KR101039803B1 - Floating body nonvolatile memory device and manufacturing method of the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 비휘발성 메모리 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 플로팅 바디 비휘발성 메모리 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a nonvolatile memory device and a method of manufacturing the same, and more particularly to a floating body nonvolatile memory device and a method of manufacturing the same.
종래의 Dynamic random access memory(DRAM) 구조는 한 개의 트랜지스터와 한 개의 셀 커패시터로 구성된다. 최근 고집적을 요구하는 전자 제품들이 출시 되면서, DRAM 집적도의 증가가 요구되는 상황이다. 이를 만족시키기 위해서는 셀 소자의 크기는 줄어들어야 한다. 그러나 셀소자의 축소화는 매우 어려운 제작공정을 요구하고 있다. 이를 해결하기 위해서, 최근 플로팅 바디(floating body)를 갖는 MOS 소자를 DRAM 셀로 이용하는 연구들이 발표되었다. 이 소자의 동작은 플로팅 바디에 전하를 저장하거나 제거하면서, DRAM 메모리 동작과 같은 동작이 가능하다. 이는 한 개의 트랜지스터를 필요로 하기 때문에 기존의 DRAM 공정과 달리 간단한 공정으로 구현이 가능하며, 일반적으로 이와 같은 DRAM 셀을 단일 트랜지스터 플로팅 바디 DRAM 셀(1T-DRAM)이라 칭한다.The conventional dynamic random access memory (DRAM) structure consists of one transistor and one cell capacitor. Recently, with the introduction of high-density electronic products, the increase in DRAM integration is required. To satisfy this, the size of the cell device must be reduced. However, miniaturization of cell devices requires a very difficult manufacturing process. In order to solve this problem, recent studies using a MOS device having a floating body as a DRAM cell have been published. The device's operation allows operations such as DRAM memory operations, while storing or removing charges in the floating body. Since it requires one transistor, it can be implemented in a simple process unlike a conventional DRAM process. Such a DRAM cell is generally referred to as a single transistor floating body DRAM cell (1T-DRAM).
도 1은 종래의 단일 트랜지스터 플로팅 바디 디램 셀(one transistor floating body DRAM cell)을 보여주는 단면도이다. 도 1을 참조하면, 종래의 단일 트랜지스터 플로팅 바디 디램 셀은 반도체기판(10) 상에 배치된 매립 산화막(buried oxide; BOX; 12)을 구비한다. 상기 매립 산화막(BOX; 12) 상에 플로팅 바디(13), 소스 영역(16) 및 드레인 영역(17)이 배치된다.1 is a cross-sectional view illustrating a conventional single transistor floating body DRAM cell. Referring to FIG. 1, a conventional single transistor floating body DRAM cell includes a buried oxide (BOX) 12 disposed on a
상기 플로팅 바디(13) 상에 차례로 적층된 게이트유전막(14) 및 게이트전극(15)이 제공된다. 상기 소스 영역(16)은 접지(GND)에 연결되고, 상기 드레인 영역(17)은 비트라인(BL)에 연결되며, 상기 게이트전극(15)은 워드라인(WL)에 연결된다.A gate
도 1 에 도시된 바와 같이, 상기 플로팅 바디(13)는 상기 매립 산화막(BOX; 12), 상기 게이트유전막(14), 상기 소스 영역(16) 및 상기 드레인 영역(17)에 의하여 전기적으로 고립된다. 상기 단일 트랜지스터 플로팅 바디 디램 셀은 플로팅 바디 효과(floating body effect)를 이용하여 데이터를 저장하고 판독한다.As shown in FIG. 1, the
상기 단일 트랜지스터 플로팅 바디 디램 셀에 프로그램 동작(즉, 데이터 "1"을 프로그램)을 설명하기로 한다. 프로그램을 수행하기 위해서 소스 영역(16)을 접지시키고, 게이트전극(15)에 문턱전압 이상의 워드라인 프로그램 전압을 인가하며, 드레인 영역(17)에 비트라인 프로그램 전압을 인가한다. A program operation (ie, data "1" is programmed) in the single transistor floating body DRAM cell will be described. In order to perform the program, the
데이터 프로그램 동작은 드레인 영역(17) 근처의 상기 플로팅 바디(13)에서 정공들(holes)을 발생시키고, 정공들(holes)은 플로팅 바디(13) 내에 축적(accumulation)된다. 플로팅 바디(13)내에 축적된 상기 정공들(holes)에 의해서 플로팅 바디의 전위가 상승되어 트랜지스터의 문턱전압은 낮아지게 된다. The data program operation generates holes in the
이에 반해, 프로그램된 데이터를 소거하는 동작("0"을 프로그램하는 동작)은 드레인 영역(17)에 상기 프로그램 전압과 극성이 반대인 비트라인 프로그램 소거 전압을 인가하여, 축적된 정공들을 소거시키고, 이 경우에는 플로팅 바디의 전위가 하강하게 되고, 이로인해 상기 트랜지스터의 문턱 전압이 높아지게 된다.In contrast, an operation of erasing programmed data (programming “0”) applies a bit line program erase voltage having a polarity opposite to that of the program voltage to the
단일 트랜지스터 플로팅 바디 디램 셀에 읽기동작, 즉 상기 데이터를 판독하는 경우를 설명하기로 한다. 상기 소스 영역(16)을 접지시킨다. 상기 게이트전극(15)에 상기 워드라인 프로그램 전압보다 낮은 워드라인 읽기 전압을 인가한다. 상기 드레인 영역(17)에 비트라인 읽기 전압을 인가한다. 이때, 상기 소스 영역(16) 및 상기 드레인 영역(17)간에 흐르는 전류의 양은 상기 정공들(holes)의 유무에 따라 다르게 나타난다. 즉, 상기 소스 영역(16) 및 상기 드레인 영역(17)간에 흐르는 전류의 양을 감지하여 상기 단일 트랜지스터 플로팅 바디 디램 셀에 저장된 데이터를 판독한다.A read operation, that is, reading the data, to a single transistor floating body DRAM cell will be described. The
