JP2015060874A - 不揮発性半導体記憶装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】高集積化に適した不揮発性半導体記憶装置を提供する。
【解決手段】不揮発性半導体記憶装置は、メモリセル領域Mと、メモリセル領域Mに隣接する周辺回路領域Pと、メモリセル領域Mの第1層目L1に配置された第1メモリセルユニットと、メモリセル領域Mの第k層目(kは2以上の整数)に配置され、第1方向に延び、第1方向に交差する第2方向に第1幅を存して形成された素子領域を有する第2メモリセルユニットと、周辺回路領域Pの1層目L1に形成された周辺回路素子と、を備え、周辺回路領域Pのk層目には、第1幅の2n+1倍(但しn≧0の整数)の第2幅を第2方向に存して形成されたダミー素子領域DMを備える。
【選択図】図4
【解決手段】不揮発性半導体記憶装置は、メモリセル領域Mと、メモリセル領域Mに隣接する周辺回路領域Pと、メモリセル領域Mの第1層目L1に配置された第1メモリセルユニットと、メモリセル領域Mの第k層目(kは2以上の整数)に配置され、第1方向に延び、第1方向に交差する第2方向に第1幅を存して形成された素子領域を有する第2メモリセルユニットと、周辺回路領域Pの1層目L1に形成された周辺回路素子と、を備え、周辺回路領域Pのk層目には、第1幅の2n+1倍(但しn≧0の整数)の第2幅を第2方向に存して形成されたダミー素子領域DMを備える。
【選択図】図4
Description
本発明の実施形態は、不揮発性半導体記憶装置に関する。
不揮発性半導体記憶装置は様々な機器に搭載されている。不揮発性半導体記憶装置は、多数のセルユニットを備える。近年、半導体素子の微細化、高集積化の進展に伴い、セルユニットを3次元階層的に構成したり、ディプレッション型メモリセルを構成したりすることが検討されている。
高集積化に適した不揮発性半導体記憶装置を提供する。
実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置は、メモリセル領域と、前記メモリセル領域に隣接する周辺回路領域と、前記メモリセル領域の第1層目に配置された第1メモリセルユニットと、前記メモリセル領域の第k層目(kは2以上の整数)に配置され、第1方向に延び、前記第1方向に交差する第2方向に第1幅を存して形成された素子領域を有する第2メモリセルユニットと、前記周辺回路領域の前記1層目に形成された周辺回路素子と、を備え、前記周辺回路領域の前記k層目には、前記第1幅の2n+1倍(但しn≧0の整数)の第2幅を前記第2方向に存して形成されたダミー素子領域を備える。
実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置は、メモリセル領域と、前記メモリセル領域に隣接する周辺回路領域と、前記メモリセル領域の第1層目に配置された第1メモリセルユニットと、前記メモリセル領域の第k層目(kは2以上の整数)に配置され、第1方向に延び、前記第1方向に交差する第2方向に第1幅を存して形成された素子領域を有する第2メモリセルユニットと、前記周辺回路領域の前記1層目に形成された周辺回路素子と、前記周辺回路領域内の前記k層目に前記第1方向に沿うと共に前記第2方向に離間して形成されたダミー素子領域と、前記ダミー素子領域に接触しつつ前記第1層目の複数の周辺回路素子まで積層方向にそれぞれ貫通する複数のコンタクトと、を備え、前記複数のコンタクトは側面が絶縁膜により覆われている。
以下、不揮発性半導体記憶装置およびその製造方法の幾つかの実施形態について図面を参照しながら説明する。尚、以下に参照する図面内の記載において、同一または類似の部分には同一又は類似の符号を付して表している。また、説明の都合上、実施形態の説明における上下左右や高低、溝の深浅などの方向は、後述する半導体基板の裏面側を基準とした相対的な位置関係である。
(第1実施形態)
不揮発性半導体記憶装置をNAND型のフラッシュメモリ装置に適用した第1実施形態について図1〜図10を参照しながら説明する。
不揮発性半導体記憶装置をNAND型のフラッシュメモリ装置に適用した第1実施形態について図1〜図10を参照しながら説明する。
図1はNAND型のフラッシュメモリ装置の電気的構成をブロック図により概略的に示す。図1に示すように、NAND型のフラッシュメモリ装置Aは、メモリセルユニットUCを多数マトリックス状に具備したメモリセルアレイArと、このメモリセルアレイArを駆動するための周辺回路PCとを備える。
周辺回路PCは、周辺回路領域P内に構成されており、メモリセルアレイArの各ブロックBkに電圧を印加するためのロウデコーダ、電流を検知するセンスアンプ等が設けられると共に、外部信号を処理する論理回路、電源キャパシタなど(何れも図示せず)が設けられる。周辺回路PC内の構成は、詳細説明を省略し、周辺トランジスタTrp、容量素子Ca、抵抗素子Raなどの周辺回路素子の説明を後述するにとどめ、便宜上、周辺回路PCの一部又は全部を制御回路CCと定義して説明を行う。
メモリセルアレイArはメモリセル領域M内に構成される。ここで、図1においては、半導体基板1に構成された第1層目L1の電気的構成を示し、第2層目L2(後述の図3参照)の電気的構成を省略している。メモリセルアレイArは、所謂積層メモリセルアレイ構造を採用しており、第2層目L2の電気的構成は第1層目L1の電気的構成とほぼ同一となる。このため、以下では第1層目L1の電気的構成説明を行い、第2層目L2の電気的構成説明を省略する。本実施形態において、メモリセル領域MのメモリセルアレイArの積層構造は2層構造の例を示すが、このメモリセル領域Mのアレイ積層構造は3層以上の構造でも適用可能である。
メモリセルアレイArは、多数のセルユニットUCをX方向に配列して構成される。なお、図1には2ブロックBk、Bk+1の構成のみ示しているが、第1層目L1の電気的構成は、1ブロック分のセルユニットUCによるセルユニット群をY方向(ビット線方向)に配列して構成される。
各セルユニットUCは、複数の選択トランジスタTrs1、Trs2と、これらの選択トランジスタTrs1−Trs2間に直列接続された複数個(例えば64個)のメモリセルトランジスタTrmとを備える。これらの選択トランジスタTrs1及びTrs2間に直列接続された複数個のメモリセルトランジスタTrmはセルストリングSCを構成する。
選択トランジスタTrs1は、そのドレイン/ソースの一方がビット線BLに接続されており、その他方がセルストリングSCの一方に接続されている。セルストリングSCの他方には選択トランジスタTrs2のドレイン/ソースの一方に接続されており、この選択トランジスタTrs2のドレイン/ソースの他方はソース線SLに接続される。
なお、選択トランジスタTrs1とメモリセルトランジスタTrmとの間にダミートランジスタを設けても良いし、選択トランジスタTrs2とメモリセルトランジスタTrmとの間にダミートランジスタを設けても良い。
図1中、X方向に配列された複数のセルユニットUCのメモリセルトランジスタTrmのゲート電極MG(図3参照)はワード線WLにより共通接続されている。また、図1中X方向に配列された選択トランジスタTrs1の選択ゲート電極SGD(図3参照)は、選択ゲート線SGL1により共通接続されており、選択トランジスタTrs2の選択ゲート電極SGS(図3参照)は、選択ゲート線SGL2により共通接続されている。選択トランジスタTrs1のドレイン領域にはビット線コンタクトCBが設けられ、選択トランジスタTrs2のソース領域にはソース線コンタクトCSが設けられる。
図2(A)はメモリセル領域内の1層目における一部ブロックのレイアウトパターンを模式的に示す平面図の一例である。なお、第2層目L2のブロックのレイアウトパターンは第1層目L1のブロックのレイアウトパターンとほぼ同一となる。
ブロックBk(k≧1)の各セルユニットUCは、各ビット線コンタクトCBの構成領域を折返し領域としてY方向に線対称に折り返し構成されている。すなわち、図2(A)に示すように、ブロックBkの選択ゲート線SGL1は、ブロックBk+1の選択ゲート線SGL1とビット線コンタクトCBの形成領域を挟んで対向配置されている。
また、ブロックBkの各セルユニットUCは、各ソース線コンタクトCSの形成領域を折返し領域としてY方向に線対称に折り返し構成されている。ブロックBk+1の選択ゲート線SGL2は、ブロックBk+2の選択ゲート線SGL2とソース線コンタクトCSの形成領域を挟んで対向配置されている。
半導体基板1は例えばシリコン基板を用いて構成され、図2(A)中のY方向に沿ってSTI(Shallow Trench Isolation)構造の素子分離領域Sbが構成されている。各セルユニットUCの素子領域Saは素子分離領域Sbにより図2(A)中のX方向に互いに分離されている。
これにより、素子領域SaがそれぞれY方向に延伸すると共に互いにX方向に分離して構成されている。これらの素子領域Saは、互いにX方向に等幅およびX方向に等間隔で形成されている。ビット線コンタクトCBは、各セルユニットUCの素子領域Saに接触するように形成されている。また、ソース線コンタクトCSは、各セルユニットUCの素子領域Saに接触するように形成されている。
以上のように説明した構造が、1層目L1のセルユニットUCを含む構造である。本実施形態では、図3に示すようにこれらの1層目L1のセルユニットUCの構成が層間絶縁膜(図3には図示せず)を介して3次元階層的に2層目L2にも構成されている。そして、これらの1層目L1、2層目L2により構成される積層メモリセルアレイ構造の上に、ソース線SL、ビット線BLが形成されている。
図2(A)に示すように、ビット線BLはそれぞれ図2(A)中のY方向に延伸しX方向に離間して構成されている。これらのビット線BLは、互いにX方向に等幅およびX方向に等間隔で形成されている。他方、ソース線SLは、複数のセルユニットUCのソース線コンタクトCS上に渡りX方向に沿って形成されている。
図2(B)は周辺回路領域P内の1層目L1に構成される周辺トランジスタTrpの構造の一例を模式的に示している。周辺回路領域Pには、例えば周辺トランジスタTrpが構成される。周辺トランジスタTrpは例えば高耐圧又は低耐圧型のトランジスタなど、複数の種類を有している。この周辺トランジスタTrpは、矩形状の素子領域51を備えると共に、当該素子領域51のほぼ中央の一部を横切るように当該素子領域51上にゲート電極PGを備える。
素子領域51はその周囲が絶縁膜により埋込まれており素子分離領域52として構成される。また素子領域51から外方に張り出したゲート電極PG上にはコンタクトCP1が形成されており、当該コンタクトCP1を介して上層配線(後述の図4の符号23、24参照)に接続されている。また、ゲート電極PGの両脇の素子領域51上にはソース/ドレイン接続用のコンタクトCP2が形成されている。
図2(C)はメモリセル領域Mと周辺回路領域Pの配置関係の一例を模式的に示す。図2(C)に示すように、メモリセル領域Mは例えば周辺回路領域Pによりその周囲が囲まれている。これらのメモリセル領域M内と周辺回路領域P内とは設計ルールが大幅に異なる素子を形成するため、これらの設計ルールの緩和解消のため、プロセス設計上の理由からダミー領域DM(図4参照)が設けられることもある。このダミー領域DMは、領域P又はMのいずれかの設計ルールが適用される場合もあれば、当該領域P及びMの幅、間隔の中間の設計ルールが適用される場合もある。このダミー領域DMに構成される要素は電気的に機能しない要素の場合がある。
