KR100880377B1 - Verticalally integrated nano-shell field effect transistor and fusion memory device, and the method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 전계효과 트랜지스터 및 융합 메모리 소자에 관한 것이다. 보다 구체적으로는 수직형 나노쉘 구조의 전계효과 트랜지스터, 및 비휘발성 플래쉬 메모리 특성과 캐패시터리스(capacitorless) 디램 특성을 갖는 융합 메모리 소자, 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to field effect transistors and fusion memory devices. More specifically, the present invention relates to a field effect transistor having a vertical nanoshell structure, a fused memory device having a nonvolatile flash memory characteristic and a capacitorless DRAM characteristic, and a method of manufacturing the same.
전자제품의 생산가격 절감 및 초고집적 회로의 출현으로 인한 집적도 향상이라는 반도체 시장의 요구에 따라, 소자의 지속적인 크기 감소(scaling down)가 절대적으로 필요하다. With the demand of the semiconductor market to reduce the production cost of electronic products and to increase the density due to the emergence of ultra-high integrated circuits, continuous scaling down of the device is absolutely necessary.
도 1은 종래의 평면형 전계효과 트랜지스터(planar field effect transistor)를 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 평면형 소자 크기의 물리적인 한계 및 소자 크기를 대표하는 소자 채널(101)의 길이가 줄어듦에 따라 단채널 효과(Short Channel Effect)로 불리는 소자의 성능을 심각하게 저하시키는 현상이 발생하게 되어, 단순한 소자 크기 감소는 한계점에 다다르게 되었다.1 is a view showing a conventional planar field effect transistor. Referring to FIG. 1, as the physical channel size of the planar device size and the length of the
이러한 한계를 극복하기 위해서 2가지 방안이 고려될 수 있는데, 첫 번째는 소자의 크기를 줄여나가면서도 단채널 효과를 유지하거나 줄이는 것이고, 두 번째는 근본적으로 집적도를 높일 수 있는 구조를 소자에 적용하는 것이다. 첫째 방안으로, 바디 포텐셜에 대한 게이트의 채널 제어 능력(gate controllability)을 높이기 위하여 한 개(single gate)의 게이트가 아닌 다중 게이트(multiple gate)를 이용하거나 SOI(Silicon On Insulator) 웨이퍼를 이용하여 매우 얇은 바디(ultra thin body)를 가지는 소자 구조가 연구되고 있고, 이를 통하여 단채널 효과를 효과적으로 줄일 수 있다. 두 번째 방안으로, 소자의 구조가 기존의 평면형(planar) 구조가 아닌 3차원적인 수직형(vertical) 구조를 이용하여 집적도를 획기적으로 향상시킬 수 있다. To overcome these limitations, two approaches can be considered. The first is to reduce the size of the device while maintaining or reducing the short-channel effect, and the second is to apply a structure to the device to increase the density. will be. The first approach is to use multiple gates rather than single gates or silicon on insulator (SOI) wafers to increase the gate controllability of the gates to body potential. A device structure having an ultra thin body has been studied, and the short channel effect can be effectively reduced. In the second method, the degree of integration can be dramatically improved by using a three-dimensional vertical structure instead of the conventional planar structure.
본 발명은 고상 결정화(solid phase crystallization)로 인해 얇게 형성(thin body)된 수직형 채널을 감싸는 게이트 전면 구조(gate-all-around)의 제1 게이트와 함께 이와는 독립적으로 작동 가능한 제2 게이트를 포함하여 나노쉘 모양의 채널 주위로 형성된 3차원적인 더블 게이트 구조를 갖는 전계효과 트랜지스터를 제공하는 것을 목적으로 한다. The present invention includes a second gate that is independently operable with a first gate of a gate-all-around that surrounds a vertical channel formed thin body due to solid phase crystallization. Accordingly, an object of the present invention is to provide a field effect transistor having a three-dimensional double gate structure formed around a nanoshell-shaped channel.
또한, 일함수가 상이한 두 개의 게이트를 사용하거나 독립된 두 개의 게이트에 각각 다른 전압을 가함으로써 문턱전압 조정이 가능한 저전력 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다. In addition, an object of the present invention is to provide a low power device capable of adjusting the threshold voltage by using two gates having different work functions or applying different voltages to two independent gates.
또한, 하나의 트랜지스터 내에 전원공급이 중단되더라도 저장된 데이터를 유지할 수 있는 비휘발성 메모리 특성과 캐패시터리스 디램의 특성을 동시에 가지는 융합메모리 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a fused memory device having both a nonvolatile memory characteristic capable of retaining stored data and a capacitorless DRAM even when a power supply is interrupted in one transistor.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전계효과 트랜지스터는, 제1 수직 기둥 형상의 제2 게이트, 상기 제2 게이트의 측부를 포위하는 제2 수직 기둥 형상의 채널, 상기 채널의 측부를 포위하는 제1 게이트, 상기 채널에 접속되어 형성된 소스, 및 상기 채널에 접속되고 상기 소스와 이격되어 형성된 드레인을 포함한다.Field effect transistor according to the present invention for achieving the above object, the first vertical columnar second gate, the second vertical columnar channel surrounding the side of the second gate, the channel surrounding the side A first gate, a source connected to the channel, and a drain connected to the channel and spaced apart from the source.
여기서, 바람직하게는, 상기 채널 하부에 형성된 반도체 기판을 더 포함하 고, 상기 소스는 상기 반도체 기판에 형성되고, 상기 드레인은 상기 채널의 상부의 외주부를 포위하여 형성된다.Here, preferably, further comprising a semiconductor substrate formed below the channel, the source is formed in the semiconductor substrate, the drain is formed surrounding the outer peripheral portion of the upper portion of the channel.
여기서, 바람직하게는, 상기 채널 하부에 형성된 반도체 기판을 더 포함하고, 상기 소스는 상기 채널의 상부의 외주부의 일부에 접속되어 형성되고, 상기 드레인은 상기 채널의 상부의 외주부의 다른 일부에 접속되어 형성된다.Here, preferably, further comprising a semiconductor substrate formed below the channel, wherein the source is connected to a portion of the outer peripheral portion of the upper portion of the channel, the drain is connected to another portion of the outer peripheral portion of the upper portion of the channel Is formed.
