KR101147523B1 - 1t dram device having split gate structure and dram array using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 메모리 소자 및 이를 이용한 메모리 어레이에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 커패시터 없이 하나의 트랜지스터로 스플릿게이트 구조를 갖는 1T 디램 소자 및 이를 이용한 디램 어레이에 관한 것이다. The present invention relates to a semiconductor memory device and a memory array using the same, and more particularly, to a 1T DRAM device having a split gate structure with one transistor without a capacitor and a DRAM array using the same.
Description
본 발명은 반도체 메모리 소자 및 이를 이용한 메모리 어레이에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 커패시터 없이 하나의 트랜지스터로 스플릿게이트 구조를 갖는 1T 디램 소자 및 이를 이용한 디램 어레이에 관한 것이다. The present invention relates to a semiconductor memory device and a memory array using the same, and more particularly, to a 1T DRAM device having a split gate structure with one transistor without a capacitor and a DRAM array using the same.
종래 디램 소자(DRAM device 또는 DRAM memory cell)는 1개의 트랜지스터와 1개의 커패시터로 구성된 1T/1C의 구조를 갖게 되는데, 이는 커패시스터 형성 공정이 복잡하고, 메모리 칩을 다른 소자들과 함께 임베디드(embedded) 칩을 형성하며 고집적화 하는데 한계가 있어 왔다.A conventional DRAM device (DRAM device or DRAM memory cell) has a structure of 1T / 1C composed of one transistor and one capacitor, which is complicated to form a capacitor and embeds a memory chip together with other devices. There is a limit to forming chips and high integration.
그래서, 최근에는 상기 1T/1C 디램 소자의 문제점을 해결하기 위해 커패시터 없이 하나의 트랜지스터 구조를 갖는 1T 디램 소자가 개발되어 왔다(한국 등록특허 10-0860744 및 10-0945508, 한국 공개특허 10-2008-0064001 참조).Thus, in order to solve the problem of the 1T / 1C DRAM device, a 1T DRAM device having a transistor structure without a capacitor has been recently developed (Korean Patent Nos. 10-0860744 and 10-0945508, and Korean Patent Publication No. 10-2008-A). 0064001).
상기 1T 디램 소자는 알려진 바와 같이 impact ionization에 의해 생성된 과잉 홀들(excess holes)을 플로팅 바디에 저장하고, 상기 플로팅 바디에 저장된 홀의 양에 따라 트랜지스터의 문턱전압과 전류레벨이 달라지는 점을 이용하여 데이터를 기록하거나 읽게 된다.The 1T DRAM device stores the excess holes generated by impact ionization in the floating body as is known, and uses the data that the threshold voltage and the current level of the transistor vary according to the amount of holes stored in the floating body. Will be recorded or read.
그런데, 1T 디램 소자는 커패시터를 만들 필요가 없어 공정이 단순하며 집적도 향상이 용이하다는 장점이 있음에도 불구하고, 종래 1T/1C 디램 소자를 대체하지 못하는 것은 홀 보유(retention) 특성에 문제점이 있기 때문이다.By the way, although the 1T DRAM device does not need to make a capacitor, there is an advantage that the process is simple and the integration can be easily improved. However, the reason why the 1T / 1C DRAM device cannot be replaced is that there is a problem in hole retention characteristics. .
즉, 1T 디램 소자는 플로팅 바디에 저장된 홀이 시간이 지남에 따라 재결합(recombination)으로 사라지게 되어, 홀 보유시간이 짧아지는 문제점이 있다.That is, the 1T DRAM device has a problem in that the holes stored in the floating body disappear due to recombination with time, and thus the hole retention time is shortened.
도 1은 상기 1T 디램 소자의 문제점을 설명하기 위해 도시된 것으로, 도 1(a)는 매몰산화막(1) 상에 플로팅 바디(2) 형성을 위해 양측으로 소스(3) 및 드레인(4)이 형성되고(도면부호 5는 소스/드레인 및 바디간 형성된 공핍층의 접합영역을 나타냄), 액티브 영역 상에 게이트 절연막(6)을 사이에 두고 게이트(7)이 형성된 종래 1T 디램 소자의 구조를 예시적으로 보여준 단면도이고, 도 1(b)는 도 1(a)의 게이트(7)에 전압(바이어스) 인가에 따른 홀의 유입과 유출(재결합) 문제점을 직관적으로 보여주기 위한 에너지 밴드도이다.FIG. 1 is a view illustrating a problem of the 1T DRAM device, and FIG. 1 (a) shows the
도 1(a)에서 플로팅 바디(2)에 저장된 홀을 유지하기 위하여(hold 시) 게이트(7)에 음의 바이어스(negative bias)를 크게 걸어주게 되면, 도 1(b)와 같이, GIDL(Gate Induced Drain Leakage) 전류에 의해 플로팅 바디로 과잉 홀들이 유입되어 그 결과, 도 2와 같이, 데이터 '0'의 보유 시간(retention time)이 줄어들게 된다.In FIG. 1 (a), when a large negative bias is applied to the
반대로, 상기 GIDL 전류 발생을 막기 위하여 hold 시 게이트에 걸어주는 음의 바이어스 크기를 줄이게 되면, 도 1(b)와 같이, 게이트가 홀을 잡아주는 능력이 감소하여 그 결과, 도 3과 같이, SHR recombination에 의해 데이터 '1'의 보유 시간이 줄어들게 되는 문제점이 있다.On the contrary, if the negative bias applied to the gate at the time of holding is reduced to prevent the generation of the GIDL current, as shown in FIG. 1 (b), the ability of the gate to hold a hole decreases. As a result, as shown in FIG. There is a problem that the retention time of data '1' is reduced by recombination.
따라서, 종래 1T 디램 소자는 구조적으로 데이터 '1'과 데이터 '0' 상태의 보유 시간을 동시에 향상시킬 수 있는 최적의 hold bias condition을 찾는 일이 불가능한 문제점이 있다.Therefore, the conventional 1T DRAM device has a problem that it is impossible to find an optimal hold bias condition that can structurally improve the retention time of the data '1' and the data '0' state.
이에 본 발명은 종래 1T 디램 소자가 갖는 문제점을 해결하기 위하여 센터 게이트(center gate)와 센터 게이트 일측 또는 양측으로 사이드 게이트들(side gates)로 스플릿게이트(split gate) 구조를 갖도록 하여, 센터 게이트와 사이드 게이트에 각기 다른 바이어스를 인가할 수 있도록 함으로써, 각 부분의 에너지 밴드를 따로 통제할 수 있는 스플릿게이트 구조를 갖는 1T 디램 소자를 제공하는 데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has a center gate and a split gate structure with side gates on one side or both sides of the center gate and the center gate to solve the problems of the conventional 1T DRAM device. It is an object of the present invention to provide a 1T DRAM device having a split gate structure capable of separately controlling energy bands of respective portions by allowing different biases to be applied to side gates.
또한, 본 발명은 각 디램 소자마다 센터 게이트와 사이드 게이트에 컨택을 형성해야 하는 문제점을 해결하며, 집적도 향상은 물론 소자 특성을 향상시킬 수 있고, SOI 기판이 아닌 벌크 기판으로도 제작 가능한 스플릿게이트 구조를 갖는 1T 디램 소자 및 이를 이용한 디램 어레이를 제공하는 데 다른 목적이 있다.In addition, the present invention solves the problem of forming a contact between the center gate and the side gate for each DRAM device, and can improve the integration characteristics as well as device characteristics, and can be manufactured as a bulk substrate instead of an SOI substrate. Another object is to provide a 1T DRAM device and a DRAM array using the same.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 스플릿게이트 구조를 갖는 1T 디램 소자는 전기적으로 고립된 반도체 바디와; 상기 반도체 바디 양측으로 형성된 소스 및 드레인과; 상기 반도체 바디 상에 게이트 절연막을 사이에 두고 형성된 센터 게이트와; 상기 센터 게이트 일측 또는 양측으로 분리 절연막을 사이에 두고 상기 반도체 바디 상에 형성된 하나 또는 두개의 사이드 게이트들을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the 1T DRAM device having a split gate structure according to the present invention comprises an electrically isolated semiconductor body; Source and drain formed on both sides of the semiconductor body; A center gate formed on the semiconductor body with a gate insulating film interposed therebetween; And one or two side gates formed on the semiconductor body with a separation insulating film interposed between one or both sides of the center gate.
그리고, 상기 각 사이드 게이트는 상기 소스와 상기 반도체 바디 사이 또는 상기 드레인과 상기 반도체 바디 사이에 형성된 공핍 정션 영역 상에 적어도 일단이 형성된 것을 본 발명에 의한 스플릿게이트 구조를 갖는 1T 디램 소자의 다른 특징으로 한다.In addition, each side gate has at least one end formed on a depletion junction region formed between the source and the semiconductor body or between the drain and the semiconductor body. do.
그리고, 상기 반도체 바디는 수직 기둥 형상을 하고, 상기 소스 및 드레인은 상기 기둥의 상, 하 양측에 형성되고, 상기 센터 게이트 및 상기 각 사이드 게이트는 상기 기둥의 적어도 일 측면 상에 상기 분리 절연막을 사이에 두고 제 1 사이드 게이트/센터 게이트/제 2 사이드 게이트, 제 1 사이드 게이트/센터 게이트 또는 센터 게이트/제 2 사이드 게이트 순으로 수직 적층되어 형성된 것을 특징으로 한다.The semiconductor body has a vertical pillar shape, the source and the drain are formed on both sides of the pillar, and the center gate and each side gate are formed on at least one side surface of the pillar between the isolation insulating layers. The first side gate / center gate / the second side gate, the first side gate / center gate or the center gate / the second side gate in the vertical stacking in the order characterized in that formed.
그리고, 상기 기둥은 수평 단면이 사각형 또는 원형이고, 상기 센터 게이트 및 상기 각 사이드 게이트는 상기 기둥의 측면을 감싸며 형성된 것을 본 발명에 의한 스플릿게이트 구조를 갖는 1T 디램 소자의 다른 특징으로 한다.In addition, the pillar has a horizontal cross section having a rectangular or circular shape, and the center gate and each side gate are formed to surround the sides of the pillar, which is another feature of the 1T DRAM device having a split gate structure according to the present invention.
그리고, 상기 기둥은 제 1 형 벌크 실리콘 기판이 수직으로 식각되어 형성된 것이고, 상기 소스 및 드레인은 각각 상기 기둥이 형성된 상기 제 1 형 벌크 실리콘 기판 및 상기 기둥 상단 각각에 제 2 형 불순물이 도핑되고 확산되어 형성된 것을 본 발명에 의한 스플릿게이트 구조를 갖는 1T 디램 소자의 다른 특징으로 한다.The pillar may be formed by vertically etching a first type bulk silicon substrate, and the source and drain may be doped with a second type impurity doped and diffused on top of the first type bulk silicon substrate and the pillar, respectively. And a 1T DRAM device having a split gate structure according to the present invention.
한편, 본 발명에 의한 디램 어레이는 수직으로 적층된 제 1 사이드 게이트/센터 게이트/제 2 사이드 게이트 구조를 갖는 1T 디램 소자를 이용한 디램 어레이로서, 반도체 기판에 제 1 방향 및 제 2 방향으로 각각 특정 거리 이격되며 형성된 복수개의 상기 1T 디램 소자들을 포함하여 구성되되, 상기 각 소자의 제 1 사이드 게이트/센터 게이트/제 2 사이드 게이트는 각각 상기 제 1 방향으로 이웃 소자와 공유하고, 상기 각 소자의 드레인은 상기 제 2 방향으로 형성된 비트라인을 통하여 이웃 소자의 드레인과 전기적으로 연결되고, 상기 각 소자의 소스는 상기 반도체 기판 상부에 형성된 공통소스라인을 통하여 이웃 소자의 소스와 전기적으로 연결된 것을 특징으로 한다.Meanwhile, the DRAM array according to the present invention is a DRAM array using a 1T DRAM element having a vertically stacked first side gate / center gate / second side gate structure, each of which is specified in a first direction and a second direction on a semiconductor substrate. And a plurality of 1T DRAM elements spaced apart from each other, wherein the first side gate / center gate / second side gate of each of the devices is shared with neighboring devices in the first direction, respectively, and the drain of each of the devices. Is electrically connected to a drain of a neighboring device through a bit line formed in the second direction, and a source of each device is electrically connected to a source of a neighboring device through a common source line formed on the semiconductor substrate. .
그리고, 상기 제 1 사이드 게이트 및 상기 제 2 사이드 게이트는 사이드 워드라인에 연결되고, 상기 센터 게이트는 센터 워드라인에 연결된 것을 본 발명에 의한 디램 어레이의 다른 특징으로 한다.The first side gate and the second side gate may be connected to a side word line, and the center gate may be connected to a center word line.
본 발명은 센터 게이트와 별도로 하나 또는 두개의 사이드 게이트들을 일측 또는 양측에 구비하여 스플릿게이트 구조를 가짐으로써, 각기 다른 바이어스를 인가하며 각 부분의 에너지 밴드를 따로 통제할 수 있게 되어, 데이터 '1'의 보유시간 뿐만 아니라 데이터 '0'의 보유시간도 동시에 향상시킬 수 있는 효과가 있다.The present invention has a split gate structure having one or two side gates on one side or both sides separately from the center gate, so that different biases can be applied and energy bands of the respective portions can be controlled separately. The retention time of the data '0' as well as the retention time can be improved simultaneously.
특히, 기둥 구조로 전기적으로 고립된 반도체 바디 및 소스/드레인을 형성하고, 제 1 사이드 게이트/센터 게이트/제 2 사이드 게이트를 수직 적층으로 형성함으로써, 각 워드라인 단위로 센터 게이트 및 사이드 게이트를 컨택할 수 있어 집적도 향상이 가능하며, 채널 길이를 수직으로 얼마든지 연장 가능하고, GAA 구조도 가능하므로 이에 따른 소자특성을 향상시킬 수 있고, 경우에 따라 SOI 기판이 아닌 벌크 기판으로도 제작 가능한 효과가 있다.In particular, by forming the electrically isolated semiconductor body and source / drain in a columnar structure, and forming the first side gate / center gate / second side gate in a vertical stack, contacting the center gate and side gate in each word line unit It is possible to improve the degree of integration, extend the channel length vertically, and also improve the device characteristics according to the GAA structure, and in some cases, it is possible to produce a bulk substrate instead of an SOI substrate. have.
도 1은 종래 1T 디램 소자의 구조를 보여주는 단면도(a) 및 보유시(hold 시) 게이트의 전압 인가에 따른 홀의 유입과 유출(재결합) 문제점을 직관적으로 보여주기 위한 에너지 밴드도(b)이다.
도 2은 도 1의 구조에서 hold시 게이트에 음의 바이어스(negative bias)를 크게 하면 데이터 '0'의 보유 시간이 줄어들게 되는 것을 보여주는 도면이다.
도 3은 도 1의 구조에서 hold시 게이트에 걸어주는 음의 바이어스 크기를 줄이게 되면 데이터 '1'의 보유 시간이 줄어들게 되는 것을 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 1T 디램 소자의 구조를 개념적으로 보여주는 단면도(a) 및 보유시(hold 시) 센터 게이트 및 사이드 게이트에 서로 다른 전압을 인가함으로써, 장벽을 높여 데이터 '1'의 보유 시간을 향상 시킴과 동시에 정션 부분의 에너지 갭을 크게하여 GIDL 전류 억제로 데이터 '0'의 보유 시간도 향상시킬 수 있음을 개념적으로 보여주는 에너지 밴드도(b)이다.
도 5는 도 4(a)의 구조에서 hold시 센터 게이트 및 사이드 게이트에 각각 -3.6V, -1.4V를 가해주었을때, 상온에서 3초이상 데이터 '1'의 보유 시간이 확보되는 것을 보여주는 시뮬레이션 결과도이다.
도 6은 도 4(a)의 구조에서 hold시 고온(85℃)일때에도 도 1(a)의 구조보다 훨씬 긴 데이터 '0'의 보유 시간을 확보할 수 있음을 보여주는 시뮬레이션 결과도이다.
도 7은 도 1(a)의 구조에 의한 에너지 밴드를 보여주는 시뮬레이션 결과도이다.
도 8은 도 4(a)의 구조에 의한 에너지 밴드를 보여주는 시뮬레이션 결과도이다.
도 9는 도 1(a)(Conventional), 도 4(a)(Proposed; 본 발명) 및 도 1(a)에서 20 nm underlap 구조를 가진 것의 센싱 마진(sensing margin)을 비교하기 위한 시뮬레이션 결과도이다.
도 10은 본 발명에 따른 디램 어레이의 구조를 개념적으로 보여주기 위한 일 예시적 사시도이다.
도 11 내지 도 18은 도 10에서 비트라인과 연결되는 기둥 구조의 디램 소자가 제조되는 공정 단계를 보여주는 공정 단면도이다.
도 19 내지 도 21은 센터 게이트를 중심으로 하나 또는 두개의 사이드 게이트들이 수직으로 적층된 각 실시예의 구조를 개념적으로 보여주는 단면도이다.FIG. 1 is a cross-sectional view (a) illustrating a structure of a conventional 1T DRAM device and an energy band diagram (b) for intuitively showing a problem of inflow and outflow (recombination) of a hole according to voltage application of a gate when held.
FIG. 2 is a diagram illustrating that when the hold in the structure of FIG. 1 increases, a retention time of data '0' is reduced when a negative bias is increased in a gate.
FIG. 3 is a diagram illustrating that the retention time of data '1' is reduced when the negative bias applied to the gate during the structure of FIG. 1 is reduced.
4 is a cross-sectional view (a) conceptually illustrating the structure of the 1T DRAM device of the present invention and by applying different voltages to the center gate and the side gate at the time of holding, thereby increasing the barrier to increase the retention time of the data '1'. The energy band diagram (b) conceptually shows that the retention time of the data '0' can be improved by increasing the energy gap of the junction and increasing the energy gap of the junction.
FIG. 5 is a simulation showing that the retention time of data '1' is secured for 3 seconds or more at room temperature when -3.6V and -1.4V are respectively applied to the center gate and the side gate during hold in the structure of FIG. 4 (a). The result is also.
FIG. 6 is a simulation result showing that a retention time of a data '0' much longer than that of FIG. 1 (a) can be secured even when held at a high temperature (85 ° C.) during the structure of FIG. 4 (a).
7 is a simulation result diagram showing an energy band according to the structure of FIG.
8 is a simulation result diagram showing an energy band according to the structure of FIG.
FIG. 9 is a simulation result diagram for comparing sensing margins of those having a 20 nm underlap structure in FIGS. 1 (a) (Conventional), 4 (a) (Proposed) and FIG. 1 (a). to be.
10 is an exemplary perspective view for conceptually showing a structure of a DRAM array according to the present invention.
11 to 18 are cross-sectional views illustrating a process step of manufacturing a DRAM device having a pillar structure connected to a bit line in FIG. 10.
19 to 21 are cross-sectional views conceptually illustrating a structure of each embodiment in which one or two side gates are vertically stacked around a center gate.
이하, 첨부된 도면을 참조하며 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
[디램 소자에 관한 실시예]Embodiments Regarding DRAM Elements
우선, 본 발명에 따른 1T 디램 소자의 일 실시예는, 도 4(a)와 같이, 평면 소자 형태(planar type)로 전기적으로 고립된 반도체 바디(2)와; 상기 반도체 바디 양측으로 형성된 소스(3) 및 드레인(4)과; 상기 반도체 바디(2) 상에 게이트 절연막(6)을 사이에 두고 형성된 센터 게이트(7)와; 상기 센터 게이트 일측 또는 양측으로 분리 절연막(8)을 사이에 두고 상기 반도체 바디(2) 상에 형성된 하나 또는 두개의 사이드 게이트들(9)을 포함하여 구성될 수 있다.First, an embodiment of a 1T DRAM device according to the present invention includes a
여기서, 상기 반도체 바디(2)는 SOI 기판에서 매몰산화막(1) 상의 단결정 실리콘층에 형성되는 것이 바람직한데, 이 경우 아래는 상기 매몰산화막(1), 채널방향의 양측으로는 필드영역(미도시), 그리고 상기 소스(3)/드레인(4)과 상기 반도체 바디(2) 사이에는 공핍 정션 영역(5)으로 둘러싸여 전기적으로 고립되게 된다.Here, the
또한, 상기 두개의 사이드 게이트들(9)은, 도 4(a)와 같이, 각각 상기 소스(3)와 상기 반도체 바디(2) 사이 및 상기 드레인(4)과 상기 반도체 바디(2) 사이에 형성된 공핍 정션 영역(5) 상에 적어도 일단이 형성되어, 사이드 게이트에 의한 GIDL 전류를 억제하는 것이 바람직하다.In addition, the two
상기와 같은 구성을 하게 되면, 반도체 바디(2)에 전하 보유시(hold 시) 센터 게이트(7) 및 사이드 게이트(9)에 서로 다른 전압을 인가할 수 있게 됨으로써, 도 4(b)와 같이, 소스(3) 또는 드레인(4)으로 넘어가는 에너지 장벽의 높이가 높아지게 하여 데이터 '1'의 보유 시간을 향상시킬 수 있음은 물론 정션 부분의 에너지 갭을 크게하여 GIDL 전류 억제로 데이터 '0'의 보유 시간도 향상시킬 수 있는 장점이 있다.In this configuration, different voltages can be applied to the
이는 Silvaco tool 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 검증하였는데, 그 결과는 도 5 내지 도 9와 같다.This was verified using a Silvaco tool simulation program, and the results are shown in FIGS. 5 to 9.
도 5는 대조군으로 사용된 종래 도 1(a) 구조의 소자는 hold 시 게이트(7)에 -2.2V를 인가했고, 제안된 본 실시예인 도 4(a) 구조의 소자는 센터 게이트(7)에 -2.2V에서 0.3V씩 차이를 주면서 데이터 '1'의 보유 시간 변화를 살펴본 것인데, 이를 통해 본 실시예는 센터 게이트(7) 및 사이드 게이트(9)에 각각 -3.6V, -1.4V를 가해주었을때, 상온에서 3초이상 데이터 '1'의 보유 시간이 확보되는 것을 확인할 수 있다.FIG. 5 shows that the device of the structure of FIG. 1 (a), which is used as a control, applies -2.2V to the
또한, 도 6을 통해 도 4(a)의 구조에서 hold시 고온(85℃)일때에도 도 1(a)의 구조보다 훨씬 긴 데이터 '0'의 보유 시간을 확보할 수 있음을 알 수 있다.In addition, it can be seen from FIG. 6 that the holding time of the data '0' much longer than the structure of FIG. 1 (a) can be secured even when held in the structure of FIG.
그리고, 도 7은 도 1(a)의 구조에 의한 에너지 밴드를, 도 8은 도 4(a)의 구조에 의한 에너지 밴드를 각각 보여주는 것인데, 이로부터 본 실시예는 종래 구조와 달리 센터 게이트와 사이드 게이트에 각기 다른 바이어스를 인가함으로써, 각 부분의 에너지 밴드에 변형을 주며 따로 통제할 수 있음을 알 수 있다.7 shows an energy band according to the structure of FIG. 1 (a) and FIG. 8 shows an energy band according to the structure of FIG. 4 (a). By applying different biases to the side gates, it can be seen that the energy bands of each part can be modified and controlled separately.
한편, 도 9는 도 1(a)의 구조(Conventional), 도 4(a)의 구조(Proposed; 본 실시예) 및 도 1(a)에서 20 nm underlap 구조를 가진 것의 센싱 마진(sensing margin)을 비교하기 위한 시뮬레이션 결과도인데, 이에 의하면 GIDL 전류를 억제하여 보유 시간을 향상시키기 위한 underlap 구조를 이용할 경우에는 센싱 마진이 급격히 감소하는 단점이 있는 반면, 본 실시예에 의한 구조는 underlap 구조와 같은 센싱 마진의 감소가 나타나지 않는 것을 알 수 있다.Meanwhile, FIG. 9 is a sensing margin of the structure of FIG. 1 (a), the structure of FIG. 4 (a), and the 20 nm underlap structure of FIG. 1 (a). The simulation result is also compared. According to this, when using the underlap structure to suppress the GIDL current to improve the retention time, there is a disadvantage that the sensing margin is sharply reduced, while the structure according to the present embodiment is the same as the underlap structure It can be seen that there is no decrease in sensing margin.
상기와 같은 전기적 특성을 갖는 본 발명의 1T 디램 소자에 관한 다른 실시예는, 도 18 또는 도 19와 같이, 기둥 형태(pillar type)로 전기적으로 고립된 반도체 바디(12)와; 상기 반도체 바디 양측으로 형성된 소스(20) 및 드레인(19)과; 상기 반도체 바디(12) 상에 게이트 절연막(30)을 사이에 두고 형성된 센터 게이트(50)와; 상기 센터 게이트 양측으로 분리 절연막(32, 34)을 사이에 두고 상기 반도체 바디(12) 상에 형성된 두개의 사이드 게이트들(40)(60)을 포함하여 구성될 수 있다.Another embodiment of the 1T DRAM device of the present invention having the above electrical characteristics includes a
여기서, 상기 반도체 바디(12)는 수직 기둥 형상을 하고, 상기 소스(20) 및 드레인(19)은 상기 기둥의 상, 하 양측에 형성된다.Here, the
그리고, 상기 센터 게이트(50) 및 상기 두개의 사이드 게이트들(40)(60)은, 도 18 또는 도 19와 같이, 상기 기둥의 측면을 감싸며 형성될 수도 있으나, 일 측면 또는 양측면 등 적어도 일 측면 상에 상기 분리 절연막(32, 34)을 사이에 두고 제 1 사이드 게이트(40)/센터 게이트(50)/제 2 사이드 게이트(60) 순으로 수직으로 적층되어 형성될 수 있다.The
상기 센터 게이트(50) 및 상기 두개의 사이드 게이트들(40)(60)이, 도 18 또는 도 19와 같이, 상기 기둥의 측면을 감싸며 형성될 경우(GAA 구조), 상기 기둥은 수평 단면이 사각형 또는 원형이 바람직하다.When the
상기와 같이, GAA(Gate-All-Around) 구조로 기둥 형상의 반도체 바디(12)를 측면으로 감싸며 제 1 사이드 게이트(40)/센터 게이트(50)/제 2 사이드 게이트(60)가 수직으로 적층하며 형성될 경우 하기와 같은 4가지 장점이 있다.As described above, the
첫째, 후술하는 바와 같이, 각 워드라인 단위로 센터 게이트 및 사이드 게이트를 컨택할 수 있게 되어, 앞의 실시예에서 각 디램 소자마다 센터 게이트와 사이드 게이트를 컨택해야 함에 따른 집적도 향상의 저해 문제를 근본적으로 해결하게 된다.First, as will be described later, the center gate and the side gate can be contacted for each word line unit. In the previous embodiment, the problem of inhibiting integration is fundamentally avoided due to the contact between the center gate and the side gate for each DRAM element. Will be solved.
둘째, 수직으로 반도체 바디(12)를 형성하므로, 채널 길이를 얼마든지 크게 할 수 있어 단채널효과 등을 근본적으로 억제시킬 수 있다.Second, since the
셋째, GAA 구조에 따른 소자특성 향상의 장점을 살릴 수 있다.Third, it is possible to take advantage of the improvement of device characteristics according to the GAA structure.
넷째, 고가의 SOI 기판 대신 벌크 기판으로도 제작 가능한 장점이 있다.Fourth, there is an advantage that can be manufactured as a bulk substrate instead of expensive SOI substrate.
도 19는 도 18의 요부를 도시한 것으로, 제 1 형(예컨대, p형) 벌크 실리콘 기판(10)을 수직으로 식각하여 반도체 기둥을 형성한 다음, 상기 기둥이 형성된 상기 제 1 형 벌크 실리콘 기판(20) 및 상기 기둥 상단(19) 각각에 제 2 형(예컨대, n형) 불순물로 도핑, 확산시켜 소스 및 드레인으로 형성한 것을 보여준다.FIG. 19 illustrates the main part of FIG. 18, wherein the first type (eg, p-type)
따라서, 기둥 형상의 제 1 형 반도체 바디(12)는 기둥의 상, 하 양측에 제 2 형 소스(20)/드레인(19)과의 공핍 정션 영역, 측면에는 게이트 절연막(30)으로 둘러싸여 전기적으로 고립됨으로써, 전하(예컨대, 홀) 저장노드 역할을 하게 된다.Accordingly, the columnar
상기 기둥 형태에 의한 본 실시예에서도, 앞의 실시예와 같이, 상기 두개의 사이드 게이트들(40)(60)은 각각 상기 소스(20)와 상기 반도체 바디(12) 사이 및 상기 드레인(19)과 상기 반도체 바디(12) 사이에 형성된 공핍 정션 영역(미도시) 상에 적어도 일단이 형성되도록 하여, 사이드 게이트에 의한 GIDL 전류를 억제하는 것이 바람직하다.Also in this embodiment in the form of the pillar, as in the previous embodiment, the two
본 발명에 따른 1T 디램 소자의 또 다른 실시예는 상기 실시예에서의 수직으로 적층된 '제 1 사이드 게이트(40)/센터 게이트(50)/제 2 사이드 게이트(60)' 대신, 도 20과 같이, 수직으로 적층된 '제 1 사이드 게이트(40)/센터 게이트(50)' 구조 또는, 도 21과 같이, 수직으로 적층된 '센터 게이트(50)/제 2 사이드 게이트(60)' 구조로 형성될 수도 있다. Another embodiment of the 1T DRAM device according to the present invention is shown in FIG. 20 instead of the vertically stacked '
상기와 같이, 수직으로 적층된 '제 1 사이드 게이트(40)/센터 게이트(50)/제 2 사이드 게이트(60)' 구성 중에서 한쪽의 사이드 게이트를 없애고 그 부분의 공핍 정션(junction)을 underlap으로 만들면 세개의 게이트를 사용하는 것에 비해 보유시간(retention time) 개선에는 불리하지만 공정을 좀 더 단순화 할 수 있는 장점이 있다.As described above, one side gate is removed from the vertically stacked '
도 21에서 도면부호 31은 제 1 사이드 게이트(40) 자리에 채워진 절연막이고, 도 20에서도 미도시되었으나 제 2 사이드 게이트(60) 자리에는 절연막으로 채워진다. 기타 구성은 상기 실시예와 동일하므로, 반복되는 설명은 생략한다.
In FIG. 21,
[디램 어레이에 관한 실시예]Embodiment of DRAM Array
한편, 상기 기둥 형태에 의한 디램 소자, 특히 수직으로 적층된 제 1 사이드 게이트/센터 게이트/제 2 사이드 게이트 구조를 갖는 소자를 이용한 디램 어레이는 기본적으로, 도 10 및 도 18과 같이, 반도체 기판(10)에 제 1 방향(예컨대, x축 방향) 및 제 2 방향(예컨대, y축 방향)으로 각각 특정 거리 이격되며 형성된 복수개의 상기 1T 디램 소자들(예컨대, 도 10에 도시된 기둥 구조 소자들)을 포함하여 구성되되, 상기 각 소자의 제 1 사이드 게이트(40)/센터 게이트(50)/제 2 사이드 게이트(60)는 각각 상기 제 1 방향으로 이웃 소자와 공유하고, 상기 각 소자의 드레인(19)은 상기 제 2 방향으로 형성된 비트라인(90)을 통하여 이웃 소자의 드레인과 전기적으로 연결되고, 상기 각 소자의 소스는 상기 반도체 기판(10) 상부에 형성된 공통소스라인(20)을 통하여 이웃 소자의 소스와 전기적으로 연결된다.On the other hand, a DRAM array using the pillar-shaped DRAM element, in particular, a device having a first side gate / center gate / second side gate structure stacked vertically, is basically a semiconductor substrate (as shown in FIGS. 10 and 18). The plurality of 1T DRAM elements (eg, the pillar structure elements illustrated in FIG. 10) formed at a specific distance from each other in a first direction (eg, x-axis direction) and a second direction (eg, y-axis direction) in FIG. 10. The
그리고, 상기 제 1 방향으로 형성된 복수개의 1T 디램 소자들에 공유되는 상기 제 1 사이드 게이트(40) 및 상기 제 2 사이드 게이트(60)는, 도 10과 같이, 각 컨택 플러그(42)(62)를 통하여 하나의 사이드 워드라인(70)에 연결되고, 상기 센터 게이트(50)는 컨택 플러그(52)를 통하여 센터 워드라인(80)에 연결된다.The
상기와 같은 구성을 함으로써, 종래 각 소자마다 센터 게이트와 사이드 게이트를 컨택해야 하는 문제점을 해결하여, 집적도를 향상시킬 수 있는 장점이 있게 된다.By the configuration as described above, the problem of having to contact the center gate and the side gate for each conventional device is solved, and there is an advantage of improving the degree of integration.
도 10에서 센터 워드라인(80)과 사이드 워드라인(70)이 제 1 방향으로 2개씩, 비트라인(90)이 제 2 방향으로 4개 형성되어 있으나, 이는 본 실시예의 이해를 위해 편의상 생략하여 간략하게 도시된 것임을 이해하여야 할 것이다.In FIG. 10, two center word lines 80 and two side word lines 70 are formed in the first direction and four
즉, 상기 센터 워드라인(80)과 사이드 워드라인(70)은 제 1 사이드 게이트(40)/센터 게이트(50)/제 2 사이드 게이트(60) 단위로 제 2 방향으로 나란하게 이격되어 형성된 수직 적층 블럭들 수만큼, 그리고 상기 비트라인(90)은 각 센터 워드라인(80)의 컨택 플러그(52)와 사이드 워드라인(70)의 컨택 플러그(42)(62) 사이에 제 1 방향으로 나란하게 이격되며 복수개 형성될 수 있다.That is, the
그리고, 도 10에서 도면부호 20은 공통소스라인으로, 도 18에서 확인되는 바와 같이, 각 소자의 소스와 일체로 형성될 수 있다. 즉, 본 실시예에 의한 모든 디램 소자의 소스는 반도체 기판(10) 상부에 형성된 공통소스라인(20)을 통하여 일체로 연결될 수 있다.In FIG. 10,
기타, 각 디램 소자의 구조에 따른 본 실시예의 특징(장점)은 상기 디램 소자의 실시예에서 언급한 것과 동일하므로, 반복되는 설명은 생략한다.In addition, since the features (advantages) of the present embodiment according to the structure of each DRAM element are the same as those mentioned in the embodiment of the DRAM element, repeated description is omitted.
다만, 도 11 내지 도 18을 참조하며, 본 실시예에 의한 어레이의 일 제조방법에 관하여 소자를 중심으로 간략하게 설명한다.11 to 18, a manufacturing method of the array according to the present embodiment will be briefly described with reference to the device.
우선, 도 11과 같이, 제 1 형 반도체 기판(10)에 실리콘질화막 등으로 식각 마스크(14)를 형성하고 이를 기초로 식각하여 복수개의 기둥들(12)을 형성한다(제 1 단계). First, as shown in FIG. 11, the
이어, 도 12와 같이, 기판 전면에 수직으로 이온주입을 실시하여 식각된 반도체 기판(10) 상부에 제 2 형 불순물 도핑층(21)을 형성한다(제 2 단계).Next, as shown in FIG. 12, the second type
다음, 도 13과 같이, 노출된 반도체 표면에 게이트 절연막(30)을 형성하기 위하여 열산화공정을 수행한다(제 3 단계). 이때, 상기 제 2 단계에서 도핑된 제 2 형 불순물 도핑층(21)이 복수개의 기둥들(12) 밑으로 확산하게 되어 각 소자의 소스 또는 공통소스라인(20)이 형성된다. 물론, 상기 게이트 절연막(30) 형성을 위한 열산화공정 이전에 별도의 열공정을 수행하여 복수개의 기둥들(12) 밑으로 각 소자의 소스 또는 공통소스라인(20)을 형성할 수도 있다.Next, as illustrated in FIG. 13, a thermal oxidation process is performed to form the
이후, 도 14와 같이, 기판 전면에 도전성 물질(41)을 증착한다(제 4 단계). 여기서, 상기 도전성 물질(41)은 금속은 물론 도핑된 반도체 물질(예컨대, 폴리실리콘, 비정질 실리콘 등)일 수 있다.Thereafter, as shown in FIG. 14, the
이어, 도 15와 같이, 기판 전면 평탄화 공정(예컨대, CMP 공정)을 수행한 후 에치백(etch back)으로 상기 도전성 물질(41)을 식각하여 제 1 사이드 게이트(40)을 형성한다(제 5 단계). 이때, 상기 식각 마스크(14)로 실리콘질화막을 사용했을 경우에는 실리콘질화막(14)이 CMP 공정시 에치 스토퍼(etch stopper) 역할을 하게 된다.Subsequently, as shown in FIG. 15, the
다음, 도 16과 같이, 상기 제 1 사이드 게이트(40) 상에 분리 절연막(32)을 형성한다(제 6 단계). 이때, 상기 제 1 사이드 게이트(40) 상에 노출된 게이트 절연막(30)을 제거하고 다시 열산화공정 등을 수행하여 게이트 절연막과 함께 분리 절연막(32)을 형성할 수도 있다.Next, as shown in FIG. 16, a
이후, 도 17과 같이, 상기 제 4 단계 내지 상기 제 6 단계를 반복 실시하며 센터 게이트(50), 분리 절연막(34) 및 제 2 사이드 게이트(60)를 형성한다(제 7 단계).Thereafter, as shown in FIG. 17, the fourth to sixth steps are repeated to form the
이어, 도 18과 같이, 상기 식각 마스크(14)를 제거하고, 이온주입 공정을 실시하여 제 1 형 반도체 바디(12) 상에 제 2 형 불순물 도핑층으로 각 소자의 드레인(19)을 형성한다(제 8 단계).Next, as shown in FIG. 18, the
이후, 기판 전면에 층간 절연막을 증착하고 평탄화시킨 다음, 다수의 컨택홀을 형성하여 상기 각 소자의 드레인(19)에 연결된 비트라인(90), 각 제 1 사이드 게이트(40) 및 각 제 2 사이드 게이트(60)에 연결된 사이드 워드라인(70), 각 센터 게이트(50)에 연결된 센터 워드라인(80)을 형성하면, 도 10과 같은 구조의 디램 어레이를 제조할 수 있다.After that, the interlayer insulating film is deposited and planarized on the entire surface of the substrate, and then a plurality of contact holes are formed to form a
1: 매몰산화막 2, 12: 반도체 바디
3, 20: 소스 4, 19: 드레인
5: 공핍 정션 영역 6, 30: 게이트 절연막
7, 50: 센터 게이트 8, 31, 32, 34: 분리 절연막
9, 40, 60: 사이드 게이트 10: 반도체 기판
14: 식각 마스크 42, 52, 62: 콘택 플러그
70: 사이드 워드라인 80: 센터 워드라인
90: 비트라인 1:
3, 20:
5:
7, 50:
9, 40, 60: side gate 10: semiconductor substrate
14:
70: side word line 80: center word line
90: bitline
Claims (7)
상기 반도체 바디 양측으로 형성된 소스 및 드레인과;
상기 반도체 바디 상에 게이트 절연막을 사이에 두고 형성된 센터 게이트와;
상기 센터 게이트 일측 또는 양측으로 분리 절연막을 사이에 두고 상기 반도체 바디 상에 형성된 하나 또는 두개의 사이드 게이트들을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 스플릿게이트 구조를 갖는 1T 디램 소자.
An electrically isolated semiconductor body;
Source and drain formed on both sides of the semiconductor body;
A center gate formed on the semiconductor body with a gate insulating film interposed therebetween;
1T DRAM device having a split gate structure, comprising one or two side gates formed on the semiconductor body with a separation insulating layer interposed between one or both sides of the center gate.
상기 각 사이드 게이트는 상기 소스와 상기 반도체 바디 사이 또는 상기 드레인과 상기 반도체 바디 사이에 형성된 공핍 정션 영역 상에 적어도 일단이 형성된 것을 특징으로 하는 스플릿게이트 구조를 갖는 1T 디램 소자.
The method of claim 1,
And each side gate has at least one end formed on a depletion junction region formed between the source and the semiconductor body or between the drain and the semiconductor body.
상기 반도체 바디는 수직 기둥 형상을 하고,
상기 소스 및 드레인은 상기 기둥의 상, 하 양측에 형성되고,
상기 센터 게이트 및 상기 각 사이드 게이트는 상기 기둥의 적어도 일 측면 상에 상기 분리 절연막을 사이에 두고 제 1 사이드 게이트/센터 게이트/제 2 사이드 게이트, 제 1 사이드 게이트/센터 게이트 또는 센터 게이트/제 2 사이드 게이트 순으로 수직 적층되어 형성된 것을 특징으로 하는 스플릿게이트 구조를 갖는 1T 디램 소자.
The method according to claim 1 or 2,
The semiconductor body has a vertical columnar shape,
The source and drain are formed on both sides of the pillar,
The center gate and each side gate may include a first side gate / center gate / second side gate, a first side gate / center gate, or a center gate / second, with the isolation insulating layer therebetween on at least one side of the pillar. A 1T DRAM device having a split gate structure, which is formed by vertically stacking side gates.
상기 기둥은 수평 단면이 사각형 또는 원형이고,
상기 센터 게이트 및 상기 각 사이드 게이트는 상기 기둥의 측면을 감싸며 형성된 것을 특징으로 하는 스플릿게이트 구조를 갖는 1T 디램 소자.
The method of claim 3, wherein
The pillar has a square or circular horizontal cross section,
The center gate and each side gate is 1T DRAM device having a split gate structure characterized in that it is formed surrounding the side of the pillar.
상기 기둥은 제 1 형 벌크 실리콘 기판이 수직으로 식각되어 형성된 것이고,
상기 소스 및 드레인은 각각 상기 기둥이 형성된 상기 제 1 형 벌크 실리콘 기판 및 상기 기둥 상단 각각에 제 2 형 불순물이 도핑되고 확산되어 형성된 것을 특징으로 하는 스플릿게이트 구조를 갖는 1T 디램 소자.
The method of claim 4, wherein
The pillar is formed by vertically etching a type 1 bulk silicon substrate,
The source and drain of the 1T DRAM device having a split gate structure, characterized in that the first type bulk silicon substrate having the pillars formed thereon and a second type impurity doped and diffused on each of the upper ends of the pillars.
반도체 기판에 제 1 방향 및 제 2 방향으로 각각 특정 거리 이격되며 형성된 복수개의 상기 1T 디램 소자들을 포함하여 구성되되,
상기 각 소자의 제 1 사이드 게이트/센터 게이트/제 2 사이드 게이트는 각각 상기 제 1 방향으로 이웃 소자와 공유하고,
상기 각 소자의 드레인은 상기 제 2 방향으로 형성된 비트라인을 통하여 이웃 소자의 드레인과 전기적으로 연결되고,
상기 각 소자의 소스는 상기 반도체 기판 상부에 형성된 공통소스라인을 통하여 이웃 소자의 소스와 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 디램 어레이.
A DRAM array using a 1T DRAM device having a first side gate / center gate / second side gate structure of claim 4,
Comprising a plurality of the 1T DRAM devices formed on the semiconductor substrate spaced apart in a first distance and a second direction, respectively,
Each of the first side gate / center gate / second side gate of each device is shared with neighboring devices in the first direction,
The drain of each device is electrically connected to the drain of the neighboring device through a bit line formed in the second direction,
And the source of each device is electrically connected to a source of a neighboring device through a common source line formed on the semiconductor substrate.
상기 제 1 사이드 게이트 및 상기 제 2 사이드 게이트는 사이드 워드라인에 연결되고,
상기 센터 게이트는 센터 워드라인에 연결된 것을 특징으로 하는 디램 어레이.The method according to claim 6,
The first side gate and the second side gate are connected to a side word line,
And the center gate is connected to a center word line.
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