JP2008172069A - Nonvolatile semiconductor storage device and nonvolatile semiconductor storage device 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不揮発性半導体記憶装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory device and a method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device.
MONOS構造(Metal−Oxide−Nitride−Oxide構造)の不揮発性メモリセルに代表されるように、ワードゲートの側壁にコントロールゲートが形成される不揮発性メモリのセル構造が知られている。例えば、特開2002−353346号公報に、twinMONOS構造のフラッシュメモリのセル構造が開示されている。図1は、特開2002−353346号公報に開示されたtwinMONOS構造のメモリセルの構成を示す断面図である(特開2002−353346号公報の図10B参照)。メモリセル101は、ソース/ドレイン拡散層144と、ワードゲート絶縁膜126と、ワードゲート130と、コントロールゲート132と、ONO(Oxide Nitride Oxide film:酸化物−窒化物−酸化物膜)積層膜131と、サイドウォール絶縁膜142と、シリサイド層149、150と、LDD拡散層138とを具備する。
As represented by a MONOS structure (Metal-Oxide-Nitride-Oxide structure) nonvolatile memory cell, a nonvolatile memory cell structure in which a control gate is formed on the side wall of a word gate is known. For example, JP 2002-353346 A discloses a cell structure of a flash memory having a twinMONOS structure. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a memory cell having a twinMONOS structure disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2002-353346 (see FIG. 10B of Japanese Patent Laid-Open No. 2002-353346). The
ソース/ドレイン拡散層144は、半導体基板120の表面に形成されている。ワードゲート絶縁膜126は、ソース/ドレイン拡散層144に挟まれたチャネル領域上に形成されている。ワードゲート130は、そのチャネル領域上にワードゲート絶縁膜126を介して形成されている。コントロールゲート132は、ワードゲート130の両側面にONO積層膜131を介して形成されている。ONO積層膜131は、ワードゲート電極130とコントロールゲート電極132との間、及びコントロールゲート132とチャネル領域との間に形成されている。サイドウォール絶縁膜142は、ワードゲート130の両側面に、コントロールゲート132を覆うように形成されている。シリサイド層149、150は、それぞれワードゲート電極130及びソース/ドレイン拡散層144の上部に形成されている。LDD拡散層138は、サイドウォール絶縁膜142直下のチャネル領域に形成されている。
The source /
メモリセル101a(101b)は、メモリセル101のコントロールゲート132の延長線上(図の紙面に垂直な方向)の素子分離領域123上に設けられている。メモリセル構造を有しているが、メモリの機能を有さない擬似的なメモリセルである。メモリセル101aのコントロールゲート132は、メモリセル101のコントロールゲート132と一体である。そして、メモリセル101のコントロールゲート132と上部の金属配線とのコンタクトを取るために、メモリセル101aのコントロールゲート132は、隣り合うメモリセル101bのコントロールゲート132と接続層135で接続されている。これにより、コントロールゲート132は、接続層135、その上部のシリサイド層151及びコンタクト154を介して、上部の金属配線(裏打ち配線)と接続される。メモリセル101のコントロールゲート132が裏打ち配線と接続されているのは、コントロールゲート132が、ワードゲート130の側壁に形成されるという構造的な要因と、ポリシリコンを用いるという材質的な要因とにより配線抵抗が高いため、低抵抗の金属配線で「裏打ち」することで全体として配線抵抗を下げる必要があるからである。なお、ワードゲート130は、コントロールゲート132と垂直な方向(図の紙面に平行な方向)に伸びている(特開2002−353346号公報の図8.1、図8.2参照)。
The
関連する技術として、“Embeded Twin MONOS Flash Memories with 4 ns and 15ns Fast Access Times”(2003 Symposium on VLSI Circuits Digest of Technical Papers)に Jun. 12−14, 2003の論文に、二つのMONOS構造を一体化したTwinMONOS構造を有する不揮発性メモリセルが開示されている。この不揮発性メモリは、特開2002−353346号公報の不揮発性メモリと比較して、主に、ワードゲートとコントロールゲートとを同一方向に形成した点で異なっている(本論文のFig.2参照)。この発明では、不揮発性メモリセルの両側の拡散層にコンタクトを設けて上部の配線に接続している。それにより、特開2002−353346号公報の不揮発性メモリセルと比較して、高速の読み出しを可能としている。 As related technology, “Embedded Twin MONOS Flash Memories with 4 ns and 15 ns Fast Access Times” (2003 Symposium on VLSI Circuits of Sciences J. Technology). 12-14, 2003 discloses a nonvolatile memory cell having a TwinMONOS structure in which two MONOS structures are integrated. This nonvolatile memory is different from the nonvolatile memory disclosed in JP-A-2002-353346 mainly in that a word gate and a control gate are formed in the same direction (see FIG. 2 of this paper). ). In the present invention, contacts are provided on the diffusion layers on both sides of the nonvolatile memory cell and connected to the upper wiring. Thereby, compared with the non-volatile memory cell of Unexamined-Japanese-Patent No. 2002-353346, high-speed reading is enabled.
上記論文に開示された不揮発性メモリにおいて、特開2002−353346号公報のようにコントロールゲートの裏打ちを形成すると、微細化が更に進むにつれて、ワードゲートのポリシリコン上部と裏打ち部分のポリシリコン上部との距離が短くなる場合が考えられる。その場合、製造歩留まりの影響により、当該距離が短くなり過ぎて、両者間にショートが発生するおそれがある。ワードゲートのポリシリコン上部と裏打ち部分のポリシリコン上部との間でショートが発生しないようにするにする技術が望まれる。 In the nonvolatile memory disclosed in the above paper, when the backing of the control gate is formed as disclosed in JP-A-2002-353346, as the miniaturization further proceeds, the polysilicon upper portion of the word gate and the polysilicon upper portion of the backing portion The distance may be shortened. In that case, due to the influence of the manufacturing yield, the distance becomes too short, and there is a possibility that a short circuit occurs between them. A technique for preventing a short circuit from occurring between the polysilicon upper portion of the word gate and the polysilicon upper portion of the backing portion is desired.
