KR20080082431A - Non-volatile dram device, the method of manufacturing and driving thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 비휘발성 디램 소자와 그 제조방법 및 그 구동방법에 관한 것이다.The present invention relates to a nonvolatile DRAM device, a method of manufacturing the same, and a method of driving the same.
디램(DRAM)은 단위 셀이 하나의 모스전계효과트랜지스터(MOSFET)와 하나의 캐패시터로 이루어져 있어, 그 구성이 간단하고 전원공급시 고속으로 동작하기 때문에 시스템 메모리 장치로 많이 사용되고 있다. 하지만 고집적화를 위한 소자의 스케일 다운(scale down)시에 단위 셀의 전체 면적에 대한 캐패시터 면적의 스케일 다운이 어렵다는 문제점이 있고, 전원의 공급이 중단되면 저장된 데이터가 유지되지 못하는 문제점이 있다.DRAM has a unit cell composed of one MOSFET and one capacitor, and is widely used as a system memory device because its configuration is simple and operates at high speed when power is supplied. However, there is a problem that it is difficult to scale down the capacitor area with respect to the entire area of the unit cell when the device is scaled down for high integration, and the stored data is not maintained when the power supply is stopped.
한편, 디램과 달리 비휘발성의 정보 저장을 위해 제안된 것 중 하나가 플래쉬 메모리 장치인데, 이 역시 터널링 절연막의 스케일 다운의 어려움, 정보 기입/소거에 걸리는 긴 시간 및 정보 기입/소거에 요구되는 고전압의 문제점을 가지고 있다.On the other hand, unlike DRAM, one of the proposed flash memory devices for storing nonvolatile information is also difficult to scale down the tunneling insulating layer, a long time for writing / erasing information, and a high voltage required for writing / erasing information. Has a problem.
이러한 문제점들을 해결하기 위한 본 발명은 전원공급이 중단되더라도 비휘발성 메모리 소자와 같이 저장된 데이터를 유지할 수 있고, 전원공급시에는 디램과 같이 고속으로 동작 가능한 비휘발성 디램 소자와 그 제조방법 및 그 구동방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.The present invention for solving these problems can maintain the data stored with the nonvolatile memory device even if the power supply is interrupted, non-volatile DRAM device that can operate at a high speed, such as DRAM at the time of power supply, a manufacturing method and a driving method thereof To provide a task to solve.
또한, 본 발명은 캐패시터를 제거함으로써 고집적도를 실현할 수 있는 비휘발성 디램 소자와 그 제조방법 및 그 구동방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다. In addition, an object of the present invention is to solve the problem of providing a nonvolatile DRAM device, a method for manufacturing the same, and a method for driving the same, which can achieve high integration by removing a capacitor.
이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 비휘발성 디램 소자는 기판 상에 형성된 절연층, 상기 절연층 상에 형성된 부유바디셀, 상기 부유바디셀 좌우에 형성된 소오스와 드레인 및 상기 부유바디셀 표면 상에 형성된 비휘발성 게이트구조체를 포함한다.The nonvolatile DRAM device according to an embodiment of the present invention for achieving the above technical problem, the insulating layer formed on the substrate, the floating body formed on the insulating layer, the source and drain formed on the left and right sides of the floating body and the floating And a nonvolatile gate structure formed on the body cell surface.
여기서, 상기 기판 하부에 형성된 백게이트(back gate)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 부유바디셀은 핀(Fin)구조로 형성될 수 있다.Here, the substrate may further include a back gate formed under the substrate. Here, the floating body may be formed of a fin structure.
여기서, 상기 부유바디셀의 일측면에 상기 비휘발성 게이트구조체가 형성되고, 상기 부유바디셀의 타측면에는 백게이트가 형성될 수 있다.Here, the nonvolatile gate structure may be formed on one side of the floating body, and a back gate may be formed on the other side of the floating body.
여기서, 상기 부유바디셀의 일측면에 상기 비휘발성 게이트구조체가 형성되고, 상기 부유바디셀의 타측면에도 상기 비휘발성 게이트구조체가 형성될 수 있다.The nonvolatile gate structure may be formed on one side of the floating body, and the nonvolatile gate structure may be formed on the other side of the floating body.
여기서, 상기 비휘발성 게이트구조체는 터널링 절연막, 부유게이트, 제어 절연막 및 게이트를 포함한다.Here, the nonvolatile gate structure includes a tunneling insulating film, a floating gate, a control insulating film and a gate.
여기서, 상기 부유게이트는 폴리실리콘층, SONOS(Silicon-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon) 또는 MNOS(Metal-Nitride-Oxide-Silicon)구조를 형성하는 질화막층, 비정질 실리콘층, 금속 산화물층, 실리콘 질화막층, 실리콘 나노결정층, 금속 나노결정층 또는 금속산화물 나노결정층인 것이 바람직하다.Here, the floating gate may include a polysilicon layer, a nitride layer, an amorphous silicon layer, a metal oxide layer, or a silicon nitride layer forming a silicon-oxide-nitride-oxide-silicon (SONOS) or metal-nitride-oxide-silicon (MNOS) structure. It is preferable that it is a layer, a silicon nanocrystal layer, a metal nanocrystal layer, or a metal oxide nanocrystal layer.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 비휘발성 디램 소자는 기판 상에 형성된 이온주입층, 상기 이온주입층 상에 형성된 부유바디셀, 상기 부유바디셀 좌우에 형성된 소오스와 드레인 및 상기 부유바디셀 표면 상에 형성된 비휘발성 게이트구조체를 포함한다.A nonvolatile DRAM device according to another embodiment of the present invention includes an ion implantation layer formed on a substrate, a floating body cell formed on the ion implantation layer, a source and a drain formed on the left and right sides of the floating body cell, and a surface of the floating body cell. And a nonvolatile gate structure formed.
여기서, 상기 이온주입층은 게르마늄(Ge) 또는 높은 도우즈(high-dose)의 P형 불순물 이온주입층인 것이 바람직하다. Here, the ion implantation layer is preferably germanium (Ge) or a high-dose P-type impurity ion implantation layer.
여기서, 상기 부유바디셀은 수직한 핀(Fin)구조로 형성될 수 있다.Here, the floating body may be formed in a vertical fin (Fin) structure.
여기서, 상기 부유바디셀의 일측면에 상기 비휘발성 게이트구조체가 형성되고, 상기 부유바디셀의 타측면에는 백게이트가 형성될 수 있다.Here, the nonvolatile gate structure may be formed on one side of the floating body, and a back gate may be formed on the other side of the floating body.
여기서, 상기 부유바디셀의 일측면에 상기 비휘발성 게이트구조체가 형성되고, 상기 부유바디셀의 타측면에도 상기 비휘발성 게이트구조체가 형성될 수 있다.The nonvolatile gate structure may be formed on one side of the floating body, and the nonvolatile gate structure may be formed on the other side of the floating body.
