KR100878347B1 - Silicon Oxide Nitride Oxide Semiconductor memory device and Manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 메모리 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 SONOS 메모리 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 기판의 하부에 제1 확산 영역을 도핑하는 단계, 기판을 선택적으로 식각하여 소정의 깊이의 실리콘 기둥을 형성하는 단계, 실리콘 기둥의 상부에 제2 확산 영역을 도핑하는 단계, 실리콘 기둥의 일 측면에 트랩층 적층물을 형성하는 단계, 실리콘 기둥 및 트랩층 적층물을 커버하도록 상부 절연막을 형성하는 단계 및 상부 절연막에 접촉되도록 실리콘 기둥 사이에 게이트를 형성하는 단계를 포함하는 소노스 메모리 소자 제조 방법이 제공된다. 본 발명은 집적도를 극대화시킬 수 있는 소노스 메모리 소자 및 그 제조 방법을 제공할 수 있는 효과가 있다. The present invention relates to a semiconductor memory device and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a SONOS memory device and a method for manufacturing the same. According to the present invention, the method comprises: doping a first diffusion region in a lower portion of a substrate, selectively etching the substrate to form a silicon pillar having a predetermined depth, doping a second diffusion region in an upper portion of the silicon pillar, and Forming a trap layer stack on one side of the pillar, forming an upper insulating film to cover the silicon pillar and the trap layer stack, and forming a gate between the silicon pillars to contact the upper insulating film A memory device manufacturing method is provided. The present invention has the effect of providing a sonos memory device and a method of manufacturing the same that can maximize the degree of integration.
소노스(SONOS), 소스(source), 드레인(drain), 게이트(gate) SONOS, source, drain, gate
Description
도 1은 종래의 소노스 메모리 소자의 평면도.1 is a plan view of a conventional Sonos memory device.
도 2a는 종래의 소노스 메모리 소자의 제1 단면도.2A is a first cross-sectional view of a conventional Sonos memory element.
도 2b는 종래의 소노스 메모리 소자의 제2 단면도.2B is a second cross-sectional view of a conventional Sonos memory element.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 소노스 메모리 소자의 메모리 셀 어레이의 일부를 개략적으로 나타낸 평면도.3 is a plan view schematically illustrating a part of a memory cell array of a sonos memory device according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 4a 내지 도 9, 도 10a 및 도 11a는 본 발명의 일 실시예에 따른 소노스 메모리 소자 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들.4A to 9, 10A and 11A are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a sonos memory device according to an embodiment of the present invention.
도 10b 및 도 11b는 본 발명의 일 실시예에 따른 소노스 메모리 소자 제조 방법을 설명하기 위한 사시도들.10B and 11B are perspective views illustrating a method of manufacturing a sonos memory device according to an embodiment of the present invention.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 소노스 메모리 소자의 일부분에 대한 단면도.12 is a cross-sectional view of a portion of a sonos memory element in accordance with an embodiment of the present invention.
도 13은 본 발명에 따른 소노스 메모리 소자의 쓰기 동작 종료 후 트랩층에 트랩된 전자의 분포를 나타낸 그래프.FIG. 13 is a graph illustrating a distribution of electrons trapped in a trap layer after completion of a write operation of a Sonos memory device according to the present invention; FIG.
도 14는 본 발명에 따른 소노스 메모리 소자의 쓰기 동작 종료 후 문턱전압의 변화를 나타낸 그래프.FIG. 14 is a graph illustrating a change in a threshold voltage after completion of a write operation of a sonos memory device according to the present invention. FIG.
도 15는 본 발명에 따른 소노스 메모리 소자의 소거 동작시 문턱전압의 변화를 나타낸 그래프.15 is a graph illustrating a change in a threshold voltage during an erase operation of a sonos memory device according to the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
410 : P형 기판410: P-type substrate
420 : 제1 N형 확산 영역420: first N-type diffusion region
510 : 게이트 절연막510: gate insulating film
520 : 실리콘 기둥520: Silicon Pillar
610 : 제2 N형 확산 영역610: second N-type diffusion region
711 내지 714 : 트랩층 적층물711 to 714: trap layer stack
810 : 상부 절연막810: upper insulating film
910 : 게이트910: Gate
1010 : 비트라인 절연막1010: bit line insulating film
1110 : 비트라인(bit line)1110 bit line
본 발명은 반도체 메모리 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 SONOS 메모리 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a semiconductor memory device and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a SONOS memory device and a method for manufacturing the same.
최근 인터넷의 보급과 정보 기술의 발달에 따라 사용자가 이용할 수 있는 정보의 양이 과거에 비하여 급속히 증대하고 있다. 이에 따라, 사용자는 많은 양의 정보를 효율적으로 이용하기 위하여 정보를 저장할 수 밖에 없고, 정보가 장기간 저장되기 위해서는 전원이 제거된 뒤에도 저장된 정보가 지워지지 않는 비휘발성(Nonvolatile) 메모리 소자가 필요하다. Recently, with the spread of the Internet and the development of information technology, the amount of information available to users is increasing rapidly compared with the past. Accordingly, a user has no choice but to store information in order to efficiently use a large amount of information, and in order to store the information for a long time, a nonvolatile memory device that does not erase stored information even after power is removed is required.
현재, 비휘발성 메모리 소자의 주종은 플래시 메모리(flash-memory) 소자이지만, 다양한 종류의 비휘발성 메모리 소자가 개발되고 있으며, 소노스 메모리 소자(SONOS, Silicon Oxide Nitride Oxide Semiconductor memory device)도 그 중의 하나이다. 이하, 도 1, 도 2a 및 도 2b를 참조하여 종래의 소노스 메모리 소자의 일반적인 구성에 대하여 간략히 설명한다. Currently, the main types of nonvolatile memory devices are flash memory devices, but various kinds of nonvolatile memory devices are being developed, and one of them is a silicon oxide nitride memory device (SONOS). Hereinafter, a general configuration of a conventional sonos memory device will be briefly described with reference to FIGS. 1, 2A, and 2B.
도 1은 종래의 소노스 메모리 소자의 평면도이고, 도 2a는 종래의 소노스 메모리 소자의 제1 단면도이며, 도 2b는 종래의 소노스 메모리 소자의 제2 단면도이다. 1 is a plan view of a conventional Sonos memory device, FIG. 2A is a first cross-sectional view of a conventional Sonos memory device, and FIG. 2B is a second cross-sectional view of a conventional Sonos memory device.
도 1, 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 도 2a는 도 1에 도시된 I-I' 절취선을 따라 도시한 단면도이고, 도 2b는 도 1에 도시된 II-II' 절취선을 따라 도시한 단면도이다. 1, 2A and 2B, FIG. 2A is a cross-sectional view taken along the line II ′ of FIG. 1, and FIG. 2B is a cross-sectional view taken along the line II-II ′ of FIG. 1.