즉, 상기 정공들(holes)의 축적량에 따라 상기 문턱전압이 달라진다. 즉, 상기 소스 영역(16) 및 상기 드레인 영역(17)간에 흐르는 전류의 양은 상기 정공들(holes)의 축적량에 따라 다르게 나타난다.That is, the threshold voltage is changed according to the accumulation amount of the holes. That is, the amount of current flowing between the
그런데, 플로팅 바디 디램 셀은 일반적인 디램 셀에 비해 데이터 보유 시간(Data retention time)이 매우 짧다, 즉, 디램 셀 내의 플로팅 바디에 축적된 홀이 드레인 영역으로의 누설 전류에 의해 매우 빠르게 소멸되어 데이터를 잃어버리게 된다. 따라서, 상기 플로팅 바디에 축적된 홀이 소멸되기 이 전에 리프레쉬를 수행하여야 하므로, 통상적인 디램 셀에 비해 리프레쉬 주기가 매우 짧다. 상기와 같이, 리프레쉬 주기가 짧은 경우 리프레쉬 동작을 제어하는 것이 용이하지 않으므로 셀에 저장된 데이터가 뒤바뀌게 되는 등의 동작 불량(functionfail)이 발생되기 쉽다.However, the floating body DRAM cell has a much shorter data retention time than the conventional DRAM cell, that is, the holes accumulated in the floating body in the DRAM cell are extinguished very quickly by the leakage current to the drain region. Lost. Therefore, since the refresh must be performed before the holes accumulated in the floating body disappear, the refresh cycle is very short compared to the conventional DRAM cells. As described above, when the refresh cycle is short, it is not easy to control the refresh operation, so that a function failure such as data stored in a cell is reversed is likely to occur.
또한, 플로팅 바디 디램 셀은 휘발성 메모리 소자이므로 전원이 제거되면 프로그램된 데이터도 함께 제거된다.In addition, since the floating body DRAM cell is a volatile memory device, when the power is removed, the programmed data is also removed.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 종래의 플로팅 바디 디램 셀을 제조하는 공정에 간단한 공정을 더 추가하여 플로팅 바디를 이용한 비휘발성 메모리 소자 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a nonvolatile memory device using a floating body and a method of manufacturing the same by adding a simple process to a conventional process of manufacturing a floating body DRAM cell.
특히, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 하나의 플로팅 바디 셀에 멀티 비트 프로그램이 가능한 비휘발성 메모리 소자 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다.In particular, an object of the present invention is to provide a nonvolatile memory device capable of multi-bit programming in one floating body cell and a method of manufacturing the same.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자는 매립 절연막을 내부에 포함하는 반도체 기판; 상기 반도체 기판의 표면에 형성된 홈부로부터 성장되어 상기 반도체 기판의 표면보다 돌출되도록 형성된 게이트 절연막; 상기 게이트 절연막 상부에 형성된 게이트 전극층; 상기 게이트 절연막 양측에, 상기 반도체 기판의 표면 아래에 형성된 소오스 영역 및 드레인 영역; 및 상기 매립 절연막 및 상기 게이트 절연막 사이에 형성되고, 전하를 포획하는전하 포획영역들을 내부에 포함하는 채널 영역을 포함하되, 상기 채널 영역은 상기 소오스 영역과 상기 게이트 절연막의 하부 사이에 형성되어, 상기 소오스 영역 부근에서 발생된 정공을 포획하는 제 1 전하 포획 영역; 및 상기 드레인 영역과 상기 게이트 절연막의 하부 사이에 형성되어, 상기 드레인 영역 부근에서 발생된 정공을 포획하는 제 2 전하 포획 영역을 포함할 수 있다.A nonvolatile memory device according to a preferred embodiment of the present invention for solving the above problems is a semiconductor substrate including a buried insulating film therein; A gate insulating film formed from a groove formed on a surface of the semiconductor substrate to protrude from the surface of the semiconductor substrate; A gate electrode layer formed on the gate insulating layer; Source and drain regions formed on both sides of the gate insulating layer below the surface of the semiconductor substrate; And a channel region formed between the buried insulating layer and the gate insulating layer, the channel region including charge trapping regions therein for trapping charge, wherein the channel region is formed between the source region and a lower portion of the gate insulating layer. A first charge trap region for trapping holes generated near the source region; And a second charge capture region formed between the drain region and the lower portion of the gate insulating layer to capture holes generated near the drain region.
