JP2009289950A - Semiconductor memory device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体記憶装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor memory device.
フラッシュメモリなどの電気的に書き込み、消去可能な不揮発性半導体記憶装置は、デジタルカメラ、移動体端末、携帯オーディオ機器、或いはパーソナルコンピュータ(PC)等の大容量データ記憶媒体として広く採用されている。フラッシュメモリに使用される不揮発性メモリセルトランジスタには、代表的なものにフローティングゲート(FG)とコントロールゲート(CG)から構成される積層ゲート構造のものと、例えばシリコン窒化膜を電荷蓄積膜として使用するチャージトラップ型フラッシュ(CTF;Charge Trap Flashとも呼称される)構造のものがある。近年、半導体素子の微細化、高集積度化の進展に伴い、積層ゲート構造のフラッシュメモリにおいては、メモリセルトランジスタのゲート間距離が狭まり、隣接セルのフローティングゲート(FG)間での容量カップリングにより誤動作が発生しやすくなる。このため、容量カップリングが発生しにくいチャージトラップ型フラッシュ構造のメモリセルトランジスタが開発されている(例えば、特許文献1参照。)。 An electrically writable and erasable nonvolatile semiconductor memory device such as a flash memory is widely adopted as a large-capacity data storage medium such as a digital camera, a mobile terminal, a portable audio device, or a personal computer (PC). Typical non-volatile memory cell transistors used in flash memory include a stacked gate structure composed of a floating gate (FG) and a control gate (CG), and a silicon nitride film as a charge storage film. There is a charge trap type flash (CTF; also called Charge Trap Flash) structure to be used. In recent years, with the progress of miniaturization and high integration of semiconductor elements, the distance between the gates of the memory cell transistors is reduced in the flash memory having the stacked gate structure, and the capacitive coupling between the floating gates (FG) of adjacent cells. This makes it easier for malfunctions to occur. For this reason, a memory cell transistor having a charge trap type flash structure in which capacitive coupling hardly occurs has been developed (see, for example, Patent Document 1).
特許文献1などに記載されるチャージトラップ型フラッシュ構造のメモリセルトランジスタでは、電荷蓄積層の膜厚が数ナノメートル程度と薄いので、フローティングゲート電極膜を使用する積層ゲート構造のものに比較し、セル間干渉効果を低減することができる。しかしながら、チャージトラップ型フラッシュ構造のメモリセルトランジスタであっても、更にセル間間隔が狭くなると、セル間間隔に反比例して急激に増大する容量カップリングのために、セル間干渉効果を抑制することが困難となる。
本発明は、セル間干渉効果を抑制することができる半導体記憶装置を提供する。 The present invention provides a semiconductor memory device that can suppress the inter-cell interference effect.
本発明の一態様の半導体記憶装置は、半導体基板と、前記半導体基板上にトンネル酸化膜、電荷蓄積層、電流遮断層、及び制御電極が積層形成され、前記制御電極がワード線に接続されるメモリセルトランジスタと、ビット線とソース線の間に前記メモリセルトランジスタが縦続接続されるメモリセルとを具備し、ワード線方向において、前記電荷蓄積層の幅が前記メモリセルトランジスタのチャネル幅よりも狭いことを特徴とする。 In a semiconductor memory device of one embodiment of the present invention, a semiconductor substrate, a tunnel oxide film, a charge storage layer, a current blocking layer, and a control electrode are stacked over the semiconductor substrate, and the control electrode is connected to a word line. A memory cell transistor, and a memory cell in which the memory cell transistor is cascade-connected between a bit line and a source line, and in the word line direction, the width of the charge storage layer is larger than the channel width of the memory cell transistor. It is characterized by being narrow.
更に、本発明の他態様の半導体記憶装置は、半導体基板と、前記半導体基板上にトンネル酸化膜、電荷蓄積層、電流遮断層、及び制御電極が積層形成され、前記制御電極がワード線に接続されるメモリセルトランジスタと、ビット線とソース線の間に前記メモリセルトランジスタが縦続接続されるメモリセルとを具備し、ワード線方向において、前記電荷蓄積層の幅が前記メモリセルトランジスタのチャネル幅よりも狭く、ビット線方向において、前記電荷蓄積層の長さが前記制御電極の長さよりも短いことを特徴とする。 Furthermore, in a semiconductor memory device according to another aspect of the present invention, a semiconductor substrate, a tunnel oxide film, a charge storage layer, a current blocking layer, and a control electrode are stacked on the semiconductor substrate, and the control electrode is connected to a word line. And a memory cell in which the memory cell transistors are cascade-connected between a bit line and a source line, and the width of the charge storage layer in the word line direction is the channel width of the memory cell transistor The length of the charge storage layer is shorter than the length of the control electrode in the bit line direction.
本発明によれば、セル間干渉効果を抑制することができる半導体記憶装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the semiconductor memory device which can suppress the intercell interference effect can be provided.
