JP2010251572A - Nonvolatile semiconductor storage device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、不揮発性半導体記憶装置に関する。 The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory device.
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を高集積化するには、メモリセルトランジスタの平面方向の微細化が必要となる。ところが、平面方向の微細化にはリソグラフィーの限界により、物理的限界が生じるという問題点がある。また、メモリセルを微細化するとメモリセルトランジスタの特性が劣化して、所望の特性を維持できないという問題点がある。 In order to highly integrate a memory cell having a charge trap type flash structure described in Patent Document 1 or the like, it is necessary to miniaturize the memory cell transistor in the planar direction. However, miniaturization in the planar direction has a problem that a physical limit is generated due to a limit of lithography. Further, when the memory cell is miniaturized, there is a problem that the characteristics of the memory cell transistor deteriorate and the desired characteristics cannot be maintained.
本発明は、メモリセルを高集積度化することができるチャージトラップ型フラッシュ構造の不揮発性半導体記憶装置を提供する。 The present invention provides a non-volatile semiconductor memory device having a charge trap type flash structure in which memory cells can be highly integrated.
本発明の一態様の不揮発性半導体記憶装置は、基板と、ワード線に接続され、前記基板に対して垂直に形成された柱状の制御電極と、前記制御電極の周囲に形成された電流遮断膜と、前記電流遮断膜の周囲に形成された電荷蓄積膜と、前記電荷蓄積膜の周囲に形成されたトンネンル酸化膜と、前記トンネンル酸化膜の周囲に形成された半導体基板層と、ビット線に接続され、前記半導体基板層に接続され、前記基板に対して水平方向に形成されたドレイン電極と、ソース線に接続され、前記半導体基板層に接続され、前記基板に対して水平方向に形成されたソース電極とを有し、前記ドレイン電極と前記ソース電極は前記基板に対して垂直方向に絶縁膜を介して積層形成されたメモリセルトランジスタと、前記メモリセルトランジスタが前記基板に対して垂直方向に、前記制御電極を共有するように積層形成されたメモリセルアレイとを具備することを特徴とする。 A nonvolatile semiconductor memory device of one embodiment of the present invention includes a substrate, a columnar control electrode connected to a word line and formed perpendicular to the substrate, and a current blocking film formed around the control electrode A charge storage film formed around the current blocking film, a tunnel oxide film formed around the charge storage film, a semiconductor substrate layer formed around the tunnel oxide film, and a bit line Connected to the semiconductor substrate layer, connected to the drain electrode formed in the horizontal direction with respect to the substrate, and connected to the source line, connected to the semiconductor substrate layer, formed in the horizontal direction with respect to the substrate A memory cell transistor in which the drain electrode and the source electrode are stacked via an insulating film in a direction perpendicular to the substrate, and the memory cell transistor includes the source electrode In a direction perpendicular to the plate, characterized by comprising a memory cell array which are laminated so as to share the control electrode.
更に、本発明の他態様の不揮発性半導体記憶装置は、基板と、ワード線に接続され、前記基板に対して垂直に形成された柱状の制御電極と、前記制御電極の周囲に形成された電流遮断膜と、前記電流遮断膜の周囲に形成された電荷蓄積膜と、前記電荷蓄積膜の周囲に形成されたトンネンル酸化膜と、前記トンネンル酸化膜の周囲に形成された半導体基板層と、ビット線に接続され、前記半導体基板層に接続され、前記基板に対して水平方向に形成されたドレイン電極と、前記ドレイン電極に接続され、前記半導体基板層に設けられたドレイン層と、ソース線に接続され、前記半導体基板層に接続され、前記基板に対して水平方向に形成されたソース電極と、前記ソース電極に接続され、前記半導体基板層に設けられたソース層とを有し、前記ドレイン電極と前記ソース電極は前記基板に対して垂直方向に絶縁膜を介して積層形成されたメモリセルトランジスタと、前記メモリセルトランジスタが前記基板に対して垂直方向に、前記制御電極を共有するように積層形成されたメモリセルアレイとを具備することを特徴とする。 Furthermore, a nonvolatile semiconductor memory device according to another aspect of the present invention includes a substrate, a columnar control electrode connected to a word line and formed perpendicular to the substrate, and a current formed around the control electrode. A blocking film; a charge storage film formed around the current blocking film; a tunnel oxide film formed around the charge storage film; a semiconductor substrate layer formed around the tunnel oxide film; and a bit A drain electrode connected to a line, connected to the semiconductor substrate layer and formed in a horizontal direction with respect to the substrate; a drain layer connected to the drain electrode; provided on the semiconductor substrate layer; and a source line A source electrode connected to the semiconductor substrate layer and formed in a horizontal direction with respect to the substrate; and a source layer connected to the source electrode and provided on the semiconductor substrate layer, The rain electrode and the source electrode are stacked in a direction perpendicular to the substrate via an insulating film, and the memory cell transistor shares the control electrode in the direction perpendicular to the substrate. And a memory cell array formed in a stacked manner.
