JP2013110193A - Nonvolatile semiconductor storage device and manufacturing method of the same - Google Patents
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Abstract
Description
実施形態は、不揮発性半導体記憶装置及びそ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 same.
不揮発性半導体メモリの高集積化、大容量化を進めるためには、デザインルールを縮小することが必要となる。このデザインルールを縮小するためには、配線パターン等の更なる微細加工が必要となる。しかし、そのためには、非常に高度な加工技術が要求されるため、結果としてデザインルールの縮小化が困難になってきている。 In order to increase the integration density and capacity of the nonvolatile semiconductor memory, it is necessary to reduce the design rule. In order to reduce this design rule, further fine processing such as a wiring pattern is required. However, this requires a very advanced processing technique, and as a result, it has become difficult to reduce the design rule.
そこで、近年、メモリセルの集積度を高めるために、3次元構造を有する不揮発性半導体メモリが提案されている。 Therefore, in recent years, a nonvolatile semiconductor memory having a three-dimensional structure has been proposed in order to increase the degree of integration of memory cells.
このようなメモリの一つとして、半導体基板上に積み重ねられる複数の半導体層を、直列接続される複数のメモリセル(セルトランジスタ)を備えるメモリストリングのチャネルとして用い、かつ、各メモリセルが、データを記憶するための電荷蓄積層を備える垂直ゲート型3次元積層のVLB (Vertical gate ladder-Bit cost scalable memory)と呼ばれる不揮発性半導体メモリが知られている。 As one of such memories, a plurality of semiconductor layers stacked on a semiconductor substrate are used as a channel of a memory string including a plurality of memory cells (cell transistors) connected in series, and each memory cell has data There is known a non-volatile semiconductor memory called a vertical gate ladder-bit cost scalable memory (VLB) having a vertical gate type three-dimensional stack including a charge storage layer for storing.
また、VLBは、電荷蓄積層が電気的にフローティング状態の導電層(フローティングゲート)であるVG-FG型 (Vertical gate-Floating gate type)と、電荷蓄積層が電荷をトラップする絶縁層であるVG-SONOS型 (Vertical gate-Si/Oxide/Nitride/Oxide/Si type)とに分類される。 In addition, VLB is a VG-FG type (Vertical gate-Floating gate type) in which the charge storage layer is in an electrically floating state (floating gate), and VG is an insulating layer in which the charge storage layer traps charges. -Classified as SONOS type (Vertical gate-Si / Oxide / Nitride / Oxide / Si type).
VG-FG型では、フローティングゲートに一定の厚さが必要であるため、メモリストリングのシュリンクに限界がある。これに対し、VG-SONOS型では、電荷蓄積層を薄膜化できるため、理論的には、VG-FG型に比べて、メモリストリングのシュリンクを推し進めることができる。 In the VG-FG type, since a certain thickness is required for the floating gate, there is a limit to the shrinkage of the memory string. On the other hand, in the VG-SONOS type, the charge storage layer can be made thin, so theoretically, the memory string can be shrunk compared to the VG-FG type.
しかし、VG-SONOS型においても、VG-FG型と同様に、1つのメモリセルの電荷蓄積層内の電荷がそれに隣接する他のメモリセルの電荷蓄積層内へ移動することを防止するため、メモリセルごとに電荷蓄積層を分断する必要がある。 However, even in the VG-SONOS type, as in the VG-FG type, in order to prevent the charge in the charge storage layer of one memory cell from moving into the charge storage layer of another memory cell adjacent thereto, It is necessary to divide the charge storage layer for each memory cell.
この電荷蓄積層の分断は、メモリストリングのシュリンクの進行や、メモリストリングの積層数の増加などにより困難になる。特に、1つのメモリストリング内の直列接続される複数のメモリセルの電荷蓄積層は、複数の半導体層が積み重ねられる方向に延びるコントロールゲートを加工するときに同時に分断されるが、この時に電荷蓄積層の分断不良が発生し易い。 This division of the charge storage layer becomes difficult due to the progress of shrinking of the memory string and the increase in the number of stacked memory strings. In particular, the charge storage layers of a plurality of memory cells connected in series in one memory string are divided at the same time when processing a control gate extending in the direction in which the plurality of semiconductor layers are stacked. It is easy to generate a division failure.
そして、1つのメモリストリング内の複数のメモリセルの電荷蓄積層が互いに結合してしまうと、その電荷蓄積層内で電荷が移動することによりメモリ特性が悪化する。 If the charge storage layers of a plurality of memory cells in one memory string are combined with each other, the memory characteristics deteriorate due to the movement of charges in the charge storage layer.
実施形態は、1つのメモリストリング内の複数のメモリセルの電荷蓄積層が分断されていなくても、各メモリセルの電荷蓄積層内での電荷の横方向の移動を抑制可能な技術を提案する。 The embodiment proposes a technique capable of suppressing the lateral movement of charges in the charge storage layer of each memory cell even if the charge storage layers of the plurality of memory cells in one memory string are not divided. .
実施形態によれば、不揮発性半導体記憶装置は、半導体基板と、前記半導体基板の表面に垂直な第1の方向に積み重ねられ、前記半導体基板の表面に平行な第2の方向に延び、互いに絶縁される第1乃至第nの半導体層(nは2以上の自然数)と、前記第1乃至第nの半導体層をチャネルとする第1乃至第nのメモリストリングとを備え、前記第1乃至第nのメモリストリングの各々は、前記第2の方向に直列接続される複数のメモリセルを備え、前記第iのメモリストリング(iは1〜nのうちの1つ)は、前記第iの半導体層の前記第1及び第2の方向に垂直な第3の方向にある表面上に、前記複数のメモリセルに対応する、複数の電荷蓄積層及び複数のコントロールゲートを備え、前記第iのメモリストリング内において、少なくとも前記第2の方向に隣接する2つのメモリセルの電荷蓄積層が互いに結合され、前記複数のコントロールゲート間に添加され、前記複数の電荷蓄積層のバンドオフセットを上昇させる金属元素をさらに備える。 According to the embodiment, the nonvolatile semiconductor memory device is stacked in a first direction perpendicular to the surface of the semiconductor substrate and the semiconductor substrate, extends in a second direction parallel to the surface of the semiconductor substrate, and is insulated from each other. First to n-th semiconductor layers (n is a natural number of 2 or more) and first to n-th memory strings having the first to n-th semiconductor layers as channels. Each of the n memory strings includes a plurality of memory cells connected in series in the second direction, and the i th memory string (i is one of 1 to n) is the i th semiconductor. A plurality of charge storage layers and a plurality of control gates corresponding to the plurality of memory cells on a surface of a layer in a third direction perpendicular to the first and second directions; Within a string, at least Charge storage layer of the two memory cells adjacent to the serial second direction are coupled to each other, is added between the plurality of control gates, further comprising a metal element to increase the band offset of the plurality of charge storage layers.