以下本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
まず、本発明の実施例1に係る半導体記憶装置について、図面を参照して説明する。図1は半導体記憶装置を示す図、図1(a)は半導体記憶装置を示す回路図、図1(b)は半導体記憶装置を示す平面図、図2は図1(b)のA−A線に沿う半導体記憶装置の断面図、図3は図1(b)のB−B線に沿う断面図である。本実施例では、セル間干渉効果を緩和するためにメモリセルトランジスタの電荷蓄積層の幅及び長さを変更している。
First, a semiconductor memory device according to
半導体記憶装置70には、メモリセルMC1乃至3など複数のメモリセルが設けられる。複数のメモリセルはメモリセルブロックを構成し、複数のメモリセルブロックはメモリセルアレイを構成する。半導体記憶装置70には、複数のメモリセルアレイが設けられる。半導体記憶装置70は、シリコン窒化膜を電荷蓄積膜として使用するチャージトラップ型フラッシュ(CTF;Charge Trap Flashとも呼称される)構造を有するNAND型フラッシュメモリである。チャージトラップ型フラッシュ(CTF)は、MONOS(Metal Oxide Nitride Oxide Semiconductor)、SONOS(polysilicon oxide nitride oxide silicon)、或いはTANOS(silicon oxide SiN Al2O3 TaN)とも呼称される場合がある。
The
メモリセルMC1乃至3には、それぞれ、センスアンプに接続されるビット線BL側に制御トランジスタSTRが設けられ、ソース線SL側に制御トランジスタSTRが設けられ、その間に縦続接続される複数のメモリトランジスタMTRが設けられる。ビット線BL1、BL2、及びBL3と、制御線SGD、ワードWLn、・・・、ワードWL4、ワードWL3、ワード線WL1、制御線SGS、及びソース線SLとは互いに交差する。 In each of the memory cells MC1 to MC3, a control transistor STR is provided on the bit line BL side connected to the sense amplifier, a control transistor STR is provided on the source line SL side, and a plurality of memory transistors connected in cascade therebetween. An MTR is provided. Bit lines BL1, BL2, and BL3 and control line SGD, word WLn,..., Word WL4, word WL3, word line WL1, control line SGS, and source line SL cross each other.
制御線SGDは、センスアンプに接続されるビット線BL1乃至3側の制御トランジスタSTRのゲートに接続される。ワード線WLnは、ビット線BL1乃至3に接続されるn番目のメモリトランジスタMTRの制御ゲート(コントロールゲート)に接続される。ワード線WL4は、ビット線BL1乃至3に接続される4番目のメモリトランジスタMTRの制御ゲートに接続される。ワード線WL3は、ビット線BL1乃至3に接続される3番目のメモリトランジスタMTRの制御ゲートに接続される。ワード線WL2は、ビット線BL1乃至3に接続される2番目のメモリトランジスタMTRの制御ゲートに接続される。ワード線WL1は、ビット線BL1乃至3に接続される1番目のメモリトランジスタMTRの制御ゲートに接続される。制御線SGSは、ソース線SLに接続されるビット線BL1乃至3側の制御トランジスタSTRのゲートに接続される。 The control line SGD is connected to the gate of the control transistor STR on the bit lines BL1 to 3 side connected to the sense amplifier. The word line WLn is connected to the control gate (control gate) of the nth memory transistor MTR connected to the bit lines BL1 to BL3. The word line WL4 is connected to the control gate of the fourth memory transistor MTR connected to the bit lines BL1 to BL3. The word line WL3 is connected to the control gate of the third memory transistor MTR connected to the bit lines BL1 to BL3. The word line WL2 is connected to the control gate of the second memory transistor MTR connected to the bit lines BL1 to BL3. The word line WL1 is connected to the control gate of the first memory transistor MTR connected to the bit lines BL1 to BL3. The control line SGS is connected to the gate of the control transistor STR on the bit lines BL1 to BL3 connected to the source line SL.
図1(b)に示すように、半導体記憶装置70では、ソース線SL、制御線SGS、ワード線WL1、ワード線WL2、ワード線WL3、ワード線WL4、・・・、ワード線WLn、制御線SGDが上下方向(図中)に互いに離間され並列配置される。ビット線BL1乃至3が横方向(図中)に互いに離間され並列配置される。ビット線BL間には素子分離領域が設けられ、ビット線BLの間を分離している。ソース線SLとビット線BL1乃至3の交差部分にはソース線コンタクトSLCが設けられる。制御線SGDと図示しないセンスアンプの間のビット線BLにはビット線コンタクトBLCが設けられる。
As shown in FIG. 1B, in the
図2に示すように、ワード線方向において、半導体記憶装置70には、P型シリコンである半導体基板1の第1主面(表面)にSTI(シャロートレンチアイソレーション)2が埋設される。STI(シャロートレンチアイソレーション)2の間の半導体基板の第1主面(表面)上にトンネル酸化膜3、電荷蓄積層4、及び電流遮断層5が積層形成される。トンネル酸化膜3直下の半導体基板の第1主面(表面)にはチャネル層が形成される。
As shown in FIG. 2, in the word line direction, STI (shallow trench isolation) 2 is embedded in the first main surface (front surface) of the
ここで、ワード線方向でのSTI(シャロートレンチアイソレーション)2上には、トンネル酸化膜3、電荷蓄積層4、及び電流遮断層5が設けられていない。つまり、電荷蓄積層4は隣接セル間で分離されている。この目的は、電荷蓄積層4を隣接セル間で分離することにより、電荷が電荷蓄積層4内で分散されることを抑制するためである。
Here, the
電荷蓄積層4の端部は、チャネル幅WCHの端部よりもチャネル幅端と電荷蓄積層端の間隔ΔW1だけ内部に設けられる。電荷蓄積層幅WDCL1、チャネル幅WCH、チャネル幅端と電荷蓄積層端の間隔ΔW1の関係は、
WDCL1=WCH−2ΔW1 ・・・・・・・・・・式(1)
と表される。チャネル幅WCHの端部よりもチャネル幅端と電荷蓄積層端の間隔ΔW1だけ内部に設けることにより、チャネル幅を狭めることなく、ワード線方向隣接セル間の電荷蓄積層の間隔だけを広げることができ、以ってセル間干渉効果を低減することができる。
End of the
W DCL1 = W CH -2ΔW1 ............ Formula (1)
It is expressed. By than the end portion of the channel width W CH provided within only the interval ΔW1 charge storage layer end and the channel width end, without narrowing the channel width, widening the only interval of the charge storage layer between the word line direction adjacent cell Therefore, the inter-cell interference effect can be reduced.
