JP2017112331A - Memory cell, nonvolatile semiconductor memory device, and method of manufacturing nonvolatile semiconductor memory device - Google Patents

Memory cell, nonvolatile semiconductor memory device, and method of manufacturing nonvolatile semiconductor memory device Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a memory cell capable of suppressing occurrence of disturb while down-sizing, and to provide a nonvolatile semiconductor memory device, and a method of manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device.SOLUTION: In a memory cell MC, even if down-sizing is tried by increasing the impurity concentration in a fin part S2, and bringing the drain region 12a and source region 12b close to each other on the surface of the fin part S2, occurrence of disturb can be suppressed by selecting the shape of the fin part S2 and reducing the potential difference between a memory gate electrode DG and fin part S2. Consequently, the memory cell MC can suppress occurrence of disturb while down-sizing.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、メモリセル、不揮発性半導体記憶装置、および不揮発性半導体記憶装置の製造方法に関する。   The present invention relates to a memory cell, a nonvolatile semiconductor memory device, and a method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device.

従来、特開2011-129816号公報(特許文献1)には、2つの選択ゲート構造体の間にメモリゲート構造体が配置されたメモリセルが開示されている(特許文献1、図15参照)。実際上、このメモリセルでは、ビット線が接続されたドレイン領域と、ソース線が接続されたソース領域とを備え、これらドレイン領域およびソース領域間の半導体基板上に、第1選択ゲート構造体、メモリゲート構造体および第2選択ゲート構造体が順に配置形成されている。かかる構成でなるメモリセルには、絶縁材料で囲まれた電荷蓄積層がメモリゲート構造体に設けられており、当該電荷蓄積層に電荷を注入することでデータが書き込まれたり、或いは、電荷蓄積層内の電荷を引き抜くことでデータが消去されたりし得る。   Conventionally, Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2011-129816 (Patent Document 1) discloses a memory cell in which a memory gate structure is disposed between two select gate structures (see Patent Document 1 and FIG. 15). . In practice, this memory cell comprises a drain region to which a bit line is connected and a source region to which a source line is connected, and a first select gate structure on a semiconductor substrate between the drain region and the source region, A memory gate structure and a second selection gate structure are arranged and formed in order. In a memory cell having such a structure, a charge storage layer surrounded by an insulating material is provided in the memory gate structure, and data is written by injecting charges into the charge storage layer, or charge storage is performed. Data can be erased by extracting charges in the layer.

実際上、このようなメモリセルでは、電荷蓄積層に電荷を注入する場合、ソース線に接続された第2選択ゲート構造体で電圧を遮断しつつ、ビット線からの低電圧のビット電圧を、第1選択ゲート構造体を介してメモリゲート構造体のチャネル層に印加する。この際、メモリゲート構造体には、メモリゲート電極に高電圧のメモリゲート電圧が印加され、ビット電圧とメモリゲート電圧との大きな電圧差により生じる量子トンネル効果によって電荷蓄積層に電荷を注入し得る。   In practice, in such a memory cell, when a charge is injected into the charge storage layer, the low voltage bit voltage from the bit line is reduced while the voltage is cut off by the second selection gate structure connected to the source line. The voltage is applied to the channel layer of the memory gate structure via the first select gate structure. At this time, in the memory gate structure, a high memory gate voltage is applied to the memory gate electrode, and charge can be injected into the charge storage layer by a quantum tunnel effect caused by a large voltage difference between the bit voltage and the memory gate voltage. .

このような構成でなる複数のメモリセルが行列状に配置された不揮発性半導体記憶装置では、各メモリゲート電極に電圧を印加するメモリゲート線が、複数のメモリセルで共有されていることから、所定のメモリセルの電荷蓄積層に電荷を注入するために高電圧の電荷蓄積ゲート電圧をメモリゲート線に印加すると、当該メモリゲート線を共有する他のメモリセルのメモリゲート電極にも、高電圧の電荷蓄積ゲート電圧が印加されてしまう。   In the nonvolatile semiconductor memory device in which a plurality of memory cells having such a configuration are arranged in a matrix, a memory gate line for applying a voltage to each memory gate electrode is shared by the plurality of memory cells. When a high voltage charge storage gate voltage is applied to a memory gate line in order to inject charge into the charge storage layer of a given memory cell, the high voltage is also applied to the memory gate electrode of another memory cell sharing the memory gate line. The charge storage gate voltage is applied.

そこで、電荷蓄積層に電荷を注入させないメモリセルでは、例えばメモリゲート構造体のチャネル層に高電圧のビット電圧を印加して、メモリゲート電極とチャネル層との電圧差を小さくし、高電圧の電荷蓄積ゲート電圧がメモリゲート線に印加されたときでも、電荷蓄積層への電荷の注入を阻止している。   Therefore, in a memory cell in which no charge is injected into the charge storage layer, for example, a high bit voltage is applied to the channel layer of the memory gate structure to reduce the voltage difference between the memory gate electrode and the channel layer. Even when a charge storage gate voltage is applied to the memory gate line, injection of charges into the charge storage layer is prevented.

特開2011-129816号公報JP 2011-129816 JP

しかしながら、電荷蓄積層に電荷を注入させないメモリセルでは、高電圧の電荷蓄積ゲート電圧がメモリゲート線に印加されたとき、電荷蓄積層への電荷の注入を単に阻止するだけではなく、その際、電荷蓄積層に意図しない電荷が注入され電荷蓄積層の電荷蓄積状態が変動してしまう現象(以下、これをディスターブと呼ぶ)も生じないよう対策を講じることが望ましい。   However, in a memory cell that does not inject charge into the charge storage layer, when a high voltage charge storage gate voltage is applied to the memory gate line, it does not simply block the injection of charge into the charge storage layer, It is desirable to take measures to prevent a phenomenon (hereinafter referred to as “disturb”) in which an unintended charge is injected into the charge storage layer and the charge storage state of the charge storage layer changes.

また、このような不揮発性半導体記憶装置では、複数のメモリセルが行列状に配置されることから、ディスターブによる不良対策を講じる際でも、限られた面積内に、より多くのメモリセルが配置できるように、メモリセルの小型化を図ることも重要となる。   Further, in such a nonvolatile semiconductor memory device, since a plurality of memory cells are arranged in a matrix, more memory cells can be arranged within a limited area even when taking measures against defects due to disturbance. Thus, it is important to reduce the size of the memory cell.

そこで、本発明は以上の点を考慮してなされたもので、小型化を図りつつ、ディスターブの発生を抑制し得るメモリセル、不揮発性半導体記憶装置、および不揮発性半導体記憶装置の製造方法を提案することを目的とする。   Therefore, the present invention has been made in consideration of the above points, and proposes a memory cell, a nonvolatile semiconductor memory device, and a method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device that can suppress the occurrence of disturbance while reducing the size. The purpose is to do.

かかる課題を解決するため本発明のメモリセルは、絶縁層で覆われた半導体基板と、前記絶縁層から突き出るように前記半導体基板上に形成されたフィン部と、下部メモリゲート絶縁膜、電荷蓄積層、上部メモリゲート絶縁膜、およびメモリゲート電極が積層され、前記フィン部を跨ぐように前記絶縁層上に形成されたメモリゲート構造体と、第1選択ゲート絶縁膜上に第1選択ゲート電極が設けられ、前記メモリゲート構造体の一方の側壁に形成された一の側壁スペーサに沿って、前記フィン部を跨ぐように前記絶縁層上に形成された第1選択ゲート構造体と、第2選択ゲート絶縁膜上に第2選択ゲート電極が設けられ、前記メモリゲート構造体の他方の側壁に形成された他の側壁スペーサに沿って、前記フィン部を跨ぐように前記絶縁層上に形成された第2選択ゲート構造体と、前記第1選択ゲート構造体と隣接した前記フィン部の表面に前記第1選択ゲート電極と絶縁するように設けられ、ビット線が電気的に接続されたドレイン領域と、前記第2選択ゲート構造体と隣接した前記フィン部の表面に前記第2選択ゲート電極と絶縁するように設けられ、ソース線が電気的に接続されたソース領域とを備え、前記第1選択ゲート構造体、前記メモリゲート構造体、および前記第2選択ゲート構造体は、前記ドレイン領域と前記ソース領域との間に設けられていることを特徴とする。   In order to solve such problems, a memory cell of the present invention includes a semiconductor substrate covered with an insulating layer, a fin portion formed on the semiconductor substrate so as to protrude from the insulating layer, a lower memory gate insulating film, and a charge storage A memory gate structure formed on the insulating layer so as to straddle the fin portion, and a first selection gate electrode on the first selection gate insulating film A first select gate structure formed on the insulating layer so as to straddle the fin portion along one side wall spacer formed on one side wall of the memory gate structure. A second selection gate electrode is provided on the selection gate insulating film, and is formed on the insulating layer so as to straddle the fin portion along another side wall spacer formed on the other side wall of the memory gate structure. A second selection gate structure, and a drain provided on the surface of the fin portion adjacent to the first selection gate structure to be insulated from the first selection gate electrode and to which a bit line is electrically connected A source region that is provided on the surface of the fin portion adjacent to the second select gate structure so as to be insulated from the second select gate electrode, and to which a source line is electrically connected. The one selection gate structure, the memory gate structure, and the second selection gate structure are provided between the drain region and the source region.

また、本発明の不揮発性半導体記憶装置は、メモリゲート電極にメモリゲート線が接続されたメモリセルが行列状に配置された不揮発性半導体記憶装置であって、前記メモリセルが請求項1〜10のいずれか1項に記載のメモリセルであり、行列状に配置された複数の前記メモリセルで前記メモリゲート線を共有していることを特徴とする。   The non-volatile semiconductor memory device of the present invention is a non-volatile semiconductor memory device in which memory cells each having a memory gate line connected to a memory gate electrode are arranged in a matrix, wherein the memory cells are defined in claims 1 to 10. The memory cell according to any one of the above, wherein a plurality of the memory cells arranged in a matrix share the memory gate line.

また、本発明の不揮発性半導体記憶装置の製造方法は、絶縁層で覆われた半導体基板に、前記絶縁層から突き出るフィン部を形成するフィン部形成工程と、前記半導体基板を覆う前記絶縁層上と、前記絶縁層から突き出たフィン部とに、層状の下部メモリゲート絶縁膜形成層、電荷蓄積層形成層および第1ダミー電極層を順に積層形成する第1ダミー電極層形成工程と、パターニングされたレジストを利用して、前記第1ダミー電極層、前記電荷蓄積層形成層、および前記下部メモリゲート絶縁膜形成層をパターニングすることにより、下部メモリゲート絶縁膜、電荷蓄積層、およびダミーメモリゲート電極が順に積層形成されたダミーメモリゲート構造体を、前記フィン部を跨ぐように前記絶縁層上に形成するダミーメモリゲート構造体形成工程と、前記ダミーメモリゲート構造体の対向する側壁に沿って側壁スペーサを形成する側壁スペーサ形成工程と、前記ダミーメモリゲート構造体を覆うように第2ダミー電極層を形成した後、エッチバックすることにより、前記ダミーメモリゲート構造体の側壁にある一の前記側壁スペーサに沿って前記フィン部を跨ぐようにサイドウォール状のダミー第1選択ゲート電極を形成するとともに、前記ダミーメモリゲート構造体の側壁にある他の前記側壁スペーサに沿って前記フィン部を跨ぐようにサイドウォール状のダミー第2選択ゲート電極を形成するダミー選択ゲート電極形成工程と、前記ダミーメモリゲート電極、前記ダミー第1選択ゲート電極、および前記ダミー第2選択ゲート電極を覆うように層間絶縁層を形成した後、前記層間絶縁層を加工して、前記ダミーメモリゲート電極、前記ダミー第1選択ゲート電極、および前記ダミー第2選択ゲート電極の各上面を前記層間絶縁層から外部に露出させるダミー電極露出工程と、前記ダミーメモリゲート電極、前記ダミー第1選択ゲート電極、および前記ダミー第2選択ゲート電極を除去した後、前記ダミーメモリゲート電極、前記ダミー第1選択ゲート電極、および前記ダミー第2選択ゲート電極が形成されていた各ダミー電極除去空間に、層状の絶縁膜を形成した後、各前記ダミー電極除去空間の該絶縁膜に囲まれた空間に、金属材料を含んだメモリゲート電極、第1選択ゲート電極、および第2選択ゲート電極を形成するメタルゲート電極形成工程とを備えることを特徴とする。   In addition, the method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention includes a fin portion forming step of forming a fin portion protruding from the insulating layer on the semiconductor substrate covered with the insulating layer, and a step on the insulating layer covering the semiconductor substrate. And a first dummy electrode layer forming step in which a layered lower memory gate insulating film forming layer, a charge storage layer forming layer, and a first dummy electrode layer are sequentially stacked on the fin portion protruding from the insulating layer, and patterned. Patterning the first dummy electrode layer, the charge storage layer formation layer, and the lower memory gate insulation film formation layer using a resist, thereby forming a lower memory gate insulation film, a charge storage layer, and a dummy memory gate A dummy memory gate structure forming process for forming a dummy memory gate structure in which electrodes are sequentially stacked on the insulating layer so as to straddle the fin portion A sidewall spacer forming step for forming sidewall spacers along opposite sidewalls of the dummy memory gate structure, and forming a second dummy electrode layer so as to cover the dummy memory gate structure and then etching back. Thus, a sidewall-shaped dummy first selection gate electrode is formed so as to straddle the fin portion along one side wall spacer on the side wall of the dummy memory gate structure, and the side wall of the dummy memory gate structure A dummy selection gate electrode forming step for forming a sidewall-shaped dummy second selection gate electrode so as to straddle the fin portion along the other side wall spacer, and the dummy memory gate electrode and the dummy first selection gate An interlayer insulating layer is formed so as to cover the electrode and the dummy second select gate electrode, and then the interlayer insulating layer is A dummy electrode exposure step of processing and exposing each upper surface of the dummy memory gate electrode, the dummy first selection gate electrode, and the dummy second selection gate electrode from the interlayer insulating layer; and the dummy memory gate electrode Each of the dummy memory gate electrode, the dummy first selection gate electrode, and the dummy second selection gate electrode formed after removing the dummy first selection gate electrode and the dummy second selection gate electrode After forming a layered insulating film in the dummy electrode removal space, a memory gate electrode containing a metal material, a first selection gate electrode, and a second electrode are formed in the space surrounded by the insulation film in each of the dummy electrode removal spaces. And a metal gate electrode forming step of forming a selection gate electrode.

本発明のメモリセル、不揮発性半導体記憶装置、および不揮発性半導体記憶装置の製造方法では、電荷蓄積層への電荷の注入を阻止する際、第1選択ゲート構造体によって、メモリゲート構造体に囲まれたフィン部内と、ビット線との電気的な接続を遮断し、第2選択ゲート構造体によって、メモリゲート構造体に囲まれたフィン部内と、ソース線との電気的な接続を遮断することで、フィン部の表面に空乏層を形成でき、当該空乏層によってメモリゲート電極とフィン部との間の電位差を小さくできるメモリセルを提供できる。   In the memory cell, the nonvolatile semiconductor memory device, and the method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention, the first selection gate structure surrounds the memory gate structure when blocking the injection of charges into the charge storage layer. The electrical connection between the fin portion and the bit line is cut off, and the electrical connection between the fin portion surrounded by the memory gate structure and the source line is cut off by the second selection gate structure. Thus, a depletion layer can be formed on the surface of the fin portion, and a memory cell that can reduce the potential difference between the memory gate electrode and the fin portion by the depletion layer can be provided.

これにより、本発明では、フィン部内の不純物濃度を高くして、フィン部の表面でドレイン領域およびソース領域を近接させて小型化を図っても、フィン部内全体に空乏層が形成されるようにフィン部の形状を選定することで、メモリゲート電極とフィン部との間の電位差を小さくし、さらに空乏層にかかる電界も小さくしてディスターブの発生を抑制し得る。   As a result, in the present invention, even if the impurity concentration in the fin portion is increased and the drain region and the source region are brought close to each other on the surface of the fin portion to reduce the size, a depletion layer is formed in the entire fin portion. By selecting the shape of the fin portion, the potential difference between the memory gate electrode and the fin portion can be reduced, and the electric field applied to the depletion layer can also be reduced to suppress the occurrence of disturbance.

また、本発明のメモリセルでは、第1選択ゲート構造体、メモリゲート構造体、および第2選択ゲート構造体の各ゲート幅を、フィン部の高さに置き換えることができるので、フィン部の高さ分だけ高くなるものの、第1選択ゲート構造体、メモリゲート構造体、および第2選択ゲート構造体の各ゲート幅の方向の形成面積を狭くし得、その分、小型化を実現し得る。   In the memory cell of the present invention, the gate width of each of the first selection gate structure, the memory gate structure, and the second selection gate structure can be replaced with the height of the fin portion. Although the height is increased, the formation area of each of the first selection gate structure, the memory gate structure, and the second selection gate structure in the direction of the gate width can be reduced, and downsizing can be realized accordingly.

因みに、本発明のメモリセルでは、電荷蓄積層への電荷の注入を阻止する際、メモリゲート構造体で囲まれたフィン部内と、ビット線(ソース線)との電気的な接続を遮断できる電圧をビット線およびソース線に印加すればよい。これにより、本発明のメモリセルでは、メモリゲート電極に印加される電荷蓄積ゲート電圧に拘束されずに、ビット線およびソース線の電圧値を低減し得、その分、第1選択ゲート構造体の第1選択ゲート絶縁膜や、第2選択ゲート構造体の第2選択ゲート絶縁膜の各膜厚を薄くでき、高速動作を実現し得る。   Incidentally, in the memory cell of the present invention, when blocking the injection of charges into the charge storage layer, the voltage that can cut off the electrical connection between the fin portion surrounded by the memory gate structure and the bit line (source line) May be applied to the bit line and the source line. Thus, in the memory cell of the present invention, the voltage value of the bit line and the source line can be reduced without being restricted by the charge storage gate voltage applied to the memory gate electrode, and accordingly, the first selection gate structure Each film thickness of the first selection gate insulating film and the second selection gate insulating film of the second selection gate structure can be reduced, and high-speed operation can be realized.

本発明によるメモリセルの構成を示す斜視図である。1 is a perspective view showing a configuration of a memory cell according to the present invention. 不揮発性半導体記憶装置の平面レイアウトを示す概略図である。It is the schematic which shows the planar layout of a non-volatile semiconductor memory device. 図3Aは、図2のA−A´部分における断面構成を示す概略図であり、図3Bは、図2のB−B´部分における断面構成を示す概略図である。3A is a schematic diagram showing a cross-sectional configuration at the AA ′ portion in FIG. 2, and FIG. 3B is a schematic diagram showing a cross-sectional configuration at the BB ′ portion in FIG. 2. 図4Aは、図2のC−C´部分におけるメモリセルの断面構成を示す概略図であり、図4Bは、図2のD−D´部分におけるメモリセルの断面構成を示す概略図である。4A is a schematic diagram illustrating a cross-sectional configuration of the memory cell in the CC ′ portion of FIG. 2, and FIG. 4B is a schematic diagram illustrating a cross-sectional configuration of the memory cell in the DD ′ portion of FIG. 2. 複数のメモリセルが行列状に配置された本発明の不揮発性半導体記憶装置の回路構成を示す概略図である。1 is a schematic diagram showing a circuit configuration of a nonvolatile semiconductor memory device of the present invention in which a plurality of memory cells are arranged in a matrix. データの書き込み動作時、データの読み出し動作時、およびデータの消去動作時における各部位における電圧値の一例を示す表である。6 is a table showing an example of voltage values at each portion during a data write operation, a data read operation, and a data erase operation. 書き込み非選択メモリセルにおける電位の説明に供する概略図である。It is the schematic where it uses for description of the electric potential in a write non-selection memory cell. 不揮発性半導体記憶装置の製造工程(1)を示す概略図である。It is the schematic which shows the manufacturing process (1) of a non-volatile semiconductor memory device. 図9Aは、不揮発性半導体記憶装置の製造工程(2)を示す概略図であり、図9Bは、図9AにおけるE−E´部分における断面構成を示す概略図であり、図9Cは、不揮発性半導体記憶装置の製造工程(3)を示す概略図であり、図9Dは、図9CにおけるE−E´部分における断面構成を示す概略図である。FIG. 9A is a schematic diagram showing a manufacturing process (2) of the nonvolatile semiconductor memory device, FIG. 9B is a schematic diagram showing a cross-sectional configuration at a portion EE ′ in FIG. 9A, and FIG. 9C is a nonvolatile diagram. FIG. 9D is a schematic diagram showing a manufacturing step (3) of the semiconductor memory device, and FIG. 9D is a schematic diagram showing a cross-sectional configuration at a portion EE ′ in FIG. 9C. 図10Aは、図9Dに示した位置での不揮発性半導体記憶装置の製造工程(1)を示す概略図であり、図10Bは、図9Dに示した位置での不揮発性半導体記憶装置の製造工程(2)を示す概略図であり、図10Cは、図9Dに示した位置での不揮発性半導体記憶装置の製造工程(3)を示す概略図である。10A is a schematic diagram illustrating a manufacturing process (1) of the nonvolatile semiconductor memory device at the position illustrated in FIG. 9D, and FIG. 10B illustrates a manufacturing process of the nonvolatile semiconductor memory device at the position illustrated in FIG. 9D. FIG. 10C is a schematic diagram illustrating a manufacturing process (3) of the nonvolatile semiconductor memory device at the position illustrated in FIG. 9D. 図11Aは、不揮発性半導体記憶装置の製造工程(4)を示す概略図であり、図11Bは、図11AにおけるE−E´部分における断面構成を示す概略図である。FIG. 11A is a schematic diagram illustrating a manufacturing process (4) of the nonvolatile semiconductor memory device, and FIG. 11B is a schematic diagram illustrating a cross-sectional configuration at a portion EE ′ in FIG. 11A. 図12Aは、図2のA−A´部分における他の実施の形態によるメモリセルの断面構成を示す概略図であり、図12Bは、図2のB−B´部分における他の実施の形態によるメモリセルの断面構成を示す概略図である。12A is a schematic diagram illustrating a cross-sectional configuration of a memory cell according to another embodiment in the AA ′ portion of FIG. 2, and FIG. 12B is according to another embodiment of the BB ′ portion of FIG. It is the schematic which shows the cross-sectional structure of a memory cell. 他の実施の形態によるメモリセルの構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the memory cell by other embodiment. 図14Aは、図13のA−A´部分における断面構成を示す概略図であり、図14Bは、図13のB−B´部分における断面構成を示す概略図である。14A is a schematic diagram showing a cross-sectional configuration at the AA ′ portion in FIG. 13, and FIG. 14B is a schematic diagram showing a cross-sectional configuration at the BB ′ portion in FIG. 13. 図15Aは、図13のC−C´部分におけるメモリセルの断面構成を示す概略図であり、図15Bは、図13のD−D´部分におけるメモリセルの断面構成を示す概略図である。15A is a schematic diagram illustrating a cross-sectional configuration of the memory cell in the CC ′ portion of FIG. 13, and FIG. 15B is a schematic diagram illustrating a cross-sectional configuration of the memory cell in the DD ′ portion of FIG. 13.

