JP2013168673A - Nand-type nonvolatile semiconductor memory device, and method of manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high performance MONOS-type NAND-type nonvolatile semiconductor memory device using an aluminum oxide film as a block insulating film, and to provide a method of manufacturing the same.SOLUTION: A NAND-type nonvolatile semiconductor memory device comprises on a semiconductor substrate: a plurality of memory cell transistors connected to each other in series; and a select transistor. The memory cell transistor comprises: a first insulating film 102a on the semiconductor substrate; a charge storage layer 104; a second insulating film 106a made of aluminum oxide; a first control gate electrode 108a; and a first source/drain region. The select transistor comprises: a third insulating film 102b on the semiconductor substrate; a fourth insulating film 106b made of aluminum oxide and containing a pentavalent cationic element; a second control electrode 108b; and a second source/drain region.

Description

本発明は、MONOS型のメモリセルを有するNAND型不揮発性半導体メモリ装置およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a NAND-type nonvolatile semiconductor memory device having a MONOS-type memory cell and a method for manufacturing the same.

フラッシュメモリでは、メモリ容量の大容量化に伴い、メモリセルサイズの微細化が進行している。そのため、極微細セルでは、電荷蓄積層をフローティングゲート型から電荷トラップ機能を有する絶縁膜に変更したMONOS(Metal−Oxide−Nitride−Oxide−Semiconductor)型メモリが注目されている。   In flash memories, miniaturization of memory cell sizes is progressing with an increase in memory capacity. For this reason, attention has been paid to a MONOS (Metal-Oxide-Nitride-Oxide-Semiconductor) type memory in which the charge storage layer is changed from a floating gate type to an insulating film having a charge trap function.

MONOS型メモリは、電荷を選択的に通過させるトンネル絶縁膜、電荷蓄積層および前記電荷蓄積層と制御ゲート電極間の電流を阻止するブロック絶縁膜が順次積層された構造を有している。そして、素子の簡略化、微細化が可能であることから、次世代メモリとして更なる微細化への検討が進められている。   The MONOS type memory has a structure in which a tunnel insulating film that selectively passes charges, a charge storage layer, and a block insulating film that blocks current between the charge storage layer and the control gate electrode are sequentially stacked. Since the element can be simplified and miniaturized, studies for further miniaturization as a next-generation memory are underway.

現在、MONOS型メモリを用いた極微細セル実現に向けた検討として、これまでブロック絶縁膜として用いてきたシリコン酸化膜に変わって、更に誘電率の高い材料(High−k材料)を導入する試みが検討されている。特に、アルミニウム酸化物膜はシリコン酸化膜に比べて誘電率が高く、かつ電荷保持特性において良好な性能を示すことから、次世代ブロック絶縁膜として実用化に向けた検討が行われている(例えば、非特許文献1)。
J−S.Lee, et al.,SSDM(2005)200.
At present, as a study for realizing ultra-fine cells using MONOS type memory, an attempt to introduce a higher dielectric constant material (High-k material) instead of the silicon oxide film that has been used as a block insulating film until now. Is being considered. In particular, an aluminum oxide film has a higher dielectric constant than a silicon oxide film and exhibits good performance in charge retention characteristics. Therefore, studies are underway for practical application as a next-generation block insulating film (for example, Non-Patent Document 1).
JS. Lee, et al. , SSDM (2005) 200.

本発明は、上記事情を考慮してなされたものであり、その目的とするところは、アルミニウム酸化物膜をブロック絶縁膜とする高性能なMONOS型のNAND型不揮発性半導体メモリ装置およびその製造方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a high-performance MONOS-type NAND nonvolatile semiconductor memory device using an aluminum oxide film as a block insulating film and a method for manufacturing the same. Is to provide.

本発明の一態様のNAND型不揮発性半導体メモリ装置は、半導体基板に、直列接続された複数のメモリセルトランジスタと、直列接続された前記複数のメモリセルトランジスタの端部に設けられる選択トランジスタを備え、前記メモリセルトランジスタは、前記半導体基板上の第1の絶縁膜と、前記第1の絶縁膜上の電荷蓄積層と、前記電荷蓄積層上の、アルミニウム酸化物である第2の絶縁膜と、前記第2の絶縁膜上の第1の制御ゲート電極と、前記第1の制御ゲート電極の両側の前記半導体基板中に形成される第1のソース/ドレイン領域を備え、前記選択トランジスタは、前記半導体基板上の第3の絶縁膜と、前記第3の絶縁膜上の、アルミニウム酸化物であり、5価カチオン元素を含有する第4の絶縁膜と、前記第4の絶縁膜上の第2の制御ゲート電極と、前記第2の制御ゲート電極の両側の前記半導体基板中に形成される第2のソース/ドレイン領域を備えることを特徴とすることを特徴とする。   A NAND nonvolatile semiconductor memory device of one embodiment of the present invention includes a plurality of memory cell transistors connected in series on a semiconductor substrate and a selection transistor provided at an end of the plurality of memory cell transistors connected in series. The memory cell transistor includes a first insulating film on the semiconductor substrate, a charge storage layer on the first insulating film, and a second insulating film made of aluminum oxide on the charge storage layer. A first control gate electrode on the second insulating film, and a first source / drain region formed in the semiconductor substrate on both sides of the first control gate electrode, and the selection transistor includes: A third insulating film on the semiconductor substrate; a fourth insulating film which is aluminum oxide and contains a pentavalent cation element; and a fourth insulating film on the third insulating film. And second control gate electrodes, characterized by further comprising a second source / drain regions formed in the semiconductor substrate on both sides of the second control gate electrode.

本発明によれば、アルミニウム酸化物膜をブロック絶縁膜とする高性能なMONOS型のNAND型不揮発性半導体メモリ装置およびその製造方法を提供することが可能となる。   According to the present invention, it is possible to provide a high-performance MONOS-type NAND nonvolatile semiconductor memory device using an aluminum oxide film as a block insulating film and a method for manufacturing the same.

NAND型不揮発性半導体メモリ装置では、メモリセルトランジスタ領域と、所望のメモリセルジスタを選択する選択トランジスタが配置される選択トランジスタ領域が設けられる。そして、作製工程数およびコスト削減のために、メモリセルトランジスタと選択トランジスタの構造をできるだけ共通化させる製造方法がとられている。直列に接続されるメモリセルトランジスタ列と選択トランジスタとの間隔は、集積度と誤書き込み等の電気的特性との兼ね合いで決められる。通常は、メモリセルトランジスタの制御ゲート電極部分と同間隔の、素子としては機能しないゲートダミーパターンを1個ないし数個介在させている。   In the NAND type nonvolatile semiconductor memory device, a memory cell transistor region and a selection transistor region in which a selection transistor for selecting a desired memory cell transistor is arranged are provided. In order to reduce the number of manufacturing steps and cost, a manufacturing method is adopted in which the structures of the memory cell transistor and the selection transistor are made as common as possible. The interval between the memory cell transistor rows connected in series and the selection transistor is determined in consideration of the degree of integration and electrical characteristics such as erroneous writing. Usually, one or several gate dummy patterns that do not function as an element are interposed at the same interval as the control gate electrode portion of the memory cell transistor.

MONOS型メモリのブロック絶縁膜にアルミニウム酸化物膜(以下、アルミニウム酸化物膜を代表して、Al膜という表記も用いる)を用いる場合、選択トランジスタ領域にはその特性上、必ずしもアルミニウム酸化物膜は必須ではない。しかし、選択除去工程の増加、合わせズレによる特性ばらつき、および最大の懸念点であるアルミニウム酸化物膜のドライエッチング加工の困難さに起因するアルミニウム酸化物膜下のゲートSiOの電気的特性劣化、等を避けなければならない。このため、選択トランジスタ領域はメモリトランジスタ領域と同じ、電極/Al/SiN/SiO構造(MANOS)あるいはSiNを除去した電極/Al/SiO構造(MAOS)となる。 When an aluminum oxide film (hereinafter also referred to as an Al 2 O 3 film is also used as a representative of the aluminum oxide film) is used as the block insulating film of the MONOS memory, the aluminum oxide film is not necessarily formed in the select transistor region due to its characteristics. A material film is not essential. However, the electrical characteristic deterioration of the gate SiO 2 under the aluminum oxide film due to the increase in the selective removal process, the characteristic variation due to misalignment, and the difficulty of dry etching of the aluminum oxide film, which is the greatest concern, Etc. must be avoided. Therefore, selection transistor region becomes the memory transistor region the same, an electrode / Al 2 O 3 / SiN / SiO 2 structure (MANOS) electrode / Al 2 to remove SiN or O 3 / SiO 2 structure (MAOS).

前者の場合、電荷蓄積層であるSiNによる電荷トラップは免れず、一方、後者においてもAl/SiO2界面起因の電荷トラップが発生してしまう。いずれの場合もトランジスタの閾値シフトが大きいことから、閾値制御が困難であることが問題となる。したがって、ブロッキング絶縁膜にAl膜を用いた場合においても、選択トランジスタでの電荷トラップによる閾値シフトを低減させることが求められる。 In the former case, charge trapping due to SiN as a charge storage layer is inevitable, while charge trapping due to the Al 2 O 3 / SiO 2 interface also occurs in the latter. In any case, since the threshold shift of the transistor is large, it is a problem that threshold control is difficult. Therefore, even when an Al 2 O 3 film is used as the blocking insulating film, it is required to reduce a threshold shift due to charge trapping in the selection transistor.

本発明の実施の形態を説明する前に、本発明の基本原理について説明する。本発明者らは、NAND型不揮発性半導体メモリ装置の選択トランジスタのゲート絶縁膜としてAl/SiO積層膜を用いた場合に、Al中に4価カチオン元素あるいは5価カチオン元素あるいはNを導入することによって、電荷トラップ量が低減することを見出した。その実験事実を以下に示す。 Before describing the embodiment of the present invention, the basic principle of the present invention will be described. When the Al 2 O 3 / SiO 2 laminated film is used as the gate insulating film of the selection transistor of the NAND type nonvolatile semiconductor memory device, the present inventors have added a tetravalent cation element or a pentavalent cation in Al 2 O 3. It has been found that the amount of charge trapping is reduced by introducing an element or N. The experimental facts are shown below.

Al/SiO積層膜への他元素添加による、電荷トラップ低減の有効性を示す要素実験として、まず、4価元素であるSiによる影響を調査した。最初に、現状のMAOS(Mo電極/Al/SiO/Si)キャパシタのトラップ電荷密度を調べるために、SiO膜厚を固定して、Al膜厚のみを変化させた試料の、電荷トラップ量と膜厚の関係を調査した。この際、600℃および1000℃の熱処理による影響を合わせて評価した。 As an elemental experiment showing the effectiveness of charge trap reduction by adding other elements to the Al 2 O 3 / SiO 2 laminated film, the influence of Si as a tetravalent element was first investigated. First, in order to investigate the trap charge density of the current MAOS (Mo electrode / Al 2 O 3 / SiO 2 / Si) capacitor, the SiO 2 film thickness was fixed and only the Al 2 O 3 film thickness was changed. The relationship between the charge trap amount and the film thickness of the sample was investigated. At this time, the effects of heat treatment at 600 ° C. and 1000 ° C. were evaluated together.

図3は、Alのシリコン酸化膜換算膜厚(Teff_AlO)とストレスとして13MV/cm印加した後におけるVfb変化(ΔVfb)の関係を示すグラフである。Teff_AlOとΔVfbはアニール前後どちらにおいても切片ゼロとなる線形で表される。このことから、Al/SiO/Siの電荷トラップはAl/SiO界面に存在する可能性が高いことが分かる。また、熱処理温度を高くするほどトラップ電荷密度(N)が低減されることが分かった。この一因として、アニールによるAl/SiO反応におけるSiの寄与を考え、AlにあらかじめSiを添加した試料における、トラップ電荷への影響を調査した。 FIG. 3 is a graph showing the relationship between Al 2 O 3 equivalent silicon oxide film thickness (Teff_AlO) and Vfb change (ΔVfb) after applying 13 MV / cm as stress. Teff_AlO and ΔVfb are expressed in a linear form where the intercept is zero both before and after annealing. This indicates that there is a high possibility that the Al 2 O 3 / SiO 2 / Si charge trap exists at the Al 2 O 3 / SiO 2 interface. It was also found that the trap charge density (N) is reduced as the heat treatment temperature is increased. As a cause of this, considering the contribution of Si in the Al 2 O 3 / SiO 2 reaction by annealing, the influence on trap charge in a sample in which Si was previously added to Al 2 O 3 was investigated.

図4は、1000℃の熱処理前後におけるAl中のSi濃度(Si/(Si+Al))とトラップ電荷密度(N)の関係を示すグラフである。熱処理前(as−depo.)の結果を見ると、Si/(Si+Al)=0.03以上のSiを添加させると、トラップ電荷密度が大きく減少することが分かった。この結果から、Al中にあらかじめSiを添加しても、トラップ電荷密度減少に十分効果があることが分かった。また、1000℃の熱処理によって、更にトラップ電荷密度は低減した。これは、高温熱処理によってSiの寄与が増加したためだと考えられる。 FIG. 4 is a graph showing the relationship between the Si concentration (Si / (Si + Al)) and trap charge density (N) in Al 2 O 3 before and after heat treatment at 1000 ° C. Looking at the results before heat treatment (as-depo.), It was found that the trap charge density was greatly reduced when Si / (Si + Al) = 0.03 or more was added. From this result, it was found that even if Si was previously added to Al 2 O 3 , the trap charge density was sufficiently reduced. The trap charge density was further reduced by the heat treatment at 1000 ° C. This is thought to be because the contribution of Si was increased by the high-temperature heat treatment.

以上から、熱処理によってAl中へSiを拡散させること、あるいはAl中にあらかじめSiを添加しておくことによって、MAOS構造で見られたトラップ電荷密度が大きく減少することが分かった。 From the above, it can be seen that the trap charge density seen in the MAOS structure is greatly reduced by diffusing Si into Al 2 O 3 by heat treatment or by adding Si in advance to Al 2 O 3. It was.

以上の実験事実のみからはトラップ電荷密度の減少に寄与した欠陥の構造を同定することは出来ない。そこで発明者らはトラップ電荷密度の減少に寄与した欠陥を決定するため、α−Al単位胞(2Al=10原子が含まれる)の2x2x2倍セル(計16Al=80原子が含まれる)およびα−SiO単位胞(3SiO2=9原子が含まれる)の2x2x2倍セル(計24SiO=72原子が含まれる)を基にしたスーパーセルを用いて第一原理スピン分極非局所近似密度汎関数法(SP−GGA−DFT法:Spin−Polarized Generalized Gradient Approximation Density Functional Theory)計算を遂行した。 From the above experimental fact alone, it is not possible to identify the structure of the defect that contributed to the decrease in trap charge density. Therefore, in order to determine the defects that contributed to the reduction of the trap charge density, the inventors determined a 2 × 2 × 2 cell of α-Al 2 O 3 unit cell (containing 2Al 2 O 3 = 10 atoms) (total 16Al 2 O 3 = initio spun using included) and alpha-SiO 2 unit cell (3SiO2 = 9 2x2x2 times the cell (total 24SiO 2 = supercell based on included) 72 atoms atoms include) 80 atom Polarization non-local approximation density functional method (SP-GGA-DFT method: Spin-Polarized Generalized Gradient Density Functional Theory) was performed.

Al系の計算では、このセルにM(M=Si,Hf)の置換型あるいは格子間型欠陥、およびこれらとAl空孔(VAl)・酸素空孔(V)・格子間酸素(O)・置換窒素(N)・格子間窒素(N)との欠陥対(複合体:complex)を導入し、各欠陥構造とそれらが電荷捕獲・放出した場合の準位を計算した。SiO系の計算では。M(M=Al, Ge, Hf, P, As)の置換型あるいは格子間型欠陥、およびこれらとSi空孔(VSi)・酸素空孔(V)・格子間酸素(O)・置換窒素(N)・格子間窒素(N)との欠陥対(複合体:complex)を導入した。荷電状態を変えた場合には、スーパーセル法に伴う過剰な双極子エネルギー利得分はMakov−Payne−Kantorovichの方法に従って補正した。 In the calculation of the Al 2 O 3 system, this cell has substitutional or interstitial defects of M (M = Si, Hf), and these and Al vacancies (V Al ), oxygen vacancies (V O ), and interstitial spaces. Defect pairs (complex: complex) with oxygen (O i ), substituted nitrogen (N O ), and interstitial nitrogen (N i ) are introduced, and each defect structure and the level when they are trapped and released are shown. Calculated. For SiO 2 based calculations. M (M = Al, Ge, Hf, P, As) substitutional or interstitial defects, and these and Si vacancies (V Si ), oxygen vacancies (V O ), interstitial oxygen (O i ), A defect pair (complex: complex) with substituted nitrogen (N 2 O 3 ) and interstitial nitrogen (N i ) was introduced. When the charge state was changed, the excess dipole energy gain due to the supercell method was corrected according to the method of Makov-Payne-Kantorovich.

図5および図6は、電子エネルギーを横軸に、状態密度を縦軸にとり、Al中での各欠陥の種々の荷電状態のKohn−Sham準位(一電子エネルギー準位)を示した図である。VBはAlの価電子帯、CBはおなじく伝導帯、ΔEv(Si)あるいはΔEv(HfO)はAlの価電子帯とSiあるいはHfOの価電子帯とのオフセット量、バンドギャップ中に現れる準位につけた塗りつぶした矢印は電子占有準位、白抜き矢印は電子非占有準位を示す。 5 and 6 show the Kohn-Sham level (one electron energy level) of various charged states of each defect in Al 2 O 3 with the electron energy on the horizontal axis and the density of states on the vertical axis. It is a figure. VB is the valence band of Al 2 O 3 , CB is the same conduction band, ΔEv (Si) or ΔEv (HfO 2 ) is the offset amount between the valence band of Al 2 O 3 and the valence band of Si or HfO 2 , A solid arrow attached to a level appearing in the band gap indicates an electron occupied level, and a white arrow indicates an electron unoccupied level.

