JP3830276B2 - Semiconductor memory device and manufacturing method thereof - Google Patents

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【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はEEPROMやフラッシュEEPROMに用いられるスプリットゲート型と称される半導体記憶装置とその製造方法に関する。特に、本発明の半導体記憶装置は、高速かつ大容量の情報記録が必要とされる分野に用いるのに適する。
【0002】
【従来の技術】
フラッシュメモリはEEPROMの単ビット消去機能を省く事によって大幅な高集積化を実現した。このためほとんどの場合、フラッシュメモリの消去単位は、あるまとまった領域(本明細書では、ブロックという)、もしくはチップ全体の一括消去となる。近年フラッシュメモリは飛躍的な高集積化を果たしており、これにより、より大容量のものが実現されているが、一方高集積大容量のものほど、消去ブロックが大きいという傾向がある。
【0003】
フラッシュメモリは、当初UV−EPROMの置き換えとしての用途が主であり、消去ブロックの大きさは、問題とならなかった。しかし他の応用を考えたとき、消去ブロックは小さくできること、また、必要に応じて任意の大きさに設定できることが必要となってきた。
【0004】
フラッシュメモリとして米国特許第5280446号に記載されたものがある。そのメモリ装置では各メモリセルを接続する方法として拡散層を用いる埋め込み拡散層方式を採っており、高集積化を可能としている。しかしこの方式では、静電容量の大きい拡散層を、メモリのビットラインに用いるため、読み出し速度の低下を招き、特に大容量メモリを構成した場合、顕著となる。
【0005】
このような埋め込み拡散層型のフラッシュメモリでは、拡散層によるビットライン(ソース・ドレイン拡散層)及びポリシリコンによるワードラインの容量Cと抵抗RによるCR積が、セルのアクセス時間を律速する要因の一つとなる。このためビットライン又はワードライン上にコンタクトホールを複数個設け、メタルラインと接続して低抵抗化することによって、アクセスタイムを改善している。このためメモリ領域上に最低2層のメタル層を形成する必要がある。
【0006】
図1にこのスプリットゲート型メモリ構造の概略を示す。ビットライン方向に帯状のソース109及びドレイン108が形成され、その間にやはり帯状のコントロールゲート105がドレイン側に寄せられて配置されている。つまり、コントロールゲート105はドレイン108に接近し、ソースとは間隔をもって配置されている。また、コントロールゲート105と垂直なワードライン方向に帯状のセレクトゲート106が形成されている。コントロールゲート105の下層の基板には、フローティングゲートを介してメモリチャネル102が存在し、またメモリチャネル102とソース109との間には、セレクトトランジスタのチャネル101がある。また、チャネル101,102はビットライン方向には、島状のフィールド酸化膜107によって分離されている。
【0007】
メモリでは通常、ほとんどのパターンは加工限界の最小値で形成される。このため、図1に示すメモリでは、2つのチャネル領域が存在する1ビットあたりのワードライン方向の寸法103は、1ビットあたりのビットラインの寸法104よりも大きくなる。
【0008】
図2にメモリアレイでのフィールドおよび拡散層の様子を示す。ソース拡散層121とドレイン拡散層122が交互に配置され、その間にメモリが形成されるチャネル領域125があり、チャネル領域125のビットライン方向の素子分離のために、島状のフィールド酸化膜124が形成されている。ソース・ドレイン拡散層121、122には複数ビット置きに、かつソース・ドレイン交互にコンタクトホール123が形成されており、上層のメタルビットラインと接続することによってビットライン抵抗を低下させている。また、図には示していないがセレクトゲートはアレイの両端部分で各々にコンタクトホールを設け、メタル層と接続することによって、ワードライン抵抗を低下させている。
【0009】
図3にメモリアレイのビットライン方向(図2で縦方向)の断面図を示す。この図において、134はポリシリコン−メタル間層間絶縁膜であり、フローティングゲート130、コントロールゲート105及びセレクトゲート106を互いに絶縁している。メモリトランジスタが複数個形成されているメモリ領域131間にはメモリ内のソース又はドレインのコンタクト132が形成されている。また135は周辺トランジスタのゲート、133は周辺回路部分のコンタクトを示す。
【0010】
図3においてメモリ領域131ではポリシリコン層が3層存在するため、ポリシリコンが1層である周辺回路部分に比べて段差が大きい。このため、メモリ領域131に近接して形成されるコンタクトホール132は周辺回路のコンタクトホール133よりも高い位置にある。しかし、リソグラフィー工程における焦点深度には限界があるため、このようにメモリ部分が周辺に比べて高くなっている場合、コンタクト形成以降の工程で、空間分解能の劣化を招くため、結果的にこの部分での最小加工寸法が大きくなってしまう。通常、スルーホール径はコンタクトホール径よりも大きい。そのため、メタルビットラインをメタルワードラインの上層に形成しようとすれば、図4のようにメモリ領域内でコンタクト上にスルーホール141を形成することになるが、その場合、ビットラインピッチよりもスルーホールピッチの方が大きくなってしまう。このため、加工限界値付近で形成されたソース・ドレインのコンタクト上に図4のようにスルーホールを形成することは不可能であり、このことは、メタルビットラインをメタルワードラインの上層に形成することは不可能ということである。このため、メタルビットラインはメタルワードラインの下層という構成にならざるを得ない。
【0011】
図5はメタルビットラインには第1層目のメタル層(メタル層が多層になっている場合の最下層のメタル層)、メタルワードラインには第2層目のメタル層(メタル層が多層になっている場合の下から2番目のメタル層)という構成にした場合の、ビットライン方向の断面図である。図1でも示したようにこのデバイスはビットライン方向のピッチ104の方がワードライン方向のピッチ103よりも狭い。このため、図5に示す第2層目のメタル層のピッチ151はビットライン方向のメモリのピッチ104よりも大きくなる。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
従来は1つのメタルビットラインに接続されているメモリセルは全ビット一括に消去されてしまうため、メタルビットライン単位でしか消去ブロックを設定することができず、消去ブロックサイズの設定に自由度が少なかった。
フラッシュメモリにおいては、プロセス終了時にUV光によってフローティングゲート中の電荷を放出させる(以下、UV消去という)。このUV消去は、読み出し回路での基準信号作りや、プロセスデータの解析の上で非常に重要となる。しかし図5の様にメタルワードラインとセレクトゲートの配置ピッチが違う構成とした場合にUV消去を行うと、メタルワードラインの影のために、数ビット置きにUV消去されないビットができてしまう。
【0013】
また、図5のようにメタルビットラインに第1層目のメタル層を使用した場合、セレクトゲートとメタルビットライン間の距離が近いために、両者間の静電容量が読み出し速度を律速する原因の一つとなっていた。
【0014】
本発明の第1の目的は、消去ブロックサイズ設定の自由度を大きくすることである。
本発明の第2の目的は、メタルワードラインの影によってUV消去されないビットができるのを防ぐことである。
本発明の第3の目的は、セレクトゲートとメタルビットライン間の静電容量の大きさにより読み出し速度が抑えられることを防ぐことである。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明は、スプリットゲート型のメモリセルがマトリクス状に配置されたメモリマトリクスを備えた半導体記憶装置であり、そのメモリマトリクスがメタルビットラインにより選択されるメモリセルの領域とは無関係に設定されたブロックとしてのメモリ領域を複数個有し、メモリ拡散層がソース、ドレインともに各ブロックごとに独立するように分割されて形成され、かつ各メモリ拡散層がそれぞれブロックセレクトトランジスタを介してメタルビットラインに接続されており、コントロールゲートも各ブロックごとに独立するように分割されて形成されている。
これにより、消去ブロックサイズをメタルビットラインに接続されるメモリセルの数とは無関係に設定できるようになり、消去ブロックサイズの設定に大きな自由度を与えることができる。
【0016】
ビットラインのコンタクトホールを形成する部分とメモリ部分との間にブロックセレクトトランジスタが介在することになるので、コンタクトホールとメモリセルとの距離が大きくなる。メモリセル部分は3層ポリシンコン構造であるため段差が大きいが、メモリセルから離れることによって段差が小さくなり、その部分に形成されるコンタクトホールやスルーホールの径を周辺回路部分と同じように小さくすることができる。
【0017】
本発明の半導体記憶装置は、以下の工程(A)から(D)を含んでいる。
