JP3246917B2 - 高集積半導体メモリ及びその製造方法 - Google Patents

高集積半導体メモリ及びその製造方法

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  • Semiconductor Memories (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は浮遊ゲート及び制御ゲートを有する柱状に形
成されたEPROMセルを有する高集積半導体メモリに関す
る。更に本発明はそのような半導体メモリの製造方法に
関する。
高度に集積された半導体メモリ、特に電気的にプログ
ラミング可能の不揮発性メモリ(EPROM)の場合、集積
密度はとりわけフォトリソグラフィの構造微細度により
制約される。NAND装置の積層ゲート・フラッシュ・セル
の横方向の集積では既に最小約7×F2のセル面積が形成
されている。その際Fとはフォトリソグラフィーにより
達成可能な最小の長さ(最小特徴寸法)のことである。
より高度の集積密度は円筒状又は柱状のトランジスタ
の形のEPROMを縦型に形成することにより達成可能であ
る。1μmの円筒では約4.4×F2の面積のセルを有する
1μmの円筒の積層ゲート・フラッシュ・セルを製造す
ることができる。これらの円筒は既にフォト技術の構造
微細度の限度に達しているためこの技術により更に小さ
なセル面を形成することはできない。また円筒の直径を
更に縮小した場合はセルは完全に空乏化され、その結果
放電状態ではセルトランジスタはもはや遮断しなくな
る。この効果は積層ゲート・メモリの場合の過剰消去の
問題に匹敵するものである。
本発明の課題は、準フォトリソグラフィ寸法でも確実
に作動する冒頭に記載した形式の半導体メモリを提供す
ることにある。更にこのようなメモリの製造方法を提供
することにある。
この課題は本発明の請求項1の基本思想によれば柱状
又は円筒状のEPROMセルが完全に空乏化されるように薄
く形成され、制御ゲートが少なくとも一部の範囲でその
間にある絶縁層で直接柱体上に配置され、また制御ゲー
トがp+ドープされた半導体材料から形成されることによ
り解決される。
完全に空乏化された円筒は極めて良好なアンダスレッ
シュホルド挙動を保証する。このp+ドープされた制御ゲ
ートによりドレイン側面のトランジスタのカットオフ電
圧は酸化物の薄い層厚でも十分に大きく、それにより一
層確実な遮断挙動が保証される。その際カットオフ電圧
は0.9Vよりも若干高くなる。初期状態で浮遊ゲートトラ
ンジスタは、n+−ドープされた浮遊ゲートを有する完全
に空乏化されたNMOSではカットオフ電圧が仕事関数の故
に負の値をとるので導通する。有利にはドレインに正の
電圧を有するホットキャリアでのプログラミングにより
EPROMセルはカットオフ電圧の正の値への移行によりプ
ログラミング可能となる。この円筒のエッチングマスク
が、先願のドイツ国特許出願第19526011号明細書に記載
されているように、直交スペーサ技術により製造される
場合、極端に薄い円筒により約1.5×F2のセル面積を有
する極めて高い集積密度が達成される。
有利な1実施形態ではEPROMセルは分割ゲート・フラ
ッシュ・セルとして形成される。この技術では制御ゲー
トは一部分の範囲で薄い絶縁層だけで完全に空乏化され
た円筒と分離されている。
しかし本発明は積層ゲート・フラッシュ・セルでも実
現することができる。
このEPROMセルをシリコン製造技術で形成すると有利
である。しかし本発明による半導体メモリの原理はゲル
マニウル又はガリウム砒素製造技術でも想定可能であ
る。
この種の高集積半導体メモリを適切な方法で製造する
ため本発明では、pドープされた基板ウェハ上にエッチ
ングマスクを形成し、このエッチングマスクで柱体を形
成するための異方性エッチングを行い、ソース領域内に
n+注入を行い、柱体を浄化し、柱体上及びその間にある
面上に酸化物を成長させ、浮遊ゲートを形成するために
n+ドープされたポリシリコンを析出し、柱体間にある面
の範囲を異方性エッチングにより再度除去し、n+ドープ
されたポリシリコン上に共重合誘電体を析出し、平坦化
媒質を析出し、下方の柱体範囲上にエッチバックし、平
坦化媒質の上方の共重合誘電体及び第1のポリシリコン
