JP2013135189A - Nonvolatile semiconductor memory device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、不揮発性半導体記憶装置に関するものである。 Embodiments described herein relate generally to a nonvolatile semiconductor memory device.
不揮発性半導体記憶装置である、例えば浮遊ゲート型のNANDフラッシュメモリは、ゲート絶縁膜(トンネル絶縁膜)、浮遊ゲート電極、ゲート絶縁膜(ゲート間絶縁膜)、及び制御ゲート電極が積層されたスタックゲート構造のメモリセルを有している。このメモリセル構造では、世代が進むごとに浮遊ゲート電極の上部が細くなり、その上部の電界集中が増大し、書き込み時にゲート間絶縁膜におけるリーク電流が増大する。 For example, a floating gate type NAND flash memory which is a nonvolatile semiconductor memory device is a stack in which a gate insulating film (tunnel insulating film), a floating gate electrode, a gate insulating film (inter-gate insulating film), and a control gate electrode are stacked. A memory cell having a gate structure is included. In this memory cell structure, the upper part of the floating gate electrode becomes thinner as the generation progresses, the electric field concentration on the upper part increases, and the leakage current in the inter-gate insulating film increases at the time of writing.
このために、前記メモリセルを従来の構造のまま微細化すると、大きな書き込み電圧を印加し、トンネル絶縁膜を通り抜けるトンネル電流を増加させて浮遊ゲート電極に注入する電子の量を増加させても、注入された電子が増大したリーク電流により制御ゲート電極に抜けてしまう。このため、多値を持つメモリセルにおいては、多値の書き込みに必要な閾値まで書き込めない書き込み飽和状態となる場合がある。 For this reason, if the memory cell is miniaturized with the conventional structure, a large write voltage is applied, the tunnel current passing through the tunnel insulating film is increased, and the amount of electrons injected into the floating gate electrode is increased. The injected electrons escape to the control gate electrode due to the increased leakage current. For this reason, a memory cell having multiple values may be in a write saturation state where writing cannot be performed up to a threshold required for writing multiple values.
ゲート間絶縁膜におけるリーク電流を低減することができる不揮発性半導体記憶装置を提供する。 Provided is a nonvolatile semiconductor memory device capable of reducing leakage current in an inter-gate insulating film.
一実施態様の不揮発性半導体記憶装置は、半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成された浮遊ゲート電極と、前記浮遊ゲート電極の上面上及び側面上に形成された第1シリコン酸化膜と、前記第1シリコン酸化膜上に形成され、シリコン酸化膜より誘電率が高い絶縁膜と、前記絶縁膜上に形成され、前記浮遊ゲート電極の上面上の膜厚が前記浮遊ゲート電極の側面上の膜厚より厚い第2シリコン酸化膜と、前記第2シリコン酸化膜上に形成された制御ゲート電極とを具備することを特徴とする。 A nonvolatile semiconductor memory device according to an embodiment is formed on a gate insulating film formed on a semiconductor substrate, a floating gate electrode formed on the gate insulating film, and an upper surface and a side surface of the floating gate electrode. A first silicon oxide film, an insulating film formed on the first silicon oxide film and having a dielectric constant higher than that of the silicon oxide film, and formed on the insulating film, and having a film thickness on the upper surface of the floating gate electrode. A second silicon oxide film thicker than a film thickness on a side surface of the floating gate electrode and a control gate electrode formed on the second silicon oxide film are provided.
以下、図面を参照して実施形態の不揮発性半導体記憶装置について説明する。ここでは、不揮発性半導体記憶装置としてNAND型フラッシュメモリを例に取る。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。 The nonvolatile semiconductor memory device of the embodiment will be described below with reference to the drawings. Here, a NAND flash memory is taken as an example of the nonvolatile semiconductor memory device. In the following description, components having the same function and configuration are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be given only when necessary.
[第1実施形態]
[1]メモリセルアレイの構成
図1は、第1実施形態のNAND型フラッシュメモリにおけるメモリセルアレイの構成を示す平面図である。図2は図1における2−2線に沿った断面図であり、図3は図1における3−3線に沿った断面図である。なお、図2はメモリセルMCのチャネル長方向(ビット線方向)に沿った断面を示し、図3はメモリセルMCのチャネル幅方向(ワード線方向)に沿った断面を示す。
[First Embodiment]
[1] Configuration of Memory Cell Array FIG. 1 is a plan view showing a configuration of a memory cell array in the NAND flash memory according to the first embodiment. 2 is a cross-sectional view taken along line 2-2 in FIG. 1, and FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line 3-3 in FIG. 2 shows a cross section along the channel length direction (bit line direction) of the memory cell MC, and FIG. 3 shows a cross section along the channel width direction (word line direction) of the memory cell MC.
図1に示すように、半導体基板10の表面領域には、素子分離領域と、素子分離領域にて分離された素子領域(アクティブエリア)AAが形成されている。素子領域AAはワード線方向に複数配列され、素子領域AAの各々はビット線方向に延伸している。素子領域AA上には、複数のメモリセルMC、及び選択トランジスタSTD、STSが形成されている。
As shown in FIG. 1, an element isolation region and an element region (active area) AA separated by the element isolation region are formed in the surface region of the
素子領域AA上に配置された複数のメモリセルMCは、直列接続されている。以降、直列接続された複数のメモリセルMCを、メモリセルストリングと記す。このメモリセルストリングの両端には、選択トランジスタSTD、STSが配置されている。以降、さらに、メモリセルストリングと選択トランジスタSTD、STSを含む構成を、NANDセルユニットと記す。 The plurality of memory cells MC arranged on the element region AA are connected in series. Hereinafter, the plurality of memory cells MC connected in series are referred to as a memory cell string. Select transistors STD and STS are arranged at both ends of the memory cell string. Hereinafter, a configuration that further includes a memory cell string and select transistors STD and STS is referred to as a NAND cell unit.
ワード線WL(WL1〜WLn)及び選択ゲート線SGL1、SGL2は、ビット線方向に配列され、これら各々はワード線方向に延伸している。すなわち、ワード線WL(WL1〜WLn)及び選択ゲート線SGL1、SGL2は、素子領域AAと直交するように配置されている。 The word lines WL (WL1 to WLn) and the select gate lines SGL1 and SGL2 are arranged in the bit line direction, and each of them extends in the word line direction. That is, the word lines WL (WL1 to WLn) and the select gate lines SGL1 and SGL2 are arranged so as to be orthogonal to the element region AA.
NANDセルユニットは、ワード線方向に複数配列されている。NANDセルユニットの各メモリセルMCは、ワード線WL(WL1〜WLn)にそれぞれ接続されている。ここで、ワード線方向に位置するメモリセルMCは共通のワード線WLに接続されている。さらに、選択トランジスタSTD、STSは、選択ゲート線SGL1、SGL2にそれぞれ接続されている。 A plurality of NAND cell units are arranged in the word line direction. Each memory cell MC of the NAND cell unit is connected to a word line WL (WL1 to WLn). Here, the memory cells MC located in the word line direction are connected to a common word line WL. Further, the selection transistors STD and STS are connected to selection gate lines SGL1 and SGL2, respectively.
NANDセルユニットの一端は、ビット線コンタクトBCを経由して、素子領域AAと同じ方向に延伸したビット線(図示せず)に接続される。さらに、NANDセルユニットの他端は、ソース線コンタクトSCを経由して、ワード線方向に延伸したソース線(図示せず)に接続される。 One end of the NAND cell unit is connected to a bit line (not shown) extending in the same direction as the element region AA via a bit line contact BC. Furthermore, the other end of the NAND cell unit is connected to a source line (not shown) extending in the word line direction via a source line contact SC.
次に、第1実施形態におけるメモリセルアレイの断面構造について説明する。 Next, a cross-sectional structure of the memory cell array in the first embodiment will be described.
図2及び図3に示すように、メモリセルMCは、浮遊ゲート電極12A上に制御ゲート電極14Aが積層されたスタックゲート構造を有するメモリセルトランジスタである。
As shown in FIGS. 2 and 3, the memory cell MC is a memory cell transistor having a stack gate structure in which a
半導体基板10にはウェル領域(図示せず)が設けられ、NANDセルユニットはウェル領域上に形成される。半導体基板10の表面領域には、素子分離領域15と、素子分離領域15にて分離された素子領域AAが配置されている。
The
半導体基板(素子領域AA)10上に、ゲート絶縁膜11A、浮遊ゲート電極12A、ゲート間絶縁膜13T、及び制御ゲート電極14Aから構成されたメモリセルMCと、ゲート絶縁膜11B、下部ゲート電極12B、ゲート間絶縁膜13T、及び上部ゲート電極14Bから構成された選択トランジスタSTD、STSが配置されている。
On a semiconductor substrate (element region AA) 10, a memory cell MC comprising a
ゲート絶縁膜11Aは、素子領域AA上に形成されている。このゲート絶縁膜11Aは、素子領域AAと浮遊ゲート電極12Aとの間でトンネル絶縁膜として機能する。以降、メモリセルMCのゲート絶縁膜11Aをトンネル絶縁膜と記す。
The
浮遊ゲート電極12Aは、トンネル絶縁膜11A上に形成されている。浮遊ゲート電極12Aは、メモリセルMCに書き込まれたデータを保持するための電荷蓄積層として機能する。この浮遊ゲート電極12Aは、例えばポリシリコン膜から形成される。
The floating
チャネル幅方向(ワード線方向)に隣接する素子領域AA上に配置される複数のメモリセルMCにおいて、それらの浮遊ゲート電極12Aは、半導体基板10内に埋め込まれた素子分離領域15によって電気的に絶縁されている。ここで、素子分離領域15の上面は、浮遊ゲート電極12Aの上面よりも、半導体基板10側に後退している。すなわち、素子分離領域15の上面は、浮遊ゲート電極12Aの下面よりも高くその上面よりも低い位置にある。
In the plurality of memory cells MC arranged on the element region AA adjacent in the channel width direction (word line direction), the
浮遊ゲート電極12Aの上面上にはゲート間絶縁膜13Tが形成され、浮遊ゲート電極12Aの側面上、および素子分離領域15上にはゲート間絶縁膜13Sが形成されている。
An intergate insulating
浮遊ゲート電極12Aの上面上に形成されたゲート間絶縁膜13Tは、浮遊ゲート電極12A側から、ボトム・シリコン窒化膜13A、ボトム・シリコン酸化膜13B、絶縁膜(例えば、センター・シリコン窒化膜)13C、及びトップ・シリコン酸化膜13Dの順序で積層された積層膜(いわゆる、NONO膜)を有する。“N”がシリコン窒化膜を示し、“O”がシリコン酸化膜を示す。
The inter-gate
浮遊ゲート電極12Aの側面上及び素子分離領域15上に形成されたゲート間絶縁膜13Sは、浮遊ゲート電極12A及び素子分離領域15側から、ボトム・シリコン窒化膜13A、ボトム・シリコン酸化膜13B、絶縁膜(例えば、センター・シリコン窒化膜)13C、トップ・シリコン酸化膜13D、及びトップ・シリコン窒化膜13Eの順序で積層された積層膜(いわゆる、NONON膜)を有する。
The inter-gate insulating film 13S formed on the side surface of the floating
浮遊ゲート電極12の上面上のシリコン酸化膜13Dは、浮遊ゲート電極12Aの側面上及び素子分離領域15上のシリコン酸化膜13Dより膜厚が厚くなっている。
The
ゲート間絶縁膜13T、13Sに用いられる材料は、前述した材料に限定されず、他の材料を用いてもよい。絶縁膜13Cには、シリコン酸化膜より誘電率が高い絶縁膜(High−k膜)、例えば前述したシリコン窒化膜(SiN)の他に、シリコン酸窒化膜(SiON)、金属酸化膜を用いてもよい。金属酸化膜としては、例えば、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化ハフニウム(HfO2)、酸化イットリウム(Y2O3)、酸化ランタニウム(La2O3)、ランタンアルミネート(LaAlO3)、ハフニウム・アルミネート(HfAlOx)、酸化タンタル(Ta2O5)、酸化チタニウム(TiO2)などが挙げられる。なお、これらの材料はかっこ内の組成比に限られるものではない。
The materials used for the inter-gate
ゲート間絶縁膜13Tは浮遊ゲート電極12Aの上面上に4層構造(NONO膜)を有し、ゲート間絶縁膜13Sは浮遊ゲート電極12Aの側面上及び素子分離領域15上に5層構造(NONON膜)を有しているが、これに限定されない。例えば、浮遊ゲート電極12Aの上面上に3層構造(ONO膜)を有し、浮遊ゲート電極12Aの側面上及び素子分離領域15上に4層構造(ONON膜)を有していてもよい。さらに、これら以外の多層構造を有していてもよい。
The intergate
制御ゲート電極14Aは、ゲート間絶縁膜13T、13S上に形成されている。すなわち、浮遊ゲート電極12Aの上面上及び側面上に、ゲート間絶縁膜13T、13Sをそれぞれ介して制御ゲート電極14Aが配置されている。なお、制御ゲート電極14Aはワード線WLに相当する。
The
制御ゲート電極14Aには、電気抵抗を減らすために、例えばシリサイド膜が用いられる。しかし、シリサイド膜に限定されるわけではなく、制御ゲート電極14Aはポリシリコン膜の単層構造や、ポリシリコン膜とシリサイド膜とが積層された2層構造(ポリサイド構造)であってもよい。シリサイド膜としては、例えば、タングステンシリサイド膜、またはモリブデンシリサイド膜、コバルトシリサイド膜、チタンシリサイド膜、ニッケルシリサイド膜などが用いられる。
For example, a silicide film is used for the
制御ゲート電極14Aは、ワード線として機能し、隣接するメモリセルMC間で共有されている。このため、制御ゲート電極14Aは浮遊ゲート電極12A上だけではなく、素子分離領域15上にも形成されている。
The
図2に示すように、半導体基板10内には、メモリセルMCのソース/ドレイン拡散層16Aが形成されている。ソース/ドレイン拡散層16Aは、メモリセルMCの両側の素子領域AAに形成されており、隣接するメモリセルMCで共有されている。これにより、複数のメモリセルMCが直列接続され、1つのメモリセルストリングが構成される。
As shown in FIG. 2, a source / drain diffusion layer 16 </ b> A of the memory cell MC is formed in the
直列接続された複数のメモリセルMC、すなわちメモリセルストリングの一端及び他端には、選択トランジスタSTD、STSが形成されている。 Select transistors STD and STS are formed at one end and the other end of a plurality of memory cells MC connected in series, that is, a memory cell string.
選択トランジスタSTD、STSは、メモリセルMCと同様の工程で形成される。このため、選択トランジスタSTD、STSのゲート構造は、下部ゲート電極12B上にゲート間絶縁膜13を介して上部ゲート電極14Bが積層された構造を有している。下部ゲート電極12Bは浮遊ゲート電極12Aと同じ構造を有し、上部ゲート電極14Bは制御ゲート電極14Aと同じ構造を有している。
The selection transistors STD and STS are formed in the same process as the memory cell MC. Therefore, the gate structure of the select transistors STD and STS has a structure in which the upper gate electrode 14B is stacked on the lower gate electrode 12B via the
但し、選択トランジスタSTD、STSにおいて、ゲート間絶縁膜13は開口部を有する。下部ゲート電極12Bと上部ゲート電極14Bは、開口部を介して電気的に接続されている。
However, in the select transistors STD and STS, the inter-gate insulating
選択トランジスタSTDのメモリセル側には拡散層16Bが形成され、反対側には拡散層16Dが形成されている。選択トランジスタSTSのメモリセル側には拡散層16Bが形成され、反対側には拡散層16Sが形成されている。
A diffusion layer 16B is formed on the memory cell side of the selection transistor STD, and a
拡散層16B、16D、16Sは、選択トランジスタSTD、STSのソース/ドレイン領域として機能する。選択トランジスタSTD、STSは、拡散層16Bを隣接するメモリセルMCと共有している。これにより、複数のメモリセルMCと選択トランジスタSTD、STSとが素子領域AAで直列接続され、NANDセルユニットが構成される。 The diffusion layers 16B, 16D, and 16S function as source / drain regions of the selection transistors STD and STS. The selection transistors STD and STS share the diffusion layer 16B with the adjacent memory cell MC. As a result, the plurality of memory cells MC and the select transistors STD and STS are connected in series in the element region AA, thereby forming a NAND cell unit.
NANDセルユニットのドレイン側に選択トランジスタSTDが配置されている。選択トランジスタSTDの拡散層16Dは、層間絶縁膜17内に形成されたビット線コンタクトBCに接続されている。ビット線コンタクトBCは、層間絶縁膜18内に配置されたメタル配線M0及びビアコンタクトVCを介して、ビット線BLに接続される。
A selection transistor STD is arranged on the drain side of the NAND cell unit. The
NANDセルユニットのソース側に選択トランジスタSTSが配置されている。選択トランジスタSTSの拡散層16Sは、層間絶縁膜17内に形成されたソース線コンタクトSCを介して、ソース線SLに接続されている。
A selection transistor STS is arranged on the source side of the NAND cell unit. The
第1実施形態では、浮遊ゲート電極12Aの上面上に、ボトム・シリコン窒化膜13A、ボトム・シリコン酸化膜13B、絶縁膜(例えば、センター・シリコン窒化膜)13C、及びトップ・シリコン酸化膜13Dの順序で積層されたゲート間絶縁膜13Tが形成され、浮遊ゲート電極12Aの側面上に、ボトム・シリコン窒化膜13A、ボトム・シリコン酸化膜13B、絶縁膜13C、トップ・シリコン酸化膜13D、及びトップ・シリコン窒化膜13Eの順序で積層されたゲート間絶縁膜13Sが形成されている。浮遊ゲート電極12Aの上面上のトップ・シリコン酸化膜13Dは、浮遊ゲート電極12Aの側面上のトップ・シリコン酸化膜13Dより膜厚が厚くなっている。これにより、第1実施形態のメモリセルでは、ゲート間絶縁膜におけるリーク電流を低減でき、必要な閾値まで書き込めない書き込み飽和状態を改善することができる。
In the first embodiment, a bottom
リーク電流を低減でき、書き込み飽和状態を改善できるのは以下の理由による。例えば、制御ゲート電極と接するゲート間絶縁膜がシリコン窒化膜である場合、シリコン窒化膜はシリコン酸化膜に比べてホールに対するバリア高さが低いため、制御ゲート電極からセンター・シリコン窒化膜へのホール注入が起こりやすい。図4Aにゲート間絶縁膜がNONON膜である場合のエネルギーバンド図を示す。図4Aから解るように、NONON膜はホールに対するバリア高さが低いため、制御ゲート電極からセンター・シリコン窒化膜へのホール注入量が多く、センター・シリコン窒化膜にトラップされている電子とホールが再結合を起こし、センター・シリコン窒化膜のトラップ電子が少なくなり、ゲート間絶縁膜におけるリーク電流が流れやすくなる。 