図5にはAlにSiを導入した場合の一電子準位を示す。価電子帯(VB)端近傍がO2p軌道で構成されているのは、今回検討したAlやSiOに限らず酸化物では一般的である。まず、Al/SiO膜のトラップ起源を考えた場合、電子を捕獲し、さらに捕獲した電子を安定化させる(デトラップしない)準位を形成することから、格子間酸素(O)およびAl欠損(VAl)の可能性が考えられる。 FIG. 5 shows a one-electron level when Si is introduced into Al 2 O 3 . The fact that the vicinity of the valence band (VB) edge is constituted by the O2p orbit is not limited to Al 2 O 3 and SiO 2 examined here, but is common in oxides. First, when considering the trap origin of the Al 2 O 3 / SiO 2 film, it forms a level that traps electrons and further stabilizes (does not detrap) the trapped electrons, so interstitial oxygen (O i ) And the possibility of Al deficiency (V Al ).

図7は、理論計算によるO、VAl、およびVの電荷捕獲準位を示す図である。ここで、図5あるいは図6に示したKohn−Sham準位そのものからは、電荷の授受が可能か否かは一目で判断できるが、正確な電荷捕獲・放出準位はわからない。なぜなら、特にAlのようなイオン性物質においては、電荷捕獲・放出に伴い大きなエネルギー利得を伴う格子緩和が起こり、その考慮なしには欠陥準位は求められないからである。 FIG. 7 is a diagram showing charge trap levels of O i , V Al , and V 2 O according to theoretical calculation. Here, from the Kohn-Sham level itself shown in FIG. 5 or 6, it can be determined at a glance whether or not charge can be transferred, but the exact charge trapping / emission level is not known. This is because, particularly in an ionic substance such as Al 2 O 3 , lattice relaxation accompanied by a large energy gain occurs with charge trapping / release, and a defect level cannot be obtained without consideration thereof.

発明者らは電荷捕獲・放出に伴う構造緩和前後の全エネルギーを比較することにより、正確な欠陥準位を決定した。図7の横軸は電子エネルギー(フェルミレベル)、縦軸は欠陥の生成エネルギーである。縦軸の正の値は吸熱反応、負の値は発熱反応を示す。各欠陥に対して水平線とそこから折れ曲がった直線が示してある。水平線部分は電荷中性状態での生成エネルギーであり、これはフェルミレベルに依らないため横軸に平行である。一方、電荷捕獲状態のエネルギーはフェルミレベルに大きく依存し、横軸の値に対して屈曲点をもつ振る舞いとなり、折れ線となる。各欠陥の各電荷状態について、水平線と右下がりの折れ線との差分が電子親和力であり、右上がりの折れ線との差分が正孔親和力に対応する。また、図中“0”と“−2”との間の屈曲点の横軸(フェルミレベル)の値と伝導帯下端(CBM:MはMinimumで下端を表す)との差がアクセプターレベルに相当する。   The inventors determined the exact defect level by comparing the total energy before and after the structure relaxation associated with charge trapping / release. In FIG. 7, the horizontal axis represents electron energy (Fermi level), and the vertical axis represents defect generation energy. A positive value on the vertical axis indicates an endothermic reaction, and a negative value indicates an exothermic reaction. For each defect, a horizontal line and a straight line bent from it are shown. The horizontal line is the generated energy in the charge neutral state, which is parallel to the horizontal axis because it does not depend on the Fermi level. On the other hand, the energy in the charge trapping state greatly depends on the Fermi level, behaves with a bending point with respect to the value on the horizontal axis, and becomes a broken line. For each charge state of each defect, the difference between the horizontal line and the downward-sloping broken line is the electron affinity, and the difference from the upward-sloping broken line corresponds to the hole affinity. In addition, the difference between the value of the horizontal axis (Fermi level) of the inflection point between “0” and “−2” in the figure and the conduction band lower end (CBM: M is the minimum and the lower end) is the acceptor level. Equivalent to.

この図によると、中性のOはgap中にO2pの非占有軌道による電子の非占有準位を形成する。この非占有準位は中性状態では浅い(伝導帯下端に近い)が、電子を捕獲すると大きな格子緩和を起こし、負のU(negative−U)効果によって大幅に安定化する。そのため、電子を捕獲してO 2−になると、深い電子占有準位となり、安定化することが分かっている。また、中性のVAlもVAlに隣接する3つのOのO2pの非占有軌道へ最大3個の電子を受容でき(VAl 3−)、そのレベルはVBMから2eV以内の深いところにあることから、電子をトラップし、かつ電子をデトラップしにくいことが分かる。 According to this figure, neutral O i forms an unoccupied level of electrons due to an unoccupied O2p orbit in gap. This unoccupied level is shallow in the neutral state (close to the lower end of the conduction band), but when the electrons are captured, a large lattice relaxation occurs, and the unoccupied level is greatly stabilized by the negative U (negative-U) effect. Therefore, it is known that when electrons are captured and become O i 2−, they become deep electron occupation levels and stabilize. Also, V Al neutral can also receive up to three electrons to unoccupied orbital of O2p three O adjacent to V Al (V Al 3-), that level is deeper within 2eV from VBM This shows that it is difficult to trap electrons and detrap electrons.

さらにAl/SiO界面では、SiO中の欠陥生成も起こるはずであり、4価のSiと3価のAlの相互置換が置きやすいことも予想される。実際、発明者らの理論計算によるとSiO中のSiサイトをAlが置換した場合(AlSi)においてもまた、SiOの価電子帯端にAlSiに隣接する1つのOのO2pの非占有軌道による電子の非占有準位を形成し、電子トラップによって安定化することが分かっている。ここで、実験結果では、Al/SiOは界面に電荷トラップが存在する可能性が高く、高温アニールによる電荷トラップ減少は、Al/SiOのミキシングによるSiの影響である可能性があることが分かっている。このSiの寄与を第一原理計算結果と合わせて考えてみる。 Furthermore, at the interface of Al 2 O 3 / SiO 2 , defect generation in SiO 2 should also occur, and it is expected that tetravalent Si and trivalent Al are easily replaced with each other. In fact, according to the theoretical calculation by the inventors, even when Al is substituted on the Si site in SiO 2 (Al 2 Si 3 ), the non-O 2p of one O adjacent to Al 2 Si is adjacent to the valence band edge of SiO 2. It has been found that unoccupied levels of electrons are formed by occupied orbitals and stabilized by electron traps. Here, in the experimental results, there is a high possibility that Al 2 O 3 / SiO 2 has a charge trap at the interface, and the decrease in charge trap due to high-temperature annealing is the influence of Si due to the mixing of Al 2 O 3 / SiO 2. I know there is a possibility. Consider the contribution of Si together with the first-principles calculation results.

Al中にSiが添加され、Alサイトが微量にSiで置換され(SiAl)、かつ酸素が適度に供給されて格子間酸素(O)を含む場合、OとAlサイトに置換したSi(SiAl)が1:1の対をなすようにすることができる。ただし、これだけではこの欠陥対あたり電子1個分の非占有準位が残ってしまう。しかし、これに電子がトラップすると、gap中の非占有準位は消滅し、酸素の非結合電子による準位へと安定化し、価電子帯端近傍に現れる。さらにSi量を増加させると、OとSiAlが1:2の対を形成するようになる。この場合はこの欠陥対が形成されただけで、電極からの電荷注入なしにgap中準位が消滅してしまうため、電荷トラップ減少に大きく寄与する。一方で、SiAlはAlのギャップ中にSi3spの占有軌道による余剰電子を形成する。したがって、Al欠損が存在すると、この余剰電子はAl欠損サイト(VAl)にトラップされ、電荷補償欠陥対(VAl−3SiAl)を形成し、エネルギー的に安定化することが分かっている。したがって、どちらの欠陥が形成された場合においてもAl中へのSiによって、電荷トラップは減少することが、理論計算により初めて明らかになった。 When Si is added to Al 2 O 3 , a small amount of Al site is replaced with Si (Si Al ), and oxygen is appropriately supplied to include interstitial oxygen (O i ), the O i and the Al site The substituted Si (Si Al ) can make a 1: 1 pair. However, this alone leaves an unoccupied level for one electron per defect pair. However, when electrons are trapped in this, the unoccupied level in gap disappears, stabilizes to a level due to oxygen non-bonded electrons, and appears near the valence band edge. When the Si amount is further increased, O i and Si Al form a 1: 2 pair. In this case, the gap level disappears without charge injection from the electrode only by forming the defect pair, which greatly contributes to the reduction of charge traps. On the other hand, Si Al forms surplus electrons due to the occupied orbitals of Si3sp in the gap of Al 2 O 3 . Therefore, it is known that when Al deficiency is present, the surplus electrons are trapped at the Al deficient site (V Al ) to form a charge compensation defect pair (V Al -3Si Al ), which is stabilized in terms of energy. Therefore, the theoretical calculation revealed for the first time that charge traps are reduced by Si into Al 2 O 3 in either case of formation of defects.

次に、窒素添加による効果について説明する。図5から、格子間窒素(N)あるいは酸素欠損サイトに置換した窒素(N)のN2p電子はどちらにおいてもO2p電子よりも浅いため、Alギャップ中価電子帯上端のすぐ上あたりに電子占有準位を生じ、さらにNでは空いた準位がその上側に1つ、Nでは詰まった準位が同じあたりにもう1つ形成される。そのため、Al中にAl欠損(VAl)が存在すると、それよりも浅いところに形成されるNあるいはNの余剰電子はVAlに移動し、おのおの2VAl−3N欠陥対あるいはVAl−N欠陥対となり安定化する。ただし、2VAl−3N欠陥対ではN起因の電子非占有準位が余剰に生じるので、3SiAl等との電荷補償が必要となることが分かる。 Next, the effect of adding nitrogen will be described. From Figure 5, N2p because electrons are shallower than O2p electronic In both, Al 2 O 3 gap in value just above the valence band upper end of the interstitial nitrogen (N i) or nitrogen substituted on an oxygen deficiency sites (N O) An electron-occupied level is generated around, and a vacant level is formed on the upper side of N 2 O and another clogged level is formed on the same side in N i . Therefore, when Al deficiency in Al 2 O 3 (V Al) is present it from surplus electrons N O or N i formed shallower also moves V Al, each 2V Al -3N O defect pair or stabilizing becomes V Al -N i defect pair. However, in the 2V Al- 3N O defect pair, excessive electron non-occupied levels due to N 2 O are generated, and it is understood that charge compensation with 3Si Al or the like is necessary.

また、格子間酸素(O)が存在した場合、Oのような格子間アニオンは、格子間アニオンに配位しながら置換型拡散をすると考えると、N+O→O+Nの反応が進行する。さらにNはもう1つのNと出会うことでNという非常に強いN≡Nを形成して安定化し、電子的にも不活性化してしまう。したがって、Al中のNによってもまた電荷トラップは減少することが、理論計算により初めて明らかになった。 Further, when interstitial oxygen (O i ) is present, an interstitial anion such as O i is considered to undergo substitutional diffusion while coordinating to the interstitial anion, and N O + O i → O O + N i The reaction proceeds. Further stabilized by forming a very strong N≡N as N 2 by meeting N i Hamou one N i, resulting in inactivation also electronically. Thus, theoretical calculations show for the first time that charge trapping is also reduced by N in Al 2 O 3 .

また、図6では置換元素としてのSiとHfを比較している。典型元素であるSiに比べて高いエネルギーの5d6sの価電子をもつ遷移金属元素であるHfの場合でも、電子状態をみるとエネルギー的にも、Siと変わらない結果であることが、理論計算により初めて明らかになった。 Further, FIG. 6 compares Si and Hf as substitution elements. Even in the case of Hf, which is a transition metal element having a valence electron of 5d 2 6s 2 having a higher energy than that of Si, which is a typical element, the electronic state shows that the result is the same as Si in terms of energy. It became clear for the first time by theoretical calculation.

また、5価の元素では、Al中のAlサイトを置換した場合、格子間原子になった場合、いずれにおいても、SiやHfに比べて余剰価電子が更に1個増え、Alに比べては2個余剰である。この場合には、O−MAl欠陥対および2VAl−3MAl(M=5価カチオン)欠陥対は電荷を捕獲する必要なく電子的に不活性化されることが、理論計算により初めて明らかになった。 In addition, in the case of pentavalent elements, when the Al site in Al 2 O 3 is replaced, and when interstitial atoms are formed, the surplus valence electrons are further increased by one as compared with Si and Hf. In comparison, there are two surpluses. In this case, the theoretical calculation reveals for the first time that the O i -M Al defect pair and the 2V Al -3M Al (M = pentavalent cation) defect pair are electronically inactivated without the need to trap charges. Became.

以上の結果から、選択ゲートであるAl/SiOのAlギャップ中の電子準位を図8に示し、これに4価あるいは5価カチオン元素を添加した際の濃度によるバンド図の変化を図9(M/(M+Al)<0.03:M=4価カチオン元素の場合。5価カチオン元素の場合は半分の濃度で同等の効果が生じる)および図10((M/(M+Al)≧0.03:M=4価カチオン元素の場合。5価カチオン元素の場合は半分の濃度で同等の効果が生じる)に示す。この結果から、M/(M+Al)≧0.03(M=4価カチオン元素の場合。5価カチオン元素の場合は半分の濃度で同等の効果が生じる)で、より添加による効果が顕著に発現されることが分かる。 Based on the above results, the electron levels in the Al 2 O 3 gap of Al 2 O 3 / SiO 2 as the selection gate are shown in FIG. 8, and a band depending on the concentration when a tetravalent or pentavalent cation element is added thereto. Changes in the figure are shown in FIG. 9 (M / (M + Al) <0.03: M = tetravalent cation element. In the case of pentavalent cation element, an equivalent effect occurs at half the concentration) and FIG. 10 ((M / (M + Al) ≧ 0.03: In the case of M = tetravalent cation element. In the case of pentavalent cation element, an equivalent effect is produced at half the concentration. From this result, M / (M + Al) ≧ 0.03 (In the case of M = tetravalent cation element. In the case of pentavalent cation element, the same effect is produced at half the concentration), and it can be seen that the effect of addition is more remarkably exhibited.

また、Al/SiOのAl中にNを添加した場合の電子準位を図11(0.02≦N/(O+N)≦0.4)に示し、N添加がAlギャップ中の電荷トラップの起源として考えられる格子間酸素およびAl欠損に及ぼす寄与を図12に示す。これら最適な添加濃度は、図5ないし図6で説明したように、Al中の真性欠陥である格子間酸素(O)、Al欠損(VAl)、および酸素欠損(V)によるAlギャップ中の余剰電子あるいは不足電子の数と、添加元素によってもたらされるAlギャップ中の余剰電子あるいは不足電子の数とのバランスによって一義的に決定されているのである。 Further, Al 2 O 3 / illustrates an electronic level of the case of adding N in SiO 2 to Al 2 O 3 in FIG. 11 (0.02 ≦ N / (O + N) ≦ 0.4), N added Al The contribution to interstitial oxygen and Al vacancies, considered as the origin of charge traps in the 2 O 3 gap, is shown in FIG. As described with reference to FIGS. 5 to 6, these optimum addition concentrations are interstitial oxygen (O i ), Al deficiency (V Al ), and oxygen deficiency (V O ), which are intrinsic defects in Al 2 O 3. the number of Al 2 O 3 extra electrons or deficient electrons in the gap by, is what is determined uniquely by the balance between the Al 2 O 3 the number of excess electrons or deficient electrons in the gap caused by the added elements.

以上から、選択ゲートとしてAl/SiO積層膜を用いた場合に、Al中に4価カチオン元素あるいは5価カチオン元素あるいはNを導入することによって、電荷トラップ量が低減することを見出した。 From the above, when an Al 2 O 3 / SiO 2 laminated film is used as the selection gate, the amount of charge traps is reduced by introducing a tetravalent cation element, a pentavalent cation element, or N into Al 2 O 3. I found out.

以下、図面を用いて、発明者らにより見出された上記知見を適用したアルミニウム酸化物膜を用いた本発明の実施の形態について説明する。   Hereinafter, an embodiment of the present invention using an aluminum oxide film to which the above-described knowledge found by the inventors is applied will be described with reference to the drawings.

(第1の実施の形態)
本発明の第1の実施の形態のNAND型不揮発性半導体メモリ装置は、半導体基板に、直列接続された複数のメモリセルトランジスタと、これらの直列接続された複数のメモリセルトランジスタの端部に設けられる選択トランジスタを備えている。そして、このメモリセルトランジスタは、半導体基板上の第1の絶縁膜と、第1の絶縁膜上の電荷蓄積層と、電荷蓄積層上の、主要成分がアルミニウム酸化物である第2の絶縁膜と、第2の絶縁膜上の第1の制御ゲート電極と、第1の制御ゲート電極の両側の半導体基板中に形成される第1のソース/ドレイン領域を備えている。また、選択トランジスタは、半導体基板上の第3の絶縁膜と、第3の絶縁膜上の、主要成分がアルミニウム酸化物であり、4価カチオン元素、5価カチオン元素、N(窒素)のうち少なくとも1種の元素を少量成分として含有する第4の絶縁膜と、第4の絶縁膜上の第2の制御電極と、第2の制御ゲート電極の両側の前記半導体基板中に形成される第2のソース/ドレイン領域を備えることを特徴とする。
(First embodiment)
The NAND-type nonvolatile semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention includes a plurality of memory cell transistors connected in series on a semiconductor substrate, and ends of the plurality of memory cell transistors connected in series. The selection transistor is provided. The memory cell transistor includes a first insulating film on a semiconductor substrate, a charge storage layer on the first insulating film, and a second insulating film whose main component is aluminum oxide on the charge storage layer. And a first control gate electrode on the second insulating film, and a first source / drain region formed in the semiconductor substrate on both sides of the first control gate electrode. The selection transistor includes a third insulating film on the semiconductor substrate and a main component on the third insulating film made of aluminum oxide, and includes a tetravalent cation element, a pentavalent cation element, and N (nitrogen). A fourth insulating film containing at least one element as a minor component, a second control electrode on the fourth insulating film, and a second control electrode formed in the semiconductor substrate on both sides of the second control gate electrode. 2 source / drain regions.

