KR20100013936A - Flash memory device, operating method and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 플래시 메모리 소자, 이의 동작 방법 및 제조 방법에 관한 것으로, 2개의 메모리 셀이 적층된 구조를 갖는 플래시 메모리 소자, 이의 동작 방법 및 제조 방법에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE
낸드 플래시 메모리 소자는 전원 공급이 중단되어도 저장된 데이터가 지워지지 않는 대표적인 비휘발성 메모리 소자이다. 낸드 플래시 메모리 소자는 노아 플래시 메모리 소자에 비해 집적도가 우수하며, 노아 플래시 메모리 소자와의 동작 속도 차이도 줄어들고 있다. 하지만, 집적도를 높이는 것도 한계가 있다. 이러한 이유로 하나의 메모리 셀에 2비트의 데이터를 저장하는 MLC(Multi Level Chip) 소자가 개발되고 있다. MLC 소자는 데이터 저장 용량을 증가시키므로 물리적인 집적도를 높이는 것은 불가능하다. The NAND flash memory device is a representative nonvolatile memory device in which stored data is not erased even when power supply is interrupted. NAND flash memory devices have better integration than Noah flash memory devices, and the difference in operating speed with NOR flash memory devices is decreasing. However, there is a limit to increasing the degree of integration. For this reason, multi-level chip (MLC) devices that store two bits of data in one memory cell have been developed. Since MLC devices increase data storage capacity, it is impossible to increase physical density.
낸드 플래시 메모리 소자의 데이터 저장 용량을 증가시키기 위해서는 물리적 인 집적도를 높이는 것이 필수적이라 할 수 있다. In order to increase the data storage capacity of the NAND flash memory device, it is essential to increase the physical density.
본 발명은 2개의 메모리 셀들을 동일한 면적에 2층 구조로 형성함으로써 물리적인 집적도를 2배 늘일 수 있는 플래시 메모리 소자, 이의 동작 방법 및 제조 방법을 제공한다. The present invention provides a flash memory device capable of doubling the physical density by forming two memory cells in a two-layer structure in the same area, an operation method thereof, and a manufacturing method thereof.
본 발명의 제1 실시예에 따른 플래시 메모리 소자는 반도체 기판 상에 형성되며, 제1 방향으로 형성된 트렌치들을 포함하는 층간 절연막과, 트렌치들 내에 순차적으로 적층된 제1 도전막, 제1 유전체막 및 제2 도전막과, 제2 도전막을 포함한 반도체 기판 상에 순차적으로 적층된 형성된 제1 절연막, 실리콘층 및 제2 절연막과, 제2 절연막 상에 순차적으로 적층된 제3 도전막, 제2 유전체막 및 제4 도전막, 및 제3 도전막이 형성된 영역들 사이의 실리콘층에 형성된 접합 영역들을 포함한다. The flash memory device according to the first exemplary embodiment of the present invention is formed on a semiconductor substrate, and includes an interlayer insulating film including trenches formed in a first direction, a first conductive film, a first dielectric film, and sequentially stacked in the trenches. A first insulating film, a silicon layer, and a second insulating film sequentially stacked on a semiconductor substrate including a second conductive film and a second conductive film, and a third conductive film and a second dielectric film sequentially stacked on a second insulating film And junction regions formed in the silicon layer between the fourth conductive film and the regions where the third conductive film is formed.
상기에서, 제1 유전체막은 제1 및 제2 도전막의 사이에서 제2 도전막의 측벽과 제1 층간 절연막의 사이까지 연장될 수 있다. 제2 도전막은 트렌치 내에서 분할되어 제1 방향으로 배열되는 것이 바람직하다. 분할된 제2 도전막들 사이의 트렌치 내에 형성된 제1 격리막을 더 포함할 수 있다. 제2 도전막이 형성되는 영역과 제3 도전막이 형성되는 영역이 실리콘층을 사이에 두고 대응하는 것이 바람직하다. 제1 도전막이 형성된 영역과 대응하는 영역에 제4 도전막이 제1 방향으로 형성된다. 제 3 도전막은 제4 도전막의 하부에서 분할되어 제1 방향으로 배열될 수 있다. 실리콘층은 제3 도전막의 하부에서 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 연장되는 라인 형태로 이루어지는 것이 바람직하다. 분할된 제3 도전막들 및 분할된 실리콘층들 사이의 공간에 형성된 제2 격리막을 더 포함할 수 있다. In the above, the first dielectric film may extend between the sidewalls of the second conductive film and the first interlayer insulating film between the first and second conductive films. The second conductive film is preferably divided in the trench and arranged in the first direction. The display device may further include a first isolation layer formed in the trench between the divided second conductive layers. It is preferable that the region where the second conductive film is formed and the region where the third conductive film is formed correspond to each other with the silicon layer interposed therebetween. The fourth conductive film is formed in the first direction in a region corresponding to the region where the first conductive film is formed. The third conductive film may be divided below the fourth conductive film and arranged in the first direction. The silicon layer preferably has a line shape extending from the lower portion of the third conductive film in the second direction crossing the first direction. The display device may further include a second isolation layer formed in the space between the divided third conductive layers and the divided silicon layers.
본 발명의 제2 실시예에 따른 플래시 메모리 소자는 반도체 기판 상에 형성되며, 제1 방향으로 형성된 트렌치들을 포함하는 층간 절연막과, 트렌치 내에 형성되며 제1 콘트롤 게이트가 제1 유전체막 하부에 위치하고 제1 플로팅 게이트가 제1 유전체막 상에 위치하는 제1 메모리 셀들과, 제1 메모리 셀들을 포함한 반도체 기판 상에 형성된 실리콘층과, 제1 메모리 셀들 사이의 실리콘층에 형성된 접합 영역들, 및 제1 메모리 셀들이 형성된 영역의 실리콘층 상에 형성된 제2 메모리 셀들을 포함한다.The flash memory device according to the second embodiment of the present invention is formed on a semiconductor substrate, and includes an interlayer insulating film including trenches formed in a first direction, a trench formed in the trench, and a first control gate disposed below the first dielectric film. First memory cells having a first floating gate on the first dielectric layer, a silicon layer formed on a semiconductor substrate including the first memory cells, junction regions formed in the silicon layer between the first memory cells, and a first Second memory cells formed on the silicon layer of the region where the memory cells are formed.
상기에서, 제2 메모리 셀들에 포함된 플로팅 게이트, 유전체막 및 콘트롤 게이트가 순차적으로 적층된다. 실리콘층이 제1 방향과 교차하는 제2 방향의 라인 형태로 이루어진다. 제1 및 제2 메모리 셀들 중 동일한 영역에 형성된 제1 및 제2 메모리 셀은 동일한 접합 영역과 채널 영역을 공유한다. In the above, the floating gate, the dielectric layer, and the control gate included in the second memory cells are sequentially stacked. The silicon layer is in the form of a line in a second direction crossing the first direction. First and second memory cells formed in the same region of the first and second memory cells share the same junction region and channel region.
본 발명의 제3 실시예에 따른 플래시 메모리 소자는 반도체 기판 상에 형성되며, 라인 형태로 형성된 트렌치들을 포함하는 층간 절연막과, 트렌치들 내에 각각 형성되며 콘트롤 게이트가 유전체막 하부에 위치하고 플로팅 게이트가 유전체막 상에 위치하는 드레인 셀렉트 트랜지스터, 메모리 셀들 및 소오스 셀렉트 트랜지스터들을 포함하는 다수의 제1 스트링들과, 제1 스트링들을 포함한 반도체 기판 상에 형성되며 다수의 접합 영역들을 포함하는 실리콘층과, 제1 스트링들이 형성된 영역의 실리콘층 상에 형성된 다수의 제2 스트링들과, 서로 인접한 제1 스트링들 사이에 위치하는 제1 접합 영역과 전기적으로 연결되어 2개의 제1 스트링들과 2개의 제2 스트링들을 공유하는 비트라인, 및 서로 인접한 제1 스트링들 사이에 위치하는 제2 접합 영역과 전기적으로 연결되어 2개의 제1 스트링들과 2개의 제2 스트링들을 공유하는 공통 소오스를 포함한다. A flash memory device according to a third embodiment of the present invention is formed on a semiconductor substrate, an interlayer insulating film including trenches formed in a line shape, and formed in the trenches, respectively, with a control gate under the dielectric film, and a floating gate A plurality of first strings including drain select transistors, memory cells, and source select transistors positioned on the film, a silicon layer formed on the semiconductor substrate including the first strings and including a plurality of junction regions; The plurality of second strings formed on the silicon layer of the region where the strings are formed and the first junction region positioned between the adjacent first strings are electrically connected to each other to form two first strings and two second strings. The second junction region located between the shared bit line and the first strings adjacent to each other And a common source connected to each other to share two first strings and two second strings.