以下、本実施形態において、メモリセル領域M内の1層目L1及び2層目L2以上の断面構造を説明する。図3はメモリセル領域Mの断面構造の一例を図2(A)のA−A線に沿って模式的に示す。図4はメモリセル領域M、周辺回路領域P、および当該領域間のダミー領域DMの断面構造の一例を図2(C)のB−B線に沿って模式的に示す。
図3および図4を参照し、メモリセルトランジスタTrmの構造を概略的に説明する。まず図4において、半導体基板1には例えばP型の単結晶シリコン基板を用いている。半導体基板1の上部には素子分離溝2が形成されている。この素子分離溝2はX方向に離間してY方向に沿って複数形成されている。これらの素子分離溝2は素子領域SaをX方向に分離している。この素子分離溝2内には素子分離膜3が埋込まれ、これによりSTI構造の素子分離領域Sbを構成する。
素子分離領域Sbにより分離された素子領域Sa上には、トンネル絶縁膜4が形成されている。このトンネル絶縁膜4上にはゲート電極MGが形成されている。このゲート電極MGは、電荷蓄積層FGと、電荷蓄積層FG上に形成されたIPD膜(電極間絶縁膜)5と、IPD膜5上に形成された制御電極CGと、を備える。
トンネル絶縁膜4は、シリコン基板1の素子領域Sa上に形成され例えばシリコン酸化膜により構成される。電荷蓄積層FGは、例えばリン、または、ボロンの不純物がドープされたポリシリコン膜と、当該ポリシリコン膜上に形成された例えばSiN又はHfOなどからなる電荷トラップ膜(図示せず)とを備えた導電層22により構成される。なお、電荷トラップ膜は特にポリシリコン膜が薄い場合など必要に応じて設けられる。
IPD膜5は、素子分離膜3の上面、および、電荷蓄積層FGの上面に沿って形成されており、電極間絶縁膜、導電層間絶縁膜とも言い換えることができる。IPD膜5としては、高誘電体膜(例えば窒化物(N)、ハフニウム(Hf)、アルミニウム(Al)などを含んだ酸化膜)による単層膜、または、シリコン酸化(SiO2)膜、さらに、これらの複合膜などを用いることができる。
図3及び図4に示すように、制御電極CGは、メモリセルトランジスタTrmのワード線WLを構成し導電層8により構成される。この導電層8は、例えばタングステン層などの金属層、または、例えばリン等の不純物がドープされた多結晶シリコン、または、シリサイド層、またはこれらの層が複合された層により構成されている。導電層8の上面上には例えばSiN、SiO2などの層間絶縁膜等が形成されている。
また、図3に示すように、メモリセルトランジスタTrmのゲート電極MGは、Y方向に並設されている。また、これらのゲート電極MGの一方の脇に離間して、選択トランジスタTrs1の選択ゲート電極SGDが配置されている。
また、前記のゲート電極MGの他方の脇に離間して、選択トランジスタTrs2の選択ゲート電極SGSが配置されている。各ゲート電極MG間、およびゲート電極MG−SGD間、MG−SGS間には、電極分離用の溝(符号なし)により互いに電気的に分離されている。この溝内には、例えばTEOS(tetraethyl orthosilicate)を用いたシリコン酸化膜を含む層間絶縁膜9(図4参照)が形成される場合もある。また、互いのゲート電極MG間の干渉を極力抑制するため空隙を設ける場合もある。
選択ゲート電極SGD、SGSの各積層構造は、メモリセルトランジスタTrmのゲート電極MGとほぼ同様の積層構造である。これらの選択ゲート電極SGD、SGSのIPD膜5には溝が形成されており、電荷蓄積層FGと導電膜8とが接触した構造となっている。
前記の構造は、セルユニットUCの1層目L1の構造であるが、図3及び図4に示すように、これらのセルユニットUCは2層目L2にも1層目L1と同様の構造で構成されている。
図4に示すように、層間絶縁膜9上には2層目L2の素子領域Saが形成されている。この素子領域Saは不純物(例えばp型のボロン(B))がドープされたポリシリコンによるシリコン膜10により構成されている。これらの素子領域Saは、図3及び図4に示すように、2層目L2において、Y方向に延び、X方向に所定の間隔で設けられている。
この2層目L2の素子領域Sa上には、トンネル絶縁膜11、電荷蓄積層FGが形成され、これらの素子領域Sa、トンネル絶縁膜11、電荷蓄積層FG間には素子分離領域Sbが構成されている。この2層目L2の素子分離領域Sbは、例えばシリコン酸化膜が素子分離膜12として埋込まれることで構成されている。
電荷蓄積層FG上にはIPD膜13が形成され、さらにIPD膜13上には制御電極CGが形成されている。この制御電極CGはワード線WLを構成し導電層14により構成されている。この導電層14は前述の導電層8と同質の材料により構成されている。導電層14上には例えばシリコン酸化膜などによる層間絶縁膜15が形成されている。
図3に示すように、メモリセル領域M内においては、1層目L1、2層目L2共に、ゲート電極MG、選択ゲート電極SGD、SGSが形成されている。本実施形態では、セルユニットUCが、1層目L1、2層目L2の2層構造に形成された例を示すが、セルユニットUCを3層以上に積層した場合であっても同様である。
図3に示すように、ビット線コンタクトCBは、1層目L1及び2層目L2の選択ゲート電極SGDのY方向に隣接して形成され、ソース線コンタクトCSは、1層目L1及び2層目L2の選択ゲート電極SGSのY方向に隣接して形成される。
これらのビット線コンタクトCB及びソース線コンタクトCSは、1層目L1、2層目L2の層間絶縁膜9、15を貫通し、2層目L2のセルユニットUCの上方から半導体基板1の上面上に接触するように形成されている。ソース線コンタクトCS上面に接触するようにソース線SLが構成され、ビット線コンタクトCB上面に接触するようにビット線BLが構成される。
図3及び図4に示すように、層間絶縁膜15上にはソース線SLなどの構成層(3層目L3)が形成され、当該構成層上に層間絶縁膜16を介してビット線BLなどの構成層(4層目L4)が形成されている。層間絶縁膜16は例えばシリコン酸化膜などにより構成される。ビット線BLの上には層間絶縁膜17を介してさらに上層配線(図示せず)が形成される。
他方、図4に示すように、ダミー領域DMにおいては、1層目L1には半導体基板1にX方向において、素子分離領域Saよりも幅が広い素子分離領域Sbが設けられる。この半導体基板1の素子分離領域Sb上においてメモリセル領域Mから延びるワード線WL(導電層8)が終端している。
前述した図2(B)に示したように、周辺回路領域Pの1層目L1にはトランジスタなどの周辺トランジスタTrpが設けられる。図4の右欄に示すように、周辺回路領域Pの半導体基板1の素子領域51上には、ゲート絶縁膜21が形成されており、各素子領域51上のゲート絶縁膜21上には、電荷蓄積層FGと同じ材料を有する導電層22(例えばポリシリコンなどの導電層22)が設けられる。またこの導電層22上に導電層8が形成されている。ここで、導電層22と導電層8は直接的に接することにより、電気的に導通している。
各素子領域51上には導電層8が設けられるが、これらの導電層8上にはコンタクトCP1が設けられている。また、周辺回路領域Pの3層目L3、4層目L4には、それぞれ上層配線23、24が設けられている。これらの上層配線23、24は、周辺回路領域P内の各種周辺回路PCの構成要素に電気的に接続されており、当該周辺回路PCの構成要素から導電層8などに所定の信号を印加するために設けられる。
導電層8上にはコンタクトCP1が形成されているが、このコンタクトCP1は、3層目L3の上層配線23と1層目L1の導電層8とを電気的に導通接続するために設けられる。このコンタクトCP1は、3層目L3から1層目L1まで貫くため2層目L2を上下に貫通する。また、コンタクトCP3は上層配線23、24間の層間絶縁膜16を貫通するように構成されている。
前述したように、メモリセル領域Mの2層目L2には、ポリシリコン膜10からなる素子領域Sa、トンネル絶縁膜11、電荷蓄積層FG、IPD膜13、導電層14が順に積層されているが、ダミー領域DM及び周辺回路領域Pの2層目L2にもメモリセル領域Mの2層目L2と同様に、素子領域Sa、トンネル絶縁膜11、電荷蓄積層FGの積層構造が層間絶縁膜9上に積層されている。
以下、素子領域Sa、トンネル絶縁膜11、電荷蓄積層FGを積層構造Gとして説明する。ダミー領域DM及び周辺回路領域Pの2層目L2の素子領域Saはダミー素子領域として設けられる(図4参照)。また、ダミー領域DM及び周辺回路領域Pの2層目L2のトンネル絶縁膜11、電荷蓄積層FGもまた、それぞれダミートンネル絶縁膜、ダミー電荷蓄積層として設けられる。
周辺回路領域Pはメモリセル領域Mの周辺に設けられており、周辺回路領域Pおよびメモリセル領域Mは、1層目L1、2層目L2、3層目L3…の順で製造される。また、同じ層に配置される素子は、メモリセル領域M、ダミー領域DM及び周辺回路領域Pにおいて同時に形成される。ここで、例えば2層目L2の積層構造Gがメモリセル領域M内のみに構成され、この製造段階で2層目L2の周辺回路領域Pに何も形成されていないとする。この場合、メモリセル領域Mの電荷蓄積層FGをストッパ(電荷蓄積層FGの上のキャップ膜をストッパとして用いる場合もありうる)として例えばCMP平坦化処理するときに、所謂ディッシング現象を生じてしまい周辺回路領域Pのみ大きく沈み込んでしまう虞を生じる。
そこで、本実施形態では2層目L2のダミー領域DM及び周辺回路領域Pにおいても、積層構造Gがメモリセル領域Mの積層構造と同様に配置されている。本実施形態においては、積層構造GのX方向幅が各領域P、M、DM間でほぼ同一幅に形成されている。また、積層構造G間のX方向間隔もまた、各領域P、M、DM間でほぼ同一幅に形成されている。
本実施形態では、これらの積層構造Gは、周辺回路領域P、ダミー領域DMでは、ダミー積層構造として設けられている。そのため、コンタクトCP1等が積層構造Gの一部構成には接触するものの、当該一部の積層構造Gは他の積層構造Gとは電気的構成には絶縁されている。そのため、他のコンタクトCPと電気的に短絡することなく、導電層8に電気的に接続されている。
本実施形態においては、2層目L2の積層構造Gは、メモリセル領域M、周辺回路領域P、ダミー領域DM間に渡り、ほぼ一様に構成されている。これにより、CMPによる平坦化処理を必要とするときでも、ディッシング現象を生じることなく製造できる。また、領域メモリセル領域M、周辺回路領域P、ダミー領域DM間に渡り、積層構造を一様に構成できるので、それぞれの領域の構造の違いによる応力を緩和し、2層目L2の積層構造の倒壊を防止できる。
以下、本実施形態に係る製造方法の一例を説明する。なお、下記では本実施形態の特徴部分を中心に説明するが、下記に示す各工程間に実用的に必要な工程又は一般的な工程であれば追加しても良いし、各工程は実用的に可能であれば入れ替えて行っても良い。
図5に示す断面構造に至る製造工程については概略的に示す。まず、例えばP型の単結晶シリコン基板を半導体基板1として用意する。この後、半導体基板1の表面にトンネル絶縁膜4として例えばシリコン酸化膜を、熱酸化法を用いて形成する。
