JP2010278063A - 半導体記憶装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】MONOS型メモリにおいて、コンタクトホール形成時に発生する紫外線の影響を抑制し、ビット線コンタクト部近傍に配置されるメモリセルの初期しきい値電圧の上昇を防止する。
【解決手段】半導体記憶装置は、ビット線拡散層11と、ビット線絶縁膜12と、ONO絶縁膜4と、第2ゲート電極6と、コンタクト拡散層13と、層間絶縁膜9と、コンタクト電極8と、紫外線遮光膜22と、紫外線遮光膜21とを備える。紫外線遮光膜22は、コンタクト電極8に最も近い第2ゲート電極6におけるコンタクト電極8に近い側の側面を覆っており、紫外線遮光膜22上における少なくとも一部と紫外線遮光膜21とは、平面的に見て、重なっている。
【選択図】図2
【解決手段】半導体記憶装置は、ビット線拡散層11と、ビット線絶縁膜12と、ONO絶縁膜4と、第2ゲート電極6と、コンタクト拡散層13と、層間絶縁膜9と、コンタクト電極8と、紫外線遮光膜22と、紫外線遮光膜21とを備える。紫外線遮光膜22は、コンタクト電極8に最も近い第2ゲート電極6におけるコンタクト電極8に近い側の側面を覆っており、紫外線遮光膜22上における少なくとも一部と紫外線遮光膜21とは、平面的に見て、重なっている。
【選択図】図2
Description
本発明の開示の技術は、半導体記憶装置、特にMONOS(Metal−Oxide−Nitride−Oxide−Silicon)型メモリに関する。
近年、不揮発性半導体記憶装置の高集積化及び低コスト化に伴い、バーチャルグラウンド型アレイを有し、局所的に電荷トラップさせる局所トラップ型MONOSメモリが提案されている。
しかしながら、局所トラップ型MONOSメモリは、製造工程途中に照射される紫外線によって、ゲート絶縁膜であるONO(oxide−nitride−oxide)膜中に不要な電荷がトラップされることでしきい値電圧が変動するという課題がある。このため、製造工程途中に照射される紫外線による影響を防止することが重要である。
以下、図面を参照しながら、紫外線対策を施した従来の半導体記憶装置及びその製造方法について説明する(例えば、特許文献1参照)。
図15は、従来の半導体記憶装置の平面構造図を示している。
図15に示すように、複数の第2ゲート電極6がX方向(紙面に向かって左右方向)に延伸するとともに、Y方向(紙面に向かって上下方向)に並列し、ビット線拡散層に電気的に接続するコンタクト電極8に近い方から順に、各々が第2ゲート電極6としてのダミーワード線(DWL)、ワード線0(WL−0)、及びワード線1(WL−1)が配置されている。コンタクト電極8はコンタクト拡散層13上に配置されており、X方向に隣接するコンタクト拡散層13は素子分離絶縁膜3によって絶縁されている。なお、図15には示していないが、Y方向(紙面に向かって上下方向)にはコンタクト拡散層13に接続されたビット線拡散層11が延伸している。
次に、図16(a)〜(c)並びに図17(a)及び(b)を用いて、従来の半導体記憶装置の断面構造を説明する。
図16(a)は、図15におけるXVIa-XVIa線の断面図である。
図16(a)に示すように、半導体基板1上にはP型ウェル2が形成され、P型ウェル2の表面には、複数のビット線拡散層11が互いに離散して配置されている。複数のビット線拡散層11の各々の上にはビット線絶縁膜12が配置されており、P型ウェル2上におけるビット線拡散層11が配置されていない部分には、ONO絶縁膜(電荷トラップ膜)4及び第1ゲート電極5が下から順に配置されている。ビット線絶縁膜12及び第1ゲート電極5の上には、第2ゲート電極6、層間絶縁膜9及び紫外線遮光膜21が下から順に配置されている。
図16(b)は、図15におけるXVIb-XVIb線の断面図である。
図16(b)に示すように、半導体基板1上には、P型ウェル2が形成され、P型ウェル2の表面には、複数のビット線拡散層11が互いに離散して配置されている。複数のビット線拡散層11の各々の上にはビット線絶縁膜12が配置されており、P型ウェル2上におけるビット線拡散層11が配置されていない部分には、ONO絶縁膜4が形成されている。ビット線絶縁膜12及びONO絶縁膜4の上には、X方向に延伸するワード線のサイドウォール絶縁膜7、層間絶縁膜9及び紫外線遮光膜21が下から順に配置されている。なお、サイドウォール絶縁膜7としては、隣り合うワード線間を埋め込むように形成されており、シリコン窒化膜又はシリコン酸化膜からなり、例えばその膜厚は70nm程度である。
図16(c)は、図15におけるXVIc-XVIc線の断面図である。
図16(c)に示すように、半導体基板1上には、P型ウェル2が形成され、P型ウェル2の表面には、複数のコンタクト拡散層13が互いに離散して配置されている。複数のコンタクト拡散層13の各々の間には、素子分離絶縁膜3が配置されている。コンタクト拡散層13及び素子分離絶縁膜3上には、層間絶縁膜9及び紫外線遮光膜21が下から順に配置されており、また、コンタクト拡散層13上には、層間絶縁膜9及び紫外線遮光膜21を貫通し、コンタクト拡散層13と電気的に接続するするコンタクト電極8が配置されている。
一般的には、コンタクト拡散層13は、砒素又は砒素とリンとで形成され、一例として、素子分離絶縁膜3は膜厚400nmのCVDシリコン酸化膜で形成され、コンタクト電極8はチタンナイトライドに被覆されたタングステンで形成されている。
図17(a)は、図15におけるXVIIa-XVIIa線の断面図である。