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또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 상기 제 1 전하 포획 영역 및 상기 제 2 전하 포획 영역은 Si, Ge, 및 Au 이온 중 어느 하나를 주입하여 형성된 나노크리스탈로 구성될 수 있다.In addition, the first charge capture region and the second charge capture region of the nonvolatile memory device according to an exemplary embodiment of the present invention may be composed of nanocrystals formed by implanting any one of Si, Ge, and Au ions. .
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 상기 반도체 기판은, 단결정 실리콘 층으로 형성된 제 1 층; 상기 제 1 층 상부에, 상기 매립 절연막이 형성된 제 2 층; 및 상기 제 2 층 위에 단결정 실리콘으로 형성되고, 상기 홈부, 상기 채널 영역, 상기 소오스 영역 및 상기 드레인 영역이 형성된 제 3 층을 포함할 수 있다.In addition, the semiconductor substrate of the nonvolatile memory device according to the preferred embodiment of the present invention, the first layer formed of a single crystal silicon layer; A second layer on which the buried insulation film is formed; And a third layer formed of single crystal silicon on the second layer and having the groove, the channel region, the source region, and the drain region formed thereon.
한편, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 제조 방법은, (a) 매립 절연막을 포함하는 반도체 기판위에 홈부를 형성하는 단계; (b) 상기 홈부의 양측에 전하 포획 영역을 형성하는 단계; (c) 상기 홈부로부터 게이트 절연막을 형성하고, 상기 게이트 절연막 위에 게이트 전극층을 형성하는 단계; 및 (d) 상기 게이트 절연막과 소오스 영역 사이 및 상기 게이트 절연막과 드레인 영역 사이에 상기 전하 포획 영역이 위치하도록 상기 소오스 영역 및 상기 드리인 영역을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.On the other hand, a method of manufacturing a nonvolatile memory device according to a preferred embodiment of the present invention, (a) forming a groove on a semiconductor substrate including a buried insulating film; (b) forming charge trapping regions on both sides of the groove; (c) forming a gate insulating film from the groove, and forming a gate electrode layer on the gate insulating film; And (d) forming the source region and the dry region such that the charge trap region is positioned between the gate insulating layer and the source region and between the gate insulating layer and the drain region.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 제조 방법의 상기 (a) 단계는, 상기 불순물을 도핑하여 채널영역을 형성하는 단계; 및 상기 채널 영역의 중심에 상기 홈부를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.In addition, the step (a) of the method of manufacturing a nonvolatile memory device according to the preferred embodiment of the present invention, doping the impurities to form a channel region; And forming the groove in the center of the channel region.
또한, 또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 제 조 방법에서 이용되는 상기 반도체 기판은, 단결정 실리콘층으로 구현된 제 1 층; 상기 제 1 층의 상부에 형성된 매립 절연막인 제 2 층; 및 상기 매립 절연막의 상부에, 단결정 실리콘층으로 구현된 제 3 층을 포함하고, 상기 홈부는 상기 제 3 층에 형성될 수 있다.In addition, the semiconductor substrate used in the method of manufacturing a nonvolatile memory device according to the preferred embodiment of the present invention, the first layer implemented with a single crystal silicon layer; A second layer, which is a buried insulation film formed on the first layer; And a third layer formed of a single crystal silicon layer on the buried insulating layer, and the groove portion may be formed in the third layer.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 제조 방법의 상기 (b) 단계는, (b1) 상기 채널 영역에 이온 주입 공정을 수행하는 단계; 및 (b2) 이온 주입 공정이 수행된 반도체 기판에 열처리를 수행하여 상기 전하 포획 영역을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.In addition, the step (b) of the method of manufacturing a nonvolatile memory device according to an embodiment of the present invention, (b1) performing an ion implantation process in the channel region; And (b2) performing heat treatment on the semiconductor substrate on which the ion implantation process has been performed to form the charge trap region.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 제조 방법의 상기 (b1) 단계에서, 홈부를 통해서 주입된 이온들은 매립 절연막에 위치하고, 홈부 이외의 영역을 통해서 주입된 이온들은 상기 제 3 층의 하부에 위치하도록, Si, Ge, 및 Au 중 어느 하나에 대해서 이온 주입 공정을 수행할 수 있다.Further, in the step (b1) of the method of manufacturing a nonvolatile memory device according to the preferred embodiment of the present invention, the ions implanted through the groove portion are located in the buried insulating film, and the ions implanted through the region other than the groove portion are the third The ion implantation process may be performed on any one of Si, Ge, and Au so as to be located at the bottom of the layer.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 제조 방법의 상기 (b2) 단계는, 열처리를 수행하여 상기 제 3 층의 하부에 위치한 이온들을 나노크리스탈로 형성시켜, 나노크리스탈들로 구성된 전하 포획 영역을 형성할 수 있다.In addition, the step (b2) of the method of manufacturing a nonvolatile memory device according to an embodiment of the present invention, by performing a heat treatment to form the ions located under the third layer of nanocrystals, consisting of nanocrystals Charge trap regions can be formed.
