KR101835611B1 - Multi bit capacitorless dram using band offset technology and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 다중 비트 커패시터리스 디램은 기판, 기판상에 형성된 소스 및 드레인, 기판상에 형성된 복수의 나노와이어 채널, 복수의 나노와이어 채널에 형성된 게이트 절연막 및 게이트 절연막상에 형성된 게이트를 포함하고, 복수의 나노와이어 채널 중 2개 이상의 나노와이어 채널은 서로 다른 문턱 전압을 가지며, 각각의 나노와이어 채널은, 실리콘층, 실리콘층을 둘러싸며 형성된 제1 에피택셜층 및 제1 에피택셜층을 둘러싸며 형성된 제2 에피택셜층을 포함한다. 이에 의하여, 다중 비트로 동작할 수 있는 고집적도의 다중 비트 커패시터리스 디램을 구현하되, 에너지 밴드갭을 이용하여 초과 정공의 축적 성능을 향상시킬 수 있다. A multi-bit capacitorless DRAM according to the present invention includes a substrate, a source and a drain formed on the substrate, a plurality of nanowire channels formed on the substrate, a gate insulating film formed on the plurality of nanowire channels, and a gate formed on the gate insulating film, Wherein at least two of the plurality of nanowire channels have different threshold voltages and each nanowire channel surrounds a silicon layer, a first epitaxial layer formed around the silicon layer, and a first epitaxial layer And a second epitaxial layer formed. Thus, a highly integrated multi-bit capacitorless DRAM capable of operating in multiple bits can be realized, and the accumulation performance of excess holes can be improved by using the energy band gap.
Description
본 발명은 커패시터리스 디램에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 밴드 오프셋을 이용한 다중 비트 구현이 가능한 커패시터리스 디램 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a capacitorless DRAM, and more particularly, to a capacitorless DRAM capable of multi-bit implementation using a band offset and a method of manufacturing the same.
컴퓨팅에 필수적으로 사용되는 반도체 부품 중 하나인 디램(Dynamic Random Access Memory, DRAM)은 1개의 트랜지스터(transistor)와 1개의 커패시터(capacitor)로 구성된다. 하지만, 종래의 디램은 소자의 크기가 줄어듦에 따라 커패시터의 크기도 함께 작아져야 하기 때문에, 충분히 큰 용량의 커패시터를 확보하는 것이 난제로 여겨져 왔다. 또한, 다른 소자들과 함께 임베디드 칩을 형성할 때 커패시터가 가지는 높은 단차 때문에 커패시터 형성 공정이 걸림돌로 작용한다. 따라서, 복잡한 공정을 야기하는 커패시터 없이도 데이터를 저장할 수 있는 커패시터리스 디램(capacitorless DRAM)이 주목받고 있다. 커패시터리스 디램은 커패시터가 사용되지 않기 때문에, 종래의 디램에 비해 집적도와 제작비용 면에서 큰 장점을 지닌다. Dynamic random access memory (DRAM), which is one of semiconductor components that is essential for computing, consists of one transistor and one capacitor. However, since the size of the conventional DRAM must be reduced along with the size of the device, it has been considered difficult to secure a capacitor having a sufficiently large capacity. In addition, the capacitor forming process is a stumbling block due to the high step difference of the capacitor when the embedded chip is formed together with other devices. Accordingly, a capacitorless DRAM capable of storing data without a capacitor causing a complicated process is attracting attention. Since the capacitorless DRAM is not used, it has a great advantage in terms of integration and fabrication cost as compared with the conventional DRAM.
도 1a는 종래 커패시터리스 디램의 동작원리를 모식적으로 도시한 단면도이고, 도 1b는 종래 커패시터리스 디램의 에너지 밴드 다이어그램이다. 커패시터리스 디램은 절연층 매몰 실리콘(Silicon-On-Insulator, SOI) 기판 또는 일반적인 실리콘(bulk) 기판과 플로팅 바디(floating body) 소자를 이용해 제작된다. 트랜지스터의 게이트(2)와 드레인(4)에 소정 전압을 인가하면, 충돌 이온화(impact ionization)에 의해 드레인(4)측 채널에서 초과 정공(excess hole)이 생성된다. 생성된 초과 정공들은 빠져나갈 곳이 없기 때문에 바디(5) 내부에 적체된다. 적체된 정공을 갖는 트랜지스터는 바디(5)에 정공이 없을 때와 비교해 문턱전압(threshold voltage) 및 전류레벨에서 차이가 발생하는데, 그 차이를 이용해 '0'상태와 '1'상태를 구분한다.1A is a cross-sectional view schematically showing the operation principle of a conventional capacitorless DRAM, and FIG. 1B is an energy band diagram of a conventional capacitorless DRAM. The capacitorless DRAM is fabricated using a silicon-on-insulator (SOI) substrate or a general silicon substrate and a floating body device. When a predetermined voltage is applied to the
바디(5) 내부에 정공이 쌓인 상태를 '1'상태라 하고, 정공이 바디(5) 내부에서 모두 빠져나간 상태를 '0'상태라 한다. 즉, 종래의 커패시터리스 디램의 데이터는 '0'상태와 '1'상태의 2가지 상태로만 존재할 수 있었다. 이는, 1비트의 정보만을 저장할 수 있음을 의미한다. 다시 말해, 종래의 커패시터리스 디램은 단 하나의 바디 영역(채널 영역)을 갖는다는 구조적 한계 때문에, 2비트 이상으로는 동작할 수 없었다. A state in which holes are accumulated in the
본 발명은 단일 비트로만 동작하던 종래 커패시터리스 디램을 개선한 것으로, 본 발명의 목적은 종래의 커패시터리스 디램보다 높은 집적도를 가지면서, 에너지 밴드갭을 이용하여 초과 정공의 축적 성능을 향상시킨 다중 비트 커패시터리스 디램 및 그 제조 방법을 제공함에 있다.The present invention is an improvement of a conventional capacitorless DRAM that operates only in a single bit. It is an object of the present invention to provide a capacitorless DRAM that has a higher integration density than a conventional capacitorless DRAM, A capacitorless DRAM and a method of manufacturing the same.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 다중 비트 커패시터리스 디램은, 기판; 상기 기판상에 형성된 소스 및 드레인; 상기 기판상에 형성된 복수의 나노와이어 채널; 상기 복수의 나노와이어 채널에 형성된 게이트 절연막; 및 상기 게이트 절연막상에 형성된 게이트;를 포함하고, 상기 복수의 나노와이어 채널 중 2개 이상의 나노와이어 채널은 서로 다른 문턱 전압을 가지며, 각각의 나노와이어 채널은, 실리콘층; 상기 실리콘층을 둘러싸며 형성된 제1 에피택셜층; 및 상기 제1 에피택셜층을 둘러싸며 형성된 제2 에피택셜층;을 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a multi-bit capacitorless DRAM comprising: a substrate; A source and a drain formed on the substrate; A plurality of nanowire channels formed on the substrate; A gate insulating layer formed on the plurality of nanowire channels; And a gate formed on the gate insulator, wherein at least two of the plurality of nanowire channels have different threshold voltages, each nanowire channel comprising: a silicon layer; A first epitaxial layer formed to surround the silicon layer; And a second epitaxial layer formed surrounding the first epitaxial layer.
그리고, 상기 제1 에피택셜층은 에피택시로 성장한 Si1 - xGex층일 수 있다.And, the first epitaxial layer may be an epitaxially grown Si 1 - x Ge x layer.
또한, 상기 제1 에피택셜층은 에피택시로 성장한 Si1 - xCx층일 수 있다.Also, the first epitaxial layer may be an epitaxially grown Si 1 - x C x layer.
그리고, 상기 제2 에피택셜층은 에피택시로 성장한 실리콘층일 수 있다.And, the second epitaxial layer may be a silicon layer grown by epitaxy.
또한, 상기 2개 이상의 나노와이어 채널은, 도핑 이온의 종류, 깊이, 농도 및 각도 중 적어도 하나를 달리함으로써 서로 다른 문턱 전압을 가질 수 있다.Further, the two or more nanowire channels may have different threshold voltages by changing at least one of the type, the depth, the concentration, and the angle of the doping ions.
그리고, 상기 2개 이상의 나노와이어 채널은, 단면의 형상 또는 면적을 달리함으로써 서로 다른 문턱 전압을 가질 수 있다.The two or more nanowire channels may have different threshold voltages by changing the shape or area of the cross section.
또한, 상기 2개 이상의 나노와이어 채널은, 식각 물질의 종류, 식각 물질의 농도, 식각 시간, 진공도 및 식각 온도 중 적어도 하나를 달리하여 식각됨으로써, 서로 상이한 단면 형상 또는 면적을 가질 수 있다.In addition, the two or more nanowire channels may have different cross-sectional shapes or areas by etching at least one of different types of etch materials, concentration of etch materials, etch time, vacuum degree, and etch temperature.
그리고, 상기 다중 비트 커패시터리스 디램의 동작을 제어하는 컨트롤러; 및 상기 복수의 나노와이어 채널의 문턱 전압에 기초한, 상기 복수의 나노와이어 채널 각각에 대한 구동 전압을 저장하는 저장부;를 더 포함하고, 상기 컨트롤러는, 상기 게이트 및 상기 드레인 중 적어도 하나에 인가되는 구동 전압을 컨트롤함으로써, 2비트 이상의 데이터를 프로그램(program)시키거나 이레이즈(erase)시킬 수 있다.A controller for controlling the operation of the multi-bit capacitorless DRAM; And a storage for storing a driving voltage for each of the plurality of nanowire channels based on a threshold voltage of the plurality of nanowire channels, wherein the controller is configured to apply a voltage to at least one of the gate and the drain By controlling the driving voltage, data of two or more bits can be programmed or erased.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 다중 비트 커패시터리스 디램의 제조 방법은, (a) 기판에 하드마스크를 증착하는 단계; (b) 상기 하드마스크의 적어도 일부를 식각하는 단계; (c) 이방성 식각을 통하여 상기 기판에 나노와이어를 패터닝하는 단계; (d) 상기 기판에 보호막을 형성하는 단계; (e) 등방성 식각을 통하여 상기 기판에 나노와이어 채널을 형성하는 단계; (f) 상기 (c)단계 내지 (e)단계를 반복하여, 복수의 나노와이어 채널을 형성하는 단계; (g) 소스, 드레인 및 게이트를 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 (f)단계는, 상기 복수의 나노와이어 채널이 각각 상이한 문턱 전압을 갖도록 처리하고, 상기 복수의 나노와이어 채널에 제1 에피택셜층 및 제2 에피택셜층을 형성시킨다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a multi-bit capacitorless DRAM, including: (a) depositing a hard mask on a substrate; (b) etching at least a portion of the hard mask; (c) patterning the nanowire on the substrate through an anisotropic etch; (d) forming a protective film on the substrate; (e) forming a nanowire channel in the substrate through isotropic etching; (f) repeating the steps (c) and (e) to form a plurality of nanowire channels; (g) forming a source, a drain, and a gate, wherein step (f) comprises: treating the plurality of nanowire channels to each have a different threshold voltage, Thereby forming a first epitaxial layer and a second epitaxial layer.
그리고, 상기 제1 에피택셜층은 상기 나노와이어 채널을 둘러싸며 에피택시로 성장되는 Si1-xGex층일 수 있다.The first epitaxial layer may be an epitaxially grown Si 1-x Ge x layer surrounding the nanowire channel.
또한, 상기 제1 에피택셜층은 상기 나노와이어 채널을 둘러싸며 에피택시로 성장되는 Si1-xCx층일 수 있다.The first epitaxial layer may also be a Si 1-x C x layer that surrounds the nanowire channel and is grown epitaxially.
그리고, 상기 제2 에피택셜층은 상기 제1 에피택셜층을 둘러싸며 에피택시로 성장되는 실리콘층일 수 있다.And, the second epitaxial layer may be a silicon layer which surrounds the first epitaxial layer and is epitaxially grown.
또한, 상기 (f)단계는, 각각의 나노와이어 채널을 형성시킬 때마다, 도핑 이온의 종류, 깊이, 농도 및 주입 각도 중 적어도 하나를 달리하여 도펀트를 주입함으로써, 상기 복수의 나노와이어 채널 각각이 상이한 문턱 전압을 갖도록 처리할 수 있다. In the step (f), each time the nanowire channel is formed, a dopant is injected by varying at least one of the kind, the depth, the concentration, and the implantation angle of the doping ions, Can be processed to have different threshold voltages.
그리고, 상기 (f)단계는, 각각의 나노와이어 채널을 형성시킬 때마다, 식각 물질의 종류, 식각 물질의 농도, 식각 시간, 진공도 및 식각 온도 중 적어도 하나를 달리함으로써, 상기 복수의 나노와이어 채널 각각이 상이한 문턱 전압을 갖도록 처리할 수 있다. In the step (f), each of the plurality of nanowire channels is formed by varying at least one of an etching material type, an etching material concentration, an etching time, a vacuum degree, and an etching temperature, Each can be processed to have a different threshold voltage.
또한, 상기 (g)단계 이전에, 상기 기판에 게이트 절연막을 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.The method may further include forming a gate insulating film on the substrate before the step (g).
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 다중 비트 커패시터리스 디램은, 기판; 상기 기판상에 형성된 소스 및 드레인; 상기 기판상에 형성된 복수의 나노와이어 채널; 상기 복수의 나노와이어 채널에 형성된 게이트 절연막; 및 상기 게이트 절연막상에 형성된 게이트;를 포함하고, 상기 복수의 나노와이어 채널 중 2개 이상의 나노와이어 채널은 서로 다른 문턱 전압을 가지며, 각각의 나노와이어 채널은, 제1 실리콘층; 및 상기 제1 실리콘층을 둘러싸며 형성된 제2 실리콘층;을 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a multi-bit capacitorless DRAM comprising: a substrate; A source and a drain formed on the substrate; A plurality of nanowire channels formed on the substrate; A gate insulating layer formed on the plurality of nanowire channels; And a gate formed on the gate insulating layer, wherein at least two of the plurality of nanowire channels have different threshold voltages, each nanowire channel comprising: a first silicon layer; And a second silicon layer surrounding the first silicon layer.
그리고, 상기 제1 실리콘층은, 이온주입 공정을 통해 p타입에서 n타입으로 도핑된 실리콘층일 수 있다.The first silicon layer may be a p-type to n-type doped silicon layer through an ion implantation process.
또한, 상기 제2 실리콘층은, 이온주입이 이루어지지 않은 p타입 실리콘층일 수 있다. Also, the second silicon layer may be a p-type silicon layer not implanted with ions.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 다중 비트 커패시터리스 디램의 제조 방법은, (a) 기판에 하드마스크를 증착하는 단계; (b) 상기 하드마스크의 적어도 일부를 식각하는 단계; (c) 이방성 식각을 통하여 상기 기판에 나노와이어를 패터닝하는 단계; (d) 상기 기판에 보호막을 형성하는 단계; (e) 등방성 식각을 통하여 상기 기판에 나노와이어 채널을 형성하는 단계; (f) 상기 (c)단계 내지 (e)단계를 반복하여, 복수의 나노와이어 채널을 형성하는 단계; (g) 소스, 드레인 및 게이트를 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 (f)단계는, 상기 복수의 나노와이어 채널이 각각 상이한 문턱 전압을 갖도록 처리하고, 이온주입 공정을 통해 상기 복수의 나노와이어 채널 각각에 n타입 실리콘층을 형성시킨다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a multi-bit capacitorless DRAM, including: (a) depositing a hard mask on a substrate; (b) etching at least a portion of the hard mask; (c) patterning the nanowire on the substrate through an anisotropic etch; (d) forming a protective film on the substrate; (e) forming a nanowire channel in the substrate through isotropic etching; (f) repeating the steps (c) and (e) to form a plurality of nanowire channels; (g) forming a source, a drain, and a gate, wherein step (f) comprises: treating the plurality of nanowire channels to have different threshold voltages, respectively, An n-type silicon layer is formed on each of the channels.
그리고, 상기 (g)단계 이전에, 상기 기판에 게이트 절연막을 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.The method may further include, before the step (g), forming a gate insulating film on the substrate.
상기 구성을 가진 본 발명에 따른 다중 비트 커패시터리스 디램 및 그 제조 방법에 의하면, 다중 비트로 동작할 수 있는 고집적도의 디램을 구현하되, 에너지 밴드갭을 이용하여 초과 정공의 축적 성능을 향상시킬 수 있다. According to the multi-bit capacitorless DRAM of the present invention having the above-described structure and the method of fabricating the same, it is possible to realize a highly integrated DRAM capable of operating in multiple bits, and to improve the accumulation performance of excess holes by using an energy band gap .
도 1a 종래 커패시터리스 디램의 동작원리를 모식적으로 도시한 단면도이다.
도 1b는 종래 커패시터리스 디램의 에너지 밴드 다이어그램이다.
도 2a는 본 발명에 따른 다중 비트 커패시터리스 디램의 사시도이다.
도 2b는 도 2a의 A-A'선을 따라 절개한 다중 비트 커패시터리스 디램의 단면도이다.
도 3은 도 2a의 B-B'선을 따라 절개한 다중 비트 커패시터리스 디램의 단면도로서, 이온화 충돌 현상을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 다중 비트 커패시터리스 디램의 주요 구성을 도시한 사시도이다.
도 5a 내지 도 5e는 본 발명에 따른 다중 비트 커패시터리스 디램에 있어서, 복수의 나노와이어를 형성 단계를 나타내는 도면이다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명에 따른 다중 비트 커패시터리스 디램에 있어서, 복수의 나노와이어를 형성 단계를 나타내는 도면이다.
도 7a 및 7b는 형성된 복수의 나노와이어 채널만을 부각시켜 도시한 도면이다.
도 8a 및 8b는 본 발명에 따른 다중 비트 커패시터리스 디램에 있어서, 서로 다른 형상 또는 면적을 갖는 나노와이어 채널의 투과전자 현미경 사진이다.
도 9a 및 9b는 본 발명에 따른 다중 비트 커패시터리스 디램의 동작 전압 영역을 나타내는 그래프이다.
도 10a는 본 발명에 따른 다중 비트 커패시터리스 디램의 동작을 측정하기 위한 장비의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 10b 및 10c는 각 동작영역에 있어서, 입력되는 동작 전압을 펄스형으로 나타내는 도면이다.
도 11a는 도 10b에 도시된 펄스형 동작전압에 의하여 출력되는 제1 동작영역의 전류값을 나타내는 그래프이다.
도 11b는 도 10c에 도시된 펄스형 동작전압에 의하여 출력되는 제2 동작영역의 전류값을 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 비트 커패시터리스 디램의 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 14a 내지 도 14c는 본 발명의 제1 실시예에 따른 다중 비트 커패시터리스 디램을 설명하기 위한 도면이다.
도 15a 내지 도 15c는 본 발명의 제2 실시예에 따른 다중 비트 커패시터리스 디램을 설명하기 위한 도면이다.
도 16a 내지 도 16c는 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 다중 비트 커패시터리스 디램의 사시도 및 단면도이다.
도 17a 내지 도 17c는 본 발명의 제3 실시예에 따른 다중 비트 커패시터리스 디램을 설명하기 위한 도면이다.1A is a cross-sectional view schematically showing the operation principle of a conventional capacitorless DRAM.
1B is an energy band diagram of a conventional capacitorless DRAM.
2A is a perspective view of a multi-bit capacitorless DRAM according to the present invention.
2B is a cross-sectional view of the multi-bit capacitorless DRAM taken along line A-A 'in FIG. 2A.
FIG. 3 is a cross-sectional view of a multi-bit capacitorless DRAM taken along the line B-B 'in FIG. 2A, illustrating a phenomenon of ionization collision.
4 is a perspective view illustrating a main configuration of a multi-bit capacitorless DRAM according to the present invention.
FIGS. 5A through 5E are diagrams illustrating steps of forming a plurality of nanowires in a multi-bit capacitorless DRAM according to the present invention.
6A through 6C are diagrams illustrating steps of forming a plurality of nanowires in a multi-bit capacitorless DRAM according to the present invention.
7A and 7B are diagrams showing only a plurality of formed nanowire channels in a highlighted state.
8A and 8B are transmission electron micrographs of a nanowire channel having different shapes or areas in a multi-bit capacitorless DRAM according to the present invention.
9A and 9B are graphs showing the operating voltage range of a multi-bit capacitorless DRAM according to the present invention.
10A is a block diagram illustrating a configuration of an apparatus for measuring the operation of a multi-bit capacitorless DRAM according to the present invention.
FIGS. 10B and 10C are diagrams showing pulse voltages of input operating voltages in the respective operation regions. FIG.
11A is a graph showing a current value of a first operation region output by the pulse-type operation voltage shown in FIG. 10B.
And FIG. 11B is a graph showing a current value of the second operation region output by the pulse-type operation voltage shown in FIG. 10C.
12 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a multi-bit capacitorless DRAM according to an embodiment of the present invention.
14A to 14C are views for explaining a multi-bit capacitorless DRAM according to the first embodiment of the present invention.
15A to 15C are views for explaining a multi-bit capacitorless DRAM according to a second embodiment of the present invention.
16A to 16C are a perspective view and a cross-sectional view of a multi-bit capacitorless DRAM according to the first and second embodiments of the present invention.
17A to 17C are views for explaining a multi-bit capacitorless DRAM according to a third embodiment of the present invention.
후술하는 본 발명의 설명은 실시 가능한 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 설명되는 실시예는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 실시하기에 충분한 정도로 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.The following description of the invention refers to the accompanying drawings which illustrate, by way of example, specific embodiments that may be practiced. The described embodiments are described in sufficient detail to enable those skilled in the art to practice the invention. It should be understood that the various embodiments of the present invention are different, but need not be mutually exclusive. For example, certain features, structures, and characteristics described herein may be implemented in other embodiments without departing from the spirit and scope of the invention in connection with an embodiment. It is also to be understood that the position or arrangement of the individual components within each disclosed embodiment may be varied without departing from the spirit and scope of the invention. The following detailed description is, therefore, not to be taken in a limiting sense, and the scope of the present invention is to be limited only by the appended claims, along with the full scope of equivalents to which such claims are entitled, if properly explained. In the drawings, like reference numerals refer to the same or similar functions throughout the several views.
본 발명에 따른 다중 비트 커패시터리스 디램은 2개 이상의 채널 영역을 포함한다. 이 2개 이상의 채널 영역은 나노와이어로 형성될 수 있고, 이온 주입 공정을 달리하거나, 식각 공정을 달리함으로써, 2개 이상의 나노와이어 채널이 각기 다른 고유의 문턱 전압을 갖도록 형성된다. 2개 이상의 나노와이어 채널은 서로 다른 문턱 전압을 갖기 때문에, 충돌 이온화 현상을 발생시키는 각자의 고유한 동작 전압을 갖게 된다.The multi-bit capacitorless DRAM according to the present invention includes two or more channel regions. The two or more channel regions may be formed of nanowires, and two or more nanowire channels may be formed with different intrinsic threshold voltages by different ion implantation processes or by different etching processes. Since two or more nanowire channels have different threshold voltages, they have their own operating voltages that cause a collision ionization phenomenon.
도 2a는 본 발명에 따른 다중 비트 커패시터리스 디램의 사시도이고, 도 2b는 도 2a의 A-A'선을 따라 절개한 커패시터리스 디램의 단면도이다. 특히, 도 2b는 드레인(104)의 일부도 절단하여 도시함으로써 그 구조를 더욱 보여준다. 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 다중 비트 커패시터리스 디램은 종래의 것과는 달리 복수의 나노와이어 채널을 갖는다. 도 2a 및 도 2b에서는 2개의 나노와이어 채널(105a,105b)만을 도시했지만, 이는 설명을 단순화하기 위한 것일 뿐이고, 더 많은 수의 나노와이어 채널이 포함될 수 있다. FIG. 2A is a perspective view of a multi-bit capacitorless DRAM according to the present invention, and FIG. 2B is a cross-sectional view of a capacitorless DRAM taken along line A-A 'in FIG. 2A. Particularly, FIG. 2B further shows the structure of the
본 발명에 따른 다중 비트 커패시터리스 디램은, 기판(100), 기판(100)상에 형성된 소스(103) 및 드레인(104), 기판(100)상에 형성된 복수의 나노와이어 채널(105a,105b), 복수의 나노와이어 채널(105a,105b)에 형성된 게이트 절연막(101), 게이트 절연막(101)상에 형성된 게이트(102)를 포함한다. 한편, 각 구성 사이를 격리하기 위한 STI 산화층(Shallow trench isolation oxide)(106)을 더 포함할 수 있다. STI 산화층(106)은 소스(103)와 드레인(104) 사이의 누설 전류 혹은 서로 다른 트랜지스터들 사이에서 발생하는 누설 전류를 감소시키기 위한 것이다. 이는 기상화학증착(CVD)나 옥시데이션(oxidation)을 이용하여, 실리콘산화막(SiO2)으로 형성될 수 있다.The multi-bit capacitorless DRAM according to the present invention includes a
기판(100)은 벌크 웨이퍼, 절연층 매몰 실리콘 웨이퍼, 절연층 매몰 게르마늄 웨이퍼, 절연층 매몰 스트레인드 게르마늄 웨이퍼, 절연층 매몰 스트레인드 실리콘 웨이퍼, Ⅲ-Ⅴ(3족 및 5족 원소)재료의 웨이퍼 및 실리콘 게르마늄(SiGe) 웨이퍼 중 어느 하나일 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.The
게이트 절연막(101)은 실리콘 산화막 또는 고유전막(High-K)일 수 있다. 더욱 구체적으로, 게이트 절연막(101)은 산화 실리콘(silicon oxide), 질화막, 산화 알루미늄(aluminum oxide), 산화 하프늄(hafnium oxide), 산화질화 하프늄(hafnium oxynitride), 산화 아연(zinc oxide), 란타늄 옥사이드(lanthanium oxide), 하프늄 실리콘 옥사이드(hafnium silicon oxide) 등으로 이루어질 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.The
게이트(102)는 금속 또는 폴리실리콘으로 이루어질 수 있다. 즉, 게이트(102)는, 알루미늄(Al), 몰리브덴(Mo), 마그네슘(Mg), 크롬(Cr), 팔라듐(Pd), 금(Au), 백금(Pt), 타이타늄(Ti) 또는 이들의 임의의 조합 중 어느 하나로 이루어질 수 있고, 폴리실리콘(polycrystalline Silicon), 고농도의 p타입으로 도핑된 폴리실리콘, 전기 전도도가 높은 고분자 또는 유기물이 이용될 수 있다. 또한, 게이트(102)는 NiSi와 같은 금속 실리사이드막 또는 이와 유사한 재료가 이용될 수 있지만, 상기 언급한 물질에 한정되지 않는다.The
나아가, 상기 게이트(102)는 평면형 FET 구조, GAA(Gate All Around) FET 구조, FinFET 구조, 더블 게이트 FET 구조, 트라이 게이트 FET 구조 또는 오메가 게이트 구조 등을 가질 수 있다.Furthermore, the
복수의 나노와이어 채널(105a,105b)과 관련하여, 재질, 구조 및 그 형성 방법을 설명하기 전에, 도 3을 참조하면서 본 발명에 따른 다중 비트 커패시터리스 디램의 구동 원리를 설명하기로 한다. Before describing the material, the structure, and the formation method thereof with respect to the plurality of
도 3은 도 2a의 B-B'선을 따라 절개한 커패시터리스 디램의 단면도로서, 이온화 충돌 현상을 설명한다. FIG. 3 is a cross-sectional view of the capacitorless DRAM taken along the line B-B 'in FIG. 2A, illustrating the ionization collision phenomenon.
먼저, 상부에 위치하는 제1 나노와이어 채널(105a)는 고유의 문턱 전압을 가진다. 제1 나노와이어 채널(105a)의 고유 문턱 전압에 따라 구동 전압 영역이 결정될 수 있다. 이를 각각, 제1 문턱 전압과 제1 구동 전압 영역이라 칭한다.First, the
게이트(102)와 드레인(104)에 제1 구동 전압 영역에 해당하는 전압을 인가하면(이때, 소스(103)는 0V로 고정될 수 있다), 충돌 이온화(impact ionization)에 의해 드레인(104)측 채널에서 초과 정공(excess hole)(도 3에서 +로 표시된 부분)이 생성된다. 생성된 초과 정공들은 빠져나갈 곳이 없기 때문에, 제1 나노와이어 채널(105a)의 바디에 적체된다. 적체된 초과 정공을 가지면, 정공이 없었을 때와 비교해 문턱전압(threshold voltage) 및 전류레벨에서 차이가 발생하는데, 그 차이를 이용해 '0'상태와 '1'상태를 구분할 수 있게 된다.When the voltage corresponding to the first driving voltage region is applied to the
한편, 하부에 위치하는 제2 나노와이어 채널(105b) 역시 고유의 문턱 전압을 가진다. 제2 나노와이어 채널(105b)의 고유 문턱 전압에 따라 구동 전압 영역이 결정될 수 있다. 이를 각각, 제2 문턱 전압과 제2 구동 전압 영역이라 칭한다.On the other hand, the
이때, 제1 문턱 전압과 제2 문턱 전압은 서로 상이할 수 있고, 이에 따라, 제1 구동 전압 영역과 제2 구동 전압 영역이 상이해진다. 제1 문턱 전압과 제2 문턱 전압이 상이한 값을 갖게 하기 위하여, 아래의 방식이 이용될 수 있다.At this time, the first threshold voltage and the second threshold voltage may be different from each other, whereby the first driving voltage region and the second driving voltage region are different. To make the first and second threshold voltages have different values, the following scheme can be used.
(1) 복수의 나노와이어 채널 형성시, 도핑 이온의 종류, 깊이, 농도 및 각도 중 적어도 하나를 달리함으로써 서로 다른 문턱 전압을 가질 수 있다.(1) In forming a plurality of nanowire channels, different threshold voltages may be obtained by varying at least one of the kind, depth, concentration, and angle of the doping ions.
(2) 복수의 나노와이어 채널 형성시, 각각의 단면의 형상 또는 면적을 달리함으로써, 서로 다른 문턱 전압을 가질 수 있다. 이때, 각각의 나노와이어 채널 형성 단계에서, 식각 물질의 종류, 식각 물질의 농도, 식각 시간, 진공도 및 식각 온도 중 적어도 하나를 달리함으로써, 상기 단면의 형상(삼각형, 원형, 마름모 등)이나 면적을 상이하게 만들 수 있다. (2) When forming a plurality of nanowire channels, different threshold voltages may be obtained by changing shapes or areas of respective cross sections. At this time, in each nanowire channel forming step, by changing at least one of the kind of the etching material, the concentration of the etching material, the etching time, the degree of vacuum and the etching temperature, the shape (triangle, circle, rhombus, Can be made different.
제2 나노와이어 채널(105b)에 대해서도, 게이트(102)와 드레인(104)에 제2 구동 전압 영역에 해당하는 전압을 인가하면(이때, 소스(103)는 0V로 고정될 수 있다), 충돌 이온화(impact ionization)에 의해 드레인(104)측 채널에서 초과 정공(excess hole)(도 3에서 +로 표시된 부분)이 생성된다. 생성된 초과 정공들은 빠져나갈 곳이 없기 때문에, 제2 나노와이어 채널(105b)의 바디에 적체된다. 적체된 초과 정공을 가지면, 정공이 없었을 때와 비교해 문턱전압(threshold voltage) 및 전류레벨에서 차이가 발생하는데, 그 차이를 이용해 '0'상태와 '1'상태를 구분할 수 있게 된다.The
제1 나노와이어 채널(105a)과 제2 나노와이어 채널(105b) 각각의 고유 동작 전압을 제어하게 되면, 제1 나노와이어 채널(105a)과 제2 나노와이어 채널(105b) 각각에서 '0'상태와 '1'상태를 구분하게 되므로, 2비트의 정보를 저장하는 것이 가능해진다. 이를 확장하여, n개의 나노와이어 채널을 구비하는 경우, 2n비트의 정보를 저장할 수 있게 되어, 메모리의 집적화를 이룰 수 있게 된다.Control of the intrinsic operating voltage of each of the
이하에서는, 도 4, 5a 내지 5e, 및 6a 내지 6c를 참조하면서, 본 발명에 따른 다중 비트 커패시터리스 디램에 있어서, 복수의 나노와이어 채널 형성 방법을 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to FIGS. 4, 5A to 5E, and 6A to 6C, a method of forming a plurality of nanowire channels in a multi-bit capacitorless DRAM according to the present invention will be described.
도 4는 본 발명에 따른 다중 비트 커패시터리스 디램의 주요 구성을 도시한 사시도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 다중 비트 커패시터리스 디램은 복수의 나노와이어 채널(105a 내지 105i)을 구비할 수 있다. 소스(103), 드레인(104) 및 게이트(102)의 구성은 위에서 설명되었기에, 여기서는 생략하기로 한다. 도 4에서는 나노와이어 채널(105a 내지 105i)을 감싸는 게이트 절연막(미도시)이 명확히 도시되어 있지 않지만, 이는, 도 5a 내지 도 5e의 단계와 도 6a 내지 도 6c의 단계를 거쳐, 복수의 나노와이어 채널(105a 내지 105i)이 형성된 이후에 게이트 절연막(미도시) 형성 공정이 수행될 수 있다. 4 is a perspective view illustrating a main configuration of a multi-bit capacitorless DRAM according to the present invention. As shown in FIG. 4, the multi-bit capacitorless DRAM according to the present invention may have a plurality of
먼저, 도 5a에 도시된 바와 같이 기판(100)을 제공한다. 제공되는 기판(100)은 단결정 실리콘 기판일 수 있다. 또한, 기판(100)은 물질의 종류에 따라 n타입 또는 p타입이 될 수 있고, 위에서 설명한 바와 같이, 벌크 웨이퍼, 절연층 매몰 실리콘 웨이퍼, 절연층 매몰 게르마늄 웨이퍼, 절연층 매몰 스트레인드 게르마늄 웨이퍼, 절연층 매몰 스트레인드 실리콘 웨이퍼, Ⅲ-Ⅴ(3족 및 5족 원소)재료의 웨이퍼 및 실리콘 게르마늄(SiGe) 웨이퍼 중 어느 하나일 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.First, a
본 실시예에서는, 이해의 편의를 위하여 p타입 실리콘 기판(100)을 이용하는 것을 상정하여 설명하기로 한다. In the present embodiment, it is assumed that a p-
기판(100)이 제공되면, 도 5b에 도시된 바와 같이, 하드마스크(10)를 적층한다. 하드마스크(10)가 적층되면, 다시 감광막(photoresist)(9)을 패터닝한다. When the
이어서, 적층된 감광막(9)을 보호막으로 하드마스크(10)를 식각(etch)한 뒤 잔존하는 감광막(9)을 제거한다. 이와 같은 과정을 거치면, 도 5c와 같은 상태가 된다. 감광막(9)이 모두 제거된 상태에서, 도 5d에 도시된 바와 같이, 이방성 식각(anisotropic etching)을 통해, 나노와이어 채널이 될 영역을 형성하고, 이어서 보호막(passivation layer)(20a)을 형성한다. 이때, 이방성 식각에는 염소(Cl2) 기체가 이용될 수 있다. 그리고, 보호막(20a)은 폴리머(polymer) 계열의 CxFy 가스일 수 있고, 그 중 하나인 옥타플루오로시클로부탄(C4F8)일 수 있다. 하지만, 이방성 식각에 이용되는 기체나 보호막(20a)으로 이용되는 물질이 위에 언급한 물질에 한정되는 것은 아니다.Then, the
다음 단계로서, 도 5e에 도시된 바와 같이, 등방성 식각(isotropic etching)을 이용하여, 기판(100)과 분리된 나노와이어 채널을 형성한다. 도 5a 내지 도 5e의 과정을 거쳐서 하나의 제1 나노와이어 채널(105a)이 형성된다. 이때, 등방성 식각에는 육불화황(SF6)이 이용될 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.As a next step, isotropic etching is used to form a separate nanowire channel with the
도 6a 내지 도 6c는, 도 5a 내지 도 5e의 과정에 의해 형성된 나노와이어 채널(105a)의 하부에 또 다른 나노와이어 채널을 형성해가며, 복수의 나노와이어 채널을 형성하는 과정을 도시한다.FIGS. 6A through 6C illustrate a process of forming a plurality of nanowire channels by forming another nanowire channel below the
도 6a에 도시된 바와 같이, 제1 나노와이어 채널(105a)이 형성된 이후, 다시, 이방성 식각을 수행한다. 이때, 이방성 식각에는 염소(Cl2) 기체가 이용될 수 있지만, 이에 한정되지 않음은 위에서 언급한 바와 같다. As shown in FIG. 6A, after the
그 다음, 도 6b에 도시된 바와 같이, 폴리머(polymer) 계열의 옥타플루오로시클로부탄(C4F8)을 이용하여 보호막(20b)을 형성한 뒤, 도 6c와 같이, 육불화황(SF6)을 이용하여 등방성 식각 과정을 거친다. 이로써, 제1 나노와이어 채널(105a)의 하부에, 소정 거리 이격된 제2 나노와이어 채널(105b)이 형성된다. 이와 같은 과정을 9번 거치게 되면, 총 9개의 나노와이어 채널(105a 내지 105i)이 형성된다. 다만, 이는 어디까지나 예시에 불과하고, 다양한 방법을 통해 복수의 나노와이어 채널을 형성할 수 있다.Next, as shown in FIG. 6B, a
복수의 나노와이어 채널(105a 내지 105i)이 형성된 이후의 공정을 간략히 설명하면 다음과 같다. 복수의 나노와이어(105a 내지 105i)가 형성된 뒤, 산화 실리콘을 증착하고 화학적-기계적 연마(chemical-mechanical polishing)를 수행한다.The following description will briefly describe a process in which a plurality of
이후, 나노와이어 채널(105a 내지 105i)가 존재하는 영역을 제거하기 위해 패터닝된 감광막을 형성하고, 감광막의 패터닝에 의해 드러난 영역의 산화 실리콘을 식각하여, 트렌치(trench)를 형성한다.Thereafter, a patterned photoresist film is formed to remove regions where the
이때, 감광막을 제거하고, 희생 산화(sacrificaial oxidation)를 통해 나노와이어 채널(105a 내지 105i)의 단면의 크기를 제어하고, 식각 과정에서 발생한 손상(damage)을 치료(curing)하는 단계가 더 이루어질 수 있다. 이어서, 트렌치 형성을 통해 드러난 나노와이어 채널에 게이트 절연막을 형성하고, 게이트 절연막상에 게이트층을 형성한다.At this time, the step of removing the photoresist layer, controlling the size of the cross section of the
게이트 절연막(101)은 실리콘 산화막 또는 고유전막(High-K)일 수 있다. 더욱 구체적으로, 게이트 절연막(101)은 산화 실리콘(silicon oxide), 질화막, 산화 알루미늄(aluminum oxide), 산화 하프늄(hafnium oxide), 산화질화 하프늄(hafnium oxynitride), 산화 아연(zinc oxide), 란타늄 옥사이드(lanthanum oxide), 하프늄 실리콘 옥사이드(hafnium silicon oxide) 등으로 이루어질 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.The
한편, 게이트층은 금속 또는 폴리 실리콘으로 이루어질 수 있다. 즉, 게이트층은 폴리 실리콘, 알루미늄(Al), 몰리브덴(Mo), 마그네슘(Mg), 크롬(Cr), 팔라듐(Pd), 금(Au), 백금(Pt), 타이타늄(Ti)과 같은 금속성 물질로 이루어질 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.Meanwhile, the gate layer may be made of metal or polysilicon. That is, the gate layer is formed of a metal such as polysilicon, aluminum (Al), molybdenum (Mo), magnesium (Mg), chromium (Cr), palladium (Pd), gold (Au), platinum (Pt) Materials, but are not limited thereto.
이후, 산화 실리콘 및 게이트층에서 제거될 영역은 소스와 드레인이 형성될 영역이므로, 이를 고려하여, 적절한 패터닝을 수행한다. 복수의 나노와이어 채널(105a 내지 105i)가 형성된 영역에는 게이트 절연막(101)이 존재하며, 양 측면에 산화 실리콘이 형성되어 있고, 상면에 게이트층이 형성된다.Then, the region to be removed from the silicon oxide and the gate layer is a region where the source and the drain are to be formed, and accordingly, appropriate patterning is performed in consideration of this. A
이후에 고농도 n+형 불순물 이온(원자 주기율표 5족 원소) 또는 p+형 불순물 이온(원자 주기율표 3족 원소)을 주입하여 도핑된 게이트(102)와, 나노와이어 채널(105a 내지 105i)의 길이만큼 이격된 소스(103)와 드레인(104)을 형성한다.Thereafter, a heavily doped n + type impurity ion (
이때, 폴리 실리콘에 고농도 n-형 이온(원자 주기율표 5족)을 주입한 것을 게이트층으로 이용하는 대신, 금속을 이용할 수도 있다. 수소 어닐링(hydrogen annealing)을 거쳐 나노와이어 형상의 표면 거칠기를 완화한다. At this time, instead of using a high-concentration n-type ion (
복수의 나노와이어 형성(105a 내지 105i) 이후의 공정은 위에 언급한 방법에 한정되지 않고, 공지된 반도체 제조 공정 및 방식을 응용하여 다양하게 이루어질 수 있다. 복수의 나노와이어 형성(105a 내지 105i) 이후의 공정 중 일부가 생략되거나, 다른 필요한 공정으로 대체될 수 있음은 물론이며, 경우에 따라서는 그 순서가 바뀌거나, 복수의 공정이 동시에 이루어질 수 있을 것이다.The processes after forming the plurality of
도 7a 및 7b는 형성된 복수의 나노와이어 채널(105a 내지 105i)만을 도시한 도면이다. 상술한 과정에 의하여 복수의 나노와이어 채널(105a 내지 105i) 각각은 소정 간격을 두고 이격하여 형성될 수 있다. Figures 7A and 7B show only a plurality of
도 7b은 복수의 나노와이어 채널(105a 내지 105i)이 동일한 형상과 면적으로 도시되어 있지만, 다양한 방법에 의해 그 형상과 면적을 상이하게 만들 수 있다.Although FIG. 7B shows a plurality of
예를 들어, 복수의 나노와이어 채널(105a 내지 105i) 형성 공정 중 식각 단계에서, 식각 물질의 종류나 농도를 달리한다거나, 식각 시간, 진공도 또는 식각 온도를 달리하면, 상이한 형상이나 면적을 가지는 나노와이어 채널(105a 내지 105i)을 형성시킬 수 있게 된다. 상기 방식에 의해 형성된 복수의 나노와이어 채널이 도 8a 및 8b에 도시되어 있다.For example, in the etching step during the process of forming the plurality of
도 8a 및 8b는 본 발명에 따른 다중 비트 커패시터리스 디램에 있어서, 서로 다른 형상 또는 면적을 갖는 나노와이어 채널(105a 내지 105f)의 투과전자 현미경 사진이다. 총 6개의 나노와이어 채널(105a 내지 105f)이 구비된다. 도 8a에 도시된 바와 같이, 각각의 나노와이어 채널(105a 내지 105f)은 형상 또는 면적이 서로 상이하다. 예를 들어, 제1 나노와이어 채널(105a)은 다른 나노와이어 채널(105b 내지 105f)과 형상이 다르게 형성되어 있다. 또, 각 나노와이어 채널(105a 내지 105f)은 아래로 갈수록 큰 면적을 갖도록 형성되어 있다. 이에 따라, 나노와이어 채널(105a 내지 105f)은 서로 상이한 문턱 전압을 갖게 되며, 서로 다른 구동 전압 영역에서 동작하게 된다. 여기서, 구동 전압이란 이온화 충돌을 일으키는 드레인 전압과 리드(Read)를 위해 사용되는 게이트 전압(VG READ)을 의미한다.8A and 8B are transmission electron micrographs of
도 8a 및 8b에서는 형상이나 면적이 다른 나노와이어 채널을 도시했지만, 다른 실시예에서는, 이와 다른 방식에 의해 각 나노와이어 채널의 문턱 전압을 상이하게 만들 수 있다. 도 8b에서는 나노와이어 채널(105)상에 형성된 게이트 절연막(101)도 도시되어 있다.Although Figures 8A and 8B illustrate nanowire channels having different shapes or areas, in other embodiments, the threshold voltages of each nanowire channel can be made different by different ways. In FIG. 8B, a
예컨대, 나노와이어 채널을 형성시킬 때, 각각의 나노와이어 채널에 도핑되는 이온의 종류, 깊이, 농도 및 각도 중 적어도 하나를 달리하여, 각 나노와이어 채널의 문턱 전압을 상이하게 만들 수 있다.For example, when forming a nanowire channel, the threshold voltage of each nanowire channel can be made different by varying at least one of the type, depth, concentration, and angle of ions doped in each nanowire channel.
도 9a 및 9b는 본 발명에 따른 다중 비트 커패시터리스 디램의 동작 전압 영역을 나타내는 그래프이다. 2개의 나노와이어 채널을 상정하면, '00'상태, '01'상태, '10'상태 및 '11'상태의 4개 영역을 메모리로 사용할 수 있다.9A and 9B are graphs showing the operating voltage range of a multi-bit capacitorless DRAM according to the present invention. Assuming two nanowire channels, four regions of the '00' state, the '01' state, the '10' state, and the '11' state can be used as memories.
도 9a 및 9b에서, '00'상태와 '01'상태 간의 전류의 크기 차이를 메모리로 사용할 경우, 이를 '제1 동작영역'이라 하고, '10'상태와 '11'상태 간의 전류의 크기 차이를 메모리로 사용할 경우, 이를 '제2 동작영역'이라 칭한다.9A and 9B, when the difference in magnitude of the current between the '00' state and the '01' state is used as a memory, this is referred to as a 'first operation region' Is used as a memory, this is referred to as a " second operation area ".
도 9a에 도시된 바와 같이, 초기상태의 디램을 '11'상태로 프로그램(PROGRAM)시키기 위해서는, 이에 대응하는 동작영역인 VPROGRAM2라는 드레인 전압(VD)이 사용되고, 초기상태의 디램을 '01'상태로 프로그램시키기 위해서는 VPROGRAM1이라는 드레인 전압(VD)이 사용된다. 이에 따라, 본 발명에 따른 다중 비트 커패시터리스 디램에서 사용할 수 있는 비트의 수가 2개가 되고, 이를 확장시켜서, 더 많은 수의 나노와이어 채널이 구비되면, 더 많은 비트수를 저장할 수 있는 메모리로 동작할 수 있게 된다. 도 9b는 실제 제작된 소자로부터 측정된 드레인 전압 영역을 나타내는 실측 데이터로서, '11'상태로 프로그램시키기 위한 드레인 전압(VD)은 대략 5.5V이고, '01'상태로 프로그램시키기 위한 드레인 전압(VD)은 대략 5V가 된다. 다만, 드레인 전압(VD)이 이에 한정되는 것은 아니고, 나노와이어 채널의 길이, 폭, 절연막의 두께 등 기타 요소들에 의해 상이한 값을 가질 수 있음은 당업자에 자명할 것이다.As shown in Figure 9a, the DRAM in order to '11' in the program (PROGRAM) the state of the initial state, so that the V PROGRAM2 operating region corresponding to the drain voltage (V D) is used, and the initial state of the DRAM 01 ', The drain voltage (V D ) of V PROGRAM1 is used. Accordingly, the number of bits usable in the multi-bit capacitorless DRAM according to the present invention is two, and when the number of bits is increased and the number of the nanowire channels is increased, the memory operates as a memory capable of storing a larger number of bits . 9B shows actual data representing the drain voltage region measured from the actually fabricated device. The drain voltage V D for programming into the '11' state is about 5.5 V and the drain voltage for programming into the '01' state V D ) becomes approximately 5V. However, it should be apparent to those skilled in the art that the drain voltage (V D ) is not limited thereto, but may be varied depending on other factors such as the length, width, insulating film thickness, and the like of the nanowire channel.
본 발명에 따른 다중 비트 커패시터리스 디램의 동작을 제어하는 컨트롤러(미도시) 및 복수의 나노와이어 채널 각각에 대한 구동 전압을 저장하는 저장부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 이때, 나노와이어 채널 각각에 대한 구동 전압은 각 채널 고유의 문턱 전압에 기초한다는 것은 위에서 설명한 바와 같다. A controller (not shown) for controlling the operation of the multi-bit capacitorless DRAM according to the present invention, and a storage unit (not shown) for storing a driving voltage for each of the plurality of nanowire channels. At this time, the driving voltage for each of the nanowire channels is based on the threshold voltage inherent to each channel as described above.
도 9a 및 9b를 참조하면서 설명한 방식으로, 컨트롤러(미도시)는, 게이트(102) 및 드레인(104) 에 인가되는 구동 전압을 컨트롤하여, 2비트의 데이터를 프로그램(program)시키거나 이레이즈(erase)한다. 다만, 더 많은 수의 나노와이어 채널이 구비되면, 2비트 이상의 데이터를 프로그램시키거나 이레이즈시킬 수 있을 것이다. 9A and 9B, a controller (not shown) controls the driving voltage applied to the
도 10a는 본 발명에 따른 다중 비트 커패시터리스 디램의 동작을 측정하기 위한 장비의 구성을 나타내는 블록도이고, 도 10b 및 10c는 각 동작영역(제1 동작영역 및 제2 동작영역)에 있어서, 입력되는 동작 전압을 펄스형으로 나타내는 도면이다.FIG. 10A is a block diagram showing a configuration of an apparatus for measuring the operation of a multi-bit capacitorless DRAM according to the present invention. FIGS. 10B and 10C are diagrams showing, in each operation region (first operation region and second operation region) In pulse form.
게이트(102) 및 드레인(104)에 입력된 펄스형 동작 전압에 의해서, 나노와이어 채널 각각에서 이온화 충돌 현상이 일어나게 되고, 이에 따라, 출력 전류(소스 전류(IS))가 증가하게 된다. The pulsed operation voltage input to the
출력 전류(IS)가 상대적으로 높은 상태는 프로그램(program) 상태이고, 출력 전류가 상대적으로 낮은 상태는 이레이즈(erase) 상태이다.The state where the output current I S is relatively high is a program state, and the state where the output current is relatively low is an erase state.
제1 동작영역의 경우에 입력되는 펄스형 동작전압은 도 10b에 도시된 바와 같다. 본 발명에 따른 다중 비트 커패시터리스 디램을 '01'상태로 프로그램시키기 위하여, 드레인(104)에는 도 9a의 VPROGRAM1이라는 드레인 전압(VD)이 인가된다. VPROGRAM1의 드레인 전압(VD)을 통해서, '01'상태로 프로그램된 커패시터리스 디램은 이레이즈 전압인 VERASE1에 의하여 다시 '00'상태로 된다.The pulsed operating voltage input in the case of the first operating region is as shown in FIG. 10B. In order to program the multi-bit capacitorless DRAM according to the present invention into the '01' state, a drain voltage (V D ) of V PROGRAM1 of FIG. 9A is applied to the
한편, 제2 동작영역의 경우에 입력되는 펄스형 동작전압은 도 10c에 도시된 바와 같다. 본 발명에 따른 커패시터리스 디램을 '11'상태로 프로그램시키기 위해, 드레인(104)에는 도 9a의 VPROGRAM2라는 드레인 전압(VD)이 인가된다. VPROGRAM2의 드레인 전압(VD)을 통해서 '11'상태로 프로그램된 커패시터리스 디램은 이레이즈 전압인 VERASE2에 의하여 '10'상태로 이레이즈된다. On the other hand, the pulse-type operating voltage input in the case of the second operation region is as shown in FIG. In order to program the capacitor-less dynamic random access memory according to the present invention the "11" state, the
도 11a는 도 10b에 도시된 펄스형 동작전압에 의하여 출력되는 제1 동작영역의 전류값을 나타낸다. 즉, 드레인(104)에 VPROGRAM1의 드레인 전압(VD)이 입력되면, 이에 해당하는 나노와이어 채널에서 이온화 충돌 현상이 일어나게 되고, 이에 따라, 출력 전류인 소스 전류(IS)는 제1 동작영역에서의 드레인 전류(ID)에 대응된다(ΔISENSING1). FIG. 11A shows the current value of the first operating region output by the pulse-type operating voltage shown in FIG. 10B. That is, when the drain voltage (V D ) of the V PROGRAM 1 is input to the
도 11b는 도 10c에 도시된 펄스형 동작전압에 의하여 출력되는 제2 동작영역의 전류값을 나타낸다. 즉, 드레인(104)에 VPROGRAM2의 드레인 전압(VD)이 입력되면, 이에 해당하는 나노와이어 채널에서 이온화 충돌 현상이 일어나게 되고, 이에 따라, 출력 전류인 소스 전류(IS)는 제2 동작영역에서의 드레인 전류(ID)에 대응된다(ΔISENSING2). FIG. 11B shows the current value of the second operation region output by the pulse-type operation voltage shown in FIG. 10C. That is, when the drain voltage V D of V PROGRAM 2 is input to the
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 다중 비트 커패시터리스 디램 및 그 제조 방법에 의하면, 단일 비트만을 저장(처리)할 수 있었던 종래의 메모리와는 달리, 2비트 이상의 다중 비트로 동작할 수 있어, 성능의 향상뿐만 아니라 고집적도화를 도모할 수 있게 된다.As described above, according to the multi-bit capacitorless DRAM and the method of manufacturing the same according to the present invention, unlike a conventional memory that can store (process) only a single bit, it can operate with multiple bits of two or more bits, Not only improvement but also high integration can be achieved.
한편, 도 12는 본 발명에 따른 다중 비트 커패시터리스 디램의 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.12 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a multi-bit capacitorless DRAM according to the present invention.
먼저, 기판에 하드마스크를 증착시킨다(S200). 이어서, 하드마스크의 적어도 일부를 식각(S210)하는데, 그 전에, 감광막의 패터닝 과정이 이루어질 수 있다.First, a hard mask is deposited on the substrate (S200). Subsequently, at least a part of the hard mask is etched (S210), before the patterning process of the photoresist film can be performed.
이후, 이방성 식각(anisotropic etching)을 통해, 나노와이어 채널이 될 영역을 형성하고, 이어서 보호막(passivation layer)을 형성한다(S220,S230). Thereafter, an anisotropic etching is performed to form a region to be a nanowire channel, and then a passivation layer is formed (S220, S230).
이때, 이방성 식각에는 염소(Cl2) 기체가 이용될 수 있다. 그리고, 보호막은 폴리머(polymer) 계열의 CxFy 가스일 수 있고, 그 중 하나인 옥타플루오로시클로부탄(C4F8)일 수 있다. 하지만, 이방성 식각에 이용되는 기체나 보호막으로 이용되는 물질이 위에 언급한 물질에 한정되는 것은 아니다.At this time, chlorine (Cl 2 ) gas may be used for the anisotropic etching. The protective film may be a polymer-based C x F y gas, and may be octafluorocyclobutane (C 4 F 8 ), which is one of them. However, the material used as a gas or a protective film used for anisotropic etching is not limited to the above-mentioned materials.
다음 단계로서, 등방성 식각(isotropic etching)을 이용하여, 기판과 분리된 나노와이어 채널을 형성한다(S240). 이와 같이, 이방성 식각에 의한 나노와이어 패터닝(S220), 보호막 형성(S230) 및 등방성 식각을 이용한 나노와이어 채널 형성(S240)의 과정을 반복하면서, 복수의 나노와이어 채널이 형성된다(S230).As a next step, an isotropic etching is used to form a nanowire channel separated from the substrate (S240). In this manner, a plurality of nanowire channels are formed (S230) while repeating the processes of nanowire patterning (S220), protective film formation (S230), and nanowire channel formation (S240) using anisotropic etching.
이때, 형성되는 복수의 나노와이어 채널은 각각 상이한 문턱 전압을 가질 수 있다. At this time, the plurality of nanowire channels to be formed may each have a different threshold voltage.
일 실시예에서는, 각각의 나노와이어 채널을 형성시킬 때마다, 도핑 이온의 종류, 깊이, 농도 및 주입 각도 중 적어도 하나를 달리하여 도펀트를 주입함으로써, 서로 다른 문턱 전압을 갖도록 할 수 있다. 다른 실시예에서는, 각각의 나노와이어 채널을 형성시킬 때마다, 식각 물질의 종류, 식각 물질의 농도, 식각 시간, 진공도 및 식각 온도 중 적어도 하나를 달리함으로써, 서로 다른 문턱 전압을 갖도록 할 수 있을 것이다. In one embodiment, each time the nanowire channel is formed, dopants may be implanted with different dopant species, depth, concentration, and / or implantation angle to provide different threshold voltages. In another embodiment, each time the nanowire channel is formed, it may be possible to have different threshold voltages by varying at least one of the type of etchant, the concentration of etchant material, the etch time, the degree of vacuum, and the etch temperature .
본 발명에 따른 다중 비트 커패시터리스 디램에 대해 밴드 오프셋(band offset)을 이용하면, 더욱 향상된 성능을 구현할 수 있다. 이하에서는, 성능을 향상시키기 위해 밴드 오프셋을 이용한 다중 비트 커패시터리스 디램에 대해 설명하기로 한다.By using a band offset for a multi-bit capacitorless DRAM according to the present invention, a further improved performance can be realized. Hereinafter, a multi-bit capacitorless DRAM using a band offset will be described in order to improve performance.
도 13a는 위에서 설명한 다중 비트 커패시터리스 디램의 단면도이고, 도 13b는 도 13a의 구조를 가진 다중 비트 커패시터리스 디램의 에너지밴드 다이어그램이다. FIG. 13A is a cross-sectional view of the multi-bit capacitorless DRAM described above, and FIG. 13B is an energy band diagram of a multi-bit capacitorless DRAM having the structure of FIG. 13A.
도 13a 이후의 도면에서는, 도 2a 내지 도 12의 구성과 동일한 구성에 대해 유사한 참조번호가 사용되었다. 다만, 구분을 위하여, 200번 대의 참조번호를 사용한다. 예를 들면, 도 3의 게이트(102)가 도 13a에서는 게이트(202)로 기재된다.In the drawings after FIG. 13A, the same reference numerals are used for the same configurations as those of FIGS. 2A to 12. However, for the sake of brevity,
도 13a에서 복수의 나노와이어 채널은 실리콘층(L1)으로만 이루어져 있기 때문에, 각각의 나노와이어 채널에 대한 에너지밴드 다이어그램은 도 13b와 같은 모습이 된다. 13A, since the plurality of nanowire channels consist of only the silicon layer Ll, the energy band diagram for each nanowire channel is as shown in FIG. 13B.
에너지 밴드갭을 이용하여, 초과 정공의 축적 성능을 더욱 향상시킨 제1 실시예에 따른 다중 비트 커패시터리스 디램이 도 14a 내지 도 14c에 도시되어 있다. 도한, 제2 실시예에 따른 다중 비트 커패시터리스 디램이 도 15a 내지 도 15c에, 그리고, 제3 실시예에 따른 다중 비트 커패시터리스 디램이 도 17a 내지 도 17c에 도시되어 있다. 한편, 도 16a 내지 도 16c는 제1 실시예 및 제2 실시예에 따른 다중 비트 커패시터리스 디램의 사시도 및 단면도이다.A multi-bit capacitorless DRAM according to the first embodiment, which further improves the accumulation performance of excess holes by using an energy band gap, is shown in Figs. 14A to 14C. The multi-bit capacitorless DRAM according to the second embodiment is shown in Figs. 15A to 15C, and the multi-bit capacitorless DRAM according to the third embodiment is shown in Figs. 17A to 17C. 16A to 16C are a perspective view and a cross-sectional view of a multi-bit capacitorless DRAM according to the first and second embodiments.
먼저, 도 14a는 에피택시로 성장한 Si1 - xGex을 이용하여, 초과 정공의 축적 성능을 향상시킨 구조를 나타낸다. 도 14b는 도 14a의 구조에서 하나의 나노와이어 채널만을 별개로 도시한 것이고, 그때의 에너지밴드 다이어그램이 도 14c에 도시되어 있다.First, FIG. 14A shows a structure in which the accumulation performance of excess holes is improved by using epitaxially grown Si 1 - x Ge x . FIG. 14B shows only one nanowire channel in the structure of FIG. 14A separately, and the energy band diagram at that time is shown in FIG. 14C.
도 14a의 구조를 갖는 다중 비트 커패시터리스 디램에서 복수의 나노와이어 채널 각각은 실리콘층(L1), 에피택시로 성장한 제1 에피택셜층(L2) 및 에피택시로 성장한 제2 에피택셜층(L3)을 포함한다. In a multi-bit capacitorless DRAM having the structure of FIG. 14A, each of the plurality of nanowire channels includes a silicon layer (L1), a first epitaxial layer (L2) grown by epitaxy and a second epitaxial layer (L3) .
이때, 제1 에피택셜층(L2)은 에피택시로 성장한 Si1 - xGex층이고, 제2 에피택셜층(L3)은 에피택시로 성장한 실리콘층이다.At this time, the first epitaxial layer L2 is an epitaxially grown Si 1 - x Ge x layer and the second
더욱 상세하게는, 도 16a 내지 도 16c에 도시된 바와 같이, 제1 에피택셜층(L2)이 실리콘층(L1)을 둘러싸는 형태로 증착되고, 제2 에피택셜층(L3)이 제1 에피택셜층(L2)을 둘러싸는 형태로 증착된다.More specifically, as shown in FIGS. 16A to 16C, a first epitaxial layer L2 is deposited in the form of surrounding the silicon layer L1, and a second epitaxial layer L3 is deposited in the first epitaxial layer And is deposited in the form of surrounding the special layer L2.
Si1 - xGex은 게르마늄의 혼합 비율(x)이 증가함에 따라 밸런스갭(valance gap)의 에너지 레벨이 상승하고, 전도대(conduction band)의 에너지 레벨은 하강해 밴드갭(Eg)이 좁아지는 특성을 지닌다. 도 14a의 실시예에 따른 다중 비트 커패시터리스 디램은 이러한 에너지 레벨 특성을 활용한다. Si 1 - x Ge x is an energy level of the valance gap as the mixture ratio x of germanium is increased and the energy level of the conduction band is lowered so that the band gap E g is narrow . The multi-bit capacitorless DRAM according to the embodiment of Fig. 14A utilizes this energy level characteristic.
즉, 실리콘층(L1)과 에피택시로 성장한 실리콘층(L3) 사이에 에피택시로 성장한 에피택셜층(Si1-xGex)을 구비하고, 이 에피택셜층(Si1-xGex)을 양자 우물로 이용하여 더욱 향상된 성능을 발휘한다. That is, an epitaxial layer (Si 1-x Ge x ) epitaxially grown between the
Si1 - xGex을 이용한 제1 에피택셜층(L2)으로 형성된 양자 우물은, 이를 포함하지 않는 경우(도 13a)에 비하여, 에너지 밴드 다이어그램의 깊이가 훨씬 깊고, 에너지 레벨의 변화폭이 크다는 장점이 있다. 따라서, 이온화 충돌로 인해 발생한 초과 정공이 더욱 효과적으로 양자 우물 속에 축적될 수 있다. The quantum well formed by the first epitaxial layer L2 using Si 1 - x Ge x has a much deeper depth of the energy band diagram and a greater variation of the energy level compared to the case (FIG. 13A) . Therefore, the excess holes generated due to the ionization collision can be more effectively accumulated in the quantum well.
아울러, Si1 - xGex을 이용한 제1 에피택셜층(L2)을 가지는 다중 비트 커패시터리스 디램은, Si1 - xGex을 이용한 제1 에피택셜층(L2)을 갖지 않은 경우(도 13a)에 비하여, 더욱 긴 시간 동안 초과 정공의 축적을 유지시킬 수 있기 때문에, 메모리의 주요 특성인 센싱 윈도우(sensing window), 정보유지 시간(retention time), 지속성(endurance) 등이 향상되는 효과를 도모한다.Moreover, Si 1 - x Ge x claim multiple bits having a first epitaxial layer (L2) capacitor-less DRAM Using are, Si 1 - x Ge x in the
도 15a는 에피택시로 성장한 Si1 - xCx을 이용하여, 초과 정공의 축적 성능을 향상시킨 구조를 나타낸다. 도 15b는 도 15a의 구조에서 하나의 나노와이어 채널만을 별개로 도시한 것이고, 그때의 에너지밴드 다이어그램이 도 15c에 도시되어 있다.15A shows a structure in which the accumulation performance of excess holes is improved by using epitaxially grown Si 1 - x C x . Fig. 15B shows only one nanowire channel in the structure of Fig. 15A separately, and the energy band diagram at that time is shown in Fig. 15C.
도 15a의 구조를 갖는 다중 비트 커패시터리스 디램의 복수의 나노와이어 채널은 실리콘층(L4), 에피택시로 성장한 제1 에피택셜층(L5) 및 에피택시로 성장한 제2 에피택셜층(L6)으로 이루어진다. 이때, 제1 에피택셜층(L5)은 에피택시로 성장한 Si1 - xCx층이고, 제2 에피택셜층(L6)은 에피택시로 성장한 실리콘층일 수 있다.The plurality of nanowire channels of the multi-bit capacitorless DRAM having the structure of FIG. 15A includes a silicon layer L4, a first epitaxial layer L5 grown by epitaxy and a second epitaxial layer L6 grown by epitaxy . At this time, the first epitaxial layer L5 may be an epitaxially grown Si 1 - x C x layer, and the second
더욱 상세하게는, 도 16a 내지 도 16c에 도시된 바와 같이, 제1 에피택셜층(L5)은 실리콘층(L4)을 둘러싸는 형태로 증착되고, 제2 에피택셜층(L6)은 제1 에피택셜층(L5)을 둘러싸는 형태로 증착된다.16A to 16C, the first epitaxial layer L5 is deposited in the form of surrounding the silicon layer L4, and the second epitaxial layer L6 is deposited in the first epitaxial layer L6, And is deposited in the form of surrounding the special layer L5.
Si1 - xCx층은 위에서 언급한 Si1 - xGex층과 달리 탄소의 혼합 비율(x)이 높아질수록 밴드갭(Eg)이 넓어지는 특성을 갖는다. 따라서, 이온화 충돌 과정을 통해 생성된 초과 정공은 Si1 - xCx을 이용한 제1 에피택셜층(L5)이 가지는 에너지 장벽을 뛰어넘지 못하므로, 더욱 효과적으로 양자 우물 속에 축적될 수 있다. Unlike the Si 1 - x Ge x layer mentioned above, the Si 1 - x C x layer has a characteristic that the band gap (E g ) increases as the carbon mixture ratio (x) increases. Therefore, the excess holes generated through the ionization collision process can not be surpassed by the energy barrier of the first epitaxial layer (L 5) using Si 1 - x C x, and can be accumulated more efficiently in the quantum well.
Si1 - xCx을 이용한 제1 에피택셜층(L5)으로 형성된 양자 우물은, 이를 포함하지 않는 경우(도 13a)에 비하여, 에너지 밴드 다이어그램의 깊이가 훨씬 깊고, 에너지 레벨의 변화폭이 크다는 장점이 있다. 따라서, 이온화 충돌로 인해 발생한 초과 정공이 더욱 효과적으로 양자 우물 속에 축적될 수 있다. The quantum well formed by the first epitaxial layer L5 using Si 1 - x C x has a much deeper depth of the energy band diagram and a greater variation of the energy level compared to the case (FIG. 13A) . Therefore, the excess holes generated due to the ionization collision can be more effectively accumulated in the quantum well.
아울러, Si1 - xCx을 이용한 제1 에피택셜층(L5)을 가지는 커패시터리스 디램은, 이를 갖지 않았을 때(도 13a)에 비하여 더욱 긴 시간 동안 초과 정공의 축적을 유지시킬 수 있기 때문에, 메모리의 주요 특성인 센싱 윈도우(sensing window), 정보유지 시간(retention time), 지속성(endurance) 등이 향상되는 효과를 도모한다.In addition, since the capacitorless DRAM having the first epitaxial layer L5 using Si 1 - x C x can maintain the accumulation of excess holes for a longer time than when it does not have (Fig. 13A) The sensing window, the retention time, and the endurance, which are the main characteristics of the memory, are improved.
도 14a 및 도 15a의 실시예에 따른 다중 비트 커패시터리스 디램과 같이, 실리콘층에 밴드갭(Eg)이 좁은 Si1 - xGex이나 밴드갭이 넓은 Si1 - xCx 등의 재료를 에피택시(epitaxy) 공정을 통해 증착시켜 양자 우물로 사용함으로써, 초과 정공을 나노와이어 채널에 효과적으로 축적시켜 향상된 성능을 도모할 수 있게 된다.Like a multi-bit capacitorless DRAM according to the embodiment of FIGS. 14A and 15A, a material such as Si 1 - x Ge x having a narrow band gap (E g ) or Si 1 - x C x having a wide band gap By using an epitaxy process as a quantum well, it is possible to effectively accumulate excess holes in the nanowire channel to achieve improved performance.
도 17a는 이온주입을 이용하여 초과 정공의 축적 성능을 향상시킨 구조를 나타낸다. 도 17b는 도 17a의 구조에서 하나의 나노와이어 채널만을 별개로 도시한 것이고, 그때의 에너지밴드 다이어그램이 도 17c에 도시되어 있다. 도 17a 내지 도 17c의 실시예와 같이, 이온주입을 통해서 상술한 바와 같은 효과를 도모할 수 있다.17A shows a structure in which the accumulation performance of excess holes is improved by using ion implantation. FIG. 17B shows only one nanowire channel separately in the structure of FIG. 17A, and the energy band diagram at that time is shown in FIG. 17C. As in the embodiment of Figs. 17A to 17C, the above-described effects can be achieved through ion implantation.
도 17a에 도시된 다중 비트 커패시터리스 디램에 구비된 복수의 나노와이어 채널은 제1 실리콘층(L7)과 제2 실리콘층(L8)을 포함하며, 제1 실리콘층(L7)은, 이온주입 공정을 통해 p타입에서 n타입으로 도핑된 실리콘층이다. 제1 실리콘층(L7)의 형성은, 나노와이어 채널의 실리콘층(L8)에 대해 특정 깊이로 인(P)이나 비소(As) 등의 n타입 이온을 주입시키는 방식으로 구현될 수 있다.The plurality of nanowire channels provided in the multi-bit capacitorless DRAM shown in FIG. 17A includes a first silicon layer L7 and a second silicon layer L8, wherein the first silicon layer L7 is formed by ion implantation Lt; RTI ID = 0.0 > n-type < / RTI > The formation of the first silicon layer L7 may be realized by implanting n-type ions such as phosphorus (P) or arsenic (As) to a specific depth with respect to the silicon layer L8 of the nanowire channel.
p타입의 밸런스 밴드 에너지(valance band energy)는 n타입의 밸런스 밴드 에너지보다 더 높기 때문에, 이를 에너지 장벽으로 이용하여 초과 정공을 효율적으로 축적시킬 수 있게 된다. 즉, 초과 정공은 n타입 반도체가 만드는 에너지 장벽을 넘지 못하고 나노와이어 채널의 바디에 축적된다. Since the valence band energy of the p-type is higher than the n-type band-band energy, it can be used as an energy barrier to efficiently accumulate excess holes. In other words, excess holes accumulate in the body of the nanowire channel without exceeding the energy barrier created by the n-type semiconductor.
아울러, n타입 실리콘층(L7)을 가지는 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터리스 디램은, 이를 갖지 않았을 때(도 13a의 구조)에 비하여 더욱 긴 시간 동안 초과 정공의 축적을 유지시킬 수 있기 때문에, 메모리의 주요 특성인 센싱 윈도우(sensing window), 정보유지 시간(retention time), 지속성(endurance) 등이 향상되는 효과를 도모한다.In addition, since the capacitorless DRAM according to the embodiment of the present invention having the n-type silicon layer L7 can maintain the accumulation of excess holes for a longer time than when it has no structure (the structure of FIG. 13A) The sensing window, the retention time, and the endurance, which are the main characteristics of the memory, are improved.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 비트 커패시터리스 디램의 제조 방법은 도 12의 모든 단계를 그대로 포함하되, S250단계가 추가 공정을 더 포함할 수 있다. In the meantime, a method of manufacturing a multi-bit capacitorless DRAM according to an embodiment of the present invention includes all the steps of FIG. 12, but the step S250 may further include an additional step.
즉, 도 12의 S250단계는, 복수의 나노와이어 채널이 각각 상이한 문턱 전압을 갖도록 처리하되, 복수의 나노와이어 채널 각각에 제1 에피택셜층 및 제2 에피택셜층을 형성시키는 공정을 더 포함할 수 있다.That is, the step S250 of FIG. 12 may further include a step of forming a first epitaxial layer and a second epitaxial layer on each of the plurality of nanowire channels, such that the plurality of nanowire channels each have a different threshold voltage .
이때, 제1 에피택셜층은 나노와이어 채널을 둘러싸며 에피택시로 성장되는 Si1-xGex층 혹은 Si1 - xGex층이다. 또한, 제2 에피택셜층은 제1 에피택셜층을 둘러싸며 에피택시로 성장되는 실리콘층이다. Wherein the first epitaxial layer is an epitaxially grown Si 1-x Ge x layer or a Si 1 - x Ge x layer surrounding the nanowire channel. Further, the second epitaxial layer is a silicon layer which surrounds the first epitaxial layer and is grown epitaxially.
다른 실시예에서는, 도 12의 각 단계를 모두 포함하되, S250단계에 추가 공정을 더 포함할 수 있다. In another embodiment, all of the steps of FIG. 12 are all included, but the step S250 may further include an additional step.
즉, 도 12의 S250단계는, 복수의 나노와이어 채널이 각각 상이한 문턱 전압을 갖도록 처리하되, 복수의 나노와이어 채널 각각의 실리콘층에 대해 특정 깊이로 인(P)이나 비소(As) 등의 n타입 이온을 주입시켜, n타입 실리콘층을 형성시키는 공정을 더 포함할 수 있다. That is, in step S250 of FIG. 12, a plurality of nanowire channels are processed so as to have different threshold voltages, and a silicon layer of each of a plurality of nanowire channels is doped with n Type ions are implanted to form an n-type silicon layer.
이에 의하여, 본 발명의 제1 내지 제3 실시예에 따른 다중 비트 커패시터리스 디램을 제조할 수 있고, 이에 따라, 메모리의 주요 특성인 센싱 윈도우(sensing window), 정보유지 시간(retention time), 지속성(endurance) 등이 향상되는 효과를 도모할 수 있게 된다.Thus, the multi-bit capacitorless DRAMs according to the first to third embodiments of the present invention can be manufactured. Thus, the main characteristics of the memory, i.e., the sensing window, the retention time, the endurance and the like can be improved.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The features, structures, effects and the like described in the embodiments are included in one embodiment of the present invention and are not necessarily limited to only one embodiment. Furthermore, the features, structures, effects and the like illustrated in the embodiments can be combined and modified by other persons skilled in the art to which the embodiments belong. Accordingly, it is intended that the present invention cover the modifications and variations of this invention provided they come within the scope of the appended claims and their equivalents.
또한, 이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be taken by way of illustration, It can be seen that various modifications and applications are possible. For example, each component specifically shown in the embodiments can be modified and implemented. It is to be understood that all changes and modifications that come within the meaning and range of equivalency of the claims are therefore intended to be embraced therein.
100‥‥‥‥‥‥‥‥기판
101‥‥‥‥‥‥‥‥절연막
102‥‥‥‥‥‥‥‥게이트
103‥‥‥‥‥‥‥‥소스
104‥‥‥‥‥‥‥‥드레인
105‥‥‥‥‥‥‥‥나노와이어 채널
106‥‥‥‥‥‥‥‥STI 산화층
L1, L4‥‥‥‥‥‥실리콘층
L3, L6‥‥‥‥‥‥에피택시로 성장한 실리콘층 (제2 에피택셜층)
L2‥‥‥‥‥‥‥‥에피택시로 성장한 Si1 - xGex층 (제1 에피택셜층)
L5‥‥‥‥‥‥‥‥에피택시로 성장한 Si1 - xCx층 (제1 에피택셜층)
L7‥‥‥‥‥‥‥‥n타입 실리콘층
L8‥‥‥‥‥‥‥‥p타입 실리콘층100 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ Substrate
101 ......... insulating film
102 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ gate
103 ‥‥‥‥‥‥‥‥ Source
104 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥ drain
105 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ Nanowire channel
106 ......... STI oxide layer
L1, L4 ......... .. silicon layer
L3, L6 ......... The epitaxially grown silicon layer (second epitaxial layer)
L2 ... An epitaxially grown Si 1 - x Ge x layer (first epitaxial layer)
L5 ... An epitaxially grown Si 1 - x C x layer (first epitaxial layer)
L7 ... n type silicon layer < RTI ID = 0.0 >
L8 ......... p type silicon layer
Claims (20)
상기 기판상에 형성된 소스 및 드레인;
상기 기판상에 형성된 복수의 나노와이어 채널;
상기 복수의 나노와이어 채널에 형성된 복수의 게이트 절연막; 및
상기 복수의 게이트 절연막상에 형성된 게이트;를 포함하고,
상기 복수의 나노와이어 채널 중 2개 이상의 나노와이어 채널은 서로 다른 문턱 전압을 가지며,
각각의 게이트 절연막은 각각의 나노와이어 채널을 둘러싸며 형성되고,
하나의 게이트 절연막에 둘러싸여 형성된 하나의 나노와이어 채널은,
실리콘층;
상기 실리콘층을 둘러싸며 형성된 제1 에피택셜층; 및
상기 제1 에피택셜층을 둘러싸며 형성된 제2 에피택셜층;을 포함하되,
상기 제1 에피택셜층의 에너지 밴드갭(Energy band gap)은 상기 실리콘층 및 상기 제2 에피택셜층 각각의 에너지 밴드갭보다 작은, 다중 비트 커패시터리스 디램.Board;
A source and a drain formed on the substrate;
A plurality of nanowire channels formed on the substrate;
A plurality of gate insulating films formed on the plurality of nanowire channels; And
And a gate formed on the plurality of gate insulating films,
Wherein at least two of the plurality of nanowire channels have different threshold voltages,
Each gate insulating film is formed surrounding each nanowire channel,
One nanowire channel formed surrounded by one gate insulating film,
A silicon layer;
A first epitaxial layer formed to surround the silicon layer; And
And a second epitaxial layer formed surrounding the first epitaxial layer,
Wherein the energy band gap of the first epitaxial layer is less than the energy band gap of each of the silicon layer and the second epitaxial layer.
상기 제1 에피택셜층은 에피택시로 성장한 Si1 - xGex층인 다중 비트 커패시터리스 디램.The method according to claim 1,
Wherein the first epitaxial layer is an epitaxially grown Si 1 - x Ge x layer.
상기 제1 에피택셜층은 에피택시로 성장한 Si1 - xCx층인 다중 비트 커패시터리스 디램.The method according to claim 1,
Wherein the first epitaxial layer is an epitaxially grown Si 1 - x C x layer.
상기 제2 에피택셜층은 에피택시로 성장한 실리콘층인 다중 비트 커패시터리스 디램.The method according to claim 1,
Wherein the second epitaxial layer is an epitaxially grown silicon layer.
상기 2개 이상의 나노와이어 채널은, 도핑 이온의 종류, 깊이, 농도 및 각도 중 적어도 하나를 달리함으로써 서로 다른 문턱 전압을 가지는 다중 비트 커패시터리스 디램.5. The method according to any one of claims 1 to 4,
Wherein the two or more nanowire channels have different threshold voltages by differentiating at least one of the type, depth, concentration, and angle of the doping ions.
상기 2개 이상의 나노와이어 채널은, 단면의 형상 또는 면적을 달리함으로써 서로 다른 문턱 전압을 가지는 다중 비트 커패시터리스 디램.5. The method according to any one of claims 1 to 4,
Wherein the two or more nanowire channels have different threshold voltages by different shapes or areas of cross-section.
상기 2개 이상의 나노와이어 채널은, 식각 물질의 종류, 식각 물질의 농도, 식각 시간, 진공도 및 식각 온도 중 적어도 하나를 달리하여 식각됨으로써, 서로 상이한 단면 형상 또는 면적을 가지는 다중 비트 커패시터리스 디램.5. The method according to any one of claims 1 to 4,
Wherein the two or more nanowire channels are etched differently in at least one of the type of etchant material, the concentration of the etchant material, the etch time, the degree of vacuum, and the etch temperature, thereby having different cross-sectional shapes or areas.
상기 다중 비트 커패시터리스 디램의 동작을 제어하는 컨트롤러; 및
상기 복수의 나노와이어 채널의 문턱 전압에 기초한, 상기 복수의 나노와이어 채널 각각에 대한 구동 전압을 저장하는 저장부;를 더 포함하고,
상기 컨트롤러는, 상기 게이트 및 상기 드레인 중 적어도 하나에 인가되는 구동 전압을 컨트롤함으로써, 2비트 이상의 데이터를 프로그램(program)시키거나 이레이즈(erase)시키는 다중 비트 커패시터리스 디램.5. The method according to any one of claims 1 to 4,
A controller for controlling operation of the multi-bit capacitorless DRAM; And
Further comprising a storage for storing a driving voltage for each of the plurality of nanowire channels based on a threshold voltage of the plurality of nanowire channels,
The controller controls a driving voltage applied to at least one of the gate and the drain to program or erase data of two or more bits.
(b) 상기 하드마스크의 적어도 일부를 식각하는 단계;
(c) 이방성 식각을 통하여 상기 기판에 나노와이어를 패터닝하는 단계;
(d) 상기 기판에 보호막을 형성하는 단계;
(e) 등방성 식각을 통하여 상기 기판에 나노와이어 채널을 형성하는 단계;
(f) 상기 (c)단계 내지 (e)단계를 반복하여, 복수의 나노와이어 채널 및 상기 복수의 나노와이어 채널 각각을 둘러싼 복수의 게이트 절연막 각각을 형성하는 단계;
(g) 소스, 드레인 및 게이트를 형성하는 단계;를 포함하고,
상기 (f)단계는, 상기 복수의 나노와이어 채널이 각각 상이한 문턱 전압을 갖도록 처리하고, 하나의 게이트 절연막에 둘러싸여 형성된 하나의 나노와이어 채널에 실리콘층, 상기 실리콘층을 둘러싼 제1 에피택셜층 및 상기 제1 에피택셜층을 둘러싼 제2 에피택셜층을 형성시키되, 상기 제1 에피택셜층의 에너지 밴드갭은 상기 실리콘층 및 상기 제2 에피택셜층 각각의 에너지 밴드갭보다 작은, 다중 비트 커패시터리스 디램의 제조 방법.(a) depositing a hard mask on a substrate;
(b) etching at least a portion of the hard mask;
(c) patterning the nanowire on the substrate through an anisotropic etch;
(d) forming a protective film on the substrate;
(e) forming a nanowire channel in the substrate through isotropic etching;
(f) repeating the steps (c) to (e) to form a plurality of gate insulating films surrounding the plurality of nanowire channels and the plurality of nanowire channels, respectively;
(g) forming a source, a drain, and a gate,
The method of claim 1, wherein step (f) comprises: treating the plurality of nanowire channels to have different threshold voltages, respectively forming a silicon layer, a first epitaxial layer surrounding the silicon layer, and a second epitaxial layer in a single nanowire channel And a second epitaxial layer surrounding the first epitaxial layer, wherein an energy band gap of the first epitaxial layer is smaller than an energy band gap of each of the silicon layer and the second epitaxial layer, Method of manufacturing dyram.
상기 제1 에피택셜층은 상기 나노와이어 채널을 둘러싸며 에피택시로 성장되는 Si1-xGex층인 다중 비트 커패시터리스 디램의 제조 방법.10. The method of claim 9,
Wherein the first epitaxial layer surrounds the nanowire channel and is an epitaxially grown Si 1-x Ge x layer.
상기 제1 에피택셜층은 상기 나노와이어 채널을 둘러싸며 에피택시로 성장되는 Si1-xCx층인 다중 비트 커패시터리스 디램의 제조 방법.10. The method of claim 9,
Wherein the first epitaxial layer surrounds the nanowire channel and is an epitaxially grown Si 1-x C x layer.
상기 제2 에피택셜층은 상기 제1 에피택셜층을 둘러싸며 에피택시로 성장되는 실리콘층인 다중 비트 커패시터리스 디램의 제조 방법.10. The method of claim 9,
Wherein the second epitaxial layer is a silicon layer that surrounds the first epitaxial layer and is epitaxially grown.
상기 (f)단계는,
각각의 나노와이어 채널을 형성시킬 때마다, 도핑 이온의 종류, 깊이, 농도 및 주입 각도 중 적어도 하나를 달리하여 도펀트를 주입함으로써, 상기 복수의 나노와이어 채널 각각이 상이한 문턱 전압을 갖도록 처리하는 다중 비트 커패시터리스 디램의 제조 방법.10. The method of claim 9,
The step (f)
Each time a nanowire channel is formed, a dopant is implanted at least one of a type, a depth, a concentration, and an implant angle of doping ions, so that each of the plurality of nanowire channels is processed to have a different threshold voltage A method of manufacturing a capacitorless DRAM.
상기 (f)단계는,
각각의 나노와이어 채널을 형성시킬 때마다, 식각 물질의 종류, 식각 물질의 농도, 식각 시간, 진공도 및 식각 온도 중 적어도 하나를 달리함으로써, 상기 복수의 나노와이어 채널 각각이 상이한 문턱 전압을 갖도록 처리하는 다중 비트 커패시터리스 디램의 제조 방법.10. The method of claim 9,
The step (f)
Treating each of the plurality of nanowire channels to have a different threshold voltage by varying at least one of the type of etchant material, the concentration of the etchant material, the etch time, the degree of vacuum, and the etch temperature each time the respective nanowire channel is formed A method of manufacturing a multi - bit capacitorless DRAM.
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11158732B2 (en) | 2018-10-24 | 2021-10-26 | Gachon University Of Industry-Academic Cooperation Foundation | One-transistor DRAM cell device having quantum well structure |
-
2015
- 2015-12-21 KR KR1020150182736A patent/KR101835611B1/en active Active
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| A novel junctionless all-around-gate SONOS device with a quantum nanowire on a bulk substrate for 3D stack NAND flash memory(Sung-Jin Choi외 4명, 2011 Symposium on VLSI Technology Digest of Technical |
| Nonvolatile Memory by All-Around-Gate Junctionless Transistor Composed of Silicon Nanowire on Bulk Substrate(Sung-Jin Choi외 6명, IEEE electron device letters. VOL.32, No.5, pp.602~604, 2011.04.15.발행) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11158732B2 (en) | 2018-10-24 | 2021-10-26 | Gachon University Of Industry-Academic Cooperation Foundation | One-transistor DRAM cell device having quantum well structure |
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| KR20170073931A (en) | 2017-06-29 |
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