JP2008098641A - Nandフラッシュメモリー装置及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 3次元的に配列されたメモリーセル等を備えるNANDフラッシュメモリー装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】本装置は、下部半導体層100及び下部半導体層100上に配置される少なくとも一つの上部半導体層200と、下部及び上部半導体層100、200の各々の所定の領域内に形成されるドレイン領域等及びソース領域等と、下部及び上部半導体層100、200の各々の上部に配置されるゲート構造体120、220と、ドレイン領域等に接触するビットラインBLのプラグ等と、上部半導体層200の上部に配置されビットラインのプラグに各々接触するビットライン等を備える。このとき、上部半導体層200は、下部半導体層100のドレイン領域110Dの上部に形成されるドレイン貫通部501を有し、ビットラインBLのプラグ等はドレイン貫通部501を貫通して下部半導体層100に形成されたドレイン領域等に各々接触する。
【選択図】図2a

Description

本発明は半導体装置及びその製造方法に関するもので、特に3次元的に配列されたメモリーセル等を備えるNANDフラッシュメモリー装置及びその製造方法に関する。
最近、ほとんどの電子製品は半導体装置を備える。前記半導体装置はトランジスター、抵抗及び蓄電器等の電子部品を備え、これらの電子部品は前記電子製品の部分的な機能を行うことができる様に設計された後、半導体基板上に集積される。例えば、コンピュータ又はデジタルカメラなどの電子製品は情報貯蔵の為のメモリーチップ(memory chip)、情報制御の為の処理チップ(processing chip)等の半導体装置を備え、前記メモリーチップ及び処理チップは半導体基板上に集積された前記電子部品を備える。
前記半導体装置には、消費者が要求する性能及び安い価格を満足させる為に更なる高集積化が必要とされる。しかし、半導体装置の高集積化の為には、多くの費用と長い開発期間がかかり、進歩した技術の開発(特に、リソグラフィー技術)が要求される点で、半導体装置の集積度の増加速度は制限される。
係る技術的な制約を克服する為に、最近は3次元的に配列されたトランジスター等を備える半導体装置が提案されている。例えば、特許文献1(韓国特許出願番号2006-73858号の明細書)は3次元的に配列されたメモリーセルのトランジスター等を備えるNANDフラッシュメモリー装置を開示している。係る半導体装置の製造はウエハーとして使用される半導体基板の上部にエピタキシャルの技術を使用し単結晶構造の半導体層を形成した後、前記半導体層上にトランジスター等を形成する段階を含む。
メモリーセルのトランジスター等のソース及びドレイン電極が3次元的に配列される場合、メモリーセルのトランジスター等に電気的に接近する為には、これらのソース及びドレイン電極に接触するプラグ等が必要である。しかし、3次元の半導体装置の場合、係るプラグ等の製造は容易ではない。例えば、前記特許文献1に開示されたNANDフラッシュメモリー装置によると、互いに違う層に形成されるメモリーのトランジスター等は互いに違う工程によって形成される積層プラグ等及び局所配線等(local interconnections)を通じて電気的に接続される。
この様に、互いに違う工程等が必要なので従来の方法による3次元の半導体装置は製造工程の複雑さ及び製造費用が増加する問題点がある。チップの面積の活用度の損失を甘受すれば、係る製造工程の複雑さは減少される。しかし、チップの面積の活用度が低くなると半導体装置の集積度の損失に繋がるので、3次元の半導体装置の開発の目的に合わない。
韓国特許出願番号2006-73858号明細書
本発明が達成しようとする一つの技術的な課題は、3次元的に配列されたメモリーセル等のソース及びドレイン電極等を単純化された方法を通じて接続することができるNANDフラッシュメモリー装置及びその製造方法を提供することである。
本発明が達成しようとする他の技術的な課題は、集積度の損失を最小化することができる3次元のNANDフラッシュメモリー装置及びその製造方法を提供することである。
前記技術的な課題を達成する為に、本発明は上部半導体層の貫通部を貫通するビットラインのプラグ等を備えるNANDフラッシュメモリー装置を提供する。
この装置は下部半導体層及び前記下部半導体層上に配置される少なくとも一つの上部半導体層と、前記下部及び上部半導体層の各々の所定の領域内に形成されるドレイン領域等及びソース領域等と、前記下部及び上部半導体層の各々の上部に配置されるゲート構造体と、前記ドレイン領域等に接触するビットラインのプラグ等と、前記上部半導体層の上部に配置されて前記ビットラインのプラグに各々接触するビットライン等とを備える。
このとき、前記上部半導体層は、前記下部半導体層のドレイン領域等の上部に形成されるドレイン貫通部を有し、前記ビットラインのプラグ等は前記ドレイン貫通部を貫通して前記下部半導体層に形成されたドレイン領域等に各々接触する。
本発明によると、前記ゲート構造体はストリング選択ライン、接地選択ライン及び前記ストリング選択ラインと接地選択ライン等の間に配置される複数のワードラインを含む。このとき、前記ストリング選択ラインは前記ドレイン領域等に隣り合う様に配置され、前記接地選択ラインは前記ソース領域等に隣り合う様に配置され、前記ビットライン等は前記ワードライン等を横切る方向に配置される。
本発明の一態様によると、前記接地選択ラインに平行になると共に前記ビットライン等の下に配置される共通ソースライン及び前記共通ソースラインと前記下部及び上部半導体層等のソース領域等を接続するソースプラグ等をさらに含む。この場合、前記上部半導体層は、前記下部半導体層のソース領域等の上部に形成されるソース貫通部を有し、前記ソースプラグ等は前記ソース貫通部を貫通し前記下部半導体層に形成されたソース領域等に各々接触する。
