JP2015149381A - 半導体記憶装置 - Google Patents

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直樹 安田
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Abstract

【課題】信頼性の高いメモリセル動作を実現することができる半導体記憶装置を提供する。
【解決手段】実施形態によれば、半導体記憶装置は、複数層の電極層と、前記電極層間にそれぞれ設けられた複数層の絶縁層とを有する積層体と、前記積層体を貫通して前記積層体の積層方向に延びた柱状部と、を備えている。前記柱状部は、前記積層方向に延びるチャネルボディと、前記チャネルボディと前記電極層との間に設けられた電荷蓄積膜と、前記電荷蓄積膜と前記電極層との間に設けられた空隙と、を有する。
【選択図】図3

Description

本発明の実施形態は、半導体記憶装置に関する。
メモリセルにおけるコントロールゲートとして機能する電極層を絶縁層を介して複数積層した積層体にメモリホールが形成され、そのメモリホールの側壁に電荷蓄積膜を介してチャネルとなるシリコンボディが設けられた3次元構造のメモリデバイスが提案されている。
また、そのような3次元構造メモリデバイスの円筒型メモリセルにおいて、セル動作時のリーク電流を抑制するためにトンネル絶縁膜の全部もしくは一部をエアギャップで置き換える技術が提案されている。しかしながら、メモリセル動作時に、エアギャップに繰り返し電流を流すので、その過程で局所的な絶縁破壊が起こり得る。そのため、メモリセルの信頼性を確保するのが難しい場合がある。
特開2013−187294号公報
本発明の実施形態は、信頼性の高いメモリセル動作を実現することができる半導体記憶装置を提供する。
実施形態によれば、半導体記憶装置は、複数層の電極層と、前記電極層間にそれぞれ設けられた複数層の絶縁層とを有する積層体と、前記積層体を貫通して前記積層体の積層方向に延びた柱状部と、を備えている。前記柱状部は、前記積層方向に延びるチャネルボディと、前記チャネルボディと前記電極層との間に設けられた電荷蓄積膜と、前記電荷蓄積膜と前記電極層との間に設けられた空隙と、を有する。
実施形態の半導体記憶装置の模式斜視図。 実施形態の半導体記憶装置の模式断面図。 実施形態のメモリセルの拡大模式断面図。 実施形態のメモリセルの模式断面図。 実施形態のメモリセルの模式断面図。 実施形態のメモリセルの模式断面図。 実施形態のメモリセルの模式断面図。 実施形態のメモリセルの模式断面図。 実施形態のメモリセルの模式断面図。 実施形態のメモリセルの模式断面図。 実施形態のメモリセルの模式断面図。 実施形態と比較例の閾値電圧ウィンドウのシミュレーション結果を示すグラフ。 実施形態の半導体記憶装置の製造方法を示す模式断面図。 実施形態の半導体記憶装置の製造方法を示す模式断面図。 実施形態の半導体記憶装置の製造方法を示す模式断面図。 実施形態の半導体記憶装置の製造方法を示す模式断面図。 実施形態の半導体記憶装置の製造方法を示す模式断面図。 実施形態の半導体記憶装置の製造方法を示す模式断面図。 実施形態の半導体記憶装置の製造方法を示す模式断面図。 他の実施形態の半導体記憶装置の模式斜視図。
以下、図面を参照し、実施形態について説明する。なお、各図面中、同じ要素には同じ符号を付している。
図1は、実施形態の半導体記憶装置のメモリセルアレイ1の模式斜視図である。なお、図1においては、図を見易くするために、電極層WL間の絶縁層、積層体を複数のブロックに分離する絶縁分離膜などの図示については省略している。
図1において、基板10の主面に対して平行な方向であって相互に直交する2方向をX方向及びY方向とし、これらX方向及びY方向の双方に対して直交する方向をZ方向(積層方向)とする。