여기서, 상기 비휘발성 게이트구조체는 터널링 절연막, 부유게이트, 제어 절연막 및 게이트를 포함한다.Here, the nonvolatile gate structure includes a tunneling insulating film, a floating gate, a control insulating film and a gate.
여기서, 상기 부유게이트는 폴리실리콘층, SONOS(Silicon-Oxide-Nitride- Oxide-Silicon) 또는 MNOS(Metal-Nitride-Oxide-Silicon)구조를 형성하는 질화막층, 비정질 실리콘층, 금속 산화물층, 실리콘 질화막층, 실리콘 나노결정층, 금속 나노결정층 또는 금속산화물 나노결정층인 것이 바람직하다.The floating gate may include a polysilicon layer, a nitride layer, an amorphous silicon layer, a metal oxide layer, and a silicon nitride layer forming a silicon-oxide-nitride-oxide-silicon (SONOS) or metal-nitride-oxide-silicon (MNOS) structure. It is preferable that it is a layer, a silicon nanocrystal layer, a metal nanocrystal layer, or a metal oxide nanocrystal layer.
여기서, 상기 비휘발성 게이트구조체는, 상기 부유바디셀 상에 형성된 터널링 절연막, 상기 터널링 절연막 상에 수직으로 형성된 탄소나노튜브(Carbon NanoTube), 상기 탄소나노튜브를 매립하여 상기 터널링 절연막 상에 형성된 절연막, 상기 절연막 상에 형성된 블로킹 절연막 및 상기 블로킹 절연막 상에 형성된 게이트를 포함하는 것이 바람직하다.The nonvolatile gate structure may include a tunneling insulating film formed on the floating body, a carbon nanotube formed vertically on the tunneling insulating film, an insulating film formed on the tunneling insulating film by filling the carbon nanotubes; It is preferable to include a blocking insulating film formed on the insulating film and a gate formed on the blocking insulating film.
여기서, 상기 탄소나노튜브는, 단 가닥의 단일벽탄소나노튜브(single-walled Carbon NanoTube) 또는 단 가닥의 다중벽탄소나노튜브(multi-walled Carbon NanoTube)인 것이 바람직하다.Here, the carbon nanotubes are preferably single-stranded single-walled carbon nanotubes or single-stranded multi-walled carbon nanotubes.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 비휘발성 디램 소자의 제조방법은 (a)기판에 홀(hole)을 축적할 수 있는 부유바디셀을 형성하는 단계, (b)상기 부유바디셀의 표면에 전자를 주입할 수 있는 비휘발성 게이트구조체를 형성하는 단계 및 (c)상기 부유바디셀 내에 소오스와 드레인을 형성하는 단계를 포함한다. According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a nonvolatile DRAM device, including (a) forming a floating body capable of accumulating holes in a substrate, and (b) forming an electron on the surface of the floating body. Forming a non-volatile gate structure that can be injected and (c) forming a source and a drain in the floating body.
여기서, 상기 (a)단계는 상기 기판 내에 절연층을 형성하여 상기 부유바디셀을 형성할 수 있다. Here, step (a) may form the floating body by forming an insulating layer in the substrate.
여기서, 상기 (a)단계는 상기 기판 내에 게르마늄(Ge) 또는 높은 도우즈(high-dose)의 P형 불순물 이온을 주입하여 상기 부유바디셀을 형성할 수 있다.Here, in the step (a), germanium (Ge) or high-dose P-type impurity ions may be implanted into the substrate to form the floating body.
여기서, 상기 (b)단계는 상기 부유바디셀의 표면에 터널링 절연막을 형성하는 단계, 상기 터널링 절연막 상에 부유게이트를 형성하는 단계, 상기 부유게이트 및 상기 터널링 절연막 상에 제어 절연막을 형성하는 단계 및 상기 제어 절연막의 상에 게이트를 형성하는 단계를 포함한다.The step (b) may include forming a tunneling insulating film on the surface of the floating body cell, forming a floating gate on the tunneling insulating film, forming a control insulating film on the floating gate and the tunneling insulating film; Forming a gate on the control insulating film.
여기서, 상기 부유게이트는 폴리실리콘층, SONOS(Silicon-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon) 또는 MNOS(Metal-Nitride-Oxide-Silicon)구조를 형성하는 질화막층, 비정질 실리콘층, 금속 산화물층, 실리콘 질화막층, 실리콘 나노결정층, 금속 나노결정층 또는 금속산화물 나노결정층 중 어느 하나일 수 있다.Here, the floating gate may include a polysilicon layer, a nitride layer, an amorphous silicon layer, a metal oxide layer, or a silicon nitride layer forming a silicon-oxide-nitride-oxide-silicon (SONOS) or metal-nitride-oxide-silicon (MNOS) structure. Layer, silicon nanocrystal layer, metal nanocrystal layer, or metal oxide nanocrystal layer.
여기서, 상기 기판 하부에 백게이트(back gate)를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method may further include forming a back gate under the substrate.
여기서, 상기 (a)단계는 상기 기판 내에 게르마늄 또는 높은 도우즈의 P형 불순물 이온주입층을 형성하는 단계 및 상기 이온주입층에 의하여 구분된 상기 기판 상부를 패터닝하여 수직한 핀(Fin)구조의 상기 부유바디셀을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. Here, the step (a) is a step of forming a germanium or high-doped P-type impurity ion implantation layer in the substrate and by patterning the upper portion of the substrate divided by the ion implantation layer of the vertical fin (Fin) structure It may comprise the step of forming the floating body.
여기서, 상기 (b)단계는 상기 부유바디셀 일측면에 상기 비휘발성 게이트구조체를 형성하는 단계 및 상기 부유바디셀 타측면에 백게이트를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.Here, step (b) may include forming the nonvolatile gate structure on one side of the floating body and forming a back gate on the other side of the floating body.
여기서, 상기 (b)단계는 상기 부유바디셀 일측면에 상기 비휘발성 게이트구조체를 형성하는 단계 및 상기 부유바디셀 타측면에 상기 비휘발성 게이트구조체를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.Here, the step (b) may include forming the nonvolatile gate structure on one side of the floating body and forming the nonvolatile gate structure on the other side of the floating body.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 비휘발성 디램 소자의 구동방법은 상기 부유바디셀에 홀을 축적하거나 축출하는 디램 모드 단계 및 상기 비휘발성 게이트구조체 내부에 형성된 부유게이트에 전자를 주입하거나 소거하는 비휘발성 메모리 모드 단계를 포함한다. A method of driving a nonvolatile DRAM device according to another embodiment of the present invention includes a DRAM mode step of accumulating or evicting holes in the floating body, and a non-injecting or erasing electron in a floating gate formed in the nonvolatile gate structure. Volatile memory mode step.