図17(a)に示すように、半導体基板1上には、P型ウェル2が形成され、P型ウェル2の表面には、ビット線拡散層11及びコンタクト拡散層13が配置されている。ビット線拡散層11上にはビット線絶縁膜12が配置されている。ビット線絶縁膜12上には、複数の第2ゲート電極6と、該複数の第2ゲート電極の各々に挟まれたサイドウォール絶縁膜7とが配置されている。一方、コンタクト拡散層13上には、層間絶縁膜9及び紫外線遮光膜21が配置されていると共に、該層間絶縁膜9及び紫外線遮光膜21を貫通するコンタクト電極8が配置されている。
ここで、コンタクト拡散層13は、サイドウォール絶縁膜7及び第2ゲート電極6をマスクにして注入されるため、図中一番左側に配置されたサイドウォール絶縁膜7に対して自己整合的に形成される。なお、ビット線拡散層11とコンタクト拡散層13は同一の拡散層で、同時に形成されていても構わない。
図17(b)は、図15におけるXVIIb-XVIIb線の断面図である。
図17(b)に示すように、半導体基板1上には、P型ウェル2が形成され、P型ウェル2中に素子分離絶縁膜3が形成されている。P型ウェル2及び素子分離絶縁膜3上には、ONO絶縁膜4、その上に第1ゲート電極5と第2ゲート電極6からなる積層ゲート電極、及び、該積層ゲート電極間に挟まれたサイドウォール絶縁膜7とが配置されている。また、これらの上部には層間絶縁膜9及び紫外線遮光膜21が配置されている。
次に、図18(a)〜(c)、図19(a)〜(c)、図20(a)〜(c)、図21(a)〜(c)、及び図22(a)〜(c)を用いて、従来の半導体記憶装置の製造方法について説明する。なお、図18(a)、図19(a)、図20(a)、図21(a)及び図22(a)は、図15におけるXVIa-XVIa線の断面に対応しており、図18(b)、図19(b)、図20(b)、図21(b)、及び図22(b)は、図15におけるXVIb-XVIb線の断面に対応しており、図18(c)、図19(c)、図20(c)、及び図21(c)及び図22(c)は、図15におけるXVIc-XVIc線の断面に対応している。
まず、図18(a)〜(c)に示すように、半導体基板上1に、トレンチ法を用いて素子分離絶縁膜3を形成した後、P型ウェル形成マスクを用いて、半導体基板1に、P型ウェル2をイオン注入法により形成する。続いて、P型ウェル2の上に、ONO絶縁膜形成膜(電荷トラップ膜形成膜)4a、第1ゲート電極形成用導電膜5aを下から順に形成する。
次に、図19(a)〜(c)に示すように、第1ゲート電極形成マスクを用いて、第1ゲート電極形成用導電膜5a及びONO絶縁膜形成膜4aを選択的にエッチング除去して、第1ゲート電極5及びONO絶縁膜(電荷トラップ膜)4を形成する。続いて、該第1ゲート電極5をマスクとしてイオン注入法を用いて、P型ウェル2中にビット線拡散層11を形成する。続いて、第1ゲート電極5及びONO絶縁膜形成膜4aが除去された部分に、CMP(Chemical Mechanical Polishing)法又はエッチバック法を用いて、ビット線絶縁膜12を埋め込む。
次に、図20(a)〜(c)に示すように、第2ゲート電極形成用導電膜を堆積した後、第2ゲート電極形成マスクを用いて第2ゲート電極6及び第1ゲート電極5を加工し、ワード線を形成する。
次に、図21(a)〜(c)に示すように、第2ゲート電極6及び第1ゲート電極5の側壁上にサイドウォール絶縁膜形成用絶縁膜を堆積し、異方性エッチングにより、サイドウォール絶縁膜7、ビット線絶縁膜12、及びONO絶縁膜4をエッチング加工する。これにより、ワード線電極間はサイドウォール絶縁膜7によって埋め込まれている。続いて、図中一番左側のサイドウォール絶縁膜7に対して自己整合的に、P型ウェル2中にコンタクト拡散層13を形成する。
次に、図22(a)〜(c)に示すように、半導体基板1上方の全体に亘って層間絶縁膜9を堆積し、CMP法を用いて層間絶縁膜9の上部を平坦化した後、紫外線遮光膜21を堆積する。続いて、コンタクト電極形成マスクを用いて、紫外線遮光膜21及び層間絶縁膜9を貫通してコンタクト拡散層13に到達するコンタクトホールを形成し、CVD法によってタングステンをコンタクトホールに埋め込み、CMP法によって紫外線遮光膜9上にあるタングステンを除去することにより、コンタクト電極8を形成する。
なお、その後は、第1層メタル電極以降の配線工程を経て完成するが、一般的な製法であるため、その説明はここでは省略する。
このように、電荷トラップ膜となるONO絶縁膜4を含むメモリセルは、コンタクト電極8の形成後は、紫外線を透過しにくい紫外線遮光膜21とコンタクト電極8とにより、紫外線は完全に遮光されている。このため、コンタクト電極8が形成された以降の工程で発生する紫外線の影響を受けにくい構造となっている。
しかしながら、上記従来の半導体記憶装置及びその製造方法では、コンタクトホールそのものを形成するときに発生する紫外線の影響により、メモリセルの初期しきい値電圧が上昇するという問題がある。このため、コンタクトホール近傍に配置されるメモリセルは初期しきい値電圧が上昇する。特にコンタクトホールに隣り合うワード線から構成されるメモリセルの初期しきい値電圧の上昇量は大きいため、コンタクトホールに隣り合うワード線は事実上メモリセルとして使用できないため、上記従来例のようにダミーワード線として用いらざるを得ない。その結果、メモリセルアレイ面積が増大するという問題を伴う。
前記に鑑み、本発明の目的は、コンタクトホールを形成するときに発生する紫外線の影響を抑制できる構造を備えた半導体記憶装置及びその製造方法を提供することである。これにより、ビット線コンタクト部の近傍に配置されるメモリセルの初期しきい値電圧が上昇することを防止できる半導体記憶装置及びその製造方法を提供することである。