以下、本発明を実施するための形態について説明する。なお、説明は以下に示す順序とする。
<1.フィン構造を有するメモリセルの概略>
<2.メモリセルの詳細構成>
<3.不揮発性半導体記憶装置の回路構成>
<4.不揮発性半導体記憶装置における各種動作時の電圧について>
4−1.データの書き込み動作
4−2.データの非書き込み動作
4−3.データの読み出し動作
4−4.データの消去動作
<5.高電圧の電荷蓄積ゲート電圧がメモリゲート電極に印加された書き込み非選択メモリセルにおける電位について>
<6.不揮発性半導体記憶装置の製造方法>
<7.作用および効果>
<8.他の実施の形態>
8−1.メモリゲート電極、第1選択ゲート電極、および第2選択ゲート電極を金属材料以外の導電材料で形成したときのメモリセルの構成
8−2.フィン部の上面にキャップ絶縁膜を設けたメモリセルの構成
8−3.その他
Hereinafter, modes for carrying out the present invention will be described. The description will be in the following order.
<1. Outline of memory cell having fin structure>
<2. Detailed configuration of memory cell>
<3. Circuit Configuration of Nonvolatile Semiconductor Memory Device>
<4. Regarding Voltages During Various Operations in Nonvolatile Semiconductor Memory Device>
4-1. Data writing operation 4-2. Data non-write operation 4-3. Data read operation 4-4. Data erasing operation <5. Regarding the potential in a write unselected memory cell in which a high voltage charge storage gate voltage is applied to the memory gate electrode>
<6. Manufacturing Method of Nonvolatile Semiconductor Memory Device>
<7. Action and Effect>
<8. Other embodiments>
8-1. Configuration of memory cell when memory gate electrode, first selection gate electrode, and second selection gate electrode are formed of a conductive material other than a metal material 8-2. Configuration of memory cell in which cap insulating film is provided on upper surface of fin portion 8-3. Other

(1)フィン構造を有するメモリセルの概略
図1は、不揮発性半導体記憶装置1に設けられた本発明のメモリセルMCのフィン構造を概略的に示した斜視図である。ここでは、先ず始めに、図1に示す斜視図を用いて、メモリセルMCがフィン型FET(Field Effect Transistor)の構成を有している点について簡単に説明する。この場合、メモリセルMCは、例えばシリコン等の半導体材料により形成された半導体基板S1と、当該半導体基板S1と一体形成され、当該半導体基板S1と同じ半導体材料により形成されたフィン部S2とを有しており、フィン部S2が半導体基板S1から突出形成されている。
(1) Outline of Memory Cell Having Fin Structure FIG. 1 is a perspective view schematically showing the fin structure of the memory cell MC of the present invention provided in the nonvolatile semiconductor memory device 1. Here, first, the point that the memory cell MC has the configuration of a fin-type FET (Field Effect Transistor) will be briefly described with reference to the perspective view shown in FIG. In this case, the memory cell MC has, for example, a semiconductor substrate S1 formed of a semiconductor material such as silicon, and a fin portion S2 formed integrally with the semiconductor substrate S1 and formed of the same semiconductor material as the semiconductor substrate S1. The fin portion S2 is formed to protrude from the semiconductor substrate S1.

実際上、このメモリセルMCは、板状に形成された半導体基板S1の表面が絶縁材料でなる絶縁層ISに覆われており、フィン部S2が鉛直方向zに向けて延びるように半導体基板S1上に形成され、当該フィン部S2の一部が絶縁層ISの表面から突き出るように設けられている。フィン部S2は、例えば直方体状に形成されており、長手方向が半導体基板S1の表面に沿ってy方向に延設されている。なお、この実施の形態の場合、半導体基板S1およびフィン部S2には、例えばP型不純物が注入されているものとする。   Actually, in the memory cell MC, the surface of the semiconductor substrate S1 formed in a plate shape is covered with an insulating layer IS made of an insulating material, and the semiconductor substrate S1 has a fin portion S2 extending in the vertical direction z. The fin portion S2 is formed so as to protrude from the surface of the insulating layer IS. The fin portion S2 is formed in a rectangular parallelepiped shape, for example, and the longitudinal direction extends in the y direction along the surface of the semiconductor substrate S1. In the case of this embodiment, it is assumed that, for example, a P-type impurity is implanted into the semiconductor substrate S1 and the fin portion S2.

これに加えて、この実施の形態の場合、メモリセルMCには、N型のメモリトランジスタMTをフィン部S2に形成するメモリゲート構造体2と、N型MOSの第1選択トランジスタT1をフィン部S2に形成する第1選択ゲート構造体3と、同じくN型MOSの第2選択トランジスタT2をフィン部S2に形成する第2選択ゲート構造体4とが、フィン部S2を跨るようにして絶縁層IS上に形成されている。   In addition, in this embodiment, the memory cell MC includes a memory gate structure 2 in which an N-type memory transistor MT is formed in the fin portion S2, and an N-type MOS first select transistor T1 in the fin portion. The first select gate structure 3 formed in S2 and the second select gate structure 4 that similarly forms the second select transistor T2 of the N-type MOS in the fin portion S2 so as to straddle the fin portion S2. Formed on the IS.

なお、メモリゲート構造体2、第1選択ゲート構造体3、および第2選択ゲート構造体4についての詳細構成については、後述する図3および図4にて説明するため、ここではその説明は省略し、メモリゲート構造体2、第1選択ゲート構造体3、および第2選択ゲート構造体4が、フィン部S2を跨る構成に着目して説明する。   The detailed configuration of the memory gate structure 2, the first selection gate structure 3, and the second selection gate structure 4 will be described later with reference to FIGS. The description will be given focusing on the configuration in which the memory gate structure 2, the first selection gate structure 3, and the second selection gate structure 4 straddle the fin portion S2.

この場合、メモリゲート構造体2、第1選択ゲート構造体3、および第2選択ゲート構造体4は、フィン部S2が延設するy方向に対し、長手方向が交差するように絶縁層IS上に延設されており、フィン部S2の表面をコ字型に覆うように設けられている。これにより、フィン部S2は、絶縁層ISの表面に露出した表面(対向した側面および上面)がメモリゲート構造体2、第1選択ゲート構造体3、および第2選択ゲート構造体4に覆われた構成となっている。   In this case, the memory gate structure 2, the first selection gate structure 3, and the second selection gate structure 4 are formed on the insulating layer IS so that the longitudinal direction intersects the y direction in which the fin portion S2 extends. The fin portion S2 is provided so as to cover the surface of the fin portion S2 in a U-shape. As a result, the exposed surface (opposite side surface and upper surface) of the fin portion S2 on the surface of the insulating layer IS is covered with the memory gate structure 2, the first selection gate structure 3, and the second selection gate structure 4. It becomes the composition.

なお、この実施の形態の場合、メモリゲート構造体2、第1選択ゲート構造体3、および第2選択ゲート構造体4は、並走するようにして延設されており、フィン部S2をそれぞれ跨ぐx方向が、フィン部S2が延設されたy方向と、鉛直方向のz方向とそれぞれ直交するように配置されている。また、メモリゲート構造体2は、一の側壁に沿って形成された一の側壁スペーサ6により第1選択ゲート構造体3と絶縁されているとともに、他の側壁に沿って形成された他の側壁スペーサ7により第2選択ゲート構造体4と絶縁されている。   In the case of this embodiment, the memory gate structure 2, the first selection gate structure 3, and the second selection gate structure 4 are extended so as to run in parallel, and the fin portions S2 are respectively connected. The straddling x direction is arranged so as to be orthogonal to the y direction in which the fin portion S2 is extended and the vertical z direction. The memory gate structure 2 is insulated from the first selection gate structure 3 by one side wall spacer 6 formed along one side wall, and another side wall formed along the other side wall. The spacer 7 is insulated from the second select gate structure 4.

フィン部S2には、第1選択ゲート構造体3と隣接した表面に、当該第1選択ゲート構造体3の第1選択ゲート電極DGと絶縁するようにドレイン領域12aが形成されており、このドレイン領域12aにビット線(図示せず)が接続されている。また、フィン部S2には、第2選択ゲート構造体4と隣接した表面に、当該第2選択ゲート構造体4の第2選択ゲート電極SGと絶縁するようにソース領域12bが形成されており、このソース領域12bにソース線(図示せず)が接続されている。   In the fin portion S2, a drain region 12a is formed on the surface adjacent to the first selection gate structure 3 so as to be insulated from the first selection gate electrode DG of the first selection gate structure 3. A bit line (not shown) is connected to the region 12a. In the fin portion S2, a source region 12b is formed on the surface adjacent to the second selection gate structure 4 so as to be insulated from the second selection gate electrode SG of the second selection gate structure 4. A source line (not shown) is connected to the source region 12b.

(2)メモリセルの詳細構成
次に、例えば4つのメモリセルMCがx方向に並んで配置された不揮発性半導体記憶装置1の平面レイアウトを示す図2と、図1および図2のA−A´部分における断面構成を示す図3Aと、図1および図2のB−B´部分における断面構成を示す図3Bと、図1および図2のC−C´部分における断面構成を示す図4Aと、図1および図2のD−D´部分における断面構成を示す図4Bとを用いてメモリセルMCの詳細構成について説明する。
(2) Detailed Configuration of Memory Cell Next, FIG. 2 showing a planar layout of the nonvolatile semiconductor memory device 1 in which, for example, four memory cells MC are arranged in the x direction, and AA in FIG. 1 and FIG. 3A showing a cross-sectional configuration in the 'portion, FIG. 3B showing a cross-sectional configuration in the BB ′ portion in FIGS. 1 and 2, and FIG. 4A showing a cross-sectional configuration in the CC ′ portion in FIGS. A detailed configuration of the memory cell MC will be described with reference to FIG. 4B showing a cross-sectional configuration in the DD ′ portion of FIGS. 1 and 2.

なお、図2では、主にフィン部S2、メモリゲート構造体2、第1選択ゲート構造体3、および第2選択ゲート構造体4に着目して図示した構成となっており、図1に示したようなメモリゲート構造体2および第1選択ゲート構造体3間にある側壁スペーサ6や、メモリゲート構造体2および第2選択ゲート構造体4間にある側壁スペーサ7等についての構成は省略している。   2 mainly shows the fin portion S2, the memory gate structure 2, the first selection gate structure 3, and the second selection gate structure 4, and is shown in FIG. The configuration of the side wall spacer 6 between the memory gate structure 2 and the first selection gate structure 3 and the side wall spacer 7 between the memory gate structure 2 and the second selection gate structure 4 is omitted. ing.

この場合、図2に示すように、不揮発性半導体記憶装置1は、複数のフィン部S2がy方向に並走するように配置され、各フィン部S2にメモリセルMCがそれぞれ形成されている。不揮発性半導体記憶装置1は、各フィン部S2の延設しているy方向と交差するように、メモリゲート構造体2、第1選択ゲート構造体3、および第2選択ゲート構造体4が並走して延設され、これらメモリゲート構造体2、第1選択ゲート構造体3、および第2選択ゲート構造体4が各フィン部S2を跨っている領域に、メモリトランジスタMT、第1選択トランジスタT1、および第2選択トランジスタT2を有するメモリセルMCが形成されている。   In this case, as shown in FIG. 2, the nonvolatile semiconductor memory device 1 is arranged such that a plurality of fin portions S2 run in parallel in the y direction, and a memory cell MC is formed in each fin portion S2. In the nonvolatile semiconductor memory device 1, the memory gate structure 2, the first selection gate structure 3, and the second selection gate structure 4 are arranged in parallel so as to intersect with the extending y direction of each fin portion S2. The memory gate MT, the first selection gate structure 3 and the second selection gate structure 4 are extended in a region extending across the fin portions S2, and the memory transistor MT and the first selection transistor A memory cell MC having T1 and a second selection transistor T2 is formed.

不揮発性半導体記憶装置1には、メモリゲート構造体2のメモリゲート電極MGの上面所定位置に、メモリゲート線(図示せず)が接続されたメモリゲートコンタクトMGCが設けられており、複数のメモリセルMCで共有するメモリゲート電極MGに、メモリゲート線に印加されたメモリゲート電圧を、メモリゲートコンタクトMGCを介して印加し得る。   The nonvolatile semiconductor memory device 1 is provided with a memory gate contact MGC to which a memory gate line (not shown) is connected at a predetermined position on the upper surface of the memory gate electrode MG of the memory gate structure 2, and a plurality of memories The memory gate voltage applied to the memory gate line can be applied to the memory gate electrode MG shared by the cells MC via the memory gate contact MGC.

また、不揮発性半導体記憶装置1には、第1選択ゲート構造体3の第1選択ゲート電極DGの上面所定位置に、第1選択ゲート線(図示せず)が接続された第1選択ゲートコンタクトDGCが設けられており、複数のメモリセルMCで共有する第1選択ゲート電極DGに、第1選択ゲート線に印加された電圧を、第1選択ゲートコンタクトDGCを介して印加し得る。   Further, in the nonvolatile semiconductor memory device 1, a first selection gate contact in which a first selection gate line (not shown) is connected to a predetermined position on the upper surface of the first selection gate electrode DG of the first selection gate structure 3 The DGC is provided, and the voltage applied to the first selection gate line can be applied to the first selection gate electrode DG shared by the plurality of memory cells MC via the first selection gate contact DGC.

さらに、不揮発性半導体記憶装置1には、第2選択ゲート構造体4の第2選択ゲート電極SGの上面所定位置に、第2選択ゲート線(図示せず)が接続された第2選択ゲートコンタクトSGCが設けられており、複数のメモリセルMCで共有する第2選択ゲート電極SGに、第2選択ゲート線に印加された電圧を、第2選択ゲートコンタクトSGCを介して印加し得る。   Further, the nonvolatile semiconductor memory device 1 includes a second selection gate contact in which a second selection gate line (not shown) is connected to a predetermined position on the upper surface of the second selection gate electrode SG of the second selection gate structure 4. The SGC is provided, and the voltage applied to the second selection gate line can be applied to the second selection gate electrode SG shared by the plurality of memory cells MC via the second selection gate contact SGC.

フィン部S2の第1選択ゲート構造体3と隣接する表面には、ドレイン領域12aが形成されており、ビット線(図示せず)に接続されたビットコンタクトBCがドレイン領域12aに設けられている。これによりメモリセルMCには、ビット線に印加されたビット電圧がビットコンタクトBCを介してドレイン領域12aに印加され得る。   A drain region 12a is formed on the surface of the fin portion S2 adjacent to the first selection gate structure 3, and a bit contact BC connected to a bit line (not shown) is provided in the drain region 12a. . Thus, the bit voltage applied to the bit line can be applied to the drain region 12a via the bit contact BC in the memory cell MC.

一方、フィン部S2の第2選択ゲート構造体4と隣接する表面には、ソース領域12bが形成されており、ソース線(図示せず)に接続されたソースコンタクトSCがソース領域12bに設けられている。これによりメモリセルMCには、ソース線に印加されたソース電圧がソースコンタクトSCを介してソース領域12bに印加され得る。   On the other hand, a source region 12b is formed on the surface of the fin portion S2 adjacent to the second selection gate structure 4, and a source contact SC connected to a source line (not shown) is provided in the source region 12b. ing. As a result, the source voltage applied to the source line can be applied to the memory cell MC via the source contact SC to the source region 12b.

実際上、メモリセルMCには、図1および図2のA−A´部分における断面構成を示す図3Aのように、第1選択ゲート構造体3の側壁に沿って、酸化シリコン(SiO、SiO2)等の絶縁材料でなるサイドウォール部22aが形成されており、このサイドウォール部22aと隣接するフィン部S2の表面にドレイン領域12aが形成されている。ドレイン領域12aは、第1選択ゲート構造体3およびドレイン領域12a間に形成されたサイドウォール部22aにより、第1選択ゲート構造体3の第1選択ゲート電極DGと絶縁されている。 In practice, the memory cell MC includes silicon oxide (SiO, SiO) along the side wall of the first select gate structure 3 as shown in FIG. 3A showing a cross-sectional configuration in the AA ′ portion of FIGS. 2 ) A sidewall portion 22a made of an insulating material is formed, and a drain region 12a is formed on the surface of the fin portion S2 adjacent to the sidewall portion 22a. The drain region 12a is insulated from the first selection gate electrode DG of the first selection gate structure 3 by a sidewall portion 22a formed between the first selection gate structure 3 and the drain region 12a.

また、メモリセルMCには、第2選択ゲート構造体4の側壁に沿って、酸化シリコン(SiO、SiO2)等の絶縁材料でなるサイドウォール部22bが形成されており、このサイドウォール部22bと隣接するフィン部S2の表面にソース領域12bが形成されている。ソース領域12bは、第2選択ゲート構造体4およびソース領域12b間に形成されたサイドウォール部22bにより、第2選択ゲート構造体4の第2選択ゲート電極SGと絶縁されている。 In the memory cell MC, a sidewall portion 22b made of an insulating material such as silicon oxide (SiO, SiO 2 ) is formed along the sidewall of the second selection gate structure 4, and the sidewall portion 22b A source region 12b is formed on the surface of the adjacent fin portion S2. The source region 12b is insulated from the second selection gate electrode SG of the second selection gate structure 4 by a sidewall portion 22b formed between the second selection gate structure 4 and the source region 12b.

なお、この実施の形態の場合、所定間隔を設けてフィン部S2の表面に形成されたドレイン領域12aおよびソース領域12bは、例えばSiGe等の半導体材料からなり、エピタキシャル成長法によりフィン部S2の表面に選択的に形成され、所定の膜厚を有している。   In this embodiment, the drain region 12a and the source region 12b formed on the surface of the fin portion S2 with a predetermined interval are made of a semiconductor material such as SiGe, and are formed on the surface of the fin portion S2 by an epitaxial growth method. It is selectively formed and has a predetermined film thickness.

メモリゲート構造体2は、ドレイン領域12aおよびソース領域12b間のフィン部S2上に、酸化シリコン(SiO、SiO2)等の絶縁材料からなる下部メモリゲート絶縁膜13を介して、例えば窒化シリコン(Si3N4)や、酸窒化シリコン(SiON)、アルミナ(Al2O3)、酸化ハフニウム(HfO2)等でなる電荷蓄積層ECを有しており、さらに、この電荷蓄積層EC上に、下部メモリゲート絶縁膜13とは異なる絶縁材料(例えば酸化ハフニウム(HfO2)等のHigh-k材料や、窒化ハフニウムシリケート(HfSiON))でなる上部メモリゲート絶縁膜14を介してメモリゲート電極MGを有している。このようにメモリゲート構造体2は、下部メモリゲート絶縁膜13および上部メモリゲート絶縁膜14によって、電荷蓄積層ECがフィン部S2およびメモリゲート電極MGから絶縁された構成を有する。 The memory gate structure 2 is formed on the fin portion S2 between the drain region 12a and the source region 12b via a lower memory gate insulating film 13 made of an insulating material such as silicon oxide (SiO, SiO 2 ), for example, silicon nitride ( Si 3 N 4 ), silicon oxynitride (SiON), alumina (Al 2 O 3 ), hafnium oxide (HfO 2 ), etc., and has a charge storage layer EC. The memory gate electrode MG is interposed through the upper memory gate insulating film 14 made of an insulating material different from the lower memory gate insulating film 13 (for example, a high-k material such as hafnium oxide (HfO 2 ) or hafnium nitride silicate (HfSiON)). have. As described above, the memory gate structure 2 has a configuration in which the charge storage layer EC is insulated from the fin portion S2 and the memory gate electrode MG by the lower memory gate insulating film 13 and the upper memory gate insulating film.

メモリゲート電極MGは、例えばアルミ(Al)や、チタンアルミ(TiAl)、炭化タンタル(TaC)、窒化ケイ素タンタル(TaSiN)等の金属材料により形成されており、製造過程において行われたCMP等の平坦化処理によって上面が平坦化されている。また、メモリゲート電極MGには、メモリゲート線MLが接続されており、当該メモリゲート線MLから所定の電圧が印加され得る。   The memory gate electrode MG is made of, for example, a metal material such as aluminum (Al), titanium aluminum (TiAl), tantalum carbide (TaC), or silicon tantalum nitride (TaSiN). The upper surface is flattened by the flattening process. Further, the memory gate line ML is connected to the memory gate electrode MG, and a predetermined voltage can be applied from the memory gate line ML.

メモリゲート構造体2には、絶縁材料でなる壁状の側壁スペーサ6が一の側壁に沿って形成されており、当該側壁スペーサ6を介して第1選択ゲート構造体3が隣接されている。この実施の形態の場合、メモリゲート構造体2には、メモリゲート電極MGの一の側壁に沿って上部メモリゲート絶縁膜14の一端と一体形成された壁状のメモリゲート側壁絶縁膜15aが設けられており、当該メモリゲート側壁絶縁膜15a、上部メモリゲート絶縁膜14、電荷蓄積層EC、および下部メモリゲート絶縁膜13の各側壁に沿って側壁スペーサ6が形成されている。なお、メモリゲート構造体2内に形成されたメモリゲート側壁絶縁膜15aは、上部メモリゲート絶縁膜14と同じ絶縁材料(例えば、High-k材料)により形成されており、当該上部メモリゲート絶縁膜14と同じ製造工程で形成され得る。   In the memory gate structure 2, a wall-shaped side wall spacer 6 made of an insulating material is formed along one side wall, and the first selection gate structure 3 is adjacent to the memory gate structure 2 with the side wall spacer 6 interposed therebetween. In this embodiment, the memory gate structure 2 is provided with a wall-like memory gate sidewall insulating film 15a integrally formed with one end of the upper memory gate insulating film 14 along one sidewall of the memory gate electrode MG. In addition, sidewall spacers 6 are formed along the sidewalls of the memory gate sidewall insulating film 15a, the upper memory gate insulating film 14, the charge storage layer EC, and the lower memory gate insulating film 13. The memory gate sidewall insulating film 15a formed in the memory gate structure 2 is formed of the same insulating material (for example, a high-k material) as the upper memory gate insulating film 14, and the upper memory gate insulating film 14 can be formed in the same manufacturing process.

メモリゲート構造体2と第1選択ゲート構造体3との間に形成された側壁スペーサ6は、所定の膜厚により形成されており、メモリゲート構造体2内のメモリゲート側壁絶縁膜15aと、後述する第1選択ゲート構造体3内の第1選択ゲート側壁絶縁膜19aとともに、メモリゲート電極MGと、第1選択ゲート電極DGとを絶縁し得るようになされている。   The side wall spacer 6 formed between the memory gate structure 2 and the first selection gate structure 3 is formed with a predetermined film thickness, the memory gate side wall insulating film 15a in the memory gate structure 2, The memory gate electrode MG and the first select gate electrode DG can be insulated together with the first select gate sidewall insulating film 19a in the first select gate structure 3 to be described later.

この場合、側壁スペーサ6は、メモリゲート構造体2内のメモリゲート側壁絶縁膜15aや、第1選択ゲート構造体3内の第1選択ゲート側壁絶縁膜19aの絶縁材料(例えば、High-k材料)とは異なる、酸化シリコン(SiO、SiO2)等の絶縁材料により形成されており、製造過程において行われたCMP等の平坦化処理によって上面が平坦化されている。 In this case, the side wall spacer 6 is an insulating material (for example, a high-k material) of the memory gate side wall insulating film 15a in the memory gate structure 2 or the first selection gate side wall insulating film 19a in the first selection gate structure 3. ) And an insulating material such as silicon oxide (SiO, SiO 2 ), and the upper surface is flattened by a flattening process such as CMP performed in the manufacturing process.

ここで、メモリゲート電極MGおよび第1選択ゲート電極DG間の距離が5[nm]未満のときには、メモリゲート電極MGや第1選択ゲート電極DGに、所定電圧が印加された際に、メモリゲート側壁絶縁膜15aや、側壁スペーサ6、第1選択ゲート側壁絶縁膜19aに耐圧不良が生じる恐れがある。   Here, when the distance between the memory gate electrode MG and the first selection gate electrode DG is less than 5 [nm], when a predetermined voltage is applied to the memory gate electrode MG or the first selection gate electrode DG, the memory gate There is a risk that a breakdown voltage failure may occur in the sidewall insulating film 15a, the sidewall spacer 6, and the first selection gate sidewall insulating film 19a.

