JP3941517B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
Semiconductor device and manufacturing method thereof Download PDFInfo
- Publication number
- JP3941517B2 JP3941517B2 JP2002007085A JP2002007085A JP3941517B2 JP 3941517 B2 JP3941517 B2 JP 3941517B2 JP 2002007085 A JP2002007085 A JP 2002007085A JP 2002007085 A JP2002007085 A JP 2002007085A JP 3941517 B2 JP3941517 B2 JP 3941517B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- film
- word line
- charge storage
- word lines
- word
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims description 129
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 59
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims description 169
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 113
- 230000015654 memory Effects 0.000 claims description 78
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 72
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 55
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 48
- 238000005036 potential barrier Methods 0.000 claims description 39
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 claims description 26
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 24
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims description 22
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims description 22
- 229910021417 amorphous silicon Inorganic materials 0.000 claims description 17
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 13
- 238000000605 extraction Methods 0.000 claims description 9
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 claims description 9
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 8
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims description 8
- 238000005121 nitriding Methods 0.000 claims description 7
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 claims description 7
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 claims description 2
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 claims description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 62
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 43
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 37
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 15
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 15
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 15
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 13
- 238000000059 patterning Methods 0.000 description 13
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N Phosphoric acid Chemical compound OP(O)(O)=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 12
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 11
- 230000008569 process Effects 0.000 description 11
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 10
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 10
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 description 9
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 8
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 7
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 7
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 7
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N Fluorane Chemical compound F KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000008859 change Effects 0.000 description 6
- 238000001312 dry etching Methods 0.000 description 6
- 235000011007 phosphoric acid Nutrition 0.000 description 6
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 6
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 6
- 101000590281 Homo sapiens 26S proteasome non-ATPase regulatory subunit 14 Proteins 0.000 description 5
- 101001114059 Homo sapiens Protein-arginine deiminase type-1 Proteins 0.000 description 5
- 102100023222 Protein-arginine deiminase type-1 Human genes 0.000 description 5
- 229910000147 aluminium phosphate Inorganic materials 0.000 description 5
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 5
- 101100123053 Arabidopsis thaliana GSH1 gene Proteins 0.000 description 4
- 101100298888 Arabidopsis thaliana PAD2 gene Proteins 0.000 description 4
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 101150092599 Padi2 gene Proteins 0.000 description 4
- 102100035735 Protein-arginine deiminase type-2 Human genes 0.000 description 4
- LPQOADBMXVRBNX-UHFFFAOYSA-N ac1ldcw0 Chemical compound Cl.C1CN(C)CCN1C1=C(F)C=C2C(=O)C(C(O)=O)=CN3CCSC1=C32 LPQOADBMXVRBNX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 4
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 4
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 4
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 4
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 4
- 238000001039 wet etching Methods 0.000 description 4
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 3
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 3
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 3
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 3
- 238000013500 data storage Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000010030 laminating Methods 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 125000004433 nitrogen atom Chemical group N* 0.000 description 2
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 230000005641 tunneling Effects 0.000 description 2
- 238000010306 acid treatment Methods 0.000 description 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 239000010419 fine particle Substances 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 1
- 239000002159 nanocrystal Substances 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 239000012466 permeate Substances 0.000 description 1
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 1
- 230000002265 prevention Effects 0.000 description 1
- 230000003252 repetitive effect Effects 0.000 description 1
- 238000007790 scraping Methods 0.000 description 1
- 238000004904 shortening Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Semiconductor Memories (AREA)
- Non-Volatile Memory (AREA)
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、互いに並行に配置された複数の配線、例えばメモリセルアレイのワード線を有した半導体装置と、その配線間距離を極限まで短くした半導体装置の製造方法とに関する。
【0002】
【従来の技術】
たとえばフラッシュEEPROM(Flash Electrically Erasable and Programmable ROM)などの不揮発性メモリ装置のワード線は、メモリトランジスタのゲート電極を兼ねて、メモリセルアレイの行方向に長く配置されている。このワード線は、また、列方向に一定距離を間において繰り返し配置されている。また、ビット線がメタルまたは多結晶珪素などをパターンニングして形成される場合、ビット線も間に距離をおいて互いに並行に配置される。
このように配置される他の配線としては、他のメモリ(他のROMやRAM)のワード線やビット線、あるいはゲートアレイのゲート線など数多く存在する。
【0003】
このような配線のパターンニングでは、導電材料を形成後に、導電材料上にレジストを塗布し、レチクルなどのフォトマスク上のパターンをレジストに転写する。そして、パターンを転写したレジストをマスクとして導電材料をエッチングしてパターンニングを行っている。
あるいは、導電材料とレジストの間に、よりエッチング耐性の強い材料を介在させ、レジストのパターンを一旦、そのエッチング耐性の強い材料の層に転写する。そして、パターンを転写したエッチング耐性の強い材料の層をマスクとして導電材料をエッチングしてパターンニングを行っている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
このような方法では、使用する光の波長に依存したフォトリソグラフィの解像限界未満でパターンニングを行うことができない。
【0005】
フォトリソグラフィの解像限界未満でパターンニングを行う方法として、いわゆる位相シフト法が知られている。
ところが、この方法による配線間距離の短縮には限界があり、極端に配線間距離を小さくすることはできない。
【0006】
したがって、たとえば従来の半導体メモリにおけるワード線は、ワード線幅と同程度のスペース幅を有した平行ストライプ状に形成されることが一般的であった。このため、列方向にスペースの無駄があり、これがビットコスト低減を阻害する一つの要因であった。
このように配線ピッチから面積縮小が制約される課題は、基本的に、メモリ装置の他の配線、ゲートアレイの配線など、微細な繰り返し配線パターンが多い半導体装置一般に共通する。
【0007】
本発明の第1の目的は、従来に比べ大幅に近い距離で配置することができる分離構造の複数の配線を含む半導体装置を提供することにある。
本発明の第2の目的は、従来に比べ大幅に近い距離で互いに分離しながら複数の配線を形成することができる半導体装置の製造方法を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明の第1の観点に係る半導体装置は、行列状に配置された複数のメモリトランジスタと、同一行内のメモリトランジスタのゲート電極を兼用し、行方向に長く列方向に間隔をおいて繰り返し配置された複数のワード線と、を有し、上記複数のワード線の間に絶縁 膜が形成されてワード線同士が絶縁分離され、上記ワード線の離間寸法が上記絶縁膜の膜厚で規定され、ワード線間の上記絶縁膜が、複数の膜からなり電荷蓄積能力を有した電荷蓄積膜と、上記ワード線の一つおきに、ワード線の表面に形成された熱酸化膜とを含む。
【0009】
本発明の第2の観点に係る半導体装置は、行列状に配置された複数のメモリトランジスタと、同一行内のメモリトランジスタのゲート電極を兼用し、行方向に長く列方向に繰り返された複数のワード線と、を有し、隣接する2つの上記ワード線が、一方のワード線の側面に形成され断面が略1/4楕円形状のサイドウォール絶縁層と、上記サイドウォール絶縁層と上記ワード線との間に形成され、上記サイドウォール絶縁層と上記ワード線との離間方向の寸法が膜厚で規定されている絶縁膜と、によって分離され、上記複数のワード線は、垂直の側面あるいは順テーパの断面形状を有し、上記サイドウォール絶縁層が2つの側面に対し形成されている第1形状のワード線と、列方向において上記第1形状のワード線と交互に配置され、少なくとも上端部が上記サイドウォール絶縁層の形状を反映して逆テーパである第2形状のワード線と、を含み、上記第1形状のワード線と半導体との間、上記第2形状のワード線と半導体との間、上記第1形状のワード線と上記サイドウォール絶縁層との間、および、上記第2形状のワード線と上記サイドウォール絶縁層との間に、内部に電荷蓄積手段を含む電荷蓄積膜が形成され、上記第1形状のワード線側の上記電荷蓄積膜と上記サイドウォール絶縁層との間に熱酸化膜が形成されている。
【0010】
これら第1および第2の観点に係る半導体装置は、ワード線が複数、互いに平行に一方に長く配置されている。ここで、一方に長く配置とは、配線が必ずしも直線である必要はなく、同じ方向に向かって例えば蛇行している場合も含む。
ワード線間は、ワード線間距離を膜厚とするように介在した絶縁膜、例えば内部に電荷蓄積手段を含む電荷蓄積膜等により分離されている。また、複数のワード線の1本おきのワード線(例えば第1形状のワード線)に熱酸化膜が形成されている。さらに、特に第2の観点では、ワード線間の一方の側面に形成されたサイドウォール絶縁層によりワード線間が分離されている。
【0011】
これらの半導体装置では、ワード線間の距離が絶縁膜の膜厚および/またはサイドウォール絶縁層の幅によって決まるため、ワード線の配線幅に比べ配線間距離が大幅に小さい。絶縁膜として、メモリトランジスタの電荷蓄積能力を有した電荷蓄積膜を、1つおきの配線の側壁と上面に延在させて用い得る。
【0012】
本発明の第3の観点に係る半導体装置の製造方法は、半導体上に行列状に配置された複数のメモリトランジスタと、同一行内のメモリトランジスタのゲート電極を兼用し、行方向に長く列方向に繰り返し配置された複数のワード線とを有し、上記複数のワード線の間に絶縁膜が形成されてワード線同士が絶縁分離され、上記絶縁膜の、上記ワード線の離間方向の寸法が膜厚で規定されている半導体装置の製造方法であって、複数の膜からなり電荷蓄積能力を有した第1電荷蓄積膜と第1ワード線との積層パターンを、所定間隔で互いに平行に半導体上に形成する工程と、上記第1ワード線間に表出した半導体表面領域をエッチングする工程と、上記第1ワード線の表面および上記第1ワード線間に表出した半導体領域上に、複数の膜からなり電荷蓄積能力を有した第2電荷蓄積膜を形成する工程と、上記第1ワード線間それぞれに、少なくとも一部が上記第1ワード線間に第2電荷蓄積膜を介在させた状態で埋め込まれた第2ワード線を形成する工程とを含む。
【0013】
本発明では好適に、上記第1電荷蓄積膜と上記第2電荷蓄積膜の形成工程それぞれが、半導体の表面を熱酸化して第1の電位障壁膜を形成する工程と、上記第1の電位障壁膜を窒化し、或いは、上記第1の電位障壁膜の上に窒化膜を形成する工程と、を含み、上記第1ワード線の形成工程が、単結晶珪素からなる上記半導体上に上記第1電荷蓄積膜を形成する工程と、上記第1電荷蓄積膜の上に多結晶珪素または非晶質珪素からなり第1ワード 線となる導電膜を形成する工程と、上記導電膜と上記第1電荷蓄積膜とを同一パターンにて連続してエッチングする工程とを含む。
【0014】
更に好適に、上記半導体表面領域のエッチングでは、上記第1ワード線間に表出する単結晶珪素の上に犠牲酸化膜を形成し、上記犠牲酸化膜を除去することにより、犠牲酸化時に消費された単結晶珪素の表面層を除去する。
【0015】
本発明では好適に、上記第2ワード線の形成後に、上記第1ワード線の少なくとも一方の端部に対して、選択的に、上記第2ワード線の材料が除去される条件でオーバーエッチングを行う工程をさらに含む。
【0016】
更に好適に、上記第1および第2ワード線の形成工程では、上記第1,第2ワード線がメモリセルアレイの外側に延び、ワード線の配線方向と異なる方向に屈曲し、当該屈曲部より先端側で第1ワード線と第2ワード線との配線ピッチが、上記メモリセルアレイ内の上記第1ワード線と上記第2ワード線との配線ピッチより大きく設定され、当該配線ピッチが大きい側の端部にそれぞれ電極取り出し部を有し、かつ、第1ワード線の電極取り出し部が第2ワード線の電極取り出し部より外側に配置させる。
【0017】
本発明では好適に、最も外側に位置する上記第1ワード線が存在する場合に、上記第2ワード線の形成後に、当該最も外側に位置する第1ワード線の外側の側壁周囲を開口するマスク層を形成する工程と、当該マスク層の開口部を通して、最も外側に位置する第1ワード線の側壁周囲に対して、選択的に、上記第2ワード線の材料が除去される条件でオーバーエッチングを行う工程とをさらに含む。
【0018】