도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 종래의 소노스 메모리 소자(100)는 기판(210), 소자 분리막(215), 소스 영역(source)(220), 드레인 영역(drain)(230), 하부 절연막(240), 트랩층(250), 상부 절연막(260) 및 게이트 전극(gate)(270)을 포함한다.As shown in FIGS. 2A and 2B, the conventional Sonos
즉, 각각의 소자들 사이에 이들을 분리시키기 위한 소자 분리막(215)이 형성되며, 또한, 기판(210)에 공통 소스 영역(220) 및 공통 드레인 영역(230)이 이격된 상태로 형성되어 있고, 공통 소스 영역(220) 및 공통 드레인 영역(230) 사이의 기판(210) 상에 하부 절연막(240)이 존재한다. That is, the
또한, 하부 절연막(240) 위에 트랩층(250)이 존재한다. 트랩층(250)은 실제 비트 데이터(bit-data)가 기록되는 스토리지(storage) 노드층으로서, 질화막()이 일반적으로 사용된다. 즉, 데이터 쓰기(write) 동작에서는 트랩층(250)에 전자가 트랩될 수 있다. In addition, a
또한, 트랩층(250) 위에는 전자가 트랩층(250)에 트랩되는 과정에서 게이트(270)에 유입되는 것을 방지하기 위한 상부 절연막(260)이 존재한다. 이때, 상부 절연막(260)은 실리콘 산화막일 수 있다. In addition, an upper
또한, 상부 절연막(260) 위에는 게이트 전극(270)이 존재한다. 여기에서, 하부 절연막(240), 트랩층(250), 상부 절연막(260) 및 게이트 전극(270)으로 이루어진 게이트 적층물의 측면은 절연물질로 된 소자 분리막(215)으로 덮일 수 있다.In addition, a
상술한 바와 같이, 종래의 소노스 메모리 소자(100)는 평면적인 구조이다. 즉, 종래의 소노스 메모리 소자(100)는 기판(210) 위에 게이트 적층물(즉, 하부 절연막(240), 트랩층(250), 상부 절연막(260) 및 게이트 전극(270)을 포함하는 적층물)을 적층시키는 구조이다.As described above, the conventional Sonos
그런데, 종래의 소노스 메모리 소자(100)의 평면적인 적층 구조는 집적도를 극대화하기 힘든 문제점이 있다. 즉, 종래의 소노스 메모리 소자(100)는 평면적인 구조이기 때문에 집적도를 높이기 위해서 각 비트 간의 간격을 좁혀야 하는데, 이러한 경우 형성되는 채널(channel)의 길이가 짧아지게 된다. 이때, 전계(즉, 소스 전압과 드레인 전압의 차이를 채널 길이로 나눈 값)는 커지게 되고, 이에 따라 높은 전계를 받은 캐리어(carrier)는 지나치게 이동성이 커지게 된다. However, the planar stacked structure of the conventional Sonos
또한, 현재 멀티 비트 메모리 셀(Multi-bit cell)(셀 당 2비트 이상을 가지는 셀)의 제조가 활발히 연구되고 있는데, 그 중 소노스 메모리 소자가 많은 관심과 연구를 받고 있다. 즉, 멀티 비트 소노스 메모리 소자의 질화막에 트랩된 전자가 주변으로 확산되지 않는 특성을 이용하여 드레인 근처에만 국부적으로 전자를 트랩시켜 2비트가 구현될 수 있다. In addition, the manufacture of multi-bit memory cells (cells having more than 2 bits per cell) is being actively researched, and among them, Sonos memory devices have received much attention and research. That is, two bits may be implemented by locally trapping electrons only near the drain by using the property that electrons trapped in the nitride layer of the multi-bit sonos memory device do not diffuse to the surroundings.
그러나, 종래의 멀티 비트 소노스 메모리 소자의 경우 형성되는 채널 길이가 짧아질수록 각각의 비트가 서로 간섭하므로 만족할 만한 특성을 얻을 수 없는 문제점이 여전히 남아 있다. However, in the case of the conventional multi-bit sonos memory device, the shorter the channel length is formed, each bit interferes with each other, and thus there is still a problem that a satisfactory characteristic cannot be obtained.
따라서, 본 발명은 집적도를 극대화시킬 수 있는 소노스 메모리 소자 및 그 제조 방법을 제시하고자 한다. Accordingly, the present invention is to propose a sonos memory device and a method of manufacturing the same that can maximize the degree of integration.
또한, 본 발명은 형성되는 채널의 길이를 줄이지 않고 집적도를 높일 수 있는 소노스 메모리 소자 및 그 제조 방법을 제시하고자 한다. In addition, the present invention is to propose a sonos memory device and a method of manufacturing the same that can increase the degree of integration without reducing the length of the channel to be formed.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 기판의 하부에 제1 확산 영역을 도핑하는 단계; 상기 기판을 선택적으로 식각하여 소정의 깊이의 실리콘 기둥을 형성하는 단계; 상기 실리콘 기둥의 상부에 제2 확산 영역을 도핑하는 단계; 상기 실리콘 기둥의 일 측면에 트랩층 적층물을 형성하는 단계; 상기 실리콘 기둥 및 상기 트랩층 적층물을 커버하도록 상부 절연막을 형성하는 단계; 및 상기 상부 절연막에 접촉되도록 상기 실리콘 기둥 사이에 게이트를 형성하는 단계를 포함하는 소노스 메모리 소자 제조 방법이 제공된다. According to an embodiment of the present invention for solving the above-mentioned problems, the method comprises: doping a first diffusion region under a substrate; Selectively etching the substrate to form a silicon pillar of a predetermined depth; Doping a second diffusion region over the silicon pillar; Forming a trap layer stack on one side of the silicon pillar; Forming an upper insulating film to cover the silicon pillar and the trap layer stack; And forming a gate between the silicon pillars so as to contact the upper insulating layer.
여기서, 상술한 소노스 메모리 소자 제조 방법은 상기 제1 확산 영역과 상기 게이트의 접촉을 방지하기 위한 게이트 절연막을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. The method of manufacturing the above-described sonos memory device may further include forming a gate insulating layer for preventing contact between the first diffusion region and the gate.
또한, 상기 제1 확산 영역 및 상기 제2 확산 영역 중 어느 하나는 소스 영역이고, 나머지 다른 하나는 드레인 영역일 수 있다. In addition, one of the first diffusion region and the second diffusion region may be a source region, and the other may be a drain region.
또한, 트랩층 적층물을 형성하는 단계는 상기 실리콘 기둥의 일 측면에 터널링 절연막인 하부 절연막을 적층하는 단계; 및 쓰기 동작에서 전자들이 트랩되는 트랩층을 상기 하부 절연막의 일 측면에 적층하는 단계를 포함할 수 있다. In addition, the forming of the trap layer stack may include stacking a lower insulating film, which is a tunneling insulating film, on one side of the silicon pillar; And laminating a trap layer to which electrons are trapped in a write operation on one side of the lower insulating layer.
또한, 상기 실리콘 기둥은 P형 기판이고, 상기 제1 확산 영역을 도핑하는 단계는 상기 P형 기판의 하부에 N형 불순물을 도핑하는 단계이며, 상기 제2 확산 영역을 도핑하는 단계는 상기 P형 기판에 포함된 상기 실리콘 기둥의 상부에 N형 불 순물을 도핑하는 단계일 수 있다. The silicon pillar may be a P-type substrate, and the doping of the first diffusion region may include doping N-type impurities under the P-type substrate, and the doping of the second diffusion region may include: Doping an N-type impurity on the upper portion of the silicon pillar included in the substrate.
또한, 상기 실리콘 기둥을 형성하는 단계는 상기 기판을 소정의 깊이로 식각하여 제1 식각부를 형성하는 단계; 및 상기 제1 식각부의 저면을 소정의 깊이로 식각하여 제2 식각부를 형성하는 단계를 포함하되, 상기 실리콘 기둥은 철(凸)자 형상일 수 있다. The forming of the silicon pillar may include forming a first etching portion by etching the substrate to a predetermined depth; And forming a second etching portion by etching the bottom surface of the first etching portion to a predetermined depth, wherein the silicon pillar may have an iron shape.
또한, 상기 제2 식각부를 형성하는 단계는 상기 제1 식각부의 저면을 상기 제1 확산 영역의 일부가 노출되도록 식각하는 단계를 포함하되, 상기 제2 식각부의 저면 및 상기 제2 식각부의 측면 중 일부분은 상기 제1 확산 영역일 수 있다. The forming of the second etching portion may include etching the bottom surface of the first etching portion to expose a portion of the first diffusion region, wherein a portion of a bottom surface of the second etching portion and a side surface of the second etching portion is exposed. May be the first diffusion region.
또한, 상기 식각은 이방성 식각이되, 상기 이방성 식각은 레이저 식각 방법, 플라즈마 식각 방법, 이방성 건식 식각 방법 또는 마스크를 이용한 식각 방법 중 어느 하나의 방법일 수 있다. The etching may be anisotropic etching, and the anisotropic etching may be any one of a laser etching method, a plasma etching method, an anisotropic dry etching method, or an etching method using a mask.
