있다. 복수개의 워드라인(WL1 내지 WL4)에는 복수개의 메모리 트랜지스터(28)가 3차원적으로 분포될 수 있다. Each of the plurality of
상부 선택 게이트(25)는 X 방향으로 연장된 분리형 배선 구조를 이룰 수 있으므로 복수개의 상부 선택 라인(USL1 내지 USL3)은 복수개의 비트라인(BL1 내지 BL3)을 가로지도록 배치될 수 있다. 복수개의 상부 선택 라인(USL1 내지 USL3) 각각은 복수개의 비트라인(BL1 내지 BL3) 각각과 전기적으로 연결되므로 하나의 셀 스트링(22)이 독립적으로 선택될 수 있다. The upper
하부 선택 게이트(23)는 2차원적으로 펼쳐져 있는 평판평 구조를 이룰 수 있으므로 하부 선택 라인(LSL)은 평면 구조를 가지며 셀 스트링(22)에 대해 실질적으로 수직일 수 있다. 하부 선택 라인(LSL)은 활성 기둥(29)과 반도체 기판(20) 사이의 전기적 연결을 제어할 수 있다.The lower select gate LSL may have a planar structure and may be substantially perpendicular to the
본 발명 실시예의 불휘발성 메모리 소자(1)에 있어서 프로그램 동작은 선택된 워드라인(WL)과 활성 기둥(29) 사이에 전압차를 설정하여 전하를 전하저장막에 주입함으로써 구현될 수 있다. 일례로, 선택된 워드라인(WL)에 프로그램 전압(Vprog)을 인가하므로써 파울러-노던하임 터널링 현상을 이용하여 활성 기둥(29)으로부터 프로그램하고자 하는 워드라인(WL)에 속한 메모리 트랜지스터(28)의 전하저장막으로 전자를 주입하여 프로그램을 구현할 수 있다. 선택된 워드라인(WL)에 인가된 프로그램 전압은 비선택 워드라인에 속한 메모리 트랜지스터를 프로그램시킬 수 있으므로, 부스팅 기술을 이용하여 의도되지 않는 프로그램을 방지할 수 있다.In the
판독 동작은 판독하고자 하는 메모리 트랜지스터(28)가 연결된 워드라인(WL)에 가령 O 볼트(volt)로 설정하고 다른 워드라인에는 읽기 전압(Vread)을 설정한다. 그 결과, 판독하고자 하는 메모리 트랜지스터(28)의 문턴 전압(Vth)이 0 볼트보다 큰지 또는 작은지에 의존하여 비트라인(BL)에 전류가 충전되는지가 결정되며, 이에 따라 비트라인(BL)의 전류를 감지하므로써 판독하고자 하는 메모리 트랜지스터(28)의 데이터 정보가 판독될 수 있다.The read operation sets the read voltage Vread to, for example, O volts and sets the read voltage Vread to the word line WL to which the
소거 동작은 이른바 "게이트 유도 드레인 누설전류(GIDL)"를 이용하여 블록 단위로 수행될 수 있다. 일례로, 선택된 비트라인(BL)과 기판(20)에 소거 전압(Verase)을 인가하므로써 활성 기둥(29)의 전위를 상승시킨다. 이때, 활성 기둥(29)의 전위는 약간 지연되면서 상승되도록 할 수 있다. 이에 수반하여, 하부 선택 게이트(24)의 단자에서 GIDL이 발생하고, GIDL에 의해 생성된 전자는 기판(20) 으로 방출되고 생성된 정공은 활성 기둥(29)으로 방출된다. 이로 인해 소거 전압(Verase) 근처의 전위가 메모리 트랜지스터(28)의 채널, 즉 활성 기둥(29)으로 전달될 수 있다. 이때, 워드라인(WL)의 전위를 O 볼트로 설정되면 메모리 트랜지스터(28)에 축적된 전자들이 빠져나오게 되어 데이터 소거가 구현될 수 있다. 한편, 의도되지 않은 소거 동작이 행해지지 않도록 비선택 블록의 워드라인을 플로팅시킬 수 있다.The erase operation can be performed block by block using the so-called " gate induced drain leakage current (GIDL) ". For example, the potential of the
본 발명의 실시예에 따른 불휘발성 메모리 소자(1)의 동작 방법은 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 기술적 특징이 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 이 분야에 종사하는 통상의 지식을 가진 자라면, 공지된 기술들에 기초하여 이러한 변형을 구현하는 것은 용이하다는 것은 자명하므로, 동작 방법과 관련된 본 발명의 기술적 특징은 공지된 기술들에 기초하여 다양하게 변형되어 구현될 수 있다. 일례로, 본 명세서에 참조문헌으로 결합된 미국공개특허 2007/0252201에 개시된 방법으로 불휘발성 메모리 소자(1)의 동작이 구현될 수 있다.The operation method of the
(방법 실시예)(Method embodiment)
도 5a 내지 5p 는 본 발명의 실시예에 따른 불휘발성 메모리 소자의 제조방법을 도시한 단면도이다.5A to 5P are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a nonvolatile memory device according to an embodiment of the present invention.