一方、メモリゲート電極MGおよび第1選択ゲート電極DG間の距離が40[nm]を超えたときには、メモリゲート電極MGおよび第1選択ゲート電極DG間でフィン部S2(例えば、表面から50[nm]までの領域(表面領域))での抵抗が上がり、データ読み出し時に、メモリゲート構造体2および第1選択ゲート構造体3間で読み出し電流が流れ難くなる。   On the other hand, when the distance between the memory gate electrode MG and the first selection gate electrode DG exceeds 40 [nm], the fin portion S2 (for example, 50 [nm from the surface) is formed between the memory gate electrode MG and the first selection gate electrode DG. ] (Region (surface region)) until the data is read, it becomes difficult for the read current to flow between the memory gate structure 2 and the first select gate structure 3.

よって、この実施の形態の場合、メモリゲート電極MGおよび第1選択ゲート電極DG間の距離は、5[nm]以上40[nm]以下に選定されていることが望ましいことから、メモリゲート側壁絶縁膜15a、側壁スペーサ6、および第1選択ゲート側壁絶縁膜19aを合わせた膜厚も5[nm]以上40[nm]以下に選定されることが望ましい。   Therefore, in the case of this embodiment, the distance between the memory gate electrode MG and the first selection gate electrode DG is preferably selected from 5 [nm] to 40 [nm]. The total thickness of the film 15a, the side wall spacer 6, and the first selection gate side wall insulating film 19a is also preferably selected from 5 nm to 40 nm.

さらには、側壁スペーサ6は、メモリゲート側壁絶縁膜15aおよび第1選択ゲート側壁絶縁膜19aより、比誘電率が小さい絶縁材料で形成されることが望ましい。この場合、第1選択ゲート構造体3とメモリゲート構造体2との間の容量は小さくなり、アクセス速度を速めることができる。   Furthermore, the sidewall spacer 6 is preferably formed of an insulating material having a relative dielectric constant smaller than that of the memory gate sidewall insulating film 15a and the first selection gate sidewall insulating film 19a. In this case, the capacity between the first selection gate structure 3 and the memory gate structure 2 is reduced, and the access speed can be increased.

第1選択ゲート構造体3には、側壁スペーサ6およびサイドウォール部22a間のフィン部S2上に、酸化シリコン(SiO、SiO2)等の絶縁材料からなる下部の第1選択ゲート絶縁膜17aが形成されており、この第1選択ゲート絶縁膜17aと異なる絶縁部材(例えばHigh-k材料)からなる上部の第1選択ゲート絶縁膜18aが、下部の第1選択ゲート絶縁膜17a上に形成されている。 In the first select gate structure 3, a lower first select gate insulating film 17a made of an insulating material such as silicon oxide (SiO, SiO 2 ) is formed on the fin portion S2 between the side wall spacer 6 and the side wall portion 22a. An upper first selection gate insulating film 18a made of an insulating member (for example, a high-k material) different from the first selection gate insulating film 17a is formed on the lower first selection gate insulating film 17a. ing.

また、第1選択ゲート構造体3には、側壁スペーサ6に沿って壁状に形成された第1選択ゲート側壁絶縁膜19aと、サイドウォール部22aの側壁に沿って壁状に形成されたるサイドウォール側壁絶縁膜20aとが、上部の第1選択ゲート絶縁膜18aと一体形成されている。なお、第1選択ゲート側壁絶縁膜19aおよびサイドウォール側壁絶縁膜20aも、上部の第1選択ゲート絶縁膜18aと同様に、下部の第1選択ゲート絶縁膜17aや、側壁スペーサ6の絶縁材料とは異なる絶縁材料(例えばHigh-k材料)で形成されており、同じ製造工程で上部の第1選択ゲート絶縁膜18aとともに形成され得る。ここで、下部の第1選択ゲート絶縁膜17aと、上部の第1選択ゲート絶縁膜18aとを合わせた膜厚は、9[nm]以下、好ましくは3[nm]以下に形成されている。   The first selection gate structure 3 includes a first selection gate sidewall insulating film 19a formed in a wall shape along the sidewall spacer 6, and a side wall formed in a wall shape along the sidewall of the sidewall portion 22a. The wall sidewall insulating film 20a is integrally formed with the upper first select gate insulating film 18a. The first select gate sidewall insulating film 19a and the sidewall sidewall insulating film 20a are also formed of the insulating material of the lower first select gate insulating film 17a and the sidewall spacer 6 in the same manner as the upper first select gate insulating film 18a. Are made of different insulating materials (for example, high-k materials), and can be formed together with the upper first selection gate insulating film 18a in the same manufacturing process. Here, the total thickness of the lower first selection gate insulating film 17a and the upper first selection gate insulating film 18a is 9 [nm] or less, preferably 3 [nm] or less.

これに加えて、この第1選択ゲート構造体3は、上部の第1選択ゲート絶縁膜18a上に第1選択ゲート電極DGが形成されており、第1選択ゲート側壁絶縁膜19aおよびサイドウォール側壁絶縁膜20aが、当該第1選択ゲート電極DGの側壁に沿って形成されている。   In addition, the first select gate structure 3 includes a first select gate electrode DG formed on the upper first select gate insulating film 18a, and the first select gate sidewall insulating film 19a and the sidewall sidewalls. The insulating film 20a is formed along the side wall of the first selection gate electrode DG.

第1選択ゲート電極DGは、メモリゲート電極MGと同じ金属材料(例えば、アルミ(Al)や、チタンアルミ(TiAl)、炭化タンタル(TaC)、窒化ケイ素タンタル(TaSiN)等)により形成されており、製造過程において行われたCMP等の平坦化処理によって上面が平坦化されている。また、第1選択ゲート電極DGには、第1選択ゲート線DLが接続されており、当該第1選択ゲート線DLから所定の電圧が印加され得る。   The first selection gate electrode DG is formed of the same metal material as the memory gate electrode MG (for example, aluminum (Al), titanium aluminum (TiAl), tantalum carbide (TaC), silicon tantalum nitride (TaSiN), etc.). The upper surface is flattened by a flattening process such as CMP performed in the manufacturing process. The first selection gate electrode DG is connected to the first selection gate line DL, and a predetermined voltage can be applied from the first selection gate line DL.

一方、メモリゲート構造体2の他の側壁にも、絶縁材料でなる壁状の側壁スペーサ7が形成されており、当該側壁スペーサ7を介して第2選択ゲート構造体4が隣接されている。この実施の形態の場合、メモリゲート構造体2には、メモリゲート電極MGの他の側壁にも、上部メモリゲート絶縁膜14の他端と一体形成された壁状のメモリゲート側壁絶縁膜15bが設けられており、当該メモリゲート側壁絶縁膜15b、上部メモリゲート絶縁膜14、電荷蓄積層EC、および下部メモリゲート絶縁膜13の各側壁に沿って他の側壁スペーサ7が形成されている。なお、メモリゲート構造体2内に形成された他のメモリゲート側壁絶縁膜15bは、上部メモリゲート絶縁膜14および一のメモリゲート側壁絶縁膜15aと同じ絶縁材料(例えば、High-k材料)により形成されており、これら上部メモリゲート絶縁膜14および一のメモリゲート側壁絶縁膜15aと同じ製造工程で形成され得る。   On the other hand, a wall-like side wall spacer 7 made of an insulating material is also formed on the other side wall of the memory gate structure 2, and the second selection gate structure 4 is adjacent to the other side wall spacer 7. In the case of this embodiment, the memory gate structure 2 has a wall-like memory gate side wall insulating film 15b integrally formed with the other end of the upper memory gate insulating film 14 on the other side wall of the memory gate electrode MG. Other side wall spacers 7 are formed along the respective side walls of the memory gate side wall insulating film 15b, the upper memory gate insulating film 14, the charge storage layer EC, and the lower memory gate insulating film 13. The other memory gate sidewall insulating film 15b formed in the memory gate structure 2 is made of the same insulating material (for example, a high-k material) as the upper memory gate insulating film 14 and the one memory gate sidewall insulating film 15a. The upper memory gate insulating film 14 and the one memory gate sidewall insulating film 15a can be formed in the same manufacturing process.

メモリゲート構造体2と第2選択ゲート構造体4との間に形成された側壁スペーサ7は、一の側壁スペーサ6と同じ膜厚に形成されており、メモリゲート構造体2内のメモリゲート側壁絶縁膜15bと、後述する第2選択ゲート構造体4内の第2選択ゲート側壁絶縁膜19bとともに、メモリゲート電極MGと、第2選択ゲート電極SGとを絶縁し得るようになされている。   The side wall spacer 7 formed between the memory gate structure 2 and the second select gate structure 4 is formed to have the same film thickness as the one side wall spacer 6, and the memory gate side wall in the memory gate structure 2 is formed. The memory gate electrode MG and the second select gate electrode SG can be insulated together with the insulating film 15b and the second select gate sidewall insulating film 19b in the second select gate structure 4 described later.

この場合、側壁スペーサ7は、一の側壁スペーサ6と同じ酸化シリコン(SiO、SiO2)等の絶縁材料により形成されており、製造過程において行われたCMP等の平坦化処理によって上面が平坦化されている。 In this case, the side wall spacer 7 is formed of the same insulating material such as silicon oxide (SiO, SiO 2 ) as the one side wall spacer 6, and the upper surface is flattened by the flattening process such as CMP performed in the manufacturing process. Has been.

ここで、メモリゲート電極MGおよび第2選択ゲート電極SG間でも、上述したメモリゲート電極MGおよび第1選択ゲート電極DG間と同様に、メモリゲート側壁絶縁膜15bや、側壁スペーサ7、第2選択ゲート側壁絶縁膜19bにおける耐圧不良の問題や、メモリゲート構造体2および第2選択ゲート構造体4間での読み出し電流低下の不具合が生じる恐れがあるため、5[nm]以上40[nm]以下の距離に選定されていることが望ましい。   Here, between the memory gate electrode MG and the second select gate electrode SG, similarly to the memory gate electrode MG and the first select gate electrode DG described above, the memory gate sidewall insulating film 15b, the sidewall spacer 7, and the second select gate electrode DG. 5 [nm] or more and 40 [nm] or less because there is a risk of a breakdown voltage failure in the gate sidewall insulating film 19b or a problem of a decrease in read current between the memory gate structure 2 and the second selection gate structure 4. It is desirable that the distance is selected.

従って、ここでも、メモリゲート側壁絶縁膜15b、側壁スペーサ7、および第2選択ゲート側壁絶縁膜19bを合わせた膜厚は、5[nm]以上40[nm]以下に選定されることが望ましい。また、他の側壁スペーサ7も、メモリゲート側壁絶縁膜15bおよび第2選択ゲート側壁絶縁膜19bより、比誘電率が小さい絶縁材料で形成されることが望ましい。この場合、第2選択ゲート構造体4とメモリゲート構造体2との間の容量は小さくなり、アクセス速度を速めることができる。   Therefore, also in this case, it is desirable that the total thickness of the memory gate side wall insulating film 15b, the side wall spacer 7, and the second selection gate side wall insulating film 19b is selected to be 5 [nm] or more and 40 [nm] or less. The other side wall spacers 7 are also preferably formed of an insulating material having a relative dielectric constant smaller than that of the memory gate side wall insulating film 15b and the second selection gate side wall insulating film 19b. In this case, the capacity between the second selection gate structure 4 and the memory gate structure 2 is reduced, and the access speed can be increased.

第2選択ゲート構造体4には、側壁スペーサ7およびサイドウォール部22b間のフィン部S2上に、酸化シリコン(SiO、SiO2)等の絶縁材料からなる下部の第2選択ゲート絶縁膜17bが形成されており、この第2選択ゲート絶縁膜17bと異なる絶縁部材(例えばHigh-k材料)からなる上部の第2選択ゲート絶縁膜18bが、下部の第2選択ゲート絶縁膜17b上に形成されている。 In the second select gate structure 4, a lower second select gate insulating film 17b made of an insulating material such as silicon oxide (SiO, SiO 2 ) is provided on the fin portion S2 between the side wall spacer 7 and the side wall portion 22b. An upper second selection gate insulating film 18b made of an insulating member (for example, a high-k material) different from the second selection gate insulating film 17b is formed on the lower second selection gate insulating film 17b. ing.

また、第2選択ゲート構造体4には、側壁スペーサ7に沿って壁状に形成された第2選択ゲート側壁絶縁膜19bと、サイドウォール部22bの側壁に沿って壁状に形成されたるサイドウォール側壁絶縁膜20bとが、上部の第2選択ゲート絶縁膜18bに一体形成されている。なお、第2選択ゲート側壁絶縁膜19bおよびサイドウォール側壁絶縁膜20bも、上部の第2選択ゲート絶縁膜18bと同様に、下部の第2選択ゲート絶縁膜17bや、側壁スペーサ7の絶縁材料とは異なる絶縁材料(例えばHigh-k材料)で形成されており、同じ製造工程で上部の第2選択ゲート絶縁膜18bとともに形成され得る。ここで、下部の第2選択ゲート絶縁膜17bと、上部の第2選択ゲート絶縁膜18bとを合わせた膜厚は、9[nm]以下、好ましくは3[nm]以下に形成されている。   The second selection gate structure 4 includes a second selection gate sidewall insulating film 19b formed in a wall shape along the sidewall spacer 7, and a side wall formed in a wall shape along the sidewall of the sidewall portion 22b. The wall sidewall insulating film 20b is integrally formed with the upper second select gate insulating film 18b. Note that the second select gate sidewall insulating film 19b and the sidewall sidewall insulating film 20b are also formed of the insulating material of the lower second select gate insulating film 17b and the sidewall spacer 7 in the same manner as the upper second select gate insulating film 18b. Are made of different insulating materials (for example, high-k material) and can be formed together with the upper second selection gate insulating film 18b in the same manufacturing process. Here, the total thickness of the lower second selection gate insulating film 17b and the upper second selection gate insulating film 18b is 9 [nm] or less, preferably 3 [nm] or less.

これに加えて、この第2選択ゲート構造体4は、上部の第2選択ゲート絶縁膜18b上に第2選択ゲート電極SGが形成されており、第2選択ゲート側壁絶縁膜19bおよびサイドウォール側壁絶縁膜20bが、当該第2選択ゲート電極SGの側壁に沿って形成されている。   In addition, the second selection gate structure 4 includes a second selection gate electrode SG formed on the upper second selection gate insulating film 18b, and the second selection gate sidewall insulating film 19b and sidewall sidewalls. The insulating film 20b is formed along the side wall of the second selection gate electrode SG.

第2選択ゲート電極SGは、メモリゲート電極MGと同じ金属材料(例えば、アルミ(Al)や、チタンアルミ(TiAl)、炭化タンタル(TaC)、窒化ケイ素タンタル(TaSiN)等)により形成されており、製造過程において行われたCMP等の平坦化処理によって上面が平坦化されている。また、第2選択ゲート電極SGには、第2選択ゲート線SGLが接続されており、当該第2選択ゲート線SGLから所定の電圧が印加され得る。   The second selection gate electrode SG is made of the same metal material as the memory gate electrode MG (for example, aluminum (Al), titanium aluminum (TiAl), tantalum carbide (TaC), silicon tantalum nitride (TaSiN), etc.). The upper surface is flattened by a flattening process such as CMP performed in the manufacturing process. Further, the second selection gate line SG is connected to the second selection gate line SGL, and a predetermined voltage can be applied from the second selection gate line SGL.

ここで、メモリセルMCでは、メモリゲート構造体2、第1選択ゲート構造体3、第2選択ゲート構造体4、および側壁スペーサ6,7の各上面が平坦化されており、全て同じ高さ位置に揃っていることから、突出した領域が形成されていない分、上層の加工が容易に行い得る。   Here, in the memory cell MC, the upper surfaces of the memory gate structure 2, the first selection gate structure 3, the second selection gate structure 4, and the sidewall spacers 6 and 7 are flattened, and all have the same height. Since they are aligned, the upper layer can be easily processed as long as the protruding region is not formed.

因みに、このメモリセルMCでは、メモリゲート電極MGと、第1選択ゲート電極DGと、第2選択ゲート電極SGとが所定の金属材料により形成されていることにより、これらメモリゲート電極MG、第1選択ゲート電極DGおよび第2選択ゲート電極SG内が空乏化してしまうことも防止し得る。   Incidentally, in the memory cell MC, since the memory gate electrode MG, the first selection gate electrode DG, and the second selection gate electrode SG are formed of a predetermined metal material, the memory gate electrode MG, the first selection gate electrode DG, It can also be prevented that the selection gate electrode DG and the second selection gate electrode SG are depleted.

なお、この不揮発性半導体記憶装置1は、メモリセルMCや、半導体基板S1上の絶縁層IS、当該絶縁層ISから突出したフィン部S2等の周辺および上面が、酸化シリコン(SiO、SiO2)等の絶縁材料でなる層間絶縁層25や、上層の層間絶縁層(図示せず)により覆われている。 In this nonvolatile semiconductor memory device 1, the periphery and upper surface of the memory cell MC, the insulating layer IS on the semiconductor substrate S1, the fin portion S2 protruding from the insulating layer IS, and the like are formed of silicon oxide (SiO, SiO 2 ). It is covered with an interlayer insulating layer 25 made of an insulating material such as an upper interlayer insulating layer (not shown).

次に、図1および図2のB−B´部分における断面構成を示す図3Bについて説明する。図3Bに示すように、フィン部S2が形成されていない位置では、図3Aに示したメモリゲート構造体2、第1選択ゲート構造体3、第2選択ゲート構造体4、側壁スペーサ6,7およびサイドウォール部22a,22bが、半導体基板S1を覆う絶縁層IS上に形成されている。絶縁層IS上での第1選択ゲート構造体3、メモリゲート構造体2、および第2選択ゲート構造体4は、図3Aに示したフィン部S2上の第1選択ゲート構造体3、メモリゲート構造体2、および第2選択ゲート構造体4と同じ高さ位置で上面が平坦化されている。   Next, FIG. 3B which shows the cross-sectional structure in the BB 'part of FIG. 1 and FIG. 2 is demonstrated. As shown in FIG. 3B, at the position where the fin portion S2 is not formed, the memory gate structure 2, the first selection gate structure 3, the second selection gate structure 4, the sidewall spacers 6, 7 shown in FIG. 3A. The sidewall portions 22a and 22b are formed on the insulating layer IS covering the semiconductor substrate S1. The first selection gate structure 3, the memory gate structure 2, and the second selection gate structure 4 on the insulating layer IS are the first selection gate structure 3 and the memory gate on the fin portion S2 shown in FIG. 3A. The upper surface is flattened at the same height as the structure 2 and the second selection gate structure 4.

ここで、フィン部S2が形成されていない位置では、絶縁層ISの表面がフィン部S2の表面よりも低い位置にあることから、その分、第1選択ゲート構造体3、メモリゲート構造体2、第2選択ゲート構造体4、側壁スペーサ6,7およびサイドウォール部22a,22bが、フィン部S2がある位置よりも縦長に形成され、これにより第1選択ゲート構造体3、メモリゲート構造体2、第2選択ゲート構造体4、側壁スペーサ6,7およびサイドウォール部22a,22bが、フィン部S2がある位置と同じ高さになっている。   Here, at the position where the fin portion S2 is not formed, the surface of the insulating layer IS is at a position lower than the surface of the fin portion S2, and accordingly, the first selection gate structure 3 and the memory gate structure 2 The second selection gate structure 4, the side wall spacers 6 and 7, and the side wall portions 22a and 22b are formed to be vertically longer than the position where the fin portion S2 is located, whereby the first selection gate structure 3 and the memory gate structure 2. The second selection gate structure 4, the side wall spacers 6 and 7, and the side wall portions 22a and 22b are at the same height as the position where the fin portion S2 is located.

また、本発明のメモリセルMCでは、半導体基板S1の表面からメモリゲート電極MGの下面までの距離H1が、半導体基板S1の表面から第1選択ゲート電極DGおよび第2選択ゲート電極SGの各下面までの距離H2よりも、例えば電荷蓄積層ECの膜厚以上大きくなっており、第1選択ゲート電極DGおよび第2選択ゲート電極SGの各下面位置が、メモリゲート電極MGの下面位置よりも低い位置に配置されている。   In the memory cell MC of the present invention, the distance H1 from the surface of the semiconductor substrate S1 to the lower surface of the memory gate electrode MG is such that the lower surface of the first selection gate electrode DG and the second selection gate electrode SG from the surface of the semiconductor substrate S1. For example, the thickness of the charge storage layer EC is larger than the distance H2, and the lower surface positions of the first selection gate electrode DG and the second selection gate electrode SG are lower than the lower surface position of the memory gate electrode MG. Placed in position.

これにより、本発明のメモリセルMCでは、フィン部S2の側面の領域における、第1選択トランジスタT1および第2選択トランジスタT2のオンオフを、下面位置がメモリゲート電極MGの下面位置よりも低い位置まで形成された第1選択ゲート電極DGおよび第2選択ゲート電極SGにより、十分に制御することができる。したがって、本発明のメモリセルMCでは、データの書き込み動作時およびデータの読み出し時における誤動作を防止し得る。   Thus, in the memory cell MC of the present invention, the first selection transistor T1 and the second selection transistor T2 are turned on / off in the side region of the fin portion S2 until the lower surface position is lower than the lower surface position of the memory gate electrode MG. The formed first selection gate electrode DG and second selection gate electrode SG can be sufficiently controlled. Therefore, the memory cell MC of the present invention can prevent malfunction during data write operation and data read operation.

ここで、本発明のメモリセルMCとの対比説明として、本発明のメモリセルMCとは異なり、フィン部S2が形成されていない位置で、半導体基板S1の表面からメモリゲート電極MGの下面までの距離H1が、半導体基板S1の表面から第1選択ゲート電極DGおよび第2選択ゲート電極SGの各下面までの距離H2よりも小さく、第1選択ゲート電極DGおよび第2選択ゲート電極SGの各下面位置が、メモリゲート電極MGの下面位置よりも高い位置に配置されているメモリセル(以下、比較例と呼ぶ)について以下説明する。   Here, as an explanation for comparison with the memory cell MC of the present invention, unlike the memory cell MC of the present invention, at a position where the fin portion S2 is not formed, from the surface of the semiconductor substrate S1 to the lower surface of the memory gate electrode MG. The distance H1 is smaller than the distance H2 from the surface of the semiconductor substrate S1 to the lower surfaces of the first selection gate electrode DG and the second selection gate electrode SG, and the lower surfaces of the first selection gate electrode DG and the second selection gate electrode SG. A memory cell (hereinafter referred to as a comparative example) arranged at a position higher than the lower surface position of the memory gate electrode MG will be described below.

