KR101297088B1 - 3-dimensional non-volatile memory device and method of fabricating the same - Google Patents
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Abstract
본 발명의 실시예들은 3차원 비휘발성 메모리 장치 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치는, 기판 상에서 수직 방향으로 적층된 복수의 도전성 라인들을 포함하고, 서로 이격 배치되는 배선 스택들; 상기 배선 스택들의 측벽 상에 형성되고, 상기 복수의 도전성 라인들과 전기적으로 연결되는 정보 기록막; 상기 복수의 도전성 라인들과의 사이에 상기 정보 기록막을 협지하면서 상기 복수의 도전성 라인들을 가로질러 연장되고, 상기 복수의 도전성 라인들과 교차하는 영역들에 상기 정보 기록막의 적어도 일부분을 포함하는 비휘발성 메모리 셀들이 정의되는 채널막들; 및 상기 채널막들에 각각 접하는 게이트 절연막, 및 상기 게이트 절연막 상에 형성되어 각 채널막들의 전기적 전도도를 제어함으로써, 상기 비휘발성 메모리 셀들과 상기 각 채널막 사이의 전기적 연결을 제어하는 게이트 전극을 갖는 제어 게이트 구조들을 포함할 수 있다.Embodiments of the present invention relate to a three-dimensional nonvolatile memory device and a manufacturing method thereof. A nonvolatile memory device according to an embodiment includes: a plurality of wiring stacks including a plurality of conductive lines stacked in a vertical direction on a substrate and spaced apart from each other; An information recording film formed on sidewalls of the wiring stacks and electrically connected to the plurality of conductive lines; A non-volatile that extends across the plurality of conductive lines while sandwiching the information recording film between the plurality of conductive lines and includes at least a portion of the information recording film in regions intersecting the plurality of conductive lines. Channel films in which memory cells are defined; And a gate insulating film in contact with the channel films, and a gate electrode formed on the gate insulating film to control electrical conductivity of each channel film, thereby controlling electrical connection between the nonvolatile memory cells and the respective channel films. It may include control gate structures.
Description
본 발명은 3 차원 비휘발성 메모리 기술에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 비휘발성 메모리 장치 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a three-dimensional nonvolatile memory technology, and more particularly, to a nonvolatile memory device and a manufacturing method thereof.
최근, 디지털 카메라, MP3 플레이어, PDA(personal digital assistants) 및 휴대폰과 같은 휴대용 디지털 응용 기기들의 수요가 증가하면서 비휘발성 메모리 시장은 급속도로 팽창하고 있다. 프로그래밍이 가능한 비휘발성 메모리인 플래시 메모리 소자가 스케일링의 한계에 도달함에 따라, 이를 대체할 수 있는 비휘발성 메모리로서 가역적으로 변환될 수 재료막을 이용한 비휘발성 메모리 소자가 주목을 받고 있다.In recent years, the demand for portable digital applications such as digital cameras, MP3 players, personal digital assistants (PDAs), and cellular phones is increasing, and the nonvolatile memory market is rapidly expanding. As the flash memory device, which is a programmable nonvolatile memory, has reached the limit of scaling, a nonvolatile memory device using a material film that can be reversibly converted into a nonvolatile memory that can replace it has attracted attention.
통상적으로 반도체 메모리 장치의 집적도는 제품의 가격을 결정하는 중요한 요인이다. 이에 따라, 반도체 메모리 장치의 집적도 향상에 대한 요구가 심화되고 있다. 통상적으로, 반도체 메모리 장치의 집적도는 단위 모리 셀이 점유하는 평면적에 의해 주로 결정되기 때문에, 미세 패턴 형성 기술의 수준에 크게 영향을 받는다. 그러나, 높은 수준의 미세화 기술이 요구될수록 반도체 제조 설비 및/또는 반도체 제조 공정의 어려움으로 인하여 집적도는 점차 한계에 다다르고 있다.In general, the degree of integration of a semiconductor memory device is an important factor in determining the price of a product. Accordingly, there is a growing demand for improving the degree of integration of semiconductor memory devices. In general, the degree of integration of a semiconductor memory device is largely determined by the planar area occupied by a unit memory cell, and thus is greatly influenced by the level of fine pattern formation technology. However, as a high level of miniaturization technology is required, the degree of integration is gradually reaching its limit due to the difficulty of semiconductor manufacturing equipment and / or semiconductor manufacturing process.
이러한 제약을 극복하기 위해, 최근 3차원 구조를 갖는 반도체 메모리 장치가 제안되고 있다. 하지만, 새로운 구조에 의한 공정의 불안정성 및/제품의 신뢰성 저하 등의 문제점들이 발생되어, 이러한 문제점들을 해결하기 위한 연구가 진행되고 있다.In order to overcome this limitation, a semiconductor memory device having a three-dimensional structure has recently been proposed. However, problems such as process instability and / or reliability of a product due to the new structure have been generated, and studies for solving these problems have been conducted.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 지속적인 고집적화의 요구에 대응하여 간단한 구조를 가지면서도 고집적화가 가능한 3차원 비휘발성 메모리 장치를 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in an effort to provide a three-dimensional nonvolatile memory device having a simple structure and capable of high integration in response to a demand for continuous high integration.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 전술한 이점을 갖는 3차원 비휘발성 메모리 장치를 용이하고 신뢰성 있게 제조할 수 있는 제조 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a manufacturing method capable of easily and reliably manufacturing a three-dimensional nonvolatile memory device having the aforementioned advantages.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치는, 기판 상에서 수직 방향으로 적층된 복수의 도전성 라인들을 포함하고, 서로 이격 배치되는 배선 스택들; 상기 배선 스택들의 측벽 상에 형성되고, 상기 복수의 도전성 라인들과 전기적으로 연결되는 정보 기록막; 상기 복수의 도전성 라인들과의 사이에 상기 정보 기록막을 협지하면서 상기 복수의 도전성 라인들을 가로질러 연장되고, 상기 복수의 도전성 라인들과 교차하는 영역들에 상기 정보 기록막의 적어도 일부분을 포함하는 비휘발성 메모리 셀들이 정의되는 채널막들; 및 상기 채널막들에 각각 접하는 게이트 절연막, 및 상기 게이트 절연막 상에 형성되어 각 채널막들의 전기적 전도도를 제어함으로써, 상기 비휘발성 메모리 셀들과 상기 각 채널막 사이의 전기적 연결을 제어하는 게이트 전극을 갖는 제어 게이트 구조들을 포함할 수 있다.According to an aspect of the present invention, there is provided a nonvolatile memory device including: a plurality of conductive stacks stacked in a vertical direction on a substrate, the wiring stacks being spaced apart from each other; An information recording film formed on sidewalls of the wiring stacks and electrically connected to the plurality of conductive lines; A non-volatile that extends across the plurality of conductive lines while sandwiching the information recording film between the plurality of conductive lines and includes at least a portion of the information recording film in regions intersecting the plurality of conductive lines. Channel films in which memory cells are defined; And a gate insulating film in contact with the channel films, and a gate electrode formed on the gate insulating film to control electrical conductivity of each channel film, thereby controlling electrical connection between the nonvolatile memory cells and the respective channel films. It may include control gate structures.
상기 정보 기록막은 이웃하는 상기 배선 스택들 상에 측벽에 각각 배치되어 서로 대향하는 제 1 및 제 2 정보 기록막을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 채널막들은, 상기 이웃하는 배선 스택들의 복수의 도전성 라인들과 상기 제 1 및 제 2 정보 기록막을 각각 협지하면서 상기 복수의 도전성 라인들을 가로질러 연장되고, 상기 복수의 도전성 라인들과 교차하는 영역들에 상기 제 1 및 제 2 정보 기록막의 적어도 일부분을 포함하는 비휘발성 메모리 셀들을 정의하는 제 1 및 제 2 채널막들을 포함하며, 상기 제어 게이트 구조는 상기 제 1 및 제 2 채널막에 접하도록 배치되어, 상기 제 1 및 제 2 채널막의 공통 제어 게이트 구조일 수 있다.The information recording film may include first and second information recording films disposed on sidewalls of the wiring stacks adjacent to each other and opposing each other. In this case, the channel films extend across the plurality of conductive lines while sandwiching the plurality of conductive lines of the neighboring wiring stacks and the first and second information recording films, respectively, and the plurality of conductive lines. First and second channel films defining nonvolatile memory cells including at least a portion of the first and second information recording films in intersecting regions, wherein the control gate structure comprises the first and second channel films; The first and second channel layers may be disposed in contact with each other to have a common control gate structure.
상기 정보 기록막은 상변화 재료, 가변 저항성 재료, 프로그램 가능한 금속화셀(programmable metalliztion cell; PMC) 재료, 자성체 재료 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상기 복수의 도전성 라인들은 각각 워드라인 및 비트라인 중 어느 하나로 동작하고, 상기 채널막은 상기 워드라인 및 상기 비트라인 중 다른 하나로 동작할 수 있다.The information recording film may include a phase change material, a variable resistive material, a programmable metallizing cell (PMC) material, a magnetic material, or a combination thereof. The plurality of conductive lines may operate as one of a word line and a bit line, respectively, and the channel layer may operate as the other of the word line and the bit line.
상기 배선 스택들은 상기 복수의 도전성 라인들을 전기적으로 분리하기 위한 층간 절연막 패턴들을 더 포함하고, 상기 복수의 도전성 라인들은 상기 층간 절연막 패턴들의 측면으로부터 리세스될 수 있다.The wiring stacks may further include interlayer insulating layer patterns for electrically separating the plurality of conductive lines, and the plurality of conductive lines may be recessed from side surfaces of the interlayer insulating layer patterns.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치의 제조 방법은, 기판 상에 제 1 절연막들 및 제 1 도전막들을 교번하여 반복적으로 적층하는 단계; 적층된 상기 제 1 절연막들 및 상기 제 1 도전막들을 연속적으로 라인 패터닝하여, 복수의 도전성 라인들 및 이들 사이의 층간 절연막 패턴들을 포함하고, 서로 이격된 배선 스택들을 형성하는 단계; 상기 배선 스택들의 서로 대향하는 측벽들을 포함하는 표면 상에 정보 기록막을 형성하는 단계; 상기 복수의 도전성 라인들과의 사이에 상기 정보 기록막을 협지하면서 상기 복수의 도전성 라인들을 가로질러 연장되고, 상기 복수의 도전성 라인들과 교차하는 영역들에 상기 정보 기록막의 적어도 일부분을 포함하는 비휘발성 메모리 셀들이 정의되는 채널막들을 형성하는 단계; 및 상기 채널막들에 각각 접하는 게이트 절연막, 및 상기 게이트 절연막 상에 형성되어 각 채널막들의 전기적 전도도를 제어함으로써, 상기 비휘발성 메모리 셀들과 상기 각 채널막 사이의 전기적 연결을 제어하는 게이트 전극을 갖는 제어 게이트 구조들을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a nonvolatile memory device, including alternately repeatedly stacking first insulating layers and first conductive layers on a substrate; Continuously patterning the stacked first insulating layers and the first conductive layers to form wiring stacks including a plurality of conductive lines and interlayer insulating layer patterns therebetween and spaced apart from each other; Forming an information recording film on a surface including opposite sidewalls of said wiring stacks; A non-volatile that extends across the plurality of conductive lines while sandwiching the information recording film between the plurality of conductive lines and includes at least a portion of the information recording film in regions intersecting the plurality of conductive lines. Forming channel films in which memory cells are defined; And a gate insulating film in contact with the channel films, and a gate electrode formed on the gate insulating film to control electrical conductivity of each channel film, thereby controlling electrical connection between the nonvolatile memory cells and the respective channel films. Forming control gate structures.
