説明

3次元不揮発性メモリ素子及びその製造方法

【課題】消去動作の際、充分な量の正孔を生成させて消去特性を確保することができる3次元不揮発性メモリ素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】基板から突出されたチャンネル膜と、チャンネル膜に沿って積層された複数のメモリセルと、チャンネル膜の一側端と繋がれたソースラインと、チャンネル膜の他側端と繋がれたビットラインと、チャンネル膜の一側端とソースラインとの間に介在されて、Pタイプの不純物がドープされた第1ジャンクションと、チャンネル膜の他側端と前記ビットラインとの間に介在されて、Nタイプの不純物がドープされた第2ジャンクションと、を含む。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体素子及びその製造方法に関し、より詳細には、3次元構造を有する不揮発性メモリ素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
不揮発性メモリ素子は、電源供給が遮断されても、格納されたデータがそのまま維持されるメモリ素子である。最近、シリコン基板上に断層でメモリ素子を製造する2次元構造のメモリ素子の集積度の向上が限界に到逹することによって、シリコン基板から垂直にメモリセルを積層する3次元不揮発性メモリ素子が提案されている。
【0003】
以下、図面を参照して従来技術による3次元不揮発性メモリ素子の構造及びその問題点を詳しく調べて見る。
【0004】
図1は、従来技術による3次元不揮発性メモリ素子の構造を説明するための断面図である。示されたように、従来技術による3次元不揮発性メモリ素子は、ソース領域が具備された基板10から垂直に突出されたチャンネル膜CHを具備し、チャンネル膜CHに沿って積層された下部選択ゲートLSG、複数のメモリセルMC及び上部選択ゲートUSGを具備する。ここで、複数のメモリセルMCは、下部選択ゲートLSGと上部選択ゲートUSGとの間に直列に繋がれて一つのストリングを構成し、基板10から垂直にストリングが配列される。
【0005】
本図面において、図面符号'11'は層間絶縁膜を示して、図面符号'12'はワードラインを示し、図面符号'13'は下部選択ラインを示し、図面符号'14'は上部選択ラインを示す。また、図面符号'15'はゲート絶縁膜を示し、図面符号'16'はトンネル絶縁膜、メモリ膜及び電荷遮断膜を示す。
【0006】
このような構造を有する従来技術による3次元不揮発性メモリ素子は、チャンネル膜CH及びソース領域にNタイプの不純物がドープされる。したがって、消去動作の際、ソース領域からGIDL(Gate Induced Drain Leakage)電流を発生させ、GIDL電流によって生成された正孔(Hole)をメモリ膜に注入させる。
【0007】
しかしながら、GIDL電流によって生成される正孔の量が充分でないから、消去速度が遅くて一部メモリセルに充分な正孔を供給することができず、消去速度が低下されるような問題がある。特に、3次元不揮発性メモリ素子は、基板10から垂直にストリングを配列するため、チャンネル膜CHの長さが増加するほど正孔の供給がさらに難しくなって消去動作の速度がさらに低下され、それによって、メモリ素子のパフォーマンスが悪くなる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
したがって、本発明は上記問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、消去動作の際、充分な量の正孔を生成させて消去特性を確保することができる3次元不揮発性メモリ素子及びその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記目的を達成するために本発明の一実施例による3次元不揮発性メモリ素子は、基板から突出されたチャンネル膜と、前記チャンネル膜に沿って積層された複数のメモリセルと、前記チャンネル膜の一側端と繋がれたソースラインと、前記チャンネル膜の他側端と繋がれたビットラインと、前記チャンネル膜の一側端と前記ソースラインとの間に介在されて、Pタイプの不純物がドープされた第1ジャンクションと、前記チャンネル膜の他側端と前記ビットラインとの間に介在されて、Nタイプの不純物がドープされた第2ジャンクションとを含む。
【0010】
また、本発明の他の実施例は、3次元不揮発性メモリ素子製造方法において、基板から突出されたチャンネル膜に沿って積層された複数のメモリセルを形成する段階と、前記チャンネル膜の一側端と繋がれて、Pタイプの不純物がドープされた第1ジャンクションを形成する段階と、前記チャンネル膜の他側端と繋がれて、Nタイプの不純物がドープされた第2ジャンクションを形成する段階と、前記第1ジャンクションと繋がれたソースラインを形成する段階と、前記第2ジャンクションと繋がれたビットラインを形成する段階と、を含む。
【発明の効果】
【0011】
以上のように、本発明によれば、消去動作の際、ジャンクションからチャンネル膜に充分な量の正孔を安定的に供給することができる。また、ビットラインのレベル上昇をセンシングして容易にリード動作を遂行することができる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】従来技術による3次元不揮発性メモリ素子の構造を説明するための断面図である。
【図2】本発明の第1実施例による3次元構造を有する不揮発性メモリ素子の構造を示す断面図である。
【図3A】本発明の第1実施例による3次元構造を有する不揮発性メモリ素子の消去動作を説明するための断面図及び回路図である。
【図3B】本発明の第1実施例による3次元構造を有する不揮発性メモリ素子の消去動作を説明するための断面図及び回路図である。
【図4A】本発明の第1実施例による3次元構造を有する不揮発性メモリ素子のプログラム動作を説明するための断面図及び回路図である。
【図4B】本発明の第1実施例による3次元構造を有する不揮発性メモリ素子のプログラム動作を説明するための断面図及び回路図である。
【図5A】本発明の第1実施例による3次元構造を有する不揮発性メモリ素子のリード動作を説明するための断面図及び回路図である。
【図5B】本発明の第1実施例による3次元構造を有する不揮発性メモリ素子のリード動作を説明するための断面図及び回路図である。
【図6】本発明の第2実施例による3次元構造を有する不揮発性メモリ素子の構造を示す断面図である。
【図7】本発明の第3実施例による3次元構造を有する不揮発性メモリ素子の構造を示す断面図である。
【図8】本発明の第4実施例による3次元構造を有する不揮発性メモリ素子の構造を示す断面図である。
【図9】本発明の第5実施例による3次元構造を有する不揮発性メモリ素子の構造を示す断面図である。
【図10】本発明の第1、第2実施例による3次元構造を有する不揮発性メモリ素子の消去特性を示すグラフである。
【図11A】本発明の第6実施例による3次元構造を有する不揮発性メモリ素子の製造方法を説明するための工程断面図である。
【図11B】本発明の第6実施例による3次元構造を有する不揮発性メモリ素子の製造方法を説明するための工程断面図である。
【図11C】本発明の第6実施例による3次元構造を有する不揮発性メモリ素子の製造方法を説明するための工程断面図である。
【図12A】本発明の第7実施例による3次元構造を有する不揮発性メモリ素子の製造方法を説明するための工程断面図である。
【図12B】本発明の第7実施例による3次元構造を有する不揮発性メモリ素子の製造方法を説明するための工程断面図である。
【図12C】本発明の第7実施例による3次元構造を有する不揮発性メモリ素子の製造方法を説明するための工程断面図である。
【図13A】本発明の第8実施例による3次元構造を有する不揮発性メモリ素子の製造方法を説明するための工程断面図である。
【図13B】本発明の第8実施例による3次元構造を有する不揮発性メモリ素子の製造方法を説明するための工程断面図である。
【図14】本発明の一実施例によるメモリシステムの構成を示した構成図である。
【図15】本発明の一実施例によるコンピュータシステムの構成を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、本発明の好ましい実施例について説明する。図面において、厚さと間隔は説明の便宜のために表現されたものであり、実際に物理的厚さに比べて誇張されて図示されることができる。本発明を説明するにあたり、本発明の要旨と関係のない公知の構成は省略されることができる。各図面の構成要素に参照番号を付け加えることにおいて、同一の構成要素に限ってはたとえ他の図面上に表示されてもできるだけ同一対号を有するようにしていることに留意しなければならない。
【0014】
図2は、本発明の第1実施例による3次元構造を有する不揮発性メモリ素子の構造を示す断面図である。ただし、説明の便宜のために複数のワードライン、第1、第2選択ライン、ビットライン及びソースラインを中心に図示しており、各ラインの間に介在された層間絶縁膜は略した。
【0015】
図2に示されたように、本発明の第1実施例による3次元不揮発性メモリ素子100は、基板から突出されたチャンネル膜(P_CH、S_CH、D_CH)、チャンネル膜(P_CH、S_CH、D_CH)に沿って積層された複数のメモリセルを含み、U字形にストリングが配列される。
【0016】
ここで、チャンネル膜(P_CH、S_CH、D_CH)は、パイプゲートPG内に埋め込められたパイプチャンネル膜P_CH及びパイプチャンネル膜P_CHと繋がれつつ、パイプゲートPGから突出された一対のソースサイドチャンネル膜S_CH及びドレインサイドチャンネル膜D_CHを含む。
【0017】
パイプゲートPGは、パイプチャンネル膜が形成された第1パイプゲートPG1のみで形成されるか、または、第1パイプゲートPG1及びパイプチャンネル膜を覆うように第1パイプゲートPG1上に形成された第2パイプゲートPG2で形成されることができる。第2パイプゲートPG2をさらに形成する場合、セル電流を増加させてメモリ素子のパフォーマンスを改善することができる。
【0018】
また、メモリ素子100は、パイプゲートPG上に積層された複数のワードラインWL、チャンネル膜(P_CH、S_CH、D_CH)の一側端と繋がれたソースラインSL及びチャンネル膜(P_CH、S_CH、D_CH)の他側端と繋がれたビットラインBLを含む。
【0019】
また、メモリ素子100は、チャンネル膜(P_CH、S_CH、D_CH)の一側端とソースラインSLとの間に介在されて、Pタイプの不純物がドープされた第1ジャンクションJN1及びチャンネル膜(P_CH、S_CH、D_CH)の他側端とビットラインBLとの間に介在されてNタイプの不純物がドープされた第2ジャンクションJN2を含む。
【0020】
また、メモリ素子100は、複数のワードライン上に形成された少なくとも一つの第1選択ラインSL1及び少なくとも一つの第2選択ラインSL2を含む。ここで、第1選択ゲートは、チャンネル膜(P_CH、S_CH、D_CH)の一側端に形成されたメモリセルと第1ジャンクションJN1との間に位置され、第2選択ゲートはチャンネル膜(P_CH、S_CH、D_CH)の他側端に形成されたメモリセルと第2ジャンクションJN2との間に位置される。本図面では、一つのストリングが一つの第1選択ゲート及び一つの第2選択ゲートを具備する場合を図示した。ここで、第1ジャンクションJN1は第1選択ゲートと一部オーバーラップされるかまたは第1選択ゲートから離隔された位置に形成されることができる。また、第2ジャンクションJN2は第2選択ゲートと一部オーバーラップされるかまたは第2選択ゲートから離隔された位置に形成されることができる。
【0021】
図3A及び図3Bは、本発明の第1実施例による3次元構造を有する不揮発性メモリ素子の消去動作を説明するための断面図及び回路図である。図3A及び図3Bに示されたように、消去動作の際、選択されたメモリブロックの複数のワードラインWLに0Vを印加し、ソースラインSLに消去電圧Versを印加して第1ジャンクションJN1からチャンネル膜(P_CH、S_CH、D_CH)に正孔を供給する。
【0022】
したがって、第1ジャンクションJN1からチャンネル膜(P_CH、S_CH、D_CH)に充分な量の正孔を安定的に供給することができ、供給された正孔はチャンネル膜(P_CH、S_CH、D_CH)に沿って移動しながら各メモリセルのメモリ膜に注入されて消去動作を完了するようになる。この時、第1選択ラインSL1、第2選択ラインSL2、パイプゲートPG及びビットラインBLはフローティングさせる。すなわち、第1選択ゲート及び第2選択ゲートとパイプゲートはフローティングされる。
【0023】
図4A及び図4Bは、本発明の第1実施例による3次元構造を有する不揮発性メモリ素子のプログラム動作を説明するための断面図及び回路図である。図4A及び図4Bに示されたように、プログラム動作の際、選択されたワードラインSelWLにプログラム電圧Vpgmを印加し、選択されていないワードラインUnselWL及びパイプゲートPGには、パス電圧Vpassを印加する。ここで、プログラムしようとするメモリセル(データ"0")が繋がれたビットラインBLには、OVを印加する。反面、プログラムしないメモリセル(データ"1")が繋がれたビットラインBLには動作電圧Vccを印加してチャンネル膜をブスティングさせることでプログラムされることを防止する(PGM inhibit)。
【0024】
この時、第1選択ラインSL1には0Vを印加し、第2選択ラインSL2には動作電圧Vccを印加する。すなわち、第1選択ゲートはターンオフさせてチャンネル膜(P_CH、S_CH、D_CH)を第1ジャンクションJN1と分離させ、第2選択ゲートには動作電圧を印加してターンオンさせることで第2ジャンクションJN2からチャンネル膜(P_CH、S_CH、D_CH)に電子を供給する。
【0025】
図5A及び図5Bは、本発明の第1実施例による3次元構造を有する不揮発性メモリ素子のリード動作を説明するための断面図及び回路図である。図5A及び図5Bに示されたように、リード動作の際、選択されたページのワードラインSelWLにリード電圧Vreadを印加する。ここで、リード電圧Vreadはプログラム可否によってメモリセルをターンオンまたはターンオフさせるレベルに決定されるが、メモリセルがプログラムされた場合(データ"0")にはメモリセルをターンオフさせてメモリセルが消去された場合(データ"1")にはメモリセルをターンオンさせるレベルに決定される。また、選択されていないワードラインUnselWL及びパイプゲートPGにはパス電圧Vpassを印加する。ここで、パス電圧Vpassはメモリセルのプログラム可否にかかわらず、メモリセルをすべてターンオンさせるレベルに決定される。
【0026】
この時、ビットラインBLにはプリチャージ電圧を印加した後、フローティングさせて、ソースラインSLにはプリチャージ電圧より高い電圧を印加し、ビットラインBLのレベルがプリチャージ電圧に比べて上昇されるかどうかをセンシングする。例えば、ビットラインBLを0Vにプリチャージした後、フローティングさせた状態でソースラインSLに1Vを印加してビットラインBLのレベルが0Vより高くなるかどうかをセンシングする。もしも、ビットラインBLのレベルが上昇すれば該メモリセルは消去された状態(データ"1")であり、ビットラインBLのレベルがそのままであれば該メモリセルはプログラムされた状態(データ"0")であることが分かる。
【0027】
図6は、本発明の第2実施例による3次元構造を有する不揮発性メモリ素子の構造を示す断面図である。ただし、説明の便宜のために複数のワードライン、第1、第2選択ライン、ビットライン及びソースラインを中心に図示しており、各ラインの間に介在された層間絶縁膜は略した。
【0028】
図6に示されたように、本発明の第2実施例による3次元構造を有する不揮発性メモリ素子200は、U字形でストリングが配列されて、二つの第1選択トランジスタと二つの第2選択ゲートの間に直列に繋がれた複数のメモリセルが一つのストリングを構成することを特徴にする。それ以外の構造は、前述した第1実施例で説明したメモリ素子100と同一である。このように、第1選択ラインSL1-1、SL1-2及び第2選択ラインSL2-1、SL2-2をそれぞれ二つずつ形成する場合、リード動作の間違いを最小化することができる。
【0029】
例えば、一つの第1選択ライン及び一つの第2選択ラインを含む場合、リード動作の際選択ゲートに動作電圧Vccが印加されれば、ソースラインと選択ライン間のチャンネル膜にPNダイオードが形成される。この時、ソースラインに1Vが印加されるので、PNダイオードに順方向バイアスがかかって電流が流れ、それによって、第1選択ラインをターンオフさせるのに困難さがある。
【0030】
ところが、本発明の第2実施例によれば、第1選択ラインSL1-1、SL1-2及び第2選択ラインSL2-1、SL2-2をそれぞれ二つずつ形成し、上部の選択ラインSL1-1、SL2-1をダミーとして利用してリード動作の際ターンオン電圧(例えば、5V)を印加する。ここで、ターンオン電圧とは、ゲートをターンオンさせることができるレベルの電圧を意味する。このような場合、PNダイオードに逆方向バイアスがかかるようになり、第1選択ラインSL1-2を容易にターンオフさせることができる。
【0031】
第2実施例による3次元構造を有する不揮発性メモリ素子の場合、消去動作及びプログラム動作の条件は、前述した第1実施例で説明したところと同一であり、この時、上下部の選択ラインは同一に動作させる。すなわち、二つの第1選択ラインSL1-1、SL1-2に同一のバイアスが印加され、二つの第2選択ラインSL2-1、SL2-2に同一のバイアスが印加される。また、リード動作の条件の時、上部の選択ラインSL1-1、SL2-1にターンオン電圧を印加し、それ以外の条件は前述した第1実施例で説明したところと同一である。
【0032】
図7は、本発明の第3実施例による3次元構造を有する不揮発性メモリ素子の構造を示す断面図である。ただし、説明の便宜のために複数のワードライン、第1、第2選択ライン、ビットライン及びソースラインを中心として図示しており、各ラインの間に介在された層間絶縁膜は略した。
【0033】
図7に示されたように、本発明の第3実施例による3次元構造を有する不揮発性メモリ素子300は、U字形でストリングが配列されてチャンネル膜(P_CH、S_CH、D_CH)の一側端と第1ジャンクションJN1との間に介在されてNタイプの不純物がドープされた第3ジャンクションJN3を含むことを特徴とする。それ以外の構造は前述した第2実施例で説明したメモリ素子200と同一の構造を有する。第3実施例による3次元構造を有する不揮発性メモリ素子の場合、前に説明した第2実施例と同一の条件で駆動されることができる。
【0034】
図8は、本発明の第4実施例による3次元構造を有する不揮発性メモリ素子の構造を示す断面図である。ただし、説明の便宜のために複数のワードライン、第1、第2選択ライン、ビットライン及びソースラインを中心として図示しており、各ラインの間に介在された層間絶縁膜は略した。
【0035】
図8に示されたように、本発明の第4実施例による3次元構造を有する不揮発性メモリ素子400は、基板SUBから垂直にストリングが配列される。基板SUB上にはソースラインSL、少なくとも一つの第1選択ラインSL1、複数のワードラインWL及び少なくとも一つの第2選択ラインSL2及びビットラインBLが順に具備される。また、基板SUBから突出されたチャンネル膜CHの一側(下部)端とソースラインSLとの間にPタイプの不純物がドープされた第1ジャンクションJN1が具備され、チャンネル膜CHの他側(上部)端とビットラインBLとの間にNタイプの不純物がドープされた第2ジャンクションJN2が具備される。
【0036】
ここで、第1ジャンクションJN1は、第1選択ラインSL1のゲートと離隔されるか、またはオーバーラップされて形成されることができる。また、第2ジャンクションJN2は第2選択ラインSL2のゲートと離隔されるか、またはオーバーラップされて形成されることができる。
【0037】
図9は、本発明の第5実施例による3次元構造を有する不揮発性メモリ素子の構造を示す断面図である。ただし、説明の便宜のために複数のワードライン、第1、第2選択ライン、ビットライン及びソースラインを中心として図示しており、各ラインの間に介在された層間絶縁膜は略した。
【0038】
図9に示されたように、本発明の第5実施例による3次元構造を有する不揮発性メモリ素子500は、基板SUBから垂直にストリングが配列されて、チャンネル膜CHの一側(下部)端と第1ジャンクションJN1との間にNタイプの不純物がドープされた第3ジャンクションJN3とを含むことを特徴とする。それ以外の構造は、前述した第4実施例で説明したメモリ素子400と同一の構造を有する。
【0039】
一方、第1ないし第5実施例を説明するにあたり、各図面はトンネル絶縁膜、メモリ膜及び電荷遮断膜が省略されて図示された。トンネル絶縁膜、メモリ膜及び電荷遮断膜は、チャンネル膜とワードラインとの間に介在され、一例として、チャンネル膜を取り囲むように形成されることができる。
【0040】
また、各図面ではトレンチの中心領域までチャンネル膜が完全に埋め込められた場合に対して図示されたが、トレンチの中心領域がオープンされるようにチャンネル膜が形成された後、オープンされた中心領域に絶縁膜を埋めこむか、またはオープン型と埋めこみ型を組み合わせてチャンネル膜を形成することも可能である。一例として、メモリセルのチャンネル膜は中心領域がオープンされるように形成され、選択トランジスタのチャンネル膜は中心領域まで完全にオープンされるように形成されることができる。
【0041】
図10は、本発明の第1、第2実施例による3次元構造を有する不揮発性メモリ素子の消去特性を示すグラフで、X軸は消去電圧Veraseを示し、Y軸はしきい値電圧の変化幅(Vth shift)を示す。
【0042】
グラフで、(a)は従来技術による3次元構造を有する不揮発性メモリ素子の消去特性を示すもので、チャンネル膜にNタイプの不純物がドープされた場合を示す。(b)は、本発明の第1実施例による3次元構造を有する不揮発性メモリ素子の消去特性を示し、(c)は本発明の第3実施例による3次元構造を有する不揮発性メモリ素子の消去特性を示す。
【0043】
グラフを通じて、従来の不揮発性メモリ素子は消去動作の際メモリセルのしきい値電圧が充分に変化されないことを確認することができる。これは、GIDL電流による正孔の供給が充分でないからである。反面、本発明の第1、第3実施例によれば、消去動作の際メモリセルのしきい値電圧が充分に変化されることを確認することができ、これを通じて消去動作の際第1ジャンクションから充分な量の正孔が供給されたことが分かる。
【0044】
図11Aないし図11Cは、本発明の第6実施例による3次元構造を有する不揮発性メモリ素子の製造方法を説明するための工程断面図である。図11Aに示されたように、パイプゲート20内に埋め込められたパイプチャンネル膜P_CH及びパイプチャンネル膜P_CHと繋がれた一対のドレインサイドチャンネル膜D_CH及びソースサイドチャンネル膜S_CHからなるチャンネル膜CH、チャンネル膜CHに沿って積層された複数のメモリセル及び前記複数のメモリセルの上部に位置された選択トランジスタを形成する。
【0045】
本図面では省略されたが、複数のメモリセル及び選択トランジスタは、多様な方法によって形成されることができる。以下、複数のメモリセル及び選択トランジスタを形成する工程を簡単に調べて見る。
【0046】
まず、パイプゲート20をエッチングして第1トレンチを形成した後、第1トレンチ内に犠牲膜を埋めこむ。次に、本図面には図示されなかったが、犠牲膜が埋め込められたパイプゲート上に追加してパイプゲートを形成することができ、これを通じて、セル電流を増加させることができる。
【0047】
次に、犠牲膜が埋め込められたパイプゲート上に複数の第1物質膜21及び複数の第2物質膜22を交互に形成する。ここで、第1物質膜21は複数のワードライン及び少なくとも一つの選択ラインを形成するためのもので、第2物質膜22は複数のワードライン及び少なくとも一つの選択ラインを相互分離させるためのものである。第1物質膜21と第2物質膜22はエッチング選択比の大きい物質で形成される。例えば、第1物質膜21は、ワードライン用導電膜または犠牲膜で形成されて、第2物質膜22は層間絶縁膜または犠牲膜で形成されることができる。
【0048】
第1の例として、第1物質膜21はポリシリコン膜などのワードライン用導電膜で形成されて、第2物質膜22は酸化膜などの層間絶縁膜で形成されることができる。
【0049】
第2の例として、第1物質膜21はワードライン用ドープドポリシリコン膜で形成されて、第2物質膜22は犠牲膜であるアンドープドポリシリコン膜または非晶質シリコン膜で形成されることができる。ここで、ドープドポリシリコン膜はボロン(Br)などのドパントがドープされたポリシリコンでありうる。このような場合、第2物質膜22はスリットの形成後にリセスされて、リセスされた領域に酸化膜などの層間絶縁膜が埋め込められて積層されたワードラインを分離させるようになる。
【0050】
第3の例として、第1物質膜21は窒化膜などの犠牲膜で形成されて、第2物質膜22は酸化膜などの層間絶縁膜で形成されることができる。このような場合、第1物質膜21はスリットの形成後にリセスされて、リセスされた領域にポリシリコン膜、タングステン膜、金属膜などの導電膜が埋め込まれてワードラインを形成するようになる。
【0051】
次に、複数の第1物質膜21及び複数の第2物質膜22をエッチングして第1トレンチと繋がれた一対の第2トレンチを形成した後、トレンチの内壁に電荷遮断膜、メモリ膜及びトンネル絶縁膜23を順に形成する。ここで、トンネル絶縁膜23は電荷のF-Nトンネリングのためのエネルギー障壁膜として提供されて、酸化膜で形成されることができる。メモリ膜は、電荷が注入または放出されてデータを格納するためのもので、窒化膜またはナノドットで形成されることができる。また、電荷遮断膜は、メモリ膜に格納された電荷がワードラインに移動されることを防止するためのもので、酸化膜、窒化膜及び酸化膜の積層構造で形成されるか、または高誘電常数を有する物質で形成されることができる。
【0052】
次に、トンネル絶縁膜上にチャンネル膜24を形成する。ここで、チャンネル膜24は不純物がドープされていないポリシリコン膜で形成されることができる。本図面では、第1トレンチ及び一対の第2トレンチが中心領域まで完全に埋め込められるようにチャンネル膜24を形成した場合に対して図示した。これにより、第1トレンチ内に埋め込められたパイプチャンネル膜P-CH及び一対の第2トレンチ内に埋め込められたソースサイドチャンネル膜S_CH及びドレインサイドチャンネル膜D_CHが形成される。
【0053】
次に、第2トレンチの間の複数の第1物質膜21及び複数の第2物質膜22をエッチングしてスリットを形成する。
【0054】
第1実施例の場合、スリットによって露出した複数の第1物質膜21をシリサイド化する。例えば、スリット内に金属膜を形成した後、熱処理工程によってポリシリコン膜で形成された第1物質膜21と金属膜を反応させてシリサイド膜を形成する。次に、残留する金属膜を除去した後、スリット内に絶縁膜24を埋めこむ。
【0055】
第2実施例の場合、スリットによって露出した複数の第2物質膜22をリセスする。次に、第2物質膜22がリセスされた領域に層間絶縁膜を埋めこむ。
【0056】
第3実施例の場合、スリットによって露出した複数の第1物質膜21をリセスする。次に、第1物質膜21がリセスされた領域にタングステン膜などの導電膜を埋めこむ。これにより、基板上に積層された複数のメモリセル及び選択トランジスタが形成される。一方、第6実施例では、複数のメモリセルと選択トランジスタを共に形成する場合に対して図示したが、複数のメモリセルを先に形成した後、選択トランジスタを別途の工程で形成することも可能である。
【0057】
図11Bに示されたように、ソースサイドチャンネル膜S_CHは覆って、ドレインサイドチャンネル膜D_CHは露出させる第1マスクパターン26を形成する。次に、第1マスクパターン26をバリヤーで1次イオン注入工程を実施してドレインサイドチャンネル膜D_CHの上部にNタイプの不純物を注入させることで、第2ジャンクションJN2を形成する。この時、イオン注入工程の条件を調節してドレインサイドチャンネル膜D_CHに注入されるイオンの濃度及び深みを調節することで、第2選択ラインSL2のゲートとオーバーラップされた第2ジャンクションJN2を形成するか、または第2選択ラインSL2から離隔された第2ジャンクションJN2を形成することができる。
【0058】
図11Cに示されたように、第1マスクパターン26を除去した後、第2ジャンクションJN2が形成されたドレインサイドチャンネル膜D_CHは覆って、ソースサイドチャンネル膜S_CHは露出させる第2マスクパターン27を形成する。次に、第2マスクパターン27をバリヤーで2次イオン注入工程を実施してソースサイドチャンネル膜S_CHの上部にPタイプの不純物を注入させることで、第1ジャンクションJN1を形成する。この時、イオン注入工程の条件を調節してソースサイドチャンネル膜S_CHに注入されるイオンの濃度及び深みを調節することで、第1選択ラインSL1のゲートとオーバーラップされた第1ジャンクションJN1を形成するか、または第1選択ラインSL1から離隔された第1ジャンクションJN1を形成することができる。勿論、第2マスクパターン27を先に利用して第2ジャンクションJN2を形成した後、第1マスクパターン26を利用して第1ジャンクションJN1を形成することも可能である。
【0059】
次に、本図面には図示されなかったが、ソースラインSL、ビットラインBLなどを形成する工程を順に実施する。
【0060】
図12A及び図12Bは、本発明の第7実施例による3次元構造を有する不揮発性メモリ素子の製造方法を説明するための工程断面図である。図12Aに示されたように、パイプゲート20内に埋め込められたパイプチャンネル膜P-CH及びパイプチャンネル膜P_CHと繋がれた一対のドレインサイドチャンネル膜D_CH及びソースサイドチャンネル膜S_CHからなるチャンネル膜CH、チャンネル膜CHに沿って積層された複数のメモリセル及び前記複数のメモリセルの上部に位置された選択トランジスタを形成する。
【0061】
第7実施例では、第1トレンチ及び一対の第2トレンチの中心領域がオープンされるようにチャンネル膜30を形成する場合に対して図示した。ここで、チャンネル膜30は不純物がドープされていないポリシリコン膜で形成されることができる。一例として、チャンネル膜30を形成した後、オープンされた中心領域に絶縁膜31を埋めこむ。次に、絶縁膜31を一部深くリセスし、絶縁膜31がリセスされた領域に導電性プラグ32を埋めこむことで、チャンネル膜CHを形成する。それ以外の工程は前述した第6実施例と同一に進行することができる。
【0062】
図12Bに示されたように、Nタイプの不純物をイオン注入するための1次イオン注入工程を実施する。この時、導電性プラグ32及びチャンネル膜30にNタイプの不純物がイオン注入されてNタイプの第1ジャンクションJN1及び第2ジャンクションJN2が形成される。
【0063】
本図面ではマスクパターンを使用せず、1次イオン注入工程を実施する場合に対して図示したが、導電性プラグ32及びこれらを取り囲むソースサイドチャンネル膜S_CH及びドレインサイドチャンネル膜D_CHを露出させるマスクパターンを形成した後、これをバリヤーで1次イオン注入工程を実施することも可能である。
【0064】
図12Cに示されたように、第2ジャンクションJN2は覆って、第1ジャンクションJN1は露出させるマスクパターン33を形成した後、これをバリヤーでPタイプの不純物をイオン注入するための2次イオン注入工程を実施する。この時、第1ジャンクションJN1にPタイプの不純物を充分にドープすることで、第1ジャンクションJN1がPタイプを有するようにする。勿論、1次イオン注入工程でPタイプの不純物をイオン注入した後、2次イオン注入工程で第1ジャンクションJN1は覆って第2ジャンクションJN2は露出させるマスクパターンを利用してNタイプの不純物をイオン注入することも可能である。
【0065】
次に、本図面には図示されなかったが、ソースラインSL、ビットラインBLなどを形成する工程を順に実施する。
【0066】
図13A及び図13Bは、本発明の第8実施例による3次元構造を有する不揮発性メモリ素子の製造方法を説明するための工程断面図である。図13Aに示されたように、ソース領域41が具備された基板40上に第1ジャンクションJN1及び下部選択トランジスタを形成する。ここで、第1ジャンクションJN1は、ソース領域41と下部選択トランジスタとの間に介在されて、下部選択トランジスタのゲートとオーバーラップされるか、または下部選択トランジスタのゲートから離隔されて形成される。
【0067】
一例として、基板40上に複数の層間絶縁膜44及び少なくとも一つの導電膜43を交互に形成した後、これらをエッチングしてトレンチを形成する。次に、トレンチの内壁にゲート絶縁膜42を形成した後、ゲート絶縁膜42が形成されたトレンチ内にポリシリコン膜のような導電膜を形成する。次に、1次イオン注入工程を実施して導電膜にPタイプの不純物を注入した後、導電膜をリセスして第1ジャンクションJN1を形成する。この時、導電膜がリセスされる深みによって、第1ジャンクションJN1が下部選択トランジスタのゲートとオーバーラップされるように形成されるか、または下部選択トランジスタと離隔されて形成されることができる。
【0068】
次に、第1ジャンクションJN1が形成されたトレンチ内にチャンネル膜CHを埋めこむ。
【0069】
本図面では別途のマスクパターンを使用せず1次イオン注入工程を実施する場合に対して図示したが、導電膜を露出させるマスクパターンをバリアーで利用して1次イオン注入工程を実施することも可能である。
【0070】
図13Bに示されたように、第1ジャンクションJN1及び下部選択トランジスタが形成された結果物上に複数の層間絶縁膜46及び複数の導電膜45を交互に形成した後、これらをエッチングしてトレンチを形成する。次に、トレンチの内壁に電荷遮断膜、メモリ膜及びトンネル絶縁膜50を形成した後、トンネル絶縁膜上にチャンネル膜CHを形成する。これにより、複数のメモリセルが形成される。
【0071】
次に、複数のメモリセルが形成された結果物上に複数の層間絶縁膜48及び少なくとも一つの導電膜47を形成した後、これらをエッチングしてトレンチを形成する。次に、トレンチの内壁にゲート絶縁膜49を形成した後、ゲート絶縁膜49上にチャンネル膜CHを形成する。これにより、上部選択トランジスタが形成される。
【0072】
次に、2次イオン注入工程を実施して上部選択トランジスタのチャンネル膜CHの上部領域にNタイプの不純物をイオン注入することで、Nタイプの第2ジャンクションJN2を形成する。本図面では別途のマスクパターンを使用せず2次イオン注入工程を実施する場合に対して図示したが、チャンネル膜CHを露出させるマスクパターンをバリアーで利用して2次イオン注入工程を実施することも可能である。
【0073】
次に、本図面には図示されなかったが、ソースラインSL、ビットラインBLなどを形成する工程を順に実施する。
【0074】
一方、第8実施例では第1下部選択トランジスタを形成する途中で第1ジャンクションJN1を形成する場合に対して説明したが、先に第1ジャンクションJN1を形成した後、下部選択トランジスタを形成することも可能である。
【0075】
図14は、本発明の一実施例によるメモリシステムの構成を示した構成図である。図14に示されたように、本発明の一実施例によるメモリシステム100は、不揮発性メモリ素子120とメモリコントローラー110を含む。
【0076】
不揮発性メモリ素子120は、前に説明されたレイアウトによる構造を有するように形成される。また、不揮発性メモリ素子120は複数のフラッシュメモリチップで構成されたマルチ-チップパッケージでありうる。
【0077】
メモリコントローラー110は、不揮発性メモリ素子120を制御するように構成されて、SRAM111、CPU112、ホストインターフェース113、ECC114、メモリインターフェース115を含むことができる。SRAM111は、CPU112の動作メモリとして使われ、CPU112はメモリコントローラー110のデータ交換のための諸制御動作を遂行し、ホストインターフェース113はメモリシステム100と接続されるホストのデータ交換プロトコルを具備する。また、ECC114は不揮発性メモリ素子120からリードされたデータに含まれたエラーを検出及び訂正し、メモリインターフェース115は不揮発性メモリ素子120とのインタフェーシングを遂行する。この外にもメモリコントローラー110はホストとのインタフェーシングのためのコードデータを格納するRCMなどをさらに含むことができる。
【0078】
このような構成を有するメモリシステム100は、不揮発性メモリ素子120とコントローラー110とが結合されたメモリカードまたはSSD(Solid State Disk)でありうる。例えば、メモリシステム100がSSDの場合、メモリコントローラー110はUSB、MMC、PCI-E、SATA、PATA、SCSI、ESDI、IDEなどのような多様なインターフェースプロトコルの中で一つを通じて外部(例えば、ホスト)と通信することができる。
【0079】
図15は、本発明の一実施例によるコンピュータシステムの構成を示す構成図である。図15に示されたように、本発明の一実施例によるコンピュータシステム200はシステムバス260に電気的に連結されたCPU220、RAM230、ユーザーインターフェース240、モデム250、メモリシステム210を含むことができる。また、コンピュータシステム200がモバイル装置の場合、コンピュータシステム200に動作電圧を供給するためのバッテリがさらに含まれることができ、応用チップセット、カメライメージプロセッサCIS、モバイルDRAMなどがさらに含まれることができる。メモリシステム210は前述した図14を参照して説明したように、不揮発性メモリ212、メモリコントローラー211で構成されることができる。
【0080】
以上説明したように、本発明の最も好ましい実施の形態について説明したが、本発明は、上記記載に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載され、又は明細書に開示された発明の要旨に基づき、当業者において様々な変形や変更が可能なのはもちろんであり、斯かる変形や変更が、本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。
【符号の説明】
【0081】
10 基板、
11 層間絶縁膜、
12 ワードライン、
13 下部選択ライン、
14 上部選択ライン、
15 ゲート絶縁膜、
16 トンネル絶縁膜、メモリ膜、電荷遮断膜、
20 パイプゲート、
21 導電膜、
22 層間絶縁膜、
23 電荷遮断膜、メモリ膜、トンネル絶縁膜
24 チャンネル膜、
25 絶縁膜、
26 第1マスクパターン、
27 第2マスクパターン、
30 チャンネル膜、
31 絶縁膜、
32 導電性プラグ、
33 マスクパターン、
40 基板、
41 ソース領域、
42 ゲート絶縁膜、
43 導電膜、
44 層間絶縁膜、
45 導電膜、
46 層間絶縁膜、
47 導電膜、
48 層間絶縁膜、
49 ゲート絶縁膜、
50 電荷遮断膜、メモリ膜、トンネル絶縁膜、
PG パイプゲート、
SL ソースライン、
BL ビットライン、
WL ワードライン
SL1 第1選択ライン、
SL2 第2選択ライン、
JN1 第1ジャンクション、
JN2 第2ジャンクション
JN3 第3ジャンクション

【特許請求の範囲】
【請求項1】
基板から突出されたチャンネル膜と、
前記チャンネル膜に沿って積層された複数のメモリセルと、
前記チャンネル膜の一側端と繋がれたソースラインと、
前記チャンネル膜の他側端と繋がれたビットラインと、
前記チャンネル膜の一側端と前記ソースラインとの間に介在されて、
Pタイプの不純物がドープされた第1ジャンクションと、
前記チャンネル膜の他側端と前記ビットラインとの間に介在されて、
Nタイプの不純物がドープされた第2ジャンクションと、
を含むことを特徴とする3次元不揮発性メモリ素子。
【請求項2】
前記チャンネル膜の一側端と前記第1ジャンクションとの間に介在されて、Nタイプの不純物がドープされた第3ジャンクションをさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の3次元不揮発性メモリ素子。
【請求項3】
前記チャンネル膜の一側端に形成された前記メモリセルと前記第1ジャンクションとの間に介在された少なくとも一つの第1選択トランジスタと、
前記チャンネル膜の他側端に形成された前記メモリセルと前記第2ジャンクションとの間に介在された少なくとも一つの第2選択トランジスタと、
をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の3次元不揮発性メモリ素子。
【請求項4】
リード動作の際、前記ビットラインにプリチャージ電圧を印加した後フローティングさせ、前記ソースラインに前記プリチャージ電圧より高い電圧を印加し、前記ビットラインのレベルが前記プリチャージ電圧に比べて上昇されるかどうかをセンシングすることを特徴とする請求項3に記載の3次元不揮発性メモリ素子。
【請求項5】
プログラム動作の際、前記第1選択トランジスタはターンオフさせ、前記第2選択トランジスタには動作電圧を印加してターンオンさせることを特徴とする請求項3に記載の3次元不揮発性メモリ素子。
【請求項6】
消去動作の際、前記第1選択トランジスタ及び前記第2選択トランジスタのゲートはフローティングさせ、前記ソースラインに消去電圧を印加して前記第1ジャンクションから前記チャンネル膜に正孔を供給することを特徴とする請求項3に記載の3次元不揮発性メモリ素子。
【請求項7】
前記チャンネル膜は、
アンドープドポリシリコン膜で形成されたことを特徴とする請求項1に記載の3次元不揮発性メモリ素子。
【請求項8】
前記チャンネル膜は、
パイプゲート内に形成されたパイプチャンネル膜と、
前記パイプチャンネル膜と繋がれつつ前記パイプゲートから突出された一対のソースサイドチャンネル膜及びドレインサイドチャンネル膜を含むことを特徴とする請求項1に記載の3次元不揮発性メモリ素子。
【請求項9】
前記チャンネル膜は、
U字形態であることを特徴とする請求項8に記載の3次元不揮発性メモリ素子。
【請求項10】
基板から突出されたチャンネル膜に沿って積層された複数のメモリセルを形成する段階と、
前記チャンネル膜の一側端と繋がれて、Pタイプの不純物がドープされた第1ジャンクションを形成する段階と、
前記チャンネル膜の他側端と繋がれて、Nタイプの不純物がドープされた第2ジャンクションを形成する段階と、
前記第1ジャンクションと繋がれたソースラインを形成する段階と、
前記第2ジャンクションと繋がれたビットラインを形成する段階と、
を含むことを特徴とする3次元不揮発性メモリ素子の製造方法。
【請求項11】
前記チャンネル膜は、
パイプゲート内に形成されたパイプチャンネル膜と、
前記パイプチャンネル膜と繋がれた一対のソースサイドチャンネル膜及びドレインサイドチャンネル膜と、
を含むことを特徴とする請求項10に記載の3次元不揮発性メモリ素子の製造方法。
【請求項12】
前記チャンネル膜は、
U字形態であることを特徴とする請求項11に記載の3次元不揮発性メモリ素子。
【請求項13】
前記第1ジャンクションを形成する段階は、
前記複数のメモリセルが形成された結果物上に前記ドレインサイドチャンネル膜を露出させる第1マスクパターンを形成する段階と、
前記第1マスクパターンをバリヤーで前記ドレインサイドチャンネル膜にNタイプの不純物を注入する段階と、
を含むことを特徴とする請求項11に記載の3次元不揮発性メモリ素子の製造方法。
【請求項14】
前記第2ジャンクションを形成する段階は、
前記複数のメモリセルが形成された結果物上に前記ソースサイドチャンネル膜を露出させる第2マスクパターンを形成する段階と、
前記第2マスクパターンをバリヤーで前記ソースサイドチャンネル膜にPタイプの不純物を注入する段階と、
を含むことを特徴とする請求項11に記載の3次元不揮発性メモリ素子の製造方法。
【請求項15】
前記第1ジャンクションを形成する段階及び前記第2ジャンクションを形成する段階は、
前記ドレインサイドチャンネル膜及び前記ソースサイドチャンネル膜に第1タイプの不純物を1次注入する段階と、
前記ドレインサイドチャンネル膜または前記ソースサイドチャンネル膜を露出させるマスクパターンを形成する段階と、
前記マスクパターンをバリアーで前記ドレインサイドチャンネル膜または前記ソースサイドチャンネル膜に第2タイプの不純物を2次注入する段階と、
を含むことを特徴とする請求項11に記載の3次元不揮発性メモリ素子の製造方法。
【請求項16】
前記複数のメモリセルを形成する段階は、
複数の第1物質膜及び複数の第2物質膜を交互に形成する段階と、
前記複数の第1物質膜及び前記複数の第2物質膜をエッチングして第1トレンチを形成する段階と、
前記第1トレンチ内にチャンネル膜を形成する段階と、
を含むことを特徴とする請求項10に記載の3次元不揮発性メモリ素子の製造方法。
【請求項17】
前記複数の第1物質膜及び前記複数の第2物質膜を交互に形成する段階の前に、パイプゲートをエッチングして一対の前記第1トレンチと繋がれる位置に第2トレンチを形成する段階と、
前記第2トレンチに犠牲膜を埋めこむ段階と、
をさらに含むことを特徴とする請求項16に記載の3次元不揮発性メモリ素子の製造方法。
【請求項18】
前記チャンネル膜を形成する段階後に、前記複数の第1物質膜及び前記複数の第2物質膜をエッチングして一対の前記第1トレンチの間にスリットを形成する段階と、
前記スリットによって露出した前記複数の第2物質膜をリセスする段階と、
前記複数の第2物質膜がリセスされた領域に導電膜または層間絶縁膜を形成する段階と、
をさらに含むことを特徴とする請求項16に記載の3次元不揮発性メモリ素子の製造方法。

【図1】
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【図2】
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【図3A】
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【図3B】
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【図4A】
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【図4B】
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【図5A】
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【図5B】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【図9】
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【図10】
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【図11A】
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【図11B】
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【図11C】
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【図12A】
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【図12B】
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【図12C】
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【図13A】
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【図13B】
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【図14】
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【図15】
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【公開番号】特開2013−93577(P2013−93577A)
【公開日】平成25年5月16日(2013.5.16)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2012−233363(P2012−233363)
【出願日】平成24年10月23日(2012.10.23)
【出願人】(310024033)エスケーハイニックス株式会社 (122)
【氏名又は名称原語表記】SK hynix Inc.
【住所又は居所原語表記】2091, Gyeongchung−daero,Bubal−eub,Icheon−si,Gyeonggi−do,Korea
【Fターム(参考)】