WO2018135914A1 - Dram cell device and manufacturing method therefor - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a DRAM cell device and a method of manufacturing the same, and a DRAM cell device and a method of manufacturing the same implemented with a transistor.
- DRAM is composed of a cell device that records one bit of information by using one transistor and one capacitor (1T / 1C), and has a high integration due to a difficulty in minimizing a transistor as well as a transistor during the miniaturization process. There was a limit to.
- the 1T DRAM cells have the advantage of easy miniaturization, fast operation speed, and easy integration into CMOS processes, thereby reducing production costs.
- the most traditional programming method is to apply a voltage to the gate to allow current to flow through a MOSFET (Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor), and then apply a high voltage to the drain through impact ionization. Creating holes and storing them in the body.
- MOSFET Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor
- BJT Bipolar Junction Transistor
- GIDL Gate Induced Drain Leakage
- the MOSFET-based ionization collision programming method or the BJT operation-based programming method may consume less power during the program operation than the read operation, but the GIDL current magnitude is relatively small, so that the programming is faster. There is a problem that a high gate voltage is required.
- the present invention provides a DRAM cell device using a tunneling field effect transistor and a method of manufacturing the same.
- the substrate is formed with an insulating layer; A first gate surrounded by the insulating layer; A first gate insulating film formed on the first gate; A main body positioned above the first gate insulating layer; Source and drain formed on both sides of the main body, respectively; A second gate insulating film formed on the main body; A second gate formed on the second gate insulating film; And a hole storage body formed between the main body and the first gate insulating layer and storing holes from the main body by tunneling.
- the source and drain are an N-type impurity doping layer (N + region), the main body is a P-type impurity doping layer (P-region), and the hole storage body is a P-type impurity doping layer doped at a higher concentration than the main body. It may be (P + region).
- the first gate When the second gate is grounded or floated, the first gate is applied with a second predetermined positive voltage, and the drain is applied with a predetermined third positive voltage smaller than the second positive voltage.
- a hole of the hole storage body is moved to the main body to reduce the hole of the hole storage body to perform an erasing (writing '0') operation.
- a read operation may be performed by sensing a current flowing between the sources.
- the main body may be stacked vertically on top of the hole storage body.
- the main body, the hole storage body and the first gate may be located concentrically, and the hole storage body may have a width equal to or greater than that of the main body.
- the source and drain may be coplanar with the main body, and may be vertically stacked on the hole storage body together with the main body, and the first gate may have a width equal to or smaller than that of the hole storage body.
- the insulating layer may have a pattern for applying a voltage to the first gate.
- the source and drain are P-type impurity doping layers (P + region), the main body is an N-type impurity doping layer (N-region), and the hole storage body is an N-type impurity doping layer doped at a higher concentration than the main body. (N + region).
- the DRAM cell device formed substrate; A first gate surrounded by the insulating layer; A first gate insulating film formed on the first gate; An active layer disposed on the insulating layer and doped with the same conductivity type; A second gate insulating film formed on the active layer; A second gate formed on the second gate insulating film; And a hole storage body formed between the active layer and the first gate insulating layer and storing holes from the active layer by tunneling.
- the active layer may be an N-type impurity doped layer (N + region), and the hole storage body may be a P-type impurity doped layer (P + region).
- the active layer may be a P-type impurity doped layer (P + region), and the hole storage body may be an N-type impurity doped layer (N + region).
- the active layer may form a single impurity region in which impurities of the same type are injected at a total concentration, and may be electrically connected to sources and drains formed at both sides of the second gate.
- a method of manufacturing a DRAM cell device includes depositing a first insulating layer on a substrate; Patterning and etching a first gate region in the first insulating layer; Forming a first gate and a first gate insulating layer in the first gate region; Patterning and etching a hole storage body region on the first gate insulating layer; Growing a silicon thin film in the hole storage body region and doping impurities; Growing a silicon thin film on top of the hole storage body region and doping impurities of a source, a drain and a main body; Forming a second gate insulating layer on the main body; And depositing a second gate on the second gate insulating layer, and depositing the source and drain contact metals.
- the method may further include depositing a second insulating layer on an upper surface of the first gate insulating layer and the first insulating layer before patterning and etching the hole storage body region.
- the doping of the source and drain is formed of an N-type impurity doping layer (N + region), the doping of the main body is formed of a P-type impurity doping layer (P-region), and the doping of the hole storage body region is performed in the main It may be formed of a P-type highly doped layer (P + region) doped at a higher concentration than the body.
- the DRAM cell device manufacturing method the step of depositing a first insulating layer on the substrate; Patterning and etching a first gate region in the first insulating layer; Forming a first gate and a first gate insulating layer in the first gate region; Patterning and etching a hole storage body region on the first gate insulating layer; Forming an active layer doped with an impurity of the same type on the hole storage body region; Forming a second gate insulating layer on the active layer; And depositing a second gate on the second gate insulating layer, and depositing a source and a drain contact metal.
- the active layer may be implanted with the same concentration of impurities of the same type as a whole, and may be electrically connected to the source and drain contact metals to be unbonded.
- a DRAM cell device using one transistor without a capacitor may be provided.
- low-power, low-voltage and high-speed operation are possible during programming by using the band-band tunneling phenomenon of charges (holes and electrons), and the retention time is increased because the leakage of holes due to the energy barrier in the hold operation is blocked. Can be.
- an upper portion of the hole storage body of the DRAM cell device may be integrated into a general silicon-based Complementary Metal-Oxide Semiconductor (CMOS) process for forming a metal oxide silicon field effect transistor (MOSFET). Since it can be reduced, it has an advantageous effect than the conventional DRAM cell device in terms of cost competitiveness and process technology compatibility.
- CMOS Complementary Metal-Oxide Semiconductor
- MOSFET metal oxide silicon field effect transistor
- FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a DRAM cell device according to a first embodiment of the present invention.
- FIG. 2 is a layered cross-sectional view illustrating a fabrication process of a DRAM cell device according to a first embodiment of the present invention.
- FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a band-to-band tunneling operation principle of a DRAM cell device according to the first embodiment of the present invention illustrated in FIG. 1.
- FIG. 4 is a diagram illustrating an energy band in a program operation of a DRAM cell device according to the first embodiment of the present invention illustrated in FIG. 3.
- FIG. 5 is a diagram illustrating an energy band in a hold operation of the DRAM cell device according to the first embodiment of the present invention illustrated in FIG. 3.
- FIG. 6 and 7 are diagrams illustrating an energy band in a read operation of the DRAM cell device according to the first embodiment of the present invention illustrated in FIG. 3.
- FIG. 8 is a diagram illustrating an energy band in an erase operation of the DRAM cell device according to the first embodiment of the present invention illustrated in FIG. 3.
- FIG. 9 is a graph showing the amount of drain current versus time of operations of the DRAM cell device according to the first embodiment of the present invention.
- FIG. 10 is a graph illustrating changes in threshold voltages in a program, erase, and read operation of a DRAM cell device according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. 3.
- FIG. 11 is a graph illustrating a change in current margin according to a hold time after programming of a DRAM cell device according to the first exemplary embodiment of FIG. 3.
- FIG. 12 is a layered cross-sectional view of a DRAM cell device according to a second embodiment of the present invention.
- FIG. 13 is a layered cross-sectional view of a DRAM cell device according to a third embodiment of the present invention.
- FIG. 14 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a DRAM cell device according to the first to third embodiments of the present invention.
- FIG. 15 is a cross-sectional view illustrating a DRAM cell device according to a fourth embodiment of the present invention.
- FIG. 16 is a layered cross-sectional view illustrating a fabrication process of a DRAM cell device according to a fourth embodiment of the present invention.
- FIG. 17 is a cross-sectional view illustrating a band-to-band tunneling principle of a DRAM cell device in accordance with a fourth embodiment of the present invention illustrated in FIG. 15.
- FIG. 18 is a diagram illustrating an energy band in a program operation of a DRAM cell device according to the fourth embodiment of the present invention illustrated in FIG. 17.
- FIG. 19 is a diagram illustrating an energy band in a hold operation of a DRAM cell device according to a fourth exemplary embodiment of the present invention illustrated in FIG. 17.
- 20 and 21 are diagrams illustrating an energy band in a read operation of the DRAM cell device according to the fourth embodiment of the present invention illustrated in FIG. 17.
- FIG. 22 is a diagram illustrating an energy band in an erase operation of a DRAM cell device according to a fourth exemplary embodiment of the present invention illustrated in FIG. 17.
- FIG. 23 is a graph showing the amount of drain current versus time of operations of the DRAM cell device according to the fourth embodiment of the present invention.
- FIG. 24 is a graph illustrating changes in threshold voltages during program, erase, and read operations of the DRAM cell device of FIG. 17 according to the fourth embodiment of the present invention.
- FIG. 25 is a graph illustrating a change in current margin according to a hold time after programming of a DRAM cell device according to the first exemplary embodiment of FIG. 17.
- 26 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a DRAM cell device according to a fourth embodiment of the present invention.
- ordinal numbers such as “first”, “second”, and the like may be used to distinguish between components. These ordinal numbers are used to distinguish the same or similar components from each other, and the meaning of the terms should not be construed as limited by the use of these ordinal numbers. For example, the components combined with these ordinal numbers should not be limited in order of use or arrangement by the number. If necessary, the ordinal numbers may be used interchangeably.
- a part when a part is connected to another part, this includes not only a direct connection but also an indirect connection through another medium.
- the meaning that a part includes a certain component means that it may further include other components, without excluding other components, unless specifically stated otherwise.
- FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a DRAM cell device according to a first embodiment of the present invention
- FIG. 2 is a layered cross-sectional view illustrating a fabrication process of a DRAM device according to a first embodiment of the present invention.
- the terms “deposition” and “growth” are used in the same sense as forming a semiconductor material layer, and the layer or thin film formed through various embodiments of the present invention is organometallic vapor deposition (metal-).
- organometallic vapor deposition MOCVD
- MBE molecular beam epitaxy
- PECVD, APCVD, LPCVD, UHCVD, PVD, electron beam method PECVD, APCVD, LPCVD, UHCVD, PVD, electron beam method, It may be deposited and formed by various methods such as resistance heating.
- the flow rate of the gas injected therein can be determined according to the volume of the MOCVD reaction chamber, and the thin film grown according to the type of gas, the pressure inside the reaction chamber, and the temperature conditions
- the thickness, surface roughness, doped concentration of the dopant and the like may vary.
- the higher the temperature the better the crystallinity of the thin film can be obtained, which should be limited in consideration of the physical properties of the reaction gas, the temperature at which the reaction occurs.
- ALD Atomic layer deposition
- the thin film growth can be controlled on an atomic basis.
- a DRAM cell device 100 may include a first gate 30 surrounded by a substrate 10 on which a first insulating layer 20 is formed and a first insulating layer 20. ), The hole storage body 40 formed on the first gate 30, the main body 45 formed on the hole storage body 40, the sources 42 formed on both sides of the main body 45, and The drain 48 and the second gate 60 formed on the main body 45 are included.
- a first gate insulating layer 35 is formed between the first gate 30 and the hole storage body 40, and the second gate 60 is formed.
- the second gate insulating layer 65 may be formed between the main body 45 and the main body 45.
- a second insulating layer 25 may be formed on upper surfaces of the first gate insulating layer 35 and the first insulating layer 20.
- a first insulating layer 20 is formed on a substrate 10 to a predetermined thickness.
- the substrate 10 may be formed of any one of silicon, silicon germanium, strained silicon, tensile silicon germanium, silicon carbide, or a group III-V compound.
- the first insulating layer 20 may include an oxide.
- the first insulating layer 20 may be a silicon oxide film (SiO 2) or a high dielectric film (a dielectric film having a high dielectric constant (high-k)).
- patterning and etching of the first gate region 31 may be performed on the upper surface of the first insulating layer 20.
- the pattern may be a pattern in which a plurality of metal thin films are spaced from 1 to 2 micrometers and their widths are several hundred nanometers each. An etching process is performed in a region where the metal thin film is not formed and the first insulating layer 20 is exposed.
- the pattern may be formed by sequentially applying a photoresist and an etching process. Specifically, a photoresist is applied on the upper portion of the metal thin film, and the photoresist is exposed to a pattern form through a mask to denature the exposed photoresist and then developed. After development, the portion where the photoresist has been removed may be wet or dry etched to form a final thin film pattern.
- the first gate region 31 may be formed at the center of the first insulating layer 20.
- the first gate 30 may be formed by depositing polycrystalline silicon in the first gate region 31, but is not limited thereto, and may include polycrystalline SiGe, polycrystalline Ge, amorphous silicon, amorphous SiGe, or silicide with various metals, Various metal oxides, binary metals such as TaN, TiN, WN and the like can also be used.
- the first gate 30 may be an n-type polysilicon doped with an n-type dopant or a p-type polysilicon thin film doped with a p-type dopant.
- the first gate 30 may be formed in the center of the first insulating layer 20 and may be surrounded by the first insulating layer 20.
- the first gate 30 tunnels holes from the main body 45 to the hole storage body 40 or from the hole storage body 40 to the main body 45 through a current flow between the second gates 60 to be described later. Can be.
- the top surface of the first gate 30 may be planarized through chemical mechanical polishing.
- a pattern for applying a voltage to the first gate 30 may be formed in the first insulating layer 20.
- a first gate insulating layer 35 may be deposited on the top surface of the first gate 30.
- the first gate insulating layer 35 may be formed of SiO 2, which is an oxide film formed by oxidizing the first gate 30 made of a polysilicon thin film.
- the first gate insulating layer 35 is configured to insulate the first gate 30 and the hole storage body 40 disposed thereon, and may be located between the first gate 40 and the hole storage body 40. .
- a second insulating layer 25 may be deposited on the first gate insulating layer 35 and the first insulating layer 20.
- the second insulating layer 25 may be formed of the same material as the above-described first insulating layer 20 to have a predetermined thickness.
- the hole storage body region 41 is patterned and etched.
- the silicon thin film may be grown in the hole storage body region 41 and doped with impurities to form the hole storage body 40.
- the hole storage body 40 may be positioned concentrically with the first gate 30 and may be stacked on the first gate 30 so as to be perpendicular to the first gate insulating layer 35.
- the hole-storage bodies (40) are P-type impurity high concentration doping layer may be a (P + regions, for example, doping concentration is 5 ⁇ 10 18 cm 3).
- the hole storage body 40 may have the same width as the main body 45.
- the upper surface of the hole storage body 40 may be planarized to have a thickness corresponding to the neighboring second insulating layer 25 through chemical mechanical polishing.
- the silicon thin film 50 is grown to a predetermined thickness on the upper surface of the second insulating layer 25 and the hole storage body 40.
- the dopants are doped to form a main body and a source 42 and a drain 48 on both sides of the main body 45 in the silicon thin film 50.
- the source 42 and drain 48 is N-type impurity highly doped layer (N + regions, such as the doping concentration is 5 ⁇ 10 18 cm - 3) may be a main body (45) is P-type impurity low concentration doping may be -: (3 1 ⁇ 10 15 cm P- type region, for example, doping density) layer. That is, the hole storage body 40 may be a P-type impurity doping layer (P + region) doped at a higher concentration than the main body 45. In this case, the source 42 and the drain 48 are coplanar with the main body 45, and only the main body 45 except the source 42 and the drain 48 is the upper portion of the hole storage body 40. It may be formed to be stacked perpendicular to the.
- the main body 45, the source 42, the drain 48 and the hole storage body 40 are each region according to the storage means (hole or electron) of the hole storage body 40 All may be formed in the opposite type.
- the source 42 and the drain 48 may have a P-type impurity high concentration doping layer (P + type region)
- the main body 45 may have an N-type impurity low concentration doping layer (N-type region)
- the hole storage body 40 silver may be formed of an N-type impurity high concentration doping layer (N + type region), respectively.
- a second gate insulating layer 65 is deposited on the upper surface of the main body 45.
- a second gate 60 is formed on the top surface of the second gate insulating layer 65, and respective contact metals 43 and 49 are deposited on the top surface of the source 42 and the drain 48.
- first gate 30, the hole storage body 40, the main body 45, and the second gate 60 may be formed to be concentric.
- the contact metal 43 (or source metal) of the source 42 may electrically connect the external element and the source 42.
- the source metal 43 may be made of a metal such as titanium (Ti), aluminum (Al), nickel (Ni), and gold (Au) to form an ohmic contact with the source 42.
- the ohmic contact is a non-rectified or ohmic contact, and the I-V curve follows the general Ohm's law.
- the drain 48 is disposed at a predetermined distance from the source 42 via the main body 45, and operates as a passage to allow the carrier supplied from the source 42 to go to an external device to generate a drain current.
- drain 48 may be doped with an N-type dopant to lower the resistance.
- the N-type dopant may be Si, Ge, Sn, Se, Te, or the like.
- the contact metal 49 (or drain metal) of the drain 48 may electrically connect the external element and the drain 48.
- the drain metal 49 may be formed of metals such as titanium (Ti), aluminum (Al), nickel (Ni), and gold (Au) for ohmic contact with the drain 48. .
- a passivation oxide film deposition and a post process may be performed.
- the second gate insulating layer 65 and the second gate 60 may be formed to correspond to the first gate insulating layer 35 and the first gate 30 described above.
- the first and second gate insulating layers 35 and 65 and the first and second insulating layers 20 and 25 may be formed of an oxide film formed by thermally oxidizing a silicon surface or may be formed by depositing an oxide film.
- FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a band-to-band tunneling operation principle of a DRAM cell device according to the first embodiment of the present invention illustrated in FIG. 1, and FIG. 4 is a DRAM cell according to the first embodiment of the present invention illustrated in FIG. 3. It is a figure which shows the energy band in the program operation of an element.
- FIG. 3 illustrates the first gate, the first gate insulating layer, and the hole based on the stacking order of the DRAM cell device according to the first embodiment of the present invention illustrated in FIG. 1 to explain the band-band tunneling operation.
- Sectional drawing which shows a storage body, a main body / source / drain, a 2nd gate insulating film, and a 2nd gate. 4 is a graph showing energy band diagrams in Y-Y 'and X-X' cross-sections shown in FIG.
- a program '1' operation of the DRAM cell device 100 may include a first preset in the second gate 60 and the drain 48.
- a positive voltage is applied and a first negative voltage is applied to the first gate 30
- the hole of the main body 45 is moved to the hole storage body 40 by the tunneling phenomenon, and thus the hole storage body This can be done by increasing the hole of 40.
- the programming operation reduces the hole concentration of the P-type main body 45 due to the inter-band tunneling phenomenon (oppositely, the electron concentration of the P-type main body 45 is increased), and XX 'is shown.
- a phenomenon occurs in which an energy barrier is reduced in the main body 45 (channel region) between the drain 48 and the source 42.
- the threshold voltage is greatly lowered, and the drain current, which is the current between the drain 48 and the source 42, rises high. Since the program operation is performed based on the band-band tunneling phenomenon, low power, low voltage, and high speed operation are possible. This is because charge transfer through the band-band tunneling effect is generally possible for high-speed movement in a relatively low voltage range compared to drift or diffusion movement.
- FIG. 5 is a diagram illustrating an energy band in a hold operation of the DRAM cell device according to the first embodiment of the present invention illustrated in FIG. 3.
- FIG. 5A is an energy band diagram in the hold '1' operation in the YY 'cross-section shown in FIG. 3
- FIG. 5B is an energy band diagram in the hold' 0 'operation in the YY' cross-section shown in FIG. .
- the second gate 60 and the drain 48 are grounded or floated, and a first negative voltage is applied to the first gate 30.
- a second negative voltage preset than the voltage is applied, the hole moved to the hole storage body 40 may be maintained.
- the hold operation is an operation for maintaining a charge state before confining or removing holes in the hole storage body 40 to perform a read operation to determine a retention time characteristic of the DRAM cell. Therefore, the hold operation is divided into a hold '1' and a hold '0' operation according to programming or erase states, respectively.
- the first gate 30 applies -0.4 V and the rest is performed.
- the second gate 60 and the drain 48 perform an operation in a grounded or floating state.
- holes stored in the hole storage body 40 may be stored and maintained without moving to the main body 45 by the energy band barrier.
- holes moveable from the main body 45 to the hole storage body 40 by a depletion layer generated between the hole storage body 40 and the main body 45. Can prevent the inflow of
- the leakage and inflow of holes trapped in the hole storage body 40 may be blocked by blocking the band barrier and the depletion layer. Therefore, the retention time can be increased in the state where the drain current does not flow.
- FIG. 6A is an energy band diagram in the lead '1' operation in the Y-Y 'cross-section shown in FIG. 3
- FIG. 7B is an energy band diagram in the lead' 0 'operation in the X-X' cross section shown in FIG.
- the second gate 60 and the drain 48 are applied with a fourth positive voltage smaller than the third positive voltage.
- the first gate 30 may be read by sensing a current flowing between the drain 48 and the source 42 according to the increase and decrease of the holes stored in the hole storage body 40.
- the read operation may be referred to as an operation for reading whether holes are stored in the hole storage body 40.
- a voltage of 0.2V is applied to the second gate 60 and the first gate 30 is grounded or floated, and then a voltage of 0.2V is applied to the drain 48 and the drain 48 and By sensing the drain current flowing between the sources 43, the storage state of the holes can be read.
- a read operation according to an embodiment of the present invention may be divided into read '1' and read '0' according to whether or not holes are stored in the charge storage body 40.
- the hole concentration is lowered.
- the energy band of the main body 40 is lowered and the drain current increases with the decrease of the threshold voltage.
- an additional hole storage body may be added in addition to the potential variation caused by the second gate 60.
- FIG. 8 is a diagram illustrating an energy band in an erase operation of the DRAM cell device according to the first embodiment of the present invention illustrated in FIG. 3. Specifically, FIG. 8 is an energy band diagram in erase (write '0') of the Y-Y 'cross-section shown in FIG.
- the writing '0' of the DRAM cell device 100 has a second gate grounded or floated, and the first gate 30
- the set second positive voltage is applied and the drain 48 is applied with a predetermined third positive voltage smaller than the second positive voltage
- holes in the hole storage body 40 move to the main body 45. Can be performed by reducing the holes of the hole storage body 40.
- the erase operation is for discharging holes stored in the hole storage body 40 to the main body 45
- a voltage of 1 V is applied to the first gate 30 and a voltage of 0.5 V is applied to the drain 48. Is applied, and the second gate 60 makes a grounded or floating state.
- Table 1 below is a table illustrating voltages applied to the first gate 30, the second gate 40, and the drain 48 in the above-described operations of the program, erase, read, and hold, respectively.
- FIG. 9 is a graph showing the amount of drain current versus time of operations of the DRAM cell device according to the first embodiment of the present invention.
- FIG. 9A is a graph in which the program operation, the hold operation, the read operation, and the erase operation of the DRAM cell device according to an embodiment of the present invention measure drain current values for 20 nm at a temperature of 300 K.
- FIG. 9b is a graph measuring the drain current value by increasing only the hold operation time to 100 nm under the same conditions as in FIG. 9a.
- FIG. 10 is a graph illustrating changes in threshold voltages in a program, erase, and read operation of a DRAM cell device according to the first exemplary embodiment of the present invention shown in FIG. 3, and FIG. 11 is a graph of the present invention shown in FIG. A graph showing a change in current margin according to a hold time after programming of a DRAM cell device according to the first embodiment.
- the DRAM cell device 100 may perform a program operation, a hold operation, a read operation, and an erase operation.
- the drain current reduction amount is 50% based on the current margin extracted through simulation, the retention time of 850ms is excellent.
- the value is about 13 times higher than the 64ms retention time currently suggested by the International Semiconductor Technology (ITRS) roadmap.
- the hole concentration is lowered, and the energy band of the main body is lowered, thereby increasing the drain current.
- the hold time is arbitrarily set to a condition of 100 ms, and the magnitude of the drain current for each operation mode is checked.
- the result can be confirmed to have high reliability even when the hold time is increased. That is, by blocking the band barrier and the depletion layer, the outflow and inflow of the holes trapped in the hole storage body can be blocked as much as possible, so that the retention time can be increased in the state where the drain current does not flow.
- FIG. 12 is a layered cross-sectional view of a DRAM cell device according to a second embodiment of the present invention
- FIG. 13 is a layered cross-sectional view of a DRAM cell device according to a third embodiment of the present invention.
- the following description will focus on the manufacturing process and differences of the DRAM cell device 100 according to the first embodiment of the present invention described above with reference to FIGS. 1 through 11, and the descriptions omitted will be replaced with the above description. Can be.
- the hole storage body 40a of the DRAM cell device 200 may be formed of a substrate 10 and a first insulating layer on which the first insulating layer 20 is formed. 20, the hole storage body 40a formed on the first gate 30, the hole storage body 40a formed on the first gate 30, the main body 45 and the main body 45 formed on the hole storage body 40a. A source 42 and a drain 48 formed on both sides, and a second gate 60 formed on the main body 45.
- a first gate insulating layer 35 is formed between the first gate 30 and the hole storage body 40a
- a second gate insulating layer 65 is formed between the second gate 60 and the main body 45. Can be formed.
- the main body 45 may be stacked vertically on top of the hole storage body 40a.
- the main body 45, the hole storage body 40a, and the first gate 30 may be concentric with each other, and the hole storage body 40a may have a larger width than the main body 45.
- the source 42, the drain 48, and the main body 45 may all be stacked vertically on top of the hole storage body 40a, and the width of the hole storage body 40a may be the source 42, the drain. 48 and the main body 45 may be equal to the sum of the widths.
- the first gate 30 may have a smaller width than the hole storage body 40a and may have the same width as the main body 45 and the second gate 60.
- the first gate 31b of the DRAM cell device 300 according to the third exemplary embodiment of the present invention may be formed to have the same width as the hole storage body 41a.
- the various embodiments of the present invention described above are examples showing that the widths of the first gates 30 and 30b and the hole storage bodies 40 and 40a may be changed. That is, the DRAM cell devices 100, 200, and 300 of the present invention may be satisfied only when the hole storage bodies 40 and 40a and the first gates 30 and 31b are formed under the main body 45. Their relationship is not limited to this.
- the mask used in the port lithography process may be integrated and used, thereby reducing the production cost thereof.
- the first gates 30 and 30b may have a width larger than that of the main body 45 and smaller than the hole storage bodies 40 and 40a, and the hole storage bodies 40 and 40a may be the main body (not shown). It is also possible to form an area smaller than both ends of the source 42 and the drain 48 respectively positioned on both sides of the 45.
- the DRAM cell devices 100, 200, and 300 described in the embodiments of the present invention may deposit only the first insulating layers 20 and 20b by omitting deposition of the second insulating layers 25, 25a and 25b. Thereafter, the first gates 30 and 30b, the first gate insulating layer 35, and the hole storage bodies 40 and 40a may be sequentially formed. In addition, when the second insulating layers 25, 25a and 25b are formed, the deposition process of the first gate insulating layer 35 may be omitted. In addition, the width of each region may vary if the first gate can generate vertical tunneling between the hole storage body and the main body.
- FIG. 14 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a DRAM cell device according to the first to third embodiments of the present invention.
- a dummy silicon oxide is deposited on a silicon substrate (S100), and a first gate is formed by using a patterning and polysilicon deposition process (S200).
- an additional dummy silicon oxide film and a first gate insulating film are deposited (S300), and a hole storage body is formed through a silicon thin film growth process and an impurity doping (S400).
- the first gate may be formed to have a width equal to or smaller than that of the hole storage body.
- the silicon thin film is further grown, and impurities are doped in the source, main body, and drain regions (S500).
- the hole storage body may be formed to have the same or larger width as the main body.
- a second gate is formed on the main body to form a second gate, and a DRAM cell device may be provided by depositing a source and a drain contact metal (S600).
- a series of processes after forming the hole storage body in the manufacturing process of the DRAM cell device of the present invention through the process of manufacturing a conventional silicon MOSFET (Metal Oxide Silicon Field Effect transistor) final DRAM cell device Can be prepared.
- This process can be integrated into existing Complementary Metal-Oxide Semiconductor (CMOS) processes to reduce production costs.
- CMOS Complementary Metal-Oxide Semiconductor
- a separate group III-V compound semiconductor material may be added to the present invention in the form of a single junction, a homojunction, or a heterojunction. You can also apply.
- the DRAM cell device using the N-channel MOSFET structure may be implemented through a symmetrical structure.
- the basic principle and operation of the DRAM cell device having the symmetrical structure may be the same as described above, but the current characteristics and the voltage application characteristics may be different.
- Various embodiments of the present invention may provide a DRAM cell device using one transistor without a capacitor.
- the DRAM cell device of the present invention may perform a programming operation to distinguish '1' from '0' by using a band-to-band tunneling phenomenon of holes generated from the P-type main body to the lower P + type hole storage body. This tunneling phenomenon enables low power, low voltage, and high speed operation during programming, and additionally, retention time can be increased because the leakage of holes due to the energy barrier in the hold operation is blocked.
- the upper portion of the hole storage body of the DRAM cell device can be integrated into a general silicon-based CMOS process forming a MOSFET, so that the advantages of price competitiveness and process technology compatibility Advantages over conventional DRAM cell devices.
- FIG. 15 is a cross-sectional view illustrating a DRAM cell device according to a fourth embodiment of the present invention
- FIG. 16 is a layered cross-sectional view illustrating a fabrication process of a DRAM cell device according to a fourth embodiment of the present invention.
- the charge storage region described below may be referred to as a region including a hole storage body and a first gate, and a junctionless field-effect transistor (JLFET) region is formed on the charge storage region.
- JLFET junctionless field-effect transistor
- This may mean a region including a source, a drain, a main body, and a second gate.
- no junction may mean that there is no pn junction due to the formation of a source, a drain, and a main body having different conductivity types in a field effect transistor structure (MOSFET).
- MOSFET field effect transistor structure
- the DRAM cell device 400 may include a first gate 30 surrounded by a substrate 10 on which the first insulating layer 20 is formed and the first insulating layer 20. ), A hole storage body 40 formed on the first gate 30, a main body 450 formed on the hole storage body 40, a source 420 formed on both sides of the main body 450, and The drain 480 and the second gate 60 formed on the main body 450 are included.
- a first gate insulating layer 35 is formed between the first gate 30 and the hole storage body 40, and the second gate 60 is formed.
- the second gate insulating layer 65 may be formed between the main body 45 and the main body 45.
- a second insulating layer 25 may be formed on upper surfaces of the first gate insulating layer 35 and the first insulating layer 20.
- the first insulating layer 20 is formed on the substrate 10 to have a predetermined thickness.
- the substrate 10 may be formed of any one of silicon, silicon germanium, strained silicon, tensile silicon germanium, silicon carbide, or a group III-V compound.
- the first insulating layer 20 may include an oxide.
- the first insulating layer 20 may be a silicon oxide film (SiO 2) or a high dielectric film (a dielectric film having a high dielectric constant (high-k)).
- patterning and etching of the first gate region 31 may be performed on the upper surface of the first insulating layer 20.
- the pattern may be a pattern in which a plurality of metal thin films are spaced from 1 to 2 micrometers and their widths are several hundred nanometers each. An etching process is performed in a region where the metal thin film is not formed and the first insulating layer 20 is exposed.
- the pattern may be formed by sequentially applying a photoresist and an etching process. Specifically, a photoresist is applied on the upper portion of the metal thin film, and the photoresist is exposed to a pattern form through a mask to denature the exposed photoresist and then developed. After development, the portion where the photoresist has been removed may be wet or dry etched to form a final thin film pattern.
- the first gate region 31 may be formed at the center of the first insulating layer 20.
- the first gate 30 may be formed by depositing polycrystalline silicon in the first gate region 31, but is not limited thereto, and may include polycrystalline SiGe, polycrystalline Ge, amorphous silicon, amorphous SiGe, or silicide with various metals, Various metal oxides, binary metals such as TaN, TiN, WN and the like can also be used.
- the first gate 30 may be an n-type polysilicon doped with an n-type dopant or a p-type polysilicon thin film doped with a p-type dopant.
- the first gate 30 may be formed in the center of the first insulating layer 20 and may be surrounded by the first insulating layer 20.
- the first gate 30 tunnels holes from the main body 45 to the hole storage body 40 or from the hole storage body 40 to the main body 45 through a current flow between the second gates 60 to be described later. Can be.
- the top surface of the first gate 30 may be planarized through chemical mechanical polishing.
- a pattern for applying a voltage to the first gate 30 may be formed in the first insulating layer 20.
- a first gate insulating layer 35 may be deposited on the top surface of the first gate 30.
- the first gate insulating layer 35 may be formed of SiO 2, which is an oxide film formed by oxidizing the first gate 30 made of a polysilicon thin film.
- the first gate insulating layer 35 is configured to insulate the first gate 30 and the hole storage body 40 disposed thereon, and may be located between the first gate 40 and the hole storage body 40. .
- a second insulating layer 25 may be deposited on the first gate insulating layer 35 and the first insulating layer 20.
- the second insulating layer 25 may be formed of the same material as the above-described first insulating layer 20 to have a predetermined thickness.
- the hole storage body region 41 is patterned and etched.
- the silicon thin film may be grown in the hole storage body region 41 and doped with impurities to form the hole storage body 40.
- the hole storage body 40 may be positioned concentrically with the first gate 30 and may be stacked on the first gate 30 so as to be perpendicular to the first gate insulating layer 35.
- the hole-storage bodies (40) are P-type impurity high concentration doping layer may be a (P + regions, for example, doping concentration is 5 ⁇ 10 18 cm 3).
- the upper surface of the hole storage body 40 may be planarized to have a thickness corresponding to the neighboring second insulating layer 25 through chemical mechanical polishing.
- an active layer 410 doped with impurities of the same type is formed on the top surface of the second insulating layer 25 and the hole storage body 40.
- the active layer 410 is N-type impurity highly doped layer (N + type region, for example, the doping concentration: 5 ⁇ 10 18 cm - 3 ) may be a hole storage body is P-type impurity highly doped layer (P + type Regions, for example, doping concentration: 5 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 ).
- N-type impurities may be arsenic (As), phosphorus (P), bismuth (Bi), antimony (Sb), or the like, and may be used alone or in combination of two or more.
- each region may be formed in the opposite type.
- the active layer 410 may be formed of a P-type impurity high concentration doping layer (P + type region), and the hole storage body may be an N-type impurity high concentration doping layer (N + type region).
- the P-type impurities may be aluminum (Al), boron (B), indium (In), gallium (Ga), or the like, and these may be used alone or in combination of two or more thereof.
- the active layer 410 may be implanted with the same concentration of impurities of the same type as a whole. Impurity implantation may be optimized by varying ionization energy so that the active layer 410 may be uniformly implanted with impurities having substantially the same polarity from bottom to top.
- a rapid annealing process at a temperature of 900 to 1100 degrees may be additionally performed so that impurities injected into the active layer 410 may be uniformly spread in the active layer.
- the second gate insulating layer 65 is deposited on the upper surface of the main body 45.
- a second gate 60 is formed on the top surface of the second gate insulating layer 65, and respective contact metals 43 and 49 are deposited on the top surface of the source 42 and the drain 48.
- the contact metal 43 (or source metal) of the source 42 may electrically connect the external element and the source 42.
- the source metal 43 may be made of a metal such as titanium (Ti), aluminum (Al), nickel (Ni), and gold (Au) to form an ohmic contact with the source 42.
- the ohmic contact is a non-rectified or ohmic contact, and the I-V curve follows the general Ohm's law.
- a passivation oxide film deposition and a post process may be performed.
- the second gate insulating layer 65 and the second gate 60 may be formed to correspond to the first gate insulating layer 35 and the first gate 30 described above.
- the first and second gate insulating layers 35 and 65 and the first and second insulating layers 20 and 25 may be formed of an oxide film formed by thermally oxidizing a silicon surface or may be formed by depositing an oxide film.
- the DRAM cell device includes a charge storage region including a hole storage body and a first gate, and a source, a drain, a main body, and a second gate formed on the static storage region. It may include a junctionless field effect transistor (JLFET) region.
- JLFET junctionless field effect transistor
- FIG. 17 is a cross-sectional view illustrating a band-to-band tunneling principle of a DRAM cell device in accordance with a fourth embodiment of the present invention illustrated in FIG. 15, and FIG. 18 is a DRAM cell according to a fourth embodiment of the present disclosure illustrated in FIG. 17.
- FIG. 19 is a diagram illustrating an energy band in a program operation of the device, and FIG. 19 is a diagram illustrating an energy band in the hold operation of the DRAM cell device according to the fourth embodiment of the present invention illustrated in FIG. 17.
- 20 and 21 are views illustrating energy bands in a read operation of the DRAM cell device according to the fourth embodiment of the present invention illustrated in FIG. 17, and FIG. 22 is a fourth embodiment of the present invention illustrated in FIG. 17. Shows an energy band in an erase operation of a DRAM cell device according to the present invention.
- Table 2 below is a table illustrating a voltage application of the DRAM device according to the fourth embodiment of the present invention.
- the operation of the DRAM cell device according to the voltage application example of Table 2 will be described with reference to FIGS. 17 to 25.
- FIGS. 17, 18A, and 18B correspond to FIGS. 3, 4A, and 4B, descriptions thereof will be omitted.
- 18C is a diagram illustrating the principle of interband tunneling operation. Referring to FIG. 18C, it can be seen that the depletion layer 490 is reduced and the main body 450 is increased through FIGS. 18A and 18B.
- FIG. 22A is an energy band diagram in erase (write '0') of the Y-Y 'cross-section shown in FIG. 17, and FIG. 22B is a diagram showing the principle of interband tunneling operation.
- the erase operation of the DRAM cell device is for discharging holes stored in the P + type hole storage body to the N + type body region, a positive voltage (eg, 1.5 V) and a small amount of voltage (e.g., 1 V) is applied to the drain and the second gate is grounded or floated.
- a positive voltage eg, 1.5 V
- a small amount of voltage e.g., 1 V
- the energy band of the P + type hole storage region is lowered and the energy band of the N + type body region is increased by applying a voltage, an energy barrier that limits the movement of holes previously formed is reduced. Accordingly, the holes stored in the P + type hole storage region are discharged to the N + type body region by the drift phenomenon. The holes moved to the N + type body region are then moved to the source due to the characteristics of the JLFET where the source, drain, and main body have the same impurity doping concentration. On the contrary, electrons present in the source are introduced into the main body by the drain current. do.
- This phenomenon which can be seen in FIG. 22B, may cause a high increase in the electron concentration of the N + type main body 450. Accordingly, the depletion layer 490 may be reduced to increase the main body channel.
- FIG. 23A is a graph in which the program operation, the hold operation, the read operation, and the erase operation of the DRAM cell device according to the fourth embodiment of the present invention measure drain current values for 10 nm time at a temperature of 300 K
- FIG. 23A is a graph measuring the drain current value by increasing only the hold operation time to 100 nm under the same conditions as in FIG. 23A.
- FIG. 24 is a graph illustrating changes in threshold voltages in a program, erase, and read operation of a DRAM cell device according to a fourth exemplary embodiment of the present invention shown in FIG. 17.
- FIG. 25 is a graph of the present invention shown in FIG. A graph showing a change in current margin according to a hold time after programming of a DRAM cell device according to a fourth embodiment.
- the read operation may be divided into read '1' and read '0' according to whether or not holes are stored in the charge storage region. For example, in the case where holes are stored in the charge storage region ('1', in the case of a programmed 1T-DRAM cell), the hole concentration of the N + type body region is lowered by the holes stored in the P + type hole storage region. In this state, the energy band of the N + type body region is lowered, and the drain current increases with the decrease of the threshold voltage.
- drain current which is a current between the drain region and the source region. current
- 26 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a DRAM cell device according to a fourth embodiment of the present invention.
- a dummy silicon oxide is deposited on a silicon substrate (S1000), and a first gate is formed by using a patterning and polysilicon deposition process (S2000).
- the first gate may be formed to have a width equal to or smaller than that of the hole storage body.
- an active layer of a silicon thin film doped with the same conductivity type without forming a separate source and drain regions is formed (S5000).
- a second gate is formed on the main body to form a second gate, and a DRAM cell device may be provided by depositing a source and a drain contact metal (S6000).
- the source, the main body, and the drain are all made of the same doping concentration, current flows to the main body. Therefore, the bulk current flowing into the body bulk region rather than the channel current formed at the gate bottom of the conventional MOSFET is a key part of the transistor operation.
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Abstract
Description
본 발명은 디램 셀 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 하나의 트랜지스터로 구현된 디램 셀 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a DRAM cell device and a method of manufacturing the same, and a DRAM cell device and a method of manufacturing the same implemented with a transistor.
일반적으로 디램(DRAM)은 하나의 트랜지스터와 하나의 커패시터(1T/1C)를 이용하여 1 비트의 정보를 기록하는 셀 소자로 구성되어, 미세화 과정에서 트랜지스터뿐만 아니라 커패시터도 미세화해야 하는 어려움이 있어 고집적화에 한계가 있었다.In general, DRAM is composed of a cell device that records one bit of information by using one transistor and one capacitor (1T / 1C), and has a high integration due to a difficulty in minimizing a transistor as well as a transistor during the miniaturization process. There was a limit to.
최근에는 커패시터 없이 하나의 트랜지스터만으로 1 비트의 정보를 저장할 수 있는 셀이 구현되는 1T 디램의 연구가 활발하게 진행되고 있다. 1T 디렘 셀은 기존 1T/1C 디램 셀에 비하여 미세화가 쉽고, 동작속도가 빠르며 CMOS 공정에 통합되기 쉬우므로 생산비용을 감소할 수 있다는 장점을 가진다.Recently, researches on 1T DRAM, in which a cell capable of storing one bit of information with only one transistor without a capacitor, are being actively conducted. Compared with the existing 1T / 1C DRAM cells, the 1T DRAM cells have the advantage of easy miniaturization, fast operation speed, and easy integration into CMOS processes, thereby reducing production costs.
이러한 1T 디램의 동작은 플로팅 바디에 정공의 저장 유무를 통하여 '1'과 '0'을 구분하기 때문에 정공을 저장하기 위한 다양한 프로그래밍 방법들이 제안되고 있다.Since the operation of the 1T DRAM distinguishes between '1' and '0' through the storage of holes in the floating body, various programming methods for storing holes have been proposed.
이들 중 가장 전통적인 프로그래밍 방법은 MOSFET(모스 전게 효과 트랜지스터(Metal Oxide Silicon Field Effect transistor))에 전류가 흐르도록 게이트에 전압을 인가한 후, 드레인에 높은 전압을 인가하여 충돌 이온화(impact ionization)을 통해 정공을 생성하여 바디에 저장하는 것이다.The most traditional programming method is to apply a voltage to the gate to allow current to flow through a MOSFET (Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor), and then apply a high voltage to the drain through impact ionization. Creating holes and storing them in the body.
이 이외에도, 리드 동작 시에 큰 센싱 마진을 가지는 BJT(Bipolar Junction Transistor)동작 기반의 프로그래밍 방법과, 프로그램 동작 시에 전력 소모가 작은 GIDL(Gate Induced Drain Leakage) 기반의 프로그램 방법이 있다.In addition, there are programming methods based on Bipolar Junction Transistor (BJT) operation having a large sensing margin during read operation, and a GIDL (Gate Induced Drain Leakage) based programming method with low power consumption during program operation.
그러나, 종래 프로그래밍 방법들 중 MOSFET 기반의 이온화 충돌 프로그래밍 방법이나, BJT 동작 기반의 프로그래밍 방법은 리드 동작보다 프로그램 동작 시에 전력소모는 작을 수는 있으나, GIDL 전류 크기가 상대적으로 작기 때문에 빠르게 프로그래밍하기 위해서는 높은 게이트 전압이 필요하다는 문제점이 있다.However, among the conventional programming methods, the MOSFET-based ionization collision programming method or the BJT operation-based programming method may consume less power during the program operation than the read operation, but the GIDL current magnitude is relatively small, so that the programming is faster. There is a problem that a high gate voltage is required.
본 발명은 터널링 전계효과 트랜지스터를 이용한 디램 셀 소자 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.The present invention provides a DRAM cell device using a tunneling field effect transistor and a method of manufacturing the same.
이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 디램 셀 소자는, 절연층이 형성된 기판; 상기 절연층으로 둘러싸인 제1 게이트; 상기 제1 게이트 상에 형성된 제1 게이트 절연막; 상기 제1 게이트 절연막의 상부에 위치하는 메인 바디; 상기 메인 바디의 양측에 각각 형성된 소스 및 드레인; 상기 메인 바디에 형성된 제2 게이트 절연막; 상기 제2 게이트 절연막 상에 형성된 제2 게이트; 및 상기 메인 바디와 상기 제1 게이트 절연막 사이에 형성되고, 상기 메인 바디로부터 터널링에 의해 정공을 저장하는 정공저장 바디를 포함한다.A DRAM cell device according to an embodiment of the present invention for achieving the above object, the substrate is formed with an insulating layer; A first gate surrounded by the insulating layer; A first gate insulating film formed on the first gate; A main body positioned above the first gate insulating layer; Source and drain formed on both sides of the main body, respectively; A second gate insulating film formed on the main body; A second gate formed on the second gate insulating film; And a hole storage body formed between the main body and the first gate insulating layer and storing holes from the main body by tunneling.
상기 소스 및 드레인은 N형 불순물 도핑층(N+영역)이고, 상기 메인 바디는 P형 불순물 도핑층(P-영역)이고, 상기 정공저장 바디는 상기 메인 바디보다 고농도로 도핑된 P형 불순물 도핑층(P+영역)일 수 있다.The source and drain are an N-type impurity doping layer (N + region), the main body is a P-type impurity doping layer (P-region), and the hole storage body is a P-type impurity doping layer doped at a higher concentration than the main body. It may be (P + region).
상기 제2 게이트와 드레인에 기 설정된 제1 양의 전압이 인가되고, 상기 제1 게이트에 기 설정된 제1 음의 전압이 인가되는 경우, 터널링 현상에 의해 상기 메인 바디의 정공이 상기 정공저장 바디로 이동되어 상기 정공저장 바디의 정공이 증가함으로써 프로그램(writing '1') 동작을 수행할 수 있다.When the first positive voltage is applied to the second gate and the drain, and the first negative voltage is applied to the first gate, holes in the main body are transferred to the hole storage body by a tunneling phenomenon. The hole of the hole storage body is moved to increase the writing (1 ') operation.
상기 제2 게이트와 드레인이 접지되거나 플로팅되고, 상기 제1 게이트에 상기 제1 음의 전압보다 작은 기 설정된 제2 음의 전압이 인가되는 경우, 상기 정공저장 바디로 이동된 정공이 유지됨으로써 홀드(hold) 동작을 수행할 수 있다.When the second gate and the drain are grounded or floated, and a preset second negative voltage smaller than the first negative voltage is applied to the first gate, the holes moved to the hole storage body are maintained, thereby holding ( hold) operation.
상기 제2 게이트는 접지되거나 플로팅되고, 상기 제1 게이트는 기 설정된 제2 양의 전압이 인가되며, 상기 드레인은 상기 제2 양의 전압보다 작은 기 설정된 제3 양의 전압이 인가되는 경우, 상기 정공저장 바디의 정공이 상기 메인 바디로 이동되어 상기 정공저장 바디의 정공이 감소함으로써 이레이즈 (writing '0') 동작을 수행할 수 있다.When the second gate is grounded or floated, the first gate is applied with a second predetermined positive voltage, and the drain is applied with a predetermined third positive voltage smaller than the second positive voltage. A hole of the hole storage body is moved to the main body to reduce the hole of the hole storage body to perform an erasing (writing '0') operation.
상기 제2 게이트와 드레인은 상기 제3 양의 전압보다 작은 제4 양의 전압이 인가되고, 상기 제1 게이트는 접지되거나 플로팅되는 경우, 상기 정공저장 바디에 저장된 정공의 증감에 따른 상기 드레인과 상기 소스 사이에 흐르는 전류를 센싱함으로써 리드(read) 동작을 수행할 수 있다.When the second gate and the drain are applied with a fourth positive voltage smaller than the third positive voltage, and the first gate is grounded or floated, the drain and the hole according to the increase and decrease of the holes stored in the hole storage body. A read operation may be performed by sensing a current flowing between the sources.
상기 메인 바디는 상기 정공저장 바디의 상부에 수직으로 적층될 수 있다.The main body may be stacked vertically on top of the hole storage body.
상기 메인 바디, 상기 정공저장 바디 및 상기 제1 게이트는 동심 상에 위치하고, 상기 정공저장 바디는 상기 메인 바디와 같거나 큰 폭을 가질 수 있다.The main body, the hole storage body and the first gate may be located concentrically, and the hole storage body may have a width equal to or greater than that of the main body.
상기 소스 및 드레인은 상기 메인 바디와 동일 평면 상에 위치하고, 상기 메인 바디와 함께 정공저장 바디의 상부에 수직으로 적층되고, 상기 제1 게이트는 상기 정공저장 바디와 같거나 작은 폭을 가질 수 있다.The source and drain may be coplanar with the main body, and may be vertically stacked on the hole storage body together with the main body, and the first gate may have a width equal to or smaller than that of the hole storage body.
상기 절연층은 상기 제1 게이트에 전압을 인가하는 패턴이 형성될 수 있다.The insulating layer may have a pattern for applying a voltage to the first gate.
상기 소스 및 드레인은 P형 불순물 도핑층(P+영역)이고, 상기 메인 바디는 N형 불순물 도핑층(N-영역)이고, 상기 정공저장 바디는 상기 메인 바디보다 고농도로 도핑된 N형 불순물 도핑층(N+영역)일 수 있다.The source and drain are P-type impurity doping layers (P + region), the main body is an N-type impurity doping layer (N-region), and the hole storage body is an N-type impurity doping layer doped at a higher concentration than the main body. (N + region).
또한, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 디램 셀 소자는, 절연층이 형성된 기판; 상기 절연층으로 둘러싸인 제1 게이트; 상기 제1 게이트 상에 형성된 제1 게이트 절연막; 상기 절연막의 상부에 위치하고, 동일한 도전형으로 도핑된 액티브층; 상기 액티브층에 형성된 제2 게이트 절연막; 상기 제2 게이트 절연막 상에 형성된 제2 게이트; 및 상기 액티브층과 상기 제1 게이트 절연막 사이에 형성되고, 상기 액티브층으로부터 터널링에 의해 정공을 저장하는 정공저장 바디를 포함한다.In addition, the DRAM cell device according to another embodiment of the present invention, the insulating layer formed substrate; A first gate surrounded by the insulating layer; A first gate insulating film formed on the first gate; An active layer disposed on the insulating layer and doped with the same conductivity type; A second gate insulating film formed on the active layer; A second gate formed on the second gate insulating film; And a hole storage body formed between the active layer and the first gate insulating layer and storing holes from the active layer by tunneling.
상기 액티브층은 N형 불순물 도핑층(N+영역)이고, 상기 정공저장 바디는 P형 불순물 도핑층(P+영역)일 수 있다.The active layer may be an N-type impurity doped layer (N + region), and the hole storage body may be a P-type impurity doped layer (P + region).
상기 액티브층은 P형 불순물 도핑층(P+영역)이고, 상기 정공저장 바디는 N형 불순물 도핑층(N+영역)일 수 있다.The active layer may be a P-type impurity doped layer (P + region), and the hole storage body may be an N-type impurity doped layer (N + region).
상기 액티브층은 전체적으로 동일한 타입의 불순물이 돌일한 농도로 주입된 단일 불순물 영역을 형성하고, 상기 제2 게이트의 양측에 형성된 소스 및 드레인과 전기적으로 연결될 수 있다.The active layer may form a single impurity region in which impurities of the same type are injected at a total concentration, and may be electrically connected to sources and drains formed at both sides of the second gate.
한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 디램 셀 소자의 제조방법은, 기판에 제1 절연층을 증착하는 단계; 상기 제1 절연층에 제1 게이트 영역을 패터닝 및 식각하는 단계; 상기 제1 게이트 영역에 제1 게이트 및 제1 게이트 절연막을 형성하는 단계; 상기 제1 게이트 절연막의 상부에 정공저장 바디영역을 패터닝 및 식각하는 단계; 상기 정공저장 바디영역에 실리콘 박막을 성장하고 불순물을 도핑하는 단계; 정공저장 바디영역의 상부에 실리콘 박막을 성장하고, 소스, 드레인, 메인 바디의 불순물을 도핑하는 단계; 상기 메인 바디의 상부에 제2 게이트 절연막을 형성하는 단계; 및 상기 제2 게이트 절연막의 상부에 제2 게이트를 증착하고, 상기 소스 및 드레인 컨택 메탈을 증착하는 단계를 포함한다.Meanwhile, a method of manufacturing a DRAM cell device according to an embodiment of the present invention includes depositing a first insulating layer on a substrate; Patterning and etching a first gate region in the first insulating layer; Forming a first gate and a first gate insulating layer in the first gate region; Patterning and etching a hole storage body region on the first gate insulating layer; Growing a silicon thin film in the hole storage body region and doping impurities; Growing a silicon thin film on top of the hole storage body region and doping impurities of a source, a drain and a main body; Forming a second gate insulating layer on the main body; And depositing a second gate on the second gate insulating layer, and depositing the source and drain contact metals.
상기 정공저장 바디영역을 패터닝 및 식각하는 단계 이전에, 상기 제1 게이트 절연막 및 상기 제1 절연층의 상면에 제2 절연층을 증착하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method may further include depositing a second insulating layer on an upper surface of the first gate insulating layer and the first insulating layer before patterning and etching the hole storage body region.
상기 소스 및 드레인의 도핑은 N형 불순물 도핑층(N+영역)으로 형성하고, 상기 메인바디의 도핑은 P형 불순물 도핑층(P-영역)으로 형성하고, 상기 정공저장 바디영역의 도핑은 상기 메인 바디보다 고농도로 도핑된 P형 고농도 도핑층(P+영역)으로 형성할 수 있다.The doping of the source and drain is formed of an N-type impurity doping layer (N + region), the doping of the main body is formed of a P-type impurity doping layer (P-region), and the doping of the hole storage body region is performed in the main It may be formed of a P-type highly doped layer (P + region) doped at a higher concentration than the body.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 디램 셀 소자 제조방법은, 기판에 제1 절연층을 증착하는 단계; 상기 제1 절연층에 제1 게이트 영역을 패터닝 및 식각하는 단계; 상기 제1 게이트 영역에 제1 게이트 및 제1 게이트 절연막을 형성하는 단계; 상기 제1 게이트 절연막의 상부에 정공저장 바디영역을 패터닝 및 식각하는 단계; 상기 정공저장 바디영역의 상부에 동일한 타입의 불순물이 도핑된 액티브층을 형성하는 단계; 상기 액티브층의 상부에 제2 게이트 절연막을 형성하는 단계; 및 상기 제2 게이트 절연막의 상부에 제2 게이트를 증착하고, 소스 및 드레인 컨택 메탈을 증착하는 단계를 포함한다.In addition, the DRAM cell device manufacturing method according to another embodiment of the present invention, the step of depositing a first insulating layer on the substrate; Patterning and etching a first gate region in the first insulating layer; Forming a first gate and a first gate insulating layer in the first gate region; Patterning and etching a hole storage body region on the first gate insulating layer; Forming an active layer doped with an impurity of the same type on the hole storage body region; Forming a second gate insulating layer on the active layer; And depositing a second gate on the second gate insulating layer, and depositing a source and a drain contact metal.
상기 액티브층은 전체적으로 동일한 타입의 불순물이 동일한 농도로 주입되고, 상기 소스 및 드레인 컨택 메탈에 전기적으로 연결되어 무접합될 수 있다.The active layer may be implanted with the same concentration of impurities of the same type as a whole, and may be electrically connected to the source and drain contact metals to be unbonded.
본 발명의 다양한 실시 예에 따르면, 커패시터 없이 하나의 트랜지스터를 이용한 디램 셀 소자를 제공할 수 있다. 아울러, 전하(정공 및 전자)의 밴드 간 터널링 현상을 이용하여 프로그램 시 저전력, 저전압 및 고속 동작이 가능하며, 홀드 동작에서의 에너지 장벽에 의한 홀의 유출이 차단되기 때문에 보유시간(retention time)을 높일 수 있다.According to various embodiments of the present disclosure, a DRAM cell device using one transistor without a capacitor may be provided. In addition, low-power, low-voltage and high-speed operation are possible during programming by using the band-band tunneling phenomenon of charges (holes and electrons), and the retention time is increased because the leakage of holes due to the energy barrier in the hold operation is blocked. Can be.
또한, 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 디램 셀 소자의 정공저장 바디의 상부는 MOSFET(Metal Oxide Silicon Field Effect transistor)을 형성하는 일반적인 실리콘 기반 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)공정에 통합하여 생산 비용을 감소할 수 있으므로, 가격 경쟁력의 우위와 공정기술 호환성 측면에서 기존의 디램 셀 소자보다 유리한 효과가 있다.In addition, an upper portion of the hole storage body of the DRAM cell device according to various embodiments of the present invention may be integrated into a general silicon-based Complementary Metal-Oxide Semiconductor (CMOS) process for forming a metal oxide silicon field effect transistor (MOSFET). Since it can be reduced, it has an advantageous effect than the conventional DRAM cell device in terms of cost competitiveness and process technology compatibility.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 디램 셀 소자를 나타내는 단면도이다.1 is a cross-sectional view illustrating a DRAM cell device according to a first embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 디램 셀 소자의 제작 과정을 나타내는 층상 단면도이다.2 is a layered cross-sectional view illustrating a fabrication process of a DRAM cell device according to a first embodiment of the present invention.
도 3은 도 1에 도시한 본 발명의 제1 실시예에 따른 디램 셀 소자의 밴드 간 터널링 동작 원리를 나타내는 단면도이다.FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a band-to-band tunneling operation principle of a DRAM cell device according to the first embodiment of the present invention illustrated in FIG. 1.
도 4는 도 3에 도시한 본 발명의 제1 실시예에 따른 디램 셀 소자의 프로그램 동작에서의 에너지 밴드를 나타내는 도면이다.FIG. 4 is a diagram illustrating an energy band in a program operation of a DRAM cell device according to the first embodiment of the present invention illustrated in FIG. 3.
도 5는 도 3에 도시한 본 발명의 제1 실시예에 따른 디램 셀 소자의 홀드 동작에서의 에너지 밴드를 나타내는 도면이다.FIG. 5 is a diagram illustrating an energy band in a hold operation of the DRAM cell device according to the first embodiment of the present invention illustrated in FIG. 3.
도 6 및 도 7은 도 3에 도시한 본 발명의 제1 실시예에 따른 디램 셀 소자의 리드 동작에서의 에너지 밴드를 나타내는 도면이다.6 and 7 are diagrams illustrating an energy band in a read operation of the DRAM cell device according to the first embodiment of the present invention illustrated in FIG. 3.
도 8은 도 3에 도시한 본 발명의 제1 실시예에 따른 디램 셀 소자의 이레이즈 동작에서의 에너지 밴드를 나타내는 도면이다.FIG. 8 is a diagram illustrating an energy band in an erase operation of the DRAM cell device according to the first embodiment of the present invention illustrated in FIG. 3.
도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 디램 셀 소자의 동작들의 시간에 대한 드레인 전류의 크기를 나타내는 그래프이다.9 is a graph showing the amount of drain current versus time of operations of the DRAM cell device according to the first embodiment of the present invention.
도 10은 도 3에 도시한 본 발명의 제1 실시예에 따른 디램 셀 소자의 프로그램, 이레이즈, 리드 동작에서의 문턱 전압의 변화를 나타내는 그래프이다.FIG. 10 is a graph illustrating changes in threshold voltages in a program, erase, and read operation of a DRAM cell device according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. 3.
도 11은 도 3에 도시한 본 발명의 제1 실시예에 따른 디램 셀 소자의 프로그램 후 홀드 시간에 따른 전류 마진의 변화를 나타내는 그래프이다.FIG. 11 is a graph illustrating a change in current margin according to a hold time after programming of a DRAM cell device according to the first exemplary embodiment of FIG. 3.
도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 디램 셀 소자의 층상 단면도이다.12 is a layered cross-sectional view of a DRAM cell device according to a second embodiment of the present invention.
도 13은 본 발명의 제3 실시예에 따른 디램 셀 소자의 층상 단면도이다.13 is a layered cross-sectional view of a DRAM cell device according to a third embodiment of the present invention.
도 14는 본 발명의 제1 내지 제3 실시예들에 따른 디램 셀 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.14 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a DRAM cell device according to the first to third embodiments of the present invention.
도 15는 본 발명의 제4 실시예에 따른 디램 셀 소자를 나타내는 단면도이다.15 is a cross-sectional view illustrating a DRAM cell device according to a fourth embodiment of the present invention.
도 16은 본 발명의 제4 실시예에 따른 디램 셀 소자의 제작 과정을 나타내는 층상 단면도이다.16 is a layered cross-sectional view illustrating a fabrication process of a DRAM cell device according to a fourth embodiment of the present invention.
도 17은 도 15에 도시한 본 발명의 제4 실시예에 따른 디램 셀 소자의 밴드 간 터널링 동작 원리를 나타내는 단면도이다.FIG. 17 is a cross-sectional view illustrating a band-to-band tunneling principle of a DRAM cell device in accordance with a fourth embodiment of the present invention illustrated in FIG. 15.
도 18은 도 17에 도시한 본 발명의 제4 실시예에 따른 디램 셀 소자의 프로그램 동작에서의 에너지 밴드를 나타내는 도면이다.FIG. 18 is a diagram illustrating an energy band in a program operation of a DRAM cell device according to the fourth embodiment of the present invention illustrated in FIG. 17.
도 19는 도 17에 도시한 본 발명의 제4 실시예에 따른 디램 셀 소자의 홀드 동작에서의 에너지 밴드를 나타내는 도면이다.FIG. 19 is a diagram illustrating an energy band in a hold operation of a DRAM cell device according to a fourth exemplary embodiment of the present invention illustrated in FIG. 17.
도 20 및 도 21은 도 17에 도시한 본 발명의 제4 실시예에 따른 디램 셀 소자의 리드 동작에서의 에너지 밴드를 나타내는 도면이다.20 and 21 are diagrams illustrating an energy band in a read operation of the DRAM cell device according to the fourth embodiment of the present invention illustrated in FIG. 17.
도 22는 도 17에 도시한 본 발명의 제4 실시예에 따른 디램 셀 소자의 이레이즈 동작에서의 에너지 밴드를 나타내는 도면이다.FIG. 22 is a diagram illustrating an energy band in an erase operation of a DRAM cell device according to a fourth exemplary embodiment of the present invention illustrated in FIG. 17.
도 23은 본 발명의 제4 실시예에 따른 디램 셀 소자의 동작들의 시간에 대한 드레인 전류의 크기를 나타내는 그래프이다.FIG. 23 is a graph showing the amount of drain current versus time of operations of the DRAM cell device according to the fourth embodiment of the present invention.
도 24는 도 17에 도시한 본 발명의 제4 실시예에 따른 디램 셀 소자의 프로그램, 이레이즈, 리드 동작에서의 문턱 전압의 변화를 나타내는 그래프이다.FIG. 24 is a graph illustrating changes in threshold voltages during program, erase, and read operations of the DRAM cell device of FIG. 17 according to the fourth embodiment of the present invention.
도 25는 도 17에 도시한 본 발명의 제1 실시예에 따른 디램 셀 소자의 프로그램 후 홀드 시간에 따른 전류 마진의 변화를 나타내는 그래프이다.FIG. 25 is a graph illustrating a change in current margin according to a hold time after programming of a DRAM cell device according to the first exemplary embodiment of FIG. 17.
도 26은 본 발명의 제4 실시예에 따른 디램 셀 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.26 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a DRAM cell device according to a fourth embodiment of the present invention.
본 발명에 대하여 구체적으로 설명하기에 앞서, 본 명세서 및 도면의 기재 방법에 대하여 설명한다.Before describing this invention concretely, the description method of this specification and drawing is demonstrated.
먼저, 본 명세서 및 청구범위에서 사용되는 용어는 본 발명의 다양한 실시 예들에서의 기능을 고려하여 일반적인 용어들을 선택하였다 하지만, 이러한 용어들은 당 분야에 종사하는 기술자의 의도나 법률적 또는 기술적 해석 및 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 일부 용어는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있다. 이러한 용어에 대해서는 본 명세서에 정의된 의미로 해석될 수 있으며, 구체적인 용어 정의가 없으면 본 명세서의 전반적인 내용 및 당해 기술분야의 통상적인 기술 상식을 토대로 해석될 수도 있다.First, terms used in the present specification and claims have been selected in general terms in consideration of functions in various embodiments of the present invention, but these terms are intended to be intentional or legal or technical interpretation by those skilled in the art, It may vary depending on the appearance of the technology. In addition, some terms are terms arbitrarily selected by the applicant. Such terms may be interpreted in the meanings defined herein, and may be interpreted based on the general contents of the present specification and common technical knowledge in the art without specific term definitions.
또한, 본 명세서에 첨부된 각 도면에 기재된 동일한 참조번호 또는 부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부품 또는 구성요소를 나타낸다. 설명 및 이해의 편의를 위해서 서로 다른 실시 예들에서도 동일한 참조번호 또는 부호를 사용하여 설명한다. 즉, 복수의 도면에서 동일한 참조 번호를 가지는 구성요소를 모두 도시되어 있다고 하더라도, 복수의 도면들이 하나의 실시 예를 의미하는 것은 아니다.In addition, the same reference numerals or symbols described in each drawing attached to the present specification represent parts or components that perform substantially the same function. For convenience of explanation and understanding, different embodiments will be described using the same reference numerals or symbols. That is, although all the components having the same reference numerals are shown in the plurality of drawings, the plurality of drawings does not mean an embodiment.
또한, 본 명세서 및 청구범위에서는 구성요소들 간의 구별을 위하여 "제1", "제2" 등과 같이 서수를 포함하는 용어가 사용될 수 있다. 이러한 서수는 동일 또는 유사한 구성요소들을 서로 구별하기 위하여 사용하는 것이며 이러한 서수 사용으로 인하여 용어의 의미가 한정 해석되어서는 안 된다. 일 예로, 이러한 서수와 결합된 구성요소는 그 숫자에 의해 사용 순서나 배치 순서 등이 제한되어서는 안 된다. 필요에 따라서는, 각 서수들은 서로 교체되어 사용될 수도 있다.Also, in the present specification and claims, terms including ordinal numbers such as “first”, “second”, and the like may be used to distinguish between components. These ordinal numbers are used to distinguish the same or similar components from each other, and the meaning of the terms should not be construed as limited by the use of these ordinal numbers. For example, the components combined with these ordinal numbers should not be limited in order of use or arrangement by the number. If necessary, the ordinal numbers may be used interchangeably.
본 명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "구성되다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.As used herein, the singular forms "a", "an" and "the" include plural forms unless the context clearly indicates otherwise. In this application, the terms "comprise" or "consist" are intended to indicate that there is a feature, number, step, action, component, part, or combination thereof described in the specification, and one or more other It is to be understood that the present invention does not exclude the possibility of the presence or the addition of features, numbers, steps, operations, components, parts, or a combination thereof.
또한, 본 발명의 실시 예에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적인 연결뿐 아니라, 다른 매체를 통한 간접적인 연결의 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 포함한다는 의미는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.In addition, in an embodiment of the present invention, when a part is connected to another part, this includes not only a direct connection but also an indirect connection through another medium. In addition, the meaning that a part includes a certain component means that it may further include other components, without excluding other components, unless specifically stated otherwise.
이하, 첨부된 도면을 이용하여 본 발명에 대하여 구체적으로 설명한다. 도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 디램 셀 소자를 나타내는 단면도이고, 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 디램 소자의 제작 과정을 나타내는 층상 단면도이다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. 1 is a cross-sectional view illustrating a DRAM cell device according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a layered cross-sectional view illustrating a fabrication process of a DRAM device according to a first embodiment of the present invention.
이하에서 사용하는 "증착", "성장" 등의 용어는 반도체 물질 층을 형성한다는 의미와 같은 의미로 쓰이는 것이고, 본 발명의 다양한 실시 예들을 통해 형성되는 층 혹은 박막은 유기금속기상증착(metal-organic chamical vapor deposition: MOCVD)법 또는 분자선 성장(molecular beam epitaxy: MBE)법을 이용하여 성장용 챔버(chamber) 내에서 성장될 수 있으며, 이 밖에도 PECVD, APCVD, LPCVD, UHCVD, PVD, 전자빔 방식, 저항 가열방식 등 다양한 방식에 의해 증착되어 형성될 수 있다.As used herein, the terms "deposition" and "growth" are used in the same sense as forming a semiconductor material layer, and the layer or thin film formed through various embodiments of the present invention is organometallic vapor deposition (metal-). Organic chamical vapor deposition (MOCVD) or molecular beam epitaxy (MBE) can be used to grow in the growth chamber (chamber) .In addition, PECVD, APCVD, LPCVD, UHCVD, PVD, electron beam method, It may be deposited and formed by various methods such as resistance heating.
유기금속화학증착(MOCVD) 방식을 이용할 경우, MOCVD 반응 챔버의 용적에 따라, 그 안에 주입되는 기체의 유속을 결정할 수 있으며, 기체의 종류, 유속 반응 챔버 내부의 압력, 온도 조건 등에 따라 성장되는 박막의 두께, 표면 거칠기, 도펀트의 도핑된 농도 등의 특성이 달라질 수 있다. 특히, 고온일수록 박막의 우수한 결정성을 얻을 수 있는데, 이는 반응 기체의 물성, 반응이 일어나는 온도 등을 고려하여 제한적으로 결정되어야할 사항이다. 특히, 정밀한 성장을 위해선 ALD(Atomic layer deposition) 방식을 이용할 수 있다. ALD 방식에 의하면 박막 성장이 원자 단위로 제어될 수 있다.In the case of using the organometallic chemical vapor deposition (MOCVD) method, the flow rate of the gas injected therein can be determined according to the volume of the MOCVD reaction chamber, and the thin film grown according to the type of gas, the pressure inside the reaction chamber, and the temperature conditions The thickness, surface roughness, doped concentration of the dopant and the like may vary. In particular, the higher the temperature, the better the crystallinity of the thin film can be obtained, which should be limited in consideration of the physical properties of the reaction gas, the temperature at which the reaction occurs. In particular, ALD (Atomic layer deposition) method can be used for precise growth. According to the ALD method, the thin film growth can be controlled on an atomic basis.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 디램 셀 소자(100)는 제1 절연층(20)이 형성된 기판(10)과 제1 절연층(20)으로 둘러싸인 제1 게이트(30), 제1 게이트(30)의 상부에 형성된 정공저장 바디(40), 정공저장 바디(40)의 상부에 형성된 메인 바디(45), 메인 바디(45)의 양측에 각각 형성된 소스(42) 및 드레인(48), 그리고 메인 바디(45)의 상부에 형성된 제2 게이트(60)를 포함한다.Referring to FIG. 1, a
또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 디램 셀 소자(100)는 제1 게이트(30)와 정공저장 바디(40) 사이에는 제1 게이트 절연막(35)이 형성되고, 제2 게이트(60)와 메인 바디(45) 사이에 제2 게이트 절연막(65)이 형성될 수 있다. 아울러, 상기 제1 게이트 절연막(35) 및 상기 제1 절연층(20)의 상면에 제2 절연층(25)이 형성될 수 있다.In the
구체적으로, 이하에서는 본 발명의 제1 실시예에 따른 디램 셀 소자(100)의 제작 과정을 살펴보기로 한다.Specifically, the manufacturing process of the
먼저, 도 2a를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 디램 소자(100)는, 기판(10)에 제1 절연층(20)이 일정 두께로 형성된다. 이때, 기판(10)은 실리콘, 실리콘 게르마늄, 인장 실리콘(strained silicon), 인장 실리콘 게르마늄, 실리콘 카바이드(silicon carbide), 또는 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 중 어느 하나로 구성될 수 있다.First, referring to FIG. 2A, in the
제1 절연층(20)은 산화물(oxide)를 포함할 수 있다. 일례로, 제1 절연층(20)은 실리콘 산화막(SiO2) 또는 고유전막(높은 유전상수를 갖는 유전막(high-k))일 수 있다.The first insulating
도 2b를 참조하면, 제1 절연층(20)의 상면에 제1 게이트 영역(31)의 패터닝 및 식각을 수행한다.Referring to FIG. 2B, patterning and etching of the
여기서, 패턴이란, 복수 개의 금속 박막이 1 내지 2 마이크로미터의 간격을 두고, 그 폭은 각각 수 백 나노미터인 패턴일 수 있다. 금속 박막이 형성되지 않고 제1 절연층(20)이 노출된 영역에서 식각 공정이 이루어지게 된다.Here, the pattern may be a pattern in which a plurality of metal thin films are spaced from 1 to 2 micrometers and their widths are several hundred nanometers each. An etching process is performed in a region where the metal thin film is not formed and the first insulating
일례로, 패턴은 포토레지스트 및 식각 공정을 순차적으로 적용하여 형성할 수 있다. 구체적으로, 금속 박막의 상부에 포토레지스트를 도포하고, 도포된 포토레지스트를 마스크를 통하여 패턴 형태로 노광시켜 노광된 부분의 포토레지스트를 변성시킨 후 현상한다. 현상 후 포토레지스트가 제거된 부위를 습식 또는 건식 식각하여 최종적인 박막 패턴을 형성할 수 있다.For example, the pattern may be formed by sequentially applying a photoresist and an etching process. Specifically, a photoresist is applied on the upper portion of the metal thin film, and the photoresist is exposed to a pattern form through a mask to denature the exposed photoresist and then developed. After development, the portion where the photoresist has been removed may be wet or dry etched to form a final thin film pattern.
제1 게이트 영역(31)은 제1 절연층(20)의 중앙부에 형성될 수 있다. 제1 게이트(30)는 제1 게이트 영역(31)에 다결정 실리콘을 증착하여 형성될 수 있으나 이에 한정하지 않으며, 다결정 SiGe, 다결정 Ge, 비정질 실리콘, 비정질 SiGe를 사용하거나, 다양한 금속과의 실리사이드, 각종 금속산화물, TaN, TiN, WN 등과 같은 이원계 금속 등을 사용할 수도 있다.The
구체적으로, 제1 게이트(30)는 n-타입 도펀트로 도핑된 n-타입 폴리 실리콘 또는 p-타입 도펀트로 도핑된 p-타입 폴리 실리콘 박막일 수 있다. Specifically, the
제1 게이트(30)는 제1 절연층(20)의 중앙부에 형성되어, 제1 절연층(20)으로 둘러싸여 배치될 수 있다. 제1 게이트(30)는 후술하는 제2 게이트(60) 간의 전류 흐름을 통해 메인 바디(45)로부터 정공저장 바디(40) 또는 정공저장 바디(40)로부터 메인 바디(45)로 정공을 터널링시킬 수 있다.The
이후, 제1 게이트(30)의 상면은 화학적 기계 연마(Chemical Mechanical Polishing)를 통해 평탄화될 수 있다. 아울러, 제1 절연층(20)에는 제1 게이트(30)에 전압을 인가하는 패턴이 형성될 수 있다.Thereafter, the top surface of the
도 2c를 참조하면, 제1 게이트(30)의 상면에 제1 게이트 절연막(35)을 증착할 수 있다. 제1 게이트 절연막(35)은 폴리 실리콘 박막으로 이루어진 제1 게이트(30)를 산화시켜 형성된 산화막인 SiO2로 구현될 수도 있다. 제1 게이트 절연막(35)은 제1 게이트(30)와 상부에 위치한 정공저장 바디(40)의 절연을 위한 구성으로, 제1 게이트(40)와 정공저장 바디(40) 사이에 위치할 수 있다.Referring to FIG. 2C, a first
또한, 제1 게이트 절연막(35)과 제1 절연층(20) 상부에 제2 절연층(25)을 증착할 수 있다. 제2 절연층(25)은 일정한 두께를 가지도록 상술한 제1 절연층(20)과 동일한 재료로 형성될 수 있다.In addition, a second insulating
다음으로, 정공저장 바디영역(41)을 패터닝 및 식각을 수행한다. 정공저장 바디영역(41)에 실리콘 박막을 성장시키고 불순물을 도핑하여 정공저장 바디(40)를 형성할 수 있다.Next, the hole
정공저장 바디(40)는 제1 게이트(30)와 동심 상에 위치할 수 있으며, 제1 게이트(30)의 상부에 제1 게이트 절연막(35)을 매개로 수직하도록 적층될 수 있다. 일례로, 정공저장 바디(40)는 P형 불순물 고농도 도핑층(P+ 영역, 예컨대 도핑농도가 5×1018 cm-
3)일 수 있다. 정공저장 바디(40)는 메인 바디(45)와 같은 폭을 가질 수 있다.The
다음으로, 정공저장 바디(40)의 상면은 화학적 기계 연마(Chemical Mechanical Polishing)를 통해 이웃하는 제2 절연층(25)과 대응되는 두께를 가지도록 평탄화될 수 있다.Next, the upper surface of the
도 2d 및 2e를 참조하면, 제2 절연층(25)과 정공저장 바디(40)의 상면에 실리콘 박막(50)을 일정 두께로 성장시킨다. 다음으로, 실리콘 박막(50)에 메인 바디와, 메인 바디(45)의 양측에 각각 소스(42) 및 드레인(48)이 형성되도록 불순물을 도핑한다.2D and 2E, the silicon
일례로, 소스(42) 및 드레인(48)은 N형 불순물 고농도 도핑층(N+ 영역, 예컨대 도핑농도가 5×1018 cm-
3)일 수 있고, 메인 바디(45)는 P형 불순물 저농도 도핑층(P-형 영역, 예컨대, 도핑농도: 1×1015 cm-
3)일 수 있다. 즉, 정공저장 바디(40)는 메인 바디(45)보다 고농도로 도핑된 P형 불순물 도핑층(P+영역)일 수 있다. 이 경우, 소스(42) 및 드레인(48)은 메인 바디(45)와 동일 평면상에 위치하고, 소스(42) 및 드레인(48)을 제외한 메인 바디(45)만이 정공저장 바디(40)의 상부에 수직으로 적층되도록 형성될 수 있다.In one example, the
한편, 본 발명의 실시예들은 메인 바디(45), 소스(42), 드레인(48) 및 정공저장 바디(40)는 정공저장 바디(40)의 저장수단(정공 또는 전자)에 따라 각 영역이 모두 반대되는 타입으로 형성될 수 있다. 일례로, 소스(42) 및 드레인(48)은 P형 불순물 고농도 도핑층(P+형 영역), 메인 바디(45)는 N형 불순물 저농도 도핑층 (N-형 영역), 정공저장 바디(40)은 N형 불순물 고농도 도핑층(N+형 영역)으로 각각 형성될 수 있다.On the other hand, in the embodiments of the present invention, the
도 2f를 참조하면, 메인 바디(45)의 상면에 제2 게이트 절연막(65)을 증착시킨다. 다음으로, 제2 게이트 절연막(65)의 상면에 제2 게이트(60)를 형성하고, 소스(42) 및 드레인(48)의 상면에 각각의 컨택 메탈들(43, 49)을 증착시킨다.Referring to FIG. 2F, a second
이때, 제1 게이트(30), 정공저장 바디(40), 메인 바디(45) 및 제2 게이트(60)는 동심 상에 위치하도록 형성될 수 있다.In this case, the
여기서, 소스(42)의 컨택 메탈(43)(또는 소스 메탈)은 외부 소자와 소스(42)를 전기적으로 접속시킬 수 있다. 일례로, 소스 메탈(43)은 소스(42)와 오믹 컨택(ohmic contact) 형성을 위해 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 니켈(Ni) 및 금(Au) 등의 금속으로 구성될 수 있다. 여기서, 오믹 컨택이란 비정류 또는 저항 접촉으로서, I-V곡선이 일반적인 옴의 법칙을 따르는 경우라 할 수 있다.Here, the contact metal 43 (or source metal) of the
드레인(48)은 메인 바디(45)를 매개로 소스(42)와 일정 거리를 두고 배치되며, 소스(42)에서 공급된 캐리어가 외부 소자로 나갈 수 있도록 통로로서 동작하여 드레인 전류를 발생시킬 수 있다. 일례로, 드레인(48)은 N형 도펀트로 도핑되어 저항을 낮출 수 있다. 일례로, N형 도펀트는 Si, Ge, Sn, Se, Te 등일 수 있다. 드레인(48)의 컨택 메탈(49)(또는 드레인 메탈)은 외부 소자와 드레인(48)을 전기적으로 접속시킬 수 있다. 드레인 메탈(49)은 소스 메탈(43)과 마찬가지로, 드레인(48)과 오믹 컨택을 위해 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 니켈(Ni) 및 금(Au) 등의 금속으로 구성될 수 있다.The
끝으로, 도시하지는 않았으나, 패시베이션(passivation) 산화막 증착 및 후공정 과정을 수행할 수 있다.Finally, although not shown, a passivation oxide film deposition and a post process may be performed.
한편, 제2 게이트 절연막(65) 및 제2 게이트(60)는 상술한 제1 게이트 절연막(35) 및 제1 게이트(30)와 대응되도록 형성될 수 있다. 다만, 제1 및 제2 게이트 절연막(35, 65) 및 제1 및 제2 절연층(20, 25)은 실리콘 표면을 열산화시켜 형성된 산화막으로 이루어지거나, 산화막을 증착시켜 형성될 수 있다. Meanwhile, the second
이하에서는, 도 3 내지 도 7을 참조하여, 앞서 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 디램 셀 소자(100)의 동작원리에 대하여 설명하기로 한다.Hereinafter, an operation principle of the
도 3은 도 1에 도시한 본 발명의 제1 실시예에 따른 디램 셀 소자의 밴드 간 터널링 동작 원리를 나타낸 단면도이고, 도 4는 도 3에 도시한 본 발명의 제1 실시예에 따른 디램 셀 소자의 프로그램 동작에서의 에너지 밴드를 나타내는 도면이다.3 is a cross-sectional view illustrating a band-to-band tunneling operation principle of a DRAM cell device according to the first embodiment of the present invention illustrated in FIG. 1, and FIG. 4 is a DRAM cell according to the first embodiment of the present invention illustrated in FIG. 3. It is a figure which shows the energy band in the program operation of an element.
구체적으로, 도 3은 밴드 간 터널링 동작을 설명하기 위해, 도 1에 도시한 본 발명의 제1 실시예에 따른 디램 셀 소자의 구성 중 적층순서를 기준으로 제1 게이트, 제1 게이트 절연막, 정공저장 바디, 메인 바디/소스/드레인, 제2 게이트 절연막 및 제2 게이트를 도시한 단면도이다. 도 4는 도 3에 도시한 Y-Y' 및 X-X' 단면에서의 에너지 밴드도를 나타낸 그래프이다.Specifically, FIG. 3 illustrates the first gate, the first gate insulating layer, and the hole based on the stacking order of the DRAM cell device according to the first embodiment of the present invention illustrated in FIG. 1 to explain the band-band tunneling operation. Sectional drawing which shows a storage body, a main body / source / drain, a 2nd gate insulating film, and a 2nd gate. 4 is a graph showing energy band diagrams in Y-Y 'and X-X' cross-sections shown in FIG.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 디램 셀 소자(100)의 프로그램(writing '1') 동작은 제2 게이트(60)와 드레인(48)에 기 설정된 제1 양의 전압이 인가되고, 제1 게이트(30)에 기 설정된 제1 음의 전압이 인가되는 경우, 터널링 현상에 의해 메인 바디(45)의 정공이 정공저장 바디(40)로 이동되어 정공저장 바디(40)의 정공이 증가함으로써 수행할 수 있다.Referring to FIGS. 3 and 4, a program '1' operation of the
예컨대, 도 4a 참조를 참조하면, 제2 게이트(60)와 드레인(48)에는 1.0V의 전압을 인가하고, 제1 게이트(30)에는 -1.5V의 전압을 인가할 경우, P-형 메인 바디(45)와 접합하고 있는 P+형 정공저장 바디(40) 사이에서 에너지 밴드 경사가 증가하게 되며 밴드 간의 간격이 좁아져 P-형 메인 바디(45)에 있던 정공이 P+형 정공저장 바디(40)로 밴드 간 터널링 현상에 의하여 이동하게 된다.For example, referring to FIG. 4A, when a voltage of 1.0 V is applied to the
도 4b 참조를 참조하면, 프로그래밍 동작은 밴드 간 터널링 현상에 의하여 P-형 메인 바디(45)의 정공 농도를 감소시키며(반대로 P-형 메인 바디(45)의 전자 농도가 상승), 나타난 X-X' 단면의 에너지 밴드도와 같이 드레인(48)과 소스(42) 사이 메인 바디(45)(채널 영역)에서 에너지 장벽이 감소하는 현상이 발생한다.Referring to FIG. 4B, the programming operation reduces the hole concentration of the P-type
이에 문턱 전압이 크게 낮아지게 되어 드레인(48)과 소스(42) 사이의 전류인 드레인 전류(Drain current)가 높게 상승한다. 밴드 간 터널링 현상을 기반으로 프로그램 동작이 수행되므로, 저전력, 저전압 및 고속 동작이 가능하다. 이는, 일반적으로 밴드 간 터널링 효과를 통한 전하의 이동이 드리프트 혹은 확산 이동에 비하여 상대적으로 낮은 전압 범위에서 고속 이동이 가능하기 때문이다.As a result, the threshold voltage is greatly lowered, and the drain current, which is the current between the
도 5는 도 3에 도시한 본 발명의 제1 실시예에 따른 디램 셀 소자의 홀드 동작에서의 에너지 밴드를 나타내는 도면이다. 구체적으로, 도 5a는 도 3에 도시한 Y-Y' 단면의 홀드 '1' 동작에서의 에너지 밴드도이고, 도 5b는 도 3에 도시한 Y-Y' 단면의 홀드 '0' 동작에서의 에너지 밴드도이다.FIG. 5 is a diagram illustrating an energy band in a hold operation of the DRAM cell device according to the first embodiment of the present invention illustrated in FIG. 3. Specifically, FIG. 5A is an energy band diagram in the hold '1' operation in the YY 'cross-section shown in FIG. 3, and FIG. 5B is an energy band diagram in the hold' 0 'operation in the YY' cross-section shown in FIG. .
본 발명의 제1 실시예에 따른 디램 셀 소자(100)의 홀드(hold) 동작은 제2 게이트(60)와 드레인(48)이 접지되거나 플로팅되고, 제1 게이트(30)에 제1 음의 전압보다 기 설정된 제2 음의 전압이 인가되는 경우, 정공저장 바디(40)로 이동된 정공이 유지됨으로써 수행할 수 있다.In the hold operation of the
예컨대, 홀드 동작은 정공저장 바디(40)에 정공을 가두거나 제거하여 리드 동작을 수행하기 전에 전하 상태를 유지하기 위한 동작으로 디램 셀의 보유시간(retention time)특성을 결정한다. 따라서 홀드 동작은 프로그래밍 혹은 이레이즈 상태에 따라서 각각 홀드 '1'의 경우와 홀드 '0'의 동작으로 나뉘며, 이와 같은 홀드 동작을 수행하기 위해서는 제1 게이트(30)는 -0.4V를 인가하고 나머지 제2 게이트(60)와 드레인(48)은 접지 혹은 플로팅된 상태에서 동작을 수행한다.For example, the hold operation is an operation for maintaining a charge state before confining or removing holes in the
도 5a를 참조하면, 홀드 '1' 동작 수행 시에는 정공저장 바디(40)에 저장되어 있는 정공들이 에너지 밴드 장벽에 의하여 메인 바디(45)로 이동하지 못하고 저장 및 유지될 수 있다.Referring to FIG. 5A, when the hold '1' operation is performed, holes stored in the
도 5b를 참조하면, 홀드 '0' 동작 수행 시에는 정공저장 바디(40)와 메인 바디(45) 사이에 발생하는 공핍층에 의하여 메인 바디(45)에서 정공저장 바디(40)로 이동 가능한 정공의 유입을 방지할 수 있다.Referring to FIG. 5B, when the hold '0' operation is performed, holes moveable from the
즉, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 디램 셀 소자(100)의 구조에 의하면, 밴드 장벽과 공핍층의 차단에 의하여 정공저장 바디(40)에 갇힌 정공들의 유출 및 유입을 최대한 차단할 수 있다. 따라서, 드레인 전류는 흐르지 않는 상태에서 보유시간을 높일 수 있다.That is, according to the structure of the
도 6 및 도 7은 도 3에 도시한 본 발명의 제1 실시예에 따른 디램 셀 소자의 리드 동작에서의 에너지 밴드를 나타내는 도면이다. 구체적으로, 도 6a은 도 3에 도시한 Y-Y' 단면의 리드 '1' 동작에서의 에너지 밴드도이고, 도 6b 도 3에 도시한 X-X' 단면의 리드 '1' 동작에서의 에너지 밴드도이다. 그리고, 도 7a는 도 3에 도시한 Y-Y' 단면의 리드 '0' 동작에서의 에너지 밴드도이고, 도 7b 도 3에 도시한 X-X' 단면의 리드 '0' 동작에서의 에너지 밴드도이다.6 and 7 are diagrams illustrating an energy band in a read operation of the DRAM cell device according to the first embodiment of the present invention illustrated in FIG. 3. Specifically, FIG. 6A is an energy band diagram in the lead '1' operation in the Y-Y 'cross-section shown in FIG. 3, and FIG. 6B is an energy band diagram in the lead' 1 'operation in the X-X' cross-section shown in FIG. 7A is an energy band diagram in the lead '0' operation in the Y-Y 'cross section shown in FIG. 3, and FIG. 7B is an energy band diagram in the lead' 0 'operation in the X-X' cross section shown in FIG.
본 발명의 제1 실시예에 따른 디램 셀 소자(100)의 리드(read) 동작은 제2 게이트(60)와 드레인(48)은 제3 양의 전압보다 작은 제4 양의 전압이 인가되고, 제1 게이트(30)는 접지되거나 플로팅되는 경우, 정공저장 바디(40)에 저장된 정공의 증감에 따른 드레인(48)과 소스(42) 사이에 흐르는 전류를 센싱함으로써 리딩할 수 있다.In the read operation of the
여기서, 리드 동작은 전공저장 바디(40)에 정공이 저장되어 있는지 여부를 읽기 위한 동작이라 말할 수 있다. 일례로, 제2 게이트(60)에 0.2V의 전압을 인가하고 제1 게이트(30)는 접지 혹은 플로팅된 상태를 만든 다음, 드레인(48)에 0.2V의 전압을 인가하고 드레인(48)과 소스(43) 사이에 흐르는 드레인 전류를 센싱함으로써, 정공의 저장 상태를 리딩할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 리드 동작은 전하저장 바디(40)에 정공의 저장 유무에 따라서 리드 '1'과 리드 '0'으로 구분 가능하다.Here, the read operation may be referred to as an operation for reading whether holes are stored in the
예컨대, 도 6a 및 도 6b를 참조하면, 전공저장 바디(40)에 정공이 저장되어 있는 상태의 경우(프로그램(write '1') 상태의 디램 셀 소자의 경우)에는 정공 농도가 낮아진 상태이며, 이에 메인 바디(40)의 에너지 밴드가 내려가게 되어 문턱전압의 감소와 함께 드레인 전류의 증가가 발생하게 된다. For example, referring to FIGS. 6A and 6B, in the case where holes are stored in the hole storage body 40 (in the case of the DRAM cell element in the program (write '1') state), the hole concentration is lowered. As a result, the energy band of the
도 7a 및 도 7b를 참조하면, 리드 '0' (이레이즈(write '0') 상태의 디램 셀 소자의 경우)의 상태일 때는, 제2 게이트(60)에 의한 전위 변동 이외에 추가적인 정공저장 바디(40)의 정공에 의한 전위 변동이 없게 되어 채널 영역의 에너지 밴드의 장벽이 리드 '1' 시보다 작게 낮아지고, 문턱전압의 상대적으로 낮은 감소와 함께 리드 '1' 시보다 더 낮은 드레인 전류가 발생하게 된다.7A and 7B, in the state of read '0' (in the case of DRAM cell element in write '0' state), an additional hole storage body may be added in addition to the potential variation caused by the
도 8은 도 3에 도시한 본 발명의 제1 실시예에 따른 디램 셀 소자의 이레이즈 동작에서의 에너지 밴드를 나타내는 도면이다. 구체적으로, 도 8은 도 3에 도시한 Y-Y' 단면의 이레이즈(write '0')에서의 에너지 밴드도이다.FIG. 8 is a diagram illustrating an energy band in an erase operation of the DRAM cell device according to the first embodiment of the present invention illustrated in FIG. 3. Specifically, FIG. 8 is an energy band diagram in erase (write '0') of the Y-Y 'cross-section shown in FIG.
도 8에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 디램 셀 소자(100)의 이레이징(writing '0')은 제2 게이트는 접지되거나 플로팅되고, 제1 게이트(30)는 기 설정된 제2 양의 전압이 인가되며, 드레인(48)은 제2 양의 전압보다 작은 기 설정된 제3 양의 전압이 인가되는 경우, 정공저장 바디(40)의 정공이 메인 바디(45)로 이동되어 정공저장 바디(40)의 정공이 감소함으로써 수행할 수 있다.As shown in FIG. 8, the writing '0' of the
일례로, 이레이즈 동작은 정공저장 바디(40)에 저장된 정공을 메인 바디(45)로 배출시키기 위한 것이므로, 제1 게이트(30)에 1V의 전압을 인가하고 드레인(48)에 0.5 V의 전압을 인가하며, 제2 게이트(60)는 접지 혹은 플로팅된 상태를 만들어 준다.For example, since the erase operation is for discharging holes stored in the
이와 같은 전압 인가를 통하여 메인 바디(45)의 에너지 밴드가 내려오게 되면서 기존 형성되어 있던 정공의 움직임을 제한하던 에너지 장벽이 감소하게 된다. 이에 따라, 정공저장 바디(40)에 저장되어 있던 정공이 메인 바디(45)로 드리프트 현상에 의하여 배출되게 된다.As the energy band of the
아래의 표 1은 앞서 설명한 프로그램, 이레이즈, 리드, 홀드 각각의 동작에서의 제1 게이트(30), 제2 게이트(40) 및 드레인(48)에 각각 전가되는 전압을 예시한 표이다.Table 1 below is a table illustrating voltages applied to the
도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 디램 셀 소자의 동작들의 시간에 대한 드레인 전류의 크기를 나타내는 그래프이다. 구체적으로, 도 9a는 본 발명의 일 실시예에 따른 디램 셀 소자의 프로그램 동작, 홀드 동작, 리드 동작 및 이레이즈 동작이 300K의 온도에서 각각 20nm 시간 동안의 드레인 전류 값을 측정한 그래프이고, 도 9b는 도 9a와 동일 조건에서 홀드 동작 시간만을 100nm 시간으로 증가하여 드레인 전류 값을 측정한 그래프이다.9 is a graph showing the amount of drain current versus time of operations of the DRAM cell device according to the first embodiment of the present invention. Specifically, FIG. 9A is a graph in which the program operation, the hold operation, the read operation, and the erase operation of the DRAM cell device according to an embodiment of the present invention measure drain current values for 20 nm at a temperature of 300 K. FIG. 9b is a graph measuring the drain current value by increasing only the hold operation time to 100 nm under the same conditions as in FIG. 9a.
도 10은 도 3에 도시한 본 발명의 제1 실시예에 따른 디램 셀 소자의 프로그램, 이레이즈, 리드 동작에서의 문턱 전압의 변화를 나타내는 그래프이고, 도 11은 도 3에 도시한 본 발명의 제1 실시예에 따른 디램 셀 소자의 프로그램 후 홀드 시간에 따른 전류 마진의 변화를 나타내는 그래프이다.FIG. 10 is a graph illustrating changes in threshold voltages in a program, erase, and read operation of a DRAM cell device according to the first exemplary embodiment of the present invention shown in FIG. 3, and FIG. 11 is a graph of the present invention shown in FIG. A graph showing a change in current margin according to a hold time after programming of a DRAM cell device according to the first embodiment.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 디램 셀 소자(100)는 프로그램 동작, 홀드 동작, 리드 동작 및 이레이즈 동작을 수행할 수 있다.As described above, the
도 9 내지 도 11을 참조하면, 프로그램(write '1') 동작을 수행할 경우, 드레인(48)과 소스(42) 사이 메인 바디(45)(채널영역)에서 에너지 장벽이 감소하는 현상이 발생한다. 이에 문턱전압이 크게 낮아지게 되고, 드레인(48)과 소스(42) 사이의 전류인 드레인 전류(Drain current)가 높게 상승하는 것을 확인할 수 있다.9 to 11, when a program (write '1') operation is performed, a phenomenon in which an energy barrier is reduced in the main body 45 (channel region) between the
홀드 동작 수행 시에는 전산모사(Simulation)를 통해 추출한 전류 마진 특성에서 드레인 전류 감소량이 50%가 되는 지점을 기준으로 잡는다면, 850ms의 매우 우수한 보유시간을 가지는 것으로 나타난다. 특히, 도 11에 도시한 바와 같이 현재 국제반도체기술(ITRS) 로드맵이 제시하고 있는 보유시간 64ms 기준에 비하여 약 13배 이상의 매우 높은 수치임을 확인할 수 있다.When the hold operation is performed, if the drain current reduction amount is 50% based on the current margin extracted through simulation, the retention time of 850ms is excellent. In particular, as shown in FIG. 11, it can be confirmed that the value is about 13 times higher than the 64ms retention time currently suggested by the International Semiconductor Technology (ITRS) roadmap.
아울러, 프로그램(write '1') 상태의 디램 셀 소자의 리드 동작 수행 시에는 정공 농도가 낮아진 상태이며, 이에 메인 바디의 에너지 밴드가 내려가게 되어 드레인 전류의 증가가 발생하게 된다. In addition, when performing the read operation of the DRAM cell device in the program (write '1') state, the hole concentration is lowered, and the energy band of the main body is lowered, thereby increasing the drain current.
또한, 이레이즈(write '0') 상태의 디램 셀 소자의 리드 동작 수행시에는 제2 게이트에 의한 전위 변동 이외에 추가적인 정공저장 바디의 정공에 의한 전위 변동이 없게 되어 채널 영역의 에너지 밴드의 장벽이 리드 '1' 시보다 작게 낮아지고, 리드 '1' 시보다 더 낮은 드레인 전류가 발생하게 된다.In addition, when performing the read operation of the DRAM cell element in the erase (write '0') state, there is no potential variation caused by holes in the hole storage body in addition to the potential variation caused by the second gate, so that the barrier of the energy band in the channel region is eliminated. It is lower than the read '1' time, and a drain current lower than the read '1' time is generated.
특히, 도 9b에 도시한 바와 같이, 홀드 시간을 임의로 100ms의 조건을 설정하고 이에 따른 각 동작모드 별 드레인 전류의 크기를 확인한 결과, 홀드 시간을 증가시킬 경우에도 신뢰성이 높은 결과를 확인할 수 있다. 즉, 밴드 장벽과 공핍층의 차단에 의하여 정공 저장바디에 갇힌 정공들의 유출 및 유입을 최대한 차단할 수 있으므로, 드레인 전류가 흐르지 않는 상태에서 보유시간을 높일 수 있다.In particular, as shown in FIG. 9B, the hold time is arbitrarily set to a condition of 100 ms, and the magnitude of the drain current for each operation mode is checked. As a result, the result can be confirmed to have high reliability even when the hold time is increased. That is, by blocking the band barrier and the depletion layer, the outflow and inflow of the holes trapped in the hole storage body can be blocked as much as possible, so that the retention time can be increased in the state where the drain current does not flow.
도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 디램 셀 소자의 층상 단면도이고, 도 13은 본 발명의 제3 실시예에 따른 디램 셀 소자의 층상 단면도이다. 이하에서는, 설명의 편의상 도 1 내지 도 11을 통해 상술한 본 발명의 제1 실시예에 따른 디램 셀 소자(100)의 제작 과정과 차이점을 중심으로 기술하며, 생략된 설명은 상술한 내용으로 대체될 수 있다.12 is a layered cross-sectional view of a DRAM cell device according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 13 is a layered cross-sectional view of a DRAM cell device according to a third embodiment of the present invention. Hereinafter, for convenience of description, the following description will focus on the manufacturing process and differences of the
먼저, 도 12를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 디램 셀 소자(200)의 정공저장 바디(40a)는 제1 절연층(20)이 형성된 기판(10)과 제1 절연층(20)으로 둘러싸인 제1 게이트(30), 제1 게이트(30)의 상부에 형성된 정공저장 바디(40a), 정공저장 바디(40a)의 상부에 형성된 메인 바디(45), 메인 바디(45)의 양측에 각각 형성된 소스(42) 및 드레인(48), 그리고 메인 바디(45)의 상부에 형성된 제2 게이트(60)를 포함한다. 또한, 제1 게이트(30)와 정공저장 바디(40a) 사이에는 제1 게이트 절연막(35)이 형성되고, 제2 게이트(60)와 메인 바디(45) 사이에 제2 게이트 절연막(65)이 형성될 수 있다.First, referring to FIG. 12, the
이 경우, 메인 바디(45)는 정공저장 바디(40a)의 상부에 수직으로 적층될 수 있다. 메인 바디(45)와 정공저장 바디(40a) 및 제1 게이트(30)는 서로 동심 상에 위치하고, 정공저장 바디(40a)는 메인 바디(45)보다 큰 폭을 가질 수 있다. 예컨대, 소스(42), 드레인(48) 및 메인 바디(45) 모두는 정공저장 바디(40a)의 상부에 수직으로 적층될 수 있으며, 정공저장 바디(40a)의 폭은 소스(42), 드레인(48) 및 메인 바디(45)를 합한 폭과 동일할 수 있다. 제1 게이트(30)는 정공저장 바디(40a)보다 작은 폭을 가질 수 있으며, 메인 바디(45) 및 제2 게이트(60)와 동일한 폭을 가질 수 있다.In this case, the
한편, 도 13과 같이 본 발명의 제3 실시예에 따른 디램 셀 소자(300)의 제1 게이트(31b)는 정공저장 바디(41a)와 같은 폭을 가지도록 형성될 수도 있다.Meanwhile, as shown in FIG. 13, the
앞서 설명한 본 발명의 다양한 실시예들은 제1 게이트(30, 30b), 정공저장 바디(40, 40a)의 폭이 변화될 수 있음을 보여주는 예시들이다. 즉, 본 발명의 디램 셀 소자들(100, 200, 300)은 메인 바디(45)의 하부에 정공저장 바디(40, 40a) 및 제1 게이트(30, 31b)가 형성되면 족할 뿐, 각 영역들의 대소관계는 이에 한정하지 않는다.The various embodiments of the present invention described above are examples showing that the widths of the
아울러, 제1 게이트 및 정공저장 바디의 폭이 동일할 경우, 포트 리소그라피 공정 과정에서 사용되는 마스크를 통합하여 사용이 가능하므로, 이에 대한 생산 비용의 감소도 가능하다.In addition, when the widths of the first gate and the hole storage body are the same, the mask used in the port lithography process may be integrated and used, thereby reducing the production cost thereof.
즉, 도시하지는 않았으나, 제1 게이트(30, 30b)는 메인 바디(45)보다 크고 정공저장 바디(40, 40a)보다 작은 폭을 가질 수도 있고, 정공저장 바디(40, 40a)는 메인 바디(45)의 양측에 각각 위치한 소스(42) 및 드레인(48)의 양단보다 작은 영역을 형성할 수도 있다.That is, although not shown, the
한편, 본 발명의 실시예들에 설명한 디램 셀 소자들(100, 200, 300)은 제2 절연층(25, 25a, 25b)의 증착을 생략하여 제1 절연층(20, 20b)만을 증착한 후, 순차적으로 제1 게이트(30, 30b)와 제1 게이트 절연막(35) 및 정공저장 바디(40, 40a)를 형성할 수도 있다. 아울러, 제2 절연층(25, 25a, 25b)이 형성될 경우, 제1 게이트 절연막(35)의 증착 과정이 생략될 수 있다. 아울러, 제1 게이트는 정공저장바디와 메인 바디 간의 수직방향의 터널링이 발생할 수 있다면, 각 영역의 폭이 가변될 수도 있다.Meanwhile, the
도 14는 본 발명의 제1 내지 제3 실시예들에 따른 디램 셀 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.14 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a DRAM cell device according to the first to third embodiments of the present invention.
도 14를 참조하면, 먼저, 실리콘 기판 위에 더미 실리콘 산화막(dummy silicon-oxide)을 증착하고(S100), 패터닝과 폴리 실리콘 증착 공정을 이용하여 제1 게이트를 형성한다(S200).Referring to FIG. 14, first, a dummy silicon oxide is deposited on a silicon substrate (S100), and a first gate is formed by using a patterning and polysilicon deposition process (S200).
이후, 추가적인 더미 실리콘 산화막, 제1 게이트 절연막 증착을 수행하고(S300), 실리콘 박막 성장공정과 불순물 도핑을 통하여 정공저장 바디를 형성한다(S400). 이 경우, 제1 게이트는 정공 저장 바디와 같거나 작은 폭을 가지도록 형성될 수 있다.Thereafter, an additional dummy silicon oxide film and a first gate insulating film are deposited (S300), and a hole storage body is formed through a silicon thin film growth process and an impurity doping (S400). In this case, the first gate may be formed to have a width equal to or smaller than that of the hole storage body.
다음으로, 실리콘 박막 성장을 한 번 더 진행하고, 소스, 메인 바디, 드레인 영역에 불순물을 도핑한다(S500). 이 경우, 정공저장 바디는 메인 바디와 같거나 큰 폭을 가지도록 형성될 수 있다.Next, the silicon thin film is further grown, and impurities are doped in the source, main body, and drain regions (S500). In this case, the hole storage body may be formed to have the same or larger width as the main body.
이후, 메인 바디의 상부에 제2 게이트 절연막 증착을 수행하여 제2 게이트를 형성하고, 소스, 드레인 컨택 메탈을 증착함으로써 디램 셀 소자를 제공할 수 있다(S600).Thereafter, a second gate is formed on the main body to form a second gate, and a DRAM cell device may be provided by depositing a source and a drain contact metal (S600).
본 발명의 디램 셀 소자의 제조 공정 중 정공저장 바디를 형성한 이후의 일련의 공정들은 기존의 실리콘 MOSFET(모스 전계 효과 트랜지스터(Metal Oxide Silicon Field Effect transistor))을 제작하는 과정을 통하여 최종 디램 셀 소자가 제조될 수 있다. 이와 같은 공정 과정은 기존 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)공정에 통합하여 생산 비용을 감소할 수 있다. 아울러, 추가적으로 정공의 보유 시간을 늘리기 위하여 별도의 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 물질(Ge, InGaAs, InP, InAs 등)을 본 발명에 단일접합 또는 동종접합(homojunction) 또는 이종접합(heterojunction)의 형태로 적용할 수도 있다.A series of processes after forming the hole storage body in the manufacturing process of the DRAM cell device of the present invention through the process of manufacturing a conventional silicon MOSFET (Metal Oxide Silicon Field Effect transistor) final DRAM cell device Can be prepared. This process can be integrated into existing Complementary Metal-Oxide Semiconductor (CMOS) processes to reduce production costs. In addition, in order to further increase the hole retention time, a separate group III-V compound semiconductor material (Ge, InGaAs, InP, InAs, etc.) may be added to the present invention in the form of a single junction, a homojunction, or a heterojunction. You can also apply.
지금까지 예를 들어 설명한 내용은 주로 N 채널 MOSFET 구조를 이용한 디램 셀 소자에 대한 내용이었으나, P 채널 MOSFET 구조를 이용한 디램 셀 소자에 대하여도 대칭 구조를 통해 실시 가능할 수 있다. 이러한 대칭 구조의 디램 셀 소자는 앞서 설명한 본 발명의 실시예들에 따른 기본적인 원리 및 동작이 상기 설명한 바와 동일할 수 있으나, 이에 따른 전류 특성, 전압 인가 특성은 다를 수 있다.Until now, for example, the contents of the DRAM cell device using the N-channel MOSFET structure have been mainly described, but the DRAM cell device using the P-channel MOSFET structure may be implemented through a symmetrical structure. The basic principle and operation of the DRAM cell device having the symmetrical structure may be the same as described above, but the current characteristics and the voltage application characteristics may be different.
본 발명의 다양한 실시예들을 통해 커패시터 없이 하나의 트랜지스터를 이용한 디램 셀 소자를 제공할 수 있다. 본 발명의 디램 셀 소자는 P-형 메인 바디에서 하단부 P+형 정공저장 바디로 발생하는 정공의 밴드 간 터널링 현상을 이용하여 '1'과 '0'을 구분하는 프로그래밍 동작을 수행할 수 있다. 이와 같은 터널링 현상을 이용하기에 프로그램 시 저전력, 저전압 및 고속 동작이 가능하며, 추가적으로 홀드 동작에서의 에너지 장벽에 의한 홀의 유출이 차단되기 때문에 보유시간(retention time)을 높일 수 있다.Various embodiments of the present invention may provide a DRAM cell device using one transistor without a capacitor. The DRAM cell device of the present invention may perform a programming operation to distinguish '1' from '0' by using a band-to-band tunneling phenomenon of holes generated from the P-type main body to the lower P + type hole storage body. This tunneling phenomenon enables low power, low voltage, and high speed operation during programming, and additionally, retention time can be increased because the leakage of holes due to the energy barrier in the hold operation is blocked.
또한, 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 디램 셀 소자의 정공저장 바디의 상부는 MOSFET을 형성하는 일반적인 실리콘 기반 CMOS 공정에 통합하여 생산 비용을 감소할 수 있으므로, 가격 경쟁력의 우위와 공정기술 호환성 측면에서 기존의 디램 셀 소자보다 유리하다.In addition, since the upper portion of the hole storage body of the DRAM cell device according to various embodiments of the present invention can be integrated into a general silicon-based CMOS process forming a MOSFET, the production cost can be reduced, so that the advantages of price competitiveness and process technology compatibility Advantages over conventional DRAM cell devices.
도 15는 본 발명의 제4 실시예에 따른 디램 셀 소자를 나타내는 단면도이고, 도 16은 본 발명의 제4 실시예에 따른 디램 셀 소자의 제작 과정을 나타내는 층상 단면도이다.15 is a cross-sectional view illustrating a DRAM cell device according to a fourth embodiment of the present invention, and FIG. 16 is a layered cross-sectional view illustrating a fabrication process of a DRAM cell device according to a fourth embodiment of the present invention.
이하에서는, 설명의 편의상 도 1 내지 도 14를 통해 상술한 본 발명의 제1 내지 제3 실시예에 따른 디램 셀 소자(100, 200, 300)의 차이점을 중심으로 기술하며, 생략된 설명은 상술한 내용으로 대체될 수 있다.Hereinafter, for convenience of description, the differences between the
또한, 이하에서 설명하는 전하저장 영역은 정공저장 바디와 제1 게이트를 포함한 영역이라 의미라 할 수 있고, 무접합 전계 효과 트랜지스터(JLFET(Junctionless Field-Effect Transistor)영역은 전하 저장영역의 상부에 형성되는 소스, 드레인, 메인 바디 및 제2 게이트를 포함한 영역이라 의미할 수 있다.In addition, the charge storage region described below may be referred to as a region including a hole storage body and a first gate, and a junctionless field-effect transistor (JLFET) region is formed on the charge storage region. This may mean a region including a source, a drain, a main body, and a second gate.
아울러, 이하에서 사용되는 “무접합”은 전계효과 트랜지스터 구조(MOSFET)에서 도전형을 달리하는 소스, 드레인, 메인 바디를 형성함에 따른 pn 접합이 없는 것을 의미할 수 있다.In addition, as used herein, “no junction” may mean that there is no pn junction due to the formation of a source, a drain, and a main body having different conductivity types in a field effect transistor structure (MOSFET).
도 15를 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 디램 셀 소자(400)는 제1 절연층(20)이 형성된 기판(10)과 제1 절연층(20)으로 둘러싸인 제1 게이트(30), 제1 게이트(30)의 상부에 형성된 정공저장 바디(40), 정공저장 바디(40)의 상부에 형성된 메인 바디(450), 메인 바디(450)의 양측에 각각 형성된 소스(420) 및 드레인(480), 그리고 메인 바디(450)의 상부에 형성된 제2 게이트(60)를 포함한다.Referring to FIG. 15, the
또한, 본 발명의 제4 실시예에 따른 디램 셀 소자(400)는 제1 게이트(30)와 정공저장 바디(40) 사이에는 제1 게이트 절연막(35)이 형성되고, 제2 게이트(60)와 메인 바디(45) 사이에 제2 게이트 절연막(65)이 형성될 수 있다. 아울러, 상기 제1 게이트 절연막(35) 및 상기 제1 절연층(20)의 상면에 제2 절연층(25)이 형성될 수 있다.In the
구체적으로, 이하에서는 본 발명의 제4 실시예에 따른 디램 셀 소자(400)의 제작 과정을 살펴보기로 한다.Specifically, the manufacturing process of the
먼저, 도 16a를 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 디램 소자(100)는, 기판(10)에 제1 절연층(20)이 일정 두께로 형성된다. 이때, 기판(10)은 실리콘, 실리콘 게르마늄, 인장 실리콘(strained silicon), 인장 실리콘 게르마늄, 실리콘 카바이드(silicon carbide), 또는 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 중 어느 하나로 구성될 수 있다.First, referring to FIG. 16A, in the
제1 절연층(20)은 산화물(oxide)를 포함할 수 있다. 일례로, 제1 절연층(20)은 실리콘 산화막(SiO2) 또는 고유전막(높은 유전상수를 갖는 유전막(high-k))일 수 있다.The first insulating
도 16b를 참조하면, 제1 절연층(20)의 상면에 제1 게이트 영역(31)의 패터닝 및 식각을 수행한다.Referring to FIG. 16B, patterning and etching of the
여기서, 패턴이란, 복수 개의 금속 박막이 1 내지 2 마이크로미터의 간격을 두고, 그 폭은 각각 수 백 나노미터인 패턴일 수 있다. 금속 박막이 형성되지 않고 제1 절연층(20)이 노출된 영역에서 식각 공정이 이루어지게 된다.Here, the pattern may be a pattern in which a plurality of metal thin films are spaced from 1 to 2 micrometers and their widths are several hundred nanometers each. An etching process is performed in a region where the metal thin film is not formed and the first insulating
일례로, 패턴은 포토레지스트 및 식각 공정을 순차적으로 적용하여 형성할 수 있다. 구체적으로, 금속 박막의 상부에 포토레지스트를 도포하고, 도포된 포토레지스트를 마스크를 통하여 패턴 형태로 노광시켜 노광된 부분의 포토레지스트를 변성시킨 후 현상한다. 현상 후 포토레지스트가 제거된 부위를 습식 또는 건식 식각하여 최종적인 박막 패턴을 형성할 수 있다.For example, the pattern may be formed by sequentially applying a photoresist and an etching process. Specifically, a photoresist is applied on the upper portion of the metal thin film, and the photoresist is exposed to a pattern form through a mask to denature the exposed photoresist and then developed. After development, the portion where the photoresist has been removed may be wet or dry etched to form a final thin film pattern.
제1 게이트 영역(31)은 제1 절연층(20)의 중앙부에 형성될 수 있다. 제1 게이트(30)는 제1 게이트 영역(31)에 다결정 실리콘을 증착하여 형성될 수 있으나 이에 한정하지 않으며, 다결정 SiGe, 다결정 Ge, 비정질 실리콘, 비정질 SiGe를 사용하거나, 다양한 금속과의 실리사이드, 각종 금속산화물, TaN, TiN, WN 등과 같은 이원계 금속 등을 사용할 수도 있다.The
구체적으로, 제1 게이트(30)는 n-타입 도펀트로 도핑된 n-타입 폴리 실리콘 또는 p-타입 도펀트로 도핑된 p-타입 폴리 실리콘 박막일 수 있다. Specifically, the
제1 게이트(30)는 제1 절연층(20)의 중앙부에 형성되어, 제1 절연층(20)으로 둘러싸여 배치될 수 있다. 제1 게이트(30)는 후술하는 제2 게이트(60) 간의 전류 흐름을 통해 메인 바디(45)로부터 정공저장 바디(40) 또는 정공저장 바디(40)로부터 메인 바디(45)로 정공을 터널링시킬 수 있다.The
이후, 제1 게이트(30)의 상면은 화학적 기계 연마(Chemical Mechanical Polishing)를 통해 평탄화될 수 있다. 아울러, 제1 절연층(20)에는 제1 게이트(30)에 전압을 인가하는 패턴이 형성될 수 있다.Thereafter, the top surface of the
도 16c를 참조하면, 제1 게이트(30)의 상면에 제1 게이트 절연막(35)을 증착할 수 있다. 제1 게이트 절연막(35)은 폴리 실리콘 박막으로 이루어진 제1 게이트(30)를 산화시켜 형성된 산화막인 SiO2로 구현될 수도 있다. 제1 게이트 절연막(35)은 제1 게이트(30)와 상부에 위치한 정공저장 바디(40)의 절연을 위한 구성으로, 제1 게이트(40)와 정공저장 바디(40) 사이에 위치할 수 있다.Referring to FIG. 16C, a first
또한, 제1 게이트 절연막(35)과 제1 절연층(20) 상부에 제2 절연층(25)을 증착할 수 있다. 제2 절연층(25)은 일정한 두께를 가지도록 상술한 제1 절연층(20)과 동일한 재료로 형성될 수 있다.In addition, a second insulating
다음으로, 정공저장 바디영역(41)을 패터닝 및 식각을 수행한다. 정공저장 바디영역(41)에 실리콘 박막을 성장시키고 불순물을 도핑하여 정공저장 바디(40)를 형성할 수 있다. Next, the hole
정공저장 바디(40)는 제1 게이트(30)와 동심 상에 위치할 수 있으며, 제1 게이트(30)의 상부에 제1 게이트 절연막(35)을 매개로 수직하도록 적층될 수 있다. 일례로, 정공저장 바디(40)는 P형 불순물 고농도 도핑층(P+ 영역, 예컨대 도핑농도가 5×1018 cm-
3)일 수 있다.The
다음으로, 정공저장 바디(40)의 상면은 화학적 기계 연마(Chemical Mechanical Polishing)를 통해 이웃하는 제2 절연층(25)과 대응되는 두께를 가지도록 평탄화될 수 있다.Next, the upper surface of the
도 16d를 참조하면, 제2 절연층(25)과 정공저장 바디(40)의 상면에 동일한 타입의 불순물이 도핑된 액티브층(410)을 형성한다. 일례로, 액티브층(410)은 N형 불순물 고농도 도핑층(N+형 영역, 예컨대, 도핑농도 : 5×1018 cm-
3)일 수 있고, 정공저장 바디는 P형 불순물 고농도 도핑층 (P+형 영역, 예컨대, 도핑농도 : 5×1018 cm-3)으로 각각 형성 할 수 있다. 이때, N형 불순물은 5족 불순물로서, 비소(As), 인(P), 비스무스(Bi), 안티몬(Sb) 등을 사용할 수 있으며, 이들을 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.Referring to FIG. 16D, an
그러나, 하단부 전하저장 영역에서의 저장 수단에 따라 (정공 혹은 전자) 각 영역이 모두 반대되는 타입으로 형성될 수 있다. 일례로, 액티브층(410)은 P형 불순물 고농도 도핑층 (P+형 영역), 정공저장 바디는 N형 불순물 고농도 도핑층 (N+형 영역)으로 각각 형성 할 수 있다. 이때, P형 불순물은 3족 불순물로서, 알루미늄(Al), 붕소(B), 인듐(In), 갈륨(Ga) 등을 사용할 수 있으며, 이들을 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.However, depending on the storage means in the lower end charge storage region, each region (hole or electron) may be formed in the opposite type. For example, the
아울러, 액티브층(410)은 전체적으로 동일한 타입의 불순물이 동일한 농도로 주입될 수 있다. 불순물 주입은 액티브층(410)이 하부부터 상부까지 동일한 극성의 불순물이 실질적으로 동일한 농도로 균일하게 주입될 수 있도록 이온화 에너지를 변화시켜가면서 최적화시킬 수 있다.In addition, the
또한, 액티브층(410)에 주입된 불순물이 액티브층 내에서 균일하게 퍼질 수 있도록 900 내지 1100도 온도의 급속 어닐링 공정을 추가로 실시할 수도 있다.In addition, a rapid annealing process at a temperature of 900 to 1100 degrees may be additionally performed so that impurities injected into the
도 16e를 참조하면, 메인 바디(45)의 상면에 제2 게이트 절연막(65)을 증착시킨다. 다음으로, 제2 게이트 절연막(65)의 상면에 제2 게이트(60)를 형성하고, 소스(42) 및 드레인(48)의 상면에 각각의 컨택 메탈들(43, 49)을 증착시킨다.Referring to FIG. 16E, the second
여기서, 소스(42)의 컨택 메탈(43)(또는 소스 메탈)은 외부 소자와 소스(42)를 전기적으로 접속시킬 수 있다. 일례로, 소스 메탈(43)은 소스(42)와 오믹 컨택(ohmic contact) 형성을 위해 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 니켈(Ni) 및 금(Au) 등의 금속으로 구성될 수 있다. 여기서, 오믹 컨택이란 비정류 또는 저항 접촉으로서, I-V곡선이 일반적인 옴의 법칙을 따르는 경우라 할 수 있다.Here, the contact metal 43 (or source metal) of the
끝으로, 도시하지는 않았으나, 패시베이션(passivation) 산화막 증착 및 후공정 과정을 수행할 수 있다.Finally, although not shown, a passivation oxide film deposition and a post process may be performed.
한편, 제2 게이트 절연막(65) 및 제2 게이트(60)는 상술한 제1 게이트 절연막(35) 및 제1 게이트(30)와 대응되도록 형성될 수 있다. 다만, 제1 및 제2 게이트 절연막(35, 65) 및 제1 및 제2 절연층(20, 25)은 실리콘 표면을 열산화시켜 형성된 산화막으로 이루어지거나, 산화막을 증착시켜 형성될 수 있다. Meanwhile, the second
즉, 본 발명의 제4 실시예에 따른 디램 셀 소자는 정공저장 바디와 제1 게이트를 포함하는 전하저장 영역과, 정하 저장영역의 상부에 형성되는 소스, 드레인, 메인 바디 및 제2 게이트를 포함하는 무접합 전계 효과 트랜지스터(JLFET(Junctionless Field-Effect Transistor)영역을 포함할 수 있다.That is, the DRAM cell device according to the fourth embodiment of the present invention includes a charge storage region including a hole storage body and a first gate, and a source, a drain, a main body, and a second gate formed on the static storage region. It may include a junctionless field effect transistor (JLFET) region.
도 17은 도 15에 도시한 본 발명의 제4 실시예에 따른 디램 셀 소자의 밴드 간 터널링 동작 원리를 나타내는 단면도이고, 도 18은 도 17에 도시한 본 발명의 제4 실시예에 따른 디램 셀 소자의 프로그램 동작에서의 에너지 밴드를 나타내는 도면이고, 도 19는 도 17에 도시한 본 발명의 제4 실시예에 따른 디램 셀 소자의 홀드 동작에서의 에너지 밴드를 나타내는 도면이다. 도 20 및 도 21은 도 17에 도시한 본 발명의 제4 실시예에 따른 디램 셀 소자의 리드 동작에서의 에너지 밴드를 나타내는 도면이고, 도 22는 도 17에 도시한 본 발명의 제4 실시예에 따른 디램 셀 소자의 이레이즈 동작에서의 에너지 밴드를 나타내는 도면이다. FIG. 17 is a cross-sectional view illustrating a band-to-band tunneling principle of a DRAM cell device in accordance with a fourth embodiment of the present invention illustrated in FIG. 15, and FIG. 18 is a DRAM cell according to a fourth embodiment of the present disclosure illustrated in FIG. 17. FIG. 19 is a diagram illustrating an energy band in a program operation of the device, and FIG. 19 is a diagram illustrating an energy band in the hold operation of the DRAM cell device according to the fourth embodiment of the present invention illustrated in FIG. 17. 20 and 21 are views illustrating energy bands in a read operation of the DRAM cell device according to the fourth embodiment of the present invention illustrated in FIG. 17, and FIG. 22 is a fourth embodiment of the present invention illustrated in FIG. 17. Shows an energy band in an erase operation of a DRAM cell device according to the present invention.
아래의 표 2는 본 발명의 제4 실시예에 따른 디렘 셀 소자의 전압 인가를 예시한 표이다. 이하에서는, 표 2의 전압 인가 예시에 따른 디렘 셀 소자의 동작을 도 17 내지 도 25를 참조하여 설명하기로 한다.Table 2 below is a table illustrating a voltage application of the DRAM device according to the fourth embodiment of the present invention. Hereinafter, the operation of the DRAM cell device according to the voltage application example of Table 2 will be described with reference to FIGS. 17 to 25.
도 17, 도 18a 및 도 18b에 대한 설명은 도 3, 도 4a, 4b와 대응되므로, 이에 대한 설명은 생략한다. 도 18c는 밴드 간 터널링 동작 원리를 나타내는 도면이다. 도 18c를 참조하면, 도 18a 및 도 18b를 통해 공핍층(490)이 감소하고, 메인 바디(450)가 증가됨을 알 수 있다.Since the descriptions of FIGS. 17, 18A, and 18B correspond to FIGS. 3, 4A, and 4B, descriptions thereof will be omitted. 18C is a diagram illustrating the principle of interband tunneling operation. Referring to FIG. 18C, it can be seen that the
또한, 도 19 내지 도 21은 도 5 내지 7에 기재한 영역의 명칭만 상이할 뿐, 동작에 대한 설명과 대응되므로, 이에 대한 설명은 생략한다.19 to 21 differ only in the names of the regions shown in FIGS. 5 to 7, and correspond to descriptions of operations, and thus descriptions thereof will be omitted.
도 22a는 도 17에 도시한 Y-Y' 단면의 이레이즈(write '0')에서의 에너지 밴드도이고, 도 22b는 밴드 간 터널링 동작 원리를 나타내는 도면이다.FIG. 22A is an energy band diagram in erase (write '0') of the Y-Y 'cross-section shown in FIG. 17, and FIG. 22B is a diagram showing the principle of interband tunneling operation.
본 발명의 제4 실시예에 따른 디램 셀 소자의 이레이즈 동작은 P+형 정공저장 바디에 저장된 정공을 N+형 바디 영역으로 배출시키기 위한 것이므로, 표 2와 같이 제1 게이트에 양의 전압 (예컨대, 1.5 V)과 드레인에 작은 양의 전압 (예컨대, 1 V)을 인가하고 제2 게이트에는 접지 혹은 플로팅된 상태를 만들어 준다.Since the erase operation of the DRAM cell device according to the fourth embodiment of the present invention is for discharging holes stored in the P + type hole storage body to the N + type body region, a positive voltage (eg, 1.5 V) and a small amount of voltage (e.g., 1 V) is applied to the drain and the second gate is grounded or floated.
도 22a를 참조하면, 전압 인가를 통하여 P+형 정공 저장 영역의 에너지 밴드가 하강하고, N+형 바디 영역의 에너지 밴드가 상승하게 되면서 기존 형성되어 있던 정공의 움직임을 제한하던 에너지 장벽이 감소하게 된다. 이에 P+형 정공저장 영역에 저장되어 있던 정공이 N+형 바디 영역으로 드리프트 현상에 의하여 배출되게 된다. 이후 N+형 바디 영역으로 이동된 정공들은 소스, 드레인, 메인 바디가 동일한 불순물 도핑 농도를 가지는 JLFET의 특성 상, 소스로 이동하게 되며, 반대로 소스에 존재하는 전자들은 드레인 전류에 의하여 메인 바디로 유입되게 된다.Referring to FIG. 22A, as the energy band of the P + type hole storage region is lowered and the energy band of the N + type body region is increased by applying a voltage, an energy barrier that limits the movement of holes previously formed is reduced. Accordingly, the holes stored in the P + type hole storage region are discharged to the N + type body region by the drift phenomenon. The holes moved to the N + type body region are then moved to the source due to the characteristics of the JLFET where the source, drain, and main body have the same impurity doping concentration. On the contrary, electrons present in the source are introduced into the main body by the drain current. do.
도 22b에서 확인 가능한 본 현상에 의해 N+형 메인 바디(450)의 전자 농도의 높은 상승이 발생할 수 있다. 이에 따라, 공핍층(490)이 감소하여 메인 바디 채널이 증가할 수 있다.This phenomenon, which can be seen in FIG. 22B, may cause a high increase in the electron concentration of the N + type
도 23a는 본 발명의 제4 실시예에 따른 디램 셀 소자의 프로그램 동작, 홀드 동작, 리드 동작 및 이레이즈 동작이 300K의 온도에서 각각 10nm 시간 동안의 드레인 전류 값을 측정한 그래프이고, 도 23b는 도 23a와 동일 조건에서 홀드 동작 시간만을 100nm 시간으로 증가하여 드레인 전류 값을 측정한 그래프이다.FIG. 23A is a graph in which the program operation, the hold operation, the read operation, and the erase operation of the DRAM cell device according to the fourth embodiment of the present invention measure drain current values for 10 nm time at a temperature of 300 K, and FIG. 23A is a graph measuring the drain current value by increasing only the hold operation time to 100 nm under the same conditions as in FIG. 23A.
도 24는 도 17에 도시한 본 발명의 제4 실시예에 따른 디램 셀 소자의 프로그램, 이레이즈, 리드 동작에서의 문턱 전압의 변화를 나타내는 그래프이고, 도 25는 도 17에 도시한 본 발명의 제4 실시예에 따른 디램 셀 소자의 프로그램 후 홀드 시간에 따른 전류 마진의 변화를 나타내는 그래프이다.FIG. 24 is a graph illustrating changes in threshold voltages in a program, erase, and read operation of a DRAM cell device according to a fourth exemplary embodiment of the present invention shown in FIG. 17. FIG. 25 is a graph of the present invention shown in FIG. A graph showing a change in current margin according to a hold time after programming of a DRAM cell device according to a fourth embodiment.
도 23 내지 도 25를 참조하면, 본 발명의 제 4 실시예에 따른 디램 셀 소자의 홀드 동작에서 전류 마진 특성에서 드레인 전류 감소량이 50%가 되는 지점을 기준으로 잡는다면, 약 540 ms의 매우 우수한 보유시간을 가지는 것으로 나타난다. 이는 현재 ITRS 로드맵이 제시하고 있는 보유시간 64 ms 기준에 비하여 약 8배 이상의 매우 높은 값이다Referring to FIGS. 23 to 25, when the drain current reduction amount is 50% in the current margin characteristic in the hold operation of the DRAM cell device according to the fourth embodiment of the present invention, a very good value of about 540 ms is obtained. It appears to have a retention time. This is about 8 times higher than the 64 ms retention time that the ITRS roadmap suggests.
또한, 리드 동작은 전하 저장 영역에 정공의 저장 유무에 따라서 리드 ‘1’과 리드 ‘0’으로 구분 가능하다. 예컨대, 전하 저장 영역에 정공이 저장되어 있는 상태의 경우 (‘1’, 프로그래밍 된 1T-DRAM 셀의 경우) P+형 정공 저장 영역에 저장되어 있는 정공들에 의하여 N+형 바디 영역의 정공 농도가 낮아진 상태이며, 이에 N+형 바디 영역의 에너지 밴드가 내려가게 되어 문턱전압의 감소와 함께 드레인 전류의 증가가 발생하게 된다. In addition, the read operation may be divided into read '1' and read '0' according to whether or not holes are stored in the charge storage region. For example, in the case where holes are stored in the charge storage region ('1', in the case of a programmed 1T-DRAM cell), the hole concentration of the N + type body region is lowered by the holes stored in the P + type hole storage region. In this state, the energy band of the N + type body region is lowered, and the drain current increases with the decrease of the threshold voltage.
이와 반대로 리드 ‘0’ (이레이즈 된 1T-DRAM 셀의 경우)의 상태일 때는, 바디 채널 영역의 제2 게이트에 의한 공핍층 영역의 변동 이외에 추가적인 하단부 전하 저장영역의 정공에 의한 전위 변동이 없게 되어 채널 영역의 에너지 밴드의 장벽이 리드 ‘1’ 시보다 적게 낮아지며, 문턱전압의 상대적으로 낮은 감소와 함께 리드 ‘1’ 시보다 더 낮은 드레인 전류가 발생하게 된다.Conversely, in the state of read '0' (in the case of an erased 1T-DRAM cell), there is no potential change due to holes in the lower charge storage region in addition to the change in the depletion layer region by the second gate of the body channel region. As a result, the barrier of the energy band of the channel region is lower than that of the lead '1', and a lower drain current is generated than the lead '1' with a relatively low decrease of the threshold voltage.
아울러, 프로그램(write '1') 상태에서는, N+형 바디 영역의 전자 농도가 상승함에 따라 문턱전압이 낮아지게 되어 드레인 영역과 소스 영역 사이의 전류인 드레인 전류(Drain current)가 높게 상승하는 것을 확인할 수 있다.In addition, in the program (write '1') state, as the electron concentration of the N + type body region increases, the threshold voltage decreases, so that the drain current which is a current between the drain region and the source region increases. Can be.
한편, 이레이즈(write '0') 상태에서는, N+형 바디 영역의 전자 농도의 높은 상승이 발생하게 되며, 이에 따라 문턱전압이 크게 낮아지게 되어 드레인 영역과 소스 영역 사이의 전류인 드레인 전류(Drain current)가 상승하는 것을 확인할 수 있다.On the other hand, in the erase (write '0') state, a high increase in the electron concentration of the N + type body region occurs, and accordingly the threshold voltage is significantly lowered so that the drain current (Drain) which is a current between the drain region and the source region. current) increases.
도 26은 본 발명의 제4 실시예에 따른 디램 셀 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.26 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a DRAM cell device according to a fourth embodiment of the present invention.
도 26을 참조하면, 먼저, 실리콘 기판 위에 더미 실리콘 산화막(dummy silicon-oxide)을 증착하고(S1000), 패터닝과 폴리 실리콘 증착 공정을 이용하여 제1 게이트를 형성한다(S2000).Referring to FIG. 26, first, a dummy silicon oxide is deposited on a silicon substrate (S1000), and a first gate is formed by using a patterning and polysilicon deposition process (S2000).
이후, 추가적인 더미 실리콘 산화막, 제1 게이트 절연막 증착을 수행하고(S3000), 실리콘 박막 성장공정과 불순물 도핑을 통하여 정공저장 바디를 형성한다(S4000). 이 경우, 제1 게이트는 정공 저장 바디와 같거나 작은 폭을 가지도록 형성될 수 있다.Thereafter, an additional dummy silicon oxide film and a first gate insulating film are deposited (S3000), and a hole storage body is formed through a silicon thin film growth process and an impurity doping (S4000). In this case, the first gate may be formed to have a width equal to or smaller than that of the hole storage body.
다음으로, 별도의 소스, 드레인 영역 형성 없이 동일한 도전형으로 도핑된 실리콘 박막의 액티브층을 형성한다(S5000).Next, an active layer of a silicon thin film doped with the same conductivity type without forming a separate source and drain regions is formed (S5000).
이후, 메인 바디의 상부에 제2 게이트 절연막 증착을 수행하여 제2 게이트를 형성하고, 소스, 드레인 컨택 메탈을 증착함으로써 디램 셀 소자를 제공할 수 있다(S6000).Thereafter, a second gate is formed on the main body to form a second gate, and a DRAM cell device may be provided by depositing a source and a drain contact metal (S6000).
본 발명의 제4 실시예에 따른 디램 셀 소자는, 소스, 메인 바디, 드레인이 모두 동일한 도핑농도로 이루어짐에 따라, 메인 바디로 전류의 흐름이 형성된다. 이에 기존 MOSFET의 게이트 하단부 형성되는 채널 전류가 아닌 바디 벌크 영역으로 흐르는 벌크 전류가 트랜지스터의 동작을 수행하는 핵심 부분이다.In the DRAM cell device according to the fourth embodiment of the present invention, as the source, the main body, and the drain are all made of the same doping concentration, current flows to the main body. Therefore, the bulk current flowing into the body bulk region rather than the channel current formed at the gate bottom of the conventional MOSFET is a key part of the transistor operation.
또한, 이와 같은 특성을 기반으로 일반적으로 MOSFET 공정에서 필수적인 정확한 P/N접합을 형성하기 위한 추가 공정이 필요하지 않으므로, 불순물 도핑과정에서 발생 가능한 다양한 공정적인 문제점과 비용을 최소화 할 수 있는 장점을 지니고 있으며, JLFET이 지니고 있는 Thermal budget에 대한 이득과 단채널 효과 (SCEs ; short-channel-effects)의 저항성을 가지는 장점도 지니고 있다.In addition, based on these characteristics, there is no need for an additional process to form an accurate P / N junction, which is generally necessary in a MOSFET process, and thus has the advantage of minimizing various process problems and costs that may occur during impurity doping. It also has the advantage of gain of thermal budget of JLFET and resistance of short-channel-effects (SCEs).
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해 되어져서는 안될 것이다.While the above has been shown and described with respect to preferred embodiments of the present invention, the present invention is not limited to the specific embodiments described above, it is usually in the technical field to which the invention belongs without departing from the spirit of the invention claimed in the claims. Various modifications can be made by those skilled in the art, and these modifications should not be individually understood from the technical spirit or prospect of the present invention.
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