JP4818241B2 - Nonvolatile semiconductor memory device - Google Patents
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Description
この発明は、不揮発性半導体記憶装置に関するものであり、特に高密度化、高集積化に適したメモリセルアレイを有する不揮発性半導体記憶装置に関するものである。 The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory device, and more particularly to a nonvolatile semiconductor memory device having a memory cell array suitable for high density and high integration.
電気的にデータの書き換えが可能で、高密度化、大容量化に適した不揮発性半導体記憶装置として、フラッシュメモリが良く知られている。一般に、フラッシュメモリでは、電荷蓄積層と制御ゲートが積層された積層ゲートを持つMOSトランジスタ構造のメモリセルが、複数個接続されてアレイ状に配置されている。これらメモリセルの制御ゲートにはワード線信号が入力され、メモリセルのソースまたはドレインにはビット線信号が入力される。 A flash memory is well known as a nonvolatile semiconductor memory device that can electrically rewrite data and is suitable for high density and large capacity. In general, in a flash memory, a plurality of memory cells having a MOS transistor structure having a stacked gate in which a charge storage layer and a control gate are stacked are connected in an array. A word line signal is input to the control gates of these memory cells, and a bit line signal is input to the source or drain of the memory cells.
図8(a)は、NOR型のフラッシュメモリにおけるメモリセルアレイの構成を示す平面図である。図8(b)は、図8(a)に示したメモリセルアレイの8B−8B線に沿った断面図である。
FIG. 8A is a plan view showing the configuration of the memory cell array in the NOR type flash memory. FIG. 8B is a sectional view taken along
図8(b)に示すように、p型シリコン半導体基板101上には、トンネルゲート絶縁膜102を介して電荷蓄積層103が形成されている。電荷蓄積層103上には、ゲート間絶縁膜104を介して制御ゲート105が形成されている。メモリセルは、電荷蓄積層103と制御ゲート105が積層された積層ゲートを有している。この積層ゲートは、側端部が揃うように、自己整合的に垂直に加工されている。
As shown in FIG. 8B, a
また、1つのメモリセルは、n型拡散層によって形成されたソース106A及びドレイン106Bを有している。ソース106A及びドレイン106Bは、積層ゲートの両側に形成されている。ソース106A及びドレイン106Bの一方がビット線コンタクト107を介してビット線108に接続され、他方が共通ソース線コンタクト109を介して共通ソース線110に接続されている。
One memory cell includes a
なお、共通ソース線110とソース106Aとの接続は、ビット線と同様にコンタクトを介する構造、埋め込み金属線で直接接続する構造、各ビット線毎のメモリセルのソースを、拡散層を用いて連結する構造などが広く用いられている。ここでは、コンタクト109を介して共通ソース線110に接続する場合を示した。
The
前記ビット線コンタクト107はその側端部が積層ゲートと隣接しており、ビット線108との接続部においてはコンタクト107の一部が積層ゲート上にまで張り出した、いわゆるセルフアラインコンタクト構造になっている。このような構造になっているのは、ビット線コンタクト107と積層ゲート間の寸法余裕をなくして、メモリセルアレイの微細化を行うためである。セルフアラインコンタクト形状とするために、積層ゲートはキャップ材111、例えば窒化シリコン膜によって周囲を覆われており、特に制御ゲート上105のキャップ材111は厚く形成されている。これにより、コンタクト孔内に埋め込まれた導電材、例えば低抵抗ポリシリコンや金属材と、制御ゲート105が短絡することを防止している。なお、112はBPSG膜等からなる層間絶縁膜である。
The
前記共通ソース線コンタクト109はセルフアラインコンタクト構造ではなく、積層ゲートとコンタクト109間に余裕をとっている。これは、NOR型メモリでは、消去動作時に制御ゲートとソース間に10V程度の電位差が発生するためであり、このときの耐圧を保つためにセルフアラインコンタクト化が困難であるためである。
The common
図9(a)は、NAND型のフラッシュメモリにおけるメモリセルアレイの構成を示す平面図である。図9(b)は、図9(a)に示したメモリセルアレイの9B−9B線に沿った断面図である。 FIG. 9A is a plan view showing a configuration of a memory cell array in the NAND flash memory. FIG. 9B is a cross-sectional view taken along the line 9B-9B of the memory cell array shown in FIG.
複数個のメモリセルがソース及びドレインを共有して直列に接続されて、NAND列を構成している。NAND列の両端には、選択トランジスタが配置されている。両端に配置された選択トランジスタのうち、一方の選択トランジスタのドレインあるいはソースは、ビット線コンタクト207を介してビット線208に接続され、他方の選択トランジスタのドレインあるいはソースは、共通ソース線コンタクト209を介して共通ソース線210に接続されている。
A plurality of memory cells share the source and drain and are connected in series to form a NAND string. Select transistors are arranged at both ends of the NAND string. Of the selection transistors arranged at both ends, the drain or source of one selection transistor is connected to the
図9(b)は、図9(a)に示した前記メモリセルアレイの9B−9B線に沿った断面図である。 FIG. 9B is a cross-sectional view taken along line 9B-9B of the memory cell array shown in FIG.
メモリセル及び選択トランジスタは、NOR型メモリセルと同様に電荷蓄積層203と制御ゲート205が積層された積層ゲートを有している。選択トランジスタの電荷蓄積層203あるいは電荷蓄積層203と制御ゲート205は、図面で示した領域とは別の箇所においてゲート信号線に接続されている。
The memory cell and the select transistor each have a stacked gate in which a
前記ビット線コンタクト207は、その側端部が積層ゲートと隣接しており、ビット線208との接続部においてはコンタクト207の一部が積層ゲート上にまで張り出した、いわゆるセルフアラインコンタクト構造となっている。これは、ビット線コンタクト207と積層ゲート間の寸法余裕をなくして、メモリセルアレイの微細化を行うためである。セルフアラインコンタクト形状とするために、積層ゲートはキャップ材211、例えば窒化シリコン膜によって周囲を覆われており、特に制御ゲート205上のキャップ材211は厚く形成されている。これにより、コンタクト孔内に埋め込まれた導電材、例えば低抵抗ポリシリコンや金属材と、制御ゲート205が短絡することを防止している。
The
なお、NAND型ではビット線コンタクト207と同様に、共通ソース線コンタクト209もセルフアラインコンタクト構造となっている。これは、NAND型メモリでは、共通ソース線210と、ソース線に隣接する選択トランジスタの制御ゲート205との間に電源電圧(3V程度)の電位差しか発生しないためであり、セルフアラインコンタクト化を行っても問題が生じないからである。
In the NAND type, similar to the
セルフアラインコンタクト構造は、コンタクトとゲート間の余裕をなくして、ビット線208方向のセルアレイ長を縮小することが目的であり、NAND型、NOR型にかかわらず、非常に効果的である。また、デザインルールの縮小に伴い、ゲート長が縮小されるに連れて、セルフアラインコンタクト構造は有効性がさらに高まると考えられる。これは、リソグラフィ時の合わせばらつきなどは、ゲート長の縮小と同様の割合でスケーリングされ難いため、コンタクトとゲート間の距離はゲート長と同程度には縮小されないからである。
The purpose of the self-aligned contact structure is to reduce the cell array length in the direction of the
ここで、ビット線コンタクト207及び共通ソース線コンタクト209の形成は、通常以下のように行われる。まず、積層ゲートを層間絶縁膜213、例えば二酸化シリコン膜にボロンやリン等の不純物を混入してメルト性を高めたBPSG膜などで埋め込み、CMP等により平坦化処理を行う。
Here, the formation of the
その後、ドライエッチングにて、コンタクト孔の開口を行う。このコンタクト孔の開口では、制御ゲート205を覆っているキャップ材211と層間絶縁膜213とのエッチング選択比が高くないと、制御ゲート205上のキャップ材211が薄くなり、あるいは完全に除去されて制御ゲート205が露出してしまう。この場合、コンタクト材の埋め込み時に、制御ゲート205とコンタクト材とが短絡する不良が発生する。このため、キャップ材211には、二酸化シリコン系の層間絶縁膜213に対して、比較的高選択比が得られる窒化シリコン系膜が広く用いられている。
Thereafter, contact holes are opened by dry etching. In this contact hole opening, if the etching selection ratio between the
ところが、窒化シリコン系膜がトランジスタのゲートを覆って形成されると、ゲート脇の拡散層上に、主に二酸化シリコン膜からなるゲート絶縁膜と窒化シリコン膜とからなる積層絶縁膜構造が形成されるため、トランジスタの五極管動作時にチャネルで発生するホットエレクトロンが積層絶縁膜界面(ゲート絶縁膜と窒化シリコン膜との界面)に捕獲されて電子トラップとなる。この電子トラップが発生すると、トランジスタのオン電流の変調、しきい値電圧の変動、サーフェス接合耐圧劣化などを引き起こすことが一般に知られている。 However, when the silicon nitride film is formed so as to cover the gate of the transistor, a laminated insulating film structure composed mainly of a silicon dioxide film and a silicon nitride film is formed on the diffusion layer beside the gate. Therefore, hot electrons generated in the channel during the pentode operation of the transistor are captured at the interface of the laminated insulating film (interface between the gate insulating film and the silicon nitride film) to form an electron trap. When this electron trap occurs, it is generally known that the on-current of the transistor is modulated, the threshold voltage fluctuates, and the surface junction withstand voltage deteriorates.
