JP2013069953A - Nonvolatile semiconductor storage device and nonvolatile semiconductor storage device manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は不揮発性半導体記憶装置および不揮発性半導体記憶装置の製造方法に関する。 Embodiments described herein relate generally to a nonvolatile semiconductor memory device and a method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device.
NANDフラッシュメモリの高集積化を図るために、メモリセルを縦方向に積層する方法がある。ここで、電極層と絶縁層を交互に積層するため、不純物添加シリコン層と不純物無添加シリコン層とを交互に積層した後、不純物無添加シリコン層を選択的に除去し、そこに絶縁体を埋め込む方法がある。この時、不純物添加シリコン層に対する不純物無添加シリコン層の選択性を確保するには、不純物添加シリコン層に添加された不純物が不純物無添加シリコン層に拡散するのを抑制することが重要である。 In order to achieve high integration of the NAND flash memory, there is a method of stacking memory cells in the vertical direction. Here, in order to alternately laminate the electrode layer and the insulating layer, the impurity-added silicon layer and the impurity-free silicon layer are alternately stacked, and then the impurity-free silicon layer is selectively removed, and the insulator is provided there. There is a way to embed. At this time, in order to ensure the selectivity of the impurity-free silicon layer with respect to the impurity-added silicon layer, it is important to suppress diffusion of impurities added to the impurity-added silicon layer into the impurity-free silicon layer.
本発明の一つの実施形態の目的は、不純物添加シリコン層に添加された不純物が不純物無添加シリコン層に拡散するのを抑制することが可能な不揮発性半導体記憶装置および不揮発性半導体記憶装置の製造方法を提供することである。 An object of one embodiment of the present invention is to manufacture a nonvolatile semiconductor memory device and a nonvolatile semiconductor memory device capable of suppressing diffusion of impurities added to the impurity-added silicon layer into the impurity-free silicon layer. Is to provide a method.
実施形態の不揮発性半導体記憶装置によれば、積層体と、貫通孔と、チャネル層と、トンネル絶縁膜と、チャージトラップ層と、ブロック絶縁膜とが設けられている。積層体は、不純物添加シリコン層と層間絶縁膜とが拡散防止層を介して交互に積層されている。貫通孔は、前記積層体の積層方向に形成されている。チャネル層は、前記積層体の積層方向に沿って前記貫通孔内に形成されている。トンネル絶縁膜は、前記貫通孔の内面と前記チャネル層との間に形成されている。チャージトラップ層は、前記貫通孔の内面と前記トンネル絶縁膜との間に形成されている。ブロック絶縁膜は、前記貫通孔の内面と前記チャージトラップ層との間に形成されている。 According to the nonvolatile semiconductor memory device of the embodiment, the stacked body, the through hole, the channel layer, the tunnel insulating film, the charge trap layer, and the block insulating film are provided. In the laminate, impurity-added silicon layers and interlayer insulating films are alternately laminated via diffusion prevention layers. The through hole is formed in the stacking direction of the stacked body. The channel layer is formed in the through hole along the stacking direction of the stacked body. The tunnel insulating film is formed between the inner surface of the through hole and the channel layer. The charge trap layer is formed between the inner surface of the through hole and the tunnel insulating film. The block insulating film is formed between the inner surface of the through hole and the charge trap layer.
以下、実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置および不揮発性半導体記憶装置の製造方法について図面を参照しながら説明する。なお、これらの実施形態により本発明が限定されるものではない。 Hereinafter, a nonvolatile semiconductor memory device and a method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device according to the embodiments will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to these embodiments.
(第1実施形態)
