JP2005294392A - Nonvolatile semiconductor storage device - Google Patents

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Takuya Nakamura
村 卓 矢 中
Hiroshi Watabe
部 浩 渡
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Toshiba Corp
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Toshiba Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nonvolatile semiconductor storage device which can improve the writing speed of data. <P>SOLUTION: The nonvolatile semiconductor storage device is provided with a memory array where a plurality of memory cells each enabling electrical update of information are arranged. This memory cell comprises a semiconductor substrate, an element isolating region formed on the semiconductor substrate, an element region divided with the element isolating region, a first insulating film formed on the element region, a floating gate formed on the first insulating film, a second insulating film formed on the floating gate and has the dielectric constant which is higher than that of a silicon nitride film, and a control gate formed on the second insulating film. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、不揮発性半導体記憶装置に関する。   The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory device.

不揮発性半導体装置では、シリコン基板上に第1のゲート絶縁膜が形成され、第1のゲート絶縁膜上に電荷蓄積層(浮遊ゲート)が形成され、電荷蓄積層上に第2のゲート絶縁膜が形成され、第2のゲート絶縁膜上に制御ゲートが形成される。   In the nonvolatile semiconductor device, a first gate insulating film is formed on a silicon substrate, a charge storage layer (floating gate) is formed on the first gate insulating film, and a second gate insulating film is formed on the charge storage layer. And a control gate is formed on the second gate insulating film.

この不揮発性半導体装置において、データを書き込むには、例えば制御ゲート及びドレイン領域に正の電圧を印加し、基板及びソース領域を接地する。すると、電荷蓄積層に電子が注入され、制御ゲートの閾値電圧が変化する。これにより“0”あるいは“1”の区別が行われる。   In this nonvolatile semiconductor device, in order to write data, for example, a positive voltage is applied to the control gate and the drain region, and the substrate and the source region are grounded. Then, electrons are injected into the charge storage layer, and the threshold voltage of the control gate changes. Thereby, “0” or “1” is distinguished.

高速にデータを書き込むには、データ書き込み時に、電荷蓄積層(浮遊ゲート)に高い電圧が印加される必要があるが、近年の微細化、動作の低電圧化に伴い、印加電圧が低下し、書き込み速度が遅くなる問題が生じている。
特開平10−022403号公報
In order to write data at high speed, it is necessary to apply a high voltage to the charge storage layer (floating gate) at the time of data writing, but with the recent miniaturization and low operation voltage, the applied voltage decreases, There is a problem that the writing speed becomes slow.
Japanese Patent Laid-Open No. 10-022403

本発明の目的は、データの書き込み速度を高くできる不揮発性半導体記憶装置を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a nonvolatile semiconductor memory device capable of increasing the data writing speed.

本発明の不揮発性半導体記憶装置は、半導体基板と、前記半導体基板に形成された素子分離領域と、前記素子分離領域により区画された素子領域と、前記素子領域上に形成された第1の絶縁膜と、前記第1の絶縁膜上に形成された浮遊ゲートと、前記浮遊ゲート上に形成された、シリコン窒化膜よりも高い誘電率を有する第2の絶縁膜と、前記第2の絶縁膜上に形成された制御ゲートと、を有する、電気的に情報の書き換えが可能なメモリセルが複数配列されたメモリセルアレイを備える。   A nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention includes a semiconductor substrate, an element isolation region formed on the semiconductor substrate, an element region partitioned by the element isolation region, and a first insulation formed on the element region. A film, a floating gate formed on the first insulating film, a second insulating film formed on the floating gate and having a dielectric constant higher than that of a silicon nitride film, and the second insulating film A memory cell array having a control gate formed thereon and in which a plurality of electrically rewritable memory cells are arranged.

本発明により、データの書き込み速度を高くできる。   According to the present invention, the data writing speed can be increased.

図1は、本発明の実施の形態に従ったNAND型EEPROMの平面図である。   FIG. 1 is a plan view of a NAND type EEPROM according to an embodiment of the present invention.

図2は、このNAND型EEPROMの等価回路図である。   FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of the NAND type EEPROM.

図1に示すように、複数のビット線BL1〜BL3が、互いに平行して、図中縦方向に延長して、配置される。   As shown in FIG. 1, a plurality of bit lines BL1 to BL3 are arranged in parallel with each other and extending in the vertical direction in the drawing.

図中下方において、図中横方向に渡って、ソース線SLが延長して配置される。   In the lower part of the figure, the source line SL is arranged extending in the horizontal direction in the figure.

複数のメモリセル(トランジスタ)M1(1)〜M1(n)が、ビット線BL1とソース線SLとの間で直列に接続される。同様に、複数のメモリセルM2(1)〜M2(n)がビット線BL2とソース線SLとの間で、複数のメモリセルM3(1)〜M3(n)がビット線BL3とソース線SLとの間で、直列に接続される(図2参照)。   A plurality of memory cells (transistors) M1 (1) to M1 (n) are connected in series between the bit line BL1 and the source line SL. Similarly, the plurality of memory cells M2 (1) to M2 (n) are between the bit line BL2 and the source line SL, and the plurality of memory cells M3 (1) to M3 (n) are the bit line BL3 and the source line SL. Are connected in series (see FIG. 2).

各メモリセルM1(1)〜M3(n)は、それぞれ電荷を蓄積する電荷蓄積層(浮遊ゲート)(図中斜線部分)と、電荷蓄積層に注入する電荷量を制御する制御ゲート(後述)とを含む積層ゲート構造を有する。   Each of the memory cells M1 (1) to M3 (n) has a charge storage layer (floating gate) (shaded portion in the figure) for storing charges and a control gate (described later) for controlling the amount of charge injected into the charge storage layer. A stacked gate structure including:

各メモリセルM1(1)〜M3(n)における電荷蓄積層はそれぞれ浮遊状態にある。また、各メモリセルM1(1)〜M3(n)における制御ゲートは、ビット線BL1〜BL3に交差配置された複数のワード線(ゲート線)WL1〜WLnとして一体に形成される。   The charge storage layers in the memory cells M1 (1) to M3 (n) are in a floating state. In addition, the control gates in the memory cells M1 (1) to M3 (n) are integrally formed as a plurality of word lines (gate lines) WL1 to WLn that are arranged to intersect the bit lines BL1 to BL3.

メモリセルM1(1)、M2(1)、M3(1)の片側には、スイッチングトランジスタとしての選択ゲートS1(1)〜S1(3)の一端が接続され、各選択ゲートS1(1)〜S1(3)の他端は、ビット線コンタクト部BCを介してそれぞれビット線BL1〜BL3に接続される。   One end of selection gates S1 (1) to S1 (3) as switching transistors is connected to one side of the memory cells M1 (1), M2 (1), and M3 (1). The other end of S1 (3) is connected to the bit lines BL1 to BL3 via the bit line contact portion BC, respectively.

また、メモリセルM1(n)、M2(n)、M3(n)の片側には、スイッチングトランジスタとしての選択ゲートS2(1)〜S2(3)の一端が接続され、各選択ゲートS2(1)〜S2(3)の他端は、ソース線コンタクト部(図示せず)を介してそれぞれソース線SL1〜SL3に接続される。   Further, one end of the selection gates S2 (1) to S2 (3) as switching transistors is connected to one side of the memory cells M1 (n), M2 (n), and M3 (n), and each selection gate S2 (1 ) To S2 (3) are connected to source lines SL1 to SL3 through source line contact portions (not shown), respectively.

選択ゲートS1(1)〜S1(3)のスイッチング制御は、選択ゲート線SG1により行われ、選択ゲートS2(1)〜S2(3)のスイッチング制御は、選択ゲート線SG2により行われる。   Switching control of the selection gates S1 (1) to S1 (3) is performed by the selection gate line SG1, and switching control of the selection gates S2 (1) to S2 (3) is performed by the selection gate line SG2.

図3は、図1のB1−B2線における断面図である。   3 is a cross-sectional view taken along line B1-B2 of FIG.

図4は、図1のA1−A2線における断面図である。   4 is a cross-sectional view taken along line A1-A2 of FIG.

図4に示すように、例えばp型のシリコン基板1上に、ゲート酸化膜2、及び例えばポリシリコンによる第1の電荷蓄積層3が形成される。第1の電荷蓄積層3の表面から下方へ向けてシリコン基板1の表面を貫通するトレンチ6が形成される。   As shown in FIG. 4, a gate oxide film 2 and a first charge storage layer 3 made of, for example, polysilicon are formed on a p-type silicon substrate 1, for example. A trench 6 penetrating the surface of the silicon substrate 1 downward from the surface of the first charge storage layer 3 is formed.

トレンチ6の内部には絶縁膜が埋め込まれ、これにより埋め込み素子分離領域(STI)7aが形成される。STI7a間における基板1の領域は素子領域とされる。   An insulating film is buried inside the trench 6, thereby forming a buried element isolation region (STI) 7 a. A region of the substrate 1 between the STIs 7a is an element region.

図3に示すように、この素子領域の表面には、ソース・ドレイン領域12が形成される。ソース・ドレイン領域12の間上には、上述のゲート酸化膜2及び第1の電荷蓄積層3が形成される。そして、この第1の電荷蓄積層3上には、例えばポリシリコンによる第2の電荷蓄積層8が形成される。   As shown in FIG. 3, source / drain regions 12 are formed on the surface of the element region. The gate oxide film 2 and the first charge storage layer 3 are formed between the source / drain regions 12. A second charge storage layer 8 made of, for example, polysilicon is formed on the first charge storage layer 3.

第2の電荷蓄積層8上には、絶縁膜として、強誘電体膜9が形成される。この強誘電体膜9は、シリコン窒化物よりも高い誘電率を有する物質、例えばTaO2、HfO2-SiO2あるいはAlO3などで構成される。 A ferroelectric film 9 is formed as an insulating film on the second charge storage layer 8. The ferroelectric film 9 is made of a material having a dielectric constant higher than that of silicon nitride, such as TaO 2 , HfO 2 —SiO 2, or Al 2 O 3 .

強誘電体膜9上には、例えばポリシリコンによる制御ゲート10が形成される。   A control gate 10 made of, for example, polysilicon is formed on the ferroelectric film 9.

制御ゲート10、強誘電体膜9、第1及び第2の電荷蓄積層3,8、ゲート酸化膜2及び基板1の表面には、例えばシリコン酸化物による絶縁膜13が形成され、積層ゲートの側壁における絶縁膜13の表面には、例えばシリコン酸化物による絶縁膜14が形成される。   On the surface of the control gate 10, the ferroelectric film 9, the first and second charge storage layers 3 and 8, the gate oxide film 2 and the substrate 1, an insulating film 13 made of, for example, silicon oxide is formed, and the stacked gate is formed. An insulating film 14 made of, for example, silicon oxide is formed on the surface of the insulating film 13 on the side wall.

絶縁膜13、14上には、例えばシリコン酸化物による絶縁膜15が形成され、絶縁膜15により形成される溝内には絶縁膜16が形成される。絶縁膜15、16上にはメタル配線(ビット線)17が形成される。   An insulating film 15 made of, for example, silicon oxide is formed on the insulating films 13 and 14, and an insulating film 16 is formed in a groove formed by the insulating film 15. A metal wiring (bit line) 17 is formed on the insulating films 15 and 16.

さて、図3に示すように、本実施の形態においては、第1及び第2の電荷蓄積層3,8と、制御ゲート10との間に、上述のように、絶縁膜として強誘電体膜9が設けられている。これにより、書き込み動作時において、第1及び第2の電荷蓄積層3,8の電位を高くでき、よって、高速な書き込みが可能となる。以下これについてもう少し詳しく説明する。   As shown in FIG. 3, in the present embodiment, as described above, a ferroelectric film is used as an insulating film between the first and second charge storage layers 3 and 8 and the control gate 10. 9 is provided. As a result, during the write operation, the potentials of the first and second charge storage layers 3 and 8 can be increased, thereby enabling high-speed writing. This will be explained in more detail below.

図5は、図3の制御ゲート10に電圧VCGを印加し、基板1に電圧Vsubを印加した際における制御ゲート10と基板1との間の等価回路図を概略的に示す図である。 FIG. 5 is a diagram schematically showing an equivalent circuit diagram between the control gate 10 and the substrate 1 when the voltage V CG is applied to the control gate 10 of FIG. 3 and the voltage V sub is applied to the substrate 1. .

容量Cは、強誘電体膜9の容量であり、容量Cは、ゲート酸化膜2の容量である。電位Vは、第1及び第2の電荷蓄積層3、8の電位(第1及び第2の電荷蓄積層3、8の電位差は小さいので無視する)である。 The capacitance C 1 is the capacitance of the ferroelectric film 9, and the capacitance C 2 is the capacitance of the gate oxide film 2. The potential V 1 is the potential of the first and second charge storage layers 3 and 8 (the potential difference between the first and second charge storage layers 3 and 8 is small and is ignored).

書き込み速度を上げるためには、制御ゲート10への電圧印加時に、電位Vを高くすることが必要である。 In order to increase the writing speed, it is necessary to increase the potential V 1 when a voltage is applied to the control gate 10.

ここで電位Vは以下の(式1)によって表される。但し、Vsub=0とする
=C/(C+C)×VCG ・・・(式1)
また、一般に容量Cは以下の(式2)によって表される。
Here, the potential V 1 is expressed by the following (formula 1). However, V sub = 0 is assumed. V 1 = C 1 / (C 1 + C 2 ) × V CG (Formula 1)
In general, the capacity C is expressed by the following (Formula 2).

C=εS/d(S:面積、d:膜厚、ε:誘電率) ・・・(式2)
(式1)から、Cが大きいほど、大きな電位Vを得ることができるのが分かる。
C = εS / d (S: area, d: film thickness, ε: dielectric constant) (Formula 2)
From (Equation 1), it can be seen that the larger potential C 1 is, the larger potential V 1 can be obtained.

ここで、従来においては第1及び第2の電荷蓄積層3、8と制御ゲート10との間の絶縁膜としては特にシリコン酸化膜やONO膜(酸化膜−窒化膜−酸化膜)が用いられていた。しかし、電圧VCGの低下に伴い、電位Vも低下する問題があったのは背景技術の欄で述べた通りである。 Here, conventionally, a silicon oxide film or an ONO film (oxide film-nitride film-oxide film) is particularly used as an insulating film between the first and second charge storage layers 3, 8 and the control gate 10. It was. However, with the decrease of the voltage V CG, it is as described in the Background section is the potential V 1 is also a problem of reduction.

ここで、例えば絶縁膜としてシリコン酸化膜を用いた場合に、電位Vの低下を抑えるには、(式2)から、例えばシリコン酸化膜の横断面積Sを大きくすることが考えられるが、これは微細化に反する。また、例えばシリコン酸化膜の膜厚dを薄くすることも考えられるが、これはリテンション不良(電荷保持特性の劣化)を招く問題がある。 Here, for example, when a silicon oxide film is used as the insulating film, it is conceivable to increase the cross-sectional area S of the silicon oxide film, for example, from (Equation 2) in order to suppress the decrease in the potential V 1. Is contrary to miniaturization. In addition, for example, it is conceivable to reduce the thickness d of the silicon oxide film, but this has a problem of causing a retention failure (deterioration of charge retention characteristics).

そこで、本発明者は、絶縁膜としてシリコン窒化膜よりも誘電率εの高い強誘電体膜9を用いることを着想した。そして、この強誘電体膜9を絶縁膜として用いることで、素子の微細化に反することなく、またリテンション不良を招くことなく、膜容量を大きくできることを、即ち、新たな問題を生じさせることなく、電位Vを高く維持できることを知得した。 Therefore, the inventor has conceived of using the ferroelectric film 9 having a dielectric constant ε higher than that of the silicon nitride film as the insulating film. By using this ferroelectric film 9 as an insulating film, it is possible to increase the film capacity without violating the miniaturization of the element and without causing a retention failure, that is, without causing a new problem. It was found that the potential V 1 can be kept high.

図6〜図8は、図1のNAND型EEPROMの製造工程を示す断面図である。   6 to 8 are cross-sectional views showing manufacturing steps of the NAND type EEPROM shown in FIG.

図6は、図1のA1−A2線における断面に垂直な方向から見た製造工程を示し、図7及び図8は、図1のB1−B2線における断面に垂直な方向から見た、図6に続く製造工程を説明する。   6 shows a manufacturing process viewed from a direction perpendicular to the cross section taken along line A1-A2 of FIG. 1, and FIGS. 7 and 8 are views seen from a direction perpendicular to the cross section taken along line B1-B2 of FIG. The manufacturing process subsequent to 6 will be described.

まず、図6(A)に示すように、p型の半導体基板1の表面におけるチャネル領域に、周知の方法により、制御ゲートの閾値電圧を制御する不純物を注入した後、半導体基板1上にゲート酸化膜2を形成する。次いで、例えばCVD(Chemical Vapor Deposition)法により、ゲート酸化膜2上に、例えばポリシリコンによる第1の電荷蓄積層(浮遊ゲート)3と、後述するCMPの際におけるストッパとしてのシリコン窒化膜4とを順次堆積する。次いで、シリコン窒化膜4上にフォトレジストを塗布して焼成し、フォトリソグラフィ技術を用いて、STI(Shallow Trench Isolation)を形成するためのフォトマスクパターン5を形成する。   First, as shown in FIG. 6A, after an impurity for controlling the threshold voltage of the control gate is implanted into the channel region on the surface of the p-type semiconductor substrate 1 by a well-known method, the gate is formed on the semiconductor substrate 1. An oxide film 2 is formed. Next, for example, by CVD (Chemical Vapor Deposition), a first charge storage layer (floating gate) 3 made of, for example, polysilicon, and a silicon nitride film 4 as a stopper in the later-described CMP are formed on the gate oxide film 2. Are sequentially deposited. Next, a photoresist is applied on the silicon nitride film 4 and baked, and a photomask pattern 5 for forming STI (Shallow Trench Isolation) is formed by using a photolithography technique.

次に、図6(B)に示すように、リアクティブ・イオン・エッチング(Reactive Ion Etching:RIE)等のエッチング技術を用いて、シリコン窒化膜4、第1の電荷蓄積層3、ゲート酸化膜2及び半導体基板1を順次エッチングして、トレンチ6を形成する。次いで、基板上の全面に、例えばシリコン酸化膜による絶縁膜7をCVD法により堆積して、トレンチ6内に絶縁膜7を埋め込み、STI7aを形成する。次いで、シリコン窒化膜4をストッパとして絶縁膜7をCMP法により平坦化する。   Next, as shown in FIG. 6B, by using an etching technique such as reactive ion etching (RIE), the silicon nitride film 4, the first charge storage layer 3, and the gate oxide film are used. 2 and the semiconductor substrate 1 are sequentially etched to form a trench 6. Next, an insulating film 7 made of, for example, a silicon oxide film is deposited on the entire surface of the substrate by a CVD method, and the insulating film 7 is embedded in the trench 6 to form an STI 7a. Next, the insulating film 7 is planarized by CMP using the silicon nitride film 4 as a stopper.

次に、図6(C)に示すように、ストッパとしてのシリコン窒化膜4を除去し、さらにウェットエッチングにより、突出した絶縁膜7を、第1の電荷蓄積層3の表面まで後退させる。次いで、例えばポリシリコンによる第2の電荷蓄積層(浮遊ゲート)8をCVD法により堆積し、RIE等を用いてこの第2の電荷蓄積層8を加工する。次いで、STI7a及び第2の電荷蓄積層8の表面に、強誘電体膜9をCVD法により堆積する。強誘電体膜9の材料としては、シリコン窒化物よりも誘電率の高い物質、例えばTaO2、HfO2-SiO2あるいはAlO3などを用いる。次いで、強誘電体膜9上に、例えばポリシリコンによる制御ゲート材10を堆積し、この制御ゲート材10上にフォトレジストパターン11を形成する。 Next, as shown in FIG. 6C, the silicon nitride film 4 as a stopper is removed, and the protruding insulating film 7 is moved back to the surface of the first charge storage layer 3 by wet etching. Next, a second charge storage layer (floating gate) 8 made of, for example, polysilicon is deposited by CVD, and the second charge storage layer 8 is processed using RIE or the like. Next, a ferroelectric film 9 is deposited on the surfaces of the STI 7a and the second charge storage layer 8 by a CVD method. As a material of the ferroelectric film 9, a substance having a dielectric constant higher than that of silicon nitride, such as TaO 2 , HfO 2 —SiO 2, or Al 2 O 3 is used. Next, a control gate material 10 made of, for example, polysilicon is deposited on the ferroelectric film 9, and a photoresist pattern 11 is formed on the control gate material 10.

図7(A)は、図6(C)の状態の基板を、図1のB1−B2線における断面に垂直な方向から見たものである。   FIG. 7A shows the substrate in the state of FIG. 6C viewed from a direction perpendicular to the cross section taken along line B1-B2 of FIG.

次に、図7(B)に示すように、フォトマスクパターン11を用いて、制御ゲート10、強誘電体膜9、第2の電荷蓄積層8、第1の電荷蓄積層3及びゲート酸化膜2を、RIE法によりエッチングする。そして、制御ゲート10をマスクとして、半導体基板1の表面領域に、隣等の不純物をイオン注入して、ソース・ドレイン領域12を形成する。   Next, as shown in FIG. 7B, using the photomask pattern 11, the control gate 10, the ferroelectric film 9, the second charge storage layer 8, the first charge storage layer 3, and the gate oxide film 2 is etched by the RIE method. Then, using the control gate 10 as a mask, adjacent impurities are ion-implanted into the surface region of the semiconductor substrate 1 to form source / drain regions 12.

次に、図7(C)に示すように、例えばシリコン酸化物による絶縁膜13を堆積し、さらに、例えばシリコン窒化物あるいはシリコン酸化物による絶縁膜14を堆積する。   Next, as shown in FIG. 7C, an insulating film 13 made of, for example, silicon oxide is deposited, and further, an insulating film 14 made of, for example, silicon nitride or silicon oxide is deposited.

次に、図8(A)に示すように、RIE等により絶縁膜14を加工した後、絶縁膜13、14の表面に、例えばシリコン窒化物による絶縁膜15を堆積する。   Next, as shown in FIG. 8A, after processing the insulating film 14 by RIE or the like, an insulating film 15 made of, for example, silicon nitride is deposited on the surfaces of the insulating films 13 and 14.

次に、図8(B)に示すように、例えばシリコン酸化物による絶縁膜16をCVD法により堆積し、絶縁膜15をストッパにして、絶縁膜16の表面をCMPにより平坦化する。この後、ビット線コンタクトを形成し、絶縁膜15、16上に、例えばアルミニウムによるメタル配線(ビット線)17を形成する。   Next, as shown in FIG. 8B, for example, an insulating film 16 made of silicon oxide is deposited by CVD, and the surface of the insulating film 16 is planarized by CMP using the insulating film 15 as a stopper. Thereafter, a bit line contact is formed, and a metal wiring (bit line) 17 made of, for example, aluminum is formed on the insulating films 15 and 16.

上述した例では、NAND型EEPROMに適用されるメモリセルについて説明したが、このメモリセルは、NAND型だけでなく、例えばNOR型にも適用可能である。   In the above-described example, the memory cell applied to the NAND-type EEPROM has been described. However, this memory cell is applicable not only to the NAND-type but also to the NOR-type, for example.

図9は、本発明の別の実施の形態に従ったNOR型EEPROMの平面図である。   FIG. 9 is a plan view of a NOR type EEPROM according to another embodiment of the present invention.

図10は、図1中の点線で囲まれた部分T(4つのメモリセル)の等価回路図である。   FIG. 10 is an equivalent circuit diagram of a portion T (four memory cells) surrounded by a dotted line in FIG.

図11は、図9のC1−C2線における断面図(メモリセル断面図)である。   11 is a cross-sectional view (memory cell cross-sectional view) taken along line C1-C2 of FIG.

図9に示すように、メモリセルM11(1)〜M14(6)がマトリクス状に配置される。   As shown in FIG. 9, memory cells M11 (1) to M14 (6) are arranged in a matrix.

4つのメモリセルを示す部分Tの等価回路を示す図10に示すように、ビット線BL10と、ビット線BL10に直交する方向に延びるソース線SL10との間に、1つのメモリセルM11(1)が接続される。同様に、ビット線BL10とソース線SL11との間にメモリセルM12(1)が接続され、ビット線BL11とソース線SL10との間にメモリセルM11(2)が接続され、ビット線BL11とソース線SL11との間にメモリセルM12(2)が接続される。メモリセルM11(1)、M11(2)には共通のゲート線CG10が接続され、メモリセルM12(1)、M12(2)には共通のゲート線CG11が接続される(図9参照)。   As shown in FIG. 10 showing an equivalent circuit of a portion T indicating four memory cells, one memory cell M11 (1) is provided between the bit line BL10 and a source line SL10 extending in a direction orthogonal to the bit line BL10. Is connected. Similarly, the memory cell M12 (1) is connected between the bit line BL10 and the source line SL11, the memory cell M11 (2) is connected between the bit line BL11 and the source line SL10, and the bit line BL11 and the source are connected. Memory cell M12 (2) is connected between line SL11. A common gate line CG10 is connected to the memory cells M11 (1) and M11 (2), and a common gate line CG11 is connected to the memory cells M12 (1) and M12 (2) (see FIG. 9).

図9に示すように、複数のゲート線CG9〜CG13が、図中縦方向に延長して、互いに平行に配置される。   As shown in FIG. 9, a plurality of gate lines CG9 to CG13 extend in the vertical direction in the drawing and are arranged in parallel to each other.

各ゲート線CG9〜CG13の一方側には、各ゲート線CG9〜CG13に平行して、ソース線SL10〜S12が配置される。   On one side of the gate lines CG9 to CG13, source lines SL10 to S12 are arranged in parallel with the gate lines CG9 to CG13.

また、各ゲート線CG9〜CG13の他方側には、ビット線コンタクト部BCが形成される。   A bit line contact portion BC is formed on the other side of the gate lines CG9 to CG13.

各メモリセルM11(1)〜M14(6)は、ビット線コンタクト部BCを介して、図示しないビット線(図10、図11参照)に接続される。   Each memory cell M11 (1) to M14 (6) is connected to a bit line (not shown) (see FIGS. 10 and 11) via a bit line contact portion BC.

メモリセルの断面を示す図11に示すように、例えばp型の半導体基板21の表面領域にソース・ドレイン領域22が所定の間隔で形成される。ソース・ドレイン領域22は、例えば第1及び第2の不純物拡散領域に対応する。   As shown in FIG. 11 showing a cross section of the memory cell, for example, source / drain regions 22 are formed in a surface region of a p-type semiconductor substrate 21 at a predetermined interval. The source / drain regions 22 correspond to, for example, first and second impurity diffusion regions.

半導体基板21上には例えばシリコン酸化物によるゲート酸化膜23が形成される。   A gate oxide film 23 made of, for example, silicon oxide is formed on the semiconductor substrate 21.

ソース・ドレイン領域22間におけるゲート酸化膜23上には、例えばポリシリコンによる第1の電荷蓄積層(浮遊ゲート)24が形成される。   On the gate oxide film 23 between the source / drain regions 22, a first charge storage layer (floating gate) 24 made of, for example, polysilicon is formed.

第1の電荷蓄積層24上には、シリコン窒化物よりも誘電率の高い物質による強誘電体膜25が形成される。   A ferroelectric film 25 made of a material having a dielectric constant higher than that of silicon nitride is formed on the first charge storage layer 24.

強誘電体膜25上には、例えばアモルファスシリコン層26aとタングステン層26bの2層からなる制御ゲート27が形成される。   On the ferroelectric film 25, for example, a control gate 27 composed of two layers of an amorphous silicon layer 26a and a tungsten layer 26b is formed.

制御ゲート27を覆うように例えばシリコン酸化物による第1の層間絶縁膜28が形成され、第1の層間絶縁膜28の表面から内部に向けて、ソース・ドレイン領域22へ通ずる第1及び第2のホール29a、29bが形成される。   A first interlayer insulating film 28 made of, for example, silicon oxide is formed so as to cover the control gate 27, and the first and second layers leading to the source / drain region 22 from the surface of the first interlayer insulating film 28 to the inside. Holes 29a and 29b are formed.

第1及び第2のホール29a、29bの内壁には、例えばチタンナイトライドによる第1及び第2のバリアメタル30a、30bが形成され、その内側には、例えばタングステンによる第1及び第2のプラグ31a、31bが形成される。   First and second barrier metals 30a and 30b made of, for example, titanium nitride are formed on inner walls of the first and second holes 29a and 29b, and first and second plugs made of, for example, tungsten are formed inside the first and second holes 29a and 29b. 31a and 31b are formed.

第1の層間絶縁膜28、第1及び第2のプラグ31a、31b及び第1及び第2のバリアメタル30a、30b上に、第2の層間絶縁膜32が形成される。   A second interlayer insulating film 32 is formed on the first interlayer insulating film 28, the first and second plugs 31a and 31b, and the first and second barrier metals 30a and 30b.

第2の層間絶縁膜32の表面から内部に向けて第1のプラグ31へ通じる第3のホール33が形成され、第3のホール33の内壁には第3のバリアメタル34が形成され、その内側には第3のプラグ35が形成される。   A third hole 33 leading to the first plug 31 from the surface of the second interlayer insulating film 32 to the inside is formed, and a third barrier metal 34 is formed on the inner wall of the third hole 33, A third plug 35 is formed inside.

第2の層間絶縁膜32、第3のプラグ35及び第3のバリアメタル34上には、例えばTi/TiN膜36、Al-Cu膜37及びTiN膜38の積層構造によるビット線電極39が形成される。   On the second interlayer insulating film 32, the third plug 35 and the third barrier metal 34, for example, a bit line electrode 39 having a laminated structure of a Ti / TiN film 36, an Al—Cu film 37 and a TiN film 38 is formed. Is done.

本発明の実施の形態に従ったNAND型EEPROMの平面図である。1 is a plan view of a NAND type EEPROM according to an embodiment of the present invention. このNAND型EEPROMの等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram of this NAND type EEPROM. 図1のB1−B2線における断面図である。It is sectional drawing in the B1-B2 line | wire of FIG. 図1のA1−A2線における断面図である。It is sectional drawing in the A1-A2 line | wire of FIG. 図3の制御ゲート及び基板にそれぞれ電圧を印加した際における制御ゲートと基板との間の等価回路図を概略的に示す図であるFIG. 4 is a diagram schematically showing an equivalent circuit diagram between the control gate and the substrate when voltages are respectively applied to the control gate and the substrate of FIG. 3. 図1のNAND型EEPROMの製造工程を示す断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the NAND-type EEPROM of FIG. 1. 図6に続く、製造工程断面図である。FIG. 7 is a manufacturing process sectional view following FIG. 6; 図7に続く、製造工程断面図である。FIG. 8 is a manufacturing process sectional view following FIG. 7; 本発明の別の実施の形態に従ったNOR型EEPROMの平面図である。It is a top view of the NOR type EEPROM according to another embodiment of the present invention. 図1中の点線で囲まれた部分T(4つのメモリセル)におけるNOR型EEPROMの等価回路図である。FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of a NOR type EEPROM in a portion T (four memory cells) surrounded by a dotted line in FIG. 1. 図9のC1−C2線における断面図である。It is sectional drawing in the C1-C2 line | wire of FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1 半導体基板
2 ゲート酸化膜(トンネル絶縁膜)
3 第1の電荷蓄積層(第1の浮遊ゲート)
7a 素子分離領域
8 第2の電荷蓄積層(第2の浮遊ゲート)
9 強誘電体膜
10 制御ゲート
12 ソース・ドレイン領域
17 メタル配線
BL1〜BL3 ビット線
SG1〜SG2 選択線
SL、SL10〜SL12 ソース線
WL1〜WLn ワード線(ゲート線)
CG9〜CG13 ゲート線
BC ビットコンタクト
M1(1)〜M3(n)、M11(1)〜M14(6) メモリセル
1 Semiconductor substrate 2 Gate oxide film (tunnel insulating film)
3 First charge storage layer (first floating gate)
7a Element isolation region 8 Second charge storage layer (second floating gate)
9 Ferroelectric film 10 Control gate 12 Source / drain region 17 Metal lines BL1 to BL3 Bit lines SG1 to SG2 Select lines SL, SL10 to SL12 Source lines WL1 to WLn Word lines (gate lines)
CG9 to CG13 Gate line BC Bit contacts M1 (1) to M3 (n), M11 (1) to M14 (6) Memory cells

Claims (4)

半導体基板と、
前記半導体基板に形成された素子分離領域と、
前記素子分離領域により区画された素子領域と、
前記素子領域上に形成された第1の絶縁膜と、
前記第1の絶縁膜上に形成された浮遊ゲートと、
前記浮遊ゲート上に形成された、シリコン窒化膜よりも高い誘電率を有する第2の絶縁膜と、
前記第2の絶縁膜上に形成された制御ゲートと、
を有する、電気的に情報の書き換えが可能なメモリセルが複数配列されたメモリセルアレイを備えた不揮発性半導体記憶装置。
A semiconductor substrate;
An element isolation region formed in the semiconductor substrate;
An element region partitioned by the element isolation region;
A first insulating film formed on the element region;
A floating gate formed on the first insulating film;
A second insulating film formed on the floating gate and having a dielectric constant higher than that of the silicon nitride film;
A control gate formed on the second insulating film;
A nonvolatile semiconductor memory device including a memory cell array in which a plurality of electrically rewritable memory cells are arranged.
前記第2の絶縁膜は、Ta、Hf、Alの群から選択された少なくとも1種の金属の酸化物を含むことを特徴とする請求項1に記載の不揮発性半導体記憶装置。   2. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein the second insulating film includes an oxide of at least one metal selected from the group consisting of Ta, Hf, and Al. 前記メモリセルアレイとして、ビット線とソース線との間に複数の前記メモリセルが直列に接続されたNAND型メモリセルアレイを備えたことを特徴とする請求項1又は2に記載の不揮発性半導体記憶装置。   3. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein the memory cell array includes a NAND type memory cell array in which a plurality of the memory cells are connected in series between a bit line and a source line. . 前記メモリセルとして、前記素子領域におけるチャネル領域に隣接する第1及び第2の不純物拡散領域にソース線及びビット線が接続されたNOR型メモリセルを含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の不揮発性半導体記憶装置。   3. The NOR memory cell according to claim 1, wherein the memory cell includes a NOR type memory cell in which a source line and a bit line are connected to first and second impurity diffusion regions adjacent to a channel region in the element region. The nonvolatile semiconductor memory device described.
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