KR102728030B1 - 3d memory with dual juction structure - Google Patents
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Abstract
듀얼 정션 구조를 갖는 3차원 메모리가 개시된다. 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.A three-dimensional memory having a dual junction structure is disclosed. According to one embodiment, the three-dimensional memory may include gate electrodes that are formed to extend horizontally on a substrate and are vertically spaced apart from each other and stacked; and vertical channel structures that penetrate the gate electrodes and extend in the vertical direction, each of the vertical channel structures including a vertical channel pattern and a data storage pattern, and a dual junction having a double structure doped with different types of impurities is formed on an upper end of each of the vertical channel structures.
Description
아래의 실시예들은 3차원 구조의 메모리, 그 동작 방법 및 그 제조 방법에 관한 기술이다.The following examples describe technologies relating to a three-dimensional structured memory, its operating 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.Conventional DRAM supports random access in byte units, enabling high-speed memory operations, but has the disadvantage of low storage capacity.
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 large storage space, but has the problem of not supporting byte-level random access because memory operations are performed in page or block units.
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.More specifically, referring to FIG. 1 to explain the problem of the existing three-dimensional NAND flash memory, when the existing three-dimensional NAND flash memory performs a write operation (erase operation) to record "0" data by forming a P-type channel in the channel pattern (110), 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 pass ) is applied to the remaining gate electrodes (130), so that an NPN junction is formed in the channel pattern (110). Accordingly, the erase operation for the target memory cell (111) is not performed. Therefore, the existing three-dimensional NAND flash memory performs an erase operation in units of pages or blocks using the GIDL method, and has a problem in that it cannot support random access in units of bytes.
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, with 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 such big data, the memory technology field is demanding memory that supports random access to enable high-speed memory operation and implements large-capacity 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 embodiments below, we propose a three-dimensional memory that supports random access to enable high-speed memory operation while implementing 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.One embodiment proposes a three-dimensional memory that enables high-speed memory operation by supporting random access while implementing a large storage space, and an operating method and a manufacturing method thereof.
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 can be expanded in various ways without departing from the technical idea 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 may include gate electrodes that are formed to extend horizontally on a substrate and are vertically spaced apart from each other and stacked; and vertical channel structures that penetrate the gate electrodes and extend in the vertical direction, each of the vertical channel structures including a vertical channel pattern and a data storage pattern, and a dual junction having a double structure doped with different types of impurities is formed on an upper end of each of the vertical channel structures.
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 be characterized by including 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 be 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.
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 may be characterized in that, in response to a voltage applied to a selected gate electrode corresponding to a target memory cell to be a target of a memory operation among the gate electrodes during a memory operation, the selected gate electrode is 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 be characterized by forming 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 characterized in that it is formed to extend in the vertical direction so as to be connected 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 be characterized by forming 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,
상기 P+ 정션에 이어지도록 상기 수직 방향으로 연장 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.It can be characterized by being formed to extend in the vertical direction so as to be connected to the above 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 characterized in that it is connected to the 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 characterized in that it is also 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, each of the vertical channel structures may be characterized in that a source region is formed at the bottom.
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 by having a source free structure in which a source region 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, a memory operation method of a three-dimensional memory including gate electrodes which are formed to extend horizontally on a substrate and are spaced apart vertically and stacked; and vertical channel structures which penetrate the gate electrodes and extend vertically, each of the vertical channel structures including a vertical channel pattern and a data storage pattern, and a dual junction having a dual structure doped with different types of impurities is formed on an upper end of each of the vertical channel structures, may include the steps of: applying a voltage to a selected gate electrode corresponding to a target memory cell to be a target of a memory operation among the gate electrodes; and performing a memory operation by forming a channel in the vertical channel pattern when one of an N+ junction and a P+ junction included in the dual junction is selectively activated in response to the voltage applied to the selected gate electrode.
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 step of applying may include a step of applying a positive voltage to the selected gate electrode, and the step of performing the memory operation may include a step of performing a write operation by forming an N-type channel in the vertical channel pattern through the N+ junction in response to the positive voltage applied to the selected gate electrode.
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 step of applying may include a step of adjusting a value of a positive voltage applied to the selected gate electrode, and the step of performing the memory operation may include a step of performing a write operation of a multi-valued value according to a value of the adjusted positive voltage.
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 step of applying may include a step of applying a negative voltage to the selected gate electrode, and the step of performing the memory operation may include a step of performing a write operation by forming a P-type channel in the vertical channel pattern through the P+ junction in response to the negative voltage applied to the selected gate electrode.
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, a memory operation method of a three-dimensional memory, characterized in that the step of applying includes a step of adjusting a value of a negative voltage applied to the selected gate electrode, and the step of performing a memory operation includes a step of performing a write operation of a multi-valued value according to the value of the adjusted negative voltage.
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 may further include the step of performing the 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.
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 for manufacturing a three-dimensional memory including a dual junction having a double structure, each doped with a different type of impurity, may include the steps of preparing a semiconductor structure including gate electrodes which are formed to extend horizontally on a substrate and are vertically spaced apart and stacked; and vertical channel structures which penetrate the gate electrodes and extend vertically, 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; forming an N+-doped N+ junction on a remaining top surface area of each of the vertical channel structures that is not covered by the first mask pattern using the first mask pattern; disposing a second mask pattern on the semiconductor structure to cover the remaining top surface area of each of the vertical channel structures; and forming a P+-doped P+ junction on a portion of the top surface area of each of the vertical channel structures that is not covered by the second mask pattern using 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 may be characterized in that they each cover a symmetrical region 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.
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 a step of 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 as a 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 may be characterized by 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.
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.One embodiment can propose a three-dimensional memory, an operating method thereof, and a manufacturing method thereof 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 can 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.
도 2는 일 실시예에 따른 3차원 메모리의 어레이를 도시한 간략 회로도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 3차원 메모리의 구조를 도시한 평면도이다.
도 4a 내지 4c는 일 실시예에 따른 3차원 메모리의 구조를 도시한 단면도로, 도 3을 A-A'선으로 자른 단면에 해당된다.
도 5는 일 실시예에 따른 3차원 메모리의 메모리 동작 방법을 도시한 플로우 차트이다.
도 6a 내지 6b는 도 5에 도시된 3차원 메모리의 메모리 동작 방법을 설명하기 위해 3차원 메모리의 구조를 도시한 단면도이다.
도 7a 내지 7b는 일 실시예에 따른 3차원 메모리의 개선된 메모리 윈도우를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 일 실시예에 따른 3차원 메모리의 판독 동작을 설명하기 위해 메모리 윈도우를 도시한 도면이다.
도 9a 내지 9b는 일 실시예에 따른 3차원 메모리의 소거 동작을 설명하기 위해 메모리 윈도우를 도시한 도면이다.
도 10은 일 실시예에 따른 3차원 메모리의 제조 방법을 도시한 플로우 차트이다.Figure 1 is a drawing to explain the problems of existing 3D NAND flash memory.
FIG. 2 is a simplified circuit diagram illustrating an array of three-dimensional memories according to one embodiment.
FIG. 3 is a plan view illustrating the structure of a three-dimensional memory according to one embodiment.
FIGS. 4A to 4C are cross-sectional views illustrating the structure of a three-dimensional memory according to one embodiment, corresponding to cross-sections taken along line A-A' of FIG. 3.
FIG. 5 is a flow chart illustrating a memory operation method of a three-dimensional memory according to one embodiment.
FIGS. 6A and 6B are cross-sectional views illustrating the structure of a three-dimensional memory to explain the memory operation method of the three-dimensional memory illustrated in FIG. 5.
FIGS. 7A and 7B are diagrams illustrating an improved memory window of a three-dimensional memory according to one embodiment.
FIG. 8 is a diagram illustrating a memory window to explain a reading operation of a three-dimensional memory according to one embodiment.
FIGS. 9A and 9B are diagrams illustrating memory windows to explain an erase operation of a three-dimensional memory according to one embodiment.
FIG. 10 is a flow chart illustrating a method for manufacturing a three-dimensional memory according to one 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 restricted by the embodiments. In addition, the same reference numerals presented in each drawing represent 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.In addition, the terms used in this specification are terms used to appropriately express the preferred embodiments of the present invention, and may vary depending on the intention of the viewer, operator, or the customs of the field to which the present invention belongs. Therefore, the definitions of these terms should be made based on the contents throughout this specification. For example, in this specification, the singular includes the plural unless specifically stated in the phrase. In addition, the terms "comprises" and/or "comprising" used in this specification do not exclude the presence or addition of one or more other components, steps, operations, and/or elements mentioned. In addition, although the terms first, second, etc. are used in this specification to describe various regions, directions, shapes, etc., these regions, directions, and shapes should not be limited by these terms. These terms are only used to distinguish a certain region, direction, or shape from another region, direction, or shape. Therefore, a part mentioned as a first part in one embodiment may be mentioned 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.It should also be understood that the various embodiments of the present invention, while different from one another, 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 present invention. It should also be understood that the location, arrangement, or configuration of individual components within each of the disclosed embodiment categories may be changed without departing from the 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 implements a large storage space while supporting random access to enable high-speed memory operation, its operating method, and its manufacturing method are described in detail.
도 2는 일 실시예에 따른 3차원 메모리의 어레이를 도시한 간략 회로도이다.FIG. 2 is a simplified circuit diagram illustrating an array of three-dimensional memories 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, an array of three-dimensional memory according to one embodiment may include a common source line (CSL), a plurality of bit lines (BL0, BL1, BL2), and a plurality of cell strings (CSTR) arranged between the common source line (CSL) and the bit lines (BL0, BL1, 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, BL2) can be arranged two-dimensionally while being spaced apart from each other along the first direction (D1) and extending in the second direction (D2). Here, the first direction (D1), the second direction (D2), and the third direction (D3) are each orthogonal to each other and can 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, BL2). The cell strings (CSTR) may be commonly connected to the common source line (CSL) provided between the bit lines (BL0, BL1, BL2) and one 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 be arranged two-dimensionally while extending in the first direction (D1) and being spaced apart from each other along the second direction (D2). The plurality of common source lines (CSL) may be electrically the same voltage applied, but is not limited thereto, and each of the plurality of common source lines (CSL) may be electrically independently controlled so that different voltages may be applied.
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 be arranged to be spaced apart from each other along the second direction (D2) per bit line while being formed to extend in the third direction (D3). According to an embodiment, each of the cell strings (CSTR) may be composed of a ground select transistor (GST) connected to a common source line (CSL), first and second string select transistors (SST1, SST2) connected to bit lines (BL0, BL1, BL2) and connected in series, memory cell transistors (MCT) and an erase control transistor (ECT) arranged between the ground select transistor (GST) and the first and second string select transistors (SST1, SST2) and connected in series. In addition, each of the memory cell transistors (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.For example, each of the cell strings (CSTR) may include first and second string select transistors (SST1, SST2) connected in series, and the second string select transistor (SST2) may be connected to one of the bit lines (BL0, BL1, BL2). However, without being limited thereto, each of the cell strings (CSTR) may include one string select transistor. As another example, the ground select transistor (GST) in each of the cell strings (CSTR) may be composed of a plurality of MOS transistors connected in series, similar to the first and second string select transistors (SST1, 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.A cell string (CSTR) may be composed of a plurality of memory cell transistors (MCT) having different distances from common source lines (CSL). That is, the memory cell transistors (MCT) may be connected in series along a third direction (D3) between a first string select transistor (SST1) and a ground select transistor (GST). An 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) may further include dummy cell transistors (DMC) each connected between the first string select transistor (SST1) and an uppermost one of the memory cell transistors (MCT) and between the ground select transistor (GST) and a lowermost one of the memory cell transistors (MCT).
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, a first string select transistor (SST1) may be controlled by first string select lines (SSL1-1, SSL1-2, SSL1-3), and a second string select transistor (SST2) may be controlled by second string select lines (SSL2-1, SSL2-2, SSL2-3). The memory cell transistors (MCT) may be controlled by a plurality of word lines (WL0-WLn), and the dummy cell transistors (DMC) may be controlled by a dummy word line (DWL), respectively. The ground select transistor (GST) may be controlled by the ground select lines (GSL0, GSL1, GSL2), and the erase control transistor (ECT) may be controlled by the erase control line (ECL). A plurality of erase control transistors (ECTs) may be provided. Common source lines (CSL) can be commonly connected to the sources of the 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 may be in an equipotential state. However, the present invention is not limited thereto, and 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 independently controlled.
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.The ground selection lines (GSL0, GSL1, GSL2), the first string selection lines (SSL1-1, SSL1-2, SSL1-3) and the second string selection lines (SSL2-1, SSL2-2, SSL2-3) extend along the first direction (D1), are spaced apart from each other in the second direction (D2) and can be arranged two-dimensionally. The ground selection lines (GSL0, GSL1, GSL2), the first string selection lines (SSL1-1, SSL1-2, SSL1-3) and the second string selection lines (SSL2-1, SSL2-2, SSL2-3), which are provided at substantially the same level from the common source lines (CSL), can be electrically isolated from each other. In addition, the erase control transistors (ECT) of different cell strings (CSTR) can be controlled by a common erase control line (ECL). The erase control transistors (ECT) may generate gate induced drain leakage (GIDL) during an erase operation of the memory cell array. In some embodiments, an erase voltage may be applied to the bit lines (BL0, BL1, BL2) and/or the common source lines (CSL) during an erase operation of the memory cell array, and gate induced leakage current may be generated in the string select transistor (SST) and/or 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 represented as an upper selection line (USL), and the ground selection line (GSL) may be represented 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 illustrating the structure of a three-dimensional memory according to one embodiment, and FIGS. 4a to 4c are cross-sectional views illustrating the structure of a three-dimensional memory according to one embodiment, corresponding to a cross-section taken along line A-A' of FIG. 3.
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 monocrystalline epitaxial layer grown on a monocrystalline silicon substrate. The substrate (SUB) may be doped with a first conductive type impurity (e.g., 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.Laminated structures (ST) may be arranged on the substrate (SUB). The laminated structures (ST) may be arranged two-dimensionally along the second direction (D2) while being formed to extend in the first direction (D1). In addition, the laminated 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) may include gate electrodes (EL1, EL2, EL3) and interlayer insulating films (ILD) alternately stacked in a vertical direction (e.g., a third direction (D3)) perpendicular to a top surface of a substrate (SUB). The stacked structures (ST) may have a substantially flat top surface. That is, the top surfaces 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 opposite 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) may be one of the erase control line (ECL), ground select lines (GSL0, GSL1, GSL2), word lines (WL0-WLn, DWL), first string select lines (SSL1-1, SSL1-2, SSL1-3), and second string select lines (SSL2-1, SSL2-2, SSL2-3) sequentially stacked on the substrate (SUB).
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, EL3) may be formed to extend in the first direction (D1) and have substantially the same thickness in the third direction (D3). Hereinafter, the thickness means the thickness in the third direction (D3). Each of the gate electrodes (EL1, EL2, EL3) may be formed of a conductive material. For example, each of the gate electrodes (EL1, EL2, EL3) may include at least one selected from a doped semiconductor (e.g., doped silicon, etc.), a metal (e.g., W (tungsten), Cu (copper), Al (aluminum), Ti (titanium), Ta (tantalum), Mo (molybdenum), Ru (ruthenium), Au (gold), etc.), or a conductive metal nitride (e.g., titanium nitride, tantalum nitride, etc.). Each of the gate electrodes (EL1, EL2, EL3) may include at least one of all metal materials that can be formed by ALD in addition to the described metal materials.
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, EL3) may include a first gate electrode (EL1) at the lowermost position, a third gate electrode (EL3) at the uppermost position, and a plurality of second gate electrodes (EL2) between the first gate electrode (EL1) and the third gate electrode (EL3). Although the first gate electrode (EL1) and the third gate electrode (EL3) are each illustrated and described as a single number, this is exemplary and is not limited thereto, and the first gate electrode (EL1) and the third gate electrode (EL3) may be provided in plural numbers as needed. The first gate electrode (EL1) may correspond to any one of the ground selection lines (GSL0, GSL1, GLS2) illustrated in FIG. 2. The second gate electrode (EL2) may correspond to any one of the word lines (WL0-WLn, DWL) illustrated in FIG. 2. The third gate electrode (EL3) may correspond to any one of the first string selection lines (SSL1-1, SSL1-2, SSL1-3) or any one of the second string selection lines (SSL2-1, SSL2-2, SSL2-3) illustrated in FIG. 2.
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, each end of the stacked structures (ST) may have a stepwise structure along the first direction (D1). More specifically, the gate electrodes (EL1, EL2, EL3) of the stacked structures (ST) may have a length in the first direction (D1) that decreases as they move away from the substrate (SUB). The third gate electrode (EL3) may have the smallest length in the first direction (D1) and the largest distance from the substrate (SUB) in the third direction (D3). The first gate electrode (EL1) may have the largest length in the first direction (D1) and the smallest distance from the substrate (SUB) in the third direction (D3). By means of the step structure, each of the stacked structures (ST) can have a thickness that decreases as it gets further away from the outermost one of the vertical channel structures (VS) described below, and the side walls of the gate electrodes (EL1, EL2, EL3) can be spaced apart at a constant interval along the first direction (D1) in a planar 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 insulating films (ILDs) may have a different thickness. For example, the lowermost and uppermost of the interlayer insulating films (ILDs) may have a smaller thickness than the other interlayer insulating films (ILDs). However, this is merely an example and is not limited thereto, and the thickness of each of the interlayer insulating films (ILDs) may have a different thickness or may be set to be the same depending on the characteristics of the semiconductor device. The interlayer insulating films (ILDs) may be formed of an insulating material for insulation between the gate electrodes (EL1, EL2, EL3). For example, the interlayer insulating films (ILDs) 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) penetrating a portion of the stacked structures (ST) and the substrate (SUB) may be provided. Vertical channel structures (VS) may be provided within the channel holes (CH). The vertical channel structures (VS) may be formed as a plurality of cell strings (CSTR) as shown in FIG. 2 and may be extended in a third direction (D3) while being connected to the substrate (SUB). The connection of the vertical channel structures (VS) to the substrate (SUB) may be achieved by a lower surface of each of the vertical channel structures (VS) being in contact with an upper surface of the substrate (SUB), but is not limited thereto and may be achieved by being embedded in the substrate (SUB). When a portion of each of the vertical channel structures (VS) is embedded in the substrate (SUB), the lower surfaces of the vertical channel structures (VS) may be located at a level lower 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.The rows of vertical channel structures (VS) penetrating one of the stacked structures (ST) may be provided in multiple numbers. For example, as illustrated in FIG. 3, rows of three vertical channel structures (VS) may penetrating one of the stacked structures (ST). However, the invention is not limited thereto, and rows of four or more vertical channel structures (VS) may penetrating one of the stacked structures (ST), or rows of one or more but not more than two vertical channel structures (VS) may penetrating one of the stacked structures (ST). In a pair of adjacent rows, the vertical channel structures (VS) corresponding to one row may be shifted in a first direction (D1) from the vertical channel structures (VS) corresponding to the other adjacent row. In a planar 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 also form an array 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 be formed to extend in a third direction (D3) from the substrate (SUB). In the drawing, each of the vertical channel structures (VS) is illustrated as having a pillar shape with the same width at the top and bottom, but is not limited thereto and may have a shape in which the width in the first direction (D1) and the second direction (D2) increases as it goes in the third direction (D3). 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) can 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) can have a pipe shape or a macaroni shape with an open bottom, and the vertical channel pattern (VCP) can have a pipe shape or a macaroni shape with a closed bottom. The vertical semiconductor pattern (VSP) can fill a space surrounded by the vertical channel pattern (VCP) and the 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) may cover the inner sidewall of each of the channel holes (CH), surround the outer sidewall of the vertical channel pattern (VCP) toward the inner side, and contact the sidewalls of the gate electrodes (EL1, EL2, EL3) toward the outer side. Accordingly, the regions corresponding to the second gate electrodes (EL2) of the data storage pattern (DSP) may, together with the regions corresponding to the second gate electrodes (EL2) of the vertical channel pattern (VCP), form memory cells in which a memory operation (a program operation, a read operation, or an erase operation) is performed by a voltage applied through the second gate electrodes (EL2). The memory cells correspond to the memory cell transistors (MCT) illustrated in FIG. 2. To this end, the data storage pattern (DSP) may be a data storage element that represents a data value by trapping charges by the voltage applied through the second gate electrodes (EL2) or maintaining the state of the charges (e.g., the polarization state of the charges).
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) can represent binary data values or multi-valued data values by the polarization state of charge by being formed of a ferroelectric material. The ferroelectric material can include at least one of HfO x having an orthorhombic crystal structure, HfO x doped with at least one of Al, Zr or Si, PZT (Pb(Zr, Ti)O 3 ), PTO (PbTiO 3 ), SBT (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.As another example, the data storage pattern (DSP) is formed of ONO (Tunneling Oxide-Charge trap Nitride-Blocking Oxide), and can represent binary data values or multi-valued data values by trapping charges in a charge trap nitride layer.
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.Although the drawing illustrates that the data storage pattern (DSP) is formed to extend in a vertical direction (e.g., in the third direction (D3)), it is not limited thereto and may have a structure in which it is segmented into multiple pieces and is spaced apart only in areas corresponding to the second gate electrodes (EL2) on the outer wall of the vertical channel pattern (VCP) and the inner wall of each of the channel holes (CH).
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.A vertical channel pattern (VCP) can cover an inner wall of a data storage pattern (DSP) and can extend in a vertical direction (e.g., a third direction (D3)). The vertical channel pattern (VCP) can include a first portion (VCP1) and a second portion (VCP2) on the first portion (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.A first portion (VCP1) of the vertical channel pattern (VCP) can be provided at a lower portion of each of the channel holes (CH) and can be in contact with the substrate (SUB). The first portion (VCP1) of the vertical channel pattern (VCP) can be used for the purpose of blocking, suppressing, or minimizing leakage current in each of the vertical channel structures (VS) and/or for the purpose of an epitaxial pattern. A thickness of the first portion (VCP1) of the vertical channel pattern (VCP) can be, for example, greater than a thickness of the first gate electrode (EL1). A sidewall of the first portion (VCP1) of the vertical channel pattern (VCP) can be surrounded by a data storage pattern (DSP). An upper surface of the first portion (VCP1) of the vertical channel pattern (VCP) can be located at a higher level than an upper surface of the first gate electrode (EL1). More specifically, the upper surface of the first part (VCP1) of the vertical channel pattern (VCP) may be located between the upper surface of the first gate electrode (EL1) and the lower surface of the lowermost one of the second gate electrodes (EL2). The lower surface of the first part (VCP1) of the vertical channel pattern (VCP) may be located at a level lower than the uppermost surface of the substrate (SUB) (i.e., the lower surface of the lowermost one of the interlayer insulating films (ILD)). A part of the first part (VCP1) of the vertical channel pattern (VCP) may overlap with 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.A second portion (VCP2) of the vertical channel pattern (VCP) may extend in a third direction (D3) from an upper surface of the first portion (VCP1). The second portion (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 portion (VCP2) of the vertical channel pattern (VCP) may form memory cells together with regions corresponding to the second gate electrodes (EL2) of the data storage pattern (DSP) as described above.
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 upper surface of the second part (VCP2) of the vertical channel pattern (VCP) can be substantially coplanar with the upper surface of the vertical semiconductor pattern (VSP). The upper surface of the second part (VCP2) of the vertical channel pattern (VCP) can be located at a level higher than the upper surface of the uppermost one of the second gate electrodes (EL2). More specifically, the upper surface of the second part (VCP2) of the vertical channel pattern (VCP) can be located between the upper surface and the lower surface 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.A vertical channel pattern (VCP) is a component that transfers charges or holes to a data storage pattern (DSP), and may be formed of single-crystalline silicon or polysilicon to form or boost a channel by an applied voltage. However, the vertical channel pattern (VCP) is not limited thereto and may be formed of an oxide semiconductor material capable of blocking, suppressing, or minimizing a leakage current. For example, the vertical channel pattern (VCP) may be formed of an oxide semiconductor material or a group 4 semiconductor material including at least one of In, Zn, or Ga having excellent leakage current characteristics. The vertical channel pattern (VCP) may be formed of a ZnOx series material including, for example, 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 improve transistor characteristics (e.g., threshold voltage distribution and speed of program/read operations) of at least one of the gate electrodes (EL1, EL2, EL3), thereby improving electrical characteristics of the three-dimensional memory.
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) can be formed of not only single-crystalline silicon or polysilicon, but also low-concentration p-doped material or low-concentration n-doped material for the channel forming operation of the dual junction (DJ) described below.
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 portion (VCP1) and a second portion (VCP2), it is not limited or restricted thereto and may have a structure in which the first portion (VCP1) is excluded. For example, the vertical channel pattern (VCP) may be provided between a vertical semiconductor pattern (VSP) and a data storage pattern (DSP) that extend to a substrate (SUB) and may be formed to extend to the substrate (SUB) so as to be in contact with the substrate (SUB). In this case, a lower surface of the vertical channel pattern (VCP) may be positioned at a level lower than an uppermost surface of the substrate (SUB) (a lower surface of the lowest one of the interlayer insulating films (ILD)), and an upper surface of the vertical channel pattern (VCP) may be substantially coplanar with an upper surface of the vertical semiconductor 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) can be surrounded by a second portion (VCP2) of the vertical channel pattern (VCP). An upper surface of the vertical semiconductor pattern (VSP) can be in contact with the dual junction (DJ), and a lower surface of the vertical semiconductor pattern (VSP) can be in contact with a first portion (VCP1) of the vertical channel pattern (VCP). The vertical semiconductor pattern (VSP) can be spaced apart from the substrate (SUB) in a third direction (D3). In other words, the vertical semiconductor pattern (VSP) can be electrically floated 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) can 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 having excellent charge and hole mobility. For example, the vertical semiconductor pattern (VSP) can be formed of a semiconductor material doped with impurities, an intrinsic semiconductor material that is not doped with impurities, or a polycrystalline semiconductor material. For a more specific example, the vertical semiconductor pattern (VSP) can be formed of polysilicon doped with a first conductivity type impurity (e.g., P- impurity) that is the same as that of the substrate (SUB). That is, the vertical semiconductor pattern (VSP) can improve the electrical characteristics of the 3D flash memory, thereby enhancing the speed of the memory operation.
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 the vertical channel structures (VS) are described as including a vertical semiconductor pattern (VSP), the vertical semiconductor pattern (VSP) may be omitted without limitation or restriction thereto.
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.In addition, each of the vertical channel structures (VS) may not only have a structure in which the vertical semiconductor pattern (VSP) is omitted, 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 the vertical channel pattern (VCP) while being at least partially surrounded by the vertical channel pattern (VCP), and may be a component that applies voltage to the vertical channel pattern (VCP) for 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) may correspond to channels of the erase control transistor (ECT), the first and second string select transistors (SST1, SST2), the ground select transistor (GST), and the memory cell transistors (MCT).
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 illustrated in FIG. 4a, a dual junction (DJ) may be provided on the upper surface of the vertical channel pattern (VCP). That is, the dual junction (DJ) may be positioned at the upper end of each of the vertical channel structures (VS) and connected to the upper portion of the vertical channel pattern (VCP), thereby functioning as a 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) can have a dual structure doped with different types of impurities. More specifically, the dual junction (DJ) can have a dual structure composed 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 the P+ junction of the dual junction (DJ) can be selectively activated to form a channel in the vertical channel pattern (VCP) in response to a voltage applied to a selected gate electrode (Sel EL) corresponding to a target memory cell to be a target of the memory operation among the gate electrodes (EL1, EL2, EL3) (more specifically, the second gate electrodes (EL2)) during a memory operation. For example, the N+ junction can perform a write operation (program operation) for writing data of "1" by 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). As another example, the P+ junction can perform a write operation (erase operation) for writing data of "0" by forming a P-type channel in the vertical channel pattern (VCP) in response to a negative voltage applied to the selected gate electrode (Sel EL). 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 the 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 divide the space located above the vertical channel pattern (VCP) as illustrated in the drawing. However, the dual junction (DJ) is not limited or restricted thereto, and may include the N+ junction and the 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 of each of the N+ junction and the P+ junction to the vertical channel pattern (VCP) in the dual junction (DJ) can be controlled and determined based on the operation of forming an N-type channel and the operation of forming a P-type channel in the vertical channel pattern (VCP) according to the voltage applied through the gate electrodes (EL1, EL2, EL3). For example, the contact area of each of the N+ junction and the P+ junction to the vertical channel pattern (VCP) can be controlled and determined so that a condition is satisfied that the speed of the operation of forming an N-type channel in the vertical channel pattern (VCP) in response to the positive voltage applied to the selected gate electrode (Sel EL) and the speed of the operation of forming a P-type channel in the vertical channel pattern (VCP) in response to the negative voltage applied to the selected gate electrode (Sel EL) are faster than a preset memory operation speed.
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 upper surface of the dual junction (DJ) can be substantially coplanar with the upper surfaces of each of the stacked structures (ST) (i.e., the upper surface of the uppermost one of the interlayer insulating films (ILDs). The lower surface of the dual junction (DJ) can be located at a level lower than the upper surface of the third gate electrode (EL3). More specifically, the lower surface of the dual junction (DJ) can 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) can horizontally overlap with the third gate electrode (EL3).
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 the upper side of the dual junction (DJ). That is, the dual junction (DJ) may 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 reason why the dual junction (DJ) is connected to the bit line plug (BLPG) through the contact plug (CPG) is because the cross-sectional area of the bit line plug (BLPG) is not large enough to apply voltage to each of the N+ junction and the P+ junction of the dual junction (DJ) (not large enough to provide current to each of the N+ junction and the P+ junction of the dual junction (DJ)). Therefore, the contact plug (CPG) may be configured with a sufficient area to apply voltage to each of the N+ junction and the P+ junction of the dual junction (DJ) (a sufficient area to provide current to each of the N+ junction and the P+ junction of the dual junction (DJ)).
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 dual junction (DJ) is connected to the bit line plug (BLPG) through the contact plug (CPG) to reduce 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 may reduce the 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 be formed of a semiconductor material doped with impurities different from those of the substrate (SUB) or the vertical semiconductor pattern (VSP) (more precisely, impurities of a second conductive type (e.g., N-) that are different from those of the first conductive type (e.g., P-).
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, the dual junction (DJ) has been described as being connected to the bit line plug (BLPG) through the contact plug (CPG), but it is not limited thereto and the contact plug (CPG) may be omitted. In this case, the bit line plug (BLPG) is configured with a sufficient area capable of applying voltage to each of the N+ junction and the P+ junction of the dual junction (DJ) (a sufficient area capable of providing current to each of the N+ junction and the P+ junction of the dual junction (DJ)), so that voltage can be directly applied to or current can be provided 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.The dual junction (DJ) may also be provided below the bottom of the vertical channel pattern (VCP) as illustrated in FIG. 4b. That is, the dual junction (DJ) may be positioned at the bottom of each of the vertical channel structures (VS) and connected to the bottom of the vertical channel pattern (VCP), thereby operating 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 the drain junction described above, a detailed description thereof will be omitted. A source region (SR) may be formed below the dual junction (DJ) operating as a source junction in each of the vertical channel structures (VS). The source regions (SR) of each of the vertical channel structures (VS) may be connected to each other through separate wiring (not illustrated) in the substrate (SUB), thereby corresponding to the common source line (CSL) of FIG. 2. However, without being limited or restricted 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 of the vertical channel structures (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.In addition, if a dual junction (DJ) is positioned at the bottom of each of the vertical channel structures (VS), the source region (SR) may be omitted. In this case, the dual junctions (DJ) operating as source junctions in each of the vertical channel structures (VS) may be connected to each other through separate wiring (not shown) in the substrate (SUB), thereby corresponding to the common source line (CSL) of FIG. 2. However, without being limited thereto, the dual junctions (DJ) operating as source junctions in each of the vertical channel structures (VS) may have a structure in which they are not connected to each other so as to operate independently for each of the vertical channel structures (VS).
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.In the case where the dual junction (DJ) is positioned only at the upper end of each of the vertical channel structures (VS), a source region (SR) may be formed under the lower surface of the vertical channel pattern (VCP) as illustrated in FIG. 4a. The source regions (SR) of each of the vertical channel structures (VS) may be connected to each other through separate wiring (not illustrated) in the substrate (SUB), thereby corresponding to the common source line (CSL) of FIG. 2. However, without being limited thereto, the source regions (SR) of each of the vertical channel structures (VS) may have a structure in which they are not connected to each other so that each of the vertical channel structures (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.Additionally, when the dual junction (DJ) is positioned only at the top of each of the vertical channel structures, each of the vertical channel structures (VS) may have a source free structure in which the source region (SR) is omitted below the bottom of the vertical channel pattern (VCP), as illustrated in FIG. 4c.
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). A common source region (CSR) may be provided inside the substrate (SUB) exposed by the separation 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 an impurity of the second conductivity type (e.g., an impurity of N+). 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 within a separation trench (TR). The common source plug (CSP) may be connected to a common source region (CSR). An upper surface of the common source plug (CSP) may be substantially coplanar with an upper surface of each of the stacked structures (ST) (i.e., an upper surface of an uppermost one of the interlayer insulating films (ILDs). The common source plug (CSP) may have a plate shape extending in a first direction (D1) and a third direction (D3). In this case, the common source plug (CSP) may have a shape in which a width in the second direction (D2) increases as it goes in 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). The insulating spacers (SP) may be provided so as to face each other between adjacent stacked structures (ST). For example, the insulating spacers (SP) may be formed of silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, or a low-k material having 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 film (CAP) may be provided on the stacked structures (ST), the vertical channel structures (VS) and the common source plug (CSP). The capping insulating film (CAP) may cover an upper surface of an uppermost one of the interlayer insulating films (ILD), an upper surface of the dual junction (DJ) and an upper 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 in which a width in the first direction (D1) and the second direction (D2) increases as it goes in 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 a capping insulating film (CAP) and a bit line contact plug (BLPG). The bit line (BL) corresponds to any one of a plurality of bit lines (BL0, BL1, BL2) illustrated in FIG. 2 and may be formed by extending along a second direction (D2) with a conductive material. The conductive material forming the bit line (BL) may be the same material as the conductive material forming each of the aforementioned gate electrodes (EL1, EL2, EL3).
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 connection of the bit line (BL) to the vertical channel structures (VS) may mean that the bit line (BL) is connected to the vertical channel pattern (VCP) through a 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, since the rows of three vertical channel structures (VS) penetrate within the stacked structures (ST), the three vertical channel structures (VS) positioned in the same row may have their respective bit line contact plugs (BLPG) misaligned with each other so as to be connected to each of the bit lines (BL0, BL1, BL2) positioned on the same plane. For example, as illustrated in FIG. 3, the first vertical channel structure (VS1) may include a bit line contact plug (BLPG) biased in a first direction (D1) on the plane so as to be connected to the bit line (BL0), the second vertical channel structure (VS2) may include a bit line contact plug (BLPG) positioned at the center on the plane so as to be connected to the bit line (BL1), and the third vertical channel structure (VS3) may include a bit line contact plug (BLPG) biased in an opposite direction to the first direction (D1) on the plane so as to be connected to the bit line (BL2).
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 restricted to the described structure, and may be implemented in various structures, assuming that it includes a vertical channel pattern (VCP), a dual junction (DJ), a data storage pattern (DSP), gate electrodes (EL1, EL2, EL3), and a bit line (BL), according to an implementation example.
이상 설명된 바와 같은 듀얼 정션(DJ)을 포함하는 구조의 3차원 메모리에 대한 동작 방법 및 제조 방법은 아래에서 기재하기로 한다.The operating method and manufacturing method for a three-dimensional memory having a structure including a dual junction (DJ) as described above are 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 illustrating a memory operation method of a three-dimensional memory according to one embodiment, FIGS. 6a and 6b are cross-sectional views illustrating the structure of a three-dimensional memory to explain the memory operation method of the three-dimensional memory illustrated in FIG. 5, FIGS. 7a and 7b are drawings illustrating an improved memory window of a three-dimensional memory according to one embodiment, FIG. 8 is a drawing illustrating a memory window to explain a read operation of a three-dimensional memory according to one embodiment, and FIGS. 9a and 9b are drawings illustrating a memory window to explain an erase operation of a three-dimensional memory according to one embodiment.
이하, 설명되는 메모리 동작 방법은 도 2 내지 4를 참조하여 상술된 구조의 3차원 메모리에 의해 수행됨을 전제로 한다.The following memory operation method is described with reference to FIGS. 2 to 4, assuming that it is performed by a three-dimensional memory having the structure described above.
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 can apply a voltage to a selected gate electrode (Sel EL) corresponding to a target memory cell that is a target of a memory operation among the gate electrodes (EL1, EL2, EL3) (more precisely, the second gate electrode (EL2)).
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 can perform a memory operation by forming a channel in the vertical channel pattern (VCP) by selectively activating one of the N+ junction and the P+ junction included in the dual junction (DJ) formed at the top of each of the vertical channel structures (VS) in response to the voltage applied to the selected gate electrode (Sel EL).
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, the three-dimensional memory can perform a write operation by forming an N-type channel in the vertical channel pattern (VCP) through the N+ junction of the dual junction (DJ) in step (S520) by applying a positive voltage to the gate electrode (Sel EL) selected in step (S510) as illustrated in FIG. 6a. For a more specific example, the three-dimensional memory can perform a write operation (program operation) of recording data of "1" by forming an N-type channel in the vertical channel pattern (VCP) through the N+ junction of the dual junction (DJ) in step (S520) by applying a positive voltage to the gate electrode (Sel EL) selected in step (S510). Accordingly, the N-type channel can be formed to extend in the vertical direction so as to be connected 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.As another example, the three-dimensional memory can perform a write operation by forming a P-type channel in the vertical channel pattern (VCP) through the P+ junction of the dual junction (DJ) in step (S520) by applying a negative voltage to the gate electrode (Sel EL) selected in step (S520) as illustrated in FIG. 6b. As a more specific example, the three-dimensional memory can perform a write operation (erase operation) of writing data "0" by forming a P-type channel in step (S520) by applying a negative voltage to the gate electrode (Sel EL) selected in step (S520). Accordingly, the P-type channel can be formed to extend in the vertical direction so as to be connected 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) by using the dual junction (DJ) formed at the bottom of each of the vertical channel structures (VS). Since using the dual junction (DJ) formed at the bottom of each of the vertical channel structures (VS) is accomplished through the same process as using the dual junction (DJ) formed at the top of each of the vertical channel structures (VS), a detailed description thereof 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.In this way, a three-dimensional memory according to one embodiment can support random access and enable high-speed memory operation by implementing a write operation (erase operation) that forms a P-type channel by applying a negative voltage to a selected gate electrode (Sel EL) based on a dual junction (DJ).
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.In addition, the three-dimensional memory can implement multi-valued operation by controlling the value of the voltage applied to the selected gate electrode (Sel EL) to various multiple values. In particular, since the three-dimensional memory can select the value of the voltage applied to the selected gate electrode (Sel EL) not only within the positive range but also within the negative range, it can implement multi-valued operation of 5 bits or more as illustrated in FIG. 7b, which is more improved than the 4-bit multi-valued operation of the existing three-dimensional NAND flash memory as illustrated in FIG. 7a. That is, the three-dimensional memory can perform a write operation (program operation) of a multi-valued value according to the controlled positive voltage value and the controlled negative voltage value by controlling the values of the positive voltage and the negative voltage applied to the selected gate electrode (Sel EL).
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 as shown in Fig. 8.
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.In addition, in this case, the erase operation can be performed in a page unit or a block unit. Specifically, the three-dimensional memory can perform the erase operation in two steps, as illustrated in FIGS. 9a and 9b. For example, the three-dimensional memory can perform the erase operation in a first step of moving memory cells programmed with a negative voltage to around a threshold voltage (V th ) of 0 V, and a second step of moving memory cells programmed with a positive voltage to around a threshold voltage (V th ) of 0 V. Accordingly, the program operation can 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.The erase operation performed in two steps like this has the advantage of taking less than several ms, because, unlike the erase operation in which an erase voltage (V erase ) of 25 V or more is applied to move the threshold voltage (V th ) of +6 V to -4 V in a conventional 3D NAND flash memory, as illustrated in FIG. 9c, it takes less than several ms because a voltage of +/- 20 V or less is applied to move the threshold voltage (V th ) of +6 V to 0 V and to move the threshold voltage (V th ) of -6 V to 0 V.
도 10은 일 실시예에 따른 3차원 메모리의 제조 방법을 도시한 플로우 차트이다.FIG. 10 is a flow chart illustrating a method for manufacturing a three-dimensional memory according to one 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 having 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) can include gate electrodes (EL1, EL2, EL3) that are formed to extend horizontally on a substrate (SUB) and are spaced apart in the vertical direction and are stacked; and vertical channel structures (VS) that penetrate the gate electrodes (EL1, EL2, EL3) and extend in the vertical direction. That is, the semiconductor structure (SEMI-STR) can include the stacked structures (ST) and the vertical channel structures (VS) of the structure 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 can 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 can prepare a semiconductor structure (SEMI-STR) in which a dual junction is formed at the bottom of each of the vertical channel structures (VS).
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 can place a first mask pattern (MASK 1) that covers a portion of an upper surface of each of the vertical channel structures (VS) on a 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 can form an N+-doped N+ junction in the remaining upper surface area of each of the vertical channel structures (VS) that is not covered by the first mask pattern (MASK 1) using the first mask pattern (MASK 1).
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 can place a second mask pattern (MASK 2) that covers the remaining area of the upper surface 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 can form a P+-doped P+ junction in a portion of the upper surface of each of the vertical channel structures (VS) that is not covered by the second mask pattern (MASK 2) using the second mask pattern (MASK 2).
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) can be configured and arranged to cover symmetrical regions of the same area, respectively, so that the N+ junction and the P+ junction in each of the vertical channel structures (VS) have symmetrical structures.
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, a dual junction (DJ) including an N+ junction and a P+ junction can be formed in each of the vertical channel structures (VS) through steps (S1010 to S1050).
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.Although the manufacturing method in which a P+ junction is formed after an N+ junction is formed has been described, the method is not limited thereto and the N+ junction may be formed after the P+ junction is formed. In this case, the P+ junction may be formed before the N+ junction by performing steps (S1020 to S1030) after steps (S1040 to S1050).
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.Although the embodiments have been described above by way of limited examples and drawings, those skilled in the art can make various modifications and variations from the above description. For example, appropriate results can be achieved even if 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 are replaced or substituted by other components or equivalents.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are also included in the scope of the claims described below.
Claims (23)
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 N+ 도핑된 N+ 정션 및 P+ 도핑된 P+ 정션을 포함하는 이중 구조의 듀얼 정션(Dual junction)이 형성됨-
을 포함하고,
상기 N+ 정션 및 상기 P+ 정션 각각의 상기 수직 채널 패턴에 대한 접촉 면적은,
상기 N+ 정션이 상기 수직 채널 패턴에 N형 채널을 형성하는 속도 및 상기 P+ 정션이 상기 수직 채널 패턴에 P형 채널을 형성하는 속도를 기초로 조절 및 결정되는 것을 특징으로 하며,
상기 듀얼 정션을 비트 라인 플러그와 연결하도록 상기 듀얼 정션의 상부에 배치되는 콘택 플러그는,
상기 N+ 정션 및 상기 P+ 정션 각각에 전류를 제공 가능한 면적으로 구성되는 것을 특징으로 하는 3차원 메모리.Gate electrodes are formed extending horizontally on the substrate and are vertically spaced and stacked; and
Vertical channel structures formed to extend in the vertical direction while penetrating the gate electrodes, each of the vertical channel structures including a vertical channel pattern and a data storage pattern, and a dual junction having a dual structure including an N+ doped N+ junction and a P+ doped P+ junction is formed at the top of each of the vertical channel structures.
Including,
The contact area for each of the above N+ junction and the above P+ junction to the vertical channel pattern is,
The speed at which the N+ junction forms an N-type channel in the vertical channel pattern and the speed at which the P+ junction forms a P-type channel in the vertical channel pattern are controlled and determined based on this speed,
A contact plug positioned on the upper side of the dual junction to connect the dual junction with the bit line plug,
A three-dimensional memory characterized in that each of the N+ junction and the P+ junction is configured with an area capable of providing current.
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 하는 3차원 메모리.In the first paragraph,
Either one of the above N+ junction and the above P+ junction,
A three-dimensional memory characterized in that, in response to a voltage applied to a selected gate electrode corresponding to a target memory cell to be the target of a memory operation among the gate electrodes during a memory operation, the gate electrodes are selectively activated to form a channel in the vertical channel pattern.
상기 N+ 정션은,
상기 선택된 게이트 전극에 인가되는 양의 전압에 응답하여, 상기 수직 채널 패턴에 N형 채널을 형성하는 것을 특징으로 하는 3차원 메모리.In paragraph 4,
The above N+ junction is,
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.
상기 N형 채널은,
상기 N+ 정션에 이어지도록 상기 수직 방향으로 연장 형성되는 것을 특징으로 하는 3차원 메모리.In paragraph 5,
The above N-type channel is,
A three-dimensional memory characterized in that it is formed to extend in the vertical direction so as to be connected to the above N+ junction.
상기 P+ 정션은,
상기 선택된 게이트 전극에 인가되는 음의 전압에 응답하여, 상기 수직 채널 패턴에 P형 채널을 형성하는 것을 특징으로 하는 3차원 메모리.In paragraph 4,
The above P+ junction is,
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.
상기 P형 채널은,
상기 P+ 정션에 이어지도록 상기 수직 방향으로 연장 형성되는 것을 특징으로 하는 3차원 메모리.In Article 7,
The above P-type channel is,
A three-dimensional memory characterized in that it is formed to extend in the vertical direction so as to be connected to the above P+ junction.
상기 듀얼 정션은,
상기 수직 채널 구조체들 각각의 하단에도 형성되는 것을 특징으로 하는 3차원 메모리.In the first paragraph,
The above dual junction is,
A three-dimensional memory characterized in that each of the above vertical channel structures is formed at the bottom.
상기 수직 채널 구조체들 각각의 하단에는,
소스 영역이 형성되는 것을 특징으로 하는 3차원 메모리.In the first paragraph,
At the bottom of each of the above vertical channel structures,
A three-dimensional memory characterized by the formation of a source region.
상기 3차원 메모리는,
상기 수직 채널 구조체들 각각의 하단에 소스 영역이 생략된 소스 프리(Source free) 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 3차원 메모리.In the first paragraph,
The above three-dimensional memory is,
A three-dimensional memory characterized by having a source free structure in which a source region is omitted at the bottom of each of the above vertical channel structures.
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 N+ 정션 및 상기 P+ 정션 중 어느 하나가 선택적으로 활성화됨에 따라 상기 수직 채널 패턴에 채널을 형성하여 메모리 동작을 수행하는 단계
를 포함하는 3차원 메모리의 메모리 동작 방법.A memory operating method comprising: a three-dimensional memory including gate electrodes formed to extend horizontally on a substrate and spaced apart vertically and stacked; and vertical channel structures formed to extend vertically and penetrate the gate electrodes, each of the vertical channel structures including a vertical channel pattern and a data storage pattern, and a dual junction having a dual structure including an N+-doped N+ junction and a P+-doped P+ junction is formed on an upper end of each of the vertical channel structures; wherein a contact area of each of the N+ junction and the P+ junction with respect to the vertical channel pattern is controlled and determined based on a speed at which the N+ junction forms an N-type channel in the vertical channel pattern and a speed at which the P+ junction forms a P-type channel in the vertical channel pattern, and a contact plug disposed on an upper end of the dual junction to connect the dual junction to a bit line plug is configured with an area capable of providing current to each of the N+ junction and the P+ junction;
A step of applying a voltage to a selected gate electrode corresponding to a target memory cell to be the target of a memory operation among the above gate electrodes; and
A step of 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 in response to a voltage applied to the selected gate electrode.
A memory operation method of a three-dimensional memory including:
상기 인가하는 단계는,
상기 선택된 게이트 전극에 양의 전압을 인가하는 단계
를 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 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 메모리의 메모리 동작 방법.In Article 13,
The above-mentioned steps are:
A step of applying a positive voltage to the selected gate electrode
Including,
The steps for performing the above memory operation are:
A step of performing a write operation by forming an N-type channel in the vertical channel pattern through the N+ junction in response to a positive voltage applied to the selected gate electrode.
A memory operation method of a three-dimensional memory, characterized by including a .
상기 인가하는 단계는,
상기 선택된 게이트 전극에 인가되는 양의 전압의 값을 조절하는 단계
를 포함하고,
상기 메모리 동작을 수행하는 단계는,
상기 조절된 양의 전압의 값에 따라 다치화된 값의 기록 동작을 수행하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 메모리의 메모리 동작 방법.In Article 14,
The above-mentioned steps are:
A step of controlling the value of the positive voltage applied to the selected gate electrode
Including,
The steps for performing the above memory operation are:
A step of performing a recording operation of a multi-value according to the value of the above-mentioned regulated positive voltage.
A memory operation method of a three-dimensional memory, characterized by including a .
상기 인가하는 단계는,
상기 선택된 게이트 전극에 음의 전압을 인가하는 단계
를 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 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 메모리의 메모리 동작 방법.In Article 13,
The above-mentioned steps are:
A step of applying a negative voltage to the selected gate electrode
Including,
The steps for performing the above memory operation are:
A step of performing a write operation by forming a P-type channel in the vertical channel pattern through the P+ junction in response to a negative voltage applied to the selected gate electrode.
A memory operation method of a three-dimensional memory, characterized by including a .
상기 인가하는 단계는,
상기 선택된 게이트 전극에 인가되는 음의 전압의 값을 조절하는 단계
를 포함하고,
상기 메모리 동작을 수행하는 단계는,
상기 조절된 음의 전압의 값에 따라 다치화된 값의 기록 동작을 수행하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 메모리의 메모리 동작 방법.In Article 16,
The above-mentioned steps are:
A step of controlling the value of the negative voltage applied to the selected gate electrode
Including,
The steps for performing the above memory operation are:
A step of performing a recording operation of a multi-value according to the value of the above-mentioned adjusted negative voltage.
A memory operation method of a three-dimensional memory, characterized by including a .
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 단계
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 메모리의 메모리 동작 방법.In Article 13,
The steps for performing the above memory operation are:
A step of 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 formed at the bottom of each of the vertical channel structures.
A memory operation method of a three-dimensional memory, characterized by further including:
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 단계
를 포함하고,
상기 N+ 정션 및 상기 P+ 정션 각각의 상기 수직 채널 패턴에 대한 접촉 면적은,
상기 N+ 정션이 상기 수직 채널 패턴에 N형 채널을 형성하는 속도 및 상기 P+ 정션이 상기 수직 채널 패턴에 P형 채널을 형성하는 속도를 기초로 조절 및 결정되는 것을 특징으로 하며,
상기 듀얼 정션을 비트 라인 플러그와 연결하도록 상기 듀얼 정션의 상부에 배치되는 콘택 플러그는,
상기 N+ 정션 및 상기 P+ 정션 각각에 전류를 제공 가능한 면적으로 구성되는 것을 특징으로 하는 3차원 메모리의 제조 방법.A method for manufacturing a three-dimensional memory including a dual junction having a double structure, each doped with different types of impurities,
A step of preparing a semiconductor structure including gate electrodes that are formed to extend horizontally on a substrate and are vertically spaced apart and stacked; and vertical channel structures that penetrate the gate electrodes and extend vertically, each of the vertical channel structures including a vertical channel pattern and a data storage pattern;
A step of placing a first mask pattern covering a portion of an upper surface of each of the vertical channel structures on the semiconductor structure;
A step of forming an N+-doped N+ junction in the remaining upper surface area not covered by the first mask pattern of each of the vertical channel structures using the first mask pattern;
A step of arranging a second mask pattern covering the remaining area of the upper surface of each of the vertical channel structures on the semiconductor structure; and
A step of forming a P+-doped P+ junction in a portion of the upper surface that is not covered by the second mask pattern in each of the vertical channel structures using the second mask pattern.
Including,
The contact area for each of the above N+ junction and the above P+ junction to the vertical channel pattern is,
The speed at which the N+ junction forms an N-type channel in the vertical channel pattern and the speed at which the P+ junction forms a P-type channel in the vertical channel pattern are controlled and determined based on this speed,
A contact plug positioned on the upper side of the dual junction to connect the dual junction with the bit line plug,
A method for manufacturing a three-dimensional memory, characterized in that each of the N+ junction and the P+ junction is configured with an area capable of providing current.
상기 반도체 구조체를 준비하는 단계는,
상기 수직 채널 구조체들 각각의 하단에 상기 듀얼 정션이 형성된 상기 반도체 구조체를 준비하는 단계인 것을 특징으로 하는 3차원 메모리의 제조 방법.In Article 19,
The step of preparing the above semiconductor structure is:
A method for manufacturing a three-dimensional memory, characterized by comprising the step of preparing a semiconductor structure in which the dual junction is formed at the bottom of each of the vertical channel structures.
상기 반도체 구조체를 준비하는 단계는,
상기 수직 채널 구조체들 각각의 하단에 소스 영역이 형성된 상기 반도체 구조체를 준비하는 단계인 것을 특징으로 하는 3차원 메모리의 제조 방법.In Article 19,
The step of preparing the above semiconductor structure is:
A method for manufacturing a three-dimensional memory, characterized by comprising the step of preparing a semiconductor structure in which a source region is formed at the bottom of each of the vertical channel structures.
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 하는 3차원 메모리의 제조 방법.In Article 19,
The step of preparing the above semiconductor structure is:
A method for manufacturing a three-dimensional memory, characterized by comprising the step of preparing a 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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