여기서, 바람직하게는, 상기 채널은 상기 제1 게이트 및 상기 제2 게이트와 절연막에 의해 절연되고, 상기 절연막은 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, 실리콘 산화질화막 또는 고유전율(High-k)의 금속 산화막 중 어느 하나의 물질로 이루어진다.Here, preferably, the channel is insulated by the first gate and the second gate and an insulating film, and the insulating film is any one of a silicon oxide film, a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, or a high-k metal oxide film. It consists of one substance.
여기서, 바람직하게는, 상기 제1 게이트와 상기 제2 게이트는 서로 일함수가 상이한 물질로 형성된다.Here, preferably, the first gate and the second gate are formed of a material having a different work function.
여기서, 바람직하게는, 상기 반도체 기판은 실리콘, 실리콘 게르마늄, 인장(strained) 실리콘, 인장 실리콘 게르마늄 중 하나의 물질로 이루어진다.Here, preferably, the semiconductor substrate is made of one of silicon, silicon germanium, strained silicon, and tensile silicon germanium.
여기서, 바람직하게는, 상기 제1 및/또는 제2 수직 기둥은 원기둥 또는 다각형 기둥이다.Here, preferably, said first and / or second vertical pillars are cylindrical or polygonal pillars.
본 발명에 따른 융합 메모리 소자는, 제1항에 기재된 전계효과 트랜지스터에 추가적으로 상기 제2 게이트와 상기 채널 사이에 형성되어 상기 제2 게이트의 측부를 포위하는 부유게이트를 더 포함한다.The fusion memory device according to the present invention further includes a floating gate formed between the second gate and the channel in addition to the field effect transistor according to claim 1 and surrounding the side of the second gate.
여기서, 바람직하게는, 상기 부유게이트는 폴리실리콘층, SONOS(Silicon Oxide Nitride Oxide Silicon) 또는 MNOS(Metal Nitride Oxide Silicon)구조를 형 성하는 질화막층, 비정질 실리콘층, 금속 산화물층, 실리콘 질화막층, 실리콘 나노결정층, 금속 나노결정층 또는 금속산화물 나노결정층 중 어느 하나이거나 또는 하나 이상이 혼합된 것이다.Here, preferably, the floating gate may include a polysilicon layer, a nitride layer forming a silicon oxide nitride oxide (SONOS) or a metal nitride oxide silicon (MNOS) structure, an amorphous silicon layer, a metal oxide layer, a silicon nitride layer, One or more than one of the silicon nanocrystal layer, the metal nanocrystal layer, or the metal oxide nanocrystal layer is mixed.
여기서, 바람직하게는, 상기 부유게이트는 상기 제2 게이트 및 상기 채널과 절연막에 의해 절연되고, 상기 절연막은 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, 실리콘 산화질화막 또는 고유전율의 금속 산화막 중 어느 하나의 물질로 이루어진다.Here, preferably, the floating gate is insulated by the second gate, the channel and the insulating film, and the insulating film is made of any one material of a silicon oxide film, a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, or a high dielectric constant metal oxide film.
본 발명에 따른 전계 효과 트랜지스터의 제조 방법은, (a) 반도체 기판에 불순물을 주입하여 소스를 형성하는 단계, (b) 상기 반도체 기판상에 제1 층간절연막, 제1 게이트, 제2 층간절연막을 순차적으로 적층하는 단계, (c) 상기 제1 층간절연막, 상기 제1 게이트, 상기 제2 층간절연막을 관통하는 수직 방향의 홀을 형성하는 단계, (d) 상기 홀 내부에 제1 게이트 절연막을 형성하고, 에치백 공정을 통해 상기 소스를 노출시키는 단계, (e) 상기 노출된 소스 및 상기 제1 게이트 절연막상에 나노쉘 형상의 채널을 형성하는 단계, (f) 상기 채널상에 제2 게이트 절연막을 형성하는 단계, (g) 상기 홀 내부에 제2 게이트를 형성하는 단계, 및 (h) 상기 나노쉘 채널에 불순물을 주입하여 드레인을 형성하는 단계를 포함한다.In the method of manufacturing a field effect transistor according to the present invention, (a) implanting an impurity into a semiconductor substrate to form a source, (b) forming a first interlayer insulating film, a first gate, a second interlayer insulating film on the semiconductor substrate Stacking sequentially; (c) forming holes in the vertical direction through the first interlayer insulating film, the first gate, and the second interlayer insulating film; and (d) forming a first gate insulating film in the holes. Exposing the source through an etch back process; (e) forming a nanoshell-shaped channel on the exposed source and the first gate insulating film, and (f) a second gate insulating film on the channel. Forming a second gate in the hole, and (h) injecting impurities into the nanoshell channel to form a drain.
여기서, 바람직하게는, 상기 채널은 증착된 비정질 실리콘 또는 폴리실리콘을 고온으로 어닐링하거나 레이저를 이용하는 등 실리콘 결정의 크기를 향상시켜 채널을 형성한다.Here, preferably, the channel is formed by enhancing the size of the silicon crystal, such as annealing the deposited amorphous silicon or polysilicon at a high temperature or using a laser.
본 발명에 따른 융합 메모리 소자의 제조 방법은, 전술한 전계효과 트랜지스터의 제조 방법에 추가적으로, 상기 (f) 단계와 상기 (g) 단계 사이에, (i) 상기 제2 게이트 절연막상에 부유게이트를 형성하는 단계, 및 (j) 상기 부유게이트상에 제어 절연막을 형성하는 단계를 더 포함하고, 상기 제2 게이트 절연막은 터널링 절연막이다.In the method of manufacturing a fusion memory device according to the present invention, in addition to the above-described method of manufacturing a field effect transistor, between (f) and (g), (i) a floating gate is formed on the second gate insulating film. And forming a control insulating film on the floating gate, wherein the second gate insulating film is a tunneling insulating film.