일부 실시예에서, 상기 정보 기록막을 형성하는 단계는, 상기 배선 스택들 상에 정보 기록 재료층을 콘포멀하게 형성하는 단계; 상기 배선 스택들 사이의 트렌치들을 채우는 제 2 절연막을 형성하는 단계; 및 상기 배선 스택들의 표면이 노출될 때까지 상기 제 2 절연막을 평탄화하는 단계를 포함할 수 있다.In some embodiments, forming the information recording film includes conformally forming an information recording material layer on the wiring stacks; Forming a second insulating film filling the trenches between the wiring stacks; And planarizing the second insulating layer until the surfaces of the wiring stacks are exposed.
또한, 상기 채널막들을 형성하는 단계는, 상기 정보 기록막과 접하여 상기 제 2 절연막을 수직 방향으로 관통하는 제 1 관통홀을 형성하는 단계; 및 상기 제 1 관통홀을 반도체 재료로 채우는 단계를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 제어 게이트 구조들을 형성하는 단계는, 상기 채널막들과 접하여 상기 제 2 절연막을 수직 방향으로 관통하는 제 2 관통홀을 형성하는 단계; 상기 제 2 관통홀 내에 상기 채널막과 접하도록 상기 게이트 절연막을 형성하는 단계; 및 상기 제 2 관통홀 내에 상기 게이트 절연막과 접하도록 상기 게이트 전극을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.The forming of the channel films may include forming a first through hole contacting the information recording film to penetrate the second insulating film in a vertical direction; And filling the first through hole with a semiconductor material. In this case, the forming of the control gate structures may include forming a second through hole contacting the channel layers to penetrate the second insulating layer in a vertical direction; Forming the gate insulating layer in contact with the channel layer in the second through hole; And forming the gate electrode to contact the gate insulating layer in the second through hole.
다른 실시예에서, 상기 제어 게이트 구조들을 형성하는 단계는, 상기 배선 스택들 사이의 상기 제 2 절연막을 수직 방향으로 관통하는 제 2 관통홀을 형성하는 단계; 상기 제 2 관통홀 내에 상기 게이트 절연막 및 상기 게이트 절연막으로 둘러싸인 상기 게이트 전극을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 채널막들을 형성하는 단계는, 상기 정보 기록막과 상기 게이트 절연막에 접하도록 상기 제 2 절연막을 수직 방향으로 관통하는 제 1 관통홀을 형성하는 단계; 및 상기 제 1 관통홀을 반도체 재료로 채우는 단계를 포함할 수 있다.
In another embodiment, the forming of the control gate structures may include forming a second through hole penetrating the second insulating film between the wiring stacks in a vertical direction; The method may include forming the gate electrode surrounded by the gate insulating layer and the gate insulating layer in the second through hole. In this case, the forming of the channel films may include forming a first through hole penetrating the second insulating film in a vertical direction so as to contact the information recording film and the gate insulating film; And filling the first through hole with a semiconductor material.
본 발명의 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치에 따르면, 채널막과 이의 전기적 도전성을 제어하기 위한 제어 게이트 전극에 의해 비트라인과 같은 신호 라인으로 구성하여, 3차원으로 배열된 비휘발성 메모리 셀들에 다이오드와 같은 정류 소자를 결합하지 않아도 인접 메모리 셀들 사이의 크로스톡을 방지할 수 있으므로, 고집적화된 3차원 비휘발성 메모리 장치가 제공될 수 있다.According to a nonvolatile memory device according to an embodiment of the present invention, a diode is formed in three-dimensionally arranged nonvolatile memory cells by a signal line such as a bit line by a channel film and a control gate electrode for controlling its electrical conductivity. Since it is possible to prevent crosstalk between adjacent memory cells without combining a rectifying device such as the above, a highly integrated three-dimensional nonvolatile memory device can be provided.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치의 제조 방법에 따르면, 전술한 비휘발성 메모리 장치의 이점으로 인하여, 용이하고 신뢰성 있게 비휘발성 메모리 장치를 제조할 수 있다.In addition, according to the manufacturing method of the nonvolatile memory device according to the embodiment of the present invention, the nonvolatile memory device can be manufactured easily and reliably due to the advantages of the aforementioned nonvolatile memory device.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 비휘발성 메모리 장치들의 셀 어레이를 개략적으로 도시하는 사시도이며,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 비휘발성 메모리 장치의 회로도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 메모리 셀의 정보 기록막의 구조를 도시하는 단면도이다.
도 4a 내지 4l은 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치의 제조 방법을 순서대로 도시하는 사시도들이다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 비휘발성 메모리 장치를 포함하는 전자 시스템의 일 예를 도시하는 블록도이다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 비휘발성 메모리 장치를 포함하는 메모리 카드의 일 예를 도시하는 블록도이다.1A and 1B are perspective views schematically illustrating a cell array of three-dimensional nonvolatile memory devices according to embodiments of the present invention.
2 is a circuit diagram of a three-dimensional nonvolatile memory device according to an embodiment of the present invention.
3A and 3B are cross-sectional views showing the structure of an information recording film of a memory cell according to various embodiments of the present invention.
4A to 4L are perspective views sequentially illustrating a method of manufacturing a nonvolatile memory device according to an embodiment of the present invention.
5 is a block diagram illustrating an example of an electronic system including a nonvolatile memory device according to example embodiments.
FIG. 6 is a block diagram illustrating an example of a memory card including a 3D nonvolatile memory device according to example embodiments. FIG.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.The embodiments of the present invention are described in order to more fully explain the present invention to those skilled in the art, and the following embodiments may be modified into various other forms, It is not limited to the embodiment. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be more faithful and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art.
도면에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 또한, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.In the drawings like reference numerals refer to like elements. In addition, as used herein, the term "and / or" includes any and all combinations of one or more of the listed items.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 또한, 본 명세서에서 단수로 기재되어 있다 하더라도, 문맥상 단수를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"이란 용어는 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the scope of the invention. In addition, although described in the singular in this specification, a plural form may be included unless the singular is clearly indicated in the context. Also, as used herein, the terms "comprise" and / or "comprising" specify the shapes, numbers, steps, actions, members, elements and / or presence of these groups mentioned. It does not exclude the presence or addition of other shapes, numbers, operations, members, elements and / or groups.
본 명세서에서 기판 또는 다른 층 "상에(on)" 형성된 층에 대한 언급은 상기 기판 또는 다른 층의 바로 위에 형성된 층을 지칭하거나, 상기 기판 또는 다른 층 상에 형성된 중간 층 또는 중간 층들 상에 형성된 층을 지칭할 수도 있다. 또한, 당해 기술 분야에서 숙련된 자들에게 있어서, 다른 형상에 "인접하여(adjacent)" 배치된 구조 또는 형상은 상기 인접하는 형상에 중첩되거나 하부에 배치되는 부분을 가질 수도 있다. Reference herein to a layer formed “on” a substrate or other layer refers to a layer formed directly on or above the substrate or other layer, or formed on an intermediate layer or intermediate layers formed on the substrate or other layer. It may also refer to a layer. It will also be appreciated by those skilled in the art that structures or shapes that are "adjacent" to other features may have portions that overlap or are disposed below the adjacent features.
본 명세서에서, "아래로(below)", "위로(above)", "상부의(upper)", "하부의(lower)", "수평의(horizontal)" 또는 "수직의(vertical)"와 같은 상대적 용어들은, 도면들 상에 도시된 바와 같이, 일 구성 부재, 층 또는 영역들이 다른 구성 부재, 층 또는 영역과 갖는 관계를 기술하기 위하여 사용될 수 있다. 이들 용어들은 도면들에 표시된 방향뿐만 아니라 소자의 다른 방향들도 포괄하는 것임을 이해하여야 한다.As used herein, the terms "below," "above," "upper," "lower," "horizontal," or " May be used to describe the relationship of one constituent member, layer or regions with other constituent members, layers or regions, as shown in the Figures. It is to be understood that these terms encompass not only the directions indicated in the drawings, but also other directions of the device.
이하에서, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들(및 중간 구조들)을 개략적으로 도시하는 단면도들을 참조하여 설명될 것이다. 이들 도면들에 있어서, 예를 들면, 부재들의 크기와 형상은 설명의 편의와 명확성을 위하여 과장될 수 있으며, 실제 구현시, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 된다. 또한, 도면의 부재들의 참조 부호는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부재를 지칭한다.
In the following, embodiments of the present invention will be described with reference to cross-sectional views schematically showing ideal embodiments (and intermediate structures) of the present invention. In these figures, for example, the size and shape of the members may be exaggerated for convenience and clarity of explanation, and in actual implementation, variations of the illustrated shape may be expected. Accordingly, embodiments of the present invention should not be construed as limited to any particular shape of the regions shown herein. In addition, reference numerals of members in the drawings refer to the same members throughout the drawings.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 비휘발성 메모리 장치들(100A, 100B)의 셀 어레이를 개략적으로 도시하는 사시도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 비휘발성 메모리 장치의 회로도이다.1A and 1B are perspective views schematically illustrating a cell array of three-dimensional
도 1a를 참조하면, 비휘발성 메모리 장치(100A)는 기판(10) 상에 수직 방향, 예를 들면, z 방향으로 적층된 복수의 도전성 라인들(WL1, WL2)을 포함한다. 복수의 도전성 라인들(WL1, WL2)은, 도 1a에 도시된 바와 같이, 기판(10)의 주면과 평행한 제 1 방향(예를 들면, x 방향)으로 연장된 도전성 패턴들일 수 있다. 복수의 도전성 라인들(WL1, WL2)은, x 방향과는 다른 제 2 방향(예를 들면, y 방향)과 제 3 방향(예를 들면, z 방향)으로 서로 평행하게 이격 배치되어 기판(10) 상에서 3차원으로 배열될 수 있다.Referring to FIG. 1A, the
복수의 도전성 라인들(WL1, WL2) 사이의 전기적 분리는 이들 사이에 배치되는 층간 절연막 패턴들(20P1, 20P2, 20P3)에 의해 달성될 수 있다. 이들 복수의 도전성 라인들(WL1, WL2)과 층간 절연막 패턴들(20P1, 20P2, 20P3)의 z 방향의 적층 구조는 기판(10) 상에서 복수의 배선 스택들(ST)을 정의하며, 복수의 배선 스택들(ST)은 y 방향으로 일정한 간격으로 이격되어 2차원적으로 배열될 수 있다.Electrical separation between the plurality of conductive lines WL1 and WL2 may be achieved by the interlayer insulating layer patterns 20P1, 20P2, and 20P3 disposed therebetween. The stacked structure in the z direction of the plurality of conductive lines WL1 and WL2 and the interlayer insulating layer patterns 20P1, 20P2, and 20P3 defines a plurality of wiring stacks ST on the
복수의 도전성 라인들(WL1, WL2)의 도시된 3차원 배열 구조에서, 복수의 도전성 라인들(WL1, WL2)은 y 방향으로 4번 반복 배열되어 있지만, 이는 예시적이며, 비휘발성 메모리 장치의 용량에 따라 2 또는 5 번 이상으로 반복 배열될 수도 있다. 또한, 복수의 도전성 라인들(WL1, WL2)은 z 방향으로 2 번 반복 배열되어 있지만, 이는 예시적이며, 마찬가지로, 3 번 이상으로 반복 배열될 수도 있다.In the illustrated three-dimensional array structure of the plurality of conductive lines WL1 and WL2, the plurality of conductive lines WL1 and WL2 are repeatedly arranged four times in the y direction, but this is an exemplary example of the nonvolatile memory device. It may be repeated 2 or 5 times or more depending on the capacity. In addition, although the plurality of conductive lines WL1 and WL2 are repeatedly arranged twice in the z direction, this is exemplary and may be repeatedly arranged more than three times.
