KR101002293B1 - Stacked nonvolatile memory cell device having floating body, and nonvolatile memory cell stack, nonvolatile memory cell string, nonvolatile memory cell array using the cell device, and fabricating method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 플로팅 바디를 갖는 적층형 비휘발성 메모리 셀 소자, 비휘발성 메모리 셀 소자 스택, 비휘발성 메모리 셀 스트링, 비휘발성 메모리 셀 스트링 스택, 비휘발성 메모리 셀 스트링 스택 어레이에 관한 것이다. 상기 비휘발성 메모리 셀 스트링은 다수 개의 플로팅 바디를 갖는 적층형 비휘발성 메모리 셀 소자 및 상기 셀 소자의 끝단에 연결되는 스위칭 소자를 구비한다. 상기 셀 소자 스택은 반도체 기판위에 상기 적층형 비휘발성 메모리 셀 소자들을 적층하여 구현된다. 상기 셀 스트링 스택은 상기 셀 스트링을 적층하여 구현되며, 상기 셀 스트링 스택을 배열하여 셀 스트링 스택 어레이를 구현한다. 상기 셀 소자 스택은, 반도체 기판; 상기 반도체 기판의 표면에 수직형 기둥 형태로 형성되는 제어전극; 상기 제어전극과 상기 반도체 기판의 사이에 형성되는 절연막; 상기 제어전극의 측면에 형성되는 게이트 스택; 상기 게이트 스택의 측면에 형성된 제1 절연막; 상기 게이트 스택의 측면에 형성된 반도체 영역;을 구비한다. 상기 제1 절연막과 반도체 영역은 상기 게이트 스택의 측면에 교대로 층으로 형성된다. 본 발명에 의하여 제조비용을 줄이면서 NAND 비휘발성 메모리의 용량증가와 셀 소자의 성능을 크게 개선할 수 있다. The present invention relates to a stacked nonvolatile memory cell device having a floating body, a nonvolatile memory cell device stack, a nonvolatile memory cell string, a nonvolatile memory cell string stack, and a nonvolatile memory cell string stack array. The nonvolatile memory cell string includes a stacked nonvolatile memory cell device having a plurality of floating bodies and a switching device connected to an end of the cell device. The cell device stack is implemented by stacking the stacked nonvolatile memory cell devices on a semiconductor substrate. The cell string stack is implemented by stacking the cell strings. The cell string stack is arranged to implement a cell string stack array. The cell device stack may include a semiconductor substrate; A control electrode formed on the surface of the semiconductor substrate in the form of a vertical pillar; An insulating film formed between the control electrode and the semiconductor substrate; A gate stack formed on a side of the control electrode; A first insulating film formed on a side of the gate stack; And a semiconductor region formed on a side of the gate stack. The first insulating layer and the semiconductor region are alternately formed on the side of the gate stack. The present invention can significantly improve the capacity of the NAND nonvolatile memory and the performance of the cell device while reducing the manufacturing cost.
NAND, 비휘발성, 적층형, 메모리, 고집적, 고용량, 스트링, 스택 NAND, Nonvolatile, Stacked, Memory, High Density, High Capacity, String, Stack
Description
본 발명은 플로팅 바디를 갖는 적층형 비휘발성 메모리 셀 소자, 상기 셀 소자를 이용한 비휘발성 메모리 셀 스택, 비휘발성 메모리 셀 스트링, 비휘발성 메모리 셀 어레이 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 MOS 기반의 비휘발성 메모리 소자의 축소화 특성과 성능을 개선하고 메모리 용량을 늘리기 위한 새로운 NAND 비휘발성 메모리 구조로서, 다수 개의 셀 소자들을 적층형으로 형성한 비휘발성 메모리 셀 스택, 상기 적층형 비휘발성 메모리 셀 소자들과 스위칭 소자로 구성되는 셀 스트링, 상기 셀 스트링들로 구성되는 셀 스트링 스택, 및 상기 셀 스트링 스택을 배열하여 구현한 셀 어레이에 관한 것이다.The present invention relates to a stacked nonvolatile memory cell device having a floating body, a nonvolatile memory cell stack using the cell device, a nonvolatile memory cell string, a nonvolatile memory cell array, and a method of manufacturing the same. A novel NAND nonvolatile memory structure for improving the miniaturization characteristics and performance of nonvolatile memory devices and increasing memory capacity, comprising: a nonvolatile memory cell stack having a plurality of cell devices stacked in a stack; The present invention relates to a cell string composed of switching elements, a cell string stack composed of the cell strings, and a cell array implemented by arranging the cell string stack.
최근 비휘발성 메모리는 가전 및 휴대용 전자기기에서 그 수요가 급속히 증 가하고 있어 지속적인 성장이 가능한 것으로 예상되고 있다. 낸드 (NAND) 비휘발성 메모리의 집적도는 IT 기술의 발전에 따라 계속 증가되는 것이 요구되고 있다. 낸드 비휘발성 메모리의 집적도는 셀 소자의 집적도에 의해 크게 좌우된다. 최근, 셀 소자의 게이트 길이가 50 nm 이하로 줄어들고 있고, 메모리 용량은 수십 기가 비트에 이르고 있다. 따라서 기존의 도전성 플로팅 게이트를 갖는 평탄 채널 구조의 비휘발성 메모리 소자는 짧은채널효과가 큰 문제로 대두되어 있고, 제조 공정도 크게 어려워지는 문제에 직면했다. 게이트 길이가 50 nm 이하인 기술은 고가의 장비나 공정을 필요로 하므로 제조 단가가 증가하는 문제점이 있다. 향후 계속해서 게이트 길이가 줄어들어야 집적도를 향상시킬 수 있는데, 이러한 상황에 대처할 수 있는 대안이 고려될 필요가 있다. Recently, the demand for nonvolatile memory is rapidly increasing in home appliances and portable electronic devices. The density of NAND nonvolatile memory is required to increase with the development of IT technology. The degree of integration of the NAND nonvolatile memory is highly dependent on the degree of integration of the cell devices. In recent years, gate lengths of cell devices have been reduced to 50 nm or less, and memory capacities have reached tens of gigabytes. Therefore, the conventional non-volatile memory device having a flat floating channel structure having a conductive floating gate is a problem that the short channel effect is a big problem, and the manufacturing process is also very difficult. The technology having a gate length of 50 nm or less requires expensive equipment or processes and thus increases manufacturing costs. In the future, the gate length may need to be reduced to improve the density. An alternative to this situation needs to be considered.
기존의 플로팅 폴리 전극을 갖는 소자의 집적도를 높이기 위하여 메모리 저장 노드를 질화막과 같은 절연성 저장전극을 사용하는 SONOS 계열의 비휘발성 메모리 셀이 고려되고 있다. 또한, 나노 dot 또는 나노 crystal을 전하저장전극으로 사용하는 NFGM(Nano-Floating Gate Memory) 셀이 고려되고 있다. 기존의 평탄채널 구조에 질화막이나 나노 dot과 같은 전하저장전극을 사용하여 메모리 셀을 구현할 경우, 기존의 도전성 폴리 실리콘의 플로팅 게이트를 사용한 경우에 비해 축소화 특성이 개선된다. 그러나 이러한 개선된 전하저장전극을 사용하더라도 40 nm 급 이하의 게이트 길이에 대해서는 짧은채널효과에 의해 특성이 크게 저하되거나 축소화가 불가능한 한계에 직면하게 된다. In order to increase the integration degree of a device having a conventional floating poly electrode, a SONOS series nonvolatile memory cell using an insulating storage electrode such as a nitride film as a memory storage node has been considered. In addition, nano-floating gate memory (NFGM) cells using nano dots or nano crystals as charge storage electrodes have been considered. When a memory cell is implemented by using a charge storage electrode such as a nitride film or a nano dot in a conventional flat channel structure, the miniaturization characteristic is improved as compared with the case of using a floating gate of conductive polysilicon. However, even with such an improved charge storage electrode, the gate length of 40 nm or less faces a limit in which the characteristics are greatly reduced or cannot be reduced by the short channel effect.
셀 소자의 게이트 길이를 40 nm 급 이하로 줄일 경우 발생하는 짧은채널효과 를 억제하고 문턱전압의 산포를 줄이기 위해 평탄채널 소자에서 비대칭 소스/드레인 구조를 갖는 SONOS (or TANOS: TaN-AlO-SiN-Oxide-Si) 셀 소자 (K. T. Park et al, A 64-cell NAND flash memory with asymmetric S/D structure for sub-40 nm technology and beyond, in Technical Digest of Symposium on VLSI Technology, p. 24, 2006)가 삼성전자에 의해 발표되었다. 셀 소자의 게이트를 중심으로 한쪽은 소스나 드레인이 있고 다른 쪽에는 소스나 드레인이 없는 구조이다. 소스나 드레인이 없는 영역에 제어 전극으로부터의 fringing 전계를 이용하여 반전층이 형성되도록 하여 짧은 채널효과를 억제하는 구조이다. 비록 기존의 소스/드레인 영역을 갖는 평탄 채널을 갖는 SONOS 셀 소자에 비해 축소화 특성은 개선되지만, 셀 소자의 소스/드레인 중 어느 한쪽은 제어전극과 겹치는 형태로 형성되기 때문에 40 nm 이하의 채널길이에서 짧은채널효과를 보이며, 궁극적으로 평탄채널 구조가 갖는 축소화 한계에 직면하게 된다. 또한 상기 2가지 구조는 실리콘 표면에만 한 층으로 메모리가 구현되므로 집적도를 개선하는데 한계가 있다.SONOS (or TANOS: TaN-AlO-SiN-) with an asymmetric source / drain structure in flat channel devices to suppress short channel effects and reduce the distribution of threshold voltages when the gate length of cell devices is reduced below 40 nm. Oxide-Si cell devices (KT Park et al, A 64-cell NAND flash memory with asymmetric S / D structure for sub-40 nm technology and beyond, in Technical Digest of Symposium on VLSI Technology, p. 24, 2006) It was announced by Samsung Electronics. The cell element has a source or drain on one side and no source or drain on the other side. It is a structure that suppresses a short channel effect by forming an inversion layer using a fringing electric field from a control electrode in a region without a source or a drain. Although the miniaturization characteristic is improved compared to the conventional SONOS cell device having a flat channel having a source / drain region, since one of the source / drain of the cell device is formed to overlap the control electrode, the channel length of 40 nm or less It has a short channel effect and ultimately faces the miniaturization limit of the flat channel structure. In addition, the two structures have a limitation in improving the degree of integration since the memory is implemented in one layer only on the silicon surface.
제조 단가를 줄이면서 집적도를 높일 수 있는 방법은 셀 소자나 셀 스트링을 수직으로 배치하는 방법이 있다. 미국 특허 (등록번호: 5739567, 명칭: Highly compact memory device with nonvolatile vertical transistor memory cell)에서는 트랜치를 형성하고 순차적으로 터널링 절연막, 플로팅 게이트, 블록킹 절연막, 제어전극을 트랜치 내에 형성하여 구현하였다. 소스는 트랜치의 바닥 근처 반도체 영역에, 그리고 드레인은 트랜치의 상부 근처 반도체 영역에 각각 형성하였다. 이 구조에서는 수직형 셀 소자가 1개만이 형성되어 실질적으로 메모리 용량을 높일 수 없으며, 구조적인 문제로 인해 여러 개의 셀 소자를 수직으로 형성할 수 없다. The method of increasing the integration degree while reducing the manufacturing cost is a method of vertically arranging cell elements or cell strings. In the US patent (Registration No .: 5739567, namely: Highly compact memory device with nonvolatile vertical transistor memory cell), a trench was formed, and a tunneling insulating film, a floating gate, a blocking insulating film, and a control electrode were sequentially formed in the trench. Sources were formed in the semiconductor region near the bottom of the trench and drains in the semiconductor region near the top of the trench, respectively. In this structure, only one vertical cell element is formed, so that the memory capacity cannot be substantially increased, and due to structural problems, several cell elements cannot be formed vertically.