前記他の技術的な課題を達成する為に、本発明は上部半導体層の貫通部を貫通するビットラインのプラグ等を形成する段階を含むNANDフラッシュメモリー装置及びその製造方法を提供する。
本方法は下部半導体層に下部ソース領域等及び下部ドレイン領域等を形成する段階と、前記下部半導体層上に、ソース貫通部及びドレイン貫通部を備える上部半導体層を形成する段階と、前記上部半導体層に上部ソース領域等及び上部ドレイン領域等を形成する段階と、前記上部及び下部ソース領域等に接触するソースライン構造体を形成する段階と、前記上部及び下部ドレイン領域等に各々接触するビットラインのプラグ等を形成する段階とを含む。このとき、前記ビットラインのプラグは前記ドレイン貫通部を通じて前記下部ドレイン領域に接続される。
本発明の一態様によると、前記上部半導体層を形成する段階は前記下部半導体層にシード層を使用するエピタキシャル工程を実施し、前記下部半導体層上にエピタキシャルのシリコン層を形成する段階と、前記エピタキシャルのシリコン層を平坦にエッチングし、前記上部半導体層を形成する段階と、前記上部半導体層をパターニングし、前記下部ソース領域及び前記下部ドレイン領域の上部から前記上部半導体層を貫通する前記ソース貫通部及びドレイン貫通部を形成する段階とを含む。
本発明の他の態様によると、前記上部半導体層を形成する段階は前記下部半導体層が形成された結果物上に下部の層間絶縁膜を形成する段階と、前記下部の層間絶縁膜上に前記上部半導体層をボンディングする段階と、前記上部半導体層をパターニングし、前記下部ソース領域及び前記下部ドレイン領域の上部から前記上部半導体層を貫通する前記ソース貫通部及びドレイン貫通部を形成する段階とを含む。
本発明の又他の態様によると、前記上部半導体層を形成する段階は前記下部半導体層が形成された結果物上に下部の層間絶縁膜を形成する段階と、前記下部の層間絶縁膜上に鋳型パターンを形成する段階と、前記鋳型パターンが形成された結果物上に半導体膜を蒸着する段階と、及び前記鋳型パターンが露出されるまで前記半導体膜を平坦にエッチングすることによって、前記上部半導体層を形成する段階とを含む。このとき、前記鋳型パターンは前記ソース貫通部及びドレイン貫通部の位置に形成される。これに加えて、前記半導体膜を蒸着した後、前記半導体膜を結晶化させる段階とをさらに含む。
(発明の効果)
本発明によると、上部半導体層は下部半導体層の下部ソース領域及び下部ドレイン領域等の上部から、上部半導体層を貫通する貫通部等を持つ様に形成される。ソース及びビットラインのプラグ等はこれらの貫通部を貫通する様に形成される。従って、チップの面積を損失することなく3次元的に配列されたメモリーセルのソース及びドレイン電極を電気的に接続することができる。
本発明の目的、特徴及び利点等は添付された図面と、以下の好ましい実施形態等の説明によって理解できる。しかし、本発明はここに説明される実施形態に限定されることなく、他の形態に具体化できる。ここに紹介される実施形態は開示された内容を当業者らに十分に伝達する為に提供される。
本明細書で、ある膜が他の膜又は基板上にあることと記載されている場合、それは他の膜又は基板上に直接に形成さること、又は膜の間に第3の膜が介されることも含む。図面等に於いて、膜及び領域等の厚さは技術の効果的な説明の為に誇張され示されている。本明細書の多様な実施形態等に於いて、第1、第2、第3などの用語が多様な領域、膜を記述する為に使われるが、これらの領域、膜等はこの用語によって限定されてはいけない。これらの用語は、ある所定の領域又は膜を他の領域又は膜と区別する為に使われる。従って、ある実施形態で第1膜が他の実施形態では第2膜になることもありうる
本発明の実施形態によるNANDフラッシュメモリー装置のセルアレイ等を、図1aから図1dに基づいて説明する。また、本発明の実施形態によるNANDフラッシュメモリー装置のセルアレイの工程ごとの断面図を、図2aから図2cに示す。より具体的には、図2aから図2cは各々図1aから図1dの点線I−I’による断面を表す。
図1a及び図2aを参考にすれば、本発明によるNANDフラッシュメモリー装置は下部半導体層100及び前記下部半導体層100の上に配置される少なくとも一つの上部半導体層200を備える。(説明の複雑さを避ける為に一つの上部半導体層を備える実施形態を説明する。しかし、この分野に詳しい者であれば、本発明の技術的な特徴は上部半導体層を複数にしても容易に実現できることが理解できるであろう。)前記下部半導体層100は単結晶構造の半導体物質で形成されるウエハーである。又、前記上部半導体層200は単結晶構造の半導体物質からなり、これを形成する方法は後述する。
前記下部半導体層100及び前記上部半導体層200の各々の上部には下部ゲート構造体120及び上部ゲート構造体220が配置される。前記下部及び上部ゲート構造体120、220はストリング選択ライン(string selection line、SSL)、接地選択ライン(ground selection line、GSL)及び前記ストリング選択ラインSSLと前記接地選択ラインGSLの間に配置される複数のワードライン(wordline、WL)を備える。これに加えて、前記下部ゲート構造体120と前記下部半導体層100の間には下部ゲートの絶縁膜105が配置され、前記上部ゲート構造体220と前記上部半導体層200の間には上部ゲートの絶縁膜205が配置される。
本発明の一つの実施形態によると、前記下部ゲート構造体120は積層された下部浮遊電極121、下部ゲートの層間絶縁膜122及び下部制御電極123を含み、前記上部ゲート構造体220は積層された上部浮遊電極221、上部ゲートの層間絶縁膜222及び上部制御電極223を含む。これに加えて、前記下部及び上部制御電極123、223の上部には各々下部及び上部キャッピングパターン等124、224が更に配置される。
