KR102578390B1 - Three dimensional flash memory including air gap - Google Patents
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Abstract
에어 갭을 포함하는 구조의 3차원 플래시 메모리 및 그 제조 방법이 개시된다. 일 실시예에 따르면, 3차원 플래시 메모리는, 기판 상 수평 방향으로 연장 형성되며 순차적으로 적층되는 복수의 워드 라인들; 및 상기 복수의 워드 라인들을 관통하여 상기 기판 상 수직 방향으로 연장 형성되는 적어도 하나의 스트링-상기 적어도 하나의 스트링은 내부가 빈 튜브 형태로 상기 수직 방향으로 연장 형성되는 채널층 및 상기 채널층을 감싸도록 상기 수직 방향으로 연장 형성되는 전하 저장층을 포함함-을 포함하고, 상기 채널층의 내부에는, 에어 갭(Air gap)이 상기 수직 방향으로 연장 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.A three-dimensional flash memory having a structure including an air gap and a method of manufacturing the same are disclosed. According to one embodiment, a three-dimensional flash memory includes a plurality of word lines extending in the horizontal direction on a substrate and sequentially stacked; and at least one string extending in the vertical direction on the substrate through the plurality of word lines - the at least one string is formed in the form of a hollow tube and surrounds the channel layer and extending in the vertical direction. and a charge storage layer extending in the vertical direction, and an air gap may be formed inside the channel layer extending in the vertical direction.
Description
아래의 실시예들은 3차원 플래시 메모리에 관한 것으로, 보다 상세하게는 에어 갭을 포함하는 구조의 3차원 플래시 메모리에 대한 기술이다.The following embodiments relate to 3D flash memory, and more specifically, technology for 3D flash memory with a structure including an air gap.
플래시 메모리 소자는 전기적으로 소거가능하며 프로그램 가능한 판독 전용 메모리(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory; EEPROM)로서, 그 메모리는, 예를 들어, 컴퓨터, 디지털 카메라, MP3 플레이어, 게임 시스템, 메모리 스틱(Memory stick) 등에 공통적으로 이용될 수 있다. 이러한, 플래시 메모리 소자는 F-N 터널링(Fowler-Nordheimtunneling) 또는 열전자 주입(Hot electron injection)에 의해 전기적으로 데이터의 입출력을 제어한다.Flash memory devices are electrically erasable programmable read only memory (EEPROM), which are used in, for example, computers, digital cameras, MP3 players, gaming systems, and memory sticks. ) can be commonly used, etc. These flash memory devices electrically control input and output of data by Fowler-Nordheim tunneling (F-N tunneling) or hot electron injection.
구체적으로, 기존의 3차원 플래시 메모리의 어레이를 나타낸 도 1을 참조하면, 3차원 플래시 메모리의 어레이는 공통 소스 라인(CSL), 비트 라인(BL) 및 공통 소스 라인(CSL)과 비트 라인(BL) 사이에 배치되는 복수 개의 셀 스트링들(CSTR)을 포함할 수 있다.Specifically, referring to FIG. 1 showing an array of an existing three-dimensional flash memory, the array of three-dimensional flash memory includes a common source line (CSL), a bit line (BL), and a common source line (CSL) and a bit line (BL). ) may include a plurality of cell strings (CSTR) arranged between the cells.
비트 라인들은 2차원적으로 배열되고, 그 각각에는 복수 개의 셀 스트링들(CSTR)이 병렬로 연결된다. 셀 스트링들(CSTR)은 공통 소스 라인(CSL)에 공통으로 연결될 수 있다. 즉, 복수의 비트 라인들과 하나의 공통 소스 라인(CSL) 사이에 복수의 셀 스트링들(CSTR)이 배치될 수 있다. 이 때, 공통 소스 라인들(CSL)은 복수 개일 수 있으며, 복수 개의 공통 소스 라인들(CSL)이 2차원적으로 배열될 수 있다. 여기서, 복수 개의 공통 소스 라인들(CSL)에는 전기적으로 동일한 전압이 인가될 수 있으며, 또는 복수 개의 공통 소스 라인들(CSL) 각각이 전기적으로 제어될 수도 있다.The bit lines are arranged two-dimensionally, and a plurality of cell strings (CSTR) are connected in parallel to each of them. The cell strings (CSTR) may be commonly connected to the common source line (CSL). That is, a plurality of cell strings (CSTR) may be disposed between a plurality of bit lines and one common source line (CSL). At this time, there may be a plurality of common source lines (CSL), and the plurality of common source lines (CSL) may be arranged two-dimensionally. Here, the same electrical voltage may be applied to the plurality of common source lines (CSL), or each of the plurality of common source lines (CSL) may be electrically controlled.
셀 스트링들(CSTR) 각각은 공통 소스 라인(CSL)에 접속하는 접지 선택 트랜지스터(GST), 비트 라인(BL)에 접속하는 스트링 선택 트랜지스터(SST), 및 접지 및 스트링 선택 트랜지스터들(GST, SST) 사이에 배치되는 복수 개의 메모리 셀 트랜지스터들(MCT)로 구성될 수 있다. 그리고, 접지 선택 트랜지스터(GST), 스트링 선택 트랜지스터(SST) 및 메모리 셀 트랜지스터들(MCT)은 직렬로 연결될 수 있다.Each of the cell strings (CSTR) has a ground select transistor (GST) connected to the common source line (CSL), a string select transistor (SST) connected to the bit line (BL), and ground and string select transistors (GST, SST) ) may be composed of a plurality of memory cell transistors (MCT) disposed between. Additionally, the ground select transistor (GST), string select transistor (SST), and memory cell transistors (MCT) may be connected in series.
