KR102374588B1 - Three dimensional semiconductor memory device and method for manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

본 개시는 3차원 반도체 장치 및 그의 제조 방법에 관한 것이다. 일 실시 에에 의하면, 3차원 반도체 장치의 제조 방법은 기판 상에 교대로 적층되는 복수개의 절연막들 및 복수개의 희생막들을 포함하는 수직 적층체를 형성하는 단계; 상기 형성된 수직 적층체를 식각함으로써 상기 수직 적층체 내 제1 오프닝 및 상기 기판 내 리세스 영역을 생성하는 단계; 상기 제1 오프닝의 측벽 상 일부에 제1 게이트 전극을 형성하는 단계; 상기 수직 적층체를 식각함으로써 상기 수직 적층체 내 상기 기판을 노출시키는 제2 오프닝을 형성하는 단계; 및 상기 형성된 제2 오프닝의 측벽 상 상기 제1 게이트 전극에 대응되는 영역에 제2 게이트 전극을 형성함으로써 워드 라인을 형성하는 단계; 를 포함할 수 있다.The present disclosure relates to a three-dimensional semiconductor device and a method for manufacturing the same. According to an embodiment, a method of manufacturing a 3D semiconductor device includes: forming a vertical stack including a plurality of insulating layers and a plurality of sacrificial layers that are alternately stacked on a substrate; etching the formed vertical stack to create a first opening in the vertical stack and a recessed region in the substrate; forming a first gate electrode on a portion of a sidewall of the first opening; forming a second opening exposing the substrate in the vertical stack by etching the vertical stack; and forming a word line by forming a second gate electrode in a region corresponding to the first gate electrode on a sidewall of the formed second opening. may include

Figure R1020200057178
Figure R1020200057178

Description

3차원 반도체 장치 및 이의 제조 방법 {THREE DIMENSIONAL SEMICONDUCTOR MEMORY DEVICE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}3D semiconductor device and manufacturing method thereof

본 개시는 반도체 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 3차원 반도체 메모리 장치 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.The present disclosure relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the same. More particularly, it relates to a three-dimensional semiconductor memory device and a method of manufacturing the same.

소형화, 다기능화 및/또는 낮은 제조 단가 등의 특성들로 인하여 반도체 소자는 전자 산업에서 중요한 요소로 각광 받고 있다. 하지만 전자 산업이 고도로 발전함에 따라 반도체 소자의 고집적화 경향이 심화되고 있다. 반도체 소자의 고집적화를 위하여 반도체 소자의 패턴들의 선폭이 점점 감소되고 있으며, 이로써 정밀한 패터닝이 어려워 지고 있다.Due to characteristics such as miniaturization, multifunctionality, and/or low manufacturing cost, a semiconductor device is in the spotlight as an important element in the electronic industry. However, as the electronics industry is highly developed, the trend toward high integration of semiconductor devices is deepening. For the high integration of the semiconductor device, the line width of the patterns of the semiconductor device is gradually decreasing, thereby making precise patterning difficult.

종래, 일반적인 2차원 반도체 기억 소자의 집적도는 단위 기억 셀이 점유하는 평면적이 주 결정 요인으로 작용하고, 따라서 2차원 반도체 기억 소자의 집적도는 미세 패턴의 형성 기술 수준에 크게 영향을 받기 때문에, 점점 감소되는 선폭은 반도체 제작의 공정 난이도의 상승으로 연결되는 한계가 있었다.Conventionally, the degree of integration of a general two-dimensional semiconductor memory device is gradually reduced because the planar area occupied by a unit memory cell is a major determining factor, and thus, the degree of integration of a two-dimensional semiconductor memory device is greatly affected by the level of technology for forming a fine pattern. The line width to be used has a limit that leads to an increase in the process difficulty of semiconductor manufacturing.

따라서, 집적도를 향상시키기 위한 상술한 제약들을 극복하기 위해 3차원적으로 배열되는 메모리 셀들을 포함하는 반도체 기억 소자가 개발되고 있다. 하지만, 3차원 반도체 기억 소자는 그 구조적 형태로 인하여 제조 난이도에 따른 여러 특성 열화의 문제점들이 발생하고 있다.Accordingly, a semiconductor memory device including three-dimensionally arranged memory cells has been developed in order to overcome the above-mentioned limitations for improving the degree of integration. However, due to the structural shape of the 3D semiconductor memory device, various problems of deterioration of characteristics according to manufacturing difficulty occur.

따라서, 균일한 소자 특성을 나타내는 새로운 3차원 수직 구조의 반도체 장치 제조 기술의 개발이 요구되고 있다.Accordingly, there is a demand for the development of a new three-dimensional vertical structure semiconductor device manufacturing technology exhibiting uniform device characteristics.

한국공개특허 제2020-0024630호-0020133호Korea Patent Publication No. 2020-0024630-0020133

일 실시 예에 따르면, 균일한 소자 특성을 가지는 3차원 반도체 장치가 제공될 수 있다. According to an embodiment, a 3D semiconductor device having uniform device characteristics may be provided.

또한, 일 실시 예에 의하면, 영역 선택 증착법(Area Selective Deposition)을 이용하여 3차원 반도체 장치를 제조하는 방법이 제공될 수 있다.Also, according to an embodiment, a method of manufacturing a 3D semiconductor device using an area selective deposition method may be provided.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 개시의 일 실시 예에 따라, 3차원 반도체 장치의 제조 방법은 기판 상에 교대로 적층되는 복수개의 절연막들 및 복수개의 희생막들을 포함하는 수직 적층체를 형성하는 단계; 상기 형성된 수직 적층체를 식각함으로써 상기 수직 적층체 내 제1 오프닝 및 상기 기판 내 리세스 영역을 생성하는 단계; 상기 제1 오프닝의 측벽 상 일부에 제1 게이트 전극을 형성하는 단계; 상기 수직 적층체를 식각함으로써 상기 수직 적층체 내 상기 기판을 노출시키는 제2 오프닝을 형성하는 단계; 및 상기 형성된 제2 오프닝의 측벽 상 상기 제1 게이트 전극에 대응되는 영역에 제2 게이트 전극을 형성함으로써 워드 라인을 형성하는 단계; 를 포함할 수 있다.According to an exemplary embodiment of the present disclosure for achieving the above-described technical problem, a method of manufacturing a 3D semiconductor device includes forming a vertical stack including a plurality of insulating layers and a plurality of sacrificial layers that are alternately stacked on a substrate. step; etching the formed vertical stack to create a first opening in the vertical stack and a recessed region in the substrate; forming a first gate electrode on a portion of a sidewall of the first opening; forming a second opening exposing the substrate in the vertical stack by etching the vertical stack; and forming a word line by forming a second gate electrode in a region corresponding to the first gate electrode on a sidewall of the formed second opening. may include

일 실시 예에 의하면, 상기 방법은 상기 제1 게이트 전극이 형성된 상기 제1 오프닝의 측벽 상 상기 절연막 및 상기 제1 게이트 전극에 대응되는 영역들에 게이트 유전막을 형성하는 단계; 상기 게이트 유전막을 따라 수직 활성층을 라이닝(lining) 하는 단계; 및 상기 수직 활성층이 라이닝된 상기 제1 오프닝의 측벽을 포함하는 상기 리세스 영역을 절연 패턴으로 채우는 단계; 를 더 포함할 수 있다.In an embodiment, the method includes: forming a gate dielectric film on a sidewall of the first opening in which the first gate electrode is formed, in regions corresponding to the insulating film and the first gate electrode; lining a vertical active layer along the gate dielectric layer; and filling the recess region including sidewalls of the first opening lined with the vertical active layer with an insulating pattern; may further include.

일 실시 예에 의하면, 상기 제1 게이트 전극을 형성하는 단계는 상기 제1 오프닝의 측벽 상 노출되는 상기 절연막 및 상기 희생막에 대한 증착 속도 차이에 기초하여, 상기 절연막 및 상기 희생막 상에 제1 금속막을 증착하는 단계; 상기 절연막 및 상기 희생막 상에 증착된 상기 제1 금속막의 적어도 일부를 식각하는 단계; 및 상기 식각 후 남은 상기 희생막 상의 제1 금속막을 이용하여 상기 제1 게이트 전극을 형성하는 단계; 를 포함할 수 있다.In an embodiment, the forming of the first gate electrode may include forming the first gate electrode on the insulating layer and the sacrificial layer based on a difference in deposition rates of the insulating layer and the sacrificial layer exposed on the sidewall of the first opening. depositing a metal film; etching at least a portion of the first metal layer deposited on the insulating layer and the sacrificial layer; and forming the first gate electrode using a first metal layer on the sacrificial layer remaining after the etching. may include

일 실시 예에 의하면, 상기 워드 라인을 형성하는 단계는 상기 제2 오프닝을 통해 상기 수직 적층체 내 상기 복수개의 절연막들 사이의 상기 복수개의 희생막들을 제거하는 단계; 및 상기 복수개의 희생막들이 제거된 상기 제2 오프닝의 측벽 상 일부 영역에 상기 제2 게이트 전극을 형성함으로써 워드 라인을 형성하는 단계; 를 포함할 수 있다.In an embodiment, the forming of the word line may include removing the plurality of sacrificial layers between the plurality of insulating layers in the vertical stack through the second opening; and forming a word line by forming the second gate electrode in a partial region on a sidewall of the second opening from which the plurality of sacrificial layers are removed. may include

일 실시 예에 의하면, 상기 워드 라인을 형성하는 단계는 상기 복수개의 희생막들이 제거됨으로써 상기 제2 오프닝의 측벽 상 상기 제1 게이트 전극의 일부를 노출시키는 단계; 상기 노출된 제1 게이트 전극 및 상기 제2 오프닝의 측벽 내 상기 절연막에 제2 금속막을 증착함으로써 상기 제2 게이트 전극을 형성하는 단계; 및 상기 제2 게이트 전극을 구성하는 상기 증착된 제2 금속막의 적어도 일부를 식각함으로써 상기 워드 라인을 형성하는 단계; 를 포함할 수 있다.In an embodiment, the forming of the word line may include: exposing a portion of the first gate electrode on a sidewall of the second opening by removing the plurality of sacrificial layers; forming the second gate electrode by depositing a second metal film on the exposed first gate electrode and the insulating film in sidewalls of the second opening; and forming the word line by etching at least a portion of the deposited second metal layer constituting the second gate electrode. may include

일 실시 예에 의하면, 상기 게이트 유전막을 형성하는 단계는 상기 제1 오프닝의 측벽 상 상기 절연막 및 상기 증착된 제1 게이트 전극에 대응되는 영역들에 블로킹막을 형성하는 단계; 상기 형성된 블로킹막을 따라 전하 저장막을 형성하는 단계; 및 상기 형성된 전하 저장막을 따라 터널 유전막을 형성함으로써 상기 게이트 유전막을 형성하는 단계; 를 포함할 수 있다.In an embodiment, the forming of the gate dielectric layer may include: forming a blocking layer on a sidewall of the first opening in regions corresponding to the insulating layer and the deposited first gate electrode; forming a charge storage film along the formed blocking film; and forming the gate dielectric layer by forming a tunnel dielectric layer along the formed charge storage layer. may include

일 실시 예에 의하면, 상기 제1 금속막을 증착하는 단계는, 상기 제1 금속막을 상기 절연막 및 상기 희생막에 대한 증착 속도 차이에 기초하여 서로 다른 속도로 상기 절연막 및 상기 희생막 상에 증착하는 단계; 를 더 포함하고, 상기 제1 금속막은 상기 희생막 상에 더 빠른 속도로 증착될 수 있다.In an embodiment, the depositing of the first metal layer may include depositing the first metal layer on the insulating layer and the sacrificial layer at different rates based on a difference in deposition rates for the insulating layer and the sacrificial layer. ; It further includes, wherein the first metal layer may be deposited on the sacrificial layer at a higher rate.

일 실시 예에 의하면, 상기 제1 금속막 및 제2 금속막은 텅스텐, 텅스텐 질화막(WN), 텅스텐 탄화막, 티타늄, 탄탈륨, 알루미늄 또는 하프늄 중 적어도 하나이고, 상기 제1 금속막 및 상기 제2 금속막은 서로 다른 금속으로 마련될 수 있다.In an embodiment, the first metal layer and the second metal layer are at least one of tungsten, a tungsten nitride layer (WN), a tungsten carbide layer, titanium, tantalum, aluminum, or hafnium, and the first metal layer and the second metal layer The films may be made of different metals.

일 실시 예에 의하면, 상기 기판은 제1 도전형의 웰 영역 및 제2 도전형의 공통 소스 영역을 포함하고, 상기 리세스 영역은 상기 공통 소스 영역을 관통하여 상기 웰 영역으로 연장될 수 있다.In an embodiment, the substrate may include a well region of a first conductivity type and a common source region of a second conductivity type, and the recess region may extend into the well region through the common source region.

일 실시 예에 의하면, 상기 수직 적층체는 상기 기판을 기준으로 제1 방향으로 연장되고, 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 서로 이격 되며, 상기 제1 방향 및 제2 방향은 상기 기판의 상부면과 평행할 수 있다.According to an embodiment, the vertical stacked body extends in a first direction with respect to the substrate, is spaced apart from each other in a second direction perpendicular to the first direction, and the first direction and the second direction are of the substrate. It may be parallel to the upper surface.

일 실시 예에 의하면, 상기 수직 활성층은 상기 리세스 영역의 측벽과 접촉되고, 상기 수직 활성층의 상부에서 상기 제2 방향으로 연장되며, 상기 수직 적층체와 교차하는 비트라인과 연결되고, 상기 수직 활성층의 하부에서 상기 공통 소스 영역 내에 형성된 상기 리세스 영역 내로 연장됨으로써 상기 웰 영역에 연결될 수 있다.In an embodiment, the vertical active layer is in contact with a sidewall of the recess region, extends from an upper portion of the vertical active layer in the second direction, is connected to a bit line intersecting the vertical stack, and the vertical active layer may be connected to the well region by extending into the recess region formed in the common source region from a lower portion of the .