前記ワードラインWLの場合、前記下部及び上部浮遊電極121、221は前記下部及び上部ゲートの層間絶縁膜122、222によって各々前記下部及び上部制御電極123、223と電気的に接続されない。反面、前記ストリング選択ラインSSL及び前記接地選択ラインGSLの場合、前記下部及び上部浮遊電極121、221は各々前記下部及び上部制御電極123、223と電気的に接続される。前記接続の為に、下部及び上部ゲートの層間絶縁膜122、222は、図2aに図示された様に、前記下部及び上部浮遊電極121、221の上部面が所定の領域から露出する様に形成される。
本発明の他の実施形態によると、前記下部ゲート構造体120及び上部ゲート構造体220(ゲート構造体)は電荷トラップ型のフラッシュメモリーのセルゲート構造を持つ。例えば、前記ゲート構造体120、220はSONOS構造又はTANOS構造である。この場合、前記下部及び上部ゲートの絶縁膜105、205は必要ない。
前記下部半導体層100の中には、前記ストリング選択ラインSSL、接地選択ラインGSL及びワードラインWLの間に配置される下部不純物領域等110が形成され、前記下部ゲート構造体120の両側には下部ソース領域110S及び下部ドレイン領域110Dが形成される。前記下部ソース領域110Sは前記接地選択ラインGSLに隣り合う様に形成され、前記下部ドレイン領域110Dは前記ストリング選択ラインSSLに隣り合う様に形成される。これに加えて、前記上部半導体層200の中には、前記下部不純物領域等110、前記下部ソース領域等110S及び前記下部ドレイン領域等110Dの上部に各々配置される上部不純物領域等210、上部ソース領域等210S及び上部ドレイン領域等210Dが形成される。これらの不純物領域等は前記下部及び上部半導体層100、200とは違う他の導電型を持つ様に形成される。
前記ストリング選択ラインSSL、接地選択ラインGSL及びワードライン等WLの側壁にはゲートスペーサ等129、229が配置される。前記ゲートスペーサ129、229はシリコン酸化膜又はシリコン窒化膜で形成される。これに加えて、前記下部半導体層100と前記上部半導体層200の間には下部の層間絶縁膜140が形成され、前記上部半導体層200の上には上部の層間絶縁膜240が形成される。前記下部及び上部の層間絶縁膜140、240はシリコン酸化膜及びシリコン窒化膜の中で少なくとも一つを含む。
本発明の一つの実施形態によると、前記上部半導体層200の上には上部エッチング阻止膜230が形成される。前記上部エッチング阻止膜230は前記上部ゲート構造体220が形成された上部半導体層200をコンフォーマル(conformal)の厚さで覆う様に形成され、前記上部の層間絶縁膜240に対してエッチングの選択性を持つ物質で形成される。
本発明の他の実施形態によると、前記下部半導体層100の上には下部エッチング阻止膜130が形成される。前記下部エッチング阻止膜130は前記下部ゲート構造体120が形成された下部半導体層100をコンフォーマルの厚さで覆う様に形成され、前記下部の層間絶縁膜140に対してエッチングの選択性を持つ物質で形成される。このとき、前記下部及び上部エッチング阻止膜130、230が互いにエッチングの選択性を持たない物質等で形成される場合(例えば、同じ物質で形成される場合)、後述する様に前記上部半導体層200に対するエッチングの損傷を防止する為に、前記上部エッチング阻止膜230は前記下部エッチング阻止膜130より厚く形成される。
前記上部の層間絶縁膜240の上部には前記ワードライン等WLを横切る複数のビットライン等BLが形成される。又、前記上部半導体層200の上には前記ワードラインWLに平行な共通ソースライン(common source line、CSL)が配置される。垂直高さの側面で、前記共通ソースラインCSLは前記上部半導体層200と前記ビットラインBLの間に配置される。これに加えて、前記ビットラインBLは前記下部及び上部の層間絶縁膜140、240を貫通するビットラインのプラグ等400を利用して前記下部及び上部ドレイン領域等110D、210Dに電気的に接続され、前記共通ソースライン等CSLは前記下部及び上部の層間絶縁膜140、240を貫通するソースプラグ等300を利用して前記下部及び上部ソース領域等110S、210Sに電気的に接続される。
一方、図2aに図示された様に、前記上部の層間絶縁膜240は前記共通ソースラインCSLを囲む第1上部の層間絶縁膜241及び前記共通ソースラインCSLの上に配置される第2上部の層間絶縁膜242を含む。
本発明によると、前記上部半導体層200の中には、前記下部ドレイン領域110D及び前記下部ソース領域110Sの上部から前記上部半導体層200を貫通するドレイン貫通部501及びソース貫通部502が形成される。前記ビットラインのプラグ等400は前記ドレイン貫通部501を貫通して前記下部ドレイン領域等110Dに接触され、前記ソースプラグ300は前記ソース貫通部502を貫通して前記下部ソース領域等110Sに接触される。図1aに図示された様に、一つのビットラインBLは一つのビットラインのプラグ400を通じて一つの下部ドレイン領域110Dに接続されるが、前記共通ソースラインCSL及び前記ソースプラグ300は複数の下部ソース領域等110Sに接続される。
本発明の一つの実施形態によると、前記ビットラインのプラグ等400は前記上部及び下部ドレイン領域等110D、210Dの様な導電型の多結晶シリコン膜で形成される。この場合、前記ビットラインのプラグ等400は前記ドレイン貫通部501の側壁から前記上部半導体層200と接触される。このとき、前記上部半導体層200と前記ビットラインのプラグ等400は互いに違う導電型を持つので、これらは整流特性を提供するpnダイオードを構成する。その結果、前記ビットラインのプラグ等400に逆方向の電圧(reverse voltage)が印加される場合、この電圧は前記上部半導体層200に印加されない。即ち、前記ビットラインのプラグ等400と前記上部半導体層200は電気的に独立している。
