KR20130127807A - 비휘발성 메모리 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 기술은 비휘발성 메모리 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 본 기술에 따른 비휘발성 메모리 장치는, 기판 상의 복수의 메모리 셀을 포함하며, 일 방향으로 연장되는 셀 스트링; 상기 셀 스트링의 일 측과 타 측에 각각 접속되며, 상기 기판과 수직한 방향으로 연장되는 채널층; 상기 셀 스트링의 상부에 위치하며, 상기 채널층의 측면을 게이트 절연막을 개재하여 둘러싸는 선택 게이트 전극; 및 상기 채널층의 상단에 접속되는 도전 라인을 포함할 수 있다. 본 기술에 따르면, 선택 게이트 전극을 셀 스트링의 상부에 형성함으로써 칩 사이즈를 감소시킴과 동시에 제조 공정을 용이하고 단순하게 할 수 있으며, 비휘발성 메모리 장치의 동작 특성을 개선할 수 있다.
Description
본 발명은 비휘발성 메모리 장치 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 복수의 메모리 셀이 직렬로 연결된 셀 스트링을 포함하는 비휘발성 메모리 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
비휘발성 메모리 장치는 전원공급이 차단되더라도 저장된 데이터가 그대로 유지되는 메모리 장치이다. 현재 다양한 비휘발성 메모리 장치 예컨대, 플래시 메모리(Flash Memory) 등이 널리 이용되고 있다.
도 1은 종래의 비휘발성 메모리 장치를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래의 비휘발성 메모리 장치는, 기판(10) 상에 형성된 터널 절연막(15), 터널 절연막(15) 상에 플로팅 게이트 전극층(20), 전하 차단막(25), 보호막(30), 컨트롤 게이트 전극층(35) 및 게이트 하드마스크층(40)이 순차로 적층된 복수의 게이트 패턴, 상기 복수의 게이트 패턴을 덮는 제1 및 제2 스페이서 절연막(45, 50), 제2 스페이서 절연막(50) 상에 형성된 층간 절연막(55), 및 층간 절연막(55), 제2 스페이서 절연막(50) 및 터널 절연막(15)을 관통하여 기판(10)의 접합 영역에 접속되는 콘택 플러그(60)를 포함할 수 있다.
그런데 종래 기술에 의하면 워드 라인(WL)에 비해 폭이 넓은 선택 라인(SL)이 차지하는 면적으로 인해 칩 사이즈(Chip Size)가 커지게 되며, 특히 스페이서 패터닝 기술(Spacer Patterning Technology; SPT)을 이용하여 워드 라인(WL)을 형성하는 경우 이와 다른 폭을 갖는 선택 라인(SL)을 형성하기 위해 별도의 공정이 요구된다. 또한, 선택 라인(SL)에 인접하는 워드 라인(WL)에서는 HCI(Hot Carrier Injection)에 의한 교란이 발생할 수 있으며, 디자인 룰(Design Rule)이 감소함에 따라 선택 라인(SL)의 전하 차단막(25) 일부를 제거하는 공정이 더욱 어려워지고 있다.
본 발명의 일 실시예는, 선택 게이트 전극을 셀 스트링의 상부에 형성함으로써 칩 사이즈가 감소됨과 동시에 제조 공정이 용이하고 단순하게 되며, 동작 특성이 개선된 비휘발성 메모리 장치 및 그 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치는, 기판 상의 복수의 메모리 셀을 포함하며, 일 방향으로 연장되는 셀 스트링; 상기 셀 스트링의 일 측과 타 측에 각각 접속되며, 상기 기판과 수직한 방향으로 연장되는 채널층; 상기 셀 스트링의 상부에 위치하며, 상기 채널층의 측면을 게이트 절연막을 개재하여 둘러싸는 선택 게이트 전극; 및 상기 채널층의 상단에 접속되는 도전 라인을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치의 제조 방법은, 기판 상에 서로 평행하게 연장되는 복수의 게이트 패턴을 형성하는 단계; 상기 기판의 접합 영역에 접속되며, 상기 기판과 수직한 방향으로 연장되는 채널층을 형성하는 단계; 상기 게이트 패턴의 상부에 위치하며, 상기 채널층의 측면을 게이트 절연막을 개재하여 둘러싸는 선택 게이트 전극을 형성하는 단계; 및 상기 채널층의 상단에 접속되는 도전 라인을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 기술에 따르면, 선택 게이트 전극을 셀 스트링의 상부에 형성함으로써 칩 사이즈를 감소시킴과 동시에 제조 공정을 용이하고 단순하게 할 수 있으며, 비휘발성 메모리 장치의 동작 특성을 개선할 수 있다.
도 1은 종래의 비휘발성 메모리 장치를 나타내는 도면이다.
도 2 내지 도 12b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 13a 및 도 13b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2 내지 도 12b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 13a 및 도 13b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
이하에서는, 본 발명의 가장 바람직한 실시예가 설명된다. 도면에 있어서, 두께와 간격은 설명의 편의를 위하여 표현된 것이며, 실제 물리적 두께에 비해 과장되어 도시될 수 있다. 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지와 무관한 공지의 구성은 생략될 수 있다. 각 도면의 구성요소들에 참조 번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다.
도 2 내지 도 12b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다. 특히, 도 12a 및 도 12b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치를 나타내는 도면이고, 도 2 내지 도 11b는 도 12a 및 도 12b의 장치를 제조하기 위한 공정 중간 단계의 일례를 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 기판(100) 상에 터널 절연막(105)을 형성한다.
여기서, 기판(100)은 단결정 실리콘 등의 반도체 기판일 수 있으며, 활성 영역을 정의하는 소자분리막(미도시됨)과 같은 소정의 하부 구조물을 포함할 수 있다. 한편, 상기 활성 영역은 후술하는 게이트 패턴과 교차하는 방향으로 연장되는 라인(Line) 형태로 복수개가 서로 평행하게 배열되며, 그 상부에 셀 스트링(Cell String)이 형성될 수 있다. 또한, 터널 절연막(105)은 산화막 계열의 물질로 형성할 수 있으며, 예컨대 열 산화(Thermal Oxidation) 공정을 통해 형성된 실리콘 산화막(SiO2)일 수 있다.
이어서, 터널 절연막(105) 상에 플로팅 게이트 전극층(110), 전하 차단막(115), 제1 컨트롤 게이트 전극층(120), 제2 컨트롤 게이트 전극층(125) 및 게이트 하드마스크층(130)이 순차로 적층된 게이트 패턴을 형성한다.
본 도면에는 도시되지 않았으나, 상기 게이트 패턴은 터널 절연막(105) 상에 상술한 활성 영역을 따라 연장되는 라인 형태의 플로팅 게이트 전극용 도전막을 형성하고 나서 상기 플로팅 게이트 전극용 도전막이 형성된 기판(100) 전면에 전하 차단막용 절연막, 제1 컨트롤 게이트 전극용 도전막, 제2 컨트롤 게이트 전극용 도전막 및 게이트 하드마스크 물질층을 순차로 적층한 후, 상기 플로팅 게이트 전극용 도전막과 교차하는 방향으로 연장되는 감광막 패턴(135)을 식각 마스크로 상기 플로팅 게이트 전극용 도전막까지 식각하여 형성할 수 있다. 이때, 상기 게이트 패턴은 복수개가 서로 평행하게 연장되며, 모두 동일한 폭으로 형성할 수 있다. 한편, 상기 게이트 패턴을 미세하게 형성하기 위해 스페이서 패터닝 기술(SPT)을 이용할 수 있으며, 상기 게이트 패턴들을 동일한 폭으로 형성함에 따라 패터닝 공정이 단순하게 되는 장점이 있다.
여기서, 플로팅 게이트 전극층(110)은 도핑된 폴리실리콘을 포함할 수 있으며, 메모리 셀별로 분리된 섬(Island) 형태를 가질 수 있다. 또한, 전하 차단막(115)은 산화막-질화막-산화막이 순차로 적층된 ONO(Oxide-Nitride-Oxide)막일 수 있으며, 게이트 하드마스크층(130)은 질화막 계열의 물질을 포함할 수 있다. 한편, 제1 컨트롤 게이트 전극층(120)은 도핑된 폴리실리콘을 포함할 수 있으며, 제2 컨트롤 게이트 전극층(125)은 제1 컨트롤 게이트 전극층(120) 일부가 실리사이드화(Silicidation)되어 형성된 금속 실리사이드를 포함할 수 있다. 특히, 제1 및 제2 컨트롤 게이트 전극층(120, 125)은 메모리 셀 트랜지스터의 게이트 전극으로서 워드 라인을 구성하게 된다.
이어서, 이온 주입 공정 등을 통해 상기 게이트 패턴들 사이의 기판(100)에 접합 영역(미도시됨)을 형성할 수 있다. 상기 접합 영역은 메모리 셀 트랜지스터의 드레인(Drain) 또는 소스(Source) 역할을 하며, 기판(100)과는 다른 도전형을 가질 수 있다. 특히, 낸드(NAND) 플래시 메모리 장치의 경우 인접하는 메모리 셀 트랜지스터들이 상기 접합 영역을 서로 공유하며, 이를 통해 메모리 셀 트랜지스터들이 직렬로 연결되어 셀 스트링을 구성하게 된다.
도 3을 참조하면, 감광막 패턴(135)을 제거한 후, 상기 게이트 패턴들을 덮는 제1 스페이서 절연막(140)을 형성한다.
여기서, 감광막 패턴(135)은 스트립(Strip) 공정을 통해 제거할 수 있으며, 부산물 등을 제거하기 위해 세정 공정을 추가로 수행할 수 있다. 또한, 제1 스페이서 절연막(140)은 산화막 계열의 물질을 상기 게이트 패턴들 사이의 공간을 매립하는 두께로 증착한 후, 에치백(Etch-back)하여 형성할 수 있다.
이어서, 제1 스페이서 절연막(140) 상에 제2 스페이서 절연막(145) 및 제1 층간 절연막(150)을 순차로 형성한다.
여기서, 제2 스페이서 절연막(145)은 제1 층간 절연막(150)과 식각 선택비를 갖는 물질, 예컨대 질화막 계열의 물질을 콘포멀(Conformal)하게 증착하여 형성할 수 있다. 또한, 제1 층간 절연막(150)은 산화막 계열의 물질을 후술하는 드레인 및 소스 콘택 플러그가 형성될 영역, 즉 셀 스트링들 사이의 상기 접합 영역을 매립하는 두께로 증착한 후, 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing; CMP) 등의 평탄화 공정을 수행하여 형성할 수 있다.
도 4a를 참조하면, 제1 층간 절연막(150) 상에 후술하는 드레인 콘택 플러그가 형성될 영역을 제외한 부분을 덮는 제1 마스크 패턴(155)을 형성한 후, 제1 마스크 패턴(155)을 식각 마스크로 제1 층간 절연막(150), 제2 스페이서 절연막(145) 및 터널 절연막(105)을 식각하여 셀 스트링들 사이의 상기 접합 영역 중 드레인 영역을 노출시키는 드레인 콘택 홀(H1)을 형성한다.
여기서, 드레인 콘택 홀(H1)은 제1 층간 절연막(150)과 제2 스페이서 절연막(145) 간의 식각 선택비를 이용한 자기정렬 콘택(Self-Aligned Contact; SAC) 공정을 통해 형성할 수 있다. 이때, 드레인 콘택 홀(H1)은 후속 공정 마진(Margin)을 확보하기 위해 상단부를 넓게 형성할 수 있으며, 이에 따라 상기 드레인 영역에 인접하는 상기 게이트 패턴의 게이트 하드마스크층(130)을 노출시킬 수 있다.
한편, 도 4b는 드레인 측의 제1 마스크 패턴(155)의 평면을 도시한 것으로 이를 참조하면, 드레인 콘택 홀(H1)은 셀 스트링과 교차하는 방향으로 연장되는 2개 이상의 열을 따라 배열하되, 인접하는 드레인 콘택 홀(H1)들은 서로 다른 열에 배치함으로써 공정 마진을 충분히 확보함과 동시에 후술하는 드레인 콘택 플러그 간의 기생 커패시턴스(Parasitic Capacitance)를 감소시킬 수 있다.
도 5a를 참조하면, 제1 층간 절연막(150) 상에 후술하는 소스 콘택 플러그가 형성될 영역을 제외한 부분을 덮는 제1 마스크 패턴(155)을 형성한 후, 제1 마스크 패턴(155)을 식각 마스크로 제1 층간 절연막(150), 제2 스페이서 절연막(145) 및 터널 절연막(105)을 식각하여 셀 스트링들 사이의 상기 접합 영역 중 소스 영역을 노출시키는 소스 콘택 홀(H2)을 형성한다.
여기서, 소스 콘택 홀(H2)은 제1 층간 절연막(150)과 제2 스페이서 절연막(145) 간의 식각 선택비를 이용한 자기정렬 콘택(SAC) 공정을 통해 형성하되, 드레인 콘택 홀(H1)과 동시에 형성할 수 있다. 이때, 소스 콘택 홀(H2)은 드레인 콘택 홀(H1)과 같이 상단부를 넓게 형성할 수 있으며, 이에 따라 상기 소스 영역에 인접하는 상기 게이트 패턴의 게이트 하드마스크층(130)을 노출시킬 수 있다.
한편, 도 5b는 소스 측의 제1 마스크 패턴(155)의 평면을 도시한 것으로 이를 참조하면, 소스 콘택 홀(H2)은 드레인 콘택 홀(H1)보다 크게 형성할 수 있으며, 이에 따라 상기 게이트 패턴 방향으로 인접하는 한 쌍의 셀 스트링의 소스 영역을 동시에 노출시킬 수 있다.
이하에서는, 셀 스트링의 드레인 측과 소스 측의 공정을 함께 설명하기로 한다. 이하의 도면 중에서 각 번호의 'a'도는 셀 스트링의 드레인 측을 도시한 도면이고, 'b'도는 셀 스트링의 소스 측을 도시한 도면이다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 제1 마스크 패턴(155)을 제거한 후, 드레인 콘택 홀(H1) 및 소스 콘택 홀(H2) 내에 도전 물질을 매립하여 드레인 콘택 홀(H1) 내의 드레인 콘택 플러그(160A) 및 소스 콘택 홀(H2) 내의 소스 콘택 플러그(160B)를 형성한다.
여기서, 드레인 콘택 플러그(160A) 및 소스 콘택 플러그(160B)는 도전 물질, 예컨대 도핑된 폴리실리콘, 금속 또는 금속 질화물 등을 드레인 콘택 홀(H1) 및 소스 콘택 홀(H2)을 매립하는 두께로 증착한 후, 제1 층간 절연막(150)의 상면이 드러날 때까지 화학적 기계적 연마(CMP) 등의 평탄화 공정을 수행하여 형성할 수 있다.
도 7a 및 도 7b를 참조하면, 드레인 콘택 플러그(160A) 및 소스 콘택 플러그(160B)가 형성된 결과물 상에 제2 층간 절연막(165), 희생층(170) 및 제3 층간 절연막(175)을 순차로 형성한다.
여기서, 제2 및 제3 층간 절연막(165, 175)은 TEOS(Tetra Ethyl Ortho Silicate) 산화막, HDP(High Density Plasma) 산화막 등과 같은 산화막 계열의 물질을 증착하여 형성할 수 있다. 또한, 희생층(170)은 제2 및 제3 층간 절연막(165, 175)과 식각 선택비를 갖는 물질, 예컨대 질화막 계열의 물질을 증착하여 형성할 수 있다.
이어서, 제3 층간 절연막(175) 상에 후술하는 채널층이 형성될 영역을 제외한 부분을 덮는 제2 마스크 패턴(180)을 형성한 후, 제2 마스크 패턴(180)을 식각 마스크로 제3 층간 절연막(175), 희생층(170) 및 제2 층간 절연막(165)을 식각하여 드레인 콘택 플러그(160A) 및 소스 콘택 플러그(160B)의 상면 일부를 노출시키는 채널 홀(H3)을 형성한다.
도 8a 및 도 8b를 참조하면, 제2 마스크 패턴(180)을 제거한 후, 채널 홀(H3) 내에 반도체 물질을 매립하여 채널층(185)을 형성한다.
여기서, 채널층(185)은 폴리실리콘 등과 같은 반도체 물질을 채널 홀(H3)을 매립하는 두께로 증착한 후, 제3 층간 절연막(175)의 상면이 드러날 때까지 화학적 기계적 연마(CMP) 등의 평탄화 공정을 수행하여 형성할 수 있다. 한편, 채널층(185)은 드레인 콘택 플러그(160A) 및 소스 콘택 플러그(160B)를 통해 상기 접합 영역에 접속되며, 기판(100)과 수직한 방향으로 연장될 수 있다.
이어서, 제3 층간 절연막(175) 및 채널층(185) 상에 제1 트렌치(T1)가 형성될 영역을 제외한 부분을 덮는 제3 마스크 패턴(190)을 형성한 후, 제3 마스크 패턴(190)을 식각 마스크로 제3 층간 절연막(175)을 식각하여 희생층(170) 일부를 노출시키는 제1 트렌치(T1)를 형성한다. 제1 트렌치(T1)는 채널층(185)과 인접하면서 상기 게이트 패턴 방향으로 연장되는 슬릿(Slit) 형태로 형성할 수 있으며, 본 공정 결과 희생층(170) 일부가 식각될 수 있다.
도 9a 및 도 9b를 참조하면, 제3 마스크 패턴(190)을 제거한 후, 채널층(185)의 측면이 노출되도록 제1 트렌치(T1)에 의해 노출된 희생층(170) 일부를 제거한다. 이때, 희생층(170)을 제거하기 위해 제2 및 제3 층간 절연막(165, 175)과의 식각 선택비를 이용한 습식 식각 공정을 수행할 수 있으며, 잔류하는 희생층(170)을 희생층 패턴(170A)이라 한다.
이어서, 채널층(185)의 측면에 게이트 절연막(195)을 형성한다. 게이트 절연막(195)은 열 산화 공정 등을 통해 채널층(185)을 산화시켜 형성할 수 있으며, 이때 노출되어 있는 채널층(185)의 상면에도 게이트 절연막(195)이 형성될 수 있다.
도 10a 및 도 10b를 참조하면, 제1 트렌치(T1)를 통해 희생층(170)이 제거된 공간 내벽을 따라 제1 선택 게이트 전극용 도전막(200)을 형성한다.
여기서, 제1 선택 게이트 전극용 도전막(200)은 도전 물질, 예컨대 도핑된 폴리실리콘을 원자층 증착(Atomic Layer Deposition; ALD) 또는 화학적 기상 증착(Chemical Vapor Deposition; CVD) 등의 방식으로 콘포멀하게 증착하여 형성할 수 있다.
이어서, 제1 선택 게이트 전극용 도전막(200) 상에 제2 선택 게이트 전극용 도전막(205)을 형성한다.
여기서, 제2 선택 게이트 전극용 도전막(205)은 금속과 같은 도전 물질을 희생층(170)이 제거된 공간을 매립하는 두께로 증착하여 형성할 수 있으며, 예컨대 텅스텐 핵을 생성(Nucleation)하고 나서 벌크(Bulk) 텅스텐을 증착하여 형성할 수 있다. 한편, 제2 선택 게이트 전극용 도전막(205)을 형성하기 전에 계면 특성을 향상시키기 위하여 제1 선택 게이트 전극용 도전막(200) 상에 텅스텐 질화물(WN) 또는 티타늄 질화물(TiN) 등의 금속 질화물을 추가로 증착하여 장벽 금속막을 형성할 수도 있다.
도 11a 및 도 11b를 참조하면, 제1 트렌치(T1) 상부에 형성된 제1 선택 게이트 전극용 도전막(200) 및 제2 선택 게이트 전극용 도전막(205)을 제거하여 제1 선택 게이트 전극층(200A) 및 제2 선택 게이트 전극층(205A)을 형성한다.
여기서, 제1 및 제2 선택 게이트 전극용 도전막(200, 205) 일부를 제거하기 위해 에치백 공정을 수행할 수 있다. 특히, 제1 및 제2 선택 게이트 전극층(200A, 205A)은 선택 트랜지스터의 게이트 전극으로서 상기 게이트 패턴의 상부에 위치하며, 채널층(185)의 측면을 게이트 절연막(195)을 개재하여 둘러싸면서 상기 게이트 패턴 방향으로 연장되는 라인 형태로 형성될 수 있다.
이어서, 제1 및 제2 선택 게이트 전극층(200A, 205A)이 형성된 결과물 상에 제4 층간 절연막(210)을 형성한다. 제4 층간 절연막(210)은 TEOS 산화막, HDP 산화막 등과 같은 산화막 계열의 물질을 증착하여 형성할 수 있다.
도 12a 및 도 12b를 참조하면, 제4 층간 절연막(210)을 관통하여 채널층(185)의 상단에 접속되는 도전 라인(215)을 형성한다.
여기서, 도전 라인(215)은 제4 층간 절연막(210)을 선택적으로 식각하여 채널층(185)의 상면을 노출시키면서 상기 게이트 패턴과 교차하는 방향으로 연장되는 슬릿 형태의 트렌치(미도시됨)를 형성한 후, 이 트렌치를 도핑된 폴리실리콘, 금속 또는 금속 질화물 등과 같은 도전 물질로 매립하여 형성할 수 있다. 한편, 본 공정 결과 형성된 도전 라인(215)을 통해 드레인 콘택 플러그(160A) 및 소스 콘택 플러그(160B)에 각각 접속된 채널층(185) 한 쌍이 서로 연결될 수 있다.
이상에서 설명한 제조 방법에 의하여, 도 12a 및 도 12b에 도시된 것과 같은 본 발명의 제1 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치가 제조될 수 있다.
도 12a 및 도 12b를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치는, 기판(100) 상의 복수의 메모리 셀이 직렬로 연결되어 일 방향으로 연장되는 셀 스트링, 상기 셀 스트링의 드레인 측과 소스 측에 각각 접속되면서 기판(100)과 수직한 방향으로 연장되는 채널층(185), 상기 셀 스트링의 상부에 위치하면서 채널층(185)의 측면을 게이트 절연막(195)을 개재하여 둘러싸는 제1 및 제2 선택 게이트 전극층(200A, 205A), 및 채널층(185)의 상단에 접속되는 도전 라인(215)을 포함할 수 있다.
상기 메모리 셀은 플로팅 게이트 전극층(110), 전하 차단막(115), 제1 및 제2 컨트롤 게이트 전극층(120, 125) 및 게이트 하드마스크층(130)이 순차로 적층된 게이트 패턴을 포함할 수 있다.
상기 셀 스트링은 복수개가 서로 평행하게 배열될 수 있으며, 상기 셀 스트링의 드레인 측과 소스 측이 각각 드레인 콘택 플러그(160A) 및 소스 콘택 플러그(160B)를 통해 채널층(185)에 접속될 수 있다.
드레인 콘택 플러그(160A) 및 소스 콘택 플러그(160B)는 상기 셀 스트링의 일부를 덮을 수 있으며, 특히 소스 콘택 플러그(160B)는 인접하는 한 쌍의 상기 셀 스트링에 동시에 접속될 수 있다.
제1 및 제2 선택 게이트 전극층(200A, 205A)은 상기 셀 스트링과 교차하는 방향으로 연장되는 라인 형태를 가질 수 있으며, 도전 라인(215)은 상기 셀 스트링의 드레인 측과 소스 측에 각각 접속된 채널층(185) 한 쌍을 서로 연결시킬 수 있다. 특히, 인접하는 한 쌍의 드레인 콘택 플러그(160A) 및 소스 콘택 플러그(160B)를 하나의 도전 라인(215)에 연결하되, 제1 및 제2 선택 게이트 전극층(200A, 205A)을 통해 각기 독립적으로 제어할 수 있으며, 이에 따라 비휘발성 메모리 장치의 동작 특성을 개선할 수 있다.
도 13a 및 도 13b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 전술한 제1 실시예와 실질적으로 동일한 부분에 대하여는 상세한 설명을 생략하기로 한다. 먼저, 제1 실시예와 동일하게 도 2 내지 도 11b의 공정을 수행한 후, 도 13a 및 도 13b의 공정을 수행한다.
도 13a 및 도 13b를 참조하면, 제4 층간 절연막(210)을 선택적으로 식각하여 소스 콘택 플러그(160B) 상의 채널층(185) 상면을 노출시키는 제2 트렌치(T2)를 형성한 후, 제2 트렌치(T2) 내에 소스 라인(220)을 형성한다. 이때, 소스 라인(220)을 공통으로 사용하기 위해 소스 콘택 플러그(160B) 상의 채널층(185)들은 일렬로 배치될 수 있다.
여기서, 제2 트렌치(T2)는 상기 게이트 패턴 방향으로 연장되는 슬릿 형태로 형성할 수 있으며, 소스 라인(220)은 도전 물질, 예컨대 도핑된 폴리실리콘, 금속 또는 금속 질화물 등을 제2 트렌치(T2)를 매립하는 두께로 증착한 후, 제4 층간 절연막(210)의 상면이 드러날 때까지 화학적 기계적 연마(CMP) 등의 평탄화 공정을 수행하여 형성할 수 있다.
이어서, 제4 층간 절연막(210) 및 소스 라인(220) 상에 제5 층간 절연막(225)을 형성한 후, 제4 및 제5 층간 절연막(210, 225)을 선택적으로 식각하여 드레인 콘택 플러그(160A) 상의 채널층(185) 상면을 노출시키는 콘택 홀(H4)을 형성한다. 제5 층간 절연막(225)은 TEOS 산화막, HDP 산화막 등과 같은 산화막 계열의 물질을 증착하여 형성할 수 있다.
이어서, 콘택 홀(H4) 내에 콘택 플러그(230)를 형성한 후, 콘택 플러그(230)의 상단에 접속되는 비트 라인(235)을 형성한다.
여기서, 콘택 플러그(230)는 콘택 홀(H4)을 도핑된 폴리실리콘, 금속 또는 금속 질화물 등과 같은 도전 물질로 매립하여 형성할 수 있다. 또한, 비트 라인(235)은 제5 층간 절연막(225) 및 콘택 플러그(230) 상에 절연막을 증착하고 나서 이 절연막을 선택적으로 식각하여 콘택 플러그(230)의 상면을 노출시키면서 상기 게이트 패턴과 교차하는 방향으로 연장되는 슬릿 형태의 트렌치(미도시됨)를 형성한 후, 이 트렌치를 도핑된 폴리실리콘, 금속 또는 금속 질화물 등과 같은 도전 물질로 매립하여 형성할 수 있다.
특히, 비트 라인(235)을 인접하는 한 쌍의 콘택 플러그(230)에 동시에 접속되도록 형성함으로써 인접하는 한 쌍의 셀 스트링이 비트 라인(235)을 공통으로 사용하도록 할 수 있으며, 이러한 경우 비트 라인(235)의 폭을 넓게 형성할 수 있으므로 비트 라인(235) 패터닝 공정이 용이하고 단순해진다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예들에 따른 비휘발성 메모리 장치 및 그 제조 방법에 의하면, 선택 게이트 전극을 SGT(Surround Gate Transistor) 형태로 셀 스트링의 상부에 형성함으로써 칩 사이즈(Chip Size)를 감소시킴과 동시에 메모리 소자의 제조 공정을 용이하고 단순하게 할 수 있다. 또한, 선택 게이트 전극에 인접하는 워드 라인에서 발생하는 HCI(Hot Carrier Injection)에 의한 교란을 방지할 수 있으며, 메모리 셀들의 문턱 전압 분포를 개선하여 내구성 및 데이터 유지(Retention) 특성을 향상시킬 수 있다. 특히, 비트 라인을 공통으로 사용하되 선택 게이트 전극을 통해 각기 독립적으로 제어할 수 있으며, 소스 라인 바운싱(Bouncing)을 방지하여 센싱 마진(Sensing Margin)을 충분히 확보할 수 있다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기록되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 기판 105 : 터널 절연막
110 : 플로팅 게이트 전극층 115 : 전하 차단막
120 : 제1 컨트롤 게이트 전극층 125 : 제2 컨트롤 게이트 전극층
130 : 게이트 하드마스크층 135 : 감광막 패턴
140 : 제1 스페이서 절연막 145 : 제2 스페이서 절연막
150 : 제1 층간 절연막 155 : 제1 마스크 패턴
160A : 드레인 콘택 플러그 160B : 소스 콘택 플러그
165 : 제2 층간 절연막 170A : 희생층 패턴
175 : 제3 층간 절연막 180 : 제2 마스크 패턴
185 : 채널층 190 : 제3 마스크 패턴
195 : 게이트 절연막 200A : 제1 선택 게이트 전극층
205A : 제2 선택 게이트 전극층 210 : 제4 층간 절연막
215 : 도전 라인 220 : 소스 라인
225 : 제5 층간 절연막 230 : 콘택 플러그
235 : 비트 라인 H1 : 드레인 콘택 홀
H2 : 소스 콘택 홀 H3 : 채널 홀
H4 : 콘택 홀 T1 : 제1 트렌치
T2 : 제2 트렌치
110 : 플로팅 게이트 전극층 115 : 전하 차단막
120 : 제1 컨트롤 게이트 전극층 125 : 제2 컨트롤 게이트 전극층
130 : 게이트 하드마스크층 135 : 감광막 패턴
140 : 제1 스페이서 절연막 145 : 제2 스페이서 절연막
150 : 제1 층간 절연막 155 : 제1 마스크 패턴
160A : 드레인 콘택 플러그 160B : 소스 콘택 플러그
165 : 제2 층간 절연막 170A : 희생층 패턴
175 : 제3 층간 절연막 180 : 제2 마스크 패턴
185 : 채널층 190 : 제3 마스크 패턴
195 : 게이트 절연막 200A : 제1 선택 게이트 전극층
205A : 제2 선택 게이트 전극층 210 : 제4 층간 절연막
215 : 도전 라인 220 : 소스 라인
225 : 제5 층간 절연막 230 : 콘택 플러그
235 : 비트 라인 H1 : 드레인 콘택 홀
H2 : 소스 콘택 홀 H3 : 채널 홀
H4 : 콘택 홀 T1 : 제1 트렌치
T2 : 제2 트렌치
Claims (18)
- 기판 상의 복수의 메모리 셀을 포함하며, 일 방향으로 연장되는 셀 스트링;
상기 셀 스트링의 일 측과 타 측에 각각 접속되며, 상기 기판과 수직한 방향으로 연장되는 채널층;
상기 셀 스트링의 상부에 위치하며, 상기 채널층의 측면을 게이트 절연막을 개재하여 둘러싸는 선택 게이트 전극; 및
상기 채널층의 상단에 접속되는 도전 라인을 포함하는
비휘발성 메모리 장치.
- 제1 항에 있어서,
상기 메모리 셀은, 플로팅 게이트 전극, 전하 차단막 및 컨트롤 게이트 전극이 순차로 적층된 구조물을 포함하는
비휘발성 메모리 장치.
- 제1 항에 있어서,
상기 선택 게이트 전극은, 상기 셀 스트링과 교차하는 방향으로 연장되는 라인 형태인
비휘발성 메모리 장치.
- 제1 항에 있어서,
상기 도전 라인은, 상기 셀 스트링의 일 측과 타 측에 각각 접속된 상기 채널층 한 쌍을 서로 연결시키는
비휘발성 메모리 장치.
- 제1 항에 있어서,
상기 도전 라인은, 비트 라인 및 소스 라인 중 어느 하나이며,
상기 비트 라인 및 상기 소스 라인은, 상기 채널층을 통해 상기 셀 스트링의 일 측과 타 측에 각각 접속되는
비휘발성 메모리 장치.
- 제1 항에 있어서,
상기 셀 스트링은, 일 측이 드레인 콘택 플러그를 통해 상기 채널층에 접속되고, 타 측이 소스 콘택 플러그를 통해 상기 채널층에 접속되는
비휘발성 메모리 장치. - 제6 항에 있어서,
상기 드레인 콘택 플러그 및 상기 소스 콘택 플러그는, 상기 셀 스트링의 일부를 덮는
비휘발성 메모리 장치.
- 제6 항에 있어서,
상기 셀 스트링은, 복수개가 서로 평행하게 배열되며,
상기 소스 콘택 플러그는, 인접하는 한 쌍의 상기 셀 스트링에 동시에 접속되는
비휘발성 메모리 장치.
- 기판 상에 서로 평행하게 연장되는 복수의 게이트 패턴을 형성하는 단계;
상기 기판의 접합 영역에 접속되며, 상기 기판과 수직한 방향으로 연장되는 채널층을 형성하는 단계;
상기 게이트 패턴의 상부에 위치하며, 상기 채널층의 측면을 게이트 절연막을 개재하여 둘러싸는 선택 게이트 전극을 형성하는 단계; 및
상기 채널층의 상단에 접속되는 도전 라인을 형성하는 단계를 포함하는
비휘발성 메모리 장치의 제조 방법.
- 제9 항에 있어서,
상기 게이트 패턴은, 플로팅 게이트 전극, 전하 차단막 및 컨트롤 게이트 전극을 순차로 적층하여 형성하는
비휘발성 메모리 장치의 제조 방법.
- 제9 항에 있어서,
상기 복수의 게이트 패턴은, 서로 동일한 폭으로 형성하는
비휘발성 메모리 장치의 제조 방법.
- 제9 항에 있어서,
상기 게이트 패턴 형성 단계 후에,
상기 접합 영역에 접속되는 콘택 플러그를 형성하는 단계를 더 포함하고,
상기 채널층은, 상기 콘택 플러그를 통해 상기 접합 영역에 접속되는
비휘발성 메모리 장치의 제조 방법.
- 제12 항에 있어서,
상기 콘택 플러그 형성 단계는,
상기 복수의 게이트 패턴이 형성된 상기 기판을 덮는 스페이서 절연막을 형성하는 단계;
상기 스페이서 절연막 상에 제1 층간 절연막을 형성하는 단계;
상기 제1 층간 절연막 및 상기 스페이서 절연막을 관통하여 상기 접합 영역을 노출시키는 콘택 홀을 형성하는 단계; 및
상기 콘택 홀 내에 도전 물질을 매립하는 단계를 포함하는
비휘발성 메모리 장치의 제조 방법.
- 제13 항에 있어서,
상기 스페이서 절연막은, 상기 제1 층간 절연막과 식각 선택비를 갖는 물질로 형성하는
비휘발성 메모리 장치의 제조 방법.
- 제9 항에 있어서,
상기 채널층 형성 단계는,
상기 복수의 게이트 패턴이 형성된 상기 기판 상에 제2 층간 절연막, 희생층 및 제3 층간 절연막을 순차로 형성하는 단계;
상기 제3 층간 절연막, 상기 희생층 및 상기 제2 층간 절연막을 관통하는 채널 홀을 형성하는 단계; 및
상기 채널 홀 내에 반도체 물질을 매립하는 단계를 포함하는
비휘발성 메모리 장치의 제조 방법.
- 제15 항에 있어서,
상기 희생층은, 상기 제2 및 제3 층간 절연막과 식각 선택비를 갖는 물질로 형성하는
비휘발성 메모리 장치의 제조 방법.
- 제15 항에 있어서,
상기 선택 게이트 전극 형성 단계는,
상기 제3 층간 절연막을 관통하는 깊이의 트렌치를 형성하는 단계;
상기 트렌치에 의해 노출된 상기 희생층의 일부를 제거하여 상기 채널층의 측면을 노출시키는 단계;
상기 채널층의 측면에 상기 게이트 절연막을 형성하는 단계; 및
상기 희생층이 제거된 공간에 도전 물질을 매립하는 단계를 포함하는
비휘발성 메모리 장치의 제조 방법.
- 제17 항에 있어서,
상기 트렌치는, 상기 채널층과 인접하면서 일 방향으로 연장되는 슬릿 형태로 형성하는
비휘발성 메모리 장치의 제조 방법.
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