以下、図面を参照しながら実施形態を説明する。尚、実施形態を通して共通の構成には同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。また、各図は発明の説明とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の装置と異なる個所があるが、これらは以下の説明と公知の技術を参酌して適宜、設計変更することができる。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol shall be attached | subjected to a common structure through embodiment, and the overlapping description is abbreviate | omitted. Each figure is a schematic diagram for promoting explanation and understanding of the invention, and its shape, dimensions, ratio, and the like are different from those of an actual device. However, these are in consideration of the following explanation and known techniques. The design can be changed as appropriate.
以下の実施形態は、半導体基板上に積み重ねられる複数の半導体層を、直列接続される複数のメモリセル(セルトランジスタ)を備えるメモリストリングのチャネルとして用い、かつ、各メモリセルが、データを記憶するための電荷蓄積層を備える不揮発性半導体メモリにおいて、1つのメモリストリング内の複数のメモリセル間(複数のコントロールゲート間)に、電荷蓄積層のバンドオフセットを上昇させる金属元素を添加した点に特徴を有する。 In the following embodiments, a plurality of semiconductor layers stacked on a semiconductor substrate are used as a channel of a memory string including a plurality of memory cells (cell transistors) connected in series, and each memory cell stores data. A feature of the present invention is that a nonvolatile semiconductor memory including a charge storage layer for adding a metal element that increases the band offset of the charge storage layer between a plurality of memory cells (between a plurality of control gates) in one memory string. Have
このような3次元不揮発性半導体メモリでは、1つのメモリストリング内の1つのメモリセルの電荷蓄積層内の電荷がそれに隣接する他のメモリセルの電荷蓄積層内へ移動することを防止するため、メモリセルごとに電荷蓄積層を分断する必要がある。しかし、メモリストリングのシュリンクの進行や、メモリストリングの積層数の増加などにより、この分断が困難になってきている。 In such a three-dimensional nonvolatile semiconductor memory, in order to prevent the charge in the charge storage layer of one memory cell in one memory string from moving into the charge storage layer of another memory cell adjacent thereto, It is necessary to divide the charge storage layer for each memory cell. However, this division has become difficult due to the progress of shrinking memory strings and the increase in the number of stacked memory strings.
そこで、以下の実施形態では、1つのメモリストリング内の複数のメモリセル間(複数のコントロールゲート間)に、複数のメモリセルの電荷蓄積層側が負又は正に帯電するようなダイポールを形成する金属元素を添加する。これにより、その金属元素が接触する電荷蓄積層のバンドオフセットを上昇させることができるため、各メモリセルの電荷蓄積層内での電荷の移動を抑制することができる。 Therefore, in the following embodiments, a metal that forms a dipole between the plurality of memory cells (between a plurality of control gates) in one memory string so that the charge storage layer side of the plurality of memory cells is negatively or positively charged. Add elements. Thereby, the band offset of the charge storage layer in contact with the metal element can be increased, so that the movement of charges in the charge storage layer of each memory cell can be suppressed.
例えば、電荷蓄積層側が負に帯電するようなダイポールを形成すれば、各メモリセルの電荷蓄積層内での電子の移動を抑制することができる。 For example, if a dipole is formed such that the charge storage layer side is negatively charged, the movement of electrons in the charge storage layer of each memory cell can be suppressed.
従って、メモリ特性の向上による高信頼性を実現できる。 Therefore, high reliability can be realized by improving the memory characteristics.
このように、実施形態によれば、各メモリセルの電荷蓄積層内での電荷の移動を抑制する、即ち、電荷の横方向(メモリストリングが延びる方向)の移動を防止できるため、例えば、1つのメモリストリング内の複数のメモリセルの電荷蓄積層が分断されていなくても、所望のメモリ特性を得ることができる。 Thus, according to the embodiment, the movement of charges in the charge storage layer of each memory cell can be suppressed, that is, the movement of charges in the lateral direction (direction in which the memory string extends) can be prevented. Even if the charge storage layers of a plurality of memory cells in one memory string are not divided, desired memory characteristics can be obtained.
尚、この効果は、特に、消去特性の改善のために、電荷蓄積層として、More-Si-Rich Nitride (MSRN)、即ち、Siの組成比がNの組成比よりも多いSixNy(x>y)を用いた場合に顕著に現われる。 Note that this effect is particularly to improve the erasing characteristics, as a charge storage layer, More-Si-Rich Nitride ( MSRN), i.e., the composition ratio of Si is larger than the composition ratio of N Si x N y ( This is noticeable when x> y) is used.
また、実施形態は、複数のメモリセルの電荷蓄積層を分断することを前提にしたときの分断不良の対策に有効であるが、電荷蓄積層の分断不良が発生していない、即ち、複数のメモリセルの電荷蓄積層が完全に分断されている場合に、上述の金属元素が添加されていても何ら問題ない。 In addition, the embodiment is effective for the countermeasure against the division failure when it is assumed that the charge storage layers of the plurality of memory cells are divided. However, the division failure of the charge storage layer does not occur, that is, When the charge storage layer of the memory cell is completely divided, there is no problem even if the above-described metal element is added.
さらに、実施形態によれば、1つのメモリストリング内の複数のメモリセルの電荷蓄積層が互いに結合されていても問題ないため、複数のメモリセルの電荷蓄積層を分断することを前提としなくても、所望のメモリ特性を得ることができる。 Further, according to the embodiment, there is no problem even if the charge storage layers of a plurality of memory cells in one memory string are coupled to each other. Therefore, it is not necessary to divide the charge storage layers of the plurality of memory cells. Also, desired memory characteristics can be obtained.
本実施形態は、電荷蓄積層が電気的にフローティング状態の導電層(フローティングゲート)であるVG-FG型、及び、電荷蓄積層が電荷をトラップする絶縁層であるVG-SONOS型の双方に適用可能である。但し、スケーリングや加工精度などを考慮すると、本実施形態をVG-SONOS型に適用した不揮発性半導体メモリのほうが実用化に適している。 This embodiment is applied to both the VG-FG type in which the charge storage layer is an electrically floating conductive layer (floating gate) and the VG-SONOS type in which the charge storage layer is an insulating layer for trapping charges. Is possible. However, in consideration of scaling and processing accuracy, the nonvolatile semiconductor memory in which the present embodiment is applied to the VG-SONOS type is more suitable for practical use.
[構造]
図1及び図2は、実施形態に係わる不揮発性半導体記憶装置を示している。
[Construction]
1 and 2 show a nonvolatile semiconductor memory device according to the embodiment.