フラッシュメモリは、メモリセルアレイと周辺回路とを有している。周辺回路は、メモリセルアレイ領域の外側に形成され、制御ゲート信号やビット線信号を発生し駆動するための回路である。このフラッシュメモリでは、加工工程削減と加工プロセスの共通化を図るために、周辺回路を構成する周辺トランジスタもメモリセルと同様のゲート構造とする場合が多い。このため、周辺トランジスタも、ゲートがキャップ材で覆われた形状となり、メモリセルや選択トランジスタと同様に前述した特性劣化を起こす可能性が大きい。 The flash memory has a memory cell array and a peripheral circuit. The peripheral circuit is formed outside the memory cell array region and is a circuit for generating and driving a control gate signal and a bit line signal. In this flash memory, in order to reduce the processing steps and to make the processing process common, peripheral transistors constituting the peripheral circuit often have a gate structure similar to that of the memory cell. For this reason, the peripheral transistor also has a shape in which the gate is covered with the cap material, and there is a high possibility of causing the above-described characteristic deterioration as in the case of the memory cell and the select transistor.
この問題を解決するために、窒化シリコン膜とゲートとの間に二酸化シリコン系膜を挟む構造が提案されている(例えば、特許文献1参照)。拡散層上の薄いゲート絶縁膜と窒化シリコン膜の間に二酸化シリコン系膜を挟むことで、拡散層と窒化シリコン膜の間の距離を広げてホットエレクトロンの捕獲を抑制することが目的である。 In order to solve this problem, a structure in which a silicon dioxide film is sandwiched between a silicon nitride film and a gate has been proposed (see, for example, Patent Document 1). The object is to suppress the capture of hot electrons by increasing the distance between the diffusion layer and the silicon nitride film by sandwiching a silicon dioxide film between the thin gate insulating film and the silicon nitride film on the diffusion layer.
ところが、この窒化シリコン膜とゲートとの間に二酸化シリコン系膜を挟む構造を、前述のセルフアラインコンタクト構造と合わせることは以下のような問題があり、非常に難しい。 However, it is very difficult to match the structure in which the silicon dioxide film is sandwiched between the silicon nitride film and the gate with the above-described self-aligned contact structure because of the following problems.
図10(a)、図10(b)、図11(a)、図11(b)は、窒化シリコン膜と積層ゲートとの間に二酸化シリコン系膜を挟む構造において、セルフアラインコンタクトを形成する場合の工程の断面図である。 10A, 10B, 11A, and 11B form a self-aligned contact in a structure in which a silicon dioxide-based film is sandwiched between a silicon nitride film and a stacked gate. It is sectional drawing of the process in the case.
積層ゲート形成後に、二酸化シリコン膜214と窒化シリコン膜215を、それぞれ例えば200Åと400Å程度、順に堆積する。さらに、層間絶縁膜213を埋め込み、熱アニールによって層間絶縁膜213をメルトさせた後、図10(a)に示すように、例えばCMP等によって層間絶縁膜213を平坦化する。
After forming the stacked gate, a
続いて、図10(a)に示す構造上に、レジスト膜216を塗布する。その後、図10(b)に示すように、リソグラフィ法により、コンタクト部に相当するレジスト膜216を開口する。
Subsequently, a resist
次に、レジスト膜216をマスクとしたドライエッチングにより、図11(a)に示すように、層間絶縁膜213をエッチングする。このとき、層間絶縁膜213と窒化シリコン膜のエッチング選択比に対応して、窒化シリコン膜215及びキャップ材211の窒化シリコン膜がエッチングされる。一般に、ゲート端部はエッチングが集中し、膜減りが多くなりやすいため、一部分で二酸化シリコン膜214が露出し、最悪の場合には二酸化シリコン膜214がエッチバックされてしまう可能性がある。
Next, as shown in FIG. 11A, the
この後、図11(a)に示す構造上に、HF処理などの界面清浄処理を施してから、コンタクト材217、例えば低抵抗ポリシリコンやタングステン(W)などの金属を埋め込み、図11(b)に示すように、コンタクト材217を平坦化してコンタクトの形成を終了する。
Thereafter, an interface cleaning process such as an HF process is performed on the structure shown in FIG. 11A, and then a
前述した製造方法では、コンタクト孔内の二酸化シリコン膜214がエッチバックされて後退した部分にコンタクト材217(埋め込み電極材)が入り込み、制御ゲート205と短絡する可能性が高くなる。したがって、従来の技術では、信頼性向上のための、窒化シリコン膜215と積層ゲートとの間に二酸化シリコン膜214を挟む構造は、セルフアラインコンタクト構造と共通に用いることが困難である。
In the manufacturing method described above, there is a high possibility that the contact material 217 (embedded electrode material) enters the portion where the
また、セルフアラインコンタクト構造を、ビット線コンタクト及び共通ソース線コンタクトに使用する場合の他の問題点として、素子分離絶縁膜の段差部分の側面への膜残りがある。 Another problem when the self-aligned contact structure is used for the bit line contact and the common source line contact is a film residue on the side surface of the step portion of the element isolation insulating film.
図12は、図11(b)に示したメモリセルアレイを、図9(a)中の12−12線に沿って切断した場合の断面図である。 FIG. 12 is a cross-sectional view of the memory cell array shown in FIG. 11B cut along the line 12-12 in FIG. 9A.
図12に示すように、素子分離絶縁膜217で挟まれた半導体領域上では、ビット線コンタクト207と半導体領域とが電気的に接続されている。素子分離絶縁膜217の両側の側面には、積層ゲートを覆っている二酸化シリコン膜214及び窒化シリコン膜215がスペーサ状に残っている。これが、ビット線コンタクト207と半導体領域とのコンタクト面積を著しく減少させている。このコンタクト面積の減少は、セル電流の実効的な低下を招くため、コンタクト孔の開口時に、半導体領域上の窒化シリコン膜215を完全に除去しなければならない。
As shown in FIG. 12, on the semiconductor region sandwiched between the element
しかし、一方では制御ゲート205上の窒化シリコン膜はセルフアラインコンタクトのために残す必要がある。このトレードオフのため、加工マージンが著しく低下してしまう。
However, on the other hand, the silicon nitride film on the
前記問題は、特に素子分離絶縁膜が半導体領域よりも高く形成される場合により顕著となる。自己整合STI法(例えば、特許文献2参照)を用いて素子分離を行った場合には、素子分離絶縁膜が半導体基板よりも高く形成されるため、LOCOS素子分離構造に比べてより影響は大きい。前記自己整合STI法とは、浅いトレンチ溝素子分離(STI)法の一種であり、電荷蓄積層を堆積した後に、トレンチ溝を形成する方法である。 The problem becomes more prominent particularly when the element isolation insulating film is formed higher than the semiconductor region. When element isolation is performed using a self-aligned STI method (for example, see Patent Document 2), since the element isolation insulating film is formed higher than the semiconductor substrate, the influence is larger than the LOCOS element isolation structure. . The self-aligned STI method is a kind of shallow trench groove element isolation (STI) method, in which a trench groove is formed after depositing a charge storage layer.