比較例では、第1選択ゲート電極DGおよび第2選択ゲート電極SGの各下面位置が、メモリゲート電極MGの下面位置よりも高い位置に配置されていることから、フィン部S2の側面の領域における、第1選択トランジスタT1および第2選択トランジスタT2のオンオフを、第1選択ゲート電極DGおよび第2選択ゲート電極SGにより、十分に制御することができない。特に、この比較例では、第1選択ゲート電極DGおよび第2選択ゲート電極SGにゲートオフ電圧が印加されても、第1選択ゲート電極DGおよび第2選択ゲート電極SGで覆われていないフィン部S2の側面領域を非導通状態とすることができず、メモリトランジスタMTに書き込まれた情報が低い閾値電圧Vthの場合に、フィン部S2の側面領域に沿って、ドレイン領域12aおよびソース領域12b間にリーク電流が流れてしまい、誤動作が発生する恐れが生じる。   In the comparative example, each lower surface position of the first selection gate electrode DG and the second selection gate electrode SG is arranged at a position higher than the lower surface position of the memory gate electrode MG, so in the region of the side surface of the fin portion S2 On / off of the first selection transistor T1 and the second selection transistor T2 cannot be sufficiently controlled by the first selection gate electrode DG and the second selection gate electrode SG. In particular, in this comparative example, even if a gate-off voltage is applied to the first selection gate electrode DG and the second selection gate electrode SG, the fin portion S2 that is not covered with the first selection gate electrode DG and the second selection gate electrode SG When the information written in the memory transistor MT has a low threshold voltage Vth, the side region of the drain region 12a and the source region 12b are located along the side surface region of the fin portion S2. Leakage current flows, and a malfunction may occur.

ここで、図1および図2のC−C´部分における断面構成を示す図4Aに示すように、メモリゲート構造体2は、フィン部S2を跨ぐように絶縁層IS上に形成されていることから、下部メモリゲート絶縁膜13、電荷蓄積層EC、上部メモリゲート絶縁膜14、およびメモリゲート電極MGが、フィン部S2の表面を囲うように設けられ得る。これにより、メモリゲート構造体2は、当該メモリゲート構造体2で囲んだフィン部S2の表面に沿ってメモリトランジスタMTのチャネル層を形成し得る。   Here, as shown in FIG. 4A showing a cross-sectional configuration in the CC ′ portion of FIGS. 1 and 2, the memory gate structure 2 is formed on the insulating layer IS so as to straddle the fin portion S2. Therefore, the lower memory gate insulating film 13, the charge storage layer EC, the upper memory gate insulating film 14, and the memory gate electrode MG can be provided so as to surround the surface of the fin portion S2. Thereby, the memory gate structure 2 can form a channel layer of the memory transistor MT along the surface of the fin portion S2 surrounded by the memory gate structure 2.

このように、メモリゲート構造体2では、メモリトランジスタMTのゲート幅が、メモリゲート構造体2で囲んだフィン部S2の表面に沿った距離となることから、当該ゲート幅の一部を、フィン部S2の側面に沿った高さに置き換え、その分、メモリトランジスタMTの形成面積を狭くし得る。   As described above, in the memory gate structure 2, the gate width of the memory transistor MT is a distance along the surface of the fin portion S2 surrounded by the memory gate structure 2, so that a part of the gate width is By replacing the height along the side surface of the portion S2, the formation area of the memory transistor MT can be reduced accordingly.

また、図1および図2のD−D´部分における断面構成を示す図4Bに示すように、第1選択ゲート構造体3でも、フィン部S2を跨ぐように絶縁層IS上に形成されていることから、下部の第1選択ゲート絶縁膜17a、上部の選択ゲート絶縁膜18a、および第1選択ゲート電極DGが、フィン部S2の表面を囲うように設けられ得る。これにより、第1選択ゲート構造体3でも、当該第1選択ゲート構造体3で囲んだフィン部S2の表面に沿って第1選択トランジスタT1のチャネル層を形成し得る。   Further, as shown in FIG. 4B showing a cross-sectional configuration in the DD ′ portion of FIGS. 1 and 2, the first selection gate structure 3 is also formed on the insulating layer IS so as to straddle the fin portion S2. Therefore, the lower first selection gate insulating film 17a, the upper selection gate insulating film 18a, and the first selection gate electrode DG can be provided so as to surround the surface of the fin portion S2. Thereby, even in the first selection gate structure 3, the channel layer of the first selection transistor T1 can be formed along the surface of the fin portion S2 surrounded by the first selection gate structure 3.

このように、第1選択ゲート構造体3でも、第1選択トランジスタT1のゲート幅が、第1選択ゲート構造体3で囲んだフィン部S2の表面に沿った距離となることから、当該ゲート幅の一部を、フィン部S2の側面に沿った高さに置き換え、その分、第1選択トランジスタT1の形成面積を狭くし得る。なお、第2選択ゲート構造体4についても、フィン部S2を跨ぐ構成が、図4Bに示した第1選択ゲート構造体3と同じ構成となるため、ここではその説明は省略する。   Thus, even in the first selection gate structure 3, since the gate width of the first selection transistor T1 is a distance along the surface of the fin portion S2 surrounded by the first selection gate structure 3, the gate width Can be replaced with a height along the side surface of the fin portion S2, and the formation area of the first selection transistor T1 can be reduced accordingly. The second selection gate structure 4 also has the same configuration as the first selection gate structure 3 shown in FIG. 4B because the configuration straddling the fin portion S2 is omitted.

ここで、この実施の形態の場合、メモリセルMCは、図4Aおよび図4Bに示すように、フィン部S2の上面から、絶縁層IS上でのメモリゲート電極MGの底面までの距離(フィン部S2の電極内突出高さ)をHfinとし、第1選択ゲート構造体3、メモリゲート構造体2、および第2選択ゲート構造体4がフィン部S2を跨ぐx方向におけるフィン部S2の幅をWfinとすると、Hfin>Wfinの関係が成立するように形成されている。   In this embodiment, as shown in FIGS. 4A and 4B, the memory cell MC has a distance (fin portion) from the top surface of the fin portion S2 to the bottom surface of the memory gate electrode MG on the insulating layer IS. The height of the protrusion in the electrode of S2) is Hfin, and the width of the fin portion S2 in the x direction in which the first selection gate structure 3, the memory gate structure 2, and the second selection gate structure 4 straddle the fin portion S2 is Wfin Then, the relationship of Hfin> Wfin is established.

また、メモリセルMCは、図3Aに示すように、フィン部S2が延設されているy方向における第1選択ゲート電極DGのゲート長をL1、第2選択ゲート電極SGのゲート長をL2としたとき、フィン部S2の幅Wfinとの間で、L1≦1.5・Wfinと、L2≦1.5・Wfinとの関係が成立するように形成されている。   As shown in FIG. 3A, in the memory cell MC, the gate length of the first selection gate electrode DG in the y direction where the fin portion S2 is extended is L1, and the gate length of the second selection gate electrode SG is L2. Then, the relationship between L1 ≦ 1.5 · Wfin and L2 ≦ 1.5 · Wfin is established between the fin portion S2 and the width Wfin.

(3)不揮発性半導体記憶装置の回路構成
次に、上述したメモリセルMCが行列状に配置された不揮発性半導体記憶装置の回路構成について説明する。図5に示すように、不揮発性半導体記憶装置1は、上述したメモリセルMCと同一構成を有した複数のメモリセルMC11,MC12,…,MC1n,MC21,MC22,…,MC2n,MCm1,MCm2,…,MCmnが行列状に配置された構成を有しており、これらメモリセルMC11,MC12,…,MC1n,MC21,MC22,…,MC2n,MCm1,MCm2,…,MCmnが、同じ半導体基板S1上に形成されている。これらメモリセルMC11,MC12,…,MC1n,MC21,MC22,…,MC2n,MCm1,MCm2,…,MCmnには、共有する半導体基板S1に対して基板電圧印加回路(図示せず)により所定の基板電圧が一律に印加され得る。なお、半導体基板S1には、図1に示すようなフィン部S2が一体形成されているが、ここではフィン部S2の図示は省略する。
(3) Circuit Configuration of Nonvolatile Semiconductor Memory Device Next, a circuit configuration of the nonvolatile semiconductor memory device in which the memory cells MC described above are arranged in a matrix will be described. As shown in FIG. 5, the nonvolatile semiconductor memory device 1 includes a plurality of memory cells MC11, MC12,..., MC1n, MC21, MC22, ..., MC2n, MCm1, MCm2, having the same configuration as the memory cell MC described above. ..., MCmn is arranged in a matrix, and these memory cells MC11, MC12, ..., MC1n, MC21, MC22, ..., MC2n, MCm1, MCm2, ..., MCmn are on the same semiconductor substrate S1 Is formed. These memory cells MC11, MC12,..., MC1n, MC21, MC22,..., MC2n, MCm1, MCm2, ..., MCmn have a predetermined substrate by a substrate voltage application circuit (not shown) with respect to the shared semiconductor substrate S1. A voltage can be applied uniformly. Although the fin portion S2 as shown in FIG. 1 is integrally formed on the semiconductor substrate S1, the illustration of the fin portion S2 is omitted here.

不揮発性半導体記憶装置1は、これらメモリセルMC11,MC12,…,MC1n,MC21,MC22,…,MC2n,MCm1,MCm2,…,MCmnのうち、一方向(この場合、列方向)に並ぶメモリセルMC11,MC21,…,MCm1(MC12,MC22,…,MCm2)(MC1n,MC2n,…,MCmn)でそれぞれ1本のビット線BL1(BL2)(BLn)を共有しており、ビット線電圧印加回路(図示せず)によってビット線BL1,BL2,…,BLn毎に所定のビット電圧が一律に印加され得る。また、不揮発性半導体記憶装置1は、一方向と交差する他方向(この場合、行方向)に配置されたメモリセルMC11,MC12,…,MC1n(MC21,MC22,…,MC2n)(MCm1,MCm2,…,MCmn)でそれぞれ1本の第1選択ゲート線DL1(DL2)(DLm)を共有しており、第1選択ゲート電圧印加回路(図示せず)によって第1選択ゲート線DL1,DL2,…,DLm毎に所定の第1選択ゲート電圧が一律に印加され得る。   The nonvolatile semiconductor memory device 1 includes memory cells MC11, MC12,..., MC1n, MC21, MC22,..., MC2n, MCm1, MCm2,. MC11, MC21, ..., MCm1 (MC12, MC22, ..., MCm2) (MC1n, MC2n, ..., MCmn) each share one bit line BL1 (BL2) (BLn), and a bit line voltage application circuit A predetermined bit voltage can be applied uniformly to each of the bit lines BL1, BL2,..., BLn (not shown). In addition, the nonvolatile semiconductor memory device 1 includes memory cells MC11, MC12,..., MC1n (MC21, MC22,..., MC2n) (MCm1, MCm2) arranged in the other direction (in this case, the row direction) crossing one direction. ,..., MCmn) share one first selection gate line DL1 (DL2) (DLm), and the first selection gate voltage application circuit (not shown) uses the first selection gate lines DL1, DL2,. ..., a predetermined first selection gate voltage can be applied uniformly for each DLm.

さらに、この実施の形態の場合、不揮発性半導体記憶装置1では、1本のメモリゲート線MLと、1本の第2選択ゲート線SGLと、1本のソース線SLとを、1つの半導体基板S1上にある全てのメモリセルMC11,MC12,…,MC1n,MC21,MC22,…,MC2n,MCm1,MCm2,…,MCmnで共有しており、メモリゲート電圧印加回路(図示せず)によりメモリゲート線MLに所定のメモリゲート電圧が印加され、第2選択ゲート電圧印加回路(図示せず)により第2選択ゲート線SGLに所定の第2選択ゲート電圧が印加され、ソース線電圧印加回路(図示せず)によりソース線SLに所定のソース電圧が印加され得る。   Further, in the case of this embodiment, in the nonvolatile semiconductor memory device 1, one memory gate line ML, one second selection gate line SGL, and one source line SL are combined into one semiconductor substrate. All memory cells MC11, MC12,..., MC1n, MC21, MC22,..., MC2n, MCm1, MCm2,..., MCmn on S1 are shared by the memory gate voltage application circuit (not shown). A predetermined memory gate voltage is applied to the line ML, a predetermined second selection gate voltage is applied to the second selection gate line SGL by a second selection gate voltage application circuit (not shown), and a source line voltage application circuit (FIG. A predetermined source voltage can be applied to the source line SL.

なお、この実施の形態においては、1本のメモリゲート線MLと、1本の第2選択ゲート線SGLと、1本のソース線SLとを全てのメモリセルMC11,MC12,…,MC1n,MC21,MC22,…,MC2n,MCm1,MCm2,…,MCmnで共有するようにした場合について述べるが、本発明はこれに限らず、他方向(行方向)に配置されたメモリセルMC11,MC12,…,MC1n(MC21,MC22,…,MC2n)(MCm1,MCm2,…,MCmn)毎に、それぞれメモリゲート線と第2選択ゲート線とソース線とを共有させるようにしてもよい。   In this embodiment, one memory gate line ML, one second selection gate line SGL, and one source line SL are connected to all the memory cells MC11, MC12,..., MC1n, MC21. , MC22,..., MC2n, MCm1, MCm2,..., MCmn will be described, but the present invention is not limited to this, and the memory cells MC11, MC12,. , MC1n (MC21, MC22,..., MC2n) (MCm1, MCm2,..., MCmn) may share the memory gate line, the second selection gate line, and the source line, respectively.

因みに、メモリセルMC11には、メモリゲート構造体2のメモリゲート電極MGにメモリゲート線MLが接続され、第1選択ゲート構造体3の第1選択ゲート電極DGに第1選択ゲート線DL1が接続され、第2選択ゲート構造体4の第2選択ゲート電極SGに第2選択ゲート線SGLが接続されている。また、メモリセルMC11には、第1選択ゲート構造体3により形成される第1選択トランジスタT1の一端(ドレイン領域)にビット線BL1が接続され、第2選択ゲート構造体4により形成される第2選択トランジスタT2の一端(ソース領域)にソース線SLが接続されている。   Incidentally, in the memory cell MC11, the memory gate line ML is connected to the memory gate electrode MG of the memory gate structure 2, and the first selection gate line DL1 is connected to the first selection gate electrode DG of the first selection gate structure 3. The second selection gate line SGL is connected to the second selection gate electrode SG of the second selection gate structure 4. Further, in the memory cell MC11, the bit line BL1 is connected to one end (drain region) of the first selection transistor T1 formed by the first selection gate structure 3, and the second selection gate structure 4 forms the first cell. A source line SL is connected to one end (source region) of the 2-select transistor T2.

(4)不揮発性半導体記憶装置における各種動作時の電圧について
次に、このような不揮発性半導体記憶装置1における各種動作について説明する。図6は、図5に示した不揮発性半導体記憶装置1において、メモリセルMCxy(ここでのxは1,2,…,mのうちいずれかであり、yは1,2,…,nのうちいずれか)の電荷蓄積層ECに電荷を注入するデータ書き込み動作時(「Prog」)と、メモリセルMCxyの電荷蓄積層ECに電荷が蓄積されているか否かを検知するデータ読み出し動作時(「Read」)と、メモリセルMCxyの電荷蓄積層EC内の電荷を引き抜くデータ消去動作時(「Erase」)とにおける各部位での電圧値の一例を示す表である。
(4) Voltage during Various Operations in Nonvolatile Semiconductor Memory Device Next, various operations in such a nonvolatile semiconductor memory device 1 will be described. 6 shows a memory cell MCxy (where x is one of 1, 2,..., M, and y is 1, 2,..., N in the nonvolatile semiconductor memory device 1 shown in FIG. Data write operation (“Prog”) for injecting charge into the charge storage layer EC (one of them) and data read operation for detecting whether or not charge is stored in the charge storage layer EC of the memory cell MCxy ( 10 is a table showing an example of voltage values at each part in “Read”) and in a data erasing operation (“Erase”) for extracting charges in the charge storage layer EC of the memory cell MCxy.

なお、図6の「Prog」の欄では、電荷蓄積層ECに電荷を注入するメモリセルMCxyが配置された列を「選択列」と表し、電荷蓄積層ECに電荷を注入するメモリセルMCxyが配置された行を「選択行」と表している。また、図6の「Prog」の欄では、電荷蓄積層ECに電荷を注入しないメモリセルMCxyだけが配置された列を「非選択列」と表し、電荷蓄積層ECに電荷を注入しないメモリセルMCxyだけが配置された行を「非選択行」と表している。また、図6の「DLx」は、第1選択ゲート線DL1,DL2,…,DLmを表し、「BLy」は、ビット線BL1,BL2,…,BLnを表している。   In the column “Prog” in FIG. 6, a column in which the memory cells MCxy that injects charges into the charge storage layer EC are arranged is referred to as a “selected column”, and the memory cells MCxy that inject charges into the charge storage layer EC are The arranged lines are represented as “selected lines”. In the column “Prog” in FIG. 6, a column in which only the memory cells MCxy that do not inject charges into the charge storage layer EC are indicated as “non-selected columns”, and a memory cell in which charges are not injected into the charge storage layer EC. A row in which only MCxy is arranged is represented as a “non-selected row”. Further, “DLx” in FIG. 6 represents the first selection gate lines DL1, DL2,..., DLm, and “BLy” represents the bit lines BL1, BL2,.

(4−1)データの書き込み動作
例えば、メモリセルMC11の電荷蓄積層ECに電荷を注入する場合には、図6の「Prog」の「選択列」欄に示すように、メモリゲート線MLからメモリセルMC11のメモリゲート電極MGに12[V]の電荷蓄積ゲート電圧が印加され、フィン部S2が形成された半導体基板S1(図6中、「Back」と表記)に0[V]の基板電圧が印加され得る。
(4-1) Data Write Operation For example, when charge is injected into the charge storage layer EC of the memory cell MC11, as shown in the “selected column” column of “Prog” in FIG. A substrate of 0 [V] is applied to the semiconductor substrate S1 (indicated as “Back” in FIG. 6) on which the charge storage gate voltage of 12 [V] is applied to the memory gate electrode MG of the memory cell MC11 and the fin portion S2 is formed. A voltage can be applied.

また、この際、メモリセルMC11の第2選択ゲート電極SGには、第2選択ゲート線SGLから0[V]のゲートオフ電圧が印加され、メモリセルMC11のソース領域には、ソース線SLから0[V]のソースオフ電圧が印加され得る。これにより第2選択ゲート構造体4は、フィン部S2内にソース側非導通領域を形成し、ソース領域と、メモリゲート構造体2に囲まれたフィン部S2内のチャネル層形成キャリア領域(チャネル層を形成する際にキャリアが誘起される領域)との電気的な接続を遮断する。かくして、第2選択ゲート構造体4は、ソース線SLからメモリゲート構造体2のチャネル層形成キャリア領域への電圧印加を阻止し得る。   At this time, a gate-off voltage of 0 [V] is applied from the second selection gate line SGL to the second selection gate electrode SG of the memory cell MC11. A source off voltage of [V] can be applied. Thus, the second selection gate structure 4 forms a source-side non-conducting region in the fin portion S2, and a channel layer forming carrier region (channel) in the fin portion S2 surrounded by the source region and the memory gate structure 2 The electrical connection with the region in which carriers are induced when forming the layer is interrupted. Thus, the second select gate structure 4 can prevent voltage application from the source line SL to the channel layer forming carrier region of the memory gate structure 2.

一方、第1選択ゲート電極DGには、第1選択ゲート線DL1から1.5[V]の第1選択ゲート電圧が印加され、メモリセルMC11のドレイン領域には、ビット線BL1から0[V]の電荷蓄積ビット電圧が印加され得る。これにより第1選択ゲート構造体3は、フィン部S2内にドレイン側導通領域を形成し、ドレイン領域と、メモリゲート構造体2のチャネル層形成キャリア領域とを電気的に接続させ得る。   On the other hand, a first selection gate voltage of 1.5 [V] from the first selection gate line DL1 is applied to the first selection gate electrode DG, and the bit line BL1 to 0 [V] is applied to the drain region of the memory cell MC11. A charge storage bit voltage can be applied. Thus, the first selection gate structure 3 can form a drain-side conduction region in the fin portion S2, and can electrically connect the drain region and the channel layer forming carrier region of the memory gate structure 2.

メモリゲート構造体2では、チャネル層形成キャリア領域がドレイン領域と電気的に接続することで、チャネル層形成キャリア領域にキャリアが誘起され、電荷蓄積ビット電圧と同じ0[V]でなるチャネル層がキャリアによってフィン部S2表面に形成され得る。かくして、データを書き込むメモリセル(以下、書き込み選択メモリセルとも呼ぶ)MC11では、メモリゲート構造体2においてメモリゲート電極MGおよびチャネル層間に12[V]の大きな電圧差(12[V])が生じ、これにより発生する量子トンネル効果によって電荷蓄積層EC内に電荷を注入し得、データが書き込まれた状態となり得る。   In the memory gate structure 2, when the channel layer forming carrier region is electrically connected to the drain region, carriers are induced in the channel layer forming carrier region, and the channel layer having 0 [V] which is the same as the charge storage bit voltage is formed. It can be formed on the surface of the fin portion S2 by the carrier. Thus, in the memory cell MC11 into which data is written (hereinafter also referred to as a write selection memory cell) MC12, a large voltage difference (12 [V]) of 12 [V] occurs between the memory gate electrode MG and the channel layer in the memory gate structure 2. Thus, charges can be injected into the charge storage layer EC by the quantum tunnel effect generated thereby, and a state in which data is written can be obtained.

(4−2)データの非書き込み動作
例えば、電荷蓄積層ECに電荷を注入するのに必要な電荷蓄積ゲート電圧がメモリセルMC12のメモリゲート電極MGに印加された際に、当該メモリセルMC12で電荷蓄積層ECへの電荷の注入を阻止するときには、第1選択ゲート線DL1から第1選択ゲート電極DGに1.5[V]の電圧が印加され、ビット線BL2からドレイン領域に1.5[V]の電圧が印加されることによって、フィン部S2内の第1選択ゲート構造体3が跨いでいる領域に非導通状態のドレイン側非導通領域を形成する。これにより、データを書き込まないメモリセル(以下、書き込み非選択メモリセルとも呼ぶ)MC12は、第1選択ゲート構造体3によって、メモリゲート構造体2で囲まれたフィン部S2内のチャネル層形成キャリア領域と、ドレイン領域との電気的な接続を遮断する。
(4-2) Data Non-Write Operation For example, when a charge storage gate voltage necessary for injecting charges into the charge storage layer EC is applied to the memory gate electrode MG of the memory cell MC12, the memory cell MC12 When blocking the injection of charge into the charge storage layer EC, a voltage of 1.5 [V] is applied from the first selection gate line DL1 to the first selection gate electrode DG, and a voltage of 1.5 [V] is applied from the bit line BL2 to the drain region. By applying the voltage, a drain-side non-conducting region in a non-conducting state is formed in a region straddling the first selection gate structure 3 in the fin portion S2. Accordingly, the memory cell MC12 in which data is not written (hereinafter also referred to as a write non-selected memory cell) MC12 is formed in the channel layer forming carrier in the fin portion S2 surrounded by the memory gate structure 2 by the first selection gate structure 3. The electrical connection between the region and the drain region is interrupted.

また、この際、書き込み非選択メモリセルMC12は、第2選択ゲート線SGLから第2選択ゲート電極SGに0[V]の電圧が印加され、ソース線SLからソース領域に0[V]の電圧が印加されることよって、フィン部S2内の第2選択ゲート構造体4が跨いでいる領域に非導通状態のソース側非導通領域を形成する。これにより、書き込み非選択メモリセルMC12は、第2選択ゲート構造体4によって、メモリゲート構造体2で囲まれたフィン部S2内のチャネル層形成キャリア領域と、ソース領域との電気的な接続を遮断する。   At this time, in the write unselected memory cell MC12, a voltage of 0 [V] is applied from the second selection gate line SGL to the second selection gate electrode SG, and a voltage of 0 [V] is applied from the source line SL to the source region. Is applied to form a non-conducting source-side non-conducting region in a region straddling the second select gate structure 4 in the fin portion S2. Thereby, the write non-selected memory cell MC12 is electrically connected by the second select gate structure 4 between the source region and the channel layer forming carrier region in the fin portion S2 surrounded by the memory gate structure 2. Cut off.