図1(a)は、第1実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の概略構成を示す斜視図、図1(b)は、図1(a)のメモリセルMC1の部分の概略構成を示す断面図である。なお、図1の例では、メモリセルMC1を4層分だけ積層し、これら4個のメモリセルMC1を直列接続することでNANDストリングNS1を形成する方法を示した。また、図1では、簡単のために、拡散防止層3を介して不純物添加シリコン層2間に形成される層間絶縁膜は省略した。
(First embodiment)
FIG. 1A is a perspective view showing a schematic configuration of the nonvolatile semiconductor memory device according to the first embodiment, and FIG. 1B is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a portion of the memory cell MC1 in FIG. FIG. In the example of FIG. 1, a method of forming the NAND string NS1 by stacking four memory cells MC1 and connecting these four memory cells MC1 in series is shown. In FIG. 1, for the sake of simplicity, the interlayer insulating film formed between the impurity-added
図1において、下地層SB1上には、セレクトゲート電極SG0が形成されている。なお、下地層SB1としては、例えば、半導体基板を用いることができる。セレクトゲート電極SG0上には4層分のワード線WL1〜WL4が順次積層され、最上層のワード線WL4上にはセレクトゲート電極SG1〜SG4がロウごとに形成されている。そして、ワード線WL1〜WL4およびセレクトゲート電極SG0〜SG4が柱状体12にて貫かれることで、NANDセルNC1が構成されている。ここで、セレクトゲート電極SG0〜SG4およびワード線WL1〜WL4は、不純物添加シリコン層2と層間絶縁膜とを拡散防止層3を介して交互に積層することができる。さらに、セレクトゲート電極SG1〜SG4上には、ビット線BL1〜BL3がカラムごとに形成されている。なお、ワード線WL1〜WL4は、拡散防止層3にて挟まれた不純物添加シリコン層2にて構成することができる。また、この不純物添加シリコン層2は、NANDフラッシュメモリの制御ゲート電極として用いることができる。
In FIG. 1, a select gate electrode SG0 is formed on the base layer SB1. For example, a semiconductor substrate can be used as the base layer SB1. Four layers of word lines WL1 to WL4 are sequentially stacked on the select gate electrode SG0, and select gate electrodes SG1 to SG4 are formed for each row on the uppermost word line WL4. The word lines WL1 to WL4 and the select gate electrodes SG0 to SG4 are penetrated by the
ここで、拡散防止層3は、拡散防止剤が混入された不純物無添加シリコン層を用いることができる。この拡散防止剤は、不純物添加シリコン層2の不純物よりもシリコン層における拡散速度の小さな材料を用いることができる。また、不純物添加シリコン層2の不純物は、不純物無添加シリコン層に比べて不純物添加シリコン層2のエッチングレートが小さくなるよう選択することができる。具体的には、この拡散防止剤は、窒化ホウ素、窒素および炭素のいずれか1つから選択することができる。不純物添加シリコン層2の不純物は、ホウ素およびゲルマニウムのいずれか1つから選択することができる。
Here, the
また、不純物添加シリコン層2、拡散防止層3および層間絶縁膜を積層方向に貫通する貫通孔4が形成され、貫通孔4内には、セレクトゲート電極SG0〜SG4および4層分のワード線WL1〜WL4を貫く柱状体12が形成されている。この柱状体12の中心には柱状絶縁体11が形成されている。この柱状絶縁体11の材料は、例えば、シリコン酸化膜を用いることができる。なお、柱状体12は、ビット線BL1〜BL3とセレクトゲート電極SG1〜SG4との交差点に配置することができる。
A through
そして、柱状絶縁体11の外面と貫通孔4の内面との間にはチャネル層7が形成され、貫通孔4の内面とチャネル層7との間にはトンネル絶縁膜8が形成され、貫通孔4の内面とトンネル絶縁膜8との間にはチャージトラップ層9が形成され、貫通孔4の内面とチャージトラップ層9との間にはブロック絶縁膜10が形成されている。なお、チャネル層7、トンネル絶縁膜8、チャージトラップ層9およびブロック絶縁膜10はそれぞれ、セレクトゲート電極SG0〜SG4および4層分のワード線WL1〜WL4を貫くように構成することができる。チャネル層7は、例えば、Siなどの半導体を用いることができる。トンネル絶縁膜8およびブロック絶縁膜10は、例えば、シリコン酸化膜を用いることができる。チャージトラップ層9は、例えば、シリコン窒化膜またはONO膜(シリコン酸化膜/シリコン窒化膜/シリコン酸化膜の3層構造)を用いることができる。
A
ここで、拡散防止層3にて不純物添加シリコン層2を挟み込むことにより、不純物添加シリコン層2の不純物がその上下に拡散するのを抑制することができ、不純物添加シリコン層2の不純物濃度のバラツキを低減することができる。
また、拡散防止層3に窒素が添加される場合においては、電極(NANDフラッシュメモリの制御ゲート電極)間の破壊耐圧を向上させることができる。また、拡散防止層3に炭素が添加される場合においては、電極間の誘電率を下げることができ、隣接するメモリセルMC1の閾値の干渉を緩和させることができる。
Here, the impurity-added
Further, when nitrogen is added to the
なお、図1の実施形態では、メモリセルMC1を4層分だけ積層した構成について説明したが、メモリセルMC1をn(nは2以上の整数)層分だけ積層するようにしてもよい。
また、図1の実施形態では、セレクトゲート電極SG0〜SG4および4層分のワード線WL1〜WL4を貫く柱状体12の中心に柱状絶縁体11を形成する方法について説明したが、柱状絶縁体11の代わりに柱状半導体を埋め込むようにしてもよい。
In the embodiment of FIG. 1, the configuration in which the memory cells MC1 are stacked for four layers has been described. However, the memory cells MC1 may be stacked for n layers (n is an integer of 2 or more).