メモリセルアレイ1は、複数のメモリストリングMSを有する。
図2は、メモリストリングMSの模式断面図である。図2は、図1におけるY−Z面に平行な断面を表す。
メモリセルアレイ1は、電極層WLと絶縁層40とがそれぞれ1層ずつ交互に複数層積層された積層体を有する。この積層体は、下部ゲート層としてのバックゲートBG上に設けられている。なお、図に示す電極層WLの層数は一例であって、電極層WLの層数は任意である。
バックゲートBGは、基板10上に絶縁層45を介して設けられている。バックゲートBG及び電極層WLは、シリコンを主成分として含む層である。さらに、バックゲートBG及び電極層WLは、シリコン層に導電性を付与するための不純物として例えばボロンを含んでいる。また、電極層WLは、金属シリサイドを含んでいてもよい。
バックゲートBG上に、絶縁層41を介して、複数層の電極層WLを含む積層体が設けられている。
1つのメモリストリングMSは、Z方向に延びる一対の柱状部CLと、一対の柱状部CLのそれぞれの下端を連結する連結部JPとを有するU字状に形成されている。柱状部CLは、例えば円柱状に形成され、積層体を貫通し、バックゲートBGに達している。
U字状のメモリストリングMSにおける一対の柱状部CLの一方の上端部にはドレイン側選択ゲートSGDが設けられ、他方の上端部にはソース側選択ゲートSGSが設けられている。ドレイン側選択ゲートSGD及びソース側選択ゲートSGSは、最上層の電極層WL上に層間絶縁層43を介して設けられている。
ドレイン側選択ゲートSGD及びソース側選択ゲートSGSは、シリコンを主成分として含む層である。さらに、ドレイン側選択ゲートSGD及びソース側選択ゲートSGSは、シリコン層に導電性を付与するための不純物として例えばボロンを含んでいる。
上部選択ゲートとしてのドレイン側選択ゲートSGD及びソース側選択ゲートSGSは、1層の電極層WLよりも厚い。また、下部選択ゲートとしてのバックゲートBGは、1層の電極層WLよりも厚い。
ドレイン側選択ゲートSGDとソース側選択ゲートSGSとは、絶縁分離膜47によって、Y方向に分離されている。ドレイン側選択ゲートSGDの下の積層体と、ソース側選択ゲートSGSの下の積層体は、絶縁分離膜46によってY方向に分離されている。すなわち、メモリストリングMSの一対の柱状部CL間の積層体は、絶縁分離膜46、47によってY方向に分離されている。
ソース側選択ゲートSGS上には、絶縁層44を介して、図1に示すソース線(例えば金属膜)SLが設けられている。ドレイン側選択ゲートSGD上及びソース線SL上には、絶縁層44を介して、図1に示す複数本のビット線(例えば金属膜)BLが設けられている。各ビット線BLはY方向に延在している。
図3は、メモリストリングMSの柱状部CLの拡大模式断面図である。
図4(a)は、図3に示す柱状部CLおよびその周囲を囲む電極層WLの横断面図である。
なお、後述する図4(b)〜図11(b)も、図4(a)と同様な柱状部CLの横断面を表す。
柱状部CLは、後述する図16に示すU字状のメモリホールMH内に形成される。メモリホールMHは、複数層の電極層WL、複数層の絶縁層40、およびバックゲートBGを含む積層体内に形成される。
メモリホールMH内には、半導体チャネルとしてのチャネルボディ20が設けられている。チャネルボディ20は、例えばシリコン膜である。チャネルボディ20の不純物濃度は、電極層WLの不純物濃度よりも低い。
メモリホールMHの内壁とチャネルボディ20との間には、メモリ膜30が設けられている。メモリ膜30は、ブロック絶縁部33と電荷蓄積膜32とトンネル絶縁膜31aとを有する。
電極層WLとチャネルボディ20との間に、電極層WL側から順にブロック絶縁部33、電荷蓄積膜32、およびトンネル絶縁膜31aが設けられている。