도시된 실시예에서, 복수의 도전성 라인들(WL1, WL2)은 솔리드 형태이지만, 이에 제한되는 것이며, 예를 들면, 중공형 파이프 형태를 가질 수도 있다. 또한, 복수의 도전성 라인들(WL1, WL2)의 표면은 후술하는 비휘발성 정보 기록막(SL)의 프로그래밍 영역을 국부적으로 한정하기 위해 홈부와 같은 입체적 패턴을 가질 수 있으며, 이에 관하여는 도 3b를 참조하여 후술한다.In the illustrated embodiment, the plurality of conductive lines WL1 and WL2 have a solid shape, but are limited thereto and may have, for example, a hollow pipe shape. In addition, the surfaces of the plurality of conductive lines WL1 and WL2 may have a three-dimensional pattern such as a groove to locally define a programming area of the nonvolatile information recording film SL, which will be described later. It will be described later with reference.
비휘발성 메모리 장치(100)는 배선 스택들(ST)의 측벽 상에 형성되고 복수의 도전성 라인들(WL1, WL2)과 전기적으로 연결되는 정보 기록막(data storage layer; SL)을 포함할 수 있다. 정보 기록막(SL)은, 도 1a에 도시된 바와 같이, 배선 스택들(ST)의 양 측벽에 배치되어, 배선 스택들(ST)의 복수의 도전성 라인들(WL1, WL2)이 양 측벽에 배치되는 정보 기록막(SL)에 공통으로 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 정보 기록막(SL)은 이웃하는 배선 스택들(SL)의 양 측벽에 배치되어 서로 대향할 수 있으며, 본 명세서에서, 이들 대향하는 정보 기록막들(SL)을 각각 제 1 정보 기록막(SL1)과 제 2 정보 기록막(SL2)이라 지칭한다.The
정보 기록막(SL)은, 비휘발성 고상 메모리 셀을 제공하기 위한, 상변화 재료, 가변 저항성 재료, 프로그램 가능한 금속화셀(programmable metallization cell; PMC), 자성체 재료 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 그러나, 이들 재료에 한정되는 것은 아니며, 다른 프로그램 가능한 재료를 포함할 수도 있다. 정보 기록막(SL)의 구조 및 이를 구성하는 재료들에 관하여는, 도 3a 및 도 3b를 참조하여 후술하도록 한다.The information recording film SL may include a phase change material, a variable resistive material, a programmable metallization cell (PMC), a magnetic material, or a combination thereof for providing a nonvolatile solid state memory cell. However, it is not limited to these materials and may include other programmable materials. The structure of the information recording film SL and the materials constituting the same will be described later with reference to FIGS. 3A and 3B.
복수의 도전성 라인들(WL1, WL2)에 반대되는 정보 기록막(SL)의 일면에는, 채널을 포함하는 채널막(CH)과 상기 채널의 전기 전도도를 제어하기 위한 제어 게이트 구조(GS)가 차례로 제공될 수 있다. 채널막(CH)은, 도 1a의 절개된 부분으로 나타낸 바와 같이, 복수의 도전성 라인들(WL1, WL2)을 가로질러 연장됨으로써 복수의 도전성 라인들(WL1, WL2)과 교차점들을 정의할 수 있다. 도시된 바와 같이, 하나의 채널막(CH)은 기판(10)에 대한 수직 방향, 즉 z 방향으로 연장되면서 수직으로 적층된 복수의 도전성 라인들(WL1, WL2)과 z 방향으로 배열된 교차점들을 정의한다. 또한, 이러한 채널막(CH)은, 기판 상에서 x 방향 및 y 방향으로도 2 차원적으로도 배열되기 때문에, 상기 교차점들은 3차원적으로 배열되고, 이로써, 상기 교차점들에 정의되는 메모리 셀들도 3 차원적으로 배열될 수 있다.On one surface of the information recording film SL opposite to the plurality of conductive lines WL1 and WL2, a channel film CH including a channel and a control gate structure GS for controlling the electrical conductivity of the channel are in turn. Can be provided. The channel film CH may define intersections with the plurality of conductive lines WL1 and WL2 by extending across the plurality of conductive lines WL1 and WL2, as shown by the cut-out portion of FIG. 1A. . As shown, one channel film CH extends a plurality of conductive lines WL1 and WL2 stacked vertically with respect to the
상기 채널을 제공하는 채널막(CH)은, 예를 들면, 단결정 또는 다결정의 반도체 재료를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 반도체 재료는, 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 실리콘-게르마늄 화합물, GaAs 및 InP와 같은 Ⅲ-Ⅴ족 반도체 재료를 포함할 수 있다. 그러나, 이들 재료들은 예시적이며, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들면, 채널막(CH)은 탄소나노튜브 또는 그래핀 또는 금속 산화물과 같은 반도체 재료에 의해서도 채널이 제공될 수 있다. 필요에 따라, 채널막(CH)은 적합한 N형 또는 P형 반도체 형성을 위해 불순물 원소가 도핑될 수도 있다.The channel film CH providing the channel may include, for example, a single crystal or polycrystalline semiconductor material. For example, the semiconductor material may include group III-V semiconductor materials such as silicon (Si), germanium (Ge), silicon-germanium compounds, GaAs, and InP. However, these materials are illustrative, and the present invention is not limited thereto. For example, the channel film CH may also be provided with a channel by a semiconductor material such as carbon nanotubes or graphene or a metal oxide. If necessary, the channel film CH may be doped with an impurity element to form a suitable N-type or P-type semiconductor.
채널막(CH)의 전기 전도도를 제어하기 위하여, 제어 게이트 구조(GS)가 채널막(CH)에 접하도록 배치되며, 제어 게이트 구조(GS)는 게이트 절연막(GI)과 게이트 전극(GE)을 포함할 수 있다. 제어 게이트 구조(GE)도 채널막(CH)을 따라 z 방향으로 연장되며, 기판(10) 상에서 x 및 y 방향으로 이격되어 2 차원적으로 배열될 수 있다. 게이트 절연막(GI)과 게이트 전극(GS)의 재료는 각각 실리콘 산화물, 및 폴리 실리콘 또는 금속과 같은 도전성 재료를 포함할 수 있다.In order to control the electrical conductivity of the channel film CH, the control gate structure GS is disposed to be in contact with the channel film CH, and the control gate structure GS connects the gate insulating film GI and the gate electrode GE. It may include. The control gate structure GE also extends in the z direction along the channel film CH and may be two-dimensionally spaced apart in the x and y directions on the
게이트 절연막(GI)은, 도 1a에 도시된 바와 같이, 게이트 전극(GE)을 둘러싸는 구조를 가질 수 있지만, 이는 예시적이다. 예를 들면, 채널막(CH)인 반도체막의 노출된 표면을 열산화시킴으로써 채널막(CH) 상에만 게이트 절연막(GI)을 형성할 수도 있다.The gate insulating layer GI may have a structure surrounding the gate electrode GE, as shown in FIG. 1A, but this is exemplary. For example, the gate insulating film GI may be formed only on the channel film CH by thermally oxidizing an exposed surface of the semiconductor film, which is the channel film CH.
도 1a에 도시된 실시예에서와 같이, 이웃하는 배선 스택들(SL)에 서로 대향하는 제 1 및 제 2 정보 기록막(SL1, SL2)이 제공된 경우, 이들 막들(SL1, SL2)과 접하도록 제 1 채널막(CH1)과 제 2 채널막(CH2)이 각각 형성될 수 있다. 이 경우, 제어 게이트 구조(GS)가 서로 대향하는 제 1 채널막(CH1)과 제 2 채널막(CH2)에 공통으로 접하도록 배치되도록 이들 막들(CH1, CH2) 사이에 배치되면, 제어 게이트 구조(GS)는 공통 제어 게이트 구조(GS)로서 동작할 수 있다. 이러한 공통 제어 게이트 구조(GS)는 제 1 채널막(CH1)과 제 2 채널막(CH2)의 각 전기 전도도를 단일 제어 게이트 구조로 공통으로 제어할 수 있기 때문에, 비휘발성 메모리 장치의 집적도와 회로 구성을 단순화시킬 수 있는 이점이 있다.As in the embodiment shown in FIG. 1A, when the first and second information recording films SL1 and SL2 are provided in the adjacent wiring stacks SL facing each other, they are in contact with these films SL1 and SL2. The first channel film CH1 and the second channel film CH2 may be formed, respectively. In this case, when the control gate structure GS is disposed between these films CH1 and CH2 such that the control gate structure GS is disposed in common contact with the first channel film CH1 and the second channel film CH2 facing each other, GS may operate as a common control gate structure GS. Since the common control gate structure GS can control the electrical conductivity of the first channel film CH1 and the second channel film CH2 in common with a single control gate structure, the integrated control circuit and the circuit of the nonvolatile memory device are controlled. There is an advantage to simplify the configuration.
전술한 바와 같이, 복수의 도전성 라인들(WL1, WL2)과 서로 교차하는 채널막들(CH1, CH2)에 의해 교차점들이 정의되며, 정보 기록막(SL)의 상기 교차점들에 위치하는 영역들은 단위 메모리 셀들을 정의할 수 있다. 동작 관점에서, 복수의 도전성 라인들(WL1, WL2)은 워드라인으로 동작하고, 제어 게이트 구조(GS)에 의해 전기적 전도도가 제어되는 채널막들(CH1, CH2)은 비트라인으로 동작할 수 있다. 또는 역으로, 복수의 도전성 라인들(WL1, WL2)이 비트라인으로 동작하고, 채널막들(CH1, CH2)은 워드라인으로 동작할 수도 있다. 상기 단위 메모리 셀들은 이들 셀들이 각각 전기적으로 연결된 복수의 도전성 라인과 제어 게이트 구조(GS)를 선택하여 적합한 신호를 인가함으로써 랜덤 액세스될 수 있을 것이다. As described above, intersection points are defined by the channel layers CH1 and CH2 intersecting the plurality of conductive lines WL1 and WL2, and regions located at the intersection points of the information recording film SL are in units. Memory cells may be defined. In operation, the plurality of conductive lines WL1 and WL2 may operate as word lines, and the channel films CH1 and CH2 whose electrical conductivity may be controlled by the control gate structure GS may operate as bit lines. . Alternatively, the plurality of conductive lines WL1 and WL2 may operate as bit lines, and the channel layers CH1 and CH2 may operate as word lines. The unit memory cells may be randomly accessed by selecting a plurality of conductive lines and a control gate structure GS electrically connected to each of these cells to apply a suitable signal.
전술한 실시예들에서, 채널막들(CH1, CH2)은 이에 결합된 제어 게이트 구조에 의해 그 도통 상태가 On/Off 될 수 있으므로, 종래의 크로스바 타입의 저항 랜덤 액세스 메모리(ReRAM) 또는 상변환 랜덤 액세스 메모리(PcRAM)에서 인접하는 셀들간의 간섭을 방지하기 위해 적용되었던 다이오드와 같은 정류 소자가 생략될 수 있다.In the above-described embodiments, since the conduction state of the channel films CH1 and CH2 may be turned on / off by a control gate structure coupled thereto, a conventional crossbar type resistive random access memory (ReRAM) or phase change. In a random access memory (PcRAM), rectifying elements such as diodes, which have been applied to prevent interference between adjacent cells, may be omitted.