上記の目的を達成するために、本発明の一側面の半導体記憶装置及びその製造方法は、ビット線コンタクトとこれに隣り合うゲート電極との間に、ビット線絶縁膜の端部を覆う第1の紫外線遮光膜を配置すると共に、メモリセルアレイの上方に第2の紫外線遮光膜を配置することにより、メモリセルアレイが紫外線遮光膜で覆われる構造とするものである。
具体的には、半導体記憶装置は、半導体領域に形成され、各々が、互いに並んで列方向に延伸する複数のビット線拡散層と、各々が、複数のビット線拡散層の各々の上に形成された複数のビット線絶縁膜と、半導体領域上に、各々が、互いに隣り合うビット線絶縁膜同士の間に形成された複数の電荷トラップ膜と、半導体領域上に、各々が、行方向に並んで配置された複数の電荷トラップ膜上及び複数のビット線絶縁膜上を覆うように形成され、且つ、互いに並んで行方向に延伸する複数のワード線と、半導体領域上に、各々が、複数のビット線拡散層の各々の端部の延長上に配置され、且つ、複数のビット線拡散層の各々と電気的に接続するように形成された複数のコンタクト拡散層と、半導体領域上に、複数のビット線拡散層、複数のビット線絶縁膜、複数の電荷トラップ膜、複数のワード線、及び複数のコンタクト拡散層を覆うように形成された層間絶縁膜と、複数のコンタクト拡散層の上に、各々が、複数のコンタクト拡散層の各々と電気的に接続するように層間絶縁膜に形成された複数のビット線コンタクトと、複数のビット線コンタクトの各々と、複数のワード線のうち複数のビット線コンタクトに最も近いワード線との間に位置するように、層間絶縁膜に形成された第1の遮光膜と、層間絶縁膜上に、複数のワード線の各々と複数のビット線拡散層の各々とが行列状に配置されてなるメモリセルアレイ領域上を覆うように形成された第2の遮光膜とを備えており、第1の遮光膜は、複数のワード線のうちビット線コンタクトに最も近いワード線におけるビット線コンタクトに近い側の側面を覆っており、第1の遮光膜上における少なくとも一部と第2の遮光膜とは、平面的に見て、重なっている。
本発明の一側面の半導体記憶装置において、第1の遮光膜は、複数のワード線のうちビット線コンタクトに最も近いワード線に並行して行方向に延伸するように形成されていることが好ましい。
本発明の一側面の半導体記憶装置において、第1の遮光膜は、複数のビット線コンタクトの各々からなる全体の周囲を囲むように形成されていることが好ましい。
本発明の一側面の半導体記憶装置において、第1の遮光膜の下面における少なくとも一部は、ビット線絶縁膜の上面位置よりも低い位置まで延伸して配置されていることが好ましい。
本発明の一側面の半導体記憶装置において、第1の遮光膜の下面と半導体領域との間には、絶縁膜が介在していることが好ましい。
本発明の一側面の半導体記憶装置において、第1の遮光膜の下面は、ビット線絶縁膜の下面位置まで延伸して配置されていることが好ましい。
本発明の一側面の半導体記憶装置において、第1の遮光膜の上面における少なくとも一部は、第2の遮光膜の下面に接していることが好ましい。
本発明の一側面の半導体記憶装置において、第1の遮光膜と第2の遮光膜とは、同じ材料からなることが好ましい。
本発明の一側面の半導体記憶装置において、第1の遮光膜及び第2の遮光膜は、シリコン、酸化シリコン、窒化シリコン、炭化シリコン、窒素を含む炭化シリコン、炭素を含む酸化シリコン、チタン、窒化チタン、アルミニウム、銅、及びタングステンからなる群から選択されたいずれか1つからなる単層構造又は複数からなる積層構造を有していることが好ましい。
本発明の一側面の半導体記憶装置の製造方法は、半導体領域上に電荷トラップ膜形成膜を形成する工程(a)と、電荷トラップ膜形成膜に開口部を形成することにより、各々が列方向に延伸する複数の電荷トラップ膜を形成すると共に、開口部を介して半導体領域における上部に、各々が互いに並んで列方向に延伸する複数のビット線拡散層を形成する工程(b)と、複数のビット線拡散層の上に複数のビット線絶縁膜を形成する工程(c)と、半導体領域上に、行方向に並んで配列された複数の電荷トラップ膜上及び複数のビット線絶縁膜上を覆うと共に複数のビット線拡散層と交差するように、各々が互いに並んで行方向に延伸する複数のワード線を形成する工程(d)と、半導体領域上に、各々が、複数のビット線拡散層の各々の端部の延長上に配置され、且つ、複数のビット線拡散層の各々と電気的に接続するように、複数のコンタクト拡散層を形成する工程(e)と、半導体領域上に、複数のビット線拡散層、複数のビット線絶縁膜、複数の電荷トラップ膜、複数のワード線、及び複数のコンタクト拡散層を覆うように、層間絶縁膜を形成する工程(f)と、層間絶縁膜に、複数のコンタクト拡散層の各々を跨ぐと共に、複数のワード線の各々と並行し且つ複数のワード線のうち複数のコンタクト拡散層に最も近いワード線に隣り合うように、溝部を形成する工程(g)と、溝部内に第1の遮光膜を形成する工程(h)と、層間絶縁膜上及び第1の遮光膜上を覆う第2の遮光膜を形成する工程(i)と、層間絶縁膜及び第2の遮光膜に、各々が、第1の遮光膜に対して複数のワード線のうちの複数のコンタクト拡散層の各々に最も近いワード線と反対側に位置するように、複数のコンタクト拡散層の各々を露出する複数のコンタクトホールを形成する工程(j)と、複数のコンタクトホールの内部に、各々が、複数のコンタクト拡散層の各々と電気的に接続する複数のビット線コンタクトを形成する工程(k)とを備えることが好ましい。
本発明の一側面の半導体記憶装置の製造方法において、工程(h)及び工程(i)は、単一の工程であることが好ましい。