여기서, 상기 디램 모드 단계는 게이트 유기 드레인 누수(Gate Induced Drain Leakage)효과에 의하여 상기 부유바디셀에 홀을 축적하거나 축출할 수 있다.Here, the DRAM mode step may accumulate or expel holes in the floating body by a gate induced drain leakage effect.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면 전원공급이 중단되더라도 단위 셀 안에 저장된 데이터를 유지할 수 있고, 전원공급시에는 디램과 같이 고속으로 동작할 수 있는 비휘발성 디램 소자와 그 제조방법을 제공하는 효과가 있다.As described in detail above, according to the present invention, a nonvolatile DRAM device capable of maintaining data stored in a unit cell even when the power supply is interrupted and capable of operating at a high speed such as a DRAM at the time of power supply, and a manufacturing method thereof are provided. There is.
또한, 본 발명에 따르면 캐패시터를 제거함으로써 고집적도를 실현할 수 있는 비휘발성 디램 소자와 그 제조방법을 제공하는 효과가 있다.In addition, according to the present invention, there is an effect of providing a nonvolatile DRAM device capable of realizing high integration by removing the capacitor and a method of manufacturing the same.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 비휘발성 디램 소자의 입체도이다. 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 비휘발성 디램 소자는 기판(100) 상에 형성된 절연층(101), 절연층(101) 상에 형성된 부유바디셀(102), 부유바디셀(102) 내부좌우에 채널길이만큼 이격되어 형성된 소오스(103)와 드레인(104) 및 부유바디셀(102) 상에 형성된 비휘발성 게이트구조체(105, 106, 107, 108)를 포함한다. 1 is a three-dimensional view of a nonvolatile DRAM device according to an embodiment of the present invention. As shown in the figure, the nonvolatile DRAM device according to an embodiment of the present invention, the
기판(100)은 본 발명의 일 실시 예에서 P형 반도체 기판을 사용한다. 그러나, 여기서의 반도체 기판은 일반적인 물질을 의미하는 것으로 실리콘 기판, 실리콘 게르마늄, 인장 실리콘 또는 인장 실리콘게르마늄 중 어느 하나로 이루어질 수 있다. The
절연층(101)은 일반적인 산화물(Oxide)로 이루어진 층을 말한다. The insulating
부유바디셀(102)은 절연층(101)과 인접한 영역에 홀을 축적하거나 축출할 수 있고, 부유바디셀(102)의 상부 즉, 비휘발성 게이트구조체(105, 106, 107, 108)와 인접한 영역에는 소오스(103)와 드레인(104)간 채널이 형성될 수 있다.The
기판(100) 상에 순차적으로 절연층(101)과 부유바디셀(102)이 형성될 수도 있고, 기판 내부에 절연층(101)이 형성되어 기판이 세 부분 즉, 기판(100), 절연층(101) 및 부유바디셀(102)로 나뉘어질 수 있다. 여기서, 절연층(101)이 기판 내부에 형성된 기판을 에스오아이(Silicon On Insulator, 이하SOI)기판이라 한다. SOI기판의 종류에는 PD SOI(Partially Depleted Silicon On Insulator)와 FD SOI(Fully Depleted Silicon On Insulator) 기판이 있다. 이 중 본 발명의 일 실시 예에서는 부유바디셀(102)의 두께가 채널의 최대 공핍폭보다 두꺼운 PD SOI(Partially Depleted Silicon On Insulator)기판을 이용한다. 이러한 PD SOI기판(100, 101, 102)은 홀을 축적하기 위한 부유바디셀(102)을 제공하기 위함이다. The
여기서, 절연층(101)을 대신하여 기판(100) 내부에 게르마늄 또는 높은 도우즈의 P형 불순물 이온으로 이루어진 이온주입층(101)이 형성될 수 있다. 이러한 이 온주입층(101)은 에너지밴드적으로 홀을 축적할 수 있는 부유바디셀(102)을 제공할 수 있다. 왜냐하면, 게르마늄의 경우에는 실리콘보다 에너지 대역간극이 좁고 전도대가 거의 같기 때문에 가전자 대역에 존재하던 홀이 부유바디셀(102) 내부 중에서도 게르마늄 이온주입층과 인접한 영역에 축적될 수 있고, 높은 도우즈(high-dose)의 P형 불순물의 경우에도 비슷한 이유로 부유바디셀(102) 내부 중에서도 높은 도우즈의 P형 불순물 이온주입층과 인접한 영역에 홀이 축적될 수 있기 때문이다.Here, an
비휘발성 게이트구조체(105, 106, 107, 108)는 비휘발성 메모리 소자에서 제어게이트와, 전자를 포획하는 부유게이트를 포함하는 게이트구조체를 지칭한다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 비휘발성 게이트구조체(105, 106, 107, 108)는 부유바디셀(102) 상에 형성된 터널링 절연막(105), 터널링 절연막(105) 상에 형성된 나노결정(106), 나노결정(106)을 매립하고 터널링 절연막(105) 상에 형성된 제어 절연막(107) 및 제어 절연막(107) 상에 형성된 게이트(108)를 포함한다. 나노결정(106)은 비휘발성 전자 저장 매체로서 종래의 부유게이트와 동일한 역할을 한다. 이러한 부유게이트는 나노결정(106)층으로 한정하지 않으며 터널링 절연막(105)과 후속 공정으로 형성되는 제어 절연막(107)이 전기적으로 구분될 수 있는 모든 나노구조가 가능하고, SONOS(Silicon Oxide Nitride Oxide Silicon) 또는 MMOS(Metal Nitride Oxide Silicon)구조를 형성하는 질화막층, 폴리실리콘층, 비정질 실리콘층, 금속 산화물층, 실리콘 질화막층, 실리콘 나노결정층, 금속 나노결정층 또는 금속산화물 나노결정층 중 하나로 이루어질 수 있다. 그리고, 터널링 절연막(105) 및 제어 절연막(107)은 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, 실리콘 산화질화막 또는 고유전 율(High-K)의 금속산화막 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.The
본 발명의 일 실시 예에 따른 비휘발성 디램 소자의 제조방법은 (a)기판에 홀을 축적할 수 있는 부유바디셀을 형성하는 단계, (b)상기 부유바디셀의 표면에 전자를 주입할 수 있는 비휘발성 게이트구조체를 형성하는 단계 및 (c)상기 부유바디셀 내에 소오스와 드레인을 형성하는 단계를 포함한다. 이하에서는 첨부된 도면를 참조하여 상세히 설명한다. According to an embodiment of the present invention, a method of manufacturing a nonvolatile DRAM device may include (a) forming a floating body capable of accumulating holes in a substrate, and (b) injecting electrons into a surface of the floating body. Forming a nonvolatile gate structure and (c) forming a source and a drain in the floating body. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail.
도 2의 (a) 내지 (f)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 비휘발성 디램 소자의 제조공정을 나타낸 도면이다.2A to 2F are views illustrating a manufacturing process of a nonvolatile DRAM device according to an embodiment of the present invention.