또한, 상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 개시의 또 다른 실시 예에 따라, 3차원 반도체 장치는 기판; 상기 기판 상에 교대로 적층되는 복수개의 절연막들 및 제거 가능한 복수개의 희생막 영역들을 포함하는 수직 적층체; 상기 수직 적층체 내에서 상기 기판 상으로 연장되는 리세스 영역의 측벽 상 일부에 형성되는 제1 게이트 전극; 상기 제1 게이트 전극 및 상기 리세스 영역의 측벽에 노출되는 상기 복수개의 절연막들을 따라 형성되는 게이트 유전막; 상기 게이트 유전막을 따라 라이닝되는 수직 활성층; 상기 수직 활성층이 라이닝되는 상기 리세스 영역을 채우는 절연 패턴; 및 상기 리세스 영역과 소정의 간격만큼 이격되어 상기 기판을 노출시키도록 형성되는 슬릿 영역에서 상기 제1 게이트 전극에 대응되는 영역에 제2 게이트 전극을 형성함으로써 생성되는 워드 라인; 을 포함할 수 있다.In addition, according to another embodiment of the present disclosure for solving the above technical problem, a three-dimensional semiconductor device includes a substrate; a vertical stack including a plurality of insulating layers and a plurality of removable sacrificial layer regions that are alternately stacked on the substrate; a first gate electrode formed on a portion of a sidewall of a recess region extending onto the substrate in the vertical stack; a gate dielectric layer formed along the first gate electrode and the plurality of insulating layers exposed on sidewalls of the recess region; a vertical active layer lined along the gate dielectric layer; an insulating pattern filling the recess region lined with the vertical active layer; and a word line generated by forming a second gate electrode in a region corresponding to the first gate electrode in a slit region spaced apart from the recess region by a predetermined distance to expose the substrate; may include

일 실시 예에 의하면, 균일한 소자 특성을 가지는 수직 구조의 3차원 반도체 장치를 효과적으로 제조할 수 있다.According to an embodiment, a three-dimensional semiconductor device having a vertical structure having uniform device characteristics may be effectively manufactured.

일 실시 예에 의하면, 다양한 물질을 적층 구조로 활용할 수 있는 3차원 반도체 장치가 제공될 수 있다.According to an embodiment, a 3D semiconductor device capable of using various materials as a stacked structure may be provided.

도 1은 일 실시 예에 따른 3차원 반도체 장치의 제조 방법에 따라 생성되는 3차원 반도체 장치의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 일반적인 3차원 반도체 장치의 제조 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 개시의 일 실시 예에 따른 3차원 반도체 장치의 제조 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 일 실시 예에 따른 3차원 반도체 장치의 제조 방법의 흐름도이다.
도 5는 또 다른 실시 예에 따른 3차원 반도체 장치의 제조 방법의 흐름도이다.
도 6은 일 실시 예에 따라, 영역 선택 증착법에 따라 제1 게이트 전극을 형성하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 일 실시 예에 따라 영역 선택 증착법에 따라 제1 게이트 전극을 형성하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 일 실시 예에 따른 3차원 반도체 장치를 포함하는 전자 시스템의 일 예시를 나타내는 도면이다.
도 9는 일 실시 예에 따른 3차원 반도체 장치를 포함하는 메모리의 일 예시를 나타내는 도면이다.
1 is a diagram for describing a structure of a 3D semiconductor device generated according to a method of manufacturing a 3D semiconductor device according to an exemplary embodiment.
2 is a view for explaining a manufacturing process of a general 3D semiconductor device according to an exemplary embodiment.
3 is a view for explaining a manufacturing process of a 3D semiconductor device according to an embodiment of the present disclosure.
4 is a flowchart of a method of manufacturing a 3D semiconductor device according to an exemplary embodiment.
5 is a flowchart of a method of manufacturing a 3D semiconductor device according to another exemplary embodiment.
FIG. 6 is a view for explaining a process of forming a first gate electrode according to an area selective deposition method, according to an exemplary embodiment.
7 is a view for explaining a process of forming a first gate electrode by a region selective deposition method according to an exemplary embodiment.
8 is a diagram illustrating an example of an electronic system including a 3D semiconductor device according to an exemplary embodiment.
9 is a diagram illustrating an example of a memory including a 3D semiconductor device according to an exemplary embodiment.

본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 개시에 대해 구체적으로 설명하기로 한다. Terms used in this specification will be briefly described, and the present disclosure will be described in detail.

본 개시에서 사용되는 용어는 본 개시에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 개시에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 개시의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다. The terms used in the present disclosure have been selected as currently widely used general terms as possible while considering the functions in the present disclosure, but these may vary depending on the intention or precedent of a person skilled in the art, the emergence of new technology, and the like. In addition, in a specific case, there is a term arbitrarily selected by the applicant, and in this case, the meaning will be described in detail in the description of the corresponding invention. Therefore, the terms used in the present disclosure should be defined based on the meaning of the term and the contents of the present disclosure, rather than the simple name of the term.

또한, 본 명세서에서, 어떤 막(또는 층)이 다른 막(또는 층) 또는 기판 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 막(또는 층) 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 막(또는 층)이 개재될 수도 있다 또한, 도면들에 있어서, 구성들의 크기 및 두께 등은 명확성을 위하여 과장된 것이다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 영역, 막들(또는 층들) 등을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 영역, 막들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 소정 영역 또는 막(또는 층)을 다른 영역 또는 막(또는 층)과 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시예에의 제1막질로 언급된 막질이 다른 실시예에서는 제2막질로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시예는 그것의 상보적인 실시예도 포함한다. 본 명세서에서 '및/또는' 이란 표현은 전후에 나열된 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용된다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.Further, in the present specification, when a certain film (or layer) is referred to as being on another film (or layer) or substrate, it may be formed directly on the other film (or layer) or substrate or a third layer between them. In addition, in the drawings, the size and thickness of the components are exaggerated for clarity. In various embodiments of the present specification, the terms first, second, third, etc. are used to describe various regions, films (or layers), etc., but these regions and films should not be limited by these terms. Can not be done. These terms are only used to distinguish one region or film (or layer) from another region or film (or layer). Accordingly, a film quality referred to as the first film quality in one embodiment may be referred to as the second film quality in another embodiment. Each embodiment described and illustrated herein also includes a complementary embodiment thereof. In this specification, the expression 'and/or' is used in a sense including at least one of the elements listed before and after. Parts indicated with like reference numerals throughout the specification indicate like elements.

명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.In the entire specification, when a part "includes" a certain element, this means that other elements may be further included, rather than excluding other elements, unless otherwise stated. In addition, terms such as "...unit" and "module" described in the specification mean a unit that processes at least one function or operation, which may be implemented as hardware or software, or a combination of hardware and software. .

아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 개시의 실시예에 대하여 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 개시는 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 개시를 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, the embodiments of the present disclosure will be described in detail so that those of ordinary skill in the art to which the present disclosure pertains can easily implement them. However, the present disclosure may be implemented in several different forms and is not limited to the embodiments described herein. And in order to clearly explain the present disclosure in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and similar reference numerals are attached to similar parts throughout the specification.

도 1은 일 실시 예에 따른 3차원 반도체 장치의 제조 방법에 따라 생성되는 3차원 반도체 장치의 구조를 설명하기 위한 도면이다.1 is a diagram for describing a structure of a 3D semiconductor device generated according to a method of manufacturing a 3D semiconductor device according to an exemplary embodiment.

도 1을 참조하면, 일 실시 예에 따른 3차원 반도체 장치의 제조 방법에 따라 상기 기판 상의 수직 적층체를 가공함으로써 생성될 수 있는 3차원 반도체 장치의 단면도가 도시된다. 일 실시 예에 의하면, 기판(110)상에는 절연막(102, 104, 106, 108) 및 희생막(103, 105, 107, 109)이 교대로 적층될 수 있다. 예를 들어, 기판(110)은 제1 도전형의 도펀트로 도핑된 웰 영역(well region)을 포함할 수 있다. 기판(110)은 실리콘 기판, 게르마늄 기판 또는 실리콘-게르마늄 기판일 수 있다. 기판 내 웰 영역에는 제2 도전형의 도펀트로 도핑된 공통 소스 영역이 형성될 수 있다. 상기 제1 도전형의 도펀트 및 상기 제2 도전형의 도펀트 중 어느 하나는 n형 도펀트이고, 다른 하나는 p형 도펀트일 수 있다.Referring to FIG. 1 , a cross-sectional view of a 3D semiconductor device that may be generated by processing a vertical stack on the substrate according to a method of manufacturing a 3D semiconductor device according to an exemplary embodiment is shown. According to an embodiment, insulating layers 102 , 104 , 106 , and 108 and sacrificial layers 103 , 105 , 107 , and 109 may be alternately stacked on the substrate 110 . For example, the substrate 110 may include a well region doped with a dopant of the first conductivity type. The substrate 110 may be a silicon substrate, a germanium substrate, or a silicon-germanium substrate. A common source region doped with a dopant of the second conductivity type may be formed in the well region in the substrate. One of the dopant of the first conductivity type and the dopant of the second conductivity type may be an n-type dopant, and the other may be a p-type dopant.

예를 들어, 상기 기판(110)상에는 교대로, 그리고 반복적으로 적층되는 수직 적층체가 위치할 수 있다. 예를 들어, 기판(110)상에는 절연막(102)이 적층된 후, 희생막(103)이 적층되고, 희생막(103)이 적층된 후, 절연막(104)가 다시 적층될 수 있다. 일 실시 예에 의하면, 상기 적층 구조체들은 기판의 상부면에 수직한 제1 방향으로 적층됨으로써 연장될 수 있고, 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 서로 이격될 수 있다. 일 실시 예에 의하면, 상기 제1 방향 및 제2 방향은 상기 기판(110)의 상부면과 평행할 수 있다.For example, vertical stacks that are alternately and repeatedly stacked may be positioned on the substrate 110 . For example, after the insulating layer 102 is stacked on the substrate 110 , the sacrificial layer 103 may be stacked, and after the sacrificial layer 103 is stacked, the insulating layer 104 may be stacked again. According to an embodiment, the stacked structures may extend by being stacked in a first direction perpendicular to the upper surface of the substrate, and may be spaced apart from each other in a second direction perpendicular to the first direction. According to an embodiment, the first direction and the second direction may be parallel to the upper surface of the substrate 110 .

일 실시 예에 의하면, 상기 절연막들(102, 104, 106, 108)은 산화물(oxide), 질화물(nitride) 및/또는 산화질화물 등을 포함할 수 있다. 또 다른 실시 예에 의하면, 절연막들은 실리콘 산화물(silicon oxide), 실리콘 질화물(silicon nitride), 또는 실리콘 산화 질화물(silicon oxynitiride) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일 실시 예에 의하면, 절연막들은 SiO2일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.According to an embodiment, the insulating layers 102 , 104 , 106 , and 108 may include oxide, nitride, and/or oxynitride. According to another embodiment, the insulating layers may include at least one of silicon oxide, silicon nitride, or silicon oxynitride. According to an embodiment, the insulating layers may be SiO 2 , but is not limited thereto.

또한, 일 실시 예에 의하면, 상기 희생막들(103, 105, 107, 109)은 산화물 또는 질화물 및/또는 산화질화물 등을 포함할 수 있다. 또 다른 실시 예에 의하면, 희생막들은 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물 또는 다결정 실리콘을 포함할 수 있다. 일 실시 예에 의하면, 희생막들은 SiN일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 일 실시 예에 의하면, 상기 절연막들 및 희생막들은 물리 증착법(PVD), 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition, CVD), 플라즈마 화학 기상 증착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD), 원자층 증착(Atom Layer Deposition, ALD) 중 적어도 하나의 공정에 기초하여 기판상에 증착될 수 있다.In addition, according to an embodiment, the sacrificial layers 103 , 105 , 107 , and 109 may include oxide or nitride and/or oxynitride. According to another embodiment, the sacrificial layers may include silicon nitride, silicon oxynitride, or polycrystalline silicon. According to an embodiment, the sacrificial layers may be SiN, but is not limited thereto. In an embodiment, the insulating layers and the sacrificial layers may be formed by physical vapor deposition (PVD), chemical vapor deposition (CVD), plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD), or atomic layer deposition (Atom Layer). Deposition (ALD) may be deposited on the substrate based on at least one process.

본 개시에 따른 3차원 반도체 장치(1000)는 데이터를 저장하기 위한 메모리 장치에 포함될 수 있다. 예를 들어, 본 개시에 따른 3차원 반도체 장치는 NAND 플래시 메모리, 또는 DRAM 등의 메모리 장치에 포함될 수 있다. 또한, 일 실시 예에 의하면, 본 개시에 따른 3차원 반도체 장치는 2-terminal 구조의 메모리 장치에 사용될 수도 있다. 본 개시에 따른 3차원 반도체 장치(1000)는 영역 선택 증착법(Area Selective Deposition, ASD)을 이용하여 기판 상에 수직으로, 전극을 소정의 선택적 영역에만 증착함으로써 생성되기 때문에, 기존 제조 공정 대비 적은 수의 공정 단계에 의해 제조될 수 있고, 일반적인 수직 구조의 반도체 장치 대비 더 균일한 소자 특성을 나타낼 수 있다.The 3D semiconductor device 1000 according to the present disclosure may be included in a memory device for storing data. For example, the 3D semiconductor device according to the present disclosure may be included in a memory device such as a NAND flash memory or a DRAM. Also, according to an embodiment, the 3D semiconductor device according to the present disclosure may be used in a memory device having a 2-terminal structure. Since the three-dimensional semiconductor device 1000 according to the present disclosure is generated by depositing electrodes in only a predetermined selective area vertically on a substrate using Area Selective Deposition (ASD), a smaller number than the existing manufacturing process It can be manufactured by the process step of , and can exhibit more uniform device characteristics compared to a semiconductor device having a general vertical structure.

본 개시에 따른 3차원 반도체 장치(1000)는 기판(140), 수직 적층체, 제1 게이트 전극(156), 게이트 유전막(142), 수직 활성층(178), 절연 패턴(147), 상기 제1 게이트 전극에 대응되는 영역에 제2 게이트 전극(158)을 형성함으로써 생성되는 워드 라인(158, 181, 182, 183, 184 등)를 포함할 수 있다. 일 실시 예에 의하면 3차원 반도체 장치(1000)는 상기 기판의 상부에서, 게이트 전극을 포함하는 워드 라인(Word Line, W/L, 158, 181, 182, 183, 184 등)과 수직으로 형성되고, 상기 수직 활성층(178)과 연결되는 비트 라인(Bit Line, B/L)을 더 포함할 수 있다.The 3D semiconductor device 1000 according to the present disclosure includes a substrate 140 , a vertical stack, a first gate electrode 156 , a gate dielectric layer 142 , a vertical active layer 178 , an insulating pattern 147 , and the first The word lines 158 , 181 , 182 , 183 , 184 , etc. generated by forming the second gate electrode 158 in a region corresponding to the gate electrode may be included. According to an embodiment, the three-dimensional semiconductor device 1000 is formed on the upper portion of the substrate to be perpendicular to a word line (Word Line, W/L, 158, 181, 182, 183, 184, etc.) including a gate electrode. , may further include a bit line (B/L) connected to the vertical active layer 178 .