かくして、書き込み非選択メモリセルMC12では、メモリゲート構造体2に囲まれたフィン部S2内のチャネル層形成キャリア領域に空乏層が形成された状態となり、電荷蓄積ゲート電圧に基づき、メモリゲート構造体2で囲まれたフィン部S2の表面の電位が上昇してゆき、メモリゲート電極MGおよびフィン部S2表面の電圧差が小さくなる。   Thus, in the write unselected memory cell MC12, a depletion layer is formed in the channel layer forming carrier region in the fin portion S2 surrounded by the memory gate structure 2, and the memory gate structure is based on the charge storage gate voltage. The potential of the surface of the fin portion S2 surrounded by 2 increases, and the voltage difference between the memory gate electrode MG and the surface of the fin portion S2 becomes smaller.

特に、この実施の形態の場合、メモリセルMCでは、図4Aおよび図4Bに示したように、フィン部S2の電極内突出高さHfinと、フィン部S2の幅Wfinとが、Hfin>Wfinの関係が成立するように形成されていることから、メモリゲート構造体2で囲まれたフィン部内S2の両側面および上面に沿って空乏層が形成される際、フィン部内S2の一方の側面に沿って形成された所定厚さの空乏層と、一方の側面と対向配置された他方の側面に沿って形成された所定厚さの空乏層とが一体化し、フィン部S2内全体に空乏層が形成され得る。かくして、書き込み非選択メモリセルMC12では、空乏層によって、メモリゲート電極MGとフィン部S2との間に、量子トンネル効果が発生する電圧差が生じず、電荷蓄積層EC内への電荷注入を阻止できる。   In particular, in the case of this embodiment, in the memory cell MC, as shown in FIGS. 4A and 4B, the in-electrode protruding height Hfin of the fin portion S2 and the width Wfin of the fin portion S2 satisfy Hfin> Wfin. Since the relationship is formed so that the relationship is established, when the depletion layers are formed along both side surfaces and the upper surface of the fin portion S2 surrounded by the memory gate structure 2, along the one side surface of the fin portion S2. The depletion layer with a predetermined thickness formed in one piece and the depletion layer with a predetermined thickness formed along the other side face opposed to one side surface are integrated to form a depletion layer in the entire fin portion S2. Can be done. Thus, in the write non-selected memory cell MC12, the depletion layer does not cause a voltage difference that causes a quantum tunnel effect between the memory gate electrode MG and the fin portion S2, and prevents charge injection into the charge storage layer EC. it can.

このとき、書き込み非選択メモリセルMC12では、メモリゲート構造体2に囲まれたフィン部S2内に形成された空乏層Dによって、メモリゲート構造体2直下のフィン部S2表面における電位が、第1選択ゲート構造体3の第1選択ゲート絶縁膜17a,18a(図3A)や、第2選択ゲート構造体4の第2選択ゲート絶縁膜17b,18b(図3A)へ到達することを阻止し得る。   At this time, in the write unselected memory cell MC12, the potential on the surface of the fin portion S2 immediately below the memory gate structure 2 is caused by the depletion layer D formed in the fin portion S2 surrounded by the memory gate structure 2. The first selection gate insulating films 17a and 18a (FIG. 3A) of the selection gate structure 3 and the second selection gate insulating films 17b and 18b (FIG. 3A) of the second selection gate structure 4 can be prevented from reaching. .

これにより、第1選択ゲート構造体3では、ビット線BL2からドレイン領域12a(図3A)に印加される低電圧のビット電圧に合せて、第1選択ゲート絶縁膜17a,18aの膜厚を薄く形成しても、メモリゲート構造体2直下のフィン部S2表面の電位が空乏層で遮断されることから、当該フィン部S2表面の電位による第1選択ゲート絶縁膜17a,18aの絶縁破壊を防止し得る。   Thereby, in the first selection gate structure 3, the thickness of the first selection gate insulating films 17a and 18a is reduced in accordance with the low voltage applied to the drain region 12a (FIG. 3A) from the bit line BL2. Even if it is formed, the potential of the fin portion S2 surface immediately below the memory gate structure 2 is blocked by the depletion layer, so that the dielectric breakdown of the first selection gate insulating films 17a and 18a due to the potential of the fin portion S2 surface is prevented. Can do.

また、同様に、第2選択ゲート構造体4でも、ソース線SLからソース領域12b(図3A)に印加される低電圧のソース電圧に合せて、第2選択ゲート絶縁膜17a,18bの膜厚を薄くしても、メモリゲート構造体2直下のフィン部S2表面の電位が空乏層で遮断されることから、当該フィン部S2表面の電位による第2選択ゲート絶縁膜17b,18bの絶縁破壊を防止し得る。   Similarly, in the second select gate structure 4, the thickness of the second select gate insulating films 17a and 18b is adjusted in accordance with the low voltage source voltage applied from the source line SL to the source region 12b (FIG. 3A). Even if the thickness is reduced, the potential of the surface of the fin portion S2 immediately below the memory gate structure 2 is blocked by the depletion layer. Can be prevented.

(4−3)データの読み出し動作
また、図6における「Read」の欄で示すデータの読み出し動作では、例えばメモリセルMC11を読み出しの対象とした場合、当該メモリセルMC11に接続されたビット線BL1を例えば1.5[V]にプリチャージし、ソース線SLを0[V]にする。これにより、データを読み出すメモリセルMC11の電荷蓄積層ECに電荷が蓄積されている場合(データが書き込まれている場合)には、メモリゲート構造体2直下のフィン部S2で非導通状態となり、ドレイン領域とソース領域との電気的な接続が遮断され得る。これにより、データを読み出すメモリセルMC11では、ドレイン領域に接続されたビット線BL1での1.5[V]の読み出し電圧がそのまま維持され得る。
(4-3) Data Read Operation In the data read operation shown in the column “Read” in FIG. 6, for example, when the memory cell MC11 is a read target, the bit line BL1 connected to the memory cell MC11 is read. Is precharged to 1.5 [V], for example, and the source line SL is set to 0 [V]. As a result, when charge is stored in the charge storage layer EC of the memory cell MC11 from which data is read (when data is written), the fin portion S2 immediately below the memory gate structure 2 becomes non-conductive, The electrical connection between the drain region and the source region can be interrupted. Thereby, in the memory cell MC11 from which data is read, the read voltage of 1.5 [V] on the bit line BL1 connected to the drain region can be maintained as it is.

一方、データを読み出すメモリセルMC11の電荷蓄積層ECに電荷が蓄積されていない場合(データが書き込まれていない場合)には、メモリゲート構造体2直下のフィン部S2が導通状態となり、ドレイン領域とソース領域とが電気的に接続され、その結果、メモリセルMC11を介して0[V]のソース線SLと、1.5[V]のビット線BL1とが電気的に接続する。これにより、不揮発性半導体記憶装置1では、データを読み出すメモリセルMC11に接続されたビット線BL1の読み出し電圧が、0[V]のソース線SLに印加されることにより、当該ビット線BL1に印加されている1.5[V]の読み出し電圧が低下する。   On the other hand, when charge is not accumulated in the charge accumulation layer EC of the memory cell MC11 from which data is read (when data is not written), the fin portion S2 immediately below the memory gate structure 2 becomes conductive, and the drain region Are electrically connected to each other, and as a result, the source line SL of 0 [V] and the bit line BL1 of 1.5 [V] are electrically connected via the memory cell MC11. Thereby, in the nonvolatile semiconductor memory device 1, the read voltage of the bit line BL1 connected to the memory cell MC11 that reads data is applied to the bit line BL1 by being applied to the source line SL of 0 [V]. The read voltage of 1.5 [V] is reduced.

かくして、不揮発性半導体記憶装置1では、ビット線BL1の読み出し電圧が変化したか否かを検知することにより、メモリセルMC11の電荷蓄積層ECに電荷が蓄積されているか否かのデータの読み出し動作を実行できる。なお、データを読み出さないメモリセルMC12,MC22,…MCm2のみが接続されたビット線BL2には0[V]の非読み出し電圧が印加され得る。   Thus, in the nonvolatile semiconductor memory device 1, the data read operation of whether or not charges are accumulated in the charge accumulation layer EC of the memory cell MC11 by detecting whether or not the read voltage of the bit line BL1 has changed. Can be executed. Note that a non-read voltage of 0 [V] can be applied to the bit line BL2 to which only the memory cells MC12, MC22,.

(4−4)データの消去動作
因みに、メモリセルMC11の電荷蓄積層EC内の電荷を引き抜くデータの消去動作時(図6中、「Erase」)には、メモリゲート線MLからメモリゲート電極MGに、-12[V]のメモリゲート電圧が印加されることで、半導体基板S1を介して0[V]となっているフィン部S2に向けて電荷蓄積層EC内の電荷が引き抜かれてデータが消去され得る。
(4-4) Data Erase Operation Incidentally, during the data erase operation (“Erase” in FIG. 6) for extracting the charge in the charge storage layer EC of the memory cell MC11, the memory gate electrode ML to the memory gate electrode MG In addition, when the memory gate voltage of −12 [V] is applied, the charge in the charge storage layer EC is extracted toward the fin portion S2 that is 0 [V] through the semiconductor substrate S1, and the data Can be erased.

(5)高電圧の電荷蓄積ゲート電圧がメモリゲート電極に印加された書き込み非選択メモリセルにおける電位について
ここで、図7は、データの書き込みが行われないメモリセル(書き込み非選択メモリセル)MCに、高電圧の電荷蓄積ゲート電圧Vgがメモリゲート電極MGに印加されたときのメモリゲート構造体2およびフィン部S2での電位の状態を示した概略図である。なお、図7に示した断面図は、図1および図2のC−C´部分の断面構成を示した図4Aと同じであり、メモリゲート構造体2を設けたフィン部S2の位置での断面構成を示す。
(5) Potential in Write Unselected Memory Cell to which High Voltage Charge Storage Gate Voltage is Applied to Memory Gate Electrode Here, FIG. 7 shows a memory cell (write unselected memory cell) MC in which no data is written. FIG. 5 is a schematic diagram showing a potential state in the memory gate structure 2 and the fin portion S2 when a high voltage charge storage gate voltage Vg is applied to the memory gate electrode MG. The cross-sectional view shown in FIG. 7 is the same as FIG. 4A showing the cross-sectional configuration of the CC ′ portion of FIGS. 1 and 2, and is the position of the fin portion S2 where the memory gate structure 2 is provided. A cross-sectional structure is shown.

また、図7中の曲線Vxは、フィン部を設けずに半導体基板の平坦面に、メモリセル構造体、第1選択ゲート構造体、および第2選択ゲート構造体を設けたメモリセル(比較例)の電位の状態を示したものである。比較例となるメモリセルでは、高電圧の電荷蓄積ゲート電圧がメモリゲート電極MGに印加された際、上述と同様に、第1選択ゲート構造体直下の半導体基板と、第2選択ゲート構造体直下の半導体基板とをそれぞれ非導通状態とさせることで、メモリゲート構造体直下の半導体基板に空乏層Dを形成でき、その結果、メモリゲート電極および半導体基板間に生じる電位差Vono1を小さくしてデータの書き込みを阻止できる。   A curve Vx in FIG. 7 indicates a memory cell in which a memory cell structure, a first selection gate structure, and a second selection gate structure are provided on a flat surface of a semiconductor substrate without providing a fin portion (comparative example). ) Shows the state of the potential. In the memory cell as a comparative example, when a high voltage charge storage gate voltage is applied to the memory gate electrode MG, the semiconductor substrate immediately below the first selection gate structure and the second selection gate structure just below, as described above. By making each of the semiconductor substrates non-conductive, a depletion layer D can be formed in the semiconductor substrate immediately below the memory gate structure, and as a result, the potential difference Vono1 generated between the memory gate electrode and the semiconductor substrate can be reduced to reduce the data Can prevent writing.

このような比較例のメモリセルでも、メモリゲート構造体に設けた上部メモリゲート絶縁膜、電荷蓄積層、および下部メモリゲート絶縁膜の3層の構成部分ONOにて電圧が下がり、さらに空乏層D中でも基板表面から遠ざかるに従って電圧値が下がってゆき、0[V]の基板電圧となり得る。しかしながら、比較例のメモリセルでは、フィン部S2が形成されていないことから、上部メモリゲート絶縁膜、電荷蓄積層、および下部メモリゲート絶縁膜の3層の構成部分ONOにかかる電圧と、空乏層Dによる電位変化とが、メモリゲート構造体直下における半導体基板内の不純物濃度で決まる。   Even in the memory cell of such a comparative example, the voltage drops at the three-layer component ONO of the upper memory gate insulating film, the charge storage layer, and the lower memory gate insulating film provided in the memory gate structure, and the depletion layer D In particular, the voltage value decreases as the distance from the substrate surface increases, and the substrate voltage can be 0 [V]. However, since the fin portion S2 is not formed in the memory cell of the comparative example, the voltage applied to the three constituent parts ONO of the upper memory gate insulating film, the charge storage layer, and the lower memory gate insulating film, and the depletion layer The potential change due to D is determined by the impurity concentration in the semiconductor substrate immediately below the memory gate structure.

すなわち、比較例のメモリセルでは、メモリゲート構造体直下における半導体基板の不純物濃度を下げるほど、高電圧の電荷蓄積ゲート電圧Vgがメモリゲート電極MGに印加された際に、より深い空乏層Dを形成できる。これにより比較例のメモリセルでは、空乏層Dが深いほど、上部メモリゲート絶縁膜、電荷蓄積層、および下部メモリゲート絶縁膜の3層の構成部分ONOでの電位変化が緩やかになるので、その分、メモリゲート電極と半導体基板表面との電位差を小さくし得、ディスターブの発生を抑制し得る。   That is, in the memory cell of the comparative example, the lower the impurity concentration of the semiconductor substrate just below the memory gate structure, the deeper the depletion layer D is formed when the higher voltage charge storage gate voltage Vg is applied to the memory gate electrode MG. Can be formed. As a result, in the memory cell of the comparative example, the deeper the depletion layer D, the slower the potential change in the three-layer component ONO of the upper memory gate insulating film, the charge storage layer, and the lower memory gate insulating film. Therefore, the potential difference between the memory gate electrode and the semiconductor substrate surface can be reduced, and the occurrence of disturbance can be suppressed.

しかしながら、比較例のメモリセルでは、メモリゲート構造体直下における半導体基板内の不純物濃度を下げてゆくと、第1選択ゲート構造体と隣接する半導体基板表面にあるドレイン領域と、第2選択ゲート構造体と隣接する半導体基板表面にあるソース領域との間に、短チャネル効果により、ショートやリークが発生する恐れが生じるため、ドレイン領域およびソース領域間の距離を広げる必要があり、その分、スケーリングによる微細化が図れない。   However, in the memory cell of the comparative example, when the impurity concentration in the semiconductor substrate immediately below the memory gate structure is lowered, the drain region on the surface of the semiconductor substrate adjacent to the first select gate structure and the second select gate structure The short channel effect may cause a short circuit or leakage between the body and the source region on the adjacent semiconductor substrate surface. Therefore, it is necessary to increase the distance between the drain region and the source region. Cannot be refined by.

このように、メモリセル構造体、第1選択ゲート構造体、および第2選択ゲート構造体を半導体基板の平坦面に設けた比較例のメモリセルでは、メモリゲート構造体直下における半導体基板内の不純物濃度低減によるディスターブ発生の抑制と、ドレイン領域およびソース領域の近接化による小型化とがトレードオフの関係にある。   Thus, in the memory cell of the comparative example in which the memory cell structure, the first selection gate structure, and the second selection gate structure are provided on the flat surface of the semiconductor substrate, the impurities in the semiconductor substrate immediately below the memory gate structure There is a trade-off between suppression of disturbance due to concentration reduction and downsizing by close proximity of the drain region and the source region.

ここで、例えば、本発明によるメモリセルMCにおけるドレイン領域12aおよびソース領域12b間の距離と同じ距離に、ドレイン領域およびソース領域間の距離を設計した比較例のメモリセルでは、図7に示すように、高電圧の電荷蓄積ゲート電圧Vgがメモリゲート電極MGに印加された際、上部メモリゲート絶縁膜、電荷蓄積層、および下部メモリゲート絶縁膜の3層の構成部分ONOにて電荷蓄積ゲート電圧Vgが下がるものの、ドレイン領域およびソース領域間の距離が規定されたことにより、半導体基板内の不純物濃度を所定値以下にまで低くできないため、メモリゲート電極および半導体基板間に生じる電位差Vono1を所定値以下に選定することが難しい。そのため、比較例のメモリセルでは、ドレイン領域およびソース領域を近接化させて小型化した際、メモリゲート電極および半導体基板間に大きな電位差Vono1が生じる分、ディスターブの発生を抑制し得ない。   Here, for example, in the memory cell of the comparative example in which the distance between the drain region and the source region is designed to be the same as the distance between the drain region 12a and the source region 12b in the memory cell MC according to the present invention, as shown in FIG. In addition, when a high voltage charge storage gate voltage Vg is applied to the memory gate electrode MG, the charge storage gate voltage is generated at the three-layer component ONO of the upper memory gate insulating film, the charge storage layer, and the lower memory gate insulating film. Although the Vg decreases, the impurity concentration in the semiconductor substrate cannot be lowered to a predetermined value or less because the distance between the drain region and the source region is defined, so the potential difference Vono1 generated between the memory gate electrode and the semiconductor substrate is a predetermined value. It is difficult to select the following. For this reason, in the memory cell of the comparative example, when the drain region and the source region are brought close to each other and downsized, the occurrence of disturbance cannot be suppressed because the large potential difference Vono1 is generated between the memory gate electrode and the semiconductor substrate.

これに対して本発明のメモリセルMCは、データの書き込みが行われないとき、図7に示すように、電荷蓄積ゲート電圧Vg(例えばVg=12[V])がメモリゲート電極MGに印加されると、上部メモリゲート絶縁膜14、電荷蓄積層EC、および下部メモリゲート絶縁膜13の3層の構成部分ONOにて電圧が下がり、メモリゲート電極MGと、フィン部S2の上面とに電位差Vonoが生じるが、この際、メモリゲート構造体2に囲まれたフィン部S2内全体に空乏層が形成され、当該空乏層中でも電圧値が緩やかに下がり、フィン部S2の下端面付近で0[V]の基板電圧となり得る。   On the other hand, in the memory cell MC of the present invention, when data is not written, the charge storage gate voltage Vg (for example, Vg = 12 [V]) is applied to the memory gate electrode MG as shown in FIG. Then, the voltage drops at the three-layer component ONO of the upper memory gate insulating film 14, the charge storage layer EC, and the lower memory gate insulating film 13, and the potential difference Vono between the memory gate electrode MG and the upper surface of the fin portion S2 However, at this time, a depletion layer is formed in the entire fin portion S2 surrounded by the memory gate structure 2, and the voltage value gradually decreases in the depletion layer, and 0 [V near the lower end surface of the fin portion S2. The substrate voltage can be

そして、データの書き込みが行われないメモリセルMCでは、上部メモリゲート絶縁膜14、電荷蓄積層EC、および下部メモリゲート絶縁膜13の3層の構成部分ONOにかかる電位差Vonoと、空乏層による電位変化とが、メモリゲート構造体2で囲まれた領域でのフィン部S2の高さ(フィン部S2の上面から下端面までの距離)と、当該フィン部S2の幅(メモリゲート構造体2がフィン部S2を跨るx方向で対向配置したフィン部S2の両側面間の距離)とによって制御し得る。   In the memory cell MC to which no data is written, the potential difference Vono applied to the three constituent parts ONO of the upper memory gate insulating film 14, the charge storage layer EC, and the lower memory gate insulating film 13, and the potential due to the depletion layer The change is the height of the fin portion S2 in the region surrounded by the memory gate structure 2 (distance from the upper surface to the lower end surface of the fin portion S2) and the width of the fin portion S2 (the memory gate structure 2 is And the distance between the two side surfaces of the fin portion S2 disposed opposite to each other in the x direction across the fin portion S2.

具体的には、メモリゲート構造体2で囲まれたフィン部内S2の両側面および上面に沿って空乏層が形成された際に、フィン部内S2の一方の側面に沿って形成された所定厚さの空乏層と、一方の側面と対向配置された他方の側面に沿って形成された所定厚さの空乏層とが一体化し、フィン部S2内全体に空乏層が形成されるようにフィン部S2の高さと幅とを選定する。   Specifically, when the depletion layers are formed along both side surfaces and the upper surface of the fin portion S2 surrounded by the memory gate structure 2, the predetermined thickness formed along one side surface of the fin portion S2 is formed. The fin portion S2 is integrated with the depletion layer of a predetermined thickness formed along the other side surface opposite to the one side surface, and a depletion layer is formed in the entire fin portion S2. Select the height and width.

これにより、本発明によるメモリセルMCでは、フィン部S2内の不純物濃度を高くして、ドレイン領域12aおよびソース領域12bを近接させて小型化を図っても、フィン部S2内全体に空乏層を形成させることができ、メモリゲート電極MGおよびフィン部S2間に生じる電位差Vonoを小さくし得る。かくして、本発明によるメモリセルMCでは、ドレイン領域12aおよびソース領域12bを近接させて小型化を図りつつ、メモリゲート電極MGおよびフィン部S2間に生じる電位差Vonoを小さくし、さらに空乏層にかかる電界も小さくしてディスターブの発生を抑制し得る。   Thus, in the memory cell MC according to the present invention, even if the impurity concentration in the fin portion S2 is increased and the drain region 12a and the source region 12b are brought close to each other to reduce the size, a depletion layer is formed in the entire fin portion S2. The potential difference Vono generated between the memory gate electrode MG and the fin portion S2 can be reduced. Thus, in the memory cell MC according to the present invention, the drain region 12a and the source region 12b are brought close to each other for miniaturization, the potential difference Vono generated between the memory gate electrode MG and the fin portion S2 is reduced, and the electric field applied to the depletion layer is further reduced. Can also be reduced to suppress the occurrence of disturbance.

(6)不揮発性半導体記憶装置の製造方法
以上のような構成を有する不揮発性半導体記憶装置1は、下記の製造工程に従って製造することができる。この場合、先ず始めに、図8Aに示すように、パターニングされたハードマスク32を利用して、例えばSiでなるフィン部形成基板(図示せず)を加工することにより、板状の半導体基板S1表面に所定間隔を設けてフィン部S2を形成する。次いで、レジスト32、半導体基板S1およびフィン部S2を覆うように、絶縁材料でなる絶縁層を形成した後、CMP(Chemical Mechanical Polishing)等の平坦化処理によって絶縁層を平坦化し、フィン部S2の上面にあるレジスト32と表面が揃った絶縁層ISaを形成する。
(6) Manufacturing Method of Nonvolatile Semiconductor Memory Device The nonvolatile semiconductor memory device 1 having the above configuration can be manufactured according to the following manufacturing process. In this case, first, as shown in FIG. 8A, a fin-shaped substrate (not shown) made of, for example, Si is processed by using a patterned hard mask 32 to obtain a plate-like semiconductor substrate S1. The fin portion S2 is formed with a predetermined interval on the surface. Next, after forming an insulating layer made of an insulating material so as to cover the resist 32, the semiconductor substrate S1, and the fin portion S2, the insulating layer is flattened by a flattening process such as CMP (Chemical Mechanical Polishing), and the fin portion S2. An insulating layer ISa whose surface is aligned with the resist 32 on the upper surface is formed.