チャネルボディ20は積層体の積層方向(Z方向)に延びる筒状に設けられ、そのチャネルボディ20の外周面を囲むようにメモリ膜30が積層体の積層方向(Z方向)に延びつつ筒状に設けられている。電極層WLはメモリ膜30を介してチャネルボディ20の周囲を囲んでいる。また、チャネルボディ20の内側には、コア絶縁膜50が設けられている。コア絶縁膜50は、例えばシリコン酸化膜である。
ブロック絶縁部33は電極層WLに接し、トンネル絶縁膜31aはチャネルボディ20に接し、ブロック絶縁部33とトンネル絶縁膜31aとの間に電荷蓄積膜32が設けられている。
チャネルボディ20はメモリセルにおけるチャネルとして機能し、電極層WLはメモリセルのコントロールゲートとして機能する。電荷蓄積膜32はチャネルボディ20から注入される電荷を蓄積するデータ記憶層として機能する。すなわち、チャネルボディ20と各電極層WLとの交差部分に、チャネルの周囲をコントロールゲートが囲んだ構造のメモリセルが形成されている。
実施形態の半導体記憶装置は、データの消去・書き込みを電気的に自由に行うことができ、電源を切っても記憶内容を保持することができる不揮発性半導体記憶装置である。
メモリセルは、例えばチャージトラップ型のメモリセルである。電荷蓄積膜32は、電荷を捕獲するトラップサイトを多数有し、例えば、シリコン窒化膜(Si膜)である。
トンネル絶縁膜31aは、電荷蓄積膜32にチャネルボディ20から電荷が注入される際、または電荷蓄積膜32に蓄積された電荷がチャネルボディ20へ拡散する際に電位障壁となる。トンネル絶縁膜31aは、例えばシリコン酸化膜(SiO膜)である。
または、トンネル絶縁膜として、一対のシリコン酸化膜でシリコン窒化膜を挟んだ構造の積層膜(ONO膜)を用いてもよい。トンネル絶縁膜としてONO膜を用いると、シリコン酸化膜の単層に比べて、低電界で消去動作を行える。
ブロック絶縁部33は、電荷蓄積膜32に蓄積された電荷が、電極層WLへ拡散するのを防止する。ブロック絶縁部33は、電極層WL側から順に設けられたキャップ膜33bと、空隙(エアギャップ)33aとを有する。
空隙33aは電荷蓄積膜32に接し、キャップ膜33bは電極層WLに接している。空隙33aは積層体の積層方向(Z方向)に延びつつ、電荷蓄積膜32を囲む筒状に設けられている。キャップ膜33bは積層体の積層方向(Z方向)に延びつつ、空隙33aを囲む筒状に設けられている。
キャップ膜33bは、酸化シリコンよりも誘電率の高い膜であり、例えば、シリコン窒化膜(Si膜)である。このようなキャップ膜33bを電極層WLに接して設けることで、消去時に電極層WLから注入されるバックトンネル電子を抑制することができる。すなわち、空隙33aに加えてキャップ膜33bを設けることで、ブロック絶縁部33の電荷ブロッキング性を高めることができる。
または、キャップ膜33bは、アルミニウム酸化膜(Al膜)、ハフニウム酸化膜(HfO膜)、ハフニウムアルミネート膜(HfAlO膜)、およびランタンアルミネート膜(LaAlO膜)などのhigh-k絶縁膜を用いてもよい。または、キャップ膜33bは、アルミニウム酸化膜、ハフニウム酸化膜、ハフニウムアルミネート膜、およびランタンアルミネート膜の少なくともいずれか1つと、シリコン窒化膜との積層膜であってもよい。上記high-k絶縁膜を含むキャップ膜は、シリコン窒化膜単層のキャップ膜に比べて、消去時に電極層WLから注入されるバックトンネル電子の抑制効果を高くする。
図1、2に示すように、U字状のメモリストリングMSにおける一対の柱状部CLの一方の上端部にはドレイン側選択トランジスタSTDが設けられ、他方の上端部にはソース側選択トランジスタSTSが設けられている。
メモリセル、ドレイン側選択トランジスタSTD及びソース側選択トランジスタSTSは、基板10上に積層された積層体の積層方向(Z方向)に電流が流れる縦型トランジスタである。