本発明の一側面の半導体記憶装置の製造方法において、工程(g)は、下面の少なくとも一部が、少なくともビット線絶縁膜の上面位置よりも低い位置になるように、溝部を形成する工程を含むことが好ましい。
本発明の一側面の半導体記憶装置の製造方法において、工程(g)は、下面が、ビット線絶縁膜の下面位置まで到達するように、溝部を形成する工程を含むことが好ましい。
本発明の一側面の半導体記憶装置の製造方法において、第1の遮光膜及び第2の遮光膜は、シリコン、酸化シリコン、窒化シリコン、炭化シリコン、窒素を含む炭化シリコン、炭素を含む酸化シリコン、チタン、窒化チタン、アルミニウム、銅、及びタングステンからなる群から選択されたいずれか1つからなる単層構造又は複数からなる積層構造を有していることが好ましい。
本発明に係る半導体記憶装置及びその製造方法によると、ビット線コンタクトを形成する工程において発生する紫外線が、メモリセルの電荷トラップ膜となるONO絶縁膜に到達することを防止できる。このため、コンタクトホールに隣り合うワード線から構成されるメモリセルを含めて、メモリセルの初期しきい値電圧が上昇することを抑制できる。その結果、安定した特性が得られる。さらに、コンタクトホールに隣り合うワード線から構成されるメモリセルを実際のメモリセルとして使用することが可能になり、メモリセルアレイ面積を縮小することができる。
以下では、図面及び詳細な説明をもって本発明の技術的思想を明確に説明するものであり、当該技術分野におけるいずれの当業者であれば、本発明の好ましい実施例を理解した後に、本発明が開示する技術により、変更及び付加を加えることが可能であり、これは本発明の技術的思想及び範囲を逸脱するものではない。また、本発明の趣旨を逸脱しない限り、下記の複数の実施例を組み合わせることも可能である。
以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
図1に示すように、複数の第2ゲート電極6がX方向(行方向:紙面に向かって左右方向)に互いに並んで(並列して)延伸し、ビット線拡散層に電気的に接続するコンタクト電極8(ビット線コンタクト)に近い方から順に、紫外線遮光膜22、並びに、各々が第2ゲート電極6としてのワード線WL−0、ワード線WL−1、及びワード線WL−2が配置されている。コンタクト電極8はコンタクト拡散層13上に配置されており、X方向に隣り合うコンタクト拡散層13は素子分離絶縁膜3によって絶縁されている。なお、図1には示していないが、Y方向(列方向:紙面に向かって上下方向)にはコンタクト拡散層13に接続されたビット線拡散層11が延伸している。つまり、コンタクト拡散層13は、ビット線拡散層11の延長上に形成され、該ビット線拡散層11と電気的に接続されている。
このように、本実施形態の半導体記憶装置の平面構造は、コンタクト電極8とコンタクト電極8に隣り合う(最も近い)第2ゲート電極6との間に、該第2ゲート電極6と並行して紫外線遮光膜22が配置されている点、さらに、コンタクト電極8に隣り合う(最も近い)第2ゲート電極6が、ダミーワード線ではなく、実際に使用するメモリセルからなるワード線WL−0である点で、従来の半導体記憶装置の平面構造(図15)と比較して異なっている。
なお、別の加工上に理由などにより、コンタクト電極8に隣り合う(最も近い)第2ゲート電極6としてダミーワード線を用いる場合があることは言うまでもない。また、紫外線遮光膜22は各ワード線に平行に一直線上に配置されているが、コンタクト電極8の全体を囲むように配置されていても良い。
図2(a)及び(b)は、本発明の一実施形態に係る半導体記憶装置の断面構造を示す図であって、(a)は図1におけるIIa-IIa線の断面図であり、(b)は図1におけるIIb-IIb線の断面図である。なお、図1におけるXVIa-XVIa線、XVIb-XVIb線、及びXVIc-XVIc線に対応する断面構造は、上述で図16(a)、図16(b)、及び図16(c)を用いて説明した構造と同様であるからその説明は繰り返さない。よって、以下では、本発明の第1の実施形態に係る半導体記憶装置の構造上の特徴を示すIIa-IIa線断面及びIIb-IIb線断面について図2(a)及び(b)を用いて説明する。
図2(a)に示す断面において、半導体基板1上には、P型ウェル2が形成され、P型ウェル2の表面には、ビット線拡散層11及びコンタクト拡散層13が配置されている。ビット線拡散層11上には、ビット線絶縁膜12が配置されている。ビット線絶縁膜12上には、複数の第2のゲート電極6の側面に形成されていると共に、複数の第2ゲート電極6と該複数の第2ゲート電極5の各々の間に埋め込まれて形成されたサイドウォール絶縁膜7とが配置されている。コンタクト拡散層13、サイドウォール絶縁膜7及び複数の第2ゲート電極6上には、層間絶縁膜9及び紫外線遮光膜21が配置されている。層間絶縁膜9及び紫外線遮光膜21中には、該層間絶縁膜9及び紫外線遮光膜21を貫通してコンタクト拡散層13の上面に到達するコンタクト電極8が配置されている。さらに、層間絶縁膜9中には、コンタクト電極8と該コンタクト電極8に隣り合う(最も近い)第2ゲート電極6との間に位置すると共に、該層間絶縁膜9を貫通し、上端が紫外線遮光膜21に接続すると共に下端がコンタクト拡散層13に接続する紫外線遮光膜22が配置されている。ここでは、紫外線遮光膜22の全部と紫外線遮光膜21とは、平面的に見て、重なっているが、例えば、後述する図5などのように、紫外線遮光膜22の少なくとも一部が、平面的に見て、紫外線遮光膜21と重なっている構成であればよい。