본 발명에 따른 전계효과 트랜지스터의 제조 방법은, (a) 반도체 기판상에 제1 층간절연막, 제1 게이트, 제2 층간절연막을 순차적으로 적층하는 단계, (b) 상기 제1 층간절연막, 상기 제1 게이트, 상기 제2 층간절연막을 관통하는 수직 방향의 홀을 형성하는 단계, (c) 상기 홀 내부에 제1 게이트 절연막을 형성하고, 에치백 공정을 통해 상기 반도체 기판을 노출시키는 단계, (d) 상기 노출된 반도체 기판 및 상기 제1 게이트 절연막상에 나노쉘 형상의 채널을 형성하는 단계, (e) 상기 채널상에 제2 게이트 절연막을 형성하는 단계, (f) 상기 홀 내부에 제2 게이트를 형성하는 단계, 및 (g) 상기 나노쉘 채널에 불순물을 주입하여 소스 및 드레인을 형성하는 단계를 포함한다.In the method of manufacturing a field effect transistor according to the present invention, (a) sequentially stacking a first interlayer insulating film, a first gate, and a second interlayer insulating film on a semiconductor substrate, (b) the first interlayer insulating film, the first Forming a first gate, a vertical hole through the second interlayer insulating film, (c) forming a first gate insulating film in the hole, and exposing the semiconductor substrate through an etch back process, (d ) Forming a nanoshell-shaped channel on the exposed semiconductor substrate and the first gate insulating film, (e) forming a second gate insulating film on the channel, (f) a second gate inside the hole Forming a, and (g) injecting impurities into the nanoshell channel to form a source and a drain.
여기서, 바람직하게는, 상기 채널은 증착된 비정질 실리콘 또는 폴리실리콘을 고온으로 어닐링하거나 레이저를 이용하는 등 실리콘 결정의 크기를 향상시켜 채널을 형성한다.Here, preferably, the channel is formed by enhancing the size of the silicon crystal, such as annealing the deposited amorphous silicon or polysilicon at a high temperature or using a laser.
본 발명에 따른 융합 메모리 소자의 제조 방법은, 전술한 전계효과 트랜지스터의 제조 방법에 추가적으로, 상기 (e) 단계와 상기 (f) 단계 사이에, (i) 상기 제2 게이트 절연막상에 부유게이트를 형성하는 단계, 및 (j) 상기 부유게이트상에 제어 절연막을 형성하는 단계를 더 포함하며, 여기서, 상기 제2 게이트 절연막은 터널링 절연막이다.In the method of manufacturing a fusion memory device according to the present invention, in addition to the above-described method of manufacturing a field effect transistor, between (e) and (f), (i) a floating gate is formed on the second gate insulating film. And (j) forming a control insulating film on the floating gate, wherein the second gate insulating film is a tunneling insulating film.
본 발명에 따른 전계효과 트랜지스터를 구동하는 방법은, 제1 게이트와 제2 게이트가 마치 묶여 있는 것처럼 각각의 게이트에 동일한 전압을 인가하거나 저전력 소비 트랜지스터 구현을 위해 상기 제1 게이트와 제2 게이트 각각에 서로 상이한 게이트 전압을 인가한다.The method for driving the field effect transistor according to the present invention may be performed by applying the same voltage to each gate as if the first and second gates are tied to each other, or applying the same voltage to each of the first and second gates to implement a low power consumption transistor. Different gate voltages are applied.
본 발명에 따른 전계효과 트랜지스터를 단위셀로 하는 메모리 소자의 구동 방법은, 상기 채널에 부유 바디(floating body) 효과를 이용하여 홀을 축적 또는 축출한다.In the driving method of a memory device having a field effect transistor as a unit cell according to the present invention, holes are accumulated or removed in the channel by using a floating body effect.
본 발명에 따른 전계효과 트랜지스터를 단위셀로 하는 메모리 소자의 구동 방법은, 상기 채널에 게이트 유기 드레인 장벽 누수(Gate Induced Drain Leakage) 효과를 이용하여 홀을 축적 또는 축출한다.In the method of driving a memory device having a field effect transistor as a unit cell according to the present invention, holes are accumulated or evicted in the channel by using a gate induced drain leakage effect.
본 발명에 따른 전계효과 트랜지스터를 단위셀로 하는 메모리 소자의 구동 방법은, 메모리의 고속 동작이 요구되는 경우, 상기 메모리 소자를 디램 모드로 동작 시키기 위해, 상기 단위셀의 게이트, 소스, 드레인 각각에 바이어스가 인가되어 상기 채널에 홀이 축적되거나 축출됨에 따라 정보가 기입되거나 소거된다.In the method of driving a memory device having a field effect transistor as a unit cell according to the present invention, in order to operate the memory device in a DRAM mode when a high speed operation of the memory is required, each of the gate, the source, and the drain of the unit cell is provided. Information is written or erased as a bias is applied to accumulate or eject holes in the channel.
본 발명에 따른 융합 메모리 소자를 단위셀로 하는 메모리 소자의 구동방법은, 메모리의 비휘발성 특성을 요구되는 경우, 상기 메모리 소자를 비휘발성 메모리로 동작시키기 위해, 상기 단위셀의 게이트, 소스, 드레인 각각에 바이어스가 인가되어 상기 부유 게이트에 전자가 주입되거나 소거됨에 따라 정보가 기입되거나 소거된다.In the method of driving a memory device having a fused memory device as a unit cell according to the present invention, in order to operate the memory device as a nonvolatile memory when a nonvolatile characteristic of the memory is required, the gate, source, and drain of the unit cell may be used. A bias is applied to each so that information is written or erased as electrons are injected or erased into the floating gate.