한편, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 프로그램 방법은, 매립 절연막을 내부에 포함하는 반도체 기판; 상기 반도체 기판의 표면에 형성된 홈부로부터 성장되어 상기 반도체 기판의 표면보다 돌출되도록 형성된 게이트 절연막; 상기 게이트 절연막 상부에 형성된 게이트 전극층; 상기 게이트 절연막 양측에, 상기 반도체 기판의 표면 아래에 형성된 소오스 영역 및 드레인 영역; 상기 매립 절연막 및 상기 게이트 절연막 사이에 형성된 채널 영역; 및 상기 채널 영역 중, 상기 소오스 영역 및 상기 게이트 절연막 사이에 형성된 제 1 전하 포획 영역 및 상기 드레인 영역 및 상기 게이트 절연막 사이에 형성된 제 2 전하 포획 영역을 포함하는 플로팅 바디 비휘발성 메모리 소자의 프로그램 방법으로서, 상기 소오스 영역을 접지하고, 상기 게이트 전극층에 제 1 프로그램 전압을 인가하며, 상기 드레인 영역에 제 2 프로그램 전압을 인가하여, 상기 드레인 영역 부근에서 발생된 정공을 상기 제 2 전하 포획 영역에 형성된 나노크리스탈에 포획시킴으로써 상기 제 2 전하 포획 영역에 전하를 프로그램하고, 상기 드레인 영역을 접지하고, 상기 게이트 전극층에 제 1 프로그램 전압을 인가하며, 상기 소오스 영역에 제 2 프로그램 전압을 인가하여, 상기 소오스 영역 부근에서 발생된 정공을 상기 제 1 전하 포획 영역에 형성된 나노크리스탈에 포획시킴으로써 상기 제 1 전하 포획 영역에 전하를 프로그램할 수 있다.On the other hand, a program method of a nonvolatile memory device according to a preferred embodiment of the present invention, a semiconductor substrate including a buried insulating film therein; A gate insulating film formed from a groove formed on a surface of the semiconductor substrate to protrude from the surface of the semiconductor substrate; A gate electrode layer formed on the gate insulating layer; Source and drain regions formed on both sides of the gate insulating layer below the surface of the semiconductor substrate; A channel region formed between the buried insulating film and the gate insulating film; And a first charge capture region formed between the source region and the gate insulating film, and a second charge capture region formed between the drain region and the gate insulating film, among the channel regions, as a program method of the floating body nonvolatile memory device. And forming a hole in the second charge trap region by grounding the source region, applying a first program voltage to the gate electrode layer, and applying a second program voltage to the drain region. By capturing the crystal, electric charges are programmed into the second charge trapping region, the drain region is grounded, a first program voltage is applied to the gate electrode layer, and a second program voltage is applied to the source region, thereby providing the source region. Capture the first charge in the vicinity of the hole generated The charge can be programmed into the first charge trapping region by trapping the nanocrystals formed in the region.
본 발명은 종래의 1T-DRAM 소자의 플로팅 바디에 전하(정공)를 포획하는 나노크리스탈을 주입하여 정공들을 포획함으로써, 전원이 제거되어도 프로그램된 전하를 유지할 수 있는 비휘발성 기능을 제공할 수 있다.The present invention can provide a non-volatile function that can maintain programmed charge even when a power source is removed by injecting holes by injecting nanocrystals that trap charges (holes) in the floating body of a conventional 1T-DRAM device.