本発明の他の実施形態によると、前記ビットラインのプラグ400は金属性の物質等、例えば、タングステン、チタニウム、タンタル、チタニウム窒化膜、タンタル窒化膜及びタングステン窒化膜の中で一つに形成される。この場合、前記ビットラインのプラグ400と前記上部半導体層200の間を電気的に分離する為に、図2bに図示された様に前記ビットラインのプラグ400の側壁にはドレイン絶縁膜155が形成される。前記ドレイン絶縁膜155は通常のスペーサの形成工程によって形成される。
本発明の一つの実施形態によると、前記ビットラインのプラグ等400は前記上部半導体層200の上部に配置される上部ビットラインのプラグ及び前記上部半導体層200を貫通する下部ビットラインのプラグに区分される。このとき、前記上部ビットラインのプラグは、図1a、図1b、図1d、図2a及び図2dに図示された様に、前記ドレイン開口部501の幅G1より広い幅を持つ様に形成される。その結果、前記上部ビットラインのプラグは、図2a及び図2bに図示された様に、前記ドレイン開口部501の両側に形成されて前記上部ドレイン領域等210Dに接続される。前記下部ビットラインのプラグは前記ドレイン開口部501の幅G1と同じ、又は狭い幅を持つ様に形成される。この実施形態によると、前記下部ビットラインのプラグは前記上部ビットラインのプラグの下部面から連続的に延長されて、前記下部ドレイン領域110Dに接続される。
本発明の他の実施形態によると、図1c及び図2cに図示された様に、前記ビットラインのプラグ等400は互いに離隔された上部ビットラインのプラグ等402及び下部ビットラインのプラグ等401に構成できる。この実施形態によると、前記上部ビットラインのプラグ402は前記ビットラインBLと該下部の上部ドレイン領域210Dを電気的に接続し、前記下部ビットラインのプラグ401は前記ビットラインBLと該下部の下部ドレイン領域110Dを電気的に接続する。この場合、前記上部ビットラインのプラグ402と前記下部ビットラインのプラグ401は物理的に離隔されるが、これらが共通で接続された該上部のビットラインBLによって等電位になる。
本発明の一つの実施形態によると、前記ソースプラグ等300は前記上部及び下部ソース領域等110S、210Sの様な導電型の多結晶シリコン膜で形成される。この場合、前記ソースプラグ等300は前記ソース貫通部502の側壁から前記上部半導体層200と接触される。このとき、前記上部半導体層200と前記ソースプラグ等300は互いに違う導電型を持つので、これらは整流特性を提供するpnダイオードを構成する。その結果、前記ソースプラグ等300に逆方向の電圧が印加される場合、この電圧は前記上部半導体層200に印加されない。即ち、前記ソースプラグ等300と前記上部半導体層200は電気的に独立している。
本発明の他の実施形態によると、前記ソースプラグ等300は金属性の物質等、例えば、タングステン、チタニウム、タンタル、チタニウム窒化膜、タンタル窒化膜及びタングステン窒化膜の中で一つに形成される。この場合、前記ソースプラグ等300と前記上部半導体層200の間を電気的に分離する為に、図2bに図示された様に前記ソースプラグ等300の側壁にはソース絶縁膜156が形成される。前記ソース絶縁膜156は通常のスペーサの形成工程によって形成される。
一方、本発明の又他の実施形態によると、前記上部半導体層200及び前記下部半導体層100は前記下部及び上部ソース領域等110S、210Sと等電位になる様に構成される。この場合、前記ソース絶縁膜156が形成されず、前記ソースプラグ等300は前記下部及び上部半導体層200、300とのオーミック接触の為にバリア金属膜等を含む。
本発明の一つの実施形態によると、前記ソースプラグ等300は前記上部半導体層200の上部に配置される上部ソースプラグ及び前記上部半導体層200を貫通する下部ソースプラグに区分される。このとき、前記上部ソースプラグは、図1a、図1b、図1d、図2a及び図2bに図示された様に、前記ソース開口部502の幅G2より広い幅を持つ様に形成される。その結果、前記上部ソースプラグは、図2a及び図2bに図示された様に、前記ソース開口部502の両側に形成されて前記上部ソース領域等210Sに接続される。前記下部ソースプラグは前記ソース開口部502の幅G2と同じ、又は狭い幅を持つ様に形成される。この実施形態によると、前記下部ソースプラグは前記上部ソースプラグの下部面から連続的に延長されて、前記下部ソース領域110Sに接続される。
本発明の他の実施形態によると、図1c及び図2cに図示された様に、前記ソースプラグ等300は互いに離隔された上部ソースプラグ等402及び下部ソースプラグ等401に構成できる。この実施形態によると、前記上部ソースプラグ等402は前記共通ソースラインCSLと該下部の上部ソース領域等210Sを電気的に接続し、前記下部ソースプラグ401は前記共通ソースラインCSLと該下部の下部ソース領域110Sを電気的に接続する。一方、前記共通ソースラインCSL、前記下部及び上部ソースプラグ等401、402は象嵌細工の工程によって同時に形成される。この場合、図2cに図示された様に、前記上部ソースプラグ402と前記下部ソースプラグ401は等電位になる。
本発明の一つの実施形態によるNANDフラッシュメモリー装置の製造方法を、図3aから図3dに示す工程ごとの断面図に基づいて説明する。以下では図3aから図3dを参考にして、前記ビットラインのプラグ400及び前記ソースラインプラグ300の形成方法を詳しく説明する。
図3aを参考にすれば、下部半導体層100の上に下部ゲート構造体120を形成し、前記下部ゲート構造体120をイオンマスクとしてイオンの注入工程を実施して、前記下部半導体層100の中に下部不純物領域等110、下部ソース領域等110S及び下部ドレイン領域等110Dを形成する。続いて、前記下部ゲート構造体120が形成された結果物上に、下部のエッチング停止膜130及び下部の層間絶縁膜140を形成する。