トンネル絶縁膜4は、メモリセルトランジスタTrmのゲート絶縁膜として形成される。トンネル絶縁膜4上に最終的に電荷蓄積層FGとなるシリコン膜を例えばCVD法を用いて形成する。周辺回路領域P内でも同時に導電層22が形成される。シリコン膜に符号22を付して説明する。このシリコン膜22は成膜当初はアモルファス状態で形成されるが、後の熱処理でポリシリコン化される。
シリコン膜22上にマスクパターンを形成し、このマスクパターンをマスクとしてY方向に沿って素子分離溝2を形成し、ラインアンドスペースパターンを形成する。このとき、ダミー領域DMおよび周辺回路領域Pの素子分離溝2は、メモリセル領域M内の素子分離溝2よりX方向に幅が広くなるように形成される。また、周辺回路領域P内において、島状に素子領域51を分離する素子分離溝2も、メモリセル領域M内の素子分離溝2よりX方向に幅広に形成する。
素子分離溝2内にCVD法を用いて素子分離膜3を埋込み、当該素子分離膜3の上部を平坦化処理、エッチバック処理などを行うことでシリコン膜22の上面を露出させ、必要に応じて電荷トラップ膜をCVD法により形成する。シリコン膜22の上面及び上側面並びに素子分離膜3の上面に沿ってIPD膜5をLP−CVD法などを用いて形成する。
選択ゲート電極SGD、SGSのIPD膜5に溝を形成すると共に、周辺回路領域P内のIPD膜5を除去する。その後、素子分離膜3、IPD膜5及びシリコン膜22の上にタングステンなどの低抵抗化金属層などを積層することで導電層8を形成する。このようにして、図5に示す構造が得られる。
図6に示すように、メモリセル領域M及び周辺回路領域P間の素子分離膜3上、及び、周辺回路領域P内の導電層22上、において導電層8を異方性エッチング処理することにより当該導電層8を分断する。そして、分断された導電層8間を埋込むように層間絶縁膜9をCVD法により堆積する。
図7〜図10は、図6に続く2層目L2の製造工程を示し、層間絶縁膜9より上の構造のみを模式的に示し、1層目L1の構造を省略している。
図7に示すように、層間絶縁膜9上に非晶質のシリコン膜10を形成し、シリコン膜10に例えばP型不純物をイオン注入する。この不純物導入領域が2層目L2の素子領域Saとして構成される。そして、そのシリコン膜10上にトンネル絶縁膜11を例えば熱酸化法を用いて形成し、トンネル絶縁膜11上に例えばCVD法を用いてシリコン膜25を形成する。
図7に示すように、層間絶縁膜9上に非晶質のシリコン膜10を形成し、シリコン膜10に例えばP型不純物をイオン注入する。この不純物導入領域が2層目L2の素子領域Saとして構成される。そして、そのシリコン膜10上にトンネル絶縁膜11を例えば熱酸化法を用いて形成し、トンネル絶縁膜11上に例えばCVD法を用いてシリコン膜25を形成する。
図8に示すように、シリコン膜25上に例えば側壁転写技術などのパターン形成方法を用いてライン:スペースの間隔比が約1:1のラインスペースパターンとなるマスクパターンMKを形成し、シリコン膜25、トンネル絶縁膜11、及び、シリコン膜10を順に異方性エッチング処理する。これにより、X方向幅とX方向間隔が同一の2層目L2の積層構造Gを形成できる。ここで、積層構造GのX方向の幅は、1層目L1の素子領域SaのX方向の幅と同じにすることができる。なお、このラインアンドスペースパターンは、通常のリソグラフィ処理を行うことでパターニングしても良い。
図9に示すように、CVD法を用いて例えばシリコン酸化膜を堆積し、2層目L2の積層構造Gを覆う。このシリコン酸化膜は素子分離膜12として形成され素子分離領域Sbを構成する。この素子分離膜12の成膜直前の工程において、積層構造Gをほぼ同一のピッチ(間隔)に形成している。そのため、シリコン酸化膜を素子分離膜12としてCVD法により形成しても、各積層構造G間に素子分離膜12を良好に埋込むことができる。また、例えば塗布系の酸化埋込材を用い各積層構造G間に素子分離膜12を形成することもできる。
図10に示すように、CMP処理によりマスクパターンMKの上面をストッパとして平坦化処理し、素子分離膜12となるシリコン酸化膜の上面を電極蓄積層FGの上面に合わせる。その後、全面エッチバック処理することで電荷蓄積層FGとシリコン酸化膜の上面をほぼ面一に合わせる。その後、マスクパターンMKを除去する。その結果、ダミー領域DM及び周辺回路領域Pにディッシングが発生することを防止できる。
図4に示すように、周辺回路領域Pにマスクパターンを形成し、メモリセル領域M内にIPD膜13、導電層14を例えばLP−CVD法などを用いて形成し、層間絶縁膜15を堆積する。
そして、周辺回路領域Pにおいて、層間絶縁膜15に1層目L1の導電層8の上面に貫通するようにヴィアホールを形成する。このとき、メモリセル領域Mでは、層間絶縁膜15に、ソース線コンタクトCSを形成するためのヴィアホールを形成する。
そして、これらのヴィアホール内にコンタクトCP1、CSを形成する。そして、周辺回路領域PではコンタクトCP1上に周辺トランジスタTrpへの電圧印加用の上層配線23を形成すると共に、メモリセル領域M内ではソース線コンタクトCS上にソース線SLを形成する。
ここで、周辺回路領域P内のコンタクトCP1は、2層目L2の一部の積層構造Gに接触するが、周辺回路領域Pの積層構造Gはダミーとして配置されている。このため、コンタクトCP1が他のコンタクトなどに電気的に短絡することなくコンタクトCP1を形成できる。その後、層間絶縁膜16を形成し、コンタクトCP3、4層目L4の構造(例えばビット線BL、上層配線24)などを形成する。
本実施形態によれば、周辺回路領域P内にダミーの積層構造G(ダミー素子領域Sa)を形成したので、CMP処理によるディッシングの影響を防止してグローバルな段差を抑制でき、2層目L2の形成後のチップ全体の平坦性を確保できる。3層目L3以上にセルユニットUCを形成する場合においても、周辺回路領域P内にダミーの積層構造Gを形成すれば同様の作用効果を奏する。
本実施形態によれば、周辺回路領域P内の2層目L2のラインアンドスペースパターンをほぼ1対1にしているため、メモリセル領域Pの2層目L2の構造と周辺回路領域Pの積層構造Gの幅、間隔を同一にすることができる。その結果、粗密差によるパターン崩れを防止することができる。
(第2実施形態)
図11〜図21は第2実施形態を示す。本実施形態では、周辺回路領域P内の2層目L2の積層構造Gの幅とその間隔(ライン:スペース)の比を約3:1とした形態を示す。
図11に示すように、周辺回路領域P内の2層目L2の素子領域Saは、そのX方向幅がメモリセル領域M内の2層目L2の素子領域SaのX方向幅の約3倍に形成されている。また、素子領域Sa間のスペース(間隔)がメモリセル領域Mと周辺回路領域Pにおいてほぼ同一間隔で設けられている。その他の構造は、前述実施形態と同様であるため説明を省略する。
図11〜図21は第2実施形態を示す。本実施形態では、周辺回路領域P内の2層目L2の積層構造Gの幅とその間隔(ライン:スペース)の比を約3:1とした形態を示す。
図11に示すように、周辺回路領域P内の2層目L2の素子領域Saは、そのX方向幅がメモリセル領域M内の2層目L2の素子領域SaのX方向幅の約3倍に形成されている。また、素子領域Sa間のスペース(間隔)がメモリセル領域Mと周辺回路領域Pにおいてほぼ同一間隔で設けられている。その他の構造は、前述実施形態と同様であるため説明を省略する。
図11に示す構造の製造方法を説明する。1層目L1、3層目L3、4層目L4の構造は前述実施形態と同様であるため、2層目L2の構造の製造方法を説明する。
図12〜図21は2層目L2の製造方法を概略的に示す。図12に示すように、1層目L1と2層目L2の境界となる層間絶縁膜9上にシリコン膜10を堆積しP型不純物をシリコン膜10中にイオン注入する。
図12〜図21は2層目L2の製造方法を概略的に示す。図12に示すように、1層目L1と2層目L2の境界となる層間絶縁膜9上にシリコン膜10を堆積しP型不純物をシリコン膜10中にイオン注入する。
このシリコン膜10上にトンネル絶縁膜11を形成し、トンネル絶縁膜11上に電荷蓄積層FGとなるポリシリコン膜25を形成する。このポリシリコン膜25上にシリコン窒化膜30を、例えば、CVD法を用いて形成し、そのシリコン窒化膜30上に、例えば、CVD法を用いてシリコン酸化膜31を形成する。
そしてシリコン酸化膜31上にレジスト33を塗布し、当該レジスト33aを約1対1のラインアンドスペースパターンにパターニングする。このラインアンドスペースパターンは、露光装置の解像可能なパターン幅、間隔で構成される。
図13に示すように、パターニングされたレジスト33aをマスクとしてシリコン酸化膜31をRIE法により異方性エッチング処理する。そしてレジスト33aのパターンをアッシング処理などで除去する。図14に示すように、スリミング技術を用いてシリコン酸化膜31を細らせるが、このとき、シリコン酸化膜31を、隣接するシリコン酸化膜31間のX方向間隔が1本のシリコン酸化膜31のX方向幅のほぼ3倍の幅になるまで細らせる。
図15に示すように、CVD法またはALD法などを用いてアモルファスシリコン膜32をシリコン酸化膜31の上面及び側面、シリコン窒化膜30の露出上面に沿うように形成する。このとき、アモルファスシリコン膜32の膜厚をシリコン酸化膜31のX方向幅とほぼ同一厚さに形成する。
図16に示すように、RIE法によりアモルファスシリコン膜32を選択的に異方性エッチング処理する。その結果、シリコン酸化膜31上のアモルファスシリコン膜32を除去しつつ、シリコン酸化膜31の側壁に沿ってアモルファスシリコン膜32を残留させると共に、シリコン窒化膜30上に形成されたアモルファスシリコン膜32を除去し、当該除去領域においてシリコン窒化膜30の上面を露出させることができる。
図17に示すように、レジスト33を塗布した後、ダミー領域DM及び周辺回路領域P内のアモルファスシリコン膜32及びシリコン酸化膜31並びにシリコン窒化膜30を覆うようにレジスト33をパターニングする。
図18に示すように、パターニングされたレジスト33の被覆領域を除き例えばメモリセル領域Mのシリコン酸化膜31を選択的にエッチング処理することで、隣接するアモルファスシリコン膜32間のシリコン酸化膜31を選択的に除去する。
その後、レジスト33を剥離し、図19に示すように、シリコン酸化膜31及びアモルファスシリコン膜32に対してエッチング選択性の高い条件にてシリコン窒化膜30をRIE法により異方性エッチング処理する。
その後、エッチング条件を変更し、シリコン窒化膜30をマスクとして電荷蓄積層FGとなるシリコン膜25、トンネル絶縁膜11、シリコン膜10をRIE法により異方性エッチング処理する。このようにして2層目L2の積層構造Gを形成できる。
その後、図20に示すように、素子分離膜12を当該積層構造G間に形成する。このとき素子分離膜12はCVD法によりシリコン酸化膜を形成する。その後、マスク膜(シリコン窒化膜30)をストッパとして平坦化する。このとき、ダミー領域DM及び周辺回路領域Pにおいて積層構造Gが形成されている。その結果、ダミー領域DM及び周辺回路領域Pにディッシングが発生すること防止できる。その後、図21に示すように素子分離膜12の上部を電荷蓄積層FGの上面に合わせるようにエッチバック処理し、シリコン窒化膜30を除去することで電荷蓄積層FGの上面を露出させる。