ドレイン側選択ゲートSGDは、ドレイン側選択トランジスタSTDのゲート電極(コントロールゲート)として機能する。ドレイン側選択ゲートSGDとチャネルボディ20との間には、ドレイン側選択トランジスタSTDのゲート絶縁膜として機能する絶縁膜51(図2)が設けられている。ドレイン側選択トランジスタSTDのチャネルボディ20は、ドレイン側選択ゲートSGDの上方で、ビット線BLと接続されている。
ソース側選択ゲートSGSは、ソース側選択トランジスタSTSのゲート電極(コントロールゲート)として機能する。ソース側選択ゲートSGSとチャネルボディ20との間には、ソース側選択トランジスタSTSのゲート絶縁膜として機能する絶縁膜52(図2)が設けられている。ソース側選択トランジスタSTSのチャネルボディ20は、ソース側選択ゲートSGSの上方で、ソース線SLと接続されている。
メモリストリングMSの連結部JPには、バックゲートトランジスタBGTが設けられている。バックゲートBGは、バックゲートトランジスタBGTのゲート電極(コントロールゲート)として機能する。バックゲートBG内に設けられたメモリ膜30は、バックゲートトランジスタBGTのゲート絶縁膜として機能する。
ドレイン側選択トランジスタSTDとバックゲートトランジスタBGTとの間には、各層の電極層WLをコントロールゲートとする複数のメモリセルが設けられている。同様に、バックゲートトランジスタBGTとソース側選択トランジスタSTSの間にも、各層の電極層WLをコントロールゲートとする複数のメモリセルが設けられている。
それら複数のメモリセル、ドレイン側選択トランジスタSTD、バックゲートトランジスタBGTおよびソース側選択トランジスタSTSは、チャネルボディ20を通じて直列接続され、U字状の1つのメモリストリングMSを構成する。このメモリストリングMSがX方向及びY方向に複数配列されていることにより、複数のメモリセルがX方向、Y方向及びZ方向に3次元的に設けられている。
実施形態によれば、電極層WLと電荷蓄積膜32との間のブロック絶縁部33に空隙33aを設けている。メモリセル動作の際に、トンネル絶縁膜31aにはトンネル電流が流れるが、ブロック絶縁部33には電流はほとんど流れない。このため、電流通過によって空隙33aで局所的な絶縁破壊が起こる可能性は低い。
エアギャップトンネル絶縁膜は弱電界で書き込み動作を行えるので書き込み飽和は起こりにくいが、一方でリードディスターブが起こりやすい。そのため、閾値電圧ウィンドウを広げることができない。円筒型メモリセルでは径方向における外周側よりも中心側で電界が集中するので、トンネル絶縁膜にエアギャップを用いるとリードディスターブ電流が増加しやすい。
これに対して、ブロック絶縁部33は円筒型メモリセルの外周部に近い領域にあるので電界集中が起こりにくく、リードディスターブ時のリーク電流が抑制できる。したがって、リーク電流による閾値変動が起こりにくい。
さらにまた、ブロック絶縁部33に、シリコン酸化膜よりも誘電率の低い空隙33aを設けることで、電極層WLと電荷蓄積膜32との間の等価酸化膜厚(EOT:Effective Oxide Thickness)が厚くなり、電極層WLと電荷蓄積層32との間の電気的な距離が大きくなる。このため、書き込み・消去に伴う閾値電圧シフト量が大きくなる。
以上のことから、電極層WLと電荷蓄積膜32との間のブロック絶縁部33に空隙33aを設けることで、閾値電圧ウィンドウを広げて信頼性の高いメモリセル動作を実現することができる。
次に、図13〜図19を参照して、実施形態の半導体記憶装置の製造方法について説明する。
図13に示すように、基板10上に絶縁層45を介してバックゲートBGが形成される。バックゲートBGには凹部が形成され、その凹部内には犠牲膜55が埋め込まれる。犠牲膜55は、例えばシリコン窒化膜である。
バックゲートBG上には、絶縁層41が形成される。その絶縁層41上には、電極層WLと絶縁層40とがそれぞれ交互に複数積層される。電極層WLは、不純物として例えばボロンを含むシリコン層である。