도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 기판(200)은 P형 반도체 기판을 사용할 수 있다. 그러나, 여기서의 반도체 기판은 일반적인 물질을 의미하는 것으로 실리콘 기판, 실리콘 게르마늄, 인장 실리콘 또는 인장 실리콘게르마늄 중 하나로 형성할 수 있다. As shown in FIG. 2A, the
도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, 절연층(201)을 기판(200) 내에 형성한다. 여기서, 부유바디셀(202)의 두께가 채널의 최대 공핍폭보다 두꺼운 PD SOI(Partially Depleted Silicon On Insulator)기판이 되도록 절연층(201)을 기판(200) 내에 형성한다. 절연층(201)을 형성함으로써 기판(200)은 세 부분으로 나뉘어 지고, 이 세 부분 중에서 절연층(201)의 상부영역은 홀을 축적할 수 있는 부유바디셀(202)로 정의된다. As shown in FIG. 2B, an insulating
또한, 기판(200) 내부에 게르마늄(Ge) 또는 높은 도우즈(high-dose)의 P형 불순물 이온주입층을 형성하여 홀을 축적할 수 있는 부유바디셀(202)을 정의할 수 있다. In addition, a floating
도 2의 (c)에 도시된 바와 같이, 부유바디셀(202) 상에 터널링 절연막(205)을 형성한다. 여기서, 터널링 절연막(205)은 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, 실리콘 산화질화막 또는 고유전율(High-k)의 금속산화막 중 어느 하나로 형성할 수 있다.As shown in FIG. 2C, a tunneling insulating
도 2의 (d)에 도시된 바와 같이, 터널링 절연막(205) 상에 공지의 방법을 통하여 나노결정(206)을 형성한다. 여기서 나노결정(206)층은 폴리실리콘층, 비정질 실리콘층, 금속 산화물층, 실리콘 질화막층, 실리콘 나노결정층, 금속 나노결정층, 실리콘 산화물 나노결정층 또는 금속 산화물 나노결정층 중 어느 하나로 형성할 수 있다.As shown in FIG. 2D, the
도 2의 (e)에 도시된 바와 같이, 나노결정(206)을 매립하여 터널링 절연막(205) 상에 제어 절연막(207)을 형성한다. 여기서 제어 절연막(207)은 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, 실리콘 산화질화막 또는 고유전율의 금속산화막 중 어느 하나로 형성할 수 있다.As shown in FIG. 2E, the
도 2의 (f)에 도시된 바와 같이, 제어 절연막(207) 상에 게이트(208)를 형성하고, 부유바디셀(202) 내부에 채널길이만큼 이격된 소오스(203)와 드레인(204)을 디퓨전(diffusion) 또는 임플란트 공정 및 후속 열처리 등을 이용하여 형성한다.As shown in FIG. 2F, the
이러한 본 발명의 일 실시 예에 따른 비휘발성 디램 소자는 다음과 같은 특성을 갖는데 도 3을 참조하여 설명한다.The nonvolatile DRAM device according to an embodiment of the present invention has the following characteristics, which will be described with reference to FIG. 3.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 비휘발성 디램 소자의 구동방법을 나타 낸 도면이다. 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 비휘발성 디램 소자의 구동방법은 전원이 공급될 때에는 캐패시터가 없는 디램으로서 부유바디셀(302)에 홀이 축적되거나 축출되어 휘발성 메모리로 동작하는 디램 모드 단계(309)와 전원공급이 중단될 때에는 비휘발성 게이트구조체의 나노결정을 포함하는 부유게이트에 전자가 주입되거나 제거되어 고속의 비휘발성 메모리로 동작하는 비휘발성 메모리 모드 단계(310)를 포함한다.3 is a view showing a method of driving a nonvolatile DRAM device according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3A, a method of driving a nonvolatile DRAM device according to an embodiment of the present invention is a DRAM having no capacitor when power is supplied, and holes are accumulated or evicted in the floating
디램 모드로 단위셀을 구동시키는 디램 모드 단계(309)를 도 3의 (b)를 참조하여 이하에서 상세히 설명한다. The
도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 디램 모드에서 부유바디셀에 홀이 축적되어 문턱전압이 낮아지는(VT . L1, VT . H1) 정보 "1"의 상태(311a, 312a)는 PD SOI기판의 모스전계효과트랜지스터(MOSFET)의 포화 모드에서 드레인 전압이 매우 높을 때 나타난다. 그 이유는, 채널 내의 캐리어는 드레인 근처의 고전계 지역에서 충분한 에너지를 얻음으로써, 충돌 이온화(Impact Ionization)가 일어나 전자-홀 쌍을 형성하게 되고, 이렇게 생성된 전자들은 드레인으로 빠져나가는 반면에, 생성된 홀들은 낮은 포텐셜 영역으로 몰리기 때문이다. 이러한 PD SOI기판은 소스와 드레인 각각이 바이폴라 트랜지스터의 이미터(emitter)와 컬렉터(collector) 각각에 해당되는 반면에, 베이스(base)에 해당하는 부유바디셀은 바이어스를 가할 수 없기 때문에 부유(floating)하게 되고, 홀들이 부유바디셀의 저 포텐셜 지역으로 모인다. 그리고, 실리콘 박막과 기판 사이의 완벽한 절연 때문에 이 홀들은 빨리 제거될 수가 없다. 따라서, 홀은 부유바디셀에 저장되고, 부유 바디 효과로 인한 점차적인 바디 포텐셜의 증가로 이어지게 되어 문턱 전압을 낮추게 되는 것이다.A, which is the accumulation of holes in the floating body cell, the lower the threshold voltage in a DRAM mode (V T. L1, V T . H1) status information "1" (311a, 312a) as shown in Figure 3 (b) Appears when the drain voltage is very high in the saturation mode of a MOSFET on a PD SOI substrate. The reason is that the carriers in the channel get enough energy in the high field region near the drain, whereby impact ionization occurs to form electron-hole pairs, while the electrons thus produced exit to the drain, This is because the generated holes are driven to a low potential region. The PD SOI substrate has a floating source because the source and the drain respectively correspond to the emitter and the collector of the bipolar transistor, whereas the floating body corresponding to the base cannot be biased. Holes gather in the low-potential area of the floating body. And because of the perfect insulation between the silicon film and the substrate, these holes cannot be removed quickly. Therefore, the holes are stored in the floating body, which leads to a gradual increase in body potential due to the floating body effect, thereby lowering the threshold voltage.