なお、ここで、第1の絶縁膜は、いわゆるトンネル絶縁膜であり、半導体基板と電荷蓄積層との間に挟まれ電荷を選択的に通過させる機能を有している。また、第2の絶縁膜は、いわゆるブロック絶縁膜であり、電荷蓄積層と第1の制御ゲート電極間の電流を阻止する機能を有している。また、本明細書中、絶縁膜の主要成分がアルミニウム酸化物であるとは、絶縁膜のバンド構造、換言すればバンドギャップ、がアルミニウム酸化物のそれで記述できることを意味する。つまり添加元素は、例えば欠陥準位を形成したり、価電子帯上端を上昇させたり伝導帯下端を下降させる、等によりアルミニウム酸化物のバンド構造を変調させる効果をもつだけである。また、元素が少量成分であるとは、その元素(原子)の絶縁膜中の原子濃度が小さく、アルミニウム酸化物のバンド構造自体を保てない程の変調は加えないことを意味する。   Here, the first insulating film is a so-called tunnel insulating film, and has a function of selectively passing charges between the semiconductor substrate and the charge storage layer. The second insulating film is a so-called block insulating film and has a function of blocking current between the charge storage layer and the first control gate electrode. In this specification, the fact that the main component of the insulating film is aluminum oxide means that the band structure of the insulating film, in other words, the band gap, can be described by that of aluminum oxide. That is, the additive element only has an effect of modulating the band structure of the aluminum oxide, for example, by forming a defect level, raising the upper end of the valence band, or lowering the lower end of the conduction band. In addition, the fact that an element is a minor component means that the atomic concentration of the element (atom) in the insulating film is small and no modulation is applied to the extent that the band structure of the aluminum oxide itself cannot be maintained.

図2は、本実施の形態のNAND型不揮発性メモリ装置のチップレイアウト図である。このNAND型不揮発性メモリ装置10は、周辺回路用トランジスタが配置される周辺回路領域12と、メモリセルを含むコア領域14とを有している。そして、コア領域14は、さらにメモリセルトランジスタが配置されるメモリセルアレイ領域16と、メモリセルアレイ領域16に挟まれ、所望のメモリセルを選択するための選択トランジスタが配置される選択トランジスタ領域18を有している。   FIG. 2 is a chip layout diagram of the NAND-type nonvolatile memory device according to the present embodiment. This NAND-type nonvolatile memory device 10 has a peripheral circuit region 12 in which peripheral circuit transistors are arranged, and a core region 14 including memory cells. The core region 14 further includes a memory cell array region 16 in which memory cell transistors are arranged, and a selection transistor region 18 sandwiched between the memory cell array regions 16 and in which selection transistors for selecting desired memory cells are arranged. doing.

図1は、図2の破線で示されるコア領域14の一部の断面図である。NAND型不揮発性メモリ装置10においては、例えば、n個(nは整数)のメモリセルトランジスタMT11〜MT1nが隣接して配置されている。メモリセルトランジスタMT11〜MT1nのそれぞれは、隣接するメモリセルトランジスタMT11〜MT1nと、ソース領域およびドレイン領域を互いに共有しており、各メモリセルトランジスタMT11〜MT1nが直列に接続されている。図2のメモリセルアレイ領域16には、このように直列接続されるメモリセルトランジスタの列が、平行に多数配列されている。   FIG. 1 is a cross-sectional view of a part of the core region 14 indicated by a broken line in FIG. In the NAND type nonvolatile memory device 10, for example, n (n is an integer) memory cell transistors MT11 to MT1n are arranged adjacent to each other. Each of the memory cell transistors MT11 to MT1n shares a source region and a drain region with the adjacent memory cell transistors MT11 to MT1n, and the memory cell transistors MT11 to MT1n are connected in series. In the memory cell array region 16 of FIG. 2, a large number of columns of memory cell transistors connected in series are arranged in parallel.

図1に示すように、このメモリセルトランジスタは、例えばシリコンである半導体基板100上の、例えばSiO膜である第1の絶縁膜102aと、第1の絶縁膜102a上の、例えばシリコン窒化膜である電荷蓄積層104と、電荷蓄積層104上の、主要成分がアルミニウム酸化物である第2の絶縁膜106aと、第2の絶縁膜106a上の、例えば窒化タンタルとタングステンの積層膜(TaN/W積層膜)である第1の制御ゲート電極108aと、第1の制御ゲート電極108aの両側の半導体基板100中に、例えばAsやP等の不純物が導入されて形成されるソース/ドレイン領域110a、110bを備えている。なお、本実施の形態においては、第2の絶縁膜106aは、4価カチオン元素、5価カチオン元素、N(窒素)のうち少なくとも1種の元素を少量成分として含有する。 As shown in FIG. 1, the memory cell transistor includes, for example, a first insulating film 102a that is, for example, a SiO 2 film on a semiconductor substrate 100 that is silicon, and a silicon nitride film, for example, that is on the first insulating film 102a. A charge storage layer 104, a second insulating film 106a on the charge storage layer 104 whose main component is aluminum oxide, and a stacked film of, for example, tantalum nitride and tungsten (TaN) on the second insulating film 106a. / W stacked film) and source / drain regions formed by introducing impurities such as As and P into the semiconductor substrate 100 on both sides of the first control gate electrode 108a. 110a and 110b. Note that in this embodiment, the second insulating film 106a contains at least one element of a tetravalent cation element, a pentavalent cation element, and N (nitrogen) as a small component.

そして、図1に示すように、直列接続されるメモリセルトランジスタMT11〜MT1nの両端部に、それぞれ隣接して2つの選択トランジスタSTS1とSTD1が配置されている。選択トランジスタSTS1は、半導体基板100上の、例えばSiO膜である第3の絶縁膜102bと、第3の絶縁膜102b上の、主要成分がアルミニウム酸化物であり、4価カチオン元素、5価カチオン元素、N(窒素)のうち少なくとも1種の元素を少量成分として含有する第4の絶縁膜106bと、第4の絶縁膜106b上の、例えば窒化タンタルとタングステンの積層膜である第2の制御ゲート電極108bと、第2の制御ゲート電極108bの両側の半導体基板100中に、例えばAsやP等の不純物が導入されて形成されるソース/ドレイン領域110c、110aを備える。ここで、本実施の形態においては、ドレイン領域110aは隣接するメモリセルトランジスタ(図1中ではMT11)のソース領域110aと共通化されているが、必ずしも、共通化されることは必須ではない。例えば、メモリセルトランジスタMT11と選択トランジスタSTS1の間に、ゲートダミーパターンが設けられる場合には、ソース/ドレイン領域は共通化されることはない。そして、選択ゲートトランジスタSTS1に隣接して、ソース領域110c上にソース線コンタクト22が配置されている。 As shown in FIG. 1, two select transistors STS1 and STD1 are arranged adjacent to both ends of the memory cell transistors MT11 to MT1n connected in series. The select transistor STS1 includes a third insulating film 102b that is, for example, a SiO 2 film on the semiconductor substrate 100, and a main component on the third insulating film 102b that is an aluminum oxide, a tetravalent cation element, and a pentavalent element. A fourth insulating film 106b containing at least one element out of a cation element and N (nitrogen) as a minor component, and a second film that is a stacked film of, for example, tantalum nitride and tungsten on the fourth insulating film 106b. Source / drain regions 110c and 110a formed by introducing impurities such as As and P into the semiconductor substrate 100 on both sides of the control gate electrode 108b and the second control gate electrode 108b are provided. Here, in the present embodiment, the drain region 110a is shared with the source region 110a of the adjacent memory cell transistor (MT11 in FIG. 1), but it is not necessarily required to be shared. For example, when a gate dummy pattern is provided between the memory cell transistor MT11 and the select transistor STS1, the source / drain regions are not shared. A source line contact 22 is disposed on the source region 110c adjacent to the select gate transistor STS1.

一方、選択トランジスタSTD1は、メモリセルトランジスタ配列の他端に位置するメモリセルトランジスタMT1nに隣接して配置されている。選択トランジスタSTD1は、半導体基板100上の、例えばSiO膜である第3の絶縁膜102bと、第3の絶縁膜102b上の、主要成分がアルミニウム酸化物であり、4価カチオン元素、5価カチオン元素、N(窒素)のうち少なくとも1種の元素を少量成分として含有する第4の絶縁膜106bと、第4の絶縁膜106b上の、例えば窒化タンタルとタングステンの積層膜である第2の制御電極108bと、第2の制御ゲート電極108bの両側の半導体基板100中に、例えばAsやP等の不純物が導入されて形成されるソース/ドレイン領域110d、110eを備える。ここで、本実施の形態においては、ソース領域110dは隣接するメモリセルトランジスタ(図1中ではMT1n)のドレイン領域110dと共通化されているが、必ずしも、共通化されることは必須ではないことは、選択トランジスタSTS1と同様である。そして、選択ゲートトランジスタSTD1に隣接して、ドレイン領域110e上にビット線コンタクト24が配置されている。 On the other hand, the select transistor STD1 is disposed adjacent to the memory cell transistor MT1n located at the other end of the memory cell transistor array. The select transistor STD1 includes a third insulating film 102b that is, for example, a SiO 2 film on the semiconductor substrate 100, and a main component on the third insulating film 102b that is an aluminum oxide, a tetravalent cation element, and a pentavalent element. A fourth insulating film 106b containing at least one element out of a cation element and N (nitrogen) as a minor component, and a second film that is a stacked film of, for example, tantalum nitride and tungsten on the fourth insulating film 106b. Source / drain regions 110d and 110e formed by introducing impurities such as As and P into the semiconductor substrate 100 on both sides of the control electrode 108b and the second control gate electrode 108b are provided. Here, in the present embodiment, the source region 110d is shared with the drain region 110d of the adjacent memory cell transistor (MT1n in FIG. 1), but it is not necessarily required to be shared. Is the same as that of the select transistor STS1. A bit line contact 24 is disposed on the drain region 110e adjacent to the select gate transistor STD1.

本実施の形態によれば、選択トランジスタSTS1、STD1のゲート絶縁膜の一部であるアルミニウム酸化物膜の電荷トラップ量を極めて低く抑制することが可能となる。したがって、メモリ動作中に選択トランジスタSTS1、STD1のゲート絶縁膜に電荷がトラップされることでトランジスタの閾値が変動し、メモリが誤動作することを防止することができる。したがって、信頼性の向上したNAND型不揮発性メモリ装置の実現が可能となる。また、本実施の形態によれば、選択トランジスタSTS1、STD1のゲート絶縁膜の一部であるアルミニウム酸化物膜を、トランジスタ特性の変動を懸念して剥離する必要がない。したがって、従来、アルミニウム酸化物膜を剥離するために設けられていた、端部のメモリセルトランジスタと選択トランジスタ間の合わせ余裕を不要とすることができる。したがって、NAND型不揮発性メモリ装置のチップ面積を縮小させることが可能となる。また、アルミニウム酸化物膜の剥離工程で生ずる選択トランジスタのゲート絶縁膜へのダメージも回避できる。   According to the present embodiment, the amount of charge traps in the aluminum oxide film that is a part of the gate insulating film of the select transistors STS1 and STD1 can be suppressed extremely low. Therefore, it is possible to prevent the memory from malfunctioning because the threshold value of the transistor fluctuates due to trapping of charges in the gate insulating films of the selection transistors STS1 and STD1 during the memory operation. Therefore, a NAND type nonvolatile memory device with improved reliability can be realized. Further, according to the present embodiment, it is not necessary to peel off the aluminum oxide film that is a part of the gate insulating film of the selection transistors STS1 and STD1 in view of the variation in transistor characteristics. Therefore, the alignment margin between the memory cell transistor at the end and the select transistor, which has been conventionally provided for peeling the aluminum oxide film, can be made unnecessary. Therefore, it is possible to reduce the chip area of the NAND type nonvolatile memory device. Further, it is possible to avoid damage to the gate insulating film of the selection transistor that occurs in the aluminum oxide film peeling process.

本実施の形態において、例えばシリコン酸化膜で第1の絶縁膜102a(図1)および第3の絶縁膜102bの膜厚は3nmから5nm程度である。また、例えばシリコン窒化膜である電荷蓄積層104の膜厚は1nmから5nm程度である。また、第2の絶縁膜106a、第4の絶縁膜106bである4価あるいは5価元素が添加されたアルミニウム酸化物の膜厚は4nmから15nm程度である。   In the present embodiment, for example, the first insulating film 102a (FIG. 1) and the third insulating film 102b of a silicon oxide film have a thickness of about 3 nm to 5 nm. For example, the film thickness of the charge storage layer 104 which is a silicon nitride film is about 1 nm to 5 nm. The film thickness of the aluminum oxide to which a tetravalent or pentavalent element is added as the second insulating film 106a and the fourth insulating film 106b is about 4 nm to 15 nm.

ここで、4価カチオン元素はSi、Ge、Sn、Hf、Zr、Tiから選ばれる少なくとも1種の元素であり、前記5価カチオン元素はV、Nb、Taから選ばれる少なくとも1種の元素であることが望ましい。   Here, the tetravalent cation element is at least one element selected from Si, Ge, Sn, Hf, Zr, and Ti, and the pentavalent cation element is at least one element selected from V, Nb, and Ta. It is desirable to be.

本実施の形態において、4価カチオン元素、5価カチオン元素、N(窒素)のうちいずれか1種の元素が、第3の絶縁膜102bであるアルミニウム酸化物中に略均一に含有されていることが望ましい。これによって、バルク欠陥(電荷トラップ)低減によるリーク電流減少による低消費電力化と、アルミニウム酸化物膜のアルミニウム酸化物/第3の絶縁膜界面近傍の欠陥(電荷トラップ)低減による閾値変化抑制の両方が達成できるからである。   In this embodiment, any one element of a tetravalent cation element, a pentavalent cation element, and N (nitrogen) is substantially uniformly contained in the aluminum oxide that is the third insulating film 102b. It is desirable. This reduces both power consumption due to leakage current reduction due to reduction of bulk defects (charge traps) and suppression of threshold change due to reduction of defects (charge traps) near the aluminum oxide / third insulating film interface of the aluminum oxide film. This is because it can be achieved.

また、本実施の形態において、4価カチオン元素、5価カチオン元素、N(窒素)の添加元素の合算濃度が、第3の絶縁膜側で最大値をとる分布を有するように濃度分布を調整してもよい。ここで、濃度とは単位体積あたりの原子数をいう。また、第3の絶縁膜側とは、第3の絶縁膜との界面からアルミニウム酸化物膜内にかけて分布する界面欠陥の存在する範囲の領域を意味するものとする。上記の膜厚範囲のアルミニウム酸化物膜を用いた場合には、おおよそ膜厚の10%程度の範囲の領域に相当する。上述のように、アルミニウム酸化物中の電荷トラップとなる欠陥は、アルミニウム酸化物膜と下層の第3の絶縁膜の界面近傍に偏在する。また、バルク欠陥はアルミニウム酸化物膜中に略均一に存在する。したがって、上記添加元素の分布が、第3の絶縁膜側で最大値をとる分布とすることにより、最小の元素添加量で効果的に積層構造全体の欠陥を減らすことが可能である。また、濃度勾配を持たせることで応力緩和と格子不整合の低減も期待できる。   In this embodiment, the concentration distribution is adjusted so that the total concentration of the tetravalent cation element, the pentavalent cation element, and the additive element of N (nitrogen) has a maximum distribution on the third insulating film side. May be. Here, the concentration refers to the number of atoms per unit volume. Further, the third insulating film side means a region in a range where interface defects distributed from the interface with the third insulating film to the aluminum oxide film exist. When an aluminum oxide film having the above film thickness range is used, it corresponds to a region in the range of approximately 10% of the film thickness. As described above, defects that become charge traps in the aluminum oxide are unevenly distributed near the interface between the aluminum oxide film and the lower third insulating film. Moreover, the bulk defect exists substantially uniformly in the aluminum oxide film. Therefore, by setting the distribution of the additive element to have a maximum value on the third insulating film side, it is possible to effectively reduce defects in the entire stacked structure with the minimum element addition amount. In addition, by providing a concentration gradient, stress relaxation and reduction of lattice mismatch can be expected.

4価カチオン元素の第4の絶縁膜であるアルミニウム酸化物を主要成分とする膜中の濃度が0.03≦M/(Al+M)≦0.3(M=4価カチオン元素)、5価カチオン元素の第4の絶縁膜中の濃度が0.015≦M/(Al+M)≦0.15(M=5価カチオン元素)、N(窒素)の第4の絶縁膜中の濃度が0.02≦N/(O+N)≦0.4であることが望ましい。この範囲であれば、より電荷トラップ量の低減が可能であるからである。なお、ここで濃度とは測定箇所における原子数比(モル比)で表されるものとする。   The concentration of tetravalent cation element in the film mainly composed of aluminum oxide as the fourth insulating film is 0.03 ≦ M / (Al + M) ≦ 0.3 (M = tetravalent cation element), pentavalent cation The concentration of the element in the fourth insulating film is 0.015 ≦ M / (Al + M) ≦ 0.15 (M = pentavalent cation element), and the concentration of N (nitrogen) in the fourth insulating film is 0.02. It is desirable that ≦ N / (O + N) ≦ 0.4. This is because the amount of charge traps can be further reduced within this range. In addition, a density | concentration shall be represented by the atomic ratio (molar ratio) in a measurement location here.

また、本実施の形態においては、メモリセルトランジスタのブロック絶縁膜となる第1の絶縁膜102a(図1)および第3の絶縁膜102bとしてシリコン酸化膜を用いる場合を例に説明した。しかし、シリコン酸化膜以外にも、シリコン酸窒化膜あるいはシリコン酸化膜/シリコン窒化膜/シリコン酸化膜で構成される積層膜(ONO膜)を用いてもよい。   In this embodiment, the case where a silicon oxide film is used as the first insulating film 102a (FIG. 1) and the third insulating film 102b which are block insulating films of the memory cell transistor has been described as an example. However, in addition to the silicon oxide film, a silicon oxynitride film or a laminated film (ONO film) composed of silicon oxide film / silicon nitride film / silicon oxide film may be used.

また、本実施の形態においては、メモリトランジスタの電荷蓄積層104(図1)としてシリコン窒化膜を用いる場合を例にあげた。その組成比は化学量論的組成を持つSiでも、膜中トラップ密度を増大させるためにSiリッチの組成を持つシリコン窒化膜でもよい。また、シリコン窒化膜以外に、高誘電率膜を用いることによって、電気的膜厚を薄くすることが可能であることから、電荷蓄積層の材料としてAl,Hf,La,Y,Ce,Ti,Zr,Taから選ばれる少なくとも1つ以上の元素を含む酸化物、窒化物あるいは酸窒化物を広く用いることができるし、それらの膜の積層物も使うことが出来る。 In this embodiment, the case where a silicon nitride film is used as the charge storage layer 104 (FIG. 1) of the memory transistor is taken as an example. The composition ratio may be Si 3 N 4 having a stoichiometric composition or a silicon nitride film having a Si-rich composition in order to increase the trap density in the film. In addition to the silicon nitride film, it is possible to reduce the electrical film thickness by using a high dielectric constant film, so that the charge storage layer can be made of Al, Hf, La, Y, Ce, Ti, Oxides, nitrides, or oxynitrides containing at least one element selected from Zr and Ta can be widely used, and a laminate of these films can also be used.

