KR20060118898A - Semiconductor memory devices and methods of fabricating the same - Google Patents
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Abstract
Description
도 1a는 종래의 축소가능한 2개의 트랜지스터 기억(STTM) 셀의 단면도이다.1A is a cross-sectional view of two conventional collapsible transistor memory (STTM) cells.
도 1b는 종래의 STTM 셀의 개략적인 회로도이다.1B is a schematic circuit diagram of a conventional STTM cell.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 기억소자를 설명하기 위한 단면도이다.2 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor memory device according to an embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 기억소자 및 그 제조방법을 설명하기 위한 개략적인 회로도이다.3 is a schematic circuit diagram illustrating a semiconductor memory device and a method of manufacturing the same according to an embodiment of the present invention.
도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 기억소자 및 그 제조방법을 설명하기 위한 사시도들이다.4A to 4F are perspective views illustrating a semiconductor memory device and a method of manufacturing the same according to an embodiment of the present invention.
본 발명은 반도체 기억소자들 및 그 제조방법들에 관한 것으로, 특히 축소 가능한 2개의 트랜지스터 기억 셀을 구비하는 반도체 기억소자들 및 그 제조방법들에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
디램(DRAM) 소자는 에스램(SRAM) 소자와 같은 다른 기억소자들에 비하여 고집적화가 가능한 장점을 가지나, 기억 셀들로부터의 누설전류, 내부 잡음 및 외부로부터 입사되는 알파 입자들에 의해 발생하는 소프트 에러에 기인하여 소자의 축소가 요구되어짐에 따라 감소되는 저장된 전하들을 유지하는 것이 힘들다. 이에 따라, 그러한 소자들의 기억 셀들은 기억 셀에 저장된 데이터를 유지하기 위하여 일정한 리프레쉬 동작을 요구한다. 따라서, 대기상태에 있는 경우에도 전력소모가 증가한다.DRAM devices have the advantage of being highly integrated compared to other memory devices such as SRAM devices, but soft errors caused by leakage currents from memory cells, internal noise and alpha particles incident from the outside. Due to this, it is difficult to maintain the stored charges, which are reduced as the device shrinks. Accordingly, the memory cells of such elements require a constant refresh operation to maintain the data stored in the memory cells. Therefore, power consumption increases even in the standby state.
이와는 다르게, 플래쉬 메모리 소자들 또는 EEPROM 소자들은 기억 셀에 저장된 데이터를 유지하기 위하여 기억 셀을 리프레쉬시킬 필요가 없는 장점을 가지고 있다. 그러나, 플래쉬 메모리 소자의 1차적인 결점은 기억 셀을 프로그램 시키는 데 상대적으로 긴 시간이 걸리므로 그것의 상대적인 느린 억세스 시간을 개선하기가 어렵다는 것이다. 또한, 플래쉬 메모리 소자의 기억 셀을 프로그램(쓰기) 또는 소거시키기 위해서는 높은 전압이 필요하다. 소거 및 프로그램 동작이 실시되는 동안 가해지는 높은 전계는 산화막으로 이루어진 터널링 장벽층의 막질을 저하시킨다. 이러한 현상은 소거 및 프로그램 동작의 횟수가 증가할수록 심화된다. 일반적으로, 소거 및 프로그램 횟수가 약 105회에 도달하면 산화막으로 이루어진 터널링 장벽층의 기능이 상실된다. 결과적으로, 메모리 소자는 제한된 수명을 갖는다.Alternatively, flash memory devices or EEPROM devices have the advantage of not having to refresh the memory cells in order to maintain the data stored in the memory cells. However, the primary drawback of flash memory devices is that it takes a relatively long time to program a memory cell, making it difficult to improve its relative slow access time. In addition, a high voltage is required to program (write) or erase the memory cells of the flash memory device. The high electric field applied during the erase and program operations lowers the film quality of the tunneling barrier layer made of the oxide film. This phenomenon worsens as the number of erase and program operations increases. In general, when the erase and program times reach about 10 5 times, the function of the tunneling barrier layer made of an oxide film is lost. As a result, the memory element has a limited lifetime.
