JP2010034109A - 不揮発性半導体記憶装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】占有面積を縮小化した不揮発性半導体記憶装置を提供する。
【解決手段】不揮発性半導体記憶装置は、電気的に書き換え可能であり且つ直列に接続されたメモリセルMCを有するメモリセルアレイ層400と、メモリセルアレイ層400の下層に位置し且つメモリセルMCに印加する電圧を制御する制御回路層200と、制御回路層200とメモリセルアレイ層400とを電気的に接続する接続配線部500とを備える。メモリセルアレイ層400は、メモリセルMCを有する第1メモリセル領域40Aと、接続配線部500が設けられた接続領域40Cとを備える。第1メモリセル領域40Aは、ロウ方向に第1のピッチをもって繰り返し形成されている。接続領域40Cは、ロウ方向に隣り合う第1メモリセル領域40Aの間においてカラム方向に第2のピッチをもって繰り返し形成されている。
【選択図】図1
【解決手段】不揮発性半導体記憶装置は、電気的に書き換え可能であり且つ直列に接続されたメモリセルMCを有するメモリセルアレイ層400と、メモリセルアレイ層400の下層に位置し且つメモリセルMCに印加する電圧を制御する制御回路層200と、制御回路層200とメモリセルアレイ層400とを電気的に接続する接続配線部500とを備える。メモリセルアレイ層400は、メモリセルMCを有する第1メモリセル領域40Aと、接続配線部500が設けられた接続領域40Cとを備える。第1メモリセル領域40Aは、ロウ方向に第1のピッチをもって繰り返し形成されている。接続領域40Cは、ロウ方向に隣り合う第1メモリセル領域40Aの間においてカラム方向に第2のピッチをもって繰り返し形成されている。
【選択図】図1
Description
本発明は、電気的にデータの書き換えが可能な不揮発性半導体記憶装置に関する。
半導体記憶装置においては、近年1チップに書き込めるデータ量を増やすべく、ビット数(メモリセルの数)を増加させる傾向にある。そこで、近年、メモリの集積度を高めるために、メモリセルを3次元的に配置した構造(以下、3D積層型セル構造)を有する半導体記憶装置が多数提案されている(特許文献1乃至3参照)。
また、書き込み等に高電圧を有するEEPROMにおいては、その高電圧に耐えうるHV系トランジスタが必ず必要となる。しかしながら、書き込み電圧を低下させることは難しく、HV系トランジスタはシュリンクすることが出来ない。さらに、例えば、HV系トランジスタをワード線に接続される転送ゲートトランジスタに用いた場合、その数は、ワード線の数と同数必要である。したがって、HV系トランジスタの占有面積により、チップ全体の占有面積を縮小させることは、困難である。特に、3D積層型セル構造を形成した場合に、HV系トランジスタの占有面積は、問題となる。
特開2007−266143号
米国特許第5599724号
米国特許第5707885号
本発明は、占有面積を縮小化した不揮発性半導体記憶装置を提供する。
本発明の一態様に係る不揮発性半導体記憶装置は、電気的に書き換え可能であり且つ直列に接続されたメモリセルを有するメモリセルアレイ層と、前記メモリセルアレイ層の下層に位置し且つ前記メモリセルに印加する電圧を制御する制御回路層と、前記制御回路層と前記メモリセルアレイ層とを電気的に接続する接続配線部とを備える不揮発性半導体記憶装置であって、前記メモリセルアレイ層は、前記メモリセルを有する第1メモリセル領域と、前記接続配線部が設けられる接続領域とを備え、前記第1メモリセル領域は、積層方向に直交する第1方向に第1のピッチをもって繰り返し形成され、前記接続領域は、前記メモリセル領域において前記積層方向及び前記第1方向に直交する第2方向に第2のピッチをもって繰り返し形成されていることを特徴とする。
本発明は、占有面積を縮小化した不揮発性半導体記憶装置を提供することが可能となる。
以下、図面を参照して、本発明に係る不揮発性半導体記憶装置の一実施形態について説明する。
[第1実施形態]
(第1実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の概略構成)
図1は、本発明の第1実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の概略図を示す。図1に示すように、第1実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置は、半導体基板100、半導体基板100の上部に順次形成された制御回路層200、支持層300、及びメモリセルアレイ層400を有する。メモリセルアレイ層400は、メモリセルアレイを有する。また、不揮発性半導体記憶装置100は、制御回路層200とメモリセルアレイ層400とを電気的に接続する接続配線部500を有する。接続配線部500は、支持層300を貫通してメモリセルアレイ層400に延び、メモリセルアレイに接続されている。
(第1実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の概略構成)
図1は、本発明の第1実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の概略図を示す。図1に示すように、第1実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置は、半導体基板100、半導体基板100の上部に順次形成された制御回路層200、支持層300、及びメモリセルアレイ層400を有する。メモリセルアレイ層400は、メモリセルアレイを有する。また、不揮発性半導体記憶装置100は、制御回路層200とメモリセルアレイ層400とを電気的に接続する接続配線部500を有する。接続配線部500は、支持層300を貫通してメモリセルアレイ層400に延び、メモリセルアレイに接続されている。
