JP2011138945A - Nonvolatile semiconductor memory device - Google Patents

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Masahiro Kiyotoshi
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nonvolatile semiconductor memory device capable of enhancing recording density while suppressing the number of stacked memory cells as compared with before. <P>SOLUTION: The nonvolatile semiconductor memory device includes memory strings MS, in which a plurality of transistors, including charge storage layers 133 formed over side surfaces of columnar semiconductor films 131 and gate electrode films 134 formed over the charge storage layers 133, are provided in a height direction of the semiconductor films 131, and which are arranged in a matrix shape substantially perpendicularly above a semiconductor substrate 101. In the nonvolatile semiconductor memory device, the gate electrode films 134 of the transistors at same height of the memory strings MS arranged in a first direction are connected to one another, and a distance, between the semiconductor films 131 at least in a position in which the transistor is formed at an uppermost layer in the memory strings MS adjacent to each other in the first direction, is smaller than double of thickness of the charge storage layers 133. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

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.

NAND型フラッシュメモリの分野では、リソグラフィ技術の解像度の限界に制約されることなく高集積化を達成することが可能な積層型メモリが注目されている。たとえば、側面を覆うように電荷蓄積層としての絶縁膜が形成された柱状の半導体膜と交差するように高さ方向に所定の間隔をおいて平板形状の電極が複数配置されるメモリストリングスが2次元的にマトリックス状に配置され、所定の方向に隣接するメモリストリングス間で平板形状の電極が共有された構造の不揮発性半導体記憶装置が提案されている(たとえば、特許文献1参照)。   In the field of NAND flash memory, a stacked memory that can achieve high integration without being restricted by the resolution limit of lithography technology has attracted attention. For example, there are two memory strings in which a plurality of plate-like electrodes are arranged at predetermined intervals in the height direction so as to intersect a columnar semiconductor film in which an insulating film as a charge storage layer is formed so as to cover the side surface. A non-volatile semiconductor memory device having a structure in which planar electrodes are shared between memory strings that are arranged in a matrix in dimension and adjacent in a predetermined direction has been proposed (for example, see Patent Document 1).

このような不揮発性半導体記憶装置は、つぎのようにして製造される。まず、周辺回路を形成した半導体基板上に、制御ゲートとなる導電性不純物を添加した多結晶シリコン膜と、制御ゲート間の絶縁膜となる酸化ケイ素膜とを交互に複数層積層する。ついで、多結晶シリコン膜と酸化ケイ素膜からなる積層膜を貫通するようにメモリプラグホールを形成する。そして、このメモリプラグホールの内壁にのみONO膜を形成し、さらにこのメモリプラグホールを埋めるようにアモルファスシリコン層を形成し最終的に結晶化させることで、上記構造の不揮発性半導体記憶装置が得られる。   Such a nonvolatile semiconductor memory device is manufactured as follows. First, on a semiconductor substrate on which a peripheral circuit is formed, a plurality of layers of a polycrystalline silicon film to which a conductive impurity serving as a control gate is added and a silicon oxide film serving as an insulating film between the control gates are alternately stacked. Next, a memory plug hole is formed so as to penetrate the laminated film composed of the polycrystalline silicon film and the silicon oxide film. Then, an ONO film is formed only on the inner wall of the memory plug hole, an amorphous silicon layer is formed so as to fill the memory plug hole, and finally crystallized to obtain a nonvolatile semiconductor memory device having the above structure. It is done.

このように、従来の方法では、多結晶シリコン膜と酸化ケイ素膜の積層膜に形成したメモリプラグホールにONO膜を形成してから柱状のアモルファスシリコン層を形成しなければならない。そのため、電極が共有される方向の隣接するメモリストリングス間に、平板状の電極が入り込む構造となり、隣接する柱状のアモルファスシリコン層との間の距離を縮めることが困難であるという問題点があった。このように平面上でのメモリセルの配置に制約があり、セル面積の縮小化には限界があるため、記憶密度を高めるには多結晶シリコン層の積層数を増加させなければならない。たとえば、ハーフピッチの目標を20nmとした場合には、従来の構造ではハーフピッチが65〜50nm程度が微細化の限界であるので、多結晶シリコン層の積層数は10以上になってしまう。   As described above, in the conventional method, the columnar amorphous silicon layer must be formed after the ONO film is formed in the memory plug hole formed in the laminated film of the polycrystalline silicon film and the silicon oxide film. For this reason, there is a problem in that a flat electrode is inserted between adjacent memory strings in the direction in which the electrodes are shared, and it is difficult to reduce the distance between the adjacent columnar amorphous silicon layers. . As described above, the arrangement of memory cells on a plane is limited, and there is a limit to reducing the cell area. Therefore, in order to increase the storage density, the number of stacked polycrystalline silicon layers must be increased. For example, when the target of the half pitch is 20 nm, the half pitch of 65 to 50 nm is the limit of miniaturization in the conventional structure, so that the number of stacked polycrystalline silicon layers is 10 or more.

特開2008−171918号公報JP 2008-171918 A

本発明は、ゲート誘電体膜が側面に形成された柱状の半導体膜と交差するゲート電極膜が高さ方向に複数配置されるメモリストリングスが2次元的にマトリックス状に配置され、所定の方向に隣接する同じ高さのゲート電極膜が接続された構造の不揮発性半導体記憶装置において、従来に比してメモリセルの積層数を抑えながら記憶ビット密度を高めることができる不揮発性半導体記憶装置を提供することを目的とする。   According to the present invention, memory strings in which a plurality of gate electrode films intersecting a columnar semiconductor film having gate dielectric films formed on the side surfaces are arranged in a height direction are two-dimensionally arranged in a matrix, and in a predetermined direction. Provided is a nonvolatile semiconductor memory device capable of increasing the memory bit density while suppressing the number of stacked memory cells as compared with the conventional nonvolatile semiconductor memory device having a structure in which adjacent gate electrode films of the same height are connected. The purpose is to do.

本発明の一態様によれば、柱状の半導体膜の側面に形成されるゲート誘電体膜、および前記ゲート誘電体膜上に形成されるゲート電極膜を備えるトランジスタが前記半導体膜の高さ方向に複数設けられるメモリストリングスが、基板上に略垂直にマトリックス状に配置され、第1の方向に配置された前記メモリストリングスの同じ高さの前記トランジスタの前記ゲート電極膜間が接続された不揮発性半導体記憶装置において、前記第1の方向に隣接する前記メモリストリングスの少なくとも最上層の前記トランジスタ形成位置における前記半導体膜間の距離は、前記ゲート誘電体膜の厚さの2倍よりも小さいことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置が提供される。   According to one embodiment of the present invention, a transistor including a gate dielectric film formed on a side surface of a columnar semiconductor film and a gate electrode film formed on the gate dielectric film is formed in a height direction of the semiconductor film. A non-volatile semiconductor in which a plurality of memory strings are arranged in a matrix substantially vertically on a substrate, and the gate electrode films of the transistors having the same height of the memory strings arranged in a first direction are connected In the memory device, a distance between the semiconductor films in at least the uppermost layer of the memory strings adjacent in the first direction is less than twice the thickness of the gate dielectric film. A nonvolatile semiconductor memory device is provided.

本発明によれば、ゲート誘電体膜が側面に形成された柱状の半導体膜と交差するゲート電極膜が高さ方向に複数配置されるメモリストリングスが2次元的にマトリックス状に配置され、所定の方向に隣接する同じ高さのゲート電極膜が接続された構造の不揮発性半導体記憶装置において、従来に比してメモリセルの積層数を抑えながら記憶ビット密度を高めることができるという効果を奏する。   According to the present invention, memory strings in which a plurality of gate electrode films intersecting a columnar semiconductor film having gate dielectric films formed on side surfaces are arranged in a height direction are two-dimensionally arranged in a matrix, In the nonvolatile semiconductor memory device having a structure in which gate electrode films of the same height adjacent in the direction are connected, the memory bit density can be increased while the number of stacked memory cells is reduced as compared with the conventional case.

図1は、不揮発性半導体記憶装置の構造の一例を模式的に示す斜視図である。FIG. 1 is a perspective view schematically showing an example of the structure of a nonvolatile semiconductor memory device. 図2−1は、第1の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の構成の一例を模式的に示す断面図である(その1)。FIG. 2A is a cross-sectional view schematically showing an example of the configuration of the nonvolatile semiconductor memory device according to the first embodiment (part 1). 図2−2は、第1の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の構成の一例を模式的に示す断面図である(その2)。FIG. 2-2 is a cross-sectional view schematically showing an example of the configuration of the nonvolatile semiconductor memory device according to the first embodiment (part 2). 図3は、メモリセル部のメモリセルトランジスタが形成される領域の一部を切り出した斜視図である。FIG. 3 is a perspective view of a part of a region where the memory cell transistor of the memory cell portion is formed. 図4−1は、第1の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である(その1)。FIGS. 4-1 is sectional drawing which shows typically an example of the procedure of the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device by 1st Embodiment (the 1). 図4−2は、第1の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である(その2)。FIG. 4B is a sectional view schematically showing an example of the procedure of the method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device according to the first embodiment (No. 2). 図4−3は、第1の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である(その3)。FIGS. 4-3 is sectional drawing which shows typically an example of the procedure of the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device by 1st Embodiment (the 3). FIGS. 図4−4は、第1の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である(その4)。4-4 is sectional drawing which shows typically an example of the procedure of the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device by 1st Embodiment (the 4). 図4−5は、第1の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である(その5)。FIGS. 4-5 is sectional drawing which shows typically an example of the procedure of the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device by 1st Embodiment (the 5). 図4−6は、第1の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である(その6)。FIGS. 4-6 is sectional drawing which shows typically an example of the procedure of the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device by 1st Embodiment (the 6). 図4−7は、第1の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である(その7)。FIGS. 4-7 is sectional drawing which shows typically an example of the procedure of the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device by 1st Embodiment (the 7). 図4−8は、第1の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である(その8)。FIGS. 4-8 is sectional drawing which shows typically an example of the procedure of the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device by 1st Embodiment (the 8). 図4−9は、第1の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である(その9)。4-9 is sectional drawing which shows typically an example of the procedure of the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device by 1st Embodiment (the 9). 図4−10は、第1の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である(その10)。4-10 is sectional drawing which shows typically an example of the procedure of the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device by 1st Embodiment (the 10). 図5−1は、第2の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の構成の一例を模式的に示す断面図である(その1)。FIG. 5A is a cross-sectional view schematically showing an example of the configuration of the nonvolatile semiconductor memory device according to the second embodiment (part 1). 図5−2は、第2の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の構成の一例を模式的に示す断面図である(その2)。FIG. 5-2 is a sectional view schematically showing an example of the configuration of the nonvolatile semiconductor memory device according to the second embodiment (No. 2). 図6−1は、第2の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である(その1)。FIGS. 6-1 is sectional drawing which shows typically an example of the procedure of the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device by 2nd Embodiment (the 1). 図6−2は、第2の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である(その2)。FIG. 6B is a cross-sectional view schematically showing an example of the procedure of the method of manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device according to the second embodiment (No. 2). 図6−3は、第2の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である(その3)。6-3 is sectional drawing which shows typically an example of the procedure of the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device by 2nd Embodiment (the 3). 図6−4は、第2の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である(その4)。6-4 is sectional drawing which shows typically an example of the procedure of the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device by 2nd Embodiment (the 4). 図6−5は、第2の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である(その5)。6-5 is sectional drawing which shows typically an example of the procedure of the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device by 2nd Embodiment (the 5). 図6−6は、第2の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である(その6)。6-6 is sectional drawing which shows typically an example of the procedure of the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device by 2nd Embodiment (the 6). 図6−7は、第2の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である(その7)。6-7 is sectional drawing which shows typically an example of the procedure of the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device by 2nd Embodiment (the 7). 図6−8は、第2の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である(その8)。6-8 is sectional drawing which shows typically an example of the procedure of the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device by 2nd Embodiment (the 8). 図6−9は、第2の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である(その9)。6-9 is sectional drawing which shows typically an example of the procedure of the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device by 2nd Embodiment (the 9). 図6−10は、第2の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である(その10)。6-10 is sectional drawing which shows typically an example of the procedure of the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device by 2nd Embodiment (the 10). 図7は、本発明の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置のメモリセルの構造の一例を模式的に示す断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing an example of the structure of the memory cell of the nonvolatile semiconductor memory device according to the embodiment of the present invention. 図8は、半導体膜の配置方法の一例を示す図である。FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a semiconductor film arrangement method. 図9は、第1と第2の実施の形態の構造を有する不揮発性半導体記憶装置のスケーリングシナリオの一例を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing an example of a scaling scenario of the nonvolatile semiconductor memory device having the structures of the first and second embodiments. 図10は、第4の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置のメモリセル部とワード線コンタクト部の一部を切り出した斜視図である。FIG. 10 is a perspective view of a part of the memory cell portion and the word line contact portion of the nonvolatile semiconductor memory device according to the fourth embodiment. 図11−1は、第4の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の構成の一例を模式的に示す断面図である(その1)。FIG. 11A is a cross-sectional view schematically showing an example of the configuration of the nonvolatile semiconductor memory device according to the fourth embodiment (part 1). 図11−2は、第4の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の構成の一例を模式的に示す断面図である(その2)。FIG. 11-2 is a sectional view schematically showing an example of the configuration of the nonvolatile semiconductor memory device according to the fourth embodiment (No. 2). 図12−1は、第4の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である(その1)。FIG. 12A is a cross-sectional view schematically showing an example of the procedure of the method of manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device according to the fourth embodiment (No. 1). 図12−2は、第4の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である(その2)。FIG. 12-2 is a sectional view schematically showing an example of a procedure of the method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device according to the fourth embodiment (No. 2). 図12−3は、第4の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である(その3)。FIG. 12C is a cross-sectional view schematically showing an example of the procedure of the method of manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device according to the fourth embodiment (No. 3). 図12−4は、第4の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である(その4)。12-4 is sectional drawing which shows typically an example of the procedure of the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device by 4th Embodiment (the 4). 図12−5は、第4の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である(その5)。12-5 is a sectional view schematically showing an example of a procedure of the method of manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device according to the fourth embodiment (No. 5). FIG. 図12−6は、第4の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である(その6)。FIG. 12-6 is a cross-sectional view schematically showing an example of the procedure of the method of manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device according to the fourth embodiment (No. 6). 図12−7は、第4の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である(その7)。FIG. 12-7 is a sectional view schematically showing an example of the procedure of the method of manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device according to the fourth embodiment (No. 7). 図12−8は、第4の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である(その8)。FIG. 12-8 is a sectional view schematically showing an example of the procedure of the method of manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device according to the fourth embodiment (No. 8). 図13は、半導体膜に電荷蓄積層とゲート電極膜を形成した状態のメモリセル部とワード線コンタクト部の状態を模式的に示す一部斜視図である。FIG. 13 is a partial perspective view schematically showing the state of the memory cell portion and the word line contact portion in a state where the charge storage layer and the gate electrode film are formed on the semiconductor film. 図14−1は、第5の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の構成の一例を模式的に示す断面図である(その1)。FIG. 14A is a cross-sectional view schematically showing an example of the configuration of the nonvolatile semiconductor memory device according to the fifth embodiment (part 1). 図14−2は、第5の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の構成の一例を模式的に示す断面図である(その2)。FIG. 14-2 is a sectional view schematically showing an example of the configuration of the nonvolatile semiconductor memory device according to the fifth embodiment (part 2). 図15−1は、第5の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である(その1)。FIG. 15A is a cross-sectional view schematically showing an example of the procedure of the method of manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device according to the fifth embodiment (No. 1). 図15−2は、第5の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である(その2)。FIGS. 15-2 is sectional drawing which shows typically an example of the procedure of the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device by 5th Embodiment (the 2). 図15−3は、第5の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である(その3)。FIG. 15C is a cross-sectional view schematically showing an example of the procedure of the method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device according to the fifth embodiment (No. 3). 図15−4は、第5の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である(その4)。15-4 is sectional drawing which shows typically an example of the procedure of the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device by 5th Embodiment (the 4). 図15−5は、第5の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である(その5)。FIG. 15-5 is a sectional view schematically showing an example of a procedure of the method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device according to the fifth embodiment (No. 5). 図15−6は、第5の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である(その6)。FIG. 15-6 is a sectional view schematically showing an example of a procedure of the method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device according to the fifth embodiment (No. 6). 図15−7は、第5の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である(その7)。15-7 is sectional drawing which shows typically an example of the procedure of the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device by 5th Embodiment (the 7). 図15−8は、第5の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である(その8)。FIG. 15-8 is a sectional view schematically showing an example of the procedure of the method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device according to the fifth embodiment (No. 8). 図15−9は、第5の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である(その9)。FIG. 15-9 is a sectional view schematically showing an example of a procedure of the method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device according to the fifth embodiment (No. 9).

以下に添付図面を参照して、本発明の実施の形態にかかる不揮発性半導体記憶装置を詳細に説明する。なお、これらの実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、以下の実施の形態で用いられる不揮発性半導体記憶装置の斜視図と断面図は模式的なものであり、層の厚みと幅との関係や各層の厚みの比率などは現実のものとは異なる。さらに、以下で示す膜厚は一例であり、これに限定されるものではない。   Hereinafter, a nonvolatile semiconductor memory device according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Note that the present invention is not limited to these embodiments. In addition, the perspective view and cross-sectional view of the nonvolatile semiconductor memory device used in the following embodiments are schematic, and the relationship between the thickness and width of the layers, the ratio of the thickness of each layer, and the like are actual. Different. Furthermore, the film thickness shown below is an example and is not limited thereto.

以下の実施の形態は、基板に垂直に柱状に設けられたチャネルとしての半導体膜と、半導体膜の側面に電荷蓄積層を介して設けられるゲート電極膜とを有するSGT(Surrounding Gate Transistor)型のメモリセル(トランジスタ)が、高さ方向に複数設けられた構造の不揮発性半導体記憶装置に適用されるものである。そこで、最初にこのような不揮発性半導体記憶装置の全体的な構造の一例について説明を行い、その後に、各実施の形態について説明を行う。   In the following embodiments, a SGT (Surrounding Gate Transistor) type having a semiconductor film as a channel provided in a columnar shape perpendicular to a substrate and a gate electrode film provided on a side surface of the semiconductor film via a charge storage layer is provided. The present invention is applied to a nonvolatile semiconductor memory device having a structure in which a plurality of memory cells (transistors) are provided in the height direction. Therefore, an example of the overall structure of such a nonvolatile semiconductor memory device will be described first, and then each embodiment will be described.

図1は、不揮発性半導体記憶装置の構造の一例を模式的に示す斜視図である。不揮発性半導体記憶装置1は、メモリセル部11、ワード線駆動回路12、ソース側選択ゲート線駆動回路13、ドレイン側選択ゲート線駆動回路14、センスアンプ15、ワード線16、ソース側選択ゲート線17、ドレイン側選択ゲート線18、ビット線19などを有している。   FIG. 1 is a perspective view schematically showing an example of the structure of a nonvolatile semiconductor memory device. The nonvolatile semiconductor memory device 1 includes a memory cell unit 11, a word line driving circuit 12, a source side selection gate line driving circuit 13, a drain side selection gate line driving circuit 14, a sense amplifier 15, a word line 16, and a source side selection gate line. 17, a drain side select gate line 18, a bit line 19, and the like.

メモリセル部11は、複数のメモリセルトランジスタ(以下、単にメモリセルともいう)と、メモリセルトランジスタ列の上端および下端にそれぞれ設けられるドレイン側選択トランジスタおよびソース側選択トランジスタとを有するメモリストリングスが基板上にマトリックス状に配置された構成を有する。後述するように、メモリセルトランジスタは、チャネルとなる柱状の半導体膜の側面に電荷蓄積層を介して制御ゲート電極が設けられる構造を有し、ドレイン側選択トランジスタおよびソース側選択トランジスタは、柱状の半導体膜の側面にゲート誘電体膜としての電荷蓄積層を介して選択ゲート電極が設けられる構造を有している。ここでは、1つのメモリストリングスに4層のメモリセルが設けられている場合を例示している。   The memory cell unit 11 includes a memory string having a plurality of memory cell transistors (hereinafter also simply referred to as memory cells) and a drain side selection transistor and a source side selection transistor provided at the upper end and lower end of the memory cell transistor row, respectively. It has a configuration arranged in a matrix on the top. As will be described later, the memory cell transistor has a structure in which a control gate electrode is provided on a side surface of a columnar semiconductor film serving as a channel via a charge storage layer. The drain side selection transistor and the source side selection transistor are formed in a columnar shape. A selection gate electrode is provided on a side surface of the semiconductor film via a charge storage layer as a gate dielectric film. Here, a case where four layers of memory cells are provided in one memory string is illustrated.