본 발명에 따른 융합 메모리 소자를 단위셀로 하는 메모리 소자의 구동방법 은, 요구되는 메모리 동작 속도 및 상기 융합 메모리 소자에 대한 전원 공급의 유무에 따라, 상기 융합 메모리 소자의 동작이 디램모드 또는 비휘발성 메모리 모드 사이에서 전환된다.In the method of driving a memory device having a unit cell as a fusion memory device according to the present invention, the operation of the fusion memory device may be performed in a DRAM mode or a nonvolatile mode according to a required memory operation speed and power supply to the fused memory device. Switch between memory modes.
본 발명에 의해 고상 결정화(solid phase crystallization)로 인해 얇게 형성(thin body)된 수직형 채널을 감싸는 게이트 전면 구조(gate-all-around)의 제1 게이트와 함께 이와는 독립적으로 작동 가능한 제2 게이트를 포함하여 나노쉘 모양의 채널 주위로 형성된 3차원적인 더블 게이트 구조를 갖는 전계효과 트랜지스터가 제공된다. 이러한 수직형 구조는 고집적이 가능하다는 장점과 함께 평면 구조에서 값비싼 리소그래피 장비를 이용하여 게이트 길이를 정의하는 것에 비해 증착되는 필름의 두께로 짧은 게이트 길이를 쉽게 정의할 수 있다는 장점을 가질 수 있고, 게이트가 채널의 안팎을 둘러싸는 이상적인 구조로 인하여 단채널 효과를 효과적으로 줄일 수 있다.According to the present invention a second gate operable independently of the first gate of the gate-all-around, which encloses a vertical channel formed thin due to solid phase crystallization, is provided. A field effect transistor having a three-dimensional double gate structure formed around a nanoshell-shaped channel is provided. This vertical structure has the advantage of being highly integrated and having the advantage of being able to easily define the short gate length by the thickness of the deposited film, compared to defining the gate length using expensive lithography equipment in the planar structure. The ideal structure of the gate surrounding the inside and outside of the channel effectively reduces the short channel effect.
또한, 일함수가 상이한 두 개의 게이트를 사용하거나 독립된 두 개의 게이트에 각각 다른 전압을 가함으로써 문턱전압 조정이 가능한 저전력 소자가 제공된다.In addition, a low power device capable of adjusting a threshold voltage is provided by using two gates having different work functions or applying different voltages to two independent gates.
또한, 하나의 트랜지스터 내에 전원공급이 중단되더라도 저장된 데이터를 유지할 수 있는 비휘발성 메모리 특성과 캐패시터리스 디램의 특성을 동시에 가지는 융합메모리 소자가 제공된다.In addition, a fusion memory device having both a nonvolatile memory characteristic and a capacitorless DRAM characteristic capable of retaining stored data even when power supply is interrupted in one transistor is provided.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 전계효과 트랜지스터 및 융합 메모리를 상세히 설명한다. 도면 전체에 걸쳐 동일한 구성요소는 동일한 인용부호를 사용하여 나타내었다.Hereinafter, a field effect transistor and a fusion memory according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Like elements are denoted by like reference numerals throughout the drawings.
[제1 실시예][First Embodiment]
도 2a 내지 도 2h는 본 발명의 제1 실시예에 따른 수직형 나노쉘 구조의 전계효과 트랜지스터를 제조공정의 순서에 따라 나타낸 도면이다. 우선, 최종 구조의 단면도를 나타내는 도 2g를 참조하면, 본 발명에 따른 전계효과 트랜지스터는, 수직 기둥 형상의 제2 게이트(208), 제2 게이트(208)의 측부를 포위하는 수직 기둥 형상의 채널(206), 채널(206)의 측부를 포위하는 제1 게이트(202), 채널(206)에 접속되어 형성된 소스(204), 채널(206)에 접속되고 소스(204)와 이격되어 형성된 드레인(209)을 포함한다. 여기서, 소스(204)는 채널(206)의 하부에 형성되고, 드레인(209)은 채널(206)의 상부의 외주부를 포위하여 형성된다.2A to 2H are diagrams illustrating a field effect transistor having a vertical nanoshell structure according to a first embodiment of the present invention in order of manufacturing process. First, referring to FIG. 2G, which shows a cross-sectional view of the final structure, the field effect transistor according to the present invention includes a vertical columnar channel surrounding a side of the vertical columnar
이하, 도 2a 내지 도 2g를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전계효과 트랜지스터의 구조 및 그 제조 방법을 상세히 설명한다. 도 2a를 참조하면, 반도체 기판(200) 표면에 게이트 구조체를 적층하기에 앞서 확산 공정 또는 임플란테이션 공정을 이용하여 얕은 소스(204)를 형성한다. 반도체 기판(200)은 일반적인 물질을 의미하는 것으로 실리콘 기판 또는 실리콘 게르마늄, 인장 실리콘(strained silicon), 인장 실리콘 게르마늄, 절연층 매몰 실리콘(Silicon-On-Insulator, SOI)을 이용할 수도 있다. Hereinafter, a structure of a field effect transistor and a method of manufacturing the same according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 2A to 2G. Referring to FIG. 2A, a
도 2b를 참조하면, 소스(204)가 형성된 반도체 기판(200)상에 층간절연막(Inter Layer Dielectric; 201)으로서의 산화막이 적층되고, 그 위에 제1 게이트(202)가 적층되고, 그 위에 다시 층간절연막(201')이 적층된다. 층간절연막(201, 201')은 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, 실리콘 산화질화막 또는 금속 산화막 등으로 형성할 수 있다. 금속 산화막은 고유전율(high-k) 금속 산화막인 것이 바람직하다. 층간절연막(201)은 기형성된 소스(204)와 제1 게이트(202)를 격리시키는 역할을 한다. 본 발명에 따른 전계효과 트랜지스터는 수직형 구조를 가지며, 제1 게이트(202) 물질의 증착 두께는 채널의 길이(Gate length)를 의미한다.Referring to FIG. 2B, an oxide film as an