공통 소스 라인(CSL)은 접지 선택 트랜지스터들(GST)의 소스들에 공통으로 연결될 수 있다. 이에 더하여, 공통 소스 라인(CSL)과 비트 라인(BL) 사이에 배치되는, 접지 선택 라인(GSL), 복수 개의 워드 라인들(WL0-WL3) 및 복수개의 스트링 선택 라인들(SSL)이 접지 선택 트랜지스터(GST), 메모리 셀 트랜지스터들(MCT) 및 스트링 선택 트랜지스터들(SST)의 전극층들로서 각각 사용될 수 있다. 또한, 메모리 셀 트랜지스터들(MCT) 각각은 메모리 요소(memory element)를 포함한다. 이하, 스트링 선택 라인(SSL)은 상부 선택 라인(Upper Selection Line; USL)으로 표현될 수 있으며, 접지 선택 라인(GSL)은 하부 선택 라인(Lower Selection Line; LSL)으로 표현될 수 있다.The common source line (CSL) may be commonly connected to the sources of the ground selection transistors (GST). In addition, a ground selection line (GSL), a plurality of word lines (WL0-WL3), and a plurality of string selection lines (SSL) disposed between the common source line (CSL) and the bit line (BL) select the ground. Can be used as electrode layers of transistors (GST), memory cell transistors (MCT), and string select transistors (SST), respectively. Additionally, each memory cell transistor (MCT) includes a memory element. Hereinafter, the string selection line (SSL) may be expressed as an upper selection line (USL), and the ground selection line (GSL) may be expressed as a lower selection line (Lower Selection Line (LSL)).
한편, 기존의 3차원 플래시 메모리는 소비자가 요구하는 우수한 성능 및 저렴한 가격을 충족시키기 위해, 수직적으로 셀을 적층함으로써, 집적도를 증가시키고 있다.Meanwhile, existing 3D flash memory is increasing its integration by vertically stacking cells to meet the excellent performance and low price demanded by consumers.
예를 들어, 기존의 3차원 플래시 메모리의 구조를 나타낸 도 2를 참조하면, 기존의 3차원 플래시 메모리는 기판(200) 상에 층간 절연층들(211) 및 수평 구조체들(250)이 교대로 반복적으로 형성된 전극 구조체(215)가 배치되어 제조된다. 층간 절연층들(211) 및 수평 구조체들(250)은 제1 방향으로 연장될 수 있다. 층간 절연층들(211)은 일례로 실리콘 산화막일 수 있으며, 층간 절연층들(211) 중 최하부의 층간 절연층(211a)은 나머지 층간 절연층들(211)보다 얇은 두께를 가질 수 있다. 수평 구조체들(250) 각각은 제1 및 제2 블로킹 절연막들(242, 243) 및 전극층(245)을 포함할 수 있다. 전극 구조체(215)는 복수 개로 제공되며, 복수 개의 전극 구조체들(215)은 제1 방향에 교차하는 제2 방향으로 서로 마주보며 배치될 수 있다. 제1 및 제2 방향은 각각 도 2의 x축 및 y축에 해당할 수 있다. 복수 개의 전극 구조체들(215) 사이에는 이들을 이격시키는 트렌치들(240)이 제1 방향으로 연장될 수 있다. 트렌치들(240)에 의해 노출된 기판(200) 내에는 고농도로 도핑된 불순물 영역들이 형성되어 공통 소스 라인(CSL)이 배치될 수 있다. 도시하지 않았으나, 트렌치들(240)을 채우는 분리 절연막들이 더 배치될 수 있다.For example, referring to FIG. 2 showing the structure of an existing 3D flash memory, the existing 3D flash memory has interlayer insulating layers 211 and horizontal structures 250 alternately placed on a substrate 200. The repeatedly formed electrode structure 215 is disposed and manufactured. The interlayer insulating layers 211 and the horizontal structures 250 may extend in the first direction. The interlayer insulating layers 211 may be, for example, a silicon oxide film, and the lowest interlayer insulating layer 211a among the interlayer insulating layers 211 may have a thinner thickness than the remaining interlayer insulating layers 211 . Each of the horizontal structures 250 may include first and second blocking insulating films 242 and 243 and an electrode layer 245. A plurality of electrode structures 215 are provided, and the plurality of electrode structures 215 may be arranged to face each other in a second direction crossing the first direction. The first and second directions may correspond to the x-axis and y-axis of FIG. 2, respectively. Between the plurality of electrode structures 215, trenches 240 separating them may extend in the first direction. Highly doped impurity regions may be formed in the substrate 200 exposed by the trenches 240 and a common source line (CSL) may be disposed. Although not shown, additional isolation insulating films that fill the trenches 240 may be disposed.
전극 구조체(215)를 관통하는 수직 구조체들(230)이 배치될 수 있다. 일례로, 수직 구조체들(230)은 평면적 관점에서, 제1 및 제2 방향을 따라 정렬되어 매트릭스 형태로 배치될 수 있다. 다른 예로, 수직 구조체들(230)은 제2 방향으로 정렬되되, 제1 방향으로 지그재그 형태로 배치될 수도 있다. 수직 구조체들(230) 각각은 보호막(224), 전하 저장막(225), 터널 절연막(226), 및 채널층(227)을 포함할 수 있다. 일례로, 채널층(227)은 그 내부의 속이 빈 튜브 형태로 배치될 수 있으며, 이 경우 채널층(227)의 내부를 채우는 매립막(228)(산화물(Oxide)로 형성됨)이 더 배치될 수 있다. 채널층(227)의 상부에는 드레인 영역(D)이 배치되고, 드레인 영역(D) 상에 도전 패턴(229)이 형성되어, 비트 라인(BL)과 연결될 수 있다. 비트 라인(BL)은 수평 전극들(250)과 교차하는 방향, 예를 들어 제2 방향으로 연장될 수 있다. 일례로, 제2 방향으로 정렬된 수직 구조체들(230)은 하나의 비트 라인(BL)에 연결될 수 있다.Vertical structures 230 may be disposed penetrating the electrode structure 215. For example, the vertical structures 230 may be arranged in a matrix form by being aligned along the first and second directions from a plan view. As another example, the vertical structures 230 are aligned in the second direction, but may also be arranged in a zigzag shape in the first direction. Each of the vertical structures 230 may include a protective film 224, a charge storage film 225, a tunnel insulating film 226, and a channel layer 227. For example, the channel layer 227 may be disposed in the form of a hollow tube, and in this case, a buried film 228 (formed of oxide) that fills the inside of the channel layer 227 may be further disposed. You can. A drain region D is disposed on the top of the channel layer 227, and a conductive pattern 229 is formed on the drain region D to be connected to the bit line BL. The bit line BL may extend in a direction crossing the horizontal electrodes 250, for example, in the second direction. For example, the vertical structures 230 aligned in the second direction may be connected to one bit line BL.
