KR20230128932A - Semiconductor devices - Google Patents

Semiconductor devices Download PDF

Info

Publication number
KR20230128932A
KR20230128932A KR1020220043530A KR20220043530A KR20230128932A KR 20230128932 A KR20230128932 A KR 20230128932A KR 1020220043530 A KR1020220043530 A KR 1020220043530A KR 20220043530 A KR20220043530 A KR 20220043530A KR 20230128932 A KR20230128932 A KR 20230128932A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
layers
active region
gate electrode
channel
dielectric layers
Prior art date
Application number
KR1020220043530A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
하대원
이경환
Original Assignee
삼성전자주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성전자주식회사 filed Critical 삼성전자주식회사
Priority to US18/069,398 priority Critical patent/US20230276634A1/en
Priority to CN202310134747.5A priority patent/CN116666446A/en
Priority to TW112106123A priority patent/TW202349690A/en
Publication of KR20230128932A publication Critical patent/KR20230128932A/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/40Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/401Multistep manufacturing processes
    • H01L29/4011Multistep manufacturing processes for data storage electrodes
    • H01L29/40111Multistep manufacturing processes for data storage electrodes the electrodes comprising a layer which is used for its ferroelectric properties
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/06Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions
    • H01L29/0657Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by the shape of the body
    • H01L29/0665Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by the shape of the body the shape of the body defining a nanostructure
    • H01L29/0669Nanowires or nanotubes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/40Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/43Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
    • H01L29/49Metal-insulator-semiconductor electrodes, e.g. gates of MOSFET
    • H01L29/51Insulating materials associated therewith
    • H01L29/516Insulating materials associated therewith with at least one ferroelectric layer
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66007Multistep manufacturing processes
    • H01L29/66075Multistep manufacturing processes of devices having semiconductor bodies comprising group 14 or group 13/15 materials
    • H01L29/66227Multistep manufacturing processes of devices having semiconductor bodies comprising group 14 or group 13/15 materials the devices being controllable only by the electric current supplied or the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched, e.g. three-terminal devices
    • H01L29/66409Unipolar field-effect transistors
    • H01L29/66477Unipolar field-effect transistors with an insulated gate, i.e. MISFET
    • H01L29/6684Unipolar field-effect transistors with an insulated gate, i.e. MISFET with a ferroelectric gate insulator

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Semiconductor Memories (AREA)

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 반도체 장치는, 반도체 장치는, 제1 방향으로 연장되는 활성 영역을 포함하는 기판, 상기 기판 상에서 상기 활성 영역과 교차하여 제2 방향으로 연장되는 게이트 전극, 상기 활성 영역 상에서, 상기 기판의 상면에 수직한 제3 방향을 따라 서로 이격되어 배치되며, 상기 게이트 전극에 의해 둘러싸이도록 배치되는 복수의 채널층들, 상기 복수의 채널층들과 상기 게이트 전극의 사이에 배치되며 강유전체(ferroelectric) 물질 또는 반강유전체(anti-ferroelectric) 물질을 포함하는 복수의 유전층들, 및 상기 게이트 전극의 양측에서 상기 활성 영역이 리세스된 리세스 영역들에 배치되며, 상기 복수의 채널층들과 접촉되는 소스/드레인 영역들을 포함하고, 상기 복수의 유전층들은 서로 다른 코어시브 전압(coercive voltage)을 갖는다.A semiconductor device according to an embodiment of the present invention includes: a substrate including an active region extending in a first direction; a gate electrode extending in a second direction crossing the active region on the substrate; , a plurality of channel layers disposed spaced apart from each other along a third direction perpendicular to the upper surface of the substrate and disposed to be surrounded by the gate electrode, disposed between the plurality of channel layers and the gate electrode, and a ferroelectric material A plurality of dielectric layers including a ferroelectric material or an anti-ferroelectric material, and recess regions in which the active region is recessed at both sides of the gate electrode, and the plurality of channel layers and It includes contact source/drain regions, and the plurality of dielectric layers have different coercive voltages.

Description

반도체 장치{SEMICONDUCTOR DEVICES}Semiconductor device {SEMICONDUCTOR DEVICES}

본 발명은 반도체 장치에 관한 것이다.The present invention relates to semiconductor devices.

강유전체(ferroelectrics)는 외부에서 전기장이 가해지지 않아도 내부의 전기 쌍극자 모멘트가 정렬하여 자발적인 분극(polarizatiion)을 유지하는 강유전성(ferroelectricity)을 갖는 물질이다. 이러한 강유전 특성을 반도체 장치의 메모리 소자에 적용하기 위한 연구가 이루어지고 있다. Ferroelectrics are materials having ferroelectricity that maintain spontaneous polarization by aligning electric dipole moments even when an external electric field is not applied. Research is being conducted to apply these ferroelectric properties to memory devices of semiconductor devices.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제 중 하나는, 집적도 및 전기적 특성이 향상된 반도체 장치를 제공하는 것이다.One of the technical problems to be achieved by the present invention is to provide a semiconductor device with improved integration and electrical characteristics.

예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치는, 제1 방향으로 연장되는 활성 영역을 포함하는 기판, 상기 기판 상에서 상기 활성 영역과 교차하여 제2 방향으로 연장되는 게이트 전극, 상기 활성 영역 상에서, 상기 기판의 상면에 수직한 제3 방향을 따라 서로 이격되어 배치되며, 상기 게이트 전극에 의해 둘러싸이도록 배치되는 복수의 채널층들, 상기 복수의 채널층들과 상기 게이트 전극의 사이에 배치되며 강유전체(ferroelectric) 물질 또는 반강유전체(anti-ferroelectric) 물질을 포함하는 복수의 유전층들, 및 상기 게이트 전극의 양측에서 상기 활성 영역이 리세스된 리세스 영역들에 배치되며, 상기 복수의 채널층들과 접촉되는 소스/드레인 영역들을 포함하고, 상기 복수의 유전층들은 서로 다른 코어시브 전압(coercive voltage)을 가질 수 있다.A semiconductor device according to example embodiments includes a substrate including an active region extending in a first direction, a gate electrode extending in a second direction crossing the active region on the substrate, and a substrate on the active region. A plurality of channel layers arranged to be spaced apart from each other along a third direction perpendicular to the top surface and surrounded by the gate electrode, and disposed between the plurality of channel layers and the gate electrode and made of a ferroelectric material Alternatively, a plurality of dielectric layers including an anti-ferroelectric material, and a source / disposed in recess regions in which the active region is recessed at both sides of the gate electrode and in contact with the plurality of channel layers / Including drain regions, the plurality of dielectric layers may have different coercive voltages.

예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치는, 제1 방향으로 연장되는 활성 영역을 포함하는 기판, 상기 기판 상에서 상기 활성 영역과 교차하여 제2 방향으로 연장되는 게이트 전극, 상기 활성 영역 상에서, 상기 기판의 상면에 수직한 제3 방향을 따라 서로 이격되어 상기 활성 영역으로부터 순차적으로 배치되며, 상기 게이트 전극에 의해 둘러싸이도록 배치되는 제1 내지 제3 채널층들, 상기 제1 내지 제3 채널층들을 둘러싸며 상기 활성 영역으로부터 상기 제3 방향을 따라 순차적으로 배치되고, 강유전체 물질 또는 반강유전체 물질을 포함하는 제1 내지 제3 유전층들, 및 상기 게이트 전극의 양측에서 상기 활성 영역이 리세스된 리세스 영역들에 배치되며, 상기 제1 내지 제3 채널층들과 접촉되는 소스/드레인 영역들을 포함하고, 상기 제1 내지 제3 유전층들은 서로 다른 두께를 가질 수 있다.A semiconductor device according to example embodiments includes a substrate including an active region extending in a first direction, a gate electrode extending in a second direction crossing the active region on the substrate, and a substrate on the active region. First to third channel layers spaced apart from each other in a third direction perpendicular to the top surface and sequentially disposed from the active region, surrounded by the gate electrode, and surrounding the first to third channel layers, First to third dielectric layers sequentially disposed along the third direction from the active region and including a ferroelectric material or an antiferroelectric material, and recess regions in which the active region is recessed at both sides of the gate electrode and includes source/drain regions in contact with the first to third channel layers, and the first to third dielectric layers may have different thicknesses.

예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치는, 복수의 메모리 소자들이 배치되는 메모리 셀 어레이, 및 상기 메모리 셀 어레이를 제어하는 주변 회로들을 포함하는 주변 회로 영역을 포함하며, 상기 복수의 메모리 소자들 각각은, 제1 방향으로 연장되는 활성 영역, 상기 활성 영역과 교차하여 제2 방향으로 연장되는 게이트 전극, 상기 활성 영역 상에서, 상기 활성 영역의 상면에 수직한 제3 방향을 따라 서로 이격되어 배치되며, 상기 게이트 전극에 의해 둘러싸이도록 배치되는 복수의 채널층들, 및 상기 복수의 채널층들과 상기 게이트 전극의 사이에 배치되며 강유전체 물질 또는 반강유전체 물질을 포함하는 복수의 유전층들을 포함하고, 각각의 상기 복수의 메모리 소자들에서, 상기 복수의 채널층들의 개수는 N 개(N은 2 이상의 자연수)이고, 상기 복수의 메모리 소자들 각각은 N 비트 이하의 데이터를 저장할 수 있다.A semiconductor device according to example embodiments includes a memory cell array in which a plurality of memory elements are disposed, and a peripheral circuit area including peripheral circuits for controlling the memory cell array, each of the plurality of memory elements , an active region extending in a first direction, a gate electrode extending in a second direction crossing the active region, and disposed spaced apart from each other along a third direction perpendicular to the top surface of the active region on the active region, wherein the a plurality of channel layers disposed to be surrounded by a gate electrode, and a plurality of dielectric layers disposed between the plurality of channel layers and the gate electrode and including a ferroelectric material or an antiferroelectric material, each of the plurality of In the memory elements of , the number of the plurality of channel layers is N (N is a natural number greater than or equal to 2), and each of the plurality of memory elements may store data of N bits or less.

MBCFET 구조에서, 유전층들이 서로 다른 코어시브 전압을 갖게 함으로써, 집적도 및 전기적 특성이 향상된 반도체 장치가 제공될 수 있다.In the MBCFET structure, a semiconductor device with improved degree of integration and improved electrical characteristics can be provided by allowing the dielectric layers to have different coherent voltages.

본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시예를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.The various beneficial advantages and effects of the present invention are not limited to the above, and will be more easily understood in the process of describing specific embodiments of the present invention.

도 1은 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치를 도시하는 평면도이다.
도 2는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치를 도시하는 단면도이다.
도 3a 내지 도 3c는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치를 도시하는 부분 확대도들이다.
도 4는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치를 이루는 강유전체 물질의 히스테리스 곡선(hysteresis curve)을 도시한다.
도 5는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치를 도시하는 블럭도이다.
도 6 내지 도 7b는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 동작을 설명하기 위한 도면들이다.
도 8은 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치를 도시하는 단면도이다. 도 9는 도 2에 대응하는 단면을 도시한다.
도 10은 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치를 도시하는 단면도이다.
도 11a 및 도 11b는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치를 도시하는 단면도들이다.
도 12a 및 도 12b는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치를 도시하는 단면도들이다.
도 13a 내지 도 13e는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 제조 방법을 설명하기 위하여 공정 순서에 따라 도시한 도면들이다.
1 is a plan view illustrating a semiconductor device according to example embodiments.
2 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor device according to example embodiments.
3A to 3C are partial enlarged views of a semiconductor device according to example embodiments.
4 illustrates a hysteresis curve of a ferroelectric material constituting a semiconductor device according to example embodiments.
5 is a block diagram illustrating a semiconductor device according to example embodiments.
6 to 7B are diagrams for describing an operation of a semiconductor device according to example embodiments.
8 is a diagram for describing an operation of a semiconductor device according to example embodiments.
9 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor device according to example embodiments. 9 shows a cross section corresponding to FIG. 2 .
10 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor device according to example embodiments.
11A and 11B are cross-sectional views illustrating a semiconductor device according to example embodiments.
12A and 12B are cross-sectional views illustrating a semiconductor device according to example embodiments.
13A to 13E are views illustrating a process sequence to describe a method of manufacturing a semiconductor device according to example embodiments.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 다음과 같이 설명한다. 이하에서, '상', '상부', '상면', '아래', '하부', '하면', '측면' 등의 용어는 도면부호로 표기되어 별도로 지칭되는 경우를 제외하고, 도면을 기준으로 지칭하는 것으로 이해될 수 있다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, preferred embodiments of the present invention will be described as follows. Hereinafter, terms such as 'upper', 'top', 'top', 'bottom', 'bottom', 'bottom', and 'side' are indicated by reference numerals and are based on drawings, except where otherwise indicated. It can be understood as referring to.

도 1은 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치를 도시하는 평면도이다. 1 is a plan view illustrating a semiconductor device according to example embodiments.

도 2는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치를 도시하는 단면도이다. 도 2는 도 1의 반도체 장치를 절단선 I-I' 및 Ⅱ-Ⅱ'를 따라서 절단한 단면들을 도시한다. 설명의 편의를 위하여, 도 1에서는 반도체 장치의 일부 구성요소들만을 도시하였다.2 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor device according to example embodiments. FIG. 2 illustrates cross-sections of the semiconductor device of FIG. 1 taken along cutting lines II' and II-II'. For convenience of description, only some components of the semiconductor device are illustrated in FIG. 1 .

도 1 및 도 2를 참조하면, 반도체 장치(100)는, 활성 영역(105)을 포함하는 기판(101), 활성 영역(105) 상에 서로 수직하게 이격되어 배치되는 제1 내지 제3 채널층들(141, 142, 143)을 포함하는 채널 구조물(140), 활성 영역(105)과 교차하여 연장되고 게이트 전극(175)을 포함하는 게이트 구조물(GS), 채널 구조물(140)과 접촉되는 소스/드레인 영역들(150), 및 소스/드레인 영역들(150)에 연결되는 콘택 플러그들(180)을 포함할 수 있다. 반도체 장치(100)는, 소자 분리층(110), 내부 스페이서층들(130), 및 층간 절연층(190)을 더 포함할 수 있다. 게이트 구조물(GS)은, 강유전체 물질 또는 반강유전체 물질을 포함하는 유전층들(160), 게이트 스페이서층들(172), 및 게이트 전극(175)을 포함할 수 있다. Referring to FIGS. 1 and 2 , the semiconductor device 100 includes a substrate 101 including an active region 105 and first to third channel layers disposed vertically spaced apart from each other on the active region 105 . A channel structure 140 including fields 141 , 142 , and 143 , a gate structure GS extending to cross the active region 105 and including a gate electrode 175 , and a source contacting the channel structure 140 . /drain regions 150 and contact plugs 180 connected to the source/drain regions 150 . The semiconductor device 100 may further include an element isolation layer 110 , internal spacer layers 130 , and an interlayer insulating layer 190 . The gate structure GS may include dielectric layers 160 including a ferroelectric material or an antiferroelectric material, gate spacer layers 172 , and a gate electrode 175 .

반도체 장치(100)에서는, 활성 영역(105)이 핀(fin) 형태를 갖고, 게이트 전극(175)이 활성 영역(105)과 채널 구조물(140)의 사이, 채널 구조물(140)의 제1 내지 제3 채널층들(141, 142, 143)의 사이, 및 채널 구조물(140) 상에 배치될 수 있다. 이에 따라, 반도체 장치(100)는 게이트-올-어라운드(Gate-All-Around)형 전계 효과 트랜지스터인 MBCFETTM(Multi Bridge Channel FET) 구조의 트랜지스터를 포함할 수 있다.In the semiconductor device 100, the active region 105 has a fin shape, and the gate electrode 175 is between the active region 105 and the channel structure 140, and the first through first through It may be disposed between the third channel layers 141 , 142 , and 143 and on the channel structure 140 . Accordingly, the semiconductor device 100 may include a multi bridge channel FET (MBCFET TM ) structure transistor, which is a gate-all-around type field effect transistor.