도 5a를 참조하면, 반도체 기판(100) 상에 절연막(110)과 도전막(120)과 절연막(130)을 차례로 형성한다. 반도체 기판(100)은 제1 도전형의 단결정 구조의 반 도체, 예를 들어 P형 실리콘 웨이퍼로 형성될 수 있다. 반도체 기판(100)은 다른 도전형의 불순물 영역들에 의해 전기적으로 분리된 영역, 즉 웰 영역을 구비할 수 있다. 웰 영역은 포켓 웰 또는 삼중 웰 구조로 형성될 수 있다. 절연막(110,130)은 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, 실리콘 산화질화막 등 절연성 물질을 증착하여 형성할 수 있다. 도전막(120)은 하부 선택 게이트로 사용될 수 있다. 도전막(120: 이하, 하부 선택 게이트)은 게이트로 사용될 수 있도록 도전성 물질, 가령 도핑된 다결정 실리콘이나 금속을 증착하여 형성될 수 있다. Referring to FIG. 5A, an insulating
도 5b를 참조하면, 가령 포토 및 에칭 공정으로 반도체 기판(100)을 노출시키는 하나 이상의 제1 개구부(102)를 형성한다. 제1 개구부(102)는 그 단면이 원형이거나 또는 다각형(예: 사각형)일 수 있다. 제1 개구부(102)에는 후술한 바와 같이 실리콘이 채워져 트랜지스터의 채널로 사용되는 활성 기둥이 만들어진다. 만일, 제1 개구부(102)의 측벽(102a)이 경사지게 형성될 경우 활성 기둥의 크기가 높이에 따라 달라져 트랜지스터의 채널 폭이 달라질 수 있다. 채널 폭의 불균일은 반도체 메모리 소자의 균일한 전기적 특성을 구현하는데 방해 요인이 될 수 있다. 그러므로, 제1 개구부(102)는 수직한 측벽(102a)을 갖도록 이방성 에칭 기술, 가령 드라이 에칭 기술을 사용하여 형성하는 것이 바람직하다.Referring to FIG. 5B, at least one
도 5c를 참조하면, 제1 개구부(102)의 측벽(102a)에 절연막(104)을 형성한다. 절연막(104)은 하부 선택 게이트(120)의 게이트 절연막(이하, 제1 게이트 절연막)으로 사용될 수 있다. 제1 게이트 절연막(104)은 일례로 실리콘 산화막을 증착하여 형성할 수 있다. 제1 게이트 절연막(104) 형성을 위한 증착 공정시 실리콘 산 화막이 제1 개구부(102)에 의해 노출된 반도체 기판(100)에 증착될 수 있다. 반도체 기판(100)과 후술한 활성 기둥은 전기적으로 연결되어 하므로 반도체 기판(100)에 증착된 실리콘 산화막은 에칭 기술을 이용하여 제거하는 것이 바람직하다. 이때, 반도체 기판(100)에 증착된 실리콘 산화막을 에칭하는 경우 제1 개구부(102)의 측벽(102a)에 증착된 실리콘 산화막을 에칭으로부터 보호하는 스페이서를 더 형성할 수 있다.Referring to FIG. 5C, an insulating
도 5d를 참조하면, 제1 개구부(102)를 채우는 제1 활성 기둥(106)을 형성한다. 제1 활성 기둥(106)은 반도체 기판(100)과 동일한 물질로 형성될 수 있다. 일례로, 실리콘막을 증착하고 화학기계적 연마(CMP) 기술을 이용하여 평탄화하여 제1 활성 기둥(106)을 형성할 수 있다. 제1 활성 기둥(106)을 형성하기 위한 실리콘막은 다결정 또는 비정질 실리콘을 증착하여 형성될 수 있다. 다른 예로, 제1 활성 기둥(106)은 에피택시얼 기술을 사용하여 제1 개구부(102)에 의해 노출된 반도체 기판(100)으로부터 성장될 수 있다. 이 경우 반도체 기판(100)과 제1 활성 기둥(106)은 결정 결함없이 연속적으로 이어지는 단결정 구조의 실리콘일 수 있다. 제1 활성 기둥(106)은 반도체 기판(100)과 동일한 도전형을 갖도록 형성될 수 있다. 일례로, 반도체 기판(100)과 제1 활성 기둥(106)은 P형일 수 있다. 이러한 결과, 제1 활성 기둥(106)과 반도체 기판(100) 사이에는 다이오드를 구성하지 않기 때문에 제1 활성 기둥(106)과 반도체 기판(100)과 등전위를 가질 수 있다.Referring to FIG. 5D, a first
상기 일련의 과정을 통해 반도체 기판(100) 상에 하부 선택 게이트(120)와, 하부 선택 게이트(120)의 채널로 사용되는 제1 활성 기둥(106)이 형성된 것을 포함 하는 제1 구조체(101)가 구현될 수 있다.A
도 5e를 참조하면, 제1 구조체(101) 상에 제1 절연막 그룹(200a)과 제1 도전막 그룹(200b)을 형성한다. 제1 절연막 그룹(200a)은 복수개의 절연막(210,230,250,270,290)을 포함할 수 있다. 제1 도전막 그룹(200b)은 복수개의 도전막(220,240,260,280)을 포함할 수 있다. 도전막들(220-280)과 절연막들(210-290)은 교대로 배치되어 이른바 샌드위치 형태를 이룰 수 있다. 제1 구조체(101) 바로 위에는 절연막(210)이 배치되도록 할 수 있고, 절연막(290)이 최후에 형성되도록 하여 도전막(280)을 덮을 수 있도록 할 수 있다. 제1 도전막 그룹(200b)의 복수개의 도전막(220-280)은 각각 제어 게이트로 사용될 수 있다. 이를 위해, 복수개의 도전막(220-280)은 도핑된 다결정 실리콘 또는 금속을 증착하여 형성될 수 있다. 본 명세서에선 제1 도전막 그룹(200b)을 제1 제어 게이트 그룹이라는 용어와 혼용하기로 하고, 복수개의 도전막(220-280) 각각을 제1 제어 게이트라는 용어와 혼용하기로 한다.Referring to FIG. 5E, a first insulating
복수개의 도전막(220-280) 각각은 서로 같은 두께로 증착될 수 있다. 복수개의 도전막(220-280) 각각의 두께는 채널 길이를 결정할 수 있으므로 복수개의 도전막(220-280)의 두께는 단채널에 따른 전기적 특성의 문제점을 해결할 수 있는 범위에서 선택될 수 있다. 또한, 복수개의 도전막(220-280)을 증착하여 형성할 수 있으므로 채널 길이를 정밀하게 제어할 수 있다.Each of the plurality of conductive films 220-280 may be deposited to have the same thickness. Since the thickness of each of the plurality of conductive films 220-280 can determine the channel length, the thickness of the plurality of conductive films 220-280 can be selected within a range that can solve the problem of electrical characteristics according to the short channel. Further, since the plurality of
복수개의 절연막(210-290)은 실리콘 산화막을 증착하여 형성할 수 있다. 다른 예로, 복수개의 절연막(210-290)은 고유전막으로 형성할 수 있다. 일례로, 복수 개의 절연막(210-290)은 실리콘 산화막에 비해 높은 유전 상수를 갖는 물질(예: 실리콘 질화막, 실리콘 산화질화막)을 증착하여 형성할 수 있다.The plurality of insulating films 210-290 may be formed by depositing a silicon oxide film. As another example, the plurality of insulating films 210-290 may be formed as a high-k film. For example, the plurality of insulating films 210-290 can be formed by depositing a material having a higher dielectric constant (e.g., a silicon nitride film or a silicon oxynitride film) than the silicon oxide film.
제1 절연막 그룹(200a)과 제1 도전막 그룹(200b)을 구성하는 박막들의 수, 그 각각의 두께, 그 각각의 물질 등은 메모리 트랜지스터의 전기적 특성 및 이들을 패터닝하는 공정(도 4f 참조)에서의 기술적 어려움을 고려하여 다양하게 변경될 수 있다. 제1 절연막 그룹(200a)과 제1 도전막 그룹(200b) 각각은 계단 형상을 이루도록 형성할 수 있다.The number of the thin films constituting the first insulating
도 5f를 참조하면, 가령 포토 및 에칭 공정으로 제1 절연막 그룹(200a)과 제1 도전막 그룹(200b)을 패터닝하여 제1 활성 기둥(106)을 노출시키는 제2 개구부(202)를 형성한다. 제1 게이트 절연막(104)은 제2 개구부(202)에 의해 노출될 수 있다. 이미 언급한 바와 같이, 트랜지스터의 균일한 전기적 특성을 구현하기 위해 제2 개구부(202)는 수직한 측벽(202a)을 갖도록 가령 드라이 에칭 기술을 사용하여 형성할 수 있다. 따라서, 제1 개구부(102)와 제2 개구부(202)는 일직선상에서 수직으로 연결될 수 있다. Referring to FIG. 5F, a
제1 도전막 그룹(200b)을 구성하는 도전막(220-280)의 수와 제1 절연막 그룹(200a)을 구성하는 절연막(210-290)의 수는 임의적으로 적절히 선택할 수 있다. 본 실시예서는 일례로 제1 도전막 그룹(200b)을 구성하는 도전막(220-280)의 수를 4개로 한정하고 제1 절연막 그룹(200a)을 구성하는 절연막(210-290)의 수를 5개로 한정하였지만, 그 수는 임의적이다. The number of the conductive films 220-280 constituting the first
도 5g를 참조하면, 제2 개구부(202)의 측벽(202a)에 절연막(204)을 형성한 다. 절연막(204)은 제1 제어 게이트 그룹(200b)의 게이트 절연막(이하, 제2 게이트 절연막)으로 사용될 수 있다. 제2 게이트 절연막(204)은 전하저장막을 포함할 수 있다. 일례로, 제2 게이트 절연막(204)은 실리콘 산화막, 실리콘 질화막 또는 실리콘 산화질화막, 실리콘 산화막 등을 차례로 증착하여 3중 박막 구조로 형성할 수 있다. 제2 게이트 절연막(204)에 있어서 실리콘 질화막 또는 실리콘 산화질화막은 전하를 트랩하여 정보를 저장하는 전하저장막으로 사용되고, 2개의 실리콘 산화막 중 어느 하나는 블록킹 절연막으로 사용되고 다른 하나는 터널 절연막으로 사용될 수 있다.Referring to FIG. 5G, the insulating
제2 게이트 절연막(204) 형성을 위한 증착 공정시 제2 개구부(202)에 의해 노출된 제1 활성 기둥(106) 상에 제2 게이트 절연막이 증착될 수 있다. 제1 활성 기둥(106)과 후술한 제2 활성 기둥(206)은 전기적으로 연결되어 하므로 제1 활성 기둥(106) 상에 증착된 제2 게이트 절연막은 에칭 기술을 이용하여 제거하는 것이 바람직하다. 이때, 제1 활성 기둥(106) 상에 증착된 제2 게이트 절연막을 에칭하는 경우 제2 개구부(202)의 측벽(202a)에 증착된 제2 게이트 절연막(204)을 에칭으로부터 보호하는 스페이서를 더 형성할 수 있다.The second gate insulating layer may be deposited on the first
도 5h를 참조하면, 도 5d를 참조하여 설명한 것과 동일 유사한 공정을 실시하여 제2 개구부(202)를 채우는 제2 활성 기둥(206)을 형성한다. 제2 활성 기둥(206)은 제1 활성 기둥(106)과 일직선상 수직으로 연결될 수 있다. 제2 활성 기둥(206)은 제1 활성 기둥(106)과 동일한 물질로 형성될 수 있다. 일례로, 비정질 또는 다결정 실리콘막을 증착하고 화학기계적 연마(CMP) 기술을 이용하여 평탄화하 여 제2 활성 기둥(206)을 형성할 수 있다. 다른 예로, 에피택시얼 기술을 사용하여 제1 활성 기둥(106)으로부터 단결정 실리콘을 성장시켜 제2 활성 기둥(206)을 형성할 수 있다. 제2 활성 기둥(206)은 반도체 기판(100)과 제1 활성 기둥(106)과 동일한 도전형, 가령 P형을 갖도록 형성될 수 있다. 따라서, 반도체 기판(100)과 제1 활성 기둥(106)과 제2 활성 기둥(206)은 등전위를 가질 수 있다.Referring to FIG. 5H, a similar process as described with reference to FIG. 5D is performed to form a second
상기 일련의 과정을 통해 제1 구조체(101) 상에 복수개의 제어 게이트(220-280)와, 복수개의 제어 게이트(220-280)의 채널로 사용되는 제2 활성 기둥(206)이 형성된 것을 포함하는 제2 구조체(201)가 구현될 수 있다.A plurality of control gates 220-280 and a second
도 5i를 참조하면, 도 5e를 참조하여 설명한 것과 동일 유사한 공정을 실시하여 제2 구조체(201) 상에 복수개의 절연막(310,330,350,370,390)을 포함하는 제2 절연막 그룹(300a)과, 복수개의 절연막(310,330,350,370,390)과 교대로 배치되는 복수개의 도전막(320,340,360,380)을 포함하는 제2 도전막 그룹(300b)을 형성한다. 이때, 제2 구조체(201) 바로 위에는 절연막(310)이 배치되고 절연막(390)이 최후에 배치되어 도전막(380)을 덮을 수 있도록 형성할 수 있다. 제2 도전막 그룹(300b)의 복수개의 도전막(320-380)은 각각 제어 게이트로 사용될 수 있다. 이를 위해, 복수개의 도전막(320-380)은 도핑된 다결정 실리콘 또는 금속을 증착하여 형성할 수 있다. 복수개의 도전막(320-380)은 서로 같은 두께로 형성할 수 있다. 본 명세서에선 제2 도전막 그룹(300b)을 제2 제어 게이트 그룹이라는 용어와 혼용하기로 하고, 복수개의 도전막(320-380) 각각을 제2 제어 게이트라는 용어와 혼용하기로 한다. 복수개의 절연막(310-390)은 실리콘 산화막 혹은 실리콘 산화막에 비해 높은 유전 상수를 갖는 실리콘 질화막이나 실리콘 산화질화막을 증착하여 형성할 수 있다. 제2 절연막 그룹(300a)과 제2 도전막 그룹(300b) 각각은 계단 형상을 이루도록 형성할 수 있다.5I, a similar process to that described with reference to FIG. 5E is performed to form a second insulating
도 5j를 참조하면, 도 5f를 참조하여 설명한 것과 동일 유사한 공정으로써 제2 절연막 그룹(300a)과 제2 도전막 그룹(300b)을 패터닝하여 제2 활성 기둥(206)을 노출시키는 제3 개구부(302)를 형성한다. 제2 게이트 절연막(204)은 제3 개구부(302)에 의해 노출될 수 있다. 균일한 트랜지스터 전기적 특성을 구현하기 위하여 제3 개구부(302)는 수직한 측벽(302a)을 갖도록 가령 드라이 에칭 기술을 사용하여 형성하는 것이 바람직하다. 따라서, 제2 개구부(202)와 제3 개구부(302)는 일직선상에서 수직으로 연결될 수 있다.Referring to FIG. 5J, a third opening (not shown) for exposing the second
설령 제3 개구부(302)가 경사지게 형성되더라도 셀 산포가 커지는 정도를 무시할 수 있을 만큼의 높이를 갖는 제3 활성 기둥이 형성될 수 있도록 제2 도전막 그룹(300b)을 구성하는 도전막(320-380)의 수와 제2 절연막 그룹(300a)을 구성하는 절연막(310-390)의 수를 적절히 선택할 수 있다. 일례로, 제2 도전막 그룹(300b)은 제1 도전막 그룹(200b)과 동일한 구조를 갖도록 형성하고, 제2 절연막 그룹(300a)은 제1 절연막 그룹(200a)과 동일한 구조를 갖도록 형성할 수 있다.The third active pillars having a height enough to ignore the extent of cell scattering even if the
도 5k를 참조하면, 도 5g를 참조하여 설명한 것과 동일 유사한 공정을 실시하여 제3 개구부(302)의 측벽(302a)에 절연막(304)을 형성한다. 절연막(304)은 제2 제어 게이트 그룹(300b)의 게이트 절연막(이하, 제3 게이트 절연막)으로 사용될 수 있다. 제3 게이트 절연막(304)은 제2 게이트 절연막(204)과 동일한 구조로 형성할 수 있다. 일례로, 제3 게이트 절연막(304)은 일례로 블록킹 절연막으로서 실리콘 산화막, 전하저장막으로서 실리콘 질화막 또는 실리콘 산화질화막, 그리고 터널 절연막으로서 실리콘 산화막을 차례로 증착하여 3중 박막 구조로 형성할 수 있다.Referring to FIG. 5K, an insulating
제3 게이트 절연막(304) 형성을 위한 증착 공정시 제3 개구부(302)에 의해 노출된 제2 활성 기둥(206) 상에 제3 게이트 절연막이 증착될 수 있다. 따라서, 제2 활성 기둥(206) 상에 증착된 제3 게이트 절연막은 에칭 기술을 이용하여 제거하는 것이 바람직하다. 이 경우, 제3 개구부(302)의 측벽(302a)에 증착된 제3 게이트 절연막(304)을 에칭으로부터 보호하는 스페이서를 더 형성할 수 있다.During the deposition process for forming the third
도 5l을 참조하면, 도 5d를 참조하여 설명한 것과 동일 유사한 공정을 실시하여 제3 개구부(302)를 채우는 제3 활성 기둥(306)을 형성한다. 제3 활성 기둥(306)은 제2 활성 기둥(206)과 일직선상 수직으로 연결될 수 있다. 제3 활성 기둥(306)은 제2 활성 기둥(206)과 동일한 물질로 형성될 수 있다. 일례로, 비정질 또는 다결정 실리콘막의 증착과 화학기계적 연마(CMP) 기술을 이용하거나, 혹은 에피택시얼 기술을 사용하여 단결정 실리콘을 성장시켜 제3 활성 기둥(306)을 형성할 수 있다. 제3 활성 기둥(306)은 반도체 기판(100)과 제1 활성 기둥(106)과 제2 활성 기둥(206)과 동일한 도전형, 가령 P형을 갖도록 형성될 수 있다. 따라서, 반도체 기판(100)과 제1 활성 기둥(106)과 제2 활성 기둥(206)과 제3 활성 기둥(306)은 등전위를 가질 수 있다.Referring to FIG. 51, a similar process as described with reference to FIG. 5D is performed to form a third
상기 일련의 과정을 통해 제2 구조체(201) 상에 복수개의 제어 게이트(320-380)와, 복수개의 제어 게이트(320-380)의 채널로 사용되는 제3 활성 기둥(306)이 형성된 것을 포함하는 제3 구조체(301)가 구현될 수 있다.A plurality of control gates 320-380 and a third
도 5m을 참조하면, 도 5a를 참조하여 설명한 것과 동일 유사한 공정을 실시하여 제3 구조체(301) 상에 절연막(410)과 도전막(420)과 절연막(430)을 차례로 형성한다. 절연막(410,430)은 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, 실리콘 산화질화막 등 절연성 물질을 증착하여 형성할 수 있다. 도전막(420)은 상부 선택 게이트로 사용될 수 있다. 도전막(420: 이하, 상부 선택 게이트)은 게이트로 사용될 수 있도록 도전성 물질, 가령 도핑된 다결정 실리콘이나 금속을 증착하여 형성할 수 있다. Referring to FIG. 5M, the insulating
도 5n를 참조하면, 도 5b를 참조하여 설명한 것과 동일 유사한 공정을 사용하여 제3 활성 기둥(306)을 노출시키는 제4 개구부(402)를 형성한다. 제4 개구부(402)는 가급적 수직한 측벽(402a)을 갖도록 드라이 에칭 기술을 사용하여 형성할 수 있다.Referring to Figure 5n, a