また、フラッシュメモリ混載マイクロコンピュータでは、マイクロコンピュータの高速化に伴い、フラッシュメモリにも高速な読み出し動作が要求されている。上記論文に開示された不揮発性メモリにおいて、更に読み出し速度を上げるには、ワードゲートや拡散層をシリサイド化して抵抗を下げることが有利である。また、コントロールゲートをシリサイド化するのは、コントロールゲートとワードゲートとの間のショートを引き起こすために困難であるが、コントロールゲートの裏打ち部分をシリサイド化してコンタクト抵抗を下げることが有効である。しかし、特開2002−353346号公報のようにコントロールゲートの裏打ちを形成すると、ワードゲート及び裏打ち部分の上部をシリサイド化したときに、裏打ち部分の上部のシリサイドとワードゲートの上部のシリダイドとの距離が近いので、当該距離が短くなり過ぎて、両者間にショートが発生するおそれがある。したがって、裏打ち部分をシリサイド化することは困難である。ワードゲート及び裏打ち部分の上部をシリサイド化して、両者間にショートが発生しないようにする技術が求められる。 In addition, in a flash memory embedded microcomputer, as the speed of the microcomputer increases, a high-speed read operation is also required for the flash memory. In the nonvolatile memory disclosed in the above paper, in order to further increase the reading speed, it is advantageous to reduce the resistance by silicidizing the word gate and the diffusion layer. Further, siliciding the control gate is difficult because it causes a short circuit between the control gate and the word gate, but it is effective to reduce the contact resistance by siliciding the backing portion of the control gate. However, when the backing of the control gate is formed as disclosed in JP-A-2002-353346, when the upper portion of the word gate and the backing portion is silicided, the distance between the silicide on the backing portion and the silicide on the upper portion of the word gate. Since the distance is close, the distance becomes too short and a short circuit may occur between the two. Therefore, it is difficult to silicide the backing portion. There is a need for a technique for siliciding the upper portion of the word gate and the backing portion so that no short circuit occurs between them.
以下に、発明を実施するための最良の形態で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、特許請求の範囲の記載と発明を実施するための最良の形態との対応関係を明らかにするために括弧付きで付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、特許請求の範囲に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。 Hereinafter, means for solving the problem will be described using the numbers and symbols used in the best mode for carrying out the invention. These numbers and symbols are added in parentheses in order to clarify the correspondence between the description of the claims and the best mode for carrying out the invention. However, these numbers and symbols should not be used for interpreting the technical scope of the invention described in the claims.
本発明の不揮発性半導体記憶装置は、半導体基板(30)の第1領域(31)に設けられたメモリセルトランジスタ(20)と、半導体基板(30)上の第2領域(32)に設けられた第1擬似メモリセルトランジスタ(10)と、第2領域に設けられた第2擬似メモリセルトランジスタ(10)と、第1擬似メモリセルトランジスタ(10)と第2擬似メモリセルトランジスタ(10)とを接続する接続層(5)とを具備する。メモリセルトランジスタ(20)は、第1領域(31)のチャネル領域(15)上に第1絶縁層(11)を介して形成された第1ゲート(2)と、第1ゲート(2)の側面かつチャネル領域(15)上に第2絶縁層(14)を介して形成された第2ゲート(3)と、チャネル領域(15)の端部に形成された拡散層(16)とを備える。第1擬似メモリセルトランジスタ(10)は、第2領域(32)の素子分離層(21)上に形成された第3ゲート(2)と、第3ゲート(2)の側面に第3絶縁層(4)を介して形成され、第2ゲート(3)と結合された第4ゲート(3)とを備える。第2擬似メモリセルトランジスタ(10)は、素子分離層(21)上に形成された第5ゲート(2)と、第5ゲート(2)の側面に第4絶縁層(4)を介して第4ゲート(3)と対向するように形成された第6ゲート(3)とを備える。接続層(5)は、第4ゲート(3)と第6ゲート(3)とに結合して上部にコンタクト(9)を接続されている。少なくとも下部が素子分離層(21)内に設けられた凹部(41)に埋め込まれている。 The nonvolatile semiconductor memory device of the present invention is provided in the memory cell transistor (20) provided in the first region (31) of the semiconductor substrate (30) and in the second region (32) on the semiconductor substrate (30). A first pseudo memory cell transistor (10), a second pseudo memory cell transistor (10) provided in the second region, a first pseudo memory cell transistor (10), and a second pseudo memory cell transistor (10), And a connection layer (5) for connecting the two. The memory cell transistor (20) includes a first gate (2) formed on the channel region (15) of the first region (31) via the first insulating layer (11), and a first gate (2). A second gate (3) formed on the side surface and the channel region (15) via the second insulating layer (14), and a diffusion layer (16) formed at the end of the channel region (15). . The first pseudo memory cell transistor (10) includes a third gate (2) formed on the element isolation layer (21) in the second region (32), and a third insulating layer on the side surface of the third gate (2). A fourth gate (3) formed through (4) and coupled to the second gate (3). The second pseudo memory cell transistor (10) includes a fifth gate (2) formed on the element isolation layer (21) and a side surface of the fifth gate (2) through the fourth insulating layer (4). And a sixth gate (3) formed to face the four gates (3). The connection layer (5) is coupled to the fourth gate (3) and the sixth gate (3) and has a contact (9) connected to the upper portion thereof. At least the lower part is embedded in a recess (41) provided in the element isolation layer (21).