또한, 본 발명의 비휘발성 메모리 소자는, 종래의 1T-DRAM 소자의 제조 공정에 이온 주입공정만을 추가하여 제조가 가능하므로, 그 제조공정이 간단하고 저비용으로 제조가 가능하다.In addition, the nonvolatile memory device of the present invention can be manufactured by adding only an ion implantation step to the conventional manufacturing process of the 1T-DRAM device, so that the manufacturing process is simple and can be manufactured at low cost.
또한, 본 발명은 소오스 영역 및 드레인 영역의 사이의 채널 영역에 홈부를 형성하고, 홈부로부터 게이트 절연막을 성장시킴으로써 채널 영역에 형성된 홈부가 게이트 절연막의 하부를 수용하도록 하고, 채널 영역에 수용된 게이트 절연막의 양 측면에 전하를 포획하는 나노크리스탈 입자들을 형성함으로써 국소적인 프로그램이 가능하고, 이에 따라서 멀티 비트 프로그램이 가능하다. In addition, the present invention forms a groove in the channel region between the source region and the drain region, and grows the gate insulating film from the groove so that the groove formed in the channel region receives the lower portion of the gate insulating film, By forming nanocrystal particles that trap charge on both sides, local programming is possible, thus enabling multi-bit programming.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플로팅 바디 비휘발성 메모리 소자의 구조를 도시하는 도면이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 플로팅 바디 비휘발성 메모리 소자는 매립 절연막(120)이 포함된 반도체 기판(100)위에 게이트 절연막(500) 및 게이트 전극층(600)이 형성되고, 게이트 절연막(500) 및 게이트 전극층(600)의 양 옆에, 반도체 기판(100)의 표면으로부터 소정 깊이로 소오스 영역(200) 및 드레인 영역(300)이 형성된다. 여기서, 반도체 기판(100)은 하부 단결정 실리콘층(110), 매립 절연막(120) 및 상부 단결정 실리콘층(130)이 순차적으로 형성된 반도체 기판(100)인 SOI 기판인 것이 바람직하고, 소오스 및 드레인 영역(200,300)은 상부 단결정 실리콘층(130)에 형성되는 것이 바람직하다. 이하에서는 반도체 기판(100)으로 SOI 기판이 이용된 예를 예시적으로 설명한다.2 is a diagram illustrating a structure of a floating body nonvolatile memory device according to an exemplary embodiment of the present invention. 2, in the floating body nonvolatile memory device of the present invention, a
이 때, 상부 단결정 실리콘층(130) 표면에는 홈부(135)가 형성되고, 게이트 절연막(500)은 상부 단결정 실리콘층(130)에 형성된 홈부(135)로부터 충진되어 상부 단결정 실리콘층(130)의 상면보다 돌출되도록 형성된다. 상부 단결정 실리콘층(130)의 채널 영역(400) 중에서 소오스 영역(200)과 게이트 절연막(500)의 하부 사이 영역 및 드레인 영역(300)과 게이트 절연막(500)의 하부 사이의 영역에는 전하(정공)를 포획하는 나노크리스탈(700)이 형성되어 있다.At this time, the
본 발명의 바람직할 실시예에서는 일반적인 플로팅 바디 디램과 동일한 방식으로 프로그램을 수행하고, 프로그램된 상태에서 채널 영역(400)에 축적된 전하(정공)가 나노크리스탈(700)에 포획되어 전원 공급이 단절된 상태에서도 유지되므로 비휘발성 메모리 소자로서 동작한다. 본 발명에 따른 프로그램 동작은 도 4a 내지 도 5를 참조하여 후술한다.In the preferred embodiment of the present invention, the program is performed in the same manner as the general floating body DRAM, and in the programmed state, the charges (holes) accumulated in the
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플로팅 바디 비휘발성 메모리 소자의 제조 공정을 도시하는 도면이다. 도 3a 내지 도 3e를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플로팅 바디 비휘발성 메모리 소자의 제조 공정을 설명한다.3A to 3E are diagrams illustrating a manufacturing process of a floating body nonvolatile memory device according to an exemplary embodiment of the present invention. 3A to 3E, a manufacturing process of a floating body nonvolatile memory device according to an exemplary embodiment of the present invention will be described.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플로팅 바디 비휘발성 메모리 소자를 제조하기 위해서, 먼저, 도 3a에 도시된 바와 같이, 매립 절연막(120)이 포함된 반도체 기판(100)을 마련한다. 