발표된 논문(Y. Fukuzumi et al., "Optimal integration and characteristics of vertical array devices for ultra-high density, bit-cost scalable flash memory," IEDM Tech. Dig., pp. 449-452, 2007)에서는 상기 미국 특허가 갖는 문제점을 해결하기 위해 수직으로 여러 개의 셀과 두 개의 스위치 소자를 배치하고 있다. 따라서 집적도를 높일 수 있다. 그러나 쓰기 시간이 다소 느리고, 특히 지우기 시간이 느린 단점이 있다. 또한 유지시간(retention) 특성이 나쁘다. 제조공정에 있어서 수직으로 적층되는 여러 층의 제어전극 사이에 전기적 절연을 위해 제어전극 층 사이에 절연막을 형성한다. 이 경우 하나의 스트링을 형성하기 위해 원형의 관통구를 형성할 때, 폴리실리콘으로 구성되는 제어전극과 실리콘 산화막으로 구성되는 절연층을 번갈아 가면서 계속 식각해야 하는데, 이는 공정적으로 매우 어렵고 많은 시간을 소요할 수 있다. 또한 튜브(tube)형태의 바디를 수직으로 형성할 때 바닥이 반도체 영역과 전기적으로 연결되도록 하기 위해서 관통구의 수직 측벽에 형성된 게이트 절연막 또는 블록킹 절연막은 남기고 관통구 바닥에 있는 것만 식각해야 한다. 이때 절연막이 손상을 입을 수 있고, 이는 메모리 셀 특성의 저하로 이어질 수 있고, 결국 수율이 저하될 수 있다. 관통구의 바닥에 형성되는 소스 영역을 관통구의 상부 표면으로부터 전기적인 콘택을 하고 배선을 하려면 큰 단차를 극복해야 함은 물론이고 추가의 마스크를 필요로 할 수 있다. 요컨대 공정적 측면에서 많은 어려움이 있다.In a published paper (Y. Fukuzumi et al., "Optimal integration and characteristics of vertical array devices for ultra-high density, bit-cost scalable flash memory," IEDM Tech. Dig., Pp. 449-452, 2007) To solve the problem of the US patent, several cells and two switch elements are arranged vertically. Therefore, the degree of integration can be increased. However, there is a disadvantage in that the write time is somewhat slow, especially the erase time. In addition, retention characteristics are poor. In the manufacturing process, an insulating film is formed between the control electrode layers for electrical insulation between the control electrodes of several layers stacked vertically. In this case, when forming a circular through hole to form a string, it is necessary to continuously etch alternately between the control electrode made of polysilicon and the insulating layer made of silicon oxide film, which is extremely difficult and time-consuming. Can take In addition, when forming a tube-shaped body vertically, in order to make the bottom electrically connected to the semiconductor region, only a portion of the bottom of the through hole should be etched, leaving a gate insulating film or a blocking insulating film formed on the vertical sidewall of the through hole. At this time, the insulating film may be damaged, which may lead to deterioration of memory cell characteristics, and thus yield may decrease. Electrical contact and wiring of the source region formed at the bottom of the through hole from the upper surface of the through hole may require a large mask as well as overcoming a large step. In short, there are many difficulties in terms of fairness.
이와 같이, 상기와 같은 기존의 발표된 소자들이 갖는 문제점을 해결할 수 있는 새로운 구조의 고집적/고성능 비휘발성 메모리 소자를 개발할 필요성이 요구되었다.As such, there is a need for developing a highly integrated / high performance nonvolatile memory device having a new structure that can solve the problems of the existing published devices.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 제조 공정이 용이하고 메모리 셀 특성을 개선할 수 있는 플로팅 바디를 갖는 적층형 비휘발성 메모리 셀 소자, 상기 셀 소자를 이용한 비휘발성 메모리 셀 스택, 비휘발성 메모리 셀 스트링, 비휘발성 메모리 셀 스트링 스택, 비휘발성 메모리 셀 어레이 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention for solving the above problems is a stacked nonvolatile memory cell device having a floating body which is easy to manufacture and can improve memory cell characteristics, a nonvolatile memory cell stack using the cell device, and a nonvolatile memory. A cell string, a nonvolatile memory cell string stack, a nonvolatile memory cell array, and a method of manufacturing the same are provided.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 제1 특징은 적층형 비휘발성 메모리 셀 소자에 관한 것으로서, 상기 셀 소자는, 반도체 기판; 상기 반도체 기판의 표면에 수직형 기둥 형태로 형성되는 제어전극; 상기 제어전극과 상기 반도체 기판의 사이에 형성되는 절연막; 상기 제어전극의 측면에 형성되는 게이트 스택; 상기 게이트 스택의 측면에 형성된 제1 절연막; 및 상기 게이트 스택의 측면에 형성된 반도체 영역;을 구비하고, 상기 제1 절연막 및 반도체 영역은 서로 인접하게 형성됨과 동시에 상기 게이트 스택의 한쪽 측면에 형성된다. A first aspect of the present invention for achieving the above technical problem relates to a stacked nonvolatile memory cell device, the cell device comprises: a semiconductor substrate; A control electrode formed on the surface of the semiconductor substrate in the form of a vertical pillar; An insulating film formed between the control electrode and the semiconductor substrate; A gate stack formed on a side of the control electrode; A first insulating film formed on a side of the gate stack; And a semiconductor region formed on a side of the gate stack, wherein the first insulating film and the semiconductor region are formed adjacent to each other and simultaneously formed on one side of the gate stack.
본 발명의 제2 특징에 따른 비휘발성 메모리 셀 소자 스택은, 반도체 기판; 상기 반도체 기판의 표면에 수직형 기둥 형태로 형성되는 제어전극; 상기 제어전극과 상기 반도체 기판의 사이에 형성되는 절연막; 상기 제어전극의 측면에 형성되는 게이트 스택; 상기 게이트 스택의 측면에 복수의 층으로 형성된 제1 절연막; 및 상기 게이트 스택의 측면에 복수의 층으로 형성된 반도체 영역; 을 구비하고, 상기 제1 절연막 및 반도체 영역은 게이트 스택의 동일한 측면에 번갈아가면서 형성된다. A nonvolatile memory cell device stack according to a second aspect of the present invention includes a semiconductor substrate; A control electrode formed on the surface of the semiconductor substrate in the form of a vertical pillar; An insulating film formed between the control electrode and the semiconductor substrate; A gate stack formed on a side of the control electrode; A first insulating film formed of a plurality of layers on a side of the gate stack; And a semiconductor region formed of a plurality of layers on a side of the gate stack. The first insulating layer and the semiconductor region are alternately formed on the same side of the gate stack.
제2 특징에 따른 비휘발성 메모리 셀 소자 스택에 있어서, 상기 반도체 영역의 측면 중 상기 제어전극과 겹치지 않은 반도체 영역에 형성된 소스 및 드레인 영역을 더 구비할 수 있다. In the nonvolatile memory cell device stack according to the second aspect, the semiconductor device may further include a source and a drain region formed in a semiconductor region which does not overlap the control electrode among side surfaces of the semiconductor region.
제2 특징에 따른 비휘발성 메모리 셀 소자 스택에 있어서, 반도체 기판위에 형성된 제5 절연막을 더 구비하고, 상기 제어 전극 및 제1 절연막은 상기 제5 절연막 위에 형성될 수 있다. The nonvolatile memory cell device stack according to the second aspect may further include a fifth insulating film formed on the semiconductor substrate, and the control electrode and the first insulating film may be formed on the fifth insulating film.
제2 특징에 따른 비휘발성 메모리 셀 소자 스택에 있어서, 상기 게이트 스택은 터널링 절연막, 전하저장노드, 컨트롤 절연막으로 이루어지거나, 터널링 절연막과 전하저장노드로 구성되거나, 전하저장노드와 블록킹 절연막으로 이루어지는 것이 바람직하다. In the nonvolatile memory cell device stack according to the second aspect, the gate stack includes a tunneling insulating film, a charge storage node, and a control insulating film, or a tunneling insulating film and a charge storage node, or a charge storage node and a blocking insulating film. desirable.
제2 특징에 따른 비휘발성 메모리 셀 소자 스택에 있어서, 상기 반도체 영역의 측면에 형성되는 상기 게이트 스택 및 상기 제어전극은 상기 반도체 영역의 측면을 일부 감싸는 것이 바람직하다. In the nonvolatile memory cell device stack according to the second aspect, the gate stack and the control electrode formed on the side of the semiconductor region may partially surround the side of the semiconductor region.
본 발명의 제3 특징에 따른 비휘발성 메모리 셀 스트링 스택은, 반도체 기판; 및 상기 반도체 기판위에 적층된 다수 개의 비휘발성 메모리 셀 스트링들;을 구비하며, A nonvolatile memory cell string stack according to a third aspect of the present invention includes a semiconductor substrate; And a plurality of nonvolatile memory cell strings stacked on the semiconductor substrate.
상기 비휘발성 메모리 셀 스트링은, 일렬로 배열된 다수 개의 비휘발성 메모리 셀 소자들; 및 상기 비휘발성 메모리 셀 소자들의 끝단에 연결되는 스위칭 소자;를 구비하고, The nonvolatile memory cell string may include a plurality of nonvolatile memory cell elements arranged in a row; And a switching device connected to ends of the nonvolatile memory cell devices.
상기 비휘발성 메모리 셀 소자는, 제어전극; 상기 제어전극의 측면에 형성된 게이트 스택; 상기 게이트 스택의 측면에 형성된 제1 절연막; 상기 게이트 스택의 측면에 형성된 반도체 영역;을 구비하고, 각 셀 소자의 제1 절연막과 같은 층에서 인접한 셀 소자의 제1 절연막과 수평으로 서로 연결되고, 상기 반도체 영역은 같은 층에서 인접한 셀 소자의 반도체 영역과 수평으로 서로 연결되며, 각 셀 소자의 제어전극은 제어전극간 절연막에 의해 서로 전기적으로 격리되어 형성된다. The nonvolatile memory cell device may include a control electrode; A gate stack formed on a side of the control electrode; A first insulating film formed on a side of the gate stack; And a semiconductor region formed on a side of the gate stack, the semiconductor region being horizontally connected to a first insulating film of an adjacent cell element in the same layer as the first insulating layer of each cell element, wherein the semiconductor region is formed of an adjacent cell element in the same layer. The electrodes are horizontally connected to each other and the control electrodes of the cell elements are electrically isolated from each other by an insulating film between the control electrodes.
제3 특징에 따른 비휘발성 메모리 셀 스트링 스택에 있어서, 상기 스위칭 소자는 셀 소자와 동일하게 구성되거나, 셀 소자와 동일하게 구성되되, 게이트 스택을 대신하여 한층 또는 다층의 절연막으로 이루어지는 게이트 절연막으로 구현되며, 상기 게이트 절연막이 다층의 절연막으로 구현되는 경우 서로 인접한 층은 서로 다른 밴드갭을 갖는 물질로 이루어지는 것이 바람직하다. In the non-volatile memory cell string stack according to the third aspect, the switching element is configured to be the same as the cell element, or the same as the cell element, and is implemented as a gate insulating layer made of one or multiple insulating layers instead of the gate stack. When the gate insulating layer is formed of a multilayer insulating layer, adjacent layers are preferably made of materials having different band gaps.