도 5o를 참조하면, 도 5c를 참조하여 설명한 것과 동일 유사한 공정을 사용하여 제4 개구부(402)의 측벽(402a)에 절연막(404)을 형성한다. 절연막(404)은 상부 선택 게이트(420)의 게이트 절연막(이하, 제4 게이트 절연막)으로 사용될 수 있다. 제4 게이트 절연막(404)은 일례로 실리콘 산화막을 증착하여 형성할 수 있다. 제4 게이트 절연막(404) 형성을 위한 증착 공정시 실리콘 산화막이 제4 개구부(402)에 의해 노출된 제3 활성 기둥(306) 상에 증착될 수 있다. 따라서, 제3 활성 기둥(306)에 증착된 실리콘 산화막은 에칭 기술을 이용하여 제거하는 것이 바람직하다. 이 경우, 제4 개구부(402)의 측벽(402a)에 증착된 실리콘 산화막을 에칭으로부터 보호하는 스페이서를 더 형성할 수 있다.Referring to FIG. 5O, an insulating
도 5p를 참조하면, 도 5d를 참조하여 설명한 것과 동일 유사한 공정을 사용하여 제4 개구부(402)를 채우는 제4 활성 기둥(406)을 형성한다. 제4 활성 기둥(406)은 제3 활성 기둥(306)과 일직선상 수직으로 연결될 수 있다. 제4 활성 기둥(406)은 제3 활성 기둥(306)과 동일한 물질로 형성될 수 있다. 일례로, 비정질 또는 다결정 실리콘막의 증착과 화학기계적 연마(CMP) 기술을 이용하거나, 혹은 에피택시얼 기술을 사용하여 단결정 실리콘을 성장시켜 제4 활성 기둥(406)을 형성할 수 있다. 제4 활성 기둥(406)은 반도체 기판(100)과 동일한 도전형, 가령 P형을 갖도록 형성될 수 있다. 따라서, 반도체 기판(100)과 제1 활성 기둥(106)과 제2 활성 기둥(206)과 제3 활성 기둥(306)과 제4 활성 기둥(406)은 등전위를 가질 수 있다.Referring to Fig. 5P, a fourth
상기 일련의 과정을 통해 제3 구조체(301) 상에 상부 선택 게이트(420)와, 상부 선택 게이트(420)의 채널로 사용되는 제4 활성 기둥(406)이 형성된 것을 포함하는 제4 구조체(401)가 구현될 수 있다. 그리고, 반도체 기판(100) 상에는 제1 내지 제4 활성 기둥(106-406)이 연결되어 반도체 기판(100)과 동일한 물질(예: 실리콘)로 구성되고 동일한 도전형(예: P 도전형)을 가지며 등전위를 가질 수 있는 활성 기둥(506)이 구현될 수 있다.A
특히, 활성 기둥(506)은 제1 내지 제4 활성 기둥(106-406)으로 나누어 형성하여 구현하므로써 제1 내지 제4 활성 기둥(106-406) 각각의 높이에 따른 폭의 차이를 최소화할 수 있다. 따라서, 활성 기둥(506)의 폭은 활성 기둥(506)의 높이에 따라 그 차이가 크지 않도록 설정할 수 있어 셀 산포 특성이 나빠지지 않도록 할 수 있다. Particularly, since the
제4 구조체(401) 상에 활성 기둥(506)과 전기적으로 연결되는 비트라인(610)을 형성할 수 있다. 비트라인(610)은 상부 선택 게이트(420)를 가로지는 방향으로 연장된 형태로 형성할 수 있다. 일례로, 비트라인(610)은 제4 구조체(401) 상에 알루미늄을 증착하고 포토 및 에칭 공정으로 패터닝하여 형성할 수 있다.A
도 6a 및 6b는 본 발명의 변형 실시예에 따른 불휘발성 메모리 소자를 제조방법을 도시한 단면도이다.6A and 6B are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a non-volatile memory device according to an alternative embodiment of the present invention.
도 6a를 참조하면, 활성 기둥(506) 내에 절연체(710)가 삽입된 도 3b에 도시된 이른바 마카로니 형태로 형성할 수 있다. 절연체(710)는 가령 실리콘 산화막을 증착하여 형성할 수 있다. 일례로, 도 6b를 참조하면, 제2 구조체(201) 형성시 제2 개구부(202)에 실리콘을 증착하여 제2 활성 기둥(206)을 형성하되 제2 활성 기둥(206)이 제2 개구부(202)를 완전히 채우지 않도록 한다. 가령, 제2 활성 기둥(206) 형성하기 위해 실리콘을 증착하는 경우 실리콘은 제2 개구부(202)의 측벽으로부터 제2 개구부(202)의 중심부쪽으로 증착되어 제2 활성 기둥(206)은 속이 빈(hollow) 원통 모양으로 형성될 수 있다. 그런다음, 제2 활성 기둥(206)의 비어있는 중심부를 절연체(710)로 채워넣는다. 이러한 과정을 제3 구조체(도 6a의 301) 형성시 되풀이하면 마카로니 형태의 활성 기둥(도 6a의 506)이 형성될 수 있다.Referring to FIG. 6A, the
도 7a 및 7b는 본 발명의 다른 변형 실시예에 따른 불휘발성 메모리 소자의 제조방법을 도시한 단면도이다.7A and 7B are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a non-volatile memory device according to another modified example of the present invention.
도 7a를 참조하면, 터널 절연막인 게이트 절연막(802)과 전하를 트랩하는 전하저장막(804)을 형성할 수 있다. 전하저장막(804)은 제2 구조체(201) 및 제3 구조 체(301) 형성시 실리콘 질화막 혹은 실리콘 산화질화막을 증착하여 형성할 수 있다. 일례로, 도 7b를 참조하면, 제2 구조체(201) 형성시 제2 개구부(202)의 측벽에 제1 게이트 절연막(104)과 동일한 물질, 가령 실리콘 산화막을 증착하여 제2 게이트 절연막(204)과 전하저장막(804)을 차례로 형성할 수 있다. 이러한 과정을 제3 구조체(도 7a의 301) 형성시 되풀이하면 도 7a에 도시된 바와 같은 불휘발성 메모리 소자가 구현될 수 있다.7A, a
도 8a 및 8b는 본 발명의 또 다른 변형 실시예에 따른 불휘발성 메모리 소자의 제조방법을 도시한 단면도이다.8A and 8B are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a nonvolatile memory device according to still another modified embodiment of the present invention.