ここで、コンタクト拡散層13は、サイドウォール絶縁膜7及び第2ゲート電極6をマスクに用いたイオン注入により形成されるため、図中一番左側のサイドウォール絶縁膜7に自己整合的に形成される。
また、図2(b)に示す断面において、半導体基板1上には、P型ウェル2が形成され、P型ウェル2中には、素子分離絶縁膜3が形成されている。P型ウェル2上には、ONO絶縁膜4が形成され、該ONO絶縁膜4上には、第1ゲート電極5及び第2ゲート電極6からなる複数の積層ゲート電極、並びに、該積層ゲート電極の側面に形成されていると共に積層ゲート電極間に埋め込まれて形成されたサイドウォール絶縁膜7が配置されている。また、素子分離絶縁膜3、サイドウォール絶縁膜7及び複数の第2ゲート電極6上には、層間絶縁膜9及び紫外線遮光膜21が下から順に配置されている。さらに、層間絶縁膜9中には、該層間絶縁膜9を貫通し、上端が紫外線遮光膜21に接続すると共に下端が素子分離絶縁膜3に接続する紫外線遮光膜22が配置されている。ここでは、紫外線遮光膜22の全部と紫外線遮光膜21とは、平面的に見て、重なっているが、例えば、後述する図5などのように、紫外線遮光膜22の少なくとも一部が、平面的に見て、紫外線遮光膜21と重なっている構成であればよい。
なお、一般的に、ビット線拡散層11は、砒素又は砒素とリンとで形成され、ビット線絶縁膜12は、膜厚約50nmのCVD(Chemical Vapor Deposition)シリコン酸化膜で形成され、ONO絶縁膜4は、膜厚約5nmのシリコン酸化膜、膜厚約5nmのシリコン窒化膜、及び膜厚約10nmのシリコン酸化膜が下から順に形成されてなり、第1ゲート電極5は、膜厚約50nmのn+型ポリシリコンで形成され、第2ゲート電極6は、膜厚約150nmのn+型ポリシリコンで形成され、層間絶縁膜9は、膜厚約1000nmのCVDシリコン酸化膜で形成されている。
また、紫外線遮光膜21及び紫外線遮光膜22は、図面に向かって水平方向において、30nmから200nm程度の膜厚を有し、Si(アモルファス、ポリシリコン、及び単結晶状態などを含む)、SiO(酸化シリコン)、SiN(窒化シリコン)、SiC(炭化シリコン)、SiCN(窒素を含む炭化シリコン)、SiOC(炭素を含む酸化シリコン)、Ti(チタン)、TiN(窒化チタン)、Al(アルミニウム)、Cu(銅)、及びW(タングステン)からなる群のうちから選択されるいずれかひとつの単層構造の膜、又は、複数種類の積層構造の膜によって形成されている。
また、紫外線遮光膜21及び紫外線遮光膜22を構成する例えばSiOなどのSiを含む膜は完全な遮光性を有していないため、Siの組成比を多くすることにより紫外線遮光能力は高まるが、膜厚などに応じてその組成を調整することもできる。なお、紫外線遮光膜21及び紫外線遮光膜22としてのSi膜は、約60nm程度の膜厚でほぼ完全な遮光性を得られるが、構造に応じてリンをドープしても良いし、絶縁性を高めたい構造の場合はノンドープ状態で用いればよい。
また、紫外線遮光膜21及び紫外線遮光膜22として、構造的に導電体を用いても良い場合には、例えばTi、TiN、Al、Cu、又はWなどの金属導体からなる膜を用いることができる。一般的に、金属は紫外線遮光性が高く、金、銀、又はプラチナなどを用いても良いが、ここでは、現時点で一般的な半導体プロセスで用いられる金属膜を例としてあげている。
また、図1においては、紫外線遮光膜22の下端はコンタクト拡散層13の上面に接し、上端は第2の紫外線遮光膜21の上面に接しているが、これらの界面には50nm程度の隙間を有していても良いし、他の膜を間に挟んで配置されていても良い。これは、一般にMONOSメモリのしきい値電圧を上昇させる紫外線の波長は250nm前後と言われているため、50nm程度の隙間であれば光の回折現象及び偏光現象を考慮しても、メモリセルへの影響は軽微であるからである。
また、紫外線は、ビット線絶縁膜12、層間絶縁膜9、及びサイドウォール絶縁膜7を介して、メモリセルのONO絶縁膜4へ侵入する。このため、メモリセルの上方を紫外線遮光膜21で覆うだけではなく、本実施形態のように、ビット線絶縁膜12の側方(側面)を紫外線遮光膜22で覆うことが重要である。
一般に、ビット線絶縁膜12の膜厚は50nm程度であるため、紫外線遮光膜22の下面は、ビット線絶縁膜12の上面位置よりも低い位置に存在するように延伸して形成されていれば、十分な遮光能力が得られると考えて良い。なお、本実施形態では、紫外線遮光膜22の下面がビット線絶縁膜12の下面まで延伸して形成されている。
また、紫外線遮光膜21の形成方法として、第2ゲート電極6、サイドウォール絶縁膜7、ビット線絶縁膜12、及びコンタクト拡散層13の上に直接、ライナー膜状に堆積する方法も可能であるが、この場合は、堆積できる膜種が紫外線遮光能力の低い絶縁膜に限定され、且つ、応力ストレスを考慮すると膜厚も厚くできないため、実用的な紫外線遮光能力が得られない。このため、層間絶縁膜9を挟んだ構造となるように紫外線遮光膜21を配置する方が総合的に望ましい。
また、本実施形態では、トラップ絶縁膜としてONO絶縁膜4を用いているが、他の構造でも良い。例えば、ONO絶縁膜4を構成する上層側のシリコン酸化膜の代わりに、high−k絶縁膜などを用いることもできる。
また、本実施形態では、MONOS型メモリの場合を例にして説明したが、MONOS型以外のメモリであっても、製造工程中の紫外線による影響を受けやすいメモリであれば、本発明を適用することができる。ただし、現時点では、そのようなメモリとしては、一般的にはMONOSメモリしか知られていない。研究段階では、Siナノドットメモリも同様に紫外線の影響を受けると考えられるが、現時点では実用化には至っていない。将来的には、本発明の適用の可能性がある。