本発明によれば、メモリセルを高集積度化することができるチャージトラップ型フラッシュ構造の不揮発性半導体記憶装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a non-volatile semiconductor memory device having a charge trap type flash structure in which memory cells can be highly integrated.
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に係る不揮発性半導体記憶装置について、図面を参照して説明する。図1は不揮発性半導体記憶装置の構造を示す俯瞰図、図2は図1のA−A線に沿う断面図、図3は図2の領域Aの拡大断面図、図4は不揮発性半導体記憶装置を示す平面図、図4(a)は、ソース電極部を示す図、図4(b)はドレイン電極部を示す図である。本実施例では、NOR型フラッシュメモリを半導体基板層上に積層形成し、メモリセルを3次元化している。 First, a nonvolatile semiconductor memory device according to Example 1 of the invention will be described with reference to the drawings. 1 is a bird's-eye view showing the structure of the nonvolatile semiconductor memory device, FIG. 2 is a sectional view taken along line AA in FIG. 1, FIG. 3 is an enlarged sectional view of region A in FIG. FIG. 4A is a diagram showing a source electrode portion, and FIG. 4B is a diagram showing a drain electrode portion. In this embodiment, a NOR type flash memory is stacked on a semiconductor substrate layer to make a memory cell three-dimensional.
図1に示すように、半導体記憶装置50は、シリコン窒化膜を電荷蓄積層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)構造を有し、メモリセルが積層形成される3次元NOR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。ここでは、メモリセルトランジスタの周囲に設けられ、メモリセルトランジスタ間を分離する絶縁膜の図示及び説明を省略する。
As shown in FIG. 1, the
ゲート電極としてのゲートGateは、接地線SUBL上に、図示しない基板に対して垂直方向に互いに離間して複数設けられる。ゲートGateはワード線WLに接続される。ソース線SLは、図示しない基板及び接地線SUBLに対して水平方向に互いに離間して複数設けられる(図中左側)。ビット線BLは、図示しない基板及び接地線SUBLに対して水平方向に互いに離間して複数設けられる(図中右側)。 A plurality of gates as gate electrodes are provided on the ground line SUBL so as to be separated from each other in a direction perpendicular to a substrate (not shown). The gate Gate is connected to the word line WL. A plurality of source lines SL are provided apart from each other in the horizontal direction with respect to a substrate (not shown) and the ground line SUBL (left side in the figure). A plurality of bit lines BL are provided apart from each other in the horizontal direction with respect to a substrate (not shown) and the ground line SUBL (right side in the figure).
図2に示すように、半導体記憶装置50は、図示しない基板上に、例えば絶縁膜を介して接地線SUBLとしての半導体基板層1aが設けられる。半導体基板層1aの第1主面(表面)上には、素子分離層2、ソース電極3a、ソース電極3b、ドレイン電極4a、及びドレイン電極4bを柱状にエッチング開口した開口部5が、互いに離間して複数設けられる。
As shown in FIG. 2, in the
開口部5には、半導体基板層1b、積層膜6、及びゲート電極(Gate)7が埋設される。開口部5の内側には、半導体基板層1bが半導体基板層1aの上面と接するように設けられる。素子分離層2と相対向する半導体基板層1bの内側には、積層膜6が設けられる。半導体基板層1bと相対向する積層膜6の内側には、ゲート電極(Gate)7が埋設される。
In the
積層膜6は、図3に示すように、トンネル酸化膜21、電荷蓄積膜22、電流遮断膜23から構成される。トンネル酸化膜21は、半導体基板層1bと電荷蓄積膜22の間に設けられる。電荷蓄積膜22は、トンネル酸化膜21と電流遮断膜23の間に設けられ、電荷を保持する機能を有する。電流遮断膜23は、電荷蓄積膜22とゲート電極(Gate)7の間に設けられる。
As shown in FIG. 3, the laminated