本発明の第4の観点に係る半導体装置の製造方法は、半導体上に行列状に配置された複数のメモリトランジスタと、同一行内のメモリトランジスタのゲート電極を兼用し、行方向に長く列方向に繰り返された複数のワード線とを有し、隣接する2つのワード線が、その一方のワード線の側面に形成され、断面が略1/4楕円形状のサイドウォール絶縁層と、上記サイドウォール絶縁層の表面に形成された絶縁膜とによって分離された半導体装置の製造方法であって、内部に電荷蓄積手段を含む電荷蓄積膜と第1の導電膜とからなる複数の積層膜を、一定間隔で互いに平行に上記半導体上に形成する工程と、上記積層膜の2つの側面に上記サイドウォール絶縁層を形成する工程と、上記サイドウォール絶縁層の表面上および上記サイドウォール絶縁層間に露出した半導体領域上に、内部に電荷蓄積手段を含む電荷蓄積膜を再度形成する工程と、上記電荷蓄積膜の表面の凹部を埋め込むように第2の導電膜を堆積する工程と、上記第2の導電膜を表面から削って、上記サイドウォール絶縁層と上記電荷蓄積膜により分離された複数の上記ワード線を形成する工程とを含む。
【0019】
以上の述べてきた第3および第4の観点に係る半導体装置の製造方法では、おおよそ、電荷蓄積膜とワード線材料を積層させてパターンニングすることを2回繰り返すだけで高密度なワード線配置が実現される。
【0020】
【発明の実施の形態】
[第1実施形態]
第1実施形態は、バーチャルグランド(VG)型のメモリセルアレイを有した不揮発性メモリ装置に関する。
図1(A)は、本発明を適用してワード線間距離を縮小したVG型メモリセルアレイの平面図である。また、図1(B)は図1(A)のA−A線に沿った断面図、図1(C)は図1(A)のB−B線に沿った断面図である。
【0021】
図1(C)に示すように、P型の半導体基板SUB内の表面側に、N型不純物領域からなるソース・ドレイン領域S/Dが互いに離間して形成されている。ソース・ドレイン領域S/Dは、図1(A)に示すように、ビット線BL1,BL2,BL3,BL4,…を構成し、セルアレイ全体では列方向に長いラインを並行ストライプ状に配置したパターンを有する。
【0022】
ソース・ドレイン領域S/D間に挟まれた基板領域は、チャネル形成領域と称される。このチャネル形成領域は、必然的に、列方向に長い並行ストライプ状となる。
このチャネル形成領域およびソース・ドレイン領域S/Dと直交する行方向に長いワード線WL1,WL2,WL3,WL4,WL5,…が配置されている。図1(B)に示すように、偶数番目のワード線WL2,WL4,…と奇数番目のワード線WL1,WL3,WL5,…の断面形状が若干異なる。本実施形態では、偶数番目のワード線WL2,WL4,…が、電荷蓄積膜GD1を介在させた状態で半導体基板SUB上に形成されている。本実施形態においては、この偶数番目のワード線が“第1ワード線”となる。また、電荷蓄積膜GD1が、“第1電荷蓄積膜”に該当する。
【0023】
第1ワード線WL2,WL4,…の表面、第1ワード線間に表出した基板領域の表面を覆って、電荷蓄積膜GD2が形成されている。そして、この電荷蓄積膜GD2を介在させて状態で、奇数番目のワード線WL1,WL3,WL5,…が第1ワード線間に形成されている。本実施形態においては、この奇数番目のワード線WL1,WL3,WL5,…が“第2ワード線”となる。全ワード線は、この第2ワード線と、前記した第1ワード線とを交互に配置させて構成されている。また、電荷蓄積膜GD2が、“第2電荷蓄積膜”に該当する。
第1,第2ワード線の関係をさらに詳しく説明すると、第2ワード線の底面が、電荷蓄積膜GD2を介在させた状態で、第1ワード線間の半導体領域に対面している。第2ワード線の側面の殆どの部分が、電荷蓄積膜GD2を介在させた状態で、第1ワード線間の側面に対面している。また、第2ワード線の幅方向の両端部が、隣接する2つの第1ワード線の幅方向の端部それぞれに、電荷蓄積膜GD2を介在させた状態で乗り上げている。
このように、本実施形態におけるワード線は、隣接する2つのワード線間が、その離間方向の寸法が膜厚となるように介在する電荷蓄積膜GD2によって絶縁分離されている。なお、ワード線は、ドープド多結晶珪素またはドープド非晶質珪素からなる。
【0024】
本実施形態ではMONOS型メモリトランジスタを例示するので、電荷蓄積膜GD1,GD2それぞれが、いわゆるONO型の3層の膜からなる。
具体的に、電荷蓄積膜GD1,GD2は、それぞれ最下層の第1の電位障壁膜BTM、中間の電荷トラップ膜CHS、および最上層の第2の電位障壁膜TOPからなる。第1の電位障壁膜BTMは、たとえば、基板表面を熱酸化して形成された熱酸化珪素膜、熱酸化珪素膜を窒化処理してできた酸化窒化膜からなる。電荷トラップ膜CHSは、たとえば窒化珪素または酸化窒化珪素からなり、内部に離散的な電荷蓄積手段として電荷トラップを多数含む。第2の電位障壁膜TOPは、たとえば酸化珪素膜からなる。
なお、いわゆるMNOS型の場合は、第2の電位障壁膜TOPが省略され、電荷トラップ膜CHSが比較的に厚く形成される。また、いわゆるナノ結晶型の場合は、第1の電位障壁膜と酸化膜との間に、たとえば多結晶珪素からなる無数の微細粒子が離散化して埋め込まれている。
【0025】
電荷蓄積膜GD1,GD2は、トータルの厚さが二酸化珪素換算で十数nm程度である。
電荷蓄積膜GD1とGD2は、単結晶珪素(半導体基板SUB)に接する部分において、膜厚を含めた膜構造が等しくなるように形成される。ただし、電荷蓄積膜GD2の多結晶珪素または非晶質珪素(第1ワード線WL2,WL4,…)に接する部分は、単結晶珪素に接する部分より二酸化珪素換算で厚くなる。多結晶珪素または非晶質珪素の熱酸化レートが、単結晶珪素の熱酸化レートの約2倍となるからである。このため、ワード線間の絶縁特性は問題ないレベルが確保できている。
【0026】
データの書き込み時に、図1(C)に示す記憶部1に電荷注入を行う場合は、ビット線BL3に正のドレイン電圧、ビット線BL4に基準電圧を印加し、ワード線WL2に所定の正電圧を印加する。このとき、ビット線BL4を構成するソース・ドレイン領域S/Dからチャネルに供給された電子がチャネル内を加速され、ビット線BL3側で高いエネルギーを得て、第1の電位障壁膜BTMの電位障壁を越えて記憶部1に注入され、蓄積される。
記憶部2に電荷を注入する場合は、ビット線BL3,BL4間の電圧を切り替える。これにより、電子の供給側と電子がエネルギー的にホットになる側が上記の場合と反対となり、電子が記憶部2に注入される。
【0027】
データの読み出し時に、読み出し対象のビットデータが書き込まれた記憶部側がソースとなるようにビット線BL3,BL4間に所定の読み出しドレイン電圧を印加する。また、両端の記憶部にはさまれたチャネル部をオンさせ得るがメモリトランジスタの両端の記憶部のしきい値電圧を変化させない程度に低く、かつ、最適化された正の電圧をワード線WL2に印加する。このとき、読み出し対象の記憶部の蓄積電荷量、あるいは電荷の有無の違いによってチャネルの導電率が有効に変化し、その結果、記憶情報がドレイン側の電流量あるいは電位差に変換されて読み出される。
もう一方のビットデータを読み出す場合は、そのビットデータが書き込まれた記憶部側がソースとなるように、ビット線電圧を切り替えることにより、上記と同様に読み出しを行う。
【0028】
データの消去時に、チャネル形成領域とソース・ドレイン領域S/D側が高く、ワード線WL2側が低くなるように、上記データの書き込み時とは逆方向の消去電圧を印加する。これにより、記憶部の一方または双方から蓄積電荷が基板SUB側に引き抜かれ、メモリトランジスタが消去状態に戻る。なお、他の消去方法としては、ソース・ドレイン領域S/D側または基板内部の図示しないPN接合付近で発生し蓄積電荷とは逆極性を有してバンド−バンド間をトンネリングに起因して発生した高エネルギー電荷を、制御ゲートの電界により引き寄せることによって記憶部に注入する方法も採用可能である。
【0029】
VG型メモリセルアレイの形成手順を、図面を参照しながら説明する。
図2〜図5は、ワード線形成の各ステップにおける断面図(および平面図)である。図2において(A)に平面図を示し、(B)に(A)のA−A線に沿った断面図を示す。その他の図3〜図5は全てA−A線に沿った断面図を表している。
【0030】
半導体基板SUBに、必要に応じて、ウエルを形成し、しきい値電圧調整用のイオン注入などを行う。その上で、半導体基板上にレジスト等のマスク層を形成してイオン注入し、活性化してソース・ドレイン領域S/D(ビット線BL1,BL2,BL3,BL4,…)を形成する。
【0031】
半導体基板SUB上に、電荷蓄積膜GD1となる第1電荷蓄積膜を形成する。たとえば、半導体基板SUB表面を熱酸化して第1の電位障壁膜BTMを形成し、必要に応じて第1の電位障壁膜BTMを窒化処理し、第1の電位障壁膜BTM上に窒化珪素または酸化窒化珪素からなる電荷トラップ膜CHSを形成し、電荷トラップ膜CHS表面を熱酸化するなどの方法により第2の電位障壁膜TOPを形成する。
第1電荷蓄積膜GD1上に、たとえばCVD法によりドープド多結晶珪素またはドープド非晶質からなる導電膜を堆積する。
導電膜上にレジストパターンを形成して、RIEなどの異方性エッチングを行い、導電膜をパターンニングする。続いて、導電膜パターン間で露出した第1電荷蓄積膜を、たとえばCF4/CHF3/Arを用いたドライエッチング装置を用いてパターンニングする。その後、レジストパターンを除去する。これにより、電荷蓄積膜GD1と第1ワード線WL2またはWL4からなる積層パターンが、図2(A)に示すように、ソース・ドレイン領域S/Dに対し直交する並行ストライプ状のパターンにて形成される。
【0032】
図3に示すように、半導体基板SUB表面層をエッチングする。このエッチングは、通常のドライエッチングでもよいが犠牲酸化を用いる方法が望ましい。すなわち、基板表面を熱酸化して薄い犠牲酸化膜を形成し、これをウエットエッチング等で除去する。これにより、犠牲酸化時に消費されたシリコン表面層が均一に、しかもダメージを残すことなくエッチングされたこととなる。この犠牲酸化条件は、第1電荷蓄積膜(電荷蓄積膜GD1)の形成条件に応じて基板表面層に導入された窒素原子が十分除去されるように予め決められる。
【0033】
図4に示すように、上記した第1電荷蓄積膜と同じ条件で、2回目の電荷蓄積膜形成を行う。これにより、第2電荷蓄積膜(電荷蓄積膜GD2)が形成される。
【0034】
図5に示すように、第1ワード線WL2,WL4,…間を完全に埋め込む導電膜WLF、たとえばドープド多結晶珪素またはドープド非晶質珪素の膜を堆積する。
この導電膜WLF上に、第1ワード線WL2,WL4,…上方で開口するレジストパターンRを形成する。
【0035】
その後、このレジストパターンRをマスクとして、RIEなどの異方性エッチングを行う。これにより、導電膜WLFが分離され、図1(B)に示す第2ワード線WL1,WL3,WL5,…が形成される。
【0036】
[第2実施形態]
第2実施形態は、NAND型のメモリセルアレイを有した不揮発性メモリ装置に関する。
図6は、本発明を適用してワード線間距離を縮小したNAND型メモリセルアレイの平面図である。また、図7(A)は図6のA−A線に沿った断面図、図7(B)は図7(A)の一部を拡大した断面図である。
【0037】
図7(A),図7(B)に示すように、P型の半導体基板SUB上に、第1実施形態とほぼ同じ断面構造のワード線WL1,WL2,…WLnが形成されている。すなわち、奇数番目のワード線WL1,WL3,…,WLn(第1ワード線)が、電荷蓄積膜GD1を介在させた状態で半導体基板SUB上に形成されている。第1ワード線WL1,WL3,…,WLnの表面、第1ワード線間に表出した基板領域の表面を覆って、電荷蓄積膜GD2が形成されている。そして、この電荷蓄積膜GD2を介在させて状態で、偶数番目のワード線WL2,WL4,…(第2ワード線)が第1ワード線間に形成されている。より詳しくは、第2ワード線の底面が、電荷蓄積膜GD2を介在させた状態で、第1ワード線間の半導体領域に対面している。第2ワード線の主側面が、電荷蓄積膜GD2を介在させた状態で、第1ワード線間の側面に対面している。また、第2ワード線の幅方向の両端部が、隣接する2つの第1ワード線の幅方向の端部それぞれに、電荷蓄積膜GD2を介在させた状態で乗り上げている。
このように、本実施形態におけるワード線は、隣接する2つのワード線間が、その離間方向の寸法が膜厚となるように介在する電荷蓄積膜GD2によって絶縁分離されている。なお、ワード線は、ドープド多結晶珪素またはドープド非晶質珪素からなる。
【0038】
電荷蓄積膜GD1,GD2は、たとえばMONOS型メモリトランジスタにおいては、第1実施形態と同様に、最下層の第1の電位障壁膜BTM、中間の電荷トラップ膜CHS、および最上層の第2の電位障壁膜TOPからなる。
【0039】
ワード線WL1の外側に、たとえば電荷蓄積膜GD2により分離された制御ゲート線SG1が並行に配置されている。同様に、ワード線WLnの外側に、たとえば電荷蓄積膜GD2により分離された制御ゲート線SG2が並行に配置されている。これらの制御ゲート線SG1,SG2は、セレクトトランジスタのゲート電極を兼用し、ゲート絶縁膜GD3を挟んで半導体基板SUBに面している。ゲート絶縁膜GD3は、たとえば単層の二酸化珪素膜から構成される。この場合、製造工程が若干複雑になるが、この部分のみ単層のゲート絶縁膜を形成して、セレクトトランジスタが通常のMOS型となる。あるいは、電荷蓄積膜GD2とゲート絶縁膜GD3を同じ膜として、印加バイアス条件により、このゲート絶縁膜GD3の部分には電荷の注入がなされないようにしてもよい。
【0040】
制御ゲート線SG1の外側には、N型不純物領域からなるドレイン領域DRが形成されている。このドレイン領域DRは、図示しない他のNANDストリングと共有されている。
また、制御ゲート線SG2の外側には、N型不純物領域からなる共通ソース線CSLが形成されている。共通ソース線CSLは、行方向に並ぶ1行分のNANDストリング、および、列方向に隣接する図示しない他の1行分のNANDストリングとで共有されている。
【0041】
これらNANDストリングを構成するトランジスタ上に、層間絶縁膜INTが形成されている。層間絶縁膜INT上にビット線BL1,BL2が並行ストライプ状に配置されている。層間絶縁膜INTに形成されたビットコンタクトBCによって、各ビット線が、対応するドレイン領域DRに接続されている。
【0042】
データの書き込み時に、図7(B)に示す記憶部1に電荷注入を行う場合は、ビット線BL2に正のドレイン電圧、共通ソース線CSLに基準電圧を印加し、2つのセレクトトランジスタをオンさせる電圧を制御ゲート線SG1,SG2に印加する。書き込み対象のセルが接続されたワード線WL3以外の他のワード線WL1,WL2,WL4,…WLnに、上記ドレイン電圧または上記基準電圧を書き込み対象のセルに伝達可能なパス電圧を印加する。これにより、書き込み対象のセルを構成するメモリトランジスタのソースとドレイン間に、所定の書き込みドレイン電圧が印加される。その状態で、ワード線WL3に所定のプログラム電圧を印加する。このとき、図7(B)においてソース側からチャネルに供給された電子がチャネル内を加速され、チャネルのドレイン側端部で高いエネルギーを得て、第1の電位障壁膜BTMの電位障壁を越えて記憶部1に注入され、蓄積される。
記憶部2に電荷を注入する場合は、ビット線BL2と共通ソース線CSLとの間の電圧を切り替える。これにより、電子の供給側と電子がエネルギー的にホットになる側が上記の場合と反対となり、電子が記憶部2に注入される。
【0043】
他の更に望ましいデータ書き込み方法としては、ソースサイド注入法が採用できる。この場合、記憶部1への書き込み時には、ビット線BL2から基準電圧を供給し、共通ソース線からドレイン電圧を供給する。また、書き込み対象のセルが接続されたワード線WL3の一つソース寄りのワード線WL2の印加電圧は、単なるパス電圧ではなく、ソースサイド注入が可能に最適化された電圧である。これにより、ワード線WL2とワード線WL3との境界付近で横方向電界が強まり、メモリトランジスタのソース端(記憶部1)に電子を、さらに効率よく注入できる。
記憶部2に電荷を注入する場合は、ビット線BL2と共通ソース線CSLとの間の電圧を切り替え、かつ、ワード線4の電圧値をソースサイド注入が可能な値に最適化する。これにより、電子の供給側と電子がエネルギー的にホットになる側が上記の場合と反対となり、電子が記憶部2に注入される。
【0044】
データの読み出し時に、読み出し対象のビットが書き込まれた記憶部側がソースとなるようにビット線BL2と共通ソース線CSL間に所定の読み出しドレイン電圧を印加し、読み出し対象のセルが接続されたワード線以外のワード線にパス電圧を印加する。また、両端の記憶部にはさまれたチャネル部をオンさせ得るがメモリトランジスタの両端の記憶部のしきい値電圧を変化させない程度に低く、かつ、最適化された正の電圧をワード線WL3に印加する。このとき、読み出し対象の記憶部の蓄積電荷量、あるいは電荷の有無の違いによってチャネルの導電率が有効に変化し、その結果、記憶情報がドレイン側の電流量あるいは電位差に変換されて読み出される。
もう一方のビットデータを読み出す場合は、そのビットデータが書き込まれた記憶部側がソースとなるように、ビット線BL2と共通ソース線CSLとの電圧を切り替えることにより、上記と同様に読み出しを行う。
【0045】
データの消去時に、チャネル全面のFNトンネリングを用いて基板側に電荷を引き抜くか、ワード線側に電荷を引き抜くことで一括消去する。
【0046】
NAND型メモリセルアレイの形成手順を、図面を参照しながら説明する。
図8〜図11は、ワード線形成の各ステップにおける断面図(および平面図)である。図8において(A)に平面図を示し、(B)に(A)のA−A線に沿った断面図を示す。その他の図9〜図11は全てA−A線に沿った断面図を表している。
【0047】
半導体基板SUBに、必要に応じて、ウエルを形成し、しきい値電圧調整用のイオン注入などを行う。
【0048】
半導体基板SUB上に、第1電荷蓄積膜GD1を形成する。たとえば、半導体基板SUB表面を熱酸化して第1の電位障壁膜BTMを形成し、必要に応じて第1の電位障壁膜BTMを窒化処理し、第1の電位障壁膜BTM上に窒化珪素または酸化窒化珪素からなる電荷トラップ膜CHSを形成し、電荷トラップ膜CHS表面を熱酸化するなどの方法により第2の電位障壁膜TOPを形成する。
第1電荷蓄積膜上に、たとえばCVD法によりドープド多結晶珪素またはドープド非晶質からなる導電膜を堆積する。
導電膜上にレジストパターンを形成して、RIEなどの異方性エッチングを行い、導電膜をパターンニングする。導電膜パターン間で露出した第1電荷蓄積膜を、たとえばCF4/CHF3/Arを用いたドライエッチング装置を用いてパターンニングする。その後、レジストパターンを除去する。これにより、電荷蓄積膜GD1と第1ワード線WL1,WL3,…WLnからなる積層パターンが、図8(A)に示すように並行ストライプ状のパターンにて形成される。
【0049】
図9に示すように、半導体基板SUB表面層をエッチングする。このエッチングは、通常のドライエッチングでもよいが犠牲酸化を用いる方法が望ましい。すなわち、基板表面を熱酸化して薄い犠牲酸化膜を形成し、これをウエットエッチング等で除去する。これにより、犠牲酸化時に消費されたシリコン表面層が均一に、しかもダメージを残すことなくエッチングされたこととなる。この犠牲酸化条件は、第1電荷蓄積膜GD1の形成条件に応じて基板表面層に導入された窒素原子が十分除去されるように予め決められる。
【0050】
図10に示すように、上記した第1電荷蓄積膜と同じ条件で、2回目の電荷蓄積膜形成を行う。これにより、第2電荷蓄積膜GD2が形成される。必要に応じて、ワード線WL1外側領域とワード線WLn外側領域の電荷蓄積膜GD2を選択的に除去し、この部分に単層の絶縁膜GD3を選択的に形成する。
【0051】
図11に示すように、第1ワード線WL1,WL3,…,WLn間を完全に埋め込む導電膜WLF、たとえばドープド多結晶珪素またはドープド非晶質珪素の膜を堆積する。
導電膜WLF上に、第1ワード線WL1,WL3,…,WLn上方で開口するレジストパターンRを形成する。
【0052】
レジストパターンRをマスクとして、RIEなどの異方性エッチングを行う。これにより、導電膜WLFが分離され、図7(B)に示す第2ワード線WL2,WL4,…および制御ゲート線SG1,SG2が形成される。
【0053】
選択ゲート線SG1,SG2の外側の半導体基板領域に、N型不純物をイオン注入する。このとき、ワード線の配置領域ではイオンが透過しないためソース・ドレイン領域は形成されない。
その後は、層間絶縁膜INTの堆積、ビットコンタクトBCの形成、ビット線の形成を経て、当該NAND型不揮発性メモリ装置を完成させる。
【0054】
なお、上記した第1実施形態および第2実施形態において、後から形成する第2ワード線を、第1ワード線間に埋め込むように形成して、オーバーラップをさせないようにしてもよい。その場合、第1ワード線の上部にCMPなどの研磨を阻止するストッパ膜を形成するのが望ましい。また、このオーバーラップをさせない構造では、NAND型においてイオン注入条件を最適化することにより、ワード線間の隙間(電荷蓄積膜GD2)にイオンを透過させ、ワード線方向に細いソース・ドレイン不純物領域S/Dを形成してもよい。
【0055】
上記した第1実施形態および第2実施形態に係る半導体メモリ装置では、ワード線間の距離が積層膜(電荷蓄積膜GD2)の膜厚によって決まるため、ワード線幅に比べワード線間距離が大幅に小さい。したがって、2F2(F:リソグラフィの解像限界またはデザインルール)と2ビットデータを記憶するセルとしては極めて小さい面積のメモリセルが実現できる。
【0056】
また、上記した実施形態に係る半導体メモリ装置の製造方法では、おおよそ、電荷蓄積膜とワード線材料を積層させてパターンニングすることを2回繰り返すだけで高密度なワード線配置が実現される。
また、2回目の電荷蓄積膜形成の前に基板を薄くエッチングをすることから、2回目の電荷蓄積膜の膜形成の精度が向上した。
【0057】
ここで、本発明者は、1回目の電荷蓄積膜形成時にRTN処理があるウェハAと、RTN処理がないウェハBを用意し、2回目の電荷蓄積膜の第1の電位障壁膜の形成を想定した熱酸化を行った。
図12の表は、この酸化膜の測定値を表にしたものである。ここでは、膜厚測定を精度よく行うため18nmねらいで長く熱酸化し、ウェハ内の5箇所の測定ポイントで熱酸化膜の膜厚を測定した。
その結果、RTN処理がされているウェハAの熱酸化では、酸化レートが低く、しかもウェハBに比べ酸化膜厚のバラツキが大きいことが分かる。これは、RTN処理時に基板に窒素が導入され、これが酸化を阻害しているからである。
前記した本発明の実施形態では、2回目の電荷蓄積膜の形成の前に、基板表面を犠牲酸化し、その酸化膜をエッチングすることにより、窒素を含む基板の表面層を除去している。これにより、2回目の電荷蓄積膜を精度よく形成でき、特性変動を抑制することが可能となった。
【0058】
[第3実施形態]
第3実施形態は、第1,第2実施形態の工程の一部変更に関する。
【0059】
