KR20060053068A - Multi-bit semiconductor memory device and methods of manufacturing and operating the same - Google Patents
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Abstract
기판과, 상기 기판 상에 소정의 길이와 폭을 갖는 라인 형태로 형성되어 있고, 길이 방향으로 제1 소오스, 채널영역 및 제1 드레인이 차례로 형성된 반도체층과, 상기 반도체층의 채널영역을 중심으로 대칭이 되도록 상기 기판에 형성된 제2 소오스와 제2 드레인과, 상기 반도체층의 채널영역을 감싸고 상기 제2 소오스 및 제2 드레인 상으로 일부 확장된 제1 절연층과, 상기 제1 절연층 상에 상기 채널영역을 감싸도록 형성되어 있고, 복수의 스토리지 노드를 갖는 3차원 형태의 데이터 저장층과, 상기 데이터 저장층을 덮는 제2 절연층과, 상기 제2 절연층 상에 형성된 게이트 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티 비트 반도체 메모리 소자를 제공한다.A semiconductor layer formed in a line shape having a predetermined length and width on the substrate, and having a first source, a channel region, and a first drain sequentially formed in the longitudinal direction, and a channel region of the semiconductor layer. A second source and a second drain formed on the substrate so as to be symmetrical, a first insulating layer covering the channel region of the semiconductor layer and partially extending onto the second source and the second drain, and on the first insulating layer And a three-dimensional data storage layer having a plurality of storage nodes, a second insulating layer covering the data storage layer, and a gate electrode formed on the second insulating layer. A multi-bit semiconductor memory device is provided.
Description
도 1은 본 발명의 실시에에 의한 멀티 비트 반도체 메모리 소자의 평면도이다.1 is a plan view of a multi-bit semiconductor memory device according to an embodiment of the present invention.
도 2는 도 1을 A-A'방향으로 절개한 단면도이다.FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. 1.
도 3은 도 1을 B-B'방향으로 절개한 단면도이다.3 is a cross-sectional view taken along the line BB ′ in FIG. 1.
도 4는 도 1에 도시한 반도체 메모리 소자의 사시도이다.4 is a perspective view of the semiconductor memory device shown in FIG. 1.
도 5 내지 도 10은 도 4에 도시한 반도체 메모리 소자의 제조 방법을 단계별로 나타낸 단면도이다.5 through 10 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing the semiconductor memory device illustrated in FIG. 4.
도 11은 도 4에 도시한 반도체 메모리 소자에서 게이트 전극을 형성한 후, 반도체 기판에 깊은 불순물층을 형성하기 전 단계의 반도체 메모리 소자의 평면도이다.FIG. 11 is a plan view of a semiconductor memory device in a step before forming a deep impurity layer on a semiconductor substrate after forming a gate electrode in the semiconductor memory device shown in FIG. 4.
도 12는 도 4에 도시한 반도체 메모리 소자에서 반도체 기판에 LDD 구조의 소오스 및 드레인을 형성한 후의 반도체 메모리 소자의 평면도이다.12 is a plan view of the semiconductor memory device after the source and the drain of the LDD structure are formed on the semiconductor substrate in the semiconductor memory device shown in FIG. 4.
도 13 및 도 14는 스토리지 노드를 보여주는 도 1에 도시한 반도체 메모리 소자의 정면도 및 배면도이다. 13 and 14 are front and back views of the semiconductor memory device shown in FIG. 1 showing a storage node.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *
40:반도체 기판 42:반도체층40: semiconductor substrate 42: semiconductor layer
44, 46:반도체층(42)에 형성된 제1 소오스 및 제1 드레인44, 46: First source and first drain formed in
48, 52:제1 및 제2 절연층 50:데이터 저장층(트랩층)48, 52: first and second insulating layers 50: data storage layer (trap layer)
54:게이트 전극 64:제2 소오스54
66:제2 드레인 64a, 66a:제1 및 제2 불순물층66:
64b, 66b:제3 및 제4 불순물층 M1:마스크64b, 66b: third and fourth impurity layers M1: mask
A1:반도체 메모리 소자의 정면을 가리키는 화살표A1: arrow pointing to the front of the semiconductor memory element
A2:반도체 메모리 소자의 배면을 가리키는 화살표A2: arrow pointing to the back of the semiconductor memory device
R1:요철부의 소정영역 P:요철부R1: predetermined area of uneven portion P: uneven portion
P1:요철부의 볼록한 부분 P2:요철부의 오목한 부분P1: Convex portion of the uneven portion P2: Concave portion of the uneven portion
S1..S8:제1 내지 제8 스토리지 노드S1..S8: First to Eighth Storage Nodes
본 발명은 반도체 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 단위 셀에 1 바이트의 데이터를 저장할 수 있는 멀티 비트 반도체 메모리 소자와 그 제조 및 동작 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a multi-bit semiconductor memory device capable of storing one byte of data in a unit cell, and a method of manufacturing and operating the same.