따라서, 디램 및 플래쉬 메모리 소자의 장점을 모두 갖는 새로운 기억 셀이 요구되고 있다. 다시 말해서, 장시간의 데이터 유지(비휘발성), 낮은 동작전압, 고 속 동작, 고신뢰성 및 집적도와 관련되어 축소가능한 기억셀을 갖는 반도체 기억소자의 필요성이 요구되고 있다. 축소가능한 2개의 트랜지스터 기억 셀(Scalable Two Transistor Memory Cell; STTM cell)이라고 불리우는 새로운 기억 셀이 나까자토(Nakazato) 등에 의해 제안된 바 있다(미국특허 제5,952,692호 참조). 나까자토 등은 상기 새로운 소자를 평면 국부 전자소자 기억(planar localized electron device memory; PLEDM) 셀이라고 언급하고 있다. 이 기억 셀은 전기적으로 고립된 기억 노드(즉, 부유된 메모리 노드)를 가지므로 소프트 에러에 대한 내성이 우수하고, 신호 대 잡음의 비(S/N 비)가 높으므로 이득(gain)이 높다. 이에 더하여, 이 기억 셀은 핫캐리어에 의한 열화없이 상온에서 동작하는 양자 터널링 소자이고, 기존의 실리콘 공정 기술을 사용하여 제작할 수 있다. 도 1a는 종래의 축소가능한 2개의 트랜지스터 기억(STTM) 셀의 단면도이고, 도 1b는 종래의 STTM 셀의 개략적인 회로도이다.Therefore, there is a need for a new memory cell having both the advantages of DRAM and flash memory devices. In other words, there is a need for a semiconductor memory device having a memory cell that can be reduced in terms of long-term data retention (non-volatile), low operating voltage, high speed operation, high reliability, and integration. A new memory cell called a scalable two transistor memory cell (STTM cell) has been proposed by Nakazato et al. (See US Pat. No. 5,952,692). Nakazato et al. Refer to the new device as a planar localized electron device memory (PLEDM) cell. This memory cell has an electrically isolated memory node (i.e., a floating memory node), which is excellent in resistance to soft errors and high in signal-to-noise ratio (S / N ratio). . In addition, this memory cell is a quantum tunneling element that operates at room temperature without deterioration by hot carriers, and can be fabricated using existing silicon processing techniques. 1A is a cross-sectional view of two conventional collapsible transistor memory (STTM) cells, and FIG. 1B is a schematic circuit diagram of a conventional STTM cell.
도 1a 및 도 1b에 나타나 있는 바와 같이, 상기 STTM 셀은 읽기 또는 억세스 트랜지스터라고 알려진 센싱(하부) 트랜지스터(1)와, 쓰기 트랜지스터라고 알려진 프로그램(상부) 트랜지스터(2)를 포함한다. 상기 프로그램 트랜지스터(2)는 소오스 및 드레인 사이에 다수의 터널 접합(MTJ; multiple tunnel junction) 장벽층(4)(이하, 'MTJ 장벽층'이라고 함)을 갖고 수직한 2개의 측벽 게이트를 갖는 모스 트랜지스터이다. 상기 센싱 트랜지스터(1)는 반도체 기판(18)의 소정영역 상에 형성된 드레인 영역(7) 및 소오스 영역(8)을 포함한다. 상기 센싱 트랜지스터(1)는 기본적으로 기억 셀의 스토리지 노드의 기능을 갖는 부유게이트(floating gate; 6), 비트라 인에 해당하는 센싱라인의 역할을 하는 드레인(7), 및 접지 전위 또는 특정 전위가 인가되는 소오스(8)를 포함하는 통상의 모스 트랜지스터이다.As shown in Figs. 1A and 1B, the STTM cell includes a sensing (lower)
동일 도면들에 보여진 바와 같이, 상기 센싱 트랜지스터(1)의 드레인 영역(7) 및 소오스 영역(8) 사이에는 채널영역이 형성되는데, 상기 채널영역 상에 제1 게이트 절연막(3)이 위치한다.As shown in the same drawings, a channel region is formed between the
또한, 동일 도면들에 보여진 바와 같이, STTM 셀에서 프로그램 트랜지스터(2)는 센싱 트랜지스터의 게이트 상에 적층된다. 상기 센싱 트랜지스터의 부유게이트(6) 역할을 하는 스토리지 노드는 프로그램 트랜지스터의 드레인으로서의 기능을 갖는다. 상기 MTJ 장벽층(4) 및 부유게이트(6)의 측벽들 상에 형성된 제어 게이트 라인(11)은 쓰기라인 또는 워드라인 역할을 한다. 상기 프로그램 트랜지스터의 소오스 영역은 데이터 라인(12)의 역할을 한다. 상기 제어 게이트 라인(11)과 상기 부유게이트(6) 사이에 제2 게이트 절연막(5)이 개재된다. 상기 MTJ 장벽층은 절연막(13) 및 반도체층(14)을 교대로 적층시키어 형성된다.Further, as shown in the same figures, in the STTM cell, the
상기와 같이 구성되는 종래의 STTM 셀에 있어, 상기 센싱 트래지스터(1)의 문턱전압은 상기 부유게이트(6)에 저장되는 전하들에 의해 변화된다. 즉, 상기 센싱 트랜지스터(1)는 별도의 제어 게이트 라인을 구비하지 않고, 상기 프로그램 트랜지스터(2)의 상기 제어 게이트 라인(11) 및 상기 데이터라인(12)에 의해 제어된다. 또한, 종래의 STTM 셀의 상기 센싱 트랜지스터는 통상의 평판형(planar type) 트랜지스터를 채택하고 있다. 따라서, 울트라 쇼트 채널(ultra-short channel) 길이를 갖는 경우에, 상기 센싱 트랜지스터는 단채널 효과가 발생하여 STTM 셀의 동 작 특성을 저하시키게 된다.In the conventional STTM cell configured as described above, the threshold voltage of the
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 축소 가능한 2개의 트랜지스터 기억 셀을 구비하는 반도체 기억소자들을 제공하는 데 있다.An object of the present invention is to provide a semiconductor memory device having two transistor memory cells that can be reduced.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 단채널 효과를 억제시키기에 적합한 반도체 기억소자들의 제조방법들을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide methods for manufacturing semiconductor memory devices suitable for suppressing short channel effects.