また、ビット線コンタクト内に埋め込むコンタクト材として低抵抗ポリシリコンを用いた場合は、TiやTiNなどのバリアメタル材をバッファ膜として用いることがなく、拡散層の不純物濃度が比較的低い場合でもコンタクト抵抗の異常や接合リーク増加などを引き起こすことなく、オーミック接触が得られるという特徴がある。 In addition, when low resistance polysilicon is used as a contact material embedded in the bit line contact, a barrier metal material such as Ti or TiN is not used as a buffer film, and the contact even when the impurity concentration of the diffusion layer is relatively low. There is a feature that an ohmic contact can be obtained without causing abnormal resistance or increased junction leakage.
このため、金属埋め込みコンタ クトよりもコンタクト抵抗が増加するものの、コンタクトと半導体領域の余裕を減らして、素子の縮小を図る目的で、ビット線コンタクトと同一の埋め込み材を用いたコンタクトを、周辺回路を構成する周辺トランジスタで使用する場合がある。例えば、高耐圧系トランジスタの拡散層へのコンタクトに用いる場合が報告されている(例えば、特許文献3参照)。 For this reason, although the contact resistance is higher than that of the metal buried contact, the contact using the same buried material as the bit line contact is connected to the peripheral circuit for the purpose of reducing the element by reducing the margin of the contact and the semiconductor region. It may be used in peripheral transistors that constitute. For example, a case where it is used for contact with a diffusion layer of a high voltage transistor is reported (for example, see Patent Document 3).
この場合、高耐圧系トランジスタのコンタクト孔の開口を、ビット線コンタクトのコンタクト孔開口と同時に行う必要がある。ところが、高耐圧系トランジスタのゲート絶縁膜はメモリセルに比べて、はるかに厚い。例えば、メモリセルのゲート絶縁膜の膜厚が100Å程度であるのに対して、高耐圧系トランジスタのゲート絶縁膜の膜厚はNOR型フラッシュメモリで150Å〜200Å、NAND型フラッシュメモリで300Å〜400Åである。したがって、高耐圧系トランジスタの拡散層上にコンタクト孔を完全に開口するためには、拡散層上の窒化シリコン膜をエッチング除去後、さらに、ゲート絶縁膜を150Å〜400Å程度エッチングする必要がある。 In this case, it is necessary to open the contact hole of the high breakdown voltage transistor simultaneously with the contact hole opening of the bit line contact. However, the gate insulating film of the high voltage transistor is much thicker than the memory cell. For example, the thickness of the gate insulating film of the memory cell is about 100 mm, whereas the thickness of the gate insulating film of the high voltage transistor is 150 to 200 mm for the NOR flash memory and 300 to 400 mm for the NAND flash memory. It is. Therefore, in order to completely open the contact hole on the diffusion layer of the high breakdown voltage transistor, it is necessary to further etch the gate insulating film by about 150 to 400 mm after removing the silicon nitride film on the diffusion layer by etching.
しかし、追加エッチングを行えば、ビット線コンタクトにおいて制御ゲート上のキャップ材の膜減りが生じたり、コンタクト部に一部かかっている素子分離絶縁膜がエッチングで後退するといった不良が発生する。つまり、ビット線コンタクトの形成にセルフアラインコンタクト構造を採用する場合には、周辺トランジスタのコンタクトをビット線コンタクトと同一工程にて形成することがきわめて困難になるといった問題がある。 However, if the additional etching is performed, the cap material on the control gate is reduced in the bit line contact, and the element isolation insulating film partially applied to the contact portion is recessed due to the etching. That is, when the self-aligned contact structure is used for forming the bit line contact, there is a problem that it is very difficult to form the contact of the peripheral transistor in the same process as the bit line contact.
以上述べたように、ビット線コンタクトをセルフアラインコンタクト構造とする場合に、従来提案されている技術が使用できないという問題がある。
この発明は、積層ゲートを覆っている絶縁膜が素子分離絶縁膜の両側側面にスペーサ状に残る残さを減少させることができ、コンタクトと半導体領域とのコンタクト面積を増加させることができる不揮発性半導体記憶装置を提供することを目的とする。 The present invention can reduce a residue of an insulating film covering a stacked gate remaining in a spacer shape on both side surfaces of an element isolation insulating film, and can increase a contact area between a contact and a semiconductor region An object is to provide a storage device.
一実施態様の不揮発性半導体記憶装置は、半導体基板に形成された複数のトレンチ溝に埋め込まれた素子分離用絶縁材からなる素子分離領域と、前記素子分離領域によって電気的に分離された複数の第1導電型の第1半導体領域と、前記第1半導体領域に、互いに離間して形成された第2導電型の第2、第3半導体領域と、前記第2半導体領域と前記第3半導体領域との間の前記第1半導体領域上に、ゲート絶縁膜を介して形成され、電荷蓄積層、制御ゲート、及びこの制御ゲート上のキャップ絶縁膜を含む積層ゲートと、前記第2、第3半導体領域上に形成された層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜上に形成され、信号の入出力を行うビット線と、前記層間絶縁膜上に形成され、信号の入出力を行うソース線と、前記層間絶縁膜内に埋め込まれ、前記第2半導体領域と前記ビット線とを電気的に接続するビット線コンタクトと、前記層間絶縁膜内に埋め込まれ、前記第3半導体領域と前記ソース線とを電気的に接続するソース線コンタクトと、前記ビット線、ソース線及び制御ゲートの信号を制御するための周辺トランジスタを含む周辺回路とを具備する不揮発性半導体記憶装置であって、前記電荷蓄積層は前記トレンチ溝と側端面が揃うように配置されており、前記素子分離領域は半導体基板面より高い位置まで形成されており、かつ前記制御ゲート下の素子分離領域の位置は制御ゲート間の素子分離領域の位置より高く、前記周辺トランジスタはゲート電極、ソース拡散層、ドレイン拡散層を有し、ソース拡散層及びドレイン拡散層のいずれかに接続されるコンタクト材が前記ビット線コンタクトあるいはソース線コンタクトをなすコンタクト材と同じトランジスタであって、前記ソース拡散層及びドレイン拡散層のいずれかに接続されるコンタクト材に隣接するゲート絶縁膜の膜厚が前記ゲート電極下のゲート絶縁膜の膜厚よりも薄いことを特徴とする。 According to one embodiment, a nonvolatile semiconductor memory device includes an element isolation region made of an element isolation insulating material embedded in a plurality of trench grooves formed in a semiconductor substrate, and a plurality of electrically isolated regions by the element isolation region. A first semiconductor region of a first conductivity type; second and third semiconductor regions of a second conductivity type formed in the first semiconductor region and spaced apart from each other; the second semiconductor region and the third semiconductor region; A stacked gate including a charge storage layer, a control gate, and a cap insulating film on the control gate, and the second and third semiconductors. An interlayer insulating film formed on the region; a bit line formed on the interlayer insulating film for inputting / outputting a signal; a source line formed on the interlayer insulating film for inputting / outputting a signal; Embedded in interlayer insulation film And bit line contacts for electrically connecting the said bit line and said second semiconductor region, embedded in the interlayer insulating film, a source line contact for electrically connecting the source line and said third semiconductor region A non-volatile semiconductor memory device including a peripheral circuit including a peripheral transistor for controlling signals of the bit line, the source line, and the control gate , wherein the charge storage layer is aligned with the trench groove. is disposed, the device isolation region is formed to a position higher than the semiconductor substrate surface, and the position of the element isolation region under the control gate is rather higher than the position of the element isolation region between the control gate, the peripheral The transistor has a gate electrode, a source diffusion layer, and a drain diffusion layer, and a contact material connected to any of the source diffusion layer and the drain diffusion layer is the above-described via. A gate insulating film adjacent to the contact material connected to one of the source diffusion layer and the drain diffusion layer is below the gate electrode. It is characterized by being thinner than the thickness of the gate insulating film .
この発明によれば、積層ゲートを覆っている絶縁膜が素子分離絶縁膜の両側側面にスペーサ状に残る残さを減少させることができ、コンタクトと半導体領域とのコンタクト面積を増加させることができる不揮発性半導体記憶装置を提供することが可能である。 According to the present invention, the insulating film covering the stacked gate can reduce the residue remaining in a spacer shape on both side surfaces of the element isolation insulating film, and can increase the contact area between the contact and the semiconductor region. It is possible to provide a conductive semiconductor memory device.
以下、図面を参照してこの発明の実施の形態について説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[第1の実施の形態]
まず、この発明の第1の実施の形態として、NOR型の不揮発性半導体記憶装置について説明する。
[First Embodiment]
First, a NOR type nonvolatile semiconductor memory device will be described as a first embodiment of the present invention.