도 8a를 참조하면, 도 5a 내지 5p를 참조하여 설명한 것과 동일 유사한 공정을 사용하여 불휘발성 메모리 소자를 제조할 수 있다. 일례로, 반도체 기판(100) 상에 증착 공정으로 절연막(110)과 도전막(120: 하부 선택 게이트)과 절연막(130)을 차례로 형성할 수 있다. 포토 및 에칭 공정으로 제1 개구부(106)를 형성하고, 증착 공정으로 제1 개구부(106)의 측벽에 제1 게이트 절연막(104)을 형성할 수 있다. 증착 및 화학기계적 연마 공정으로 제1 개구부(102)를 채우는 제1 활성 기둥(106)을 형성하여 제1 구조체(101)를 형성할 수 있다. 제1 개구부(106)는 경사지게 형성될 수 있어 제1 활성 기둥(106)은 경사진 기둥 형상으로 형성될 수 있다. 일례로, 제1 활성 기둥(106)은 상단에서 하단으로 내려갈수록 그 단면적이 작아지는 형태로 테이퍼져 있을 수 있다.Referring to FIG. 8A, a nonvolatile memory device can be manufactured using the same process as described with reference to FIGS. 5A to 5P. For example, the insulating
제1 구조체(101) 상에 증착 공정으로 복수개의 절연막(210-290)으로 구성된 제1 절연막 그룹(200a)과, 복수개의 도전막(220-280: 제어 게이트)으로 구성된 제1 도전막 그룹(200b)을 형성할 수 있다. 포토 및 에칭 공정으로 제1 개구부(102)와 상하 정렬된 제2 개구부(202)를 형성하고, 증착 공정으로 제2 개구부(202)의 측벽에 전하를 트랩할 수 있는 제2 게이트 절연막(204)을 형성할 수 있다. 증착 및 화하기계적 연마 공정으로 제2 개구부(202)를 채우는 제2 활성 기둥(206)을 형성하여 제2 구조체(201)를 형성할 수 있다. 제2 개구부(202)는 가급적 드라이 에칭 공정을 이용하여 형성하는 것이 제2 개구부(202)의 형상을 가급적 수직하게 설정할 수 있어 바람직하다.A first insulating
드라이 에칭 기술을 이용하여 제2 개구부(202)를 형성한다 할지라도 제2 개구부(202)는 경사지게 형성될 수 있다. 가령, 제2 개구부(202)의 하부는 상부에 비해 그 폭이 더 커질 수 있다. 특히 제1 도전막 그룹(200b)을 구성하는 복수개의 도전막(220-280)의 수가 커지면 제2 개구부(202)의 경사도가 더 심해질 것이다. 제2 개구부(202)가 경사지게 형성되면 제2 개구부(202)를 채우는 제2 활성 기둥(206)은 높이에 따라 그 폭이 달라질 수 있다. 일례로, 제2 활성 기둥(206)은 상단에서 하단으로 내려갈수록 그 단면적이 작아지는 형태로 테이퍼져 있을 수 있다.Even if the
경사진 제2 활성 기둥(206)으로 인해 제1 도전막 그룹(200b)의 복수개의 도전막(220-280) 각각을 제1 제어 게이트로 활용하는 메모리 트랜지스터의 채널 폭이 달라져 메모리 셀들의 전기적 특성이 분균일해질 수 있다. 그러므로, 셀 산포가 커지는 정도를 무시할 수 있을 만큼의 높이를 갖는 제2 활성 기둥(206)이 형성될 수 있도록 경사진 제2 개구부(202)를 형성할 수 있다. 이를 위해, 제1 도전막 그룹(200b)을 구성하는 도전막(220-280)의 수와 제1 절연막 그룹(200a)을 구성하는 절연막(210-290)의 수를 적절히 선택할 수 있다. 본 실시예서는 일례로 제1 도전막 그룹(200b)을 구성하는 도전막(220-280)의 수를 4개로 한정하고 제1 절연막 그룹(200a)을 구성하는 절연막(210-290)의 수를 5개로 한정하였지만, 그 수는 임의적이다. The channel width of the memory transistor utilizing each of the plurality of conductive films 220-280 of the first
제2 구조체(201) 형성 공정과 동일 유사한 공정으로 복수개의 도전막(320-380: 제어 게이트)과 전하를 트랩할 수 있는 제3 게이트 절연막(304)을 포함하는 제3 구조체(301)를 형성할 수 있다. 제2 활성 기둥(206)과 마찬가지로 제3 활성 기둥(306)은 경사진 형태로 형성될 수 있다.A
제3 구조체(301) 상에 증착 공정으로 절연막(410)과 도전막(420: 상부 선택 게이트)과 절연막(430)을 형성할 수 있다. 포토 및 에칭 공정으로 제4 개구부(402)를 형성하고, 증착 공정으로 제4 개구부(402)의 측벽에 제4 게이트 절연막(404)을 형성할 수 있다. 증착 및 화하기계적 연마 공정으로 제4 개구부(402)를 채우는 제4 활성 기둥(406)을 형성하여 제4 구조체(401)를 구현할 수 있다. 이때, 제4 개구부(402)는 경사지게 형성될 수 있어 제4 활성 기둥(406)은 경사진 기둥 형상으로 형성될 수 있다. 제4 구조체(401) 상에 금속과 같은 도전체의 증착 및 패터닝으로 활성 기둥(406)과 전기적으로 연결된 비트라인(610)을 형성할 수 있다.The insulating
상술한 바와 같이, 활성 기둥(506)은 일례로 4회의 공정에 걸쳐 형성된 제1 내지 제4 활성 기둥(106-406)이 수직 연결되어 구현될 수 있다. 제1 내지 제4 활성 기둥(106-406) 각각은 그 높이에 따른 폭의 차이가 최소화될 수 있기 때문에 도 8c를 참조하여 후술한 바와 같이 활성 기둥(506)은 그 높이에 따른 폭의 차이가 최소 화될 수 있다. 도 8b에 도시된 바와 같이, 활성 기둥(506)을 형성하기 위한 공정을 수회, 가령 4회를 초과하는 N회를 실시한다 하더라도 활성 기둥(506)의 폭의 차이는 최소화될 수 있다. As described above, the