일부 실시예에서, 비휘발성 메모리 장치(100)는, 도전성 라인들(WL1, WL2), 채널막들(CH)과 제어 게이트 구조(GS)의 구동 회로와의 전기적 연결을 위하여, 해당 배선 구조들을 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 제어 게이트 구조(GS)의 전기적 연결을 위하여, 도 1a에 도시된 바와 같이, 배선 구조는 기판(10)에 형성되는 하부 재배선 구조(CL1, CL2, CL3)를 포함할 수 있으며, 하부 재배선 구조(CL1, CL2, CL3)는 기판(10)에 형성된 불순물 영역들 또는 금속 배선과 같은 도전성 패턴일 수 있다.In some embodiments, the
상기 불순물 영역은, 메모리 셀 어레이(MA)의 형성 전에, 기판(10) 상에 미리 형성될 수 있다. 하부 재배선 구조(CL1, CL2, CL3)과 게이트 전극(GE)의 오믹 접촉을 위해 별도의 부가층(cp)이 형성될 수도 있다. 하부 재배선 구조(CL1, CL2, CL3)는 게이트 전극 구조들(GS)에 개별적으로 액세스할 수 있는 적합한 구성을 가질 수 있으며, 셀 영역의 가장자리에서 서로 다른 길이로 노출시켜 전기적 연결을 달성할 수 있다. 마찬가지로 채널막들(CH)의 단부도 적합한 하부 재배선 구조를 가질 수 있다.The impurity region may be previously formed on the
도 1b를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 비휘발성 메모리 장치(100B)는 도 1a에 도시된 비휘발성 메모리 장치(100)와 제어 게이트 구조(GS)의 전기적 연결을 위한 배선 구조의 구성에 있어 차이가 있으며, 다른 구성 부재들은 도 1a의 구성 부재들과 실질적으로 동일할 수 있다. Referring to FIG. 1B, a 3D
메모리 셀들에 액세스하기 위한 복수의 도전성 라인들(W1, W2)과 교차하는 채널막들(CH1, CH2)을 제어하기 위한 제어 게이트 구조(GS)는 메모리 셀 어레이(MA)의 상부에 형성된 도전성 플러그들(CP)을 통하여 적합한 상부 재배선 구조들에 전기적으로 연결되어, 액세스될 수 있다. 필요에 따라, 이들 상부 재배선 구조와 하부 재배선 구조는 서로 조합되어 적용될 수 있으며, 도전성 플러그들의 높이를 서로 달리함으로써 적층된 재배선 구조를 가질 수도 있다. 또한, 채널막용 배선 구조는 전술한 제어 게이트 구조(GS)와 공통되거나 별도로 형성될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.The control gate structure GS for controlling the channel layers CH1 and CH2 intersecting the plurality of conductive lines W1 and W2 for accessing the memory cells has a conductive plug formed on the memory cell array MA. And electrically connected to suitable top redistribution structures via the bridges CP. If necessary, these upper redistribution structures and lower redistribution structures may be applied in combination with each other, and may have stacked redistribution structures by varying heights of the conductive plugs. In addition, it will be understood that the wiring structure for the channel film may be formed in common or separately from the above-described control gate structure GS.
도 1a 및 도 1b와 함께, 전술한 비휘발성 메모리 장치(100A, 100B)의 셀 어레이의 회로도(100C)에 관한 도 2를 참조하면, 워드라인들(WL1, WL2, WL3)은 복수의 도전성 라인들(WL1, WL2)에 대응되고, 비트라인들(BL1, BL2)은 채널막(CH)에 대응될 수 있다. 또한, 비트라인들(BL1, BL2)을 제어하기 위한 게이트 전극은 재배선 구조에 연결되어 개별적으로 액세스될 수 있다. 전술한 워드라인 및 비트라인은 상호호환적으로 지칭될 수 있으며, 본 발명이 이들 용어에 의해 한정되는 것은 아니다.Referring to FIG. 2 of the circuit diagram 100C of the cell array of the
비트라인들(BL1, BL2)과 워드라인들(WL1, WL2, WL3)의 개수는 메모리 용량과 구동 방식에 따라 적절히 결정될 수 있다. 예를 들면, 비트라인들(BL1, BL2)과 워드라인들(WL1, WL2, WL3)의 개수는 3 차원 배열을 이루는 각 x, y 및 z 방향의 메모리 셀들의 개수가 2m 개 (m은 자연수)가 되도록 결정될 수 있으며, 고속의 가변 길이 접근(byte-addressable)이 가능하도록 적절한 블록 및 페이지 단위를 기초로 설계될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 하나의 제어 게이트 구조(GS)에 의해 양측에 연결된 2 개의 메모리 셀들이 공통으로 제어될 수 있으므로, 고집적도를 달성할 수 있다.The number of bit lines BL1 and BL2 and word lines WL1, WL2 and WL3 may be appropriately determined according to the memory capacity and the driving method. For example, the number of bit lines BL1 and BL2 and the word lines WL1, WL2, and WL3 is 2 m in the number of memory cells in each of the x, y, and z directions forming a three-dimensional array. Natural number), and may be designed based on appropriate block and page units to enable fast variable-length access (byte-addressable). According to one embodiment of the present invention, since two memory cells connected to both sides by one control gate structure GS may be commonly controlled, high integration may be achieved.
워드라인들(WL1, WL2, WL3)과 비트라인들(BL1, BL2)의 교차점에는 도 1a의 정보 기록막(SL)에 의해 구현되는 메모리 셀(M1, M2, M3)이 전기적으로 연결된다. 메모리 셀(M1, M2, M3)은 도시된 바와 같이 단일한 저항 메모리 소자일 수 있지만, 이는 예시적이다. 예를 들면, 도 3a 및 도 3b를 참조하여 후술하는 바와 같이, 정보 기록막(SL)의 다양한 구성을 통하여, 예를 들면, 복수의 저항 메모리 소자를 직렬 또는 병렬로 연결함으로써 프로그래밍 저항 레벨을 R1<R2<R3<R4와 같이 다양하게 제공할 수 있으며, 이로써 멀티 비트 정보, 00, 01, 10 및 11과 같은 멀티 비트 정보를 저장할 수 있는 메모리 셀이 구현될 수도 있다.
Memory cells M1, M2, and M3, which are implemented by the information recording layer SL of FIG. 1A, are electrically connected to the intersections of the word lines WL1, WL2, and WL3 and the bit lines BL1 and BL2. Memory cells M1, M2, M3 may be a single resistive memory element as shown, but this is exemplary. For example, as described below with reference to FIGS. 3A and 3B, the programming resistance level is R1 by connecting a plurality of resistance memory elements in series or in parallel, for example, through various configurations of the information recording film SL. It may be provided in various ways, such as <R2 <R3 <R4, whereby a memory cell capable of storing multi-bit information, such as multi-bit information such as 00, 01, 10, and 11, may be implemented.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 메모리 셀(M)의 정보 기록막(SL)의 구조를 도시하는 단면도이다.3A and 3B are cross-sectional views showing the structure of the information recording film SL of the memory cell M according to various embodiments of the present invention.
도 3a를 참조하면, 정보 기록막(SL)은 도전성 라인들(WL1, WL)과 채널막(CH) 사이에 협지된다. 채널막(CH)이 도전성 라인들(WL1, WL2)을 가로질러 연장되기 때문에, 교차점들(또는 교차 영역이라 함)이 정의될 수 있으며, 정보 기록막(SL)의 상기 교차점들의 부분들은 각각 비휘발성 메모리 셀(M1, M2)을 정의할 수 있다.Referring to FIG. 3A, the information recording film SL is sandwiched between the conductive lines WL1 and WL and the channel film CH. Since the channel film CH extends across the conductive lines WL1 and WL2, intersection points (or intersection regions) can be defined, and portions of the intersection points of the information recording film SL are each non- Volatile memory cells M1 and M2 may be defined.
비휘발성 메모리 셀들(M1, M2)의 동작 특성은 정보 기록막(SL)에 의해따라 결정될 수 있다. 전술한 바와 같이, 정보 기록막(SL)은, 비휘발성 고상 메모리 셀을 제공하기 위한, 상변화 재료, 가변 저항성 재료, 프로그래밍 가능한 금속화셀, 자성체 재료, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. Operation characteristics of the nonvolatile memory cells M1 and M2 may be determined by the information recording film SL. As described above, the information recording film SL may include a phase change material, a variable resistive material, a programmable metallization cell, a magnetic material, or a combination thereof for providing a nonvolatile solid state memory cell.
상기 상변화 재료는, 비정질 상태에서 결정질 상태로 또는 그 반대로 가역적으로 전환될 수 있으며, 그에 따라 서로 다른 저항값을 갖는 재료이다. 일반적으로, 상기 상변화 재료는, 비정질 상태에서는 고저항을 갖고, 결정질 상태에서는 저저항을 갖는다. 상기 상변화 재료는, 예를 들면, GeSbTe계 재료, 즉, GeSb2Te3, Ge2Sb2Te5, GeSb2Te4 중 어느 하나 또는 이들의 조합과 같은 칼코게나이드계 화합물을 포함할 수 있다. 또는, 다른 상변화 재료로서, GeTeAs, GeSnTe, SeSnTe, GaSeTe, GeTeSnAu, SeSb2, InSe, GeTe, BiSeSb, PdTeGeSn, InSeTiCo, InSbTe, In3SbTe2, GeTeSb2, GeTe3Sb, GeSbTePd 또는 AgInSbTe 가 있으며, 이들은 예시적일 뿐 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 전술한 재료들에, 불순물 원소, 예를 들면, B, C, N, P와 같은 비금속 원소가 더 도핑된 재료가 적용될 수도 있다. The phase change material is a material that can be reversibly converted from an amorphous state to a crystalline state or vice versa, and thus has different resistance values. In general, the phase change material has high resistance in an amorphous state and low resistance in a crystalline state. The phase change material may include, for example, a chalcogenide-based compound such as any one or combination of GeSbTe-based materials, ie, GeSb 2 Te 3 , Ge 2 Sb 2 Te 5 , GeSb 2 Te 4 , or a combination thereof. have. Or, there is a different phase change material, GeTeAs, GeSnTe, SeSnTe, GaSeTe, GeTeSnAu, SeSb2, InSe, GeTe, BiSeSb, PdTeGeSn, InSeTiCo, InSbTe, In 3 SbTe 2, GeTeSb 2, GeTe 3 Sb, GeSbTePd or AgInSbTe, These are merely exemplary and the present invention is not limited thereto. In addition, to the above materials, a material further doped with an impurity element, for example, a nonmetallic element such as B, C, N, or P may be applied.
다른 실시예로서, 정보 기록막(SL)은 전기적 신호에 의해 전기적 저항값이 가역적으로 변할 수 있는 상기 가변 저항성 재료를 포함할 수 있다. 상기 가변 저항성 재료는, 전술한 상변화 재료와 유사하게 저저항 상태와 고저항 상태 사이에서 가역적으로 변환될 수 있는 재료이다. 상기 가변 저항성 재료의 예로서, SrTiO3, SrZrO3, Nb:SrTiO3와 같은 페로브스카이트계 산화물 또는 TiOx, NiO, TaOx, HfOx, AlOx, ZrOx, CuOx, NbOx, 및 TaOx, GaOx, GdOx, MnOx, PrCaMnO, 및 ZnONIOx와 같은 전이 금속 산화물이 있다. In another embodiment, the information recording film SL may include the variable resistive material whose electrical resistance value may be reversibly changed by an electrical signal. The variable resistive material is a material that can be reversibly converted between a low resistance state and a high resistance state, similar to the phase change material described above. As an example of the variable resistance material, SrTiO 3, SrZrO 3, Nb : Fe lobe, such as SrTiO 3 Sky teugye oxide or TiO x, NiO, TaO x, HfO x, AlO x, ZrO x, CuO x, NbO x, and TaO x , Transition metal oxides such as GaO x , GdO x , MnOx, PrCaMnO, and ZnONIO x .