본 개시에 따른 3차원 반도체 장치는 소정의 에칭 선택비(etching selectivity)에 따라, 수직 적층체 내 적어도 하나의 오프닝 및 상기 오프닝과 상기 기판 사이에 형성되는 리세스 영역을 형성한 후, 소정의 막 증착(deposition) 공정을 수행함으로써, 상기 리세스 영역을 채우고, 상기 리세스 영역이 채워진 후, 다시 소정의 수직 적층체 내 일부를 에칭함으로써, 미리 설정된 게이트 전극 영역에 금속막을 증착함으로써, 생성될 수 있다. 일 실시 예에 의하면, 에칭 선택비는 SiO2 및 SiN의 에칭 선택비를 포함할 수 있다.A three-dimensional semiconductor device according to the present disclosure forms at least one opening in a vertical stack and a recess region formed between the opening and the substrate according to a predetermined etching selectivity, followed by a predetermined film By performing a deposition process, the recess region is filled, and after the recess region is filled, a portion in a predetermined vertical stack is again etched, thereby depositing a metal film in a preset gate electrode region. there is. According to an embodiment, the etching selectivity may include an etching selectivity of SiO2 and SiN.

본 개시에 따른 3차원 반도체 장치(1000)는 절연막 및 희생막들이 교대로 적층되는 수직 적층체 내 일부를 식각함으로써 형성되는 제1 오프닝(152) 및 상기 제1 오프닝을 포함하고, 상기 기판 내 적어도 일부 영역까지 연장되는 리세스 영역(154)을 포함할 수 있다. 상기 리세스 영역(154)은 일측에 상기 제1 오프닝을 통하여 기판의 상부 방향으로 개방되고, 타측 방향으로는 상기 기판 내 적어도 일부 영역까지 연장되는 공간을 나타낼 수 있다. 일 실시 예에 의하면 리세스 영역(154)은 기판 내 공통 소스 영역을 수직으로 관통함으로써, 상기 리세스 영역의 바닥면은 기판 내 공통 소스 영역의 하부면 보다 낮은 레벨에 위치할 수 있다. The three-dimensional semiconductor device 1000 according to the present disclosure includes a first opening 152 and the first opening formed by etching a part of a vertical stack in which an insulating layer and a sacrificial layer are alternately stacked, and at least in the substrate. It may include a recessed area 154 extending to a partial area. The recess region 154 may represent a space that is opened upwardly of the substrate through the first opening on one side and extends to at least a partial region of the substrate on the other side. According to an embodiment, the recess region 154 vertically penetrates the common source region in the substrate, so that the bottom surface of the recess region may be located at a lower level than the lower surface of the common source region in the substrate.

상기 리세스 영역(154) 내 상기 제1 오프닝(152)의 측벽상 소정의 영역에 제1 게이트 전극(156)이 증착될 수 있다. 일 실시 예에 의하면, 제1 게이트 전극(156)은 도 3에서 후술하는 바와 같이 선택적 영역 증착법(ASD)에 의해, 상기 제1 오프닝의 측벽상, 소정의 희생막들이 노출되는 영역에 대응되는 영역들에 증착될 수 있다. 제1 게이트 전극은, 상기 제1 게이트 전극의 일측에 증착되는 제2 게이트 전극과 함께 소정의 게이트 전압을 형성하고, 상기 형성된 전압에 따라 수직 활성층 내 전자들은 터널링을 통하여 전하 저장막으로 이동시키거나, 전하 저장막 내 전자들을 다시 소스 영역으로 터널링될 수 있다. A first gate electrode 156 may be deposited in a predetermined region on a sidewall of the first opening 152 in the recess region 154 . According to an embodiment, the first gate electrode 156 is formed on a sidewall of the first opening by a selective area deposition method (ASD), as will be described later with reference to FIG. 3 , in a region corresponding to a region to which predetermined sacrificial layers are exposed. can be deposited on The first gate electrode forms a predetermined gate voltage together with the second gate electrode deposited on one side of the first gate electrode, and according to the formed voltage, electrons in the vertical active layer move to the charge storage layer through tunneling or , electrons in the charge storage layer can be tunneled back to the source region.

일 실시 예에 의하면, 제1 게이트 전극 중, 최하부에 형성되는 제1 게이트 전극은 하부면의 전체가 공통 소스 영역과 중첩될 수도 있다. 또한, 제1 게이트 전극은 도전 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 게이트 전극은, 도핑된 반도체, 금속, 전이 금속 또는 도전성 금속 질화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.According to an embodiment, the entire lower surface of the first gate electrode formed at the bottom of the first gate electrodes may overlap the common source region. Also, the first gate electrode may include a conductive material. For example, the first gate electrode may include at least one of a doped semiconductor, a metal, a transition metal, or a conductive metal nitride.

상기 제1 게이트 전극이 형성되는 제1 오프닝의 측벽 상에는 상기 절연막 및 상기 제1 게이트 전극을 따라 소정의 게이트 유전막들이 형성될 수 있다. 일 실시 예에 의하면, 게이트 유전막은 블로킹막(Blocking Oxide), 전하 저장막(Charge trap layer), 터널 유전막(Tunnel layer)를 포함할 수 있다. 게이트 유전막(142)은 증착된 제1 게이트 전극(156) 및 절연막의 일측벽이 형성하는 패턴을 따라, 수직 활성층 및 상기 제1 게이트 전극 및 상기 절연막이 형성하는 일측벽 사이에 형성될 수 있다.The insulating layer and predetermined gate dielectric layers may be formed on a sidewall of the first opening in which the first gate electrode is formed along the first gate electrode. According to an embodiment, the gate dielectric layer may include a blocking layer, a charge trap layer, and a tunnel dielectric layer. The gate dielectric layer 142 may be formed along a pattern formed by the deposited first gate electrode 156 and one sidewall of the insulating layer, between the vertical active layer and one sidewall formed by the first gate electrode and the insulating layer.

일 실시 예에 의하면, 블로킹막(172)은, 터널 유전막 보다 높은 유전상수를 갖는 고유전막(예컨대 산화알루미늄 또는 산화하프늄 등과 같은 금속 산화물 등)을 포함할 수 있다. 이에 더하여 블로킹막은 장벽 유전막을 더 포함할 수도 있다. 장벽 유전막은 블로킹 유전막 내 고유전막 보다 밴드 갭이 더 큰 유전 물질을 포함할 수 있다. 장벽 유전막은 산화물을 더 포함할 수 있고, 고유전막 및 상기 전하 저장막 사이에 형성될 수도 있다.According to an embodiment, the blocking film 172 may include a high-k film (eg, a metal oxide such as aluminum oxide or hafnium oxide) having a higher dielectric constant than that of the tunnel dielectric film. In addition, the blocking layer may further include a barrier dielectric layer. The barrier dielectric layer may include a dielectric material having a larger band gap than the high-k layer in the blocking dielectric layer. The barrier dielectric layer may further include an oxide, and may be formed between the high-k layer and the charge storage layer.

전하 저장막(174)은 전하를 저장할 수 있는 트랩들을 갖는 유전 물질, 예컨대, 질화물 및/또는 금속 산화물 등을 포함할 수 있다. 터널 유전막(176)은 산화물 및/또는 산화 질화물 등을 포함할 수 있다. 터널 유전막(176)은 단일층 또는 다층으로 형성될 수 있다. 터널 유전막은 게이트 전극에 형성된 전압에 의해 수직 활성층의 전자들이 전하 저장막으로 터널링할 수 있도록 터널링 경로를 제공할 수 있다. The charge storage layer 174 may include a dielectric material having traps capable of storing charges, for example, nitride and/or metal oxide. The tunnel dielectric layer 176 may include oxide and/or oxynitride. The tunnel dielectric layer 176 may be formed as a single layer or multiple layers. The tunnel dielectric layer may provide a tunneling path so that electrons of the vertical active layer can tunnel into the charge storage layer by a voltage formed on the gate electrode.

수직 활성층(178)은 공통 소스 영역 및 상기 수직 적층체의 상부면에 형성되는 제2 도전형의 도펀트로 도핑된 드레인(drain) 영역 사이에 라이닝(lining)되고, 전하 저장막으로 터널링되는 전하들을 포함할 수 있다. 절연 패턴(147)은 상기 수직 활성층이 라이닝되는 제1 오프닝의 측벽을 포함하는 리세스 영역을 채울(gap-fill) 수 있다. 일 실시 예에 의하면, 활성 절연 패턴(147)은 절연 목적을 위한 절연 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 절연 패턴(147)은 절연목적으로써 SiO2를 포함할 수 있다. The vertical active layer 178 is lined between a common source region and a drain region doped with a dopant of a second conductivity type formed on the upper surface of the vertical stack, and charges tunneling into the charge storage layer. may include The insulating pattern 147 may gap-fill a recess region including a sidewall of the first opening lined with the vertical active layer. According to an embodiment, the active insulating pattern 147 may include an insulating material for insulating purposes. For example, the insulating pattern 147 may include SiO 2 for insulating purposes.

3차원 반도체 장치는 수직 적층체 내 형성된 제1 오프닝으로부터 기 설정된 거리만큼 이격된 위치에 형성되는 제2 오프닝(162, 164)을 포함할 수 있다. 상기 제2 오프닝은, 상기 수직 적층체 내로 기판을 노출시키는 슬릿 영역을 포함할 수 있다. 제2 오프닝(162, 164)을 통하여 기판의 상부 방향으로 개구되는 슬릿 영역 내에는 제1 게이트 전극에 대응되는 영역들에 형성되는 제2 게이트 전극(158)이 형성될 수 있다. The 3D semiconductor device may include second openings 162 and 164 formed at positions spaced apart from the first opening formed in the vertical stack by a predetermined distance. The second opening may include a slit region exposing the substrate into the vertical stack. A second gate electrode 158 formed in regions corresponding to the first gate electrode may be formed in the slit region opened in the upper direction of the substrate through the second openings 162 and 164 .

또한, 제2 오프닝을 통하여 형성되는 제2 오프닝의 측벽 상에는 제2 게이트 전극(158)외에도 수직 적층체를 구성하는 절연막 및 희생막들이 교대로 노출될 수 있다. 또한, 슬릿 영역 내 제2 게이트 전극은 제1 게이트 전극과 함께 3차원 반도체 장치 내 메모리 셀의 게이트를 형성할 수 있고, 상기 형성된 제2 게이트 전극의 적어도 일부를 식각함으로써 워드 라인이 형성될 수 있다.In addition, insulating layers and sacrificial layers constituting the vertical stack in addition to the second gate electrode 158 may be alternately exposed on a sidewall of the second opening formed through the second opening. In addition, the second gate electrode in the slit region may form a gate of the memory cell in the 3D semiconductor device together with the first gate electrode, and a word line may be formed by etching at least a portion of the formed second gate electrode. .

도 2는 일 실시 예에 따른 일반적인 3차원 반도체 장치의 제조 과정을 설명하기 위한 도면이다.2 is a view for explaining a manufacturing process of a general 3D semiconductor device according to an exemplary embodiment.

S202에서, 기판(202)상에는, 절연막(202) 및 희생막(204)이 교대로 적층될 수 있다. 일 실시 예에 의하면, 절연막 및 희생막들은 미리 설정된 두께(예컨대 100 nm 이하)로 기판(202)상에 적층될 수 있다. S204에서, 기판(202)상 수직 적층체 내 일부 영역을 식각함으로써 홀(Hole)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 홀(Hole)은 기판의 상부 방향으로 개방되는 제1 오프닝 및 상기 제1 오프닝을 포함하는 리세스 영역을 포함할 수 있다.In S202 , an insulating film 202 and a sacrificial film 204 may be alternately laminated on the substrate 202 . According to an embodiment, the insulating layer and the sacrificial layer may be stacked on the substrate 202 to a preset thickness (eg, 100 nm or less). In S204 , a hole may be formed by etching a partial region in the vertical stack on the substrate 202 . For example, the hole may include a first opening that opens in an upper direction of the substrate and a recess region including the first opening.

S206에서, 상기 수직 적층체 내 형성된 제1 오프닝의 측벽에 수직 활성층(208, 210)이 라이닝될 수 있다. 예를 들어, 제1 오프닝의 측벽은 수직 적층체 내 홀의 측벽에 대응될 수 있다. 일 실시 예에 의하면, 상기 수직 활성층은 전하 저장막으로 터널링되는 전하들을 포함하는 채널(Channel)로써, 다결정 실리콘(Poly-Si)으로 증착될 수 있다. S208에서, 제1 오프닝을 포함하는 상기 수직 적층체 내 홀은 절연 패턴으로 채워(gap-fill)질 수 있다. 일 실시 예에 의하면, 상기 절연 패턴은 절연 목적의 SiO2 박막을 포함할 수 있다.In S206 , vertical active layers 208 and 210 may be lined on sidewalls of the first openings formed in the vertical stack. For example, the sidewall of the first opening may correspond to the sidewall of the hole in the vertical stack. According to an embodiment, the vertical active layer is a channel including charges tunneled into the charge storage layer, and may be deposited with poly-Si (Poly-Si). In S208 , a hole in the vertical stack including the first opening may be gap-filled with an insulating pattern. According to an embodiment, the insulating pattern may include an insulating SiO2 thin film.

S210에서, 상기 제1 오프닝으로부터 소정의 간격만큼 이격된 거리에서 수직 적층체 내 적어도 일부 영역을 식각함으로써 슬릿 영역이 형성될 수 있다. 상기 슬릿 영역은 기판의 상부로 형성되는 제2 오프닝을 포함할 수 있다. 예를 들어, S212에서, 상기 형성된 제2 오프닝을 통하여, 상기 슬릿 영역 내 희생막(예컨대, SiN)들이 제거될 수 있다.In S210 , a slit region may be formed by etching at least a partial region in the vertical stack at a distance spaced apart from the first opening by a predetermined distance. The slit region may include a second opening formed in an upper portion of the substrate. For example, in S212 , the sacrificial layers (eg, SiN) in the slit region may be removed through the formed second opening.

S214에서, 희생막들이 제거된 후, 절연막들 사이로 노출되는 수직 활성층(예컨대 Poly-Si)을 산화시킴으로써, 터널 유전막을 형성할 수 있다. 일 실시 예에 의하면, 터널 유전막은 상기 다결정 실리콘(Poly-Si)을 산화시킴으로써 생성되는 터널 산화막(tunnel oxide)을 포함할 수 있다. S216에서, 상기 수직 활성층을 산화시킴으로써 터널 산화막(218)이 생성되면, 상기 슬릿 영역 내 측벽상 절연막 및 터널 산화막에 대응되는 영역에 전하 저장막(Charge Trap Layer, 220)이 증착될 수 있다.In S214 , after the sacrificial layers are removed, a tunnel dielectric layer may be formed by oxidizing the vertical active layer (eg, Poly-Si) exposed between the insulating layers. According to an embodiment, the tunnel dielectric layer may include a tunnel oxide layer generated by oxidizing the poly-Si. In S216 , when the tunnel oxide layer 218 is generated by oxidizing the vertical active layer, a charge trap layer 220 may be deposited in the region corresponding to the insulating layer and the tunnel oxide layer on the sidewall of the slit region.

