WO2024063315A1 - Three-dimensional memory having dual junction structure - Google Patents

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WO2024063315A1
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vertical channel
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dimensional memory
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PCT/KR2023/011128
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송창은
송윤흡
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페디셈 주식회사
한양대학교 산학협력단
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Abstract

Disclosed is a three-dimensional memory having a dual junction structure. According to an embodiment, the three-dimensional memory may comprise: gate electrodes spaced apart and stacked in a vertical direction while extending in the horizontal direction on a substrate; and vertical channel structures passing through the gate electrodes and extending in the vertical direction, wherein each of the vertical channel structures comprises a vertical channel pattern and a data storage pattern and has, on the upper end thereof, a dual junction of a double structure doped with different types of impurities from each other.

Description

듀얼 정션 구조를 갖는 3차원 메모리3D memory with dual junction structure
아래의 실시예들은 3차원 구조의 메모리, 그 동작 방법 및 그 제조 방법에 관한 기술이다.The following embodiments are technologies related to three-dimensional memory, its operation method, and its manufacturing method.
기존의 DRAM은 바이트(Byte) 단위의 랜덤 액세스(Random access)를 지원하여 고속의 메모리 동작을 가능하게 하나, 저장 공간이 저용량인 단점을 갖는다.Existing DRAM supports random access in byte units, enabling high-speed memory operations, but has the disadvantage of low storage space.
반면, 기존의 3차원 NAND 플래시 메모리는 대용량의 저장 공간을 구현할 수 있으나, 페이지 단위 또는 블록 단위로 메모리 동작을 하기 때문에, 바이트 단위의 랜덤 액세스를 지원하지 못하는 문제점을 갖는다.On the other hand, existing 3D NAND flash memory can implement a large storage capacity, but has the problem of not supporting byte-level random access because memory operations are performed on a page-by-page or block-by-block basis.
보다 상세하게, 기존의 3차원 NAND 플래시 메모리가 갖는 문제점을 설명하기 위한 도 1을 참조하면, 기존의 3차원 NAND 플래시 메모리가 채널 패턴(110)에 P형 채널을 형성하여 "0"의 데이터를 기록하는 기록 동작(소거 동작)을 수행하는 경우, 대상 메모리 셀에 대응하는 선택된 게이트 전극(120)에 음의 전압(-Vwrite0)이 인가되고 나머지 게이트 전극들(130)에 양의 패스 전압(+Vpass)이 인가되기 때문에, 채널 패턴(110)에는 NPN 접합이 형성되게 된다. 이에, 대상 메모리 셀(111)에 대한 소거 동작이 수행되지 않게 된다. 따라서, 기존의 3차원 NAND 플래시 메모리는 GIDL 방식을 이용하는 페이지 단위 또는 블록 단위의 소거 동작을 수행하는 바, 바이트 단위의 랜덤 액세스를 지원하지 못하는 문제점을 갖는다.In more detail, referring to FIG. 1 to explain the problems of the existing 3D NAND flash memory, the existing 3D NAND flash memory forms a P-type channel in the channel pattern 110 to transmit data of “0”. When performing a write operation (erase operation), a negative voltage (-V write0) is applied to the selected gate electrode 120 corresponding to the target memory cell, and a positive pass voltage (-V write0 ) is applied to the remaining gate electrodes 130. Since +V pass ) is applied, an NPN junction is formed in the channel pattern 110. Accordingly, the erase operation on the target memory cell 111 is not performed. Accordingly, the existing 3D NAND flash memory performs an erase operation on a page-by-page or block-by-block basis using the GIDL method, and has a problem in that it cannot support random access on a byte-by-byte basis.
한편, 디지털 기기 및 센서 등의 보급화를 통해 실생활에서 규모를 가늠하기 힘든 수준의 빅 데이터가 생성되고 있다. 이와 같은 빅 데이터의 발전에 따라 메모리 기술 분야에서는 랜덤 액세스를 지원하여 고속의 메모리 동작을 가능하게 하는 동시에 대용량의 저장 공간을 구현한 메모리가 요구되고 있다.Meanwhile, through the popularization of digital devices and sensors, big data is being generated at a scale that is difficult to estimate in real life. With the development of big data, there is a demand in the field of memory technology for memory that supports random access, enables high-speed memory operation, and provides a large storage space.
이에, 아래의 실시예들에서는 랜덤 액세스를 지원하여 고속의 메모리 동작을 가능하게 하는 동시에 대용량의 저장 공간을 구현한 3차원 메모리를 제안하고자 한다.Accordingly, in the following embodiments, we propose a three-dimensional memory that supports random access, enables high-speed memory operation, and implements a large storage space.
일 실시예들은 대용량의 저장 공간을 구현하는 동시에 랜덤 액세스를 지원하여 고속의 메모리 동작을 가능하게 하는 3차원 메모리, 그 동작 방법 및 제조 방법을 제안한다.Embodiments propose a three-dimensional memory, an operating method, and a manufacturing method that enables high-speed memory operation by supporting random access while implementing a large storage space.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제들은 상기 과제로 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.However, the technical problems to be solved by the present invention are not limited to the above problems, and may be expanded in various ways without departing from the technical spirit and scope of the present invention.
일 실시예에 따르면, 3차원 메모리는, 기판 상 수평 방향으로 연장 형성된 채 수직 방향으로 이격되며 적층된 게이트 전극들; 및 상기 게이트 전극들을 관통하며 상기 수직 방향으로 연장 형성되는 수직 채널 구조체들-상기 수직 채널 구조체들 각각은 수직 채널 패턴 및 데이터 저장 패턴을 포함하고, 상기 수직 채널 구조체들 각각의 상단에는 서로 다른 타입의 불순물로 각기 도핑된 이중 구조의 듀얼 정션(Dual junction)이 형성됨-을 포함할 수 있다.According to one embodiment, a three-dimensional memory includes gate electrodes that extend in the horizontal direction on a substrate and are spaced apart in the vertical direction and are stacked; and vertical channel structures penetrating the gate electrodes and extending in the vertical direction - each of the vertical channel structures includes a vertical channel pattern and a data storage pattern, and different types of structures are located on top of each of the vertical channel structures. It may include the formation of a dual junction, each doped with an impurity.
일 측면에 따르면, 상기 듀얼 정션은, N+ 도핑된 N+ 정션 및 P+ 도핑된 P+ 정션을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.According to one aspect, the dual junction may include an N+ doped N+ junction and a P+ doped P+ junction.
다른 일 측면에 따르면, 상기 N+ 정션 및 상기 P+ 정션은, 상기 수직 채널 패턴에 대해 동일한 접촉 면적을 갖도록 서로 대칭되는 구조를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the N+ junction and the P+ junction may have a structure that is symmetrical to each other so as to have the same contact area with respect to the vertical channel pattern.
또 다른 일 측면에 따르면, 상기 N+ 정션 및 상기 P+ 정션 중 어느 하나는, 메모리 동작 시 상기 게이트 전극들 중 메모리 동작의 대상이 되는 대상 메모리 셀에 대응하는 선택된 게이트 전극에 인가되는 전압에 응답하여, 선택적으로 활성화되어 상기 수직 채널 패턴에 채널을 형성하는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, one of the N+ junction and the P+ junction responds to a voltage applied to a selected gate electrode corresponding to a target memory cell that is the target of the memory operation among the gate electrodes during a memory operation, It may be selectively activated to form a channel in the vertical channel pattern.
또 다른 일 측면에 따르면, 상기 N+ 정션은, 상기 선택된 게이트 전극에 인가되는 양의 전압에 응답하여, 상기 수직 채널 패턴에 N형 채널을 형성하는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the N+ junction may form an N-type channel in the vertical channel pattern in response to a positive voltage applied to the selected gate electrode.
또 다른 일 측면에 따르면, 상기 N형 채널은, 상기 N+ 정션에 이어지도록 상기 수직 방향으로 연장 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the N-type channel may be formed to extend in the vertical direction to connect to the N+ junction.
또 다른 일 측면에 따르면, 상기 P+ 정션은, 상기 선택된 게이트 전극에 인가되는 음의 전압에 응답하여, 상기 수직 채널 패턴에 P형 채널을 형성하는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the P+ junction may form a P-type channel in the vertical channel pattern in response to a negative voltage applied to the selected gate electrode.
또 다른 일 측면에 따르면, 상기 P형 채널은, According to another aspect, the P-type channel is,
상기 P+ 정션에 이어지도록 상기 수직 방향으로 연장 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.It may be characterized as extending in the vertical direction to connect to the P+ junction.
또 다른 일 측면에 따르면, 상기 듀얼 정션은, 상부에 배치되는 콘택 플러그를 통해 비트 라인 플러그와 연결되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the dual junction may be connected to a bit line plug through a contact plug disposed at the top.
또 다른 일 측면에 따르면, 상기 듀얼 정션은, 상기 수직 채널 구조체들 각각의 하단에도 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the dual junction may be formed at the bottom of each of the vertical channel structures.
또 다른 일 측면에 따르면, 상기 수직 채널 구조체들 각각의 하단에는, 소스 영역이 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, a source region may be formed at the bottom of each of the vertical channel structures.
또 다른 일 측면에 따르면, 상기 3차원 메모리는, 상기 수직 채널 구조체들 각각의 하단에 소스 영역이 생략된 소스 프리(Source free) 구조를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the three-dimensional memory may be characterized as having a source free structure in which a source area is omitted at the bottom of each of the vertical channel structures.
일 실시예에 따르면, 기판 상 수평 방향으로 연장 형성된 채 수직 방향으로 이격되며 적층된 게이트 전극들; 및 상기 게이트 전극들을 관통하며 상기 수직 방향으로 연장 형성되는 수직 채널 구조체들-상기 수직 채널 구조체들 각각은 수직 채널 패턴 및 데이터 저장 패턴을 포함하고, 상기 수직 채널 구조체들 각각의 상단에는 서로 다른 타입의 불순물로 각기 도핑된 이중 구조의 듀얼 정션(Dual junction)이 형성됨-을 포함하는 3차원 메모리의 메모리 동작 방법은, 상기 게이트 전극들 중 메모리 동작의 대상이 되는 대상 메모리 셀에 대응하는 선택된 게이트 전극에 전압을 인가하는 단계; 및 상기 선택된 게이트 전극에 인가되는 전압에 응답하여, 상기 듀얼 정션에 포함되는 N+ 정션 및 P+ 정션 중 어느 하나가 선택적으로 활성화됨에 따라 상기 수직 채널 패턴에 채널을 형성하여 메모리 동작을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.According to one embodiment, gate electrodes are formed to extend in the horizontal direction on the substrate and are spaced apart in the vertical direction and are stacked; and vertical channel structures penetrating the gate electrodes and extending in the vertical direction - each of the vertical channel structures includes a vertical channel pattern and a data storage pattern, and different types of structures are located on top of each of the vertical channel structures. The memory operation method of the three-dimensional memory, which includes forming dual junctions of a double structure each doped with impurities, is a method of operating a memory on a selected gate electrode corresponding to a target memory cell that is the target of a memory operation among the gate electrodes. applying a voltage; and performing a memory operation by forming a channel in the vertical channel pattern by selectively activating one of the N+ junction and the P+ junction included in the dual junction in response to the voltage applied to the selected gate electrode. can do.
일 측면에 따르면, 상기 인가하는 단계는, 상기 선택된 게이트 전극에 양의 전압을 인가하는 단계를 포함하고, 상기 메모리 동작을 수행하는 단계는, 상기 선택된 게이트 전극에 인가되는 양의 전압에 응답하여, 상기 N+ 정션을 통해 상기 수직 채널 패턴에 N형 채널을 형성하여 기록 동작을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.According to one aspect, the applying step includes applying a positive voltage to the selected gate electrode, and the performing the memory operation includes, in response to the positive voltage applied to the selected gate electrode, The method may include performing a recording operation by forming an N-type channel in the vertical channel pattern through the N+ junction.
다른 일 측면에 따르면, 상기 인가하는 단계는, 상기 선택된 게이트 전극에 인가되는 양의 전압의 값을 조절하는 단계를 포함하고, 상기 메모리 동작을 수행하는 단계는, 상기 조절된 양의 전압의 값에 따라 다치화된 값의 기록 동작을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the applying step includes adjusting the value of the positive voltage applied to the selected gate electrode, and the step of performing the memory operation includes adjusting the value of the positive voltage applied to the selected gate electrode. It may be characterized by including the step of performing a recording operation of the multi-valued value.
또 다른 일 측면에 따르면, 상기 인가하는 단계는, 상기 선택된 게이트 전극에 음의 전압을 인가하는 단계를 포함하고, 상기 메모리 동작을 수행하는 단계는, 상기 선택된 게이트 전극에 인가되는 음의 전압에 응답하여, 상기 P+ 정션을 통해 상기 수직 채널 패턴에 P형 채널을 형성하여 기록 동작을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the applying step includes applying a negative voltage to the selected gate electrode, and the performing the memory operation includes responding to the negative voltage applied to the selected gate electrode. Thus, it may be characterized by including the step of forming a P-type channel in the vertical channel pattern through the P+ junction and performing a recording operation.
또 다른 일 측면에 따르면, 상기 인가하는 단계는, 상기 선택된 게이트 전극에 인가되는 음의 전압의 값을 조절하는 단계를 포함하고, 상기 메모리 동작을 수행하는 단계는, 상기 조절된 음의 전압의 값에 따라 다치화된 값의 기록 동작을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 메모리의 메모리 동작 방법.According to another aspect, the applying step includes adjusting the value of the negative voltage applied to the selected gate electrode, and the step of performing the memory operation includes adjusting the value of the negative voltage applied to the selected gate electrode. A memory operation method of a three-dimensional memory, comprising the step of performing a recording operation of a multivalued value according to .
또 다른 일 측면에 따르면, 상기 메모리 동작을 수행하는 단계는, 상기 수직 채널 구조체들 각각의 하단에도 형성된 듀얼 정션에 포함되는 N+ 정션 및 P+ 정션 중 어느 하나가 선택적으로 활성화됨에 따라 상기 수직 채널 패턴에 채널을 형성하여 메모리 동작을 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the step of performing the memory operation includes selectively activating one of the N+ junction and the P+ junction included in the dual junction formed at the bottom of each of the vertical channel structures, thereby forming the vertical channel pattern. It may further include forming a channel to perform a memory operation.
일 실시예에 따르면, 서로 다른 타입의 불순물로 각기 도핑된 이중 구조의 듀얼 정션(Dual junction)을 포함하는 3차원 메모리의 제조 방법은, 기판 상 수평 방향으로 연장 형성된 채 수직 방향으로 이격되며 적층된 게이트 전극들; 및 상기 게이트 전극들을 관통하며 상기 수직 방향으로 연장 형성되는 수직 채널 구조체들-상기 수직 채널 구조체들 각각은 수직 채널 패턴 및 데이터 저장 패턴을 포함함-을 포함하는 반도체 구조체를 준비하는 단계; 상기 반도체 구조체 상에 상기 수직 채널 구조체들 각각의 상면 일부 영역을 가리는 제1 마스크 패턴을 배치하는 단계; 상기 제1 마스크 패턴을 이용하여, 상기 수직 채널 구조체들 각각에서 상기 제1 마스크 패턴에 의해 가려지지 않은 상면 나머지 영역에 N+ 도핑된 N+ 정션을 형성하는 단계; 상기 반도체 구조체 상에 상기 수직 채널 구조체들 각각의 상기 상면 나머지 영역을 가리는 제2 마스크 패턴을 배치하는 단계; 및 상기 제2 마스크 패턴을 이용하여, 상기 수직 채널 구조체들 각각에서 상기 제2 마스크 패턴에 의해 가려지지 않은 상기 상면 일부 영역에 P+ 도핑된 P+ 정션을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.According to one embodiment, a method of manufacturing a three-dimensional memory including dual junctions of a dual structure each doped with different types of impurities includes stacked structures extending in the horizontal direction on a substrate and spaced apart in the vertical direction. gate electrodes; and preparing a semiconductor structure including vertical channel structures extending in the vertical direction and penetrating the gate electrodes, each of the vertical channel structures including a vertical channel pattern and a data storage pattern. disposing a first mask pattern on the semiconductor structure to cover a portion of a top surface of each of the vertical channel structures; Using the first mask pattern, forming an N+ doped N+ junction in a remaining area of the upper surface of each of the vertical channel structures that is not obscured by the first mask pattern; disposing a second mask pattern on the semiconductor structure to cover the remaining upper surface area of each of the vertical channel structures; and using the second mask pattern to form a P+ doped P+ junction in a portion of the upper surface of each of the vertical channel structures that is not obscured by the second mask pattern.
일 측면에 따르면, 상기 제1 마스크 패턴 및 상기 제2 마스크 패턴은, 상기 수직 채널 구조체들 각각에서 상기 N+ 정션 및 상기 P+ 정션이 서로 대칭되는 구조를 갖도록 동일한 면적의 대칭되는 영역을 각기 가리는 것을 특징으로 할 수 있다.According to one aspect, the first mask pattern and the second mask pattern each cover symmetrical areas of the same area so that the N+ junction and the P+ junction in each of the vertical channel structures have a structure that is symmetrical to each other. You can do this.
다른 일 측면에 따르면, 상기 반도체 구조체를 준비하는 단계는, 상기 수직 채널 구조체들 각각의 하단에 상기 듀얼 정션이 형성된 상기 반도체 구조체를 준비하는 단계인 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the step of preparing the semiconductor structure may be characterized as preparing the semiconductor structure in which the dual junction is formed at the bottom of each of the vertical channel structures.
또 다른 일 측면에 따르면, 상기 반도체 구조체를 준비하는 단계는, 상기 수직 채널 구조체들 각각의 하단에 소스 영역이 형성된 상기 반도체 구조체를 준비하는 단계인 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the step of preparing the semiconductor structure may be characterized in that the step of preparing the semiconductor structure in which a source region is formed at the bottom of each of the vertical channel structures.
또 다른 일 측면에 따르면, 상기 반도체 구조체를 준비하는 단계는, 상기 수직 채널 구조체들 각각의 하단에 소스 영역이 생략된 소스 프리(Source free) 구조를 갖는 상기 반도체 구조체를 준비하는 단계인 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the step of preparing the semiconductor structure is a step of preparing the semiconductor structure having a source free structure in which a source region is omitted at the bottom of each of the vertical channel structures. can do.
일 실시예들은 대용량의 저장 공간을 구현하는 동시에 랜덤 액세스를 지원하여 고속의 메모리 동작을 가능하게 하는 3차원 메모리, 그 동작 방법 및 제조 방법을 제안할 수 있다.Embodiments may propose a three-dimensional memory, an operating method, and a manufacturing method that enables high-speed memory operation by supporting random access while implementing a large storage space.
다만, 본 발명의 효과는 상기 효과들로 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.However, the effects of the present invention are not limited to the above effects, and may be expanded in various ways without departing from the technical spirit and scope of the present invention.
도 1은 기존의 3차원 NAND 플래시 메모리가 갖는 문제점을 설명하기 위한 도면이다.Figure 1 is a diagram to explain problems with existing 3D NAND flash memory.
도 2는 일 실시예에 따른 3차원 메모리의 어레이를 도시한 간략 회로도이다.Figure 2 is a simplified circuit diagram showing an array of three-dimensional memory according to one embodiment.
도 3은 일 실시예에 따른 3차원 메모리의 구조를 도시한 평면도이다.Figure 3 is a plan view showing the structure of a three-dimensional memory according to an embodiment.
도 4a 내지 4c는 일 실시예에 따른 3차원 메모리의 구조를 도시한 단면도로, 도 3을 A-A'선으로 자른 단면에 해당된다.FIGS. 4A to 4C are cross-sectional views showing the structure of a three-dimensional memory according to an embodiment, and correspond to a cross-section taken along line A-A' of FIG. 3.
도 5는 일 실시예에 따른 3차원 메모리의 메모리 동작 방법을 도시한 플로우 차트이다.Figure 5 is a flow chart showing a memory operation method of a 3D memory according to an embodiment.
도 6a 내지 6b는 도 5에 도시된 3차원 메모리의 메모리 동작 방법을 설명하기 위해 3차원 메모리의 구조를 도시한 단면도이다.FIGS. 6A and 6B are cross-sectional views showing the structure of the 3D memory in order to explain the memory operation method of the 3D memory shown in FIG. 5.
도 7a 내지 7b는 일 실시예에 따른 3차원 메모리의 개선된 메모리 윈도우를 설명하기 위한 도면이다.7A to 7B are diagrams for explaining an improved memory window of a 3D memory according to an embodiment.
도 8은 일 실시예에 따른 3차원 메모리의 판독 동작을 설명하기 위해 메모리 윈도우를 도시한 도면이다.FIG. 8 is a diagram illustrating a memory window to explain a read operation of a 3D memory according to an embodiment.
도 9a 내지 9b는 일 실시예에 따른 3차원 메모리의 소거 동작을 설명하기 위해 메모리 윈도우를 도시한 도면이다.9A to 9B are diagrams showing a memory window to explain an erase operation of a 3D memory according to an embodiment.
도 10은 일 실시예에 따른 3차원 메모리의 제조 방법을 도시한 플로우 차트이다.Figure 10 is a flow chart showing a method of manufacturing a 3D memory according to an embodiment.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 또한, 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. However, the present invention is not limited or limited by the examples. Additionally, the same reference numerals in each drawing indicate the same members.
또한, 본 명세서에서 사용되는 용어(Terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 시청자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 예컨대, 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 또한, 본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 영역, 방향, 형상 등을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 영역, 방향, 형상이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 소정 영역, 방향 또는 형상을 다른 영역, 방향 또는 형상과 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시예에서 제1 부분으로 언급된 부분이 다른 실시예에서는 제2 부분으로 언급될 수도 있다.Additionally, terminologies used in this specification are terms used to appropriately express preferred embodiments of the present invention, and may vary depending on the intention of the viewer, operator, or customs in the field to which the present invention belongs. Therefore, definitions of these terms should be made based on the content throughout this specification. For example, in this specification, singular forms also include plural forms unless specifically stated otherwise in the context. Additionally, as used herein, “comprises” and/or “comprising” refers to a referenced component, step, operation, and/or element that includes one or more other components, steps, operations, and/or elements. It does not exclude the presence or addition of elements. Additionally, although terms such as first and second are used in this specification to describe various areas, directions, and shapes, these areas, directions, and shapes should not be limited by these terms. These terms are merely used to distinguish one area, direction or shape from another area, direction or shape. Accordingly, a part referred to as a first part in one embodiment may be referred to as a second part in another embodiment.
또한, 본 발명의 다양한 실시 예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시 예로 구현될 수 있다. 또한, 제시된 각각의 실시예 범주에서 개별 구성요소의 위치, 배치, 또는 구성은 본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다.Additionally, it should be understood that the various embodiments of the present invention are different from one another but are not necessarily mutually exclusive. For example, specific shapes, structures and characteristics described herein may be implemented in other embodiments without departing from the spirit and scope of the invention with respect to one embodiment. Additionally, it should be understood that the location, arrangement, or configuration of individual components in each presented embodiment category may be changed without departing from the technical spirit and scope of the present invention.
이하, 도면들을 참조하여, 대용량의 저장 공간을 구현하는 동시에 랜덤 액세스를 지원하여 고속의 메모리 동작을 가능하게 하는 3차원 메모리, 그 동작 방법 및 그 제조 방법에 대해 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the drawings, a three-dimensional memory that enables high-speed memory operation by supporting random access while implementing a large storage space, a method of operating the same, and a method of manufacturing the same will be described in detail.
도 2는 일 실시예에 따른 3차원 메모리의 어레이를 도시한 간략 회로도이다.Figure 2 is a simplified circuit diagram showing an array of three-dimensional memory according to one embodiment.
도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 3차원 메모리의 어레이는 공통 소스 라인(CSL), 복수의 비트 라인들(BL0, BL1, BL2) 및 공통 소스 라인(CSL)과 비트 라인들(BL0, BL1, BL2) 사이에 배치되는 복수의 셀 스트링들(CSTR)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 2, the three-dimensional memory array according to one embodiment includes a common source line (CSL), a plurality of bit lines (BL0, BL1, BL2), and a common source line (CSL) and bit lines (BL0, It may include a plurality of cell strings (CSTR) arranged between BL1 and BL2).
비트 라인들(BL0, BL1, BL2)은 제2 방향(D2)으로 연장 형성된 채 제1 방향(D1)을 따라 서로 이격되며 2차원적으로 배열될 수 있다. 여기서, 제1 방향(D1), 제2 방향(D2) 및 제3 방향(D3) 각각은 서로 직교하며 X, Y, Z축으로 정의되는 직각 좌표계를 형성할 수 있다.The bit lines BL0, BL1, and BL2 may extend in the second direction D2 and be spaced apart from each other in the first direction D1 and may be arranged two-dimensionally. Here, the first direction (D1), the second direction (D2), and the third direction (D3) are each orthogonal to each other and may form a rectangular coordinate system defined by the X, Y, and Z axes.
비트 라인들(BL0, BL1, BL2) 각각에는 복수의 셀 스트링들(CSTR)이 병렬로 연결될 수 있다. 셀 스트링들(CSTR)은 비트 라인들(BL0, BL1, BL2)과 하나의 공통 소스 라인(CSL) 사이에 제공된 채 공통 소스 라인(CSL)에 공통으로 연결될 수 있다. 이 때, 공통 소스 라인(CSL)은 복수 개로 제공될 수 있으며, 복수의 공통 소스 라인들(CSL)은 제1 방향(D1)으로 연장 형성된 채 제2 방향(D2)을 따라 서로 이격되며 2차원적으로 배열될 수 있다. 복수의 공통 소스 라인들(CSL)에는 전기적으로 동일한 전압이 인가될 수 있으나, 이에 제한되거나 한정되지 않고 복수의 공통 소스 라인들(CSL) 각각이 전기적으로 독립적으로 제어됨으로써 서로 다른 전압이 인가될 수도 있다.A plurality of cell strings (CSTR) may be connected in parallel to each of the bit lines (BL0, BL1, and BL2). The cell strings CSTR may be provided between the bit lines BL0, BL1, and BL2 and one common source line CSL and may be commonly connected to the common source line CSL. At this time, a plurality of common source lines (CSL) may be provided, and the plurality of common source lines (CSL) may extend in the first direction (D1) and be spaced apart from each other along the second direction (D2), forming a two-dimensional can be arranged sequentially. The same electrical voltage may be applied to the plurality of common source lines (CSL), but this is not limited or limited, and each of the plurality of common source lines (CSL) is electrically independently controlled, so that different voltages may be applied. there is.
셀 스트링들(CSTR)은 제3 방향(D3)으로 연장 형성된 채 비트 라인별로 제2 방향(D2)을 따라 서로 이격되며 배열될 수 있다. 실시예에 따르면, 셀 스트링들(CSTR) 각각은 공통 소스 라인(CSL)에 접속하는 접지 선택 트랜지스터(GST), 비트 라인들(BL0, BL1, BL2)에 접속하며 직렬 연결된 제1 및 제2 스트링 선택 트랜지스터들(SST1, SST2), 접지 선택 트랜지스터(GST)와 제1 및 제2 스트링 선택 트랜지스터들(SST1, SST2) 사이에 배치된 채 직렬 연결된 메모리 셀 트랜지스터들(MCT) 및 소거 제어 트랜지스터(ECT)로 구성될 수 있다. 또한, 메모리 셀 트랜지스터들(MCT) 각각은 데이터 저장 요소(Data storage element)를 포함할 수 있다.The cell strings CSTR may extend in the third direction D3 and be arranged to be spaced apart from each other along the second direction D2 for each bit line. According to the embodiment, each of the cell strings (CSTR) is connected to a ground selection transistor (GST) connected to the common source line (CSL), the bit lines (BL0, BL1, BL2), and the first and second strings connected in series. Memory cell transistors (MCT) and erase control transistor (ECT) arranged in series between the selection transistors (SST1, SST2), the ground selection transistor (GST) and the first and second string selection transistors (SST1, SST2) ) can be composed of. Additionally, each memory cell transistor (MCT) may include a data storage element.
일 예로, 각각의 셀 스트링들(CSTR)은 직렬 연결된 제1 및 제2 스트링 선택 트랜지스터들(SST1, SST2)을 포함할 수 있으며, 제2 스트링 선택 트랜지스터(SST2)는 비트 라인들(BL0, BL1, BL2) 중 하나에 접속될 수 있다. 그러나 이에 제한되거나 한정되지 않고, 각각의 셀 스트링들(CSTR)은 하나의 스트링 선택 트랜지스터를 포함할 수도 있다. 다른 예로, 각각의 셀 스트링들(CSTR)에서 접지 선택 트랜지스터(GST)는, 제1 및 제2 스트링 선택 트랜지스터들(SST1, SST2)와 유사하게, 직렬 연결된 복수 개의 모스 트랜지스터들로 구성될 수도 있다.As an example, each cell string CSTR may include first and second string selection transistors SST1 and SST2 connected in series, and the second string selection transistor SST2 may be connected to the bit lines BL0 and BL1. , BL2) can be connected to one of the following. However, without being limited or limited thereto, each cell string CSTR may include one string select transistor. As another example, the ground selection transistor GST in each cell string CSTR may be composed of a plurality of MOS transistors connected in series, similar to the first and second string selection transistors SST1 and SST2. .
하나의 셀 스트링(CSTR)은 공통 소스 라인들(CSL)로부터의 거리가 서로 다른 복수 개의 메모리 셀 트랜지스터들(MCT)로 구성될 수 있다. 즉, 메모리 셀 트랜지스터들(MCT)은 제1 스트링 선택 트랜지스터(SST1)와 접지 선택 트랜지스터(GST) 사이에서 제3 방향(D3)을 따라 배치된 채 직렬 연결될 수 있다. 소거 제어 트랜지스터(ECT)는 접지 선택 트랜지스터(GST)와 공통 소스 라인들(CSL) 사이에 연결될 수 있다. 셀 스트링들(CSTR) 각각은 제1 스트링 선택 트랜지스터(SST1)와 메모리 셀 트랜지스터들(MCT) 중 최상위의 것 사이 및 접지 선택 트랜지스터(GST)와 메모리 셀 트랜지스터들(MCT) 중 최하위의 것 사이에 각각 연결된 더미 셀 트랜지스터들(DMC)을 더 포함할 수 있다.One cell string (CSTR) may be composed of a plurality of memory cell transistors (MCT) having different distances from the common source lines (CSL). That is, the memory cell transistors MCT may be connected in series while being arranged along the third direction D3 between the first string selection transistor SST1 and the ground selection transistor GST. The erase control transistor (ECT) may be connected between the ground select transistor (GST) and the common source lines (CSL). Each of the cell strings (CSTR) is between the first string select transistor (SST1) and the highest one of the memory cell transistors (MCT) and between the ground select transistor (GST) and the lowest one of the memory cell transistors (MCT). It may further include dummy cell transistors (DMC) each connected to each other.
실시예에 따르면, 제1 스트링 선택 트랜지스터(SST1)는 제1 스트링 선택 라인들(SSL1-1, SSL1-2, SSL1-3)에 의해 제어될 수 있으며, 제2 스트링 선택 트랜지스터(SST2)는 제2 스트링 선택 라인들(SSL2-1, SSL2-2, SSL2-3)에 의해 제어될 수 있다. 메모리 셀 트랜지스터들(MCT)은 복수의 워드 라인들(WL0-WLn)에 의해 각각 제어될 수 있으며, 더미 셀 트랜지스터들(DMC)은 더미 워드 라인(DWL)에 의해 각각 제어될 수 있다. 접지 선택 트랜지스터(GST)는 접지 선택 라인들(GSL0, GSL1, GSL2)에 의해 제어될 수 있으며, 소거 제어 트랜지스터(ECT)는 소거 제어 라인(ECL)에 의해 제어될 수 있다. 소거 제어 트랜지스터(ECT)는 복수 개로 제공될 수 있다. 공통 소스 라인들(CSL)은 소거 제어 트랜지스터들(ECT)의 소스들에 공통으로 연결될 수 있다.According to an embodiment, the first string selection transistor SST1 may be controlled by the first string selection lines SSL1-1, SSL1-2, and SSL1-3, and the second string selection transistor SST2 may be controlled by the first string selection lines SSL1-1, SSL1-2, and SSL1-3. It can be controlled by 2 string selection lines (SSL2-1, SSL2-2, SSL2-3). The memory cell transistors (MCT) may each be controlled by a plurality of word lines (WL0-WLn), and the dummy cell transistors (DMC) may each be controlled by a dummy word line (DWL). The ground select transistor GST may be controlled by the ground select lines GSL0, GSL1, and GSL2, and the erase control transistor ECT may be controlled by the erase control line ECL. A plurality of erase control transistors (ECT) may be provided. Common source lines (CSL) may be commonly connected to sources of erase control transistors (ECT).
공통 소스 라인들(CSL)로부터 실질적으로 동일한 거리에 제공되는, 메모리 셀 트랜지스터들(MCT)의 게이트 전극들은 워드 라인들(WL0-WLn, DWL) 중의 하나에 공통으로 연결되어 등전위 상태에 있을 수 있다. 그러나 이에 제한되거나 한정되지 않고, 메모리 셀 트랜지스터들(MCT)의 게이트 전극들이 공통 소스 라인들(CSL)로부터 실질적으로 동일한 레벨에 제공되더라도, 서로 다른 행 또는 열에 제공되는 게이트 전극들이 독립적으로 제어될 수도 있다.The gate electrodes of the memory cell transistors (MCT), which are provided at substantially the same distance from the common source lines (CSL), may be commonly connected to one of the word lines (WL0-WLn, DWL) and be in an equipotential state. . However, without being limited or limited thereto, even if the gate electrodes of the memory cell transistors (MCT) are provided at substantially the same level from the common source lines (CSL), the gate electrodes provided in different rows or columns may be controlled independently. there is.
접지 선택 라인들(GSL0, GSL1, GSL2), 제1 스트링 선택 라인들(SSL1-1, SSL1-2, SSL1-3) 및 제2 스트링 선택 라인들(SSL2-1, SSL2-2, SSL2-3)은 제1 방향(D1)을 따라 연장되며, 제2 방향(D2)으로 서로 이격되며 2차원적으로 배열될 수 있다. 공통 소스라인들(CSL)로부터 실질적으로 동일한 레벨에 제공되는 접지 선택 라인들(GSL0, GSL1, GSL2), 제1 스트링 선택 라인들(SSL1-1, SSL1-2, SSL1-3) 및 제2 스트링 선택 라인들(SSL2-1, SSL2-2, SSL2-3)은 전기적으로 서로 분리될 수 있다. 또한, 서로 다른 셀 스트링들(CSTR)의 소거 제어 트랜지스터들(ECT)은 공통의 소거 제어 라인(ECL)에 의해 제어될 수 있다. 소거 제어 트랜지스터들(ECT)은 메모리 셀 어레이의 소거 동작 시 게이트 유도 드레인 누설(Gate Induced Drain Leakage; 이하 GIDL)을 발생시킬 수 있다. 일부 실시예들에서, 메모리 셀 어레이의 소거 동작시 비트 라인들(BL0, BL1, BL2) 및/또는 공통 소스 라인들(CSL)에 소거 전압이 인가될 수 있으며, 스트링 선택 트랜지스터(SST) 및/또는 소거 제어 트랜지스터들(ECT)에서 게이트 유도 누설 전류가 발생될 수 있다.Ground selection lines (GSL0, GSL1, GSL2), first string selection lines (SSL1-1, SSL1-2, SSL1-3), and second string selection lines (SSL2-1, SSL2-2, SSL2-3) ) extends along the first direction (D1), are spaced apart from each other in the second direction (D2), and may be arranged two-dimensionally. Ground selection lines (GSL0, GSL1, GSL2), first string selection lines (SSL1-1, SSL1-2, SSL1-3), and second string provided at substantially the same level from the common source lines (CSL) The selection lines (SSL2-1, SSL2-2, and SSL2-3) may be electrically separated from each other. Additionally, the erase control transistors ECT of different cell strings CSTR may be controlled by a common erase control line ECL. Erase control transistors (ECT) may generate gate induced drain leakage (GIDL) during an erase operation of the memory cell array. In some embodiments, during an erase operation of the memory cell array, an erase voltage may be applied to the bit lines (BL0, BL1, BL2) and/or the common source lines (CSL), and the string select transistor (SST) and/or Alternatively, gate-induced leakage current may be generated in the erase control transistors (ECT).
이상 설명된 스트링 선택 라인(SSL)은 상부 선택 라인(USL)으로 표현될 수 있으며, 접지 선택 라인(GSL)은 하부 선택 라인으로 표현될 수도 있다.The string selection line (SSL) described above may be expressed as an upper selection line (USL), and the ground selection line (GSL) may be expressed as a lower selection line.
도 3은 일 실시예에 따른 3차원 메모리의 구조를 도시한 평면도이고, 도 4a 내지 4c는 일 실시예에 따른 3차원 메모리의 구조를 도시한 단면도로, 도 3을 A-A'선으로 자른 단면에 해당된다.FIG. 3 is a plan view showing the structure of a three-dimensional memory according to an embodiment, and FIGS. 4A to 4C are cross-sectional views showing the structure of a three-dimensional memory according to an embodiment, with FIG. 3 taken along line A-A'. Applies to cross section.
도 3 및 4a 내지 4c를 참조하면, 기판(SUB)은 실리콘 기판, 실리콘-게르마늄 기판, 게르마늄 기판 또는 단결정(Monocrystalline) 실리콘 기판에 성장된 단결정 에피택시얼 층(Epitaxial layer) 등의 반도체 기판일 수 있다. 기판(SUB)에는 제1 도전형 불순물(예컨대, P-의 불순물)이 도핑될 수 있다.Referring to FIGS. 3 and 4A to 4C, the substrate (SUB) may be a semiconductor substrate such as a silicon substrate, a silicon-germanium substrate, a germanium substrate, or a single crystal epitaxial layer grown on a monocrystalline silicon substrate. there is. The substrate SUB may be doped with a first conductivity type impurity (eg, a P- impurity).
기판(SUB) 상에는 적층 구조체들(ST)이 배치될 수 있다. 적층 구조체들(ST)은 제1 방향(D1)으로 연장 형성된 채 제2 방향(D2)을 따라 2차원적으로 배치될 수 있다. 또한, 적층 구조체들(ST)은 제2 방향(D2)으로 서로 이격될 수 있다.Stacked structures (ST) may be disposed on the substrate (SUB). The stacked structures ST may extend in the first direction D1 and be two-dimensionally arranged along the second direction D2. Additionally, the stacked structures ST may be spaced apart from each other in the second direction D2.
적층 구조체들(ST) 각각은 기판(SUB)의 상면에 수직한 수직 방향(예컨대 제3 방향(D3))으로 교대로 적층된 게이트 전극들(EL1, EL2, EL3), 층간 절연막들(ILD)을 포함할 수 있다. 적층 구조체들(ST)은 실질적으로 평탄한 상면을 가질 수 있다. 즉, 적층 구조체들(ST)의 상면은 기판(SUB)의 상면과 평행할 수 있다. 이하, 수직 방향은 제3 방향(D3) 또는 제3 방향(D3)의 역방향을 의미한다.Each of the stacked structures ST includes gate electrodes EL1, EL2, and EL3 and interlayer insulating films ILD that are alternately stacked in a vertical direction perpendicular to the top surface of the substrate SUB (for example, in the third direction D3). may include. The stacked structures ST may have a substantially flat top surface. That is, the top surface of the stacked structures ST may be parallel to the top surface of the substrate SUB. Hereinafter, the vertical direction means the third direction D3 or the reverse direction of the third direction D3.
다시 도 2를 참조하면, 각각의 게이트 전극들(EL1, EL2, EL3)은 기판(SUB) 상에 차례로 적층된 소거 제어 라인(ECL), 접지 선택 라인들(GSL0, GSL1, GSL2), 워드 라인들(WL0-WLn, DWL), 제1 스트링 선택 라인들(SSL1-1, SSL1-2, SSL1-3) 및 제2 스트링 선택 라인들(SSL2-1, SSL2-2, SSL2-3) 중 하나일 수 있다.Referring again to FIG. 2, each of the gate electrodes (EL1, EL2, EL3) includes an erase control line (ECL), ground selection lines (GSL0, GSL1, GSL2), and a word line sequentially stacked on the substrate (SUB). (WL0-WLn, DWL), one of the first string selection lines (SSL1-1, SSL1-2, SSL1-3) and the second string selection lines (SSL2-1, SSL2-2, SSL2-3) It can be.
게이트 전극들(EL1, EL2, EL3) 각각은 제1 방향(D1)으로 연장 형성된 채 실질적으로 동일한 제3 방향(D3)으로의 두께를 가질 수 있다. 이하에서, 두께는 제3 방향(D3)으로의 두께를 의미한다. 게이트 전극들(EL1, EL2, EL3) 각각은, 도전성 물질로 형성될 수 있다. 예컨대, 게이트 전극들(EL1, EL2, EL3) 각각은 도핑된 반도체(ex, 도핑된 실리콘 등), 금속(ex, W(텅스텐), Cu(구리), Al(알루미늄), Ti(티타늄), Ta(탄탈륨), Mo(몰리브덴), Ru(루테늄), Au(금) 등) 또는 도전성 금속질화물(ex, 질화티타늄, 질화탄탈늄 등) 등에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 게이트 전극들(EL1, EL2, EL3) 각각은 설명된 금속 물질 이외에도 ALD로 형성 가능한 모든 금속 물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.Each of the gate electrodes EL1, EL2, and EL3 may extend in the first direction D1 and have substantially the same thickness in the third direction D3. Hereinafter, thickness refers to the thickness in the third direction (D3). Each of the gate electrodes EL1, EL2, and EL3 may be formed of a conductive material. For example, each of the gate electrodes EL1, EL2, and EL3 is made of a doped semiconductor (e.g., doped silicon, etc.), a metal (e.g., W (tungsten), Cu (copper), Al (aluminum), Ti (titanium), It may include at least one selected from Ta (tantalum), Mo (molybdenum), Ru (ruthenium), Au (gold), etc.) or conductive metal nitride (e.g., titanium nitride, tantalum nitride, etc.). Each of the gate electrodes EL1, EL2, and EL3 may include at least one of all metal materials that can be formed by ALD in addition to the metal materials described.
보다 구체적으로, 게이트 전극들(EL1, EL2, EL3)은 최하부의 제1 게이트 전극(EL1), 최상부의 제3 게이트 전극(EL3) 및 제1 게이트 전극(EL1)과 제3 게이트 전극(EL3) 사이의 복수의 제2 게이트 전극들(EL2)을 포함할 수 있다. 제1 게이트 전극(EL1) 및 제3 게이트 전극(EL3)은 각각 단수로 도시 및 설명되었으나, 이는 예시적인 것으로 이에 제한되지 않으며, 필요에 따라 제1 게이트 전극(EL1) 및 제3 게이트 전극(EL3)은 복수로 제공될 수도 있다. 제1 게이트 전극(EL1)은 도 2에 도시된 접지 선택 라인들(GSL0, GSL1, GLS2) 중 어느 하나에 해당될 수 있다. 제2 게이트 전극(EL2)은 도 2에 도시된 워드 라인들(WL0-WLn, DWL) 중 어느 하나에 해당될 수 있다. 제3 게이트 전극(EL3)은 도 2에 도시된 제1 스트링 선택 라인들(SSL1-1, SSL1-2, SSL1-3) 중 어느 하나 또는 제2 스트링 선택 라인들(SSL2-1, SSL2-2, SSL2-3) 중 어느 하나에 해당될 수 있다.More specifically, the gate electrodes EL1, EL2, and EL3 include the first gate electrode EL1 at the bottom, the third gate electrode EL3 at the top, and the first gate electrode EL1 and the third gate electrode EL3. It may include a plurality of second gate electrodes EL2 therebetween. The first gate electrode EL1 and the third gate electrode EL3 are each shown and described in singular form, but this is illustrative and not limited thereto, and the first gate electrode EL1 and the third gate electrode EL3 may be used as necessary. may be provided in plural. The first gate electrode EL1 may correspond to one of the ground selection lines GSL0, GSL1, and GLS2 shown in FIG. 2. The second gate electrode EL2 may correspond to one of the word lines WL0-WLn and DWL shown in FIG. 2. The third gate electrode EL3 is connected to one of the first string selection lines SSL1-1, SSL1-2, and SSL1-3 or the second string selection lines SSL2-1 and SSL2-2 shown in FIG. 2. , SSL2-3) may apply.
도시되지 않았으나, 적층 구조체들(ST) 각각의 단부는 제1 방향(D1)을 따라 계단 구조(Stepwise structure)를 가질 수 있다. 보다 구체적으로, 적층 구조체들(ST)의 게이트 전극들(EL1, EL2, EL3)은 기판(SUB)으로부터 멀어질수록 제1 방향(D1)으로의 길이가 감소할 수 있다. 제3 게이트 전극(EL3)은 제1 방향(D1)으로의 길이가 가장 작을 수 있고, 기판(SUB)과 제3 방향(D3)으로 이격되는 거리가 가장 클 수 있다. 제1 게이트 전극(EL1)은 제1 방향(D1)으로의 길이가 가장 클 수 있고, 기판(SUB)과 제3 방향(D3)으로 이격되는 거리가 가장 작을 수 있다. 계단식 구조에 의해, 적층 구조체들(ST) 각각은 후술하는 수직 채널 구조체들(VS) 중 최외각의 것(Outer-most one)으로부터 멀어질수록 두께가 감소할 수 있고, 게이트 전극들(EL1, EL2, EL3)의 측벽들은, 평면적 관점에서, 제1 방향(D1)을 따라 일정 간격으로 이격될 수 있다.Although not shown, an end of each of the stacked structures ST may have a stepwise structure along the first direction D1. More specifically, the length of the gate electrodes EL1, EL2, and EL3 of the stacked structures ST may decrease in the first direction D1 as the distance from the substrate SUB increases. The third gate electrode EL3 may have the smallest length in the first direction D1 and the greatest distance from the substrate SUB in the third direction D3. The first gate electrode EL1 may have the greatest length in the first direction D1 and the smallest distance from the substrate SUB in the third direction D3. Due to the stepped structure, the thickness of each of the stacked structures (ST) may decrease as it moves away from the outer-most one of the vertical channel structures (VS), which will be described later, and the gate electrodes (EL1, The side walls of EL2 and EL3) may be spaced apart at regular intervals along the first direction D1 from a plan view.
층간 절연막들(ILD) 각각은 서로 다른 두께를 가질 수 있다. 일 예로, 층간 절연막들(ILD) 중 최하부의 것 및 최상부의 것은 다른 층간 절연막들(ILD)보다 작은 두께를 가질 수 있다. 다만, 이는 예시적인 것으로 이에 제한되지 않으며, 층간 절연막들(ILD) 각각의 두께는 반도체 장치의 특성에 따라 서로 다른 두께를 갖거나, 모두 동일하게 설정될 수도 있다. 층간 절연막들(ILD)으로는 게이트 전극들(EL1, EL2, EL3) 사이의 절연을 위해 절연 물질로 형성될 수 있다. 일 예로, 층간 절연막들(ILD)은 실리콘 산화물로 형성될 수 있다.Each of the interlayer dielectric layers (ILD) may have different thicknesses. For example, the lowest and uppermost of the interlayer insulating layers (ILD) may have a smaller thickness than the other interlayer insulating layers (ILD). However, this is an example and is not limited to this, and the thickness of each interlayer dielectric layer (ILD) may have a different thickness depending on the characteristics of the semiconductor device, or may all be set to be the same. The interlayer insulating films ILD may be formed of an insulating material to insulate the gate electrodes EL1, EL2, and EL3. As an example, the interlayer insulating films (ILD) may be formed of silicon oxide.
적층 구조체들(ST) 및 기판(SUB)의 일부를 관통하는 복수 개의 채널 홀들(CH)이 제공될 수 있다. 채널 홀들(CH) 내에는 수직 채널 구조체들(VS)이 제공될 수 있다. 수직 채널 구조체들(VS)은 도 2에 도시된 복수의 셀 스트링들(CSTR)로서, 기판(SUB)과 연결된 채 제3 방향(D3)으로 연장 형성될 수 있다. 수직 채널 구조체들(VS)이 기판(SUB)과 연결되는 것은, 수직 채널 구조체들(VS) 각각의 일부가 하면이 기판(SUB)의 상면과 맞닿음으로써 이루어질 수 있으나, 이에 제한되거나 한정되지 않고 기판(SUB) 내부에 매립되어 이루어질 수도 있다. 수직 채널 구조체들(VS) 각각의 일부가 기판(SUB) 내부에 매립되는 경우, 수직 채널 구조체들(VS)의 하면은 기판(SUB)의 상면보다 낮은 레벨에 위치할 수 있다.A plurality of channel holes CH may be provided penetrating a portion of the stacked structures ST and the substrate SUB. Vertical channel structures (VS) may be provided within the channel holes (CH). The vertical channel structures VS are a plurality of cell strings CSTR shown in FIG. 2 and may be connected to the substrate SUB and extend in the third direction D3. The connection of the vertical channel structures (VS) to the substrate (SUB) may be achieved by the lower surface of a portion of each of the vertical channel structures (VS) contacting the upper surface of the substrate (SUB), but is not limited or limited thereto. It may also be buried inside the substrate (SUB). When a portion of each of the vertical channel structures (VS) is buried inside the substrate (SUB), the lower surface of the vertical channel structures (VS) may be located at a lower level than the upper surface of the substrate (SUB).
적층 구조체들(ST) 중 어느 하나를 관통하는 수직 채널 구조체들(VS)의 열들은 복수로 제공될 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 3개의 수직 채널 구조체들(VS)의 열들이 적층 구조체들(ST) 중 하나를 관통할 수 있다. 그러나 이에 제한되거나 한정되지 않고, 4개 이상의 수직 채널 구조체들(VS)의 열들이 적층 구조체들(ST) 중 하나를 관통하거나 1개 이상 2개 이하의 수직 채널 구조체들(VS)의 열들이 적층 구조체들(ST) 중 하나를 관통할 수 있다. 인접한 한 쌍의 열들에 있어서, 하나의 열에 해당하는 수직 채널 구조체들(VS)은 이에 인접한 다른 하나의 열에 해당하는 수직 채널 구조체들(VS)로부터 제1 방향(D1)으로 시프트(shift)될 수 있다. 평면적 관점에서, 수직 채널 구조체들(VS)은 제1 방향(D1)을 따라서 지그재그 형태로 배열될 수 있다. 그러나 이에 제한되거나 한정되지 않고, 수직 채널 구조체들(VS)은 로우(Row) 및 컬럼(Column)으로 나란히 배치되는 배열을 형성할 수도 있다.A plurality of rows of vertical channel structures (VS) penetrating one of the stacked structures (ST) may be provided. For example, as shown in FIG. 3 , rows of three vertical channel structures (VS) may penetrate one of the stacked structures (ST). However, without being limited or limited thereto, four or more rows of vertical channel structures (VS) pass through one of the stacked structures (ST), or one or two or more rows of vertical channel structures (VS) are stacked. It can penetrate one of the structures (ST). In a pair of adjacent columns, the vertical channel structures (VS) corresponding to one column may be shifted in the first direction (D1) from the vertical channel structures (VS) corresponding to the other adjacent column. there is. From a plan view, the vertical channel structures VS may be arranged in a zigzag shape along the first direction D1. However, without being limited or restricted thereto, the vertical channel structures VS may be arranged side by side in rows and columns.
수직 채널 구조체들(VS) 각각은 기판(SUB)으로부터 제3 방향(D3)으로 연장 형성될 수 있다. 도면에는 수직 채널 구조체들(VS) 각각이 상단과 하단의 너비가 동일한 기둥 형상을 갖는 것으로 도시되었으나, 이에 제한되거나 한정되지 않고 제3 방향(D3)으로 갈수록 제1 방향(D1) 및 제2 방향(D2)으로의 폭이 증가되는 형상을 가질 수 있다. 수직 채널 구조체들(VS) 각각의 상면은 원 형상, 타원 형상, 사각 형상 또는 바(Bar) 형상을 가질 수 있다.Each of the vertical channel structures VS may extend from the substrate SUB in the third direction D3. In the drawing, each of the vertical channel structures (VS) is shown as having a pillar shape with the same width at the top and bottom, but it is not limited or limited thereto, and as it moves toward the third direction (D3), the first direction (D1) and the second direction (D2) may have a shape in which the width is increased. The upper surface of each of the vertical channel structures (VS) may have a circular shape, an oval shape, a square shape, or a bar shape.
수직 채널 구조체들(VS) 각각은 데이터 저장 패턴(DSP), 수직 채널 패턴(VCP), 수직 반도체 패턴(VSP) 및 듀얼 정션(Dual junction; DJ)을 포함할 수 있다. 수직 채널 구조체들(VS) 각각에서 데이터 저장 패턴(DSP)은 하단이 오픈된(Opened) 파이프 형태 또는 마카로니 형태를 가질 수 있고, 수직 채널 패턴(VCP)은 하단이 닫힌(Closed) 파이프 형태 또는 마카로니 형태를 가질 수 있다. 수직 반도체 패턴(VSP)은 수직 채널 패턴(VCP) 및 듀얼 정션(DJ)로 둘러싸인 공간을 채울 수 있다.Each of the vertical channel structures (VS) may include a data storage pattern (DSP), a vertical channel pattern (VCP), a vertical semiconductor pattern (VSP), and a dual junction (DJ). In each of the vertical channel structures (VS), the data storage pattern (DSP) may have a pipe shape with an open bottom or a macaroni shape, and the vertical channel pattern (VCP) may have a pipe shape or a macaroni shape with a closed bottom. It can have a shape. The vertical semiconductor pattern (VSP) can fill the space surrounded by the vertical channel pattern (VCP) and dual junction (DJ).
데이터 저장 패턴(DSP)은 채널 홀들(CH) 각각의 내측벽을 덮은 채, 내측으로는 수직 채널 패턴(VCP)의 외측벽을 둘러싸며 외측으로는 게이트 전극들(EL1, EL2, EL3)의 측벽들과 접촉할 수 있다. 이에, 데이터 저장 패턴(DSP) 중 제2 게이트 전극들(EL2)에 대응하는 영역들은 수직 채널 패턴(VCP) 중 제2 게이트 전극들(EL2)에 대응하는 영역들과 함께, 제2 게이트 전극들(EL2)을 통해 인가되는 전압에 의해 메모리 동작(프로그램 동작, 판독 동작 또는 소거 동작)이 수행되는 메모리 셀들을 구성할 수 있다. 메모리 셀들은 도 2에 도시된 메모리 셀 트랜지스터들(MCT)에 해당된다. 이를 위해, 데이터 저장 패턴(DSP)은 제2 게이트 전극들(EL2)을 통해 인가되는 전압에 의한 전하들을 트랩하거나 전하들의 상태(예컨대, 전하들의 분극 상태)를 유지함으로써 데이터 값을 나타내는 데이터 저장 요소일 수 있다.The data storage pattern (DSP) covers the inner wall of each of the channel holes (CH), surrounds the outer wall of the vertical channel pattern (VCP) on the inside, and the side walls of the gate electrodes (EL1, EL2, EL3) on the outside. can come into contact with Accordingly, the areas corresponding to the second gate electrodes EL2 in the data storage pattern DSP are the second gate electrodes together with the areas corresponding to the second gate electrodes EL2 in the vertical channel pattern VCP. Memory cells in which a memory operation (program operation, read operation, or erase operation) is performed by voltage applied through (EL2) can be configured. The memory cells correspond to memory cell transistors (MCT) shown in FIG. 2. To this end, the data storage pattern DSP is a data storage element that represents data values by trapping charges by a voltage applied through the second gate electrodes EL2 or maintaining the state of the charges (e.g., the polarization state of the charges). It can be.
예를 들어, 데이터 저장 패턴(DSP)은 강유전체 물질로 형성됨으로써 전하의 분극 상태로 이진 데이터 값 또는 다치화된 데이터 값을 나타낼 수 있다. 강유전체 물질은 사방정계(Orthorhombic) 결정 구조를 갖는 HfOx, Al, Zr 또는 Si 중 적어도 하나의 물질이 도핑된 HfOx, PZT(Pb(Zr, Ti)O3), PTO(PbTiO3), SBT(SrBi2Ti2O3), BLT(Bi(La, Ti)O3), PLZT(Pb(La, Zr)TiO3), BST(Bi(Sr, Ti)O3), 티탄산바륨(barium titanate, BaTiO3), P(VDF-TrFE), PVDF, AlOx, ZnOx, TiOx, TaOx 또는 InOx 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.For example, the data storage pattern (DSP) may be formed of a ferroelectric material to represent a binary data value or a multi-valued data value in a polarization state of charge. The ferroelectric material is HfO x having an orthorhombic crystal structure , HfO (SrBi 2 Ti 2 O 3 ), BLT(Bi(La, Ti)O 3 ), PLZT(Pb(La, Zr)TiO 3 ), BST(Bi(Sr, Ti)O 3 ), barium titanate , BaTiO 3 ), P(VDF-TrFE), PVDF, AlO x , ZnO x , TiO x , TaO x or InO x .
다른 예를 들면, 데이터 저장 패턴(DSP)은 ONO(Tunneling Oxide-Charge trap Nitride-Blocking Oxide)로 형성됨으로써, 전하 트랩 질화물층(Charge trap Nitride)에서 전하를 트랩함으로써 이진 데이터 값 또는 다치화된 데이터 값을 나타낼 수 있다.For another example, the data storage pattern (DSP) is formed by ONO (Tunneling Oxide-Charge trap Nitride-Blocking Oxide), which traps charges in the charge trap nitride layer to create binary data values or multi-valued data. It can represent a value.
도면에는 데이터 저장 패턴(DSP)이 수직 방향(예컨대, 제3 방향(D3))으로 연장 형성되는 것으로 도시되었으나, 이에 제한되거나 한정되지 않고 수직 채널 패턴(VCP)의 외측벽 상 그리고 채널 홀들(CH) 각각의 내측벽 상 제2 게이트 전극들(EL2)에 대응하는 영역들에만 이격되어 배치되는 복수 개로 분절된 구조를 가질 수도 있다.In the drawing, the data storage pattern (DSP) is shown extending in a vertical direction (e.g., in the third direction (D3)), but is not limited to this and is not limited to this and is formed on the outer wall of the vertical channel pattern (VCP) and in the channel holes (CH). It may have a plurality of segmented structures that are spaced apart only in areas corresponding to the second gate electrodes EL2 on each inner wall.
수직 채널 패턴(VCP)은 데이터 저장 패턴(DSP)의 내측벽을 덮을 수 있으며, 수직 방향(예컨대, 제3 방향(D3))으로 연장될 수 있다. 수직 채널 패턴(VCP)은 제1 부분(VCP1) 및 제1 부분(VCP1) 상의 제2 부분(VCP2)을 포함할 수 있다.The vertical channel pattern (VCP) may cover the inner wall of the data storage pattern (DSP) and may extend in a vertical direction (eg, third direction D3). The vertical channel pattern (VCP) may include a first part (VCP1) and a second part (VCP2) on the first part (VCP1).
수직 채널 패턴(VCP)의 제1 부분(VCP1)은 채널 홀들(CH) 각각의 하부에 제공될 수 있고, 기판(SUB)과 접촉할 수 있다. 이러한 수직 채널 패턴(VCP)의 제1 부분(VCP1)은 수직 채널 구조체들(VS) 각각에서의 누설 전류를 차단, 억제 또는 최소화하는 용도 및/또는 에피택시얼 패턴의 용도로 사용될 수 있다. 수직 채널 패턴(VCP)의 제1 부분(VCP1)의 두께는, 예를 들어, 제1 게이트 전극(EL1)의 두께보다 클 수 있다. 수직 채널 패턴(VCP)의 제1 부분(VCP1)의 측벽은 데이터 저장 패턴(DSP)으로 둘러싸일 수 있다. 수직 채널 패턴(VCP)의 제1 부분(VCP1)의 상면은 제1 게이트 전극(EL1)의 상면보다 높은 레벨에 위치할 수 있다. 보다 구체적으로, 수직 채널 패턴(VCP)의 제1 부분(VCP1)의 상면은 제1 게이트 전극(EL1)의 상면과 제2 게이트 전극들(EL2) 중 최하부의 것의 하면 사이에 위치할 수 있다. 수직 채널 패턴(VCP)의 제1 부분(VCP1)의 하면은 기판(SUB)의 최상면(즉, 층간 절연막들(ILD) 중 최하부의 것의 하면)보다 낮은 레벨에 위치할 수 있다. 수직 채널 패턴(VCP)의 제1 부분(VCP1)의 일부는 제1 게이트 전극(EL1)과 수평 방향으로 중첩될 수 있다. 이하에서, 수평 방향은 제1 방향(D1) 및 제2 방향(D2)과 나란한 평면 상에서 연장되는 임의의 방향을 의미한다.The first portion (VCP1) of the vertical channel pattern (VCP) may be provided below each of the channel holes (CH) and may be in contact with the substrate (SUB). The first part (VCP1) of the vertical channel pattern (VCP) may be used to block, suppress, or minimize leakage current in each of the vertical channel structures (VS) and/or as an epitaxial pattern. For example, the thickness of the first portion (VCP1) of the vertical channel pattern (VCP) may be greater than the thickness of the first gate electrode (EL1). A sidewall of the first portion (VCP1) of the vertical channel pattern (VCP) may be surrounded by a data storage pattern (DSP). The top surface of the first portion (VCP1) of the vertical channel pattern (VCP) may be located at a higher level than the top surface of the first gate electrode (EL1). More specifically, the top surface of the first portion (VCP1) of the vertical channel pattern (VCP) may be located between the top surface of the first gate electrode (EL1) and the bottom surface of the lowest one of the second gate electrodes (EL2). The bottom surface of the first portion VCP1 of the vertical channel pattern VCP may be located at a lower level than the top surface of the substrate SUB (that is, the bottom surface of the lowest one of the interlayer insulating layers ILD). A portion of the first portion (VCP1) of the vertical channel pattern (VCP) may overlap the first gate electrode (EL1) in the horizontal direction. Hereinafter, the horizontal direction means any direction extending on a plane parallel to the first direction D1 and the second direction D2.
수직 채널 패턴(VCP)의 제2 부분(VCP2)은 제1 부분(VCP1)의 상면으로부터 제3 방향(D3)으로 연장될 수 있다. 수직 채널 패턴(VCP)의 제2 부분(VCP2)은 데이터 저장 패턴(DSP)와 수직 반도체 패턴(VSP) 사이에 제공될 수 있으며, 제2 게이트 전극들(EL2)에 대응될 수 있다. 이에, 수직 채널 패턴(VCP)의 제2 부분(VCP2)은 전술된 바와 같이 데이터 저장 패턴(DSP) 중 제2 게이트 전극들(EL2)에 대응하는 영역들과 함께, 메모리 셀들을 구성할 수 있다.The second part (VCP2) of the vertical channel pattern (VCP) may extend from the top surface of the first part (VCP1) in the third direction (D3). The second part (VCP2) of the vertical channel pattern (VCP) may be provided between the data storage pattern (DSP) and the vertical semiconductor pattern (VSP) and may correspond to the second gate electrodes (EL2). Accordingly, the second part (VCP2) of the vertical channel pattern (VCP), together with the regions corresponding to the second gate electrodes (EL2) of the data storage pattern (DSP), as described above, may form memory cells. .
수직 채널 패턴(VCP)의 제2 부분(VCP2)의 상면은 수직 반도체 패턴(VSP)의 상면과 실질적으로 공면을 이룰 수 있다. 수직 채널 패턴(VCP)의 제2 부분(VCP2)의 상면은 제2 게이트 전극들(EL2) 중 최상부의 것의 상면보다 높은 레벨에 위치할 수 있다. 보다 구체적으로, 수직 채널 패턴(VCP)의 제2 부분(VCP2)의 상면은 제3 게이트 전극(EL3)의 상면과 하면 사이에 위치할 수 있다.The top surface of the second portion (VCP2) of the vertical channel pattern (VCP) may be substantially coplanar with the top surface of the vertical semiconductor pattern (VSP). The top surface of the second portion (VCP2) of the vertical channel pattern (VCP) may be located at a higher level than the top surface of the uppermost one of the second gate electrodes (EL2). More specifically, the top surface of the second portion (VCP2) of the vertical channel pattern (VCP) may be located between the top and bottom surfaces of the third gate electrode (EL3).
수직 채널 패턴(VCP)은 데이터 저장 패턴(DSP)으로 전하 또는 홀을 전달하는 구성요소로서, 인가되는 전압에 의해 채널을 형성하거나 부스팅되도록 단결정질의 실리콘 또는 폴리 실리콘으로 형성될 수 있다. 그러나 이에 제한되거나 한정되지 않고 수직 채널 패턴(VCP)은 누설 전류를 차단, 억제 또는 최소화할 수 있는 산화물 반도체 물질로 형성될 수 있다. 예컨대, 수직 채널 패턴(VCP)은 누설 전류 특성이 우수한 In, Zn 또는 Ga 중 적어도 어느 하나를 포함하는 산화물 반도체 물질 또는 4족 반도체 물질 등으로 형성될 수 있다. 수직 채널 패턴(VCP)은, 예를 들어, AZO, ZTO, IZO, ITO, IGZO 또는 Ag-ZnO 등을 포함하는 ZnOx 계열의 물질로 형성될 수 있다. 따라서, 수직 채널 패턴(VCP)은 게이트 전극들(EL1, EL2, EL3) 또는 기판(SUB)으로의 누설 전류를 차단, 억제 또는 최소화할 수 있고, 게이트 전극들(EL1, EL2, EL3) 중 적어도 어느 하나의 트랜지스터 특성(예를 들어, 문턱 전압 산포 및 프로그램/판독 동작의 속도)을 개선할 수 있어, 결과적으로 3차원 메모리의 전기적 특성을 향상시킬 수 있다.The vertical channel pattern (VCP) is a component that transfers charges or holes to the data storage pattern (DSP), and may be formed of single crystalline silicon or polysilicon to form a channel or be boosted by an applied voltage. However, without being limited or limited thereto, the vertical channel pattern (VCP) may be formed of an oxide semiconductor material that can block, suppress, or minimize leakage current. For example, the vertical channel pattern (VCP) may be formed of an oxide semiconductor material or a group 4 semiconductor material containing at least one of In, Zn, or Ga with excellent leakage current characteristics. The vertical channel pattern (VCP) may be formed of, for example, a ZnOx-based material including AZO, ZTO, IZO, ITO, IGZO, or Ag-ZnO. Accordingly, the vertical channel pattern (VCP) can block, suppress, or minimize leakage current to the gate electrodes (EL1, EL2, EL3) or the substrate (SUB), and at least one of the gate electrodes (EL1, EL2, EL3) The characteristics of any one transistor (for example, threshold voltage distribution and speed of program/read operations) can be improved, and as a result, the electrical characteristics of the three-dimensional memory can be improved.
특히 수직 채널 패턴(VCP)은 후술되는 듀얼 정션(DJ)의 채널 형성 동작을 위해, 단결정질의 실리콘 또는 폴리 실리콘뿐만 아니라, 농도가 낮은 p- 도핑된 물질 또는 농도자 낮은 n- 도핑된 물질로 형성될 수 있다.In particular, the vertical channel pattern (VCP) is formed of a low-concentration p-doped material or a low-concentration n-doped material as well as single crystalline silicon or polysilicon for the channel formation operation of the dual junction (DJ) described later. It can be.
이상 수직 채널 패턴(VCP)가 제1 부분(VCP1) 및 제2 부분(VCP2)을 포함하는 구조인 것으로 설명되었으나, 이에 제한되거나 한정되지 않고 제1 부분(VCP1)이 배제된 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 수직 채널 패턴(VCP)은 기판(SUB)까지 연장 형성된 수직 반도체 패턴(VSP) 및 데이터 저장 패턴(DSP) 사이에 제공되며 기판(SUB)과 접촉하도록 기판(SUB)까지 연장 형성될 수 있다. 이러한 경우 수직 채널 패턴(VCP)의 하면은 기판(SUB)의 최상면(층간 절연막들(ILD) 중 최하부의 것의 하면)보다 낮은 레벨에 위치할 수 있으며, 수직 채널 패턴(VCP)의 상면은 수직 반도체 패턴(VSP)의 상면과 실질적으로 공면을 이룰 수 있다.Although the vertical channel pattern (VCP) has been described as having a structure including a first part (VCP1) and a second part (VCP2), it is not limited or limited thereto and may have a structure excluding the first part (VCP1). . For example, the vertical channel pattern (VCP) is provided between the vertical semiconductor pattern (VSP) and the data storage pattern (DSP) formed to extend to the substrate (SUB) and is formed to extend to the substrate (SUB) to contact the substrate (SUB). You can. In this case, the bottom surface of the vertical channel pattern (VCP) may be located at a lower level than the top surface of the substrate (SUB) (the bottom surface of the lowest one of the interlayer dielectric layers (ILD)), and the top surface of the vertical channel pattern (VCP) may be located at a lower level than the top surface of the substrate (SUB). It can be substantially coplanar with the top surface of the pattern (VSP).
수직 반도체 패턴(VSP)은 수직 채널 패턴(VCP)의 제2 부분(VCP2)으로 둘러싸일 수 있다. 수직 반도체 패턴(VSP)의 상면은 듀얼 정션(DJ)과 접촉할 수 있고, 수직 반도체 패턴(VSP)의 하면은 수직 채널 패턴(VCP)의 제1 부분(VCP1)과 접촉할 수 있다. 수직 반도체 패턴(VSP)은 기판(SUB)과 제3 방향(D3)으로 이격될 수 있다. 다시 말하면, 수직 반도체 패턴(VSP)은 기판(SUB)으로부터 전기적으로 플로팅될 수 있다.The vertical semiconductor pattern (VSP) may be surrounded by the second portion (VCP2) of the vertical channel pattern (VCP). The upper surface of the vertical semiconductor pattern (VSP) may contact the dual junction (DJ), and the lower surface of the vertical semiconductor pattern (VSP) may contact the first portion (VCP1) of the vertical channel pattern (VCP). The vertical semiconductor pattern VSP may be spaced apart from the substrate SUB in the third direction D3. In other words, the vertical semiconductor pattern VSP may be electrically floating from the substrate SUB.
수직 반도체 패턴(VSP)은 수직 채널 패턴(VCP)에서의 전하 또는 홀의 확산을 돕는 물질로 형성될 수 있다. 보다 상세하게, 수직 반도체 패턴(VSP)은 전하, 홀 이동도(Hole mobility)가 우수한 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 수직 반도체 패턴(VSP)은 불순물이 도핑된 반도체 물질, 불순물이 도핑되지 않은 상태의 진성 반도체(Intrinsic semiconductor) 물질 또는 다결정(Polycrystalline) 반도체 물질로 형성될 수 있다. 보다 구체적인 예를 들면, 수직 반도체 패턴(VSP)은 기판(SUB)과 동일한 제1 도전형 불순물(예컨대, P-의 불순물)이 도핑된 폴리 실리콘으로 형성될 수 있다. 즉, 수직 반도체 패턴(VSP)은 3차원 플래시 메모리의 전기적 특성을 개선시켜 메모리 동작의 속도를 향상시킬 수 있다.The vertical semiconductor pattern (VSP) may be formed of a material that helps diffusion of charges or holes in the vertical channel pattern (VCP). More specifically, the vertical semiconductor pattern (VSP) can be formed of a material with excellent charge and hole mobility. For example, the vertical semiconductor pattern (VSP) may be formed of a semiconductor material doped with impurities, an intrinsic semiconductor material that is not doped with an impurity, or a polycrystalline semiconductor material. For a more specific example, the vertical semiconductor pattern VSP may be formed of polysilicon doped with the same first conductivity type impurity (eg, P- impurity) as the substrate SUB. In other words, the vertical semiconductor pattern (VSP) can improve the speed of memory operation by improving the electrical characteristics of 3D flash memory.
이상 수직 채널 구조체들(VS)에 수직 반도체 패턴(VSP)이 포함되는 것으로 설명되었으나, 이에 제한되거나 한정되지 않고 수직 반도체 패턴(VSP)이 생략될 수도 있다.Although it has been described above that the vertical channel structures (VS) include the vertical semiconductor pattern (VSP), the present invention is not limited or limited thereto and the vertical semiconductor pattern (VSP) may be omitted.
또한, 수직 채널 구조체들(VS) 각각은 수직 반도체 패턴(VSP)이 생략된 구조를 갖는 것에 그치지 않고, 백 게이트(BG; 미도시)를 포함하는 구조를 가질 수 있다. 이러한 경우, 백 게이트(BG)는 수직 채널 패턴(VCP)에 의해 적어도 일부분이 감싸진 채 맞닿을 수 있으며, 메모리 동작을 위하여 수직 채널 패턴(VCP)으로 전압을 인가하는 구성요소일 수 있다.Additionally, each of the vertical channel structures VS may not only have a structure omitting the vertical semiconductor pattern VSP, but may also have a structure including a back gate BG (not shown). In this case, the back gate (BG) may be in contact with at least a portion of the back gate (BG) surrounded by the vertical channel pattern (VCP), and may be a component that applies a voltage to the vertical channel pattern (VCP) for a memory operation.
다시 도 2를 참조하면, 수직 채널 구조체들(VS)은 소거 제어 트랜지스터(ECT), 제1 및 제2 스트링 선택 트랜지스터들(SST1, SST2) 및 접지 선택 트랜지스터(GST) 및 메모리 셀 트랜지스터들(MCT)의 채널들에 해당할 수 있다.Referring again to FIG. 2, the vertical channel structures (VS) include an erase control transistor (ECT), first and second string select transistors (SST1, SST2), a ground select transistor (GST), and memory cell transistors (MCT). ) may correspond to the channels.
도 4a에 도시된 바와 같이 수직 채널 패턴(VCP)의 상면 상에는 듀얼 정션(DJ)이 제공될 수 있다. 즉, 듀얼 정션(DJ)은 수직 채널 구조체들(VS) 각각의 상단에 위치한 채 수직 채널 패턴(VCP)의 상부와 연결됨으로써, 드레인 정션(Drain junction)으로 동작할 수 있다.As shown in FIG. 4A, a dual junction (DJ) may be provided on the top surface of the vertical channel pattern (VCP). That is, the dual junction (DJ) is located at the top of each of the vertical channel structures (VS) and connected to the top of the vertical channel pattern (VCP), so that it can operate as a drain junction (Drain junction).
듀얼 정션(DJ)은 서로 다른 타입의 불순물로 각기 도핑된 이중 구조를 가질 수 있다. 보다 구체적으로, 듀얼 정션(DJ)은 N+ 도핑된 N+ 정션(N+ Junction) 및 P+ 도핑된 P+ 정션(P+ Junction)으로 구성된 이중 구조를 가질 수 있다.A dual junction (DJ) may have a dual structure, each doped with different types of impurities. More specifically, the dual junction (DJ) may have a dual structure consisting of an N+ doped N+ junction and a P+ doped P+ junction.
듀얼 정션(DJ)의 N+ 정션 및 P+ 정션은, 메모리 동작 시 게이트 전극들(EL1, EL2, EL3)(보다 상세하게는 제2 게이트 전극들(EL2)) 중 메모리 동작의 대상이 되는 대상 메모리 셀에 대응하는 선택된 게이트 전극(Sel EL)에 인가되는 전압에 응답하여, 선택적으로 활성화되어 수직 채널 패턴(VCP)에 채널을 형성할 수 있다. 예를 들어, N+ 정션은 선택된 게이트 전극(Sel EL)에 인가되는 양의 전압에 응답하여 수직 채널 패턴(VCP)에 N형 채널을 형성함으로써 "1"의 데이터를 기록하는 기록 동작(프로그램 동작)을 수행할 수 있다. 다른 예를 들면, P+ 정션은 선택된 게이트 전극(Sel EL)에 인가되는 음의 전압에 응답하여 수직 채널 패턴(VCP)에 P형 채널을 형성함으로써 "0"의 데이터를 기록하는 기록 동작(소거 동작)을 수행할 수 있다. 즉, N형 채널은 N+ 정션에 이어지도록 수직 방향으로 연장 형성될 수 있으며, P형 채널 역시 P+ 정션에 이어지도록 수직 방향으로 연장 형성될 수 있다.The N+ junction and P+ junction of the dual junction (DJ) are the target memory cells that are the target of the memory operation among the gate electrodes EL1, EL2, and EL3 (more specifically, the second gate electrodes EL2) during the memory operation. In response to the voltage applied to the selected gate electrode (Sel EL) corresponding to , it may be selectively activated to form a channel in the vertical channel pattern (VCP). For example, the N+ junction forms an N-type channel in the vertical channel pattern (VCP) in response to a positive voltage applied to the selected gate electrode (Sel EL), thereby recording “1” data (program operation). can be performed. For another example, the P+ junction forms a P-type channel in the vertical channel pattern (VCP) in response to a negative voltage applied to the selected gate electrode (Sel EL), thereby performing a write operation (erase operation) that records “0” data. ) can be performed. That is, the N-type channel can be formed to extend vertically to connect to the N+ junction, and the P-type channel can also be formed to extend vertically to connect to the P+ junction.
이 때, 듀얼 정션(DJ)의 N+ 정션 및 P+ 정션은, 수직 채널 패턴(VCP)에 대해 동일한 접촉 면적을 갖도록 서로 대칭되는 구조를 가질 수 있다. 일례로, N+ 정션 및 P+ 정션은 도면에 도시된 바와 같이 수직 채널 패턴(VCP)의 상부에 위치하는 공간을 대칭적으로 양분하도록 형성될 수 있다. 그러나 듀얼 정션(DJ)은 이에 제한되거나 한정되지 않고, 수직 채널 패턴(VCP)에 대해 서로 상이한 접촉 면적을 갖도록 구성된 N+ 정션 및 P+ 정션을 포함할 수도 있다.At this time, the N+ junction and P+ junction of the dual junction (DJ) may have a structure that is symmetrical to each other so as to have the same contact area with respect to the vertical channel pattern (VCP). For example, the N+ junction and the P+ junction may be formed to symmetrically bisect the space located above the vertical channel pattern (VCP) as shown in the drawing. However, the dual junction (DJ) is not limited or limited thereto, and may include an N+ junction and a P+ junction configured to have different contact areas with respect to the vertical channel pattern (VCP).
이처럼 듀얼 정션(DJ)에서 N+ 정션 및 P+ 정션 각각의 수직 채널 패턴(VCP)에 대한 접촉 면적은, 게이트 전극들(EL1, EL2, EL3)을 통해 인가되는 전압에 따라 수직 채널 패턴(VCP)에 N형 채널을 형성하는 동작 및 P형 채널을 형성하는 동작에 기초하여 조절 및 결정될 수 있다. 일례로, 선택된 게이트 전극(Sel EL)에 인가되는 양의 전압에 응답하여 수직 채널 패턴(VCP)에 N형 채널을 형성하는 동작의 속도 및 선택된 게이트 전극(Sel EL)에 인가되는 음의 전압에 응답하여 수직 채널 패턴(VCP)에 P형 채널을 형성하는 동작의 속도가 기 설정된 메모리 동작 속도보다 빠른 조건이 만족되도록 N+ 정션 및 P+ 정션 각각의 수직 채널 패턴(VCP)에 대한 접촉 면적이 조절 및 결정될 수 있다.In this way, the contact area for the vertical channel pattern (VCP) of each of the N+ junction and P+ junction in the dual junction (DJ) varies with the vertical channel pattern (VCP) according to the voltage applied through the gate electrodes (EL1, EL2, and EL3). It can be adjusted and determined based on the operation of forming an N-type channel and the operation of forming a P-type channel. For example, the speed of forming an N-type channel in the vertical channel pattern (VCP) in response to a positive voltage applied to the selected gate electrode (Sel EL) and the negative voltage applied to the selected gate electrode (Sel EL) In response, the contact area for each vertical channel pattern (VCP) of the N+ junction and P+ junction is adjusted and adjusted so that the speed of forming a P-type channel in the vertical channel pattern (VCP) is satisfied. can be decided.
듀얼 정션(DJ)의 상면은 적층 구조체들(ST) 각각의 상면(즉, 층간 절연막들(ILD) 중 최상부의 것의 상면)과 실질적으로 공면을 이룰 수 있다. 듀얼 정션(DJ)의 하면은 제3 게이트 전극(EL3)의 상면보다 낮은 레벨에 위치할 수 있다. 보다 구체적으로, 듀얼 정션(DJ)의 하면은 제3 게이트 전극(EL3)의 상면과 하면 사이에 위치할 수 있다. 즉, 듀얼 정션(DJ)의 적어도 일부는 제3 게이트 전극(EL3)과 수평 방향으로 중첩될 수 있다.The top surface of the dual junction (DJ) may be substantially coplanar with the top surface of each of the stacked structures (ST) (that is, the top surface of the uppermost one of the interlayer dielectric layers (ILD)). The lower surface of the dual junction (DJ) may be located at a lower level than the upper surface of the third gate electrode (EL3). More specifically, the lower surface of the dual junction (DJ) may be located between the upper and lower surfaces of the third gate electrode (EL3). That is, at least a portion of the dual junction DJ may overlap the third gate electrode EL3 in the horizontal direction.
듀얼 정션(DJ)의 상부에는 비트 라인 플러그(BLPG)와 연결되는 콘택 플러그(CPG)가 배치될 수 있다. 즉, 듀얼 정션(DJ)은 콘택 플러그(CPG)를 통해 비트 라인 플러그(BLPG)와 연결될 수 있다.A contact plug (CPG) connected to a bit line plug (BLPG) may be placed on top of the dual junction (DJ). That is, the dual junction (DJ) can be connected to the bit line plug (BLPG) through the contact plug (CPG).
듀얼 정션(DJ)이 콘택 플러그(CPG)를 통해 비트 라인 플러그(BLPG)와 연결되는 것은, 비트 라인 플러그(BLPG)의 단면적이 듀얼 정션(DJ)의 N+ 정션 및 P+ 정션 각각에 대해 전압을 인가하기 충분하지 못한 크기(듀얼 정션(DJ)의 N+ 정션 및 P+ 정션 각각에 대해 전류를 제공하기 충분하지 못한 크기)를 갖기 때문이다. 따라서, 콘택 플러그(CPG)는 듀얼 정션(DJ)의 N+ 정션 및 P+ 정션 각각에 대해 전압을 인가할 수 있는 충분한 면적(듀얼 정션(DJ)의 N+ 정션 및 P+ 정션 각각에 전류를 제공할 수 있는 충분한 면적)으로 구성될 수 있다.The dual junction (DJ) is connected to the bit line plug (BLPG) through the contact plug (CPG), meaning that the cross-sectional area of the bit line plug (BLPG) applies voltage to each of the N+ junction and P+ junction of the dual junction (DJ). This is because it has an insufficient size (not enough to provide current for each of the N+ junction and P+ junction of the dual junction (DJ)). Therefore, the contact plug (CPG) has a sufficient area to apply voltage to each of the N+ junction and P+ junction of the dual junction (DJ) (capable of providing current to each of the N+ junction and P+ junction of the dual junction (DJ)). (sufficient area).
또한, 듀얼 정션(DJ)이 콘택 플러그(CPG)를 통해 비트 라인 플러그(BLPG)와 연결되는 것은, 듀얼 정션(DJ)과 비트 라인 플러그(BLPG)와의 접촉 저항을 줄이기 위함이다. 이에, 콘택 플러그(CPG)는 듀얼 정션(DJ)과 비트 라인 플러그(BLPG)와의 접촉 저항을 줄일 수 있는 물질로 형성될 수 있다. 예컨대, 콘택 플러그(CPG)는 불순물이 도핑된 반도체 또는 도전성 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 콘택 플러그(CPG)는 기판(SUB) 또는 수직 반도체 패턴(VSP)과 다른 불순물(보다 정확하게 제1 도전형(예컨대, P-)과 다른 제2 도전형(예컨대, N-)의 불순물)이 도핑된 반도체 물질로 형성될 수 있다.In addition, the reason why the dual junction (DJ) is connected to the bit line plug (BLPG) through the contact plug (CPG) is to reduce the contact resistance between the dual junction (DJ) and the bit line plug (BLPG). Accordingly, the contact plug (CPG) may be formed of a material that can reduce contact resistance between the dual junction (DJ) and the bit line plug (BLPG). For example, the contact plug (CPG) may be formed of a semiconductor or conductive material doped with impurities. For example, the contact plug (CPG) may contain impurities (more precisely, a second conductivity type (e.g., N-) different from the first conductivity type (e.g., P-) than the substrate (SUB) or vertical semiconductor pattern (VSP). Impurities) may be formed from a doped semiconductor material.
이상, 듀얼 정션(DJ)이 콘택 플러그(CPG)를 통해 비트 라인 플러그(BLPG)와 연결되는 것으로 설명되었으나, 이에 제한되거나 한정되지 않고 콘택 플러그(CPG)가 생략될 수도 있다. 이러한 경우, 비트 라인 플러그(BLPG)는 듀얼 정션(DJ)의 N+ 정션 및 P+ 정션 각각에 대해 전압을 인가할 수 있는 충분한 면적(듀얼 정션(DJ)의 N+ 정션 및 P+ 정션 각각에 전류를 제공할 수 있는 충분한 면적)으로 구성되어, 듀얼 정션(DJ)에 직접적으로 전압을 인가하거나 전류를 제공할 수 있다.Above, it has been described that the dual junction (DJ) is connected to the bit line plug (BLPG) through the contact plug (CPG), but this is not limited or limited and the contact plug (CPG) may be omitted. In this case, the bit line plug (BLPG) has sufficient area to apply voltage to each of the N+ junction and P+ junction of the dual junction (DJ) (to provide current to each of the N+ junction and P+ junction of the dual junction (DJ)). It is composed of a sufficient area to apply voltage or provide current directly to the dual junction (DJ).
듀얼 정션(DJ)은 도 4b에 도시된 바와 같이 수직 채널 패턴(VCP)의 하면 아래에도 제공될 수 있다. 즉, 듀얼 정션(DJ)은 수직 채널 구조체들(VS) 각각의 하단에 위치한 채 수직 채널 패턴(VCP)의 하부와 연결됨으로써, 소스 정션(Source junction)으로 동작할 수 있다. 소스 정션으로 동작하는 듀얼 정션(DJ) 역시 전술된 드레인 정션으로 동작하는 듀얼 정션(DJ)과 그 구조가 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다. 수직 채널 구조체들(VS) 각각에서 소스 정션으로 동작하는 듀얼 정션(DJ)의 하부에는 소스 영역(Source Region; SR)이 형성될 수 있다. 수직 채널 구조체들(VS) 각각의 소스 영역(SR)은 기판(SUB) 내 별도의 배선(미도시)을 통해 서로 연결됨으로써, 도 2의 공통 소스 라인(CSL)에 해당될 수 있다. 그러나 이에 제한되거나 한정되지 않고, 수직 채널 구조체들(VS) 각각의 소스 영역(SR)은 수직 채널 구조체들(VS)별로 독립적으로 동작하도록 서로 연결되지 않은 구조를 가질 수도 있다.A dual junction (DJ) may also be provided below the vertical channel pattern (VCP) as shown in FIG. 4B. That is, the dual junction (DJ) is located at the bottom of each of the vertical channel structures (VS) and connected to the bottom of the vertical channel pattern (VCP), so that it can operate as a source junction. Since the dual junction (DJ) operating as a source junction also has the same structure as the dual junction (DJ) operating as a drain junction described above, a detailed description thereof will be omitted. A source region (SR) may be formed below the dual junction (DJ), which operates as a source junction in each of the vertical channel structures (VS). The source regions SR of each of the vertical channel structures VS are connected to each other through separate wiring (not shown) in the substrate SUB, and thus may correspond to the common source line CSL of FIG. 2 . However, without being limited or limited thereto, the source region SR of each of the vertical channel structures VS may have a structure that is not connected to each other so that each vertical channel structure VS operates independently.
또한, 수직 채널 구조체들(VS) 각각의 하단에도 듀얼 정션(DJ)이 위치하는 경우, 소스 영역(SR)은 생략될 수도 있다. 이러한 경우, 수직 채널 구조체들(VS) 각각에서 소스 정션(Source junction)으로 동작하는 듀얼 정션(DJ)은 기판(SUB) 내 별도의 배선(미도시)을 통해 서로 연결됨으로써, 도 2의 공통 소스 라인(CSL)에 해당될 수 있다. 그러나 이에 제한되거나 한정되지 않고, 수직 채널 구조체들(VS) 각각에서 소스 정션으로 동작하는 듀얼 정션(DJ)은 수직 채널 구조체들(VS)별로 독립적으로 동작하도록 서로 연결되지 않은 구조를 가질 수도 있다.Additionally, when a dual junction (DJ) is located at the bottom of each of the vertical channel structures (VS), the source region (SR) may be omitted. In this case, the dual junction (DJ), which operates as a source junction in each of the vertical channel structures (VS), is connected to each other through a separate wiring (not shown) in the substrate (SUB), so that the common source of FIG. 2 It may correspond to line (CSL). However, without being limited or limited thereto, the dual junction (DJ) operating as a source junction in each of the vertical channel structures (VS) may have a structure that is not connected to each other so that each vertical channel structure (VS) operates independently.
수직 채널 구조체들(VS) 각각의 상단에만 듀얼 정션(DJ)이 위치하는 경우에는, 도 4a에 도시된 바와 같이 수직 채널 패턴(VCP)의 하면 아래에 소스 영역(Source Region; SR)이 형성될 수 있다. 수직 채널 구조체들(VS) 각각의 소스 영역(SR)은 기판(SUB) 내 별도의 배선(미도시)을 통해 서로 연결됨으로써, 도 2의 공통 소스 라인(CSL)에 해당될 수 있다. 그러나 이에 제한되거나 한정되지 않고, 수직 채널 구조체들(VS) 각각의 소스 영역(SR)은 수직 채널 구조체들(VS)별로 독립적으로 동작하도록 서로 연결되지 않은 구조를 가질 수도 있다.When the dual junction (DJ) is located only at the top of each of the vertical channel structures (VS), a source region (SR) is formed under the lower surface of the vertical channel pattern (VCP) as shown in FIG. 4A. You can. The source regions SR of each of the vertical channel structures VS are connected to each other through separate wiring (not shown) in the substrate SUB, and thus may correspond to the common source line CSL of FIG. 2 . However, without being limited or limited thereto, the source region SR of each of the vertical channel structures VS may have a structure that is not connected to each other so that each vertical channel structure VS operates independently.
또한, 수직 채널 구조체들 각각의 상단에만 듀얼 정션(DJ)이 위치하는 경우에는, 수직 채널 구조체들(VS) 각각이 도 4c에 도시된 바와 같이 수직 채널 패턴(VCP)의 하면 아래에 소스 영역(SR)이 생략된 소스 프리(Source free) 구조를 가질 수도 있다.In addition, when the dual junction (DJ) is located only on the top of each of the vertical channel structures, each of the vertical channel structures (VS) has a source area ( It may also have a source free structure with SR) omitted.
또한, 도면에는 도시되지 않았으나, 서로 인접한 적층 구조체들(ST) 사이에는 제1 방향(D1)으로 연장되는 분리 트렌치(TR)가 제공될 수 있다. 공통 소스 영역(CSR)은 분리 트렌치(TR)에 의해 노출되는 기판(SUB) 내부에 제공될 수 있다. 공통 소스 영역(CSR)은 기판(SUB) 내에서 제1 방향(D1)으로 연장될 수 있다. 공통 소스 영역(CSR)은, 제2 도전형의 불순물(예컨대, N+의 불순물)이 도핑된 반도체 물질로 형성될 수 있다. 공통 소스 영역(CSR)은 도 2의 공통 소스 라인(CSL)에 해당할 수 있다.In addition, although not shown in the drawing, a separation trench TR extending in the first direction D1 may be provided between adjacent stacked structures ST. The common source region (CSR) may be provided inside the substrate (SUB) exposed by the isolation trench (TR). The common source region CSR may extend in the first direction D1 within the substrate SUB. The common source region CSR may be formed of a semiconductor material doped with a second conductivity type impurity (eg, N+ impurity). The common source region (CSR) may correspond to the common source line (CSL) of FIG. 2.
공통 소스 플러그(CSP)는 분리 트렌치(TR) 내에 제공될 수 있다. 공통 소스 플러그(CSP)는 공통 소스 영역(CSR)과 연결될 수 있다. 공통 소스 플러그(CSP)의 상면은 적층 구조체들(ST) 각각의 상면(즉, 층간 절연막들(ILD) 중 최상부의 것의 상면)과 실질적으로 공면을 이룰 수 있다. 공통 소스 플러그(CSP)는 제1 방향(D1) 및 제3 방향(D3)으로 연장되는 플레이트(Plate) 형상을 가질 수 있다. 이 때 공통 소스 플러그(CSP)는, 제3 방향(D3)으로 갈수록 제2 방향(D2)으로의 폭이 증가되는 형상을 가질 수 있다.A common source plug (CSP) may be provided in the isolation trench (TR). The common source plug (CSP) may be connected to the common source region (CSR). The top surface of the common source plug (CSP) may be substantially coplanar with the top surface of each of the stacked structures (ST) (that is, the top surface of the uppermost one of the interlayer insulating layers (ILD)). The common source plug (CSP) may have a plate shape extending in the first direction (D1) and the third direction (D3). At this time, the common source plug (CSP) may have a shape whose width in the second direction (D2) increases as it moves toward the third direction (D3).
공통 소스 플러그(CSP)와 적층 구조체들(ST) 사이에는 절연 스페이서들(SP)이 개재될 수 있다. 절연 스페이서들(SP)은 서로 인접하는 적층 구조체들(ST) 사이에서 서로 대향하며 제공될 수 있다. 예를 들어 절연 스페이서들(SP)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물 또는 낮은 유전 상수를 갖는 low-k 물질로 형성될 수 있다.Insulating spacers (SP) may be interposed between the common source plug (CSP) and the stacked structures (ST). Insulating spacers SP may be provided between adjacent stacked structures ST to face each other. For example, the insulating spacers SP may be formed of silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, or a low-k material with a low dielectric constant.
적층 구조체들(ST), 수직 채널 구조체들(VS) 및 공통 소스 플러그(CSP) 상에 캡핑 절연막(CAP)이 제공될 수 있다. 캡핑 절연막(CAP)은 층간 절연막들(ILD) 중 최상부의 것의 상면, 듀얼 정션(DJ)의 상면 및 공통 소스 플러그(CSP)의 상면을 덮을 수 있다. 캡핑 절연막(CAP)은, 층간 절연막들(ILD)과 다른 절연 물질로 형성될 수 있다. 캡핑 절연막(CAP) 내부에는 콘택 플러그(CPG) 및 비트 라인 콘택 플러그(BLPG)가 제공될 수 있다. 비트 라인 콘택 플러그(BLPG)는, 제3 방향(D3)으로 갈수록 제1 방향(D1) 및 제2 방향(D2)으로의 폭이 증가되는 형상을 가질 수 있다.A capping insulating layer (CAP) may be provided on the stacked structures (ST), the vertical channel structures (VS), and the common source plug (CSP). The capping insulating layer (CAP) may cover the top surface of the uppermost one of the interlayer insulating layers (ILD), the top surface of the dual junction (DJ), and the top surface of the common source plug (CSP). The capping insulating film (CAP) may be formed of an insulating material different from the interlayer insulating films (ILD). A contact plug (CPG) and a bit line contact plug (BLPG) may be provided inside the capping insulating film (CAP). The bit line contact plug BLPG may have a shape whose width in the first direction D1 and the second direction D2 increases as it moves toward the third direction D3.
캡핑 절연막(CAP) 및 비트 라인 콘택 플러그(BLPG) 상에 비트 라인(BL)이 제공될 수 있다. 비트 라인(BL)은 도 2에 도시된 복수의 비트 라인들(BL0, BL1, BL2) 중 어느 하나에 해당되는 것으로, 제2 방향(D2)을 따라 도전성 물질로 연장 형성될 수 있다. 비트 라인(BL)을 구성하는 도전성 물질은 전술된 게이트 전극들(EL1, EL2, EL3) 각각을 형성하는 도전성 물질과 동일한 물질일 수 있다.A bit line (BL) may be provided on the capping insulating film (CAP) and the bit line contact plug (BLPG). The bit line BL corresponds to one of the plurality of bit lines BL0, BL1, and BL2 shown in FIG. 2 and may be formed to extend along the second direction D2 using a conductive material. The conductive material constituting the bit line BL may be the same material as the conductive material forming each of the gate electrodes EL1, EL2, and EL3 described above.
비트 라인(BL)은 비트 라인 콘택 플러그(BLPG)를 통해 수직 채널 구조체들(VS)과 전기적으로 연결될 수 있다. 여기서 비트 라인(BL)이 수직 채널 구조체들(VS)과 연결된다는 것은, 수직 채널 구조체들(VS)에 포함되는 듀얼 정션(DJ)을 통해 수직 채널 패턴(VCP)과 연결되는 것을 의미할 수 있다.The bit line BL may be electrically connected to the vertical channel structures VS through a bit line contact plug (BLPG). Here, the fact that the bit line (BL) is connected to the vertical channel structures (VS) may mean that it is connected to the vertical channel pattern (VCP) through the dual junction (DJ) included in the vertical channel structures (VS). .
전술된 바와 같이 적층 구조체들(ST) 내에 3개의 수직 채널 구조체들(VS)의 열들이 관통함에 따라, 동일한 행에 위치하는 3개의 수직 채널 구조체들(VS)은 동일한 평면 상에 위치하는 비트 라인들(BL0, BL1, BL2) 각각과 연결되도록 각각의 비트 라인 콘택 플러그(BLPG)가 서로 어긋난 구조를 가질 수 있다. 일례로, 도 3에 도시된 바와 같이 제1 수직 채널 구조체(VS1)는 비트 라인(BL0)과 연결되도록 평면 상 제1 방향(D1)으로 편향된 비트 라인 콘택 플러그(BLPG)를 포함할 수 있고, 제2 수직 채널 구조체(VS2)는 비트 라인(BL1)과 연결되도록 평면 상 중심에 위치하는 비트 라인 콘택 플러그(BLPG)를 포함할 수 있으며, 제3 수직 채널 구조체(VS3)는 비트 라인(BL2)와 연결되도록 평면 상 제1 방향(D1)의 반대 방향으로 편향된 비트 라인 콘택 플러그(BLPG)를 포함할 수 있다.As described above, as the columns of the three vertical channel structures (VS) pass through the stacked structures (ST), the three vertical channel structures (VS) located in the same row are connected to the bit line located on the same plane. Each bit line contact plug (BLPG) may have a structure that is offset from each other so as to be connected to each of the fields BL0, BL1, and BL2. For example, as shown in FIG. 3, the first vertical channel structure VS1 may include a bit line contact plug BLPG that is biased in the first direction D1 on a plane to be connected to the bit line BL0, The second vertical channel structure (VS2) may include a bit line contact plug (BLPG) located at the center of the plane so as to be connected to the bit line (BL1), and the third vertical channel structure (VS3) may include a bit line (BL2). It may include a bit line contact plug (BLPG) that is biased in a direction opposite to the first direction (D1) on a plane so as to be connected to.
일 실시예에 따른 3차원 메모리는 설명된 구조로 제한되거나 한정되지 않고, 구현 예시에 따라 수직 채널 패턴(VCP), 듀얼 정션(DJ), 데이터 저장 패턴(DSP), 게이트 전극들(EL1, EL2, EL3), 비트 라인(BL)을 포함하는 것을 전제로 다양한 구조로 구현될 수 있다.The three-dimensional memory according to one embodiment is not limited or limited to the described structure, and depending on the implementation example, it may include a vertical channel pattern (VCP), a dual junction (DJ), a data storage pattern (DSP), and gate electrodes (EL1, EL2). , EL3), can be implemented in various structures provided that it includes a bit line (BL).
이상 설명된 바와 같은 듀얼 정션(DJ)을 포함하는 구조의 3차원 메모리에 대한 동작 방법 및 제조 방법은 아래에서 기재하기로 한다.The operation method and manufacturing method for the three-dimensional memory having a structure including a dual junction (DJ) as described above will be described below.
도 5는 일 실시예에 따른 3차원 메모리의 메모리 동작 방법을 도시한 플로우 차트이고, 도 6a 내지 6b는 도 5에 도시된 3차원 메모리의 메모리 동작 방법을 설명하기 위해 3차원 메모리의 구조를 도시한 단면도이며, 도 7a 내지 7b는 일 실시예에 따른 3차원 메모리의 개선된 메모리 윈도우를 설명하기 위한 도면이고, 도 8은 일 실시예에 따른 3차원 메모리의 판독 동작을 설명하기 위해 메모리 윈도우를 도시한 도면이며, 도 9a 내지 9b는 일 실시예에 따른 3차원 메모리의 소거 동작을 설명하기 위해 메모리 윈도우를 도시한 도면이다.FIG. 5 is a flow chart showing a memory operation method of a three-dimensional memory according to an embodiment, and FIGS. 6A to 6B show the structure of a three-dimensional memory to explain the memory operation method of the three-dimensional memory shown in FIG. 5. It is a cross-sectional view, and FIGS. 7A and 7B are diagrams for explaining an improved memory window of a three-dimensional memory according to an embodiment, and FIG. 8 is a diagram for explaining a read operation of a three-dimensional memory according to an embodiment. 9A to 9B are diagrams showing a memory window to explain an erase operation of a three-dimensional memory according to an embodiment.
이하, 설명되는 메모리 동작 방법은 도 2 내지 4를 참조하여 상술된 구조의 3차원 메모리에 의해 수행됨을 전제로 한다.Hereinafter, the memory operation method described is assumed to be performed by a three-dimensional memory having the structure described above with reference to FIGS. 2 to 4.
도 5를 참조하면, 단계(S510)에서 3차원 메모리는, 게이트 전극들(EL1, EL2, EL3)(보다 정확하게는 제2 게이트 전극(EL2)) 중 메모리 동작의 대상이 되는 대상 메모리 셀에 대응하는 선택된 게이트 전극(Sel EL)에 전압을 인가할 수 있다.Referring to FIG. 5, in step S510, the three-dimensional memory corresponds to the target memory cell that is the target of the memory operation among the gate electrodes EL1, EL2, and EL3 (more precisely, the second gate electrode EL2). A voltage can be applied to the selected gate electrode (Sel EL).
이에, 단계(S520)에서 3차원 메모리는, 선택된 게이트 전극(Sel EL)에 인가되는 전압에 응답하여, 수직 채널 구조체들(VS) 각각의 상단에 형성된 듀얼 정션(DJ)에 포함되는 N+ 정션 및 P+ 정션 중 어느 하나가 선택적으로 활성화됨에 따라 수직 채널 패턴(VCP)에 채널을 형성하여 메모리 동작을 수행할 수 있다.Accordingly, in step S520, the three-dimensional memory, in response to the voltage applied to the selected gate electrode (Sel EL), includes an N+ junction included in the dual junction (DJ) formed at the top of each of the vertical channel structures (VS), and As one of the P+ junctions is selectively activated, a memory operation can be performed by forming a channel in a vertical channel pattern (VCP).
예를 들어, 3차원 메모리는 도 6a에 도시된 바와 같이 단계(S510)에서 선택된 게이트 전극(Sel EL)에 양의 전압을 인가함으로써, 단계(S520)에서 듀얼 정션(DJ)의 N+ 정션을 통해 수직 채널 패턴(VCP)에 N형 채널을 형성하여 기록 동작을 수행할 수 있다. 보다 구체적인 예를 들면, 3차원 메모리는 단계(S510)에서 선택된 게이트 전극(Sel EL)에 양의 전압을 인가함으로써, 단계(S520)에서 듀얼 정션(DJ)의 N+ 정션을 통해 수직 채널 패턴(VCP)에 N형 채널을 형성하여 "1"의 데이터를 기록하는 기록 동작(프로그램 동작)을 수행할 수 있다. 이에, N형 채널은 N+ 정션에 이어지도록 수직 방향으로 연장 형성될 수 있다.For example, as shown in FIG. 6A, the 3D memory is generated by applying a positive voltage to the gate electrode (Sel EL) selected in step S510, through the N+ junction of the dual junction (DJ) in step S520. A recording operation can be performed by forming an N-type channel in a vertical channel pattern (VCP). For a more specific example, the 3D memory applies a positive voltage to the gate electrode (Sel EL) selected in step S510, thereby creating a vertical channel pattern (VCP) through the N+ junction of the dual junction (DJ) in step S520. ), a recording operation (program operation) of recording “1” data can be performed by forming an N-type channel. Accordingly, the N-type channel may be formed to extend vertically to connect to the N+ junction.
다른 예를 들면, 3차원 메모리는 도 6b에 도시된 바와 같이 단계(S520)에서 선택된 게이트 전극(Sel EL)에 음의 전압을 인가함으로써, 단계(S520)에서 듀얼 정션(DJ)의 P+ 정션을 통해 수직 채널 패턴(VCP)에 P형 채널을 형성하여 기록 동작을 수행할 수 있다. 보다 구체적인 예를 들면, 3차원 메모리는 단계(S520)에서 선택된 게이트 전극(Sel EL)에 음의 전압을 인가함으로써, 단계(S520)에서 P형 채널을 형성함으로써 "0"의 데이터를 기록하는 기록 동작(소거 동작)을 수행할 수 있다. 따라서, P형 채널은 P+ 정션에 이어지도록 수직 방향으로 연장 형성될 수 있다.For another example, the 3D memory applies a negative voltage to the gate electrode (Sel EL) selected in step S520, as shown in FIG. 6B, and connects the P+ junction of the dual junction (DJ) in step S520. A recording operation can be performed by forming a P-type channel in the vertical channel pattern (VCP). For a more specific example, the three-dimensional memory records data of "0" by applying a negative voltage to the gate electrode (Sel EL) selected in step S520 and forming a P-type channel in step S520. An operation (erase operation) can be performed. Accordingly, the P-type channel may be formed to extend vertically to connect to the P+ junction.
이 때, 단계(S520)에서 3차원 메모리는, 수직 채널 구조체들(VS) 각각의 하단에도 형성된 듀얼 정션(DJ)을 이용하여 수직 채널 패턴(VCP)에 채널을 형성하여 메모리 동작을 수행할 수 있다. 수직 채널 구조체들(VS) 각각의 하단에도 형성된 듀얼 정션(DJ)을 이용하는 것은, 수직 채널 구조체들(VS) 각각의 상단에 형성된 듀얼 정션(DJ)을 이용하는 것과 동일한 과정을 통해 이루어지므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.At this time, in step S520, the three-dimensional memory can perform a memory operation by forming a channel in the vertical channel pattern (VCP) using a dual junction (DJ) formed at the bottom of each of the vertical channel structures (VS). there is. Since using the dual junction (DJ) formed at the bottom of each of the vertical channel structures (VS) is done through the same process as using the dual junction (DJ) formed at the top of each of the vertical channel structures (VS), Detailed description will be omitted.
이처럼 일 실시예에 따른 3차원 메모리는, 듀얼 정션(DJ)을 기반으로, 선택된 게이트 전극(Sel EL)에 음의 전압을 인가하여 P형 채널을 형성하는 기록 동작(소거 동작)을 구현함으로써, 랜덤 액세스를 지원하여 고속의 메모리 동작을 가능하게 할 수 있다.As such, the three-dimensional memory according to one embodiment implements a write operation (erase operation) that forms a P-type channel by applying a negative voltage to the selected gate electrode (Sel EL) based on a dual junction (DJ), By supporting random access, high-speed memory operation is possible.
또한, 3차원 메모리는 선택된 게이트 전극(Sel EL)에 인가되는 전압의 값을 다양한 복수의 값들로 조절함으로써, 다치화를 구현할 수 있다. 특히, 3차원 메모리는 선택된 게이트 전극(Sel EL)에 인가되는 전압의 값을 양의 범위뿐만 아니라 음의 범위 내에서도 선택 가능할 수 있기 때문에, 도 7a에 도시된 바와 같은 기존의 3차원 NAND 플래시 메모리가 갖는 4 Bit의 다치화보다 더욱 개선된 도 7b에 도시된 바와 같은 5 Bit 이상의 다치화를 구현할 수 있다. 즉, 3차원 메모리는 선택된 게이트 전극(Sel EL)에 인가되는 양의 전압의 값과 음의 전압의 값을 조절함으로써, 조절된 양의 전압의 값 및 조절된 음의 전압의 값에 따라 다치화된 값의 기록 동작(프로그램 동작)을 수행할 수 있다.Additionally, the three-dimensional memory can implement multi-valued memory by adjusting the value of the voltage applied to the selected gate electrode (Sel EL) to a plurality of various values. In particular, since 3D memory can select the value of the voltage applied to the selected gate electrode (Sel EL) within the positive as well as negative range, the existing 3D NAND flash memory as shown in FIG. 7A It is possible to implement multi-value conversion of 5 bits or more as shown in FIG. 7B, which is more improved than multi-value conversion of 4 bits. In other words, the three-dimensional memory is multi-valued according to the adjusted positive voltage value and the adjusted negative voltage value by adjusting the value of the positive voltage and negative voltage applied to the selected gate electrode (Sel EL). A recording operation (program operation) of the specified value can be performed.
이와 같이 선택된 게이트 전극(Sel EL)에 인가되는 전압의 값을 양의 범위 및 음의 범위 내에서 선택하는 경우, 판독 동작 시 인가되는 판독 전압(Vread)과 패스 전압(Vpass)은 도 8에 도시된 바와 같다.When the value of the voltage applied to the selected gate electrode (Sel EL) is selected within the positive and negative ranges, the read voltage (V read ) and pass voltage (V pass ) applied during the read operation are shown in FIG. 8 As shown in
또한, 이러한 경우, 소거 동작은 페이지 단위 또는 블록 단위로 수행될 수 있다. 구체적으로, 3차원 메모리는 도 9a 및 9b에 도시된 바와 같이 두 단계로 소거 동작을 수행할 수 있다. 예를 들어, 3차원 메모리는 음의 전압으로 프로그램된 메모리 셀들을 0V의 문턱 전압(Vth) 주변으로 이동시키는 1단계 및 양의 전압으로 프로그램된 메모리 셀들을 0V의 문턱 전압(Vth) 주변으로 이동시키는 2단계로 소거 동작을 수행할 수 있다. 이에, 프로그램 동작은 전술된 바와 같이 양의 전압 또는 음의 전압이 인가됨에 따라 이루어질 수 있다.Additionally, in this case, the erase operation may be performed on a page-by-page or block-by-block basis. Specifically, the 3D memory can perform an erase operation in two steps as shown in FIGS. 9A and 9B. For example, three-dimensional memory has the first stage of moving memory cells programmed with negative voltage around the threshold voltage (V th ) of 0V and the first step of moving memory cells programmed with positive voltage around the threshold voltage (V th ) of 0V. The erase operation can be performed in two steps: moving to . Accordingly, the program operation may be performed by applying a positive voltage or a negative voltage, as described above.
이처럼 두 단계로 수행되는 소거 동작은, 도 9c에 도시된 바와 같이 기존의 3차원 NAND 플래시 메모리에서 +6V의 문턱 전압(Vth)을 -4V까지 이동시키고자 25V 이상의 소거 전압(Verase)을 인가하는 소거 동작이 수 ms 소요되는 것과 달리, +6V를 0V의 문턱 전압(Vth)으로 이동시키고 -6V를 0V의 문턱 전압(Vth)으로 이동시키고자 +/- 20V 이하의 전압을 인가하기 때문에, 수 ms보다 짧은 시간이 소요되는 장점을 갖는다.As shown in Figure 9c, the erase operation performed in two steps requires an erase voltage (V erase ) of 25V or more to move the threshold voltage (V th ) of +6V to -4V in the existing 3D NAND flash memory. Unlike the erase operation that is applied, which takes several ms, a voltage of +/- 20V or less is applied to move +6V to the threshold voltage (V th ) of 0V and -6V to the threshold voltage (V th ) of 0V. Therefore, it has the advantage of taking less time than a few ms.
도 10은 일 실시예에 따른 3차원 메모리의 제조 방법을 도시한 플로우 차트이다.Figure 10 is a flow chart showing a method of manufacturing a 3D memory according to an embodiment.
이하, 설명되는 제조 방법은 도 2 내지 4를 참조하여 상술된 구조의 3차원 메모리를 제조하기 위한 것으로, 자동화 및 기계화된 제조 시스템에 의해 수행됨을 전제로 한다.The manufacturing method described below is for manufacturing a three-dimensional memory with the structure described above with reference to FIGS. 2 to 4, and is assumed to be performed by an automated and mechanized manufacturing system.
도 10을 참조하면, 단계(S1010)에서 제조 시스템은, 반도체 구조체(SEMI-STR)를 준비할 수 있다. 여기서, 반도체 구조체(SEM-STR)는 기판(SUB) 상 수평 방향으로 연장 형성된 채 수직 방향으로 이격되며 적층된 게이트 전극들(EL1, EL2, EL3); 및 게이트 전극들(EL1, EL2, EL3)을 관통하며 수직 방향으로 연장 형성되는 수직 채널 구조체들(VS)을 포함할 수 있다. 즉, 반도체 구조체(SEMI-STR)는 도 2 내지 4를 참조하여 전술된 구조의 적층 구조체들(ST)과 수직 채널 구조체들(VS)을 포함할 수 있다. 다만, 수직 채널 구조체들(VS)에는 듀얼 정션(DJ)이 형성되어 있지 않다.Referring to FIG. 10, in step S1010, the manufacturing system can prepare a semiconductor structure (SEMI-STR). Here, the semiconductor structure (SEM-STR) includes gate electrodes (EL1, EL2, EL3) extending in the horizontal direction on the substrate (SUB) and stacked while being spaced apart in the vertical direction; and vertical channel structures VS extending in the vertical direction and penetrating the gate electrodes EL1, EL2, and EL3. That is, the semiconductor structure (SEMI-STR) may include the stacked structures (ST) and vertical channel structures (VS) of the structures described above with reference to FIGS. 2 to 4. However, a dual junction (DJ) is not formed in the vertical channel structures (VS).
여기서, 제조 시스템은 수직 채널 구조체들(VS) 각각의 하단에 소스 영역이 형성된 반도체 구조체(SEMI-STR)를 준비할 수 있다. 또는 제조 시스템은 수직 채널 구조체들(VS) 각각의 하단에 소스 영역이 생략된 소스 프리 구조를 갖는 반도체 구조체를 준비할 수도 있다.Here, the manufacturing system can prepare a semiconductor structure (SEMI-STR) in which a source region is formed at the bottom of each of the vertical channel structures (VS). Alternatively, the manufacturing system may prepare a semiconductor structure having a source-free structure in which the source region is omitted at the bottom of each of the vertical channel structures (VS).
전술된 바와 같이 수직 채널 구조체들(VS) 각각의 하단에도 듀얼 정션이 형성되는 경우, 단계(S1010)에서 제조 시스템은, 수직 채널 구조체들(VS) 각각의 하단에도 듀얼 정션이 형성된 반도체 구조체(SEMI-STR)를 준비할 수 있다.As described above, when a dual junction is formed at the bottom of each of the vertical channel structures (VS), in step S1010, the manufacturing system produces a semiconductor structure (SEMI) in which a dual junction is formed at the bottom of each of the vertical channel structures (VS). -STR) can be prepared.
단계(S1020)에서 제조 시스템은, 반도체 구조체(SEMI-STR) 상에 수직 채널 구조체들(VS) 각각의 상면 일부 영역을 가리는 제1 마스크 패턴(MASK 1)을 배치할 수 있다.In step S1020, the manufacturing system may place a first mask pattern (MASK 1) that covers a portion of the upper surface of each of the vertical channel structures (VS) on the semiconductor structure (SEMI-STR).
단계(S1030에서 제조 시스템은, 제1 마스크 패턴(MASK 1)을 이용하여, 수직 채널 구조체들(VS) 각각에서 제1 마스크 패턴(MASK 1)에 의해 가려지지 않은 상면 나머지 영역에 N+ 도핑된 N+ 정션을 형성할 수 있다.In step S1030, the manufacturing system uses the first mask pattern (MASK 1) to apply N+ doped N+ to the remaining area of the upper surface that is not obscured by the first mask pattern (MASK 1) in each of the vertical channel structures (VS). A junction can be formed.
단계(S1040)에서 제조 시스템은, 반도체 구조체(SEMI-STR) 상에 수직 채널 구조체들(VS) 각각의 상면 나머지 영역을 가리는 제2 마스크 패턴(MASK 2)을 배치할 수 있다.In step S1040, the manufacturing system may place a second mask pattern (MASK 2) that covers the remaining upper surface area of each of the vertical channel structures (VS) on the semiconductor structure (SEMI-STR).
단계(S1050)에서 제조 시스템은, 제2 마스크 패턴(MASK 2)을 이용하여, 수직 채널 구조체들(VS) 각각에서 제2 마스크 패턴(MASK 2)에 의해 가려지지 않은 상면 일부 영역에 P+ 도핑된 P+ 정션을 형성할 수 있다.In step S1050, the manufacturing system uses the second mask pattern (MASK 2) to apply P+ doped P+ to a portion of the upper surface that is not obscured by the second mask pattern (MASK 2) in each of the vertical channel structures (VS). A P+ junction can be formed.
여기서 제1 마스크 패턴(MASK 1) 및 제2 마스크 패턴(MASK 2)은, 수직 채널 구조체들(VS) 각각에서 N+ 정션 및 P+ 정션이 서로 대칭되는 구조를 갖도록 동일한 면적의 대칭되는 영역을 각기 가리도록 구성 및 배치될 수 있다.Here, the first mask pattern (MASK 1) and the second mask pattern (MASK 2) each point to symmetrical areas of the same area so that the N+ junction and P+ junction in each of the vertical channel structures (VS) have a symmetrical structure. It can be configured and arranged as follows.
이처럼 단계들(S1010 내지 S1050)을 통해 N+ 정션 및 P+ 정션을 포함하는 듀얼 정션(DJ)이 수직 채널 구조체들(VS) 각각에 형성될 수 있다.In this way, through steps S1010 to S1050, a dual junction (DJ) including an N+ junction and a P+ junction may be formed in each of the vertical channel structures (VS).
이상 N+ 정션이 형성된 뒤 P+ 정션이 형성되는 제조 방법이 설명되었으나, 이에 제한되거나 한정되지 않고 P+ 정션이 형성된 뒤 N+ 정션이 형성될 수도 있다. 이러한 경우, 단계들(S1020 내지 S1030)이 단계들(S1040 내지 S1050) 이후에 수행됨으로써 P+ 정션이 N+ 정션보다 먼저 형성될 수 있다.The manufacturing method in which the P+ junction is formed after the N+ junction is formed has been described above, but the manufacturing method is not limited or limited thereto and the N+ junction may be formed after the P+ junction is formed. In this case, steps S1020 to S1030 are performed after steps S1040 to S1050, so that the P+ junction can be formed before the N+ junction.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.As described above, although the embodiments have been described with limited examples and drawings, various modifications and variations can be made by those skilled in the art from the above description. For example, the described techniques are performed in a different order than the described method, and/or components of the described system, structure, device, circuit, etc. are combined or combined in a different form than the described method, or other components are used. Alternatively, appropriate results may be achieved even if substituted or substituted by an equivalent.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents of the claims also fall within the scope of the claims described below.

Claims (23)

  1. 기판 상 수평 방향으로 연장 형성된 채 수직 방향으로 이격되며 적층된 게이트 전극들; 및 Gate electrodes extending in the horizontal direction on the substrate and spaced apart in the vertical direction are stacked; and
    상기 게이트 전극들을 관통하며 상기 수직 방향으로 연장 형성되는 수직 채널 구조체들-상기 수직 채널 구조체들 각각은 수직 채널 패턴 및 데이터 저장 패턴을 포함하고, 상기 수직 채널 구조체들 각각의 상단에는 서로 다른 타입의 불순물로 각기 도핑된 이중 구조의 듀얼 정션(Dual junction)이 형성됨-Vertical channel structures extend through the gate electrodes and extend in the vertical direction - each of the vertical channel structures includes a vertical channel pattern and a data storage pattern, and different types of impurities are placed on top of each of the vertical channel structures. A dual junction with a dual structure doped with
    을 포함하는 3차원 메모리.3D memory containing.
  2. 제1항에 있어서,According to paragraph 1,
    상기 듀얼 정션은, The dual junction is,
    N+ 도핑된 N+ 정션 및 P+ 도핑된 P+ 정션을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 메모리.A three-dimensional memory comprising an N+ doped N+ junction and a P+ doped P+ junction.
  3. 제2항에 있어서,According to paragraph 2,
    상기 N+ 정션 및 상기 P+ 정션은, The N+ junction and the P+ junction are,
    상기 수직 채널 패턴에 대해 동일한 접촉 면적을 갖도록 서로 대칭되는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 3차원 메모리.A three-dimensional memory characterized by having a structure that is symmetrical to each other so as to have the same contact area with respect to the vertical channel pattern.
  4. 제2항에 있어서,According to paragraph 2,
    상기 N+ 정션 및 상기 P+ 정션 중 어느 하나는, Either of the N+ junction and the P+ junction,
    메모리 동작 시 상기 게이트 전극들 중 메모리 동작의 대상이 되는 대상 메모리 셀에 대응하는 선택된 게이트 전극에 인가되는 전압에 응답하여, 선택적으로 활성화되어 상기 수직 채널 패턴에 채널을 형성하는 것을 특징으로 하는 3차원 메모리.During a memory operation, a three-dimensional device is selectively activated in response to a voltage applied to a selected gate electrode corresponding to a target memory cell that is the target of the memory operation among the gate electrodes to form a channel in the vertical channel pattern. Memory.
  5. 제4항에 있어서,According to paragraph 4,
    상기 N+ 정션은, The N+ junction is,
    상기 선택된 게이트 전극에 인가되는 양의 전압에 응답하여, 상기 수직 채널 패턴에 N형 채널을 형성하는 것을 특징으로 하는 3차원 메모리.A three-dimensional memory characterized in that an N-type channel is formed in the vertical channel pattern in response to a positive voltage applied to the selected gate electrode.
  6. 제5항에 있어서,According to clause 5,
    상기 N형 채널은, The N-type channel is,
    상기 N+ 정션에 이어지도록 상기 수직 방향으로 연장 형성되는 것을 특징으로 하는 3차원 메모리.A three-dimensional memory, characterized in that it extends in the vertical direction to connect to the N+ junction.
  7. 제4항에 있어서,According to paragraph 4,
    상기 P+ 정션은, The P+ junction is,
    상기 선택된 게이트 전극에 인가되는 음의 전압에 응답하여, 상기 수직 채널 패턴에 P형 채널을 형성하는 것을 특징으로 하는 3차원 메모리.A three-dimensional memory characterized in that a P-type channel is formed in the vertical channel pattern in response to a negative voltage applied to the selected gate electrode.
  8. 제7항에 있어서,In clause 7,
    상기 P형 채널은, The P-type channel is,
    상기 P+ 정션에 이어지도록 상기 수직 방향으로 연장 형성되는 것을 특징으로 하는 3차원 메모리.A three-dimensional memory, characterized in that it extends in the vertical direction to connect to the P+ junction.
  9. 제1항에 있어서,According to paragraph 1,
    상기 듀얼 정션은, The dual junction is,
    상부에 배치되는 콘택 플러그를 통해 비트 라인 플러그와 연결되는 것을 특징으로 하는 3차원 메모리.A three-dimensional memory characterized by being connected to a bit line plug through a contact plug placed at the top.
  10. 제1항에 있어서,According to paragraph 1,
    상기 듀얼 정션은, The dual junction is,
    상기 수직 채널 구조체들 각각의 하단에도 형성되는 것을 특징으로 하는 3차원 메모리.A three-dimensional memory, characterized in that formed at the bottom of each of the vertical channel structures.
  11. 제1항에 있어서,According to paragraph 1,
    상기 수직 채널 구조체들 각각의 하단에는, At the bottom of each of the vertical channel structures,
    소스 영역이 형성되는 것을 특징으로 하는 3차원 메모리.A three-dimensional memory characterized by the formation of a source region.
  12. 제1항에 있어서,According to paragraph 1,
    상기 3차원 메모리는, The three-dimensional memory is,
    상기 수직 채널 구조체들 각각의 하단에 소스 영역이 생략된 소스 프리(Source free) 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 3차원 메모리.A three-dimensional memory characterized in that it has a source free structure with a source area omitted at the bottom of each of the vertical channel structures.
  13. 기판 상 수평 방향으로 연장 형성된 채 수직 방향으로 이격되며 적층된 게이트 전극들; 및 상기 게이트 전극들을 관통하며 상기 수직 방향으로 연장 형성되는 수직 채널 구조체들-상기 수직 채널 구조체들 각각은 수직 채널 패턴 및 데이터 저장 패턴을 포함하고, 상기 수직 채널 구조체들 각각의 상단에는 서로 다른 타입의 불순물로 각기 도핑된 이중 구조의 듀얼 정션(Dual junction)이 형성됨-을 포함하는 3차원 메모리의 메모리 동작 방법에 있어서,Gate electrodes extending in the horizontal direction on the substrate and spaced apart in the vertical direction are stacked; and vertical channel structures penetrating the gate electrodes and extending in the vertical direction - each of the vertical channel structures includes a vertical channel pattern and a data storage pattern, and different types of structures are located on top of each of the vertical channel structures. In the memory operation method of a three-dimensional memory, including the formation of dual junctions of a dual structure each doped with impurities,
    상기 게이트 전극들 중 메모리 동작의 대상이 되는 대상 메모리 셀에 대응하는 선택된 게이트 전극에 전압을 인가하는 단계; 및 applying a voltage to a selected gate electrode corresponding to a target memory cell that is a target of a memory operation among the gate electrodes; and
    상기 선택된 게이트 전극에 인가되는 전압에 응답하여, 상기 듀얼 정션에 포함되는 N+ 정션 및 P+ 정션 중 어느 하나가 선택적으로 활성화됨에 따라 상기 수직 채널 패턴에 채널을 형성하여 메모리 동작을 수행하는 단계In response to the voltage applied to the selected gate electrode, one of the N+ junction and the P+ junction included in the dual junction is selectively activated to form a channel in the vertical channel pattern to perform a memory operation.
    를 포함하는 3차원 메모리의 메모리 동작 방법.A memory operation method of a three-dimensional memory including.
  14. 제13항에 있어서,According to clause 13,
    상기 인가하는 단계는, The authorizing step is,
    상기 선택된 게이트 전극에 양의 전압을 인가하는 단계Applying a positive voltage to the selected gate electrode
    를 포함하고, Including,
    상기 메모리 동작을 수행하는 단계는, The step of performing the memory operation is,
    상기 선택된 게이트 전극에 인가되는 양의 전압에 응답하여, 상기 N+ 정션을 통해 상기 수직 채널 패턴에 N형 채널을 형성하여 기록 동작을 수행하는 단계In response to a positive voltage applied to the selected gate electrode, forming an N-type channel in the vertical channel pattern through the N+ junction to perform a write operation.
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 메모리의 메모리 동작 방법.A memory operation method of a three-dimensional memory comprising:
  15. 제14항에 있어서,According to clause 14,
    상기 인가하는 단계는, The authorizing step is,
    상기 선택된 게이트 전극에 인가되는 양의 전압의 값을 조절하는 단계Adjusting the value of positive voltage applied to the selected gate electrode
    를 포함하고, Including,
    상기 메모리 동작을 수행하는 단계는, The step of performing the memory operation is,
    상기 조절된 양의 전압의 값에 따라 다치화된 값의 기록 동작을 수행하는 단계Performing a recording operation of a multi-valued value according to the value of the adjusted positive voltage.
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 메모리의 메모리 동작 방법.A memory operation method of a three-dimensional memory comprising:
  16. 제13항에 있어서,According to clause 13,
    상기 인가하는 단계는, The authorizing step is,
    상기 선택된 게이트 전극에 음의 전압을 인가하는 단계Applying a negative voltage to the selected gate electrode
    를 포함하고, Including,
    상기 메모리 동작을 수행하는 단계는, The step of performing the memory operation is,
    상기 선택된 게이트 전극에 인가되는 음의 전압에 응답하여, 상기 P+ 정션을 통해 상기 수직 채널 패턴에 P형 채널을 형성하여 기록 동작을 수행하는 단계In response to a negative voltage applied to the selected gate electrode, forming a P-type channel in the vertical channel pattern through the P+ junction to perform a write operation.
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 메모리의 메모리 동작 방법.A memory operation method of a three-dimensional memory comprising:
  17. 제16항에 있어서,According to clause 16,
    상기 인가하는 단계는, The authorizing step is,
    상기 선택된 게이트 전극에 인가되는 음의 전압의 값을 조절하는 단계Adjusting the value of the negative voltage applied to the selected gate electrode
    를 포함하고, Including,
    상기 메모리 동작을 수행하는 단계는, The step of performing the memory operation is,
    상기 조절된 음의 전압의 값에 따라 다치화된 값의 기록 동작을 수행하는 단계Performing a recording operation of a multi-valued value according to the adjusted negative voltage value.
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 메모리의 메모리 동작 방법.A memory operation method of a three-dimensional memory comprising:
  18. 제13항에 있어서,According to clause 13,
    상기 메모리 동작을 수행하는 단계는, The step of performing the memory operation is,
    상기 수직 채널 구조체들 각각의 하단에도 형성된 듀얼 정션에 포함되는 N+ 정션 및 P+ 정션 중 어느 하나가 선택적으로 활성화됨에 따라 상기 수직 채널 패턴에 채널을 형성하여 메모리 동작을 수행하는 단계performing a memory operation by forming a channel in the vertical channel pattern by selectively activating one of the N+ junction and the P+ junction included in the dual junction formed at the bottom of each of the vertical channel structures.
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 메모리의 메모리 동작 방법.A memory operation method of a three-dimensional memory further comprising:
  19. 서로 다른 타입의 불순물로 각기 도핑된 이중 구조의 듀얼 정션(Dual junction)을 포함하는 3차원 메모리의 제조 방법에 있어서,In the method of manufacturing a three-dimensional memory including dual junctions of a dual structure each doped with different types of impurities,
    기판 상 수평 방향으로 연장 형성된 채 수직 방향으로 이격되며 적층된 게이트 전극들; 및 상기 게이트 전극들을 관통하며 상기 수직 방향으로 연장 형성되는 수직 채널 구조체들-상기 수직 채널 구조체들 각각은 수직 채널 패턴 및 데이터 저장 패턴을 포함함-을 포함하는 반도체 구조체를 준비하는 단계; Gate electrodes extending in the horizontal direction on the substrate and spaced apart in the vertical direction are stacked; and preparing a semiconductor structure including vertical channel structures extending in the vertical direction and penetrating the gate electrodes, each of the vertical channel structures including a vertical channel pattern and a data storage pattern.
    상기 반도체 구조체 상에 상기 수직 채널 구조체들 각각의 상면 일부 영역을 가리는 제1 마스크 패턴을 배치하는 단계; disposing a first mask pattern on the semiconductor structure to cover a portion of a top surface of each of the vertical channel structures;
    상기 제1 마스크 패턴을 이용하여, 상기 수직 채널 구조체들 각각에서 상기 제1 마스크 패턴에 의해 가려지지 않은 상면 나머지 영역에 N+ 도핑된 N+ 정션을 형성하는 단계; Using the first mask pattern, forming an N+ doped N+ junction in a remaining area of the upper surface of each of the vertical channel structures that is not obscured by the first mask pattern;
    상기 반도체 구조체 상에 상기 수직 채널 구조체들 각각의 상기 상면 나머지 영역을 가리는 제2 마스크 패턴을 배치하는 단계; 및 disposing a second mask pattern on the semiconductor structure to cover the remaining upper surface area of each of the vertical channel structures; and
    상기 제2 마스크 패턴을 이용하여, 상기 수직 채널 구조체들 각각에서 상기 제2 마스크 패턴에 의해 가려지지 않은 상기 상면 일부 영역에 P+ 도핑된 P+ 정션을 형성하는 단계Using the second mask pattern, forming a P+ doped P+ junction in a portion of the upper surface that is not obscured by the second mask pattern in each of the vertical channel structures.
    를 포함하는 3차원 메모리의 제조 방법.A method of manufacturing a three-dimensional memory comprising.
  20. 제19항에 있어서,According to clause 19,
    상기 제1 마스크 패턴 및 상기 제2 마스크 패턴은, The first mask pattern and the second mask pattern are,
    상기 수직 채널 구조체들 각각에서 상기 N+ 정션 및 상기 P+ 정션이 서로 대칭되는 구조를 갖도록 동일한 면적의 대칭되는 영역을 각기 가리는 것을 특징으로 하는 3차원 메모리의 제조 방법.A method of manufacturing a three-dimensional memory, characterized in that each of the vertical channel structures covers a symmetrical area of the same area so that the N+ junction and the P+ junction have a structure that is symmetrical to each other.
  21. 제19항에 있어서,According to clause 19,
    상기 반도체 구조체를 준비하는 단계는, The step of preparing the semiconductor structure is,
    상기 수직 채널 구조체들 각각의 하단에 상기 듀얼 정션이 형성된 상기 반도체 구조체를 준비하는 단계인 것을 특징으로 하는 3차원 메모리의 제조 방법.A method of manufacturing a three-dimensional memory, characterized in that the step of preparing the semiconductor structure in which the dual junction is formed at the bottom of each of the vertical channel structures.
  22. 제19항에 있어서,According to clause 19,
    상기 반도체 구조체를 준비하는 단계는, The step of preparing the semiconductor structure is,
    상기 수직 채널 구조체들 각각의 하단에 소스 영역이 형성된 상기 반도체 구조체를 준비하는 단계인 것을 특징으로 하는 3차원 메모리의 제조 방법.A method of manufacturing a three-dimensional memory, characterized in that the step of preparing the semiconductor structure in which a source region is formed at the bottom of each of the vertical channel structures.
  23. 제19항에 있어서,According to clause 19,
    상기 반도체 구조체를 준비하는 단계는, The step of preparing the semiconductor structure is,
    상기 수직 채널 구조체들 각각의 하단에 소스 영역이 생략된 소스 프리(Source free) 구조를 갖는 상기 반도체 구조체를 준비하는 단계인 것을 특징으로 하는 3차원 메모리의 제조 방법.A method of manufacturing a three-dimensional memory, characterized in that the step of preparing the semiconductor structure having a source free structure in which a source region is omitted at the bottom of each of the vertical channel structures.
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