先に説明した第1実施形態の図2(B)の工程、あるいは第2実施形態の図8(B)の工程では、導電膜パターンと第1電荷蓄積膜を連続的にドライエッチングして、第1電荷蓄積膜GD1と第1ワード線WL2またはWL4とからなるパターンを形成するとした。しかし、ドライエッチングでは多少なりとも基板にダメージが入るので余り好ましくない。
ここで、導電膜パターンのみドライエッチングして、第1電荷蓄積膜GD1となる第1電荷蓄積膜はウエットエッチングにより除去する方法が考えられる。
第1電荷蓄積膜がONO膜の場合、窒化珪素があるのでフッ酸を主体とした酸化珪素エッチャントでは除去できず、熱リン酸を用いた処理が必要となる。しかし、熱リン酸処理では、濃度の高い多結晶珪素表面がエッチングされてしまうという新たな問題が生じる。
【0060】
第3実施形態は、このような第1電荷蓄積膜をウエット処理で除去するために適した製造方法を提供する。
この実施形態に示す方法は、VG型,NAND型に限らず適用できるので、ここではA−A断面を示す、図13〜図15を用いて説明する。
【0061】
図13は、ONO構造の第1電荷蓄積膜GD1上の導電材料をパターンニングして第1ワード線WLi,WLi+2,…を形成した時点の断面図であり、図2(B),図8(B)に対応している。
この導電材料のドライエッチング終了時点では、そのオーバーエッチング量により第2の電位障壁膜TOPの一部が削れることもあるし、場合によっては、図示のように第2の電位障壁膜TOPが第1ワード線周囲で除去される。
【0062】
本実施形態では、この時点で第1ワード線WLi,WLi+2,…の表面を熱酸化して、図14に示すように、例えば10nm程度の熱酸化膜TOXを第1ワード線表面に形成する。
【0063】
そして、この熱酸化膜TOXにより第1ワード線表面を保護した状態で、第1ワード線間に表出した第1電荷蓄積膜GD1をウエットエッチングにより除去する。つまり、熱リン酸を用いたエッチャントにより窒化珪素膜(電荷トラップ膜CHS)を除去し、フッ酸を主体的に含むエッチャントにより二酸化珪素膜(第1の電位障壁膜BTM)を除去する。
このエッチング時に、もちろん熱酸化膜TOXも薄くなる。本実施形態は、このエッチング終了時点で熱酸化膜がエッチオフされるように、熱酸化膜TOXの膜厚を予め設定してもよい。あるいは、図15に示すように、熱酸化膜TOXが残るように膜厚をある程度厚くしておいてもよい。
何れにしても、熱酸化膜を形成しない場合に比べ、第1ワード線が削れる量は低減されるという利点がある。
【0064】
その後は、第1,第2実施形態と同様に、第2電荷蓄積膜GD2を形成して、第1ワード線間に導電材料を埋め込んでパターンニングして、第2ワード線WLi−1,WLi+1,…を形成する。
なお、熱酸化膜TOXを最後まで残した場合は、この熱酸化膜にワード線間の絶縁特性が格段に向上し、またワード線間の寄生容量も低減する。
【0065】
[第4実施形態]
第4実施形態は、第1〜第3実施形態の変形であり、より詳細には、電極取り出し部のパターンと、電極間ショート不良の発生を防止するための工程の一部追加とに関する。
【0066】
先に説明した第1実施形態の図5の工程、あるいは第2実施形態の図11の工程では、第2ワード線のパターンニングを行う。このときのエッチングでは、下地が第2電荷蓄積膜GD2であるので、余り過度なオーバーエッチング時間を設定できない。なぜなら、過度なオーバーエッチングにより、この部分で第2電荷蓄積膜GD2が薄くなると、ワード線間の絶縁性が低下するおそれがあるからである。
【0067】
この第2ワード線のエッチング後では、たとえば図16(A)に示すように、第1ワード線の裾部付近に、第2ワード線の材料である導電物質が残ることがある。とくに、第2ワード線となる導電層(たとえば多結晶珪素)を堆積したときに、これが第1ワード線の上の領域で他の領域より薄くなっている場合、第1ワード線の裾部に導電物質の残渣が残りやすい。
この残渣は、図16(B)に示すように第1ワード線の端面に沿ってでき、第2ワード線間をショートさせてしまう。
【0068】
本実施形態では、このワード線間ショートを防止するために残渣を途中で切断する工程を追加する。
また、第1〜第3実施形態のように、ワード線がフォトリソグラフィの最小線幅に近いピッチで形成されると、ワード線を更に上層の配線に接続するための電極取り出しが難しくなる。本実施形態では、この電極取り出しを容易としたパターンの詳細についても述べる。
【0069】
図17に、本実施形態において、ワード線の電極取り出し部を含む端部のパターンを示す。
メモリセルアレイ内のワード線配置は、第1または第2実施形態と同じである。
メモリセルアレイから一方に延びたワード線は、その配線方向と異なる方向に屈曲している。ここでは、それぞれ行方向から列方向に90度折れ曲がっている。各ワード線が折れ曲がる箇所が順次シフトして、列方向に延びるワード線箇所のピッチが、メモリセルアレイ内のピッチより緩和されている。このため、各ワード線を上層の図示しない配線に接続するための幅広い電極取り出し部PAD1,PAD2が形成される余裕が生じている。第1層目の多結晶珪素から形成された第1ワード線WL1a,WL1b,WL1cは電極取り出し部PAD1を有し、第2層目の多結晶珪素から形成され、両側の第1ワード線に一部重なる第2ワード線WL2a,WL2b,WL2cは電極取り出し部PAD2を有している。このうち電極取り出し部PAD1は、電極取り出し部PAD2より更に外側の位置に配置されている。
各ワード線の他方端においても、第1ワード線WL1a,WL1b,WL1cが、第2ワード線WL2a,WL2b,WL2cより外側まで延びている。
【0070】
この第1ワード線を外側まで延ばした理由は、第2ワード線形成時に第1ワード線の縁部に残る導電性の残渣を、第1ワード線の端部で除去し、第2ワード線同士が電気的にショートするのを防止するためである。
【0071】
具体的に、第1実施形態の図2(A),(B)の工程、第2実施形態の図8(A),(B)の工程、あるいは第3実施形態の図13〜図15において第1ワード線を形成する際に、図17に示すように、一方の端部が相対的に長く、その先端に電極取り出し部PAD1が形成され、他方の端部が相対的に長く形成される第1ワード線パターンのフォトマスクを用いる。
【0072】
図3,図4あるいは図9,図10の工程を経て第2電荷蓄積膜GD2を形成し、図5あるいは図11の工程にて、第2ワード線となる多結晶珪素を堆積し、その上にレジストパターンRを形成する。このとき、図17に示すように、一方の端部が相対的に(すなわち、第1ワード線より)短く、その先端に電極取り出し部PAD2が形成され、他方の端部が第1ワード線より短く形成される第2ワード線パターンのフォトマスクを用いる。
【0073】
次に、本実施形態では、導電性の残渣を除去する工程を追加する。たとえば図17に示す破線部A1,A2で開口して第1ワード線の端部を露出させ、第2ワード線全体を覆って保護するレジストパターンを形成する。このレジストパターンをマスクとして部分的なオーバーエッチングを行う。このときのエッチングガス等の条件は第2ワード線形成時と同じとし、エッチング時間は、導電性の残渣が開口部で十分に除去される時間とする。これにより、導電性の残渣が、この部分で切断され、第2ワード線同士が完全に電気的に分離される。
【0074】
その後は、第1または第2実施形態と同様な工程を経て、当該不揮発性メモリを完成させる。
【0075】
[第5実施形態]
本実施形態は、上記した第2ワード線形成材料の残渣による他の問題を解決するためのものである。
図16(A)に示す残渣下には、その残渣に保護されて電荷蓄積能力を高い状態で維持したままの第2の電荷蓄積膜(電荷蓄積膜)GD2が完全な形で残される。これに対し、その周囲の第2の電荷蓄積膜GD2は除去されるか、残されていたとしてもエッチングに曝されたため、その電荷蓄積能力はかなり低下している。
【0076】
この残渣下の電荷蓄積膜に、ゲート加工時あるいは動作時に電荷が蓄積されることがある。セルがNチャネル型の場合に電子の蓄積は閾値電圧を上げるため余り問題とはならないが、ホールが蓄積されると、その残渣直下のチャネルがディプレッションになり、セルのソースとドレイン間のリークが増大する。また、ディプレッションでなくとも閾値電圧が低いと、高い正電圧が印加された隣のワード線との容量結合により、電気的にフローティング状態の残渣の電位が上昇し、この寄生トランジスタのチャネルがオンしてリークが増大する。
このリークの増大は、とくに読み出し時に、全てのセルに対して読み出し信号のS/N比を低下させ、ひいては誤読み出しを引き起こすという不利益をもたらす。
【0077】
本実施形態は、このリーク増大を防止するためのものである。本実施形態でリーク防止の方法として、以下の3つの方法がある。
第1の方法では、この部分で残渣を選択的に除去する。
第2の方法では、ワード線の本数を奇数本とすることにより、この部分での残渣の発生自体を防止する。
第3の方法では、ワード線本数は通常偶数本であることに鑑み、上記第2の方法に加え、その外側のワード線を、リーク防止電圧を印加するための専用ラインとして用いる。
【0078】
以下に、この3つの方法を、図面を参照しながら順次説明する。なお、ここで用いた図面は、前述した第4実施形態の技術も重複適用されているが、この重複適用は必ずしも必須ではない。また、既に説明し同じ符合を付した構成は、ここで重ねて説明しない。
【0079】
図18は、第1の方法における残渣の除去箇所を示す平面図である。また、図19は、第1の方法を用いた残渣除去後の図18のA−A線に沿った断面図である。
前述した第4実施形態で用いた第2ワード線の残渣を除去するレジストパターンRにおいて、開口部A1,A2に加えて、図18に示すように、最も外側の第1ワード線の一方、ここではWL1aの少なくとも外側の長辺付近を開口する開口部A3をパターン上で予め追加しておく。そのため、このレジストパターンRをマスクとしたエッチング時に、開口部A1,A2に加え、図19に示すように、開口部A3により露出した第2ワード線の形成材料である導電物質の残渣が有効に除去される。
その結果、この第1の方法によれば、特に開口部A3における残渣が原因となる上述したリーク電流が防止あるいは低減されるという利益が得られる。
【0080】
図20は、上述した第2の方法を適用した場合の平面図である。
この第2の方法では、ワード線を奇数本設ける。すなわち、第1ワード線の本数をn本とすると、第2ワード線を(n+1)本設ける。これにより、メモリセルアレイの最も外側には第2ワード線が配置され、その結果、第2ワード線の残渣によるリークの問題は解消される。
なお、通常のワード線数は偶数であり、これに比べるとワード線が1本余分となる。この場合に、余分なワード線は使用しないように例えばアドレス信号を割り当てられない構成としてもよい。
【0081】
図21は、第3の方法を適用した場合の平面図およびブロック図である。
この第3の方法では、第2の方法と同様にワード線数を奇数としている。このうちn本のワード線WL1a〜WL2cに、入力したロウアドレス信号RADをデコードするロウデコーダ50により駆動される通常のワード線駆動回路51が接続されている。その一方、余分な1本の第2ワード線WL2に、ロウデコーダ50により駆動されないで、書き込みデータとは無関係に常時、書き込み電圧を印加する、または、読み出し時に常時、チャネルをオフする所定電圧を印加するワード線駆動回路52が接続されている。このワード線駆動回路52が本発明における“第1のワード線駆動回路”に該当し、ロウデコーダ50により駆動される通常のワード線駆動回路51が本発明における“第2のワード線駆動回路”に該当する。
この第3の方法では、ワード線駆動回路52の印加電圧を最適化することにより、ワード線WL2直下のチャネルを常時オフ状態にして読み出し時にリーク電流を防止する。あるいは、書き込みデータとは無関係に常に書き込み動作をすることで、ワード線WL2直下の電荷蓄積膜GD2に常時、電子が十分蓄積されて、当該ワード線WL2をゲートとするセルを全てエンハンスメント型とすることにより、リーク電流の発生を防止する。
【0082】
[第6実施形態]
本実施形態は、半導体装置に関する。
図22(A)は第6実施形態に係る半導体装置の配線形成後の平面図、図22(B)は図22(A)のA−A線に沿った断面図である。
この半導体装置は、その多層配線構造のうち、一つの階層に並行に配置された複数の配線に本発明の配線分離構造が適用されている。
【0083】
基板SUBに支持された誘電体1の上に、ほぼ垂直の側面あるいは順テーパの断面形状を有した第1形状の配線IL1が等間隔で形成されている。また、第1形状の配線IL1の間に、少なくとも上部が逆テーパの断面形状を有した第2形状の配線IL2が形成されている。第1形状の配線IL1と第1形状の配線IL2との間は、断面が略1/4楕円形状のサイドウォール絶縁層(以下、単にサイドウォールという)SWが介在し、これにより両配線間の絶縁分離がされている。ここで“断面が略1/4楕円形状”とは、図22(B)に示すように略平面状の第1側面と、上部ほど第1側面に近くなるように円弧状に曲がっている曲面が少なくとも一部に含まれる第2側面とを有する形状をいう。
サイドウォールSWは、第1形状の配線IL1の側面に形成されている。したがって、サイドウォールSWの、第1形状の配線IL1と反対側の面が曲面となっている。第2形状の配線IL2は、その曲面で構成される凹部に埋め込まれるように形成されている。その結果として、第2形状の配線IL2が逆テーパの断面形状となっている。
【0084】
なお、第1および第2形状の配線IL1,IL2は、互いに並行であればよく、たとえば全体では蛇行してもよい。また、基板SUBに直接接触した配線(たとえばショットキーメタル)であってもよい。
【0085】
つぎに、この配線の形成手順を、図面を参照しながら説明する。
図23〜図27は、配線形成の各ステップにおける断面図(および平面図)である。図23,図25および図26において(A)に平面図を示し、(B)に(A)のA−A線に沿った断面図を示す。その他の図面は全てA−A線に沿った断面図を表している。
【0086】
図23(A),(B)に示すように、基板SUB上方の誘電体1の上に、誘電体からなる複数の犠牲層2を形成する。複数の犠牲層2は、形成すべき配線のほぼ2倍のピッチで互いに並行なストライプ状に形成する。
図24に示すように、この犠牲層2を覆うように異なる材料の絶縁膜3を堆積する。絶縁膜3の材料は、犠牲層2に対しエッチング選択比が高い材料が選択される。たとえば、犠牲層2を窒化珪素膜とし、絶縁膜3を二酸化珪素膜とする。また、絶縁膜3の一部は最終的にサイドウォールとして残るので、その膜の品質および絶縁特性なども考慮して、材料および形成方法が選択される。
【0087】
続いて、絶縁膜3を異方性エッチングによりエッチバックする。これにより、図25(A),(B)に示すように、犠牲層2の側面にサイドウォールSWが形成される。このサイドウォールSWの幅は、主に犠牲層2の高さと異方性エッチングの条件により決まる。ただし、異方性がある程度強い場合はエッチング時間が多少ばらついてもサイドウォール幅は余り変化しないため、均一性は比較的高い。
【0088】
その後、所定の方法により犠牲層2を選択的に除去する。たとえば、犠牲層2が窒化珪素の場合の除去に、弗酸FHを含むエッチャントを用いたウエット処理を行う。これにより、図26(A),(B)に示すように、サイドウォールSWが残される。
図27に示すように、サイドウォールSWを完全に埋め込む導電膜4、たとえば金属,ドープド多結晶珪素またはドープド非晶質珪素の膜を堆積する。
その後、たとえばCMP法またはその他の方法により、導電膜4の表面から研削および/または研磨を行う。この研削および/または研磨は、サイドウォールSWが露出したときに導電膜4が複数に分離し、その後、分離距離が必要な値となるまで行う。これにより、必要な距離をおいてサイドウォールSWにより分離された複数の配線層IL1,IL2が形成される。
【0089】
第6実施形態では、配線層間の距離がサイドウォール絶縁層SWの幅で決まるため、配線層間をフォトリソグラフィの限界より十分小さくすることができる。このとき、配線層間距離の制御性も高い。
【0090】
[第7実施形態]
第7実施形態は、半導体装置に関する。
図33に、第7実施形態に係る配線構造を示す断面図を示す。
この配線構造の平面図は図22(A)と同様であり、当該配線構造は並行ストライプ状に配置された複数の配線IL1,IL2からなる。その断面図において、第1形状の配線IL1と第2形状の配線IL2とが交互に配置されること自体は、図22(B)と共通する。
【0091】
第7実施形態における配線分離構造では、サイドウォールSWのほかに、サイドウォールSWと第1形状の配線IL1との間に薄い熱酸化膜10が介在していることが、第1実施形態と異なる。
熱酸化膜10は、第1形状の配線IL1がドープド多結晶珪素またはドープド非晶質珪素からなる場合に、その表面を熱酸化することで得られる。したがって、膜厚の制御性が極めて高く、また熱酸化により得られた二酸化珪素であることから膜質がよい。このため、配線間の絶縁特性が向上するという利点がある。
【0092】
図28〜図32は、この配線構造の形成における断面図である。
図28に示すように、基板SUBに支持された誘電体1上に、第1形状の配線IL1を最終的な配線のほぼ2倍のピッチで形成する。この第1形状の配線IL1は最終的に残されるので、ドープド多結晶珪素またはドープド非晶質珪素から形成する。
【0093】
図29に示すように、第1形状の配線IL1の表面を熱酸化して数nm〜数十nm程度の二酸化珪素からなる熱酸化膜10を形成する。なお、熱酸化に代えて、加熱による窒化処理または酸化窒化処理を行ってもよい。
【0094】
その後は、第7実施形態と同様に、絶縁膜3を堆積し(図30)、これをエッチバックしてサイドウォールSWを形成する(図31)。また、導電膜4を堆積し(図32)、これを研削および/または研磨して複数の配線IL1,IL2を形成する。
【0095】
第7実施形態では、熱酸化等の処理を行うだけで配線間誘電体の絶縁特性を効果的に向上させることができる。なお、第1実施形態のように犠牲層を除去する工程が不要であり、したがって、工程数の増加はない。
【0096】
[第8実施形態]
第8実施形態は、第6実施形態の配線形成方法を、不揮発性メモリのワード線の形成に適用した場合の第1の例を示す。ここでは、NOR型のメモリセルアレイへの適用を説明する。
図34(A)は、本発明を適用してワード線間距離を縮小したNOR型メモリセルアレイの平面図である。また、図34(B)は図34(A)のA−A線に沿った断面図、図34(C)は図34(A)B−B線に沿った断面図である。
【0097】
図34(C)に示すように、P型の半導体基板SUB内の表面側に、N型不純物領域からなるソース・ドレイン領域S/Dが互いに離間して形成されている。ソース・ドレイン領域S/Dは、図34(A)に示すように、ソース線SL1,SL2,…およびビット線BL1,BL2,…を構成し、列方向に長いラインをセルアレイ全体で並行ストライプ状に配置したパターンを有する。
サイドウォールSWが、このソース・ドレイン領域S/Dと直交する方向に長く互いに並行に半導体基板SUB上に形成されている。
【0098】
サイドウォールSWの表面および半導体基板SUBの表面を覆って、電荷蓄積膜GDが形成されている。電荷蓄積膜GDは、内部に電荷蓄積手段を含む膜である。本実施形態ではMONOS型メモリトランジスタを例示するので、この電荷蓄積膜GDは、いわゆるONO型の3層の膜からなる。
具体的に、電荷蓄積膜GDは、最下層の第1の電位障壁膜BTM、中間の電荷トラップ膜CHS、および最上層の第2の電位障壁膜TOPとからなる。第1の電位障壁膜BTMは、たとえば、基板表面を熱酸化して形成された熱酸化珪素膜、熱酸化珪素膜を窒化処理してできた酸化窒化膜からなる。電荷トラップ膜CHSは、たとえば窒化珪素または酸化窒化珪素からなり、内部に離散的な電荷蓄積手段として電荷トラップを多数含む。第2の 電位障壁膜TOPは、たとえば酸化珪素膜からなる。
なお、いわゆるMNOS型の場合は、第2の電位障壁膜TOPが省略され、電荷トラップ膜CHSが比較的に厚く形成される。また、電荷蓄積膜として導電層を用いたFG型では、下層から、第1の電位障壁膜とフローティングゲートを積層し、その上にさらにONO膜からなるゲート間絶縁膜が積層されることが多い。
【0099】
この電荷蓄積膜GDは、トータルの厚さが二酸化珪素換算で十数nm程度である。電荷蓄積膜GDの表面の凹部に導電物質が埋め込まれ、これによりワード線WL1,WL2,…,WL5,…が形成されている。この図示例では、偶数番目のワード線WL2,WL4,…が第1形状を有し、奇数番目のワード線WL1,WL3,…が第2形状を有する。
【0100】
つぎに、このNOR型メモリセルアレイの形成手順を、図面を参照しながら説明する。
図35〜図39は、ワード線形成の各ステップにおける断面図(および平面図)である。図35,図37および図38において(A)に平面図を示し、(B)に(A)のA−A線に沿った断面図を示す。その他の図面は全てA−A線に沿った断面図を表している。
【0101】
まず、半導体基板SUBに、必要に応じて、素子間を誘電体分離する層を設け、しきい値電圧調整用のイオン注入などを行う。その上で、半導体基板上にレジスト等のマスク層を形成してイオン注入し、活性化してソース・ドレイン領域S/D(ソース線SL1,SL2およびビット線BL1,BL2)を形成する。
【0102】
図35(A)に示すように、ソース・ドレイン領域S/Dに対し直交する並行ストライプ状のパターンにて、誘電体からなる複数の犠牲層20を基板SUB上に形成する。複数の犠牲層20は、形成すべきワード線のほぼ2倍のピッチで互いに並行なストライプ状に形成する。
図36に示すように、この犠牲層20を覆うように異なる材料の絶縁膜3を堆積する。絶縁膜3の材料は、犠牲層20に対しエッチング選択比が高い材料が選択される。たとえば、犠牲層20を窒化珪素膜とし、絶縁膜3を二酸化珪素膜とする。また、絶縁膜3の一部は最終的にサイドウォールとして残るので、その膜の品質および絶縁特性なども考慮して、材料および形成方法が選択される。
【0103】
続いて、絶縁膜3を異方性エッチングによりエッチバックする。これにより、図37(A),(B)に示すように、犠牲層20の側面にサイドウォールSWが形成される。サイドウォールSWの幅は、主に犠牲層20の高さと異方性エッチングの条件により決まる。ただし、異方性がある程度強い場合はエッチング時間が多少ばらついてもサイドウォール幅は余り変化しないため、均一性は比較的高い。
【0104】
その後、所定の方法により犠牲層20を選択的に除去する。たとえば犠牲層20が窒化珪素の場合の除去では、リン酸(H3PO4)を含むエッチャントを用いたウエット処理を行う。これにより、図38(A),(B)のようにサイドウォールSWが残される。
【0105】
図39に示すように、サイドウォールSWを完全に埋め込む導電膜4、たとえば金属,ドープド多結晶珪素またはドープド非晶質珪素の膜を堆積する。