(A)半導体基板に素子分領域を形成する工程、
(B)ゲート酸化を行なった後、そのゲート酸化膜上にチャネル長方向の長さがソース・ドレイン間隔よりも短かく、ドレイン側に寄せられて配置されたメモリセルごとのフローティングゲートと、その上に絶縁膜を介して形成されたコントロールゲートからなるスタックゲートを形成する工程、
(C)ブロックごとに独立したメモリ拡散領域と、ブロック内でメモリ拡散領域とブロックセレクトトランジスタとなる領域を結ぶ領域とにイオン注入する工程、
(D)ブロックセレクトトランジスタの領域にブロックセレクトトランジスタを形成する工程。
【0018】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体記憶装置では、メモリ拡散層を挟んで隣りあって配置されたメモリセルは、それぞれのメモリ拡散層に対して線対象に配置されている。
メモリマトリクスがメタルビットラインにより選択されるメモリセルの領域とは無関係に設定されたブロックとしてのメモリ領域を複数個有し、メモリ拡散層がソース、ドレインともに各ブロックごとに形成され、かつ各メモリ拡散層がビットライン方向に隣接するブロック同士の隣接するセレクトゲート間に配置されたブロックセレクトトランジスタを介してメタルビットラインに接続されており、コントロールゲートも各ブロックごとに独立するように分割されて形成されており、ドレインの両脇に配置されているコントロールゲート同士が常に同電位となるように電気的に接続されてコントロールゲート対を形成しており、隣り合ったコントロールゲート対同士が接続されず、一つ置きのコントロールゲート対同士が接続されてコントロールゲート対がブロック内で2つにまとめられていることが好ましい。これにより、隣接ビットに半選択状態によるストレスを加えることなく、書込み動作を行なうことができるようになる。
【0019】
コントロールゲート対同士を接続する導電体がブロックセレクトトランジスタとメモリ拡散層を結ぶ拡散層上を横切る場合には、その領域には工程(B)のゲート酸化の前にイオン注入を行なっておく。
ブロックセレクトトランジスタのソース・ドレインの不純物濃度は、周辺トランジスタのソース・ドレインの不純物濃度と同じであることが好ましい。
【0020】
メモリ拡散層のソース側のブロックセレクトトランジスタのゲート電極と、ドレイン側のブロックセレクトトランジスタのゲート電極は、一つの直線上から外れた位置に配置されていることが好ましい。これにより、ブロックセレクトトランジスタの幅を広くして大きな電流を流すことができるようになる。このことは読み出し速度の高速化に寄与する。
【0021】
ブロックセレクトトランジスタを介してメモリ拡散層に接続されるメタルビットラインは、メモリ拡散層に平行でメモリ拡散層と同一の間隔で、帯状の金属層にてなり、メモリ拡散層の上層に絶縁層を介して配置されており、セレクトゲートにはメタルワードラインが接続されるが、メタルワードラインはセレクトゲートに平行でセレクトゲートと同一の間隔で、帯状に形成された金属層にてなり、セレクトゲートの上層に絶縁層を介して配置され、メタルワードラインとセレクトゲートがセレクトゲートの延長線上に配置されたコンタクトホールによって電気的に接続されており、メタルワードラインがメタルビットラインよりも下層に形成されていることが好ましい。これにより、セレクトゲートとメタルビットライン間の容量が減少し、信号の読み出し速度が向上する。またメモリ上のメタル層とメモリのピッチがワードライン方向、ビットライン方向とも等しくなるために、メタル層の影となるビットが無くなり、全ビットをUV消去することができるようになる。
【0022】
コントロールゲートもブロック単位で分割されている。そこで、ブロック内ではコントロールゲート上に少なくとも2つのコンタクトホールが形成され、コントロールゲートの上層には絶縁膜を介してワードラインに平行な帯状の金属層が形成され、その金属層がそのコンタクトホールによってコントロールゲートに接続されていることが好ましい。これにより、コントロールゲートの抵抗を軽減することができ、信号の読み出し速度を向上させることができる。
【0023】
ブロックセレクトトランジスタのゲート電極はブロック内で複数のブロックセレクトトランジスタに共通になるようにポリシリコン層により形成される。そこで、その共通のポリシリコン層上に少なくとも2つのコンタクトホールが形成され、そのポリシリコン層の上層には絶縁膜を介してワードラインに平行な帯状の金属層が形成され、その金属層がそのコンタクトホールによってそのポリシリコン層に接続されていることが好ましい。これにより、ブロックセレクトトランジスタのゲート抵抗を軽減することができ、信号の読み出し速度を向上させることができる。
【0024】
【実施例】
図6に一実施例におけるメモリマトリクスの1つのブロックを示す。フローティングゲート、コントロールゲート、及びセレクトゲートを有するスプリットゲート型のメモリセル1は、ブロック内ではメモリ拡散層7、8によって複数個が並列に接続され、またそれぞれのソースおよびドレインを共有する形でマトリクス状に配置されている。そしてこのメモリ拡散層7、8は各ブロックで独立して形成されており、それぞれブロックセレクトトランジスタ9、10を介してメタルビットライン11、12に接続されている。メモリ拡散層7,8を挟んで隣りあって配置されたメモリセル1は、それぞれのメモリ拡散層7又は8に対して線対象に配置されている。
【0025】
ドレイン8の両側にあるコントロールゲート2、3は電気的に接続されてコントロールゲート対4を構成している。また、このコントロールゲート対4は隣り合ったコントロールゲート対5とは接続されず、一つおいたコントロールゲート対6、さらにまた一つおいたコントロールゲート対14、というように一つ置きに接続され、同様にコントロールゲート対4の隣にあるコントロールゲート対5も同様に一つ置きのコントロールゲート対13,15と接続されている。これにより、隣接ビットに半選択状態によるストレスを加えることなく、書込み動作を行なうことができるようになる。これらのコントロールゲート対間の接続はすべてブロック内で行われており、他のブロックとは直接電気的な接続は行われていない。
【0026】
図7にこの実施例の動作条件の一例を示す。Read L1&L2は図中のメモリセルL1およびL2のデータを読み出す場合の電圧条件を示している。ここで単位はすべてボルト(V)であり、Fは開放を意味する。Eraseはブロック内のすべてのメモリを消去する事を示し、PGMはそれぞれのメモリセルへの書込みを意味する。
【0027】
次にこの回路を半導体基板に製作したときの平面概略図を図8に示す。
チャネル長方向の長さがソース拡散層38とドレイン拡散層39との間隔よりも短かいフローティングゲート32がドレイン側に寄せられて配置され、その真上を帯状のポリシリコンのコントロールゲート33がドレイン拡散層39と平行に配置されている。ソース拡散層38とドレイン拡散層39はそれぞれを挟んで配置された対をなすメモリセル間で共有され、ソース拡散層38に対してもドレイン拡散層39に対してもメモリセルは線対象に配置されている。コントロールゲート33は1つのドレインを挟む隣り合ったメモリセル同士でポリシリコン層33a,33bにより接続されて対を形成しており、このコントロールゲート対同士は一つ置きに互いに接続されている。コントロールゲート33はブロックごとに独立したパターンとして形成されている。
【0028】
コントロールゲート33と直交する方向に延びる帯状のポリシリコン層にてなるセレクトゲート34が配置されている。
メモリ拡散層であるソース拡散層38とドレイン拡散層39は、ブロックごとに独立して形成されている。ソース拡散層38とドレイン拡散層39はそれぞれブロックセレクトトランジスタ40、37と接続され、コンタクトホール41、36を介してメタルビットライン(図示略)と接続されている。
【0029】
またソース拡散層38用のブロックセレクトトランジスタ40とドレイン拡散層39用のブロックセレクトトランジスタ37のゲート35は、1つの直線上にはなく、ずらして配置されている。このことによって直線上に配置されたときに比較して、広いトランジスタ幅(チャネル幅)を確保でき、このため一層大きな電流量を確保でき、このことが読み出し速度の高速化につながる。
【0030】
次に本発明の製造工程を図9〜図17により説明する。
(A)まずP型シリコン基板上にフィールド酸化を行い、メモリセル、ブロックセレクトトランジスタや周辺トランジスタ、および拡散層が形成される活性領域50を形成するために、それらの間を分離する素子分領域51を形成する(図9)。
次にこの活性領域50でコントロールゲート同士を接続するポリシリコン層33a,33b(図8参照)が交差する領域53に、イオン注入を用いてヒ素の注入を行う。
【0031】
(B)次に全面にゲート酸化を行いその後フローティングゲート32となるポリシリコンの成膜を行う。フローティングゲートをビットラインと垂直な方向に分離する帯状にエッチングした後、ポリシリコン間絶縁膜を成膜しさらにコントロールゲート33となるポリシリコンの成膜を行なう。