수평 구조체들(250)에 포함된 제1 및 제2 블로킹 절연막들(242, 243) 및 수직 구조체들(230)에 포함된 전하 저장막(225) 및 터널 절연막(226)은 3차원 플래시 메모리의 정보 저장 요소인 ONO(Oxide-Nitride-Oxide)층으로 정의될 수 있다. 즉, 정보 저장 요소 중 일부는 수직 구조체들(230)에 포함되고, 나머지 일부는 수평 구조체들(250)에 포함될 수 있다. 일례로, 정보 저장 요소 중 전하 저장막(225) 및 터널 절연막(226)은 수직 구조체들(230)에 포함되고, 제1 및 제2 블로킹 절연막들(242, 243)은 수평 구조체들(250)에 포함될 수 있다.The first and second blocking insulating films 242 and 243 included in the horizontal structures 250 and the charge storage film 225 and tunnel insulating film 226 included in the vertical structures 230 are used in the three-dimensional flash memory. It can be defined as an ONO (Oxide-Nitride-Oxide) layer, which is an information storage element. That is, some of the information storage elements may be included in the vertical structures 230, and others may be included in the horizontal structures 250. For example, among the information storage elements, the charge storage film 225 and the tunnel insulating film 226 are included in the vertical structures 230, and the first and second blocking insulating films 242 and 243 are included in the horizontal structures 250. may be included in
기판(200) 및 수직 구조체들(230) 사이에 에피택시얼 패턴들(222)이 배치될 수 있다. 에피택시얼 패턴들(222)은 기판(200)과 수직 구조체들(230)을 연결한다. 에피택시얼 패턴들(222)은 적어도 한 층의 수평 구조체들(250)과 접할 수 있다. 즉, 에피택시얼 패턴들(222)은 최하부의 수평 구조체(250a)와 접하도록 배치될 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 에피택시얼 패턴들(222)은 복수 개의 층, 예를 들어 두 개의 층의 수평 구조체들(250)과 접하도록 배치될 수도 있다. 한편, 에피택시얼 패턴들(222)이 최하부의 수평 구조체(250a)와 접하도록 배치되는 경우, 최하부의 수평 구조체(250a)는 나머지 수평 구조체들(250)보다 두껍게 배치될 수 있다. 에피택시얼 패턴들(222)에 접하는 최하부의 수평 구조체(250a)는 도 1을 참조하여 기재한 3차원 플래시 메모리의 어레이의 접지 선택 라인(GSL)에 해당할 수 있으며, 수직 구조체들(230)에 접하는 나머지 수평 구조체들(250)은 복수 개의 워드 라인들(WL0-WL3)에 해당할 수 있다.Epitaxial patterns 222 may be disposed between the substrate 200 and the vertical structures 230. Epitaxial patterns 222 connect the substrate 200 and the vertical structures 230. The epitaxial patterns 222 may contact at least one layer of horizontal structures 250. That is, the epitaxial patterns 222 may be arranged to contact the lowermost horizontal structure 250a. According to another embodiment, the epitaxial patterns 222 may be arranged to contact the horizontal structures 250 of a plurality of layers, for example, two layers. Meanwhile, when the epitaxial patterns 222 are arranged to contact the lowermost horizontal structure 250a, the lowermost horizontal structure 250a may be arranged to be thicker than the remaining horizontal structures 250. The lowermost horizontal structure 250a in contact with the epitaxial patterns 222 may correspond to the ground selection line (GSL) of the array of the three-dimensional flash memory described with reference to FIG. 1, and the vertical structures 230 The remaining horizontal structures 250 adjacent to may correspond to a plurality of word lines (WL0-WL3).
에피택시얼 패턴들(222) 각각은 리세스된 측벽(222a)을 갖는다. 그에 따라, 에피택시얼 패턴들(222)에 접하는 최하부의 수평 구조체(250a)는 리세스된 측벽(222a)의 프로파일을 따라 배치된다. 즉, 최하부의 수평 구조체(250a)는 에피택시얼 패턴들(222)의 리세스된 측벽(222a)을 따라 안쪽으로 볼록한 형태로 배치될 수 있다.Each of the epitaxial patterns 222 has a recessed sidewall 222a. Accordingly, the lowermost horizontal structure 250a in contact with the epitaxial patterns 222 is disposed along the profile of the recessed side wall 222a. That is, the lowermost horizontal structure 250a may be disposed in a convex shape inward along the recessed sidewall 222a of the epitaxial patterns 222.
이와 같은 구조를 갖는 기존의 3차원 플래시 메모리는, 도 3과 같이 채널층(227)이 내외로 터널 절연막(226) 및 매립막(228)과 접촉되기 때문에, 채널층(227)과 터널 절연막(226) 사이 계면(310)에서 표면 산란(Surface scattering)이 발생되고 채널층(227)과 매립막(228) 사이 계면(320)에서도 표면 산란이 발생되어 채널층(227)에 흐르는 채널 전류가 감소되는 문제를 갖는다.In the existing three-dimensional flash memory with such a structure, since the channel layer 227 is in contact with the tunnel insulating film 226 and the buried film 228 inside and out as shown in FIG. 3, the channel layer 227 and the tunnel insulating film ( 226) Surface scattering occurs at the interface 310 between the channel layer 227 and the buried film 228, and surface scattering also occurs at the interface 320 between the channel layer 227 and the buried film 228, thereby reducing the channel current flowing in the channel layer 227. have a problem.