상기 페로브스카이트계 산화물 및 전이 금속 산화물은 전기적 펄스에 따른 저항값의 스위칭 특성이 나타난다. 이러한 스위칭 특성을 설명하기 위하여, 도전성 필라멘트, 계면 효과 및 트랩 전하와 관련된 다양한 메커니즘들이 제안되고 있지만, 이러한 메커니즘들이 명확한 것은 아니다. 그러나, 이들 재료는, 공통적으로 비휘발성 메모리 응용에 적합한 미세 구조 내에 전자에 의한 전류에 영향을 미치는 일종의 이력(hysterisis)을 갖는 인자를 가지고 있기 때문에 정보 기록막(SL)으로서 응용될 수 있다. The perovskite oxide and the transition metal oxide exhibit switching characteristics of resistance values according to electrical pulses. To explain these switching characteristics, various mechanisms related to conductive filaments, interfacial effects and trap charges have been proposed, but these mechanisms are not clear. However, these materials can be applied as the information recording film SL because they commonly have a factor having some kind of hysterisis affecting the current caused by electrons in a microstructure suitable for nonvolatile memory applications.
상기 이력은 인가 전압의 극성에 무관한 단극성(unipolar) 저항 재료와 양극성(bipolar) 저항 재료에 따라 구별되는 특성을 가질 수 있지만, 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 예를 들면, 비휘발성 정보 기록막(SL)은 단극성 저항 재료로만 이루어지거나, 양극성 저항 재료로만 이루어질 수 있다. 또는, 비휘발성 정보 기록막(SL)은 상기 단극성 저항 재료로 이루어진 막과 양극성 저항 재료로 이루어진 막의 적층 구조체를 포함함으로써 멀티 비트 구동을 하도록 설계될 수도 있다.The hysteresis may have characteristics distinguished according to a unipolar resistance material and a bipolar resistance material irrespective of the polarity of the applied voltage, but the present invention is not limited thereto. For example, the nonvolatile information recording film SL may be made of only a monopolar resistive material or may be made of only a bipolar resistive material. Alternatively, the nonvolatile information recording film SL may be designed for multi-bit driving by including a laminated structure of a film made of the unipolar resistive material and a film made of the bipolar resistive material.
다른 실시예에서는, 정보 기록막(SL)은 프로그래머블 금속화 셀을 포함할 수도 있다. 예를 들면, 복수의 도전성 라인들((WL1, WL2)을 전기화학적으로 활성인, 예를 들면 산화 가능한 은(Ag), 테루륨(Te), 구리(Cu), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti)와 같은 금속 전극, 또는 이에 상대적으로 비활성인 텅스텐(W), 금(Au), 백금(Pt), 파라듐(Pd), 및 로듐(Rh)과 같은 금속 전극으로 구성하고, 복수의 도전성 라인들((WL1, WL2)과 채널막(CH) 사이에, 슈퍼 이온 영역들을 갖는 전해질 물질을 포함하는 프로그래머블 금속화 셀(PMC)을 배치하여, 정보 기록막(SL)을 구현할 수도 있다.In another embodiment, the information recording film SL may include a programmable metallization cell. For example, the plurality of conductive lines WL1 and WL2 are electrochemically active, for example, oxidizable silver (Ag), terulium (Te), copper (Cu), tantalum (Ta), titanium ( A metal electrode such as Ti) or a relatively inert metal electrode such as tungsten (W), gold (Au), platinum (Pt), palladium (Pd), and rhodium (Rh) The information recording film SL may be implemented by disposing a programmable metallization cell PMC including an electrolyte material having super ion regions between the lines WL1 and WL2 and the channel film CH.
상기 PMC 재료는, 상기 전해질 재료 내에서 슈퍼 이온 영역들의 물리적 재배치를 통해서 저항 변화 또는 스위칭 특성을 나타낼 수 있다. 상기 슈퍼 이온 영역들을 갖는 전해질 물질은, 예를 들면, 게르마늄셀레늄 화합물(GeSe) 재료와 같은 베이스 글래스 재료(base glass material)일 수 있다. 상기 GeSe 화합물은 칼코게나이드 글래스 또는 칼로게나이드 재료로 지칭될 수도 있다. 이러한 GeSe 화합물에는, Ge3Se7, Ge4Se6 또는 Ge2Se3이 있다. 다른 실시예에서는, 다른 공지의 재료가 이용될 수도 있을 것이다.The PMC material may exhibit resistance change or switching characteristics through physical rearrangement of super ion regions in the electrolyte material. The electrolyte material having the super ion regions may be, for example, a base glass material such as germanium selenium compound (GeSe) material. The GeSe compound may also be referred to as chalcogenide glass or chalcogenide material. Such GeSe compounds include Ge 3 Se 7 , Ge 4 Se 6, or Ge 2 Se 3 . In other embodiments, other known materials may be used.
다른 실시예에서는, 정보 기록막(SL)은 상기 자성체 재료를 포함할 수도 있다. 상기 자성체 재료는, 예를 들면, Mg, Ni, CO, 및/또는 Fe의 조합을 포함하는 조성물일 수 있다. 이 경우, 비휘발성 정보 기록막(SL)은 거대자기저항(GMR: Giant Magneto Resistive) 구조 또는 터널링자기저항(TMR:Tunneling Magneto Resistance) 구조를 포함할 수 있다. 상기 터널링 자기저항 구조의 경우, 비휘발성 정보 기록막(SL)은, 이들 자성체 재료로 이루어진 막과 함께 적합한 절연막의 적층 구조체에 의해 얻어지는 자성 터널링 접합(magnetic tunneling junction)을 포함할 수 있으며, 공지의 스핀 토크 전달 메모리를 구현할 수 있다. In another embodiment, the information recording film SL may comprise the magnetic material. The magnetic material may be, for example, a composition comprising a combination of Mg, Ni, CO, and / or Fe. In this case, the nonvolatile information recording film SL may include a Giant Magneto Resistive (GMR) structure or a Tunneling Magneto Resistance (TMR) structure. In the case of the tunneling magnetoresistive structure, the nonvolatile information recording film SL may include a magnetic tunneling junction obtained by a laminated structure of a suitable insulating film together with a film made of these magnetic material, and known Spin torque transfer memory can be implemented.
전술한 비휘발성 정보 기록막(SL)에 관하여 전술한 재료들은 단일층 또는 복수의 적층 구조를 가질 수도 있다. 예를 들면, 도 3a에 도시된 바와 같이, 비휘발성 정보 저장막(SL)은, 전술한 재료들로 이루어진 막들(41, 42)의 적층 구조체를 포함할 수 있다. 예를 들면, 비휘발성 정보 기록막(SL)은 전술한 상변화 재료막, 변화 재료, 가변 저항성 재료, 프로그래밍 가능한 금속화셀(programmable metallization cell; PMC), 자성체 재료들로부터 선택된 2 이상의 막들(41, 42)을 포함할 수 있다. 이러한 적층 구조는 서로 조합되어, 도전성 라인들(WL1, WL2)과 채널막(CH) 사이에 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다.The materials described above with respect to the above-described nonvolatile information recording film SL may have a single layer or a plurality of stacked structures. For example, as shown in FIG. 3A, the nonvolatile information storage film SL may include a stack structure of the
설계 측면에서, 인접하는 메모리 셀들(M1, M2)의 셀 분리 및/또는 이들 사이의 크로스톡, 예를 들면, 상변화 메모리의 경우 열적 간섭을 방지하기 위해, 인접하는 메모리 셀들(M1, M2)의 간격을 결정하는 도전성 라인들(WL1, WL2) 사이의 간격 d는 적절히 설계될 수 있다. 다른 실시예로서, 정보 저장막(SL)의 프로그래밍 영역을 축소하여, 메모리 셀들(M1, M2) 사이의 거리를 실효적으로 증가시킴으로써 크로스톡을 감소시킬 수 있다. 예를 들면, 도 3b에 도시한 바와 같이, 배선 스택(ST)의 층간 절연막 패턴들(20P1, 20P2, 20P3)의 측면으로부터 복수의 도전성 라인들(WL1, WL2)을 r 만큼 리세스시킬 수 있다. 이러한 식각 공정은 배선 스택들(도 4c의 ST 참조)을 형성한 후, 복수의 도전성 라인들(WL1, WL2)의 등방성 식각을 통하여 달성될 수 있으며, 이에 관하여는 후술하도록 한다. 이와 같이, 프로그래밍 영역을 축소하면, 비휘발성 메모리 장치의 구동 전력도 감소될 수 있는 이점이 있다.
In terms of design, adjacent memory cells M1, M2 are used to prevent cell separation of adjacent memory cells M1, M2 and / or crosstalk therebetween, for example, thermal interference in the case of a phase change memory. The spacing d between the conductive lines WL1 and WL2 that determines the spacing of can be appropriately designed. In another embodiment, crosstalk may be reduced by reducing the programming area of the information storage layer SL to effectively increase the distance between the memory cells M1 and M2. For example, as illustrated in FIG. 3B, the plurality of conductive lines WL1 and WL2 may be recessed from the side surfaces of the interlayer insulating layer patterns 20P1, 20P2, and 20P3 of the wiring stack ST by r. . This etching process may be achieved through isotropic etching of the plurality of conductive lines WL1 and WL2 after forming the wiring stacks (see ST in FIG. 4C), which will be described later. As such, when the programming area is reduced, the driving power of the nonvolatile memory device may also be reduced.
도 4a 내지 4l은 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치의 제조 방법을 순서대로 도시하는 사시도들이다. 이들 도면의 구성 부재들 중 도 1a 내지 도 3b를 참조하여 전술한 구성 부재들과 동일한 참조 부호를 갖는 구성 부재들에 관하여는, 모순되지 않는 한 전술한 개시 사항을 참조할 수 있다.4A to 4L are perspective views sequentially illustrating a method of manufacturing a nonvolatile memory device according to an embodiment of the present invention. With regard to the constituent members of these figures having the same reference numerals as the constituent members described above with reference to FIGS. 1A to 3B, reference may be made to the foregoing disclosure unless contradictory.
