KR102086060B1 - Dram cell memory element, memory array and manufacturing method of memory element - Google Patents

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KR102086060B1 KR1020180042338A KR20180042338A KR102086060B1 KR 102086060 B1 KR102086060 B1 KR 102086060B1 KR 1020180042338 A KR1020180042338 A KR 1020180042338A KR 20180042338 A KR20180042338 A KR 20180042338A KR 102086060 B1 KR102086060 B1 KR 102086060B1
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Abstract

메모리 소자가 개시된다. 본 메모리 소자는 제1 타입의 불순물이 기설정된 농도로 도핑된 실리콘 기판, 실리콘 기판 상에 형성되고 제2 타입의 불순물이 기설정된 제1 농도로 도핑된 드레인 영역, 드레인 영역 상에 기둥 형태로 형성되고 제2 타입의 불순물이 기설정된 제2 농도로 도핑된 바디 영역, 드레인 영역 상에 바디 영역의 표면을 감싸도록 형성된 절연층, 절연층 상에서 바디 영역의 표면을 감싸도록 형성된 게이트 절연층, 절연층 상에서 게이트 절연층의 표면을 감싸도록 형성된 게이트, 바디 영역의 일측면에 형성되어 제2 타입의 불순물이 제1 농도 및 제2 농도보다 높은 농도로 도핑된 소스 영역을 포함한다.A memory device is disclosed. The memory device may be formed on a silicon substrate doped with a first concentration of impurities of a first type, a drain region doped with a first concentration of a second type of impurities, and a pillar shape on a drain region. And a body region doped with a second type of impurities at a predetermined second concentration, an insulating layer formed to surround the surface of the body region on the drain region, a gate insulating layer formed to surround the surface of the body region on the insulating layer, and an insulating layer The gate is formed to surround the surface of the gate insulating layer, and includes a source region formed on one side of the body region and doped with a second type of impurity at a concentration higher than the second concentration.

Description

디램 셀 메모리 소자, 메모리 어레이 및 메모리 소자의 제조 방법 {DRAM CELL MEMORY ELEMENT, MEMORY ARRAY AND MANUFACTURING METHOD OF MEMORY ELEMENT}DRAM cell memory device, memory array and method of manufacturing memory device {DRAM CELL MEMORY ELEMENT, MEMORY ARRAY AND MANUFACTURING METHOD OF MEMORY ELEMENT}

본 개시는 메모리 반도체 소자, 메모리 어레이 및 메모리 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 벌크 실리콘 기판으로부터 전하 수송자를 공급받아 프로그램 동작을 수행하는 디램(DRAM. Dynamic Random Access Memory) 셀 메모리 소자, 메모리 어레이 및 메모리 소자의 제조 방법에 관한 것이다.The present disclosure relates to a memory semiconductor device, a memory array, and a method of manufacturing a memory device, and more particularly, a DRAM (DRAM) cell memory device for receiving a charge transporter from a bulk silicon substrate to perform a program operation. A method of manufacturing a memory array and a memory device.

디램 칩의 집적화 향상을 위해서는 디램 셀의 크기 감소가 계속적으로 이루어져야 하지만, 기존의 디램 셀은 캐패시터가 차지하는 면적에 의해 셀 면적을 축소함에 한계가 있었다.In order to improve the integration of the DRAM chip, the size of the DRAM cell must be continuously reduced, but the conventional DRAM cell has a limitation in reducing the cell area by the area occupied by the capacitor.

디램 축소의 이러한 문제를 해결하기 위해 캐패시터를 사용하지 않는 이른바 캐패시터리스 1T(One Transistor) 디램이 제안되고 있다. In order to solve this problem of DRAM reduction, so-called capacitorless 1T (one transistor) DRAMs without capacitors have been proposed.

종래에 주로 제안된 캐패시터리스 1T 디램은 바디 플로팅 효과(Body Floating Effect)를 이용함으로써 SOI(Silicon on Insulator) 기판을 P-형 바디에 정공을 저장하는 데이터 저장소로 사용하였다.The conventionally proposed capacitorless 1T DRAM has used a silicon on insulator (SOI) substrate as a data store for storing holes in a P-type body by using a body floating effect.

그러나, 바디 플로팅 효과를 이용한 캐패시터리스 1T 디램은 데이터 보유 능력이 좋지 않을 뿐만 아니라, 고가의 SOI 기판을 사용함에 따라 높은 제조단가가 수반되었다.However, the capacitorless 1T DRAM using the body floating effect not only has poor data retention capability but also has a high manufacturing cost due to the use of expensive SOI substrates.

본 개시의 목적은, 벌크 Si 기판 위에 수직형 나노선 무접합 트랜지스터를 구현함으로써, 고가의 SOI 기판을 사용하지 않으면서도 낮은 전압과 빠른 속도로 프로그램 동작을 수행할 수 있는 메모리 소자를 제공하는 데에 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present disclosure is to provide a memory device capable of performing a program operation at a low voltage and a high speed without using an expensive SOI substrate by implementing a vertical nanowire junctionless transistor on a bulk Si substrate. have.

본 개시는, 집적도가 높은 칩을 제작하는 데에 사용될 수 있음은 물론 우수한 데이터 보유능력을 가지는 메모리 소자를 제공함에도 그 목적이 있다.The present disclosure can be used to manufacture a highly integrated chip, and an object thereof is to provide a memory device having excellent data retention capability.

또한, 상술한 메모리 소자를 복수 개 포함하는 메모리 어레이 및 상술한 메모리 소자를 제조하는 방법을 제공함에도 그 목적이 있다.Another object of the present invention is to provide a memory array including a plurality of the above-described memory elements and a method of manufacturing the above-described memory elements.

본 개시의 일 실시 예에 따른 메모리 소자는, 제1 타입의 불순물이 기설정된 농도로 도핑된 실리콘 기판, 상기 실리콘 기판 상에 형성되고, 제2 타입의 불순물이 기설정된 제1 농도로 도핑된 드레인 영역, 상기 드레인 영역 상에 기둥 형태로 형성되고, 상기 제2 타입의 불순물이 기설정된 제2 농도로 도핑된 바디 영역, 상기 드레인 영역 상에 상기 바디 영역을 감싸도록 형성된 절연층, 상기 절연층 상에서 상기 바디 영역을 감싸도록 형성된 게이트 절연층, 상기 절연층 상에서 상기 게이트 절연층을 감싸도록 형성된 게이트, 상기 바디 영역의 일측면에 형성되어 상기 제2 타입의 불순물이 상기 제1 농도 및 상기 제2 농도보다 높은 농도로 도핑된 소스 영역을 포함한다.A memory device according to an embodiment of the present disclosure may include a silicon substrate doped with a first type of impurity at a predetermined concentration, and a drain formed on the silicon substrate and doped with a second type of impurity at a predetermined first concentration. A region formed in a pillar shape on the drain region, the body region doped with the second type of impurities at a predetermined second concentration, an insulating layer formed to surround the body region on the drain region, and on the insulating layer A gate insulating layer formed to surround the body region, a gate formed to surround the gate insulating layer on the insulating layer, and formed on one side of the body region so that the second type of impurities are formed in the first concentration and the second concentration A source region doped at a higher concentration.

이때, 상기 바디 영역은, 상기 실리콘 기판으로부터 전하 수송자를 공급받을 수 있다.In this case, the body region may receive a charge transporter from the silicon substrate.

한편, 상기 드레인 영역의 높이는, 10nm에서 100nm 사이로 형성될 수 있다.Meanwhile, the height of the drain region may be formed between 10 nm and 100 nm.

그리고, 상기 제1 타입의 불순물은 P형 불순물이고, 상기 제2 타입의 불순물은 N형 불순물이며, 상기 전하 수송자는 정공일 수 있다.The impurity of the first type may be a P-type impurity, the impurity of the second type may be an N-type impurity, and the charge transporter may be a hole.

이때, 상기 드레인 영역 및 바디 영역은 N- 농도로 도핑되고, 상기 소스 영역은 N+ 농도로 도핑된 것일 수 있다.In this case, the drain region and the body region may be doped with N- concentration, and the source region may be doped with N + concentration.

이 경우, 상기 메모리 소자는, 상기 드레인 영역에 기설정된 음의 전압이 인가되고 상기 바디 영역에 기설정된 음의 전압이 인가되는 경우, 상기 실리콘 기판에서 제공되는 정공의 드리프트 및 확산 현상에 의해 상기 바디 영역에 저장된 정공의 양이 증가되어, 프로그램(writing '1') 동작을 수행할 수 있다.In this case, when a predetermined negative voltage is applied to the drain region and a predetermined negative voltage is applied to the body region, the memory device may be formed by the drift and diffusion of holes provided from the silicon substrate. The amount of holes stored in the region is increased to perform a programming (writing '1') operation.

또는, 상기 메모리 소자는, 상기 게이트에 기설정된 양의 전압 인가되고 상기 드레인 영역에 기설정된 음의 전압이 인가되는 경우, 드리프트 및 확산 현상에 의해 상기 바디 영역에 저장된 정공의 양이 감소되어, 이레이즈(writing '0') 동작을 수행할 수 있다.Alternatively, in the memory device, when a predetermined positive voltage is applied to the gate and a predetermined negative voltage is applied to the drain region, the amount of holes stored in the body region is reduced by drift and diffusion. A writing '0' operation may be performed.

또는, 상기 메모리 소자는, 상기 게이트에 기설정된 음의 전압이 인가되는 경우, 상기 바디 영역에 저장된 정공이 유지되어 홀드(hold) 동작을 수행할 수 있다.Alternatively, when a predetermined negative voltage is applied to the gate, the memory device may hold a hole stored in the body region to perform a hold operation.

또는, 상기 메모리 소자는, 상기 게이트에 기설정된 양의 전압이 인가되는 경우, 상기 드레인 영역에 흐르는 전류를 센싱하여 리드(read) 동작을 수행할 수 있다.Alternatively, when a predetermined amount of voltage is applied to the gate, the memory device may sense a current flowing in the drain region to perform a read operation.

그리고, 상기 바디 영역은 SiGe를 포함할 수 있다.The body region may include SiGe.

한편, 상기 제1 타입의 불순물은 N형 불순물이고, 상기 제2 타입의 불순물은 P형 불순물이며, 상기 전하 수송자는 전자일 수 있다.Meanwhile, the first type of impurities may be N-type impurities, the second type of impurities may be P-type impurities, and the charge transporter may be electrons.

이 경우, 상기 드레인 영역 및 바디 영역은 P- 농도로 도핑되고, 상기 소스 영역은 P+ 농도로 도핑된 것일 수 있다.In this case, the drain region and the body region may be doped with a P- concentration, and the source region may be doped with a P + concentration.

본 개시의 일 실시 예에 따른 메모리 어레이는, 상기 메모리 소자를 복수 개 포함하고, 상기 복수 개의 메모리 소자에 포함된 각각의 실리콘 기판은 일체로 형성된 것이다.The memory array according to an embodiment of the present disclosure includes a plurality of the memory elements, and each silicon substrate included in the plurality of the memory elements is integrally formed.