図1(a)は、第1の実施の形態のNOR型不揮発性半導体記憶装置におけるメモリセルアレイの構成を示す平面図である。図1(b)は、前記メモリセルアレイの1B−1B線に沿った断面図である。
FIG. 1A is a plan view showing a configuration of a memory cell array in the NOR type nonvolatile semiconductor memory device according to the first embodiment. FIG. 1B is a cross-sectional view taken along
p型シリコン半導体基板11あるいはp型ウェルには、素子分離用のトレンチ溝が形成されている。このトレンチ溝内部には、素子分離用絶縁材料、例えば二酸化シリコン材が埋め込まれている。このように素子分離された基板上のチャネル領域全面には、トンネル電流が流れ得る薄いトンネル絶縁膜12が形成されている。
A trench groove for element isolation is formed in the p-type
このトンネル絶縁膜12上には、電荷蓄積層13が形成されている。この電荷蓄積層13は、その側端部が素子分離領域と揃うように形成されている。電荷蓄積層13は、素子分離領域上にまで一部分が張り出しており、素子分離領域上で切断されてメモリセルごとに分離されている。電荷蓄積層13上には、ゲート間絶縁膜14を介して制御ゲート15が形成されている。
A
前記制御ゲート15上には、ゲートキャップ膜16として、例えば窒化シリコン膜が形成されている。ゲートキャップ膜16及び制御ゲート15は、電荷蓄積層13と側端部が揃うように自己整合的に垂直加工されており、電荷蓄積層13、制御ゲート15及びゲートキャップ膜16により、積層ゲート構造が形成されている。積層ゲートの両側の半導体基板11には、チャネル部のp型半導体基板(あるいはp型ウェル)11と反対の導電型の不純物がドーピングされたソース17A及びドレイン17Bが形成されている。これらソース17A及びドレイン17Bは、n型拡散層からなる。
On the
前記ドレイン17B上には、このドレイン17Bに接続されたビット線コンタクト18が形成されている。ソース17A上には、このソース17Aに接続された共通ソース線コンタクト19が形成されている。ビット線コンタクト18及び共通ソース線コンタクト19は、導電材である低抵抗ポリシリコン及び金属材などからなる。これらコンタクト18、19の上部はそれぞれ平坦化されており、ビット線コンタクト18は金属電極からなるビット線20に、共通ソース線コンタクト19は共通ソース線21にそれぞれ接続されている。
A
また、メモリセルの積層ゲートは、二酸化シリコン膜からなるゲートバリア膜22で覆われている。さらに、ゲートバリア膜22上は、窒化シリコン膜からなるコンタクトバリア膜23で覆われている。ここで、ビット線コンタクト18に近接する積層ゲートの側面は、ゲートバリア膜22が部分的に除去されており、この側面が直接、コンタクトバリア膜23で覆われた構造となっている。言い換えると、共通ソース線コンタクト19に近接する積層ゲートの側面には、ゲートバリア膜22が形成され、さらにこのゲートバリア膜22上にはコンタクトバリア膜23が形成されている。一方、ビット線コンタクト18に近接する積層ゲートの側面には、ゲートバリア膜22が形成されておらず、この側面には直接、コンタクトバリア膜23が形成されている。また、半導体基板11の上には、図1(b)に示すように、層間絶縁膜24、例えばBPSG膜等が形成されている。
The stacked gate of the memory cell is covered with a
前記共通ソース線コンタクト19は、積層ゲート側面上に形成されたコンタクトバリア膜23から所定の距離を空けて配置されている。ビット線コンタクト18は、積層ゲート側面上に形成されたコンタクトバリア膜23に接触するように距離を空けずに配置されている。さらに、ビット線コンタクト18は、両側の積層ゲート上面の上に形成されたコンタクトバリア膜23に、一部分張り出して形成されている。このビット線コンタクト18は、半導体基板11上で、隣接する積層ゲート上のコンタクトバリア膜(窒化シリコン膜)23間に埋め込まれて形成されている。ビット線コンタクト18部の構造は、コンタクトバリア膜23及びゲートキャップ膜16をマスクとして用い、自己整合的な加工により形成したコンタクト孔にコンタクト材を埋め込んだセルフアラインコンタクト構造となっている。実際には、ビット線コンタクト18は、ゲートキャップ膜16及びコンタクトバリア膜23の一部分がエッチングされた積層ゲート間のコンタクト孔に埋め込まれた形状となっている。
The common
この実施の形態で示したNOR型メモリセルおいて、ビット線コンタクト18側では、ビット線コンタクト18と積層ゲート間のスペースを極力なくすこと(セルフアラインコンタクト構造)によって、メモリセルアレイの縮小化を図っている。一方、共通ソース線コンタクト19側では、セルフアラインコンタクト構造を取らず、さらにメモリセルの電気特性の変動を抑制するために、共通ソース線コンタクト19に近接する積層ゲート側面及びゲート絶縁膜12表面に二酸化シリコン膜のゲートバリア膜22を形成している。
In the NOR type memory cell shown in this embodiment, on the
共通ソース線コンタクト19側において、セルフアラインコンタクト構造を取らないのは、消去動作時にソース拡散層と制御ゲート間に、10V以上の高電圧が印加されるため、セルフアラインコンタクト構造にするのが困難であるという理由による。
If the common
共通ソース線コンタクト19側において、ゲート絶縁膜12表面をゲートバリア膜22で覆うのは、消去動作時にソース拡散層と半導体基板間に高電圧が印可されて発生したホットキャリア(主に正孔)がゲート絶縁膜12に注入されて、ゲート絶縁膜12とコンタクトバリア膜23との間に捕獲されるのを抑制するという理由による。
On the common
前記実施の形態において、ゲートバリア膜22の膜厚は、ホットキャリアがトンネル注入されることを防止するために、100Å〜200Å程度必要である。コンタクトバリア膜23の膜厚は、セルフアラインによるコンタクト孔の形成時のエッチング選択比を考慮して、例えば200Å〜400Å程度必要である。
In the above embodiment, the
また、ゲートバリア膜22として、二酸化シリコン膜を用いているが、その他の酸化物系絶縁膜を用いてもよい。その他の酸化物系絶縁膜は、例えば、アルミニウム酸化膜(Al2O3など)、タンタル酸化膜(Ta3O5など)のような金属酸化膜である。また、コンタクトバリア膜23として、窒化シリコン膜を用いているが、その他の窒化物系絶縁膜を用いてもよい。
Further, although a silicon dioxide film is used as the
このような構造を持つ第1の実施の形態のNOR型不揮発性半導体記憶装置によれば、セルフアラインコンタクト構造をもつビット線コンタクトのコンタクト孔形成時において、ビット線コンタクト18に近接する積層ゲートの側面にはゲートバリア膜(二酸化シリコン膜)22が形成されていないため、ゲートバリア膜22がエッチングされて空いた領域に、コンタクト材が入り込み、コンタクト材と制御ゲートとが短絡するようなことはない。
According to the NOR type nonvolatile semiconductor memory device of the first embodiment having such a structure, the stacked gate adjacent to the
さらに、ソース拡散層17Aに近接するゲート絶縁膜12とコンタクトバリア膜23との間には、ゲートバリア膜(二酸化シリコン膜)22が形成されているため、ゲート絶縁膜12とコンタクトバリア膜23との間にホットキャリアが捕獲されるのを抑制することができる。
Furthermore, since the gate barrier film (silicon dioxide film) 22 is formed between the
[第2の実施の形態]
次に、この発明の第2の実施の形態として、NAND型の不揮発性半導体記憶装置について説明する。
[Second Embodiment]
Next, a NAND type nonvolatile semiconductor memory device will be described as a second embodiment of the present invention.