도 4a를 참조하면, 기판(10)이 제공된다. 기판(10)은, 예를 들면, 실리콘, 실리콘-온-절연체(SOI), 실리콘-게르마늄 또는 실리콘-온-사파이어(SOS)과 같은 실리콘계 기저 구조체 또는, 게르마늄, 및 갈륨-비소계 화합물 재료와 같은 Ⅲ-Ⅴ족 반도체 재료를 포함할 수 있다. 또는, 기판(10)은 전술한 반도체가 아닌 다른 재료를 포함할 수도 있으며, 이들 재료들은 예시적일 뿐, 본 발명이 이러한 재료에 의해 한정되는 것은 아니다. Referring to FIG. 4A, a
기판(10)에는 셀 어레이 영역과 코어 영역이 정의될 수 있으며, 전술한 메모리 셀 어레이(MA)가 3 차원 구조를 가지므로, 셀 어레이 영역과 코어 영역은 단차를 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 셀 어레이 영역은 상기 코어 영역보다 기판(10)의 깊이 방향으로 식각함으로써 한정될 수 있으며, 이로써, 셀 어레이 영역과 코어 영역은 단차를 가질 수도 있을 것이다. 이러한 단차는 워드라인들로 사용되는 복수의 도전성 라인들을 외부 회로와 연결하기 위한 배선 구조 형성을 위해 유용하다. 일부 실시예에서, 기판(10) 상에, 도 1a를 참조하여 전술한 바와 같이, 제어 게이트 구조(도 1a의 GS 참조)의 전기적 연결을 위한 하부 재배선 구조들(CL1, CL2, CL3)이 더 형성될 수도 있다. 필요에 따라, 전술한 채널막들의 전기적 연결을 위한 배선 구조가 더 형성될 수도 있으며, 이러한 배선 구조는 하부 재배선 구조들(CL1, CL2, CL3)과 공통될 수도 있다.The cell array region and the core region may be defined in the
도 4b를 참조하면, 기판(10) 상에 순차대로, 제 1 절연막들(20L1, 20L2, 20L3)과 제 1 도전막들(WD1, WD2)을 교번하여 반복적으로 적층한다. 이들 막들의 개수와 두께는 적절히 선택될 수 있다. 제 1 절연막들(20L1, 20L2, 20L3)은, 예를 들면, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 및/또는 실리콘산소질화물과 같은 절연막일 수 있으며, 예를 들면, 플라즈마강화화학기상증착 또는 화학기상증착에 의해 형성될 수 있다.Referring to FIG. 4B, the first insulating layers 20L1, 20L2, and 20L3 and the first conductive layers WD1 and WD2 are alternately and repeatedly stacked on the
제 1 도전막들(WD1, WD2)의 두께는 서로 동일할 수 있다. 제 1 도전막들(WD1, WD2)은 스퍼터링과 같은 물리적기상증착 또는 화학기상증착에 의해 형성될 수 있다. 제 1 도전막들(WD1, WD2)은 후술하는 배선 스택들(ST)의 형성 공정을 통하여 복수의 도전성 라인들(도 1a의 WL1, WL2 참조)이 되는 것이어서, 예를 들면, 높은 도전성을 갖는 금속, 예를 들면, 백금(Pt), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 은(Ag), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W), 실리콘(Si), 구리(Cu), 니켈(Ni), 코발트(Co), 또는, 몰리브데늄(Mo), 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다. 또는, 제 1 도전막들(WD1, WD2)은 이들의 도전성 질화물(예를 들면, TiN, MoN 등), 도전성 산소질화물(예를 들면, TiON 등) 또는 이들의 조합(예를 들면, TiSiN, TiAlON 등)을 포함할 수도 있다. 이들 재료들은 예시적이며, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들면, 제 1 도전막(WD1, WD2)은 과도핑된 폴리실리콘막일 수도 있다. 또한, 제 1 도전막들(WD1, WD2)은 비휘발성 정보 기록막(SL)과 신뢰성 있는 계면을 형성할 수 있는 적합한 다른 물질을 포함할 수도 있다.The thicknesses of the first conductive layers WD1 and WD2 may be the same. The first conductive layers WD1 and WD2 may be formed by physical vapor deposition or chemical vapor deposition such as sputtering. The first conductive films WD1 and WD2 become a plurality of conductive lines (see WL1 and WL2 in FIG. 1A) through a process of forming the wiring stacks ST, which will be described later. For example, the first conductive films WD1 and WD2 may have high conductivity. Metals such as platinum (Pt), ruthenium (Ru), iridium (Ir), silver (Ag), aluminum (Al), titanium (Ti), tantalum (Ta), tungsten (W), silicon (Si) , Copper (Cu), nickel (Ni), cobalt (Co), or molybdenum (Mo), or an alloy thereof. Alternatively, the first conductive films WD1 and WD2 may be formed of conductive nitrides (eg, TiN, MoN, etc.), conductive oxygen nitrides (eg, TiON, etc.), or a combination thereof (eg, TiSiN, TiAlON, etc.) may be included. These materials are exemplary and the present invention is not limited thereto. For example, the first conductive films WD1 and WD2 may be poly-doped polysilicon films. Further, the first conductive films WD1 and WD2 may include other suitable materials capable of forming a reliable interface with the nonvolatile information recording film SL.
제 1 절연막들(20L1, 20L2, 20L3)과 제 1 도전막들(WD1, WD2)이 교번하여 반복적으로 적층된 결과물 상에, 라인 패턴을 갖는 마스크막(Mask)이 제공될 수 있다. 마스크막(Mask)의 라인 패턴은 기판(10)에 평행한 제 1 방향(예를 들면, x 방향)으로 연장될 수 있다.A mask film having a line pattern may be provided on a result of repeatedly stacking the first insulating layers 20L1, 20L2, and 20L3 and the first conductive layers WD1 and WD2. The line pattern of the mask layer may extend in a first direction (eg, x direction) parallel to the
도 4c를 참조하면, 식각 마스크로서 마스크막(Mask)을 사용하여, 적층된 제 1 절연막들(20L1, 20L2, 20L3)과 제 1 도전막들(WD1, WD2)을 연속적으로 패터닝하여, x 방향으로 연장되고, x 방향과 다른 제 2 방향(예를 들면, y 방향)으로 서로 평행하게 이격된 복수의 배선 스택들(ST)을 형성한다. 상기 패터닝 공정은 반응성 이온 식각과 같은 건식 식각 공정을 통하여 수행될 수 있다. 배선 스택들(ST) 내에는, 제 1 절연막(20L1, 20L2, 20L3)로부터 유래된 제 1 층간 절연막 패턴들(20P1, 20P2, 20P3)과 제 1 도전막들(WD1, WD2)로부터 유래된 복수의 도전성 라인들(WL1, WL2)이 반복적으로 적층되어 있다. Referring to FIG. 4C, the stacked first insulating layers 20L1, 20L2, and 20L3 and the first conductive layers WD1 and WD2 are successively patterned by using a mask layer Mask as an etching mask. And a plurality of wiring stacks ST spaced apart in parallel to each other in a second direction different from the x direction (eg, the y direction). The patterning process may be performed through a dry etching process such as reactive ion etching. In the wiring stacks ST, a plurality of first interlayer insulating layer patterns 20P1, 20P2, and 20P3 derived from the first insulating layers 20L1, 20L2, and 20L3 and a plurality of first conductive layers WD1 and WD2 may be formed. Conductive lines WL1 and WL2 are repeatedly stacked.
선택적으로는, 배선 스택(ST)의 층간 절연막 패턴들(20P1, 20P2, 20P3)의 측면으로부터 복수의 도전성 라인들(WL1, WL2)을 r 만큼 리세스시킬 수 있다. 이러한 리세스 공정은 층간 절연막 패턴들(20P1, 20P2, 20P3)에 대한 복수의 도전성 라인들(WL1, WL2)의 식각 선택비를 이용한 등방성 식각을 통하여 달성될 수 있다. 이 경우, 후술하는 정보 기록막이 리세스된 홈내에 국부적으로 제공되어 프로그램 영역이 도전성 라인들(WL1, WL2)의 두께 이하로 실질적으로 제한될 수 있어, 구동 전력과 인접하는 셀들 사이의 크로스톡을 방지할 수 있는 이점이 있다. Alternatively, the plurality of conductive lines WL1 and WL2 may be recessed by r from the side surfaces of the interlayer insulating layer patterns 20P1, 20P2, and 20P3 of the wiring stack ST. The recess process may be achieved through isotropic etching using an etching selectivity of the plurality of conductive lines WL1 and WL2 with respect to the interlayer insulating layer patterns 20P1, 20P2 and 20P3. In this case, the information recording film described later can be locally provided in the recessed groove so that the program region can be substantially limited to less than or equal to the thickness of the conductive lines WL1 and WL2, thereby reducing the crosstalk between the driving power and the adjacent cells. There is an advantage that can be prevented.
도 4d를 참조하면, 배선 스택들(ST) 상에 콘포멀하게 정보 기록 재료층(SM)을 형성한다. 이로써, 정보 기록 재료층(SM)이 배선 스택들(ST)의 서로 대향하는 측벽들 상에도 균일한 두께로 형성될 수 있다. 도시된 정보 기록 재료층(SM)은 단일층이거나, 도 3a 및 3b를 참조하여 설명한 바와 같이, 전극용 금속층과 상변화 재료와 같은 비휘발성 메모리 막들을 포함하는 복수의 층들로 이루어진 적층 구조체일 수도 있다.Referring to FIG. 4D, the information recording material layer SM is conformally formed on the wiring stacks ST. As a result, the information recording material layer SM can be formed to have a uniform thickness on the sidewalls that face each other of the wiring stacks ST. The illustrated information recording material layer SM may be a single layer or a stacked structure composed of a plurality of layers including a metal layer for electrodes and nonvolatile memory films such as a phase change material, as described with reference to FIGS. 3A and 3B. have.
도 4e를 참조하면, 후속하여, 정보 기록 재료층(SM)이 형성된 복수의 배선 스택들(ST) 사이의 트렌치들(TC)을 채우는 제 2 절연막(30)을 형성하고, 화살표 A로 표시한 바와 같이, 평탄화 공정을 수행할 수 있다. 상기 평탄화 공정은 도시된 바와 같이, 제 1 층간 절연막 패턴들(20P1, 20P2, 20P3) 중 최상위 패턴(20P3)까지 수행될 수 있지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 그 결과, 도 4f에 도시된 바와 같이, 배선 스택들(ST)의 측벽에 형성된 서로 마주보는 제 1 및 제 2 정보 기록막들(SL1, SL2)이 정의되고, 이들 사이의 공간은 제 2 절연막(30)에 의해 채워질 수 있다.Referring to FIG. 4E, a second insulating
도 4g를 참조하면, 제 1 정보 기록막(SL1) 및/또는 제 2 정보 기록막들과 접하여 제 2 절연막(30)을 수직 방향(즉, z 방향)으로 관통하는 제 1 관통홀들(H1)을 형성한다. 후속하여, 제 1 관통홀들(H1)을 채우는 채널막(CH1, CH2; CH)을 형성한다. 이로써, 복수의 도전성 라인들(WL1, WL2)과의 사이에 정보 기록막SL1, SL2; SL)을 협지하면서 복수의 도전성 라인들(WL1, WL2)을 가로질러 연장되는 채널막(CH1, CH2; CH)이 형성될 수 있다.Referring to FIG. 4G, first through holes H1 penetrating the second insulating
도 4i를 참조하면, 후속하여, 채널막들(CH)과 접하여 제 2 절연막(30)을 수직 방향(즉, z 방향)으로 관통하는 제 2 관통홀들(H2)을 형성한다. 제 2 관통홀들(H2)은 하부 재배선 구조(CL1, CL2, CL3)의 콘택 패드(CP)를 노출하는 깊이까지 관통할 수 있을 것이다. 이 경우, 관통홀들(H2)은 저면에 존재하는 정보 기록막(SL)도 관통하도록 형성된다.Referring to FIG. 4I, second through holes H2 penetrating the second insulating
일부 실시예에서는, 제 2 관통홀들(H2)이, 도시된 바와 같이, 서로 대향하는 제 1 및 제 2 채널막(CH1, CH2)에 공통으로 접하도록 형성될 수 있다. 그 결과, 후술하는 바와 같이, 하나의 제어 게이트 구조(GS)로 공통으로 제 1 및 제 2 채널막(CH1, CH2)의 전기적 전도성을 제어할 수 있는 공통 제어 게이트 구조를 달성할 수 있다.In some embodiments, the second through holes H2 may be formed in common contact with the first and second channel films CH1 and CH2 facing each other, as shown. As a result, as will be described later, a common control gate structure capable of controlling the electrical conductivity of the first and second channel layers CH1 and CH2 in common with one control gate structure GS can be achieved.