제3 특징에 따른 비휘발성 메모리 셀 스트링 스택에 있어서, 상기 반도체 영역의 측면 중 상기 제어전극과 겹치지 않는 반도체 영역에 형성된 소스 및 드레인 영역을 더 구비할 수 있다. In the nonvolatile memory cell string stack according to the third aspect, the semiconductor device may further include a source and a drain region formed in a semiconductor region which does not overlap the control electrode.
제3 특징에 따른 비휘발성 메모리 셀 스트링 스택에 있어서, 상기 반도체 영역의 측면 중 상기 제어전극과 겹치는 반도체 영역의 폭을 상기 제어전극과 겹치지 않는 반도체 영역의 폭보다 더 넓게 형성하거나 더 좁게 형성하는 것이 바람직하 다.In the non-volatile memory cell string stack according to the third aspect, the width of the semiconductor region overlapping the control electrode among the side surfaces of the semiconductor region is formed to be wider or narrower than the width of the semiconductor region not overlapping the control electrode. desirable.
제3 특징에 따른 비휘발성 메모리 셀 스트링 스택에 있어서, 상기 셀 소자의 전하저장노드는 상기 셀 소자의 제어 전극과 겹치는 반도체 영역의 측면 부분에만 형성되거나 각 셀 소자의 반도체 영역의 측면 전체에 형성될 수 있으며, In the non-volatile memory cell string stack according to the third aspect, the charge storage node of the cell element is formed only on the side portion of the semiconductor region overlapping with the control electrode of the cell element or is formed on the entire side of the semiconductor region of each cell element. Can and
제3 특징에 따른 비휘발성 메모리 셀 스트링 스택에 있어서, 셀 스트링의 반도체 영역의 양쪽 가장자리 모양을 "┗" 또는 "━" 의 구조로 형성하고, 반도체 영역의 양쪽 가장자리 영역에 소스/드레인과 같은 유형의 불순물 영역을 추가로 형성하고 제1 접촉창을 통해 전극을 형성하는 것이 바람직하다. In the non-volatile memory cell string stack according to the third aspect, both edges of the semiconductor region of the cell string are formed in a "┗" or "-" structure, and a source / drain type is formed at both edge regions of the semiconductor region. It is preferable to further form an impurity region of and to form an electrode through the first contact window.
본 발명의 제4 특징에 따른 일렬로 배열된 다수 개의 비휘발성 메모리 셀 스트링 스택들로 이루어지는 비휘발성 메모리 셀 스트링 스택 어레이에 있어서, 상기 비휘발성 메모리 셀 스트링 스택은, 반도체 기판; 및 상기 반도체 기판위에 적층된 다수 개의 비휘발성 메모리 셀 스트링들;을 구비하며, A nonvolatile memory cell string stack array comprising a plurality of nonvolatile memory cell string stacks arranged in a line according to a fourth aspect of the present invention, the nonvolatile memory cell string stack comprising: a semiconductor substrate; And a plurality of nonvolatile memory cell strings stacked on the semiconductor substrate.
상기 비휘발성 메모리 셀 스트링은, 일렬로 배열된 다수 개의 비휘발성 메모리 셀 소자들; 및 상기 비휘발성 메모리 셀 소자들의 끝단에 연결되는 스위칭 소자;를 구비하고, The nonvolatile memory cell string may include a plurality of nonvolatile memory cell elements arranged in a row; And a switching device connected to ends of the nonvolatile memory cell devices.
상기 비휘발성 메모리 셀 소자는, 제어전극; 상기 제어전극의 측면에 형성된 게이트 스택; 상기 게이트 스택의 측면에 형성된 제1 절연막; 상기 게이트 스택의 측면에 형성된 반도체 영역;을 구비하고, 각 셀 소자의 제1 절연막은 인접한 셀 소자의 제1 절연막과 수평으로 서로 연결되고, 상기 반도체 영역은 인접한 셀 소자의 반도체 영역과 수평으로 서로 연결되며, 각 셀 소자의 제어전극은 제어전극간 절연 막에 의해 서로 전기적으로 격리되어 형성된다. The nonvolatile memory cell device may include a control electrode; A gate stack formed on a side of the control electrode; A first insulating film formed on a side of the gate stack; And a semiconductor region formed on a side of the gate stack, wherein the first insulating film of each cell element is horizontally connected to the first insulating film of the adjacent cell element, and the semiconductor region is horizontally connected to the semiconductor region of the adjacent cell element. The control electrodes of the cell elements are electrically isolated from each other by an insulating film between the control electrodes.
제4 특징에 따른 비휘발성 메모리 셀 스트링 스택 어레이에 있어서, 상기 셀 스트링 스택은 인접한 셀 스트링 스택과 제어 전극 및 반도체 영역을 공유하는 것이 바람직하다.In the nonvolatile memory cell string stack array according to the fourth aspect, the cell string stack preferably shares a control electrode and a semiconductor region with an adjacent cell string stack.
제4 특징에 따른 비휘발성 메모리 셀 스트링 스택 어레이에 있어서, 서로 인접한 셀 스트링 스택의 반도체 영역의 사이에 제3 절연막을 더 구비하여, 서로 인접한 셀 스트링 스택들은 반도체 영역은 공유하지 아니하고 제어 전극만을 공유하도록 할 수 있다. A non-volatile memory cell string stack array according to a fourth aspect, further comprising a third insulating film between semiconductor regions of the cell string stack adjacent to each other, wherein adjacent cell string stacks do not share the semiconductor region but share only the control electrode. You can do that.
제4 특징에 따른 비휘발성 메모리 셀 스트링 스택 어레이에 있어서, 상기 셀 스트링 스택들은 상기 셀 스트링이 길게 형성된 방향과 교차하는 방향으로 상기 제어전극과 상기 반도체 영역이 번갈아 배치되되, 서로 인접한 셀 스트링 스택들의 반도체 영역은 공유되고 제어전극은 공유되지 않도록 서로 인접한 제어전극과의 사이에 제3 절연막을 추가로 구비할 수 있다. A nonvolatile memory cell string stack array according to a fourth aspect, wherein the cell string stacks are alternately arranged with the control electrode and the semiconductor region in a direction crossing the direction in which the cell string is elongated. The third insulating layer may be further provided between adjacent control electrodes such that the semiconductor region is shared and the control electrode is not shared.
제4 특징에 따른 비휘발성 메모리 셀 스트링 스택 어레이에 있어서, 상기 셀 소자는 반도체 영역의 측면 중 상기 제어전극과 겹치지 않은 반도체 영역에 형성된 소스 및 드레인 영역을 더 구비할 수 있다. In the non-volatile memory cell string stack array according to the fourth aspect, the cell device may further include a source and a drain region formed in a semiconductor region which does not overlap the control electrode among side surfaces of the semiconductor region.
제4 특징에 따른 비휘발성 메모리 셀 스트링 스택 어레이에 있어서, 메모리 구동을 위한 주변회로와 동일한 기판에 집적되는 것이 바람직하다. In the nonvolatile memory cell string stack array according to the fourth aspect, it is preferable to integrate the same circuit as the peripheral circuit for driving the memory.
제4 특징에 따른 비휘발성 메모리 셀 스트링 스택 어레이에 있어서, 상기 반도체 기판상에 반도체 기판의 도우핑 유형과 다른 제1 웰(well)을 더 구비하거나, 상기 제1 웰 및 상기 제1웰과 도우핑 유형이 다른 제2 웰을 더 구비할 수 있다. A non-volatile memory cell string stack array according to a fourth aspect, further comprising a first well on the semiconductor substrate, the first well being different from the doping type of the semiconductor substrate, or the first well and the first well and the first well. It may further comprise a second well of a different ping type.
본 발명의 제5 특징에 따른 반도체 기판상에 형성된 다수 개의 셀 소자와 스위칭 소자들을 구비하는 셀 스트링들이 다층으로 적층된 메모리 셀 스트링 스택을 제작하는 방법에 있어서, (a) 상기 반도체 기판에 식각률이 서로 다른 물질로 이루어지는 희생 반도체층과 반도체 층을 번갈아 형성하는 단계; (b) 상기 (a)단계의 결과물의 표면으로부터 상기 반도체 기판의 표면까지 식각하여 트랜치를 형성하는 단계; (c) 상기 트랜치 형성 단계를 통해 드러난 희생 반도체층과 반도체 층의 측면을 식각하되 식각률 차이를 이용하여 희생 반도체층의 측면을 더 많이 식각하는 단계; (d) 상기 측면이 일부 식각된 희생 반도체층을 산화시켜 절연막으로 형성하고 그 측면에 절연막을 채워 제1 절연막을 완성하고, 상기 트랜치 영역에 게이트 스택을 형성하는 단계; (e) 상기 게이트 스택의 표면에 제어전극을 형성하고, 불필요한 제어전극을 제거하고 노출된 게이트 스택을 제거하는 단계; (f) 노출된 반도체 층의 측면에 소스 및 드레인 영역을 형성하고, 불필요한 제어전극 및 게이트 스택이 제거된 공간에 제어전극간 절연막을 채우는 단계; (g) 절연막을 형성하고 접촉창(contact hole)이 필요한 곳에 접촉창을 형성하고 배선을 위한 금속층을 순차적으로 형성하는 단계; 를 포함한다.A method of fabricating a memory cell string stack in which cell strings including a plurality of cell elements and switching elements formed on a semiconductor substrate according to a fifth aspect of the present invention are stacked in multiple layers, wherein (a) an etch rate is Alternately forming a sacrificial semiconductor layer and a semiconductor layer made of different materials; (b) forming a trench by etching from the surface of the product of step (a) to the surface of the semiconductor substrate; (c) etching side surfaces of the sacrificial semiconductor layer and the semiconductor layer exposed through the trench forming step, but etching more of the side surface of the sacrificial semiconductor layer using an etch rate difference; (d) oxidizing the sacrificial semiconductor layer partially etched to form an insulating film, filling the insulating film on the side to complete the first insulating film, and forming a gate stack in the trench region; (e) forming a control electrode on the surface of the gate stack, removing unnecessary control electrodes and removing the exposed gate stack; (f) forming source and drain regions on the exposed side of the semiconductor layer, and filling an insulating film between control electrodes in a space from which unnecessary control electrodes and gate stacks are removed; (g) forming an insulating film, forming a contact window where a contact hole is needed, and sequentially forming a metal layer for wiring; It includes.
제5 특징에 따른 셀 스트링 스택 제작 방법에 있어서, 상기 (a) 단계는 단결정의 반도체 기판에서 수행하여 상기 희생 반도체층과 상기 반도체층을 에피택셜 형태로 형성하거나, 상기 반도체 기판위에 제5 절연막을 형성한 후, 상기 형성된 제5 절연막위에 상기 희생 반도체층과 반도체층을 형성하는 것이 바람직하다.In the method of manufacturing a cell string stack according to the fifth aspect, the step (a) is performed on a single crystal semiconductor substrate to form the sacrificial semiconductor layer and the semiconductor layer in epitaxial form, or a fifth insulating film is formed on the semiconductor substrate. After the formation, it is preferable to form the sacrificial semiconductor layer and the semiconductor layer on the formed fifth insulating film.