상기에서, 제2 스트링에 포함된 메모리 셀들은 플로팅 게이트, 유전체막 및 콘트롤 게이트가 순차적으로 적층된다. 실리콘층이 트렌치와 교차하는 방향의 라인 형태로 이루어진다. 제1 스트링들은 서로 다른 메모리 셀 블록에 포함된다. 제2 스트링들은 서로 다른 메모리 셀 블록에 포함된다. 제1 스트링 및 제2 스트링이 서로 다른 메모리 셀 블록에 포함된다. 제1 및 제2 스트링들 중 동일한 영역에 위치하는 제1 스트링 및 제2 스트링이 동일한 접합 영역과 채널 영역을 공유한다. In the above, the memory cells included in the second string are sequentially stacked with a floating gate, a dielectric layer, and a control gate. The silicon layer is in the form of a line in the direction crossing the trench. The first strings are included in different memory cell blocks. The second strings are included in different memory cell blocks. The first string and the second string are included in different memory cell blocks. The first string and the second string positioned in the same region of the first and second strings share the same junction region and channel region.
본 발명의 제4 실시예에 따른 플래시 메모리 소자는 반도체 기판 상에 형성되며, 라인 형태로 형성된 트렌치들을 포함하는 층간 절연막과, 트렌치들 내에 형성된 제1 반도체 소자들을 포함하는 제1 메모리 셀 어레이와, 제1 메모리 셀 어레이를 포함한 반도체 기판 상에 형성되며 다수의 접합 영역들을 포함하는 실리콘층, 및 제1 반도체 소자들이 형성된 영역과 대응하는 영역의 실리콘층 상에 형성된 제2 반도체 소자들을 포함하는 제2 메모리 셀 어레이를 포함한다. A flash memory device according to a fourth embodiment of the present invention is formed on a semiconductor substrate, an interlayer insulating film including trenches formed in a line shape, a first memory cell array including first semiconductor elements formed in the trenches; A second layer including a silicon layer formed on a semiconductor substrate including a first memory cell array and including a plurality of junction regions, and second semiconductor elements formed on a silicon layer in a region corresponding to the region in which the first semiconductor elements are formed; Memory cell array.
상기에서, 제1 반도체 소자들은 제2 반도체 소자들이 뒤집힌 구조로 이루어진다. 접합 영역은 실리콘층의 하부에 형성되어 제1 반도체 소자들의 접합 영역으 로 사용되는 제1 접합 영역들과, 제1 접합 영역들과 격리되면서 실리콘층의 상부에 형성되어 제2 반도체 소자들의 접합 영역으로 사용되는 제2 접합 영역들을 포함할 수 있다. In the above, the first semiconductor devices have a structure in which the second semiconductor devices are inverted. The junction regions are formed under the silicon layer and are used as junction regions of the first semiconductor elements, and the junction regions of the second semiconductor elements are formed on the silicon layer while being separated from the first junction regions. It may include second bonding regions used as.
본 발명의 제1 실시예에 따른 플래시 메모리 소자의 동작 방법은 제3 실시예이 기재된 플래시 메모리 소자가 제공되는 단계와, 제1 및 제2 스트링과 연결되는 비트라인에 제1 전압을 인가하는 단계, 및 제1 스트링에 포함된 메모리 셀들 중 선택된 메모리 셀에는 프로그램 전압을 인가하고, 나머지 메모리 셀들에는 프로그램 전압보다 낮은 제2 전압으 인가하고, 제2 스트링에 포함된 메모리 셀들에는 접지 전압을 인가하여 프로그램 동작을 실시하는 단계를 포함한다. A method of operating a flash memory device according to a first embodiment of the present invention includes providing a flash memory device as described in the third embodiment, applying a first voltage to bit lines connected to the first and second strings, And applying a program voltage to selected memory cells among the memory cells included in the first string, applying a second voltage lower than the program voltage to the remaining memory cells, and applying a ground voltage to the memory cells included in the second string. Performing the operation.
비트라인에 제1 전압을 인가하는 단계에서, 제1 스트링에 포함된 드레인 셀렉트 트렌지스터에는 제2 전압을 인가하고, 제2 스트링에 포함된 드레인 셀렉트 트렌지스터에는 접지 전압을 인가하고, 제1 및 제2 스트링에 포함된 소오스 셀렉트 트랜지스터들에는 접지 전압을 인가하는 것이 바람직하다. 선택된 메모리 셀을 프로그램하는 경우 비트라인에 접지 레벨의 제1 전압을 인가하고, 선택된 메모리 셀을 프로그램하지 않는 경우 제1 전압과 제2 전압이 동일한 레벨로 인가되는 것이 바람직하다. In the applying of the first voltage to the bit line, a second voltage is applied to the drain select transistor included in the first string, a ground voltage is applied to the drain select transistor included in the second string, and the first and second It is preferable to apply a ground voltage to the source select transistors included in the string. When programming the selected memory cell, it is preferable to apply the first voltage of the ground level to the bit line, and when not programming the selected memory cell, the first voltage and the second voltage are applied at the same level.
본 발명의 제2 실시예에 따른 플래시 메모리 소자의 동작 방법은 제3 실시예에 기재된 플래시 메모리 소자가 제공되는 단계, 및 제1 및 제2 스트링에 포함된 메모리 셀들 중 선택된 메모리 셀에는 접지 전압을 인가하고, 나머지 메모리 셀들은 플로팅 상태를 유지한 상태에서 웰 영역에 소거 전압을 인가하여 소거 동작을 실시하는 단계를 한다. In a method of operating a flash memory device according to a second embodiment of the present invention, a method of operating a flash memory device according to a third embodiment of the present invention may include providing a flash memory device, and selecting a ground voltage to a selected memory cell among memory cells included in the first and second strings. The other memory cells may be configured to perform an erase operation by applying an erase voltage to the well region while maintaining the floating state.
본 발명의 제3 실시예에 따른 플래시 메모리 소자의 동작 방법은 청구항 제 14 항이 기재된 플래시 메모리 소자가 제공되는 단계, 및 제1 및 제2 스트링에 포함된 메모리 셀들 중 선택된 메모리 셀에는 음전위의 소거전압을 인가하고, 나머지 메모리 셀들은 플로팅 상태를 유지한 상태에서 소거 동작을 실시하는 단계를 포함한다. A method of operating a flash memory device according to a third embodiment of the present invention includes providing a flash memory device as claimed in claim 14, and selecting an erase voltage of a negative potential to a selected memory cell among memory cells included in the first and second strings. And applying the erase operation to the other memory cells while maintaining the floating state.
상기의 제2 및 제3 실시예에서 소거 동작 시 드레인 셀렉트 트랜지스터, 소오스 셀렉트 트랜지스터, 비트라인 및 소오스 라인을 플로팅 상태로 유지하는 것이 바람직하다. In the above-described second and third embodiments, it is preferable to keep the drain select transistor, the source select transistor, the bit line, and the source line in a floating state during the erase operation.
본 발명의 제4 실시예에 따른 플래시 메모리 소자의 동작 방법은 제3 실시예에 기재된 플래시 메모리 소자가 제공되는 단계와, 제1 및 제2 스트링과 연결되는 비트라인에 제1 전압을 인가하는 단계, 및 제1 스트링에 포함된 메모리 셀들 중 선택된 메모리 셀에는 접지 전압을 인가하고, 나머지 메모리 셀들에는 양전위의 제2 전압을 인가하고, 제2 스트링에 포함된 메모리 셀들에는 접지 전압을 인가하여 리드 동작을 실시하는 단계를 포함한다. A method of operating a flash memory device according to a fourth embodiment of the present invention includes providing a flash memory device according to the third embodiment, and applying a first voltage to bit lines connected to the first and second strings. And a ground voltage is applied to selected memory cells among the memory cells included in the first string, a second voltage having a positive potential is applied to the remaining memory cells, and a ground voltage is applied to the memory cells included in the second string. Performing the operation.
상기에서, 리드 동작 시 제1 스트링에 포함된 드레인 셀렉트 트랜지스터 및 소오스 셀렉트 트랜지스터는 제3 전압에 의해 턴온되고, 제2 스트링에 포함된 드레인 셀렉트 트랜지스터 및 소오스 셀렉트 트랜지스터에는 접지 전압이 인가되는 것이 바람직하다. 제2 스트링에 포함된 메모리 셀들 중 선택된 메모리 셀에 대응하는 메모리 셀에는 음전위에 제4 전압이 인가될 수 있다. In the above, it is preferable that the drain select transistor and the source select transistor included in the first string are turned on by the third voltage during the read operation, and the ground voltage is applied to the drain select transistor and the source select transistor included in the second string. . A fourth voltage may be applied to the negative potential of the memory cells corresponding to the selected memory cells among the memory cells included in the second string.