さらにこのフローティングゲート用ポリシリコン層/ポリシリコン間絶縁膜/コントロールゲート用ポリシリコン層をビットラインと平行な方向に帯状に同時にエッチングすることにより、フローティングゲート32とブロックごとに独立したコントロールゲート33を形成する。またこのとき、ドレインを挟む隣り合ったコントロールゲートは電気的に接続された対を形成するように、かつこの対がブロック内で一つ置きに接続されるようにコントロールゲート用ポリシリコン層のエッチングを行なって、ポリシリコン層パターン33a,33bを形成する(図10)。
【0032】
(C)次にメモリのソースとなる部分38、ドレインとなる部分39のメモリ拡散領域、ならびにこれらのメモリ拡散領域とブロックセレクトトランジスタとなる領域60を結ぶ領域57に、イオン注入を用いてヒ素を注入する(図11)。
このとき、領域57上にコントロールゲートを接続するポリシリコン層パターン33a,33bが存在する領域では、そのポリシリコン層パターン33a,33bがマスクとなってしまい、領域57中にヒ素が注入されない。しかし、この領域では図9で前述したように、あらかじめヒ素の注入を行なっているために、メモリ拡散層とブロックセレクトトランジスタの電気的な接続は保たれる。
また、この領域ではゲート酸化前にヒ素注入を行なっているため、ゲート酸化膜よりも厚い増速酸化膜が形成されるため、拡散層とコントロールゲートとの電気的な絶縁性も確保できる。
【0033】
(D)次にコントロールゲート側壁に、自己整合によって、酸化膜の側壁を形成した後、再度ウェハ全面にゲート酸化を行ない、ポリシリコン層の成膜を行なう。
次に、このポリシリコン層のパターニングを行ない、セレクトゲート34、並びにブロックセレクトトランジスタのゲート35及び周辺トランジスタのゲート(図示されていない)を形成する(図12)。
【0034】
(E)次にブロックセレクトトランジスタの領域60と周辺トランジスタのソース・ドレイン用の領域(図示されていない)にヒ素注入を行ない、ブロックセレクトトランジスタと周辺トランジスタ(図示されていない)のソースおよびドレインを形成する(図13)。
ブロックセレクトトランジスタとメモリ拡散領域を結ぶ拡散領域上を、他のブロックトランジスタのゲートが交差する領域64では、2回目のゲート酸化前に、あらかじめヒ素が注入されており、このためこの領域64ではポリシリコン層と拡散層の間に、2回目のゲート酸化によって、ゲート酸化よりも厚い増速酸化膜が形成されているため、ゲートと拡散層の電気的絶縁性が確保できる。
【0035】
(F)次に全面にメタル−ポリシリコン間絶縁膜を形成し、ブロックセレクトトランジスタのドレイン部分にコンタクトホール36,41、セレクトゲート上にコンタクトホール66、コントロールゲート上にコンタクトホール67、ブロックセレクトトランジスタのゲート上にコンタクトホール68を形成する(図14)。
このとき、コンタクトホール36,41はブロックセレクトトランジスタがあるために、無いときに比べてメモりからの距離が大きくなる。このため高段差部分からの距離が大きくなるために、メタル−ポリシリコン間絶縁膜の膜厚が周辺回路部分と同じになる。この部分に形成されるコンタクホールは、従来絶縁膜の膜厚が厚かった場合には、フォトグラフィー時の焦点深度からはずれるため、コンタクトホール径を周辺に比べて大きくする必要があった。しかし、本発明においては、メタル−ポリシリコン間絶縁膜の膜厚は周辺部分と同じであるために、この焦点深度の問題は無くなり、周辺回路部分のコンタクトホールと同一径とすることができる。
【0036】
(G)次に全面にAl合金からなる金属層を成膜し、その金属層にパターン化を施し、セレクトゲート直上にセレクトゲートと同一のピッチで、かつセレクトゲートに対して平行な帯状の金属層パターン69を形成し、コンタクトホール66を介してセレクトゲートと接続する。また、その金属層によりワードライン方向に平行な帯状のパターンも同時に形成して、コンタクトホール67を介してコントロールゲートに接続する。さらに、その金属層によりワードライン方向に平行な帯状のパターンも同時に形成して、コンタクトホール68を介してブロックセレクトトランジスタのゲートに接続する(図15)。
このとき、金属層69は多層金属層中でもっとも下層となるために、最小加工寸法は上層の金属層よりも、小さくできる。従ってメモリの短手方向であるビットライン方向に垂直なストライプ形状である金属層69でも、メモリのピッチと同一のピッチで、加工することができる。
【0037】
(H)次に全面に金属−金属間絶縁膜を形成し、さらにブロックセレクトトランジスタのドレイン部分にスルーホール72を形成する(図16)。上述したように、スルーホール72を形成する部分のメタル−ポリシリコン間絶縁膜は、周辺回路部分の厚さと同じである。このためスルーホール72形成時の高さも周辺部分と同じであるためにスルーホール径を、周辺回路部分と同じ径にすることができる。
【0038】
(I)次に全面にAl合金からなる金属層を形成し、メモリのソース・ドレインピッチと同一で、かつビットライン方向に平行で帯状のメタルビットライン73を形成し、スルーホール72、コンタクトホール36,41を介して、ブロックセレクトトランジスタのドレイン部分に接続する(図17)。
ここで、メタルビットライン73はスルーホール72との接続部分で、スルーホール72に対して、リソグラフィー時のマスク合わせ余裕を考慮して、一定のオーバーラップを設ける必要がある。従来この部分ではスルーホールを形成しようとした場合、メタル−ポリシリコン間絶縁膜の膜厚が厚いため、リソグラフィー時において、焦点深度からはずれるため周辺回路部分に比べてスルーホール径を大きくする必要があった。下層から第1層目のメタルよりも最小加工寸法が大きくなる第2層メタルを用いて、メモリの周期と同一のピッチで、メタルビットライン73を形成することができなかった。
しかし、本発明ではスルーホールを周辺回路部分と同一径まで小さくすることができるため、第2層メタルを用いても、メモリのピッチと同一ピッチでメタルビットライン73を形成できる。
【0039】
【発明の効果】
本発明では、スプリットゲート型のメモリセルがマトリクス状に配置されたメモリマトリクスを複数のブロックに分割し、メモリ拡散層はソース、ドレインともに各ブロックごとに独立するように分割されて形成されているので、消去ブロックサイズをメタルビットラインに接続されるメモリセルの数とは無関係に設定できるようになり、消去ブロックサイズの設定に大きな自由度を与えることができる。
各メモリ拡散層がそれぞれブロックセレクトトランジスタを介してメタルビットラインに接続されているので、ビットラインのコンタクトホールを形成する部分とメモリ部分との間にブロックセレクトトランジスタが介在することになり、コンタクトホールとメモリセルとの距離が大きくなる。メモリセル部分は3層ポリシンコン構造であるため段差が大きいが、メモリセルから離れることによって段差が小さくなり、その部分に形成されるコンタクトホールやスルーホールの径を周辺回路部分と同じように小さくすることができる。
【0040】
フローティングゲートが寄せられて形成されている側のメモリ拡散層の両脇に配置されているコントロールゲート同士が常に同電位となるように電気的に接続されてコントロールゲート対を形成しており、隣り合ったコントロールゲート対同士が接続されず、1つ置きのコントロールゲート対同士が接続されているので、隣接ビットに半選択状態によるストレスを加えることなく、書込み動作を行なうことができるようになる。
ブロックセレクトトランジスタのソース・ドレインとメモリ拡散層とは別工程で形成されるので、ともに最適化することができる。
メモリ拡散層のソース側のブロックセレクトトランジスタのゲート電極と、ドレイン側のブロックセレクトトランジスタのゲート電極は、一つの直線上から外れた位置に配置すれば、ブロックセレクトトランジスタの幅を広くして大きな電流を流すことができるようになり、読み出し速度の高速化に寄与する。
【0041】
メタルビットラインをメモリ拡散層に平行でメモリ拡散層と同一の間隔で、帯状の金属層にて形成し、メタルワードラインをセレクトゲートに平行でセレクトゲートと同一の間隔で、帯状に形成された金属層にて形成し、メタルワードラインをメタルビットラインよりも下層に形成すれば、セレクトゲートとメタルビットライン間の容量が減少し、信号の読み出し速度が向上する。またメモリ上のメタル層とメモリのピッチがワードライン方向、ビットライン方向とも等しくなるために、メタル層の影となるビットが無くなり、全ビットをUV消去することができるようになる。
ブロック内ではコントロールゲート上に少なくとも2つのコンタクトホールを介して金属層に接続すれば、コントロールゲートの抵抗を軽減することができ、信号の読み出し速度を向上させることができる。
ブロックセレクトトランジスタのブロック内での共通のゲートを少なくとも2つのコンタクトホールを介して金属層に接続すれば、ブロックセレクトトランジスタのゲート抵抗を軽減することができ、信号の読み出し速度を向上させることができる。
【0042】
本発明の製造方法では、メモリ拡散領域とブロックセレクトトランジスタとなる領域を結ぶ連結領域とにイオン注入しておき、ブロックセレクトトランジスタのゲート酸化を行なった後にポリシリコン層を成膜し、それをパターン化してブロックセレクトトランジスタのゲートを形成するので、ブロックセレクトトランジスタのゲートがその連結領域を横切る場合でもブロックセレクトトランジスタのゲートとその連結領域の拡散層との間に増速酸化によって、ゲート酸化膜よりも厚い酸化膜を作ることができ、ブロックセレクトトランジスタのゲートと拡散層との間の絶縁性を確保できる。