半導体基板10は、例えば、シリコン基板である。絶縁層11は、例えば、BOX (Buried oxide)と呼ばれる酸化シリコン層であり、素子分離絶縁層として用いられる。
The
絶縁層11上には、半導体基板10の表面に垂直な第1の方向に積み重ねられ、半導体基板10の表面に平行な第2の方向に延び、互いに絶縁される第1、第2及び第3の半導体層12−1,12−2,12−3が配置される。
On the insulating
本例では、3つの半導体層が積層された構造を示すが、これに限定されるものではなく、2つ以上の半導体層が積み重ねられていればよい。また、積み重ねられる半導体層の数が多いほど、半導体メモリとしてのメモリ容量が大きくなるため、望ましい。 Although this example shows a structure in which three semiconductor layers are stacked, the present invention is not limited to this, and it is sufficient that two or more semiconductor layers are stacked. Also, the larger the number of semiconductor layers that are stacked, the greater the memory capacity as a semiconductor memory, which is desirable.
第1、第2及び第3の半導体層12−1,12−2,12−3は、絶縁層(例えば、酸化シリコン層)13により互いに絶縁される。但し、第1、第2及び第3の半導体層12−1,12−2,12−3は、絶縁層13以外の他の手段(例えば、キャビティ)により絶縁されていてもよい。 The first, second and third semiconductor layers 12-1, 12-2 and 12-3 are insulated from each other by an insulating layer (for example, a silicon oxide layer) 13. However, the first, second, and third semiconductor layers 12-1, 12-2, and 12-3 may be insulated by means other than the insulating layer 13 (for example, a cavity).
最上層の第3の半導体層12−3上には、絶縁層(例えば、酸化シリコン層、窒化シリコン層又はこれらの積層)14が配置される。 An insulating layer (for example, a silicon oxide layer, a silicon nitride layer, or a stacked layer thereof) 14 is disposed on the uppermost third semiconductor layer 12-3.
第1、第2及び第3の半導体層12−1,12−2,12−3及び絶縁層13,14は、フィン型積層構造Finを構成する。第1、第2及び第3の半導体層12−1,12−2,12−3は、単結晶状態であるのが望ましいが、多結晶状態、アモルファス状態であっても構わない。
The first, second, and third semiconductor layers 12-1, 12-2, 12-3 and the insulating
第1、第2及び第3のメモリストリングS1,S2,S3は、それぞれ、第1、第2及び第3の半導体層12−1,12−2,12−3をチャネルとする。第1、第2及び第3のメモリストリングS1,S2,S3の各々は、第2の方向に直列接続される複数のメモリセルMCを備える。 The first, second, and third memory strings S1, S2, and S3 use the first, second, and third semiconductor layers 12-1, 12-2, and 12-3 as channels, respectively. Each of the first, second, and third memory strings S1, S2, and S3 includes a plurality of memory cells MC connected in series in the second direction.
第1、第2及び第3のメモリストリングS1,S2,S3は、それぞれ、第1、第2及び第3の半導体層12−1,12−2,12−3の第1及び第2の方向に垂直な第3の方向にある表面上に、複数のメモリセルMCに対応する、複数の電荷蓄積層16及び複数のコントロールゲート18を備える。
The first, second, and third memory strings S1, S2, and S3 are respectively in the first and second directions of the first, second, and third semiconductor layers 12-1, 12-2, and 12-3. A plurality of charge storage layers 16 and a plurality of
第1、第2及び第3の半導体層12−1,12−2,12−3と複数の電荷蓄積層16との間には、トンネル絶縁層(ゲート絶縁層)15が配置され、複数の電荷蓄積層16と複数のコントロールゲート18との間には、書き込み/消去時のリーク電流を防止するブロック絶縁層17が配置される。
Between the first, second and third semiconductor layers 12-1, 12-2, 12-3 and the plurality of charge storage layers 16, a tunnel insulating layer (gate insulating layer) 15 is disposed, A
複数のコントロールゲート18は、第1、第2及び第3の半導体層12−1,12−2,12−3の第3の方向にある表面に沿って、第1の方向に延びる。
The plurality of
本例では、3つの半導体層に対応して3つのメモリストリングが積層された構造を示すが、これに限定されるものではなく、2つ以上の半導体層に対応して2つ以上のメモリストリングが積み重ねられていればよい。 In this example, a structure in which three memory strings are stacked corresponding to three semiconductor layers is shown, but the present invention is not limited to this, and two or more memory strings corresponding to two or more semiconductor layers are shown. Need only be stacked.
そして、複数のコントロールゲート18間、具体的には、少なくとも、コントロールゲートの加工後の複数のメモリセルMCの電荷蓄積層16の剥き出しになった表面と層間絶縁層20との界面には、複数の電荷蓄積層16のバンドオフセットを上昇させる金属元素19が添加される。この金属元素19は、例えば、複数のメモリセルMCの電荷蓄積層16側が負に帯電するようなダイポールを形成する。
A plurality of
金属元素19は、例えば、Ge, Y, Sr, ランタノイド(La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu)のグループから選択される1つの元素を含む。
The
また、金属元素19は、1つの層を構成していてもよいし、1つの層を構成しない状態(例えば、金属元素がドット状又は部分的に添加されているような状態)でもよい。
Further, the
金属元素19が1つの層を構成する場合、その1つの層は、金属元素19を含む酸化物、窒化物又は酸窒化物を備える。例えば、複数のメモリセルMCの電荷蓄積層16が窒化シリコン層を備えるときは、金属元素19は、La2O3を含む材料のLaとすることにより、電荷蓄積層16側が負に帯電するようなダイポールを形成することができる。
When the
これにより、複数のメモリセルMCの電荷蓄積層16内での電荷の横方向(第1、第2及び第3のメモリストリングS1,S2,S3が延びる方向)の電荷の移動を抑制することができる。この効果は、複数のコントロールゲート18間において、金属元素19を含む1つの層の第3の方向の厚さ(図3のt1に相当)が1 nm以下である場合に顕著である。また、この場合、金属元素19が高誘電率を持ついわゆるHigh-k材料であるときに、それによるセル間干渉の影響を最小限に抑えるという効果も奏する。
Thereby, it is possible to suppress the movement of charges in the lateral direction (direction in which the first, second, and third memory strings S1, S2, and S3 extend) in the
以上のような構造によれば、第1、第2及び第3のメモリストリングS1,S2,S3の各々において、複数のメモリセルMCの電荷蓄積層16が互いに結合され、第2の方向に延びる1つの層を構成していても、電荷の横方向の移動を抑制できる。 According to the above structure, in each of the first, second, and third memory strings S1, S2, and S3, the charge storage layers 16 of the plurality of memory cells MC are coupled to each other and extend in the second direction. Even if one layer is formed, the lateral movement of charges can be suppressed.