次いで、絶縁層ISaを加工することにより、図9Aに示すように、表面からフィン部S2が所定高さ突出した絶縁層ISを形成した後、図9Aと、図9AのE−E´部分における断面構成を示す図9Bのように、層状の下部メモリゲート絶縁膜形成層13aと、層状の電荷蓄積層形成層ECaと、層状の第1ダミー電極層34とを形成し、CMP等の平坦化処理によって第1ダミー電極層34の表面を平坦化する。   Next, by processing the insulating layer ISa, as shown in FIG. 9A, after forming the insulating layer IS in which the fin portion S2 protrudes from the surface by a predetermined height, in FIG. 9A and the EE ′ portion of FIG. 9A As shown in FIG. 9B showing a cross-sectional configuration, a layered lower memory gate insulating film forming layer 13a, a layered charge storage layer forming layer ECa, and a layered first dummy electrode layer 34 are formed, and planarization such as CMP is performed. The surface of the first dummy electrode layer 34 is planarized by the treatment.

次いで、第1ダミー電極層34、電荷蓄積層形成層ECa、および下部メモリゲート絶縁膜形成層13aを加工することにより、図9Cと、図9CのE−E´部分における断面構成を示す図9Dのように、フィン部S2を跨ぐようにして延びたダミーメモリゲート電極DM、電荷蓄積層EC、および下部メモリゲート絶縁膜13を形成した後、層状の絶縁膜を形成してエッチバックすることにより、ダミーメモリゲート電極DM、電荷蓄積層EC、および下部メモリゲート絶縁膜13が積層された側壁に沿ってサイドウォール状の側壁スペーサ6,7を形成する(側壁スペーサ形成工程)。   Next, by processing the first dummy electrode layer 34, the charge storage layer forming layer ECa, and the lower memory gate insulating film forming layer 13a, FIG. 9C and FIG. 9D showing a cross-sectional configuration in the EE ′ portion of FIG. 9C. After forming the dummy memory gate electrode DM, the charge storage layer EC, and the lower memory gate insulating film 13 extending so as to straddle the fin portion S2, the layered insulating film is formed and etched back Side wall spacers 6 and 7 are formed along the side wall on which the dummy memory gate electrode DM, the charge storage layer EC, and the lower memory gate insulating film 13 are stacked (side wall spacer forming step).

次いで、外部に露出している絶縁層IS、フィン部S2、ダミーメモリゲート電極DM、および側壁スペーサ6,7を覆うように層状の選択ゲート絶縁膜と、層状の第2ダミー電極層を順次形成した後、エッチバックすることにより、図9Dとの対応部分に同一符号を付して示す図10Aのように、側壁スペーサ6,7に沿ってサイドウォール状のダミー第1選択ゲート電極DDおよびダミー第2選択ゲート電極DSを形成する。次いで、これらダミー第1選択ゲート電極DDおよびダミー第2選択ゲート電極DSに覆われた領域以外の選択ゲート絶縁膜を除去して、ダミー第1選択ゲート電極DDおよびダミー第2選択ゲート電極DSの各下部にそれぞれ選択ゲート絶縁膜を残存させ、第1選択ゲート絶縁膜17aおよび第2選択ゲート絶縁膜17bを形成する。   Next, a layered select gate insulating film and a layered second dummy electrode layer are sequentially formed so as to cover the insulating layer IS exposed to the outside, the fin portion S2, the dummy memory gate electrode DM, and the side wall spacers 6 and 7. Then, by performing etch back, side wall-like dummy first selection gate electrodes DD and dummy are formed along the side wall spacers 6 and 7 as shown in FIG. A second selection gate electrode DS is formed. Next, the selection gate insulating film other than the region covered with the dummy first selection gate electrode DD and the dummy second selection gate electrode DS is removed, and the dummy first selection gate electrode DD and the dummy second selection gate electrode DS are removed. The selection gate insulating film is left in each lower portion, and the first selection gate insulating film 17a and the second selection gate insulating film 17b are formed.

次いで、外部に露出している絶縁層IS、フィン部S2、ダミーメモリゲート電極DM、ダミー第1選択ゲート電極DD、およびダミー第2選択ゲート電極DSを覆うように層状の絶縁膜を形成した後、エッチバックすることにより、図10Aとの対応部分に同一符号を付して示す図10Bのように、一方のダミー第1選択ゲート電極DDおよび第1選択ゲート絶縁膜17aの側壁に沿ってサイドウォール部22aを形成するとともに、他方のダミー第2選択ゲート電極DSおよび第2選択ゲート絶縁膜17bの側壁に沿ってサイドウォール部22bを形成する(ダミー選択ゲート電極形成工程)。   Next, after forming a layered insulating film so as to cover the insulating layer IS exposed to the outside, the fin portion S2, the dummy memory gate electrode DM, the dummy first selection gate electrode DD, and the dummy second selection gate electrode DS By performing etch back, side portions along the side walls of one dummy first selection gate electrode DD and first selection gate insulating film 17a are formed as shown in FIG. The wall portion 22a is formed, and the sidewall portion 22b is formed along the side walls of the other dummy second selection gate electrode DS and the second selection gate insulating film 17b (dummy selection gate electrode forming step).

次いで、サイドウォール部22a,22bと隣接するフィン部S2の表面に、例えばエピタキシャル成長法により、SiGe等でなる所定膜厚のドレイン領域12aおよびソース領域12bを形成する。次いで、外部に露出している絶縁層IS、フィン部S2、ダミーメモリゲート電極DM、ダミー第1選択ゲート電極DD、ダミー第2選択ゲート電極DS、ドレイン領域12aおよびソース領域12b等を覆うように層状の層間絶縁層を形成した後、CMP等の平坦化処理によって、層間絶縁層の表面を研磨して平坦化してゆく。   Next, a drain region 12a and a source region 12b made of SiGe or the like with a predetermined thickness are formed on the surface of the fin portion S2 adjacent to the sidewall portions 22a and 22b by, for example, an epitaxial growth method. Next, the insulating layer IS, the fin portion S2, the dummy memory gate electrode DM, the dummy first selection gate electrode DD, the dummy second selection gate electrode DS, the drain region 12a, the source region 12b, and the like exposed to the outside are covered. After forming the layered interlayer insulating layer, the surface of the interlayer insulating layer is polished and planarized by a planarization process such as CMP.

これにより、図10Bとの対応部分に同一符号を付して示す図10Cのように、表面が平坦化され、かつ表面からダミーメモリゲート電極DM、ダミー第1選択ゲート電極DD、およびダミー第2選択ゲート電極DSの各上面が外部に露出した層間絶縁層25を形成する(ダミー電極露出工程)。次いで、ドライエッチングによって、層間絶縁層25の表面から露出しているダミーメモリゲート電極DM、ダミー第1選択ゲート電極DD、およびダミー第2選択ゲート電極DSをそれぞれ除去する。   As a result, as shown in FIG. 10C, the parts corresponding to those in FIG. 10B are given the same reference numerals, and the surface is flattened, and the dummy memory gate electrode DM, the dummy first selection gate electrode DD, and the dummy second are formed from the surface. An interlayer insulating layer 25 in which each upper surface of the select gate electrode DS is exposed to the outside is formed (dummy electrode exposing step). Next, the dummy memory gate electrode DM, the dummy first selection gate electrode DD, and the dummy second selection gate electrode DS exposed from the surface of the interlayer insulating layer 25 are each removed by dry etching.

これにより、図9Cとの対応部分に同一符号を付して示す図11Aに示すように、ダミーメモリゲート電極DMが形成されていた領域にダミー電極除去空間ER1を形成し、また、図11AのE−E´部分の断面構成を示す図11Bのように、ダミー第1選択ゲート電極DDおよびダミー第2選択ゲート電極DSが形成されていた領域にもダミー電極除去空間ER2,ER3を形成する(ダミー電極除去工程)。   As a result, a dummy electrode removal space ER1 is formed in the region where the dummy memory gate electrode DM has been formed, as shown in FIG. As shown in FIG. 11B showing a cross-sectional configuration of the EE ′ portion, dummy electrode removal spaces ER2 and ER3 are also formed in the region where the dummy first selection gate electrode DD and the dummy second selection gate electrode DS are formed ( Dummy electrode removal process).

次いで、ダミー電極除去空間ER1,ER2,ER3内に、例えばHigh-k材料等の絶縁材料でなる層状の絶縁膜を形成することで、図3Aに示したように、ダミー電極除去空間ER1内には、電荷蓄積層EC上に層状の上部メモリゲート絶縁膜14が形成され、一の側壁スペーサ6に沿って壁状のメモリゲート側壁絶縁膜15aが形成され、他の側壁スペーサ7に沿って壁状のメモリゲート側壁絶縁膜15bが形成され得る。   Next, by forming a layered insulating film made of an insulating material such as a high-k material in the dummy electrode removal spaces ER1, ER2, and ER3, as shown in FIG. A layered upper memory gate insulating film 14 is formed on the charge storage layer EC, a wall-shaped memory gate side wall insulating film 15a is formed along one side wall spacer 6, and a wall is formed along the other side wall spacer 7. A memory gate sidewall insulating film 15b may be formed.

また、ダミー電極除去空間ER2内には、フィン部S2上にある第1選択ゲート絶縁膜17a上に上部の第1選択ゲート絶縁膜18aが形成され、サイドウォール部22aに沿って壁状のサイドウォール側壁絶縁膜20aが形成され、一の側壁スペーサ6に沿って壁状の第1選択ゲート側壁絶縁膜19aが形成され得る。   In addition, in the dummy electrode removal space ER2, an upper first selection gate insulating film 18a is formed on the first selection gate insulating film 17a on the fin portion S2, and a side wall-like side is formed along the sidewall portion 22a. A wall sidewall insulating film 20a is formed, and a wall-shaped first selection gate sidewall insulating film 19a can be formed along one sidewall spacer 6.

さらに、ダミー電極除去空間ER3内には、フィン部S2上にある第2選択ゲート絶縁膜17b上に上部の第2選択ゲート絶縁膜18bが形成され、サイドウォール部22bに沿って壁状のサイドウォール側壁絶縁膜20bが形成され、他の側壁スペーサ7に沿って壁状の第2選択ゲート側壁絶縁膜19bが形成され得る。   Further, in the dummy electrode removal space ER3, an upper second selection gate insulating film 18b is formed on the second selection gate insulating film 17b on the fin portion S2, and a side wall-like side is formed along the sidewall portion 22b. A wall side wall insulating film 20b is formed, and a wall-shaped second select gate side wall insulating film 19b can be formed along the other side wall spacer 7.

次いで、例えばアルミ(Al)や、チタンアルミ(TiAl)、炭化タンタル(TaC)、窒化ケイ素タンタル(TaSiN)等の金属材料でなるメタル電極層を、層間絶縁層25の表面に形成する。これにより、ダミーメモリゲート電極DM、ダミー第1選択ゲート電極DD、およびダミー第2選択ゲート電極DSが除去され、かつ層状の絶縁膜が形成されたダミー電極除去空間ER1,ER2,ER3内に、それぞれメタル電極層を埋め込み、その後、CMP等の平坦化処理によって、メタル電極層の表面を研磨してゆき、層間絶縁層25の表面に合わせてメタル電極層の表面を平坦化する。   Next, a metal electrode layer made of a metal material such as aluminum (Al), titanium aluminum (TiAl), tantalum carbide (TaC), or silicon tantalum nitride (TaSiN) is formed on the surface of the interlayer insulating layer 25. Thereby, the dummy memory gate electrode DM, the dummy first selection gate electrode DD, and the dummy second selection gate electrode DS are removed, and in the dummy electrode removal spaces ER1, ER2, ER3 where the layered insulating film is formed, Each metal electrode layer is embedded, and then the surface of the metal electrode layer is polished by a planarization process such as CMP, and the surface of the metal electrode layer is planarized according to the surface of the interlayer insulating layer 25.

かくして、図3Aに示したように、ダミーメモリゲート電極DMが形成されていた空間にメタル電極層が埋め込まれてメモリゲート電極MGが形成され、ダミー第1選択ゲート電極DDが形成されていた空間にメタル電極層が埋め込まれて第1選択ゲート電極DGが形成され、ダミー第2選択ゲート電極DSが形成されていた空間にメタル電極層が埋め込まれて第2選択ゲート電極SGが形成され、これによりメモリゲート構造体2、第1選択ゲート構造体3、および第2選択ゲート構造体4を備えたメモリセルMCを形成し得る(メタルゲート電極形成工程)。その後、上層の層間絶縁層を形成する工程の他、図2に示す第1選択ゲートコンタクトDGCや、第2選択ゲートコンタクトSGC、メモリゲートコンタクトMCG等の各種コンタクト等を層間絶縁層25や、上層の層間絶縁層の所定箇所に形成する工程等を経ることで不揮発性半導体記憶装置1を製造し得る。   Thus, as shown in FIG. 3A, the metal electrode layer is buried in the space where the dummy memory gate electrode DM is formed to form the memory gate electrode MG, and the space where the dummy first selection gate electrode DD is formed. The metal electrode layer is embedded in the first selection gate electrode DG, and the space in which the dummy second selection gate electrode DS is formed is embedded in the second selection gate electrode SG. Thus, the memory cell MC including the memory gate structure 2, the first selection gate structure 3, and the second selection gate structure 4 can be formed (metal gate electrode formation step). Thereafter, in addition to the step of forming an upper interlayer insulating layer, various contacts such as the first select gate contact DGC, the second select gate contact SGC, and the memory gate contact MCG shown in FIG. The nonvolatile semiconductor memory device 1 can be manufactured through a process of forming the interlayer insulating layer at a predetermined position of the interlayer insulating layer.

(7)作用および効果
以上の構成において、メモリセルMCでは、絶縁層ISから突き出るように半導体基板S1上にフィン部S2を設け、このフィン部S2を跨ぐようにメモリゲート構造体2、第1選択ゲート構造体3、および第2選択ゲート構造体4を絶縁層IS上に形成するようにした。また、このメモリセルMCでは、ビット線BLに接続されたドレイン領域12aを、第1選択ゲート構造体3と隣接したフィン部S2の表面に、第1選択ゲート電極DGと絶縁するように設け、一方、ソース線SLに接続されたソース領域12bを、第2選択ゲート構造体4と隣接したフィン部S2の表面に、第2選択ゲート電極SGと絶縁するように設け、これらドレイン領域12aとソース領域12bとの間に、第1選択ゲート構造体3、メモリゲート構造体2、および第2選択ゲート構造体4を設けるようにした。
(7) Operation and Effect In the above configuration, in the memory cell MC, the fin portion S2 is provided on the semiconductor substrate S1 so as to protrude from the insulating layer IS, and the memory gate structure 2 and the first gate are formed across the fin portion S2. The selection gate structure 3 and the second selection gate structure 4 are formed on the insulating layer IS. In this memory cell MC, the drain region 12a connected to the bit line BL is provided on the surface of the fin portion S2 adjacent to the first selection gate structure 3 so as to be insulated from the first selection gate electrode DG. On the other hand, the source region 12b connected to the source line SL is provided on the surface of the fin portion S2 adjacent to the second selection gate structure 4 so as to be insulated from the second selection gate electrode SG, and the drain region 12a and the source The first selection gate structure 3, the memory gate structure 2, and the second selection gate structure 4 are provided between the region 12b.

このような構成を有したメモリセルMCでは、電荷蓄積層ECへの電荷の注入を阻止してデータの書き込みを防止する際、第1選択ゲート構造体3によって、メモリゲート構造体2に囲まれたフィン部S2内と、ビット線BLとの電気的な接続を遮断し、第2選択ゲート構造体4によって、メモリゲート構造体2に囲まれたフィン部S2内と、ソース線SLとの電気的な接続を遮断することで、メモリゲート構造体2に囲まれたフィン部S2の表面に沿って形成された空乏層が一体化してフィン部S2内全体に空乏層を形成でき、当該空乏層によってメモリゲート電極DGとフィン部S2との間の電位差を小さくできる。   In the memory cell MC having such a configuration, the first selection gate structure 3 is surrounded by the memory gate structure 2 when the charge injection into the charge storage layer EC is prevented to prevent data writing. The electrical connection between the fin portion S2 and the bit line BL is interrupted, and the second selection gate structure 4 electrically connects the inside of the fin portion S2 surrounded by the memory gate structure 2 and the source line SL. By disconnecting the general connection, the depletion layer formed along the surface of the fin portion S2 surrounded by the memory gate structure 2 can be integrated to form a depletion layer in the entire fin portion S2, and the depletion layer Thus, the potential difference between the memory gate electrode DG and the fin portion S2 can be reduced.

これにより、メモリセルMCでは、フィン部S2内の不純物濃度を高くして、フィン部S2の表面でドレイン領域12aおよびソース領域12bを近接させて小型化を図っても、フィン部S2内全体に空乏層が形成されるようにフィン部S2の形状(高さと幅)を選定することで、メモリゲート電極DGとフィン部S2との間の電位差を小さくし、さらに空乏層にかかる電界を小さくしてディスターブの発生を抑制し得る。かくして、本発明のメモリセルMCは、小型化を図りつつ、ディスターブの発生を抑制し得る。   Thus, in the memory cell MC, even if the impurity concentration in the fin portion S2 is increased and the drain region 12a and the source region 12b are brought close to each other on the surface of the fin portion S2, the entire inside of the fin portion S2 is achieved. By selecting the shape (height and width) of the fin portion S2 so that a depletion layer is formed, the potential difference between the memory gate electrode DG and the fin portion S2 is reduced, and the electric field applied to the depletion layer is further reduced. Occurrence of disturbance can be suppressed. Thus, the memory cell MC of the present invention can suppress the occurrence of disturbance while reducing the size.

また、メモリゲート構造体2、第1選択ゲート構造体3、および第2選択ゲート構造体4は、各ゲート幅がフィン部S2の両側面および表面に沿ってコ字型に形成され、ゲート幅の一部をフィン部S2の高さに置き換えることができるので、フィン部S2の高さ分だけ高くなるものの、フィン部S2を跨るx方向に対しては各ゲート幅の形成面積を狭くし得、その分、小型化を実現し得る。   In addition, the memory gate structure 2, the first selection gate structure 3, and the second selection gate structure 4 are each formed in a U shape along the both side surfaces and the surface of the fin portion S2, and the gate width Can be replaced with the height of the fin portion S2, so that the height of the fin portion S2 is increased, but the formation area of each gate width can be reduced in the x direction across the fin portion S2. Therefore, downsizing can be realized.

さらに、本発明のメモリセルMCでは、データを書き込まないとき、メモリゲート電極MGに印加された高電圧の電荷蓄積ゲート電圧に拘束されることなく、第1選択ゲート構造体3直下および第2選択ゲート構造体4直下の各フィン部S2内を単に非導通状態とさせる電圧値にまでビット線BLおよびソース線SLの電圧値を下げることができるので、これらビット線およびソース線での電圧低減に合わせて、第1選択ゲート構造体3の第1選択ゲート絶縁膜17a,18bや、第2選択ゲート構造体4の第2選択ゲート絶縁膜17b,18bの各膜厚を薄くでき、その分、小型化を実現し得る。   Further, in the memory cell MC of the present invention, when data is not written, the memory cell MC is not restricted by the high voltage charge storage gate voltage applied to the memory gate electrode MG, and is directly below the first selection gate structure 3 and the second selection. Since the voltage value of the bit line BL and the source line SL can be lowered to a voltage value that simply causes the fin portion S2 immediately below the gate structure 4 to be in a non-conductive state, the voltage at the bit line and the source line can be reduced. In addition, the thickness of each of the first selection gate insulating films 17a and 18b of the first selection gate structure 3 and the second selection gate insulating films 17b and 18b of the second selection gate structure 4 can be reduced. Miniaturization can be realized.

また、メモリゲート線MLを共有する複数のメモリセルMCを行列状に配置させた不揮発性半導体記憶装置1では、データが書き込まれないメモリセルMCで生じるメモリゲート電極MGとフィン部S2との間の電位差Vonoが小さく、空乏層にかかる電界も小さいことから、高電圧の電荷蓄積ゲート電圧がメモリゲート線MLを介してメモリゲート電極MGに何度も印加されても、データが書き込まれないメモリセルMCにおいてディスターブの発生を抑制できる。従って、不揮発性半導体記憶装置1では、例えば128行以上、1024列以上に並べたメモリセルMCでメモリゲート線MLを共有させてもディスターブの発生を抑制でき、マット一括で処理できるメモリセルの数を格段的に増やせることができる。   Further, in the nonvolatile semiconductor memory device 1 in which a plurality of memory cells MC sharing the memory gate line ML are arranged in a matrix, between the memory gate electrode MG generated in the memory cell MC to which no data is written and the fin portion S2. Since the potential difference Vono is small and the electric field applied to the depletion layer is also small, data is not written even if a high voltage charge storage gate voltage is applied to the memory gate electrode MG many times through the memory gate line ML. Generation of disturbance can be suppressed in the cell MC. Therefore, in the nonvolatile semiconductor memory device 1, for example, the memory cells MC arranged in 128 rows or more and 1024 columns or more can suppress the disturbance even if the memory gate line ML is shared, and the number of memory cells that can be processed in a batch of mats. Can be increased dramatically.

(8)他の実施の形態
(8−1)メモリゲート電極、第1選択ゲート電極、および第2選択ゲート電極を金属材料以外の導電材料で形成したときのメモリセルの構成
なお、上述した実施の形態においては、メモリゲート電極MGと、第1選択ゲート電極DGと、第2選択ゲート電極SGとを金属材料により形成した場合について述べたが、本発明はこれに限らず、ポリシリコン等その他種々の導電材料によりメモリゲート電極、第1選択ゲート電極、および第2選択ゲート電極を形成してもよい。
(8) Other Embodiments (8-1) Configuration of Memory Cell when Memory Gate Electrode, First Select Gate Electrode, and Second Select Gate Electrode are Formed from Conductive Material Other than Metal Material In the embodiment, the case where the memory gate electrode MG, the first selection gate electrode DG, and the second selection gate electrode SG are formed of a metal material has been described. However, the present invention is not limited to this, and other materials such as polysilicon are used. The memory gate electrode, the first selection gate electrode, and the second selection gate electrode may be formed using various conductive materials.

ここで、メモリゲート電極MGと、第1選択ゲート電極DGと、第2選択ゲート電極SGとを金属材料以外の導電材料(例えば、ポリシリコン)により形成したときの実施の形態について以下説明する。この場合、不揮発性半導体記憶装置の平面レイアウトについては図2に示した構成と同じになるものの、図2のA−A´部分における断面構成については、図12Aに示すような構成となり、図2のB−B´部分における断面構成については、図12Bに示すような構成となる。   Here, an embodiment in which the memory gate electrode MG, the first selection gate electrode DG, and the second selection gate electrode SG are formed of a conductive material (for example, polysilicon) other than the metal material will be described below. In this case, the planar layout of the nonvolatile semiconductor memory device is the same as that shown in FIG. 2, but the cross-sectional configuration taken along the line AA ′ in FIG. 2 is as shown in FIG. The cross-sectional configuration at the BB ′ portion is as shown in FIG. 12B.

図3Aとの対応部分に同一符号を付して示す図12Aのように、メモリセルMC1は、フィン部S2の表面に、不純物の注入により形成された不純物拡散領域がドレイン領域40aおよびソース領域40bとして所定の間隔をあけて設けられ、当該ドレイン領域40aにビット線(図示せず)が接続され、当該ソース領域40bにソース線(図示せず)が接続されている。   As shown in FIG. 12A, in which parts corresponding to those in FIG. 3A are denoted by the same reference numerals, the memory cell MC1 includes an impurity diffusion region formed by impurity implantation on the surface of the fin portion S2, and a drain region 40a and a source region 40b. The bit line (not shown) is connected to the drain region 40a, and the source line (not shown) is connected to the source region 40b.