また、本実施形態において、ビット線拡散層11とコンタクト拡散層13とは、単一の工程にて形成される同一の拡散層からなる構成でも構わない。また、素子分離膜を用いない構成であっても構わない。
また、本実施形態において、ビット線絶縁膜12は、製造方法によっては、ONO絶縁膜4そのもので代用できる場合もある。
また、本実施形態において、P型ウェル2の代わりにN型ウェルを用いることもできるが、この場合は、メモリセルがPMOS型となり、ビット線拡散層11又はコンタクト拡散層13はP型拡散層で構成される。
また、本実施形態において、第1ゲート電極5及び第2ゲート電極6からなる積層構造のゲート電極の代わりに、単層構造のゲート電極を用いても良いし、さらに、積層構造及び単層構造のいずれの場合においても、ゲート電極の上部にシリサイド構造を用いても良い。
−半導体記憶装置の製造方法−
次に、本発明の一実施形態に係る上記の半導体記憶装置の製造方法について説明する。
次に、本発明の一実施形態に係る上記の半導体記憶装置の製造方法について説明する。
図3(a)〜(c)及び図4(a)〜(c)は、本発明の第1の実施形態に係る半導体記憶装置の製造方法を工程順に示している。なお、図3(a)及び図4(a)は、図1におけるXVIa-XVIa線の断面に対応しており、図3(b)及び図4(b)は、図1におけるIIa-IIa線の断面に対応しており、図3(c)及び図4(c)は、図1におけるIIb-IIb線の断面に対応している。
まず、図18(a)〜(c)、図19(a)〜(c)、図20(a)〜(c)、及び図21(a)〜(c)を用いた説明と同様の工程を行う。なお、その具体的な説明はここでは繰り返さない。
次に、図3(a)〜(c)に示すように、半導体基板1上に層間絶縁膜9を堆積し、CMP法を用いて層間絶縁膜9の上部を平坦化する。続いて、層間絶縁膜9に、素子分離絶縁膜3及びコンタクト拡散層13を露出する溝部を形成し、該溝部の内部及び層間絶縁膜9上に紫外線遮光膜22を堆積した後、CMP法又はエッチバック法により、紫外線遮光膜22が溝部内にのみ残存するように加工する。
次に、図4(a)〜(c)に示すように、層間絶縁膜9及び紫外線遮光膜22の上に、紫外線遮光膜21を堆積した後、該紫外線遮光膜21及び層間絶縁膜9中に、コンタクト拡散層13に到達するコンタクトホールを形成する。続いて、該コンタクトホールの内部及び紫外線遮光膜21上に導電膜を堆積した後、CMP法又はエッチバック法により、導電膜がコンタクトホール内にのみ残存するように加工して、コンタクト電極8を形成する。
なお、その後は、第1層メタル電極以降の配線工程を経て完成するが、一般的な製法であるため、その説明はここでは省略する。
以上説明したように、本発明の半導体記憶装置の構造及びその製造方法によると、コンタクト電極8を配置するためのコンタクトホールを形成する前に、紫外線遮光膜21及び22によってメモリセルを完全に取り囲む構造を実現できるため、コンタクトホール形成時に発生する紫外線のメモリセルへの影響(つまり、メモリセルの電荷トラップ膜となるONO絶縁膜4に紫外線が到達すること)を抑制することができる。したがって、コンタクト電極8に隣り合う(最も近い)ワード線から構成されるメモリセルを含めて、メモリセルの初期しきい値電圧の上昇を抑制することができる。さらに、コンタクト電極8に隣り合う(最も近い)ワード線から構成されるメモリセルを実際のメモリセルとして使用することが可能になり、メモリセルアレイ面積を縮小することができる。
−変形例−
以下に、本実施形態に係る上記の半導体記憶装置の構造の各変形例について説明する。
以下に、本実施形態に係る上記の半導体記憶装置の構造の各変形例について説明する。
図5は、本発明の一実施形態における変形例1に係る半導体記憶装置の断面構造図である。
図5の構造では、紫外線遮光膜21が、コンタクト電極8に接しないように、あらかじめ加工された構造を有している。このような構造によると、紫外線遮光膜21としてTiなどの導電体膜を用いる場合であっても、コンタクト電極8同士の短絡が生じない。さらに、一般に導電体膜からなる紫外線遮光膜21の方が、上述したSiを含む膜などと比較して、薄い膜厚であっても紫外線遮光能力は高いため、図5の構造を採用することにより、より完全な紫外線遮光が実現される。
また、図6は、本発明の一実施形態における変形例2に係る半導体記憶装置の断面構造図である。
図6の構造は、紫外線遮光膜21上に、層間絶縁膜10がさらに堆積された構造である。このような構造によると、コンタクト電極8を形成する工程において、紫外線遮光膜21の上面が削られることがないため、紫外線遮光膜21の膜厚として安定した膜厚が得られる。
また、図7は、本発明の一実施形態における変形例3に係る半導体記憶装置の断面構造図である。
図7の構造は、紫外線遮光膜21と紫外線遮光膜22とが単一の工程にて一体的に形成された構造である。このような構造によると、製造工程を簡略化することができる。
また、図8は、本発明の一実施形態における変形例4に係る半導体記憶装置の断面構造図である。
図8の構造は、紫外線遮光膜22bが溝部の底部及び側壁部に沿って形成されており、溝部内に完全に埋め込まれておらず、その開口部は層間絶縁膜10aによって埋め込まれた構造である。
また、図9は、本発明の一実施形態における変形例5に係る半導体記憶装置の断面構造図である。