制御回路層200は、メモリセルアレイ層400の動作を制御する制御回路として機能する。制御回路層200は、メモリセルアレイ層400に含まれるメモリセルに印加する電圧を制御する機能を有する。制御回路層200は、例えば、ローデコーダからメモリセルのワード線に高電圧を転送する転送トランジスタを有する。制御回路層200は、一例として、ローデコーダ部200A、及びセンスアンプ部200B等を含む。ローデコーダ部200Aは、メモリセルアレイ層400に設けられたワード線WL(後述する図2A及び図2B参照)の電位を”H(ハイレベル)”又は”L(ローレベル)”に駆動するローデコーダとして機能する。センスアンプ部200Bは、メモリセルアレイ層400のビット線BL(後述する図2A及び図2B参照)からの信号を検知増幅するセンスアンプとして機能する。なお、制御回路層200は、ローデコーダ部200A、及びセンスアンプ部200Bの他、例えば、カラムデコーダ等として機能する部分を有することができる。
メモリセルアレイ層400は、図1に示すように、第1メモリセル領域40A、第1非メモリセル領域40B、及び接続領域40Cを有する。
第1メモリセル領域40Aは、U字状の3D積層型セル構造のメモリユニットUt(メモリセルMC)を有する領域である。このメモリユニットUtの集合によりメモリセルアレイが構成される。一方、非メモリセル領域40Bは、メモリユニットUt(メモリトセルMC)を有していない領域である。接続領域40Cは、非メモリセル領域40Bの一部に規則的に設けられメモリセルアレイ層400の下層に形成された制御回路層200とメモリセルアレイ層400とを電気的に接続する接続配線部500が設けられている(通過する)領域である。
(第1実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置のメモリセルアレイ層400の回路構成)
次に、図2Aを参照して、メモリセルアレイ層400の回路構成について説明する。メモリセルアレイ層400は、所謂、NAND型フラッシュメモリである。
次に、図2Aを参照して、メモリセルアレイ層400の回路構成について説明する。メモリセルアレイ層400は、所謂、NAND型フラッシュメモリである。
図2Aに示すように、データの消去単位である1つのメモリユニットUtは、電気的に書き換え可能であり且つ直列に接続された複数のメモリセルMC、その一端(ソース側)に直列接続されたソース側選択トランジスタSST、及び他端(ドレイン側)に直列接続されたドレイン側選択トランジスタSDTにより構成されている。なお、図2Aに示す例では、8個のメモリセルMCが、直列接続され、1つのメモリユニットUtを形成している。なお、図2Aにおいて、メモリセルMCは、8個であるが、その他の数としても良いことは言うまでもない。
メモリセルMCとしてのメモリセルトランジスタの制御ゲートCG0〜CG7には、ワード線WL0〜WL7が接続されている。ソース側選択トランジスSSTのゲート端子には、ソース側選択ゲート線SGSLが接続されている。ソース側選択トランジスタSSTのソース端子には、ソース線SLが接続されている。ドレイン側選択トランジスタSDTのゲート端子には、ドレイン側選択ゲート線SGDLが接続されている。ドレイン側選択トランジスタSDTのドレイン端子には、ビット線BL0〜BLiが接続されている。
ソース側選択ゲート線SGSLは、ソース側選択トランジスタSSTのオン/オフを制御するために用いられる。また、ドレイン側選択ゲート線SGDLは、ドレイン側選択トランジスタSDTのオン/オフを制御するために用いられる。ソース側選択トランジスタSST,及びドレイン側選択トランジスタSDTは、データ書き込み及びデータ読み出し等の際に、メモリユニットUt内のメモリセルMCに所定の電位を供給するためのゲートとして機能する。
このメモリユニットUtが、ロウ方向(ワード線の延びる方向)に複数個配列されてメモリブロックBcが構成されている。1個のメモリブロックBcの中で同じワード線WLに接続された複数のメモリセルMCは1ページとして取り扱われ、このページごとにデータ書き込み及びデータ読み出し動作が実行される。
複数のメモリブロックBcは、カラム方向(ビット線の延びる方向)に複数個配列される。また、複数個のメモリブロックBcは、順番に折り返されるように配列される。すなわち、任意のメモリブロックBcと、この任意のメモリブロックBcの一方に隣接するメモリブロックBcとは、ドレイン側選択トランジスタSDTが向き合うように配置されている。上記任意のメモリブロックBcとこの任意にメモリブロックBcの他方に隣接するメモリブロックBcとは、ソース側選択トランジスタSSTが向き合うように配置されている。
(第1実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置のメモリユニットUtの概略構成)
次に、図2Bを参照して、第1実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置のメモリユニットUtの概略構成を説明する。図2Bは、第1実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置のメモリユニットUtを示す概略斜視図である。
次に、図2Bを参照して、第1実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置のメモリユニットUtの概略構成を説明する。図2Bは、第1実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置のメモリユニットUtを示す概略斜視図である。
メモリユニットUtは、図2Bに示すように、メモリセルアレイ層400において、ロウ方向及びカラム方向に所定ピッチを設けてマトリクス状に配置されている。図2Bにおいては、一例として、2行2列のメモリユニットUtを示している。メモリユニットUtは、ワード線WL0〜WL7、ソース側選択ゲート線SGSL、ドレイン側選択ゲート線SGDL、U字状半導体Se、第1コンタクト電極C1、及び第2コンタクト電極C2を有する。
ワード線WL0〜WL7は、ロウ方向に延びる矩形板状に形成されている。ワード線WL0〜WL7は、ロウ方向に並ぶ複数のメモリユニットUtで共有されている。ワード線WL0〜WL3は、絶縁分離されて順次積層されている。ワード線WL4〜WL7は、積層分離されて順次積層されている。ワード線WL0〜WL3とワード線WL4〜WL7は、カラム方向に所定ピッチを設けて離間して形成されている。ワード線WL0とワード線WL4は、同層に形成されている。ワード線WL1とワード線WL5は、同層に形成されている。ワード線WL2とワード線WL6は、同層に形成されている。ワード線WL3とワード線WL7は、同層に形成されている。