また、メモリセルMC1は、フィン部S2上に下部メモリゲート絶縁膜13、電荷蓄積層EC、上部メモリゲート絶縁膜14a、およびメモリゲート電極MG1の順で積層形成されたメモリゲート構造体2aを有し、下部メモリゲート絶縁膜13と上部メモリゲート絶縁膜14aとが同じ絶縁材料(例えば酸化シリコン(SiO、SiO2)等)により形成され、メモリゲート電極MG1がポリシリコンにより形成されている。 The memory cell MC1 has a memory gate structure 2a in which a lower memory gate insulating film 13, a charge storage layer EC, an upper memory gate insulating film 14a, and a memory gate electrode MG1 are stacked in this order on the fin portion S2. The lower memory gate insulating film 13 and the upper memory gate insulating film 14a are formed of the same insulating material (for example, silicon oxide (SiO, SiO 2 )), and the memory gate electrode MG1 is formed of polysilicon.

ドレイン領域12aおよびメモリゲート構造体2a間には、第1選択ゲート絶縁膜17a上にポリシリコンでなる第1選択ゲート電極DG1が積層形成された構成でなる第1選択ゲート構造体3aが設けられている。この第1選択ゲート構造体3aは、メモリゲート構造体2aの一の側壁に形成された側壁スペーサ6に隣接して形成されており、第1選択ゲート電極DG1の頂上部がメモリゲート電極MG1から離れるに従ってフィン部S2に向けて下降したサイドウォール状に形成されている。   Between the drain region 12a and the memory gate structure 2a, a first select gate structure 3a having a configuration in which a first select gate electrode DG1 made of polysilicon is stacked on the first select gate insulating film 17a is provided. ing. The first select gate structure 3a is formed adjacent to the side wall spacer 6 formed on one side wall of the memory gate structure 2a, and the top of the first select gate electrode DG1 extends from the memory gate electrode MG1. It is formed in a sidewall shape that descends toward the fin portion S2 as it leaves.

また、ソース領域40bおよびメモリゲート構造体2a間には、第2選択ゲート絶縁膜17b上にポリシリコンでなる第2選択ゲート電極SG1が形成された構成でなる第2選択ゲート構造体4aが設けられている。この第2選択ゲート構造体4aは、メモリゲート構造体2aの他の側壁に形成された側壁スペーサ7に隣接して形成されており、第2選択ゲート電極SG1の頂上部がメモリゲート電極MG1から離れるに従ってフィン部S2に向けて下降したサイドウォール状に形成されている。   A second selection gate structure 4a having a configuration in which a second selection gate electrode SG1 made of polysilicon is formed on the second selection gate insulating film 17b is provided between the source region 40b and the memory gate structure 2a. It has been. The second selection gate structure 4a is formed adjacent to the side wall spacer 7 formed on the other side wall of the memory gate structure 2a, and the top of the second selection gate electrode SG1 extends from the memory gate electrode MG1. It is formed in a sidewall shape that descends toward the fin portion S2 as it leaves.

このようなメモリゲート構造体2a、第1選択ゲート構造体3a、および第2選択ゲート構造体4aも、フィン部S2を跨ぐように形成されており、フィン部S2が形成されていない絶縁層IS上でも、図3Bとの対応部分と同一符号を付して示す図12Bのように、図12Aで示したメモリゲート構造体2a、第1選択ゲート構造体3a、および第2選択ゲート構造体4aが設けられ得る。   The memory gate structure 2a, the first selection gate structure 3a, and the second selection gate structure 4a are also formed so as to straddle the fin portion S2, and the insulating layer IS in which the fin portion S2 is not formed. The memory gate structure 2a, the first selection gate structure 3a, and the second selection gate structure 4a shown in FIG. 12A are also shown in FIG. 12B with the same reference numerals as the corresponding parts in FIG. 3B. Can be provided.

なお、このようなメモリセルMC1は、製造過程において、例えば層状の電極形成層がエッチバックされることにより、メモリゲート構造体2aの側壁に沿ってサイドウォール状の第1選択ゲート電極DG1および第2選択ゲート電極SG1が形成されている。そのため、フィン部S2が形成されている位置と、フィン部S2が形成されていない位置とで、メモリゲート構造体2aや、第1選択ゲート構造体3a、第2選択ゲート構造体4a、側壁スペーサ6,7が同じ厚みで形成され得る。従って、フィン部S2が形成されている位置では、フィン部S2が形成されていない位置に比べて、フィン部S2の高さ分だけ、メモリゲート構造体2a、第1選択ゲート構造体3a、第2選択ゲート構造体4a、および側壁スペーサ6,7が突出した構成となり得る。   Note that such a memory cell MC1 has a sidewall-shaped first selection gate electrode DG1 and a first selection gate electrode DG1 along the sidewall of the memory gate structure 2a, for example, by etching back the layered electrode formation layer in the manufacturing process. Two selection gate electrodes SG1 are formed. Therefore, the memory gate structure 2a, the first selection gate structure 3a, the second selection gate structure 4a, and the side wall spacer are formed at the position where the fin portion S2 is formed and the position where the fin portion S2 is not formed. 6,7 can be formed with the same thickness. Therefore, in the position where the fin portion S2 is formed, the memory gate structure 2a, the first selection gate structure 3a, the first selection gate structure 2a, and the first selection gate structure 3a are compared with the position where the fin portion S2 is not formed by the height of the fin portion S2. The two-selection gate structure 4a and the side wall spacers 6 and 7 may protrude.

因みに、このメモリセルMC1でも、上述した実施の形態と同様に、フィン部S2の上面から、絶縁層IS上でのメモリゲート電極MG1の底面までの距離(フィン部S2の電極内突出高さ)Hfinと、メモリゲート構造体2a、第1選択ゲート構造体3a、および第2選択ゲート構造体4aがフィン部S2を跨ぐx方向におけるフィン部S2の幅Wfin(図4Aおよび図4B)とが、Hfin>Wfinの関係が成立するように形成され得る。   Incidentally, also in the memory cell MC1, as in the above-described embodiment, the distance from the upper surface of the fin portion S2 to the bottom surface of the memory gate electrode MG1 on the insulating layer IS (in-electrode protruding height of the fin portion S2) Hfin and the width Wfin (FIG. 4A and FIG. 4B) of the fin portion S2 in the x direction in which the memory gate structure 2a, the first selection gate structure 3a, and the second selection gate structure 4a straddle the fin portion S2 It can be formed so that the relationship of Hfin> Wfin holds.

また、メモリセルMC1は、フィン部S2が延設されているy方向における第1選択ゲート電極DG1のゲート長L1と、第2選択ゲート電極SG1のゲート長L2と、フィン部S2の幅Wfinとが、L1≦1.5・Wfin、およびL2≦1.5・Wfinの関係が成立するように形成され得る。さらに、このようなメモリセルMC1も、例えば、上述した「(4)不揮発性半導体記憶装置における各種動作時の電圧について」に従って、データの書き込み動作や、データの非書き込み動作、データの読み出し動作、データの消去動作を実行し得る。   Further, the memory cell MC1 includes the gate length L1 of the first selection gate electrode DG1 in the y direction in which the fin portion S2 extends, the gate length L2 of the second selection gate electrode SG1, and the width Wfin of the fin portion S2. However, the relationship of L1 ≦ 1.5 · Wfin and L2 ≦ 1.5 · Wfin can be established. Further, such a memory cell MC1 also includes, for example, a data write operation, a data non-write operation, a data read operation, according to “(4) Voltages during various operations in the nonvolatile semiconductor memory device” described above. A data erasing operation may be performed.

以上のような構成を有するメモリセルMC1であっても、上述した実施の形態と同様の効果を得ることができ、小型化を図りつつ、ディスターブの発生を抑制し得る。   Even with the memory cell MC1 having the above-described configuration, the same effect as that of the above-described embodiment can be obtained, and the occurrence of disturbance can be suppressed while downsizing.

(8−2)フィン部の上面にキャップ絶縁膜を設けたメモリセルの構成
上述した実施の形態においては、フィン部S2の上面に下部メモリゲート絶縁膜13を設けたメモリセルMCについて説明したが、本発明はこれに限らず、フィン部S2の上面に所定の厚みを有したキャップ絶縁膜を設け、当該キャップ絶縁膜上に下部メモリゲート絶縁膜13を設けたメモリセルとしてもよい。
(8-2) Configuration of Memory Cell with Cap Insulating Film on Top of Fin Part In the embodiment described above, the memory cell MC in which the lower memory gate insulating film 13 is provided on the top surface of the fin part S2 has been described. The present invention is not limited to this, and a memory cell in which a cap insulating film having a predetermined thickness is provided on the upper surface of the fin portion S2 and the lower memory gate insulating film 13 is provided on the cap insulating film may be used.

この場合、図13は、他の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置31を示し、この不揮発性半導体記憶装置31には、キャップ絶縁膜(図示せず)を有するメモリゲート構造体32を備えたメモリセルMC2が設けられている。このメモリセルMC2は、図2に示したメモリセルMCと外観上同一構成を有しているが、メモリゲート構造体32に覆われているフィン部S2の上面にキャップ絶縁膜が設けられている。   In this case, FIG. 13 shows a nonvolatile semiconductor memory device 31 according to another embodiment, and the nonvolatile semiconductor memory device 31 includes a memory gate structure 32 having a cap insulating film (not shown). A memory cell MC2 is provided. The memory cell MC2 has the same configuration as the memory cell MC shown in FIG. 2, but a cap insulating film is provided on the upper surface of the fin portion S2 covered with the memory gate structure 32. .

ここで、図14Aは、図13のA−A´部分における断面構成を示し、図14Bは、図13のB−B´部分における断面構成を示し、図15Aは、図13のC−C´部分における断面構成を示し、図15Bは、図13のD−D´部分における断面構成を示す。図14Aおよび図15Aに示すように、メモリゲート構造体32は、フィン部S2の上面に所定の膜厚でなるキャップ絶縁膜35が設けられており、当該キャップ絶縁膜35上に下部メモリゲート絶縁膜13、電荷蓄積層EC、上部メモリゲート絶縁膜14、およびメモリゲート電極MGが順に積層形成された構成を有する。   Here, FIG. 14A shows a cross-sectional configuration at the AA ′ portion of FIG. 13, FIG. 14B shows a cross-sectional configuration at the BB ′ portion of FIG. 13, and FIG. 15A shows a CC 'portion of FIG. FIG. 15B shows a cross-sectional configuration in the DD ′ portion of FIG. 13. As shown in FIGS. 14A and 15A, the memory gate structure 32 is provided with a cap insulating film 35 having a predetermined thickness on the upper surface of the fin portion S2, and the lower memory gate insulating layer is formed on the cap insulating film 35. The film 13, the charge storage layer EC, the upper memory gate insulating film 14, and the memory gate electrode MG are sequentially stacked.

因みに、この実施の形態の場合においては、キャップ絶縁膜35上に下部メモリゲート絶縁膜13が形成されたメモリゲート構造体32について述べたが、本発明はこれに限らず、例えば、キャップ絶縁膜35を下部メモリゲート絶縁膜13として設け、当該キャップ絶縁膜35上に電荷蓄積層EC、上部メモリゲート絶縁膜14、およびメモリゲート電極MGが順に積層形成され、キャップ絶縁膜35が下部メモリゲート絶縁膜の役割を果たすメモリゲート構造体であってもよい。   Incidentally, in the case of this embodiment, the memory gate structure 32 in which the lower memory gate insulating film 13 is formed on the cap insulating film 35 has been described. However, the present invention is not limited to this, for example, the cap insulating film 35 is provided as the lower memory gate insulating film 13, and the charge storage layer EC, the upper memory gate insulating film 14, and the memory gate electrode MG are sequentially stacked on the cap insulating film 35, and the cap insulating film 35 is insulated from the lower memory gate. It may be a memory gate structure that acts as a film.

一方、図14Bに示すように、メモリゲート構造体32は、フィン部S2が形成されていない位置にはキャップ絶縁膜35が形成されておらず、下部メモリゲート絶縁膜13が絶縁層IS上に形成され、当該下部メモリゲート絶縁膜13上に電荷蓄積層EC、上部メモリゲート絶縁膜14、およびメモリゲート電極MGが順に積層形成された構成を有する。このように、メモリゲート構造体32は、フィン部S2の上面が配置された領域にのみキャップ絶縁膜35が設けられた構成を有し、フィン部S2の上面をキャップ絶縁膜35で覆っている。   On the other hand, as shown in FIG. 14B, in the memory gate structure 32, the cap insulating film 35 is not formed at the position where the fin portion S2 is not formed, and the lower memory gate insulating film 13 is formed on the insulating layer IS. The charge storage layer EC, the upper memory gate insulating film 14, and the memory gate electrode MG are sequentially stacked on the lower memory gate insulating film 13. Thus, the memory gate structure 32 has a configuration in which the cap insulating film 35 is provided only in the region where the upper surface of the fin portion S2 is disposed, and the upper surface of the fin portion S2 is covered with the cap insulating film 35. .

キャップ絶縁膜35は、酸化シリコン(SiO、SiO2、SiN)等の絶縁材料でなり、例えば膜厚が4nm以上に選定されている。また、キャップ絶縁膜35は、1種の絶縁材料により層状に形成された構成の他、異なる種類の絶縁材料が積層された構成としてもよい。 The cap insulating film 35 is made of an insulating material such as silicon oxide (SiO, SiO 2 , SiN), and has a thickness of 4 nm or more, for example. In addition, the cap insulating film 35 may have a configuration in which different types of insulating materials are stacked in addition to a configuration in which the cap insulating film 35 is formed in a layer shape using one type of insulating material.

なお、図14A、図14B、および図15Bに示すように、第1選択ゲート構造体3は、キャップ絶縁膜35を有しておらず、フィン部S2や絶縁層IS上に第1選択ゲート絶縁膜17a,18aおよび第1選択ゲート電極DGが順に積層形成された構成を有する。また、第2選択ゲート構造体4も同様に、キャップ絶縁膜35を有しておらず、フィン部S2や絶縁層IS上に第2選択ゲート絶縁膜17b,18bおよび第2選択ゲート電極SGが順に積層形成された構成を有する。   As shown in FIGS. 14A, 14B, and 15B, the first selection gate structure 3 does not have the cap insulating film 35, and the first selection gate insulation is provided on the fin portion S2 and the insulating layer IS. The films 17a and 18a and the first selection gate electrode DG are sequentially stacked. Similarly, the second selection gate structure 4 does not have the cap insulating film 35, and the second selection gate insulating films 17b and 18b and the second selection gate electrode SG are formed on the fin portion S2 and the insulating layer IS. It has the structure laminated | stacked in order.

因みに、このようなキャップ絶縁膜35を備えたメモリゲート構造体32の製造方法としては、例えばフィン部形成工程において、図8に示したように、板状のフィン部形成基板(図示せず)を加工してフィン部S2を形成する際に用いるハードマスク32を絶縁材料により形成し、当該ハードマスク32をそのままキャップ絶縁膜35として残す。そして、次の第1ダミー電極層形成工程では、絶縁層IS上と、フィン部S2の上面を覆うキャップ絶縁膜35とに、層状の下部メモリゲート絶縁膜形成層13a、電荷蓄積層形成層ECaおよび第1ダミー電極層34(図9Aおよび図9B参照)を順に積層形成する。   Incidentally, as a method of manufacturing the memory gate structure 32 having such a cap insulating film 35, for example, in a fin portion forming step, as shown in FIG. 8, a plate-like fin portion forming substrate (not shown) The hard mask 32 used when forming the fin portion S2 by processing is formed of an insulating material, and the hard mask 32 is left as the cap insulating film 35 as it is. Then, in the next first dummy electrode layer forming step, a layered lower memory gate insulating film forming layer 13a, a charge storage layer forming layer ECa are formed on the insulating layer IS and the cap insulating film 35 covering the upper surface of the fin portion S2. Then, the first dummy electrode layer 34 (see FIGS. 9A and 9B) is sequentially stacked.

なお、この際、下部メモリゲート絶縁膜形成層13aの形成を酸化手法によって行った場合にはキャップ絶縁膜35上には下部メモリゲート絶縁膜形成層13aは形成されない場合がある。この場合、最終的に形成されるメモリゲート構造体は、キャップ絶縁膜35が下部メモリゲート絶縁膜13として設けられ、当該キャップ絶縁膜35上に電荷蓄積層EC、上部メモリゲート絶縁膜14、およびメモリゲート電極MGが順に積層された構成となり得る。   At this time, when the lower memory gate insulating film forming layer 13a is formed by an oxidation method, the lower memory gate insulating film forming layer 13a may not be formed on the cap insulating film 35 in some cases. In this case, in the finally formed memory gate structure, the cap insulating film 35 is provided as the lower memory gate insulating film 13, and the charge storage layer EC, the upper memory gate insulating film 14, and the cap insulating film 35 are provided on the cap insulating film 35. The memory gate electrode MG may be stacked in order.

さらに次のダミーメモリゲート構造体形成工程では、下部メモリゲート絶縁膜形成層13a、電荷蓄積層形成層ECaおよび第1ダミー電極層34をパターニングして、キャップ絶縁膜35で上面を覆ったフィン部S2を跨ぐように、絶縁層IS上にダミーメモリゲート構造体32を形成し、その後、上述した側壁スペーサ形成工程や、ダミー選択ゲート電極形成工程、ダミー電極露出工程、メタルゲート電極形成工程等を経ることでメモリセルMC2を製造できる。   Further, in the next dummy memory gate structure forming step, the lower memory gate insulating film forming layer 13a, the charge storage layer forming layer ECa and the first dummy electrode layer 34 are patterned, and the fin portion whose upper surface is covered with the cap insulating film 35. A dummy memory gate structure 32 is formed on the insulating layer IS so as to straddle S2, and then the above-described side wall spacer formation process, dummy selection gate electrode formation process, dummy electrode exposure process, metal gate electrode formation process, etc. After that, the memory cell MC2 can be manufactured.

以上の構成において、メモリセルMC2では、上述した実施の形態と同様の効果を得ることができる他、フィン部S2の上面を覆うキャップ絶縁膜35をメモリゲート構造体32に設けたことにより、例えば、データ書き込み動作時、キャップ絶縁膜35によって、フィン部S2の上面および側面が交わる尖った角部周辺に電界が集中してしまうことを防止できる。これにより角部周辺にのみ書き込みが集中しフィン側壁に沿った電荷蓄積層膜に電荷を注入できなくなることによる書き込み不良を防止できる。   In the above configuration, in the memory cell MC2, in addition to obtaining the same effect as the above-described embodiment, the cap insulating film 35 that covers the upper surface of the fin portion S2 is provided in the memory gate structure 32. During the data write operation, the cap insulating film 35 can prevent the electric field from concentrating around the sharp corner where the upper surface and the side surface of the fin portion S2 intersect. As a result, it is possible to prevent a write failure due to the fact that writing is concentrated only around the corner portion and charge cannot be injected into the charge storage layer film along the fin side wall.

因みに、上述した実施の形態においては、メモリゲート電極MG、第1選択ゲート電極DGおよび第2選択ゲート電極SGを金属材料で形成したメモリセルMC2のメモリゲート構造体32に、フィン部S2の上面を覆うキャップ絶縁膜35を設けた場合について述べたが、本発明はこれに限らず、図12Aおよび図12Bに示すように、メモリゲート電極MG1、第1選択ゲート電極DG1および第2選択ゲート電極SG1をポリシリコン等の導電材料で形成したメモリセルMC1のメモリゲート構造体2aに、フィン部S2の上面を覆うキャップ絶縁膜35を設けるようにしてもよい。この場合であっても、メモリセルMC1において、データ消去動作時、キャップ絶縁膜35によって、フィン部S2の上面および側面が交わる尖った角部周辺に電界が集中してしまうことを防止できる。   Incidentally, in the above-described embodiment, the upper surface of the fin portion S2 is added to the memory gate structure 32 of the memory cell MC2 in which the memory gate electrode MG, the first selection gate electrode DG, and the second selection gate electrode SG are formed of a metal material. However, the present invention is not limited to this, and as shown in FIGS. 12A and 12B, the memory gate electrode MG1, the first selection gate electrode DG1, and the second selection gate electrode are provided. A cap insulating film 35 covering the upper surface of the fin portion S2 may be provided on the memory gate structure 2a of the memory cell MC1 in which SG1 is formed of a conductive material such as polysilicon. Even in this case, in the memory cell MC1, during the data erasing operation, the cap insulating film 35 can prevent the electric field from concentrating around the sharp corner where the upper surface and the side surface of the fin portion S2 intersect.

(8−3)その他
なお、本発明は、上述した各実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能であり、各実施の形態については、例えば上述した「(4)不揮発性半導体記憶装置における各種動作時の電圧について」における電圧値以外の他の種々の電圧値を適用してもよい。
(8-3) Others The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope of the gist of the present invention. For example, various voltage values other than the voltage values in “(4) Voltages during various operations in the nonvolatile semiconductor memory device” described above may be applied.

また、図3Aおよび図3Bに示したメモリセルMCにおいては、第1選択ゲート絶縁膜および第2選択ゲート絶縁膜として、2層構造でなる第1選択ゲート絶縁膜17a,18aおよび第2選択ゲート絶縁膜17b,18bを適用した場合について述べたが、本発明はこれに限らず、第1選択ゲート絶縁膜17a,18aをいずれか一方の1層構造や、第2選択ゲート絶縁膜17a,18aをいずれか一方の1層構造としてもよい。   In the memory cell MC shown in FIGS. 3A and 3B, the first selection gate insulating films 17a and 18a and the second selection gate having a two-layer structure are used as the first selection gate insulating film and the second selection gate insulating film. Although the case where the insulating films 17b and 18b are applied has been described, the present invention is not limited to this, and the first selection gate insulating films 17a and 18a are either one-layer structure or the second selection gate insulating films 17a and 18a. May be one of the one-layer structures.

さらに、上述した実施の形態においては、メモリゲート側壁絶縁膜15a,15bが側壁に沿って設けられたメモリゲート電極MG(図3Aおよび図3B)について述べたが、本発明はこれに限らず、メモリゲート側壁絶縁膜15a,15bのいずれか一方がいずれかの側壁に沿って設けられたメモリゲート電極や、メモリゲート側壁絶縁膜15a,15bが設けられていないメモリゲート電極としてもよい。   Furthermore, in the above-described embodiment, the memory gate electrode MG (FIGS. 3A and 3B) in which the memory gate side wall insulating films 15a and 15b are provided along the side wall has been described. However, the present invention is not limited to this. Either one of the memory gate sidewall insulating films 15a and 15b may be a memory gate electrode provided along one of the sidewalls, or a memory gate electrode without the memory gate sidewall insulating films 15a and 15b.

さらに、上述した実施の形態においては、第1選択ゲート側壁絶縁膜19aおよびサイドウォール側壁絶縁膜20aが側壁に沿って設けられた第1選択ゲート電極DG(図3Aおよび図3B)について述べたが、本発明はこれに限らず、第1選択ゲート側壁絶縁膜19aまたはサイドウォール側壁絶縁膜20aのいずれか一方がいずれかの側壁に沿って設けられた第1選択ゲート電極や、第1選択ゲート側壁絶縁膜19aおよびサイドウォール側壁絶縁膜20aが設けられていない第1選択ゲート電極としてもよい。   Furthermore, in the above-described embodiment, the first selection gate electrode DG (FIGS. 3A and 3B) in which the first selection gate sidewall insulating film 19a and the sidewall sidewall insulating film 20a are provided along the sidewall has been described. The present invention is not limited to this, and the first selection gate electrode in which either one of the first selection gate sidewall insulating film 19a or the sidewall sidewall insulating film 20a is provided along any one of the sidewalls, or the first selection gate A first select gate electrode in which the sidewall insulating film 19a and the sidewall sidewall insulating film 20a are not provided may be used.