図9の構造は、紫外線遮光膜22とコンタクト拡散層13との間に、コンタクトライナー膜23が介在する構造である。つまり、コンタクトライナー膜23が、第2ゲート電極6、サイドウォール絶縁膜7、ビット線絶縁膜12、及びコンタクト拡散層13の上に形成されており、コンタクトライナー膜23は、紫外線遮光膜22の下端とコンタクト拡散層13との間に形成されており、コンタクト電極8は、コンタクトライナー膜23を貫通してコンタクト拡散層13に到達している。ここで、コンタクトライナー膜23としては、SiO、SiN、SiC、又はSiCNなどの絶縁膜が用いられ、その膜自体にある程度の紫外線遮光能力があることが望ましい。
また、図10は、本発明の一実施形態における変形例6に係る半導体記憶装置の断面構造図である。
図10の構造は、層間絶縁膜9の上面及び紫外線遮光膜22の上端と紫外線遮光膜21との間に、遮光膜ライナー膜24が介在する構造である。ここで、遮光膜ライナー膜24としては、SiO、SiN、SiC、又はSiCNなどの絶縁膜が用いられ、その膜自体にある程度の紫外線遮光能力があることが望ましい。
また、図11は、本発明の一実施形態における変形例7に係る半導体記憶装置の断面構造図である。
図11の構造は、紫外線遮光膜22の底部及び側壁部に、遮光膜ライナー膜24aが介在する構造である。つまり、遮光膜ライナー膜24aは、紫外線遮光膜22の底部とコンタクト拡散層13との間、及び、紫外線遮光膜22の側壁部と層間絶縁膜9との間に形成されている。ここで、遮光膜ライナー膜24aとしては、同様に、SiO、SiN、SiC、又はSiCNなどの絶縁膜が用いられ、その膜自体にある程度の紫外線遮光能力があることが望ましい。
また、図12は、本発明の一実施形態における変形例8に係る半導体記憶装置の断面構造図である。
図12の構造は、上記図10及び図11の組み合わせのような構造であって、層間絶縁膜9の上面、並びに、紫外線遮光膜22の底部及び側壁部に、遮光膜ライナー膜24が介在する。
また、図13は、本発明の一実施形態における変形例9に係る半導体記憶装置の断面構造図である。
図13の構造は、紫外線遮光膜22cは、少なくともその一部がビット線絶縁膜12の側方(側面)に形成されている構造である。さらに、図13のように、紫外線遮光膜22cの他の部分が第2ゲート電極6上にその一部が配置されている構造でも構わない。
また、図14は、本発明の一実施形態における変形例10に係る半導体記憶装置の断面構造図である。
図14の構造は、上記図5〜図13の構造を適宜組み合わせたような構造であって、コンタクトライナー膜23がコンタクト拡散層13上に形成され、遮光膜ライナー膜24c及び紫外線遮光膜22dが下から順に、溝部の底部及び側壁部並びに層間絶縁膜9の上面に形成されており、該紫外線遮光膜22cの一部が少なくともビット線絶縁膜12の側方(側面)を覆うように形成されており、さらに、該溝部は、層間絶縁膜10bによって埋め込まれている構造である。ここで、紫外線遮光膜22dは、上述の導電体膜からなることが望ましい。
本発明は、コンタクトホール形成工程以降における工程中に発生する紫外線によるメモリセルの初期しきい値電圧の上昇を防止できるものであって、特に、MONOS型メモリの構造及びその製造方法にとって有用である。
1 半導体基板
2 P型ウェル
3 素子分離絶縁膜
4a ONO絶縁膜形成膜(電荷トラップ膜形成膜)
4 ONO絶縁膜(電荷トラップ膜)
5a 第1ゲート電極形成用導電膜
5 第1ゲート電極
6 第2ゲート電極
7 サイドウォール絶縁膜
8 コンタクト電極(ビット線コンタクト)
9 層間絶縁膜
10 層間絶縁膜
11 ビット線拡散層
12 ビット線絶縁膜
13 コンタクト拡散層
14 紫外線遮光膜
21 紫外線遮光膜
22、22a、22b、22c、22d 紫外線遮光膜
23 コンタクトライナー膜
24、24a、24b、24c 遮光膜ライナー膜
2 P型ウェル
3 素子分離絶縁膜
4a ONO絶縁膜形成膜(電荷トラップ膜形成膜)
4 ONO絶縁膜(電荷トラップ膜)
5a 第1ゲート電極形成用導電膜
5 第1ゲート電極
6 第2ゲート電極
7 サイドウォール絶縁膜
8 コンタクト電極(ビット線コンタクト)
9 層間絶縁膜
10 層間絶縁膜
11 ビット線拡散層
12 ビット線絶縁膜
13 コンタクト拡散層
14 紫外線遮光膜
21 紫外線遮光膜
22、22a、22b、22c、22d 紫外線遮光膜
23 コンタクトライナー膜
24、24a、24b、24c 遮光膜ライナー膜
Claims (14)
- 半導体領域に形成され、各々が、互いに並んで列方向に延伸する複数のビット線拡散層と、
各々が、前記複数のビット線拡散層の各々の上に形成された複数のビット線絶縁膜と、
前記半導体領域上に、各々が、互いに隣り合う前記ビット線絶縁膜同士の間に形成された複数の電荷トラップ膜と、
前記半導体領域上に、各々が、行方向に並んで配置された前記複数の電荷トラップ膜上及び前記複数のビット線絶縁膜上を覆うように形成され、且つ、互いに並んで行方向に延伸する複数のワード線と、
前記半導体領域上に、各々が、前記複数のビット線拡散層の各々の端部の延長上に配置され、且つ、前記複数のビット線拡散層の各々と電気的に接続するように形成された複数のコンタクト拡散層と、
前記半導体領域上に、前記複数のビット線拡散層、前記複数のビット線絶縁膜、前記複数の電荷トラップ膜、前記複数のワード線、及び前記複数のコンタクト拡散層を覆うように形成された層間絶縁膜と、
前記複数のコンタクト拡散層の上に、各々が、前記複数のコンタクト拡散層の各々と電気的に接続するように前記層間絶縁膜に形成された複数のビット線コンタクトと、