積層されるトンネル酸化膜3、電荷蓄積層4、及び電流遮断層5の間のSTI(シャロートレンチアイソレーション)2上には、層間絶縁膜としての絶縁膜6が設けられる。電流遮断層5及び絶縁膜6上には、ワード線WL3としての制御電極7が設けられる。制御電極7上には、層間絶縁膜としての絶縁膜8が設けられる。ビット線BL1乃至3としての配線層9は、それぞれ表面を露出するように絶縁膜8の表面に埋設される。絶縁膜8及び配線層9上には、表面保護膜としての絶縁膜10が設けられる。
On the STI (shallow trench isolation) 2 between the
図3に示すように、ビット線方向において、半導体記憶装置70には、P型シリコンである半導体基板1の第1主面(表面)にメモリセルトランジスタMTRのソース或いはドレインとなるN+層11が設けられる。
As shown in FIG. 3, in the bit line direction, the
N+層11の間の半導体基板の第1主面(表面)上にトンネル酸化膜3、電荷蓄積層4、電流遮断層5、及び制御電極7が積層形成される。トンネル酸化膜3は、N+層11とオーバーラップするように設けられる。トンネル酸化膜3直下の半導体基板の第1主面(表面)にはチャネル層が形成される。
A
電荷蓄積層4の端部は、制御電極7の端部よりも制御電極端と電荷蓄積層端の間隔ΔL1だけ内部に設けられる。電荷蓄積層長LDCL1、制御電極長LSG、制御電極端と電荷蓄積層端の間隔ΔL1の関係は、
LDCL1=LSG−2ΔL1 ・・・・・・・・・・式(2)
と表される。なお、制御電極長LSGは、ハーフピッチに設定される。制御電極7の端部よりも制御電極端と電荷蓄積層端の間隔ΔL1だけ内部に設けることにより、ワード線方向隣接セル間の電荷蓄積層の対向面積を減らし、かつビット線方向隣接セル間の電荷蓄積層の間隔を広げることができるため、セル間干渉効果をさらに低減する効果を持つ。
The end of the
L DCL1 = L SG -2ΔL1 ..... Equation (2)
It is expressed. The control electrode length L SG is set to a half pitch. By providing the distance ΔL1 between the control electrode end and the charge storage layer end rather than the end portion of the
積層されるトンネル酸化膜3、電荷蓄積層4、電流遮断層5、及び制御電極7の間のN+層11上には、層間絶縁膜としての絶縁膜6が設けられる。絶縁膜6及び制御電極7上には、層間絶縁膜としての絶縁膜8が設けられる。絶縁膜8上には、ビット線BL2としての配線層9が設けられる。配線層9上には、表面保護膜としての絶縁膜10が設けられる。
On the N + layer 11 between the
ここで、セル間干渉効果の低減を図るために、チャネル幅端と電荷蓄積層端の間隔ΔW1と制御電極端と電荷蓄積層端の間隔ΔL1の関係を、例えば、
ΔW1≧ΔL1>0 ・・・・・・・・・・式(3)
に設定するのが好ましい。一般にワード線方向隣接セル間の干渉効果の方が回路動作上問題になる場合が多いこと、電荷蓄積層の体積を小さくしすぎると書き込み・消去の効率が低下することがその理由である。
Here, in order to reduce the inter-cell interference effect, the relationship between the distance ΔW1 between the channel width end and the charge storage layer end and the distance ΔL1 between the control electrode end and the charge storage layer end is, for example,
ΔW1 ≧ ΔL1> 0 (3)
It is preferable to set to. The reason for this is that the interference effect between adjacent cells in the word line direction is generally more problematic in circuit operation, and that the write / erase efficiency decreases if the volume of the charge storage layer is made too small.
次に、半導体記憶装置の動作について図4及び図5を参照して説明する。図4は半導体記憶装置の書き込み動作を説明する図、図4(a)はメモリセルブロックを示す図、図4(b)は書き込み動作条件を示す図、図5はセル間隔とセル間干渉効果の関係を示す図、図中実線(a)は本実施例の特性を示す図、図中破線(b)は比較例の特性を示す図である。ここで、読み出し動作については図示及び説明を省略する。比較例では、STI(シャロートレンチアイソレーション)2上に電荷蓄積層が設けられず、電荷蓄積層の幅及び長さをトンネル酸化膜及び電流遮断層と同一に形成されている。なお、消去動作及び読み出し動作については説明を省略する。 Next, the operation of the semiconductor memory device will be described with reference to FIGS. 4A and 4B illustrate a write operation of the semiconductor memory device, FIG. 4A illustrates a memory cell block, FIG. 4B illustrates a write operation condition, and FIG. 5 illustrates cell spacing and inter-cell interference effects. The solid line (a) in the figure shows the characteristics of this example, and the broken line (b) in the figure shows the characteristics of the comparative example. Here, illustration and description of the read operation are omitted. In the comparative example, the charge storage layer is not provided on the STI (shallow trench isolation) 2, and the width and length of the charge storage layer are the same as those of the tunnel oxide film and the current blocking layer. Note that description of the erase operation and the read operation is omitted.
図4(a)に示すように、例えばメモリセル2のワード線WL3に接続されるメモリセルトランジスタMTRが選択トランジスタとして選択され、書き込み動作が行われる場合、図4(b)に示すように、選択トランジスタに“0(ゼロ)”を書き込むとき、対応するビット線BLを“0V”にし、選択トランジスタに“1”を書き込むとき、対応するビット線BLを昇圧された高電位側電源電圧Vddにする。ソース線SLを0Vにし、制御線SGDを(+)電圧である制御電圧Vsg1にし、制御線SGSに(+)電圧である制御電圧Vsg2を印加して制御トランジスタSTRを“ON”させる。選択されたワード線WL3を書き込み電圧Vpgmにし、非選択のワード線WLを中間電圧Vmにする。
As shown in FIG. 4A, for example, when the memory cell transistor MTR connected to the word line WL3 of the
つまり、書き込み動作は基板からメモリセルトランジスタMTRへの電子の注入(FN(Fowler Nordheim)トンネリング)により行われる。メモリセルMC1を書き込んだ後、メモリセルMC2への書き込みを行うと、セル間干渉効果によりMC1の閾値電圧が変化してしまい、MC1の正常な読み出しが困難となる。これを避けるためにはMC1とMC2を交互に徐々に書き込んでいく等の回路動作上の工夫が必要となるが、これに伴って書き込み速度が著しく低下する。 That is, the write operation is performed by electron injection (FN (Fowler Nordheim) tunneling) from the substrate to the memory cell transistor MTR. If writing to the memory cell MC2 is performed after writing the memory cell MC1, the threshold voltage of the MC1 changes due to the inter-cell interference effect, and normal reading of the MC1 becomes difficult. In order to avoid this, it is necessary to devise a circuit operation such as gradually writing MC1 and MC2 alternately. However, the writing speed is remarkably lowered.
積層ゲート構造のフラッシュメモリのフローティング電極の厚さが、例えば50ナノメートル(50nm)以上であるのに対し、チャージトラップ型フラッシュ(CTF構造)に用いられる電荷蓄積層の厚さは数ナノメートル(数nm)程度である。このため、チャージトラップ型フラッシュ(CTF構造)ではセル間隔が狭くなり微細化が進行してもセル間干渉が発生しないと予想されてきた。ところが、セル間が微細化された実際のチャージトラップ型フラッシュ(CTF構造)でもセル間干渉効果が確認されている。これは、セル間の容量が間隔に反比例して急激に増大するためである。 The thickness of the floating electrode of the flash memory having the stacked gate structure is, for example, 50 nanometers (50 nm) or more, whereas the thickness of the charge storage layer used in the charge trap flash (CTF structure) is several nanometers ( Several nanometers). For this reason, it has been expected that in the charge trap type flash (CTF structure), the inter-cell interference does not occur even if the cell interval becomes narrow and the miniaturization progresses. However, an inter-cell interference effect has been confirmed even in an actual charge trap flash (CTF structure) in which the cells are miniaturized. This is because the capacity between cells increases rapidly in inverse proportion to the interval.
図5に示すように、破線(b)に示す比較例では、セル間隔が比較的広い場合でも寄生ゲート効果などのセル間干渉効果が大きく、セル間間隔が狭くなると急激にセル間干渉効果が増大する。 As shown in FIG. 5, in the comparative example shown by the broken line (b), the inter-cell interference effect such as the parasitic gate effect is large even when the cell interval is relatively wide. Increase.
一方、実線(a)に示す本実施例では、セル間隔が比較的広い場合セル間干渉効果が小さく、セル間間隔が狭くなってもセル間干渉効果の増加が抑制される。比較例と本実施例の違いは単純に電荷蓄積層の間隔だけではない。本実施例では電荷蓄積層が制御ゲートの内側にあるため、制御ゲートが隣接セルから伸びる電界をシールドする役割を果たし、セル間干渉効果を抑制する作用をもたらす。例えば、比較例ではテクノロジーノード20nm(ハーフピッチ20nm)よりも微細化された場合、セル間干渉効果が増大し、メモリセルの誤動作が発生する可能性が生じるが、本実施例では、テクノロジーノード20nm(ハーフピッチ20nm)よりも微細化された場合でもセル間干渉効果を抑制することができ、メモリセルを正常動作させることができる。 On the other hand, in the present embodiment shown by the solid line (a), the inter-cell interference effect is small when the cell interval is relatively wide, and the increase in the inter-cell interference effect is suppressed even when the inter-cell interval is narrowed. The difference between the comparative example and this example is not simply the interval between the charge storage layers. In this embodiment, since the charge storage layer is inside the control gate, the control gate plays a role of shielding an electric field extending from the adjacent cell, and has an effect of suppressing the inter-cell interference effect. For example, in the comparative example, when the size is smaller than the technology node 20 nm (half pitch 20 nm), the inter-cell interference effect increases, and a malfunction of the memory cell may occur. However, in this embodiment, the technology node 20 nm. Even when it is made finer than (half pitch 20 nm), the inter-cell interference effect can be suppressed, and the memory cell can be operated normally.
次に、半導体記憶装置の製造方法について、図6乃至図10を参照して説明する。図6乃至図10は半導体記憶装置の製造工程を示す断面図である。 Next, a method for manufacturing a semiconductor memory device will be described with reference to FIGS. 6 to 10 are cross-sectional views showing the manufacturing process of the semiconductor memory device.
図6に示すように、まず、P型シリコンである半導体基板1上に、例えばイオン注入法を用いてチャネル層形成後、トンネル酸化膜3、電荷蓄積層4、電流遮断層5、及びハードマスク材21を積層形成する。
As shown in FIG. 6, first, after forming a channel layer on a
ここで、トンネル酸化膜3には、例えば厚さ0.5〜10nmの範囲のSiO2膜(シリコン酸化膜)を用いているが、代わりにEOT(Equivalent Oxide Thickness)換算で同じ厚さのSiO2膜/SiN膜/SiO2の積層膜、SiO2膜/高誘電率絶縁膜/SiO2膜の積層膜、或いは高誘電率絶縁膜/SiO2膜の積層膜などを用いてもよい。電荷蓄積層4には、例えば厚さ3〜50nmの範囲のSiN膜(シリコン窒化膜)を用いている。
Here, as the
ブロック膜としての電流遮断層5には、例えば厚さ5〜30nmの範囲のAl2O3膜(アルミナ膜)を用いているが、代わりにシリコン酸化膜よりも誘電率の高いMgO膜、SrO膜、BaO膜、TiO膜、Ta2O5膜、BaTiO3膜、BaZrO膜、ZrO2膜、HfO2膜、Y2O3膜、ZrSiO膜、HfSiO膜、或いはLaAlO膜などの高誘電率絶縁膜又はその積層膜(Al2O3膜(アルミナ膜)の積層膜も含む)を用いてもよい。
For the
トンネル酸化膜3、電荷蓄積層4、電流遮断層5、及びハードマスク材21を積層形成後、周知のリソグラフィー法を用いてレジスト膜22を形成する。
After the
次に、図7に示すように、レジスト膜22をマスクとして、例えばRIE(Reactive Ion Etching)法によりハードマスク材21をエッチングする。レジスト膜22を除去後、ハードマスク材21をマスクとして、例えばRIE法により電流遮断層5、電荷蓄積層4、トンネル酸化膜3、及び半導体基板1をエッチングし、半導体基板1の第1主面(表面)に溝23を形成する。電流遮断層5、電荷蓄積層4、トンネル酸化膜3は、例えば垂直にエッチングされる。
Next, as shown in FIG. 7, using the resist
ここでは、ハードマスク材21をマスクとして、電流遮断層5、電荷蓄積層4、トンネル酸化膜3、及び半導体基板1をエッチングしているが、レジスト膜をマスクとしてエッチングしてもよい。
Here, the
続いて、図8に示すように半導体基板1の第1主面(表面)に絶縁膜を堆積し、例えば全面エッチバック処理を行い、溝23にSTI(シャロートレンチアイソレーション)を形成する。STI(シャロートレンチアイソレーション)2形成後、例えばCDE(Chemical Dry Etching)法により、電荷蓄積層4の両端部をエッチングして電荷蓄積層4をトンネル酸化膜3及び電流遮断層5よりも内部に後退させる。
Subsequently, as shown in FIG. 8, an insulating film is deposited on the first main surface (front surface) of the
CDE法では、電荷蓄積層4のシリコン窒化膜のエッチング速度がマスク材21、トンネル酸化膜3、及び電流遮断層5を構成する酸化膜のエッチング速度よりも大きく(略2桁以上)できるように、例えば、エッチングガスに窒素(N2)ガスを添加するのが好ましい。
In the CDE method, the etching rate of the silicon nitride film of the
そして、図9に示すように、STI(シャロートレンチアイソレーション)2及びマスク材21上に絶縁膜6を形成後、例えばCMP(Chemical Mechanical Polishing)法を用いて、電流遮断層5の表面が露出するまで平坦研磨(絶縁膜6及びマスク材21を研磨)する。
Then, as shown in FIG. 9, after forming the insulating
次に、図10に示すように、電流遮断層5及び絶縁膜6上に、ゲート電極7を形成する。ここで、ゲート電極7には、N型不純物が高濃度にドープされたN+多結晶シリコン膜と金属シリサイドの積層膜を用いているが、P型不純物が高濃度にドープされたP+多結晶シリコン膜と金属シリサイドの積層膜、P+多結晶シリコン膜、或いはN型不純物が高濃度にドープされたN+多結晶シリコン膜を用いてもよい。また、金属膜/多結晶シリコンの積層膜、或いは金属膜/窒化金属膜の積層膜などを用いてもよい。この場合、金属シリサイドとしては、CoSi、NiSi、WSi、MoSi、TiSiなどであり、金属としてはWなどであり、窒化金属としてはWN、TaN、TiNなどである。
Next, as shown in FIG. 10, the
続いて、図示していないが、ハードマスク材やレジスト膜などをマスクにして、例えばRIE法により、ゲート電極7、電流遮断層5、電荷蓄積層4を垂直にエッチングする。垂直にエッチング後、ワード線方向と同様に、例えばCDE法を用いて電荷蓄積層4のビット線方向での側面部を電流遮断層5よりも内部に後退させる。その後、トンネル酸化膜3をエッチングしてメモリセルトランジスタMTRのゲートを形成する。周知の技術を用いてN+層11、絶縁膜8、配線層9、絶縁膜10などを形成し、チャージトラップ型フラッシュ(CTF)構造を有するNAND型フラッシュメモリである半導体記憶装置70が完成する。
Subsequently, although not shown, the
上述したように、本実施例の半導体記憶装置では、ワード線方向において、P型シリコンである半導体基板1の第1主面(表面)にSTI(シャロートレンチアイソレーション)2が埋設される。STI(シャロートレンチアイソレーション)2の間の半導体基板の第1主面(表面)上にトンネル酸化膜3、電荷蓄積層4、及び電流遮断層5が積層形成される。電荷蓄積層4の端部は、チャネル幅WCHの端部よりもチャネル幅端と電荷蓄積層端の間隔ΔW1だけ内部に設けられる。電流遮断層5及び絶縁膜6上には、ワード線WL3としての制御電極7が設けられる。ビット線方向において、半導体基板1の第1主面(表面)にメモリセルトランジスタMTRのソース或いはドレインとなるN+層11が設けられる。N+層11の間の半導体基板の第1主面(表面)上にトンネル酸化膜3、電荷蓄積層4、電流遮断層5、及び制御電極7が積層形成される。トンネル酸化膜3は、N+層11とオーバーラップするように設けられる。トンネル酸化膜3直下の半導体基板の第1主面(表面)にはチャネル層が形成される。電荷蓄積層4の端部は、制御電極7の端部よりも制御電極端と電荷蓄積層端の間隔ΔL1だけ内部に設けられる。
As described above, in the semiconductor memory device of this embodiment, the STI (shallow trench isolation) 2 is embedded in the first main surface (front surface) of the
このため、チャージトラップ型フラッシュ構造の半導体記憶装置70を構成するメモリセルトランジスタの電荷蓄積層の電位によって、自セルのメモリセルトランジスタの電荷蓄積層やチャネルの電位が変調される寄生ゲート効果などを大幅に抑制することができる。したがって、セル間隔が狭くなり、ハーフピッチが縮小化された場合でも半導体記憶装置70のセル間干渉効果を抑制することができる。
Therefore, a parasitic gate effect in which the potential of the charge storage layer of the memory cell transistor of the own cell or the potential of the channel is modulated by the potential of the charge storage layer of the memory cell transistor constituting the
なお、本実施例では、P型シリコンである半導体基板1上にメモリセルトランジスタを形成しているが、Pウエル層上やSOI(silicon on insulator)基板上にメモリセルトランジスタを形成してもよい。また、メモリセルトランジスタのゲート部分を半導体基板1の平面上に積層形成しているが、半円柱形状や柱状形状を有する半導体基板1上にゲート部分を形成(3次元に形成)してもよい。
In this embodiment, the memory cell transistor is formed on the
次に、本発明の実施例2に係る半導体記憶装置について、図面を参照して説明する。図11は半導体記憶装置のワード線方向の断面図、図12は半導体記憶装置のビット線方向の断面図である。本実施例では、電荷蓄積層を順テーパー形状にしている。
Next, a semiconductor memory device according to
以下、実施例1と同一構成部分には、同一符号を付してその部分の説明を省略し、異なる部分のみ説明する。 In the following, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted, and only different portions are described.
図11に示すように、ワード線方向において、半導体記憶装置70aには、上部が下部よりも狭い、順テーパー状の電荷蓄積層4がトンネル酸化膜3と電流遮断層5の間の間に設けられる。電荷蓄積層4の下端部は、チャネル幅WCHの端部よりもチャネル幅端と電荷蓄積層端の間隔ΔW1だけ内部に設けられる。
As shown in FIG. 11, in the word line direction, in the
図12に示すように、ビット線方向において、半導体記憶装置70aには、上部が下部よりも狭い、順テーパー状の電荷蓄積層4がトンネル酸化膜3と電流遮断層5の間の間に設けられる。電荷蓄積層4の下端部は、制御電極7の端部よりも制御電極端と電荷蓄積層端の間隔ΔL1だけ内部に設けられる。
As shown in FIG. 12, in the bit line direction, in the
次に、半導体記憶装置の製造方法について、図13を参照して説明する。図13は半導体記憶装置の製造工程を示す断面図である。 Next, a method for manufacturing a semiconductor memory device will be described with reference to FIG. FIG. 13 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the semiconductor memory device.
図13に示すように、実施例1と同様にSTI(シャロートレンチアイソレーション)2形成後、例えば熱燐酸を用いて、電荷蓄積層4の両端部を順テーパー形状にエッチングして電荷蓄積層4をトンネル酸化膜3及び電流遮断層5よりも内部に後退させる。
As shown in FIG. 13, after the formation of STI (shallow trench isolation) 2 in the same manner as in Example 1, the
熱燐酸の条件は、例えば160〜180℃の範囲で、電荷蓄積層4のシリコン窒化膜のエッチング速度がマスク材21、トンネル酸化膜3、及び電流遮断層5を構成する酸化膜のエッチング速度よりも大きく(略5倍以上)、半導体基板1のエッチング速度よりも大きい条件(略40倍以上)を用いるのが好ましい。なお、これ以降の工程は実施例1と同様なので説明を省略する。
The condition of the hot phosphoric acid is, for example, in the range of 160 to 180 ° C., and the etching rate of the silicon nitride film of the
上述したように、本実施例の半導体記憶装置では、ワード線方向において、STI(シャロートレンチアイソレーション)2の間の半導体基板の第1主面(表面)上にトンネル酸化膜3、電荷蓄積層4、及び電流遮断層5が積層形成される。電荷蓄積層4は順テーパー形状を有する。電荷蓄積層4の下端部は、チャネル幅WCHの端部よりもチャネル幅端と電荷蓄積層端の間隔ΔW1だけ内部に設けられる。電流遮断層5及び絶縁膜6上には、ワード線WL3としての制御電極7が設けられる。ビット線方向において、N+層11の間の半導体基板の第1主面(表面)上にトンネル酸化膜3、電荷蓄積層4、電流遮断層5、及び制御電極7が積層形成される。電荷蓄積層4は順テーパー形状を有する。電荷蓄積層4の下端部は、制御電極7の端部よりも制御電極端と電荷蓄積層端の間隔ΔL1だけ内部に設けられる。
As described above, in the semiconductor memory device of this embodiment, the
このため、チャージトラップ型フラッシュ構造の半導体記憶装置70aを構成するメモリセルトランジスタの電荷蓄積層の電位によって、自セルのメモリセルトランジスタの電荷蓄積層やチャネルの電位が変調される寄生ゲート効果などを大幅に抑制することができる。したがって、セル間隔が狭くなり、ハーフピッチが縮小化された場合でも半導体記憶装置70aのセル間干渉効果を抑制することができる。
Therefore, a parasitic gate effect in which the potential of the charge storage layer of the memory cell transistor of the own cell and the potential of the channel are modulated by the potential of the charge storage layer of the memory cell transistor constituting the
次に、本発明の実施例3に係る半導体記憶装置について、図面を参照して説明する。図14は半導体記憶装置のワード線方向の断面図、図15はビット線方向の断面図である。本実施例では、電荷蓄積層を逆テーパー形状にしている。
Next, a semiconductor memory device according to
以下、実施例1と同一構成部分には、同一符号を付してその部分の説明を省略し、異なる部分のみ説明する。 In the following, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted, and only different portions are described.
図14に示すように、ワード線方向において、半導体記憶装置70bには、下部が上部よりも狭い、逆テーパー状の電荷蓄積層4がトンネル酸化膜3と電流遮断層5の間の間に設けられる。電荷蓄積層4の上端部は、チャネル幅WCHの端部よりもチャネル幅端と電荷蓄積層端の間隔ΔW1だけ内部に設けられる。
As shown in FIG. 14, in the word line direction, the
図15に示すように、ビット線方向において、半導体記憶装置70bには、下部が上部よりも狭い、逆テーパー状の電荷蓄積層4がトンネル酸化膜3と電流遮断層5の間の間に設けられる。電荷蓄積層4の上端部は、制御電極7の端部よりも制御電極端と電荷蓄積層端の間隔ΔL1だけ内部に設けられる。
As shown in FIG. 15, in the bit line direction, the
次に、半導体記憶装置の製造方法について、図16を参照して説明する。図16は半導体記憶装置の製造工程を示す断面図である。 Next, a method for manufacturing a semiconductor memory device will be described with reference to FIG. FIG. 16 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the semiconductor memory device.
図16に示すように、実施例1と同様にSTI(シャロートレンチアイソレーション)2形成後、例えばマグネトロン高周波放電により生成される酸素プラズマ法を用いて、電荷蓄積層4の両端部を逆テーパー形状に酸化して電荷蓄積層4をトンネル酸化膜3及び電流遮断層5よりも内部に後退させる。
As shown in FIG. 16, after the formation of STI (shallow trench isolation) 2 as in the first embodiment, the both ends of the
電荷蓄積層4であるシリコン窒化膜(SiN膜)の酸素プラズマによる酸化は、例えば圧力5〜7Torr、400℃以下で行われる。
Oxidation of the silicon nitride film (SiN film) that is the
上述したように、本実施例の半導体記憶装置では、ワード線方向において、STI(シャロートレンチアイソレーション)2の間の半導体基板の第1主面(表面)上にトンネル酸化膜3、電荷蓄積層4、及び電流遮断層5が積層形成される。電荷蓄積層4は逆テーパー形状を有する。電荷蓄積層4の上端部は、チャネル幅WCHの端部よりもチャネル幅端と電荷蓄積層端の間隔ΔW1だけ内部に設けられる。電流遮断層5及び絶縁膜6上には、ワード線WL3としての制御電極7が設けられる。ビット線方向において、N+層11の間の半導体基板の第1主面(表面)上にトンネル酸化膜3、電荷蓄積層4、電流遮断層5、及び制御電極7が積層形成される。電荷蓄積層4は逆テーパー形状を有する。電荷蓄積層4の上端部は、制御電極7の端部よりも制御電極端と電荷蓄積層端の間隔ΔL1だけ内部に設けられる。
As described above, in the semiconductor memory device of this embodiment, the
このため、チャージトラップ型フラッシュ構造の半導体記憶装置70bを構成するメモリセルトランジスタの電荷蓄積層の電位によって、自セルのメモリセルトランジスタの電荷蓄積層やチャネルの電位が変調される寄生ゲート効果などを大幅に抑制することができる。したがって、セル間隔が狭くなり、ハーフピッチが縮小化された場合でも半導体記憶装置70bのセル間干渉効果を抑制することができる。
For this reason, a parasitic gate effect in which the potential of the charge storage layer of the memory cell transistor of the self cell or the channel potential is modulated by the potential of the charge storage layer of the memory cell transistor constituting the
本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々、変更してもよい。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications may be made without departing from the spirit of the invention.
例えば、実施例では、チャージトラップ型フラッシュ(CTF)構造を有するNAND型フラッシュメモリに適用したが、チャージトラップ型フラッシュ(CTF)構造を有するORNAND型フラッシュメモリなどにも適用することができる。 For example, in the embodiment, the present invention is applied to a NAND flash memory having a charge trap type flash (CTF) structure, but it can also be applied to an ORNAND type flash memory having a charge trap type flash (CTF) structure.
本発明は、以下の付記に記載されているような構成が考えられる。
(付記1) 半導体基板と、前記半導体基板上にトンネル酸化膜、電荷蓄積層、電流遮断層、及び制御電極が積層形成され、前記制御電極がワード線に接続されるメモリセルトランジスタと、ビット線とソース線の間に前記メモリセルトランジスタが縦続接続されるメモリセルと、を具備し、ワード線方向において、前記電荷蓄積層の幅が前記メモリセルトランジスタのチャネル幅よりも狭く、ビット線方向において、前記電荷蓄積層の長さが前記制御電極の長さよりも短く、チャージトラップ型構造の半導体記憶装置。
The present invention can be configured as described in the following supplementary notes.
(Supplementary Note 1) A semiconductor substrate, a memory cell transistor in which a tunnel oxide film, a charge storage layer, a current blocking layer, and a control electrode are stacked on the semiconductor substrate, and the control electrode is connected to a word line, and a bit line And memory cells in which the memory cell transistors are cascade-connected between the source lines, and in the word line direction, the width of the charge storage layer is narrower than the channel width of the memory cell transistors, and in the bit line direction The charge storage layer has a length shorter than that of the control electrode, and has a charge trap structure.
(付記2) 前記電流遮断層は、Al2O3膜、MgO膜、SrO膜、BaO膜、TiO膜、Ta2O5膜、BaTiO3膜、BaZrO膜、ZrO2膜、HfO2膜、Y2O3膜、ZrSiO膜、HfSiO膜、或いはLaAlO膜である高誘電率絶縁膜を含む積層膜であり、前記積層膜は前記第1の絶縁膜側から、SiO2膜/前記高誘電率絶縁膜/SiO2膜、SiO2膜/前記高誘電率絶縁膜、前記高誘電率絶縁膜/SiO2膜、或いは前記高誘電率絶縁膜/SiO2膜/前記高誘電率絶縁膜である付記1に記載の半導体記憶装置。
(Supplementary Note 2) The current blocking layer, Al 2 O 3 film, MgO film, SrO film, BaO film, TiO film, Ta 2 O 5 film, BaTiO 3 film, BaZrO film, ZrO 2 film, HfO 2 film, Y 2 O 3 film, ZrSiO film, HfSiO film, or LaAlO film is a laminated film including a high dielectric constant insulating film, and the laminated film is SiO 2 film / the high dielectric constant insulating film from the first insulating film side.
(付記3) 前記電荷蓄積膜は、シリコン窒化膜である付記1又は2に記載の半導体記憶装置。
(Additional remark 3) The said memory cell is a semiconductor memory device of
(付記4) 前記トンネル酸化膜は、SiO2膜或いはSiO2膜を含む積層膜であり、前記積層膜の場合前記半導体基板側から、SiO2膜/SiN膜/SiO2膜、SiO2膜/高誘電率絶縁膜/SiO2膜、或いは高誘電率絶縁膜/SiO2膜である付記1又は3に記載の半導体記憶装置。
(Supplementary Note 4) The tunnel oxide film is a SiO 2 film or a laminated film including a SiO 2 film. In the case of the laminated film, from the semiconductor substrate side, the SiO 2 film / SiN film / SiO 2 film, SiO 2 film / 4. The semiconductor memory device according to
1 半導体基板
2 STI(シャロートレンチアイソレーション)
3 トンネル酸化膜
4 電荷蓄積層
5 電流遮断層
6、8、10 絶縁膜
7 制御電極
9 配線層
11 N+層
21 ハードマスク材
22 レジスト膜
23 溝
70、70a、70b 半導体記憶装置
BL1〜3 ビット線
BLC ビット線コンタクト
LDCL1 電荷蓄積層長
LSG 制御電極長
MC1〜3 メモリセル
MTR メモリセルトランジスタ
SDG、SGS 制御線
SL ソース線
SLC ソース線コンタクト
STR 制御トランジスタ
Vdd 高電位側電源電圧
Vm 中間電圧
Vpgm 書き込み電圧
Vsg1、Vsg2 制御電圧
WCH チャネル幅
WDCL1 電荷蓄積層幅
WL1〜4、WLn ワード線
ΔL1 制御電極端と電荷蓄積層端の間隔
ΔW1 チャネル幅端と電荷蓄積層端の間隔
3
Claims (5)
前記半導体基板上にトンネル酸化膜、電荷蓄積層、電流遮断層、及び制御電極が積層形成され、前記制御電極がワード線に接続されるメモリセルトランジスタと、
ビット線とソース線の間に前記メモリセルトランジスタが縦続接続されるメモリセルと、
を具備し、ワード線方向において、前記電荷蓄積層の幅が前記メモリセルトランジスタのチャネル幅よりも狭いことを特徴とする半導体記憶装置。 A semiconductor substrate;
A memory cell transistor in which a tunnel oxide film, a charge storage layer, a current blocking layer, and a control electrode are stacked on the semiconductor substrate, and the control electrode is connected to a word line;
A memory cell in which the memory cell transistors are cascade-connected between a bit line and a source line;
And a width of the charge storage layer is narrower than a channel width of the memory cell transistor in the word line direction.
前記半導体基板上にトンネル酸化膜、電荷蓄積層、電流遮断層、及び制御電極が積層形成され、前記制御電極がワード線に接続されるメモリセルトランジスタと、
ビット線とソース線の間に前記メモリセルトランジスタが縦続接続されるメモリセルと、
を具備し、ワード線方向において、前記電荷蓄積層の幅が前記メモリセルトランジスタのチャネル幅よりも狭く、ビット線方向において、前記電荷蓄積層の長さが前記制御電極の長さよりも短いことを特徴とする半導体記憶装置。 A semiconductor substrate;
A memory cell transistor in which a tunnel oxide film, a charge storage layer, a current blocking layer, and a control electrode are stacked on the semiconductor substrate, and the control electrode is connected to a word line;
A memory cell in which the memory cell transistors are cascade-connected between a bit line and a source line;
The width of the charge storage layer is narrower than the channel width of the memory cell transistor in the word line direction, and the length of the charge storage layer is shorter than the length of the control electrode in the bit line direction. A semiconductor memory device.
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-
2008
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