前記下部の層間絶縁膜140の上に、詳述した様に、ドレイン貫通部501及びソース貫通部502を持つ上部半導体層200を形成する。本発明によると前記上部半導体層200は多様な方法で形成される。図5a及び図5b、図6aから図6c、そして、図7a及び図7bを参考にして、前記上部半導体層200を形成する方法に対して説明した後、また前記ビットラインのプラグ400及び前記ソースラインのプラグ300の形成方法を説明する。
本発明の一つの実施形態によると、前記下部半導体層100をシード層として使用するエピタキシャルの技術を使用して前記上部半導体層200を形成する。より詳しくは、図1a、図1c、図5a及び図5bに図示された様に、前記下部の層間絶縁膜140を形成した後、これを貫通して前記下部半導体層100の所定の領域を露出させるシードのホール88を形成する。
図5a及び図5bは図1a及び図1cの点線I−I’及び点線II−II’による断面を表す。続いて、エピタキシャルの技術を使用して前記シードのホール88を詰めるシードのプラグ99及び前記シードのプラグ99から延長されて、前記下部の層間絶縁膜140を覆うエピタキシャル半導体層199を形成する。係るエピタキシャルの技術の結果によって、前記エピタキシャル半導体層199は単結晶の構造を持つ。続いて、図5bに図示された様に、前記エピタキシャル半導体層199をパターニングすることによって、前記ドレイン貫通部501及びソース貫通部502を持つ上部半導体層200を形成する。本発明によると、前記エピタキシャル半導体層199をパターニングする前に、化学機械的研磨の技術の様な平坦化の工程によって前記エピタキシャル半導体層199の上部面を平坦にする段階をさらに含む。
本発明の他の実施形態によると、前記上部半導体層200はウエハーのボンディングの技術によって形成される。より詳しくは、図6aに図示された様に、前記下部の層間絶縁膜140を形成した後、該上部に単結晶構造の半導体からなるウエハーWFをボンディングする。ボンディングの為に、前記ウエハーWFと前記下部の層間絶縁膜140の上には接着膜が更に形成される。図6b及び図6cに図示された様に、前記ウエハーWFをエッチングして薄くなった半導体膜(thin semiconductor layer、199’)を形成し、これをパターニングして前記ドレイン貫通部501及びソース貫通部502を持つ上部半導体層200を形成する。図1b及び図1dに図示された様に、詳述したエピタキシャルの技術で要求される前記シードのホール88の形成の為の領域はこの実施形態では必要ない。
本発明の又他の実施形態によると、前記上部半導体層200は蒸着及び結晶化の技術によって形成される。より詳しくは、図7aに図示された様に、前記下部の層間絶縁膜140の上に前記ドレイン貫通部501及びソース貫通部502の位置を定義する鋳型パターン等195を形成する。続いて、前記鋳型パターン等195が形成された結果物上に半導体膜198を蒸着する。前記半導体膜198は化学気相蒸着の技術又は原子層蒸着の技術を利用して形成される。本発明の一つの実施形態によると、前記半導体膜198は非晶質、多結晶及び単結晶シリコン膜等からなる。本発明の一つの実施形態によると、前記半導体膜198が単結晶の構造を持つ様に結晶化の工程をもっと実施する。続いて、図7bに図示された様に、前記鋳型パターン等195の上部面が露出されるまで前記半導体膜198を平坦にエッチングして、前記鋳型パターン等195によって定義される空間の中に配置される上部半導体層200を形成する。この実施形態によると、前記上部半導体層200は前記鋳型パターン等195を鋳型に使用して形成されるので、前記上部半導体層200を貫通する前記ドレイン貫通部501及びソース貫通部502は別のパターニングの工程なしに形成される。
又、図3aを参考にすれば、前記上部半導体層200の上に上部ゲート構造体220を形成し、前記上部ゲート構造体220をイオンマスクとしてイオンの注入工程を実施し前記上部半導体層200の中に上部不純物領域等210、上部ソース領域等210S及び上部ドレイン領域等210Dを形成する。続いて、前記上部ゲート構造体220が形成された結果物上に、上部のエッチング停止膜230及び第1上部の層間絶縁膜241を形成する。
続いて、前記第1上部の層間絶縁膜241及び前記下部の層間絶縁膜140をパターニングして、前記ソース貫通部502を貫通して前記下部ソース領域等110Sを露出させるソースコンタクトホール等150を形成する。このとき、前記ソースコンタクトホール等150は前記上部半導体層200の上部から前記ソース貫通部502より広い幅を持つ様に形成されることによって、前記上部ソース領域等210Sの上部面を露出させる。前記上部のエッチング停止膜230は、この段階で、前記上部半導体層200(上部ソース領域等210S)に対するエッチングの損傷を防止する為に形成される。即ち、前記ソースコンタクトホール等150を形成する段階は前記上部のエッチング停止膜230に対してエッチングの選択性を持つエッチングのレシピを使用し前記第1上部の層間絶縁膜241及び前記下部の層間絶縁膜140をエッチングする段階を含む。又、前記下部のエッチング停止膜130をエッチングする間に、前記上部半導体層200の上部面が損傷されることを防止する様に、前記上部のエッチング停止膜230は前記下部のエッチング停止膜130より厚く形成される。