その後、たとえばCMP法またはその他の方法により、導電膜4の表面から研削および/または研磨を行う。この研削および/または研磨は、サイドウォールSWが露出したときに導電膜4が複数に分離し、その後、分離距離が必要な値となるまで行う。これにより、必要な距離をおいてサイドウォールSWにより分離された複数のワード線WL1,WL2,…,WL5,…が形成される。
なお、研削および/または研磨は、望ましくは、電荷トラップ膜CHSがワード線ごとに完全に分断されるまで行う。但し、電荷蓄積膜が導電性材料であるFG型の場合は、電荷蓄積膜の分断は必須となる。この箇所でフローティングゲートFGが接続されていると、蓄積電荷が隣のセルに漏洩するのでデータ記憶そのものが不可能となるからである。また、この部分での電界集中を避けるためにも、十分に研削および/または研磨を行う必要がある。
【0106】
[第9実施形態]
第9実施形態は、第6実施形態の配線形成方法を、不揮発性メモリのワード線の形成に適用した場合の第2の例を示す。ここでは、NAND型のメモリセルアレイへの適用を説明する。
図40は、本発明を適用してワード線間距離を縮小したNAND型メモリセルアレイの平面図である。また、図41(A)は図40のA−A線に沿った断面図、図41(B)は図41(A)の一部を拡大した断面図である。
【0107】
図41(A),図41(B)に示すように、P型の半導体基板SUB上に、第6実施形態とほぼ同じ断面構造のワード線WL1,WL2,…WLnが形成されている。すなわち、半導体基板SUB上にサイドウォールSWが並行ストライプ状に形成され、サイドウォールSWの表面および半導体基板SUBの表面を覆って、電荷蓄積膜GDが形成されている。たとえばMONOS型メモリトランジスタにおいて、第6実施形態と同様に、電荷蓄積膜GDは最下層の第1の電位障壁膜BTM、中間の電荷トラップ膜CHS、および最上層の第2の電位障壁膜TOPからなる。
この電荷蓄積膜GDは、トータルの厚さが二酸化珪素換算で十数nm程度である。電荷蓄積膜GDの表面の凹部に導電物質が埋め込まれ、これによりワード線WL1,WL2,…,WLnが形成されている。この図示例では、奇数番目のワード線WL1,WL3,…が第1形状を有し、偶数番目のワード線WL2,WL4,…が第2形状を有する。
【0108】
ワード線WL1の外側に、サイドウォールSWにより分離された制御ゲート線SG1が並行に配置されている。同様に、ワード線WLnの外側に、サイドウォールSWにより分離された制御ゲート線SG2が並行に配置されている。これらの制御ゲート線SG1,SG2は、図41(A)では電荷蓄積膜GDを挟んで半導体基板SUBに面しているが、印加バイアス条件により、この部分の電荷蓄積膜GDに電荷の注入がなされない。なお、製造工程が若干複雑になるが、この部分のみ単層の電荷蓄積膜を形成して、セレクトトランジスタを通常のMOS型とするとよい。
【0109】
このような配線構造に対し、そのサイドウォールSWの下方領域を中心とした基板部分にのみ、N型不純物領域からなるソース・ドレイン領域S/Dが形成されている。このソース・ドレイン領域S/Dは、ワード線間またはワード線と制御ゲート線との間にのみ離散的に形成され、図40における横方向は、図示しない素子分離層(たとえばLOCOS)により分離されている。
制御ゲート線SG1の外側には、N型不純物領域からなるドレイン領域DRが形成されている。このドレイン領域DRは、図示しない他のNANDストリングと共有されている。
また、制御ゲート線SG2の外側には、N型不純物領域からなる共通ソース線CSLが形成されている。共通ソース線CSLは、行方向に並ぶ1行分のNANDストリング内、および、列方向に隣接する図示しない他の1行分のNANDストリングとの間で共有されている。
【0110】
これらNANDストリングを構成するトランジスタ上に、層間絶縁膜INTが形成されている。層間絶縁膜INT上にビット線BL1,BL2が並行ストライプ状に配置されている。層間絶縁膜INTに形成されたビットコンタクトBCによって、各ビット線が、対応するドレイン領域DRに接続されている。
【0111】
つぎに、このNAND型メモリセルアレイの形成手順を、図面を参照しながら説明する。
図42〜図49は、ワード線形成の各ステップにおける断面図(および平面図)である。図42,図44,図45,図47および図49において(A)に平面図を示し、(B)に(A)のA−A線に沿った断面図を示す。その他の図面は全てA−A線に沿った断面図を表している。
【0112】
まず、半導体基板SUBに、必要に応じて、素子分離層を設け、しきい値電圧調整用のイオン注入などを行う。
【0113】
図42(A)に示すように、並行ストライプ状のパターンにて、誘電体からなる複数の犠牲層30を基板SUB上に形成する。複数の犠牲層30は、形成すべきワード線のほぼ2倍のピッチで互いに並行なストライプ状に形成する。
図43に示すように、この犠牲層30を覆うように異なる材料の絶縁膜3を堆積する。この絶縁膜3の材料は、犠牲層30に対しエッチング選択比が高い材料が選択される。たとえば、犠牲層30を窒化珪素膜とし、絶縁膜3を二酸化珪素膜とする。また、絶縁膜3の一部は最終的にサイドウォールとして残るので、その膜の品質および絶縁特性なども考慮して、材料および形成方法が選択される。
【0114】
続いて、絶縁膜3を異方性エッチングによりエッチバックする。これにより、図44(A),図44(B)に示すように、犠牲層30の側面にサイドウォールSWが形成される。サイドウォールSWの幅は、主に犠牲層30の高さと異方性エッチングの条件により決まる。ただし、異方性がある程度強い場合はエッチング時間が多少ばらついてもサイドウォール幅は余り変化しないため、均一性は比較的高い。
【0115】
その後、所定の方法により犠牲層30を選択的に除去する。たとえば、犠牲層3が窒化珪素の場合の除去では、リン酸(H3PO4)を含むエッチャントを用いたウエット処理を行う。これにより、図45(A),図45(B)のようにサイドウォールSWが残される。
【0116】
図46に示すように、サイドウォールSWを完全に埋め込む導電膜4、たとえば金属,ドープド多結晶珪素またはドープド非晶質珪素の膜を堆積する。
その後、たとえばCMP法またはその他の方法により、導電膜4の表面から研削および/または研磨を行う。研削および/または研磨は、サイドウォールSWが露出したときに導電膜4が複数に分離し、その後、分離距離が必要な値となるまで行う。これにより、図47(A),図47(B)に示すように、必要な距離をおいてサイドウォールSWにより分離された複数のワード線WL1,WL2,…,WLnおよび制御ゲート線SG1,SG2が形成される。
なお、研削および/または研磨は、望ましくは、電荷トラップ膜CHSがワード線ごとに完全に分断されるまで行う。但し、電荷蓄積膜が導電性材料であるFG型の場合は、電荷蓄積膜の分断は必須となる。この箇所でフローティングゲートFGが接続されていると、蓄積電荷が隣のセルに漏洩するのでデータ記憶そのものが不可能となるからである。また、この部分での電界集中を避けるためにも、十分に研削および/または研磨を行う必要がある。
【0117】
図48に示すように、制御ゲート線SG1,SG2が所定のライン幅となるように、ワード線WL1,WL2,…,WLnおよび制御ゲート線SG1,SG2の一部を覆うマスク層を形成し、エッチングして、マスク層の周辺部分を選択的に除去する。
マスク層を除去した後に、N型不純物を半導体基板SUBにイオン注入する。このとき、配線層部分ではイオンが透過しないがサイドウォール部分でイオンが透過して基板に達するようにイオン注入条件を決める。これにより、ソース・ドレイン領域S/D、ドレイン領域DRおよび共通ソース線CSLが同時に形成される。このとき、予め形成しておいた素子分離層もイオン注入時のマスクとして機能する。
なお、このイオン注入条件の最適化だけでは所望の濃度および深さを有したソース・ドレイン領域S/Dの形成が困難な場合には、一旦サイドウォールSWを除去し、イオン注入後に、このサイドウォール形の空間に再び絶縁物質を埋め込むようにしてもよい。
【0118】
その後は、層間絶縁膜INTの堆積、ビットコンタクトBCの形成、ビット線の形成を経て、当該不揮発性メモリを完成させる。
【0119】
[第10実施形態]
第10実施形態は、不揮発性メモリのワード線形成の第1の変形例を示す。
図50(A)〜図50(C)および図51(A)〜図51(D)は、ワード線部分を中心に示す線幅方向の断面図である。この実施形態は、第8および第9実施形態のいずれのメモリセルアレイ方式にも適用できる。
【0120】
第10実施形態における配線分離構造では、図51(D)に示すように、サイドウォールSWのほかに、第1形状のワード線WL2,WL4,…側の電荷蓄積膜GDとサイドウォールSWとの間に、薄い熱酸化膜10が介在していることが第8および第9実施形態と異なる。
熱酸化膜10は、ドープド多結晶珪素またはドープド非晶質珪素の表面を熱酸化することで得られる。したがって、膜厚の制御性が極めて高く、また熱酸化により得られた二酸化珪素であることから膜質がよい。このため、配線間の絶縁特性が向上するという利点がある。
【0121】
この配線構造の形成では、まず、図50(A)に示すように、基板SUB上に犠牲層40を最終的な配線のほぼ2倍のピッチで形成する。この犠牲層40はドープド多結晶珪素またはドープド非晶質珪素から形成する。
図50(B)に示すように、犠牲層40の表面を熱酸化して数nm〜数十nm程度の二酸化珪素からなる熱酸化膜10を形成する。なお、熱酸化に代えて、加熱による窒化処理または酸化窒化処理を行ってもよい。
【0122】
その後は、第8,第9実施形態と同様に、絶縁膜3を堆積し(図50(C))、これをエッチバックしてサイドウォールSWを形成する(図51(A))。
また、犠牲層40の上面を露出させてから犠牲層40を選択的に除去し(図51(B))、導電膜4を堆積し(図51(C))、これを研削および/または研磨して複数のワード線WL1〜WL5を形成する(図51(D))。
【0123】
第10実施形態では、熱酸化等の処理を行うだけでワード線間誘電体の絶縁特性を効果的に向上させることができる。なお、犠牲層40がサイドウォール等と異なり導電物質からなるため選択エッチングが容易であるという利点がある。
【0124】
[第11実施形態]
第11実施形態は、不揮発性メモリのワード線形成の第2の変形例を示す。
図52(A)〜図52(C)および図53(A)〜図53(C)は、ワード線部分を中心に示す線幅方向の断面図である。この実施形態は、第8および第9実施形態のいずれのメモリセルアレイ方式にも適用できる。
【0125】
第11実施形態における配線分離構造では、図53(C)に示すように、電荷蓄積能力を有した積層膜として、第1形状のワード線WL2,WL4,…と基板SUBとの間、サイドウォールSWと基板SUBとの間に存在する第1の電荷蓄積膜GD1と、第2形状のワード線WL1,WL3,…と基板SUBとの間に存在する第2の電荷蓄積膜GD2とを有する。また、第1形状のワード線WL2,WL4,…とサイドウォールSWとの間に、薄い熱酸化膜10が介在している。これらの点で、第8および第9の実施形態と異なる。
第1の電荷蓄積膜GD1と第2の電荷蓄積膜GD2は、膜構造の仕様は同じである。
熱酸化膜10は、第1形状のワード線WL2,WL4,…がドープド多結晶珪素またはドープド非晶質珪素からなる場合に、その表面を熱酸化することで得られる。したがって、膜厚の制御性が極めて高く、また熱酸化により得られた二酸化珪素であることから膜質がよい。このため、配線間の絶縁特性が向上するという利点がある。
【0126】
この配線構造の形成では、まず、図52(A)に示すように、基板SUB上に第1の電荷蓄積膜GD1を形成し、その上に第1形状のワード線WL2,WL4,…を最終的なピッチのほぼ2倍のピッチで形成する。この第1形状のワード線WL2,WL4,…はドープド多結晶珪素またはドープド非晶質珪素から形成する。
図52(B)に示すように、第1形状のワード線WL2,WL4,…の表面を熱酸化して数nm〜数十nm程度の二酸化珪素からなる熱酸化膜10を形成する。なお、熱酸化に代えて、加熱による窒化処理または酸化窒化処理を行ってもよい。
【0127】
その後は、第8,第9実施形態と同様に、絶縁膜3を堆積し(図52(C))、これをエッチバックしてサイドウォールSWを形成する(図53(A))。
【0128】
ここで、第11実施形態では、図53(A)に示すように、第1形状のワード線WL2,WL4,…とサイドウォールSWとをマスクとして、その周囲の第1の電荷蓄積膜GD1を除去する。
その後、第2の電荷蓄積膜GD2を全面に形成した後、導電膜4を堆積し(図53(B))、これを研削および/または研磨して複数のワード線WL1〜WL5を形成する(図53(C))。
【0129】
第11実施形態では、熱酸化等の処理を行うだけでワード線間誘電体の絶縁特性を効果的に向上させることができる。また、電荷蓄積膜の一部除去と再形成の工程が追加されるが、第1形状のワード線は除去しないので、工程数としては大きく変わらない。
【0130】
【発明の効果】
本発明に係る半導体装置によれば、例えば半導体メモリ装置のワード線などの配線間距離をフォトリソグラフィの限界を越えて配線幅より大幅に小さくでき、その結果、無駄なスペースが削減されている。とくに、この配線分離構造をメモリセルアレイのワード線間分離に適用した場合、各メモリセルの列方向の寸法を大幅に小さくでき、その分、ビットコストが大きく削減された。
また、ワード線ピッチが狭いにも関わらず電極取り出しが可能である。
【0131】
本発明に係る半導体装置の製造方法では、上述した配線分離構造が、特殊なプロセスを用いることなく、通常のフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術などを用いて容易に形成できる。
【0132】
上記配線間距離は、絶縁膜厚および/またはサイドウォール絶縁層の幅で規定される。
絶縁膜は、良く知られているように非常に高い精度で制御できる。
また、サイドウォール絶縁層の幅は、犠牲層または第1形状の配線の高さと誘電体のエッチング条件で制御できる。サイドウォール絶縁層の形成時のエッチングは、通常、異方性の強い条件で行うことから、エッチング時間が多少ばらついてもサイドウォール幅のバラツキは小さい。したがって、サイドウォール絶縁層の幅の均一性は比較的高い。また、サイドウォール絶縁層のほかに絶縁膜が介在する場合でも、その幅は膜厚で決まるため極めて均一である。
以上より、配線間距離のバラツキはかなり小さい。
【0133】
また、本発明に係る製造方法では、基板ダメージの導入,第1ワード線のエッチングを極力抑えることができる。
基板表面エッチングの導入により、第1ワード線と第2ワード線とに2回に分けて形成することによる電荷蓄積膜の膜厚変動を有効に抑制し、特性の変動を防止している。
さらに、第2ワード線の電気的分離(残渣除去)工程を有し、その結果、第2ワード線形成時にオーバーエッチングを必要最小にしてワード線間の絶縁分離特性を高いレベルで維持できる。また、特に読み出し時におけるリーク電流を抑制または防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1実施形態に係るVG型メモリセルアレイを有した半導体メモリ装置の構成を示す平面図と断面図である。
【図2】第1実施形態に係る半導体メモリ装置の製造において、第1ワード線の形成後の断面図である。
【図3】第1実施形態に係る半導体メモリ装置の製造において、基板エッチング時の断面図である。
【図4】第1実施形態に係る半導体メモリ装置の製造において、2回目の電荷蓄積膜を形成後の断面図である。
【図5】第1実施形態に係る半導体メモリ装置の製造において、第2ワード線の加工マスク用のレジストパターンの形成後の断面図である。
【図6】第2実施形態に係るNAND型メモリセルアレイを有した半導体メモリ装置の構成を示す平面図である。
【図7】第2実施形態に係るNAND型メモリセルアレイを有した半導体メモリ装置の構成を示す断面図と、その拡大図である。
【図8】第2実施形態に係る半導体メモリ装置の製造において、第1ワード線の形成後の断面図である。
【図9】第2実施形態に係る半導体メモリ装置の製造において、基板エッチング時の断面図である。
【図10】第2実施形態に係る半導体メモリ装置の製造において、2回目の電荷蓄積膜を形成後の断面図である。
【図11】第2実施形態に係る半導体メモリ装置の製造において、第2ワード線の加工マスク用のレジストパターンの形成後の断面図である。
【図12】第1および第2実施形態に係る製造方法において基板エッチングの必要性を説明するために、RTNの有無による熱酸化膜の膜厚変動を調べた際の測定結果を示すグラフである。
【図13】第3実施形態に係る不揮発性メモリ装置の製造において、第1ワード線のパターンニング後の断面図である。
【図14】第3実施形態に係る不揮発性メモリ装置の製造において、熱酸化膜の形成後の断面図である。
【図15】第3実施形態に係る不揮発性メモリ装置の製造において、熱酸化膜の形成後の断面図である。
【図16】第4実施形態に係る不揮発性メモリ装置の製造において、解決しようとする第1〜第3実施形態の課題を示す断面図と平面図である。
【図17】第4実施形態に係る不揮発性半導体メモリ装置のメモリセルアレイ周囲のワード線の平面パターンを示す図である。
【図18】第5実施形態に係るリーク防止の第1の方法において、残渣の除去箇所を示す不揮発性メモリ装置のワード線パターンの平面図である。
【図19】第5実施形態に係るリーク防止の第1の方法を用いた残渣除去後の様子を示す、図18のA−A線に沿った不揮発性メモリ装置の断面図である。
【図20】第5実施形態に係るリーク防止の第2の方法を適用した場合の不揮発性メモリ装置のワード線パターンの平面図である。
【図21】第5実施形態に係るリーク防止の第3の方法を適用した不揮発性メモリ装置の構成を示す図である。
【図22】第6実施形態に係る半導体装置の配線構造を示す、平面図と、A−A線に沿った断面図である。
【図23】第6実施形態に係る半導体装置の製造において、犠牲層形成後の平面図とA−A線に沿った断面図である。
【図24】第6実施形態に係る半導体装置の製造において、誘電体堆積後の断面図である。
【図25】第6実施形態に係る半導体装置の製造において、サイドウォール形成後の平面図とA−A線に沿った断面図である。
【図26】第6実施形態に係る半導体装置の製造において、犠牲層除去後の平面図とA−A線に沿った断面図である。
【図27】第6実施形態に係る半導体装置の製造において、導電膜堆積後の断面図である。
【図28】第7実施形態に係る半導体装置の製造において、第1形状の配線形成後の断面図である。
【図29】第7実施形態に係る半導体装置の製造において、熱酸化膜形成後の断面図である。
【図30】第7実施形態に係る半導体装置の製造において、誘電体堆積後の断面図である。
【図31】第7実施形態に係る半導体装置の製造において、サイドウォール形成後断面図である。
【図32】第7実施形態に係る半導体装置の製造において、導電膜堆積後の断面図である。
【図33】第7実施形態に係る半導体装置の配線構造を示す断面図である。
【図34】第8実施形態に係るNOR型メモリセルアレイの平面図と、A−A線およびB−B線に沿った断面図である。
【図35】第8実施形態に係る半導体装置の製造において、犠牲層形成後の平面図とA−A線に沿った断面図である。
【図36】第8実施形態に係る半導体装置の製造において、誘電体堆積後の断面図である。
【図37】第8実施形態に係る半導体装置の製造において、サイドウォール形成後の平面図とA−A線に沿った断面図である。
【図38】第8実施形態に係る半導体装置の製造において、犠牲層除去後の平面図とA−A線に沿った断面図である。
【図39】第8実施形態に係る半導体装置の製造において、導電膜堆積後の断面図である。
【図40】第9実施形態に係るNAND型メモリセルアレイの平面図である。
【図41】第9実施形態に係るNAND形メモリセルアレイのA−A線に沿った断面図と、その一部拡大図である。
【図42】第9実施形態に係る半導体装置の製造において、犠牲層形成後の平面図とA−A線に沿った断面図である。
【図43】第9実施形態に係る半導体装置の製造において、誘電体堆積後の断面図である。
【図44】第9実施形態に係る半導体装置の製造において、サイドウォール形成後の平面図とA−A線に沿った断面図である。
【図45】第9実施形態に係る半導体装置の製造において、犠牲層除去後の平面図とA−A線に沿った断面図である。
【図46】第9実施形態に係る半導体装置の製造において、導電膜堆積後の断面図である。
【図47】第9実施形態に係る半導体装置の製造において、ワード線形成後の平面図とA−A線に沿った断面図である。
【図48】第9実施形態に係る半導体装置の製造において、選択ゲート線加工後の断面図である。
【図49】第9実施形態に係る半導体装置の製造において、ソース・ドレイン領域形成後の平面図とA−A線に沿った断面図である。
【図50】第10実施形態に係る半導体装置の製造において、誘電体堆積までを示す断面図である。
【図51】第10実施形態に係る半導体装置の製造において、ワード線形成までを示す断面図である。
【図52】第11実施形態に係る半導体装置の製造において、誘電体堆積までを示す断面図である。
【図53】第11実施形態に係る半導体装置の製造において、ワード線形成までを示す断面図である。
【符号の説明】
SUB…基板(半導体)、WL1等…ワード線、PAD1等…電極取り出し部、WLF…ワード線となる導電膜、BL1等…ビット線、S/D…ソース・ドレイン領域、GD,GD1,GD2…電荷蓄積膜(第1または第2電荷蓄積膜)、BTM…第1の電位障壁膜、CHS…電荷トラップ膜、TOP…第2の電位障壁膜、SG1,SG2…選択ゲート線、DR…ドレイン領域、CSL…共通ソース線、BC…ビットコンタクト、INT…層間絶縁膜、1…誘電体、2,20,30,40…犠牲層、3…絶縁膜、4…導電膜、50…ロウデコーダ、51…ワード線駆動回路(第2のワード線駆動回路)、52…ワード線駆動回路(第1のワード線駆動回路)、TOX,10…熱酸化膜、SW…サイドウォール絶縁層、TL1,IL2…配線[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device having a plurality of wirings arranged in parallel to each other, for example, word lines of a memory cell array, and the distance between the wirings to the limit.ShortenedThe present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device.