디램 모드에서 부유바디셀에 저장된 홀을 축출하여 문턱전압이 높아지는(VT . L0, VT . H0) 정보 "0"의 상태(311b, 312b)는 게이트에 양의 전압과 드레인에 음의 전압을, 즉 부유바디셀과 드레인 사이의 PN접합에 순방향 바이어스를 가함으로써 홀들이 드레인 쪽으로 축출되어 제거된다. 이러한 원리는, 전자의 충돌 이온화율이 홀의 이온화율보다 높기 때문에 P형 기판의 N-채널 MOSFET에서 더 효과적이다. And expelled the hole is stored in the floating body cell in the DRAM mode, increasing the threshold voltage (V T. L0, V T . H0) status information "0" (311b, 312b) is the gate of the negative to positive voltage and the drain voltage to the That is, by applying a forward bias to the PN junction between the floating body and the drain, the holes are removed to the drain and removed. This principle is more effective in N-channel MOSFETs of P-type substrates because the collision ionization rate of electrons is higher than that of holes.
한편, 충돌 이온화(Impact Ionization)를 통한 홀 축적 방법 이외에도 바이어스에 따른 게이트 유기 드레인 누수(Gate Induced Drain Leakage, 이하 GIDL) 효과에 의하여 홀 축적이 가능하다. 게이트에 접지전압 또는 음의 전압을, 소스에 접지전압을, 드레인에 양의 전압을 가해주면 GIDL 효과에 의하여 밴드간 터널링으로 인해 생성된 홀들은 부유바디셀의 저 포텐셜 영역으로 몰리게 되어 축적되고, 게이트에 양의 전압을, 소스에 접지전압을, 드레인에 음의 전압을 가하면 부유바디셀의 저 포텐셜 영역의 홀이 공핍된다.Meanwhile, in addition to the hole accumulation method through impact ionization, hole accumulation may be performed by a gate induced drain leakage (GIDL) effect due to a bias. If the ground voltage or negative voltage is applied to the gate, the ground voltage is applied to the source, and the positive voltage is applied to the drain, holes generated due to the interband tunneling due to the GIDL effect are concentrated and accumulated in the low potential region of the floating body. Applying a positive voltage to the gate, a ground voltage to the source, and a negative voltage to the drain deplete the holes in the low potential region of the floating body.
여기서, 정보"1"의 상태와 정보"0"의 상태는 센싱하여야 하는 전류량의 차이(△Id)가 미세하기 때문에 민감도(sensitivity)가 높은 전류 센싱 스킴(Current sensing scheme)을 통한 센스 증폭(sense amplifier)이 필요하다. Here, the state of information "1" and the state of information "0" are sense amplification through a current sensing scheme having a high sensitivity since the difference ΔI d of the amount of current to be sensed is minute. sense amplifier) is required.
다음으로 비휘발성 메모리 모드로 단위셀을 구동시키는 비휘발성 메모리 모 드 단계(310)를 도 3의 (b)를 참조하여 이하에서 상세히 설명한다. Next, the nonvolatile
도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 전원공급이 중단될 때에는 정보가 소멸되지 않도록 디램 모드에서 비휘발성 메모리 모드로 전환되어 단위셀이 동작하게 된다. As shown in (b) of FIG. 3, when the power supply is stopped, the unit cell is operated by switching from the DRAM mode to the nonvolatile memory mode so that information is not lost.
비휘발성 메모리 모드는 게이트에 쓰기 전압을 인가하면 부유게이트에 전자가 저장되어 디램 모드와는 반대로 문턱전압이 높아지는(VT . H0, VT . H1) 정보 "0"의 상태(312a, 312b)와 게이트에 소거 전압을 인가하면 부유게이트에 저장된 전자가 빠져나와서 문턱전압이 낮아지는(VT . L0, VT . L1) 정보 "1"의 상태(311a, 311b)로 나뉘어 진다. 여기서의 정보 "1"과 정보 "0"의 상태는 디램 모드로 동작할 때보다 전류변화가 크기 때문에, 덜 민감한 전류 센싱 스킴을 통한 센스 증폭이 가능하다. A nonvolatile memory mode, applying a write voltage to the gate electrons are stored in the floating gate DRAM mode, as opposed to increasing the threshold voltage (V T. H0, V T . H1) status information "0" (312a, 312b) and applying a voltage to the erase gates out the electrons stored in the floating gate escape divided into lowered the threshold voltage (V T. L0, V T. L1) state (311a, 311b) of the information "1". Here, the information "1" and information "0" state of the current change is larger than when operating in the DRAM mode, it is possible to sense amplification through a less sensitive current sensing scheme.
한편, 퍼지(purge)동작을 통해서 부유바디셀이 리프레쉬(Refresh) 되어야 하는데, 이는 부유바디셀과 소오스/드레인 사이에 PN접합의 역바이어스 누수전류(Reverse-bias leakage current)를 통해 홀이 정보 상태가 정보"0"인 부유바디셀에서 생성되기 때문이다. 결국 정보"1"과 정보"0" 사이의 홀 개수의 차이를 일정하게 유지하기 위해서는 모든 기입 동작 앞에 퍼지동작을 통하여 홀이 부유바디셀에서 퍼내어져야 한다. 이를 위해서는 게이트에 양의 전압을 인가하여 포텐셜 장벽을 낮춰줌으로써 부유바디셀에 축적된 홀을 제거할 수 있다. On the other hand, the floating body should be refreshed through a purge operation, in which the hole is in an information state through the reverse-bias leakage current of the PN junction between the floating body and the source / drain. Is generated in the floating body with information " 0 ". As a result, in order to keep the difference in the number of holes between the information " 1 " and the information " 0 ", the holes must be ejected from the floating body through the purge operation before all the write operations. To this end, a positive voltage is applied to the gate to lower the potential barrier, thereby eliminating holes accumulated in the floating body.