ソース側選択ゲート線SGSL、及びドレイン側選択ゲート線SGDLは、ロウ方向に延びる矩形板状に形成されている。ソース側選択ゲート線SGSL、及びドレイン側選択ゲート線SGDLは、ロウ方向に並ぶ複数のメモリユニットUtで共有されている。ソース側選択ゲート線SGSLは、ワード線WL3の上層に絶縁分離されて形成されている。ドレイン側選択ゲート線SGDLは、ワード線WL7の上層に絶縁分離されて形成されている。ソース側選択ゲート線SGSLとドレイン側選択ゲート線SGDLは、同層に形成されている。
U字状半導体Seは、各メモリユニットUtに設けられている。U字状半導体Seは、ロウ方向からみてU字状に形成されている。U字状半導体Seは、ワード線WL0〜WL3及びソース側選択ゲート線SGSLと、ワード線WL4〜WL7及びドレイン側選択ゲート線SGDLとの間に設けられている。
U字状半導体Seの側部とワード線WL0〜WL3との間、及びU字状半導体Seの側部とワード線WL4〜WL7との間には、電荷を蓄積可能な電荷蓄積層が設けられている。このような構成により、U字状半導体Seの側部は、ワード線WL0〜WL7と共にメモリセルMC0〜MC7を構成する。
U字状半導体Seの側部とソース側選択ゲート線SGSLとの間、及びU字状半導体Seの側部とドレイン側選択ゲート線SGDLとの間には、絶縁層が設けられている。このような構成により、U字状半導体Seの側部は、ソース側選択ゲート線SGSLと共にソース側選択トランジスタSSTを構成する。また、U字状半導体Seの側部は、ドレイン側選択ゲート線SGDLと共にドレイン側選択トランジスタSDTを構成する。
第1コンタクトC1は、各メモリユニットUtに設けられている。第1コンタクトC1は、ソース側選択ゲート線SGSLの上層であって、各U字状半導体Seの上部一端に接するように形成されている。
第2コンタクトC2は、各メモリユニットUtに設けられている。第2コンタクトC2は、ドレイン側選択ゲート線SGDLの上層であって、各U字状半導体Seの上部他端に接するように形成されている。
第1コンタクトC1の上面には、ソース線SLが形成されている。ソース線SLは、ワード線WL0〜WL7と同様にロウ方向に延びるように形成されている。ソース線SLは、ロウ方向に並ぶ複数のメモリユニットUtで共有されている。
第2コンタクトC2の上面には、上層に延びる柱状のプラグ線PLが形成されている。プラグ線PLの上部には、カラム方向に延びるビット線BLが形成されている。ビット線BLは、カラム方向に並ぶ複数のメモリユニットUtで共有されている。
(第1実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の具体的構成)
次に、図3〜図12を参照して、第1実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の具体的構成について説明する。なお、上述したビット線BLの延びる方向をカラム方向とし、上述したソース線SLの延びる方向をロウ方向とする。また、図3〜図12において特に図示していない領域は、層間絶縁層が存在するものとして説明する。
次に、図3〜図12を参照して、第1実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の具体的構成について説明する。なお、上述したビット線BLの延びる方向をカラム方向とし、上述したソース線SLの延びる方向をロウ方向とする。また、図3〜図12において特に図示していない領域は、層間絶縁層が存在するものとして説明する。
図3は、本発明の第1実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置のメモリセルアレイ層400の概略上面図である。図4は、図3のA部拡大図であり、図5は、図3のB部拡大図である。図6及び図7は、図5の一部省略図である。詳しくは、図6は、後述する第1ソース線導電層403、第2ソース線導電層404、及びビット線導電層405を省略した図である。また、図7は、図5から後述する第1ソース線導電層403、第2ソース線導電層404、ビット線導電層405、及び上部接続配線層502を省略した図である。図8〜図12は、図5のI−I’〜V−V’断面図である。
先ず、半導体基板100、及び制御回路層200の具体的構成を説明する。半導体基板100は、シリコン(Si)にて構成されている。半導体基板100は、図10〜図12に示すように、その表面に所定の間隔を設けて形成された拡散層101を有する。拡散層101は、半導体基板100に注入されたp型又はn型の不純物イオンにて構成されている。また、基板100は、拡散層101の間を絶縁する素子分離絶縁層102を有する。
制御回路層200は、図10〜図12に示すように、ゲート絶縁層201、及びゲート導電層202を有する。ゲート絶縁層201は、隣接する一対の拡散層101の上面を跨ぐように形成されている。ゲート導電層202は、ゲート絶縁層201の上面に接するように形成されている。ゲート絶縁層201は、酸化シリコン(SiO2)にて構成されている。ゲート導電層202は、ポリシリコン(p−Si)にて構成されている。
つまり、制御回路層200において、ゲート導電層202、及び拡散層101は、そのゲート導電層202を制御ゲート、その拡散層101をソース/ドレインとする高電圧トランジスタTrを構成する。この高電圧トランジスタTrは、例えば前述の転送ゲートトランジスタである。この高電圧トランジスタTrは、上述したローデコーダ200A、及びセンスアンプ200B等に用いられる。また、高電圧トランジスタTrは、転送ゲートトランジスタとして接続配線部500(図1)を介して、後述する第1〜第4ワード線導電層401a〜401dに接続される。接続配線部500は、図9〜図12に示すように、下部接続配線層501、上部接続配線層502、第1接続プラグ層503a、第2接続プラグ層503b、第1接続プラグ層504a、504b、第2接続プラグ層504c、第1接続プラグ層505a、505b、第2接続プラグ層505c、第1接続プラグ層506a、506b、及び第2接続プラグ層506cから構成されている。接続配線部500の詳しい構成については、後述する。
支持層300は、図8〜図12に示すように所定厚さの絶縁層を介して制御回路層200の上部に形成されている。支持層300は、例えば、酸化アルミニウム(Al2O3)にて構成されている。