また、本実施の形態においては、第1および第2の制御ゲート電極の材料として、窒化タンタルとタングステンの積層膜を例にあげた。しかし、窒化タンタル以外にn型多結晶シリコン,p型多結晶シリコンあるいはAu,Pt,Co,Be,Ni,Rh,Pd,Te,Re,Mo,Al,Hf,Ta,Mn,Zn,Zr,In,Bi,Ru,W,Ir,Er,La,Ti,Yのうちから選ばれる一種類以上の元素を含み、それらの単体あるいは珪化物、ホウ化物、窒化物、炭化物などの金属系導電材料を広く用いることができる。特に仕事関数の大きな金属系導電材料は、ブロック絶縁膜から制御ゲート電極へのリーク電流を低減できるため望ましい。また、本実施の形態においては、窒化タンタルと積層する層にタングステンを用いたが、それ以外にニッケルシリサイドやコバルトシリサイドといった低抵抗のフルシリサイドまたは金属系導電材料を広く用いることができる。 Further, in the present embodiment, a laminated film of tantalum nitride and tungsten is taken as an example as a material for the first and second control gate electrodes. However, in addition to tantalum nitride, n + type polycrystalline silicon, p + type polycrystalline silicon, Au, Pt, Co, Be, Ni, Rh, Pd, Te, Re, Mo, Al, Hf, Ta, Mn, Zn, One or more elements selected from Zr, In, Bi, Ru, W, Ir, Er, La, Ti, and Y, and simple substances thereof or metal systems such as silicides, borides, nitrides, carbides, etc. A wide variety of conductive materials can be used. In particular, a metal-based conductive material having a large work function is desirable because a leakage current from the block insulating film to the control gate electrode can be reduced. In this embodiment mode, tungsten is used for a layer stacked with tantalum nitride, but other than that, low resistance full silicide or metal conductive material such as nickel silicide or cobalt silicide can be widely used.

次に、本実施の形態のNAND型不揮発性メモリ装置の製造方法について図13〜図18を参照しつつ説明する。図13〜図18は、本実施の形態の製造方法を示す工程断面図である。ここでは、メモリセルトランジスタのうち、図1のソースコンタクト側端のメモリセルトランジスタMT11と選択トランジスタSTS1の断面を例に説明する。   Next, a method for manufacturing the NAND nonvolatile memory device according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 13 to 18 are process cross-sectional views illustrating the manufacturing method of the present embodiment. Here, the cross section of the memory cell transistor MT11 and the select transistor STS1 at the source contact side end in FIG. 1 will be described as an example of the memory cell transistors.

本実施の形態の製造方法は、半導体基板上に第1の絶縁膜および第3の絶縁膜を形成し、
第1の絶縁膜および第3の絶縁膜上に電荷蓄積層を堆積し、第3の絶縁膜上の電荷蓄積層を除去し、電荷蓄積層上に、主要成分がアルミニウム酸化物である第2の絶縁膜を形成し、
第3の絶縁膜上に、主要成分がアルミニウム酸化物であり、4価カチオン元素、5価カチオン元素、N(窒素)のうち少なくとも1種の元素を少量成分として含有する第4の絶縁膜を形成し、第2の絶縁膜上に第1の制御ゲート電極を形成し、第4の絶縁膜上に第2の制御ゲート電極を形成し、第1の制御ゲート電極の両側の前記半導体基板中に第1のソース/ドレイン領域を形成し、第2の制御ゲート電極の両側の前記半導体基板中に第2のソース/ドレイン領域を形成することを特徴とする。
The manufacturing method of the present embodiment forms a first insulating film and a third insulating film on a semiconductor substrate,
A charge storage layer is deposited on the first insulating film and the third insulating film, the charge storage layer on the third insulating film is removed, and a second component whose main component is aluminum oxide is formed on the charge storage layer. An insulating film of
On the third insulating film, a fourth insulating film containing a major component of aluminum oxide and containing at least one element selected from a tetravalent cation element, a pentavalent cation element, and N (nitrogen) as a minor component. Forming a first control gate electrode on the second insulating film, forming a second control gate electrode on the fourth insulating film, and in the semiconductor substrate on both sides of the first control gate electrode. Forming a first source / drain region and forming a second source / drain region in the semiconductor substrate on both sides of the second control gate electrode.

なお、ここで第1の絶縁膜は、メモリセルトランジスタが形成される領域の半導体基板上に形成される絶縁膜を意味し、最終的にはメモリセルトランジスタのトンネル絶縁膜となる絶縁膜である。また、ここで第3の絶縁膜は、選択トランジスタが形成される領域の半導体基板上に形成される絶縁膜を意味し、最終的には選択トランジスタのゲート絶縁膜となる絶縁膜である。以降、第1の絶縁膜と第3の絶縁膜を同時に形成する製造方法を例に説明するが、第1の絶縁膜と第3の絶縁膜は、必ずしも同時に形成される必要はない。   Here, the first insulating film means an insulating film formed on a semiconductor substrate in a region where a memory cell transistor is formed, and is an insulating film that finally becomes a tunnel insulating film of the memory cell transistor. . Here, the third insulating film means an insulating film formed on the semiconductor substrate in a region where the selection transistor is formed, and is an insulating film that finally becomes a gate insulating film of the selection transistor. Hereinafter, a manufacturing method in which the first insulating film and the third insulating film are simultaneously formed will be described as an example. However, the first insulating film and the third insulating film are not necessarily formed at the same time.

まず、図13に示すように、例えばB等の不純物がドーピングされた(100)面を有するP型のシリコンの半導体基板100上に、例えば熱酸化することにより、厚さ3nm〜5nm程度のシリコン酸化膜からなる第1の絶縁膜102aおよび第2の絶縁膜102bを形成する。このトンネル酸化膜の形成は、熱酸化に限らず、例えば、CVD(Chemical Vapor Deposition)法によってもかまわない。なお、第1の絶縁膜102aおよび第3の絶縁膜102bの形成に先立ち、半導体基板100上に、公知のプロセスにより、シリコン酸化膜が埋め込まれた素子分離領域(図示せず)を形成する。次に、第1の絶縁膜102aおよび第3の絶縁膜102b上に、例えば、厚さ1nm〜5nm程度のシリコン窒化膜からなる電荷蓄積層104をCVD法等により堆積する。   First, as shown in FIG. 13, silicon having a thickness of about 3 nm to 5 nm is formed by, for example, thermal oxidation on a P-type silicon semiconductor substrate 100 having a (100) surface doped with an impurity such as B. A first insulating film 102a and a second insulating film 102b made of an oxide film are formed. The formation of the tunnel oxide film is not limited to thermal oxidation, and may be performed by, for example, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method. Prior to the formation of the first insulating film 102a and the third insulating film 102b, an element isolation region (not shown) in which a silicon oxide film is embedded is formed on the semiconductor substrate 100 by a known process. Next, a charge storage layer 104 made of, for example, a silicon nitride film having a thickness of about 1 nm to 5 nm is deposited on the first insulating film 102a and the third insulating film 102b by a CVD method or the like.

次に、図14に示すように、第3の絶縁膜102b上の電荷蓄積層104を除去する。すなわち、後に選択トランジスタSTS1が形成される領域の絶縁膜上の電荷蓄積層104を選択的に除去する。例えば、第1の絶縁膜102a上をレジストでマスクした後に、ドライエッチングすることで選択的な除去が可能である。   Next, as shown in FIG. 14, the charge storage layer 104 over the third insulating film 102b is removed. That is, the charge storage layer 104 on the insulating film in a region where the selection transistor STS1 is to be formed later is selectively removed. For example, after the first insulating film 102a is masked with a resist, it can be selectively removed by dry etching.

次に、図15に示すように、電荷蓄積層104上に、主要成分がアルミニウム酸化物である第2の絶縁膜106aを形成する。また、第3の絶縁膜102b上に、主要成分がアルミニウム酸化物であり、4価カチオン元素、5価カチオン元素、N(窒素)のうち少なくとも1種の元素を少量成分として含有する第4の絶縁膜106bを形成する。なお、ここでは第2の絶縁膜106aと第4の絶縁膜106bを同時に同一組成の膜として形成する場合を例に示している。   Next, as shown in FIG. 15, a second insulating film 106 a whose main component is aluminum oxide is formed on the charge storage layer 104. In addition, a fourth component on the third insulating film 102b is a main component of aluminum oxide, and contains at least one element selected from a tetravalent cation element, a pentavalent cation element, and N (nitrogen) as a minor component. An insulating film 106b is formed. Note that the case where the second insulating film 106a and the fourth insulating film 106b are simultaneously formed as films having the same composition is described here as an example.

第3および第4の絶縁膜である4価カチオン元素、5価カチオン元素、N(窒素)のうち少なくとも1種の元素を少量成分として含有するアルミニウム酸化物膜は、4価あるいは5価カチオン元素とAlのメタルターゲットあるいはそれらの酸化物ターゲットを用いたスパッタ法で形成する。スパッタガス条件としては、Ar等の希ガス単独でも良いし、酸素あるいは窒素を適切な流量比で混合させた化成スパッタ法を用いても良い。アルミナ酸化物膜内の酸素欠損生成を抑制する観点からは、少なくとも酸素流量が制御されたスパッタ法を用いることが望ましい。   The aluminum oxide film containing at least one element among the tetravalent cation element, the pentavalent cation element, and N (nitrogen) as the third and fourth insulating films as a minor component is a tetravalent or pentavalent cation element. And an Al metal target or an oxide target thereof. As a sputtering gas condition, a rare gas such as Ar alone may be used, or a chemical sputtering method in which oxygen or nitrogen is mixed at an appropriate flow rate ratio may be used. From the viewpoint of suppressing the generation of oxygen vacancies in the alumina oxide film, it is desirable to use a sputtering method in which at least the oxygen flow rate is controlled.

なお、この膜の製造方法はスパッタ法に限らず、CVD法やALD法、蒸着法、レーザーアブレーション法、MBE法またこれらの手法を組み合わせた成膜方法も可能である。また、アルミニウム酸化物膜の一部または全部の膜厚を成膜した後、イオン注入法等により少量成分となる元素を導入しても良い。   Note that the method for manufacturing this film is not limited to the sputtering method, and a CVD method, an ALD method, a vapor deposition method, a laser ablation method, an MBE method, or a film forming method combining these methods is also possible. Further, after forming a part or all of the thickness of the aluminum oxide film, an element which is a minor component may be introduced by an ion implantation method or the like.

また、この膜の形成は、例えば、電荷蓄積層形成後あるいはアルミニウム酸化物膜の一部または全部の膜厚を成膜した後、4価あるいは5価カチオン元素を微量に溶かした溶液でウエハーを流水あるいは浸漬し、溶液中の元素濃度、流水時間あるいは浸漬時間によって、付着量を制御したのち、熱処理によってアルミニウム酸化物膜内に導入することも出来る。   In addition, this film is formed by, for example, forming a wafer with a solution in which a trace amount of tetravalent or pentavalent cation element is dissolved after forming a charge storage layer or forming a part or all of an aluminum oxide film. It is also possible to introduce it into the aluminum oxide film by heat treatment after the amount of adhesion is controlled by flowing water or dipping, the element concentration in the solution, flowing water time or dipping time.

また、メモリトランジスタ領域の電荷蓄積層104、選択トランジスタ領域のゲート絶縁膜である第3の絶縁膜102bを形成する主要元素が4価あるいは5価カチオンから形成される場合、その上にアルミニウム酸化物膜の一部あるいは全部の膜厚を成膜した後、熱処理し、その熱処理温度によって界面反応速度と相互拡散速度を設定し、さらに熱処理時間を制御することにより、4価あるいは5価元素の膜中への拡散量を制御することもできる。例えば電荷蓄積層104がシリコン窒化膜、第3の絶縁膜がシリコン酸化膜で形成される場合、上記の方法によってアルミニウム酸化物中へSiの添加が可能である。   When the main element forming the charge storage layer 104 in the memory transistor region and the third insulating film 102b which is the gate insulating film in the selection transistor region is formed from tetravalent or pentavalent cations, aluminum oxide is formed thereon. A film of a tetravalent or pentavalent element is formed by depositing a part or all of the film thickness, then heat-treating, setting the interfacial reaction rate and interdiffusion rate depending on the heat treatment temperature, and controlling the heat treatment time. It is also possible to control the amount of diffusion into the inside. For example, when the charge storage layer 104 is formed of a silicon nitride film and the third insulating film is formed of a silicon oxide film, Si can be added to the aluminum oxide by the above method.

次に、図16に示すように、第2の絶縁膜106a上および第4の絶縁膜106b上に、TaN/W積層膜108を堆積する。このTaN/W積層膜108は、Ta(N(CH、もしくはTa(N(CHとNHを原料とするCVD法でTaNを形成し、引き続いてW(CO)を原料とするCVD法でWを形成する。なおこの膜の製造方法はここに示した方法に限らず、他の原料ガスを用いてもよい。またCVD法以外の例えばスパッタ法、ALD法、蒸着法、レーザーアブレーション法、MBE法またこれらの手法を組み合わせた成膜方法も採用することが可能である。 Next, as shown in FIG. 16, a TaN / W stacked film 108 is deposited on the second insulating film 106a and the fourth insulating film 106b. This TaN / W laminated film 108 forms TaN by a CVD method using Ta (N (CH 3 ) 2 ) 5 or Ta (N (CH 3 ) 2 ) 5 and NH 3 as raw materials, and subsequently W ( CO) W is formed by a CVD method using 6 as a raw material. In addition, the manufacturing method of this film is not limited to the method shown here, and other source gases may be used. In addition to the CVD method, for example, a sputtering method, an ALD method, a vapor deposition method, a laser ablation method, an MBE method, or a film forming method combining these methods can be employed.

次に、図17に示すように、公知のリソグラフィーおよびRIEにより、メモリセルトランジスタMT11領域で、第1の制御ゲート電極108a、第2の絶縁膜106a、電荷蓄積膜104、第1の絶縁膜102aをパターン形成する。同様に、選択トランジスタSTS1領域で、第2の制御ゲート電極108b、第4の絶縁膜106a、第3の絶縁膜102bをパターニングする。   Next, as shown in FIG. 17, the first control gate electrode 108a, the second insulating film 106a, the charge storage film 104, and the first insulating film 102a are formed in the region of the memory cell transistor MT11 by known lithography and RIE. The pattern is formed. Similarly, the second control gate electrode 108b, the fourth insulating film 106a, and the third insulating film 102b are patterned in the select transistor STS1 region.

その後、図18に示すように、第1の制御ゲート電極108aをマスクに、例えば、Asをイオン注入し、第1の制御ゲート電極108aの両側の半導体基板100中にn+型の第1のソース/ドレイン領域110a、110bを形成する。また、第2の制御ゲート電極108bをマスクに、例えば、Asをイオン注入し、第2の制御ゲート電極108bの両側の半導体基板100中にn+型の第2のソース/ドレイン領域110c、110aを形成する。ここでは、第1のソース/ドレイン領域110a、110bおよび第2のソース/ドレイン領域110c、110aを同時プロセスで形成する場合を例に示しているが、それぞれ別個のプロセスで形成するものであっても構わない。また、イオン注入は、拡散層位置や深さの制御のために、制御ゲート電極上に薄膜を堆積した後、あるいは制御ゲート電極の両側に側壁絶縁膜を形成した後に行われても構わない。   Thereafter, as shown in FIG. 18, for example, As is ion-implanted using the first control gate electrode 108a as a mask, and an n + -type first source is introduced into the semiconductor substrate 100 on both sides of the first control gate electrode 108a. / Drain regions 110a and 110b are formed. Further, for example, As is ion-implanted using the second control gate electrode 108b as a mask, and n + -type second source / drain regions 110c and 110a are formed in the semiconductor substrate 100 on both sides of the second control gate electrode 108b. Form. Here, the case where the first source / drain regions 110a and 110b and the second source / drain regions 110c and 110a are formed by a simultaneous process is shown as an example, but each is formed by a separate process. It doesn't matter. The ion implantation may be performed after depositing a thin film on the control gate electrode or after forming a sidewall insulating film on both sides of the control gate electrode in order to control the position and depth of the diffusion layer.

その後、周知の方法で配線等を形成して本実施の形態のNAND型不揮発性半導体メモリ装置が形成される。   Thereafter, wirings and the like are formed by a well-known method to form the NAND type nonvolatile semiconductor memory device of this embodiment.

なお、本実施の形態では、選択トランジスタのゲート絶縁膜の一部に、主要成分がアルミニウム酸化物であり、4価カチオン元素、5価カチオン元素、N(窒素)のうち少なくとも1種の元素を少量成分として含有する絶縁膜を適用し、電荷トラップ量を低減する場合について述べたが、周辺トランジスタにも同様のゲート絶縁膜を適用することによって、同様の作用・効果が期待できる。   Note that in this embodiment, a main component is aluminum oxide in part of the gate insulating film of the selection transistor, and at least one element of a tetravalent cation element, a pentavalent cation element, and N (nitrogen) is added. Although the case where an insulating film containing a small amount of component is applied to reduce the amount of charge traps has been described, the same operation and effect can be expected by applying a similar gate insulating film to peripheral transistors.