도 4j를 참조하면, 채널막들(CH) 상에 게이트 절연막(GI)을 형성할 수 있다. 게이트 절연막(GI)은 도 4j에 도시된 바와 같이, 제 2 관통홀(H2)의 측벽 전체에 콘포멀하게 절연막을 증착함으로써 형성될 수 있다. 다른 실시예에서는, 제 2 관통홀들(H2)을 통하여 노출된 채널막들(H3)의 표면을 열산화함으로써 게이트 절연막(GI)이 형성될 수도 있다. 이 경우에는, 채널막들(H3) 상에만 국지적으로 게이트 절연막(GI)이 배치될 것이다. 이후, 게이트 절연막(GI)에 의해 한정된 제 2 관통홀(H2) 내의 공간(H3)을 채우는 도전막을 형성함으로써 게이트 전극(도 1의 GE 참조)이 형성될 수 있다.Referring to FIG. 4J, a gate insulating layer GI may be formed on the channel layers CH. As illustrated in FIG. 4J, the gate insulating layer GI may be formed by conformally depositing an insulating layer on the entire sidewall of the second through hole H2. In another embodiment, the gate insulating layer GI may be formed by thermally oxidizing the surfaces of the channel layers H3 exposed through the second through holes H2. In this case, the gate insulating film GI may be locally disposed only on the channel films H3. Thereafter, the gate electrode (see GE of FIG. 1) may be formed by forming a conductive film filling the space H3 in the second through hole H2 defined by the gate insulating film GI.
도 4k 및 도 4l은 도 4g 내지 도 4j에 도시된 단위 제조 공정의 순서와에 대비되는 다른 실시예에 따른 제조 방법이다. 도 4k를 참조하면, 도 4g와 달리, 제 2 관통홀들(H2)을 제 1 관통홀들(H1)보다 먼저 형성할 수도 있다. 이후, 도 4l을 참조하면, 제 2 관통홀(H2)을 채우는 게이트 절연막(GI)과 게이트 절연막(GI)에 의해 둘러싸인 게이트 전극(GE)을 형성한다. 후속하여, 정보 기록막(SL)과 게이트 절연막(GI)에 접하도록 제 2 절연막(30)을 수직 방향으로 관통하는 제 1 관통홀들(H1)을 형성할 수도 있다. 이후, 관통홀들(H1) 내부를 반도체 재료로 채움으로써 채널막(CH)이 형성될 수 있다.
4K and 4L are manufacturing methods according to another embodiment in contrast to the order of the unit manufacturing process shown in FIGS. 4G-4J. Referring to FIG. 4K, unlike FIG. 4G, the second through holes H2 may be formed before the first through holes H1. Subsequently, referring to FIG. 4L, a gate insulating film GI filling the second through hole H2 and a gate electrode GE surrounded by the gate insulating film GI are formed. Subsequently, first through holes H1 penetrating the second insulating
전술한 바와 같이, 채널막(CH) 및 제어 게이트 구조(GS)를 완성한 후, 필요에 따라 외부 회로와의 연결을 위한 배선 구조를 완성함으로써, 비휘발성 메모리 장치가 완성될 수 있다. 도 4a 내지 도 4l은 도 1에 도시된 비휘발성 메모리 장치(100A)에 관하여 설명하고 있지만, 당업자라면, 적합한 상부 재배선 구조를 더 형성하여 도 1b에 도시된 비휘발성 메모리 장치(100B)를 얻을 수 있음을 이해할 것이다.As described above, after the channel film CH and the control gate structure GS are completed, a nonvolatile memory device may be completed by completing the wiring structure for connection with an external circuit, if necessary. 4A through 4L describe the
전술한 3차원 비휘발성 메모리 장치는 하나의 웨이퍼 칩 내에 다른 이종 소자들, 예를 들면, 논리 프로세서, 이미지 센서, RF 소자와 같은 다른 소자들과 함께 SOC(system on chip)의 형태로 실시될 수도 있을 것이다. 또는, 3차원 비휘발성 메모리 장치가 형성된 웨이퍼 칩과 이종 소자가 형성된 다른 웨이퍼 칩을 접착제 또는 웨이퍼 본딩 기술을 이용하여 접합함으로써 하나의 칩 형태로 구현될 수도 있을 것이다.The above-described three-dimensional nonvolatile memory device may be implemented in the form of a system on chip (SOC) together with other heterogeneous devices, for example, a logic processor, an image sensor, and an RF device, in one wafer chip. There will be. Alternatively, the wafer chip on which the 3D nonvolatile memory device is formed and the other wafer chip on which the heterogeneous devices are formed may be bonded by using an adhesive or a wafer bonding technique to form a single chip.
또한, 전술한 실시예들에 따른 3차원 비휘발성 메모리 장치들은 다양한 형태들의 반도체 패키지(semiconductor package)로 구현될 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 실시예에 따른 3차원 비휘발성 메모리 장치들은 PoP(Package on Package), Ball grid arrays(BGAs), Chip scale packages(CSPs), Plastic Leaded Chip Carrier(PLCC), Plastic Dual In-Line Package(PDIP), Die in Waffle Pack, Die in Wafer FoSM, Chip On Board(COB), Ceramic Dual In-Line Package(CERDIP), Plastic Metric Quad Flat Pack(MQFP), Thin Quad Flatpack(TQFP), Small Outline(SOIC), Shrink Small Outline Package(SSOP), Thin Small Outline(TSOP), Thin Quad Flatpack(TQFP), System In Package(SIP), Multi Chip Package(MCP), Wafer-level Fabricated Package(WFP) 또는 Wafer-Level Processed Stack Package(WSP) 등의 방식으로 패키징될 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 비휘발성 메모리 장치가 실장된 패키지는 상기 3차원 비휘발성 메모리 장치들을 제어하는 컨트롤러 및/또는 논리 소자등을 더 포함할 수도 있다.
In addition, the 3D nonvolatile memory devices according to the above embodiments may be implemented as various types of semiconductor packages. For example, the 3D nonvolatile memory device according to the embodiment of the present invention may be a package on package (PoP), ball grid arrays (BGAs), chip scale packages (CSPs), plastic leaded chip carrier (PLCC), plastic dual in Line Package (PDIP), Die in Waffle Pack, Die in Wafer FoSM, Chip On Board (COB), Ceramic Dual In-Line Package (CERDIP), Plastic Metric Quad Flat Pack (MQFP), Thin Quad Flatpack (TQFP), Small Outline (SOIC), Shrink Small Outline Package (SSOP), Thin Small Outline (TSOP), Thin Quad Flatpack (TQFP), System In Package (SIP), Multi Chip Package (MCP), Wafer-level Fabricated Package (WFP) Alternatively, the package may be packaged in a Wafer-Level Processed Stack Package (WSP). The package in which the 3D nonvolatile memory device is mounted according to embodiments of the present invention may further include a controller and / or a logic element for controlling the 3D nonvolatile memory device.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 비휘발성 메모리 장치를 포함하는 전자 시스템(1100)의 일 예를 도시하는 블록도이다.5 is a block diagram illustrating an example of an
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전자 시스템(1100)은 컨트롤러(1110), 입출력 장치(I/O; 1120), 기억 장치(memory device; 1130), 인터페이스(1140) 및 버스(bus; 1150)를 포함할 수 있다. 상기 컨트롤러 (1110), 입출력 장치(1120), 기억 장치(1130) 및/또는 인터페이스(1140)는 상기 버스(1150)를 통하여 서로 결합될 수 있다. Referring to FIG. 5, an
상기 컨트롤러(1110)는 마이크로프로세서, 디지털 신호 프로세스, 마이크로컨트롤러, 및 이들과 유사한 기능을 수행할 수 있는 논리 소자들 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 입출력 장치(1120)는 키패드(keypad), 키보드 및 디스플레이 장치등을 포함할 수 있다. 상기 기억 장치(1130)는 데이터 및/또는 명령어등을 저장할 수 있다. 상기 기억 장치(1130)는 상술된 제1 및 제2 실시예들에 개시된 3차원 비휘발성 메모리 장치들 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 상기 기억 장치(1130)는 다른 형태의 반도체 메모리 장치(예를 들면, 디램 장치 및/ 또는 에스램 장치 등)를 더 포함하는 혼성 구조를 가질 수도 있다. 상기 인터페이스(1140)는 통신 네트워크로 데이터를 전송하거나 통신 네트워크로부터 데이터를 수신하는 기능을 수행할 수 있다. 상기 인터페이스(1140)는 유선 또는 무선 형태일 수 있다. 예컨대, 상기 인터페이스(1140)는 안테나 또는 유무선 트랜시버를 포함할 수 있다. 도시하지 않았지만, 상기 전자 시스템(1100)은 상기 컨트롤러(1110)의 동작을 향상시키기 위한 동작 메모리로서, 고속의 디램 및/또는 에스램을 더 포함할 수도 있다.The
상기 전자 시스템(1100)은 개인 휴대용 정보 단말기(PDA, personal digital assistant) 포터블 컴퓨터(portable computer), 태블릿 피씨(tablet PC), 무선 전화기(wireless phone), 모바일 폰(mobile phone), 디지털 뮤직 플레이어(digital music player), 메모리 카드(memory card), 또는 정보를 무선환경에서 송신 및/또는 수신할 수 있는 모든 전자 제품에 적용될 수 있다.
The
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 비휘발성 메모리 장치를 포함하는 메모리 카드(1200)의 일 예를 도시하는 블록도이다. FIG. 6 is a block diagram illustrating an example of a
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 메모리 카드(1200)는 기억 장치(1210)를 포함한다. 상기 기억 장치(1210)는 상술된 제1 및 제2 실시예들에 개시된 3차원 비휘발성 메모리 장치들 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 상기 기억 장치(1210)는 다른 형태의 반도체 메모리 장치(예를 들면, 디램 장치 및/또는 에스램 장치)를 더 포함할 수도 있다. 상기 메모리 카드(1200)는 호스트(Host)와 상기 기억 장치(1210) 간의 데이터 교환을 제어하는 메모리 컨트롤러(1220)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 6, a
메모리 컨트롤러(1220)는 메모리 카드의 전반적인 동작을 제어하는 플로세싱 유닛(1222)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 메모리 컨트롤러(1220)는 상기 프로세싱 유닛(1222)의 동작 메모리로서 사용되는 에스램(1221)을 포함할 수도 있다. 이에 더하여, 상기 메모리 컨트롤러(1220)는 호스트 인터페이스(1223) 및 메모리 인터페이스(1225)를 더 포함할 수 있다. 호스트 인터페이스(1223)는 메모리 카드(1200)와 호스트(Host) 사이의 데이터 교환 프로토콜을 구비할 수 있다. 메모리 인터페이스(1225)는 메모리 컨트롤러(1220)와 기억 장치(1210)를 접속시킬 수 있다. 더 나아가서, 상기 메모리 컨트롤러(1220)는 에러 정정 블록(ECC; 1224)을 더 포함할 수 있다. 에러 정정 블록(1224)은 기억 장치(1210)로부터 독출된 데이터의 에러를 검출 및 정정할 수 있다. 도시하지 않았지만, 메모리 카드(1200)는 호스트(Host)와의 인터페이싱을 위한 코드 데이터를 저장하는 롬 장치(ROM device)를 더 포함할 수도 있다. 메모리 카드(1200)는 휴대용 데이터 저장 카드로 사용될 수 있다. The
전술한 비휘발성 메모리 장치는 컴퓨터 시스템의 하드디스크를 대체할 수 있는 고상 디스크(SSD, Solid State Disk)로 구현될 수도 있다. 이 경우, 본 발명의 실시예에 따른 3차원 비휘발성 메모리 장치는 고집적화되어 페타스케일(petascale)의 컴퓨팅 성능을 제공할 수 있으며, 고속의 자료 입출력이 가능하도록 한다.