電極層WL及び絶縁層40を含む積層体を形成した後、積層体にスリットを形成する。そのスリット内には、図14に示すように、絶縁分離膜46が埋め込まれる。絶縁分離膜46は、例えばシリコン窒化膜である。
次に、図15に示すように、上記積層体に複数のホール71を形成する。ホール71は、図示しないマスクを用いた例えばRIE(Reactive Ion Etching)法で形成される。
ホール71の下端は犠牲膜55に達し、ホール71の底に犠牲膜55が露出する。1つの犠牲膜55上には、一対のホール71が形成される。
ホール71を形成した後、ホール71を通じたエッチングにより、犠牲膜55を除去する。犠牲膜55は、例えばウェットエッチングにより除去される。
犠牲膜55の除去により、図16に示すように、バックゲートBGに形成された凹部72が現れる。1つの凹部72に対して、一対のホール71がつながっている。すなわち、一対のホール71のそれぞれの下端が1つの共通の凹部72とつながり、1つのU字状のメモリホールMHが形成される。
次に、メモリホールMHの内壁に、図17に示すように、キャップ膜33bを形成する。次に、キャップ膜33bの内壁に、金属膜(金属化合物の膜も含む)35を形成する。金属膜35は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜およびシリコン酸窒化膜とは異種の膜であり、例えば窒化チタン膜である。
次に、金属膜35の内壁に、図3及び図4(a)に示す電荷蓄積膜32を形成し、さらに電荷蓄積膜32の内壁にトンネル絶縁膜31aを形成し、トンネル絶縁膜31aの内壁にチャネルボディ20を形成する。さらに、筒状に形成されたチャネルボディ20の内側には、コア絶縁膜50が埋め込まれる。
次に、例えば硫酸化水などのエッチング液を用いて、窒化チタン膜の金属膜35をウェットエッチングする。金属膜35は、ともにシリコン窒化膜であるキャップ膜33b及び電荷蓄積膜32に対して選択的にエッチングされ、図18に示すように、金属膜35の上端が、例えば最下層の電極層WLの下の絶縁層41の途中の高さまで後退する。これにより、複数の電極層WLを含む積層体におけるキャップ膜33bと電荷蓄積膜32との間に空隙33aが形成される。金属膜35の上端は、空隙33aに接して空隙33aの下に位置する。
金属膜35は、バックゲートBG内の連結部JPに残される。さらに、金属膜35は、柱状部CLの下端部にも残される。したがって、空隙33aよりも内側の膜(電荷蓄積膜32、トンネル絶縁膜31a、チャネルボディ20およびコア絶縁膜50)は宙に浮いた状態にならずに、金属膜35が埋め込まれた部分によって支えられる。
空隙33aを形成した後、図19に示すように、最上層の電極層WL上に、層間絶縁層43を形成する。
このときの成膜条件の制御により、層間絶縁層43の一部43aが空隙33aの上端部に入り込む。したがって、空隙33aよりも内側の膜(電荷蓄積膜32、トンネル絶縁膜31a、チャネルボディ20およびコア絶縁膜50)の上端部は、側面側から層間絶縁層43の一部43aによって支えられる。
前述した金属膜35および層間絶縁層43の一部43aで、空隙33aよりも内側の膜を支える構造は、後述する図4(b)〜図11(b)の構造にも適用できる。
絶縁層43上には、図2に示すように、ドレイン側選択ゲートSGDまたはソース側選択ゲートSGSとなる上部選択ゲートが形成され、さらに上部選択ゲート上に絶縁層44が形成される。一対の柱状部CL間の上部選択ゲートは、図2に示すように、絶縁分離膜47によってY方向に分離される。
絶縁層43、ドレイン側選択ゲートSGD、ソース側選択ゲートSGS、および絶縁層44を含む積層体には、柱状部CLに対応する位置にホールが形成され、そのホール内にゲート絶縁膜51、52、チャネルボディ20およびコア絶縁膜50が形成される。ドレイン側選択トランジスタSTDおよびソース側選択トランジスタSTSのチャネルボディ20は、メモリセルのチャネルボディ20と接続される。