図2(a)は、第2の実施の形態のNAND型不揮発性半導体記憶装置におけるメモリセルアレイの構成を示す平面図である。図2(b)は、前記メモリセルアレイの2B−2B線に沿った断面図である。
FIG. 2A is a plan view showing the configuration of the memory cell array in the NAND-type nonvolatile semiconductor memory device according to the second embodiment. FIG. 2B is a sectional view taken along
p型シリコン半導体基板31あるいはp型ウェルには、素子分離用のトレンチ溝が形成されている。このトレンチ溝内部には、素子分離用絶縁材料、例えば二酸化シリコン材が埋め込まれている。このように素子分離された基板上のチャネル領域全面には、トンネル電流が流れ得る薄いトンネル絶縁膜32が形成されている。
A trench groove for element isolation is formed in the p-type
このトンネル絶縁膜32上には、電荷蓄積層33が形成されている。この電荷蓄積層33は、その側端部が素子分離領域と揃うように形成されている。電荷蓄積層33は、素子分離領域上にまで一部分が張り出しており、素子分離領域上で切断されてメモリセルごとに分離されている。電荷蓄積層33上には、ゲート間絶縁膜34を介して制御ゲート35が形成されている。
On the
前記制御ゲート35上には、ゲートキャップ膜36として、例えば窒化シリコン膜が形成されている。ゲートキャップ膜36及び制御ゲート35は、電荷蓄積層33と側端部が揃うように自己整合的に垂直加工されており、電荷蓄積層33、制御ゲート35及びゲートキャップ膜36により、積層ゲート構造が形成されている。積層ゲートの両側の半導体基板31には、チャネル部のp型半導体基板(あるいはp型ウェル)31と反対の極性の不純物がドーピングされたn型拡散層37が形成されている。これらn型拡散層37は、ソースあるいはドレインとなる。
On the
複数の積層ゲートは、n型拡散層を共有するように、直列接続されて配置されている。直列接続されたこれら積層ゲートの最端のn型拡散層37上には、それぞれビット線コンタクト38及び共通ソース線コンタクト39が形成されている。これらコンタクト38、39と隣接する積層ゲートは選択トランジスタとして動作する。選択トランジスタは、電荷蓄積層33と制御ゲート35が短絡されて直接、電荷蓄積層33に信号が印加される。選択トランジスタで挟まれた複数の積層ゲートはメモリセルとして動作する。
The plurality of stacked gates are arranged in series so as to share the n-type diffusion layer. A
前記ビット線コンタクト38及び共通ソース線コンタクト39は、導電材である低抵抗ポリシリコン及び金属材などからなる。これらコンタクト38、39の上部はそれぞれ平坦化されており、ビット線コンタクト38は金属電極からなるビット線40に、共通ソース線コンタクト39は共通ソース線41にそれぞれ接続されている。
The
また、メモリセルの積層ゲート、及び選択トランジスタの積層ゲートは、二酸化シリコン膜からなるゲートバリア膜42で覆われている。さらに、ゲートバリア膜42上は、窒化シリコン膜からなるコンタクトバリア膜43で覆われている。ここで、ビット線コンタクト38に隣接する選択トランジスタの積層ゲートにおいて、ビット線コンタクト38に近接する側面は、ゲートバリア膜42が部分的に除去されており、この側面が直接、コンタクトバリア膜43で覆われた構造となっている。また、共通ソース線コンタクト39に隣接する選択トランジスタの積層ゲートにおいて、共通ソース線コンタクト39に近接する側面は、ゲートバリア膜42が部分的に除去されており、この側面が直接、コンタクトバリア膜43で覆われた構造となっている。言い換えると、選択トランジスタの積層ゲートのメモリセルに近接する側の側面には、ゲートバリア膜42が形成され、さらにこのゲートバリア膜42上にはコンタクトバリア膜43が形成されている。しかし、選択トランジスタの積層ゲートのビット線コンタクト38あるいは共通ソース線コンタクト39に近接する側の側面には、ゲートバリア膜42が形成されておらず、この側面には直接、コンタクトバリア膜43が形成されている。また、半導体基板31の上には、図2(b)に示すように、層間絶縁膜44、例えばBPSG膜等が形成されている。
The stacked gate of the memory cell and the stacked gate of the select transistor are covered with a
前記ビット線コンタクト38は、選択トランジスタの積層ゲート側面上に形成されたコンタクトバリア膜43に接触するように、距離を空けずに配置されている。さらに、ビット線コンタクト38は、両側の積層ゲート上に一部分張り出して形成されている。このビット線コンタクト38は、半導体基板31上で、隣接する選択トランジスタの積層ゲート上のコンタクトバリア膜(窒化シリコン膜)43間に埋め込まれて形成されている。ビット線コンタクト38部の構造は、コンタクトバリア膜43及びゲートキャップ膜36をマスクとして用い、自己整合的な加工により形成したコンタクト孔にコンタクト材を埋め込んだセルフアラインコンタクト構造となっている。図2(b)に示すように、ビット線コンタクト38は、ゲートキャップ膜36及びコンタクトバリア膜43の一部分がエッチングされた積層ゲート間のコンタクト孔に埋め込まれた形状となっている。
The
同様に、前記共通ソース線コンタクト39は、選択トランジスタの積層ゲート側面上に形成されたコンタクトバリア膜43に接触するように、距離を空けずに配置されている。さらに、共通ソース線コンタクト39は、両側の積層ゲート上に一部分張り出して形成されている。この共通ソース線コンタクト39は、半導体基板31上で、隣接する選択トランジスタの積層ゲート上のコンタクトバリア膜(窒化シリコン膜)43間に埋め込まれて形成されている。共通ソース線コンタクト39部の構造は、コンタクトバリア膜43及びゲートキャップ膜36をマスクとして用い、自己整合的な加工により形成したコンタクト孔にコンタクト材を埋め込んだセルフアラインコンタクト構造となっている。図2(b)に示すように、共通ソース線コンタクト39は、ゲートキャップ膜36及びコンタクトバリア膜43の一部分がエッチングされた積層ゲート間のコンタクト孔に埋め込まれた形状となっている。
Similarly, the common
この実施の形態で示したNAND型メモリセルでは、メモリセルの積層ゲートが二酸化シリコン膜のゲートバリア膜42で覆われ、さらにゲートバリア膜42が窒化シリコン膜のコンタクトバリア膜43で覆われている。一方、選択トランジスタの積層ゲートは、コンタクト38あるいは39と近接する側面がゲートバリア膜42で覆われておらず、直接、コンタクトバリア膜43で覆われた構造となっている。
In the NAND type memory cell shown in this embodiment, the stacked gate of the memory cell is covered with a
メモリセルの積層ゲートを二酸化シリコン膜のゲートバリア膜42で覆い、積層ゲート間のゲート絶縁膜32表面にゲートバリア膜42を形成する理由は、第1の実施の形態のNOR型メモリセルの場合と同様に、ホットキャリア(主に正孔)がゲート絶縁膜32に注入されて、ゲート絶縁膜32とコンタクトバリア膜43との間に捕獲されるのを抑制するためである。
The reason why the
前記実施の形態において、ゲートバリア膜42の膜厚は、ホットキャリアがトンネル注入されることを防止するために、100Å〜200Å程度必要である。コンタクトバリア膜43の膜厚は、セルフアラインによるコンタクト孔の形成時のエッチング選択比を考慮して、例えば200Å〜400Å程度必要である。
In the embodiment, the film thickness of the
また、ゲートバリア膜42として、二酸化シリコン膜を用いているが、その他の酸化物系絶縁膜を用いてもよい。その他の酸化物系絶縁膜は、例えば、アルミニウム酸化膜(Al2O3など)、タンタル酸化膜(Ta3O5など)のような金属酸化膜である。また、コンタクトバリア膜43として、窒化シリコン膜を用いているが、その他の窒化物系絶縁膜を用いてもよい。
Further, although the silicon dioxide film is used as the
このような構造を持つ第2の実施の形態のNAND型不揮発性半導体記憶装置によれば、セルフアラインコンタクト構造をもつビット線コンタクト38(あるいは共通ソース線コンタクト39)のコンタクト孔形成時において、ビット線コンタクト(あるいは共通ソース線コンタクト)に近接する積層ゲートの側面にはゲートバリア膜(二酸化シリコン膜)42が形成されていないため、ゲートバリア膜42がエッチングされて空いた領域に、コンタクト材が入り込み、コンタクト材と制御ゲートとが短絡するようなことはない。
According to the NAND-type nonvolatile semiconductor memory device of the second embodiment having such a structure, when the contact hole of the bit line contact 38 (or common source line contact 39) having the self-aligned contact structure is formed, Since the gate barrier film (silicon dioxide film) 42 is not formed on the side surface of the stacked gate adjacent to the line contact (or the common source line contact), the contact material is formed in the area where the
さらに、メモリセルの積層ゲート両側(ソースあるいはドレインをなすn型拡散層37上)のゲート絶縁膜32と、コンタクトバリア膜43との間には、ゲートバリア膜(二酸化シリコン膜)42が形成されているため、ゲート絶縁膜32とコンタクトバリア膜43との間にホットキャリアが捕獲されるのを抑制することができる。これにより、ホットキャリア捕獲の影響によるメモリセルの電気特性変動を防止することができる。
Further, a gate barrier film (silicon dioxide film) 42 is formed between the
次に、前記NAND型メモリセルの製造方法について説明する。 Next, a method for manufacturing the NAND memory cell will be described.