제5 특징에 따른 셀 스트링 스택 제작 방법에 있어서, 상기 (a) 단계가 수행되기 전에 반도체 기판의 표면에 제6 절연막을 형성하고 메모리 어레이가 형성될 영역에 있는 상기 제6 절연막을 제거한 뒤, 드러난 반도체 기판을 선택적으로 식각하되 메모리 어레이 영역의 가장자리 부분에 ‘undercut’ 형태로 식각하여, 상기 (a) 단계의 공정에서 구현하여 상기 번갈아 형성된 희생 반도체층 및 반도체 층이 undercut 영역에서 표면이 정렬되도록 형성하는 것이 바람직하다. In the method of manufacturing a cell string stack according to the fifth aspect, before the step (a) is performed, a sixth insulating film is formed on the surface of the semiconductor substrate and the sixth insulating film in the region where the memory array is to be formed is removed. Selectively etching the semiconductor substrate, but etching the edge portion of the memory array region in an 'undercut' shape, and the alternating sacrificial semiconductor layer and the semiconductor layer are formed in the undercut region so that the surface is aligned in the undercut region. It is desirable to.
제5 특징에 따른 셀 스트링 스택 제작 방법에 있어서, 상기 (f) 단계의 소스 및 드레인 영역을 형성하는 단계는, 플라즈마 분위기 내에서 이온주입하는 것이 바람직하다.In the cell string stack manufacturing method according to the fifth aspect, the forming of the source and drain regions of the step (f) is preferably implanted in a plasma atmosphere.
본 발명에 따른 비휘발성 메모리 셀 스트링 및 제조 방법은, 낸드 비휘발성 메모리라는 특수성 하에서 적층형 셀 스트링 스택과 어레이를 구현함에 있어서, 제어전극이나 채널이 형성되는 바디를 공통으로 사용함으로써 효과적으로 평면도 상에서 하나의 셀이 점유하는 면적을 거의 2F2로 줄여 메모리 용량을 증가시킬 수 있는 장점을 갖고 있다. 이들 장점과 더불어 다음과 같은 추가의 장점이 있다.In the nonvolatile memory cell string and the manufacturing method according to the present invention, in implementing a stacked cell string stack and an array under the characteristic of NAND nonvolatile memory, it is possible to effectively use a common body on which a control electrode or a channel is formed. The advantage of increasing memory capacity is that the cell occupies nearly 2F 2 . In addition to these advantages, there are the following additional advantages.
첫째, 기존의 발표된 적층형 구조에 비해 제조 공정이 간단하고 공정 가격을 낮추거나 메모리 셀의 수율을 개선할 수 있다. 게이트 스택에 포함되는 블록킹 절연막, 전하저장노드, 터널링 절연막을 기존의 제조공정에서 발생하는 식각에 의한 손상으로부터 보호할 수 있어 성능을 개선하고 수율을 향상시킬 수 있다. First, the manufacturing process is simpler than the conventional published stacked structure, and the process cost can be lowered or the yield of memory cells can be improved. The blocking insulating film, the charge storage node, and the tunneling insulating film included in the gate stack can be protected from damage caused by etching generated in the conventional manufacturing process, thereby improving performance and improving yield.
둘째, 채널이 형성되는 반도체 영역이 단결정 반도체로 구성되어 다결정이나 비정질로 구성된 경우에 비해 특성이 우수하고 셀 산포 특성이 개선된다.Second, the semiconductor region in which the channel is formed is composed of a single crystal semiconductor, so that the characteristics are excellent and the cell scattering characteristics are improved as compared with the case of the polycrystalline or amorphous structure.
셋째, 적층된 다수의 반도체 영역의 측면에 제어전극이 감싸는 구조를 도입하여 프로그램/이레이져 전압을 낮출 수 있다.Third, a program / erase voltage can be lowered by introducing a structure in which control electrodes are wrapped around side surfaces of a plurality of stacked semiconductor regions.
넷째, 다수의 층으로 형성된 소자의 반도체 영역이 절연막들에 의해 전기적으로 격리되므로 누설 채널에 의한 문제를 줄일 수 있다.Fourth, since the semiconductor region of the device formed of the plurality of layers is electrically isolated by the insulating films, the problem caused by the leakage channel can be reduced.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 적층형 비휘발성 메모리 셀 소자, 셀 소자 스택, 셀 스트링, 셀 스트링 스택, 셀 스트링 스택 어레이의 구조에 대하여 구체적으로 설명한다. Hereinafter, a structure of a stacked nonvolatile memory cell device, a cell device stack, a cell string, a cell string stack, and a cell string stack array according to an exemplary embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
제1 실시예First embodiment
도 1의 (a)는 본 발명의 제1 실시예에 따른 적층형 비휘발성 메모리 셀 소자들로 구성되는 셀 스트링들을 포함하는 적층형 비휘발성 메모리 셀 스트링 스택 어레이를 도시한 3차원 사시도이며, (b)는 (a)의 상기 어레이에 대한 평면도를 보이고 있다. 본 도면 및 이하 도면에서는 본 발명의 구조를 분명하게 보이기 위해 적층형 비휘발성 메모리의 상부 일부를 절단하여 표시하였다. FIG. 1A is a three-dimensional perspective view illustrating a stacked nonvolatile memory cell string stack array including cell strings including stacked nonvolatile memory cell devices according to a first exemplary embodiment of the present invention. Shows a top view of the array of (a). In the drawings and the following drawings, a part of the upper portion of the stacked nonvolatile memory is cut out to clearly show the structure of the present invention.
도 1의 (a)를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 비휘발성 메모리 셀 스트링 스택이 y 방향으로 일렬로 배열되어 구성되어 있다. 참고로, 도 1의 (a)에서 하나의 셀 소자 스택에 적층되어 있는 셀 소자의 수는 8개이며, 이는 일례로 보 인 것이며 공정이 허용하는 범위에서 적층을 조절할 수 있다. 도 1의 (a)와 (b)에서 파선으로 표시한 영역은 하나의 셀 소자 스택에 대한 평면도 상의 면적을 나타내는 것으로 대략 2F2의 면적을 갖는다. 기존의 적층형 구조의 메모리 소자는 하나의 셀이 점유하는 면적이 6F2인 것과 비교할 때, 본 발명의 제1 실시예에 따른 구조는 기존의 집적도를 약 3배 개선할 수 있다. 여기서 F는 최소 구현가능한 패턴의 크기를 나타낸다. Referring to FIG. 1A, a nonvolatile memory cell string stack according to a first embodiment of the present invention is arranged in a line in the y direction. For reference, in FIG. 1A, the number of cell devices stacked in one cell device stack is eight, which is illustrated as an example, and stacking may be controlled within a range allowed by the process. A region indicated by broken lines in FIGS. 1A and 1B represents an area on a plan view of one cell device stack and has an area of approximately 2F 2 . Compared to the conventional stacked memory device having a single cell occupying 6F 2 , the structure according to the first embodiment of the present invention can improve the existing integration degree by about three times. Where F is the size of the minimum feasible pattern.
-플로팅 바디를 갖는 적층형 비휘발성 메모리 셀 소자 구조-Stacked Nonvolatile Memory Cell Device Structure with Floating Body
이하, 도 1의 (a)를 참조하여, 본 발명의 제1 실시예에 따른 적층형 비휘발성 메모리 셀 소자의 구조를 구체적으로 설명한다. 본 발명의 제1 실시예에 따른 플로팅 바디를 갖는 적층형 비휘발성 메모리 셀 소자는 제어전극(8), 상기 제어전극의 측면에 형성되는 게이트 스택(5, 6, 7을 포함하고 참조부호 14로 표기됨), 상기 게이트 스택의 측면에 형성된 제1 절연막(9), 상기 게이트 스택의 측면에 형성된 반도체 영역(11), 소스 및 드레인 영역(13)을 구비한다. 반도체 영역(11)과 제1 절연막(9)은 일면이 서로 접하며, 상기 게이트 스택의 한쪽 측면에 층으로 형성된다. Hereinafter, a structure of a stacked nonvolatile memory cell device according to a first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG. 1A. A stacked nonvolatile memory cell device having a floating body according to a first embodiment of the present invention includes a
상기 게이트 스택(14)은 제어 전극의 측면에 형성되며, 터널링 절연막(5), 전하저장노드(6) 및 블록킹 절연막(7)으로 구성되거나, 터널링 절연막과 전하저장노드로 구성되거나, 전하저장노드와 블록킹 절연막으로 구성될 수 있다. 상기 셀 소자의 전하저장노드(6)는 상기 셀 소자의 제어전극(8)과 겹치는 반도체 영역(11)의 측면 부분에만 형성되거나 각 셀 소자의 반도체 영역(11)의 측면 전체에 형성될 수 있다. 상기 터널링 절연막(5) 또는 블록킹 절연막(7)은 한층 또는 다층으로 구현될 수 있으며, 상기 터널링 절연막 또는 블록킹 절연막을 다층으로 구현되는 경우 서로 인접한 층은 서로 다른 유전상수나 밴드갭을 갖는 물질로 이루어질 수 있다. 상기 전하저장노드(6)는 도전성 박막, 전하저장을 위한 트랩을 가진 절연막, 나노 크기의 도트(dot) 중 어느 하나로 구성될 수 있으며, 내부에 나노 크기의 도트가 분산되어 형성된 절연막으로 구성될 수도 있다.The
상기 반도체 영역(11)은 상기 게이트 스택의 측면에 층으로 형성되며, 소스/드레인(13)과 소자의 바디를 포함한다. 즉, 상기 반도체 영역(11)에서 소스/드레인 영역(13)을 제외한 영역은 바디라 할 수 있고 상기 소스/드레인과 다른 불순물 유형으로 도우핑되어 있다. 셀 소자가 turn-on 되는 경우 상기 바디와 상기 제어전극(8)이 겹치는 영역에 채널이 형성된다. 본 발명의 구조에서는 상기 바디는 플로팅 상태가 된다. 다수의 층으로 형성된 셀 소자의 반도체 영역들은 절연막에 의해 전기적으로 격리되므로 누설 채널에 의한 문제를 줄일 수 있다. 일반적으로 낸드 플래시 메모리 셀 스트링에서 바디가 플로팅 되면 셀의 이레이져(erase) 동작에서 상기 전하저장노드(6)에 저장된 전하와 반대 유형의 전하를 채널 표면에 유기되도록 하는 것이 필요하다. 예를 들어 n 형 MOS 형태로 구성된 비휘발성 메모리 셀에서 저장된 전자를 전하저장노드(6)에서 제거하려면 채널의 표면에 정공(hole)을 유기시키는 것이 필요하다. 본 발명에 따른 구조에서는 바디가 플로팅되어 있기 때문 에, 이러한 정공은 상기 제어전극(8)의 채널길이 방향의 끝단과 겹치게 형성된 상기 소스/드레인(13) 영역에서 GIDL (Gate Induced Drain Leakage)에 의해 공급할 수 있고, 또는 셀 스트링의 양 끝단에 존재하는 스위칭 소자의 소스/드레인 영역에서 GIDL을 발생시켜 공급할 수 있다. The
도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이 상기 반도체 영역의 측면 중 상기 제어전극과 겹치는 반도체 영역의 폭을 제어전극과 겹치지 않는 반도체 영역의 폭보다 상대적으로 더 넓게 또는 더 좁게 형성할 수 있다. 도 6, 도 7 또는 도 8에 도시된 바와 같이 게이트 스택과 접하는 상기 반도체 영역의 측면은 다양한 모양을 가지도록 형성될 수 있으며, 특히 둥글게 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 도 10에 도시된 바와 같이, 상기 반도체 영역의 측면에 형성되는 상기 게이트 스택 및 상기 제어전극은 상기 반도체 영역의 측면을 일부 감싸도록 할 수 있다. As shown in FIGS. 6 and 7, the width of the semiconductor region overlapping the control electrode among the side surfaces of the semiconductor region may be formed to be relatively wider or narrower than the width of the semiconductor region not overlapping the control electrode. As illustrated in FIG. 6, 7, or 8, side surfaces of the semiconductor region contacting the gate stack may be formed to have various shapes, and particularly, may be formed in a round shape. In addition, as shown in FIG. 10, the gate stack and the control electrode formed on the side of the semiconductor region may partially cover the side of the semiconductor region.