In the embodiment of FIG. 1, the method of forming the
(第2実施形態)
図2〜図5は、第2実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の製造方法を示す断面図である。なお、この第2実施形態では、図1のメモリセルMC1が4層分だけ積層される場合を例にとった。また、以下の説明では、不純物添加シリコン層2の不純物としてホウ素、拡散防止層3の拡散防止剤として窒素を選択した場合を例にとる。
図2(a)において、CVDなどの方法にて、不純物無添加シリコン層1と不純物添加シリコン層2とを拡散防止層3を介して下地層SB1上に交互に積層する。
この時、不純物無添加シリコン層1の成膜では、例えば、成膜温度を400度から650度の範囲に設定し、シリコンガスとしてSiH4を用い、圧力が1〜10torr程度の減圧環境に設定することができる。
拡散防止層3の成膜では、例えば、成膜温度を400度から650度の範囲に設定し、シリコンガスとしてSiH4、窒素系ガスとしてアンモニアNH3を用い、圧力が1〜10torr程度の減圧環境に設定することができる。
不純物添加シリコン層2の成膜では、例えば、成膜温度を400度から650度の範囲に設定し、シリコンガスとしてSiH4、ホウ素ガスとしてBCl3を用い、圧力が1〜10torr程度の減圧環境に設定することができる。
(Second Embodiment)
2 to 5 are cross-sectional views illustrating the method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device according to the second embodiment. In the second embodiment, the case where the memory cells MC1 of FIG. 1 are stacked by four layers is taken as an example. Further, in the following description, a case where boron is selected as the impurity of the doped
In FIG. 2A, the impurity-
At this time, in the film formation of the impurity-
In the film formation of the
The formation of the doped
ここで、不純物無添加シリコン層1と不純物添加シリコン層2との間に拡散防止層3を設けることにより、不純物添加シリコン層2の不純物が不純物無添加シリコン層1に拡散するのを抑制することができる。このため、不純物添加シリコン層2の不純物分布が維持され、不純物無添加シリコン層1と不純物添加シリコン層2とのエッチングの選択比を維持したまま加工することができ、不純物添加シリコン層2の形状変化による歩留低下を抑制することが可能となる。また、不純物添加シリコン層2の形状変化を抑制することで、電極の加工バラつきを抑制することができ、メモリセルの特性劣化を防ぐことができる。さらに、熱処理による不純物の拡散を抑制することができ、成膜温度を上げられるので成膜速度が早くなり、生産性を向上させることができる。
Here, by providing the
次に、図2(b)に示すように、開口部Hが設けられたハードマスクMを最上層の不純物添加シリコン層2上に形成する。そして、ハードマスクMを介して不純物無添加シリコン層1、不純物添加シリコン層2および拡散防止層3をエッチングすることにより、不純物無添加シリコン層1、不純物添加シリコン層2および拡散防止層3を積層方向に貫く貫通孔4を形成する。なお、ハードマスクMの材料としては、シリコン酸化膜またはシリコン窒化膜を用いることができる。
Next, as shown in FIG. 2B, a hard mask M provided with an opening H is formed on the uppermost impurity-added
ここで、不純物無添加シリコン層1、不純物添加シリコン層2および拡散防止層3をシリコン系材料にて構成することにより、貫通孔4を形成する時に不純物無添加シリコン層1、不純物添加シリコン層2および拡散防止層3のサイドエッチを均一化することができ、貫通孔4の埋め込み性の悪化を抑制することができる。
Here, the impurity-
次に、図3(a)に示すように、CVDなどの方法にて貫通孔4内に犠牲膜5を埋め込み、CMPなどの方法にて犠牲膜5を平坦化した後、ハードマスクMを除去する。なお、犠牲膜5の材料としては、シリコン酸化膜またはシリコン窒化膜を用いることができる。
Next, as shown in FIG. 3A, the
次に、図3(b)に示すように、ウェットエッチングなどの方法にて不純物無添加シリコン層1を選択的にエッチングすることにより、不純物無添加シリコン層1を除去する。なお、不純物添加シリコン層2の抵抗を低減させるため、不純物無添加シリコン層1を除去した後、不純物添加シリコン層2をシリサイド化してもよい。
Next, as shown in FIG. 3B, the impurity-
次に、図4(a)に示すように、ALD−CVDなどの方法にて不純物無添加シリコン層1の除去部分に層間絶縁膜6を埋め込む。
Next, as shown in FIG. 4A, an
次に、図4(b)に示すように、貫通孔4内の犠牲膜5を除去し、不純物添加シリコン層2、拡散防止層3および層間絶縁膜6の側壁を露出させる。
Next, as shown in FIG. 4B, the
次に、図5に示すように、CVDなどの方法にて不純物添加シリコン層2、拡散防止層3および層間絶縁膜6の積層方向に沿って貫通孔4の内面にブロック絶縁膜10を形成する。次に、CVDなどの方法にて貫通孔4内のブロック絶縁膜10の表面にチャージトラップ層9を形成する。次に、CVDなどの方法にて貫通孔4内のチャージトラップ層9の表面にトンネル絶縁膜8を形成する。次に、CVDなどの方法にて貫通孔4内のトンネル絶縁膜8の表面にチャネル層7を形成する。
Next, as shown in FIG. 5, a
これにより、貫通孔4、ブロック絶縁膜10、チャージトラップ層9、トンネル絶縁膜8およびチャネル層7の形成を1層ごとに繰り返すことなく、メモリセルMC1を積層化することができ、工程数の増大を抑制しつつ、NANDフラッシュメモリの高集積化を図ることができる。
As a result, the memory cell MC1 can be stacked without repeating the formation of the through
なお、上述した実施形態では、シリコンガスとしてSiH4を例にとったが、Si2H6やSiH2Cl2などのその他のガスでもよく、シリコンを含む他の原料ガスでもよい。また、ホウ素ガスとしてBCl3を例にとったが、B2H6や有機原料であるTMB(トリメチルボレート)などのその他のガスでもよく、ホウ素を含む他の原料ガスでもよい。窒素系ガスとしてNH3を例にとったが、NO、N2Oなどのその他のガスでもよく、窒素を含む他のガスを用いてもよい。 In the embodiment described above, SiH 4 is taken as an example of the silicon gas, but other gases such as Si 2 H 6 and SiH 2 Cl 2 may be used, and other source gases containing silicon may be used. Further, although BCl 3 is taken as an example of the boron gas, other gases such as B 2 H 6 and TMB (trimethyl borate) which is an organic raw material may be used, or other raw material gas containing boron may be used. NH 3 is taken as an example of the nitrogen-based gas, but other gases such as NO and N 2 O may be used, and other gases containing nitrogen may be used.