図3(a)、図3(b)、図4(a)、図4(b)は前記NAND型メモリセルの製造方法を示す主な工程の断面図である。 3 (a), 3 (b), 4 (a), and 4 (b) are cross-sectional views of main steps showing a method for manufacturing the NAND type memory cell.
図3(a)に示すように、電荷蓄積層33及び制御ゲート35を有する積層構造上に、窒化シリコン膜からなるゲートキャップ膜36を形成する。これら電荷蓄積層33、制御ゲート35、及びゲートキャップ膜36の側端部が揃うように、自己整合的に垂直加工して積層ゲートを形成する。
As shown in FIG. 3A, a
積層ゲートを形成した後、ゲートバリア膜42として二酸化シリコン膜を堆積する。その後、ビット線コンタクト38あるいは共通ソース線コンタクト39と近接する選択トランジスタの積層ゲート側面上のゲートバリア膜42を、リソグラフィ及びエッチング処理によって剥離する。
After the stacked gate is formed, a silicon dioxide film is deposited as the
続いて、図3(b)に示すように、コンタクト孔開口時のコンタクトバリア膜43となる窒化シリコン膜を堆積する。さらに、このコンタクトバリア膜43上に、層間絶縁膜(例えばBPSG膜)44のを形成し、熱アニールによって層間絶縁膜44をメルトさせた後、例えばCMP等によって層間絶縁膜44を平坦化する。
Subsequently, as shown in FIG. 3B, a silicon nitride film to be a
次に、図4(a)に示すように、リソグラフィ及びドライエッチングによりコンタクト孔を開口する。このとき、層間絶縁膜(BPSG膜)44とコンタクトバリア膜(窒化シリコン膜)43のエッチング選択比に対応して、ゲートキャップ膜(窒化シリコン膜)36の一部もエッチングされる。 Next, as shown in FIG. 4A, contact holes are opened by lithography and dry etching. At this time, a part of the gate cap film (silicon nitride film) 36 is also etched corresponding to the etching selection ratio between the interlayer insulating film (BPSG film) 44 and the contact barrier film (silicon nitride film) 43.
続いて、図4(b)に示すように、HF処理などの界面清浄処理を行った後、コンタクト材、例えば低抵抗ポリシリコンやタングステン(W)などの金属を埋め込み、平坦化してビット線コンタクト38、及び共通ソース線コンタクト39を形成する。
Subsequently, as shown in FIG. 4B, after performing interface cleaning processing such as HF processing, a contact material, for example, a metal such as low-resistance polysilicon or tungsten (W) is embedded and planarized to form a bit line contact. 38 and a common
このようなNAND型メモリセルの製造方法では、ビット線コンタクト38あるいは共通ソース線コンタクト39と接する選択トランジスタの積層ゲート側面上のゲートバリア膜42を予め剥離することにより、コンタクト孔の開口時にゲートバリア膜42が露出してこのゲートバリア膜42が局所的にエッチバックされ、その後、コンタクト材を埋め込んだときにコンタクト材と制御ゲート35が短絡することを防止している。
In such a NAND memory cell manufacturing method, the
[第3の実施の形態]
次に、この発明の第3の実施の形態として、NAND型の不揮発性半導体記憶装置について説明する。前記第2の実施の形態では、コンタクト38あるいは39と近接する選択トランジスタの積層ゲート側面を覆うゲートバリア膜42を全て剥離しているが、この第3の実施の形態ではドライエッチング条件を最適化してゲートキャップ膜36の側面を覆うゲートバリア膜42のみを除去している。
[Third Embodiment]
Next, a NAND type nonvolatile semiconductor memory device will be described as a third embodiment of the present invention. In the second embodiment, all of the
図5は、第3の実施の形態のNAND型不揮発性半導体記憶装置におけるメモリセルアレイの断面図である。 FIG. 5 is a cross-sectional view of a memory cell array in the NAND-type nonvolatile semiconductor memory device according to the third embodiment.
図5に示すように、コンタクト38あるいは39に近接する積層ゲート側面を覆うゲートバリア膜42Aは、電荷蓄積層33側面及びゲート間絶縁膜34側面の全域と、制御ゲート35側面の一部のみを覆っている。その他の構造は、前記第2の実施の形態と同様である。
As shown in FIG. 5, the
図5に示すような構造を形成するには、コンタクト孔の開口時において、ドライエッチング条件を最適化し、積層ゲートの側面を覆うゲートバリア膜を制御ゲート35の側面まで後退させればよい。
In order to form the structure as shown in FIG. 5, when the contact hole is opened, the dry etching conditions are optimized, and the gate barrier film covering the side surface of the stacked gate is retracted to the side surface of the
このような構造を持つ第3の実施の形態でも、ビット線コンタクト38(あるいは共通ソース線コンタクト39)に近接するゲートキャップ膜36の側面にはゲートバリア膜(二酸化シリコン膜)42Aが形成されていないため、コンタクト孔形成時において、ゲートバリア膜42Aが露出することはない。したがって、コンタクト孔形成時に、ゲートバリア膜42Aが露出し、ゲートバリア膜42Aがエッチングされて空いた領域に、コンタクト材が入り込み、コンタクト材と制御ゲートとが短絡するようなことはない。
Also in the third embodiment having such a structure, a gate barrier film (silicon dioxide film) 42A is formed on the side surface of the
さらに、選択トランジスタ及びメモリセルの積層ゲート両側(ソースあるいはドレインをなすn型拡散層37上)のゲート絶縁膜32と、コンタクトバリア膜43との間には、ゲートバリア膜(二酸化シリコン膜)42Aが形成されているため、ゲート絶縁膜32とコンタクトバリア膜43との間にホットキャリアが捕獲されるのを抑制することができる。これにより、ホットキャリア捕獲の影響によるメモリセルの電気特性変動を防止することができる。
Further, a gate barrier film (silicon dioxide film) 42A is provided between the
なお、ゲートバリア膜42Aとして、二酸化シリコン膜を用いているが、その他の酸化物系絶縁膜を用いてもよい。その他の酸化物系絶縁膜は、例えば、アルミニウム酸化膜(Al2O3など)、タンタル酸化膜(Ta3O5など)のような金属酸化膜である。
Note that although a silicon dioxide film is used as the
[第4の実施の形態]
次に、この発明の第4の実施の形態として、NAND型の不揮発性半導体記憶装置について説明する。前記第3の実施の形態では、コンタクト38あるいは39と近接する選択トランジスタのゲートキャップ膜36の側面を覆うゲートバリア膜42のみを除去しているが、この第4の実施の形態では選択トランジスタ及びメモリセル双方のゲートキャップ膜36の側面を覆うゲートバリア膜42を除去している。
[Fourth Embodiment]
Next, a NAND type nonvolatile semiconductor memory device will be described as a fourth embodiment of the present invention. In the third embodiment, only the
図6は、第4の実施の形態のNAND型不揮発性半導体記憶装置におけるメモリセルアレイの断面図である。 FIG. 6 is a cross-sectional view of a memory cell array in the NAND-type nonvolatile semiconductor memory device according to the fourth embodiment.
図6に示すように、コンタクト38あるいは39に近接する積層ゲート側面を覆うゲートバリア膜42Aは、電荷蓄積層33側面及びゲート間絶縁膜34側面の全域と、制御ゲート35側面の一部のみを覆っている。さらに、メモリセルの積層ゲート側面を覆うゲートバリア膜42Aも、電荷蓄積層33側面及びゲート間絶縁膜34側面の全域と、制御ゲート35側面の一部のみを覆っている。その他の構造は、前記第2の実施の形態と同様である。
As shown in FIG. 6, the
図6に示すような構造を形成するには、コンタクト孔の開口時において、リソグラフィを用いずにドライエッチング条件を最適化し、選択トランジスタのゲートキャップ膜36側面と同様に、メモリセルの積層ゲートのゲートキャップ膜36側面を覆うゲートバリア膜を同時にエッチングし、制御ゲート35の側面まで後退させればよい。
In order to form the structure as shown in FIG. 6, when the contact hole is opened, the dry etching conditions are optimized without using lithography, and the stacked gate of the memory cell is formed in the same manner as the side face of the
このような構造を持つ第4の実施の形態でも、ビット線コンタクト38(あるいは共通ソース線コンタクト39)に近接するゲートキャップ膜36の側面にはゲートバリア膜(二酸化シリコン膜)42Aが形成されていないため、コンタクト孔形成時において、ゲートバリア膜42Aが露出することはない。したがって、コンタクト孔形成時に、ゲートバリア膜42Aが露出し、ゲートバリア膜42Aがエッチングされて空いた領域に、コンタクト材が入り込み、コンタクト材と制御ゲート35とが短絡するようなことはない。
Also in the fourth embodiment having such a structure, a gate barrier film (silicon dioxide film) 42A is formed on the side surface of the
さらに、選択トランジスタ及びメモリセルの積層ゲート両側(ソースあるいはドレインをなすn型拡散層37上)のゲート絶縁膜32と、コンタクトバリア膜43との間には、ゲートバリア膜(二酸化シリコン膜)42Aが形成されているため、ゲート絶縁膜32とコンタクトバリア膜43との間にホットキャリアが捕獲されるのを抑制することができる。これにより、ホットキャリア捕獲の影響によるメモリセルの電気特性変動を防止することができる。
Further, a gate barrier film (silicon dioxide film) 42A is provided between the
なお、ゲートバリア膜42Aとして、二酸化シリコン膜を用いているが、その他の酸化物系絶縁膜を用いてもよい。その他の酸化物系絶縁膜は、例えば、アルミニウム酸化膜(Al2O3など)、タンタル酸化膜(Ta3O5など)のような金属酸化膜である。
Note that although a silicon dioxide film is used as the
[第5の実施の形態]
次に、この発明の第5の実施の形態として、NAND型の不揮発性半導体記憶装置について説明する。この第5の実施の形態では、前記第2の実施の形態と共通する部分には共通する参照符号を付す。
[Fifth Embodiment]
Next, a NAND type nonvolatile semiconductor memory device will be described as a fifth embodiment of the invention. In the fifth embodiment, common reference numerals are assigned to parts common to the second embodiment.
図7(a)は、第5の実施の形態のNAND型不揮発性半導体記憶装置におけるメモリセルアレイのワード線に沿った断面図である。図7(b)は、前記メモリセルアレイのビット線コンタクト部のワード線方向の断面図である。図7(c)は、前記NAND型不揮発性半導体記憶装置の周辺回路を構成する周辺トランジスタの断面図である。この周辺トランジスタは、例えば、ゲート絶縁膜がメモリセルに比べて非常に厚い高耐圧系トランジスタであるとする。 FIG. 7A is a cross-sectional view taken along the word line of the memory cell array in the NAND-type nonvolatile semiconductor memory device according to the fifth embodiment. FIG. 7B is a cross-sectional view in the word line direction of the bit line contact portion of the memory cell array. FIG. 7C is a cross-sectional view of a peripheral transistor constituting a peripheral circuit of the NAND nonvolatile semiconductor memory device. This peripheral transistor is, for example, a high breakdown voltage transistor whose gate insulating film is much thicker than the memory cell.
電荷蓄積層の側端部が素子分離領域を形成するトレンチ溝と揃った自己整合STI構造は、スラッシュメモリにおける素子分離構造として有効である。しかし、図12に示したように、素子分離領域が半導体基板よりも高く形成されるため、隣接する制御ゲートの間の領域においては、ゲートバリア膜214及びコンタクトバリア膜215がスペーサ状に素子分離領域217の側面に残るという問題があった。
A self-aligned STI structure in which the side end portion of the charge storage layer is aligned with a trench groove forming an element isolation region is effective as an element isolation structure in a slash memory. However, as shown in FIG. 12, since the element isolation region is formed higher than the semiconductor substrate, in the region between adjacent control gates, the
この実施の形態では、図7(b)に示すように、隣接する制御ゲート間の素子分離絶縁膜51の膜厚を制御ゲート35下の素子分離絶縁膜52の膜厚よりも薄くすることにより、ゲートバリア膜42及びコンタクトバリア膜43の残さをなくしている。この結果、ビット線コンタクト形成部において、半導体基板の露出面積を大きくして、コンタクト抵抗を低下させることができる。
In this embodiment, as shown in FIG. 7B, the film thickness of the element
また、周辺回路を構成する周辺トランジスタのうち、特に高耐圧系トランジスタのゲート絶縁膜の膜厚はメモリセルのゲート絶縁膜よりも一般的に非常に厚い。このため、コンタクト孔の形成時に、コンタクトバリア膜43及びゲートバリア膜42をエッチングした後、周辺トランジスタの厚いゲート絶縁膜を除去する必要があり、セルフアラインコンタクト構造を持つビット線コンタクトと同時に、周辺トランジスタのコンタクトを形成することは困難であった。
Further, among the peripheral transistors constituting the peripheral circuit, the film thickness of the gate insulating film of the high voltage transistor is generally much larger than that of the memory cell. For this reason, when forming the contact hole, it is necessary to remove the thick gate insulating film of the peripheral transistor after etching the
これに対して、この実施の形態では、図7(c)に示すように、予め高耐圧系トランジスタのコンタクト53が形成される拡散層上のゲート絶縁膜54を、薄膜化している。これにより、ビット線コンタクトのコンタクト孔形成と同時に、高耐圧系トランジスタのコンタクト孔形成が可能になっている。
On the other hand, in this embodiment, as shown in FIG. 7C, the
実際に、この構造を形成する方法を以下に説明する。 Actually, a method of forming this structure will be described below.
まず、ゲートキャップ膜を含めた積層ゲートを垂直加工した後、ゲートキャップ膜をマスクにしてゲート間の素子分離絶縁膜とゲート絶縁膜をエッチングする。このとき、ゲートキャップ膜である窒化シリコン膜とシリコン基板に対して、高選択比を得られるエッチングを行うことが重要である。また、エッチング量は高耐圧系トランジスタのゲート絶縁膜が除去可能な量とする必要がある。さらに、素子分離絶縁膜の高さはトレンチ溝上部、すなわち半導体基板面より高く、電荷蓄積層上部より低い必要がある。このエッチングによって、ゲート間の素子分離絶縁膜の膜厚はゲート下の素子分離絶縁膜の膜厚よりも薄くなる。 First, the stacked gate including the gate cap film is vertically processed, and then the element isolation insulating film and the gate insulating film between the gates are etched using the gate cap film as a mask. At this time, it is important to perform etching with a high selectivity on the silicon nitride film which is the gate cap film and the silicon substrate. The etching amount must be such that the gate insulating film of the high voltage transistor can be removed. Furthermore, the height of the element isolation insulating film needs to be higher than the upper part of the trench groove, that is, the semiconductor substrate surface, and lower than the upper part of the charge storage layer. By this etching, the film thickness of the element isolation insulating film between the gates becomes thinner than the film thickness of the element isolation insulating film under the gate.
熱酸化などによりゲート側面の表面処理を行った後、ゲートバリア膜42及びコンタクトバリア膜43を形成した際、予め素子分離絶縁膜の膜厚を薄くしているため、素子分離絶縁膜51の側面露出高さが低くなり、コンタクト孔の開口時にスペーサ状の残さが発生するのを抑制できる。
When the
この発明は、前述した実施の形態に限定されるものではなく、ゲート絶縁膜の厚さや電極材料などを適当に選択することも可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and the thickness of the gate insulating film, the electrode material, and the like can be appropriately selected.
この発明の望ましい実施態様を以下に記しておく。 Preferred embodiments of the invention are described below.
1.電荷蓄積層を構成する導電材は、例えば不純物ドーピングにより電気伝導率が高い多結晶シリコン材、あるいは非晶質シリコン材である。 1. The conductive material constituting the charge storage layer is, for example, a polycrystalline silicon material or an amorphous silicon material having high electrical conductivity due to impurity doping.
2.電荷蓄積層は、半導体基板上に形成された、例えば100Å程度の熱酸化膜上に形成されている。 2. The charge storage layer is formed on a thermal oxide film of, for example, about 100 mm formed on the semiconductor substrate.