S218에서, 전하 저장막이 증착된 후, 블로킹막(222)이 증착될 수 있다. 일 실시 예에 의하면, 블로킹막은 실리콘 산화물(silicon oxide), 실리콘 질화물(silicon nitride), 또는 실리콘 산화 질화물(silicon oxynitiride) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. S220에서, 상기 블로킹막이 증착되면, 상기 증착된 블로킹막을 따라 금속막(224)을 증착함으로써 게이트 전극이 형성될 수 있다. S222에서, 상기 형성된 게이트 전극 중 과 증착된 금속막을 식각함으로써, 워드 라인(W/L)이 형성될 수 있다.In S218 , after the charge storage layer is deposited, the blocking layer 222 may be deposited. According to an embodiment, the blocking layer may include at least one of silicon oxide, silicon nitride, or silicon oxynitride. In S220 , when the blocking layer is deposited, a gate electrode may be formed by depositing a metal layer 224 along the deposited blocking layer. In S222 , the word line W/L may be formed by etching the over-deposited metal layer among the formed gate electrodes.

도 2를 참조하여 상술된 일반적인 3차원 반도체 장치의 제조 방법은 수직 적층체 내 적층 단수가 증가하는 문제점, 상기 제2 오프닝의 입구 크기(Opening size) 대비 깊이 (depth)의 비율(aspect ratio)이 커짐으로써 공정 난이도가 증가하는 문제점, 제2 오프닝의 입구로부터 상기 슬릿 영역 내 노출되는 기판 상부까지 식각이 균일하게 되지 않는 문제점, 슬릿 영역 내 제2 오프닝 입구로부터 상기 슬릿 영역 내 기판 상부까지 식각이 균일하게 수행되지 않음으로써 상기 슬릿 영역 내 메모리 셀의 높이 차이로 인한 소자 특성 균일도가 저하되는 문제점이 있었다. The general method of manufacturing a 3D semiconductor device described above with reference to FIG. 2 has a problem in that the number of stacking stages in the vertical stack increases, and the aspect ratio of the depth to the opening size of the second opening is low. A problem in that the difficulty of the process increases by increasing the size, a problem in that the etching is not uniform from the entrance of the second opening to the upper portion of the substrate exposed in the slit region, and the etching is uniform from the entrance of the second opening in the slit region to the upper part of the substrate in the slit region In this case, there is a problem in that the device characteristic uniformity is deteriorated due to the height difference of the memory cells in the slit region.

또한, 상술한 일반적인 3차원 반도체 장치의 제조 방법은 슬릿 영역 내 증착된 금속막을 일부 식각함에 있어서, 먼저 증착된 블로킹막이 손상되는 문제점 및 상기 슬릿 영역 내 금속막을 증착함으로써 게이트 전극을 형성함에 있어 사용되는 화합물로 인한 블로킹막이 손상되는 문제점으로 인하여, 메모리 장치의 소자 특성이 열화 되는 한계가 있었다.In addition, in the above-described general method of manufacturing a three-dimensional semiconductor device, in partially etching the metal film deposited in the slit region, the previously deposited blocking film is damaged, and by depositing the metal film in the slit region to form a gate electrode. Due to the problem in that the blocking film is damaged due to the compound, there is a limit in that device characteristics of the memory device are deteriorated.

따라서, 일반적인 3차원 수직 구조의 반도체 장치를 제조함에 있어 발생하는 상술한 문제점 및 한계들을 극복하기 위한 새로운 3차원 반도체 제조 기술 개발이 요구되고 있다. 이하에서는 도 3을 참조하여 본 개시에 따른, 선택적 영역 증착법을 이용하여 소자 특성이 균일한 3차원 반도체 장치를 제조하는 방법을 구체적으로 설명하기로 한다.Accordingly, there is a demand for development of a new 3D semiconductor manufacturing technology to overcome the above-mentioned problems and limitations that occur in manufacturing a semiconductor device having a general 3D vertical structure. Hereinafter, a method of manufacturing a 3D semiconductor device having uniform device characteristics using a selective region deposition method according to the present disclosure will be described in detail with reference to FIG. 3 .

도 3은 본 개시의 일 실시 예에 따른 3차원 반도체 장치의 제조 과정을 설명하기 위한 도면이다.3 is a view for explaining a manufacturing process of a 3D semiconductor device according to an embodiment of the present disclosure.

S302에서, 기판(302)상에는, 절연막(302) 및 희생막(304)이 교대로 적층될 수 있다. 일 실시 예에 의하면, 상기 교대로 적층되는 절연막 및 희생막들은 기판 상부면에 수직한 제1 방향으로, 100 nm이하의 두께로 연장될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 일 실시 예에 의하면, 본 개시에 따른 수직 적층체는, 기판을 기준으로 기판상의 상부면에 수직한 제1 방향으로 연장되고, 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 서로 이격될 수 있다. In S302 , an insulating film 302 and a sacrificial film 304 may be alternately laminated on the substrate 302 . According to an embodiment, the alternately stacked insulating and sacrificial layers may extend in a first direction perpendicular to the upper surface of the substrate to a thickness of 100 nm or less, but is not limited thereto. In addition, according to an embodiment, the vertical laminate according to the present disclosure may extend in a first direction perpendicular to the upper surface of the substrate with respect to the substrate and may be spaced apart from each other in a second direction perpendicular to the first direction. there is.

S304에서, 상기 기판상 수직 적층체 내 일부 영역을 식각함으로써 홀(Hole)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 홀은 제1 오프닝 및 상기 제1 오프닝을 포함하여 상기 기판 상으로 연장되는 리세스 영역을 포함할 수 있다. 일 실시 예에 의하면 상기 리세스 영역은 상기 기판 내 적어도 일부 영역까지 연장될 수 있다. 또한, 일 실시 예에 의하면, 기판은 제1 도전형의 웰 영역 및 제2 도전형의 공통 소스 영역을 포함하고, 리세스 영역은 공통 소스 영역을 관통하여 웰 영역으로 연장될 수 있다.In S304 , a hole may be formed by etching a partial region in the vertical stack on the substrate. For example, the hole may include a first opening and a recess region extending onto the substrate including the first opening. According to an embodiment, the recess region may extend to at least a partial region of the substrate. Also, according to an embodiment, the substrate may include a well region of a first conductivity type and a common source region of a second conductivity type, and the recess region may extend through the common source region to the well region.

S306에서, 상기 수직 적층체 내 제1 오프닝의 측벽 상 일부에 제1 게이트 전극(308)을 형성할 수 있다. 일 실시 예에 의하면, 상기 제1 오프닝의 측벽은 상기 리세스 영역이 정의 하는 공간상 측벽에 대응될 수 있다. 보다 상세하게는, 수직 적층체를 식각함으로써 형성되는 제1 오프닝의 측벽에는 교대로 적층되는 절연막 및 희생막이 노출될 수 있고, 상기 노출된 희생막에 대응되는 영역들에 선택적으로 제1 게이트 전극이 형성될 수 있다. 일 실시 예에 의하면, 상기 희생막이 SiN으로 마련되는 경우, 홀의 측벽상 노출되는 SiN에 대응되는 영역에 제1 금속막이 증착됨으로써 제1 게이트 전극이 형성될 수 있다. In S306 , a first gate electrode 308 may be formed on a portion of a sidewall of the first opening in the vertical stack. According to an embodiment, the sidewall of the first opening may correspond to the sidewall in a space defined by the recess region. In more detail, an insulating layer and a sacrificial layer that are alternately stacked may be exposed on the sidewall of the first opening formed by etching the vertical stack, and a first gate electrode is selectively disposed in regions corresponding to the exposed sacrificial layer. can be formed. According to an embodiment, when the sacrificial layer is made of SiN, the first gate electrode may be formed by depositing a first metal layer in a region corresponding to SiN exposed on the sidewall of the hole.

보다 상세하게는, 상기 제1 오프닝의 측벽 상에는 절연막 및 희생막이 노출되고, 상기 절연막 및 상기 희생막에 대하여 상기 제1 금속막이 증착되는 속도는 달라질 수 있다. 예를 들어, 제1 금속막은 상기 제1 오프닝의 측벽 상 절연막 및 희생막에 대한 증착 속도 차이에 기초하여 상기 희생막 상에 더 빠른 속도로 증착될 수 있다. 제1 금속막이 증착된 후, 상기 절연막 및 희생막 상에 증착된 제1 금속막의 일부를 식각할 수 있다. 일 실시 예에 의하면, 상기 제1 오프닝의 측벽 상 절연막 및 희생막 상에 증착된 제1 금속막은 동일한 정도로 식각될 수 있다. 제1 금속막은 상기 희생막 상에 더 빠른 속도로 증착될 수 있으므로, 동일한 정도로 희생막 및 절연막 상 증착된 제1 금속막을 식각(Etching) 하면, 희생막 상에는 더 많은 제1 금속막이 남아 있을 수 있다.In more detail, an insulating layer and a sacrificial layer are exposed on a sidewall of the first opening, and a deposition rate of the first metal layer with respect to the insulating layer and the sacrificial layer may vary. For example, the first metal layer may be deposited on the sacrificial layer at a higher rate based on a difference in deposition rates for the insulating layer and the sacrificial layer on the sidewall of the first opening. After the first metal layer is deposited, a portion of the first metal layer deposited on the insulating layer and the sacrificial layer may be etched. In an embodiment, the insulating layer on the sidewall of the first opening and the first metal layer deposited on the sacrificial layer may be etched to the same degree. Since the first metal layer may be deposited on the sacrificial layer at a higher rate, when the first metal layer deposited on the sacrificial layer and the insulating layer is etched to the same extent, more first metal layers may remain on the sacrificial layer. .

또한, 일 실시 예에 의하면, 상기 희생막 및 절연막 상 서로 다른 속도로 제1 금속막을 증착한 후, 식각하는 공정은 반복될 수 있고, 상기 공정이 반복됨으로써, 선택적 영역인 상기 희생막 상에만 제1 금속막이 증착될 수 있다. 따라서, 상술한 과정에 따라 상기 수직 적층체 내 제1 오프닝의 측벽 상 희생막 영역에는 선택적으로 제1 금속막이 증착될 수 있다.In addition, according to an embodiment, after depositing the first metal layer on the sacrificial layer and the insulating layer at different rates, the etching process may be repeated, and by repeating the process, the first metal layer is deposited only on the sacrificial layer, which is a selective region. 1 A metal film may be deposited. Accordingly, according to the above-described process, a first metal layer may be selectively deposited on the sacrificial layer region on the sidewall of the first opening in the vertical stack.

본 개시의 또 다른 실시 예에 의하면, 제1 오프닝의 측벽 상 증착 활성막을 형성한 후, 증착 활성막 영역만이 노출되도록 하는 가이드 패턴을 이용하여, 제1 오프닝의 측벽 상 선택적 영역에 제1 금속막을 선택적으로 증착할 수도 있다.According to another embodiment of the present disclosure, after an active deposition film is formed on the sidewall of the first opening, the first metal is formed in a selective region on the sidewall of the first opening by using a guide pattern for exposing only the deposition active film region. Films may be selectively deposited.

도 6 내지 7을 참조하여, 제1 오프닝의 측벽 상 일부 영역에 선택적으로 제1 게이트 전극을 증착하기 위한 선택적 영역 증착법(Area Selective Deposition, ASD)에 대하여 보다 구체적으로 설명하기로 한다.An area selective deposition (ASD) method for selectively depositing a first gate electrode on a partial region on a sidewall of the first opening will be described in more detail with reference to FIGS. 6 to 7 .

S308에서, 상기 제1 오프닝의 측벽 상 형성된 제1 게이트 전극 및 상기 제1 오프닝의 측벽 상 노출되는 절연막에 대응되는 영역에 블로킹막(310)이 형성될 수 있다. S310에서, 상기 블로킹막이 형성된 후, 상기 블로킹 막을 따라, 전하 저장막(312)이 형성될 수 있다. S312에서, 상기 전하 저장막을 따라 수직 활성층으로부터 전하 저장막으로 전하가 터널링하기 위한 경로를 제공하는 터널 유전막(314)이 형성될 수 있다. 일 실시 예에 의하면, 상기 형성되는 블로킹막, 전하 저장막 및 터널 유전막은 게이트 유전막에 포함될 수 있다.In S308 , a blocking layer 310 may be formed in a region corresponding to the first gate electrode formed on the sidewall of the first opening and the insulating layer exposed on the sidewall of the first opening. In S310 , after the blocking layer is formed, a charge storage layer 312 may be formed along the blocking layer. In S312 , a tunnel dielectric layer 314 providing a path for charges to tunnel from the vertical active layer to the charge storage layer may be formed along the charge storage layer. According to an embodiment, the formed blocking layer, the charge storage layer, and the tunnel dielectric layer may be included in the gate dielectric layer.

S314에서, 상기 터널 유전막 또는 게이트 유전막의 최외각 박막을 따라 수직 활성층(316)이 라이닝될 수 있다. 상기 수직 활성층은 상기 전하 저장막으로 터널링되는 전하를 포함하는 채널에 대응될 수 있다. 일 실시 예에 의하면, 수직 활성층은 형성된 터널 유전막의 패턴을 따라 라이닝될 수 있고, 결과적으로 터널 유전막의 패턴과 상기 수직 활성층의 패턴은 대응될 수 있다. S316에서, 상기 수직 활성층이 라이닝된 제1 오프닝의 측벽을 포함하는 리세스 영역이 절연 패턴(318)으로 채워질 수 있다. 일 실시 예에 의하면, 상기 절연 패턴은 절연 목적을 위한 SiO2 박막으로 마련될 수 있다.In S314 , the vertical active layer 316 may be lined along the outermost thin film of the tunnel dielectric layer or the gate dielectric layer. The vertical active layer may correspond to a channel including charges tunneling into the charge storage layer. According to an embodiment, the vertical active layer may be lined along the pattern of the formed tunnel dielectric layer, and as a result, the pattern of the tunnel dielectric layer and the pattern of the vertical active layer may correspond. In S316 , a recess region including a sidewall of the first opening lined with the vertical active layer may be filled with an insulating pattern 318 . According to an embodiment, the insulating pattern may be provided as a SiO 2 thin film for insulating purposes.

일 실시 예에 의하면, 수직 활성층은 상기 수직 적층체 내 형성된 리세스 영역의 측벽과 접촉되고, 상기 수직 활성층의 상부에서 상기 제2 방향으로 연장되고, 상기 수직 적층체와 교차하는 비트라인과 연결될 수 있다. 또한, 상기 수직 활성층의 하부에서 상기 수직 활성층은 공통 소스 영역 내 형성된 상기 리세스 영역 내로 연장됨으로써, 기판 내 웰 영역과 연결될 수도 있다.According to an embodiment, the vertical active layer may be in contact with a sidewall of a recess region formed in the vertical stack, extend from an upper portion of the vertical active layer in the second direction, and may be connected to a bit line crossing the vertical stack. there is. In addition, the vertical active layer may be connected to the well region in the substrate by extending into the recess region formed in the common source region under the vertical active layer.