기판(101)은 x 방향과 y 방향으로 연장되는 상면을 가질 수 있다. 기판(101)은 반도체 물질, 예컨대 Ⅳ족 반도체, Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 또는 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체를 포함할 수 있다. 예를 들어, Ⅳ족 반도체는 실리콘, 게르마늄 또는 실리콘-게르마늄을 포함할 수 있다. 기판(101)은 벌크 웨이퍼, 에피택셜층, SOI(Silicon On Insulator)층, 또는 SeOI(Semiconductor On Insulator)층 등으로 제공될 수도 있다. The substrate 101 may have an upper surface extending in the x and y directions. The substrate 101 may include a semiconductor material, such as a Group IV semiconductor, a Group III-V compound semiconductor, or a Group II-VI compound semiconductor. For example, the group IV semiconductor may include silicon, germanium, or silicon-germanium. The substrate 101 may be provided as a bulk wafer, an epitaxial layer, a Silicon On Insulator (SOI) layer, or a Semiconductor On Insulator (SeOI) layer.

기판(101)은 상부에 배치되는 활성 영역(105)을 포함할 수 있다. 활성 영역(105)은 기판(101) 내에서 소자 분리층(110)에 의해 정의되며, 제1 방향, 예를 들어 x 방향으로 연장되도록 배치될 수 있다. 다만, 설명 방식에 따라, 활성 영역(105)을 기판(101)과 별도의 구성으로 설명하는 것도 가능할 것이다. 활성 영역(105)은 상부로 돌출된 구조를 가질 수 있다. 활성 영역(105)은 기판(101)의 일부로 이루어질 수도 있고, 기판(101)으로부터 성장된 에피택셜층을 포함할 수도 있다. 다만, 게이트 구조물(GS)의 양측에서는 활성 영역(105)이 일부 리세스되어 리세스 영역들이 형성되며, 상기 리세스 영역들에 소스/드레인 영역들(150)이 배치될 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 활성 영역(105)은 불순물들을 포함하는 웰(well) 영역을 포함하거나 포함하지 않을 수 있다. The substrate 101 may include an active region 105 disposed thereon. The active region 105 is defined by the device isolation layer 110 within the substrate 101 and may be disposed to extend in a first direction, for example, an x direction. However, depending on the description method, it may also be possible to describe the active region 105 as a separate configuration from the substrate 101 . The active region 105 may have a structure protruding upward. The active region 105 may be made of a part of the substrate 101 or may include an epitaxial layer grown from the substrate 101 . However, at both sides of the gate structure GS, the active region 105 is partially recessed to form recess regions, and source/drain regions 150 may be disposed in the recess regions. In example embodiments, the active region 105 may or may not include a well region containing impurities.

소자 분리층(110)은 기판(101) 내에서 활성 영역(105)을 정의할 수 있다. 소자 분리층(110)은 예를 들어, 쉘로우 트랜치 소자 분리(shallow trench isolation, STI) 공정에 의하여 형성될 수 있다. 소자 분리층(110)은 활성 영역(105)의 상면을 노출시킬 수 있으며, 상부를 일부 노출시킬 수도 있다. 예시적인 실시예들에서, 소자 분리층(110)은 활성 영역(105)에 인접할수록 높은 레벨을 갖도록 굴곡진 상면을 가질 수 있다. 소자 분리층(110)은 절연 물질로 이루어질 수 있다. 소자 분리층(110)은 예를 들어, 산화물, 질화물 또는 그들의 조합을 포함할 수 있다.The device isolation layer 110 may define an active region 105 in the substrate 101 . The device isolation layer 110 may be formed by, for example, a shallow trench isolation (STI) process. The device isolation layer 110 may expose an upper surface of the active region 105 or partially expose an upper surface of the active region 105 . In example embodiments, the device isolation layer 110 may have a curved top surface so as to have a higher level closer to the active region 105 . The device isolation layer 110 may be made of an insulating material. The device isolation layer 110 may include, for example, oxide, nitride, or a combination thereof.

채널 구조물(140)은, 활성 영역(105)이 게이트 구조물(GS)과 교차하는 영역들에서, 활성 영역(105) 상에 배치될 수 있다. 채널 구조물(140)은 z 방향으로 서로 이격되어 배치되는 2개 이상의 복수의 채널층들인 제1 내지 제3 채널층들(141, 142, 143)을 포함할 수 있다. 다만, 하나의 채널 구조물(140)을 이루는 채널층들의 개수 및 형상은 실시예들에서 다양하게 변경될 수 있다. 채널 구조물(140)은 소스/드레인 영역들(150)과 연결될 수 있다. 채널 구조물(140)은 y 방향에서 활성 영역(105)과 동일하거나 작은 폭을 가질 수 있으며, x 방향에서 게이트 구조물(GS)과 동일하거나 유사한 폭을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 채널 구조물(140)은 x 방향에서 게이트 구조물(GS)의 아래에 측면들이 위치하도록, 감소된 폭을 가질 수도 있다. The channel structure 140 may be disposed on the active region 105 in regions where the active region 105 intersects the gate structure GS. The channel structure 140 may include first to third channel layers 141 , 142 , and 143 that are two or more channel layers spaced apart from each other in the z direction. However, the number and shape of channel layers constituting one channel structure 140 may be variously changed in embodiments. The channel structure 140 may be connected to the source/drain regions 150 . The channel structure 140 may have a width equal to or smaller than that of the active region 105 in the y direction, and may have a width equal to or similar to that of the gate structure GS in the x direction. In some embodiments, the channel structure 140 may have a reduced width such that side surfaces are located under the gate structure GS in the x direction.

채널 구조물(140)은 반도체 물질로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, ₃족 반도체, 산화물 반도체 물질, 및 이차원 전이금속 칼코겐 화합물 반도체 물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 채널 구조물(140)은 소스/드레인 영역들(150)과 인접하는 영역에 위치하는 불순물 영역을 포함할 수도 있다.The channel structure 140 may be formed of a semiconductor material, and may include, for example, at least one of a group ₃ semiconductor material, an oxide semiconductor material, and a two-dimensional transition metal chalcogen compound semiconductor material. In some embodiments, the channel structure 140 may include an impurity region located in a region adjacent to the source/drain regions 150 .

상기 ₃족 반도체은, 예를 들어, 실리콘(Si), 실리콘 게르마늄(SiGe), 및 게르마늄(Ge) 중 적어도 하나일 수 있으며, 단결정, 다결정, 또는 비정질 구조일 수 있다. 예를 들어, 반도체 장치(100)는 유전층들(160)이 강자성체 또는 반강자성체를 포함함으로써, 누설 전류 특성이 확보되어 채널 구조물(140)이 단결정이 아닌 다결정 또는 비정질 구조를 가질 수도 있다.The Group ₃ semiconductor may be, for example, at least one of silicon (Si), silicon germanium (SiGe), and germanium (Ge), and may have a single crystal, polycrystalline, or amorphous structure. For example, in the semiconductor device 100, the dielectric layers 160 include a ferromagnetic material or an antiferromagnetic material, so that leakage current characteristics are secured and the channel structure 140 may have a polycrystalline or amorphous structure instead of a single crystal.

상기 산화물 반도체 물질은 인듐(In), 아연(Zn), 및 갈륨(Ga) 중 적어도 하나를 포함하는 산화물일 수 있다. 상기 산화물 반도체 물질은, 예를 들어, ZTO(zinc tin oxide), IZO(indium zinc oxide), ZnO, IGZO(indium gallium zinc oxide), IGSO(indium gallium silicon oxide), 인듐 산화물(InO), 주석 산화물(SnO), 티타늄 산화물(TiO), 아연 산질화물(ZnON), 마크네슘 아연 산화물(MgZnO), 인듐 아연 산화물(InZnO), 인듐 갈륨 아연 산화물(InGaZnO), 지르코늄 인듐 아연 산화물(ZrInZnO), 하프늄 인듐 아연 산화물(HfInZnO), 주석 인듐 아연 산화물(SnInZnO), 알루미늄 주석 인듐 아연 산화물(AlSnInZnO), 실리콘 인듐 아연 산화물(SiInZnO), 아연 주석 산화물(ZnSnO), 알루미늄 아연 주석 산화물(AlZnSnO), 갈륨 아연 주석 산화물(GaZnSnO), 지르코늄 아연 주석 산화물(ZrZnSnO), 및 인듐 갈륨 실리콘 산화물(InGaSiO) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. The oxide semiconductor material may be an oxide containing at least one of indium (In), zinc (Zn), and gallium (Ga). The oxide semiconductor material may be, for example, zinc tin oxide (ZTO), indium zinc oxide (IZO), ZnO, indium gallium zinc oxide (IGZO), indium gallium silicon oxide (IGSO), indium oxide (InO), or tin oxide. (SnO), Titanium Oxide (TiO), Zinc Oxynitride (ZnON), Magnesium Zinc Oxide (MgZnO), Indium Zinc Oxide (InZnO), Indium Gallium Zinc Oxide (InGaZnO), Zirconium Indium Zinc Oxide (ZrInZnO), Hafnium Indium Zinc Oxide (HfInZnO), Tin Indium Zinc Oxide (SnInZnO), Aluminum Tin Indium Zinc Oxide (AlSnInZnO), Silicon Indium Zinc Oxide (SiInZnO), Zinc Tin Oxide (ZnSnO), Aluminum Zinc Tin Oxide (AlZnSnO), Gallium Zinc Tin Oxide (GaZnSnO), zirconium zinc tin oxide (ZrZnSnO), and indium gallium silicon oxide (InGaSiO).

상기 이차원 전이금속 칼코겐 화합물 반도체 물질은 이차원 층상 구조를 가질 수 있으며, 예를 들어, MoS2, MoSe2, WS2, 및 WSe2 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. The two-dimensional transition metal chalcogen compound semiconductor material may have a two-dimensional layered structure, and may include, for example, at least one of MoS 2 , MoSe 2 , WS 2 , and WSe 2 .

게이트 구조물(GS)은 활성 영역(105) 및 채널 구조물(140)과 교차하여 제2 방향, 예를 들어 y 방향으로 연장되도록 배치될 수 있다. 게이트 구조물(GS)의 게이트 전극(175)과 교차되는 채널 구조물(140)에는 메모리 소자의 채널 영역이 형성될 수 있다. 게이트 구조물(GS)은 게이트 전극(175), 게이트 전극(175)과 채널 구조물(140) 사이의 유전층들(160), 및 게이트 전극(175)의 측면들 상의 게이트 스페이서층들(172)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 게이트 구조물(GS)은, 게이트 전극(175)의 최상면 상의 캡핑층을 더 포함할 수 있다. 또는, 게이트 구조물(GS) 상의 층간 절연층(190)의 일부는 게이트 캡핑층으로 지칭될 수 있다.The gate structure GS may be disposed to cross the active region 105 and the channel structure 140 and extend in the second direction, for example, the y direction. A channel region of a memory device may be formed in the channel structure 140 crossing the gate electrode 175 of the gate structure GS. The gate structure GS includes a gate electrode 175, dielectric layers 160 between the gate electrode 175 and the channel structure 140, and gate spacer layers 172 on side surfaces of the gate electrode 175. can do. In some embodiments, the gate structure GS may further include a capping layer on a top surface of the gate electrode 175 . Alternatively, a portion of the interlayer insulating layer 190 on the gate structure GS may be referred to as a gate capping layer.

유전층들(160)은 활성 영역(105)과 게이트 전극(175)의 사이 및 채널 구조물(140)과 게이트 전극(175)의 사이에 배치될 수 있으며, 게이트 전극(175)의 면들 중 적어도 일부를 덮도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 유전층들(160)은 게이트 전극(175)의 최상면을 제외한 모든 면들을 둘러싸도록 배치될 수 있다. 유전층들(160)은 게이트 전극(175)과 게이트 스페이서층들(172)의 사이로 연장될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 유전층들(160)은, 제1 내지 제3 채널층들(141, 142, 143)을 각각 둘러싸는 제1 내지 제3 유전층들(161, 162, 163) 및 제1 내지 제3 채널층들(141, 142, 143)로부터 이격된 최하부의 제4 유전층(167)을 포함할 수 있다. The dielectric layers 160 may be disposed between the active region 105 and the gate electrode 175 and between the channel structure 140 and the gate electrode 175, and may cover at least some of the surfaces of the gate electrode 175. It can be arranged to cover. For example, the dielectric layers 160 may be disposed to surround all surfaces except for the uppermost surface of the gate electrode 175 . The dielectric layers 160 may extend between the gate electrode 175 and the gate spacer layers 172, but are not limited thereto. The dielectric layers 160 include the first to third dielectric layers 161 , 162 , and 163 surrounding the first to third channel layers 141 , 142 , and 143 , and the first to third channel layers ( 141 , 142 , and 143 may include a lowermost fourth dielectric layer 167 spaced apart from each other.

유전층들(160)은 강유전체 물질 또는 반강유전체 물질을 포함할 수 있다. 유전층들(160)은 예를 들어, 하프늄(Hf), 지르코늄(Zr), 실리콘(Si), 이트륨(Y), 알루미늄(Al), 가돌리늄(Gd), 스트론튬(Sr), 란타늄(La), 스칸듐(Sc), 및 이들의 산화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 유전층들(160)은 예를 들어, 하프늄 산화물(HfO2), 지르코늄 산화물(ZrO2), 하프늄-지르코늄 산화물(HfxZr1-xO2, 0<x<1), 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹에서 1 종 이상 선택되는 물질을 모재 물질(base material)로 포함하고, 하프늄(Hf), 지르코늄(Zr), 실리콘(Si), 이트륨(Y), 알루미늄(Al), 가돌리늄(Gd), 스트론튬(Sr), 란타늄(La), 스칸듐(Sc) 탄소(C), 게르마늄(Ge), 주석(Sn), 납(Pb), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 바륨(Ba), 티타늄(Ti), 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹에서 1 종 이상 선택되는 도펀트 물질(dopant material)을 더 포함할 수 있다.  예를 들어, 유전층들(160)은 지르코늄(Zr), 실리콘(Si), 이트륨(Y), 알루미늄(Al), 가돌리늄(Gd), 스트론튬(Sr), 란타늄(La), 및 스칸듐(Sc) 중 적어도 하나가 도핑된 하프늄 산화물을 포함할 수 있다.Dielectric layers 160 may include a ferroelectric material or an antiferroelectric material. The dielectric layers 160 may include, for example, hafnium (Hf), zirconium (Zr), silicon (Si), yttrium (Y), aluminum (Al), gadolinium (Gd), strontium (Sr), lanthanum (La), It may include at least one of scandium (Sc) and oxides thereof. The dielectric layers 160 may be, for example, hafnium oxide (HfO 2 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), hafnium-zirconium oxide (Hf x Zr 1-x O 2 , 0<x<1), and combinations thereof. It includes, as a base material, at least one material selected from the group consisting of hafnium (Hf), zirconium (Zr), silicon (Si), yttrium (Y), aluminum (Al), gadolinium (Gd), Strontium (Sr), Lanthanum (La), Scandium (Sc) Carbon (C), Germanium (Ge), Tin (Sn), Lead (Pb), Magnesium (Mg), Calcium (Ca), Barium (Ba), Titanium (Ti), and one or more dopant materials selected from the group consisting of combinations thereof may be further included. For example, dielectric layers 160 may include zirconium (Zr), silicon (Si), yttrium (Y), aluminum (Al), gadolinium (Gd), strontium (Sr), lanthanum (La), and scandium (Sc). At least one of them may include doped hafnium oxide.

제1 내지 제3 유전층들(161, 162, 163)은 서로 다른 코어시브 전압을 가질 수 있다. 본 실시예에서, 제1 내지 제3 유전층들(161, 162, 163)은 서로 동일하거나 다른 물질을 포함할 수 있으며, 서로 다른 두께를 가질 수 있다. 제1 내지 제3 유전층들(161, 162, 163)이 서로 동일한 물질을 포함하는 경우에도, 제1 내지 제3 유전층들(161, 162, 163)은 서로 다른 두께를 가짐으로써 서로 다른 코어시브 전압을 가질 수 있다. 이에 대해서는 하기에 도 4를 참조하여 더욱 상세히 설명한다.The first to third dielectric layers 161, 162, and 163 may have different coherent voltages. In this embodiment, the first to third dielectric layers 161, 162, and 163 may include the same or different materials and may have different thicknesses. Even when the first to third dielectric layers 161, 162, and 163 include the same material as each other, the first to third dielectric layers 161, 162, and 163 have different thicknesses and thus have different coherent voltages. can have This will be described in more detail with reference to FIG. 4 below.