본 발명에서는 하부 단결정 실리콘층(110), 매립 절연막(120), 및 상부 단결정 실리콘층(130)이 순차적으로 형성된 반도체 기판(100)을 마련하고, 매립 절연막(120)상에 위치하는 상부 단결정 실리콘층(130)을 패터닝하여 액티브 영역 및 소자 분리 영역을 구분하고(미도시 됨), 채널 도핑을 위한 마스크로 이용되는 포토 레지스트(PR1)를 채널 영역(400)이 노출되도록 상부 단결정 실리콘층(130)위에 형성하고, 포토 레지스트(PR1)를 이온 주입 마스크로 이용하여 상 부 단결정 실리콘층(130)내에 제 2 도전형 불순물을 주입하여 채널 영역(400)을 형성한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서 제 2 도전형은 P형이 된다.In order to manufacture a floating body nonvolatile memory device according to a preferred embodiment of the present invention, first, as shown in FIG. 3A, a
그 후, 도 3b에 도시된 바와 같이, 포토 레지스트(PR1)를 제거하고, 식각 마스크 패턴(810)을 상부 단결정 실리콘층(130) 위에 형성하고, 상부 단결정 실리콘층(130)의 일부를 식각하여 채널 영역(400)의 중심에 게이트 절연막(500)이 형성될 홈부(135)를 형성한 후, 식각 마스크(810)를 제거한다.3B, the photoresist PR1 is removed, an
상부 단결정 실리콘층(130)에 홈부(135)가 형성된 후, 도 3c에 도시된 바와 같이, 상부 단결정 실리콘층(130)에 하드 마스크 패턴(820)을 형성하고, 하드 마스크막 패턴(820)이 형성된 기판의 상부에서 기판으로 Si, Ge, Au 등의 이온 implantation을 수행한다. After the
도 3c에 도시된 바와 같이, 홈부(135)의 상부에서 주입된 이온들(900a)은 하드 마스크막 및 상부 단결정 실리콘층(130)을 통과하여 매립 절연막(120)에 주입되고, 홈부(135) 이외의 영역의 상부에서 주입된 이온들(900b)은 하드 마스크막 패턴을 통과하여 상부 단결정 실리콘층(130)의 하부에 위치하도록 이온 implantation이 수행한다. As illustrated in FIG. 3C, the
그 후, 약 500 ℃ 내지 1000 ℃ 내지의 온도에서 어닐링을 수행하면, 도 3d에 도시된 바와 같이, 상부 단결정 실리콘층(130)에 위치한 이온들(900b)이 활성화되어 전하를 포획할 수 있는 나노크리스탈(700)이 형성된다. 그러나, 매립 절연막(120)에 주입된 이온들(900a)의 상태는 변함이 없다. 이는 실리콘 기판과 산화막인 매립 절연막의 열전도 차이에 기인하는 것으로서, 열처리 과정에서 같은 온도가 인가되어도, 열전달이 잘되는 반도체층에 위치한 이온들은 나노크리스탈로 형성되지만, 열전달이 잘 안되는 매립 절연막에 위치한 이온들은 열전달이 충분하지 않아 나노크리스탈로 형성되지 못한다.Then, when annealing is performed at a temperature of about 500 ° C. to 1000 ° C., as shown in FIG. 3D,
나노크리스탈(700)이 형성된 후, 도 3e에 도시된 바와 같이, 하드 마스크막 패턴(820)을 제거하고 기판위에 순차적으로 게이트 절연막(500) 및 게이트 전극층(600)을 증착하여 형성하고, 홈부(135)의 상부에 홈부(135)의 너비에 대응되는 식각 마스크 패턴(830)을 형성하고, 식각 마스크 패턴(830)이 형성된 영역 이외의 영역을 상부 단결정 실리콘층(130)이 드러날때까지 식각하고, 게이트 전극층(600) 위에 형성된 식각 마스크 패턴(830)을 제거한다.After the
마지막으로, 게이트 전극층(600) 및 게이트 절연층(500)의 양 옆의 상부 단결정 실리콘층(130)에 제 1 도전형 불순물을 이온 주입하여 소오스 영역(200) 및 드레인 영역(300)을 형성함으로써, 도 2에 도시된 바와 같은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플로팅 바디 비휘발성 메모리 소자를 완성한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서 제 1 도전형은 n형인 것이 바람직하다.Finally, the
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플로팅 바디 비휘발성 메모리 소자에 프로그램을 수행하는 과정을 설명하는 도면이다. 먼저, 도 4a를 참조하여 소오스 영역(200)과 게이트 절연막(500)의 하부 사이 영역(제 1 전하 포획 영역(410))에 형성된 나노크리스탈(700)에 전하를 프로그램하는 방식을 살펴본다.4A and 4B illustrate a process of performing a program on a floating body nonvolatile memory device according to an exemplary embodiment of the present invention. First, referring to FIG. 4A, a method of programming a charge in the
제 1 전하 포획 영역(410)에 프로그램하기 위해서는, 드레인 영역(300)을 접지한 상태에서, 게이트 전극층(600)에 제 1 프로그램 전압(+Vp1, 약 1~10 V)을 인 가하고, 소오스 영역(200)에 제 2 프로그램 전압(+Vp2, 약 1~10 V)를 인가한다.In order to program the first
게이트 전극층(600) 및 소오스 영역(200)에 프로그램 전압이 인가되면, 소오스 영역(200) 부근에서 충격 이온화가 발생되어 소오스 영역(200) 근처의 채널 영역(400)내에서 전자-정공쌍(electron-hole pair)이 발생한다. 이 때, 전자는 소오스 영역(200)을 통해서 소거되고, 정공들은 제 1 전하 포획 영역(410)에 형성된 나노크리스탈(700)에 포획되어 채널 영역(400)내에서 축적된다. 이 때, 홈부(135)에 형성된 게이트 절연막(500)의 하부는 소오스 영역(200) 근처에서 생성된 정공들이 드레인 영역(300)으로 진행하여 제 2 전하 포획 영역(420)에 형성된 나노크리스탈(게이트 절연막(500)의 하부와 드레인 영역(300) 사이에 형성된 나노크리스탈(700))에 포획되는 것을 차단함으로써 2비트 프로그램이 가능하다. 축적된 정공들은 채널 영역(400)의 전위를 상승시키고, 메모리 소자의 문턴 전압은 낮아지게 된다. When a program voltage is applied to the