S318에서, 리세스 영역 내 절연 패턴이 채워진 후, 상기 제1 오프닝으로부터 소정의 간격만큼 이격된 거리에서 수직 적층체 내 적어도 일부 영역을 식각함으로써 슬릿 영역이 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 슬릿 영역은 기판의 상부로 형성되는 제2 오프닝을 포함할 수 있다. 일 실시 예에 의하면, 상기 제2 오프닝은 슬릿 형태로 형성되고, 상기 수직 적층체 내 기판을 향하는 방향으로 연장될 수 있다.In S318 , after the insulating pattern in the recess region is filled, a slit region may be formed by etching at least a partial region in the vertical stack at a distance spaced apart from the first opening by a predetermined distance. For example, the slit region may include a second opening formed over the substrate. According to an embodiment, the second opening may be formed in a slit shape and may extend in a direction toward the substrate in the vertical stack.

S320에서, 상기 형성된 제2 오프닝을 통하여, 상기 슬릿 영역 내에 노출되는 희생막들(324)이 제거될 수 있다. 예를 들어, 상기 슬릿 영역 내 노출되는 희생막들이 제거될 경우, 상기 리세스 영역 내 선택적 영역 증착법에 의해 증착된 제1 게이트 전극의 타측이 노출될 수 있다. S322에서, 상기 슬릿 영역 내 희생막들이 제거된 후, 노출된 제1 게이트 전극의 타측 영역 및 상기 제2 오프닝의 측벽 상 노출되는 절연막에 대응되는 영역에 제2 게이트 전극(326)을 형성할 수 있다. 보다 상세하게는, 상기 슬릿 영역 내 희생막들이 제거된 후 노출된 제1 게이트 전극의 타측 영역 및 상기 제2 오프닝의 측벽 상 노출되는 절연막에 대응되는 영역에 제2 금속막을 증착함으로써, 제2 게이트 전극이 형성될 수 있다. S324에서, 상기 형성된 제2 게이트 전극 중, 과량으로 증착된 제2 게이트 전극의 일부를 식각(etching)함으로써, 게이트 전극을 포함하는 워드 라인(W/L)이 형성될 수 있다.In S320 , the sacrificial layers 324 exposed in the slit region may be removed through the formed second opening. For example, when the sacrificial layers exposed in the slit region are removed, the other side of the first gate electrode deposited by the selective region deposition method in the recess region may be exposed. In S322 , after the sacrificial layers in the slit region are removed, the second gate electrode 326 may be formed in the exposed region corresponding to the other side region of the first gate electrode and the insulating layer exposed on the sidewall of the second opening. there is. In more detail, by depositing a second metal layer in the region corresponding to the insulating layer exposed on the sidewall of the second opening and the other side of the first gate electrode exposed after the sacrificial layers in the slit region are removed, the second gate An electrode may be formed. In S324 , a portion of the second gate electrode that is excessively deposited among the formed second gate electrodes is etched to form a word line W/L including the gate electrode.

일 실시 예에 의하면, 제1 금속막 및 제2 금속막은 텅스텐, 텅스텐 질화막(WN), 텅스텐 탄화막, 티타늄, 탄탈륨, 알루미늄 또는 하프늄 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 일 실시 예에 의하면, 상기 제1 금속막 및 상기 제2 금속막은 동일한 금속일 수 있으나, 또 다른 실시 예에 의하면, 제1 금속막 및 제 2금속막은 서로 다른 금속으로 마련될 수도 있다.According to an embodiment, the first metal layer and the second metal layer may include at least one of tungsten, a tungsten nitride layer (WN), a tungsten carbide layer, titanium, tantalum, aluminum, or hafnium. Also, according to an embodiment, the first metal layer and the second metal layer may be made of the same metal, but according to another embodiment, the first metal layer and the second metal layer may be made of different metals.

본 개시에 따른 3차원 반도체 장치를 제조하는 방법은 S212 내지 S214에서 도시된 일반적인 수직 수조의 3차원 반도체 장치를 제조하는 방법이 SiN 제거 이후, 홀 내 형성된 측벽이 모두 동일한 물질로 형성되는 것과는 달리, S304에서 도시된 바와 같이, 제1 오프닝의 측벽 내 희생막 및 절연막이 서로 다른 물질로 구성됨으로써, 영역 선택 증착법을 이용하여 게이트 전극막을 증착할 수 있는 장점을 가질 수 있다.The method for manufacturing a 3D semiconductor device according to the present disclosure is different from the general method of manufacturing a 3D semiconductor device of a vertical tank shown in S212 to S214, in which the sidewalls formed in the hole are all formed of the same material after SiN is removed, As shown in S304 , since the sacrificial layer and the insulating layer in the sidewall of the first opening are made of different materials, it is possible to deposit the gate electrode layer using the region selective deposition method.

즉, 본 개시에 따른 3차원 반도체 장치를 제조 하는 방법은, 일반적인 3차원 반도체 장치를 제조 하는 방법이 게이트 전극을 증착하거나 식각함에 있어, 먼저 증착된 블로킹막, 전하 저장막, 터널 유전막 및 수직 활성층의 일부의 손상에 따른 소자 열화 특성을 나타내는 것과는 달리, 게이트 전극을 형성하기 위한 금속막을 먼저 증착함으로써, 기존 공정 대비 다른 층(예컨대, 블로킹막, 전하 저장막, 터널 유전막)의 손상으로 인한 소자 열화가 적은 장점을 가질 수 있다.That is, in the method of manufacturing a three-dimensional semiconductor device according to the present disclosure, a blocking film, a charge storage film, a tunnel dielectric film and a vertical active layer deposited first in depositing or etching a gate electrode in a general method of manufacturing a three-dimensional semiconductor device In contrast to exhibiting device degradation characteristics due to damage to a portion of may have fewer advantages.

또한, 본 개시에 따른 3차원 반도체 장치를 제조 하는 방법은, 슬릿 영역의 입구 크기 대비 슬릿 영역의 깊이의 비율인 Aspect Ratio가 커짐으로써, 슬릿 영역 내 기판 상부까지 식각이 균일하게 이루어지지 않더라도, 이는 게이트 전극막 자체의 높이 차이를 가져올 뿐이므로, 다른 층의 손상 또는 높이 차이로 인한 반도체 소자의 특성에 큰 영향을 미치지 않는 장점을 가질 수 있다. In addition, in the method of manufacturing a 3D semiconductor device according to the present disclosure, since the aspect ratio, which is the ratio of the depth of the slit region to the entrance size of the slit region, increases, even if the etching is not uniformly performed to the upper part of the substrate in the slit region, it is Since it only brings about a height difference between the gate electrode layer itself, it may have an advantage that it does not significantly affect the characteristics of the semiconductor device due to damage to other layers or a height difference.

또한, 본 개시에 따른 3차원 반도체 장치를 제조하는 방법은 S214단계에서 수직 활성층을 산화시킴으로써 터널 유전막을 형성하는 것이 아니라, S312단계에서와 같이, 증착(deposition)에 의해 터널 유전막을 형성하기 때문에, SiO2 또는 nitridation-SiO2에 국한되지 않는 장점이 있다. 또한, 본 개시에 따른 3차원 반도체 장치를 제조 하는 방법의 경우, 수직 활성층(예컨대 채널)이 제1 게이트 전극, 블로킹막, 전하 저장막 및 터널 유전막이 형성된 후 형성될 수 있기 때문에, 후속 공정에 의해 열화가 되기 쉬운 산화물 반도체, 전이금속 칼코게나이드(transition metal dichalcogenides, TMDCs) 계열을 활용할 수 있는 장점이 있다.In addition, the method of manufacturing a three-dimensional semiconductor device according to the present disclosure does not form a tunnel dielectric film by oxidizing the vertical active layer in step S214, but forms a tunnel dielectric film by deposition as in step S312, There is an advantage that is not limited to SiO2 or nitridation-SiO2. In addition, in the case of the method of manufacturing a three-dimensional semiconductor device according to the present disclosure, since the vertical active layer (eg, a channel) may be formed after the first gate electrode, the blocking film, the charge storage film, and the tunnel dielectric film are formed, the subsequent process There is an advantage in that it can utilize oxide semiconductors that are easily degraded by heat, transition metal dichalcogenides (TMDCs) series.

또한, 일 실시 예에 의하면, 본 개시에 따른 3차원 반도체 장치를 제조하는 방법은, 기존의 일반적인 3차원 반도체 장치를 제조하는 방법이 단일 종류의 금속막을 이용하여 게이트 전극을 형성함으로써 워드 라인을 형성했던 것과는 달리, 제1 게이트 전극 형성 이후, 슬릿 영역을 통하여 제2 게이트 전극을 형성함으로써 워드 라인을 형성할 수 있다. 따라서, 본 개시에 따른 3차원 반도체 장치를 제조하는 방법은 다중 물질의 적층 구조를 활용하여 워드 라인을 형성할 수 있는 장점이 있다. In addition, according to an embodiment, in the method of manufacturing a 3D semiconductor device according to the present disclosure, a word line is formed by forming a gate electrode using a single type of metal film in the conventional method of manufacturing a 3D semiconductor device. Unlike the above, after forming the first gate electrode, the word line may be formed by forming the second gate electrode through the slit region. Accordingly, the method of manufacturing a 3D semiconductor device according to the present disclosure has an advantage in that a word line can be formed by using a multi-material stacked structure.

본 개시에 따른 3차원 반도체 장치를 제조하는 방법은 기존의 수직 구조 낸드(NAND) 플래시 메모리 소자 등과 같은 2-terminal 구조 반도체 소자의 수직 구조 제조 공정에 사용될 수 있다. 그러나, 또 다른 실시 예에 의하면, 본 개시에 따른 3차원 반도체 장치를 제조하는 방법은 DRAM 등 3-terminal 구조 반도체 소자의 수직 구조 제조 공정에도 사용될 수도 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 기타 반도체 소자의 수직 구조 제조 공정에도 사용될 수 있음은 물론이다.The method of manufacturing a 3D semiconductor device according to the present disclosure may be used in a vertical structure manufacturing process of a two-terminal structure semiconductor device, such as a conventional vertical NAND flash memory device. However, according to another embodiment, the method of manufacturing a 3D semiconductor device according to the present disclosure may be used in a vertical structure manufacturing process of a 3-terminal structure semiconductor device such as DRAM, but is not limited thereto. Of course, it can also be used in a vertical structure manufacturing process.

도 4는 일 실시 예에 따른 3차원 반도체 장치의 제조 방법의 흐름도이다.4 is a flowchart of a method of manufacturing a 3D semiconductor device according to an exemplary embodiment.

일 실시 예에 의하면, 도면에는 도시 되지 않았으나, 본 개시에 따른 3차원 반도체 장치는 반도체 장치를 제조하는 시스템에 의해 생성될 수 있다. 일 실시 예에 의하면, 반도체 장치를 제조하는 시스템은 적어도 하나의 인스트럭션을 저장하는 메모리 및 상기 메모리에 저장된 인스트럭션을 실행함으로써 3차원 반도체 장치를 제조하는 방법을 실행하는 적어도 하나의 프로세서를 포함할 수 있다. 일 실시 예에 의하면, 반도체 장치를 제조하는 시스템은, 기판 상에 절연막 및 희생막들을 교대로 적층하는 적층부, 상기 적층부가 생성한 수직 적층체 내 일부를 식각함으로써 슬릿 영역 또는 리세스 영역을 형성하는 에칭부. 상기 리세스 영역 내 선택적으로 금속막을 증착하거나, 상기 증착된 금속막을 따라 게이트 유전막을 증착하기 위한 증착부, 상기 게이트 유전막이 증착된 라인을 따라 소정의 수직 활성층을 라이닝 하기 위한 라이닝부, 상기 수직 활성층이 라이닝된 리세스 영역을 절연 패턴으로 채우기 위한 필링부를 더 포함할 수 있다.According to an embodiment, although not shown in the drawings, the 3D semiconductor device according to the present disclosure may be generated by a system for manufacturing a semiconductor device. According to an embodiment, a system for manufacturing a semiconductor device may include a memory storing at least one instruction and at least one processor executing a method of manufacturing a 3D semiconductor device by executing the instructions stored in the memory. . According to an embodiment, a system for manufacturing a semiconductor device forms a slit region or a recess region by etching a part of a stacked part in which an insulating layer and a sacrificial layer are alternately stacked on a substrate, and a part of a vertical stack generated by the stacked part. etching part. A deposition portion for selectively depositing a metal film in the recess region or depositing a gate dielectric film along the deposited metal film, a lining portion for lining a predetermined vertical active layer along a line on which the gate dielectric film is deposited, the vertical active layer A filling part for filling the lined recess region with an insulating pattern may be further included.

S410에서, 반도체 장치를 제조하는 시스템은 기판 상에 교대로 적층되는 복수개의 절연막들 및 복수개의 희생막들을 포함하는 수직 적층체를 형성할 수 있다. 일 실시 예에 의하면, 반도체 장치를 제조하는 시스템은 기판 상에 절연막 및 희생막들을 100 nm 이하의 두께로 기판 상부면에 수직하는 제1 방향으로 적층할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In S410 , the system for manufacturing a semiconductor device may form a vertical stack including a plurality of insulating layers and a plurality of sacrificial layers that are alternately stacked on a substrate. According to an embodiment, a system for manufacturing a semiconductor device may stack an insulating layer and a sacrificial layer on a substrate to a thickness of 100 nm or less in a first direction perpendicular to the upper surface of the substrate, but is not limited thereto.

S420에서, 반도체 장치를 제조하는 시스템은, 수직 적층체를 식각함으로써 상기 수직 적층체 내 제1 오프닝 및 상기 기판 내 리세스 영역을 생성할 수 있다. S430에서, 반도체 장치를 제조하는 시스템은, 제1 오프닝의 측벽 상 일부에 제1 게이트 전극을 형성할 수 있다. 예를 들어, 반도체 장치를 제조하는 시스템은, 영역 선택적 증착법(ASD)을 이용하여 제1 오프닝의 측벽 상 노출되는 희생막에 대응되는 영역에 제1 금속막을 증착함으로써 제1 게이트 전극을 형성할 수 있다.In S420 , the system for manufacturing a semiconductor device may create a first opening in the vertical stack and a recess region in the substrate by etching the vertical stack. In S430 , the system for manufacturing the semiconductor device may form a first gate electrode on a portion of a sidewall of the first opening. For example, in a system for manufacturing a semiconductor device, the first gate electrode may be formed by depositing a first metal layer in a region corresponding to the sacrificial layer exposed on the sidewall of the first opening using an area selective deposition method (ASD). there is.