또한, 상기 트랩층 적층물을 형성하는 단계는 상기 트랩층 적층물을 상기 실리콘 기둥의 일 측면에 형성하되, 상기 제1 식각부의 측면 또는 제2 식각부의 측면에 증착되도록 형성하는 단계를 포함할 수 있다. In addition, the forming of the trap layer stack may include forming the trap layer stack on one side of the silicon pillar and being deposited on the side of the first etching portion or the side of the second etching portion. have.
또한, 상기 트랩층 적층물을 형성하는 단계는 상기 트랩층 적층물을 상기 실리콘 기둥 일 측면의 소정 부분 및 상기 제1 확산 영역 또는 상기 제2 확산 영역 중 어느 하나의 일 측면의 소정 부분이 커버되도록 형성하는 단계를 포함할 수 있다. The forming of the trap layer stack may include covering the predetermined portion of one side of the silicon pillar and one side of any one of the first diffusion region and the second diffusion region. It may comprise the step of forming.
또한, 상기 소노스 메모리 소자 제조 방법은 상기 제2 확산 영역의 상부에 상기 제2 확산 영역에 전압을 인가하기 위한 비트라인을 형성하는 단계를 더 포함 할 수 있다. The method may further include forming a bit line for applying a voltage to the second diffusion region on the second diffusion region.
또한, 상기 소노스 메모리 소자 제조 방법은 상기 비트라인과 상기 게이트가 접촉되는 것을 방지하기 위한 비트라인 절연막을 상기 게이트와 상기 비트라인 사이에 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. The method may further include forming a bit line insulating layer between the gate and the bit line to prevent the bit line and the gate from contacting each other.
또한, 상기 소노스 메모리 소자 제조 방법은 상기 비트라인 절연막을 식각하여 상기 비트라인과 상기 제2 확산 영역을 연결하기 위한 비트라인 연결구멍을 식각하는 단계를 더 포함할 수 있다. The method may further include etching the bit line insulating layer to etch a bit line connection hole for connecting the bit line and the second diffusion region.
또한, 상기 비트라인을 형성하는 단계는 상기 비트라인 연결구멍에 따라 복수개의 비트라인을 형성하는 단계를 포함하되, 상기 비트라인 연결구멍을 식각하는 단계는 상기 비트라인 연결구멍을 상기 비트라인이 인접한 다른 비트라인과 동일한 상기 실리콘 기둥을 공유하지 아니하도록 교차하여 식각하는 단계를 포함할 수 있다. The forming of the bit line may include forming a plurality of bit lines in accordance with the bit line connecting hole, and etching the bit line connecting hole may include the bit line connecting hole adjacent to the bit line connecting hole. And cross etching so as not to share the same silicon pillar as other bit lines.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 선택적으로 식각되어 형성된 실리콘 기둥을 포함하는 기판; 상기 실리콘 기둥의 하부에 형성된 제1 확산 영역; 상기 실리콘 기둥의 상부에 형성된 제2 확산 영역; 상기 실리콘 기둥의 일 측면에 형성된 트랩층 적층물; 상기 실리콘 기둥 및 상기 트랩층 적층물을 커버하도록 형성된 상부 절연막; 및 상기 실리콘 기둥 사이에 형성되고, 인접된 상기 상부 절연막에 접촉되는 게이트를 포함하되, 상기 게이트, 상기 제1 확산 영역 및 상기 제2 확산 영역에 인가되는 전압에 따라 형성되는 채널은 상기 실 리콘 기둥의 측면을 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 소노스 메모리 소자가 제공된다. According to another embodiment of the present invention for solving the above problems, a substrate including a silicon pillar formed by selectively etching; A first diffusion region formed under the silicon pillar; A second diffusion region formed on the silicon pillar; A trap layer stack formed on one side of the silicon pillar; An upper insulating film formed to cover the silicon pillar and the trap layer stack; And a gate formed between the silicon pillars and in contact with the adjacent upper insulating layer, wherein a channel formed according to a voltage applied to the gate, the first diffusion region, and the second diffusion region is the silicon pillar. Provided is a sonos memory element, characterized in that formed along the side of.
여기서, 소노스 메모리 소자는 상기 제1 확산 영역과 상기 게이트의 접촉을 방지하기 위한 게이트 절연막이 더 구비될 수 있다. here, The sonos memory device may further include a gate insulating layer for preventing contact between the first diffusion region and the gate.
또한, 상기 제1 확산 영역 및 상기 제2 확산 영역 중 어느 하나는 소스 영역이고, 나머지 다른 하나는 드레인 영역일 수 있다. In addition, one of the first diffusion region and the second diffusion region may be a source region, and the other may be a drain region.
또한, 상기 트랩층 적층물은 상기 실리콘 기둥의 일 측면에 증착되는 터널링 절연막인 하부 절연막; 및 쓰기 동작에서 전자들이 트랩되고, 상기 하부 절연막의 일 측면에 적층되는 트랩층을 포함하되, 상기 트랩층은 질화물층일 수 있다. In addition , the trap layer stack is a lower insulating film which is a tunneling insulating film deposited on one side of the silicon pillar; And a trap layer in which electrons are trapped in a write operation and stacked on one side of the lower insulating layer, wherein the trap layer may be a nitride layer.
또한, 상기 실리콘 기둥은 P형 기판이고, 상기 제1 확산 영역은 상기 P형 기판의 하부에 N형 불순물이 도핑되어 형성되고, 상기 제2 확산 영역은 상기 실리콘 기둥의 상부에 N형 불순물이 도핑되어 형성될 수 있다. Also, The silicon pillar is a P-type substrate, and the first diffusion region is formed by doping N-type impurities under the P-type substrate, and the second diffusion region is formed by doping N-type impurities on the silicon pillar. Can be.
또한, 상기 실리콘 기둥은 상기 기판이 소정의 깊이로 식각되어 형성된 제1 식각부의 측면; 및 상기 제1 식각부의 저면이 다시 소정의 깊이로 식각되어 형성된 제2 식각부의 측면을 포함하되, 상기 실리콘 기둥은 철(凸)자 형상일 수 있다. Also, The silicon pillar may include a side surface of the first etching part formed by etching the substrate to a predetermined depth; And a side surface of the second etching portion formed by etching the bottom surface of the first etching portion to a predetermined depth, wherein the silicon pillar may have an iron shape.
또한, 상기 제2 식각부는 상기 제1 식각부의 저면을 상기 제1 확산 영역의 일부가 노출되도록 식각되어 형성되되, 상기 제2 식각부의 저면 및 상기 제2 식각부의 측면 중 일부분은 상기 제1 확산 영역일 수 있다. The second etching portion may be formed by etching the bottom surface of the first etching portion to expose a portion of the first diffusion region, and a portion of a bottom surface of the second etching portion and a side surface of the second etching portion may be formed in the first diffusion region. Can be.
또한, 상기 식각은 이방성 식각이되, 상기 이방성 식각은 레이저 식각 방법, 플라즈마 식각 방법, 이방성 건식 식각 방법 또는 마스크를 이용한 식각 방법 중 어느 하나의 방법일 수 있다. The etching may be anisotropic etching, and the anisotropic etching may be any one of a laser etching method, a plasma etching method, an anisotropic dry etching method, or an etching method using a mask.
또한, 상기 트랩층 적층물은 상기 실리콘 기둥의 일 측면에 형성되되, 상기 제1 식각부의 측면 또는 제2 식각부의 측면에 증착되도록 형성될 수 있다. In addition, the trap layer stack is formed on one side of the silicon pillar, it may be formed to be deposited on the side of the first etching portion or the side of the second etching portion.
