JP2013110265A - Nonvolatile semiconductor storage device and manufacturing method of the same - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nonvolatile semiconductor storage device having high controllability, and provide a manufacturing method of the nonvolatile semiconductor storage device.SOLUTION: A nonvolatile semiconductor storage device comprises: a first memory cell array layer; a first insulation layer formed on the first memory cell array layer; a second memory cell array layer formed on the first insulation layer; a control gate formed via an inter-gate insulation layer, on both lateral faces in a first direction of first and second floating gates vertically positioned via a first insulation layer, and extending in a second direction orthogonal to the first direction; and an auxiliary gate formed via the inter-gate insulation layer, on both lateral faces in the first direction of the first and second floating gates vertically positioned via the first insulation layer, and extending in the second direction, and forming an auxiliary transistor together with first and second semiconductor layers and first and second gate insulation layers.

Description

本明細書記載の技術は、不揮発性半導体記憶装置及びその製造方法に関する。   The technology described in this specification relates to a nonvolatile semiconductor memory device and a manufacturing method thereof.

電気的に書き換え可能で且つ高集積化が可能な不揮発性半導体記憶装置として、NAND型フラッシュメモリが知られている。従来のNAND型フラッシュメモリのメモリトランジスタは絶縁膜を介して電荷蓄積層(浮遊ゲート)と制御ゲートが積層されたスタックゲート構造をしている。複数個のメモリトランジスタを、隣接するもの同士でソース若しくはドレインを共有するような形で列方向に直列接続させ、その両端に選択ゲートトランジスタを配置して、NANDセルユニットが構成される。NANDセルユニットの一端はビット線に接続され、他端はソース線に接続される。NANDセルユニットをマトリクス状に配置することにより、メモリセルアレイが構成される。また、行方向に並ぶNANDセルユニットをNANDセルブロックと呼ぶ。同一行に並ぶ選択ゲートトランジスタのゲートは、同一の選択ゲート線に接続され、同一行に並ぶメモリトランジスタの制御ゲートは、同一のワード線に接続される。NANDセルユニット内にN個のメモリトランジスタが直列接続されている場合、1つのNANDセルブロック内に含まれるワード線はN本となる。   A NAND flash memory is known as a nonvolatile semiconductor memory device that can be electrically rewritten and can be highly integrated. A memory transistor of a conventional NAND flash memory has a stack gate structure in which a charge storage layer (floating gate) and a control gate are stacked via an insulating film. A plurality of memory transistors are connected in series in the column direction so that adjacent ones share a source or drain, and select gate transistors are arranged at both ends to constitute a NAND cell unit. One end of the NAND cell unit is connected to the bit line, and the other end is connected to the source line. A memory cell array is configured by arranging NAND cell units in a matrix. A NAND cell unit arranged in the row direction is called a NAND cell block. The gates of the select gate transistors arranged in the same row are connected to the same select gate line, and the control gates of the memory transistors arranged in the same row are connected to the same word line. When N memory transistors are connected in series in the NAND cell unit, the number of word lines included in one NAND cell block is N.

このようなNAND型フラッシュメモリにおいては、微細化に伴うゲート長縮小と隣接トランジスタ間隔が狭まることで、以下に述べる種々の課題が生じている。例えば、(a)近接ゲート間などの寄生容量の増大、ショートチャネル効果(SCE)などに起因した制御ゲートの電界によるドレイン電流制御性の低下、(b)隣接ゲート間干渉効果の増大、(c)隣接電極間リークの増大、(d)ゲート電極の高アスペクト化に起因したゲート加工時のパターンヨレ・倒壊、(e)電荷蓄積層に蓄積できる電子数(ビット当たりの電子数)の大幅減少に起因したデータリテンション特性の劣化、などの課題である。このため従来のNAND型フラッシュメモリでは、メモリセルの書込み/消去ウィンドウが大幅に低下し、微細化の物理限界に到達しつつある。   In such a NAND flash memory, various problems described below have arisen due to the reduction in gate length accompanying the miniaturization and the reduction in the distance between adjacent transistors. For example, (a) an increase in parasitic capacitance between adjacent gates, a decrease in drain current controllability due to a control gate electric field due to a short channel effect (SCE), etc., (b) an increase in interference effect between adjacent gates, (c ) Increase in leakage between adjacent electrodes, (d) Pattern misalignment and collapse during gate processing due to high aspect ratio of gate electrode, (e) Significant decrease in number of electrons (number of electrons per bit) that can be accumulated in charge storage layer This is a problem such as deterioration of data retention characteristics caused by the problem. For this reason, in the conventional NAND flash memory, the write / erase window of the memory cell is drastically lowered and the physical limit of miniaturization is being reached.

今後の高集積化の方法の一手法として、メモリセルトランジスタを立体的に何層も積んでいく「3次元積層型」のメモリがある。具体的には、窒化膜トラップ型(SONOS、MONOS)セルを積層する構造が論文等で多く提案されているが、窒化膜トラップ型セル構造は、加工(積層化)が容易であるというメリットがあるものの、窒化膜に電子をトラップさせる特性上、消去特性とデータリテンション特性が浮遊ゲート型セルに比べて悪い事が大きな課題である。   As a technique for future high integration, there is a “three-dimensional stacked type” memory in which memory cell transistors are stacked three-dimensionally. Specifically, many structures for stacking nitride trap type (SONOS, MONOS) cells have been proposed in papers and the like, but the nitride trap type cell structure has the advantage of being easy to process (stack). However, there is a big problem that the erasing characteristic and the data retention characteristic are worse than those of the floating gate type cell due to the characteristic of trapping electrons in the nitride film.

一方、従来の様な浮遊ゲート電極に電荷を蓄積する浮遊ゲート型メモリセル構造は、制御ゲート電極とIPD膜(インターポリ絶縁膜またはゲート間絶縁膜)を浮遊ゲート電極の上面だけでなく側面にも沿って這わせる事で制御ゲート電極の駆動力(カップリング比)を確保するEB(エッチバック)構造を有するため、加工難易度が高く、積層化が難しい。また、メモリセルの書込み/消去ウィンドウを広げるために、カップリング比をより高く設定する場合には、一つの方法として浮遊ゲート電極を厚くする必要があるが、このEB構造では、浮遊ゲート電極の上にIPD膜と制御ゲート電極とをスタックした構造であるため、結果的にワードライン自身が高くなり、高アスペクト化するため、上記課題(d)が顕在化し、カップリング比の向上も容易ではない。   On the other hand, in the conventional floating gate type memory cell structure in which charges are accumulated in the floating gate electrode, the control gate electrode and the IPD film (interpoly insulating film or inter-gate insulating film) are not only on the upper surface of the floating gate electrode but also on the side surface. In addition, since it has an EB (etch back) structure that ensures the driving force (coupling ratio) of the control gate electrode by turning along, the processing difficulty is high and stacking is difficult. In order to widen the write / erase window of the memory cell, when the coupling ratio is set higher, it is necessary to increase the thickness of the floating gate electrode as one method. In this EB structure, the floating gate electrode Since the IPD film and the control gate electrode are stacked on top of each other, as a result, the word line itself becomes higher and the aspect ratio is increased, so that the problem (d) becomes obvious and the coupling ratio is not easily improved. Absent.

そこで、このような加工難易度を極端に上げることなくカップリング比を確保するセル構造の一つとしてスタックゲート構造でなく、ワードライン方向に対して浮遊ゲート間にゲート間絶縁膜を介した制御ゲート電極を埋め込んで書き込み対象のセルの電位を両脇の制御ゲート電極で持ち上げることによりカップリング比を確保するという構造が提案されている。   Therefore, as one of the cell structures that ensure the coupling ratio without extremely increasing the processing difficulty, control is performed via the inter-gate insulating film between the floating gates in the word line direction instead of the stacked gate structure. There has been proposed a structure in which a coupling ratio is ensured by embedding a gate electrode and raising the potential of a cell to be written with control gate electrodes on both sides.

しかし、これらのメモリセルにおいて、単純な積層化は工程数の単純増加となるため、コスト増に見合うセル容量の増大を確保して、ビットコストを低減することが難しい。単純な積層化では、ビットコストシュリンク率=1/積層段数で段数の割り算でしか効かず、積層数を増やした場合のシュリンク率が小さく、ビットコストが高くなりやすい。このため、積層化によるシュリンクを目指すセル構造においては、工程数およびコストを低く抑える事が実用上の課題である。   However, in these memory cells, since simple stacking results in a simple increase in the number of processes, it is difficult to secure an increase in cell capacity commensurate with an increase in cost and reduce the bit cost. In simple stacking, the bit cost shrink ratio = 1 / the number of stacked stages is effective only by dividing the number of stages, and when the number of stacked layers is increased, the shrink ratio is small and the bit cost is likely to be high. For this reason, in the cell structure aiming at shrinking by stacking, it is a practical problem to keep the number of processes and cost low.

特開2007−266143号公報JP 2007-266143 A 特開2004−319948号公報JP 2004-319948 A 特開2005−100501号公報JP 2005-100501 A

本発明は、制御性の高い不揮発性半導体記憶装置およびその製造方法を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a nonvolatile semiconductor memory device with high controllability and a method for manufacturing the same.

実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置は、第1の方向に直列接続された複数の第1のメモリセル、複数の第1のメモリセルとソース線との間に接続された第1のソース線側選択ゲートトランジスタ及び複数の第1のメモリセルとビット線との間に接続された第1のビット線側選択ゲートトランジスタを具備する第1のNANDセルユニットを有し、第1のメモリセルが、第1の半導体層と、第1の半導体層の上に形成された第1のゲート絶縁層と、第1のゲート絶縁層の上に形成された第1の浮遊ゲートとを有し、第1のソース線側選択ゲートトランジスタ及び第1のビット線側選択ゲートトランジスタが、第1の半導体層と、第1のゲート絶縁層と、第1のゲート絶縁層の上に形成された第1の選択ゲートとを有する第1のメモリセルアレイ層と、第1のメモリセルアレイ層の上に形成された第1の絶縁層と、第1の絶縁層の上に形成され、第1の方向に直列接続された複数の第2のメモリセル、複数の第2のメモリセルとソース線との間に接続された第2のソース線側選択ゲートトランジスタ及び複数の第2のメモリセルとビット線との間に接続された第2のビット線側選択ゲートトランジスタを具備する第2のNANDセルユニットを有し、第2のメモリセルが、第2の浮遊ゲートと、第2の浮遊ゲートの上に形成された第2のゲート絶縁層と、第2のゲート絶縁層の上に形成された第2の半導体層とを有し、第2のソース線側選択ゲートトランジスタ及び第2のビット線側選択ゲートトランジスタが、第2の半導体層と、第2のゲート絶縁層と、第2のゲート絶縁層の上に形成された第2の選択ゲートを有する第2のメモリセルアレイ層と、第1の絶縁層を介して上下に位置する第1及び第2の浮遊ゲートの第1の方向の両側面にゲート間絶縁層を介して形成され、第1の方向と直交する第2の方向に延びる制御ゲートと、第1の絶縁層を介して上下に位置する第1及び第2の選択ゲートの第1の方向の両側面にゲート間絶縁層を介して形成され、第2の方向に延び、第1及び第2の半導体層並びに第1及び第2のゲート絶縁層と共に補助トランジスタを形成する補助ゲートとを備える。   The nonvolatile semiconductor memory device according to the embodiment includes a plurality of first memory cells connected in series in a first direction, and a first source line connected between the plurality of first memory cells and the source line. A first NAND cell unit including a side select gate transistor and a first bit line side select gate transistor connected between the plurality of first memory cells and the bit line, wherein the first memory cell includes: A first semiconductor layer, a first gate insulating layer formed on the first semiconductor layer, and a first floating gate formed on the first gate insulating layer, A first source line side select gate transistor and a first bit line side select gate transistor formed on a first semiconductor layer, a first gate insulating layer, and a first gate insulating layer; A first memory cell array having a select gate; A first insulating layer formed on the first memory cell array layer, and a plurality of second memory cells formed on the first insulating layer and connected in series in the first direction. A second source line side select gate transistor connected between the plurality of second memory cells and the source line, and a second bit line connected between the plurality of second memory cells and the bit line A second NAND cell unit comprising a side select gate transistor, the second memory cell comprising: a second floating gate; a second gate insulating layer formed on the second floating gate; A second semiconductor layer formed on the second gate insulating layer, wherein the second source line side select gate transistor and the second bit line side select gate transistor include the second semiconductor layer, A second gate insulating layer and a second gate insulating layer; Insulation between the gates on both side surfaces in the first direction of the formed second memory cell array layer having the second selection gate and the first and second floating gates located above and below via the first insulating layer A control gate formed through the layer and extending in a second direction orthogonal to the first direction, and first and second select gates positioned above and below the first insulating layer in the first direction An auxiliary gate is formed on both side surfaces via an inter-gate insulating layer, extends in the second direction, and forms an auxiliary transistor together with the first and second semiconductor layers and the first and second gate insulating layers.

第1の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の全体構成を示すブロック図である。1 is a block diagram showing an overall configuration of a nonvolatile semiconductor memory device according to a first embodiment. 同不揮発性半導体記憶装置のメモリセルアレイ構造を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the memory cell array structure of the non-volatile semiconductor memory device. 同メモリセルアレイの構造を示すGC方向の断面図である。It is sectional drawing of the GC direction which shows the structure of the memory cell array. 図2のA−A′,B−B′及びC−C′の切断断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view taken along lines AA ′, BB ′, and CC ′ of FIG. 2. 同メモリセルアレイの等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram of the same memory cell array. 同不揮発性半導体記憶装置の書き込み動作を示す概略図である。4 is a schematic view showing a write operation of the nonvolatile semiconductor memory device. FIG. 同不揮発性半導体記憶装置の読み出し動作を示す概略図である。4 is a schematic view showing a read operation of the nonvolatile semiconductor memory device. FIG. 同不揮発性半導体記憶装置の消去動作を示す概略図である。3 is a schematic view showing an erase operation of the nonvolatile semiconductor memory device. FIG. 同メモリセルアレイの製造工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the memory cell array. 同メモリセルアレイの製造工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the memory cell array. 同メモリセルアレイの製造工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the memory cell array. 同メモリセルアレイの製造工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the memory cell array. 同メモリセルアレイの製造工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the memory cell array. 同メモリセルアレイの製造工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the memory cell array. 同メモリセルアレイの製造工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the memory cell array. 同メモリセルアレイの製造工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the memory cell array. 同メモリセルアレイの製造工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the memory cell array. 同メモリセルアレイの製造工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the memory cell array. 同メモリセルアレイの製造工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the memory cell array. 同メモリセルアレイの製造工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the memory cell array. 同メモリセルアレイの製造工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the memory cell array. 同メモリセルアレイの製造工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the memory cell array. 同メモリセルアレイの製造工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the memory cell array. 同メモリセルアレイの製造工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the memory cell array. 同メモリセルアレイの製造工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the memory cell array. 同メモリセルアレイの製造工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the memory cell array. 同メモリセルアレイの製造工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the memory cell array. 第2の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の消去動作を示す概略図である。FIG. 6 is a schematic diagram showing an erase operation of a nonvolatile semiconductor memory device according to a second embodiment. 比較例のNAND型フラッシュメモリのメモリセルアレイの構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of the memory cell array of the NAND type flash memory of a comparative example. 比較例のNAND型フラッシュメモリのメモリセルアレイの等価回路図である。FIG. 6 is an equivalent circuit diagram of a memory cell array of a NAND flash memory of a comparative example.

以下、添付の図面を参照して実施の形態について説明する。   Embodiments will be described below with reference to the accompanying drawings.

[基本となるメモリセルアレイ構造]
まず、第1の実施形態の説明に先立ち、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の基本となるNAND型フラッシュメモリのメモリセル構造について説明する。
[Basic memory cell array structure]
First, prior to the description of the first embodiment, a memory cell structure of a NAND flash memory that is the basis of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present embodiment will be described.

本実施形態では、浮遊ゲートと制御ゲートのカップリングを確保するセル構造の一つとしてスタックゲート構造でなく、浮遊ゲートの両側面に制御ゲートを埋め込んで、浮遊ゲートとその両側の制御ゲートとをカップリングさせるゲート構造を有する。   In this embodiment, a cell structure that secures coupling between the floating gate and the control gate is not a stack gate structure, but the control gate is embedded on both sides of the floating gate so that the floating gate and the control gate on both sides thereof are connected. A gate structure to be coupled is included.

図29は、この構造を採用した比較例のNAND型フラッシュメモリのメモリセルアレイ1の構造を示す図、図30は同メモリセルアレイ1の等価回路図である。   FIG. 29 is a diagram showing a structure of a memory cell array 1 of a NAND flash memory of a comparative example adopting this structure, and FIG. 30 is an equivalent circuit diagram of the memory cell array 1.

メモリセルアレイ50は、電気的書き換え可能なM個の不揮発性メモリセルMC−MCM−1が直列接続されたNANDストリングと、このNANDストリングの両端に接続される選択ゲートトランジスタS1,S2を備えるNANDセルユニットNUが複数配列されている。NANDセルユニットNUの一端(選択ゲートトランジスタS1側)はビット線BLに、他端(選択ゲートトランジスタS2側)は共通ソース線CELSRCに接続される。選択ゲートトランジスタS1、S2のゲート電極は選択ゲート線SGD、SGSに接続される。また、メモリセルMC〜MCM−1の両側に配置された制御ゲート電極はそれぞれワード線WL〜WLに接続されている。ビット線BLは、センスアンプ回路60に接続され、ワード線WL〜WL及び選択ゲート線SGD、SGSは、ロウデコーダ回路70に接続されている。 The memory cell array 50 includes a NAND string in which M non-volatile memory cells MC 0 to MC M−1 that can be electrically rewritten are connected in series, and select gate transistors S1 and S2 connected to both ends of the NAND string. A plurality of NAND cell units NU are arranged. One end (selection gate transistor S1 side) of the NAND cell unit NU is connected to the bit line BL, and the other end (selection gate transistor S2 side) is connected to the common source line CELSRC. The gate electrodes of the select gate transistors S1 and S2 are connected to select gate lines SGD and SGS. Control gate electrodes arranged on both sides of the memory cells MC 0 to MC M-1 are connected to word lines WL 0 to WL M , respectively. The bit lines BL are connected to the sense amplifier circuit 60, the word line WL 0 to WL M and the select gate lines SGD, SGS are connected to the row decoder circuit 70.

基板に形成されたp型ウェル51にはメモリセルMCを構成するMOSFETのソース、ドレインとして機能するn型拡散層52が形成されている。またウェル51の上にはトンネル絶縁膜として機能するゲート絶縁膜53を介して浮遊ゲート(FG)54が形成され、この浮遊ゲート54の両側面にはゲート間絶縁層(IPD)55を介して制御ゲート(CG)56が形成されている。制御ゲート56は、ワード線WLを構成する。また、選択ゲートトランジスタS1、S2は、ウェル51の上にゲート絶縁層53を介して選択ゲート57を有している。選択ゲート57は、選択ゲート線SGS,SGDを構成する。メモリセルMCと選択ゲートトランジスタS1,S2とは、隣接するもの同士でドレインおよびソースを共有する形でNAND接続されている。   In the p-type well 51 formed on the substrate, an n-type diffusion layer 52 that functions as a source and drain of a MOSFET constituting the memory cell MC is formed. A floating gate (FG) 54 is formed on the well 51 via a gate insulating film 53 functioning as a tunnel insulating film, and both sides of the floating gate 54 are interposed via an inter-gate insulating layer (IPD) 55. A control gate (CG) 56 is formed. The control gate 56 constitutes a word line WL. Further, the selection gate transistors S 1 and S 2 have a selection gate 57 on the well 51 through a gate insulating layer 53. The selection gate 57 constitutes selection gate lines SGS and SGD. Memory cell MC and select gate transistors S1, S2 are NAND-connected in such a manner that adjacent ones share a drain and a source.

1つのメモリセルMCに1ビットのデータが記憶される1ビット/セルの場合、NANDセルユニットNUに交差するワード線WLに沿って形成されるメモリセルMCに1ページのデータが記憶される。また、1つのメモリセルMCに2ビットのデータが記憶される2ビット/セルの場合、ワード線WLに沿って形成されるメモリセルMCに、2ページ(上位ページUPPER、下位ページLOWER)のデータが記憶される。   In the case of 1 bit / cell in which 1 bit of data is stored in one memory cell MC, 1 page of data is stored in the memory cell MC formed along the word line WL intersecting the NAND cell unit NU. In the case of 2 bits / cell in which 2-bit data is stored in one memory cell MC, two pages (upper page UPPER, lower page LOWER) of data are stored in the memory cell MC formed along the word line WL. Is memorized.

1つのブロックBLKは、ワード線WLを共有する複数のNANDセルユニットNUを含む。1つのブロックBLKは、データ消去動作の一単位を形成する。1つのメモリセルアレイ1において1つのブロックBLK中のワード線WLの数は、M+1本であり、1ブロック中のページ数は、2ビット/セルの場合、M×2=128ページとなる。   One block BLK includes a plurality of NAND cell units NU sharing the word line WL. One block BLK forms one unit of data erasing operation. In one memory cell array 1, the number of word lines WL in one block BLK is M + 1, and the number of pages in one block is M × 2 = 128 pages in the case of 2 bits / cell.

書き込み対象のメモリセルMCにデータを書き込む場合には、浮遊ゲート54の両側の制御ゲート56の電圧を所定の書き込み電圧まで引き上げ、その両側から両端までの制御ゲート56が交互に低電圧及び高電圧となるように順次電圧値を低くしていくことにより、非選択メモリセルに誤書き込みが生じるのを防止する。   When writing data to the memory cell MC to be written, the voltage of the control gate 56 on both sides of the floating gate 54 is raised to a predetermined write voltage, and the control gates 56 from both sides to both ends are alternately switched to a low voltage and a high voltage. By sequentially lowering the voltage value so as to become, it is possible to prevent erroneous writing from occurring in unselected memory cells.

[第1の実施形態]
[全体構成]
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る不揮発性半導体記憶装置のブロック図である。
[First Embodiment]
[overall structure]
FIG. 1 is a block diagram of a nonvolatile semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention.

この不揮発性半導体記憶装置は、複数のメモリセルMCがNAND接続されたNANDストリングを複数備えたメモリセルアレイ1を備える。   This nonvolatile semiconductor memory device includes a memory cell array 1 including a plurality of NAND strings in which a plurality of memory cells MC are NAND-connected.

メモリセルアレイ1のビット線BL方向に隣接する位置には、メモリセルアレイ1のビット線BLを制御し、メモリセルのデータ消去、メモリセルへのデータ書き込み、及びメモリセルからのデータ読み出しを行うカラム制御回路2が設けられている。   Column control for controlling the bit line BL of the memory cell array 1 at a position adjacent to the bit line BL direction of the memory cell array 1 to perform data erasure of the memory cell, data writing to the memory cell, and data reading from the memory cell. A circuit 2 is provided.

また、メモリセルアレイ1のワード線WL方向に隣接する位置には、メモリセルアレイ1のワード線WLを選択し、メモリセルのデータ消去、メモリセルへのデータ書き込み、及びメモリセルからのデータ読み出しに必要な電圧を印加するロウ制御回路3が設けられている。   In addition, the word line WL of the memory cell array 1 is selected at a position adjacent to the word line WL direction of the memory cell array 1 and is necessary for erasing data in the memory cell, writing data to the memory cell, and reading data from the memory cell. A row control circuit 3 is provided for applying an appropriate voltage.

データ入出力バッファ4は、外部のホスト9にI/O線を介して接続され、書き込みデータの受け取り、消去命令の受け取り、読み出しデータの出力、アドレスデータやコマンドデータの受け取りを行う。データ入出力バッファ4は、受け取った書き込みデータをカラム制御回路2に送り、カラム制御回路2から読み出したデータを受け取って外部に出力する。外部からデータ入出力バッファ4に供給されたアドレスは、アドレスレジスタ5を介してカラム制御回路2及びロウ制御回路3に送られる。   The data input / output buffer 4 is connected to an external host 9 via an I / O line, and receives write data, receives an erase command, outputs read data, and receives address data and command data. The data input / output buffer 4 sends the received write data to the column control circuit 2, receives the data read from the column control circuit 2, and outputs it to the outside. An address supplied from the outside to the data input / output buffer 4 is sent to the column control circuit 2 and the row control circuit 3 via the address register 5.

また、ホスト9からデータ入出力バッファ4に供給されたコマンドは、コマンド・インターフェイス6に送られる。コマンド・インターフェイス6は、ホスト9からの外部制御信号を受け、データ入出力バッファ4に入力されたデータが書き込みデータかコマンドかアドレスかを判断し、コマンドであれば受け取りコマンド信号としてステートマシン7に転送する。   The command supplied from the host 9 to the data input / output buffer 4 is sent to the command interface 6. The command interface 6 receives an external control signal from the host 9, determines whether the data input to the data input / output buffer 4 is write data, a command, or an address, and if it is a command, receives it as a received command signal to the state machine 7. Forward.

ステートマシン7は、この不揮発性メモリ全体の管理を行うもので、ホスト9からのコマンドをコマンド・インターフェイス6を介して受け付け、読み出し、書き込み、消去、データの入出力管理等を行う。   The state machine 7 manages the entire nonvolatile memory. The state machine 7 receives commands from the host 9 via the command interface 6 and performs read, write, erase, data input / output management, and the like.

また、外部のホスト9は、ステートマシン7が管理するステータス情報を受け取り、動作結果を判断することも可能である。また、このステータス情報は書き込み、消去の制御にも利用される。   The external host 9 can also receive status information managed by the state machine 7 and determine the operation result. This status information is also used for control of writing and erasing.

また、ステートマシン7によって電圧生成回路10が制御される。この制御により、電圧生成回路10は任意の電圧、任意のタイミングのパルスを出力することが可能となる。   Further, the voltage generator 10 is controlled by the state machine 7. By this control, the voltage generation circuit 10 can output a pulse having an arbitrary voltage and arbitrary timing.

ここで、形成されたパルスはカラム制御回路2及びロウ制御回路3で選択された任意の配線へ転送することが可能である。   Here, the formed pulse can be transferred to an arbitrary wiring selected by the column control circuit 2 and the row control circuit 3.

[メモリセルアレイの構造]
次に、第1の実施形態に係るメモリセルアレイ構造について説明する。
[Memory cell array structure]
Next, the memory cell array structure according to the first embodiment will be described.

図2は、第1の実施形態に係るメモリセルアレイ構造の斜視図、図3は図1のGC(ゲート)方向から見た断面図、図4は図3のA−A′,B−B′及びC−C′の各線で切断し、図2のAA(アクティブエリア)方向から見た断面図である。なお、内部構造を視認可能とするために、一部構成を省略して図示している。   2 is a perspective view of the memory cell array structure according to the first embodiment, FIG. 3 is a cross-sectional view seen from the GC (gate) direction of FIG. 1, and FIG. 4 is AA ′, BB ′ of FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line AA (active area) in FIG. In order to make the internal structure visible, a part of the structure is omitted.

このメモリセルアレイ構造は、図29及び図30に示したメモリセルアレイ構造を上下反転させて積層すると共に、上下のメモリセルアレイ層で制御ゲートを共有するようにしたものである。   In this memory cell array structure, the memory cell array structure shown in FIGS. 29 and 30 is vertically inverted and stacked, and the control gate is shared by the upper and lower memory cell array layers.

すなわち、図2に示すように、絶縁体のベース30の上に、チャネルを形成するボディとなる第1の半導体層11及び第2の半導体層21が上下に配置され、その間に第1のゲート絶縁層12を介して第1の半導体層11の上面に対向する第1の浮遊ゲート13と第2のゲート絶縁層22を介して第2の半導体層21の下面に対向する第2の浮遊ゲート23が第1の絶縁層31を介して上下に積層されている。これら半導体層11,21、ゲート絶縁層12,22及び浮遊ゲート13,23は、図3(a)のA−A′断面からも明らかなように、AA方向(第1の方向)に延びる層間絶縁層15,25を介してGC方向(第2の方向)に互いに絶縁分離されている。   That is, as shown in FIG. 2, a first semiconductor layer 11 and a second semiconductor layer 21 which are bodies forming a channel are arranged on the top and bottom of an insulating base 30, and the first gate is interposed therebetween. A first floating gate 13 facing the upper surface of the first semiconductor layer 11 via the insulating layer 12 and a second floating gate facing the lower surface of the second semiconductor layer 21 via the second gate insulating layer 22 23 are stacked one above the other through the first insulating layer 31. These semiconductor layers 11, 21, gate insulating layers 12, 22 and floating gates 13, 23 are layers extending in the AA direction (first direction), as is clear from the AA ′ cross section of FIG. The insulating layers 15 and 25 are insulated from each other in the GC direction (second direction).

浮遊ゲート13,23の積層構造体は、NAND配列を形成するように、半導体層11,21に沿ってAA方向に所定間隔で複数形成されている。各浮遊ゲート13,23の積層体のAA方向の両側には、ゲート間絶縁層(IPD:インターポリ絶縁層)32を介してGC方向に延びる制御ゲート33が形成されている。制御ゲート33は、上下の浮遊ゲート13,23に側面からカップリングするように、これら浮遊ゲート13,23に共通に設けられている。制御ゲート33と第2のゲート絶縁層22との間には、マスク材33mが設けられている。そして、下側の第1の半導体層11、第1のゲート絶縁層12、第1の浮遊ゲート13、ゲート間絶縁層32及び制御ゲート33が、下側の第1のメモリセルMC1の構成に含まれる。また、上側の第2の半導体層21、第2のゲート絶縁層22、第2の浮遊ゲート23、ゲート間絶縁層32及び制御ゲート33が、上側の第2のメモリセルMC2の構成に含まれる。   A plurality of stacked structures of floating gates 13 and 23 are formed at predetermined intervals in the AA direction along the semiconductor layers 11 and 21 so as to form a NAND array. Control gates 33 extending in the GC direction are formed on both sides of the stack of floating gates 13 and 23 in the AA direction via an inter-gate insulating layer (IPD: interpoly insulating layer) 32. The control gate 33 is provided in common to the floating gates 13 and 23 so as to be coupled to the upper and lower floating gates 13 and 23 from the side surface. A mask material 33 m is provided between the control gate 33 and the second gate insulating layer 22. The lower first semiconductor layer 11, the first gate insulating layer 12, the first floating gate 13, the inter-gate insulating layer 32, and the control gate 33 are included in the configuration of the lower first memory cell MC1. included. The upper second semiconductor layer 21, the second gate insulating layer 22, the second floating gate 23, the intergate insulating layer 32, and the control gate 33 are included in the configuration of the upper second memory cell MC2. .

浮遊ゲート13,23の積層構造体の配列方向の両端の制御ゲート33に隣接する位置には、選択ゲートトランジスタS11,S12,S21,S22(図3)を形成する第1の選択ゲート16及び第2の選択ゲート26が配置されている。これら選択ゲート16,26は、第1の絶縁層31を介して上下に積層され、それぞれゲート絶縁層12,22を介して半導体層11,21に対向している。第1の選択ゲート16にはGC方向に延びる第1の選択ゲート線17が埋め込まれ、第2の選択ゲート26にはGC方向に延びる第2の選択ゲート線27とマスク材27mとが埋め込まれている。これら選択ゲート線17,27は、層間絶縁層34を介して互いに絶縁分離されている。   The first selection gate 16 and the first selection gate 16 forming the selection gate transistors S11, S12, S21, and S22 (FIG. 3) are positioned adjacent to the control gates 33 at both ends in the arrangement direction of the stacked structure of the floating gates 13 and 23. Two select gates 26 are arranged. The select gates 16 and 26 are stacked one above the other through the first insulating layer 31 and face the semiconductor layers 11 and 21 through the gate insulating layers 12 and 22, respectively. A first selection gate line 17 extending in the GC direction is embedded in the first selection gate 16, and a second selection gate line 27 extending in the GC direction and a mask material 27m are embedded in the second selection gate 26. ing. These select gate lines 17 and 27 are insulated from each other through an interlayer insulating layer 34.

そして、下側の第1のNANDセルユニットNU1には下側のNAND接続されたメモリセルMC1と選択ゲートトランジスタS11,S21を含み、第1のメモリセルアレイ層10は第1の素子分離絶縁層15を介してGC方向に配列された複数のNANDセルユニットNU1を含む。また、上側の第2のNANDセルユニットNU2には上側のNAND接続されたメモリセルMC2と選択ゲートトランジスタS12,S22を含み、第2のメモリセルアレイ層20にはGC方向に配列された複数のNANDセルユニットNU2を含む。   The lower first NAND cell unit NU1 includes a lower NAND-connected memory cell MC1 and select gate transistors S11 and S21. The first memory cell array layer 10 includes a first element isolation insulating layer 15. Through a plurality of NAND cell units NU1 arranged in the GC direction. The upper second NAND cell unit NU2 includes an upper NAND-connected memory cell MC2 and select gate transistors S12 and S22, and the second memory cell array layer 20 includes a plurality of NANDs arranged in the GC direction. Cell unit NU2 is included.

以上の構成によれば、図5に等価回路を示すように、上下のNANDセルユニットNU1,NU2の上下に対応するメモリセルMC1,MC2の浮遊ゲート13,23は、両側のワード線WLとのカップリングによって同時に駆動され、共通のビット線BLと接続される。これに対し、選択ゲートトランジスタS11〜S22は、上下のビット線BLに対してそれぞれ独立して設けられ、いずれか一方が選択状態にされることにより、NANDセルユニットNU1,NU2を選択的にアクティブにすることができる。   According to the above configuration, as shown in an equivalent circuit in FIG. 5, the floating gates 13 and 23 of the memory cells MC1 and MC2 corresponding to the upper and lower NAND cell units NU1 and NU2 are connected to the word lines WL on both sides. They are simultaneously driven by coupling and connected to a common bit line BL. On the other hand, the selection gate transistors S11 to S22 are provided independently for the upper and lower bit lines BL, and either one is selectively activated to selectively activate the NAND cell units NU1 and NU2. Can be.

[補助トランジスタ]
図3に示す通り、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置は、ソース線コンタクト36とソース線側選択ゲートトランジスタS21,S22との間に第1の補助ゲート91eを有しており、第1の半導体層11との間に第1の下部補助トランジスタ91aを、第2の半導体層21との間に第1の上部補助トランジスタ91bを形成する。同様に、ソース線側選択ゲートトランジスタS21,S22と、第1、第2の浮遊ゲート13、23との間に第2の補助ゲート92eを、第1、第2の浮遊ゲート13、23とビット線側選択ゲートトランジスタS11,S12との間に第3の補助ゲート93eを、ビット線側選択ゲートトランジスタS11,S12とビット線コンタクト35との間に第4の補助ゲート94eをそれぞれ有している。第1の半導体層11及び第2の半導体層21との間に第2の下部補助トランジスタ92aと第2の上部補助トランジスタ92b、第3の下部補助トランジスタ93aと第3の上部補助トランジスタ93b、及び第4の下部補助トランジスタ94a及び第4の上部補助トランジスタ94bを形成する。
[Auxiliary transistor]
As shown in FIG. 3, the nonvolatile semiconductor memory device according to this embodiment includes a first auxiliary gate 91e between the source line contact 36 and the source line side select gate transistors S21 and S22. A first lower auxiliary transistor 91 a is formed between the first semiconductor layer 11 and the first upper auxiliary transistor 91 b between the second semiconductor layer 21 and the second semiconductor layer 21. Similarly, a second auxiliary gate 92e is provided between the source line side selection gate transistors S21 and S22 and the first and second floating gates 13 and 23, and the first and second floating gates 13 and 23 and the bit are connected. A third auxiliary gate 93e is provided between the line side select gate transistors S11 and S12, and a fourth auxiliary gate 94e is provided between the bit line side select gate transistors S11 and S12 and the bit line contact 35. . Between the first semiconductor layer 11 and the second semiconductor layer 21, a second lower auxiliary transistor 92a and a second upper auxiliary transistor 92b, a third lower auxiliary transistor 93a and a third upper auxiliary transistor 93b, and A fourth lower auxiliary transistor 94a and a fourth upper auxiliary transistor 94b are formed.

[コンタクト]
NANDセルユニットNU1,NU2の一端の半導体層11,21には、これらに共通の上下に延びて図示しないビット線BLにつながるビット線コンタクト35が形成されている。また、NANDセルユニットNU1,NU2の他端の半導体層11,21には、これらに共通の上下に延びて図示しないソース線につながるソース線コンタクト36が形成されている。更に、制御ゲート33の端部にはワード線コンタクト37(図2)が形成され、選択ゲート線17,27の端部には選択ゲート線コンタクト38(図2)が接続されている。
[contact]
In the semiconductor layers 11 and 21 at one end of the NAND cell units NU1 and NU2, a bit line contact 35 extending in common up and down to the bit line BL (not shown) is formed. Further, in the semiconductor layers 11 and 21 at the other ends of the NAND cell units NU1 and NU2, a source line contact 36 is formed which extends vertically in common to these and connects to a source line (not shown). Further, a word line contact 37 (FIG. 2) is formed at the end of the control gate 33, and a select gate line contact 38 (FIG. 2) is connected to the ends of the select gate lines 17 and 27.

ビット線コンタクト35は下部コンタクト35a及び上部コンタクト35bを備える。下部コンタクト35aは、第1のゲート絶縁層12に設けられた第1の溝81を介して第1の半導体層11に接続されている。本実施形態における下部コンタクト35aは、後述のとおり第1の浮遊ゲート13と同時に形成される。従って、下部コンタクト35aと第1の半導体層11のGC方向における幅は略一致している。又、下部コンタクト35aは第1の浮遊ゲート13と同一の素材から形成されており、第1の素子分離絶縁層15を介して第1の半導体層11と同一の間隔で同一直線状に形成されている。又、上部コンタクト35bは、第2の半導体層21、第2のゲート絶縁層22、第1の絶縁層31を介して下部コンタクト35aの上部に形成された、第2の浮遊ゲート23と同一の素材により形成されている上部コンタクト層、第1の絶縁層31及び下部コンタクト35aの上部を貫通する様に設けられたビアホールを介して埋め込まれている。   The bit line contact 35 includes a lower contact 35a and an upper contact 35b. The lower contact 35 a is connected to the first semiconductor layer 11 through a first groove 81 provided in the first gate insulating layer 12. The lower contact 35a in the present embodiment is formed simultaneously with the first floating gate 13 as described later. Therefore, the widths of the lower contact 35a and the first semiconductor layer 11 in the GC direction are substantially the same. The lower contact 35a is formed of the same material as that of the first floating gate 13, and is formed in the same straight line at the same interval as the first semiconductor layer 11 through the first element isolation insulating layer 15. ing. The upper contact 35b is the same as the second floating gate 23 formed on the lower contact 35a via the second semiconductor layer 21, the second gate insulating layer 22, and the first insulating layer 31. It is buried through a via hole provided so as to penetrate the upper contact layer, the first insulating layer 31 and the lower contact 35a formed of a material.

[動作方法]
次に、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の動作方法について説明する。チャネル(ボディ)、浮遊ゲート、ビット線やソース線等の電極のうち、ある電極(第1の電極)が第1の電位、他の電極(第2の電極)が第1の電位と異なる第2の電位である時、第1の電極と第2の電極の間に生じた電位差が一定値を超えると、GIDL(Gate Induced Drain Leadage)やSCE等の誤動作が生じる事がある。この様な問題は、上記電極間に設けられた絶縁膜の薄膜化に伴って顕著に発生する様になる。
[Operation method]
Next, an operation method of the nonvolatile semiconductor memory device according to this embodiment is described. Among electrodes such as a channel (body), a floating gate, a bit line and a source line, a certain electrode (first electrode) is different from the first potential, and another electrode (second electrode) is different from the first potential. If the potential difference generated between the first electrode and the second electrode exceeds a certain value when the potential is 2, a malfunction such as GIDL (Gate Induced Drain Leadage) or SCE may occur. Such a problem becomes conspicuous as the insulating film provided between the electrodes becomes thinner.

本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置は、第1〜第4の補助ゲート91e〜94eのうち、第1の電極及び第2の電極に絶縁層を介して隣接するもの(第3の電極)に第1の電極と第2の電極との間に生じた電位差を緩和させる第3の電圧を印加する。この第3の電圧の印加によって、GIDLやSCE等の誤動作を抑制することが可能となる。尚、第3の電圧は、第1の電圧値と第2の電圧値との間の値に設定することが考えられる。   The nonvolatile semiconductor memory device according to this embodiment includes the first to fourth auxiliary gates 91e to 94e adjacent to the first electrode and the second electrode via an insulating layer (third electrode). A third voltage is applied to relax the potential difference generated between the first electrode and the second electrode. By applying the third voltage, malfunctions such as GIDL and SCE can be suppressed. Note that the third voltage may be set to a value between the first voltage value and the second voltage value.

[書き込み動作]
図6は、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の書き込み動作について説明する為の概略図である。以下、書き込み動作の対象となる選択メモリセルMCselectを含む選択NANDセルユニットをNU12、第1の絶縁層31を介してNANDセルユニットNU12と接続される非選択NANDセルユニットをNU11、NANDセルユニットNU11及びNU12と素子分離絶縁膜15及び25(図4)を介してGC方向に隣接し、同一のソース線SLに接続されている非選択NANDセルユニットを、それぞれNU21及びNU22とする。
[Write operation]
FIG. 6 is a schematic diagram for explaining the write operation of the nonvolatile semiconductor memory device according to this embodiment. Hereinafter, the selected NAND cell unit including the selected memory cell MCselect to be subjected to the write operation is NU12, the unselected NAND cell unit connected to the NAND cell unit NU12 via the first insulating layer 31 is NU11, and the NAND cell unit NU11. The unselected NAND cell units connected to the same source line SL and adjacent to the GC direction via the NU12 and the element isolation insulating films 15 and 25 (FIG. 4) are referred to as NU21 and NU22, respectively.

書き込み動作に際しては、まず、選択NANDセルユニットNU12に接続されている選択ビット線BL1に選択ビット線電圧VBL_select(例えば0V)を、非選択ビット線BL2に非選択ビット線電圧VBL_inhibit(例えばVdd)を印加する。又、ソース線SLにはソース線電圧VSL_write(例えば0V)を印加する。 In the write operation, first, selecting a NAND cell unit NU12 connected to the selected bit line BL1 are selected bit line voltage V BL_select (e.g. 0V), the unselected bit line voltage V BL_inhibit to the unselected bit line BL2 (e.g. Vdd ) Is applied. A source line voltage V SL_write (for example, 0 V) is applied to the source line SL.

又、第4の上部補助トランジスタ94b、ビット線側選択ゲートトランジスタS12及び第3の上部補助トランジスタ93bを導通状態とし、ソース線側選択ゲートトランジスタS22をカットオフ状態とする。これによって、選択NANDセルユニットのチャネル(ボディ)として動作する第2の半導体層21に選択ビット線電圧VBL_selectを転送する。更に、選択メモリセルMCselectの第2の浮遊ゲート23にAA方向の両側から隣接する一対の制御ゲート33に書き込み電圧Vpgmを印加して選択メモリセルMCselectの浮遊ゲート23の電位を上昇させ、浮遊ゲート23と第2の半導体層21との電位差によって書き込み動作を行う。 Further, the fourth upper auxiliary transistor 94b, the bit line side select gate transistor S12, and the third upper auxiliary transistor 93b are turned on, and the source line side select gate transistor S22 is cut off. As a result, the selected bit line voltage VBL_select is transferred to the second semiconductor layer 21 that operates as a channel (body) of the selected NAND cell unit. Further, the write voltage Vpgm is applied to the pair of control gates 33 adjacent to the second floating gate 23 of the selected memory cell MCselect from both sides in the AA direction to increase the potential of the floating gate 23 of the selected memory cell MCselect, and the floating gate The writing operation is performed by the potential difference between the second semiconductor layer 21 and the second semiconductor layer 21.

上記書き込み動作において、制御ゲートと容量結合している非選択NANDセルユニットNU11、NU21及びNU22のチャネル(ボディ)電位と、ソース線側選択ゲートトランジスタS21及びS22のゲート(選択ゲート線17及び27)に印加される電圧VSG_OFF_pgmとの差が所定の電圧値を超えると、非選択NANDセルユニットNU11、NU21及びNU22のソース線側選択ゲートトランジスタのチャネル(ボディ)においてGIDLを生じ、誤動作の原因となる事がある。そこで、本実施形態においては、更に第2の補助ゲート92eに、選択NANDセルユニットをNU12の選択ゲートトランジスタのゲートに印加される電圧VSG_ON_pgmと電圧VSG_OFF_pgmとの間の電圧VGate_2を印加することによってと非選択NANDセルユニットNU11、NU21及びNU22のボディ電位電圧VSG_OFF_pgmとの電位差を緩和し、上記問題を回避している。 In the above write operation, the channel (body) potentials of the unselected NAND cell units NU11, NU21 and NU22 capacitively coupled to the control gate and the gates of the source line side select gate transistors S21 and S22 (selection gate lines 17 and 27) When the difference from the voltage V SG — OFF — pgm applied to the input voltage exceeds a predetermined voltage value, GIDL occurs in the channel (body) of the source line side select gate transistors of the unselected NAND cell units NU11, NU21, and NU22, causing malfunctions. There are things. Therefore, in the present embodiment, further to the second auxiliary gate 92e, and applies the voltage V Gate_2 between the voltage V SG_ON_pgm and the voltage V SG_OFF_pgm applied to selected NAND cell unit to the gate of the selection gate transistors NU12 As a result, the potential difference from the body potential voltage V SG_OFF_pgm of the unselected NAND cell units NU11, NU21 and NU22 is alleviated, and the above problem is avoided.

又、本実施形態においては、第1の上部補助トランジスタ91b、ビット線コンタクト35を介して選択NANDセルユニットNU12にAA方向から隣接するNANDセルユニットの第4の上部補助トランジスタ94b´及びソース線コンタクト36を介して選択NANDセルユニットNU12にAA方向から隣接するNANDセルユニットの第1の上部補助トランジスタ91b´をカットオフ状態とするための電位を補助ゲート91e、94e’及び91’に与えて、SCEの発生を防いでいる。   In the present embodiment, the fourth upper auxiliary transistor 94b ′ and the source line contact of the NAND cell unit adjacent to the selected NAND cell unit NU12 from the AA direction via the first upper auxiliary transistor 91b and the bit line contact 35. The potential for setting the first upper auxiliary transistor 91b ′ of the NAND cell unit adjacent to the selected NAND cell unit NU12 in the AA direction to the cut-off state via 36 is supplied to the auxiliary gates 91e, 94e ′ and 91 ′. The occurrence of SCE is prevented.

[読出し動作]
図7は、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の読み出し動作について説明する為の概略図である。尚、図7においては、NANDセルユニットNU12及びNU22に対して読み出し動作を行う例について説明する。
[Read operation]
FIG. 7 is a schematic diagram for explaining the read operation of the nonvolatile semiconductor memory device according to this embodiment. In FIG. 7, an example in which a read operation is performed on the NAND cell units NU12 and NU22 will be described.

読出し動作に際しては、まず、選択ビット線BL1及びBL2に読出し電圧VBL_readを印加し、ソース線SLにソース線電圧VSL_readを印加する。又、第4の上部補助トランジスタ94b、ビット線側選択ゲートトランジスタS12、第3の上部補助トランジスタ93b、第2の上部補助トランジスタ92b、ソース線側選択ゲートトランジスタS22及び第1の上部補助トランジスタ91bを導通状態とする。更に、浮遊ゲート23にAA方向の両側から隣接する一対の制御ゲート33に読出し電圧Vreadを、それ以外の制御ゲートにはメモリセルMCが導通状態となる電圧Vpassを印加して読出し動作を行う。 In the read operation, first, the read voltage V BL_read applied to the selected bit lines BL1 and BL2, applying a source line voltage V SL_read to the source line SL. Further, the fourth upper auxiliary transistor 94b, the bit line side select gate transistor S12, the third upper auxiliary transistor 93b, the second upper auxiliary transistor 92b, the source line side select gate transistor S22 and the first upper auxiliary transistor 91b are provided. Make it conductive. Further, the read voltage Vread is applied to the pair of control gates 33 adjacent to the floating gate 23 from both sides in the AA direction, and the read operation is performed by applying the voltage Vpass that makes the memory cell MC conductive to the other control gates.

上記読み出し動作においては、ビット線BL1及びBL2に印加された読み出し電圧VBL_readと、ビット線コンタクト35を介して選択NANDセルユニットNU12にAA方向から隣接するNANDセルユニットのビット線側選択ソース線27´に印加された電圧VSG_OFF_readとの差が所定の電圧値を超えると、ビット線側選択ゲートトランジスタS12´においてGIDLを生じ、誤動作の原因となる事がある。そこで、本実施形態においては、更に第4の補助ゲート94´eに、読み出し電圧VBL_readと電圧VSG_OFF_readとの間の電圧VGate_1´を印加することによって読み出し電圧VBL_readと電圧VSG_OFF_readとの電位差を緩和し、上記問題を回避している。 In the read operation, the read voltage VBL_read applied to the bit lines BL1 and BL2 and the bit line side selected source line 27 of the NAND cell unit adjacent to the selected NAND cell unit NU12 from the AA direction via the bit line contact 35. When the difference from the voltage V SG_OFF_read applied to 'exceeds a predetermined voltage value, GIDL occurs in the bit line side select gate transistor S12', which may cause malfunction. Therefore, in the present embodiment, the voltage V Gate — 1 ′ between the read voltage V BL_read and the voltage V SG_OFF_read is further applied to the fourth auxiliary gate 94′e, whereby the read voltage V BL_read and the voltage V SG_OFF_read are The potential difference is alleviated and the above problem is avoided.

又、本実施形態においては、第1の上部補助トランジスタ91b´をカットオフ状態とし、SCEの発生を防いでいる。   In the present embodiment, the first upper auxiliary transistor 91b ′ is cut off to prevent the occurrence of SCE.

[消去動作]
図8は、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の消去動作について説明する為の概略図である。尚、図8においては、NANDセルユニットNU12及びNU22に対して消去動作を行う例について説明する。
[Erase operation]
FIG. 8 is a schematic diagram for explaining the erase operation of the nonvolatile semiconductor memory device according to this embodiment. In FIG. 8, an example in which an erase operation is performed on the NAND cell units NU12 and NU22 will be described.

消去動作に際しては、まず、図示しないシリコン基板に設けられたp型半導体層に消去電圧Veraseを与える。ビット線コンタクト35及びソース線コンタクト36は浮遊ゲート13及び23と同様にn型半導体を用いて構成されている為、オープン状態のビット線BL1及びBL2は電圧VBL_eraseまで充電される。又、ワード線(制御ゲート線33)には電圧VWLを印加し、第2のビット線側選択ゲート線27はフローティング状態とする。 In the erase operation, first, an erase voltage V erase is applied to a p-type semiconductor layer provided on a silicon substrate (not shown). Since the bit line contact 35 and the source line contact 36 are configured using an n-type semiconductor in the same manner as the floating gates 13 and 23, the open bit lines BL1 and BL2 are charged to the voltage VBL_erase . Further, the voltage V WL is applied to the word line (control gate line 33), and the second bit line side select gate line 27 is brought into a floating state.

又、第4の補助ゲート94eに消去電圧VBL_eraseよりも低い電位VGate_4を印加してGIDLを発生させ、GIDLによって発生した正孔(ホール)h+によって第2の半導体層21の電位を上昇させる。半導体層21の電位が一定以上上昇すると、各制御ゲート線33と容量結合した各浮遊ゲート23から電子が引き抜かれ、消去動作が完了する。 Further, the fourth auxiliary gate 94e low potential V Gate_4 than the erase voltage V BL_erase to apply to generate GIDL and raises the potential of the second semiconductor layer 21 by a hole (holes) h + generated by the GIDL . When the potential of the semiconductor layer 21 rises above a certain level, electrons are extracted from each floating gate 23 capacitively coupled to each control gate line 33, and the erase operation is completed.

上記消去動作においては、第2のビット線側選択ゲート線27の電位が第4の補助ゲート94eとの容量結合によって引き下げられるが、第2の半導体層21との電位差が所定の値を超えると、第1のビット線側選択ゲート線17と第2の半導体層21との間で絶縁破壊を生じる恐れがある。そこで、本実施形態においては第3の上部補助ゲート93eに電位VGate_3を印加して第2のビット線側選択ゲート線27の電位を引き上げることによって第2の半導体層21との電位差を緩和し、上記問題を回避している。 In the erasing operation, the potential of the second bit line side select gate line 27 is lowered by capacitive coupling with the fourth auxiliary gate 94e, but when the potential difference with the second semiconductor layer 21 exceeds a predetermined value. There is a risk that dielectric breakdown may occur between the first bit line side select gate line 17 and the second semiconductor layer 21. Therefore, in this embodiment relaxes the potential difference between the second semiconductor layer 21 by pulling the potential of the second bit line side select gate lines 27 by applying a potential V Gate_3 the third upper auxiliary gate 93e , To avoid the above problems.

[メモリセルアレイ構造の製造方法]
次に、本実施形態のメモリセルアレイ構造の製造方法について説明する。
[Method for Manufacturing Memory Cell Array Structure]
Next, a method for manufacturing the memory cell array structure of this embodiment will be described.

まず、周辺回路領域の形成は、幾つかのバリエーションが考えられるが、バルクのシリコン基板上に作り込む場合、周辺回路を先に形成する必要がある。この際、同時にバルクのシリコン基板上に本実施形態のメモリセルアレイを同時形成しても良い。本実施の形態は、立体的にNANDセルユニットNU1、NU2を設けているため、シリコン基板上にNANDセルユニットNU1、NU2が形成される例について説明する。周辺回路トランジスタの形成方法は、一般的な方法と同一である。すなわち、まず、シリコン基板上にチャネル形成、ゲート酸化膜(Low Voltage酸化膜とHigh Voltage酸化膜の両者)を形成、ゲート電極およびAA(アクティブエリア)加工マスク材を積層した後、STI溝を形成する。次にSTI溝を埋め込んだ後、GC(ゲート)加工マスク材を積層し、GC電極加工、サイドウォール絶縁膜の形成を行った後、ソース・ドレイン拡散層を形成、GC間絶縁膜を埋め込み、平坦化する。   First, the peripheral circuit region can be formed in several variations. When the peripheral circuit region is formed on a bulk silicon substrate, it is necessary to form the peripheral circuit first. At this time, the memory cell array of this embodiment may be simultaneously formed on a bulk silicon substrate. In the present embodiment, since NAND cell units NU1 and NU2 are three-dimensionally provided, an example in which NAND cell units NU1 and NU2 are formed on a silicon substrate will be described. The method for forming the peripheral circuit transistor is the same as a general method. That is, first, a channel is formed on a silicon substrate, a gate oxide film (both low voltage oxide film and high voltage oxide film) is formed, a gate electrode and an AA (active area) processing mask material are stacked, and then an STI groove is formed. To do. Next, after embedding the STI trench, a GC (gate) processing mask material is stacked, GC electrode processing, and sidewall insulating film formation are performed, then a source / drain diffusion layer is formed, an inter-GC insulating film is embedded, Flatten.

周辺回路形成した後、この上層に本実施形態のメモリセルアレイを作り込む。図9〜図27は、本実施形態に係るメモリセルアレイの形成方法を示す図である。   After the peripheral circuit is formed, the memory cell array of this embodiment is formed on this upper layer. 9 to 27 are views showing a method of forming a memory cell array according to the present embodiment.

まず、図9に示すように、図示しないシリコン基板上にSiOを用いた絶縁層30Aを形成し、その上にポリシリコンを用いた第1の半導体層11A、SiOを用いた第1のゲート絶縁層12A、ポリシリコンを用いた第1のゲート形成層13aAを順次積層する。チャネル(ボディ)となる第1の半導体層11Aは、基本的にはポリシリコンを用いて形成しているが、単結晶シリコンを用いても良い。本実施形態ではチャネル(ボディ)にポリシリコンを用い、SOI構造とすることにより、シリコン基板にSTIを形成する必要が無く、より積層化に向いたセル構造とすることが可能である。ゲート絶縁層12Aの形成は、ポリシリコンを用いた半導体層11A上のため、熱酸化膜ではなく、CVD(Chemical Vapor Deposition)やALD(atomic layer deposition)酸化膜を用いる。なお、第1の半導体層11Aは、上記のように成膜で形成しているが、シリコン基板をそのまま利用しても良い。 First, as shown in FIG. 9, an insulating layer 30A using SiO 2 is formed on a silicon substrate (not shown), and a first semiconductor layer 11A using polysilicon is formed thereon, and a first semiconductor layer 11A using SiO 2 is formed. A gate insulating layer 12A and a first gate formation layer 13aA using polysilicon are sequentially stacked. The first semiconductor layer 11A serving as a channel (body) is basically formed using polysilicon, but single crystal silicon may also be used. In this embodiment, polysilicon is used for the channel (body) and the SOI structure is used, so that it is not necessary to form STI on the silicon substrate, and a cell structure suitable for stacking can be obtained. Since the gate insulating layer 12A is formed on the semiconductor layer 11A using polysilicon, a CVD (Chemical Vapor Deposition) or ALD (atomic layer deposition) oxide film is used instead of a thermal oxide film. The first semiconductor layer 11A is formed by film formation as described above, but a silicon substrate may be used as it is.

次に、図10に示す通り、第1のゲート形成層13aA、第1のゲート絶縁層12A及び第1の半導体層11A表面に、GC方向に延びる第1の溝81を設ける。次に、図11に示す通り、第1の浮遊ゲート形成層13aA及び第1の半導体層11A表面のうち、第1の溝81によって露出した部分に第2のゲート形成層13bAを形成する。   Next, as shown in FIG. 10, a first groove 81 extending in the GC direction is provided on the surfaces of the first gate forming layer 13aA, the first gate insulating layer 12A, and the first semiconductor layer 11A. Next, as shown in FIG. 11, the second gate formation layer 13bA is formed on the first floating gate formation layer 13aA and the surface of the first semiconductor layer 11A in the portion exposed by the first trench 81.

第2のゲート形成層13bAまで形成した後は、図12に示す通り、その上にAAパターン加工用の例えばSiN、SiOを用いたマスク材41,42をパターン形成する。次に、図13に示す通りマスク材41,42を用いたRIE(Reactive Ion Etching)によって、積層体を絶縁層30Aの下まで選択的にエッチングして第2の溝を設け、AAパターンを加工する。これにより、浮遊ゲート形成層13B、第1のゲート絶縁層12、第1の半導体層11及び絶縁層30が形成される。 After the formation up to the second gate formation layer 13bA, as shown in FIG. 12, mask materials 41 and 42 using, for example, SiN or SiO 2 for AA pattern processing are formed thereon. Next, as shown in FIG. 13, the stacked body is selectively etched down to the bottom of the insulating layer 30A by RIE (Reactive Ion Etching) using mask materials 41 and 42 to provide a second groove, and the AA pattern is processed. To do. Thereby, the floating gate forming layer 13B, the first gate insulating layer 12, the first semiconductor layer 11, and the insulating layer 30 are formed.

次に、図14に示すように、AAパターン加工により形成された溝にSiOを用いた第1の素子分離絶縁層15を埋め、第1のゲート形成層13Bを形成するポリシリコンをストッパとしてCMP(Chemical Mechanical Polishing)による平坦化を行い、更にエッチバックによって第1の素子分離絶縁層15の上面を後退させる。次に、図15に示すように、第1の素子分離絶縁層15及び第1のゲート形成層13Bの上に上層と下層とを分離する第1の絶縁層31を形成し、その上にポリシリコンを用いた第3のゲート成形層23Aを形成する。 Next, as shown in FIG. 14, the first element isolation insulating layer 15 using SiO 2 is buried in the groove formed by AA pattern processing, and the polysilicon forming the first gate forming layer 13B is used as a stopper. Planarization is performed by CMP (Chemical Mechanical Polishing), and the upper surface of the first element isolation insulating layer 15 is retreated by etch back. Next, as shown in FIG. 15, a first insulating layer 31 for separating the upper layer and the lower layer is formed on the first element isolation insulating layer 15 and the first gate forming layer 13B, and a polycrystal is formed on the first insulating layer 31. A third gate forming layer 23A using silicon is formed.

続いて、図16に示すように、第3のゲート形成層23Aの上に、GCパターン加工用の例えばSiN、SiOを用いたマスク材43,44をパターン形成する。そして、図17に示すように、マスク材43,44を用いたRIEによって、積層体をゲート絶縁層12の上まで選択的にエッチングして第3の溝を形成し、GCパターンを形成する。これにより、第1の浮遊ゲート13、第3のゲート形成層23B、第1の選択ゲート形成層16A、第2の選択ゲート形成層26A、下部コンタクト35a及び36aが形成される。このGCパターン加工は、下層のゲート絶縁層12と高い選択比を有するエッチングにより行い、下層の半導体層11をエッチングしないようにする事が望ましい。 Subsequently, as shown in FIG. 16, mask materials 43 and 44 using, for example, SiN or SiO 2 for GC pattern processing are formed on the third gate formation layer 23A. Then, as shown in FIG. 17, the stacked body is selectively etched up to the top of the gate insulating layer 12 by RIE using mask materials 43 and 44 to form a third groove, thereby forming a GC pattern. Thereby, the first floating gate 13, the third gate formation layer 23B, the first selection gate formation layer 16A, the second selection gate formation layer 26A, and the lower contacts 35a and 36a are formed. The GC pattern processing is preferably performed by etching having a high selectivity with the lower gate insulating layer 12 so that the lower semiconductor layer 11 is not etched.

続いて、図18に示すように、SiOを用いたゲート間絶縁層(IPD)32を成膜したのち、GCパターン間に制御ゲート形成層33Aを埋め込む。制御ゲート形成層33Aとしては、ポリシリコン又はメタル(Wなど)、メタルシリサイド(WSiなど)を用いることができる。 Subsequently, as shown in FIG. 18, an inter-gate insulating layer (IPD) 32 using SiO 2 is formed, and then a control gate forming layer 33A is embedded between the GC patterns. As the control gate formation layer 33A, polysilicon, metal (such as W), or metal silicide (such as WSi) can be used.

次に、図19に示すように、制御ゲート形成層33Aに対し、RIEにてエッチバックを行うことで、制御ゲート33及び補助ゲート91e〜94eを形成する。その上に図20に示すように、CVD酸化膜や塗布酸化膜などを用いたマスク材33mを埋め込み、SiNを用いたマスク43をストッパとしてCMPにて上面を平坦化する。さらにその後、選択ゲート形成層16A,26Aや図示しないロウデコーダ部のトランジスタを形成するため、EI(Etching Inter Poly)溝に相当する選択ゲート溝加工をRIEなどにより行い、図21に示すように、第2の選択ゲート形成層26B、第1の絶縁層31及び第1の選択ゲート16に至る第4の溝17Aを形成する。   Next, as shown in FIG. 19, the control gate 33 and the auxiliary gates 91e to 94e are formed by etching back the control gate formation layer 33A by RIE. Further, as shown in FIG. 20, a mask material 33m using a CVD oxide film or a coating oxide film is buried, and the upper surface is flattened by CMP using a mask 43 using SiN as a stopper. After that, in order to form select gate forming layers 16A and 26A and transistors of a row decoder section (not shown), select gate groove processing corresponding to an EI (Etching Inter Poly) groove is performed by RIE or the like, as shown in FIG. A fourth groove 17A reaching the second selection gate formation layer 26B, the first insulating layer 31, and the first selection gate 16 is formed.

次に、上層セル、下層セルのそれぞれに独立した選択ゲートトランジスタS11〜S22を形成するために、図22に示すように、選択ゲート溝17Aに第1の選択ゲート線17、層間絶縁層34及び第2の選択ゲート線27を、埋め込みとエッチバックとを繰り返しながら順次形成していく。選択ゲート線17,27としては、制御ゲート33及び補助ゲート91e〜94eと同様、ポリシリコン又はメタル(Wなど)、メタルシリサイド(WSiなど)を用いることができる。第2の選択ゲート線27の上のエッチバックされた部分には、キャップ絶縁層27mが埋め込まれ、その上面はマスク材43をストッパとするCMPにより平坦化される。図23(a),(b),(c)は、図22のそれぞれA−A′断面、B−B′断面、C−C′断面である。   Next, in order to form independent selection gate transistors S11 to S22 in each of the upper layer cell and the lower layer cell, as shown in FIG. 22, the first selection gate line 17, the interlayer insulating layer 34, The second selection gate line 27 is sequentially formed while repeating filling and etching back. As the selection gate lines 17 and 27, polysilicon, metal (W or the like), or metal silicide (WSi or the like) can be used similarly to the control gate 33 and the auxiliary gates 91e to 94e. A cap insulating layer 27m is buried in the etched back portion on the second selection gate line 27, and the upper surface thereof is planarized by CMP using the mask material 43 as a stopper. FIGS. 23A, 23B, and 23C are an AA ′ cross section, a BB ′ cross section, and a CC ′ cross section, respectively, in FIG.

次に、図24に示すように、第3のゲート形成層23BをストッパとしてCMPによる平坦化を実施し、その上にSiOを用いた第2のゲート絶縁層22A、ポリシリコンを用いた第2の半導体層21Aを順次成膜する。尚、CMPは、制御ゲート33をストッパとして行っても良い。図25(a),(b),(c)は、図24のそれぞれA−A′断面、B−B′断面、C−C′断面である。 Next, as shown in FIG. 24, planarization by CMP is performed using the third gate formation layer 23B as a stopper, and a second gate insulating layer 22A using SiO 2 is formed on the third gate formation layer 23B, and polysilicon is used. Two semiconductor layers 21A are sequentially formed. Note that CMP may be performed using the control gate 33 as a stopper. FIGS. 25A, 25B, and 25C are an AA ′ section, a BB ′ section, and a CC ′ section, respectively, in FIG.