본 실시예에서, 제1 채널층(141)을 둘러싸는 제1 유전층(161)은 제1 두께(T1)를 갖고, 제2 채널층(142)을 둘러싸는 제2 유전층(162)은 제1 두께(T1)보다 큰 제2 두께(T2)를 갖고, 제3 채널층(143)을 둘러싸는 제3 유전층(163)은 제2 두께(T2)보다 큰 제3 두께(T3)를 가질 수 있다. 제1 내지 제3 두께들(T1, T2, T3) 각각은, 예를 들어, 약 1 nm 내지 약 30 nm의 범위를 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 두께(T1)는 약 1 nm 내지 약 5 nm의 범위를 갖고, 제3 두께(T3)는 약 20 nm 내지 약 30 nm의 범위를 가질 수 있다. 실시예들에서, 가장 큰 코어시브 전압 및 가장 작은 코어시브 전압을 갖는 유전층(160)의 위치는 다양하게 변경될 수 있다. 예를 들어, 제1 유전층(161)이 가장 큰 두께를 갖거나, 제2 유전층(162)이 가장 큰 두께를 갖는 것도 가능할 것이다.In this embodiment, the first dielectric layer 161 surrounding the first channel layer 141 has a first thickness T1, and the second dielectric layer 162 surrounding the second channel layer 142 has a first thickness T1. The third dielectric layer 163 having a second thickness T2 greater than the thickness T1 and surrounding the third channel layer 143 may have a third thickness T3 greater than the second thickness T2. . Each of the first to third thicknesses T1 , T2 , and T3 may have, for example, a range of about 1 nm to about 30 nm. For example, the first thickness T1 may have a range of about 1 nm to about 5 nm, and the third thickness T3 may have a range of about 20 nm to about 30 nm. In embodiments, the location of the dielectric layer 160 having the largest and smallest coherent voltage may be varied. For example, it may be possible for the first dielectric layer 161 to have the largest thickness or the second dielectric layer 162 to have the largest thickness.

최하부의 제4 유전층(164)은 인접한 제1 유전층(161)과 동일하게 제1 두께(T1)를 가질 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 유전층들(160)에서, 제3 유전층(163)으로부터 수직하여 연장되어 게이트 스페이서층들(172)과 접촉하는 영역도 제3 유전층(163)과 동일한 제3 두께(T3)를 가질 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 또한, x 방향을 따른 단면에서, 유전층들(160)이 내부 스페이서층들(130)과 접하는 영역은, 상부 또는 하부의 유전층들(160)과 동일한 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 영역은 상부의 유전층들(160)과 동일한 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 영역은 상부 및 하부의 유전층들(160)이 서로 접촉하는 영역을 포함할 수도 있으며, 이에 따라 두께가 변경되는 영역을 포함할 수도 있을 것이다.The lowermost fourth dielectric layer 164 may have the same first thickness T1 as the adjacent first dielectric layer 161, but is not limited thereto. In the dielectric layers 160 , regions extending perpendicularly from the third dielectric layer 163 and contacting the gate spacer layers 172 may also have the same third thickness T3 as the third dielectric layer 163 . Not limited. Also, in a cross section along the x direction, regions where the dielectric layers 160 contact the internal spacer layers 130 may have the same thickness as the upper or lower dielectric layers 160 . For example, the region may have the same thickness as the upper dielectric layers 160 . In some embodiments, the region may include a region where the upper and lower dielectric layers 160 contact each other, and thus may include a region where the thickness is changed.

제4 유전층(167)과 제1 유전층(161) 사이의 제1 거리(D1)는 제1 유전층(161)과 제2 유전층(162) 사이의 제2 거리(D2)보다 클 수 있으며, 제2 거리(D2)는 제2 유전층(162)과 제3 유전층(163) 사이의 제3 거리(D3)보다 클 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.A first distance D1 between the fourth dielectric layer 167 and the first dielectric layer 161 may be greater than a second distance D2 between the first dielectric layer 161 and the second dielectric layer 162, and The distance D2 may be greater than the third distance D3 between the second dielectric layer 162 and the third dielectric layer 163, but is not limited thereto.

게이트 스페이서층들(172)은 채널 구조물(140)의 상부에서 게이트 전극(175)의 양 측면들 상에 배치될 수 있다. 게이트 스페이서층들(172)은 소스/드레인 영역들(150)과 게이트 전극(175)을 절연시킬 수 있다. 실시예에서, 게이트 스페이서층들(172)의 형상은 다양하게 변경될 수 있으며, 일부 실시예들에서, 게이트 스페이서층들(172)은 다층 구조로 이루어질 수도 있다. 게이트 스페이서층들(172)은 산화물, 질화물, 및 산질화물 중 적어도 하나로 이루어질 수 있으며, 특히 저유전율막으로 이루어질 수 있다. Gate spacer layers 172 may be disposed on both side surfaces of the gate electrode 175 on top of the channel structure 140 . The gate spacer layers 172 may insulate the source/drain regions 150 and the gate electrode 175 . In an embodiment, the shape of the gate spacer layers 172 may be variously changed, and in some embodiments, the gate spacer layers 172 may have a multilayer structure. The gate spacer layers 172 may be formed of at least one of oxide, nitride, and oxynitride, and in particular, may be formed of a low dielectric constant layer.

게이트 전극(175)은 활성 영역(105) 상에서 채널 구조물(140)의 사이를 채우며 채널 구조물(140)의 상부로 연장되어 배치될 수 있다. 게이트 전극(175)은 유전층들(160)에 의해 채널 구조물(140)과 이격될 수 있다. 게이트 전극(175)은 도전성 물질을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 티타늄 질화물(TiN), 탄탈륨 질화물(TaN), 또는 텅스텐 질화물(WN)과 같은 금속 질화물, 및/또는 알루미늄(Al), 텅스텐(W), 또는 몰리브덴(Mo) 등의 금속 물질 또는 도핑된(doped) 폴리실리콘과 같은 반도체 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 게이트 전극(175)은 2개 이상의 다중층으로 구성될 수도 있다.The gate electrode 175 may be disposed to fill a gap between the channel structures 140 on the active region 105 and to extend to an upper portion of the channel structure 140 . The gate electrode 175 may be spaced apart from the channel structure 140 by dielectric layers 160 . The gate electrode 175 may include a conductive material, for example, a metal nitride such as titanium nitride (TiN), tantalum nitride (TaN), or tungsten nitride (WN), and/or aluminum (Al) or tungsten. (W), or a metal material such as molybdenum (Mo) or a semiconductor material such as doped polysilicon. In some embodiments, the gate electrode 175 may be composed of two or more multi-layers.

소스/드레인 영역들(150)은, 게이트 구조물(GS)의 양측에서, 활성 영역들(105)의 상부를 일부 리세스한 리세스 영역들에 배치될 수 있다. 소스/드레인 영역들(150)은, 채널 구조물(140)의 제1 내지 제3 채널층들(141, 142, 143) 각각의 측면들과 접촉하도록 배치될 수 있다. 소스/드레인 영역들(150)의 상면들은 최상부의 게이트 전극(175)의 하면과 동일하거나 유사한 높이에 위치할 수 있으며, 상기 높이는 실시예들에서 다양하게 변경될 수 있다. 소스/드레인 영역들(150)은 불순물들을 포함할 수 있다. The source/drain regions 150 may be disposed in recess regions partially recessed from upper portions of the active regions 105 on both sides of the gate structure GS. The source/drain regions 150 may be disposed to contact side surfaces of the first to third channel layers 141 , 142 , and 143 of the channel structure 140 . The upper surfaces of the source/drain regions 150 may be located at the same or similar height as the lower surface of the uppermost gate electrode 175, and the height may be variously changed in embodiments. The source/drain regions 150 may include impurities.

내부 스페이서층들(130)은 채널 구조물(140)의 사이에서 게이트 구조물(GS)과 나란하게 배치될 수 있다. 게이트 전극(175)은 내부 스페이서층들(130)에 의해 소스/드레인 영역들(150)과 안정적으로 이격되어, 전기적으로 분리될 수 있다. 내부 스페이서층들(130)은 게이트 구조물(GS)과 마주하는 측면이 게이트 구조물(GS)을 향하여 내측으로 볼록하게 라운드진 형태를 가질 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 내부 스페이서층들(130)은 산화물, 질화물 및 산질화물로 이루어질 수 있으며, 특히 저유전율막으로 이루어질 수 있다. 다만, 일부 실시예들에서, 내부 스페이서층들(130)은 생략될 수도 있다. 이 경우, 내부 스페이서층들(130)이 배치된 영역을 채우도록, 게이트 구조물(GS) 또는 소스/드레인 영역들(150)이 x 방향으로 확장되어 배치될 수 있다. The inner spacer layers 130 may be disposed parallel to the gate structure GS between the channel structures 140 . The gate electrode 175 may be stably spaced apart from the source/drain regions 150 by the internal spacer layers 130 and electrically separated from each other. The internal spacer layers 130 may have a shape in which side surfaces facing the gate structure GS are convexly rounded inward toward the gate structure GS, but are not limited thereto. The inner spacer layers 130 may be formed of oxide, nitride, and oxynitride, and particularly may be formed of a low-k film. However, in some embodiments, the inner spacer layers 130 may be omitted. In this case, the gate structure GS or the source/drain regions 150 may be disposed to extend in the x direction to fill the region where the internal spacer layers 130 are disposed.

층간 절연층(190)은 소스/드레인 영역들(150) 및 게이트 구조물(GS)을 덮으며, 소자 분리층(110)을 덮도록 배치될 수 있다. 층간 절연층(190)은 산화물, 질화물 및 산질화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 예를 들어, 저유전율 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 층간 절연층(190)은 복수의 절연층을 포함할 수 있다.The interlayer insulating layer 190 may be disposed to cover the source/drain regions 150 and the gate structure GS and to cover the device isolation layer 110 . The interlayer insulating layer 190 may include at least one of oxide, nitride, and oxynitride, and may include, for example, a low dielectric constant material. In some embodiments, the interlayer insulating layer 190 may include a plurality of insulating layers.

콘택 플러그들(180)은 층간 절연층(190)을 관통하여 소스/드레인 영역들(150)과 연결될 수 있으며, 소스/드레인 영역들(150)에 전기적인 신호를 인가할 수 있다. 콘택 플러그들(180)은 종횡비에 따라 하부의 폭이 상부의 폭보다 좁아지는 경사진 측면을 가질 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 콘택 플러그들(180)은 상부로부터 예를 들어, 제3 채널층(143)의 하면보다 아래로 연장될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 예시적인 실시예들에서, 콘택 플러그들(180)은 소스/드레인 영역들(150)을 리세스하지 않고, 소스/드레인 영역들(150)의 상면을 따라 접촉되도록 배치될 수도 있다. 도시하지는 않았으나, 게이트 전극(175)에도 콘택 플러그가 연결될 수 있다.The contact plugs 180 may pass through the interlayer insulating layer 190 and be connected to the source/drain regions 150 and may apply electrical signals to the source/drain regions 150 . The contact plugs 180 may have inclined side surfaces in which the width of the lower portion is narrower than the width of the upper portion according to the aspect ratio, but is not limited thereto. The contact plugs 180 may extend from the top to, for example, below the lower surface of the third channel layer 143, but are not limited thereto. In example embodiments, the contact plugs 180 may be disposed to contact along top surfaces of the source/drain regions 150 without recessing the source/drain regions 150 . Although not shown, a contact plug may also be connected to the gate electrode 175 .

콘택 플러그들(180)은 소스/드레인 영역들(150)과 접촉하는 영역에 위치하는 금속 실리사이드층을 포함할 수 있으며, 상기 금속 실리사이드층의 상면 및 콘택 플러그들(180)의 측벽들 상에 배치되는 배리어층을 더 포함할 수 있다. 상기 배리어층은 예를 들어, 티타늄 질화물(TiN), 탄탈륨 질화물(TaN), 또는 텅스텐 질화물(WN)과 같은 금속 질화물을 포함할 수 있다. 콘택 플러그들(180)은 예를 들어, 알루미늄(Al), 텅스텐(W), 또는 몰리브덴(Mo) 등의 금속 물질을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 콘택 플러그들(180)을 구성하는 도전층의 개수 및 배치 형태는 다양하게 변경될 수 있다.The contact plugs 180 may include a metal silicide layer positioned in an area in contact with the source/drain areas 150 and disposed on an upper surface of the metal silicide layer and sidewalls of the contact plugs 180 . A barrier layer may be further included. The barrier layer may include, for example, a metal nitride such as titanium nitride (TiN), tantalum nitride (TaN), or tungsten nitride (WN). The contact plugs 180 may include, for example, a metal material such as aluminum (Al), tungsten (W), or molybdenum (Mo). In example embodiments, the number and arrangement of conductive layers constituting the contact plugs 180 may be variously changed.

반도체 장치(100)가 메모리 소자로 기능하는 경우, 채널 구조물(140)을 이루는 제1 내지 제3 채널층들(141, 142, 143) 각각을 둘러싸는 유전층(160)의 코어시브 전압이 다르므로, 메모리 소자는 멀티 레벨 셀(Multi Level Cell, MLC) 또는 멀티 비트 셀을 구현할 수 있다. 이에 대해서는 하기에 도 5 내지 도 8을 참조하여 더욱 상세히 설명한다.When the semiconductor device 100 functions as a memory device, the dielectric layer 160 surrounding each of the first to third channel layers 141 , 142 , and 143 constituting the channel structure 140 has different coherent voltages. , The memory device may implement a multi-level cell (MLC) or a multi-bit cell. This will be described in more detail with reference to FIGS. 5 to 8 below.

이하의 실시예들에 대한 설명에서, 도 1 및 도 2를 참조하여 상술한 설명과 중복되는 설명은 생략한다.In the description of the following embodiments, descriptions overlapping with those described above with reference to FIGS. 1 and 2 will be omitted.

도 3a 내지 도 3c는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치를 도시하는 부분 확대도들이다. 도 3a 내지 도 3c는 도 2의 'A' 영역에 대응하는 유전층(160)의 일부 영역을 도시한다. 3A to 3C are partial enlarged views of a semiconductor device according to example embodiments. 3A to 3C show a partial region of the dielectric layer 160 corresponding to the 'A' region of FIG. 2 .

도 3a를 참조하면, 유전층(160a)은 교대로 적층되는 제1 및 제2 유전층들(160_1, 160_2)을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 유전층들(160_1, 160_2)은 서로 다른 강유전체 물질 또는 반강유전체 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 유전층들(160_1)은 하프늄 산화물(HfO2)을 포함하고, 제2 유전층들(160_2)은 지르코늄 산화물(ZrO2)을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 3A , the dielectric layer 160a may include first and second dielectric layers 160_1 and 160_2 that are alternately stacked. The first and second dielectric layers 160_1 and 160_2 may include different ferroelectric materials or antiferroelectric materials. For example, the first dielectric layers 160_1 may include hafnium oxide (HfO 2 ), and the second dielectric layers 160_2 may include zirconium oxide (ZrO 2 ).

도 3a 내지 도 3c에서, 제1 및 제2 유전층들(160_1, 160_2)은 서로 연관되지 않고 독립적으로 설명되는 구성일 수 있다.In FIGS. 3A to 3C , the first and second dielectric layers 160_1 and 160_2 may be independently described without being associated with each other.