도 8c는 본 발명의 또 다른 변형 실시예에 따른 불휘발성 메모리 소자의 제조방법에 따라 수회의 공정을 통해 형성될 수 있는 활성 기둥(I)과, 1회의 공정을 통해 형성될 수 있는 활성 기둥(II)을 도시한 단면도이다.FIG. 8C is a cross-sectional view illustrating a method of fabricating a nonvolatile memory device according to another embodiment of the present invention. Referring to FIG. 8C, the active pillars I may be formed through a number of processes, II). ≪ / RTI >
도 8c를 참조하면, 도 8a를 참조하여 설명한 바와 같이 활성 기둥(506)은 4회에 걸쳐 형성된 제1 내지 제4 활성 기둥(106-406)이 연결되어 구현될 수 있다. 이에 따라, 활성 기둥(506)의 높이에 따른 폭의 차이는 활성 기둥(506')의 높이에 따른 폭의 차이에 비해 훨씬 작아질 수 있다. 예를 들어, 드라이 에칭을 이용하여 활성 기둥(506')을 형성하는 경우, 그 하부가 에칭되는 동안 상부는 계속적으로 드라이 에칭되고 또한 드라이 에칭에 사용되는 플라즈마에 의해 손상을 상대적으로 많이 받게 된다. 따라서, 활성 기둥(506')의 상부 폭(W2')은 활성 기둥(506)의 상부 폭(W2)에 비해 더 커질 수 있다. 이에 더하여, 활성 기둥(506')의 하부 폭(W1')은 활성 기둥(506)의 하부 폭(W1)에 비해 더 작아질 수 있다. 그러므로, 활성 기둥(506)의 상부 폭(W2)과 하부 폭(W1)의 차이(W2-W1)는 활성 기둥(506')의 상부 폭(W2')과 하부 폭(W1')과의 차이(W2'-W1')에 비해 훨씬 작아질 수 있다.Referring to FIG. 8C, as described with reference to FIG. 8A, the
활성 기둥(506)에 있어서 제2 활성 기둥(206)의 상부 폭(W4)과 하부 폭(W3)의 차이(W4-W3)는 활성 기둥(506)의 폭의 차이(W2-W1)에 비해 더 클 수 있다. 그러나, 제2 활성 기둥(206)의 높이는 활성 기둥(506')에 비해 그 높이가 작으므로 제2 활성 기둥(506)의 상부 폭(W4)은 활성 기둥(506')의 상부 폭(W2')에 비해 더 작을 수 있다. 이에 더하여, 제2 활성 기둥(206)의 하부 폭(W3)은 활성 기둥(506')의 하부 폭(W1')에 비해 더 클 수 있다. 따라서, 제2 활성 기둥(206)의 폭의 차이(W4-W3)는 활성 기둥(506')의 폭의 차이(W2'-W1')에 비해 더 작을 수 있다. 제2 활성 기둥(206)의 폭 차이에 대한 설명은 제3 활성 기둥(306)에 대해서도 마찬가지이다.The difference W4-W3 between the upper width W4 and the lower width W3 of the second
상술한 바와 같이, 1회의 공정으로 형성되는 활성 기둥(506')에 비해 여러 번의 공정으로 형성되는 활성 기둥(506)은 상하부 폭의 차이가 최소화될 수 있어 트랜지스터의 전기적 특성, 더 나아가 반도체 메모리 소자의 전기적 특성의 균일성을 확보할 수 있다. 이러한 설명은 도 8b를 참조하여 설명한 N회에 걸쳐 형성된 활성 기둥(506)에도 적용될 수 있다.As described above, the
(응용예)(Application example)
도 9a는 본 발명의 실시예에 따른 불휘발성 메모리 소자를 구비한 메모리 카드를 도시한 블록도이다.9A is a block diagram showing a memory card having a nonvolatile memory device according to an embodiment of the present invention.
도 9a를 참조하면, 메모리 카드(1200:MEMORY CARD)는 고용량의 데이터 저장 능력을 지원하기 위한 것으로 플래시 메모리(1210)를 포함한다. 플래시 메모리(1210)는 상술한 본 발명 실시예에 따른 불휘발성 메모리 소자, 가령 낸드 플래시 메모리 소자를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 9A, a memory card 1200 (MEMORY CARD) includes a
메모리 카드(1200)는 호스트(HOST)와 플래시 메모리(1210:FALSH MEMORY) 간의 제반 데이터 교환을 제어하는 메모리 컨트롤러(1220:MEMORY CONTROLLER)를 포함 할 수 있다. 에스램(1221:SRAM)은 중앙처리장치(1222:CPU)의 동작 메모리로서 사용될 수 있다. 호스트 인터페이스(1223:HOST INTERFACE)는 메모리 카드(1200)와 접속되는 호스트(HOST)의 데이터 교환 프로토콜을 구비할 수 있다. 오류 수정 코드(1224:ECC)는 플래시 메모리(1210)로부터 독출된 데이터에 포함되는 오류를 검출 및 정정할 수 있다. 메모리 인터페이스(1225:MEMORY INTERFACE)는 플래시 메모리(1210)와 인터페이싱한다. 중앙처리장치(1222)는 메모리 컨트롤러(1220)의 데이터 교환을 위한 제반 제어 동작을 수행한다. 비록 도면에는 도시되지 않았지만, 메모리 카드(1200)는 호스트(HOST)와의 인터페이싱을 위한 코드 데이터를 저장하는 롬(ROM)을 더 포함할 수 있다.The
도 9b는 본 발명 실시예에 따른 정보 처리 시스템을 도시한 블록도이다.9B is a block diagram illustrating an information processing system according to an embodiment of the present invention.