また、上述した実施形態では、拡散防止層3の拡散防止剤として窒素を選択した場合を例にとったが、拡散防止層3の拡散防止剤として炭素を選択してもよい。この場合、窒素系ガスの代わりに、C2H4などの炭素系ガスを用いればよい。あるいは、拡散防止層3の拡散防止剤として窒化ホウ素を選択してもよい。この場合、窒素系ガスの代わりに、NH3とBCl3やその他の窒素系ガスとホウ素ガスの組み合わせを用いればよい。また、この窒化ホウ素を含むシリコン層は、窒化ホウ素層でもよい。窒化ホウ素層を形成するためのガスとして、NH3とBCl3やその他の窒素系ガスとホウ素ガスの組み合わせでもよい。
In the above-described embodiment, the case where nitrogen is selected as the diffusion preventing agent for the
また、上述した実施形態では、不純物添加シリコン層2の不純物としてホウ素を選択した場合を例にとったが、不純物添加シリコン層2の不純物としてゲルマニウムを選択するようにしてもよい。この場合、シリコンガスの代わりに、GeH4などのゲルマニウム系ガスを用いればよい。
In the above-described embodiment, the case where boron is selected as the impurity of the doped
また、不純物無添加シリコン層1と不純物添加シリコン層2と拡散防止層3とで成膜温度を変えるようにしてもよいし、ガスの切り替えのみで成膜温度を同一に設定してもよい。また、不純物無添加シリコン層1と不純物添加シリコン層2と拡散防止層3とを成膜するごとに成膜チャンバから出して非連続で形成してもよいが、成膜チャンバ内で連続して成膜するようにしてもよい。また、上記以外でも、PE−CVD(Plasma−Enhanced Chemical Vapor deposition )による成膜でもよい。
Further, the film formation temperature may be changed between the impurity-
また、不純物無添加シリコン層1と不純物添加シリコン層2との選択比をとるために、不純物無添加シリコン層1と不純物添加シリコン層2とを組み合わせる方法を例にとったが、不純物無添加シリコン層1の代わりに不純物添加シリコン層2よりも不純物濃度の低いシリコン層を用いるようにしてもよい。
Further, in order to obtain a selection ratio between the impurity-
(第3実施形態)
図6(a)は、第3実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の概略構成を示す斜視図、図6(b)は、図6(a)のメモリセルMC1の部分の概略構成を示す断面図である。なお、図1の第1実施形態では、1本分の柱状体12で構成されたI字管にメモリセルMC1を適用した場合について説明したが、図6の第3実施形態では、2本分の柱状体12a、12bで構成されたU字管にメモリセルMC1を適用した場合について説明する。また、図6の例では、4層分だけ積層されたメモリセルMC1を折り返し、8個のメモリセルMC1を直列接続することでNANDストリングNS3を形成する方法を示した。また、図6では、簡単のために、拡散防止層3を介して不純物添加シリコン層2間に形成される層間絶縁膜は省略した。
(Third embodiment)
FIG. 6A is a perspective view illustrating a schematic configuration of the nonvolatile semiconductor memory device according to the third embodiment, and FIG. 6B is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of a portion of the memory cell MC1 in FIG. FIG. In the first embodiment shown in FIG. 1, the case where the memory cell MC1 is applied to the I-shaped tube constituted by one
図6において、半導体基板SB2上には、接続層CNが形成され、接続層CNには接続部13が形成されている。接続層CN上には、柱状体12a、12bが隣接して配置され、柱状体12a、12bの下端は接続部13を介して互いに接続されている。また、接続層CN上には、4層分のワード線WL14〜WL11が順次積層されるとともに、ワード線WL14〜WL11にそれぞれ隣接するように4層分のワード線WL15〜WL18が順次積層されている。また、最上層のワード線WL18上にはセレクトゲート電極SG11が形成され、最上層のワード線WL11上にはセレクトゲート電極SG12が形成されている。そして、セレクトゲート電極SG11およびワード線WL15〜WL18が柱状体12aにて貫かれるとともに、セレクトゲート電極SG12およびワード線WL11〜WL14が柱状体12bにて貫かれることで、NANDセルNC3が構成されている。ここで、セレクトゲート電極SG11、SG12およびワード線WL11〜WL18は、不純物添加シリコン層2と層間絶縁膜とを拡散防止層3を介して交互に積層することができる。さらに、セレクトゲート電極SG11上には、柱状体12aの上端に接続くされたソース線SLが設けられるとともに、ソース線SL上には、プラグPGを介して柱状体12bの上端に接続されたビット線BL11〜BL15がカラムごとに形成されている。なお、ワード線WL11〜WL18は、拡散防止層3にて挟まれた不純物添加シリコン層2にて構成することができる。また、この不純物添加シリコン層2は、NANDフラッシュメモリの制御ゲート電極として用いることができる。
In FIG. 6, a connection layer CN is formed on the semiconductor substrate SB2, and a connection portion 13 is formed in the connection layer CN. On the connection layer CN, the
また、不純物添加シリコン層2、拡散防止層3および層間絶縁膜を積層方向に貫通する貫通孔4が形成されている。貫通孔4内には、セレクトゲート電極SG11および4層分のワード線WL15〜WL18を貫く柱状体12aが形成されるとともに、セレクトゲート電極SG12および4層分のワード線WL11〜WL14を貫く柱状体12bが形成されている。これらの柱状体12a、12bの中心には柱状絶縁体11が形成されている。この柱状絶縁体11の材料は、例えば、シリコン酸化膜を用いることができる。なお、柱状体12a、12bは、ビット線BL11〜BL15とワード線WL11〜WL18との交差点に配置することができる。
A through-
そして、柱状絶縁体11の外面と貫通孔4の内面との間にはチャネル層7が形成され、貫通孔4の内面とチャネル層7との間にはトンネル絶縁膜8が形成され、貫通孔4の内面とトンネル絶縁膜8との間にはチャージトラップ層9が形成され、貫通孔4の内面とチャージトラップ層9との間にはブロック絶縁膜10が形成されている。なお、柱状体12aのチャネル層7、トンネル絶縁膜8、チャージトラップ層9およびブロック絶縁膜10はそれぞれ、セレクトゲート電極SG11および4層分のワード線WL15〜WL18を貫くように構成することができる。柱状体12bのチャネル層7、トンネル絶縁膜8、チャージトラップ層9およびブロック絶縁膜10はそれぞれ、セレクトゲート電極SG12および4層分のワード線WL11〜WL14を貫くように構成することができる。