상기 소스 및 드레인 영역(13)은 반도체 영역에 형성되며, 이때 소스 및 드레인 영역(13)의 일부가 제어 전극의 채널 길이방향의 양쪽 끝부분과 겹치도록 형성되거나, 소스 및 드레인 영역이 제어 전극과 겹치지 않도록 형성할 수 있다. The source and drain
본 발명의 적층형 비휘발성 메모리 셀 소자의 다른 실시 형태는 소스 및 드레인 영역을 구비하지 않고, 읽기 동작에서 패스(pass) 전압이 인가되는 제어전극으로부터 나오는 프린징(fringing) 전계에 의해 소스 및 드레인 영역이 형성될 곳에 반전층을 형성하여 정상적으로 동작시키는 것이다. 이와 같이, 셀 소자에서 소스 및 드레인 영역이 없는 경우, 셀 소자의 반도체 영역은 바디로만 구성되고, 상기 셀 소자들로 이루어지는 셀 스트링의 스위칭 소자의 반도체 영역은 소스 및 드 레인 영역, 그리고 상기 소스 및 드레인 영역을 제외한 바디로 구성된다. Another embodiment of the stacked nonvolatile memory cell device of the present invention does not include a source and a drain region, and the source and drain regions are formed by a fringing electric field coming from a control electrode to which a pass voltage is applied in a read operation. The inversion layer is formed where it is to be formed to operate normally. As such, when there are no source and drain regions in the cell element, the semiconductor region of the cell element is composed only of a body, and the semiconductor region of the switching element of the cell string including the cell elements is a source and drain region, and the source and drain regions. It is composed of a body except the drain region.
-셀 소자 스택 구조-Cell Device Stack Structure
이하, 본 발명의 제1 실시예에 따른 비휘발성 메모리 셀 소자 스택의 구조를 구체적으로 설명한다. 본 발명의 제1 실시예에 따른 비휘발성 메모리 셀 소자 스택은 반도체 기판(1)위에 전술한 적층형 비휘발성 메모리 셀 소자들이 적층형으로 배치되어 전체적으로 셀 소자들이 스택 구조를 갖는 것을 특징으로 한다. 전술한 특징을 갖는 상기 적층형 비휘발성 메모리 셀 소자 스택은, 반도체 기판(1), 상기 반도체 기판의 표면에 수직형 기둥 형태로 형성되는 제어전극(8), 상기 제어전극과 상기 반도체 기판의 사이에 형성되는 절연막(12), 상기 제어전극의 측면에 형성되는 게이트 스택(5, 6, 7), 상기 게이트 스택의 측면에 층으로 형성된 제1 절연막(9), 상기 게이트 스택의 측면에 층으로 형성된 반도체 영역(11), 소스 및 드레인 영역(13)을 구비한다. 반도체 영역(11)과 제1 절연막(9)은 상기 게이트 스택의 측면에 번갈아 가면서 층으로 형성된다. 전술한 구성을 갖는 적층형 비휘발성 메모리 셀 소자 스택은 수직 방향을 따라 형성된 반도체 영역의 층 수와 유사하게 셀 소자를 포함하게 되며, 각 셀 소자는 전술한 바와 같이 제어 전극, 게이트 스택, 제1 절연막 및 반도체 영역으로 이루어지게 된다. Hereinafter, the structure of the nonvolatile memory cell device stack according to the first embodiment of the present invention will be described in detail. The nonvolatile memory cell device stack according to the first embodiment of the present invention is characterized in that the above-described stacked nonvolatile memory cell devices are stacked on the
상기 제어 전극(8)은 반도체 기판의 표면에 수직형 기둥 형태로 형성되며, 제어 전극의 측면들 중 y 방향을 따라 형성된 제1 측면 및 이와 대향되는 제2 측면에는 제어 전극간 절연막(4)들이 형성되며, x 방향을 따라 형성된 제3 측면 및 이 와 대향되는 제4 측면에는 게이트 스택(14)이 형성된다. The
- 셀 스트링 구조 - Cell string structure
전술한 적층형 비휘발성 메모리 셀 소자들로 이루어지는 본 발명의 제1 실시예에 따른 비휘발성 메모리 셀 스트링은 일렬로 배열된 다수 개의 플로팅 바디를 갖는 적층형 비휘발성 메모리 셀 소자들 및 상기 연결된 셀 소자들의 끝단에 배치되어 해당 셀 스트링을 선택하기 위한 적어도 하나 이상의 스위칭 소자들(도 1에 도시되어 있지 않음)로 이루어진다. 각 셀 소자들과 스위칭 소자들의 제어 전극들은 인접한 셀 소자나 스위칭 소자의 제어 전극들과 제어전극간 절연막(4)에 의해 전기적으로 절연된다. The nonvolatile memory cell string according to the first exemplary embodiment of the present invention, which is composed of the above-described stacked nonvolatile memory cell elements, has a plurality of stacked nonvolatile memory cell elements having a plurality of floating bodies arranged in a row, and ends of the connected cell elements. And at least one switching element (not shown in FIG. 1) for selecting the cell string. The control electrodes of each cell element and the switching elements are electrically insulated by the insulating
상기 스위칭 소자는 셀 스택의 셀 소자와 동일한 구성요소로 이루어질 수 있으며, 스위칭 소자는 셀 소자의 구성요소인 게이트 스택을 대신하여 한층 또는 다층의 절연막으로 구성되는 게이트 절연막이 구현될 수 있으며, 상기 게이트 절연막이 다층으로 구현되는 경우 서로 인접한 층은 서로 다른 밴드갭을 갖는 물질로 구성될 수 있다. The switching element may be formed of the same component as the cell element of the cell stack, and the switching element may be implemented with a gate insulating layer composed of one or multiple insulating layers instead of the gate stack that is a component of the cell element. When the insulating layer is implemented in multiple layers, the layers adjacent to each other may be formed of materials having different band gaps.
상기 셀 소자가 다수개로 일렬로 배치되어 셀 스트링을 구성하는데 있어서, 각 셀 소자의 제1 절연막(9)은 인접한 셀 소자의 제1 절연막과 수평으로 서로 연결되고, 상기 반도체 영역(11)은 다른 층에서 인접한 셀 소자의 그것과 수평으로 서로 연결되며, 상기 수직으로 형성된 제어전극(8)은 제어전극간 절연막(4)에 의해 서로 전기적으로 격리되어 형성된다. A plurality of cell elements are arranged in a row to form a cell string. The first insulating
전술한 바와 같이, 일렬로 배열된 다수개의 비휘발성 메모리 셀 소자와 스위칭 소자로 이루어지는 비휘발성 메모리 셀 스트링을 3차원으로 적층하여 본 발명에 따른 비휘발성 메모리 셀 스트링 스택을 구현할 수 있다. As described above, the nonvolatile memory cell string stack according to the present invention may be implemented by stacking a nonvolatile memory cell string including a plurality of nonvolatile memory cell elements and switching elements arranged in a row in three dimensions.
- 셀 스트링 스택 구조 - Cell String Stack Structure
전술한 구성을 갖는 본 발명의 제1 실시예에 따른 비휘발성 메모리 셀 소자 스택들이 도 1의 y축 방향을 따라 일렬로 나열되거나, 전술한 셀 스트링들이 적층됨으로써, 본 발명에 따른 비휘발성 메모리 셀 스트링 스택을 형성한다. 본 발명에 따른 비휘발성 메모리 셀 스트링 스택은 반도체 기판(1) 위에 다수 개의 셀 스트링이 순차적으로 적층되어 있으며, 각 셀 스트링은 일렬로 배열된 다수 개의 비휘발성 메모리 셀 소자들 및 상기 연결된 셀 소자들의 끝단에 배치되어 해당 셀 스트링을 선택하기 위한 적어도 하나 이상의 스위칭 소자들(도 1에 도시되어 있지 않음)로 이루어진다. 따라서, 본 발명의 제1 실시예에 따른 비휘발성 메모리 셀 스트링을 구성하는 셀 소자들 및 스위칭 소자들은 모두 스택 구조로 형성된다. 각 셀 소자들과 스위칭 소자들의 제어 전극들은 인접한 셀 소자나 스위칭 소자의 제어 전극들과 제어전극간 절연막(4)에 의해 전기적으로 절연된다. Non-volatile memory cell stacks according to the first embodiment of the present invention having the above-described configuration is arranged in a line along the y-axis direction of FIG. Form a string stack. In the non-volatile memory cell string stack according to the present invention, a plurality of cell strings are sequentially stacked on the
상기 셀 스트링 스택의 각 셀 스트링에 있는 반도체 영역(11)은 상부 전극이나 기판 전극에 연결되지 않음으로써 플로팅 바디로서 동작하게 된다. 스택으로 형성된 셀 스트링들의 사이가 절연막으로 격리되어 기생채널이 발생되지 않게 된다. 다만 지우기 동작에서 상기 제어전극(8)의 채널길이 방향의 끝단과 겹치게 형성된 상기 소스/드레인 영역에서 GIDL을 발생시켜 지우기 동작을 수행할 수 있다. 자세한 설명은 상기 셀 소자 구조에서 주어진다. The
전술한 바와 같이, 일렬로 배열된 다수개의 비휘발성 메모리 셀 소자와 스위칭 소자로 이루어지는 비휘발성 메모리 셀 스트링을 3차원으로 적층하여 본 발명에 따른 비휘발성 메모리 셀 스트링 스택을 구현할 수 있다. As described above, the nonvolatile memory cell string stack according to the present invention may be implemented by stacking a nonvolatile memory cell string including a plurality of nonvolatile memory cell elements and switching elements arranged in a row in three dimensions.
- 셀 어레이 구조 - Cell Array Structure
도 1의 (b)는 본 발명의 제1 실시예에 따른 비휘발성 메모리 셀 스트링 스택 어레이의 일부를 도시한 평면도이다. 도 1의 (b)에서 일점 쇄선으로 표시된 영역은 도 1의 (a)에 3차원 사시도로 표시되어 있다. 도 1의 (b)에서 회색으로 상하로 표시된 영역은 나중에 형성될 워드라인(15)을 나타내는 것으로, 셀 스트링 방향(y 방향)과 교차하는 방향으로 배열된 제어전극(8) 위로 지나가면서 필요에 따라 아래에 있는 제어전극(8)에 전기적 접촉을 할 수 있다. 이하 도면에서 표시된 상기 워드라인(15)은 상기 언급한 것과 같이 설명된다.FIG. 1B is a plan view illustrating a portion of a nonvolatile memory cell string stack array according to a first embodiment of the present invention. The area indicated by the dashed-dotted line in FIG. 1B is shown in FIG. 1A as a three-dimensional perspective view. In FIG. 1 (b), the regions shown in gray above and below represent the word lines 15 to be formed later, passing over the
본 발명의 제1 실시예에 따른 비휘발성 메모리 셀 스트링 스택 어레이는 다수 개의 셀 스트링 스택이 나란히 배열되어 있으며, 각 셀 스트링 스택은 반도체 기판위에 다수 개의 셀 스트링이 적층되어 있으며, 각 셀 스트링은 전술한 비휘발성 셀 소자들이 일렬로 연결되어 배치되고 셀 소자들의 끝단에 스위칭 소자들을 구비하는 것을 특징으로 한다. In the nonvolatile memory cell string stack array according to the first embodiment of the present invention, a plurality of cell string stacks are arranged side by side, and each cell string stack has a plurality of cell strings stacked on a semiconductor substrate. Non-volatile cell devices are arranged in series and have switching elements at the ends of the cell devices.