도 3b를 참조하면, 유전층(160b)은 제1 유전층들(160_1) 및 제1 유전층들(160_1)의 사이에 개재되는 제2 유전층(160_2)을 포함할 수 있다. 제1 유전층들(160_1)은 강유전체 물질 또는 반강유전체 물질을 포함할 수 있다. 제2 유전층(160_2)은 강유전체 물질 또는 반강유전체 물질을 포함하거나, 강유전체 또는 반강유전체가 아닌 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 유전층들(160_1)은 하프늄 지르코늄 산화물(HZO)을 포함하고, 제2 유전층(160_2)은 알루미늄 산화물(Al2O3)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 3B , the dielectric layer 160b may include first dielectric layers 160_1 and a second dielectric layer 160_2 interposed between the first dielectric layers 160_1 . The first dielectric layers 160_1 may include a ferroelectric material or an antiferroelectric material. The second dielectric layer 160_2 may include a ferroelectric material or an antiferroelectric material, or may include a material that is not ferroelectric or antiferroelectric. For example, the first dielectric layers 160_1 may include hafnium zirconium oxide (HZO), and the second dielectric layer 160_2 may include aluminum oxide (Al 2 O 3 ).

도 3c를 참조하면, 유전층(160c)은 채널 구조물(140)로부터 순차적으로 배치되는 제1 유전층(160_1) 및 제2 유전층(160_2)을 포함할 수 있다. 제1 유전층들(160_1)은 강유전체가 아닌 물질을 포함할 수 있으며, 반강유전체가 아닌 물질을 포함할 수 있다. 제2 유전층(160_2)은 강유전체 물질 또는 반강유전체 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 유전층들(160_1)은 실리콘 산화물(SiO2), 실리콘 질화물(Si3N4), 실리콘 산질화물(SiON), 고유전율(high-k) 유전 물질, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 여기서, 고유전율 물질은 실리콘 산화물(SiO2)보다 높은 유전 상수(dielectric constant)를 가지는 유전 물질을 의미한다. 상기 고유전율 물질은, 예를 들어, 알루미늄 산화물(Al2O3), 탄탈륨 산화물(Ta2O3), 티타늄 산화물(TiO2), 이트륨 산화물(Y2O3), 지르코늄 산화물(ZrO2), 지르코늄 실리콘 산화물(ZrSixOy), 하프늄 산화물(HfO2), 하프늄 실리콘 산화물(HfSixOy), 란탄 산화물(La2O3), 란탄 알루미늄 산화물(LaAlxOy), 란탄 하프늄 산화물(LaHfxOy), 하프늄 알루미늄 산화물(HfAlxOy), 프라세오디뮴 산화물(Pr2O3) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 3C , the dielectric layer 160c may include a first dielectric layer 160_1 and a second dielectric layer 160_2 sequentially disposed from the channel structure 140 . The first dielectric layers 160_1 may include a material that is not ferroelectric and may include a material that is not antiferroelectric. The second dielectric layer 160_2 may include a ferroelectric material or an antiferroelectric material. For example, the first dielectric layers 160_1 may include silicon oxide (SiO 2 ), silicon nitride (Si 3 N 4 ), silicon oxynitride (SiON), a high-k dielectric material, or a combination thereof. can include Here, the high dielectric constant material means a dielectric material having a higher dielectric constant than silicon oxide (SiO 2 ). The high dielectric constant material may be, for example, aluminum oxide (Al 2 O 3 ), tantalum oxide (Ta 2 O 3 ), titanium oxide (TiO 2 ), yttrium oxide (Y 2 O 3 ), zirconium oxide (ZrO 2 ) , zirconium silicon oxide (ZrSixOy), hafnium oxide (HfO 2 ), hafnium silicon oxide (HfSixOy), lanthanum oxide (La 2 O 3 ), lanthanum aluminum oxide (LaAlxOy), lanthanum hafnium oxide (LaHfxOy), hafnium aluminum oxide (HfAlxOy ), praseodymium oxide (Pr 2 O 3 ), or a combination thereof.

도 3a 내지 도 3c를 참조하여 상술한 것과 같이, 실시예들에서 각각의 유전층들(160a, 160b, 160c)은 단층 구조뿐 아니라 다층 구조를 가질 수 있으며, 구체적인 구조는 실시예들에서 다양하게 변경될 수 있다.As described above with reference to FIGS. 3A to 3C , each of the dielectric layers 160a, 160b, and 160c may have a single-layer structure as well as a multi-layer structure in the embodiments, and the specific structure is variously changed in the embodiments. It can be.

도 4는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치를 이루는 강유전체 물질의 히스테리스 곡선(hysteresis curve)을 도시한다. 4 illustrates a hysteresis curve of a ferroelectric material constituting a semiconductor device according to example embodiments.

도 4를 참조하면, 강유전체 물질을 포함하는 유전층(160)(도 2 참조)에 전계가 인가되지 않으면 분극이 발생되지 않는다. 유전층(160) 양단의 전압 또는 게이트 전극(175)에 인가되는 전압이 양(plus)의 방향으로 증가될 때, 분극도(또는 전하량)는 영(zero)으로부터 양의 분극 영역 내의 포화 분극점인 양의 최대점(+PSat)에 이르게 된다. 이후, 유전층(160) 양단의 전압이 다시 0 V까지 떨어지더라도, 분극도는 영(zero)으로 떨어지지 않고 잔류 분극(remanent polarization)점인 양의 잔류점(+PR)에 잔류하게 된다. Referring to FIG. 4 , polarization does not occur unless an electric field is applied to the dielectric layer 160 (see FIG. 2 ) including a ferroelectric material. When the voltage across the dielectric layer 160 or the voltage applied to the gate electrode 175 increases in the positive (plus) direction, the polarization (or amount of charge) changes from zero to the saturation polarization point within the positive polarization region. A positive maximum (+P Sat ) is reached. Thereafter, even if the voltage across the dielectric layer 160 drops to 0 V again, the polarization does not drop to zero and remains at the positive residual point (+P R ), which is a remanent polarization point.

유전층(160) 양단의 전압이 음의 방향으로 증가하면, 분극도는 양의 잔류점(+PR)으로부터 음의 분극 영역내의 음의 최대점(-PSat)으로 변한다. 이때, 유전층(160)의 강유전체 물질은 양의 최대점(+PSat)에서의 분극 방향에 반대되는 방향으로 분극된다. 이후, 유전층(160) 양단의 전압이 다시 0 V까지 떨어지더라도, 분극도는 영(zero)까지 떨어지지 않고 음의 잔류점(-PR)에 잔류하게 된다.When the voltage across the dielectric layer 160 increases in a negative direction, the polarizability changes from a positive residual point (+P R ) to a negative maximum point (-P Sat ) in the negative polarization region. At this time, the ferroelectric material of the dielectric layer 160 is polarized in a direction opposite to the polarization direction at the positive maximum point (+P Sat ). Thereafter, even if the voltage across the dielectric layer 160 drops to 0 V again, the polarizability does not drop to zero and remains at the negative residual point (-P R ).

유전층(160)의 분극 방향을 바꾸기 위해서는 반대 방향으로 전압을 인가해주어야 하는데, 이 전압이 코어시브 전압(+VC, -VC)에 해당한다. 코어시브 전압(+VC, -VC)은 유전층(160)의 두께 및 유전층(160) 물질의 코어시브 전기장(coercive field, EC)에 비례한다. 따라서, 코어시브 전압(+VC, -VC)은 유전층(160)을 이루는 제1 내지 제3 유전층들(161, 162, 163)의 물질이 동일한 경우 제1 내지 제3 유전층들(161, 162, 163)의 두께에 비례하여 증가할 수 있다. 또한, 유전층(160)을 이루는 제1 내지 제3 유전층들(161, 162, 163)의 두께가 동일하고 물질이 다른 경우, 코어시브 전압(+VC, -VC)은 각 물질들의 코어시브 전기장에 비례하여 증가할 수 있다.In order to change the polarization direction of the dielectric layer 160, a voltage must be applied in the opposite direction, and this voltage corresponds to the coherent voltage (+V C , -V C ). The coercive voltages (+V C , -V C ) are proportional to the thickness of the dielectric layer 160 and the coercive field (E C ) of the material of the dielectric layer 160 . Accordingly, when the materials of the first to third dielectric layers 161, 162, and 163 constituting the dielectric layer 160 are the same, the coherent voltages (+V C , -V C ) may be applied to the first to third dielectric layers 161, 162, 163) may increase in proportion to the thickness. In addition, when the thicknesses of the first to third dielectric layers 161, 162, and 163 constituting the dielectric layer 160 are the same and materials are different, the core sheave voltages (+V C , -V C ) of each material are It can increase in proportion to the electric field.

도 5는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치를 도시하는 블럭도이다. 5 is a block diagram illustrating a semiconductor device according to example embodiments.

도 5를 참조하면, 반도체 장치(1)는 메모리 셀 어레이(10) 및 주변 회로 영역(20)을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 5 , the semiconductor device 1 may include a memory cell array 10 and a peripheral circuit area 20 .

메모리 셀 어레이(10)는 메모리 셀들 또는 메모리 소자들을 포함할 수 있다. 메모리 셀 어레이(10)에서, 메모리 셀들은 비휘발성 메모리 셀들일 수 있다. 예를 들어, 메모리 셀들은 도 1 내지 도 3c를 참조하여 상술한 구조 또는 도 9 내지 도 12b를 참조하여 하기에 설명하는 구조를 가질 수 있다. The memory cell array 10 may include memory cells or memory elements. In the memory cell array 10 , the memory cells may be non-volatile memory cells. For example, the memory cells may have a structure described above with reference to FIGS. 1 to 3C or a structure described below with reference to FIGS. 9 to 12B .

주변 회로 영역(20)은 로우 디코더(22), 센스 앰프(24), 칼럼 디코더(26), 및 컨트롤 로직(28)과 같은 주변 회로들을 포함할 수 있다. 주변 회로 영역(20)에서, 로우 디코더(22)는 워드라인(WL)을 통해 메모리 소자들과 연결될 수 있으며, 센스 앰프(24)는 비트라인(BL)을 통해 메모리 소자들과 연결될 수 있다. 로우 디코더(22)는 데이터를 기록하거나 데이터를 읽어올 메모리 셀을 선택할 수 있으며, 센스 앰프(24)는 비트라인을 통해 메모리 셀에 데이터를 프로그램하거나, 메모리 셀로부터 데이터를 읽어올 수 있다. 칼럼 디코더(26)는 기록하고자 하는 데이터를 센스 앰프(24)에 전달하거나, 센스 앰프(24)가 메모리 셀 어레이(10)로부터 읽어온 데이터를 컨트롤 로직(28)에 전달할 수 있다. 컨트롤 로직(28)은 로우 디코더(22)와 센스 앰프(24), 및 칼럼 디코더(26)의 동작을 제어할 수 있다.The peripheral circuit area 20 may include peripheral circuits such as a row decoder 22 , a sense amplifier 24 , a column decoder 26 , and a control logic 28 . In the peripheral circuit area 20, the row decoder 22 may be connected to memory devices through a word line WL, and the sense amplifier 24 may be connected to memory devices through a bit line BL. The row decoder 22 may select a memory cell from which data is written or read, and the sense amplifier 24 may program data into the memory cell or read data from the memory cell through a bit line. The column decoder 26 may transfer data to be written to the sense amplifier 24 or transfer data read from the memory cell array 10 by the sense amplifier 24 to the control logic 28 . The control logic 28 may control the operation of the row decoder 22, the sense amplifier 24, and the column decoder 26.

도 6 내지 도 7b는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 동작을 설명하기 위한 도면들이다. 6 to 7B are diagrams for describing an operation of a semiconductor device according to example embodiments.

먼저, 도 6을 참조하면, 도 2의 제1 내지 제3 유전층들(161, 162, 163)을 각각 제1 내지 제3 강유전층들(FE1, FE2, FE3)이라고 하고, 각각의 코어시브 전압을 제1 내지 제3 전압(+VC1, +VC2, +VC3, -VC1, -VC2, -VC3)이라고 할 때, 제1 내지 제3 강유전층들(FE1, FE2, FE3)을 이용하여 하나의 메모리 셀에 데이터를 저장하는 방법을 설명한다. 예를 들어, 도 6에 도시한 실시예에서 하나의 메모리 셀 또는 메모리 소자는 TLC(Triple Level Cell) 방식으로 3 비트의 데이터를 저장할 수 있다. 도 6에서, (1) 내지 (8)은 제1 내지 제3 강유전층들(FE1, FE2, FE3)의 분극 상태를 지칭하고, 각각의 상부에 표시된 전압들은 해당 분극 상태를 구현하기 위하여 마지막에 입력되는 프로그램 전압을 나타낸다.First, referring to FIG. 6, the first to third dielectric layers 161, 162, and 163 of FIG. 2 are referred to as first to third ferroelectric layers FE1, FE2, and FE3, respectively, and each of the coherent voltage When is referred to as the first to third voltages (+V C1 , +V C2 , +V C3 , -V C1 , -V C2 , -V C3 ), the first to third ferroelectric layers FE1 , FE2 , and FE3 ) to store data in one memory cell. For example, in the embodiment illustrated in FIG. 6 , one memory cell or memory device may store 3-bit data in a triple level cell (TLC) method. In FIG. 6, (1) to (8) refer to the polarization states of the first to third ferroelectric layers FE1, FE2, and FE3, and the voltages indicated on each top are the last to implement the polarization state. Indicates the input program voltage.

구체적으로, 게이트 전극(165)(도 3 참조)에, 양의 제3 전압(+VC3) 이상의 전압, 예컨대 제1 프로그램 전압을 인가하여, 제1 내지 제3 강유전층들(FE1, FE2, FE3) 모두에서 제1 방향으로 전기 쌍극자들의 분극이 일어나게 함으로써 메모리 셀을 분극 상태 (1)로 설정할 수 있다. 본 명세서에서, 전압의 크기는 절대값을 기준으로 설명한다.Specifically, a voltage greater than or equal to a positive third voltage (+V C3 ), for example, a first program voltage is applied to the gate electrode 165 (see FIG. 3 ), so that the first to third ferroelectric layers FE1, FE2, The memory cell may be set to the polarization state (1) by causing electric dipoles to be polarized in the first direction in all of FE3). In this specification, the magnitude of voltage is described based on an absolute value.

분극 상태 (2)의 경우, 분극 상태 (1)로 설정된 메모리 셀의 게이트 전극(165)에서, 음의 제1 전압(-VC1)과 동일하거나 그보다 크고 음의 제2 전압(-VC2)보다 작은 제2 프로그램 전압을 더 인가하여, 제1 강유전층(FE1)의 분극 방향이 제1 방향에 반대되는 제2 방향으로 변경되게 함으로써 구현될 수 있다. In the case of the polarization state (2), the second negative voltage (-V C2 ) equal to or greater than the first negative voltage (-V C1 ) at the gate electrode 165 of the memory cell set to the polarization state (1) It may be implemented by further applying a smaller second program voltage so that the polarization direction of the first ferroelectric layer FE1 is changed to a second direction opposite to the first direction.

분극 상태 (1) 또는 (2)에, 음의 제2 전압(-VC2)과 동일하거나 그보다 크고 음의 제3 전압(-VC3)보다 작은 제2 또는 제3 프로그램 전압을 인가하면, 제1 및 제2 강유전층들(FE1, FE2)의 분극 방향이 제1 방향에 반대되는 제2 방향으로 변경될 수 있다. 이에 의해, 제1 내지 제3 강유전층들(FE1, FE2, FE3)은 분극 상태 (3)이 될 수 있다. 도 7a는 이와 같이 분극 상태 (3)을 구현하기 위한 프로그램 방법을 도시한다. 이에 의하면, 먼저 양의 제3 전압(+VC3) 이상인 제1 프로그램 전압을 입력한 후, 음의 제2 전압(-VC2)과 동일하거나 그보다 크고 음의 제3 전압(-VC3)보다 작은 제2 프로그램 전압을 입력하는 순서로 프로그램 동작이 수행될 수 있다.When a second or third program voltage equal to or greater than or greater than the negative second voltage (-V C2 ) and smaller than the negative third voltage (-V C3 ) is applied to the polarization state (1) or (2), Polarization directions of the first and second ferroelectric layers FE1 and FE2 may be changed to a second direction opposite to the first direction. Accordingly, the first to third ferroelectric layers FE1, FE2, and FE3 may be in a polarization state (3). Fig. 7a thus shows a program method for implementing the polarization state (3). According to this, first, after inputting the first program voltage higher than the positive third voltage (+V C3 ), the same as or greater than the second negative voltage (-V C2 ) and higher than the negative third voltage (-V C3 ). A program operation may be performed in the order of inputting a small second program voltage.