다시 도 2b를 참조하면, 리소그래피 공정을 통해 전술한 구조에 홀(203)을 형성한다. 수직으로 채널을 형성하기 위하여 형성된 홀(203)은 비등방성의 건식식각을 통하여 반도체 기판(200) 깊이까지 형성하고, 이러한 홀(203)의 형태는 도면에 도시한 바와 같은 원기둥으로 한정하지 않고, 사각기둥 또는 다각기둥으로 형성할 수 있다.Referring again to FIG. 2B, a
도 2c 내지 도 2g는 도 2b의 i-i'방향의 단면도이다. 도 2c는 홀(203) 내부에 제1 게이트 절연막(205)이 형성된 것을 나타낸다. 제1 게이트 절연막(205)은 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, 실리콘 산화질화막 또는 고유전율의 금속 산화막 등으로 형성할 수 있다.2C to 2G are cross-sectional views taken along the line i-i 'of FIG. 2B. 2C illustrates that the first
다음으로, 도 2d에 도시된 바와 같이 건식식각을 이용한 에치백(etch-back) 공정을 통해 소스(204)를 노출시킨다. 에치백 공정을 통해 제1 게이트 절연막(205)이 얇아지거나 열화될 수 있기 때문에 제1 게이트(202)가 후에 형성될 채널(206)과 잘 격리될 수 있도록 제1 게이트 절연막(205)을 충분한 두께로 형성하는 것이 바람 직하다.Next, as shown in FIG. 2D, the
다음으로, 도 2e에 도시된 바와 같이 드러난 반도체 기판(200)의 소스(204) 및 제1 게이트 절연막(205)상에 채널(206)이 될 비정질 실리콘 또는 폴리실리콘을 증착하고, 형성된 얇은 필름을 고상 결정화(Solid Phase crystallization)를 통해 원하는 영역에서 단결정화된 나노쉘 모양의 폴리실리콘 채널(206)을 형성한다. 고상 결정화는 실리콘 기판상에 증착된 비정질 실리콘에 600℃ 이상 고온에서의 어닐링(annealing)을 장시간 해주게 되면 규칙적인 결정들이 성장하면서 불규칙한 분자구조의 비정질 실리콘이 규칙적인 결정이 많은 폴리실리콘으로 그 상(phase)이 변하는 현상을 말한다. 이때 온도와 시간 조건의 조절을 통해 폴리실리콘 결정립(grain) 크기를 더욱 향상시키게 되면, 채널 영역이 단결정화된 폴리실리콘 채널(206)을 얻을 수 있다. 상기 고상 결정화 이외에도 금속을 추가로 증착하여 어닐링 온도를 낮추는 방법, 어닐링 대신에 엑시머 레이저를 이용하는 방법 등을 통하여 결정의 크기를 향상시켜 채널을 단결정화 할 수 있다.Next, an amorphous silicon or polysilicon to be the
다음으로, 도 2f를 참조하면, 채널(206)상에 제2 게이트 절연막(207)을 형성하고, 그 위에 제2 게이트(208)를 형성한다. 제2 게이트 절연막(207)은 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, 실리콘 산화질화막 또는 금속 산화막 등으로 형성할 수 있다. 금속 산화막은 고유전율 금속 산화막인 것이 바람직하다. 후술할 드레인(209)의 자기정렬(Self-align) 공정을 위해 리소그래피 공정을 통해 제2 게이트(208)의 크기를 정의해준다.Next, referring to FIG. 2F, a second
다음으로, 도 2g를 참조하면, 형성된 제2 게이트(208)를 마스크로 해서 채널(206)에 불순물을 주입하면, 폴리실리콘 채널(206)의 가장자리 영역에 자기정렬 로 드레인(209)이 형성된다.Next, referring to FIG. 2G, when impurities are implanted into the
도 2h는 도 2g에서 ⅱ-ⅱ'방향 및 ⅲ-ⅲ'의 평면도이다. ⅱ-ⅱ'방향으로의 평면도는 드레인(209)이 형성된 위치의 평면도이다. 영역 208'은 위에서 본 제2 게이트(208)의 형상으로서 그 영역(208')에 따라 채널(206)의 가장자리에 자기정렬로 드레인(209)이 형성된다. ⅲ-ⅲ' 방향으로의 평면도를 살펴보면, 소자의 채널(206)이 제1 게이트(202)와 제2 게이트(208)에 의하여 둘러싸여 있어 게이트에 의한 높은 채널 제어 성능이 제공될 수 있다.FIG. 2H is a plan view of the ii-ii 'direction and VII-VII' in FIG. 2G. The plan view in the ii-ii 'direction is a plan view of the position where the
[제2 실시예]Second Embodiment
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수직형 나노쉘 구조 전계효과 트랜지스터를 나타낸 도면이다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 수직형 나노쉘 구조의 전계효과 트랜지스터는 도 2g에 나타낸 제1 실시예에 따른 전계효과 트랜지스터와 비교할 때 반도체 기판(300)에 소스를 형성하지 않고, 제1 실시예의 드레인(309) 형성의 경우 채널(206)의 가장자리에 자기정렬로 소스(304)와 드레인(309)을 동시에 형성시켜 수평한 소스(304)와 드레인(309)를 갖는 점에 차이점이 있다.3A and 3B illustrate a vertical nanoshell structured field effect transistor according to another embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3A, a field effect transistor having a vertical nanoshell structure according to another embodiment of the present invention provides a source to the
그 외의, 반도체 기판(300), 채널 절연층(301, 301', 305, 307), 채널(306), 제1 게이트(302), 제2 게이트(308), 드레인(309)의 역할은 도 2g에 나타낸 전계효과 트랜지스터의 대응되는 구성요소의 역할과 동일하다.In addition, the roles of the
도 3b는 도 3a에서 ⅳ-ⅳ'방향의 평면도이다. 한 방향으로 길게 형성된 제2 게이트(308') 모양에 의해 불순물 주입시에 소스(304)와 드레인(309)이 분리되어 형성된다.FIG. 3B is a plan view taken along the line '-' in FIG. 3A. The
[제 3 실시예]Third Embodiment
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 융합 메모리 소자를 제조 공정 순서에 따라 나타낸 도면이다. 반도체 기판(400), 절연층(401, 401', 405, 407), 제1 게이트(402), 채널(406)의 역할 및 형성 방법은 도 2g에 나타낸 전계효과 트랜지스터와 동일하다.4A through 4C are diagrams illustrating a fusion memory device according to an embodiment of the present invention, according to a manufacturing process sequence. The role and formation method of the
그 이후에, 도 4a에 나타낸 바와 같이, 채널(406) 및 제2 게이트 절연막(407; 터널링 절연막)의 형성(도2a 내지 도 2f 참조) 후에 전자를 저장할 수 있는 부유게이트(410)를 형성한다. 여기서, 부유게이트(410)는 폴리실리콘층, SONOS(Silicon Oxide Nitride Oxide Silicon) 또는 MNOS(Metal Nitride Oxide Silicon)구조를 형성하는 질화막층, 비정질 실리콘층, 금속 산화물층, 실리콘 질화막층, 실리콘 나노결정층, 금속 나노결정층 또는 금속산화물 나노결정층 중 어느 하나 또는 혼합된 것이 바람직하다. Thereafter, as shown in FIG. 4A, a floating
다음으로, 도 4b에 도시된 바와 같이, 부유게이트(410)상에 또 다른 제2 게이트 절연막(411; 제어 절연막)을 형성한다. 제2 게이트 절연막(411)은 후술할 제2 게이트(408)와의 절연을 위해 형성되고, 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, 실리콘 산화질화막 또는 고유전율의 금속 산화막 등으로 형성할 수 있다.Next, as shown in FIG. 4B, another second gate insulating film 411 (control insulating film) is formed on the floating
도 4c는 제2 게이트 절연막(411)상에 제2 게이트(408)가 형성된 것을 나타낸 다. 제2 게이트(408)에 가해지는 바이어스에 의해 부유게이트(410)에 전자가 주입되거나 소거되기 때문에, 제2 게이트(408)의 크기는 부유게이트(410)에 정렬(align)되는 것이 바람직하다. 제2 게이트(408)의 형성 후에 불순물을 주입하게 되면 제2 게이트(408)가 마스크 역할을 하여 제2 게이트(408)의 모양에 따라 채널(406)의 가장자리 영역에 제2 게이트(408) 주위로 연결된 드레인(409)이 자기정렬로 형성된다.4C illustrates that the
비휘발성 메모리로서 동작을 위한 전자의 저장소는 도 4c에서 부유게이트 (410)영역이며, 캐패시터리스 디램 동작에 있어서 전하저장소는 부유바디(floating body) 영역(412)이 된다. 일반적으로 비휘발성메모리는 디램에 비하여 넓은 메모리 윈도우를 요구하며, 기본적인 동작에 있어서도 이러한 특성을 나타낸다. 이에 본 발명에 의한 수직형 나노쉘 구조의 비휘발성 디램 융합 메모리의 논리 값에 대한 전압특성은 도 6에 나타낸 바와 같다. The electron storage for operation as the nonvolatile memory is the floating
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 융합 메모리의 동작에 따른 전류-전압 곡선에서의 문턱 전압 변화를 나타내는 도면이다. 우선 비휘발성 메모리 동작에 따른 메커니즘을 알아보면, 초기 논리 "1"상태의 Idrain-Vgate 곡선(601b)은 부유게이트 (410)에 전자를 저장(프로그램)함에 따라 높은 문턱전압(VT.H0)을 가지게 되고, 이는 논리 "0"을 의미하는 Idrain-Vgate 곡선(602b)으로의 이동을 나타내게 된다. 다시 부유게이트(410)에 저장된 전자를 소거할 때에는 초기 상태의 낮은 문턱전압 (VT . L0)을 가지는 Idrain-Vgate 곡선(601b)으로 이동하게 된다. FIG. 6 is a diagram illustrating a threshold voltage change in a current-voltage curve according to an operation of a fusion memory according to an embodiment of the present invention. First, the mechanism according to the nonvolatile memory operation, the I drain -V gate curve 601b of the initial logic "1" state is a high threshold voltage (V T. As the electrons are stored (programmed) in the floating gate 410 . H0 ), which represents the shift to the I drain -V gate curve 602b, meaning logic "0". When erasing the stored electrons in the floating gate back 410 is moved in the drain I -V curve gate (601b) having an initial state of the low threshold voltage (V T. L0).
캐패시터리스 디램의 경우 저장되는 전하는 홀로서 부유바디(412)에 축적됨에 따라 문턱전압이 낮아지게 된다 (VT . H0 ⇒ VT . H1 또는 VT . L0 ⇒ VT . L1).In the case of the capacitor-less dynamic random access memory and the threshold voltage is lowered in accordance with the accumulation of the storage stand alone with the floating
전술한 비휘발성 메모리 동작 특성과 캐패시터리스 디램의 동작 특성을 단일 소자로 적용하기 위한 센싱 스킴 (sensing scheme)은 다음과 같다. 비휘발성 메모리로서 부유게이트(410)에 전자의 저장 유무에 따라 소자의 특성은 Idrain-Vgate 곡선(601b 또는 602b)의 상태를 갖는다. 이 상태에서 캐패시터리스 디램으로서의 동작에 있어서 논리 "1"의 저장을 위해 부유바디(412)에 홀을 저장하면 곡선(601b 또는 602b)은 각각 곡선(601a 또는 602a)으로 이동하게 되며, 이때 나타나는 문턱전압의 차이 VT . L0-VT . L1 또는 VT . H0-VT . H1 값을 통하여 디램의 논리 "1" 또는 "0"의 여부를 결정하게 된다. 디램의 동작시 나타나는 메모리 마진은 비휘발성 메모리 동작에서 나타나는 메모리 마진이 가장 작은 최악의 경우인 VT . H1-VT . L0과 비교하여서도 센싱하여야 하는 전류의 크기가 미세하기 때문에 민감도(sensitivity)가 높은 전류 센싱 스킴(Current sensing scheme)을 통한 센스 증폭(sense amplifier)이 필요하다.A sensing scheme for applying the aforementioned nonvolatile memory operating characteristics and the capacitorless DRAM operating characteristics to a single device is as follows. As a nonvolatile memory, the device has a state of an I drain -V gate curve 601b or 602b depending on whether electrons are stored in the floating
[제 4 실시예][Example 4]
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 융합 메모리 소자를 나타낸 도면이 다. 도 5에 나타낸 비휘발성 디램 융합 메모리는, 전술한 도 4c에 나타낸 비휘발성 디램 융합 메모리와 비교할 때 소스(404)의 형성과정이 없고, 드레인(509)의 형성시에 채널(506)의 가장자리에 자기정렬로 소스(504)와 드레인(509)을 동시에 형성시켜 수평한 소스(504)와 드레인(509)을 갖는 구성에 차이점이 있다. 또한, 한 방향으로 길게 형성된 게이트(508) 모양에 의해 불순물 주입시에 소스(504)와 드레인(509)이 분리되어 형성된다. 그 외의, 반도체 기판(500), 채널 절연층(501, 501', 505, 507), 채널(506), 제1 게이트(502), 제2 게이트(508), 드레인(509)의 역할은 도 4c에 나타낸 융합 메모리의 대응되는 구성요소의 역할과 동일한 역할을 한다.5 illustrates a fused memory device according to another embodiment of the present invention. The nonvolatile DRAM fusion memory shown in FIG. 5 has no process of forming the
이하, 지금까지 설명한 본 발명에 따른 수직형 나노쉘 구조의 전계효과 트랜지스터 및 융합 메모리의 동작 원리 및 그 효과에 대하여 설명한다.Hereinafter, the operation principle and effects of the field effect transistor and the fusion memory of the vertical nanoshell structure according to the present invention described so far will be described.
본 발명에 따른 수직형 나노쉘 구조의 전계효과 트랜지스터는 두 개의 게이트가 3차원적으로 얇은 채널 안팎을 둘러싸고 있기 때문에 게이트의 채널 제어 효과가 뛰어나다. 본 발명은 제1 게이트와 제2 게이트가 묶여 있는 것처럼 각각의 게이트에 동일한 전압을 인가하여 구동할 수 있고, 저전력용 소자로 사용하기 위하여 독립적으로 제어 가능한 각각의 게이트에 일함수가 서로 다른 게이트 물질을 사용하거나(Flatband 전압의 변화에 따른 문턱전압 변화 효과), 각각의 게이트에 다른 게이트 전압을 가하여(서로 다른 전압에 따라 국부적으로 다른 공핍(depletion)/반전(inversion)의 채널 상태에 따른 문턱전압 변화 효과) 문턱전압 조정이 가능하기 때문에 집적회로에 필요한 공급 전압(supply voltage)의 요구를 낮춤으로서 저전력용 소자로서 사용할 수 있다.The field effect transistor of the vertical nanoshell structure according to the present invention has excellent channel control effect of the gate because two gates surround the inside and outside of the three-dimensional thin channel. The present invention can be driven by applying the same voltage to each gate as if the first and second gates are tied, and the gate material having a different work function for each independently controllable gate for use as a low power device. Threshold voltage effect according to the channel state of depletion / inversion locally different according to different voltages, or by applying different gate voltages to each gate. Variation Effect) Since the threshold voltage can be adjusted, it can be used as a low power device by reducing the supply voltage required for the integrated circuit.
또한, 본 발명에 따른 비휘발성 플래쉬 메모리 특성과 캐패시터리스 디램 특성을 동시에 갖는 융합 메모리는 구조적으로 플래쉬 메모리와 같이 비휘발성 메모리로서 동작을 위해 게이트 절연층 사이에 부유게이트 또는 ONO(Oxide-Nitride-Oxide) 구조를 이루는 질화물과 같은 전하 저장층을 삽입하여 게이트와 소스/드레인에 인가하는 전압에 따라 파울러-노르다임 터널링(Fowler-Nordheim tunneling) 또는 핫-캐리어 주입(Hot-carrier injection)을 통하여 전자를 주입하는 방법을 취하며, 캐패시터리스 디램 동작의 경우 충돌이온화(Impact ionization)에 의해 생성된 홀이 가장 낮은 포텐셜 지역인 부유바디(Floaing-body)에 축적된다. 또한, 충돌 이온화를 통한 홀 축적 방법 이외에도 바이어스에 따른 게이트 유기 드레인 누수(Gate Induced Drain Leakage, GIDL) 효과에 의하여 홀 축적이 가능하다. 게이트에 음의 전압을, 소스에 접지전압을, 드레인에 양의 전압을 가해주면 GIDL 효과에 의하여 밴드간 터널링으로 인해 생성된 홀들은 부유바디셀로 몰리게 되어 축적되고, 게이트에 양의 전압을, 소스에 접지전압을, 드레인에 음의 전압을 가하면 부유바디셀에 홀이 공핍된다.In addition, a fused memory having both a nonvolatile flash memory characteristic and a capacitorless DRAM characteristic according to the present invention is structurally a floating gate or ONO (Oxide-Nitride-Oxide) between the gate insulating layers to operate as a nonvolatile memory like a flash memory. Electron is injected through Fowler-Nordheim tunneling or hot-carrier injection depending on the voltage applied to the gate and source / drain by inserting a charge storage layer such as nitride In the case of capacitorless DRAM operation, holes generated by impact ionization accumulate in the floating-body, which is the lowest potential region. In addition to the hole accumulation method through collision ionization, hole accumulation is possible due to a gate induced drain leakage (GIDL) effect due to a bias. If a negative voltage is applied to the gate, a ground voltage is applied to the source, and a positive voltage is applied to the drain, holes generated by the band-band tunneling due to the GIDL effect are collected by the floating body and accumulate. Applying a ground voltage to the source and a negative voltage to the drain depletes the hole in the floating body.
본 발명의 다른 실시예로서 제안하는 수직형 나노쉘 구조의 단일 메모리 셀은 채널 전면이 게이트로 둘러싸여 자연적인 부유바디효과(floating body effect)로 인한 캐패시터리스 디램을 구현할 수 있고, 단채널 효과(short channel effect) 및 펀치스루 효과 (punchthrough effect) 등에 우수하며 소자동작 중 선형영역에서의 가파른 기울기를 가져 빠른 스위칭 동작 특성을 가질 수 있으며, 3차원 소자구조에 기인한 높은 게이트 제어성으로 인한 누설전류의 감소는 캐패시터없는 디램의 저장동작에 있어서 부유바디에 저장된 전하의 저장시간을 늘릴 수 있어 리프레쉬 시간(refresh time)을 증가시킬 수 있는 장점을 가지게 된다. 이를 바탕으로 부유게이트에 전자를 주입하거나 소거함으로써 비휘발성 메모리 동작특성을 가짐과 동시에 게이트로 둘러싸여 자연적으로 생성된 부유바디 영역에 홀을 축적하고 축출함으로서 캐패시터 없이 빠른 속도의 디램 동작특성을 취하는 고집적도의 융합 메모리를 구현할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, a single memory cell having a vertical nanoshell structure can implement a capacitorless DRAM due to a natural floating body effect due to a gate front surface surrounded by a gate. It has excellent channel effect, punchthrough effect, etc., and has a steep slope in the linear region during device operation, so it can have fast switching operation characteristics and leakage current due to high gate control due to the three-dimensional device structure. The reduction has the advantage of increasing the refresh time by increasing the storage time of the charge stored in the floating body in the storage operation of the capacitorless DRAM. Based on this, electrons are injected or erased from the floating gate to have a nonvolatile memory operation characteristic, and a high integration density that achieves a fast DRAM operation characteristic without a capacitor by accumulating and evicting holes in a naturally generated floating body region surrounded by the gate. The fusion memory of can be implemented.
다음으로, 전술한 융합 메모리 소자의 구동방법을 설명한다. 본 발명에 따른 융합 메모리 소자는 부유바디(Floating body) 효과 또는 게이트 유기 드레인 장벽 감소(Gate Induced Drain Leakage) 효과에 의해 동작할 수 있다. 이러한 효과에 의해 홀이 축적 또는 축출될 수 있다.Next, the driving method of the above-described fusion memory device will be described. The fusion memory device according to the present invention may be operated by a floating body effect or a gate induced drain leakage effect. By this effect, holes can be accumulated or expelled.
또한, 고속의 구동속도가 요구되는 경우에는, 본 발명에 따른 융합 메모리는 게이트, 소스, 드레인 각각에 인가되는 바이어스에 의해 홀이 축적되거나 축출됨에 따라 정보가 기입되거나 소거되는 디램 모드로 동작할 수 있다.In addition, when a high driving speed is required, the fusion memory according to the present invention may operate in a DRAM mode in which information is written or erased as holes are accumulated or removed by a bias applied to each of the gate, the source, and the drain. have.
또한, 비휘발 특성이 요구되는 경우에는, 본 발명에 따른 융합 메모리는 부유게이트에 게이트, 소스, 드레인 각각에 인가되는 바이어스에 의해 전자가 주입되거나 소거됨에 따라 정보가 소거되거나 기입되는 비휘발성 메모리 모드로 동작할 수 있다.In addition, when a nonvolatile property is required, the fusion memory according to the present invention is a nonvolatile memory mode in which information is erased or written as electrons are injected or erased by a bias applied to each of gates, sources, and drains in a floating gate. It can work as
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면들에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위를 벗어나지 않는 선에서 여러 변형들이 가능하다는 것을 해당 분야의 통상의 지식을 가진 자들에게 있어서 명백할 것이다.The present invention described above is not limited to the above-described embodiment and the accompanying drawings, it is apparent to those skilled in the art that various modifications are possible without departing from the scope of the technical idea of the present invention. something to do.
도 1은 종래의 평면형 전계효과 트랜지스터(planar field effect transistor)를 나타낸 도면이다.1 is a view showing a conventional planar field effect transistor.
도 2a 내지 도 2h는 본 발명의 제1 실시예에 따른 수직형 나노쉘 구조의 전계효과 트랜지스터를 제조공정의 순서에 따라 나타낸 도면이다.2A to 2H are diagrams illustrating a field effect transistor having a vertical nanoshell structure according to a first embodiment of the present invention in order of manufacturing process.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수직형 나노쉘 구조 전계효과 트랜지스터를 나타낸 도면이다.3A and 3B illustrate a vertical nanoshell structured field effect transistor according to another embodiment of the present invention.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 융합 메모리 소자를 제조 공정 순서에 따라 나타낸 도면이다.4A through 4C are diagrams illustrating a fusion memory device according to an embodiment of the present invention, according to a manufacturing process sequence.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 융합 메모리 소자를 나타낸 도면이다.5 is a diagram illustrating a fusion memory device according to another exemplary embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 융합 메모리의 동작에 따른 전류-전압 곡선에서의 문턱 전압 변화를 나타내는 도면이다.FIG. 6 is a diagram illustrating a threshold voltage change in a current-voltage curve according to an operation of a fusion memory according to an embodiment of the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호설명 ** Explanation of Signs of Major Parts of Drawings *
200, 300, 400, 500 : 반도체 기판200, 300, 400, 500: semiconductor substrate
201, 201', 300, 301', 400, 401', 500, 501' : 층간절연막201, 201 ', 300, 301', 400, 401 ', 500, 501': interlayer insulating film
202, 302, 402, 502 : 제1 게이트202, 302, 402, 502: first gate
204, 304, 404, 504 : 소스204, 304, 404, 504: source
205, 305, 405, 505 : 제1 게이트 절연막205, 305, 405, 505: first gate insulating film
206, 306, 406, 506 : 채널(폴리 실리콘)206, 306, 406, 506: channel (polysilicon)
207, 307, 407, 507 : 제2 게이트 절연막207, 307, 407, 507: second gate insulating film
208, 308, 408, 508 : 제2 게이트208, 308, 408, 508: second gate
209, 309, 409, 509 : 드레인209, 309, 409, 509: Drain
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