또한, 상기 트랩층 적층물은 상기 실리콘 기둥 일 측면의 소정 부분 및 상기 제1 확산 영역 또는 상기 제2 확산 영역 중 어느 하나의 일 측면의 소정 부분이 커버되도록 형성될 수 있다. The trap layer stack may be formed to cover a predetermined portion of one side of the silicon pillar and a predetermined portion of one side of the first diffusion region or the second diffusion region.
또한, 상기 소노스 메모리 소자는 상기 제2 확산 영역의 상부에 형성되고, 상기 제2 확산 영역에 전압을 인가하기 위한 비트라인을 더 포함할 수 있다. In addition, the sonos memory device may be formed on the second diffusion region, and may further include a bit line for applying a voltage to the second diffusion region.
또한, 상기 소노스 메모리 소자는 상기 비트라인과 상기 게이트가 접촉되는 것을 방지하기 위하여 상기 게이트와 상기 비트라인 사이에 형성된 비트라인 절연막을 더 포함할 수 있다. In addition, the sonos memory device may further include a bit line insulating layer formed between the gate and the bit line to prevent the bit line and the gate contact.
또한, 상기 소노스 메모리 소자는 상기 비트라인과 상기 제2 확산 영역을 연결하기 위한 비트라인 연결구멍을 더 포함하되, 상기 비트라인 연결구멍은 상기 비트라인 절연막이 식각되어 형성될 수 있다. The sonos memory device may further include a bit line connection hole for connecting the bit line and the second diffusion region, and the bit line connection hole may be formed by etching the bit line insulating layer.
또한, 상기 비트라인은 상기 비트라인 연결구멍에 따라 복수개가 형성되되, 상기 비트라인 연결구멍은 상기 비트라인이 인접한 다른 비트라인과 동일한 상기 실리콘 기둥을 공유하지 아니하도록 교차되어 식각될 수 있다. In addition, a plurality of bit lines may be formed along the bit line connection holes, and the bit line connection holes may be crossed and etched so that the bit lines do not share the same silicon pillar as other adjacent bit lines.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.As the invention allows for various changes and numerous embodiments, particular embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the written description. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, it should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In the following description of the present invention, if it is determined that the detailed description of the related known technology may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다. Terms such as first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as the second component, and similarly, the second component may also be referred to as the first component. The term and / or includes a combination of a plurality of related items or any item of a plurality of related items.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. When a component is referred to as being "connected" or "connected" to another component, it may be directly connected to or connected to that other component, but it may be understood that other components may be present in between. Should be. On the other hand, when a component is said to be "directly connected" or "directly connected" to another component, it should be understood that there is no other component in between.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르 게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular example embodiments only and is not intended to be limiting of the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this application, the terms "comprise" or "have" are intended to indicate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, and one or more other features. It is to be understood that the present invention does not exclude the possibility of the presence or the addition of numbers, steps, operations, components, components, or a combination thereof.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art. Terms such as those defined in the commonly used dictionaries should be construed as having meanings consistent with the meanings in the context of the related art, and shall not be construed in ideal or excessively formal meanings unless expressly defined in this application. Do not.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail with respect to the present invention.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 소노스 메모리 소자의 메모리 셀 어레이의 일부를 개략적으로 나타낸 평면도이다. 3 is a plan view schematically illustrating a part of a memory cell array of a sonos memory device according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 소노스 메모리 소자는 복수개의 워드 라인(word line)(310-1, 310-2, 310-3, 310-4, ……310-n, 단, n은 자연수임) 및 복수개의 비트라인(bit line)(320-1, 320-2, 320-3, 320-4, 320-5, 320-6, 320-7, 320-8, ……320-n, 단, n은 자연수임)을 포함하는 메모리 셀 어레이(memory cell array)를 형성할 수 있다. Referring to FIG. 3, a sonos memory device according to an embodiment of the present invention may include a plurality of word lines 310-1, 310-2, 310-3, 310-4,... N is a natural number) and a plurality of bit lines 320-1, 320-2, 320-3, 320-4, 320-5, 320-6, 320-7, 320-8,... ... 320-n, where n is a natural number, to form a memory cell array.
여기서, 영역 A(340) 내의 빗금친 부분은 실리콘 기둥일 수 있고, 실리콘 기둥의 측면에 트랩층(350-1, 350-2)이 적층될 수 있다. Here, the hatched portion in the