S470에서, 반도체 장치를 제조하는 시스템은, 수직 적층체를 식각함으로써 상기 수직 적층체 내 상기 기판을 노출시키는 제2 오프닝을 형성할 수 있다. 예를 들어, 반도체 장치를 제조하는 시스템은, 상기 제1 오프닝으로부터 소정의 거리만큼 이격된 거리에서 수직 적층체 내 적어도 일부를 식각함으로써, 기판 상부면이 노출되는 제2 오프닝을 형성할 수 있다. In S470 , the system for manufacturing a semiconductor device may form a second opening exposing the substrate in the vertical stack by etching the vertical stack. For example, in a system for manufacturing a semiconductor device, the second opening through which the upper surface of the substrate is exposed may be formed by etching at least a portion of the vertical stack at a distance spaced apart from the first opening by a predetermined distance.

S480에서, 반도체 장치를 제조하는 시스템은 제2 오프닝의 측벽 상 상기 제1 게이트 전극에 대응되는 영역에 제2 게이트 전극을 형성함으로써 워드 라인을 형성할 수 있다. 예를 들어, 반도체 장치를 제조하는 시스템은 제2 오프닝의 측벽 상 노출되는 제1 게이트 전극에 대응되는 영역에 제2 금속막을 증착함으로써 제2 게이트 전극을 형성할 수 있다. 반도체 장치를 제조하는 시스템은, 형성된 제2 게이트 전극 중 과 증착된 제2 금속막 일부를 식각함으로써 워드 라인(W/L)을 형성할 수 있다.In S480 , the system for manufacturing a semiconductor device may form a word line by forming a second gate electrode in a region corresponding to the first gate electrode on a sidewall of the second opening. For example, in a system for manufacturing a semiconductor device, the second gate electrode may be formed by depositing a second metal layer in a region corresponding to the first gate electrode exposed on the sidewall of the second opening. In a system for manufacturing a semiconductor device, the word line W/L may be formed by etching a portion of the deposited second metal layer from among the formed second gate electrodes.

도 5는 또 다른 실시 예에 따른 3차원 반도체 장치의 제조 방법의 흐름도이다.5 is a flowchart of a method of manufacturing a 3D semiconductor device according to another exemplary embodiment.

도 5를 참조하여, 반도체 장치를 제조하는 시스템이, 수직 적층체 내 형성된 리세스 영역을 채우는 과정을 보다 상세하게 설명하기로 한다.Referring to FIG. 5 , a process in which a system for manufacturing a semiconductor device fills a recess region formed in a vertical stack will be described in more detail.

S440에서, 반도체 장치를 제조하는 시스템은 제1 게이트 전극이 형성된 제1 오프닝의 측벽 상 절연막 및 상기 제1 게이트 전극에 대응되는 영역들에 게이트 유전막을 형성할 수 있다. 보다 상세하게는, 반도체 장치를 제조하는 시스템은, 제1 오프닝의 측벽 상 절연막 및 증착된 제1 게이트 전극에 대응되는 영역들에 블로킹막(Blocking Oxide)을 형성하고, 상기 형성된 블로킹막을 따라 전하 저장막(Charge trap layer)을 형성하며, 상기 형성된 전하 저장막을 따라 터널 유전막(Tunnel Oxide)을 형성함으로써 상기 게이트 유전막을 형성할 수 있다. 일 실시 예에 의하면, 본 개시에 따른 게이트 유전막은, 블로킹막, 전하 저장막 및 터널 유전막을 포함할 수 있다.In S440 , the system for manufacturing the semiconductor device may form an insulating layer on a sidewall of the first opening in which the first gate electrode is formed and a gate dielectric layer in regions corresponding to the first gate electrode. More specifically, in a system for manufacturing a semiconductor device, a blocking film is formed in regions corresponding to the deposited first gate electrode and an insulating film on a sidewall of a first opening, and charges are stored along the formed blocking film. The gate dielectric layer may be formed by forming a charge trap layer and forming a tunnel oxide layer along the formed charge storage layer. According to an embodiment, the gate dielectric layer according to the present disclosure may include a blocking layer, a charge storage layer, and a tunnel dielectric layer.

S450에서, 반도체 장치를 제조하는 시스템은, 게이트 유전막이 형성된 후, 게이트 유전막을 따라 수직활성층을 라이닝할 수 있다. 예를 들어, 반도체 장치를 제조하는 시스템은 블로킹막, 전하 저장막 및 터널 유전막을 형성한 후, 터널 유전막을 통하여 터널링 할 전하를 포함하는 수직 활성층을, 터널 유전막의 측벽에 증착할 수 있다. S460에서, 반도체 장치를 제조하는 시스템은, 수직 활성층이 라이닝된 제1 오프닝의 측벽을 포함하는 리세스 영역을 절연 패턴으로 채울 수 있다.In S450 , the system for manufacturing the semiconductor device may line the vertical active layer along the gate dielectric layer after the gate dielectric layer is formed. For example, in a system for manufacturing a semiconductor device, after forming the blocking layer, the charge storage layer, and the tunnel dielectric layer, a vertical active layer including charges to be tunneled through the tunnel dielectric layer may be deposited on the sidewall of the tunnel dielectric layer. In S460 , the system for manufacturing the semiconductor device may fill the recess region including the sidewall of the first opening lined with the vertical active layer with an insulating pattern.

도 6은 일 실시 예에 따라, 영역 선택 증착법에 따라 제1 게이트 전극을 형성하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.FIG. 6 is a view for explaining a process of forming a first gate electrode according to an area selective deposition method, according to an exemplary embodiment.

도 6을 참조하여 본원 3차원 반도체 장치 내 제1 오프닝의 측벽 상 선택적 영역에 제1 게이트 전극을 선택적으로 증착하는 과정을 구체적으로 설명하기로 한다. 본 개시에 따른 반도체 장치를 제조하는 시스템은 영역 선택 증착법(ASD)를 이용하여 제1 오프닝의 측벽 상 노출되는 희생막에 대응되는 영역에 제1 금속막을 선택적으로 증착함으로써 제1 게이트 전극을 형성할 수 있다.A process of selectively depositing the first gate electrode on the sidewall of the first opening in the 3D semiconductor device of the present application will be described in detail with reference to FIG. 6 . In a system for manufacturing a semiconductor device according to the present disclosure, a first gate electrode is formed by selectively depositing a first metal film in a region corresponding to a sacrificial film exposed on a sidewall of a first opening using an area selective deposition method (ASD). can

예를 들어, S620에서, 반도체 장치를 제조하는 시스템은 제1 오프닝의 측벽 상에 노출되는 절연막 및 희생막에 대한 증착 속도 차이에 기초하여, 제1 금속막을 증착할 수 있다. 일 실시 예에 의하면, 반도체 장치를 제조하는 시스템은, 제1 오프닝의 측벽 상에 노출되는 절연막 및 희생막 상에 서로 다른 속도로 제1 금속막을 증착할 수 있다. 일 실시 예에 의하면, 상기 제1 금속막은, 절연막보다 상대적으로 더 빠른 속도로 희생막 상에 증착될 수 있다.For example, in S620 , the system for manufacturing the semiconductor device may deposit the first metal layer based on a difference in deposition rates for the insulating layer and the sacrificial layer exposed on the sidewall of the first opening. According to an embodiment, a system for manufacturing a semiconductor device may deposit the first metal layer at different rates on the insulating layer and the sacrificial layer exposed on the sidewall of the first opening. According to an embodiment, the first metal layer may be deposited on the sacrificial layer at a relatively faster rate than the insulating layer.

또 다른 실시 예에 의하면, 반도체 장치를 제조하는 시스템은, 제1 오프닝의 측벽 상에 노출되는 희생막 상에만, 제1 금속막을 증착할 수도 있다.According to another embodiment, the system for manufacturing the semiconductor device may deposit the first metal layer only on the sacrificial layer exposed on the sidewall of the first opening.

S630에서, 반도체 장치를 제조하는 시스템은, 절연막 및 희생막 상에 증착된 제1 금속막의 적어도 일부를 식각(Etching)할 수 있다. 일 실시 예에 의하면, 반도체 장치를 제조하는 시스템은, 동일한 정도로 희생막 및 절연막 상에 증착된 제1 금속막을 식각할 수 있다.In S630 , the system for manufacturing the semiconductor device may etch at least a portion of the first metal layer deposited on the insulating layer and the sacrificial layer. According to an embodiment, a system for manufacturing a semiconductor device may etch the first metal layer deposited on the sacrificial layer and the insulating layer to the same extent.

일 실시 예에 따라, 제1 금속막이 희생막에 더 빠른 속도로 증착되는 경우, 제1 금속막은 희생막 영역 상에 더 두껍게 증착될 수 있다. 따라서, S630에서 반도체 장치를 제조하는 시스템이 제1 금속막을 동일한 정도로 식각할 경우, 희생막 상에 대응되는 영역에만 제1 금속막이 남아 있을 수 있다.According to an embodiment, when the first metal layer is deposited on the sacrificial layer at a higher rate, the first metal layer may be deposited thicker on the sacrificial layer region. Accordingly, when the system for manufacturing the semiconductor device etches the first metal layer to the same degree in S630 , the first metal layer may remain only in a region corresponding to the sacrificial layer.

또 다른 실시 예에 의하면, 제1 금속막이 희생막 상에 증착되는 속도 및 절연막 상에 증착되는 속도 의 차이가 매우 커질 경우, 반도체 장치를 제조하는 시스템은 제1 금속막을 식각하는 공정을 수행하지 않고도, 희생막 상에만 제1 금속막을 증착할 수도 있다.According to another embodiment, when the difference between the deposition rate of the first metal layer on the sacrificial layer and the deposition rate on the insulating layer is very large, the system for manufacturing a semiconductor device can perform a process of etching the first metal layer without performing a process of etching the first metal layer. , the first metal layer may be deposited only on the sacrificial layer.

S640에서, 반도체 장치를 제조하는 시스템은, S630에서 식각 후 남은 희생막 상의 제1 금속막을 이용하여 제1 게이트 전극을 형성할 수 있다. 즉, 반도체 장치를 제조하는 시스템은, 희생막에 대응되는 영역에만 선택적으로 제1 금속막을 증착함으로써 제1 게이트 전극을 형성할 수 있다. 또한, 일 실시 예에 의하면, 도 6에는 도시되지 않았지만, 반도체 장치를 제조하는 시스템은 S620 내지 S630을 소정의 횟수로 반복할 수 있다. 본 개시에 따른 반도체 장치를 제조하는 시스템은 S620 내지 S630을 소정의 횟수로 반복함으로써 희생막에 대응되는 영역에만 제1 금속막이 선택적으로 증착되도록 할 수 있다.In S640 , the system for manufacturing the semiconductor device may form a first gate electrode by using the first metal layer on the sacrificial layer remaining after the etching in S630 . That is, in a system for manufacturing a semiconductor device, the first gate electrode may be formed by selectively depositing the first metal layer only in a region corresponding to the sacrificial layer. Also, according to an embodiment, although not shown in FIG. 6 , the system for manufacturing a semiconductor device may repeat steps S620 to S630 a predetermined number of times. In the system for manufacturing a semiconductor device according to the present disclosure, by repeating S620 to S630 a predetermined number of times, the first metal layer may be selectively deposited only in the region corresponding to the sacrificial layer.

또 다른 실시 예에 의하면, 반도체 장치를 제조하는 시스템은, 제1 오프닝의 측벽 상에 증착 활성막을 형성하고, 증착 활성막의 노출면을 한정하는 가이드 패턴을 형성함으로써, 선택된 영역에만 제1 금속막을 증착할 수도 있다.According to another embodiment, in a system for manufacturing a semiconductor device, a deposition active film is formed on a sidewall of a first opening, and a guide pattern defining an exposed surface of the deposition active film is formed to deposit the first metal film only in a selected area. You may.

도 7은 일 실시 예에 따른 영역 선택 증착법에 따라 제1 게이트 전극을 형성하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.7 is a view for explaining a process of forming a first gate electrode according to an area selective deposition method according to an exemplary embodiment.

도 7을 참조하면 블록 A 및 블록 B상에 제1 금속막을 증착하고, 증착된 제1 금속막을 식각하는 일련의 사이클의 반복 횟수(704)에 따라, 블록 A 및 블록 B상에 증착되는 제1 금속막의 두께(702)변화가 도시된다. 예를 들어, 도 7에 도시된 블록 A는 제1 오프닝의 측벽 상 노출되는 희생막(734)에 대응될 수 있고, 블록 B는 제1 오프닝의 측벽 상 노출되는 절연막(732)에 대응될 수 있다. 일 실시 예에 의하면, 반도체 장치를 제조하는 시스템은 블록 A 및 블록 B에 대하여 서로 다른 속도로 제1 금속막을 증착할 수 있다.Referring to FIG. 7 , according to the number of repetitions 704 of a series of cycles of depositing a first metal film on blocks A and B, and etching the deposited first metal film, the first deposited on block A and block B A change in the thickness 702 of the metal film is shown. For example, block A shown in FIG. 7 may correspond to the sacrificial layer 734 exposed on the sidewall of the first opening, and block B may correspond to the insulating layer 732 exposed on the sidewall of the first opening. there is. According to an embodiment, a system for manufacturing a semiconductor device may deposit the first metal layer with respect to the block A and the block B at different rates.

구체적으로, 도 7에서, 두께 곡선(706) 및 두께 곡선(708)은 제1 사이클에서, 블록 A 및 블록 B상에 증착되는 제1 금속막의 두께(702)의 변화를 나타낸다. 예를 들어, 제1 사이클에서, 두께 곡선(706)과 두께 곡선(708)을 참조하면, 제1 금속막은, 블록 A 상에서 더 빠른 속도로 증착되기 시작하고, 블록 B상에는 블록 A상에서의 제1 금속막의 증착이 시작된 시점으로부터 소정의 지연(delay) 시간이 경과한 후, 증착이 시작될 수 있다. 따라서, 제1 시점에서, 블록 A 및 블록 B상에 증착된 제1 금속막의 두께는 달라질 수 있다. Specifically, in FIG. 7 , thickness curve 706 and thickness curve 708 represent the change in thickness 702 of the first metal film deposited on block A and block B in the first cycle. For example, in a first cycle, referring to thickness curve 706 and thickness curve 708, a first metal film begins to deposit at a faster rate on block A, and on block B the first metal film on block A After a predetermined delay time elapses from the time when the deposition of the metal layer is started, the deposition may be started. Accordingly, at the first time point, the thickness of the first metal film deposited on the blocks A and B may be different.