3.制御ゲートは、例えば不純物ドーピングにより電気伝導率が高い多結晶シリコン材あるいは非晶質シリコン材等のシリコン材単層、またはタングステン(W)等の高融点金属材、タングステンシリサイド(WSi)等のシリサイドとシリコンとの積層構造、または前記シリコン材上にチタン(Ti)等の金属を堆積し、熱アニールによりシリコンと化学的に反応させて形成したサリサイド、またはアルミニウム(Al)等の低抵抗金属材である。 3. The control gate is, for example, a single layer of a silicon material such as a polycrystalline silicon material or an amorphous silicon material having high electrical conductivity due to impurity doping, a refractory metal material such as tungsten (W), or a silicide such as tungsten silicide (WSi). A low-resistance metal material such as a salicide formed by depositing a metal such as titanium (Ti) on the silicon material and chemically reacting with silicon by thermal annealing, or aluminum (Al) It is.
4.制御ゲートは、電荷蓄積層上に形成された、例えば100Å〜200Å程度の二酸化シリコン膜、あるいは二酸化シリコンと窒化シリコン膜の積層膜上に形成されている。 4). The control gate is formed on a silicon dioxide film having a thickness of, for example, about 100 to 200 mm or a laminated film of silicon dioxide and silicon nitride film formed on the charge storage layer.
5.素子分離絶縁膜は、例えば高アスペクトの埋め込み特性に優れた二酸化シリコン材、あるいはリン(P)やボロン(B)等の不純物を含むPSG、BPSG等、あるいは前記材料の積層構造である。 5. The element isolation insulating film is, for example, a silicon dioxide material excellent in high aspect embedding characteristics, or PSG or BPSG containing impurities such as phosphorus (P) or boron (B), or a laminated structure of the above materials.
この発明は、第1の絶縁膜(例えば二酸化シリコン膜)及び第2の絶縁膜(例えば窒化シリコン膜)で覆われたメモリセル及び選択トランジスタのうち、少なくともビット線コンタクトが隣接する積層ゲートの側面から第1の絶縁膜を除去することと、制御ゲート間の素子分離用絶縁膜を制御ゲート下の素子分離用絶縁膜よりも薄くしてビット線コンタクト部の素子分離用絶縁膜の側壁高さを下げることと、高耐圧系トランジスタのソース拡散層あるいはドレイン拡散層に接続されるコンタクト部のゲート絶縁膜の膜厚を、前記トランジスタのゲート電極下のゲート絶縁膜の膜厚よりも薄くすることにより、ビット線コンタクトをセルフアラインコンタクト構造とする際の加工マージンを高くでき、高密度化及び高信頼性化を図ることができる不揮発性半導体記憶装置が実現できる。 The present invention relates to a side surface of a stacked gate in which at least a bit line contact is adjacent among a memory cell and a select transistor covered with a first insulating film (eg, silicon dioxide film) and a second insulating film (eg, silicon nitride film). The first insulating film is removed from the gate electrode, and the element isolation insulating film between the control gates is made thinner than the element isolation insulating film under the control gate to make the side wall height of the element isolation insulating film in the bit line contact portion And lowering the thickness of the gate insulating film in the contact portion connected to the source diffusion layer or drain diffusion layer of the high voltage transistor than the thickness of the gate insulating film under the gate electrode of the transistor As a result, the processing margin when the bit line contact has a self-aligned contact structure can be increased, and high density and high reliability can be achieved. Nonvolatile semiconductor memory device can be realized.
なお、第1の絶縁膜として、二酸化シリコン膜を用いているが、その他の酸化物系絶縁膜を用いてもよい。その他の酸化物系絶縁膜は、例えば、アルミニウム酸化膜(Al2O3など)、タンタル酸化膜(Ta3O5など)のような金属酸化膜である。また、第2の絶縁膜として、窒化シリコン膜を用いているが、その他の窒化物系絶縁膜を用いてもよい。 Although the silicon dioxide film is used as the first insulating film, other oxide insulating films may be used. Other oxide insulating film, for example, (such as Al 2 O 3) aluminum oxide film, a metal oxide film such as tantalum oxide film (such as Ta 3 O 5). Further, although the silicon nitride film is used as the second insulating film, other nitride-based insulating films may be used.
11…p型シリコン半導体基板(あるいはp型ウェル)、12…トンネル絶縁膜、13…電荷蓄積層、14…ゲート間絶縁膜、15…制御ゲート、16…ゲートキャップ膜、17A…ソース、17B…ドレイン、18…ビット線コンタクト、19…共通ソース線コンタクト、20…ビット線、21…共通ソース線、22…ゲートバリア膜、23…コンタクトバリア膜、24…層間絶縁膜、31…p型シリコン半導体基板(あるいはp型ウェル)、32…トンネル絶縁膜、33…電荷蓄積層、34…ゲート間絶縁膜、35…制御ゲート、36…ゲートキャップ膜、37…n型拡散層、38…ビット線コンタクト、39…共通ソース線コンタクト、40…ビット線、41…共通ソース線、42…ゲートバリア膜、43…コンタクトバリア膜、44…層間絶縁膜
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記素子分離領域によって電気的に分離された複数の第1導電型の第1半導体領域と、
前記第1半導体領域に、互いに離間して形成された第2導電型の第2、第3半導体領域と、
前記第2半導体領域と前記第3半導体領域との間の前記第1半導体領域上に、ゲート絶縁膜を介して形成され、電荷蓄積層、制御ゲート、及びこの制御ゲート上のキャップ絶縁膜を含む積層ゲートと、
前記第2、第3半導体領域上に形成された層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜上に形成され、信号の入出力を行うビット線と、
前記層間絶縁膜上に形成され、信号の入出力を行うソース線と、
前記層間絶縁膜内に埋め込まれ、前記第2半導体領域と前記ビット線とを電気的に接続するビット線コンタクトと、
前記層間絶縁膜内に埋め込まれ、前記第3半導体領域と前記ソース線とを電気的に接続するソース線コンタクトと、
前記ビット線、ソース線及び制御ゲートの信号を制御するための周辺トランジスタを含む周辺回路と、
を具備する不揮発性半導体記憶装置であって、
前記電荷蓄積層は前記トレンチ溝と側端面が揃うように配置されており、前記素子分離領域は半導体基板面より高い位置まで形成されており、かつ前記制御ゲート下の素子分離領域の位置は制御ゲート間の素子分離領域の位置より高く、
前記周辺トランジスタはゲート電極、ソース拡散層、ドレイン拡散層を有し、ソース拡散層及びドレイン拡散層のいずれかに接続されるコンタクト材が前記ビット線コンタクトあるいはソース線コンタクトをなすコンタクト材と同じトランジスタであって、
前記ソース拡散層及びドレイン拡散層のいずれかに接続されるコンタクト材に隣接するゲート絶縁膜の膜厚が前記ゲート電極下のゲート絶縁膜の膜厚よりも薄いことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 An element isolation region made of an element isolation insulating material embedded in a plurality of trench grooves formed in a semiconductor substrate;
A plurality of first-conductivity-type first semiconductor regions electrically isolated by the element isolation region;
Second and third semiconductor regions of the second conductivity type formed in the first semiconductor region and spaced apart from each other;
A charge storage layer, a control gate, and a cap insulating film on the control gate are formed on the first semiconductor region between the second semiconductor region and the third semiconductor region via a gate insulating film. Stacked gates;
An interlayer insulating film formed on the second and third semiconductor regions;
A bit line formed on the interlayer insulating film for inputting and outputting signals;
A source line formed on the interlayer insulating film for inputting and outputting signals;
A bit line contact embedded in the interlayer insulating film and electrically connecting the second semiconductor region and the bit line;
A source line contact embedded in the interlayer insulating film and electrically connecting the third semiconductor region and the source line ;
A peripheral circuit including a peripheral transistor for controlling the signal of the bit line, the source line and the control gate;
A nonvolatile semiconductor memory device comprising:
The charge storage layer is arranged so that the trench groove and the side end face are aligned, the element isolation region is formed to a position higher than the surface of the semiconductor substrate, and the position of the element isolation region under the control gate is controlled high from the position of the element isolation region between the gate rather,
The peripheral transistor has a gate electrode, a source diffusion layer, and a drain diffusion layer, and a contact material connected to either the source diffusion layer or the drain diffusion layer is the same transistor as the contact material that forms the bit line contact or the source line contact Because
A nonvolatile semiconductor memory characterized in that a gate insulating film adjacent to a contact material connected to either the source diffusion layer or the drain diffusion layer is thinner than a gate insulating film under the gate electrode. apparatus.
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