層を異方性にエッチングし、平坦化媒質を再び除去し、
エッチングにより露出した範囲上にゲート酸化物を成長
させ、p+ドープされたポリシリコン層を制御ゲートを形
成するために析出し、第2のポリシリコン層が第1のポ
リシリコン層を更に完全に囲むように第2のポリシリコ
ン層を異方性にエッチングし、及び柱体尖端の初期のエ
ッチングマスクを除去し、そこにドレイン接触部を形成
するようにする。
本発明方法の有利な1実施態様ではエッチングマスク
を2つの交差するスペーサ線を有する補助層のエッチン
グにより形成し、その際スペーサ線の交差部分から形成
される格子がエッチングマスクを形成する。並列するス
ペーサ線の相互間隔はフォトリソグラフィにより達成可
能の値Fにより決められる。しかし個々のスペーサ線の
幅は使用されるスペーサ層の層厚及びスペーサ技術によ
ってのみ決められ、フォト技術の構造微細度によるもの
ではない。従ってこのようにして形成されたスペーサ線
の交差部分は直接フォトリソグラフィにより形成される
構造よりも約4分の1に小さく形成することができる。
ソース領域をn+ドーピングするために第5主属の元
素、特に砒素を使用すると有利である。このドーピング
の前に柱体のエッチングの際に生じた側壁ポリマーは注
入部もマスキングするが注入後等方性にエッチングする
と有利である。例えば副生成物としてエッチングの際に
生じた側壁ポリマーは同時に注入マスクとして清浄な製
造プロセスを保証することができる。
浮遊ゲートを形成するn+ドープされた第1のポリシリ
コン層上にONOを共重合誘電体として酸化により形成又
は析出すると有利である。平坦化媒質としては、容易に
被着及びエッチバックすることができ残りの材料を選択
的に再び除去できるので、レジストを使用すると有利で
ある。
特に有利な実施形態では柱体をビット線方向よりもワ
ード線方向に互いに狭い間隔で形成する。その際制御ゲ
ートを形成する第2のポリシリコン層を、ワード線方向
に個々の柱体又はセルの制御ゲート間に接続が生じ、ビ
ット線方向には生じない程度にエッチバックすると特に
有利である。このようにして自己整合されたワード線が
形成される。
本発明を概略図で示された実施例に基づき以下に詳述
する。その際 図1〜7、9及び10はビット線方向の断面に基づく種
々の段階の処理経過の概略図を、 図8及び11は図7及び10図に相当するワード線に沿っ
た断面による処理段階を、また 図12は周期的メモリセルフィールドの平面図を 示している。
図1にはウェハの一部を形成するp+ドープされた基板
1が示されている。この平坦な基板ウェハ上に酸化物層
及びその上に補助的ポリシリコン層を施すことにより、
交差するスペーサ線を使ってエッチングマスク2を形成
し、その構造寸法を析出された層厚及びスペーサ技術だ
けで決めるようにして準リソグラフィのエッチングマス
クが形成される。こうして上記のなおその上にある非晶
質シリコン又はポリシリコンからなる薄い残層3と共に
エッチングマスク2が形成される。この酸化物エッチン
グマスクは熱的に酸化するか又はTEOSの析出により形成
される。窒化物の使用も可能である。
図2にはこのエッチングマスク2を有する基板1を異
方性にエッチングして柱体4が形成されることが示され
ている。
図3に5と符号づけられている矢印はエッチバックさ
れた基板範囲内への共通とソース注入を示すものであ
る。砒素でn+ドープされた基板範囲には符号6が付され
ている。RIEエッチング(反応性イオンエッチング)の
際に柱体4の側壁にポリマーが生じ、これは柱体上で保
護層7を形成し、それにより柱体への注入を阻止する。
注入後保護層7のポリマーを除去し、柱体4の側壁の表
面を浄化しておくためにシリコンを等方性にオーバーエ
ッチする。
図4には、こうして浄化された柱体4上にトンネル酸
化物8が有利には成長により施され、n+−ドープされた
ポリシリコンの層が析出されていることが示されてい
る。このポリシリコン層9は浮遊ゲートを形成する役目
をする。
すぐ次の処理段階を図5に基づき説明する。まず異方
性選択エッチングでエッチバックされた基板範囲上のポ
リシリコン層9をエッチングする。その際柱体4の尖端
上のポリシリコン層の部分も除去され、柱体尖端の角に
丸味又は隆起部が形成される。更に共重合誘電体10を酸
化又は析出により形成する。それにはONOを使用すると