분극 상태 (3)에, 양의 제1 전압(+VC1)과 동일하거나 그보다 크고 양의 제2 전압(+VC2)보다 작은 제3 프로그램 전압을 인가하면, 제1 강유전층(FE1)의 분극 방향이 제2 방향에서 다시 제1 방향으로 변경되어, 분극 상태 (4)가 될 수 있다. 도 7b는 이와 같이 분극 상태 (4)를 구현하기 위한 프로그램 방법을 도시한다. 도 7b를 참조하면, 양의 제3 전압(+VC3) 이상의 제1 프로그램 전압, 음의 제2 전압(-VC2)과 동일하거나 그보다 크고 음의 제3 전압(-VC3)보다 작은 제2 프로그램 전압, 및 양의 제1 전압(+VC1)과 동일하거나 그보다 크고 양의 제2 전압(+VC2)보다 작은 제3 프로그램 전압을 순서대로 입력함으로써, 메모리 셀에 포함된 제1 내지 제3 강유전층들(FE1, FE2, FE3)의 분극 상태를 분극 상태 (4)로 설정하는 프로그램 동작이 수행될 수 있다.When a third program voltage equal to or higher than the positive first voltage (+V C1 ) and smaller than the positive second voltage (+V C2 ) is applied to the polarization state (3), the first ferroelectric layer FE1 The polarization direction may be changed from the second direction to the first direction, resulting in a polarization state (4). Figure 7b shows a program method for implementing this polarization state (4). Referring to FIG. 7B , the first program voltage equal to or greater than the third positive voltage (+V C3 ), equal to or greater than the second negative voltage (-V C2 ) and smaller than the third negative voltage (-V C3 ). By sequentially inputting 2 program voltages and a third program voltage that is equal to or greater than the positive first voltage (+V C1 ) and smaller than the positive second voltage (+V C2 ), the first to second program voltages included in the memory cell are sequentially input. A program operation may be performed to set the polarization state of the third ferroelectric layers FE1 , FE2 , and FE3 to the polarization state (4).

유사하게, 게이트 전극(165)에, 음의 제3 전압(-VC3) 이상의 제1 프로그램 전압을 인가하면, 제1 내지 제3 강유전층들(FE1, FE2, FE3) 모두에서 제2 방향으로 분극이 일어나, 분극 상태 (5)가 될 수 있다. 분극 상태 (5)에, 양의 제1 전압(+VC1)과 동일하거나 그보다 크고 양의 제2 전압(+VC2)보다 작은 제2 프로그램 전압을 인가하면, 제1 강유전층(FE1)의 분극 방향이 제1 방향으로 변경되어, 분극 상태(6)이 될 수 있다. 분극 상태 (5) 또는 (6)에, 양의 제2 전압(+VC2)과 동일하거나 그보다 크고 양의 제3 전압(+VC3)보다 작은 제2 또는 제3 프로그램 전압을 인가하면, 제1 및 제2 강유전층들(FE1, FE2)의 분극 방향이 제1 방향으로 변경될 수 있다. 이에 의해 분극 상태 (7)이 구현될 수 있다. 분극 상태 (7)에, 음의 제1 전압(-VC1)과 동일하거나 그보다 크고 음의 제2 전압(-VC2)보다 작은 제3 프로그램 전압을 인가하면, 제1 강유전층(FE1)의 분극 방향이 제1 방향에서 다시 제2 방향으로 변경되어 분극 상태 (8)이 될 수 있다.Similarly, when a first program voltage equal to or higher than the negative third voltage (-V C3 ) is applied to the gate electrode 165 , all of the first to third ferroelectric layers FE1 , FE2 , and FE3 in the second direction Polarization may occur, resulting in a polarization state (5). When a second program voltage equal to or higher than the positive first voltage (+V C1 ) and smaller than the positive second voltage (+V C2 ) is applied to the polarization state (5), the first ferroelectric layer FE1 The polarization direction may be changed to the first direction, resulting in a polarization state (6). In the polarization state (5) or (6), when a second or third program voltage equal to or greater than the positive second voltage (+V C2 ) and smaller than the positive third voltage (+V C3 ) is applied, the second or third program voltage is applied. Polarization directions of the first and second ferroelectric layers FE1 and FE2 may be changed to the first direction. The polarization state (7) can thereby be realized. When a third program voltage equal to or higher than the negative first voltage (-V C1 ) and smaller than the negative second voltage (-V C2 ) is applied to the polarization state (7), the first ferroelectric layer (FE1) The polarization direction may be changed from the first direction to the second direction, resulting in a polarization state (8).

게이트 전극(165)에 인가되는 전압은, 예를 들어, 도 5의 주변 회로 영역(20)에 의해 수행되고 제어될 수 있다. 도 2의 반도체 장치(100)로 구현되는 메모리 셀에, 상기와 같이 서로 다른 부호를 갖는 프로그램 전압들을 순차로 입력함으로써, 데이터를 기록할 수 있다. 하나의 데이터를 기록하기 위한 상기 프로그램 전압들은, 상술한 것과 같이 서로 다른 크기를 가질 수 있으며, 처음에 입력되는 제1 프로그램 전압이 가장 큰 크기를 가질 수 있다. 다만, 메모리 셀에 기록하고자 하는 데이터에 따라, 양의 제3 전압(+VC3) 이상이거나 음의 제3 전압(-VC3) 이상인 프로그램 전압만으로 프로그램 동작이 완료될 수도 있다.The voltage applied to the gate electrode 165 may be performed and controlled by, for example, the peripheral circuit region 20 of FIG. 5 . Data may be written by sequentially inputting program voltages having different codes as described above to the memory cells implemented by the semiconductor device 100 of FIG. 2 . As described above, the program voltages for writing one data may have different sizes, and the first program voltage input first may have the largest size. However, the program operation may be completed only with a program voltage higher than the positive third voltage (+V C3 ) or higher than the negative third voltage (-V C3 ) according to data to be written in the memory cell.

본 실시예에 따르면, 메모리 셀에서 채널층들의 개수가 3개이고, 이에 따라 유전층들의 개수가 3개인 경우, 도 6에 도시한 바와 같이 8개의 서로 다른 분극 상태들을 구현할 수 있어, 하나의 메모리 셀에 3 비트를 저장할 수 있다. 이와 같이, 예시적인 실시예들에서, 메모리 셀의 채널층들의 개수가 N 개(N은 2 이상의 자연수)인 경우, 메모리 셀에 최대 N 비트의 데이터를 저장할 수 있다. 즉, 메모리 셀에 N 비트 이하의 데이터를 저장할 수 있다. 또한, 상술한 것과 같이, 서로 다른 크기를 갖는 프로그램 전압들을 최대 N번 입력함으로써 하나의 메모리 셀에 원하는 3비트의 데이터를 기록할 수 있다.According to this embodiment, when the number of channel layers in a memory cell is 3, and thus the number of dielectric layers is 3, 8 different polarization states can be implemented as shown in FIG. 3 bits can be stored. As such, in exemplary embodiments, when the number of channel layers of a memory cell is N (N is a natural number greater than or equal to 2), data of up to N bits may be stored in the memory cell. That is, data of N bits or less can be stored in the memory cell. Also, as described above, desired 3-bit data can be written in one memory cell by inputting program voltages having different sizes up to N times.

도 8은 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 8 is a diagram for describing an operation of a semiconductor device according to example embodiments.

도 8을 참조하면, 반도체 장치(100)(도 2 참조)의 메모리 소자는 제1 내지 제8 상태들(P1, P2, P3, P4, P5, P6, P7, P8) 중 하나를 갖도록 프로그램될 수 있으며, 제1 내지 제8 상태들(P1, P2, P3, P4, P5, P6, P7, P8)은 서로 다른 문턱 전압에 대응할 수 있다. 제1 프로그램 상태(P1)의 메모리 소자의 문턱 전압이 가장 낮고, 제8 프로그램 상태(P8)의 메모리 소자의 문턱 전압이 가장 높을 수 있다. 또한, 메모리 소자는, 최하위 비트(least significant bit, LSB), 중위 비트(central significant bit, CSB), 및 최상위 비트(most significant bit, MSB)를 포함하는 3 비트의 데이터를 저장할 수 있다. 제1 내지 제8 상태들(P1, P2, P3, P4, P5, P6, P7, P8)은 서로 다른 3비트 데이터에 할당될 수 있다.Referring to FIG. 8 , a memory device of the semiconductor device 100 (see FIG. 2 ) may be programmed to have one of first to eighth states P1 , P2 , P3 , P4 , P5 , P6 , P7 , and P8 . and the first to eighth states P1 , P2 , P3 , P4 , P5 , P6 , P7 , and P8 may correspond to different threshold voltages. The threshold voltage of the memory device in the first program state P1 may be the lowest, and the threshold voltage of the memory device in the eighth program state P8 may be the highest. In addition, the memory device may store 3-bit data including a least significant bit (LSB), a central significant bit (CSB), and a most significant bit (MSB). The first to eighth states P1, P2, P3, P4, P5, P6, P7, and P8 may be allocated to different 3-bit data.

예시적인 실시예들에서, 메모리 소자는 제1 내지 제3 강유전층들(FE1, FE2, FE3)을 포함하며, 제1 강유전층(FE1)의 분극 상태를 조절하여 최상위 비트(MSB)를 메모리 소자에 프로그램할 수 있다. 유사하게, 제2 강유전층(FE2)의 분극 상태를 조절하여 중위 비트(CSB)를 메모리 소자에 프로그램하고, 제3 강유전층(FE3)의 분극 상태를 조절하여 최하위 비트(LSB)를 메모리 소자에 프로그램할 수 있다In example embodiments, the memory device includes first to third ferroelectric layers FE1, FE2, and FE3, and the most significant bit MSB is obtained by adjusting the polarization state of the first ferroelectric layer FE1. can be programmed in Similarly, the middle bit CSB is programmed into the memory device by adjusting the polarization state of the second ferroelectric layer FE2, and the least significant bit LSB is programmed into the memory device by adjusting the polarization state of the third ferroelectric layer FE3. can be programmed

도 6 및 도 8을 참조하면, 분극 상태 (1)인 제1 프로그램 상태(P1)는 데이터 '111'로 할당되고, 분극 상태 (2)인 제2 프로그램 상태(P2)는 데이터 '110'으로 할당되고, 분극 상태 (4)인 제3 프로그램 상태(P3)는 데이터 '101'로 할당되고, 분극 상태 (3)인 제4 프로그램 상태(P4)는 데이터 '100'으로 할당되고, 분극 상태(7)인 제5 프로그램 상태(P5)는 데이터 '011'로 할당되고, 분극 상태(8)인 제6 프로그램 상태(P5)는 데이터 '010'으로 할당되고, 분극 상태(6)인 제7 프로그램 상태(P7)는 데이터 '001'로 할당되고, 분극 상태(5)인 제8 프로그램 상태(P8)는 데이터 '000'으로 할당될 수 있다. 도 6에서 상술한 것과 같이, 프로그램 전압이 2회 이상 입력되는 분극 상태 (2) 내지 (4), 및 분극 상태 (6) 내지 (8)에 의한 데이터들의 경우, 제1 내지 제3 강유전층들(FE1, FE2, FE3) 중 적어도 일부가 서로 다른 분극 상태를 가질 수 있으며, 따라서 메모리 소자에 프로그램되는 데이터의 비트들 중 적어도 일부가 서로 다른 값을 가질 수 있다.6 and 8, the first program state (P1) of polarization state (1) is assigned to data '111', and the second program state (P2) of polarization state (2) is assigned to data '110'. and the third program state (P3) of polarization state (4) is assigned to data '101', the fourth program state (P4) of polarization state (3) is assigned to data '100', and the polarization state ( 7), the fifth program state (P5) is assigned data '011', the polarization state (8), the sixth program state (P5) is assigned data '010', and the polarization state (6), the seventh program The state P7 is assigned data '001', and the polarization state 5, the eighth program state P8, can be assigned data '000'. As described above with reference to FIG. 6, in the case of data by polarization states (2) to (4) and polarization states (6) to (8) in which the program voltage is input twice or more, the first to third ferroelectric layers At least some of (FE1, FE2, and FE3) may have different polarization states, and thus at least some of bits of data programmed into the memory device may have different values.

예시적인 실시예들에서, 제4 프로그램 상태(P4)에 대응하는 문턱 전압 산포의 최대값과 제5 프로그램 상태(P5)에 대응하는 문턱 전압 산포의 최소값 사이의 읽기 전압을 메모리 소자의 게이트 전극(165)에 입력함으로써, 최상위 비트(MSB)를 판별하는 제1 읽기 동작을 실행할 수 있다. In example embodiments, a read voltage between the maximum value of the threshold voltage distribution corresponding to the fourth program state P4 and the minimum value of the threshold voltage distribution corresponding to the fifth program state P5 is applied to the gate electrode of the memory device ( 165), it is possible to execute a first read operation for determining the most significant bit (MSB).

중위 비트(CSB)의 읽기 동작은, 제2 프로그램 상태(P2)에 대응하는 문턱 전압 산포의 최대값과 제3 프로그램 상태(P3)에 대응하는 문턱 전압 산포의 최소값 사이의 읽기 전압을 이용한 제2 읽기 동작, 또는 제6 프로그램 상태(P6)에 대응하는 문턱 전압 산포의 최대값과 제7 프로그램 상태(P7)에 대응하는 문턱 전압 산포의 최소값 사이의 읽기 전압을 이용한 제2 읽기 동작을 포함할 수 있다. The read operation of the middle bit (CSB) is performed by using a read voltage between the maximum value of the threshold voltage distribution corresponding to the second program state P2 and the minimum value of the threshold voltage distribution corresponding to the third program state P3. A read operation or a second read operation using a read voltage between the maximum value of the threshold voltage distribution corresponding to the sixth program state P6 and the minimum value of the threshold voltage distribution corresponding to the seventh program state P7 there is.

최하위 비트(LSB)의 읽기 동작은, 제1 프로그램 상태(P1)에 대응하는 문턱 전압 산포의 최대값과 제2 프로그램 상태(P2)에 대응하는 문턱 전압 산포의 최소값 사이의 읽기 전압을 이용한 제3 읽기 동작, 제3 프로그램 상태(P3)에 대응하는 문턱 전압 산포의 최대값과 제4 프로그램 상태(P4)에 대응하는 문턱 전압 산포의 최소값 사이의 읽기 전압을 이용한 제3 읽기 동작, 제5 프로그램 상태(P5)에 대응하는 문턱 전압 산포의 최대값과 제6 프로그램 상태(P6)에 대응하는 문턱 전압 산포의 최소값 사이의 읽기 전압을 이용한 제3 읽기 동작, 및 제7 프로그램 상태(P7)에 대응하는 문턱 전압 산포의 최대값과 제8 프로그램 상태(P8)에 대응하는 문턱 전압 산포의 최소값 사이의 읽기 전압을 이용한 제3 읽기 동작 중 하나를 포함할 수 있다. 다만, 읽기 동작의 구체적인 동작 방법은 이에 한정되지는 않는다.The read operation of the least significant bit (LSB) is a third program using a read voltage between the maximum value of the threshold voltage distribution corresponding to the first program state P1 and the minimum value of the threshold voltage distribution corresponding to the second program state P2. Read operation, a third read operation using a read voltage between the maximum value of the threshold voltage distribution corresponding to the third program state (P3) and the minimum value of the threshold voltage distribution corresponding to the fourth program state (P4), and the fifth program state A third read operation using a read voltage between the maximum value of the threshold voltage distribution corresponding to (P5) and the minimum value of the threshold voltage distribution corresponding to the sixth program state (P6), and One of third read operations using a read voltage between the maximum value of the threshold voltage distribution and the minimum value of the threshold voltage distribution corresponding to the eighth program state P8 may be included. However, a specific operation method of the read operation is not limited thereto.

도 9는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치를 도시하는 단면도이다. 도 9는 도 2에 대응하는 단면을 도시한다.9 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor device according to example embodiments. 9 shows a cross section corresponding to FIG. 2 .

도 9를 참조하면, 반도체 장치(100a)에서, 유전층들(160a)의 제1 내지 제4 유전층들(161a, 162a, 163a, 167a)은 모두 동일한 두께(T5)를 가질 수 있다. 다만, 이 경우에도 제1 내지 제3 유전층들(161a, 162a, 163a)의 코어시브 전압은 서로 다를 수 있다. 이를 위해, 제1 내지 제3 유전층들(161a, 162a, 163a)은 코어시브 전기장이 서로 다른 강유전체 또는 반강유전체 물질을 포함할 수 있다. 또는, 제1 내지 제3 유전층들(161a, 162a, 163a)은 도 3a 내지 도 3c를 참조하여 상술한 것과 같이, 동일한 강유전체 또는 반강유전체 물질을 포함하는 경우라 하더라도, 내부의 배치 구조가 상이할 수 있다.Referring to FIG. 9 , in the semiconductor device 100a, the first to fourth dielectric layers 161a, 162a, 163a, and 167a of the dielectric layers 160a may all have the same thickness T5. However, even in this case, the first through third dielectric layers 161a, 162a, and 163a may have different core sheave voltages. To this end, the first to third dielectric layers 161a, 162a, and 163a may include ferroelectric or antiferroelectric materials having different covalent electric fields. Alternatively, even when the first to third dielectric layers 161a, 162a, and 163a include the same ferroelectric or antiferroelectric material as described above with reference to FIGS. 3A to 3C, the internal arrangement structure may be different. can

도 10은 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치를 도시하는 단면도이다. 도 10은 도 2의 우측에 대응하는 단면을 도시한다.10 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor device according to example embodiments. FIG. 10 shows a cross section corresponding to the right side of FIG. 2 .

도 10을 참조하면, 반도체 장치(100b)에서, 채널 구조물(140b)을 이루는 제1 내지 제3 채널층들(141b, 142b, 143b)은, 게이트 전극(175)의 연장 방향인 y 방향에서, 서로 다른 제1 내지 제3 폭(L1, L2, L3)을 가질 수 있다. 이에 따라, 유전층들(160b)에서, 제1 내지 제3 유전층들(161b, 162b, 163b)도 서로 다른 폭을 가질 수 있다. 본 실시예에서, 제1 내지 제3 유전층들(161b, 162b, 163b)은 서로 다른 두께를 가지면서 동시에 서로 다른 폭을 가질 수 있다.Referring to FIG. 10 , in the semiconductor device 100b, the first to third channel layers 141b, 142b, and 143b constituting the channel structure 140b are formed in the y direction, which is the extending direction of the gate electrode 175. The first to third widths L1, L2, and L3 may be different from each other. Accordingly, in the dielectric layers 160b, the first to third dielectric layers 161b, 162b, and 163b may also have different widths. In this embodiment, the first to third dielectric layers 161b, 162b, and 163b may have different thicknesses and different widths.

제1 채널층(141b)은 제1 폭(L1)을 가질 수 있고, 제2 채널층(142b)은 제1 폭(L1)보다 작은 제2 폭(L2)을 가질 수 있고, 제3 채널층(143b)은 제2 폭(L2)보다 작은 제3 폭(L3)을 가질 수 있다. 활성 영역(105)은 제1 폭(L1)과 실질적으로 동일한 폭을 갖는 것으로 도시되었으나, 이에 한정되지는 않는다. 제1 내지 제3 채널층들(141b, 142b, 143b)을 각각 둘러싸는 제1 내지 제3 유전층들(161b, 162b, 163b)도 순차적으로 감소하는 폭을 가질 수 있다. 제4 유전층(167b)은 제1 유전층(161b)과 동일한 두께를 가질 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 다만, 예시적인 실시예들에서, 가장 작은 폭 및 가장 큰 폭을 갖는 채널층 및 유전층의 레벨은 다양하게 변경될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 제3 채널층(143b)이 가장 큰 폭을 가질 수도 있을 것이다. The first channel layer 141b may have a first width L1, the second channel layer 142b may have a second width L2 smaller than the first width L1, and the third channel layer 142b may have a second width L2 smaller than the first width L1. (143b) may have a third width (L3) smaller than the second width (L2). The active region 105 is illustrated as having substantially the same width as the first width L1, but is not limited thereto. The first to third dielectric layers 161b, 162b, and 163b surrounding the first to third channel layers 141b, 142b, and 143b, respectively, may also have sequentially decreasing widths. The fourth dielectric layer 167b may have the same thickness as the first dielectric layer 161b, but is not limited thereto. However, in exemplary embodiments, the levels of the channel layer and the dielectric layer having the smallest width and the largest width may be variously changed. For example, in some embodiments, the third channel layer 143b may have the largest width.

제1 내지 제3 채널층들(141b, 142b, 143b)이 서로 다른 폭을 가지므로, 각각의 제1 내지 제3 채널층들(141b, 142b, 143b)을 포함하는 소자가 턴-온 상태일 때, 턴-온된 채널층에 따라 전류량의 차이가 더욱 증가하여, 도 8을 참조하여 상술한 읽기 동작이 더욱 용이하게 수행될 수 있다.Since the first to third channel layers 141b, 142b, and 143b have different widths, the device including each of the first to third channel layers 141b, 142b, and 143b may be in a turn-on state. In this case, the difference in current amount further increases according to the turned-on channel layer, so that the read operation described above with reference to FIG. 8 can be more easily performed.

도 11a 및 도 11b는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치를 도시하는 단면도들이다. 도 11a 및 도 11b는 도 2의 우측에 대응하는 단면을 각각 도시한다.11A and 11B are cross-sectional views illustrating a semiconductor device according to example embodiments. 11A and 11B each show a cross section corresponding to the right side of FIG. 2 .

도 11a를 참조하면, 반도체 장치(100c)는, 도 2의 실시예에서와 달리, 채널 분리부(210)를 더 포함할 수 있다. 채널 분리부(210)는 채널 구조물(140c)을 기판(101)의 상면에 수직한 방향인 z 방향으로 관통하여, y 방향에서 채널 구조물(140c) 및 유전층들(160c)을 분할할 수 있다. 채널 분리부(210)는 절연 물질을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 11A , the semiconductor device 100c may further include a channel separator 210 unlike the embodiment of FIG. 2 . The channel separator 210 may pass through the channel structure 140c in the z direction, which is a direction perpendicular to the upper surface of the substrate 101 , to divide the channel structure 140c and the dielectric layers 160c in the y direction. The channel separator 210 may include an insulating material.

채널 구조물(140c)은, 동일한 레벨에 배치되는 제1 채널층들(141_1, 141_2)의 제1 층(141_1) 및 제2 층(141_2)을 포함하고, 동일한 레벨에 배치되는 제2 채널층들(142_1, 142_2)의 제1 층(142_1) 및 제2 층(142_2)을 포함하며, 동일한 레벨에 배치되는 제3 채널층들(143_1, 143_2)의 제1 층(143_1) 및 제2 층(143_2)을 포함할 수 있다. 제1 층들(141_1, 142_1, 143_1) 및 제2 층들(141_2, 142_2, 143_2)은 y 방향에서 서로 다른 폭을 가질 수 있다. 제1 층들(141_1, 142_1, 143_1)은 제4 폭(L4)을 갖고, 제2 층들(141_2, 142_2, 143_2)은 제4 폭(L4)보다 큰 제5 폭(L5)을 가질 수 있다. 제4 폭(L4) 및 제5 폭(L5)의 상대적인 크기는 실시예들에서 다양하게 변경될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제4 폭(L4) 및 제5 폭(L5)은 서로 동일할 수도 있다.The channel structure 140c includes the first layer 141_1 and the second layer 141_2 of the first channel layers 141_1 and 141_2 disposed on the same level, and the second channel layers disposed on the same level. It includes the first layer 142_1 and the second layer 142_2 of (142_1 and 142_2), and the first layer 143_1 and the second layer of the third channel layers 143_1 and 143_2 disposed on the same level ( 143_2) may be included. The first layers 141_1, 142_1, and 143_1 and the second layers 141_2, 142_2, and 143_2 may have different widths in the y direction. The first layers 141_1, 142_1, and 143_1 may have a fourth width L4, and the second layers 141_2, 142_2, and 143_2 may have a fifth width L5 greater than the fourth width L4. Relative sizes of the fourth width L4 and the fifth width L5 may be variously changed in embodiments. In some embodiments, the fourth width L4 and the fifth width L5 may be equal to each other.

유전층들(160c)은 y 방향을 따른 일 측면들이 채널 분리부(210)와 접촉할 수 있다. 유전층들(160c)은 6개의 채널층들(141_1, 141_2, 142_1, 142_2, 143_1, 143_2)을 각각 둘러싸는 제1 내지 제6 유전층들(161_1, 161_2, 162_1, 162_2, 163_1, 163_2)이 서로 다른 제1 내지 제6 두께(T1c, T2c, T3c, T4c, T5c, T6c)를 가질 수 있다. 이에 따라, 제1 내지 제6 유전층들(161_1, 161_2, 162_1, 162_2, 163_1, 163_2)은 서로 다른 코어시브 전압을 가질 수 있다. 제1 내지 제6 두께(T1c, T2c, T3c, T4c, T5c, T6c)에서, 제1 두께(T1c)부터 제6 두께(T6c)까지 크기가 순차적으로 증가할 수 있다. 다만, 예시적인 실시예들에서, 제1 내지 제6 두께(T1c, T2c, T3c, T4c, T5c, T6c)의 증감 순서 및 상대적인 두께는 다양하게 변경될 수 있다.One side surfaces of the dielectric layers 160c in the y direction may contact the channel separator 210 . In the dielectric layers 160c, the first to sixth dielectric layers 161_1, 161_2, 162_1, 162_2, 163_1, and 163_2 surrounding the six channel layers 141_1, 141_2, 142_1, 142_2, 143_1, and 143_2, respectively, are connected to each other. Different first to sixth thicknesses T1c, T2c, T3c, T4c, T5c, and T6c may be provided. Accordingly, the first to sixth dielectric layers 161_1 , 161_2 , 162_1 , 162_2 , 163_1 , and 163_2 may have different coherent voltages. In the first to sixth thicknesses T1c, T2c, T3c, T4c, T5c, and T6c, the size may sequentially increase from the first thickness T1c to the sixth thickness T6c. However, in exemplary embodiments, the order of increase and decrease and the relative thickness of the first to sixth thicknesses T1c, T2c, T3c, T4c, T5c, and T6c may be variously changed.

도 11b를 참조하면, 반도체 장치(100d)는, 도 11a의 실시예에서와 달리, 채널 분리부(210)와 연결되며 게이트 전극(175)을 y 방향에서 분할하는 게이트 분리부(220)를 더 포함할 수 있다. 이에 따라, y 방향을 따라 분할된 게이트 전극들(175)에는 서로 다른 전기적 신호가 인가될 수 있다.Referring to FIG. 11B , unlike the embodiment of FIG. 11A , the semiconductor device 100d further includes a gate separator 220 connected to the channel separator 210 and dividing the gate electrode 175 in the y direction. can include Accordingly, different electrical signals may be applied to the gate electrodes 175 divided along the y direction.

채널 구조물(140c) 및 유전층들(160c)에 대해서는, 도 11a를 참조하여 상술한 설명이 동일하게 적용될 수 있다. 다만, 일부 실시예들에서, 유전층들(160c)은 도 11a의 실시예에서와 달리, 동일한 레벨에 배치되는 채널층들(141_1, 141_2, 142_1, 142_2, 143_1, 143_2)을 둘러싸는 유전층들은 서로 동일한 두께를 가질 수도 있을 것이다. 예를 들어, 제1 유전층(161_1)과 제2 유전층(161_2)이 동일한 두께를 갖고, 제3 유전층(162_1)과 제4 유전층(162_2)이 동일한 두께를 갖고, 제5 유전층(163_1)과 제6 유전층(163_2)이 동일한 두께를 가질 수 있다. 실시예들에서, z 방향에서 중첩되도록 배치되는 제1 유전층(161_1), 제3 유전층(162_1), 및 제5 유전층(163_1)이 서로 다른 두께를 갖고 제2 유전층(161_2), 제4 유전층(162_2), 및 제6 유전층(163_2)이 서로 다른 두께를 갖는 범위에서, 유전층들(160c)의 두께는 다양하게 변경될 수 있다.For the channel structure 140c and the dielectric layers 160c, the above description with reference to FIG. 11A may be equally applied. However, in some embodiments, unlike the embodiment of FIG. 11A , the dielectric layers surrounding the channel layers 141_1 , 141_2 , 142_1 , 142_2 , 143_1 , and 143_2 disposed on the same level are mutually related to each other. They may have the same thickness. For example, the first dielectric layer 161_1 and the second dielectric layer 161_2 have the same thickness, the third dielectric layer 162_1 and the fourth dielectric layer 162_2 have the same thickness, and the fifth dielectric layer 163_1 and the second dielectric layer 163_1 have the same thickness. Six dielectric layers 163_2 may have the same thickness. In embodiments, the first dielectric layer 161_1, the third dielectric layer 162_1, and the fifth dielectric layer 163_1 disposed to overlap in the z direction have different thicknesses, and the second dielectric layer 161_2 and the fourth dielectric layer ( 162_2) and the sixth dielectric layer 163_2 have different thicknesses, the thicknesses of the dielectric layers 160c may be variously changed.

도 12a 및 도 12b는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치를 도시하는 단면도들이다. 도 12a 및 도 12b는 도 2의 우측에 대응하는 단면을 각각 도시한다.12A and 12B are cross-sectional views illustrating a semiconductor device according to example embodiments. 12A and 12B respectively show cross sections corresponding to the right side of FIG. 2 .

도 12a를 참조하면, 반도체 장치(100e)에서, 채널 구조물(140e)은 제1 내지 제4 채널층들(141, 142, 143, 144)을 포함하고, 유전층들(160e)은 제1 내지 제5 유전층들(161, 162, 163, 167, 164)을 포함할 수 있다. 제5 유전층(164)은 제4 채널층(144)을 둘러싸도록 배치될 수 있으며, 제3 유전층(163)의 제1 내지 3 두께(T1, T2, T3)와 다른 두께(T7)를 가질 수 있다. 예를 들어, 제3 유전층(163)의 두께(T7)는 제3 두께(T3)보다 클 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 제1 내지 제3 유전층들(161, 162, 163) 및 제5 유전층(164)은 서로 다른 코어시브 전압을 가질 수 있다.Referring to FIG. 12A , in the semiconductor device 100e, the channel structure 140e includes first to fourth channel layers 141 , 142 , 143 , and 144 , and the dielectric layers 160e include first to fourth channel layers 140e. Five dielectric layers 161, 162, 163, 167, and 164 may be included. The fifth dielectric layer 164 may be disposed to surround the fourth channel layer 144 and may have a thickness T7 different from the first to third thicknesses T1 , T2 , and T3 of the third dielectric layer 163 . there is. For example, the thickness T7 of the third dielectric layer 163 may be greater than the third thickness T3, but is not limited thereto. The first to third dielectric layers 161 , 162 , and 163 and the fifth dielectric layer 164 may have different coherent voltages.

이와 같이, 실시예들에서, 채널 구조물(140e)을 이루는 채널층들의 개수는 다양하게 변경될 수 있으며, 이에 따라 채널층들을 둘러싸는 유전층들의 개수도 다양하게 변경될 수 있다. 예를 들어, 본 실시예의 반도체 장치(100e)에 의하면, 도 6 내지 도 8을 참조하여 상술한 것과 유사하게, QLC(Quad Level Cell)를 구현할 수 있으며, 최대 4 비트를 저장할 수 있을 것이다.As such, in embodiments, the number of channel layers constituting the channel structure 140e may be variously changed, and accordingly, the number of dielectric layers surrounding the channel layers may also be variously changed. For example, according to the semiconductor device 100e of the present embodiment, similarly to that described above with reference to FIGS. 6 to 8 , a Quad Level Cell (QLC) may be implemented and a maximum of 4 bits may be stored.

도 12b를 참조하면, 반도체 장치(100f)에서, 채널 구조물(140f)을 이루는 제1 내지 제3 채널층들(141f, 142f, 143f)은 상대적으로 y 방향에서의 길이가 작은 나노 와이어들(NW)을 각각 포함할 수 있다. 이에 따라, 제1 내지 제3 채널층들(141f, 142f, 143f)은 각각 복수개, 예컨대 3개의 나노 와이어들(NW)을 포함할 수 있다. 다만, 동일한 레벨에 배치되는 나노 와이어들(NW)의 개수 및 z 방향을 따라 배치되는 나노 와이어들(NW)의 개수는 실시예들에서 다양하게 변경될 수 있다. Referring to FIG. 12B , in the semiconductor device 100f, the first to third channel layers 141f, 142f, and 143f constituting the channel structure 140f include nanowires NW having a relatively small length in the y direction. ) may be included, respectively. Accordingly, each of the first to third channel layers 141f, 142f, and 143f may include a plurality of, for example, three nanowires NW. However, the number of nanowires NW disposed on the same level and the number of nanowires NW disposed along the z direction may be variously changed in embodiments.

유전층들(160f)은 각각의 나노 와이어들(NW)을 둘러싸는 제1 내지 제9 유전층들(161_1, 161_2, 161_3, 162_1, 162_2, 162_3, 163_1, 163_2, 163_3)을 포함할 수 있다. 제1 내지 제9 유전층들(161_1, 161_2, 161_3, 162_1, 162_2, 162_3, 163_1, 163_2, 163_3)은 서로 다른 코어시브 전압을 가질 수 있다. 예를 들어, 본 실시에에서와 같이, 제1 내지 제9 유전층들(161_1, 161_2, 161_3, 162_1, 162_2, 162_3, 163_1, 163_2, 163_3)은 서로 다른 두께를 가질 수 있다.The dielectric layers 160f may include first to ninth dielectric layers 161_1 , 161_2 , 161_3 , 162_1 , 162_2 , 162_3 , 163_1 , 163_2 , and 163_3 surrounding each of the nanowires NW. The first to ninth dielectric layers 161_1, 161_2, 161_3, 162_1, 162_2, 162_3, 163_1, 163_2, and 163_3 may have different coherent voltages. For example, as in the present embodiment, the first to ninth dielectric layers 161_1, 161_2, 161_3, 162_1, 162_2, 162_3, 163_1, 163_2, and 163_3 may have different thicknesses.

도 13a 내지 도 13e는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 제조 방법을 설명하기 위하여 공정 순서에 따라 도시한 도면들이다. 도 13a 내지 도 13e에서는 도 1 및 도 2의 반도체 장치를 제조하기 위한 제조 방법의 일 실시예를 설명하며, 각각 도 2에 대응하는 단면을 도시한다.13A to 13E are views illustrating a process sequence to describe a method of manufacturing a semiconductor device according to example embodiments. 13A to 13E describe an embodiment of a manufacturing method for manufacturing the semiconductor device of FIGS. 1 and 2 , and each shows a cross section corresponding to FIG. 2 .

도 13a를 참조하면, 기판(101) 상에 희생층들(120) 및 제1 내지 제3 채널층들(141, 142, 143)을 교대로 적층하고, 활성 영역(105)을 포함하는 활성 구조물을 형성할 수 있다.Referring to FIG. 13A , an active structure including sacrificial layers 120 and first to third channel layers 141 , 142 , and 143 alternately stacked on a substrate 101 and an active region 105 . can form

희생층들(120)은 후속 공정을 통해, 도 2와 같이, 유전층들(160) 및 게이트 전극(175)으로 교체되는 층일 수 있다. 희생층들(120)은 제1 내지 제3 채널층들(141, 142, 143)에 대하여 식각 선택성을 갖는 물질로 이루어질 수 있다. 제1 내지 제3 채널층들(141, 142, 143)은 희생층들(120)과 다른 물질을 포함할 수 있다. 희생층들(120) 및 제1 내지 제3 채널층들(141, 142, 143)은 예를 들어, 실리콘(Si), 실리콘 게르마늄(SiGe), 및 게르마늄(Ge) 중 적어도 하나를 포함하는 반도체 물질을 포함하되, 서로 다른 물질을 포함할 수 있으며, 불순물들을 포함하거나 포함하지 않을 수 있다. 예를 들어, 희생층들(120)은 실리콘 게르마늄(SiGe)을 포함하고, 제1 내지 제3 채널층들(141, 142, 143)은 실리콘(Si)을 포함할 수 있다. The sacrificial layers 120 may be replaced with the dielectric layers 160 and the gate electrode 175 through subsequent processes, as shown in FIG. 2 . The sacrificial layers 120 may be formed of a material having etch selectivity with respect to the first to third channel layers 141 , 142 , and 143 . The first to third channel layers 141 , 142 , and 143 may include a material different from that of the sacrificial layers 120 . The sacrificial layers 120 and the first to third channel layers 141, 142, and 143 may include, for example, a semiconductor including at least one of silicon (Si), silicon germanium (SiGe), and germanium (Ge). It includes materials, but may include different materials, and may or may not include impurities. For example, the sacrificial layers 120 may include silicon germanium (SiGe), and the first to third channel layers 141 , 142 , and 143 may include silicon (Si).

희생층들(120) 및 제1 내지 제3 채널층들(141, 142, 143)은 기판(101)으로부터 에피텍셜 성장 공정을 수행함으로써 형성될 수 있다. 희생층들(120)과 교대로 적층되는 채널층들(141, 142, 143)의 층 수는 실시예들에서 다양하게 변경될 수 있다. The sacrificial layers 120 and the first to third channel layers 141 , 142 , and 143 may be formed by performing an epitaxial growth process on the substrate 101 . The number of layers of the channel layers 141 , 142 , and 143 alternately stacked with the sacrificial layers 120 may be variously changed in embodiments.

다음으로, 상기 활성 구조물은 희생층들(120), 제1 내지 제3 채널층들(141, 142, 143), 및 기판(101)의 상부 영역을 패터닝하여 형성할 수 있다. 상기 활성 구조물은 서로 교대로 적층되는 희생층들(120) 및 제1 내지 제3 채널층들(141, 142, 143)을 포함할 수 있으며, 기판(101)의 일부가 제거되어 상부로 돌출되도록 형성되는 활성 영역들105)을 더 포함할 수 있다. 상기 활성 구조물은 일 방향, 예를 들어, x 방향으로 연장되는 라인 형태로 형성될 수 있다. 종횡비에 따라, 상기 활성 구조물의 측면들은 하부를 향하면서 폭이 증가하도록 경사진 형태를 가질 수 있다.Next, the active structure may be formed by patterning the sacrificial layers 120 , the first to third channel layers 141 , 142 , and 143 , and an upper region of the substrate 101 . The active structure may include sacrificial layers 120 and first to third channel layers 141, 142, and 143 that are alternately stacked with each other, and a portion of the substrate 101 is removed to protrude upward. Formed active regions 105) may be further included. The active structure may be formed in a line shape extending in one direction, for example, the x direction. Depending on the aspect ratio, the side surfaces of the active structure may have an inclined shape such that the width increases while facing downward.

기판(101)의 일부가 제거된 영역에는, 절연 물질을 매립한 후 활성 영역(105)이 돌출되도록 상기 절연 물질을 일부 제거함으로써 소자 분리층(110)이 형성될 수 있다. 소자 분리층(110)의 상면은 활성 영역(105)의 상면보다 낮게 형성될 수 있다.In the region where a portion of the substrate 101 is removed, the device isolation layer 110 may be formed by burying the insulating material and then partially removing the insulating material so that the active region 105 protrudes. A top surface of the device isolation layer 110 may be formed lower than a top surface of the active region 105 .

도 13b를 참조하면, 상기 활성 구조물 상에 희생 게이트 구조물(200) 및 게이트 스페이서층들(172ㅊ)을 형성할 수 있다.Referring to FIG. 13B , a sacrificial gate structure 200 and gate spacer layers 172c may be formed on the active structure.

희생 게이트 구조물(200)은, 후속 공정을 통해 도 2와 같이, 채널 구조물(140) 상의 유전층(160) 및 게이트 전극(175)이 배치되는 영역에 형성되는 희생 구조물일 수 있다. 희생 게이트 구조물(200)은 상기 활성구조물과 교차하여 일 방향으로 연장되는 라인 형태를 가질 수 있다. 희생 게이트 구조물(200)은 예를 들어, y 방향으로 연장될 수 있다.The sacrificial gate structure 200 may be a sacrificial structure formed in a region where the dielectric layer 160 and the gate electrode 175 on the channel structure 140 are disposed through a subsequent process, as shown in FIG. 2 . The sacrificial gate structure 200 may have a line shape extending in one direction crossing the active structure. The sacrificial gate structure 200 may extend in the y direction, for example.

희생 게이트 구조물(200)은 순차적으로 적층되는 제1 및 제2 희생 게이트층들(202, 205) 및 마스크 패턴층(206)을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 희생 게이트층들(202, 205)은 마스크 패턴층(206)을 이용하여 패터닝될 수 있다. 제1 및 제2 희생 게이트층들(202, 205)은 각각 절연층 및 도전층일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 일부 실시예들에서, 제1 및 제2 희생 게이트층들(202, 205)은 하나의 층으로 이루어질 수도 있다. 예를 들어, 제1 희생 게이트층(202)은 실리콘 산화물을 포함하고, 제2 희생 게이트층(205)은 폴리 실리콘을 포함할 수 있다. 마스크 패턴층(206)은 실리콘 산화물 및/또는 실리콘 질화물을 포함할 수 있다. The sacrificial gate structure 200 may include first and second sacrificial gate layers 202 and 205 and a mask pattern layer 206 that are sequentially stacked. The first and second sacrificial gate layers 202 and 205 may be patterned using the mask pattern layer 206 . The first and second sacrificial gate layers 202 and 205 may be an insulating layer and a conductive layer, respectively, but are not limited thereto. In some embodiments, the first and second sacrificial gate layers 202 and 205 may be formed of one layer. For example, the first sacrificial gate layer 202 may include silicon oxide, and the second sacrificial gate layer 205 may include polysilicon. The mask pattern layer 206 may include silicon oxide and/or silicon nitride.

게이트 스페이서층들(172)은 희생 게이트 구조물(200)의 양 측벽들 상에 형성될 수 있다. 게이트 스페이서층들(172)은 저유전율 물질로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, SiO, SiN, SiCN, SiOC, SiON, 및 SiOCN 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.Gate spacer layers 172 may be formed on both sidewalls of the sacrificial gate structure 200 . The gate spacer layers 172 may be made of a low-k material, and may include, for example, at least one of SiO, SiN, SiCN, SiOC, SiON, and SiOCN.

도 13c를 참조하면, 희생 게이트 구조물(200)에 의해 노출된 희생층들(120) 및 제1 내지 제3 채널층들(141, 142, 143)을 일부 제거하여 리세스 영역들을 형성하고, 상기 리세스 영역들에 소스/드레인 영역들(150)을 형성할 수 있다.Referring to FIG. 13C , recess regions are formed by partially removing the sacrificial layers 120 and the first to third channel layers 141, 142, and 143 exposed by the sacrificial gate structure 200, and Source/drain regions 150 may be formed in the recess regions.

먼저, 희생 게이트 구조물(200) 및 게이트 스페이서층들(172)을 마스크로 이용하여, 노출된 희생층들(120) 및 제1 내지 제3 채널층들(141, 142, 143)의 일부를 제거하여 상기 리세스 영역들을 형성할 수 있다. 이에 의해, 제1 내지 제3 채널층들(141, 142, 143)은 x 방향을 따라 한정된 길이를 갖는 채널 구조물(140)을 이룰 수 있다.First, portions of the exposed sacrificial layers 120 and the first to third channel layers 141, 142, and 143 are removed by using the sacrificial gate structure 200 and the gate spacer layers 172 as a mask. Thus, the recess regions may be formed. Accordingly, the first to third channel layers 141 , 142 , and 143 may form a channel structure 140 having a limited length along the x direction.

다음으로, 희생층들(120)을 측면으로부터 일부 제거하고, 내부 스페이서층들(130)을 형성할 수 있다. 희생층들(120)은 예를 들어, 습식 식각 공정에 의해 채널 구조물(140)에 대하여 선택적으로 식각되어, x 방향을 따른 측면으로부터 소정 깊이로 제거될 수 있다. 희생층들(120)은 상기와 같은 측면 식각에 의해 내측으로 오목한 측면들을 가질 수 있다. 다만, 희생층들(120)의 측면의 구체적인 형상은 도 13c에 도시된 것에 한정되지 않는다. 내부 스페이서층들(130)은 희생층들(120)이 제거된 영역에 절연 물질을 채우고, 채널 구조물(140)의 외측에 증착된 상기 절연 물질을 제거함으로써 형성할 수 있다. 내부 스페이서층들(130)은 게이트 스페이서층들(172)과 동일한 물질로 형성될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 예를 들어, 내부 스페이서층들(130)은 SiN, SiCN, SiOCN, SiBCN, SiBN 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.Next, some of the sacrificial layers 120 may be removed from the side surfaces, and internal spacer layers 130 may be formed. The sacrificial layers 120 may be selectively etched with respect to the channel structure 140 by, for example, a wet etching process, and may be removed to a predetermined depth from a side surface along the x direction. The sacrificial layers 120 may have side surfaces that are concave inward due to side etching as described above. However, the specific shape of the side surfaces of the sacrificial layers 120 is not limited to that shown in FIG. 13C. The inner spacer layers 130 may be formed by filling an insulating material in a region from which the sacrificial layers 120 are removed and removing the insulating material deposited on the outside of the channel structure 140 . The inner spacer layers 130 may be formed of the same material as the gate spacer layers 172, but are not limited thereto. For example, the inner spacer layers 130 may include at least one of SiN, SiCN, SiOCN, SiBCN, and SiBN.

다음으로, 소스/드레인 영역들(150)은 활성 영역들(105) 및 채널 구조물(140)의 측면들로부터 예를 들어, 선택적 에피택셜 공정에 의해 성장되어 형성될 수 있다. 소스/드레인 영역들(150)은 인-시추(in-situ) 도핑에 의해 불순물들을 포함할 수 있으며, 서로 다른 도핑 원소 및/또는 도핑 농도를 갖는 복수의 층들을 포함할 수도 있다. Next, the source/drain regions 150 may be grown and formed from side surfaces of the active regions 105 and the channel structure 140 by, for example, a selective epitaxial process. The source/drain regions 150 may include impurities by in-situ doping, and may include a plurality of layers having different doping elements and/or doping concentrations.

도 13d를 참조하면, 층간 절연층(190)을 형성하고, 희생 게이트 구조물(200) 및 희생층들(120)을 제거하여 상부 갭 영역(UR) 및 하부 갭 영역들(LR)을 형성할 수 있다.Referring to FIG. 13D , an upper gap region UR and lower gap regions LR may be formed by forming an interlayer insulating layer 190 and removing the sacrificial gate structure 200 and the sacrificial layers 120. there is.

층간 절연층(190)은, 희생 게이트 구조물(200) 및 소스/드레인 영역들(150)을 덮는 절연막을 형성하고 평탄화 공정을 수행하여, 마스크 패턴층(206)을 노출시킴으로써 형성될 수 있다.The interlayer insulating layer 190 may be formed by forming an insulating film covering the sacrificial gate structure 200 and the source/drain regions 150 and performing a planarization process to expose the mask pattern layer 206 .

희생 게이트 구조물(200)은, 게이트 스페이서층들(172), 층간 절연층(190), 채널 구조물(140), 및 내부 스페이서층들(130)에 대하여 선택적으로 제거될 수 있다. 다음으로, 상부 갭 영역(UR)을 통해 노출된 희생층들(120)의 y 방향을 따른 측면들로부터 희생층들(120)을 선택적으로 제거할 수 있다. 본 단계에서, 희생층들(120)은 채널 구조물(140)과 다른 물질을 포함하므로, 습식 식각 공정에 의하여 채널 구조물(140)에 대하여 선택적으로 제거될 수 있다. The sacrificial gate structure 200 may be selectively removed with respect to the gate spacer layers 172 , the interlayer insulating layer 190 , the channel structure 140 , and the internal spacer layers 130 . Next, the sacrificial layers 120 may be selectively removed from side surfaces along the y direction of the sacrificial layers 120 exposed through the upper gap region UR. In this step, since the sacrificial layers 120 include a material different from that of the channel structure 140 , they may be selectively removed with respect to the channel structure 140 by a wet etching process.

도 13e를 참조하면, 상부 갭 영역(UR) 및 하부 갭 영역들(LR)에 유전층들(160)을 형성할 수 있다.Referring to FIG. 13E , dielectric layers 160 may be formed in the upper gap region UR and the lower gap regions LR.

유전층들(160)은 제1 내지 제3 채널층들(141, 142, 143)을 서로 다른 두께로 둘러싸도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 내지 제3 채널층들(141, 142, 143)을 둘러싸도록 제1 및 제4 유전층들(161, 167)을 형성한 후, 마스크층 또는 희생층을 형성하여 제 제1 및 제4 유전층들(161, 167)을 덮을 수 있다. 다음으로, 노출된 영역에 제2 유전층(162)의 두께가 되도록 유전체 물질을 더 형성한 후, 마스크층 또는 희생층을 형성하여 제2 유전층(162)을 덮을 수 있다. 다음으로, 노출된 영역에 제3 유전층(163)의 두께가 되도록 유전체 물질을 더 형성하여, 제1 내지 제4 유전층들(161, 162, 163, 167)을 형성할 수 있다. 다만, 유전층들(160)을 서로 다른 두께로 형성하는 방법은 이에 한정되지는 않는다.The dielectric layers 160 may be formed to surround the first to third channel layers 141 , 142 , and 143 with different thicknesses. For example, after forming the first and fourth dielectric layers 161 and 167 to surround the first to third channel layers 141, 142 and 143, a mask layer or a sacrificial layer is formed to form the first And it may cover the fourth dielectric layers 161 and 167 . Next, a dielectric material may be further formed in the exposed region to have a thickness of the second dielectric layer 162 , and then a mask layer or a sacrificial layer may be formed to cover the second dielectric layer 162 . Next, the first to fourth dielectric layers 161 , 162 , 163 , and 167 may be formed by further forming a dielectric material in the exposed region to have a thickness of the third dielectric layer 163 . However, a method of forming the dielectric layers 160 to have different thicknesses is not limited thereto.

다음으로, 도 2를 함께 참조하면, 게이트 전극(175)을 형성하여 게이트 구조물(GS)을 형성하고, 콘택 플러그들(180)을 형성할 수 있다.Next, referring to FIG. 2 together, a gate electrode 175 may be formed to form a gate structure GS and contact plugs 180 may be formed.

게이트 전극(175)은 상부 갭 영역(UR) 및 하부 갭 영역들(LR)을 완전히 채우도록 형성할 수 있다. 이에 의해, 게이트 스페이서층들(172), 유전층들(160), 및 게이트 전극(175)을 포함하는 게이트 구조물(GS)이 형성될 수 있다.The gate electrode 175 may be formed to completely fill the upper gap region UR and the lower gap regions LR. Accordingly, a gate structure GS including the gate spacer layers 172 , the dielectric layers 160 , and the gate electrode 175 may be formed.

다음으로, 층간 절연층(190)에 소스/드레인 영역들(150)을 노출시키는 콘택 홀들을 형성하고, 상기 콘택 홀들 내에 도전성 물질을 채워 콘택 플러그들(180)을 형성할 수 있다. 도시하지는 않았으나, 콘택 플러그들(180) 상에 콘택 플러그들(180)과 연결되는 배선 구조물을 더 형성할 수 있다. 이에 의해, 도 2의 반도체 장치(100)가 제조될 수 있다. Next, contact holes exposing the source/drain regions 150 may be formed in the interlayer insulating layer 190 , and contact plugs 180 may be formed by filling the contact holes with a conductive material. Although not shown, wiring structures connected to the contact plugs 180 may be further formed on the contact plugs 180 . As a result, the semiconductor device 100 of FIG. 2 can be manufactured.

본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.The present invention is not limited by the above-described embodiments and accompanying drawings, but is intended to be limited by the appended claims. Therefore, various forms of substitution, modification and change will be possible by those skilled in the art within the scope of the technical spirit of the present invention described in the claims, and this also falls within the scope of the present invention. something to do.

101: 기판 105: 활성층
110: 소자 분리층 120: 희생층
130: 내부 스페이서층 140: 채널 구조물
150: 소스/드레인 영역 160: 유전층
172: 게이트 스페이서층 175: 게이트 전극
180: 콘택 플러그 190: 층간 절연층
101: substrate 105: active layer
110: device isolation layer 120: sacrificial layer
130: inner spacer layer 140: channel structure
150: source/drain region 160: dielectric layer
172: gate spacer layer 175: gate electrode
180: contact plug 190: interlayer insulating layer

Claims (10)

제1 방향으로 연장되는 활성 영역을 포함하는 기판;
상기 기판 상에서 상기 활성 영역과 교차하여 제2 방향으로 연장되는 게이트 전극;
상기 활성 영역 상에서, 상기 기판의 상면에 수직한 제3 방향을 따라 서로 이격되어 배치되며, 상기 게이트 전극에 의해 둘러싸이도록 배치되는 복수의 채널층들;
상기 복수의 채널층들과 상기 게이트 전극의 사이에 배치되며 강유전체(ferroelectric) 물질 또는 반강유전체(anti-ferroelectric) 물질을 포함하는 복수의 유전층들; 및
상기 게이트 전극의 양측에서 상기 활성 영역이 리세스된 리세스 영역들에 배치되며, 상기 복수의 채널층들과 접촉되는 소스/드레인 영역들을 포함하고,
상기 복수의 유전층들은 서로 다른 코어시브 전압(coercive voltage)을 갖는 반도체 장치.
a substrate including an active region extending in a first direction;
a gate electrode extending in a second direction crossing the active region on the substrate;
a plurality of channel layers disposed on the active region and spaced apart from each other along a third direction perpendicular to the top surface of the substrate and surrounded by the gate electrode;
a plurality of dielectric layers disposed between the plurality of channel layers and the gate electrode and including a ferroelectric material or an anti-ferroelectric material; and
A source/drain region disposed in recess regions in which the active region is recessed at both sides of the gate electrode and in contact with the plurality of channel layers;
The semiconductor device of claim 1 , wherein the plurality of dielectric layers have different coercive voltages.
제1 항에 있어서,
상기 복수의 유전층들은 서로 다른 두께를 갖는 반도체 장치.
According to claim 1,
The semiconductor device of claim 1 , wherein the plurality of dielectric layers have different thicknesses.
제1 항에 있어서,
상기 복수의 유전층들은 서로 코어시브 전기장(coercive field)이 다른 강유전체 물질을 포함하는 반도체 장치.
According to claim 1,
The semiconductor device of claim 1 , wherein the plurality of dielectric layers include ferroelectric materials having different coercive fields.
제1 항에 있어서,
상기 복수의 유전층들은, 하프늄(Hf), 지르코늄(Zr), 실리콘(Si), 이트륨(Y), 알루미늄(Al), 가돌리늄(Gd), 스트론튬(Sr), 란타늄(La), 스칸듐(Sc), 및 이들의 산화물 중 적어도 하나를 포함하는 반도체 장치.
According to claim 1,
The plurality of dielectric layers are composed of hafnium (Hf), zirconium (Zr), silicon (Si), yttrium (Y), aluminum (Al), gadolinium (Gd), strontium (Sr), lanthanum (La), scandium (Sc) , and at least one of oxides thereof.
제1 항에 있어서,
상기 복수의 유전층들 각각은, 상기 복수의 채널층들로부터 순차적으로 적층되는 제1 및 제2 층들을 포함하고,
상기 제1 층은 강유전체 물질을 포함하지 않고, 상기 제2 층은 강유전체 물질을 포함하는 반도체 장치.
According to claim 1,
Each of the plurality of dielectric layers includes first and second layers sequentially stacked from the plurality of channel layers,
The semiconductor device of claim 1 , wherein the first layer does not include a ferroelectric material, and the second layer includes a ferroelectric material.
제1 항에 있어서,
상기 복수의 채널층들을 상기 제3 방향을 따라 관통하여, 상기 제2 방향에서 상기 복수의 채널층들을 각각 제1 및 제2 층들로 분리하는 채널 분리부를 더 포함하는 반도체 장치.
According to claim 1,
and a channel separation portion passing through the plurality of channel layers along the third direction and dividing the plurality of channel layers into first and second layers, respectively, in the second direction.
제1 방향으로 연장되는 활성 영역을 포함하는 기판;
상기 기판 상에서 상기 활성 영역과 교차하여 제2 방향으로 연장되는 게이트 전극;
상기 활성 영역 상에서, 상기 기판의 상면에 수직한 제3 방향을 따라 서로 이격되어 상기 활성 영역으로부터 순차적으로 배치되며, 상기 게이트 전극에 의해 둘러싸이도록 배치되는 제1 내지 제3 채널층들;
상기 제1 내지 제3 채널층들을 둘러싸며 상기 활성 영역으로부터 상기 제3 방향을 따라 순차적으로 배치되고, 강유전체(ferroelectric) 물질 또는 반강유전체(anti-ferroelectric) 물질을 포함하는 제1 내지 제3 유전층들; 및
상기 게이트 전극의 양측에서 상기 활성 영역이 리세스된 리세스 영역들에 배치되며, 상기 제1 내지 제3 채널층들과 접촉되는 소스/드레인 영역들을 포함하고,
상기 제1 내지 제3 유전층들은 서로 다른 두께를 갖는 반도체 장치.
a substrate including an active region extending in a first direction;
a gate electrode extending in a second direction crossing the active region on the substrate;
first to third channel layers spaced apart from each other in a third direction perpendicular to the top surface of the substrate, sequentially disposed from the active region, and surrounded by the gate electrode;
First to third dielectric layers surrounding the first to third channel layers and sequentially disposed along the third direction from the active region, and including a ferroelectric material or an anti-ferroelectric material. ; and
It is disposed in recess regions where the active region is recessed at both sides of the gate electrode, and includes source/drain regions in contact with the first to third channel layers,
The semiconductor device of claim 1 , wherein the first to third dielectric layers have different thicknesses.
제7 항에 있어서,
상기 제1 내지 제3 유전층들 각각은, 1 nm 내지 30 nm의 범위의 두께를 갖는 반도체 장치.
According to claim 7,
Each of the first to third dielectric layers has a thickness in the range of 1 nm to 30 nm.
복수의 메모리 소자들이 배치되는 메모리 셀 어레이; 및
상기 메모리 셀 어레이를 제어하는 주변 회로들을 포함하는 주변 회로 영역을 포함하며,
상기 복수의 메모리 소자들 각각은,
제1 방향으로 연장되는 활성 영역;
상기 활성 영역과 교차하여 제2 방향으로 연장되는 게이트 전극;
상기 활성 영역 상에서, 상기 활성 영역의 상면에 수직한 제3 방향을 따라 서로 이격되어 배치되며, 상기 게이트 전극에 의해 둘러싸이도록 배치되는 복수의 채널층들; 및
상기 복수의 채널층들과 상기 게이트 전극의 사이에 배치되며 강유전체(ferroelectric) 물질 또는 반강유전체(anti-ferroelectric) 물질을 포함하는 복수의 유전층들을 포함하고,
각각의 상기 복수의 메모리 소자들에서, 상기 복수의 채널층들의 개수는 N 개(N은 2 이상의 자연수)이고, 상기 복수의 메모리 소자들 각각은 N 비트 이하의 데이터를 저장하는 반도체 장치.
a memory cell array in which a plurality of memory elements are disposed; and
a peripheral circuit area including peripheral circuits for controlling the memory cell array;
Each of the plurality of memory elements,
an active region extending in a first direction;
a gate electrode extending in a second direction crossing the active region;
a plurality of channel layers disposed on the active region and spaced apart from each other along a third direction perpendicular to a top surface of the active region and surrounded by the gate electrode; and
a plurality of dielectric layers disposed between the plurality of channel layers and the gate electrode and including a ferroelectric material or an anti-ferroelectric material;
In each of the plurality of memory elements, the number of the plurality of channel layers is N (N is a natural number equal to or greater than 2), and each of the plurality of memory elements stores data of N bits or less.
제9 항에 있어서,
상기 주변 회로 영역은 상기 복수의 메모리 소자들 중 선택 메모리 소자에 제1 데이터를 기록하는 프로그램 동작에서, 서로 다른 부호를 갖는 제1 프로그램 전압 및 제2 프로그램 전압을 상기 선택 메모리 소자의 상기 게이트 전극에 순차적으로 입력하는 반도체 장치.
According to claim 9,
In a program operation of writing first data into a selected memory element among the plurality of memory elements, the peripheral circuit region applies a first program voltage and a second program voltage having different codes to the gate electrode of the selected memory element. A semiconductor device that inputs sequentially.
KR1020220043530A 2022-02-28 2022-04-07 Semiconductor devices KR20230128932A (en)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US18/069,398 US20230276634A1 (en) 2022-02-28 2022-12-21 Semiconductor devices
CN202310134747.5A CN116666446A (en) 2022-02-28 2023-02-17 Semiconductor device with a semiconductor layer having a plurality of semiconductor layers
TW112106123A TW202349690A (en) 2022-02-28 2023-02-20 Semiconductor devices

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220026255 2022-02-28
KR20220026255 2022-02-28

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20230128932A true KR20230128932A (en) 2023-09-05

Family

ID=87973420

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020220043530A KR20230128932A (en) 2022-02-28 2022-04-07 Semiconductor devices

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20230128932A (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9905571B2 (en) Nonvolatile semiconductor memory device and method of manufacturing the same
US7714377B2 (en) Integrated circuits and methods of manufacturing thereof
CN107393918B (en) Semiconductor memory device and method of forming semiconductor memory device
KR102615561B1 (en) Three-dimensional ferroelectric memory array including integrated gate selector and method of forming the same
US10629732B1 (en) Elevationally-extending transistors, devices comprising elevationally-extending transistors, and methods of forming a device comprising elevationally-extending transistors
US11778833B2 (en) Nonvolatile memory device
US11476254B2 (en) Support pillars for vertical three-dimensional (3D) memory
KR101002293B1 (en) Stacked nonvolatile memory cell device having floating body, and nonvolatile memory cell stack, nonvolatile memory cell string, nonvolatile memory cell array using the cell device, and fabricating method thereof
TWI836442B (en) Semiconductor memory device
US20230276634A1 (en) Semiconductor devices
TWI844998B (en) Memory device and method for fabricating the same
US20220328525A1 (en) Semiconductor memory devices and methods of manufacturing thereof
KR20240012975A (en) Three-dimensional semiconductor device including ferroelectric cell array
KR102506456B1 (en) Semiconductor memory device and manufacturing method thereof
KR20230128932A (en) Semiconductor devices
KR20230046013A (en) Semiconductor devices and manufacturing methods for the same
CN116666446A (en) Semiconductor device with a semiconductor layer having a plurality of semiconductor layers
US20240008289A1 (en) 3d ferroelectric memory device
US20240008284A1 (en) Semiconductor device including ferroelectric layer
KR101002297B1 (en) Stacked nonvolatile memory cell device, and nonvolatile memory cell stack, nonvolatile memory cell string, nonvolatile memory cell array using the cell device, and fabricating method thereof
US20240081078A1 (en) Memory device and method of forming the same
US20220376114A1 (en) Memory cell, memory cell arrangement, and methods thereof
KR20230128432A (en) Semiconductor devices
KR20240005533A (en) 3D ferroelectric memory device
KR20240041106A (en) Three-dimensional semiconductor memory device and method for manufacturing the same