JP2011138945A - Nonvolatile semiconductor memory device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、不揮発性半導体記憶装置に関する。 The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory device.
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.
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.
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
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
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
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
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
(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
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
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
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
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
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
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
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,La2O3,Pr2O3,Y2O3,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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
(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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
(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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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-
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
(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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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-
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
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
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)
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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