반도체 장치를 제조하는 시스템은, 제1 시점에서 동일한 정도로 블록 A 및 블록 B상에 증착된 제1 금속막을 식각할 수 있다. 예를 들어, 두께 곡선(710) 및 두께 곡선(712)부분을 참조하면, 제1 금속막은 블록 A상에 더 두껍게 증착된 상태이나, 동일한 정도로 식각될 수 있다. 일 실시 예에 의하면, 반도체 장치를 제조하는 시스템은, 블록 B상에 증착된 제1 금속막이 식각되는 양에 대응되는 양만큼 블록 A상에 증착된 제1 금속막을 식각할 수 있다.A system for manufacturing a semiconductor device may etch the first metal film deposited on block A and block B to the same extent at a first time point. For example, referring to the thickness curve 710 and the thickness curve 712 , the first metal layer is deposited thicker on the block A, but may be etched to the same degree. According to an embodiment, the system for manufacturing a semiconductor device may etch the first metal layer deposited on the block A by an amount corresponding to the amount by which the first metal layer deposited on the block B is etched.

반도체 장치를 제조하는 시스템은, 식각 과정 후, 다시 블록 A 및 블록 B상에 제1 금속막을 증착할 수 있다. 제2 사이클에서, 두께 곡선(714) 및 두께 곡선(716)을 참조하면, 제1 금속막은, 블록 A상에서 더 빠른 속도로 증착되기 시작하고, 블록 B상에는 블록 A상에서 제1 금속막의 증착이 다시 시작된 시점으로부터 소정의 지연 시간이 경과한 후 증착이 시작되는 것을 볼 수 있다. 따라서, 제2 시점에서 블록 A 및 블록 B 상에 증착된 제1 금속막의 두께의 차이는 더 커질 수 있다. A system for manufacturing a semiconductor device may deposit a first metal layer on the blocks A and B again after the etching process. In the second cycle, referring to thickness curve 714 and thickness curve 716, the first metal film begins to deposit at a faster rate on block A, and the deposition of the first metal film on block A again on block B. It can be seen that deposition is started after a predetermined delay time has elapsed from the start time. Accordingly, a difference in the thickness of the first metal layer deposited on the block A and the block B at the second time point may be greater.

두께 곡선 (718) 및 두께 곡선 (719) 부분을 참조하면, 반도체 장치를 제조하는 시스템은, 제2 사이클에 따라 증착된 제1 금속막을 식각할 수 있다. 일 실시 예에 의하면, 반도체 장치를 제조하는 시스템은, 블록 B상에 증착된 제1 금속막이 식각되는 양에 대응되는 양만큼 블록 A상에 증착된 제1 금속막을 식각할 수 있다. 따라서, 본 개시에 따른 반도체 장치를 제조하는 시스템은, 상술한 사이클을 반복함으로써, 제1 오프닝의 측벽 상 노출되는 희생막에만 제1 금속막(736)이 선택적으로 증착 되도록 할 수 있다.Referring to the thickness curve 718 and the thickness curve 719 , the system for manufacturing a semiconductor device may etch the deposited first metal layer according to a second cycle. According to an embodiment, the system for manufacturing a semiconductor device may etch the first metal layer deposited on the block A by an amount corresponding to the amount by which the first metal layer deposited on the block B is etched. Accordingly, in the system for manufacturing a semiconductor device according to the present disclosure, the first metal layer 736 may be selectively deposited only on the sacrificial layer exposed on the sidewall of the first opening by repeating the above-described cycle.

본 개시에 따른 반도체 장치를 제조하는 시스템은, 기존 공정이 channel first scheme으로 SiN 제거 이후, 벽면이 모두 동일물질로 구성되어 있어, 영역 선택 증착법을 이용할 수 없었던 것과는 달리, 리세스 영역 내 희생막 영역에 대응되는 제1 금속막을 선택적으로 증착함으로써, 게이트 전극 형성에 따른 다른 층의 손상을 최소화 할 수 있는 장점이 있다.In the system for manufacturing a semiconductor device according to the present disclosure, the sacrificial film region in the recess region is different from the existing process, where the region selective deposition method cannot be used because the wall surfaces are all made of the same material after SiN is removed using the channel first scheme. By selectively depositing the first metal film corresponding to , there is an advantage in that damage to other layers due to the formation of the gate electrode can be minimized.

도 8은 일 실시 예에 따른 3차원 반도체 장치를 포함하는 전자 시스템의 일 예시를 나타내는 도면이다.8 is a diagram illustrating an example of an electronic system including a 3D semiconductor device according to an exemplary embodiment.

도 8을 참조하면, 일 실시 예에 따른 3차원 반도체 장치의 제조 방법에 따라 생성된 3차원 반도체 장치를 포함하는 전자 시스템의 일 예를 구체적으로 설명하기로 한다. 일 실시 예에 따른 전자 시스템(1100)의 콘트롤러(1110), 입출력부(1120), 메모리(1130), 인터페이스(1140)들은 버스(1150)을 통하여 서로 연결될 수 있다. 버스(1150)는 데이터들이 이동하는 데이터 경로에 해당할 수 있다.Referring to FIG. 8 , an example of an electronic system including a 3D semiconductor device generated according to a method of manufacturing a 3D semiconductor device according to an exemplary embodiment will be described in detail. The controller 1110 , the input/output unit 1120 , the memory 1130 , and the interface 1140 of the electronic system 1100 according to an embodiment may be connected to each other through the bus 1150 . The bus 1150 may correspond to a data path through which data moves.

콘트롤러(1110)는 마이크로프로세서, 디지털 신호 프로세서, 마이크로 콘트롤러, 및 이들과 유사한 기능을 수행할 수 잇는 논리 소자들 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 입출력부(1110)는 키패드, 키보드 및 디스플레이 장치를 포함할 수 있다. 메모리(1130)는 데이터 및/또는 인스트럭션 등을 저장할 수 있다. 메모리(1130)는 상술된 실시 예들에 기재된 3차원 반도체 장치들 중, 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 메모리(1130)는 다른 형태의 반도체 기억 소자(예컨대 자기 기억 소자, 상변화 기억 소자, 디램 소자 및/또는 에스램 소자 등)을 더 포함할 수도 있다.The controller 1110 may include at least one of a microprocessor, a digital signal processor, a microcontroller, and logic devices capable of performing functions similar thereto. The input/output unit 1110 may include a keypad, a keyboard, and a display device. The memory 1130 may store data and/or instructions. The memory 1130 may include at least one of the 3D semiconductor devices described in the above-described embodiments. Also, the memory 1130 may further include other types of semiconductor memory devices (eg, a magnetic memory device, a phase change memory device, a DRAM device, and/or an SRAM device).

인터페이스(1140)는 통신 네트워크로 데이터를 전송하거나 통신 네트워크로부터 데이터를 수신하는 기능을 수행할 수 있다. 인터페이스(1140)는 유선 또는 무선 형태일 수 있다. 예를 들어, 인터페이스(1140)는 안테나 또는 유무선 트랜시버 등을 포함할 수 있다. 일 실시 예에 의하면 도 8에는 도시되지 않았지만 전자 시스템(1100)은 콘트롤러(1110)의 동작을 향상시키기 위한 동작 기억 소자로써 고속의 디램 소자 및/또는 에스램 소자를 더 포함할 수도 있다.The interface 1140 may perform a function of transmitting data to or receiving data from a communication network. The interface 1140 may be in a wired or wireless form. For example, the interface 1140 may include an antenna or a wired/wireless transceiver. According to an embodiment, although not shown in FIG. 8 , the electronic system 1100 may further include a high-speed DRAM device and/or an SRAM device as a motion memory device for improving the operation of the controller 1110 .

일 실시 예에 의하면, 전자 시스템(1100)은 휴대용 정보 단말기(PDA), 포터블 컴퓨터, 웹 타블렛, 무선 전화기, 모바일 폰, 디지털 뮤직 플레이어, 메모리카드 또는 정보를 무선환경에서 송신 및/또는 수신할 수 있는 모든 전자 제품에 적용될 수 있다.According to an embodiment, the electronic system 1100 may transmit and/or receive information from a portable information terminal (PDA), a portable computer, a web tablet, a wireless phone, a mobile phone, a digital music player, a memory card, or information in a wireless environment. It can be applied to all electronic products.

도 9는 일 실시 예에 따른 3차원 반도체 장치를 포함하는 메모리의 일 예시를 나타내는 도면이다.9 is a diagram illustrating an example of a memory including a 3D semiconductor device according to an exemplary embodiment.

도 9를 참조하면, 일 실시예에 따른 메모리(1210)는 본 개시에 따른 3차원 반도체 장치를 포함할 수 있다. 3차원 반도체 장치는 다른 형태의 수직 구조로 형성될 수 있는 반도체 기억 소자(예컨대 자기 기억 소자, 상변화 기억 소자, 디램 소자, 및/또는 에스램 소자)를 더 포함할 수도 있다. 일 실시 예에 의하면, 메모리(1210)는 호스트(Host)와 메모리(1210)간의 데이터 교환을 제어하는 메모리 콘트롤러(1220)를 더 포함할 수도 있다.Referring to FIG. 9 , a memory 1210 according to an exemplary embodiment may include a 3D semiconductor device according to the present disclosure. The 3D semiconductor device may further include a semiconductor memory element (eg, a magnetic memory element, a phase change memory element, a DRAM element, and/or an SRAM element) that can be formed in another type of vertical structure. According to an embodiment, the memory 1210 may further include a memory controller 1220 that controls data exchange between the host and the memory 1210 .

메모리 콘트롤러(1220)는 메모리의 전반적인 동작을 제어하는 프로세서(1222)를 포함할 수 있다. 또한, 메모리 콘트롤러(1220)는 프로세서(1222)의 동작 메모리로써 사용되는 에스램(1221)을 포함할 수 있다. 이에 더하여, 메모리 콘트롤러(12220)는 호스트 인터페이스(1223), 메모리 인터페이스(1225)를 더 포함할 수 있다. 호스트 인터페이스(1223)는 메모리(1200)와 호스트(host)간의 데이터 교환 프로토콜을 구비할 수 있다. 메모리 인터페이스(1225)는 메모리 콘트롤러(1220)와 상기 메모리(1210)을 연결할 수 있다. 더 나아가, 메모리 콘트롤러(1220)는 에러 정정 블록(1224, Ecc)를 더 포함할 수 있다. 에러 정정 블록(1224)은 메모리(1210)로부터 독출된 데이터의 에러를 검출 및 정정할 수 있다. 도시되지 않았지만, 메모리(1210)는 호스트와의 인터페이싱을 위한 코드 데이터를 저장하는 롬 장치(Rom device)를 더 포함할 수도 있다. 메모리(1210)는 휴대용 데이터 저장 카드로 사용될 수 있다. 이와는 달리 메모리(1210)는 컴퓨터 시스템의 하드 디스크를 대체할 수 있는 고상 디스크(SSD, Solid State Disk)로도 구현될 수도 있다.The memory controller 1220 may include a processor 1222 that controls the overall operation of the memory. Also, the memory controller 1220 may include an SRAM 1221 used as an operating memory of the processor 1222 . In addition, the memory controller 12220 may further include a host interface 1223 and a memory interface 1225 . The host interface 1223 may include a data exchange protocol between the memory 1200 and the host. The memory interface 1225 may connect the memory controller 1220 and the memory 1210 . Furthermore, the memory controller 1220 may further include an error correction block 1224 (Ecc). The error correction block 1224 may detect and correct an error in data read from the memory 1210 . Although not shown, the memory 1210 may further include a ROM device for storing code data for interfacing with the host. The memory 1210 may be used as a portable data storage card. Alternatively, the memory 1210 may be implemented as a solid state disk (SSD) that can replace the hard disk of the computer system.

이상, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명은 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서, 다른 구체적인 형태로 실시될 수도 있다. 그러므로, 본 개시의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 개시의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 개시의 권리범위에 속한다.In the above, embodiments of the present invention have been described with reference to the accompanying drawings, but the present invention may be embodied in other specific forms without changing the technical spirit or essential features thereof. Therefore, the scope of the present disclosure is not limited thereto, and various modifications and improvements by those skilled in the art using the basic concept of the present disclosure defined in the following claims also fall within the scope of the present disclosure.

Claims (20)