전술한 바와 같이 본 발명의 비휘발성 디램 소자는 전원공급의 상황과 요구 동작 속도에 따라 디램 모드 또는 비휘발성 메모리 모드 중 어느 한가지 모드로 전환되는 동작을 수행할 수 있다. As described above, the nonvolatile DRAM device of the present invention may perform an operation of switching to one of the DRAM mode and the nonvolatile memory mode according to a power supply situation and a required operating speed.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 비휘발성 디램 소자의 입체도이다. 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 비휘발성 디램 소자는 전술한 도 1의 비휘발성 디램 소자와 비교해 볼 때 부유바디셀(402)의 두께가 채널의 최대 공핍폭보다 작도록 절연층(401)이 기판(400) 내부에 형성되고, 기판(400) 하부에 형성된 백게이트(408b, back gate)를 더 포함한다. 여기서 부유바디셀(402)의 두께가 채널의 최대 공핍폭보다 작은 구조를 FD SOI라 하는데, 이러한 FD SOI 구조는 소오스(403)와 부유바디셀(402) 접합에서의 장벽 감소가 홀의 축적을 막기 때문에 부유 바디 효과(Floating Body Effect)가 나타나지 않는다. 하지만, 기판(400) 하부에 백게이트(408b)를 구비하여, 이 백게이트(408b)에 음의 전압을 인가하면 음의 바이어스가 포텐셜 우물을 제공하여 홀을 부유바디셀(402)에 축적할 수 있고, 반면에 백게이트(408b)에 접지전압 또는 양의 전압을 인가하면 포텐셜 우물의 깊이를 감소시켜서 홀을 축출시킬 수 있다. 4 is a three-dimensional view of a nonvolatile DRAM device according to another embodiment of the present invention. As shown in the figure, the nonvolatile DRAM device according to another embodiment of the present invention has a thickness of the floating
이러한 본 발명의 다른 실시 예에 따른 비휘발성 디램 소자의 제조방법은 도 2의 (a)내지 (f)에 도시된 비휘발성 디램 소자의 제조방법과 유사하고, 차이점은 부유바디셀(402)의 두께가 채널의 최대 공핍폭보다 작은 FD SOI구조로 형성하는 점과 백게이트(408b)를 기판(400) 하부에 추가로 형성한다는 점이다. The method of manufacturing the nonvolatile DRAM device according to another embodiment of the present invention is similar to the method of manufacturing the nonvolatile DRAM device illustrated in FIGS. 2A to 2F, and the difference is that of the floating
따라서 본 발명의 다른 실시 예에 따른 비휘발성 디램 소자는 FD SOI 구조를 갖더라도 전술한 본 발명의 일 실시 예에 따른 비휘발성 디램 소자와 같이 부유바디셀에 축적/축출되는 홀을 통한 디램모드 동작과 비휘발성 게이트구조체에 주입/ 소거되는 전자를 통한 비휘발성 메모리 모드 동작이 가능하다.Therefore, even if the nonvolatile DRAM device according to another embodiment of the present invention has an FD SOI structure, the DRAM mode operation through a hole accumulated / extracted in a floating body like the nonvolatile DRAM device according to an embodiment of the present invention described above. And nonvolatile memory mode operation through electrons injected into and erased from the nonvolatile gate structure.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 비휘발성 디램 소자의 입체도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 비휘발성 디램 소자는 전술한 도 1의 비휘발성 디램 소자와 비교해 볼 때, 부유바디셀(502)이 평면형(Planar)구조가 아닌 핀(Fin)구조(또는 삼차원 수직형 구조)로 형성하고, 이러한 핀(Fin)구조는 게이트(508)가 삼면에서 입체적으로 채널영역을 둘러싸고 있기 때문에 게이트(508)의 채널 제어 능력을 향상시킬 수 있다. 따라서, 평면형 소자의 한계인 단채널 효과(Short-Channel Effect)를 효과적으로 감소시킬 수 있으며, 소자의 물리적인 크기를 더욱 줄일 수 있다. 또한 전술한 도 1의 비휘발성 디램 소자와 같이 디램모드 동작과 비휘발성 게이트구조체에 주입/소거되는 전자를 통한 비휘발성 메모리 모드 동작이 가능하다.5 is a three-dimensional view of a nonvolatile DRAM device according to another embodiment of the present invention. As shown in FIG. 5, the nonvolatile DRAM device according to another embodiment of the present invention has a floating structure in which the floating
이러한 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 비휘발성 디램 소자의 제조방법을 도 6을 참조하여 이하에서 설명한다.A method of manufacturing a nonvolatile DRAM device according to still another embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG. 6.
도 6의 (a) 내지 (f)는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 비휘발성 디램 소자를 형성하는 방법을 제조 공정 순서에 따라 도시한 단면도이다. 단면의 방향은 도 5에서의 Ⅰ-Ⅰ'방향이다. 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이, 기판(600)은 P형 반도체 기판(600)이 사용되었다. 하지만 여기서 반도체 기판(600)은 일반적인 물질을 의미하는 것으로 실리콘 기판, 실리콘 게르마늄(SiGe), 인장 실리콘(Strained silicon) 또는 인장 실리콘게르마늄 중 어느 하나를 이용하여 형성할 수 있다. 6A to 6F are cross-sectional views illustrating a method of forming a nonvolatile DRAM device according to still another embodiment of the present invention according to a manufacturing process sequence. The direction of the cross section is the II 'direction in FIG. As shown in FIG. 6A, a P-
도 6의 (b)에 도시된 바와 같이, 기판(600) 내부에 게르마늄(Ge) 또는 높은 도우즈(High-dose)의 P형 불순물 이온주입층(601)을 형성한다. 또한, 기판 내부에 절연층을 형성할 수 있다.As illustrated in FIG. 6B, a germanium (Ge) or high-dose P-type impurity
도 6의 (c)에 도시된 바와 같이, 이온주입층(601)의 형성으로 인하여 정의된 기판(600)의 상부 영역을 패터닝(patterning)하여 핀(Fin) 구조(삼차원 수직형)의 부유바디셀(602)을 형성한다. 부유바디셀(602)은 상부면 및 측면을 가지고, 이 면들은 채널 영역으로 사용된다. 부유바디셀(602)의 외측의 하단부는 STI(Shallow Trench Isolation, 611)로 둘러싸서 인접한 다른 셀과 절연(Isolation)시킨다. 이어서, 기판(600) 및 부유바디셀(602) 상에 터널링 절연막(605)을 형성한다. 터널링 절연막(605)은 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, 실리콘 산화질화막 또는 금속 산화막 중 어느 하나로 형성할 수 있다. As shown in FIG. 6C, the floating body of the fin structure (three-dimensional vertical type) is patterned by patterning the upper region of the
도 6의 (d)에 도시된 바와 같이, 터널링 절연막(605)상에 공지의 방법을 이용하여 부유게이트로 대표되는 나노결정층(606)을 형성한다. 이러한 나노결정층(606)은 터널링 절연막(605) 및 후속 공정으로 형성되는 제어 절연막(607)과 전기적으로 구분될 수 있는 모든 나노구조가 가능하고, 폴리 실리콘, 비정질 실리콘, 금속 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 나노결정, 금속 나노결정, 실리콘 산화물 나노결정 또는 금속 산화물 나노결정 중 어느 하나로 형성할 수 있다. As shown in FIG. 6D, the
도 6의 (e)에 도시된 바와 같이, 나노결정층(606) 및 터널링 절연막(605) 상에 제어 절연막(607)을 형성한다. 제어 절연막(707)은 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, 실리콘 산화질화막 또는 금속 산화막 중 어느 하나로 형성할 수 있다. As shown in FIG. 6E, the