さらに、上述した実施の形態においては、第2選択ゲート側壁絶縁膜19bおよびサイドウォール側壁絶縁膜20bが側壁に沿って設けられた第2選択ゲート電極SG(図3Aおよび図3B)について述べたが、本発明はこれに限らず、第2選択ゲート側壁絶縁膜19bまたはサイドウォール側壁絶縁膜20bのいずれか一方がいずれかの側壁に沿って設けられた第2選択ゲート電極や、第2選択ゲート側壁絶縁膜19bおよびサイドウォール側壁絶縁膜20bが設けられていない第2選択ゲート電極としてもよい。   Further, in the above-described embodiment, the second selection gate electrode SG (FIGS. 3A and 3B) in which the second selection gate sidewall insulating film 19b and the sidewall sidewall insulating film 20b are provided along the sidewall has been described. The present invention is not limited to this, and a second selection gate electrode in which either one of the second selection gate sidewall insulating film 19b or the sidewall sidewall insulating film 20b is provided along any one of the sidewalls, or a second selection gate A second select gate electrode in which the sidewall insulating film 19b and the sidewall sidewall insulating film 20b are not provided may be used.

さらに、上述した実施の形態においては、上部メモリゲート絶縁膜14、メモリゲート側壁絶縁膜15a,15b、第1選択ゲート側壁絶縁膜19a、サイドウォール側壁絶縁膜20a、第2選択ゲート側壁絶縁膜19b、およびサイドウォール側壁絶縁膜20bを、側壁スペーサ6,7と異なる絶縁材料により形成した場合について述べたが、本発明はこれに限らず、上部メモリゲート絶縁膜14、メモリゲート側壁絶縁膜15a,15b、第1選択ゲート側壁絶縁膜19a、サイドウォール側壁絶縁膜20a、第2選択ゲート側壁絶縁膜19b、およびサイドウォール側壁絶縁膜20bを、側壁スペーサ6,7と同じ絶縁材料により形成してもよい。さらに、メモリセルは、N型不純物が注入された半導体基板S1およびフィン部S2上に形成するようにしてもよい。   Further, in the above-described embodiment, the upper memory gate insulating film 14, the memory gate sidewall insulating films 15a and 15b, the first selection gate sidewall insulating film 19a, the sidewall sidewall insulating film 20a, and the second selection gate sidewall insulating film 19b Although the case where the sidewall sidewall insulating film 20b is formed of an insulating material different from that of the sidewall spacers 6 and 7, the present invention is not limited thereto, the upper memory gate insulating film 14, the memory gate sidewall insulating film 15a, 15b, the first select gate sidewall insulating film 19a, the sidewall sidewall insulating film 20a, the second select gate sidewall insulating film 19b, and the sidewall sidewall insulating film 20b may be formed of the same insulating material as the sidewall spacers 6 and 7. Good. Furthermore, the memory cell may be formed on the semiconductor substrate S1 and the fin portion S2 into which N-type impurities have been implanted.

さらに、上述した実施の形態においては、1層のメタル金属層を用いて、メモリゲート電極MG、第1選択ゲート電極DG、および第2選択ゲート電極SGを形成するようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、例えば異なる種類の金属材料でなる複数種類のメタル金属層を順次積層してゆき、積層構造でなるメモリゲート電極MG、第1選択ゲート電極DG、および第2選択ゲート電極SGを形成するようにしてもよい。   Further, in the above-described embodiment, the case where the memory gate electrode MG, the first selection gate electrode DG, and the second selection gate electrode SG are formed using one metal metal layer has been described. The present invention is not limited to this. For example, a plurality of types of metal metal layers made of different types of metal materials are sequentially stacked to form a memory gate electrode MG, a first selection gate electrode DG, and a second selection layer having a stacked structure. The gate electrode SG may be formed.

さらに、上述した実施の形態においては、ドレイン領域およびソース領域として、例えばエピタキシャル成長法により、SiGe等でなる所定膜厚のドレイン領域12aおよびソース領域12bを形成した場合について述べたが、本発明はこれに限らず、フィン部S2の表面に不純物を注入して不純物拡散領域を形成して、これをドレイン領域およびソース領域としてもよい。   Furthermore, in the above-described embodiment, the case where the drain region 12a and the source region 12b made of SiGe or the like with a predetermined thickness are formed as the drain region and the source region, for example, by epitaxial growth, has been described. The impurity diffusion region may be formed by injecting impurities into the surface of the fin portion S2, and the drain region and the source region may be used.

さらに、上述した実施の形態においては、製造方法におけるダミー選択ゲート電極形成工程として、ダミーメモリゲート構造体を覆うように、選択ゲート絶縁膜および第2ダミー電極層を形成した後、エッチバックすることにより、ダミーメモリゲート構造体の側壁にある一の側壁スペーサに沿ってフィン部を跨ぐようにサイドウォール状のダミー第1選択ゲート電極を形成するとともに、ダミーメモリゲート構造体の側壁にある他の側壁スペーサに沿ってフィン部を跨ぐようにサイドウォール状のダミー第2選択ゲート電極を形成した後、選択ゲート絶縁膜を加工して、ダミー第1選択ゲート電極下部に第1選択ゲート絶縁膜を設け、ダミー第2選択ゲート電極下部に第2選択ゲート絶縁膜を設けるダミー選択ゲート電極形成工程について述べたが、本発明はこれに限らず、選択ゲート絶縁膜を形成せずに、ダミー第1選択ゲート電極およびダミー第2選択ゲート電極を形成するダミー選択ゲート電極形成工程としてもよい。   Further, in the above-described embodiment, as the dummy selection gate electrode formation step in the manufacturing method, the selection gate insulating film and the second dummy electrode layer are formed so as to cover the dummy memory gate structure, and then etched back. To form a sidewall-shaped dummy first selection gate electrode so as to straddle the fin portion along one side wall spacer on the side wall of the dummy memory gate structure, and another side wall of the dummy memory gate structure. After forming the sidewall-shaped dummy second selection gate electrode so as to straddle the fin portion along the sidewall spacer, the selection gate insulating film is processed, and the first selection gate insulating film is formed under the dummy first selection gate electrode. Provided, the dummy selection gate electrode forming step of providing the second selection gate insulating film under the dummy second selection gate electrode has been described. The present invention is not limited to this, and may be a dummy selection gate electrode forming step of forming the dummy first selection gate electrode and the dummy second selection gate electrode without forming the selection gate insulating film.

1,31 不揮発性半導体記憶装置
MC, MC11,MC12,…,MC1n,MC21,MC22,…,MC2n,MCm1,MCm2,…,MCmn,MC1 メモリセル
2,2a メモリゲート構造体
3,3a 第1選択ゲート構造体
4,4a 第2選択ゲート構造体
12a,40a ドレイン領域
12b,40b ソース領域
6,7 側壁スペーサ
13 下部メモリゲート絶縁膜
14,14a 上部メモリゲート絶縁膜
EC 電荷蓄積層
17a,18a 第1選択ゲート絶縁膜
17b,18b 第2選択ゲート絶縁膜
S1 半導体基板
S2 フィン部
IS 絶縁層
1,31 Nonvolatile semiconductor memory device
MC, MC11, MC12,…, MC1n, MC21, MC22,…, MC2n, MCm1, MCm2,…, MCmn, MC1 Memory cells
2,2a Memory gate structure
3,3a First selection gate structure
4,4a Second selection gate structure
12a, 40a Drain region
12b, 40b source region
6,7 Side wall spacer
13 Lower memory gate insulating film
14,14a Upper memory gate insulating film
EC charge storage layer
17a, 18a First selection gate insulating film
17b, 18b Second selection gate insulating film
S1 Semiconductor substrate
S2 Fin part
IS insulation layer

Claims (13)

絶縁層で覆われた半導体基板と、
前記絶縁層から突き出るように前記半導体基板上に形成されたフィン部と、
下部メモリゲート絶縁膜、電荷蓄積層、上部メモリゲート絶縁膜、およびメモリゲート電極が積層され、前記フィン部を跨ぐように前記絶縁層上に形成されたメモリゲート構造体と、
第1選択ゲート絶縁膜上に第1選択ゲート電極が設けられ、前記メモリゲート構造体の一方の側壁に形成された一の側壁スペーサに沿って、前記フィン部を跨ぐように前記絶縁層上に形成された第1選択ゲート構造体と、
第2選択ゲート絶縁膜上に第2選択ゲート電極が設けられ、前記メモリゲート構造体の他方の側壁に形成された他の側壁スペーサに沿って、前記フィン部を跨ぐように前記絶縁層上に形成された第2選択ゲート構造体と、
前記第1選択ゲート構造体と隣接した前記フィン部の表面に前記第1選択ゲート電極と絶縁するように設けられ、ビット線が電気的に接続されたドレイン領域と、
前記第2選択ゲート構造体と隣接した前記フィン部の表面に前記第2選択ゲート電極と絶縁するように設けられ、ソース線が電気的に接続されたソース領域とを備え、
前記第1選択ゲート構造体、前記メモリゲート構造体、および前記第2選択ゲート構造体は、前記ドレイン領域と前記ソース領域との間に設けられている
ことを特徴とするメモリセル。
A semiconductor substrate covered with an insulating layer;
A fin portion formed on the semiconductor substrate so as to protrude from the insulating layer;
A lower memory gate insulating film, a charge storage layer, an upper memory gate insulating film, and a memory gate electrode, and a memory gate structure formed on the insulating layer so as to straddle the fin portion;
A first select gate electrode is provided on the first select gate insulating film, and is formed on the insulating layer so as to straddle the fin portion along one side wall spacer formed on one side wall of the memory gate structure. A first select gate structure formed;
A second selection gate electrode is provided on the second selection gate insulating film, and is formed on the insulating layer so as to straddle the fin portion along another side wall spacer formed on the other side wall of the memory gate structure. A second select gate structure formed;
A drain region provided on the surface of the fin portion adjacent to the first select gate structure so as to be insulated from the first select gate electrode, and a bit line electrically connected thereto;
A source region that is provided on the surface of the fin portion adjacent to the second selection gate structure so as to be insulated from the second selection gate electrode, and to which a source line is electrically connected;
The memory cell, wherein the first selection gate structure, the memory gate structure, and the second selection gate structure are provided between the drain region and the source region.
前記フィン部の上面から、前記絶縁層上での前記メモリゲート電極の底面までの距離である前記フィン部の電極内突出高さをHfinとし、前記第1選択ゲート構造体および前記第2選択ゲート構造体が前記フィン部を跨ぐ方向における前記フィン部の幅をWfinとしたとき、
Hfin>Wfinである
ことを特徴とする請求項1に記載のメモリセル。
The in-electrode protruding height of the fin portion, which is the distance from the top surface of the fin portion to the bottom surface of the memory gate electrode on the insulating layer, is Hfin, and the first selection gate structure and the second selection gate When the width of the fin portion in the direction in which the structure straddles the fin portion is Wfin,
2. The memory cell according to claim 1, wherein Hfin> Wfin.
前記第1選択ゲート構造体および前記第2選択ゲート構造体が前記フィン部を跨ぐ方向における前記フィン部の幅をWfinとし、
前記第1選択ゲート構造体および前記第2選択ゲート構造体が前記フィン部を跨ぐ方向と直交し、かつ前記フィン部が延設されている方向における前記第1選択ゲート電極のゲート長をL1、前記第2選択ゲート電極のゲート長をL2としたとき、
L1≦1.5・Wfin、L2≦1.5・Wfinである
ことを特徴とする請求項1または2に記載のメモリセル。
The width of the fin portion in the direction in which the first select gate structure and the second select gate structure straddle the fin portion is Wfin,
The first selection gate structure and the second selection gate structure are orthogonal to the direction across the fin portion, and the gate length of the first selection gate electrode in the direction in which the fin portion extends is L1, When the gate length of the second selection gate electrode is L2,
The memory cell according to claim 1, wherein L1 ≦ 1.5 · Wfin and L2 ≦ 1.5 · Wfin.
前記半導体基板から前記メモリゲート電極の下面までの距離が、前記半導体基板から前記第1選択ゲート電極および前記第2選択ゲート電極の各下面までの距離よりも大きく形成されており、前記第1選択ゲート電極および前記第2選択ゲート電極の各下面位置が、前記メモリゲート電極の下面位置よりも前記半導体基板に近い位置に配置されている
ことを特徴すると請求項1〜3のいずれか1項に記載のメモリセル。
The distance from the semiconductor substrate to the lower surface of the memory gate electrode is greater than the distance from the semiconductor substrate to the lower surfaces of the first selection gate electrode and the second selection gate electrode, and the first selection Each of the lower surface positions of the gate electrode and the second selection gate electrode is disposed closer to the semiconductor substrate than the lower surface position of the memory gate electrode. The memory cell described.
量子トンネル効果によって前記電荷蓄積層に電荷を注入するのに必要な電荷蓄積ゲート電圧を前記メモリゲート電極に印加するメモリゲート線と、
前記メモリゲート電極に前記電荷蓄積ゲート電圧が印加された際、前記フィン部の前記第1選択ゲート構造体が跨いでいる領域に形成されるドレイン側非導通領域と、
前記メモリゲート電極に前記電荷蓄積ゲート電圧が印加され、かつ前記フィン部に前記ドレイン側非導通領域が形成された際、前記フィン部の前記第2選択ゲート構造体が跨いでいる領域に形成されるソース側非導通領域と、
前記メモリゲート電極に前記電荷蓄積ゲート電圧が印加され、かつ前記フィン部に前記ドレイン側非導通領域および前記ソース側非導通領域が形成された際、前記フィン部の前記メモリゲート構造体が跨いでいる領域に形成される空乏層とを有しており、
前記空乏層は、
前記電荷蓄積層内への電荷注入を阻止しつつ、前記メモリゲート構造体の直下の前記フィン部での電位が、前記第1選択ゲート絶縁膜および前記第2選択ゲート絶縁膜へ到達することを阻止する
ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のメモリセル。
A memory gate line for applying a charge storage gate voltage necessary for injecting charges into the charge storage layer by a quantum tunnel effect to the memory gate electrode;
When the charge storage gate voltage is applied to the memory gate electrode, a drain-side non-conducting region formed in a region where the first selection gate structure of the fin portion straddles,
When the charge storage gate voltage is applied to the memory gate electrode and the drain side non-conducting region is formed in the fin portion, it is formed in a region where the second selection gate structure of the fin portion straddles. A source-side non-conductive region,
When the charge storage gate voltage is applied to the memory gate electrode and the drain side non-conduction region and the source side non-conduction region are formed in the fin portion, the memory gate structure of the fin portion straddles the memory gate electrode. And a depletion layer formed in a region where
The depletion layer is
The potential at the fin portion immediately below the memory gate structure reaches the first selection gate insulating film and the second selection gate insulating film while preventing charge injection into the charge storage layer. The memory cell according to claim 1, wherein the memory cell is blocked.
前記空乏層は、
前記フィン部の上面から、前記半導体基板表面に位置する前記フィンの下端面に亘って形成される
ことを特徴とする請求項5に記載のメモリセル。
The depletion layer is
The memory cell according to claim 5, wherein the memory cell is formed from an upper surface of the fin portion to a lower end surface of the fin located on the surface of the semiconductor substrate.
前記メモリゲート電極、前記第1選択ゲート電極および前記第2選択ゲート電極は、金属材料を含む
ことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載のメモリセル。
The memory cell according to claim 1, wherein the memory gate electrode, the first selection gate electrode, and the second selection gate electrode include a metal material.
前記第1選択ゲート電極は、前記一の側壁スペーサに沿ってサイドウォール状に形成され、前記第2選択ゲート電極は、前記他の側壁スペーサに沿ってサイドウォール状に形成されている
ことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載のメモリセル。
The first selection gate electrode is formed in a sidewall shape along the one sidewall spacer, and the second selection gate electrode is formed in a sidewall shape along the other sidewall spacer. The memory cell according to any one of claims 1 to 6.
前記メモリゲート構造体は、
前記フィン部の上面を覆うキャップ絶縁膜を備えており、
前記キャップ絶縁膜上に、前記下部メモリゲート絶縁膜、前記電荷蓄積層、前記上部メモリゲート絶縁膜、および前記メモリゲート電極が積層された構成でなる
ことを特徴すると請求項1〜8のいずれか1項に記載のメモリセル。
The memory gate structure includes:
A cap insulating film covering the upper surface of the fin portion;
9. The structure according to claim 1, wherein the lower memory gate insulating film, the charge storage layer, the upper memory gate insulating film, and the memory gate electrode are stacked on the cap insulating film. 2. The memory cell according to item 1.
前記メモリゲート構造体は、
前記フィン部の上面を覆うキャップ絶縁膜を備えており、
前記キャップ絶縁膜が前記下部メモリゲート絶縁膜として前記フィン部の上面に設けられ、該キャップ絶縁膜上に、前記電荷蓄積層、前記上部メモリゲート絶縁膜、および前記メモリゲート電極が積層された構成でなる
ことを特徴すると請求項1〜8のいずれか1項に記載のメモリセル。
The memory gate structure includes:
A cap insulating film covering the upper surface of the fin portion;
The cap insulating film is provided on the upper surface of the fin portion as the lower memory gate insulating film, and the charge storage layer, the upper memory gate insulating film, and the memory gate electrode are stacked on the cap insulating film. The memory cell according to claim 1, wherein the memory cell is configured as follows.
メモリゲート電極にメモリゲート線が接続されたメモリセルが行列状に配置された不揮発性半導体記憶装置であって、
前記メモリセルが請求項1〜10のいずれか1項に記載のメモリセルであり、行列状に配置された複数の前記メモリセルで前記メモリゲート線を共有している
ことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
A non-volatile semiconductor memory device in which memory cells having memory gate lines connected to memory gate electrodes are arranged in a matrix,
The memory cell according to claim 1, wherein the memory gate line is shared by a plurality of the memory cells arranged in a matrix. Semiconductor memory device.
絶縁層で覆われた半導体基板に、前記絶縁層から突き出るフィン部を形成するフィン部形成工程と、
前記半導体基板を覆う前記絶縁層上と、前記絶縁層から突き出たフィン部とに、層状の下部メモリゲート絶縁膜形成層、電荷蓄積層形成層および第1ダミー電極層を順に積層形成する第1ダミー電極層形成工程と、
パターニングされたレジストを利用して、前記第1ダミー電極層、前記電荷蓄積層形成層、および前記下部メモリゲート絶縁膜形成層をパターニングすることにより、下部メモリゲート絶縁膜、電荷蓄積層、およびダミーメモリゲート電極が順に積層形成されたダミーメモリゲート構造体を、前記フィン部を跨ぐように前記絶縁層上に形成するダミーメモリゲート構造体形成工程と、
前記ダミーメモリゲート構造体の対向する側壁に沿って側壁スペーサを形成する側壁スペーサ形成工程と、
前記ダミーメモリゲート構造体を覆うように第2ダミー電極層を形成した後、エッチバックすることにより、前記ダミーメモリゲート構造体の側壁にある一の前記側壁スペーサに沿って前記フィン部を跨ぐようにサイドウォール状のダミー第1選択ゲート電極を形成するとともに、前記ダミーメモリゲート構造体の側壁にある他の前記側壁スペーサに沿って前記フィン部を跨ぐようにサイドウォール状のダミー第2選択ゲート電極を形成するダミー選択ゲート電極形成工程と、
前記ダミーメモリゲート電極、前記ダミー第1選択ゲート電極、および前記ダミー第2選択ゲート電極を覆うように層間絶縁層を形成した後、前記層間絶縁層を加工して、前記ダミーメモリゲート電極、前記ダミー第1選択ゲート電極、および前記ダミー第2選択ゲート電極の各上面を前記層間絶縁層から外部に露出させるダミー電極露出工程と、
前記ダミーメモリゲート電極、前記ダミー第1選択ゲート電極、および前記ダミー第2選択ゲート電極を除去した後、前記ダミーメモリゲート電極、前記ダミー第1選択ゲート電極、および前記ダミー第2選択ゲート電極が形成されていた各ダミー電極除去空間に、層状の絶縁膜を形成した後、各前記ダミー電極除去空間の該絶縁膜に囲まれた空間に、金属材料を含んだメモリゲート電極、第1選択ゲート電極、および第2選択ゲート電極を形成するメタルゲート電極形成工程と
を備えることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
A fin portion forming step of forming a fin portion protruding from the insulating layer on the semiconductor substrate covered with the insulating layer;
A layered lower memory gate insulating film forming layer, a charge storage layer forming layer, and a first dummy electrode layer are sequentially stacked on the insulating layer covering the semiconductor substrate and on the fin portion protruding from the insulating layer. A dummy electrode layer forming step;
By patterning the first dummy electrode layer, the charge storage layer formation layer, and the lower memory gate insulation film formation layer using a patterned resist, a lower memory gate insulation film, a charge storage layer, and a dummy are patterned. Forming a dummy memory gate structure in which memory gate electrodes are sequentially stacked on the insulating layer so as to straddle the fin portion; and
A sidewall spacer forming step of forming sidewall spacers along opposing sidewalls of the dummy memory gate structure;
A second dummy electrode layer is formed so as to cover the dummy memory gate structure, and then etched back so as to straddle the fin portion along the one side wall spacer on the side wall of the dummy memory gate structure. Forming a sidewall-shaped dummy first select gate electrode on the side wall, and forming a sidewall-shaped dummy second select gate so as to straddle the fin portion along the other sidewall spacer on the sidewall of the dummy memory gate structure A dummy selection gate electrode forming step of forming an electrode;
After forming an interlayer insulating layer so as to cover the dummy memory gate electrode, the dummy first selection gate electrode, and the dummy second selection gate electrode, the interlayer insulating layer is processed, the dummy memory gate electrode, A dummy electrode exposure step of exposing each upper surface of the dummy first selection gate electrode and the dummy second selection gate electrode from the interlayer insulating layer;
After the dummy memory gate electrode, the dummy first selection gate electrode, and the dummy second selection gate electrode are removed, the dummy memory gate electrode, the dummy first selection gate electrode, and the dummy second selection gate electrode are After forming a layered insulating film in each dummy electrode removal space that has been formed, a memory gate electrode containing a metal material and a first selection gate in a space surrounded by the insulating film in each dummy electrode removal space And a metal gate electrode forming step of forming a second select gate electrode. A method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device, comprising:
前記フィン部形成工程では、前記フィン部を形成する際に用いたハードマスクをキャップ絶縁膜として残し、
前記第1ダミー電極層形成工程では、前記絶縁層上と、前記フィン部の上面を覆う前記キャップ絶縁膜とに、層状の前記下部メモリゲート絶縁膜形成層、前記電荷蓄積層形成層および前記第1ダミー電極層を順に積層形成し、
前記ダミーメモリゲート構造体形成工程では、前記キャップ絶縁膜で上面を覆った前記フィン部を跨ぐように前記絶縁層上に前記ダミーメモリゲート構造体を形成する
ことを特徴とする請求項12に記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
In the fin part forming step, the hard mask used when forming the fin part is left as a cap insulating film,
In the first dummy electrode layer forming step, the lower memory gate insulating film forming layer, the charge storage layer forming layer, and the first layer are formed on the insulating layer and the cap insulating film covering the upper surface of the fin portion. 1Dummy electrode layers are stacked in order,
The dummy memory gate structure is formed on the insulating layer so as to straddle the fin portion whose upper surface is covered with the cap insulating film in the dummy memory gate structure forming step. Manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device.
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