メモリセルアレイ層400は、前述したように、第1メモリセル領域40A、第1非メモリセル領域40B、及び接続領域40Cを有する。
また、前述したように、第1メモリセル領域40Aは、メモリセルMCを有する領域である。一方、非メモリセル領域40Bは、メモリセルMCを有していない領域である。接続領域40Cは、第1非メモリセル領域40Bの一部に規則的に設けられ、メモリセルアレイ層400の下層に形成された制御回路層200とメモリセルアレイ層400とを電気的に接続する接続配線部500(図1)が設けられている(通過する)領域である。
具体的に、第1メモリセル領域40Aは、図3及び図4に示すように、ロウ方向に第1のピッチp1をもって繰り返し形成されている。第1メモリセル領域40Aは、ロウ方向に第1長さL1(L1<p1)をもつように形成されている。非メモリセル領域40Bは、第1メモリセル領域40Aの間にロウ方向に第2長さL2(L2=p1−L1)をもつように形成されている。なお、上記構成を換言すると、第1メモリセル領域40A、非メモリセル領域40Bは、ロウ方向に繰り返し交互に設けられている。
接続領域40Cは、非メモリセル領域40B内においてロウ方向に第1のピッチp1をもつように設けられている。加えて、接続領域40Cは、カラム方向に第2のピッチp2をもつように形成されている。また、ロウ方向に隣り合う接続領域40C(例えば、図3の40C1、40C2)は、各々カラム方向の異なる位置に形成されている(ロウ方向に並ばず、カラム方向にシフトしている)。
第1メモリセル領域40Aには、ロウ方向を長手方向としてソース線SL及びワード線WLが配設されている。また、第1メモリセル領域40Aには、カラム方向を長手方向としてビット線BLが配設されている。また、第1メモリセル領域40Aには、ワード線WL0〜WL7とビット線BLとの交差部にメモリユニットUtが構成されている。
このようなメモリセルアレイ層400における接続領域40Cの形成パターンにより、メモリセルアレイ層400の端部に限らず、接続配線部500を設けることができる。さらに、接続領域40Cは、各々カラム方向の異なる位置に形成されているので、配線パターンを煩雑にすることなく、カラム方向に並ぶワード線WL0〜WL7に均等に接続配線部500を設けることができる。
メモリセルアレイ層400は、図5〜図12に示すように、下層から上層へと、ワード線WL0〜WL7となる第1〜第4ワード線導電層(第1導電層)401a〜401d、ワード線上部絶縁層402、及びソース線SLとしての第1ソース線導電層(第2導電層)403を有する。また、メモリセルアレイ層400は、第1ソース線導電層403の上層に、ソース線SLとしての第2ソース線導電層404(第3導電層)、及びビット線BLとしてのビット線導電層(第4導電層)405を有する。
第1〜第4ワード線導電層401a〜401d、及びワード線上部絶縁層402は、図8〜図12に示すようにロウ方向に延びるように形成されている。第1〜第4ワード線導電層401a〜401d、及びワード線上部絶縁層402は、カラム方向に同一の幅をもつ板状に形成される。また、第1〜第4ワード線導電層401a〜401d及びワード線上部絶縁層402は、各々の間に層間絶縁層を介してカラム方向の端部を揃えるように積層されている。更に、第1〜第4ワード線導電層401a〜401d、及びワード線上部絶縁層402は、カラム方向に所定のピッチを設けて配列されている。
また、第1〜第4ワード線導電層401a〜401d、及びワード線上部絶縁層402は、図7に示すように、ロウ方向に並ぶ第1メモリセル領域40Aにおいて、ロウ方向に直線状に形成されている。ただし、第1〜第4ワード線導電層401a〜401d、及びワード線上部絶縁層402は、図7に示すように、接続領域40Cにてカラム方向に隣接する非メモリセル領域40B)において、接続領域40Cを避けるようにカラム方向に湾曲して形成されている。すなわち、第1〜第4ワード線導電層401a〜401d、及びワード線上部絶縁層402は、配線領域40Cを中心として対称となるように湾曲している。図7では、ワード線上部絶縁層402のみが、図示されているが、第1〜第4ワード線導電層401a〜401dも、その下層でワード線上部絶縁層402と同じように湾曲している。
また、第1〜第4ワード線導電層401a〜401d、及びワード線上部絶縁層402は、図10に示すように、接続領域40Cにおいて、階段状に形成された階段部415を有する。つまり、第2〜第4ワード線導電層401b〜401d、及びワード線上部絶縁層402は、接続領域40Cのロウ方向の中心を中央として、ロウ方向に所定長さW2〜W5(W2<W3<W4<W5))に亘って破断されている。
第1〜第4ワード線導電層401a〜401dは、ポリシリコン(p−Si)にて構成されている。ワード線上部絶縁層402は、酸化シリコン(SiO2)にて構成されている。
第1ソース線導電層403は、後述するU字状半導体層413(メモリユニットUtのU字状半導体Se)のU字部の一端に電気的に接続されている。第1ソース線導電層403は、図5に示すように、第1メモリセル領域40Aに設けられている。第1ソース線導電層403は、カラム方向に並ぶ2n番目(或いは2n+1番目(nは自然数))のワード線上部絶縁層402の上層(第1〜第4ワード線導電層401a〜401dの上層)に設けられている。第1ソース線導電層403は、カラム方向に並ぶワード線上部絶縁層402に対して、とびとびに設けられている。第1ソース線導電層403は、カラム方向にワード線上部絶縁層402と略同等の幅を有し、ロウ方向に延びる矩形板状に形成されている。
第1ソース線導電層403は、ポリシリコン(p−Si)にて構成されている。
第2ソース線導電層404には、第1ソース線導電層403を介してU字状半導体層413(メモリユニットUtのU字状半導体Se)のU字部の一端に電気的に接続されている。第2ソース線導電層404は、図5に示すように、ロウ方向に隣り合う第1メモリセル領域40Aを跨ぐ領域(非メモリセル領域40B及び接続領域40Cを含む領域)に設けられている。第2ソース線導電層404は、第1ソース線導電層403とカラム方向に整合する位置で、その第1ソース線導電層403上層にロウ方向に延びるように形成されている。第2ソース線導電層404は、カラム方向にワード線上部絶縁層402と略同等の幅を有し、ロウ方向に延びる矩形板状に形成されている。第2ソース線導電層404は、上方から示してそのロウ方向の両端が第1ソース線導電層403のロウ方向の端部と整合するように形成されている。第2ソース線導電層404のロウ方向の両端は、非メモリセル領域40Bを挟んでロウ方向に並ぶ2つの第1ソース線導電層403のロウ方向の端部とソース線接続プラグ層404aにて接続されている(図5及び図10参照)。