본 발명의 일 양태에 따르면, 축소 가능한 2개의 트랜지스터 기억 셀(STTM 셀)을 구비하는 반도체 기억소자들을 제공한다. 상기 반도체 기억소자들의 단위 셀은 반도체 기판 및 상기 기판 상에 위치하는 바디층 패턴을 포함한다. 상기 바디층 패턴에 위치하고 서로 이격된 소오스 영역 및 드레인 영역들을 포함한다. 상기 소오스/드레인 영역들 사이의 채널 영역 상부를 가로지르는 데이터 라인이 배치된다. 상기 데이터 라인 및 상기 채널 영역 사이에 MTJ 장벽층이 배치된다. 상기 MTJ 장벽층 및 상기 채널 영역 사이에 부유된 스토리지 노드(floated storage node)가 위치한다. 상기 데이터 라인의 상부를 가로지르되, 상기 스토리지 노드의 양 측벽들과 아울러서 상기 MTJ 장벽층의 양 측벽들을 덮는 제1 제어 게이트 라인이 배치된다. 상기 채널 영역의 하부에 위치하되, 상기 바디층 패턴의 하부를 가로지르는 제2 제어 게이트 라인이 배치된다.According to one aspect of the present invention, there are provided semiconductor memory devices having two transistor memory cells (STTM cells) that can be shrunk. The unit cell of the semiconductor memory devices may include a semiconductor substrate and a body layer pattern positioned on the substrate. Source and drain regions disposed in the body layer pattern and spaced apart from each other. A data line across the channel region is disposed between the source / drain regions. An MTJ barrier layer is disposed between the data line and the channel region. A floating storage node is located between the MTJ barrier layer and the channel region. A first control gate line is disposed across the top of the data line and covering both sidewalls of the storage node and covering both sidewalls of the MTJ barrier layer. A second control gate line is disposed below the channel region and crosses a lower portion of the body layer pattern.
상기 양태에 따른 본 발명의 몇몇 실시예들에 있어서, 상기 스토리지 노드의 측벽들과 상기 제1 제어 게이트 라인 사이에 위치하는 제1 게이트 절연막과, 상기 채널 영역과 상기 제2 제어 게이트 라인 사이에 위치하는 제2 게이트 절연막을 포함할 수 있다.In some embodiments of the inventive concept, a first gate insulating layer positioned between sidewalls of the storage node and the first control gate line, and positioned between the channel region and the second control gate line. It may include a second gate insulating film.
다른 실시예들에 있어서, 상기 MTJ 장벽층은 반도체층들 및 절연막들이 교대로 적층되어 형성될 수 있다. 상기 반도체층은 실리콘층, 게르마늄층, 실리콘 게르마늄층 및 실리콘 게르마늄 카바이드층으로 이루어진 일 군중 선택된 어느 하나일 수 있다. 또한, 상기 절연막은 실리콘 산화층, 실리콘 질화층, 실리콘 옥시나이트라이드층, 금속 산화층, 금속 질화층 및 금속 실리케이트층으로 이루어진 일 군중 선택된 어느 하나로 형성될 수 있다.In other embodiments, the MTJ barrier layer may be formed by alternately stacking semiconductor layers and insulating layers. The semiconductor layer may be any one selected from the group consisting of a silicon layer, a germanium layer, a silicon germanium layer, and a silicon germanium carbide layer. In addition, the insulating layer may be formed of any one selected from the group consisting of a silicon oxide layer, a silicon nitride layer, a silicon oxynitride layer, a metal oxide layer, a metal nitride layer, and a metal silicate layer.
또 다른 실시예들에 있어서, 상기 부유된 스토리지 노드, 상기 MTJ 장벽층 및 상기 데이터 라인과 아울러서 상기 제1 제어 게이트 라인은 수직형 프로그램 트랜지스터로 작동될 수 있다.In still other embodiments, the first control gate line, in addition to the suspended storage node, the MTJ barrier layer and the data line, can be operated as a vertical program transistor.