도 4b를 참조하여, 드레인 영역(300)과 게이트 절연막(500)의 하부 사이 영역(제 2 전하 포획 영역(420))에 형성된 나노크리스탈(700)에 전하를 프로그램하는 방식을 설명한다. Referring to FIG. 4B, a method of programming electric charges in the
제 2 전하 포획 영역(420)에 프로그램하기 위해서는, 소오스 영역(200)을 접지한 상태에서, 게이트 전극층(600)에 제 1 프로그램 전압(+Vp1, 약 1~10 V)을 인가하고, 드레인 영역(300)에 제 2 프로그램 전압(+Vp2, 약 1~10 V)를 인가한다.In order to program the second
게이트 전극층(600) 및 드레인 영역(300)에 프로그램 전압이 인가되면, 드레인 영역(300) 부근에서 충격 이온화가 발생되어 드레인 영역(300) 근처의 채널 영 역(400)내에서 전자-정공쌍(electron-hole pair)이 발생한다. 이 때, 전자는 드레인 영역(300)을 통해서 소거되고, 정공들은 나노크리스탈(700)에 포획되어 채널 영역(400)내에서 축적된다. 이 때, 홈부(135)에 형성된 게이트 절연막(500)은 드레인 영역(300) 근처에서 생성된 정공들이 소오스 영역(200)으로 진행하여 제 1 전하 포획 영역(410)에 형성된 나노크리스탈(게이트 절연막(500)의 하부와 소오스 영역(200) 사이에 형성된 나노크리스탈(700))에 포획되는 것을 차단함으로써 2비트 프로그램이 가능하다. 축적된 정공들은 채널 영역(400)의 전위를 상승시키고, 메모리 소자의 문턴 전압은 낮아지게 된다. When a program voltage is applied to the
도 5 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 프로그램된 전하를 소거하는 과정을 설명하는 도면이다. 도 5를 참조하여, 제 2 전하 포획 영역(420)에 프로그램된 전하를 소거하는 과정을 예시적으로 설명하면, 먼저, 플로팅 바디 비휘발성 메모리 소자의 소오스 영역(200)을 접지시키고, 게이트 전극(112)에 양(positive)의 제 1 소거 전압(+Ve1)을 인가하며, 드레인 영역(300)에 음(negative)의 제 2 소거 전압(-Ve2)을 인가한다. 그러면, 제 2 전하 포획 영역(420)의 나노크리스탈(700)에 포획된 정공들은 드레인 영역(300)을 통해서 소거되고, 정공들이 소거되면 상기 채널 영역(400)의 전위가 상대적으로 낮아지게 되어 문턱전압이 높아지게 된다.5 is a diagram illustrating a process of erasing a programmed charge according to a preferred embodiment of the present invention. Referring to FIG. 5, a process of erasing charges programmed in the second
한편, 제 1 전하 포획 영역(410)에 프로그램된 전하를 소거하는 과정은, 도 5에 도시된 방식과 유사하게, 드레인 영역(300)을 접지시키고, 게이트 전극(112)에 양(positive)의 제 1 소거 전압(+Ve1)을 인가하며, 소오스 영역(200)에 음(negative)의 제 2 소거 전압(-Ve2)을 인가한다. 그러면, 제 1 전하 포획 영역(410)의 나노크리스탈(700)에 포획된 정공들은 소오스 영역(200)을 통해서 소거되고, 정공들이 소거되면 상기 채널 영역(400)의 전위가 상대적으로 낮아지게 되어 문턱전압이 높아지게 된다.On the other hand, the process of erasing the electric charge programmed in the first
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 프로그램된 데이터를 판독하는 과정을 설명하는 도면이다. 상술한 바와 같이, 본 발명은 멀티 비트(2 비트) 프로그램이 가능하므로, 프로그램 여부 및 어느 비트 영역에 프로그램되었는지를 판독하기 위해서는, 각 비트의 순방향 판독 및 역방향 판독을 수행해야 한다. 먼저, 제 2 전하 포획 영역(420)에 전하가 프로그램된 경우를 예시적으로 설명한다.6 is a diagram for explaining a process of reading data programmed according to a preferred embodiment of the present invention. As described above, the present invention is capable of multi-bit (2-bit) programming, and therefore, in order to read whether or not it is programmed and in which bit area, it is necessary to perform forward read and reverse read of each bit. First, a case where charge is programmed in the second
제 2 전하 포획 영역(420)의 프로그램 여부를 판독하기 위해서, 소오스 영역(200)을 접지시키고, 게이트 전극층(600)에 제 1 프로그램 전압보다 낮은 양의 제 1 판독 전압을 인가하며, 드레인 영역(300)에 상기 제 2 프로그램 전압보다 제 2 판독 전압을 인가함으로써 순방향 판독 전압을 인가한다. 이렇게 순방향 판독 전압을 인가하면, 채널 영역(400)을 통해 전류가 흐를 수 있게 되고, 드레인 전류를 측정하여 제 2 전하 포획 영역(420)의 프로그램 여부를 판별할 수 있다.In order to read whether the second