도 6의 (f)에 도시된 바와 같이 제어 절연막(607) 상에 제어 게이트(608)를 형성하고, N형의 불순물 이온의 디퓨젼(diffusion) 또는 임플란트 공정 및 후속 열처리 등을 통하여 제어 게이트(608) 하부, 곧 채널영역만큼 이격된 소오스(미도시) 및 드레인(604)을 형성한다. As shown in FIG. 6F, the
도 7은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 비휘발성 디램 소자의 입체도이다. 도면에 도시된 바와 같이 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 비휘발성 디램 소자는 전술한 도 5의 비휘발성 디램 소자와 비교해 볼 때 부유바디셀(702)의 두께가 채널의 최대 공핍폭보다 작고(FD SOI구조), 부유바디셀(702)의 상부가 아닌 일측부에 게이트구조체(705, 706, 707, 708a)가 형성되며, 타측부에 백게이트(708b)가 형성된 구조이다. 이러한 구조도 전술한 도 5의 비휘발성 디램 소자와 같이, 백게이트(708b)에 의한 홀의 축적/축출을 통한 디램모드 동작과 비휘발성 게이트구조체에 주입/소거되는 전자를 통한 비휘발성 메모리 모드 동작이 가능하다. 7 is a three-dimensional view of a nonvolatile DRAM device according to another embodiment of the present invention. As shown in the drawing, in the nonvolatile DRAM device according to another embodiment of the present invention, the thickness of the floating
이러한 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 비휘발성 디램 소자의 제조방법은 도 6의 (a) 내지 (f)의 제조방법과 유사하다. 차이점은 부유바디셀(702)의 두께가 채널의 최대 공핍폭보다 얇은 FD SOI 구조를 형성한다는 점, 전자 저장 구조인 터널링 절연막(705)을 비롯한 부유 게이트(706) 및 제어 절연막(707)을 부유바디셀(702)의 일측부에 형성한다는 점 및 백게이트(708b)를 부유바디셀(702)의 타측부에 형성한다는 점이다. 여기서, 도시되지 않았지만 단위 셀은 STI(Shallow Trench Isolation)로 둘러싸서 인접한 셀과 절연(Isolation)시킨다. The manufacturing method of the nonvolatile DRAM device according to another exemplary embodiment of the present invention is similar to the manufacturing method of FIGS. 6A to 6F. The difference is that the thickness of the floating
도 8은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 비휘발성 디램 소자의 입체도이다. 도면에 도시된 바와 같이 본 발명의 비휘발성 디램 소자는 전술한 도 7의 비휘발성 디램 소자와 비교해 볼 때 타측부에 백게이트(708b) 대신에 일측부에 형성된 것과 같은 게이트구조체(805b, 806b, 807b, 808b)가 형성된 구조이다. 도 8에서 볼 수 있듯이 도 7에서 구분되었던 일측부의 게이트(708b)와 타측부의 백게이트(708b)의 역할을 서로 바꾸어 사용가능하고, 이러한 구조도 역시 디램모드 동작과 비휘발성 게이트구조체에 주입/소거되는 전자를 통한 비휘발성 메모리 모드 동작이 가능하다.8 is a three-dimensional view of a nonvolatile DRAM device according to another embodiment of the present invention. As shown in the drawing, the nonvolatile DRAM device of the present invention has the
이러한 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 비휘발성 디램 소자의 제조방법은 도 7에 도시된 비휘발성 디램 소자와 유사하다. 차이점은 부유바디셀(802)의 일측부와 타측부에 비휘발성 게이트구조체인 터널링 절연막(805a, 805b)을 비롯한 부유 게이트(806a, 806b), 제어 절연막(807a, 807b) 및 게이트(808a, 808b)를 형성한다는 점이다. 여기서, 도시되지 않았지만 단위 셀은 STI(Shallow Trench Isolation)로 둘러싸서 인접한 셀과 절연(Isolation)시킨다.A method of manufacturing a nonvolatile DRAM device according to still another embodiment of the present invention is similar to the nonvolatile DRAM device illustrated in FIG. 7. The difference is the floating
도 9는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 비휘발성 디램 소자를 설명하기 위한 도면이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 비휘발성 디램 소자에 있어서, 비휘발성 게이트구조체는, 터널링 절연막(905), 탄소나노튜브(906), 절연막(907), 블로킹 절연막(908) 및 게이트(909)를 포함한다. 9 is a view for explaining a nonvolatile DRAM device according to another embodiment of the present invention. As shown in FIG. 9, in the nonvolatile DRAM device according to another embodiment of the present invention, the nonvolatile gate structure includes a tunneling insulating film 905, a carbon nanotube 906, an insulating film 907, and a blocking insulating film. 908 and
터널링 절연막(905)는 부유바디셀(902) 상에 형성된다.The tunneling insulating film 905 is formed on the floating
탄소나노튜브(906, Carbon NanoTube)는, 터널링 절연막(905) 상에 수직으로 형성된다. 여기서, 탄소나노튜브(906)는 비휘발성 전자 저장 매체로서 종래의 부유게이트와 동일한 역할을 한다. 이러한, 탄소나노튜브(906)는 지구상에 다량으로 존재하는 탄소로 이루어진 탄소동소체로서 하나의 탄소가 다른 탄소원자와 육각형 벌집무늬로 결합되어 튜브형태를 이루고 있는 물질이다. 그리고 튜브의 직경이 나노미터(nm=10억분의 1미터) 수준으로 극히 작은 영역의 물질이다. 탄소나노튜브(106)의 형태는 그래파이트 면(graphite sheet)이 나노크기의 직경으로 둥글게 말린 상태이며, sp2 결합구조를 가지고 있다. 이 그래파이트 면이 말리는 각도 및 형태에 따라서 전기적으로 도체 또는 반도체의 특성을 보인다. 탄소나노튜브(906)는 벽을 이루고 있는 결합 수에 따라, 단일벽 나노튜브(single-walled nanotube) 또는 다중벽 나노튜브(multi-walled nanotube)로 구분하고, 아울러 단일벽 나노튜브가 여러 개로 뭉쳐있는 형태를 다발형 나노튜브(rope nanotube)라고 부른다. 이러한 탄소나노튜브(906)는 우수한 기계적 특성, 전기적 선택성, 뛰어난 전계방출 특성, 고효율의 수소저장매체 특성 등을 가지기 때문에, 항공우주, 생명공학, 환경에너지, 재료산업, 의약산업 등의 다양한 분야로 응용의 범위가 넓어지고 있다. 특히 첨단산업분야인 나노기술산업분야에서 연구가 활발히 진행되고 있다.Carbon nanotubes 906 are formed vertically on the tunneling insulating film 905. Here, the carbon nanotube 906 serves as a non-volatile electron storage medium and the same as a conventional floating gate. The carbon nanotube 906 is a carbon allotrope made of carbon present in a large amount on the earth, and is a material in which one carbon is combined with another carbon atom in a hexagonal honeycomb pattern to form a tube. And the diameter of the tube is a very small area of nanometer (nm = 1 billion meters). The shape of the
여기서, 전자를 포획하는 탄소나노튜브(906)를 단 가닥의 단일벽탄소나노튜브(single-walled carbon nanotube) 또는 단 가닥의 다중벽탄소나노튜브(multi-walled carbon nanotube) 중 하나를 채택하여, 터널링 절연막(906)에 대하여 수직 으로 형성되도록 할 수 있다.Here, by adopting one of the single-walled carbon nanotube (single-walled carbon nanotube) or the single-stranded multi-walled carbon nanotube to the carbon nanotube 906 trapping electrons, It may be formed perpendicular to the tunneling insulating film 906.
절연막(907)은 탄소나노튜브(906)를 매립하여 터널링 절연막(905) 상에 형성된다. 이러한 절연막(907)은 탄소나노튜브(906)에 포획된 전자가 다른 탄소나노튜브로 이동하는 것을 방지한다. 또한, 절연막(907)은 메모리 특성을 보이지 않는 절연물질인 실리콘옥사이드(SIO2), 알루미늄옥사이드(Al2O3), 지르콘옥사이드(ZrO2), 지르콘실리케이트(Zr silicate), 하프늄옥사이드(HfO2) 또는 하프늄실리케이트(Hf silicate) 중 하나로 형성할 수 있다.The insulating film 907 is formed on the tunneling insulating film 905 by filling the carbon nanotubes 906. The insulating film 907 prevents electrons trapped in the carbon nanotubes 906 from moving to other carbon nanotubes. The insulating film 907 is a silicon oxide (SIO 2), insulating material that does not show a memory characteristic, aluminum oxide (Al 2 O 3), zirconium oxide (ZrO 2), zirconium silicates (Zr silicate), hafnium oxide (HfO 2 ) Or hafnium silicate.
블로킹 절연막(908)은 절연막(907) 상에 형성된다. 이러한 블로킹 절연막(908)은 소오스(903)과 드레인(904) 사이의 채널로부터 공급된 전하가 게이트(909)로 이동하는 것을 방지한다.The blocking insulating
게이트(909)는 블로킹 절연막(908) 상에 형성된다. The
이러한, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 비휘발성 디램 소자는, 앞서 상술한 다른 실시 예와 마찬가지로, 전하를 축적하는 다수의 탄소나노튜브가 이산적으로(Discretely) 터널링 절연막(905) 상에 형성되어 있기 때문에, 메모리 소자가 축소됨에 따라 터널링 절연막(905) 혹은 절연막(907)의 두께의 감소로 발생할 수 있는 유전체 결함(Dielectric Defect)의 손실을 종래의 메모리 소자보다 더 감소시킬 수 있다. 이러한 유전체 결함의 감소는, 비휘발성 디램 소자의 크기를 더욱 축소시킬 수 있다.As described above, in the nonvolatile DRAM device according to another embodiment of the present invention, a plurality of carbon nanotubes that accumulate charge are formed on the tunneling insulating film 905 discretely. As the memory device shrinks, the loss of dielectric defects, which may occur due to the reduction in the thickness of the tunneling insulating film 905 or the insulating film 907, may be further reduced than in the conventional memory device. This reduction in dielectric defects can further reduce the size of the nonvolatile DRAM device.
또한, 탄소나노튜브(906)과 절연막(907) 사이에 댕글링 결합(Dangling bond) 이 존재하지 않기 때문에, 무결점 표면 상태(surface states)를 가지게 되고, 이에 따라 전하 보존 시간(retention time)을 본 발명의 다른 실시 예에 따른 비휘발성 디램 소자보다 더 늘일 수 있다.In addition, since there is no dangling bond between the carbon nanotubes 906 and the insulating film 907, the surfaces have defect-free surface states, and thus the charge retention time is seen. It can be further extended than the nonvolatile DRAM device according to another embodiment of the present invention.
또한, 탄소나노튜브(906)가 수직으로 터널링 절연막(905) 상에 형성되는 것에 의하여, 최대 플랫 밴드 전압의 변화량을 얻을 수 있기 때문에 동작 전압을 종래의 비휘발성 메모리 소자 또는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 비휘발성 디램 소자에서 인가해 주는 동작 전압보다 더 낮출 수 있다. In addition, since the carbon nanotubes 906 are vertically formed on the tunneling insulating film 905, the maximum flat band voltage variation can be obtained. It can be lower than the operating voltage applied by the nonvolatile DRAM device according to.
또한, 전하저장부로서 양자점(Quantum Dot)을 사용하는 메모리 소자 등에서 생길 수 있는 평행호핑(Lateral Hopping) 현상을 방지할 수 있다. 평행호핑 현상이란, 트랩형 메모리 소자에 저장된 전하가 방전을 일으키는 주된 메커니즘 중에 하나를 말한다. In addition, it is possible to prevent a parallel hopping phenomenon that may occur in a memory device using a quantum dot as a charge storage unit. The parallel hopping phenomenon refers to one of the main mechanisms by which charge stored in a trapped memory device causes discharge.
이상에서 보는 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.As described above, those skilled in the art will appreciate that the present invention can be implemented in other specific forms without changing the technical spirit or essential features. Therefore, the exemplary embodiments described above are to be understood as illustrative and not restrictive in all respects, and the scope of the present invention is indicated by the following claims rather than the detailed description, and the meaning and scope of the claims and All changes or modifications derived from the equivalent concept should be interpreted as being included in the scope of the present invention.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 비휘발성 디램 소자의 입체도.1 is a three-dimensional view of a nonvolatile DRAM device according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 비휘발성 디램 소자의 제조공정을 나타낸 도면.2 is a view illustrating a manufacturing process of a nonvolatile DRAM device according to an embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 비휘발성 디램 소자의 구동방법을 설명하기 위한 도면.3 is a view for explaining a method of driving a nonvolatile DRAM device according to an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 비휘발성 디램 소자의 입체도.4 is a three-dimensional view of a nonvolatile DRAM device according to another embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 비휘발성 디램 소자의 입체도.5 is a three-dimensional view of a nonvolatile DRAM device according to another embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 비휘발성 디램 소자의 제조공정을 나타낸 도면.6 is a view illustrating a manufacturing process of a nonvolatile DRAM device according to another embodiment of the present invention.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 비휘발성 디램 소자의 입체도.7 is a three-dimensional view of a nonvolatile DRAM device according to another embodiment of the present invention.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 비휘발성 디램 소자의 입체도. 8 is a three-dimensional view of a nonvolatile DRAM device according to another embodiment of the present invention.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 비휘발성 디램 소자의 단면도.9 is a cross-sectional view of a nonvolatile DRAM device according to still another embodiment of the present invention.
*****도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명********** Description of the symbols for the main parts of the drawings *****
100: 기판100: substrate
101: 절연층 또는 이온주입층101: insulating layer or ion implantation layer
102: 부유바디셀102: floating body
103: 소오스103: source
104: 드레인104: drain
105: 터널링 절연막105: tunneling insulating film
106: 나노결정 또는 부유게이트106: nanocrystal or floating gate
107: 제어 절연막107: control insulating film
108: 게이트108: gate
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