The reason why the leakage current can be reduced and the write saturation state can be improved is as follows. For example, if the inter-gate insulating film in contact with the control gate electrode is a silicon nitride film, the silicon nitride film has a lower barrier height against holes compared to the silicon oxide film, so that the hole from the control gate electrode to the center silicon nitride film Injection is likely to occur. FIG. 4A shows an energy band diagram when the inter-gate insulating film is a NONON film. As can be seen from FIG. 4A, since the NONON film has a low barrier height against holes, the amount of holes injected from the control gate electrode to the center silicon nitride film is large, and the electrons and holes trapped in the center silicon nitride film are small. Recombination occurs, trap electrons in the center silicon nitride film are reduced, and leakage current in the inter-gate insulating film easily flows.
一方、本実施形態のように、制御ゲート電極14Aと接するゲート間絶縁膜がシリコン窒化膜でなく、トップ・シリコン酸化膜13Dである場合、ホールに対するバリア高さが高くなり、制御ゲート電極14Aからのホール注入が少なくなる。図4Bにゲート間絶縁膜がNONO膜である場合のエネルギーバンド図を示す。図4Bから解るように、この場合、ホールの注入が少なく、絶縁膜13Cのトラップ電子とホールの再結合も少ない。このため、NONO膜はNONON膜に比べ、絶縁膜13Cのトラップ電子量が多くなるため、ゲート間絶縁膜におけるリーク電流を減らすことができる。
On the other hand, when the inter-gate insulating film in contact with the
ここで、電界の集中によって大きなリーク電流が発生するのは浮遊ゲート電極12Aの上面近傍である。そこで、浮遊ゲート電極12Aの上面上にシリコン窒化膜ではなく、トップ・シリコン酸化膜13Dを用い、トップ・シリコン酸化膜13Dの膜厚を厚くすることにより、ゲート間絶縁膜13Tにおけるリーク電流を大幅に減らすことができる。
Here, a large leak current is generated near the upper surface of the floating
また、第1実施形態では、浮遊ゲート電極12Aの側面上に、ボトム・シリコン窒化膜13A、ボトム・シリコン酸化膜13B、絶縁膜(例えば、センター・シリコン窒化膜)13C、トップ・シリコン酸化膜13D、及びトップ・シリコン窒化膜13Eの順序で積層されたゲート間絶縁膜(NONON膜)を形成することにより、書き込みと消去を繰り返したときに生じる、メモリセルが持つ多値の各々の閾値分布が広がる現象を抑制することができる。
In the first embodiment, the bottom
メモリセルの閾値分布が広がる現象を抑制することができるのは以下の理由による。例えば、浮遊ゲート電極12Aの側面上の制御ゲート電極14Aと接するゲート間絶縁膜がシリコン酸化膜である場合、絶縁膜13Cにトラップされた電子が制御ゲート電極14A側へ抜けにくくなる。このため、メモリセルが持つ多値の各々の閾値分布が広がる現象を抑制するのが困難になる。
The phenomenon that the threshold distribution of the memory cell is widened can be suppressed for the following reason. For example, when the inter-gate insulating film in contact with the
一方、本実施形態のように、浮遊ゲート電極12Aの側面上の制御ゲート電極14Aと接するゲート間絶縁膜13Sがトップ・シリコン窒化膜13Eである場合、絶縁膜13Cにトラップされた電子がトップ・シリコン窒化膜13Eを介して制御ゲート電極14A側へ抜けやすくなる。このため、多値の各々の閾値分布が広がる現象を抑制することができる。
On the other hand, when the intergate insulating film 13S in contact with the
また、第1実施形態では、ゲート間絶縁膜におけるリーク電流が低減できるため、ゲート間絶縁膜の膜厚を薄膜化することができる。ゲート間絶縁膜の膜厚を薄膜化できることで、以下のような利点がある。 In the first embodiment, since the leakage current in the intergate insulating film can be reduced, the thickness of the intergate insulating film can be reduced. The ability to reduce the thickness of the inter-gate insulating film has the following advantages.
まず、ゲート間絶縁膜の膜厚を薄くできるため、浮遊ゲート電極12Aと制御ゲート電極14A間のカップリング比を大きくすることができる。また、制御ゲート電極14Aを埋め込む浮遊ゲート電極12A間の距離を大きくできるため、浮遊ゲート電極12A間に制御ゲート電極14Aを埋め込み易くなる。また、制御ゲート電極14Aを埋め込む浮遊ゲート電極12A間の距離を大きくできるため、制御ゲート電極14Aの体積を大きくでき、制御ゲート電極14Aの空乏化を抑制できる。また、ゲート間絶縁膜の膜厚を薄くできるため、浮遊ゲート電極12Aと制御ゲート電極14A間のカップリング比を維持したままで浮遊ゲート電極12Aを薄くすることが可能になる。
First, since the thickness of the inter-gate insulating film can be reduced, the coupling ratio between the floating
以上説明したように本実施形態によれば、浮遊ゲート電極の上面上において制御ゲート電極と接するゲート間絶縁膜をシリコン酸化膜とし、その膜厚を浮遊ゲート電極の側面上のシリコン酸化膜より厚くすることにより、ゲート間絶縁膜におけるリーク電流を低減することができる。 As described above, according to the present embodiment, the inter-gate insulating film in contact with the control gate electrode on the upper surface of the floating gate electrode is a silicon oxide film, and the film thickness is thicker than the silicon oxide film on the side surface of the floating gate electrode. By doing so, leakage current in the inter-gate insulating film can be reduced.
また、浮遊ゲート電極と制御ゲート電極との間に配置されるゲート間絶縁膜として、浮遊ゲート電極の上面上にNONO膜を配置し、浮遊ゲート電極の側面上にNONON膜を配置することにより、メモリセルの閾値分布を悪化させることなく、ゲート間絶縁膜におけるリーク電流を低減することができる。 Further, as an inter-gate insulating film disposed between the floating gate electrode and the control gate electrode, a NONO film is disposed on the upper surface of the floating gate electrode, and a NONON film is disposed on the side surface of the floating gate electrode, Leakage current in the inter-gate insulating film can be reduced without deteriorating the threshold distribution of the memory cell.
[2]メモリセルアレイの製造方法
次に、第1実施形態のNAND型フラッシュメモリの製造方法について説明する。図5〜図9は、第1実施形態のNAND型フラッシュメモリにおけるメモリセルアレイの製造方法を示す断面図である。
[2] Manufacturing Method of Memory Cell Array Next, a manufacturing method of the NAND flash memory according to the first embodiment will be described. 5 to 9 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a memory cell array in the NAND flash memory according to the first embodiment.
半導体基板上にゲート絶縁膜、浮遊ゲート電極を形成した後、絶縁膜(素子分離領域)を素子領域AA間及び浮遊ゲート電極間に埋め込む。ゲート絶縁膜及び素子分離領域は、例えばシリコン酸化膜から形成され、浮遊ゲート電極は、例えばポリシリコン膜から形成されている。 After forming a gate insulating film and a floating gate electrode on the semiconductor substrate, an insulating film (element isolation region) is embedded between the element regions AA and between the floating gate electrodes. The gate insulating film and the element isolation region are formed from, for example, a silicon oxide film, and the floating gate electrode is formed from, for example, a polysilicon film.
前述した構造において、まず、図5に示すように、エッチバックにより素子分離領域15をエッチングして、素子分離領域15を後退させる。これにより、浮遊ゲート電極12Aの上面及び側面を露出させる。
In the structure described above, first, as shown in FIG. 5, the
続いて、浮遊ゲート電極12Aの上面及び側面、および素子分離領域15の表面を窒化して、図6に示すように、浮遊ゲート電極12Aの上面及び側面、および素子分離領域15の上面にシリコン窒化膜13Aを形成する。
Subsequently, the upper surface and side surfaces of the floating
次に、図7に示すように、シリコン窒化膜13A上に順に、シリコン酸化膜13B、シリコン窒化膜13C、シリコン酸化膜13Dを形成する。さらに、図8に示すように、シリコン酸化膜13Dの表面を窒化して、シリコン酸化膜13D上にシリコン窒化膜13Eを形成する。
Next, as shown in FIG. 7, a
次に、浮遊ゲート電極12Aの上面上のシリコン窒化膜13Eに対して異方性酸化を行い、図9に示すように、浮遊ゲート電極12Aの上面上のシリコン窒化膜13Eを酸化してシリコン酸化膜に換える。これにより、浮遊ゲート電極12Aの上面上のシリコン窒化膜13C上に配置されたシリコン酸化膜13Dは、浮遊ゲート電極12Aの側面上のシリコン窒化膜13C上のシリコン酸化膜13Dより膜厚が厚くなる。異方性酸化は、例えばプラズマ酸化や、酸素(O)のイオン注入によって、浮遊ゲート電極12Aの上面上のみ酸化し、側面上は酸化させないものである。
Next, anisotropic oxidation is performed on the
その後、図9に示した構造上に、すなわち浮遊ゲート電極12Aの上面上のシリコン酸化膜13D上、および浮遊ゲート電極12Aの側面上及び素子分離領域15上のシリコン窒化膜13E上に、図3に示すように、制御ゲート電極14Aを形成する。以上により、第1実施形態のNAND型フラッシュメモリが製造される。
Thereafter, on the structure shown in FIG. 9, that is, on the
前述したように本実施形態の製造方法では、以下のような工程が用いられる。図8に示したように、浮遊ゲート電極12Aの上面上及び側面上にNONON膜を形成する。その後、異方性酸化によって、浮遊ゲート電極12Aの上面上の最も上にあるシリコン窒化膜13Eを酸化させてシリコン酸化膜に換える。これにより、浮遊ゲート電極12Aの上面上の最も上にあるシリコン酸化膜の膜厚を、浮遊ゲート電極の側面上の最も上にあるシリコン酸化膜の膜厚よりも厚くすることができる。
As described above, in the manufacturing method of the present embodiment, the following steps are used. As shown in FIG. 8, a NONON film is formed on the top and side surfaces of the floating
[第2実施形態]
第2実施形態では、浮遊ゲート電極と制御ゲート電極との間に3層構造(ONO膜)のゲート間絶縁膜を形成した例を説明する。
[Second Embodiment]
In the second embodiment, an example in which an inter-gate insulating film having a three-layer structure (ONO film) is formed between a floating gate electrode and a control gate electrode will be described.
[1]メモリセルアレイの構成
図10は、第2実施形態のNAND型フラッシュメモリにおけるメモリセルアレイの構成を示す断面図である。
[1] Configuration of Memory Cell Array FIG. 10 is a cross-sectional view showing the configuration of the memory cell array in the NAND flash memory according to the second embodiment.
半導体基板10の表面領域には、素子分離領域15と、素子分離領域15にて分離された素子領域AAが配置されている。半導体基板(素子領域AA)10上には、ゲート絶縁膜(トンネル絶縁膜)11A、浮遊ゲート電極12A、ゲート間絶縁膜13F、及び制御ゲート電極14Aの順序で積層されたメモリセルMCが配置されている。
In the surface region of the
浮遊ゲート電極12Aの上面上及び側面上、および素子分離領域15上には、ゲート間絶縁膜13Fが形成されている。
An inter-gate insulating film 13F is formed on the top and side surfaces of the floating
ゲート間絶縁膜13Fは、浮遊ゲート電極12A及び素子分離領域15側から、ボトム・シリコン酸化膜13B、絶縁膜(例えば、センター・シリコン窒化膜)13C、及びトップ・シリコン酸化膜13Dの順序で積層された積層膜(いわゆる、ONO膜)を有する。浮遊ゲート電極12Aの上面上のシリコン酸化膜13Dは、浮遊ゲート電極12Aの側面上及び素子分離領域15上のシリコン酸化膜13Dより膜厚が厚くなっている。その他の構成は第1実施形態と同様である。
The intergate insulating film 13F is laminated in the order of the bottom
第2実施形態では、浮遊ゲート電極12Aの上面上及び側面上に、ボトム・シリコン酸化膜13B、センター・シリコン窒化膜13C、及びトップ・シリコン酸化膜13Dの順序で積層されたゲート間絶縁膜13Fが形成され、浮遊ゲート電極12Aの上面上のトップ・シリコン酸化膜13Dは、浮遊ゲート電極12Aの側面上のトップ・シリコン酸化膜13Dより膜厚が厚くなっている。これにより、第2実施形態のメモリセルでは、ゲート間絶縁膜13Fにおけるリーク電流を低減でき、必要な閾値まで書き込めない書き込み飽和状態を改善することができる。
In the second embodiment, the inter-gate insulating film 13F is formed by laminating the bottom
以上説明したように本実施形態によれば、浮遊ゲート電極の上面上において制御ゲート電極と接するゲート間絶縁膜をシリコン酸化膜とし、その膜厚を浮遊ゲート電極の側面上のシリコン酸化膜より厚くすることにより、ゲート間絶縁膜におけるリーク電流を低減することができる。 As described above, according to the present embodiment, the inter-gate insulating film in contact with the control gate electrode on the upper surface of the floating gate electrode is a silicon oxide film, and the film thickness is thicker than the silicon oxide film on the side surface of the floating gate electrode. By doing so, leakage current in the inter-gate insulating film can be reduced.
[2]メモリセルアレイの製造方法
次に、第2実施形態のNAND型フラッシュメモリの製造方法について説明する。図11〜図13は、第2実施形態のNAND型フラッシュメモリにおけるメモリセルアレイの製造方法を示す断面図である。
[2] Manufacturing Method of Memory Cell Array Next, a manufacturing method of the NAND flash memory according to the second embodiment will be described. 11 to 13 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a memory cell array in the NAND flash memory according to the second embodiment.
第1実施形態と同様に、まず、図11に示すように、エッチバックにより素子分離領域15をエッチングして、素子分離領域15を後退させる。これにより、浮遊ゲート電極12Aの上面及び側面を露出させる。
Similar to the first embodiment, first, as shown in FIG. 11, the
続いて、図12に示すように、浮遊ゲート電極12Aの上面上及び側面上、および素子分離領域15上に順に、シリコン酸化膜13B、シリコン窒化膜13C、シリコン酸化膜13Dを形成する。
Subsequently, as shown in FIG. 12, a
次に、浮遊ゲート電極12Aの上面上のシリコン酸化膜13Dに対して異方性酸化を行い、浮遊ゲート電極12Aの上面上のシリコン酸化膜13Dの膜厚を厚くする。これにより、浮遊ゲート電極12Aの上面上のシリコン窒化膜13C上に配置されたシリコン酸化膜13Dは、浮遊ゲート電極12Aの側面上のシリコン窒化膜13C上のシリコン酸化膜13Dより膜厚が厚くなる。その他の工程は第1実施形態と同様である。
Next, anisotropic oxidation is performed on the
前述したように実施形態の製造方法では、以下のような工程が用いられる。図12に示したように、浮遊ゲート電極12Aの上面上及び側面上にONO膜を形成する。その後、異方性酸化によって、浮遊ゲート電極12Aの上面上の最も上にあるシリコン酸化膜13Dの膜厚を厚くする。これにより、浮遊ゲート電極12Aの上面上の最も上にあるシリコン酸化膜の膜厚を、浮遊ゲート電極の側面上の最も上にあるシリコン酸化膜の膜厚よりも厚くすることができる。
As described above, in the manufacturing method of the embodiment, the following steps are used. As shown in FIG. 12, an ONO film is formed on the upper surface and side surfaces of the floating
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、11A,11B…ゲート絶縁膜、12A…浮遊ゲート電極、12B…下部ゲート電極、13F,13S,13T…ゲート間絶縁膜、13A…ボトム・シリコン窒化膜、13B…ボトム・シリコン酸化膜、13C…絶縁膜、13D…トップ・シリコン酸化膜、13E…トップ・シリコン窒化膜、14A…制御ゲート電極、14B…上部ゲート電極、15…素子分離領域、17,18…層間絶縁膜、AA…素子領域(アクティブエリア)、BC…ビット線コンタクト、BL…ビット線、MC…メモリセル、SGL1,SGL2…選択ゲート線、STD,STS…選択トランジスタ、VC…ビアコンタクト、WL,WL1〜WLn…ワード線。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記ゲート絶縁膜上に形成された浮遊ゲート電極と、
前記浮遊ゲート電極の上面上及び側面上に形成された第1シリコン酸化膜と、
前記第1シリコン酸化膜上に形成され、シリコン酸化膜より誘電率が高い絶縁膜と、
前記絶縁膜上に形成され、前記浮遊ゲート電極の上面上の膜厚が前記浮遊ゲート電極の側面上の膜厚より厚い第2シリコン酸化膜と、
前記第2シリコン酸化膜上に形成された制御ゲート電極と、
を具備することを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 A gate insulating film formed on a semiconductor substrate;
A floating gate electrode formed on the gate insulating film;
A first silicon oxide film formed on an upper surface and a side surface of the floating gate electrode;
An insulating film formed on the first silicon oxide film and having a dielectric constant higher than that of the silicon oxide film;
A second silicon oxide film formed on the insulating film, the film thickness on the upper surface of the floating gate electrode being thicker than the film thickness on the side surface of the floating gate electrode;
A control gate electrode formed on the second silicon oxide film;
A non-volatile semiconductor memory device comprising:
Priority Applications (2)
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JP2011286515A JP2013135189A (en) | 2011-12-27 | 2011-12-27 | Nonvolatile semiconductor memory device |
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JP2015032785A (en) * | 2013-08-06 | 2015-02-16 | 株式会社東芝 | Nonvolatile semiconductor memory device |
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- 2011-12-27 JP JP2011286515A patent/JP2013135189A/en active Pending
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