3차원 반도체 장치의 제조 방법에 있어서,
기판 상에 교대로 적층되는 복수개의 절연막들 및 복수개의 희생막들을 포함하는 수직 적층체를 형성하는 단계;
상기 형성된 수직 적층체를 식각함으로써 상기 수직 적층체 내 제1 오프닝 및 상기 기판 내 리세스 영역을 생성하는 단계;
상기 제1 오프닝의 측벽 상 노출되는 상기 절연막 및 상기 희생막에 대한 증착 속도 차이에 따라 상기 복수개의 희생막들 상에 증착된, 제1 금속막을 이용하여 제1 게이트 전극을 형성하는 단계;
상기 수직 적층체를 식각함으로써 상기 수직 적층체 내 상기 기판을 노출시키는 제2 오프닝을 형성하는 단계; 및
상기 형성된 제2 오프닝의 측벽 상 상기 제1 게이트 전극에 대응되는 영역에 제2 게이트 전극을 형성함으로써 워드 라인을 형성하는 단계; 를 포함하는, 방법.
A method for manufacturing a three-dimensional semiconductor device, comprising:
forming a vertical stack including a plurality of insulating layers and a plurality of sacrificial layers alternately stacked on a substrate;
etching the formed vertical stack to create a first opening in the vertical stack and a recessed region in the substrate;
forming a first gate electrode using a first metal layer deposited on the plurality of sacrificial layers according to a difference in deposition rates of the insulating layer exposed on the sidewall of the first opening and the sacrificial layer;
forming a second opening exposing the substrate in the vertical stack by etching the vertical stack; and
forming a word line by forming a second gate electrode in a region corresponding to the first gate electrode on a sidewall of the formed second opening; A method comprising
제1항에 있어서, 상기 방법은
상기 제1 게이트 전극이 형성된 상기 제1 오프닝의 측벽 상 상기 절연막 및 상기 제1 게이트 전극에 대응되는 영역들에 게이트 유전막을 형성하는 단계;
상기 게이트 유전막을 따라 수직 활성층을 라이닝(lining) 하는 단계; 및
상기 수직 활성층이 라이닝된 상기 제1 오프닝의 측벽을 포함하는 상기 리세스 영역을 절연 패턴으로 채우는 단계; 를 더 포함하는, 방법.
The method of claim 1, wherein the method
forming a gate dielectric layer on a sidewall of the first opening in which the first gate electrode is formed, in regions corresponding to the insulating layer and the first gate electrode;
lining a vertical active layer along the gate dielectric layer; and
filling the recess region including the sidewall of the first opening lined with the vertical active layer with an insulating pattern; A method further comprising:
제1항에 있어서, 상기 제1 게이트 전극을 형성하는 단계는
상기 제1 오프닝의 측벽 상 노출되는 상기 절연막 및 상기 희생막에 대한 증착 속도 차이에 기초하여, 상기 절연막 및 상기 희생막 상에 상기 제1 금속막을 증착하는 단계;
상기 절연막 및 상기 희생막 상에 증착된 상기 제1 금속막의 적어도 일부를 식각하는 단계; 및
상기 식각 후 남은 상기 희생막 상의 제1 금속막을 이용하여 상기 제1 게이트 전극을 형성하는 단계; 를 포함하는, 방법.
The method of claim 1 , wherein forming the first gate electrode comprises:
depositing the first metal layer on the insulating layer and the sacrificial layer based on a difference in deposition rates of the insulating layer and the sacrificial layer exposed on a sidewall of the first opening;
etching at least a portion of the first metal layer deposited on the insulating layer and the sacrificial layer; and
forming the first gate electrode by using a first metal layer on the sacrificial layer remaining after the etching; A method comprising
제1항에 있어서, 상기 워드 라인을 형성하는 단계는
상기 제2 오프닝을 통해 상기 수직 적층체 내 상기 복수개의 절연막들 사이의 상기 복수개의 희생막들을 제거하는 단계; 및
상기 복수개의 희생막들이 제거된 상기 제2 오프닝의 측벽 상 일부 영역에 상기 제2 게이트 전극을 형성함으로써 워드 라인을 형성하는 단계; 를 포함하는, 방법.
The method of claim 1, wherein forming the word line comprises:
removing the plurality of sacrificial layers between the plurality of insulating layers in the vertical stack through the second opening; and
forming a word line by forming the second gate electrode in a partial region on a sidewall of the second opening from which the plurality of sacrificial layers are removed; A method comprising
제4항에 있어서, 상기 워드 라인을 형성하는 단계는
상기 복수개의 희생막들이 제거됨으로써 상기 제2 오프닝의 측벽 상 상기 제1 게이트 전극의 일부를 노출시키는 단계;
상기 노출된 제1 게이트 전극 및 상기 제2 오프닝의 측벽 내 상기 절연막에 제2 금속막을 증착함으로써 상기 제2 게이트 전극을 형성하는 단계; 및
상기 제2 게이트 전극을 구성하는 상기 증착된 제2 금속막의 적어도 일부를 식각함으로써 상기 워드 라인을 형성하는 단계; 를 포함하는, 방법.
5. The method of claim 4, wherein forming the word line comprises:
exposing a portion of the first gate electrode on a sidewall of the second opening by removing the plurality of sacrificial layers;
forming the second gate electrode by depositing a second metal film on the exposed first gate electrode and the insulating film in sidewalls of the second opening; and
forming the word line by etching at least a portion of the deposited second metal layer constituting the second gate electrode; A method comprising
제2항에 있어서, 상기 게이트 유전막을 형성하는 단계는
상기 제1 오프닝의 측벽 상 상기 절연막 및 상기 증착된 제1 게이트 전극에 대응되는 영역들에 블로킹막을 형성하는 단계;
상기 형성된 블로킹막을 따라 전하 저장막을 형성하는 단계; 및
상기 형성된 전하 저장막을 따라 터널 유전막을 형성함으로써 상기 게이트 유전막을 형성하는 단계; 를 포함하는, 방법.
The method of claim 2 , wherein forming the gate dielectric layer comprises:
forming a blocking film on a sidewall of the first opening in regions corresponding to the insulating film and the deposited first gate electrode;
forming a charge storage film along the formed blocking film; and
forming the gate dielectric film by forming a tunnel dielectric film along the formed charge storage film; A method comprising
제3항에 있어서, 상기 제1 금속막을 증착하는 단계는
상기 제1 금속막을, 상기 절연막 및 상기 희생막에 대한 증착 속도 차이에 기초하여 서로 다른 속도로 상기 절연막 및 상기 희생막 상에 증착하는 단계; 를 더 포함하고,
상기 제1 금속막은 상기 희생막 상에 더 빠른 속도로 증착되는 것을 특징으로 하는, 방법.
The method of claim 3 , wherein the depositing of the first metal layer comprises:
depositing the first metal layer on the insulating layer and the sacrificial layer at different rates based on a difference in deposition rates for the insulating layer and the sacrificial layer; further comprising,
and the first metal film is deposited at a higher rate on the sacrificial film.
제5항에 있어서,
상기 제1 금속막 및 제2 금속막은 텅스텐, 텅스텐 질화막(WN), 텅스텐 탄화막, 티타늄, 탄탈륨, 알루미늄 또는 하프늄 중 적어도 하나이고, 상기 제1 금속막 및 상기 제2 금속막은 서로 다른 금속으로 마련되는 것을 특징으로 하는, 방법.
6. The method of claim 5,
The first metal layer and the second metal layer are at least one of tungsten, a tungsten nitride layer (WN), a tungsten carbide layer, titanium, tantalum, aluminum, or hafnium, and the first metal layer and the second metal layer are made of different metals. A method characterized in that it becomes.
제2항에 있어서,
상기 기판은 제1 도전형의 웰 영역 및 제2 도전형의 공통 소스 영역을 포함하고, 상기 리세스 영역은 상기 공통 소스 영역을 관통하여 상기 웰 영역으로 연장되는 것을 특징으로 하는, 방법.
3. The method of claim 2,
wherein the substrate comprises a well region of a first conductivity type and a common source region of a second conductivity type, the recess region extending through the common source region into the well region.
제9항에 있어서,
상기 수직 적층체는 상기 기판을 기준으로 제1 방향으로 연장되고, 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 서로 이격 되며, 상기 제1 방향 및 제2 방향은 상기 기판의 상부면과 평행한 것을 특징으로 하는, 방법.
10. The method of claim 9,
The vertical stacked body extends in a first direction with respect to the substrate, is spaced apart from each other in a second direction perpendicular to the first direction, and the first direction and the second direction are parallel to the upper surface of the substrate. Characterized by a method.
제10항에 있어서,
상기 수직 활성층은 상기 리세스 영역의 측벽과 접촉되고,
상기 수직 활성층의 상부에서 상기 제2 방향으로 연장되며, 상기 수직 적층체와 교차하는 비트라인과 연결되고,
상기 수직 활성층의 하부에서 상기 공통 소스 영역 내에 형성된 상기 리세스 영역 내로 연장됨으로써 상기 웰 영역에 연결되는 것을 특징으로 하는, 방법.
11. The method of claim 10,
the vertical active layer is in contact with a sidewall of the recess region;
extending in the second direction from an upper portion of the vertical active layer and connected to a bit line crossing the vertical stack;
and connecting to the well region by extending under the vertical active layer into the recess region formed in the common source region.
제1항에 있어서, 상기 제1 게이트 전극을 형성하는 단계는
상기 제1 오프닝의 측벽 상 노출되는 상기 희생막 상에 제1 금속막을 증착하는 단계; 및
상기 희생막 상의 제1 금속막을 이용하여 상기 제1 게이트 전극을 형성하는 단계; 를 포함하는, 방법.
The method of claim 1 , wherein forming the first gate electrode comprises:
depositing a first metal layer on the sacrificial layer exposed on a sidewall of the first opening; and
forming the first gate electrode by using a first metal layer on the sacrificial layer; A method comprising
기판;
상기 기판 상에 교대로 적층되는 복수개의 절연막들 및 제거 가능한 복수개의 희생막 영역들을 포함하는 수직 적층체;
상기 수직 적층체를 식각함으로써, 상기 수직 적층체 내에서 상기 기판 상으로 연장되는 리세스 영역의 측벽 상에 노출되는 상기 절연막 및 상기 희생막에 대한 증착 속도 차이에 따라 상기 복수개의 희생막들 상에 증착된 제1 금속막을 이용하여 형성되는 제1 게이트 전극;
상기 제1 게이트 전극 및 상기 리세스 영역의 측벽에 노출되는 상기 복수개의 절연막들을 따라 형성되는 게이트 유전막;
상기 게이트 유전막을 따라 라이닝되는 수직 활성층;
상기 수직 활성층이 라이닝되는 상기 리세스 영역을 채우는 절연 패턴; 및
상기 리세스 영역과 소정의 간격만큼 이격되어 상기 기판을 노출시키도록 형성되는 슬릿 영역에서 상기 제1 게이트 전극에 대응되는 영역에 제2 게이트 전극을 형성함으로써 생성되는 워드 라인; 을 포함하는 3차원 반도체 장치.
Board;
a vertical stack including a plurality of insulating layers and a plurality of removable sacrificial layer regions that are alternately stacked on the substrate;
By etching the vertical stack, the plurality of sacrificial layers are formed on the plurality of sacrificial layers according to a difference in deposition rates of the insulating layer and the sacrificial layer exposed on sidewalls of a recess region extending onto the substrate in the vertical stack. a first gate electrode formed using the deposited first metal film;
a gate dielectric layer formed along the first gate electrode and the plurality of insulating layers exposed on sidewalls of the recess region;
a vertical active layer lined along the gate dielectric layer;
an insulating pattern filling the recess region lined with the vertical active layer; and
a word line generated by forming a second gate electrode in a region corresponding to the first gate electrode in a slit region spaced apart from the recess region by a predetermined distance to expose the substrate; A three-dimensional semiconductor device comprising a.
제13항에 있어서, 상기 제1 게이트 전극은
상기 리세스 영역의 측벽 상 노출되는 상기 절연막 및 상기 희생막에 대한 증착 속도 차이에 기초하여, 상기 절연막 및 상기 희생막 상에 상기 제1 금속막을 증착하고, 상기 절연막 및 상기 희생막 상에 증착된 제1 금속막의 적어도 일부를 식각함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는, 3차원 반도체 장치.
14. The method of claim 13, wherein the first gate electrode
The first metal layer is deposited on the insulating layer and the sacrificial layer based on a difference in deposition rates of the insulating layer and the sacrificial layer exposed on the sidewalls of the recess region, and the first metal layer is deposited on the insulating layer and the sacrificial layer. A three-dimensional semiconductor device, characterized in that formed by etching at least a portion of the first metal film.
제14항에 있어서, 상기 워드 라인은
상기 슬릿 영역을 통해 상기 수직 적층체 내 상기 복수개의 희생막들을 제거함으로써, 상기 슬릿 영역의 측벽 상에 노출되는 상기 제1 게이트 전극의 일면 및 상기 슬릿 영역의 측벽 상 절연막에 형성되는 상기 제2 게이트 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는, 3차원 반도체 장치.
15. The method of claim 14, wherein the word line is
By removing the plurality of sacrificial layers in the vertical stack through the slit region, one surface of the first gate electrode exposed on the sidewall of the slit region and the second gate formed on the insulating layer on the sidewall of the slit region A three-dimensional semiconductor device comprising an electrode.
제15항에 있어서,
상기 제2 게이트 전극은, 상기 슬릿 영역의 측벽 상에 노출되는 상기 제1 게이트 전극의 일면 및 상기 슬릿 영역의 측벽 상에 형성되는 절연막에 제2 금속막을 증착함으로써 형성되고,
상기 워드 라인은 상기 증착된 제2 금속막의 적어도 일부를 식각함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는, 3차원 반도체 장치.
16. The method of claim 15,
The second gate electrode is formed by depositing a second metal film on one surface of the first gate electrode exposed on the sidewall of the slit region and on the insulating film formed on the sidewall of the slit region,
The word line is a three-dimensional semiconductor device, characterized in that formed by etching at least a portion of the deposited second metal layer.
제13항에 있어서, 상기 게이트 유전막은
상기 리세스 영역의 측벽 상 상기 절연막 및 상기 형성된 제1 게이트 전극에 대응되는 영역들에 형성되는 블로킹막, 상기 블로킹막을 따라 형성되는 전하 저장막 및 상기 전하 저장막을 따라 형성되는 터널 유전막을 포함하는 것을 특징으로 하는, 3차원 반도체 장치.
14. The method of claim 13, wherein the gate dielectric layer
A blocking film formed in regions corresponding to the insulating film and the formed first gate electrode on a sidewall of the recess region, a charge storage film formed along the blocking film, and a tunnel dielectric film formed along the charge storage film Characterized in, a three-dimensional semiconductor device.
제14항에 있어서, 상기 제1 금속막은
상기 증착 속도 차이에 기초하여, 상기 리세스 영역의 측벽 상 노출되는 상기 희생막 상에 더 빠른 속도로 증착되는 것을 특징으로 하는, 3차원 반도체 장치.
15. The method of claim 14, wherein the first metal layer
The 3D semiconductor device is characterized in that the deposition is performed at a higher rate on the sacrificial layer exposed on the sidewall of the recess region based on the difference in the deposition rate.
제16항에 있어서,
상기 제1 금속막 및 제2 금속막은 텅스텐, 텅스텐 질화막(WN), 텅스텐 탄화막, 티타늄, 탄탈륨, 알루미늄 또는 하프늄 중 적어도 하나이고, 상기 제1 금속막 및 상기 제2 금속막은 서로 다른 금속으로 마련되는 것을 특징으로 하는, 3차원 반도체 장치.
17. The method of claim 16,
The first metal layer and the second metal layer are at least one of tungsten, a tungsten nitride layer (WN), a tungsten carbide layer, titanium, tantalum, aluminum, or hafnium, and the first metal layer and the second metal layer are made of different metals. A three-dimensional semiconductor device, characterized in that it becomes.
제19항에 있어서,
상기 수직 적층체는 상기 기판을 기준으로 제1 방향으로 연장되고, 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 서로 이격 되며, 상기 제2 방향은 상기 기판의 상부면과 평행하고,
상기 수직 활성층은 상기 리세스 영역의 측벽과 접촉되고, 상기 수직 활성층의 상부에서 상기 제2 방향으로 연장되며, 상기 수직 적층체와 교차하는 비트라인과 연결되고,
상기 기판은 제1 도전형의 웰 영역 및 제2 도전형의 공통 소스 영역을 포함하고,
상기 수직 활성층은 상기 수직 활성층의 하부에서 상기 공통 소스 영역 내에 형성된 상기 리세스 영역 내로 연장됨으로써 상기 웰 영역에 연결되는 것을 특징으로 하는, 3차원 반도체 장치.
20. The method of claim 19,
The vertical stacked body extends in a first direction with respect to the substrate, is spaced apart from each other in a second direction perpendicular to the first direction, and the second direction is parallel to the upper surface of the substrate,
the vertical active layer is in contact with a sidewall of the recess region, extends from an upper portion of the vertical active layer in the second direction, and is connected to a bit line crossing the vertical stack;
The substrate includes a well region of a first conductivity type and a common source region of a second conductivity type;
The vertical active layer is connected to the well region by extending into the recess region formed in the common source region under the vertical active layer.
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