また、ブロックセレクトトランジスタとメモリ拡散層を結ぶ拡散層上をコントロールゲート同士を接続する導電体が横切る領域が存在する場合、その領域にはフローティングゲートの下のゲート酸化膜を形成するためのゲート酸化の前にイオン注入を行なっておくようにすれば、コントロールゲート同士を接続する導体と拡散層の間に、増速酸化によって、ゲート酸化膜よりも厚い絶縁膜を作ることができるので、コントロールゲートを接続する導体と拡散層の間の絶縁性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】スプリットゲート型メモリ構造を示す概略図である。
【図2】従来のメモリアレイでのフィールドおよび拡散層を示す平面図である。
【図3】図2のメモリアレイのビットライン方向での断面図である。
【図4】従来のメモリ領域内でコンタクト上にスルーホールを形成しようとした場合の断面図である。
【図5】メタルビットラインを下層、メタルワードラインを上層とした場合の従来の装置のビットライン方向の断面図である。
【図6】一実施例を示す回路図である。
【図7】同実施例の動作条件を示す回路図と図表である。
【図8】同実施例の平面図である。
【図9】 本発明の製造方法における素子分領域形成とコントロールゲート同士を接続する領域へのイオン注入工程を示す図である。
【図10】本発明の製造方法におけるコントロールゲートとフローティングゲートを形成する工程を示す図である。
【図11】本発明の製造方法におけるメモリ拡散領域と、メモリ拡散領域とブロックセレクトトランジスタとなる領域を結ぶ領域とにイオン注入する工程を示す図である。
【図12】本発明の製造方法におけるセレクトゲートとブロックセレクトトランジスタのゲートを形成する工程を示す図である。
【図13】本発明の製造方法におけるブロックセレクトトランジスタのソースおよびドレインを形成する工程を示す図である。
【図14】本発明の製造方法におけるブロックセレクトトランジスタのドレイン部分その他の部分のコンタクトホールを形成する工程を示す図である。
【図15】本発明の製造方法における金属層パターン化を形成する工程を示す図である。
【図16】本発明の製造方法におけるブロックセレクトトランジスタのドレイン部分にスルーホールを形成する工程を示す図である。
【図17】本発明の製造方法におけるメタルビットラインを形成を形成する工程を示す図である。
【符号の説明】
1,32 フローティングゲート
2,3,33 コントロールゲート
7,38 ソース拡散領域
8,39 ドレイン拡散領域
9,10,37,40 ブロックセレクトトランジスタ
11,12,73 メタルビットライン
33a,33b コントロールゲート間を接続するパターン
34 セレクトゲート
35 ブロックセレクトトランジスタのゲート
36,41 コンタクトホール
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor memory device called a split gate type used for an EEPROM or a flash EEPROM, and a manufacturing method thereof. In particular, the semiconductor memory device of the present invention is suitable for use in fields where high-speed and large-capacity information recording is required.
[0002]
[Prior art]
The flash memory has achieved significant integration by omitting the single bit erase function of the EEPROM. Therefore, in most cases, the erase unit of the flash memory is a certain area (referred to as a block in this specification) or a batch erase of the entire chip. In recent years, flash memory has been dramatically increased in density, and thus, a larger capacity has been realized. On the other hand, a higher density and larger capacity tend to have a larger erase block.
[0003]
The flash memory was mainly used as a replacement for UV-EPROM at first, and the size of the erase block was not a problem. However, when considering other applications, it has become necessary that the erase block can be made small and can be set to an arbitrary size as required.
[0004]
There is a flash memory described in US Pat. No. 5,280,446. The memory device employs a buried diffusion layer method using a diffusion layer as a method of connecting each memory cell, and enables high integration. However, in this method, since a diffusion layer having a large capacitance is used for the bit line of the memory, the reading speed is reduced, and this is particularly noticeable when a large-capacity memory is configured.
[0005]
In such a buried diffusion layer type flash memory, the CR product of the bit line (source / drain diffusion layer) by the diffusion layer and the capacitance C and the resistance R of the word line by polysilicon is a factor that determines the cell access time. Become one. For this reason, the access time is improved by providing a plurality of contact holes on the bit lines or word lines and connecting them to metal lines to reduce the resistance. For this reason, it is necessary to form at least two metal layers on the memory region.
[0006]
FIG. 1 shows an outline of this split gate type memory structure. A band-like source 109 and drain 108 are formed in the bit line direction, and a band-like control gate 105 is also arranged close to the drain side therebetween. That is, the control gate 105 is close to the drain 108 and is spaced from the source. A band-shaped select gate 106 is formed in the word line direction perpendicular to the control gate 105. A memory channel 102 exists in the substrate under the control gate 105 via a floating gate, and a channel 101 of a select transistor exists between the memory channel 102 and the source 109. The channels 101 and 102 are separated by an island-shaped field oxide film 107 in the bit line direction.