例えば、図3は、図2の領域Xを示している。この図は、複数のメモリセルMCの電荷蓄積層16を分断することを前提にしたときに、電荷蓄積層16の分断不良が発生した状況を示している。この場合、電荷蓄積層16としての1つの層は、複数のコントロールゲート18間の第3の方向の厚さt1が、それ以外の第3の方向の厚さt2よりも薄くなるのが一般的である。
For example, FIG. 3 shows a region X in FIG. This figure shows a situation in which a division failure of the
但し、図4に示すように、複数のメモリセルMCの電荷蓄積層16を分断することを前提にしたときに、電荷蓄積層16の分断不良が発生していない、即ち、複数のメモリセルMCの電荷蓄積層16が完全に分断されている場合に、上述の金属元素19が添加されていても何ら問題ない。
However, as shown in FIG. 4, when it is assumed that the charge storage layers 16 of the plurality of memory cells MC are divided, there is no division failure of the charge storage layers 16, that is, the plurality of memory cells MC. When the
さらに、図5に示すように、1つのメモリストリング内の複数のメモリセルMCの電荷蓄積層16が互いに結合されていても問題ないため、複数のメモリセルMCの電荷蓄積層16を分断することを前提としなくてもよい。この場合、電荷蓄積層16としての1つの層の第3の方向の厚さは、概ね均一になる。
Further, as shown in FIG. 5, there is no problem even if the charge storage layers 16 of the plurality of memory cells MC in one memory string are coupled to each other. Therefore, the charge storage layers 16 of the plurality of memory cells MC are divided. It is not necessary to assume this. In this case, the thickness of one layer as the
上述の不揮発性半導体記憶装置の各要素を構成する材料については、半導体メモリの各世代に応じた最適な材料を適宜選択することができるが、以下では、最もよく使用される材料例を説明する。 As the material constituting each element of the above-described nonvolatile semiconductor memory device, an optimum material corresponding to each generation of the semiconductor memory can be appropriately selected. Hereinafter, an example of the most frequently used material will be described. .
半導体基板10は、例えば、単結晶シリコン基板である。また、絶縁層11,13は、例えば、酸化シリコン層である。
The
第1、第2及び第3の半導体層12−1,12−2,12−3は、それぞれ、例えば、シリコン(Si)層である。第1、第2及び第3の半導体層12−1,12−2,12−3は、単結晶であるのが望ましいが、アモルファス又は多結晶であっても構わない。 Each of the first, second, and third semiconductor layers 12-1, 12-2, and 12-3 is, for example, a silicon (Si) layer. The first, second, and third semiconductor layers 12-1, 12-2, and 12-3 are preferably single crystals, but may be amorphous or polycrystalline.
フィン型積層構造Finを構成する最上層の絶縁層14は、例えば、酸化シリコン(SiO2)、窒化シリコン(SiN)、又は、それらが積み重ねられた構造を有する。
The uppermost insulating
メモリセルMCを構成するトンネル絶縁層(ゲート絶縁層)15は、例えば、酸化シリコン層である。トンネル絶縁層15は、酸窒化シリコン、酸化シリコンと窒化シリコンとの積層構造などであってもよい。また、トンネル絶縁層15は、シリコンナノ粒子や、金属イオンなどを含んでいてもよい。
The tunnel insulating layer (gate insulating layer) 15 constituting the memory cell MC is, for example, a silicon oxide layer. The
メモリセルMCを構成する電荷蓄積層16が、例えば、窒化シリコン層であり、複数のコントロールゲート18間を満たす層間絶縁層がTEOS(TetraEthOxySilane)であるとき、電荷蓄積層19側のバンドオフセットを高くするための金属元素19を含む1つの材料としては、La2O3層を用いることができる。La2O3層は、1 nm以下の厚さとするのが望ましい。これを超える厚さにすると、セル間干渉が大きくなる懸念が発生するからである。
When the
複数のコントロールゲート18間を満たす層間絶縁層としては、比誘電率3.9を有する酸化シリコン層と同程度の誘電率を有する材料とするのが望ましい。ここでは、層間絶縁層の例としてTEOSを掲げたが、例えば、熱処理によりポリシラザン系溶剤を焼成することにより形成される酸化シリコン層でもよい。
The interlayer insulating layer that fills between the plurality of
また、電荷蓄積層16が窒化シリコン層でない場合や、層間絶縁層が酸化シリコン層でない場合などにおいても、既に説明した金属元素19の例のなかから適切な材料を選択することにより、金属元素19が接触する電荷蓄積層16のバンドオフセットを上昇させ、電荷蓄積層16内の電荷の横方向の移動を抑制することが可能である。
Even when the
尚、メモリセルMCを構成する電荷蓄積層16は、例えば、シリコンリッチSiN、シリコンと窒素の組成比x、yが任意であるSixNy、酸窒化シリコン(SiON)、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸窒化アルミニウム(AlON)、ハフニア(HfO2)、ハフニウム・アルミネート(HfAlO3)、窒化ハフニア(HfON)、窒化ハフニウム・アルミネート(HfAlON)、ハフニウム・シリケート(HfSiO)、窒化ハフニウム・シリケート(HfSiON)、酸化ランタン(La2O3)及びランタン・アルミネート(LaAlO3)のグループから選択することができる。
Note that the
また、電荷蓄積層16は、シリコンナノ粒子や、金属イオンなどを含んでいてもよい。電荷蓄積層16は、不純物が添加されたポリシリコン、メタルなどの導電体を備えることにより、フローティングゲートとして機能させてもよい。
Further, the
メモリセルMCを構成するブロック絶縁層17は、例えば、書き込み/消去時のリーク電流を防止する機能を有する。ブロック絶縁層17は、例えば、酸化シリコン(SiO2)、酸窒化シリコン(SiON)、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸窒化アルミニウム(AlON)、ハフニア(HfO2)、ハフニウム・アルミネート(HfAlO3)、窒化ハフニア(HfON)、窒化ハフニウム・アルミネート(HfAlON)、ハフニウム・シリケート(HfSiO)、窒化ハフニウム・シリケート(HfSiON)、酸化ランタン(La2O3)、ランタン・アルミネート(LaAlO3)及びランタンアルミシリケート(LaAlSiO)のグループから選択することができる。
The
メモリセルMCを構成するコントロールゲート18は、例えば、導電性ポリシリコン層及び珪化ニッケル(NiSi)などの金属シリサイド層のうちの1つを備える。
The
コントロールゲート18は、例えば、タンタルナイトライド(TaN)、タンタルカーバイト(TaC)、チタンナイトライド(TiN)などの金属化合物、又は、金属的な電気伝導特性を示す、Ni、V、Cr、Mn、Y、Mo、Ru、Rh、Hf、Ta、W,Ir、Co、Ti、Er、Pt、Pd、Zr、Gd、Dy、Ho、Er、及び、これらのシリサイドであってもよい。
The
[製造方法]
図6乃至図33は、図1及び図2の半導体装置の製造方法を示している。
[Production method]
6 to 33 show a method of manufacturing the semiconductor device shown in FIGS.