상기 셀 스트링 스택 어레이는 서로 인접한 셀 스트링 스택의 반도체 영역의 양쪽 측면의 일부에 게이트 스택과 제어전극을 배치하여, 반도체 영역을 인접한 셀 스트링 스택들이 바디로서 공유할 수 있도록 한다. 상기 셀 스트링 스택 어레이는 상기 제어전극의 서로 대향되는 양측 면에 게이트 스택과 반도체 영역을 형성하여 서로 인접한 셀 스트링 스택들이 제어전극을 공유할 수 있도록 한다. The cell string stack array arranges the gate stack and the control electrode on portions of both sides of the semiconductor region of the cell string stack adjacent to each other, so that the semiconductor region can be shared by the adjacent cell string stacks as a body. The cell string stack array forms a gate stack and a semiconductor region on opposite sides of the control electrode so that adjacent cell string stacks share the control electrode.
도 1에서와 같이, 서로 인접한 셀 스트링 스택들이 반도체 영역(11)을 공통으로 사용하는 경우, 소스 및 드레인 영역은 상기 반도체 영역(11)의 양 측면에 모두 형성되어 서로 닿을 수 있다. 예를 들어 도 1의 (a)에서 파선으로 표시된 셀의 상태를 파악하기 위해 제어전극(8)에 0 V를 인가하고 전류를 읽을 때, 상기 반도체 영역(11)을 사이에 두고 대향되는 측면에 있는 제어전극(8)들에는 이레이져 상태의 문턱전압보다 낮은 전압을 걸어 셀 소자를 모두 오프(off) 시켜 상기 반도체 영역을 공유해도 문제가 없도록 할 수 있다.As shown in FIG. 1, when adjacent cell string stacks commonly use the
일렬로 배열된 다수개의 비휘발성 메모리 셀 소자와 스위칭 소자로 이루어지는 비휘발성 메모리 셀 스트링을 3차원으로 적층하여 셀 스트링 스택을 형성하고 상기 스택을 어레이로 배열하여 셀 스트링 스택 어레이를 형성할 수 있다. 상기 셀 스트링 스택을 셀 스트링 스택 어레이로 배열할 때, 상기 셀 스트링이 길게 형성된 방향과 교차하는 방향으로 상기 제어전극과 상기 반도체 영역이 번갈아 배치되되 각각이 공유되도록 배치할 수 있다. 본 발명의 구조를 보이는 도 1에서 상기와 같은 어레이를 보이고 있다.A nonvolatile memory cell string including a plurality of nonvolatile memory cell elements and switching elements arranged in a row may be stacked in three dimensions to form a cell string stack, and the stack may be arranged in an array to form a cell string stack array. When the cell string stacks are arranged in a cell string stack array, the control electrodes and the semiconductor regions may be alternately disposed in a direction crossing the direction in which the cell strings are elongated, and may be arranged to be shared. In FIG. 1 showing the structure of the present invention, such an array is shown.
제2 실시예Second embodiment
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 비휘발성 메모리 셀 스트링 스택 어레이를 도시한 사시도 및 평면도이다. 도 2를 참조하면, 제2 실시예에 따른 셀 스트링 스택 어레이는 제1 실시예의 그것과 일부 유사하나, 인접한 셀 스트링 스택의 반도체 영역들의 사이에 제3 절연막(16)을 추가로 구비하여, 인접한 셀 스트링 스택들이 제어전극(8)만을 공유하고 반도체 영역(11)은 공유하지 않는 것을 특징으로 한다. 상기 셀 스트링 스택을 셀 스트링 스택 어레이로 배열하는 데 있어, 상기 셀 스트링이 길게 형성된 방향과 교차하는 방향으로 상기 제어전극(8)과 상기 반도체 영역(11)이 번갈아 배치되되 상기 제어전극(8)은 공유되는 형태로 그리고 반도체 영역(11)은 공유되지 않게 인접한 반도체 영역(11)과의 사이에 제3 절연막(16)이 추가로 배치된다.2 is a perspective view and a plan view illustrating a nonvolatile memory cell string stack array according to a second embodiment of the present invention. Referring to FIG. 2, the cell string stack array according to the second embodiment is partially similar to that of the first embodiment, but additionally includes a third insulating
따라서, 제1 실시예에서는 서로 인접한 셀 스트링 스택이 제어전극(8)과 반도체 영역(11)을 모두 공유하기 때문에 하나의 셀이 점유하는 면적이 2F2이지만, 제2 실시예에서는 서로 인접한 셀 스트링 스택이 제어 전극만을 공유하므로 하나의 셀이 점유하는 면적이 4F2이므로, 제1 실시예에 비해 2배 늘어난다. 또한, 제1 실시예의 구조와는 달리, 수평으로 형성된 반도체 영역(11)의 한쪽 측면에만 셀 소자들이 형성되어 셀 소자 스택, 셀 스트링, 셀 스트링 스택, 셀 스트링 스택 어레이를 구현하고 있다. Therefore, in the first embodiment, since the cell string stacks adjacent to each other share both the
그 외의 나머지 구성 요소들은 제1 실시예의 그것들과 동일하므로, 중복되는 설명은 생략한다. The remaining components are the same as those in the first embodiment, and thus redundant descriptions are omitted.
제3 실시예Third embodiment
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 비휘발성 메모리 셀 스트링 스택 어레이의 구조를 도시한 사시도 및 평면도이다. 도 3을 참조하면, 제3 실시예에 따른 셀 스트링 스택 어레이는 서로 인접한 셀 스트링 스택이 반도체 영역(11)만을 공유하고 제어 전극(8)은 공유하지 않은 것을 특징으로 한다. 따라서, 제3 실시에에 따른 셀 스트링 스택 어레이는 서로 인접한 셀 스트링 스택이 반도체 영역만을 공유하고 제어 전극은 공유하지 않도록 인접한 제어전극(8)들의 사이에 제3 절연막(16)을 추가로 구비한다. 상기 셀 스트링 스택을 셀 스트링 스택 어레이로 배열하는 데 있어, 상기 셀 스트링이 길게 형성된 방향과 교차하는 방향으로 상기 제어전극(8)과 상기 반도체 영역(11)이 번갈아 배치되되 상기 반도체 영역(11)은 공유되는 형태로 그리고 상기 제어전극(8)은 공유되지 않게 인접한 제어전극과(8)의 사이에 제3 절연막(16)이 배치된다. 3 is a perspective view and a plan view illustrating a structure of a nonvolatile memory cell string stack array according to a third embodiment of the present invention. Referring to FIG. 3, the cell string stack array according to the third embodiment is characterized in that cell string stacks adjacent to each other share only the
제1 실시예에 따른 어레이 구조는 상기 제어전극(8)과 반도체 영역(11)을 모두 공유하기 때문에 하나의 셀이 점유하는 면적이 2F2이지만 제3 실시예에 따른 어레이 구조는 하나의 셀이 점유하는 면적이 4F2로 2배 늘어난다. 또한, 제1 실시예에 따른 어레이 구조에 비해, 제3 실시예의 셀 소자는 수직으로 형성된 제어전극(8)의 한쪽 측면에만 셀 소자들이 형성되어 셀 소자 스택, 셀 스트링, 셀 스트링 스택, 셀 스트링 스택 어레이를 구현하고 있다. 나머지 모든 구성요소의 특징은 제1 실시 예의 그것들과 동일하다. Since the array structure according to the first embodiment shares both the
도 4는 제3 실시예에 따른 비휘발성 메모리 셀 스트링 스택 어레이에 대한 변형예를 도시한 평면도이다. 도 4를 참조하면, 셀 스트링 스택 어레이는 제3 실시예와 거의 유사하나, 상기 제어전극(8)과 제3 절연막(16) 사이에 게이트 스택이 형성되지 않는다는 점에서 제3 실시예의 구조와 다르다. 4 is a plan view illustrating a modification to the nonvolatile memory cell string stack array according to the third embodiment. Referring to FIG. 4, the cell string stack array is similar to the third embodiment, but differs from the structure of the third embodiment in that a gate stack is not formed between the
도 5는 본 발명에 따른 비휘발성 메모리 셀 소자 스택, 셀 스트링 스택 및 스트링 스택 어레이의 다른 실시 형태들을 도시한 사시도들이다. 도 5의 (a)를 참조하면, 상기 반도체 기판(1) 위에 제5 절연막(25)이 형성되고, 제5 절연막(25)위에 제1 실시예에 따른 스택 구조가 형성되어 있다. 즉, 전술한 제1 실시예 내지 제3 실시예에 따른 구조에서 반도체 기판위에 제5 절연막(25)을 추가로 더 구비하는 것을 특징으로 한다. 5 is a perspective view illustrating other embodiments of a nonvolatile memory cell device stack, a cell string stack, and a string stack array according to the present invention. Referring to FIG. 5A, a fifth insulating
도 5의 (b)를 참조하면, 상기 전하저장노드(6)를 각 셀 소자의 제어전극(8)과 반도체 영역(11)이 겹치는 영역에만 국한하여 형성한 구조를 보이고 있다. 나머지 모든 구조적 특징은 제1 실시예의 구조와 동일하다.Referring to FIG. 5B, the
도 6은 본 발명의 구조를 약간 변형한 구조를 보이고 있다. 기본적으로 도 1에서 보인 것과 같이 상기 제어전극(8)과 반도체 영역(11)이 모두 공유되는 형태로 셀 스트링 스택이 어레이 형태로 배치되어 있다. 따라서 하나의 셀 소자가 점유하는 면적은 2F2이다. 도 1에 보인 구조와의 차이점은 반도체 영역(11)의 폭이 셀 스트링 방향 (또는 채널 길이 방향 또는 y 축 방향)을 따라 다르게 형성되어 있다는 것이다. 도 6에서는 상기 반도체 영역(11)의 폭이 넓은 곳의 양 측면에 상기 제어전극(8)과 겹치게 하여 채널이 형성될 수 있도록 하였다. 도 7은 도 6에서와 같이 채널길이 방향을 따라 그 폭을 달리하는 반도체 영역(11)을 보이고 있다. 모든 것은 도 6에서와 동일하나 셀 소자의 채널영역이 폭이 좁은 반도체 영역(11) 영역의 양 측면에 형성되어 있다는 것이 다르다. 6 shows a slightly modified structure of the present invention. Basically, as shown in FIG. 1, the cell string stacks are arranged in an array so that both the
도 8은 도 6에서 보인 것과 같이 채널길이 방향으로 반도체 영역(11)의 폭을 변화시킨 구조를 보이고 있다. 다만 차이점은 채널길이 방향으로 상기 반도체 영역(11)의 폭이 선형적으로 부드럽게 바뀌도록 한 것이다. 폭이 넓은 바디의 양 측면에 형성된 제어전극(8)은 구조적 효과에 의해 채널을 용이하게 제어할 수 있는 특징이 있다. FIG. 8 illustrates a structure in which the width of the