第2ソース線導電層404は、ポリシリコン(p−Si)にて構成されている。ソース線接続プラグ層404aは、タングステン(W)等にて構成されている。
ビット線導電層405には、U字状半導体層413(メモリユニットUtのU字状半導体Se)の他端に電気的に接続されている。ビット線導電層405は、図5、図10〜図12に示すように、第1メモリセル領域40Aに設けられている。ビット線導電層405は、ロウ方向に所定ピッチを設けて形成されている。換言すると、ビット線導電層405は、カラム方向に延びロウ方向に繰り返し設けられたストライプ状に形成されている。ビット線導電層405の下方には、下方に延びるビット線プラグ層405aが設けられている。ビット線プラグ層405aは、その下面を後述する第2コンタクト層407(図8参照)に接続するように形成されている。
ビット線導電層405は、ポリシリコン(p−Si)にて構成されている。ビット線導電層405は、上述したビット線BLとして機能する。ビット線プラグ層405aは、タングステン(W)等にて構成されている。
また、図5〜図8に示すように、メモリセルアレイ層400の第1メモリセル領域40Aにて、カラム方向に隣接する一対の第1〜第4ワード線導電層401a〜401dは、以下に示す構成と共に上述したメモリユニットUtを構成する。
メモリユニットUtは、図8に示すように、第1〜第4ワード線導電層401a〜401dの他、第1コンタクト層406、第2コンタクト層407、ソース側ゲート導電層408、ドレイン側ゲート導電層409、ソース側ゲート絶縁層410、ドレイン側ゲート絶縁層411、メモリゲート絶縁層412、及びU字状半導体層413にて構成される。第1コンタクト層406は、上述した第1コンタクトC1として機能する。第2コンタクト層407は、上述した第2コンタクトC2として機能する。ソース側ゲート導電層408は、上述したソース側選択ゲート線SGSLとして機能する。ドレイン側ゲート導電層409は、上述したドレイン側選択ゲート線SGDLとして機能する。U字状半導体層413は、上述したU字状半導体Seとして機能する。
第1コンタクト層406、及び第2コンタクト層407は、第1メモリセル領域40Aにおけるワード線上絶縁層402の上面に形成されている。第1コンタクト層406は、第1ソース線導電層403の下面に接するように形成されている。第2コンタクト層407は、ビット線プラグ層405aに接するように形成されている。第1コンタクト層406、及び第2コンタクト層407は、ポリシリコン(p−Si)にて構成されている。
ソース側ゲート導電層408及びドレイン側ゲート導電層409は、第1〜第4ワード線導電層401a〜401dと略同様に形成されている。つまり、ソース側ゲート導電層408及びドレイン側ゲート導電層409は、カラム方向に所定の幅を有し、且つロウ方向に延びるように形成されている。また、ソース側ゲート導電層408及びドレイン側ゲート導電層409は、カラム方向に所定ピッチを設けて形成されている。ソース側ゲート導電層408は、第1コンタクト層406の下方に位置するワード線上絶縁層402と第4ワード線導電層401dとの間に層間絶縁層を介して形成されている。ドレイン側ゲート導電層409は、第2コンタクト層407の下方に位置するワード線上絶縁層402と第4ワード線導電層401dとの間に層間絶縁層を介して形成されている。ソース側ゲート導電層408及びドレイン側ゲート導電層409は、ポリシリコン(p−Si)にて構成されている。
ソース側ゲート絶縁層410は、ソース側ゲート導電層408の一方のカラム方向側の側面に形成されている。ドレイン側ゲート絶縁層411は、ソース側ゲート導電層408とU字状半導体層413及び層間絶縁層を介して対向するようにドレイン側ゲート導電層409の一方のカラム方向側の側面に形成されている。ソース側ゲート絶縁層410及びドレイン側ゲート絶縁層411は、酸化シリコン(SiO2)にて構成されている。
メモリゲート絶縁層412は、ソース側ゲート絶縁層410の下方及びドレイン側ゲート絶縁層411の下方に形成されている。メモリゲート絶縁層412は、第1〜第4ワード線導電層401a〜401dの側面に形成されている。メモリゲート絶縁層412は、第1〜第4ワード線導電層401a〜401dの側面から、高誘電絶縁膜、例えば酸化アルミニウム(Al2O3)、窒化シリコン(SiN)、及び酸化シリコン(SiO2)を積層させて構成されている。メモリゲート絶縁層412は、印加電圧に伴い、窒化シリコン(SiN)に電荷を蓄積する電荷蓄積層として機能する。
U字状半導体層413は、ロウ方向からみてU字状に形成されている。U字状半導体層413は、ワード線上絶縁層402、ソース側ゲート絶縁層410の側面、ドレイン側ゲート絶縁層411の側面、及びメモリゲート絶縁層412の側面に接するように形成されている。すなわち、U字状半導体層413は、第1柱状部413a、第2柱状部413b、及び下端部413cを有する。第1柱状部413aは、第1コンタクト層406の下面から、第4〜第1ワード線導電層401d〜401aの側面に接して下方に延びるように形成されている。第2柱状部413bは、第2コンタクト層407の下面から、第4〜第1ワード線導電層401d〜401aの側面に接して下方に延びるように形成されている。下端部413cは、第1柱状部413aの下端と第2柱状部413bの下端とを接続するように形成されている。U字状半導体層413は、ポリシリコン(p−Si)、或は単結晶シリコンにて構成されている。
接続配線部500は、第1〜第4ワード線導電層401a〜401dの階段部415と制御回路層200を接続するように構成されている。接続配線部500は、図6、図9〜図12に示すように、下部接続配線層501、及び上部接続配線層502を有する。下部接続配線層501は、ポリシリコン(p−Si)、或はタングステン(W)等、及び上部接続配線層502は、タングステン(W)等にて構成されている。