まず、図6及び図7に示すように、半導体基板10として、例えば、面方位(100)、比抵抗10〜20Ωcmのp型又はn型のシリコン基板を用意する。この半導体基板10上に、絶縁層11,13,14としての酸化シリコン層と、第1、第2及び第3の半導体層12−1,12−2,12−3としての多結晶シリコン層とを、交互に形成する。続けて、絶縁層14上にマスク層(例えば、窒化シリコン層)21を形成する。
First, as shown in FIGS. 6 and 7, for example, a p-type or n-type silicon substrate having a plane orientation (100) and a specific resistance of 10 to 20 Ωcm is prepared as the
また、PEP(Photo Engraving Process)により、マスク層21上にレジストパターンを形成する。そして、レジストパターンをマスクにして、RIE(Reactive Ion Etching)により、マスク層21、絶縁層14、第3の半導体層12−3、絶縁層13、第2の半導体層12−2、絶縁層13及び第1の半導体層12−1を、順次、エッチングする。
Further, a resist pattern is formed on the
これにより、フィン型積層構造Finが形成される。この後、レジストパターンは除去される。 Thereby, the fin-type stacked structure Fin is formed. Thereafter, the resist pattern is removed.
次に、図8及び図9に示すように、例えば、コリンを用いるウェットエッチング、CDE(Chemical Dry Etching)、又は、塩素ガスを用いるドライエッチングにより、フィン型積層構造Finを構成する第1、第2及び第3の半導体層12−1,12−2,12−3の第3の方向にある表面をリセスエッチングする。その結果、フィン型積層構造Finの第3の方向にある表面に凹部が形成される。 Next, as shown in FIGS. 8 and 9, for example, the first and second fins constituting the fin-type stacked structure Fin are formed by wet etching using choline, CDE (Chemical Dry Etching), or dry etching using chlorine gas. The surface of the second and third semiconductor layers 12-1, 12-2, 12-3 in the third direction is recess-etched. As a result, a recess is formed on the surface of the fin-type stacked structure Fin in the third direction.
次に、図10及び図11に示すように、例えば、SPA(Slot Plane Antenna)プラズマ生成技術により、フィン型積層構造Finの第3の方向にある凹部内、即ち、第1、第2及び第3の半導体層12−1,12−2,12−3の第3の方向にある表面上に、トンネル絶縁層(例えば、酸化シリコン層)15を形成する。 Next, as shown in FIGS. 10 and 11, for example, by a SPA (Slot Plane Antenna) plasma generation technique, in the concave portion in the third direction of the fin-type stacked structure Fin, that is, the first, second and second A tunnel insulating layer (for example, a silicon oxide layer) 15 is formed on the surface of the third semiconductor layers 12-1, 12-2, and 12-3 in the third direction.
次に、図12及び図13に示すように、例えば、CVDにより、フィン型積層構造Finの表面の全体を覆う電荷蓄積層(例えば、窒化シリコン層)16を形成する。 Next, as shown in FIGS. 12 and 13, a charge storage layer (for example, a silicon nitride layer) 16 that covers the entire surface of the fin-type stacked structure Fin is formed by, for example, CVD.
次に、図14及び図15に示すように、例えば、RIEにより、フィン型積層構造Finの第3の方向にある凹部内に存在する電荷蓄積層16を除き、他の部分に存在する電荷蓄積層16を除去する。その結果、電荷蓄積層16は、第1、第2及び第3の半導体層12−1,12−2,12−3の第3の方向にある表面上のトンネル絶縁層15上のみに残存する。
Next, as shown in FIGS. 14 and 15, for example, by RIE, the charge accumulation layer existing in other portions except for the
また、この時、電荷蓄積層16は、第1の方向に複数の部分に分断され、各部分は、メモリストリングのチャネルとして機能する1つの半導体層12−i(iは1〜3のうちの1つ)に沿って第2の方向に延びる1つの層を構成する。
At this time, the
次に、図16及び図17に示すように、例えば、等方性エッチングにより、マスク層21をエッチングし、マスク層21の第3の方向の幅をシュリンクする。
Next, as shown in FIGS. 16 and 17, the
この工程は、後述するコントロールゲートのパターニング時に、1つのメモリストリング内の電荷蓄積層(第2の方向に延びる1つの層)を、メモリセル毎に互いに分断することを目的に実行される。 This process is performed for the purpose of separating the charge storage layers (one layer extending in the second direction) in one memory string from one another for each memory cell when patterning the control gate described later.
従って、1つのメモリストリング内の電荷蓄積層をメモリセル毎に互いに分断しないことを前提とする場合には、この工程は省略できる。 Therefore, when it is assumed that the charge storage layers in one memory string are not separated from each other for each memory cell, this step can be omitted.
この工程によるマスク層21のシュリンク量dとしては、コントロールゲートのパターニング時に、1つのメモリストリング内の電荷蓄積層がメモリセル毎に互いに分断されるに十分な量(理論値)とする。
The shrink amount d of the
具体的には、シュリンク後のマスク層21の第3の方向の端部は、第1、第2及び第3の半導体層12−1,12−2,12−3とトンネル絶縁層15の界面より外側に配置する。より望ましくは、シュリンク後のマスク層21の第3の方向の端部は、第1、第2及び第3の半導体層12−1,12−2,12−3とトンネル絶縁層15の界面より外側かつトンネル絶縁膜15と電荷蓄積層16の界面よりも内側に配置するのが良い。
Specifically, the edge portion in the third direction of the
ここで、マスク層21のシュリンク量dのばらつきが、1つのメモリストリング内の電荷蓄積層の分断不良の一因となる。
Here, the variation in the shrink amount d of the
次に、図18及び図19に示すように、例えば、CVDにより、フィン型積層構造Finの表面の全体を覆うブロック絶縁層(例えば、Al2O3層)17を形成する。 Next, as shown in FIGS. 18 and 19, a block insulating layer (for example, an Al 2 O 3 layer) 17 covering the entire surface of the fin-type stacked structure Fin is formed by, for example, CVD.
次に、図20及び図21に示すように、フィン型積層構造Finを覆い、かつ、フィン型積層構造Fin間のスペースを完全に満たすコントロールゲート(例えば、ポリシリコン層)18を形成する。 Next, as shown in FIGS. 20 and 21, a control gate (for example, a polysilicon layer) 18 that covers the fin-type stacked structure Fin and completely fills the space between the fin-type stacked structures Fin is formed.