ソース電極3a、ドレイン電極4a、ソース電極3b、及びドレイン電極4bは、互いに素子分離層2で離間され、半導体基板層1bに接し、積層形成される。ソース層8は、ソース電極3a及び3b中の不純物を拡散源とし、ソース電極3a或いはソース電極3bに接続され、半導体基板層1bに設けられる。ドレイン層9は、ドレイン電極4a及び4b中の不純物を拡散源とし、ドレイン電極4a或いはドレイン電極4bに接続され、半導体基板層1bに設けられる。
The
ソース電極3aはビア10を介してソース線SLに接続され、ソース電極3bはビア12を介してソース線SLに接続される。ドレイン電極4aはビア11を介してビット線BLに接続され、ドレイン電極4bはビア13を介してビット線BLに接続される。
The
ソース電極部では、図4(a)に示すように、中心部がソース電極3aに設けられる開口部5がソース電極3aと素子分離層2の領域に設けられる。ソース層8は、ソース電極3aと積層膜6の間に設けられ、素子分離層2と積層膜6の間に設けられない(半導体基板層1bが残置)。つまり、ソース電極3aと積層膜6の間の半導体基板層1bにソース電極3a中の不純物が拡散されて半導体基板層1bがソース層8となる。
In the source electrode portion, as shown in FIG. 4A, an
ドレイン電極部では、図4(b)に示すように、中心部がドレイン電極4aに設けられる開口部5がドレイン電極4aと素子分離層2の領域に設けられる。ドレイン層9は、ドレイン電極4aと積層膜6の間に設けられ、素子分離層2と積層膜6の間に設けられない(半導体基板層1bが残置)。つまり、ドレイン電極4aと積層膜6の間の半導体基板層1bにドレイン電極4a中の不純物が拡散されて半導体基板層1bがドレイン層9となる。
In the drain electrode portion, as shown in FIG. 4B, an
この結果、ソース層8とドレイン層9が縦方向に交互に複数形成され、チャネルがソース層8とドレイン層9の間の半導体基板層1bに形成される。また、素子分離層2と積層膜6の間の半導体基板層1bがサブストレートとして機能し、半導体基板層1aに接続される。その結果、縦方向のメモリセルトランジスタが基板と垂直方向に積層形成されることによりメモリセルアレイを構成し、第1乃至第4のメモリセルアレイが水平方向に互いに離間形成される。
As a result, a plurality of source layers 8 and
ここでは、開口部5の水平方向の断面形状を丸型(即ち、開口部5は円柱)にしているが、例えば矩形(即ち、開口部5は角柱)にしてもよい。また、ソース層8及びドレイン層9を積層膜6と接するように形成しているが、接しない(半導体基板層1bを残置)ように形成してもよい。
Here, the horizontal sectional shape of the
次に、不揮発性半導体記憶装置の動作について図5乃至図8を参照して説明する。図5は不揮発性半導体記憶装置の等価回路図、図6は不揮発性半導体記憶装置の動作を説明する図、図7は不揮発性半導体記憶装置の書き込み時の選択されたメモリセルトランジスタの動作を説明する図、図8は不揮発性半導体記憶装置の消去時の選択されたメモリセルトランジスタの動作を説明する図である。なお、図7及び図8は、図2の領域Bに対応するメモリセルトランジスタの断面図である。 Next, the operation of the nonvolatile semiconductor memory device will be described with reference to FIGS. 5 is an equivalent circuit diagram of the nonvolatile semiconductor memory device, FIG. 6 is a diagram for explaining the operation of the nonvolatile semiconductor memory device, and FIG. 7 is for explaining the operation of the selected memory cell transistor at the time of writing in the nonvolatile semiconductor memory device. FIG. 8 is a diagram for explaining the operation of the selected memory cell transistor at the time of erasure of the nonvolatile semiconductor memory device. 7 and 8 are cross-sectional views of the memory cell transistor corresponding to the region B in FIG.
図5に示すように、NOR型チャージトラップ型フラッシュである不揮発性半導体記憶装置50では、ドレインがビット線BLに接続され、ソースがソース線SLに接続され、ゲートがワード線WLに接続され、サブストレートが図示しない接地線SUBLに接続されるメモリセルトランジスタがマトリックス状に配置される。ワード線WL0乃至WL5にそれぞれ接続されるメモリセルトランジスタがメモリセルアレイを構成する。
As shown in FIG. 5, in the nonvolatile
ここでは、ビット線BL3、ソース線SL3、及びワード線WL3に接続されるメモリセルトランジスタがメモリセル(選択bit)として選択された場合について動作を説明する。 Here, the operation will be described in the case where a memory cell transistor connected to the bit line BL3, the source line SL3, and the word line WL3 is selected as a memory cell (selected bit).
