KR20230128932A - Semiconductor devices - Google Patents
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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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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.
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
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
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
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
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
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
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/
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
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
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
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/
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
도 13b를 참조하면, 상기 활성 구조물 상에 희생 게이트 구조물(200) 및 게이트 스페이서층들(172ㅊ)을 형성할 수 있다.Referring to FIG. 13B , a
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
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
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
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
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
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
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/
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
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
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
도 13e를 참조하면, 상부 갭 영역(UR) 및 하부 갭 영역들(LR)에 유전층들(160)을 형성할 수 있다.Referring to FIG. 13E ,
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
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
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
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/
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 절연층101: 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)
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Priority Applications (3)
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TW112106123A TW202349690A (en) | 2022-02-28 | 2023-02-20 | Semiconductor devices |
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