A
ここで、拡散防止層3にて不純物添加シリコン層2を挟み込むことにより、不純物添加シリコン層2の不純物がその上下に拡散するのを抑制することができ、不純物添加シリコン層2の不純物濃度のバラツキを低減することができる。
また、拡散防止層3に窒素が添加される場合においては、電極(NANDフラッシュメモリの制御ゲート電極)間の破壊耐圧を向上させることができる。また、拡散防止層3に炭素が添加される場合においては、電極間の誘電率を下げることができ、隣接するメモリセルMC1の閾値の干渉を緩和させることができる。
Here, the impurity-added
Further, when nitrogen is added to the
なお、図6の実施形態では、メモリセルMC1を4層分だけ積層した構成について説明したが、メモリセルMC1をn(nは2以上の整数)層分だけ積層するようにしてもよい。
また、図6の実施形態では、柱状体12a、12bの中心に柱状絶縁体11を形成する方法について説明したが、柱状絶縁体11の代わりに柱状半導体を埋め込むようにしてもよい。
In the embodiment of FIG. 6, the configuration in which the memory cells MC1 are stacked for four layers has been described. However, the memory cells MC1 may be stacked for n layers (n is an integer of 2 or more).
In the embodiment of FIG. 6, the method of forming the
(第4実施形態)
図7は、第4実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の概略構成を示す斜視図、図7(b)は、図7(a)のメモリセルMC2の部分の概略構成を示す断面図である。なお、第1実施形態では、不純物添加シリコン層2の不純物がその上下に拡拡するのを抑制するため、拡散防止層3にて不純物添加シリコン層2を挟み込む方法について説明したが、第4実施形態では、不純物添加シリコン層2aの不純物がその上下に拡拡するのを抑制するため、不純物添加シリコン層2a自体に拡散防止剤を添加する方法について説明する。また、図7の例では、メモリセルMC2を4層分だけ積層し、これら4個のメモリセルMC2を直列接続することでNANDストリングNS2を形成する方法を示した。また、図7では、簡単のために、不純物添加シリコン層2a間に形成される層間絶縁膜は省略した。
(Fourth embodiment)
FIG. 7 is a perspective view showing a schematic configuration of the nonvolatile semiconductor memory device according to the fourth embodiment, and FIG. 7B is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a portion of the memory cell MC2 in FIG. . In the first embodiment, the method of sandwiching the impurity-added
図7において、下地層SB1上には、セレクトゲート電極SG0aが形成されている。なお、下地層SB1としては、例えば、半導体基板を用いることができる。セレクトゲート電極SG0a上には4層分のワード線WL1a〜WL4aが積層され、最上層のワード線WL4a上にはセレクトゲート電極SG1a〜SG4aがロウごとに形成されている。そして、ワード線WL1a〜WL4aおよびセレクトゲート電極SG0a〜SG4aが柱状体12にて貫かれることで、NANDセルNC2が構成されている。ここで、ワード線WL1a〜WL4aおよびセレクトゲート電極SG0a〜SG4aは、不純物添加シリコン層2aと層間絶縁膜とを交互に積層することができる。さらに、セレクトゲート電極SG1a〜SG4a上には、ビット線BL1〜BL3がカラムごとに形成されている。なお、ワード線WL1a〜WL4aは、不純物添加シリコン層2aにて構成することができる。また、この不純物添加シリコン層2aは、NANDフラッシュメモリの制御ゲート電極として用いることができる。
In FIG. 7, a select gate electrode SG0a is formed on the base layer SB1. For example, a semiconductor substrate can be used as the base layer SB1. Four word lines WL1a to WL4a are stacked on the select gate electrode SG0a, and select gate electrodes SG1a to SG4a are formed for each row on the uppermost word line WL4a. Then, the word line WL1a to WL4a and the select gate electrodes SG0a to SG4a are penetrated by the
ここで、不純物添加シリコン層2aには、拡散防止剤が混入されている。この拡散防止剤は、不純物添加シリコン層2aの不純物よりもシリコン層における拡散速度の小さな材料を用いることができる。また、不純物添加シリコン層2aの不純物は、不純物無添加シリコン層1に比べて不純物添加シリコン層2aのエッチングレートが小さくなるよう選択することができる。具体的には、この拡散防止剤は、窒化ホウ素、窒素および炭素のいずれか1つから選択することができる。不純物添加シリコン層2aの不純物は、ホウ素およびゲルマニウムのいずれか1つから選択することができる。
Here, a diffusion inhibitor is mixed in the impurity-added
また、不純物添加シリコン層2aおよび層間絶縁膜を積層方向に貫通する貫通孔4aが形成され、貫通孔4a内には、セレクトゲート電極SG1、SG2および4層分のワード線WL1を貫く柱状体12が形成されている。この柱状体12の中心には柱状絶縁体11が形成されている。この柱状絶縁体11の材料は、例えば、シリコン酸化膜を用いることができる。なお、柱状体12は、ビット線BL1〜BL3とセレクトゲート電極SG1a〜SG4aとの交差点に配置することができる。
A through
そして、柱状絶縁体11の外面と貫通孔4aの内面との間にはチャネル層7が形成され、貫通孔4aの内面とチャネル層7との間にはトンネル絶縁膜8が形成され、貫通孔4aの内面とトンネル絶縁膜8との間にはチャージトラップ層9が形成され、貫通孔4aの内面とチャージトラップ層9との間にはブロック絶縁膜10が形成されている。
A
ここで、不純物添加シリコン層2aに拡散防止剤を添加することにより、不純物添加シリコン層2aの不純物がその上下に拡散するのを抑制することができ、不純物添加シリコン層2aの不純物濃度のバラツキを低減することができる。
Here, by adding a diffusion inhibitor to the impurity-added
なお、図7の実施形態では、メモリセルMC2を4層分だけ積層した構成について説明したが、メモリセルMC2をn層分だけ積層するようにしてもよい。
