KR101064219B1 - Pram with vertical channel, pram array using the same and fabricating method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 PRAM 소자, PRAM 어레이 및 그 제조방법에 관한 것으로, 반도체 기판을 식각하여 트렌치를 형성하고, 상기 트렌치의 측벽 상에 측벽 게이트를 형성하여 수직형 채널 구조를 갖도록 함으로써, 스위칭 소자로 소모되는 면적을 최소화 하여 고집적이 가능함은 물론, 트렌치 양측 벽에 형성된 측벽 게이트 사이에 하부전극, 상변화 물질층 및 상부전극 순으로 순차 적층하며 채우게 됨으로써, 상변화 물질층을 자기 정렬로 원하는 두께로 용이하게 형성할 수 있는 효과가 있다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a PRAM device, a PRAM array, and a method of manufacturing the same, wherein the semiconductor substrate is etched to form trenches, and sidewall gates are formed on sidewalls of the trench to have a vertical channel structure. By minimizing the area, high integration is possible, and the lower electrode, the phase change material layer, and the upper electrode are sequentially stacked and filled between sidewall gates formed on both side walls of the trench, so that the phase change material layer is easily aligned to a desired thickness by self alignment. There is an effect that can be formed.
Description
본 발명은 반도체 메모리 소자, 메모리 어레이 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수직형 채널 구조를 갖는 PRAM(Phase-change Random Access Memory) 소자, 이를 이용한 PRAM 어레이 및 그 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
이동식 매체 및 멀티미디어 기기의 개발과 더불어 고용량 저전력 메모리 소자에 대한 수요는 최근 10년간 폭발적으로 증가하고 있다. 외부의 주기적인 신호 없이 데이터를 저장할 수 있는 비휘발성 메모리의 경우 전도성 플로팅 게이트를 사용하는 플래시 메모리가 전체 비휘발성 메모리 시장을 선도해 왔다. With the development of removable media and multimedia devices, the demand for high capacity low power memory devices has exploded in recent decades. For nonvolatile memories that can store data without external periodic signals, flash memory using conductive floating gates has led the entire nonvolatile memory market.
하지만 플래시 메모리가 갖고 있는 작은 스케일에서의 신뢰성 문제로 인해서 다른 동작원리를 갖는 메모리에 대한 연구가 학계와 산업계를 통하여 진행되어 왔다. 즉, 자성 물질을 사용하는 MRAM, 상변환 물질을 사용하는 PRAM, 저항성 변화를 이용하는 RRAM을 비롯하여 기존의 플로팅 게이트 플래시 메모리를 대체하는 다양한 메모리가 상용화를 목표로 개발되어 왔다. 그 중에서 상변환 물질을 사용하는 PRAM 의 경우 다른 비휘발성 메모리에 비해 Cell 구조가 간단하면서도 비교적 빠른 읽기/쓰기 동작이 가능하여 차세대 비휘발성 메모리로 각광을 받고 있다. However, due to the reliability problem at the small scale of flash memory, researches on memory having different operating principles have been conducted by academics and industry. In other words, MRAMs using magnetic materials, PRAMs using phase change materials, RRAMs using resistive changes, and various memories replacing conventional floating gate flash memories have been developed for commercialization. Among them, PRAM using a phase conversion material has a spotlight as a next-generation nonvolatile memory because of its simple cell structure and relatively fast read / write operation compared to other nonvolatile memories.
기본적으로 PRAM은, 도 1과 같이, DRAM의 1T(트랜지스터) 1C(capacitor)구조와 유사한 구조를 갖는다. 다만, 정보를 저장하는 영역이 GST(Ge2Sb2Te5)와 같은 칼코게나이드(chalcogenide) 물질 즉, PCM(Phase Change Material; 상변화 물질)로 구성되어 있다는 점이 다르다.Basically, the PRAM has a structure similar to that of the 1T (transistor) 1C (capacitor) structure of the DRAM, as shown in FIG. However, the information storage area is different from a chalcogenide material such as Ge 2 Sb 2 Te 5 (GST), that is, a phase change material (PCM).
PRAM의 동작원리는 상변화 물질이 소정의 조건에서 결정 상태(crystalline state) 또는 비정질 상태(amorphous state)를 갖고, 각 상태에 따라 저항 차이가 남을 이용한다. 예를들어, 도 2와 같이, 스위칭 소자를 통하여 GST 물질에 전류를 일정시간 인가하여 GST 물질의 용융점(Tm: 약 610℃) 부근의 열을 단시간(t1: 1~10ns) 공급한 후, 약 1ns 동안 급속히 냉각시키면, 상기 GST 물질은 저항이 큰 비정질 상태가 되고(L1, 리세트 상태 또는 프로그램 상태로서 데이터 '1'이 저장), 한편, GST 물질의 결정화 온도(Tc: 약 450℃) 부근의 열을 장시간(t2: 30~50ns) 공급한 후, 서서히 냉각시키면, 상기 GST 물질은 저항이 상대적으로 작은 결정 상태로 된다(L2, 세트 상태 또는 이레이즈 상태로서 데이터 '0'이 저장). 따라서, 리드동작에서는 상변화 물질인 GST 물질을 통하여 흐르는 전류에 따른 전압차를 이용하여 데이터 '1' 또는 '0'을 감지하게 된다.The operation principle of the PRAM is that the phase change material has a crystalline state or an amorphous state under predetermined conditions, and the difference in resistance depends on each state. For example, as shown in FIG. 2, after a current is applied to the GST material through a switching element for a predetermined time, heat is supplied to the vicinity of the melting point (Tm: about 610 ° C.) of the GST material for a short time (t1: 1 to 10 ns). When rapidly cooled for 1 ns, the GST material becomes an amorphous state with high resistance (L1, data '1' stored as a reset state or a program state), while near the crystallization temperature (Tc: about 450 ° C.) of the GST material. After a long time (t2: 30-50 ns) of heat is slowly cooled, the GST material becomes a crystalline state with a relatively low resistance (data '0' is stored as a set state or an erased state). Therefore, in the read operation, the data '1' or '0' is sensed using the voltage difference according to the current flowing through the GST material which is the phase change material.