次に、図22乃至図24に示すように、PEPにより、コントロールゲート18上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクにして、RIEにより、コントロールゲート18をパターニングする。
Next, as shown in FIGS. 22 to 24, a resist pattern is formed on the
ここで、コントロールゲート18は、パターニング前に、CMP(Chemical Mechanical Polishing)により、その上面(第1の方向の表面)を平坦化してもよい。この場合、コントロールゲート18上に酸化シリコン層などの絶縁層を形成した後に、CMPを実行するのが望ましい。
Here, the upper surface (surface in the first direction) of the
また、レジストパターンは、コントロールゲート18の上面において、第3の方向に延びるライン&スペースパターンを有する。
The resist pattern has a line and space pattern extending in the third direction on the upper surface of the
レジストパターンにより覆われていない部分に存在するコントロールゲート18及びブロック絶縁層17は、完全に除去される。同時に、レジストパターンにより覆われていない部分に存在する電荷蓄積層16も、除去される。
The
このRIEでは、レジストパターンとシュリンクされたマスク層21とにより覆われていない部分が積極的に除去されるため、理論的には、レジストパターンにより覆われていない部分に存在する電荷蓄積層16も、除去される。
In this RIE, since the portion not covered with the resist pattern and the
しかし、既に述べたように、マスク層21のシュリンク量のばらつき等により、電荷蓄積層16の分断不良が発生する場合がある。
However, as already described, due to variations in the amount of shrinkage of the
そこで、電荷蓄積層16の分断不良が発生している例を、図25乃至図27に示す。この例によれば、1つのメモリストリング内の電荷蓄積層16が、メモリセル毎に完全に分断されずに、第2の方向に延びる1つの層として残存している。
Thus, an example in which the
このパターニングにより、第1、第2及び第3の半導体層12−1,12−2,12−3の第3の方向にある表面に沿って第1の方向に延びるライン&スペースパターンの複数のコントロールゲート18が形成される。
By this patterning, a plurality of line & space patterns extending in the first direction along the surfaces in the third direction of the first, second, and third semiconductor layers 12-1, 12-2, and 12-3. A
また、フィン型積層構造Finを第1の方向から見たときは、複数のコントロールゲート18は、レジストパターンと同様に、全体として、第3の方向に延びる。
Further, when the fin-type stacked structure Fin is viewed from the first direction, the plurality of
このパターニング後、レジストパターンは除去される。 After this patterning, the resist pattern is removed.
次に、図28乃至図30に示すように、複数のコントロールゲート18間、具体的には、複数のコントロールゲート18の加工後の複数の電荷蓄積層16の剥き出しになった表面上、及び、複数のコントロールゲート18の表面上に、それぞれ、金属元素19又はその金属元素19を含む化合物(酸化物、窒化物又は酸窒化物)を添加する。
Next, as shown in FIGS. 28 to 30, between the plurality of
ここで、金属元素19単体を添加するときは、イオン注入法を用い、金属元素19を含む化合物を添加するときは、LPCVD法やALD法などのコンフォーマルな堆積プロセスを用いればよい。
Here, when the
尚、金属元素19又はその化合物は、1つの層を構成する必要はないが、金属元素19又はその化合物が1つの層を構成するときは、その厚さは、1 nm以下に設定するのが望ましい。
The
また、金属元素19又はその化合物は、電荷蓄積層16と、後述する層間絶縁層との界面に添加されることにより、電荷蓄積層16のバンドオフセットを上昇させる。
Further, the
最後に、図31乃至図33に示すように、複数のコントロールゲート18間に、層間絶縁層(例えば、SiO2)20を満たす。層間絶縁層20は、フィン型積層構造Finの間のスペースも完全に満たす。
Finally, as shown in FIGS. 31 to 33, an interlayer insulating layer (for example, SiO 2 ) 20 is filled between the plurality of
以上の工程により、図1及び図2の不揮発性半導体記憶装置を形成できる。 Through the above steps, the nonvolatile semiconductor memory device shown in FIGS. 1 and 2 can be formed.
尚、この装置を、VLBなどの3次元不揮発性半導体メモリとして使用する場合には、第1、第2及び第3の半導体層12−1,12−2,12−3のうちの1つを選択するための選択機能が必要になるが、その選択機能については、階段構造や、レイヤー選択トランジスタなどが既に提案済みであるので、ここでの説明を省略する。 When this device is used as a three-dimensional nonvolatile semiconductor memory such as a VLB, one of the first, second and third semiconductor layers 12-1, 12-2, 12-3 is used. A selection function for selection is required, but for the selection function, a staircase structure, a layer selection transistor, and the like have already been proposed, and a description thereof is omitted here.
[適用例]
実施形態に係わる不揮発性半導体記憶装置の適用例を説明する。
[Application example]
An application example of the nonvolatile semiconductor memory device according to the embodiment will be described.
尚、以下の適用例においては、上述の図1乃至図2の不揮発性半導体記憶装置と同じ要素に同じ符号を付すことによりその詳細な説明を省略する。 In the following application examples, the same components as those in the above-described nonvolatile semiconductor memory device in FIGS.
図34は、第1の適用例としてのVLBを示している。図35は、図34のXXXV−XXXV線に沿う断面図を示している。 FIG. 34 shows a VLB as a first application example. FIG. 35 shows a sectional view taken along line XXXV-XXXV in FIG.
この適用例は、半導体基板10上に積み重ねられる第1、第2及び第3の半導体層12−1,12−2,12−3の選択を、階段形状により行う場合を示している。
In this application example, the first, second, and third semiconductor layers 12-1, 12-2, and 12-3 stacked on the
第1、第2及び第3の半導体層12−1,12−2,12−3を備えるフィン型積層構造Finの第2の方向の両端は、それぞれ、梁22に接続される。梁22は、第3の方向に延びることにより、フィン型積層構造Finの倒壊を防止する機能を発揮する。
Both ends in the second direction of the fin-type stacked structure Fin including the first, second, and third semiconductor layers 12-1, 12-2, and 12-3 are connected to the
梁22は、フィン型積層構造Finと同様に、第1、第2及び第3の半導体層12−1,12−2,12−3及び絶縁層11,13,14を備える。梁22の第3の方向の一端は、階段形状を有する。この階段形状により、コンタクトプラグ23は、それぞれ独立に、第1、第2及び第3の半導体層12−1,12−2,12−3に接続可能である。
The
梁22の第2の方向の幅は、フィン型積層構造Finの第3の方向の幅と同じであっても、異なっていてもよい。但し、梁22における配線抵抗を下げる目的及びフィン型積層構造Finの倒壊を防止する目的から、梁22の第2の方向の幅は、フィン型積層構造Finの第3の方向の幅よりも広いのが望ましい。
The width in the second direction of the
尚、コンタクトプラグ23は、例えば、W、Alなどの金属材料を備える。コンタクトプラグ23には、ビット線又はソース線が接続される。
Note that the
図36は、第iの半導体層(iは1〜3のうちの1つ)12−iを、半導体基板10の表面に平行な面で切り取った図である。また、図37は、絶縁層13,14を、半導体基板10の表面に平行な面で切り取った図である。
FIG. 36 is a diagram in which the i-th semiconductor layer (i is one of 1 to 3) 12-i is cut along a plane parallel to the surface of the
これらの図によれば、複数のフィン型積層構造Finを並べる場合、複数のコントロールゲート18のパターニング後において、複数のコントロールゲート18間には、トレンチが形成されることが分かる。この場合、金属元素19又はその化合物は、そのトレンチの内面に添加される。また、金属元素19又はその化合物を添加した後、トレンチは、層間絶縁層20により満たされる。
As can be seen from these drawings, when a plurality of fin-type stacked structures Fin are arranged, trenches are formed between the plurality of
即ち、金属元素19及びその化合物は、複数のコントロールゲート18間に存在する電荷蓄積層16の第3の方向の表面上、及び、複数のコントロールゲート18の第2の方向の表面上に、それぞれ添加される。
That is, the
図38は、フィン型積層構造Finを第1の方向から見たときの複数のコントロールゲート18のパターンを示している。
FIG. 38 shows a pattern of the plurality of
複数のコントロールゲート18は、ライン&スペースパターンを有し、全体として、第3の方向に延びる。但し、フィン型積層構造Fin間においては、複数のコントロールゲート18は、フィン型積層構造Finの第3の方向にある表面に沿って第1の方向(紙面に垂直な方向)に延びる。
The plurality of
図39は、第2の適用例としてのVLBを示している。 FIG. 39 shows VLB as a second application example.