이때, 상기 복수 개의 메모리 소자는 격자 형태로 배치되고, 상기 복수 개의 메모리 소자 중 동일한 열에 포함된 메모리 소자의 드레인 영역은 일체로 형성되고, 동일한 열에 포함된 메모리 소자의 소스 영역은 일체로 형성되며, 상기 복수 개의 메모리 소자 중 동일한 행에 포함된 메모리 소자의 게이트는 일체로 형성될 수 있다.In this case, the plurality of memory elements are disposed in a lattice form, the drain regions of the memory elements included in the same column among the plurality of memory elements are integrally formed, and the source regions of the memory elements included in the same column are integrally formed. Gates of the memory devices included in the same row among the plurality of memory devices may be integrally formed.

한편, 본 개시의 일 실시 예에 따른 메모리 소자 제조방법은, 제1 타입의 불순물이 기설정된 농도로 도핑된 실리콘 기판 상에 제2 타입의 불순물을 기설정된 농도로 도핑하여 벌크 영역, 드레인 영역, 바디 영역 및 소스 영역을 형성하는 단계, 상기 바디 영역 및 상기 소스 영역을 포함하는 나노선을 형성하기 위해 상기 바디 영역 및 상기 소스 영역을 패터닝 및 식각하는 단계, 상기 드레인 영역 상에서 상기 바디 영역을 감싸는 절연층을 증착하는 단계, 상기 절연층 상에서 상기 바디 영역을 감싸는 게이트 절연층을 증착하는 단계, 상기 절연층 상에서 상기 게이트 절연층을 감싸는 게이트를 증착하는 단계, 상기 소스 영역 및 상기 드레인 영역의 전극을 증착하는 단계를 포함한다. 이때, 상기 드레인 영역, 상기 바디 영역 및 상기 소스 영역은 상기 제2 타입의 불순물로 도핑된 영역이며, 상기 소스 영역은 상기 드레인 영역 및 상기 바디 영역보다 상기 제2 타입의 불순물이 더 높은 농도로 도핑된 것이다.Meanwhile, a method of manufacturing a memory device according to an embodiment of the present disclosure may include a bulk region, a drain region, and a second region by doping impurities of a second type to a predetermined concentration on a silicon substrate doped with impurities of a first type. Forming a body region and a source region, patterning and etching the body region and the source region to form a nanowire including the body region and the source region, insulation surrounding the body region on the drain region Depositing a layer, depositing a gate insulating layer surrounding the body region on the insulating layer, depositing a gate surrounding the gate insulating layer on the insulating layer, depositing an electrode of the source region and the drain region It includes a step. In this case, the drain region, the body region and the source region are regions doped with the impurity of the second type, and the source region is doped with a higher concentration of the impurity of the second type than the drain region and the body region. It is.

본 개시에 따른 메모리 소자는 벌크 Si 기판 위에 형성된 수직형 나노선 무접합 트랜지스터를 사용하므로, 고가의 SOI 기판을 사용하지 않아 비용 절감에 유리하다. 또한, 벌크 Si 기판에서 데이터 전하를 공급받아 프로그램 동작을 수행하므로 낮은 전압과 빠른 속도로 프로그램 동작이 가능하다.Since the memory device according to the present disclosure uses a vertical nanowire non-bonded transistor formed on a bulk Si substrate, it is advantageous to reduce costs by not using an expensive SOI substrate. In addition, since the program operation is performed by receiving data charge from the bulk Si substrate, the program operation can be performed at a low voltage and a high speed.

본 개시에 따른 메모리 소자는 수직형 나노선 구조를 이용하여 집적도를 크게 향상시킬 수 있으므로, 본 개시에 따른 메모리 소자를 복수 개 포함하는 메모리 어레이를 이용한 고집적 디램 칩 제작이 용이하다. Since the memory device according to the present disclosure can greatly improve the degree of integration using a vertical nanowire structure, it is easy to manufacture a highly integrated DRAM chip using a memory array including a plurality of the memory devices according to the present disclosure.

본 개시에 따른 메모리 소자는 높은 유전율을 가진 SiGe 등을 이용하여 바디 영역을 구현함으로써 높은 센싱 전류 마진을 확보할 수 있다.The memory device according to the present disclosure may secure a high sensing current margin by implementing a body region using SiGe having a high dielectric constant.

또한, 게이트와 드레인 영역 간에 절연체를 형성함으로써 전자-정공 재결합 현상을 최소화하는 한편, 높은 일함수(workfunction)를 가진 게이트 메탈을 사용하여, 우수한 데이터 보유능력을 가질 수 있다.In addition, by forming an insulator between the gate and the drain region, the electron-hole recombination phenomenon can be minimized, and a gate metal having a high work function can be used to have excellent data retention capability.

본 개시에 따른 메모리 소자는 로직 소자 구조와 동일한 구조를 가지는 결과, 본 개시에 따른 메모리 소자의 제조 방법은 기존의 반도체 공정 장비 및 제조법을 그대로 사용할 수 있어 우수한 공정 호환성을 가진다.As a result of the memory device according to the present disclosure having the same structure as the logic device structure, the manufacturing method of the memory device according to the present disclosure can use the existing semiconductor process equipment and manufacturing method as it is and has excellent process compatibility.

도 1은 본 개시의 일 실시 예에 따른 메모리 소자의 3차원 구조 및 단면도,
도 2는 프로그램(writing '1') 동작 시 메모리 소자의 단면도 및 에너지 밴드도,
도 3은 이레이즈(writing '0') 동작 시 메모리 소자의 단면도 및 에너지 밴드도,
도 4 내지 도 5는 홀드(hold) 동작 시 메모리 소자의 단면도 및 에너지 밴드도,
도 6은 리드(read) 동작 시 메모리 소자의 단면도 및 에너지 밴드도,
도 7은 메모리 소자의 상태에 기초한 게이트 전압과 드레인 전류와의 관계를 나타내는 그래프,
도 8은 센싱 전류 마진을 설명하기 위한 그래프,
도 9는 센싱 전류 마진과 홀드 시간과의 관계를 나타내는 그래프,
도 10은 메모리 소자의 단면도 및 드레인 영역의 높이에 따른 센싱 전류 마진을 나타내는 그래프,
도 11은 메모리 소자를 복수 개 결합한 메모리 어레이의 일 예를 나타내는 회로도 및 도면, 그리고
도 12는 본 개시의 일 실시 예에 따른 메모리 소자의 제조방법을 설명하기 위한 단계별 단면도이다.
1 is a three-dimensional structure and a cross-sectional view of a memory device according to an embodiment of the present disclosure;
2 is a cross-sectional view and an energy band diagram of a memory device during a programming (1) operation;
3 is a cross-sectional view and an energy band diagram of a memory device during erasing (writing '0') operation;
4 to 5 are cross-sectional views and energy band diagrams of a memory device during a hold operation;
6 is a cross-sectional view and an energy band diagram of a memory device during a read operation;
7 is a graph showing a relationship between a gate voltage and a drain current based on a state of a memory element;
8 is a graph for explaining a sensing current margin;
9 is a graph illustrating a relationship between a sensing current margin and a hold time;
10 is a graph illustrating a sensing current margin according to a cross-sectional view of a memory device and a height of a drain region;
11 is a circuit diagram and a diagram illustrating an example of a memory array in which a plurality of memory elements are combined;
12 is a cross-sectional view illustrating a method of manufacturing a memory device according to an embodiment of the present disclosure.

본 개시에 대하여 구체적으로 설명하기에 앞서, 본 명세서 및 도면의 기재 방법에 대하여 설명한다.Before describing this disclosure in detail, the description method of this specification and drawings is demonstrated.

먼저, 본 명세서 및 청구범위에서 사용되는 용어는 본 개시의 다양한 실시 예들에서의 기능을 고려하여 일반적인 용어들을 선택하였다 하지만, 이러한 용어들은 당해 기술 분야에 종사하는 기술자의 의도나 법률적 또는 기술적 해석 및 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 일부 용어는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있다. 이러한 용어에 대해서는 본 명세서에서 정의된 의미로 해석될 수 있으며, 구체적인 용어 정의가 없으면 본 명세서의 전반적인 내용 및 당해 기술 분야의 통상적인 기술 상식을 토대로 해석될 수도 있다. First, terms used in the present specification and claims have been selected in general terms in consideration of their function in various embodiments of the present disclosure, but such terms are intended to be useful to those skilled in the art or to legal or technical interpretations and It may vary depending on the emergence of new technology. In addition, some terms are terms arbitrarily selected by the applicant. Such terms may be interpreted in the meanings defined herein, and may be interpreted based on the general contents of the present specification and common technical knowledge in the art without specific term definitions.

또한, 본 명세서에 첨부된 각 도면에 기재된 동일한 참조번호 또는 부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부품 또는 구성요소를 나타낸다. 설명 및 이해의 편의를 위해서 서로 다른 실시 예들에서도 동일한 참조번호 또는 부호를 사용하여 설명한다. 즉, 복수의 도면에서 동일한 참조 번호를 가지는 구성요소를 모두 도시되어 있다고 하더라도, 복수의 도면들이 하나의 실시 예를 의미하는 것은 아니다. In addition, the same reference numerals or symbols described in each drawing attached to the present specification represent parts or components that perform substantially the same function. For convenience of explanation and understanding, different embodiments will be described using the same reference numerals or symbols. That is, although all the components having the same reference numerals are shown in the plurality of drawings, the plurality of drawings does not mean an embodiment.

또한, 본 명세서 및 청구범위에서는 구성요소들 간의 구별을 위하여 "제1", "제2" 등과 같이 서수를 포함하는 용어가 사용될 수 있다. 이러한 서수는 동일 또는 유사한 구성요소들을 서로 구별하기 위하여 사용하는 것이며 이러한 서수 사용으로 인하여 용어의 의미가 한정 해석되어서는 안 된다. 일 예로, 이러한 서수와 결합된 구성요소는 그 숫자에 의해 사용 순서나 배치 순서 등이 제한되어서는 안 된다. 필요에 따라서는, 각 서수들은 서로 교체되어 사용될 수도 있다. In addition, in the present specification and claims, terms including ordinal numbers such as “first”, “second”, and the like may be used to distinguish between components. These ordinal numbers are used to distinguish the same or similar components from each other, and the meaning of the terms should not be construed as limited by the use of these ordinal numbers. For example, the components combined with these ordinal numbers should not be limited in order of use or arrangement by the number. If necessary, the ordinal numbers may be used interchangeably.

