KR20060002617A - Semiconductor storage devices employing cell switching transistors having multiple channel regions and methods of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
다중 채널 영역들을 갖는 셀 스위칭 트랜지스터들을 채택하는 반도체 기억소자들 및 그 제조방법들이 제공된다. 상기 반도체 기억소자들은 반도체 기억 셀들을 구비한다. 상기 반도체 기억 셀들의 각각은 집적회로 기판 및 상기 집적회로 기판에 형성된 스위칭 소자를 갖는다. 상기 스위칭 소자는 서로 이웃하는 다중 채널 영역들(multiple channel regions)을 갖는다. 상기 스위칭 소자는 데이터 저장요소(data storage element)에 전기적으로 접속된다. 상기 데이터 저장요소는 상변화 저항체 또는 자기터널 접합 구조체와 같은 프로그래머블 저항체일 수 있다. 상기 반도체 기억소자의 제조방법들 역시 제공된다.Semiconductor storage devices employing cell switching transistors having multiple channel regions and methods of fabrication thereof are provided. The semiconductor memory devices have semiconductor memory cells. Each of the semiconductor memory cells has an integrated circuit substrate and a switching element formed on the integrated circuit substrate. The switching element has multiple channel regions neighboring each other. The switching element is electrically connected to a data storage element. The data storage element may be a programmable resistor such as a phase change resistor or a magnetic tunnel junction structure. Methods of manufacturing the semiconductor memory device are also provided.
Description
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 프로그래머블 기억소자(programmable memory device)를 도시한 개략도(schematic view)이다.1 is a schematic view illustrating a programmable memory device according to embodiments of the present invention.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 상변화 기억소자의 일 부분을 도시한 평면도이다.2 is a plan view illustrating a portion of a phase change memory device according to example embodiments.
도 3a 내지 도 9a 및 도 10 내지 도 14는 본 발명의 실시예들에 따른 상변화 기억소자들 및 그 제조방법들을 설명하기 위하여 도 2의 Ⅰ-Ⅰ'에 따라 취해진 단면도들이다.3A to 9A and FIGS. 10 to 14 are cross-sectional views taken along line II ′ of FIG. 2 to explain phase change memories and manufacturing methods thereof according to embodiments of the present invention.
도 3b 내지 도 9b는 본 발명의 실시예들에 따른 상변화 기억소자들 및 그 제조방법들을 설명하기 위하여 도 2의 Ⅱ-Ⅱ'에 따라 취해진 단면도들이다.3B to 9B are cross-sectional views taken along line II-II 'of FIG. 2 to explain phase change memories and manufacturing methods thereof according to embodiments of the present invention.
도 15는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 상변화 기억소자들 및 그 제조방법들을 설명하기 위하여 도 2의 Ⅰ-Ⅰ'에 따라 취해진 단면도이다.FIG. 15 is a cross-sectional view taken along line II ′ of FIG. 2 to explain phase change memory devices and a method of manufacturing the same according to other embodiments of the present disclosure.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 상변화 기억소자들의 셀 스위칭 트랜지스터들의 제조에 사용되는 포토레지스트 마스크 패턴을 도시한 평면도이다.FIG. 16 is a plan view illustrating a photoresist mask pattern used in fabrication of cell switching transistors of phase change memory devices according to other exemplary embodiments.
도 17은 도 16의 포토레지스트 마스크 패턴을 사용하여 제조된 3중 채널 핀들(triple channel pins)을 갖는 셀 스위칭 트랜지스터를 도시한 단면도이다.FIG. 17 is a cross-sectional view illustrating a cell switching transistor having triple channel pins manufactured using the photoresist mask pattern of FIG. 16.
도 18a 및 도 18b는 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 상변화 기억소자들의 셀 스위칭 트랜지스터들의 제조방법들을 설명하기 위한 단면도들이다.18A and 18B are cross-sectional views illustrating methods of fabricating cell switching transistors of phase change memory devices according to other exemplary embodiments.
도 19는 본 발명의 실시예들에 따른 상변화 기억소자들을 채택하는 휴대용 전자제품(portable electronic device)을 도시한 개략적인 블록 다이아그램(schematic block diagram)이다.FIG. 19 is a schematic block diagram illustrating a portable electronic device employing phase change memory devices according to embodiments of the present invention.
도 20은 종래기술 및 본 발명의 실시예들에 따라 제작된 상변화 기억 셀들의 GST막들 및 하부전극들 사이의 콘택저항 측정결과들(contact resistance measurement results)을 도시한 그래프이다.FIG. 20 is a graph illustrating contact resistance measurement results between GST films and lower electrodes of phase change memory cells fabricated according to the related art and embodiments of the present invention.
도 21은 종래기술에 따라 제작된 상변화 기억 셀들의 셋/리셋 특성들(set/reset characteristics)의 측정결과들을 도시한 그래프이다.FIG. 21 is a graph illustrating measurement results of set / reset characteristics of phase change memory cells manufactured according to the related art.
도 22는 본 발명의 실시예에 따라 제작된 상변화 기억 셀들의 셋/리셋 특성들(set/reset characteristics)의 측정결과들을 도시한 그래프이다.FIG. 22 is a graph illustrating measurement results of set / reset characteristics of phase change memory cells manufactured according to an embodiment of the present invention.
본 발명은 반도체소자들 및 그 제조방법들에 관한 것으로, 특히 다중 채널들을 갖는 셀 스위칭 트랜지스터들을 채택하는 반도체 기억소자들 및 그 제조방법들에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
비휘발성 기억소자들은 그들의 전원이 차단될지라도 그들 내에 저장된 데이터들이 소멸되지 않는 특징을 갖는다. 이에 따라, 상기 비휘발성 기억소자들은 컴퓨터, 이동통신 단말기(mobile communication system) 및 메모리 카드 등에 널리 채택되고 있다.Nonvolatile memory devices have a feature that data stored therein is not destroyed even if their power supply is cut off. Accordingly, the nonvolatile memory devices are widely adopted in computers, mobile communication systems, and memory cards.
상기 비휘발성 기억소자들로서 플래쉬 메모리소자가 널리 사용되고 있다. 상기 플래쉬 메모리소자는 적층 게이트 구조(stacked gate structure)를 갖는 메모리 셀들을 주로 채택하고 있다. 상기 적층 게이트 구조는 채널 영역 상에 차례로 적층된 터널산화막, 부유게이트, 게이트층간 절연막(inter-gate dielectric layer) 및 제어게이트 전극을 포함한다. 상기 플래쉬 메모리 셀의 신뢰성 및 프로그램 효율을 향상시키기 위해서는 상기 터널산화막의 막질(film quality)이 개선되어야 하고 셀의 커플링 비율이 증가되어야 한다.Flash memory devices are widely used as the nonvolatile memory devices. The flash memory device mainly employs memory cells having a stacked gate structure. The stacked gate structure includes a tunnel oxide layer, a floating gate, an inter-gate dielectric layer, and a control gate electrode sequentially stacked on the channel region. In order to improve the reliability and program efficiency of the flash memory cell, the film quality of the tunnel oxide layer should be improved and the coupling ratio of the cell should be increased.
상기 플래쉬 메모리 소자 대신에 새로운 비휘발성 기억소자들, 예컨대 상변화 기억소자가 최근에 제안된 바 있다. 상기 상변화 기억소자의 단위 셀은 스위칭 소자(즉, 셀 트랜지스터) 및 상기 스위칭 소자에 직렬 연결된(serially connected) 데이터 저장요소(data storage element)를 포함한다. 상기 데이터 저장요소는 상기 스위칭 소자에 전기적으로 연결되는 하부전극 및 상기 하부전극에 접촉하는 상변화 물질막(phase change material layer)을 구비한다. 일반적으로, 상기 하부전극은 히터로서 작용한다. 상기 스위칭 소자 및 상기 하부전극을 통하여 쓰기 전류(프로그램 전류)가 흐르는 경우에, 상기 상변화 물질막 및 상기 하부전극 사이의 계면에서 주울 열(joule heat)이 생성된다. 이러한 주울 열은 상기 상변화 물질막을 비정 질 상태(amorphous state) 또는 결정질 상태(crystalline state)로 변환시킨다. 상기 상변화 물질막의 상변이 효율(phase transition efficiency)을 향상시키기 위해서는 상기 하부전극 및 상변화 물질막 사이의 콘택 면적을 감소시켜야 한다. Instead of the flash memory device, new nonvolatile memory devices such as phase change memory devices have recently been proposed. The unit cell of the phase change memory device may include a switching device (ie, a cell transistor) and a data storage element that is serially connected to the switching device. The data storage element has a lower electrode electrically connected to the switching element and a phase change material layer in contact with the lower electrode. In general, the lower electrode acts as a heater. When a write current (program current) flows through the switching element and the lower electrode, joule heat is generated at an interface between the phase change material film and the lower electrode. This joule heat converts the phase change material film into an amorphous state or a crystalline state. In order to improve the phase transition efficiency of the phase change material film, the contact area between the lower electrode and the phase change material film should be reduced.
상기 하부전극의 콘택 면적을 최소화시키는 방법이 미국특허 제6,147,395호에 "전극들 사이에 작은 면적의 콘택을 형성하는 방법(Method for fabricating a small area of contact between electrodes)"이라는 제목으로 길겐(Gilgen)에 의해 개시된 바 있다. 길겐에 따르면, 등방성 식각 공정을 사용하여 상기 상변화 기억소자의 하부전극(히터) 역할을 하는 미세한 팁을 형성한다. 상기 미세한 팁 상에 상변화 물질막을 형성한다. 그 결과, 상기 상변화 물질막 및 미세한 팁(히터) 사이의 콘택 면적을 최소화시킬 수 있다.The method for minimizing the contact area of the lower electrode is described in US Pat. No. 6,147,395 as "Method for fabricating a small area of contact between electrodes." It has been disclosed by. According to Gilgen, a fine tip serving as a lower electrode (heater) of the phase change memory device is formed by using an isotropic etching process. A phase change material film is formed on the fine tip. As a result, the contact area between the phase change material film and the fine tip (heater) can be minimized.
한편, 상기 하부전극의 콘택 면적의 감소에도 불구하고, 상기 상변화 물질막의 상변이(phase transition)는 약 1㎃의 큰 프로그램 전류(large programming current)를 요구한다. 따라서, 상기 셀 트랜지스터는 상기 프로그램 전류를 제공하기에 충분한 전류 구동능력(current drivability)을 갖도록 설계되어야 한다. 그러나, 상기 셀 트랜지스터의 전류 구동능력을 향상시키기 위해서는 상기 셀 트랜지스터에 의해 차지되는(occupied) 면적이 증가되어야 한다. 특히, 상기 셀 트랜지스터가 평면형 모스 트랜지스터인 경우에, 상기 프로그램 전류는 상기 평면형 모스 트랜지스터의 채널 폭(channel width)에 직접적으로 관련이 있다. 따라서, 상기 상변화 기억소자의 집적도(integration density)를 개선시키는 데 한계가 있다.On the other hand, despite the reduction in the contact area of the lower electrode, the phase transition of the phase change material film requires a large programming current of about 1 mA. Thus, the cell transistor should be designed to have sufficient current drivability to provide the program current. However, in order to improve the current driving capability of the cell transistor, the area occupied by the cell transistor must be increased. In particular, when the cell transistor is a planar MOS transistor, the program current is directly related to the channel width of the planar MOS transistor. Therefore, there is a limit to improving the integration density of the phase change memory device.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 집적도의 개선과 아울러서 프로그램 특성의 개선에 적합한 반도체 기억 셀들을 제공하는 데 있다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in an effort to provide semiconductor memory cells suitable for improving the degree of integration and the improvement of program characteristics.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 집적도의 개선과 아울러서 프로그램 특성의 개선에 적합한 프로그래머블 기억 셀들을 제공하는 데 있다.Another technical problem to be solved by the present invention is to provide programmable memory cells suitable for improving the program characteristics as well as the degree of integration.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 집적도의 개선과 아울러서 프로그램 특성의 개선에 적합한 고성능(high performance) 프로그래머블 기억소자들을 제공하는 데 있다.Another technical problem to be achieved by the present invention is to provide high performance programmable memory devices suitable for improving the integration characteristics as well as the program characteristics.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 집적도의 개선과 아울러서 프로그램 특성의 개선에 적합한 고성능 상변화 기억소자들을 제공하는 데 있다.Another technical problem to be achieved by the present invention is to provide a high performance phase change memory device suitable for improving the integration characteristics as well as the program characteristics.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 집적도의 개선과 아울러서 프로그램 특성의 개선에 적합한 고성능 프로그래머블 기억소자를 채택하는 전자제품들(electronic devices)을 제공하는 데 있다.Another technical problem to be achieved by the present invention is to provide electronic devices employing a high performance programmable memory device suitable for the improvement of the program characteristics as well as the integration.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 집적도 및 프로그램 특성을 개선시킬 수 있는 프로그래머블 기억 셀의 제조방법들을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide methods for manufacturing a programmable memory cell that can improve the integration and program characteristics.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 집적도 및 프로그램 특성을 개선시킬 수 있는 상변화 기억소자의 제조방법들을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide methods for manufacturing a phase change memory device capable of improving the degree of integration and program characteristics.
본 발명의 일 양태에 따르면, 반도체 기억 셀들이 제공된다. 상기 반도체 기억 셀들은 집적회로 기판 및 상기 집적회로 기판에 형성된 스위칭 소자를 포함한다. 상기 스위칭 소자는 서로 이웃하는 다중 채널 영역들(multiple channel regions)을 갖는다. 상기 스위칭 소자는 데이터 저장요소(data storage element)에 전기적으로 접속된다.According to one aspect of the present invention, semiconductor memory cells are provided. The semiconductor memory cells include an integrated circuit board and a switching element formed on the integrated circuit board. The switching element has multiple channel regions neighboring each other. The switching element is electrically connected to a data storage element.
본 발명의 몇몇 실시예들에서, 상기 스위칭 소자는 상기 집적회로 기판으로부터 돌출되고 서로 이격된 적어도 두 개의 채널 핀들, 상기 기판 내에 형성되고 상기 채널 핀들에 의해 서로 이격된 제1 및 제2 불순물 영역들, 및 상기 채널 핀들을 덮는 절연된 게이트 전극을 구비할 수 있다. 이 경우에, 상기 데이터 저장요소는 상기 제1 및 제2 불순물 영역들중 어느 하나에 전기적으로 접속될 수 있다.In some embodiments of the present invention, the switching element includes at least two channel fins protruding from the integrated circuit substrate and spaced apart from each other, and first and second impurity regions formed in the substrate and spaced apart from each other by the channel fins. And an insulated gate electrode covering the channel pins. In this case, the data storage element may be electrically connected to either one of the first and second impurity regions.
다른 실시예들에서, 상기 데이터 저장요소는 프로그래머블 저항체일 수 있다. 상기 프로그래머블 저항체는 상기 제1 및 제2 불순물 영역들중 어느 하나에 전기적으로 접속된 제1 전극, 상기 제1 전극 상의 프로그래머블 물질막 및 상기 프로그래머블 물질막 상의 제2 전극을 포함할 수 있다. 상기 프로그래머블 물질막은 칼코게나이드막과 같은 상변화 물질막일 수 있다.In other embodiments, the data storage element may be a programmable resistor. The programmable resistor may include a first electrode electrically connected to one of the first and second impurity regions, a programmable material film on the first electrode, and a second electrode on the programmable material film. The programmable material film may be a phase change material film such as a chalcogenide film.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 프로그램머블 기억 셀들을 제공한다. 상기 프로그래머블 기억 셀들은 집적회로 기판 및 상기 집적회로 기판으로부터 돌출된 핀 바디를 포함한다. 상기 핀 바디 내에 서로 이격된 제1 및 제2 불순물 영역들이 제공된다. 상기 제1 및 제2 불순물 영역들 사이의 상기 핀 바디는 절연된 게이트 전극으로 덮여진다. 상기 제1 및 제2 불순물 영역들중 어느 하나는 프로그래머블 저항체에 전기적으로 접속된다.According to another aspect of the present invention, programmable memory cells are provided. The programmable memory cells include an integrated circuit board and a pin body protruding from the integrated circuit board. First and second impurity regions spaced apart from each other are provided in the fin body. The fin body between the first and second impurity regions is covered with an insulated gate electrode. One of the first and second impurity regions is electrically connected to a programmable resistor.
본 발명의 몇몇 실시예들에서, 상기 핀 바디는 상기 기판으로부터 돌출된 적어도 하나의 채널 핀을 포함할 수 있다. 이 경우에, 상기 게이트 전극은 상기 채널 핀을 덮으면서 가로지르도록 배치될 수 있다.In some embodiments of the present invention, the fin body may include at least one channel fin protruding from the substrate. In this case, the gate electrode may be disposed to cross while covering the channel fin.
다른 실시예들에서, 상기 프로그래머블 저항체는 상변화 저항체일 수 있다.In other embodiments, the programmable resistor may be a phase change resistor.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 프로그래머블 기억소자들이 제공된다. 상기 프로그래머블 기억소자들은 셀 어레이 영역 및 주변회로 영역을 갖는 집적회로 기판을 포함한다. 상기 셀 어레이 영역 내의 상기 집적회로 기판에 셀 스위칭 소자가 제공된다. 상기 셀 스위칭 소자는 다중 채널 영역들을 갖는다. 상기 셀 스위칭 소자는 프로그래머블 저항체에 전기적으로 접속된다. 상기 주변회로 영역 내의 상기 집적회로 기판에 주변회로 모스 트랜지스터가 제공된다.According to another aspect of the present invention, programmable memory elements are provided. The programmable memory devices include an integrated circuit board having a cell array region and a peripheral circuit region. A cell switching device is provided on the integrated circuit board in the cell array region. The cell switching element has multiple channel regions. The cell switching element is electrically connected to a programmable resistor. A peripheral circuit MOS transistor is provided in the integrated circuit board in the peripheral circuit region.
본 발명의 몇몇 실시예들에서, 상기 셀 스위칭 소자는 상기 셀 어레이 영역 내의 상기 집적회로 기판으로부터 돌출된 핀 바디, 상기 핀 바디 내에 형성되고 서로 이격된 제1 및 제2 셀 불순물 영역들, 및 상기 제1 및 제2 셀 불순물 영역들 사이의 상기 핀 바디를 덮는 절연된 셀 게이트 전극을 포함할 수 있다. 이 경우에, 상기 프로그래머블 저항체는 상기 제1 및 제2 셀 불순물 영역들중 어느 하나에 전기적으로 접속될 수 있다. 상기 핀 바디는 상기 기판으로부터 돌출된 적어도 두 개의 채널 핀들을 구비할 수 있다. 이 경우에, 상기 셀 게이트 전극은 상기 채널 핀들을 덮으면서 가로지르도록 배치될 수 있다.In some embodiments of the present disclosure, the cell switching device may include a fin body protruding from the integrated circuit board in the cell array region, first and second cell impurity regions formed in the fin body and spaced apart from each other, and And an insulated cell gate electrode covering the fin body between the first and second cell impurity regions. In this case, the programmable resistor may be electrically connected to any one of the first and second cell impurity regions. The fin body may have at least two channel fins protruding from the substrate. In this case, the cell gate electrode may be disposed to cross the channel fins.
다른 실시예들에서, 상기 프로그래머블 저항체는 상변화 저항체일 수 있다.In other embodiments, the programmable resistor may be a phase change resistor.
또 다른 실시예들에서, 상기 주변회로 모스 트랜지스터는 평판형의 단일 채널 영역(planar-type single channel region)을 가질 수 있다.In other embodiments, the peripheral circuit MOS transistor may have a planar-type single channel region.
또 다른 실시예들에서, 상기 주변회로 모스 트랜지스터는 상기 주변회로 영 역 내의 상기 집적회로 기판에 한정된 주변 활성영역, 상기 주변 활성영역의 양 단들에 형성된 제1 및 제2 주변 불순물 영역들, 및 상기 제1 및 제2 주변 불순물 영역들 사이의 상기 주변 활성영역의 상부를 가로지르는 주변 게이트 전극을 포함할 수 있다. 이에 더하여, 상기 셀 게이트 전극 및 상기 핀 바디 사이에 셀 게이트 절연막이 개재될 수 있고, 상기 주변 게이트 전극 및 상기 주변 활성영역 사이에 주변 게이트 절연막이 개재될 수 있다.In example embodiments, the peripheral circuit MOS transistor may include a peripheral active region defined in the integrated circuit board in the peripheral circuit region, first and second peripheral impurity regions formed at both ends of the peripheral active region, and the A peripheral gate electrode may be disposed between the first and second peripheral impurity regions to cross the upper portion of the peripheral active region. In addition, a cell gate insulating layer may be interposed between the cell gate electrode and the fin body, and a peripheral gate insulating layer may be interposed between the peripheral gate electrode and the peripheral active region.
또 다른 실시예에서, 상기 주변 게이트 절연막의 두께는 상기 셀 게이트 절연막의 두께와 동일하거나 다를 수 있다. 또한, 상기 주변 게이트 전극의 폭은 상기 셀 게이트 전극의 폭과 동일하거나 다를 수 있다.In another embodiment, the thickness of the peripheral gate insulating layer may be the same as or different from the thickness of the cell gate insulating layer. In addition, the width of the peripheral gate electrode may be the same as or different from the width of the cell gate electrode.
또 다른 실시예들에서, 상기 프로그래머블 저항체는 제1 및 제2 전극과 아울러서 상기 전극들 사이에 개재된 프로그래머블 물질막을 구비할 수 있다. 더 나아가서, 상기 제1 및 제2 전극들중 어느 하나는 비트라인에 전기적으로 접속될 수 있다.In other embodiments, the programmable resistor may include first and second electrodes as well as a programmable material layer interposed between the electrodes. Furthermore, either one of the first and second electrodes may be electrically connected to the bit line.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 상변화 기억소자들이 제공된다. 상기 상변화 기억소자들은 셀 어레이 영역 및 주변회로 영역을 갖는 집적회로 기판을 포함한다. 상기 셀 어레이 영역 내의 상기 집적회로 기판 상에 제1 핀 바디가 제공된다. 상기 제1 핀 바디는 상기 집적회로 기판으로부터 돌출된 제1 그룹의 채널 핀들 및 상기 제1 그룹의 채널 핀들의 양 단들을 각각 연결시키는 제1 및 제2 연결부들을 구비한다. 상기 제1 그룹의 채널 핀들의 상부면들 및 측벽들은 제1 셀 게이트 전극으로 덮여진다. 상기 제1 및 제2 연결부들 내에 각각 셀 소오스 영역 및 셀 드 레인 영역이 제공된다. 상기 셀 드레인 영역은 하부전극에 전기적으로 접속되고, 상기 하부전극은 몰딩막으로 둘러싸여진다. 또한, 상기 몰딩막은 돌출부를 구비하도록 표면단차를 갖는다. 상기 몰딩막 내에 또는 상부에 상변화 물질막 패턴이 배치된다. 상기 상변화 물질막 패턴 상에 상부전극 패턴이 제공된다.According to another aspect of the present invention, phase change memory elements are provided. The phase change memory devices include an integrated circuit board having a cell array region and a peripheral circuit region. A first fin body is provided on the integrated circuit board in the cell array region. The first fin body has first and second connections that connect both ends of the first group of channel pins protruding from the integrated circuit board and the first group of channel pins, respectively. Top surfaces and sidewalls of the first group of channel fins are covered with a first cell gate electrode. Cell source regions and cell drain regions are provided in the first and second connectors, respectively. The cell drain region is electrically connected to the lower electrode, and the lower electrode is surrounded by a molding film. In addition, the molding film has a surface step so as to have a protrusion. A phase change material film pattern is disposed in or on the molding film. An upper electrode pattern is provided on the phase change material film pattern.
본 발명의 몇몇 실시예들에서, 상기 제1 그룹의 채널 핀들은 적어도 2개의 채널 핀들을 포함할 수 있다.In some embodiments of the present invention, the first group of channel pins may include at least two channel pins.
다른 실시예들에서, 상기 상변화 물질막 패턴은 질소 및 실리콘중 적어도 어느 하나로 도우핑된 GST(GeSbTe) 합금막일 수 있다.In other embodiments, the phase change material film pattern may be a GST (GeSbTe) alloy film doped with at least one of nitrogen and silicon.
또 다른 실시예들에서, 상기 상부전극 패턴은 차례로 적층된 상부전극, 글루막 패턴 및 하드 마스크 패턴을 구비할 수 있다.In other embodiments, the upper electrode pattern may include an upper electrode, a glue layer pattern, and a hard mask pattern that are sequentially stacked.
또 다른 실시예들에서, 상기 몰딩막은 실리콘 산화막보다 높은 열전도도(thermal conductivity)를 갖는 절연막일 일 수 있다.In other embodiments, the molding layer may be an insulating layer having a higher thermal conductivity than that of the silicon oxide layer.
또 다른 실시예들에서, 상기 몰딩막은 산소 장벽막의 역할을 하는 절연막일 수 있다.In still other embodiments, the molding layer may be an insulating layer serving as an oxygen barrier layer.
또 다른 실시예들에서, 상기 하부전극의 측벽은 콘택 스페이서에 의해 둘러싸여질 수 있다.In other embodiments, the sidewall of the lower electrode may be surrounded by the contact spacer.
또 다른 실시예들에서, 상기 몰딩막의 상기 돌출부는 상기 상변화 물질막 패턴과 자기정렬될 수 있다.In example embodiments, the protrusion of the molding layer may be self-aligned with the phase change material layer pattern.
또 다른 실시예들에서, 상기 하부전극은 상기 몰딩막의 상기 돌출부를 관통할 수 있다.In example embodiments, the lower electrode may penetrate the protrusion of the molding layer.
또 다른 실시예들에서, 상기 상변화 물질막 패턴이 상기 몰딩막의 상부에 배치되는 경우에, 상기 돌출부의 측벽 및 상기 상변화 물질막 패턴의 측벽은 산소 장벽막으로 덮여질 수 있다.In another embodiment, when the phase change material layer pattern is disposed on the molding layer, the sidewall of the protrusion and the sidewall of the phase change layer pattern may be covered with an oxygen barrier layer.
또 다른 실시예들에서, 상기 상변화 물질막 패턴이 상기 몰딩막의 상부에 배치되는 경우에, 상기 돌출부의 측벽, 상기 상변화 물질막 패턴의 측벽 및 상기 상부전극 패턴은 산소 장벽막으로 덮여질 수 있다.In another embodiment, when the phase change material layer pattern is disposed on the molding layer, the sidewalls of the protrusion, the sidewall of the phase change material layer pattern, and the upper electrode pattern may be covered with an oxygen barrier layer. have.
또 다른 실시예들에서, 상기 상변화 물질막 패턴이 상기 몰딩막 내에 배치되는 경우에 상기 돌출부의 측벽 및 상기 상부전극 패턴은 산소 장벽막(oxygen barrier layer)으로 덮여질 수 있다.In another embodiment, when the phase change material layer pattern is disposed in the molding layer, the sidewalls of the protrusion and the upper electrode pattern may be covered with an oxygen barrier layer.
또 다른 실시예들에서, 상기 주변회로 영역 내의 상기 집적회로 기판의 소정영역에 주변 활성영역이 한정될 수 있고, 상기 주변 활성영역에 주변회로 모스 트랜지스터가 제공될 수 있다. 상기 주변회로 모스 트랜지스터는 상기 주변 활성영역의 양 단들에 각각 형성된 주변 소오스 영역 및 주변 드레인 영역과 아울러서 상기 주변 소오스/드레인 영역들 사이의 주변 채널 영역의 상부를 가로지르는 주변 게이트 전극을 구비할 수 있다. 상기 주변 채널 영역은 평판형의 단일 채널 영역일 수 있다. 상기 주변 게이트 전극의 폭은 상기 제1 셀 게이트 전극의 폭보다 클 수 있다.In still other embodiments, a peripheral active region may be defined in a predetermined region of the integrated circuit board in the peripheral circuit region, and a peripheral circuit MOS transistor may be provided in the peripheral active region. The peripheral circuit MOS transistor may include a peripheral gate electrode which crosses an upper portion of the peripheral channel region between the peripheral source / drain regions as well as peripheral source and peripheral drain regions formed at both ends of the peripheral active region, respectively. . The peripheral channel region may be a flat single channel region. The width of the peripheral gate electrode may be greater than the width of the first cell gate electrode.
또 다른 실시예들에서, 상기 제1 셀 게이트 전극 및 상기 채널 핀들 사이에 셀 게이트 절연막이 개재될 수 있고, 상기 주변 게이트 전극 및 상기 주변 채널 영역 사이에 주변 게이트 절연막이 개재될 수 있다. 상기 주변 게이트 절연막의 두께 는 상기 셀 게이트 절연막의 두께보다 클 수 있다.In other embodiments, a cell gate insulating layer may be interposed between the first cell gate electrode and the channel fins, and a peripheral gate insulating layer may be interposed between the peripheral gate electrode and the peripheral channel region. The thickness of the peripheral gate insulating layer may be greater than the thickness of the cell gate insulating layer.
또 다른 실시예들에서, 상기 제1 셀 게이트 전극, 상기 셀 소오스/드레인 영역들, 상기 주변 게이트 전극 및 상기 주변 소오스/드레인 영역들중 적어도 상기 주변 소오스/드레인 영역 상에 주변 금속 실리사이드막이 제공될 수 있다.In other embodiments, a peripheral metal silicide layer may be provided on at least the peripheral source / drain regions of the first cell gate electrode, the cell source / drain regions, the peripheral gate electrode, and the peripheral source / drain regions. Can be.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 프로그래머블 기억소자들을 채택하는 전자제품들이 제공된다. 상기 전자제품들은 데이터 저장 매체(data storage media)로 사용되는 적어도 하나의 프로그래머블 기억소자, 상기 프로그래머블 기억소자에 접속되어 코드 및 데이터를 처리하는 프로세서, 및 버스 구조체들(bus architectures)을 통하여 상기 프로세서와 데이터 통신을 수행하는 입/출력 장치를 포함한다. 상기 프로그래머블 기억소자는 집적회로 기판 및 상기 기판으로부터 돌출된 핀 바디를 구비한다. 상기 핀 바디 내에 서로 이격된 셀 소오스 영역 및 셀 드레인 영역이 제공된다. 상기 셀 소오스 영역 및 상기 셀 드레인 영역 사이의 상기 핀 바디의 상부면 및 측벽들은 셀 게이트 전극으로 덮여진다. 상기 셀 드레인 영역은 프로그래머블 저항체(programmable resistor)에 전기적으로 접속된다.According to yet another aspect of the present invention, electronics are provided that employ programmable memory elements. The electronics may include at least one programmable memory device used as a data storage media, a processor connected to the programmable memory device to process code and data, and bus structures through bus architectures. An input / output device for performing data communication. The programmable memory device includes an integrated circuit board and a pin body protruding from the board. Cell source regions and cell drain regions spaced apart from each other are provided in the fin body. An upper surface and sidewalls of the fin body between the cell source region and the cell drain region are covered with a cell gate electrode. The cell drain region is electrically connected to a programmable resistor.
본 발명의 몇몇 실시예들에서, 상기 프로그래머블 저항체는 상변화 저항체일 수 있다. 상기 상변화 저항체는 상기 셀 드레인 영역에 전기적으로 접속된 하부전극, 상기 하부전극 상에 적층된 상변화 물질막 패턴 및 상기 상변화 물질막 패턴 상에 적층된 상부전극을 가질 수 있다.In some embodiments of the present invention, the programmable resistor may be a phase change resistor. The phase change resistor may have a lower electrode electrically connected to the cell drain region, a phase change material film pattern stacked on the lower electrode, and an upper electrode stacked on the phase change material film pattern.
다른 실시예들에서, 상기 프로그래머블 저항체를 갖는 기판은 산소 장벽막으로 덮여질 수 있다.In other embodiments, the substrate having the programmable resistor may be covered with an oxygen barrier film.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 프로그래머블 기억 셀들의 제조방법들이 제공된다. 상기 방법들은 집적회로 기판으로부터 돌출된 핀 바디를 형성하는 것을 포함한다. 상기 핀 바디의 상부를 가로지르면서 상기 핀 바디의 상부 면 및 측벽들을 덮는 셀 게이트 전극을 형성한다. 상기 셀 게이트 전극의 양 측벽들에 인접한 상기 핀 바디 내에 셀 소오스 영역 및 셀 드레인 영역을 형성한다. 상기 셀 게이트 전극 및 상기 셀 소오스/드레인 영역들을 갖는 기판 상에 층간절연막을 형성한다. 상기 층간절연막 상에 상기 셀 드레인 영역에 전기적으로 접속된 프로그래머블 저항체를 형성한다.According to another aspect of the present invention, methods of manufacturing programmable memory cells are provided. The methods include forming a pin body protruding from an integrated circuit board. A cell gate electrode is formed across the upper portion of the fin body to cover the upper surface and sidewalls of the fin body. A cell source region and a cell drain region are formed in the fin body adjacent to both sidewalls of the cell gate electrode. An interlayer insulating film is formed on the substrate having the cell gate electrode and the cell source / drain regions. A programmable resistor electrically connected to the cell drain region is formed on the interlayer insulating film.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 상변화 기억소자의 제조방법들이 제공된다. 이 방법들은 셀 어레이 영역 및 주변회로 영역을 갖는 집적회로 기판을 준비하는 것을 포함한다. 상기 셀 어레이 영역 내의 상기 집적회로 기판 및 상기 주변회로 영역 내의 상기 집적회로 기판에 각각 예비 셀 소자분리막 및 주변 소자분리막을 형성한다. 상기 예비 셀 소자분리막 및 상기 주변 소자분리막은 각각 셀 활성영역 및 주변 활성영역을 한정한다. 상기 예비 셀 소자분리막을 부분 식각하여(partially etching) 리세스된 셀 소자분리막을 형성함과 동시에 상기 셀 활성영역을 상대적으로 돌출시킨다. 상기 돌출된 셀 활성영역은 핀 바디의 역할을 한다. 상기 핀 바디의 상부면 및 측벽들을 덮고 상기 핀 바디의 상부를 가로지르는 한 쌍의 셀 게이트 전극들과 아울러서 상기 주변 활성영역의 상부를 가로지르는 주변 게이트 전극을 형성한다. 상기 셀 게이트 전극들을 이온주입 마스크로 사용하여 상기 핀 바디 내에 불순물 이온들을 주입하여 상기 셀 게이트 전극들 사이의 상기 핀 바 디 내에 공통 소오스 영역을 형성함과 동시에 상기 핀 바디의 양 단들에 셀 드레인 영역들을 형성한다. 상기 주변 게이트 전극을 이온주입 마스크로 사용하여 상기 주변 활성영역 내에 불순물 이온들을 주입하여 주변 소오스 영역 및 주변 드레인 영역을 형성한다. 상기 셀 드레인 영역들, 상기 공통 소오스 영역 및 상기 주변 소오스/드레인 영역들을 갖는 기판 상에 몰딩막을 형성한다. 상기 몰딩막을 관통하는 하부전극들을 형성한다. 상기 하부전극들은 상기 셀 드레인 영역들에 전기적으로 접속된다. 상기 하부전극들을 갖는 기판 상에 상변화 물질막 및 상부전극막을 차례로 형성한다. 상기 상부전극막 및 상기 상변화 물질막을 패터닝하여 상기 각 하부전극들 상에 차례로 적층된 상변화 물질막 패턴 및 상부전극을 형성한다. 상기 상변화 물질막 패턴 및 상기 상부전극은 상변화 저항체 패턴을 구성하고, 상기 몰딩막은 상기 상변화 저항체 패턴들의 하부에 상대적으로 돌출된 돌출부들(protrusions)를 갖도록 상기 상변화 저항체 패턴들을 형성하는 동안 식각될 수 있다. 상기 상변화 저항체 패턴들 및 상기 돌출부들을 갖는 기판 상에 산소 장벽막을 형성한다.According to another aspect of the present invention, methods of manufacturing a phase change memory device are provided. These methods include preparing an integrated circuit substrate having a cell array region and a peripheral circuit region. A preliminary cell device isolation film and a peripheral device isolation film are formed on the integrated circuit board in the cell array region and the integrated circuit board in the peripheral circuit region, respectively. The preliminary cell isolation layer and the peripheral isolation layer define a cell active region and a peripheral active region, respectively. The preliminary cell device isolation layer is partially etched to form a recessed cell device isolation layer and simultaneously protrudes the cell active region. The protruding cell active region serves as a fin body. A pair of cell gate electrodes covering the top surface and sidewalls of the fin body and crossing the upper portion of the fin body is formed to form a peripheral gate electrode crossing the upper portion of the peripheral active region. Impurity ions are implanted into the fin body by using the cell gate electrodes as an ion implantation mask to form a common source region in the fin body between the cell gate electrodes and at the same time, a cell drain region at both ends of the fin body. Form them. The peripheral gate electrode is used as an ion implantation mask to implant impurity ions into the peripheral active region to form a peripheral source region and a peripheral drain region. A molding film is formed on the substrate having the cell drain regions, the common source region, and the peripheral source / drain regions. Lower electrodes penetrating the molding layer are formed. The lower electrodes are electrically connected to the cell drain regions. A phase change material film and an upper electrode film are sequentially formed on the substrate having the lower electrodes. The upper electrode layer and the phase change material layer are patterned to form a phase change material layer pattern and an upper electrode sequentially stacked on the lower electrodes. The phase change material layer pattern and the upper electrode constitute a phase change resistor pattern, and the molding layer forms the phase change resistor patterns to have protrusions protruding relatively below the phase change resistor patterns. It can be etched. An oxygen barrier layer is formed on the substrate having the phase change resistor patterns and the protrusions.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하여 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조 번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided to ensure that the disclosed subject matter is thorough and complete, and that the scope of the invention to those skilled in the art will fully convey. In the drawings, the thicknesses of layers and regions are exaggerated for clarity. Like numbers refer to like elements throughout the specification.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 기억소자를 설명하기 위한 개략도(schematic view)이다. 상기 반도체 기억소자는 상변화 기억소자 또는 자기램 소자(MRAM device; magnetic random access memory device)와 같은 프로그래머블 기억소자일 수 있다.1 is a schematic view for describing a semiconductor memory device according to example embodiments. The semiconductor memory device may be a programmable memory device such as a phase change memory device or a magnetic random access memory device (MRAM device).
도 1을 참조하면, 상기 반도체 기억소자(즉, 프로그래머블 기억소자)는 셀 어레이 영역(CA) 및 주변회로 영역(PCA)을 구비한다. 상기 셀 어레이 영역(CA)은 복수개의 워드라인들(WL), 상기 워드라인들(WL)에 직교하는 복수개의 비트라인들(BL), 및 상기 워드라인들(WL) 및 상기 비트라인들(BL)의 교차점들(intersections)에 배치된 복수개의 프로그래머블 기억 셀들(100)을 구비한다. 상기 프로그래머블 기억 셀들(100)은 상변화 기억 셀들 또는 자기램 셀들에 해당할 수 있다. 또한, 상기 주변회로 영역(PCA)은 상기 프로그래머블 기억 셀들(100)을 구동시키는 제1 및 제2 집적회로들(PCA1, PCA2)를 구비한다. 상기 제1 집적회로(PCA1)는 상기 워드라인들(WL)중 어느 하나를 선택하는 행 디코더(row decoder)를 포함할 수 있고, 상기 제2 집적회로(PCA2)는 상기 비트라인들(BL)중 어느 하나를 선택하는 열 디코더(column decoder) 및 감지 증폭기(sense amplifier)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, the semiconductor memory device (ie, the programmable memory device) includes a cell array region CA and a peripheral circuit region PCA. The cell array area CA includes a plurality of word lines WL, a plurality of bit lines BL orthogonal to the word lines WL, and the word lines WL and the bit lines And a plurality of
상기 프로그래머블 기억 셀들(100)의 각각은 상기 비트라인들(BL)중 어느 하나에 전기적으로 접속된 프로그래머블 저항체(programmable resistor; RP) 및 상기 프로그래머블 저항체(RP)에 전기적으로 접속된 스위칭 소자를 포함한다. 상기 프로그래머블 저항체(RP)는 제1 및 제2 전극들과 아울러서 상기 전극들 사이에 개재된 프로그래머블 물질막(programmable material layer)을 구비할 수 있다. 예를 들면, 상기 프로그래머블 저항체(RP)가 상변화 저항체(phase change resistor)인 경우에, 상기 프로그래머블 물질막은 상변화 물질막에 해당한다. 또한, 상기 프로그래머블 저항체(RP)가 자기터널 접합 구조체(magnetic tunnel junction structure)인 경우에, 상기 프로그래머블 물질막은 차례로 적층된 고정층(pinned layer), 터널링 절연층 및 자유층을 구비할 수 있다. 상기 스위칭 소자는 게이트 전극 및 소오스/드레인 영역들을 갖는 억세스 모스 트랜지스터(TA)에 해당할 수 있다.Each of the
본 실시예들에서, 설명의 편의를 위하여 상기 프로그래머블 기억 셀들(100)은 상기 상변화 기억 셀들이고 상기 프로그래머블 저항체들(RP)은 상기 상변화 저항체들인 것으로 가정한다. 이 경우에, 상기 상변화 저항체(RP)의 상기 제1 단자는 상기 억세스 모스 트랜지스터(TA)의 상기 드레인 영역에 전기적으로 접속되고 상기 상변화 저항체(RP)의 상기 제2 단자는 상기 비트라인(BL)에 전기적으로 접속된다. 또한, 상기 억세스 모스 트랜지스터(TA)의 상기 게이트 전극은 상기 워드라인들(WL)중 어느 하나에 전기적으로 접속되고, 상기 억세스 모스 트랜지스터(TA)의 상기 소오스 영역은 공통 소오스 라인(CSL; 27s')에 전기적으로 접속된다.In the present exemplary embodiment, for convenience of description, it is assumed that the
상기 상변화 기억 셀들(100)중 어느 하나의 셀(CL) 내에 선택적으로 데이터를 저장시키기 위해서는 상기 선택된 셀(CL)의 억세스 모스 트랜지스터(TA)를 턴온시키고 상기 선택된 셀(CL)에 접속된 비트라인(BL)을 통하여 쓰기 전류(writing current; Iw), 즉 프로그램 전류를 가한다(force). 이 경우에, 상기 상변화 저항체(RP)의 전기적인 저항은 상기 쓰기 전류(writing current; Iw)의 양(amount)에 따 라서 변화될 수 있다. 예를 들면, 상기 상변화 물질이 상기 쓰기 전류(Iw)에 의해 그것의 결정화 온도(crystallization temperature) 및 용융점(melting point) 사이의 온도로 가열되고 상기 가열된 상변화 물질이 냉각되는 경우에, 상기 상변화 물질은 결정질 상태(crystalline state)로 변한다(transformed). 이에 반하여, 상기 상변화 물질이 상기 쓰기 전류(Iw)에 의해 상기 용융점보다 높은 온도로 가열되고 상기 용융된 상변화 물질이 급냉되는 경우에, 상기 상변화 물질은 비정질 상태(amorphous state)로 변한다. 상기 결정질 상태를 갖는 상변화 물질의 비저항은 상기 비정질 상태를 갖는 상변화 물질의 비저항보다 낮다. 이에 따라, 읽기 모드에서 상기 상변화 물질을 통하여 흐르는 전류를 감지함으로써(detecting) 상기 상변화 저항체(RP) 내에 저장된 정보가 논리 "1"인지 또는 논리 "0"인지를 판별할 수 있다. 결과적으로, 상기 억세스 모스 트랜지스터(TA)는 상기 상변화 물질의 상변이(phase transition)를 발생시키기에 충분한 쓰기 전류를 제공하여야 한다. 또한, 상기 억세스 모스 트랜지스터(TA)는 높은 전류 구동능력(high current drivability)에 더하여 고집적도(high integration density)의 실현(realization)에 적합한 구조를 갖도록 설계되는 것이 바람직하다.To selectively store data in any one of the phase
본 발명의 실시예들에서, 상기 억세스 모스 트랜지스터(TA)는 서로 이웃하도록 형성된 다중 채널 영역들(multiple channel regions)을 갖는 모스 트랜지스터일 수 있다. 예를 들면, 상기 억세스 모스 트랜지스터(TA)는 적어도 두 개의 채널 핀들을 갖는 3차원 구조의 모스 트랜지스터일 수 있다. 이 경우에, 상기 채널 핀들의 각각에 채널 영역들이 형성될 수 있다.In embodiments of the present invention, the access MOS transistor TA may be a MOS transistor having multiple channel regions formed to be adjacent to each other. For example, the access MOS transistor TA may be a MOS transistor having a three-dimensional structure having at least two channel pins. In this case, channel regions may be formed in each of the channel fins.
상기 3차원 구조의 모스 트랜지스터는 집적회로 기판 상에 형성되고 서로 이격된 다수개의 채널 핀들, 상기 다수개의 채널 핀들을 덮고 상기 기판으로부터 게이트 절연막에 의해 절연된 게이트 전극, 상기 채널 핀들의 각각에 형성되는 채널 영역들에 인접하고 상기 채널 영역들에 의해 서로 이격된 소오스/드레인 영역들을 구비한다. 상기 다수개의 채널 핀들은 상기 기판으로부터 돌출된 바디에 형성될 수 있다. 이와는 달리, 상기 억세스 모스 트랜지스터(TA)는 단일 채널 핀을 갖는 핀 전계효과 트랜지스터일 수 있다. 상기 핀 전계효과 트랜지스터는 집적회로 기판으로부터 돌출된 핀 바디, 상기 핀 바디 내에 형성되고 서로 이격된 소오스/드레인 영역들, 및 상기 소오스/드레인 영역들 사이의 상기 핀 바디(즉, 채널 핀)의 상부면 및 측벽들을 덮는 게이트 전극을 구비한다. 이 경우에도, 상기 핀 전계효과 트랜지스터는 상기 채널 핀의 수평 상부면 및 수직 측벽들에 형성되는 다중 채널 영역들을 구비할 수 있다.The MOS transistor of the three-dimensional structure is formed on each of the plurality of channel fins formed on an integrated circuit substrate and spaced apart from each other, a gate electrode covering the plurality of channel fins and insulated from the substrate by a gate insulating film, respectively. Source / drain regions adjacent the channel regions and spaced apart from each other by the channel regions. The plurality of channel fins may be formed in a body protruding from the substrate. Alternatively, the access MOS transistor TA may be a fin field effect transistor having a single channel fin. The fin field effect transistor includes a fin body protruding from an integrated circuit board, source / drain regions formed in the fin body and spaced apart from each other, and an upper portion of the fin body (ie, channel fin) between the source / drain regions. A gate electrode covering the face and sidewalls. Even in this case, the fin field effect transistor may have multiple channel regions formed on the horizontal top surface and the vertical sidewalls of the channel fin.
도 2는 도 1에 보여진 프로그래머블 기억소자, 즉 상변화 기억소자의 일 부분을 도시한 평면도이다. 또한, 도 3a 내지 9a 및 도 10 내지 도 14는 본 발명의 실시예들에 따른 상변화 기억소자들의 제조방법들을 설명하기 위하여 도 2의 Ⅰ-Ⅰ'에 따라 취해진 단면도들이고, 도 3b 내지 도 9b는 본 발명의 실시예들에 따른 상변화 기억소자들의 제조방법들을 설명하기 위하여 도 2의 Ⅱ-Ⅱ'에 따라 취해진 단면도들이다.FIG. 2 is a plan view showing a portion of the programmable memory device, that is, the phase change memory device shown in FIG. 1. 3A to 9A and FIGS. 10 to 14 are cross-sectional views taken along line II ′ of FIG. 2 to explain methods of manufacturing phase change memory devices according to example embodiments. FIGS. 3B to 9B are FIGS. Are cross-sectional views taken along line II-II 'of FIG. 2 to explain methods of manufacturing phase change memory devices according to example embodiments.
도 2, 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 셀 어레이 영역(CA) 및 주변회로 영역(PCA)을 갖는 집적회로 기판(1)을 준비한다. 상기 집적회로 기판(1) 상에 패드 산 화막(103) 및 트렌치 마스크막을 형성한다. 상기 트렌치 마스크막은 상기 집적회로 기판(1)에 대하여 식각 선택비를 갖는 물질막으로 형성할 수 있다. 예를 들면, 상기 집적회로 기판(1)이 실리콘 기판과 같은 반도체 기판인 경우에, 상기 트렌치 마스크막은 실리콘 질화막으로 형성할 수 있다. 상기 트렌치 마스크막을 패터닝하여 상기 셀 어레이 영역(CA) 및 주변회로 영역(PCA) 내에 각각 셀 트렌치 마스크 패턴(105c) 및 주변 트렌치 마스크 패턴(105p)을 형성한다. 상기 패드 산화막(103) 역시 상기 트렌치 마스크막을 패터닝하는 동안 식각될 수 있다.2, 3A, and 3B, an
상기 트렌치 마스크 패턴들(105c, 105p)을 식각 마스크들로 사용하여 상기 집적회로 기판(1)을 식각하여 상기 셀 어레이 영역(CA) 및 주변회로 영역(PCA) 내에 각각 셀 트렌치 영역 및 주변 트렌치 영역을 형성한다. 상기 셀 트렌치 영역은 상기 주변 트렌치 영역과 다른 깊이로 형성할 수도 있다. 상기 셀 트렌치 영역은 상기 셀 어레이 영역(CA) 내에 셀 활성영역(109c)을 한정하고, 상기 주변 트렌치 영역은 상기 주변회로 영역(PCA) 내에 주변 활성영역(109p)을 한정한다. 이어서, 상기 트렌치 영역들을 갖는 기판 상에 절연막을 형성하고, 상기 절연막을 평탄화시키어 상기 셀 트렌치 영역 및 상기 주변 트렌치 영역을 각각 채우는 예비 셀 소자분리막(107c) 및 주변 소자분리막(107p)을 형성한다. 상기 소자분리막들(107c, 107p)중 적어도 상기 예비 셀 소자분리막(107c)은 상기 셀 활성영역(109c)의 표면과 동일하거나 그보다 낮은 상부면을 갖도록 형성되는 것이 바람직하다.The
상기 소자분리막들(107c, 107p)을 갖는 기판 상에 제1 포토레지스트 패턴(110)을 형성한다. 상기 제1 포토레지스트 패턴(110)은 상기 셀 트렌치 마스크 패 턴(105c)의 중심부를 가로지르는 제1 개구부(110a)를 갖도록 형성된다. 이와는 달리, 상기 제1 포토레지스트 패턴(110)은 상기 제1 개구부(110a)에 더하여 상기 셀 트렌치 마스크 패턴(105c)의 양 단들을 노출시키는 제2 개구부들(110b)을 갖도록 형성될 수 있다.The
도 2, 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 상기 제1 포토레지스트 패턴(110)을 식각 마스크로 사용하여 상기 셀 트렌치 마스크 패턴(105c)을 식각하여 상기 셀 활성영역(109c) 상에 한 쌍의 예비 역 핀 마스크 패턴들(a pair of preliminary reverse fin mask patterns; 105c')을 형성한다. 이어서, 상기 제1 포토레지스트 패턴(110)을 제거한다. 상기 제1 포토레지스트 패턴(110)이 제거된 기판 상에 상기 셀 어레이 영역(CA)을 노출시키는 제2 포토레지스트 패턴(111)을 형성한다. 상기 제2 포토레지스트 패턴(111)을 식각 마스크로 사용하여 상기 예비 역 핀 마스크 패턴들(105c')을 등방성 식각(isotropically etch)하여 최종 역 핀 마스크 패턴들(105c")을 형성한다. 상기 예비 역 핀 마스크 패턴들(105c')이 실리콘 질화막으로 형성된 경우에, 상기 등방성 식각 공정은 인산 용액(H3PO4)을 사용하여 실시할 수 있다. 다음에, 상기 제2 포토레지스트 패턴(111)을 제거한다.2, 4A, and 4B, the cell
본 발명의 다른 실시예들에서, 상기 제2 포토레지스트 패턴(111)을 제거하기 전에 상기 최종 역 핀 마스크 패턴들(105c") 및 상기 제2 포토레지스트 패턴(111)을 이온주입 마스크들로 사용하여 상기 셀 활성영역(109c) 내로 불순물 이온들(IM)을 주입하여 채널 불순물 영역들(CH)을 형성할 수 있다. 상기 채널 불순물 영역들 (CH)은 후속 공정에서 형성되는 핀 전계효과 트랜지스터들의 문턱전압을 조절하기 위하여 형성된다. 이와는 달리, 상기 불순물 이온들(IM)은 상기 제2 포토레지스트 패턴(111)을 이온 주입 마스크로 사용하여 상기 셀 활성영역(109c)의 전체 표면에 주입될 수도 있다. 이 경우에, 상기 불순물 이온들(IM)은 상기 최종 역 핀 마스크 패턴들(105c")을 통과하도록 높은 에너지로 주입된다. 상기 불순물 이온들(IM)은 상기 제2 포토레지스트 패턴(111)을 제거한 후에 주입될 수도 있다. 이 경우에, 상기 주변 트렌치 마스크 패턴(105p) 역시 이온주입 마스크의 역할을 할 수 있다. 상기 불순물 이온들(IM)을 주입한 후에, 열처리 공정을 실시할 수 있다. 상기 열처리 공정은 상기 채널 불순물 영역들(CH) 내의 상기 불순물 이온들을 활성화시키기 위하여 실시된다.In other embodiments of the present invention, the final reverse
도 2, 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 상기 제2 포토레지스트 패턴(111)이 제거된 기판 상에 절연막을 형성한다. 상기 절연막은 상기 소자분리막들(107c, 107p)과 동일한 물질막으로 형성할 수 있다. 예를 들면, 상기 절연막은 화학기상증착(CVD) 기술을 사용하여 실리콘 산화막으로 형성할 수 있다. 상기 주변 트렌치 마스크 패턴(105p) 및 상기 역 핀 마스크 패턴들(105c")이 노출될 때까지 상기 절연막을 평탄화시키어 상기 주변 소자분리막(107p)을 덮는 추가 주변 소자분리막(additional peripheral isolation layer; 113p) 및 상기 역 핀 마스크 패턴들(105c") 사이의 영역을 채우는 핀 마스크 패턴(113c)을 형성한다. 이어서, 상기 주변 트렌치 마스크 패턴(105p) 및 상기 역 핀 마스크 패턴들(105c")을 제거하여 상기 주변 활성영역(109p)을 노출시킴과 동시에 상기 셀 활성영역(109c)의 두 영역들을 노출시킨다. 상기 주변 트렌치 마스크 패턴(105p) 및 상기 역 핀 마스크 패턴들(105c") 역시 인산 용액을 사용하여 제거할 수 있다. 상기 마스크 패턴들(105p, 105c")을 제거하는 동안 상기 마스크 패턴들(105p, 105c") 하부의 상기 패드 산화막(103) 역시 제거될 수 있다.2, 5A, and 5B, an insulating film is formed on the substrate from which the
상기 주변 트렌치 마스크 패턴(105p) 및 상기 역 핀 마스크 패턴들(105c")이 제거된 기판 상에 상기 셀 어레이 영역(CA)을 노출시키는 제3 포토레지스트 패턴(115)을 형성한다. 도 4a 및 도 4b를 참조하여 설명된 상기 채널 불순물 영역들(CH)의 형성이 생략된 경우에, 상기 제3 포토레지스트 패턴(115) 및 상기 핀 마스크 패턴(113c)을 이온주입 마스크들로 사용하여 상기 셀 활성영역(109c) 내로 불순물 이온들을 주입하여 채널 불순물 영역들을 형성할 수 있다. 이와는 달리, 상기 제3 포토레지스트 패턴(115)만을 이온주입 마스크로 사용하여 상기 셀 활성영역(109c)의 전체 표면에 불순물 이온들을 주입하여 채널 불순물 영역을 형성할 수 있다. 상기 채널 불순물 영역들 내의 상기 불순물 이온들 역시 열처리 공정을 통하여 확산될 수 있다.A
상기 제3 포토레지스트 패턴(115) 및 상기 핀 마스크 패턴(113c)을 식각 마스크들로 사용하여 상기 셀 활성영역(109c)의 상기 노출된 영역들을 선택적으로 식각하여 한 쌍의 핀 트렌치 영역들, 즉 제1 및 제2 핀 트렌치 영역들(117t', 117t")을 형성한다. 상기 제1 트렌치 영역(117t')은 도 5b에 도시된 바와 같이 그것의 양 옆에 각각 배치되는 제1 채널 핀(119a) 및 제2 채널 핀(119b)을 한정한다. 이와 마찬가지로(similarly), 상기 제2 트렌치 영역(117t") 역시 도 2에 도시된 바와 같이 그것의 양 옆에 각각 배치되는 제1 채널 핀(119c) 및 제2 채널 핀(119d)을 한정한다. 이에 더하여, 상기 제1 및 제2 핀 트렌치 영역들(117t', 117t")은 도 5a에 도시된 바와 같이 상기 셀 활성영역(109c)의 중심부에 해당하는 제1 연결부(a first connection; 109a)와 아울러서 상기 셀 활성영역(109c)의 양 단들에 각각 해당하는 제2 및 제3 연결부들(109b', 109b")을 한정한다. 즉, 상기 제1 핀 트렌치 영역(117t')에 인접한 상기 제1 및 제2 채널 핀들(119a, 119b)의 단부들(ends)은 상기 제1 및 제2 연결부들(109a, 109b')에 의해 연결되고, 상기 제2 핀 트렌치 영역(117t")에 인접한 상기 제1 및 제2 채널 핀들(도 2의 119c 및 119d)의 단부들은 상기 제1 및 제3 연결부들(109a, 109b")에 의해 연결된다.The exposed regions of the cell
상기 제1 핀 트렌치 영역(117t')에 인접한 상기 제1 및 제2 채널 핀들(119a, 119b)과 아울러서 상기 제1 및 제2 연결부들(109a, 109b')은 제1 이중 핀 바디(a first double fin body; 109d')를 구성하고, 상기 제2 핀 트렌치 영역(117t")에 인접한 상기 제1 및 제2 채널 핀들(119c, 119d)과 아울러서 상기 제1 및 제3 연결부들(109a, 109b")은 제2 이중 핀 바디(a second double fin body; 109d")를 구성한다. 결과적으로, 상기 제1 및 제2 이중 핀 바디들(109d', 109d")은 상기 제1 연결부(109a)를 공유한다.In addition to the first and
한편, 도 4a 및 도 4b에 보여진 상기 예비 역 핀 마스크 패턴들(105c')의 등방성 식각 시간(isotropically etch time)을 적절히 조절하면, 상기 채널 핀들(119a, 119b, 119c, 119d)은 사진공정의 한계 해상도(resolution limit)보다 작은 미세한 폭들(W)을 갖도록 형성될 수 있다.Meanwhile, when the isotropically etch time of the preliminary inverse
본 발명의 다른 실시예에서, 상기 제3 포토레지스트 패턴(115) 및 상기 핀 마스크 패턴(113c)을 이온주입 마스크로 사용하여 상기 핀 트렌치 영역들(117t', 117t") 하부의 상기 기판(1) 내로 불순물 이온들을 주입하여 채널 저지층(channel stop layer; 121c)을 형성할 수 있다. 상기 채널 저지층(121c)은 상기 기판(1)과 동일한 도전형을 갖는 불순물 이온들을 주입하여 형성할 수 있다.In another embodiment, the
도 2, 도 6a 및 도 6b를 참조하면, 상기 핀 마스크 패턴(113c)을 제거하여 상기 핀 바디들(109d', 109d")의 상부면들을 노출시키고, 상기 예비 셀 소자분리막(107c)을 부분 식각하여 리세스된 셀 소자분리막(107c')을 형성한다. 그 결과, 상기 핀 바디들(109d', 109d")의 외측벽들이 노출되어 상기 핀 바디들을 상대적으로 돌출시킨다. 상기 핀 마스크 패턴(113c)이 상기 예비 셀 소자분리막(107c)과 동일한 물질막으로 형성된 경우에, 상기 핀 마스크 패턴(113c) 및 상기 예비 셀 소자분리막(107c)은 단일 식각 공정(a single etching process)을 사용하여 식각될 수 있다. 상기 리세스된 셀 소자분리막(107c')의 상부면은 상기 핀 트렌치 영역들(117t', 117t")의 바닥면들과 동일한 레벨에 위치할 수 있다. 이와는 달리, 상기 리세스된 셀 소자분리막(107c')의 상부면은 상기 핀 트렌치 영역들(117t', 117t")의 바닥면들보다 높거나 낮을 수 있다. 상기 리세스된 셀 소자분리막(107c')을 형성한 후에, 상기 제3 포토레지스트 패턴(115)을 제거한다.2, 6A, and 6B, the
본 발명의 다른 실시예들에서, 상기 리세스된 셀 소자분리막(107c')을 형성하기 위한 식각 공정은 상기 제3 포토레지스트 패턴(115)을 제거한 후에 실시될 수도 있다. 이 경우에, 상기 추가 주변 소자분리막(113p)은 상기 리세스된 셀 소자분 리막(107c')을 형성하는 동안 식각될 수 있다.In other embodiments of the inventive concept, an etching process for forming the recessed cell
본 발명의 또 다른 실시예들에서, 상기 제3 포토레지스트 패턴(115)을 제거한 후에 상기 셀 어레이 영역(CA) 및 상기 주변회로 영역(PCA) 내의 상기 핀 마스크 패턴(113c) 및 추가 주변 소자분리막(113p)을 동시에 전면 식각하고 상기 예비 셀 소자분리막(107c) 및 주변 소자분리막(107p)을 부분식각하여 리세스된 셀 소자분리막(107c') 및 리세스된 주변 소자분리막(미도시)을 형성할 수 있다. 이 경우에, 상기 핀 바디들(109d', 109d")의 외측벽들 뿐만 아니라 상기 주변 활성영역(109p)의 외측벽들 또한 노출된다. 즉, 상기 주변회로 영역(PCA)에도 핀 바디가 형성될 수 있다.In example embodiments, the
본 발명의 또 다른 실시예들에 따르면, 상기 4개의 채널 핀들(119a, 119b, 119c, 119d)로 구성되는 한 쌍의 이중 핀 바디들(109d', 109d") 대신에 하나의 채널 핀으로 구성된 한 쌍의 단일 핀 바디들(a pair of single fin bodies)을 형성할 수 있다. 구체적으로, 도 3a 및 도 3b에 도시된 상기 트렌치 마스크 패턴들(105c, 105p), 주변 소자분리막(107p) 및 예비 셀 소자분리막(107c)을 형성한 후에, 도 3a에 보여진 상기 제1 포토레지스트 패턴(110)의 사용 대신에 상기 주변회로 영역(PCA)을 덮고 상기 셀 어레이 영역(CA)을 노출시키는 포토레지스트 패턴을 사용하여 상기 예비 셀 소자분리막(107c)만을 직접 리세스시킬 수도 있다. 즉, 본 실시예들에 따르면, 상기 핀 트렌치 영역들(도 5a의 117t' 및 117t")을 형성하는 공정이 생략될 수 있다. 이에 따라, 셀 활성영역(109c)의 전체가 상대적으로 돌출되므로, 상기 셀 어레이 영역(CA) 내에 서로 연결된 한 쌍의 단일 핀 바디들(a pair of single fin bodies)이 형성된다.According to still other embodiments of the present invention, one channel pin is configured instead of the pair of
도 2, 도 7a 및 도 7b를 참조하면, 상기 리세스된 셀 소자분리막(107c')을 갖는 기판의 표면을 세정한다. 상기 세정공정은 불산을 함유하는 화학용액을 사용하여 실시될 수 있다. 상기 세정공정 동안 상기 추가 주변 소자분리막(113p)이 식각될 수 있다. 그 결과, 상기 주변 활성영역(109p)을 둘러싸는 최종 주변 소자분리막(final peripheral isolation layer; 107p')이 형성된다.2, 7A, and 7B, the surface of the substrate having the recessed cell
상기 핀 바디들(109d', 109d")의 표면들 및 상기 주변 활성영역(109p)의 표면에 각각 셀 게이트 절연막(123c) 및 주변 게이트 절연막(123p)을 형성한다. 상기 셀 게이트 절연막(123c)은 상기 주변 게이트 절연막(123p)과 다른 두께를 갖도록 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 주변 게이트 절연막(123p)이 고전압 모스 트랜지스터의 게이트 절연막에 해당하는 경우에, 상기 주변 게이트 절연막(123p)은 상기 셀 게이트 절연막(123c)보다 두껍도록 형성될 수 있다. 이와는 달리, 상기 주변 게이트 절연막(123p)이 저전압 모스 트랜지스터의 게이트 절연막에 해당하는 경우에, 상기 주변 게이트 절연막(123p)은 상기 셀 게이트 절연막(123c)과 동일한 두께를 갖도록 형성될 수 있다.The cell
상기 게이트 절연막들(123c, 123p)을 갖는 기판 상에 게이트 도전막을 형성하고, 상기 게이트 도전막을 패터닝하여 상기 주변 활성영역(109p)의 상부를 가로지르는 주변 게이트 전극(125p) 및 상기 핀 트렌치 영역들(도 6a 및 도 6b의 117t', 117t")을 덮는 한 쌍의 셀 게이트 전극들(125c)을 형성한다. 특히, 상기 셀 게이트 전극들(125c)은 상기 채널 핀들(119a, 119b, 119c, 119d)의 상부면들 및 측 벽들을 덮도록 형성된다. 이에 따라, 제한된 면적 내에서 평면형 모스 트랜지스터들(planar MOS transistors)에 비하여 채널 폭을 증가시킬 수 있다. 상기 셀 게이트 전극들(125c)은 상기 핀 바디들을 가로지르도록 연장될 수 있다. 이 경우에, 상기 셀 게이트 전극들(125c)은 워드라인들(도 1의 WL)의 역할을 한다. 이에 더하여, 상기 주변 게이트 전극(125p)은 상기 셀 게이트 전극들(125c)과 다른 폭을 갖도록 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 주변 게이트 전극(125p)이 저전압 PMOS 트랜지스터이거나 고전압 모스 트랜지스터인 경우에, 상기 주변 게이트 전극(125p)의 폭(주변 채널 길이에 해당; Lp)은 상기 셀 게이트 전극들(125c)의 폭(셀 채널 길이에 해당; Lc)보다 클 수 있다. 구체적으로, 상기 주변 게이트 전극(125p)의 폭(Lp)은 상기 셀 게이트 전극들(125c)의 폭(Lc)의 적어도 1.5배일 수 있다. 이와는 달리, 상기 주변 게이트 전극(125p)이 저전압 NMOS 트랜지스터인 경우에, 상기 주변 게이트 폭(Lp)은 상기 셀 게이트 폭(Lc)과 동일할 수 있다.A gate conductive layer is formed on a substrate having the
본 발명의 또 다른 실시예들에 따르면, 도 6a 및 도 6b를 참조하여 설명된 상기 예비 셀 소자분리막(107c)의 리세스 공정을 생략할 수 있다. 즉, 상기 핀 마스크 패턴(113c)을 제거한 후에 상기 예비 셀 소자분리막(107c)의 리세스 공정을 생략할 수 있다. 이 경우에, 상기 예비 셀 소자분리막(107c)이 최종 셀 소자분리막에 해당한다. 상기 예비 셀 소자분리막(107c)의 리세스 공정을 생략하면, 도 18a 및 도 18b에 도시된 바와 같이 상기 셀 게이트 전극들(125c)을 패터닝하기가 용이할 수 있다.According to still other embodiments of the present disclosure, the recess process of the preliminary
도 2, 도 8a 및 도 8b를 참조하면, 상기 게이트 전극들(125c, 125p)을 이온 주입 마스크들로 사용하여 상기 주변 활성영역(도 7a의 109p) 및 상기 핀 바디(109d', 109d")들 내에 N형의 불순물 이온들을 주입하여 N형의 저농도 불순물 영역(127)을 형성할 수 있다. 상기 주변 게이트 전극(125p)이 PMOS 트랜지스터의 게이트 전극에 해당하는 경우에, 상기 N형의 불순물 이온들은 상기 핀 바디들(109d', 109d") 내에만 선택적으로 주입될 수 있다. 이어서, 상기 게이트 전극들(125c, 125p)의 측벽들 상에 게이트 스페이서들(129)을 형성한다. 상기 게이트 스페이서들(129)은 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막과 같은 절연막으로 형성할 수 있다.2, 8A, and 8B, the peripheral active region (109p of FIG. 7A) and the
상기 셀 게이트 전극들(125c) 및 그들의 측벽들 상의 상기 게이트 스페이서들(129)을 이온주입 마스크들로 사용하여 상기 핀 바디들(109d', 109d"), 즉 상기 제1 내지 제3 연결부들(도 7a의 109a, 109b', 109b") 내에 N형의 불순물 이온들을 주입하여 상기 N형의 저농도 불순물 영역(127)보다 높은 농도를 갖는 N형의 고농도 불순물 영역들을 형성한다. 결과적으로, 상기 제1 연결부(109a) 내에 셀 소오스 영역(131s)이 형성되고, 상기 제2 및 제3 연결부들(109b', 109b") 내에 셀 드레인 영역들(131d)이 형성된다. 상기 셀 소오스 영역(131s)은 공통 소오스 영역의 역할을 한다. The
계속해서, 상기 주변 게이트 전극(125p) 및 그것의 측벽 상의 상기 스페이서(129)를 이온주입 마스크들로 사용하여 상기 주변 활성영역(109p) 내에 P형 또는 N형의 불순물 이온들을 주입하여 주변 소오스 영역(133s) 및 주변 드레인 영역(133d)을 형성한다.Subsequently, P-type or N-type impurity ions are implanted into the peripheral
상기 주변회로 모스 트랜지스터(TP)가 NMOS 트랜지스터인 경우에, 상기 셀 소오스/드레인 영역들(131s, 131d) 및 상기 주변 소오스/드레인 영역들(133s, 133d)은 1회의 이온주입 공정(a single step of ion implantation process)을 사용하여 동시에 형성될 수 있다.When the peripheral circuit MOS transistor TP is an NMOS transistor, the cell source /
결과적으로, 상기 셀 어레이 영역(CA) 내의 상기 핀 바디들에 상기 셀 게이트 전극들(125c) 및 상기 셀 소오스/드레인 영역들(131s, 131d)로 구성된 한 쌍의 억세스 모스 트랜지스터들(TA), 즉 한 쌍의 핀 전계효과 트랜지스터들이 형성되고, 상기 주변 활성영역(109p)에 상기 주변 게이트 전극(125p) 및 상기 주변 소오스/드레인 영역들(133s, 133d)로 구성된 주변회로 모스 트랜지스터(TP)가 형성된다.As a result, a pair of access MOS transistors TA including the
상기 주변 소자분리막(107p')의 상부면이 상기 주변 활성영역(109p)의 상부면과 동일하거나 높으면, 상기 주변회로 모스 트랜지스터(TP)는 평판형(planar-type) 모스 트랜지스터에 해당한다. 다시 말해서, 상기 주변회로 모스 트랜지스터(TP)는 평판형의 단일 채널 영역(a planar-type single channel region)을 갖도록 형성된다. 그러나, 상기 주변 소자분리막(107p')의 상부면이 상기 주변 활성영역(109p)의 상부면보다 낮으면, 상기 주변회로 모스 트랜지스터(TP)는 단일 핀 바디를 갖는 핀 전계효과 트랜지스터에 해당한다.When the upper surface of the peripheral
한편, 상술한 실시예들에 의해 제조된 억세스 모스 트랜지스터들(TA)의 각각은 셀 소오스 영역(131s) 및 셀 드레인 영역들(131d) 사이의 채널로서 다중 채널 영역들(multiple channel regions)을 갖는다. 예를 들어, 상기 제1 핀 바디(도 6a의 109d')에 형성된 제1 억세스 모스 트랜지스터(TA)는 상기 제1 핀 트렌치 영역(117')에 의해 서로 이격된 상기 제1 및 제2 채널 핀들(119a, 119b)에 각각 형성된 제1 및 제2 채널 영역들을 구비한다. 구체적으로, 상기 제1 채널 영역은 상기 제1 채널 핀(119a)의 양 측벽들에 형성되는 2개의 수직 채널부들 및 상기 제1 채널 핀(119a)의 상부면에 형성되는 수평 채널부를 포함할 수 있고, 상기 제2 채널 영역은 상기 제2 채널 핀(119b)의 양 측벽들에 형성되는 2개의 수직 채널부들 및 상기 제2 채널 핀(119b)의 상부면에 형성되는 수평 채널부를 포함할 수 있다. 이와 마찬가지로, 상기 제2 핀 바디(도 6a의 109d")에 형성된 제2 억세스 모스 트랜지스터(TP) 역시 상기 제2 핀 트렌치 영역(117")에 의해 서로 이격된 상기 제1 및 제2 채널 핀들(119c, 119d)에 형성되는 4개의 수직 채널부들 및 2개의 수평 채널부들을 포함할 수 있다. 결과적으로, 상기 억세스 모스 트랜지스터들(TA)의 각각은 6개의 채널부들을 포함할 수 있다.Meanwhile, each of the access MOS transistors TA manufactured by the above-described embodiments has multiple channel regions as a channel between the
한편, 도 18a 및 도 18b에 도시된 바와 같이, 상기 셀 소자분리막(107c)이 리세스되지 않는다면, 상기 제1 억세스 모스 트랜지스터(TA)는 상기 제1 핀 트렌치 영역(117')에 접하는 상기 제1 및 제2 채널 핀들(119a, 119b)의 내측벽들에 형성되는 2개의 수직 채널부들 및 상기 제1 및 제2 채널 핀들(119a, 119b)의 상부면들에 형성되는 2개의 수평 채널부들로 구성되는 4개의 채널부들을 포함할 수 있다. 이 경우에, 상기 제2 억세스 모스 트랜지스터(TP) 역시 4개의 채널부들을 포함할 수 있다.18A and 18B, when the
더 나아가서, 상기 채널 저지층들(121c)을 형성하는 공정이 생략되는 경우에, 상기 제1 및 제2 핀 트렌치 영역들(117t', 117t")의 바닥면들의 하부에 수평 채널 영역들이 추가로 형성될 수 있다. 결과적으로, 본 실시예들에 따르면, 상기 억세스 모스 트랜지스터들(TA)의 각각은 다중 채널 영역들을 갖도록 형성된다. 본 발명의 실시예들이 상변화 기억소자를 예로 하여 설명될지라도, 상기 다중 채널 영역들을 갖는 상기 억세스 모스 트랜지스터들(TA)은 상기 상변화 기억소자 이외의 다른 프로그래머블 기억소자들에도 적용될 수 있다. 예를 들면, 상기 다중 채널 영역들을 갖는 억세스 모스 트랜지스터들(TA)은 자기램 셀의 스위칭 트랜지스터들에 적용될 수 있다.Furthermore, in the case where the process of forming the
계속해서, 적어도 상기 주변 소오스/드레인 영역들(133s, 133d) 상에 선택적으로 통상의 샐리사이드(salicide; self-aligned silicide) 기술을 사용하여 주변 금속 실리사이드막(135p)을 형성할 수 있다. 예를 들면, 상기 셀 어레이 영역(CA)을 덮고 상기 주변회로 영역(PCA)을 노출시키는 실리사이드화 저지막(silicidation blocking layer; 도시하지 않음)을 형성한 다음에, 상기 주변 게이트 전극(125p) 및 상기 주변 소오스/드레인 영역들(133s, 133d) 상에 선택적으로 상기 주변 금속 실리사이드막(135p)을 형성할 수 있다. 상기 주변 게이트 전극(125p) 상에 절연막으로 이루어진 캐핑막이 형성된 경우에, 상기 주변 금속 실리사이드막(135p)은 상기 주변 소오스/드레인 영역들(133s, 133d) 상에만 선택적으로 형성될 수 있다. 상기 실리사이드화 저지막은 실리콘 질화막으로 형성할 수 있다.Subsequently, the peripheral
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 셀 소오스/드레인 영역들(131s, 131d) 및 상기 주변 소오스/드레인 영역들(133s, 133d) 상에 각각 셀 금속 실리사이드막(135c) 및 주변 금속 실리사이드막(135p)을 선택적으로 형성할 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이, 상기 게이 트 전극들(125c, 125p) 및 상기 소오스/드레인 영역들(131s, 131d, 133s, 133d) 상에 선택적으로 상기 금속 실리사이드막들(135c, 135p)이 형성될 수도 있다.According to another exemplary embodiment of the present invention, the cell
상기 금속 실리사이드막들(135c, 135p)을 포함하는 기판 상에 하부 식각저지막(137)을 형성한다. 상기 하부 식각저지막(137)은 실리콘 산화막과 같은 절연막에 대하여 식각 선택비를 갖는 실리콘 질화막으로 형성할 수 있다.The lower
도 2, 도 9a 및 도 9b를 참조하면, 상기 하부 식각저지막(137) 상에 평탄화된 하부 절연막(139)을 형성한다. 상기 하부 절연막(139)은 실리콘 산화막으로 형성할 수 있다. 상기 하부 식각저지막(137) 및 상기 하부 절연막(139)은 하부 층간절연막(141)을 구성한다. 상기 하부 식각저지막(137)을 형성하는 공정은 생략할 수도 있다. 상기 하부 층간절연막(141)을 패터닝하여 상기 셀 소오스/드레인 영역들(131s, 131d) 상의 상기 셀 금속 실리사이드막들(135c)을 노출시키는 셀 소오스/드레인 콘택 홀들(141s', 141d')과 아울러서 상기 주변 소오스/드레인 영역들(133s, 133d) 상의 상기 주변 금속 실리사이드막들(135p)을 노출시키는 주변 소오스/드레인 콘택 홀들(141s", 141d")을 형성한다.2, 9A, and 9B, a planarized lower insulating
상기 셀 소오스/드레인 콘택 홀들(141s', 141d') 및 상기 주변 소오스/드레인 콘택홀들(141s", 141d") 내에 각각 통상의 방법을 사용하여 셀 소오스/드레인 콘택 플러그들(143s', 143d') 및 주변 소오스/드레인 콘택 플러그들(143s", 143d")을 형성한다. 상기 소오스/드레인 콘택 플러그들(143s', 143s", 143d', 143d")은 텅스텐막으로 형성할 수 있다. 상기 소오스/드레인 콘택 플러그들(143s', 143s", 143d', 143d")을 갖는 기판 상에 상부 층간절연막(26)을 형성한다. 상기 상부 층간 절연막(26)은 상부 식각저지막(23) 및 상부 절연막(25)을 차례로 적층시키어 형성할 수 있다. 이 경우에, 상기 상부 식각저지막(23)은 상기 상부 절연막(25)에 대하여 식각 선택비를 갖는 절연막으로 형성하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 상기 상부 절연막(25)을 실리콘 산화막으로 형성하는 경우에, 상기 상부 식각저지막(23)은 실리콘 질화막으로 형성할 수 있다. 상기 상부 식각저지막(23)을 형성하는 공정은 생략될 수도 있다. 상기 상부 층간절연막(26) 및 상기 하부 층간절연막(141)은 층간절연막을 구성한다.Cell source / drain contact plugs 143s' and 143d in the cell source /
도 2 및 도 10를 참조하면, 상기 셀 어레이 영역(CA) 내의 상기 상부 층간절연막(26) 내에 통상의 다마신 공정을 사용하여 셀 드레인 패드들(cell drain pads; 27d') 및 공통 소오스 라인(common source line; 27s')을 형성한다. 이에 더하여, 상기 셀 드레인 패드들(27d') 및 공통 소오스 라인(27s')을 형성하는 동안 상기 주변회로 영역(PCA) 내의 상기 상부 층간절연막(26) 내에도 주변 드레인 패드(27d") 및 주변 소오스 패드(27s")가 형성될 수 있다. 상기 셀 드레인 패드들(27d'), 공통 소오스 라인(27s'), 주변 드레인 패드(27d") 및 주변 소오스 패드(27s")는 텅스텐막과 같은 금속막으로 형성할 수 있고, 상기 공통 소오스 라인(27s')은 상기 셀 게이트 전극들(125c)에 평행하도록 형성될 수 있다. 상기 셀 드레인 패드들(27d') 및 상기 공통 소오스 라인(27s')은 각각 상기 셀 드레인 콘택 플러그들(143d') 및 상기 셀 소오스 콘택 플러그(143s')에 접촉하도록 형성되고, 상기 주변 드레인 패드(27d") 및 상기 주변 소오스 패드(27s")는 각각 상기 주변 드레인 콘택 플러그(143d") 및 상기 주변 소오스 콘택 플러그(143s")에 접촉하도록 형성된다. 결과적 으로, 상기 공통 소오스 라인(27s') 및 상기 셀 드레인 패드들(27d')은 각각 상기 셀 소오스 영역(131s) 및 셀 드레인 영역들(131d)에 전기적으로 접속되고, 상기 주변 소오스 패드(27s") 및 상기 주변 드레인 패드(27d")는 각각 상기 주변 소오스 영역(133s) 및 주변 드레인 영역(133d)에 전기적으로 접속된다.2 and 10,
상기 셀 드레인 패드들(27d'), 공통 소오스 라인(27s'), 주변 드레인 패드(27d") 및 주변 소오스 패드(27s")를 갖는 기판 상에 몰딩막(molding layer; 29)을 형성한다. 상기 몰딩막(29)은 통상의 층간절연막으로 사용되는 실리콘 산화막보다 높은 열전도도(thermal conductivity)를 갖는 절연막으로 형성하는 것이 바람직하다. 이에 더하여, 상기 몰딩막(29)은 산소 장벽막의 역할을 하는 절연막으로 형성하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 상기 몰딩막(29)은 실리콘 산질화막(silicon oxynitride layer; SiON layer) 또는 실리콘 질화막과 같은 질화막으로 형성할 수 있다. 이는 후속 공정에서 형성되는 상변화 물질막의 상변이(phase transition)를 위한 냉각 효율(cooling efficiency), 즉 급냉 효율(quenching efficiency)을 향상시키면서 상기 상변화 물질막 및 이와 접촉하는 상/하부 전극들 사이의 계면들로 산소원자들이 침투하는 것을 방지하기 위함이다. 이어서, 상기 몰딩막(29)을 패터닝하여 상기 셀 드레인 패드들(27d')을 노출시키는 상변화 저항체 콘택 홀들(phase change resistor contact holes; 29a)을 형성한다.A
도 2 및 도 11을 참조하면, 상기 상변화 저항체 콘택홀들(29a)을 갖는 기판 상에 콘포말한(conformal) 콘택 스페이서막(34)을 형성할 수 있다. 상기 콘택 스페이서막(34)은 진공 하에서 산소 가스의 사용 없이 형성되는 것이 바람직하다. 만일 상기 콘택 스페이서막(34)을 산소 가스를 포함하는 공정 가스를 사용하여 형성한다면, 상기 콘택 스페이서막(34)은 상기 노출된 셀 드레인 패드들(27d')의 산화를 억제시키기 위하여 가능한 낮은 온도에서 형성되는 것이 바람직하다.2 and 11, a conformal
상기 콘택 스페이서막(34)은 단일 콘택 스페이서막(a single contact spacer layer) 또는 이중 콘택 스페이서막(a double contact spacer layer)으로 형성할 수 있다. 상기 이중 콘택 스페이서막은 하부 콘택 스페이서막(31) 및 상부 콘택 스페이서막(33)을 차례로 적층시키어 형성할 수 있다. 이 경우에, 상기 하부 콘택 스페이서막(31)은 500℃보다 낮은 온도에서 실시되는 플라즈마 CVD 기술을 사용하여 실리콘 산질화막으로 형성할 수 있고, 상기 상부 콘택 스페이서막(33)은 500℃보다 높은 온도에서 실시되는 저압 CVD 기술을 사용하여 실리콘 질화막으로 형성할 수 있다. 상기 단일 콘택 스페이서막은 저압 CVD 기술 또는 플라즈마 CVD 기술을 사용하여 실리콘 질화막으로 형성할 수 있다.The
도 2 및 도 12를 참조하면, 상기 콘택 스페이서막(34)을 이방성 식각하여 상기 셀 드레인 패드들(27d')을 노출시킨다. 그 결과, 상기 상변화 저항체 콘택홀들(29a)의 측벽들 상에 콘택 스페이서들(34a)이 형성된다. 상기 콘택 스페이서막(34)이 상기 하부 콘택 스페이서막(31) 및 상기 상부 콘택 스페이서막(33)을 차례로 적층시킴으로써 형성되면, 상기 콘택 스페이서들(34a)의 각각은 도 12에 도시된 바와 같이 상기 상변화 저항체 콘택홀(29a)의 측벽을 덮는 외부 콘택 스페이서(31a) 및 상기 외부 콘택 스페이서(31a)의 내측벽(inner sidewall)을 덮는 내부 콘택 스페이서(33a)를 구비하도록 형성된다. 이 경우에, 상기 외부 콘택 스페이서(31a)의 하부 (lower portion)는 상기 이방성 식각 공정 후에 노출될 수 있다. 상기 상변화 저항체 콘택홀들(29a)의 유효 직경(effective diameter)은 상기 콘택 스페이서(34a)의 존재에 기인하여 사진공정의 한계 해상도(resolution limit)보다 작을 수 있다. 즉, 본 실시예에 따르면, 상기 콘택 스페이서들(34a)의 형성은 상기 초기의 상변화 저항체 콘택홀들(29a)의 크기의 감소와 아울러서 상기 셀 드레인 패드들(27d')의 산화(oxidation)의 억제(suppression)로 이어질 수 있다.2 and 12, the
계속해서, 상기 콘택 스페이서들(34a)을 포함하는 기판 상에 하부전극막을 형성하여 상기 상변화 저항체 콘택홀들(29a)을 채운다. 상기 하부전극막은 타이타늄 질화막 또는 타이타늄 알루미늄 질화막(TiAlN)과 같은 도전막으로 형성할 수 있다. 이어서, 상기 하부전극막을 평탄화시키어 상기 몰딩막(29)을 노출시킨다. 그 결과, 상기 콘택 스페이서들(34a)에 의해 둘러싸여진 상기 상변화 저항체 콘택홀들(29a) 내에 하부전극들(35)이 형성된다. 상기 하부전극막을 평탄화시키는 동안 상기 하부전극막을 과도식각하여 상기 상변화 저항체 콘택홀들(29a) 내에 리세스된 하부전극들을 형성할 수도 있다.Subsequently, a lower electrode layer is formed on the substrate including the
상기 하부전극들(35)을 갖는 기판 상에 상변화 물질막(37) 및 상부전극막(39)을 차례로 형성한다. 상기 상변화 물질막(37)은 칼코게나이드막(chalcogenide layer)으로 형성할 수 있다, 예를 들면 상기 상변화 물질막(37)은 게르마늄(Ge), 스티비움(Sb) 및 텔루리움(Te)의 합금막(alloy layer), 즉 TexSbyGe(100-(x+y))
합금막(이하, "GST 합금막"이라 함)으로 형성할 수 있다. 여기서, 상기 "x"는 20 내지 80 일 수 있고, 상기 "y"는 5 내지 50일 수 있다. 다시 말해서, 상기 GST 합금막은 20 atomic% 내지 80 atomic%의 농도를 갖는 텔루리움(Te), 5 atomic% 내지 50 atomic%의 농도를 갖는 스티비움(Sb), 및 0 atomic%보다 크고 75 atomic%와 같거나 작은 농도를 갖는 게르마늄(Ge)을 함유할 수 있다. 더 나아가서, 상기 상변화 물질막(37)은 질소 및 실리콘중 적어도 하나로 도우핑된 GST 합금막(alloy layer)으로 형성할 수 있다. 이 경우에, 상기 도우프트 GST 합금막(doped GST alloy layer)은 상기 언도우프트(undoped) GST 합금막보다 더 높은 비저항(resistivity)을 갖는다. 이에 따라, 상기 도우프트 GST 합금막은 동일한 전류 레벨에서(at the same current level) 상기 언도우프트 GST 합금막보다 높은 주울 열(joule heat)을 발생시킨다. 결과적으로, 상기 상변화 물질막(37)을 상기 도우프트 GST 합금막으로 형성하면, 상기 상변화 물질막(37)의 상변이 효율(phase transition efficiency)을 개선시킬 수 있다. 상기 상부전극막(39)은 타이타늄 질화막과 같은 도전막으로 형성할 수 있다.The phase
상기 상부전극막(39) 상에 하드 마스크막(43)을 추가로 형성할 수 있다. 이 경우에, 상기 하드 마스크막(43)을 형성하기 전에 상기 상부전극막(39) 상에 글루막(glue layer; 41)을 추가로 형성하는 것이 바람직하다. 상기 글루막(41)은 상기 상부전극막(39) 및 상기 하드 마스크막(43) 사이의 접착력(adhesion)을 향상시키기 위하여 형성한다. 상기 하드 마스크막(43)은 실리콘 산화막으로 형성할 수 있고, 상기 글루막(41)은 실리콘 질화막으로 형성할 수 있다.A
도 2 및 도 13을 참조하면, 상기 하드 마스크막(43)을 패터닝하여 상기 하부 전극들(35)의 상부에 위치하는 하드 마스크 패턴들(43a)을 형성한다. 이어서, 상기 하드 마스크 패턴들(43a)을 식각 마스크들로 사용하여 상기 글루막(도 12의 41), 상부전극막(도 12의 39) 및 상변화 물질막(도 12의 37)을 연속적으로 식각하여 상기 하부전극들(35) 상에 상변화 저항체 패턴들(44a)을 형성한다. 그 결과, 상기 상변화 저항체 패턴들(44a)의 각각은 차례로 적층된 상변화 물질막 패턴(37a), 상부전극(39a) 및 글루막 패턴(41a)을 갖도록 형성된다. 상기 하부전극(35)과 아울러서 상기 하부전극(35) 상에 차례로 적층된 상기 상변화 물질막 패턴(37a) 및 상부전극(39a)은 프로그래머블 저항체, 즉 상변화 저항체를 구성한다.2 and 13, the
더 나아가서, 상기 상변화 저항체 패턴들(44a)을 형성한 후에, 상기 몰딩막(29)을 추가로 부분 식각할 수 있다. 이에 따라, 상기 이웃하는 상변화 물질막 패턴들(neighboring phase change material layer patterns; 37a)이 완전히 격리되고(separated), 상기 몰딩막(29)은 상기 상변화 물질막 패턴들(37a)과 자기정렬된 돌출부들을 갖는다. 결과적으로, 상기 상변화 저항체 패턴들(44a)을 형성한 후에, 상기 몰딩막(29)은 표면 단차(surface step difference; S)를 가질 수 있다.Furthermore, after the phase
상기 상변화 저항체 패턴들(44a)을 갖는 기판 상에 산소 장벽막(oxygen barrier layer; 48)을 형성한다. 결과적으로, 상기 산소 장벽막(48)은 상기 상변화 저항체 패턴들(44a)의 상부면들 및 측벽들과 아울러서 상기 몰딩막(29)의 돌출부들의 측벽들을 덮도록 형성된다. 상기 산소 장벽막(48)은 실리콘 산질화막 또는 실리콘 질화막과 같은 질화막으로 형성할 수 있다. 또한, 상기 산소 장벽막(48)은 단일 산소 장벽막(a single oxygen barrier layer) 또는 이중 산소 장벽막(a double oxygen barrier layer)으로 형성할 수 있다. 상기 이중 산소 장벽막은 하부 산소 장벽막(45) 및 상부 산소 장벽막(47)을 차례로 적층시키어 형성할 수 있다. 상기 산소 장벽막(48)은 후속 공정에서 상기 상변화 물질막 패턴들(37a) 및 상기 하부전극들(35) 사이의 계면들과 아울러서 상기 상변화 물질막 패턴들(37a) 및 상기 상부전극들(39a) 사이의 계면들에 산소원자들이 침투하는 것을 방지하기 위하여 형성한다. 이는 산소원자들이 상기 상변화 물질막 패턴들(37a) 및 상기 전극들(35, 39a) 사이의 계면들에 침투하면, 상기 상변화 물질막 패턴들(37a)이 산화되거나 오염되어 그들 고유의 특성(their own property)을 저하시키기 때문이다. 결과적으로, 상기 산소 장벽막(48)은 상기 몰딩막(29)의 돌출부들의 측벽들과 아울러서 상기 상변화 저항체 패턴들(44a)의 측벽들 및 상부면들을 완전히 감싸고 상기 상변화 저항체 패턴들(44a)의 하부면들은 산소 장벽막의 역할을 하는 상기 몰딩막(29)과 접촉하므로, 외부의 산소원자들이 상기 상변화 물질막 패턴들(37a)의 계면들로 침투하는 것을 방지할 수 있다.An
이에 더하여, 상기 산소 장벽막(48)을 형성할 때에도, 상기 상변화 물질막 패턴들(37a)의 상/하부면들(top/bottom surfaces)을 따라서 산소원자들이 침투하지 않아야 한다. 상기 산소 장벽막(48)은 상기 상변화 저항체 패턴들(44a)을 형성하기 위한 식각 공정 후에 진공 브레이크(vacuum break) 없이 인시투 공정을 사용하여 형성할 수도 있다. 더 나아가서, 상기 산소 장벽막(48)이 상기 단일 산소 장벽막으로 형성되는 경우에, 상기 단일 산소 장벽막은 350℃보다 낮은 온도에서 실시되는 플라즈마 CVD 기술을 사용하여 실리콘 산질화막 또는 실리콘 질화막과 같은 질화막 으로 형성할 수 있다. 이와는 달리, 상기 단일 산소 장벽막은 350℃보다 낮은 온도에서 실시되는 원자층 증착 기술(atomic layer deposition technique; ALD technique)을 사용하여 실리콘 산질화막 또는 실리콘 질화막과 같은 질화막으로 형성할 수도 있다.In addition, even when the
한편, 상기 산소 장벽막(48)이 상기 이중 산소 장벽막으로 형성되는 경우에, 상기 하부 산소 장벽막(45)은 350℃보다 낮은 온도에서 증착되는 상기 단일 산소 장벽막과 동일한 물질막으로 형성할 수 있고, 상기 상부 산소 장벽막(47)은 350℃보다 높은 온도에서 실시되는 플라즈마 CVD 기술 또는 저압 CVD 기술을 사용하여 실리콘 산질화막 또는 실리콘 질화막과 같은 질화막으로 형성할 수 있다.On the other hand, when the
도 2 및 도 14을 참조하면, 상기 산소 장벽막(48) 상에 실리콘 산화막과 같은 절연막을 형성한다. 이어서, 상기 절연막을 평탄화시키어 상기 상변화 저항체 패턴들(44a) 상의 상기 산소 장벽막(48)을 노출시키는 평탄화된 하부 금속층간 절연막(49)을 형성한다. 상기 산소 장벽막(48)은 상기 하부 금속층간 절연막(49)을 형성하는 동안 산소 원자들이 상기 상변화 물질막 패턴들(37a)의 상/하부면들을 따라서 침투하는 것을 방지한다. 다시 말해서, 상기 산소 장벽막(48)은 상기 상변화 저항체 패턴들(44a)의 상/하부 전극들(39a, 35) 및 상기 상변화 물질막 패턴들(37a) 사이의 계면 특성이 저하되는 것을 방지한다.2 and 14, an insulating film, such as a silicon oxide film, is formed on the
상기 하부 금속층간 절연막(49), 상기 노출된 산소 장벽막(48), 상기 하드마스크 패턴들(43a), 상기 글루막 패턴들(41a) 및 상기 몰딩막(29)을 패터닝하여 상기 상부 전극들(39a)을 노출시키는 콘택홀들(49a)과 아울러서 상기 주변 드레인 패 드(27d") 및 주변 소오스 패드(27s")를 각각 노출시키는 드레인 배선 콘택홀(49d") 및 소오스 배선 콘택홀(49s")을 형성한다. 상기 콘택홀들(49a), 드레인 배선 콘택홀(49d") 및 소오스 배선 콘택홀(49s") 내에 각각 콘택 플러그들(51), 드레인 배선 콘택 플러그(51d") 및 소오스 배선 콘택 플러그(51s")를 형성한다. 상기 콘택 플러그들(51, 51d", 51s")은 텅스텐막과 같은 도전막으로 형성할 수 있다. 상기 콘택 플러그들(51, 51d", 51s")을 갖는 기판 상에 하부 금속막을 형성하고, 상기 하부 금속막을 패터닝하여 상기 콘택 플러그들(51)을 덮는 비트라인 패드들(53), 상기 드레인 배선 콘택 플러그(51d")를 덮는 드레인 배선(53d") 및 상기 소오스 배선 콘택 플러그(51s")를 덮는 소오스 배선(53s")을 형성한다. 상기 하부 금속막은 알루미늄막 또는 알루미늄 합금막과 같은 금속막으로 형성할 수 있다.The upper electrodes may be patterned by patterning the lower
상기 비트라인 패드(53), 드레인 배선(53d") 및 소오스 배선(53s")을 갖는 기판 상에 상부 금속층간 절연막(55)을 형성하고, 상기 상부 금속층간 절연막(55)을 패터닝하여 상기 비트라인 패드들(53)을 노출시키는 비트라인 콘택홀들(55a)을 형성한다. 상기 비트라인 콘택홀들(55a)을 갖는 기판 상에 상부 금속막을 형성하고, 상기 상부 금속막을 패터닝하여 상기 비트라인 콘택홀들(55a)을 덮으면서 상기 셀 게이트 전극들(7c)의 상부를 가로지르는 비트라인(57)을 형성한다. 상기 상부 금속막 역시 알루미늄막 또는 알루미늄 합금막과 같은 금속막으로 형성할 수 있다. 상기 비트라인(57)을 갖는 기판 상에 패시베이션막(62)을 형성한다. 상기 패시베이션막(62)은 실리콘 산화막(59) 및 실리콘 질화막(61)을 차례로 적층시키어 형성할 수 있다.An upper
도 15는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 상변화 기억 소자들을 형성하는 방법을 설명하기 위하여 도 2의 Ⅰ-Ⅰ'에 따라 취해진 단면도이다.FIG. 15 is a cross-sectional view taken along line II ′ of FIG. 2 to explain a method of forming phase change memory devices according to other embodiments of the inventive concept.
도 2 및 도 15를 참조하면, 도 3a 내지 도 9a, 도 10 및 도 11을 참조하여 설명된 것과 동일한 방법들을 사용하여 집적회로 기판(1) 상에 주변회로 모스 트랜지스터(TP), 핀 전계효과 트랜지스터들, 소오스/드레인 패드들(27s', 27s", 27d', 27d"), 몰딩막(29), 상변화 저항체 콘택홀들(29a) 및 스페이서막(34)을 형성한다. 이어서, 상기 스페이서막(34)을 이방성 식각하여 상기 도 12에 도시된 콘택 스페이서들(34a)을 형성한다. 상기 콘택 스페이서들(34a)을 형성하는 공정은 생략될 수도 있다. 상기 콘택 스페이서들(34a)을 갖는 기판 상에 상변화 물질막을 형성하여 상기 상변화 저항체 콘택홀들(29a)을 채운다. 상기 상변화 물질막은 도 12를 참조하여 설명된 상변화 물질막(37)과 동일한 물질막으로 형성한다. 상기 상변화 물질막을 평탄화시키어 상기 몰딩막(29)의 표면을 노출시킨다. 그 결과, 상기 상변화 저항체 콘택홀들(29a) 내에 미세한 상변화 물질막 패턴들(201)이 형성된다.2 and 15, the peripheral circuit MOS transistor (TP), the pin field effect on the
상기 상변화 물질막 패턴들(201)을 갖는 기판 상에 상부전극막을 형성한다. 상기 상부전극막은 타이타늄 질화막과 같은 도전막으로 형성할 수 있다. 상기 상부전극막 상에 하드 마스크막을 추가로 형성할 수 있다. 이 경우에, 상기 하드 마스크막을 형성하기 전에 상기 상부전극막 상에 글루막(glue layer)을 추가로 형성하는 것이 바람직하다. 상기 글루막은 상기 상부전극막 및 상기 하드 마스크막 사이의 접착력(adhesion)을 향상시키기 위하여 형성한다. 상기 하드 마스크막은 실리콘 산화막으로 형성할 수 있고, 상기 글루막은 실리콘 질화막으로 형성할 수 있다.An upper electrode layer is formed on the substrate having the phase change
상기 하드 마스크막, 상기 글루막 및 상기 상부전극막을 식각하여 상기 상변화 물질막 패턴들(201) 상에 상부전극 패턴들을 형성한다. 그 결과, 상기 상부전극 패턴들의 각각은 차례로 적층된 상부전극(203), 글루막 패턴(205) 및 하드마스크 패턴(207)을 갖도록 형성된다. 더 나아가서, 상기 상부전극 패턴들을 형성한 후에, 상기 몰딩막(29)을 추가로 부분 식각할 수 있다. 이에 따라, 상기 이웃하는 상부전극들(203)이 완전히 격리되고(separated), 상기 몰딩막(29)은 상기 상부전극 패턴들과 자기정렬된 돌출부들을 갖는다. 결과적으로, 상기 상부전극 패턴들을 형성한 후에, 상기 몰딩막(29)은 표면 단차(surface step difference; S)를 가질 수 있다. 상기 상부전극 패턴들을 갖는 기판 상에 도 13을 참조하여 설명된 상기 산소 장벽막(48)을 형성한다. 상기 산소 장벽막(48)을 형성한 후에 실시되는 공정들은 도 14를 참조하여 설명된 것과 동일하다.The hard mask layer, the glue layer, and the upper electrode layer are etched to form upper electrode patterns on the phase change
도 15에 도시된 실시예들에 따르면, 상기 상변화 물질막 패턴들(201)이 산소 장벽막의 역할을 하는 상기 몰딩막(29) 내에 형성된다. 즉, 도 14에 보여진 상기 하부전극들(35) 대신에 상기 상변화 물질막 패턴들(201)이 형성된다. 이 경우에, 상기 셀 드레인 패드들(27d')은 하부전극들의 역할을 한다. 결과적으로, 상기 셀 드레인 패드(27d'), 상변화 물질막 패턴(201) 및 상부전극(203)은 프로그래머블 저항체, 즉 상변화 저항체를 구성한다. 따라서, 상기 미세한 상변화 물질막 패턴들(201)을 통하여 쓰기 전류가 흐를 때, 상기 쓰기 전류에 의해 발생되는 주울 열을 증가시킬 수 있다. 다시 말해서, 상변화 기억 셀들의 쓰기 효율이 향상될 수 있다.According to the embodiments shown in FIG. 15, the phase change
이제, 본 발명의 실시예들에 따른 상변화 기억 셀들을 갖는 상변화 기억 소 자들을 설명하기로 한다.Now, phase change memory elements having phase change memory cells according to embodiments of the present invention will be described.
도 2, 도 9b 및 도 14을 다시 참조하면, 셀 어레이 영역(CA) 및 주변회로 영역(PCA)을 갖는 집적회로 기판(1)이 제공된다. 상기 주변회로 영역(PCA) 내의 상기 집적회로 기판(1)의 소정영역에 주변 소자분리막(107p')이 제공된다. 상기 주변 소자분리막(107p')은 주변 활성영역(도 2의 109p)을 한정한다. 또한, 상기 셀 어레이 영역(CA) 내의 상기 집적회로 기판(1)의 소정영역에 리세스된 셀 소자분리막(107c')이 제공된다. 상기 리세스된 셀 소자분리막(107c')은 상기 집적회로 기판(1)으로부터 상대적으로 돌출된 핀 바디들(fin bodies)을 한정한다. 상기 핀 바디들은 한 쌍의 단일 핀 바디들(a pair of single fin bodies) 또는 한 쌍의 다중 핀 바디들(a pair of multi-fin bodies)을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 핀 바디들은 제1 및 제2 이중 핀 바디들(first and second double fin bodies; 도 6a의 109d' 및 109d")을 포함할 수 있다.Referring again to FIGS. 2, 9B and 14, an
상기 제1 이중 핀 바디(109d')는 제1 그룹의 채널 핀들(즉, 제1 및 제2 채널 핀들(119a, 119b))과 아울러서 상기 제1 그룹의 채널 핀들(119a, 119b)의 양단들을 각각 연결시키는 제1 및 제2 연결부들(도 6a의 109a 및 109b')을 포함한다. 상기 제2 이중 핀 바디(109d")는 상기 제1 연결부(109a)를 공유한다. 즉, 상기 제2 이중 핀 바디(109d")는 상기 제1 연결부(109a), 상기 제1 연결부(109a)로부터 연장된 제2 그룹의 채널 핀들(즉, 제1 및 제2 채널 핀들(도 2의 119c, 119d)) 및 상기 제2 그룹의 채널 핀들(119c, 119d)의 단부들을 연결시키는 제3 연결부(도 6a의 109b")를 포함한다.The first
상기 한 쌍의 이중 핀 바디들(109d', 109d")의 상부를 각각 가로지르도록 한 쌍의 셀 게이트 전극들(125c)이 제공된다. 즉, 상기 셀 게이트 전극들(125c)중 하나는 상기 제1 그룹의 채널 핀들(119a, 119b)의 상부면들 및 측벽들을 덮도록 배치되고, 상기 셀 게이트 전극들(125c)중 다른 하나는 상기 제2 그룹의 채널 핀들(119c, 119d)의 상부면들 및 측벽들을 덮도록 배치된다.A pair of
상기 셀 게이트 전극들(125c)은 셀 게이트 절연막(123c)에 의해 상기 핀 바디들(109d', 109d")로부터 절연된다. 상기 셀 게이트 전극들(125c) 사이의 상기 제1 연결부(109a) 내에 셀 소오스 영역(131s), 즉 공통 소오스 영역이 제공되고, 상기 제2 및 제3 연결부들(109b', 109b") 내에 셀 드레인 영역들(131d)이 제공된다. 결과적으로, 상기 한 쌍의 핀 바디들에 한 쌍의 억세스 모스 트랜지스터들, 즉 한 쌍의 핀 전계효과 트랜지스터들이 제공된다.The
상기 제1 그룹의 채널 핀들(119a, 119b) 사이의 상기 기판(1)의 표면과 아울러서 상기 제2 그룹의 채널 핀들(119c, 119d) 사이의 상기 기판(1)의 표면에 채널 저지층들(121c)이 제공될 수 있다. 상기 채널 저지층들(121c)은 상기 기판(1)과 동일한 도전형의 불순물들로 도우핑된 영역들일 수 있다. 또한, 상기 채널 저지층들(121c)은 상기 기판(1)보다 높은 불순물 농도를 가질 수 있다.Channel blocking layers (1) on the surface of the
상기 억세스 모스 트랜지스터들(TA)의 각각은 상기 셀 소오스 영역(131s) 및 상기 셀 드레인 영역(131d) 사이에 다중 채널 영역들(multiple channel regions)을 갖는다. 예를 들어, 상기 제1 핀 바디(도 6a의 109d')에 형성된 제1 억세스 모스 트랜지스터(TA)는 상기 제1 핀 트렌치 영역(117t')에 의해 서로 이격된 상기 제1 및 제2 채널 핀들(119a, 119b)에 각각 형성된 제1 및 제2 채널 영역들을 구비한다. 상기 제1 채널 영역은 상기 제1 채널 핀(119a)의 양 측벽들에 형성되는 2개의 수직 채널부들 및 상기 제1 채널 핀(119a)의 상부면에 형성되는 수평 채널부를 포함할 수 있고, 상기 제2 채널 영역은 상기 제2 채널 핀(119b)의 양 측벽들에 형성되는 2개의 수직 채널부들 및 상기 제2 채널 핀(119b)의 상부면에 형성되는 수평 채널부를 포함할 수 있다. 이와 마찬가지로, 상기 제2 핀 바디(도 6a의 109d")에 형성된 제2 억세스 모스 트랜지스터(TP) 역시 4개의 수직 채널부들 및 2개의 수평 채널부들을 포함할 수 있다. 결과적으로, 상기 억세스 모스 트랜지스터들(TA)의 각각은 6개의 채널부들을 포함할 수 있다.Each of the access MOS transistors TA has multiple channel regions between the
한편, 다른 실시예들에 있어서, 상기 셀 소자분리막(107c)이 도 18a 및 도 18b에 도시된 바와 같이 리세스되지 않는다면, 상기 제1 억세스 모스 트랜지스터(TA)는 상기 제1 핀 트렌치 영역(117t')에 접하는 상기 제1 및 제2 채널 핀들(119a, 119b)의 내측벽들에 형성되는 2개의 수직 채널부들 및 상기 제1 및 제2 채널 핀들(119a, 119b)의 상부면들에 형성되는 2개의 수평 채널부들로 구성되는 4개의 채널부들을 포함할 수 있다. 이와 마찬가지로, 상기 제2 핀 바디(도 6a의 109d")에 형성된 상기 제2 억세스 모스 트랜지스터(TP) 역시 상기 제2 핀 트렌치 영역(117t")에 의해 서로 이격된 상기 제1 및 제2 채널 핀들(도 2의 119c 및 119d)에 형성되는 4개의 채널부들을 포함할 수 있다.Meanwhile, in other embodiments, if the
더 나아가서, 상기 채널 저지층들(121c)이 제공되지 않는 경우에, 상기 제1 그룹의 채널 핀들(119a, 119b) 사이의 상기 기판(1)의 표면과 아울러서 상기 제2 그룹의 채널 핀들(119c, 119d) 사이의 상기 기판(1)의 표면에 수평 채널 영역들이 추가로 형성될 수 있다. 결과적으로, 본 실시예들에 따르면, 상기 억세스 모스 트랜지스터들(TA)의 각각은 다중 채널 영역들을 갖는다.Furthermore, when the
상술한 본 발명의 실시예들이 상변화 기억소자를 예로 하여 설명될지라도, 상기 다중 채널 영역들을 갖는 상기 억세스 모스 트랜지스터들(TA)은 상기 상변화 기억소자 이외의 다른 프로그래머블 기억소자들에도 적용될 수 있다. 예를 들면, 상기 다중 채널 영역들을 갖는 억세스 모스 트랜지스터들(TA)은 자기램 셀의 스위칭 트랜지스터들에도 적용될 수 있다.Although the above-described embodiments of the present invention are described by taking a phase change memory device as an example, the access MOS transistors TA having the multi-channel regions may be applied to programmable memory devices other than the phase change memory device. . For example, the access MOS transistors TA having the multi-channel regions may be applied to switching transistors of a magnetic RAM cell.
상기 주변 활성영역(109p)에 주변회로 모스 트랜지스터(도 7a의 TP)가 제공된다. 상기 주변회로 모스 트랜지스터(TP)는 상기 주변 활성영역(109p)의 양 단들에 각각 형성된 주변 소오스 영역(133s) 및 주변 드레인 영역(133d)과 아울러서 상기 주변 소오스/드레인 영역들(133s, 133d) 사이의 채널 영역의 상부를 가로지르는 주변 게이트 전극(125p)을 구비한다. 결과적으로, 상기 주변회로 모스 트랜지스터(TP)는 평판형의 단일 채널 영역을 갖는다. 이와는 달리, 상기 주변회로 모스 트랜지스터는 단일 채널 핀에 형성되는 채널 영역을 갖는 핀형 전계효과 트랜지스터일 수 있다. A peripheral circuit MOS transistor (TP in FIG. 7A) is provided in the peripheral
상기 주변 게이트 전극(125p)은 주변 게이트 절연막(123p)에 의해 상기 주변 활성영역(109p)으로부터 절연된다. 상기 주변 게이트 절연막(123p)은 상기 셀 게이트 절연막(123c)과 다른 두께를 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 주변회로 모스 트랜지스터(TP)가 고전압 모스 트랜지스터인 경우에, 상기 주변 게이트 절연막(123p) 은 상기 셀 게이트 절연막(123c)보다 두꺼울 수 있다. 이와는 달리, 상기 주변회로 모스 트랜지스터(TP)가 저전압 모스 트랜지스터인 경우에, 상기 주변 게이트 절연막(123p)은 상기 셀 게이트 절연막(123c)과 동일한 두께를 가질 수 있다.The
한편, 상기 주변 게이트 전극(125p)의 폭(주변 채널 길이에 해당; Lp)은 상기 셀 게이트 전극(125c)의 폭(셀 채널 길이에 해당; Lc)과 동일하거나 다를 수 있다. 예를 들면, 상기 주변회로 모스 트랜지스터(TP)가 고전압 모스 트랜지스터이거나 PMOS 트랜지스터인 경우에, 상기 주변 게이트 폭(Lp)은 상기 셀 게이트 폭(Lc)보다 클 수 있다. 이와는 달리, 상기 주변회로 모스 트랜지스터(TP)가 저전압 NMOS 트랜지스터인 경우에, 상기 주변 게이트 폭(Lp)은 상기 셀 게이트 폭(Lc)과 동일할 수 있다.Meanwhile, the width of the
상기 게이트 전극들(125c, 125p), 상기 소오스/드레인 영역들(131s, 131d, 133s, 133d)중 적어도 상기 주변 소오스/드레인 영역들(133s, 133d) 상에 주변 금속 실리사이드막(135p)이 제공될 수 있다.A peripheral
상기 핀 전계효과 트랜지스터들 및 상기 주변회로 모스 트랜지스터를 갖는 기판 상에 하부 층간절연막(141) 및 상부 층간절연막(26)이 차례로 적층된다. 상기 셀 소오스 영역(131s)은 상기 하부 층간절연막(141)을 관통하는 셀 소오스 콘택 플러그(143s')에 전기적으로 접속되고, 상기 셀 드레인 영역들(131d)은 상기 하부 층간절연막(141)을 관통하는 셀 드레인 콘택 플러그들(143d')에 전기적으로 접속된다. 또한, 상기 주변 소오스 영역(133s)은 상기 하부 층간절연막(141)을 관통하는 주변 소오스 콘택 플러그(143s")에 전기적으로 접속되고, 상기 주변 드레인 영역 (133d)은 상기 하부 층간절연막(141)을 관통하는 주변 드레인 콘택 플러그(143d")에 전기적으로 접속된다.The lower
상기 셀 소오스 콘택 플러그(143s')는 상기 상부 층간절연막(26) 내에 배치된 공통 소오스 라인(27s')에 전기적으로 접속되고, 상기 셀 드레인 콘택 플러그들(143d')은 상기 상부 층간절연막(26) 내에 배치된 셀 드레인 패드들(27d')에 전기적으로 접속된다. 상기 공통 소오스 라인(27s')은 상기 셀 게이트 전극들(125c)에 평행하도록 배치될 수 있다. 상기 공통 소오스 라인(27s')은 접지될 수 있다. 또한, 상기 주변 소오스 콘택 플러그(143s")는 상기 상부 층간절연막(26) 내에 배치된 주변 소오스 패드(27s")에 전기적으로 접속될 수 있고, 상기 주변 드레인 콘택 플러그(143d")는 상기 상부 층간절연막(26) 내에 배치된 주변 드레인 패드(27d")에 전기적으로 접속될 수 있다.The cell source contact plugs 143s' are electrically connected to a
상기 공통 소오스 라인(27s'), 셀 드레인 패드들(27d'), 주변 드레인 패드(27d"), 주변 소오스 패드(27s") 및 상부 층간절연막(26) 상에 몰딩막(29)이 적층된다. 상기 몰딩막(29)은 상기 셀 드레인 패드들(27d') 상부에 돌출부들을 갖도록 표면단차(S)를 가질 수 있다. 상기 몰딩막(29)은 실리콘 산화막보다 높은 열전도도(thermal conductivity)를 갖는 절연막인 것이 바람직하다. 또한, 상기 몰딩막(29)은 산소 장벽막의 역할을 하는 절연막인 것이 바람직하다. 예를 들면, 상기 몰딩막(29)은 실리콘 산질화막 또는 실리콘 질화막과 같은 질화막일 수 있다. 상기 셀 드레인 패드들(27d')은 상기 몰딩막(29)의 상기 돌출부들을 관통하는 하부전극들(35)에 전기적으로 접속된다. 상기 하부전극들(35)의 측벽들은 콘택 스페이서들(34a)에 의해 둘러싸여질 수 있다.A
상기 콘택 스페이서들(34a)의 각각은 상기 하부전극(35)의 측벽을 둘러싸는 내부 콘택 스페이서(inner contact spacer; 33a) 및 상기 내부 콘택 스페이서(33a)의 외측벽(outer sidewall)을 둘러싸는 외부 콘택 스페이서(outer contact spacer; 31a)를 포함할 수 있다. 상기 외부 콘택 스페이서(31a)의 하부는 연장되어 상기 하부전극(35)에 접촉할 수 있다. 상기 외부 콘택 스페이서(31a)는 500℃보다 낮은 온도에서 형성된 플라즈마 CVD 산질화막일 수 있고, 상기 내부 콘택 스페이서(33a)는 500℃보다 높은 온도에서 형성된 저압 CVD 질화막일 수 있다.Each of the
상기 몰딩막(29)의 상기 돌출부들 상에 상변화 저항체 패턴들(44a)이 배치된다. 상기 상변화 저항체 패턴들(44a)은 상기 돌출부들과 자기정렬될 수 있다. 상기 상변화 저항체 패턴들(44a)의 각각은 상기 하부전극(35)에 전기적으로 접속된 상변화 물질막 패턴(37a) 및 상기 상변화 물질막 패턴(37a) 상에 적층된 상부전극(39a)을 포함할 수 있다. 상기 하부전극(35), 상기 상변화 물질막 패턴(37a) 및 상기 상부전극(39a)은 프로그래머블 저항체, 즉 상변화 저항체를 구성한다. 상기 상변화 물질막 패턴(37a)은 게르마늄(Ge), 스티비움(Sb) 및 텔루리움(Te)의 합금막과 같은 칼코게나이드막일 수 있다. 이에 더하여, 상기 상변화 물질막 패턴(37a)은 질소 및 실리콘중 적어도 어느 하나로 도우핑된 GST 합금막(GST alloy layer)일 수 있다.Phase
상기 상변화 저항체 패턴들(44a)의 각각은 상기 상부전극(39a) 상에 차례로 적층된 글루막 패턴(41a) 및 하드마스크 패턴(43a)을 더 포함할 수 있다. 상기 글루막 패턴들(41a)은 상기 하드마스크 패턴들(43a) 및 상기 상부전극들(39a) 사이의 접착력(adhesion)을 향상시키기 위한 웨팅막(wetting layer)에 해당한다. 예를 들면, 상기 하드마스크 패턴들(43a) 및 상기 상부전극들(39a)이 각각 실리콘 산화막 및 타이타늄 질화막인 경우에, 상기 글루막 패턴들(41a)은 실리콘 질화막일 수 있다.Each of the phase
적어도 상기 상변화 저항체 패턴들(44a)을 갖는 기판은 산소 장벽막(48)으로 덮여진다. 상술한 바와 같이 상기 몰딩막(29)이 돌출부들을 구비하는 경우에, 상기 산소 장벽막(48)은 상기 상변화 저항체 패턴들(44a)의 측벽들 및 상부면들과 아울러서 상기 돌출부들의 측벽들을 덮는다. 상기 산소 장벽막(48)은 단일 산소 장벽막(a single oxygen barrier layer) 또는 이중 산소 장벽막(a double oxygen barrier layer)일 수 있다. 상기 단일 산소 장벽막은 350℃보다 낮은 온도에서 실시되는 플라즈마 CVD 기술 또는 원자층 증착 기술(atomic layer deposition technique; ALD technique)을 사용하여 형성된 질화막일 수 있다. 좀 더 구체적으로, 상기 질화막은 실리콘 산질화막(silicon oxynitride layer) 또는 실리콘 질화막일 수 있다.The substrate having at least the phase
한편, 상기 이중 산소 장벽막은 차례로 적층된 하부 산소 장벽막(45) 및 상부 산소 장벽막(47)을 포함할 수 있다. 이 경우에, 상기 하부 산소 장벽막(45)은 350℃보다 낮은 온도에서 형성된 상기 단일 산소 장벽막과 동일한 물질막일 수 있고, 상기 상부 산소 장벽막(45)은 350℃보다 높은 온도에서 실시되는 플라즈마 CVD 기술 또는 저압 CVD 기술을 사용하여 형성된 실리콘 산질화막 또는 실리콘 질화막과 같은 질화막일 수 있다.Meanwhile, the double oxygen barrier layer may include a lower
상기 산소 장벽막(48) 상에 하부 금속층간 절연막(49)이 제공된다. 상기 하 부 금속층간 절연막(49)은 상기 상변화 저항체 패턴들(44a) 상의 상기 산소 장벽막(48)이 노출되도록 평평한 상부면을 가질 수 있다. 상기 상부전극들(39a)은 상기 노출된 산소 장벽막(48), 하드마스크 패턴들(41a) 및 글루막 패턴들(41a)을 관통하는 콘택 플러그들(51)에 전기적으로 접속될 수 있다. 이에 더하여, 상기 주변 드레인 패드(21d") 및 주변 소오스 패드(21s")는 각각 상기 하부 금속층간 절연막(49), 상기 산소 장벽막(48) 및 상기 몰딩막(29)을 관통하는 드레인 배선 콘택 플러그(51d") 및 소오스 배선 콘택 플러그(51s")에 전기적으로 접속될 수 있다.A lower
상기 콘택 플러그들(51)은 비트라인 패드들(53)로 덮여질 수 있다. 또한, 상기 드레인 배선 콘택 플러그(51d")는 드레인 배선(53d")으로 덮여질 수 있고, 상기 소오스 배선 콘택 플러그(51s")는 소오스 배선(53s")으로 덮여질 수 있다.The contact plugs 51 may be covered with
상기 비트라인 패드들(53), 드레인 배선(53d") 및 소오스 배선(53s")을 갖는 기판은 상부 금속층간 절연막(55)으로 덮여진다. 상기 상부 금속층간 절연막(55) 상에 비트라인(57)이 배치된다. 상기 비트라인(57)은 상기 상부 금속층간 절연막(55)을 관통하는 비트라인 콘택홀들(55a)을 통하여 상기 비트라인 패드들(53)에 전기적으로 접속된다. 또한, 상기 비트라인(57)은 상기 셀 게이트 전극들(7c)의 상부를 가로지르도록 배치된다. 상기 비트라인(57)을 갖는 기판은 패시베이션막(62)으로 덮여진다. 상기 패시베이션막(62)은 차례로 적층된 실리콘 산화막(59) 및 실리콘 질화막(61)을 포함할 수 있다.The substrate having the
도 15에 도시된 상변화 기억소자들은 도 14를 참조하여 설명된 상변화 기억소자들과 상변화 물질막 패턴들의 형태에 있어서 다르다. 도 15를 다시 참조하면, 본 실시예들에 따른 상변화 기억소자들의 상변화 물질막 패턴들(201)은 상기 몰딩막(29)을 관통하는 상변화 저항체 콘택홀들(29a)을 채우도록 배치된다. 이에 더하여, 상기 상변화 물질막 패턴들(201) 상에 상부전극 패턴들이 제공된다. 상기 상부전극 패턴들의 각각은 차례로 적층된 상부전극(203), 글루막 패턴(205) 및 하드마스트 패턴(207)을 포함할 수 있다. 결과적으로, 본 실시예들에 따르면, 상기 상변화 물질막 패턴들(201)이 도 14에 보여진 하부전극들(35) 대신에 제공된다.The phase change memory elements shown in FIG. 15 differ in the form of phase change material film patterns from the phase change memory elements described with reference to FIG. Referring to FIG. 15 again, the phase change
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 반도체 기억소자의 억세스 모스 트랜지스터의 3중 채널 구조를 설명하기 위하여 트렌치 마스크 패턴들(도 3a의 105p, 105c)과 정렬된 포토레지스트 마스크 패턴(PM)의 일 부분을 도시한 평면도이다. 본 실시예들에서, 상기 포토레지스트 마스크 패턴(PM)은 도 3a를 참조하여 설명된 제1 포토레지스트 패턴(110) 대신에 형성된다.FIG. 16 is a photoresist mask pattern PM aligned with
도 16을 참조하면, 상기 포토레지스트 마스크 패턴(PM)은 도 3a 및 도 3b를 참조하여 설명된 상기 셀 트렌치 마스크 패턴(105c)을 4개의 부분들로 분할시키기 위한 십자형 개구부(점선 DL로 표시된 영역 내에 위치; H)를 구비한다. 상기 포토레지스트 마스크 패턴(PM)은 상기 개구부(H)에 더하여 상기 셀 트렌치 마스크 패턴(105c)의 양 단들을 각각 노출시키는 제1 및 제2 개구부들(H1, H2)을 더 포함할 수 있다. 상술한 포토레지스트 마스크 패턴(PM)을 사용하여 도 3a 내지 도 7a 및 도 3b 내지 도 7b를 참조하여 설명된 제조공정들을 실시하면, 도 7b에 대응하는 도 17에 보여진 바와 같이 3개의 채널 핀들을 구비하는 3중 핀 바디(triple fin body)가 형성될 수 있음은 당업자에게 자명하다.Referring to FIG. 16, the photoresist mask pattern PM may have a cross-shaped opening (a region indicated by a dotted line DL) for dividing the cell
도 17을 참조하면, 상기 3중 핀 바디는 상기 기판(1)으로부터 상대적으로 돌출된 제1 및 제2 채널 핀들(119a', 119b')과 아울러서 상기 제1 및 제2 채널 핀들(119a', 119b') 사이에 위치하는 제3 채널 핀(119c')을 구비한다. 이 경우에, 상기 제1 및 제2 채널 핀들(119a', 119b')의 폭들(W) 역시 도 5b에서 설명된 바와 같이 사진 공정의 한계 해상도보다 작을 수 있다. 결과적으로, 본 발명에 따르면, 상기 포토레지스트 마스크 패턴(PM)의 개구부의 형태를 변형시킴으로써 4개 이상의 채널 핀들을 갖는 핀 바디를 구비하는 억세스 모스 트랜지스터 역시 제공될 수 있다.Referring to FIG. 17, the triple fin body may include the first and
더 나아가서, 도면에 도시하지는 않았지만, 본 발명은 도 3a 내지 도 9a, 도 3b 내지 도 9b, 도 10 내지 도 17, 도 18a 및 도 18b를 참조하여 설명된 실시예들의 조합에 의한 반도체 기억소자들을 제공할 수도 있다. 예를 들면, 본 발명에 따른 반도체 기억소자들은 상기 예비 셀 소자분리막(107c)을 최종 셀 소자분리막으로 채택하면서 3중 핀 바디들을 갖는 억세스 모스 트랜지스터들을 구비할 수 있다.Furthermore, although not shown in the drawings, the present invention provides semiconductor memory devices by a combination of the embodiments described with reference to FIGS. 3A to 9A, 3B to 9B, 10 to 17, 18A and 18B. You can also provide For example, the semiconductor memory devices according to the present invention may include access MOS transistors having triple fin bodies while adopting the preliminary cell
도 19는 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 기억소자들, 즉 프로그래머블 기억소자들을 채택하는 휴대용 전자제품(portable electronic device; 600)의 개략적인 블록 다이아그램(schematic block diagram)이다.19 is a schematic block diagram of a portable
도 19를 참조하면, 상기 휴대용 전자제품(600)은 데이터 저장 매체(data storage media) 역할을 하는 적어도 하나의 프로그래머블 기억소자(602) 및 상기 프로그래머블 기억소자(602)에 접속된 프로세서(604)를 포함한다. 여기서, 상기 프로그래머블 기억소자(602)는 프로그래머블 저항체를 데이터 저장요소(data storage element)로 채택하는 자기램 소자 또는 상변화 기억소자일 수 있다. 특히, 상기 프 로그래머블 기억소자(602)가 상기 상변화 기억소자인 경우에, 상기 상변화 기억소자는 도 2, 도 3a 내지 도 9a, 도 3b 내지 도 9b, 도 10 내지 17, 도 18a 및 도 18b를 참조하여 설명된 실시예들에 의해 제공될 수 있다. 상기 휴대용 전자제품(600)은 휴대용 노트북 컴퓨터(portable notebook computer), 디지털 비데오 카메라 또는 휴대용 전화기(cellular phone)에 해당할 수 있다. 이 경우에, 상기 프로세서(604) 및 상기 프로그래머블 기억소자(602)는 보드(board) 상에 설치되고 상기 프로세서(604)의 실행을 위한 코드 및 데이터를 저장시키기 위한 프로그램 메모리로서 사용된다. 한편, 상기 프로그래머블 기억소자(602)는 상기 프로세서(604)와 함께 하나의 칩에 탑재될 수 있다.Referring to FIG. 19, the portable
상기 휴대용 전자제품(600)은 입/출력 장치(606)를 통하여 개인용 컴퓨터 또는 컴퓨터의 네트워크와 같은 다른 전자제품과 데이터를 교환할 수 있다. 상기 입/출력 장치(606)는 컴퓨터의 주변 버스라인(bus line), 고속 디지털 전송 라인, 또는 무선 송/수신용 안테나로 데이터를 제공할 수 있다. 상기 프로세서(604) 및 상기 프로그래머블 기억소자(602) 사이의 데이터 통신과 아울러서 상기 프로세서(604) 및 상기 입/출력 장치(606) 사이의 데이터 통신은 통상의 컴퓨터 버스 구조체들(bus architectures)을 사용하여 이루어질 수 있다.The portable
<실험예들; examples>Experimental Examples; examples>
이하에서는, 종래기술 및 본 발명의 실시예들에 따라 제작된 시료들(samples)의 여러 가지의 측정결과들을 설명하기로 한다.Hereinafter, various measurement results of samples manufactured according to the prior art and the embodiments of the present invention will be described.
도 20은 종래의 기술 및 본 발명의 실시예들에 따라 제작된 상변화 기억 셀 들의 하부전극 콘택저항 특성들을 보여주는 그래프이다. 여기서, 상기 하부전극 콘택저항은 하부전극 및 상변화 물질막 사이의 콘택저항을 의미한다. 도 20에 있어서, 가로축은 산소 장벽막에 대한 스플릿 그룹들(split groups)을 나타내고, 세로축은 GST막들 및 하부전극들 사이의 콘택 저항(Rc)을 나타낸다.20 is a graph showing lower electrode contact resistance characteristics of phase change memory cells fabricated according to the related art and embodiments of the present invention. Here, the lower electrode contact resistance means a contact resistance between the lower electrode and the phase change material film. In FIG. 20, the horizontal axis represents split groups for the oxygen barrier film, and the vertical axis represents contact resistance Rc between the GST films and the lower electrodes.
도 20의 측정결과들을 보여주는 상변화 기억 셀들은 다음의 [표 1]에 기재된 공정 조건들을 사용하여 제작되었다.Phase change memory cells showing the measurement results of FIG. 20 were fabricated using the process conditions described in Table 1 below.
도 20 및 표 1을 참조하면, 종래기술에 따라 제작된 상변화 기억 셀들은 약 1,000 (ohms/contact) 내지 약 10,000 (ohms/contact)의 범위 내에 분포된 불균일한 하부전극 콘택저항(Rc)을 보였다. 이에 반하여, 본 발명의 실시예들에 따라 제작된 상변화 기억 셀들은 약 500 (ohms/contact) 내지 약 1,200 (ohms/contact) 사이의 범위 내에 분포된 균일한 하부전극 콘택저항(Rc)을 보였다. 특히, 2중 산소 장벽막을 채택하는 본 발명의 실시예에 따라 제작된 상변화 기억 셀들은 약 500 (ohms/contact) 내지 약 600 (ohms/contact) 사이의 범위 내에서 매우 안정한 하부 전극 콘택저항(Rc)을 보였다.20 and Table 1, phase change memory cells fabricated according to the prior art have a nonuniform lower electrode contact resistance Rc distributed within a range of about 1,000 (ohms / contact) to about 10,000 (ohms / contact). Seemed. In contrast, phase change memory cells fabricated in accordance with embodiments of the present invention exhibited a uniform bottom electrode contact resistance (Rc) distributed within a range of about 500 (ohms / contact) to about 1,200 (ohms / contact). . In particular, phase change memory cells fabricated in accordance with an embodiment of the present invention employing a double oxygen barrier film are highly stable in lower electrode contact resistance within a range between about 500 (ohms / contact) and about 600 (ohms / contact). Rc).
도 21은 종래기술에 따라 제작된 상변화 기억 셀들의 셋/리셋(set/reset) 특성들을 보여주는 그래프이고, 도 22는 본 발명의 실시예에 따라 제작된 상변화 기억 셀들의 셋/리셋 특성들을 보여주는 그래프이다. 도 21 및 도 22에서, 가로축들은 상기 상변화 기억 셀들의 프로그램 사이클들의 회수(number of program cycles; N), 즉 쓰기 사이클들(writing cycles)의 회수를 나타내고, 세로축들은 단위 셀당 상변화 저항체의 저항(RGST)을 나타낸다. 여기서, 상기 종래의 상변화 기억 셀들은 상기 [표 1]의 시료들 A와 동일한 공정 조건들을 사용하여 제작되었고, 본 발명에 따른 상변화 기억 셀들은 상기 [표 1]의 시료들 C와 동일한 공정 조건들을 사용하여 제작되었다.FIG. 21 is a graph showing set / reset characteristics of phase change memory cells fabricated according to the prior art, and FIG. 22 is a set / reset characteristics of phase change memory cells fabricated according to an embodiment of the present invention. It is a graph showing. 21 and 22, the horizontal axes represent the number of program cycles (N) of the phase change memory cells, i.e., the number of writing cycles, and the vertical axes represent the resistance of the phase change resistor per unit cell. (R GST ). Here, the conventional phase change memory cells are manufactured using the same process conditions as those of Samples A of [Table 1], and the phase change memory cells according to the present invention are the same processes as Samples C of [Table 1]. Made using the conditions.
한편, 상기 각 프로그램 사이클들은(the respective program cycles)은 상기 상변화 기억 셀들의 상변화 저항체들에 1회의 리셋 펄스(a single reset pulse) 및 1회의 셋 펄스를 순차적으로 인가함으로써 수행되었다. 상기 리셋 펄스 및 상기 셋 펄스의 각각은 100㎱ 동안 인가되었다. 또한, 상기 리셋 펄스는 상기 상변화 저항체의 GST막을 비정질 상태(amorphous state)로 변화시키기(convert) 위하여 약 1.5㎃의 쓰기 전류를 갖도록 생성되었고(generated), 상기 셋 펄스는 상기 상변화 저항체의 상기 GST막을 결정 상태(crystalline state)로 변화시키기 위하여 약 0.6㎃의 쓰기 전류를 갖도록 생성되었다. 이에 더하여, 상기 상변화 저항체들의 리셋 저항(RRESET)은 상기 리셋 펄스를 인가한 후에 0.2볼트의 비트라인 전압을 사용하여 측 정되었고, 상기 상변화 저항체들의 셋 저항(RSET)은 상기 셋 펄스를 인가한 후에 0.2볼트의 비트라인 전압을 사용하여 측정되었다.The respective program cycles are performed by sequentially applying a single reset pulse and one set pulse to the phase change resistors of the phase change memory cells. Each of the reset pulse and the set pulse was applied for 100 ms. In addition, the reset pulse was generated to have a write current of about 1.5 mA to convert the GST film of the phase change resistor into an amorphous state, and the set pulse was generated in the phase change resistor of the phase change resistor. It was produced to have a write current of about 0.6 mA to change the GST film into a crystalline state. In addition, the reset resistor R RESET of the phase change resistors was measured using a bit line voltage of 0.2 volt after applying the reset pulse, and the set resistor R SET of the phase change resistors was set pulse. Measurements were made using a 0.2V line voltage after applying.
도 21 및 도 22로부터 알 수 있듯이, 종래의 기술 및 본 발명에 따른 상변화 기억 셀들의 모두는 상기 프로그램 사이클들의 수에 관계없이 약 1000 (ohms/cell)의 균일한 셋 저항(RSET)을 보였다. 그러나, 상기 종래의 상변화 기억 셀들은 약 5,000 사이클들의 프로그램 동작들에도 불구하고 약 6,000 (ohms/cell) 내지 약 100,000 (ohms/cell)의 낮은 리셋 저항(RRESET)을 보였다. 이에 반하여, 본 발명에 따른 상변화 기억 셀들은 약 10 사이클들의 프로그램 동작들 후에 약 300,000 (ohms/cell) 내지 약 3,000,000 (ohms/cell)의 높은 리셋 저항(RRESET)을 보였다. 이는, 본 발명에 따른 상변화 기억 셀들의 상변화 물질막 패턴들의 계면 특성들이 종래의 상변화 기억 셀들의 상변화 물질막 패턴들의 계면 특성들에 비하여 우수한 것으로 이해될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 상변화 기억 셀들의 상변화 물질막 패턴들의 상변이(phase transition; 결정질 상태로부터 비정질 상태로의 상변이)가 종래의 상변화 기억 셀들의 상변화 물질막 패턴들의 상변이(phase transition; 결정질 상태로부터 비정질 상태로의 상변이)에 비하여 효율적으로 일어난 것으로 이해될 수 있다. 결과적으로, 본 발명에 따르면, 상변화 기억 셀들의 읽기 마진을 현저히 개선시킬 수 있다.As can be seen from Figs. 21 and 22, both of the conventional technology and the phase change memory cells according to the present invention have a uniform set resistance R SET of about 1000 (ohms / cell) regardless of the number of the program cycles. Seemed. However, the conventional phase change memory cells exhibited a low reset resistance (R RESET ) of about 6,000 (ohms / cell) to about 100,000 (ohms / cell) despite about 5,000 cycles of program operations. In contrast, phase change memory cells according to the present invention exhibited a high reset resistance (R RESET ) of about 300,000 (ohms / cell) to about 3,000,000 (ohms / cell) after about 10 cycles of program operations. This can be understood that the interface characteristics of the phase change material film patterns of the phase change memory cells according to the present invention are superior to those of the phase change material film patterns of the conventional phase change memory cells. That is, the phase transition of the phase change material film patterns of the phase change memory cells according to the present invention is the phase change of the phase change material film patterns of the conventional phase change memory cells. It can be understood that the transition occurred efficiently compared to the phase transition (phase transition from the crystalline state to the amorphous state). As a result, according to the present invention, the read margin of the phase change memory cells can be significantly improved.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 상변화 저항체들을 덮는 산소 장벽막을 형성함으로써 하부전극들의 콘택저항과 아울러서 상변화 저항체들의 셋/리셋 저항 특성을 현저히 개선시킬 수 있다. 또한, 다중 채널 영역들을 갖는 모스 트랜지스터들을 셀 스위칭 소자들로서 채택함으로써, 반도체 기억소자의 집적도는 물론 프로그램 특성을 개선시킬 수 있다.As described above, according to the present invention, by forming an oxygen barrier layer covering the phase change resistors, the contact resistance of the lower electrodes and the set / reset resistance characteristics of the phase change resistors can be significantly improved. In addition, by adopting MOS transistors having multiple channel regions as cell switching elements, the integration degree of the semiconductor memory device as well as the program characteristics can be improved.
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