따라서, 아래의 실시예들은 기존의 3차원 플래시 메모리가 갖는 채널 전류가 감소되는 문제를 해결하기 위한 기술이 제안될 필요가 있다.Therefore, in the embodiments below, there is a need to propose a technology to solve the problem of reduced channel current in existing 3D flash memory.
일 실시예들은 채널층 사이 계면에서의 표면 산란을 억제하여 전하 이동도(Mobility)를 향상시켜 채널 전류를 증가시키고자, 채널층의 내부에 에어 갭(Air gap)이 수직 방향으로 연장 형성되는 구조의 3차원 플래시 메모리 및 그 제조 방법을 제안한다.One embodiment is a structure in which an air gap is formed to extend in the vertical direction inside the channel layer to increase channel current by suppressing surface scattering at the interface between channel layers and improving charge mobility. A 3D flash memory and its manufacturing method are proposed.
일 실시예에 따르면, 3차원 플래시 메모리는, 기판 상 수평 방향으로 연장 형성되며 순차적으로 적층되는 복수의 워드 라인들; 및 상기 복수의 워드 라인들을 관통하여 상기 기판 상 수직 방향으로 연장 형성되는 적어도 하나의 스트링-상기 적어도 하나의 스트링은 내부가 빈 튜브 형태로 상기 수직 방향으로 연장 형성되는 채널층 및 상기 채널층을 감싸도록 상기 수직 방향으로 연장 형성되는 전하 저장층을 포함함-을 포함하고, 상기 채널층의 내부에는, 에어 갭(Air gap)이 상기 수직 방향으로 연장 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to one embodiment, a three-dimensional flash memory includes a plurality of word lines extending in the horizontal direction on a substrate and sequentially stacked; and at least one string extending in the vertical direction on the substrate through the plurality of word lines - the at least one string is formed in the form of a hollow tube and surrounds the channel layer and extending in the vertical direction. and a charge storage layer extending in the vertical direction, and an air gap may be formed inside the channel layer extending in the vertical direction.
일 측면에 따르면, 상기 에어 갭은, 상기 채널층 사이 계면에서의 표면 산란(Surface scattering)을 억제하여 전하 이동도(Mobility)를 향상시키는 용도로 사용되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to one aspect, the air gap may be used to improve charge mobility by suppressing surface scattering at the interface between the channel layers.
다른 일 측면에 따르면, 상기 적어도 하나의 스트링의 상단에는, 상기 에어 갭을 유지하기 위한 캡(Cap)이 배치되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, a cap for maintaining the air gap may be disposed on the top of the at least one string.
또 다른 일 측면에 따르면, 상기 캡은, 상기 채널층과 상이한 물질로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the cap may be formed of a material different from the channel layer.
또 다른 일 측면에 따르면, 상기 캡은, 상기 복수의 워드 라인들을 통해 인가되는 전압에 의해 채널을 형성하지 않는 물질로 생성되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the cap may be made of a material that does not form a channel by a voltage applied through the plurality of word lines.
또 다른 일 측면에 따르면, 상기 캡은, 상기 채널층이 갖는 전하 이동도보다 낮은 전하 이동도를 갖는 물질로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the cap may be formed of a material having a lower charge mobility than that of the channel layer.
또 다른 일 측면에 따르면, 상기 에어 갭은, 진공 상태 또는 가스가 주입된 상태로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the air gap may be formed in a vacuum state or in a gas-injected state.
일 실시예에 따르면, 3차원 플래시 메모리의 제조 방법은, 기판 상 수평 방향으로 연장 형성되며 순차적으로 적층되는 복수의 워드 라인들; 및 상기 복수의 워드 라인들을 관통하여 상기 기판 상 수직 방향으로 연장 형성되는 적어도 하나의 스트링-상기 적어도 하나의 스트링은 내부가 빈 튜브 형태로 상기 수직 방향으로 연장 형성되는 채널층 및 상기 채널층을 감싸도록 상기 수직 방향으로 연장 형성되는 전하 저장층을 포함함-을 포함하는 반도체 구조체-상기 채널층의 내부에는 상기 수직 방향으로 연장 형성된 홀(Hole)이 포함됨-를 준비하는 단계; 및 상기 홀의 상단을 밀봉하는 캡(Cap)을 형성하여, 상기 채널층의 내부에 에어 갭(Air gap)을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.According to one embodiment, a method of manufacturing a three-dimensional flash memory includes: a plurality of word lines extending in the horizontal direction on a substrate and sequentially stacked; and at least one string extending in the vertical direction on the substrate through the plurality of word lines - the at least one string is formed in the form of a hollow tube and surrounds the channel layer and extending in the vertical direction. Preparing a semiconductor structure including a charge storage layer extending in the vertical direction - the interior of the channel layer including a hole extending in the vertical direction; And it may include forming a cap to seal the top of the hole, thereby creating an air gap inside the channel layer.
일 측면에 따르면, 상기 에어 갭은, 상기 채널층 사이 계면에서의 표면 산란(Surface scattering)을 억제하여 전하 이동도(Mobility)를 향상시키는 용도로 사용되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to one aspect, the air gap may be used to improve charge mobility by suppressing surface scattering at the interface between the channel layers.
다른 일 측면에 따르면, 상기 캡은, 상기 채널층과 상이한 물질로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the cap may be formed of a material different from the channel layer.
또 다른 일 측면에 따르면, 상기 에어 갭을 생성하는 단계는, 상기 복수의 워드 라인들을 통해 인가되는 전압에 의해 채널을 형성하지 않는 물질로 상기 홀의 상단에 상기 캡을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the step of creating the air gap includes forming the cap on the top of the hole with a material that does not form a channel by a voltage applied through the plurality of word lines. You can do this.