その後、絶縁層44上に、図1に示すソース線SL、ビット線BLなどが形成される。
なお、キャップ膜33bは設けずに、図4(b)に示すように、空隙33aのみからブロック絶縁部を構成してもよい。
この場合、消去時に電極層WLから注入されるバックトンネル電子を抑制するために、トンネル絶縁膜31としてチャネルボディ20側から順に設けられたシリコン酸化膜31bとシリコン窒化膜31cとシリコン酸化膜31dとの積層膜(ONO膜)を用いて、消去時の電界を下げるのが望ましい。
また、図5(a)に示すように、電極層WL側から順に設けられたキャップ膜33bとブロック絶縁膜33cと空隙33aとからブロック絶縁部33を構成してもよい。
キャップ膜33bの外周部は電極層WLに接し、ブロック絶縁膜33cの外周部はキャップ膜33bの内周部に接している。
ブロック絶縁膜33cは、シリコン及び酸素を含み、例えば、シリコン酸化膜である。または、ブロック絶縁膜33cは、シリコン酸窒化膜でもよい。
電極層WL側にキャップ膜(例えばシリコン窒化膜)33bとブロック絶縁膜(例えばシリコン酸化膜)33cとの積層膜を配置することで、消去時に電極層WLから注入されるバックトンネル電子を効果的に抑制することができる。
また、ブロック絶縁部33の実効的な誘電率をSiOと空気との間に調整することができる。ブロック絶縁膜33c中のSiOと、空隙33aとの比率を変えることで、書き込み、消去に必要な電圧(電極層WLへの印加電圧)を調整することができる。
また、図5(b)に示すように、ブロック絶縁膜33cを電荷蓄積膜32に接して設けてもよい。ブロック絶縁膜33cとキャップ膜33bとの間に空隙33aが設けられている。
図5(b)の構造のブロック絶縁膜33cは、書き込み動作時にブロック絶縁部33を流れるリーク電流を抑制する。
また、図5(a)の構造において、図6(a)に示すように、キャップ膜33bを設けずに、さらに、トンネル絶縁膜31aをONO膜31b〜31dからなるトンネル絶縁膜31に置き換えてもよい。
また、図5(b)の構造において、図6(b)に示すように、キャップ膜33bを設けずに、さらに、トンネル絶縁膜31aをONO膜31b〜31dからなるトンネル絶縁膜31に置き換えてもよい。
また、図7(a)に示すように、電荷蓄積膜32の外周部に接して設けられた第1のブロック絶縁膜33dと、電極層WLに接して設けられたキャップ膜33bと、キャップ膜33bの内周部に接して設けられた第2のブロック絶縁膜33eと、第1のブロック絶縁膜33dと第2のブロック絶縁膜33eとの間に設けられた空隙33aと、からブロック絶縁部33を構成してもよい。
第1のブロック絶縁膜33dおよび第2のブロック絶縁膜33eは、シリコン及び酸素を含み、例えば、シリコン酸化膜である。または、第1のブロック絶縁膜33dおよび第2のブロック絶縁膜33eは、シリコン酸窒化膜でもよい。
電荷蓄積膜32の外周部および電極層WL側にそれぞれブロック絶縁膜33d、33eを設けることで、空隙33aだけの構造に比べて、書き込み及び消去時ともにブロック絶縁部33のリーク電流を抑制することができる。
また、ブロック絶縁部33の実効的な誘電率をSiOと空気との間に調整することができる。ブロック絶縁膜33c中のSiOと、空隙33aとの比率を変えることで、書き込み、消去に必要な電圧(電極層WLへの印加電圧)を調整することができる。
また、同種類のブロック絶縁膜(例えばシリコン酸化膜)33d、33eが空隙33aに接するので、図18を参照して前述した金属膜35のエッチングプロセスが容易になる。すなわち、空隙33aに置換するための犠牲膜として例えば窒化チタンなどの金属膜35をウェット処理で除去するプロセスの際に、単に金属膜35とシリコン酸化膜との選択比だけを考えればよい。
また、図7(a)の構造において、図7(b)に示すように、キャップ膜33bを設けずに、さらに、トンネル絶縁膜31aをONO膜31b〜31dからなるトンネル絶縁膜31に置き換えてもよい。
また、図8(a)に示すように、トンネル絶縁膜についても空隙31eに置き換えてもよい。
トンネル絶縁部とブロック絶縁部が共に空隙を含むため、チャネルボディ20と電荷蓄積膜32との間、および電荷蓄積膜32と電極層WLとの間のカップリング比のバランスがよい。
また、トンネル絶縁部の一部にシリコン酸化膜やシリコン酸窒化膜を使い、空隙31eとの積層構造にしてもかまわない。
トンネル絶縁部の空隙31eに対しても、前述した金属膜35および層間絶縁層43の一部43aで、空隙31eよりも内側および外側の膜を支える構造を適用できる。
また、図8(a)の構造において、図8(b)に示すように、キャップ膜33bを設けなくてもよい。
また、図5(a)の構造においてトンネル絶縁膜31aを、図9(a)に示すように空隙31eに置き換えてもよい。
また、図5(b)の構造においてトンネル絶縁膜31aを、図9(b)に示すように空隙31eに置き換えてもよい。
また、図6(a)の構造においてトンネル絶縁膜31を、図10(a)に示すように空隙31eに置き換えてもよい。
また、図6(b)の構造においてトンネル絶縁膜31を、図10(b)に示すように空隙31eに置き換えてもよい。
また、図7(a)の構造においてトンネル絶縁膜31aを、図11(a)に示すように空隙31eに置き換えてもよい。
また、図7(b)の構造においてトンネル絶縁膜31を、図11(b)に示すように空隙31eに置き換えてもよい。
図12は、比較例、図4(a)の構造、図8(a)の構造について、メモリセル動作時の閾値電圧ウィンドウのシミュレーションによる比較結果を表す。
図4(a)の構造において、メモリホールの直径(柱状部CLの直径)を50nm、アモルファスシリコン膜であるチャネルボディ20の膜厚を4.3nm、Si膜であるキャップ膜33bの膜厚を2.9nm、空隙33aの厚さを4.5nm、Si膜である電荷蓄積膜32の膜厚を4.2nm、SiO膜であるトンネル絶縁膜31aの膜厚を3.5nmとした。
比較例では、図4(a)の構造における空隙33aの代わりにSiO膜が設けられ、トンネル絶縁膜31aの代わりに空隙を設けている。
図8(a)の構造において、メモリホールの直径(柱状部CLの直径)を50nm、アモルファスシリコン膜であるチャネルボディ20の膜厚を4.3nm、Si膜であるキャップ膜33bの膜厚を2.9nm、空隙33aの厚さを4.5nm、Si膜である電荷蓄積膜32の膜厚を4.2nm、空隙31eの厚さを3.5nmとした。
閾値電圧ウィンドウは、実使用上使える閾値電圧の範囲を表し、書き込み特性飽和で決まる閾値電圧の上限と、リードディスターブで決まる閾値電圧の下限から決定している。また、メモリホール径のバラつきを考慮したシミュレーションになっている。
実施形態の図4(a)の構造及び図8(a)の構造はともに、比較例よりも閾値電圧ウィンドウが拡大していることがわかる。特に、ブロック絶縁部のみに空隙を形成した図4(a)の構造では閾値電圧ウィンドウの拡大が著しい。
以上説明したように、実施形態によれば、円筒型メモリセルにおいてメモリホール径が例えば50nmほどと小さくても、閾値電圧ウィンドウを拡大することができる。この結果、大記憶容量の信頼性の高いメモリデバイスを実現できる。
次に、図20は、実施形態の半導体記憶装置の他の例のメモリセルアレイ2の模式斜視図である。なお、図20においても図1と同様に、図を見易くするために、電極層WL間の絶縁層などの図示については省略している。
また、図20において、基板10の主面に対して平行な方向であって相互に直交する2方向をX方向及びY方向とし、これらX方向及びY方向の双方に対して直交する方向をZ方向(積層方向)とする。
基板10上にソース層SLが設けられている。ソース層SL上には、絶縁層を介してソース側選択ゲート(下部選択ゲート)SGSが設けられている。
ソース側選択ゲートSGS上には絶縁層が設けられ、その絶縁層上には、複数の電極層WLと複数の絶縁層とが交互に積層された積層体が設けられている。
最上層の電極層WL上には絶縁層が設けられ、その絶縁層上にはドレイン側選択ゲート(上部選択ゲート)SGDが設けられている。
上記積層体には、Z方向に延びた柱状部CLが設けられている。すなわち、柱状部CLは、ドレイン側選択ゲートSGD、複数層の電極層WL、およびソース側選択ゲートSGSを貫通している。柱状部CLにおけるチャネルボディ20の上端はビット線BLに接続され、チャネルボディ20の下端はソース線SLに接続されている。
図20に示すメモリセルアレイ2においても、前述した実施形態と同様に、柱状部CLのブロック絶縁部に空隙を形成することで、閾値電圧ウィンドウを拡大することができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
20…チャネルボディ、30…メモリ膜、31,31a〜31d…トンネル絶縁膜、31e…空隙、32…電荷蓄積膜、33…ブロック絶縁部、33a…空隙、33b…キャップ膜、33c,33d,33e…ブロック絶縁膜、35…金属膜、40…絶縁層、50…コア絶縁膜、WL…電極層、CL…柱状部

Claims (10)

  1. 複数層の電極層と、前記電極層間にそれぞれ設けられた複数層の絶縁層とを有する積層体と、
    前記積層体を貫通して前記積層体の積層方向に延びた柱状部と、
    を備え、
    前記柱状部は、
    前記積層方向に延びるチャネルボディと、
    前記チャネルボディと前記電極層との間に設けられた電荷蓄積膜と、
    前記電荷蓄積膜と前記電極層との間に設けられた空隙と、
    を有する半導体記憶装置。
  2. 前記空隙と前記電極層との間に設けられ、シリコン及び酸素を含む第1のブロック絶縁膜をさらに備えた請求項1記載の半導体記憶装置。
  3. 前記電荷蓄積膜と前記空隙との間に設けられ、シリコン及び酸素を含む第2のブロック絶縁膜をさらに備えた請求項1または2に記載の半導体記憶装置。
  4. 前記電荷蓄積膜と前記チャネルボディとの間に設けられた第2の空隙をさらに備えた請求項1〜3のいずれか1つに記載の半導体記憶装置。
  5. 前記空隙と前記電極層との間で前記電極層に接して設けられ、酸化シリコンよりも誘電率の高いキャップ膜をさらに備えた請求項1〜4のいずれか1つに記載の半導体記憶装置。
  6. 前記電荷蓄積膜は前記積層方向に延びつつ前記チャネルボディを囲む筒状に形成され、前記空隙は前記積層方向に延びつつ前記電荷蓄積膜を囲む筒状に形成されている請求項1〜5のいずれか1つに記載の半導体記憶装置。
  7. 前記積層体の下に設けられた下部ゲート層と、
    前記下部ゲート層内に設けられ、隣り合う一対の前記柱状部の下端をつなぐ連結部と、
    をさらに備えた請求項1〜6のいずれか1つに記載の半導体記憶装置。
  8. 前記連結部に設けられた前記電荷蓄積膜と前記下部ゲート層との間、および前記柱状部の下端部に設けられた前記電荷蓄積膜と前記積層体との間に設けられ、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜およびシリコン酸窒化膜とは異種の膜をさらに備えた請求項7記載の半導体記憶装置。
  9. 前記膜は、金属膜である請求項8記載の半導体記憶装置。
  10. 前記積層体の上に設けられた層間絶縁層をさらに備え、
    前記層間絶縁層の一部が、前記柱状部の上端部に設けられた前記電荷蓄積膜と前記積層体との間に充填され、前記空隙の上に位置している請求項1〜9のいずれか1つに記載の半導体記憶装置。
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