本発明の不揮発性半導体記憶装置では、接続層(5、例示:裏打ち部分)の少なくとも一部(下部)が、素子分離層(21)内に設けられた凹部(41)に埋め込まれている。すなわち、接続層(5)の高さを凹部(41)の深さ分だけ低く形成することができる。したがって、従来の論文の発明に特開2002−353346号公報のようなコントロールゲートの裏打ちを形成したとき、第3ゲート(2、例示:ワードゲート)又は第5ゲート(2、例示:ワードゲート)の上部と接続層(5)の上部との距離が短くなり過ぎることを抑制することができる。それにより、第3ゲート(2)又は第5ゲート(2)と接続層(5)との間にショートが発生することを抑制することが可能となる。なお、本発明の不揮発性半導体記憶装置は、不揮発性メモリを搭載した不揮発性メモリ混載半導体装置を含む。 In the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention, at least a part (lower part) of the connection layer (5, for example, the backing part) is embedded in the concave part (41) provided in the element isolation layer (21). That is, the height of the connection layer (5) can be reduced by the depth of the recess (41). Therefore, when the backing of the control gate as in Japanese Patent Laid-Open No. 2002-353346 is formed in the invention of the conventional paper, the third gate (2, example: word gate) or the fifth gate (2, example: word gate) It is possible to prevent the distance between the upper part of the metal layer and the upper part of the connection layer (5) from becoming too short. Thereby, it is possible to suppress the occurrence of a short circuit between the third gate (2) or the fifth gate (2) and the connection layer (5). The nonvolatile semiconductor memory device of the present invention includes a nonvolatile memory mixed semiconductor device in which a nonvolatile memory is mounted.
また、凹部(41)の深さを適切に選択することにより、第3ゲート(2、例示:ワードゲート)又は第5ゲート(2、例示:ワードゲート)の上部と接続層(5)の上部との距離を適切に設計することができる。したがって、第3ゲート(2)又は第5ゲート(2)の上部と接続層(5)の上部とをシリサイド化しても、第3ゲート(2)又は第5ゲート(2)と接続層(5)との間にショートが発生することを抑制することが可能となる。 Further, by appropriately selecting the depth of the recess (41), the upper part of the third gate (2, eg: word gate) or the fifth gate (2, eg: word gate) and the upper part of the connection layer (5). Can be designed appropriately. Therefore, even if the upper part of the third gate (2) or the fifth gate (2) and the upper part of the connection layer (5) are silicided, the third gate (2) or the fifth gate (2) and the connection layer (5 ) Can be prevented from occurring.
本発明により、ワードゲート上部と裏打ち部分上部との間でショートの発生を抑制することができる。また、ワードゲート上部及び裏打ち部分上部をシリサイド化しても両者間でのショートの発生を抑制することが出来る。 According to the present invention, it is possible to suppress the occurrence of a short circuit between the upper portion of the word gate and the upper portion of the backing portion. Further, even if the upper part of the word gate and the upper part of the backing part are silicided, the occurrence of a short circuit between them can be suppressed.
以下、本発明の不揮発性半導体記憶装置及び不揮発性半導体記憶装置の製造方法の実施の形態に関して、添付図面を参照して説明する。図2は、本発明の不揮発性半導体記憶装置の実施の形態の構成を示す上面概略図である。ただし、わかり易さのために、一部構成を省略している。 Embodiments of a nonvolatile semiconductor memory device and a method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. FIG. 2 is a schematic top view showing the configuration of the embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention. However, a part of the configuration is omitted for easy understanding.
不揮発性半導体記憶装置1は、メモリセル領域31及び裏打ち領域32を有している。メモリセル領域31には、Twin−MONOS型を有する複数のメモリセル20がバーチャルグランドアレイ状に配置されている。裏打ち領域32は、メモリセル領域31の間に配置されている。裏打ち領域32には、複数の擬似メモリセル10が列状に配置されている。
The nonvolatile
不揮発性半導体記憶装置1は、複数のワードゲート2と、複数のコントロールゲート3とを備えている。複数のワードゲート2の各々は、メモリセル領域31及び裏打ち領域32において、X方向へ延伸する。複数のコントロールゲート3の各々は、メモリセル領域31及び裏打ち領域32において、ONO積層膜(Oxide Nitride Oxide film:酸化物−窒化物−酸化物膜)4を介してワードゲート2の両側に沿ってX方向へ延伸する。
The nonvolatile
メモリセル領域31には、表面領域を分離する、Y方向へ伸びる複数の素子分離領域21が形成されている。メモリセル20は、素子分離領域21で挟まれ、一つのワードゲート2、その両側にONO積層膜31を介して設けられたコントロールゲート3及び近傍のソース/ドレインの拡散層16を含んだ領域である。例えば、図中の四角の枠で囲んだ領域(20)である。コンタクト19は、拡散層16をビット線(図示されず)に接続している。
In the
裏打ち領域32には、表面領域を分離する素子分離領域21が同様に形成されている。擬似メモリセル10は、素子分離領域21で挟まれ、一つのワードゲート2、その両側にONO積層膜31を介して設けられたコントロールゲート3及び隣り合うコントロールゲート3を接続する接続層5を含んだ領域である。例えば、図中の四角の枠で囲んだ領域(10)である。コンタクト9は、接続層5を裏打ち配線(図示されず)に接続している。
In the
接続層5は、隣り合うコントロールゲート3を接続しながら、飛び飛びでY方向へ延伸している。接続層5は、シリサイド層(7)及びコンタクト(9)と共にコントロールゲート3用の裏打ちコンタクト構造として、上部の裏打ち配線(金属配線)に接続されている。また、ワードゲート2上には、シリサイド層(6)及びコンタクト(図示されず)で構成されるワードゲート2用の裏打ちコンタクト構造が形成されている。
The
図3は、本発明の不揮発性半導体記憶装置の実施の形態の構成を示す概略断面図である。図3(a)は図2のA−A’断面図であり、図3(b)は図2のB−B’断面図である。 FIG. 3 is a schematic sectional view showing the configuration of the embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention. 3A is a cross-sectional view taken along the line A-A ′ of FIG. 2, and FIG. 3B is a cross-sectional view taken along the line B-B ′ of FIG. 2.