본 명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "구성되다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.As used herein, the singular forms "a", "an" and "the" include plural forms unless the context clearly indicates otherwise. In this application, the terms "comprise" or "consist" are intended to indicate that there is a feature, number, step, action, component, part, or combination thereof described in the specification, and one or more other It is to be understood that the present invention does not exclude in advance the possibility of the presence or the addition of features or numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

본 개시의 실시 예에서 "모듈", "유닛", "부(part)" 등과 같은 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 수행하는 구성요소를 지칭하기 위한 용어이며, 이러한 구성요소는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 또한, 복수의 "모듈", "유닛", "부(part)" 등은 각각이 개별적인 특정한 하드웨어로 구현될 필요가 있는 경우를 제외하고는, 적어도 하나의 모듈이나 칩으로 일체화되어 적어도 하나의 프로세서로 구현될 수 있다.In the embodiments of the present disclosure, terms such as “module”, “unit”, “part”, and the like are terms for referring to a component that performs at least one function or operation, and such components are referred to as hardware or software. It may be implemented or in a combination of hardware and software. In addition, a plurality of "modules", "units", "parts", etc. are integrated into at least one module or chip, except that each needs to be implemented by a particular specific hardware, and is at least one processor. It can be implemented as.

또한, 본 개시의 실시 예에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적인 연결뿐 아니라, 다른 매체를 통한 간접적인 연결의 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 포함한다는 의미는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.In addition, in an embodiment of the present disclosure, when a part is connected to another part, this includes not only a direct connection but also an indirect connection through another medium. In addition, the meaning that a part includes a certain component means that the component may further include other components, without excluding other components, unless specifically stated otherwise.

이하, 첨부된 도면을 이용하여 본 발명에 대하여 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 개시의 일 실시 예에 따른 메모리 소자의 3차원 구조 및 단면도이다.1 is a three-dimensional structure and a cross-sectional view of a memory device according to an exemplary embodiment of the present disclosure.

도 1을 참조하면, 메모리 소자(10)는 벌크 실리콘(Si) 기판(110), 벌크 실리콘(Si)기판(110) 상에 형성된 드레인 영역(120)을 포함할 수 있다. 또한, 메모리 소자(10)는 드레인 영역(120) 상에 기둥 형태로 형성된 바디 영역(130), 그리고 소스 영역(140)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, the memory device 10 may include a bulk silicon (Si) substrate 110 and a drain region 120 formed on the bulk silicon (Si) substrate 110. In addition, the memory device 10 may include a body region 130 formed in a pillar shape on the drain region 120, and a source region 140.

구체적으로, 메모리 소자(10)는 드레인 영역(120) 상에 기둥 형태로 형성되된 바디 영역(130), 바디 영역(130)의 일측면에 형성된 소스 영역(140), 드레인 영역(120) 상에서 바디 영역(120)의 표면을 감싸도록 형성된 절연층(200), 절연층(200) 상에서 바디 영역(130)의 표면을 감싸도록 형성된 게이트 절연층(300), 절연층(200) 상에서 게이트 절연층(300)을 감싸도록 형성된 게이트(400)를 포함할 수 있다.In detail, the memory device 10 may include a body region 130 formed in a pillar shape on the drain region 120, a source region 140 formed on one side of the body region 130, and a body on the drain region 120. An insulating layer 200 formed to surround the surface of the region 120, a gate insulating layer 300 formed to surround the surface of the body region 130 on the insulating layer 200, and a gate insulating layer on the insulating layer 200 ( It may include a gate 400 formed to surround the 300.

도 1의 (a)는 메모리 소자(10)의 3차원 구조이고, 도 1의 (b)는 메모리 소자(10)의 단면도이다. FIG. 1A illustrates a three-dimensional structure of the memory device 10, and FIG. 1B illustrates a cross-sectional view of the memory device 10.

도 1의 (a)를 참조하면, 넓은 사각 기둥 형태로 형성된 벌크 Si 기판(110)의 상부에 형성된 드레인 영역(120)을 확인할 수 있다. 또한, 드레인 영역(120)의 위쪽 면에는 바디 영역(130) 및 소스 영역(140)이 순서대로 적층된 원기둥 나노선을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 1A, the drain region 120 formed on the bulk Si substrate 110 formed in the shape of a wide rectangular pillar may be confirmed. In addition, on the upper surface of the drain region 120, the cylindrical nanowires in which the body region 130 and the source region 140 are stacked in order may be confirmed.

도 1의 (a)를 참조하면, 바디 영역(130)의 표면 일부를 감싸도록 형성된 게이트 절연층(300)및 게이트 절연층(300)의 표면을 다시 감싸는 게이트(400)를 확인할 수 있다. 또한, 드레인 영역(120)의 위쪽 면에서 게이트(400)의 아래에서 원기둥을 감싸는 형태로 형성된 절연층(200)을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 1A, the gate insulating layer 300 formed to cover a part of the surface of the body region 130 and the gate 400 again covering the surface of the gate insulating layer 300 can be seen. In addition, the insulating layer 200 formed on the upper surface of the drain region 120 to surround the cylinder under the gate 400 may be confirmed.

도 1의 (b)를 참조하면, 구체적으로 절연층(200)은, 드레인 영역(120)의 위쪽 면에 배치되는 한편 바디 영역(130)의 아래쪽 표면 일부를 감싸도록 형성될 수 있음을 확인할 수 있다. 그리고, 게이트 절연층(300) 및 게이트(400)가 게이트 절연층(200)의 위쪽 면에 형성될 수 있음을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 1B, in detail, the insulating layer 200 may be disposed on the upper surface of the drain region 120 and may be formed to surround a portion of the lower surface of the body region 130. have. In addition, it can be seen that the gate insulating layer 300 and the gate 400 may be formed on the upper surface of the gate insulating layer 200.

도 1의 (b)를 참조하면, 바디 영역(130)과 게이트(400) 간의 거리에 해당하는 게이트 절연층(200) 두께에 비해, 드레인 영역(120)과 게이트 (400) 간의 거리에 해당하는 절연층(400) 높이가 더 크다는 것을 확인할 수 있다. 이는, 드레인 영역(120)이 게이트(400)에 걸리는 전압의 영향을 받지 않도록 하기 위함이다.Referring to FIG. 1B, the distance corresponding to the distance between the drain region 120 and the gate 400 is compared to the thickness of the gate insulating layer 200 corresponding to the distance between the body region 130 and the gate 400. It can be seen that the height of the insulating layer 400 is larger. This is to prevent the drain region 120 from being affected by the voltage applied to the gate 400.

한편, 도 1과 달리, 절연층(200) 및 게이트 절연층(300)은 일체로 구현될 수 도 있다.Meanwhile, unlike FIG. 1, the insulating layer 200 and the gate insulating layer 300 may be integrally implemented.

메모리 소자(10)의 벌크 실리콘(Si) 기판(110)은 제1 타입의 불순물이 기설정된 농도로 도핑된 것일 수 있다.The bulk silicon (Si) substrate 110 of the memory device 10 may be doped with impurities of a first type to a predetermined concentration.

이때, 드레인 영역(120)은 제2 타입의 불순물이 기설정된 제1 농도로, 바디 영역(130)은 제2 타입의 불순물이 기설정된 제2 농도로 도핑된 것일 수 있다. 이 경우, 바람직하게는 제1 농도가 제2 농도에 비해 근소하게나마 더 높은 것이 좋지만, 제1 농도 및 제2 농도가 동일할 수도 있다.In this case, the drain region 120 may be doped with a first concentration of a second type of impurity, and the body region 130 may be doped with a second concentration of a second type of impurity. In this case, the first concentration is preferably slightly higher than the second concentration, but the first concentration and the second concentration may be the same.

또한, 소스 영역(140)은 제1 농도 및 제2 농도보다 더 높은 농도로 제2 타입의 불순물이 도핑된 것일 수 있다.In addition, the source region 140 may be doped with a second type of impurities at concentrations higher than the first concentration and the second concentration.

그 결과, 바디 영역(130)이 메모리 소자(10)의 전압 조건에 기초하여 벌크 실리콘(Si) 기판(110)으로부터 전하 수송자를 공급받을 수 있다.As a result, the body region 130 may receive a charge transporter from the bulk silicon (Si) substrate 110 based on the voltage condition of the memory device 10.

메모리 소자(10)의 전압 조건이란 드레인 영역(120), 바디 영역(130) 및 게이트(400) 중 적어도 하나에 인가되는 전압이 어떤 극성 및 얼마의 값을 가지는지를 의미한다.The voltage condition of the memory device 10 refers to what polarity and how much the voltage is applied to at least one of the drain region 120, the body region 130, and the gate 400.

또한, 전하 수송자는 메모리 소자(10)가 데이터를 저장, 유지함에 있어 사용되는 것으로 극성을 띄는 입자를 의미한다. 구체적으로는 전자 및 정공을 의미한다. 전하 수송자는 메모리 소자(10)에 저장된 데이터가 얼마인지 읽기 위해 사용될 수도 있다.In addition, the charge transporter refers to a particle having a polarity as used by the memory device 10 to store and maintain data. Specifically, it means electrons and holes. The charge transporter may be used to read how much data is stored in the memory device 10.

메모리 소자(10)는 '1' 또는 '0' 상태에 대응하는 데이터를 저장할 수 있다. 이때, '1' 상태에 대응하는 데이터를 저장하는 것은 프로그램(writing '1') 동작을 의미하고, '0' 상태에 대응하는 데이터를 저장하는 것은 이레이즈(writing '0') 동작을 의미한다.The memory device 10 may store data corresponding to a '1' or '0' state. In this case, storing the data corresponding to the '1' state means a writing (1) operation, and storing the data corresponding to the '0' state means an erasing (writing '0') operation. .

구체적으로, 메모리 소자(10)는, 특정한 전압 조건에 기초하여 바디 영역(130)에 저장된 특정한 전하 수송자의 양을 증가시키거나 또는 감소시킴으로써, 프로그램(writing '1') 또는 이레이즈(writing '0') 동작을 수행할 수 있다.Specifically, memory element 10 may increase or decrease the amount of specific charge transport stored in body region 130 based on a specific voltage condition, thereby writing or writing '0'. ') Can be performed.

메모리 소자(10)는 저장된 데이터를 유지할 수 있다. 이는 홀드(hold) 동작을 의미한다. 구체적으로, 메모리 소자(10)는 특정한 전압 조건에 기초하여 바디 영역(130)에 저장된 전하 수송자의 양을 유지시킴으로써, 홀드(hold) 동작을 수행할 수 있다.The memory device 10 may maintain the stored data. This means hold operation. In detail, the memory device 10 may perform a hold operation by maintaining the amount of charge transporters stored in the body region 130 based on a specific voltage condition.

메모리 소자(10)에 특정한 전압 조건에 기초한 전압을 인가함으로써, 메모리 소자(10)가 어떤 상태였는지 확인할 수 있으며, 이를 리드(read) 동작이라고 한다. 구체적으로, 리드(read) 동작은, 특정한 전압 조건에 따라 바디 영역(130)에 전자가 이동할 수 있는 채널이 형성되면, 형성된 채널을 통해 이동하는 전자에 기초하여 발생하는 드레인 영역(120)의 전류를 측정함으로써 수행될 수 있다.By applying a voltage based on a specific voltage condition to the memory device 10, it is possible to confirm the state of the memory device 10, which is called a read operation. Specifically, when a read operation is performed in which a channel through which electrons can move is formed in the body region 130 according to a specific voltage condition, a current of the drain region 120 generated based on electrons moving through the formed channel. Can be performed by measuring.