ワード線16は、所定の方向に隣接するメモリストリングスの同じ高さのメモリセルの制御ゲート電極間を接続している。このワード線16の延在する方向を、以下では、ワード線方向という。また、ソース側選択ゲート線17は、ワード線方向に隣接するメモリストリングスのソース側選択トランジスタの選択ゲート電極間を接続し、ドレイン側選択ゲート線18は、ワード線方向に隣接するメモリストリングスのドレイン側選択トランジスタの選択ゲート電極間を接続している。さらに、ビット線19は、ワード線方向に交差する方向(ここでは直交方向)で、各メモリストリングスの上部と接続するように設けられる。以下では、ビット線19の延在する方向を、ビット線方向という。   The word line 16 connects between control gate electrodes of memory cells having the same height in adjacent memory strings in a predetermined direction. Hereinafter, the extending direction of the word line 16 is referred to as a word line direction. The source side select gate line 17 connects the select gate electrodes of the source side select transistors of the memory strings adjacent in the word line direction, and the drain side select gate line 18 is the drain of the memory strings adjacent in the word line direction. The selection gate electrodes of the side selection transistors are connected. Further, the bit line 19 is provided so as to be connected to the upper portion of each memory string in a direction intersecting the word line direction (here, an orthogonal direction). Hereinafter, the extending direction of the bit line 19 is referred to as a bit line direction.

ワード線駆動回路12は、ワード線16に印加する電圧を制御する回路であり、ソース側選択ゲート線駆動回路13は、ソース側選択ゲート線17に印加する電圧を制御する回路であり、ドレイン側選択ゲート線駆動回路14は、ドレイン側選択ゲート線18に印加する電圧を制御する回路である。また、センスアンプ15は、選択されたメモリセルから読み出した電位を増幅する回路である。なお、以下の説明では、ソース側選択ゲート線17およびドレイン側選択ゲート線18を区別する必要がない場合には、単に選択ゲート線と表記する。また、ソース側選択トランジスタおよびドレイン側選択トランジスタについても区別する必要がない場合には、単に選択トランジスタと表記する。   The word line driving circuit 12 is a circuit that controls the voltage applied to the word line 16, and the source side selection gate line driving circuit 13 is a circuit that controls the voltage applied to the source side selection gate line 17, and is on the drain side. The selection gate line driving circuit 14 is a circuit that controls a voltage applied to the drain side selection gate line 18. The sense amplifier 15 is a circuit that amplifies the potential read from the selected memory cell. In the following description, when there is no need to distinguish between the source-side selection gate line 17 and the drain-side selection gate line 18, they are simply referred to as selection gate lines. In addition, when there is no need to distinguish between the source side selection transistor and the drain side selection transistor, they are simply expressed as selection transistors.

メモリセル部11のワード線16、ソース側選択ゲート線17およびドレイン側選択ゲート線18と、ワード線駆動回路12、ソース側選択ゲート線駆動回路13およびドレイン側選択ゲート線駆動回路14とは、メモリセル部11に設けられたワード線コンタクト部20で、それぞれコンタクトを介して接続される。ワード線コンタクト部20は、メモリセル部11のワード線駆動回路12側に設けられており、各高さのメモリセルと選択トランジスタに接続されるワード線16と選択ゲート線17,18が階段状に加工された構造となっている。   The word line 16, the source side selection gate line 17 and the drain side selection gate line 18 of the memory cell unit 11, and the word line driving circuit 12, the source side selection gate line driving circuit 13 and the drain side selection gate line driving circuit 14 are: The word line contact portions 20 provided in the memory cell portion 11 are connected via contacts. The word line contact part 20 is provided on the word line driving circuit 12 side of the memory cell part 11, and the word line 16 and the selection gate lines 17 and 18 connected to the memory cells and selection transistors at respective heights are stepped. It has a processed structure.

(第1の実施の形態)
図2−1〜図2−2は、第1の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の構成の一例を模式的に示す断面図であり、図2−1(a)はメモリセル部の平面断面図であり、図2−1(b)は(a)のA−A断面図であり、図2−1(c)は(a)のB−B断面図であり、図2−2はワード線コンタクト部のビット線方向に垂直な方向の断面図である。なお、図2−1(a)は、図2−1(b)、(c)のC−C断面に相当している。また、図3は、メモリセル部のメモリセルトランジスタが形成される領域の一部を切り出した斜視図である。
(First embodiment)
FIGS. 2-1 to 2-2 are sectional views schematically showing an example of the configuration of the nonvolatile semiconductor memory device according to the first embodiment. FIG. 2-1A is a plan view of the memory cell portion. FIG. 2-1 (b) is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 2A, FIG. 2-1 (c) is a cross-sectional view taken along line BB in FIG. 2A, and FIG. It is sectional drawing of the direction perpendicular | vertical to the bit line direction of a word line contact part. FIG. 2-1 (a) corresponds to the CC cross section of FIGS. 2-1 (b) and (c). FIG. 3 is a perspective view of a part of a region where the memory cell transistor of the memory cell portion is formed.

メモリセル部11には、図2−1(a)〜(c)に示されるように、柱状の半導体膜131の側面に電荷蓄積層133を介してゲート電極膜134が形成されたメモリセルMCを含むメモリストリングスMSが、ソース領域111が形成された半導体基板101上に、略垂直にマトリックス状に配置されている。ここでは、柱状の半導体膜131は、P型多結晶シリコンなどのP型の半導体材料によって構成されているものとする。   As shown in FIGS. 2A to 2C, the memory cell unit 11 includes a memory cell MC in which a gate electrode film 134 is formed on a side surface of a columnar semiconductor film 131 via a charge storage layer 133. Are arranged in a matrix substantially vertically on the semiconductor substrate 101 on which the source region 111 is formed. Here, it is assumed that the columnar semiconductor film 131 is made of a P-type semiconductor material such as P-type polycrystalline silicon.

メモリストリングスMSは、柱状の半導体膜131の側面に電荷蓄積層133を介してゲート電極膜134が形成された構造のトランジスタが、高さ方向に複数直列に接続された構造を有しているが、このうち上下両端のトランジスタは選択トランジスタである。図2−1(b)、(c)では、下側にソース側選択トランジスタSGSが配置され、上側にドレイン側選択トランジスタSGDが配置されている。これらの2つの選択トランジスタSGS,SGD間に1以上のメモリセルトランジスタMCが所定の間隔をおいて形成される。上記したように、第1の実施の形態では、選択トランジスタSGS,SGDの構造は、メモリセルトランジスタMCと同じ構造を有している。また、メモリストリングスMSの上端には、ドレイン領域112が形成されている。さらに、メモリセル部11では、所定の方向に配列するメモリストリングスMSの選択トランジスタSGS,SGDの選択ゲート電極は互いに接続され、所定の方向に配列するメモリストリングスMSの同じ高さのメモリセルトランジスタMCの制御ゲート電極も互いに接続される。なお、以下では、制御ゲート電極と選択ゲート電極とを区別する必要がない場合には、ゲート電極膜134というものとする。   The memory string MS has a structure in which a plurality of transistors each having a structure in which a gate electrode film 134 is formed on a side surface of a columnar semiconductor film 131 via a charge storage layer 133 are connected in series in the height direction. Of these, the transistors at the upper and lower ends are selection transistors. 2B and 2C, the source side select transistor SGS is disposed on the lower side, and the drain side select transistor SGD is disposed on the upper side. One or more memory cell transistors MC are formed between these two select transistors SGS and SGD with a predetermined interval. As described above, in the first embodiment, the selection transistors SGS and SGD have the same structure as the memory cell transistor MC. A drain region 112 is formed at the upper end of the memory string MS. Further, in the memory cell unit 11, the select gate electrodes of the select transistors SGS and SGD of the memory string MS arranged in a predetermined direction are connected to each other, and the memory cell transistors MC of the same height of the memory string MS arranged in the predetermined direction are connected. These control gate electrodes are also connected to each other. In the following description, the gate electrode film 134 is used when it is not necessary to distinguish between the control gate electrode and the selection gate electrode.

具体的には、図2−1(c)に示されるように、チャネルとして機能する柱状の半導体膜131の側面には、半導体膜131の周囲を囲むスペーサ膜121が高さ方向に所定の間隔で形成されており、このスペーサ膜121を含む柱状の半導体膜131の側面を電荷蓄積層133が被覆し、上下のスペーサ膜121に挟まれる領域の柱状の半導体膜131の側面に電荷蓄積層133を介してゲート電極膜134が形成される。ここで、柱状の半導体膜131の側面に電荷蓄積層133を介してゲート電極膜134が形成される上下のスペーサ膜121に挟まれる領域が、1つのトランジスタとして機能する。メモリストリングスMSの上下両端に配置されるトランジスタは選択トランジスタSGS,SGDとなり、2つの選択トランジスタSGS,SGDに挟まれる1以上のトランジスタがメモリセルトランジスタMCとなる。ここでは、2つの選択トランジスタSGS,SGD間に4つのメモリセルトランジスタMCが形成される場合が示されている。   Specifically, as illustrated in FIG. 2C, a spacer film 121 surrounding the semiconductor film 131 is disposed at a predetermined interval in the height direction on the side surface of the columnar semiconductor film 131 functioning as a channel. The charge storage layer 133 covers the side surface of the columnar semiconductor film 131 including the spacer film 121, and the charge storage layer 133 is formed on the side surface of the columnar semiconductor film 131 in a region sandwiched between the upper and lower spacer films 121. Through this, a gate electrode film 134 is formed. Here, a region sandwiched between the upper and lower spacer films 121 in which the gate electrode film 134 is formed on the side surface of the columnar semiconductor film 131 via the charge storage layer 133 functions as one transistor. Transistors disposed at both upper and lower ends of the memory string MS are selection transistors SGS and SGD, and one or more transistors sandwiched between the two selection transistors SGS and SGD are memory cell transistors MC. Here, a case where four memory cell transistors MC are formed between two select transistors SGS and SGD is shown.

ワード線コンタクト部20には、図2−2に示されるように、メモリセル部11から延長されるゲート電極膜134が積層して配置される。ゲート電極膜134は、下層のゲート電極膜134が露出するように、階段状の構成を有している。なお、ワード線コンタクト部20では、ゲート電極膜134の周囲は、電荷蓄積層133で囲まれており、上下に隣接する電荷蓄積層133で囲まれたゲート電極膜134の間には、スペーサ膜121が形成される構造となっている。   As shown in FIG. 2B, a gate electrode film 134 extending from the memory cell unit 11 is stacked on the word line contact unit 20. The gate electrode film 134 has a stepped configuration so that the lower gate electrode film 134 is exposed. In the word line contact portion 20, the periphery of the gate electrode film 134 is surrounded by the charge storage layer 133, and a spacer film is interposed between the gate electrode films 134 surrounded by the charge storage layers 133 adjacent in the vertical direction. 121 is formed.

ワード線コンタクト部20での階段状のゲート電極膜134上には平坦化膜141が形成され、メモリセル部11のメモリストリングスMS上、ワード線コンタクト部20の平坦化膜141上、およびビット線方向に隣接するメモリストリングスMS間には、層間絶縁膜143が形成される。平坦化膜141としては、たとえばシリコン酸化膜を用いることができ、層間絶縁膜143としては、たとえばTEOS(Tetraethyl orthosilicate)/O3膜を用いることができる。 A planarization film 141 is formed on the stepped gate electrode film 134 in the word line contact portion 20, and on the memory strings MS of the memory cell portion 11, on the planarization film 141 of the word line contact portion 20, and the bit line. An interlayer insulating film 143 is formed between the memory strings MS adjacent in the direction. As the planarizing film 141, for example, a silicon oxide film can be used, and as the interlayer insulating film 143, for example, a TEOS (Tetraethyl orthosilicate) / O 3 film can be used.

層間絶縁膜143上には、ビット線やソース側選択ゲート線、ドレイン側選択ゲート線などを有する多層配線層が形成される。ここでは、層間絶縁膜143上に、配線層151、層間絶縁膜161、配線層152、層間絶縁膜162、配線層153および層間絶縁膜163が順に形成されている。配線層151は、メモリセル部11の各メモリストリングスMSの上面およびワード線コンタクト部20のゲート電極膜134と、コンタクト145によって接続されている。コンタクト145と配線層151〜153の材料としては、たとえばWやAlを用いることができる。   On the interlayer insulating film 143, a multilayer wiring layer having a bit line, a source side selection gate line, a drain side selection gate line, and the like is formed. Here, a wiring layer 151, an interlayer insulating film 161, a wiring layer 152, an interlayer insulating film 162, a wiring layer 153, and an interlayer insulating film 163 are sequentially formed on the interlayer insulating film 143. The wiring layer 151 is connected to the upper surface of each memory string MS of the memory cell unit 11 and the gate electrode film 134 of the word line contact unit 20 by a contact 145. As a material of the contact 145 and the wiring layers 151 to 153, for example, W or Al can be used.

ここで、半導体基板101および柱状の半導体膜131の材料は、たとえば、Si,Ge,SiGe,SiSn,PbS,GaAs,InP,GaP,GaN,ZnSeまたはInGaAsPなどの中から選択することができる。柱状の半導体膜131は、単結晶半導体で構成されてもよいし、多結晶半導体から構成されてもよい。   Here, the material of the semiconductor substrate 101 and the columnar semiconductor film 131 can be selected from, for example, Si, Ge, SiGe, SiSn, PbS, GaAs, InP, GaP, GaN, ZnSe, or InGaAsP. The columnar semiconductor film 131 may be formed of a single crystal semiconductor or a polycrystalline semiconductor.

また、電荷蓄積層133として、トンネル絶縁膜/チャージトラップ膜/チャージブロック膜の構造を有するものを用いることができ、たとえば、ONO(シリコン酸化膜/シリコン窒化膜/シリコン酸化膜)構造を用いるようにしてもよいし、ANO(酸化アルミニウム膜/シリコン窒化膜/シリコン酸化膜)構造を用いるようにしてもよい。または、ANO構造の酸化アルミニウム膜に代えて、HfO2,La23,Pr23,Y23,ZrO2などの金属酸化膜、あるいはこのような金属酸化膜を複数種組み合わせた膜を用いるようにしてもよい。また、これらの構造において、トンネル絶縁膜としてONO膜を用いてもよい。 Further, as the charge storage layer 133, one having a tunnel insulating film / charge trap film / charge block film structure can be used. For example, an ONO (silicon oxide film / silicon nitride film / silicon oxide film) structure is used. Alternatively, an ANO (aluminum oxide film / silicon nitride film / silicon oxide film) structure may be used. Alternatively, instead of an aluminum oxide film having an ANO structure, a metal oxide film such as HfO 2 , La 2 O 3 , Pr 2 O 3 , Y 2 O 3 , ZrO 2 , or a combination of such metal oxide films is used. A film may be used. In these structures, an ONO film may be used as the tunnel insulating film.

さらに、ゲート電極膜134の材料として、たとえばW,TaN,TiN,TiAlN,WN,WSi,CoSi,NiSi,PrSi,NiPtSi,PtSi,Pt,Ru,RuO2,Bドープ多結晶シリコン膜、Pドープ多結晶シリコン膜などの導電体膜を単独で、または積層して用いることができる。また、スペーサ膜121の材料として、たとえばシリコン酸化膜を用いるようにしてもよいし、有機膜を用いるようにしてもよい。 Further, as the material of the gate electrode film 134, for example, W, TaN, TiN, TiAlN, WN, WSi, CoSi, NiSi, PrSi, NiPtSi, PtSi, Pt, Ru, RuO 2 , B-doped polycrystalline silicon film, P-doped poly-silicon film A conductor film such as a crystalline silicon film can be used alone or in a stacked manner. Further, as the material of the spacer film 121, for example, a silicon oxide film or an organic film may be used.

第1の実施の形態では、図3に示されるように、メモリストリングスMSの少なくとも最上部に形成されるトランジスタで、ワード線方向に隣接するメモリストリングスMSの同じ高さのトランジスタの間にゲート電極膜134が挿入されないように、電荷蓄積層133が隣接するトランジスタ間で交わった形状を有している。具体的には、ゲート電極膜134を共有するトランジスタにおいて、少なくとも最上層のトランジスタの電荷蓄積層133を、隣接するメモリセルトランジスタとの間で一部共有する構造としている。   In the first embodiment, as shown in FIG. 3, the gate electrode is formed between transistors at the same height of the memory strings MS adjacent to each other in the word line direction. The charge storage layer 133 has a shape that intersects between adjacent transistors so that the film 134 is not inserted. Specifically, in the transistor sharing the gate electrode film 134, at least the charge storage layer 133 of the uppermost transistor is partly shared with adjacent memory cell transistors.

このような構造とするためには、ワード線方向に隣接するメモリストリングスMSの最上層のトランジスタ形成位置において、次式(0)が成立するようにメモリストリングスMS(半導体膜131)が配置される。ただし、隣接する半導体膜131(チャネル)間の距離をLとし、トンネル絶縁膜133Aの厚さをtTNLとし、チャージトラップ膜133Bの厚さをtCTとし、チャージブロック膜133Cの厚さをtCBとする。
L<(tTNL+tCT+tCB)×2 ・・・(0)
In order to achieve such a structure, the memory strings MS (semiconductor film 131) are arranged so that the following equation (0) is satisfied at the transistor formation position in the uppermost layer of the memory strings MS adjacent in the word line direction. . However, the distance between adjacent semiconductor films 131 (channels) is L, the thickness of the tunnel insulating film 133A is t TNL , the thickness of the charge trap film 133B is t CT, and the thickness of the charge block film 133C is t CB .
L <(t TNL + t CT + t CB ) × 2 (0)

(0)式の条件を満たす構造では、少なくとも最上層の隣接する2つのトランジスタでは、チャージブロック膜133Cの一部が交わった(merge)構造になるので、ワード線方向に隣接する半導体膜131間の距離を詰めることができる。なお、チャージトラップ膜133Bまでを隣接するトランジスタ間で交わらせることで、さらなる微細化を実現することができるが、チャージトラップ膜133Bを交わらせてしまうと、チャージトラップ膜133B内に蓄えられた電荷が、交わった部分を介して隣接するトランジスタに漏出してしまう可能性があるために好ましくない。このため、隣接する半導体膜131間の距離Lは、次式(1)を満たすように設定することが好ましい。
L>(tTNL+tCT)×2 ・・・(1)
In the structure satisfying the expression (0), at least two adjacent transistors in the uppermost layer have a merge structure in which a part of the charge block film 133C intersects, and therefore, between the semiconductor films 131 adjacent in the word line direction. Can close the distance. Note that further miniaturization can be realized by crossing up to the charge trap film 133B between adjacent transistors. However, if the charge trap film 133B is crossed, the charge stored in the charge trap film 133B can be realized. However, there is a possibility of leakage to adjacent transistors through the intersecting portion, which is not preferable. For this reason, the distance L between adjacent semiconductor films 131 is preferably set so as to satisfy the following expression (1).
L> (t TNL + t CT ) × 2 (1)

なお、本構造では、柱状の半導体膜131の側面に電荷蓄積層133が被覆される構造となるので、トンネル絶縁膜133Aとチャージブロック膜133Cとでは曲率半径が異なる。そのため、曲率半径の小さいトンネル絶縁膜133Aにより強く電界を集中させることができるので、平面MONOS(Metal-Oxide-Nitride-Oxide-Semiconductor)構造に比べて大幅に書き込み/消去特性を改善することができると共にMLC(Multi-Level Cell)動作を行うのに有効である。   In this structure, since the charge storage layer 133 is covered on the side surface of the columnar semiconductor film 131, the radius of curvature is different between the tunnel insulating film 133A and the charge block film 133C. Therefore, since the electric field can be concentrated more strongly by the tunnel insulating film 133A having a small curvature radius, the write / erase characteristics can be greatly improved as compared with the planar MONOS (Metal-Oxide-Nitride-Oxide-Semiconductor) structure. In addition, it is effective to perform MLC (Multi-Level Cell) operation.