また、図7の実施形態では、柱状体12の中心に柱状絶縁体11を形成する方法について説明したが、柱状絶縁体11の代わりに柱状半導体を埋め込むようにしてもよい。
また、図7の実施形態では、NANDストリングNS2の上下にセレクトゲート電極SG0、SG1〜SG4をそれぞれ設ける方法について説明したが、NANDストリングNS2の下端でNANDストリングNS2を折り返し、その折り返されたNANDストリングNS2の上端にセレクトゲート電極を設けるようにしてもよい。
In the embodiment of FIG. 7, the configuration in which four memory cells MC2 are stacked has been described. However, the memory cells MC2 may be stacked in n layers.
In the embodiment of FIG. 7, the method of forming the
In the embodiment of FIG. 7, the method of providing the select gate electrodes SG0, SG1 to SG4 above and below the NAND string NS2, respectively, has been described. However, the NAND string NS2 is folded at the lower end of the NAND string NS2, and the folded NAND string A select gate electrode may be provided at the upper end of NS2.
(第5実施形態)
図8〜図11は、第5実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の製造方法を示す断面図である。なお、この第5実施形態では、図7のメモリセルMC2が4層分だけ積層される場合を例にとった。また、以下の説明では、不純物添加シリコン層2aの不純物としてホウ素、不純物添加シリコン層2aの拡散防止剤として炭素を選択した場合を例にとる。
図8(a)において、CVDなどの方法にて、不純物無添加シリコン層1と不純物添加シリコン層2aとを下地層SB1上に交互に積層する。なお、不純物添加シリコン層2aには拡散防止剤として炭素が混入されている。
この時、不純物無添加シリコン層1の成膜では、例えば、成膜温度を400度から650度の範囲に設定し、シリコンガスとしてSiH4を用い、圧力が1〜10torr程度の減圧環境に設定することができる。
不純物添加シリコン層2aの成膜では、例えば、成膜温度を400度から650度の範囲に設定し、シリコンガスとしてSiH4、ホウ素ガスとしてBCl3、炭素ガスとしてエチレン(C2H4)を用い、圧力が1〜10torr程度の減圧環境に設定することができる。
(Fifth embodiment)
8 to 11 are cross-sectional views illustrating the method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device according to the fifth embodiment. In the fifth embodiment, the case where the memory cells MC2 of FIG. 7 are stacked by four layers is taken as an example. Further, in the following description, a case where boron is selected as the impurity of the doped
In FIG. 8A, the impurity-
At this time, in the film formation of the impurity-
The formation of the doped
ここで、不純物添加シリコン層2aに拡散防止剤として炭素を添加することにより、不純物添加シリコン層2aの不純物が不純物無添加シリコン層1に拡散するのを抑制することができる。このため、不純物添加シリコン層2aの不純物分布が維持され、不純物無添加シリコン層1と不純物添加シリコン層2aとのエッチングの選択比を維持したまま加工することができ、不純物添加シリコン層2aの形状変化による歩留低下を抑制することが可能となる。また、不純物添加シリコン層2aの形状変化を抑制することで、電極の加工バラつきを抑制することができ、メモリセルの特性劣化を防ぐことができる。さらに、熱処理による不純物の拡散を抑制することができ、成膜温度を上げられるので成膜速度が早くなり、生産性を向上させることができる。
Here, by adding carbon to the impurity-added
次に、図8(b)に示すように、開口部Hが設けられたハードマスクMを最上層の不純物添加シリコン層2a上に形成する。そして、ハードマスクMを介して不純物無添加シリコン層1および不純物添加シリコン層2aをエッチングすることにより、不純物無添加シリコン層1および不純物添加シリコン層2aを積層方向に貫く貫通孔4aを形成する。
Next, as shown in FIG. 8B, a hard mask M provided with openings H is formed on the uppermost impurity-added
次に、図9(a)に示すように、CVDなどの方法にて貫通孔4a内に犠牲膜5を埋め込み、CMPなどの方法にて犠牲膜5を平坦化した後、ハードマスクMを除去する。
Next, as shown in FIG. 9A, the
次に、図9(b)に示すように、ウェットエッチングなどの方法にて不純物無添加シリコン層1を選択的にエッチングすることにより、不純物無添加シリコン層1を除去する。なお、不純物添加シリコン層2aの抵抗を低減させるため、不純物無添加シリコン層1を除去した後、不純物添加シリコン層2aをシリサイド化してもよい。
Next, as shown in FIG. 9B, the impurity-
次に、図10(a)に示すように、ALD−CVDなどの方法にて不純物無添加シリコン層1の除去部分に層間絶縁膜6を埋め込む。
Next, as shown in FIG. 10A, an
次に、図10(b)に示すように、貫通孔4a内の犠牲膜5を除去し、不純物添加シリコン層2aおよび層間絶縁膜6の側壁を露出させる。
Next, as shown in FIG. 10B, the
次に、図11に示すように、CVDなどの方法にて不純物添加シリコン層2aおよび層間絶縁膜6の積層方向に沿って貫通孔4aの内面にブロック絶縁膜10を形成する。次に、CVDなどの方法にて貫通孔4a内のブロック絶縁膜10の表面にチャージトラップ層9を形成する。次に、CVDなどの方法にて貫通孔4a内のチャージトラップ層9の表面にトンネル絶縁膜8を形成する。次に、CVDなどの方法にて貫通孔4a内のトンネル絶縁膜8の表面にチャネル層7を形成する。
Next, as shown in FIG. 11, a
これにより、貫通孔4a、ブロック絶縁膜10、チャージトラップ層9、トンネル絶縁膜8およびチャネル層7の形成を1層ごとに繰り返すことなく、メモリセルMC2を積層化することができ、工程数の増大を抑制しつつ、NANDフラッシュメモリの高集積化を図ることができる。