또 다른 일 측면에 따르면, 상기 캡을 형성하는 단계는, 상기 반도체 구조체를 챔버(Chamber) 내에 위치시켜 상기 반도체 구조체가 위치하는 공간의 압력을 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, forming the cap may further include placing the semiconductor structure in a chamber and adjusting the pressure of the space where the semiconductor structure is located.
일 실시예들은 채널층의 내부에 에어 갭(Air gap)이 수직 방향으로 연장 형성되는 구조의 3차원 플래시 메모리 및 그 제조 방법을 제안함으로써, 채널층 사이 계면에서의 표면 산란을 억제하여 전하 이동도(Mobility)를 향상시켜 채널 전류를 증가시킬 수 있다.One embodiment proposes a three-dimensional flash memory with a structure in which an air gap extends vertically inside the channel layer and a manufacturing method thereof, thereby suppressing surface scattering at the interface between channel layers to improve charge mobility. Channel current can be increased by improving mobility.
도 1은 기존의 3차원 플래시 메모리의 어레이를 나타낸 간략 회로도이다.
도 2는 기존의 3차원 플래시 메모리의 구조를 나타낸 사시도이다.
도 3은 기존의 3차원 플래시 메모리에서 채널층 사이 계면에서의 표면 산란으로 인해 채널 전류가 감소되는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 3차원 플래시 메모리를 나타낸 Y-Z 단면도이다.
도 5는 도 4에 도시된 3차원 플래시 메모리에서 채널 전류를 증가시키는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른 3차원 플래시 메모리의 제조 방법을 나타낸 플로우 차트이다.
도 7a 내지 7c는 도 6에 도시된 제조 방법의 일 실시예를 설명하기 위해 3차원 플래시 메모리를 나타낸 Y-Z 단면도이다.
도 8a 내지 8c는 도 6에 도시된 제조 방법의 다른 실시예를 설명하기 위해 3차원 플래시 메모리를 나타낸 Y-Z 단면도이다.Figure 1 is a simplified circuit diagram showing an existing three-dimensional flash memory array.
Figure 2 is a perspective view showing the structure of an existing three-dimensional flash memory.
FIG. 3 is a diagram illustrating a decrease in channel current due to surface scattering at the interface between channel layers in a conventional 3D flash memory.
Figure 4 is a YZ cross-sectional view showing a three-dimensional flash memory according to an embodiment.
FIG. 5 is a diagram for explaining increasing channel current in the three-dimensional flash memory shown in FIG. 4.
Figure 6 is a flow chart showing a method of manufacturing a 3D flash memory according to an embodiment.
FIGS. 7A to 7C are YZ cross-sectional views showing a three-dimensional flash memory to explain an embodiment of the manufacturing method shown in FIG. 6.
FIGS. 8A to 8C are YZ cross-sectional views showing a three-dimensional flash memory to explain another embodiment of the manufacturing method shown in FIG. 6.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 또한, 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the attached drawings. However, the present invention is not limited or limited by the examples. Additionally, the same reference numerals in each drawing indicate the same members.
또한, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.In addition, the terminology used in this specification is a term used to appropriately express preferred embodiments of the present invention, and may vary depending on the intention of the user or operator or the customs of the field to which the present invention belongs. Therefore, definitions of these terms should be made based on the content throughout this specification.
이하, 3차원 플래시 메모리를 나타낸 Y-Z 단면도에서는 3차원 플래시 메모리가 설명의 편의를 위해 복수의 스트링들의 상부에 위치하는 비트 라인, 복수의 스트링들의 하부에 위치하는 소스 라인 등의 구성요소가 생략된 채 도시 및 설명될 수 있다. 그러나 후술되는 3차원 플래시 메모리는 이에 제한되거나 한정되지 않고 도 2를 참조하여 도시된 기존의 3차원 플래시 메모리의 구조에 기초하여 추가적인 구성요소를 더 포함할 수 있다.Hereinafter, in the Y-Z cross-sectional view showing the three-dimensional flash memory, components such as the bit line located above the plurality of strings and the source line located below the plurality of strings are omitted for convenience of explanation. Can be shown and explained. However, the 3D flash memory described later is not limited or limited thereto and may further include additional components based on the structure of the existing 3D flash memory shown with reference to FIG. 2.
도 4는 일 실시예에 따른 3차원 플래시 메모리를 나타낸 Y-Z 단면도이고, 도 5는 도 4에 도시된 3차원 플래시 메모리에서 채널 전류를 증가시키는 것을 설명하기 위한 도면이다.FIG. 4 is a Y-Z cross-sectional view showing a three-dimensional flash memory according to an embodiment, and FIG. 5 is a diagram for explaining increasing the channel current in the three-dimensional flash memory shown in FIG. 4.
도 4 내지 5를 참조하면, 일 실시예에 따른 3차원 플래시 메모리(400)는 복수의 워드 라인들(410) 및 적어도 하나의 스트링(420)을 포함한다.Referring to FIGS. 4 and 5 , a three-dimensional flash memory 400 according to an embodiment includes a plurality of word lines 410 and at least one string 420.
복수의 워드 라인들(410)은 기판(405) 상 수평 방향(예컨대, Y 방향)으로 연장 형성된 채 순차적으로 적층되며, 각각이 W(텅스텐), Ti(티타늄), Ta(탄탈륨), Cu(구리), Mo(몰리브덴), Ru(루테늄) 또는 Au(금)과 같은 도전성 물질(설명된 금속 물질 이외에도 ALD 형성 가능한 모든 금속 물질이 포함됨)로 형성되어 각각에 대응하는 메모리 셀들로 전압을 인가하여 메모리 동작(판독 동작, 프로그램 동작 및 소거 동작 등)을 수행할 수 있다. 이러한 복수의 워드 라인들(410)의 사이에는 절연 물질로 형성되는 복수의 절연층들(411)이 개재될 수 있다.The plurality of word lines 410 are sequentially stacked extending in the horizontal direction (e.g., Y direction) on the substrate 405, and each of W (tungsten), Ti (titanium), Ta (tantalum), and Cu ( It is formed of a conductive material such as copper), Mo (molybdenum), Ru (ruthenium), or Au (gold) (all metal materials capable of forming ALD are included in addition to the metal materials described), and a voltage is applied to the corresponding memory cells. Memory operations (read operations, program operations, and erase operations, etc.) can be performed. A plurality of insulating layers 411 formed of an insulating material may be interposed between the plurality of word lines 410.