본 발명의 제5 실시예에 따른 플래시 메모리 소자의 동작 방법은 제3 실시예에 기재된 플래시 메모리 소자가 제공되는 단계와, 제1 및 제2 스트링 중 하나의 스트링에 포함된 메모리 셀의 프로그램 동작을 실시할 때, 나머지 스트링에 포함된 드레인 셀렉트 트랜지스터, 메모리 셀들 및 소오스 셀렉트 트렌지스터에 접지 전압을 인가하여 프로그램 동작을 실시하는 단계와, 제1 및 제2 스트링 중 하나의 스트링에 포함된 메모리 셀의 소거 동작을 실시할 때, 나머지 스트링에 포함된 드레인 셀렉트 트랜지스터, 메모리 셀들 및 소오스 셀렉트 트렌지스터가 플로팅 상태에서 소거 동작을 실시하는 단계, 및 제1 및 제2 스트링 중 하나의 스트링에 포함된 메모리 셀의 리드 동작을 실시할 때, 나머지 스트링에 포함된 드레인 셀렉트 트랜지스터, 메모리 셀들 및 소오스 셀렉트 트렌지스터에 접지 전압을 인가하여 리드 동작을 실시하는 단계를 포함한다. A method of operating a flash memory device according to a fifth embodiment of the present invention provides a method of operating a flash memory device according to the third embodiment, and program operation of a memory cell included in one of the first and second strings. In operation, the program operation is performed by applying a ground voltage to the drain select transistor, the memory cells, and the source select transistor included in the remaining strings, and erases the memory cells included in one of the first and second strings. Performing an erase operation in a floating state by the drain select transistor, the memory cells, and the source select transistor included in the remaining strings, and the read of the memory cells included in one of the first and second strings. When performing the operation, the drain select transistor, memory cells, and small included in the remaining strings. Performing a read operation by applying a ground voltage to the osselect transistor.
본 발명의 실시예에 따른 플래시 메모리 소자의 제조 방법은 반도체 기판 상에 제1 방향으로 형성된 라인 형태의 트렌치들을 포함하는 층간 절연막을 형성하는 단계와, 트렌치의 내부에 제1 도전막, 제1 유전체막 및 제2 도전막을 형성하는 단계와, 트렌치들에 형성된 제2 도전막들을 제1 방향과 교차하는 제2 방항으로 격리되도록 패터닝하는 단계와, 제2 도전막들 사이에 격리막을 형성하는 단계와, 제2 도전막을 포함한 반도체 기판 상에 제1 절연막, 실리콘층, 제2 절연막 및 제3 도전막을 형성하는 단계와, 제3 도전막, 제2 절연막 및 실리콘층을 제2 방향으로 패터닝하는 단계와, 제3 도전막을 포함한 반도체 기판 상에 제2 유전체막 및 제4 도전막을 형성하는 단계, 및 제4 도전막, 제2 유전체막 및 제3 도전막을 제1 방향으로 패터닝하는 단계를 포함한다. A method of manufacturing a flash memory device according to an embodiment of the present invention includes forming an interlayer insulating film including trenches in a line shape formed in a first direction on a semiconductor substrate, and forming a first conductive film and a first dielectric in the trench. Forming a film and a second conductive film, patterning the second conductive films formed in the trenches to be isolated in a second direction crossing the first direction, and forming an isolation film between the second conductive films; Forming a first insulating film, a silicon layer, a second insulating film, and a third conductive film on a semiconductor substrate including the second conductive film, patterning the third conductive film, the second insulating film, and the silicon layer in a second direction; Forming a second dielectric film and a fourth conductive film on the semiconductor substrate including the third conductive film, and patterning the fourth conductive film, the second dielectric film, and the third conductive film in a first direction.
상기에서, 제3 도전막이 제1 방향으로 패터닝된 후에 제3 도전막 사이의 실리콘층에 제1 접합 영역을 형성하는 단계를 더 포함한다. The method may further include forming a first bonding region in the silicon layer between the third conductive films after the third conductive film is patterned in the first direction.
제3 도전막들 사이의 제1 접합 영역과 연결되는 콘택 플러그를 형성하는 단계, 및 콘택 플러그와 연결되는 금속 배선을 형성하는 단계를 더 포함한다. The method may further include forming a contact plug connected to the first bonding region between the third conductive layers, and forming a metal wire connected to the contact plug.
패터닝된 제3 금속막이 잔류하는 영역이 패터닝된 제2 도전막이 잔류하는 영역과 대응하는 것이 바람직하다. 제1 금속막이 형성된 영역이 패터닝된 제4 도전막이 잔류하는 영역과 대응하는 것이 바람직하다. 제1 도전막과 제4 도전막이 동일한 물질을 포함하고, 제2 도전막과 제3 도전막이 동일한 물질로 형성된다. 제1 도전막은 금속막과 폴리실리콘층의 적층 구조로 형성되고, 제4 도전막은 폴리실리콘층과 금속막의 적층 구조로 형성된다. It is preferable that the region where the patterned third metal film remains corresponds to the region where the patterned second conductive film remains. It is preferable that the region where the first metal film is formed corresponds to the region where the patterned fourth conductive film remains. The first conductive film and the fourth conductive film are made of the same material, and the second conductive film and the third conductive film are formed of the same material. The first conductive film is formed of a laminated structure of a metal film and a polysilicon layer, and the fourth conductive film is formed of a laminated structure of a polysilicon layer and a metal film.
상기에서 실리콘층을 형성하는 공정은, 제1 절연막 상에 제1 실리콘층을 형성하는 단계와, 트렌치가 형성된 영역들 사이의 제1 실리콘층에 제2 접합 영역을 형성하는 단계, 및 제1 접합 영역을 포함한 제1 실리콘층 상에 제2 실리콘층 및 제3 실리콘층을 형성하는 단계를 포함하며, 제1 접합 영역은 제3 실리콘층에 형성된다.The process of forming the silicon layer may include forming a first silicon layer on the first insulating layer, forming a second junction region in the first silicon layer between the regions where the trench is formed, and the first junction Forming a second silicon layer and a third silicon layer on the first silicon layer including the region, wherein the first junction region is formed in the third silicon layer.
또는, 실리콘층을 형성하는 공정은, 제1 절연막 상에 제1 실리콘층을 형성하는 단계와, 트렌치가 형성된 영역들 사이의 제1 실리콘층에 제2 접합 영역을 형성하는 단계, 및 제1 접합 영역을 포함한 제1 실리콘층 상에 제2 실리콘층을 형성하는 단계를 포함하며, 제1 접합 영역은 제2 접합 영역과 격리되도록 제2 실리콘층의 상부에 형성될 수 있다. Alternatively, the process of forming the silicon layer may include forming a first silicon layer on the first insulating film, forming a second junction region in the first silicon layer between the regions where the trench is formed, and the first junction Forming a second silicon layer on the first silicon layer including the region, wherein the first junction region may be formed on top of the second silicon layer to be isolated from the second junction region.
본 발명은 반도체 기판 상부에 제1 메모리 셀들을 뒤집힌 구조로 형성하고 전체 상부에 실리콘층을 형성한 후 실리콘층 상부에 뒤집힌 제1 메모리 셀들과 대응하는 제2 메모리 셀들을 형성하는 방식을 적용함으로써, 실리콘층의 상부와 하부에 형성된 제1 및 제2 메모리 셀들이 대칭 구조(미러 구조)를 갖는 플래시 메모리 소자 및 그 제조 방법을 제공한다. 실리콘층 상부의 제1 메모리 셀들이 동작하는 경우 실리콘층 하부의 제2 메모리 셀들은 동작하지 않으며, 이를 위하여 동일 영역의 실리콘층 상부와 하부에 각각 형성된 제1 및 제2 메모리 셀들에는 서로 다른 조건의 동작 전압들이 인가된다. According to the present invention, a method of forming first memory cells in an inverted structure on a semiconductor substrate, forming a silicon layer over the entire semiconductor substrate, and then forming second memory cells corresponding to the first memory cells inverted on the silicon layer may be performed. Provided are a flash memory device having a symmetrical structure (mirror structure) and first and second memory cells formed on and under a silicon layer. When the first memory cells above the silicon layer operate, the second memory cells below the silicon layer do not operate. To this end, the first and second memory cells formed above and below the silicon layer of the same region have different conditions. Operating voltages are applied.
그 결과, 동일한 면적에서 집적도는 2배로 증가하고, 데이터 저장 용량도 2배로 증가하게 된다. 특히, 소자의 동작에 필요한 접합 영역과 채널 영역이 뒤집힌 제1 메모리 셀들과 제2 메모리 셀들 사이의 실리콘층에 포함되므로, 후속 배선 공정 시 실리콘층까지만 콘택홀을 형성하면 된다. 따라서, 콘택홀의 깊이는 2배로 깊어지지 않고 일반적인 플래시 메모리 소자의 동일하게 유지할 수 있으므로 후속 배선 공정의 난이도가 증가하는 것을 방지할 수 있다. As a result, the degree of integration doubles and the data storage capacity doubles in the same area. In particular, since the junction region and the channel region required for the operation of the device are included in the silicon layer between the inverted first memory cells and the second memory cells, the contact hole only needs to be formed up to the silicon layer during the subsequent wiring process. Therefore, the depth of the contact hole can be kept the same as that of the general flash memory device without being deepened twice, so that the difficulty of the subsequent wiring process can be prevented from increasing.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한 다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명의 범위는 본원의 특허 청구 범위에 의해서 이해되어야 한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. Only this embodiment is provided to complete the disclosure of the present invention and to fully inform those skilled in the art, the scope of the present invention should be understood by the claims of the present application.
한편, 어떤 막이 다른 막 또는 반도체 기판의 '상'에 있다라고 기재되는 경우에 상기 어떤 막은 상기 다른 막 또는 반도체 기판에 직접 접촉하여 존재할 수 있고, 또는 그 사이에 제3의 막이 개재되어질 수도 있다. 또한 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되었다. 도면 상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.On the other hand, when a film is described as being "on" another film or semiconductor substrate, the film may exist in direct contact with the other film or semiconductor substrate, or a third film may be interposed therebetween. In the drawings, the thickness or size of each layer is exaggerated for clarity and convenience of explanation. Like numbers refer to like elements on the drawings.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 플래시 메모리 소자의 셀 어레이를 설명하기 위한 회로도이다. 1 is a circuit diagram illustrating a cell array of a flash memory device according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 메모리 셀 어레이는 정상 구조로 형성된 반도체 소자들(예, 드레인 셀렉트 트랜지스터, 메모리 셀, 소오스 셀렉트 트랜지스터)을 포함하는 제1 메모리 셀 어레이(실선 표시)와 뒤집힌 구조로 형성된 반도체 소자들(예, 드레인 셀렉트 트랜지스터, 메모리 셀, 소오스 셀렉트 트랜지스터)을 포함하는 제2 메모리 셀 어레이(점선 표시)를 포함한다. 제2 메모리 셀 어레이에 포함된 소자들은 제1 메모리 셀 어레이에 포함된 소자들이 뒤집힌 형태로 형성된다. 이로 인해, 제1 및 제2 메모리 셀 어레이는 미러 구조로 형성되며, 구체적인 설명은 후술하기로 한다. Referring to FIG. 1, a memory cell array includes a semiconductor device formed of an inverted structure with a first memory cell array (solid line display) including semiconductor devices (eg, drain select transistors, memory cells, and source select transistors) formed in a normal structure. And a second memory cell array (dotted line display) including, for example, a drain select transistor, a memory cell, and a source select transistor. The elements included in the second memory cell array are formed in a form in which the elements included in the first memory cell array are inverted. As a result, the first and second memory cell arrays are formed in a mirror structure, which will be described later.
제1 메모리 셀 어레이는 다수의 메모리 셀 블록(CB)을 포함하며, 각각의 메모리 셀 블록(CB)은 다수의 스트링(ST)을 포함한다. 각각의 스트링(ST)은 비트라인(BL)과 연결되는 드레인 셀렉트 트랜지스터(DSTA), 공통 소오스(CS)와 연결되는 소오스 셀렉트 트랜지스터(SSTA), 드레인 셀렉트 트랜지스터(DSTA) 및 소오스 셀렉트 트랜지스터(SSTA) 사이에 직렬로 연결된 다수의 메모리 셀들(CA0 내지 CAn)을 포함한다. 서로 다른 스트링(ST)에 포함된 드레인 셀렉트 트랜지스터들(DSTA)의 게이트가 서로 연결되어 드레인 셀렉트 라인들(DSLA)된다. 서로 다른 스트링(ST)에 포함된 소오스 셀렉트 트랜지스터들(SSTA)의 게이트가 서로 연결되어 드레인 셀렉트 라인들(SSLA)된다. 서로 다른 스트링(ST)에 포함된 메모리 셀들(CA0 내지 CAn)의 게이트가 서로 연결되어 각각의 워드 라인들(WLA0 내지 WLAn)된다. 각각의 라인들(DSLA, WLA0 내지 WLAn 및 SSLA)에는 전압 발생기(미도시)에서 소자 동작을 위해 발생된 동작전압들이 제1 글로벌 라인들(GDSLA, GWLA0 내지 GWLAn, GSSLA)을 통해 인가된다. The first memory cell array includes a plurality of memory cell blocks CB, and each memory cell block CB includes a plurality of strings ST. Each string ST includes a drain select transistor DSTA connected to a bit line BL, a source select transistor SSTA, a drain select transistor DSTA, and a source select transistor SSTA connected to a common source CS. It includes a plurality of memory cells (CA0 to CAn) connected in series between. Gates of the drain select transistors DSTA included in the different strings ST are connected to each other to form the drain select lines DSLA. Gates of the source select transistors SSTA included in the different strings ST are connected to each other to form drain select lines SSLA. Gates of the memory cells CA0 to CAn included in the different strings ST are connected to each other to form word lines WLA0 to WLAn. Operation lines generated for device operation in a voltage generator (not shown) are applied to the respective lines DSLA, WLA0 to WLAn, and SSLA through the first global lines GDSLA, GWLA0 to GWLAn, and GSSLA.
제2 메모리 셀 어레이는 제1 메모리 셀 어레이와 동일한 구조로 동일한 영역에 형성되며, 제2 메모리 셀 어레이에 포함된 드레인 셀렉트 트랜지스터(DSTB), 메모리 셀들(CB0 내지 CBn) 및 소오스 셀렉트 트랜지스터(SSTB)는 뒤집힌 형태로 형성된다. 제2 메모리 셀 어레이(점선 표시)에 포함된 각각의 라인들(DSLB, WLB0 내지 WLBn 및 SSLB)에는 전압 발생기(미도시)에서 소자 동작을 위해 발생된 동작전압들이 제2 글로벌 라인들(GDSLB, GWLB0 내지 GWLBn, GSSLB)을 통해 인가된다. The second memory cell array is formed in the same region and has the same structure as the first memory cell array, and includes the drain select transistor DSTB, the memory cells CB0 to CBn, and the source select transistor SSTB included in the second memory cell array. Is formed in an inverted form. Each of the lines DSLB, WLB0 to WLBn, and SSLB included in the second memory cell array (dotted line display) has operating voltages generated for device operation in a voltage generator (not shown). GWLB0 to GWLBn, GSSLB).
이때, 동작 전압들이 선택된 메모리 셀 어레이의 선택된 메모리 셀 블록에만 인가되도록 블록 스위칭부(BS)가 구비된다. 블록 스위칭부(BS)는 글로벌 라인들(GDSLA, GWLA0 내지 GWLAn, GSSLA, GDSLB, GWLB0 내지 GWLBn, GSSLB)과 메모리 셀 블록의 라인들(DSLA, WLA0 내지 WLAn, SSLA, DSLB, WLB0 내지 WLBn, SSLB) 사이에 각각 접속되며 블록 선택 신호(BSELA 또는 BSELB)에 따라 동작하는 스위칭 소자들(SA1 내지 SAk, SB1 내지 SBk)을 포함한다. 블록 선택 신호(BSELA, BESLB)는 로우 디코더(미도시)에서 생성될 수 있다. In this case, the block switching unit BS is provided such that the operating voltages are applied only to the selected memory cell block of the selected memory cell array. The block switching unit BS includes global lines GDSLA, GWLA0 to GWLAn, GSSLA, GDSLB, GWLB0 to GWLBn, and GSSLB and lines of the memory cell block DSLA, WLA0 to WLAn, SSLA, DSLB, WLB0 to WLBn, and SSLB. And switching elements SA1 to SAk and SB1 to SBk respectively connected to each other and operating according to the block selection signal BSELA or BSELB. The block selection signals BSELA and BESLB may be generated by a row decoder (not shown).
상기에서, 제1 및 제2 메모리 셀들에 포함된 소자들(DSTA, CA0 내지 CAn, SSTA, DSTB, CB0 내지 CBn, SSTB)은 서로 대칭되는 구조로 형성되기 때문에 접합 영역을 공유한다. 하지만, 블록 스위칭부(BS)에 포함되는 스위칭 소자들(SA1 내지 SAk, SB1 내지 SBk)은 서로 분리되어 접합 영역을 공유하지 않는다. 구체적인 것은 후술하기로 한다. In the above, the devices DSTA, CA0 to CAn, SSTA, DSTB, CB0 to CBn, and SSTB included in the first and second memory cells share a junction region because they are formed in a symmetrical structure. However, the switching elements SA1 to SAk and SB1 to SBk included in the block switching unit BS are separated from each other and do not share the junction region. The details will be described later.
한편, 상기의 구조로 이루어진 제1 메모리 셀 어레이(실선 표시)과 동일한 구조로 이루어진 제2 메모리 셀 어레이(점선 표시)가 동일한 영역의 반도체 기판에 형성된다. 이로써, 집적도를 2개 향상시킬 수 있다. 구체적으로 설명하면 다음과 같다. On the other hand, a second memory cell array (dotted line display) having the same structure as the first memory cell array (solid line display) having the above structure is formed on the semiconductor substrate in the same area. Thereby, two integration degree can be improved. Specifically, it is as follows.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 플래시 메모리 소자의 셀 어레이를 설명하기 위한 단면도이다. 2 is a cross-sectional view illustrating a cell array of a flash memory device according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 반도체 기판(SUB) 상에는 채널 영역(CH)과 접합 영역들(S, D, J)이 형성되는 실리콘층(USUB)이 형성되며, 실리콘층(USUB)은 제1 층간 절연막(IDL1)에 의해 반도체 기판(SUB)과 전기적으로 격리된다. 여기서, 반도체 기 판(SUB)은 지지대 역할을 하게되며, 실리콘층(USUB)이 소자들이 형성되는 실질적인 반도체 기판의 역할을 하게 된다. Referring to FIG. 2, a silicon layer USUB is formed on the semiconductor substrate SUB, and the channel region CH and the junction regions S, D, and J are formed, and the silicon layer USUB is a first interlayer insulating layer. It is electrically isolated from the semiconductor substrate SUB by IDL1. Here, the semiconductor substrate SUB serves as a support, and the silicon layer USUB serves as a substantial semiconductor substrate on which devices are formed.
앞서 도 1에서 설명한 제1 메모리 셀 어레이(실선 표시)는 실리콘층(USUB) 상에 형성된다. 그리고, 실리콘층(USUB) 상에는 제2 및 제3 층간 절연막(IDL2 및 IDL3)이 형성되고, 이들 내부에는 실리콘층(USUB)에 형성된 접합 영역(S 및 D)과 각각 연결되는 공통 소오스(SL) 및 비트라인 콘택플러그와 같은 콘택 플러그가 형성된다. 제3 층간 절연막(IDL3) 상에는 비트라인 콘택 플러그와 연결되는 비트라인(BL)을 포함하는 금속 배선이 형성된다. 콘택 플러그의 경우, 실리콘층(USUB)까지만 형성되므로, 메모리 셀들을 2층으로 형성하여도 콘택 플러그의 높이는 높아지지 않는다. 따라서, 콘택 플러그를 형성하기 위한 콘택홀 형성 공정과 도전막 매립 공정의 난이도가 증가하지 않는다. The first memory cell array (solid line display) described with reference to FIG. 1 is formed on the silicon layer USUB. Second and third interlayer insulating films IDL2 and IDL3 are formed on the silicon layer USUB, and the common source SL is connected to the junction regions S and D formed in the silicon layer USUB, respectively. And a contact plug such as a bit line contact plug. On the third interlayer insulating layer IDL3, a metal line including bit lines BL connected to the bit line contact plugs is formed. In the case of the contact plug, only the silicon layer USUB is formed, so that even if the memory cells are formed in two layers, the contact plug does not increase in height. Therefore, the difficulty of the contact hole forming process and the conductive film filling process for forming the contact plug does not increase.
한편, 도 1에서 점선으로 표시된 제2 메모리 셀 어레이는 제1 층간 절연막(IDL1) 내부에 형성되며 반도체 기판(SUB)과는 격리된다. 그리고, 제2 메모리 셀 어레이는 제1 메모리 셀 어레이와 동일한 구조로 형성되며, 실리콘층(USUB)을 기준으로 제1 메모리 셀 어레이와 대칭되는 미러 형태로 형성된다. 구체적으로 설명하면 다음과 같다. Meanwhile, the second memory cell array, which is indicated by a dotted line in FIG. 1, is formed inside the first interlayer insulating layer IDL1 and is isolated from the semiconductor substrate SUB. The second memory cell array is formed in the same structure as the first memory cell array, and is formed in a mirror shape symmetrical with the first memory cell array based on the silicon layer USUB. Specifically, it is as follows.
제2 메모리 셀 어레이는 제1 층간 절연막(ILD1)에 트렌치를 형성한 후 트렌치 내부에 형성될 수 있다. 이때, 제1 메모리 셀 어레이와의 대칭 구조를 위하여, 제2 메모리 셀 어레이에 포함된 드레인 셀렉트 트랜지스터, 소오스 셀렉트 트랜지스터 및 메모리 셀들은 콘트롤 게이트(CG)가 유전체막(IGD) 하부에 형성되고 플로 팅 게이트(FG)가 유전체막(IGD) 상에 형성된다. 그리고, 실리콘층(USUB)의 상부 및 하부에는 터널 절연막의 역할을 하는 제1 및 제2 절연막(TOXA, TOXb)가 형성된다. The second memory cell array may be formed in the trench after forming the trench in the first interlayer insulating layer ILD1. In this case, the drain select transistor, the source select transistor, and the memory cells included in the second memory cell array may have a control gate CG formed under the dielectric layer IGB and float for a symmetrical structure with the first memory cell array. The gate FG is formed on the dielectric film IGB. First and second insulating layers TOXA and TOXb are formed on the upper and lower portions of the silicon layer USUB to serve as tunnel insulating layers.
상기의 구조로 제1 및 제2 메모리 셀 어레이가 동일한 영역에 2층 구조로 형성됨에 따라, 제1 및 제2 메모리 셀 어레이에 포함된 소자들이 실리콘층(USUB)에 형성된 접합 영역들(S, J, D)과 채널 영역(CH)을 공유한다. 이로 인해, 비트라인(BL)이나 공통 소오스(SL)는 4개의 셀 스트링(STA, STB, STC, STD)과 전기적으로 동시에 연결된다. 예를 들어, 비트라인(BL)에 전압이 인가되면 비트라인 콘택 플러그를 통해 드레인(D)으로 전압이 전달되고, 이 전압은 제1 메모리 셀 어레이에 포함되며 서로 다른 메모리 셀 블록에 포함된 제1 및 제3 스트링(STA, STC)과 제2 메모리 셀 어레이에 포함되며 서로 다른 메모리 셀 블록에 포함된 제2 및 제4 스트링(STB, STD)으로 동시에 전달될 수 있다. 공통 소오스(SL)의 경우에도 마찬가지이다. 특히, 비트라인(BL)과 공통 소오스(CL) 사이에는 제1 및 제2 메모리 셀 어레이에 각각 포함된 제1 및 제2 스트링(STA, STB)이 함께 연결되어 있다. 따라서, 전압이 인가되면 제1 및 제2 스트링(STA, STB)에 포함된 메모리 셀들이 함께 동작하게 된다. 이를 방지하기 위하여, 제1 스트링(STA)에 포함된 메모리 셀이 동작하는 경우, 제2 스트링(STB)에 포함된 메모리 셀들은 동작하지 않도록 전압 조건을 달리해야 한다. 예를 들어, 제1 스트링(STA)에 포함된 드레인 셀렉트 라인들(DSLA), 워드라인들(WLA0 내지 WLAn) 및 소오스 셀렉트 라인들(SSLA)과 제2 스트링(STB)에 포함된 드레인 셀렉트 라인들(DSLB), 워드라인들(WLB0 내지 WLBn) 및 소오스 셀렉트 라인들(SSLB)에 서로 다른 전압을 인가해야 한다. As the first and second memory cell arrays have a two-layer structure in the same region as the above structure, the junction regions S, in which elements included in the first and second memory cell arrays are formed in the silicon layer USUB, J, D) and the channel region CH are shared. As a result, the bit line BL or the common source SL are electrically connected to the four cell strings STA, STB, STC, and STD at the same time. For example, when a voltage is applied to the bit line BL, the voltage is transferred to the drain D through the bit line contact plug, and the voltage is included in the first memory cell array and is included in different memory cell blocks. The first and third strings STA and STC and the second memory cell array may be simultaneously transferred to the second and fourth strings STB and STD included in different memory cell blocks. The same applies to the common source SL. In particular, the first and second strings STA and STB included in the first and second memory cell arrays are connected together between the bit line BL and the common source CL. Therefore, when a voltage is applied, the memory cells included in the first and second strings STA and STB operate together. In order to prevent this, when the memory cells included in the first string STA operate, the voltage conditions must be changed so that the memory cells included in the second string STB do not operate. For example, the drain select lines DSLA included in the first string STA, the word lines WLA0 to WLAn, and the drain select lines included in the source select lines SSLA and the second string STB. Voltages are applied to the data lines DSLB, the word lines WLB0 to WLBn, and the source select lines SSLB.
이하, 도 1, 도 2 및 아래의 표 1을 참조하여, 제1 메모리 셀 어레이에 포함된 메모리 셀들의 프로그램 동작, 소거 동작 또는 리드 동작을 실시하는 경우에, 제2 메모리 셀 어레이에 포함된 메모리 셀들의 프로그램 동작, 소거 동작 또는 리드 동작을 금지시키는 방법을 예로써 설명하기로 한다. Hereinafter, referring to FIGS. 1, 2, and Table 1 below, a memory included in a second memory cell array when a program operation, an erase operation, or a read operation of memory cells included in the first memory cell array is performed. A method of prohibiting program operation, erase operation, or read operation of cells will be described as an example.
- 프로그램 동작Program behavior
프로그램 동작 시 선택된 메모리 셀이 포함된 메모리 셀 블록의 워드라인들(WLA), 드레인 셀렉트 라인(DSLA) 및 소오스 셀렉트 라인(SSLA)에는 통상적인 동작 전압들이 인가된다. 그리고, 제1 및 제2 메모리 셀 어레이에 포함된 메모리 셀들은 동일한 비트라인(BL)과 소오스 라인(SL)을 공유하므로 동일한 전압이 제1 및 제2 메모리 셀 어레이에 인가된다. 이때, 제2 메모리 셀 어레이에 포함된 메모리 셀들의 프로그램 동작을 금지하기 위해서는, 제2 메모리 셀 어레이에 포함된 워드라인들(WLB), 드레인 셀렉트 라인(DSLB) 및 소오스 셀렉트 라인(SSLB)에 접지 전압을 인가한다. 접지 전압에 의해 제2 메모리 셀 어레이의 워드라인(WLB)과 채널 영역(CH) 사이에는 전압차가 0V에 가까워지고, 제1 메모리 셀 어레이에 포함된 메모리 셀들이 프로그램되더라도 낮은 전압차에 의해 제2 메모리 셀 어레이에 포함된 메모리 셀들은 프로그램되지 않는다. Conventional operating voltages are applied to the word lines WLA, the drain select line DSLA, and the source select line SSLA of the memory cell block including the selected memory cell during the program operation. Since the memory cells included in the first and second memory cell arrays share the same bit line BL and the source line SL, the same voltage is applied to the first and second memory cell arrays. In this case, in order to prohibit the program operation of the memory cells included in the second memory cell array, the word lines WLB, the drain select line DSLB, and the source select line SSLB included in the second memory cell array are grounded. Apply voltage. The voltage difference approaches 0V between the word line WLB and the channel region CH of the second memory cell array due to the ground voltage. Even though the memory cells included in the first memory cell array are programmed, the second voltage may be reduced by the low voltage difference. Memory cells included in the memory cell array are not programmed.
통상적으로, 프로그램 동작 시 프로그램을 금지하기 위해서는 채널 영역을 프리차지 한 후 채널 부스팅 현상을 발생시킨다. 이때, 제2 메모리 셀 어레이에서 프로그램되는 것을 방지하기 위해 워드라인(WLB)에 0V가 인가되는 경우 부스팅된 채널 영역(CH)과 워드라인(WLB)간에 전압차가 발생되더라도 프로그램 동작 시간이 짧기 때문에 워드라인(WLB)에 0V가 인가된 메모리 셀들은 거의 소거되지 않는다. Typically, in order to prohibit a program during a program operation, a channel boosting phenomenon occurs after precharging the channel region. In this case, when 0 V is applied to the word line WLB to prevent programming in the second memory cell array, even if a voltage difference is generated between the boosted channel region CH and the word line WLB, the program operation time is short. Memory cells to which 0 V is applied to the line WLB are hardly erased.
- 소거 동작-Erase operation
일반적으로 소거 동작 시 선택된 메모리 셀이 포함된 메모리 셀 블록의 워드라인들(WLA)에는 OV가 인가되고, 드레인 셀렉트 라인(DSLA) 및 소오스 셀렉트 라인(SSLA)은 플로팅 상태를 유지한다. 그리고, 제1 및 제2 메모리 셀 어레이가 공유하는 비트라인(BL)과 소오스 라인(SL)도 플로팅 상태를 유지한다. 그리고 웰 영역(도 4의 318b)으로 15V 내지 20V의 소거 전압이 인가되면 워드라인(WLA)과 채널 영역(CH)의 높은 전압차에 의해 제1 메모리 셀 어레이에 포함된 메모리 셀들이 소거 된다.In general, OV is applied to the word lines WLA of the memory cell block including the selected memory cell during the erase operation, and the drain select line DSLA and the source select line SSLA maintain a floating state. The bit line BL and the source line SL shared by the first and second memory cell arrays also maintain a floating state. When an erase voltage of 15V to 20V is applied to the well region (318b of FIG. 4), memory cells included in the first memory cell array are erased due to a high voltage difference between the word line WLA and the channel region CH.
이때, 제2 메모리 셀 어레이에 포함된 메모리 셀들의 소거 동작을 금지하기 위해서는, 제2 메모리 셀 어레이에 포함된 워드라인들(WLB), 드레인 셀렉트 라인(DSLB) 및 소오스 셀렉트 라인(SSLB)은 플로팅 상태를 유지한다. 이 상태에서 소거 전압이 채널 영역(CH)으로 인가되면 플로팅 상태의 라인들(WLB, DSLB, SSLB)이 커패시터 커플링 현상에 의해 전위가 높아지고, 워드라인(WLB)과 채널 영역(CH) 사이에는 전압차가 낮아져 제2 메모리 셀 어레이에 포함된 메모리 셀들은 소거되지 않는다. In this case, in order to prohibit the erase operation of the memory cells included in the second memory cell array, the word lines WLB, the drain select line DSLB, and the source select line SSLB included in the second memory cell array are floated. Maintain state. In this state, when the erase voltage is applied to the channel region CH, the potentials of the floating lines WLB, DSLB, and SSLB become high due to the capacitor coupling phenomenon, and between the word line WLB and the channel region CH. Since the voltage difference is low, the memory cells included in the second memory cell array are not erased.
한편, 도 3i에서와 같이, 웰 영역이 형성되지 않은 경우, 선택된 메모리 셀이 포함된 메모리 셀 블록의 워드라인들(WLA)에는 OV 대신 음전위의 소거 전압(예를 들어, -15V 내지 -20V)를 인가할 수도 있다. 일반적으로, 음전압을 사용하기 위해서는 음전압 펌프와 같은 회로가 추가되어야 하며, 음전압 펌프는 면적을 많이 차지하기 때문에 음전압을 사용하고 있지 않다. 하지만, 동일한 영역에 제1 및 제2 메모리 셀 어레이를 형성하면 집적도를 두배 높일 수 있으므로, 음전압 펌프를 형성하기 위한 면적을 확보할 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 음전압 사용도 가능하다.Meanwhile, as shown in FIG. 3I, when the well region is not formed, word voltages WLA of the memory cell block including the selected memory cell are erase voltages of negative potential instead of OV (for example, -15V to -20V). You can also apply In general, in order to use a negative voltage, a circuit such as a negative voltage pump must be added, and since the negative voltage pump occupies a large area, the negative voltage is not used. However, when the first and second memory cell arrays are formed in the same region, the integration degree can be doubled, thereby securing an area for forming a negative voltage pump. Therefore, in the present invention, the use of negative voltage is also possible.
- 리드 동작Lead operation
리드 동작 시 선택된 메모리 셀이 포함된 메모리 셀 블록의 워드라인들(WLA), 드레인 셀렉트 라인(DSLA) 및 소오스 셀렉트 라인(SSLA)에는 통상적인 동작 전압들이 인가된다. 그리고, 제1 및 제2 메모리 셀 어레이에 포함된 메모리 셀들은 동일한 비트라인(BL)과 소오스 라인(SL)을 공유하므로 동일한 전압이 제1 및 제2 메모리 셀 어레이에 인가된다. 이때, 제2 메모리 셀 어레이에 포함된 메모리 셀들이 리드 동작에 영향을 주지 않도록 제2 메모리 셀 어레이에 포함된 라인들(WLB, DSLB, SSLB)에 접지 전압을 인가한다. Normal operating voltages are applied to the word lines WLA, the drain select line DSLA, and the source select line SSLA of the memory cell block including the selected memory cell during the read operation. Since the memory cells included in the first and second memory cell arrays share the same bit line BL and the source line SL, the same voltage is applied to the first and second memory cell arrays. In this case, the ground voltage is applied to the lines WLB, DSLB, and SSLB included in the second memory cell array so that the memory cells included in the second memory cell array do not affect the read operation.
한편, 제2 메모리 셀 어레이에 포함된 메모리 셀들 중 소거 상태인 메모리 셀은 문턱전압이 낮기 때문에 채널 영역을 형성한다. 이로 인해, 제1 메모리 셀 어레이에 포함된 메모리 셀들의 프로그램 또는 소거 상태에 상관없이 채널이 형성되면 리드 동작 시 오류가 발생될 수 있다. 따라서, 제2 메모리 셀 어레이에 포함된 워드라인들(WLB)에는 음전압(예, -Vread)을 인가하거나, 선택된 워드라인에만 음전압을 인가할 수도 있다. Meanwhile, the memory cells in the erase state among the memory cells included in the second memory cell array form a channel region because the threshold voltage is low. As a result, if a channel is formed regardless of a program or erase state of the memory cells included in the first memory cell array, an error may occur during the read operation. Therefore, a negative voltage (eg, -Vread) may be applied to the word lines WLB included in the second memory cell array, or a negative voltage may be applied only to the selected word line.
상기의 방법에 따라, 프로그램 동작, 소거 동작, 또는 리드 동작을 실시하면 서로 마주하는 제1 스트링(STA)과 제2 스트링(STB)에 비트라인(BL)을 통해 동일한 전압이 인가되더라도 선택된 스트링에서만 프로그램/소거/리드 동작이 이루어지고 선택되지 않은 스트링에서는 프로그램/소거/리드 동작을 금지할 수 있다.According to the above method, when the program operation, the erase operation, or the read operation are performed, even if the same voltage is applied to the first string STA and the second string STB facing each other through the bit line BL, only the selected string is applied. The program / erase / lead operation is performed and the program / erase / lead operation can be prohibited in the unselected string.
도 3a 내지 도 3i는 본 발명의 실시예에 따른 플래시 메모리 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 도면들이다. 3A to 3I are diagrams for describing a method of manufacturing a flash memory device according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 3a를 참조하면, 반도체 기판(300) 상에 제1 층간 절연막(302) 및 제1 하드 마스크(304)를 형성한다. 제1 층간 절연막(302)은 HDP 산화막, HTO 산화막 또는 TEOS 등의 절연막으로 형성할 수 있다. 하드 마스크(304)는 질화막으로 형성할 수 있다. 이어서, 제1 층간 절연막(302)을 식각하여 제1 방향으로 트렌치들을 형성한다. 예를 들어, 트렌치들은 뒤집힌 형태의 메모리 셀들이 형성될 영역(즉, 도 1에서 점선으로 표시된 제2 메모리 셀 어레이가 형성될 영역)을 정의하기 위하여 형성되며, 메모리 셀들의 콘트롤 게이트(예를 들어, 워드라인)가 형성되는 방향(예를 들어, 비트라인과 교차하는 방향)으로 평행하게 형성된다. Referring to FIG. 3A, a first
트렌치 하부에 잔류하는 제1 층간 절연막(302)의 두께는 트렌치 내부에 형성될 메모리 셀의 동작 시 기판(300)에 가해지는 전기적인 영향이 최소화될 수 있을 정도로 제어되는 것이 바람직하다. The thickness of the first
도 3b를 참조하면, 트렌치들 내부에 제1 금속막(306), 제1 폴리실리콘층(308), 제1 유전체막(310) 및 제2 폴리실리콘층(312)을 순차적으로 형성한다. Referring to FIG. 3B, a
상기에서, 제1 금속막(306) 및 제1 폴리실리콘층(308)은 뒤집힌 메모리 셀들의 콘트롤 게이트를 형성하기 위한 도전막이 된다. 금속막(306)은 텅스텐, 텅스텐 질화막 또는 텡스텐 실리사이드를 포함한다. 제2 폴리실리콘층(312)은 뒤집힌 메모리 셀들의 플로팅 게이트를 형성하기 위한 도전막이 된다. 이렇듯, 뒤집힌 메모리 셀들을 형성하기 위해서는 콘트롤 게이트용 도전막이 플로팅 게이트용 도전막보다 먼저 형성된다. 상기의 막들은 증착 공정과 화학적 기계적 연마 공정을 통해 트렌치들 내부에 형성된다. In the above, the
제1 금속막(306), 제1 폴리실리콘층(308), 제1 유전체막(310) 및 제2 폴리실리콘층(312)은 트렌치와 동일하게 제1 방향의 라인 형태로 형성된다. The
상기에서, 제1 금속막(306) 및 제1 폴리실리콘층(308)을 형성한 후 제1 층간 절연막(302) 상부와 트렌치 측벽의 제1 금속막(306) 및 제1 폴리실리콘층(308)을 제거하면 제1 금속막(306) 및 제1 폴리실리콘층(308)을 트렌치의 저면에만 잔류시킬 수 있다. 그 외의 방법으로도 트렌치의 저면에만 제1 금속막(306) 및 제1 폴리실리콘층(308)을 형성할 수 있는 것은 이 기술이 속하는 분야의 당업자에게는 자명한 사실이다. In the above, after the
도 3c를 참조하면, 제2 폴리실리콘층(312)을 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 패터닝한다. 이로써, 제2 폴리실리콘층(312)은 트랜치 내에서 2개 이상으로 분할된다. 예를 들어, 제2 폴리실리콘층(312)은 뒤집힌 메모리 셀들이 형성될 영역에만 잔류되도록 식각된다. 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다. Referring to FIG. 3C, the
식각 마스크(미도시)를 이용한 식각 공정을 실시하여 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 각각의 트렌치들에 형성된 제2 폴리실리콘층들(308)을 식각한다. 이때, 제2 폴리실리콘층들(308) 사이의 제1 층간 절연막(302)도 함께 식각될 수 있다. 이어서, 제2 폴리실리콘층(308)과 제1 층간 절연막(302)이 식각된 공간에 격리막(314)을 형성한다. 격리막(314)은 절연막으로 형성하며, 일반적인 플래시 메모리 소자에서 플로팅 게이트의 양측벽에 형성되는 절연막 스페이서의 역할을 한다. 또한, 격리막(314)은 제2 폴리실리콘층(308)이 식각됨으로써 발생되는 단차를 제거하고 전체 표면의 평탄화하는 역할도 한다. 이로써, 격리막(314)은 트렌치와 교차하는 제2 방향으로 형성될 수 있다. 제1 층간 절연막(302)이 식각되지 않고 제2 폴리실리콘층(308)만 식각되는 경우, 격리막(314)은 트랜치 내부의 제2 폴리실리콘층(308) 사이에만 형성된다. An etching process using an etching mask (not shown) is performed to etch the second polysilicon layers 308 formed in the respective trenches in the second direction crossing the first direction. In this case, the first
도 3d를 참조하면, 제1 하드 마스크(304)를 제거한 후 평탄화 공정을 실시한다. 제1 하드 마스크(304)가 질화막으로 형성된 경우 인산으로 제거할 수 있다. 제1 하드 마스크(304)를 제거하면 제2 폴리실리콘층(308)의 상부가 제1 층간 절연막(302)보다 높게 돌출되므로, 전체 표면이 평탄화되도록 돌출된 부분을 제거하는 것이 바람직하다. 이어서, 제2 폴리실리콘층(308)의 물리적/전기적 특성을 향상시키기 위하여, 제2 폴리실리콘층(308)의 노출된 표면을 산화시킨 후 산화된 부분을 제거할 수 있다. Referring to FIG. 3D, the first
이어서, 제2 폴리실리콘층(308)을 포함한 반도체 기판(301) 상부에 제1 절연막(316), 실리콘층(318), 제2 절연막(320) 및 제3 폴리실리콘층(322)을 형성한다. 제3 폴리실리콘층(322) 상부에는 제2 하드 마스크(324)가 형성된다. Subsequently, a first
상기에서, 제1 절연막(316)은 뒤집힌 메모리 셀의 터널 절연막이 된다. 실리콘층(318)은 증착 방법으로 형성할 수 있으며, 실리콘 시드 또는 금속 시드(metal seed)를 이용한 SEG(Silicon epitaxy growth) 방식으로 형성할 수 있다. 실리콘층(318)에는 후속 공정에서 접합 영역이 형성되며, 실리콘층(318)은 뒤집힌 메모리 셀과 후속 공정에서 형성될 메모리 셀들의 채널이 형성되는 실제의 반도체 기판 역할을 한다. 따라서, 채널 영역의 전자 이동도(electron mobility)를 증가시키고 누설 전류를 감소시키기 위하여, 실리콘층(318)을 폴리실리콘으로 형성하며넛 열처리 공정을 실시하여 실리콘층(318)의 그레인 사이즈를 조절하는 것이 바람직하다. In the above, the first insulating
제2 절연막(320)은 후속 공정에 형성될 메모리 셀들의 터널 절연막이 된다. The second
제3 폴리실리콘층(322)은 실리콘층(318) 상부에 형성될 메모리 셀들의 플로팅 게이트를 형성하기 위한 도전막이다. The
제2 하드 마스크(324)는 제2 방향으로 형성되며, 격리막(314)이 형성된 영역에 대응하는 제3 폴리실리콘층(322)이 라인 형태로 노출되도록 형성된다. 즉, 제2 하드 마스크(324)는 워드라인과 교차하는 방향으로 형성된다. The second
한편, 메모리 셀들의 문턱전압을 조절하기 위한 이온주입 공정이 실시될 수 있다. 이온주입 공정은 제2 절연막(320)이 형성되기 전에 실시하는 것이 바람직하며, 문턱전압 조절용 불순물은 실리콘층(318)으로 주입된다. Meanwhile, an ion implantation process for adjusting the threshold voltages of the memory cells may be performed. The ion implantation process is preferably performed before the second
도 3e를 참조하면, 제2 하드 마스크(324)를 이용한 식각 공정을 실시하여 제3 폴리실리콘층(322), 제2 절연막(320) 및 실리콘층(318)을 패터닝한다. 여기서, 실리콘층(318)은 서로 다른 스트링에 포함된 메모리 셀들을 전기적으로 격리시키기 위하여 식각된다. 즉, 통상적으로 반도체 기판에는 소자 분리막이 형성되어야 한다. 여기서, 실리콘층(318)이 실질적인 기판 역할을 하므로 실리콘층(318)에도 소자 분리막이 형성되어야 한다. 이를 위해 실리콘층(318)이 식각되며, 식각된 실리콘층(318) 사이의 공간에는 소자 분리막의 역할을 하는 제2 격리막(미도시)이 형성될 수 있다. 이렇듯, 제3 폴리실리콘층(322)과 실리콘층(318)이 함께 식각되면서 소자 분리 영역이 정의되므로, SA-STI(Self Aligned Shallow Trench Isoation) 방식이 적용된 것이나 다름없다. Referring to FIG. 3E, the
상기에서 제3 폴리실리콘층(322)이 잔류하는 영역과 제2 폴리실리콘층(312)이 잔류하는 영역이 대응하도록 제3 폴리실리콘층(322)을 식각하는 것이 중요하다. In the above, it is important to etch the
도 3f를 참조하면, 제2 하드 마스크(324)를 제거한다. 이로써, 제3 폴리실리콘층(322)의 상부 표면이 노출된다. 이어서, 제3 폴리실리콘층(322)을 포함한 반도체 기판(300) 상에 제2 유전체막(326), 제4 폴리실리콘층(328) 및 제2 금속막(330)을 형성한다. 제2 금속막(330) 상부에는 제3 하드 마스크(332)가 형성된다. Referring to FIG. 3F, the second
제4 폴리실리콘층(328)과 제2 금속막(330)은 메모리 셀의 콘트롤 게이트를 형성하기 위한 도전막이다. 제2 금속막(330)은 제4 폴리실리콘층(328)을 형성하고 평탄화 공정을 실시한 후에 형성될 수 있다. The
제3 하드 마스크(332)는 제3 폴리실리콘층(322)과 교차하는 제1 방향으로 형성되며, 도 3a에서 제1 층간 절연막(302)에 형성된 트렌치와 대응하는 영역에만 형성된다. 그래야만 뒤집힌 메모리 셀의 콘트롤 게이트(306 및 308)와 실리콘층(318) 상에 형성될 메모리 셀의 콘트롤 게이트가 동일한 영역에 형성되기 때문이다. The third
도 3g를 참조하면, 제3 하드 마스크(332)를 이용한 식각 공정으로 제2 금속막(320), 제4 폴리실리콘층(328), 제2 유전체막(326) 및 제3 폴리실리콘층(322)을 식각한다. 이로써, 실리콘층(318) 상에 워드라인들(WLAn), 드레인 셀렉트 라인들(DSLA) 및 소오스 셀렉트 라인들(미도시)이 형성된다. 앞선 공정들에 의해, 제1 층간 절연막(302)의 트렌치들 내부에는 실리콘층(318) 상부의 워드라인들(WLAn), 드레인 셀렉트 라인들(DSLA) 및 소오스 셀렉트 라인들(미도시)과 대응하는 워드라인들(WLBn), 드레인 셀렉트 라인들(DSLB) 및 소오스 셀렉트 라인들(미도시)이 뒤집힌 구조로 형성되어 있다. Referring to FIG. 3G, the
이로써, 실리콘층(318)의 상부와 하부에는 서로 대칭하는 미러 구조로 제1 메모리 셀 어레이와 제2 메모리 셀 어레이가 각각 형성된다. As a result, a first memory cell array and a second memory cell array are formed on the upper and lower portions of the
도 3h를 참조하면, 워드라인들(WLAn), 드레인 셀렉트 라인들(DSLA) 및 소오스 셀렉트 라인들(미도시) 사이의 실리콘층(318)이 접합 영역(334)을 형성한다. 드레인 셀렉트 라인들(DSLA) 사이의 접합 영역(334)은 비트라인과 연결되는 스트링의 드레인이 되고, 소오스 셀렉트 라인들(미도시) 사이의 접합 영역(334)은 공통 소오스와 연결되는 스트링의 소오스가 된다. Referring to FIG. 3H, the
도 3i를 참조하면, 반도체 기판(300) 상에 제2 층간 절연막(336)을 형성한 후 평탄화 공정을 실시한다. 이어서, 도면에서는 도시되어 있지 않지만, 소오스 셀렉트 라인들 사이의 접합 영역을 노출시키는 콘택홀을 제2 층간 절연막(336)에 형성한 후 콘택홀 내부에 공통 소오스를 형성한다. 이어서, 제3 층간 절연막(338)을 을 형성한 후 평탄화 공정을 실시한다. 그리고, 드레인 셀렉트 라인들(DSLA) 사이의 접합 영역(334)을 노출시키는 콘택홀을 제3 층간 절연막(338)에 형성한 후 콘택홀 내부에 콘택 플러그(340)를 형성한다. 제3 층간 절연막(338) 상부에는 콘택 플러그(340)와 연결되는 다수의 금속 배선(예를 들어, 비트라인; BL)이 형성된다. Referring to FIG. 3I, a planarization process is performed after forming the second
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플래시 메모리 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다. 4 is a cross-sectional view for describing a method of manufacturing a flash memory device according to another exemplary embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 제1 메모리 셀 어레이에 포함된 소자들의 접합 영역(334a)과 제2 메모리 셀 어레이에 포함된 소자들의 접합 영역(334b)을 분리시킬 수도 있다. 구체적으로 설명하면 다음과 같다. Referring to FIG. 4, the
도 3a 내지 도 3c에서 설명한 공정들이 실시된 후, 제1 하드 마스크(304)를 제거한 후 평탄화 공정을 실시한다. 제1 하드 마스크(304)가 질화막으로 형성된 경우 인산으로 제거할 수 있다. 제1 하드 마스크(304)를 제거하면 제2 폴리실리콘층(308)의 상부가 제1 층간 절연막(302)보다 높게 돌출되므로, 전체 표면이 평탄화되도록 돌출된 부분을 제거하는 것이 바람직하다. 이어서, 제2 폴리실리콘층(308)의 물리적/전기적 특성을 향상시키기 위하여, 제2 폴리실리콘층(308)의 노출된 표면을 산화시킨 후 산화된 부분을 제거할 수 있다. After the processes described with reference to FIGS. 3A to 3C are performed, the first
이어서, 도 4를 참조하면, 제2 폴리실리콘층(308)을 포함한 반도체 기판(301) 상부에 제1 절연막(316) 및 실리콘층(318)을 형성한다. 이때, 실리콘층(318)은 3단계로 나누어 형성할 수 있다. 즉, 제1 절연막(316) 상에 제1 실리콘층(318a)을 형성한 후 이온주입 공정을 실시하여 트렌치가 형성된 영역들 사이의 제1 실리콘층(318a)에 접합 영역(334a)을 형성한다. 이어서, 접합 영역(334)을 포함한 제1 실리콘층(334a) 상에 제2 실리콘층(334b) 및 제3 실리콘층(334c)을 형성한다. Next, referring to FIG. 4, the first insulating
이후, 실리콘층(318) 상부에 제2 절연막(320), 제3 폴리실리콘층(322) 및 제2 하드 마스크(324)을 형성하고, 도 3d 내지 도 3g에서 설명한 공정들을 실시하여 실리콘층(318) 상에 워드라인들(WLAn), 드레인 셀렉트 라인들(DSLA) 및 소오스 셀렉트 라인들(미도시)을 형성한다. 그리고, 이온주입 공정을 실시하여 워드라인들(WLAn), 드레인 셀렉트 라인들(DSLA) 및 소오스 셀렉트 라인들(미도시) 사이의 제3 실리콘층(318c)에 접합 영역(334b)을 형성한다. Subsequently, the second insulating
한편, 제3 실리콘층(318c)을 생략할 수도 있다. 예를 들어, 제2 실리콘층(318b)을 제1 실리콘층(318a)보다 두껍게 형성하고, 접합 영역(334b)을 형성할 때 이온주입 에너지를 조절하여 제2 실리콘층(318)의 상부에만 접합 영역(334b)을 형성한다. 이 경우, 2개의 실리콘층(318a, 318b)을 사용하더라도 접합 영역(334a, 334b)를 분리하여 형성할 수 있다. 뿐만 아니라, 실리콘층들(318a, 318b, 318c)을 접합 영역(334a, 334b)에 포함된 불순물(예, 4가 불순물)과 반대 타입의 불순물(예, 5가 불순물)이 주입된 실리콘층으로 형성하면 접합 영역(334a, 334b)이 형성되지 않은 부분의 실리콘층들(318a, 318b, 318c)이 웰 영역(예, P웰 영역)으로 사용될 수 있다. Meanwhile, the
이렇게, 접합 영역들(334a, 334b)을 분리하여 형성하는 경우, 도 3i에서 비트라인(BL)과 연결되는 콘택 플러그가 상부 접합 영역(334a)과 하부 접합 영역(334b)에 각각 연결되어야 한다. As such, when the
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 플래시 메모리 소자의 셀 어레이를 설명하기 위한 회로도이다. 1 is a circuit diagram illustrating a cell array of a flash memory device according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 플래시 메모리 소자의 셀 어레이를 설명하기 위한 단면도이다. 2 is a cross-sectional view illustrating a cell array of a flash memory device according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 3a 내지 도 3i는 본 발명의 실시예에 따른 플래시 메모리 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 도면들이다. 3A to 3I are diagrams for describing a method of manufacturing a flash memory device according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플래시 메모리 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다. 4 is a cross-sectional view for describing a method of manufacturing a flash memory device according to another exemplary embodiment of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
300 : 반도체 기판 302, 336, 338 : 층간 절연막300:
304, 324, 332 : 하드 마스크 306, 330 : 금속막304, 324, 332:
308, 312, 322, 328 : 폴리실리콘층308, 312, 322, 328: polysilicon layer
310, 326 : 유전체막 314 : 격리막310, 326: dielectric film 314: isolation film
316, 320 : 절연막 318, 318a, 318b : 실리콘층316, 320: insulating
334, 334a, 334b : 접합 영역 340 : 콘택 플러그334, 334a, 334b: junction area 340: contact plug
342 : 금속 배선342: metal wiring
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KR1020080075699A KR20100013936A (en) | 2008-08-01 | 2008-08-01 | Flash memory device, operating method and manufacturing method thereof |
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Cited By (1)
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---|---|---|---|---|
KR20170061115A (en) | 2017-05-15 | 2017-06-02 | 전대연 | At indoors or outdoors, smart pet dog-automatic-handling system |
-
2008
- 2008-08-01 KR KR1020080075699A patent/KR20100013936A/en not_active Application Discontinuation
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KR20170061115A (en) | 2017-05-15 | 2017-06-02 | 전대연 | At indoors or outdoors, smart pet dog-automatic-handling system |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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WITN | Application deemed withdrawn, e.g. because no request for examination was filed or no examination fee was paid |