図3(a)を参照して、メモリセル領域31において、半導体基板30の表面領域に、拡散層17及びコンタクト19と素子分離領域21とがX方向に周期的に形成されている。裏打ち領域32において、半導体基板30の表面領域に、凹部41を有する素子分離領域21が設けられている。凹部41には、接続層5及びコンタクト9が形成されている。半導体基板30の上部は層間絶縁層22に覆われている。
With reference to FIG. 3A, in the
図3(b)を参照して、裏打ち領域32において、素子分離領域21の凹部41には、ワードゲート2、コントロールゲート3、ONO積層膜4、接続層5及びコンタクト9がY方向に周期的に形成されている。半導体基板30の上部は層間絶縁層22に覆われている。
3B, in the
図4は、本発明の不揮発性半導体記憶装置の実施の形態における構成の一部を示す断面図である。本図において、一点鎖線の左側は図3(a)のC領域を示している。一点鎖線の右側は図3(b)のD領域を示している。 FIG. 4 is a cross-sectional view showing a part of the configuration in the embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention. In this figure, the left side of the alternate long and short dash line indicates the C region of FIG. The right side of the alternate long and short dash line indicates the D region in FIG.
D領域を参照して、擬似メモリセル10は、素子分離領域21の凹部41内に設けられ、ワードゲート2と、コントロールゲート3と、ONO積層膜4と、サイドウォール絶縁膜8と、シリサイド層6を具備する。
Referring to the D region, the
ワードゲート2は、凹部41の底部上に形成されている。ポリシリコンに例示される。コントロールゲート3は、ワードゲート2の両側面にONO積層膜4を介して形成されている。ポリシリコンに例示される。ONO積層膜4は、ワードゲート2とコントロールゲート3との間、及びコントロールゲート3と凹部41の底部との間に連続的に形成されている。酸化シリコン、窒化シリコン及び酸化シリコンの積層膜に例示される。サイドウォール絶縁膜42は、ワードゲート2の側面に、コントロールゲート3を覆うように形成されている。酸化シリコンの単層膜や酸化シリコン、窒化シリコン及び酸化シリコンの積層膜に例示される。シリサイド層6は、ワードゲート3の上部に形成されている。コバルトシリサイドに例示される。
The
隣り合う擬似メモリセル10のコントロールゲート3同士は、接続層5により互いに接続されている。接続層5は、コントロールゲート3と同じ材質であり、ポリシリコンに例示される。接続層5の上部には、シリサイド層7が形成されている。コバルトシリサイドに例示される。コントロールゲート3は、接続層5、シリサイド層7及びコンタクト9を介して上部の裏打ち配線に接続されている。
C領域を参照して、裏打ち領域32における接続層5上部のシリサイド層7の表面は、メモリ領域31における拡散層16上部のシリサイド層17の表面と概ね等しい位置又はそれより低い位置になっている。これは、素子分離領域21内に設けられた凹部41に、接続層5が埋め込まれているからである。接続層5とコントロールゲート3との接続をより確実にするためには、擬似メモリセル10も素子分離領域21内に設けられた凹部41に埋め込まれていることがより好ましい。
Referring to the C region, the surface of the
図5は、本発明の不揮発性半導体記憶装置の実施の形態における構成の一部を示す断面図である。本図において、一点鎖線の左側は図3(a)のC領域を示している。一点鎖線の右側は図2のE−E’断面を示している。 FIG. 5 is a cross-sectional view showing a part of the configuration in the embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention. In this figure, the left side of the alternate long and short dash line indicates the C region of FIG. The right side of the alternate long and short dash line shows the E-E 'cross section of FIG.
E−E’断面を参照して、メモリセル20は、拡散層16、ワードゲート絶縁膜11、ワードゲート2、コントロールゲート3、ONO積層膜14、サイドウォール絶縁膜18、及びシリサイド層6、17を具備する。
Referring to the section EE ′, the
拡散層16は、ソース又はドレインとして機能し、半導体基板30の表面領域に形成されている。拡散層16のドーパントはAs又はPに例示される。ワードゲート絶縁膜11は、拡散層16に挟まれたチャネル領域15上に形成されている。酸化シリコンに例示される。ワードゲート2は、そのチャネル領域15上にワードゲート絶縁膜11を介して形成されている。ポリシリコンに例示される。コントロールゲート3は、ワードゲート2の両側面にONO積層膜4を介して形成されている。ポリシリコンに例示される。ONO積層膜4は、ワードゲート2とコントロールゲート3との間、及びコントロールゲート3とチャネル領域15との間に形成されている。酸化シリコン、窒化シリコン及び酸化シリコンの積層膜に例示される。サイドウォール絶縁膜18は、ワードゲート2の両側面に、コントロールゲート3を覆うように形成されている。酸化シリコンの単層膜や酸化シリコン、窒化シリコン及び酸化シリコンの積層膜に例示される。シリサイド層6、17は、それぞれワードゲート2及び拡散層16の上部に形成されている。コバルトシリサイドに例示される。拡散層16は、シリサイド層17及びコンタクト19を介してビット線に接続されている。
The
擬似メモリセル10は、メモリセル20の延長線上にあり、基本的にはメモリセル20と同様の構造を有している。例えば、擬似メモリセル10のワードゲート2及びコントロールゲート3は、それぞれメモリセル20のワードゲート2及びコントロールゲート3の延長線上にあり、一体である。しかし、「裏打ち」用にメモリセル20と上部の金属配線(裏打ち配線)とのコンタクトを取るために素子分離領域23上に設けられている。そのため、擬似メモリセル10は、メモリセルとしては動作しない。
The
C領域を参照して、裏打ち領域32における接続層5上部のシリサイド層7の表面は、メモリ領域31における拡散層16上部のシリサイド層17の表面と概ね等しい位置又はそれより低い位置になっている。これにより、擬似メモリセル10のワードゲート2上部のシリサイド層6と接続層5上部のシリサイド層7との高低差が、メモリセル20のワードゲート2上部のシリサイド層6と拡散層16上部のシリサイド層17との高低差と同程度又はそれ以上に大きくなる。したがって、擬似メモリセル10のワードゲート2と接続層5との間にショートが発生することを抑制することが可能となる。
Referring to the C region, the surface of the
次に、図4及び図5を参照して、不揮発性半導体記憶装置の実施の形態の動作について説明する。まず、メモリセル20への情報の書き込み動作について説明する。ワードゲート2に約1Vの正電位を印加し、書き込みを行う側(以下「選択側」という)のコントロールゲート3に約6Vの正電位を印加し、このコントロールゲート3と対をなす書き込みを行わない側(以下「非選択側」という)のコントロールゲート3に約3Vの正電位を印加し、選択側の拡散層16に約5Vの正電位を印加し、非選択側の拡散層16に約0Vを印加する。これにより、チャネル領域において発生したホットエレクトロンが、選択側のONO積層膜14の室化膜中に注入される。これをCHE(Channel Hot Electron:チャネル熱電子)注入という。これにより、データが書き込まれる。
Next, the operation of the embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device will be described with reference to FIGS. First, an operation of writing information to the
次に、メモリセル20に書き込んだ情報の消去動作について説明する。ワードゲート2に約0Vを印加し、選択側のコントロールゲート3に約−3Vの負電位を印加し、非選択側のコントロールゲート3に約2Vの正電位を印加し、選択側の拡散層16に約5Vの正電位を印加する。これにより、バンド間トンネルによりホール・エレクトロンペアが発生し、このホール又はこのホールに衝突されて発生したホールが加速きれてホットホールとなり、選択側のONO積層膜14の窒化膜中に注入される。これにより、ONO積層膜14の窒化膜中に蓄積きれていた負電荷が打ち消され、データが消去される。
Next, the erase operation of information written in the
次に、メモリセル20に書き込んだ情報の読み出し動作について説明する。ワードゲート2に約2Vの正電位を印加し、選択側のコントロールゲート3に約2Vの正電位を印加し、非選択側のコントロールゲート3に約3Vの正電位を印加し、選択側の拡散層16に約0Vを印加し、非選択側の拡散層16に約1.5Vを印加する。この状態で、メモリセル20のしきい値を検出する。選択側のONO積層膜14に負電荷が蓄積されていれば、負電荷が蓄積されていない場合よりもしきい値が増加するため、しきい値を検出することにより、選択側のONO積層膜14に書き込まれた情報を読み出すことができる。図5に示すメモリセル20においては、ワードゲート2の両側に1ビットずつの2ビットの情報を記録することができる。
Next, a read operation of information written in the
上記各動作において、コントロールゲート3に関わる電圧の印加、それに伴う電流の流れは、既述のコントロールゲート3の裏打ちコンタクト構造(コントロールゲート3、接続層5シリサイド層7、コンタクト9及び金属配線(裏打ち配線))を介して行われる。同様に、ワードゲート2に関わる電圧の印加、それに伴う電流の流れは、既述のワードゲート2用の裏打ちコンタクト構造を介して行われる。
In each of the above-described operations, the voltage applied to the
次に、本発明の不揮発性半導体記憶装置の製造方法の実施の形態について説明する。図6〜図9は、本発明の不揮発性半導体記憶装置の製造方法の実施の形態における各工程を示す断面図である。各図において、一点鎖線の左側は図3(a)のC領域を示している。一点鎖線の右側は図3(b)のD領域を示している。 Next, an embodiment of a method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device of the present invention will be described. 6 to 9 are cross-sectional views showing respective steps in the embodiment of the method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention. In each figure, the left side of the alternate long and short dash line indicates the C region of FIG. The right side of the alternate long and short dash line indicates the D region in FIG.
図6(a)を参照して、p型シリコンの半導体基板30のメモリセル領域31及び裏打ち領域32の表面領域における所定の位置に、従来のSTI(shallow trench isolation)法により、素子分離領域21をそれぞれ形成する。
Referring to FIG. 6A,
次に、図6(b)を参照して、素子分離領域21における擬似メモリセル10及び接続層5の形成される領域に、所定の幅及び深さを有する凹部41を形成する。凹部41の幅及び深さについては後述する。
Next, referring to FIG. 6B, a
次に、図6(c)を参照して、半導体基板30の表面に、熱酸化処理により、ワードゲート絶縁膜11を形成する。ワードゲート絶縁膜11の膜厚は、例えば、10nmである。その後、そのワードゲート絶縁膜11を覆うように、ワードゲート用ポリシリコン膜42をCVD法により形成する。ワードゲート用ポリシリコン膜42は、メモリセル20及び擬似メモリセル10のワードゲート2となる。ワードゲート用ポリシリコン膜42の膜厚は、例えば、200nmである。
Next, referring to FIG. 6C, the word
続いて、図7(a)を参照して、フォトリソグラフィー及びドライエッチングにより、ワードゲート用ポリシリコン膜42をエッチングして擬似メモリセル10のワードゲート2、及びメモリセル20のワードゲート2(図示されず)を形成する。そのとき、ワードゲート2のない部分はワードゲート絶縁膜11の表面が露出する。その後、ワードゲート2をマスクに用いて、ワードゲート2で覆われていないワードゲート絶縁膜11を選択エッチングで除去する。その際、素子分離領域21の表面も若干エッチングされる。それにより、メモリセル20のワードゲート2直下にのみワードゲート絶縁膜11が残る。素子分離領域21でなくワードゲート2のない部分は半導体基板30の表面が露出する。
Subsequently, referring to FIG. 7A, the word
次に、図7(b)を参照して、半導体基板30、素子分離領域21(凹部41を含む)及びワードゲート2の表面を覆うように酸化シリコン、窒化シリコン及び酸化シリコンをこの順に積層する。酸化シリコンの形成には酸化法又はCVD法が、窒化シリコンの形成にはCVD法がそれぞれ用いられる。それにより、電荷蓄積層としてのONO積層膜43が形成される。ONO積層膜43は、凹部41の内部の表面も覆っている。
Next, referring to FIG. 7B, silicon oxide, silicon nitride, and silicon oxide are stacked in this order so as to cover the surface of the
その後、ONO積層膜43を覆うようにコントロールゲート用ポリシリコン膜44をCVD法により形成する。コントロールゲート用ポリシリコン膜44は、後に、コントロールゲート3となる。図に示されるように、コントロールゲート用ポリシリコン膜44は、凹部41の内部を埋めている。凹部41は後述の形状(幅、深さ)を有するので、コントロールゲート用ポリシリコン膜44は、凹部41上部でも概ね平坦に形成することができる。すなわち、凹部41上のコントロールゲート用ポリシリコン膜44は相対的に厚く、それ以外のコントロールゲート用ポリシリコン膜44は相対的に薄く形成される。
Thereafter, a control
続いて、図7(c)を参照して、コントロールゲート用ポリシリコン膜44及びONO積層膜43をそれぞれエッチバックして、ワードゲート2側面及び接続層5の近傍以外のコントロールゲート用ポリシリコン膜44及びONO積層膜43を除去する。これにより、裏打ち領域32において、擬似メモリセル10のワードゲート2の側面にONO積層膜4を介してコントロールゲート3が形成され、コントロールゲート3間に接続層5が形成される。一方、メモリセル領域31において、メモリセル20のワードゲート2の側面にONO積層膜4を介してコントロールゲート3(図示されず)が形成される。
Subsequently, referring to FIG. 7C, the control
その後、図8(a)を参照して、図示していないが、メモリセル領域31にLDD(Lightly Dopoed Drain)注入を行った後、半導体基板30の全面を覆うように酸化シリコン膜45をCVD法により形成する。この酸化シリコン膜45は、その一部が後にサイドウォール絶縁膜8、18となる。
Thereafter, referring to FIG. 8A, although not shown, after LDD (Lightly Doped Drain) is implanted into the
続いて、図8(b)を参照して、酸化シリコン膜45をエッチバックして、ワードゲート2側方(コントロールゲート3の側面及び上面)以外の酸化シリコン膜45を除去する。これにより、裏打ち領域32において、擬似メモリセル10のワードゲート2側方(コントロールゲート3の側面及び上面)を覆うようにサイドウォール絶縁膜8が形成される。一方、メモリセル領域31において、メモリセル20のワードゲート2側方(コントロールゲート3の側面及び上面)を覆うようにサイドウォール絶縁膜18(図示されず)が形成される。このとき、ワードゲート2の上部及び接続層5の中央の上部は、露出している。
Subsequently, referring to FIG. 8B, the
メモリセル領域31において、ワードゲート2及びサイドウォール絶縁膜18をマスクとして、例えば、砒素(As)のようなn型不純物を半導体基板30に注入する。それにより、メモリセル領域31の半導体基板30の表面におけるワードゲート2及びサイドウォール絶縁膜18の直下の領域と素子分離領域21とを除く領域に、自己整合的にソース/ドレイン用の拡散層16が形成される。
In the
その後、図8(c)を参照して、半導体基板30の全面にコバルト膜をスパッタ法により形成し、熱処理を行う。この熱処理により、メモリセル領域31ではワードゲート2の上部及び拡散層16の表面側がシリサイド化され、それぞれシリサイド層6、17となる。裏打ち領域32ではワードゲート2の上部及び接続層5の表面側がシリサイド化され、それぞれシリサイド層6、7となる。このとき、コントロールゲート3は、サイドウォール絶縁膜8、18に覆われているので、シリサイド化されない。その後、シリサイド層以外のコバルト膜をエッチングにより除去する。
Thereafter, referring to FIG. 8C, a cobalt film is formed on the entire surface of the
続いて、図9(a)を参照して、半導体基板30の全面を覆うように層間絶縁層22を形成する。続いて、図9(b)を参照して、層間絶縁層22の所定の箇所(少なくとも拡散層16、接続層5)にビアホールを形成する。そして、金属膜の製膜及びCMP法による研磨を行う。それにより、メモリセル領域31において、シリサイド層18を介して拡散層16と上部配線(図示されず)とを接続するコンタクト19が形成される。また、裏打ち領域32において、シリサイド層8を介して接続層5と上部配線(図示されず)とを接続するコンタクト9が形成される。
Subsequently, referring to FIG. 9A, an
上記製造工程の後、通常のロジックプロセスを実行し、不揮発性半導体記憶装置が製造される。 After the manufacturing process, a normal logic process is performed to manufacture a nonvolatile semiconductor memory device.
凹部41の幅は、接続層5の幅に概ね対応している。したがって、その最小値は、接続層5の抵抗が高くなり過ぎない点から設計で決定される。例えば、コントロールゲート用ポリシリコン膜44の膜厚程度(接続層5の厚み程度)である。
また、凹部41の幅が広過ぎると、コントロールゲート用ポリシリコン膜44を成膜したとき(図7(b))、凹部41に対応する部分に窪みが出来てしまうおそれがある。その場合、当該膜をエッチバックしたとき(図7(c))、凹部41のコントロールゲート用ポリシリコン膜44が薄すぎて、その大部分がエッチングされてしまい、接続層5が上手く形成できなくなる。したがって、コントロールゲート用ポリシリコン膜44を成膜したとき(図7(b))、凹部41に対応する部分に窪みが出来無い程度の幅が最大値となる。例えば、コントロールゲート用ポリシリコン膜44の膜厚の2倍程度である。
The width of the
If the width of the
凹部41の深さは、凹部41が少しでもあれば、凹部41の接続層5上部のシリサイド層7とワードゲート2上部のシリサイド層6との間のショートの発生を改善でき、深ければ深いほどより改善できることから、特に制限はない。ただし、最大値としては、素子分離領域21下部の半導体基板30と接続層5との間でリークが発生しない深さである。
If the depth of the
本発明の不揮発性半導体記憶装置では、接続層5の少なくとも一部(下部)が、素子分離領域21内に設けられた凹部41に埋め込まれている。すなわち、接続層5の高さを凹部41の深さ分だけ低く形成することができる(上記の実施の形態では、接続層上部の高さを半導体基板30の表面と同等あるいはそれより低く形成している)。したがって、従来の論文の発明に特開2002−353346号公報のようなコントロールゲートの裏打ちを形成したとき、裏打ち領域に32におけるワードゲート2の上部と接続層5の上部との距離が短くなり過ぎることを抑制することができる。それにより、裏打ち領域に32におけるワードゲート2と接続層5との間にショートが発生することを抑制することが可能となる。
In the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention, at least a part (lower part) of the
また、凹部41の深さを適切に選択することにより、裏打ち領域21におけるワードゲート2の上部と接続層5の上部との距離を適切に設計することができる。すなわち、充分な距離を取ることが出来る。したがって、ワードゲート2の上部と接続層5の上部とをシリサイド化しても、ワードゲート2と接続層5との間にショートが発生することを抑制することが可能となる。シリサイド化により、コントロールゲートの接続に関わる抵抗を下げうることが出来、高速動作が可能となる。
In addition, by appropriately selecting the depth of the
また、図7(c)に示す工程において、コントロールゲート用ポリシリコン膜44及びONO積層膜43をエッチバックして、裏打ち領域32において、擬似メモリセル10のコントロールゲート3及び接続層5を形成している。このとき、従来の技術では、図2に示すコントロールゲート3と接続層5との接続部Qでは、コントロールゲート用ポリシリコン膜44及びONO積層膜43が、破線で示すように角がなまった状態でエッチングされる現象が発生する場合がある。性能的には問題は無いが、歩留まり向上のために、裏打ち領域32の幅をその分だけ広くする必要があり、面積効率の面で好ましくなかった。
Further, in the step shown in FIG. 7C, the control
しかし、本発明では、接続層5の下部又は全体が凹部41内に埋まっているため、図7(c)に示す工程において、図2の接続部Qにおいても破線のように角がなまった状態でエッチングされる現象が発生しにくい。それにより、裏打ち領域32の幅をより狭くすることが出来、面積効率を向上させることが可能となる。
However, in the present invention, since the lower part or the whole of the
1 不揮発性半導体記憶装置
2 ワードゲート
3 コントロールゲート
4、14 ONO積層膜
5 接続層
6、7、17 シリサイド層
8、18 サイドウォール絶縁膜
9、19 コンタクト
10 擬似メモリセル
11 ワードゲート絶縁膜
15 チャネル領域
16 拡散層
20 メモリセル
21 素子分離領域
22 層間絶縁層
30 半導体基板
31 メモリセル領域
32 裏打ち領域
41 凹部
42 ワードゲート用ポリシリコン膜
44 コントロールゲート用ポリシリコン膜
45 酸化シリコン膜
DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記半導体基板上の第2領域に設けられた第1擬似メモリセルトランジスタと、
前記第2領域に設けられた第2擬似メモリセルトランジスタと、
前記第1擬似メモリセルトランジスタと前記第2擬似メモリセルトランジスタとを接続する接続層とを具備し、
前記メモリセルトランジスタは、
前記第1領域のチャネル領域上に第1絶縁層を介して形成された第1ゲートと、
前記第1ゲートの側面かつ前記チャネル領域上に第2絶縁層を介して形成された第2ゲートと、
前記チャネル領域の端部に形成された拡散層とを備え、
前記第1擬似メモリセルトランジスタは、
前記第2領域の素子分離層上に形成された第3ゲートと、
前記第3ゲートの側面に第3絶縁層を介して形成され、前記第2ゲートと結合された第4ゲートとを備え、
第2擬似メモリセルトランジスタは、
前記素子分離層上に形成された第5ゲートと、
前記第5ゲートの側面に第4絶縁層を介して前記第4ゲートと対向するように形成された第6ゲートとを備え、
前記接続層は、
前記第4ゲートと前記第6ゲートとに結合して上部にコンタクトを接続され、
少なくとも下部が前記素子分離層内に設けられた凹部に埋め込まれている
不揮発性半導体記憶装置。 A memory cell transistor provided in a first region of a semiconductor substrate;
A first pseudo memory cell transistor provided in a second region on the semiconductor substrate;
A second pseudo memory cell transistor provided in the second region;
A connection layer connecting the first pseudo memory cell transistor and the second pseudo memory cell transistor;
The memory cell transistor is
A first gate formed on a channel region of the first region via a first insulating layer;
A second gate formed on a side surface of the first gate and on the channel region via a second insulating layer;
A diffusion layer formed at an end of the channel region,
The first pseudo memory cell transistor includes:
A third gate formed on the element isolation layer in the second region;
A fourth gate formed on a side surface of the third gate through a third insulating layer and coupled to the second gate;
The second pseudo memory cell transistor is
A fifth gate formed on the device isolation layer;
A sixth gate formed on a side surface of the fifth gate so as to face the fourth gate through a fourth insulating layer;
The connection layer is
The fourth gate and the sixth gate are coupled with a contact at the top,
A non-volatile semiconductor storage device, wherein at least a lower part is embedded in a recess provided in the element isolation layer.
前記第4ゲートと前記第6ゲートの下部は、前記素子分離層内に設けられた凹部に埋め込まれている
不揮発性半導体記憶装置。 The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1,
The non-volatile semiconductor memory device, wherein lower portions of the fourth gate and the sixth gate are embedded in a recess provided in the element isolation layer.
前記第1擬似メモリセルトランジスタと前記第2擬似メモリセルトランジスタの下部は、前記素子分離層内に設けられた凹部に埋め込まれている
不揮発性半導体記憶装置。 The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1,
A nonvolatile semiconductor memory device, wherein lower portions of the first pseudo memory cell transistor and the second pseudo memory cell transistor are embedded in a recess provided in the element isolation layer.
前記第3ゲート、前記第5ゲート及び前記接続層の上部の表面は、シリサイド化されている
不揮発性半導体記憶装置。 The nonvolatile semiconductor memory device according to any one of claims 1 to 3,
The non-volatile semiconductor memory device, wherein the top surfaces of the third gate, the fifth gate, and the connection layer are silicided.
前記前記接続層の上部の表面の位置は、前記拡散層の上部の表面の位置と比較して、同等又は低い
不揮発性半導体記憶装置。 The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1,
A non-volatile semiconductor memory device, wherein the position of the upper surface of the connection layer is equal to or lower than the position of the upper surface of the diffusion layer.
前記凹部の深さは、前記接続層の厚み以上である
不揮発性半導体記憶装置。 The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1,
The depth of the concave portion is equal to or greater than the thickness of the connection layer.
前記第3ゲート及び前記第5ゲートの上部の表面と前記接続層の上部の表面との高低差は、前記第1ゲートの上部の表面と前記拡散層の上部の表面との高低差と比較して、同等又は大きい
不揮発性半導体記憶装置。 The nonvolatile semiconductor memory device according to any one of claims 1 to 6,
The height difference between the upper surface of the third gate and the fifth gate and the upper surface of the connection layer is compared with the height difference between the upper surface of the first gate and the upper surface of the diffusion layer. Equivalent or large nonvolatile semiconductor memory device.
(b)前記半導体基板の第1領域上に第1絶縁層を介してメモリセルトランジスタの第1ゲートと、前記素子分離層上に第1擬似メモリセルトランジスタの第3ゲート及び第2擬似メモリセルトランジスタの第5ゲートとをそれぞれ形成する工程と、
(c)前記第1ゲートと、前記第3ゲート及び前記第5ゲートとを覆うように第2絶縁膜及びゲート膜を積層する工程と、
(d)前記ゲート膜をエッチバックして、前記第1領域上に前記メモリセルトランジスタの第2ゲートを、前記素子分離層上に前記第1擬似メモリセルトランジスタの第4ゲート及び前記第2擬似メモリセルトランジスタの第6ゲートを、及び前記凹部上に前記第4ゲートと前記第6ゲートとを結合する接続層をそれぞれ形成する工程と
を具備する
不揮発性半導体記憶装置の製造方法。 (A) forming a recess in the element isolation layer formed in the second region of the semiconductor substrate;
(B) a first gate of a memory cell transistor on a first region of the semiconductor substrate via a first insulating layer, and a third gate and a second pseudo memory cell of a first pseudo memory cell transistor on the element isolation layer; Forming each of the fifth gates of the transistors;
(C) laminating a second insulating film and a gate film so as to cover the first gate, the third gate, and the fifth gate;
(D) Etching back the gate film, the second gate of the memory cell transistor on the first region, the fourth gate of the first pseudo memory cell transistor and the second pseudo on the element isolation layer. Forming a sixth gate of a memory cell transistor and a connection layer for coupling the fourth gate and the sixth gate on the recess, respectively. A method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device.
前記(a)工程は、
(a1)前記素子分離層における前記第4ゲート、前記第6ゲート及び前記接続層に対応する位置に前記凹部を形成する工程を備え、
前記(d)工程は、
(d1)前記素子分離層の前記凹部上に前記第4ゲート、前記第6ゲート、及び前記接続層をそれぞれ形成する工程を備える
不揮発性半導体記憶装置の製造方法。 The method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to claim 8,
The step (a)
(A1) comprising a step of forming the concave portion at a position corresponding to the fourth gate, the sixth gate, and the connection layer in the element isolation layer;
The step (d)
(D1) A method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device, comprising: forming the fourth gate, the sixth gate, and the connection layer on the concave portion of the element isolation layer.
前記(a)工程は、
(a2)前記素子分離層における前記第1擬似メモリセルトランジスタ、前記第2擬似メモリセルトランジスタ及び前記接続層に対応する位置に前記凹部を形成する工程を備え、
前記(b)工程は、
(b1)前記凹部上に前記第3ゲート及び前記第5ゲートとをそれぞれ形成する工程を備え、
前記(d)工程は、
(d2)前記素子分離層の前記凹部上に前記第4ゲート、前記第6ゲート、及び前記接続層をそれぞれ形成する工程を備える
不揮発性半導体記憶装置の製造方法。 The method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to claim 8,
The step (a)
(A2) including a step of forming the concave portion at a position corresponding to the first pseudo memory cell transistor, the second pseudo memory cell transistor, and the connection layer in the element isolation layer;
The step (b)
(B1) comprising a step of forming the third gate and the fifth gate on the recess,
The step (d)
(D2) A method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device, comprising: forming the fourth gate, the sixth gate, and the connection layer on the concave portion of the element isolation layer.
(e)前記第3ゲート、前記第5ゲート及び前記接続層の上部をシリサイド化する工程を更に具備する
不揮発性半導体記憶装置の製造方法。 In the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device according to any one of claims 8 to 10,
(E) A method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device, further comprising the step of silicidizing the third gate, the fifth gate, and the upper portion of the connection layer.
前記(a)工程は、
(a3)前記凹部の深さが前記接続層の厚み以上となるように、前記凹部を形成する工程を備える
不揮発性半導体記憶装置の製造方法。 The method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to any one of claims 8 to 11,
The step (a)
(A3) A method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device, comprising the step of forming the recess so that the depth of the recess is equal to or greater than the thickness of the connection layer.
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