As a result, the memory cell MC2 can be stacked without repeating the formation of the through
なお、上述した実施形態では、シリコンガスとしてSiH4を例にとったが、Si2H6やSiH2Cl2などのその他のガスでもよく、シリコンを含む他の原料ガスでもよい。また、ホウ素ガスとしてBCl3を例にとったが、B2H6や有機原料であるTMB(トリメチルボレート)などのその他のガスでもよく、ホウ素を含む他の原料ガスでもよい。炭素系ガスとしてC2H4を例にとったが、炭素を含む他のガスを用いてもよい。 In the embodiment described above, SiH 4 is taken as an example of the silicon gas, but other gases such as Si 2 H 6 and SiH 2 Cl 2 may be used, and other source gases containing silicon may be used. Further, although BCl 3 is taken as an example of the boron gas, other gases such as B 2 H 6 and TMB (trimethyl borate) which is an organic raw material may be used, or other raw material gas containing boron may be used. Although C 2 H 4 is taken as an example of the carbon-based gas, other gases containing carbon may be used.
また、上述した実施形態では、不純物添加シリコン層2aの拡散防止剤として炭素を選択した場合を例にとったが、不純物添加シリコン層2aの拡散防止剤として窒素を選択してもよい。この場合、炭素系ガスの代わりに、NH3、NO、N2Oなどの窒素系ガスを用いればよい。この時、窒素系ガスとホウ素系ガスの組み合わせであることから、窒化ホウ素が生じる。
In the above-described embodiment, the case where carbon is selected as the diffusion preventing agent for the doped
また、上述した実施形態では、不純物添加シリコン層2aの不純物としてホウ素を選択した場合を例にとったが、不純物添加シリコン層2aの不純物としてゲルマニウムを選択するようにしてもよい。この場合、シリコンガスの代わりに、GeH4などのゲルマニウム系ガスを用いればよい。
Further, in the above-described embodiment, the case where boron is selected as the impurity of the impurity-added
また、不純物無添加シリコン層1と不純物添加シリコン層2aとで成膜温度を変えるようにしてもよいし、ガスの切り替えのみで成膜温度を同一に設定してもよい。また、不純物無添加シリコン層1と不純物添加シリコン層2aとを成膜するごとに成膜チャンバから出して非連続で形成してもよいが、成膜チャンバ内で連続して成膜するようにしてもよい。また、上記以外でも、PE−CVD(Plasma−Enhanced Chemical Vapor deposition )による成膜でもよい。
Further, the film formation temperature may be changed between the impurity-
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
SB1 下地層、1 不純物無添加シリコン層、2、2a 不純物添加シリコン層、3 拡散防止層、4、4a 貫通孔、5 犠牲膜、6 層間絶縁膜、7 チャネル層、8 トンネル絶縁膜、9 チャージトラップ層、10 ブロック絶縁膜、11 柱状絶縁体、12 柱状体、13 接続部、WL1〜WL4、WL1a〜WL4a、WL11〜WL18 ワード線、BL1〜BL3、BL11〜BL15 ビット線、SG0〜SG4、SG0a〜SG4a、SG11、SG12 セレクトゲート電極、NS1〜NS3 NANDストリング、NC1〜NC3 NANDセル、MC1、MC2 メモリセル、M ハードマスク、H 開口部、SB2 半導体基板、CN 接続層、PG プラグ、SL ソース線 SB1 base layer, 1 impurity-free silicon layer, 2 and 2a impurity-doped silicon layer, 3 diffusion prevention layer, 4 and 4a through hole, 5 sacrificial film, 6 interlayer insulating film, 7 channel layer, 8 tunnel insulating film, and 9 charge Trap layer, 10 block insulating film, 11 columnar insulator, 12 columnar body, 13 connecting portion, WL1 to WL4, WL1a to WL4a, WL11 to WL18 word line, BL1 to BL3, BL11 to BL15 bit line, SG0 to SG4, SG0a SG4a, SG11, SG12 Select gate electrode, NS1 to NS3 NAND string, NC1 to NC3 NAND cell, MC1, MC2 memory cell, M hard mask, H opening, SB2 semiconductor substrate, CN connection layer, PG plug, SL source line
Claims (9)
前記積層体の積層方向に形成された貫通孔と、
前記積層体の積層方向に沿って前記貫通孔内に形成されたチャネル層と、
前記貫通孔の内面と前記チャネル層との間に形成されたトンネル絶縁膜と、
前記貫通孔の内面と前記トンネル絶縁膜との間に形成されたチャージトラップ層と、
前記貫通孔の内面と前記チャージトラップ層との間に形成されたブロック絶縁膜とを備えることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 A stacked body in which impurity-doped silicon layers and interlayer insulating films are alternately stacked via diffusion prevention layers;
A through-hole formed in the stacking direction of the laminate,
A channel layer formed in the through hole along the stacking direction of the stacked body;
A tunnel insulating film formed between the inner surface of the through hole and the channel layer;
A charge trap layer formed between the inner surface of the through hole and the tunnel insulating film;