図6に示すように、書き込み動作では、例えば選択されたワード線WL3に電圧Vwlv2が印加され、選択されたビット線BL3にVblv2が印加され、選択されたソース線SL3と接地線SUBLが0(ゼロ)Vに設定される。この様な設定により、図7に示すように、ドレインからソースに電流が流れ、チャネル付近の電子が活性化してホットエレクトロンが発生し、ゲート電極(WL3)に印加される電圧Vwlv2により、ホットエレクトロンがトンネル酸化膜21を介して電荷蓄積膜22に注入されて情報が書き込まれる。
As shown in FIG. 6, in the write operation, for example, the voltage Vwlv2 is applied to the selected word line WL3, Vblv2 is applied to the selected bit line BL3, and the selected source line SL3 and ground line SUBL are 0 ( Zero) V is set. With this setting, as shown in FIG. 7, a current flows from the drain to the source, electrons in the vicinity of the channel are activated, hot electrons are generated, and hot electrons are generated by the voltage Vwlv2 applied to the gate electrode (WL3). Is injected into the
消去動作では、例えば選択されたワード線WL3に電圧Vwlv3(負電圧)が印加され、選択されたソース線SL3に電圧Vslv1が印加され、接地線SUBLに電圧Vsublv1が印加され、選択されたビット線BL3がオープン状態に設定される。この様な設定により、図8に示すように、電荷蓄積膜22に保持されていた電子は、電荷蓄積膜22からトンネル酸化膜21を介してソース側に引き抜かれる(トンネル電流)。
In the erase operation, for example, the voltage Vwlv3 (negative voltage) is applied to the selected word line WL3, the voltage Vslv1 is applied to the selected source line SL3, the voltage Vsublv1 is applied to the ground line SUBL, and the selected bit line BL3 is set to an open state. With this setting, as shown in FIG. 8, electrons held in the
読み出し動作では、例えば選択されたワード線WL3に電圧Vwlv1が印加され、選択されたビット線BL3にVblv1が印加され、選択されたソース線SL3と接地線SUBLが0(ゼロ)Vに設定される。この様な設定により、ソースードレイン間を流れる電流の有無がデータとして読み出される。 In the read operation, for example, the voltage Vwlv1 is applied to the selected word line WL3, Vblv1 is applied to the selected bit line BL3, and the selected source line SL3 and the ground line SUBL are set to 0 (zero) V. . With this setting, the presence / absence of current flowing between the source and drain is read as data.
次に、不揮発性半導体記憶装置の製造方法について、図9乃至図16を参照して説明する。図9乃至図16は不揮発性半導体記憶装置の製造工程を示す図、図9(a)乃至図16(a)は平面図、図9(b)乃至図16(b)は断面図である。なお、図9(b)乃至図16(b)は図9(a)に示すB−B線に沿う断面図である。ここでは、メモリセルトランジスタが基板に対して垂直方向に3段積層形成されたメモリセルアレイが設けられる。 Next, a method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device will be described with reference to FIGS. 9A to 16B are diagrams showing a manufacturing process of the nonvolatile semiconductor memory device, FIGS. 9A to 16A are plan views, and FIGS. 9B to 16B are cross-sectional views. 9B to 16B are cross-sectional views taken along line BB shown in FIG. 9A. Here, a memory cell array is provided in which memory cell transistors are stacked in three stages in a direction perpendicular to the substrate.
図9(b)に示すように、例えばP型の半導体基板層1aの第1主面(表面)上に素子分離層2、ソース電極31、素子分離層2、ドレイン電極41、素子分離層2、ソース電極32、素子分離層2、ドレイン電極42、素子分離層2、ソース電極33、素子分離層2、ドレイン電極43、及び素子分離層2が積層形成され、積層膜90を構成する。半導体基板層1aは、例えばCVD法で形成されたP型多結晶シリコン膜である。
As shown in FIG. 9B, for example, the
積層膜90は、図9(a)に示すようにストライプ状に配置され、その間に素子分離層2が設けられる。
The
ここで、ソース電極31、ドレイン電極41、ソース電極32、ドレイン電極42、ソース電極33、及びドレイン電極43には、例えばN型不純物が高濃度にドープされた多結晶シリコン膜を用いているが、N型不純物が高濃度にドープされたアモルファスシリコン膜やポリサイド膜などを代わりに用いてもよい。
Here, for the
次に、図10に示すように、周知のリソグラフィー法を用いて図示しないレジスト膜をマスクとして、例えば例えばRIE法により積層された素子分離層2、ドレイン電極43、素子分離層2、ソース電極33、素子分離層2、ドレイン電極42、素子分離層2、ソース電極32、素子分離層2、ドレイン電極41、素子分離層2、ソース電極31、及び素子分離層2をエッチングして、半導体基板層1a上に円柱状の開口部5を形成する。図10(a)に示す開口部5は、中心位置がドレイン電極/ソース電極側に設けられ、上端部は素子分離層2のみであり、ドレイン電極/ソース電極が設けられない。
Next, as shown in FIG. 10, using a well-known lithography method with a resist film (not shown) as a mask, for example, the