図3bを参考にすれば、前記ソースコンタクトホール150を詰めるソースプラグ等300及び共通ソースラインCSLを形成する。結果的に、前記ソースコンタクトホール150及び前記ソースプラグ300は象嵌細工の工程によって形成される。一方、本発明の他の実施形態によると、前記ソースプラグ300は図4aから図4cに図示された様にデュアル象嵌細工の工程によって形成される。図4aから図4cを参考にすれば、前記第1上部の層間絶縁膜241は積層された第1から第3絶縁膜241a、241b、241cを含む。前記第1上部の層間絶縁膜241をパターニングして前記ソースコンタクトホール等150を定義する為の予備コンタクトホール等149を形成し、その結果物上に前記予備コンタクトホール等149を露出させる所定のマスクパターン50を形成した後、前記マスクパターン50をエッチングのマスクとして前記第1上部及び下部の層間絶縁膜等140、241をパターニングする。前記第2絶縁膜241bは、デュアル象嵌細工の工程の間にエッチング停止膜に作用し、前記予備コンタクトホール等149によって定義されるコンタクトホールの構造を下部膜等140、240に転写することができる様にする。この為に、前記第2絶縁膜241bは前記第1及び第2絶縁膜241a、241cに対してエッチングの選択性を持つ物質、例えば、シリコン窒化膜で形成される。
図3cを参考にすれば、前記ソースプラグ等300が形成された結果物上に第2上部の層間絶縁膜242を形成する。前記第2上部の層間絶縁膜242は前記第1上部の層間絶縁膜241と共に前記上部の層間絶縁膜240を構成する。続いて、前記上部及び下部の層間絶縁膜140、240をパターニングし、前記ドレイン貫通部501を貫通して前記下部ドレイン領域110Dを露出させるドレインコンタクトホール等151を形成する。このとき、前記ドレインコンタクトホール等151は前記上部半導体層200の上部から前記ドレイン貫通部501より広い幅を持つ様に形成されることによって、前記上部ドレイン領域等210Dの上部面を露出させる。前記上部のエッチング停止膜230は、この段階で、前記上部半導体層200(上部ドレイン領域等210D)に対するエッチングの損傷を防止する為に形成される。即ち、前記ドレインコンタクトホール等151を形成する段階は前記上部のエッチング停止膜230に対してエッチングの選択性を持つエッチングのレシピを使用して前記上部の層間絶縁膜240及び前記下部の層間絶縁膜140をエッチングする段階を含む。前記下部のエッチング停止膜130はエッチングする間に、前記上部半導体層200の上部面が損傷されない厚さで形成される。
図3dを参考にすれば、前記ドレインコンタクトホール151を詰めるビットラインのプラグ等400を形成する。続いて、前記上部の層間絶縁膜240の上に前記ビットラインのプラグ等400に接触すると共に、前記ワードライン等WLを横切るビットライン等BLを形成する。本発明の一つの実施形態によると、前記ビットラインのプラグ400を形成する前に、前記ドレインコンタクトホール151の側壁にドレイン絶縁膜(図2aの155)が形成できる。同様に、前記ソースプラグ等300を形成する前に、前記ソースコンタクトホール150の側壁にソース絶縁膜(図2aの156)が形成できる。前記ソース及びドレイン絶縁膜155、156は通常のスペーサの形成技術を利用して形成される。
本発明の実施形態によるNANDフラッシュメモリー装置のセルアレイを説明する為の説明図である。 本発明の実施形態によるNANDフラッシュメモリー装置のセルアレイを説明する為の説明図である。 本発明の実施形態によるNANDフラッシュメモリー装置のセルアレイを説明する為の説明図である。 本発明の実施形態によるNANDフラッシュメモリー装置のセルアレイを説明する為の説明図である。 本発明の実施形態によるNANDフラッシュメモリー装置のセルアレイを説明する断面図である。 本発明の実施形態によるNANDフラッシュメモリー装置のセルアレイを説明する断面図である。 本発明の実施形態によるNANDフラッシュメモリー装置のセルアレイを説明する断面図である。 本発明の一つの実施形態によるNANDフラッシュメモリー装置の製造方法を説明する断面図である。 本発明の一つの実施形態によるNANDフラッシュメモリー装置の製造方法を説明する断面図である。 本発明の一つの実施形態によるNANDフラッシュメモリー装置の製造方法を説明する断面図である。 本発明の一つの実施形態によるNANDフラッシュメモリー装置の製造方法を説明する断面図である。 本発明の他の実施形態によるNANDフラッシュメモリー装置の製造方法を説明する断面図である。 本発明の他の実施形態によるNANDフラッシュメモリー装置の製造方法を説明する断面図である。 本発明の他の実施形態によるNANDフラッシュメモリー装置の製造方法を説明する断面図である。 本発明の一つの実施形態によるNANDフラッシュメモリー装置の製造方法を説明する断面図である。 本発明の一つの実施形態によるNANDフラッシュメモリー装置の製造方法を説明する断面図である。 本発明の他の実施形態によるNANDフラッシュメモリー装置の製造方法を説明する断面図である。 本発明の他の実施形態によるNANDフラッシュメモリー装置の製造方法を説明する断面図である。 本発明の他の実施形態によるNANDフラッシュメモリー装置の製造方法を説明する断面図である。 本発明の又他の実施形態によるNANDフラッシュメモリー装置の製造方法を説明する断面図である。 本発明の又他の実施形態によるNANDフラッシュメモリー装置の製造方法を説明する断面図である。
符号の説明
100:下部半導体層、105:下部ゲートの絶縁膜、120:下部ゲート構造体、121:下部浮遊電極、122:下部ゲートの層間絶縁膜、123:下部制御電極、124:下部キャッピングパターン、200:上部半導体層、205:上部ゲートの絶縁膜、220:上部ゲート構造体、221:上部浮遊電極、222:上部ゲートの層間絶縁膜、223:上部制御電極、224:上部キャッピングパターン、BL:ビットライン、400:ビットラインのプラグ、SSL:ストリング選択ライン、GSL:接地選択ライン、WL:ワードライン、401:下部ビットラインのプラグ、402:上部ビットラインのプラグ、501:ドレイン貫通部、502:ソース貫通部

Claims (28)

  1. 下部半導体層及び前記下部半導体層上に配置される少なくとも一つの上部半導体層と、
    前記下部半導体層に形成される第1ドレイン領域及び第1ソース領域と、
    上部半導体層に形成される第2ドレイン領域及び第2ソース領域と、
    前記下部半導体層上に配置される第1ゲート構造体と、