이때 데이터를 저장하고 읽는 과정에 있어서 특정한 셀을 선택하는 스위칭 소자가 사용된다. 실리콘 다이오드를 스위칭 소자로 이용한 PRAM이 소개되었으나 다수의 셀을 어레이 형태로 집적하게 될 경우 다이오드의 역방향 누설전류에 의한 전력 소모가 문제가 되며 이와 같은 문제점을 해결하기 위해서는 도 3과 같이 MOSFET을 스위칭 소자로 사용하여야 한다.In this case, a switching element for selecting a specific cell is used in the process of storing and reading data. Although PRAM using a silicon diode as a switching element has been introduced, when a large number of cells are integrated in an array form, power consumption due to the reverse leakage current of the diode becomes a problem. Should be used.
그런데, 종래 PRAM은 상변화 물질층에 전류를 인가하기 위하여 접지와 비트라인 사이에 스위칭 소자가, 도 3과 같이, 기판 상에 평면형(planar type)으로 형성되어, 고집적 메모리를 구현하는데 한계가 있어 왔다.However, in the conventional PRAM, a switching element is formed between the ground and the bit line in order to apply a current to the phase change material layer, as shown in FIG. 3, in a planar type on a substrate. come.
그리고, 상변화 물질의 특성상 상대적으로 큰 저항인 비정질 상태(프로그램 상태)에서 결정 상태(이레이즈 상태)로의 전환은 용이하나, 반대로의 전환은 어려워 하부전극에서 상변화 물질의 용융점 부근의 온도까지 높여주어야 하므로, 종래 PRAM은 대부분, 도 3과 같이, 상변화 물질층과 접하는 하부전극(5a, 5b)이 일정 저항을 가지기 위하여, 상부전극(7a, 7b)에 비하여 상대적으로 긴 길이와 작은 단면적을 가진 구성을 하여야 하고, 이에 따라 공정의 복잡도가 증가하는 문제는 물론 자기 정렬로 상변화 물질층을 증착하기 어려운 문제점이 있어 왔다.In addition, due to the characteristics of the phase change material, it is easy to switch from the amorphous state (program state), which is a relatively large resistance, to the crystalline state (ease state), but the reverse is difficult, so that the temperature of the phase change material near the melting point of the phase change material is increased. In the conventional PRAM, as shown in FIG. 3, the
도 3에서 도면부호 7a, 7b를 상부전극을 겸한 각 비트라인으로, 도면부호 9를 공통 접지 라인으로 하여, 반도체 기판(1)에 형성된 공통 소스/드레인(3)에 컨택한 것으로 동작할 수 있으나, 반대로 도면부호 9를 비트라인으로, 도면부호 7a, 7b은 각 접지 라인으로 동작할 수도 있다. 공통 소스/드레인(3) 양측에는 각 워드라인(4a)(4b)에 의하여 제어되는 각 스위칭 소자의 수평 채널로 제 1 소스/드레인(2a) 및 제 2 소스/드레인(2b)과 연결되고, 이어 층간절연막(8) 상에 도전성 플러그로 형성된 각 하부전극(5a)(5b)을 통하여 각 상변화 물질층에 전기적으로 연결된다. 도 3의 좌측 셀의 상변화 물질층은 결정 상태(이레이즈 상태, 6a)의 모습을 도시한 것이고, 도 3의 우측 셀의 상변화 물질층은 결정질(6a) 속에 일부 비정질 상태(프로그램 상태, 6b)로 전환된 모습을 도시한 것이다.In FIG. 3,
따라서, 본 발명은 상변화 물질층에 전류를 공급하는 스위칭 소자의 채널을 수직하게 구현하여 스위칭 소자로 소모되는 면적을 최소화 함으로써, 고집적 가능한 PRAM 소자 및 이를 이용한 PRAM 어레이를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a highly integrated PRAM device and a PRAM array using the same by minimizing the area consumed by the switching device by vertically implementing a channel of the switching device for supplying current to the phase change material layer. .
또한, 측벽 공정을 이용하여 상변화 물질층을 자기 정렬로 용이하게 형성할 수 있는 PRAM 어레이의 제조방법을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다. Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a PRAM array, which can easily form a phase change material layer by self alignment using a sidewall process.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 PRAM 소자는 제 1 라인에 전기적으로 연결된 스위칭 소자와, 상기 스위칭 소자의 한 단자와 전기적으로 연결된 하부전극과, 상기 하부전극 상에 형성된 상변화 물질층과, 상기 상변화 물질층 상에 형성되며 제 2 라인에 전기적으로 연결된 상부전극을 포함하여 구성된 PRAM 소자에 있어서, 상기 스위칭 소자는 반도체 기판을 식각하여 형성된 트렌치 바닥의 일부 및 상기 트렌치의 일 측벽 상에 게이트 절연막을 사이에 두고 형성된 측벽 게이트를 갖고, 상기 트렌치에는 상기 측벽 게이트 상에 분리절연막을 사이에 두고 바닥으로부터 상기 하부전극, 상기 상변화 물질층 및 상기 상부전극 순으로 적층되어 형성된 것을 특징으로 하거나,In order to achieve the above object, the PRAM device according to the present invention comprises a switching element electrically connected to the first line, a lower electrode electrically connected to one terminal of the switching element, and a phase change material layer formed on the lower electrode; And a top electrode formed on the phase change material layer and electrically connected to a second line, wherein the switching element is formed on a portion of a trench bottom and a sidewall of the trench formed by etching a semiconductor substrate. And a sidewall gate formed with a gate insulating film interposed therebetween, wherein the trench is formed by stacking the bottom electrode, the phase change material layer, and the top electrode from a bottom with a separation insulating film interposed therebetween on the sidewall gate. ,
반도체 기판의 트렌치 양 측벽에 각각 수직형 채널을 갖도록 형성된 두개의 스위칭 소자들; 및 상기 두개의 스위칭 소자들 상에 분리절연막을 사이에 두고 상기 트렌치 바닥으로부터 하부전극, 상변화 물질층 및 상부전극 순으로 적층되어 형성된 저장노드를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.Two switching elements each having a vertical channel on both sidewalls of the semiconductor substrate; And a storage node formed by stacking the lower electrode, the phase change material layer, and the upper electrode in order from the bottom of the trench with a separation insulating layer interposed therebetween on the two switching elements.