上述した説明では、半導体膜131をP型多結晶シリコン膜で構成し、Inversion型のトランジスタが接続される積層メモリとしている。Inversion型は各ゲート電極に電圧を印加することによって形成される空乏層を繋いでチャネルを形成するトランジスタであり、チャネルに通常電子が存在しないので、非選択セルにVpassが印加されてもプログラムディスターブやリードディスターブによる誤動作が起こりにくい。また、チャネルとなる半導体膜131がP-型なので、消去時に半導体基板101からホールを容易に引き込むことができるので、消去特性がよい。さらに、後述するように、Depletion型の場合とは異なり選択トランジスタの作り分けが不要である。なお、上述した説明において、半導体膜131をN型多結晶シリコン膜で構成し、Depletion型のトランジスタとして駆動させることも可能である。ただし、この場合には、メモリセルMC列の上下に配置される選択トランジスタSGS,SGDを、ノーマリーオフの選択トランジスタとするために、そのチャネル部分を、P型多結晶シリコン膜にしてInversion型のトランジスタとして駆動させるようにすればよい。 In the above description, the semiconductor film 131 is a P-type polycrystalline silicon film, and a stacked memory to which an Inversion type transistor is connected is used. The Inversion type is a transistor that forms a channel by connecting depletion layers formed by applying a voltage to each gate electrode. Since there are no electrons in the channel, programming is possible even when V pass is applied to a non-selected cell. Malfunction due to disturb and read disturb is unlikely to occur. In addition, since the semiconductor film 131 serving as a channel is P type, holes can be easily drawn from the semiconductor substrate 101 during erasing, so that the erasing characteristics are good. Further, as will be described later, different selection transistors are not required unlike the case of the depletion type. Note that in the above description, the semiconductor film 131 can be formed of an N-type polycrystalline silicon film and driven as a Depletion-type transistor. However, in this case, in order to make the selection transistors SGS, SGD arranged above and below the memory cell MC row normally-off selection transistors, the channel portion is made of a P-type polycrystalline silicon film and an Inversion type. It is only necessary to drive as a transistor.

つぎに、このような構造の不揮発性半導体記憶装置の製造方法について説明する。図4−1〜図4−10は、第1の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である。これらの図において、(a)は、ワード線方向の断面を示し、(b)は、ワード線方向に垂直な方向の断面を示し、(c)は、(a)のD−D線で切った場合の平面断面図を示しており、(d)は、(b)のE−E線で切った場合の平面断面図を示しており、(e)は、ワード線コンタクト部のワード線方向の断面を示している。   Next, a method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device having such a structure will be described. 4-1 to 4-10 are cross-sectional views schematically showing an example of the procedure of the method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device according to the first embodiment. In these drawings, (a) shows a cross section in the word line direction, (b) shows a cross section in a direction perpendicular to the word line direction, and (c) is cut along the DD line in (a). (D) shows a cross-sectional plan view taken along line EE in (b), and (e) shows the word line direction of the word line contact portion. The cross section of is shown.

まず、半導体基板101上に不揮発性半導体記憶装置の図示しない周辺回路を形成する。また、図4−1に示されるように、半導体基板101のメモリセル部に、イオン注入法によって所定の導電型の不純物を打ち込み、活性化させることで、ソース領域111を形成する。このソース領域111は、たとえばN型とすることができる。   First, a peripheral circuit (not shown) of the nonvolatile semiconductor memory device is formed on the semiconductor substrate 101. Further, as shown in FIG. 4A, a source region 111 is formed by implanting and activating an impurity of a predetermined conductivity type into the memory cell portion of the semiconductor substrate 101 by an ion implantation method. This source region 111 may be N-type, for example.

ついで、半導体基板101の全面にPECVD(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition)法などの成膜法によって、メモリセルを構成するスペーサ膜121と犠牲膜122を交互に複数層積層し、最後はスペーサ膜121で終わるようにする。また、最上層のスペーサ膜121上に、CMP(Chemical Mechanical Polishing)処理時のストッパとなるストッパ膜123を形成し、積層膜を形成する。ここでは、犠牲膜122が6層となるように積層させる。犠牲膜122として、後のウエットエッチングによる処理で、スペーサ膜121に比してエッチングレートが大きな絶縁材料が選択される。たとえば、スペーサ膜121としては、シリコン酸化膜を用いることができ、犠牲膜122としては、シリコン窒化膜を用いることができる。また、ストッパ膜123としては、たとえばシリコン窒化膜を用いることができる。なお、積層膜を形成する方法として、PECVD法以外にも、SACVD(Sub-Atmospheric CVD)法、LPCVD(Low Pressure CVD)法、スパッタ法、Spin-On Dielectric(SOD)などの技術を適宜組み合わせて用いることも可能である。   Next, a plurality of spacer films 121 and sacrificial films 122 constituting memory cells are alternately stacked on the entire surface of the semiconductor substrate 101 by a film forming method such as PECVD (Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition), and finally the spacer film 121 is stacked. End with. Further, a stopper film 123 serving as a stopper at the time of CMP (Chemical Mechanical Polishing) is formed on the uppermost spacer film 121 to form a laminated film. Here, the sacrificial film 122 is stacked so as to have six layers. As the sacrificial film 122, an insulating material having an etching rate larger than that of the spacer film 121 is selected by a later wet etching process. For example, a silicon oxide film can be used as the spacer film 121 and a silicon nitride film can be used as the sacrificial film 122. As the stopper film 123, for example, a silicon nitride film can be used. As a method for forming a laminated film, in addition to the PECVD method, a technique such as SACVD (Sub-Atmospheric CVD) method, LPCVD (Low Pressure CVD) method, sputtering method, Spin-On Dielectric (SOD) is appropriately combined. It is also possible to use it.

その後、図4−2に示されるように、ストッパ膜123上の全面に図示しないマスク膜を形成し、リソグラフィ技術と反応性イオンエッチング技術(以下、RIE(Reactive Ion Etching)法という)によって、スペーサ膜121と犠牲膜122とストッパ膜123とからなる積層膜を一括加工して、後にチャネルとなる半導体膜131を埋め込む貫通孔135をメモリセル部に形成する。この貫通孔135は、メモリセル部にマトリックス状に配置され、その底部は半導体基板101に連通している。ここで、マスク膜としては、たとえばCVDカーボン膜を用いることができる。続いて、マスク膜を除去する。これによって、半導体膜131の鋳型が形成される。   Thereafter, as shown in FIG. 4B, a mask film (not shown) is formed on the entire surface of the stopper film 123, and spacers are formed by lithography technique and reactive ion etching technique (hereinafter referred to as RIE (Reactive Ion Etching) method). A laminated film composed of the film 121, the sacrificial film 122, and the stopper film 123 is processed at once, and a through hole 135 that embeds the semiconductor film 131 to be a channel later is formed in the memory cell portion. The through holes 135 are arranged in a matrix in the memory cell portion, and the bottom portion communicates with the semiconductor substrate 101. Here, for example, a CVD carbon film can be used as the mask film. Subsequently, the mask film is removed. Thereby, a template of the semiconductor film 131 is formed.

ついで、図4−3に示されるように、LPCVD法などの成膜法によって、チャネルとなる半導体膜131を形成する。このとき、半導体膜131は、貫通孔135内に埋め込まれ、下端が半導体基板101と接続するように形成される。ここで、半導体膜131としては、たとえばBドープ多結晶シリコン膜を用いることができ、このときのB濃度は、たとえば1×1017〜1×1018cm-3に設定することができる。なお、半導体膜131は、貫通孔135を完全に埋め込むように形成してもよいし、マカロニ状に中空に埋め込むように形成してもよい。中空に埋め込む場合には、ゲート電極膜134で制御する半導体膜131の肉厚が積層されたメモリセルMC間で等しくなるので、しきい値電圧(Vth)のばらつきを抑制するのに有効である。以下の説明では、貫通孔135を完全に半導体膜131で埋め込むように形成する場合を例示する。また、半導体膜131として、LPCVD法以外にも、レーザアニールもしくはNi触媒法で結晶化させた多結晶シリコン膜、または単結晶シリコン膜を用いてもよい。 Next, as shown in FIG. 4C, a semiconductor film 131 to be a channel is formed by a film forming method such as an LPCVD method. At this time, the semiconductor film 131 is formed so as to be embedded in the through hole 135 and to be connected to the semiconductor substrate 101 at the lower end. Here, as the semiconductor film 131, for example, a B-doped polycrystalline silicon film can be used, and the B concentration at this time can be set to 1 × 10 17 to 1 × 10 18 cm −3 , for example. Note that the semiconductor film 131 may be formed so as to completely embed the through-hole 135 or may be formed so as to be embedded in a macaroni-like hollow. When embedded in the hollow, the thickness of the semiconductor film 131 controlled by the gate electrode film 134 is equal between the stacked memory cells MC, which is effective in suppressing variations in threshold voltage (Vth). . In the following description, a case where the through hole 135 is formed so as to be completely filled with the semiconductor film 131 is illustrated. In addition to the LPCVD method, a polycrystalline silicon film or a single crystal silicon film crystallized by laser annealing or a Ni catalyst method may be used as the semiconductor film 131.

その後、RIE法によってエッチバックを行って、ストッパ膜123上の半導体膜131を除去する。これによって、貫通孔135内にのみ半導体膜131が残存する。続いて、リソグラフィ技術とイオン注入技術とを用いて、半導体膜131の上部に所定の導電型の不純物元素をイオン注入し、ドレイン領域112を形成する。ここでは、不純物元素として、たとえば砒素を用いることができる。   Thereafter, etch back is performed by the RIE method, and the semiconductor film 131 on the stopper film 123 is removed. As a result, the semiconductor film 131 remains only in the through hole 135. Subsequently, an impurity element having a predetermined conductivity type is ion-implanted into the upper portion of the semiconductor film 131 by using a lithography technique and an ion implantation technique, so that the drain region 112 is formed. Here, for example, arsenic can be used as the impurity element.

ついで、図4−4〜図4−6に示されるように、リソグラフィ技術とRIE法を用いて、ワード線コンタクト部の積層膜を階段状に加工する処理を行う。ここで、積層膜について、下から順に第1のスペーサ膜121、第1の犠牲膜122、第2のスペーサ膜121、第2の犠牲膜122、・・・、第6のスペーサ膜121、第6の犠牲膜122、第7のスペーサ膜121というものとする。   Next, as shown in FIGS. 4-4 to 4-6, a process for processing the stacked film of the word line contact portion in a stepped manner is performed using a lithography technique and an RIE method. Here, with respect to the stacked film, the first spacer film 121, the first sacrificial film 122, the second spacer film 121, the second sacrificial film 122,..., The sixth spacer film 121, the first 6 sacrificial film 122 and seventh spacer film 121.

まず、図4−4では、ワード線コンタクト部の中央付近からメモリセル部とは反対側の端部に至る領域において、ストッパ膜123から第5のスペーサ膜121までを除去する。これによって、2段の段差が形成される。その後、同様の加工を2回繰り返すことで、階段状に各層の犠牲膜122が露出した構造のワード線コンタクト部が加工される。具体的には、図4−4で形成された上段の平坦部分の中央付近から1段目の段差部に至る領域において、ストッパ膜123から第6のスペーサ膜121までと、下段の平坦部分の中央付近からメモリセル部とは反対側の端部に至る領域において、第4の犠牲膜122から第3のスペーサ膜121までと、を同時に除去する。これによって、図4−5に示されるように4段の段差が形成される。さらに、図4−5で形成された最上段の平坦部分のメモリセル部との隣接部付近から上から1つ目の段差部に至る領域において、ストッパ膜123と第6のスペーサ膜121が除去される。また、これと同時に上から2段目〜4段目の平坦部分では、それぞれの平坦部分の中央付近からメモリセル部とは反対側の端部に至る領域において、1層分の犠牲膜122とスペーサ膜121が除去される。これによって、図4−6に示されるように7段の段差が形成され、ワード線コンタクト部が形成される。   First, in FIG. 4-4, the stopper film 123 to the fifth spacer film 121 are removed in the region from the vicinity of the center of the word line contact portion to the end opposite to the memory cell portion. As a result, two steps are formed. Thereafter, the same processing is repeated twice to process the word line contact portion having a structure in which the sacrificial film 122 of each layer is exposed in a stepped manner. Specifically, in the region from the vicinity of the center of the upper flat portion formed in FIG. 4-4 to the first step portion, from the stopper film 123 to the sixth spacer film 121, the lower flat portion In the region from the vicinity of the center to the end opposite to the memory cell portion, the fourth sacrificial film 122 to the third spacer film 121 are simultaneously removed. As a result, four steps are formed as shown in FIG. 4-5. Further, the stopper film 123 and the sixth spacer film 121 are removed in the region extending from the vicinity of the uppermost flat portion formed in FIG. 4-5 to the first step portion from the vicinity of the memory cell portion. Is done. At the same time, in the second to fourth flat portions from the top, the sacrificial film 122 for one layer is formed in the region extending from the vicinity of the center of each flat portion to the end opposite to the memory cell portion. The spacer film 121 is removed. As a result, as shown in FIG. 4-6, seven steps are formed, and the word line contact portion is formed.

ついで、図4−7に示されるように、半導体基板101の全面に、平坦化膜141を形成する。平坦化膜141として、たとえばシリコン酸化膜を用いることができる。その後、ストッパ膜123が露出するまで、CMP技術によって平坦化する。   Next, as shown in FIG. 4-7, a planarization film 141 is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 101. As the planarization film 141, for example, a silicon oxide film can be used. Thereafter, planarization is performed by a CMP technique until the stopper film 123 is exposed.

その後、半導体基板101の全面に、図示しないマスク膜を形成し、リソグラフィ技術とRIE法によって、スペーサ膜121と犠牲膜122とストッパ膜123とからなる積層膜、および平坦化膜141を、一括加工してトレンチ142を形成する。このトレンチ142は、ビット線方向に隣接する半導体膜131間を切断するように、ワード線方向に延在する形状を有する。ここで、マスク膜として、たとえばCVDカーボン膜を用いることができる。トレンチ142を形成した後、マスク膜を除去する。   Thereafter, a mask film (not shown) is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 101, and the laminated film including the spacer film 121, the sacrificial film 122, and the stopper film 123, and the planarizing film 141 are collectively processed by lithography and RIE. Thus, the trench 142 is formed. The trench 142 has a shape extending in the word line direction so as to cut between the semiconductor films 131 adjacent in the bit line direction. Here, for example, a CVD carbon film can be used as the mask film. After forming the trench 142, the mask film is removed.

ついで、図4−8に示されるように、ウエットエッチングによって、犠牲膜122を選択的に除去することによって、上下のスペーサ膜121間に空洞122aを形成する。このとき、半導体膜131が柱となって、スペーサ膜121を支えているので、空洞122aがつぶれることはない。ここで、スペーサ膜121にシリコン酸化膜を用い、犠牲膜122にシリコン窒化膜を用いる場合には、ウエットエッチングの薬液としては、シリコン窒化膜がシリコン酸化膜に比して選択的にエッチングされるように、たとえば、熱燐酸を用いることができる。この犠牲膜122が除去された後の空洞122aは、後のMONOS構造を形成する際の鋳型となる。   Next, as shown in FIG. 4-8, the sacrificial film 122 is selectively removed by wet etching to form a cavity 122a between the upper and lower spacer films 121. At this time, since the semiconductor film 131 serves as a pillar and supports the spacer film 121, the cavity 122a is not crushed. Here, when a silicon oxide film is used for the spacer film 121 and a silicon nitride film is used for the sacrificial film 122, the silicon nitride film is selectively etched as compared with the silicon oxide film as a chemical solution for wet etching. Thus, for example, hot phosphoric acid can be used. The cavity 122a after the sacrificial film 122 is removed serves as a template for forming a later MONOS structure.

その後、図4−9に示されるように、CVD法などの成膜法によって、一部がスペーサ膜121で覆われた柱状の半導体膜131の側面が覆われるように、MONOSセルを構成する電荷蓄積層133を形成する。電荷蓄積層133は、トンネル絶縁膜/チャージトラップ膜/チャージブロック膜の積層構造を有する。トンネル絶縁膜としては、たとえばLPCVD法で形成したONO膜を用いることができ、チャージトラップ膜としては、ALD(Atomic Layer Deposition)法で形成したシリコン窒化膜を用いることができ、チャージブロック膜としては、ALD法で形成したアルミナ膜を用いることができる。このとき、トレンチ142の延在方向(ワード線方向)に隣接した少なくとも最上層のトランジスタでは、図3に示したようにワード線方向にMONOSセルを構成する電荷蓄積層133の一部が交わった形状になり、少なくとも最上層のトランジスタにおいて上記した(0)式の関係が成り立っている。   After that, as shown in FIG. 4-9, the charge constituting the MONOS cell is formed so that the side surface of the columnar semiconductor film 131 partially covered with the spacer film 121 is covered by a film forming method such as a CVD method. The accumulation layer 133 is formed. The charge storage layer 133 has a laminated structure of a tunnel insulating film / charge trap film / charge block film. As the tunnel insulating film, for example, an ONO film formed by the LPCVD method can be used. As the charge trap film, a silicon nitride film formed by the ALD (Atomic Layer Deposition) method can be used. As the charge block film, An alumina film formed by the ALD method can be used. At this time, in at least the uppermost transistor adjacent in the extending direction of the trench 142 (word line direction), as shown in FIG. 3, a part of the charge storage layer 133 constituting the MONOS cell intersects in the word line direction. The above-described relationship (0) is established at least in the uppermost transistor.

これは、図4−2で形成した貫通孔135を、次式(2)を満たすように形成することで達成される。
隣接貫通孔間距離<(tTNL+tCT+tCB)×2 ・・・(2)
This is achieved by forming the through hole 135 formed in FIG. 4-2 so as to satisfy the following expression (2).
Distance between adjacent through holes <(t TNL + t CT + t CB ) × 2 (2)

このように、ワード線方向に隣接したチャネル間の距離を詰めることができるので、より高い平面内のビット密度を実現することが可能になる。   In this way, the distance between channels adjacent in the word line direction can be reduced, so that a higher bit density in the plane can be realized.

さらに、CVD法などの成膜法によって、電荷蓄積層133を形成した柱状の半導体膜131の側面に、ゲート電極膜134を形成した後、ドライエッチング法によってトレンチ142の底部などに形成されたゲート電極膜134をリセスし、積層された各トランジスタに対する電極となるように分割する。ゲート電極膜134の材料として、たとえば窒化タンタル/タングステン積層膜を用いることができ、ドライエッチングのエッチングガスとして、たとえばCF4を用いることができる。 Further, after a gate electrode film 134 is formed on the side surface of the columnar semiconductor film 131 on which the charge storage layer 133 is formed by a film forming method such as a CVD method, a gate formed on the bottom of the trench 142 or the like by a dry etching method. The electrode film 134 is recessed and divided so as to be an electrode for each stacked transistor. As a material for the gate electrode film 134, for example, a tantalum nitride / tungsten laminated film can be used, and for example, CF 4 can be used as an etching gas for dry etching.

続いて、図4−10に示されるように、半導体基板101の全面に、CVD法などの成膜法によって、トレンチ142を埋め込むように層間絶縁膜143を形成する。この層間絶縁膜143としては、TEOS/O3膜を用いることができる。そして、層間絶縁膜143の表面をCMP技術によって平坦化する。 4-10, an interlayer insulating film 143 is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 101 so as to fill the trench 142 by a film forming method such as a CVD method. As the interlayer insulating film 143, a TEOS / O 3 film can be used. Then, the surface of the interlayer insulating film 143 is planarized by the CMP technique.

ついで、リソグラフィ技術とRIE法によって、メモリセル部の柱状の半導体膜131と、ワード線コンタクト部のゲート電極膜134に連通するコンタクトホール144を形成する。その後、CVD法などの成膜法によって、コンタクトホール144内に導電性材料膜を埋め込み、CMP技術によって、層間絶縁膜143が露出するまで平坦化し、コンタクト145を形成する。なお、コンタクト145の材料としては、たとえばタングステンを用いることができる。   Next, a contact hole 144 communicating with the columnar semiconductor film 131 in the memory cell portion and the gate electrode film 134 in the word line contact portion is formed by lithography technique and RIE method. Thereafter, a conductive material film is embedded in the contact hole 144 by a film forming method such as a CVD method, and planarized by the CMP technique until the interlayer insulating film 143 is exposed, thereby forming a contact 145. As a material of the contact 145, for example, tungsten can be used.