[0002]
[Prior art]
For example, a word line of a nonvolatile memory device such as a flash EEPROM (Flash Electrically Erasable and Programmable ROM) is arranged long in the row direction of the memory cell array also serving as a gate electrode of a memory transistor. The word lines are also repeatedly arranged at a certain distance in the column direction. In addition, when the bit lines are formed by patterning metal or polycrystalline silicon, the bit lines are also arranged in parallel to each other with a distance therebetween.
There are many other wirings arranged in this way, such as word lines and bit lines of other memories (other ROMs and RAMs) or gate lines of gate arrays.
[0003]
In such wiring patterning, after a conductive material is formed, a resist is applied on the conductive material, and a pattern on a photomask such as a reticle is transferred to the resist. Then, patterning is performed by etching the conductive material using the resist to which the pattern is transferred as a mask.
Alternatively, a material having higher etching resistance is interposed between the conductive material and the resist, and the resist pattern is once transferred to the layer of material having higher etching resistance. Then, patterning is performed by etching the conductive material using the layer of material having strong etching resistance to which the pattern is transferred as a mask.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In such a method, patterning cannot be performed below the resolution limit of photolithography depending on the wavelength of light used.
[0005]
A so-called phase shift method is known as a method for performing patterning below the resolution limit of photolithography.
However, there is a limit to shortening the distance between wires by this method, and the distance between wires cannot be extremely reduced.
[0006]
Therefore, for example, word lines in a conventional semiconductor memory are generally formed in a parallel stripe shape having a space width comparable to the word line width. For this reason, there is a waste of space in the column direction, which is one factor that hinders bit cost reduction.
The problem that the area reduction is restricted by the wiring pitch in this way is basically common to semiconductor devices having many fine repetitive wiring patterns, such as other wiring of a memory device and wiring of a gate array.
[0007]
A first object of the present invention is to provide a semiconductor device including a plurality of wirings of an isolation structure that can be arranged at a distance that is significantly closer than that of the prior art.
A second object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor device capable of forming a plurality of wirings while being separated from each other at a distance much shorter than that of the prior art.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
A semiconductor device according to a first aspect of the present invention uses a plurality of memory transistors arranged in a matrix and the gate electrodes of memory transistors in the same row, and is repeatedly arranged at intervals in the column direction that are long in the row direction. A plurality of word lines, and the plurality of word linesInsulation between A film is formed and the word lines are insulated from each other, the distance between the word lines is defined by the film thickness of the insulating film, and the insulating film between the word lines is composed of a plurality of films and has a charge storage capability. A charge storage film and a thermal oxide film formed on the surface of the word line every other word line..
[0009]
A semiconductor device according to a second aspect of the present invention provides:A plurality of memory transistors arranged in a matrix, and a plurality of word lines which are used in common in the row and repeated in the column direction, and which are used as gate electrodes of the memory transistors in the same row. A line is formed on the side surface of one word line and the cross-section is substantially ¼ elliptical, and is formed between the side wall insulating layer and the word line. The word lines are separated by an insulating film whose dimension in the direction away from the word lines is defined by the film thickness, and the plurality of word lines have a vertical side surface or a forward tapered cross-sectional shape, and the sidewall insulating layers are The first shape word lines formed on the two side surfaces and the first shape word lines in the column direction are alternately arranged, and at least an upper end portion of the side wall insulating layer is arranged. A second shape word line having a reverse taper reflecting the shape, between the first shape word line and the semiconductor, between the second shape word line and the semiconductor, and the first shape. A charge storage film including charge storage means is formed between the first word line and the sidewall insulating layer and between the second shape word line and the sidewall insulating layer. A thermal oxide film is formed between the charge storage film on the side of the shape word line and the sidewall insulating layer.
[0010]
In the semiconductor device according to the first and second aspects, a plurality of word lines are arranged long in one side in parallel with each other. Here, the long arrangement on one side does not necessarily mean that the wiring is necessarily a straight line, and includes a case where the wiring is meandering in the same direction.
The word lines are separated from each other by an insulating film interposed such that the distance between the word lines is set to a film thickness, for example, a charge storage film including charge storage means inside. Further, a thermal oxide film is formed on every other word line (for example, the first shape word line) of the plurality of word lines. Furthermore, particularly in the second aspect, the word lines are separated from each other by a sidewall insulating layer formed on one side surface between the word lines.
[0011]
In these semiconductor devices, since the distance between the word lines is determined by the film thickness of the insulating film and / or the width of the sidewall insulating layer, the distance between the wirings is significantly smaller than the wiring width of the word lines. As the insulating film, a charge storage film having a charge storage capability of the memory transistor can be used by extending to the side wall and the upper surface of every other wiring.
[0012]
A method of manufacturing a semiconductor device according to a third aspect of the present invention uses a plurality of memory transistors arranged in a matrix on a semiconductor and the gate electrodes of memory transistors in the same row, and is long in the row direction and long in the column direction. A plurality of word lines arranged repeatedly, an insulating film is formed between the plurality of word lines, and the word lines are insulated from each other, and the dimension of the insulating film in the separation direction of the word lines is a film A method of manufacturing a semiconductor device defined by a thickness, wherein a stacked pattern of a first charge storage film comprising a plurality of films and having a charge storage capability and a first word line is formed on a semiconductor in parallel with each other at a predetermined interval. A step of etching the semiconductor surface region exposed between the first word lines, and a plurality of semiconductor regions exposed on the surface of the first word line and the semiconductor region exposed between the first word lines. Made of membrane A step of forming a second charge storage film having a load storage capability and at least a portion between the first word lines are embedded with the second charge storage film interposed between the first word lines. Forming a second word line.
[0013]
Preferably, in the present invention, each of the steps of forming the first charge storage film and the second charge storage film includes a step of thermally oxidizing a semiconductor surface to form a first potential barrier film, and the first potential storage film. Nitriding the barrier film or forming a nitride film on the first potential barrier film, wherein the first word line forming step includes forming the first word line on the semiconductor made of single crystal silicon. A step of forming one charge storage film, and a first word made of polycrystalline silicon or amorphous silicon on the first charge storage film. Forming a conductive film to be a line, and continuously etching the conductive film and the first charge storage film in the same pattern.
[0014]
More preferably, in the etching of the semiconductor surface region, a sacrificial oxide film is formed on the single crystal silicon exposed between the first word lines, and the sacrificial oxide film is removed, thereby being consumed during sacrificial oxidation. The surface layer of the single crystal silicon is removed.
[0015]
Preferably, in the present invention, after the formation of the second word line, overetching is performed selectively on at least one end of the first word line under a condition that the material of the second word line is removed. A further step of performing.
[0016]
More preferably, in the step of forming the first and second word lines, the first and second word lines extend outside the memory cell array, bend in a direction different from the wiring direction of the word lines, and end from the bent portion. The wiring pitch between the first word line and the second word line on the side is set larger than the wiring pitch between the first word line and the second word line in the memory cell array, and the end on the side where the wiring pitch is large. And the electrode extraction portion of the first word line is disposed outside the electrode extraction portion of the second word line.
[0017]
In the present invention, preferably, when the outermost first word line is present, a mask that opens around the outer side wall of the outermost first word line after the formation of the second word line. Over-etching under the condition that the material of the second word line is selectively removed through the opening of the mask layer and around the sidewall of the outermost first word line through the opening of the mask layer. And the step of performing.
[0018]
Of the present invention4thA method of manufacturing a semiconductor device according to the aspect ofA plurality of memory transistors arranged in a matrix on a semiconductor, and a plurality of word lines that are long in the row direction and repeated in the column direction, which also serve as gate electrodes of the memory transistors in the same row. A semiconductor device in which a word line is formed on a side surface of one of the word lines and is separated by a sidewall insulating layer having a substantially elliptical cross section and an insulating film formed on the surface of the sidewall insulating layer A plurality of stacked films each including a charge storage film including a charge storage means and a first conductive film formed on the semiconductor in parallel with each other at a predetermined interval; and the stacked film A step of forming the sidewall insulating layer on the two side surfaces, and charge accumulation internally on the surface of the sidewall insulating layer and on the semiconductor region exposed between the sidewall insulating layers Forming a charge storage film including a step again, depositing a second conductive film so as to fill a recess in the surface of the charge storage film, scraping the second conductive film from the surface, and Forming a plurality of word lines separated by a wall insulating layer and the charge storage film.
[0019]
I have said above3rd and 4thIn the method of manufacturing a semiconductor device according to the above aspect, a high-density word line arrangement can be realized by simply repeating the patterning by laminating the charge storage film and the word line material twice.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[First Embodiment]
First embodimentThe virtualThe present invention relates to a nonvolatile memory device having a ground (VG) type memory cell array.
FIG. 1A is a plan view of a VG memory cell array in which the distance between word lines is reduced by applying the present invention. 1B is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 1A, and FIG. 1C is a cross-sectional view taken along the line BB in FIG.
[0021]
As shown in FIG. 1C, source / drain regions S / D made of N-type impurity regions are formed on the surface side in a P-type semiconductor substrate SUB so as to be separated from each other. As shown in FIG. 1A, the source / drain regions S / D constitute bit lines BL1, BL2, BL3, BL4,..., And a pattern in which long lines in the column direction are arranged in parallel stripes in the entire cell array. Have
[0022]
The substrate region sandwiched between the source / drain regions S / D is referred to as a channel formation region. This channel formation region inevitably has a parallel stripe shape that is long in the column direction.
Long word lines WL1, WL2, WL3, WL4, WL5,... Are arranged in the row direction orthogonal to the channel formation region and the source / drain regions S / D. As shown in FIG. 1B, the even-numbered word lines WL2, WL4,... And the odd-numbered word lines WL1, WL3, WL5,. In the present embodiment, even-numbered word lines WL2, WL4,.Charge storage filmIt is formed on the semiconductor substrate SUB with the GD1 interposed. In the present embodiment, this even-numbered word line becomes the “first word line”. Also,Charge storage filmGD1 is"First charge storage film"Applicable.
[0023]
Covering the surface of the first word lines WL2, WL4,... And the surface of the substrate region exposed between the first word lines,Charge storage filmGD2 is formed. And thisCharge storage filmWith the GD2 interposed, odd-numbered word lines WL1, WL3, WL5,... Are formed between the first word lines. In the present embodiment, the odd-numbered word lines WL1, WL3, WL5,... Become “second word lines”. All the word lines are configured by alternately arranging the second word lines and the first word lines. Also,Charge storage filmGD2"Second charge storage film"Applicable.
The relationship between the first word line and the second word line will be described in more detail.Charge storage filmIt faces the semiconductor region between the first word lines with GD2 interposed. Most of the side of the second word lineCharge storage filmIt faces the side surface between the first word lines with GD2 interposed. In addition, both end portions in the width direction of the second word line are respectively connected to end portions in the width direction of two adjacent first word lines.Charge storage filmIt rides with GD2 interposed.
As described above, the word line in the present embodiment is interposed between two adjacent word lines so that the dimension in the separation direction is the film thickness.Charge storage filmIt is insulated and separated by GD2. The word line is made of doped polycrystalline silicon or doped amorphous silicon.
[0024]
In this embodiment, a MONOS type memory transistor is illustrated, soCharge storage filmEach of GD1 and GD2 includes a so-called ONO type three-layer film.
Specifically,Charge storage filmGD1 and GD2 are the lowest layersFirst potential barrier filmBTM, middle charge trap film CHS, and top layerSecond potential barrier filmIt consists of TOP.First potential barrier filmThe BTM includes, for example, a thermal silicon oxide film formed by thermally oxidizing the substrate surface and an oxynitride film formed by nitriding the thermal silicon oxide film. The charge trap film CHS is made of, for example, silicon nitride or silicon oxynitride, and includes a large number of charge traps as discrete charge storage means.Second potential barrier filmTOP is made of, for example, a silicon oxide film.
In the case of the so-called MNOS type,Second potential barrier filmTOP is omitted, and the charge trap film CHS is formed relatively thick. In the case of the so-called nanocrystal type,First potential barrier filmInnumerable fine particles made of, for example, polycrystalline silicon are discretely embedded between the oxide film and the oxide film.
[0025]
Charge storage filmGD1 and GD2 have a total thickness of about a dozen nm in terms of silicon dioxide.
Charge storage filmGD1 and GD2 are formed so that the film structures including the film thickness are equal in the portion in contact with the single crystal silicon (semiconductor substrate SUB). However,Charge storage filmThe portion of GD2 that contacts polycrystalline silicon or amorphous silicon (first word lines WL2, WL4,...) Is thicker in terms of silicon dioxide than the portion that contacts single crystal silicon. This is because the thermal oxidation rate of polycrystalline silicon or amorphous silicon is about twice that of single crystal silicon. For this reason, a satisfactory level of insulation characteristics between the word lines can be secured.
[0026]
When writing dataWhen charge is injected into the
When injecting charges into the
[0027]
When reading data, Read targetBit dataA predetermined read drain voltage is applied between the bit lines BL3 and BL4 so that the memory portion side in which is written becomes the source. In addition, although the channel portion sandwiched between the memory portions at both ends can be turned on, the optimized positive voltage is set to the word line WL2 which is low enough not to change the threshold voltage of the memory portions at both ends of the memory transistor. Apply to. At this time, the channel conductivity effectively changes depending on the amount of accumulated charge in the storage unit to be read or the presence or absence of charge, and as a result, the stored information is converted into the current amount or potential difference on the drain side and read.
The otherBit dataIf you want to readBit data isReading is performed in the same manner as described above by switching the bit line voltage so that the written storage side becomes the source.
[0028]
When erasing dataIn addition, the channel formation region and the source / drain region S / D side are high and the word line WL2 side is low.Of the above dataAn erase voltage is applied in the opposite direction to that at the time of writing. As a result, accumulated charges are extracted from one or both of the storage portions to the substrate SUB side, and the memory transistor returns to the erased state. As another erasing method, it is generated near the PN junction (not shown) on the source / drain region S / D side or inside the substrate, and has a polarity opposite to the accumulated charge, and is generated due to tunneling between bands. It is also possible to adopt a method in which the high energy charges thus injected are attracted by the electric field of the control gate and injected into the memory portion.
[0029]
A procedure for forming a VG memory cell array will be described with reference to the drawings.To do.
Figure2 to 5 are cross-sectional views (and plan views) at each step of word line formation. 2A is a plan view, and FIG. 2B is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. The other FIGS. 3 to 5 all show sectional views along the line AA.
[0030]
A well is formed in the semiconductor substrate SUB as necessary, and ion implantation for adjusting a threshold voltage is performed. Then, a mask layer such as a resist is formed on the semiconductor substrate, ion-implanted, and activated to form source / drain regions S / D (bit lines BL1, BL2, BL3, BL4,...).
[0031]
On the semiconductor substrate SUB,Charge storage filmA first charge storage film to be GD1 is formed. For example, the surface of the semiconductor substrate SUB is thermally oxidizedFirst potential barrier filmForm a BTM and if necessaryFirst potential barrier filmBTM is nitrided,First potential barrier filmA charge trap film CHS made of silicon nitride or silicon oxynitride is formed on the BTM, and the surface of the charge trap film CHS is thermally oxidized.Second potential barrier filmForm TOP.
First charge storage film GD1A conductive film made of doped polycrystalline silicon or doped amorphous is deposited thereon, for example, by CVD.
A resist pattern is formed on the conductive film, and anisotropic etching such as RIE is performed to pattern the conductive film. Subsequently, the first charge storage film exposed between the conductive film patterns is, for example, CF4/ CHF3Patterning is performed using a dry etching apparatus using / Ar. Thereafter, the resist pattern is removed. ThisCharge storage filmA stacked pattern composed of GD1 and the first word line WL2 or WL4 is formed in a parallel stripe pattern orthogonal to the source / drain regions S / D, as shown in FIG.
[0032]
As shown in FIG. 3, the surface layer of the semiconductor substrate SUB is etched. This etching may be ordinary dry etching, but a method using sacrificial oxidation is desirable. That is, the substrate surface is thermally oxidized to form a thin sacrificial oxide film, which is removed by wet etching or the like. As a result, the silicon surface layer consumed during the sacrificial oxidation is etched uniformly and without leaving any damage. This sacrificial oxidation condition is that the first charge storage film (Charge storage filmAccording to the formation conditions of GD1), it is determined in advance so that the nitrogen atoms introduced into the substrate surface layer are sufficiently removed.
[0033]
As shown in FIG. 4, a second charge storage film is formed under the same conditions as the first charge storage film described above. As a result, the second charge storage film (Charge storage filmGD2) is formed.
[0034]
As shown in FIG. 5, a conductive film WLF that completely fills the space between the first word lines WL2, WL4,..., For example, a doped polycrystalline silicon film or a doped amorphous silicon film is deposited.
A resist pattern R opening above the first word lines WL2, WL4,... Is formed on the conductive film WLF.
[0035]
Thereafter, anisotropic etching such as RIE is performed using the resist pattern R as a mask. Thereby, the conductive film WLF is separated, and second word lines WL1, WL3, WL5,... Shown in FIG.
[0036]
[Second Embodiment]
Second embodimentState is NAThe present invention relates to a nonvolatile memory device having an ND type memory cell array.
FIG. 6 is a plan view of a NAND type memory cell array in which the distance between word lines is reduced by applying the present invention. 7A is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 6, and FIG. 7B is a cross-sectional view in which a part of FIG. 7A is enlarged.
[0037]
As shown in FIGS. 7A and 7B, word lines WL1, WL2,... WLn having substantially the same cross-sectional structure as in the first embodiment are formed on a P-type semiconductor substrate SUB. That is, odd-numbered word lines WL1, WL3,..., WLn (first word lines) areCharge storage filmIt is formed on the semiconductor substrate SUB with the GD1 interposed. Covering the surface of the first word lines WL1, WL3,..., WLn and the surface of the substrate region exposed between the first word lines,Charge storage filmGD2 is formed. And thisCharge storage filmEven numbered word lines WL2, WL4,... (Second word lines) are formed between the first word lines with GD2 interposed. More specifically, the bottom surface of the second word line isCharge storage filmIt faces the semiconductor region between the first word lines with GD2 interposed. The main side of the second word line isCharge storage filmIt faces the side surface between the first word lines with GD2 interposed. In addition, both end portions in the width direction of the second word line are respectively connected to end portions in the width direction of two adjacent first word lines.Charge storage filmIt rides with GD2 interposed.
As described above, the word line in the present embodiment is interposed between two adjacent word lines so that the dimension in the separation direction is the film thickness.Charge storage filmIt is insulated and separated by GD2. The word line is made of doped polycrystalline silicon or doped amorphous silicon.
[0038]
Charge storage filmGD1 and GD2, for example, in the MONOS type memory transistor, as in the first embodiment,First potential barrier filmBTM, middle charge trap film CHS, and top layerSecond potential barrier filmIt consists of TOP.
[0039]
Outside the word line WL1, for exampleCharge storage filmControl gate lines SG1 separated by GD2 are arranged in parallel. Similarly, outside the word line WLn, for exampleCharge storage filmControl gate lines SG2 separated by GD2 are arranged in parallel. These control gate lines SG1 and SG2 also serve as the gate electrode of the select transistor, and the gate insulating film GD3 is used.SandwichSemiconductor substrate SUBFacing. Gate insulating film GD3 is formed of, for example, a single-layer silicon dioxide film. In this case, although the manufacturing process is slightly complicated, a single-layer gate insulating film is formed only in this portion, and the select transistor becomes a normal MOS type. OrCharge storage filmWith GD2Gate insulation filmThe GD3 may be the same film, and the charge may not be injected into the gate insulating film GD3 due to the applied bias condition.
[0040]
A drain region DR composed of an N-type impurity region is formed outside the control gate line SG1. This drain region DR is shared with other NAND strings (not shown).
A common source line CSL made of an N-type impurity region is formed outside the control gate line SG2. The common source line CSL isRow directionA row of NAND strings, andColumn directionIs shared by another NAND string of one row (not shown) adjacent to.
[0041]
An interlayer insulating film INT is formed on the transistors constituting these NAND strings. Bit lines BL1 and BL2 are arranged in parallel stripes on the interlayer insulating film INT. Each bit line is connected to the corresponding drain region DR by a bit contact BC formed in the interlayer insulating film INT.
[0042]
When writing dataWhen charge is injected into the
When injecting charges into the
[0043]
Other more desirabledataAs a writing method, a source side injection method can be adopted. In this case, at the time of writing to the
When injecting charges into the
[0044]
When reading dataIn addition, a predetermined read drain voltage is applied between the bit line BL2 and the common source line CSL so that the storage unit side in which the read target bit is written serves as a source, and a word other than the word line to which the read target cell is connected. Apply a pass voltage to the line. In addition, although the channel portion sandwiched between the memory portions at both ends can be turned on, the optimized positive voltage is set to the word line WL3 which is low enough not to change the threshold voltage of the memory portions at both ends of the memory transistor. Apply to. At this time, the channel conductivity effectively changes depending on the amount of accumulated charge in the storage unit to be read or the presence or absence of charge, and as a result, the stored information is converted into the current amount or potential difference on the drain side and read.
The otherBit dataWhen readingBit dataIs read out in the same manner as described above by switching the voltage between the bit line BL2 and the common source line CSL so that the storage unit side in which is written becomes the source.
[0045]
When erasing dataThen, erasing is performed by pulling out charges on the substrate side using FN tunneling on the entire surface of the channel or pulling out charges on the word line side.
[0046]
A procedure for forming a NAND type memory cell array will be described with reference to the drawings.
8 to 11 are cross-sectional views (and plan views) at each step of word line formation. 8A is a plan view, and FIG. 8B is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. The other FIGS. 9 to 11 all show cross-sectional views along the line AA.
[0047]
A well is formed in the semiconductor substrate SUB as necessary, and ion implantation for adjusting a threshold voltage is performed.
[0048]
On the semiconductor substrate SUB,First charge storage film GD1Form. For example, the surface of the semiconductor substrate SUB is thermally oxidizedFirst potential barrier filmForm a BTM and if necessaryFirst potential barrier filmBTM is nitrided,First potential barrier filmA charge trap film CHS made of silicon nitride or silicon oxynitride is formed on the BTM, and the surface of the charge trap film CHS is thermally oxidized.Second potential barrier filmForm TOP.
A conductive film made of doped polycrystalline silicon or doped amorphous is deposited on the first charge storage film, for example, by CVD.
A resist pattern is formed on the conductive film, and anisotropic etching such as RIE is performed to pattern the conductive film. The first charge storage film exposed between the conductive film patterns is, for example, CF4/ CHF3Patterning is performed using a dry etching apparatus using / Ar. Thereafter, the resist pattern is removed. ThisCharge storage filmA stacked pattern composed of GD1 and first word lines WL1, WL3,... WLn is formed in a parallel stripe pattern as shown in FIG.
[0049]
As shown in FIG. 9, the surface layer of the semiconductor substrate SUB is etched. This etching may be ordinary dry etching, but a method using sacrificial oxidation is desirable. That is, the substrate surface is thermally oxidized to form a thin sacrificial oxide film, which is removed by wet etching or the like. As a result, the silicon surface layer consumed during the sacrificial oxidation is etched uniformly and without leaving any damage. This sacrificial oxidation condition is the first charge accumulationMembrane GD1The nitrogen atoms introduced into the substrate surface layer are determined in advance according to the formation conditions.
[0050]
As shown in FIG. 10, a second charge storage film is formed under the same conditions as the first charge storage film. As a result, the second charge accumulationMembrane GD2Is formed. As needed, the outer region of the word line WL1 and the outer region of the word line WLn.Charge storage filmGD2 is selectively removed and a single layer isInsulation filmGD3 is selectively formed.
[0051]
As shown in FIG. 11, a conductive film WLF that completely fills between the first word lines WL1, WL3,..., WLn, for example, a doped polycrystalline silicon film or a doped amorphous silicon film is deposited.
A resist pattern R opening above the first word lines WL1, WL3,..., WLn is formed on the conductive film WLF.
[0052]
Using the resist pattern R as a mask, anisotropic etching such as RIE is performed. Thereby, the conductive film WLF is separated, and the second word lines WL2, WL4,... And the control gate lines SG1, SG2 shown in FIG.
[0053]
N-type impurities are ion-implanted into the semiconductor substrate region outside the select gate lines SG1, SG2. At this time, the source / drain regions are not formed because ions do not pass through the word line arrangement region.
Thereafter, through the deposition of the interlayer insulating film INT, the formation of the bit contact BC, and the formation of the bit line, the NAND type nonvolatile memory device is completed.
[0054]
In the first and second embodiments described above, the second word line to be formed later may be formed so as to be embedded between the first word lines so as not to overlap. In that case, it is desirable to form a stopper film for preventing polishing such as CMP on the first word line. Further, in this structure that does not overlap, by optimizing the ion implantation conditions in the NAND type, the gap between the word lines (Charge storage filmGD2) may transmit ions to form narrow source / drain impurity regions S / D in the word line direction.
[0055]
In the semiconductor memory devices according to the first and second embodiments described above, the distance between word lines isLaminated film (charge storage filmSince it is determined by the film thickness of GD2), the distance between the word lines is significantly smaller than the word line width. Therefore, 2F2(F: Lithographic resolution limit or design rule) and2-bit dataAs a cell for storing the memory cell, a memory cell having an extremely small area can be realized.
[0056]
Further, in the method of manufacturing the semiconductor memory device according to the above-described embodiment, a high-density word line arrangement can be realized by simply repeating the patterning by laminating the charge storage film and the word line material twice.
In addition, since the substrate is etched thinly before the second charge storage film formation, the accuracy of the second charge storage film formation is improved.
[0057]
Here, the present inventor has an RTN process at the first charge storage film formation.WaferA and no RTN processingWaferB is prepared and the second charge storage filmFirst potential barrier filmThermal oxidation was performed assuming the formation of.
The table in FIG. 12 shows the measured values of this oxide film. Here, in order to accurately measure the film thickness, it is thermally oxidized for a long time with the aim of 18 nm,WaferThe film thickness of the thermal oxide film was measured at five measurement points.
As a result, RTN processing is performed.WaferIn the thermal oxidation of A, the oxidation rate is low, andWaferIt can be seen that the variation of the oxide film thickness is larger than that of B. This is because nitrogen is introduced into the substrate during the RTN process, which inhibits oxidation.
In the above-described embodiment of the present invention, the surface layer of the substrate containing nitrogen is removed by sacrificing the substrate surface and etching the oxide film before the second charge storage film is formed. As a result, the second charge storage film can be formed with high accuracy and the characteristic fluctuation can be suppressed.
[0058]
[Third Embodiment]
The third embodiment relates to a partial change in the steps of the first and second embodiments.
[0059]
In the process of FIG. 2B of the first embodiment described above or the process of FIG. 8B of the second embodiment, the conductive film pattern and the first charge storage film are continuously dry etched, FirstCharge storage filmA pattern composed of GD1 and the first word line WL2 or WL4 is formed. However, dry etching is not preferable because it slightly damages the substrate.
Here, only the conductive film pattern is dry etched to obtain the firstCharge storage filmA method of removing the first charge storage film to be GD1 by wet etching is conceivable.
When the first charge storage film is an ONO film, silicon nitride is present, so that it cannot be removed with a silicon oxide etchant mainly composed of hydrofluoric acid, and treatment using hot phosphoric acid is required. However, the hot phosphoric acid treatment causes a new problem that the surface of polycrystalline silicon having a high concentration is etched.
[0060]
The third embodiment provides a manufacturing method suitable for removing such a first charge storage film by wet processing.
The method shown in this embodiment can be applied not only to the VG type and the NAND type, but will be described with reference to FIGS.
[0061]
FIG. 13 shows the first ONO structure.Charge storage filmFIG. 9 is a cross-sectional view at the time when the first word lines WLi, WLi + 2,... Are formed by patterning the conductive material on the GD1, and corresponds to FIGS.
At the end of dry etching of this conductive material, depending on the amount of overetchingSecond potential barrier filmA part of TOP may be removed, and in some cases, as shown in the figureSecond potential barrier filmTOP is removed around the first word line.
[0062]
In this embodiment, at this time, the surface of the first word lines WLi, WLi + 2,... Is thermally oxidized to form, for example, a thermal oxide film TOX of about 10 nm on the surface of the first word line as shown in FIG.
[0063]
The first word line exposed between the first word lines in a state where the surface of the first word line is protected by the thermal oxide film TOX.Charge storage filmGD1 is removed by wet etching. That is, the silicon nitride film (charge trap film CHS) is removed with an etchant using hot phosphoric acid, and the silicon dioxide film (with the etchant mainly containing hydrofluoric acid is used).First potential barrier filmBTM) is removed.
During this etching, of course, the thermal oxide film TOX is also thinned. In the present embodiment, the thickness of the thermal oxide film TOX may be set in advance so that the thermal oxide film is etched off at the end of the etching. Alternatively, as shown in FIG. 15, the film thickness may be increased to some extent so that the thermal oxide film TOX remains.
In any case, there is an advantage that the amount of the first word line can be reduced compared to the case where the thermal oxide film is not formed.
[0064]
Thereafter, as in the first and second embodiments, the secondCharge storage filmGD2 is formed, and a conductive material is embedded between the first word lines and patterned to form second word lines WLi-1, WLi + 1,.
If the thermal oxide film TOX is left to the end, the insulation characteristics between the word lines are remarkably improved in this thermal oxide film, and the parasitic capacitance between the word lines is also reduced.
[0065]
[Fourth Embodiment]
The fourth embodiment is a modification of the first to third embodiments. More specifically, the fourth embodiment relates to a pattern of the electrode lead-out portion and a part of a process for preventing occurrence of a short-circuit between electrodes.
[0066]
In the process of FIG. 5 of the first embodiment described above or the process of FIG. 11 of the second embodiment, patterning of the second word line is performed. In this etching, the base is second.Charge storage filmSince it is GD2, too much overetching time cannot be set. Because of excessive over-etching,Charge storage filmThis is because if GD2 becomes thin, the insulation between word lines may be lowered.
[0067]
After the etching of the second word line, for example, as shown in FIG. 16A, a conductive substance that is the material of the second word line may remain in the vicinity of the skirt of the first word line. In particular, when a conductive layer (for example, polycrystalline silicon) serving as the second word line is deposited, if it is thinner in the region above the first word line than the other regions, it is formed at the bottom of the first word line. Residue of conductive material tends to remain.
This residue is generated along the end face of the first word line as shown in FIG. 16B, causing a short circuit between the second word lines.
[0068]
In the present embodiment, in order to prevent this short circuit between word lines, a step of cutting the residue in the middle is added.
Further, when the word lines are formed at a pitch close to the minimum line width of photolithography as in the first to third embodiments, it is difficult to extract electrodes for connecting the word lines to the upper wiring. In the present embodiment, details of the pattern that facilitates the electrode extraction will be described.
[0069]
FIG. 17 shows an end pattern including an electrode lead-out portion of the word line in the present embodiment.
The word line arrangement in the memory cell array is the same as in the first or second embodiment.
A word line extending in one direction from the memory cell array is bent in a direction different from the wiring direction. Here, each is bent 90 degrees from the row direction to the column direction. The portions where the word lines are bent are sequentially shifted, and the pitch of the word line portions extending in the column direction is relaxed from the pitch in the memory cell array. For this reason, there is a margin for forming wide electrode extraction portions PAD1 and PAD2 for connecting each word line to an upper wiring (not shown). The first word lines WL1a, WL1b, WL1c formed from the first-layer polycrystalline silicon have an electrode lead-out portion PAD1, are formed from the second-layer polycrystalline silicon, and are connected to the first word lines on both sides. The overlapping second word lines WL2a, WL2b, WL2c have an electrode extraction portion PAD2. Of these, the electrode lead-out portion PAD1 is arranged at a position further outside the electrode lead-out portion PAD2.
Also at the other end of each word line, the first word lines WL1a, WL1b, WL1c extend outward from the second word lines WL2a, WL2b, WL2c.
[0070]
The reason for extending the first word line to the outside is that the conductive residue remaining at the edge of the first word line when the second word line is formed is removed at the end of the first word line, This is to prevent electrical shorting.
[0071]
Specifically, in the steps of FIGS. 2A and 2B of the first embodiment, the steps of FIGS. 8A and 8B of the second embodiment, or FIGS. 13 to 15 of the third embodiment. When forming the first word line, as shown in FIG. 17, one end is relatively long, the electrode lead-out portion PAD1 is formed at the tip, and the other end is formed relatively long. A photomask having a first word line pattern is used.
[0072]
After the steps of FIG. 3, FIG. 4 or FIG. 9, FIG.Charge storage filmGD2 is formed, and in the step of FIG. 5 or FIG. 11, polycrystalline silicon to be the second word line is deposited, and a resist pattern R is formed thereon. At this time, as shown in FIG. 17, one end is relatively short (that is, shorter than the first word line), the electrode lead-out portion PAD2 is formed at the tip, and the other end is from the first word line. A photomask having a short second word line pattern is used.
[0073]
Next, in this embodiment, a step of removing the conductive residue is added. For example, a resist pattern is formed which opens at broken line portions A1 and A2 shown in FIG. 17 to expose the end portion of the first word line and covers and protects the entire second word line. Partial over-etching is performed using this resist pattern as a mask. The conditions such as the etching gas at this time are the same as those at the time of forming the second word line, and the etching time is a time for sufficiently removing the conductive residue at the opening. As a result, the conductive residue is cut at this portion, and the second word lines are completely electrically separated.
[0074]
Thereafter, the nonvolatile memory is completed through steps similar to those in the first or second embodiment.
[0075]
[Fifth Embodiment]
This embodiment is for solving other problems due to the residue of the second word line forming material.
Under the residue shown in FIG. 16 (A), the second protected by the residue and maintaining the charge storage capability in a high state.Charge storage film(Charge storage film) GD2 is left intact. In contrast, the second around itCharge storage filmSince GD2 has been removed or exposed to etching, if left, its charge storage capability is significantly reduced.
[0076]
Charges may be stored in the charge storage film under the residue during gate processing or during operation. When the cell is N-channel type, the accumulation of electrons isThreshold voltageHowever, if holes are accumulated, the channel immediately below the residue becomes depletion, and leakage between the source and drain of the cell increases. And even if it ’s not a depression,Threshold voltageIs low, the capacitive coupling with the adjacent word line to which a high positive voltage is applied increases the potential of the electrically floating residue, and the channel of the parasitic transistor is turned on to increase leakage.
This increase in leakage causes a disadvantage that the S / N ratio of the read signal is lowered for all the cells, especially at the time of reading, and thus erroneous reading is caused.
[0077]
This embodiment is for preventing this increase in leak. In this embodiment, there are the following three methods for preventing leakage.
In the first method, the residue is selectively removed at this portion.
In the second method, the number of word lines is set to an odd number so that the residue in this portion is reduced.Occurrence itselfTo prevent.
In the third method, considering that the number of word lines is usually an even number, in addition to the second method, the outer word line is used as a dedicated line for applying a leak prevention voltage.
[0078]
Hereinafter, these three methods will be sequentially described with reference to the drawings. In addition, although the technique of 4th Embodiment mentioned above is applied to the drawing used here duplication, this duplication application is not necessarily essential. In addition, configurations that have already been described and assigned the same reference numerals will not be described here again.
[0079]
FIG. 18 is a plan view showing a residue removal place in the first method. Moreover, FIG. 19 is sectional drawing along the AA line of FIG. 18 after the residue removal using a 1st method.
In the resist pattern R for removing the residue of the second word line used in the fourth embodiment described above,ApertureIn addition to A 1 and
As a result, according to the first method, the above-described leakage current caused by the residue in the opening A3 can be prevented or reduced.
[0080]
FIG. 20 is a plan view when the above-described second method is applied.
In the second method, an odd number of word lines are provided. That is, if the number of first word lines is n, (n + 1) second word lines are provided. As a result, the second word line is arranged on the outermost side of the memory cell array, and as a result, the problem of leakage due to the residue of the second word line is solved.
Note that the number of normal word lines is an even number, and one extra word line is required as compared with this. In this case, for example, an address signal may not be assigned so that an extra word line is not used.
[0081]
FIG. 21 is a plan view and a block diagram when the third method is applied.
In the third method, the number of word lines is odd as in the second method. Among these, n word lines WL1a to WL2c are connected to a normal word
In the third method, the voltage applied to the word
[0082]
[Sixth Embodiment]
This embodimentState is semiconductorRelates to the device.
FIG. 22A is a plan view of the semiconductor device according to the sixth embodiment after wiring formation, and FIG. 22B is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG.
In this semiconductor device, the wiring separation structure of the present invention is applied to a plurality of wirings arranged in parallel in one layer in the multilayer wiring structure.
[0083]
On the dielectric 1 supported by the substrate SUB, first-shaped wirings IL1 having a substantially vertical side surface or a forward tapered cross-sectional shape are formed at equal intervals. Further, between the first shape wiring IL1, a second shape wiring IL2 having a cross-sectional shape in which at least the upper part is reversely tapered is formed. Between the first shape wiring IL1 and the first shape wiring IL2Side wall insulating layer having a substantially elliptical cross sectionSW (hereinafter, simply referred to as a side wall) is interposed, thereby insulating and separating the two wirings. here"Cross section is approximately 1/4 oval"Is a substantially planar first side surface as shown in FIG. 22 (B), and a second side surface including at least part of a curved surface that is curved in an arc shape so as to be closer to the first side surface at the top. The shape which has.
The sidewall SW is formed on the side surface of the first shape wiring IL1. Therefore, the surface of the sidewall SW opposite to the first shape wiring IL1 is a curved surface. The second shape wiring IL2 is formed so as to be embedded in a concave portion formed by the curved surface. As a result, the second-shaped wiring IL2 has a reverse tapered cross-sectional shape.
[0084]
The first and second shape wirings IL1 and IL2 only need to be parallel to each other. For example, the wirings IL1 and IL2 may meander as a whole. Further, it may be a wiring (for example, Schottky metal) in direct contact with the substrate SUB.
[0085]
Next, the wiring formation procedure will be described with reference to the drawings.To do.
Figure23 to 27 are cross-sectional views (and plan views) at each step of wiring formation. 23, 25, and 26, (A) is a plan view, and (B) is a cross-sectional view taken along line AA of (A). All other drawings represent cross-sectional views along the line AA.