続いて、図26に示すように、上層の第2の半導体層21A、第2のゲート絶縁層22A、第3のゲート形成層23B及び第2の選択ゲート形成層26Bに対してAAパターン加工を行うため、第2の半導体層21Aの上にAAパターン加工用のSiNを用いたマスク材45をパターン形成し、RIEにてAAパターン加工を行う。図27(a),(b),(c)は、図26のそれぞれA−A′断面、B−B′断面、C−C′断面である。以上の工程で、第2の浮遊ゲート23が形成されると共に、この第2の浮遊ゲート23に対して第2のゲート絶縁層22及び第2の半導体層21が自己整合的に形成される。   Subsequently, as shown in FIG. 26, AA pattern processing is performed on the second semiconductor layer 21A, the second gate insulating layer 22A, the third gate formation layer 23B, and the second selection gate formation layer 26B. For this purpose, a mask material 45 using SiN for AA pattern processing is formed on the second semiconductor layer 21A, and AA pattern processing is performed by RIE. FIGS. 27A, 27B, and 27C are an AA ′ cross section, a BB ′ cross section, and a CC ′ cross section of FIG. 26, respectively. Through the above steps, the second floating gate 23 is formed, and the second gate insulating layer 22 and the second semiconductor layer 21 are formed in a self-aligned manner with respect to the second floating gate 23.

次に、上層のAAパターンの溝に第2の素子分離絶縁層25(図1、図3)を埋め込む。最後に、第2の半導体層、第2のゲート絶縁層、上部コンタクト層、第1の絶縁層及び前記下部コンタクトにビアホールを形成し、形成したビアホールに上部コンタクトを埋め込む。ビアコンタクト形成の際には、ビアホールは第1の絶縁層を貫通し、下部のコンタクトの上面が露出する様に設ける。   Next, the second element isolation insulating layer 25 (FIGS. 1 and 3) is embedded in the upper AA pattern groove. Finally, via holes are formed in the second semiconductor layer, the second gate insulating layer, the upper contact layer, the first insulating layer, and the lower contact, and the upper contact is embedded in the formed via hole. When forming the via contact, the via hole is provided so as to penetrate the first insulating layer and expose the upper surface of the lower contact.

本実施形態のように、制御ゲート線33を形成する工程と共通する工程を用いて、補助ゲート91e及び94eを形成することができ、製造工程数の削減を図ることが可能となる。   As in the present embodiment, the auxiliary gates 91e and 94e can be formed using a process common to the process of forming the control gate line 33, and the number of manufacturing processes can be reduced.

[第2の実施形態]
次に、第2の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の消去動作について説明する。図28は、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の消去動作を説明する為の概略図である。本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の消去動作は、基本的には第1の実施形態と同様であるが、以下の点において異なっている。即ち、本実施形態においては、第4の上部補助トランジスタ94bを導通状態とし、第2のビット線側選択ゲート線27に消去電圧VBL_eraseよりも低い電圧VSG_eraseを印加してGIDLを発生させ、GIDLによって発生した正孔(ホール)h+によって第2の半導体層21の電位を上昇させる。尚、電圧VSG_eraseは、第2の選択ゲート線27−第2の半導体層21間及び第2の選択ゲート線27−第1の選択ゲート線17において絶縁破壊が生じないような値に設定する。
[その他の実施形態]
以上、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。これらの新規な実施形態は、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。
[Second Embodiment]
Next, the erase operation of the nonvolatile semiconductor memory device according to the second embodiment will be described. FIG. 28 is a schematic diagram for explaining an erasing operation of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present embodiment. The erase operation of the nonvolatile semiconductor memory device according to this embodiment is basically the same as that of the first embodiment, but differs in the following points. That is, in the present embodiment, the fourth upper auxiliary transistor 94b is turned on, and the voltage V SG_erase lower than the erase voltage V BL_erase is applied to the second bit line side select gate line 27 to generate GIDL. The potential of the second semiconductor layer 21 is increased by holes (holes) h + generated by GIDL. The voltage V SG_erase is set to a value that does not cause dielectric breakdown between the second selection gate line 27 and the second semiconductor layer 21 and between the second selection gate line 27 and the first selection gate line 17. .
[Other Embodiments]
As mentioned above, although some embodiment of this invention was described, these embodiment is shown as an example and is not intending limiting the range of invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the spirit 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…第1のメモリセルアレイ層、11…第1の半導体層、12…第1のゲート絶縁層、13…第1の浮遊ゲート、15…第1の素子分離絶縁層、16…第1の選択ゲート、17…第1の選択ゲート線、20…第2のメモリセルアレイ層、21…第2の半導体層、22…第2のゲート絶縁層、23…第2の浮遊ゲート、25…第2の素子分離絶縁層、26…第2の選択ゲート、27…第2の選択ゲート線、31…第1の絶縁層、32…ゲート間絶縁層、33…制御ゲート、34…第2の絶縁層、35…ビット線コンタクト、36…ソース線コンタクト、37…ワード線コンタクト、38…選択ゲート線コンタクト、91e…第1の補助ゲート、92e…第2の補助ゲート、93e…第3の補助ゲート、94e…第4の補助ゲート、91a…第1の下部補助トランジスタ、92a…第2の下部補助トランジスタ、93a…第3の下部補助トランジスタ、94a…第4の下部補助トランジスタ、91b…第1の上部補助トランジスタ、92b…第2の上部補助トランジスタ、93b…第3の上部補助トランジスタ、94b…第4の上部補助トランジスタ。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... 1st memory cell array layer, 11 ... 1st semiconductor layer, 12 ... 1st gate insulating layer, 13 ... 1st floating gate, 15 ... 1st element isolation insulating layer, 16 ... 1st selection Gate, 17 ... first selection gate line, 20 ... second memory cell array layer, 21 ... second semiconductor layer, 22 ... second gate insulating layer, 23 ... second floating gate, 25 ... second Element isolation insulating layer, 26 ... second selection gate, 27 ... second selection gate line, 31 ... first insulating layer, 32 ... inter-gate insulating layer, 33 ... control gate, 34 ... second insulating layer, 35 ... bit line contact, 36 ... source line contact, 37 ... word line contact, 38 ... selection gate line contact, 91e ... first auxiliary gate, 92e ... second auxiliary gate, 93e ... third auxiliary gate, 94e ... the fourth auxiliary gate, 91a ... Lower auxiliary transistor, 92a, second lower auxiliary transistor, 93a, third lower auxiliary transistor, 94a, fourth lower auxiliary transistor, 91b, first upper auxiliary transistor, 92b, second upper auxiliary transistor, 93b: third upper auxiliary transistor, 94b: fourth upper auxiliary transistor.

Claims (6)

第1の方向に直列接続された複数の第1のメモリセル、前記複数の第1のメモリセルとソース線との間に接続された第1のソース線側選択ゲートトランジスタ及び前記複数の第1のメモリセルとビット線との間に接続された第1のビット線側選択ゲートトランジスタを具備する第1のNANDセルユニットを有し、前記第1のメモリセルが、第1の半導体層と、前記第1の半導体層の上に形成された第1のゲート絶縁層と、前記第1のゲート絶縁層の上に形成された第1の浮遊ゲートとを有し、前記第1のソース線側選択ゲートトランジスタ及び第1のビット線側選択ゲートトランジスタが、前記第1の半導体層と、前記第1のゲート絶縁層と、前記第1のゲート絶縁層の上に形成された第1の選択ゲートとを有する第1のメモリセルアレイ層と、
前記第1のメモリセルアレイ層の上に形成された第1の絶縁層と、
前記第1の絶縁層の上に形成され、前記第1の方向に直列接続された複数の第2のメモリセル、前記複数の第2のメモリセルとソース線との間に接続された第2のソース線側選択ゲートトランジスタ及び前記複数の第2のメモリセルとビット線との間に接続された第2のビット線側選択ゲートトランジスタを具備する第2のNANDセルユニットを有し、前記第2のメモリセルが、第2の浮遊ゲートと、前記第2の浮遊ゲートの上に形成された第2のゲート絶縁層と、前記第2のゲート絶縁層の上に形成された第2の半導体層とを有し、前記第2のソース線側選択ゲートトランジスタ及び前記第2のビット線側選択ゲートトランジスタが、第2の選択ゲートと、前記第2のゲート絶縁層と、前記第2のゲート絶縁層の上に形成された前記第2の半導体層を有する第2のメモリセルアレイ層と、
前記第1の絶縁層を介して上下に位置する前記第1及び前記第2の浮遊ゲートの前記第1の方向の両側面にゲート間絶縁層を介して形成され、前記第1の方向と直交する第2の方向に延びる制御ゲートと、
前記第1の絶縁層を介して上下に位置する前記第1及び第2の選択ゲートの前記第1の方向の両側面に前記ゲート間絶縁層を介して形成され、前記第2の方向に延び、前記第1及び第2の半導体層並びに前記第1及び第2のゲート絶縁層と共に補助トランジスタを形成する補助ゲートと
を備え、
前記補助ゲートは、
前記ソース線と前記ソース線側の前記第1及び第2の選択ゲートとの間にゲート間絶縁層を介して形成され、前記第2の方向に延び、第1の補助トランジスタのゲートとなる第1の補助ゲートと、
前記ソース線側の前記第1及び第2の選択ゲートと前記複数の第1及び第2のメモリセルとの間にゲート間絶縁層を介して形成され、前記第2の方向に延び、第2の補助トランジスタのゲートとなる第2の補助ゲートと、
前記複数の第1及び第2のメモリセルと前記ビット線側の前記第1及び第2の選択ゲートとの間にゲート間絶縁層を介して形成され、前記第2の方向に延び、第3の補助トランジスタのゲートとなる第3の補助ゲートと、
前記ビット線側の前記第1及び第2の選択ゲートと前記ビット線との間にゲート間絶縁層を介して形成され、前記第2の方向に延び、第4の補助トランジスタのゲートとなる第4の補助ゲートと
を備え、
書き込み動作時に、記第1の補助ゲートに前記第1の補助トランジスタをオフする第1の電圧を印加し、前記第3及び第4の補助ゲートに前記第3及び第4の補助トランジスタをオンする第2の電圧を印加し、前記第2の補助ゲートに前記第1の電圧と前記第2の電圧の中間の電圧を印加し、
読出し動作又は書き込み動作時に、前記読出し動作又は書き込み動作の対象となる前記NANDセルユニットと前記ソース線を介して隣接するNANDセルユニットの前記第1の補助トランジスタをオフ状態にする
事を特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
A plurality of first memory cells connected in series in a first direction, a first source line side select gate transistor connected between the plurality of first memory cells and a source line, and the plurality of first A first NAND cell unit comprising a first bit line side select gate transistor connected between the memory cell and the bit line, the first memory cell comprising: a first semiconductor layer; A first gate insulating layer formed on the first semiconductor layer; and a first floating gate formed on the first gate insulating layer, the first source line side A selection gate transistor and a first bit line side selection gate transistor are formed on the first semiconductor layer, the first gate insulating layer, and the first gate insulating layer. First memory cell array having And,
A first insulating layer formed on the first memory cell array layer;
A plurality of second memory cells formed on the first insulating layer and connected in series in the first direction; a second memory cell connected between the plurality of second memory cells and a source line; A second NAND cell unit comprising a source line side select gate transistor and a second bit line side select gate transistor connected between the plurality of second memory cells and a bit line, Two memory cells, a second floating gate, a second gate insulating layer formed on the second floating gate, and a second semiconductor formed on the second gate insulating layer And the second source line side select gate transistor and the second bit line side select gate transistor include a second select gate, the second gate insulating layer, and the second gate. The second layer formed on the insulating layer; A second memory cell array layer having a semiconductor layer,
The first and second floating gates positioned above and below the first insulating layer are formed on both side surfaces in the first direction via an inter-gate insulating layer and orthogonal to the first direction. A control gate extending in a second direction to
The first and second select gates positioned above and below the first insulating layer are formed on both side surfaces in the first direction via the inter-gate insulating layer and extend in the second direction. And an auxiliary gate that forms an auxiliary transistor together with the first and second semiconductor layers and the first and second gate insulating layers,
The auxiliary gate is
An inter-gate insulating layer is formed between the source line and the first and second selection gates on the source line side, extends in the second direction, and serves as a gate of the first auxiliary transistor. 1 auxiliary gate,
An inter-gate insulating layer is formed between the first and second selection gates on the source line side and the plurality of first and second memory cells, and extends in the second direction. A second auxiliary gate serving as the gate of the auxiliary transistor;
An inter-gate insulating layer is formed between the plurality of first and second memory cells and the first and second select gates on the bit line side, and extends in the second direction. A third auxiliary gate serving as the gate of the auxiliary transistor;
A first gate is formed between the first and second selection gates on the bit line side and the bit line through an inter-gate insulating layer, extends in the second direction, and serves as the gate of the fourth auxiliary transistor. With 4 auxiliary gates,
During a write operation, a first voltage for turning off the first auxiliary transistor is applied to the first auxiliary gate, and the third and fourth auxiliary transistors are turned on to the third and fourth auxiliary gates. Applying a second voltage, applying an intermediate voltage between the first voltage and the second voltage to the second auxiliary gate;
In a read operation or a write operation, the first auxiliary transistor of the NAND cell unit adjacent to the NAND cell unit that is the target of the read operation or the write operation is turned off through the source line. Nonvolatile semiconductor memory device.
第1の方向に直列接続された複数の第1のメモリセル、前記複数の第1のメモリセルとソース線との間に接続された第1のソース線側選択ゲートトランジスタ及び前記複数の第1のメモリセルとビット線との間に接続された第1のビット線側選択ゲートトランジスタを具備する第1のNANDセルユニットを有し、前記第1のメモリセルが、第1の半導体層と、前記第1の半導体層の上に形成された第1のゲート絶縁層と、前記第1のゲート絶縁層の上に形成された第1の浮遊ゲートとを有し、前記第1のソース線側選択ゲートトランジスタ及び第1のビット線側選択ゲートトランジスタが、前記第1の半導体層と、前記第1のゲート絶縁層と、前記第1のゲート絶縁層の上に形成された第1の選択ゲートとを有する第1のメモリセルアレイ層と、
前記第1のメモリセルアレイ層の上に形成された第1の絶縁層と、
前記第1の絶縁層の上に形成され、前記第1の方向に直列接続された複数の第2のメモリセル、前記複数の第2のメモリセルとソース線との間に接続された第2のソース線側選択ゲートトランジスタ及び前記複数の第2のメモリセルとビット線との間に接続された第2のビット線側選択ゲートトランジスタを具備する第2のNANDセルユニットを有し、前記第2のメモリセルが、第2の浮遊ゲートと、前記第2の浮遊ゲートの上に形成された第2のゲート絶縁層と、前記第2のゲート絶縁層の上に形成された第2の半導体層とを有し、前記第2のソース線側選択ゲートトランジスタ及び前記第2のビット線側選択ゲートトランジスタが、第2の選択ゲートと、前記第2のゲート絶縁層と、前記第2のゲート絶縁層の上に形成された前記第2の半導体層を有する第2のメモリセルアレイ層と、
前記第1の絶縁層を介して上下に位置する前記第1及び前記第2の浮遊ゲートの前記第1の方向の両側面にゲート間絶縁層を介して形成され、前記第1の方向と直交する第2の方向に延びる制御ゲートと、
前記第1の絶縁層を介して上下に位置する前記第1及び第2の選択ゲートの前記第1の方向の両側面に前記ゲート間絶縁層を介して形成され、前記第2の方向に延び、前記第1及び第2の半導体層並びに前記第1及び第2のゲート絶縁層と共に補助トランジスタを形成する補助ゲートと
を備えることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
A plurality of first memory cells connected in series in a first direction, a first source line side select gate transistor connected between the plurality of first memory cells and a source line, and the plurality of first A first NAND cell unit comprising a first bit line side select gate transistor connected between the memory cell and the bit line, the first memory cell comprising: a first semiconductor layer; A first gate insulating layer formed on the first semiconductor layer; and a first floating gate formed on the first gate insulating layer, the first source line side A selection gate transistor and a first bit line side selection gate transistor are formed on the first semiconductor layer, the first gate insulating layer, and the first gate insulating layer. First memory cell array having And,
A first insulating layer formed on the first memory cell array layer;
A plurality of second memory cells formed on the first insulating layer and connected in series in the first direction; a second memory cell connected between the plurality of second memory cells and a source line; A second NAND cell unit comprising a source line side select gate transistor and a second bit line side select gate transistor connected between the plurality of second memory cells and a bit line, Two memory cells, a second floating gate, a second gate insulating layer formed on the second floating gate, and a second semiconductor formed on the second gate insulating layer And the second source line side select gate transistor and the second bit line side select gate transistor include a second select gate, the second gate insulating layer, and the second gate. The second layer formed on the insulating layer; A second memory cell array layer having a semiconductor layer,
The first and second floating gates positioned above and below the first insulating layer are formed on both side surfaces in the first direction via an inter-gate insulating layer and orthogonal to the first direction. A control gate extending in a second direction to
The first and second select gates positioned above and below the first insulating layer are formed on both side surfaces in the first direction via the inter-gate insulating layer and extend in the second direction. A nonvolatile semiconductor memory device comprising: an auxiliary gate that forms an auxiliary transistor together with the first and second semiconductor layers and the first and second gate insulating layers.
前記補助ゲートは、
前記ソース線と前記ソース線側の前記第1及び第2の選択ゲートとの間にゲート間絶縁層を介して形成され、前記第2の方向に延び、第1の補助トランジスタのゲートとなる第1の補助ゲートと、
前記ソース線側の前記第1及び第2の選択ゲートと前記複数の第1及び第2のメモリセルとの間にゲート間絶縁層を介して形成され、前記第2の方向に延び、第2の補助トランジスタのゲートとなる第2の補助ゲートと、
前記複数の第1及び第2のメモリセルと前記ビット線側の前記第1及び第2の選択ゲートとの間にゲート間絶縁層を介して形成され、前記第2の方向に延び、第3の補助トランジスタのゲートとなる第3の補助ゲートと、
前記ビット線側の前記第1及び第2の選択ゲートと前記ビット線との間にゲート間絶縁層を介して形成され、前記第2の方向に延び、第4の補助トランジスタのゲートとなる第4の補助ゲートと
を備えることを特徴とする請求項2記載の不揮発性半導体記憶装置。
The auxiliary gate is
An inter-gate insulating layer is formed between the source line and the first and second selection gates on the source line side, extends in the second direction, and serves as a gate of the first auxiliary transistor. 1 auxiliary gate,
An inter-gate insulating layer is formed between the first and second selection gates on the source line side and the plurality of first and second memory cells, and extends in the second direction. A second auxiliary gate serving as the gate of the auxiliary transistor;
An inter-gate insulating layer is formed between the plurality of first and second memory cells and the first and second select gates on the bit line side, and extends in the second direction. A third auxiliary gate serving as the gate of the auxiliary transistor;
A first gate is formed between the first and second selection gates on the bit line side and the bit line through an inter-gate insulating layer, extends in the second direction, and serves as the gate of the fourth auxiliary transistor. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 2, further comprising: 4 auxiliary gates.
書き込み動作時に、記第1の補助ゲートに前記第1の補助トランジスタをオフする第1の電圧を印加し、前記第3及び第4の補助ゲートに前記第3及び第4の補助トランジスタをオンする第2の電圧を印加し、前記第2の補助ゲートに前記第1の電圧と前記第2の電圧の中間の電圧を印加する
ことを特徴とする請求項2又は3記載の不揮発性半導体記憶装置。
During a write operation, a first voltage for turning off the first auxiliary transistor is applied to the first auxiliary gate, and the third and fourth auxiliary transistors are turned on to the third and fourth auxiliary gates. 4. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 2, wherein a second voltage is applied, and a voltage intermediate between the first voltage and the second voltage is applied to the second auxiliary gate. 5. .
読出し動作又は書き込み動作時に、前記読出し動作又は書き込み動作の対象となる前記NANDセルユニットと前記ソース線を介して隣接するNANDセルユニットの前記第1の補助トランジスタをオフ状態にする
事を特徴とする請求項3記載の不揮発性半導体記憶装置。
In a read operation or a write operation, the first auxiliary transistor of the NAND cell unit adjacent to the NAND cell unit that is the target of the read operation or the write operation is turned off through the source line. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 3.
第1の半導体層の上に第1のゲート絶縁層及び浮遊ゲート形成層を形成し、
前記浮遊ゲート形成層、前記第1のゲート絶縁層及び前記第1の半導体層に第1の方向に直交する第の2方向に所定の間隔で前記第1の方向に延びる溝を形成して第1の素子分離絶縁層を埋め込み、
前記浮遊ゲート形成層及び前記第1の素子分離絶縁層の上に第1の絶縁層を形成し、
前記第1の絶縁層の上に更に浮遊ゲート形成層を形成し、
前記第1の絶縁層及び前記第1の絶縁層を介して形成された前記浮遊ゲート形成層に前記第2の方向に延びる複数の溝を形成してゲート間絶縁層で覆い、
前記ゲート間絶縁層に制御ゲート及び補助ゲートを埋め込む
ことを特徴とする不揮発性半導体装置の製造方法。
Forming a first gate insulating layer and a floating gate formation layer on the first semiconductor layer;
Grooves extending in the first direction at predetermined intervals in the second direction perpendicular to the first direction are formed in the floating gate formation layer, the first gate insulating layer, and the first semiconductor layer. 1 element isolation insulating layer is embedded,
Forming a first insulating layer on the floating gate forming layer and the first element isolation insulating layer;
Forming a floating gate forming layer on the first insulating layer;
Forming a plurality of grooves extending in the second direction in the floating gate forming layer formed via the first insulating layer and the first insulating layer, and covering with a gate insulating layer;
A method for manufacturing a nonvolatile semiconductor device, comprising embedding a control gate and an auxiliary gate in the intergate insulating layer.
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