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KR101069420B1 - Nand flash memory array having pillar type single crystal channel and virtual source/drain and fabrication method of the same - Google Patents

Nand flash memory array having pillar type single crystal channel and virtual source/drain and fabrication method of the same Download PDF

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KR101069420B1
KR101069420B1 KR1020090094928A KR20090094928A KR101069420B1 KR 101069420 B1 KR101069420 B1 KR 101069420B1 KR 1020090094928 A KR1020090094928 A KR 1020090094928A KR 20090094928 A KR20090094928 A KR 20090094928A KR 101069420 B1 KR101069420 B1 KR 101069420B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
pillars
substrate
oxide film
forming
film
Prior art date
Application number
KR1020090094928A
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Korean (ko)
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KR20110037470A (en
Inventor
박병국
심원보
Original Assignee
서울대학교산학협력단
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Publication date
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Publication of KR20110037470A publication Critical patent/KR20110037470A/en
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Abstract

본 발명은 기둥형상의 단결정 채널 및 프린징 필드(fringing field)에 의한 가상 소스/드레인을 갖는 낸드 플래시 메모리 어레이 및 그 제조방법에 관한 것으로, 기판을 식각하여 만든 k x n개의 단결정 실리콘 기둥들로 액티브 영역을 형성하고, 수직으로 m개의 워드라인들 및 제어 수단(공통소스영역, 하부 선택 게이트, 및 상부 선택 게이트들)을 형성함으로써, 간단한 공정에 의하여 3차원적으로 집적도를 얼마든지 늘릴 수 있고, 각 셀의 바디가 기판과 연결되어 통상의 지우기 동작이 가능하며, 단결정 채널에 의한 전하 캐리어 이동도(mobility)를 높일 수 있는 효과가 있다.The present invention relates to a NAND flash memory array having a virtual source / drain by a columnar single crystal channel and fringing field, and a method of manufacturing the same, wherein the active region is composed of kxn single crystal silicon pillars formed by etching a substrate. By forming m word lines and control means (common source region, lower select gate, and upper select gates) vertically, the degree of integration can be increased in three dimensions by a simple process. The body of the cell is connected to the substrate to enable the normal erase operation, and has the effect of increasing the charge carrier mobility by the single crystal channel.

기둥, 단결정채널, 프린징필드, 낸드, 플래시, 메모리, 어레이 Pillar, Monocrystalline Channel, Fringe Field, NAND, Flash, Memory, Array

Description

기둥형 단결정 채널 및 가상 소스/드레인을 갖는 낸드 플래시 메모리 어레이 및 그 제조방법{NAND FLASH MEMORY ARRAY HAVING PILLAR TYPE SINGLE CRYSTAL CHANNEL AND VIRTUAL SOURCE/DRAIN AND FABRICATION METHOD OF THE SAME} NAND flash memory array with columnar single crystal channel and virtual source / drain and manufacturing method thereof

본 발명은 낸드 플래시 메모리 어레이 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기둥형상의 단결정 채널 및 프린징 필드(fringing field)에 의한 가상 소스/드레인을 갖는 낸드 플래시 메모리 어레이 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a NAND flash memory array and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a NAND flash memory array having a virtual source / drain by columnar single crystal channels and fringing fields. will be.

최근 들어 대용량 메모리 등 여러 방면의 수요 증가로 인해 메모리의 집적도를 높일 수 있는 여러 가지 방법들이 연구되고 있다.Recently, due to various demands such as large-capacity memory, various methods for increasing memory density have been studied.

그 중에 3차원 구조의 플래시 메모리가 많이 제안되고 있는데, 일본 도시바(Toshiba)사는 최근 수직 방향으로 워드 라인을 쌓는 식의 메모리 어레이를 제안하였다(국제공개번호 WO 2008/096802).Among them, three-dimensional flash memory has been proposed. Toshiba Corp. recently proposed a memory array in which word lines are stacked in a vertical direction (International Publication No. WO 2008/096802).

상기 선행기술에 의한 구조는 워드 라인의 층의 개수가 늘어날수록 유효 셀 사이즈(effective cell size)를 그에 비례하여 줄일 수 있다는 장점이 있다(6F2/n, n=number of layer).The structure according to the prior art has an advantage that the effective cell size can be proportionally reduced as the number of layers of the word line increases (6F 2 / n, n = number of layers).

그러나, 상기 선행기술에 의하면, 워드 라인을 형성하기 위해 비정질 실리콘(amorphous silicon)과 실리콘 산화막(silicon dioxide)을 차례로 증착한 이후 채널(channel)이 될 부분을 '관통(punch)' 방식으로 뚫은 다음 그 자리에 다결정 실리콘(poly silicon)으로 채워 채널로 사용하기 때문에, 채널의 전하 캐리어의 이동도(mobility)가 매우 떨어진다는 문제점이 있다.However, according to the prior art, after depositing amorphous silicon and silicon dioxide in order to form a word line, the portion to be a channel is drilled in a 'punch' manner. Since the channel is filled with poly silicon and used as a channel, the mobility of charge carriers in the channel is very low.

또한, 상기 선행기술은 플로팅 바디(floating body) 구조이기 때문에, GIDL을 통해 hole을 발생시켜 body potential을 증가시켜 지우기(erase)하는 방식을 사용할 수밖에 없고(즉, conventional erase가 불가능 함), 지우기 속도(erase time)도 길어진다는 문제점이 있다. In addition, since the prior art has a floating body structure, it is necessary to use a method of erasing by generating holes through GIDL to increase body potential (that is, conventional erase is impossible), and erase speed The problem is that the erase time is also long.

본 발명은 상기와 같은 선행기술의 문제점을 해결하고자, 실리콘 기판을 식각하여 단결정 실리콘 기둥을 복수개 형성하고 여기에 절연막과 도전성 물질을 반복 적층하며 상, 하 선택 게이트 라인은 물론, 복수개의 워드 라인을 형성함으로써, 단결정 실리콘 채널 및 프린징 필드(fringing field)에 의한 가상 소스/드레인을 갖는 낸드 플래시 메모리 어레이 및 그 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.In order to solve the problems of the prior art as described above, a plurality of single crystal silicon pillars are formed by etching a silicon substrate, and an insulating layer and a conductive material are repeatedly stacked thereon, and a plurality of word lines as well as upper and lower selection gate lines are formed. It is an object of the present invention to provide a NAND flash memory array having a virtual source / drain by a single crystal silicon channel and fringing field, and a method of manufacturing the same.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 낸드 플래시 메모리 어레이는 p형 단결정 실리콘 기판과; 상기 기판 상에 상기 기판과 동일한 물질로 일정거리 이격되며 k x n개 형성된 기둥들과; 상기 기둥들 사이의 상기 기판 상측에 n형 불순물 도핑층으로 형성된 공통소스영역과; 상기 공통소스영역 및 상기 각 기둥 상에 제 1 절연막을 사이에 두고 형성된 하부 선택 게이트와; 상기 하부 선택 게이트 및 상기 각 기둥 상에 제 2 절연막과 도전층이 m번 반복 적층하여 형성된 m개의 워드라인들과; 상기 m개의 워드라인들 중 최상위 워드라인을 이루는 상기 도전층 및 상기 각 기둥 상에 제 3 절연막을 사이에 두고 상기 기둥들의 k개 행(row)에 맞추어 형성된 k개의 상부 선택 게이트들과; 상기 각 상부 선택 게이트에 노출된 상기 각 기둥의 상부에 제 2의 n형 불순물 도핑층이 형성되고, 상기 각 상부 선택 게이트 및 상기 제 2의 n형 불순물 도핑층이 형성된 상기 각 기둥 상에 제 4 절연막을 사이에 두고 상기 기둥들의 n개 열(column)에 맞추어 상기 제 2의 n형 불순물 도핑층이 형성된 상기 각 기둥의 상단과 전기적으로 접속되도록 형성된 n개의 비트라인들을 포함하여 구성되되, 상기 기둥들은 상기 공통소스영역의 하부에 위치한 기판과 일체로 하나의 p형 바디로 서로 연결된 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the NAND flash memory array according to the present invention comprises a p-type single crystal silicon substrate; Pillars spaced at a predetermined distance on the substrate with the same material as the substrate and formed with k x n pillars; A common source region formed of an n-type impurity doping layer on the substrate between the pillars; A lower selection gate formed on the common source region and each of the pillars with a first insulating film interposed therebetween; M word lines formed by repeatedly stacking a second insulating film and a conductive layer m times on the lower selection gate and each pillar; K upper select gates formed to match k rows of the pillars with a third insulating layer interposed between the conductive layer and the pillars forming the highest word line among the m word lines; A fourth n-type impurity doping layer is formed on each of the pillars exposed to the upper selection gates, and a fourth n-type impurity doping layer is formed on each of the pillars on which each of the upper selection gates and the second n-type impurity doping layers are formed. And n bit lines formed to be electrically connected to an upper end of each of the pillars on which the second n-type impurity doping layer is formed in accordance with the n columns of the pillars with the insulating layer interposed therebetween. They are connected to each other by a single p-type body integrally with the substrate located below the common source region.

그리고, 본 발명에 의한 낸드 플래시 메모리 어레이의 제조방법은 p형 단결정 실리콘 기판 상에 산화막 및 질화막을 순차 적층하고, 상기 기판을 식각하여 k x n 개의 단결정 실리콘 기둥들을 형성하는 제 1 단계와; 상기 기판과 수직하게 이온주입하여 상기 기둥들 사이로 드러난 식각된 상기 기판 상측에 n형 불순물 도핑층으로 공통소스영역을 형성하는 제 2 단계와; 상기 공통소스영역 및 상기 각 기둥 상에 산화막을 형성하여 하부 선택 게이트의 절연막을 형성하는 제 3 단계와; 상기 기판 전면에 게이트 물질을 증착하고 식각하여 하부 선택 게이트를 형성하는 제 4 단계와; 상기 하부 선택 게이트 상으로 노출된 상기 하부 선택 게이트의 절연막을 제거하고, 상기 하부 선택 게이트 및 상기 각 기둥 상에 터널링산화막/질화막/블로킹산화막을 형성하는 제 5 단계와; 상기 기판 전면에 도전층 및 산화막을 m번 반복 적층 형성하며 m개의 워드라인들을 형성하는 제 6 단계와; 상기 기판 전면에 다시 게이트 물질을 증착하고 식각하여, 상기 기둥들의 k개 행(row)에 맞추어 동일한 행으로 배열된 기둥들은 하나의 게이트로 감싸며 형성되도록 k개의 상부 선택 게이트들을 형성하는 제 7 단계와; 상기 기판 전면에 산화막을 채우고 CMP 공정으로 평탄화시킨 다음, 상기 각 기둥의 상부가 드러나도록 상기 산화막 및 상기 질화막을 식각하는 제 8 단계와; 상기 기판에 이온주입하여 상기 드러난 실리콘 기둥의 상부에 n형 불순물 도핑층을 형성하는 제 9 단계와; 상기 기판 전면에 도전층을 형성하고 식각하여 상기 기둥들의 n개 열(column)에 맞추어 동일한 열로 배열된 기둥들의 상단은 하나의 비트라인이 전기적으로 접속되도록 n개의 비트라인들을 형성하는 제 10 단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.In addition, a method of manufacturing a NAND flash memory array according to the present invention includes a first step of sequentially stacking an oxide film and a nitride film on a p-type single crystal silicon substrate and etching the substrate to form k x n single crystal silicon pillars; A second step of forming a common source region as an n-type impurity doped layer on the etched substrate exposed through the pillars by ion implantation perpendicular to the substrate; Forming an insulating film on a lower selection gate by forming an oxide film on the common source region and each of the pillars; Depositing and etching a gate material over the substrate to form a lower selection gate; Removing the insulating film of the lower select gate exposed on the lower select gate and forming a tunneling oxide film / nitride film / blocking oxide film on the lower select gate and each pillar; A sixth step of forming m word lines by repeatedly laminating a conductive layer and an oxide film on the entire surface of the substrate; Depositing and etching a gate material on the entire surface of the substrate again to form k top select gates so that the pillars arranged in the same row in accordance with the k rows of the pillars are wrapped with a single gate; ; An eighth step of filling an oxide film over the entire surface of the substrate and planarizing the same by using a CMP process, and then etching the oxide film and the nitride film to expose an upper portion of each pillar; A ninth step of forming an n-type impurity doping layer on the exposed silicon pillar by ion implantation into the substrate; Forming a conductive layer on the entire surface of the substrate and etching the upper end of the pillars arranged in the same row according to the n columns of the pillars to form n bit lines such that one bit line is electrically connected Characterized in that configured to include.

본 발명에 의한 낸드 플래시 메모리 어레이는 기판을 식각하여 만든 k x n개의 단결정 실리콘 기둥들로 액티브 영역을 형성하고, 수직으로 m개의 워드라인들 및 제어 수단(공통소스영역, 하부 선택 게이트, 및 상부 선택 게이트들)을 형성함으로써, 3차원적으로 집적도를 얼마든지 늘릴 수 있음은 물론, 각 셀의 바디가 기판과 연결되어 통상의 지우기 동작이 가능하고, 단결정 채널에 의한 전하 캐리어 이동도(mobility)를 높일 수 있게 된 효과가 있다.The NAND flash memory array according to the present invention forms an active region with kxn single crystal silicon pillars formed by etching a substrate, and vertically m word lines and control means (common source region, lower select gate, and upper select gate). 3) can increase the degree of integration three-dimensionally, as well as the body of each cell is connected to the substrate to enable the normal erase operation, to increase the charge carrier mobility by the single crystal channel It is effective.

또한, 본 발명에 의한 낸드 플래시 메모리 어레이의 제조방법은 기판을 식각하여 복수개의 단결정 실리콘 기둥들을 형성한 다음, 절연막과 도전성 물질의 증착과 식각을 반복함으로써, 간단하게 수직으로 적층된 복수개의 게이트들(워드라인들)을 구현할 수 있는 효과가 있다.In addition, in the method of manufacturing a NAND flash memory array according to the present invention, a plurality of gates are vertically stacked by simply etching a substrate to form a plurality of single crystal silicon pillars, and then repeatedly depositing and etching an insulating film and a conductive material. There is an effect that can implement (wordlines).

이하, 첨부된 도면을 참조하며 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명에 의한 낸드 플래시 메모리 어레이의 일 실시예 구성을 보여주는 사시도이고, 도 2는 도 1의 위에서 바라본 평면도로 레이아웃이고, 도 3 내지 도 18은 도 1의 AA선을 따라 절단한 단면 형상이 만들어지는 과정을 보여주는 공정단면도이다. 도 2에서 도면부호 1은 메모리 영역을 나타내고, 100은 단결정 실리콘 기둥을 나타낸다.1 is a perspective view showing an embodiment configuration of a NAND flash memory array according to the present invention, FIG. 2 is a plan view from above of FIG. 1, and FIGS. 3 to 18 are cross-sectional views taken along line AA of FIG. 1. A cross-sectional view of the process showing how the shape is created. In FIG. 2, reference numeral 1 denotes a memory region, and 100 denotes a single crystal silicon pillar.

먼저, 본 발명에 의한 낸드 플래시 메모리 어레이는, 도 1 및 도 18과 같이, 단결정 실리콘 기판(10)과; 상기 기판 상에 상기 기판과 동일한 물질로 일정거리 이격되며 k x n개 형성된 기둥들(12; 100)과; 상기 기둥들 사이의 상기 기판 상측에 제 1 불순물 도핑층으로 형성된 공통소스영역(40)과; 상기 공통소스영역 및 상기 각 기둥(12) 상에 제 1 절연막(24a)을 사이에 두고 형성된 하부 선택 게이트(52)와; 상기 하부 선택 게이트 및 상기 각 기둥 상에 제 2 절연막(60, 64a, 65a, 66a)과 도전층(71, 72, 73, 74)이 m번 반복 적층하여 형성된 m개의 워드라인들과; 상기 m개의 워드라인들 중 최상위 워드라인을 이루는 상기 도전층(74) 및 상기 각 기둥(12) 상에 제 3 절연막(67)을 사이에 두고 상기 기둥들(100)의 k개 행(row)에 맞추어 형성된 k개의 상부 선택 게이트들(75)와; 상기 각 상부 선택 게이트에 노출된 상기 각 기둥에 제 2 불순물 도핑층(42)이 형성되고, 상기 각 상부 선택 게이트(75) 및 상기 제 2 불순물 도핑층(42)이 형성된 상기 각 기둥 상에 제 4 절연막(82)을 사이에 두고 상기 기둥들(100)의 n개 열(column)에 맞추어 상기 제 2 불순물 도핑층(42)이 형성된 상기 각 기둥(12)의 상단과 전기적으로 접속되도록 형성된 n개의 비트라인들(90)을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.  First, the NAND flash memory array according to the present invention includes a single crystal silicon substrate 10, as shown in Figs. Pillars (12; 100) spaced at a predetermined distance from the same material as the substrate and formed with k x n; A common source region 40 formed as a first impurity doping layer on the substrate between the pillars; A lower select gate 52 formed on the common source region and each of the pillars 12 with a first insulating layer 24a therebetween; M word lines formed by repeatedly stacking a second insulating layer (60, 64a, 65a, 66a) and a conductive layer (71, 72, 73, 74) m times on the lower selection gate and each pillar; K rows of the pillars 100 with a third insulating layer 67 interposed between the conductive layer 74 and the pillars 12 forming the most significant word line among the m word lines. K top select gates 75 formed in conformity with; A second impurity doped layer 42 is formed on each of the pillars exposed to the upper select gates, and each of the upper select gates 75 and the second impurity doped layer 42 is formed on each pillar. 4 formed to be electrically connected to an upper end of each of the pillars 12 in which the second impurity doping layer 42 is formed in accordance with n columns of the pillars 100 with the insulating film 82 interposed therebetween. It characterized in that it comprises a number of bit lines (90).

상기와 같이, 상기 기판(10)과 동일한 단결정 실리콘으로 k x n개 기둥들(100)로 액티브 영역을 형성하고, 수직으로 m개의 워드라인들 및 제어 수단(공통소스영역, 하부 선택 게이트, 및 상부 선택 게이트들)을 형성함으로써, 3차원적으로 집적도를 늘릴 수 있음은 물론, 각 셀의 바디(12)가 기판(10)과 연결되어 통상의 지우기 동작이 가능하고, 기둥형 단결정 채널에 의하여 채널의 전하 캐리어 이동도(mobility)를 높일 수 있는 장점이 있다.As described above, an active region is formed of kxn pillars 100 by the same single crystal silicon as the substrate 10, and m m lines and control means (common source region, lower select gate, and upper select vertically) are vertically formed. By forming the gates), the degree of integration can be increased in three dimensions, and the body 12 of each cell is connected to the substrate 10 to enable a normal erasing operation. There is an advantage to increase the charge carrier mobility (mobility).

상기 실시예에서 상기 단결정 실리콘 기둥들(12; 100)은 원형 기둥으로 p형 단결정 실리콘 기판을 식각하여 형성함이 바람직하고(이에 관해서는 제조방법에 관한 실시예에서 상술함), 상기 제 1 불순물 도핑층(40) 및 상기 제 2 불순물 도핑층(42)은 n형 불순물 도핑층으로 형성함이 바람직하다.In the above embodiment, the single crystal silicon pillars 12 and 100 may be formed by etching a p-type single crystal silicon substrate with a circular column (described in detail in the embodiment of the manufacturing method), and the first impurities. The doping layer 40 and the second impurity doping layer 42 may be formed of an n-type impurity doping layer.

또한, m개의 워드라인들을 형성하기 위한 상기 도전층(71, 72, 73, 74)을 수직으로 적층함에 있어, 상하 도전층간에는 일정 거리 이내로 이격되도록 상기 도전층 사이의 제 2 절연막(64a, 65a, 66a) 두께를 2~50 nm로 하는 것이 바람직하다. 이는 각 단결정 실리콘 기둥에 불순물 도핑층으로 소스/드레인을 형성하는 것 대신 상하로 이웃한 도전층에 의하여 전기적으로, 즉 상하 도전층의 프린징 필드(fringing field)로, 소스/드레인을 형성하기 위함이다.Further, in vertically stacking the conductive layers 71, 72, 73, and 74 for forming m word lines, the second insulating layers 64a and 65a are spaced apart from each other by a predetermined distance between upper and lower conductive layers. , 66a) It is preferable to make thickness into 2-50 nm. This is to form a source / drain electrically by a neighboring conductive layer up and down, i.e., as a fringing field of the upper and lower conductive layers, instead of forming a source / drain as an impurity doped layer in each single crystal silicon pillar. to be.

그러나, 상기 도전층 사이의 제 2 절연막(64a, 65a, 66a) 두께는 제 2 절연막의 유전율과 워드라인에 인가될 Vpass 전압에 따라 달라질 수 있으므로, 상기 범위 에 반드시 제한되지는 아니한다.However, the thickness of the second insulating films 64a, 65a, and 66a between the conductive layers may vary depending on the dielectric constant of the second insulating film and the V pass voltage to be applied to the word line.

그리고, 상기 제 1 절연막(24a)은 통상의 실리콘 산화막으로, 상기 제 2 절연막 중 상기 하부 선택 게이트(52) 및 상기 각 기둥(12) 상에 형성된 제 2 절연막은 터널링산화막(61)/질화막(62)/블로킹산화막(63)(60) 순으로 형성되고, 상기 제 3 절연막 중 상기 각 기둥(12) 상에 형성된 제 3 절연막은 터널링산화막(61)/질화막(62)/블로킹산화막(63)(60) 순으로 형성되고, 상기 도전층 상의 제 3 절연막(67)은 상기 블로킹산화막(63)과 동일한 물질의 산화막이 형성되고, 상기 제 4 절연막 중 상기 각 기둥(12) 상에 형성된 제 4 절연막은 터널링산화막(61)/질화막(62)/블로킹산화막(63)(60) 순으로 형성되고, 상기 상부 선택 게이트(75) 상의 제 4 절연막(82)은 산화막으로 채워진 것이 바람직하다.The first insulating film 24a is a conventional silicon oxide film, and the second insulating film formed on the lower selection gate 52 and the pillars 12 among the second insulating films is a tunneling oxide film 61 / nitride film ( 62) / blocking oxide films 63 and 60, and the third insulating film formed on the pillars 12 among the third insulating films is a tunneling oxide film 61 / nitride film 62 / blocking oxide film 63. And an oxide film of the same material as that of the blocking oxide film 63 is formed in the third insulating film 67 on the conductive layer, and the fourth insulating film formed on the pillars 12 among the fourth insulating films. The insulating film is formed in the order of tunneling oxide film 61 / nitride film 62 / blocking oxide film 63 and 60, and the fourth insulating film 82 on the upper selection gate 75 is preferably filled with an oxide film.

상기와 같은 구성을 함으로써, 도 18과 같이, 상기 각 단결정 실리콘 기둥(12)을 감싸며 터널링산화막(61)/질화막(62)/블로킹산화막(63)의 ONO층(60)이 형성되고, 상기 ONO층(60)을 감싸며 상하로 산화막을 사이에 두고 게이트 물질 또는 도전 물질층이 적층되어, 질화막(62)을 전하저장층으로 하는 GAA(Gate-All-Around) 구조를 갖는 메모리 셀이 각 기둥(12, 100)을 따라 다수개 형성하게 된다.By the configuration as described above, as shown in FIG. 18, the ONO layer 60 of the tunneling oxide film 61, the nitride film 62, and the blocking oxide film 63 is formed to surround the single crystal silicon pillars 12, and the ONO The gate material or the conductive material layer is stacked with the oxide layer interposed therebetween, covering the layer 60, and a memory cell having a gate-all-around structure having the nitride layer 62 as the charge storage layer is formed in each pillar ( 12, 100) to form a plurality.

한편, 상기 실시예에 의한 낸드 플래시 메모리 어레이에 있어 단결정 실리콘 기둥(100)으로 구성된 메모리 영역(1)의 외부 연결은, 도 1 또는 도 2와 같이, 이루어 질 수 있다.Meanwhile, in the NAND flash memory array according to the above embodiment, the external connection of the memory region 1 composed of the single crystal silicon pillars 100 may be made as shown in FIG. 1 or 2.

즉, 상기 공통소스영역(40)은 공통소스라인(CSL)으로, 상기 하부 선택 게이트(52)은 하부 선택 게이트 라인(LSGL)으로, 상기 m개의 도전층들(71, 72, 73, 74) 은 각각 워드라인(WL1, WL2, ..., WLm)으로 각각 소정의 컨택(110)에 의하여 연결되고, 상기 k개의 상부 선택 게이트들(75)은 각각 상부 선택 게이트 라인(USGL1, USGL2, ..., USGLk)으로 소정의 컨택(120)에 의하여 연결되고, 상기 단결정 실리콘 기둥들(100)의 상단은 같은 열에 위치한 것은 동일한 비트라인에 연결되도록 상기 각 상부 선택 게이트 라인과 수직하게 형성된 n개의 비트라인들(BL1, BL2, ..., BLn)에 각각 연결하게 된다.That is, the common source region 40 is a common source line CSL, the lower select gate 52 is a lower select gate line LSGL, and the m conductive layers 71, 72, 73, and 74 are formed. Are connected to word lines WL1, WL2, ..., WLm, respectively, by predetermined contacts 110, and the k top select gates 75 are each top select gate lines USGL1, USGL2,. .., USGLk) is connected by a predetermined contact 120, the top of the single-crystal silicon pillars 100 is located in the same column n is formed perpendicular to each of the upper select gate line so that it is connected to the same bit line The bit lines BL1, BL2, ..., BLn are respectively connected.

다음, 도 3 내지 도 18을 참조하며, 상기 실시예에 의한 낸드 플래시 메모리 어레이의 제조방법에 대하여 설명한다.Next, referring to Figs. 3 to 18, a manufacturing method of the NAND flash memory array according to the embodiment will be described.

우선, 도 3과 같이, p형 단결정 실리콘 기판(10) 상에 통상의 열산화 공정 및 CVD 공정을 통하여 각각 산화막(20) 및 질화막(30)을 순차 적층하고, 도 4와 같이, 상기 기판(10)을 식각하여 소정의 높이를 갖는 k x n 개의 단결정 실리콘 기둥들(12; 100)을 형성한다(제 1 단계).First, as shown in FIG. 3, the oxide film 20 and the nitride film 30 are sequentially stacked on the p-type single crystal silicon substrate 10 through a normal thermal oxidation process and a CVD process, and as shown in FIG. 4, the substrate ( 10) is etched to form kxn single crystal silicon pillars 12 (100) having a predetermined height (first step).

이어, 도 4와 같이, 상기 기판(10)과 수직하게 이온주입하여 상기 기둥들(12) 사이로 드러난 식각된 상기 기판 상측에 n형 불순물 도핑층(40)으로 공통소스영역을 형성한다(제 2 단계).Subsequently, as shown in FIG. 4, the common source region is formed of an n-type impurity doped layer 40 on the etched substrate exposed between the pillars 12 by ion implantation perpendicular to the substrate 10 (second step).

이후, 도 5와 같이, 상기 공통소스영역(40) 및 상기 각 기둥(12) 상에 산화막(24)을 형성하여 하부 선택 게이트의 절연막을 형성한다(제 3 단계).Thereafter, as shown in FIG. 5, an oxide film 24 is formed on the common source region 40 and the pillars 12 to form an insulating film of the lower selection gate (third step).

이어, 도 6과 같이, 상기 기판 전면에 게이트 물질(50)을 증착하고, CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정을 통하여 평탄화시킨 다음, 상기 게이트 물질(50)을 건식의 리세스(recess) 방식으로 식각하여 하부 선택 게이트(52)를 형성한다(제 4 단계).Subsequently, as shown in FIG. 6, the gate material 50 is deposited on the entire surface of the substrate, and planarized through a chemical mechanical polishing (CMP) process, and then the gate material 50 is etched by a dry recess method. The lower select gate 52 is formed (fourth step).

여기서, 상기 게이트 물질(50)은 불순물로 도핑된 실리콘계 물질(예컨대, 다결정실리콘, 비정질실리콘 등)이나 금속일 수 있다. The gate material 50 may be a silicon-based material (eg, polysilicon, amorphous silicon, etc.) or metal doped with impurities.

다음, 도 7과 같이, 상기 하부 선택 게이트(52) 상으로 노출된 상기 하부 선택 게이트의 절연막(24)을 습식식각 등으로 제거하고, 도 8과 같이, 상기 하부 선택 게이트(52) 및 상기 각 기둥(12) 상에 터널링산화막(61)/질화막(62)/블로킹산화막(63)(60)을 CVD 공정 등을 통하여 순차 형성한다(제 5 단계).Next, as shown in FIG. 7, the insulating layer 24 of the lower select gate exposed on the lower select gate 52 is removed by wet etching, and as shown in FIG. 8, the lower select gate 52 and the respective angles are removed. The tunneling oxide film 61, the nitride film 62, and the blocking oxide film 63, 60 are sequentially formed on the pillar 12 through a CVD process or the like (fifth step).

이어, 도 9 내지 도 15와 같이, 상기 기판 전면에 도전층(71, 72, 73, 74) 및 산화막(64a, 65a, 66a, 67)을 m번 반복 적층 형성하며 m개의 워드라인들을 형성한다(제 6 단계).9 to 15, the conductive layers 71, 72, 73, and 74 and the oxide layers 64a, 65a, 66a, and 67 are repeatedly stacked m times on the entire surface of the substrate to form m word lines. (Step 6).

여기서, 상기 제 6 단계를 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.Here, the sixth step will be described in more detail as follows.

먼저, 도 9와 같이, 도전성 물질(70)을 기판 전면에 증착하고 CMP 공정으로 평탄화시킨다(제 6-1 단계). 이때, 상기 질화막(32)이 식각 스토퍼(stopper) 역할을 하게 된다. 또한, 상기 도전성 물질(70)은, 상기 게이트 물질(50)과 같이, 불순물로 도핑된 실리콘계 물질(예컨대, 다결정실리콘, 비정질실리콘 등)이나 금속일 수 있다. First, as shown in FIG. 9, the conductive material 70 is deposited on the entire surface of the substrate and planarized by a CMP process (Step 6-1). In this case, the nitride layer 32 serves as an etch stopper. In addition, like the gate material 50, the conductive material 70 may be a silicon-based material (eg, polysilicon, amorphous silicon, etc.) or metal doped with an impurity.

이어, 도 10과 같이, 상기 도전성 물질(70)을 건식 식각으로 리세스(recess) 방식으로 식각하여 도전층(71)을 형성한다(제 6-2 단계).Subsequently, as shown in FIG. 10, the conductive material 70 is etched in a recessed manner by dry etching to form the conductive layer 71 (step 6-2).

이후, 도 11과 같이, 상기 도전층(71) 상으로 노출된 상기 각 기둥(12)의 블 로킹산화막(63)을 습식식각을 통하여 제거한다(제 6-3 단계).Thereafter, as shown in FIG. 11, the blocking oxide film 63 of each pillar 12 exposed on the conductive layer 71 is removed by wet etching (Step 6-3).

다음, 도 12와 같이, 상기 도전층(71) 및 각 기둥(12) 상에 다시 블로킹산화막을 형성한다(제 6-4 단계).Next, as shown in FIG. 12, a blocking oxide film is formed again on the conductive layer 71 and the pillars 12 (step 6-4).

이어, 도 13 내지 도 15와 같이, 상기 제 6-1 단계 내지 상기 제 6-4 단계를 따라 상기 도전성 물질(70)의 증착과 식각 및 블로킹산화막(63)의 식각 및 증착을 m-1번 반복하며 m개의 워드라인들을 형성한다(제 6-5 단계).Subsequently, as shown in FIGS. 13 to 15, the deposition, the etching, and the etching of the blocking oxide layer 63 are performed on the m-1 through the steps 6-1 to 6-4. Repeating to form m word lines (step 6-5).

이후, 도 15와 같이, 상기 블로킹산화막(63)이 최상의 도전층(74) 및 각 기둥(12) 상에 형성되어 있는 상태에서, 상기 기판 전면에 다시 게이트 물질을 증착하고 식각하여, 상기 기둥들의 k개 행(row)에 맞추어 동일한 행으로 배열된 기둥들은 하나의 게이트로 감싸며 형성되도록 k개의 상부 선택 게이트들(75)을 형성한다(제 7 단계).Subsequently, as shown in FIG. 15, the blocking oxide layer 63 is formed on the uppermost conductive layer 74 and the pillars 12, and the gate material is again deposited and etched on the entire surface of the substrate to form the pillars. The pillars arranged in the same row in accordance with k rows form k top select gates 75 so as to be wrapped around a single gate (seventh step).

이어, 도 16과 같이, 상기 기판 전면에 산화막(80)을 채우고 질화막(32)가 드러나도록 CMP 공정으로 평탄화시킨 다음, 도 17과 같이, 상기 각 기둥(12)의 상부가 드러나도록 상기 산화막(80) 및 상기 질화막(32)을 식각한다(제 8 단계).Next, as shown in FIG. 16, the oxide film 80 is filled on the entire surface of the substrate and planarized by a CMP process to expose the nitride film 32, and as shown in FIG. 17, the oxide film ( 80) and the nitride film 32 are etched (eighth step).

이후, 도 17과 같이, 상기 기판에 이온주입하여 상기 드러난 실리콘 기둥(12)의 상부에 n형 불순물 도핑층(42)을 형성한다(제 9 단계).Thereafter, as illustrated in FIG. 17, an n-type impurity doping layer 42 is formed on the exposed silicon pillar 12 by ion implantation into the substrate (ninth step).

다음, 상기 기판 전면에 금속 등으로 도전층을 형성하고 식각하여, 도 18과 같이, 상기 기둥들의 n개 열(column)에 맞추어 동일한 열로 배열된 기둥들의 상단은 하나의 비트라인이 전기적으로 접속되도록 n개의 비트라인들(90)을 형성한다(제 10 단계).Next, a conductive layer is formed of metal or the like on the entire surface of the substrate and is etched. As shown in FIG. 18, one bit line is electrically connected to an upper end of pillars arranged in the same row according to n columns of the pillars. N bit lines 90 are formed (step 10).

이후에는, 도 1 및 도 2와 같이, 메모리 영역(1)을 연결하기 위한 컨택 및 배선 공정을 진행한다.After that, as shown in FIGS. 1 and 2, a contact and wiring process for connecting the memory region 1 is performed.

이상과 같이, 상기 실시예에 의한 낸드 플래시 메모리 어레이 제조방법은 기판을 식각하여 복수개의 단결정 실리콘 기둥들을 형성한 다음, 절연막과 도전성 물질의 증착과 식각을 반복함으로써, 간단하게 수직으로 적층된 복수개의 제어게이트들(워드라인들)을 구현할 수 있는 장점이 있다.As described above, in the method of manufacturing a NAND flash memory array according to the above embodiment, a plurality of single crystal silicon pillars are formed by etching a substrate, and then a plurality of vertically stacked vertically by repeating deposition and etching of an insulating film and a conductive material. The advantage is that control gates (word lines) can be implemented.

도 1은 본 발명에 의한 낸드 플래시 메모리 어레이의 일 실시예 구성을 보여주는 사시도이다.1 is a perspective view showing an embodiment of a NAND flash memory array according to the present invention.

도 2는 도 1의 위에서 바라본 평면도로 레이아웃이다.FIG. 2 is a layout with a plan view from above of FIG. 1.

도 3 내지 도 18은 도 1의 AA선을 따라 절단한 단면 형상이 만들어지는 과정을 보여주는 공정단면도이다. 3 to 18 are process cross-sectional views showing a process of making a cross-sectional shape cut along the line AA of FIG.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

10: 단결정 실리콘 기판 12: 단결정 실리콘 기둥10: single crystal silicon substrate 12: single crystal silicon pillar

20, 24a, 64a, 65a, 66a, 67, 80, 82: 절연막(산화막)20, 24a, 64a, 65a, 66a, 67, 80, 82: insulating film (oxide film)

30, 32: 질화막 40, 42: n형 불순물 도핑층30, 32: nitride film 40, 42: n-type impurity doping layer

52: 하부 선택 게이트 60: ONO층52: lower select gate 60: ONO layer

71, 72, 73, 74: 도전층(워드라인)71, 72, 73, 74: conductive layer (word line)

75: 상부 선택 게이트 90: 비트라인75: upper select gate 90: bit line

Claims (8)

p형 단결정 실리콘 기판과;a p-type single crystal silicon substrate; 상기 기판 상에 상기 기판과 동일한 물질로 일정거리 이격되며 k x n개 형성된 기둥들과;Pillars spaced at a predetermined distance on the substrate with the same material as the substrate and formed with k x n pillars; 상기 기둥들 사이의 상기 기판 상측에 n형 불순물 도핑층으로 형성된 공통소스영역과;A common source region formed of an n-type impurity doping layer on the substrate between the pillars; 상기 공통소스영역 및 상기 각 기둥 상에 제 1 절연막을 사이에 두고 형성된 하부 선택 게이트와;A lower selection gate formed on the common source region and each of the pillars with a first insulating film interposed therebetween; 상기 하부 선택 게이트 및 상기 각 기둥 상에 제 2 절연막과 도전층이 m번 반복 적층하여 형성된 m개의 워드라인들과;M word lines formed by repeatedly stacking a second insulating film and a conductive layer m times on the lower selection gate and each pillar; 상기 m개의 워드라인들 중 최상위 워드라인을 이루는 상기 도전층 및 상기 각 기둥 상에 제 3 절연막을 사이에 두고 상기 기둥들의 k개 행(row)에 맞추어 형성된 k개의 상부 선택 게이트들과;K upper select gates formed to match k rows of the pillars with a third insulating layer interposed between the conductive layer and the pillars forming the highest word line among the m word lines; 상기 각 상부 선택 게이트에 노출된 상기 각 기둥의 상부에 제 2의 n형 불순물 도핑층이 형성되고, 상기 각 상부 선택 게이트 및 상기 제 2의 n형 불순물 도핑층이 형성된 상기 각 기둥 상에 제 4 절연막을 사이에 두고 상기 기둥들의 n개 열(column)에 맞추어 상기 제 2의 n형 불순물 도핑층이 형성된 상기 각 기둥의 상단과 전기적으로 접속되도록 형성된 n개의 비트라인들을 포함하여 구성되되,A fourth n-type impurity doping layer is formed on each of the pillars exposed to the upper selection gates, and a fourth n-type impurity doping layer is formed on each of the pillars on which each of the upper selection gates and the second n-type impurity doping layers are formed. And n bit lines formed to be electrically connected to an upper end of each of the pillars having the second n-type impurity doping layer formed thereon, with an insulating layer interposed therebetween. 상기 기둥들은 상기 공통소스영역의 하부에 위치한 기판과 일체로 하나의 p형 바디로 서로 연결된 것을 특징으로 하는 낸드 플래시 메모리 어레이. And the pillars are connected to each other by a single p-type body integrally with a substrate positioned below the common source region. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제 2 절연막은,The second insulating film, 상기 하부 선택 게이트 및 상기 각 기둥 상에는 터널링산화막/질화막/블로킹산화막 순으로 형성되고,On the lower selection gate and each pillar, tunneling oxide, nitride, and blocking oxide are formed in this order. 상기 도전층 사이에는 상기 블로킹산화막과 동일한 물질의 산화막이 형성된 것을 특징으로 하는 낸드 플래시 메모리 어레이.And an oxide film of the same material as the blocking oxide film is formed between the conductive layers. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 상기 제 1 절연막은 실리콘 산화막이고,The first insulating film is a silicon oxide film, 상기 제 3 절연막은 상기 각 기둥 상에는 터널링산화막/질화막/블로킹산화막 순으로 형성되고, 상기 도전층 상에는 상기 블로킹산화막과 동일한 물질의 산화막이 형성되고,The third insulating film is formed on the pillars in the order of tunneling oxide film / nitride film / blocking oxide film, an oxide film of the same material as the blocking oxide film is formed on the conductive layer, 상기 제 4 절연막은 상기 각 기둥 상에는 터널링산화막/질화막/블로킹산화막 순으로 형성되고, 상기 상부 선택 게이트 상에는 산화막으로 채워진 것을 특징으로 하는 낸드 플래시 메모리 어레이.And the fourth insulating film is formed on the pillars in the order of tunneling oxide film / nitride film / blocking oxide film, and is filled with an oxide film on the upper selection gate. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,4. The method according to any one of claims 1 to 3, 상기 도전층 사이의 제 2 절연막 두께는 2~50 nm인 것을 특징으로 하는 낸드 플래시 메모리 어레이.And a thickness of the second insulating layer between the conductive layers is 2 to 50 nm. 제 4 항에 의한 낸드 플래시 메모리 어레이를 제조하는 방법에 있어서,In the method of manufacturing a NAND flash memory array according to claim 4, p형 단결정 실리콘 기판 상에 산화막 및 질화막을 순차 적층하고, 상기 기판을 식각하여 k x n 개의 단결정 실리콘 기둥들을 형성하는 제 1 단계와;a first step of sequentially stacking an oxide film and a nitride film on a p-type single crystal silicon substrate and etching the substrate to form k x n single crystal silicon pillars; 상기 기판과 수직하게 이온주입하여 상기 기둥들 사이로 드러난 식각된 상기 기판 상측에 n형 불순물 도핑층으로 공통소스영역을 형성하는 제 2 단계와;A second step of forming a common source region as an n-type impurity doped layer on the etched substrate exposed through the pillars by ion implantation perpendicular to the substrate; 상기 공통소스영역 및 상기 각 기둥 상에 산화막을 형성하여 하부 선택 게이트의 절연막을 형성하는 제 3 단계와;Forming an insulating film on a lower selection gate by forming an oxide film on the common source region and each of the pillars; 상기 기판 전면에 게이트 물질을 증착하고 식각하여 하부 선택 게이트를 형성하는 제 4 단계와;Depositing and etching a gate material over the substrate to form a lower selection gate; 상기 하부 선택 게이트 상으로 노출된 상기 하부 선택 게이트의 절연막을 제거하고, 상기 하부 선택 게이트 및 상기 각 기둥 상에 터널링산화막/질화막/블로킹산화막을 형성하는 제 5 단계와;Removing the insulating film of the lower select gate exposed on the lower select gate and forming a tunneling oxide film / nitride film / blocking oxide film on the lower select gate and each pillar; 상기 기판 전면에 도전층 및 산화막을 m번 반복 적층 형성하며 m개의 워드라인들을 형성하는 제 6 단계와;A sixth step of forming m word lines by repeatedly laminating a conductive layer and an oxide film on the entire surface of the substrate; 상기 기판 전면에 다시 게이트 물질을 증착하고 식각하여, 상기 기둥들의 k개 행(row)에 맞추어 동일한 행으로 배열된 기둥들은 하나의 게이트로 감싸며 형성되도록 k개의 상부 선택 게이트들을 형성하는 제 7 단계와;Depositing and etching a gate material on the entire surface of the substrate again to form k top select gates so that the pillars arranged in the same row in accordance with the k rows of the pillars are wrapped with a single gate; ; 상기 기판 전면에 산화막을 채우고 CMP 공정으로 평탄화시킨 다음, 상기 각 기둥의 상부가 드러나도록 상기 산화막 및 상기 질화막을 식각하는 제 8 단계와;An eighth step of filling an oxide film over the entire surface of the substrate and planarizing the same by using a CMP process, and then etching the oxide film and the nitride film to expose an upper portion of each pillar; 상기 기판에 이온주입하여 상기 드러난 실리콘 기둥의 상부에 n형 불순물 도핑층을 형성하는 제 9 단계와;A ninth step of forming an n-type impurity doping layer on the exposed silicon pillar by ion implantation into the substrate; 상기 기판 전면에 도전층을 형성하고 식각하여 상기 기둥들의 n개 열(column)에 맞추어 동일한 열로 배열된 기둥들의 상단은 하나의 비트라인이 전기적으로 접속되도록 n개의 비트라인들을 형성하는 제 10 단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 낸드 플래시 메모리 어레이의 제조방법.Forming a conductive layer on the entire surface of the substrate and etching the upper end of the pillars arranged in the same row according to the n columns of the pillars to form n bit lines such that one bit line is electrically connected Method of manufacturing a NAND flash memory array comprising a. 제 5 항에 있어서,The method of claim 5, 상기 제 6 단계의 상기 m개의 워드라인들 형성은,The m word lines may be formed in the sixth step. 도전성 물질을 기판 전면에 증착하고 CMP 공정으로 평탄화시키는 제 6-1 단계와;A 6-1 step of depositing a conductive material on the entire surface of the substrate and planarization by a CMP process; 상기 도전성 물질을 건식 식각으로 리세스(recess) 방식으로 식각하여 도전 층을 형성하는 제 6-2 단계와;Step 6-2 of forming a conductive layer by etching the conductive material in a recessed manner by dry etching; 상기 도전층 상으로 노출된 상기 각 기둥의 블로킹산화막을 제거하는 제 6-3 단계와;A step 6-3 of removing the blocking oxide films of the pillars exposed on the conductive layer; 상기 도전층 및 각 기둥 상에 다시 블로킹산화막을 형성하는 제 6-4 단계와;A step 6-4 of forming a blocking oxide film on the conductive layer and each pillar again; 상기 제 6-1 단계 내지 상기 제 6-4 단계를 m-1번 반복하는 제 6-5 단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 낸드 플래시 메모리 어레이의 제조방법.And a sixth to sixth step of repeating the sixth to sixth steps m-1 to the sixth to sixth steps. 제 6 항에 있어서,The method of claim 6, 상기 제 5 단계의 상기 하부 선택 게이트의 절연막의 제거 및 상기 제 6-3 단계의 블로킹산화막의 제거는 습식 식각에 의하는 것을 특징으로 하는 낸드 플래시 메모리 어레이의 제조방법.And removing the insulating film of the lower selection gate of the fifth step and removing the blocking oxide film of the sixth to third steps by wet etching. 제 6 항에 있어서,The method of claim 6, 상기 게이트 물질 및 상기 도전성 물질은 불순물이 도핑된 실리콘계 물질 또는 금속이고,The gate material and the conductive material are silicon-based materials or metals doped with impurities, 상기 n개의 비트라인들을 형성하는 도전층은 금속인 것을 특징으로 하는 낸드 플래시 메모리 어레이의 제조방법. And the conductive layer forming the n bit lines is a metal.
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