その後、コンタクト145に接続される配線層151〜153などを、層間絶縁膜161〜163を介して形成し、多層配線層を形成する。以上によって、図2−1〜図2−2に示される構造の不揮発性半導体記憶装置が得られる。   Thereafter, wiring layers 151 to 153 connected to the contact 145 are formed via the interlayer insulating films 161 to 163 to form a multilayer wiring layer. As described above, the nonvolatile semiconductor memory device having the structure shown in FIGS. 2-1 to 2-2 is obtained.

第1の実施の形態では、ワード線方向に隣接する半導体膜131間にワード線が入り込まないようにした。その結果、ワード線方向の半導体膜131間の距離を、加工限界まで近づけることが可能になるので、ワード線方向のメモリセルピッチを、隣接する半導体膜131間にワード線(ゲート電極膜134)が挿入された従来の構造に比べると、大幅に圧縮することができる。   In the first embodiment, the word lines are prevented from entering between the semiconductor films 131 adjacent in the word line direction. As a result, the distance between the semiconductor films 131 in the word line direction can be reduced to the processing limit, so that the memory cell pitch in the word line direction can be set between the adjacent semiconductor films 131 with the word line (gate electrode film 134). Compared to the conventional structure in which is inserted, compression can be greatly achieved.

たとえば、チャネルとなる半導体膜131の直径を50nmとし、MONOSを構成する電荷蓄積層133(ONO膜)の膜厚を25nmとすると、従来の隣接する半導体膜131間にゲート電極膜が挿入された構造では、ワード線方向のメモリセルピッチは、次式(3)によって算出される。
ワード線方向のメモリセルピッチ
=電荷蓄積層膜厚+半導体膜直径+電荷蓄積層膜厚+加工条件で制約されるゲート電極膜幅
=25nm+50nm+25nm+50nm
=150nm ・・・(3)
For example, when the diameter of the semiconductor film 131 to be a channel is 50 nm and the film thickness of the charge storage layer 133 (ONO film) constituting the MONOS is 25 nm, the gate electrode film is inserted between the conventional adjacent semiconductor films 131. In the structure, the memory cell pitch in the word line direction is calculated by the following equation (3).
Memory cell pitch in the word line direction = charge storage layer thickness + semiconductor film diameter + charge storage layer thickness + gate electrode film width restricted by processing conditions = 25 nm + 50 nm + 25 nm + 50 nm
= 150 nm (3)

一方、第1の実施の形態の構造では、ワード線方向のメモリセルピッチは、次式(4)によって算出される。
ワード線方向のメモリセルピッチ
=半導体膜直径+電荷蓄積層の内トンネル絶縁膜とチャージトラップ膜の膜厚の合計+電荷蓄積層の内トンネル絶縁膜とチャージトラップ膜の膜厚の合計+最近接チャージトラップ膜間距離
=50nm+10nm+10nm+5nm
=75nm ・・・(4)
On the other hand, in the structure of the first embodiment, the memory cell pitch in the word line direction is calculated by the following equation (4).
Memory cell pitch in word line direction = semiconductor film diameter + total thickness of tunnel insulating film and charge trap film in charge storage layer + total thickness of tunnel insulating film and charge trap film in charge storage layer + closest Charge trap film distance = 50 nm + 10 nm + 10 nm + 5 nm
= 75 nm (4)

(3)、(4)式を比較すると、第1の実施の形態の構造によれば、従来の構造に比して、ワード線方向のメモリセルピッチを、ほぼ半減できることが期待される。これは、従来技術と同等の積層数で約2倍のビット密度を実現できる、あるいは従来技術で形成されたメモリと同等のビット密度を約1/2の積層数で達成できることを示す。   Comparing the equations (3) and (4), according to the structure of the first embodiment, it is expected that the memory cell pitch in the word line direction can be almost halved as compared with the conventional structure. This indicates that about twice the bit density can be realized with the same number of stacks as in the prior art, or that the bit density equivalent to the memory formed by the prior art can be achieved with about 1/2 the number of stacks.

このように、第1の実施の形態によれば、より高いビット密度をより少ない積層数、すなわちより低い立体構造で実現できるので、インテグレーションに大きな負担をかけることなくさらに高ビット密度の不揮発性半導体記憶装置を提供することが可能になる。   As described above, according to the first embodiment, a higher bit density can be realized with a smaller number of stacked layers, that is, a lower three-dimensional structure. Therefore, a higher bit density nonvolatile semiconductor can be achieved without imposing a heavy burden on integration. A storage device can be provided.

また、積層膜を一括加工することで工程数を大きく増大させることなくトランジスタを積層して単位面積当たりのビット容量を向上させることができ、微細化を行わなくても、集積度の向上が可能になる。さらに、ゲート電極膜134を形成する前に半導体膜131を先に独立の貫通孔135内に埋め込むことで形成するので、チャネル(半導体膜131)間の距離を近づけてもチャネル同士が融合することがない。   Also, by batch processing the stacked film, transistors can be stacked without greatly increasing the number of processes, and the bit capacity per unit area can be improved, and the degree of integration can be improved without miniaturization. become. Further, since the semiconductor film 131 is first embedded in the independent through-hole 135 before forming the gate electrode film 134, the channels merge even if the distance between the channels (semiconductor film 131) is reduced. There is no.

(第2の実施の形態)
第1の実施の形態では、上下両端に選択トランジスタが形成されたメモリストリングスが、基板に垂直にマトリックス状に配置された構造の不揮発性半導体記憶装置について説明した。第2の実施の形態では、ビット線方向に隣接する一対のメモリストリングスが、下部で接続される構造の不揮発性半導体記憶装置について説明する。
(Second Embodiment)
In the first embodiment, the nonvolatile semiconductor memory device having the structure in which the memory strings in which the select transistors are formed on the upper and lower ends are arranged in a matrix perpendicular to the substrate has been described. In the second embodiment, a non-volatile semiconductor memory device having a structure in which a pair of memory strings adjacent in the bit line direction is connected at the bottom will be described.

図5−1〜図5−2は、第2の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の構成の一例を模式的に示す断面図であり、図5−1(a)はメモリセル部の平面断面図であり、図5−1(b)は(a)のF−F断面図であり、図5−1(c)は(a)のG−G断面図であり、図5−2はワード線コンタクト部のビット線方向に垂直な方向の断面図である。なお、図5−1(a)は、図5−1(b)、(c)のH−H断面に相当している。   5A and 5B are cross-sectional views schematically showing an example of the configuration of the nonvolatile semiconductor memory device according to the second embodiment. FIG. 5A is a plan view of the memory cell unit. 5-1 (b) is a cross-sectional view taken along line FF in FIG. 5 (a), FIG. 5-1 (c) is a cross-sectional view taken along line GG in FIG. 5 (a), and FIG. It is sectional drawing of the direction perpendicular | vertical to the bit line direction of a word line contact part. Note that FIG. 5-1 (a) corresponds to the HH cross section of FIGS. 5-1 (b) and (c).

第2の実施の形態では、メモリセル部11とワード線コンタクト部20とは、半導体基板101上に形成された層間絶縁膜102上に形成される。メモリセル部11には、図5−1(a)〜(c)に示されるように、中空の柱状の半導体膜131の側面に電荷蓄積層133を介してゲート電極膜134が形成されたメモリセルMCを含むメモリストリングスMSが、層間絶縁膜102上に、略垂直にマトリックス状に配置されている。ここでは、中空の柱状の半導体膜131は、P型多結晶シリコンなどのP型半導体材料によって構成されているものとする。また、中空の柱状の半導体膜131の底部は接続されており、中空の柱状の半導体膜131の内部を埋め込むように、シリコン酸化膜などの絶縁膜132が形成されている。   In the second embodiment, the memory cell unit 11 and the word line contact unit 20 are formed on the interlayer insulating film 102 formed on the semiconductor substrate 101. As shown in FIGS. 5A to 5C, the memory cell unit 11 has a memory in which a gate electrode film 134 is formed on a side surface of a hollow columnar semiconductor film 131 via a charge storage layer 133. Memory strings MS including the cells MC are arranged in a matrix shape on the interlayer insulating film 102 substantially vertically. Here, it is assumed that the hollow columnar semiconductor film 131 is made of a P-type semiconductor material such as P-type polycrystalline silicon. In addition, the bottom of the hollow columnar semiconductor film 131 is connected, and an insulating film 132 such as a silicon oxide film is formed so as to embed the inside of the hollow columnar semiconductor film 131.

このように、半導体膜131を中空の柱状(マカロニ状)に構成することで、ゲート電極膜134で制御するチャネル(半導体膜131)の肉厚が積層されたメモリセルMC間で等しくなるので、しきい値電圧(Vth)のばらつきを抑制することが可能となる。 Thus, by configuring the semiconductor film 131 in a hollow columnar shape (macaroni shape), the thickness of the channel (semiconductor film 131) controlled by the gate electrode film 134 becomes equal between the stacked memory cells MC. Variations in threshold voltage (V th ) can be suppressed.

メモリストリングスMSは、中空の柱状の半導体膜131の側面に電荷蓄積層133を介してゲート電極膜134が形成された構造のトランジスタが、高さ方向に複数直列に接続された構造を有しているが、このうち上端のトランジスタは選択トランジスタSGS,SGDであり、選択トランジスタSGS,SGDよりも下側(半導体基板101側)に、1以上のメモリセルトランジスタMCが形成される。ここでは、4つのメモリセルトランジスタMCが形成される場合を示している。この第2の実施の形態でも、選択トランジスタSGS,SGDの構造は、メモリセルトランジスタMCと同じ構造を有している。なお、メモリストリングスMSを構成する選択トランジスタSGS,SGDとメモリセルトランジスタMCの構造は、第1の実施の形態と同様であるので、その説明を省略する。また、メモリセル部11では、所定の方向に配列するメモリストリングスMSの選択トランジスタSGS,SGDの選択ゲート電極は互いに接続され、所定の方向に配列するメモリストリングスMSの同じ高さのメモリセルトランジスタMCの制御ゲート電極は互いに接続されている。   The memory string MS has a structure in which a plurality of transistors having a structure in which a gate electrode film 134 is formed on a side surface of a hollow columnar semiconductor film 131 via a charge storage layer 133 are connected in series in the height direction. However, among these, the transistors at the upper end are the selection transistors SGS and SGD, and one or more memory cell transistors MC are formed below the selection transistors SGS and SGD (on the semiconductor substrate 101 side). Here, a case where four memory cell transistors MC are formed is shown. Also in the second embodiment, the selection transistors SGS and SGD have the same structure as the memory cell transistor MC. Note that the structures of the select transistors SGS, SGD and the memory cell transistor MC constituting the memory string MS are the same as those in the first embodiment, and thus the description thereof is omitted. In the memory cell unit 11, the select gate electrodes of the select transistors SGS, SGD of the memory strings MS arranged in a predetermined direction are connected to each other, and the memory cell transistors MC having the same height of the memory strings MS arranged in the predetermined direction are connected. The control gate electrodes are connected to each other.

さらに、ゲート電極膜134と交差する方向(たとえば、直交方向)に隣接する一対のメモリストリングスMS間は、層間絶縁膜102に形成されたチャネル接続層137によって接続されている。チャネル接続層137は、半導体膜131とは極性の異なる半導体材料からなり、たとえばN型多結晶シリコンなどのN型半導体材料によって構成される。   Further, a pair of memory strings MS adjacent in a direction crossing the gate electrode film 134 (for example, an orthogonal direction) is connected by a channel connection layer 137 formed in the interlayer insulating film 102. The channel connection layer 137 is made of a semiconductor material having a polarity different from that of the semiconductor film 131, and is made of an N-type semiconductor material such as N-type polycrystalline silicon.

このように、第2の実施の形態では、チャネル接続層137で接続される2本のメモリストリングスMSで1つのメモリセル列を構成する。そのため、一方のメモリストリングスMSの選択トランジスタはソース側選択トランジスタSGSとして機能し、他方のメモリストリングスMSの選択トランジスタはドレイン側選択トランジスタSGDとして機能する。また、ソース側選択トランジスタSGSが形成されるメモリストリングスMSの半導体膜131の上端にはソース領域111が形成され、ドレイン側選択トランジスタSGDが形成されるメモリストリングスMSの半導体膜131の上端にはドレイン領域112が形成されている。   As described above, in the second embodiment, one memory cell column is configured by two memory strings MS connected by the channel connection layer 137. Therefore, the selection transistor of one memory string MS functions as the source side selection transistor SGS, and the selection transistor of the other memory string MS functions as the drain side selection transistor SGD. A source region 111 is formed at the upper end of the semiconductor film 131 of the memory string MS in which the source side select transistor SGS is formed, and a drain is formed at the upper end of the semiconductor film 131 of the memory string MS in which the drain side select transistor SGD is formed. Region 112 is formed.

なお、半導体基板101、スペーサ膜121、半導体膜131、電荷蓄積層133およびゲート電極膜134の材料としては、第1の実施の形態と同様のものを用いることができる。また、その他の構成は第1の実施の形態と略同様であるので、第1の実施の形態と同一の構成要素には同一の符号を付して、その説明を省略している。   Note that as the materials of the semiconductor substrate 101, the spacer film 121, the semiconductor film 131, the charge storage layer 133, and the gate electrode film 134, the same materials as those in the first embodiment can be used. Since other configurations are substantially the same as those of the first embodiment, the same components as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.

さらに、第2の実施の形態でも、ワード線方向(ゲート電極膜134の延在方向)に隣接するメモリストリングスMSの最上層のトランジスタ形成位置での最隣接チャネル間距離が、第1の実施の形態と同様に(0)式の関係が満たされるように、メモリストリングスMSが形成される。   Furthermore, also in the second embodiment, the distance between the adjacent channels at the transistor formation position of the uppermost layer of the memory string MS adjacent in the word line direction (extending direction of the gate electrode film 134) is the same as that in the first embodiment. The memory strings MS are formed so that the relationship of the expression (0) is satisfied as in the embodiment.

つぎに、このような構造の不揮発性半導体記憶装置の製造方法について説明する。図6−1〜図6−10は、第2の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である。これらの図において、(a)は、ワード線方向の断面を示し、(b)は、ワード線方向に垂直な方向の断面を示し、(c)は、(a)のI−I線で切った場合の平面断面図を示しており、(d)は、(b)のJ−J線で切った場合の平面断面図を示しており、(e)は、ワード線コンタクト部のワード線方向の断面を示している。   Next, a method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device having such a structure will be described. FIGS. 6-1 to 6-10 are cross-sectional views schematically showing an example of the procedure of the method of manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device according to the second embodiment. In these drawings, (a) shows a cross section in the word line direction, (b) shows a cross section in a direction perpendicular to the word line direction, and (c) is cut along the II line in (a). (D) is a plan sectional view taken along line JJ of (b), and (e) is a word line direction of the word line contact portion. The cross section of is shown.

まず、半導体基板101上に不揮発性半導体記憶装置の図示しない周辺回路を形成する。その後、図6−1に示されるように、周辺回路を形成した半導体基板101のメモリセル部とワード線コンタクト部の形成領域に層間絶縁膜102を形成し、リソグラフィ技術およびRIE法によってチャネル接続層137を形成するためのトレンチ136を形成する。このトレンチ136は、ビット線方向に隣接する2つのメモリストリングスMSを接続することができる長さで形成される。ついで、トレンチ136を形成した層間絶縁膜102上にN型の半導体材料からなるチャネル接続層137を形成した後、CMP法などの方法で層間絶縁膜102が露出するまでリセスする。これによって、チャネル接続層137は、トレンチ136内にのみ形成される。ここで、層間絶縁膜102としては、たとえばシリコン酸化膜を用いることができ、チャネル接続層137としては、PをドープしたN型多結晶シリコン膜を用いることができる。   First, a peripheral circuit (not shown) of the nonvolatile semiconductor memory device is formed on the semiconductor substrate 101. Thereafter, as shown in FIG. 6A, the interlayer insulating film 102 is formed in the formation region of the memory cell portion and the word line contact portion of the semiconductor substrate 101 on which the peripheral circuit is formed, and the channel connection layer is formed by lithography and RIE. A trench 136 for forming 137 is formed. The trench 136 is formed with a length capable of connecting two memory strings MS adjacent in the bit line direction. Next, a channel connection layer 137 made of an N-type semiconductor material is formed on the interlayer insulating film 102 in which the trench 136 is formed, and then recessed until the interlayer insulating film 102 is exposed by a method such as CMP. As a result, the channel connection layer 137 is formed only in the trench 136. Here, for example, a silicon oxide film can be used as the interlayer insulating film 102, and an N-type polycrystalline silicon film doped with P can be used as the channel connection layer 137.

その後、半導体基板101の全面に、LPCVD法などの成膜法によって、メモリセルを構成するスペーサ膜121と、後に除去される犠牲膜122とを交互に複数層積層し、最上層はスペーサ膜121で終わるようにする。また、最上層のスペーサ膜121上に、CMP処理時のストッパとなるストッパ膜123を形成し、積層膜を形成する。ここでは、犠牲膜122が5層となるように積層させる。犠牲膜122として、後のエッチングによる処理で、スペーサ膜121に比してエッチングレートが大きな絶縁材料が選択される。たとえば、スペーサ膜121としては、シリコン酸化膜を用いることができ、犠牲膜122としては、シリコン窒化膜を用いることができる。なお、積層膜を形成する方法として、LPCVD法以外にも、SACVD法、PECVD法、スパッタ法、SODなどの技術を適宜組み合わせて用いることも可能である。   Thereafter, a plurality of layers of the spacer film 121 constituting the memory cell and the sacrificial film 122 to be removed later are alternately stacked on the entire surface of the semiconductor substrate 101 by a film forming method such as LPCVD, and the uppermost layer is the spacer film 121. End with. A stopper film 123 serving as a stopper at the time of CMP processing is formed on the uppermost spacer film 121 to form a laminated film. Here, the sacrificial film 122 is stacked so as to have five layers. As the sacrificial film 122, an insulating material having an etching rate larger than that of the spacer film 121 is selected in a later etching process. For example, a silicon oxide film can be used as the spacer film 121 and a silicon nitride film can be used as the sacrificial film 122. In addition to the LPCVD method, a method of forming the laminated film may be appropriately combined with techniques such as SACVD method, PECVD method, sputtering method, and SOD.

ついで、図6−2〜図6−4に示されるように、リソグラフィ技術とRIE法を用いて、ワード線コンタクト部の積層膜を階段状に加工する処理を行う。ここで、積層膜について、下から順に第1のスペーサ膜121、第1の犠牲膜122、第2のスペーサ膜121、第2の犠牲膜122、・・・、第5のスペーサ膜121、第5の犠牲膜122、第6のスペーサ膜121というものとする。   Next, as shown in FIGS. 6-2 to 6-4, the stacked film of the word line contact portion is processed in a stepped manner using a lithography technique and an RIE method. Here, with respect to the stacked film, the first spacer film 121, the first sacrificial film 122, the second spacer film 121, the second sacrificial film 122,..., The fifth spacer film 121, the first 5 sacrificial film 122 and sixth spacer film 121.

まず、図6−2では、ワード線コンタクト部の中央付近からメモリセル部とは反対側の端部に至る領域において、ストッパ膜123から第4のスペーサ膜121までを除去する。これによって、2段の段差が形成される。その後、同様の加工を2回繰り返すことで、階段状に各層の犠牲膜122が露出した構造のワード線コンタクト部が加工される。具体的には、図6−2で形成された上段の平坦部分の中央付近から段差部に至る領域では、ストッパ膜123と第6のスペーサ膜121と、下段の平坦部分の中央付近からメモリセル部とは反対側の端部に至る領域では、第3の犠牲膜122と第3のスペーサ膜121と、を同時に除去する。これによって、図6−3に示されるように4段の段差が形成される。さらに、図6−3で形成された上から2段目の平坦部分の中央付近から上から2つ目の段差部に至る領域では、第5の犠牲膜122と第5のスペーサ膜121が除去される。また、これと同時に上から4段目の平坦部分では、それぞれの平坦部分の中央付近からメモリセル部とは反対側の端部に至る領域において、1層分の犠牲膜122とスペーサ膜121が除去される。これによって、図6−4に示されるように6段の段差が形成され、ワード線コンタクト部が形成される。   First, in FIG. 6B, the region from the stopper film 123 to the fourth spacer film 121 is removed in the region from the vicinity of the center of the word line contact portion to the end portion on the side opposite to the memory cell portion. As a result, two steps are formed. Thereafter, the same processing is repeated twice to process the word line contact portion having a structure in which the sacrificial film 122 of each layer is exposed in a stepped manner. Specifically, in the region from the vicinity of the center of the upper flat portion formed in FIG. 6-2 to the stepped portion, the stopper film 123, the sixth spacer film 121, and the memory cell from the vicinity of the center of the lower flat portion. The third sacrificial film 122 and the third spacer film 121 are removed at the same time in the region reaching the end opposite to the portion. As a result, four steps are formed as shown in FIG. 6-3. Further, the fifth sacrificial film 122 and the fifth spacer film 121 are removed in the region from the vicinity of the center of the second flat portion formed in FIG. 6-3 to the second stepped portion from the top. Is done. At the same time, in the fourth flat portion from the top, the sacrificial film 122 and the spacer film 121 for one layer are formed in the region from the vicinity of the center of each flat portion to the end opposite to the memory cell portion. Removed. As a result, six steps are formed as shown in FIG. 6-4, and the word line contact portion is formed.