이하, 도 4a 내지 도 11b를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 소노스 메모리 소자의 구조 및 제조 방법에 대하여 설명한다. 이때, 도 4a 내지 도 9, 도 10a 및 도 11a은 도 3에 도시된 절단선 A-A'를 따라 절취된 단면도이고, 도 10b 및 도 11b는 도 3에 도시된 영역 B(330)를 따라 절취된 사시도이다. Hereinafter, a structure and a manufacturing method of a sonos memory device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 4A to 11B. 4A to 9, 10A and 11A are cross-sectional views taken along the cutting line A-A 'shown in FIG. 3, and FIGS. 10B and 11B are taken along the region B 330 shown in FIG. It is a perspective view cut away.
도 4a 내지 도 9, 도 10a 및 도 11a는 본 발명의 일 실시예에 따른 소노스 메모리 소자 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다. 또한, 도 10b 및 도 11b는 본 발명의 일 실시예에 따른 소노스 메모리 소자 제조 방법을 설명하기 위한 사시도들이다.4A through 9, 10A, and 11A are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a sonos memory device according to an exemplary embodiment of the present invention. 10B and 11B are perspective views illustrating a method of manufacturing a sonos memory device according to an embodiment of the present invention.
도 4a를 참조하면, P형 기판(410) 하부에 제1 N형 확산 영역(420)이 도핑되어 있는 소노스 메모리 소자의 단면도가 도시되고, P형 기판(410)은 하나 이상의 실리콘 기둥(520)을 포함할 수 있다(도 4a에서는 3개의 실리콘 기둥(520)이 도시됨). 여기서, 제1 N형 확산 영역(420)은 P형 기판(410)의 하부에 전자를 도핑(또는 임플란트(implant))되어 형성될 수 있다. 또한, 평면 P형 기판(410)의 각 실리콘 기둥(520)은 20nm의 두께 및 70nm의 깊이를 가질 수 있다. 이때, 실리콘 기둥을 형성하는 방법은 다양할 수 있다.Referring to FIG. 4A, a cross-sectional view of a Sonos memory device having a first N-type diffusion region 420 doped under a P-
예를 들어, P형 기판(410)은 산화막(예를 들어, Nitride, Oxide, Carbon 등)(430)이 증착된 평면 P형 기판이 포토 레지스터(Photo Resistor, PR) 공정에 의하여 패턴(pattern)된 뒤, 이방성 식각(anisotropy etching)(이하, '제1차 식각'이라 칭함) 공정에 의하여 도 4b에 도시된 바와 같이 제1 식각부(415)가 형성될 수 있다. 여기서, 식각부는 식각에 의하여 P형 기판(410)에 형성된 홀(hole)일 수 있으며, 식각부는 홀의 양 측면 및/또는 홀의 저면을 포함할 수 있다. For example, the P-
이때, 제1차 식각 공정에는 레이저(laser) 식각 방법, 플라즈마(plasma) 식각 방법, 이방성 건식 식각 방법 또는 마스크(또는 스페이서, spacer)를 이용하여 식각하는 방법 등이 이용될 수 있다. 또한, 제1차 식각 공정이 완료되면 산화막(430)이 도 4b에 도시된 바와 같이 제거될 수 있다.In this case, a laser etching method, a plasma etching method, an anisotropic dry etching method or an etching method using a mask (or spacer) may be used for the first etching process. In addition, when the first etching process is completed, the
또한, 실리콘 기둥(520)의 양 측면에 5nm의 두께를 가지는 마스크(또는 스페이서)가 형성된 후, 다시 이방성 식각(이하, '제2차 식각'이라 칭함) 공정이 수행되면 도 5a에 도시된 바와 같이 제2 식각부(515)가 형성될 수 있고, 이에 따라 도 5b에 도시된 모양의 실리콘 기둥(520) 이 형성될 수 있다. 즉, 제2차 식각 공정 후에 형성되는 실리콘 기둥(520)은 철(凸)자 형상의 실리콘 기둥일 수 있고, 측면에 단턱(440)을 포함할 수 있다.In addition, after a mask (or spacer) having a thickness of 5 nm is formed on both sides of the
이때, 도 5b에 도시된 바와 같이 제1 N형 확산 영역(420)의 일부도 이방성 식각될 수 있다. 즉, 제2 식각부(515)는 상기 제1 식각부(415)의 저면을 상기 제1 확산 영역의 일부가 노출되도록 식각하여 형성될 수 있고, 이에 따라 제2 식각부(515)의 저면은 제1 N형 확산 영역(420)일 수 있다. 따라서, 실리콘 기둥(520)의 하부(즉, 도 5b에서, 단턱(440)의 밑부분)는 30nm의 두께를 가질 수 있고, 실리콘 기둥(520)의 상부(즉, 도 5b에서, 단턱(440)의 윗부분)는 20nm의 두께를 가질 수 있다. In this case, as shown in FIG. 5B, a portion of the first N-type diffusion region 420 may also be anisotropically etched. That is, the
또한, 각각의 실리콘 기둥(520) 사이는 55nm일 수 있다. 여기서, 제2차 식각 공정에서도 제1차 식각 공정에서와 동일 또는 유사한 방법(레이저 식각 방법, 플라즈마 식각 방법, 이방성 건식 식각 방법 또는 마스크를 이용하여 식각하는 방법)이 이용될 수 있다.In addition, between the
또한, 실리콘 기둥(520)이 형성된 후, 게이트 절연막(510)이 도 5b에 도시된 바와 같이 실리콘 기둥(520) 사이에 형성될 수 있다. 이때, 게이트 절연막(510)은 실리콘 기둥(520)의 상부에서 게이트 절연막(510) 상부까지의 깊이가 150nm가 되도록 형성될 수 있다. 여기서, 게이트 절연막(510)은 제1 N형 확산 영역(420)과 이후에 설명될 게이트의 접촉을 방지하기 위한 절연막일 수 있다.In addition, after the
여기서, 실리콘 기둥(520)의 두께 및 깊이는 예시에 불과할 뿐이므로 당해 수치가 본 발명의 권리범위를 한정하지 아니함은 자명하다. Here, since the thickness and depth of the
도 6을 참조하면, 실리콘 기둥(520)의 상부에 제2 N형 확산 영역(610)이 형성될 수 있다. 여기서, 제2 N형 확산 영역(610)은 실리콘 기둥(520)의 상부에 전자가 도핑(또는 임플란트(implant))되어 형성될 수 있다.Referring to FIG. 6, a second N-
도 7을 참조하면, 제2 N형 확산 영역(610)이 도핑된 각각의 실리콘 기둥(520)의 양 측면에 하나 이상의 트랩층 적층물(도 7에서는 4개의 트랩층 적층물이 도시됨)(711, 712, 713, 714, 이하, '710'으로 통칭함)이 적층될 수 있다. 여기서, 트랩층 적층물(710)은 실리콘 기둥(520)의 측면 중 제1 식각부(415)의 측면에 증착되도록 적층될 수 있고(711, 713), 제2 식각부(515)의 측면에 증착되도록 적층될 수도 있다(712, 714). 이때, 단턱(440) 및/또는 제2 식각부(515)의 저면(530)은 적층된 트랩층 적층물(710)이 실리콘 기둥(520) 측면에서 미끄러지는 것을 방지할 수 있다. 또한, 트랩층 적층물(710)의 두께는 5nm일 수 있다.Referring to FIG. 7, one or more trap layer stacks (four trap layer stacks are shown in FIG. 7) on both sides of each
이때, 트랩층 적층물(710)은 도 7에 도시된 바와 같이, 실리콘 기둥(520) 일 측면의 소정 부분 및 제1 N형 확산 영역(420) 또는 제2 N형 확산 영역(410) 중 어느 하나의 일 측면의 소정 부분이 커버되도록 형성될 수 있다. 즉, 트랩층 적층물(710)은 단턱(440) 및/또는 제2 식각부(515)의 저면(530)에 안착되도록 적층될 수 있되, 트랩층 적층물(710)의 일부분은 실리콘 기둥(520)을 커버할 수 있고, 다른 일부분은 제1 N형 확산 영역(420) 또는 제2 N형 확산 영역(610) 중 어느 하나의 영역을 커버할 수 있다. In this case, as illustrated in FIG. 7, the trap layer stack 710 may include a predetermined portion of one side of the
즉, 제1 N형 확산 영역(420), 제2 N형 확산 영역(610) 및/또는 게이트(미도시)에 인가되는 전압에 따라 제1 N형 확산 영역(420)은 소스 또는 드레인 중 어느 하나로서 동작할 수 있고, 또한, 실리콘 기둥(520)에는 채널(channel)(미도시)이 형성될 수도 있다(상세한 내용은 후술함). 이때, 제1 N형 확산 영역(420)이 소스로 동작하고, 제2 N형 확산 영역(610)이 드레인으로 동작하는 경우를 가정하면, 채널(미도시)에 존재하는 전자들 중 제2 N형 확산 영역(610) 근처에 존재하는 전자들은 핫 캐리어(Hot-carrier)가 되어 트랩층(710)에 트랩될 수 있다(상세한 설명은 후술함). 따라서, 각각의 트랩층 적층물(710)은 제1 N형 확산 영역(420) 또는 제2 N형 확산 영역(610) 근처(즉, 드레인 근처)에 위치하여야 일정 수준 이상의 전자들이 트랩될 수 있다. That is, according to the voltage applied to the first N-type diffusion region 420, the second N-