도 9는 본 발명에서 채널이 형성되는 반도체 영역(11)의 모양을 채널 길이 방향에 따라 일부를 도시한 것이다. 물론 다양한 모양이 가능할 수 있으나 대표적으로 3 가지만 도시하였다. 도 9의 (b)와 (c)에서는 도 6, 7, 8에서 언급한 것과 같이 채널길이 방향으로 바디 폭이 다른 경우의 일례를 보이고 있다. FIG. 9 illustrates a portion of the
도 10은 본 발명의 셀 스트링 스택의 어레이에 대한 단면의 일부를 보이고 있다. 도 1에서 x 방향으로 배열된 제어전극(8)을 따라 자른 단면이다. 도 10의 (a)에서 반도체 영역(11)의 양 측면 가장자리 모양은 각이 지게 형성되어 있고, 도 10의 (b)에서는 둥글게 형성되어 있다. 셀 소자의 내구성을 향상시키기 위해서는 상기 반도체 영역(11)의 가장자리 모양을 둥글게 형성하는 것이 바람직하다. 특히 도 10의 (a)와 (b)을 보면 상기 게이트 스택(14) 및 제어전극(8)이 상기 반도체 영 역의 측면 가장자리의 일부를 감싸고 있다. 이러한 구조는 제어전극(8)으로부터 전계를 집중시킬 수 있어, 프로그램이나 이레이져를 위한 동작전압을 크게 낮출 수 있는 특징이 있다. 도 10의 (c)는 도 10의 (a)와 (b)와는 달리 반도체 영역의 측면 가장자리를 상기 게이트 스택(14)이나 제어전극(8)이 감싸지 않은 구조를 참고로 보이고 있다.Figure 10 shows a portion of a cross section for an array of cell string stacks of the present invention. 1 is a cross-sectional view taken along the
도 11은 반도체 영역(11)이 6층으로 형성되어 있는 셀 스트링 스택 어레이의 가장자리를 도시한 평면도 및 수직방향의 단면도이다. 특히, 도 11은 상기 어레이 구조의 가장자리에서 층으로 형성된 반도체 영역(11)에 어떻게 전기적인 접촉을 위한 접촉창을 형성할 수 있는지를 보이고 있다. 먼저 도 11의 (a)를 보면 상기 셀 스트링 스택 어레이 부분에는 상기 반도체 영역(11)의 폭이 채널길이 방향에 따라 다르게 형성되어 있음을 알 수 있다. 또한 상기 제어전극(8)은 상기 반도체 영역(11)의 폭이 좁은 영역의 양쪽 측면에 형성되어 있음을 할 수 있다. 도 11의 (a)의 왼쪽 영역에 파선으로 표시된 사각형 영역은 향후 형성될 제1 접촉창을 표시한 것이다. 이들 접촉창에 셀 스트링의 양 끝에 연결되는 비트라인이나 그라운드에 연결되는 금속이나 반도체 배선이 형성될 수 있다. 도 11에서는 일례로 6층의 반도체 영역(11)이 형성되어 있어, 6층의 셀 스트링이 적층되어 셀 스트링 스택을 형성하고 있다. 따라서, 도 11의 (a)에서 왼쪽 영역을 보면 각 셀 스트링 스택에 6 개의 제1 접촉창(17)이 형성되어 있다. 임의의 한 층을 고정해서 살펴보면, 반도체 영역의 양쪽 측면에 서로 대향되게 다수의 셀 소자가 채널길이 방향으로 배치되어 있다. 즉, 셀 스트링 방향 또는 채널길이 방향으로 길게 형성된 반도체 영역(11)에서 는 2개의 셀 스트링이 형성되어 있고 이들은 셀 스트링의 가장자리에 형성되는 제1 접촉창(17)을 공유하고 있다. 이러한 공유를 통해 본 발명의 구조는 집적도를 개선하고 있다. 도 11의 (a)에서 각 셀 스트링에는 일례로 3개의 셀 소자가 보이는데, 가장 왼쪽에 위치하는 셀 소자는 상기 스위칭 소자로 활용될 수 있다. 도 11의 (b)는 도 11의 (a)에서 X-X'을 따라 자른 단면을 보이고 있다. 반도체 영역(11)과 제1 절연막(9)이 번갈아 가면서 층으로 형성되어 있다. 본 발명에 따라 전술한 구조를 갖는 적층형 비휘발성 메모리 셀 소자들로 이루어지는 셀 스트링은 셀 소자의 바디를 플로팅시켜 동작된다. FIG. 11 is a plan view and a vertical cross-sectional view showing an edge of a cell string stack array in which six
셀 소자의 소스/드레인 또는 셀 스트링의 끝단에 형성되는 스위칭 소자의 소스/드레인은 상기 반도체 영역(11)의 측면에 형성된다. 상기 반도체 영역(11)에서 상기 소스/드레인 영역을 제외한 영역은 '바디(body)'라 불리우는데, 상기 소스/드레인과 다른 유형의 불순불로 도우핑된다. 상기 반도체 영역(11)은 전체적으로 "┗━┛" 또는 "━━" 형태로 형성되고, 양측의 "┗ " 모양의 상부의 가장자리 또는 "━" 모양의 양쪽 가장자리 영역에 소스/드레인과 같은 유형의 불순물 영역을 추가로 형성하고 상기 제1 접촉창(17)을 통해 전극을 형성하면 상기 반도체 영역(11)에 형성된 상기 바디는 플로팅된다. 상기 "━━" 모양의 반도체 영역(11)은 제일 상부에 형성된 반도체 영역(11)에서 형성될 수 있다. The source / drain of the switching element formed at the end of the cell string or the source / drain of the cell element is formed at the side of the
한편, 전술한 구조를 갖는 적층형 비휘발성 메모리 셀 소자들로 이루어지는 셀 스트링에 있어서, 셀 소자의 바디들을 플로팅시키지 않고 연결할 수 있는 기술적 방안은 다음과 같다. 적층형 비휘발성 메모리 셀 소자들로 이루어지는 셀 스트 링에서, 전체적으로 "┗━┛" 또는 "━━" 형태로 형성되는 반도체 영역(11)의 양측 중 하나의 "┗ " 모양의 상부의 가장자리 또는 "━" 모양의 양쪽 가장자리 중 한쪽 가장자리에 소스/드레인과 같은 유형의 불순물 영역을 추가로 형성하지 않고 제1 접촉창을 통해 전극을 형성함으로써, 바디는 플로팅되지 않게 된다.On the other hand, in the cell string consisting of stacked nonvolatile memory cell elements having the above-described structure, a technical scheme that can be connected without floating the body of the cell element is as follows. In a cell string consisting of stacked non-volatile memory cell elements, an edge or an upper edge of a "┗" shape on either side of the
도 11의 (b)에서 상기 셀 스트링 스택은 상기 다층으로 형성된 반도체 영역(10)들의 가장자리 모양을 "┗" 또는 "━" 형태의 구조로 형성하고, 상기 "┗" 형태의 구조의 상부 표면 또는 "━" 형태의 양쪽 가장자리 영역에 제1 접촉창을 형성하고, 상기 제1 접촉창이 금속 또는 반도체 배선과 연결되도록 할 수 있다. In FIG. 11B, the cell string stack forms an edge shape of the
도 12는 본 발명의 메모리 구조가 MOS 소자와 같이 기판에 집적될 수 있음을 보이기 위해 준비한 도면이다. 또한 도 11에서 설명한 제1 접촉창(17)에 대한 구조를 분명하게 보이고 있다. 본 발명의 메모리 구조에서 셀 소자의 소스/드레인의 도우핑과 같은 유형의 불순물을 상기 제1 접촉창(17)에 주입하여 메모리 동작을 확실하게 할 수 있다. 도 1에의 설명에서 언급한 것과 같이, 상기 층으로 형성된 반도체 영역의 측면 중 상기 게이트 스택을 사이에 두고 상기 제어전극과 겹치게 형성되지 않은 반도체 영역에 소스/드레인을 형성할 수 있다. 상기 셀 스트링 또는 상기 셀 스트링 스택 또는 상기 셀 스트링 스택 어레이는 메모리 구동 등을 위한 주변회로를 필요로 하고, 이 주변회로를 구성하기 위한 MOS 소자와 동일한 기판에 집적될 수 있다. 도 12의 왼쪽에 일례로 MOS 소자가 도시되어 있다. 상기 MOS 소자는 게이트 전극(22), 게이트 절연막(21), 소스/드레인(19, 20), 격리 절연막(23)을 구비하고 상기 반도체 기판(1)에 형성되어 있다. 상기 MOS 소자의 소스/드레인(19, 20)은 상기 메모리 셀 소자에서의 소스/드레인과 구별된다. 상기 MOS 소자를 위한 접촉창은 제2 접촉창(18)으로 표시되어 있고, 상기 제1 접촉창(17)과 다른 공정으로 구현될 수 있다. 12 is a diagram prepared to show that the memory structure of the present invention can be integrated in a substrate like a MOS device. Also, the structure of the
도 13은 도 12의 구조와 동일하나 비휘발성 메모리 어레이가 형성되는 영역에 제1 웰(well, 2)과 제2 웰(3)이 추가로 구비되어 있다. 상기 셀 스트링 스택 어레이의 동작을 원활하게 하기 위해 상기 반도체 기판의 도우핑 유형과 다른 하나의 제1 웰(well)을 구비하거나 상기 제1 웰과 도우핑 유형이 다른 제2 웰을 추가로 구비할 수 있다. 나머지 구성요소는 도 12에서와 같다.FIG. 13 is the same as the structure of FIG. 12, but additionally includes a
이하, 도 14를 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 적층형 메모리 셀 스트링 스택 어레이를 제조하기 위한 공정단계를 설명한다. 도 14는 본 발명에 따른 적층형 비휘발성 메모리 제조에 관한 주요 공정단계를 보이고 있다. 제조 공정을 분명하게 보이기 위해 스택 어레이 구조의 상부를 자른 구조를 보이고 그에 따른 설명을 한다.Hereinafter, a process step of manufacturing a stacked memory cell string stack array according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 14. 14 shows the main process steps involved in fabricating a stacked nonvolatile memory according to the present invention. In order to clearly show the manufacturing process, the structure of the top of the stack array structure is cut and described accordingly.
먼저, 도 14의 (a)를 참조하면, 반도체 기판(1)에 희생 반도체층과 반도체층을 번갈아 형성하며, 상기 반도체층과 상기 희생 반도체층은 식각률이 다른 물질로 이루어진다. 또한 상기 희생 반도체 영역이 상기 반도체층보다 같은 조건에서 빨리 산화될 수 있다. 예를 들어 상기 반도체층은 실리콘으로 하고 상기 희생 반도체층은 SiGe으로 하여 습식산화(wet oxidation)를 수행하면 SiGe이 훨씬 빨리 산화가 된다.First, referring to FIG. 14A, the sacrificial semiconductor layer and the semiconductor layer are alternately formed on the
한편, 상기 (a) 단계는 단결정의 반도체 기판(1)에서 수행하여 상기 희생 반 도체층과 상기 반도체층을 에피택셜 형태로 형성하거나, 상기 반도체 기판(1) 위에 제5 절연막을 형성한 후, 상기 형성된 절연막 위에 상기 제1 반도체층과 제2 반도체층을 형성할 수 있다. 상기 (a) 단계가 수행되기 전에 반도체 기판에 제6 절연막을 형성하고 메모리 어레이가 형성될 영역에 있는 상기 제6 절연막을 제거한 뒤, 드러난 반도체 기판(1)을 선택적으로 식각하되 메모리 어레이 영역의 가장자리 부분에 ‘undercut’ 형태로 식각하여, 상기 (a) 단계의 공정에서 구현하여 상기 번갈아 형성된 희생 반도체층과 반도체층이 undercut 영역에서 표면이 정렬되도록 형성할 수 있다. On the other hand, step (a) is performed on the single
다음, 도 14의 (b)를 참조하면, 상기 (a)단계의 결과물의 표면으로부터 상기 반도체 기판(1)의 표면까지 식각하여 트랜치를 형성한다.Next, referring to FIG. 14B, a trench is formed by etching from the surface of the resultant product of step (a) to the surface of the
다음, 도 14의 (c)를 참조하면, 상기 트랜치 형성 단계를 통해 드러난 상기 희생 반도체층 및 반도체층의 측면을 식각하되 식각률 차이를 이용하여 상기 희생 반도체층의 측면을 더 많이 식각한다. Next, referring to FIG. 14C, the side surfaces of the sacrificial semiconductor layer and the semiconductor layer exposed through the trench forming step are etched, but the side surfaces of the sacrificial semiconductor layer are more etched using an etch rate difference.