The above-described nonvolatile memory device may be implemented as a solid state disk (SSD) that can replace a hard disk of a computer system. In this case, the three-dimensional nonvolatile memory device according to the embodiment of the present invention may be highly integrated to provide petascale computing performance and to enable high-speed data input and output.
이상에서 설명한 본 발명이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention as defined in the appended claims. It will be clear to those who have knowledge.
100A, 100B: 3차원 비휘발성 메모리 장치의 셀 어레이
100C: 3차원 비휘발성 메모리 장치의 회로도
WL1, WL2: 복수의 도전성 라인들
0P1, 20P2, 20P3: 층간 절연막 패턴들
ST: 배선 스택들 CH1, CH2, CH: 채널막
GE: 게이트 전극 GI: 게이트 절연막
GS: 제어 게이트 구조100A, 100B: Cell Array of Three-Dimensional Nonvolatile Memory Devices
100C: Schematic diagram of a three-dimensional nonvolatile memory device
WL1, WL2: a plurality of conductive lines
0P1, 20P2, 20P3: interlayer insulating film patterns
ST: wiring stacks CH1, CH2, CH: channel film
GE: gate electrode GI: gate insulating film
GS: control gate structure
Claims (12)
상기 배선 스택들의 측벽 상에 형성되고, 상기 복수의 도전성 라인들과 전기적으로 연결되는 정보 기록막;
상기 복수의 도전성 라인들과의 사이에 상기 정보 기록막을 협지하면서, 상기 복수의 도전성 라인들과 교차하도록 수직 방향으로 연장되고, 상기 복수의 도전성 라인들과 교차하는 영역들에 상기 정보 기록막의 적어도 일부분을 포함하는 비휘발성 메모리 셀들이 정의되는 채널막들; 및
상기 채널막들의 상기 복수의 도전성 라인들과 반대되는 일면 상에 형성된 게이트 절연막, 및 상기 게이트 절연막의 상기 채널막과 반대되는 일면 상에 형성되어 각 채널막들의 전기적 전도도를 제어함으로써, 상기 비휘발성 메모리 셀들과 상기 각 채널막 사이의 전기적 연결을 제어하는 게이트 전극을 갖는 제어 게이크 구조를 포함하는 비휘발성 메모리 장치.A plurality of wiring stacks extending in a horizontal direction and stacked in a vertical direction on the substrate and spaced apart from each other;
An information recording film formed on sidewalls of the wiring stacks and electrically connected to the plurality of conductive lines;
At least a portion of the information recording film extends in a vertical direction to intersect the plurality of conductive lines and intersects the plurality of conductive lines, while sandwiching the information recording film between the plurality of conductive lines. Channel films in which non-volatile memory cells are formed; And
A gate insulating film formed on one surface opposite to the plurality of conductive lines of the channel films, and a gate insulating film formed on one surface opposite to the channel film of the gate insulating film to control electrical conductivity of each channel film, thereby controlling the non-volatile memory And a control gating structure having a gate electrode for controlling an electrical connection between cells and each channel film.
상기 정보 기록막은 이웃하는 상기 배선 스택들 상에 측벽에 각각 배치되어 서로 대향하는 제 1 및 제 2 정보 기록막을 포함하고,
상기 채널막들은, 상기 이웃하는 배선 스택들의 복수의 도전성 라인들과 상기 제 1 및 제 2 정보 기록막을 각각 협지하면서, 상기 복수의 도전성 라인들과 교차하도록 수직 방향으로 연장되고, 상기 복수의 도전성 라인들과 교차하는 영역들에 상기 제 1 및 제 2 정보 기록막의 적어도 일부분을 포함하는 상기 비휘발성 메모리 셀들이 정의되는 제 1 및 제 2 채널막들을 포함하며,
상기 제어 게이트 구조는 상기 제 1 및 제 2 채널막에 접하도록 배치된 상기 제 1 및 제 2 채널막의 공통 제어 게이트 구조인 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 장치.The method of claim 1,
The information recording film includes first and second information recording films disposed on sidewalls of the wiring stacks adjacent to each other and opposing each other,
The channel films extend in a vertical direction to intersect the plurality of conductive lines, while sandwiching the plurality of conductive lines of the neighboring wiring stacks and the first and second information recording films, respectively, and the plurality of conductive lines. First and second channel films in which regions of the nonvolatile memory cells including at least a portion of the first and second information recording films are defined in regions that intersect the first and second information recording films.
And the control gate structure is a common control gate structure of the first and second channel layers disposed in contact with the first and second channel layers.
상기 정보 기록막은 상변화 재료, 가변 저항성 재료, 프로그램 가능한 금속화셀(programmable metalliztion cell; PMC) 재료, 자성체 재료 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 장치.The method of claim 1,
And the information recording film comprises a phase change material, a variable resistive material, a programmable metallizing cell (PMC) material, a magnetic material, or a combination thereof.
상기 복수의 도전성 라인들은 각각 워드라인 및 비트라인 중 어느 하나로 동작하고, 상기 채널막은 상기 워드라인 및 상기 비트라인 중 다른 하나로 동작하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 장치.The method of claim 1,
And the plurality of conductive lines operate in any one of a word line and a bit line, respectively, and the channel layer operates in the other of the word line and the bit line.
상기 배선 스택들은 상기 복수의 도전성 라인들을 전기적으로 분리하기 위한 층간 절연막 패턴들을 더 포함하고,
상기 복수의 도전성 라인들은 상기 층간 절연막 패턴들의 측면으로부터 리세스된 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 장치.The method of claim 1,
The wiring stacks further include interlayer insulating layer patterns for electrically separating the plurality of conductive lines,
And the plurality of conductive lines are recessed from side surfaces of the interlayer insulating layer patterns.
적층된 상기 제 1 절연막들 및 상기 제 1 도전막들을 연속적으로 라인 패터닝하여, 복수의 도전성 라인들 및 이들 사이의 층간 절연막 패턴들을 포함하고, 서로 이격된 배선 스택들을 형성하는 단계;
상기 배선 스택들의 서로 대향하는 측벽들을 포함하는 표면 상에 정보 기록막을 형성하는 단계;
상기 복수의 도전성 라인들과의 사이에 상기 정보 기록막을 협지하면서 상기 복수의 도전성 라인들을 가로질러 연장되고, 상기 복수의 도전성 라인들과 교차하는 영역들에 상기 정보 기록막의 적어도 일부분을 포함하는 비휘발성 메모리 셀들이 정의되는 채널막들을 형성하는 단계; 및
상기 채널막들에 각각 접하는 게이트 절연막, 및 상기 게이트 절연막 상에 형성되어 각 채널막들의 전기적 전도도를 제어함으로써, 상기 비휘발성 메모리 셀들과 상기 각 채널막 사이의 전기적 연결을 제어하는 게이트 전극을 갖는 제어 게이트 구조들을 형성하는 단계를 포함하는 비휘발성 메모리 장치의 제조 방법.Alternately stacking first insulating films and first conductive films alternately on a substrate;
Continuously patterning the stacked first insulating layers and the first conductive layers to form wiring stacks including a plurality of conductive lines and interlayer insulating layer patterns therebetween and spaced apart from each other;
Forming an information recording film on a surface including opposite sidewalls of said wiring stacks;
A non-volatile that extends across the plurality of conductive lines while sandwiching the information recording film between the plurality of conductive lines and includes at least a portion of the information recording film in regions intersecting the plurality of conductive lines. Forming channel films in which memory cells are defined; And
A gate insulating film in contact with the channel films, and a gate electrode formed on the gate insulating film to control electrical conductivity of each of the channel films, thereby controlling electrical connection between the nonvolatile memory cells and the respective channel films. Forming gate structures.
상기 배선 스택들 상에 정보 기록 재료층을 콘포멀하게 형성하는 단계;
상기 배선 스택들 사이의 트렌치들을 채우는 제 2 절연막을 형성하는 단계; 및
상기 배선 스택들의 표면이 노출될 때까지 상기 제 2 절연막을 평탄화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 장치의 제조 방법.7. The method of claim 6, wherein the forming of the information recording film comprises:
Conformally forming an information recording material layer on the wiring stacks;
Forming a second insulating film filling the trenches between the wiring stacks; And
Planarizing the second insulating film until the surfaces of the wiring stacks are exposed.
상기 정보 기록막과 접하여 상기 제 2 절연막을 수직 방향으로 관통하는 제 1 관통홀을 형성하는 단계; 및
상기 제 1 관통홀을 반도체 재료로 채우는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 장치의 제조 방법.The method of claim 7, wherein the forming of the channel film,
Forming a first through hole in contact with the information recording film and penetrating the second insulating film in a vertical direction; And
And filling the first through hole with a semiconductor material.
상기 채널막들과 접하여 상기 제 2 절연막을 수직 방향으로 관통하는 제 2 관통홀을 형성하는 단계;
상기 제 2 관통홀 내에 상기 채널막과 접하도록 상기 게이트 절연막을 형성하는 단계; 및
상기 제 2 관통홀 내에 상기 게이트 절연막과 접하도록 상기 게이트 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 장치의 제조 방법.The method of claim 8, wherein forming the control gate structures comprises:
Forming a second through hole contacting the channel layers to penetrate the second insulating layer in a vertical direction;
Forming the gate insulating layer in contact with the channel layer in the second through hole; And
And forming the gate electrode in the second through hole so as to contact the gate insulating layer.
상기 배선 스택들 사이의 상기 제 2 절연막을 수직 방향으로 관통하는 제 2 관통홀을 형성하는 단계; 및
상기 제 2 관통홀 내에 상기 게이트 절연막 및 상기 게이트 절연막으로 둘러싸인 상기 게이트 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 장치의 제조 방법.The method of claim 7, wherein forming the control gate structures,
Forming a second through hole penetrating the second insulating film between the wiring stacks in a vertical direction; And
And forming the gate electrode surrounded by the gate insulating film and the gate insulating film in the second through-hole.
상기 정보 기록막과 상기 게이트 절연막에 접하도록 상기 제 2 절연막을 수직 방향으로 관통하는 제 1 관통홀을 형성하는 단계; 및
상기 제 1 관통홀을 반도체 재료로 채우는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 장치의 제조 방법.The method of claim 10, wherein the forming of the channel film,
Forming a first through hole penetrating the second insulating film in a vertical direction so as to contact the information recording film and the gate insulating film; And
And filling the first through hole with a semiconductor material.
상기 정보 기록막은 상변화 재료, 가변 저항성 재료, 프로그램 가능한 금속화셀 재료, 자성체 재료 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 장치의 제조 방법.The method according to claim 6,
And the information recording film comprises a phase change material, a variable resistive material, a programmable metallization cell material, a magnetic material, or a combination thereof.
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