この適用例は、半導体基板10上に積み重ねられる第1、第2及び第3の半導体層12−1,12−2,12−3の選択を、第1、第2及び第3のレイヤー選択トランジスタにより行う場合を示している。
In this application example, selection of the first, second, and third semiconductor layers 12-1, 12-2, and 12-3 stacked on the
第1、第2及び第3の半導体層12−1,12−2,12−3を備えるフィン型積層構造Finの第2の方向の両端は、それぞれ、梁22に接続される。梁22は、第3の方向に延びることにより、フィン型積層構造Finの倒壊を防止する機能を発揮する。
Both ends in the second direction of the fin-type stacked structure Fin including the first, second, and third semiconductor layers 12-1, 12-2, and 12-3 are connected to the
梁22は、フィン型積層構造Finと同様に、第1、第2及び第3の半導体層12−1,12−2,12−3及び絶縁層11,13,14を備える。梁22の第3の方向の一端には、第1、第2及び第3のレイヤー選択トランジスタLSTが配置される。
The
第1、第2及び第3のレイヤー選択トランジスタLSTは、例えば、FET (Field Effect Transistor)であり、第1、第2及び第3の半導体層12−1,12−2,12−3をチャネルとし、第1、第2及び第3の半導体層12−1,12−2,12−3のうちの1つを選択する。 The first, second, and third layer selection transistors LST are, for example, FETs (Field Effect Transistors), and channel the first, second, and third semiconductor layers 12-1, 12-2, 12-3. And one of the first, second, and third semiconductor layers 12-1, 12-2, 12-3 is selected.
第1、第2及び第3のレイヤー選択トランジスタLSTは、第3の方向に並んで配置され、かつ、コンタクトプラグ(共通電極)23側から順番に、一定ピッチPで配置される第1、第2及び第3のゲート電極24−1,24−2,24−3を有する。第1、第2及び第3のゲート電極24−1,24−2,24−3は、例えば、導電性ポリシリコン層、ニッケルシリサイド層などの金属シリサイド層、又は、これらの積層を備える。 The first, second and third layer selection transistors LST are arranged side by side in the third direction, and are arranged at a constant pitch P in order from the contact plug (common electrode) 23 side. 2 and third gate electrodes 24-1, 24-2, 24-3. The first, second, and third gate electrodes 24-1, 24-2, 24-3 include, for example, a conductive polysilicon layer, a metal silicide layer such as a nickel silicide layer, or a stacked layer thereof.
第1、第2及び第3のゲート電極24−1,24−2,24−3は、少なくとも、第1、第2及び第3の半導体層12−1,12−2,12−3の第2の方向にある側面に沿って第1の方向に延びる。 The first, second, and third gate electrodes 24-1, 24-2, 24-3 are at least the first, second, and third semiconductor layers 12-1, 12-2, 12-3. Extends in a first direction along a side surface in the direction of 2.
本例では、第1、第2及び第3のゲート電極24−1,24−2,24−3は、フィン型積層構造Finの第1の方向にある上面及び第2の方向にある2つの側面を覆う。即ち、レイヤー選択トランジスタLSTは、ダブルゲート構造を有する。 In this example, the first, second, and third gate electrodes 24-1, 24-2, 24-3 are the upper surface in the first direction of the fin-type stacked structure Fin and the two in the second direction. Cover the sides. That is, the layer selection transistor LST has a double gate structure.
また、第1のゲート電極24−1を備える第1のレイヤー選択トランジスタLSTは、第1の半導体層12−1内にノーマリーオンチャネルを有する。即ち、第1のゲート電極24−1を備える第1のレイヤー選択トランジスタLSTは、第1の半導体層12−1内でノーマリーオン、第2及び第3の半導体層12−2,12−3内でオン/オフ制御可能である。 The first layer selection transistor LST including the first gate electrode 24-1 has a normally on channel in the first semiconductor layer 12-1. That is, the first layer selection transistor LST including the first gate electrode 24-1 is normally on in the first semiconductor layer 12-1, and the second and third semiconductor layers 12-2 and 12-3. ON / OFF control can be performed within.
第2のゲート電極24−2を備える第2のレイヤー選択トランジスタLSTは、第2の半導体層12−2内にノーマリーオンチャネルを有する。即ち、第2のゲート電極24−2を備える第2のレイヤー選択トランジスタLSTは、第2の半導体層12−2内でノーマリーオン、第1及び第3の半導体層12−1,12−3内でオン/オフ制御可能である。 The second layer selection transistor LST including the second gate electrode 24-2 has a normally on channel in the second semiconductor layer 12-2. That is, the second layer selection transistor LST including the second gate electrode 24-2 is normally on in the second semiconductor layer 12-2, and the first and third semiconductor layers 12-1, 12-3. ON / OFF control can be performed within.
第3のゲート電極24−3を備える第3のレイヤー選択トランジスタLSTは、第3の半導体層12−3内にノーマリーオンチャネルを有する。即ち、第3のゲート電極24−3を備える第3のレイヤー選択トランジスタLSTは、第3の半導体層12−3内でノーマリーオン、第1及び第2の半導体層12−1,12−2内でオン/オフ制御可能である。 The third layer selection transistor LST including the third gate electrode 24-3 has a normally on channel in the third semiconductor layer 12-3. That is, the third layer selection transistor LST including the third gate electrode 24-3 is normally on in the third semiconductor layer 12-3, and the first and second semiconductor layers 12-1, 12-2. ON / OFF control can be performed within.
一般化すると、第1乃至第nの半導体層(nは、2以上の自然数)12−1〜12−nをチャネルとする第1乃至第nのレイヤー選択トランジスタLSTのうち、第iのレイヤー選択トランジスタ(iは1〜nのうちの1つ)は、第iの半導体層においてノーマリーオン、それ以外の半導体層においてオン/オフ制御可能である。 When generalized, the i-th layer selection among the first to n-th layer selection transistors LST having the first to n-th semiconductor layers (n is a natural number of 2 or more) 12-1 to 12-n as a channel. The transistor (i is one of 1 to n) can be normally on in the i-th semiconductor layer and can be turned on / off in the other semiconductor layers.