ついで、図6−5に示されるように、半導体基板101全面に、平坦化膜141を形成する。平坦化膜141として、たとえばシリコン酸化膜を用いることができる。その後、ストッパ膜123をストッパとして、CMP技術によって平坦化する。   Next, as shown in FIG. 6-5, a planarization film 141 is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 101. As the planarization film 141, for example, a silicon oxide film can be used. Thereafter, planarization is performed by CMP technique using the stopper film 123 as a stopper.

さらに、半導体基板101の全面に、図示しないマスク膜を形成し、リソグラフィ技術とRIE法によって、スペーサ膜121と犠牲膜122とストッパ膜123とからなる積層膜を一括加工して、メモリセル部に貫通孔135を形成する。この貫通孔135は、メモリセル部にマトリックス状に配置され、その底部はチャネル接続層137に連通している。なお、マスク膜として、たとえばCVDカーボン膜を用いることができる。貫通孔135を形成した後、マスク膜を除去する。これによって、チャネルとなる半導体膜131を形成するための鋳型が形成される。   Further, a mask film (not shown) is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 101, and a laminated film composed of the spacer film 121, the sacrificial film 122, and the stopper film 123 is collectively processed by lithography and RIE to form a memory cell portion. A through hole 135 is formed. The through holes 135 are arranged in a matrix in the memory cell portion, and the bottom portion thereof communicates with the channel connection layer 137. For example, a CVD carbon film can be used as the mask film. After forming the through hole 135, the mask film is removed. Thus, a template for forming the semiconductor film 131 to be a channel is formed.

ついで、図6−6に示されるように、LPCVD法などの成膜法によって、チャネルとなるP型の半導体材料からなる半導体膜131を形成する。このとき、半導体膜131は、貫通孔135内に埋め込まれ、下端がチャネル接続層137と接続するように形成される。ここで、半導体膜131としては、たとえばBドープ多結晶シリコン膜を用いることができる。なお、半導体膜131は、第1の実施の形態と同様に貫通孔135を完全に埋め込むように形成してもよいし、マカロニ状に中空に埋め込むように形成してもよい。ここでは、中空に埋め込むものとする。   Next, as shown in FIGS. 6-6, a semiconductor film 131 made of a P-type semiconductor material to be a channel is formed by a film forming method such as an LPCVD method. At this time, the semiconductor film 131 is formed so as to be embedded in the through hole 135 and connected to the channel connection layer 137 at the lower end. Here, as the semiconductor film 131, for example, a B-doped polycrystalline silicon film can be used. Note that the semiconductor film 131 may be formed so as to completely embed the through hole 135 as in the first embodiment, or may be formed so as to be embedded in a macaroni in a hollow manner. Here, it shall embed in hollow.

その後、ALD法によって、中空のマカロニ状に形成された半導体膜131内を埋め込むように、シリコン酸化膜などからなる絶縁膜132を形成する。ついで、RIE法によってエッチバックを行って、ストッパ膜123上の半導体膜131と絶縁膜132を除去する。これによって、貫通孔135内にのみ中空の半導体膜131と絶縁膜132とが残存する。続いて、リソグラフィ技術とイオン注入技術とを用いて、半導体膜131の上部に所定の導電型の不純物元素をイオン注入し、ソース領域111とドレイン領域112を形成する。ここでは、不純物元素として、たとえば砒素を用いることができる。   Thereafter, an insulating film 132 made of a silicon oxide film or the like is formed by an ALD method so as to embed the inside of the semiconductor film 131 formed in a hollow macaroni shape. Next, etch back is performed by RIE to remove the semiconductor film 131 and the insulating film 132 on the stopper film 123. As a result, the hollow semiconductor film 131 and the insulating film 132 remain only in the through hole 135. Subsequently, using a lithography technique and an ion implantation technique, an impurity element having a predetermined conductivity type is ion-implanted into the upper portion of the semiconductor film 131 to form a source region 111 and a drain region 112. Here, for example, arsenic can be used as the impurity element.

ついで、図6−7に示されるように、半導体基板101の全面に、図示しないマスク膜を形成し、リソグラフィ技術とRIE法によって、積層膜および平坦化膜141を、一括加工してトレンチ142を形成する。このトレンチ142は、ビット線方向に隣接する半導体膜131間を切断するように、ワード線方向に延在する形状を有する。なお、マスク膜として、たとえばCVDカーボン膜を用いることができる。トレンチ142を形成した後、マスク膜を除去する。   Next, as shown in FIGS. 6-7, a mask film (not shown) is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 101, and the laminated film and the planarizing film 141 are collectively processed by lithography and RIE to form the trench 142. Form. The trench 142 has a shape extending in the word line direction so as to cut between the semiconductor films 131 adjacent in the bit line direction. For example, a CVD carbon film can be used as the mask film. After forming the trench 142, the mask film is removed.

ついで、図6−8に示されるように、気相エッチングによって、犠牲膜122を選択的に除去して、上下のスペーサ膜121間に空洞122aを形成する。このとき、半導体膜131が柱となって、スペーサ膜121を支えているので、空洞122aがつぶれることはない。また、スペーサ膜121にシリコン酸化膜を用い、犠牲膜122にシリコン窒化膜を用いる場合には、シリコン窒化膜がシリコン酸化膜に比して選択的にエッチングされるように、たとえば、フッ酸気相エッチングを用いることができる。この犠牲膜122が除去された後の空洞122aは、後のMONOS構造を形成する際の鋳型となる。   Next, as shown in FIGS. 6-8, the sacrificial film 122 is selectively removed by vapor phase etching to form a cavity 122a between the upper and lower spacer films 121. At this time, since the semiconductor film 131 serves as a pillar and supports the spacer film 121, the cavity 122a is not crushed. When a silicon oxide film is used for the spacer film 121 and a silicon nitride film is used for the sacrificial film 122, for example, a hydrofluoric acid gas is used so that the silicon nitride film is selectively etched as compared with the silicon oxide film. Phase etching can be used. The cavity 122a after the sacrificial film 122 is removed serves as a template for forming a later MONOS structure.

その後、図6−9に示されるように、一部がスペーサ膜121で覆われた中空の柱状の半導体膜131の側面が覆われるように、MONOSセルを構成する電荷蓄積層133を形成する。電荷蓄積層133は、トンネル絶縁膜/チャージトラップ膜/チャージブロック膜の積層構造を有する。トンネル絶縁膜としては、たとえばISSG(In-Situ Steam Generator)酸化で形成した熱酸化膜を用いることができ、チャージトラップ膜としては、ALD法で形成したシリコン窒化膜を用いることができ、チャージブロック膜としては、ALD法で形成したハフニア膜を用いることができる。このとき、トレンチの延在方向(ワード線方向)に隣接した少なくとも最上層のメモリセルでは、ワード線方向にMONOSセルを構成する電荷蓄積層133の一部が交わった形状になり、少なくとも最上層のトランジスタにおいて、第1の実施の形態で説明した(0)式の関係が成り立っている。   Thereafter, as shown in FIGS. 6-9, the charge storage layer 133 constituting the MONOS cell is formed so that the side surface of the hollow columnar semiconductor film 131 partially covered with the spacer film 121 is covered. The charge storage layer 133 has a laminated structure of a tunnel insulating film / charge trap film / charge block film. As the tunnel insulating film, for example, a thermal oxide film formed by ISSG (In-Situ Steam Generator) oxidation can be used, and as the charge trap film, a silicon nitride film formed by the ALD method can be used. As the film, a hafnia film formed by an ALD method can be used. At this time, at least the uppermost memory cell adjacent in the trench extending direction (word line direction) has a shape in which a part of the charge storage layer 133 constituting the MONOS cell intersects in the word line direction, and at least the uppermost layer. In this transistor, the relationship of the expression (0) described in the first embodiment is established.

これは、図6−5に示される貫通孔135を、(2)式を満たすように形成することで達成される。これによって、隣接したチャネル間の距離を詰めることができるので、より高い平面内のビット密度を実現することが可能になる。   This is achieved by forming the through hole 135 shown in FIG. 6-5 so as to satisfy the expression (2). As a result, the distance between adjacent channels can be reduced, so that a higher in-plane bit density can be realized.

さらに、CVD法などの成膜法によって、電荷蓄積層133を形成した中空の柱状の半導体膜131の側面に、ゲート電極膜134を形成した後、ドライエッチング法によってトレンチ142の底部などに形成されたゲート電極膜134をリセスし、積層された各トランジスタに対する電極となるように分割する。ここで、ゲート電極膜134の材料として、たとえば窒化チタン/タングステン積層膜を用いることができ、ドライエッチングのエッチングガスとして、たとえば希釈ClF3を用いることができる。 Further, after forming the gate electrode film 134 on the side surface of the hollow columnar semiconductor film 131 on which the charge storage layer 133 is formed by a film forming method such as a CVD method, the gate electrode film 134 is formed on the bottom of the trench 142 or the like by a dry etching method. The gate electrode film 134 is recessed and divided so as to be an electrode for each stacked transistor. Here, as a material of the gate electrode film 134, for example, a titanium nitride / tungsten laminated film can be used, and as an etching gas for dry etching, for example, diluted ClF 3 can be used.

続いて、図6−10に示されるように、半導体基板101の全面に、CVD法などの成膜法によって、トレンチ142を埋め込むように層間絶縁膜143を形成する。この層間絶縁膜143としては、TEOS/O3膜を用いることができる。そして、層間絶縁膜143の表面をCMP技術によって平坦化する。 Subsequently, as illustrated in FIG. 6-10, an interlayer insulating film 143 is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 101 by a film forming method such as a CVD method so as to fill the trench 142. As the interlayer insulating film 143, a TEOS / O 3 film can be used. Then, the surface of the interlayer insulating film 143 is planarized by the CMP technique.

ついで、リソグラフィ技術とRIE法によって、メモリセル部の中空の柱状の半導体膜131と、ワード線コンタクト部のゲート電極膜134に連通するコンタクトホール144を形成する。その後、CVD法などの成膜法によって、コンタクトホール144内に導電性材料膜を埋め込み、CMP技術によって、層間絶縁膜143が露出するまで平坦化し、コンタクト145を形成する。コンタクト145の材料としては、たとえばタングステンを用いることができる。   Next, a contact hole 144 communicating with the hollow columnar semiconductor film 131 in the memory cell portion and the gate electrode film 134 in the word line contact portion is formed by lithography technique and RIE method. Thereafter, a conductive material film is embedded in the contact hole 144 by a film forming method such as a CVD method, and planarized by the CMP technique until the interlayer insulating film 143 is exposed, thereby forming a contact 145. As a material of the contact 145, for example, tungsten can be used.

その後、コンタクト145に接続される配線層151〜153などを、層間絶縁膜161〜163を介して形成し、多層配線層を形成する。以上によって、図5−1〜図5−2に示される構造の不揮発性半導体記憶装置が得られる。   Thereafter, wiring layers 151 to 153 connected to the contact 145 are formed via the interlayer insulating films 161 to 163 to form a multilayer wiring layer. As described above, the nonvolatile semiconductor memory device having the structure shown in FIGS. 5-1 to 5-2 is obtained.

第2の実施の形態によっても、第1の実施の形態と同様の効果を得ることができる。   According to the second embodiment, the same effects as those of the first embodiment can be obtained.

(第3の実施の形態)
図7は、本発明の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置のメモリセルの構造の一例を模式的に示す断面図であり、(a)はメモリセル部のビット線方向の一部断面図であり、(b)は(a)のK−K断面図である。また、図8は、半導体膜の配置方法の一例を示す図である。
(Third embodiment)
FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing an example of the structure of the memory cell of the nonvolatile semiconductor memory device according to the embodiment of the present invention. FIG. 7A is a partial cross-sectional view in the bit line direction of the memory cell portion. (B) is a KK sectional view of (a). FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a semiconductor film arrangement method.

上記したように、第1と第2の実施の形態の製造方法では、ゲート電極膜134を埋め込んだ後に等方エッチングでリセスを行う必要があるため、ビット線方向に隣接する半導体膜131間の距離Lは、スペーサ膜121の幅をtSpacerとし、ゲート電極膜134の膜厚をtGATEとすると、次式(5)となるように設定される。
L>(tTNL+tCT+tCB+tSpacer+tGATE)×2 ・・・(5)
As described above, in the manufacturing methods of the first and second embodiments, it is necessary to perform recessing by isotropic etching after the gate electrode film 134 is buried, and therefore, between the semiconductor films 131 adjacent in the bit line direction. The distance L is set to satisfy the following expression (5), where the width of the spacer film 121 is t Spacer and the film thickness of the gate electrode film 134 is t GATE .
L> (t TNL + t CT + t CB + t Spacer + t GATE ) × 2 (5)

これは、(5)式を満たさないと、ビット線方向に隣接する半導体膜131間のゲート電極膜134のリセスができないからである。すなわち、上記した第1と第2の実施の形態の構造ではワード線方向には微細化が可能であるが、ビット線方向の微細化には制約がある。そのため図8に示されるように、第1と第2の実施の形態でも説明した通り、最上層のトランジスタ形成位置において(0)式を満たすことで側面の電荷蓄積層133がワード線方向で交わった半導体膜131が、(5)式を満たしながらビット線方向に配置されることになる。   This is because the recess of the gate electrode film 134 between the semiconductor films 131 adjacent in the bit line direction cannot be performed unless Expression (5) is satisfied. That is, in the structures of the first and second embodiments described above, miniaturization is possible in the word line direction, but miniaturization in the bit line direction is limited. Therefore, as shown in FIG. 8, as described in the first and second embodiments, the charge storage layer 133 on the side surface intersects in the word line direction by satisfying the equation (0) at the uppermost transistor formation position. The semiconductor film 131 is arranged in the bit line direction while satisfying the expression (5).

図9は、第1と第2の実施の形態の構造を有する不揮発性半導体記憶装置のスケーリングシナリオの一例を示す図である。ここでは、ワード線方向およびビット線方向を最小寸法とした場合に、チャネルとなる半導体膜131の直径によって、128GbNANDを実現する積層数がどのように変化するかを示している。そのため、この図の横軸は、チャネルとなる半導体膜131の直径(nm)を示し、縦軸は、128GbNAND型フラッシュメモリを製造するために必要なメモリセルの積層数を示している。この図9に示されるように、半導体膜131の直径を微細化していくことで、積層数を大きく抑制することができる。特に、半導体膜131の直径を20nmとすると、積層数を10層以下にすることが可能となる。   FIG. 9 is a diagram showing an example of a scaling scenario of the nonvolatile semiconductor memory device having the structures of the first and second embodiments. Here, it is shown how the number of stacked layers for realizing 128 Gb NAND varies depending on the diameter of the semiconductor film 131 serving as a channel when the word line direction and the bit line direction are set to the minimum dimension. Therefore, the horizontal axis of this figure indicates the diameter (nm) of the semiconductor film 131 to be a channel, and the vertical axis indicates the number of stacked memory cells required for manufacturing a 128 Gb NAND flash memory. As shown in FIG. 9, the number of stacked layers can be greatly suppressed by reducing the diameter of the semiconductor film 131. In particular, when the diameter of the semiconductor film 131 is 20 nm, the number of stacked layers can be reduced to 10 or less.

第3の実施の形態によれば、チャネルとなる半導体膜131の直径を微細化することで、積層メモリ数を減少させることができ、積層メモリ数が多い場合に比して少ない製造工程で、不揮発性半導体記憶装置を製造することができる。その結果、256GbNAND型フラッシュメモリや1TbNAND型フラッシュメモリといったさらなるビット密度の向上も可能となる。   According to the third embodiment, the number of stacked memories can be reduced by reducing the diameter of the semiconductor film 131 serving as a channel, and the number of manufacturing steps can be reduced as compared with the case where the number of stacked memories is large. A nonvolatile semiconductor memory device can be manufactured. As a result, it is possible to further improve the bit density such as 256 Gb NAND flash memory and 1 Tb NAND flash memory.

(第4の実施の形態)
図10は、第4の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置のメモリセル部とワード線コンタクト部の一部を切り出した斜視図である。また、図11−1〜図11−2は、第4の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の構成の一例を模式的に示す断面図であり、図11−1(a)はメモリセル部の平面断面図であり、図11−1(b)は(a)のL−L断面図であり、図11−1(c)は(a)のM−M断面図であり、図11−2(a)はワード線コンタクト部のワード線コンタクト形成位置におけるビット線方向に垂直な方向の断面図であり、図11−2(b)はワード線コンタクト部のメモリストリングスの形成位置に対応する位置でのビット線方向に垂直な方向の断面図である。なお、図11−1(a)は、図11−1(b)、(c)のN−N断面に相当している。
(Fourth embodiment)
FIG. 10 is a perspective view of a part of the memory cell portion and the word line contact portion of the nonvolatile semiconductor memory device according to the fourth embodiment. FIGS. 11A to 11B are cross-sectional views schematically showing an example of the configuration of the nonvolatile semiconductor memory device according to the fourth embodiment, and FIG. 11-1 (b) is an LL sectional view of (a), FIG. 11-1 (c) is an MM sectional view of (a), and FIG. 2A is a cross-sectional view in the direction perpendicular to the bit line direction at the word line contact formation position of the word line contact portion, and FIG. 11B corresponds to the memory string formation position of the word line contact portion. It is sectional drawing of a direction perpendicular | vertical to the bit line direction in a position. In addition, FIG. 11-1 (a) is corresponded to the NN cross section of FIGS. 11-1 (b) and (c).

第4の実施の形態では、メモリストリングスMSの各高さに形成されるトランジスタについて、電荷蓄積層133を介して配置されるゲート電極膜134が、半導体膜131を挟んだビット線方向の両側でそれぞれ独立した構造を有する。つまり、半導体膜131の同じ高さに、独立した2つのゲート電極膜134を配置することによって、第1〜第3の実施の形態の構造に比して記憶密度を2倍に高めている。   In the fourth embodiment, for the transistors formed at each height of the memory string MS, the gate electrode film 134 disposed via the charge storage layer 133 is formed on both sides in the bit line direction with the semiconductor film 131 interposed therebetween. Each has an independent structure. In other words, by arranging two independent gate electrode films 134 at the same height of the semiconductor film 131, the storage density is increased by a factor of two compared to the structures of the first to third embodiments.

このような構造とするために、図10、図11−1(a)〜(c)および図11−2(b)に示されるように、メモリセル部11における構造は、メモリストリングスMSが柱状の中空の半導体膜131からなり、その内部が絶縁膜132で埋め込まれる点を除いて第1の実施の形態と同じであるが、ワード線コンタクト部20の形状がメモリセル部11から延びるゲート電極膜134を、1つのメモリストリングスMSにおいて2つに分離するための構造となっている。具体的には、中空の柱状の半導体膜131が、ワード線コンタクト部20まで延長して配置されている。このとき、ワード線コンタクト部20においても、ワード線方向に隣接する半導体膜131は、第1の実施の形態で説明した(0)式の関係を満たすように配置される。これによって、ワード線方向に隣接する半導体膜131間には、ゲート電極膜134は入り込めなくなり、半導体膜131を挟んでビット線方向の両側に形成される2つのゲート電極膜134を電気的に分離することが可能となる。ワード線コンタクト部20に配置される半導体膜131は、メモリストリングスを構成するものではなく、単に半導体膜131を挟んでビット線方向の両側に配置されるゲート電極膜134を分離するためのものである。   In order to obtain such a structure, as shown in FIGS. 10, 11-1 (a) to (c) and FIG. 11-2 (b), the memory cell unit 11 has a memory string MS in a column shape. Except that the hollow semiconductor film 131 is filled with an insulating film 132, but the shape of the word line contact portion 20 extends from the memory cell portion 11. The film 134 is structured to separate into two in one memory string MS. Specifically, a hollow columnar semiconductor film 131 is arranged extending to the word line contact portion 20. At this time, also in the word line contact portion 20, the semiconductor film 131 adjacent in the word line direction is arranged so as to satisfy the relationship of the expression (0) described in the first embodiment. Accordingly, the gate electrode film 134 cannot enter between the semiconductor films 131 adjacent in the word line direction, and the two gate electrode films 134 formed on both sides in the bit line direction with the semiconductor film 131 interposed therebetween are electrically connected. It becomes possible to separate. The semiconductor film 131 disposed in the word line contact portion 20 does not constitute a memory string, but merely for separating the gate electrode films 134 disposed on both sides in the bit line direction with the semiconductor film 131 interposed therebetween. is there.