有利である。その上に平坦化媒質11、特にレジストを析
出し、柱体4の下方範囲が覆われる程度にエッチバック
する。
共重合誘電体10及びn+−ドープされたポリシリコン層
9からなるサンドイッチ構造を平坦化媒質11の上方で等
方性に及び有利にはプラズマエッチングにより柱体4上
までエッチバックする。次いでこの平坦化媒質11を完全
に除去し、分割ゲート・セルの直列トランジスタのゲー
ト酸化物12を熱的に成長させる。このようにして柱体4
の下方範囲に第1のポリシリコン層9のn+−ドープされ
たリングが残され、これが浮遊ゲート14を形成する。ゲ
ート酸化物12又は残っている共重合誘電体10上に第2の
ポリシリコン層13を析出し、これをp+−ドープする。こ
の第2のシリコン層13は制御ゲートを形成する役目をす
る。この処理段階は図6に示されている。
図7及び図8には第2のポリシリコン層13を異方性に
エッチングし、それにより第2のスペーサリングが形成
され、このリングが第1のスペーサリングを完全に囲
む。この第2のスペーサリングは、浮遊ゲート14を完全
に囲む分割ゲート・フラッシュEPROMセルの制御ゲート1
5を形成する。第2のポリシリコン層13の厚さは、異方
性エッチングの際にエッチバックされた基板の底まで一
方向にエッチバックされるように選択される。このこと
は図7に示されている。図8にはこの図7に対して垂直
方向の切断面が示されており、そこでは柱体4が互いに
若干幅狭く立っており、従って制御ゲート15はそれぞれ
隣りのセルの制御ゲート15と重複を有する。それにより
この方向に自己整合されたワード線が形成される(自己
整合制御ゲート)。
次の工程で図9に示されているように初期のエッチン
グマスク2(図1参照)を除去する。
図10に示されているように次に柱体4に残っている尖
端をn+ドープする。このn+−ドープされた範囲は図10で
符号16と記されている。柱体尖端はドレイン端子を形成
する役目をし、同様にn+−ドープされた基板範囲6内の
ソース端子と同じ導電形でドープされている。しかし上
方の柱体範囲16内に注入する前に平坦化酸化物17を施
し、柱体4の上方限度までエッチバックする。同様にTE
OS層を適当な厚さに析出し、CMP(化学機械的研磨)に
よりエッチバックする。それに続いて初めて範囲16内の
注入をその下にあるゲート範囲がこの平坦化酸化物17に
より保護されるように行う。同様に図10に示されている
ようにドレイン接触部を金属路18により接続する。この
金属路はビット線の方向に連続している。
図11は図10の処理段階に相当するが、しかしワード線
方向の断面を示している。従って金属路18はビット線方
向だけに沿って形成されている。柱体のエッチングマス
クをスペーサ技術により形成した場合には、金属路18も
スペーサ技術により、例えばタングステンのCVD析出に
より酸化物補助層に形成される。
このようにして形成された横方向に切断した周期的メ
モリセルフィールドの平面が第12図に再現されている。
そこでは柱体4はそれらを囲む浮遊ゲート14及び更にそ
の周りに形成されている制御ゲート15を有する柱体4が
示されている。自己整合されたワード線を形成するよう
にワード線方向に制御ゲート15は重複を形成している。
ビット線方向で制御ゲート15は互いに分離されている
が、しかし破線で示された金属路18により接続が形成さ
れている。メモリセルはワード線の方向に約1.0Fの値
を、またビット線方向に1.5Fの値を有する。機能性に関
しては個々のメモリセルは従来の分割ゲート・フラッシ
ュメモリに相当する。完全に空乏化された円筒は極めて
良好なアンダスレッシュホルド挙動を期待できる。p+
ドープされた制御ゲートによりドレイン側の分割・ゲー
ト・トランジスタのカットオフ電圧は酸化物層厚が僅か
でも十分に大きくなる。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平5−251710(JP,A) 特開 平5−190860(JP,A) 特開 平7−226447(JP,A) 特開 平6−85274(JP,A) 特開 平3−94473(JP,A) 特開 平8−288411(JP,A) 特開 平9−36105(JP,A) 特開 平4−302477(JP,A) 特開 平4−155870(JP,A) 特開 平1−140775(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/8247 H01L 27/115 H01L 29/788 H01L 29/792

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】柱体の形のnチャネルEPROMを有する高集
    積半導体メモリであって、 該セルは前記柱体の脚部に拡がるn+ドープのソース領域
    と、柱体上に配置されたn+ドープのドレーン領域、n+
    ープの浮遊ゲート及び制御ゲートとを備え、 柱体の横方向寸法を、nチャネルEPROMに電圧が加わっ
    ていない状態では自由電荷に関して柱体が完全に空乏化
    されるように定めてあり、 浮遊ゲートを柱体の側壁に、かつ柱体を取り囲むように
    配置してあり、 制御ゲートを柱体ならびに浮遊ゲートを囲みかつ少なく
    とも部分領域内にこれらの間にある絶縁層と共に柱体の
    側壁上に配置してある メモリにおいて、 制御ゲートがp+ドープされた半導体材料から形成されて
    いる ことを特徴とする高集積半導体メモリ。
  2. 【請求項2】nチャネルEPROMがシリコンからなること
    を特徴とする請求項1記載の高集積半導体メモリ。
  3. 【請求項3】a)p+ドープされた基板上にエッチングマ
    スクを形成し、 b)このエッチングマスクを用いた異方性のエッチング
    により複数の柱体を形成し、 c)エッチバックされた基板範囲にn+注入を実施し、 d)柱体を洗浄し、酸化物を各柱体上及びそれらの間に
    ある面上に成長させ、 e)浮遊ゲートを形成するためのn+ドープされたポリシ
    リコンを析出させそして柱体間にある表面の範囲を異方
    性エッチングにより再び除去し、 f)n+ドープされたポリシリコン上に共重合誘電体を析
    出させ、 g)平坦化用媒質を析出させそして下方の柱体範囲をエ
    ッチバックし h)共重合誘電体及び平坦化用媒質上の第1のポリシリ
    コンを等方的にエッチングし、 i)エッチングにより露出した範囲上にゲート酸化物を
    成長させ、 j)その上に制御ゲートを形成するためp+ドープされた
    ポリシリコン層を析出させ、 k)第2のポリシリコン層を等方的にエッチングしもっ
    て第2のポリシリコン層が第1のポリシリコン層をさら
    に完全に覆うようにし、 l)柱体の先端部において元来のエッチングマスクを取
    り除き、そしてそこに接触部を形成する ことを特徴とする請求項1記載の高集積半導体メモリの
    製造方法。
  4. 【請求項4】工程a)においてエッチングマスクを2つ
    の交差するスペーサ線を有する補助層のエッチングによ
    り形成し、その際スペーサ線の交差部分により形成され
    た格子がエッチングマスクを形成する ことを特徴とする請求項3記載の方法。
  5. 【請求項5】工程c)において、第5主属の元素、特に
    砒素をドープする ことを特徴とする請求項3又は4記載の方法。
  6. 【請求項6】工程b)で形成された側壁ポリマーを、注
    入工程c)の後で等方性にエッチングする ことを特徴とする請求項3ないし5の1つに記載の方
    法。
  7. 【請求項7】工程f)でONOを共重合誘電体として使用
    する ことを特徴とする請求項3ないし6の1つに記載の方
    法。
  8. 【請求項8】工程g)でレジストを平坦化媒体として使
    用する ことを特徴とする請求項3ないし7の1つに記載の方
    法。
  9. 【請求項9】柱体をビット線方向よりもワード線方向で
    相互間隔を狭く形成する ことを特徴とする請求項3ないし8の1つに記載の方
    法。
  10. 【請求項10】工程k)で第2のポリシリコン層を、該
    ポリシリコン層により形成された制御ゲートがワード線
    方向で隣接する制御ゲートと接続し、ビット線方向にお
    いて隣接する制御ゲートと接続しないようにエッチング
    する ことを特徴とする請求項9記載の方法。
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