[0086]
As shown in FIGS. 23A and 23B, a plurality of
As shown in FIG. 24, different materials are used to cover the sacrificial layer 2.Insulation film3 is deposited.Insulation filmAs the
[0087]
continue,Insulation film3 is etched back by anisotropic etching. Thereby, as shown in FIGS. 25A and 25B, the sidewall SW is formed on the side surface of the
[0088]
Thereafter, the
As shown in FIG. 27, a
Thereafter, the surface of the
[0089]
In the sixth embodiment, the distance between the wiring layers isSide wall insulation layerSince it is determined by the width of SW, the wiring layer can be made sufficiently smaller than the limit of photolithography. At this time, the controllability of the wiring interlayer distance is also high.
[0090]
[Seventh Embodiment]
Seventh embodimentThe semiconductorRelates to the device.
FIG. 33 is a cross-sectional view showing a wiring structure according to the seventh embodiment.
A plan view of this wiring structure is the same as FIG. 22A, and the wiring structure is composed of a plurality of wirings IL1 and IL2 arranged in parallel stripes. In the cross-sectional view, the first shape wiring IL1 and the second shape wiring IL2 are alternately arranged in common with FIG.
[0091]
The wiring isolation structure in the seventh embodiment is different from the first embodiment in that a thin
The
[0092]
28 to 32 are cross-sectional views in forming this wiring structure.
As shown in FIG. 28, the first-shaped wiring IL1 is formed on the dielectric 1 supported by the substrate SUB at a pitch that is approximately twice that of the final wiring. Since the first shape wiring IL1 is finally left, it is formed from doped polycrystalline silicon or doped amorphous silicon.
[0093]
As shown in FIG. 29, the surface of the first-shaped wiring IL1 is thermally oxidized to form a
[0094]
After that, as in the seventh embodiment,Insulation film3 is deposited (FIG. 30) and etched back to form a sidewall SW (FIG. 31). Further, the
[0095]
In the seventh embodiment, it is possible to effectively improve the insulation characteristics of the inter-wiring dielectric simply by performing a treatment such as thermal oxidation. Note that the step of removing the sacrificial layer as in the first embodiment is unnecessary, and therefore the number of steps is not increased.
[0096]
[Eighth Embodiment]
The eighth embodiment shows a first example when the wiring formation method of the sixth embodiment is applied to formation of a word line of a nonvolatile memory. Here, application to a NOR type memory cell array will be described.
FIG. 34A is a plan view of a NOR type memory cell array in which the distance between word lines is reduced by applying the present invention. 34B is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 34A, and FIG. 34C is a cross-sectional view taken along the line BB in FIG.
[0097]
As shown in FIG. 34C, source / drain regions S / D made of N-type impurity regions are formed on the surface side in the P-type semiconductor substrate SUB so as to be separated from each other. As shown in FIG. 34 (A), the source / drain regions S / D constitute source lines SL1, SL2,... And bit lines BL1, BL2,. It has the pattern arranged in.
Sidewalls SW are formed on the semiconductor substrate SUB so as to be long in parallel to the source / drain regions S / D and in parallel with each other.
[0098]
Covering the surface of the sidewall SW and the surface of the semiconductor substrate SUB,Charge storage filmGD is formed.Charge storage filmGD is a film containing charge storage means inside. In the present embodiment, a MONOS type memory transistor is illustrated, so thisCharge storage filmThe GD is a so-called ONO type three-layer film.
Specifically,Charge storage filmGD is the lowest layerFirst potential barrier filmBTM, middle charge trap film CHS, and top layerSecond potential barrier filmIt consists of TOP.First potential barrier filmThe BTM includes, for example, a thermal silicon oxide film formed by thermally oxidizing the substrate surface and an oxynitride film formed by nitriding the thermal silicon oxide film. The charge trap film CHS is made of, for example, silicon nitride or silicon oxynitride, and includes a large number of charge traps as discrete charge storage means.Second Potential barrier membraneTOP is made of, for example, a silicon oxide film.
In the case of the so-called MNOS type,Second potential barrier filmTOP is omitted, and the charge trap film CHS is formed relatively thick. In the FG type using a conductive layer as a charge storage film, from the lower layer,First potential barrier filmAnd a floating gate, and a gate between ONO filmsInsulation filmAre often laminated.
[0099]
thisCharge storage filmGD has a total thickness of about a dozen nm in terms of silicon dioxide.Charge storage filmA conductive material is buried in the recesses on the surface of the GD, thereby forming word lines WL1, WL2,. In the illustrated example, even-numbered word lines WL2, WL4,... Have a first shape, and odd-numbered word lines WL1, WL3,.
[0100]
Next, the formation procedure of this NOR type memory cell array will be described with reference to the drawings.
35 to 39 are cross-sectional views (and plan views) at each step of word line formation. 35, 37, and 38, (A) is a plan view, and (B) is a cross-sectional view taken along line AA of (A). All other drawings represent cross-sectional views along the line AA.
[0101]
First, if necessary, a layer for dielectric isolation between elements is provided on the semiconductor substrate SUB, and ion implantation for adjusting a threshold voltage is performed. Then, a mask layer such as a resist is formed on the semiconductor substrate, ion-implanted, and activated to form source / drain regions S / D (source lines SL1, SL2 and bit lines BL1, BL2).
[0102]
As shown in FIG. 35A, in a parallel stripe pattern orthogonal to the source / drain regions S / D, a plurality of dielectricsSacrificial layer 20Are formed on the substrate SUB. The plurality of
As shown in FIG. 36, different materials are used to cover the sacrificial layer 20.Insulation film3 is deposited.Insulation filmAs the third material, a material having a high etching selectivity with respect to the
[0103]
continue,Insulation film3 is etched back by anisotropic etching. Thereby, as shown in FIGS. 37A and 37B, the sidewall SW is formed on the side surface of the
[0104]
Thereafter, the
[0105]
As shown in FIG. 39, a
Thereafter, the surface of the
The grinding and / or polishing is preferably performed until the charge trap film CHS is completely divided for each word line. However, in the case of the FG type in which the charge storage film is a conductive material, it is essential to divide the charge storage film. This is because if the floating gate FG is connected at this location, the stored charge leaks to the adjacent cell, making data storage itself impossible. Moreover, in order to avoid electric field concentration in this portion, it is necessary to perform sufficient grinding and / or polishing.
[0106]
[Ninth Embodiment]
The ninth embodiment shows a second example in which the wiring formation method of the sixth embodiment is applied to formation of a word line of a nonvolatile memory. Here, application to a NAND type memory cell array will be described.
FIG. 40 is a plan view of a NAND type memory cell array in which the distance between word lines is reduced by applying the present invention. 41A is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 40, and FIG. 41B is a cross-sectional view in which a part of FIG. 41A is enlarged.
[0107]
As shown in FIGS. 41A and 41B, word lines WL1, WL2,... WLn having substantially the same cross-sectional structure as in the sixth embodiment are formed on a P-type semiconductor substrate SUB. That is, the sidewalls SW are formed in parallel stripes on the semiconductor substrate SUB, covering the surface of the sidewalls SW and the surface of the semiconductor substrate SUB,Charge storage filmGD is formed. For example, in the MONOS type memory transistor, as in the sixth embodiment,Charge storage filmGD is the lowest layerFirst potential barrier filmBTM, middle charge trap film CHS, and top layerSecond potential barrier filmIt consists of TOP.
thisCharge storage filmGD has a total thickness of about a dozen nm in terms of silicon dioxide.Charge storage filmA conductive material is embedded in the recesses on the surface of the GD, thereby forming word lines WL1, WL2,. In the illustrated example, odd-numbered word lines WL1, WL3,... Have a first shape, and even-numbered word lines WL2, WL4,.
[0108]
A control gate line SG1 separated by a sidewall SW is arranged outside the word line WL1 in parallel. Similarly, a control gate line SG2 separated by the sidewall SW is arranged in parallel outside the word line WLn. These control gate lines SG1 and SG2 are shown in FIG.Charge storage filmGDAcrossFor semiconductor substrate SUBFacingHowever, depending on the applied bias conditions,Charge storage filmNo charge is injected into the GD. Although the manufacturing process is slightly complicated, only this part is a single layer.Charge storage filmAnd the select transistor may be a normal MOS type.
[0109]
For such a wiring structure, source / drain regions S / D made up of N-type impurity regions are formed only in the substrate portion centering on the region below the sidewall SW. The source / drain regions S / D are discretely formed only between word lines or between a word line and a control gate line, and the lateral direction in FIG. 40 is separated by an element isolation layer (for example, LOCOS) not shown. ing.
A drain region DR composed of an N-type impurity region is formed outside the control gate line SG1. This drain region DR is shared with other NAND strings (not shown).
A common source line CSL made of an N-type impurity region is formed outside the control gate line SG2. The common source line CSL isRow directionIn one row of NAND strings lined up, andColumn directionIs shared with another one row of NAND strings not shown.
[0110]
An interlayer insulating film INT is formed on the transistors constituting these NAND strings. Bit lines BL1 and BL2 are arranged in parallel stripes on the interlayer insulating film INT. Each bit line is connected to the corresponding drain region DR by a bit contact BC formed in the interlayer insulating film INT.
[0111]
Then thisNAND typeA procedure for forming a memory cell array will be described with reference to the drawings.
42 to 49 are cross-sectional views (and plan views) at each step of word line formation. 42, 44, 45, 47 and 49, (A) is a plan view, and (B) is a cross-sectional view taken along line AA of (A). All other drawings represent cross-sectional views along the line AA.
[0112]
First, if necessary, an element isolation layer is provided on the semiconductor substrate SUB, and ion implantation for adjusting a threshold voltage is performed.
[0113]
As shown in FIG. 42A, a plurality of
As shown in FIG. 43, different materials are used to cover the sacrificial layer 30.Insulation film3 is deposited. thisInsulation filmAs the third material, a material having a high etching selectivity with respect to the
[0114]
continue,Insulation film3 is etched back by anisotropic etching. As a result, as shown in FIGS. 44A and 44B, the sidewall SW is formed on the side surface of the
[0115]
Thereafter, the
[0116]
As shown in FIG. 46, a
Thereafter, the surface of the
The grinding and / or polishing is preferably performed until the charge trap film CHS is completely divided for each word line. However, in the case of the FG type in which the charge storage film is a conductive material, it is essential to divide the charge storage film. This is because if the floating gate FG is connected at this location, the stored charge leaks to the adjacent cell, making data storage itself impossible. Moreover, in order to avoid electric field concentration in this portion, it is necessary to perform sufficient grinding and / or polishing.
[0117]
As shown in FIG. 48, a mask layer covering word lines WL1, WL2,..., WLn and a part of the control gate lines SG1, SG2 is formed so that the control gate lines SG1, SG2 have a predetermined line width. Etching is performed to selectively remove the peripheral portion of the mask layer.
After removing the mask layer, N-type impurities are ion-implanted into the semiconductor substrate SUB. At this time, the ion implantation conditions are determined so that ions do not permeate through the wiring layer portion but ions penetrate through the sidewall portion and reach the substrate. Thereby, the source / drain region S / D, the drain region DR, and the common source line CSL are simultaneously formed. At this time, the element isolation layer formed in advance also functions as a mask at the time of ion implantation.
If it is difficult to form the source / drain region S / D having a desired concentration and depth only by optimizing the ion implantation conditions, the sidewall SW is removed once, and after the ion implantation, this side Again in the wall-shaped spaceInsulating materialIt may be embedded.
[0118]
After that, the nonvolatile memory is completed through the deposition of the interlayer insulating film INT, the formation of the bit contact BC, and the formation of the bit line.
[0119]
[Tenth embodiment]
The tenth embodiment shows a first modification of word line formation in a nonvolatile memory.
50A to 50C and FIGS. 51A to 51D are cross-sectional views in the line width direction centering on the word line portion. This embodiment can be applied to any of the memory cell array systems of the eighth and ninth embodiments.
[0120]
In the wiring isolation structure according to the tenth embodiment, as shown in FIG. 51D, in addition to the sidewall SW, the first-shaped word lines WL2, WL4,.Charge storage filmA difference from the eighth and ninth embodiments is that a thin
The
[0121]
In the formation of this wiring structure, first, as shown in FIG. 50A, the
As shown in FIG. 50B, the surface of the
[0122]
After that, as in the eighth and ninth embodiments,Insulation film3 is deposited (FIG. 50C) and etched back to form a sidewall SW (FIG. 51A).
Further, after the upper surface of the
[0123]
In the tenth embodiment, it is possible to effectively improve the insulation characteristics of the inter-wordline dielectric simply by performing a treatment such as thermal oxidation. Since the
[0124]
[Eleventh embodiment]
The eleventh embodiment shows a second modification of word line formation in a nonvolatile memory.
52 (A) to 52 (C) and FIGS. 53 (A) to 53 (C) are cross-sectional views in the line width direction centering on the word line portion. This embodiment can be applied to any of the memory cell array systems of the eighth and ninth embodiments.
[0125]
In the wiring isolation structure according to the eleventh embodiment, as shown in FIG. 53 (C), a sidewall between the first shape word lines WL2, WL4,... The first that exists between the SW and the substrate SUBCharge storage filmGD1, the second shape word lines WL1, WL3,... And the second SUB existing between the substrate SUB.Charge storage filmGD2. A thin
FirstCharge storage filmGD1 and secondCharge storage filmGD2 has the same specifications for the film structure.
The
[0126]
In the formation of this wiring structure, first, as shown in FIG. 52A, the first SUB is formed on the substrate SUB.Charge storage filmGD1 is formed, and first-shaped word lines WL2, WL4,... Are formed thereon with a pitch that is approximately twice the final pitch. The first shape word lines WL2, WL4,... Are formed from doped polycrystalline silicon or doped amorphous silicon.
As shown in FIG. 52B, the surface of the first-shaped word lines WL2, WL4,... Is thermally oxidized to form a
[0127]
After that, as in the eighth and ninth embodiments,Insulation film3 is deposited (FIG. 52C) and etched back to form sidewalls SW (FIG. 53A).
[0128]
Here, in the eleventh embodiment, as shown in FIG. 53A, the first shape word lines WL2, WL4,...Charge storage filmRemove GD1.
Then the secondCharge storage filmAfter forming GD2 over the entire surface, a
[0129]
In the eleventh embodiment, it is possible to effectively improve the insulation characteristics of the inter-wordline dielectric simply by performing a treatment such as thermal oxidation. Also,Charge storage filmHowever, since the first shape word line is not removed, the number of processes is not greatly changed.
[0130]
【The invention's effect】
According to the semiconductor device of the present invention, the distance between wirings such as word lines of a semiconductor memory device can be made significantly smaller than the wiring width beyond the limit of photolithography, and as a result, useless space is reduced. In particular, when this wiring isolation structure is applied to isolation between word lines of a memory cell array, the dimension in the column direction of each memory cell can be significantly reduced, and the bit cost is greatly reduced accordingly.
Further, it is possible to take out the electrodes despite the narrow word line pitch.
[0131]
In the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, the above-described wiring isolation structure can be easily formed using a normal photolithography technique, an etching technique, or the like without using a special process.
[0132]
The above wiring distance isInsulation filmThickness and / orSide wall insulation layerSpecified by the width of
Insulation filmCan be controlled with very high accuracy, as is well known.
Also,Side wall insulation layerThe width can be controlled by the height of the sacrificial layer or the first shape wiring and the etching conditions of the dielectric.Side wall insulation layerSince the etching at the time of forming is usually performed under conditions of strong anisotropy, the variation in the sidewall width is small even if the etching time varies somewhat. Therefore,Side wall insulation layerThe uniformity of the width is relatively high. Also,Side wall insulation layerIn addition to theInsulation filmEven when there is intervening, the width is very uniform because it is determined by the film thickness.
As described above, the variation in the distance between wirings is considerably small.
[0133]
Further, in the manufacturing method according to the present invention, introduction of substrate damage and etching of the first word line can be suppressed as much as possible.
By introducing the substrate surface etching, fluctuations in the thickness of the charge storage film caused by forming the first word line and the second word line in two steps are effectively suppressed, and fluctuations in characteristics are prevented.
In addition, there is an electrical isolation (residue removal) step of the second word line, and as a result, over-etching is minimized when forming the second word line, and the insulation isolation characteristics between the word lines can be maintained at a high level. Further, it is possible to suppress or prevent leakage current particularly at the time of reading.
[Brief description of the drawings]
1A and 1B are a plan view and a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor memory device having a VG type memory cell array according to a first embodiment.
FIG. 2 is a cross-sectional view after forming a first word line in manufacturing the semiconductor memory device according to the first embodiment;
FIG. 3 is a cross-sectional view during substrate etching in manufacturing the semiconductor memory device according to the first embodiment.
FIG. 4 shows a second time in the manufacture of the semiconductor memory device according to the first embodiment.Charge storage filmIt is sectional drawing after forming.
FIG. 5 is a cross-sectional view after forming a resist pattern for a processing mask for a second word line in the manufacture of the semiconductor memory device according to the first embodiment;
FIG. 6 is a plan view showing a configuration of a semiconductor memory device having a NAND memory cell array according to a second embodiment.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor memory device having a NAND memory cell array according to a second embodiment and an enlarged view thereof.
FIG. 8 is a cross-sectional view after forming a first word line in manufacturing a semiconductor memory device according to a second embodiment;
FIG. 9 is a cross-sectional view during substrate etching in manufacturing a semiconductor memory device according to the second embodiment;
FIG. 10 shows a second time in the manufacture of the semiconductor memory device according to the second embodiment.Charge storage filmIt is sectional drawing after forming.
11 is a cross-sectional view after forming a resist pattern for a processing mask of a second word line in the manufacture of a semiconductor memory device according to a second embodiment; FIG.
FIG. 12 is a graph showing the measurement results when the film thickness variation of the thermal oxide film with and without RTN is investigated in order to explain the necessity of substrate etching in the manufacturing method according to the first and second embodiments. .
FIG. 13 is a cross-sectional view after patterning a first word line in manufacturing a nonvolatile memory device according to a third embodiment;
FIG. 14 is a cross-sectional view after forming a thermal oxide film in the manufacture of the nonvolatile memory device according to the third embodiment;
FIG. 15 is a cross-sectional view after forming a thermal oxide film in the manufacture of the nonvolatile memory device according to the third embodiment;
FIGS. 16A and 16B are a cross-sectional view and a plan view showing problems of the first to third embodiments to be solved in the manufacture of the nonvolatile memory device according to the fourth embodiment. FIGS.
FIG. 17 is a view showing a planar pattern of word lines around the memory cell array in the nonvolatile semiconductor memory device according to the fourth embodiment.
FIG. 18 is a plan view of a word line pattern of a non-volatile memory device showing a portion where a residue is removed in the first method for preventing leakage according to the fifth embodiment.
FIG. 19 is a cross-sectional view of the nonvolatile memory device taken along line AA in FIG. 18, showing a state after residue removal using the first method for preventing leakage according to the fifth embodiment.
FIG. 20 is a plan view of a word line pattern of a nonvolatile memory device when a second method for preventing leakage according to a fifth embodiment is applied.
FIG. 21 is a diagram showing a configuration of a nonvolatile memory device to which a third method for preventing leakage according to a fifth embodiment is applied.
22 is a plan view showing a wiring structure of a semiconductor device according to a sixth embodiment and a cross-sectional view taken along the line AA. FIG.
FIG. 23 is a plan view after formation of a sacrificial layer and a cross-sectional view along the line AA in the manufacture of the semiconductor device according to the sixth embodiment.
FIG. 24 is a cross-sectional view after dielectric deposition in the manufacture of the semiconductor device according to the sixth embodiment.
FIG. 25 is a plan view after forming a sidewall and a cross-sectional view along the line AA in the manufacture of the semiconductor device according to the sixth embodiment;
FIG. 26 is a plan view after removal of the sacrificial layer and a cross-sectional view along the line AA in the manufacture of the semiconductor device according to the sixth embodiment.
FIG. 27 is a cross-sectional view after conductive film deposition in the manufacture of the semiconductor device according to the sixth embodiment.