    前記上部半導体層上に配置される第2ゲート構造体と、
    前記上部半導体層上部に配置されるビットラインと、
    前記ビットラインと前記第1ドレイン領域の間に接続された少なくとも一つのビットラインのプラグとを備え、
    前記少なくとも一つのビットラインのプラグは前記上部半導体層の中に形成されたドレイン貫通部を貫通することを特徴とするNANDフラッシュメモリー装置。
  2. 前記各々のゲート構造体は前記第1又は第2ドレイン領域に隣り合う様に配置されるストリング選択ライン、前記第1又は第2ソース領域に隣り合う様に配置される接地選択ライン及び前記ストリング選択ライン及び前記接地選択ラインの間に配置される複数のワードラインを含み、
    前記ビットラインは前記ワードラインを横切る方向に延長されることを特徴とする請求項1に記載のNANDフラッシュメモリー装置。
  3. 前記上部半導体層に形成される第2ドレイン領域は前記ドレイン貫通部に隣り合う様に形成されることを特徴とする請求項1に記載のNANDフラッシュメモリー装置。
  4. 前記少なくとも一つのビットラインのプラグは、
    前記上部半導体層の上部に配置され、前記ドレイン貫通部に隣り合う前記上部半導体層の前記第2ドレイン領域に接続される上部ビットラインのプラグと、
    前記ドレイン貫通部を貫通して前記下部半導体層の前記第1ドレイン領域に接触すると共に、前記上部ビットラインのプラグから延長される下部ビットラインのプラグとを含み、
    前記上部ビットラインのプラグは前記ドレイン貫通部より広い幅を持つことを特徴とする請求項3に記載のNANDフラッシュメモリー装置。
  5. 前記少なくとも一つのビットラインのプラグは、
    前記上部半導体層の前記第2ドレイン領域と前記ビットラインを接続する上部ビットラインのプラグと、
    前記下部半導体層の前記第1ドレイン領域と前記ビットラインを接続する下部ビットラインのプラグとを含み、
    前記下部ビットラインのプラグは前記上部ビットラインのプラグから離隔されて前記ドレイン貫通部を貫通することを特徴とする請求項1に記載のNANDフラッシュメモリー装置。
  6. 前記少なくとも一つのビットラインのプラグはタングステン、チタニウム、タンタル、チタニウム窒化膜、タンタル窒化膜、タングステン窒化膜及び導電型の多結晶シリコーン膜の中の少なくとも一つに形成されることを特徴とする請求項1に記載のNANDフラッシュメモリー装置。
  7. 前記ドレイン貫通部の内壁に配置されて、前記上部半導体層の側壁から前記ビットラインのプラグを離隔させるドレイン絶縁膜をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載のNANDフラッシュメモリー装置。
  8. 前記第2ゲート構造体を覆うと共に、前記上部半導体層上部に配置される上部エッチング停止膜をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載のNANDフラッシュメモリー装置。
  9. 前記下部半導体層上部のゲート構造体を覆うと共に、前記下部半導体層上部に配置される下部エッチング停止膜をさらに含み、
    前記上部エッチング停止膜は前記下部エッチング停止膜より厚いことを特徴とする請求項8に記載のNANDフラッシュメモリー装置。
  10. 前記接地選択ラインに平行に延長されると共に前記ビットラインの下に配置される共通ソースラインと、
    前記共通ソースラインと前記下部及び上部半導体層の前記第1及び第2ソース領域を接続する少なくとも一つのソースプラグとをさらに含むことを特徴とする請求項2に記載のNANDフラッシュメモリー装置。
  11. 前記上部半導体層は、前記下部半導体層の前記第1ソース領域の上部に形成されるソース貫通部をさらに含み、
    前記少なくとも一つのソースプラグは前記ソース貫通部を貫通することを特徴とする請求項10に記載のNANDフラッシュメモリー装置。
  12. 前記上部半導体層に形成される前記第2ソース領域は前記ソース貫通部に隣り合う様に形成されることを特徴とする請求項11に記載のNANDフラッシュメモリー装置。
  13. 前記少なくとも一つのソースプラグは、
    前記上部半導体層の上部に配置されて前記ソース貫通部に隣り合う前記上部半導体層の前記第2ソース領域に接触する上部ソースプラグと、
    前記上部ソースプラグから延長されて前記ソース貫通部を貫通すると共に、前記下部半導体層の前記第1ソース領域に接触する下部ソースプラグとを含み、
    前記上部ソースプラグは前記ソース貫通部より広い幅を持つことを特徴とする請求項12に記載のNANDフラッシュメモリー装置。
  14. 前記ソースプラグは、
    前記上部半導体層の前記第2ソース領域と前記共通ソースラインを接続する上部ソースプラグと、
    前記下部半導体層の前記第1ソース領域と前記共通ソースラインを接続する下部ソースプラグとを含み、
    前記下部ソースプラグは前記上部ソースプラグから離隔されて前記ソース貫通部を貫通することを特徴とする請求項11に記載のNANDフラッシュメモリー装置。
  15. 前記少なくとも一つのソースプラグはタングステン、チタニウム、タンタル、チタニウム窒化膜、タンタル窒化膜、タングステン窒化膜及び導電型の多結晶シリコーン膜の中の少なくとも一つに形成されることを特徴とする請求項10に記載のNANDフラッシュメモリー装置。
  16. 前記ソース貫通部の内壁に配置されて、前記上部半導体層の側壁から前記ソースプラグを離隔させるソース絶縁膜をさらに含むことを特徴とする請求項10に記載のNANDフラッシュメモリー装置。
  17. 下部半導体層に下部ソース領域及び下部ドレイン領域を形成する段階と、
    前記下部半導体層上部に、ドレイン貫通部、上部ソース領域及び上部ドレイン領域を備える上部半導体層を形成する段階と、
    前記ドレイン貫通部を通じて延長され、前記上部及び下部ドレイン領域に各々接続される少なくとも一つのビットラインのプラグを形成する段階とを含むことを特徴とするNANDフラッシュメモリー装置の製造方法。
  18. 前記上部半導体層はソース貫通部を含み、前記方法は前記ソース貫通部を通じて延長され、前記上部及び下部ソース領域に接続される少なくとも一つのソースプラグを形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項17に記載のNANDフラッシュメモリー装置の製造方法。
  19. 前記上部半導体層を形成する段階は、
    前記下部半導体層をシード層として使用するエピタキシャル工程を実施して、前記下部半導体層上にエピタキシャルシリコーン層を形成する段階と、
    前記エピタキシャルシリコーン層を平坦にエッチングして、前記上部半導体層を形成する段階と、
    前記上部半導体層をパターニングして、前記下部ソース領域及び前記下部ドレイン領域の上部から前記上部半導体層を貫通する前記ソース貫通部及び前記ドレイン貫通部を形成する段階とを含むことを特徴とする請求項18に記載のNANDフラッシュメモリー装置の製造方法。
  20. 前記上部半導体層を形成する段階は、
    前記下部半導体層が形成された結果物上に下部の層間絶縁膜を形成する段階と、
    前記下部の層間絶縁膜上にウエハーをボンディングする段階と、
    前記ウエハーをエッチングして半導体膜を形成する段階と、
    前記半導体膜をパターニングして前記上部半導体層を形成する段階と、
    前記上部半導体層をパターニングして前記下部ソース領域及び前記下部ドレイン領域の上部から前記上部半導体層を貫通する前記ソース貫通部及びドレイン貫通部を形成する段階とを含むことを特徴とする請求項18に記載のNANDフラッシュメモリー装置の製造方法。
  21. 前記上部半導体層を形成する段階は、
    前記下部半導体層が形成された結果物上に下部の層間絶縁膜を形成する段階と、
    前記下部の層間絶縁膜上に鋳型パターンを形成する段階と、
    前記鋳型パターンが形成された結果物上に半導体膜を蒸着する段階と、
    前記鋳型パターンが露出されるまで前記半導体膜を平坦にエッチングすることによって、前記上部半導体層を形成する段階とを含み、
    前記鋳型パターンは前記ソース貫通部及びドレイン貫通部の位置に形成されることを特徴とする請求項18に記載のNANDフラッシュメモリー装置の製造方法。
  22. 前記半導体膜を蒸着した後、前記半導体膜を結晶化させる段階をさらに含むことを特徴とする請求項21に記載のNANDフラッシュメモリー装置の製造方法。
  23. 前記下部半導体層上に、前記下部ドレイン領域に隣り合う様に配置されるストリング選択ライン、前記下部ソース領域に隣り合う様に配置される接地選択ライン及び前記ストリング及び接地選択ラインの間に配置される複数のワードラインを含む下部ゲート構造体を形成する段階と、
    前記上部半導体層上に、前記上部ドレイン領域に隣り合う様に配置されるストリング選択ライン、前記上部ソース領域に隣り合う様に配置される接地選択ライン及び前記ストリング及び接地選択ラインの間に配置される複数のワードラインを含む上部ゲート構造体を形成する段階と、
    前記ワードラインを横切ると共に前記少なくとも一つのビットラインのプラグに接続されるビットラインを形成する段階とをさらに含むことを特徴とする請求項17に記載のNANDフラッシュメモリー装置の製造方法。
  24. 前記下部半導体層と前記上部半導体層の間に介される下部の層間絶縁膜を形成する段階と、
    前記上部半導体層上に配置される上部の層間絶縁膜を形成する段階と、
    前記下部ソース領域の上部から前記上部及び下部の層間絶縁膜をパターニングすることによって、前記下部ソース領域及び前記上部ソース領域を露出させるソースコンタクトホールを形成する段階と、
    前記上部及び下部の層間絶縁膜をパターニングして前記下部ドレイン領域及び前記上部ドレイン領域を露出させるビットラインのコンタクトホールを形成する段階とをさらに含むことを特徴とする請求項18に記載のNANDフラッシュメモリー装置の製造方法。
  25. 前記上部の層間絶縁膜は前記上部ソース領域及び前記上部ドレイン領域を覆う上部エッチング停止膜を含み、
    前記上部エッチング停止膜は、前記ビットラインのコンタクトホールを形成する段階又は前記ソースコンタクトホールを形成する段階から前記上部半導体層のエッチングの損傷を防止する厚さで形成されることを特徴とする請求項24に記載のNANDフラッシュメモリー装置の製造方法。
  26. 前記下部の層間絶縁膜は前記下部ソース領域及び前記下部ドレイン領域を覆う下部エッチング停止膜を含み、
    前記上部エッチング停止膜は前記下部エッチング停止膜より厚い厚さで形成されることを特徴とする請求項25に記載のNANDフラッシュメモリー装置の製造方法。
  27. 前記少なくとも一つのソースプラグを形成する前に、前記ソースコンタクトホールの側壁に前記少なくとも一つのソースプラグを前記ソース貫通部の側壁から離隔させるソース絶縁膜を形成する段階をさらに含み、
    前記少なくとも一つのビットラインのプラグを形成する前に、前記ビットラインのコンタクトホールの側壁に前記少なくとも一つのビットラインのプラグを前記ドレイン貫通部の側壁から離隔させるドレイン絶縁膜を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項24に記載のNANDフラッシュメモリー装置の製造方法。
  28. 前記ソースコンタクトホール及び前記ソースライン構造体はデュアル象嵌細工の技術を利用して形成されることを特徴とする請求項24に記載のNANDフラッシュメモリー装置の製造方法。
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