続いて、図11に示すように、開口部5及び半導体基板層1a上に、例えばP型の半導体基板層1bを形成する。このとき、ソース電極31、ドレイン電極41、ソース電極32、ドレイン電極42、ソース電極33、及びドレイン電極43の側面(開口部5側)に形成される自然酸化膜(native oxide)をエッチング除去にしてから半導体基板層1bを形成するのが好ましい。自然酸化膜(native oxide)のエッチング除去により、半導体基板層1aと半導体基板層1b間の接続状態が良好となる。半導体基板層1bは、例えばCVD法で形成されたP型多結晶シリコン膜である。
Subsequently, as shown in FIG. 11, for example, a P-type
そして、図12に示すように、開口部5の半導体基板層1b上にトンネル酸化膜21、電荷蓄積膜22、及び電流遮断膜23を積層形成する(図中の積層膜6)。
Then, as shown in FIG. 12, a
ここで、トンネル酸化膜21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22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膜23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 example, an Al 2 O 3 film (alumina film) having a thickness in the range of 5 to 30 nm is used as the
次に、図13に示すように、開口部5を埋め込むように、ゲート電極(Gate)7を開口部5の電流遮断膜23上に形成する。ここでは、半導体基板層1b、トンネル酸化膜21、電荷蓄積膜22、電流遮断膜23、及びゲート電極(Gate)7を順次形成しているが、半導体基板層1b、トンネル酸化膜21、電荷蓄積膜22、電流遮断膜23、及びゲート電極(Gate)7を連続的に積層形成してから、例えばCMP(chemical mechanical polishing)法を用いて、素子分離層2の表面が露出するまで半導体基板層1b、トンネル酸化膜21、電荷蓄積膜22、電流遮断膜23、及びゲート電極(Gate)7を平坦研磨してもよい。
Next, as shown in FIG. 13, a gate electrode (Gate) 7 is formed on the
ゲート電極(Gate)7形成後、高温熱処理を実施してソース電極31、ドレイン電極41、ソース電極32、ドレイン電極42、ソース電極33、及びドレイン電極43中の不純物を拡散し、半導体基板層1bに、例えばN型の高不純物を有するソース層8及びドレイン層9を形成する。
After forming the gate electrode (Gate) 7, high-temperature heat treatment is performed to diffuse impurities in the
続いて、図14に示すように、開口部5と離間するソース電極31上の素子分離層2、ドレイン電極41、素子分離層2、ソース電極32、素子分離層2、ドレイン電極42、素子分離層2、ソース電極33、素子分離層2、ドレイン電極43、及び素子分離層2を選択的にエッチング除去し、エッチング除去された領域に層間絶縁膜としての絶縁膜51を埋設する。
Subsequently, as illustrated in FIG. 14, the
そして、図15に示すように、開口部5と離間するドレイン電極41上の素子分離層2、ソース電極32、素子分離層2、ドレイン電極42、素子分離層2、ソース電極33、素子分離層2、ドレイン電極43、及び素子分離層2を選択的にエッチング除去し、エッチング除去された領域に層間絶縁膜としての絶縁膜51を埋設する。同様に、開口部5と離間するソース電極32上、開口部5と離間するドレイン電極42上、開口部5と離間するソース電極33上、及び開口部5と離間するドレイン電極43上にそれぞれ層間絶縁膜としての絶縁膜51を埋設する。
Then, as shown in FIG. 15, the
次に、図16に示すように、層間絶縁膜51を選択的にエッチングして、ソース電極31上に開口部52、ドレイン電極41上に開口部53、ソース電極32上に開口部54、ドレイン電極42上に開口部55、ソース電極33上に開口部56、ドレイン電極43上に開口部57をそれぞれ形成する。開口部52乃至57形成後、開口部52乃至57に、それぞれビアを埋設する。なお、これ以降の工程については、周知の技術を用いているので図示及び説明を省略する。
Next, as shown in FIG. 16, the
上述したように、本実施例の不揮発性半導体記憶装置では、接地線SUBLとしての半導体基板層1aの第1主面(表面)上に、素子分離層2、ソース電極3a、ソース電極3b、ドレイン電極4a、及びドレイン電極4bを柱状にエッチング開口した開口部5が互いに離間して複数設けられる。開口部5には、半導体基板層1b、積層膜6、及びゲート電極(Gate)7が埋設され、開口部5の内側には半導体基板層1bが半導体基板層1aと接するように設けられる。半導体基板層1bの内側には、トンネル酸化膜21、電荷蓄積膜22、電流遮断膜23から構成される積層膜6が設けられる。積層膜6の内側にはゲート電極(Gate)7が埋設される。半導体基板層1bにはソース層8とドレイン層9が垂直方向に複数設けられる。ソース層8はソース電極中の不純物を拡散源として形成され、ドレイン層9はドレイン電極中の不純物を拡散源として形成される。開口部5には、ソース層8、チャネル、ドレイン層9が垂直方向に形成されるメモリセルトランジスタが積層形成される。
As described above, in the nonvolatile 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を有し、平面方向の微細化に依存しない高集積度化された3次元NOR型フラッシュメモリである不揮発性半導体記憶装置50を提供することができる。また、メモリセルトランジスタを極微細化せずに高集積度化できるので、メモリセルトランジスタの特性が劣化せずに所望の特性を維持することができる。
Therefore, it is possible to provide the nonvolatile
なお、本実施例では、開口部5の中心位置をソース電極及びドレイン電極側に設定しているが、必ずしもこれに限定されるものではない。例えば、開口部5の中心位置を素子分離領域2側に設定してもよい。また、ソース電極間及びドレイン電極間に、素子分離領域に中心位置を有する開口部5を形成してもよい。更に、半導体基板層1aを半導体基板に置き換えてもよい。
In this embodiment, the center position of the
次に、本発明の実施例2に係る不揮発性半導体記憶装置について、図面を参照して説明する。図17は不揮発性半導体記憶装置を示す断面図である。本実施例では、メモリセルトランジスタのソース層を省略している。 Next, a non-volatile semiconductor memory device according to Example 2 of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 17 is a cross-sectional view showing a nonvolatile semiconductor memory device. In this embodiment, the source layer of the memory cell transistor is omitted.