本実施形態においても、周辺回路領域Pの2層目L2に素子領域Saを形成したので、2層目L2の形成後のチップ全体の平坦性を確保できる。また、素子領域Sa間の素子分離膜12の埋込材として塗布系のシリコン酸化膜を用いる必要がなくなり、被覆性の良いCVD膜を使用することができる。また、メモリセル領域Mよりもほぼ3倍も幅の広い素子領域Saを形成しているので、パターンの機械的強度を向上でき、製造途中の倒壊等の不具合の虞を小さくすることができる。
なお、第2実施形態では、ほぼ3倍の幅広のダミーの積層構造Gをダミー領域DM及び周辺回路領域P内に設けた例を説明したが、メモリセル領域Mの積層構造と同じ幅を有する積層構造Gをダミー領域DMに配置しても良い。また、ほぼ3倍の幅広のダミーの積層構造Gを周辺回路領域P内の一部設けても良い。
(第3実施形態)
図22〜図41は第3実施形態を示す。本実施形態では、周辺回路領域P内の2層目L2の積層構造Gの幅と間隔(ライン−スペース)の比を約7:1にした形態を示す。
図22に示すように、周辺回路領域P内の2層目L2の素子領域Saは、そのX方向幅がメモリセル領域M内の2層目L2の素子領域SaのX方向幅のほぼ7倍で形成されている。また、素子領域Sa間のスペース(間隔)がメモリセル領域Mと周辺回路領域Pにおいてほぼ同一間隔で設けられている。その他の構造は、前述実施形態と同様であるため説明を省略する。
図22〜図41は第3実施形態を示す。本実施形態では、周辺回路領域P内の2層目L2の積層構造Gの幅と間隔(ライン−スペース)の比を約7:1にした形態を示す。
図22に示すように、周辺回路領域P内の2層目L2の素子領域Saは、そのX方向幅がメモリセル領域M内の2層目L2の素子領域SaのX方向幅のほぼ7倍で形成されている。また、素子領域Sa間のスペース(間隔)がメモリセル領域Mと周辺回路領域Pにおいてほぼ同一間隔で設けられている。その他の構造は、前述実施形態と同様であるため説明を省略する。
図22に示す構造の製造方法を説明する。1層目L1、3層目L3、4層目L4の構造は前述実施形態と同様であるため、2層目L2の構造の製造方法を説明する。
図23〜図41は2層目L2の製造方法を概略的に示す。図23に示すように、1層目L1と2層目L2の境界となる層間絶縁膜9上にシリコン膜10をCVD法により堆積し、P型不純物をシリコン膜10中にイオン注入する。
図23〜図41は2層目L2の製造方法を概略的に示す。図23に示すように、1層目L1と2層目L2の境界となる層間絶縁膜9上にシリコン膜10をCVD法により堆積し、P型不純物をシリコン膜10中にイオン注入する。
このシリコン膜10上にトンネル絶縁膜11を形成し、トンネル絶縁膜11上に電荷蓄積層FGとなるシリコン膜25を形成する。このシリコン膜25上に、シリコン窒化膜40、シリコン酸化膜41、アモルファスシリコン膜42、及び、シリコン酸化膜43を、例えば、CVD法などを用いて順に形成する。
そして、シリコン酸化膜43上にレジスト44を塗布し、当該レジスト44を1対1のラインアンドスペースパターンにパターニングする。このラインアンドスペースパターンのパターニングは露光装置の解像可能なパターン幅、間隔で構成される。
図24に示すように、パターニングされたレジスト44をマスクとしてシリコン酸化膜43をRIE法により異方性エッチング処理する。そしてレジスト44をアッシング処理などにより除去する。図25に示すように、スリミング技術を用いてシリコン酸化膜43を細らせるが、このとき、シリコン酸化膜43を、隣接するシリコン酸化膜43間のX方向間隔が1本のシリコン酸化膜43のX方向幅のほぼ3倍の幅になるまで細らせる(スリミング処理)。
図26に示すように、シリコン窒化膜45をCVD法もしくはALD法などを用いてシリコン酸化膜43の上面及び側面、アモルファスシリコン膜42の上面に沿うように形成する。このとき、シリコン窒化膜45の膜厚をシリコン酸化膜43のX方向幅とほぼ同一の厚さに形成する。
図27に示すように、RIE法によりシリコン窒化膜45を選択的に異方性エッチング処理する。その結果、アモルファスシリコン膜42上のシリコン窒化膜45を除去しつつシリコン酸化膜43の側壁に沿ってシリコン窒化膜45を残留させると共に、アモルファスシリコン膜42上に形成されたシリコン窒化膜45を除去し、当該除去領域においてアモルファスシリコン膜42の上面を露出させることができる。
図28に示すように、レジスト46を塗布した後、ダミー領域DM及び周辺回路領域P内のシリコン窒化膜45及びシリコン酸化膜43並びにアモルファスシリコン膜42を覆うようにレジスト46をパターニングする。
図29に示すように、パターニングされたレジスト46の被覆領域を除き例えばメモリセル領域M(必要に応じてダミー領域DM含む)のシリコン酸化膜43を選択的にエッチング処理することで、隣接するシリコン窒化膜45間のシリコン酸化膜43を選択的に除去する。図30に示すようにレジスト46を剥離する。
図31に示すように、シリコン酸化膜43及びシリコン窒化膜45に対してエッチング選択性の高い条件にてアモルファスシリコン膜42をRIE法により異方性エッチング処理する。その後、エッチング条件を変更し、図32に示すように、残留したアモルファスシリコン膜42をマスクとしてシリコン酸化膜41をRIE法により異方性エッチングする。
これにより、周辺回路領域P内において、シリコン酸化膜41の幅と間隔の比を約3:1に形成しながら、メモリセル領域Mおよび(必要に応じてダミー領域DM含む)内においてシリコン酸化膜41の幅と間隔の比をほぼ1:1に形成できる。
図33に示すように、シリコン酸化膜41上に残留したアモルファスシリコン膜42を除去処理する。図34に示すように、シリコン酸化膜41をスリミング処理する。このとき、メモリセル領域M内のシリコン酸化膜41のX方向幅を1とすると、周辺回路領域P内のシリコン酸化膜41の幅をほぼ5とし、さらにメモリセル領域M,ダミー領域DM,周辺回路領域P内のシリコン酸化膜41間の間隔をほぼ3とする比になるように形成する。このような幅と間隔の関係となるようにシリコン酸化膜41をスリミング処理する。
図35に示すように、アモルファスシリコン膜42をCVD法もしくはALD法などを用いて、シリコン酸化膜41の上面及び側面、及び、シリコン窒化膜40の上面に沿うように形成する。このとき、アモルファスシリコン膜42の膜厚をメモリセル領域M内のシリコン酸化膜41のX方向幅とほぼ同一の厚さに形成する。
図36に示すように、RIE法によりアモルファスシリコン膜42を選択的に異方性エッチングすることで、シリコン窒化膜40上のアモルファスシリコン膜42を除去しつつ、シリコン酸化膜41の側壁に沿ってアモルファスシリコン膜42を残留させる。また、これと同時に、シリコン窒化膜40上に形成された薄いアモルファスシリコン膜42を除去し、当該除去領域においてシリコン窒化膜40の上面を露出させる。
すると、周辺回路領域P内でもそれ以外の領域でも、アモルファスシリコン膜42がシリコン酸化膜41の両側壁に沿って形成される。アモルファスシリコン膜42のX方向幅を1とすると、周辺回路領域P内ではシリコン酸化膜41及びアモルファスシリコン膜42によるX方向幅は7となる。それ以外の領域(例えばメモリセル領域M内)ではシリコン酸化膜41及びアモルファスシリコン膜42によるX方向幅は3となる。また、これらの膜構造間の間隔は1となる。
図37に示すように、レジスト47を塗布した後、周辺回路領域P内のシリコン酸化膜41及びアモルファスシリコン膜42並びにシリコン窒化膜40を覆うようにレジスト47をパターニングする。
図38に示すように、パターニングされたレジスト47の被覆領域を除き例えばメモリセル領域Mのシリコン酸化膜41を選択的にエッチング処理することで、隣接するアモルファスシリコン膜42間のシリコン酸化膜41を選択的に除去する。
レジスト47を剥離し、図39に示すように、シリコン酸化材及びアモルファスシリコン膜42に対してエッチング選択性の高い条件にてシリコン窒化膜40をRIE法により異方性エッチングする。その後、エッチング条件を変更し、図39に示すように、シリコン窒化膜40をマスクとして電荷蓄積層FGとなるシリコン膜25、トンネル絶縁膜11、シリコン膜10をRIE法により異方性エッチングする。
図40に示すように、素子分離膜12を積層構造G間に形成する。このとき素子分離膜12は例えばCVD法によりシリコン酸化膜を形成すると良い。その後、マスク膜(シリコン窒化膜40)をストッパとしてCMP法により平坦化処理する。このとき、ダミー領域DM及び周辺回路領域Pにおいて積層構造Gが形成されている。その結果、ダミー領域DM及び周辺回路領域Pにディッシングが発生することを防止できる。
その後、図41に示すように、素子分離膜12の上部を電荷蓄積層FGの上面に合わせるようにエッチバック処理し、シリコン窒化膜40を除去することでシリコン膜25(電荷蓄積層FG)の上面を露出させる。このようにして2層目L2の積層構造Gを形成できる。すると、メモリセル領域M内の2層目L2の素子領域のX方向幅を1としたとき、周辺回路領域P内の素子領域のX方向幅をほぼ7倍にすることができ、より広い幅の素子領域Saを形成できる。
本実施形態では、側壁転写技術を2回繰り返し、周辺回路領域Pの2層目L2にメモリセル領域Mに対してほぼ7倍の幅の素子領域Saを形成したので、2層目L2の形成後のチップ全体の平坦性を確保できる。また、素子領域Sa間の埋込材として塗布系の酸化膜を用いる必要がなくなり、被覆性の良いCVD膜を使用できる。また、周辺回路領域Pにはメモリセル領域Mよりもほぼ7倍も幅の広い素子領域Saを形成しているので、パターンの機械的強度を向上でき、製造途中の倒壊等の不具合の虞を小さくすることができる。
さらに、1回の露光で3本に分割するトリプルパターニング技術を使用すれば、ほぼ5倍の幅の素子領域Sa、積層構造Gを形成できる。したがって、メモリセル領域M内の素子領域Saの2n+1(n≧0の整数)倍の素子領域Saを周辺回路領域P内に形成できる。
なお、第3実施形態では、2n+1倍の幅広のダミーの積層構造Gをダミー領域DM及び周辺回路領域P内に設けた例を説明したが、メモリセル領域Mと同じ幅を有する積層構造Gをダミー領域DMに配置しても良い。また、2n+1倍の幅広のダミーの積層構造Gを周辺回路領域P内の一部に設けても良い。
(第4実施形態)
図42〜図50は第4実施形態を示す。この第4実施形態では、周辺回路領域Pの2層目L2以上に構成されるダミー素子領域を利用して抵抗素子Ra又は/及び容量素子Caを構成したところに特徴を備える。
図42〜図50は第4実施形態を示す。この第4実施形態では、周辺回路領域Pの2層目L2以上に構成されるダミー素子領域を利用して抵抗素子Ra又は/及び容量素子Caを構成したところに特徴を備える。
例えば第2又は第3の実施形態に示したように、周辺回路領域Pの2層目L2の積層構造Gは、メモリセル領域Mの素子領域Saの幅に対してX方向に2n+1(n≧1)倍幅に形成できる。
本実施形態では、2層目L2の積層構造G2を、シリコン膜10、トンネル絶縁膜11、シリコン膜25、IPD膜13、及び導電層14の積層構造であるものとして説明を行う。図42に2層目L2の積層構造G2の平面図を示す。
図42に示すように、メモリセル領域Mの素子領域SaはX方向に幅WSaを有してY方向に延びている。ここで、周辺回路領域Pにおいて2層目L2の積層構造G2がメモリセル領域Mの素子領域Saの幅に対して(2n+1)WSaの幅を有してY方向に延び、X方向に所定間隔を有して配置されている。