また、図10と図11−2(a)に示されるように、メモリストリングスMSのある高さに形成されるメモリセルMCまたは選択トランジスタSGS,SGDの2つのゲート電極膜134と、図示しないワード線駆動回路または選択ゲート線駆動回路とを接続するために、ワード線コンタクト部20では、ダミーの半導体膜131のビット線方向の両側に1本ずつコンタクト145が設けられる。なお、第1の実施の形態と同一の構成要素には同一の符号を付してその説明を省略している。   Further, as shown in FIGS. 10 and 11-2 (a), two gate electrode films 134 of the memory cell MC or select transistors SGS and SGD formed at a certain height of the memory string MS, and a word (not shown) In order to connect the line drive circuit or the selection gate line drive circuit, in the word line contact portion 20, one contact 145 is provided on each side of the dummy semiconductor film 131 in the bit line direction. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the component same as 1st Embodiment, and the description is abbreviate | omitted.

つぎに、このような構造の不揮発性半導体記憶装置の製造方法について説明する。図12−1〜図12−8は、第4の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である。これらの図において、(a)は、ワード線方向の断面を示し、(b)は、ワード線方向に垂直な方向の断面を示し、(c)は、(a)のO−O線で切った場合の平面断面図を示しており、(d)は、(b)のP−P線で切った場合の平面断面図を示しており、(e)は、ワード線コンタクト部のコンタクト形成位置でのワード線方向の断面を示しており、(f)は、ワード線コンタクト部のダミーセル形成位置でのワード線方向の断面図を示している。   Next, a method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device having such a structure will be described. 12A to 12E are cross-sectional views schematically illustrating an example of the procedure of the method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device according to the fourth embodiment. In these drawings, (a) shows a cross section in the word line direction, (b) shows a cross section in a direction perpendicular to the word line direction, and (c) is cut along the line OO in (a). (D) is a plan sectional view taken along the line P-P in (b), and (e) is a contact formation position of the word line contact portion. FIG. 6F shows a cross-sectional view in the word line direction at the dummy cell formation position of the word line contact portion.

まず、半導体基板101上に不揮発性半導体記憶装置の図示しない周辺回路を形成する。また、図12−1に示されるように、半導体基板101のメモリセル部に、イオン注入法によって所定の導電型の不純物を打ち込み、活性化させることで、ソース領域111を形成する。このソース領域111としては、たとえばN型のソース領域とすることができる。   First, a peripheral circuit (not shown) of the nonvolatile semiconductor memory device is formed on the semiconductor substrate 101. Also, as shown in FIG. 12A, a source region 111 is formed by implanting and activating an impurity of a predetermined conductivity type into the memory cell portion of the semiconductor substrate 101 by an ion implantation method. As the source region 111, for example, an N-type source region can be used.

ついで、半導体基板101の全面にPECVD法などの成膜法によって、メモリセルを構成するスペーサ膜121と犠牲膜122を交互に複数層積層し、最後はスペーサ膜121で終わるようにする。また、最上層のスペーサ膜121上に、CMP処理時のストッパとなるストッパ膜123を形成し、積層膜を形成する。ここでは、犠牲膜122が6層となるように積層させる。犠牲膜122として、後のウエットエッチングによる処理で、スペーサ膜121に比してエッチングレートが大きな絶縁材料が選択される。たとえば、スペーサ膜121としては、シリコン酸化膜を用いることができ、犠牲膜122としては、シリコン窒化膜を用いることができる。また、ストッパ膜123としては、たとえばシリコン窒化膜を用いることができる。なお、積層膜を形成する方法として、PECVD法以外にも、SACVD法、LPCVD法、スパッタ法、SODなどの技術を適宜組み合わせて用いることも可能である。   Next, a plurality of spacer films 121 and sacrificial films 122 constituting a memory cell are alternately stacked on the entire surface of the semiconductor substrate 101 by a film forming method such as PECVD, and finally the spacer film 121 ends. A stopper film 123 serving as a stopper at the time of CMP processing is formed on the uppermost spacer film 121 to form a laminated film. Here, the sacrificial film 122 is stacked so as to have six layers. As the sacrificial film 122, an insulating material having an etching rate larger than that of the spacer film 121 is selected by a later wet etching process. For example, a silicon oxide film can be used as the spacer film 121 and a silicon nitride film can be used as the sacrificial film 122. As the stopper film 123, for example, a silicon nitride film can be used. In addition to the PECVD method, a method of forming a laminated film can be used by appropriately combining techniques such as SACVD, LPCVD, sputtering, and SOD.

ついで、図12−2に示されるように、リソグラフィ技術とRIE法を用いて、ワード線コンタクト部の積層膜を階段状に加工する処理を行い、階段状に各層の犠牲膜122が露出した構造のワード線コンタクト部を形成する。なお、この階段状のワード線コンタクト部の形成は、第1の実施の形態の図4−4〜図4−6で説明した方法と同様の方法で行われる。   Next, as shown in FIG. 12B, a structure in which the laminated film of the word line contact portion is processed in a staircase shape by using a lithography technique and an RIE method, and the sacrificial film 122 of each layer is exposed in a staircase shape. The word line contact portion is formed. The stepped word line contact portion is formed by a method similar to the method described in FIGS. 4-4 to 4-6 of the first embodiment.

その後、図12−3に示されるように、半導体基板101の全面に、平坦化膜141を形成する。平坦化膜141として、たとえばシリコン酸化膜を用いることができる。その後、ストッパ膜123が露出するまで、CMP技術によって、平坦化する。   Thereafter, as shown in FIG. 12C, a planarization film 141 is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 101. As the planarization film 141, for example, a silicon oxide film can be used. Thereafter, planarization is performed by CMP until the stopper film 123 is exposed.

ついで、ストッパ膜123上の全面に、図示しないマスク膜を形成し、公知のリソグラフィ技術とRIE法によって、メモリセル部とワード線コンタクト部の積層膜を一括加工し、半導体基板101に連通する貫通孔135を形成する。ここで、マスク膜としては、たとえばCVDカーボン膜を用いることができる。このとき、第1の実施の形態とは異なり、チャネルを形成する必要のないワード線コンタクト部に関しても同じ密度で貫通孔135を形成する。続いて、マスク膜を除去して、チャネル半導体の鋳型を形成する。   Next, a mask film (not shown) is formed on the entire surface of the stopper film 123, and the laminated film of the memory cell portion and the word line contact portion is collectively processed by a known lithography technique and RIE method, and penetrates the semiconductor substrate 101. A hole 135 is formed. Here, for example, a CVD carbon film can be used as the mask film. At this time, unlike the first embodiment, the through-holes 135 are formed at the same density even for the word line contact portion that does not require the formation of a channel. Subsequently, the mask film is removed to form a channel semiconductor template.

ついで、図12−4に示されるように、LPCVD法などの成膜法によって、チャネルとなる半導体膜131を形成する。このとき、半導体膜131は、貫通孔135内に埋め込まれ、下端が半導体基板101と接続するように形成される。ここで、半導体膜131としては、たとえばBドープ多結晶シリコン膜を用いることができ、このときのB濃度は、たとえば1×1017〜1×1018cm-3に設定することができる。なお、半導体膜131は、貫通孔135の内面に沿って、マカロニ状に中空に埋め込むように形成する。中空に埋め込むことで、ゲート電極膜134で制御する半導体膜131の肉厚が積層されたメモリセルMC間で等しくなるので、各メモリセルMC間のトランジスタ特性のばらつきを小さくできるとともに、1本のチャネル(半導体膜)の両側のメモリセルMCに独立に電子を書き込む際のメモリセルMC間の干渉が起こりにくくなる。 Next, as shown in FIG. 12-4, a semiconductor film 131 to be a channel is formed by a film forming method such as an LPCVD method. At this time, the semiconductor film 131 is formed so as to be embedded in the through hole 135 and to be connected to the semiconductor substrate 101 at the lower end. Here, as the semiconductor film 131, for example, a B-doped polycrystalline silicon film can be used, and the B concentration at this time can be set to 1 × 10 17 to 1 × 10 18 cm −3 , for example. The semiconductor film 131 is formed along the inner surface of the through-hole 135 so as to be embedded in a macaroni hollow. By embedding in the hollow, the thickness of the semiconductor film 131 controlled by the gate electrode film 134 is equalized between the stacked memory cells MC, so that variation in transistor characteristics between the memory cells MC can be reduced, and a single film Interference between the memory cells MC when electrons are independently written into the memory cells MC on both sides of the channel (semiconductor film) is less likely to occur.

さらに、ALD法によって、中空の柱状の半導体膜131の内部を埋め込むように、シリコン酸化膜などからなる絶縁膜132を形成する。その後、RIE法などの方法によってエッチバックを行って、ストッパ膜123上の半導体膜131と絶縁膜132を除去する。これによって、貫通孔135内にのみ中空の柱状の半導体膜131と絶縁膜132とが残存する。続いて、リソグラフィ技術とイオン注入技術とを用いて、半導体膜131の上部に所定の導電型の不純物元素をイオン注入し、ドレイン領域112を形成する。ここでは、不純物元素として、たとえば砒素を用いることができる。   Further, an insulating film 132 made of a silicon oxide film or the like is formed by the ALD method so as to fill the inside of the hollow columnar semiconductor film 131. Thereafter, etch back is performed by a method such as RIE, and the semiconductor film 131 and the insulating film 132 on the stopper film 123 are removed. As a result, the hollow columnar semiconductor film 131 and the insulating film 132 remain only in the through hole 135. Subsequently, an impurity element having a predetermined conductivity type is ion-implanted into the upper portion of the semiconductor film 131 by using a lithography technique and an ion implantation technique, so that the drain region 112 is formed. Here, for example, arsenic can be used as the impurity element.

その後、図12−5に示されるように、半導体基板101の全面に、図示しないマスク膜を形成し、リソグラフィ技術とRIE法によって、積層膜および平坦化膜141を、一括加工してトレンチ142を形成する。このトレンチ142は、ビット線方向に隣接する半導体膜131間を切断するように、ワード線方向に延在する形状を有する。なお、マスク膜として、たとえばCVDカーボン膜を用いることができる。トレンチ142を形成した後、マスク膜を除去する。   Thereafter, as shown in FIG. 12-5, a mask film (not shown) is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 101, and the laminated film and the planarizing film 141 are collectively processed by the lithography technique and the RIE method to form the trench 142. Form. The trench 142 has a shape extending in the word line direction so as to cut between the semiconductor films 131 adjacent in the bit line direction. For example, a CVD carbon film can be used as the mask film. After forming the trench 142, the mask film is removed.

ついで、図12−6に示されるように、ウエットエッチングによって、犠牲膜122を選択的に除去することによって、上下のスペーサ膜121間に空洞122aを形成する。このとき、半導体膜131が柱となってスペーサ膜121を支えているので、空洞122aがつぶれることはない。また、スペーサ膜121にシリコン酸化膜を用い、犠牲膜122にシリコン窒化膜を用いる場合には、ウエットエッチングの薬液としては、シリコン窒化膜がシリコン酸化膜に比して選択的にエッチングされるように、たとえば、熱燐酸を用いることができる。この犠牲膜122が除去された後の空洞122aは、後のMONOS構造を形成する際の鋳型となる。   Next, as shown in FIG. 12-6, the sacrificial film 122 is selectively removed by wet etching to form a cavity 122a between the upper and lower spacer films 121. At this time, since the semiconductor film 131 serves as a pillar to support the spacer film 121, the cavity 122a is not crushed. When a silicon oxide film is used for the spacer film 121 and a silicon nitride film is used for the sacrificial film 122, the silicon nitride film is selectively etched as compared with the silicon oxide film as a chemical solution for wet etching. For example, hot phosphoric acid can be used. The cavity 122a after the sacrificial film 122 is removed serves as a template for forming a later MONOS structure.

その後、図12−7に示されるように、CVD法などの成膜法によって、一部がスペーサ膜121で覆われた柱状の半導体膜131の側面が覆われるように、MONOSセルを構成する電荷蓄積層133を形成する。電荷蓄積層133は、トンネル絶縁膜/チャージトラップ膜/チャージブロック膜の積層構造を有する。トンネル絶縁膜としては、たとえばLPCVD法で形成したONO膜を用いることができ、チャージトラップ膜としては、ALD法で形成したシリコン窒化膜を用いることができ、チャージブロック膜としては、ALD法で形成したアルミナ膜を用いることができる。このとき、トレンチ142の延在方向(ワード線方向)に隣接したトランジスタでは、ワード線方向にMONOSセルを構成する電荷蓄積層133の一部が交わった形状になり、メモリストリングスMS上のすべてのトランジスタで、第1の実施の形態で示した(0)式の関係が成り立っている。   Thereafter, as shown in FIG. 12-7, the charge constituting the MONOS cell is formed so that the side surface of the columnar semiconductor film 131 partially covered with the spacer film 121 is covered by a film forming method such as a CVD method. The accumulation layer 133 is formed. The charge storage layer 133 has a laminated structure of a tunnel insulating film / charge trap film / charge block film. For example, an ONO film formed by LPCVD can be used as the tunnel insulating film, a silicon nitride film formed by ALD can be used as the charge trap film, and an ALD method can be used as the charge block film. An alumina film can be used. At this time, in the transistor adjacent in the extending direction of the trench 142 (word line direction), a part of the charge storage layer 133 constituting the MONOS cell intersects in the word line direction, and all the transistors on the memory string MS In the transistor, the relationship of the expression (0) shown in the first embodiment is established.

これは、図12−3で形成された貫通孔135を、第1の実施の形態で示した(2)式を満たすように形成することで達成される。このとき、ワード線方向に隣接した2つのメモリセルでは、チャージブロック膜の一部が隣り合うメモリセルで交わった(merge)構造になる。これによって、隣接した半導体膜131間の距離を詰めることができる。   This is achieved by forming the through hole 135 formed in FIG. 12-3 so as to satisfy the expression (2) shown in the first embodiment. At this time, in the two memory cells adjacent in the word line direction, a part of the charge block film is merged with the adjacent memory cells. As a result, the distance between adjacent semiconductor films 131 can be reduced.

なお、チャージトラップ膜までを隣接セル間で交わらせることでさらなる微細化が可能であるが、チャージトラップ膜を交わらせてしまうとチャージトラップ膜内に蓄えられた電荷が交わった部分を介して隣接するメモリセルに漏出する可能性があるため好ましくない。したがって、貫通孔135の加工精度を考慮すると、チャージブロック膜を厚膜化する方が確実に隣接するメモリセル間でチャージブロック膜を交わった(共有した)構造にすることができる。そのため、チャージブロック膜として、アルミナやハフニア、ジルコニアなどの高誘電率材料を採用することが望ましい。   Although further miniaturization is possible by crossing up to the charge trap film between adjacent cells, if the charge trap film crosses, it is adjacent through the part where the charge stored in the charge trap film crosses. This is not preferable because the memory cell may leak. Therefore, in consideration of the processing accuracy of the through-hole 135, it is possible to make the charge block film thicker so that a structure in which the charge block film intersects (shared) between adjacent memory cells can be ensured. Therefore, it is desirable to use a high dielectric constant material such as alumina, hafnia, or zirconia as the charge block film.

さらに、CVD法などの成膜法によって、電荷蓄積層133を形成した柱状の半導体膜131の側面に、ゲート電極膜134を形成した後、ドライエッチング法によってトレンチ142の底部などに形成されたゲート電極膜134をリセスし、積層された各トランジスタに対する電極となるように分割する。ゲート電極膜134の材料として、たとえばタングステンを用いることができ、ドライエッチングのエッチングガスとして、たとえばCF4を用いることができる。 Further, after a gate electrode film 134 is formed on the side surface of the columnar semiconductor film 131 on which the charge storage layer 133 is formed by a film forming method such as a CVD method, a gate formed on the bottom of the trench 142 or the like by a dry etching method. The electrode film 134 is recessed and divided so as to be an electrode for each stacked transistor. As a material of the gate electrode film 134, for example, tungsten can be used, and as an etching gas for dry etching, for example, CF 4 can be used.

図13は、半導体膜に電荷蓄積層とゲート電極膜を形成した状態のメモリセル部とワード線コンタクト部の状態を模式的に示す一部斜視図である。このゲート電極膜134の形成時に、ワード線方向のメモリストリングスMS間の空間には、隣接するトランジスタ間で電荷蓄積層133の一部が共有されるように電荷蓄積層133が形成されているので、ゲート電極膜134は形成されることがない。つまり、半導体膜131を挟んだビット線方向の両側に形成される2つのゲート電極膜134は、物理的に接続されることがなく、それぞれ独立して形成される。   FIG. 13 is a partial perspective view schematically showing the state of the memory cell portion and the word line contact portion in a state where the charge storage layer and the gate electrode film are formed on the semiconductor film. When the gate electrode film 134 is formed, the charge storage layer 133 is formed in the space between the memory strings MS in the word line direction so that a part of the charge storage layer 133 is shared between adjacent transistors. The gate electrode film 134 is not formed. That is, the two gate electrode films 134 formed on both sides in the bit line direction with the semiconductor film 131 interposed therebetween are formed independently without being physically connected.

このように、メモリストリングスMSのすべての高さの隣接したトランジスタ間で、チャージブロック膜の一部が隣り合うトランジスタと交わった構造にすることで、半導体膜131を挟んで自動的にゲート電極膜134を分割することが可能になり、独立した電極として機能させることができる。つまり、半導体膜131の同じ高さに形成されるゲート電極膜134を、ビット線方向に分割するための追加の加工工程を必要としない。このために、本来メモリセルを設けないワード線コンタクト部にもダミーセルを設けることで、ゲート電極膜134をメモリセル部およびワード線コンタクト部で完全に分割している。   In this way, by adopting a structure in which a part of the charge block film intersects with an adjacent transistor between adjacent transistors at all heights of the memory string MS, the gate electrode film is automatically sandwiched between the semiconductor films 131. 134 can be divided and can function as an independent electrode. That is, an additional processing step for dividing the gate electrode film 134 formed at the same height of the semiconductor film 131 in the bit line direction is not required. For this reason, by providing dummy cells in word line contact portions that are not originally provided with memory cells, the gate electrode film 134 is completely divided between the memory cell portions and the word line contact portions.

また、第4の実施の形態の構造では円筒形のチャネル(半導体膜131)の片側にしか電極が形成されないことになり、円筒形チャネルの片側のみをメモリとして利用することになるが、本メモリセルはジャンクションフリーのInversion型セルであるため、トランジスタ動作上は問題なく円筒形チャネルシリコンの片側のみを反転させてチャネルとして利用することになる。   In the structure of the fourth embodiment, an electrode is formed only on one side of the cylindrical channel (semiconductor film 131), and only one side of the cylindrical channel is used as a memory. Since the cell is a junction-free Inversion type cell, there is no problem in transistor operation, and only one side of the cylindrical channel silicon is inverted and used as a channel.

以上で6層分のゲート電極膜134が一括形成されるが、上から1番目と6番目のゲート電極膜134が選択ゲート電極(SG)となり、上から2〜5番目の電極がワード線となる制御ゲート電極(CG)となる。   As described above, the gate electrode films 134 for six layers are collectively formed. The first and sixth gate electrode films 134 from the top serve as selection gate electrodes (SG), and the second to fifth electrodes from the top serve as word lines. A control gate electrode (CG).