(第2の実施の形態)
本発明の第2の実施の形態のNAND型不揮発性半導体メモリ装置は、選択トランジスタの第3の絶縁膜と第4の絶縁膜との間に、4価カチオン元素、5価カチオン元素、窒素のうち少なくとも1種の元素の酸窒化物または酸化物からなり、前記元素の濃度分布の半値幅で定義された膜厚が0.1nm以上1nm以下の第5の絶縁膜を有する点、およびメモリセルトランジスタの電荷蓄積層と第2の絶縁膜との間にも上記同様の絶縁膜を有する点以外は、第1の実施の形態と同様である。したがって、第1の実施の形態と重複する記載については、記述を省略する。なお、上記の4価カチオン元素、5価カチオン元素、窒素のうち少なくとも1種の元素の酸窒化物または酸化物からなる第5の絶縁膜には、素子形成後には、それらの上に積層されたアルミニウム酸化膜と反応することにより、アルミニウムが拡散し、その酸化物が形成されている。ここで、元素の濃度とは、単位体積あたりの原子数をいう。
(Second Embodiment)
The NAND-type nonvolatile semiconductor memory device according to the second embodiment of the present invention includes a tetravalent cation element, a pentavalent cation element, and nitrogen between the third insulating film and the fourth insulating film of the selection transistor. A memory cell comprising a fifth insulating film made of an oxynitride or oxide of at least one element and having a thickness defined by a half-value width of the concentration distribution of the element of 0.1 nm to 1 nm; The second embodiment is the same as the first embodiment except that a similar insulating film is provided between the charge storage layer of the transistor and the second insulating film. Therefore, the description overlapping the first embodiment is omitted. Note that the fifth insulating film made of an oxynitride or oxide of at least one element selected from the tetravalent cation element, the pentavalent cation element, and the nitrogen is stacked on the element after forming the element. By reacting with the aluminum oxide film, aluminum is diffused and the oxide is formed. Here, the element concentration means the number of atoms per unit volume.

図19は、本実施の形態のNAND型不揮発性半導体メモリ装置の断面図である。図に示すように、選択トランジスタ(図ではSTS1)の第3の絶縁膜102bと第4の絶縁膜106bとの間に、4価カチオン元素、5価カチオン元素、窒素のうち少なくとも1種の元素の酸窒化物または酸化物からなる第5の絶縁膜112bを有している。本実施の形態では、メモリセルトランジスタ(図ではMT11)の電荷蓄積層104と第2の絶縁膜106aとの間にも第5の絶縁膜112bと同様の絶縁膜112aが形成されている。   FIG. 19 is a cross-sectional view of the NAND nonvolatile semiconductor memory device of this embodiment. As shown in the figure, at least one element of a tetravalent cation element, a pentavalent cation element, and nitrogen is provided between the third insulating film 102b and the fourth insulating film 106b of the selection transistor (STS1 in the figure). A fifth insulating film 112b made of oxynitride or oxide. In the present embodiment, an insulating film 112a similar to the fifth insulating film 112b is also formed between the charge storage layer 104 of the memory cell transistor (MT11 in the figure) and the second insulating film 106a.

本実施の形態によれば、4価カチオン元素、5価カチオン元素、窒素のうち少なくとも1種の元素の酸窒化物または酸化物からなる絶縁膜112aおよび第5の絶縁膜112bは、熱処理等による相互拡散によってアルミニウム酸化膜106aおよび106b中に添加されることになる。このように、添加元素を含む酸化膜を元々欠陥の多い異種絶縁膜界面に挿入することで、アルミニウム酸化物を主要成分とする第2の絶縁膜106aの界面付近および第4の絶縁膜106bの界面付近にカチオン元素を導入することができ、効果的に積層構造全体の欠陥を減らすことが可能となり、閾値変化抑制が達成できる。また、この積層構造に熱処理を加えて添加元素を再分布させて、異種絶縁膜界面から連続的に濃度分布が変化し、かつ異種絶縁膜界面に最大濃度を有する濃度分布を持つようにしてもその効果は維持される。   According to the present embodiment, the insulating film 112a and the fifth insulating film 112b made of oxynitride or oxide of at least one element selected from a tetravalent cation element, a pentavalent cation element, and nitrogen are formed by heat treatment or the like. The aluminum oxide films 106a and 106b are added by mutual diffusion. In this manner, by inserting the oxide film containing the additive element into the interface of the heterogeneous insulating film having many defects originally, the vicinity of the interface of the second insulating film 106a containing aluminum oxide as a main component and the fourth insulating film 106b A cation element can be introduced in the vicinity of the interface, and defects in the entire laminated structure can be effectively reduced, and threshold change suppression can be achieved. In addition, heat treatment is applied to the laminated structure to redistribute the additive elements so that the concentration distribution continuously changes from the heterogeneous insulating film interface and has the maximum concentration at the heterogeneous insulating film interface. The effect is maintained.

なお、4価カチオン元素、5価カチオン元素、窒素のうち少なくとも1種の元素の酸窒化物または酸化物である絶縁膜112aおよび第5の絶縁膜112bの膜厚は、0.1nm以上1nm以下であることが望ましい。これは、膜厚が0.1nmよりも薄いと、異種絶縁膜界面に添加元素が面内方向で均一ではなくドット状に存在するようになり、微細セルではバラツキの起源となるからである。また、逆に1nmを超えると実膜厚及び電気的膜厚の増加が無視できなくなり、選択トランジスタ微細化の障害となるからである。   Note that the thicknesses of the insulating film 112a and the fifth insulating film 112b, which are oxynitrides or oxides of at least one element selected from a tetravalent cation element, a pentavalent cation element, and nitrogen, are 0.1 nm to 1 nm. It is desirable that This is because if the film thickness is thinner than 0.1 nm, the additive element is not uniform in the in-plane direction but in the form of dots at the interface between the different types of insulating films, which causes variation in a fine cell. On the other hand, if the thickness exceeds 1 nm, the increase in the actual film thickness and the electrical film thickness cannot be ignored, which hinders the selection transistor miniaturization.

なお、本実施の形態の製造方法においては、第1の実施の形態において、図14に示した電荷蓄積層104の選択除去後に、4価カチオン元素、5価カチオン元素、窒素のうち少なくとも1種の元素の酸窒化物または酸化物である絶縁膜112aおよび第5の絶縁膜112bを堆積する工程を挿入すればよい。堆積膜厚は例えば、0.1nm〜2nmである。ここで、第5の絶縁膜112bの堆積は、例えば、4価あるいは5価元素のメタルターゲットあるいは酸化物ターゲットを用いたスパッタ法で形成することが可能である。なお、この膜の製造方法はスパッタ法に限らず、CVD法やALD法、蒸着法、レーザーアブレーション法、MBE法またこれらの手法を組み合わせた成膜方法も可能である。あるいは、下地表面をラジカル窒化等することにより0.1〜1nmの絶縁膜を形成しても良い。あるいは、窒素は格子不整合の大きな界面に偏析しやすいため、第5の絶縁膜112bの堆積後、あるいは第5の絶縁膜112bの上層を形成後に、適切な熱処理を施すことにより界面に0.1〜1nmの絶縁膜を形成しても良い。なお、ここに記載した絶縁膜膜厚は、前記元素の濃度分布の半値幅で定義された膜厚である。   In the manufacturing method of the present embodiment, in the first embodiment, after the selective removal of the charge storage layer 104 shown in FIG. 14, at least one of a tetravalent cation element, a pentavalent cation element, and nitrogen is used. A step of depositing the insulating film 112a and the fifth insulating film 112b, which are oxynitrides or oxides of these elements, may be inserted. The deposited film thickness is, for example, 0.1 nm to 2 nm. Here, the fifth insulating film 112b can be deposited by, for example, a sputtering method using a metal target or oxide target of a tetravalent or pentavalent element. Note that the method for manufacturing this film is not limited to the sputtering method, and a CVD method, an ALD method, a vapor deposition method, a laser ablation method, an MBE method, or a film forming method combining these methods is also possible. Alternatively, an insulating film having a thickness of 0.1 to 1 nm may be formed by radical nitriding the base surface. Alternatively, since nitrogen is easily segregated at an interface having a large lattice mismatch, after the fifth insulating film 112b is deposited or an upper layer of the fifth insulating film 112b is formed, an appropriate heat treatment is performed to reduce the interface to 0. An insulating film with a thickness of 1 to 1 nm may be formed. Note that the insulating film thickness described here is a film thickness defined by the half-value width of the concentration distribution of the element.

そして、本実施の形態によれば、4価カチオン元素、5価カチオン元素、窒素のうち少なくとも1種の元素の酸窒化物または酸化物である絶縁膜112aおよび第5の絶縁膜112bから添加カチオン元素が上層のアルミニウム酸化物の絶縁膜に導入されることから、絶縁膜112aおよび第5の絶縁膜112bの上にアルミニウム酸化物膜を堆積する際には、必ずしも少量成分となる元素を積極的に導入しなくても構わない。   Then, according to the present embodiment, the added cation is added from the insulating film 112a and the fifth insulating film 112b which are oxynitrides or oxides of at least one element of a tetravalent cation element, a pentavalent cation element, and nitrogen. Since the element is introduced into the upper aluminum oxide insulating film, when the aluminum oxide film is deposited on the insulating film 112a and the fifth insulating film 112b, the element which is necessarily a small component is not always positive. It does not have to be introduced in

(第3の実施の形態)
本発明の第3の実施の形態のNAND型不揮発性半導体メモリ装置は、選択トランジスタの第3の絶縁膜がシリコン酸化膜であり、アルミニウム酸化物を主要成分とする第4の絶縁膜との間に、シリコン酸窒化膜を有する以外は、第1の実施の形態と同様である。したがって、第1の実施の形態と重複する記載については、記述を省略する。
(Third embodiment)
In the NAND-type nonvolatile semiconductor memory device according to the third embodiment of the present invention, the third insulating film of the selection transistor is a silicon oxide film, and between the fourth insulating film mainly composed of aluminum oxide. The second embodiment is the same as the first embodiment except that a silicon oxynitride film is provided. Therefore, the description overlapping the first embodiment is omitted.

図20は、本実施の形態のNAND型不揮発性半導体メモリ装置の断面図である。図に示すように、図に示すように、選択トランジスタ(図ではSTS1)の第3の絶縁膜102bと第4の絶縁膜106bとの間に、シリコン酸窒化膜114を有している。   FIG. 20 is a cross-sectional view of the NAND-type nonvolatile semiconductor memory device of this embodiment. As shown in the figure, as shown in the figure, a silicon oxynitride film 114 is provided between the third insulating film 102b and the fourth insulating film 106b of the selection transistor (STS1 in the figure).

本実施の形態によれば、このように、窒素(N)含むシリコン酸窒化膜114を、元々欠陥の多い異種絶縁膜界面に挿入することで、アルミニウム酸化物を主要成分とする第4の絶縁膜106bの界面付近に窒素を導入でき、効果的に積層構造全体の欠陥を減らすことが可能となり、閾値変化抑制が達成できる。またこの積層構造に熱処理を加えて窒素を再分布させて、異種絶縁膜界面から連続的に濃度分布が変化し、かつ異種絶縁膜界面に最大濃度を有する濃度分布を持つようにしてもその効果は維持される。   According to the present embodiment, the silicon oxynitride film 114 containing nitrogen (N) is thus inserted into the interface of the heterogeneous insulating film having many defects, so that the fourth insulation mainly containing aluminum oxide is obtained. Nitrogen can be introduced in the vicinity of the interface of the film 106b, and defects in the entire stacked structure can be effectively reduced, and threshold change suppression can be achieved. In addition, the heat treatment is applied to the laminated structure to redistribute nitrogen so that the concentration distribution continuously changes from the interface of the different insulating film and has the maximum concentration at the interface of the different insulating film. Is maintained.

ここで、シリコン酸窒化膜114の膜厚は、0.1nm以上1nm以下であることが望ましい。ここで窒化領域が0.1nmよりも薄いと、異種絶縁膜界面にN原子が局所的に凝集した状態で存在することになり、微細セルではバラツキの起源となる。また逆に1nmを超えると実膜厚及び電気的膜厚の増加が無視できなくなり、選択トランジスタの微細化の障害となるからである。   Here, the thickness of the silicon oxynitride film 114 is desirably 0.1 nm or more and 1 nm or less. Here, if the nitriding region is thinner than 0.1 nm, N atoms are present in a locally aggregated state at the interface between the different types of insulating films, which causes variation in a fine cell. On the other hand, if the thickness exceeds 1 nm, an increase in the actual film thickness and the electrical film thickness cannot be ignored, which hinders miniaturization of the select transistor.

なお、本実施の形態の製造方法においては、第1の実施の形態において、第1および第3の絶縁膜をシリコン酸化膜で形成し、図14に示した電荷蓄積層104の選択除去後に、ラジカル窒化等により、少なくとも選択トランジスタ領域の、シリコン酸化膜である第3の絶縁膜102bの上部をシリコン酸窒化膜114化すればよい。   In the manufacturing method of the present embodiment, in the first embodiment, the first and third insulating films are formed of silicon oxide films, and after the selective removal of the charge storage layer 104 shown in FIG. A silicon oxynitride film 114 may be formed at least on the upper part of the third insulating film 102b, which is a silicon oxide film, in at least the selection transistor region by radical nitridation or the like.

そして、本実施の形態によれば、シリコン酸窒化膜114から窒素が上層のアルミニウム酸化物の絶縁膜に導入されることから、アルミニウム酸化物膜を堆積する際には、必ずしも電荷トラップ量低減のための少量成分となる元素を積極的に導入しなくても構わない。また本実施例ではメモリトランジスタ領域および選択トランジスタ領域のブロック絶縁膜に窒素が添加されていても良い。このときメモリトランジスタ領域では電荷蓄積層がシリコン窒化膜で形成されている場合、ブロック絶縁膜への窒素添加工程は素子特性にはほとんど影響を及ぼさない。   According to the present embodiment, nitrogen is introduced from the silicon oxynitride film 114 into the upper aluminum oxide insulating film. Therefore, when depositing the aluminum oxide film, the amount of charge trapping is not necessarily reduced. Therefore, it is not necessary to positively introduce an element that becomes a small component for the purpose. In this embodiment, nitrogen may be added to the block insulating films in the memory transistor region and the select transistor region. At this time, when the charge storage layer is formed of a silicon nitride film in the memory transistor region, the step of adding nitrogen to the block insulating film hardly affects the element characteristics.

(第4の実施の形態)
本発明の第4の実施の形態のNAND型不揮発性半導体メモリ装置は、メモリセルトランジスタ領域に、電荷蓄積層としてのシリコン窒化膜(SiN)層を有しないこと、それに代わって電荷蓄積層として機能させるアルミニウム酸化物層とその下地のシリコン酸化膜層との間には4価カチオン元素、5価カチオン元素、窒素のうち少なくとも1種の元素の酸窒化物または酸化物からなる絶縁膜を有しないこと以外は、第2の実施の形態と同様である。したがって、第2の実施の形態と重複する記載については、記述を省略する。
(Fourth embodiment)
The NAND nonvolatile semiconductor memory device according to the fourth embodiment of the present invention does not have a silicon nitride film (SiN) layer as a charge storage layer in the memory cell transistor region, and functions as a charge storage layer instead. There is no insulating film made of oxynitride or oxide of at least one element selected from the group consisting of tetravalent cation element, pentavalent cation element and nitrogen between the aluminum oxide layer to be formed and the underlying silicon oxide film layer. Except for this, the second embodiment is the same as the second embodiment. Therefore, the description overlapping the second embodiment is omitted.

図21は、本実施の形態のNAND型不揮発性半導体メモリ装置の断面図である。図に示すように、メモリセルトランジスタMT11は、シリコン酸化膜からなる第1の絶縁膜102a、アルミニウム酸化物膜からなる第2の絶縁膜106aと第1の制御ゲート電極108aの積層構造で形成されている。ここで第2の絶縁膜106aには、極力、4価カチオン元素、5価カチオン元素、N(窒素)が少量成分として含有されていないことが望ましい。一方、選択トランジスタSTS1は、シリコン酸化膜からなる第3の絶縁膜102b、4価カチオン元素、5価カチオン元素、窒素のうち少なくとも1種の元素の酸窒化物または酸化物からなる第5の絶縁膜112b、主要成分がアルミニウム酸化物である第4の絶縁膜106bと第2の制御電極108bの積層構造で形成されている。なお、第5の絶縁膜112bには、素子形成後には第4の絶縁膜106bと反応することにより、アルミニウムが拡散し、その酸化物が形成されている。   FIG. 21 is a cross-sectional view of the NAND-type nonvolatile semiconductor memory device of this embodiment. As shown in the drawing, the memory cell transistor MT11 is formed by a stacked structure of a first insulating film 102a made of a silicon oxide film, a second insulating film 106a made of an aluminum oxide film, and a first control gate electrode 108a. ing. Here, it is desirable that the second insulating film 106a contains as little a tetravalent cation element, a pentavalent cation element, and N (nitrogen) as possible as small components. On the other hand, the select transistor STS1 includes a third insulating film 102b made of a silicon oxide film, a fifth insulation made of an oxynitride or oxide of at least one element selected from the group consisting of a tetravalent cation element, a pentavalent cation element, and nitrogen. The film 112b is formed of a stacked structure of a fourth insulating film 106b whose main component is aluminum oxide and a second control electrode 108b. Note that in the fifth insulating film 112b, aluminum is diffused by reacting with the fourth insulating film 106b after the element is formed, and an oxide thereof is formed.

本実施の形態よれば、選択トランジスタSTS1では第2の実施の形態と同様、電荷トラップ量を低減することが可能である。また、メモリセルトランジスタには、電荷蓄積層は明示的には形成していないが、上述の実験結果(図3、4)から分かるように、アルミニウム酸化物膜/シリコン酸化膜に形成される界面トラップが電荷を捕獲することによって、十分にメモリ機能を発現させることが可能である。   According to the present embodiment, it is possible to reduce the amount of charge traps in the select transistor STS1 as in the second embodiment. In addition, although the charge storage layer is not explicitly formed in the memory cell transistor, as can be seen from the above experimental results (FIGS. 3 and 4), the interface formed in the aluminum oxide film / silicon oxide film When the trap captures the electric charge, the memory function can be sufficiently developed.