메모리 소자(10)의 벌크 실리콘(Si) 기판을 도핑하기 위한 제1 타입의 불순물은 P형 불순물일 수 있다. 구체적으로, 벌크 실리콘(Si) 기판은 P- 농도로 도핑될 수 있다. The first type of impurities for doping the bulk silicon (Si) substrate of the memory device 10 may be P-type impurities. Specifically, the bulk silicon (Si) substrate may be doped to a P- concentration.

이때, 드레인 영역(120), 바디 영역(130) 및 소스 영역(140)을 도핑하기 위한 제2 타입의 불순물은 N형 불순물일 수 있다.In this case, the second type of impurities for doping the drain region 120, the body region 130, and the source region 140 may be N-type impurities.

이 경우, 소스 영역(140)은 드레인 영역(120) 및 바디 영역(130)에 비해 더 큰 농도로 도핑될 수 있다. 일 예로, 드레인 영역(120) 및 바디 영역(130)은 N- 농도로 도핑되고, 소스 영역(140)은 N+ 농도로 도핑될 수 있다. 이때, 주된 전하 수송자는 정공이며, 이하 메모리 소자(10)의 동작 별로 설명할 도 2 내지 도 6은 이러한 도핑 조건을 전제로 한다.In this case, the source region 140 may be doped to a greater concentration than the drain region 120 and the body region 130. For example, the drain region 120 and the body region 130 may be doped with an N− concentration, and the source region 140 may be doped with an N + concentration. In this case, the main charge transporter is a hole, and FIGS. 2 to 6, which will be described below according to operations of the memory device 10, assume such doping conditions.

그리고, 게이트(400)는 높은 일함수를 가지는 메탈로 구현될 수 있다. 이 경우, 게이트(400)에 0 V 의 전압이 인가되는 오프 상태에서 바디 영역(130) 전체가 공핍되어 전류가 흐르지 않을 수 있다. 그 결과, 바디 영역(130)의 공핍된 영역이 메모리 소자(10)의 데이터 저장소로 이용될 수 있다.In addition, the gate 400 may be implemented with a metal having a high work function. In this case, in the off state in which a voltage of 0 V is applied to the gate 400, the entire body region 130 may be depleted and current may not flow. As a result, the depleted region of the body region 130 may be used as the data storage of the memory device 10.

이때, 메모리 소자(10)는, 드레인 영역(120)에 기설정된 음의 전압이 인가되고 바디 영역(130)에 기설정된 음의 전압이 인가되는 경우, 벌크 실리콘(Si) 기판(110)에서 제공되는 정공의 드리프트 및 확산 현상에 의해 바디 영역(130)에 저장된 정공의 양이 증가되어, 프로그램(writing '1') 동작을 수행할 수 있다.In this case, the memory device 10 is provided in the bulk silicon (Si) substrate 110 when a predetermined negative voltage is applied to the drain region 120 and a predetermined negative voltage is applied to the body region 130. The amount of holes stored in the body region 130 is increased by the drift and diffusion of the holes, thereby performing a program (writing '1') operation.

도 2는 프로그램(writing '1') 동작 시 메모리 소자(10)의 단면도 및 에너지 밴드도이다. 도 2는 드레인 영역(120)에 기설정된 음의 전압이 인가되고 게이트(400)에 기설정된 음의 전압이 인가된 상황을 전제한다.2 is a cross-sectional view and an energy band diagram of the memory device 10 during a program (writing '1') operation. FIG. 2 assumes a preset negative voltage applied to the drain region 120 and a preset negative voltage applied to the gate 400.

도 2의 (a)를 참조하면, 벌크 실리콘(Si) 기판(110)의 정공들이 바디 영역(130)으로 이동하는 것을 확인할 수 있는데 그 이유는 도 2의 (b)를 통해 설명될 수 있다.Referring to FIG. 2A, it can be seen that holes of the bulk silicon (Si) substrate 110 move to the body region 130, which may be explained through FIG. 2B.

도 2의 (b)를 참조하면, 드레인 영역(120) 및 게이트(130)에 음의 전압이 인가되어 드레인 영역(120) 및 바디 영역(130)의 에너지 레벨이 상승함으로써, 드레인 영역(120) 및 바디 영역(130)의 에너지 레벨이 벌크 실리콘(Si) 기판(110)의 에너지 레벨보다 작지 않게 된다. Referring to FIG. 2B, when a negative voltage is applied to the drain region 120 and the gate 130, the energy levels of the drain region 120 and the body region 130 are increased to thereby increase the drain region 120. And the energy level of the body region 130 is not smaller than the energy level of the bulk silicon (Si) substrate 110.

이때, 드레인 영역(120)에 형성된 포텐셜 장벽은 낮아지게 되고, 드리프트 및 확산 현상을 통해 벌크 실리콘(Si) 기판(110)의 정공들이 바디 영역(130)으로 유입될 수 있다. 그 결과, 바디 영역(130)에 저장된 정공의 양은 증가되어 프로그램(writing '1') 동작이 수행된다.At this time, the potential barrier formed in the drain region 120 is lowered, and holes in the bulk silicon (Si) substrate 110 may flow into the body region 130 through drift and diffusion. As a result, the amount of holes stored in the body region 130 is increased to perform a programming ('1') operation.

도 2와 달리, 메모리 소자(10)는 밴드간 터널링 현상, GIDL(gate-induced-drain-leakage), Impact Ionization 현상 등을 이용하여 전자-정공 쌍을 만들어 정공을 저장할 수도 있다. 그러나, 도 2와 같이 벌크 실리콘(Si) 기판(110)으로부터 유입되는 정공을 저장하는 방식을 사용한 결과, 낮은 구동 전압에서도 빠른 속도로 프로그램(writing '1') 동작이 가능하다는 장점이 있다.Unlike FIG. 2, the memory device 10 may store holes by making an electron-hole pair using a band-band tunneling phenomenon, a gate-induced-drain-leakage (GIDL), an impact ionization phenomenon, and the like. However, as a result of using the method of storing the holes flowing from the bulk silicon (Si) substrate 110 as shown in FIG. 2, there is an advantage that the programming (1 ') operation can be performed at a high speed even at a low driving voltage.

메모리 소자(10)는, 게이트(400)에 기설정된 양의 전압 인가되고 드레인 영역(120)에 기설정된 음의 전압이 인가되는 경우, 드리프트 및 확산 현상에 의해 바디 영역(130)에 저장된 정공의 양이 감소되어, 이레이즈(writing '0') 동작을 수행할 수 있다.When a predetermined positive voltage is applied to the gate 400 and a predetermined negative voltage is applied to the drain region 120, the memory device 10 may be formed of holes stored in the body region 130 by drift and diffusion. The amount can be reduced to perform a writing '0' operation.

도 3은 이레이즈(writing '0') 동작 시 메모리 소자(10)의 단면도 및 에너지 밴드도이다. 도 3은 드레인 영역(120)에 기설정된 음의 전압이 인가되고 게이트(400)에 기설정된 양의 전압이 인가된 상황을 전제한다.3 is a cross-sectional view and an energy band diagram of the memory device 10 during erasing (writing '0') operation. 3 is assuming that a predetermined negative voltage is applied to the drain region 120 and a predetermined positive voltage is applied to the gate 400.

도 3의 (a)를 참조하면, 바디 영역(130)의 정공들이 벌크 실리콘(Si) 기판(110)으로 이동하는 것을 확인할 수 있는데 그 이유는 도 3의 (b)를 통해 설명될 수 있다.Referring to FIG. 3A, it can be seen that holes in the body region 130 move to the bulk silicon (Si) substrate 110, which may be explained through FIG. 3B.

도 3의 (b)를 참조하면, 드레인 영역(120) 및 게이트(130)에 각각 음의 전압 및 양의 전압이 인가되어, 드레인 영역(120)의 에너지 레벨은 상승하고 바디 영역(130)의 에너지 레벨은 하강하게 된다.Referring to FIG. 3B, a negative voltage and a positive voltage are applied to the drain region 120 and the gate 130, respectively, so that the energy level of the drain region 120 rises and the body region 130 of the body region 130 is increased. The energy level goes down.

이 경우, 바디 영역(130)의 에너지 레벨이 벌크 실리콘(Si) 기판(110)의 에너지 레벨보다 낮아지게 된다. 또한, 드레인 영역(130)의 에너지 레벨이 증가하여, 드레인 영역(130)에 형성된 포텐셜 장벽도 낮아지게 된다.In this case, the energy level of the body region 130 is lower than the energy level of the bulk silicon (Si) substrate 110. In addition, as the energy level of the drain region 130 increases, the potential barrier formed in the drain region 130 is also lowered.

그 결과, 드리프트 및 확산 현상을 통해 바디 영역(130)의 정공들이 벌크 실리콘(Si) 기판(110)으로 방출되고, 바디 영역(130)에 저장된 정공의 양은 감소되어 이레이즈(writing '0') 동작이 수행된다.As a result, holes in the body region 130 are released to the bulk silicon (Si) substrate 110 through drift and diffusion, and the amount of holes stored in the body region 130 is reduced to erase (writing '0'). The operation is performed.

메모리 소자(10)는 게이트(400)에 기설정된 음의 전압이 인가되는 경우, 바디 영역(130)에 저장된 정공이 유지되어 홀드(hold) 동작을 수행할 수 있다.When a predetermined negative voltage is applied to the gate 400, the memory device 10 may hold a hole stored in the body region 130 to perform a hold operation.

도 4 내지 도 5는 홀드(hold) 동작 시 메모리 소자의 단면도 및 에너지 밴드도이다. 도 4 내지 도 5는 게이트(400)에 기설정된 음의 전압이 인가되는 상황을 전제로 한다.4 to 5 are cross-sectional views and energy band diagrams of a memory device during a hold operation. 4 to 5 assume that a predetermined negative voltage is applied to the gate 400.

도 4의 (a)를 참조하면, 바디 영역(130)에 저장된 정공이 많으므로 메모리 소자(10)에 저장된 데이터가 '1'에 해당하는 상태에서, 바디 영역(130)의 정공들이 드레인 영역(120) 또는 소스 영역(140)으로 방출되지 못하는 것을 확인할 수 있다. 구체적으로, 바디 영역(130)의 공핍 영역에 저장된 정공들이 방출되지 못하는 것을 확인할 수 있다. 그 이유는 도 4의 (b)를 통해 확인할 수 있다.Referring to FIG. 4A, since there are many holes stored in the body region 130, holes in the body region 130 may be drained in a state where data stored in the memory device 10 corresponds to '1'. 120 or the source region 140 may not be emitted. Specifically, it may be confirmed that holes stored in the depletion region of the body region 130 may not be emitted. The reason can be confirmed through (b) of FIG. 4.