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.
半導体記憶装置60は、図17に示すように、シリコン窒化膜を電荷蓄積層として使用するチャージトラップ型フラッシュ構造を有し、メモリセルが積層形成される3次元NOR型フラッシュメモリである。
As shown in FIG. 17, the
半導体記憶装置60は、図示しない基板上に、例えば絶縁膜を介して接地線SUBLとしての半導体基板層1aが設けられる。半導体基板層1aの第1主面(表面)上には、素子分離層2、ソース電極3aa、ソース電極3bb、ドレイン電極4a、及びドレイン電極4bを柱状にエッチング開口した開口部5が、互いに離間して複数設けられる。
In the
ソース電極3aa、ドレイン電極4a、ソース電極3bb、及びドレイン電極4bは、互いに素子分離層2で離間され、半導体基板層1bに接し、積層形成される。ソース電極3aa及びソース電極3bbは、半導体基板層1bと電気的に接続される。ソース電極3aa及びソース電極3bbには金属シリサイド膜を用いているが、代わりに高融点金属膜などを用いてもよい。
The source electrode 3aa, the
上述したように、本実施例の不揮発性半導体記憶装置では、接地線SUBLとしての半導体基板層1aの第1主面(表面)上に、素子分離層2、ソース電極3aa、ソース電極3bb、ドレイン電極4a、及びドレイン電極4bを柱状にエッチング開口した開口部5が互いに離間して複数設けられる。開口部5には、半導体基板層1b、積層膜6、及びゲート電極(Gate)7が埋設され、開口部5の内側には半導体基板層1bが半導体基板層1aと接するように設けられる。半導体基板層1bの内側には、トンネル酸化膜21、電荷蓄積膜22、電流遮断膜23から構成される積層膜6が設けられる。積層膜6の内側にはゲート電極(Gate)7が埋設される。半導体基板層1bにはドレイン層9が垂直方向に複数設けられる。ドレイン層9はドレイン電極中の不純物を拡散源として形成される。開口部5には、垂直方向に形成されるチャネルを有するメモリセルトランジスタが積層形成される。
As described above, in the nonvolatile 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を有し、平面方向の微細化に依存しない高集積度化された3次元NOR型フラッシュメモリである不揮発性半導体記憶装置60を提供することができる。また、メモリセルトランジスタを極微細化せずに高集積度化できるので、メモリセルトランジスタの特性が劣化せずに所望の特性を維持することができる。
Therefore, it is possible to provide a nonvolatile
また、メモリセルトランジスタのソース層を省略することにより、ホットキャリアの注入効率を維持しつつ、メモリセルトランジスタのカットオフ特性が向上し、さらなる微細化を可能とする。 Further, by omitting the source layer of the memory cell transistor, the cutoff characteristic of the memory cell transistor is improved while maintaining the hot carrier injection efficiency, and further miniaturization is possible.
次に、本発明の実施例3に係る不揮発性半導体記憶装置について、図面を参照して説明する。図18は不揮発性半導体記憶装置を示す断面図である。本実施例では、メモリセルトランジスタのソース層及びドレイン層を省略している。 Next, a non-volatile semiconductor memory device according to Example 3 of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 18 is a cross-sectional view showing a nonvolatile semiconductor memory device. In this embodiment, the source layer and the drain layer of the memory cell transistor are omitted.
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.
半導体記憶装置70は、図18に示すように、シリコン窒化膜を電荷蓄積層として使用するチャージトラップ型フラッシュ構造を有し、メモリセルが積層形成される3次元NOR型フラッシュメモリである。
As shown in FIG. 18, the
半導体記憶装置70は、図示しない基板上に、例えば絶縁膜を介して接地線SUBLとしての半導体基板層1aが設けられる。半導体基板層1aの第1主面(表面)上には、素子分離層2、ソース電極3aa、ソース電極3bb、ドレイン電極4aa、及びドレイン電極4bbを柱状にエッチング開口した開口部5が、互いに離間して複数設けられる。
In the
ソース電極3aa、ドレイン電極4aa、ソース電極3bb、及びドレイン電極4bbは、互いに素子分離層2で離間され、半導体基板層1bに接し、積層形成される。ソース電極3aa及びソース電極3bbは、半導体基板層1bと電気的に接続される。ドレイン電極4aa及びドレイン電極4bbは、半導体基板層1bと電気的に接続される。ソース電極3aa及び3bb、ドレイン電極4aa及び4bbは、金属シリサイド膜を用いているが、代わりに高融点金属膜などを用いてもよい。
The source electrode 3aa, the drain electrode 4aa, the source electrode 3bb, and the drain electrode 4bb are separated from each other by the
上述したように、本実施例の不揮発性半導体記憶装置では、接地線SUBLとしての半導体基板層1aの第1主面(表面)上に、素子分離層2、ソース電極3aa、ソース電極3bb、ドレイン電極4aa、及びドレイン電極4bbを柱状にエッチング開口した開口部5が互いに離間して複数設けられる。開口部5には、半導体基板層1b、積層膜6、及びゲート電極(Gate)7が埋設され、開口部5の内側には半導体基板層1bが半導体基板層1aと接するように設けられる。半導体基板層1bの内側には、トンネル酸化膜21、電荷蓄積膜22、電流遮断膜23から構成される積層膜6が設けられる。積層膜6の内側にはゲート電極(Gate)7が埋設される。半導体基板層1bにはドレイン層9が垂直方向に複数設けられる。開口部5には、垂直方向に形成されるチャネルを有するメモリセルトランジスタが積層形成される。
As described above, in the nonvolatile 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を有し、平面方向の微細化に依存しない高集積度化された3次元NOR型フラッシュメモリである不揮発性半導体記憶装置70を提供することができる。また、メモリセルトランジスタを極微細化せずに高集積度化できるので、メモリセルトランジスタの特性が劣化せずに所望の特性を維持することができる。
Therefore, it is possible to provide a nonvolatile
また、メモリセルトランジスタのソース層及びドレイン層を省略することにより、メモリセルトランジスタのカットオフ特性が向上し、さらなる微細化を可能とする。 Further, by omitting the source layer and the drain layer of the memory cell transistor, the cutoff characteristic of the memory cell transistor is improved, and further miniaturization is possible.
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構造を有するNOR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構造を有するAND型フラッシュメモリなどにも適用できる。チャージトラップ型フラッシュ構造を有するAND型フラッシュメモリでは、ビット線側にドレイン側選択トランジスタを設け、ソース線側にソース側選択トランジスタを設けるのが好ましい。 For example, in the embodiments, the present invention is applied to a NOR flash memory having a charge trap flash structure, but the present invention can also be applied to an AND flash memory having a charge trap flash structure. In an AND type flash memory having a charge trap type flash structure, it is preferable to provide a drain side select transistor on the bit line side and a source side select transistor on the source line side.
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) 基板と、ワード線に接続され、前記基板に対して垂直に形成された柱状の制御電極と、前記制御電極の周囲に形成された電流遮断膜と、前記電流遮断膜の周囲に形成された電荷蓄積膜と、前記電荷蓄積膜の周囲に形成されたトンネンル酸化膜と、前記トンネンル酸化膜の周囲に形成された半導体基板層と、ビット線に接続され、前記半導体基板層に接続され、前記基板に対して水平方向に形成されたドレイン電極と、前記ドレイン電極に接続され、前記ドレイン電極中の不純物を拡散源とし、前記半導体基板層に設けられたドレイン層と、ソース線に接続され、前記半導体基板層に接続され、前記基板に対して水平方向に形成されたソース電極と、前記ソース電極に接続され、前記ソース電極中の不純物を拡散源とし、前記半導体基板層に設けられたソース層とを有し、前記ドレイン電極と前記ソース電極は前記基板に対して垂直方向に絶縁膜を介して積層形成されたメモリセルトランジスタと、前記メモリセルトランジスタが前記基板に対して垂直方向に、前記制御電極を共有するように積層形成されたメモリセルアレイとを具備する不揮発性半導体記憶装置。
The present invention can be configured as described in the following supplementary notes.
(Supplementary Note 1) A substrate, a columnar control electrode connected to a word line and formed perpendicular to the substrate, a current blocking film formed around the control electrode, and a periphery of the current blocking film A charge storage film formed; a tunnel oxide film formed around the charge storage film; a semiconductor substrate layer formed around the tunnel oxide film; and a bit line connected to the semiconductor substrate layer A drain electrode formed in a horizontal direction with respect to the substrate; connected to the drain electrode; and an impurity in the drain electrode as a diffusion source; a drain layer provided in the semiconductor substrate layer; and a source line A source electrode connected to the semiconductor substrate layer and formed in a horizontal direction with respect to the substrate; connected to the source electrode; and an impurity in the source electrode as a diffusion source, and the semiconductor A memory cell transistor having a source layer provided on a substrate layer, wherein the drain electrode and the source electrode are stacked via an insulating film in a direction perpendicular to the substrate, and the memory cell transistor is the substrate And a memory cell array stacked so as to share the control electrode in a direction perpendicular to the non-volatile semiconductor memory device.
