JP2004193598A - Nonvolatile semiconductor memory device and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、不揮発性半導体記憶装置及びその製造方法に係り、特に高性能化、高集積化及び歩留り向上を実現する方法に関する。 The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory device and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a method for achieving high performance, high integration, and improved yield.
フラッシュメモリは携帯性、耐衝撃性に優れ、電気的に一括消去が可能なことから、近年、携帯型パーソーナルコンピュータやデジタルスチルカメラ、ビデオカメラ等の小型携帯情報機器のファイルとして急速に需要が拡大している。その市場の拡大にはメモリセル面積の縮小によるビットコストの低減とコンテンツの短時間ダウンロードに対応した高速書込みが必須であり、これを実現するメモリセル方式が提案されている。そのうちの1つとして、3層ポリシコンゲートを用いた仮想接地型のメモリセルがある(例えば、特許文献1または特許文献2参照)。このメモリセルは、図15に示したように、シリコン基板201中のウェル202、ウェル中のソース、ドレイン拡散層領域203、203'、及びウェル上に形成されたポリシリコン膜からなる第1のゲートとなる浮遊ゲート204、第2のゲートとなる制御ゲート205、消去ゲートとスプリットチャネルを制御するゲートの少なくとも1つの機能を有する第3のゲート206の3つのゲートから構成される。各々のポリシリコンゲート204、205、206間及びポリシリコンゲートとウェル202間は絶縁膜207、208、209、210、211により分離されている。制御ゲート205は行方向に接続されワード線を構成している。ソース及びドレイン拡散層203、203'は隣接するメモリセルの拡散層を共用する仮想接地型であり、これにより行方向のピッチ縮小を図っている。第3のゲート206はチャネルと垂直で、かつ、ワード線205と垂直に配置される。書込みの際は、ワード線205、ドレイン203及び第3ゲート206にそれぞれ独立した正の電圧を印加し、ウェル202、ソース203'は0Vとする。これにより第3のゲートと浮遊ゲート境界部のチャネルでホットエレクトロンが発生し、浮遊ゲート204に注入される。これによりメモリセルのしきい値が上昇する。消去の際は、第3ゲート206に正電圧、ワード線205に負電圧を印加し、ソース203'、ドレイン203、及びウェル202は0Vとする。これにより浮遊ゲート204から第3ゲート206に電子が放出され、しきい値が低下する。あるいは、ワード線205に負電圧を印加し、第3ゲート206、ソース203'、ドレイン203、及びウェル202は0Vとする。これにより浮遊ゲート204からウェル202に電子が放出され、しきい値が低下する。このようなメモリセルトランジスタのしきい値電圧を変化させることにより情報の“0”“1”を判別している。
Flash memory is excellent in portability and shock resistance, and can be erased electrically collectively. In recent years, flash memory has been rapidly demanded as a file for small portable information devices such as portable personal computers, digital still cameras, and video cameras. Is expanding. In order to expand the market, it is essential to reduce bit cost by reducing the memory cell area and to perform high-speed writing corresponding to short-time downloading of content. A memory cell method for realizing this is proposed. One of them is a virtual ground type memory cell using a three-layered polysilicon gate (for example, see
しかしながら、上記した不揮発性半導体記憶装置の大容量化を図ろうとした場合、新たな課題が生じてきた。
まず第1は、メモリセルの書込み/消去時、特に消去時の内部動作電圧の低減である。一般にフラッシュメモリにおいては、制御ゲート電圧Vcgと浮遊ゲートVfgの間には以下の関係式が成り立つ。
However, when trying to increase the capacity of the above-mentioned nonvolatile semiconductor memory device, a new problem has arisen.
The first is to reduce the internal operating voltage at the time of writing / erasing a memory cell, particularly at the time of erasing. Generally, in a flash memory, the following relational expression holds between the control gate voltage Vcg and the floating gate Vfg.
Vfg=Vcg・C2/(C1+C2+Cag+Cfg) (1)式
ここでC1は浮遊ゲートとSi基板間の絶縁膜(トンネル絶縁膜)容量、C2は浮遊ゲートと制御ゲート間の絶縁膜(ポリSi層間絶縁膜)容量、Cagは浮遊ゲートと第3ゲート間の絶縁膜容量、Cfgは隣接するワード線下に存在する浮遊ゲート間の絶縁膜容量である。C2/(C1+C2+Cag+Cfg)はカップリング比と呼ばれる。制御ゲートに印加された電圧を効率良く浮遊ゲートに伝達し、より低い内部電圧で書込み/消去を行うためにはこのカップリング比を増大することが必須である。そのためには(1)ポリSi層間絶縁膜容量C2を大きくする、(2)第3ゲート−浮遊ゲート間膜厚を増大してCagを低減する、(3)浮遊ゲートの断面形状をU字型あるいはフィン型として断面積を低減し、対向する浮遊ゲート間絶縁膜容量Cfgを低減することが重要となる。C2を増大するためには浮遊ゲートの表面積を増大することが必要である。しかしながら上記した公知例では、浮遊ゲート204の表面積が小さく、動作電圧の低減が難しいという問題があった。本課題は浮遊ゲートとSi基板間の絶縁膜210に高電圧を印加し、トンネル現象により浮遊ゲートに蓄積された電子を基板に放出する消去動作の際、特に重要である。また、1つのメモリセルに2ビット分のデータを記憶するいわゆる多値記憶型のフラッシュメモリにおいては、書込み状態と消去状態でメモリセルしきい値電圧の差を大きくとる必要があり、書込み/消去動作時間を低減するためにはカップリング比の向上は不可欠である。
Vfg = Vcg · C2 / (C1 + C2 + Cag + Cfg) (1) where C1 is the capacitance of the insulating film (tunnel insulating film) between the floating gate and the Si substrate, and C2 is the insulating film between the floating gate and the control gate. (Poly-Si interlayer insulating film) Capacitance, Cag is the insulating film capacitance between the floating gate and the third gate, and Cfg is the insulating film capacitance between the floating gates existing under the adjacent word lines. C2 / (C1 + C2 + Cag + Cfg) is called the coupling ratio. In order to efficiently transmit the voltage applied to the control gate to the floating gate and perform writing / erasing with a lower internal voltage, it is necessary to increase the coupling ratio. To do so, (1) increase the capacitance C2 of the poly-Si interlayer insulating film, (2) increase the thickness between the third gate and the floating gate to reduce Cag, and (3) make the floating gate have a U-shaped cross section. Alternatively, it is important to reduce the cross-sectional area as a fin type and reduce the capacitance Cfg between the floating gate insulating films facing each other. To increase C2, it is necessary to increase the surface area of the floating gate. However, in the above-described known example, there is a problem that the surface area of the
第2は書込みばらつきの低減と第3ゲートの微細化である。上記公知例のうち特許文献2には、3層ポリシコンゲートを用いた仮想接地型メモリセルの様々な形成方法が論じられている。このうち第3ゲート206を形成後、浮遊ゲート204を形成する方法においては、トンネル絶縁膜210を熱酸化により形成する際、先に形成した第3ゲート206下端部が酸化され、同部のゲート酸化膜厚が厚くなってしまう、いわゆるゲートバーズビークが生じるという問題があった。これは、トンネル絶縁膜を形成する際の洗浄工程で第3ゲート下端部のゲート酸化膜が除去されてしまい、第3ゲートポリシリコン膜の下端部が酸化されてしまうためである。本ゲートバーズビークの伸長は第3ゲートにより形成されるMOSトランジスタのしきい値電圧のばらつきの原因となり、メモリセル間の書込みばらつきを増大させるという不具合を生じる。メモリセル間の書込みばらつきが増大すると、多値記憶型のフラッシュメモリにおいては、所望のしきい値状態に到達したか否かを判別するベリファイ回数が増加し、チップの書込み時間が増大してしまう。また、本ゲートバーズビークの伸長により第3ゲートのゲート酸化膜厚が増大すると、第3ゲートにより形成されるMOSトランジスタのパンチスルー耐性が低下し、ゲート長の縮小が困難となる。
The second is a reduction in variation in writing and miniaturization of the third gate. Among the above known examples,
第3はワード線の微細化である。一般に大容量フラッシュメモリでは、ワード線を最小加工寸法でパターニングすることによりメモリセルの微細化を図っている。このためには、ワード線をパターニングする際のリソグラフィ工程で十分なフォーカスマージンを確保する必要がある。このためには、下地段差を極力低減することが課題となる。 Third is miniaturization of word lines. Generally, in a large-capacity flash memory, a memory cell is miniaturized by patterning a word line with a minimum processing dimension. For this purpose, it is necessary to secure a sufficient focus margin in a lithography process when patterning a word line. For this purpose, it is necessary to reduce the base step as much as possible.
以上、3層ポリシコンゲートを用いた仮想接地型メモリセルの微細化、高性能化に関する課題を解決するための新たな不揮発性半導体記憶装置及びその製造方法の開発が望まれていた。 As described above, development of a new nonvolatile semiconductor memory device and a method of manufacturing the same to solve the problems related to miniaturization and higher performance of a virtual ground type memory cell using a three-layered polysilicon gate have been desired.
本発明の目的は、3層ポリシコンゲートを用いた仮想接地型メモリセルの微細化、高性能化および歩留まり向上に関する新たな不揮発性半導体記憶装置及びその製造方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide a new nonvolatile semiconductor memory device related to miniaturization, higher performance and improved yield of a virtual ground type memory cell using a three-layered polysilicon gate, and a method of manufacturing the same.
上記課題はシリコン基板中に形成された第1導電型のウェルと、該ウェル中に形成された第2導電型のソース/ドレイン拡散層領域と、該拡散層領域に対し垂直方向に形成されたチャネルと、該シリコン基板上に絶縁膜を介して形成された第1のゲートである浮遊ゲートと、該浮遊ゲートと絶縁膜を介して形成された第2のゲートである制御ゲートと、該制御ゲートを接続して形成されたワード線と、該シリコン基板、浮遊ゲート、制御ゲートと絶縁膜を介して形成され、浮遊ゲート及び制御ゲートとは機能の異なる第3ゲートを有するメモリセルを構成要素の1つとした不揮発性半導体記憶装置において、該浮遊ゲートの端部のうち制御ゲートと垂直な方向に存在する2つの端部のそれぞれが第3ゲートの上部に絶縁膜を介して乗り上げるように配置することにより達成される。 The object is to form a well of a first conductivity type formed in a silicon substrate, a source / drain diffusion layer region of a second conductivity type formed in the well, and to be formed in a direction perpendicular to the diffusion layer region. A channel, a floating gate which is a first gate formed on the silicon substrate via an insulating film, a control gate which is a second gate formed via the floating gate and the insulating film, A memory cell having a word line formed by connecting the gates and a third gate formed through the silicon substrate, the floating gate, the control gate, and the insulating film, and having a different function from the floating gate and the control gate is included. In the nonvolatile semiconductor memory device, one of the two ends of the floating gate which is present in a direction perpendicular to the control gate rides on the upper part of the third gate via an insulating film. It is achieved by Uni arrangement.
上記浮遊ゲートは、第3ゲートの隙間に配置され、該隙間を完全には充填していないことを特徴とする。
上記浮遊ゲートは、その表面積を、第3ゲートスペース内の側壁部がA、第3ゲートスペース内の底部がB、第3ゲート上部の平坦部がC及び第3ゲート上部の側壁部がDとした時、
A>B+C+D
である。
上記第3ゲートがスプリットチャネルを制御するゲートである。
あるいは、上記第3ゲートが消去ゲートとスプリットチャネルを制御するゲートの両方の機能を有する。
なお、上記第3のゲートとウェル間の絶縁膜が周辺回路低圧系部のゲート絶縁膜と同一であることが好ましい。
また、上記第3のゲートの構成材料及び膜厚が周辺回路のゲートと同一であることが好ましい。
The floating gate is disposed in a gap between the third gates, and does not completely fill the gap.
The floating gate has a surface area of A in the side wall in the third gate space, B in the bottom in the third gate space, C in the flat part in the upper part of the third gate, and D in the side wall in the upper part of the third gate. When you do
A> B + C + D
It is.
The third gate is a gate for controlling the split channel.
Alternatively, the third gate has both functions of an erase gate and a gate for controlling the split channel.
Preferably, the insulating film between the third gate and the well is the same as the gate insulating film in the peripheral circuit low-voltage system.
It is preferable that the material and the thickness of the third gate be the same as those of the peripheral circuit.
更に上記課題はシリコン基板中に形成された第1導電型のウェルと、該ウェル中に形成された第2導電型のソース/ドレイン拡散層領域と、該拡散層領域に対し垂直方向に形成されたチャネルと、該シリコン基板上に絶縁膜を介して形成された第1のゲートである浮遊ゲートと、該浮遊ゲートと絶縁膜を介して形成された第2のゲートである制御ゲートと、該制御ゲートを接続して形成されたワード線と、該シリコン基板、浮遊ゲート、制御ゲートと絶縁膜を介して形成され、浮遊ゲート及び制御ゲートとは機能の異なる第3ゲートを有するメモリセルを構成要素の1つとした不揮発性半導体記憶装置において、ワード線と金属配線を接続するコンタクト孔が第3ゲートと同一の材料、膜厚を有する部材上に絶縁膜を介して配置されることにより達成される。
この際、上記部材がポリシリコン膜であることが好ましい。
Further, the object is to form a first conductivity type well formed in a silicon substrate, a second conductivity type source / drain diffusion layer region formed in the well, and to be formed in a direction perpendicular to the diffusion layer region. A floating gate which is a first gate formed on the silicon substrate via an insulating film, a control gate which is a second gate formed via the floating gate and the insulating film, A memory cell having a word line formed by connecting the control gate and a third gate formed through the silicon substrate, the floating gate, the control gate and the insulating film, and having different functions from the floating gate and the control gate. In the nonvolatile semiconductor memory device which is one of the elements, a contact hole for connecting a word line and a metal wiring is arranged on a member having the same material and thickness as the third gate via an insulating film. Ri is achieved.
In this case, it is preferable that the member is a polysilicon film.
更に上記課題は、シリコン基板中に形成された第1導電型のウェルと、該ウェル中に形成された第2導電型のソース/ドレイン拡散層領域と、該拡散層領域に対し垂直方向に形成されたチャネルと、該シリコン基板上に絶縁膜を介して形成された第1のゲートである浮遊ゲートと、該浮遊ゲートと絶縁膜を介して形成された第2のゲートである制御ゲートと、該制御ゲートを接続して形成されたワード線と、該シリコン基板、浮遊ゲート、制御ゲートと絶縁膜を介して形成され、浮遊ゲート及び制御ゲートとは機能の異なる第3ゲートを有するメモリセルを構成要素の1つとした不揮発性半導体記憶装置において、複数の第3ゲートを結束する結束部の下のシリコン基板中に、第2導電型の不純物領域が形成されていることにより達成される。
この際、上記第2導電型のソース/ドレイン拡散層領域と第2導電型の不純物領域、及び第2導電型のソース/ドレイン拡散層領域を選択する選択トランジスタの拡散層領域が接続されている。
Further, the object is to form a well of a first conductivity type formed in a silicon substrate, a source / drain diffusion layer region of a second conductivity type formed in the well, and a vertical direction with respect to the diffusion layer region. A floating gate which is a first gate formed on the silicon substrate via an insulating film, a control gate which is a second gate formed via the floating gate and the insulating film, A memory cell having a word line formed by connecting the control gate and a third gate formed through the silicon substrate, the floating gate, the control gate and the insulating film, and having a different function from the floating gate and the control gate. In the nonvolatile semiconductor memory device which is one of the constituent elements, this is achieved by forming the second conductivity type impurity region in the silicon substrate below the binding portion that binds the plurality of third gates.
At this time, the source / drain diffusion layer region of the second conductivity type, the impurity region of the second conductivity type, and the diffusion layer region of the selection transistor for selecting the source / drain diffusion layer region of the second conductivity type are connected. .
更に上記課題は、シリコン基板中に形成された第1導電型のウェルと、該ウェル中に形成された第2導電型のソース/ドレイン拡散層領域と、該拡散層領域に対し垂直方向に形成されたチャネルと、該シリコン基板上に絶縁膜を介して形成された第1のゲートである浮遊ゲートと、該浮遊ゲートと絶縁膜を介して形成された第2のゲートである制御ゲートと、該制御ゲートを接続して形成されたワード線と、該シリコン基板、浮遊ゲート、制御ゲートと絶縁膜を介して形成され、浮遊ゲート及び制御ゲートとは機能の異なる第3ゲートを有するメモリセルを構成要素の1つとした不揮発性半導体記憶装置の製造方法において、半導体基板上に複数のウェルを形成する工程、該ウェル上に膜厚の異なる第1及び第2のゲート絶縁膜を形成する工程、該第1及び第2のゲート絶縁膜上に第1のポリシリコン膜を形成する工程、該第1のポリシリコン膜をパターニングし、第1方向のライン・アンド・スペースを形成する工程、該スペースに第3のゲート絶縁膜を形成する工程、第2のポリシリコン膜を形成する工程、該第2のポリシリコン膜を第1方向にパターニングする工程、ポリシリコン層間絶縁膜を形成する工程、第3のポリシリコン膜を形成する工程、該第3のポリシリコン膜と第2のポリシリコンを第1方向とは直交する第2方向にパターニングする工程、第1のポリシリコン膜を再度パターニングする工程を含むことにより達成される。 Further, the object is to form a well of a first conductivity type formed in a silicon substrate, a source / drain diffusion layer region of a second conductivity type formed in the well, and a vertical direction with respect to the diffusion layer region. A floating gate which is a first gate formed on the silicon substrate via an insulating film, a control gate which is a second gate formed via the floating gate and the insulating film, A memory cell having a word line formed by connecting the control gate and a third gate formed through the silicon substrate, the floating gate, the control gate and the insulating film, and having a different function from the floating gate and the control gate. In a method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device as one of the constituent elements, a step of forming a plurality of wells on a semiconductor substrate and a step of forming first and second gate insulating films having different thicknesses on the wells. Forming a first polysilicon film on the first and second gate insulating films, patterning the first polysilicon film to form a line and space in a first direction, Forming a third gate insulating film in a space, forming a second polysilicon film, patterning the second polysilicon film in a first direction, forming a polysilicon interlayer insulating film, Forming a third polysilicon film, patterning the third polysilicon film and the second polysilicon in a second direction orthogonal to the first direction, and patterning the first polysilicon film again It is achieved by including a step.
この際、上記該第1のポリシリコン膜をパターニングし、第1方向のライン・アンド・スペースを形成する工程はメモリセルアレイ部でのみ行なうことを特徴とする。
この際、上記第1及び第3のゲート絶縁膜の膜厚は、第1ゲート絶縁膜の方が厚いことが好ましい。
また、上記第1のポリシリコン膜により第1方向のライン・アンド・スペースを形成した後、該ポリシリコン膜の側壁に絶縁膜のサイドウォールを形成し、その後第3のゲート酸化膜を形成することが好ましい。
At this time, the step of patterning the first polysilicon film to form a line and space in the first direction is performed only in the memory cell array portion.
At this time, it is preferable that the first and third gate insulating films have a larger thickness than the first gate insulating film.
After forming a line and space in the first direction by the first polysilicon film, a sidewall of an insulating film is formed on a side wall of the polysilicon film, and then a third gate oxide film is formed. Is preferred.
更に、上記第1のポリシリコン膜は第1方向のライン・アンド・スペースの端部でライン部が結束されるようにパターニングされる。
この場合、上記第1のポリシリコン膜パターンの結束部の下に、パターニング前に第2導電型の不純物を導入することを特徴とする。
この際、上記第2のポリシリコン膜の第1の方向パターニングは、第1のポリシリコン膜パターンのライン上で行なう。
あるいは、第2のポリシリコン膜の第1の方向パターニングは、第1のポリシリコン膜パターンのスペース内に埋め込むように行なう。
Further, the first polysilicon film is patterned such that the line portions are bound at the end of the line and space in the first direction.
In this case, a second conductivity type impurity is introduced below the binding portion of the first polysilicon film pattern before patterning.
At this time, the first direction patterning of the second polysilicon film is performed on the line of the first polysilicon film pattern.
Alternatively, the first direction patterning of the second polysilicon film is performed so as to be embedded in the space of the first polysilicon film pattern.
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果は以下の通りである。
不揮発性半導体記憶装置のメモリセル面積を縮小することが可能である。
不揮発性半導体記憶装置の動作速度の向上が図れる。
不揮発性半導体記憶装置の歩留りの向上が図れる。
The effects obtained by typical aspects of the invention disclosed in the present application are as follows.
It is possible to reduce the memory cell area of the nonvolatile semiconductor memory device.
The operation speed of the nonvolatile semiconductor memory device can be improved.
The yield of the nonvolatile semiconductor memory device can be improved.
本発明の実施の形態について以下に具体的に説明する。 Embodiments of the present invention will be specifically described below.
<実施例1>
図1から図6を用いて、本発明の実施例1を説明する。図1はフラッシュメモリセルを行列状に配置したメモリアレイの構成を示す回路図、図2はメモリセルアレイの平面図であり、図3は図2のA-A'、B-B'、C-C'、D-D'それぞれで切断した断面図、図4から図6は断面図によりメモリセル及び周辺回路の製造工程を示した図、図16から図18は図2のE'-E断面部の製造工程を示したものである。
<Example 1>
First Embodiment A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a memory array in which flash memory cells are arranged in rows and columns, FIG. 2 is a plan view of the memory cell array, and FIG. 3 is a diagram showing AA ′, BB ′, and C− in FIG. 4 to 6 are cross-sectional views showing manufacturing steps of a memory cell and a peripheral circuit, and FIGS. 16 to 18 are cross-sectional views taken along the line E′-E of FIG. 5 shows a manufacturing process of the part.
図1においてGDLはグローバルデータ線、LDLはローカルデータ線を表しており、本メモリセルアレイは階層化データ線構造を有している。WLはワード線、AGは第3ゲート(アシストゲート、Assist Gate)である。STは選択トランジスタのゲート配線、SLは共通ソース線である。 In FIG. 1, GDL represents a global data line, LDL represents a local data line, and the present memory cell array has a hierarchical data line structure. WL is a word line, and AG is a third gate (Assist Gate). ST is a gate wiring of the selection transistor, and SL is a common source line.
図3及び図6(e)に示したように、本メモリセルはシリコン基板101に形成されたp型ウェル104中のソース/ドレイン拡散層113、第1のゲートである浮遊ゲート115b、第2のゲートである制御ゲート117a、及び第3のゲート109aから構成される。各メモリセルの制御ゲート117aは行方向に接続され、ワード線を形成している。浮遊ゲート115bとウェル103はゲート絶縁膜114に、第3のゲート109aとウェル103はゲート絶縁膜108に、浮遊ゲート115bと第3のゲート109aは絶縁膜114aに、浮遊ゲート115bとワード線117aは絶縁膜116aに、第3のゲート109aとワード線117aは絶縁膜110aにより、それぞれ分離されている。ソース/ドレイン拡散層113はワード線117aに垂直に配置され、列方向のメモリセルのソース/ドレインを接続するローカルソース線及びローカルデータ線として存在する。すなわち、本不揮発性半導体記憶装置は、メモリセル毎にコンタクト孔を持たないいわゆるコンタクトレス型のアレイから構成される。この拡散層113に垂直な方向にチャネルが形成される。
As shown in FIGS. 3 and 6 (e), this memory cell includes a source /
第3のゲート109aの2つの端面は、上記浮遊ゲート115bの端面のうちワード線117a及びチャネルとそれぞれ垂直な方向に存在する2つの端面と、それぞれ絶縁膜114aを介して対向して存在する。浮遊ゲート115bは、ワード線117a及びチャネルと垂直な方向に存在する第3のゲート109aの隙間に配置される。さらに、浮遊ゲート115bが第3のゲート109aに対し対称に、また上記第3のゲート109aが浮遊ゲート115bに対し対称に存在する。
Two end surfaces of the
なお、本実施形態においては、ソース/ドレインを形成する1対の拡散層113が浮遊ゲートパターン115bに対し非対称の位置関係にあり、一方の拡散層が浮遊ゲートとオーバーラップしないオフセット構造となっている。また、第3のゲート109aと拡散層113はそれぞれの一部分がオーバーラップするように存在する。
In this embodiment, the pair of
次に書込み、消去、読出し動作を図7から図9及び表1を用いて説明する。 Next, write, erase, and read operations will be described with reference to FIGS. 7 to 9 and Table 1.
まず、図7の選択セルPSC1を書込む場合、ワード線WLmに正の大きな電圧、例えば13.5V程度を、また、第3のゲートAGoには1.1V程度の低い電圧を印加する。また、グローバルデータ線GDLmには4.5V程度を印加し、これを選択トランジスタST1を介してローカルデータ線LDLmRに給電する。ソースLDLm+1L及びpウェルは0Vに保持する。これにより第3のゲート109a下のウェル中にチャネルが形成され、ソース側の浮遊ゲート端部のチャネルでホットエレクトロンが発生し、浮遊ゲートに電子が注入される。つまり第3のゲート109aはその下部に存在するチャネルを制御するゲートとして機能する。本メモリセルによれば、従来のNOR型フラッシュメモリに比べホットエレクトロンの発生及び注入効率が増大し、チャネル電流の小さな領域での書込みが可能となる。従って、トンネル現象により書込みを行なうフラッシュメモリチップと同程度の電流供給能力をもつ内部電源で、キロバイトオーダー以上の多数個のメモリセルの並列書込みが可能となり、書込みスループットの向上が図れる。
First, when writing the selected cell PSC1 of FIG. 7, a large positive voltage, for example, about 13.5 V, is applied to the word line WLm, and a low voltage of about 1.1 V is applied to the third gate AGo. Further, about 4.5 V is applied to the global data line GDLm, and this is supplied to the local data line LDLmR via the selection transistor ST1. The source LDLm + 1L and the p well are kept at 0V. As a result, a channel is formed in the well below the
消去の際は、図8に示したように、ワード線WLmに負の大きな電圧、例えば−18Vを印加する。この際、第3のゲートAGe及びAGo、すべてのソース/ドレイン拡散層DL、及びウェルは0Vに保持する。あるいは、ワード線WLmに負の大きな電圧、例えば−16Vを、ウェルに正電圧、例えば2Vを印加し、第3のゲートAGe及びAGo、すべてのソース/ドレイン拡散層DLは0Vに保持する。これにより、浮遊ゲートからウェルにファウラー−ノードハイムトンネル電流が流れ、浮遊ゲートに蓄積された電子が放出される。 At the time of erasing, as shown in FIG. 8, a large negative voltage, for example, -18 V is applied to the word line WLm. At this time, the third gates AGe and AGo, all the source / drain diffusion layers DL, and the well are kept at 0V. Alternatively, a large negative voltage, for example, −16 V is applied to the word line WLm, and a positive voltage, for example, 2 V is applied to the well, and the third gates AGe and AGo and all the source / drain diffusion layers DL are kept at 0 V. As a result, a Fowler-Nordheim tunnel current flows from the floating gate to the well, and electrons accumulated in the floating gate are released.
図9のセルRSC1の情報を読み出す場合は、ワード線WLmに多値のしきい値レベルに応じた電圧を印加し、また、第3のゲートAGoには3.5V程度の電圧を印加する。また、グローバルデータ線GDLmには1V程度を印加し、これを選択トランジスタST1を介してローカルデータ線LDLmRに給電する。ソースLDLm+1L及びpウェルは0Vに保持する。 When reading the information of the cell RSC1 in FIG. 9, a voltage corresponding to the multi-valued threshold level is applied to the word line WLm, and a voltage of about 3.5 V is applied to the third gate AGo. Further, about 1 V is applied to the global data line GDLm, and this is supplied to the local data line LDLmR via the selection transistor ST1. The source LDLm + 1L and the p well are kept at 0V.
本実施例1が従来技術と異なる点は、図3(a)に示したように、浮遊ゲート115bの端面のうちワード線117a及びチャネルとそれぞれ垂直な方向に存在する2つの端面のそれぞれが第3ゲート109aの上部に絶縁膜110aを介して乗り上げるように配置した点である。浮遊ゲート115bの膜厚は第3ゲートスペースを完全には充填しないような値に設定されている。このようなフィン型形状の浮遊ゲートにすることで、ワード線に平行な断面の断面積を低減し、隣接するワード線間で対向する浮遊ゲート間の絶縁膜容量を小さくした上で浮遊ゲートの表面積を増大することが可能である。これにより微細化に伴いワード線ピッチが減少し、ワード線間距離が小さくなっても、メモリセルのカップリング比が向上して書込み/消去時の内部動作電圧が低減できる。また、隣接するワード線間で対向する浮遊ゲート間の絶縁膜容量が小さいため、隣接ビットのしきい値が書込み状態にあるか消去状態にあるかの違いによって生じる読出ししきい値のずれを小さくすることが可能である。このため、しきい値状態を4レベル以上とし、1つのメモリセルに2ビット分以上のデータを記憶する多値メモリにおいては、1つ1つのしきい値分布を圧縮することが可能となり、その結果、書込み/消去のしきい値変化量を小さくすることができる。これにより書込み/消去時間の短縮や低電圧動作、放置電界の緩和によるデータ保持特性の向上が図れる。
The difference between the first embodiment and the prior art is that, as shown in FIG. 3A, of the end surfaces of the floating
この際、本浮遊ゲート115bは、図14に示した様に、その表面積を、第3ゲートスペース内の側壁部がA、第3ゲートスペース内の底部がB、第3ゲート上部の平坦部がC及び第3ゲート上部の側壁部がDとした時、
A>B+C+D (2)式
なる関係が成り立つ。メモリセルを微細化するためには第3ゲートのライン及びスペースを縮小する必要があり、この条件下で浮遊ゲート表面積を増大するためにはB及びCを小とし、AまたはDを大とする必要がある。Dの増大は上述した隣接するワード線間で対向する浮遊ゲート間の絶縁膜容量を増大することになる。従って、第3ゲートスペース内の側壁部面積Aを大きくとり他の部分の面積をできるだけ小さくした(2)式で示される面積関係が、第3ゲートを有するメモリセルの微細化、動作速度の向上、データ保持特性の向上に有効である。
At this time, as shown in FIG. 14, the floating
A> B + C + D The relationship represented by the expression (2) is established. In order to reduce the size of the memory cell, it is necessary to reduce the line and space of the third gate. Under these conditions, B and C are made small and A or D is made large in order to increase the floating gate surface area. There is a need. The increase in D increases the capacitance of the insulating film between the floating gates facing between the adjacent word lines. Therefore, the area relationship expressed by the expression (2), in which the area A of the side wall portion in the third gate space is made large and the area of the other portions is made as small as possible, is achieved by miniaturization of the memory cell having the third gate and improvement of the operation speed. This is effective for improving data retention characteristics.
また、第3ゲート形成後、浮遊ゲート絶縁膜(いわゆるトンネル絶縁膜)を形成する前に第3ゲート側壁に絶縁膜のサイドウォールを形成している。これにより第3ゲート109a下端部に伸長するゲートバーズビークを抑制し、第3ゲートのゲート長の微細化が可能である。合せて第3ゲートにより形成されるMOSトランジスタのしきい値ばらつきを低減でき、メモリセル間の書込み速度ばらつきを抑制可能となる。これにより、チップ書込み時のベリファイ回数が低減し、書込みスループットの向上が図れる。
After the formation of the third gate, a sidewall of the insulating film is formed on the side wall of the third gate before forming a floating gate insulating film (so-called tunnel insulating film). Thereby, gate bird's beak extending to the lower end of the
また、第3ゲートパターニング時に形成するスペースを浮遊ゲートが配置されるメモリマット内にのみ配置している。このためワード線117a形成時の下地段差が低減されワード線パターニング時のリソグラフィのフォーカスマージンが向上し、ワード線ピッチの縮小が可能となる。
Further, the space formed at the time of the third gate patterning is arranged only in the memory mat where the floating gate is arranged. For this reason, the step of the base under the formation of the
次に、図4から図6を用いて本メモリセルの製造方法を示す。
本不揮発性半導体記憶装置は情報を蓄積するための複数のメモリセルを行列状に配置したメモリセル領域と、書換えや読出しを行なうビットを選択したり、チップ内部で必要な電圧を発生する周辺回路を構成するためのMOSトランジスタを複数個配置した周辺回路領域から構成される。周辺回路領域は、例えば3.3Vといった電源電圧のような比較的小さな電圧のみが印加される低電圧部と、例えば18Vといった書換えに必要な高電圧が印加される高電圧部に分けられる。低電圧部と高電圧部はともに図6(e)に示すように、Pウェル104b、104c、及びNウェル105a、105b上に形成された複数個のNMOSトランジスタ及びPMOSトランジスタから構成される。メモリセルはPウェル104a上に形成される。図4から図6はメモリセルのワード線に平行で、周辺回路MOSトランジスタのゲート線に垂直な断面図である。
Next, a method for manufacturing the present memory cell will be described with reference to FIGS.
The nonvolatile semiconductor memory device includes a memory cell region in which a plurality of memory cells for storing information are arranged in a matrix, and a peripheral circuit for selecting a bit for rewriting or reading or for generating a necessary voltage inside a chip. Is constituted by a peripheral circuit region in which a plurality of MOS transistors are arranged. The peripheral circuit area is divided into a low voltage section to which only a relatively small voltage such as a power supply voltage such as 3.3 V is applied and a high voltage section to which a high voltage required for rewriting such as 18 V is applied. As shown in FIG. 6E, both the low voltage section and the high voltage section are composed of a plurality of NMOS transistors and PMOS transistors formed on
製造方法は以下の通りである。
まず、面方位(100)のp型Si基板101に、選択トランジスタ及び周辺回路MOSトランジスタを分離する浅溝素子分離領域102を形成した。次いでイオン打込み法によりPウェル領域104a、104b、104c、及びNウェル領域105a、105b、更にウェル間の分離領域103を形成した(図4(a))。次に、メモリセル及び周辺回路MOSトランジスタのしきい値調整のためのチャネルイオン打込み(図には示していない)を行なった後、第3ゲート結束部(図2の125)下の拡散層(図2の124)形成のためのイオン打込みを行った。本イオン打込みにより、メモリセルの拡散層配線113と選択トランジスタの拡散層120aの電気的な接続が可能となる。(図16乃至図18)。 次に周辺回路領域のうち高電圧部のゲート絶縁膜となるシリコン酸化膜106を熱酸化法により約23nm形成した(図4(b))。その後、ホトレジストパターンを形成し、ウェットエッチング法によりシリコン酸化膜106を周辺回路領域の高電圧部のみに残した(シリコン酸化膜106は106aとなる)(図4(c))。その後、ホトレジストパターンを除去した後、熱酸化法により周辺回路領域の低電圧部及びメモリセル領域に周辺MOSトランジスタのゲート絶縁膜及びメモリセルの第3ゲートとウェルを分離する絶縁膜となる熱酸化膜108を9nm形成した。この際、周辺回路領域の高電圧部の熱酸化膜厚は25nmとなった(シリコン酸化膜106aは106bとなる)(図4(d))。その後、周辺MOSトランジスタ及びメモリセルの第3のゲートの電極となるポリシリコン膜109とシリコン酸化膜110を順次堆積した(図4(e))。続いてリソグラフィとドライエッチング技術を用いてシリコン酸化膜110及びポリシリコン膜109をパターニングした(シリコン酸化膜110及びポリシリコン膜109はそれぞれ110a、110b及び109a、109bとなる)。この際、メモリセル以外のすべての領域のシリコン酸化膜110及びポリシリコン膜109はエッチングされずに残るようなパターン配置とした。また、本パターニングにより形成されるスペースは全て同一寸法とした。これは、後の工程で形成するワード線のポリサイド膜がチップ内で均一に第3ゲートスペースに埋め込まれ、平坦な段差形状とするためである(図4(f))。
The manufacturing method is as follows.
First, a shallow
次に減圧化学気相成長法によりシリコン酸化膜111を堆積し (図5(a)) 、これを異方性エッチングして第3ゲートパターン109の側壁にのみ残した(シリコン酸化膜111は111aとなる) (図5(b))。本膜はトンネル絶縁膜形成前までの洗浄工程で第3ゲート酸化膜が後退し、その結果ゲートバーズビークが伸長してセル間の書込みばらつきが増大したり、第3ゲートMOSの短チャネル特性が低下するのを抑制するための保護膜である。本シリコン酸化膜111の膜厚は、トンネル絶縁膜が形成される直前の洗浄工程で完全に除去されるがそのオーバーエッチング量は極わずかであるように設定した。その後、砒素の斜めイオン打込みとボロンの斜めイオン打込みを互いに別の方向から行い、メモリセルのソース/ドレイン拡散層領域113とパンチスルーストッパ層112を形成した(図5(c))。ここで、第3ゲート下の拡散層124とメモリセルのソース/ドレイン拡散層領域113とが接続される(図17(c))。次に浮遊ゲートとウェル間及び浮遊ゲートと第3ゲート間を分離する絶縁膜114を熱酸化法により形成した。ウェル上の酸化膜厚は9nmとした。この際、第3ゲート側壁には約20nmの酸化膜114aが成長した(図5(d))。その後、浮遊ゲートとなるポリシリコン膜115を第3ゲートスペースが完全には埋まらないように堆積し(図5(e))、これをリソグラフィとドライエッチング技術により第3ゲートと平行な方向にパターニングした(ポリシリコン115は115aになる)。この際、浮遊ゲートパターン115aの端部がシリコン酸化膜110aを介して第3ゲート109aに乗り上げる構造とした(図5(f))。
Next, a
次いで、浮遊ゲートとワード線を分離するシリコン酸化膜/シリコン窒化膜/シリコン酸化膜の積層膜、いわゆるONO膜116、及びワード線となるポリシリコンとタングステンシリサイド膜の積層膜、いわゆるポリサイド膜117、シリコン酸化膜118を順次堆積した。この際、ポリサイド膜117の下層となるポリシリコン膜の膜厚は、図4(f)で形成したメモリセルスペースが完全に埋まり、ポリサイド膜117表面がほぼ平坦となるように調整した(図6(a))。次に、シリコン酸化膜118、ポリサイド膜117を公知のリソグラフィとドライエッチング技術により最小加工寸法でパターニングしてワード線を形成した(シリコン酸化膜118、ポリサイド膜117は118a、117aとなる)。更にワード線117aをマスクとしてONO膜116及びポリシリコン膜パターン116aを加工し、浮遊ゲートを完成した(ONO膜116及びポリシリコン膜パターン115aはそれぞれ116a及び115bとなる) (図6(b))。その後、リソグラフィとドライエッチング技術により周辺回路部のシリコン酸化膜110b及びポリシリコン膜109bをパターニングし、周辺回路MOSトランジスタのゲート電極を形成した(シリコン酸化膜110b及びポリシリコン膜109bはそれぞれ110c、109cとなる) (図6(c))。本工程により選択トランジスタのゲートも形成される。また、図2に示したように、メモリマット端部ではワード線の外側でポリシリコン膜109b及びシリコン酸化膜110bをパターニングする。次に、イオン打込み法により、周辺回路MOSトランジスタの低濃度ソース/ドレイン領域119a、119b、120a、120bを形成した後(図6(d))、シリコン酸化膜のサイドウォール121を形成し、周辺回路MOSトランジスタの高濃度ソース/ドレイン領域122a、122b、123a、123bを形成した(図6(e))。これにより、第3ゲート下の拡散層124とメモリセルのソース/ドレイン拡散層領域113と選択トランジスタの拡散層120bが接続され,メモリセルのソース/ドレインが選択トランジスタの拡散層に接続される(図18(d))。その後、図には示していないが、層間絶縁膜を堆積した後、この層間絶縁膜にワード線、周辺MOSトランジスタのゲート電極、及びソース/ドレイン領域に至るコンタクト孔(図2の128)を形成し、次に、金属膜を堆積し、これを加工して第1層の金属配線(図2の129)とした。更に層間絶縁膜を形成し、これにスルーホール開孔した後(図2の130)、主にグローバルビット線となる第2層の金属配線(図2の131)を形成した。更に層間絶縁膜を堆積し、これを開孔したのち第3層の金属配線を形成し、パッシベーション膜を形成して不揮発性半導体記憶装置を完成した。
Next, a stacked film of a silicon oxide film / silicon nitride film / silicon oxide film for separating a floating gate and a word line, a so-called
図10は本発明により形成されたメモリセルの書込み/消去特性を示した結果である。同図には比較のため、特許文献2で示された方法により形成したメモリセルの特性も合せて示した。浮遊ゲートの形状をフィン型として断面積を低減し、対向する浮遊ゲート間の絶縁膜容量を低減した上で、浮遊ゲートの端部を第3ゲートの上部まで延長した結果、その表面積が増加し、カップリング比が0.52から0.60に増大した。その結果、同一電圧で書込み、消去を行った場合、その速度が増大した。
FIG. 10 is a result showing the write / erase characteristics of the memory cell formed according to the present invention. FIG. 3 also shows the characteristics of the memory cell formed by the method disclosed in
本方法により形成したメモリセルの書込み後のしきい値分布を測定したところ、最速ビットと最遅ビット間のしきい値差は2.1Vであった。これに対し第3ゲート側壁にサイドウォールを形成しない従来技術では書込みのしきい値分布は4.7Vと大きなばらつきが観測された。また、第3ゲートにより構成されるスプリットゲートMOSトランジスタの書込み動作条件でのカットオフ特性を測定したところ、本発明では第3ゲート長が0.20μmでもカットオフが可能であったのに対し、従来技術では0.25μmでパンチスルーを生じ、カットオフが困難であった。以上の本発明と従来技術における書込みばらつきとカットオフ特性の差を解明するため、両者の断面形状を走査型電子顕微鏡で観察したところ、図11(a)に示したように、従来技術では第3ゲート下端部にゲートバーズビークが伸長しているのに対し、本発明では図11(b)に示したように、バーズビークの伸長が抑制されていることが明らかとなった。 When the threshold distribution after writing of the memory cell formed by this method was measured, the threshold difference between the fastest bit and the slowest bit was 2.1 V. On the other hand, in the prior art in which the sidewall was not formed on the third gate side wall, a large variation of 4.7 V was observed in the writing threshold distribution. Also, when the cut-off characteristic of the split gate MOS transistor constituted by the third gate was measured under the write operation condition, the cut-off was possible in the present invention even when the third gate length was 0.20 μm. In the prior art, punch-through occurred at 0.25 μm, and cut-off was difficult. In order to elucidate the difference between the writing variation and the cut-off characteristic between the present invention and the prior art described above, the cross-sectional shapes of both were observed with a scanning electron microscope. As shown in FIG. While the gate bird's beak extends at the lower end of the third gate, it has been clarified that the bird's beak is suppressed from elongating as shown in FIG. 11 (b) in the present invention.
また、本発明により形成したメモリセルでは従来技術に比べメモリセルアレイ端部で生じていたワード線の断線、ショートが大幅に減少し、歩留りが向上した。これは、ワード線の下地となる第3ゲートをメモリセルアレイ部でのみライン・アンド・スペースにパターニングした結果、ワード線とメタル配線を接続するコンタクト孔領域が第3ゲート109a及びその上に堆積された絶縁膜110aの上に配置されることになり、メモリセル内と同領域のワード線表面の高さが同一となったためである。これにより最小加工寸法でパターニングすべきワード線のリソグラフィーのフォーカス余裕が増大し、歩留りが向上した。
Further, in the memory cell formed according to the present invention, the disconnection and short circuit of the word line, which occurred at the end of the memory cell array, were greatly reduced as compared with the prior art, and the yield was improved. This is because, as a result of patterning the third gate serving as a base of the word line into a line and space only in the memory cell array portion, a contact hole region connecting the word line and the metal wiring is deposited on the
実施例1によれば、不揮発性半導体記憶装置の書込み/消去速度が増大できるという効果がある。またメモリセル面積の縮小ができるという効果がある。また、歩留りの向上が図れるという効果がある。 According to the first embodiment, there is an effect that the write / erase speed of the nonvolatile semiconductor memory device can be increased. Further, there is an effect that the memory cell area can be reduced. Further, there is an effect that the yield can be improved.
<実施例2>
次に図12を用いて本発明の実施例2を説明する。実施例1との違いは、第3ゲートパターン109aを形成後、先にメモリセルの拡散層113を形成し、その後サイドウォールスペーサ111aを形成した点である。フラッシュメモリセルの平面配置、完成後の断面構造、アレイ構造は実施例1と同一でありここでは省略した。
<Example 2>
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The difference from the first embodiment is that after forming the
本メモリセルの製造方法は以下の通りである。まず実施例1の図4(a)から(f)に示したのと同一の方法により、シリコン基板101に浅溝素子分離領域102、Pウェル領域104a、104b、104c、及びNウェル領域105a、105b、ウェル間の分離領域103、ゲート絶縁膜106a、108及びメモリセルの第3のゲートの電極となるポリシリコン膜109aとシリコン酸化膜110aを形成した。この際、実施例1と同様、メモリセル以外のすべての領域のシリコン酸化膜110及びポリシリコン膜109はエッチングされずに残るようなパターン配置とした。また、本パターニングにより形成されるスペースは全て同一寸法とした(図12(a))。
The method for manufacturing the memory cell is as follows. First, by the same method as shown in FIGS. 4A to 4F of the first embodiment, a shallow trench
次に砒素の斜めイオン打込みとボロンの斜めイオン打込みを互いに別の方向から行い、メモリセルのソース/ドレイン拡散層領域113とパンチスルーストッパ層112を形成した(図12(b))。次に減圧化学気相成長法によりシリコン酸化膜111を堆積し (図12(c)) 、これを異方性エッチングして第3ゲートパターン109の側壁にのみ残した(シリコン酸化膜111は111aとなる) (図12(d))。本膜はトンネル絶縁膜形成前までの洗浄工程で第3ゲート酸化膜が後退し、その結果ゲートバーズビークが伸長してセル間の書込みばらつきが増大したり、第3ゲートMOSの短チャネル特性が低下するのを抑制するための保護膜である。本シリコン酸化膜111の膜厚は、実施例1と同様、トンネル絶縁膜が形成される直前の洗浄工程で完全に除去されるが、そのオーバーエッチング量は極わずかであるように設定した。
その後、実施例1の図5(d)から図6(e)と同様の方法により、ゲート絶縁膜114形成以後の工程を行ない、メモリセルを完成した(図示せず)。
Next, oblique ion implantation of arsenic and oblique ion implantation of boron were performed from different directions to form a source / drain
Thereafter, the steps after the formation of the
本発明によれば、実施例1と同様、従来技術に比べ書込み/消去速度の向上が図れた。また、メモリセル間の書込みばらつきが低減し、チップの書込みスループットが向上した。また、第3ゲートにより形成されるスプリットゲートMOSトランジスタのカットオフ特性が向上し、第3ゲートのゲート長の縮小が可能であった。また、歩留りの向上が図れた。 According to the present invention, as in the first embodiment, the writing / erasing speed can be improved as compared with the prior art. In addition, write variations between memory cells were reduced, and the write throughput of the chip was improved. Further, the cut-off characteristic of the split gate MOS transistor formed by the third gate is improved, and the gate length of the third gate can be reduced. Also, the yield was improved.
<実施例3>
次に図13を用いて本発明の実施例3を説明する。実施例2との違いは、第3ゲートパターン109の側壁に形成したシリコン酸化膜サイドウォールを洗浄工程で完全に除去することなく、トンネル絶縁膜を形成した点である。
<Example 3>
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The difference from the second embodiment is that the tunnel insulating film is formed without completely removing the silicon oxide film sidewall formed on the side wall of the
本メモリセルの製造方法は以下の通りである。実施例2の図12(b)までと同一の工程によりメモリセルのソース/ドレイン拡散層領域113とチャネルストッパ層112を形成した後(図13(a))、減圧化学気相成長法によりシリコン酸化膜111を堆積し (図13(b)) 、これを異方性エッチングして第3ゲートパターン109の側壁にのみ残した(シリコン酸化膜111は111aとなる) (図13(c))。本膜の膜厚は実施形態1あるいは2よりも厚膜とし、トンネル絶縁膜が形成される直前の洗浄工程では除去されないように設定した。本シリコン酸化膜111aは実施形態1及び2と同様、トンネル絶縁膜の際、ゲートバーズビークが伸長してセル間の書込みばらつきが増大したり、第3ゲートMOSの短チャネル特性が低下するのを抑制するための保護膜であるとともに、第3ゲート109aと浮遊ゲート115bを分離する絶縁膜の機能も有している。
次にトンネル絶縁膜114、浮遊ゲートとなるポリシリコン膜115を形成した後(図13(d))、実施形態1の図5(f)以後の工程を行ない、メモリセルを完成した(図示せず)。
The method for manufacturing the memory cell is as follows. After the source / drain
Next, after forming a
本発明によれば、実施例1あるいは実施例2と同様、従来技術に比べ書込み/消去速度の向上が図れた。また、メモリセル間の書込みばらつきが低減し、チップの書込みスループットが向上した。また、第3ゲートにより形成されるスプリットゲートMOSトランジスタのカットオフ特性が向上し、第3ゲートのゲート長の縮小が可能であった。また、歩留りの向上が図れた。
なお、本実施例においては実施例2と同様、メモリセルのソース/ドレイン拡散層113を形成した後シリコン酸化膜サイドウォール111aを形成したが、実施例1と同様、ソース/ドレイン拡散層113形成前にシリコン酸化膜サイドウォール111aを形成しても同様の効果が得られる。
According to the present invention, as in the case of the first embodiment or the second embodiment, the writing / erasing speed can be improved as compared with the prior art. In addition, write variations between memory cells were reduced, and the write throughput of the chip was improved. Further, the cut-off characteristic of the split gate MOS transistor formed by the third gate is improved, and the gate length of the third gate can be reduced. Also, the yield was improved.
In this embodiment, the source /
なお、上記した実施例においては、浮遊ゲートをフィン形状として第3ゲート上に乗り上げる構造としてカップリング比を増大し、書込み/消去特性の向上を図っているが、特許文献1および2に開示されたような第3ゲート間に埋込まれて配置される構造であっても、第3ゲート側壁にシリコン酸化膜サイドウォールを形成することにより第3ゲート下端部でのバーズビークの伸長を抑制し、メモリセル間の書込みばらつきが低減し、チップの書込みスループットを向上することが可能である。また、第3ゲートにより形成されるスプリットゲートMOSトランジスタのカットオフ特性が向上し、第3ゲートのゲート長の縮小が可能である。また、ワード線の下地となる第3ゲートを、メモリセル領域以外は平坦パターンとした結果、段差が低減し、リソグラフィーのフォーカス余裕が向上する。これによりマット端部で生じていたワード線の断線、ショートが大幅に減少し、歩留りが可能である。 In the above-described embodiments, the floating gate is formed in a fin shape and rides on the third gate to increase the coupling ratio and improve the write / erase characteristics. Even with such a structure that is buried between the third gates, by forming a silicon oxide film sidewall on the third gate side wall, bird's beak extension at the lower end of the third gate is suppressed, It is possible to reduce the variation in writing between the memory cells and improve the writing throughput of the chip. Further, cut-off characteristics of the split gate MOS transistor formed by the third gate are improved, and the gate length of the third gate can be reduced. In addition, as a result of forming the third gate, which is a base of the word line, in a flat pattern except for the memory cell region, the step is reduced, and the lithography focus margin is improved. As a result, the disconnection and short-circuit of the word line, which have occurred at the end of the mat, are greatly reduced, and the yield is possible.
また、上記実施例においては、消去動作は、ワード線に負バイアスを印加し、他の端子は0Vとして、浮遊ゲートに蓄積した電子をウェルに放出することにより行なったが、ワード線に負バイアス、第3ゲートに正バイアス、その他の端子を0Vとして浮遊ゲートから第3ゲートに電子を放出しても同様の効果が得られる。 In the above embodiment, the erasing operation was performed by applying a negative bias to the word line and setting the other terminals to 0 V to discharge the electrons accumulated in the floating gate to the well. The same effect can be obtained by emitting electrons from the floating gate to the third gate by setting the positive bias to the third gate and setting the other terminals to 0V.
また、いずれの実施例においても、書込みの際、浮遊ゲートに蓄積される電子の状態は最低2状態必要であるが、4状態以上のレベルを形成し、1つのメモリセルに2ビット以上のデータを記憶するいわゆる多値記憶に適用してもよい。従来の多値記憶では、浮遊ゲートに蓄積される電子の量を高精度に制御して各レベルのしきい値分布を圧縮しても、2値記憶に比べ、いちばん低いしきい値状態といちばん高いしきい値状態の差が大きくなるという問題があった。このためファウラー-ノールドハイム型の書換えでは、書換え速度が遅くなるか、書込み電圧が高くなるという問題が生じた。本発明によれば、書込み及び消去をともに13V程度と低電圧化できる、言い換えれば書換えの高速化できるので、多値記憶に極めて有効である。 Also, in any of the embodiments, at least two states of electrons stored in the floating gate are required at the time of writing, but four or more states are formed, and one memory cell has two or more bits of data. May be applied to a so-called multi-valued storage for storing. In conventional multi-value storage, even if the amount of electrons stored in the floating gate is controlled with high precision to compress the threshold distribution at each level, the threshold state is the lowest as compared with binary storage. There is a problem that the difference between the high threshold states becomes large. For this reason, in the Fowler-Nordheim type rewriting, there has been a problem that the rewriting speed becomes slow or the writing voltage becomes high. According to the present invention, both writing and erasing can be performed at a low voltage of about 13 V, in other words, rewriting can be performed at a high speed, which is very effective for multi-value storage.
以上、本発明者によってなされた発明を、前記実施例2に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において変更可能であることは勿論である。例えば、本発明は、不揮発性半導体記憶素子を有するメモリセルアレイ部を備えたワンチップマイクロコンピュータ(半導体装置)に適用してもよい。 As described above, the invention made by the inventor has been specifically described based on the second embodiment. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be changed without departing from the gist of the invention. Of course. For example, the present invention may be applied to a one-chip microcomputer (semiconductor device) including a memory cell array unit having a nonvolatile semiconductor memory element.
101…シリコン基板、102…素子分離領域、103、104a、104b、105a、105b…ウェル、106、106a、106b…ゲート絶縁膜、107…ホトレジスト、108…ゲート絶縁膜、109、109a…第3のゲートとなるポリシリコン膜、109b…ポリシリコン膜、109c…周辺MOSゲートとなるポリシリコン膜、110、110a、110b、110c…シリコン酸化膜、111、111a…シリコン酸化膜、112…チャネルインプラ領域、113…ソース/ドレイン拡散層、114…ゲート絶縁膜、114a…浮遊ゲートと第3ゲートを分離する絶縁膜、115、115a、115b…浮遊ゲートとなるポリシリコン膜、116、116a…ポリシリコン層間絶縁膜(ONO膜)、117、117a…ワード線となるポリサイド膜、118、118a…シリコン酸化膜、119a、119b、120a、120b…ソース/ドレイン拡散層、121…シリコン酸化膜サイドウォール、122a、122b、123a、123b…ソース/ドレイン拡散層、124…メモリセル−選択トランジスタ接続拡散層領域、125…第3ゲート結束部、126……ポリシリコン膜、127…選択トランジスタゲート配線、128…コンタクト孔、129…ワード線取り出しメタル配線、130…スルーホール、201…シリコン基板、202…ウェル、203、203' …ソース/ドレイン拡散層、204浮遊ゲートポリシリコン膜、205…ワード線ポリサイド膜、206…第3のゲートポリシリコン膜、207…浮遊ゲートとワード線を分離する絶縁膜、208…浮遊ゲートと第3ゲートを分離する絶縁膜、209…第3ゲートとワード線を分離する絶縁膜、210…浮遊ゲートとウェルを分離する絶縁膜、211…第3ゲートとウェルを分離する絶縁膜、WL…ワード線、GDL…グローバルデータ線、LDL…ローカルデータ線、AG…第3ゲート、ST…選択トランジスタゲート配線、PSC1、PSC2…書込み選択セル、ESC…消去選択セル、RSC1、RSC2…書込み選択セル。
101 silicon substrate, 102 element isolation region, 103, 104a, 104b, 105a, 105b well, 106, 106a, 106b gate insulating film, 107 photoresist, 108 gate insulating film, 109, 109a third A polysilicon film serving as a gate, 109b a polysilicon film, 109c a polysilicon film serving as a peripheral MOS gate, 110, 110a, 110b, 110c a silicon oxide film, 111, 111a a silicon oxide film, 112 a channel implantation region, Reference numeral 113 denotes a source / drain diffusion layer, 114 denotes a gate insulating film, 114a denotes an insulating film for separating a floating gate from a third gate, 115, 115a, 115b: a polysilicon film serving as a floating gate, 116, 116a ... Film (ONO film), 117, 117a: Polycide film to be word line , 118, 118a: silicon oxide film, 119a, 119b, 120a, 120b: source / drain diffusion layer, 121: silicon oxide film sidewall, 122a, 122b, 123a, 123b: source / drain diffusion layer, 124: memory cell Selection transistor connection diffusion layer region, 125: third gate binding portion, 126: polysilicon film, 127: selection transistor gate wiring, 128: contact hole, 129: word line extraction metal wiring, 130: through hole, 201: silicon Substrate, 202 ... well, 203, 203 '... source / drain diffusion layer, 204 floating gate polysilicon film, 205 ... word line polycide film, 206 ... third gate polysilicon film, 207 ... separate floating gate and word
Claims (18)
前記ソース領域と前記ドレイン領域間に形成されたチャネル領域と、
前記ドレイン側のチャネル領域上に第1ゲート絶縁膜を介して設けられた第1のゲートと、
前記ソース側のチャネル領域上には第2ゲート絶縁膜を介して、その側面側が第1絶縁膜で覆われ、その上面には第2絶縁膜が設けられた第2のゲートとを備え、
前記第1のゲートは、前記第1ゲート絶縁膜上および前記第1絶縁膜の側面と前記第2絶縁膜の側面を覆うように形成され、その一端部が前記第2絶縁膜の側面に設けられていることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 Source and drain regions formed at predetermined intervals on one main surface side of the semiconductor substrate;
A channel region formed between the source region and the drain region;
A first gate provided on the drain-side channel region via a first gate insulating film;
A second gate provided on the source-side channel region with a side surface covered with a first insulating film via a second gate insulating film, and a second insulating film provided on an upper surface thereof;
The first gate is formed so as to cover the first gate insulating film, a side surface of the first insulating film, and a side surface of the second insulating film, and one end thereof is provided on a side surface of the second insulating film. A nonvolatile semiconductor memory device characterized by being used.
前記ソース領域と前記ドレイン領域間に形成されたチャネル領域と、
前記ドレイン側のチャネル領域上に第1ゲート絶縁膜を介して設けられた第1のゲートと、
前記ソース側のチャネル領域上には第2ゲート絶縁膜を介して、その側面側が第1絶縁膜で覆われ、その上面には第2絶縁膜が設けられた第2のゲートとを備え、
前記第1のゲートは、前記第1ゲート絶縁膜上および前記第1絶縁膜の側面と前記第2絶縁膜の側面を覆うように形成され、その一端部は、前記第2絶縁膜の上端面に配置されていることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 Source and drain regions formed at predetermined intervals on one main surface side of the semiconductor substrate;
A channel region formed between the source region and the drain region;
A first gate provided on the drain-side channel region via a first gate insulating film;
A second gate provided on the source-side channel region with a side surface covered with a first insulating film via a second gate insulating film, and a second insulating film provided on an upper surface thereof;
The first gate is formed so as to cover the first gate insulating film, a side surface of the first insulating film, and a side surface of the second insulating film, and one end thereof is formed on an upper end surface of the second insulating film. A non-volatile semiconductor storage device, wherein
A>B+C+D
であることを特徴とする請求項1または2に記載の不揮発性半導体記憶装置。 The surface area of the first gate is A, the area of the side wall portion in the gap region of the second gate is B, the area of the bottom portion in the second gate gap region is B, and the area of the flat portion above the second gate is Is C, and D is the area of the side wall portion above the second gate.
A> B + C + D
3. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein:
前記ソース領域と前記ドレイン領域間に形成されたチャネル領域と、
前記ドレイン側のチャネル領域上に第1ゲート絶縁膜を介して設けられた第1のゲートと、
前記ソース側のチャネル領域上には第2ゲート絶縁膜を介して、その側面側が第1絶縁膜で覆われ、その上面には第2絶縁膜が設けられた第2のゲートと、
前記第1のゲート上に形成された第3絶縁膜を介して設けられた第3のゲートと、
前記第3のゲートを電気的に接続したワード線と、
前記第3のゲート上に形成された第3絶縁膜を貫通して設けられたコンタクト孔と、
前記ワード線と前記コンタクト孔を介して接続された金属配線とを備え、
前記コンタクト孔が、前記第2のゲートを形成する膜と同一の材料および膜厚を有する部材上に載置されていることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 Source and drain regions formed at predetermined intervals on one main surface side of the semiconductor substrate;
A channel region formed between the source region and the drain region;
A first gate provided on the drain-side channel region via a first gate insulating film;
A second gate having a side surface covered with a first insulating film on a channel region on the source side via a second gate insulating film, and a second insulating film provided on an upper surface thereof;
A third gate provided via a third insulating film formed on the first gate;
A word line electrically connected to the third gate;
A contact hole provided through a third insulating film formed on the third gate;
A metal wiring connected via the word line and the contact hole,
The non-volatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein the contact hole is placed on a member having the same material and thickness as a film forming the second gate.
前記第1導電型のウェルに所定の間隔を置いて形成された第2導電型のソース領域およびドレイン領域と、
前記ソース領域と前記ドレイン領域間に形成されたチャネル領域と、
前記ドレイン側のチャネル領域上に第1ゲート絶縁膜を介して設けられた第1のゲートと、
前記ソース側のチャネル領域上には第2ゲート絶縁膜を介して、その側面側が第1絶縁膜で覆われ、その上面には第2絶縁膜が設けられた第2のゲートと、
前記第1のゲート上に形成された第3絶縁膜を介して設けられた第3のゲートとを備え、
複数の前記第2のゲートを結束する結束領域が、第2導電型を有する不純物拡散層が選択的に形成された前記半導体基板の領域上に設けられていることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 A first conductivity type well formed on one main surface side of the semiconductor substrate;
A second conductivity type source region and a drain region formed at predetermined intervals in the first conductivity type well;
A channel region formed between the source region and the drain region;
A first gate provided on the drain-side channel region via a first gate insulating film;
A second gate having a side surface covered with a first insulating film on a channel region on the source side via a second gate insulating film, and a second insulating film provided on an upper surface thereof;
A third gate provided via a third insulating film formed on the first gate,
A non-volatile semiconductor memory, wherein a binding region for binding a plurality of the second gates is provided on a region of the semiconductor substrate where an impurity diffusion layer having a second conductivity type is selectively formed. apparatus.
半導体基板の一主面側にウェル領域を形成する工程と、
前記ウェル領域上に第1ゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記第1ゲート絶縁膜上に第1シリコン膜を形成する工程と、
前記メモリセルアレイ領域において、前記第1シリコン膜および前記第1ゲート絶縁膜を含む膜を選択的にパターニングし、第1の方向にライン領域およびスペース領域を形成するライン・アンド・スペース形成工程と、
前記スペース領域に第2ゲート絶縁膜を形成し、前記第2ゲート絶縁膜を含む領域上に第2シリコン膜を形成する工程と、
前記第2シリコン膜を第1の方向に延在するようにパターニングする工程と、
前記第2シリコン膜を含む領域上に層間絶縁膜を形成し、前記層間絶縁膜に第3シリコン膜を形成する工程と、
前記第3シリコン膜と前記第2シリコン膜とを前記第1の方向とは直交する方向にパターニングする工程と、前記第1シリコン膜を再度パターニングする工程とを備え、
前記第2シリコン膜を第1の方向にパターニングし、形成された第2シリコン膜パターンの端部が、前記スペース領域内に配置されるように前記パターニングを行なうことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の製造方法。 In a method of manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device having a memory cell array region and a peripheral circuit region,
Forming a well region on one main surface side of the semiconductor substrate;
Forming a first gate insulating film on the well region;
Forming a first silicon film on the first gate insulating film;
A line and space forming step of selectively patterning a film including the first silicon film and the first gate insulating film in the memory cell array region to form a line region and a space region in a first direction;
Forming a second gate insulating film in the space region, and forming a second silicon film on a region including the second gate insulating film;
Patterning the second silicon film so as to extend in a first direction;
Forming an interlayer insulating film on a region including the second silicon film, and forming a third silicon film on the interlayer insulating film;
Patterning the third silicon film and the second silicon film in a direction orthogonal to the first direction, and patterning the first silicon film again;
Nonvolatile semiconductor memory, wherein the second silicon film is patterned in a first direction, and the patterning is performed such that an end of the formed second silicon film pattern is arranged in the space region. Device manufacturing method.
半導体基板の一主面側にウェル領域を形成する工程と、
前記ウェル領域上に第1ゲート絶縁膜とを形成する工程と、
前記第1ゲート絶縁膜上に第1シリコン膜を形成する工程と、
前記メモリセルアレイ領域において、前記第1シリコン膜および前記第1ゲート絶縁膜を含む膜を選択的にパターニングし、第1の方向にライン領域およびスペース領域を形成するライン・アンド・スペース形成工程と、
前記スペース領域に第2ゲート絶縁膜を形成し、前記第2ゲート絶縁膜を含む領域上に第2シリコン膜を形成する工程と、
前記第2シリコン膜を第1の方向に延在するようにパターニングする工程と、
前記第2シリコン膜を含む領域上に層間絶縁膜を形成し、前記層間絶縁膜に第3シリコン膜を形成する工程と、
前記第3シリコン膜と前記第2シリコン膜とを前記第1の方向とは直交する方向にパターニングする工程と、前記第1シリコン膜を再度パターニングする工程とを備え、
前記第2シリコン膜を第1の方向にパターニングし、形成された第2シリコン膜パターンの端部が、前記ライン領域上に配置されるように前記パターニングを行なうことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の製造方法。 In a method of manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device having a memory cell array region and a peripheral circuit region,
Forming a well region on one main surface side of the semiconductor substrate;
Forming a first gate insulating film on the well region;
Forming a first silicon film on the first gate insulating film;
A line and space forming step of selectively patterning a film including the first silicon film and the first gate insulating film in the memory cell array region to form a line region and a space region in a first direction;
Forming a second gate insulating film in the space region, and forming a second silicon film on a region including the second gate insulating film;
Patterning the second silicon film so as to extend in a first direction;
Forming an interlayer insulating film on a region including the second silicon film, and forming a third silicon film on the interlayer insulating film;
Patterning the third silicon film and the second silicon film in a direction orthogonal to the first direction, and patterning the first silicon film again;
Nonvolatile semiconductor memory, wherein the second silicon film is patterned in a first direction, and the patterning is performed such that an end of the formed second silicon film pattern is arranged on the line region. Device manufacturing method.
前記第1シリコン膜をパターニングし結束部を形成することを特徴とする請求項13または14に記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法。 15. The non-volatile semiconductor memory device according to claim 13, wherein the first silicon film is patterned so that ends of the lines formed in the first direction are bound to form a bound portion. Production method.
15. The non-volatile memory according to claim 13, wherein an impurity of a conductivity type opposite to a conductivity type of the semiconductor substrate is introduced into the semiconductor region corresponding to a portion under the binding portion before forming the binding portion. A method for manufacturing a semiconductor memory device.
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JP2006066702A (en) * | 2004-08-27 | 2006-03-09 | Renesas Technology Corp | Method for manufacturing semiconductor device |
JP2006121009A (en) * | 2004-10-25 | 2006-05-11 | Renesas Technology Corp | Semiconductor storage device and manufacturing method thereof |
JP2012069795A (en) * | 2010-09-24 | 2012-04-05 | Lapis Semiconductor Co Ltd | Manufacturing method of semiconductor integrated circuit device |
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-
2003
- 2003-11-27 JP JP2003397651A patent/JP2004193598A/en not_active Withdrawn
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