도 4의 (b)를 참조하면, 게이트(400)에 기설정된 음의 전압이 인가되어 바디 영역(130)의 에너지 레벨이 단독으로 상승하게 된다. 이 경우 드레인 영역(120) 및 소스 영역(140)의 에너지 레벨이 바디 영역(130)의 에너지 레벨에 비해 상대적으로 낮아지게 되어, 바디 영역(130)의 정공들을 가두는 포텐셜 장벽이 형성된다.Referring to FIG. 4B, a predetermined negative voltage is applied to the gate 400 to increase the energy level of the body region 130 alone. In this case, the energy levels of the drain region 120 and the source region 140 are lower than the energy levels of the body region 130, thereby forming a potential barrier that traps holes in the body region 130.

그 결과, 바디 영역(120)의 정공들은 드레인 영역(120) 및 소스 영역(140) 중 어느 한쪽으로도 이동할 수 없게 되고, 바디 영역(120)에 저장된 정공이 유지되는 홀드(hold) 동작이 수행된다.As a result, holes in the body region 120 cannot move to either the drain region 120 or the source region 140, and a hold operation is performed in which holes stored in the body region 120 are maintained. do.

도 5의 (a)를 참조하면, 바디 영역(130)에 저장된 정공이 (도 4의 (a)와 비교하여) 많지 않으므로 메모리 소자(10)에 저장된 데이터가 '0'에 해당하는 상태에서, 벌크 실리콘(Si) 기판(110)의 정공들이 바디 영역(130)으로 유입되지 못하는 것을 확인할 수 있다. 그 이유는 도 5의 (b)를 통해 확인할 수 있다.Referring to FIG. 5A, since there are not many holes stored in the body region 130 (compared with FIG. 4A), in a state in which data stored in the memory device 10 corresponds to '0', It can be seen that holes in the bulk silicon (Si) substrate 110 do not flow into the body region 130. The reason can be confirmed through (b) of FIG. 5.

도 5의 (b)를 참조하면, 게이트(400)에 기설정된 음의 전압이 인가되어 바디 영역(130)의 에너지 레벨만 단독으로 상승하게 된다. 이 경우 드레인 영역(120) 의 에너지 레벨이 바디 영역(130)의 에너지 레벨에 비해 상대적으로 낮아지게 된다. 또한, 드레인 영역(120)의 에너지 레벨은 벌크 실리콘(Si) 기판(110)의 에너지 레벨보다도 낮은 상태로 유지되어, 바디 영역(120)과 벌크 실리콘(Si) 기판(110) 사이에 포텐셜 장벽을 형성한다.Referring to FIG. 5B, a predetermined negative voltage is applied to the gate 400 to increase only the energy level of the body region 130 alone. In this case, the energy level of the drain region 120 is lower than the energy level of the body region 130. In addition, the energy level of the drain region 120 is maintained lower than the energy level of the bulk silicon (Si) substrate 110, so that a potential barrier is formed between the body region 120 and the bulk silicon (Si) substrate 110. Form.

그 결과, 벌크 실리콘(Si) 기판의 정공들은 바디 영역(120)으로 유입될 수 없게 되고, 바디 영역(120)은 여전히 작은 수의 정공만이 저장되어 있는 '0' 상태로 유지되는 홀드(hold) 동작이 수행된다.As a result, holes in the bulk silicon (Si) substrate cannot enter the body region 120, and the body region 120 is held by a '0' state where only a small number of holes are still stored. ) Operation is performed.

그리고, 게이트(400)의 끝 부분과 드레인 영역(120) 사이 및 게이트(400)의 끝 부분과 소스 영역(140) 사이에 일정 값 이상 거리를 둠으로써, 바디 영역(130)과 드레인 영역(120) 사이 또는 바디 영역(130)과 소스 영역(140) 사이에서 발생하는 전자-정공 재결합 현상을 최소화하고 메모리 소자(10)의 정공 보유 능력을 향상시킬 수 있다.In addition, the body region 130 and the drain region 120 may be separated by a predetermined value or more between the end portion of the gate 400 and the drain region 120 and between the end portion of the gate 400 and the source region 140. The electron-hole recombination phenomenon occurring between the cavities or between the body region 130 and the source region 140 may be minimized, and the hole retention ability of the memory device 10 may be improved.

게이트(400)에 기설정된 양의 전압이 인가되는 경우, 드레인 영역(120)에 흐르는 전류를 센싱하여 메모리 소자(10)에 대한 리드(read) 동작을 수행할 수 있다.When a predetermined amount of voltage is applied to the gate 400, a current flowing through the drain region 120 may be sensed to perform a read operation on the memory device 10.

게이트(400)에 인가되는 전압이 증가하면 바디 영역(130)의 내부 중앙에서부터 공핍 영역이 점차 사라지게 되고, 그 자리에 전자가 흐를 수 있는 채널이 형성될 수 있다.When the voltage applied to the gate 400 increases, the depletion region gradually disappears from the inner center of the body region 130, and a channel through which electrons can flow may be formed.

도 6은 리드(read) 동작 시 메모리 소자(10)의 단면도 및 에너지 밴드도이다. 도 6은 게이트(400)에 기설정된 양의 전압이 인가되는 상황을 전제로 한다.6 is a cross-sectional view and an energy band diagram of the memory device 10 during a read operation. 6 is based on the premise that a predetermined amount of voltage is applied to the gate 400.

도 6의 (a) 및 (b)를 참조하면, 게이트(400)에 기설정된 양의 전압이 인가되어 바디 영역(130)에 채널이 형성된 결과 소스 영역(140)과 드레인 영역(120) 간에 전자가 이동할 수 있고, 이에 따라 드레인 영역(120)에서 특정한 전류가 측정될 수 있다.Referring to FIGS. 6A and 6B, a predetermined amount of voltage is applied to the gate 400 to form a channel in the body region 130, resulting in electrons between the source region 140 and the drain region 120. Can move, so that a specific current in the drain region 120 can be measured.

이때, 저장된 데이터가 '1'이어서 바디 영역(130)에 저장된 정공이 많았던 도 6의 (a) 경우와 저장된 데이터가 '0'이어서 바디 영역(130)에 저장된 정공이 적었던 도 6의 (b) 경우 간에, 전자가 이동할 수 있는 채널의 폭이 다르다는 것을 확인할 수 있다.In this case, (a) of FIG. 6 in which the stored data is '1' and there are many holes stored in the body region 130, and (b) of FIG. 6 in which the stored data is '0' and there are few holes stored in the body region 130 (b). In either case, it can be seen that the widths of the channels through which electrons can move are different.

구체적으로, 바디 영역(130)에 저장된 정공이 많았던 도 6의 (a) 경우가 정공이 적었던 도 6의 (b)의 경우보다 전자가 이동할 수 있는 채널 폭이 더 크다는 것을 확인할 수 있다. 즉, 도 6의 (a)에서 측정되는 드레인 영역(120)의 전류가 도 6의 (b)에서 측정되는 드레인 영역(120)의 전류보다 커지게 된다. 그 이유는 도 6의 (c)를 통해 확인할 수 있다.Specifically, it can be seen that the channel width through which electrons can move is larger in the case of FIG. 6A, which has many holes stored in the body region 130, than in the case of FIG. 6B, which has few holes. That is, the current of the drain region 120 measured in FIG. 6A becomes larger than the current of the drain region 120 measured in FIG. 6B. The reason can be confirmed through (c) of FIG. 6.

도 6의 (c)를 참조하면, 메모리 소자(10)의 상태(state)가 '0'인 경우보다 '1'인 경우에 바디 영역(130)의 에너지 레벨이 더 낮다는 것을 확인할 수 있다. 이는, 설령 게이트(400)에 같은 양의 전압을 인가해주더라도 바디 영역(130)에 저장되어 있는 정공의 양에 따라 바디 영역(130)의 에너지 레벨이 달라지기 때문이다.Referring to FIG. 6C, it can be seen that the energy level of the body region 130 is lower when the state of the memory device 10 is '1' than when the state of the memory device 10 is '0'. This is because even if the same amount of voltage is applied to the gate 400, the energy level of the body region 130 varies according to the amount of holes stored in the body region 130.

구체적으로는, 바디 영역(130)에 저장되어 있던 정공의 양이 많을수록 에너지 레벨이 더 낮다.Specifically, the greater the amount of holes stored in the body region 130, the lower the energy level.

그 결과, 같은 크기의 양의 전압을 게이트(400)에 인가하더라도, 메모리 소자(10)에 저장된 데이터가 '1'인 경우 드레인 영역(120)의 전류가, '0'인 경우 드레인 영역(120)의 전류보다 크게 측정된다.As a result, even if a positive voltage having the same magnitude is applied to the gate 400, when the data stored in the memory device 10 is '1', the current of the drain region 120 is '0', and when the current is '0', the drain region 120. Is greater than the current.

따라서, 게이트(400)에 기설정된 양의 전압을 인가하여 드레인 영역(120)의 전류를 측정함으로써, 메모리 소자(10)의 상태, 즉 메모리 소자(10)에 저장되어 있던 데이터가 '1'인지 '0'인지를 확인하는 리드(read) 동작을 수행할 수 있다.Therefore, by measuring a current of the drain region 120 by applying a predetermined amount of voltage to the gate 400, whether the state of the memory device 10, that is, the data stored in the memory device 10 is '1' A read operation for checking whether it is '0' may be performed.

도 7은 리드(read) 동작에 있어, 메모리 소자(10)의 상태에 따라 드레인 영역(120)의 전류 값이 어떻게 다른지 보여주는 측정 결과를 나타내는 그래프이다.FIG. 7 is a graph illustrating a measurement result showing how a current value of the drain region 120 varies according to a state of the memory device 10 in a read operation.

도 7을 참조하면, 도 6에서 확인하였듯이 메모리 소자(10)의 상태가 '1'인 경우 드레인 영역(120)에 흐르는 전류(IDS)가, 메모리 소자(10)의 상태가 '0'인 경우 드레인 영역(120)에 흐르는 전류(IDS)보다 대체로 더 크다는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 7, when the state of the memory device 10 is '1', as shown in FIG. 6, the current I DS flowing in the drain region 120 is equal to '0'. In this case, it may be confirmed that the current I DS flowing in the drain region 120 is generally larger.

메모리 소자(10)의 상태에 따른 드레인 영역(120)의 전류 값의 차이와 관련하여, 도 8은 센싱 전류 마진(Sensing Current Margin)을 설명하기 위한 그래프이다.Regarding the difference in the current value of the drain region 120 according to the state of the memory device 10, FIG. 8 is a graph for describing a sensing current margin.

도 8은 writing '1', writing '0', hold, read 등 다양한 동작을 시간에 따라 수행함에 있어, 드레인 영역(120)에 흐르는 전류 값을 측정한 결과를 시간 축으로 나열한 것이다.FIG. 8 lists the results of measuring current values flowing in the drain region 120 in the time axis when performing various operations such as writing '1', writing '0', hold, and read according to time.