[0007]
In memory, most patterns are usually formed with the minimum value of the processing limit. For this reason, in the memory shown in FIG. 1, the size 103 in the word line direction per bit where two channel regions exist is larger than the size 104 of the bit line per bit.
[0008]
FIG. 2 shows the state of the field and the diffusion layer in the memory array. The source diffusion layers 121 and the drain diffusion layers 122 are alternately arranged, and a channel region 125 in which a memory is formed is provided between them. An island-like field oxide film 124 is formed for element isolation in the bit line direction of the channel region 125. Is formed. In the source / drain diffusion layers 121 and 122, contact holes 123 are formed alternately for a plurality of bits and alternately between the source and the drain, and the bit line resistance is lowered by connecting to the upper metal bit line. Although not shown in the figure, the select gate is provided with contact holes at both ends of the array and connected to the metal layer to reduce the word line resistance.
[0009]
FIG. 3 shows a cross-sectional view of the memory array in the bit line direction (vertical direction in FIG. 2). In this figure, reference numeral 134 denotes a polysilicon-metal interlayer insulating film, which insulates the floating gate 130, the control gate 105 and the select gate 106 from each other. A source or drain contact 132 in the memory is formed between the memory regions 131 where a plurality of memory transistors are formed. Reference numeral 135 denotes a gate of a peripheral transistor, and 133 denotes a contact of a peripheral circuit portion.
[0010]
In FIG. 3, since the memory region 131 has three polysilicon layers, the level difference is larger than the peripheral circuit portion having one polysilicon layer. For this reason, the contact hole 132 formed close to the memory region 131 is located higher than the contact hole 133 of the peripheral circuit. However, since there is a limit to the depth of focus in the lithography process, when the memory portion is higher than the surrounding area in this way, the spatial resolution deteriorates in the steps after contact formation, and as a result, this portion In this case, the minimum processing dimension becomes large. Usually, the through hole diameter is larger than the contact hole diameter. Therefore, if the metal bit line is formed on the upper layer of the metal word line, the through hole 141 is formed on the contact in the memory region as shown in FIG. The hole pitch becomes larger. For this reason, it is impossible to form a through hole on the source / drain contact formed near the processing limit value as shown in FIG. 4, and this means that a metal bit line is formed above the metal word line. It is impossible to do. For this reason, the metal bit line must be configured as a lower layer of the metal word line.
[0011]
FIG. 5 shows the first metal layer (the lowest metal layer when the metal layer is multi-layered) in the metal bit line, and the second metal layer (multi-metal layer in the metal word line). It is sectional drawing of the bit line direction at the time of setting it as the structure of the 2nd metal layer from the bottom in the case of becoming. As shown in FIG. 1, this device has a pitch 104 in the bit line direction narrower than a pitch 103 in the word line direction. For this reason, the pitch 151 of the second metal layer shown in FIG. 5 is larger than the pitch 104 of the memory in the bit line direction.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
Conventionally, memory cells connected to one metal bit line are erased all at once. Therefore, an erase block can be set only in units of metal bit lines, and the erase block size can be set freely. There were few.
In a flash memory, charges in the floating gate are released by UV light at the end of the process (hereinafter referred to as UV erasure). This UV erasure is very important in making a reference signal in a readout circuit and analyzing process data. However, when UV erasure is performed when the arrangement pitch of the metal word line and the select gate is different as shown in FIG. 5, bits that are not UV-erased every several bits are generated due to the shadow of the metal word line.
[0013]
In addition, when the first metal layer is used for the metal bit line as shown in FIG. 5, the distance between the select gate and the metal bit line is short, so the capacitance between the two controls the read speed. It became one of.
[0014]
The first object of the present invention is to increase the degree of freedom in setting the erase block size.
A second object of the present invention is to prevent the formation of bits that are not UV erased by shadows on metal word lines.
The third object of the present invention is to prevent the reading speed from being suppressed due to the capacitance between the select gate and the metal bit line.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is a semiconductor memory device having a memory matrix in which split gate type memory cells are arranged in a matrix, and the memory matrix is set regardless of the area of the memory cell selected by the metal bit line. It has a plurality of memory areas as blocks, and the memory diffusion layer is divided and formed so that both the source and drain are independent for each block, and each memory diffusion layer is connected to a metal bit line via a block select transistor. The control gates are also divided and formed so as to be independent for each block.
Thereby, the erase block size can be set regardless of the number of memory cells connected to the metal bit line, and a large degree of freedom can be given to the setting of the erase block size.
[0016]
Since the block select transistor is interposed between the bit line contact hole forming portion and the memory portion, the distance between the contact hole and the memory cell is increased. Since the memory cell portion has a three-layer poly-thincon structure, the level difference is large. However, the step size is reduced by moving away from the memory cell, and the diameter of the contact hole or through hole formed in that portion is reduced as in the peripheral circuit portion. be able to.
[0017]
The semiconductor memory device of the present invention includes the following steps (A) to (D).
(A) a step of forming an element dividing region on a semiconductor substrate;
(B) After performing the gate oxidation, the floating gate for each memory cell arranged on the gate oxide film with the length in the channel length direction being shorter than the distance between the source and the drain and being close to the drain side; Forming a stack gate comprising a control gate formed on an insulating film on the top;
(C) Ion implantation into a memory diffusion region independent for each block and a region connecting the memory diffusion region and a region that becomes a block select transistor in the block;
(D) A step of forming a block select transistor in the area of the block select transistor.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the semiconductor memory device of the present invention, the memory cells arranged adjacent to each other with the memory diffusion layer interposed therebetween are arranged in line targets with respect to the respective memory diffusion layers.
The memory matrix has a plurality of memory regions as blocks set independently of the memory cell region selected by the metal bit line, a memory diffusion layer is formed for each block in both source and drain, and each memory The diffusion layer is connected to the metal bit line via a block select transistor arranged between adjacent select gates of blocks adjacent in the bit line direction, and the control gate is also divided so that each block is independent. The control gates formed on both sides of the drain are electrically connected so that they are always at the same potential to form a control gate pair, and adjacent control gate pairs are connected to each other. Instead, every other pair of control gates is connected and controlled. It is preferred that Rugeto pairs are summarized into two blocks. As a result, the write operation can be performed without applying stress due to the half-selected state to the adjacent bits.
[0019]
When the conductor connecting the control gate pairs crosses the diffusion layer connecting the block select transistor and the memory diffusion layer, ion implantation is performed in that region before the gate oxidation in the step (B).
The impurity concentration of the source / drain of the block select transistor is preferably the same as the impurity concentration of the source / drain of the peripheral transistor.
[0020]
It is preferable that the gate electrode of the block select transistor on the source side of the memory diffusion layer and the gate electrode of the block select transistor on the drain side are arranged at positions off one straight line. As a result, the block select transistor can be widened to allow a large current to flow. This contributes to an increase in reading speed.
[0021]
The metal bit line connected to the memory diffusion layer via the block select transistor is a strip-shaped metal layer parallel to the memory diffusion layer and at the same interval as the memory diffusion layer, and an insulating layer is provided above the memory diffusion layer. A metal word line is connected to the select gate, but the metal word line is made of a metal layer formed in a strip shape in parallel with the select gate and at the same interval as the select gate. The metal word line and the select gate are electrically connected by a contact hole located on the extension line of the select gate, and the metal word line is formed below the metal bit line. It is preferable that As a result, the capacitance between the select gate and the metal bit line is reduced, and the signal reading speed is improved. In addition, since the pitch between the metal layer on the memory and the memory is the same in both the word line direction and the bit line direction, there is no bit shadowing the metal layer, and all bits can be UV erased.
[0022]
The control gate is also divided into blocks. Therefore, at least two contact holes are formed on the control gate in the block, and a strip-shaped metal layer parallel to the word line is formed on the control gate via an insulating film. The metal layer is formed by the contact hole. It is preferably connected to a control gate. Thereby, the resistance of the control gate can be reduced, and the signal reading speed can be improved.
[0023]
The gate electrode of the block select transistor is formed of a polysilicon layer so as to be common to a plurality of block select transistors within the block. Therefore, at least two contact holes are formed on the common polysilicon layer, and a strip-shaped metal layer parallel to the word line is formed on the polysilicon layer via an insulating film. The contact hole is preferably connected to the polysilicon layer. Thereby, the gate resistance of the block select transistor can be reduced, and the signal reading speed can be improved.
[0024]
【Example】
FIG. 6 shows one block of the memory matrix in one embodiment. A plurality of split gate type memory cells 1 having a floating gate, a control gate, and a select gate are connected in parallel by memory diffusion layers 7 and 8 in the block, and each source and drain are shared in a matrix. Arranged in a shape. The memory diffusion layers 7 and 8 are formed independently for each block, and are connected to the metal bit lines 11 and 12 via block select transistors 9 and 10, respectively. The memory cells 1 arranged adjacent to each other with the memory diffusion layers 7 and 8 interposed therebetween are arranged as line targets with respect to the respective memory diffusion layers 7 or 8.
[0025]
Control gates 2 and 3 on both sides of the drain 8 are electrically connected to form a control gate pair 4. Also, the control gate pairs 4 are not connected to the adjacent control gate pair 5 but are connected to each other, such as one control gate pair 6 and another control gate pair 14. Similarly, the control gate pair 5 adjacent to the control gate pair 4 is also connected to every other control gate pair 13, 15. As a result, the write operation can be performed without applying stress due to the half-selected state to the adjacent bits. All the connections between these control gate pairs are made within the block, and no direct electrical connection is made with the other blocks.
[0026]
FIG. 7 shows an example of operating conditions of this embodiment. Read L1 & L2 indicates a voltage condition when reading data in the memory cells L1 and L2 in the figure. Here, all units are volts (V), and F means open. Erase indicates that all memories in the block are erased, and PGM means writing to each memory cell.
[0027]
Next, FIG. 8 shows a schematic plan view when this circuit is manufactured on a semiconductor substrate.
A floating gate 32 whose length in the channel length direction is shorter than the distance between the source diffusion layer 38 and the drain diffusion layer 39 is arranged close to the drain side, and a strip-shaped polysilicon control gate 33 is provided above the drain gate. The diffusion layer 39 is arranged in parallel. The source diffusion layer 38 and the drain diffusion layer 39 are shared between a pair of memory cells arranged so as to sandwich the source diffusion layer 38 and the drain diffusion layer 39, and the memory cells are arranged in line targets for both the source diffusion layer 38 and the drain diffusion layer 39. Has been. In the control gate 33, adjacent memory cells sandwiching one drain are connected by polysilicon layers 33a and 33b to form a pair, and every other pair of control gates is connected to each other. The control gate 33 is formed as an independent pattern for each block.
[0028]
A select gate 34 made of a strip-like polysilicon layer extending in a direction orthogonal to the control gate 33 is disposed.
The source diffusion layer 38 and the drain diffusion layer 39 that are memory diffusion layers are formed independently for each block. The source diffusion layer 38 and the drain diffusion layer 39 are connected to block select transistors 40 and 37, respectively, and are connected to a metal bit line (not shown) through contact holes 41 and 36.
[0029]
The gates 35 of the block select transistor 40 for the source diffusion layer 38 and the block select transistor 37 for the drain diffusion layer 39 are not arranged on one straight line but are shifted. As a result, a wider transistor width (channel width) can be ensured than when arranged on a straight line, and thus a larger amount of current can be secured, which leads to an increase in reading speed.
[0030]
Next, the manufacturing process of the present invention will be described with reference to FIGS.
(A) First, field oxidation is performed on a P-type silicon substrate to form an active region 50 in which a memory cell, a block select transistor, a peripheral transistor, and a diffusion layer are formed. 51 is formed (FIG. 9).
Next, arsenic is implanted by ion implantation into a region 53 where polysilicon layers 33a and 33b (see FIG. 8) connecting the control gates in the active region 50 intersect.
[0031]
(B) Next, gate oxidation is performed on the entire surface, and then polysilicon film to be the floating gate 32 is formed. After the floating gate is etched into a strip shape that is separated in a direction perpendicular to the bit line, an interpolysilicon insulating film is formed, and further, a polysilicon film to be the control gate 33 is formed.
Further, the floating gate polysilicon layer / polysilicon insulating layer / control gate polysilicon layer are simultaneously etched in a strip shape in the direction parallel to the bit line, thereby forming the floating gate 32 and the control gate 33 independent for each block. Form. At this time, the control gate polysilicon layer is etched so that adjacent control gates sandwiching the drain form an electrically connected pair and every other pair is connected in the block. To form polysilicon layer patterns 33a and 33b (FIG. 10).
[0032]
(C) Next, arsenic is implanted into the memory diffusion regions of the memory source portion 38 and the drain portion 39 and the region 57 connecting these memory diffusion regions and the block select transistor region 60 by ion implantation. Inject (FIG. 11).
At this time, in the region where the polysilicon layer patterns 33a and 33b connecting the control gate are present on the region 57, the polysilicon layer patterns 33a and 33b become a mask, and arsenic is not implanted into the region 57. However, in this region, as described above with reference to FIG. 9, since arsenic is implanted in advance, the electrical connection between the memory diffusion layer and the block select transistor is maintained.
In this region, since arsenic is implanted before gate oxidation, a speed-up oxide film thicker than the gate oxide film is formed, so that electrical insulation between the diffusion layer and the control gate can be ensured.
[0033]
(D) Next, an oxide film sidewall is formed on the control gate sidewall by self-alignment, and then gate oxidation is performed again on the entire wafer surface to form a polysilicon layer.
Next, this polysilicon layer is patterned to form a select gate 34, a gate 35 of a block select transistor, and a gate (not shown) of a peripheral transistor (FIG. 12).
[0034]
(E) Next, arsenic is implanted into the block select transistor region 60 and the peripheral transistor source / drain regions (not shown), and the source and drain of the block select transistor and peripheral transistor (not shown) are connected. Form (FIG. 13).
In the region 64 where the gates of the other block transistors intersect on the diffusion region connecting the block select transistor and the memory diffusion region, arsenic is implanted in advance before the second gate oxidation. Since a speed-up oxide film thicker than the gate oxidation is formed between the silicon layer and the diffusion layer by the second gate oxidation, the electrical insulation between the gate and the diffusion layer can be ensured.
[0035]
(F) Next, a metal-polysilicon insulating film is formed on the entire surface, contact holes 36 and 41 are formed in the drain portion of the block select transistor, contact hole 66 is formed on the select gate, contact hole 67 is formed on the control gate, and the block select transistor. A contact hole 68 is formed on the gate (FIG. 14).
At this time, since the contact holes 36 and 41 have block select transistors, the distance from the memory becomes larger than when there is no block select transistor. For this reason, since the distance from the high step portion becomes large, the film thickness of the metal-polysilicon insulating film becomes the same as that of the peripheral circuit portion. Since the contact hole formed in this portion deviates from the depth of focus at the time of photography when the insulating film is thick, the contact hole diameter has to be larger than the surroundings. However, in the present invention, since the metal-polysilicon insulating film has the same thickness as that of the peripheral portion, this depth of focus problem is eliminated and the diameter of the contact hole in the peripheral circuit portion can be made the same.
[0036]
(G) Next, a metal layer made of an Al alloy is formed on the entire surface, the metal layer is patterned, and a strip-shaped metal that has the same pitch as the select gate and is parallel to the select gate immediately above the select gate. A layer pattern 69 is formed and connected to the select gate through the contact hole 66. In addition, a strip-like pattern parallel to the word line direction is simultaneously formed by the metal layer and connected to the control gate through the contact hole 67. Further, a strip-like pattern parallel to the word line direction is simultaneously formed by the metal layer and connected to the gate of the block select transistor through the contact hole 68 (FIG. 15).
At this time, since the metal layer 69 is the lowermost layer in the multilayer metal layer, the minimum processing dimension can be made smaller than that of the upper metal layer. Therefore, even the metal layer 69 having a stripe shape perpendicular to the bit line direction, which is the short direction of the memory, can be processed at the same pitch as that of the memory.
[0037]
(H) Next, a metal-metal insulating film is formed on the entire surface, and a through hole 72 is formed in the drain portion of the block select transistor (FIG. 16). As described above, the metal-polysilicon insulating film in the portion where the through hole 72 is formed has the same thickness as the peripheral circuit portion. For this reason, since the height when the through hole 72 is formed is also the same as that of the peripheral portion, the through hole diameter can be made the same as that of the peripheral circuit portion.
[0038]
(I) Next, a metal layer made of an Al alloy is formed on the entire surface, and a band-shaped metal bit line 73 having the same source / drain pitch as the memory and parallel to the bit line direction is formed. Through hole 72, contact hole The drains of the block select transistors are connected via 36 and 41 (FIG. 17).
Here, the metal bit line 73 is a connection portion with the through hole 72, and it is necessary to provide a certain overlap with respect to the through hole 72 in consideration of a mask alignment margin at the time of lithography. Conventionally, when trying to form a through-hole in this part, the metal-polysilicon insulating film is thick, so it is out of focus depth during lithography, so it is necessary to make the through-hole diameter larger than the peripheral circuit part. there were. The metal bit lines 73 could not be formed at the same pitch as the memory cycle using the second layer metal whose minimum processing dimension is larger than that of the first layer metal from the lower layer.
However, since the through hole can be reduced to the same diameter as the peripheral circuit portion in the present invention, the metal bit line 73 can be formed at the same pitch as the memory pitch even if the second layer metal is used.
[0039]
【The invention's effect】
In the present invention, a memory matrix in which split-gate memory cells are arranged in a matrix is divided into a plurality of blocks, and the memory diffusion layer is formed so that both the source and drain are divided independently for each block. Therefore, the erase block size can be set regardless of the number of memory cells connected to the metal bit line, and a large degree of freedom can be given to the setting of the erase block size.
Since each memory diffusion layer is connected to a metal bit line via a block select transistor, the block select transistor is interposed between the bit line contact hole forming portion and the memory portion, and the contact hole The distance between the memory cell and the memory cell increases. Since the memory cell portion has a three-layer poly-thincon structure, the level difference is large. However, the step size is reduced by moving away from the memory cell, and the diameter of the contact hole or through hole formed in that portion is reduced as in the peripheral circuit portion. be able to.
[0040]
Control gates arranged on both sides of the memory diffusion layer on the side where the floating gate is formed are electrically connected so that they are always at the same potential to form a control gate pair. Since the matched control gate pairs are not connected to each other, and every other control gate pair is connected, the write operation can be performed without applying stress due to the half-selected state to the adjacent bits.
Since the source / drain of the block select transistor and the memory diffusion layer are formed in separate steps, both can be optimized.
If the gate electrode of the block select transistor on the source side of the memory diffusion layer and the gate electrode of the block select transistor on the drain side are arranged at positions off one straight line, the width of the block select transistor is increased and a large current is generated. This contributes to an increase in reading speed.
[0041]
Metal bit lines are formed in a strip-shaped metal layer parallel to the memory diffusion layer and at the same interval as the memory diffusion layer, and metal word lines are formed in a strip shape parallel to the select gate and at the same interval as the select gate. If the metal word line is formed below the metal bit line, the capacitance between the select gate and the metal bit line is reduced, and the signal reading speed is improved. In addition, since the pitch between the metal layer on the memory and the memory is the same in both the word line direction and the bit line direction, there is no bit shadowing the metal layer, and all bits can be UV erased.
If the block is connected to the metal layer via at least two contact holes on the control gate, the resistance of the control gate can be reduced and the signal reading speed can be improved.
If the common gate in the block of the block select transistor is connected to the metal layer through at least two contact holes, the gate resistance of the block select transistor can be reduced and the signal reading speed can be improved. .
[0042]
In the manufacturing method of the present invention, ions are implanted into the connection region connecting the memory diffusion region and the region to be the block select transistor, and after the gate oxidation of the block select transistor, a polysilicon layer is formed, and then the pattern is formed. Since the gate of the block select transistor is formed, even if the gate of the block select transistor crosses the connection region, the gate oxide film is formed by accelerated oxidation between the gate of the block select transistor and the diffusion layer of the connection region. A thick oxide film can be formed, and insulation between the gate of the block select transistor and the diffusion layer can be secured.
In addition, when there is a region where the conductor connecting the control gates crosses over the diffusion layer connecting the block select transistor and the memory diffusion layer, gate oxidation for forming a gate oxide film under the floating gate is present in that region. If ion implantation is performed before the step, an insulating film thicker than the gate oxide film can be formed between the conductor connecting the control gates and the diffusion layer by accelerated oxidation. It is possible to ensure insulation between the conductor connecting the and the diffusion layer.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a split gate type memory structure.
FIG. 2 is a plan view showing a field and a diffusion layer in a conventional memory array.
3 is a cross-sectional view of the memory array of FIG. 2 in the bit line direction.
FIG. 4 is a cross-sectional view when a through hole is to be formed on a contact in a conventional memory region.
FIG. 5 is a cross-sectional view in the bit line direction of a conventional device when a metal bit line is a lower layer and a metal word line is an upper layer.
FIG. 6 is a circuit diagram showing an embodiment.
FIG. 7 is a circuit diagram and a table showing operating conditions of the embodiment.
FIG. 8 is a plan view of the same embodiment.
FIG. 9 is a diagram showing a process of forming an element region and an ion implantation step into a region connecting control gates in the manufacturing method of the present invention.
FIG. 10 is a diagram showing a process of forming a control gate and a floating gate in the manufacturing method of the present invention.
FIG. 11 is a diagram showing a step of ion implantation into a memory diffusion region and a region connecting the memory diffusion region and a region to be a block select transistor in the manufacturing method of the present invention.
FIG. 12 is a diagram showing a process of forming a select gate and a gate of a block select transistor in the manufacturing method of the present invention.
FIG. 13 is a diagram showing a process of forming a source and a drain of a block select transistor in the manufacturing method of the present invention.
FIG. 14 is a diagram showing a step of forming a contact hole in the drain portion and other portions of the block select transistor in the manufacturing method of the present invention.
FIG. 15 is a diagram showing a step of forming a metal layer patterning in the manufacturing method of the present invention.
FIG. 16 is a diagram showing a step of forming a through hole in the drain portion of the block select transistor in the manufacturing method of the present invention.
FIG. 17 is a diagram showing a process of forming a metal bit line in the manufacturing method of the present invention.
[Explanation of symbols]
1,32 floating gate
2,3,33 Control gate
7,38 Source diffusion region
8,39 Drain diffusion region
9, 10, 37, 40 Block select transistor
11, 12, 73 Metal bit line
33a, 33b Pattern to connect between control gates
34 Select Gate
35 Block Select Transistor Gate
36, 41 Contact hole

Claims (8)

第1の導電型を有するシリコン基板に、互いに平行に、かつ交互に帯状に形成された第2の導電型を有するソース・ドレイン領域となるメモリ拡散層を有し、チャネル長方向の長さがソース・ドレイン間隔よりも短かく、フローティングゲートとなる第1の導電体が、ソース・ドレイン間のシリコン基板上に第1の絶縁体を介して、ドレイン側に寄せられてメモリセルごとに形成されており、第1の導電体の真上には、絶縁体を介してコントロールゲートとなる第2の導電体が、帯状に、かつソース・ドレインに対して平行で、複数のメモリセルに共通に形成されており、かつ、第2の導電体と直交する方向に帯状に形成されたセレクトゲートとなる第3の導電体をもつメモリセルがマトリクス状に配置され、各メタルビットラインにより1群ずつのメモリセルが選択されるようになっているメモリマトリクスを備えた半導体記憶装置において、
前記メモリマトリクスは前記メタルビットラインにより選択されるメモリセルの領域とは無関係に設定されたブロックとしてのメモリ領域を複数個有し、
前記メモリ拡散層はソース、ドレインともに各ブロックごとに形成され、かつ各メモリ拡散層は、ビットライン方向に隣接するブロック同士の隣接するセレクトゲート間に配置されたブロックセレクトトランジスタを介して、前記メタルビットラインに接続されており、コントロールゲートも各ブロックごとに独立するように分割されて形成されており、
前記メモリセルはビットライン方向と交差する方向に隣接するメモリセル同士が互いにソース又はドレインとなるメモリ拡散層を共有しており、
ドレインの両脇に配置されているコントロールゲート同士が常に同電位となるように電気的に接続されてコントロールゲート対を形成しており、ビットライン方向と交差する方向に隣り合ったコントロールゲート対同士が接続されず、一つ置きのコントロールゲート対同士が接続されてコントロールゲート対がブロック内で2つにまとめられていることを特徴とする半導体記憶装置。
A silicon substrate having a first conductivity type has a memory diffusion layer serving as a source / drain region having a second conductivity type formed in parallel and alternately in a strip shape, and has a length in the channel length direction. A first conductor, which is shorter than the source-drain interval and serves as a floating gate, is formed on each silicon cell between the source and the drain on the silicon substrate via the first insulator via the first insulator. A second conductor serving as a control gate via an insulator is directly above the first conductor, and is in a strip shape and parallel to the source / drain, and is common to a plurality of memory cells. Memory cells having a third conductor which is formed and is formed in a strip shape in a direction perpendicular to the second conductor and serving as a select gate are arranged in a matrix, and each metal bit line 1 In the semiconductor memory device having a memory matrix in which memory cells of each is adapted to be selected,
The memory matrix has a plurality of memory areas as blocks set independently of the area of the memory cells selected by the metal bit lines,
The memory diffusion layer is formed for each block in both source and drain, and each memory diffusion layer is connected to the metal via a block select transistor disposed between adjacent select gates of blocks adjacent in the bit line direction. It is connected to the bit line, and the control gate is also divided and formed to be independent for each block,
The memory cells share a memory diffusion layer in which memory cells adjacent to each other in a direction crossing the bit line direction serve as a source or a drain,
Control gates arranged on both sides of the drain are electrically connected so as to always have the same potential to form a control gate pair, and the control gate pairs adjacent to each other in the direction crossing the bit line direction Are connected, every other control gate pair is connected, and the control gate pair is grouped into two in the block.
ブロックセレクトトランジスタのソース・ドレインの不純物濃度は、周辺トランジスタのソース・ドレインの不純物濃度と同じである請求項に記載の半導体記憶装置。2. The semiconductor memory device according to claim 1 , wherein the impurity concentration of the source / drain of the block select transistor is the same as the impurity concentration of the source / drain of the peripheral transistor. メモリ拡散層のソース側のブロックセレクトトランジスタのゲート電極と、ドレイン側のブロックセレクトトランジスタのゲート電極は、一つの直線上から外れた位置に配置されている請求項1又は2に記載の半導体記憶装置。3. The semiconductor memory device according to claim 1 , wherein the gate electrode of the block select transistor on the source side of the memory diffusion layer and the gate electrode of the block select transistor on the drain side are arranged at positions off one straight line. . メタルビットラインはメモリ拡散層に平行でメモリ拡散層と同一の間隔で、帯状の金属層にてなり、メモリ拡散層の上層に絶縁層を介して配置されており、かつメタルビットラインとブロックセレクトトランジスタとはメモリ拡散層の延長線上に配置されたコンタクトホールによって電気的に接続されており、
セレクトゲートに平行でセレクトゲートと同一の間隔で、帯状に形成された金属層にてなるメタルワードラインが、セレクトゲートの上層に絶縁層を介して配置されており、かつメタルワードラインとセレクトゲートは、セレクトゲートの延長線上に配置されたコンタクトホールによって電気的に接続されており、
かつメタルワードラインがメタルビットラインよりも下層に形成されている請求項1からのいずれかに記載の半導体記憶装置。
The metal bit line is a strip-shaped metal layer parallel to the memory diffusion layer and at the same interval as the memory diffusion layer. The metal bit line is disposed above the memory diffusion layer with an insulating layer interposed therebetween. The transistor is electrically connected by a contact hole arranged on the extended line of the memory diffusion layer,
A metal word line made of a metal layer formed in a strip shape in parallel with the select gate and at the same interval as the select gate is arranged above the select gate via an insulating layer, and the metal word line and the select gate Are electrically connected by a contact hole arranged on the extension line of the select gate,
And the semiconductor memory device according to claim 1, metal word lines are formed below the metal bit lines 3.
コントロールゲート上に少なくとも2つのコンタクトホールが形成され、コントロールゲートの上層には絶縁膜を介してワードラインに平行な帯状の金属層が形成され、その金属層が前記コンタクトホールによってコントロールゲートに接続されている請求項1からのいずれかに記載の半導体記憶装置。At least two contact holes are formed on the control gate, and a strip-shaped metal layer parallel to the word line is formed on the upper layer of the control gate via an insulating film. The metal layer is connected to the control gate by the contact hole. and that the semiconductor memory device according to any one of claims 1 to 4. ブロックセレクトトランジスタのゲート電極上に少なくとも2つのコンタクトホールが形成され、前記ゲート電極の上層には絶縁膜を介してワードラインに平行な帯状の金属層が形成され、その金属層が前記コンタクトホールによって前記ゲート電極に接続されている請求項1からのいずれかに記載の半導体記憶装置。At least two contact holes are formed on the gate electrode of the block select transistor, and a strip-shaped metal layer parallel to the word line is formed on the gate electrode via an insulating film, and the metal layer is formed by the contact hole. the semiconductor memory device according to any one of claims 1-5, which is connected to the gate electrode. 以下の工程(A)から(D)を含む、請求項1に記載の半導体記憶装置の製造方法。
(A)半導体基板に素子分領域を形成する工程、
(B)ゲート酸化を行なった後、そのゲート酸化膜上にチャネル長方向の長さがソース・ドレイン間隔よりも短かく、ドレイン側に寄せられて配置されたメモリセルごとのフローティングゲートと、その上に絶縁膜を介して形成されたコントロールゲートからなるスタックゲートを形成する工程、
(C)ブロックごとに独立したメモリ拡散領域と、ブロック内でメモリ拡散領域とブロックセレクトトランジスタとなる領域を結ぶ領域とにイオン注入する工程、
(D)ブロックセレクトトランジスタの領域にブロックセレクトトランジスタを形成する工程。
The method for manufacturing a semiconductor memory device according to claim 1, comprising the following steps (A) to (D).
(A) a step of forming an element dividing region on a semiconductor substrate;
(B) After performing the gate oxidation, the floating gate for each memory cell arranged on the gate oxide film with the length in the channel length direction being shorter than the distance between the source and the drain and being close to the drain side; Forming a stack gate comprising a control gate formed on an insulating film on the top;
(C) Ion implantation into a memory diffusion region independent for each block and a region connecting the memory diffusion region and a region that becomes a block select transistor in the block;
(D) A step of forming a block select transistor in the area of the block select transistor.
ブロックセレクトトランジスタとメモリ拡散層を結ぶ拡散層上をコントロールゲート同士を接続する導電体が横切る領域が存在し、その領域には工程(B)のゲート酸化の前にイオン注入を行なっておく請求項に記載の半導体記憶装置の製造方法。A region where a conductor connecting the control gates crosses the diffusion layer connecting the block select transistor and the memory diffusion layer, and ion implantation is performed in that region before the gate oxidation in the step (B). 8. A method for manufacturing a semiconductor memory device according to 7 .
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