以下、本実施の形態の製造方法について、第1の実施の形態との相違点を中心に説明する。第1および第2の絶縁膜をシリコン酸化膜で形成した後に、4価カチオン元素、5価カチオン元素、窒素のうち少なくとも1種の元素の酸窒化物または酸化物からなる絶縁膜を堆積する。その後、この絶縁膜をパターニングして選択トランジスタ領域のみに絶縁膜が残るようにする。その後、電荷蓄積層を形成せずに、アルミニウム酸化物膜を形成した後、第1の実施の形態の製造方法と同様の方法で、メモリセルトランジスタおよび選択トランジスタを形成すればよい。なお、上記の4価カチオン元素、5価カチオン元素、窒素のうち少なくとも1種の元素の酸窒化物または酸化物からなる絶縁膜には、素子形成後にはその上に積層されたアルミニウム酸化膜と反応することにより、アルミニウムが拡散し、その酸化物を形成するため、アルミニウム酸化物膜を堆積する際には、必ずしも少量成分となる元素を積極的に導入しなくても構わない。   Hereinafter, the manufacturing method of the present embodiment will be described focusing on the differences from the first embodiment. After the first and second insulating films are formed of a silicon oxide film, an insulating film made of an oxynitride or oxide of at least one of a tetravalent cation element, a pentavalent cation element, and nitrogen is deposited. Thereafter, this insulating film is patterned so that the insulating film remains only in the select transistor region. Thereafter, after forming the aluminum oxide film without forming the charge storage layer, the memory cell transistor and the select transistor may be formed by the same method as the manufacturing method of the first embodiment. Note that an insulating film made of an oxynitride or oxide of at least one element selected from the tetravalent cation element, the pentavalent cation element, and the nitrogen described above includes an aluminum oxide film stacked thereon after element formation. By reacting, aluminum diffuses to form an oxide thereof. Therefore, when an aluminum oxide film is deposited, it is not always necessary to positively introduce an element which is a small component.

(第5の実施の形態)
本発明の第5の実施の形態のNAND型不揮発性半導体メモリ装置は、選択トランジスタのシリコン酸化膜と主要成分がアルミニウム酸化物である絶縁膜との間に4価カチオン元素、5価カチオン元素、窒素のうち少なくとも1種の元素の酸窒化物または酸化物からなる絶縁膜を有する代わりに、4価カチオン元素、5価カチオン元素、窒素のうち少なくとも1種の元素を少量成分として含有するアルミニウム酸化物を用いること以外は、第4の実施の形態と同様である。したがって、第4の実施の形態および効果と重複する記載については、記述を省略する。
(Fifth embodiment)
A NAND-type nonvolatile semiconductor memory device according to a fifth embodiment of the present invention includes a tetravalent cation element, a pentavalent cation element, and a silicon oxide film of a selection transistor between an insulating film whose main component is aluminum oxide. Instead of having an insulating film made of oxynitride or oxide of at least one element of nitrogen, aluminum oxide containing at least one element of tetravalent cation element, pentavalent cation element, and nitrogen as a minor component Except for using a thing, it is the same as that of 4th Embodiment. Therefore, the description overlapping with the fourth embodiment and effects is omitted.

図22は、本実施の形態のNAND型不揮発性半導体メモリ装置の断面図である。図に示すように、メモリセルトランジスタMT11は、シリコン酸化膜からなる第1の絶縁膜102a、アルミニウム酸化物膜からなる第2の絶縁膜106aと第1の制御ゲート電極108aの積層構造で形成されている。ここで第2の絶縁膜106aには、極力、4価カチオン元素、5価カチオン元素、N(窒素)が少量成分として含有されていないことが望ましい。また、選択トランジスタSTS1は、シリコン酸化膜からなる第3の絶縁膜102b、主要成分がアルミニウム酸化物であり、4価カチオン元素、5価カチオン元素、N(窒素)のうち少なくとも1種の元素を少量成分として含有する第4の絶縁膜106bと第2の制御電極108bの積層構造で形成されている。   FIG. 22 is a cross-sectional view of the NAND-type nonvolatile semiconductor memory device of this embodiment. As shown in the drawing, the memory cell transistor MT11 is formed by a stacked structure of a first insulating film 102a made of a silicon oxide film, a second insulating film 106a made of an aluminum oxide film, and a first control gate electrode 108a. ing. Here, it is desirable that the second insulating film 106a contains as little a tetravalent cation element, a pentavalent cation element, and N (nitrogen) as possible as small components. The select transistor STS1 includes a third insulating film 102b made of a silicon oxide film, the main component being aluminum oxide, and at least one element selected from a tetravalent cation element, a pentavalent cation element, and N (nitrogen). It is formed of a stacked structure of a fourth insulating film 106b and a second control electrode 108b that are contained as a minor component.

本実施の形態よれば、選択トランジスタSTS1では第1の実施の形態と同様、4価カチオン元素、5価カチオン元素のうちいずれか1種の元素がアルミニウム酸化物中に略均一に含有されているために、バルク欠陥(電荷トラップ)低減によるリーク電流減少による低消費電力化と、アルミニウム酸化物膜界面近傍の欠陥(電荷トラップ)低減による閾値変化抑制の両方が達成できる。またバルク欠陥及び界面欠陥の分布に併せて添加元素も分布させることで最小の添加量で効果的に積層構造全体の欠陥を減らすことが可能である。具体的には選択トランジスタ領域において、アルミニウム酸化物膜/シリコン酸化膜界面で添加元素濃度が最大となるよう傾斜を持たせた分布が好ましい。濃度勾配を持たせることで応力緩和と格子不整合の低減も期待できる。また、メモリセルトランジスタには、電荷蓄積層は形成されていないが、第4の実施の形態同様、アルミニウム酸化物膜/シリコン酸化膜におけるトラップ電荷によって、十分にメモリ機能を発現させることが可能である。   According to the present embodiment, in the select transistor STS1, as in the first embodiment, any one element of a tetravalent cation element and a pentavalent cation element is substantially uniformly contained in the aluminum oxide. Therefore, it is possible to achieve both low power consumption due to leakage current reduction due to reduction of bulk defects (charge traps) and suppression of threshold change due to reduction of defects (charge traps) near the aluminum oxide film interface. In addition, by distributing the additive elements together with the distribution of the bulk defects and the interface defects, it is possible to effectively reduce the defects of the entire stacked structure with the minimum addition amount. Specifically, in the selection transistor region, a distribution with an inclination so that the concentration of the additive element is maximized at the aluminum oxide film / silicon oxide film interface is preferable. A concentration gradient can be expected to reduce stress relaxation and lattice mismatch. The memory cell transistor does not have a charge storage layer. However, as in the fourth embodiment, the memory function can be sufficiently exhibited by trap charges in the aluminum oxide film / silicon oxide film. is there.

以下、本実施の形態の製造方法について、第1の実施の形態との相違点を中心に説明する。選択トランジスタ領域の第2の絶縁膜102b上に、マスク材を堆積させる。次に、メモリトランジスタ領域および選択トランジスタ領域に、アルミニウム酸化物膜を堆積させる。次に、選択トランジスタ領域のマスク材とともにマスク材上のアルミニウム酸化物膜を剥離することで、メモリセルトランジスタ領域の第2の絶縁膜106aを形成する。   Hereinafter, the manufacturing method of the present embodiment will be described focusing on the differences from the first embodiment. A mask material is deposited on the second insulating film 102b in the select transistor region. Next, an aluminum oxide film is deposited on the memory transistor region and the select transistor region. Next, the aluminum oxide film on the mask material is peeled off together with the mask material in the selection transistor region, whereby the second insulating film 106a in the memory cell transistor region is formed.

その後、メモリトランジスタ領域上にマスク材を堆積させ、メモリトランジスタ領域および選択トランジスタ領域上に4価あるいは5価元素とAlのメタルターゲットあるいはそれらの酸化物ターゲットを用いたスパッタ法で4価あるいは5価元素を添加したアルミニウム酸化物膜を形成した。なお、この膜の製造方法はスパッタ法に限らず、CVD法やALD法、蒸着法、レーザーアブレーション法、MBE法またこれらの手法を組み合わせた成膜方法も可能であり、また、アルミニウム酸化物膜の一部または全部の膜厚を成膜した後、イオン注入法で導入しても良い。   Thereafter, a mask material is deposited on the memory transistor region, and tetravalent or pentavalent is formed on the memory transistor region and the selective transistor region by sputtering using a tetravalent or pentavalent element and an Al metal target or an oxide target thereof. An aluminum oxide film to which an element was added was formed. In addition, the manufacturing method of this film is not limited to the sputtering method, and a CVD method, an ALD method, a vapor deposition method, a laser ablation method, an MBE method, or a film forming method combining these methods is also possible. Alternatively, the film may be introduced by ion implantation after forming a part or all of the film thickness.

その後、メモリトランジスタ領域上のアルミニウム酸化物膜をマスク材とともに剥離する。これによって、選択トランジスタ領域の第4の絶縁膜106bを形成する。その後は、第1の実施の形態と同様の製造方法でNAND型半導体不揮発性メモリ装置を形成する。   Thereafter, the aluminum oxide film on the memory transistor region is peeled off together with the mask material. Thus, the fourth insulating film 106b in the selection transistor region is formed. Thereafter, a NAND type semiconductor nonvolatile memory device is formed by the same manufacturing method as in the first embodiment.

(第6の実施の形態)
本発明の第6の実施の形態のNAND型不揮発性半導体メモリ装置は、第1の実施の形態と比べると、メモリセルトランジスタのアルミニウム酸化物の第2の絶縁膜がアルミニウム酸化物膜でシリコン酸化膜を挟み込んだ3層構造のブロック絶縁膜であること、および選択トランジスタのアルミニウム酸化物の第4の絶縁膜がアルミニウム酸化物膜でシリコン酸化膜を挟み込んだ3層構造の絶縁膜であること以外は第1の実施の形態と同様である。したがって、第1の実施の形態と重複する記載については、記述を省略する。なお、上記のアルミニウム酸化物膜は、4価カチオン元素、5価カチオン元素、N(窒素)のうち少なくとも1種の元素を少量成分として含有させた絶縁膜である。
(Sixth embodiment)
The NAND nonvolatile semiconductor memory device according to the sixth embodiment of the present invention is different from the first embodiment in that the second oxide film of the aluminum oxide of the memory cell transistor is an aluminum oxide film and is oxidized by silicon. A block insulating film having a three-layer structure with a film sandwiched therebetween, and a fourth insulating film of aluminum oxide of the selection transistor being an insulating film having a three-layer structure in which a silicon oxide film is sandwiched between aluminum oxide films Is the same as in the first embodiment. Therefore, the description overlapping the first embodiment is omitted. The aluminum oxide film is an insulating film containing at least one element selected from a tetravalent cation element, a pentavalent cation element, and N (nitrogen) as a minor component.

図23は、本実施の形態のNAND型不揮発性半導体メモリ装置の断面図である。図に示すように、メモリセルトランジスタMT11のブロック絶縁膜は、アルミニウム酸化物の第2の絶縁膜106aとアルミニウム酸化物の第2の絶縁膜106cでシリコン酸化膜126aを挟み込んだ3層構造のブロック絶縁膜となっている。また、選択トランジスタSTS1のシリコン酸化膜102bの上に積層される絶縁膜は、アルミニウム酸化物の第4の絶縁膜106bとアルミニウム酸化物の第4の絶縁膜106dでシリコン酸化膜126bを挟み込んだ3層構造の絶縁膜となっている。   FIG. 23 is a cross-sectional view of the NAND-type nonvolatile semiconductor memory device of this embodiment. As shown in the figure, the block insulating film of the memory cell transistor MT11 is a block having a three-layer structure in which a silicon oxide film 126a is sandwiched between an aluminum oxide second insulating film 106a and an aluminum oxide second insulating film 106c. It is an insulating film. Further, the insulating film stacked on the silicon oxide film 102b of the select transistor STS1 is 3 in which the silicon oxide film 126b is sandwiched between the fourth insulating film 106b made of aluminum oxide and the fourth insulating film 106d made of aluminum oxide. The insulating film has a layer structure.

メモリセルトランジスタ領域では、トンネル絶縁膜102aの膜厚は3nmから5nm程度、電荷蓄積層104であるシリコン窒化膜の膜厚は1nmないし5nm程度、ブロッキング絶縁膜である電荷蓄積層104上に形成された4価カチオン元素、5価カチオン元素、N(窒素)のうち少なくとも1種の元素を少量成分として含有させたアルミニウム酸化膜106aの膜厚は4nmないし15nm程度、挟み込まれるシリコン酸化膜126aの膜厚は1nmから5nm程度、このシリコン酸化膜126a上に形成された4価カチオン元素、5価カチオン元素、N(窒素)のうち少なくとも1種の元素を少量成分として含有させたアルミニウム酸化膜106cの膜厚は4nmないし15nmは程度である。   In the memory cell transistor region, the tunnel insulating film 102a has a thickness of about 3 nm to 5 nm, the silicon nitride film as the charge storage layer 104 has a thickness of about 1 nm to 5 nm, and is formed on the charge storage layer 104 as a blocking insulating film. The aluminum oxide film 106a containing at least one element among the tetravalent cation element, the pentavalent cation element, and N (nitrogen) as a minor component has a thickness of about 4 nm to 15 nm, and is a silicon oxide film 126a sandwiched between the films. The aluminum oxide film 106c has a thickness of about 1 nm to 5 nm and contains at least one element selected from a tetravalent cation element, a pentavalent cation element, and N (nitrogen) formed on the silicon oxide film 126a as a minor component. The film thickness is about 4 nm to 15 nm.

選択トランジスタ領域では、トンネル絶縁膜102bの膜厚は3nmないし5nm程度、その上に形成される絶縁膜である4価カチオン元素、5価カチオン元素、N(窒素)のうち少なくとも1種の元素を少量成分として含有させたアルミニウム酸化膜106bの膜厚は4nmないし15nm程度、挟み込まれるシリコン酸化膜126bの膜厚は1nmから5nm程度、このシリコン酸化膜126b上に形成された4価カチオン元素、5価カチオン元素、N(窒素)のうち少なくとも1種の元素を少量成分として含有させたアルミニウム酸化膜106dの膜厚は4nmないし15nmは程度である。   In the select transistor region, the tunnel insulating film 102b has a film thickness of about 3 nm to 5 nm, and at least one element selected from a tetravalent cation element, a pentavalent cation element, and N (nitrogen), which is an insulating film formed thereon. The aluminum oxide film 106b contained as a minor component has a thickness of about 4 nm to 15 nm, and the sandwiched silicon oxide film 126b has a thickness of about 1 nm to 5 nm. A tetravalent cation element formed on the silicon oxide film 126b, 5 The film thickness of the aluminum oxide film 106d containing at least one element among the valent cation element and N (nitrogen) as a minor component is about 4 nm to 15 nm.

本実施の形態によれば、メモリトランジスタ領域のブロック絶縁膜に、所望の元素が添加されたアルミニウム酸化膜、シリコン酸化膜、所望の元素が添加されたアルミニウム酸化膜の積層膜を用いており、バルク欠陥(電荷トラップ)低減によるリーク電流減少による低消費電力化と、アルミニウム酸化物膜界面近傍の欠陥(電荷トラップ)低減による閾値変化抑制の両方が達成できる。またバルク欠陥及び界面欠陥の分布に併せて添加元素も分布させることで最小の添加量で効果的に積層構造全体の欠陥を減らすことが可能である。さらに、アルミニウム酸化膜に比べて電子障壁の大きなシリコン酸化膜をブロック膜中央に配置することで、良好な電荷保持性能を確保することができる。   According to the present embodiment, the block insulating film in the memory transistor region uses a laminated film of an aluminum oxide film to which a desired element is added, a silicon oxide film, and an aluminum oxide film to which a desired element is added, It is possible to achieve both low power consumption due to reduction of leakage current due to reduction of bulk defects (charge traps) and suppression of threshold change due to reduction of defects (charge traps) near the interface of the aluminum oxide film. In addition, by distributing the additive elements together with the distribution of the bulk defects and the interface defects, it is possible to effectively reduce the defects of the entire stacked structure with the minimum addition amount. Furthermore, a favorable charge retention performance can be ensured by disposing a silicon oxide film having a larger electron barrier than the aluminum oxide film in the center of the block film.

以下、本実施の形態の製造方法について、第1の実施の形態との相違点を中心に説明する。選択トランジスタ領域の電荷蓄積層104の除去後、所望の元素が添加されたアルミニウム酸化物膜、シリコン酸化膜、所望の元素が添加されたアルミニウム酸化物膜を順次形成する。シリコン酸化膜の形成方法として、多結晶シリコンの熱酸化あるいはラジカル酸化、TDMAS(Trisdimethyl amino silane)等の有機シリコンガスとオゾンを原料とするALD法を用いてもよい。   Hereinafter, the manufacturing method of the present embodiment will be described focusing on the differences from the first embodiment. After the charge storage layer 104 in the selection transistor region is removed, an aluminum oxide film to which a desired element is added, a silicon oxide film, and an aluminum oxide film to which a desired element is added are sequentially formed. As a method for forming the silicon oxide film, an ALD method using an organic silicon gas such as thermal oxidation or radical oxidation of polycrystalline silicon, or TDMAS (Trisdimethyl Amino Silane) and ozone as raw materials may be used.

その後、図16に示す工程のように制御ゲート電極材料を堆積し、第1の実施の形態と同様の方法で、NAND型半導体不揮発性メモリ装置を形成する。   Thereafter, a control gate electrode material is deposited as in the step shown in FIG. 16, and a NAND type semiconductor nonvolatile memory device is formed by the same method as in the first embodiment.

(第7の実施の形態)
本発明の第7の実施の形態のNAND型不揮発性半導体メモリ装置は、メモリセルトランジスタおよび選択トランジスタのアルミニウム酸化物膜と、その上側あるいは下側で接するシリコン酸化膜あるいはシリコン窒化膜との間には、4価カチオン元素、5価カチオン元素、窒素のうち少なくとも1種の元素の酸窒化物または酸化物からなる絶縁膜が存在すること以外は、第6の実施の形態と同様である。この積層構造によってメモリセルトランジスタのブロック絶縁膜にあたる部分は6層構造となる。プロセス簡便性から選択トランジスタの絶縁膜も本来のゲート絶縁膜であるシリコン酸化膜の上に接して上記6層構造の絶縁膜が存在することになる。したがって、第1および第6の実施の形態と重複する記載については、記述を省略する。
(Seventh embodiment)
The NAND-type nonvolatile semiconductor memory device according to the seventh embodiment of the present invention includes an aluminum oxide film of a memory cell transistor and a select transistor and a silicon oxide film or a silicon nitride film in contact with the upper or lower side of the aluminum oxide film. Is the same as that of the sixth embodiment except that an insulating film made of an oxynitride or oxide of at least one element selected from a tetravalent cation element, a pentavalent cation element, and nitrogen is present. With this stacked structure, the portion corresponding to the block insulating film of the memory cell transistor has a six-layer structure. For the sake of process simplicity, the insulating film of the selection transistor is also in contact with the silicon oxide film, which is the original gate insulating film, so that the insulating film having the six-layer structure exists. Therefore, the description overlapping with the first and sixth embodiments is omitted.