또 다른 실시예들에 있어서, 상기 바디층 패턴 내에 위치하는 상기 소오스/드레인 영역들 및 이들 사이의 채널 영역 상에 배치된 상기 부유된 스토리지 노드와 아울러서 상기 제2 제어 게이트 라인은 하나의 센싱 트랜지스터로 작동될 수 있다.In still other embodiments, the second control gate line, together with the floating storage node disposed on the source / drain regions located in the body layer pattern and the channel region therebetween, may be a single sensing transistor. Can work.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 단채널 효과를 억제시키기에 적합한 반도체 기억소자들의 제조방법들을 제공한다. 상기 반도체 기억소자는 축소 가능한 2개의 트랜지스터 기억 셀(STTM 셀)을 구비한다. 상기 2개의 트랜지스터 기억 셀의 단위 셀은 하부 트랜지스터(또는 센싱 트랜지스터) 및 상기 하부 트랜지스터 상에 적층된 상부 트랜지스터(또는 프로그램 트랜지스터)를 포함한다. 상기 STTM 셀은 비트 라인, 데이터 라인 및 제어 게이트 라인(워드 라인)을 포함하는 제어라인들을 갖는다. 상기 제어 게이트 라인은 상기 프로그램 트랜지스터를 제어하는 제1 제어 게이트 라인과 상기 센싱 트랜지스터를 제어하는 제2 제어 게이트 라인을 포함한다. 상기 프로그램 트랜지스터는 소오스 및 드레인 사이에 다수의 터널 접합(MTJ; multiple tunnel junction) 장벽층(이하, 'MTJ 장벽층'이라고 함)을 갖고 수직한 2개의 측벽 게이트를 갖는 모스 트랜지스터를 포함한다. 상기 센싱 트랜지스터는 반도체 기판의 소정영역 상에 형성된 드레인 영역 및 소오스 영역을 포함한다. 상기 센싱 트랜지스터는 기본적으로 기억 셀의 스토리지 노드의 기능을 갖는 부유게이트(floating gate), 비트라인에 해당하는 센싱라인의 역할을 하는 드레인, 접지 전위 또는 특정 전위가 인가되는 소오스를 포함하는 모스 트랜지스터이다. 상기 제조방법은 반도체 기판 및 상기 반도체 기판에 제어 게이트 라인의 형성 위치를 한정하는 트렌치 영역을 형성하는 것을 포함한다. 상기 트렌치 영역 내에 제1 도전막을 채운다. 상기 트렌치 영역을 갖는 기판 상에 단결정 반도체층을 형성한다. 상기 단결정 반도체층을 패터닝하여 상기 트렌치 영역을 가로지르는 바디층 패턴을 형성한다. 상기 제1 도전막을 제거한다. 상기 제1 도전막이 제거된 트렌치 영역 내에 제2 도전막을 채운다. 상기 바디층 패턴을 갖는 기판 상에 소자분리용 절연막을 형성한다.According to another aspect of the present invention, methods of manufacturing semiconductor memory devices suitable for suppressing short channel effects are provided. The semiconductor memory device includes two transistor memory cells (STTM cells) that can be shrunk. The unit cell of the two transistor memory cells includes a lower transistor (or sensing transistor) and an upper transistor (or program transistor) stacked on the lower transistor. The STTM cell has control lines including bit lines, data lines and control gate lines (word lines). The control gate line includes a first control gate line controlling the program transistor and a second control gate line controlling the sensing transistor. The program transistor includes a MOS transistor having a plurality of tunnel junction (MTJ) barrier layers (hereinafter referred to as MTJ barrier layers) between the source and the drain and having two vertical sidewall gates. The sensing transistor includes a drain region and a source region formed on a predetermined region of a semiconductor substrate. The sensing transistor is basically a MOS transistor including a floating gate having a function of a storage node of a memory cell, a drain serving as a sensing line corresponding to a bit line, a ground potential, or a source to which a specific potential is applied. . The manufacturing method includes forming a trench on the semiconductor substrate and the trench region defining the formation position of the control gate line on the semiconductor substrate. A first conductive film is filled in the trench region. A single crystal semiconductor layer is formed on the substrate having the trench region. The single crystal semiconductor layer is patterned to form a body layer pattern crossing the trench region. The first conductive film is removed. The second conductive film is filled in the trench region from which the first conductive film is removed. An insulating layer for device isolation is formed on the substrate having the body layer pattern.
본 발명의 다른 양태에 따른 몇몇 실시예들에 있어서, 상기 트렌치 영역 내에 상기 제2 도전막을 형성하기 전에 상기 트렌치 영역의 내면부와 상기 바디층 패턴의 저면부에 절연막을 형성하는 것을 포함할 수 있다.In some example embodiments of the inventive concepts, an insulating film may be formed on an inner surface portion of the trench region and a bottom surface of the body layer pattern before the second conductive layer is formed in the trench region. .
다른 실시예들에 있어서, 상기 제1 제어 게이트 라인은 상기 프로그램 트랜지스터 및 상기 센싱 트랜지스터를 제어하는 제어라인으로 형성하는 것을 포함할 수 있다.In example embodiments, the first control gate line may include a control line for controlling the program transistor and the sensing transistor.
또 다른 실시예들에 있어서, 상기 제1 도전막은 실리콘 저메니움(SiGe)막으로 형성하고, 상기 제2 도전막은 폴리 실리콘막으로 형성하는 것을 포함할 수 있다.In still other embodiments, the first conductive layer may include a silicon germanium (SiGe) layer, and the second conductive layer may include a polysilicon layer.
또 다른 실시예들에 있어서, 상기 반도체 기판에 트렌치 영역을 형성하는 것은 상기 반도체 기판 상에 트렌치 마스크를 형성하고, 상기 트렌치 마스크를 식각 마스크로 이용하여 상기 기판을 식각하는 것을 포함할 수 있다.In example embodiments, forming a trench region in the semiconductor substrate may include forming a trench mask on the semiconductor substrate, and etching the substrate using the trench mask as an etching mask.
또 다른 실시예들에 있어서, 상기 바디층 패턴을 형성하는 것은 상기 반도체층 상에 액티브 마스크를 형성하고, 상기 액티브 마스크를 식각 마스크로 이용하여 상기 단결정 반도체층을 식각하여 상기 기판의 상면을 노출시키는 것을 포함할 수 있다.In example embodiments, the forming of the body layer pattern may include forming an active mask on the semiconductor layer, and etching the single crystal semiconductor layer using the active mask as an etching mask to expose an upper surface of the substrate. It may include.
또 다른 실시예들에 있어서, 상기 단결정 반도체층은 실리콘 에피택셜 공정을 이용하여 형성하는 것을 포함할 수 있다.In yet other embodiments, the single crystal semiconductor layer may include forming using a silicon epitaxial process.