또한, 트랩층 적층물(710)(특히 트랩층(730))에 트랩된 전자들이 드레인(즉, 제1 N형 확산 영역(420) 또는 제2 N형 확산 영역(610) 중 어느 하나) 및/또는 실리콘 기둥(520)으로 소거될 수 있도록 하기 위하여 각각의 트랩층 적층물(710)은 제1 N형 확산 영역(420) 또는 제2 N형 확산 영역(610)의 일부분을 커버할 수 있다. In addition, the electrons trapped in the trap layer stack 710 (particularly the trap layer 730) are drained (ie, either the first N-type diffusion region 420 or the second N-type diffusion region 610) and Each trap layer stack 710 may cover a portion of the first N-type diffusion region 420 or the second N-
물론, 트랩층 적층물(710)은 제1 N형 확산 영역(420) 또는 제2 N형 확산 영역(610)의 일부분을 커버하지 않고, 실리콘 기둥(520)의 측면에 형성될 수도 있음은 자명하다. 그러나, 이러한 경우에도 각각의 트랩층 적층물(710)은 제1 N형 확산 영역(420) 또는 제2 N형 확산 영역(610) 근처로 치우쳐서 형성되는 것이 보다 바람직할 수 있다. 각각의 트랩층 적층물(710)이 독립적으로 전자들을 트랩할 수 있도록 하기 위함이다. Of course, the trap layer stack 710 may be formed on the side of the
또한, 각각의 트랩층 적층물(710)은 하부 절연막(720) 및 트랩층(730)을 포함할 수 있다. 여기서, 하부 절연막(720)은 터널링 절연막일 수 있고, 트랩층(730)은 실제 비트 데이터가 기록되는 스토리지 노드층으로서 질화막()이 사용될 수 있다. 즉, 데이터 쓰기 동작에서는 트랩층(730)에 전자가 트랩될 수 있다. 또한, 하부 절연막(720)은 터널링 전류가 흐를 수 있도록 얇게(대략 10nm 이하) 증착될 수 있다.In addition, each trap layer stack 710 may include a lower insulating
또한, 트랩층 적층물(710)이 적층되는 방법은 다양할 수 있다. 예를 들어, 제2 N형 확산 영역(610)이 도핑된 각각의 실리콘 기둥(520)의 양 측면에 하부 절연막(720) 및 트랩층(730)이 적층되면, 적층된 하부 절연막(720) 및 트랩층(730)이 이방성 식각되어 도 7에 도시된 바와 같은 4개의 트랩층 적층물(710)이 형성될 수 있다. In addition, the manner in which the trap layer stack 710 is stacked may vary. For example, when the lower insulating
도 8을 참조하면, 각각의 실리콘 기둥(520)에 하나 이상의 트랩층 적층 물(710)이 형성된 후, 상부 절연막(810)이 증착될 수 있다. 즉, 상부 절연막(810)은 실리콘 기둥(520) 및 실리콘 기둥(520)의 측면에 형성된 하나 트랩층 적층물(710)을 모두 덮도록 형성될 수 있다. 여기서, 상부 절연막(810)은 실리콘 산화막일 수 있다. 상술한 하부 절연막(720) 및 상부 절연막(810)은 트랩층(830)에 저장된 전자들이 장기간 동안 트랩될 수 있도록 하기 위하여 형성된다.Referring to FIG. 8, after one or more trap layer stacks 710 are formed on each
도 9를 참조하면, 실리콘 기둥(520) 사이에 게이트(910)가 형성될 수 있다. 즉, 상부 절연막(810)이 증착된 실리콘 기둥(520) 사이에 게이트 물질이 증착된 후, 증착된 게이트 물질의 상부가 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정에 의하여 평탄화되면 게이트(910)가 형성될 수 있다. 이때, 게이트 물질은 폴리실리콘(Poly-SI)일 수 있다. Referring to FIG. 9, a
도 10a에 도시된 바와 같이, 형성된 게이트(910) 상부에 비트라인(미도시)을 형성하기 위한 비트라인 절연막(1010)이 증착될 수 있다. 이때, 비트라인 절연막(1010)은 산화막(옥사이드층, oxide)일 수 있다. 또한, 형성된 비트라인 절연막(1010)은 뒤에 형성될 비트라인(미도시)이 제2 N형 확산 영역(610)과 연결될 수 있도록 비트라인 연결구멍이 식각될 수 있다. 도 10b를 참조하면, 비트라인 절연막(1010)은 미리 형성된 제2 N형 확산 영역(610)의 일정 영역이 드러날 수 있도록 비트라인 연결구멍(1020)이 식각되어 있다.As shown in FIG. 10A, a bit
이때, 비트라인 연결구멍(1020)은 미리 설정된 간격 및/또는 크기로 식각될 수 있으며, 비트라인 연결구멍(1020)을 통하여 뒤에 형성될 비트라인과 제2 N형 확산 영역(610)이 연결될 수 있다. In this case, the bit
예를 들어, 도 10a 및 도 10b에 도시된 바와 같이, 비트라인 연결구멍(Contact hall)(1020)은 각 실리콘 기둥(520)의 상부에 형성된 각각의 제2 N형 확산 영역(610) 마다 식각(또는 천공)되는 것이 아닌 인접한 각 비트라인이 동일한 실리콘 기둥(520)을 공유하지 않도록 교차되어 식각될 수 있다. 즉, 도 10b에는 5개의 비트라인 연결구멍(1020)이 도시되어 있고, 이들은 영역 B(1000)의 전방과 후방에 각각 2개씩 위치될 수 있고, 중앙에 1개가 위치될 수 있다. 이는 하나의 실리콘 기둥(520)에 증착된 복수개의 트랩층(710)이 독립적으로 동작할 수 있도록 하기 위함이다. 이에 대해서는 후술한다. For example, as shown in FIGS. 10A and 10B, the bit
또한, 도 11a에 도시된 바와 같이, 형성된 비트라인 절연막(1010) 상부에는 비트라인(1110)이 형성될 수 있다. 이때, 비트라인(1010)은 비트라인 연결구멍(1020)을 통하여 제2 N형 확산 영역(610)과 연결될 수 있다. 따라서, 비트라인(1010)을 통하여 제2 N형 확산 영역(610)에 전압이 인가될 수 있다. In addition, as illustrated in FIG. 11A, a
또한, 도 11b에 도시된 바와 같이, 비트라인(1110)은 미리 설정된 일정한 간격으로 형성될 수 있다. 이때, 하나의 비트라인(1110)은 인접한 비트라인(1110)과 동일한 실리콘 기둥(520)을 공유하지 아니한다. 이로 인하여 하나의 실리콘 기둥(520)에 증착된 4개의 트랩층 적층물(710)이 각각 1비트(bit)의 메모리로 동작할 수 있다. 이에 대한 상세한 설명은 도 12를 참조하여 후술한다. In addition, as illustrated in FIG. 11B, the
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 소노스 메모리 소자의 일부분에 대한 단면도이다.12 is a cross-sectional view of a portion of a sonos memory device according to an embodiment of the present invention.
이하, 도 12를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 소노스 메모리 소자(1100)의 동작에 대하여 상세히 설명한다. Hereinafter, an operation of the
먼저, 도 12에 도시된 4개의 트랩층 적층물(710) 중 제1 트랩층 적층물(711)에 데이터가 저장되는 쓰기 동작에 대하여 설명한다. 이때, 제1 트랩층 적층물(711)과 연결된 게이트(910)에는 4V의 전압, 제1 N형 확산 영역(420)에 1V의 전압 및 제2 N형 확산 영역(610)에 4V의 전압이 인가된 경우를 가정한다. 이 경우, 제1 N형 확산 영역(420)은 소스(source)로 동작할 수 있고, 제2 N형 확산 영역(610)은 드레인(drain)으로 동작할 수 있다. First, a write operation in which data is stored in the first
따라서, 제1 N형 확산 영역(420)과 제2 N형 확산 영역(610) 사이의 실리콘 기둥(520)(즉, P형 기판)에 채널(channel)(1210)이 형성될 수 있다. 또한, 전자들은 형성된 채널(1210)을 통하여 제1 N형 확산 영역(420)에서 제2 N형 확산 영역(610)으로 이동할 수 있다. 이때, 전자들의 에너지는 제2 N형 확산 영역(610) 부근에서 높아지게 되고, 에너지가 높아진 전자들은 제1 하부 절연막(720)의 에너지 장벽을 넘어 제1 트랩층(730)에 주입될 수 있다. Accordingly, a
또한, 제1 트랩층(730)에 쓰여진 데이터가 독출되는 읽기 동작에 대하여 설명한다. 이때, 제1 트랩층 적층물(711)과 연결된 게이트(910)에는 1.6V의 읽기 전압, 제2 N형 확산 영역(610)에 0V의 전압 및 제1 N형 확산 영역(420)에 2V의 전압이 인가된 경우를 가정한다. 이 경우, 제2 N형 확산 영역(610)은 소스(source)로 동작할 수 있고, 제1 N형 확산 영역(420)은 드레인(drain)으로 동작할 수 있음은 상술한 경우와 동일하다. Next, a read operation in which data written to the