図42では、n=1の場合を例に挙げて説明する。積層構造G2は、シリコン膜10、トンネル絶縁膜11、シリコン膜25、IPD膜13、及び導電層14を順に形成した後に、これらの積層膜10、11、25、13、14に対し、X方向に延びる素子分離領域Sbを形成することにより島状に分離されたものである。積層構造G2の一部(シリコン膜10)上には、コンタクトCP4がY方向に離間して配置されている。
図43に図42のC−C線に沿う模式的な断面構造の一例を示す。積層構造G2は、図43に示すように、積層構造G2は、層間絶縁膜16上に、素子領域Saとなるシリコン膜10、トンネル絶縁膜11、電荷蓄積層FGとなるシリコン膜25、IPD膜13、導電層14の順に積層されている。
分断された積層構造G2において、シリコン膜10及びトンネル絶縁膜11はY方向に延びるように形成される。トンネル絶縁膜11のY方向中央部の上に電荷蓄積層FG、IPD膜13、及び導電層14が形成されている。すなわち、電荷蓄積層FG、IPD膜13、及び導電層14は、これらのシリコン膜10及びトンネル絶縁膜11のY方向中央の一部に積層されていると言える。
したがって、トンネル絶縁膜11はY方向両端において露出した構造となっている。この積層構造G2を覆うように層間絶縁膜15が形成されている。コンタクトCP4は、層間絶縁膜16及びトンネル絶縁膜11を貫通してシリコン膜10の上面に接触するように形成されている。これらのY方向に離間した隣接コンタクトCP4間には2層目L2のシリコン膜10が配置されている。このため、このシリコン膜10が抵抗要素Raとして構成される。
前記の図43に示す構造の製造工程を概略的に説明する。例えば、第2実施形態に示したように、周辺回路領域P内の2層目L2の積層構造のX方向幅を、メモリセル領域M内の2層目L2の積層構造のX方向幅に比較して3倍に形成した場合について説明する。
第2実施形態の図21に示すように、シリコン膜10、トンネル絶縁膜11、シリコン膜25間に素子分離膜12を埋込み、当該素子分離膜12の上面をわずかにエッチバック処理する。その後、IPD膜13、導電層14を順に形成する。
この製造段階において2層目L2の積層構造G、G2は平面的には図44に示すように形成され、図42のC−C線に沿う2層目L2の断面構造は図45に示すようになる。
図44に示すように、メモリセル領域Mにおいては、Y方向に延びる積層構造GがX方向幅WSaを有して形成される。一方、周辺回路領域Pには、Y方向に延びる積層構造GがX方向幅(2n+1)WSaを有して形成される。
図44に示すように、メモリセル領域Mにおいては、Y方向に延びる積層構造GがX方向幅WSaを有して形成される。一方、周辺回路領域Pには、Y方向に延びる積層構造GがX方向幅(2n+1)WSaを有して形成される。
図46(a)に示すように、X方向に配置された複数の積層構造G2上にマスクパターンMK2を形成する。ここで、マスクパターンMK2は平面的にはY方向において、トンネル絶縁膜11の中央部の電荷蓄積層FG、IPD膜13、及び導電層14の形成予定領域に形成される。その後、図46(b)に示すように、マスクパターンMK2をマスクとして、2層目L2の積層構造G2の上層部分(導電層14、IPD膜13、電荷蓄積層FGとなるシリコン膜25)について、トンネル絶縁膜11をストッパとしてRIE法により異方性エッチングする。その後、マスクパターンMK2を除去する。
図47(a)に示すように、X方向に配置された複数の積層構造G2を跨ぐように、X方向に延びる溝MZ1を形成する。溝MZ1は、Y方向に離間して2本形成され、溝MZ1に挟まれた部分に島状の積層構造G2が形成される。ここで、図47(b)に示すように、溝MZ1はトンネル絶縁膜11及びシリコン膜10をRIE法により層間絶縁膜9の上面上までエッチングすることにより形成される。このときの異方性エッチング領域は、図42のX方向に沿う素子分離領域Sbで示す部分であり、このとき同時に複数の島状の素子領域Saを形成できる。
図43に示すように、積層構造G、及び、G2上に層間絶縁膜16をCVD法により堆積し、層間絶縁膜16、トンネル絶縁膜11を貫通し、シリコン膜10の上面に達するまでホールを形成し、当該ホール内にコンタクトCP4の材料を埋込む。これにより、2つのコンタクトCP4間に抵抗素子Raを構成できる。
図48〜図50(b)は2層目L2以上に形成される容量素子Caの構造を模式的に示す。図48〜図50(b)に示すように、容量素子Caは、周辺回路領域Pの2層目L2に形成されるダミー構造を用いて形成されている。
図49は図48のD−D線に沿う断面構造の一例を模式的に示し、図50(a)は図48のE−E線に沿う断面構造の一例を模式的に示す。図49に示すように、積層構造G2のY方向断面構造は抵抗素子Raとほぼ同様であるため説明を省略する。
図50(b)に示すように、メモリセル領域Mの素子領域Saは幅WSaを有してY方向に延びている。ここで、2層目L2の積層構造G2がメモリセル領域Mの素子領域Saの幅に対して(2n+1)WSaの幅を有してY方向に延び、X方向に所定間隔を有して配置されている。
図49〜図50(b)では、n=1の場合を例に挙げて説明する。積層構造G2は、シリコン膜10、トンネル絶縁膜11、シリコン膜25、IPD膜13、及び導電層14を順に形成した後に、これらの積層膜10、11、25、13、14に対しX方向に延びる素子分離領域Sbを形成することにより島状に分離されたものである。図49に示すように、積層構造G2の一部(シリコン膜10)上には、コンタクトCP4がY方向に離間して配置されている。
図49及び図50(a)に示すように、IPD膜13は、複数の積層構造G2のY方向ほぼ中央部分において、かつ、X方向に配置された複数の積層構造G2に連続し、シリコン膜25及び素子分離膜12の上面を覆うように形成され、このIPD膜13の上に導電層14が形成されている。そして、ヴィアコンタクトCP5が導電層14のY方向端部上に位置して層間絶縁膜15を貫通するように形成されている。
なお、容量素子Caの製造方法は、抵抗素子Raの製造方法とほぼ同じである。図46(a)に示すマスクパターンMK2に代えて、図50(b)に示すマスクパターンMK3を形成すればよい。ここで、マスクパターンMK3は、X方向に配置された複数の積層構造G2に連続するように形成されるものである。
容量素子Caは、シリコン膜10と導電層14を電極とし、トンネル絶縁膜11及びIPD膜13を絶縁層として挟んだ構造により構成されている。このようにして2層目L2にも容量素子Caを構成できる。抵抗素子Ra、容量素子Caを2層目L2に構成した形態を説明したが、これに限定されるものではなく、3層目L3以上に構成しても良い。
本実施形態によれば、周辺回路領域P内の2層目L2以上のダミー素子領域Sa(積層構造G、G2)を用いて、抵抗素子Ra、容量素子Caを構成したので、1層目L1に当該抵抗素子Ra、容量素子Caを設ける必要がなくなり、回路面積を削減できる。
(第5実施形態)
図51〜図56は第5実施形態を示す。この第5実施形態では、1層目L1に周辺トランジスタTrp2が構成され、2層目L2の素子領域Saを含む積層構造Gが、この周辺トランジスタTrp2の上方に形成される形態を示す。
図51〜図56は第5実施形態を示す。この第5実施形態では、1層目L1に周辺トランジスタTrp2が構成され、2層目L2の素子領域Saを含む積層構造Gが、この周辺トランジスタTrp2の上方に形成される形態を示す。
図51に平面図の一例を模式的に示し、図52に図51中のF−F線に沿う縦断側面図の一例を模式的に示す。図52に示すように、周辺トランジスタTrp2が1層目L1に構成されている。この周辺トランジスタTrp2は、例えば、高耐圧トランジスタにより構成される。
周辺トランジスタTrp2は、その素子領域SaのX方向幅及びY方向幅、トンネル絶縁膜21の膜厚、そのゲート電極PG2の膜厚及び幅、ゲートコンタクトCP6の径などの寸法が電流許容量を満たすように、メモリセル領域Mの構成要素(例えばワード線WL、ビット線BL)などの幅寸法に比較して大きく構成されている。
図51に平面図の一例を示すように、1層目L1の周辺トランジスタTrp2のゲート電極PG2はX2方向に延伸して形成されている。この1層目L1の素子領域51はその周辺を素子分離領域52で囲まれることにより島状に分離されている。
そして1層目L1のゲート電極PG2は素子領域51上をX2方向に横切るように延伸されている。ここで、2層目L2の積層構造Gは幅WSaを有してY2方向に延びている。なお、ダミー積層構造Gは、前述実施形態に示した2層目L2の積層構造Gを示すもので、幅WSaはメモリセル領域Mにおける素子領域Saの幅WSaである。
1層目L1において、ゲート電極PG2が素子分離領域52上に張り出して構成され、ゲート電極PG2の端部上にはゲートコンタクトCP6が形成されている。ゲートコンタクトCP6は複数の積層構造Gに跨るように配置されている。ここで、2つのゲートコンタクトCP6はY2方向に隣接し、同一の積層構造Gと交差するように配置されている。図52に示すように、1層目L1のゲート電極PG2上には層間絶縁膜9が形成されており、この層間絶縁膜9上に2層目L2のダミー積層構造Gが構成されている。
このダミー積層構造Gは、素子領域Sa、トンネル絶縁膜11、電荷蓄積層FGとなるシリコン膜25等を積層して構成され、このダミー積層構造G上に層間絶縁膜15が形成されている。この層間絶縁膜15上には、3層目L3、4層目L4などにおいて、上層配線23、24が前述実施形態同様に形成されている。
図53は図51のJ−J線に沿う断面の一例を模式的に示す。この図53に示すように、このゲートコンタクトCP6は、2層目のダミー積層構造Gを貫通し、3層目L3の上層配線23と1層目L1のゲート電極PG2の上面とを構造的に接続するように形成される。また、3層目L3と4層目L4の上層配線23と24との間はコンタクトCPaにより連結されている。
図53に示すように、ゲートコンタクトCP6は電極材60とこの電極材60の外側面に形成されたスペーサ膜61とを備える。電極材60は例えばタングステン又はポリシリコンなどである。
スペーサ膜61は、電極材60の側面を覆うように例えばシリコン酸化膜により形成され、電極材60と2層目L2のダミー積層構造Gの導電性材とが構造的に接触しないように設けられる。すなわち、このスペーサ膜61が設けられることで、Y2方向に隣接するゲートコンタクトCP6間の短絡を防止できる。また、このスペーサ膜61が設けられることで、ゲートコンタクトCP6と2層目のダミー積層構造Gとの間の絶縁性を保持できる。
上記構造のうち、特にスペーサ膜61の製造方法を概略的に説明する。1層目L1の構造、2層目L2の構造を形成するまでの製造方法は前述実施形態と同様である。この後、図54に示すように、層間絶縁膜15を例えばシリコン酸化膜によりCVD法を用いて堆積する。その後、3層目L3から1層目L1のゲート電極PG2の上面に達するまでRIE法によりヴィアホールを異方性エッチングなどにより形成する。
そして、スペーサ膜61として例えばシリコン酸化膜をCVD法、ALD法などを用いてヴィアホール内に形成する。この時点では、ヴィアホールの底部にもスペーサ膜61が形成される。
図55に示すように、3層目L3の上層配線23の形成領域を開口するようにマスクパターン62を形成し、マスクパターン62をマスクとしてRIE法により異方性エッチングする。
すると、3層目L3の上層配線23の形成予定領域を開口できると共に、ヴィアホールの底部(ゲート電極PG2の直上)に形成されたシリコン酸化膜を除去できる。これにより、ヴィアホールの側壁にシリコン酸化膜をスペーサ膜61として残留させることができる。図56に示すように、CVD法などを用いてヴィアホール及び開口内に電極材60を埋込む。
その結果、3層目L3の上層配線23と1層目L1のゲート電極PG2とを構造的に接触させることができる。また、電極材60は2層目L2のダミーの積層構造Gに接触することがなく、電極材60とダミーの積層構造Gと電気的に分離することができる。これにより、Y2方向に隣接する複数のゲートコンタクトCP6間の短絡を防止でき、ゲートコンタクトCP6の配線接続信頼性を向上できる。3層目L3より上の上層配線24の製造方法は説明を省略する。
本実施形態によれば、2層目L2を貫通するゲートコンタクトの側壁にスペーサ膜61を設けたので、2層目L2に延伸するダミー積層構造GとゲートコンタクトCP6との接触を防止でき、隣接するゲートコンタクトCP6間の短絡を防止できる。
また、積層構造Gの幅WSa、配置によらず、ゲートコンタクトCP6を配置することができる。その結果、レイアウトの自由度を向上させることができる。
周辺トランジスタTrp2が高耐圧のトランジスタである形態を示したが、この周辺トランジスタTrp2は低電圧(低耐圧)トランジスタであっても良い。この場合でも、前述と同様の作用効果を奏する。
周辺トランジスタTrp2が高耐圧のトランジスタである形態を示したが、この周辺トランジスタTrp2は低電圧(低耐圧)トランジスタであっても良い。この場合でも、前述と同様の作用効果を奏する。
(第6実施形態)
図57〜図60は第6実施形態を示す。第6実施形態では、複数のゲートコンタクトCP6間に形成される積層構造G(素子領域Sa)を分断する形態を示す。第5実施形態に示したように、ゲートコンタクトCP6は2層目L2を貫通するように形成される。
図57〜図60は第6実施形態を示す。第6実施形態では、複数のゲートコンタクトCP6間に形成される積層構造G(素子領域Sa)を分断する形態を示す。第5実施形態に示したように、ゲートコンタクトCP6は2層目L2を貫通するように形成される。
図57は平面図の一例を模式的に示し、図58は2層目L2のダミー積層構造Gを貫通するゲートコンタクトCP6の構造の一例を模式的に示す。図57及び図58に示すように、2層目L2を貫通するゲートコンタクトCP6には、電極材60の側壁に沿ってスペーサ膜61が形成されている。
図57及び図58に示すように、2層目L2のダミー積層構造G(特にシリコン膜10)がY2方向において分断されている(図57及び図58の分断領域63参照)。この分断領域63内には層間絶縁膜16が埋込まれている。その結果、隣接するゲートコンタクトCP6間の絶縁性を高めることができる。
製造方法を概略的に示す。図59に示すように、シリコン膜10、トンネル絶縁膜11、シリコン膜25、IPD膜13、導電層14を形成する。その後、ゲートコンタクトCP6が形成される領域間において、導電層14、IPD膜13、及びシリコン膜25をトンネル絶縁膜11をストッパとして異方性エッチング処理して除去する。
そして、図60に示すように、この除去領域のほぼ中央のトンネル絶縁膜11、シリコン膜10に溝を形成することで分断領域63を形成する。図58に示すように、分断領域63内を埋め込むように、CVD法を用いて層間絶縁膜15を堆積する。
そして、前述実施形態に示したように、層間絶縁膜16、ダミー積層構造G、層間絶縁膜9にヴィアホールを形成し、当該ヴィアホール内にスペーサ膜61付きのゲートコンタクトCP6を形成する。これにより、隣接するゲートコンタクトCP6間に素子領域Sa(ダミー積層構造G)の分断領域63を設けることができ、絶縁性をさらに高めることができる。
特に、高耐圧トランジスタに接続されるゲートコンタクトCP6には高い電圧が印加される。そのため、スペーサ膜61のみでは絶縁耐圧が足りない場合がある。そこで、スペーサ膜61に加えて分断領域63を形成することにより、ゲートコンタクトCP6間の絶縁耐圧を向上させることができる。なお、コンタクトに与えられる電圧によっては、分断領域63のみで絶縁性を保つことができ、スペーサ膜61を省略することができる。
(第7実施形態)
図61〜図73は第7実施形態を示す。P型の半導体基板1にはエンハンスメントタイプのメモリセルトランジスタTrmを構成する場合が多い。
図61〜図73は第7実施形態を示す。P型の半導体基板1にはエンハンスメントタイプのメモリセルトランジスタTrmを構成する場合が多い。
エンハンスメントタイプのメモリセルトランジスタTrmは、ゲート電極MGが半導体基板1上にトンネル絶縁膜を介して形成され、N型不純物のソースドレイン拡散層が当該ゲート電極MGの両脇に形成されている。この構造のチャネル長はN型拡散層間の距離に依存するため、ゲート長が短くなることに応じて実効チャネル長も短くなる。
近年では、設計ルールの縮小化、セルの微細化が進み、短チャネル効果の影響が無視できない程度になっている。短チャネル効果の影響を生じると、中性閾値電圧の低下の問題を生じたり、サブスレッショルド係数が悪化したりする。
そこで、本実施形態では、短チャネル効果を抑制して実効チャネル長を伸ばすため、ソース/ドレイン領域に高濃度の拡散層を形成せず、素子領域にN−層を設け、メモリセルトランジスタTrmをディプレッションタイプに構成する形態が考えられている。ディプレッションタイプのメモリセルトランジスタTrmは空乏層の深さを伸ばすことで、当該トランジスタをカットオフする。
ディプレッションタイプのメモリセルトランジスタTrmはチャネル構造がエンハンスメントタイプのメモリセルトランジスタと異なるため、狭義の短チャネル効果の説明とは原理が異なるが、「短チャネル効果」という用語はチャネル長が短くなるほど閾値が低下するという意味では同義であるため、広義の短チャネル効果と称して説明を行う。
図61及び図62は、この構造原理を模式的に説明する説明図の一例を示す。図61に示すように、ディプレッションタイプのメモリセルトランジスタTrmは、P型半導体基板1の表層にN−層70(N型不純物導入層に相当)が形成されている。そのため、制御回路CCがゲート電極MG(メモリセルゲート電極相当)に0Vを印加した場合でも、図61の"statusA"に示すように、ノーマリーオン状態となりN−層70に電流が流れる。
図61の"statusB"〜"statusD"に示すように、制御回路CCがゲート電極MGにワード線WLを通じて負方向の電圧(Vfg減)を印加すると、当該ゲート電極MGの直下のN−層70が空乏化されカットオフする(空乏層71の領域参照)。すなわち、空乏層71の領域が増減することでN−中性領域70が増減する。この動作モードをディプレッションモードと称す。なお、制御回路CCはゲート電極MGに負方向の電圧を印加するのに代え、ソース線SLや半導体基板1に正電圧を印加しても良い。
また、図62の"statusA"と"statusE"に示すように、制御回路CCが、前述の"statusA"からゲート電極MGに正方向の電圧(Vfg増)を印加すると"statusE"となり、半導体基板1の表層に蓄積層72を発生させる。この状態をアキュムレーションモードと称す。
このアキュムレーションモードでは、半導体基板1の表層の蓄積層72が電流経路となる。すなわち、アキュムレーションモードでは、制御回路CCがゲート電極MGに正電圧を印加することで蓄積層72を生成し当該蓄積層72に電流を流す動作モードである。
ディプレッションモードでは、空乏層71がゲート電極MG脇のN−層70に拡がることでカットオフされるため、実効チャネル長を伸ばすことができる。これに対し、アキュムレーションモードではゲート電極MGの脇の領域において自セル及び隣接セルのフリンジ電界により蓄積層72を形成し、当該蓄積層72に電流経路を作成する。すると、前述したエンハンスメントタイプのように拡散層領域を設ける必要もなく実効チャネル長を伸ばすことができる。
図63に説明図を示す。なお図63以降の図中のゲート電極MG内に付した「E」「A」「B」「C」は、電荷蓄積層FG内の電荷量に応じたデータ記憶レベルを示しており、各メモリセルトランジスタTrmは、消去状態(E)<書込状態(A)<書込状態(B)<書込状態(C)の順に閾値電圧が設定されている。
図63に示すように、例えばある一つのセルユニットUCを考慮する。このセルユニットUCでは、各メモリセルトランジスタTrmの電荷蓄積層FGに蓄積された電荷量(電子量)に応じて各メモリセルトランジスタTrmの閾値電圧が決定される。各メモリセルトランジスタTrmの閾値電圧分布はセル記憶データに応じて決定される。
本実施形態に示すように、メモリセルトランジスタTrmが直列に接続されているとき、読出対象メモリセルは、隣接セルが消去状態であっても書込状態であっても何れの場合でも正常に読出可能になっていることが要求される。
図63に示すように、読出対象メモリセル(図63には"Sense"と記載)の状態を読出すときに、隣接セルが消去状態(E)になっていても書込状態(C)になっていても読出可能になることが要求される。ここで、隣接セルを”statusA”もしくは"statusE"の状態にする。
ここで、メモリセルトランジスタTrmが書込状態(C)になっていると、電荷蓄積層FGの蓄積電子量が多いため、フリンジ電界は弱く蓄積層72は形成されにくい。
一方、メモリセルトランジスタTrmが消去状態(E)になっていると、電荷蓄積層FGの蓄積電子量が少ないため、フリンジ電界が強く発生し当該セル直下及びその脇に蓄積層72を生じやすくなる。
一方、メモリセルトランジスタTrmが消去状態(E)になっていると、電荷蓄積層FGの蓄積電子量が少ないため、フリンジ電界が強く発生し当該セル直下及びその脇に蓄積層72を生じやすくなる。
すると、蓄積層72中の多数キャリア(e)の数とN−中性領域70中のキャリアの数の違いに応じて素子領域Sa(素子活性領域)に流れる電流が変化する。すなわち、隣接セルが消去状態(E)か書込状態(C)かに応じて電流経路、電流量が変化する。このため、セル電流がバラつき、誤読出が発生する可能性を生じる。
そこで、本実施形態では、図64及び図65に示す構造を採用している。図64に係るセルユニットの構造模式図の一例、図65に係るメモリセルトランジスタの模式的な縦断面構造の一例を参照し、縦断面構造を説明する。
半導体基板1は、例えばP型の単結晶シリコン基板を用いて構成される。図64及び図65に素子領域Saに沿う断面を模式的に示すように、半導体基板1は素子領域Saの表層にN−層70を備える。
図64に示すように、このN−層70は、選択トランジスタTrs1と選択トランジスタTrs2との間に連続的に設けられる。N−層70は、メモリセルトランジスタTrmのゲート電極MGの下を通じて、その深さがほぼ一定深さに形成されている。
また、選択トランジスタTrs1、Trs2の各選択ゲート電極SGD、SGSの直下には、P型不純物がチャネル領域として設けられる。ビット線コンタクトCB及びソース線コンタクトCS直下には、それぞれDDD構造のN型不純物拡散領域70aが設けられている。
図65にメモリセルトランジスタTrmの模式断面の一例を示す。メモリセルトランジスタTrmはゲート電極MGを備える。ゲート電極MGは、半導体基板1のN−層70上にトンネル絶縁膜4を介して形成された電荷蓄積層FGと、電荷蓄積層FG上に形成されたIPD膜5と、IPD膜5上に形成された制御電極CGと、を備える。
制御電極CGは、リン等の不純物がドープされた多結晶シリコン膜8aと、この多結晶シリコン膜8aの上に形成されたタングステン層などの低抵抗化金属層8bとが積層された導電層8を備えて構成される。このゲート電極MGの構造は、前述実施形態で説明したメモリセルトランジスタの構造とほぼ同様の構造である。ただし、本実施形態では、制御電極CG上にはキャップ膜73が形成されている構造を例に挙げて説明する。キャップ膜73は例えばシリコン窒化膜により形成される。
また、シリコン酸化膜74が、キャップ膜73の上面、当該キャップ膜73及びゲート電極MGの側壁に沿って保護膜として形成されている。本実施形態では、空隙75がこれらのゲート電極MGを覆うシリコン酸化膜74間に設けられている。この空隙75は各メモリセルトランジスタTrmのゲート電極MG間の寄生容量を抑制するため設けられる。
本実施形態では、メモリセルトランジスタTrmのゲート電極MGの両脇の半導体基板1のN−層70の表層には溝76が形成されている。この溝76が形成されることで、N−層70の表層には、半導体基板1の上面との段差Dが設けられている。このN−層70の表層に設けられる段差Dは、フリンジ電界の影響を抑制するために設けられる。
空隙75は、各ゲート電極MG間に位置して設けられると共に各ゲート電極MG間の上方まで連通して設けられる。層間絶縁膜9はシリコン酸化膜74上を渡り空隙75を覆うように形成されている。この層間絶縁膜9はシリコン酸化膜74の上面より上方に形成されている。空隙75はキャップ膜73及びゲート電極MGの上方に突出して形成され、層間絶縁膜9は空隙75の突出部の側端を覆っている。
また、空隙75は、各ゲート電極MG間に位置して設けられると共に、当該ゲート電極MGの脇に位置してトンネル絶縁膜4の下面よりも下方にも連通して設けられる。したがって空隙75の下端は半導体基板1の上面より下方に位置する。ゲート電極MGが発生するフリンジ電界は、電荷蓄積層FGの側面及び下側端から半導体基板1の表層で且つゲート電極MGの両脇に影響を及ぼす。
本実施形態では、ゲート電極MG間の空隙75の下端が半導体基板1の上面より下方に位置して設けられている。このため、当該空隙75により当該空間の比誘電率を低くすることができ、N−層70に及ぼされるフリンジ電界の影響をさらに軽減できる。
図66に本実施形態の構造の利点の説明図を模式的に示している。本実施形態の構造では、段差Dが各ゲート電極MG間のN−層70の上部に設けられているため、電流は主にこの段差Dの下側に流れる。
また、各メモリセルトランジスタTrmの電荷蓄積層FGから生じるフリンジ電界は、当該電荷蓄積層FGの注入電荷量に応じてその電界強度が変化する。しかし本実施形態の構造を採用するとフリンジ電界が緩和される。詳細な説明は後述する。
これにより、メモリセルトランジスタTrmの電荷蓄積層FGの電荷蓄積状態がどのような状態であっても、各メモリセルトランジスタTrmをほぼディプレッションモードで動作させることができる。本実施形態に係る構造を採用すると、メモリセルトランジスタTrmのゲート電極MGへの注入電荷が変化したとしても、N−層70に流れる電流を概ね一定にできる。
ディプレッションタイプのメモリセルトランジスタTrmは、前述したように空乏層71が形成されることによってセルユニットUCの通電電流をカットオフする。このため、空乏層71が生成される厚さ以上に厚いN−層70を構成しなくても良い。
空乏層71は、チャネルのN型不純物濃度を濃くするほど、同一電界を印加したときの空乏層71が狭くなり、N型不純物濃度を薄くするほど多数キャリアが減少し電子移動度が低くなる。これによりセル電流が流れにくくなる。
例えば、N−層70の不純物濃度を例えば5×1017[m−3]とすれば、電荷蓄積層FGの電荷蓄積状態及び制御電極CGの印加電圧に応じて空乏層71の最大深さを例えば70[nm]にできる。ここで、「深さ」とはゲート電極MG直下の半導体基板1の表面からの深さである。
実際のN−層70の深さを例えば50[nm]とするとエッチング量(段差Dの大きさ)を10[nm]としたとき、N−層70の厚さが40[nm]となり20%程度セル電流が減少する。この20%程度のセル電流の減少が許容範囲と見做せるときには、10[nm]程度がエッチング処理量の上限となる。
図67〜図69は制御回路CCがワード線WL(制御電極CG)の印加電圧を変化させたときの動作を模式的に示している。例えば、対象のメモリセルトランジスタTrmが書込状態(A)で有る場合を例に挙げて説明する。図67に示すように、制御電極CGの印加電圧が電圧Vsen1の条件では、空乏層71がN−層70の下端まで伸びて電流がカットオフされることになる。
また、図68に示すように、制御電極CGの印加電圧が電圧Vsen2(>Vsen1)となる条件では、空乏層71がN−層70の表層側に縮小することでN−層70を通じて電流が流れる。
すなわち、制御回路CCは印加電圧が電圧Vsen1ではセル電流が流れず、電圧Vsen2ではセル電流が流れた場合に、メモリセルトランジスタTrmが書込状態(A)であると判断する。
また、図69に示すように、制御電極CGの印加電圧Vsen3>メモリセルトランジスタTrmの閾値電圧Vth(>Vsen2)の場合には、トンネル絶縁膜4の近傍に蓄積層72が形成される。しかし、この蓄積層72は、半導体基板1の表層に段差Dが形成されているため、蓄積層72は段差Dの下のN−層70にまで伸びない。したがって、アキュムレーションモードの蓄積層72はN−層70に流れる電流量には影響しない。その結果、電荷蓄積層FGの注入電荷量が変化したとしてもN−層70に流れる電流をほぼ一定にできる。これにより安定動作できる。
本実施形態によれば、ゲート電極MGの脇の半導体基板1の上部に溝76、段差Dを設けているため、フリンジ電界がN−層70に及ぼす影響を軽減できる。しかも、この段差Dの部分に空隙75を設けているため、当該領域の比誘電率を低くすることができ、フリンジ電界がN−層70に及ぼす影響をさらに軽減できる。
以下、本実施形態に係る製造方法の一例を図70〜図72に示す工程断面図を参照して説明する。なお、図70〜図72は、図65に対応するメモリセルトランジスタTrmの断面構造の一製造段階について模式的に示すものである。製造方法の要部のみ説明するため、図70に示す断面構造に至る製造工程について概略的に説明する。
まず、P型の単結晶シリコン基板を半導体基板1として用意する。メモリセル領域Mの半導体基板の表層にN−層70を形成する。この形成方法は、P型の半導体基板1の表層にイオンインプランテーション技術により砒素(As)などのN型不純物を導入し活性化することで構成する。このほか、N型不純物ドープアモルファスシリコン(a−Si)を結晶化させることによってN−層70を作成しても良い。
この後、半導体基板1の表面にトンネル絶縁膜4として例えばシリコン酸化膜を熱酸化法により形成する。トンネル絶縁膜4は、メモリセルトランジスタTrmのトンネル絶縁膜(ゲート絶縁膜)として構成される。トンネル絶縁膜4上に導電層22を形成する。導電層22は例えばリン等の不純物がドープされたポリシリコン膜を例えばCVD法を用いて形成する。この導電層22上にマスクパターンを形成し、導電層22、トンネル絶縁膜4、及び半導体基板1の上部に対し、Y方向に沿って素子分離溝2を形成する。
そして素子分離溝2内に素子分離膜3を埋込み、当該素子分離膜3の上部を平坦化処理、エッチバック処理などを行うことで導電層22の上面を露出させる。導電層22の上面および素子分離膜3上面に沿ってIPD膜5を形成する。図65及び図70に示す構造では素子分離溝2及び素子分離膜3は図示していないが、素子分離溝2及び素子分離膜3の構造は、図4のメモリセル領域M内と類似の断面構造となる。
IPD膜5の上にシリコン膜8aを例えばCVD法により形成し、シリコン膜8a上にタングステン(W)などの低抵抗化金属層8bを形成する。その後、低抵抗化金属層8b上に例えばシリコン窒化膜を用いてキャップ膜73としてCVD法により形成し、当該キャップ膜73上にレジスト77を塗布してパターニングする。このようにして図70に示す構造が得られる。
このレジスト77のマスクパターンは、X方向(ワード線方向)に沿って選択ゲート線SGL1、SGL2、及びワード線WLを形成するために設けられる。
次に、図71に示すように、このレジスト77のマスクパターンをマスクとしてRIE法によりキャップ膜73を異方性エッチングし、レジスト77を除去した後、キャップ膜73をマスクとして、低抵抗化金属層8b、シリコン膜8a、IPD膜5、及び、導電層22を異方性エッチングする。
次に、図71に示すように、このレジスト77のマスクパターンをマスクとしてRIE法によりキャップ膜73を異方性エッチングし、レジスト77を除去した後、キャップ膜73をマスクとして、低抵抗化金属層8b、シリコン膜8a、IPD膜5、及び、導電層22を異方性エッチングする。
本実施形態では、半導体基板1の上面において一旦異方性エッチング処理をストップし、その後、半導体基板1の表層を削る。このため、半導体基板1の表面をストッパとして、低抵抗化金属層8b、シリコン膜8a、IPD膜5、導電層22を異方性エッチングすることができる。その結果、ワード線WL、IPD膜5、及び電荷蓄積層FGを形成できる。
前述の異方性エッチング処理は、トンネル絶縁膜4の上面をエッチングストッパにして処理しても良い。
図72に示すように、さらに条件を変更し半導体基板1の表面をわずかに異方性エッチングする。このときの半導体基板1のエッチング深さ(段差D)は、例えば5[nm]〜10[nm]程度とする。
図72に示すように、さらに条件を変更し半導体基板1の表面をわずかに異方性エッチングする。このときの半導体基板1のエッチング深さ(段差D)は、例えば5[nm]〜10[nm]程度とする。
半導体基板1の上面(又はトンネル絶縁膜4の上面)において一旦エッチング処理をストップして当該表面を揃えており、その後再度わずかにエッチング処理しているため、エッチング深さ精度は、電気的性能上問題とならない程度で各段差D間で均一化できる。
このときの半導体基板1のエッチング量は、下限をN−層70に生じる蓄積層72の深さとし、上限をN−層70の深さとする。蓄積層72の深さは、消去状態(E)のメモリセルトランジスタTrmに読出電圧Vreadを印加したときの蓄積層72の厚さで決定される。
半導体基板1を異方性エッチング処理するときには、制御回路CCが消去状態(E)の読込非対象メモリセルTrmの制御電極CGに読出電圧Vreadを印加したときに生じる蓄積層72の厚さを超える深さまでエッチング処理すると良い。
これにより、制御回路CCが制御電極CGに読出電圧Vreadを印加したときに生じる蓄積層72が、N−層70に生じる電子の流れ(電流経路)に影響を与えにくくするように構成できる。例えば、蓄積層72の深さが5[nm]よりも浅い場合には、エッチング深さのバラつきを考慮すれば、エッチング量を5[nm]以上とすると良い。
エッチング量の上限をN−層70の深さとしている理由はN−層70を分断しないようにするためである。これは、N−層70の深さからエッチング処理の深さを差し引いた深さに応じて通電可能な電流が決定されるためである。セルユニットUCのチャネル電流の上限量を許容する程度に異方性エッチング処理量の上限を定めると良い。このようにして、半導体基板1上にトンネル絶縁膜4を介してゲート電極MGを形成できる。
各ゲート電極MGを分断した後、図64に示すように、選択トランジスタTrs1、Trs2のチャネル領域となるN−層70にイオンインプランテーションによりP型不純物を導入する。このとき、選択ゲート電極SGD、SGSとメモリセルトランジスタTrmのゲート電極MGとの間の空隙75を通じて、P型不純物は半導体基板1の表面に対し斜めにイオン注入される。これにより、選択トランジスタTrs1、Trs2の選択ゲート電極SGD、SGSの直下領域にP型不純物を導入できる。この不純物は後の熱処理により活性化される(図64の選択ゲート電極SGD、SGSの直下領域参照)。
その後、図65に示すように、信頼性確保のための薄いシリコン酸化膜74を、キャップ膜73の上面、側面、各ゲート電極MGの側面に沿ってCVD法などにより形成する。
そして、各ゲート電極MG間に空隙75を設けるように層間絶縁膜9を例えばプラズマCVD法により形成する。ビット線コンタクトCB、ソース線コンタクトCSの直下領域に、N型不純物を低濃度、高濃度の順に変更して導入する。この不純物は熱処理されることで活性化されるが、これによりDDD構造のN型不純物拡散領域70aを形成できる。
そして、各ゲート電極MG間に空隙75を設けるように層間絶縁膜9を例えばプラズマCVD法により形成する。ビット線コンタクトCB、ソース線コンタクトCSの直下領域に、N型不純物を低濃度、高濃度の順に変更して導入する。この不純物は熱処理されることで活性化されるが、これによりDDD構造のN型不純物拡散領域70aを形成できる。
そして、ビット線コンタクトCB、ソース線コンタクトCSを形成し、ビット線BLを形成するが、これらの工程及びその後の上層配線の製造工程の詳細は省略する。
本実施形態の製造方法によれば、ゲート電極MG脇の半導体基板1の上部に段差Dを設け、空隙75をこの段差Dの領域に設けるように層間絶縁膜9を形成しているので、フリンジ電界の緩和効果を高めることができる。
本実施形態の製造方法によれば、ゲート電極MG脇の半導体基板1の上部に段差Dを設け、空隙75をこの段差Dの領域に設けるように層間絶縁膜9を形成しているので、フリンジ電界の緩和効果を高めることができる。
また、積層膜4、22、5、8a、8bを異方性エッチングすることでゲート電極MGを分断するときに、半導体基板1(又はトンネル絶縁膜4)の上面をストッパとして一旦停止し、条件を変更して半導体基板1の上部を異方性エッチング処理する。その結果、ゲート電極MG脇の段差の均一化を図ることができる。これによりフリンジ電界の緩和効果を均一化できる。
なお、空隙75は設けなくてもフリンジ電界の緩和効果はある。このため空隙75を設けなくても良く、図73に模式断面を示すように、層間絶縁膜9を堆積する工程において、ゲート電極MG間に層間絶縁膜9として、例えばシリコン酸化膜をLPCVD法などを用いて埋め込んでも良い。
(第8実施形態)
図74及び図75は第8実施形態を示す。本実施形態は、N−層70と、P型半導体基板1のP型層81との間に絶縁膜(例えばシリコン酸化(SiO2)膜)82を挟んで構成したところに特徴を備える。
図74及び図75は第8実施形態を示す。本実施形態は、N−層70と、P型半導体基板1のP型層81との間に絶縁膜(例えばシリコン酸化(SiO2)膜)82を挟んで構成したところに特徴を備える。
図74にセルユニットの全体構造、図75に一部のメモリセルトランジスタTrmの模式断面を示すように、絶縁膜82がP型半導体基板1のP型層81とN−層70との間に挟まれている。この構造は、所謂SOI(Silicon On Insulator)構造でありバックバイアス機能を持たせることができる。すなわち、制御回路CCがP型層81にバックバイアスを印加すれば、前述実施形態に示した空乏層71の伸びを調整することができる。
また、SOI技術を用いて絶縁膜82を構成した後に、例えばインプランテーションによりイオン注入して熱処理してN−層70を構成したときには、N型不純物のP型層81側への拡散を抑制する効果を奏する。
また、N−層70に形成される空乏層の下限を絶縁膜82と接触させることができる。その結果、メモリセルトランジスタTrmのカットオフ特性を向上させることができる。
また、N−層70に形成される空乏層の下限を絶縁膜82と接触させることができる。その結果、メモリセルトランジスタTrmのカットオフ特性を向上させることができる。
(第9実施形態)
図76は、第9実施形態を示す。前述実施形態に説明したN−層70の素子領域は、図76に示す2層目L2又はそれ以上の層(セルユニットUCの構成層)に構成することが好適となる。
図76は、第9実施形態を示す。前述実施形態に説明したN−層70の素子領域は、図76に示す2層目L2又はそれ以上の層(セルユニットUCの構成層)に構成することが好適となる。
ここで、第8実施形態の絶縁膜82に相当する構成は、この図76に示す層間絶縁膜9である。すなわち、この構成を採用すれば、1層目L1の層間絶縁膜9が埋込絶縁膜の役割を果たすため、埋込絶縁膜82を形成する必要がなくなる。
また2層目L2以上の素子領域Saは、例えば第1実施形態に示したように、ポリシリコン膜10により形成されているが、このポリシリコン膜10にN型不純物を導入すればN−層70を構成できる。
本実施形態によれば、2層目L2のメモリセルトランジスタTrmの特性を向上させることができる。特に2層目L2のメモリセルトランジスタTrmの素子領域Saはポリシリコンによって形成される場合が多い。そのためセル電流のばらつきが大きくなる。このような本実施形態を適用することにより、2層目L2のメモリセルトランジスタTrmの特性を向上させることができる。また、本実施形態を第1〜第6実施形態と組み合わせることもできる。
(他の実施形態)
例えば、以下のように変形しても良い。第1〜第5実施形態では、1層目L1の素子領域Saと2層目L2以上の素子領域Saの延伸方向を互いに同一方向とした形態を示したが、この方向は互いに交差する方向であっても直交する方向であっても良い。
例えば、以下のように変形しても良い。第1〜第5実施形態では、1層目L1の素子領域Saと2層目L2以上の素子領域Saの延伸方向を互いに同一方向とした形態を示したが、この方向は互いに交差する方向であっても直交する方向であっても良い。
各実施形態では、メモリセルトランジスタTrmのゲート電極MGについて、導電層22が素子分離膜3の上面から突出した所謂突出ゲート電極構造を用いても良いし、導電層22が素子分離膜3の上面とほぼ面一となるフラット型ゲート電極構造を用いても良い。
前述実施形態では、メモリセルアレイArは単一構成である実施形態を示したが、複数の領域(プレーン)に分割構成されていても良い。
各セルユニットUCのドレイン側の選択トランジスタTrs1側、ソース側の選択トランジスタTr2側にそれぞれ1個のダミーセルを備えた形態に適用しても良いし、さらにそれぞれ複数(例えば2個や3個)のダミーセルを備えた形態に適用しても良い。
各セルユニットUCのドレイン側の選択トランジスタTrs1側、ソース側の選択トランジスタTr2側にそれぞれ1個のダミーセルを備えた形態に適用しても良いし、さらにそれぞれ複数(例えば2個や3個)のダミーセルを備えた形態に適用しても良い。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、各実施形態に示した構成、各種条件に限定されることはなく、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
図面中、AはNAND型のフラッシュメモリ装置(不揮発性半導体記憶装置)、1は半導体基板、UCはセルユニット、Pは周辺回路領域、Mはメモリセル領域、Trpは周辺トランジスタ(周辺回路素子)、Caは容量素子(周辺回路素子)、Raは抵抗素子(周辺回路素子)、Saは素子領域(周辺回路領域Pの2層目L2の素子領域Saはダミー素子領域)、70はN−層(N型不純物導入層)、76は溝、MGはゲート電極(メモリセルゲート電極)、を示す。
Claims (9)
- メモリセル領域と、
前記メモリセル領域に隣接する周辺回路領域と、
前記メモリセル領域の第1層目に配置された第1メモリセルユニットと、
前記メモリセル領域の第k層目(kは2以上の整数)に配置され、第1方向に延び、前記第1方向に交差する第2方向に第1幅を存して形成された素子領域を有する第2メモリセルユニットと、
前記周辺回路領域の前記1層目に形成された周辺回路素子と、を備え、
前記周辺回路領域の前記k層目には、前記第1幅の2n+1倍(但しn≧0の整数)の第2幅を前記第2方向に存して形成されたダミー素子領域を備えることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 - 前記周辺回路領域の前記k層目に配置された抵抗素子又は/及び容量素子をさらに備え、
前記抵抗素子又は/及び前記容量素子は前記ダミー素子領域を一要素として有することを特徴とする請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置。 - メモリセル領域と、
前記メモリセル領域に隣接する周辺回路領域と、
前記メモリセル領域の第1層目に配置された第1メモリセルユニットと、
前記メモリセル領域の第k層目(kは2以上の整数)に配置され、第1方向に延び、前記第1方向に交差する第2方向に第1幅を存して形成された素子領域を有する第2メモリセルユニットと、
前記周辺回路領域の前記1層目に形成された周辺回路素子と、
前記周辺回路領域内の前記k層目に前記第1方向に沿うと共に前記第2方向に離間して形成されたダミー素子領域と、
前記ダミー素子領域に接触しつつ前記第1層目の複数の周辺回路素子まで積層方向にそれぞれ貫通する複数のコンタクトと、を備え、
前記複数のコンタクトは側面が絶縁膜により覆われていることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 - 前記ダミー素子領域は、前記複数のコンタクト間において分断領域により分断されていることを特徴とする請求項3記載の不揮発性半導体記憶装置。
- 前記複数の周辺回路素子は、それぞれ高耐圧トランジスタを含むことを特徴とする請求項3又は4記載の不揮発性半導体記憶装置。
- 半導体基板と、
第1方向に沿って形成される素子領域と、
前記素子領域上に前記第1方向に離間して形成された複数のメモリセルゲート電極と、
前記複数のメモリセルゲート電極の下の素子領域に連通されたN型不純物導入層と、
前記メモリセルゲート電極の両脇で且つ前記素子領域のN型不純物導入層の上部に溝が設けられることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 - 前記メモリセルゲート電極間には空隙が設けられ、
前記空隙の下端が前記素子領域の溝内に位置することを特徴とする請求項6記載の不揮発性半導体記憶装置。 - 前記半導体基板内及び当該半導体基板上には、前記素子領域が複数層備えられ、
前記素子領域は、前記半導体基板上の第2層目以上の層に設けられることを特徴とする請求項6または7記載の不揮発性半導体記憶装置。 - 前記半導体基板の溝は、その深さが5[nm]以上に設けられることを特徴とする請求項6〜8の何れか一項に記載の不揮発性半導体記憶装置。
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