尚、第1、第2及び第3の半導体層12−1,12−2,12−3内のノーマリーオンチャネルは、n型不純物(砒素、リンなどの5価元素)、p型不純物(硼素、インジウムなどの3価元素)、又は、それらの両方を含む不純物領域により形成可能である。 Note that normally-on channels in the first, second, and third semiconductor layers 12-1, 12-2, and 12-3 have n-type impurities (pentavalent elements such as arsenic and phosphorus), p-type impurities ( Boron, a trivalent element such as indium), or an impurity region containing both of them.
以上の第1、第2及び第3のレイヤー選択トランジスタLSTにより、コンタクトプラグ23を、第1、第2及び第3の半導体層12−1,12−2,12−3に共通の共通電極とすることが可能である。即ち、第1、第2及び第3の半導体層12−1,12−2,12−3の各々に対して、個別にコンタクトプラグを設ける必要がないため、コンタクト領域のサイズを縮小可能である。
With the first, second, and third layer selection transistors LST, the
尚、梁22の第2の方向の幅は、フィン型積層構造Finの第3の方向の幅と同じであっても、異なっていてもよい。但し、梁22における配線抵抗を下げる目的及びフィン型積層構造Finの倒壊を防止する目的から、梁22の第2の方向の幅は、フィン型積層構造Finの第3の方向の幅よりも広いのが望ましい。
The width in the second direction of the
また、コンタクトプラグ(共通電極)23は、例えば、W、Alなどの金属材料を備える。コンタクトプラグ23には、ビット線又はソース線が接続される。
The contact plug (common electrode) 23 includes a metal material such as W or Al. A bit line or a source line is connected to the
[その他]
本実施形態は、電荷蓄積層が電気的にフローティング状態の導電層(フローティングゲート)であるVG-FG型にも適用可能である。
[Others]
This embodiment is also applicable to the VG-FG type in which the charge storage layer is a conductive layer (floating gate) in an electrically floating state.
例えば、電荷蓄積層としてのフローティングゲートの加工面が加工中に形成された自然酸化膜(SiO2)により覆われているときは、電荷蓄積層側を負に帯電させ、電荷蓄積層側のバンドオフセットを上昇させ、電荷蓄積層内の電子の動きを抑制するダイポールを形成可能な金属元素又はその化合物を十分な厚さで形成すればよい。 For example, when the processing surface of the floating gate as a charge storage layer is covered with a natural oxide film (SiO 2 ) formed during processing, the charge storage layer side is negatively charged and the band on the charge storage layer side is charged. A metal element or a compound thereof capable of forming a dipole that increases the offset and suppresses the movement of electrons in the charge storage layer may be formed with a sufficient thickness.
また、電荷蓄積層としてのフローティングゲートの加工面が剥き出しになっているときは、電荷蓄積層側を負に帯電させ、電荷蓄積層側のバンドオフセットを上昇させ、電荷蓄積層内の電子の動きを抑制するダイポールを形成可能な金属元素又はその化合物を 1 nm以下の非常に薄い厚さで形成すればよい。 Also, when the processed surface of the floating gate as a charge storage layer is exposed, the charge storage layer side is negatively charged, the band offset on the charge storage layer side is increased, and the movement of electrons in the charge storage layer It is only necessary to form a metal element or a compound thereof capable of forming a dipole that suppresses the formation of a very thin thickness of 1 nm or less.
この場合においても、金属元素は、例えば、Ge, Y, Sr, ランタノイド(La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu)のグループから選択可能である。 Also in this case, the metal element is, for example, Ge, Y, Sr, lanthanoid (La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu). You can select from a group.
[むすび]
実施形態によれば、1つのメモリストリング内の複数のメモリセルの電荷蓄積層が分断されていなくても、各メモリセルの電荷蓄積層内での電荷の横方向の移動を抑制できる。
[Musubi]
According to the embodiment, even if the charge storage layers of a plurality of memory cells in one memory string are not divided, the movement of charges in the charge storage layer of each memory cell can be suppressed.
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.
10: 半導体基板、 11,13,14: 絶縁層、 12−1,12−2,12−3: 半導体層、 15: トンネル絶縁層(ゲート絶縁層)、 16: 電荷蓄積層、 17: ブロック絶縁層、 18: コントロールゲート、 19: 金属元素、 20: 層間絶縁層、 21: マスク層、 22: 梁、 23: コンタクトプラグ、 24−1,24−2,24−3: ゲート電極、 S1,S2,S3: メモリストリング、 MC: メモリセル、 LST: レイヤー選択トランジスタ。
10:
Claims (12)
前記第1乃至第nのメモリストリングの各々は、前記第2の方向に直列接続される複数のメモリセルを備え、
前記第iのメモリストリング(iは1〜nのうちの1つ)は、前記第iの半導体層の前記第1及び第2の方向に垂直な第3の方向にある表面上に、前記複数のメモリセルに対応する、複数の電荷蓄積層及び複数のコントロールゲートを備え、
前記第iのメモリストリング内において、少なくとも前記第2の方向に隣接する2つのメモリセルの電荷蓄積層が互いに結合され、
前記複数のコントロールゲート間に添加され、前記複数の電荷蓄積層のバンドオフセットを上昇させる金属元素をさらに備える
不揮発性半導体記憶装置。 A semiconductor substrate and first to nth semiconductor layers (n is an insulating layer) stacked in a first direction perpendicular to the surface of the semiconductor substrate, extended in a second direction parallel to the surface of the semiconductor substrate, and insulated from each other A natural number of 2 or more) and first to n-th memory strings having the first to n-th semiconductor layers as channels.
Each of the first to nth memory strings includes a plurality of memory cells connected in series in the second direction,
The i th memory string (i is one of 1 to n) is formed on the surface of the i th semiconductor layer in a third direction perpendicular to the first and second directions. A plurality of charge storage layers and a plurality of control gates corresponding to the memory cells,
In the i-th memory string, at least the charge storage layers of two memory cells adjacent in the second direction are coupled to each other,
A nonvolatile semiconductor memory device further comprising: a metal element that is added between the plurality of control gates and increases a band offset of the plurality of charge storage layers.
前記金属元素は、前記複数のコントロールゲート間に存在する前記1つの層の前記第3の方向にある表面上に添加される
請求項1に記載の不揮発性半導体記憶装置。 In the i-th memory string, the plurality of charge storage layers constitute one layer extending in the second direction by being coupled to each other,
The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein the metal element is added on a surface of the one layer existing between the plurality of control gates in the third direction.
前記第1乃至第nの半導体層を形成する工程と、
前記第iの半導体層の前記第3の方向にある表面上に、前記複数のメモリセルに対応する、前記複数の電荷蓄積層及び前記複数のコントロールゲートを形成する工程と、
前記複数のコントロールゲート間に前記金属元素を添加する工程と
を具備する不揮発性半導体記憶装置の製造方法。 The method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1,
Forming the first to nth semiconductor layers;
Forming the plurality of charge storage layers and the plurality of control gates corresponding to the plurality of memory cells on a surface of the i-th semiconductor layer in the third direction;
Adding the metal element between the plurality of control gates. A method of manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device.
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