또 다른 실시예들에 있어서, 상기 트렌치 영역 내에 상기 제2 도전막을 형성하는 것은 LPCVD를 이용하여 형성하는 것을 포함할 수 있다.In still other embodiments, the forming of the second conductive layer in the trench region may include forming by using LPCVD.
또 다른 실시예들에 있어서, 상기 트렌치 영역의 내면부와 상기 바디층 패턴의 저면부에 형성되는 절연막은 산화막으로 형성하되, LPCVD를 이용하여 형성하거나 열 산화막으로 형성하는 것을 포함할 수 있다.In still other embodiments, the insulating film formed on the inner surface portion of the trench region and the bottom surface portion of the body layer pattern may be formed of an oxide film, and may be formed using LPCVD or a thermal oxide film.
또 다른 실시예들에 있어서, 상기 제1 도전막을 제거하는 것은 습식 식각공정을 이용하는 것을 포함할 수 있다.In still other embodiments, removing the first conductive layer may include using a wet etching process.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위하여 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하에서 설명되어지는 실시예들에 한정하지 않고 다른 형태로 구체화될 수 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 층 및 영역의 길이, 두께 등은 설명의 편의를 위해 과장되어 표현될 수도 있다. 또한, 라인 또는 층이 다른 라인, 또는 다른 층 "상"에 있다고 언급되어지는 경우에 그것은 다른 라인 또는 다른 층에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제3의 층이 개재될 수도 있다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The embodiments introduced below are provided to sufficiently convey the spirit of the present invention to those skilled in the art. Accordingly, the present invention may be embodied in other forms without being limited to the embodiments described below. In the drawings, lengths, thicknesses, and the like of layers and regions may be exaggerated for convenience of description. In addition, where a line or layer is said to be on another line, or on another layer, it may be formed directly on the other line or another layer, or a third layer may be interposed therebetween.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 기억소자를 설명하기 위한 단면도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 기억소자 및 그 제조방법을 설명하기 위한 개략적인 회로도이다. 도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 기억소자 및 그 제조방법을 설명하기 위한 사시도들이다.2 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor memory device according to an embodiment of the present invention. 3 is a schematic circuit diagram illustrating a semiconductor memory device and a method of manufacturing the same according to an embodiment of the present invention. 4A to 4F are perspective views illustrating a semiconductor memory device and a method of manufacturing the same according to an embodiment of the present invention.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 반도체 기억소자는 축소 가능한 2개의 트랜지스터 기억 셀(STTM 셀)을 구비한다. 상기 반도체 기억소자의 단위 셀은 반도체 기판(20) 및 상기 기판(20) 상에 바디층 패턴(22)이 배치된다. 상기 바디층 패턴(22)에 위치하고 서로 이격된 소오스 영역(24) 및 드레인 영역(26)을 포함한다. 상기 소오스 영역(24) 및 상기 드레인 영역(26) 사이에 채널영역(28)이 위치한다. 상기 채널 영역(28) 상부를 가로지르는 데이터 라인(30)이 배치된다. 상기 데 이터 라인(30) 및 상기 채널 영역(28) 사이에 MTJ(multiple tunnel junction) 장벽층(32)이 위치한다.2 and 3, the semiconductor memory device according to the present invention includes two transistor memory cells (STTM cells) that can be shrunk. In the unit cell of the semiconductor memory device, a