다음, 도 14의 (d)를 참조하면, 상기 식각된 희생 반도체층을 산화시켜 절연막으로 형성하고 그 측면에 절연막을 채워 넣어 제1 절연막을 완성한다. 한편, 다른 방법으로는 희생 반도체층을 완전히 식각시키고, 완전히 식각된 영역에 제1 절연막을 채워 완성할 수도 있을 것이다. 다음, 상기 트랜치 영역에 게이트 스택(14)을 형성한다.Next, referring to FIG. 14D, the etched sacrificial semiconductor layer is oxidized to form an insulating film, and an insulating film is filled in the side surface to complete the first insulating film. Alternatively, the sacrificial semiconductor layer may be completely etched, and the first insulating layer may be filled in the completely etched region to be completed. Next, a
다음, 도 14의 (e)를 참조하면, 상기 게이트 스택(14)의 표면에 제어전극(8)을 형성하고, 포토리쏘그라피 작업을 통해 불필요한 제어전극(8)을 식각하고 드러 난 게이트 스택(14)을 제거한다.Next, referring to FIG. 14E, a
다음, 도 14의 (f)를 참조하면, 상기 드러난 반도체층의 측면에 제1 소스/드레인 영역(13)을 형성하고, 불필요한 제어전극(8) 및 게이트 스택(14)이 제거된 공간에 제어전극간 절연막(4)을 채운다. 상기 (f) 단계의 소스 및 드레인 영역을 형성하는 단계는, 플라즈마 분위기 내에서 이온주입하여 구현할 수 있다.Next, referring to FIG. 14F, a first source /
상기 (f) 단계 후에, 절연막을 형성하고 접촉창(contact hole)이 필요한 곳에 접촉창을 형성하고 배선을 위한 금속층을 순차적으로 형성할 수 있다. After step (f), an insulating film may be formed, a contact window may be formed where a contact hole is needed, and a metal layer for wiring may be sequentially formed.
도 15는 도 14의 (a)에서 설명한 것과 같이 상기 희생 반도체층 및 상기 반도체층을 성장하는 에피택셜 공정 및 그 이전에 수행하는 공정단계를 보인다. 먼저, 도 15의 (a)를 참조하면, 반도체 기판(1)에 제6 절연막(26)을 형성하고 패터닝 한 후, 상기 패터닝된 제6 절연막(26)을 마스크로 하여 드러난 상기 반도체 기판(1)을 선택적으로 식각한다. 이때 반도체 기판을 등방성 식각하는 경우, 수직 방향뿐만 아니라 수평방향으로도 식각이 이루어져 도 15의 (a)에서 보인 것과 같은 "undercut"이 형성된다. 여기서 에피층의 품질을 개선하기 위해 표면처리를 하고, 도 14의 (a)에 도시된 것과 같이 상기 희생 반도체층 및 반도체층을 교대로 성장하여, 도 14의 (a)와 같은 형상을 구현하게 된다. FIG. 15 illustrates an epitaxial process for growing the sacrificial semiconductor layer and the semiconductor layer and a process step performed before the same as described with reference to FIG. 14A. First, referring to FIG. 15A, after forming and patterning a sixth insulating
도 16은 도 15에서 언급한 반도체 기판(1)의 선택적 식각 공정에서 구현될 수 있는 상기 undercut의 대표적인 구조들을 도시한 단면도들이다. FIG. 16 is a cross-sectional view illustrating exemplary structures of the undercut that may be implemented in the selective etching process of the
이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나, 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 그리고, 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다. Although the present invention has been described above with reference to preferred embodiments thereof, this is merely an example and is not intended to limit the present invention, and those skilled in the art do not depart from the essential characteristics of the present invention. It will be appreciated that various modifications and applications which are not illustrated above in the scope are possible. And differences relating to such modifications and applications should be construed as being included in the scope of the invention as defined in the appended claims.
본 발명에 따른 기술은 고집적 적층형 NAND 비휘발성 메모리 분야에 널리 사용될 수 있다. The technique according to the present invention can be widely used in the field of highly integrated stacked NAND nonvolatile memory.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 적층형 비휘발성 메모리 셀 소자를 이용한 셀 스트링 스택 어레이의 일부를 도시한 도면으로서, (a)는 3차원 사시도이며, (b)는 (a)의 구조에 대한 평면도이다. 1 is a view showing a part of a cell string stack array using stacked nonvolatile memory cell devices according to a first embodiment of the present invention, where (a) is a three-dimensional perspective view and (b) is a structure of (a) This is a plan view of the.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 적층형 비휘발성 메모리 셀 소자를 이용한 셀 스트링 스택 어레이의 일부를 도시한 도면으로서, (a)는 3차원 사시도이며, (b)는 (a)의 구조에 대한 평면도이다. FIG. 2 is a view showing a part of a cell string stack array using stacked nonvolatile memory cell devices according to a second embodiment of the present invention, where (a) is a three-dimensional perspective view and (b) is a structure of (a) This is a plan view of the.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 적층형 비휘발성 메모리 셀 소자를 이용한 셀 스트링 스택 어레이의 일부를 도시한 도면으로서, (a)는 3차원 사시도이며, (b)는 (a)의 구조에 대한 평면도이다. 3 is a view showing a part of a cell string stack array using stacked nonvolatile memory cell devices according to a third embodiment of the present invention, where (a) is a three-dimensional perspective view and (b) is a structure of (a) This is a plan view of the.
도 4는 본 발명의 적층형 비휘발성 메모리를 위한 변형된 셀 스트링 스택 어레이에 대한 평면도이다. 4 is a plan view of a modified cell string stack array for the stacked nonvolatile memory of the present invention.
도 5는 본 발명의 적층형 비휘발성 메모리를 위한 변형된 셀 스트링 스택 어레이의 일부를 도시한 3차원 사시도이며, 도 (a)는 제5 절연막 위에 본 발명의 구조를 구현한 것이고, 도 (b)는 본 발명의 구조에서 전하저장노드를 셀 소자 별로 분리한 경우를 보이고 있다. FIG. 5 is a three-dimensional perspective view of a portion of a modified cell string stack array for a stacked nonvolatile memory of the present invention, and FIG. (A) shows the structure of the present invention on the fifth insulating film. Shows a case where the charge storage node is separated for each cell element in the structure of the present invention.
도 6은 본 발명의 적층형 비휘발성 메모리를 위한 변형된 셀 스트링 스택 어레이의 일부를 도시한 도면으로서, (a)는 3차원 사시도이며, (b)는 (a)의 구조에 대한 평면도이다. FIG. 6 illustrates a portion of a modified cell string stack array for a stacked nonvolatile memory of the present invention, where (a) is a three-dimensional perspective view and (b) is a plan view of the structure of (a).
도 7과 8은 본 발명의 적층형 비휘발성 메모리 셀 소자를 이용한 셀 스트링 스택 어레이의 일부를 도시한 평면도이다. 7 and 8 are plan views showing a part of a cell string stack array using stacked nonvolatile memory cell devices of the present invention.
도 9는 본 발명에 따른 비휘발성 메모리 셀 스트링의 구조에서 반도체 영역 및 제1 반도체 영역을 설명하기 위하여 도시한 도면들이다. 9 is a diagram illustrating a semiconductor region and a first semiconductor region in a structure of a nonvolatile memory cell string according to the present invention.
도 10은 본 발명에 따른 적층형 비휘발성 메모리 셀 소자를 이용한 셀 스트링 스택의 일부를 수직으로 자른 단면도이다. 10 is a vertical cross-sectional view of a portion of a cell string stack using a stacked nonvolatile memory cell device according to the present invention.
도 11은 본 발명에 따른 셀 스트링 스택 어레이의 가장자리를 도시한 도면으로서, (a)는 평면도이며, (b)는 (a)의 X-X' 방향에 대한 단면도이다. 11 is a view showing the edge of the cell string stack array according to the present invention, (a) is a plan view, (b) is a cross-sectional view taken along the X-X 'direction of (a).
도 12와 13은 본 발명에 따른 셀 스트링 스택 어레이의 가장자리를 도시한 도면으로서, (a)는 평면도이며, (b)는 (a)의 X-X' 방향에 대한 단면도이다. 12 and 13 illustrate edges of a cell string stack array according to the present invention, (a) is a plan view, and (b) is a cross-sectional view taken along the line X-X 'of (a).
도 14는 본 발명의 제1 실시예에 따른 셀 스트링 스택 어레이의 제조 공정 단계를 설명하기 위하여 순차적으로 도시한 단면도들이다. 14 is a cross-sectional view sequentially illustrating the manufacturing process steps of the cell string stack array according to the first embodiment of the present invention.
도 15는 본 발명에 따른 셀 스트링 스택 어레이의 구조를 구현하기 위해 가장자리에 undercut을 형성하는 단계와 상기 구조에 제1 및 제2 반도체 층을 번갈아 성장하는 단계를 도시한 단면도들이다. 15 is a cross-sectional view illustrating a step of forming an undercut at an edge and alternately growing first and second semiconductor layers in the structure to implement a structure of a cell string stack array according to the present invention.
도 16은 본 발명에 따른 셀 스트링 스택 어레이의 구조에 사용될 수 있는 다양한 형태의 undercut 구조를 도시한 단면도들이다.16 is a cross-sectional view illustrating various types of undercut structures that may be used in the structure of a cell string stack array according to the present invention.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >Description of the Related Art
1 : 반도체 기판 2 : 제1 웰(well)1
3 : 제2 웰(well) 4 : 제어전극간 절연막3: second well 4: insulating film between control electrodes
5 : 터널링 절연막 6 : 저장노드5 tunneling insulating
7 : 블록킹 절연막 8 : 제어전극7: blocking insulating film 8: control electrode
9 : 제1 절연막 10 : 희생 반도체층9: first insulating film 10: sacrificial semiconductor layer
11 : 반도체 영역 12 : 제2 절연막11
13 : 소스 및 드레인 영역 14 : 게이트 스택 13 source and drain
15 : 워드라인 16 : 제3 절연막15 word line 16: third insulating film
17 : 제1 접촉(contact)창 18 : 제2 접촉창17: first contact window 18: second contact window
19, 20 : MOS 소자의 소스 및 드레인 영역19, 20: source and drain regions of MOS devices
21 : 게이트 절연막 22 : 게이트 전극21
23 : 격리 절연막 24 : 제4 절연막23: insulating film 24: fourth insulating film
25 : 제5 절연막 26 : 제6 절연막25: fifth insulating film 26: sixth insulating film
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