이러한 복수의 워드 라인들(410)의 상단에는 SSL(String Selection Line)이 배치될 수 있으며, 하단에는 GSL(Ground Selection Line)이 배치될 수 있다.A string selection line (SSL) may be placed at the top of the plurality of word lines 410, and a ground selection line (GSL) may be placed at the bottom.
적어도 하나의 스트링(420)은 복수의 워드 라인들(410)을 관통하여 기판(405) 상 수직 방향(예컨대, Z 방향)으로 연장 형성되는 가운데, 각각이 채널층(421) 및 전하 저장층(422)을 포함함으로써, 복수의 워드 라인들(410)에 대응하는 복수의 메모리 셀들을 구성할 수 있다.At least one string 420 extends in the vertical direction (e.g., Z direction) on the substrate 405 through the plurality of word lines 410, and each of the strings 420 includes a channel layer 421 and a charge storage layer ( By including 422), a plurality of memory cells corresponding to the plurality of word lines 410 can be configured.
전하 저장층(422)은 채널층(421)을 감싸도록 연장 형성된 채, 복수의 워드 라인들(410)을 통해 인가되는 전압에 의한 전하 또는 홀을 트랩하거나, 전하들의 상태(예를 들어, 전하들의 분극 상태)를 유지하는 구성요소로서, 3차원 플래시 메모리(400)에서 데이터 저장소의 역할을 할 수 있다. 일례로, 전하 저장층(422)으로는 ONO(Oxide-Nitride-Oxide)층 또는 강유전체층이 사용될 수 있다.The charge storage layer 422 extends to surround the channel layer 421 and traps charges or holes due to voltage applied through the plurality of word lines 410, or stores the state of charges (e.g., charges As a component that maintains the polarization state of the flash memory 400, it can serve as a data storage in the three-dimensional flash memory 400. For example, an Oxide-Nitride-Oxide (ONO) layer or a ferroelectric layer may be used as the charge storage layer 422.
채널층(421)은 복수의 워드 라인들(410), SSL, GSL, 비트 라인을 통해 인가되는 전압에 의해 메모리 동작을 수행하는 구성요소로서, 딘결정질의 실리콘 또는 폴리 실리콘으로 형성될 수 있다.The channel layer 421 is a component that performs a memory operation by voltage applied through the plurality of word lines 410, SSL, GSL, and bit lines, and may be formed of polycrystalline silicon or polysilicon.
여기서, 채널층(421)의 내부에는 에어 갭(Air gap)(423)이 수직 방향으로 연장 형성될 수 있다. 에어 갭(423)은 채널층(421)의 상단에 배치되는 캡(Cap)(424)에 의해 진공 상태 또는 가스가 주입된 상태로 유지될 수 있다.Here, an air gap 423 may be formed to extend in the vertical direction inside the channel layer 421. The air gap 423 may be maintained in a vacuum state or a gas-injected state by a cap 424 disposed on the top of the channel layer 421.
이러한 에어 갭(423)은 채널층(421) 사이 계면에서의 표면 산란(Surface scattering)을 억제하여 전하 이동도(Mobility)를 향상시키는 용도로 사용될 수 있다. 보다 상세하게, 에어 갭(423)을 포함하는 구조에서는 도 5에 도시된 바와 같이 채널층(421)과 전하 저장층(422)(예컨대, 전하 저장층(422)에 포함되는 외부 산화물층) 사이의 계면(510)에서만 표면 산란이 발생되기 때문에, 채널층과 내부 산화물층 사이 계면에서의 표면 산란과 채널층과 외부 산화물층 사이 계면에서의 표면 산란이 모두 발생되는 기존 구조에 비해 전하 이동도가 향상되어 채널 전류가 증가될 수 있다.This air gap 423 can be used to improve charge mobility by suppressing surface scattering at the interface between the channel layers 421. More specifically, in the structure including the air gap 423, as shown in FIG. 5, between the channel layer 421 and the charge storage layer 422 (e.g., the external oxide layer included in the charge storage layer 422) Since surface scattering occurs only at the interface 510, the charge mobility is lower than the existing structure in which both surface scattering at the interface between the channel layer and the inner oxide layer and surface scattering at the interface between the channel layer and the outer oxide layer occur. Improvements can be made to increase channel current.
이 때, 캡(424)은 채널층(421)에 채널이 형성됨에 따른 3차원 플래시 메모리(400)의 메모리 동작에 영향을 미치지 않거나 최소화 하도록 채널층(421)과 상이한 물질로 형성될 수 있다. 즉, 캡(424)은 복수의 워드 라인들(410)을 통해 인가되는 전압에 의해 채널을 형성하지 않는 물질로 생성됨으로써, 채널층(421)에 채널이 형성됨에 따른 3차원 플래시 메모리(400)의 메모리 동작에 영향을 미치지 않을 수 있다. 아니면, 캡(424)은 최소한 채널층(421)이 갖는 전하 이동도보다 낮은 전하 이동도를 갖는 물질로 생성됨으로써, 채널층(421)에 채널이 형성됨에 따른 3차원 플래시 메모리(400)의 메모리 동작에 미치는 영향을 최소화할 수 있다.At this time, the cap 424 may be formed of a different material from the channel layer 421 so as to have no or minimal effect on the memory operation of the three-dimensional flash memory 400 due to the formation of a channel in the channel layer 421. That is, the cap 424 is made of a material that does not form a channel by a voltage applied through the plurality of word lines 410, thereby forming a channel in the channel layer 421, thereby forming the three-dimensional flash memory 400. It may not affect the memory operation of . Alternatively, the cap 424 is made of a material with a charge mobility that is at least lower than the charge mobility of the channel layer 421, thereby forming a channel in the channel layer 421, resulting in the memory of the three-dimensional flash memory 400. The impact on operation can be minimized.
도 6은 일 실시예에 따른 3차원 플래시 메모리의 제조 방법을 나타낸 플로우 차트이고, 도 7a 내지 7c는 도 6에 도시된 제조 방법의 일 실시예를 설명하기 위해 3차원 플래시 메모리를 나타낸 Y-Z 단면도이며, 도 8a 내지 8c는 도 6에 도시된 제조 방법의 다른 실시예를 설명하기 위해 3차원 플래시 메모리를 나타낸 Y-Z 단면도이다.FIG. 6 is a flow chart showing a manufacturing method of a three-dimensional flash memory according to an embodiment, and FIGS. 7A to 7C are Y-Z cross-sectional views showing a three-dimensional flash memory to explain an embodiment of the manufacturing method shown in FIG. 6. , FIGS. 8A to 8C are Y-Z cross-sectional views showing a three-dimensional flash memory to explain another embodiment of the manufacturing method shown in FIG. 6.
이하, 후술되는 제조 방법은 자동화 및 기계화된 제조 시스템에 의해 수행됨을 전제로 하며, 제조 방법을 통해 제조 완료되는 3차원 플래시 메모리는 도 4 내지 5를 참조하여 설명된 구조를 갖게 될 수 있다.Hereinafter, the manufacturing method described later is assumed to be performed by an automated and mechanized manufacturing system, and the three-dimensional flash memory manufactured through the manufacturing method may have the structure described with reference to FIGS. 4 and 5.
도 6을 참조하면, 일 실시예에 따른 제조 시스템은 단계(S610)에서, 도 7a 또는 8a에 도시된 같이 반도체 구조체(710, 810)를 준비할 수 있다.Referring to FIG. 6 , the manufacturing system according to one embodiment may prepare semiconductor structures 710 and 810 as shown in FIG. 7A or 8A in step S610.
여기서, 반도체 구조체(710, 810)는 기판(705, 805) 상 수평 방향으로 연장 형성되며 순차적으로 적층되는 복수의 워드 라인들(711, 811) 및 복수의 워드 라인들(711, 811)을 관통하여 기판(705, 805) 상 수직 방향으로 연장 형성되는 적어도 하나의 스트링(720, 820)을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 스트링(720, 820)은 내부가 빈 튜브 형태로 수직 방향으로 연장 형성되는 채널층(721, 821) 및 채널층(721, 821)을 감싸도록 수직 방향으로 연장 형성되는 전하 저장층(722, 822)을 포함할 수 있으며, 채널층(721, 821)은 내부가 빈 튜브 형태이므로 내부에 수직 방향으로 연장 형성된 홀(Hole)(723, 823)을 포함할 수 있다.Here, the semiconductor structures 710 and 810 are formed to extend in the horizontal direction on the substrates 705 and 805 and pass through a plurality of sequentially stacked word lines 711 and 811 and a plurality of word lines 711 and 811. Thus, it may include at least one string (720, 820) extending in the vertical direction on the substrates (705, 805). At least one string (720, 820) has a channel layer (721, 821) extending in the vertical direction in the form of an empty tube, and a charge storage layer (721, 821) extending in the vertical direction to surround the channel layers (721, 821). 722 and 822), and since the channel layers 721 and 821 have an empty tube shape, they may include holes 723 and 823 extending in the vertical direction.
이어서, 제조 시스템은 단계(S620)에서, 반도체 구조체(710, 810)에 포함되는 홀(723, 823)의 상단을 밀봉하는 캡(Cap)(730, 830)을 형성하여, 채널층(721, 821)의 내부에 에어 갭(740, 840)을 생성할 수 있다.Next, in step S620, the manufacturing system forms caps 730 and 830 that seal the tops of the holes 723 and 823 included in the semiconductor structures 710 and 810, thereby forming the channel layer 721. Air gaps 740 and 840 may be created inside 821).
에어 갭(740, 840)은 채널층(721, 821) 사이 계면에서의 표면 산란(Surface scattering)을 억제하여 전하 이동도(Mobility)를 향상시키는 용도로 사용될 수 있으며, 캡(730, 830)은 채널층(721)이 갖는 전하 이동도보다 낮은 전하 이동도를 갖는 물질 또는 복수의 워드 라인들(711)을 통해 인가되는 전압에 의해 채널을 형성하지 않는 물질처럼 채널층(721, 821)과 상이한 물질로 형성될 수 있다.The air gap (740, 840) can be used to improve charge mobility by suppressing surface scattering at the interface between the channel layers (721, 821), and the cap (730, 830) Different from the channel layers 721 and 821, such as a material having a charge mobility lower than that of the channel layer 721 or a material that does not form a channel by the voltage applied through the plurality of word lines 711. It can be formed from materials.
이 때, 제조 시스템은 단계(S620)에서 반도체 구조체(710, 810)를 챔버(Chamber) 내에 위치시켜 반도체 구조체(710, 810)가 위치하는 공간의 압력을 조절할 수도 있다.At this time, the manufacturing system may adjust the pressure of the space where the semiconductor structures 710 and 810 are located by placing the semiconductor structures 710 and 810 in a chamber in step S620.