図24は、本実施の形態のNAND型不揮発性半導体メモリ装置の断面図である。図に示すように、メモリセルトランジスタMT11は、電荷蓄積層104と第1の制御電極108aの間のブロック絶縁膜に相当する膜が、下層から4価カチオン元素、5価カチオン元素、窒素のうち少なくとも1種の元素の酸窒化物または酸化物からなる絶縁膜120a、アルミニウム酸化物の第2の絶縁膜106a、4価カチオン元素、5価カチオン元素のうち少なくとも1種の元素の酸窒化物または酸化物からなる絶縁膜120c、シリコン酸化膜126a、4価カチオン元素、5価カチオン元素、窒素のうち少なくとも1種の元素のからなる絶縁膜120e、アルミニウム酸化物の第2の絶縁膜106cの6層構造になっている。なお、絶縁膜120a、120c、120eには、素子形成後には第2の絶縁膜106a、106cと反応することにより、アルミニウムが拡散し、その酸化物が形成されている。   FIG. 24 is a cross-sectional view of the NAND-type nonvolatile semiconductor memory device of this embodiment. As shown in the figure, in the memory cell transistor MT11, a film corresponding to a block insulating film between the charge storage layer 104 and the first control electrode 108a is formed of a tetravalent cation element, a pentavalent cation element, and nitrogen from the lower layer. An insulating film 120a made of an oxynitride or oxide of at least one element, an aluminum oxide second insulating film 106a, an oxynitride of at least one element out of a tetravalent cation element and a pentavalent cation element, or 6 of the insulating film 120c made of oxide, the silicon oxide film 126a, the insulating film 120e made of at least one element selected from the group consisting of tetravalent cation element, pentavalent cation element and nitrogen, and the second insulating film 106c made of aluminum oxide. It has a layered structure. Note that in the insulating films 120a, 120c, and 120e, aluminum reacts with the second insulating films 106a and 106c after element formation, so that aluminum diffuses and oxides thereof are formed.

選択トランジスタSTS1は、トンネル酸化膜102bと第1の制御電極108bの間の絶縁膜が、下層から4価カチオン元素、5価カチオン元素、窒素のうち少なくとも1種の元素の酸窒化物または酸化物からなる絶縁膜120b、アルミニウム酸化物の第4の絶縁膜106b、4価カチオン元素、5価カチオン元素、窒素のうち少なくとも1種の元素の酸窒化物または酸化物からなる絶縁膜120d、シリコン酸化膜126b、4価カチオン元素、5価カチオン元素、窒素のうち少なくとも1種の元素の酸窒化物または酸化物からなる絶縁膜120f、アルミニウム酸化物の第4の絶縁膜106dの6層構造になっている。なお、絶縁膜120b、120d、120fには、素子形成後には第4の絶縁膜106dと反応することにより、アルミニウムが拡散し、その酸化物が形成されている。   In the select transistor STS1, the insulating film between the tunnel oxide film 102b and the first control electrode 108b has an oxynitride or an oxide of at least one element selected from a lower layer, a tetravalent cation element, a pentavalent cation element, and nitrogen. An insulating film 120b made of aluminum oxide, a fourth insulating film 106b made of aluminum oxide, an insulating film 120d made of oxynitride or oxide of at least one element selected from the group consisting of a tetravalent cation element, a pentavalent cation element, and nitrogen, and silicon oxide The film 126b has a six-layer structure of an insulating film 120f made of an oxynitride or oxide of at least one element selected from a tetravalent cation element, a pentavalent cation element, and nitrogen, and an aluminum oxide fourth insulating film 106d. ing. Note that in the insulating films 120b, 120d, and 120f, aluminum reacts with the fourth insulating film 106d after element formation, so that aluminum is diffused and oxides thereof are formed.

メモリセルトランジスタ領域では、トンネル絶縁膜102aの膜厚は3nmないし5nm程度、電荷蓄積層104であるシリコン窒化膜の膜厚は1nmないし5nm程度、シリコン窒化膜上に形成された4価カチオン元素、5価カチオン元素、窒素のうち少なくとも1種の元素の酸窒化物または酸化物からなる絶縁膜120aの膜厚が0.1nmないし1nm程度、この絶縁膜120a上に形成されたアルミニウム酸化膜106aの膜厚は4nmないし15nm程度、このアルミニウム酸化膜106aの上に形成された4価カチオン元素、5価カチオン元素のうち少なくとも1種の元素の酸窒化物または酸化物からなる絶縁膜120cの膜厚が0.1nmないし1nm程度、この絶縁膜120c上に形成されたシリコン酸化膜126aの膜厚は1nmから5nm程度、このシリコン酸化膜上に形成された4価カチオン元素、5価カチオン元素、窒素のうち少なくとも1種の元素の酸窒化物または酸化物からなる絶縁膜102eの膜厚が0.1nmないし1nm程度、この絶縁膜102e上に形成されたアルミニウム酸化膜106cの膜厚は4nmないし15nm程度である。   In the memory cell transistor region, the tunnel insulating film 102a has a thickness of about 3 nm to 5 nm, the silicon nitride film as the charge storage layer 104 has a thickness of about 1 nm to 5 nm, a tetravalent cation element formed on the silicon nitride film, The insulating film 120a made of an oxynitride or oxide of at least one element of pentavalent cation element and nitrogen has a thickness of about 0.1 nm to 1 nm. The aluminum oxide film 106a formed on the insulating film 120a The film thickness is about 4 nm to 15 nm, and the film thickness of the insulating film 120c made of oxynitride or oxide of at least one element among the tetravalent cation element and the pentavalent cation element formed on the aluminum oxide film 106a. The film thickness of the silicon oxide film 126a formed on the insulating film 120c is about 0.1 nm to 1 nm. The film thickness of the insulating film 102e made of oxynitride or oxide of at least one element of tetravalent cation element, pentavalent cation element, and nitrogen formed on this silicon oxide film is about 0.1 nm to 5 nm. The film thickness of the aluminum oxide film 106c formed on the insulating film 102e is about 4 nm to 15 nm.

選択トランジスタ領域では、トンネル絶縁膜102bの上の電荷蓄積層であるシリコン窒化膜が存在しない以外は、メモリセルトランジスタ領域と同じ製造工程で形成されるため、6層積層順序ならびに膜厚構成は同じである。   The select transistor region is formed in the same manufacturing process as the memory cell transistor region except that there is no silicon nitride film that is a charge storage layer on the tunnel insulating film 102b. It is.

本実施の形態によれば、メモリトランジスタ領域のブロック絶縁膜に、所望の元素が好適な濃度分布で添加されたアルミニウム酸化膜、シリコン酸化膜、所望の元素が好適な濃度分布で添加されたアルミニウム酸化膜の積層膜を用いている。このため、バルク欠陥(電荷トラップ)低減によるリーク電流減少による低消費電力化と、アルミニウム酸化物膜界面近傍の欠陥(電荷トラップ)低減による閾値変化抑制の両方が達成できる。またバルク欠陥及び界面欠陥の分布に併せて添加元素も分布させることで最小の添加量で効果的に積層構造全体の欠陥を減らすことが可能である。さらに、アルミニウム酸化膜に比べて電子障壁の大きなシリコン酸化膜をブロック膜中央に配置することで、良好な電荷保持性能を確保することができる。   According to the present embodiment, an aluminum oxide film, a silicon oxide film in which a desired element is added in a suitable concentration distribution, and an aluminum in which a desired element is added in a suitable concentration distribution to the block insulating film in the memory transistor region A laminated film of oxide films is used. For this reason, it is possible to achieve both a reduction in power consumption due to a reduction in leakage current due to a reduction in bulk defects (charge traps) and a threshold change suppression due to a reduction in defects (charge traps) near the aluminum oxide film interface. In addition, by distributing the additive elements together with the distribution of the bulk defects and the interface defects, it is possible to effectively reduce the defects of the entire stacked structure with the minimum addition amount. Furthermore, a favorable charge retention performance can be ensured by disposing a silicon oxide film having a larger electron barrier than the aluminum oxide film in the center of the block film.

以下、本実施の形態の製造方法について、第1および第6の実施の形態との相違点を中心に説明する。選択トランジスタ領域の電荷蓄積層104の除去後、4価カチオン元素、5価カチオン元素、窒素のうち少なくとも1種の元素の酸窒化物または酸化物、アルミニウム酸化物膜、4価カチオン元素、5価カチオン元素、窒素のうち少なくとも1種の元素の酸窒化物または酸化物、シリコン酸化膜、4価カチオン元素、5価カチオン元素、窒素のうち少なくとも1種の元素の酸窒化物または酸化物、アルミニウム酸化物膜、の6層構造を順次形成する。   Hereinafter, the manufacturing method of the present embodiment will be described focusing on differences from the first and sixth embodiments. After removal of the charge storage layer 104 in the select transistor region, an oxynitride or oxide of at least one of a tetravalent cation element, a pentavalent cation element, and nitrogen, an aluminum oxide film, a tetravalent cation element, and a pentavalent element Cation element, oxynitride or oxide of at least one element out of nitrogen, silicon oxide film, tetravalent cation element, pentavalent cation element, oxynitride or oxide of at least one element out of nitrogen, aluminum A six-layer structure of oxide films is sequentially formed.

その後、図16に示す工程のように制御ゲート電極材料を堆積し、第1の実施の形態と同様の方法で、NAND型半導体不揮発性メモリ装置を形成する。   Thereafter, a control gate electrode material is deposited as in the step shown in FIG. 16, and a NAND type semiconductor nonvolatile memory device is formed by the same method as in the first embodiment.

(第8の実施の形態)
本発明の第8の実施の形態のNAND型不揮発性半導体メモリ装置は、メモリセルトランジスタの第1の絶縁膜(トンネル絶縁膜)と、電荷蓄積層との間に、主要成分がアルミニウム酸化物であり、4価カチオン元素、5価カチオン元素、N(窒素)のうち少なくとも1種の元素を少量成分として含有する絶縁膜と、その上層のシリコン酸化膜が介在する以外は、第1の実施の形態と同様である。したがって、第1の実施の形態と重複する記載については、記述を省略する。本実施例はトンネル絶縁膜として公知のシリコン酸化膜/シリコン窒化膜(酸窒化膜)/シリコン酸化膜構造、いわゆるONO構造のシリコン窒化膜(酸窒化膜)を主要成分がアルミニウム酸化物であり、4価カチオン元素、5価カチオン元素、N(窒素)のうち少なくとも1種の元素を少量成分として含有する絶縁膜に置換した構造に対応する。すなわち、トンネル絶縁膜の改善を目的とした実施の形態であり、実施の形態1ないし7で示したブロック膜あるいは電荷捕獲層の改善とは目的が異なる。したがって、実施の形態1ないし7で示したメモリセルトランジスタのトンネル絶縁膜および選択トランジスタのゲート絶縁膜すべてに、そのまま適用可能である。
(Eighth embodiment)
In the NAND-type nonvolatile semiconductor memory device according to the eighth embodiment of the present invention, the main component is aluminum oxide between the first insulating film (tunnel insulating film) of the memory cell transistor and the charge storage layer. Yes, except that an insulating film containing at least one element of a tetravalent cation element, a pentavalent cation element, and N (nitrogen) as a minor component and an upper silicon oxide film are interposed. It is the same as the form. Therefore, the description overlapping the first embodiment is omitted. In this embodiment, a known silicon oxide film / silicon nitride film (oxynitride film) / silicon oxide film structure as a tunnel insulating film, a silicon nitride film (oxynitride film) having a so-called ONO structure is mainly composed of aluminum oxide, This corresponds to a structure in which at least one element selected from a tetravalent cation element, a pentavalent cation element, and N (nitrogen) is replaced with an insulating film containing a minor component. In other words, this is an embodiment aimed at improving the tunnel insulating film, and the purpose is different from the improvement of the block film or charge trapping layer shown in the first to seventh embodiments. Therefore, the present invention can be applied to all of the tunnel insulating film of the memory cell transistor and the gate insulating film of the selection transistor shown in the first to seventh embodiments.

図25は、本実施の形態のNAND型不揮発性半導体メモリ装置の断面図である。図に示すように、メモリセルトランジスタMT11は、第1の絶縁膜102aと電荷蓄積層104との間に、主要成分がアルミニウム酸化物であり、4価カチオン元素、5価カチオン元素、N(窒素)のうち少なくとも1種の元素を少量成分として含有する絶縁膜130aと、その上層のシリコン酸化膜132が介在する。すなわち、トンネル絶縁膜が第1の絶縁膜102aと所望の元素が好適な濃度分布で添加されたアルミニウム酸化膜130aとシリコン酸化膜132との3層積層構造となっている。選択トランジスタSTS1は、第1の絶縁膜102bと、その上に形成された主要成分がアルミニウム酸化物であり、4価カチオン元素、5価カチオン元素、N(窒素)のうち少なくとも1種の元素を少量成分として含有する絶縁膜130bとの2層積層構造となっている。   FIG. 25 is a cross-sectional view of the NAND-type nonvolatile semiconductor memory device of this embodiment. As shown in the figure, the main component of the memory cell transistor MT11 is an aluminum oxide between the first insulating film 102a and the charge storage layer 104, a tetravalent cation element, a pentavalent cation element, and N (nitrogen). ), An insulating film 130a containing at least one element as a minor component and an upper silicon oxide film 132 are interposed. That is, the tunnel insulating film has a three-layer structure of the first insulating film 102a and the aluminum oxide film 130a to which a desired element is added in a suitable concentration distribution and the silicon oxide film 132. The selection transistor STS1 includes a first insulating film 102b and a main component formed on the first insulating film 102b. The selection transistor STS1 includes at least one element selected from a tetravalent cation element, a pentavalent cation element, and N (nitrogen). It has a two-layer laminated structure with the insulating film 130b contained as a minor component.

メモリトランジスタ領域では、トンネル絶縁膜102aであるシリコン基板上のシリコン酸化の膜厚は1nmないし4nm程度、その上の4価あるいは5価元素あるいは窒素が添加されたアルミニウム酸化膜130aの膜厚は1nmないし5nm程度、その上のシリコン酸化膜132の膜厚は1nmないし4nm程度、電荷蓄積層104であるシリコン窒化膜の膜厚は1nmないし5nm程度、ブロック絶縁膜である4価あるいは5価元素あるいは窒素が添加されたアルミニウム酸化膜106aの膜厚は4nmから15nm程度である。   In the memory transistor region, the thickness of silicon oxide on the silicon substrate which is the tunnel insulating film 102a is about 1 nm to 4 nm, and the thickness of the aluminum oxide film 130a to which tetravalent or pentavalent element or nitrogen is added is 1 nm. About 5 nm, the thickness of the silicon oxide film 132 thereon is about 1 nm to 4 nm, the thickness of the silicon nitride film as the charge storage layer 104 is about 1 nm to 5 nm, a tetravalent or pentavalent element as a block insulating film, or The thickness of the aluminum oxide film 106a to which nitrogen is added is about 4 nm to 15 nm.

選択トランジスタ領域では、トンネル絶縁膜102bの膜厚は3nmないし5nm程度、ブロック絶縁膜である4価あるいは5価元素が添加されたアルミニウム酸化膜106aの膜厚は4nmないし15nm程度である。   In the select transistor region, the thickness of the tunnel insulating film 102b is about 3 nm to 5 nm, and the thickness of the aluminum oxide film 106a added with a tetravalent or pentavalent element as a block insulating film is about 4 nm to 15 nm.

本実施の形態によれば、メモリトランジスタ領域のトンネル絶縁膜に、シリコン酸化膜、所望の元素が好適な濃度分布で添加されたアルミニウム酸化膜、シリコン酸化膜の積層膜を用いている。このため、バルク欠陥(電荷トラップ)低減によるリーク電流減少による低消費電力化と、アルミニウム酸化物膜界面近傍の欠陥(電荷トラップ)低減による閾値変化抑制の両方が達成できる。またバルク欠陥及び界面欠陥の分布に併せて添加元素も分布させることで最小の添加量で効果的に積層構造全体の欠陥を減らすことが可能である。具体的にはアルミニウム酸化膜とシリコン酸化膜との界面で添加元素濃度が最大となるよう傾斜を持たせた分布が好ましい。濃度勾配を持たせることで応力緩和と格子不整合の低減も期待できる。さらに、シリコン酸化膜に比べて電子障壁の小さなアルミニウム酸化膜をブロック膜中央に配置することで、トンネル膜として良好な書き込み消去性能を確保することができる。   According to this embodiment, a laminated film of a silicon oxide film, an aluminum oxide film to which a desired element is added in a suitable concentration distribution, and a silicon oxide film are used for the tunnel insulating film in the memory transistor region. For this reason, it is possible to achieve both a reduction in power consumption due to a reduction in leakage current due to a reduction in bulk defects (charge traps) and a threshold change suppression due to a reduction in defects (charge traps) near the aluminum oxide film interface. In addition, by distributing the additive elements together with the distribution of the bulk defects and the interface defects, it is possible to effectively reduce the defects of the entire stacked structure with the minimum addition amount. Specifically, a distribution having an inclination so that the concentration of the additive element is maximized at the interface between the aluminum oxide film and the silicon oxide film is preferable. A concentration gradient can be expected to reduce stress relaxation and lattice mismatch. Furthermore, by arranging an aluminum oxide film having a smaller electron barrier than the silicon oxide film at the center of the block film, it is possible to ensure good write / erase performance as a tunnel film.

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。上記、実施の形態はあくまで、例として挙げられているだけであり、本発明を限定するものではない。また、実施の形態の説明においては、NAND型不揮発性半導体メモリ装置、その製造方法等で、本発明の説明に直接必要としない部分等については記載を省略したが、必要とされるNAND型不揮発性半導体メモリ装置、その製造方法等に関わる要素を適宜選択して用いることができる。   The embodiments of the present invention have been described above with reference to specific examples. The above embodiment is merely given as an example, and does not limit the present invention. Further, in the description of the embodiment, the description of the NAND-type nonvolatile semiconductor memory device, the manufacturing method thereof, and the like that are not directly required for the description of the present invention is omitted, but the required NAND-type nonvolatile semiconductor memory device is omitted. The elements related to the conductive semiconductor memory device, the manufacturing method thereof, and the like can be appropriately selected and used.