상기 MTJ 장벽층(32)은 교대로 적층된 반도체층 및 절연막으로 이루어진 적층막일 수 있다. 상기 MTJ 장벽층(32)을 구성하는 상기 반도체층으로 사용되는 물질은 언도우프트(undoped) 실리콘, 도우프트 실리콘, 저메니움, 실리콘 저메니움 및 실리콘 저메니움 카바이드로 이루어진 일 군중 선택된 어느 하나일 수 있다. 상기 MTJ 장벽층을 구성하는 상기 절연막으로 사용되는 물질은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 옥시나이트라이드, 금속 산화물 및 금속 질화물로 이루어진 일 군중 선택된 어느 하나일 수 있다.The
상기 MTJ 장벽층(32)과 상기 채널 영역(28) 사이에 부유게이트(또는 부유된 스토리지 노드; 34)가 배치된다. 상기 부유게이트(34)는 스토리지 노드 역할을 한다. 상기 부유게이트(34)는 반도체층일 수 있다. 상기 부유게이트(34)를 구성하는 반도체층은 폴리실리콘막일 수 있다. 상기 부유게이트(34)를 구성하는 반도체층과 상기 MTJ 장벽층(32)을 구성하는 반도체층은 서로 다른 도전형일 수 있다. 예를 들면, 상기 부유게이트(34)를 구성하는 반도체층이 P형인 경우에, 상기 MTJ 장벽층(32)을 구성하는 반도체층은 N형일 수 있다.A floating gate (or floating storage node) 34 is disposed between the
상기 부유게이트(34)와 상기 채널 영역(28) 사이에 제1 게이트 절연막(36)이 위치할 수 있다. 상기 제1 게이트 절연막(36)은 실리콘 산화막일 수 있다.The first
상기 데이터 라인(30)의 상부를 가로지르는 제1 제어 게이트 라인(38)이 배치된다. 상기 제1 제어 게이트라인(38)은 폴리실리콘막 같은 도전막일 수 있다. 상 기 제1 제어 게이트 라인(38)은 상기 MTJ 장벽층(32)의 측벽들과 상기 부유게이트(34)의 측벽들을 덮도록 배치된다. 상기 부유게이트(34)의 측벽들과 상기 제1 제어 게이트 라인(38) 사이에 제2 게이트 절연막(40)이 위치한다. 즉, 상기 부유게이트(34)는 상기 제2 게이트 절연막(40)에 의해 둘러 싸여질 수 있다. 그 결과, 상기 부유게이트(34)는 플로팅된다. 상기 제2 게이트 절연막(40)은 실리콘 산화막일 수 있다. A first
상기 바디층 패턴(22)의 활성영역(미도시) 하부를 가로지르는 제2 제어 게이트 라인(42)이 배치된다. 즉, 상기 채널 영역(28) 하부에 상기 제2 제어 게이트 라인(42)이 배치된다. 상기 제2 제어 게이트 라인(42)은 상기 제1 제어 게이트 라인(38)에 나란하게 배치될 수 있다. 상기 제2 제어 게이트 라인(42)은 폴리실리콘막 같은 도전막일 수 있다. 상기 채널 영역(28)과 상기 제2 제어 게이트 라인(42) 사이에 제3 게이트 절연막(44)이 위치할 수 있다. 상기 제3 게이트 절연막(44)은 상기 바디층 패턴(22)의 활성영역(미도시)의 하부에만 위치할 수 있다. 상기 제3 게이트 절연막(44)이 상기 바디층 패턴(22)의 활성영역의 하부에 위치하는 경우에, 상기 제2 제어 게이트 라인(42)은 구비되지 않을 수도 있다. 상기 제3 게이트 절연막(44)은 상기 소오스 영역(24) 및 상기 드레인 영역(26)의 하부에 인접하여 배치될 수 있다. 그 결과, 도 2를 기준하여 볼 때, 상기 채널 영역(28)은 그 상부 및 하부 사이의 폭이 얇게 형성될 수 있다. 즉, 상기 채널 영역(28)은 얇은 채널 영역(thinning channel region)일 수 있다. 상기 제3 게이트 절연막(44)은 실리콘 산화막일 수 있다. 상기 제1 및 제2 제어 게이트 라인들(38,44)은 전기적으로 접속되도 록 배치될 수도 있다. 이 경우에, 상기 제1 및 제2 제어 게이트 라인들(38,44)에 동일한 전압을 인가할 수 있다. A second
한편, 상기 제3 제어 게이트 라인(42)의 하부면과 상기 기판(20)의 상부면 사이에 절연막(46)이 배치될 수 있다. 그 결과, 상기 제3 제어 게이트 라인(42)과 상기 기판(20)은 전기적으로 서로 격리될 수 있다.An insulating layer 46 may be disposed between the lower surface of the third
이하에서, 상술한 바와 같이 구성되는 본원 발명의 반도체 기억 소자의 구동방법을 설명하기로 한다. 상기 반도체 기억소자는 축소 가능한 2개의 트랜지스터 기억 셀(STTM 셀)을 구비한다. 상기 2개의 트랜지스터 기억 셀의 단위 셀은 하부 트랜지스터(또는 센싱 트랜지스터; 50) 및 상기 하부 트랜지스터 상에 적층된 상부 트랜지스터(또는 프로그램 트랜지스터; 60)가 배치된다. 상기 STTM 셀은 비트라인, 데이터 라인 및 제어 게이트 라인(워드 라인)을 포함하는 제어라인들을 갖는다. 상기 제어 게이트 라인은 상기 프로그램 트랜지스터를 제어하는 제1 제어 게이트 라인(38)과 상기 센싱 트랜지스터를 제어하는 제2 제어 게이트 라인(42)을 포함한다. 상기 프로그램 트랜지스터(60)는 소오스 영역(데이터 라인; 30) 및 드레인 영역(부유게이트; 34) 사이에 MTJ 장벽층(32)을 갖고 제1 제어 게이트 라인(38)을 갖는 모스 트랜지스터일 수 있다. 상기 센싱 트랜지스터는 바디층 패턴(22)에 서로 이격되게 형성된 소오스 영역(24) 및 드레인 영역(26)을 포함한다. 상기 센싱 트랜지스터(50)는 기본적으로 기억 셀의 스토리지 노드의 기능을 갖는 부유게이트(34), 비트라인에 해당하는 센싱라인의 역할을 하는 드레인 영역(26), 접지 전위 또는 특정 전위가 인가되는 소오스 영역(24), 그리고 상기 바디층 패턴(22)의 하부를 가로지 르는 제2 제어 게이트 라인(42)을 포함하는 모스 트랜지스터이다. Hereinafter, a method of driving the semiconductor memory device of the present invention configured as described above will be described. The semiconductor memory device includes two transistor memory cells (STTM cells) that can be shrunk. In the unit cell of the two transistor memory cells, a lower transistor (or sensing transistor) 50 and an upper transistor (or program transistor) 60 stacked on the lower transistor are disposed. The STTM cell has control lines including bit lines, data lines and control gate lines (word lines). The control gate line includes a first
쓰기모드에서 상기 데이터 라인(30)에 데이터 전압이 인가되고, 상기 제1 제어 게이트(또는 쓰기) 라인(38)에 쓰기 전압, 즉 프로그램 전압이 인가된다. 이에 따라, 상기 데이터 라인(30) 및 상기 부유 게이트(34) 사이의 장벽 높이가 감소되어 상기 MTJ 장벽층(32)을 구성하는 절연막들을 통하여 터널링 전류가 흐른다. 결과적으로, 상기 부유게이트(34)에 전하들(전자들 또는 정공들)이 저장된다. 이들 저장된 전하들은 상기 센싱 트랜지스터(50)의 문턱전압을 변화시킨다. 예를 들면, 상기 부유게이트(34)에 전자들이 저장되고 상기 센싱 트랜지스터(50)가 NMOS 트랜지스터인 경우에, 상기 센싱 트랜지스터(50)의 문턱전압은 양의 전압 방향으로 증가된다. 상기 STTM 셀의 쓰기 동작은 플래쉬 메모리 소자에 비하여 낮은 쓰기 전압을 사용하여 달성될 수 있다. 이는 상기 부유게이트(34)로의 전하주입이 상기 데이터라인(30)과 아울러 상기 제1 제어 게이트 라인(38)에 의해 제어되기 때문이다. 이에 더하여, 상기 센싱 트랜지스터(50)의 문턱전압은 상기 제2 제어 게이트 라인(42)에 인가된 전압에 의해 변화시킬 수 있다. 이 경우에, 상기 센싱 트랜지스터(50)의 문턱전압은 상기 제1 및 제2 제어 게이트 라인들(38,42)에 의해 제어될 수 있다. 따라서, 상기 센싱 트랜지스터(50)의 문턱전압의 특성을 개선시킬 수 있다.In the write mode, a data voltage is applied to the
상기 STTM 셀 내에 저장된 데이터를 읽어내기 위해서는, 상기 제1 제어 게이트 라인(38)에 읽기 전압을 인가하고, 상기 소오스 영역(24)에 적절한 전압을 인가한다. 다음에, 상기 드레인 영역(26)을 통하여 흐르는 전류를 감지증폭기(도시하지 않음)가 판별한다. 이 경우에, 상기 센싱 트랜지스터(50)의 문턱전압이 상기 읽기 전압보다 높으면, 상기 소오스 영역(24)에는 전류가 흐르지 않는다. 그러나, 센싱 트랜지스터(50)의 문턱전압이 상기 읽기 전압보다 낮으면, 상기 소오스 영역(24)을 통하여 전류가 흐른다. 이 경우에, 상기 제1 제어 게이트 라인(38)에 읽기 전압을 인가하지 않고, 상기 제2 제어 게이트 라인(42)에 읽기 전압을 인가하여 데이터의 읽기 동작을 수행할 수 있다. 그 뿐만 아니라, 상기 제1 및 제2 제어 게이트 라인들(38,42)에 읽기 전압을 인가하여 데이터의 읽기 동작을 수행할 수도 있다.To read the data stored in the STTM cell, a read voltage is applied to the first
이하, 상술한 본원 발명의 반도체 기억 소자의 제조방법을 설명하기로 한다. 상기 반도체 기억 소자는 STTM 셀을 구비한다. 상기 STTM 셀은 센싱 트랜지스터와 상기 센싱 트랜지스터의 상부에 프로그램 트래지스터가 배치된다. 상기 프로그램 트랜지스터의 제조방법은 통상의 제조방법과 동일하거나 유사하다. 따라서, 상기 프로그램 트랜지스터의 제조방법에 대한 설명은 생략하기로 한다. 또한, 반도체 기판의 활성영역에 위치하여 상기 센싱 트랜지스터에 구비되는 소오스 영역 및 드레인 영역의 제조방법 역시 통상의 제조방법과 동일하거나 유사하기 때문에 하기에서는 생략하기로 한다. 즉, 하기에서는 상기 센싱 트랜지스터를 제어하는 제어 게이트 라인의 제조방법을 중심으로 설명한다.Hereinafter, the method for manufacturing the semiconductor memory device of the present invention described above will be described. The semiconductor memory device has an STTM cell. The STTM cell includes a sensing transistor and a program transistor disposed on the sensing transistor. The manufacturing method of the program transistor is the same as or similar to a conventional manufacturing method. Therefore, a description of the manufacturing method of the program transistor will be omitted. In addition, the manufacturing method of the source region and the drain region which are located in the active region of the semiconductor substrate and provided in the sensing transistor is also the same as or similar to the conventional manufacturing method, and thus will be omitted. That is, the following description will focus on a method of manufacturing a control gate line for controlling the sensing transistor.
도 4a를 참조하면, 반도체 기판(20) 및 상기 기판(20) 상에 제1 포토레지스트막을 형성한다. 상기 제1 포토레지스막을 패터닝하여 상기 기판(20)의 상면부의 소정 영역을 노출시키는 트렌치 마스크(70)를 형성한다. 상기 트렌치 마스크(70)를 식각 마스크로 이용하여 상기 기판(20)을 식각하여 트렌치 영역(72)을 형성한다. 상기 트렌치 영역(72)은 반도체 기판(20)의 활성영역(미도시)의 하부를 가로지르며 형성될 수 있다. 상기 트렌치 영역(72) 내에 제1 도전막(74)을 채운다. 상기 제1 도전막(74)은 실리콘 저메니움(SiGe)막으로 형성할 수 있다.Referring to FIG. 4A, a first photoresist film is formed on the
도 4b를 참조하면, 상기 트렌치 마스크(70)를 제거하여 상기 반도체 기판(20)의 상면을 노출시킨다. 상기 트렌치 영역(72)을 갖는 기판 상에 단결정 반도체층을 형성한다. 상기 단결정 반도체층은 에피택시얼(epitaxial) 기술을 이용하여 형성할 수 있다. 즉, 노출된 반도체기판(20)을 씨드층으로 하여 단결정 반도체층을 형성할 수 있다. 상기 단결정 반도체층을 평탄화시키어 균일한 두께를 갖는 단결정 바디층(76)을 형성한다. 상기 단결정 바디층(76)은 단결정 실리콘막으로 형성할 수 있다. 상기 단결정 바디층(76) 상에 제2 포토레지스막을 형성한다. 상기 제2 포토레지스트막을 패터닝하여 상기 단결정 바디층(76)의 상면부의 소정영역을 노출시키는 액티브 마스크(78)를 형성할 수 있다. 상기 액티브 마스크(78)는 후속의 제어 게이트 라인의 형성 위치를 한정하도록 형성한다. 이에 더하여, 상기 액티브 마스크(78)는 상기 트렌치 영역(72)의 상부를 가로지르도록 형성한다.Referring to FIG. 4B, the
도 4c를 참조하면, 상기 액티브 마스크(78)를 식각 마스크로 이용하여 상기 단결정 바디층(76)을 식각하여 상기 기판(20)의 상면부 및 상기 제1 도전막(74)의 상부면을 노출시킨다. 그 결과, 상기 액티브 마스크(78)의 양 측부를 통해 상기 기판(20)의 상면부 및 상기 제1 도전막(74)의 상부면이 노출된다.Referring to FIG. 4C, the single
도 4d를 참조하면, 상기 액티브 마스크(78)를 제거한다. 그 결과, 상기 트렌치 영역(72)의 상부를 가로지르는 바디층 패턴(80)이 형성된다. 상기 트렌치 영역(72)내에 형성된 상기 제1 도전막(74)을 식각하여 상기 트렌치 영역(72)의 내측면 부 및 저면부, 그리고 상기 바디층 패턴(80)의 하면부를 노출시킨다. 이 경우에, 습식 식각공정을 이용하여 상기 제1 도전막(74)을 식각할 수 있다. 상기 트렌치 영역(72) 및 상기 바디층 패턴(80)을 갖는 상기 기판의 전면부 상에 절연막(82)을 형성한다. 이 경우에, 상기 트렌치 영역(72)의 내측면부 및 저면부, 그리고 바디층 패턴(80)의 저면부에 상기 절연막(82)을 형성할 수 있다. 상기 절연막(82)은 산화막으로 형성할 수 있다. 상기 산화막은 열산화막으로 형성할 수 있다. 또는, 상기 산화막은 CPCVD 공정을 이용하여 형성할 수 있다.Referring to FIG. 4D, the
도 4e를 참조하면, 상기 트렌치 영역(72) 내에 제2 도전막을 채운다. 상기 제2 도전막은 폴리 실리콘막으로 형성할 수 있다. 상기 제2 도전막은 LPCVD 공정을 이용하여 형성할 수 있다. 상기 제2 도전막을 평탄화시키어 상기 제2 도전막의 상부면과 상기 기판(20)의 상부면이 실질적으로 동일한 레벨에 위치하도록 형성할 수 있다. 그 결과, 상기 바디층 패턴(80)의 하부를 가로지르는 제어 게이트 라인(84)이 상기 기판에 형성된다. 즉, 상기 바디층 패턴(80) 하부에 위치하는 상기 트렌치 영역(72) 내에 상기 제어 게이트 라인(84)이 형성된다. 이 경우에, 상기 바디층 패턴(80)의 하부면과 상기 제어 게이트 라인(84)의 상부면 사이에 위치하는 상기 절연막(82)은 상기 제어 게이트 라인(84)의 게이트 절연막 역할을 할 수 있다.Referring to FIG. 4E, a second conductive layer is filled in the
도 4f를 참조하면, 상기 바디층 패턴(80)과 상기 제어 게이트 라인(84)을 갖는 기판 상에 소자 분리용 절연막(86)을 형성한다.Referring to FIG. 4F, an insulating
상기 바디층 패턴(80)에 상기 센싱 트랜지스터의 소오스/드레인 영역들(미도시)을 형성할 수 있다. 상기 소오스/드레인 영역들을 갖는 바디층 패턴 상에 상기 부유게이트, MTJ 장벽층 및 데이터라인을 차례로 형성할 수 있다. 또한, 상기 부유게이트 및 MTJ 장벽층의 측벽들을 덮는 제어 게이트를 형성할 수 있다. Source / drain regions (not shown) of the sensing transistor may be formed in the
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예들에 따르면, STTM 셀의 센싱 트랜지스터를 제어하는 제어 게이트 라인을 배치함으로써 상기 센싱 트랜지스터의 단채널 효과를 개선할 수 있다.As described above, according to the exemplary embodiments of the present invention, the short channel effect of the sensing transistor may be improved by disposing a control gate line controlling the sensing transistor of the STTM cell.
Claims (10)
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