이때, 제2 N형 확산 영역(610)과 제1 N형 확산 영역(420) 사이에 전류가 흐르면 제1 트랩층(730)에 전자들이 트랩되어 있지 아니한 경우이고, 전류가 흐르지 않으면 제1 트랩층에 전자들이 트랩되어 있는 경우를 의미할 수 있다. 즉, 게이트(910)에 읽기 전압을 인가한 후, 제1 N형 확산 영역(420)에서 감지되는 전류를 분석하여 제1 트랩층(730)에 전자들이 트랩되어 있는지 여부를 판단할 수 있다. In this case, when a current flows between the second N-
또한, 제1 트랩층(730)에 쓰여진 데이터가 소거되는 소거 동작에 대하여 설명한다. 이때, 제1 트랩층 적층물(711)과 연결된 게이트(910)에는 -4V의 전압, 제1 N형 확산 영역(420) 및 제2 N형 확산 영역(610)에 5V의 전압이 인가된 경우를 가정한다. Next, an erase operation for erasing data written to the
이때, 제1 트랩층(730)과 제2 N형 확산 영역(610)에는 소거 전압으로 (-)9V가 인가될 수 있다. 따라서, 제1 트랩층(730)에 트랩되어 있는 전자들은 소거 전압으로 인하여 에너지를 얻고, 이에 따라 제1 트랩층(730)에서 제2 N형 확산 영역(610)으로 F-N 터널 전류가 흐른다. 이때, 제1 트랩층(730)에 트랩된 전자들이 제2 N형 확산 영역(610)으로 빠져나갈 수 있다.In this case, a negative voltage of 9V may be applied to the
또한, 상술한 방법에 의하여 제1 트랩층(730)과 제2 N형 확산 영역(610)에 -9V의 소거 전압이 인가되면 P형 기판인 실리콘 기둥(520)에는 4V 정도의 전압이 인가될 수 있다(시뮬레이션 결과 4.3V가 인가됨). 이에 따라, 제2 N형 확산 영역(610)으로 빠져나가지 아니하는 전자들은 제1 트랩층(730)과 실리콘 기둥(520) 사이에 인가된 소거 전압 -8V에 의하여 에너지를 얻을 수 있고, 제1 트랩층(730)에서 실리콘 기둥(520)으로 흐르는 F-N 터널 전류에 의하여 실리콘 기둥(520)으로 빠 져나갈 수 있다. In addition, when an erase voltage of −9 V is applied to the
이때, 상술한 바와 같이, 하나의 비트라인(1110)은 인접한 비트라인(1110)과 동일한 실리콘 기둥(520)을 공유하지 아니하므로 하나의 비트라인(1110)에 전압이 인가되더라도 인접한 실리콘 기둥(520)에 형성된 제2 N형 확산 영역(610) 모두에 전압이 인가되지 아니한다. 하나의 비트라인(1110)에 전압을 인가하여 모든 제2 N형 확산 영역(610)에 전압이 인가되면 동일한 게이트(910)의 영향을 받는 복수개의 트랩층 적층물이 동일하게 동작을 수행하기 때문이다. In this case, as described above, since one
즉, 복수의 트랩층(710)이 각각 독립적으로 동작을 수행하려면 상술한 바와 같이 하나의 비트라인(1110)이 인접한 비트라인(1110)과 동일한 실리콘 기둥(520)을 공유하지 아니하도록 비트라인 연결구멍(1020)이 식각되어야 한다. That is, in order for the plurality of trap layers 710 to operate independently of each other, as described above, one
여기서, 도 12를 참조하여 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 소노스 메모리 소자(1100)의 쓰기 동작, 읽기 동작 및/또는 소거 동작시에 인가되는 각종 전압은 예시에 불과할 뿐이므로, 이에 의하여 본 발명의 권리 범위가 한정되는 것이 아님은 자명하다. 따라서, 본 발명에 의한 소노스 메모리 소자(1100)의 쓰기 동작시에 게이트(910)에 5V, 제1 N형 확산 영역(420)에 1V 및/또는 제2 N형 확산 영역(610)에 5V가 인가될 수도 있다. Here, various voltages applied during the write operation, the read operation, and / or the erase operation of the
또한, 동일한 실리콘 기둥(520)에 증착된 다른 트랩층 적층물, 즉 제2 트랩층 적층물(712), 제3 트랩층 적층물(713), 제4 트랩층 적층물(714)에 데이터가 저장되는 경우나 저장된 데이터가 독출 및/또는 소거되는 경우 등에도 상술한 방법과 동일 또는 유사함은 자명하다. 예를 들어, 제2 트랩층 적층물(712)에 데이터를 저 장하고자 하는 경우에는 제1 N형 확산 영역(420)이 드레인으로 동작할 것이고, 제2 N형 확산 영역(610)이 소스로 동작할 것이다. 따라서, 이 경우에는 제1 N형 확산 영역(420)에 4V의 전압, 제2 N형 확산 영역(610)에는 1V의 전압이 인가될 수 있을 것이다. In addition, data is stored in another trap layer stack deposited on the
상술한 방법에 의하여, 동일한 실리콘 기둥(520)에 증착된 하나 이상의 트랩층(730)에 서로 다른 데이터를 저장할 수 있고, 이에 의하여 소노스 메모리 소자(1100)의 집적도를 극대화시킬 수 있다. By the above-described method, different data may be stored in one or more trap layers 730 deposited on the
도 13은 본 발명에 따른 소노스 메모리 소자의 쓰기 동작 종료 후 트랩층에 트랩된 전자의 분포를 나타낸 그래프이다. 13 is a graph illustrating a distribution of electrons trapped in a trap layer after completion of a write operation of a sonos memory device according to the present invention.
도 13을 참조하면, X축에는 본 발명에 따른 소노스 메모리 소자(1100)의 쓰기 동작시 실리콘 기둥(520)에 형성되는 채널(1210)의 길이가 표시되고, Y축에는 채널(1210)에 존재하는 전자들의 밀도가 표시된 그래프가 도시된다. 여기서, 도시된 빗금친 영역은 채널(1210)과 트랩층(730)이 겹치는 영역이다. 물론, 빗금친 영역은 채널(1210)과 트랩층(730)이 물리적으로 겹치는 것은 아니고, 채널(1210)과 트랩층(730) 사이에 하부 절연막(720)이 존재할 수 있음은 상술한 바와 같다. Referring to FIG. 13, the length of the
이때, 세모 모양으로 표시된 부분은 게이트(910)에 인가된 전압(즉, Vg)이 5V, 드레인에 인가된 전압(즉, Vd)이 5V이며, 소스에 인가된 전압(즉, Vs)이 1V인 경우(이하, '제1 경우'라 칭함)에 대한 결과값을 의미할 수 있다. 또한, 네모 모양으로 표시된 부분은 Vg가 4V, Vd가 4V이며, Vs가 1V인 경우(이하, '제2 경우'라 칭 함)에 대한 결과값을 의미할 수 있다. 또한, 제1 N형 확산 영역(420)이 드레인이면 제2 N형 확산 영역(610)이 소스일 수 있고, 제1 N형 확산 영역(420)이 소스이면 제2 N형 확산 영역(610)이 드레인일 수 있음은 상술한 바와 동일하다. In this case, the triangle-shaped portion has a voltage applied to the gate 910 (ie, Vg) of 5V, a voltage applied to the drain (ie, Vd) of 5V, and a voltage applied to the source (ie, Vs) of 1V. May mean a result value for (hereinafter, referred to as 'first case'). In addition, the portion displayed in a square shape may mean a result value when Vg is 4V, Vd is 4V, and Vs is 1V (hereinafter, referred to as 'second case'). Also, if the first N-type diffusion region 420 is a drain, the second N-
도 13에 도시된 바와 같이, 트랩층(710)에 트랩된 전자들은 제1 경우에는 채널(1210)의 전 범위에 걸쳐 골고루 분포됨을 알 수 있다. 이에 반해, 제2 경우에는 채널(1210)의 드레인 부분(즉, X축의 우측)으로 갈수록 밀도가 높아짐을 알 수 있다. As shown in FIG. 13, it can be seen that electrons trapped in the trap layer 710 are evenly distributed over the entire range of the
따라서, 본 발명에 따른 소노스 메모리 소자(1100)의 쓰기 동작시에는 제2 경우가 적용됨이 제1 경우가 적용되는 경우보다 정확한 데이터 쓰기 동작이 수행될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 소노스 메모리 소자(1100)의 쓰기 동작시에는 Vg에 4V, Vd에 4V 및/또는 Vs에 1V의 전압이 인가될 수 있다. Therefore, in the write operation of the
도 14는 본 발명에 따른 소노스 메모리 소자의 쓰기 동작 종료 후 문턱전압의 변화를 나타낸 그래프이다. FIG. 14 is a graph illustrating a change in a threshold voltage after a write operation is finished in a sonos memory device according to the present invention.