(付記2) 前記制御電極は、円柱形状或いは角柱形状を有する付記1に記載の不揮発性半導体記憶装置。 (Supplementary note 2) The nonvolatile semiconductor memory device according to supplementary note 1, wherein the control electrode has a cylindrical shape or a prismatic shape.
(付記3) 前記不揮発性半導体記憶装置はNOR型フラッシュメモリである付記1又は2に記載の不揮発性半導体記憶装置。
(Supplementary Note 3) The nonvolatile semiconductor memory device according to
1a、1b 半導体基板層
2 素子分離層
3a、3b、3aa、3bb、31〜33 ソース電極
4a、4b、4aa、4bb、41〜43 ドレイン電極
5、52〜57 開口部
6、90 積層膜
7 ゲート電極(Gate)
8 ソース層
9 ドレイン層
10〜13 ビア
21 トンネンル酸化膜
22 電荷蓄積膜
23 電流遮断膜
50、60、70 不揮発性半導体装置
51 絶縁膜
BL、BL0〜BL6 ビット線
Gate ゲート
SL、SL0〜SL6 ソース線
SUBL 接地線
WL、WL0〜WL5 ワード線
1a, 1b
8
Claims (5)
ワード線に接続され、前記基板に対して垂直に形成された柱状の制御電極と、前記制御電極の周囲に形成された電流遮断膜と、前記電流遮断膜の周囲に形成された電荷蓄積膜と、前記電荷蓄積膜の周囲に形成されたトンネンル酸化膜と、前記トンネンル酸化膜の周囲に形成された半導体基板層と、ビット線に接続され、前記半導体基板層に接続され、前記基板に対して水平方向に形成されたドレイン電極と、ソース線に接続され、前記半導体基板層に接続され、前記基板に対して水平方向に形成されたソース電極とを有し、前記ドレイン電極と前記ソース電極は前記基板に対して垂直方向に絶縁膜を介して積層形成されたメモリセルトランジスタと、
前記メモリセルトランジスタが前記基板に対して垂直方向に、前記制御電極を共有するように積層形成されたメモリセルアレイと、
を具備することを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 A substrate,
A columnar control electrode connected to a word line and formed perpendicular to the substrate; a current blocking film formed around the control electrode; and a charge storage film formed around the current blocking film; A tunnel oxide film formed around the charge storage film; a semiconductor substrate layer formed around the tunnel oxide film; a bit line connected to the semiconductor substrate layer; and A drain electrode formed in a horizontal direction; and a source electrode connected to a source line, connected to the semiconductor substrate layer, and formed in a horizontal direction with respect to the substrate. The drain electrode and the source electrode are A memory cell transistor formed by stacking an insulating film in a direction perpendicular to the substrate;
A memory cell array in which the memory cell transistors are stacked so as to share the control electrode in a direction perpendicular to the substrate;
A non-volatile semiconductor memory device comprising:
ワード線に接続され、前記基板に対して垂直に形成された柱状の制御電極と、前記制御電極の周囲に形成された電流遮断膜と、前記電流遮断膜の周囲に形成された電荷蓄積膜と、前記電荷蓄積膜の周囲に形成されたトンネンル酸化膜と、前記トンネンル酸化膜の周囲に形成された半導体基板層と、ビット線に接続され、前記半導体基板層に接続され、前記基板に対して水平方向に形成されたドレイン電極と、前記ドレイン電極に接続され、前記半導体基板層に設けられたドレイン層と、ソース線に接続され、前記半導体基板層に接続され、前記基板に対して水平方向に形成されたソース電極と、前記ソース電極に接続され、前記半導体基板層に設けられたソース層とを有し、前記ドレイン電極と前記ソース電極は前記基板に対して垂直方向に絶縁膜を介して積層形成されたメモリセルトランジスタと、
前記メモリセルトランジスタが前記基板に対して垂直方向に、前記制御電極を共有するように積層形成されたメモリセルアレイと、
を具備することを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 A substrate,
A columnar control electrode connected to a word line and formed perpendicular to the substrate; a current blocking film formed around the control electrode; and a charge storage film formed around the current blocking film; A tunnel oxide film formed around the charge storage film; a semiconductor substrate layer formed around the tunnel oxide film; a bit line connected to the semiconductor substrate layer; and A drain electrode formed in a horizontal direction, a drain layer connected to the drain electrode and provided in the semiconductor substrate layer, connected to a source line, connected to the semiconductor substrate layer, and horizontal to the substrate A source electrode connected to the source electrode and provided on the semiconductor substrate layer, the drain electrode and the source electrode being perpendicular to the substrate A memory cell transistor formed by lamination via a Enmaku,
A memory cell array in which the memory cell transistors are stacked so as to share the control electrode in a direction perpendicular to the substrate;
A non-volatile semiconductor memory device comprising:
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Legal Events
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