도 9b를 참조하면, 본 발명 실시예에 따른 정보 처리 시스템(1300)은 상술한 불휘발성 메모리 소자, 일례로 플래시 메모리 소자(예: 낸드 플래시 메모리 소자)를 구비한 플래시 메모리 시스템(1310)을 포함할 수 있다. 정보 처리 시스템(1300)은 모바일 기기나 컴퓨터 등을 포함할 수 있다.9B, an
일례로, 정보 처리 시스템(1300)은 플래시 메모리 시스템(1310)과 각각 시스템 버스(1360)에 전기적으로 연결된 모뎀(1320:MODEM), 중앙처리장치(1330:CPU), 램(1340:RAM), 유저 인터페이스(1350:USER INTERFACE)를 포함할 수 있다. 플래시 메모리 시스템(1310)에는 중앙처리장치(1330)에 의해서 처리된 데이터 또는 외부에서 입력된 데이터가 저장될 수 있다.The
정보 처리 시스템(1300)은 메모리 카드, 반도체 디스크 장치(Solid State Disk), 카메라 이미지 프로세서(Camera Image Sensor) 및 그 밖의 응용 칩셋(Application Chipset)으로 제공될 수 있다. 일례로, 플래시 메모리 시스템(1310)은 반도체 디스크 장치(SSD)로 구성될 수 있으며, 이 경우 정보 처리 시스템(1300)은 대용량의 데이터를 플래시 메모리 시스템(1310)에 안정적으로 그리고 신뢰성있게 저장할 수 있다.The
본 발명에 따른 플래시 메모리 또는 플래시 메모리 시스템은 다양한 형태의 패키지로 실장될 수 있다. 예를 들면, 본 발명에 따른 플래시 메모리 또는 플래시 메모리 시스템은 패키지 온 패키지(Package on Package), 볼 그리드 어레이(Ball Grid Arrays), 칩 스케일 패키지(Chip scale packages), 플라스틱 리드 칩 캐리어(Plastic Leaded Chip Carrier), 플라스틱 듀얼 인라인 패키지(Plastic Dual In-Line Package), 멀티 칩 패키지(Multi Chip Package), 웨이퍼 레벨 패키지(Wafer Level Package), 웨이퍼 레벨 제조 패키지(Wafer Level Fabricated Package), 웨이퍼 레벨 프로세스 스택 패키지(Wafer Level Processed Stack Package), 다이 온 와플 패키지(Die On Waffle Package), 다이 인 웨이퍼 폼(Die in Wafer Form), 칩 온 보오드(Chip On Board), 세라믹 듀얼 인라인 패키지(Ceramic Dual In-Line Package), 플라스킥 메트릭 쿼드 플랫 패키지(Plastic Metric Quad Flat Pack), 씬 쿼드 플랫 패키지(Thin Quad Flat Pack), 스몰 아웃라인 패키지(Small Outline Package), 축소 스몰 아웃라인 패키지(Shrink Small Outline Package), 씬 스몰 아웃라인 패키지(Thin Small Outline Package), 씬 쿼드 플랫 패키지(Thin Quad Flat Package), 시스템 인 패키지(System In Package) 등과 같은 방식으로 패키징될 수 있다.The flash memory or flash memory system according to the present invention can be mounted in various types of packages. For example, the flash memory or flash memory system according to the present invention may be implemented as a package-on-package, a ball grid array, a chip scale package, a plastic leaded chip Carrier, Plastic Dual In-Line Package, Multi Chip Package, Wafer Level Package, Wafer Level Fabricated Package, Wafer Level Process Stack Package A die-on wafer form, a chip on board, a ceramic dual in-line package, and the like. ), Plastic Metric Quad Flat Pack, Thin Quad Flat Pack, Small Outline Package, Can be packaged in the same manner as the Shrink Small Outline Package, the Thin Small Outline Package, the Thin Quad Flat Package and the System In Package. .
이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니며, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.It is not intended to be exhaustive or to limit the invention to the precise form disclosed, and it will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit of the invention. The appended claims should be construed to include other embodiments.
본 발명은 반도체 메모리 소자를 제조하는 반도체 산업은 물론 반도체 메모리 소자를 응용하는 전자 제품을 생산하는 제조업 등에 유용하게 채택되어 이용될 수 있다.INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be effectively applied to semiconductor industries for manufacturing semiconductor memory devices as well as manufacturing industries for producing electronic products using semiconductor memory devices.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 불휘발성 메모리 소자를 도시한 사시도.1 is a perspective view illustrating a nonvolatile memory device according to an embodiment of the present invention;
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 불휘발성 메모리 소자의 셀 영역을 도시한 사시도.2 is a perspective view illustrating a cell region of a nonvolatile memory device according to an embodiment of the present invention;
도 3a 및 3b는 본 발명의 실시예에 따른 불휘발성 메모리 소자에 있어서 메모리 트랜지스터를 도시한 사시도.3A and 3B are perspective views showing a memory transistor in a nonvolatile memory device according to an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 불휘발성 메모리 소자의 등가회로도.4 is an equivalent circuit diagram of a nonvolatile memory device according to an embodiment of the present invention.
도 5a 내지 5p는 본 발명의 실시예에 따른 불휘발성 메모리 소자의 제조방법을 도시한 단면도.5A to 5P are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a nonvolatile memory device according to an embodiment of the present invention.
도 6a 및 6b는 본 발명의 변형 실시예에 따른 불휘발성 메모리 소자의 제조방법을 도시한 단면도.6A and 6B are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a nonvolatile memory device according to a modified embodiment of the present invention.
도 7a 및 7b는 본 발명의 다른 변형 실시예에 따른 불휘발성 메모리 소자의 제조방법을 도시한 단면도.7A and 7B are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a non-volatile memory device according to another modified embodiment of the present invention.
도 8a 및 8b는 본 발명의 또 다른 변형 실시예에 따른 불휘발성 메모리 소자의 제조방법을 도시한 단면도.8A and 8B are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a nonvolatile memory device according to still another modified embodiment of the present invention.
도 8c는 본 발명의 또 다른 변형 실시예에 따른 불휘발성 메모리 소자의 제조방법에 따라 수회의 공정을 통해 형성될 수 있는 활성 기둥(I)과, 1회의 공정을 통해 형성될 수 있는 활성 기둥(II)을 도시한 단면도.FIG. 8C is a cross-sectional view illustrating a method of fabricating a nonvolatile memory device according to another embodiment of the present invention. Referring to FIG. 8C, the active pillars I may be formed through a number of processes, II). ≪ / RTI >
도 9a 및 9b는 본 발명의 실시예에 따른 불휘발성 메모리 소자를 응용하는 장치를 도시한 구성도.9A and 9B are block diagrams showing an apparatus to which a nonvolatile memory device according to an embodiment of the present invention is applied.
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