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KR20100111130A - Vertical type non volatile memory device and method for fabricating the same - Google Patents

Vertical type non volatile memory device and method for fabricating the same Download PDF

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KR20100111130A
KR20100111130A KR1020090029536A KR20090029536A KR20100111130A KR 20100111130 A KR20100111130 A KR 20100111130A KR 1020090029536 A KR1020090029536 A KR 1020090029536A KR 20090029536 A KR20090029536 A KR 20090029536A KR 20100111130 A KR20100111130 A KR 20100111130A
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KR
South Korea
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layer
selection transistor
substrate
charge trap
forming
Prior art date
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Withdrawn
Application number
KR1020090029536A
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Korean (ko)
Inventor
김석구
엄재철
이상범
Original Assignee
주식회사 하이닉스반도체
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Abstract

기판과, 기판 내에 형성된 제1 선택트랜지스터층과, 제1 선택트랜지스터층 위에 산소 이온이 주입되어 형성된 이격층에 의해 격리되어 불순물이온이 주입되어 반복 형성된 전극층과, 전극층 위에 이격층에 의해 격리되어 형성된 제2 선택트랜지스터층과, 제1 선택트랜지스터층, 이격층 및 전극층을 관통하고, 제1 선택트랜지스터층을 선택적으로 노출시키는 관통홀 측벽에 형성된 블로킹층, 전하트랩층 및 터널링층과, 그리고 블로킹층, 전하트랩층 및 터널링층이 형성된 관통홀에 형성되어 기판 내에 형성된 상기 제1 선택트랜지스터층, 전극층 및 제2 선택트랜지스터층을 수직한 방향으로 채널을 공유하는 채널층을 포함한다. A substrate, a first select transistor layer formed in the substrate, an electrode layer formed by isolating the first select transistor layer by implanting oxygen ions on the first select transistor layer and repeatedly implanted with impurity ions, and separated by a spacer layer on the electrode layer. A blocking layer, a charge trap layer and a tunneling layer formed on the sidewalls of the through holes penetrating the second selection transistor layer, the first selection transistor layer, the spacer layer, and the electrode layer to selectively expose the first selection transistor layer, and a blocking layer. And a channel layer formed in the through-hole in which the charge trap layer and the tunneling layer are formed to share the channel in a direction perpendicular to the first selection transistor layer, the electrode layer, and the second selection transistor layer formed in the substrate.

Description

수직형 불휘발성 메모리 소자 및 그 제조 방법{Vertical type non volatile memory device and method for fabricating the same}Vertical type nonvolatile memory device and method for fabricating the same

본 발명은 불휘발성 메모리 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 수직형 불휘발성 메모리 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a nonvolatile memory device and a method of manufacturing the same, and more particularly to a vertical nonvolatile memory device and a method of manufacturing the same.

불휘발성 메모리 소자는 전원이 차단되었을 때도 저장된 데이터가 유지되는 메모리 소자로서, 데이터 저장 방식에 따라 플로팅 게이트(FG;Floating Gate) 소자 및 전하 트랩 소자(CTD;Charge Trap Device)로 구분될 수 있다. 특히, 불휘발성 메모리 소자 분야에서 플로팅 게이트 소자에 비해 상호 간섭과 전하 보유 특성이 우수한 전하 트랩 소자에 대한 관심이 증대되고 있다. 전하 트랩 소자는 반도체기판 위에 터널링층, 전하트랩층, 차폐층 및 컨트롤게이트전극이 순차적으로 적층된 구조로 이루어지면, FN(Fowler-Nordheim) 터널링 방식으로 프로그램 및 소거의 반복적인 동작을 수행하고 있다. The nonvolatile memory device is a memory device in which stored data is maintained even when the power is cut off. The nonvolatile memory device may be classified into a floating gate device (FG) and a charge trap device (CTD) according to a data storage method. In particular, in the field of nonvolatile memory devices, interest in charge trap devices having superior mutual interference and charge retention characteristics is increasing compared to floating gate devices. When the charge trapping device has a structure in which a tunneling layer, a charge trapping layer, a shielding layer, and a control gate electrode are sequentially stacked on a semiconductor substrate, a program-erase operation is repeatedly performed by a Fowler-Nordheim (FN) tunneling method. .

불휘발성 메모리 소자의 기술 개발은 크기가 작아지고 고용량을 갖는 소자 개발로 진행되고 있다. 특히, 전하 트랩 소자는 질화막에 전자를 트랩시키므로 플로팅 게이트 소자에서 사용하는 폴리실리콘 보다는 적층 높이가 낮은 장점이 있어, 차세대 메모리 소자의 하나로 고려되고 있다. 특히, 전하 트랩 소자의 구조는 소자의 집적도를 증가시키기 위해 새로운 셀 구조들이 도입되고 있다. 예를 들어, 기판 위에 전하트랩 소자를 순차적으로 적층하는 구조와는 상이하게 반도체기판 위에 반도체기판과 수직 방향으로 채널을 형성하는 방법이 연구되고 있다. The development of nonvolatile memory devices is progressing to the development of devices having small size and high capacity. In particular, since the charge trap element traps electrons in the nitride film, there is an advantage that the stack height is lower than that of the polysilicon used in the floating gate element, which is considered as one of the next generation memory elements. In particular, the structure of the charge trap device is introducing new cell structures to increase the degree of integration of the device. For example, a method of forming channels in a vertical direction with a semiconductor substrate on a semiconductor substrate is being studied differently from a structure in which charge trap devices are sequentially stacked on a substrate.

그러나, 반도체기판 위에 반도체기판과 수직 방향으로 채널을 형성하는 방법은 기존의 공정 플로우보다 상대적으로 복잡하고, 프로그램 동작 및 소거 동작 시 디스터브(disturb) 및 신뢰성 등에 문제가 발생하고 있다. 이에 따라, 전하 트랩 소자의 개발에 있어서, 기존의 공정보다 복잡하지 않으면서 프로그램 및 소거 윈도우를 크게 하는 것이 가능한 전하트랩 소자의 개발이 요구되고 있다. However, the method of forming the channel on the semiconductor substrate in a direction perpendicular to the semiconductor substrate is relatively more complicated than the conventional process flow, and causes problems such as disturbance and reliability during program operation and erase operation. Accordingly, in the development of the charge trap element, there is a demand for the development of a charge trap element that can increase the program and erase windows without being more complicated than conventional processes.

본 발명에 따른 수직형 불휘발성 메모리 소자는, 기판; 상기 기판 내에 형성된 제1 선택트랜지스터층; 상기 제1 선택트랜지스터층 위에 산소 이온이 주입되어 형성된 이격층에 의해 격리되어 불순물이온이 주입되어 반복 형성된 전극층; 상기 전극층 위에 이격층에 의해 격리되어 형성된 제2 선택트랜지스터층; 상기 제1 선택트랜지스터층, 이격층 및 전극층을 관통하고, 상기 제1 선택트랜지스터층을 선택적으로 노출시키는 관통홀 측벽에 형성된 블로킹층, 전하트랩층 및 터널링층; 및 상기 블로킹층, 전하트랩층 및 터널링층이 형성된 관통홀에 형성되어 상기 기판 내에 형성된 상기 제1 선택트랜지스터층, 전극층 및 제2 선택트랜지스터층을 수직한 방향으로 채널을 공유하는 채널층을 포함한다. Vertical nonvolatile memory device according to the invention, the substrate; A first select transistor layer formed in the substrate; An electrode layer which is repeatedly formed by being implanted with impurity ions isolated from the separation layer formed by implanting oxygen ions on the first selection transistor layer; A second selective transistor layer formed on the electrode layer by isolation from the spacer layer; A blocking layer, a charge trap layer, and a tunneling layer formed on sidewalls of the through-holes penetrating the first select transistor layer, the spacer layer, and the electrode layer, and selectively exposing the first select transistor layer; And a channel layer formed in the through hole in which the blocking layer, the charge trap layer, and the tunneling layer are formed, and sharing the channel in a direction perpendicular to the first selection transistor layer, the electrode layer, and the second selection transistor layer formed in the substrate. .

상기 채널층이 형성된 기판 위에 상기 채널층을 분리시키기 위해 형성된 하드마스크 산화막을 더 포함할 수 있다. A hard mask oxide layer may be further formed on the substrate on which the channel layer is formed to separate the channel layer.

상기 제1 선택트랜지스터층 및 제2 선택트랜지스터층은 N형 불순물 이온이 주입된 영역으로 이루어지고, 상기 전극층은 P형 불순물 이온이 주입된 영역으로 이루어지는 것이 바람직하다. The first selective transistor layer and the second selective transistor layer may be formed of regions implanted with N-type impurity ions, and the electrode layer may be composed of regions implanted with P-type impurity ions.

상기 채널층은 폴리실리콘막을 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다. Preferably, the channel layer comprises a polysilicon film.

본 발명에 따른 수직형 불휘발성 메모리 소자의 제조 방법은, 기판 내에 불순물 이온을 주입하여 제1 선택 트랜지스터층을 형성하는 단계; 상기 제1 선택 트랜지스터층 위에 산소 이온 및 불순물 이온을 교대로 복수 회 주입하여 이격층에 의해 격리되는 전극층을 반복 형성하는 단계; 상기 전극층과 격리되게 불순물 이온 을 주입하여 제2 선택트랜지스터층을 형성하는 단계; 상기 제2 선택트랜지스터층, 이격층에 의해 격리되는 전극층을 선택적으로 식각하여 상기 제1 선택트랜지스터층을 노출시키는 관통홀을 형성하는 단계; 상기 관통홀의 측벽에 블로킹층, 전하트랩층 및 터널링층을 순차적으로 형성하는 단계; 및 상기 불로킹층, 전하트랩층 및 터털링층이 형성된 관통홀을 매립하여 상기 제1 선택트랜지스터층, 전극층 및 제2 선택트랜지스터층과 수직한 방향으로 채널을 공유하는 채널층을 형성하는 단계를 포함한다. A method of manufacturing a vertical nonvolatile memory device according to the present invention includes: implanting impurity ions into a substrate to form a first selection transistor layer; Repeatedly forming an electrode layer isolated by the separation layer by alternately implanting oxygen ions and impurity ions on the first selection transistor layer; Implanting impurity ions so as to be isolated from the electrode layer to form a second selection transistor layer; Selectively etching the electrode layers separated by the second selection transistor layer and the separation layer to form a through hole exposing the first selection transistor layer; Sequentially forming a blocking layer, a charge trap layer, and a tunneling layer on sidewalls of the through hole; And filling a through hole in which the blocking layer, the charge trap layer, and the terminating layer are formed to form a channel layer sharing a channel in a direction perpendicular to the first selection transistor layer, the electrode layer, and the second selection transistor layer. .

상기 제1 선택 트랜지스터층 및 제2 선택 트랜지스터층을 형성하는 단계는, N형 불순물 이온을 주입하여 형성하는 것이 바람직하다. The forming of the first selection transistor layer and the second selection transistor layer is preferably performed by implanting N-type impurity ions.

상기 전극층은 P형 불순물 이온을 주입하여 형성하는 것이 바람직하다. The electrode layer is preferably formed by implanting P-type impurity ions.

상기 제2 선택트랜지스터층을 형성한 이후에, 상기 기판 내에 주입된 이온들의 활성화를 위한 열공정을 수행하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다. After forming the second select transistor layer, the method may further include performing a thermal process for activating ions implanted in the substrate.

상기 관통홀은 반지름이 20 내지 50 nm를 갖도록 형성하는 것이 바람직하다. The through hole is preferably formed to have a radius of 20 to 50 nm.

상기 블로킹 층, 전하트랩층 및 터널링층을 형성하는 단계는, 상기 관통홀이 형성된 기판 위에 블로킹물질막을 형성하는 단계; 상기 블로킹물질막에 스페이서 식각공정을 수행하여 상기 기판 위 및 관통홀 바닥에 형성된 블로킹물질막을 제거하여 상기 관통홀 측벽에 블로킹층을 형성하는 단계: 상기 블로킹층이 형성된 기판 위에 전하트랩물질막을 형성하는 단계; 상기 전하트랩물질막에 스페이서 식각공정을 수행하여 상기 기판 위 및 관통홀 바닥에 형성된 전하트랩물질막을 제거하여 상기 블로킹층 위에 전하트랩층을 형성하는 단계: 상기 전하트랩층이 형성된 기판 위 에 터널링물질막을 형성하는 단계; 및 상기 터널링물질막에 스페이서 식각공정을 수행하여 상기 기판 위 및 관통홀 바닥에 형성된 터널링물질막을 제거하여 상기 전하트랩층 위에 터널링층을 형성하는 단계로 이루어지는 것이 바람직하다. The forming of the blocking layer, the charge trap layer and the tunneling layer may include forming a blocking material layer on the substrate on which the through hole is formed; Forming a blocking layer on the sidewall of the through-hole by performing a spacer etching process on the blocking material layer to remove the blocking material layer formed on the substrate and the bottom of the through-hole: forming a charge trap material layer on the substrate on which the blocking layer is formed step; Forming a charge trap layer on the blocking layer by removing the charge trap material layer formed on the substrate and at the bottom of the through hole by performing a spacer etching process on the charge trap material layer: a tunneling material on the substrate on which the charge trap layer is formed Forming a film; And forming a tunneling layer on the charge trap layer by performing a spacer etching process on the tunneling material layer to remove the tunneling material layer formed on the substrate and the bottom of the through hole.

상기 블로킹물질막은 알루미나막 또는 산화막을 포함하여 형성하는 것이 바람직하다. The blocking material film is preferably formed including an alumina film or an oxide film.

상기 전하트랩물질막은 질화막을 포함하여 형성하는 것이 바람직하다.The charge trap material film is preferably formed including a nitride film.

상기 터널링물질막은 산화막을 포함하여 형성하는 것이 바람직하다. The tunneling material film is preferably formed including an oxide film.

상기 채널층은 폴리실리콘막을 포함하여 형성하는 것이 바람직하다. The channel layer is preferably formed including a polysilicon film.

상기 채널층을 형성하는 단계 이후에, 상기 채널층이 형성된 기판 위에 상기 채널층을 분리하는 하드마스크 산화막을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.   After the forming of the channel layer, the method may further include forming a hard mask oxide layer separating the channel layer on the substrate on which the channel layer is formed.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 수직형 불휘발성 메모리 소자는, 기판(100)과, 기판(100) 내에 형성된 제1 선택 트랜지스터층(121)과, 제1 선택 트랜지스터층(121) 위에 이격층(131)에 의해 분리되도록 반복 적층된 전극층(141)과, 이격층(131)에 의해 분리된 전극층(141) 위에 형성된 제2 선택 트랜지스터층(151)과, 제2 선택 트랜지스터층(151), 절연층(131), 전극층(141)을 관통하는 관통홀의 측벽에 형성된 블로킹층(190), 전하트랩층(200) 및 터널링층(210)과, 그리고 터널링층(210)이 형성된 관통홀을 매립하도록 형성된 채널층(220)을 포함한다. 또한, 채널층(220)이 분리되도록 채널층(220) 및 제2 선택트랜지스터층(151)이 형성된 반도체기판(100) 위에 형성된 산화막(230)을 더 포함한다. Referring to FIG. 1, a vertical nonvolatile memory device according to the present invention may be spaced apart from a substrate 100, a first selection transistor layer 121 formed in the substrate 100, and a first selection transistor layer 121. The electrode layer 141 repeatedly stacked to be separated by the layer 131, the second selection transistor layer 151 formed on the electrode layer 141 separated by the spacer layer 131, and the second selection transistor layer 151. The blocking layer 190, the charge trap layer 200 and the tunneling layer 210 formed on the sidewalls of the through hole penetrating the insulating layer 131 and the electrode layer 141, and the through hole in which the tunneling layer 210 is formed It includes a channel layer 220 formed to be buried. The semiconductor device may further include an oxide film 230 formed on the semiconductor substrate 100 on which the channel layer 220 and the second select transistor layer 151 are formed so that the channel layer 220 is separated.

이때, 제1 선택 트랜지스터층(121), 이격층(131)에 의해 분리되어 반복 적층된 전극층(141), 제2 선택 트랜지스터층(151)은 기판(100) 내에 수직으로 배열된다. 제1 선택 트랜지스터층(121) 및 제2 선택 트랜지스터층(151)은 기판(100) 내에 N형 불순물 이온을 주입하여 형성될 수 있다. 이격층(131)은 기판(100) 내에 산소 이온을 주입하고, 전극층(141)은 기판(100) 내에 P형 불순물 이온을 주입하여 형성될 수 있다. 제1 선택 트랜지스터층(121)은 소스 선택 트랜지스터로 이용되며, 제2 선택 트랜지스터층(151)은 드레인 선택 트랜지스터로 이용된다. 전극층(141)은 워드라인(word line)으로 이용되며, 셀 스트링에 연결된 메모리 셀의 갯 수만큼 반복 적층된다. 전극층(141)과 이격층(131)은 이온 주입 농도와 열처리를 고려하여 20 내지 100nm 두께로 형성될 수 있다. 관통홀의 지름은 20~100nm 정도로 형성될 수 있다. 블로킹층(190)은 전하트랩층(200)에 트랩(trap)된 전하들이 워드라인으로 이용되는 전극층(141)으로 이동하는 것을 방지하기 위해, 알루미나와 같은 산화막을 포함하여 이루어질 수 있다. 전하트랩층(200)은 질화막을 포함하여 이루어질 수 있으며, 터널링층(210)은 산화막을 포함하여 이루어질 수 있다. 채널층(220)은 반도체기판(100) 내에 순차적으로 형성된 제1 선택트랜지스터층(121), 이격층(131)에 의해 반복 적층된 전극층(141) 및 제2 선택트랜지스터층(151)을 공유하며, 비트라인(도시되지 않음)과 연결된다. In this case, the electrode layer 141 and the second selection transistor layer 151 separated and repeatedly stacked by the first selection transistor layer 121 and the spacer layer 131 are vertically arranged in the substrate 100. The first select transistor layer 121 and the second select transistor layer 151 may be formed by implanting N-type impurity ions into the substrate 100. The spacer layer 131 may be formed by implanting oxygen ions into the substrate 100, and the electrode layer 141 may be formed by implanting P-type impurity ions into the substrate 100. The first select transistor layer 121 is used as a source select transistor, and the second select transistor layer 151 is used as a drain select transistor. The electrode layer 141 is used as a word line and is repeatedly stacked as many as the number of memory cells connected to the cell string. The electrode layer 141 and the spacer layer 131 may be formed to a thickness of 20 to 100 nm in consideration of ion implantation concentration and heat treatment. The diameter of the through hole may be formed to about 20 ~ 100nm. The blocking layer 190 may include an oxide film such as alumina to prevent charges trapped in the charge trap layer 200 from moving to the electrode layer 141 used as a word line. The charge trap layer 200 may include a nitride film, and the tunneling layer 210 may include an oxide film. The channel layer 220 shares the first selection transistor layer 121, the electrode layer 141 repeatedly stacked by the separation layer 131, and the second selection transistor layer 151 sequentially formed in the semiconductor substrate 100. And a bit line (not shown).

이러한 구조의 수직형 불휘발성 메모리 소자는 선택 트랜지스터에서 발생한 핫 캐리어(hot carrier)에 의해 셀 트랜지스터에 트랩(trap)된 전자의 소거 동작이 이루어진다. 예컨대, 프로그램 동작은 워드라인으로 이용되는 전극층에 높은 양의 전압을 인가하면, 채널층과의 전위차에 의해 전하트랩층 내의 트랩 사이트에 트랩되면서 이루어진다. 반면에, 소거 동작은 워드라인과 선택트랜지스터에 소정의 전압을 인가하여 선택트랜지스터와 워드라인 사이에 일정 바이어스가 형성되면, 선택 트랜지스터에 인버젼층(inversion layer)이 형성되고, 채널층의 디플리션(depletion)영역에서 형성된 전자 홀 쌍이 깨지면서 핫 홀이 형성된다. 이때, 생성된 핫 홀은 소스 방향으로 이동해가면서 워드라인의 전하트랩층에 트랩된 전자와재결합함으로써 소거가 이루어진다. In the vertical nonvolatile memory device having such a structure, an erase operation of electrons trapped in the cell transistor is performed by hot carriers generated in the selection transistor. For example, when a high positive voltage is applied to the electrode layer used as the word line, the program operation is trapped at the trap site in the charge trap layer by the potential difference with the channel layer. On the other hand, in the erase operation, when a predetermined bias is formed between the select transistor and the word line by applying a predetermined voltage to the word line and the select transistor, an inversion layer is formed in the select transistor, and the channel layer is dipped. Hot hole is formed by breaking the pair of electron holes formed in the depletion region. At this time, the generated hot holes are removed by recombining with the electrons trapped in the charge trap layer of the word line while moving in the source direction.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 수직형 불휘발성 메모리 소자는 기판 내에 이온주입공정을 수행하여 선택트랜지스터 및 워드라인이 이격층에 의해 격리되어 수직한 방향으로 배열되며, 선택트랜지스터 및 워드라인을 관통하여 채널층이 배치된다. 따라서, 불휘발성 메모리 소자의 복잡한 프로세스 플로우를 보다 간소화시킴으로써 용이하게 메모리 소자를 제조할 수 있으며, 또한, 핫 홀 소거 동작을 적용하여 프로그램 및 소거 윈도우를 크게 증가시킬 수 있다As described above, the vertical nonvolatile memory device according to the present invention performs an ion implantation process in a substrate, whereby the selection transistors and word lines are arranged in a vertical direction by being separated by a spacer layer, and penetrating the selection transistors and word lines. The channel layer is arranged. Therefore, the memory device can be manufactured easily by simplifying the complicated process flow of the nonvolatile memory device, and the hot hole erase operation can be applied to greatly increase the program and erase window.

이와 같은 구조의 수직형 불휘발성 메모리 소자의 제조 방법은 다음과 같다. A method of manufacturing a vertical nonvolatile memory device having such a structure is as follows.

도 2를 참조하면, 반도체기판(100) 상에 패시배이션(passivation)막(110)을 형성한다. 패시배이션막(110)은 산화막을 포함하여 형성될 수 있다. 패시배이션막(110)은 이후 수행될 이온주입 공정에서 반도체기판(100)의 표면을 보호하여 반도체기판의 손상(damage)을 방지하는 보호막으로 작용한다. Referring to FIG. 2, a passivation film 110 is formed on the semiconductor substrate 100. The passivation film 110 may be formed including an oxide film. The passivation film 110 serves as a protective film to protect the surface of the semiconductor substrate 100 in the ion implantation process to be performed later to prevent damage to the semiconductor substrate.

도 3을 참조하면, 반도체기판(100) 내에 N형 불순물 이온을 주입하여 제1 N형 불순물 영역(120)을 형성한다. 제1 N형 불순물 영역(120)은 N형 불순물 이온 예 컨대, 비소 이온을 주입하여 형성할 수 있다. Referring to FIG. 3, the first N-type impurity region 120 is formed by implanting N-type impurity ions into the semiconductor substrate 100. The first N-type impurity region 120 may be formed by implanting N-type impurity ions, for example, arsenic ions.

셀 트랜지스터로 이용되는 워드라인 영역을 형성하기 위해, 제1 N형 불순물 영역(120) 위에 산소 이온 및 P형 불순물 이온을 교대로 복수 회 주입하여 복수 개의 산소 이온 영역(130) 및 P형 이온 영역(140)을 교대로 형성한다. 계속해서, 산소이온 영역(130) 위에 N형 불순물 이온을 주입하여 제2 N형 불순물 영역(150)을 형성한다. In order to form a word line region used as a cell transistor, oxygen ions and P-type impurity ions are alternately implanted a plurality of times on the first N-type impurity region 120 to form a plurality of oxygen ion regions 130 and P-type ion regions. 140 are alternately formed. Subsequently, N-type impurity ions are implanted into the oxygen ion region 130 to form the second N-type impurity region 150.

산소 이온 영역(130)은 산소 이온을 주입하여 형성할 수 있으며, P형 이온 영역(140)은 P형 불순물 이온 예컨대, 붕소 이온을 주입하여 형성할 수 있다. 이때, 산소 이온 영역(130)과 P형 이온 영역(130)은 교대로 형성하되, 제1 N형 불순물 영역(120)과 격리되고, 제2 N형 불순물 영역(150)과 서로 격리되게 최상부에는 산소 이온 영역(130)을 형성하는 것이 바람직하다. 제2 N형 불순물 영역(150)은 N형 불순물 이온 예컨대, 비소 이온을 주입하여 형성할 수 있다. 이때, 제1 N형 불순물 영역(120)은 이후 열공정에 의해 소스 선택 트랜지스터층으로 변경되어 소스 선택트랜지스터로 이용되며, 제2 N형 불순물 영역(150)은 이후 열공정에 의해 드레인 선택 트랜지스터층으로 변경되어 드레인 선택 트랜지스터로 이용된다. The oxygen ion region 130 may be formed by implanting oxygen ions, and the P-type ion region 140 may be formed by implanting P-type impurity ions, for example, boron ions. In this case, the oxygen ion region 130 and the P-type ion region 130 are alternately formed, but are separated from the first N-type impurity region 120 and are separated from each other by the second N-type impurity region 150. It is preferable to form the oxygen ion region 130. The second N-type impurity region 150 may be formed by implanting N-type impurity ions, for example, arsenic ions. At this time, the first N-type impurity region 120 is later changed into a source select transistor layer by a thermal process and used as a source select transistor, and the second N-type impurity region 150 is a drain select transistor layer after a thermal process. Is used as the drain select transistor.

반도체기판(100)에 주입되는 이온들은 이온주입에너지에 따라 이온주입 깊이(RP; projection range)값이 달라지게 된다. 따라서, 이온 주입 시 이온주입에너지를 조절하여 반도체기판 내에 순차적으로 형성하고자 하는 불순물 영역을 형성할 수 있다. The ions implanted into the semiconductor substrate 100 vary in the ion implantation depth (RP) value depending on the ion implantation energy. Therefore, the impurity regions to be sequentially formed in the semiconductor substrate may be formed by controlling the ion implantation energy during ion implantation.

도 4를 참조하면, 반도체기판(100)에 주입된 이온들의 활성화를 위해 열공정 을 수행한다. 그러면, 제1 및 제2 N형 불순물 영역(120,150)은 제1 선택 트랜지스터층(121) 및 제2 선택트랜지스터층(151)으로 전환되고, 산소 이온 영역(130)과 P형 이온 영역(140)은 이격층(131)과 전극층(141)으로 전환된다. 이격층(131)은 복수 회 적층되는 전극층(141)들과, 제1 선택트랜지스터층(121) 및 제2 선택트랜지스터층(151)이 서로 격리되게 절연시키는 역할을 한다. 전극층(141)은 셀 스트링의 메모리 셀을 이루는 워드라인으로 이용되며, 이후 형성될 전하트랩층 내에 전하가 트랩될 수 있도록 일정 크기의 바이어스를 인가하기 위한 층이다. 전극층(141)에 인가되는 바이어스에 따라 프로그램 및 소거 동작을 수행할 수 있다. Referring to FIG. 4, a thermal process is performed to activate ions implanted into the semiconductor substrate 100. Then, the first and second N-type impurity regions 120 and 150 are converted into the first select transistor layer 121 and the second select transistor layer 151, and the oxygen ion region 130 and the P-type ion region 140 are changed. Is converted into the spacer layer 131 and the electrode layer 141. The separation layer 131 serves to insulate the electrode layers 141 stacked multiple times from the first selection transistor layer 121 and the second selection transistor layer 151 so as to be insulated from each other. The electrode layer 141 is used as a word line constituting a memory cell of a cell string, and is a layer for applying a bias of a predetermined size so that charge can be trapped in a charge trap layer to be formed. Program and erase operations may be performed according to a bias applied to the electrode layer 141.

도 5를 참조하면, 패시베이션막(도 3의 110)을 제거한 후, 제1 선택 트랜지스터층(121), 이격층(131)에 의해 격리되어 반복 적층된 전극층(141) 및 제2 선택 트랜지스터층(151)이 형성된 반도체기판(100) 위에 하드마스크산화막(160)을 형성하고, 반도체기판(100)을 선택적으로 노출시키는 레지스트막 패턴(170)을 형성한다. 레지스트막 패턴(170)은 채널이 형성될 영역의 반도체기판이 선택적으로 노출되게 배치된다. Referring to FIG. 5, after the passivation layer 110 is removed, an electrode layer 141 and a second selection transistor layer (I) repeatedly stacked and separated by the first selection transistor layer 121 and the separation layer 131 may be formed. A hard mask oxide film 160 is formed on the semiconductor substrate 100 on which the 151 is formed, and a resist film pattern 170 for selectively exposing the semiconductor substrate 100 is formed. The resist film pattern 170 is disposed so that the semiconductor substrate in the region where the channel is to be formed is selectively exposed.

도 6을 참조하면, 레지스트막 패턴(170)을 식각마스크로 노출된 하드마스크산화막을 식각하여 하드마스크 산화막 패턴(161)을 형성한다. 다음에, 하드마스크막 산화막 패턴(161)에 의해 노출된 반도체기판(100) 부분 예컨대, 제2 선택트랜지스터층(151), 이격층(131)에 의해 격리되어 반복 적층된 전극층(141)을 순차적으로 식각하여 반도체기판(100) 내의 제1 선택트랜지스터층(121)이 노출되게 관통홀(180)을 형성한다. 이때, 관통홀(180)의 반지름은 20 내지 50 nm 정도로 형성되 게 한다. 관통홀(180)을 형성하기 위한 식각 공정은 습식 공정 및 건식 공정을 수행할 수 있다. 제1 선택트랜지스터층(121)은 식각종료점으로 이용되며, 제1 선택트랜지스터층(121)의 표면이 노출된 시점에서 식각공정이 종료되게 할 수 있다. Referring to FIG. 6, a hard mask oxide layer 161 is exposed by etching the resist layer pattern 170 as an etch mask to form a hard mask oxide layer pattern 161. Next, a portion of the semiconductor substrate 100 exposed by the hard mask film oxide layer pattern 161, for example, the second selection transistor layer 151 and the electrode layer 141 which are repeatedly separated and separated by the spacer layer 131, are sequentially stacked. Etching to form a through hole 180 to expose the first selection transistor layer 121 in the semiconductor substrate 100. At this time, the radius of the through hole 180 is formed to about 20 to 50 nm. The etching process for forming the through hole 180 may perform a wet process and a dry process. The first selection transistor layer 121 may be used as an etching end point, and the etching process may be terminated when the surface of the first selection transistor layer 121 is exposed.

도 7을 참조하면, 레지스트막 패턴(170)을 스트립(strip)공정을 수행하여 제거한 후, 관통홀(180) 측벽에 워드라인으로 이용되는 전극층(141)으로 전하가 이동하는 것을 방지하기 위한 블로킹층(190)을 형성한다. 이때, 블로킹층(190)은 하부의 제1 선택트랜지스터층(121)이 선택적으로 노출되게 관통홀(180)의 측벽에만 선택적으로 형성한다. 블로킹층(190)은 알루미나와 같은 산화막을 포함하여 형성할 수 있으며, 8 내지 15nm 두께로 형성할 수 있다.Referring to FIG. 7, after removing the resist film pattern 170 by performing a strip process, blocking is performed to prevent charge from moving to the electrode layer 141 used as a word line on the sidewall of the through hole 180. Form layer 190. In this case, the blocking layer 190 is selectively formed only on the sidewall of the through hole 180 such that the lower first selection transistor layer 121 is selectively exposed. The blocking layer 190 may include an oxide film such as alumina, and may be formed to have a thickness of 8 to 15 nm.

구체적으로, 관통홀(180)이 형성된 반도체기판(100) 위에 블로킹물질막을 형성하고, 스페이서 식각(spacer etch)공정을 수행하여 하드마스크 산화막 패턴(161) 상부 및 관통홀(180) 바닥면에 형성된 블로킹 물질막을 식각한다. 그러면, 관통홀(180) 바닥면의 블로킹물질막이 식각되어 제1 선택트랜지스터층(121)이 노출되고, 관통홀(180) 측벽에만 선택적으로 블리킹층(190)이 형성된다. 스페이서 식각공정은 이방성 식각공정으로 수행될 수 있다. Specifically, a blocking material film is formed on the semiconductor substrate 100 on which the through hole 180 is formed, and a spacer etch process is performed to form a top surface of the hard mask oxide layer pattern 161 and a bottom surface of the through hole 180. The blocking material film is etched. Then, the blocking material film on the bottom surface of the through hole 180 is etched to expose the first selection transistor layer 121, and the blocking layer 190 is selectively formed only on the sidewall of the through hole 180. The spacer etching process may be performed by an anisotropic etching process.

도 8을 참조하면, 블로킹층(190)이 형성된 관통홀(180) 측벽에 전하트랩층(200)을 형성한다. 구체적으로, 블로킹층(190)이 형성된 반도체기판(100) 위에 전하트랩물질막을 형성하고, 스페이서 식각공정을 수행하여 하드마스크막 산화막 패턴(161) 상부 및 관통홀(180) 바닥면에 형성된 전하트랩물질막을 식각한다. 그러면, 관통홀(180) 바닥면의 전하트랩물질막이 식각되어 제1 선택트랜지스터층(121) 이 노출되고, 관통홀(180) 측벽에 형성된 블로킹층(190) 위에만 전하트랩층(200)이 형성된다. 전하트랩층(200)은 질화막을 포함하여 형성할 수 있으며, 3 내지 10nm 두께로 형성할 수 있다. 전하트랩층(200)은 이후 형성될 채널층으로부터 터널링층(190)을 관통한 전하들을 저장하는 전하 저장층으로 이용되며, 전하 트랩층(200) 내에 저장된 전하들은 전하트랩층(200) 내의 트랩 사이트에 의해 포획되어 이동이 불가능하다. Referring to FIG. 8, the charge trap layer 200 is formed on the sidewall of the through hole 180 where the blocking layer 190 is formed. Specifically, a charge trap material film is formed on the semiconductor substrate 100 on which the blocking layer 190 is formed, and a spacer etching process is performed to form a charge trap formed on the top surface of the hard mask oxide pattern 161 and on the bottom surface of the through hole 180. Etch the material film. Then, the charge trap material layer on the bottom surface of the through hole 180 is etched to expose the first select transistor layer 121, and the charge trap layer 200 is formed only on the blocking layer 190 formed on the sidewall of the through hole 180. Is formed. The charge trap layer 200 may include a nitride film and may be formed to have a thickness of 3 to 10 nm. The charge trap layer 200 is used as a charge storage layer for storing charges passing through the tunneling layer 190 from the channel layer to be formed later, and the charges stored in the charge trap layer 200 are trapped in the charge trap layer 200. It is captured by the site and cannot be moved.

도 9를 참조하면, 전하트랩층(200)이 형성된 관통홀(180) 측벽에 터널링층(210)을 형성한다. 구체적으로, 전하트랩층(200)이 형성된 반도체기판(100) 위에 터널링물질막을 형성하고, 스페이서 식각공정을 수행하여 하드마스크막 산화막 패턴(161) 상부 및 관통홀(180) 바닥면에 형성된 터널링물질막을 식각한다. 그러면, 관통홀(180) 바닥면의 전하트랩물질막이 식각되어 제1 선택트랜지스터층(121)이 노출되고, 관통홀(180) 측벽에 형성된 전하트랩층(200) 위에만 터널링층(210)이 형성된다. 터널링층(210)은 산화막을 포함하여 형성할 수 있으며, 2 내지 8nm의 두께로 형성할 수 있다.Referring to FIG. 9, the tunneling layer 210 is formed on the sidewall of the through hole 180 where the charge trap layer 200 is formed. Specifically, the tunneling material layer is formed on the semiconductor substrate 100 on which the charge trap layer 200 is formed, and the spacer etching process is performed to form the tunneling material on the top surface of the hard mask oxide layer pattern 161 and the bottom surface of the through hole 180. Etch the membrane. Then, the charge trap material layer on the bottom surface of the through hole 180 is etched to expose the first select transistor layer 121, and the tunneling layer 210 is formed only on the charge trap layer 200 formed on the sidewall of the through hole 180. Is formed. The tunneling layer 210 may include an oxide film and may have a thickness of 2 to 8 nm.

도 10을 참조하면, 제1 선택트랜지스터층(121)이 노출된 관통홀(180)을 매립하는 채널층(220)을 형성한다. 채널층(220)은 불순물이 도핑된 폴리실리콘막을 포함하여 형성할 수 있다. 채널층(220)은 제1 선택트랜지스터층(121), 이격층(131)에 의해 격리되어 반복 적층되는 전극층(141) 및 제2 선택트랜지스터층(151)이 공유되는 채널 영역으로 이용된다. Referring to FIG. 10, the channel layer 220 filling the through hole 180 where the first selection transistor layer 121 is exposed is formed. The channel layer 220 may include a polysilicon layer doped with impurities. The channel layer 220 is used as a channel region in which the electrode layer 141 and the second selection transistor layer 151, which are separated by the first selection transistor layer 121 and the separation layer 131 and are repeatedly stacked, are shared.

도 11을 참조하면, 채널층(220)에 평탄화 공정을 수행하여 제2 선택트랜지스 터층(151)의 상부 표면을 노출시키고, 제2 선택트랜지스터층(151) 및 채널층(220)위에 산화막(230)을 형성하여 채널층(220)이 분리되게 한다. Referring to FIG. 11, a planarization process is performed on the channel layer 220 to expose an upper surface of the second select transistor layer 151, and an oxide layer may be formed on the second select transistor layer 151 and the channel layer 220. 230 to form a channel layer 220 to be separated.

이와 같이 반도체기판 내에 이온주입공정을 수행하여 제1 선택트랜지스터, 이격층에 격리되어 반복 적층되는 전극층과, 전극층 위에 제2 선택트랜지스터를 순차적으로 배열하고, 제1 선택트랜지스터, 이격층에 의해 반복 적층되는 전극층, 및 제2 선택트랜지스터를 수직한 방향으로 관통하는 채널층을 형성하여, 수직한 방향으로 채널 영역을 공유하는 수직형 불휘발성 메모리 소자를 형성할 수 있다. 따라서, 불휘발성 메모리 소자의 복잡한 프로세스 플로우를 보다 간소화시킴으로써 용이하게 메모리 소자를 제조할 수 있으며, 또한, 핫 홀 소거 동작을 적용하여 프로그램 및 소거 윈도우를 크게 증가시킬 수 있다. In this way, the ion implantation process is performed in the semiconductor substrate to sequentially stack the first selective transistor and the electrode layer which are repeatedly stacked on the separation layer, and the second selection transistor is sequentially stacked on the electrode layer, and repeatedly stacked by the first selection transistor and the separation layer. The electrode layer and the channel layer penetrating the second selection transistor in a vertical direction may be formed to form a vertical nonvolatile memory device that shares the channel region in the vertical direction. Therefore, the memory device can be easily manufactured by simplifying the complicated process flow of the nonvolatile memory device, and the hot hole erase operation can be applied to greatly increase the program and erase window.

이상 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능함은 당연하다.Although the present invention has been described in detail with reference to preferred embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications may be made by those skilled in the art within the technical spirit of the present invention. Do.

도 1은 본 발명의 따른 수직형 플래시 메모리 소자를 설명하기 위핸 나타내 보인 도면이다. 1 is a view illustrating a vertical flash memory device according to the present invention.

도 2 내지 도 10은 본 발명에 따른 수직형 플래시 메모리 소자의 제조 방법을 설명하기 위해 나타내 보인 도면들이다. 2 to 10 are views illustrating a method of manufacturing a vertical flash memory device according to the present invention.

Claims (14)

기판;Board; 상기 기판 내에 형성된 제1 선택트랜지스터층; A first select transistor layer formed in the substrate; 상기 제1 선택트랜지스터층 위에 산소 이온이 주입되어 형성된 이격층에 의해 격리되어 불순물이온이 주입되어 반복 형성된 전극층;An electrode layer which is repeatedly formed by being implanted with impurity ions isolated from the separation layer formed by implanting oxygen ions on the first selection transistor layer; 상기 전극층 위에 이격층에 의해 격리되어 형성된 제2 선택트랜지스터층; A second selective transistor layer formed on the electrode layer by isolation from the spacer layer; 상기 제1 선택트랜지스터층, 이격층 및 전극층을 관통하고, 상기 제1 선택트랜지스터층을 선택적으로 노출시키는 관통홀 측벽에 형성된 블로킹층, 전하트랩층 및 터널링층; 및 A blocking layer, a charge trap layer, and a tunneling layer formed on sidewalls of the through-holes penetrating through the first selection transistor layer, the separation layer, and the electrode layer, and selectively exposing the first selection transistor layer; And 상기 블로킹층, 전하트랩층 및 터널링층이 형성된 관통홀에 형성되어 상기 기판 내에 형성된 상기 제1 선택트랜지스터층, 전극층 및 제2 선택트랜지스터층을 수직한 방향으로 채널을 공유하는 채널층을 포함하는 수직형 불휘발성 메모리 소자. A vertical layer including a channel layer formed in the through-hole in which the blocking layer, the charge trap layer, and the tunneling layer are formed, and sharing the channel in a direction perpendicular to the first selection transistor layer, the electrode layer, and the second selection transistor layer formed in the substrate; Type nonvolatile memory device. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 채널층이 형성된 기판 위에 상기 채널층을 분리시키기 위해 형성된 하드마스크 산화막을 더 포함하는 수직형 불휘발성 메모리 소자.And a hard mask oxide layer formed on the substrate on which the channel layer is formed to separate the channel layer. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제1 선택트랜지스터층 및 제2 선택트랜지스터층은 N형 불순물 이온이 주입된 영역으로 이루어지고, 상기 전극층은 P형 불순물 이온이 주입된 영역으로 이루어지는 수직형 불휘발성 메모리 소자.And the first selection transistor layer and the second selection transistor layer are formed of regions implanted with N-type impurity ions, and the electrode layer is composed of regions implanted with P-type impurity ions. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 채널층은 폴리실리콘막을 포함하여 이루어지는 수직형 불휘발성 메모리 소자. And the channel layer comprises a polysilicon layer. 기판 내에 불순물 이온을 주입하여 제1 선택 트랜지스터층을 형성하는 단계; Implanting impurity ions into the substrate to form a first selection transistor layer; 상기 제1 선택 트랜지스터층 위에 산소 이온 및 불순물 이온을 교대로 복수 회 주입하여 이격층에 의해 격리되는 전극층을 반복 형성하는 단계; Repeatedly forming an electrode layer isolated by the separation layer by alternately implanting oxygen ions and impurity ions on the first selection transistor layer; 상기 전극층과 격리되게 불순물 이온을 주입하여 제2 선택트랜지스터층을 형성하는 단계; Implanting impurity ions to be isolated from the electrode layer to form a second select transistor layer; 상기 제2 선택트랜지스터층, 이격층에 의해 격리되는 전극층을 선택적으로 식각하여 상기 제1 선택트랜지스터층을 노출시키는 관통홀을 형성하는 단계; Selectively etching the electrode layers separated by the second selection transistor layer and the separation layer to form a through hole exposing the first selection transistor layer; 상기 관통홀의 측벽에 블로킹층, 전하트랩층 및 터널링층을 순차적으로 형성하는 단계; 및 Sequentially forming a blocking layer, a charge trap layer, and a tunneling layer on sidewalls of the through hole; And 상기 불로킹층, 전하트랩층 및 터털링층이 형성된 관통홀을 매립하여 상기 제1 선택트랜지스터층, 전극층 및 제2 선택트랜지스터층과 수직한 방향으로 채널을 공유하는 채널층을 형성하는 단계를 포함하는 수직형 불휘발성 메모리 소자의 제조 방법. Filling a through hole in which the blocking layer, the charge trap layer, and the terminating layer are formed to form a channel layer sharing a channel in a direction perpendicular to the first selection transistor layer, the electrode layer, and the second selection transistor layer; Method of manufacturing a nonvolatile memory device. 제5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 제1 선택 트랜지스터층 및 제2 선택 트랜지스터층을 형성하는 단계는, N형 불순물 이온을 주입하여 형성하는 수직형 불휘발성 메모리 소자의 제조 방법. The forming of the first selection transistor layer and the second selection transistor layer may be performed by implanting N-type impurity ions. 제5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 전극층은 P형 불순물 이온을 주입하여 형성하는 수직형 불휘발성 메모리 소자의 제조 방법.And the electrode layer is formed by implanting P-type impurity ions. 제5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 제2 선택트랜지스터층을 형성한 이후에, 상기 기판 내에 주입된 이온들의 활성화를 위한 열공정을 수행하는 단계를 더 포함하는 수직형 불휘발성 메모리 소자의 제조 방법. And forming a thermal process for activating ions implanted in the substrate after forming the second select transistor layer. 제5항에 있어서, The method of claim 5, 상기 블로킹 층, 전하트랩층 및 터널링층을 형성하는 단계는,Forming the blocking layer, the charge trap layer and the tunneling layer, 상기 관통홀이 형성된 기판 위에 블로킹물질막을 형성하는 단계; Forming a blocking material film on the substrate on which the through hole is formed; 상기 블로킹물질막에 스페이서 식각공정을 수행하여 상기 기판 위 및 관통홀 바닥에 형성된 블로킹물질막을 제거하여 상기 관통홀 측벽에 블로킹층을 형성하는 단계: Performing a spacer etching process on the blocking material film to remove the blocking material film formed on the substrate and the bottom of the through hole to form a blocking layer on the sidewall of the through hole; 상기 블로킹층이 형성된 기판 위에 전하트랩물질막을 형성하는 단계; Forming a charge trap material film on the substrate on which the blocking layer is formed; 상기 전하트랩물질막에 스페이서 식각공정을 수행하여 상기 기판 위 및 관통홀 바닥에 형성된 전하트랩물질막을 제거하여 상기 블로킹층 위에 전하트랩층을 형성하는 단계: Forming a charge trap layer on the blocking layer by performing a spacer etching process on the charge trap material layer to remove the charge trap material layer formed on the substrate and at the bottom of the through hole; 상기 전하트랩층이 형성된 기판 위에 터널링물질막을 형성하는 단계; 및 Forming a tunneling material film on the substrate on which the charge trap layer is formed; And 상기 터널링물질막에 스페이서 식각공정을 수행하여 상기 기판 위 및 관통홀 바닥에 형성된 터널링물질막을 제거하여 상기 전하트랩층 위에 터널링층을 형성하는 단계로 이루어지는 수직형 불휘발성 메모리 소자의 제조 방법. And forming a tunneling layer on the charge trap layer by removing the tunneling material layer formed on the substrate and the bottom of the through hole by performing a spacer etching process on the tunneling material layer. 제9항에 있어서,10. The method of claim 9, 상기 블로킹물질막은 알루미나막 또는 산화막을 포함하여 형성하는 수직형 불휘발성 메모리 소자의 제조 방법. The blocking material layer may include an alumina layer or an oxide layer. 제9항에 있어서,10. The method of claim 9, 상기 전하트랩물질막은 질화막을 포함하여 형성하는 수직형 불휘발성 메모리 소자의 제조 방법. And the charge trap material film is formed of a nitride film. 제9항에 있어서,10. The method of claim 9, 상기 터널링물질막은 산화막을 포함하여 형성하는 수직형 불휘발성 메모리 소자의 제조 방법. The tunneling material layer may include an oxide layer. 제5항에 있어서, The method of claim 5, 상기 채널층은 폴리실리콘막을 포함하여 형성하는 수직형 불휘발성 메모리 소자의 제조 방법. And the channel layer comprises a polysilicon layer. 제5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 채널층을 형성하는 단계 이후에, After forming the channel layer, 상기 채널층이 형성된 기판 위에 상기 채널층을 분리하는 하드마스크 산화막을 형성하는 단계를 더 포함하는 수직형 불휘발성 메모리 소자의 제조 방법. And forming a hard mask oxide layer separating the channel layer on the substrate on which the channel layer is formed.
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