드레인 전류는 상기 채널 영역(400)에 존재하는 축적된 정공들의 양에 따라 다르게 나타난다. 예를 들면, 상기 채널 영역(400) 내에 나노크리스탈(700)에 포획된 정공들이 존재하지 않는 경우(즉, 프로그램되지 않은 경우)에는 아주 미세한 전류가 흐르고, 제 2 전하 포획 영역(420)에 정공이 나노크리스탈(700)에 포획되어 프로그램된 경우에는 큰 드레인 전류가 흐른다. The drain current is different depending on the amount of accumulated holes present in the
한편, 드레인 영역(300)을 접지시키고, 게이트 전극층(600)에 제 1 프로그램 전압보다 낮은 양의 제 1 판독 전압을 인가하며, 소오스 영역(200)에 상기 제 2 프로그램 전압보다 제 2 판독 전압을 인가함으로써 역방향 판독 전압을 인가한다. Meanwhile, the
이렇게 역방향 판독전압 인가시에는, 제 2 전하 포획 영역(420)에 프로그램되지 않았을 때의 전류보다는 크고, 순방향 판독전압 인가시의 전류보다는 작은 드레인 전류가 흐르게 된다. In this way, when the reverse read voltage is applied, a drain current that is larger than the current when not programmed in the second
이렇게 드레인 전류의 크기를 측정하여 비휘발성 플로팅 바디 메모리 소자의 프로그램 상태를 확인할 수 있다.The program current of the nonvolatile floating body memory device can be checked by measuring the drain current.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.So far I looked at the center of the preferred embodiment for the present invention. Those skilled in the art will appreciate that the present invention can be implemented in a modified form without departing from the essential features of the present invention. Therefore, the disclosed embodiments should be considered in an illustrative rather than a restrictive sense. The scope of the present invention is shown in the claims rather than the foregoing description, and all differences within the scope will be construed as being included in the present invention.
도 1은 종래의 단일 트랜지스터 플로팅 바디 디램 셀(one transistor floating body DRAM cell)을 보여주는 단면도이다.1 is a cross-sectional view illustrating a conventional single transistor floating body DRAM cell.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플로팅 바디 비휘발성 메모리 소자의 구조를 도시하는 도면이다.2 is a diagram illustrating a structure of a floating body nonvolatile memory device according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플로팅 바디 비휘발성 메모리 소자의 제조 공정을 도시하는 도면이다.3A to 3E are diagrams illustrating a manufacturing process of a floating body nonvolatile memory device according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플로팅 바디 비휘발성 메모리 소자에 프로그램을 수행하는 과정을 설명하는 도면이다.4A and 4B illustrate a process of performing a program on a floating body nonvolatile memory device according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 5 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 프로그램된 전하를 소거하는 과정을 설명하는 도면이다.5 is a diagram illustrating a process of erasing a programmed charge according to a preferred embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 프로그램된 데이터를 판독하는 과정을 설명하는 도면이다.6 is a diagram for explaining a process of reading data programmed according to a preferred embodiment of the present invention.
Claims (11)
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KR1020090130678A KR101039803B1 (en) | 2009-12-24 | 2009-12-24 | Floating body nonvolatile memory device and manufacturing method of the same |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A201 | Request for examination | ||
E902 | Notification of reason for refusal | ||
E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
GRNT | Written decision to grant | ||
LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |