KR20220130636A - Semiconductor memory device - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반도체 메모리 장치에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로, 강유전체(ferroelectric)를 포함하는 DRAM(Dynamic Random Access Memory)에 관한 것이다.The present invention relates to a semiconductor memory device, and more particularly, to a dynamic random access memory (DRAM) including a ferroelectric.
반도체 소자가 점점 고집적화됨에 따라, 동일한 면적에 보다 많은 반도체 소자를 구현하기 위해 개별 회로 패턴들은 더욱 미세화 되어 가고 있다. 즉, 반도체 소자의 집적도가 증가함에 따라 반도체 소자의 구성 요소들에 대한 디자인 룰이 감소하고 있다.As semiconductor devices are increasingly highly integrated, individual circuit patterns are becoming more miniaturized in order to implement more semiconductor devices in the same area. That is, as the degree of integration of the semiconductor device increases, the design rules for the components of the semiconductor device are decreasing.
DRAM의 집적도를 향상시키기 위해 새로운 물질과 새로운 구조가 제안되고 있다. 구조적 안정성과 동작의 신뢰성을 향상시키기 위해 강유전성(ferroelectric) 물질을 이용한 메모리 소자가 연구되고 있다.In order to improve the density of DRAM, new materials and new structures have been proposed. In order to improve structural stability and operational reliability, a memory device using a ferroelectric material is being studied.
본 발명이 해결하려는 과제는, 소자 성능 및 신뢰성을 개선할 수 있는 반도체 메모리 장치를 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a semiconductor memory device capable of improving device performance and reliability.
본 발명이 해결하려는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problems to be solved by the present invention are not limited to the problems mentioned above, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 반도체 메모리 장치의 일 태양(aspect)은 기판, 기판 상에 배치되는 베이스 절연층, 베이스 절연층 상에, 제1 방향으로 교대로 적층되는 복수의 전극층 및 복수의 게이트 구조체 및 복수의 전극층 및 복수의 게이트 구조체를 관통하는 채널 구조체를 포함하고, 각각의 게이트 구조체는 게이트 전극과 게이트 전극을 둘러싸는 강유전체층을 포함하고, 채널 구조체는 반도체층과, 반도체층 내에 제1 방향으로 연장되는 필링 절연층을 포함하고, 반도체층은 전극층과 접촉하는 제1 영역 및 게이트 구조체와 접촉하는 제2 영역을 포함하고, 반도체층은 단결정 실리콘(Si)을 포함하고, 제1 영역에 도핑된 불순물은 제2 영역에 도핑된 불순물과 동일하고, 제1 영역에서 상기 불순물의 농도는 제2 영역에서 불순물의 농도와 동일하다.One aspect of the semiconductor memory device of the present invention for solving the above problems is a substrate, a base insulating layer disposed on the substrate, a plurality of electrode layers alternately stacked on the base insulating layer in a first direction, and a plurality of a gate structure and a plurality of electrode layers and a channel structure penetrating the plurality of gate structures, each gate structure including a gate electrode and a ferroelectric layer surrounding the gate electrode, the channel structure including a semiconductor layer and a first structure in the semiconductor layer a filling insulating layer extending in one direction, wherein the semiconductor layer includes a first region in contact with the electrode layer and a second region in contact with the gate structure, the semiconductor layer includes single crystal silicon (Si), and the first region The impurity doped in the ? is the same as the impurity doped in the second region, and the concentration of the impurity in the first region is the same as the concentration of the impurity in the second region.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 반도체 메모리 장치의 다른 태양(aspect)은 기판, 기판 상에, 기판의 상면과 수직인 제1 방향으로 배치되는 제1 절연층, 제1 절연층 상에, 교대로 적층된 제1 전극층과 제1 게이트 구조체를 포함하는 제1 메모리 구조체, 제1 메모리 구조체 상에 배치되는 제2 절연층, 제2 절연층 상에, 교대로 적층된 제2 전극층과 제2 게이트 구조체를 포함하는 제2 메모리 구조체 및 제1 메모리 구조체와 제2 메모리 구조체와 제2 절연층을 관통하는 채널 구조체를 포함하고, 제1 게이트 구조체 및 제2 게이트 구조체 각각은 게이트 전극과 게이트 전극을 둘러싸는 강유전체층을 포함하고, 채널 구조체는 반도체층과, 반도체층 내에 상기 제1 방향으로 연장되는 필링 절연층을 포함하고, 반도체층은 제1 전극층 또는 제2 전극층과 접촉하는 제1 영역과, 제1 게이트 구조체 또는 제2 게이트 구조체와 접촉하는 제2 영역을 포함하고, 반도체층은 단결정 실리콘(Si)을 포함하고, 제1 영역에 도핑된 불순물은 제2 영역에 도핑된 불순물과 동일하고, 제1 영역에서 상기 불순물의 농도는 제2 영역에서 불순물의 농도와 동일하다.Another aspect of the semiconductor memory device of the present invention for solving the above problems is a substrate, on the substrate, a first insulating layer disposed in a first direction perpendicular to an upper surface of the substrate, on the first insulating layer, alternately A first memory structure including a first electrode layer and a first gate structure stacked with a first memory structure, a second insulation layer disposed on the first memory structure, and a second electrode layer and a second gate alternately stacked on the second insulation layer a second memory structure including the structure and a channel structure penetrating the first memory structure and the second memory structure and the second insulating layer, wherein each of the first gate structure and the second gate structure surrounds the gate electrode and the gate electrode. includes a ferroelectric layer, the channel structure includes a semiconductor layer, and a filling insulating layer extending in the first direction within the semiconductor layer, the semiconductor layer comprising: a first region in contact with the first electrode layer or the second electrode layer; a second region in contact with the first gate structure or the second gate structure, wherein the semiconductor layer includes single crystal silicon (Si), the impurity doped in the first region is the same as the impurity doped in the second region, The concentration of the impurity in the first region is the same as the concentration of the impurity in the second region.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.Other specific details of the invention are included in the detailed description and drawings.
도 1은 몇몇 실시예들에 따른 반도체 메모리 장치의 개략적인 레이아웃도이다.
도 2는 도 1의 A - A를 따라 절단한 단면도이다.
도 3은 몇몇 실시예들에 따른 반도체 메모리 장치의 예시적인 회로도이다.
도 4는 몇몇 실시예에 따른 반도체 메모리 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 몇몇 실시예에 따른 반도체 메모리 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 몇몇 실시예에 따른 반도체 메모리 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 7 내지 도 18은 몇몇 실시예에 따른 반도체 메모리 장치의 제조 방법을 설명하기 위한 중간 단계 도면들이다.1 is a schematic layout diagram of a semiconductor memory device according to some embodiments.
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line A - A of FIG. 1 .
3 is an exemplary circuit diagram of a semiconductor memory device according to some embodiments.
4 is a diagram for describing a semiconductor memory device according to some exemplary embodiments.
5 is a diagram for describing a semiconductor memory device according to some exemplary embodiments.
6 is a diagram for describing a semiconductor memory device according to some exemplary embodiments.
7 to 18 are intermediate steps for explaining a method of manufacturing a semiconductor memory device according to some embodiments.
도 1은 몇몇 실시예들에 따른 반도체 메모리 장치의 개략적인 레이아웃도이다. 도 2는 도 1의 A - A를 따라 절단한 단면도이다.1 is a schematic layout diagram of a semiconductor memory device according to some embodiments. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line A - A of FIG. 1 .
몇몇 실시예들에 따른 반도체 메모리 장치에 관한 도면에서, 예시적으로 DRAM(Dynamic Random Access Memory)이 도시되었지만, 이에 제한되는 것은 아니다.In the drawings of the semiconductor memory device according to some embodiments, a dynamic random access memory (DRAM) is illustratively illustrated, but the present invention is not limited thereto.
도 1 및 도 2를 참조하면, 반도체 메모리 장치는 기판(100), 베이스 절연층(105), 전극층(110), 게이트 구조체(GS) 및 채널 구조체(CH)를 포함할 수 있다.1 and 2 , the semiconductor memory device may include a
기판(100)은 실리콘 기판 또는 SOI(silicon-on-insulator)일 수 있다. 이와 달리, 기판(100)은 실리콘게르마늄, SGOI(silicon germanium on insulator), 안티몬화 인듐, 납 텔루르 화합물, 인듐 비소, 인듐 인화물, 갈륨 비소 또는 안티몬화 갈륨을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The
베이스 절연층(105)는 기판(100) 상에 배치될 수 있다. 베이스 절연층(105)은 기판(100)의 상면(100US)을 따라 제3 방향(D3) 또는 제2 방향(D2)으로 연장될 수 있다. 베이스 절연층(105)은 예를 들어, 실리콘 산화막, 실리콘 질화막 및 실리콘 산질화막 중 적어도 하나를 포함할 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. The
몇몇 실시예에서, 기판(100)과 베이스 절연층(105) 사이에 주변 로직 구조체를 포함할 수 있다. 상기 주변 로직 구조체는 예를 들어, 트랜지스터를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 주변 로직 구조체는 트랜지스터 등의 다양한 능동 소자(active element)뿐만 아니라, 커패시터(capacitor), 레지스터(resistor), 인덕터(inductor) 등의 다양한 수동 소자(passive element)를 포함할 수도 있다. In some embodiments, a peripheral logic structure may be included between the
전극층(110)은 제1 내지 제5 전극층(110a, 110b, 110c, 110d, 110e)을 포함할 수 있다. 전극층(110)은 베이스 절연층(105) 상에 배치될 수 있다. 전극층(110) 각각은 베이스 절연층(105) 상에 제1 방향(D1)으로 이격되어 배치될 수 있다. 제1 방향(D1)은 기판(100)의 상면(100US)에 수직한 방향일 수 있다. 전극층(110)의 일부는 제2 방향(D2) 및/또는 제3 방향(D3)에서 채널 구조체(CH)와 접촉할 수 있다. 전극층(110)은 5개인 것으로 도시되었으나, 이에 제한되지 않는다. 예를 들어, 전극층(110)은 6개 이상일 수 있다.The
전극층(110)은 평면적 관점에서 원형으로 도시되었으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 전극층(110)은 평면적 관점에서 사각형 형상일 수 있다. 이때, 제1 내지 제5 전극층(110a, 110b, 110c, 110d, 110e)의 일단은 순차적으로 돌출되는 계단 형상으로 적층될 수 있다.The
전극층(110)은 전도성 물질을 포함할 수 있다. 전극층(110)은 예를 들어, 물질은 텅스텐(W), 티타늄(Ti), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 루테늄(Ru), 백금(Pt), 이리듐(Ir), 이리듐 산화물(IrO), 텅스텐 질화물(WN), 티타늄 질화물(TiN), 탄탈륨 질화물(TaN), 텅스텐 카바이드(WC), 티타늄 카바이드(TiC), 텅스텐 실리사이드, 티타늄 실리사이드, 탄탈륨 실리사이드, 루테늄 산화물(RuO) 또는 이들의 둘 이상의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The
게이트 구조체(GS)는 전극층(110) 상에 배치될 수 있다. 게이트 구조체(GS) 제1 방향(D1)으로 이격되어 배치될 수 있다. 게이트 구조체(GS)는 전극층(110)과 제1 방향(D1)으로 교대로 적층될 수 있다. 다르게 표현하면, 게이트 구조체(GS)는 제1 방향(D1)으로 전극층(110) 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 전극층(110a)과 제2 전극층(110b) 사이에 게이트 구조체(GS)가 배치될 수 있다. The gate structure GS may be disposed on the
게이트 구조체(GS)의 일부는 제2 방향(D2) 및/또는 제3 방향(D3)에서, 채널 구조체(CH)와 접촉할 수 있다. 게이트 구조체(GS)는 4개인 것으로 도시되었으나, 이에 제한되지 않는다. 예를 들어, 게이트 구조체(GS)가 N개인 경우, 전극층(110)은 N+1개 일 수 있고, 전극층(110)은 N+1개 보다 많을 수 있다.A portion of the gate structure GS may contact the channel structure CH in the second direction D2 and/or the third direction D3 . Although the gate structure GS is illustrated as having four, it is not limited thereto. For example, when the number of gate structures GS is N, the number of
게이트 구조체(GS)는 게이트 전극(130) 및 강유전체층(140) 등을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 게이트 구조체(GS)는 버퍼층(135)을 더 포함할 수 있다.The gate structure GS may include a
버퍼층(135)은 게이트 전극(130) 및 강유전체층(140)을 둘러쌀 수 있다. 버퍼층(135)은 제2 방향(D2) 및 제3 방향(D3)으로 전극층(110)과 접촉할 수 있다. 버퍼층(135)은 전극층(110)의 표면을 따라 제2 방향(D2) 및 제3 방향(D3)으로 연장될 수 있다. 버퍼층(135)은 제1 방향(D1)으로 채널 구조체(CH)와 직접 접촉할 수 있다. 이 경우, 강유전체층(140)은 채널 구조체(CH)와 직접 접촉하지 않는다. 여기서 직접 접촉한다는 용어는, 일 구성과 다른 구성 사이에 또 다른 구성이 개재되지 않고, 일 구성과 다른 구성이 접촉하는 것을 의미한다. The
버퍼층(135)은 게이트 전극(130)과 전극층(110)을 전기적으로 절연시키는 절연층일 수 있다. 버퍼층(135)는 절연물질을 포함할 수 있다. 버퍼층(135)은 예를 들어, 실리콘 산화막, 실리콘 질화막 및 실리콘 산질화막 중 적어도 하나를 포함할 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. The
버퍼층(135)이 하나의 절연층으로 형성되는 것으로 도시되었지만, 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 버퍼층(135)은 절연막과 고유전율막을 포함할 수 있다.Although the
강유전체층(140)은 게이트 전극(130)과 버퍼층(135) 사이에 배치될 수 있다. 다르게 표현하면, 채널 구조체(CH)를 중심으로, 제2 방향(D2) 및/또는 제3 방향(D3)으로 채널 구조체(CH), 버퍼층(135), 강유전체층(140) 및 게이트 전극(130)이 순차적으로 배치될 수 있다. 강유전체층(140)과 전극층(110) 사이에 버퍼층(135)이 배치되어, 강유전체층(140)이 전극층(110)과 직접 접촉하지 않을 수 있다. 강유전체층(140)과 채널 구조체(CH) 사이에 버퍼층(135)이 배치되어, 강유전체층(140)이 채널 구조체(CH)와 직접 접촉하지 않을 수 있다.The
강유전체층(140)은 게이트 전극(130)과 채널 구조체(CH) 사이에 인가되는 분극 쓰기 전압에 의해 강유전체층(140) 내에 생성되는 잔류 분극을 저장할 수 있다. 저장된 상기 잔류 분극에 의해, 신호 정보가 비휘발적으로 저장될 수 있다. 즉, 강유전체층(140)은 비휘발성 메모리층으로 기능할 수 있다.The
강유전체층(140)은 예를 들어, 하프늄 산화물, 지르코늄 산화물, 하프늄 지르코늄 산화물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 또한, 강유전체층(140)은 예를 들어, PZT(PbZrxTi1-xO3), BaTiO3, PbTiO3 등과 같은 페로브스카이트 구조의 강유전성 물질을 포함할 수 있다. 강유전체층(140)은 탄소(C), 실리콘(Si), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 이트륨(Y), 질소(N), 게르마늄(Ge), 주석(Sn), 스트론튬(Sr), 납(Pb), 칼슘(Ca), 바륨(Ba), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 가돌리늄(Gd), 및 란탄(La)에서 선택되는 적어도 하나의 도펀트를 포함할 수 있다. 강유전체층(140)은 결정질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 강유전체층(140)은 사방정계(orthorhombic system)의 결정 구조를 가질 수 있다.The
게이트 전극(130)은 강유전체층(140) 상에 배치될 수 있다. 게이트 전극(130)은 전도성 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 게이트 전극(130)은 금속, 금속 합금, 도전성 금속 질화물, 도전성 금속 탄질화물, 도전성 금속 탄화물, 도전성 금속 실리사이드, 도핑된 반도체 물질, 도전성 금속 산질화물 및 도전성 금속 산화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 셀 게이트 전극(112)는 예를 들어, TiN, TaC, TaN, TiSiN, TaSiN, TaTiN, TiAlN, TaAlN, WN, Ru, TiAl, TiAlC-N, TiAlC, TiC, TaCN, W, Al, Cu, Co, Ti, Ta, Ni, Pt, Ni-Pt, Nb, NbN, NbC, Mo, MoN, MoC, WC, Rh, Pd, Ir, Ag, Au, Zn, V, RuTiN, TiSi, TaSi, NiSi, CoSi, IrO, RuO 및 이들의 조합 중 적어도 하나를 포함할 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다The
채널 구조체(CH)는 게이트 구조체(GS) 및 전극층(110)을 관통할 수 있다. 채널 구조체(CH)는 베이스 절연층(105)를 관통할 수 있다. 채널 구조체(CH)는 제1 방향(D1)으로 연장될 수 있다. 채널 구조체(CH)의 측면은 전극층(110) 및 게이트 구조체(GS)와 접촉할 수 있다. 채널 구조체(CH)의 하부는 기판(100)의 상면(100US)과 접촉할 수 있다.The channel structure CH may pass through the gate structure GS and the
채널 구조체(CH)는 반도체층(160)과 필링 절연층(165)을 포함할 수 있다.The channel structure CH may include a
반도체층(160)은 단결정 실리콘(Si), 다결정 실리콘 등을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 반도체층(160)은 단결정 실리콘일 수 있다. 이 경우, 반도체층(160)은 다결정 실리콘 층에 어닐링(annealing)을 통해 형성될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 반도체층(160)은 n형 불순물 또는 p형 불순물로 도핑될 수 있다. 이 경우, 반도체층(160)에 도핑된 n형 불순물 또는 p형 불순물의 농도는 1E19(/cm3) 이상일 수 있다.The
일 실시예에서, 반도체층(160)은 제3 방향(D3)으로 두께(W1)를 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 반도체층(160)은 제2 방향(D2)으로 두께(W1)를 가질 수 있다. 반도체층(160)의 두께(W1)는 25nm 이하일 수 있다.In an embodiment, the
반도체층(160)은 전극층(110)과 접촉하는 제1 영역(R1)을 포함할 수 있다. 반도체층(160)은 게이트 구조체(GS)와 접촉하는 제2 영역(R2)을 포함할 수 있다. 제1 영역(R1)은 반도체 메모리 장치에서 소오스/드레인 영역일 수 있다. 제2 영역(R2)은 반도체 메모리 장치에서 채널 영역일 수 있다. 제1 영역(R1)에 도핑된 불순물은 제2 영역(R2)에 도핑된 불순물과 동일하다. 제1 영역(R1)에서 불순물의 농도는 제2 영역(R2)에서 불순물의 농도와 동일할 수 있다.The
반도체층(160)의 제1 영역(R1) 및 제2 영역(R2)이 동일한 타입의 불순물로 도핑되어 있어 무접합 트랜지스터(Junctionless Transistor)로 기능할 수 있다. 여기서 무접합 트랜지스터란, 기존의 NPN 접합 트랜지스터와 달리 소오스/드레인 영역과 채널 영역이 동일한 불순물로 도핑되어 있어 트랜지스터의 경계에서 pn 접합(junction)이 존재하지 않는 트랜지스터를 의미한다. 이에 따른 반도체 소자는 소오스/드레인 및 채널 간의 도핑 농도의 차이가 없어 소오스와 채널 사이 및 드레인과 채널 사이 접합부분에서 전기장이 기존의 접합 트랜지스터를 이용할 때 보다 상대적으로 약해지므로 충격 이온화(Impact Ionization)나 게이트 유기 드레인 누설(Gate Induced Drain Leakage: GIDL)의 영향이 적다.Since the first region R1 and the second region R2 of the
필링 절연층(165)은 반도체층(160) 내에 배치될 수 있다. 필링 절연층(165)은 제1 방향(D1)으로 연장될 수 있다. 필링 절연층(165)은 반도체층(160)에 의해 둘러싸일 수 있다. 필링 절연층(165)과 베이스 절연층(105) 사이에 반도체층(160)이 배치될 수 있다. 필링 절연층(165)은 절연물질을 포함할 수 있다. 필링 절연층(165)은 예를 들어, 실리콘 산화막, 실리콘 질화막 및 실리콘 산질화막 중 적어도 하나를 포함할 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.The filling insulating
도 3은 몇몇 실시예들에 따른 반도체 메모리 장치의 예시적인 회로도이다.3 is an exemplary circuit diagram of a semiconductor memory device according to some embodiments.
도 3은 도 2의 반도체 메모리 장치의 예시적인 회로도이다. 도 2 및 도 3을 참조하여, 반도체 메모리 장치의 동작에 대해 설명한다. 3 is an exemplary circuit diagram of the semiconductor memory device of FIG. 2 . An operation of the semiconductor memory device will be described with reference to FIGS. 2 and 3 .
도 3에서, 제1 내지 제4 단위 메모리 셀(UC1, UC2, UC3, UC4)은 각각 대응되는 강유전체층(F1, F2, F3, F4) 및 게이트 전극(G1, G2, G3, G4)를 구비하는 트랜지스터 형태의 강유전성 메모리 장치일 수 있다. 제1 및 제2 단위 메모리 셀(UC1, UC2)는 소스 전극(S1)을 공유하며, 각각 별개의 드레인 전극(DR1, DR2)를 구비할 수 있다. 제3 및 제4 단위 메모리 셀(UC3, UC4)는 소스 전극(S2)을 공유하며, 각각 별개의 드레인 전극(DR2, DR3)를 구비할 수 있다. 이때, 소스 전극(S1, S2)은 접지 라인에 연결될 수 있고, 드레인 전극(DR1, DR2, DR3)는 비트 라인(BL)에 연결될 수 있다. 게이트 전극(G1, G2, G3, G4)는 서로 다른 워드 라인에 연결될 수 있다. 이에 따라, 게이트 전극(G1, G2, G3, G4)에는 각각 별개의 게이트 전압이 인가될 수 있다.In FIG. 3 , the first to fourth unit memory cells UC1 , UC2 , UC3 , and UC4 each include corresponding ferroelectric layers F1 , F2 , F3 and F4 and gate electrodes G1 , G2 , G3 and G4 respectively. It may be a ferroelectric memory device in the form of a transistor. The first and second unit memory cells UC1 and UC2 share the source electrode S1 and may include separate drain electrodes DR1 and DR2, respectively. The third and fourth unit memory cells UC3 and UC4 share the source electrode S2 and may include separate drain electrodes DR2 and DR3, respectively. In this case, the source electrodes S1 and S2 may be connected to the ground line, and the drain electrodes DR1 , DR2 and DR3 may be connected to the bit line BL. The gate electrodes G1, G2, G3, and G4 may be connected to different word lines. Accordingly, separate gate voltages may be applied to the gate electrodes G1, G2, G3, and G4, respectively.
단위 메모리 셀(UC1, UC2, UC3, UC4)이 소스 전극(S1, S2) 및 드레인 전극(D1, D2, D3)을 각각 구비하고, 대응되는 게이트 전극(G1, G2, G3, G4)에 인가되는 게이트 전압을 독립적으로 제어함으로써, 강유전체층(F1, F2, F3, F4)에 저장된 신호 정보에 개별적으로 접속할 수 있다. 즉, 반도체 메모리 장치는 단위 메모리 셀(UC1, UC2, UC3, UC4)에 대한 랜덤 엑세스 동작을 구현할 수 있다.The unit memory cells UC1, UC2, UC3, and UC4 have source electrodes S1, S2 and drain electrodes D1, D2, and D3, respectively, and are applied to the corresponding gate electrodes G1, G2, G3, and G4. By independently controlling the gate voltage to be applied, it is possible to individually access the signal information stored in the ferroelectric layers F1, F2, F3, and F4. That is, the semiconductor memory device may implement a random access operation for the unit memory cells UC1 , UC2 , UC3 , and UC4 .
단위 메모리 셀(UC1, UC2, UC3, UC4)에 기록 동작을 수행하기 위해, 단위 메모리 셀(UC1, UC2, UC3, UC4)에 대응하는 강유전체층(F1, F2, F3, F4)의 일부에 기록 전압이 인가될 수 있다. 기록 전압은 예를 들어, 적절한 전압을 대응하는 상기 워드 라인 및 대응하는 비트 라인(BL)에 인가하는 것에 의해 인가될 수 있다. 단위 메모리 셀(UC1, UC2, UC3, UC4)의 쓰기 동작은, 소정의 기록 전압을 상기 워드 라인에 인가하여 강유전체층(F1, F2, F3, F4)에 서로 다른 잔류 분극을 구현하고, 서로 다른 상기 잔류 분극을 신호 정보로서 저장하는 과정으로 진행될 수 있다.In order to perform a write operation on the unit memory cells UC1, UC2, UC3, and UC4, write to a part of the ferroelectric layer F1, F2, F3, F4 corresponding to the unit memory cells UC1, UC2, UC3, UC4. A voltage may be applied. The write voltage may be applied, for example, by applying an appropriate voltage to the corresponding word line and the corresponding bit line BL. In the write operation of the unit memory cells UC1, UC2, UC3, and UC4, a predetermined write voltage is applied to the word line to implement different residual polarizations in the ferroelectric layers F1, F2, F3, and F4, and A process of storing the residual polarization as signal information may be performed.
단위 메모리 셀(UC1, UC2, UC3, UC4)에 대해 판독 동작을 수행하기 위해, 해당 상기 워드 라인에 판독 전압(예를 들어, 낮은 임계 전압과 높은 임계 전압 사이의 전압)이 인가된다. 단위 메모리 셀(UC1, UC2, UC3, UC4)의 읽기 동작은, 강유전체층(F1, F2, F3, F4)에 저장된 잔류 분극의 크기 또는 배향에 따라 전계 효과 트랜지스터의 문턱 전압이 변화하는 성질을 이용하여 수행될 수 있다.In order to perform a read operation on the unit memory cells UC1 , UC2 , UC3 , and UC4 , a read voltage (eg, a voltage between a low threshold voltage and a high threshold voltage) is applied to the corresponding word line. The read operation of the unit memory cells UC1, UC2, UC3, UC4 uses the property that the threshold voltage of the field effect transistor changes according to the size or orientation of the residual polarization stored in the ferroelectric layer F1, F2, F3, F4. can be performed.
다시 도 2를 참조하면, 몇몇 실시예에서, 제1 전극층(110a), 제3 전극층(110c) 및 제5 전극층(110e)은 드레인 전극일 수 있다. 제2 전극층(110b) 및 제4 전극층(110d)은 소오스 전극일 수 있다. 이때, 제1 전극층(110a), 제3 전극층(110c) 및 제5 전극층(110e)은 비트 라인(BL)과 연결될 수 있다. 제2 전극층(110b) 및 제4 전극층(110d)은 접지 라인과 연결될 수 있다.Referring back to FIG. 2 , in some embodiments, the
도 4는 몇몇 실시예에 따른 반도체 메모리 장치를 설명하기 위한 도면이다. 설명의 편의상 도 1 및 도 2에서 설명한 점과 다른 점을 중심으로 설명한다.4 is a diagram for describing a semiconductor memory device according to some exemplary embodiments. For convenience of description, points different from those described in FIGS. 1 and 2 will be mainly described.
도 4를 참조하면, 채널 구조체(CH)는 반도체층(160) 및 필링 절연층(165)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 4 , the channel structure CH may include a
반도체층(160)은 전극층(110) 및 게이트 구조체(GS)를 관통할 수 있다. 반도체층(160)은 베이스 절연층(105) 상에 배치될 수 있다. 반도체층(160)은 베이스 절연층(105)의 상면(105US)과 접촉할 수 있다. 반도체층(160)은 기판(100)과 접촉하지 않을 수 있다.The
필링 절연층(165)는 반도체층(160) 내에 배치될 수 있다. 필링 절연층(165)는 제1 방향(D1)으로 연장될 수 있다. 필링 절연층(165)의 일단은 베이스 절연층(105)과 접촉할 수 있다.The filling insulating
도 5는 몇몇 실시예에 따른 반도체 메모리 장치를 설명하기 위한 도면이다. 도 5는 도 1의 A - A를 따라 절단한 단면도이다.5 is a diagram for describing a semiconductor memory device according to some exemplary embodiments. 5 is a cross-sectional view taken along line A - A of FIG. 1 .
도 5를 참조하면, 반도체 메모리 장치는 기판(200), 제1 절연층(205), 제2 절연층(215), 제1 메모리 구조체(MS1) 및 제2 메모리 구조체(MS2)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 5 , the semiconductor memory device may include a
기판(200)은 실리콘 기판 또는 SOI(silicon-on-insulator)일 수 있다. 이와 달리, 기판(200)은 실리콘게르마늄, SGOI(silicon germanium on insulator), 안티몬화 인듐, 납 텔루르 화합물, 인듐 비소, 인듐 인화물, 갈륨 비소 또는 안티몬화 갈륨을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The
제1 절연층(205)는 기판(200) 상에 배치될 수 있다. 제1 절연층(205)은 기판(200)의 상면(200US)을 따라 제2 방향(D2) 또는 제3 방향(D3)으로 연장될 수 있다. 제1 절연층(205)은 예를 들어, 실리콘 산화막, 실리콘 질화막 및 실리콘 산질화막 중 적어도 하나를 포함할 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다The first insulating
제1 메모리 구조체(MS1)는 제1 절연층(205) 상에 배치될 수 있다. 제1 메모리 구조체(MS1)는 제1 전극층(210) 및 제1 게이트 구조체(GS1)를 포함할 수 있다. The first memory structure MS1 may be disposed on the first insulating
제1 전극층(210)은 제1 방향(D1)으로 이격되어 배치될 수 있다. 제1 전극층(210)은 제1 절연층(205) 상에 배치될 수 있다. 제1 게이트 구조체(GS1)는 제1 전극층(210)과 교대로 적층될 수 있다. 다르게 표현하면, 제1 메모리 구조체(MS1)의 최하부와 최상부에는 제1 전극층(210)이 배치되고, 제1 전극층(210) 사이에 제1 게이트 구조체(GS1)가 배치될 수 있다. 제1 전극층(210)의 일부는 제2 방향(D2) 및/또는 제3 방향(D3)에서 채널 구조체(CH)와 접촉할 수 있다.The first electrode layers 210 may be spaced apart from each other in the first direction D1 . The
제1 전극층(210)은 전도성 물질을 포함할 수 있다. 제1 전극층(210)은 예를 들어, 물질은 텅스텐(W), 티타늄(Ti), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 루테늄(Ru), 백금(Pt), 이리듐(Ir), 이리듐 산화물(IrO), 텅스텐 질화물(WN), 티타늄 질화물(TiN), 탄탈륨 질화물(TaN), 텅스텐 카바이드(WC), 티타늄 카바이드(TiC), 텅스텐 실리사이드, 티타늄 실리사이드, 탄탈륨 실리사이드, 루테늄 산화물(RuO) 또는 이들의 둘 이상의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다The
도 2 및 도 5를 참조하면, 제1 게이트 구조체(GS1)에 대한 설명은 도 2의 게이트 구조체(GS)에 대한 설명과 유사할 수 있다. 제1 게이트 구조체(GS1)는 제1 게이트 전극(230a), 제1 강유전체층(240a) 및 제1 버퍼층(235a)을 포함할 수 있다. 제1 게이트 전극(230a)은 게이트 전극(130)에, 제1 강유전체층(240a)는 강유전체층(140)에, 제1 버퍼층(235a)은 버퍼층(135)에 각각 대응되고, 이에 대한 설명은 유사할 수 있다. 이하에서, 제1 게이트 구조체(GS1)에 대해 게이트 구조체(GS)에 대한 설명과 다른 점을 중심으로 설명한다.2 and 5 , the description of the first gate structure GS1 may be similar to the description of the gate structure GS of FIG. 2 . The first gate structure GS1 may include a
제1 게이트 구조체(GS1)의 개수는 제1 전극층(210)의 개수보다 적다. 제1 게이트 구조체(GS1)는 2개인 것으로 도시되었으나, 이에 제한되지 않는다. 예를 들어, 제1 게이트 구조체(GS1)가 N개인 경우, 제1 전극층(210)은 N+1개 일 수 있다.The number of the first gate structures GS1 is less than the number of the first electrode layers 210 . Although it is illustrated that there are two first gate structures GS1, the present invention is not limited thereto. For example, when the number of the first gate structures GS1 is N, the number of the first electrode layers 210 may be N+1.
제2 절연층(215)는 제1 메모리 구조체(MS1) 상에 배치될 수 있다. 제2 절연층(215)는 제1 메모리 구조체(MS1)와 제2 메모리 구조체(MS2) 사이에 배치될 수 있다. 구체적으로, 제2 절연층(215)은 제1 메모리 구조체(MS1)의 최 상부에 배치되는 제1 전극층(210c)과 제2 메모리 구조체(MS2)의 최하부에 배치되는 제2 전극층(220a) 사이에 배치될 수 있다. 제2 절연층(215)은 제1 메모리 구조체(MS1)과 제2 메모리 구조체(MS2)를 전기적으로 절연시킬 수 있다.The second
제2 절연층(215)은 절연물질을 포함할 수 있다. 제2 절연층(215)은 예를 들어, 실리콘 산화막, 실리콘 질화막 및 실리콘 산질화막 중 적어도 하나를 포함할 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.The second
제1 메모리 구조체(MS1)는 제1 절연층(205) 상에 배치될 수 있다. 제1 메모리 구조체(MS1)는 제1 전극층(210) 및 제1 게이트 구조체(GS1)를 포함할 수 있다.The first memory structure MS1 may be disposed on the first insulating
제2 메모리 구조체(MS2)는 제2 절연층(215) 상에 배치될 수 있다. 제2 메모리 구조체(MS2)는 제2 전극층(220) 및 제2 게이트 구조체(GS2)를 포함할 수 있다. 제2 게이트 구조체(GS2)에 대한 설명은 제1 게이트 구조체(GS1)에 대한 설명과 동일할 수 있다.The second memory structure MS2 may be disposed on the second insulating
제2 전극층(220)은 제1 방향(D1)으로 이격되어 배치될 수 있다. 제2 전극층(220)은 제2 절연층(215) 상에 배치될 수 있다. 제2 게이트 구조체(GS2)는 제2 전극층(220)과 교대로 적층될 수 있다. 다르게 표현하면, 제2 메모리 구조체(MS2)의 최하부와 최상부에는 제2 전극층(220)이 배치되고, 제2 전극층(220) 사이에 제2 게이트 구조체(GS2)가 배치될 수 있다. 제2 전극층(220)의 일부는 제2 방향(D2) 및/또는 제3 방향(D3)에서 채널 구조체(CH)와 접촉할 수 있다.The second electrode layers 220 may be disposed to be spaced apart from each other in the first direction D1 . The
제2 전극층(220)은 전도성 물질을 포함할 수 있다. 제2 전극층(220)의 구성 물질은 제1 전극층(210)과 동일할 수 있다. The
제2 게이트 구조체(GS1)는 제2 게이트 전극(230b), 제2 강유전체층(240b) 및 제2 버퍼층(235b)을 포함할 수 있다. 제2 게이트 구조체(GS2)에 대한 설명은 제1 게이트 구조체(GS1)에 대한 설명과 유사할 수 있다.The second gate structure GS1 may include a
채널 구조체(CH)는 제1 절연층(205), 제2 절연층(215), 제1 메모리 구조체(MS1) 및 제2 메모리 구조체(MS2)를 관통할 수 있다. 채널 구조체(CH)는 제1 방향(D1)으로 연장될 수 있다. 채널 구조체(CH)의 측면은 제1 전극층(210), 제1 게이트 구조체(GS1), 제2 전극층(220) 및 제2 게이트 구조체(GS2)와 접촉할 수 있다. 채널 구조체(CH)의 하부는 기판(200)의 상면(200US)과 접촉할 수 있다.The channel structure CH may pass through the first insulating
채널 구조체(CH)는 반도체층(260)과 필링 절연층(265)을 포함할 수 있다. 반도체층(260)은 단결정 실리콘, 다결정 실리콘 등을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 반도체층(260)은 단결정 실리콘일 수 있다. 이 경우, 반도체층(260)은 다결정 실리콘 층에 어닐링(annealing)을 통해 형성될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 반도체층(260)은 n형 불순물 또는 p형 불순물로 도핑될 수 있다. 이 경우, 반도체층(260)에 도핑된 n형 불순물 또는 p형 불순물의 농도는 1E19(/cm3) 이상일 수 있다.The channel structure CH may include a semiconductor layer 260 and a filling insulating layer 265 . The semiconductor layer 260 may include single crystal silicon, polycrystalline silicon, or the like. In some embodiments, the semiconductor layer 260 may be single crystal silicon. In this case, the semiconductor layer 260 may be formed by annealing the polysilicon layer. In some embodiments, the semiconductor layer 260 may be doped with an n-type impurity or a p-type impurity. In this case, the concentration of the n-type impurity or the p-type impurity doped in the semiconductor layer 260 may be 1E19 (/cm3) or more.
일 실시예에서, 반도체층(260)은 제3 방향(D3)으로 두께(W2)를 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 반도체층(260)은 제2 방향(D2)으로 두께(W2)를 가질 수 있다. 반도체층(260)의 두께(W2)는 25nm 이하일 수 있다.In an embodiment, the semiconductor layer 260 may have a thickness W2 in the third direction D3 . In another embodiment, the semiconductor layer 260 may have a thickness W2 in the second direction D2 . The thickness W2 of the semiconductor layer 260 may be 25 nm or less.
반도체층(260)은 제1 전극층(210) 또는 제2 전극층(220)과 접촉하는 제3 영역(R3)을 포함할 수 있다. 반도체층(260)은 제1 게이트 구조체(GS1) 또는 제2 게이트 구조체(GS2)와 접촉하는 제4 영역(R4)을 포함할 수 있다. 제3 영역(R3)은 반도체 메모리 장치에서 소오스/드레인 영역일 수 있다. 제4 영역(R4)은 반도체 메모리 장치에서 채널 영역일 수 있다. 제3 영역(R3)에 도핑된 불순물은 제4 영역(R4)에 도핑된 불순물과 동일하다. 제3 영역(R3)에서 불순물의 농도는 제4 영역(R4)에서 불순물의 농도와 동일할 수 있다.The semiconductor layer 260 may include a third region R3 in contact with the
반도체층(260)의 제3 영역(R3) 및 제4 영역(R4)이 동일한 타입의 불순물로 도핑되어 있어 무접합 트랜지스터(Junctionless Transistor)로 기능할 수 있다. 무접합 트랜지스터는 도 2에 대한 설명에서 상술한 바와 동일하다.Since the third region R3 and the fourth region R4 of the semiconductor layer 260 are doped with the same type of impurity, they may function as a junctionless transistor. The junctionless transistor is the same as described above with reference to FIG. 2 .
필링 절연층(265)은 반도체층(260) 내에 배치될 수 있다. 필링 절연층(265)은 제1 방향(D1)으로 연장될 수 있다. 필링 절연층(265)은 반도체층(260)에 의해 둘러싸일 수 있다. 필링 절연층(265)과 제1 절연층(205) 사이에 반도체층(260)이 배치될 수 있다. 필링 절연층(165)은 절연물질을 포함할 수 있다. 필링 절연층(265)은 예를 들어, 실리콘 산화막, 실리콘 질화막 및 실리콘 산질화막 중 적어도 하나를 포함할 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.The filling insulating layer 265 may be disposed in the semiconductor layer 260 . The filling insulating layer 265 may extend in the first direction D1 . The filling insulating layer 265 may be surrounded by the semiconductor layer 260 . A semiconductor layer 260 may be disposed between the filling insulating layer 265 and the first insulating
도 6은 몇몇 실시예에 따른 반도체 메모리 장치를 설명하기 위한 도면이다. 설명의 편의상 도 1 내지 도 5에서 설명한 점과 다른 점을 중심으로 설명한다.6 is a diagram for describing a semiconductor memory device according to some exemplary embodiments. For convenience of explanation, points different from those described with reference to FIGS. 1 to 5 will be mainly described.
도 6을 참조하면, 채널 구조체(CH)는 제1 절연층(205) 상에 배치될 수 있다. 반도체층(260)은 제2 절연층(215), 제1 메모리 구조체(MS1) 및 제2 메모리 구조체(MS2)를 관통할 수 있다. 반도체층(260)은 제1 절연층(205)를 관통하지 않을 수 있다. 반도체층(260)은 제1 절연층(205)의 상면(205US)과 접촉할 수 있다. 반도체층(260)은 기판(200)과 접촉하지 않을 수 있다.Referring to FIG. 6 , the channel structure CH may be disposed on the first insulating
필링 절연층(265)는 반도체층(260) 내에 배치될 수 있다. 필링 절연층(265)는 제1 방향(D1)으로 연장될 수 있다. 필링 절연층(265)의 일단은 제1 절연층(205)과 접촉할 수 있다.The filling insulating layer 265 may be disposed in the semiconductor layer 260 . The filling insulating layer 265 may extend in the first direction D1 . One end of the filling insulating layer 265 may contact the first insulating
도 7 내지 도 18은 몇몇 실시예에 따른 반도체 메모리 장치의 제조 방법을 설명하기 위한 중간 단계 도면들이다.7 to 18 are intermediate steps for explaining a method of manufacturing a semiconductor memory device according to some embodiments.
도 7을 참조하면, 기판(100)이 제공될 수 있다. 기판(100)은 실리콘 기판 또는 SOI(silicon-on-insulator)일 수 있다. 이와 달리, 기판(100)은 실리콘게르마늄, SGOI(silicon germanium on insulator), 안티몬화 인듐, 납 텔루르 화합물, 인듐 비소, 인듐 인화물, 갈륨 비소 또는 안티몬화 갈륨을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Referring to FIG. 7 , a
기판(100) 상에 베이스 절연층(105)이 형성될 수 있다. 베이스 절연층(105)은 예를 들어, 실리콘 산화막, 실리콘 질화막 및 실리콘 산질화막 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 베이스 절연층(105)은 예를 들어, 코팅법, 화학기상증착법 또는 원자층 증착법에 의해 형성될 수 있다. A
도시되지는 않았지만, 몇몇 실시 예어서, 기판(100)과 베이스 절연층(105) 사이에 주변 로직 구조체를 포함할 수 있다. 상기 주변 로직 구조체는 예를 들어, 트랜지스터 등의 능동소자와, 커패시터 및 인덕터 등의 다양한 수동소자를 포함할 수 있다.Although not shown, in some embodiments, a peripheral logic structure may be included between the
도 7을 다시 참조하면, 베이스 절연층(105) 상에 제3 방향으로 제1 희생층(SCL1) 및 제2 희생층(SCL2)이 교대로 적층될 수 있다. 제1 희생층(SCL1)과 제2 희생층(SCL2)은 식각 선택비를 가질 수 있다. 일 예로서, 제1 희생층(SCL1)이 산화물을 포함하는 경우, 제2 희생층(SCL2)은 질화물 또는 실리콘 등을 포함할 수 있다. 다른 예로서, 제1 희생층(SCL1) 이 질화물을 포함하는 경우, 제2 희생층(SCL2)은 산화물 또는 실리콘을 포함할 수 있다. 또 다른 예로서, 제1 희생층(SCL1)이 실리콘을 포함하는 경우, 제2 희생층(SCL2)은 산화물 또는 질화물을 포함할 수 있다.Referring back to FIG. 7 , the first sacrificial layer SCL1 and the second sacrificial layer SCL2 may be alternately stacked on the
도 8을 참조하면, 기판(100) 상에 베이스 절연층(105), 제1 희생층(SCL1) 및 제2 희생층(SCL2)을 관통하는 관통하는 제1 트렌치(T1)가 형성될 수 있다. 제1 트렌치(T1)의 측벽면을 따라, 베이스 절연층(105), 제1 희생층(SLC1) 및 제2 희생층(SLC2)이 노출될 수 있다. 제1 트렌치(T1)의 바닥면을 따라 기판(100)이 노출될 수 있다. 제1 트렌치(T1)는 원기둥의 형상을 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 제1 트렌치(T1)는 사각기둥의 형상을 가질 수 있다. 제1 트렌치(T1)는 비등방성 식각법에 의해 형성될 수 있다.Referring to FIG. 8 , a first trench T1 penetrating through the
도 9를 참조하면, 제1 트렌치(T1)의 측벽 및 하면을 따라 프리 반도체층(160P)가 형성될 수 있다. 프리 반도체층(160P)은 제1 희생층(SCL1), 제2 희생층(SCL2), 베이스 절연층(105) 및 기판(100) 상에 형성될 수 있다. 프리 반도체층(160P)은 다결정 실리콘(Si)을 포함할 수 있다. 프리 반도체층(160P)에 n형 불순물 또는 p형의 불순물이 도핑될 수 있다. 프리 반도체층(160P)에 도핑된 상기 n형 불순물 또는 p형의 불순물의 농도는 1E19(/cm3) 이상일 수 있다. 프리 반도체층(160P)은 화학기상증착법(chemical vapor deposition, CVD) 또는 원자층 증착법(atomic layer deposition, ALD)에 의해 형성될 수 있다. 이때, 프리 반도체층(160P)의 내부에 제2 트렌치(T2)가 형성될 수 있다. 제2 트렌치(T2)는 프리 반도체층(160P)에 의해 정의될 수 있다.Referring to FIG. 9 , a
도 10을 참조하면, 제2 트렌치(T2) 및 제1 희생층(SCL1) 중에 최상부체 배치되는 제1 희생층(SCL1) 상에 열전도층(TCL)이 형성될 수 있다. 열전도층(TCL)은 열 전도율이 높은 물질을 포함할 수 있다. 열전도층(TCL)은 예를 들어, 티타늄 질화물(TiN)을 포함할 수 있다. 열전도층(TCL)은 의해 프리 반도체층(160P)과 최상부 제1 희생층(SCL1)을 덮을 수 있다. 열전도층(TCL)은 화학기상증착법 또는 원자층 증착법에 의해 형성될 수 있다.Referring to FIG. 10 , a heat conductive layer TCL may be formed on the first sacrificial layer SCL1 disposed on the uppermost part of the second trench T2 and the first sacrificial layer SCL1 . The thermal conductive layer TCL may include a material having high thermal conductivity. The heat conductive layer TCL may include, for example, titanium nitride (TiN). The heat conductive layer TCL may cover the
도 11을 참조하면, 열전도층(TCL)에 레이저(10)가 조사되어 레이저 어닐(laser annealing) 공정이 진행될 수 있다. 열전도층(TCL)은 프리 반도체층(160P)와 직접 접촉하고 있으므로, 상기 레이저 어닐 공정을 통해, 열전도층(TCL)에 인가된 열(heat)이 프리 반도체층(160P)로 전도될 수 있다. 프리 반도체층(160P)은 전도받은 상기 열에 의해 재결정화 되어 반도체층(160)을 형성할 수 있다. 구체적으로, 프리 반도체층(160P)의 내부에 다결정 실리콘이 단결정 실리콘으로 재결정화 될 수 있다. Referring to FIG. 11 , a
도 12를 참조하면, 열전도층(TCL)이 제거될 수 있다. 열전도층(TCL)은 에칭(etching) 공정에 의해 제거될 수 있다. 열전도층(TCL)이 티타늄 질화물을 포함하는 경우 상기 에칭 공정에 염소(Cl2)가 사용될 수 있다. 상기 에칭 공정이 진행한 후, 반도체층(160)이 노출될 수 있다. 또한, 반도체층(160) 내에 제3 트렌치(T3)가 형성될 수 있다. 제3 트렌치(T3)는 반도체층(160)에 의해 정의될 수 있다.Referring to FIG. 12 , the heat conductive layer TCL may be removed. The heat conductive layer TCL may be removed by an etching process. When the thermal conductive layer TCL includes titanium nitride, chlorine (Cl 2 ) may be used in the etching process. After the etching process is performed, the
도 13을 참조하면, 제3 트렌치(T3) 내부를 절연 물질로 채워 필링 절연층(165)을 형성할 수 있다. 제3 트렌치(T3) 내부를 상기 절연물질로 채우는 방법은 예를 들어, 화학기상증착법, 원자층 증착법 등을 적용할 수 있다. 이때, 제3 트렌치(T3) 외부로 상기 절연물질이 형성될 수 있다. 외부에 형성된 상기 절연 물질을 선택적으로 제거함으로써, 필링 절연층(165)을 형성할 수 있다. 필링 절연층(165)은 산화물, 질화물 또는 산질화물을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 13 , the filling insulating
도 14를 참조하면, 제1 희생층(SCL1)을 선택적으로 제거할 수 있다. 이에, 반도체층(160)이 선택적으로 노출될 수 있다. 제1 희생층(SCL1)은 제1 희생층(SLC1)와 제2 희생층(SCL2) 사이의 식각 선택비를 이용하여, 습식 식각에 의해 제거될 수 있다. 그 결과, 제1 희생층(SLC1)과 달리 제2 희생층(SCL2)은 잔존할 수 있다.Referring to FIG. 14 , the first sacrificial layer SCL1 may be selectively removed. Accordingly, the
도 15를 참조하면, 도 14에서 제거된 제1 희생층(SCL1)의 공간에 전극층(110)을 형성할 수 있다. 전극층(110)은 전도성 물질을 포함할 수 있다. 전극층(110)은 예를 들어, 텅스텐, 티타늄, 구리, 알루미늄, 루테늄, 백금, 이리듐, 이리듐산화물, 텅스텐질화물, 티타늄질화물, 탄탈륨질화물, 텅스텐카바이드, 티타늄카바이드, 텅스텐실리사이드, 티타늄실리사이드, 탄탈륨실리사이드, 루테늄산화물 또는 이들의 둘 이상의 조합을 포함할 수 있다. 전극층(110)은 제2 희생층(SCL2)과 식각 선택비를 가질 수 있다. 전극층(110)은 예를 들어, 화학기상증착법 또는 원자층 증착법으로 형성될 수 있다. Referring to FIG. 15 , the
도 16을 참조하면, 제2 희생층(SLC2)을 선택적으로 제거할 수 있다. 하여, 이에, 반도체층(160)이 선택적으로 노출될 수 있다. 제2 희생층(SCL2)은 제2 희생층(SLC2)과 전극층(110) 사이의 식각 선택비를 이용하여, 습식 식각에 의해 제거될 수 있다. 그 결과, 제2 희생층(SLC2)과 달리 전극층(110)은 잔존할 수 있다.Referring to FIG. 16 , the second sacrificial layer SLC2 may be selectively removed. Accordingly, the
도 17을 참조하면, 도 16의 제2 희생층(SCL2) 제거된 공간에 버퍼층(135)이 형성될 수 있다. 제2 희생층(SCL2)이 제거되어 노출된 전극층(110) 및 반도체층(160) 상에 형성될 수 있다. 버퍼층(135)은 예를 들어, 원자층 증착법에 의해 형성될 수 있다. Referring to FIG. 17 , a
이어서 버퍼층(135) 상에 강유전체층(140)이 형성될 수 있다. 강유전체층(140)은 은 예를 들어, 하프늄 산화물, 지르코늄 산화물, 하프늄 지르코늄 산화물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 또한, 강유전체층(140)은 예를 들어, PZT(PbZrxTi1-xO3), BaTiO3, PbTiO3 등과 같은 페로브스카이트 구조의 강유전성 물질을 포함할 수 있다. 강유전체층(140)은 탄소(C), 실리콘(Si), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 이트륨(Y), 질소(N), 게르마늄(Ge), 주석(Sn), 스트론튬(Sr), 납(Pb), 칼슘(Ca), 바륨(Ba), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 가돌리늄(Gd), 및 란탄(La)에서 선택되는 적어도 하나의 도펀트를 포함할 수 있다. 강유전체층(140)은 결정질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 강유전체층(140)은 사방정계(orthorhombic system)의 결정 구조를 가질 수 있다.Subsequently, the
강유전체층(140)은 예를 들어, 원자층 증착법에 의해 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 강유전체층(140)은 결정질 상태로 형성될 수 있다. 다른 실시예에 서, 강유전체층(140)을 비정질 상태로 형성한 후에, 결정화 열처리를 통해 결정질 상태로 변환될 수 있다.The
도 18을 참조하면, 강유전체층(140) 상에 게이트 전극(130)이 형성되어 게이트 구조체(GS)가 형성될 수 있다. 게이트 전극(130)은 전도성 물질을 포함할 수 있다. 게이트 전극(130)의 물질은 도 2의 게이트 전극(130)에 대해 상술한 바와 동일하다.Referring to FIG. 18 , the
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.Although the embodiments of the present invention have been described with reference to the accompanying drawings, those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can realize that the present invention can be embodied in other specific forms without changing its technical spirit or essential features. you will be able to understand Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive.
100: 기판
105: 베이스 절연층
110: 전극층
130: 게이트 전극
135: 버퍼층
140: 강유전체층
160: 반도체층
165: 필링 절연층
GS: 게이트 구조체
CH: 채널 구조체
R1: 제1 영역
R2: 제2 영역100: substrate 105: base insulating layer
110: electrode layer 130: gate electrode
135: buffer layer 140: ferroelectric layer
160: semiconductor layer 165: filling insulating layer
GS: gate structure CH: channel structure
R1: first region R2: second region
Claims (10)
상기 기판 상에 배치되는 베이스 절연층;
상기 베이스 절연층 상에, 제1 방향으로 교대로 적층되는 복수의 전극층 및 복수의 게이트 구조체; 및
상기 복수의 전극층 및 상기 복수의 게이트 구조체를 관통하는 채널 구조체를 포함하고,
각각의 상기 게이트 구조체는 게이트 전극과 상기 게이트 전극을 둘러싸는 강유전체층을 포함하고,
상기 채널 구조체는 반도체층과, 상기 반도체층 내에 상기 제1 방향으로 연장되는 필링 절연층을 포함하고,
상기 반도체층은 상기 전극층과 접촉하는 제1 영역 및 상기 게이트 구조체와 접촉하는 제2 영역을 포함하고,
상기 반도체층은 단결정 실리콘(Si)을 포함하고,
상기 제1 영역에 도핑된 불순물은 상기 제2 영역에 도핑된 불순물과 동일하고,
상기 제1 영역에서 상기 불순물의 농도는 상기 제2 영역에서 상기 불순물의 농도와 동일한, 반도체 메모리 장치.Board;
a base insulating layer disposed on the substrate;
a plurality of electrode layers and a plurality of gate structures alternately stacked on the base insulating layer in a first direction; and
A channel structure penetrating the plurality of electrode layers and the plurality of gate structures,
Each of the gate structures includes a gate electrode and a ferroelectric layer surrounding the gate electrode,
The channel structure includes a semiconductor layer and a filling insulating layer extending in the first direction in the semiconductor layer,
The semiconductor layer includes a first region in contact with the electrode layer and a second region in contact with the gate structure,
The semiconductor layer includes single crystal silicon (Si),
The impurity doped in the first region is the same as the impurity doped in the second region,
and a concentration of the impurity in the first region is the same as a concentration of the impurity in the second region.
상기 반도체층의 상기 제1 방향과 수직인 제2 방향으로 두께는 25nm 이하인, 반도체 메모리 장치.The method of claim 1,
A thickness of the semiconductor layer in a second direction perpendicular to the first direction is 25 nm or less.
상기 제1 영역 및 상기 제2 영역의 불순물 도핑 농도는 1E19(/cm3) 이상인, 반도체 메모리 장치.The method of claim 1,
and impurity doping concentrations of the first region and the second region are greater than or equal to 1E19 (/cm 3 ).
상기 전극층은
소오스 전극층 및 상기 소오스 전극층과 상기 제1 방향으로 이격되는 드레인 전극층을 포함하는, 반도체 메모리 장치.The method of claim 1,
The electrode layer is
A semiconductor memory device comprising: a source electrode layer; and a drain electrode layer spaced apart from the source electrode layer in the first direction.
상기 소오스 전극층은 접지 라인에 연결되고,
상기 드레인 전극층은 비트 라인에 연결되는, 반도체 메모리 장치.5. The method of claim 4,
The source electrode layer is connected to a ground line,
wherein the drain electrode layer is connected to a bit line.
상기 필링 절연층은 상기 베이스 절연층과 직접 접촉하는, 반도체 메모리 장치.The method of claim 1,
and the filling insulating layer is in direct contact with the base insulating layer.
상기 게이트 구조체는
상기 전극층 상에 배치되고, 상기 걍유전체층을 감싸는 버퍼층을 더 포함하는, 반도체 메모리 장치.The method of claim 1,
The gate structure is
The semiconductor memory device, disposed on the electrode layer, further comprising a buffer layer surrounding the dielectric layer.
상기 강유전체층은
탄소(C), 실리콘(Si), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 이트륨(Y), 질소(N), 게르마늄(Ge), 주석(Sn), 스트론튬(Sr), 납(Pb), 칼슘(Ca), 바륨(Ba), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 가돌리늄(Gd), 하프늄(Hf) 및 란탄(La) 에서 선택되는 적어도 하나의 도펀트를 포함하는, 반도체 메모리 장치.The method of claim 1,
The ferroelectric layer is
Carbon (C), silicon (Si), magnesium (Mg), aluminum (Al), yttrium (Y), nitrogen (N), germanium (Ge), tin (Sn), strontium (Sr), lead (Pb), A semiconductor memory device comprising at least one dopant selected from calcium (Ca), barium (Ba), titanium (Ti), zirconium (Zr), gadolinium (Gd), hafnium (Hf), and lanthanum (La).
상기 기판 상에, 상기 기판의 상면과 수직인 제1 방향으로 배치되는 제1 절연층;
상기 제1 절연층 상에, 교대로 적층된 제1 전극층과 제1 게이트 구조체를 포함하는 제1 메모리 구조체;
상기 제1 메모리 구조체 상에 배치되는 제2 절연층;
상기 제2 절연층 상에, 교대로 적층된 제2 전극층과 제2 게이트 구조체를 포함하는 제2 메모리 구조체; 및
상기 제1 메모리 구조체와 상기 제2 메모리 구조체와 제2 절연층을 관통하는 채널 구조체를 포함하고,
상기 제1 게이트 구조체 및 상기 제2 게이트 구조체 각각은 게이트 전극과 상기 게이트 전극을 둘러싸는 강유전체층을 포함하고,
상기 채널 구조체는 반도체층과, 상기 반도체층 내에 상기 제1 방향으로 연장되는 필링 절연층을 포함하고,
상기 반도체층은 상기 제1 전극층 또는 상기 제2 전극층과 접촉하는 제1 영역과, 상기 제1 게이트 구조체 또는 상기 제2 게이트 구조체와 접촉하는 제2 영역을 포함하고,
상기 반도체층은 단결정 실리콘(Si)을 포함하고,
상기 제1 영역에 도핑된 불순물은 상기 제2 영역에 도핑된 불순물과 동일하고,
상기 제1 영역에서 상기 불순물의 농도는 상기 제2 영역에서 상기 불순물의 농도와 동일한, 반도체 메모리 장치.Board;
a first insulating layer disposed on the substrate in a first direction perpendicular to an upper surface of the substrate;
a first memory structure including first electrode layers and a first gate structure alternately stacked on the first insulating layer;
a second insulating layer disposed on the first memory structure;
a second memory structure including second electrode layers and second gate structures alternately stacked on the second insulating layer; and
a channel structure penetrating the first memory structure, the second memory structure, and a second insulating layer;
Each of the first gate structure and the second gate structure includes a gate electrode and a ferroelectric layer surrounding the gate electrode,
The channel structure includes a semiconductor layer and a filling insulating layer extending in the first direction in the semiconductor layer,
The semiconductor layer includes a first region in contact with the first electrode layer or the second electrode layer, and a second region in contact with the first gate structure or the second gate structure,
The semiconductor layer includes single crystal silicon (Si),
The impurity doped in the first region is the same as the impurity doped in the second region,
and a concentration of the impurity in the first region is the same as a concentration of the impurity in the second region.
상기 반도체층의 상기 제1 방향과 수직인 제2 방향으로 두께는 25nm 이하이고,
상기 제1 영역 및 상기 제2 영역의 불순물 도핑 농도는 1E19(/cm3)이상인, 반도체 메모리 장치.
The method of claim 1,
The thickness of the semiconductor layer in a second direction perpendicular to the first direction is 25 nm or less,
and impurity doping concentrations of the first region and the second region are equal to or greater than 1E19 (/cm3).
Priority Applications (1)
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KR1020220114442A KR20220130636A (en) | 2022-09-08 | 2022-09-08 | Semiconductor memory device |
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