また、半導体基板として、シリコン(Si)を例に説明したが、必ずしもシリコン(Si)に限るものではなく、シリコンゲルマニウム(SiGe)、ゲルマニウム(Ge)、シリコンカーバイド(SiC)、ガリウム砒素(GaAs)、窒化アルミニウム(AlN)、窒化ガリウム(GaN)、インジウムアンチモン(InSb)等、あるいは、それらに歪を加えた基板を用いることが可能である。   Further, although silicon (Si) has been described as an example of the semiconductor substrate, it is not necessarily limited to silicon (Si), but silicon germanium (SiGe), germanium (Ge), silicon carbide (SiC), gallium arsenide (GaAs). It is possible to use aluminum nitride (AlN), gallium nitride (GaN), indium antimony (InSb), or the like, or a substrate obtained by adding strain thereto.

また、基板材料の面方位は必ずしも(100)面に限るものではなく、(110)面あるいは(111)面等を適宜選択することができる。   Further, the plane orientation of the substrate material is not necessarily limited to the (100) plane, and the (110) plane or the (111) plane can be appropriately selected.

その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全てのNAND型不揮発性半導体メモリ装置およびその製造方法は、本発明の範囲に包含される。本発明の範囲は、特許請求の範囲およびその均等物の範囲によって定義されるものである。   In addition, all NAND-type non-volatile semiconductor memory devices that include the elements of the present invention and whose design can be changed as appropriate by those skilled in the art and manufacturing methods thereof are included in the scope of the present invention. The scope of the present invention is defined by the appended claims and equivalents thereof.

第1の実施の形態のNAND型不揮発性半導体メモリ装置の断面図。1 is a cross-sectional view of a NAND nonvolatile semiconductor memory device according to a first embodiment. 第1の実施の形態のNAND型不揮発性半導体メモリ装置のチップレイアウト図。FIG. 2 is a chip layout diagram of the NAND-type nonvolatile semiconductor memory device according to the first embodiment. Alの酸化膜換算膜厚とストレス印加後のVfb変化の関係を示すグラフ。Graph showing the relationship between Vfb change after equivalent oxide thickness and stress application Al 2 O 3. 熱処理前後におけるAl中のSi濃度とトラップ電荷密度の関係を示すグラフ。Graph showing the relationship between the Si concentration and the trapped charge density in the Al 2 O 3 before and after heat treatment. Al中での各欠陥の種々の荷電状態のKohn−Sham準位を示した図。It shows the Kohn-Sham level of various charge states of the respective defects in Al 2 O 3. Al中での各欠陥の種々の荷電状態のKohn−Sham準位を示した図。It shows the Kohn-Sham level of various charge states of the respective defects in Al 2 O 3. 理論計算によるO、VAl、およびVの電荷捕獲準位を示す図。It shows a charge trapping level of O i, V Al, and V O by theoretical calculation. Al/SiOのAlギャップ中の電子準位を示す図。It shows an electron level of Al 2 O 3 / SiO 2 of Al 2 O 3 in the gap. Al/SiOのAlに4価あるいは5価カチオン元素を添加した際の濃度によるバンド図の変化を示す図。Al 2 O 3 / graph showing changes in the band diagram according to the concentration at which the SiO 2 to Al 2 O 3 was added tetravalent or pentavalent cation element. Al/SiOのAlに4価あるいは5価カチオン元素を添加した際の濃度によるバンド図の変化を示す図。Al 2 O 3 / graph showing changes in the band diagram according to the concentration at which the SiO 2 to Al 2 O 3 was added tetravalent or pentavalent cation element. Al/SiOのAl中にNを添加した場合の電子準位を示す図。It shows an electron level in the case of adding N in Al 2 O 3 / SiO 2 of Al 2 O 3. N添加が格子間酸素およびAl欠損に及ぼす寄与を示す図。The figure which shows the contribution which N addition has on interstitial oxygen and Al deficiency. 第1の実施の形態のNAND型不揮発性メモリ装置の製造方法を示す工程断面図。Process sectional drawing which shows the manufacturing method of the NAND type non-volatile memory device of 1st Embodiment. 第1の実施の形態のNAND型不揮発性メモリ装置の製造方法を示す工程断面図。Process sectional drawing which shows the manufacturing method of the NAND type non-volatile memory device of 1st Embodiment. 第1の実施の形態のNAND型不揮発性メモリ装置の製造方法を示す工程断面図。Process sectional drawing which shows the manufacturing method of the NAND type non-volatile memory device of 1st Embodiment. 第1の実施の形態のNAND型不揮発性メモリ装置の製造方法を示す工程断面図。Process sectional drawing which shows the manufacturing method of the NAND type non-volatile memory device of 1st Embodiment. 第1の実施の形態のNAND型不揮発性メモリ装置の製造方法を示す工程断面図。Process sectional drawing which shows the manufacturing method of the NAND type non-volatile memory device of 1st Embodiment. 第1の実施の形態のNAND型不揮発性メモリ装置の製造方法を示す工程断面図。Process sectional drawing which shows the manufacturing method of the NAND type non-volatile memory device of 1st Embodiment. 第2の実施の形態のNAND型不揮発性半導体メモリ装置の断面図。Sectional drawing of the NAND type non-volatile semiconductor memory device of 2nd Embodiment. 第3の実施の形態のNAND型不揮発性半導体メモリ装置の断面図。Sectional drawing of the NAND type non-volatile semiconductor memory device of 3rd Embodiment. 第4の実施の形態のNAND型不揮発性半導体メモリ装置の断面図。Sectional drawing of the NAND type non-volatile semiconductor memory device of 4th Embodiment. 第5の実施の形態のNAND型不揮発性半導体メモリ装置の断面図。Sectional drawing of the NAND type non-volatile semiconductor memory device of 5th Embodiment. 第6の実施の形態のNAND型不揮発性半導体メモリ装置の断面図。Sectional drawing of the NAND type non-volatile semiconductor memory device of 6th Embodiment. 第7の実施の形態のNAND型不揮発性半導体メモリ装置の断面図。Sectional drawing of the NAND type non-volatile semiconductor memory device of 7th Embodiment. 第8の実施の形態のNAND型不揮発性半導体メモリ装置の断面図。Sectional drawing of the NAND type non-volatile semiconductor memory device of 8th Embodiment.

100 半導体基板
102a 第1の絶縁膜
102b 第3の絶縁膜
104 電荷蓄積層
106a、c 第2の絶縁膜
106b、d 第4の絶縁膜
108a 第1の制御ゲート電極
108b 第2の制御ゲート電極
112b 第5の絶縁膜
100 Semiconductor substrate 102a First insulating film 102b Third insulating film 104 Charge storage layer 106a, c Second insulating film 106b, d Fourth insulating film 108a First control gate electrode 108b Second control gate electrode 112b 5th insulating film

Claims (15)

半導体基板に、直列接続された複数のメモリセルトランジスタと、直列接続された前記複数のメモリセルトランジスタの端部に設けられる選択トランジスタを備え、
前記メモリセルトランジスタは、
前記半導体基板上の第1の絶縁膜と、
前記第1の絶縁膜上の電荷蓄積層と、
前記電荷蓄積層上の、アルミニウム酸化物である第2の絶縁膜と、
前記第2の絶縁膜上の第1の制御ゲート電極と、
前記第1の制御ゲート電極の両側の前記半導体基板中に形成される第1のソース/ドレイン領域を備え、
前記選択トランジスタは、
前記半導体基板上の第3の絶縁膜と、
前記第3の絶縁膜上の、アルミニウム酸化物であり、5価カチオン元素を含有する第4の絶縁膜と、
前記第4の絶縁膜上の第2の制御ゲート電極と、
前記第2の制御ゲート電極の両側の前記半導体基板中に形成される第2のソース/ドレイン領域を備えることを特徴とするNAND型不揮発性半導体メモリ装置。
A semiconductor substrate includes a plurality of memory cell transistors connected in series and a selection transistor provided at an end of the plurality of memory cell transistors connected in series,
The memory cell transistor is
A first insulating film on the semiconductor substrate;
A charge storage layer on the first insulating film;
A second insulating film made of aluminum oxide on the charge storage layer;
A first control gate electrode on the second insulating film;
A first source / drain region formed in the semiconductor substrate on both sides of the first control gate electrode;
The selection transistor is:
A third insulating film on the semiconductor substrate;
A fourth insulating film which is an aluminum oxide and contains a pentavalent cation element on the third insulating film;
A second control gate electrode on the fourth insulating film;
A NAND type nonvolatile semiconductor memory device, comprising: second source / drain regions formed in the semiconductor substrate on both sides of the second control gate electrode.
前記第4の絶縁膜中の前記5価カチオン元素の濃度が、前記第3の絶縁膜側で最大値をとる分布を有することを特徴とする請求項1記載のNAND型不揮発性半導体メモリ装置。   2. The NAND type nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein the concentration of the pentavalent cation element in the fourth insulating film has a distribution having a maximum value on the third insulating film side. 前記5価カチオン元素が、前記アルミニウム酸化物中に略均一に含有されていることを特徴とする請求項1記載のNAND型不揮発性半導体メモリ装置。   The NAND-type nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein the pentavalent cation element is substantially uniformly contained in the aluminum oxide. 前記第3の絶縁膜と前記第4の絶縁膜との間に、アルミニウム酸化物であり、前記5価カチオン元素を含有する、前記5価カチオン元素の濃度分布の半値幅で定義された膜厚が0.1nm以上1nm以下の第5の絶縁膜を有することを特徴とする請求項1記載のNAND型不揮発性半導体メモリ装置。   The film thickness defined by the half width of the concentration distribution of the pentavalent cation element, which is an aluminum oxide and contains the pentavalent cation element, between the third insulating film and the fourth insulating film. The NAND-type nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, further comprising a fifth insulating film having a thickness of 0.1 nm to 1 nm. 前記5価カチオン元素はV、Nb、Taから選ばれる少なくとも1種の元素であることを特徴とする請求項1ないし請求項4記載のNAND型不揮発性半導体メモリ装置。   5. The NAND type nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein the pentavalent cation element is at least one element selected from V, Nb, and Ta. 前記5価カチオン元素の前記第4の絶縁膜中の濃度が0.015≦M/(Al+M)≦0.15(M=5価カチオン元素)であることを特徴とする請求項1ないし請求項5記載のNAND型不揮発性半導体メモリ装置。   The concentration of the pentavalent cation element in the fourth insulating film is 0.015 ≦ M / (Al + M) ≦ 0.15 (M = pentavalent cation element). 6. The NAND-type nonvolatile semiconductor memory device according to 5. 半導体基板に、直列接続された複数のメモリセルトランジスタと、直列接続された複数の前記メモリセルトランジスタの端部に設けられる選択トランジスタを備え、
前記メモリセルトランジスタは、
前記半導体基板上の第1の絶縁膜と、
前記第1の絶縁膜上の、アルミニウム酸化物である第2の絶縁膜と、
前記第2の絶縁膜上の第1の制御ゲート電極と、
前記第1の制御ゲート電極の両側の前記半導体基板中に形成される第1のソース/ドレイン領域を備え、
前記選択トランジスタは、
前記半導体基板上の第3の絶縁膜と、
前記第3の絶縁膜上の、アルミニウム酸化物であり、5価カチオン元素を含有する第4の絶縁膜と、
前記第4の絶縁膜上の第2の制御ゲート電極と、
前記第2の制御ゲート電極の両側の前記半導体基板中に形成される第2のソース/ドレイン領域を備えることを特徴とするNAND型不揮発性半導体メモリ装置。
A semiconductor substrate includes a plurality of memory cell transistors connected in series and a selection transistor provided at an end of the plurality of memory cell transistors connected in series,
The memory cell transistor is
A first insulating film on the semiconductor substrate;
A second insulating film made of aluminum oxide on the first insulating film;
A first control gate electrode on the second insulating film;
A first source / drain region formed in the semiconductor substrate on both sides of the first control gate electrode;
The selection transistor is:
A third insulating film on the semiconductor substrate;
A fourth insulating film which is an aluminum oxide and contains a pentavalent cation element on the third insulating film;
A second control gate electrode on the fourth insulating film;
A NAND type nonvolatile semiconductor memory device, comprising: second source / drain regions formed in the semiconductor substrate on both sides of the second control gate electrode.
前記第1の絶縁膜および第3の絶縁膜は、シリコン酸化膜あるいはシリコン酸窒化膜であることを特徴とする請求項1ないし請求項7記載のNAND型不揮発性半導体メモリ装置。 8. The NAND type nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein the first insulating film and the third insulating film are a silicon oxide film or a silicon oxynitride film. 半導体基板に、直列接続された複数のメモリセルトランジスタと、直列接続された前記複数のメモリセルトランジスタの端部に設けられる選択トランジスタを備え、
前記メモリセルトランジスタは、
前記半導体基板上の第1の絶縁膜と、
前記第1の絶縁膜上の電荷蓄積層と、
前記電荷蓄積層上の、アルミニウム酸化物である第2の絶縁膜と、
前記第2の絶縁膜上の第1の制御ゲート電極と、
前記第1の制御ゲート電極の両側の前記半導体基板中に形成される第1のソース/ドレイン領域を備え、
前記選択トランジスタは、
前記半導体基板上の第3の絶縁膜と、
前記第3の絶縁膜上の、アルミニウム酸化物であり、N(窒素)を含有する第4の絶縁膜と、
前記第4の絶縁膜上の第2の制御ゲート電極と、
前記第2の制御ゲート電極の両側の前記半導体基板中に形成される第2のソース/ドレイン領域を備え、
前記N(窒素)の前記第4の絶縁膜中の濃度が0.02≦N/(O+N)≦0.4であることを特徴とするNAND型不揮発性半導体メモリ装置。
A semiconductor substrate includes a plurality of memory cell transistors connected in series and a selection transistor provided at an end of the plurality of memory cell transistors connected in series,
The memory cell transistor is
A first insulating film on the semiconductor substrate;
A charge storage layer on the first insulating film;
A second insulating film made of aluminum oxide on the charge storage layer;
A first control gate electrode on the second insulating film;
A first source / drain region formed in the semiconductor substrate on both sides of the first control gate electrode;
The selection transistor is:
A third insulating film on the semiconductor substrate;
A fourth insulating film which is aluminum oxide and contains N (nitrogen) on the third insulating film;
A second control gate electrode on the fourth insulating film;
A second source / drain region formed in the semiconductor substrate on both sides of the second control gate electrode;
A NAND-type nonvolatile semiconductor memory device, wherein a concentration of N (nitrogen) in the fourth insulating film satisfies 0.02 ≦ N / (O + N) ≦ 0.4.
前記第4の絶縁膜中の前記N(窒素)の濃度が、前記第3の絶縁膜側で最大値をとる分布を有することを特徴とする請求項9記載のNAND型不揮発性半導体メモリ装置。   10. The NAND-type nonvolatile semiconductor memory device according to claim 9, wherein the N (nitrogen) concentration in the fourth insulating film has a distribution having a maximum value on the third insulating film side. 前記N(窒素)が、前記アルミニウム酸化物中に略均一に含有されていることを特徴とする請求項9記載のNAND型不揮発性半導体メモリ装置。   10. The NAND type nonvolatile semiconductor memory device according to claim 9, wherein the N (nitrogen) is substantially uniformly contained in the aluminum oxide. 前記第3の絶縁膜と前記第4の絶縁膜との間に、アルミニウム酸化物であり、前記N(窒素)を含有する、前記N(窒素)の濃度分布の半値幅で定義された膜厚が0.1nm以上1nm以下の第5の絶縁膜を有することを特徴とする請求項9記載のNAND型不揮発性半導体メモリ装置。   The film thickness defined by the half-value width of the concentration distribution of N (nitrogen), which is aluminum oxide and contains N (nitrogen), between the third insulating film and the fourth insulating film. 10. The NAND type nonvolatile semiconductor memory device according to claim 9, further comprising a fifth insulating film having a thickness of 0.1 nm to 1 nm. 半導体基板に、直列接続された複数のメモリセルトランジスタと、直列接続された複数の前記メモリセルトランジスタの端部に設けられる選択トランジスタを備え、
前記メモリセルトランジスタは、
前記半導体基板上の第1の絶縁膜と、
前記第1の絶縁膜上の、アルミニウム酸化物である第2の絶縁膜と、
前記第2の絶縁膜上の第1の制御ゲート電極と、
前記第1の制御ゲート電極の両側の前記半導体基板中に形成される第1のソース/ドレイン領域を備え、
前記選択トランジスタは、
前記半導体基板上の第3の絶縁膜と、
前記第3の絶縁膜上の、アルミニウム酸化物であり、N(窒素)を含有する第4の絶縁膜と、
前記第4の絶縁膜上の第2の制御ゲート電極と、
前記第2の制御ゲート電極の両側の前記半導体基板中に形成される第2のソース/ドレイン領域を備え、
前記N(窒素)の前記第4の絶縁膜中の濃度が0.02≦N/(O+N)≦0.4であることを特徴とするNAND型不揮発性半導体メモリ装置。
A semiconductor substrate includes a plurality of memory cell transistors connected in series and a selection transistor provided at an end of the plurality of memory cell transistors connected in series,
The memory cell transistor is
A first insulating film on the semiconductor substrate;
A second insulating film made of aluminum oxide on the first insulating film;
A first control gate electrode on the second insulating film;
A first source / drain region formed in the semiconductor substrate on both sides of the first control gate electrode;
The selection transistor is:
A third insulating film on the semiconductor substrate;
A fourth insulating film which is aluminum oxide and contains N (nitrogen) on the third insulating film;
A second control gate electrode on the fourth insulating film;
A second source / drain region formed in the semiconductor substrate on both sides of the second control gate electrode;
A NAND-type nonvolatile semiconductor memory device, wherein a concentration of N (nitrogen) in the fourth insulating film satisfies 0.02 ≦ N / (O + N) ≦ 0.4.
前記第1の絶縁膜および第3の絶縁膜は、シリコン酸化膜あるいはシリコン酸窒化膜であることを特徴とする請求項9ないし請求項13記載のNAND型不揮発性半導体メモリ装置。 14. The NAND type nonvolatile semiconductor memory device according to claim 9, wherein the first insulating film and the third insulating film are a silicon oxide film or a silicon oxynitride film. 前記第4の絶縁膜中に4価カチオン元素または5価カチオン元素を含有することを特徴とする請求項9ないし請求項14記載のNAND型不揮発性半導体メモリ装置。 15. The NAND type nonvolatile semiconductor memory device according to claim 9, wherein the fourth insulating film contains a tetravalent cation element or a pentavalent cation element.
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