FIG. 28 is a cross-sectional view after forming a first shape wiring in manufacturing a semiconductor device according to the seventh embodiment;
FIG. 29 is a cross-sectional view after forming a thermal oxide film in the manufacture of a semiconductor device according to the seventh embodiment.
FIG. 30 is a cross-sectional view after dielectric deposition in the manufacture of the semiconductor device according to the seventh embodiment.
FIG. 31 is a cross-sectional view after sidewall formation, in the manufacture of the semiconductor device according to the seventh embodiment.
FIG. 32 is a cross-sectional view after conductive film deposition in the manufacture of the semiconductor device according to the seventh embodiment.
FIG. 33 is a cross-sectional view showing a wiring structure of a semiconductor device according to a seventh embodiment.
FIG. 34 is a plan view of a NOR type memory cell array according to an eighth embodiment and a cross-sectional view taken along the lines AA and BB.
FIG. 35 is a plan view after formation of a sacrificial layer and a cross-sectional view along the line AA in the manufacture of the semiconductor device according to the eighth embodiment.
FIG. 36 is a cross-sectional view after dielectric deposition in the manufacture of the semiconductor device according to the eighth embodiment.
FIG. 37 is a plan view after formation of a sidewall and a cross-sectional view along the line AA in the manufacture of the semiconductor device according to the eighth embodiment.
FIG. 38 is a plan view after removal of the sacrificial layer and a cross-sectional view along the line AA in the manufacture of the semiconductor device according to the eighth embodiment.
FIG. 39 is a cross-sectional view after deposition of a conductive film in the manufacture of a semiconductor device according to the eighth embodiment.
FIG. 40 is a plan view of a NAND memory cell array according to a ninth embodiment.
FIG. 41 is a cross-sectional view taken along line AA of the NAND memory cell array according to the ninth embodiment and a partially enlarged view thereof.
FIG. 42 is a plan view after formation of a sacrificial layer and a cross-sectional view along the line AA in the manufacture of the semiconductor device according to the ninth embodiment.
FIG. 43 is a cross-sectional view after dielectric deposition in the manufacture of the semiconductor device according to the ninth embodiment.
44 is a plan view after sidewall formation and a cross-sectional view along the AA line in the manufacture of the semiconductor device according to the ninth embodiment; FIG.
45 is a plan view after removal of the sacrificial layer and a cross-sectional view along the line AA in the manufacture of the semiconductor device according to the ninth embodiment; FIG.
FIG. 46 is a cross-sectional view after the conductive film is deposited in the manufacture of the semiconductor device according to the ninth embodiment.
47 is a plan view after formation of a word line and a cross-sectional view along the line AA in the manufacture of the semiconductor device according to the ninth embodiment; FIG.
FIG. 48 is a cross-sectional view after processing the select gate line in the manufacture of the semiconductor device according to the ninth embodiment.
FIG. 49 is a plan view after formation of source / drain regions and a sectional view taken along line AA in the manufacture of the semiconductor device according to the ninth embodiment;
FIG. 50 is a cross-sectional view showing the steps up to dielectric deposition in the manufacture of the semiconductor device according to the tenth embodiment.
FIG. 51 is a cross-sectional view showing the steps up to word line formation in the manufacture of the semiconductor device according to the tenth embodiment;
FIG. 52 is a cross-sectional view showing the steps up to dielectric deposition in the manufacture of the semiconductor device according to the eleventh embodiment.
FIG. 53 is a cross-sectional view showing the formation of up to word lines in the manufacture of the semiconductor device according to the eleventh embodiment.
[Explanation of symbols]
SUB ... Substrate (semiconductor), WL1, etc .... Word line, PAD1, etc .... Electrode extraction part, WLF ... Conductive film to be word line, BL1, etc .... Bit line, S / D ... Source / drain region, GD, GD1, GD2 ...Charge storage film (First or second charge storage film), BTM ...First potential barrier film, CHS ... charge trapping film, TOP ...Second potential barrier filmSG1, SG2 ... selection gate line, DR ... drain region, CSL ... common source line, BC ... bit contact, INT ... interlayer insulating film, 1 ... dielectric, 2, 20, 30, 40 ... sacrificial layer, 3 ...Insulation filmDESCRIPTION OF
Claims (9)
同一行内のメモリトランジスタのゲート電極を兼用し、行方向に長く列方向に間隔をおいて繰り返し配置された複数のワード線と、を有し、
上記複数のワード線の間に絶縁膜が形成されてワード線同士が絶縁分離され、
上記ワード線の離間寸法が上記絶縁膜の膜厚で規定され、
ワード線間の上記絶縁膜が、
複数の膜からなり電荷蓄積能力を有した電荷蓄積膜と、
上記ワード線の一つおきに、ワード線の表面に形成された熱酸化膜と
を含む
半導体装置。A plurality of memory transistors arranged in a matrix;
A plurality of word lines which are also used as gate electrodes of memory transistors in the same row and are repeatedly arranged at intervals in the column direction and in the row direction;
An insulating film is formed between the plurality of word lines to isolate the word lines from each other,
The distance between the word lines is defined by the thickness of the insulating film,
The insulating film between the word lines is
A charge storage film comprising a plurality of films and having a charge storage capability;
A thermal oxide film formed on the surface of the word line every other word line
A semiconductor device including:
半導体装置の製造方法であって、
複数の膜からなり電荷蓄積能力を有した第1電荷蓄積膜と第1ワード線との積層パターンを、所定間隔で互いに平行に半導体上に形成する工程と、
上記第1ワード線間に表出した半導体表面領域をエッチングする工程と、
上記第1ワード線の表面および上記第1ワード線間に表出した半導体領域上に、複数の膜からなり電荷蓄積能力を有した第2電荷蓄積膜を形成する工程と、
上記第1ワード線間それぞれに、少なくとも一部が上記第1ワード線間に第2電荷蓄積膜を介在させた状態で埋め込まれた第2ワード線を形成する工程と
を含む半導体装置の製造方法。A plurality of memory transistors arranged in a matrix on a semiconductor, and a plurality of word lines that are also used as gate electrodes of the memory transistors in the same row and are repeatedly arranged in the column direction and extending in the row direction. An insulating film is formed between the word lines so that the word lines are insulated and separated, and a dimension of the insulating film in a direction in which the word lines are separated is defined by a film thickness. There,
Forming a stacked pattern of a first charge storage film composed of a plurality of films and having a charge storage capability and a first word line on a semiconductor in parallel with each other at a predetermined interval;
Etching a semiconductor surface region exposed between the first word lines;
Forming a second charge storage film comprising a plurality of films and having a charge storage capability on the surface of the first word line and the semiconductor region exposed between the first word lines;
Forming a second word line buried at least partially between each of the first word lines with a second charge storage film interposed between the first word lines. .
半導体の表面を熱酸化して第1の電位障壁膜を形成する工程と、
上記第1の電位障壁膜を窒化し、或いは、上記第1の電位障壁膜の上に窒化膜を形成する工程と、を含み、
上記第1ワード線の形成工程が、
単結晶珪素からなる上記半導体上に上記第1電荷蓄積膜を形成する工程と、
上記第1電荷蓄積膜の上に多結晶珪素または非晶質珪素からなり第1ワード線となる導電膜を形成する工程と、
上記導電膜と上記第1電荷蓄積膜とを同一パターンにて連続してエッチングする工程とを含む
請求項2に記載の半導体装置の製造方法。Each of the steps of forming the first charge storage film and the second charge storage film includes
Forming a first potential barrier film by thermally oxidizing the surface of the semiconductor;
Nitriding the first potential barrier film , or forming a nitride film on the first potential barrier film ,
The step of forming the first word line includes:
Forming the first charge storage film on the semiconductor made of single crystal silicon;
Forming a conductive film made of polycrystalline silicon or amorphous silicon on the first charge storage film to be the first word line;
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 2, further comprising: continuously etching the conductive film and the first charge storage film in the same pattern.
請求項3に記載の半導体装置の製造方法。In the etching of the semiconductor surface region, the sacrificial oxide film is formed on the single crystal silicon exposed between the first word lines, and the sacrificial oxide film is removed to thereby remove the single crystal silicon consumed during the sacrificial oxidation. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 3, wherein the surface layer is removed.
さらに含む請求項2に記載の半導体装置の製造方法。The method further includes a step of performing over-etching selectively on at least one end portion of the first word line under the condition that the material of the second word line is removed after the formation of the second word line. Item 3. A method for manufacturing a semiconductor device according to Item 2 .
請求項5に記載の半導体装置の製造方法。In the step of forming the first and second word lines, the first and second word lines extend outside the memory cell array, bend in a direction different from the wiring direction of the word lines, and are first on the tip side from the bent portion. A wiring pitch between the word line and the second word line is set larger than a wiring pitch between the first word line and the second word line in the memory cell array, and an electrode is provided at each end on the side where the wiring pitch is large. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 5, further comprising an extraction portion, wherein the electrode extraction portion of the first word line is arranged outside the electrode extraction portion of the second word line.
当該マスク層の開口部を通して、最も外側に位置する第1ワード線の側壁周囲に対して、選択的に、上記第2ワード線の材料が除去される条件でオーバーエッチングを行う工程と
をさらに含む請求項2に記載の半導体装置の製造方法。Forming a mask layer opening around the outer sidewall of the outermost first word line after the formation of the second word line when the outermost first word line exists; and ,
And over-etching through the opening of the mask layer selectively on the periphery of the sidewall of the first word line located on the outermost side under the condition that the material of the second word line is removed. A method for manufacturing a semiconductor device according to claim 2 .
同一行内のメモリトランジスタのゲート電極を兼用し、行方向に長く列方向に繰り返された複数のワード線と、を有し、
隣接する2つの上記ワード線が、一方のワード線の側面に形成され断面が略1/4楕円形状のサイドウォール絶縁層と、上記サイドウォール絶縁層と上記ワード線との間に形成され、上記サイドウォール絶縁層と上記ワード線との離間方向の寸法が膜厚で規定されている絶縁膜と、によって分離され、
上記複数のワード線は、垂直の側面あるいは順テーパの断面形状を有し、上記サイドウォール絶縁層が2つの側面に対し形成されている第1形状のワード線と、列方向において上記第1形状のワード線と交互に配置され、少なくとも上端部が上記サイドウォール絶縁層の形状を反映して逆テーパである第2形状のワード線と、を含み、
上記第1形状のワード線と半導体との間、上記第2形状のワード線と半導体との間、上記第1形状のワード線と上記サイドウォール絶縁層との間、および、上記第2形状のワード線と上記サイドウォール絶縁層との間に、内部に電荷蓄積手段を含む電荷蓄積膜が形成され、
上記第1形状のワード線側の上記電荷蓄積膜と上記サイドウォール絶縁層との間に熱酸化膜が形成されている
半導体装置。 A plurality of memory transistors arranged in a matrix;
A plurality of word lines which are also used as gate electrodes of memory transistors in the same row and repeated in the row direction and in the column direction;
Two adjacent word lines are formed on a side surface of one word line and formed between a side wall insulating layer having a substantially elliptical cross section, and between the side wall insulating layer and the word line, The sidewall insulating layer and the word line are separated by an insulating film whose dimension in the direction of separation is defined by the film thickness,
The plurality of word lines have a vertical side surface or a forward tapered cross-sectional shape, the first shape word line in which the sidewall insulating layer is formed on two side surfaces, and the first shape in the column direction. And a second shape word line having an inverse taper reflecting at least the upper end portion reflecting the shape of the sidewall insulating layer,
Between the first shape word line and the semiconductor, between the second shape word line and the semiconductor, between the first shape word line and the sidewall insulating layer, and with the second shape. A charge storage film including charge storage means is formed between the word line and the sidewall insulating layer,
A semiconductor device in which a thermal oxide film is formed between the charge storage film on the first shape word line side and the sidewall insulating layer .
内部に電荷蓄積手段を含む電荷蓄積膜と第1の導電膜とからなる複数の積層膜を、一定間隔で互いに平行に上記半導体上に形成する工程と、
上記積層膜の2つの側面に上記サイドウォール絶縁層を形成する工程と、
上記サイドウォール絶縁層の表面上および上記サイドウォール絶縁層間に露出した半導体領域上に、内部に電荷蓄積手段を含む電荷蓄積膜を再度形成する工程と、
上記電荷蓄積膜の表面の凹部を埋め込むように第2の導電膜を堆積する工程と、
上記第2の導電膜を表面から削って、上記サイドウォール絶縁層と上記電荷蓄積膜により分離された複数の上記ワード線を形成する工程と
を含む半導体装置の製造方法。A plurality of memory transistors arranged in a matrix on a semiconductor, and a plurality of word lines that are long in the row direction and repeated in the column direction, both serving as gate electrodes of the memory transistors in the same row; A semiconductor device in which a word line is formed on a side surface of one of the word lines and separated by a sidewall insulating layer having a substantially elliptical cross section and an insulating film formed on the surface of the sidewall insulating layer A manufacturing method of
Forming a plurality of stacked films composed of a charge storage film including a charge storage means and a first conductive film on the semiconductor in parallel with each other at regular intervals;
Forming the sidewall insulating layer on two side surfaces of the laminated film;
To the side wall surface of the insulating layer and the sidewall insulating layer semiconductor region exposed between, forming a charge storage layer comprising a charge storing means therein again,
Depositing a second conductive film so as to fill a recess in the surface of the charge storage film ;
Cutting the second conductive film from the surface to form the plurality of word lines separated by the sidewall insulating layer and the charge storage film .
Priority Applications (6)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002007085A JP3941517B2 (en) | 2001-02-07 | 2002-01-16 | Semiconductor device and manufacturing method thereof |
US10/196,636 US6891262B2 (en) | 2001-07-19 | 2002-07-17 | Semiconductor device and method of producing the same |
US11/072,505 US7023061B2 (en) | 2001-07-19 | 2005-03-07 | Memory transistor array utilizing insulated word lines as gate electrodes |
US11/098,503 US7012329B2 (en) | 2001-07-19 | 2005-04-05 | Memory transistor array utilizing insulated word lines as gate electrodes |
US11/098,501 US7227255B2 (en) | 2001-07-19 | 2005-04-05 | Semiconductor device and method of producing the same |
US11/098,447 US7049180B2 (en) | 2001-07-19 | 2005-04-05 | Method of fabricating a memory transistor array utilizing insulated word lines as gate electrodes |
Applications Claiming Priority (9)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2001-30649 | 2001-02-07 | ||
JP2001030649 | 2001-02-07 | ||
JP2001107289 | 2001-04-05 | ||
JP2001-107289 | 2001-04-05 | ||
JP2001-219669 | 2001-07-19 | ||
JP2001219669 | 2001-07-19 | ||
JP2001-285100 | 2001-09-19 | ||
JP2001285100 | 2001-09-19 | ||
JP2002007085A JP3941517B2 (en) | 2001-02-07 | 2002-01-16 | Semiconductor device and manufacturing method thereof |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2003168750A JP2003168750A (en) | 2003-06-13 |
JP3941517B2 true JP3941517B2 (en) | 2007-07-04 |
Family
ID=27531801
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2002007085A Expired - Fee Related JP3941517B2 (en) | 2001-02-07 | 2002-01-16 | Semiconductor device and manufacturing method thereof |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3941517B2 (en) |
Families Citing this family (15)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2005056889A (en) * | 2003-08-04 | 2005-03-03 | Renesas Technology Corp | Semiconductor memory device and its manufacturing method |
KR100518594B1 (en) * | 2003-09-09 | 2005-10-04 | 삼성전자주식회사 | Local SONOS type non-volatile memory device and manufacturing method thereof |
US20060007732A1 (en) * | 2004-07-06 | 2006-01-12 | Macronix International Co., Ltd. | Charge trapping non-volatile memory and method for operating same |
US7209386B2 (en) * | 2004-07-06 | 2007-04-24 | Macronix International Co., Ltd. | Charge trapping non-volatile memory and method for gate-by-gate erase for same |
US7120059B2 (en) * | 2004-07-06 | 2006-10-10 | Macronix International Co., Ltd. | Memory array including multiple-gate charge trapping non-volatile cells |
KR100955720B1 (en) | 2004-12-28 | 2010-05-03 | 스펜션 엘엘씨 | Semiconductor device |
KR101051688B1 (en) | 2004-12-30 | 2011-07-27 | 매그나칩 반도체 유한회사 | Nonvolatile Memory and Manufacturing Method Thereof |
US7473589B2 (en) | 2005-12-09 | 2009-01-06 | Macronix International Co., Ltd. | Stacked thin film transistor, non-volatile memory devices and methods for fabricating the same |
KR100799022B1 (en) * | 2005-12-15 | 2008-01-28 | 주식회사 하이닉스반도체 | Method of forming a gate in a semiconductor device |
JP4909735B2 (en) | 2006-06-27 | 2012-04-04 | 株式会社東芝 | Nonvolatile semiconductor memory |
KR100856701B1 (en) * | 2006-12-04 | 2008-09-04 | 경북대학교 산학협력단 | High density flash memory device, cell string and fabricating method thereof |
JP5621381B2 (en) | 2010-07-28 | 2014-11-12 | 富士通セミコンダクター株式会社 | Semiconductor device and manufacturing method thereof |
JP6401974B2 (en) * | 2014-08-27 | 2018-10-10 | ルネサスエレクトロニクス株式会社 | Manufacturing method of semiconductor device |
JP6473060B2 (en) * | 2015-09-11 | 2019-02-20 | 東芝メモリ株式会社 | Manufacturing method of semiconductor device |
JP6880595B2 (en) * | 2016-08-10 | 2021-06-02 | セイコーエプソン株式会社 | Semiconductor devices and their manufacturing methods |
-
2002
- 2002-01-16 JP JP2002007085A patent/JP3941517B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2003168750A (en) | 2003-06-13 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6891262B2 (en) | Semiconductor device and method of producing the same | |
JP4762118B2 (en) | Nonvolatile semiconductor memory device | |
KR100504691B1 (en) | Non-volatile memory device having a charge strage insulator and method of fabricating the same | |
JP3583579B2 (en) | Nonvolatile semiconductor memory device and method of manufacturing the same | |
US7247907B2 (en) | Bidirectional split gate NAND flash memory structure and array, method of programming, erasing and reading thereof, and method of manufacturing | |
US7736973B2 (en) | Non-volatile memory arrays having dual control gate cell structures and a thick control gate dielectric and methods of forming | |
JP4330670B2 (en) | Nonvolatile semiconductor memory device | |
JP2007299975A (en) | Semiconductor device, and its manufacturing method | |
JP3941517B2 (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof | |
JP2002164446A (en) | Non-volatile semiconductor memory, operation method and manufacturing method | |
KR20050094763A (en) | Nonvolatile semiconductor memory device and manufacturing method thereof | |
JP2010073812A (en) | Semiconductor device | |
JP2002368141A (en) | Non-volatile semiconductor memory device | |
JP2000286349A (en) | Semiconductor device and manufacture thereof | |
JP2003249578A (en) | Semiconductor integrated circuit device | |
JP4670187B2 (en) | Nonvolatile semiconductor memory device | |
KR100684885B1 (en) | Nonvalitile memory device and method for fabricating the same | |
US6917071B2 (en) | Semiconductor device, nonvolatile semiconductor storage apparatus using the device, and manufacture method of the device | |
US20090098700A1 (en) | Method of fabricating a non-volatile memory device | |
JPH11195718A (en) | Nonvolatile semiconductor memory and manufacture and drive method therefor | |
JP2005353646A (en) | Nonvolatile semiconductor memory device | |
CN101271868A (en) | Non-volatile memory and its manufacturing method | |
KR100649308B1 (en) | Flash memory device and manufacturing method of self-aligned floating gate array | |
JP3578243B2 (en) | Manufacturing method of nonvolatile semiconductor memory device | |
JP2010212506A (en) | Semiconductor memory device and method of manufacturing the same |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20061219 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20070216 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20070313 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20070326 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100413 Year of fee payment: 3 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110413 Year of fee payment: 4 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120413 Year of fee payment: 5 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130413 Year of fee payment: 6 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |