JP2007110029A - Semiconductor memory device and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、電気的書き換え可能な不揮発性メモリセルを用いて構成される半導体記憶装置に係り、特に部分SOI基板に形成されたNANDセルユニットを有するEEPROMに関する。 The present invention relates to a semiconductor memory device configured using electrically rewritable nonvolatile memory cells, and more particularly to an EEPROM having a NAND cell unit formed on a partial SOI substrate.
EEPROMの一つとして、NAND型フラッシュメモリが知られている。NAND型フラッシュメモリは、電気的書き換え可能な不揮発性メモリセルが複数個直列接続されてNANDセルユニットを構成するため、NOR型と比べて単位セル面積が小さく、大容量化が容易である。 A NAND flash memory is known as one of the EEPROMs. Since the NAND flash memory includes a plurality of electrically rewritable nonvolatile memory cells connected in series to form a NAND cell unit, the unit cell area is smaller than that of the NOR type, and the capacity can be easily increased.
NAND型フラッシュメモリは、データ書き込みにFNトンネル電流を利用するため、ホットキャリア注入を利用するNOR型に比べて消費電流が少ない。このため、同時に書き込みを行うページ容量を大きくすることができ、これにより実質高速のデータ書き込みが可能になる。 Since the NAND flash memory uses the FN tunnel current for data writing, it consumes less current than the NOR type using hot carrier injection. For this reason, it is possible to increase the capacity of a page to be written at the same time, thereby enabling a substantially high-speed data writing.
NAND型フラッシュメモリの更なるセルの微細化を図るには、素子分離領域の微細化が必要である。しかし素子分離領域の微細化はセル間の耐圧低下をもたらす。耐圧低下をもたらすことなく、セルの微細化を実現するためには、NANDセルユニットからなるメモリセルアレイを、SOI(Silicon On Insulator)基板に形成する技術が有効である。そのような技術は既に提案されている(例えば、特許文献1参照)。
この発明は、部分SOI基板にNANDセルユニットを形成する半導体記憶装置とその製造方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a semiconductor memory device in which a NAND cell unit is formed on a partial SOI substrate, and a manufacturing method thereof.
この発明の一態様による半導体記憶装置は、
半導体基板と、
前記半導体基板上に絶縁膜を介して形成されかつ、前記絶縁膜に開けられた開口を介して前記半導体基板に接する半導体層と、
前記半導体層に形成された、複数の直列接続された電気的書き換え可能な不揮発性メモリセル及びその両端に配置された第1及び第2の選択ゲートトランジスタからなるNANDセルユニットとを有する。
A semiconductor memory device according to one embodiment of the present invention includes:
A semiconductor substrate;
A semiconductor layer formed on the semiconductor substrate via an insulating film and in contact with the semiconductor substrate via an opening opened in the insulating film;
A plurality of series-connected electrically rewritable nonvolatile memory cells formed in the semiconductor layer; and a NAND cell unit including first and second select gate transistors disposed at both ends thereof.
この発明の他の態様による半導体記憶装置の製造方法は、
単結晶半導体基板に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜に開口を形成する工程と、
前記開口が形成された絶縁膜上に、前記開口を介して前記半導体基板に接する非晶質又は多結晶質の半導体層を堆積する工程と、
前記半導体層に対して結晶化アニール処理を行う工程と、
前記半導体層に、複数の直列接続された電気的書き換え可能な不揮発性メモリセルとその両端に配置された選択ゲートトランジスタとからなるNANDセルユニットを形成する工程とを有する。
A method of manufacturing a semiconductor memory device according to another aspect of the present invention includes:
Forming an insulating film on the single crystal semiconductor substrate;
Forming an opening in the insulating film;
Depositing an amorphous or polycrystalline semiconductor layer in contact with the semiconductor substrate through the opening on the insulating film in which the opening is formed;
Performing a crystallization annealing process on the semiconductor layer;
Forming a NAND cell unit comprising a plurality of electrically rewritable non-volatile memory cells connected in series and select gate transistors disposed at both ends thereof in the semiconductor layer.
この発明によれば、部分SOI基板にNANDセルユニットを形成する半導体記憶装置とその製造方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor memory device in which a NAND cell unit is formed on a partial SOI substrate and a manufacturing method thereof.
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態を説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、一実施の形態によるNAND型フラッシュメモリのメモリセルアレイ平面図であり、図2はそのビット線(BL)方向の断面図(図1のI−I’断面図)、図3は、選択ゲート線(SGD)に沿った断面図(図1のII−II’断面図)、図4は、ワード線(WL)に沿った断面図(図1のIII−III’断面図)である。 1 is a plan view of a memory cell array of a NAND flash memory according to an embodiment, FIG. 2 is a cross-sectional view in the bit line (BL) direction (II ′ cross-sectional view in FIG. 1), and FIG. FIG. 4 is a sectional view taken along the selection gate line (SGD) (II-II ′ sectional view of FIG. 1), and FIG. 4 is a sectional view taken along the word line (WL) (III-III ′ sectional view of FIG. 1). .
素子基板は、単結晶シリコン基板1上にシリコン酸化膜2により分離されて形成されたシリコン層3を有するSOI(Silicon On Insulator)基板である。シリコン層3は、完全にはシリコン基板1と電気的に分離されておらず、酸化膜2に開けられた開口4を介してシリコン基板1と接続されている。この意味でこの実施の形態のSOI基板を、以下“部分SOI基板”という。
The element substrate is an SOI (Silicon On Insulator) substrate having a
シリコン基板1は、メモリセルアレイ領域では、p型シリコン基板1aにn型ウェル1bが形成され、更にこのn型ウェル1b内にp型ウェル1cが形成されたウェル構造を有する。
In the memory cell array region, the
シリコン層3は、酸化膜2上に堆積したn型の多結晶シリコン層或いは非晶質シリコン層をアニールにより(再)結晶化したものである。結晶化アニールでは、開口4に露出する基板結晶を種として結晶化が進む。シリコン層3の膜厚は、例えば1nm以上でかつ、メモリセルのゲート長をLとして3L以下とする。酸化膜2の膜厚は例えば1nm以上でかつ、4L以下とする。シリコン層3と酸化膜2の合計膜厚がゲート長L程度ということもあり得る。
The
部分的にp型拡散層31が形成されたシリコン層3は、図3及び図4に示すように、素子分離絶縁膜12により互いに分離されたストライプ状の素子形成領域14として区画される。このシリコン層3上に、トンネル酸化膜5を介して電荷蓄積層として浮遊ゲート6が形成され、更に浮遊ゲート6上にゲート間絶縁膜7を介して制御ゲート8が形成されている。浮遊ゲート6は、各メモリセル毎に分離され、制御ゲート8は、一方向に連続する、複数のメモリセルに共通のワード線WL(WL0−WL15)として形成される。ここでは、浮遊ゲートとして多結晶シリコン膜を用いているが、絶縁体の電荷蓄積層を用いることもできる。
As shown in FIGS. 3 and 4, the
図5は、メモリセルアレイの等価回路を示しており、NANDセルユニットNUを構成する複数の直列接続されたメモリセルM0−M15の両端部には、選択ゲートトランジスタSG1,SG2が配置される。これらの選択ゲートトランジスタSG1,SG2のゲートは、浮遊ゲート6及び制御ゲート8と同じ多結晶シリコン等のゲート配線材料膜からなるゲート6d,6s及び8d,8sの積層膜を互いにコンタクトさせた状態で、ワード線WLと並行する選択ゲート線SGD,SGSとして形成される。
FIG. 5 shows an equivalent circuit of the memory cell array. Select gate transistors SG1 and SG2 are arranged at both ends of a plurality of series-connected memory cells M0 to M15 constituting the NAND cell unit NU. The gates of these selection gate transistors SG1 and SG2 are in a state in which the stacked films of gate wiring material films such as polycrystalline silicon, which are the same as the
メモリセルアレイ上は層間絶縁膜9で覆われ、この上にビット線(BL)11が形成される。層間絶縁膜9内には、NANDセルユニットのソースを共通接続する共通ソース線(CELSRC)10sが埋め込まれ、例えばこれと同じ導電材料でビット線コンタクトプラグ10dが埋め込まれる。ビット線11はこのビット線コンタクトプラグ10dを介してドレイン領域(n+型拡散層32)に接続される。
The memory cell array is covered with an
シリコン層3は、n型であって、NANDセルユニットを構成する複数のメモリセルは、特にソース、ドレイン拡散層を形成することなく、n型シリコン層3をそのままチャネルボディ及びソース/ドレインとして用いて、隣接するセルがソース/ドレインを共有する形で形成される。従ってメモリセルは、作りつけの状態では、デプレション(D)タイプのnチャネルトランジスタとして形成される。
The
この実施の形態では、NANDセルユニットの両端部の選択ゲートトランジスタ領域を、シリコン層3の結晶成長の核となる開口4上に位置させている。この領域には、選択ゲートトランジスタSG1,SG2をゲート0Vでカットオフするエンハンスメント(E)タイプとするために、p型層31を形成している。また、ビット線コンタクトプラグ10d及びソース線10sの直下(即ち、選択ゲートトランジスタSG1のドレイン領域及び選択ゲートトランジスタSG2のソース領域)には、それらのコンタクトを良好にするため、n+型拡散層32を形成している。
In this embodiment, the select gate transistor regions at both ends of the NAND cell unit are positioned on the
次に実施の形態のフラッシュメモリの製造工程を、図6〜図17を参照して説明する。図6から図9までは、図1のI−I’断面での製造工程を示している。図6に示すように、シリコン基板1にシリコン酸化膜2を形成し、その選択ゲートトランジスタ形成位置に開口4を開ける。この段階で開口4は、図6の紙面に垂直の方向に連続するストライプ状とする。
Next, a manufacturing process of the flash memory according to the embodiment will be described with reference to FIGS. 6 to 9 show the manufacturing process in the I-I 'cross section of FIG. As shown in FIG. 6, a
続いて、図7に示すように、酸化膜2上にn型シリコン層3を形成する。具体的には、多結晶シリコン層または非晶質シリコン層を堆積した後、結晶化アニールを行って、開口4に露出する基板結晶を種として固相成長させて、良質の結晶性シリコン層3を得る。結晶化アニールの後、結晶性シリコン層3の表面を平滑化するため、平坦化プロセスを実施してもよい。
Subsequently, as shown in FIG. 7, an n-
次に、図8に示すように、後に選択ゲートトランジスタが形成される位置、即ち開口4の位置にイオン注入を行ってp型層31を形成する。
Next, as shown in FIG. 8, a p-
次に、図9に示すように、シリコン層3上にトンネル酸化膜5を形成した後、浮遊ゲートを形成するための第1層多結晶シリコン膜60を堆積する。図10及び図11は、この工程でのそれぞれ図1のII−II’及びIII−III’断面での構造を示している。
Next, as shown in FIG. 9, after forming a
次に、図12及び図13(それぞれ図10及び図11に対応する断面)に示すように、多結晶シリコン膜60から少なくとも酸化膜2に達する深さ(実際には、基板1のp型ウェル1cに達する深さ)の素子分離溝13をRIEにより形成し、この素子分離溝13に素子分離絶縁膜12を埋め込む。
Next, as shown in FIGS. 12 and 13 (cross sections corresponding to FIGS. 10 and 11 respectively), the depth reaching the
この素子分離工程で、n型シリコン層3は、ビット線方向には連続し、ワード線方向には互いに分離された状態の複数のストライプ状素子形成領域14としてパターニングされる。同時に浮遊ゲートなる多結晶シリコン膜60が、素子形成領域14と同じストライプ状の多結晶シリコン膜60aとしてパターニングされる。
In this element isolation step, the n-
続いて、図14〜図16に示すように、ゲート間絶縁膜7を形成した後、制御ゲートを形成するための第2層多結晶シリコン膜80を堆積する。このとき、図14及び図15に示すように、選択ゲート線上のセル領域上のゲート間絶縁膜7に開口81を開けて、第2層多結晶シリコン膜80を第1層多結晶シリコン膜60aとコンタクトさせる。
Subsequently, as shown in FIGS. 14 to 16, after the
そして、図17に示すように、第2層多結晶シリコン膜80から第1層多結晶シリコン膜60aまでをRIEによりエッチングして、ワード線8と選択ゲート線8d,8sを形成する。これにより、第1層多結晶シリコン膜60は、浮遊ゲート6及び選択ゲートの一部6d,6sとして、各メモリセル領域及びトランジスタ領域のみに残る。この後、ビット線及びソース線のコンタクト位置にイオン注入を行って、n+型層32を形成する。
Then, as shown in FIG. 17, the second layer
この後、図2〜図4に示すように、第1の層間絶縁膜9aを堆積し、これにコンタクト孔を開けて、共通ソース線10sとビット線コンタクト10dを埋め込み形成する。次いで第2の層間絶縁膜9bを堆積し、ビット線コンタクト孔を開けて、ビット線11を形成する。
After that, as shown in FIGS. 2 to 4, a first
以上の製造工程の説明から明らかなように、酸化膜2に形成した開口4を選択ゲート線SGD,SGSの直下に配置するとすれば、後のp型拡散層31やワード線WL及び選択ゲート線SGD,SGSの形成工程では開口4との位置合わせを行うことが必要である。これらは自己整合されないからである。
As is apparent from the above description of the manufacturing process, if the
そのための位置合わせマーク形成工程を、図18から図20を参照して説明する。図18は、セルアレイ領域で酸化膜2にマスク材101を用いて開口4を形成する工程を示している。この工程で同時に、ウェハ周辺の適当なマーク領域で酸化膜2にマーク用開口4aを開ける。
The alignment mark forming process for that purpose will be described with reference to FIGS. FIG. 18 shows a process of forming the
この後、図19に示すように、メモリセルアレイ領域をレジスト102で覆って、マーク領域の開口4aを介してシリコン基板エッチングを行い、マーク用凹部4bを形成する。その後図20に示すように、レジスト102とマスク材101を除去する。
Thereafter, as shown in FIG. 19, the memory cell array region is covered with a resist 102, and the silicon substrate is etched through the
こうして、ウェル周辺にマーク用凹部4bを形成することによって、その後の工程でのマスクアライメントが可能になる。 Thus, by forming the mark recesses 4b around the well, mask alignment in the subsequent process becomes possible.
次にこの実施の形態のフラッシュメモリの動作を説明する。前述のように、メモリセルは作りつけの状態でデプレション(D)タイプ(消去状態)であり、狭義の書き込みは浮遊ゲートに電子を注入してしきい値が正のエンハンスメント(E)タイプ状態にすることを言う。このしきい値が正の状態を例えばデータ“0”とする。 Next, the operation of the flash memory of this embodiment will be described. As described above, the memory cell is a depletion (D) type (erased state) in a built-in state, and in a narrow sense write, an electron is injected into the floating gate and the threshold is positive (E) type state. Say to be. For example, data “0” is set when the threshold is positive.
データ消去は、浮遊ゲートの電子を放出させて、しきい値が負の状態(Dタイプ状態)にすることを言い、この消去状態をデータ“1”とする。これにより、2値記憶が行われる。書き込みしきい値状態を更に複数しきい値分布に制御することにより、多値記憶が可能であるが、以下では2値記憶の動作を説明する。 Data erasure refers to releasing electrons from the floating gate to bring the threshold value into a negative state (D type state), and this erase state is referred to as data “1”. Thereby, binary storage is performed. Multi-value storage can be performed by further controlling the write threshold state to a plurality of threshold distributions. The operation of binary storage will be described below.
図21は、データ消去時のバイアス関係を示している。データ消去は、図5に示す等価回路において、ワード線WL0−WL15を共有するNANDセルユニットの集合として定義される1ブロックBLKを消去単位として行われる。 FIG. 21 shows a bias relationship at the time of erasing data. In the equivalent circuit shown in FIG. 5, data erasure is performed using one block BLK defined as a set of NAND cell units sharing the word lines WL0 to WL15 as an erasure unit.
図21に示すように、選択ブロックの選択ゲート線SGD,SGS、ビット線BL及び共通ソース線CELSRCをフローティング状態とし、選択ブロックの全ワード線WL0−WL15を0Vとし、ウェル端子CPWELに正の消去電圧Veraを与える。ウェル端子CPWELは、p型ウェル1cとn型ウェル1bとに共通接続された端子である。消去電圧Veraは、通常昇圧回路により電源電圧Vccより高い値15V〜24Vに昇圧された電圧である。
As shown in FIG. 21, the selection gate lines SGD and SGS, the bit line BL and the common source line CELSRC of the selected block are set in a floating state, all the word lines WL0 to WL15 of the selected block are set to 0 V, and positive erasing is performed on the well terminal CPWEL. A voltage Vera is applied. The well terminal CPWEL is a terminal commonly connected to the p-
このバイアス条件下で、セルアレイ領域のn型シリコン層3と選択ゲート線直下のp型層31との間のPN接合は順バイアスされる。従ってn型シリコン層3は、p型ウェル1cから開口4上のp型層31を介して、消去電圧Veraまで充電される。これにより、選択ブロックのメモリセルでは浮遊ゲートとチャネル間に大きな電界がかかり、FNトンネル電流により浮遊ゲートの電子が放出され、しきい値が負の消去状態(データ“1”状態)になる。
Under this bias condition, the PN junction between the n-
このとき、非選択ブロックでもn型シリコン層3はVeraまで充電される。しかし非選択ブロックではワード線をフローティングに保つことにより、容量結合により浮遊ゲート電位が上昇し、消去は行われない。
At this time, the n-
図22は、データ書き込み時のバイアス関係を示している。データ書き込みは、ワード線に沿って配列されたメモリセルの集合を1ページ或いは2ページとして、ページ単位で行われる。図22では、ワード線WL1が選択された場合を示している。 FIG. 22 shows a bias relationship at the time of data writing. Data writing is performed on a page-by-page basis with a set of memory cells arranged along a word line as one page or two pages. FIG. 22 shows a case where the word line WL1 is selected.
ウェル端子CPWELは0V(或いは小さい負電圧)とし、選択ワード線WL1には15〜20Vに昇圧された書き込み電圧Vpgmを、残りの非選択ワード線には書き込み電圧Vpgmより低い正の中間電圧Vmを与え、ビット線側の選択ゲート線SGDにVdd、ソース線側選択ゲート線SGSに0Vを与える。ソース線CELSRCは0V又は適当な正電圧を与える。 The well terminal CPWEL is set to 0 V (or a small negative voltage), the write voltage Vpgm boosted to 15 to 20 V is applied to the selected word line WL1, and the positive intermediate voltage Vm lower than the write voltage Vpgm is applied to the remaining unselected word lines. Then, Vdd is applied to the selection gate line SGD on the bit line side, and 0 V is applied to the source line side selection gate line SGS. The source line CELSRC gives 0V or an appropriate positive voltage.
以上の書き込みバイアス電圧印加に先立って、ビット線BLには書き込みデータに応じて0V(“0”書き込み),Vdd(“1”書き込み)が与えられる。これにより、“0”書き込みのNANDセルチャネルには、0Vが与えられる。“1”書き込みの場合、選択ゲートトランジスタSG1はそのソース(ビット線と反対側)がVdd−Vth(Vthは選択ゲートトランジスタのしきい値)まで充電されるとオフになり、NANDセルチャネルはフローティングになる。 Prior to the application of the above write bias voltage, 0 V (“0” write) and Vdd (“1” write) are applied to the bit line BL in accordance with the write data. As a result, 0V is applied to the NAND cell channel to which “0” is written. In the case of writing “1”, the selection gate transistor SG1 is turned off when the source (the side opposite to the bit line) is charged to Vdd−Vth (Vth is the threshold value of the selection gate transistor), and the NAND cell channel is floating. become.
この状態で上述の書き込み電圧Vpgm及び中間電圧Vmが与えられると、“0”書き込み選択セルでは、FNトンネル電流により浮遊ゲートに電子が注入される。即ち、しきい値が正の“0”データが書かれる。“1”書き込みセルでは、フローティングのチャネルが容量結合により電位上昇し、電子注入は生じない。即ち“1”データ状態を維持する。 In this state, when the write voltage Vpgm and the intermediate voltage Vm are applied, electrons are injected into the floating gate by the FN tunnel current in the “0” write selection cell. That is, data with a positive threshold value “0” is written. In the “1” write cell, the potential of the floating channel rises due to capacitive coupling, and electron injection does not occur. That is, the “1” data state is maintained.
図23は、データ読み出し時のバイアス関係を示している。データ読み出しもページ単位で行われる。図23では、ワード線WL1が選択された場合を示している。 FIG. 23 shows a bias relationship at the time of data reading. Data reading is also performed in units of pages. FIG. 23 shows a case where the word line WL1 is selected.
共通ソース線CELSRCは0Vとし、ビット線BLは予め所定の正電圧VBLまで充電してフローティング状態に保つ。ウェル端子CPWELは0V(或いは小さい負電圧)とし、選択ワード線WL1には読み出し電圧Vr(例えば0V)を、残りの非選択ワード線にはセルデータによらずセルをオンさせることができる読み出しパス電圧Vreadを、選択ゲート線SGD,SGSにも読み出しパス電圧Vreadを与える。 The common source line CELSRC is set to 0 V, and the bit line BL is charged in advance to a predetermined positive voltage VBL and kept in a floating state. The well terminal CPWEL is set to 0 V (or a small negative voltage), a read voltage Vr (for example, 0 V) is applied to the selected word line WL1, and a read path that can turn on the cells to the remaining unselected word lines regardless of cell data. The read pass voltage Vread is also applied to the selection gate lines SGD and SGS.
これにより、選択セルは、データ“0”であればオンせず、ビット線BLは放電されない。選択セルが“1”であればオンして、ビット線BLが放電される。従って、一定時間のビット線放電動作後、ビット線BLの電圧をセンスアンプで検知することにより、データを読み出すことができる。 Thus, the selected cell is not turned on if the data is “0”, and the bit line BL is not discharged. If the selected cell is “1”, it is turned on and the bit line BL is discharged. Therefore, after the bit line discharge operation for a certain time, data can be read by detecting the voltage of the bit line BL with the sense amplifier.
この実施の形態によると、基板から完全に分離されたシリコン層を持つSOI基板ではなく、部分SOI基板を用いている。この部分SOI基板は、結晶化アニール工程を必要とするが、通常のSOI基板に比べて安価に入手することができる。シリコン層の厚みを選択することにより、素子分離も容易でありまた、通常のバルク型では得られない微細セル構造を実現することも可能になる。 According to this embodiment, a partial SOI substrate is used instead of an SOI substrate having a silicon layer completely separated from the substrate. Although this partial SOI substrate requires a crystallization annealing step, it can be obtained at a lower cost than a normal SOI substrate. By selecting the thickness of the silicon layer, element isolation is easy, and a fine cell structure that cannot be obtained by a normal bulk type can be realized.
また、通常のSOI基板を用いてNAND型フラッシュメモリを作ると、NANDセルユニットのチャネルボディに消去電圧を与えるために格別の工夫が必要である。これに対してこの実施の形態の場合、チャネルボディとなるシリコン層は酸化膜に開けられた開口を介してシリコン基板と接している。従って、基板を介してNANDセルユニットのチャネルボディに一括消去のための消去電圧を与えることができ、確実な消去が可能になる。 Further, when a NAND flash memory is manufactured using a normal SOI substrate, special measures are required to apply an erase voltage to the channel body of the NAND cell unit. On the other hand, in the case of this embodiment, the silicon layer serving as the channel body is in contact with the silicon substrate through the opening opened in the oxide film. Therefore, an erase voltage for batch erasure can be applied to the channel body of the NAND cell unit via the substrate, and reliable erasure becomes possible.
図24〜図27は、他の実施の形態での図2対応の断面図である。図2では、ビット線側、ソース線側の選択ゲート線(SGD,SGS)8d,8sの下で酸化膜2に開口4を開けている。これに対して図24は、ソース線側選択ゲート線(SGS)8sの直下のみに開口4を開けた例である。また図25は、ビット線側選択ゲート線(SGD)8dの直下のみに開口4を開けた例である。
24 to 27 are cross-sectional views corresponding to FIG. 2 in other embodiments. In FIG. 2, an
図26は、ビット線(BL)コンタクト及びソース線(CELSRC)コンタクトのn+型拡散層32の領域で酸化膜2に開口4を開けている。この場合、基板のp型層1cに消去電圧Veraを与えときに、n+型拡散層32とp型拡散層31との間のPN接合が逆バイアスになる。しかし、消去電圧Veraの値や各拡散層の不純物濃度の設定により、NANDセルニットのチャネルボディに必要な正電圧を与えることは可能である。
In FIG. 26, the
具体的には、n+型拡散層32とp型拡散層31との間のPN接合がブレークダウンしてp型拡散層31内でインパクトイオン化が起こるようにすれば、生成した電子・正孔のうち正孔はNANDセルユニットのn型チャネルボディまで流れてここに蓄積される。これにより、チャネルボディを消去動作に必要な正電圧まで昇圧することが可能である。
Specifically, if the PN junction between the n + -
図26では、ビット線(BL)コンタクト及びソース線(CELSRC)コンタクト双方のn+型拡散層32の領域で酸化膜2に開口4を開けているが、いずれか一方のみでもよい。
In FIG. 26, the
図27は、NANDセルユニット内の適当なメモリセル直下で酸化膜2に開口4を開けた例である。この場合も、p型層1cから与えられる消去電圧VeraによりNANDセルユニットのチャネルボディは充電されるから、先の実施の形態と同様の消去動作が可能である。
FIG. 27 shows an example in which an
図28は、コンタクト部のn+型拡散層32とp型拡散層31にまたがるように開口4を開けた例である。更に図には示さないが、開口4を、p型拡散層31とn型シリコン層3にまたがるように開けてもよい。
FIG. 28 shows an example in which the
次に、デバイスシミュレーションのデータを説明する。デバイス条件は、ストライプ状の素子形成領域のラインL/スペースSが、L/S=80nm/80nm、ワード線幅がW=80nm、選択ゲート線幅がLSG=100nmである。p型ウェルの不純物濃度はPSUB=1E18cm−3、選択ゲート線下のp型層の不純物濃度はPSGC=1E16cm−3である。 Next, device simulation data will be described. The device conditions are as follows: the line L / space S of the stripe-shaped element formation region is L / S = 80 nm / 80 nm, the word line width is W = 80 nm, and the selection gate line width is LSG = 100 nm. The impurity concentration of the p-type well is PSUB = 1E18 cm −3 , and the impurity concentration of the p-type layer under the selection gate line is PSGC = 1E16 cm −3 .
部分SOI基板のシリコン層厚は、TSOI=10〜80nmの範囲で選択し、分離用酸化膜の膜厚は、TBOX=20〜80nmの範囲で選択した。トンネル酸化膜厚は、TOX=8nmである。NANDセルユニット内のメモリセルは5個としている。 The silicon layer thickness of the partial SOI substrate was selected in the range of TSOI = 10 to 80 nm, and the thickness of the isolation oxide film was selected in the range of TBOX = 20 to 80 nm. The tunnel oxide film thickness is TOX = 8 nm. There are five memory cells in the NAND cell unit.
まず、選択ゲート線(SG)下に開口を設けた構造とビット線コンタクト(CB)下に開口を設けた構造に付いて、ワード線に0V、p型ウェルに20Vを与えた消去動作のシミュレーション結果を説明する。 First, a simulation of an erasing operation in which 0 V is applied to a word line and 20 V is applied to a p-type well in a structure in which an opening is provided under a selection gate line (SG) and a structure in which an opening is provided under a bit line contact (CB). The results will be explained.
図29(a)(b)は、それぞれの構造でのシミュレーション条件を示している。ここで、ソース電圧、ドレイン電圧とは、ソース線CELSRC及びビット線BLがそれぞれコンタクトするn+型層32の電圧である。実際のデバイスの消去動作では、ソース線CELSRC及びビット線BLはフローティングであり、従ってn+型層32は、p型ウェル1cに与えた電圧により決まる電圧になるが、ここでは数値計算の都合上、図29に示すようなソース及びドレイン電圧を与えた条件でシミュレーションを行っている。
FIGS. 29A and 29B show simulation conditions for each structure. Here, the source voltage and the drain voltage are voltages of the n + type layer 32 with which the source line CELSRC and the bit line BL are in contact, respectively. In the actual erase operation of the device, the source line CELSRC and the bit line BL are floating, so that the n + -
選択ゲート線SG下に開口を持つ構造の場合、選択ゲート線下のp型拡散層31とn+型拡散層32の間は順バイアスされるため、ソース、ドレイン電圧を、p型ウェル電圧と同じ20Vとしている。ビット線コンタクトCB下に開口を持つ構造の場合は、n+型層32とn型シリコン層3との間にp型拡散層31が挟まれたNPN構造を有するため、のソース、ドレイン電圧は、p型ウェル電圧20VからPN接合のビルトイン電圧分下がった電圧として、19Vを選択している。
In the case of a structure having an opening under the selection gate line SG, the source and drain voltages are set to the p-type well voltage because the p-
なお、時刻0から10μsecまでの印加電圧は、時間に対して線形に変化させている。即ち、p型ウェルの電圧は、0〜10μsecの間、2V/μsecで変化して最終的に20Vまで上昇する。10μsecと100μsecの間は、印加電圧の変化はない。
The applied voltage from
図30及び図31はそれぞれ、以上の消去電圧印加について、選択ゲート線SG下及びコンタクトCB下に開口を開けた例について、デバイス内ポテンシャル分布の時間変化を示したものである。等高線で示すポテンシャルは、実際は真空準位(即ち、仕事関数を考慮して、外部印加電圧0Vのp型層の場合を約−5eVとする)を求めた結果であるが、ここではワード線(即ちコントロールゲート)0Vに対して、p型ウェル及びチャネルボディ部分(n型シリコン層)の電位の時間変化を書き入れてある。 FIG. 30 and FIG. 31 show the time variation of the in-device potential distribution for an example in which openings are opened under the selection gate line SG and the contact CB for the above erase voltage application. The potential indicated by the contour line is actually the result of obtaining the vacuum level (that is, the case of the p-type layer with the externally applied voltage of 0 V is set to about −5 eV in consideration of the work function). That is, the time change of the potential of the p-type well and the channel body portion (n-type silicon layer) is written in with respect to 0V.
即ちチャネルボディは、2μsecで約4V、6μsecでは約12V、10μsecでそれぞれ20V及び19Vになっている。図30において、チャネルボディとp型ウェルとの間にレベル差があるように示されているのは、前述のように真空準位を表示しているためであり、実際の電位は10μsecでともに20Vになる。図31の場合には逆に、チャネルボディとp型ウェルとの間にレベル差がないように表示されているが、実際の電位としては、p型ウェルに20Vが印加されたとき、チャネルボディはソース、ドレインと同じ19Vになる。 That is, the channel body is about 4 V at 2 μsec, about 12 V at 6 μsec, and 20 V and 19 V at 10 μsec, respectively. In FIG. 30, the level difference is shown between the channel body and the p-type well because the vacuum level is displayed as described above, and the actual potential is 10 μsec. 20V. On the contrary, in the case of FIG. 31, the channel body and the p-type well are displayed so that there is no level difference. However, as an actual potential, when 20V is applied to the p-type well, the channel body Is 19V, the same as the source and drain.
以上のシミュレーション結果から、選択ゲート下に開口を持つ場合とビット線コンタクト下に開口を持つ場合共に、チャネルボディと浮遊ゲート間に一定の消去用電界がかかり、消去可能であることが確認される。 From the above simulation results, it is confirmed that a certain erasing electric field is applied between the channel body and the floating gate, both in the case of having an opening under the selection gate and in the case of having an opening under the bit line contact, and erasing is possible. .
図32は、選択ゲート線SG下に開口を開けた例について、NANDセルユニットの読み出し特性を評価した結果である。ここでは、TSOI=10,40,80nmと、TBOX=20,40,60nmの(3×3)の組み合わせについて、選択セルの読み出し電流(ビット線電流)IDと、n型シリコン層の不純物濃度NSOIの関係を、p型ウェル電圧VSUBをパラメータとして示している。 FIG. 32 shows the result of evaluating the read characteristics of the NAND cell unit for an example in which an opening is opened under the select gate line SG. Here, for a combination of (3 × 3) with TSOI = 10, 40, 80 nm and TBOX = 20, 40, 60 nm, the read current (bit line current) ID of the selected cell and the impurity concentration NSOI of the n-type silicon layer The p-type well voltage VSUB is shown as a parameter.
ドレイン電圧は、VD=0.7V、非選択セルの浮遊ゲート電圧は2.5V、選択セルの浮遊ゲート電圧は0Vである。またp型ウェルの不純物濃度は、PSUB=1E18cm−3である。 The drain voltage is VD = 0.7V, the floating gate voltage of the non-selected cell is 2.5V, and the floating gate voltage of the selected cell is 0V. The impurity concentration of the p-type well is PSUB = 1E18 cm −3 .
図33は更に、選択セルの浮遊ゲート電圧をVFG=−0.5,−0.2,0.0,0.2,0.5Vと切り替えたときの読み出しセル電流ID(−0.5V),ID(−0.2V),ID(0.0V),ID(0.2V),ID(0.5V)を求め、読み出し選択セルのオンオフ電流比ID(0.2V)/ID(−0.2V)及びID(0.5V)/ID(−0.5V)を求めた結果を示している。n型シリコン層の不純物濃度NSOIは、選択セルの浮遊ゲートが0Vのときのドレイン電流IDが0.1μAとなるように調整している。 FIG. 33 further shows the read cell current ID (−0.5 V) when the floating gate voltage of the selected cell is switched to VFG = −0.5, −0.2, 0.0, 0.2, 0.5 V. , ID (−0.2 V), ID (0.0 V), ID (0.2 V), ID (0.5 V) are obtained, and the on / off current ratio of the read selected cell ID (0.2 V) / ID (−0) .2 V) and ID (0.5 V) / ID (−0.5 V). The impurity concentration NSOI of the n-type silicon layer is adjusted so that the drain current ID becomes 0.1 μA when the floating gate of the selected cell is 0V.
図32及び図33の結果から、セルのオンオフ電流比に基づいて読み出しが可能であり、かつデバイスの各部寸法、各部不純物濃度等について読み出し特性の最適条件を選択することができることが分かる。 From the results of FIGS. 32 and 33, it can be seen that reading is possible based on the on / off current ratio of the cell, and that the optimum conditions for the reading characteristics can be selected for each part size, each part impurity concentration, etc. of the device.
図34及び35は、ビット線コンタクトCB直下に開口を開けた例についてほぼ同様の条件でのシミュレーション結果である。図34では、TSOI=10,40,80nmと、TBOX=20,60,80nmの(3×3)の組み合わせについて、ドレイン電流(ビット線電流)IDと、n型シリコン層の不純物濃度NSOIの関係を、p型ウェル電圧VSUBをパラメータとして示している。その他の条件は、図32の場合と同様である。 34 and 35 show simulation results under substantially the same conditions for an example in which an opening is formed immediately below the bit line contact CB. In FIG. 34, for a combination of (3 × 3) with TSOI = 10, 40, and 80 nm and TBOX = 20, 60, and 80 nm, the relationship between the drain current (bit line current) ID and the impurity concentration NSOI of the n-type silicon layer. Is shown using the p-type well voltage VSUB as a parameter. Other conditions are the same as in FIG.
図35は、図31とほぼ同様の条件で、読み出し選択セルのオンオフ電流比ID(0.2V)/ID(−0.2V)及びID(0.5V)/ID(−0.5V)を求めた結果を示している。 FIG. 35 shows the on / off current ratios ID (0.2 V) / ID (−0.2 V) and ID (0.5 V) / ID (−0.5 V) of the read selected cell under substantially the same conditions as in FIG. The obtained results are shown.
図36は、選択ゲート線SG下に開口を開けた場合について、しきい値電圧VTH=−0.5V,0V及び0.5Vの場合に、ドレイン電流(即ちビット線電流)ITHが0.1μAとなるデバイス条件をシミュレーション計算した結果である。ITHの値が0.1μAからわずかにずれているが、これは条件探索の結果生じる誤差を示している。ビット線コンタクトCB下に開口を開けた場合についても、ほぼ同様の結果が得られると推測される。 FIG. 36 shows that the drain current (ie, bit line current) ITH is 0.1 μA when the threshold voltage VTH = −0.5 V, 0 V, and 0.5 V when the opening is opened under the selection gate line SG. This is a result of simulation calculation of the device conditions. The value of ITH is slightly deviated from 0.1 μA, which indicates an error resulting from the condition search. It is presumed that substantially the same result can be obtained even when the opening is opened under the bit line contact CB.
“SF”は、各しきい値状態でのS係数(単位:mV/dec.)、“ION”は、フローティングゲート電圧がしきい値電圧+2.5V相当のときのドレイン電流(単位:A)、“TSOI/L”は、SOI膜厚をゲート長Lで規格化した値、“TBOX/L”は同様に、BOX膜厚をゲート長Lで規格化した値である。その他の項目は、図33及び図35と同様である。 “SF” is the S coefficient in each threshold state (unit: mV / dec.), “ION” is the drain current (unit: A) when the floating gate voltage is equivalent to the threshold voltage +2.5 V “TSOI / L” is a value obtained by normalizing the SOI film thickness by the gate length L, and “TBOX / L” is a value obtained by normalizing the BOX film thickness by the gate length L. Other items are the same as those in FIGS. 33 and 35.
図37から図41は、図36の計算結果を、x軸TSOI/L及びy軸TBOX/Lのx−y座標上に示したものである。 37 to 41 show the calculation results of FIG. 36 on the xy coordinates of the x-axis TSOI / L and the y-axis TBOX / L.
図37は、L=S=W=20nmでかつ、VTH=−0.5Vの場合である。丸印(○)、三角印(△)等のシンボルが図36の計算結果であり、これらのシンボルで示されたTBOX及びTSOIの組み合わせであれば、動作可能であることを示している。 FIG. 37 shows the case where L = S = W = 20 nm and VTH = −0.5V. Symbols such as circles (◯), triangles (Δ), etc. are the calculation results of FIG. 36, and it is indicated that the operation is possible if the combination of TBOX and TSOI indicated by these symbols.
図37には、y=8.7/xという曲線を示しているが、計算結果ではこの曲線より下に動作可能なTBOXとTSOIの組み合わせがあったことを示している。 FIG. 37 shows a curve y = 8.7 / x, and the calculation result shows that there was a combination of TBOX and TSOI operable below this curve.
図38は、L=S=W=20nmでかつ、VTH=0Vの場合であり、動作可能範囲を示す曲線は、y=2.55/xとなっている。 FIG. 38 shows the case where L = S = W = 20 nm and VTH = 0V, and the curve indicating the operable range is y = 2.55 / x.
図39は、L=S=W=80nmでかつ、VTH=−0.5Vの場合であり、動作可能範囲を示す曲線は、y=8.0/xである。 FIG. 39 shows the case where L = S = W = 80 nm and VTH = −0.5 V, and the curve indicating the operable range is y = 8.0 / x.
図40は、L=S=W=80nmでかつ、VTH=0Vの場合であり、動作可能範囲を示す曲線は、y=0.74/xである。 FIG. 40 shows the case where L = S = W = 80 nm and VTH = 0 V, and the curve indicating the operable range is y = 0.74 / x.
図41は、L=S=W=80nmでかつ、VTH=0.5Vの場合であり、動作可能範囲を示す曲線は、y=0.125/xである。 FIG. 41 shows the case where L = S = W = 80 nm and VTH = 0.5 V, and the curve indicating the operable range is y = 0.125 / x.
図37−41の結果は、次のように説明できる。負基板バイアスVSUBは、BOX膜を介し、SOI膜を介して、ドレイン電流を抑制する働きをしている。BOX膜厚が厚くなると、VSUBのSOI膜への容量結合が小さくなり、ドレイン電流抑制効果が低下する。BOX膜が薄い場合でもSOI膜厚が厚くなると、やはりVSUBのドレイン電流抑制効果は低下する。 The results of FIGS. 37-41 can be explained as follows. The negative substrate bias VSUB functions to suppress the drain current via the BOX film and the SOI film. When the BOX film thickness is increased, capacitive coupling of VSUB to the SOI film is reduced, and the drain current suppressing effect is reduced. Even if the BOX film is thin, if the SOI film thickness is increased, the drain current suppressing effect of VSUB is also lowered.
図37−41に示した双曲線の近似曲線の外側は、BOX膜厚が大きくなりすぎ、或いはSOI膜厚が大きくなりすぎる結果、適正なVSUBの範囲(0V〜−2V)で所期のドレイン電流が得られなくなること、従って所望のしきい値状態が得られなくなることを示している。 The outside of the approximated curve of the hyperbola shown in FIG. 37-41 shows the expected drain current in the appropriate VSUB range (0V to -2V) as a result of the BOX film thickness becoming too large or the SOI film thickness becoming too large. Cannot be obtained, and therefore the desired threshold state cannot be obtained.
以上、選択ゲート線SG下に開口を開けた場合とビット線コンタクトCB下に開口を開けた場合共に、読み出しが可能であることが、シミュレーション結果から明らかになった。両者の読み出し特性を比較すると、選択ゲート線SG下に開口をあけた場合の方がウェル電圧VSUB依存性が大きく、従ってトリミング等の自由度が大きいといえる。 As described above, it has become clear from the simulation results that reading is possible both when the opening is opened under the selection gate line SG and when the opening is opened under the bit line contact CB. Comparing the read characteristics of the two, it can be said that when the opening is opened under the selection gate line SG, the dependency on the well voltage VSUB is larger, and therefore the degree of freedom for trimming and the like is greater.
この発明は、以下に列記するように、種々変形して実施することが可能である。 The present invention can be implemented with various modifications as listed below.
(a)以上の実施の形態におけるp型,n型を逆にし、メモリセルをp型トランジスタとすることができる。 (a) The p-type and n-type in the above embodiments can be reversed, and the memory cell can be a p-type transistor.
(b)選択ゲート下の開口4は、図2に示すように、選択ゲートと一致することは必ずしも必要がない。図42に示すように、選択ゲートからずれた状態で開口4が開けられていてもよい。
(b) The
(c)実施の形態では、シリコン層3をn型として、メモリセルをDタイプトランジスタとして構成した。これに対して、図43に示すように、シリコン層3をp型とし、メモリセルのチャネル領域をp型、ソース、ドレイン領域をn型層3aとすることができる。この場合消去時には、消去電圧Veraにより、開口4から選択ゲート下のp型層31を介してNANDセルチャネル全体に正孔電流を供給することができる。従って、上記実施の形態と同様に一括消去が可能である。
(C) In the embodiment, the
(d)結晶性のシリコン層3を得る方法として、気相成長を組み合わせることができる。図44に示すように、開口4が開けられた基板1に、まず気相成長によりその開口部にエピタキシャル層40を形成する。その後上記実施の形態と同様に、非晶質シリコン或いは多結晶質シリコンを堆積し、結晶化アニールを行う。
(D) As a method for obtaining the
これにより、気相エピタキシャル層40を種として結晶化が行われ、良質の結晶性シリコン層3を得ることができる。
Thereby, crystallization is performed using the vapor
(e)部分SOI基板の作り方として、次のように、SIMOX(Separation by Implanted Oxygen)法を用いることができる。図45に示すように、シリコン基板1に熱酸化膜201を形成する。次いで、通常のリソグラフィにより、図46に示すように、熱酸化膜201上にレジスト202をパターニングする。この状態で例えば、4×1017cm−2のドーズ量で酸素イオン(16O+)を140keVで注入して、選択的に酸素イオン注入層203を形成する。その後、例えばN2雰囲気中で、1300℃、6時間のアニールを行って、図47に示すように酸化膜2を形成する。その後、AsとBを適切な条件でイオン注入することにより、図48に示すように、酸化膜2上にn型シリコン層3が形成された、先の実施の形態におけると同様の部分SOI基板が得られる。
(E) As a method for manufacturing a partial SOI substrate, a SIMOX (Separation by Implanted Oxygen) method can be used as follows. As shown in FIG. 45, a
(f)図23で説明した読み出し条件と異なる読み出し条件を用いることができる。例えば図49に示すように、選択セル(選択ワード線、図の場合WL1)の両側のワード線に与えるパス電圧Vread2を他のワード線のパス電圧Vreadより低く設定する。例えば、Vread=5V,Vread2=4Vとすることができる。 (F) Read conditions different from those described with reference to FIG. 23 can be used. For example, as shown in FIG. 49, the pass voltage Vread2 applied to the word lines on both sides of the selected cell (selected word line, WL1 in the figure) is set lower than the pass voltage Vread of the other word lines. For example, Vread = 5V and Vread2 = 4V can be set.
1…単結晶シリコン基板、1a…p型シリコン基板、1b…n型ウェル、1c…p型ウェル、2…酸化膜、3…n型シリコン層、4…開口、5…トンネル酸化膜、6…浮遊ゲート、7…ゲート間絶縁膜、8…制御ゲート(ワード線)、6d,8d,6s,8s…選択ゲート線、9…層間絶縁膜、10s…ソース線、11…ビット線、12…素子分離絶縁膜、13…素子分離溝、14…素子形成領域、31…p型拡散層、32…n+型拡散層。
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記半導体基板上に絶縁膜を介して形成されかつ、前記絶縁膜に開けられた開口を介して前記半導体基板に接する半導体層と、
前記半導体層に形成された、複数の直列接続された電気的書き換え可能な不揮発性メモリセル及びその両端に配置された第1及び第2の選択ゲートトランジスタからなるNANDセルユニットとを有する
ことを特徴とする半導体記憶装置。 A semiconductor substrate;
A semiconductor layer formed on the semiconductor substrate through an insulating film and in contact with the semiconductor substrate through an opening formed in the insulating film;
A plurality of series-connected electrically rewritable nonvolatile memory cells formed in the semiconductor layer, and a NAND cell unit including first and second selection gate transistors disposed at both ends thereof. A semiconductor memory device.
前記NANDセルユニットを構成する複数のメモリセルは、前記n型シリコン層をチャネルボディおよびソース/ドレインとし、チャネルボディ上に電荷蓄積層と制御ゲートが積層されたnチャネルトランジスタとして構成され、
前記第1及び第2の選択ゲートトランジスタは、そのチャネルボディ領域にp型拡散層が形成されたnチャネルトランジスタとして構成されている
ことを特徴とする請求項1記載の半導体記憶装置。 The semiconductor layer is an n-type silicon layer;
The plurality of memory cells constituting the NAND cell unit are configured as n-channel transistors in which the n-type silicon layer is a channel body and a source / drain, and a charge storage layer and a control gate are stacked on the channel body.
2. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein each of the first and second select gate transistors is configured as an n-channel transistor having a p-type diffusion layer formed in a channel body region thereof.
ことを特徴とする請求項1記載の半導体記憶装置。 2. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the opening of the insulating film is formed below at least one of the first and second select gate transistors.
前記絶縁膜の開口は、前記第1の選択ゲートトランジスタのドレイン領域及び第2の選択ゲートトランジスタのソース領域の少なくとも一方の下に形成されている
ことを特徴とする請求項1記載の半導体記憶装置。 A bit line and a source line respectively contacting the drain region of the first select gate transistor and the source region of the second select gate transistor;
2. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the opening of the insulating film is formed below at least one of a drain region of the first select gate transistor and a source region of the second select gate transistor. .
ことを特徴とする請求項1記載の半導体記憶装置。 2. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the opening of the insulating film is formed under at least one of the plurality of memory cells.
ことを特徴とする請求項1記載の半導体記憶装置。 The semiconductor layer is partitioned into a plurality of stripe-shaped element formation regions by an element isolation insulating film embedded at a depth reaching the insulating film, and a corresponding memory cell of a NAND cell unit formed in each element formation region. The control gate and the gates of the first and second selection gate transistors are formed to be continuous across the plurality of element formation regions to be word lines and first and second selection gate lines, respectively. The semiconductor memory device according to claim 1.
前記絶縁膜に開口を形成する工程と、
前記開口が形成された絶縁膜上に、前記開口を介して前記半導体基板に接する非晶質又は多結晶質の半導体層を堆積する工程と、
前記半導体層に対して結晶化アニール処理を行う工程と、
前記半導体層に、複数の直列接続された電気的書き換え可能な不揮発性メモリセルとその両端に配置された選択ゲートトランジスタとからなるNANDセルユニットを形成する工程とを有する
ことを特徴とする半導体記憶装置の製造方法。 Forming an insulating film on the single crystal semiconductor substrate;
Forming an opening in the insulating film;
Depositing an amorphous or polycrystalline semiconductor layer in contact with the semiconductor substrate through the opening on the insulating film in which the opening is formed;
Performing a crystallization annealing process on the semiconductor layer;
Forming a NAND cell unit comprising a plurality of series-connected electrically rewritable non-volatile memory cells and select gate transistors disposed at both ends thereof in the semiconductor layer. Device manufacturing method.
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