前記複数のビット線コンタクトの各々と、前記複数のワード線のうち前記複数のビット線コンタクトに最も近いワード線との間に位置するように、前記層間絶縁膜に形成された第1の遮光膜と、
前記層間絶縁膜上に、前記複数のワード線の各々と前記複数のビット線拡散層の各々とが行列状に配置されてなるメモリセルアレイ領域上を覆うように形成された第2の遮光膜とを備えており、
前記第1の遮光膜は、前記複数のワード線のうち前記ビット線コンタクトに最も近いワード線における前記ビット線コンタクトに近い側の側面を覆っており、
前記第1の遮光膜上における少なくとも一部と前記第2の遮光膜とは、平面的に見て、重なっている、半導体記憶装置。 - 請求項1に記載の半導体記憶装置において、
前記第1の遮光膜は、前記複数のワード線のうち前記ビット線コンタクトに最も近いワード線に並行して行方向に延伸するように形成されている、半導体記憶装置。 - 請求項1に記載の半導体記憶装置において、
前記第1の遮光膜は、前記複数のビット線コンタクトの各々からなる全体の周囲を囲むように形成されている、半導体記憶装置。 - 請求項1〜3のうちのいずれか1項に記載の半導体記憶装置において、
前記第1の遮光膜の下面における少なくとも一部は、前記ビット線絶縁膜の上面位置よりも低い位置まで延伸して配置されている、半導体記憶装置。 - 請求項4に記載の半導体記憶装置において、
前記第1の遮光膜の下面と前記半導体領域との間には、絶縁膜が介在している、半導体記憶装置。 - 請求項4に記載の半導体記憶装置において、
前記第1の遮光膜の下面は、前記ビット線絶縁膜の下面位置まで延伸して配置されている、半導体記憶装置。 - 請求項4〜6のうちのいずれか1項に記載の半導体記憶装置において、
前記第1の遮光膜の上面における少なくとも一部は、前記第2の遮光膜の下面に接している、半導体記憶装置。 - 請求項1〜7のうちのいずれか1項に記載の半導体記憶装置において、
前記第1の遮光膜と前記第2の遮光膜とは、同じ材料からなる、半導体記憶装置。 - 請求項1〜8のうちのいずれか1項に記載の半導体記憶装置において、
前記第1の遮光膜及び前記第2の遮光膜は、シリコン、酸化シリコン、窒化シリコン、炭化シリコン、窒素を含む炭化シリコン、炭素を含む酸化シリコン、チタン、窒化チタン、アルミニウム、銅、及びタングステンからなる群から選択されたいずれか1つからなる単層構造又は複数からなる積層構造を有している、半導体記憶装置。 - 半導体領域上に電荷トラップ膜形成膜を形成する工程(a)と、
前記電荷トラップ膜形成膜に開口部を形成することにより、各々が列方向に延伸する複数の電荷トラップ膜を形成すると共に、前記開口部を介して前記半導体領域における上部に、各々が互いに並んで列方向に延伸する複数のビット線拡散層を形成する工程(b)と、
前記複数のビット線拡散層の上に複数のビット線絶縁膜を形成する工程(c)と、
前記半導体領域上に、行方向に並んで配列された前記複数の電荷トラップ膜上及び前記複数のビット線絶縁膜上を覆うと共に前記複数のビット線拡散層と交差するように、各々が互いに並んで行方向に延伸する複数のワード線を形成する工程(d)と、
前記半導体領域上に、各々が、前記複数のビット線拡散層の各々の端部の延長上に配置され、且つ、前記複数のビット線拡散層の各々と電気的に接続するように、複数のコンタクト拡散層を形成する工程(e)と、
前記半導体領域上に、前記複数のビット線拡散層、前記複数のビット線絶縁膜、前記複数の電荷トラップ膜、前記複数のワード線、及び前記複数のコンタクト拡散層を覆うように、層間絶縁膜を形成する工程(f)と、
前記層間絶縁膜に、前記複数のコンタクト拡散層の各々を跨ぐと共に、前記複数のワード線の各々と並行し且つ前記複数のワード線のうち前記複数のコンタクト拡散層に最も近いワード線に隣り合うように、溝部を形成する工程(g)と、
前記溝部内に第1の遮光膜を形成する工程(h)と、
前記層間絶縁膜上及び前記第1の遮光膜上を覆う第2の遮光膜を形成する工程(i)と、
前記層間絶縁膜及び前記第2の遮光膜に、各々が、前記第1の遮光膜に対して前記複数のワード線のうちの前記複数のコンタクト拡散層の各々に最も近いワード線と反対側に位置するように、前記複数のコンタクト拡散層の各々を露出する複数のコンタクトホールを形成する工程(j)と、
前記複数のコンタクトホールの内部に、各々が、前記複数のコンタクト拡散層の各々と電気的に接続する複数のビット線コンタクトを形成する工程(k)とを備える、半導体記憶装置の製造方法。 - 請求項10に記載の半導体記憶装置の製造方法において、
前記工程(h)及び前記工程(i)は、単一の工程である、半導体記憶装置の製造方法。 - 請求項10又は11に記載の半導体記憶装置の製造方法において、
前記工程(g)は、下面の少なくとも一部が、少なくとも前記ビット線絶縁膜の上面位置よりも低い位置になるように、前記溝部を形成する工程を含む、半導体記憶装置の製造方法。 - 請求項12に記載の半導体記憶装置の製造方法において、
前記工程(g)は、下面が、前記ビット線絶縁膜の下面位置まで到達するように、前記溝部を形成する工程を含む、半導体記憶装置の製造方法。 - 請求項10〜13のうちのいずれか1項に記載の半導体記憶装置の製造方法において、
前記第1の遮光膜及び前記第2の遮光膜は、シリコン、酸化シリコン、窒化シリコン、炭化シリコン、窒素を含む炭化シリコン、炭素を含む酸化シリコン、チタン、窒化チタン、アルミニウム、銅、及びタングステンからなる群から選択されたいずれか1つからなる単層構造又は複数からなる積層構造を有している、半導体記憶装置の製造方法。
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