그리고, 본 발명에 의한 PRAM 어레이는 반도체 기판에 일정 거리 이격되며 식각되어 형성된 둘 이상의 트렌치들; 상기 각 트렌치 마다 바닥과 양 측벽 상에 게이트 절연막을 두며 서로 이격되어 형성된 두개의 측벽 게이트들; 상기 각 측벽 게이트 양측에 위치한 상기 반도체 기판 상부 및 상기 트렌치 바닥에 불순물 도핑층으로 형성된 복수개의 소스/드레인 영역들; 및 상기 각 트렌치 마다 상기 각 측벽 게이트 상에 분리절연막을 사이에 두고 바닥으로부터 하부전극, 상변화 물질층 및 상부전극 순으로 적층되며 채워진 저장 노드들을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.In addition, the PRAM array according to the present invention includes two or more trenches formed by etching a predetermined distance from the semiconductor substrate; Two sidewall gates spaced apart from each other with a gate insulating film on a bottom and both sidewalls of each trench; A plurality of source / drain regions formed of an impurity doping layer on an upper portion of the semiconductor substrate and on a bottom of the trench positioned on both sidewall gates; And storage nodes stacked and filled from the bottom in the order of the lower electrode, the phase change material layer, and the upper electrode with the isolation insulating layer interposed therebetween on each of the trenches.
그리고, 본 발명에 의한 PRAM 어레이의 제조방법은 반도체 기판을 식각하여 소정의 폭과 깊이를 갖는 둘 이상의 트렌치들을 일정거리 이격하며 형성하는 제 1 단계; 상기 각 트렌치가 형성된 상기 기판 상부에 게이트 절연막을 형성하는 제 2 단계; 상기 기판 전면에 게이트 물질을 증착하고 비등방성으로 식각하여 상기 각 트렌치의 양 측벽에 측벽 게이트들을 형성하는 제 3 단계; 상기 각 측벽 게이트 상부에 열 산화공정을 통하여 분리절연막을 형성하는 제 4 단계; 상기 기판 상부 및 상기 각 트렌치 바닥에 이온주입공정을 통하여 소스/드레인을 형성하는 제 5 단계; 상기 각 측벽 게이트 양측으로 드러난 게이트 절연막을 절연막 식각 공정을 통하여 제거하는 제 6 단계; 및 상기 절연막 식각 공정으로 드러난 상기 각 트렌치의 바닥으로부터 하부전극, 상변화 물질층 및 상부전극 순으로 순차 적층하며 채워 복수개의 저장노드들을 형성하는 제 7 단계를 포함하여 구성되거나,In addition, a method of manufacturing a PRAM array according to the present invention may include: a first step of etching a semiconductor substrate to form two or more trenches having a predetermined width and depth spaced apart from each other by a predetermined distance; Forming a gate insulating film on the substrate on which the trenches are formed; Depositing gate material over the substrate and etching anisotropically to form sidewall gates on both sidewalls of each trench; A fourth step of forming a separation insulating film on each sidewall gate through a thermal oxidation process; A fifth step of forming a source / drain on the substrate and the bottom of each trench through an ion implantation process; A sixth step of removing the gate insulating film exposed to both sides of each sidewall gate through an insulating film etching process; And a seventh step of sequentially filling and filling the lower electrode, the phase change material layer, and the upper electrode from the bottom of each trench exposed by the insulating film etching process to form a plurality of storage nodes.
반도체 기판을 식각하여 소정의 폭과 깊이를 갖는 둘 이상의 트렌치들을 일정거리 이격하며 형성하는 제 1 단계; 상기 각 트렌치가 형성된 상기 기판 상부에 게이트 절연막을 형성하는 제 2 단계; 상기 기판 전면에 게이트 물질을 증착하고 비등방성으로 식각하여 상기 각 트렌치의 양 측벽에 측벽 게이트들을 형성하는 제 3 단계; 상기 기판 상부 및 상기 각 트렌치 바닥에 이온주입공정을 통하여 소스/드레인을 형성하는 제 4 단계; 상기 각 측벽 게이트 상부에 열 산화공정을 통하여 분리절연막을 형성하는 제 5 단계; 상기 각 측벽 게이트 양측으로 드러난 게이트 절연막을 절연막 식각 공정을 통하여 제거하는 제 6 단계; 및 상기 절연막 식각 공정으로 드러난 상기 각 트렌치의 바닥으로부터 하부전극, 상변화 물질층 및 상부전극 순으로 순차 적층하며 채워 복수개의 저장노드들을 형성하는 제 7 단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.Etching the semiconductor substrate to form two or more trenches having a predetermined width and depth spaced apart from each other by a predetermined distance; Forming a gate insulating film on the substrate on which the trenches are formed; Depositing gate material over the substrate and etching anisotropically to form sidewall gates on both sidewalls of each trench; Forming a source / drain on an upper portion of the substrate and a bottom of each trench through an ion implantation process; A fifth step of forming a separation insulating film on each sidewall gate through a thermal oxidation process; A sixth step of removing the gate insulating film exposed to both sides of each sidewall gate through an insulating film etching process; And a seventh step of sequentially filling and filling the lower electrode, the phase change material layer, and the upper electrode from the bottom of each trench exposed by the insulating film etching process to form a plurality of storage nodes.
본 발명에 의한 PRAM 소자 및 PRAM 어레이는 반도체 기판을 식각하여 트렌치를 형성하고, 상기 트렌치의 측벽 상에 측벽 게이트를 형성하여 수직형 채널 구조를 갖도록 함으로써, 스위칭 소자로 소모되는 면적을 최소화 하여 고집적 가능함은 물론, 종래와 달리 하부전극의 형상에 구애될 필요가 없는 효과가 있다. 또한 다이오드 소자를 스위칭 소자로 사용하는 방식에 비해서는 다이오드 역전류에 의한 집적도 제한에 영향을 받지 않는 특징을 갖는다. The PRAM device and the PRAM array according to the present invention form a trench by etching a semiconductor substrate, and form a sidewall gate on the sidewall of the trench to have a vertical channel structure, thereby minimizing the area consumed by the switching element, thereby enabling high integration. Of course, unlike the prior art there is an effect that does not need to be bound by the shape of the lower electrode. In addition, compared with the method of using a diode device as a switching device, it is not affected by the integration limit due to diode reverse current.
그리고, 본 발명에 의한 PRAM 어레이 제조방법은 열 산화공정시 측벽 게이트 상부가 산화막이 두껍게 형성되는 점을 이용하고, 트렌치 양측 벽에 형성된 측벽 게이트 사이에 하부전극, 상변화 물질층 및 상부전극 순으로 순차 적층하며 채우게 됨으로써, 상변화 물질층을 자기 정렬로 원하는 두께로 용이하게 형성할 수 있는 효과가 있다.In the PRAM array manufacturing method according to the present invention, the upper sidewall gate is formed with a thick oxide film during the thermal oxidation process, and the lower electrode, the phase change material layer, and the upper electrode are sequentially disposed between sidewall gates formed on both side walls of the trench. By sequentially filling and filling, the phase change material layer can be easily formed to a desired thickness by self alignment.
도 1은 PRAM 소자의 등가 회로도이다.
도 2는 PRAM 소자의 상변화 물질층이 가열된 온도 및 시간에 따른 결정 상태를 설명하기 위한 그래프이다.
도 3은 종래 PRAM 소자 및 어레이 구조의 일 예를 보여주는 단면도이다.
도 4는 본 발명에 의한 PRAM 소자 및 어레이 구조의 일 예를 보여주는 단면도이다.
도 5 내지 도 13은 본 발명에 의한 PRAM 소자 및 어레이의 제조방법에 따른 일 예를 보여주기 위한 공정 단면도이다. 1 is an equivalent circuit diagram of a PRAM element.
FIG. 2 is a graph illustrating a crystal state according to a temperature and a time at which a phase change material layer of a PRAM device is heated.
3 is a cross-sectional view illustrating an example of a conventional PRAM device and an array structure.
4 is a cross-sectional view illustrating an example of a PRAM device and an array structure according to the present invention.
5 to 13 are cross-sectional views illustrating an example of a method of manufacturing a PRAM device and an array according to the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하며 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명한다. 첨부된 도 4 내지 도 13은 본 발명에 따른 각 실시예의 구조적 특징을 강조하기 위하여 일부 구성은 과장되게 도시되어 있고, 불필요한 부분은 생략해서 도시되었다. 특히, 도 4 내지 도 13은 일측에서 바라본 단면도이어서, 타측에서 바라본 모습은 본 발명에 의한 특징을 살리며 PRAM 소자 및 어레이가 동작되는 구조로 될 수 있음을 이해하여야 할 것이다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. 4 to 13, some components are exaggerated, and unnecessary parts are omitted to emphasize the structural features of the embodiments according to the present invention. In particular, Figures 4 to 13 are cross-sectional views seen from one side, it should be understood that the view seen from the other side can be a structure in which the PRAM device and the array are operated utilizing the features of the present invention.
[PRAM 소자 구조에 관한 실시예]Embodiment of PRAM Device Structure
우선, 본 발명에 의한 PRAM 소자는 기본적으로, 도 1과 같이, 제 1 라인에 전기적으로 연결된 스위칭 소자와, 상기 스위칭 소자의 한 단자와 전기적으로 연결된 하부전극과, 상기 하부전극 상에 형성된 상변화 물질층과, 상기 상변화 물질층 상에 형성되며 제 2 라인에 전기적으로 연결된 상부전극을 포함하여 구성된 PRAM 소자에 있어서, 상기 스위칭 소자는 워드라인으로 제어되며, 도 4와 같이, 반도체 기판(10)을 식각하여 형성된 트렌치 바닥의 일부 및 상기 트렌치의 일 측벽 상에 게이트 절연막(22)을 사이에 두고 형성된 측벽 게이트(32a, 32b, 32c 또는 32d)로 구성됨으로써, 수직형 채널을 갖는 것을 특징으로 한다.First, a PRAM device according to the present invention basically includes a switching element electrically connected to a first line, a lower electrode electrically connected to one terminal of the switching element, and a phase change formed on the lower electrode as shown in FIG. 1. In the PRAM device including a material layer and an upper electrode formed on the phase change material layer and electrically connected to a second line, the switching device is controlled by a word line, as shown in FIG. 4. ) And a sidewall gate (32a, 32b, 32c or 32d) formed with a portion of the trench bottom formed by etching) and the
여기서, 상기 측벽 게이트 양측에 위치한 상기 반도체 기판 상부 및 상기 트렌치 바닥에는 불순물 도핑층으로 각각 제 1, 제 2 소스/드레인 영역(예컨대, 52b, 54a)이 형성되고, 상기 제 1 소스/드레인 영역(52b)은 도전성 플러그(84)를 통하여 상기 제 1 라인(미도시)과 전기적으로 연결되고, 상기 제 2 소스/드레인 영역(54a)은 상기 하부전극(62a)과 전기적으로 연결된다.Here, first and second source / drain regions (eg, 52b and 54a) are formed on the upper side of the semiconductor substrate and the trench bottom positioned on both sidewall gates as impurity doping layers, respectively, and the first source / drain regions ( 52b is electrically connected to the first line (not shown) through the
그리고, 상기 트렌치에는 상기 측벽 게이트(32a, 32b, 32c 또는 32d) 상에 분리절연막(40)을 사이에 두고 바닥으로부터 상기 하부전극(예컨대, 62a), 상기 상변화 물질층(예컨대, 70a) 및 상기 상부전극(예컨대, 84a) 순으로 적층되며 채워진다.In the trench, the lower electrode (eg, 62a), the phase change material layer (eg, 70a), and the bottom electrode are disposed from the bottom of the
도 4에서는 각 트렌치에 측벽 게이트가 두개씩 형성되고(32a 및 32b, 32c 및 32d), 두개의 측벽 게이트들 사이에 하부전극(62a, 62b)/상변화 물질층(70a, 70b)/상부전극(84a, 84b) 순으로 적층되며 각 트렌치를 채우는 것이 도시되어 있으나, 트렌치의 일측 측벽에 형성된 하나의 측벽 게이트로 제어되는 PRAM 소자 구현도 가능하다.In FIG. 4, two sidewall gates are formed in each trench (32a and 32b, 32c and 32d), and the
상기 제 1, 2 라인은, 도 1과 같이, 각각 비트라인 및 접지라인일 수 있으나, 서로 바꾸어 동작될 수도 있다.The first and second lines may be bit lines and ground lines, respectively, as shown in FIG. 1, but may be interchanged with each other.