続いて、図12−8に示されるように、半導体基板101の全面に、CVD法などの成膜法によってトレンチ142を埋め込むように層間絶縁膜143を形成する。この層間絶縁膜143としては、TEOS/O3膜を用いることができる。そして、層間絶縁膜143の表面をCMP技術によって平坦化する。 Subsequently, as shown in FIG. 12-8, an interlayer insulating film 143 is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 101 so as to fill the trench 142 by a film forming method such as a CVD method. As the interlayer insulating film 143, a TEOS / O 3 film can be used. Then, the surface of the interlayer insulating film 143 is planarized by the CMP technique.

ついで、リソグラフィ技術とRIE法によって、メモリセル部の柱状の半導体膜131と、ワード線コンタクト部のゲート電極膜134に連通するコンタクトホール144を形成する。その後、CVD法などの成膜法によって、コンタクトホール144内に導電性材料膜を埋め込み、CMP技術によって、層間絶縁膜143が露出するまで平坦化し、コンタクト145を形成する。なお、コンタクト145の材料としては、たとえばタングステンを用いることができる。   Next, a contact hole 144 communicating with the columnar semiconductor film 131 in the memory cell portion and the gate electrode film 134 in the word line contact portion is formed by lithography technique and RIE method. Thereafter, a conductive material film is embedded in the contact hole 144 by a film forming method such as a CVD method, and planarized by the CMP technique until the interlayer insulating film 143 is exposed, thereby forming a contact 145. As a material of the contact 145, for example, tungsten can be used.

その後、コンタクト145に接続される配線層151〜153などを、層間絶縁膜161〜163を介して形成し、多層配線層を形成する。以上によって、図11−1〜図11−2に示される構造の不揮発性半導体記憶装置が得られる。   Thereafter, wiring layers 151 to 153 connected to the contact 145 are formed via the interlayer insulating films 161 to 163 to form a multilayer wiring layer. As described above, the nonvolatile semiconductor memory device having the structure shown in FIGS. 11A to 11B is obtained.

第4の実施の形態では、メモリストリングスMSの高さ方向のすべてのトランジスタの形成位置で(0)式が満たされるように、メモリセル部とワード線コンタクト部に中空の柱状の半導体膜131を形成したので、半導体膜131の各トランジスタの形成位置には、ビット線方向に物理的に(電気的に)分割された2つのゲート電極膜134が形成され、第1〜第3の実施の形態の場合に比して2倍の記憶密度を達成することができるという効果を有する。   In the fourth embodiment, the hollow columnar semiconductor film 131 is formed in the memory cell portion and the word line contact portion so that the expression (0) is satisfied at the formation positions of all the transistors in the height direction of the memory string MS. Since it is formed, two gate electrode films 134 that are physically (electrically) divided in the bit line direction are formed at the formation positions of the transistors in the semiconductor film 131, and the first to third embodiments are formed. As compared with the case of the above, there is an effect that the storage density can be doubled.

また、第4の実施の形態の構造でも、第1〜第3の実施の形態と同様に、半導体膜131を加工限界まで近づけることが可能になるので、ビット線/ワード線方向のメモリセルピッチを、従来の隣り合う半導体膜間にゲート電極膜が挿入された構造に比べて大幅に圧縮することが可能になる。たとえば、半導体膜131の直径(中空の柱状の半導体膜131の外径)が50nmであり、MONOSセルを構成する電荷蓄積層133の膜厚を25nmであるとすると、従来のワード線方向に隣り合う半導体膜131間にゲート電極膜134が挿入される構造では、ワード線方向のメモリセルピッチは、次式(6)によって算出される。
ワード線方向のメモリセルピッチ
=電荷蓄積層膜厚+半導体膜直径+電荷蓄積層膜厚+加工条件で制約されるゲート電極膜幅
=25nm+50nm+25nm+50nm
=150nm ・・・(6)
Also in the structure of the fourth embodiment, as in the first to third embodiments, the semiconductor film 131 can be brought close to the processing limit, so that the memory cell pitch in the bit line / word line direction is increased. As compared with the conventional structure in which a gate electrode film is inserted between adjacent semiconductor films. For example, if the diameter of the semiconductor film 131 (the outer diameter of the hollow columnar semiconductor film 131) is 50 nm and the film thickness of the charge storage layer 133 constituting the MONOS cell is 25 nm, it is adjacent to the conventional word line direction. In the structure in which the gate electrode film 134 is inserted between the matching semiconductor films 131, the memory cell pitch in the word line direction is calculated by the following equation (6).
Memory cell pitch in the word line direction = charge storage layer thickness + semiconductor film diameter + charge storage layer thickness + gate electrode film width restricted by processing conditions = 25 nm + 50 nm + 25 nm + 50 nm
= 150 nm (6)

また、ビット線方向のメモリセルピッチは、次式(7)によって算出される。
ビット線方向のメモリセルピッチ
=加工条件で制約されるゲート電極膜幅+電荷蓄積層膜厚+半導体膜直径+電荷蓄積層膜厚+加工条件で制約されるゲート電極幅+加工条件で制約されるゲート電極膜間隔
=25nm+25nm+50nm+25nm+25nm+50nm
=200nm ・・・(7)
Further, the memory cell pitch in the bit line direction is calculated by the following equation (7).
Bit line direction memory cell pitch = gate electrode film width restricted by processing conditions + charge storage layer thickness + semiconductor film diameter + charge storage layer thickness + gate electrode width restricted by processing conditions + restricted by processing conditions Gate electrode film interval = 25 nm + 25 nm + 50 nm + 25 nm + 25 nm + 50 nm
= 200 nm (7)

(6)式と(7)式を用いて、従来の構造のセル面積を算出すると、30,000nm2程度必要であることがわかる。 When the cell area of the conventional structure is calculated using the equations (6) and (7), it is found that about 30,000 nm 2 is necessary.

一方、第4の実施の形態の構造では、ワード線方向のメモリセルピッチは、次式(8)によって算出される。
ワード線方向のメモリセルピッチ
=半導体膜直径+電荷蓄積層膜の内トンネル絶縁膜とチャージトラップ膜の膜厚の合計+電荷蓄積層膜の内トンネル絶縁膜とチャージトラップ膜の膜厚の合計+最近接チャージトラップ膜間距離
=50nm+10nm+10nm+5nm
=75nm ・・・(8)
On the other hand, in the structure of the fourth embodiment, the memory cell pitch in the word line direction is calculated by the following equation (8).
Memory cell pitch in word line direction = semiconductor film diameter + total thickness of tunnel insulating film and charge trap film in charge storage layer film + total thickness of tunnel insulating film and charge trap film in charge storage layer film + Distance between closest charge trap films = 50 nm + 10 nm + 10 nm + 5 nm
= 75nm (8)

また、ビット線方向のメモリセルピッチは、従来の構造と同じで、(7)式から200nmである。第4の実施の形態では、半導体膜131の両側を別々のメモリセルとして用いることを考慮して、(7)式と(8)式とを用いて、第4の実施の形態でのセル面積は、次式(9)によって算出される。
セル面積
=ワード線方向のピッチ×ビット線方向のピッチ×1/2
=75nm×200nm×1/2
=7,500nm2 ・・・(9)
The memory cell pitch in the bit line direction is the same as the conventional structure, and is 200 nm from the equation (7). In the fourth embodiment, in consideration of using both sides of the semiconductor film 131 as separate memory cells, the cell area in the fourth embodiment is calculated using the equations (7) and (8). Is calculated by the following equation (9).
Cell area = Pitch in the word line direction × Pitch in the bit line direction × 1/2
= 75 nm × 200 nm × 1/2
= 7,500 nm 2 (9)

このように、第4の実施の形態の構造によれば、従来技術の1/4程度までセル面積を縮小できることが期待される。これは、従来技術と同等の積層数で約4倍のビット密度を実現できる、あるいは従来技術で形成されたメモリと同等のビット密度を約1/4の積層数で達成できることを示す。たとえば、従来では24層の積層が必要であった場合、第4の実施の形態の構造によれば、6層の積層で従来と同等のビット密度を実現することが可能になる。   As described above, according to the structure of the fourth embodiment, it is expected that the cell area can be reduced to about ¼ of the prior art. This indicates that a bit density of about 4 times can be realized with the same number of stacks as in the prior art, or a bit density equivalent to that of a memory formed in the prior art can be achieved with a stack number of about 1/4. For example, when 24 layers are conventionally required, according to the structure of the fourth embodiment, it is possible to achieve a bit density equivalent to the conventional case with 6 layers.

このように第4の実施の形態によれば、より高いビット密度をより少ない積層数、すなわちより低い立体構造で実現することが可能になるので、インテグレーションに大きな負担をかけることなくさらに高ビット密度の不揮発性半導体記憶装置を提供することが可能になる。また、半導体膜131をゲート電極膜134の形成よりも先に独立の貫通孔135内に埋め込むことで形成するので、チャネル(半導体膜131)間の距離を近づけてもチャネル同士が融合することがない。   As described above, according to the fourth embodiment, it is possible to realize a higher bit density with a smaller number of stacks, that is, a lower three-dimensional structure. Therefore, even higher bit density can be achieved without imposing a heavy burden on integration. It is possible to provide a non-volatile semiconductor memory device. Further, since the semiconductor film 131 is formed by embedding in the independent through-hole 135 before the formation of the gate electrode film 134, the channels can be fused even if the distance between the channels (semiconductor film 131) is reduced. Absent.

(第5の実施の形態)
第4の実施の形態では、半導体膜を挟んだビット線方向の両側のゲート電極膜を分離するために、チャネル間の距離に厳しい制約が課される場合を例示した。第5の実施の形態では、第4の実施の形態に比して合わせ精度が要求される代わりに、チャネル間の距離に厳しい制約が課されない構造の不揮発性半導体記憶装置について説明する。なお、以下では、第2の実施の形態のようにビット線方向に隣接する一対のメモリストリングスが下部で接続される構造の不揮発性半導体記憶装置を例に挙げて、ワード線方向に延在する絶縁膜で電荷蓄積層およびゲート電極膜を2つに分割する場合について説明する。
(Fifth embodiment)
In the fourth embodiment, the case where severe restrictions are imposed on the distance between the channels in order to separate the gate electrode films on both sides in the bit line direction across the semiconductor film is illustrated. In the fifth embodiment, a nonvolatile semiconductor memory device having a structure in which strict restrictions are not imposed on the distance between channels will be described in place of requiring alignment accuracy as compared with the fourth embodiment. In the following description, a non-volatile semiconductor memory device having a structure in which a pair of memory strings adjacent to each other in the bit line direction is connected to the lower portion as in the second embodiment is taken as an example and extends in the word line direction. A case where the charge storage layer and the gate electrode film are divided into two by an insulating film will be described.

図14−1〜図14−2は、第5の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の構成の一例を模式的に示す断面図であり、図14−1(a)はメモリセル部の平面断面図であり、図14−1(b)は(a)のQ−Q断面図であり、図14−1(c)は(a)のR−R断面図であり、図14−2はワード線コンタクト部のビット線方向に垂直な方向の断面図である。なお、図14−1(a)は、図14−1(b)、(c)のS−S断面に相当している。   FIGS. 14A to 14B are cross-sectional views schematically showing an example of the configuration of the nonvolatile semiconductor memory device according to the fifth embodiment. FIG. 14A is a plan view of the memory cell unit. 14B is a cross-sectional view taken along the line Q-Q of FIG. 14A, FIG. 14C is a cross-sectional view taken along the line RR of FIG. 14A, and FIG. It is sectional drawing of the direction perpendicular | vertical to the bit line direction of a word line contact part. Note that FIG. 14-1 (a) corresponds to the SS cross section of FIGS. 14-1 (b) and 14 (c).

メモリセル部は、図14−1(a)〜(c)に示されるように、第2の実施の形態と略同様の構造を有しているが、メモリストリングスMSの各高さに設けられる電荷蓄積層133およびゲート電極膜134は、メモリストリングスMSを挟んだビット線方向の両側で分離されるように、メモリストリングスMSの略中央付近を通り、ワード線方向に延在する絶縁膜147が設けられる。この絶縁膜147は、ワード線コンタクト部まで設けられている。なお、この第5の実施の形態では、ワード線方向に隣接する半導体膜131が、第1の実施の形態で説明した(0)式を満たすように形成されなくてもよい。   As shown in FIGS. 14-1 (a) to (c), the memory cell portion has substantially the same structure as that of the second embodiment, but is provided at each height of the memory string MS. The charge storage layer 133 and the gate electrode film 134 have an insulating film 147 that extends in the word line direction and passes through substantially the center of the memory string MS so as to be separated on both sides in the bit line direction across the memory string MS. Provided. The insulating film 147 is provided up to the word line contact portion. In the fifth embodiment, the semiconductor film 131 adjacent in the word line direction may not be formed so as to satisfy the expression (0) described in the first embodiment.

また、ワード線コンタクト部も、図14−2に示されるように、第2の実施の形態と略同様の構造を有しているが、電荷蓄積層133とゲート電極膜134は、幅方向(ビット線方向)の略中央付近で図示されない絶縁膜によって分離されている。つまり、メモリストリングスMSのある高さに形成される半導体膜131から、2つのゲート電極膜134が独立して引き出される構造となっている。そして、それぞれのゲート電極膜134にコンタクト145が設けられている。図14−2では、メモリストリングスMSを挟んで一方の側に配置されるゲート電極膜134上の断面を示している。なお、メモリストリングスMSを挟んで他方のゲート電極膜134上にも同様にコンタクト145が設けられるが、ワード線方向上の位置は図示されているコンタクト145の位置とは異なり、図中のコンタクト145と接続されていない配線層151の位置に形成される。なお、その他の構成については、第2の実施の形態と同様であるので、その説明を省略する。   Further, as shown in FIG. 14B, the word line contact portion has substantially the same structure as that of the second embodiment, but the charge storage layer 133 and the gate electrode film 134 are arranged in the width direction ( They are separated by an insulating film not shown in the vicinity of the approximate center in the bit line direction. That is, the two gate electrode films 134 are independently drawn from the semiconductor film 131 formed at a certain height of the memory string MS. A contact 145 is provided on each gate electrode film 134. FIG. 14-2 shows a cross section on the gate electrode film 134 disposed on one side of the memory string MS. A contact 145 is similarly provided on the other gate electrode film 134 with the memory string MS interposed therebetween, but the position in the word line direction is different from the position of the contact 145 shown in the figure, and the contact 145 in the figure. The wiring layer 151 is not connected to the wiring layer 151. Since other configurations are the same as those of the second embodiment, the description thereof is omitted.

つぎに、このような構造の不揮発性半導体記憶装置の製造方法について説明する。図15−1〜図15−9は、第5の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である。これらの図において、(a)は、ワード線方向の断面を示し、(b)は、ワード線方向に垂直な方向の断面を示し、(c)は、(a)のT−T線で切った場合の平面断面図を示しており、(d)は、(b)のU−U線で切った場合の平面断面図を示しており、(e)は、ワード線コンタクト部のワード線方向の断面を示している。   Next, a method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device having such a structure will be described. 15-1 to 15-9 are cross-sectional views schematically illustrating an example of a procedure of the method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device according to the fifth embodiment. In these drawings, (a) shows a cross section in the word line direction, (b) shows a cross section in a direction perpendicular to the word line direction, and (c) is cut along the TT line in (a). (D) shows a cross-sectional plan view taken along the line U-U in (b), and (e) shows the word line direction of the word line contact portion. The cross section of is shown.

まず、半導体基板101上に不揮発性半導体記憶装置の図示しない周辺回路を形成する。また、図15−1に示されるように、周辺回路が形成された半導体基板101のメモリセル部とワード線コンタクト部の形成領域に層間絶縁膜102を形成し、リソグラフィ技術およびRIE法によってチャネル接続層137を形成するためのトレンチ136を形成する。このトレンチ136は、ビット線方向に隣接する2つのメモリストリングスMSを接続することができる長さで形成される。ついで、トレンチ136を形成した層間絶縁膜102上にN型の半導体材料からなるチャネル接続層137を形成した後、CMP法などの方法で層間絶縁膜102が露出するまでリセスする。これによって、チャネル接続層137は、トレンチ136内にのみ形成される。ここで、層間絶縁膜102としては、たとえばシリコン酸化膜を用いることができ、チャネル接続層137としては、PをドープしたN型多結晶シリコン膜を用いることができる。   First, a peripheral circuit (not shown) of the nonvolatile semiconductor memory device is formed on the semiconductor substrate 101. Further, as shown in FIG. 15A, an interlayer insulating film 102 is formed in the formation region of the memory cell portion and the word line contact portion of the semiconductor substrate 101 on which the peripheral circuit is formed, and channel connection is performed by the lithography technique and the RIE method. A trench 136 for forming the layer 137 is formed. The trench 136 is formed with a length capable of connecting two memory strings MS adjacent in the bit line direction. Next, a channel connection layer 137 made of an N-type semiconductor material is formed on the interlayer insulating film 102 in which the trench 136 is formed, and then recessed until the interlayer insulating film 102 is exposed by a method such as CMP. As a result, the channel connection layer 137 is formed only in the trench 136. Here, for example, a silicon oxide film can be used as the interlayer insulating film 102, and an N-type polycrystalline silicon film doped with P can be used as the channel connection layer 137.

その後、半導体基板101の全面に、PECVD法などの成膜法によって、メモリセルを構成するスペーサ膜121と、後に除去される犠牲膜122とを交互に複数層積層し、最上層はスペーサ膜121で終わるようにする。また、最上層のスペーサ膜121上に、CMP処理時のストッパとなるストッパ膜123を形成し、積層膜を形成する。ここでは、犠牲膜122が5層となるように積層させる。犠牲膜122として、後のエッチングによる処理で、スペーサ膜121に比してエッチングレートが大きな絶縁材料が選択される。たとえば、スペーサ膜121としては、シリコン酸化膜を用いることができ、犠牲膜122としては、シリコン窒化膜を用いることができる。なお、積層膜を形成する方法として、PECVD法以外にも、SACVD法、LPCVD法、スパッタ法、SODなどの技術を適宜組み合わせて用いることが可能である。   After that, a plurality of spacer films 121 constituting memory cells and sacrificial films 122 to be removed later are alternately stacked on the entire surface of the semiconductor substrate 101 by a film forming method such as PECVD, and the uppermost layer is a spacer film 121. End with. A stopper film 123 serving as a stopper at the time of CMP processing is formed on the uppermost spacer film 121 to form a laminated film. Here, the sacrificial film 122 is stacked so as to have five layers. As the sacrificial film 122, an insulating material having an etching rate larger than that of the spacer film 121 is selected in a later etching process. For example, a silicon oxide film can be used as the spacer film 121 and a silicon nitride film can be used as the sacrificial film 122. In addition to the PECVD method, a technique such as SACVD method, LPCVD method, sputtering method, SOD, or the like can be used in combination as a method for forming the laminated film.

ついで、図15−2に示されるように、リソグラフィ技術とRIE法によって、後に形成するゲート電極膜134を、メモリストリングスMSを挟んだビット線方向の両側で分割するため絶縁膜147形成用のスリット146を形成する。そして、このスリット146内にシリコン酸化膜などの絶縁膜147からなる分離膜を形成する。   Next, as shown in FIG. 15B, a slit for forming the insulating film 147 is formed by dividing the gate electrode film 134 to be formed later on both sides in the bit line direction across the memory strings MS by lithography and RIE. 146 is formed. Then, an isolation film made of an insulating film 147 such as a silicon oxide film is formed in the slit 146.

ついで、図15−3に示されるように、リソグラフィ技術とRIE法を用いて、ワード線コンタクト部の積層膜を階段状に加工する処理を行い、下層の犠牲膜122が露出するように階段状に加工を行う。なお、この積層膜の階段状の加工は、第2の実施の形態の図6−2〜図6−4で説明したものと同様の方法で行うことができる。ついで、半導体基板101全面に、平坦化膜141を形成する。平坦化膜141として、たとえばシリコン酸化膜を用いることができる。その後、ストッパ膜123をストッパとして、CMP技術によって平坦化する。   Next, as shown in FIG. 15C, using the lithography technique and the RIE method, a process for processing the stacked film of the word line contact portion in a step shape is performed, so that the lower sacrificial film 122 is exposed. To process. The stepped processing of the laminated film can be performed by a method similar to that described in FIGS. 6-2 to 6-4 of the second embodiment. Next, a planarization film 141 is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 101. As the planarization film 141, for example, a silicon oxide film can be used. Thereafter, planarization is performed by CMP technique using the stopper film 123 as a stopper.

その後、図15−4に示されるように、半導体基板101の全面に、図示しないマスク膜を形成し、リソグラフィ技術とRIE法によって、メモリセル部の積層膜を一括加工して貫通孔135を形成する。この貫通孔135は、メモリセル部の図15−2で形成した絶縁膜147を含む領域上にマトリックス状に配置され、その底部はチャネル接続層137に連通している。なお、マスク膜として、たとえばCVDカーボン膜を用いることができる。貫通孔135を形成した後、マスク膜を除去する。これによって、チャネルとなる半導体膜131を形成するための鋳型が形成される。また、第5の実施の形態では、絶縁膜147を形成しているので、第4の実施の形態で説明したように、高さ方向の各層のワード線方向に隣接する半導体膜131間で、(2)式を満たすように貫通孔135を形成する必要はない。   Thereafter, as shown in FIG. 15-4, a mask film (not shown) is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 101, and the laminated film of the memory cell portion is collectively processed by lithography and RIE to form a through hole 135. To do. The through holes 135 are arranged in a matrix shape on the region including the insulating film 147 formed in FIG. 15B in the memory cell portion, and the bottom portion communicates with the channel connection layer 137. For example, a CVD carbon film can be used as the mask film. After forming the through hole 135, the mask film is removed. Thus, a template for forming the semiconductor film 131 to be a channel is formed. Further, since the insulating film 147 is formed in the fifth embodiment, as described in the fourth embodiment, between the semiconductor films 131 adjacent to each other in the word line direction of each layer in the height direction, It is not necessary to form the through hole 135 so as to satisfy the expression (2).

ついで、図15−5に示されるように、LPCVD法などの成膜法によって、チャネルとなるP型の半導体材料からなる半導体膜131を形成する。このとき、半導体膜131は、貫通孔135内に埋め込まれ、下端がチャネル接続層137と接続するように形成される。ここで、半導体膜131としては、たとえばBドープ多結晶シリコン膜を用いることができ、このときのB濃度は、たとえば1×1017〜1×1018cm-3に設定することができる。なお、半導体膜131は、第4の実施の形態と同様に、貫通孔135に沿って、マカロニ状に中空に埋め込むように形成される。 Next, as shown in FIG. 15-5, a semiconductor film 131 made of a P-type semiconductor material to be a channel is formed by a film forming method such as an LPCVD method. At this time, the semiconductor film 131 is formed so as to be embedded in the through hole 135 and connected to the channel connection layer 137 at the lower end. Here, as the semiconductor film 131, for example, a B-doped polycrystalline silicon film can be used, and the B concentration at this time can be set to 1 × 10 17 to 1 × 10 18 cm −3 , for example. Note that the semiconductor film 131 is formed so as to be embedded in a macaroni hollow along the through hole 135 as in the fourth embodiment.

さらに、ALD法などの方法によって、中空の柱状に形成された半導体膜131内を埋め込むように、シリコン酸化膜などからなる絶縁膜132を形成する。その後、RIE法などの方法によってエッチバックを行って、ストッパ膜123上の半導体膜131と絶縁膜132を除去する。これによって、貫通孔135内にのみ中空の柱状の半導体膜131と絶縁膜132とが残存する。続いて、リソグラフィ技術とイオン注入技術とを用いて、半導体膜131の上部に所定の導電型の不純物元素をイオン注入し、ソース領域111とドレイン領域112を形成する。ここでは、不純物元素として、たとえば砒素を用いることができる。   Further, an insulating film 132 made of a silicon oxide film or the like is formed by a method such as ALD so as to embed the inside of the semiconductor film 131 formed in a hollow column shape. Thereafter, etch back is performed by a method such as RIE, and the semiconductor film 131 and the insulating film 132 on the stopper film 123 are removed. As a result, the hollow columnar semiconductor film 131 and the insulating film 132 remain only in the through hole 135. Subsequently, using a lithography technique and an ion implantation technique, an impurity element having a predetermined conductivity type is ion-implanted into the upper portion of the semiconductor film 131 to form a source region 111 and a drain region 112. Here, for example, arsenic can be used as the impurity element.

ついで、図15−6に示されるように、半導体基板101の全面に、図示しないマスク膜を形成し、リソグラフィ技術とRIE法によって、積層膜および平坦化膜141を、一括加工してトレンチ142を形成する。このトレンチ142は、ビット線方向に隣接する半導体膜131間を切断するように、ワード線方向に延在する形状を有する。なお、マスク膜として、たとえばCVDカーボン膜を用いることができる。トレンチ142を形成した後、マスク膜を除去する。   Next, as shown in FIG. 15-6, a mask film (not shown) is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 101, and the laminated film and the planarizing film 141 are collectively processed by the lithography technique and the RIE method to form the trench 142. Form. The trench 142 has a shape extending in the word line direction so as to cut between the semiconductor films 131 adjacent in the bit line direction. For example, a CVD carbon film can be used as the mask film. After forming the trench 142, the mask film is removed.

ついで、図15−7に示されるように、ウエットエッチングによって、犠牲膜122を選択的に除去することによって、上下のスペーサ膜121間に空洞122aを形成する。このとき、半導体膜131が柱となってスペーサ膜121を支えているので、空洞122aがつぶれることはない。また、スペーサ膜121にシリコン酸化膜を用い、犠牲膜122にシリコン窒化膜を用いる場合には、ウエットエッチングの薬液としては、シリコン窒化膜がシリコン酸化膜に比して選択的にエッチングされるように、たとえば、熱燐酸を用いることができる。この犠牲膜122が除去された後の空洞122aは、後のMONOS構造を形成する際の鋳型となる。   Next, as shown in FIG. 15-7, the sacrificial film 122 is selectively removed by wet etching to form a cavity 122a between the upper and lower spacer films 121. At this time, since the semiconductor film 131 serves as a pillar to support the spacer film 121, the cavity 122a is not crushed. When a silicon oxide film is used for the spacer film 121 and a silicon nitride film is used for the sacrificial film 122, the silicon nitride film is selectively etched as compared with the silicon oxide film as a chemical solution for wet etching. For example, hot phosphoric acid can be used. The cavity 122a after the sacrificial film 122 is removed serves as a template for forming a later MONOS structure.

その後、図15−8に示されるように、一部がスペーサ膜121で覆われた中空の柱状の半導体膜131の側面が覆われるように、MONOSセルを構成する電荷蓄積層133を形成する。電荷蓄積層133は、トンネル絶縁膜/チャージトラップ膜/チャージブロック膜の積層構造を有する。トンネル絶縁膜としては、たとえばLPCVD法で形成したONO膜を用いることができ、チャージトラップ膜としては、ALD法で形成したシリコン窒化膜を用いることができ、チャージブロック膜としては、ALD法で形成したアルミナ膜を用いることができる。また、上記したように、貫通孔135は(2)式を必ずしも満たしていないので、高さ方向の各層でワード線方向に隣接した2つのトランジスタで、電荷蓄積層133(チャージブロック膜)が一部交わった構造とならなくてもよい。   Thereafter, as shown in FIG. 15-8, the charge storage layer 133 constituting the MONOS cell is formed so that the side surface of the hollow columnar semiconductor film 131 partially covered with the spacer film 121 is covered. The charge storage layer 133 has a laminated structure of a tunnel insulating film / charge trap film / charge block film. For example, an ONO film formed by LPCVD can be used as the tunnel insulating film, a silicon nitride film formed by ALD can be used as the charge trap film, and an ALD method can be used as the charge block film. An alumina film can be used. Further, as described above, since the through hole 135 does not necessarily satisfy the expression (2), the charge storage layer 133 (charge block film) is composed of two transistors adjacent to each other in the word line direction in each layer in the height direction. The structure does not have to be a part of the structure.

さらに、CVD法などの成膜法によって、電荷蓄積層133を形成した中空の柱状の半導体膜131の側面に、ゲート電極膜134を形成する。このとき、第4の実施の形態と異なり、第5の実施の形態では、絶縁膜147がワード線方向に隣接するメモリストリングスMSを貫くようにスリット状に形成されているので、ゲート電極膜134は半導体膜131を挟んで自動的に分割され、独立した電極として機能することになる。   Further, a gate electrode film 134 is formed on the side surface of the hollow columnar semiconductor film 131 in which the charge storage layer 133 is formed by a film forming method such as a CVD method. At this time, unlike the fourth embodiment, in the fifth embodiment, since the insulating film 147 is formed in a slit shape so as to penetrate the memory strings MS adjacent in the word line direction, the gate electrode film 134 is formed. Are automatically divided across the semiconductor film 131 and function as independent electrodes.

その後、ドライエッチング法によってトレンチ142の底部などに形成されたゲート電極膜134をリセスし、積層された各トランジスタに対する電極となるように分割する。ここで、ゲート電極膜134の材料として、たとえば窒化タングステン/タングステン積層膜を用いることができ、ドライエッチングのエッチングガスとして、たとえばCF4を用いることができる。以上の処理で、5層分のゲート電極膜134が一括形成されるが、上から1層目のゲート電極膜134が選択ゲート電極となり、2〜5層目のゲート電極膜134がワード線となる制御ゲート電極となる。 Thereafter, the gate electrode film 134 formed at the bottom of the trench 142 or the like is recessed by a dry etching method, and is divided so as to be an electrode for each stacked transistor. Here, as a material of the gate electrode film 134, for example, a tungsten nitride / tungsten laminated film can be used, and as an etching gas for dry etching, for example, CF 4 can be used. With the above processing, five layers of gate electrode films 134 are formed in a lump, but the first gate electrode film 134 from the top serves as a selection gate electrode, and the second to fifth layers of gate electrode films 134 serve as word lines. The control gate electrode becomes.

続いて、図15−9に示されるように、半導体基板101の全面に、CVD法などの成膜法によって、トレンチ142を埋め込むように層間絶縁膜143を形成する。これによって、図15−6で形成されたビット線方向に所定の間隔で形成されたトレンチ142に層間絶縁膜143が埋め込まれる。この層間絶縁膜143としては、TEOS/O3膜を用いることができる。そして、層間絶縁膜143の表面をCMP技術によって平坦化する。 Subsequently, as shown in FIG. 15-9, an interlayer insulating film 143 is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 101 so as to bury the trench 142 by a film forming method such as a CVD method. As a result, the interlayer insulating film 143 is buried in the trenches 142 formed at predetermined intervals in the bit line direction formed in FIG. 15-6. As the interlayer insulating film 143, a TEOS / O 3 film can be used. Then, the surface of the interlayer insulating film 143 is planarized by the CMP technique.

ついで、リソグラフィ技術とRIE法によって、メモリセル部の中空の柱状の半導体膜131と、ワード線コンタクト部のゲート電極膜134に連通するコンタクトホール144を形成する。その後、CVD法などの成膜法によって、コンタクトホール144内に導電性材料膜を埋め込み、CMP技術によって、層間絶縁膜143が露出するまで平坦化し、コンタクト145を形成する。コンタクト145の材料としては、たとえばタングステンを用いることができる。   Next, a contact hole 144 communicating with the hollow columnar semiconductor film 131 in the memory cell portion and the gate electrode film 134 in the word line contact portion is formed by lithography technique and RIE method. Thereafter, a conductive material film is embedded in the contact hole 144 by a film forming method such as a CVD method, and planarized by the CMP technique until the interlayer insulating film 143 is exposed, thereby forming a contact 145. As a material of the contact 145, for example, tungsten can be used.

その後、コンタクト145に接続される配線層151〜153などを、層間絶縁膜161〜163を介して形成し、多層配線層を形成する。以上によって、図14−1〜図14−2に示される構造の不揮発性半導体記憶装置が得られる。   Thereafter, wiring layers 151 to 153 connected to the contact 145 are formed via the interlayer insulating films 161 to 163 to form a multilayer wiring layer. As described above, the nonvolatile semiconductor memory device having the structure shown in FIGS. 14A to 14B is obtained.

第5の実施の形態の構造によれば、メモリストリングスMSを挟んでゲート電極膜134をビット線方向に2つに分断するスリット状の絶縁膜147を設けるようにしたので、第4の実施の形態とは異なり、チャネルとなる半導体膜131をワード線方向に十分に近づけなくても、ゲート電極膜134を分割することができる。さらに、第4の実施の形態と同様にワード線方向に隣接する半導体膜131間の距離を近づけることで、セル面積を従来技術の1/4程度まで縮小できる。   According to the structure of the fifth embodiment, the slit-like insulating film 147 that divides the gate electrode film 134 into two in the bit line direction with the memory string MS interposed therebetween is provided. Unlike the embodiment, the gate electrode film 134 can be divided without the semiconductor film 131 serving as a channel being sufficiently close to the word line direction. Further, as in the fourth embodiment, the cell area can be reduced to about ¼ that of the prior art by reducing the distance between the semiconductor films 131 adjacent in the word line direction.

また、第4の実施の形態の場合には、半導体膜131の鋳型となる貫通孔135がテーパ形状になってしまった場合など、下層に形成されるトランジスタの位置でのワード線方向に隣接する貫通孔135間の距離が、上記(2)式を満たさず、下層のゲート電極膜134がうまく分割されない場合も考えられる。しかし、第5の実施の形態によれば、ゲート電極膜134で互いに接続されるメモリストリングスMSの半導体膜131を、メモリストリングスMSの中央付近からビット線方向の両側に分割するスリット状の絶縁膜147を設けたので、確実に半導体膜131を挟んで独立な2つのゲート電極膜134に分割することができる。その結果、より高いビット密度をより少ない積層数、すなわちより低い立体構造で実現することが可能になり、インテグレーションに大きな負担をかけることなくさらに高ビット密度の不揮発性メモリを提供することが可能になる。   Further, in the case of the fourth embodiment, when the through-hole 135 serving as the template of the semiconductor film 131 is tapered, it is adjacent to the word line direction at the position of the transistor formed in the lower layer. There may be a case where the distance between the through holes 135 does not satisfy the above formula (2) and the lower gate electrode film 134 is not divided well. However, according to the fifth embodiment, the slit-like insulating film that divides the semiconductor film 131 of the memory strings MS connected to each other by the gate electrode film 134 from the vicinity of the center of the memory strings MS to both sides in the bit line direction. Since 147 is provided, the semiconductor film 131 can be reliably divided into two independent gate electrode films 134 with the semiconductor film 131 interposed therebetween. As a result, a higher bit density can be realized with a smaller number of stacks, that is, a lower three-dimensional structure, and a higher bit density nonvolatile memory can be provided without placing a heavy burden on integration. Become.

さらに、半導体基板101上に周辺回路を設け、その上に層間絶縁膜102を介してメモリセル部を設けるようにしたので、第4の実施の形態に比してさらに記憶密度を向上させることができるという効果も有する。   Further, since the peripheral circuit is provided on the semiconductor substrate 101 and the memory cell portion is provided thereon via the interlayer insulating film 102, the storage density can be further improved as compared with the fourth embodiment. It also has the effect of being able to.

なお、上述した説明での半導体膜131とチャネル接続層137の導電型は一例であり、これに限定されるものではない。   Note that the conductivity types of the semiconductor film 131 and the channel connection layer 137 in the above description are merely examples, and the present invention is not limited to this.

1…不揮発性半導体記憶装置、11…メモリセル部、12…ワード線駆動回路、13…ソース側選択ゲート線駆動回路、14…ドレイン側選択ゲート線駆動回路、15…センスアンプ、16…ワード線、17…ソース側選択ゲート線、18…ドレイン側選択ゲート線、19…ビット線、20…ワード線コンタクト部、101…半導体基板、102,143,161〜163…層間絶縁膜、111…ソース領域、112…ドレイン領域、121…スペーサ膜、122…犠牲膜、122a…空洞、123…ストッパ膜、131…半導体膜、132,147…絶縁膜、133A…トンネル絶縁膜、133B…チャージトラップ膜、133C…チャージブロック膜、133…電荷蓄積層、134…ゲート電極膜、135…貫通孔、136,142…トレンチ、137…チャネル接続層、141…平坦化膜、144…コンタクトホール、145…コンタクト、146…スリット、151〜153…配線層。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Nonvolatile semiconductor memory device, 11 ... Memory cell part, 12 ... Word line drive circuit, 13 ... Source side selection gate line drive circuit, 14 ... Drain side selection gate line drive circuit, 15 ... Sense amplifier, 16 ... Word line , 17 ... Source side selection gate line, 18 ... Drain side selection gate line, 19 ... Bit line, 20 ... Word line contact portion, 101 ... Semiconductor substrate, 102, 143, 161 to 163 ... Interlayer insulating film, 111 ... Source region , 112 ... drain region, 121 ... spacer film, 122 ... sacrificial film, 122a ... cavity, 123 ... stopper film, 131 ... semiconductor film, 132, 147 ... insulating film, 133A ... tunnel insulating film, 133B ... charge trap film, 133C ... Charge block film, 133 ... Charge storage layer, 134 ... Gate electrode film, 135 ... Through hole, 136, 142 ... To Inch, 137 ... channel connection layer, 141 ... flattening film, 144 ... contact hole, 145 ... contact, 146 ... slits, 151153 ... wiring layer.

Claims (5)

柱状の半導体膜の側面に形成されるゲート誘電体膜、および前記ゲート誘電体膜上に形成されるゲート電極膜を備えるトランジスタが前記半導体膜の高さ方向に複数設けられるメモリストリングスが、基板上に略垂直にマトリックス状に配置され、第1の方向に配置された前記メモリストリングスの同じ高さの前記トランジスタの前記ゲート電極膜間が接続された不揮発性半導体記憶装置において、
前記第1の方向に隣接する前記メモリストリングスの少なくとも最上層の前記トランジスタ形成位置における前記半導体膜間の距離は、前記ゲート誘電体膜の厚さの2倍よりも小さいことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
A memory string having a gate dielectric film formed on a side surface of a columnar semiconductor film and a plurality of transistors each including a gate electrode film formed on the gate dielectric film in a height direction of the semiconductor film is formed on the substrate. A non-volatile semiconductor memory device in which the gate electrode films of the transistors at the same height of the memory strings arranged in a first direction are connected in a matrix form,
Nonvolatile, wherein a distance between the semiconductor films in at least the uppermost layer of the memory string adjacent in the first direction is less than twice the thickness of the gate dielectric film Semiconductor memory device.
前記第1の方向に隣接する前記メモリストリングスのすべての前記トランジスタ形成位置における前記半導体膜間の距離は、前記ゲート誘電体膜の厚さの2倍よりも小さく、
前記第1の方向に配列した前記メモリストリングスの各高さの前記トランジスタ形成位置に形成される前記ゲート電極膜は、前記半導体膜を挟んで前記第1の方向に垂直な第2の方向に電気的に分割され、前記分割された各ゲート電極膜に前記トランジスタの駆動回路に接続される配線が接続されることを特徴とする請求項1に記載の不揮発性半導体記憶装置。
The distance between the semiconductor films at all the transistor formation positions of the memory strings adjacent in the first direction is smaller than twice the thickness of the gate dielectric film,
The gate electrode film formed at the transistor formation position at each height of the memory strings arranged in the first direction is electrically connected in a second direction perpendicular to the first direction across the semiconductor film. 2. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein a wiring connected to a driving circuit of the transistor is connected to each of the divided gate electrode films.
前記半導体膜は、Inversion型のトランジスタのチャネルとして動作することを特徴とする請求項1または2に記載の不揮発性半導体記憶装置。   The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein the semiconductor film operates as a channel of an Inversion type transistor. 前記ゲート誘電体膜は、トンネル絶縁膜/チャージトラップ膜/チャージブロック膜が順に積層された構成を有し、
前記第1の方向に隣接する前記メモリストリングスのすべての前記トランジスタの形成位置における前記半導体膜間の距離は、前記トンネル絶縁膜と前記チャージトラップ膜の膜厚の2倍よりも大きいことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の不揮発性半導体記憶装置。
The gate dielectric film has a configuration in which a tunnel insulating film / charge trap film / charge block film are sequentially stacked,
The distance between the semiconductor films at the formation positions of all the transistors in the memory string adjacent in the first direction is greater than twice the film thickness of the tunnel insulating film and the charge trap film. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1.
前記柱状の半導体膜は、中空の柱状の半導体膜によって構成され、
前記中空の柱状の半導体膜の内部に絶縁膜が埋め込まれていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載の不揮発性半導体記憶装置。
The columnar semiconductor film is constituted by a hollow columnar semiconductor film,
The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein an insulating film is embedded in the hollow columnar semiconductor film.
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