단계(S620)에 대한 일 실시예로 도 7b 내지 7c를 참조하면, 제조 시스템은 도 7b와 같이 비점착성(Nonconformality) 폴리 실리콘으로 홀(723)의 상단을 밀봉한 뒤 도 7c와 같이 평탄화 공정을 수행하여 캡(730)을 형성함으로써, 에어 갭(740)을 채널층(721) 내부에 생성할 수 있다.Referring to FIGS. 7B to 7C as an example of step S620, the manufacturing system seals the top of the hole 723 with non-conformality polysilicon as shown in FIG. 7B and then performs a planarization process as shown in FIG. 7C. By forming the cap 730, an air gap 740 can be created inside the channel layer 721.
단계(S620)에 대한 다른 일 실시예로 도 8b 내지 7c를 참조하면, 제조 시스템은 도 8b와 같이 메탈 물질을 홀(823)의 상단에 증착하여 밀봉한 뒤 도 8c와 같이 평탄화 공정을 수행하여 캡(830)을 형성함으로써, 에어 갭(840)을 채널층(821) 내부에 생성할 수 있다.Referring to FIGS. 8B to 7C as another example of step S620, the manufacturing system deposits a metal material on the top of the hole 823 as shown in FIG. 8B to seal it, and then performs a planarization process as shown in FIG. 8C. By forming the cap 830, an air gap 840 can be created inside the channel layer 821.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.As described above, although the embodiments have been described with limited examples and drawings, various modifications and variations can be made by those skilled in the art from the above description. For example, the described techniques are performed in a different order than the described method, and/or components of the described system, structure, device, circuit, etc. are combined or combined in a different form than the described method, or other components are used. Alternatively, appropriate results may be achieved even if substituted or substituted by an equivalent.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents of the claims also fall within the scope of the claims described below.
Claims (12)
상기 복수의 워드 라인들을 관통하여 상기 기판 상 수직 방향으로 연장 형성되는 적어도 하나의 스트링-상기 적어도 하나의 스트링은 내부가 빈 튜브 형태로 상기 수직 방향으로 연장 형성되는 채널층 및 상기 채널층을 감싸도록 상기 수직 방향으로 연장 형성되는 전하 저장층을 포함함-
을 포함하고,
상기 채널층의 내부에는,
상기 채널층 내측면과 직접적으로 맞닿는 에어 갭(Air gap)-상기 에어 갭은 상기 채널층 내측 계면에서의 표면 산란(Surface scattering)을 억제하여 전하 이동도(Mobility)를 향상시키는 용도로 사용됨-이 상기 수직 방향으로 연장 형성되는 것을 특징으로 하며,
상기 적어도 하나의 스트링의 상단에 상기 에어 갭을 유지하기 위해 배치되는 캡(Cap)은,
상기 복수의 워드 라인들을 통해 인가되는 전압에 의해 채널을 형성하지 않고 상기 채널층이 갖는 전하 이동도보다 낮은 전하 이동도를 갖도록 상기 채널층과 상이한 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 3차원 플래시 메모리.A plurality of word lines extending in the horizontal direction on the substrate and sequentially stacked; and
At least one string passing through the plurality of word lines and extending in a vertical direction on the substrate, wherein the at least one string has a hollow tube shape and surrounds the channel layer and the channel layer extending in the vertical direction. Comprising a charge storage layer extending in the vertical direction -
Including,
Inside the channel layer,
An air gap that directly contacts the inner surface of the channel layer - the air gap is used to improve charge mobility by suppressing surface scattering at the inner interface of the channel layer - Characterized in that it extends in the vertical direction,
A cap disposed at the top of the at least one string to maintain the air gap,
A three-dimensional flash memory characterized in that it is formed of a material different from the channel layer so as to have a charge mobility lower than that of the channel layer without forming a channel by the voltage applied through the plurality of word lines.
상기 에어 갭은,
진공 상태 또는 가스가 주입된 상태로 형성되는 것을 특징으로 하는 3차원 플래시 메모리.According to paragraph 1,
The air gap is,
A three-dimensional flash memory characterized in that it is formed in a vacuum state or a gas-injected state.
상기 홀의 상단을 밀봉하는 캡(Cap)을 형성하여, 상기 채널층의 내부에 에어 갭(Air gap)을 생성하는 단계
를 포함하고,
상기 채널층 내측면과 직접적으로 맞닿는 에어 갭은,
상기 채널층 내측 계면에서의 표면 산란(Surface scattering)을 억제하여 전하 이동도(Mobility)를 향상시키는 용도로 사용되는 것을 특징으로 하며,
상기 캡은,
상기 복수의 워드 라인들을 통해 인가되는 전압에 의해 채널을 형성하지 않고 상기 채널층이 갖는 전하 이동도보다 낮은 전하 이동도를 갖도록 상기 채널층과 상이한 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 3차원 플래시 메모리의 제조 방법.A plurality of word lines extending in the horizontal direction on the substrate and sequentially stacked; and at least one string extending in the vertical direction on the substrate through the plurality of word lines - the at least one string is formed in the form of a hollow tube and surrounds the channel layer and extending in the vertical direction. Preparing a semiconductor structure including a charge storage layer extending in the vertical direction - the interior of the channel layer including a hole extending in the vertical direction; and
Forming a cap to seal the top of the hole to create an air gap inside the channel layer.
Including,
The air gap in direct contact with the inner surface of the channel layer is,
It is used to improve charge mobility by suppressing surface scattering at the inner interface of the channel layer,
The cap is,
A three-dimensional flash memory characterized in that it is formed of a material different from the channel layer to have a charge mobility lower than that of the channel layer without forming a channel by the voltage applied through the plurality of word lines. Manufacturing method.
상기 에어 갭(Air gap)을 생성하는 단계는,
상기 반도체 구조체를 챔버(Chamber) 내에 위치시켜 상기 반도체 구조체가 위치하는 공간의 압력을 조절하는 단계
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 플래시 메모리의 제조 방법.According to clause 8,
The step of creating the air gap is,
Positioning the semiconductor structure in a chamber to control the pressure of the space where the semiconductor structure is located
A method of manufacturing a three-dimensional flash memory, further comprising:
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