상기와 같이 상변화 물질층(70a, 70b)에 전류를 공급하기 위한 스위칭 소자의 게이트를 측벽 게이트로 형성함으로써, 수직형 채널 구조를 갖도록 하여, 스위칭 소자로 소모되는 면적을 최소화 할 수 있다.As described above, the gate of the switching element for supplying current to the phase
또한, 상변화 물질층에서 발생한 열로 직접 상 변환을 할 수 있기 때문에 종래와 달리 하부전극의 형상에 구애될 필요도 없다. 즉, 도 3과 같은 종래 PRAM 소자에서는, 하부전극(5a, 5b)이 상변화 물질층(6a)의 상태 변화를 줄 만한 열을 공급하여야 하므로(특히, 결정 상태에서 비정질 상태로 바꿀때), 하부전극(5a, 5b)이 소정의 저항을 갖도록 하기 위해 일정 길이를 가지며 단면적을 작게 하여야 하는 제한이 있어 왔다.In addition, since the phase change can be directly converted to heat generated in the phase change material layer, there is no need to be limited to the shape of the lower electrode. That is, in the conventional PRAM device as shown in FIG. 3, since the
도 4는 종래 PRAM 소자를 도시한 도 3과 대비되도록 본 실시예에 의한 PRAM 소자 구조의 일 단면을 도시한 것으로, 각 트렌치마다 상변화 물질층을 포함한 저장노드(62a, 70a, 84a)(62b, 70b, 84b)가 형성되어 있고, 각 저장노드에는 트렌치 양 측벽에 수직형 채널을 갖는 두개의 스위칭 소자들이 병렬로 연결되어 있다.4 is a cross-sectional view of a PRAM device structure according to the present embodiment, in contrast to FIG. 3 showing a conventional PRAM device, and includes
상기 각 스위칭 소자는 트렌치 사이의 기판 상부에 형성된 불순물 도핑층(52b)을 제 1 소스/드레인 영역으로, 트렌치 바닥의 반도체에 형성된 불순물 도핑층(54a, 54b)을 제 2 소스/드레인 영역으로, 트렌치 사이의 반도체 기둥(12)을 각 채널 영역으로 한다. 여기서, 반도체 기둥(12)은 도면에는 미도시 되었으나, 상기 각 트렌치를 이루며 상기 각 스위칭 소자의 채널영역을 정의하기 위하여 절연막 기둥으로 채워지도록 반도체 기판(10)이 기둥 형상으로 식각된 것을 말한다.Each of the switching elements includes an impurity doped
그리고, 기판 상부에 형성된 불순물 도핑층(52b)은 층간절연막(90)의 도전성 플러그(84)를 통하여 비트라인 또는 접지라인에 연결되고, 각 저장노드의 상부전극(84a, 84b)은 층간절연막(90)의 도전성 플러그(82a, 82b)를 통하여 접지라인 또는 비트라인에 연결되고, 각 스위칭 소자의 측벽 게이트(32a, 32b, 32c, 32d)는 각 워드라인에 연결된다.The
따라서, 본 실시예에 의한 PRAM 소자는 각 트렌치마다 두개의 측벽 게이트들(32a, 32b)(32c, 32d) 상에 분리절연막(40)을 사이에 두고 트렌치 바닥으로부터 하부전극(62a, 62b), 상변화 물질층(70a, 70b) 및 상부전극(84a, 84b) 순으로 적층된 저장노드를 갖는 구조를 가지게 되므로, 트렌치 깊이에 따라 얼마든지 상변화 물질층(70a, 70b)의 두께를 크게 하여, 자체 열로 상 변환이 가능하게 할 수 있게 된다. Therefore, in the PRAM device according to the present exemplary embodiment, the
도 4에서 좌측 셀은 상변화 물질층이 결정 상태(이레이즈 상태, 70a)인 모습을 보여주는 것이고, 우측 셀은 상변화 물질층이 비정질 상태(프로그램 상태, 70b)로 전환된 모습을 보여준다.
In FIG. 4, the left cell shows a state in which the phase change material layer is in a crystalline state (ease state, 70a), and the right cell shows a state in which the phase change material layer is converted to an amorphous state (program state, 70b).
[PRAM 어레이에 관한 실시예]Embodiment of PRAM Array
다음은, 상기 PRAM 소자 구조에 관한 실시예에 따른 PRAM 소자를 이용한 PRAM 어레이의 실시예에 대하여 설명한다.Next, an embodiment of a PRAM array using a PRAM element according to the embodiment of the above-described PRAM element structure will be described.
이는 기본적으로, 도 4 내지 도 13과 같이, 반도체 기판(10)에 일정 거리 이격되며 식각되어 형성된 둘 이상의 트렌치들(11); 상기 각 트렌치 마다 바닥과 양 측벽 상에 게이트 절연막(22)을 두며 서로 이격되어 형성된 두개의 측벽 게이트들(32a, 32b)(32c, 32d); 상기 각 측벽 게이트 양측에 위치한 상기 반도체 기판 상부(52a, 52b, 52c) 및 상기 트렌치 바닥(54a, 54b)에 불순물 도핑층으로 형성된 복수개의 소스/드레인 영역들; 및 상기 각 트렌치 마다 상기 각 측벽 게이트 상에 분리절연막(40)을 사이에 두고 바닥으로부터 하부전극(62a, 62b), 상변화 물질층(70a, 70b) 및 상부전극(84a, 84b) 순으로 적층되며 채워진 저장 노드들을 포함하여 구성된다.Basically, as illustrated in FIGS. 4 to 13, two or
여기서, 상기 반도체 기판 상부에 형성된 소스/드레인 영역들(52a, 52b, 52c)은 각각 층간절연막(90)의 도전성 플러그(84)를 통하여 각 비트라인(미도시)에 전기적으로 연결되고, 상기 각 트렌치의 바닥에 형성된 소스/드레인 영역들(54a, 54b)은 상기 각 저장 노드의 하부전극(62a, 62b)에 전기적으로 연결되고, 상기 각 저장 노드의 상부전극(84a, 84b)은 층간절연막(90)의 도전성 플러그(82a, 82b)를 통하여 접지라인(미도시)에 전기적으로 연결되고, 상기 각 측벽 게이트(32a, 32b, 32c, 32d)는 각 워드라인(미도시)에 전기적으로 연결하게 된다. The source /
물론, 상기 반도체 기판 상부에 형성된 소스/드레인 영역들(52a, 52b, 52c)은 비트라인 대신 접지라인에 전기적으로 연결될 수 있고, 이 경우 상기 각 저장 노드의 상부전극(84a, 84b)은 접지라인 대신 비트라인에 전기적으로 연결하게 된다.
Of course, the source /
[PRAM 어레이의 제조방법에 관한 실시예][Example of Manufacturing Method of PRAM Array]
상기 PRAM 어레이의 실시예에 따른 PRAM 어레이를 제조하는 방법에 대하여 첨부한 도 5 내지 도 13을 참조하며 설명한다.A method of manufacturing a PRAM array according to an embodiment of the PRAM array will be described with reference to FIGS. 5 to 13.
먼저, 도 5와 같이, 반도체 기판(10)을 식각하여 소정의 폭과 깊이를 갖는 둘 이상의 트렌치들(11)을 일정거리 이격하며 형성한다(제 1 단계). 여기서, 트렌치(11)의 폭은 차후 형성될 측벽 게이트 및 저장노드의 폭에 의하여 결정되고, 트렌치(11)의 깊이는 수직형 채널 길이 및 상변화 물질층의 두께에 의하여 결정될 수 있다.First, as shown in FIG. 5, the
물론, 상기 제 1 단계 이전에 차후 형성될 스위칭 소자의 액티브 영역을 정의하기 위하여 상기 트렌치(11) 방향과 수직한 방향으로 반도체 기판(10)을 식각하여 필드용 트렌치를 먼저 형성하고 절연막을 채우는 공정이 진행되고, 본 단계에서 상기 트렌치(11) 형성시 필드용 트렌치에 채워진 절연막이 함께 제거될 수 있도록 함이 바람직하다. 이 경우, 도 5에서 도면부호 12는 반도체 기둥 형상을 하게 된다.Of course, the
다음, 도 6과 같이, 상기 각 트렌치(11)가 형성된 상기 기판 상부에 게이트 절연막(20)을 형성한다(제 2 단계). 여기서, 상기 게이트 절연막(20)은 통상의 열 산화막 공정을 통하여 산화막으로 형성될 수 있다.Next, as shown in FIG. 6, a
이어, 도 7과 같이, 상기 기판 전면에 게이트 물질(30)을 증착하고, 도 8과 같이, 비등방성으로 식각하여 상기 각 트렌치(11)의 양 측벽에 측벽 게이트들(32a, 32b)을 형성한다(제 3 단계). 여기서, 상기 게이트 물질(30)은 통상과 같이 불순물이 도핑된 실리콘계 물질일 수 있다, 또한, 상기 게이트 물질(30)의 식각 조건을 조절함으로써, 상기 각 트렌치(11)의 양 측벽에 형성되는 측벽 게이트들(32a, 32b)의 높이, 폭 및 경사도 등을 조정할 수 있다.Subsequently, as shown in FIG. 7, the
이후, 도 9와 같이, 상기 각 측벽 게이트(32a)(32b) 상부에 열 산화공정을 통하여 분리절연막(40)을 형성한다(제 4 단계). 이때, 다른 부위보다 측벽 게이트 상부에 산화막이 두껍게 형성되는 점을 이용하여, 차후 각 측벽 게이트(32a)(32b) 밖으로 노출된 게이트 절연막을 제거할 수 있게 된다.Thereafter, as shown in FIG. 9, a
다음, 도 10과 같이, 상기 기판 상부 및 상기 각 트렌치 바닥에 이온주입공정을 통하여 소스/드레인(52a, 52b, 54)을 형성한다(제 5 단계). Next, as shown in FIG. 10, the source / drains 52a, 52b, and 54 are formed on the top of the substrate and the bottom of each trench through an ion implantation process (Fifth Step).
그러나, 본 단계에서의 이온주입공정은 공정 순서를 바꾸어 상기 제 3 단계 직후, 즉 측벽 게이트들(32a, 32b)을 형성한 다음 바로 실시하는 것이 바람직하다. 이렇게 함으로써, 불순물 이온 주입으로 소스/드레인(52a, 52b, 54) 형성과 함께 실리콘계 물질로 형성된 측벽 게이트(32a, 32b)의 전도성을 높일 수 있으며, 이어서 상기 제 4 단계로 분리절연막(40) 형성을 위한 열 산화공정시 전 단계에서 주입된 이온을 확산시키며 어닐링하는 효과가 있게 된다.However, it is preferable that the ion implantation process in this step is performed immediately after the third step, that is, immediately after forming the
이후, 도 11과 같이, 상기 각 측벽 게이트 양측으로 드러난 게이트 절연막(20)을 절연막 식각 공정을 통하여 제거한다(제 6 단계). 이때, 전술한 바와 같이, 앞선 공정에서 측벽 게이트 상부에 분리절연막(40)으로 산화막이 두껍게 형성되어 있어, 본 단계의 절연막 식각 공정으로 측벽 게이트 양측으로 드러난 게이트 절연막(20)을 제거하더라도 분리절연막(40)은 남아 있게 된다.Thereafter, as shown in FIG. 11, the
다음, 도 12와 같이, 상기 절연막 식각 공정으로 드러난 상기 각 트렌치의 바닥으로부터 하부전극(62), 상변화 물질층(70) 및 상부전극(64) 순으로 순차 적층하며 트렌치를 채워 복수개의 저장노드들을 형성한다(제 7 단계). Next, as shown in FIG. 12, a plurality of storage nodes are sequentially stacked from the bottom of each of the trenches exposed by the insulating film etching process in order from the
여기서, 상기 하부전극(62), 상변화 물질층(70) 및 상부전극(64)은 공지의 물질로 형성될 수 있다.The
또한, 상기 상변화 물질층(70)은 종래와 달리 양측의 측벽게이트들(32a, 32b)(32c, 32d) 사이를 채우면 되므로 자기 정렬로 용이하게 형성할 수 있고, 그 두께도 공정 조건을 조절하면 얼마든지 원하는 크기를 가질 수 있게 구현할 수 있다.In addition, the phase
이후, 도 13과 같이, 상기 기판 전면에 층간 절연막(90)을 증착하고, 상기 기판 상부에 형성된 소스/드레인(52a, 52b) 및 상기 각 저장노드의 상부전극(64)과 전기적 접속을 위한 복수개의 컨택홀들을 형성하는 단계; 및 상기 각 컨택홀에 도전성 플러그(82a, 82b, 84)를 형성하는 단계를 더 진행시키며 PRAM 어레이를 제조할 수 있다.Thereafter, as shown in FIG. 13, an
기타 공정들은 통상의 메모리 어레이 제조 공정을 따르면 되므로, 더 이상의 설명은 생략한다.Other processes may follow a conventional memory array fabrication process, and further description thereof will be omitted.
10: 반도체 기판 22: 게이트 절연막
32a, 32b, 32c, 32d: 측벽 게이트 40: 분리절연막
52b: 제 1 소스/드레인 54a, 54b: 제 2 소스/드레인
62a, 62b: 하부전극 70a, 70b: 상변화 물질층
82a, 82b, 84: 전도성 플러그 84a, 84b: 상부전극
90: 층간절연막 10: semiconductor substrate 22: gate insulating film
32a, 32b, 32c, 32d: sidewall gate 40: isolation insulating film
52b: first source /
62a and 62b:
82a, 82b, 84:
90: interlayer insulating film
Claims (10)
상기 스위칭 소자는 반도체 기판을 식각하여 형성된 트렌치 바닥의 일부 및 상기 트렌치의 일 측벽 상에 게이트 절연막을 사이에 두고 형성된 측벽 게이트를 갖고,
상기 트렌치에는 상기 측벽 게이트 상에 분리절연막을 사이에 두고 바닥으로부터 상기 하부전극, 상기 상변화 물질층 및 상기 상부전극 순으로 적층되어 형성된 것을 특징으로 하는 PRAM 소자.
A switching element electrically connected to a first line, a lower electrode electrically connected to one terminal of the switching element, a phase change material layer formed on the lower electrode, and formed on the phase change material layer, In a PRAM device comprising an electrically connected upper electrode,
The switching element has a portion of a trench bottom formed by etching a semiconductor substrate and a sidewall gate formed on one sidewall of the trench with a gate insulating film interposed therebetween,
And forming a trench in the trench in the trench, the lower electrode, the phase change material layer, and the upper electrode stacked from a bottom to an isolation insulating layer on the sidewall gate.
상기 스위칭 소자는 반도체 기판을 식각하여 형성된 트렌치 바닥의 일부 및 상기 트렌치의 일 측벽 상에 게이트 절연막을 사이에 두고 형성된 측벽 게이트를 갖고,
상기 측벽 게이트 양측에 위치한 상기 반도체 기판 상부 및 상기 트렌치 바닥에는 불순물 도핑층으로 각각 제 1, 제 2 소스/드레인 영역이 형성되고,
상기 제 1 소스/드레인 영역은 상기 제 1 라인과 전기적으로 연결되고,
상기 제 2 소스/드레인 영역은 상기 하부전극과 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 PRAM 소자.
A switching element electrically connected to a first line, a lower electrode electrically connected to one terminal of the switching element, a phase change material layer formed on the lower electrode, and formed on the phase change material layer, In a PRAM device comprising an electrically connected upper electrode,
The switching element has a portion of a trench bottom formed by etching a semiconductor substrate and a sidewall gate formed on one sidewall of the trench with a gate insulating film interposed therebetween,
First and second source / drain regions are formed on the semiconductor substrate and the trench bottom positioned at both sides of the sidewall gate, respectively, as an impurity doping layer.
The first source / drain region is electrically connected to the first line,
And the second source / drain region is electrically connected to the lower electrode.
상기 트렌치에는 상기 측벽 게이트 상에 분리절연막을 사이에 두고 바닥으로부터 상기 하부전극, 상기 상변화 물질층 및 상기 상부전극 순으로 적층되어 형성된 것을 특징으로 하는 PRAM 소자.
The method of claim 2,
And forming a trench in the trench in the trench, the lower electrode, the phase change material layer, and the upper electrode stacked from a bottom to an isolation insulating layer on the sidewall gate.
상기 두개의 스위칭 소자들 상에 분리절연막을 사이에 두고 상기 트렌치 바닥으로부터 하부전극, 상변화 물질층 및 상부전극 순으로 적층되어 형성된 저장노드를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 PRAM 소자.
Two switching elements each having a vertical channel on both sidewalls of the semiconductor substrate; And
And a storage node formed by stacking the lower electrode, the phase change material layer, and the upper electrode in order from the bottom of the trench with a separation insulating layer interposed therebetween on the two switching devices.
상기 각 트렌치 마다 바닥과 양 측벽 상에 게이트 절연막을 두며 서로 이격되어 형성된 두개의 측벽 게이트들;
상기 각 측벽 게이트 양측에 위치한 상기 반도체 기판 상부 및 상기 트렌치 바닥에 불순물 도핑층으로 형성된 복수개의 소스/드레인 영역들; 및
상기 각 트렌치 마다 상기 각 측벽 게이트 상에 분리절연막을 사이에 두고 바닥으로부터 하부전극, 상변화 물질층 및 상부전극 순으로 적층되며 채워진 저장 노드들을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 PRAM 어레이.
Two or more trenches spaced apart from the semiconductor substrate by a predetermined distance and etched;
Two sidewall gates spaced apart from each other with a gate insulating film on a bottom and both sidewalls of each trench;
A plurality of source / drain regions formed of an impurity doping layer on an upper portion of the semiconductor substrate and on a bottom of the trench positioned on both sidewall gates; And
And each of the trenches comprises storage nodes stacked and filled from the bottom in order from the bottom to the bottom electrode, the phase change material layer, and the top electrode with a separation insulating layer on each sidewall gate.
상기 반도체 기판 상부에 형성된 소스/드레인 영역들은 각 비트라인에 전기적으로 연결되고,
상기 각 트렌치의 바닥에 형성된 소스/드레인 영역들은 상기 각 저장 노드의 하부전극에 전기적으로 연결되고,
상기 각 저장 노드의 상부전극은 접지라인에 전기적으로 연결되고,
상기 각 측벽 게이트는 각 워드라인에 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 PRAM 어레이.
The method of claim 5, wherein
Source / drain regions formed on the semiconductor substrate are electrically connected to each bit line,
Source / drain regions formed at the bottom of each trench are electrically connected to the lower electrode of each storage node,
The upper electrode of each storage node is electrically connected to a ground line,
Each sidewall gate is electrically connected to a respective wordline.
상기 반도체 기판 상부에 형성된 소스/드레인 영역들은 접지라인에 전기적으로 연결되고,
상기 각 트렌치의 바닥에 형성된 소스/드레인 영역들은 상기 각 저장 노드의 하부전극에 전기적으로 연결되고,
상기 각 저장 노드의 상부전극은 각 비트라인에 전기적으로 연결되고,
상기 각 측벽 게이트는 각 워드라인에 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 PRAM 어레이.
The method of claim 5, wherein
Source / drain regions formed on the semiconductor substrate are electrically connected to a ground line,
Source / drain regions formed at the bottom of each trench are electrically connected to the lower electrode of each storage node,
The upper electrode of each storage node is electrically connected to each bit line,
Each sidewall gate is electrically connected to a respective wordline.
상기 각 트렌치가 형성된 상기 기판 상부에 게이트 절연막을 형성하는 제 2 단계;
상기 기판 전면에 게이트 물질을 증착하고 비등방성으로 식각하여 상기 각 트렌치의 양 측벽에 측벽 게이트들을 형성하는 제 3 단계;
상기 각 측벽 게이트 상부에 열 산화공정을 통하여 분리절연막을 형성하는 제 4 단계;
상기 기판 상부 및 상기 각 트렌치 바닥에 이온주입공정을 통하여 소스/드레인을 형성하는 제 5 단계;
상기 각 측벽 게이트 양측으로 드러난 게이트 절연막을 절연막 식각 공정을 통하여 제거하는 제 6 단계; 및
상기 절연막 식각 공정으로 드러난 상기 각 트렌치의 바닥으로부터 하부전극, 상변화 물질층 및 상부전극 순으로 순차 적층하며 채워 복수개의 저장노드들을 형성하는 제 7 단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 PRAM 어레이 제조방법.
Etching the semiconductor substrate to form two or more trenches having a predetermined width and depth spaced apart from each other by a predetermined distance;
Forming a gate insulating film on the substrate on which the trenches are formed;
Depositing gate material over the substrate and etching anisotropically to form sidewall gates on both sidewalls of each trench;
A fourth step of forming a separation insulating film on each sidewall gate through a thermal oxidation process;
A fifth step of forming a source / drain on the substrate and the bottom of each trench through an ion implantation process;
A sixth step of removing the gate insulating film exposed to both sides of each sidewall gate through an insulating film etching process; And
And a seventh step of sequentially filling and filling the lower electrode, the phase change material layer, and the upper electrode in order from the bottom of each trench exposed by the insulating film etching process to form a plurality of storage nodes. .
상기 각 트렌치가 형성된 상기 기판 상부에 게이트 절연막을 형성하는 제 2 단계;
상기 기판 전면에 게이트 물질을 증착하고 비등방성으로 식각하여 상기 각 트렌치의 양 측벽에 측벽 게이트들을 형성하는 제 3 단계;
상기 기판 상부 및 상기 각 트렌치 바닥에 이온주입공정을 통하여 소스/드레인을 형성하는 제 4 단계;
상기 각 측벽 게이트 상부에 열 산화공정을 통하여 분리절연막을 형성하는 제 5 단계;
상기 각 측벽 게이트 양측으로 드러난 게이트 절연막을 절연막 식각 공정을 통하여 제거하는 제 6 단계; 및
상기 절연막 식각 공정으로 드러난 상기 각 트렌치의 바닥으로부터 하부전극, 상변화 물질층 및 상부전극 순으로 순차 적층하며 채워 복수개의 저장노드들을 형성하는 제 7 단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 PRAM 어레이 제조방법.
Etching the semiconductor substrate to form two or more trenches having a predetermined width and depth spaced apart from each other by a predetermined distance;
Forming a gate insulating film on the substrate on which the trenches are formed;
Depositing gate material over the substrate and etching anisotropically to form sidewall gates on both sidewalls of each trench;
Forming a source / drain on an upper portion of the substrate and a bottom of each trench through an ion implantation process;
A fifth step of forming a separation insulating film on each sidewall gate through a thermal oxidation process;
A sixth step of removing the gate insulating film exposed to both sides of each sidewall gate through an insulating film etching process; And
And a seventh step of sequentially filling and filling the lower electrode, the phase change material layer, and the upper electrode in order from the bottom of each trench exposed by the insulating film etching process to form a plurality of storage nodes. .
상기 기판 전면에 층간 절연막을 증착하고, 상기 기판 상부에 형성된 소스/드레인 및 상기 각 저장노드의 상부전극과 전기적 접속을 위한 복수개의 컨택홀들을 형성하는 단계; 및
상기 각 컨택홀에 도전성 플러그를 형성하는 단계를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 PRAM 어레이 제조방법.
The method according to claim 8 or 9,
Depositing an interlayer insulating film on the entire surface of the substrate, and forming a plurality of contact holes for electrical connection with a source / drain formed on the substrate and an upper electrode of each storage node; And
And forming a conductive plug in each of the contact holes.
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