下部接続配線層501は、図9〜図12に示すように、制御回路層200に形成されている。下部接続配線層501は、ゲート導電層202より上層であって、支持層300より下層に層間絶縁層を介して形成されている。下部接続配線層501は、第1〜第7下部接続配線層501a〜501gを有する。第1〜第7下部接続配線層501a〜501gは、層間絶縁層にて各々絶縁分離され設けられている。また、第1〜第7下部接続配線層501a〜501gは、各々の一部が拡散層101の上層に位置するように形成されている。非メモリセル領域40Bにおいて、第1〜第7下部接続配線層501a〜501gは、カラム方向に延び且つロウ方向に所定ピッチを設けて形成されている。
第1下部接続配線層501aの下面には、図12に示すように、その下面から下方へ延びる接続プラグ層501aaが設けられている。接続プラグ層501aaの下面は、拡散層101に接するように形成されている。その他、第2〜第7下部接続配線層501b〜501gの下面には、その下面から下方へ延びる接続プラグ層が設けられている。同様に、それら接続プラグ層の下面は、拡散層101に接するように形成されている(図示略)。
上部接続配線層502は、図6、図9〜図12に示すように、メモリセルアレイ層400の第1非メモリセル領域40Bに形成されている。上部接続配線層502は、第1〜第4上部接続配線層502a〜502dにて構成されている。
第1上部接続配線層502aは、図6に示すように、上方から示してカラム方向に延びる矩形板状に形成されている。第1上部接続配線層502aの長手方向の一端は、第1ワード線導電層401aの階段部415(第2〜第4ワード線導電層401b〜401d及びワード線上導電層402が破断された領域)の上部に整合するように形成されている。
第1上部接続配線層502aの下面には、図6、図7、図9〜図12に示すように、第1接続プラグ層503a及び第2接続プラグ層503bが設けられている。第1接続プラグ層503aは、第1上部接続配線層502aの一端側に形成されている。第1接続プラグ層503aは、積層方向に沿って下方へ延び且つ第1ワード線導電層401aの上面に接するように形成されている。第2接続プラグ層503bは、第1上部接続配線層502aの他端側に形成されている。第2接続プラグ層503bは、積層方向に沿って下方へ延び、支持層300を貫通して且つ第4下部接続配線層501dに接するように形成されている。
第2上部接続配線層502bは、図6に示すように、上方から示して第1上部接続配線層502aと第3上部接続配線層502cとに挟まれるように形成されている。第2上部接続配線層502bは、上方から示して接続領域40Cのロウ方向及びカラム方向の中心に開口を向けるコの字状に形成されている。
第2上部接続配線層502bのカラム方向の一端は、第2ワード線導電層401bの階段部415(第3,第4ワード線導電層401c,401d及びワード線上導電層402が破断された領域)の上部に整合する位置に形成されている。
第2上部接続配線層502bの下面には、図6、図7、図9〜図12に示すように、第1接続プラグ層504a、504b、及び第2接続プラグ層504cが設けられている。第1接続プラグ層504aは、積層方向に沿って下方へ延び且つ第2ワード線導電層401bの階段部415の一方の上面に接するように形成されている。第1接続プラグ層504bは、積層方向に沿って下方へ延び且つ第2ワード線導電層401bの階段部415の他方の上面に接するように形成されている。第2接続プラグ層504cは、積層方向に沿って下方へ延び、支持層300を貫通して且つ第3又は第5下部接続配線層501c,501eの上面に接するように形成されている。
第3上部接続配線層502cは、図6に示すように、上方から示して第2上部接続配線層502bと第4上部接続配線層502dとに挟まれるように形成されている。第3上部接続配線層502cは、上方から示して接続領域40Cのロウ方向及びカラム方向の中心に開口を向けるコの字状に形成されている。
第3上部接続配線層502cのカラム方向の一端は、第3ワード線導電層401cの階段部415(第4ワード線導電層401d及びワード線上導電層402が破断された領域)の上部に整合する位置に形成されている。
第3上部接続配線層502cの下面には、図6、図7、図9〜図12に示すように、第1接続プラグ層505a、505b、及び第2接続プラグ層505cが設けられている。第1接続プラグ層505aは、積層方向に沿って下方へ延び且つ第3ワード線導電層401cの階段部415の一方の上面に接するように形成されている。第1接続プラグ層505bは、積層方向に沿って下方へ延び且つ第3ワード線導電層401cの階段部415の他方の上面に接するように形成されている。第2接続プラグ層505cは、積層方向に沿って下方へ延び、支持層300を貫通して且つ第2又は第6下部接続配線層501b,501fの上面に接するように形成されている。
第4上部接続配線層502dは、図6に示すように、上方から示して第3上部接続配線層502cを囲むように形成されている。第4上部接続配線層502dは、上方から示して接続領域40Cのロウ方向及びカラム方向の中心に開口を向けるコの字状に形成されている。
第4上部接続配線層502dのカラム方向の一端は、第4ワード線導電層401dの階段部415(ワード線上導電層402が破断された領域)の上部に整合する位置に形成されている。
第4上部接続配線層502dの下面には、図6、図7、図9〜図12に示すように、第1接続プラグ層506a、506b、及び第2接続プラグ層506cが設けられている。第1接続プラグ層506aは、積層方向に沿って下方へ延び且つ第4ワード線導電層401dの階段部415の一方の上面に接するように形成されている。第1接続プラグ層506bは、積層方向に沿って下方へ延び且つ第4ワード線導電層401dの階段部415の他方の上面に接するように形成されている。第2接続プラグ層506cは、積層方向に沿って下方へ延び、支持層300を貫通して且つ第1又は第7下部接続配線層501a,501gの上面に接するように形成されている。
上記構成において、第2接続プラグ層503b、504c〜506cは、図7及び図9に示すように、第1〜第4ワード線導電層401a〜401dとの間に、カラム方向に所定の厚みを有する層間絶縁層にて構成された耐圧領域H1を設けるように形成されている。耐圧領域H1により、第2接続プラグ層503b、504c〜506cと第1〜第4ワード線導電層401a〜401dとの間でプログラム電圧等の耐圧を確保可能となる。
(第1実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の効果)
次に、第1実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の効果について説明する。第1実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置は、上記のように構成をされた制御回路層200、メモリセルアレイ層400、及び接続配線部500を有する。したがって、制御回路層200は、メモリセルアレイ層400の下層に形成されているので、不揮発性半導体記憶装置の全体の占有面積を縮小化することができる。
次に、第1実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の効果について説明する。第1実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置は、上記のように構成をされた制御回路層200、メモリセルアレイ層400、及び接続配線部500を有する。したがって、制御回路層200は、メモリセルアレイ層400の下層に形成されているので、不揮発性半導体記憶装置の全体の占有面積を縮小化することができる。
そして、メモリセルアレイ層400は、上記のように配置されたメモリセル領域40A、及び接続領域40Cを有する。したがって、接続配線部500は、予め定められた接続領域40Cのみで効率的にメモリセルアレイ層400と制御回路層200とを電気的に接続することができる。また、第1実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置は、特別な配線や、工程を増やすことなく、製造可能である。
第1実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置は、上記積層構造に示したように高集積化可能である。また、不揮発性半導体記憶装置は、上記製造工程にて説明したように、メモリセルMCとなる各層、ソース側選択トランジスタSST、及びドレイン側選択トランジスタ層SDTとなる各層を、積層数に関係なく所定のリソグラフィ工程数で製造することができる。すなわち、安価に不揮発性半導体記憶装置を製造することが可能である。
[第2実施形態]
(第2実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の具体的構成)
次に、図13〜図22を参照して、第2実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の具体的構成について説明する。また、図13〜図22において特に図示していない領域は、層間絶縁層であるものとして説明する。なお、第2実施形態において、第1実施形態と同様の構成については、同一符号を付し、その説明を省略する。
(第2実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の具体的構成)
次に、図13〜図22を参照して、第2実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の具体的構成について説明する。また、図13〜図22において特に図示していない領域は、層間絶縁層であるものとして説明する。なお、第2実施形態において、第1実施形態と同様の構成については、同一符号を付し、その説明を省略する。
図13は、本発明の第2実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置のメモリセルアレイ層400Aの概略上面図である。図14は、図13のC部拡大図であり、図15は、図13のD部拡大図である。図16及び図17は、図15の一部省略図である。詳しくは、図16は、後述する第1ソース線導電層403、第2ソース線導電層414、及びビット線導電層405を省略した図である。また、図17は、図15から後述する第1ソース線導電層403、第2ソース線導電層414、ビット線導電層405、及び上部接続配線層502を省略した図である。図18〜図22は、図15のVI−VI’〜X−X’断面図である。
第2実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置は、第1実施形態と比較して、メモリセルアレイ層400Aの構成が異なる。
メモリセルアレイ層400Aは、第1実施形態と同様の第1メモリセル領域40A、接続領域40Cを有する。メモリセルアレイ層400Aは、図13に示すように、第1実施形態と異なる第2非メモリセル領域40Dを有する。また、メモリセルアレイ層400Aは、第1実施形態と異なり、さらに、第2メモリセル領域40Eを有する。
第2非メモリセル領域40Dは、図13に示すように、上方から示して梯子型の形状に構成されている。第2非メモリセル領域40Dは、カラム方向に延びる一対の第1領域40Da、及び一対の第1領域40Daをつなぐようにロウ方向に延びる複数の第2領域40Dbを有する。第1領域40Daは、第1メモリセル領域40Aのカラム方向に延びる端部に沿うように形成されている。第2領域40Dbは、接続領域40Cを含むように形成されている。
第2メモリセル領域40Eは、図13に示すように、ロウ方向に隣り合う第1メモリセル領域40Aの間に、カラム方向に第3のピッチp3を設けて繰り返し形成されている。換言すると、第2メモリセル領域40Eは、第2非メモリセル領域40Dの第1領域40Da及び第2領域40Dbにて囲まれる領域に形成されている。
メモリセルアレイ層400Aは、図15、図18〜図20に示すように、第1実施形態と異なる第2ソース線導電層414を有する。第2ソース線導電層414は、ビット線層405よりも上層に形成されている。第2ソース線導電層414は、その下面にソース線接続プラグ層414aを有する。ソース線接続プラグ層414aは、第1ソース線導電層403の上面に接続されている。
さらに、メモリセルアレイ層400Aは、第2ソース線導電層414がビット線層405の上層に形成されているので、第1実施形態と異なり、その第2ソース線導電層414と上部接続配線層502との間にも、ビット線層405が形成されている。ビット線層405は、接続領域40C、第2メモリセル領域40E、及び第2非メモリセル領域40Dに跨るように形成されている。
また、メモリセルアレイ層400Aは、図15〜図18に示すように、第2メモリセル領域40Eにおいて、ビット線層405の下面にビット線接続プラグ層405bを有する。ビット線接続プラグ層405bは、第1メモリセル領域40Aと同様のメモリユニットUt’を構成する第2コンタクト層407’に接続されている(図18参照)。
また、メモリセルアレイ層400Aは、第2メモリセル領域40Eにおいて、第2ソース線導電層414の下面にソース線接続プラグ層404bを有する。ソース線接続プラグ層404bは、メモリユニットUt’を構成する第1コンタクト層406’に接続されている(図17参照)。
(第2実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の効果)
次に、第2実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の効果について説明する。第2実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置は、上記構成を有するので、第1実施形態と同様の効果を奏することができる。
次に、第2実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の効果について説明する。第2実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置は、上記構成を有するので、第1実施形態と同様の効果を奏することができる。
第2実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置は、第1実施形態の構成に加えて、第2メモリセル領域40Eを有する。したがって、第2実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置は、第1実施形態よりも、さらにメモリセルMCの集積密度を高めることができる。
[その他実施形態]
以上、不揮発性半導体記憶装置の第1及び第2実施形態を説明してきたが、本発明は、上記実施形態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内において種々の変更、追加、置換等が可能である。
以上、不揮発性半導体記憶装置の第1及び第2実施形態を説明してきたが、本発明は、上記実施形態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内において種々の変更、追加、置換等が可能である。
100…半導体基板、200…制御回路層、300…支持層、400…メモリセルアレイ層、500…接続配線部、40A…第1メモリセル領域、40B…第1非メモリセル領域、40C…接続領域、40D…第2非メモリセル領域、40E…第2メモリセル領域。
Claims (5)
- 電気的に書き換え可能であり且つ直列に接続されたメモリセルを有するメモリセルアレイ層と、前記メモリセルアレイ層の下層に位置し且つ前記メモリセルに印加する電圧を制御する制御回路層と、前記制御回路層と前記メモリセルアレイ層とを電気的に接続する接続配線部とを備える不揮発性半導体記憶装置であって、
前記メモリセルアレイ層は、
前記メモリセルを有する第1メモリセル領域と、
前記接続配線部が設けられる接続領域と
を備え、
前記第1メモリセル領域は、
積層方向に直交する第1方向に第1のピッチをもって繰り返し形成され、
前記接続領域は、
前記第1方向に隣り合う前記第1メモリセル領域の間において前記第1方向に直交する第2方向に第2のピッチをもって繰り返し形成されている
ことを特徴とする不揮発半導体記憶装置。 - 前記メモリセルアレイ層は
複数層堆積され且つ積層方向に直交する第1方向に延びるように形成された第1導電層と、
前記第1メモリセル領域において前記複数の第1導電層の側壁側に形成された半導体層と、
前記第1メモリセル領域において前記第1導電層と前記半導体層との間に形成された電荷蓄積層と
を備え、
前記複数層積層された第1導電層は、前記接続領域にて階段状に形成された階段部を構成し、
前記第1メモリセル領域及び前記接続領域における前記第1導電層は、前記第1方向に沿って直線状に形成され、
前記第1方向に隣り合う前記第1メモリセル領域の間における前記第1導電層は、前記接続領域を避けるように前記第2方向側へ湾曲して形成され、
前記接続配線部は、
前記第1導電層の階段部と前記制御回路層に含まれる導電層とを接続するように構成されている
ことを特徴とする請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置。 - 前記半導体層は、U字状の形状を有し、
前記メモリセルアレイ層は、
前記半導体層の一端に電気的に接続された第2導電層及び第3導電層と、
前記半導体層の他端に電気的に接続された第4導電層と
を備え、
前記第2導電層は、前記第1メモリセル領域において前記第1導電層の上層に前記第1方向に延びるように形成され、
前記第3導電層は、前記第1方向に隣り合う前記第1メモリセル領域を跨ぐ領域において前記第2導電層と前記第2方向に整合する位置で前記第2導電層の上層に前記第1方向に延びるように形成され、
前記第4導電層は、前記第1メモリセル領域において前記第2方向に延びるように形成されている
ことを特徴とする請求項1又は請求項2記載の不揮発性半導体記憶装置。 - 前記メモリセルアレイ層は、
前記メモリセルを有し且つ前記第1方向において隣り合う前記第1メモリセル領域の間に設けられた第2メモリセル領域を備え、
前記第2メモリセル領域は、
前記第2方向に第3のピッチを設けて繰り返し形成されている
ことを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項記載の不揮発半導体記憶装置。 - 前記第3導電層は、前記第4導電層よりも上層に形成され、
前記第4導電層は、前記第2メモリセル領域にも形成されている
ことを特徴とする請求項4記載の不揮発性半導体記憶装置。
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