도 14를 참조하면, X축에는 본 발명에 따른 소노스 메모리 소자(1100)의 읽기 동작시 게이트(910)에 인가되는 게이트 전압(Vg)의 크기가 표시되고, Y축에는 채널(1210)을 통하여 흐르는 전류(즉, 드레인 전류, Id)가 표시된 그래프가 도시된다. Referring to FIG. 14, the magnitude of the gate voltage Vg applied to the
여기서, 네모 모양으로 표시된 라인은 본 발명에 따른 소노스 메모리 소자(1100)의 초기 상태(즉, 트랩층(730)에 전자들이 트랩되지 아니한 상태)에서 게 이트 전압(Vg)과 드레인 전류(Id)와의 관계를 나타낸다. 또한, 세모 모양으로 표시된 라인은 본 발명에 따른 소노스 메모리 소자(1100)의 쓰기 동작 진행 후(즉, 트랩층(730)에 전자들이 트랩된 상태)에서 게이트 전압(Vg)과 드레인 전류(Id)와의 관계를 나타낸다. 이때, 드레인에는 2V(즉, Vd=2V), 소스에는 0V(즉, Vs=0V)가 인가될 수 있다(즉, Vds=2V). Here, the line marked with a square is the gate voltage Vg and the drain current Id in the initial state of the
이때, 도 14에 도시된 바와 같이, 게이트(910)에 읽기 전압(Vg)으로 1.6V를 인가하면, 초기 상태에서는 1uA의 드레인 전류가 감지될 수 있다. 반면, 쓰기 상태 진행 후에는 0.1nA의 전류가 감지될 수 있다. 또한, 쓰기 상태 진행 후 초기 상태 이상의 드레인 전류가 감지되기 위해서는 게이트(910)에 2.6V 이상의 전압이 인가되어야 한다. 즉, 본 발명에 따른 소노스 메모리 소자(1100)의 쓰기 동작 진행 후에는 일정 값의 드레인 전류가 감지되기 위한(즉, 소스와 드레인이 도통되기 위한) 문턱 전압(Vth)이 이동될 수 있다. 상술한 예에 서는 1uA의 드레인 전류가 감지되기 위한 게이트 전압(즉, 문턱 전압(Vth))이 1.6V에서 2.6V로 높아졌음을 알 수 있다. In this case, as shown in FIG. 14, when 1.6 V is applied to the
따라서, 트랩층(730)에 전자들이 트랩되어 있는지 여부를 판단하기 위해서는 게이트(910)에는 1.6V의 읽기 전압, 소스에 0V의 전압 및 드레인에 2V의 전압이 인가되고, 드레인 전류(Id)가 1uA인지 여부를 확인할 수 있다. Therefore, in order to determine whether electrons are trapped in the
도 15는 본 발명에 따른 소노스 메모리 소자의 소거 동작시 문턱전압의 변화를 나타낸 그래프이다. 15 is a graph illustrating a change in a threshold voltage during an erase operation of a sonos memory device according to the present invention.
도 15를 참조하면, X축에는 본 발명에 따른 소노스 메모리 소자(1100)의 소거 동작시 소거 시간이 표시되고, Y축에는 문턱 전압(Vth)의 이동값이 표시된 그래프가 도시된다. 또한, 소거 전압(Verase)이 각각 -10V, -9V, -8V, -7V, -6V으로 인가된 경우의 소거 시간과 문턱전압의 이동값의 상관관계에 대하여 도시되어 있다. 이때, 소거 전압은 게이트 전압(Vg)에서 드레인 전압(Vd)을 감산한 값일 수 있다(즉, Verase=Vg-Vd). 또한, 본 발명에 따른 소노스 메모리 소자(1100)의 소거 동작은 도 12를 참조하여 상술한 방법에 의하여 소거될 수 있다. Referring to FIG. 15, an erase time is displayed on the X axis during an erase operation of the
그런데, 반도체 메모리 소자의 소거 동작에 있어서 가장 중요한 점은 소거 시간과 소거 전압의 상관 관계이다. 즉, 소거 전압이 너무 크면 소거 시간은 짧아지나 고전압이 인가되어야 하는 문제점이 있고, 소거 전압이 너무 작으면 고전압이 인가되지 않아도 되나, 소거 시간이 길어지는 문제점이 있다. 예를 들어, 소거 시간이 너무 길면 메모리 소자의 사용이 불편하며, 소거 시간을 짧게 하기 위하여 소거 전압이 너무 높아지면 고전압을 인가하기 위하여 반도체 메모리 장치의 크기가 커지게 되는 문제점이 있다. By the way, the most important point in the erase operation of the semiconductor memory device is the correlation between the erase time and the erase voltage. That is, if the erase voltage is too large, the erase time may be short, but a high voltage may be applied. If the erase voltage is too small, the high voltage may not be applied, but the erase time may be long. For example, if the erase time is too long, the use of the memory device is inconvenient. If the erase voltage is too high to shorten the erase time, the size of the semiconductor memory device may be increased to apply a high voltage.
그러므로, 본 발명에 따른 소노스 메모리 소자(1100)가 쓰기 동작 완료 후 문턱 전압의 이동값이 2V 이고, 문턱전압의 이동값이 0.5V 이하인 경우에 트랩층(730)에 트랩된 전하들이 제거된 것으로 간주되는 경우를 가정한다. 이때, 소거 전압이 -9V 이하가 되어야 빠른 소거 시간(예를 들어, 1ms)을 나타냄을 알 수 있다. Therefore, when the
따라서, 소거 전압이 -9V 이하가 되도록 하기 위하여 게이트 전압으로 -4V, 드레인 전압 및 소스 전압으로 5V를 인가할 수 있다. 물론, 게이트 전압으로 -5V, 드레인 전압 및 소스 전압으로 4V를 인가할 수 있음은 자명하다. 이때, 소거 전압은 게이트 전압에서 드레인 전압을 감산한 값이므로 -9V가 될 수 있다. 또한, 소스 전압을 인가하는 이유는 소스와 드레인 사이에 채널(1210)이 형성되지 않도록 하기 위함이다. 채널(1210)이 형성되면 트랩층(730)에 전자들이 다시 트랩될 수 있기 때문이다. Therefore, in order to make the erase voltage less than -9V, -4V as the gate voltage, 5V as the drain voltage and the source voltage can be applied. Of course, it is obvious that -5V can be applied as the gate voltage, and 4V can be applied as the drain voltage and the source voltage. In this case, since the erase voltage is a value obtained by subtracting the drain voltage from the gate voltage, the erase voltage may be −9V. In addition, the reason for applying the source voltage is to prevent the
즉, 소스에 드레인과 동일한 전압을 인가하여 채널이 형성되지 아니하고, 트랩층(730)에 트랩되어 있던 전자들이 소거 전압에 인하여 에너지를 받아 드레인 및/또는 실리콘 기둥(즉, P형 기판)(520)으로 빠져나가 소거 동작이 진행될 수 있다. That is, the channel is not formed by applying the same voltage as the drain to the source, and electrons trapped in the
상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.Preferred embodiments of the present invention described above are disclosed for purposes of illustration, and those skilled in the art will be able to make various modifications, changes, and additions within the spirit and scope of the present invention. Additions should be considered to be within the scope of the following claims.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 집적도를 극대화시킬 수 있는 소노스 메모리 소자 및 그 제조 방법을 제공할 수 있는 효과가 있다. As described above, according to the present invention, there is an effect of providing a sonos memory device and a method of manufacturing the same, which can maximize the degree of integration.
또한, 형성되는 채널의 길이를 줄이지 않고 집적도를 높일 수 있는 소노스 메모리 소자 및 그 제조 방법을 제공할 수 있는 효과도 있다. In addition, there is an effect that can provide a sonos memory device and a method of manufacturing the same that can increase the degree of integration without reducing the length of the channel to be formed.
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