도 8을 참조하면, 메모리 소자(10)가 '1'인 상태에서 리드(read) 동작을 수행하는 read '1' 동작 구간에서의 전류 값, 메모리 소자(10)가 '0'인 상태에서 리드(read) 동작을 수행하는 read '0' 동작 구간의 전류 값 간의 차이를 확인할 수 있다(101.0 nA/μm). 이를 센싱 전류 마진(△IDS)이라 한다.Referring to FIG. 8, a current value in a read '1' operation section in which a read operation is performed in a state in which the memory element 10 is '1', and a read in a state in which the memory element 10 is '0' The difference between the current values of the read '0' operation section performing the (read) operation can be checked (101.0 nA / μm). This is referred to as sensing current margin ΔI DS .

한편, 도 8의 "101.0 nA/μm" 는, 메모리 소자(10)의 상태가 안정적으로 리드(read) 되는 데에 필요한 시간을 약 10ns 라고 가정하여 전류 값을 산출한 결과이다.On the other hand, "101.0 nA / μm" in FIG. 8 is a result of calculating the current value assuming that the time required for the state of the memory element 10 to be stably read is about 10 ns.

저장된 데이터를 정확하게 읽도록 하기 위한 메모리 소자(10)의 기능상, 리드(read) 동작이 진행되는 구간 동안, 메모리 소자(10)가 '1' 또는 '0'인 상태 간에 센싱 전류 마진 값이 일정 시간 이상 유지되어야 할 필요가 있다.The function of the memory device 10 to correctly read the stored data, the sensing current margin value is a certain time between the state that the memory device 10 is '1' or '0' during the read operation proceeds. It needs to be kept longer.

도 9는 메모리 소자(10)에 있어, 홀드 시간과 센싱 전류 마진의 관계를 나타내는 그래프이다. 9 is a graph illustrating a relationship between a hold time and a sensing current margin in the memory device 10.

도 9를 참조하면, 본 개시에 따른 메모리 소자(10)는 상온(300K)에서 홀드 시간이 100 ms 이상인 경우에도 센싱 전류 마진 값을 어느 정도 유지한다는 것을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 9, it can be seen that the memory device 10 according to the present disclosure maintains a sensing current margin to some extent even when the hold time is 100 ms or more at room temperature 300K.

이는, 기존 디램에서 일반적으로 요구되는 메모리 보유시간(Retention Time)인 64 ms 를 만족시키므로, 본 개시에 따른 메모리 소자(10)가 우수한 메모리 보유 능력을 가진다는 것을 증명하고 있다.This satisfies 64 ms, which is a memory retention time generally required in conventional DRAMs, and thus, demonstrates that the memory device 10 according to the present disclosure has excellent memory retention capability.

메모리 소자(10)의 센싱 전류 마진은 클수록 좋다. 이를 위해, 전하 수송자의 변화량을 크게 하거나 또는 유전율이 큰 물질을 사용할 수 있다.The larger the sensing current margin of the memory device 10 is, the better. For this purpose, a large amount of change in the charge transporter or a material having a high dielectric constant may be used.

구체적으로, 프로그램(writing '1') 및/또는 이레이즈(writing '0') 동작 시에 인가되는 전압을 높여 정공의 변화량을 크게 하거나, 또는 Si 보다 유전율이 큰 SiGe, Ge 등을 포함하는 화합물을 바디 영역(130)에 포함시킬 수 있다.Specifically, a compound containing SiGe, Ge, or the like having a higher dielectric constant than Si, by increasing the voltage applied during programming (1) and / or writing (0) operation, to increase the amount of hole change. May be included in the body region 130.

또는, 드레인 영역(120)의 높이를 적절히 조정하는 방법으로 센싱 전류 마진을 증가시킬 수도 있다.Alternatively, the sensing current margin may be increased by appropriately adjusting the height of the drain region 120.

도 10은 메모리 소자(10)의 단면도 및 드레인 영역(120)의 높이에 따른 센싱 전류 마진을 나타내는 그래프이다. 도 10은 드레인 영역(120)의 도핑 농도가 5*1018cm-3이고, 벌크 실리콘(Si) 기판의 도핑 농도가 1*1016cm-3인 경우를 전제로 한다.10 is a graph illustrating a sensing current margin according to a cross-sectional view of the memory device 10 and the height of the drain region 120. FIG. 10 is based on the assumption that the doping concentration of the drain region 120 is 5 * 10 18 cm -3 and the doping concentration of the bulk silicon (Si) substrate is 1 * 10 16 cm -3 .

드레인 영역(120)의 높이(도 10의 (a) 참조)는 벌크 실리콘(Si) 기판과 드레인 영역(120) 사이의 포텐셜 에너지 장벽에 영향을 주어, 센싱 전류 마진을 직접적으로 변화시킬 수 있다. 일 예로, 드레인 영역(120)의 높이는 10nm에서 100nm 사이로 형성될 수 있다.The height of the drain region 120 (see FIG. 10A) may affect the potential energy barrier between the bulk silicon (Si) substrate and the drain region 120, thereby directly changing the sensing current margin. For example, the height of the drain region 120 may be formed between 10 nm and 100 nm.

도 10의 (b)는, 도 1 및 도 10의 (a)와 같은 소자 구조에서 드레인 영역(120)의 높이에 따른 센싱 전류 마진 값을 나타내는 그래프이다.FIG. 10B is a graph showing a sensing current margin value according to the height of the drain region 120 in the device structure shown in FIGS. 1 and 10A.

도 10의 (b)를 참조하면, 드레인 영역(120)의 높이가 50 nm 일 때, 메모리 소자(10)가 가장 우수한 센싱 전류 마진을 가진다는 확인할 수 있다.Referring to FIG. 10B, when the height of the drain region 120 is 50 nm, it can be confirmed that the memory device 10 has the best sensing current margin.

도 10의 (b)에서, 드레인 영역(120)의 높이가 10 nm 에서 50 nm 로 증가할 경우 센싱 전류 마진이 증가하는 이유는, 프로그램(writing '1') 동작으로 정공이 벌크 실리콘(Si)기판으로 유입된 후 홀드(hold) 동작 시에 포텐셜 에너지 장벽이 충분히 높게 형성되어 있어, 바디 영역(130)에 많은 양의 정공이 저장된 채로 유지되기 때문이다. 그 결과, 많은 양의 정공은 리드 전류(read '1' 시의 전류)를 높이므로 센싱 전류 마진 값이 커지게 된다.In FIG. 10B, when the height of the drain region 120 is increased from 10 nm to 50 nm, the sensing current margin is increased due to the programming (1) operation of holes in bulk silicon (Si). This is because the potential energy barrier is formed sufficiently high during the hold operation after being introduced into the substrate, so that a large amount of holes are stored in the body region 130. As a result, a large amount of holes increases the read current (current at read '1'), thereby increasing the sensing current margin value.

반면, 도 10의 (b)에서, 드레인 영역(120)의 높이가 50 nm 에서 100 nm 로 증가할 경우에는 센싱 전류 마진이 감소한다는 것을 확인할 수 있다. 이는, 드레인 영역(120)의 높이가 비교적 커짐으로 인해, 프로그램(writing '1') 동작 시에 게이트(400) 및 드레인 영역(120) 간의 구동 전압에 의해 포텐셜 에너지 장벽이 낮아지는 정도가 다소 감소하기 되기 때문이다. 그 결과, 프로그램(writing '1') 동작 시에 비교적 적은 양의 정공이 바디 영역(130)으로 유입되어 센싱 전류 마진이 감소하게 된다.On the other hand, in FIG. 10B, when the height of the drain region 120 increases from 50 nm to 100 nm, the sensing current margin decreases. This is because the height of the drain region 120 is relatively large, so that the potential energy barrier is lowered slightly by the driving voltage between the gate 400 and the drain region 120 during a writing ('1') operation. Because it is. As a result, a relatively small amount of holes are introduced into the body region 130 during the writing ('1') operation, thereby reducing the sensing current margin.

도 10과 같이 드레인 영역(120)의 도핑 농도가 5*1018cm-3이고 벌크 실리콘(Si) 기판(110)의 도핑 농도가 1*1016cm-3인 경우 드레인 영역(120)의 높이가 50 nm 일 때 가장 우수한 센싱 전류 마진을 얻을 수 있었으나, 드레인 영역(120) 및 벌크 실리콘(Si) 기판(110)의 도핑 농도 및 분포 조건이 변함에 따라 최적의 드레인 영역(120) 높이가 변할 수도 있다.10, when the doping concentration of the drain region 120 is 5 * 10 18 cm −3 and the doping concentration of the bulk silicon (Si) substrate 110 is 1 * 10 16 cm −3 , the height of the drain region 120 is shown. The best sensing current margin was obtained when is 50 nm, but the optimal drain region height may change as the doping concentration and distribution conditions of the drain region 120 and the bulk silicon (Si) substrate 110 change. It may be.

이하 표 1은 메모리 소자(10)의 특성을 고려하여 각 동작(프로그램, 이레이즈, 리드, 홀드)을 수행하기 위해 게이트(400), 드레인 영역(120), 소스 영역(140)에 인가될 수 있는 전압 값의 예를 나타낸 것이다.Table 1 below may be applied to the gate 400, the drain region 120, and the source region 140 to perform each operation (program, erase, read, and hold) in consideration of the characteristics of the memory device 10. An example of a voltage value is shown.

동작action 프로그램
writing '1'
program
writing '1'
이레이즈
writing '0'
Eraise
writing '0'
리드
read '1' or '0'
lead
read '1' or '0'
홀드
hold
Hold
hold
게이트(400)
전압[V]
Gate 400
Voltage [V]
-1.0-1.0 1.01.0 0.50.5 -0.2-0.2
드레인 영역(120) 전압[V]Drain region 120 voltage [V] -1.0-1.0 -1.0-1.0 0.10.1 00 소스 영역(140)
전압[V]
Source area 140
Voltage [V]
00 00 00 00

한편, 상술한 실시 예들과 달리, 메모리 소자(10)의 벌크 실리콘(Si) 기판(110)에 도핑된 제1 타입의 불순물은 N형 불순물일 수 있다. 구체적으로, 벌크 실리콘(Si) 기판(110)은 N- 농도로 도핑될 수도 있다.On the other hand, unlike the above-described embodiments, the first type of impurities doped in the bulk silicon (Si) substrate 110 of the memory device 10 may be N-type impurities. Specifically, the bulk silicon (Si) substrate 110 may be doped to N- concentration.

이때, 드레인 영역(120), 바디 영역(130) 및 소스 영역(140)에 도핑된 제2 타입의 불순물은 P형 불순물일 수 있으며, 소스 영역(140)은 드레인 영역(120) 및 바디 영역(130)보다 높은 농도로 P형 불순물이 도핑될 수 있다. 이 경우, 주된 전하 수송자는 전자일 수 있다.In this case, the second type of impurities doped in the drain region 120, the body region 130, and the source region 140 may be P-type impurities, and the source region 140 may include the drain region 120 and the body region ( P-type impurities may be doped to a concentration higher than 130). In this case, the main charge transporter may be an electron.

구체적으로, 드레인 영역(120) 및 바디 영역(130)은 P- 농도로 도핑되고, 소스 영역(140)은 P+ 농도로 도핑될 수 있다.In detail, the drain region 120 and the body region 130 may be doped with a P− concentration, and the source region 140 may be doped with a P + concentration.