A nonvolatile semiconductor memory device comprising: a block insulating film formed between an inner surface of the through hole and the charge trap layer.
前記積層体の積層方向に形成された貫通孔と、
前記積層体の積層方向に沿って前記貫通孔内に形成されたチャネル層と、
前記貫通孔の内面と前記チャネル層との間に形成されたトンネル絶縁膜と、
前記貫通孔の内面と前記トンネル絶縁膜との間に形成されたチャージトラップ層と、
前記貫通孔の内面と前記チャージトラップ層との間に形成されたブロック絶縁膜とを備えることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 A laminated body in which impurity-doped silicon layers containing a diffusion inhibitor and interlayer insulating films are alternately laminated;
A through-hole formed in the stacking direction of the laminate,
A channel layer formed in the through hole along the stacking direction of the stacked body;
A tunnel insulating film formed between the inner surface of the through hole and the channel layer;
A charge trap layer formed between the inner surface of the through hole and the tunnel insulating film;
A nonvolatile semiconductor memory device comprising: a block insulating film formed between an inner surface of the through hole and the charge trap layer.
前記第1シリコン層、前記第2シリコン層および前記拡散防止層を積層方向に貫通する貫通孔を形成する工程と、
前記第2シリコン層を選択的に除去する工程と、
前記第2シリコン層が除去された部分に層間絶縁膜を埋め込む工程と、
前記貫通孔の内面にブロック絶縁膜を形成する工程と、
前記貫通孔内の前記ブロック絶縁膜の表面にチャージトラップ層を形成する工程と、
前記貫通孔内の前記チャージトラップ層の表面にトンネル絶縁膜を形成する工程と、
前記貫通孔内のトンネル絶縁膜の表面にチャネル層を形成する工程とを備えることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の製造方法。 Alternately stacking a first silicon layer and a second silicon layer having an impurity concentration lower than that of the first silicon layer through a diffusion prevention layer;
Forming a through-hole penetrating the first silicon layer, the second silicon layer, and the diffusion prevention layer in the stacking direction;
Selectively removing the second silicon layer;
Embedding an interlayer insulating film in the portion where the second silicon layer is removed;
Forming a block insulating film on the inner surface of the through hole;
Forming a charge trap layer on the surface of the block insulating film in the through hole;
Forming a tunnel insulating film on the surface of the charge trap layer in the through hole;
And a step of forming a channel layer on the surface of the tunnel insulating film in the through-hole.
前記不純物添加シリコン層および前記不純物無添加シリコン層を積層方向に貫通する貫通孔を形成する工程と、
前記不純物無添加シリコン層を選択的に除去する工程と、
前記不純物無添加シリコン層が除去された部分に層間絶縁膜を埋め込む工程と、
前記貫通孔の内面にブロック絶縁膜を形成する工程と、
前記貫通孔内の前記ブロック絶縁膜の表面にチャージトラップ層を形成する工程と、
前記貫通孔内の前記チャージトラップ層の表面にトンネル絶縁膜を形成する工程と、
前記貫通孔内のトンネル絶縁膜の表面にチャネル層を形成する工程とを備えることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の製造方法。 A step of alternately laminating an impurity-added silicon layer mixed with a diffusion inhibitor and an impurity-free silicon layer;
Forming a through-hole penetrating the impurity-added silicon layer and the impurity-free silicon layer in the stacking direction;
Selectively removing the impurity-free silicon layer;
Embedding an interlayer insulating film in the portion where the impurity-free silicon layer is removed;
Forming a block insulating film on the inner surface of the through hole;
Forming a charge trap layer on the surface of the block insulating film in the through hole;
Forming a tunnel insulating film on the surface of the charge trap layer in the through hole;
And a step of forming a channel layer on the surface of the tunnel insulating film in the through-hole.
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