반도체 기술과 웨이퍼 가공 기술의 발전에 따라 불휘발성 반도체 메모리 소자의 집적도가 DRAM 수준에 근접하고 있다. 또한, 기존의 DRAM 구조와 공정을 그대 로 이용하는 불휘발성의 메모리 소자의 구현이 용이해지면서 최근의 이슈는 메모리 소자의 멀티 비트화에 모아지고 있다.With the development of semiconductor technology and wafer processing technology, the degree of integration of nonvolatile semiconductor memory devices is approaching the level of DRAM. In addition, as the implementation of nonvolatile memory devices using existing DRAM structures and processes becomes easier, recent issues have been focused on the multi-bitization of memory devices.
이에 따라 기존의 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor)의 구조에서 게이트를 스토리지 노드로 이용하는 메모리 소자, 예를 들면 소노스(SONOS) 메모리 소자가 소개된 바 있다.Accordingly, a memory device using a gate as a storage node in a structure of a conventional field effect transistor, for example, a sonos memory device, has been introduced.
현재까지 소개된 소노스 메모리 소자는 기존의 메모리 소자가 1 비트 데이터, 곧 1 또는 0만 저장할 수 있는 단일 비트 메모리 소자인데 반해, 두 자리의 비트 데이터를 기록할 수 있는 멀티 비트 메모리 소자인 것은 분명하다.Sonos memory devices introduced to date are clearly a multi-bit memory device capable of recording two-bit bit data, whereas the conventional memory device is a single-bit memory device that can store only one bit data, that is 1 or 0 Do.
세 자리의 비트 데이터(111, 110...001, 000)를 기록하기 위해서는 8개의 서로 다른 메모리 상태가 필요한데, 현재까지 소개된 멀티 비트 메모리 소자는 4개의 서로 다른 메모리 상태를 갖는 것이 대부분이다. 그러므로 현재까지 소개된 멀티 비트 메모리 소자를 이용해서는 세 자리의 비트 데이터를 기록하기 어렵다.Eight different memory states are required to write three-digit bit data 111, 110 ... 001, 000. Most of the multi-bit memory devices introduced to date have four different memory states. Therefore, it is difficult to write three-digit bit data using the multi-bit memory device introduced to date.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상술한 종래 기술의 문제점을 개선하기 위한 것으로써, 8개의 서로 다른 메모리 상태를 가질 수 있어 세 자리의 비트 데이터를 기록할 수 있는 멀티 비트 메모리 소자를 제공함에 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in an effort to improve the above-described problems of the related art, and provides a multi-bit memory device capable of having eight different memory states and writing three-bit bit data.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 이러한 멀티 비트 메모리 소자의 제조 방법을 제공함에 있다.Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing such a multi-bit memory device.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 이러한 멀티 비트 메모리 소자의 동작 방법을 제공함에 있다.Another object of the present invention is to provide a method of operating such a multi-bit memory device.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 기판과, 상기 기판 상에 소정의 길이와 폭을 갖는 라인 형태로 형성되어 있고, 길이 방향으로 제1 소오스, 채널영역 및 제1 드레인이 차례로 형성된 반도체층과, 상기 반도체층의 채널영역을 중심으로 대칭이 되도록 상기 기판에 형성된 제2 소오스와 제2 드레인과, 상기 반도체층의 채널영역을 감싸고 상기 제2 소오스 및 제2 드레인 상으로 일부 확장된 제1 절연층과, 상기 제1 절연층 상에 상기 채널영역을 감싸도록 형성되어 있고, 복수의 스토리지 노드를 갖는 3차원 형태의 데이터 저장층과, 상기 데이터 저장층을 덮는 제2 절연층과, 상기 제2 절연층 상에 형성된 게이트 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티 비트 반도체 메모리 소자를 제공한다.In order to achieve the above technical problem, the present invention is a semiconductor layer formed in a line shape having a predetermined length and width on the substrate, the first source, the channel region and the first drain in the longitudinal direction in order And a first source and a second drain formed on the substrate so as to be symmetrical about the channel region of the semiconductor layer, and a first portion that surrounds the channel region of the semiconductor layer and partially extends onto the second source and the second drain. An insulating layer, a three-dimensional data storage layer formed to surround the channel region on the first insulating layer, and having a plurality of storage nodes; a second insulating layer covering the data storage layer; 2 provides a multi-bit semiconductor memory device comprising a gate electrode formed on the insulating layer.
상기 데이터 저장층은 소정의 트랩 밀도를 갖는 질화물층일 수 있다.The data storage layer may be a nitride layer having a predetermined trap density.
상기 데이터 저장층은 이격된 8개의 스토리지 노드를 갖는 트랩 물질층일 수 있다.The data storage layer may be a trap material layer having eight storage nodes spaced apart.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 기판 상에 단면이 사각형인 라인 형태의 반도체층을 형성하는 단계와, 상기 반도체층을 중심으로 대칭이 되는 상기 기판의 소정 영역에 소정 깊이를 갖는 제1 및 제2 불순물층을 형성하는 단계와, 상기 기판 상에 상기 반도체층과 상기 제1 및 제2 불순물층을 덮는 제1 절연층, 데이터 저장층, 제2 절연층 및 게이트 전극층을 순차적으로 형성하는 단계와, 상기 제1 및 제2 불순물층에서 상기 반도체층에 인접한 일부를 제외한 나머지와 상기 반도체층에서 상기 제1 및 제2 불순물층사이에 있는 일부를 제외한 나머지 를 노출시키는 단계와, 상기 제1 및 제2 불순물층의 노출된 부분에 상기 제1 및 제2 불순물층보다 깊은 제3 및 제4 불순물층을 형성하고, 상기 반도체층의 노출된 부분에 소정의 도전성 불순물을 도핑하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티 비트 반도체 메모리 소자의 제조 방법을 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of forming a semiconductor layer having a line shape having a rectangular cross section on a substrate, and having a predetermined depth in a predetermined region of the substrate that is symmetric about the semiconductor layer. Forming a first and a second impurity layer, and sequentially forming a first insulating layer, a data storage layer, a second insulating layer, and a gate electrode layer covering the semiconductor layer and the first and second impurity layers on the substrate. Exposing a portion other than a portion adjacent to the semiconductor layer in the first and second impurity layers and a portion except a portion between the first and second impurity layers in the semiconductor layer; Third and fourth impurity layers deeper than the first and second impurity layers are formed in the exposed portions of the first and second impurity layers, and a predetermined conductive impurity is formed in the exposed portions of the semiconductor layer. To provide a method of manufacturing a multi-bit semiconductor memory device comprising the steps of: doping.
이와 같은 제조 방법에서 상기 반도체층은 실리콘층으로 형성할 수 있다.In such a manufacturing method, the semiconductor layer may be formed of a silicon layer.
또한, 상기 제1 및 제2 불순물층은 상기 반도체층이 형성된 상기 기판의 상부면에 소정의 도전성 불순물을 이온 주입하여 형성할 수 있다.In addition, the first and second impurity layers may be formed by ion implanting a predetermined conductive impurity on an upper surface of the substrate on which the semiconductor layer is formed.
상기 데이터 저장층은 소정의 트랩 밀도를 갖는 질화물층으로 형성할 수 있다.The data storage layer may be formed of a nitride layer having a predetermined trap density.
상기 제1 및 제2 불순물층에서 상기 반도체층에 인접한 일부를 제외한 나머지와 상기 반도체층에서 상기 제1 및 제2 불순물층사이에 있는 일부를 제외한 나머지는 동시에 노출시킬 수 있다.The remainder except for a portion adjacent to the semiconductor layer in the first and second impurity layers and the remainder except for a portion between the first and second impurity layers in the semiconductor layer may be simultaneously exposed.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 제1 및 제2 불순물층에서 상기 반도체층에 인접한 일부를 제외한 나머지를 먼저 노출시킨 다음, 상기 반도체층에서 상기 제1 및 제2 불순물층사이에 있는 일부를 제외한 나머지를 노출시키거나 이와 반대로 노출시킬 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the first and second impurity layers are first exposed except for a portion adjacent to the semiconductor layer, and then a portion between the first and second impurity layers in the semiconductor layer is exposed. You can expose the rest, or vice versa.
상기 제3 및 제4 불순물층의 형성과 상기 반도체층의 노출된 부분에 대한 상기 도전성 불순물의 도핑은 동시에 실시할 수 있으나, 순서를 다르게 할 수도 있다.The formation of the third and fourth impurity layers and the doping of the conductive impurities to the exposed portions of the semiconductor layer may be simultaneously performed, but may be performed in a different order.
상기 또 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 기판 상에 소정의 길이와 폭을 갖는 라인 형태로 형성되어 있고, 길이 방향으로 제1 소오스, 채널영역 및 제1 드레인이 차례로 형성된 반도체층과, 상기 반도체층의 채널영역을 중심으로 대칭이 되도록 상기 기판에 형성된 제2 소오스와 제2 드레인과, 상기 반도체층의 채널영역을 감싸고 상기 제2 소오스 및 제2 드레인 상으로 일부 확장된 제1 절연층과, 상기 제1 절연층 상에 상기 채널영역을 감싸도록 형성되어 있고, 복수의 스토리지 노드를 갖는 3차원 형태의 데이터 저장층과, 상기 데이터 저장층을 덮는 제2 절연층과, 상기 제2 절연층 상에 형성된 게이트 전극을 포함하는 멀티 비트 반도체 메모리 소자의 동작 방법에 있어서,In order to achieve the above another technical problem, the present invention is a semiconductor layer formed on the substrate in a line shape having a predetermined length and width, the first source, the channel region and the first drain in the longitudinal direction, and A second source and a second drain formed on the substrate so as to be symmetrical about the channel region of the semiconductor layer, and a first insulating layer covering the channel region of the semiconductor layer and partially extending onto the second source and the second drain And a three-dimensional data storage layer formed to surround the channel region on the first insulating layer, the data storage layer having a plurality of storage nodes, a second insulating layer covering the data storage layer, and the second insulating layer. In the operating method of a multi-bit semiconductor memory device comprising a gate electrode formed on a layer,
상기 게이트 전극에 소정의 쓰기 전압을 인가하고, 상기 제1 및 제2 소오스와 상기 제1 및 제2 드레인에 소정의 전압을 인가하여 상기 데이터 저장층의 상기 복수의 스토리지 노드 중 선택된 어느 하나에 1 비트 데이터를 기록하는 제1 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 메모리 소자의 동작 방법을 제공한다.A predetermined write voltage is applied to the gate electrode, and a predetermined voltage is applied to the first and second sources and the first and second drains, thereby selecting one of the plurality of storage nodes of the data storage layer. And a first step of writing bit data.
또한, 상기 게이트 전극에 상기 쓰기 전압을 인가한 상태에서 상기 제1 및 제2 소오스와 상기 제1 및 제2 드레인 중 적어도 어느 하나에 상기 소정의 전압과 다른 전압을 인가하여 상기 데이터 저장층의 상기 복수의 스토리지 노드 중 선택되지 않은 어느 하나에 1 비트 데이터를 기록하는 제2 단계를 더 포함할 수 있다.In addition, a voltage different from the predetermined voltage is applied to at least one of the first and second sources and the first and second drains while the write voltage is applied to the gate electrode. The method may further include a second step of writing 1-bit data to any one of the plurality of storage nodes that is not selected.
상기 제2 단계는 반복할 수 있다.The second step can be repeated.
상기 또 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 기판 상에 소정의 길이와 폭을 갖는 라인 형태로 형성되어 있고, 길이 방향으로 제1 소오스, 채널영역 및 제1 드레인이 차례로 형성된 반도체층과, 상기 반도체층의 채널영역을 중심 으로 대칭이 되도록 상기 기판에 형성된 제2 소오스와 제2 드레인과, 상기 반도체층의 채널영역을 감싸고 상기 제2 소오스 및 제2 드레인 상으로 일부 확장된 제1 절연층과, 상기 제1 절연층 상에 상기 채널영역을 감싸도록 형성되어 있고, 복수의 스토리지 노드를 갖는 3차원 형태의 데이터 저장층과, 상기 데이터 저장층을 덮는 제2 절연층과, 상기 제2 절연층 상에 형성된 게이트 전극을 포함하는 멀티 비트 반도체 메모리 소자의 동작 방법에 있어서,In order to achieve the above another technical problem, the present invention is a semiconductor layer formed on the substrate in a line shape having a predetermined length and width, the first source, the channel region and the first drain in the longitudinal direction, and A second source and a second drain formed on the substrate so as to be symmetric about the channel region of the semiconductor layer, and a first insulating layer covering the channel region of the semiconductor layer and partially extending onto the second source and the second drain And a three-dimensional data storage layer formed to surround the channel region on the first insulating layer, the data storage layer having a plurality of storage nodes, a second insulating layer covering the data storage layer, and the second insulating layer. In the operating method of a multi-bit semiconductor memory device comprising a gate electrode formed on a layer,
상기 게이트 전극에 소정의 읽기 전압을 인가한 상태에서 상기 제1 및 제2 소오스와 상기 제1 및 제2 드레인에 각각 소정의 전압을 인가하는 제1 단계, 상기 제1 소오스와 상기 제1 드레인사이에 흐르는 전류와 상기 제2 소오스와 상기 제2 드레인사이에 흐르는 전류를 측정하는 제2 단계, 상기 제2 단계에서 측정된 전류를 기준값과 비교하는 제3 단계, 상기 측정된 전류가 상기 기준값에 도달하였을 때, 상기 제1 및 제2 소오스와 상기 제1 및 제2 드레인에 인가된 상기 소정의 전압을 측정하는 제4 단계 및 상기 제4 단계에서 측정된 전압을 기준 테이블과 비교하여 상기 반도체 메모리 소자에 기록된 데이터를 읽는 제5 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 메모리 소자의 동작 방법을 제공한다.A first step of applying a predetermined voltage to the first and second sources and the first and second drains while a predetermined read voltage is applied to the gate electrode, between the first source and the first drain A second step of measuring a current flowing through the current flowing between the second source and the second drain, a third step of comparing the current measured in the second step with a reference value, and the measured current reaches the reference value The semiconductor memory device may be configured by comparing the voltage measured in the fourth and fourth steps of measuring the predetermined voltages applied to the first and second sources and the first and second drains with a reference table. And a fifth step of reading data written in the memory.
이러한 본 발명을 이용하면, 메모리 소자의 단위 셀에 8비트의 데이터, 곧 1바이트의 데이터를 기록할 수 있으므로, 메모리 소자의 집적도를 높일 수 있다.According to the present invention, since 8-bit data, that is, 1 byte of data, can be written in the unit cell of the memory device, the degree of integration of the memory device can be increased.
이하, 본 발명의 실시예에 의한 멀티 비트 메모리 소자와 그 제조 및 동작 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다. Hereinafter, a multi-bit memory device and a method of manufacturing and operating the same according to an exemplary embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In this process, the thicknesses of layers or regions illustrated in the drawings are exaggerated for clarity.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 멀티 비트 반도체 메모리 소자의 평면도이다.1 is a plan view of a multi-bit semiconductor memory device according to an embodiment of the present invention.
도 1에서 참조번호 40은 반도체 기판을 나타낸다. 반도체 기판(p)은, 예를 들면 p형 또는 n형 실리콘 기판일 수 있다. 도 1에서 반도체 기판(40)의 소정 영역 위에 소정 길이와 이 보다 좁은 폭을 갖는 게이트 전극(54)이 구비된 것을 볼 수 있다. 게이트 전극(54)은 알루미늄, 구리와 같은 일반 금속 또는 텅스텐 실리사이드와 같은 실리사이드 전극일 수 있다. 게이트 전극(54)의 아래에 제1 소오스(44)가, 위에 제1 드레인(46)이 각각 구비된 것을 볼 수 있다. 도 1은 평면도이기 때문에, 제1 소오스(44)와 제1 드레인(46)이 게이트 전극(54)과 접촉된 것으로 보이지만, 실제는 도 3에 도시한 바와 같이 제1 소오스(44)와 제1 드레인(46)은 게이트 전극(54)과 접촉되지 않는다. 또한, 제1 소오스(44)와 제1 드레인(46)의 폭은 게이트 전극(54)의 폭보다 좁다. 도 1에서는 또한 제1 소오스(44)와 제1 드레인(46)의 중심을 연결하는 선(미도시)에 수직한 방향으로 제2 소오스(64)와 제2 드레인(66)이 형성된 것을 볼 수 있다. 제2 소오스(64)와 제2 드레인(66)은 게이트 전극(54) 아래쪽으로 확장된 것을 볼 수 있다. 그러나 제2 소오스(64)와 제2 드레인(66)은 도 2에 도시한 바와 같이 게이트 전극(54)과 접촉되지 않는다. 도 1에서 이러한 제2 소오스(64) 및 제2 드레인(66)은 게이트 전극(54)과 동일한 길이를 갖는 것을 알 수 있다.In FIG. 1,
한편, 도 1에서 제1 화살표(A1)가 가리키는 방향을 편의 상 본 발명의 실시예에 의한 멀티 비트 반도체 메모리 소자의 정면이라 하고, 제2 화살표(A2)가 가리 키는 방향은 배면이라 한다.In FIG. 1, the direction indicated by the first arrow A1 is referred to as the front of the multi-bit semiconductor memory device according to the embodiment of the present invention for convenience, and the direction indicated by the second arrow A2 is referred to as the rear.
다음, 도 1을 A-A'방향으로 절개한 단면을 보여주는 도 2를 참조하면, 제2 소오스(64)와 제2 드레인(66)은 주어진 간격으로 떨어져 있고, 각각 LDD(Lightly Doped Drain) 구조로 도핑되어 있는 것을 알 수 있다. 그리고 제2 소오스(64)와 제2 드레인(66)사이의 반도체 기판(40) 상에 반도체층(42)이 존재하는 것을 볼 수 있다. 도 1과 도 2를 함께 참조하면, 반도체층(42)은 게이트 전극(54) 아래를 지나고, 제2 소오스(64)와 제2 드레인(66)을 연결하는 채널층인 것을 알 수 있다. 또한, 도 3을 참조하면, 반도체층(42)은 게이트 전극(54)과 동일한 길이를 갖는 라인 형태로 형성된 것을 알 수 있다. 또한, 반도체층(42)은, 예를 들면 실리콘(Si)층일 수 있다. 제1 소오스(44)와 제1 드레인(46)사이의 채널은 이러한 반도체층(42)의 표면을 따라 형성된다. 도 2를 계속 참조하면, 반도체층(42)은 제1 절연층(48)으로 덮인 것을 볼 수 있다. 제1 절연층(48)은 반도체층(42)으로 흐르는 캐리어, 예컨대 전자 혹은 정공(hole)이 터널링 할 수 있는 터널링 층으로 사용된다. 제1 절연층(48)은 제1 소오스(64)와 제1 드레인(66) 상으로 확장되어 있다. 제1 절연층(48)은 소정의 산화물층, 예컨대 실리콘 산화물층일 수 있다. 제1 절연층(48) 상에 제1 절연층(48)을 투과한 상기 캐리어가 트랩되는 데이터 저장층(50)이 존재한다. 데이터 저장층(50)은 제1 절연층(48)의 표면을 따라 반도체층(42)을 덮는 형태로 구비되어 있다. 그러나 데이터 저장층(50)은 제1 소오스(64) 및 제1 드레인(66)과 접촉되지 않는다. 데이터 저장층(50)은 소정 밀도의 트랩 사이트(trap site)를 갖는 물질막, 예를 들면 질화막일 수 있다. 데이터 저장층(50)은 게이트 전극(54)과 동일 한 길이를 갖는 것이 바람직하다. 이러한 데이터 저장층(50)은 자신과 동일한 길이를 갖는 제2 절연층(52)으로 덮여 있다. 제2 절연층(52)은 상기 캐리어가 제1 절연층(48)을 터널링하여 데이터 저장층(50)에 트랩되는 과정에서 상기 캐리어가 데이터 저장층(50)을 통과하여 게이트 전극(54)에 도달되는 것을 차단하는 역할을 한다. 제2 절연층(52)은 제1 절연층(48)과 동일한 물질층이다. 그러나 제1 및 제2 절연층(48, 52)은 다른 물질층일 수도 있다. 제2 절연층(52)은 게이트 전극(54)으로 덮여 있다. 게이트 전극(54)과 반도체 기판(40)은 제1 절연층(48)으로 차단되어 있다.Next, referring to FIG. 2, which is a cross-sectional view of FIG. 1 taken along the line A-A ', the
다음, 도 1을 B-B'방향으로 절개한 단면을 보여주는 도 3을 참조하면, Next, referring to FIG. 3 showing a cross-sectional view of FIG. 1 in the direction B-B ',
채널층으로 사용되는 반도체층(42)의 양단에 각각 도전성 불순물이 도핑된 제1 소오스(44)와 제1 드레인(46)이 존재하는 것을 볼 수 있다. 그리고 반도체층(42)과 제1 및 제2 절연층(48, 52)과 데이터 저장층(50)과 게이트 전극(54)이 반도체 기판(40) 상에 순차적으로 적층된 것이고, 모두 동일한 길이를 갖는 다는 것을 알 수 있다. 제1 소오스(44)와 제1 드레인(46)에 도전성 불순물이 도핑되어 있기 때문에, 반도체층(42)과 제1 소오스(44)와 제1 드레인(46)을 편의 상 구분하여 도시하였으나, 이들은 실제 동일한 반도체 물질, 예컨대 실리콘(Si)으로 형성된 것이다.It can be seen that the
도 4는 도 1 내지 도 3으로 도시한 본 발명의 멀티 비트 메모리 소자를 입체적으로 보여준다.4 is a three-dimensional view of the multi-bit memory device of the present invention shown in FIGS.
도 4를 참조함으로써, 상술한 제1 소오스(44)와 제1 드레인(46)과 제2 소오 스(64)와 제2 드레인(66)의 위치 관계와 게이트 전극(54)과 반도체층(42)사이에 존재하는 적층물의 구성을 보다 명확하게 알 수 있다.Referring to FIG. 4, the positional relationship between the
다음에는 도 4에 도시한 본 발명의 멀티 비트 메모리 소자의 제조 방법을 도 5 내지 도 12를 참조하여 설명한다.Next, a method of manufacturing the multi-bit memory device of the present invention shown in FIG. 4 will be described with reference to FIGS.
먼저, 도 5를 참조하면, 제1 두께(t1)의 반도체 기판(40) 상에 반도체 기판(40)의 소정 영역을 한정하는 마스크(M1)를 형성한다. 반도체 기판(40)은 p형 또는 n형의 실리콘 기판으로 형성할 수 있다. 마스크(M1)는 감광막 패턴일 수 있다. 마스크(M1) 형성 후, 반도체 기판(40)의 상부면을 이방성 식각하고, 마스크(M1)를 제거한다. 상기 이방성 식각은 반도체 기판(40)의 상부면 중 노출된 면의 두께가 도 6에 도시한 바와 같이 제2 두께(t2)로 낮아질 때까지 실시한다. 상기 이방성 식각 결과, 반도체 기판(40)의 상부면에 요철부(P)가 형성된다. 요철부(P) 중에서 볼록한 부분(P1)은 반도체 기판(40)의 마스크(M1)로 덮였던 부분이고, 오목한 부분(P2)은 반도체 기판(40)의 상기 이방성 식각에 노출되었던 부분이다. 반도체 기판(40)의 볼록한 부분(P1)은 도 2에 도시한 본 발명의 메모리 소자의 반도체층(42)이 된다. 따라서 요철부(P)의 볼록한 부분(P1)은 도 7에서부터 42로 표시한다. 또한, 용어도 볼록한 부분대신 반도체층으로 기재한다. 또한, 도 6에서 볼 수 있듯이, 요철부(P)는 반복되는 동일한 패턴들을 포함하고 있고, 후속 공정에서 상기 동일한 패턴들에 대한 공정은 동일하다. 따라서 도 7에 대한 설명부터 요철부(P)에 대한 설명은 한 개의 볼록한 부분(P1)을 포함하는, 요철부(P)의 소정 영역(R1)에 대한 설명으로 대신한다.
First, referring to FIG. 5, a mask M1 defining a predetermined region of the
도 7을 참조하면, 반도체층(42)이 형성된 반도체 기판(40)의 전면에 소정의 도전성 불순물(I1)을 도핑한다. 반도체 기판(40)이 p형 반도체 기판인 경우, 상기 소정의 도전성 불순물(I1)은 n형 또는 n+형 도전성 불순물인 것이 바람직하다. 상기 소정의 도전성 불순물(I1)의 도핑은 LDD 도핑 구조에서 얕은 불순물층을 형성하기 위한 것이므로, 그에 맞는 에너지로 주입하는 것이 바람직하다. 상기 소정의 도전성 불순물(I1)의 도핑에 의해 반도체층(42) 양측의 반도체 기판(40)에 제1 및 제2 불순물 영역(64a, 66a)이 형성된다.Referring to FIG. 7, a predetermined conductive impurity I1 is doped on the entire surface of the
다음, 도 8을 참조하면, 반도체 기판(40) 상에 제1 및 제2 불순물 영역(64a, 64b)을 덮는 제1 절연층(48)을 형성한다. 제1 절연층(48)은 실리콘 산화물층으로 형성할 수 있으나, 터널링 목적을 이룰 수 있는 다른 절연층으로 형성할 수도 있다.Next, referring to FIG. 8, a first insulating
다음, 도 9를 참조하면, 제1 절연층(48) 상으로 반도체층(42)을 둘러싸는 형태로 소정 밀도의 트랩 사이트를 갖는 데이터 저장층(50)을 형성한다. 데이터 저장층(50)은, 예를 들면 실리콘 질화막(SiN)으로 형성할 수 있다. 계속해서, 제1 절연층(48) 상에 데이터 저장층(50)을 덮는 제2 절연층(52)을 형성한다. 제[2 절연층(52)은 제1 절연층(48)과 같은 물질로 형성할 수 있으나, 다른 물질로 형성해도 무방하다.Next, referring to FIG. 9, a
다음, 도 10을 참조하면, 제2 절연층(52) 상에 데이터 저장층(50)을 둘러싸는 형태로 게이트 전극(54)을 형성한다. 게이트 전극(54)은 알루미늄 또는 구리로 형성할 수 있다. 이후, 제1 절연층(48)과 제1 절연층(48) 상에 순차적으로 적층된 데이터 저장층(50), 제2 절연층(52) 및 게이트 전극(54)의 소정 영역을 순차적으로 식각하여 제거한다. 상기 식각은 반도체층(42)과 반도체 기판(40)의 제1 및 제2 불순물 영역(64a, 64b)이 노출될 때까지 실시한다. 도 11은 상기 식각 후의 결과물에 대한 평면도이다. 도 11을 참조하면, 상기 식각에 의해 반도체층(42)을 따라 이웃한 제1 불순물 영역(64a)사이에서도 순차적으로 적층된 제1 절연층(48)부터 게이트 전극(54)이 제거되어 반도체층(42)의 일부가 노출된 것을 볼 수 있다. 결국, 상기 식각에 의해서 데이터 저장층(50)과 게이트 전극(54)이 셀 단위로 분리된다. Next, referring to FIG. 10, the
계속해서, 상기 식각에 의해 노출된 제1 및 제2 불순물 영역(64a, 66a)에 소정의 도전성 불순물(I2)을 이온 주입한다. 이때, 소정의 도전성 불순물(I2)은 제1 및 제2 불순물 영역(64a, 66a)에 도핑된 도전성 불순물(I1)과 동종의 도전성 불순물인 것이 바람직하다. 그리고 도전성 불순물(I2)의 이온 주입 에너지는 도전성 불순물(I1)을 이온 주입할 때보다 높게 한다. 이와 같은 이온 주입에 의해 반도체층(42)의 노출된 영역이 도핑되어 제1 및 제2 소오스(도 12의 44, 46 참조)가 형성된다. 또한, 제1 및 제2 불순물 영역(64a, 66a)의 노출된 영역에 각각 제1 및 제2 불순물 영역(64a, 66a)보다 깊은 제3 및 제4 불순물 영역(64b, 66b)이 형성된다. 이렇게 해서, 반도체층(42) 양쪽의 반도체 기판(40)에 제1 불순물 영역(64a)과 이 보다 깊은 제3 불순물 영역(64b)으로 이루어진 제2 소오스(64)가 형성된다. 또한, 제2 불순물 영역(66a)과 제4 불순물 영역(66b)으로 이루어진 제2 드레인(66)이 형성된다. 도 12은 도전성 불순물(I2)이 이온 주입된 후의 결과물의 평면도이다. 도 11과 도 12를 비교함으로써, 제1 소오스(44)와 제1 드레인(46)의 형성과 제2 소오스 (64)와 제2 드레인(66)의 형성되는 위치를 명확히 알 수 있다. 도 10은 도 12를 10-10'방향으로 절개한 단면을 보여준다.Subsequently, predetermined conductive impurities I2 are implanted into the first and
상기 도전성 불순물(I2) 도핑 후, 도핑된 불순물의 확산을 위한 어닐링을 실시한다. 이어서 제2 소오스(64) 및 제2 드레인(66)의 소정 영역 상에 콘택을 위한 금속 실리사이드층을 형성할 수 있다.After doping the conductive impurity (I2), annealing is performed to diffuse the doped impurity. Subsequently, a metal silicide layer for contact may be formed on a predetermined region of the
다음에는 상술한 본 발명의 실시예에 의한 멀티 비트 메모리 소자의 동작 방법을 도 13 및 도 14를 참조하여 설명한다.Next, a method of operating a multi-bit memory device according to an exemplary embodiment of the present invention described above will be described with reference to FIGS. 13 and 14.
도 13 및 도 14는 각각 도 1에 도시한 본 발명의 메모리 소자의 앞면과 뒷면을 보여준다. 도 13의 참조부호 S1 내지 S4는 각각 제1 내지 제4 스토리지 노드(storage node)를 나타내고, 도 14의 참조부호 S5 내지 S8은 각각 제5 내지 제8 스토리지 노드를 나타낸다. 인가 전압 분포에 따라 제1 내지 제8 스토리지 노드(S1 S8)에 제1 절연층(48)을 통과한 캐리어(전자 또는 정공)를 선택적으로 트랩시킬 수 있고, 트랩된 캐리어를 제거할 수 있다.13 and 14 show the front and back sides of the memory device of the present invention shown in FIG. 1, respectively. Reference numerals S1 to S4 of FIG. 13 denote first to fourth storage nodes, respectively, and reference numerals S5 to S8 of FIG. 14 denote fifth to eighth storage nodes, respectively. The carriers (electrons or holes) passing through the first insulating
<쓰기><Write>
도 12, 도 13 및 도 14를 참조하면, 게이트 전극(54)에 소정의 쓰기 전압을 인가하고, 제1 및 제2 소오스(44, 64)와 제1 및 제2 드레인(46, 66)에 소정의 전압을 인가하여 반도체층(44)의 우측하단 모서리와 이에 대응되는 데이터 저장층(50)의 우측 하단 모서리에 전계가 집중되게 한다. 이 결과, 반도체층(44)의 표면을 따라 흐르는 캐리어, 예컨대 전자가 제1 절연층(48)을 통과하여 데이터 저장층(50)의 제1 스토리지 노드(S1)에 트랩된다. 이때, 본 발명의 메모리 소자는 제1 상태에 있게 되므로, 본 발명의 메모리 소자에 8자리의 비트 데이터, 예컨대 00000001을 기록한 것으로 간주한다.12, 13, and 14, a predetermined write voltage is applied to the
이와 같은 상태에서 게이트 전극(54)에 동일한 쓰기 전압을 인가한 다음, 제1 및 제2 소오스(44, 64)와 제1 및 제2 드레인(46, 66)에 상기와 다른 소정의 전압을 인가하여 데이터 저장층(50)의 제2 스토리지 노드(S2)에 캐리어를 트랩시킬 수 있다. 이때의 본 발명의 메모리 소자는 상기 제1 상태와 다른 제2 상태에 있게 되므로, 본 발명의 메모리 소자에 8자리의 비트 데이터, 예컨대 00000001을 기록한 것으로 간주한다.In this state, the same write voltage is applied to the
같은 방법으로 본 발명의 메모리 소자가 서로 다른 2의 8승개 상태 중의 어느 한 상태를 갖게 할 수 있고, 이때, 본 발명의 메모리 소자에 임의의 1바이트의 데이터를 기록한 것으로 간주할 수 있다.In the same manner, the memory device of the present invention can have any one of two different powers of eight states, and at this time, it can be regarded that arbitrary one byte of data is recorded in the memory device of the present invention.
<읽기><Read>
상술한 바와 같이, 본 발명의 메모리 소자의 제1 내지 제8 스토리지 노드(S1 S8)에 캐리어가 트랩된 경우, 곧 본 발명의 메모리 소자에 임의의 1 바이트의 데이터가 기록된 경우, 제1 및 제2 드레인(46, 66)을 통해서 출력되는 전류 값은 달라지게 된다. As described above, when a carrier is trapped in the first to eighth storage nodes S1 S8 of the memory device of the present invention, and when any one byte of data is written to the memory device of the present invention, Current values output through the second drains 46 and 66 may vary.
따라서 게이트 전극(54)에 소정의 읽기 전압을 인가한 상태에서 제1 및 제2 소오스(44, 64)과 제1 및 제2 드레인(46, 66)에 소정의 전압을 인가하여 제1 소오스(44)와 제1 드레인(46)에 흐르는 전류와 제2 소오스(64)와 제2 드레인(66)사이에 흐르는 전류를 측정하고, 측정된 전류를 기준값과 비교한다. 이때, 측정된 전류가 상기 기준값에 도달되었을 때, 제1 및 제2 소오스(44, 64)와 제1 및 제2 드레인(46, 66)에 인가된 전압을 측정한다. 이렇게 측정된 전압을 기준 테이블의 전압과 비교하여 메모리 소자에 기록된 1바이트의 데이터를 읽는다.Accordingly, the predetermined voltage is applied to the first and
본 발명의 메모리 소자에 기록된 데이터를 소거하기 위해서는 데이터 저장층(50)에 트랩된 캐리어와 반대되는 극성을 갖는 전압, 예컨대 데이터 저장층(50)에 전자가 트랩된 경우에 음의 전압을 게이트 전극(54)에 인가한다.In order to erase the data written to the memory device of the present invention, a voltage having a polarity opposite to a carrier trapped in the
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 데이터 저장층(50)을 이분된 형태로 구비할 수도 있을 것이다. 또한, 전체 구조는 그대로 유지하면서 제1 및 제2 소오스(44, 64)와 제1 및 제2 드레인(46, 66)의 구조를 변형할 수도 있을 것이다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.While many details are set forth in the foregoing description, they should be construed as illustrative of preferred embodiments, rather than to limit the scope of the invention. For example, one of ordinary skill in the art may include the
상술한 바와 같이, 본 발명의 멀티 비트 반도체 메모리 소자는 8개의 스토리지 노드를 갖는 3차원의 데이터 저장층을 구비한다. 따라서 본 발명의 메모리 소자는 단위 셀 당 1 바이트의 데이터를 기록할 수 있다. 이에 따라 종래의 경우, 1바이트의 데이터를 기록하기 위해 8개의 1비트 메모리 소자 또는 4개의 2비트 소자가 필요한 반면, 본 발명은 1개의 메모리 소자만 필요하므로, 본 발명의 메모리 소자를 이용하면, 종래보다 집적도를 크게 높일 수 있다.As described above, the multi-bit semiconductor memory device of the present invention includes a three-dimensional data storage layer having eight storage nodes. Therefore, the memory device of the present invention can write one byte of data per unit cell. Accordingly, in the conventional case, eight 1-bit memory elements or four 2-bit elements are required to write one byte of data, whereas the present invention requires only one memory element, and thus, using the memory element of the present invention, The degree of integration can be significantly higher than before.
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- 2004-11-13 KR KR1020040092851A patent/KR20060053068A/en not_active Application Discontinuation
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Legal Events
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