한편, 상술한 도면들과 달리, 메모리 소자에 있어 소스 영역과 드레인 영역의 위치가 서로 바뀔 수도 있다. (도시되지 않음) 이 경우, 드레인 영역(120)에 가했던 전압을 소스 영역에 가해주는 형태로 메모리 소자(10)의 각 동작을 수행할 수도 있다.On the other hand, unlike the above-described drawings, the position of the source region and the drain region in the memory device may be interchanged. In this case, each operation of the memory device 10 may be performed by applying a voltage applied to the drain region 120 to the source region.

한편, 본 개시의 일 실시 예에 따른 메모리 어레이는, 도 1의 메모리 소자(10)를 복수 개 포함할 수 있다. 이때, 복수 개의 메모리 소자(10)에 포함된 각각의 벌크 실리콘(Si) 기판(110)은 일체로 형성될 수 있다.Meanwhile, the memory array according to an embodiment of the present disclosure may include a plurality of memory elements 10 of FIG. 1. In this case, each of the bulk silicon (Si) substrates 110 included in the plurality of memory devices 10 may be integrally formed.

이 경우, 복수 개의 메모리 소자(10) 중 적어도 두 개의 메모리 소자(10)에 포함된 드레인 영역(120), 소스 영역(140), 절연층(200) 및 게이트(400) 중 적어도 하나는 일체로 형성될 수 있다.In this case, at least one of the drain region 120, the source region 140, the insulating layer 200, and the gate 400 included in at least two memory elements 10 of the plurality of memory elements 10 may be integrally formed. Can be formed.

또는, 복수 개의 메모리 소자(10)는 격자 형태로 배치되어, 복수 개의 메모리 소자(10) 중 동일한 열에 포함된 메모리 소자(10)의 드레인 영역(120)은 일체로 형성되고, 동일한 열에 포함된 메모리 소자(10)의 소스 영역(140)은 일체로 형성되며, 복수 개의 메모리 소자 중 동일한 행에 포함된 메모리 소자(10)의 게이트(400)는 일체로 형성될 수 있다.Alternatively, the plurality of memory elements 10 may be arranged in a lattice form, and the drain regions 120 of the memory elements 10 included in the same column among the plurality of memory elements 10 may be integrally formed and included in the same column. The source region 140 of the device 10 may be integrally formed, and the gate 400 of the memory device 10 included in the same row among the plurality of memory devices may be integrally formed.

도 11은 메모리 소자를 복수 개 결합한 메모리 어레이(1000)의 일 예를 나타내는 회로도 및 도면이다.FIG. 11 is a circuit diagram and a diagram illustrating an example of a memory array 1000 in which a plurality of memory elements are combined.

도 11의 (a)는 메모리 어레이(1000)의 회로도를 개략적으로 표시한 것으로, 각각의 워드라인(wordline 0, 1, ..., 1023)에 포함되는 메모리 소자(10)들의 게이트(400)들이 일체로 형성될 수 있음을 확인할 수 있다. 또한, 각각의 비트라인(bitline 0, 1, ..., 15)에 포함되는 메모리 소자(10)들의 드레인 영역(120)들이 일체로 형성될 수 있음을 확인할 수 있다.FIG. 11A schematically illustrates a circuit diagram of the memory array 1000. The gate 400 of the memory elements 10 included in each wordline word lines 0, 1,. It can be seen that they can be formed integrally. In addition, it can be seen that the drain regions 120 of the memory devices 10 included in each of the bit lines bitlines 0, 1,..., 15 may be integrally formed.

도 11의 (b)는 도 11의 (a)와 같은 방식으로 배열된 메모리 소자(10) 16개를 도시한 것으로, 동일한 비트라인(bitline)에 포함된 메모리 소자(10)들의 드레인 영역(120) 및 소스 영역(120)은 일체로 형성되고, 동일한 워드라인(wordline)에 포함된 메모리 소자(10)들의 게이트(400)가 일체로 형성됨을 확인할 수 있다.FIG. 11B illustrates 16 memory devices 10 arranged in the same manner as in FIG. 11A, and the drain regions 120 of the memory devices 10 included in the same bitline are illustrated in FIG. 11B. ) And the source region 120 may be integrally formed, and the gates 400 of the memory elements 10 included in the same wordline may be integrally formed.

이렇듯, 메모리 어레이(1000)에 있어, 드레인 영역(120)의 연결 관계 및 게이트(400)의 연결관계를 서로 교차되는 라인으로 구현함으로써, 많은 수의 메모리 소자(10)들에 대해 개별적이면서도 동시다발적 제어가 가능하다.As such, in the memory array 1000, the connection relationship between the drain region 120 and the connection relationship between the gate 400 may be implemented in lines crossing each other, thereby individually and simultaneously bunching the plurality of memory devices 10. Enemy control is possible.

도 12는 본 개시의 일 실시 예에 따른 메모리 소자의 제조방법을 설명하기 위한 단계별 단면도이다.12 is a cross-sectional view illustrating a method of manufacturing a memory device according to an embodiment of the present disclosure.

본 메모리 소자의 제조 방법은, 먼저 제1 타입의 불순물이 기설정된 농도로 도핑된 실리콘 기판 상에 제1 타입과 다른 제2 타입의 불순물을 기설정된 농도로 도핑하여 벌크 영역, 드레인 영역, 바디 영역 및 소스 영역을 형성할 수 있다. 이때, 드레인 영역, 바디 영역 및 소스 영역은 제2 타입의 불순물로 도핑된 영역이며, 소스 영역은 드레인 영역 및 바디 영역보다 제2 타입의 불순물이 더 높은 농도로 도핑된 영역일 수 있다.In the method of manufacturing the memory device, a bulk region, a drain region, and a body region are first doped with a first concentration of a second type different from the first type on a silicon substrate doped with a first concentration of impurities of a first type. And a source region. In this case, the drain region, the body region, and the source region may be a region doped with the impurity of the second type, and the source region may be a region doped with a higher concentration of the impurity of the second type than the drain region and the body region.

일 예로, 도 12의 (a)를 참조하면, P- 농도로 도핑된 벌크 실리콘(Si) 기판의 일부를 N 타입 불순물로 도핑함으로써, 순서대로 벌크 영역, 드레인 영역, 바디 영역, 소스 영역을 형성할 수 있다. 이때, 드레인 영역과 바디 영역은 N- 농도로 도핑된 것이고, 소스 영역은 N+ 농도로 도핑된 것일 수 있다.For example, referring to FIG. 12A, a portion of a bulk silicon (Si) substrate doped with P-concentration is doped with N-type impurities to sequentially form a bulk region, a drain region, a body region, and a source region. can do. In this case, the drain region and the body region may be doped with N- concentration, and the source region may be doped with N + concentration.

한편, P- 농도로 도핑된 벌크 실리콘(Si) 기판은 도핑 농도 1016 ~ 1018cm-3 의 상용 실리콘 기판일 수 있으며, 이온 임플란트 장비를 이용하여 N 타입 불순물을 주입함으로써 드레인 영역, 바디 영역 및 소스 영역을 형성할 수 있다.Meanwhile, the bulk silicon (Si) substrate doped with P-concentration may be a commercial silicon substrate having a doping concentration of 10 16 to 10 18 cm -3 , and the drain region and the body region may be injected by implanting N-type impurities using an ion implant device. And a source region.

그리고, 바디 영역 및 소스 영역을 포함하는 나노선을 형성하기 위해 바디 영역 및 소스 영역을 패터닝 및 식각할 수 있다. 구체적으로, 도 12의 (b)를 참조하면, 바디 영역 및 소스 영역을 벌크 영역 및 드레인 영역보다 얇은 기둥 형태로 패터닝 및 식각할 수 있다. 이때, 식각된 바디 영역 및 소스 영역은 얇은 원기둥 나노선 형태일 수 있다.The body region and the source region may be patterned and etched to form nanowires including the body region and the source region. Specifically, referring to FIG. 12B, the body region and the source region may be patterned and etched in a pillar shape thinner than the bulk region and the drain region. In this case, the etched body region and the source region may be in the form of a thin cylindrical nanowire.

이때, 드레인 영역 상에서 바디 영역의 표면을 감싸는 절연층을 증착할 수 있다. 구체적으로, 도 12의 (c)와 같이, 바디 영역이 식각되어 잘려나간 부분 중 드레인 영역의 일 면과 맞닿는 부분에 바디 영역의 표면 일부를 감싸는 절연층을 형성할 수 있다.In this case, an insulating layer surrounding the surface of the body region may be deposited on the drain region. Specifically, as shown in FIG. 12C, an insulating layer surrounding a part of the surface of the body region may be formed at a portion of the portion where the body region is etched and abutted with one surface of the drain region.

그리고, 절연층 상에서 바디 영역의 표면을 감싸는 게이트 절연층을 증착할 수 있다. (도 12의 (d)) 이 경우, 절연층 및 게이트 절연층은 산화 실리콘, 질화막, 산화 알루미늄, 산화 하프늄, 산화질화 하프늄, 산화 아연 등 여러 종류의 절연막 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. In addition, a gate insulating layer surrounding the surface of the body region may be deposited on the insulating layer. In this case, the insulating layer and the gate insulating layer may include at least one of various types of insulating films, such as silicon oxide, a nitride film, aluminum oxide, hafnium oxide, hafnium oxide, and zinc oxide.

이때, 절연층 및 게이트 절연층은, 하나의 통합 절연층일체로 증착될 수도 있다. 또한, 절연층의 높이는 게이트 절연층의 두께보다 클 수 있다.In this case, the insulating layer and the gate insulating layer may be deposited as one integrated insulating layer. In addition, the height of the insulating layer may be greater than the thickness of the gate insulating layer.

다음으로, 절연층 상에서 게이트 절연층의 표면을 감싸는 게이트를 증착할 수 있다. (도 12의 (e)) 이 경우, 게이트는 일함수가 비교적 높은 메탈로 구현될 수 있으며, 예로 금, 백금, 니켈 및 고농도 P형 폴리실리콘 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.Next, a gate covering the surface of the gate insulating layer may be deposited on the insulating layer. In this case, the gate may be implemented with a metal having a relatively high work function. For example, the gate may include at least one of gold, platinum, nickel, and high concentration P-type polysilicon.

그리고, 소스 영역 및 드레인 영역의 전극을 증착할 수 있다. (도 12의 (f)) 구체적으로, 소스 영역 및 드레인 영역 각각에 전극을 인가하기 위한 전극을 소스 영역 및 드레인 영역 각각에 패터닝하는 과정에 해당한다.Then, the electrodes of the source region and the drain region can be deposited. Specifically, FIG. 12F corresponds to a process of patterning an electrode for applying an electrode to each of the source and drain regions, respectively.

한편, N- 도핑된 드레인 영역 및/또는 바디 영역을, 높은 전자 이동도와 높은 유전율을 가지는 SiGe 및 Ge 중 적어도 하나를 포함하도록 구현할 경우 높은 센싱 전류 마진을 얻을 수 있다. 추가적으로, 실리콘 이외에도 별도의 3-5족 화합물 반도체 물질(InGaAs, InP, InAs 등)을 단일 접합 또는 이중 접합의 형태로 벌크 영역, 드레인 영역, 바디 영역 및 소스 영역 중 적어도 하나의 영역에 적용 가능하다. 이를 통해, 향후 더 우수한 데이터 보유 시간(retention time) 및 센싱 전류 마진을 가진 디램 메모리 소자를 제작하는 것이 가능하다.Meanwhile, when the N-doped drain region and / or the body region are implemented to include at least one of SiGe and Ge having high electron mobility and high dielectric constant, high sensing current margin may be obtained. Additionally, in addition to silicon, separate Group 3-5 compound semiconductor materials (InGaAs, InP, InAs, etc.) may be applied to at least one of the bulk region, the drain region, the body region, and the source region in the form of a single junction or a double junction. . Through this, it is possible to manufacture a DRAM memory device having better data retention time and sensing current margin in the future.

아울러, 본 메모리 소자의 제조 방법은, 일반적인 벌크 실리콘 반도체 기반 나노선 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 공정 과정과 유사하므로, 기존 공정 장비를 활용하여 제작할 수 있다는 장점이 있다.In addition, the method of manufacturing the memory device is similar to a general bulk silicon semiconductor-based nanowire MOSFET process, and thus, there is an advantage in that it can be manufactured using existing process equipment.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 개시에 따른 메모리 소자(100)는 상술한 실시 예들에만 한정되는 것은 아니며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해 되어져서는 안될 것이다.Although the preferred embodiments of the present invention have been illustrated and described above, the memory device 100 according to the present disclosure is not limited to the above-described embodiments, and the present invention may be made without departing from the spirit of the present invention as claimed in the claims. Various modifications may be made by those skilled in the art, and these modifications should not be individually understood from the technical spirit or the prospect of the present invention.

10: 메모리 소자 110: 벌크 실리콘(Si) 기판
120: 드레인 영역 130: 바디 영역
140: 소스 영역 200: 절연층
300: 게이트 절연층 400: 게이트
1000: 메모리 어레이
10: memory element 110: bulk silicon (Si) substrate
120: drain region 130: body region
140: source region 200: insulating layer
300: gate insulating layer 400: gate
1000: memory array

Claims (15)

제1 타입의 불순물이 기설정된 농도로 도핑된 실리콘 기판;
상기 실리콘 기판 상에 형성되고, 제2 타입의 불순물이 기설정된 제1 농도로 도핑된 드레인 영역;
상기 드레인 영역 상에 기둥 형태로 형성되고, 상기 제2 타입의 불순물이 기설정된 제2 농도로 도핑된 바디 영역;
상기 드레인 영역 상에 상기 바디 영역을 감싸도록 형성된 절연층;
상기 절연층 상에서 상기 바디 영역을 감싸도록 형성된 게이트 절연층;
상기 절연층 상에서 상기 게이트 절연층을 감싸도록 형성된 게이트; 및
상기 바디 영역의 일측면에 형성되어 상기 제2 타입의 불순물이 상기 제1 농도 및 상기 제2 농도보다 높은 농도로 도핑된 소스 영역;을 포함하고,
상기 드레인 영역에 기설정된 음의 전압이 인가되고 상기 바디 영역에 기설정된 음의 전압이 인가되는 경우, 상기 실리콘 기판에서 제공되는 정공의 드리프트 및 확산 현상에 의해 상기 바디 영역에 저장된 정공의 양이 증가되어, 프로그램(writing '1') 동작을 수행하고,
상기 게이트에 기설정된 양의 전압이 인가되고 상기 드레인 영역에 기설정된 음의 전압이 인가되는 경우, 드리프트 및 확산 현상에 의해 상기 바디 영역에 저장된 정공의 양이 감소되어, 이레이즈(writing '0') 동작을 수행하는 메모리 소자.
A silicon substrate doped with a first concentration of impurity of a first type;
A drain region formed on the silicon substrate and doped with a second concentration of impurities of a second type;
A body region formed in a pillar shape on the drain region and doped with a second concentration of impurities of the second type;
An insulating layer formed to surround the body region on the drain region;
A gate insulating layer formed to surround the body region on the insulating layer;
A gate formed to surround the gate insulating layer on the insulating layer; And
A source region formed on one side of the body region and doped with the second type of impurities at a concentration higher than the first concentration and the second concentration;
When a predetermined negative voltage is applied to the drain region and a predetermined negative voltage is applied to the body region, the amount of holes stored in the body region is increased by drift and diffusion of holes provided from the silicon substrate. To perform a program (writing '1') operation,
When a predetermined positive voltage is applied to the gate and a predetermined negative voltage is applied to the drain region, the amount of holes stored in the body region is reduced by drift and diffusion, thereby erasing (writing '0'). ) A memory device performing the operation.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 드레인 영역의 높이는,
10nm에서 100nm 사이로 형성되는, 메모리 소자.
The method of claim 1,
The height of the drain region,
A memory device formed between 10 nm and 100 nm.
제1항에 있어서,
상기 제1 타입의 불순물은 P형 불순물이고,
상기 제2 타입의 불순물은 N형 불순물이며,
전하 수송자는 정공인, 메모리 소자.
The method of claim 1,
The impurity of the first type is a P-type impurity,
The second type of impurities are N type impurities,
The charge carrier is a hole, the memory device.
제1항에 있어서,
상기 드레인 영역 및 바디 영역은 N- 농도로 도핑되고, 상기 소스 영역은 N+ 농도로 도핑된, 메모리 소자.
The method of claim 1,
Wherein the drain region and body region are doped with N− concentration and the source region is doped with N + concentration.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 게이트에 기설정된 음의 전압이 인가되는 경우, 상기 바디 영역에 저장된 정공이 유지되어 홀드(hold) 동작을 수행하는, 메모리 소자.
The method of claim 1,
When a predetermined negative voltage is applied to the gate, holes stored in the body region are maintained to perform a hold operation.
제1항에 있어서,
상기 게이트에 기설정된 양의 전압이 인가되는 경우, 상기 드레인 영역에 흐르는 전류를 센싱하여 리드(read) 동작을 수행하는, 메모리 소자.
The method of claim 1,
When a predetermined amount of voltage is applied to the gate, a read operation by sensing a current flowing in the drain region to perform a read operation.
제1항에 있어서,
상기 바디 영역은 SiGe를 포함하는, 메모리 소자.
The method of claim 1,
And the body region comprises SiGe.
제1항에 있어서,
상기 제1 타입의 불순물은 N형 불순물이고,
상기 제2 타입의 불순물은 P형 불순물이며,
전하 수송자는 전자인, 메모리 소자.
The method of claim 1,
The impurity of the first type is an N-type impurity,
The second type of impurities are P type impurities,
The charge carrier is an electron.
제1항에 있어서,
상기 드레인 영역 및 바디 영역은 P- 농도로 도핑되고, 상기 소스 영역은 P+ 농도로 도핑된, 메모리 소자.
The method of claim 1,
Wherein the drain region and the body region are doped with a P− concentration and the source region is doped with a P + concentration.
제1항의 메모리 소자를 복수 개 포함하고,
상기 복수 개의 메모리 소자에 포함된 각각의 실리콘 기판은 일체로 형성된, 메모리 어레이.
A plurality of memory elements of claim 1,
Wherein each silicon substrate included in the plurality of memory elements is integrally formed.
제13항에 있어서,
상기 복수 개의 메모리 소자는 격자 형태로 배치되고,
상기 복수 개의 메모리 소자 중 동일한 열에 포함된 메모리 소자의 드레인 영역은 일체로 형성되고, 동일한 열에 포함된 메모리 소자의 소스 영역은 일체로 형성되며, 상기 복수 개의 메모리 소자 중 동일한 행에 포함된 메모리 소자의 게이트는 일체로 형성된, 메모리 어레이.
The method of claim 13,
The plurality of memory elements are arranged in a grid form,
The drain regions of the memory devices included in the same column among the plurality of memory devices may be integrally formed, and the source regions of the memory devices included in the same column may be integrally formed with each other. And the gate is integrally formed.
제1 타입의 불순물이 기설정된 농도로 도핑된 실리콘 기판 상에 제2 타입의 불순물을 기설정된 농도로 도핑하여 벌크 영역, 드레인 영역, 바디 영역 및 소스 영역을 형성하는 단계;
상기 바디 영역 및 상기 소스 영역을 포함하는 나노선을 형성하기 위해 상기 바디 영역 및 상기 소스 영역을 패터닝 및 식각하는 단계;
상기 드레인 영역 상에서 상기 바디 영역을 감싸는 절연층을 증착하는 단계;
상기 절연층 상에서 상기 바디 영역을 감싸는 게이트 절연층을 증착하는 단계;
상기 절연층 상에서 상기 게이트 절연층을 감싸는 게이트를 증착하는 단계; 및
상기 소스 영역 및 상기 드레인 영역의 전극을 증착하는 단계;를 포함하고,
상기 드레인 영역, 상기 바디 영역 및 상기 소스 영역은 상기 제2 타입의 불순물로 도핑된 영역이며,
상기 소스 영역은 상기 드레인 영역 및 상기 바디 영역보다 상기 제2 타입의 불순물이 더 높은 농도로 도핑되고,
상기 드레인 영역에 기설정된 음의 전압이 인가되고 상기 바디 영역에 기설정된 음의 전압이 인가되는 경우, 상기 실리콘 기판에서 제공되는 정공의 드리프트 및 확산 현상에 의해 상기 바디 영역에 저장된 정공의 양이 증가되어, 프로그램(writing '1') 동작을 수행하고,
상기 게이트에 기설정된 양의 전압이 인가되고 상기 드레인 영역에 기설정된 음의 전압이 인가되는 경우, 드리프트 및 확산 현상에 의해 상기 바디 영역에 저장된 정공의 양이 감소되어, 이레이즈(writing '0') 동작을 수행하는 메모리 소자 제조방법.
Doping the second type of impurities to a predetermined concentration on the silicon substrate doped with the first type of impurities to a predetermined concentration to form a bulk region, a drain region, a body region and a source region;
Patterning and etching the body region and the source region to form a nanowire including the body region and the source region;
Depositing an insulating layer surrounding the body region on the drain region;
Depositing a gate insulating layer surrounding the body region on the insulating layer;
Depositing a gate surrounding the gate insulating layer on the insulating layer; And
Depositing electrodes of the source region and the drain region;
The drain region, the body region and the source region are regions doped with impurities of the second type,
The source region is doped with a higher concentration of impurities of the second type than the drain region and the body region,
When a predetermined negative voltage is applied to the drain region and a predetermined negative voltage is applied to the body region, the amount of holes stored in the body region is increased by drift and diffusion of holes provided from the silicon substrate. To perform a program (writing '1') operation,
When a predetermined positive voltage is applied to the gate and a predetermined negative voltage is applied to the drain region, the amount of holes stored in the body region is reduced by drift and diffusion, thereby erasing (writing '0'). A memory device manufacturing method for performing the operation.
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