JP5178721B2 - 成形されたフローティングゲートを持つ不揮発性メモリ - Google Patents

成形されたフローティングゲートを持つ不揮発性メモリ Download PDF

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Description

本出願は、不揮発性メモリと不揮発性メモリを形成する方法に関する。特に、本出願は、フローティングゲートを成形化と、不揮発性メモリにおける成形されたフローティングゲートの様々な配置に関する。
今日、多くの商業的に成功した不揮発性メモリ製品が使用されている。特に、フラッシュEEPROM(電気的に消去とプログラムが可能な読み出し専用メモリ)の配列を使用している小型のフォームファクタカード(small form factor card)がよく使用されている。1つのタイプのアーキテクチャであるNANDアレイでは、3つ以上のメモリセル(16個や32個等)を含む一連のストリングを互いに接続し、セルの列を形成する。セルの列を形成するためには、一方のセルのソースが他方のセルのドレインでもあるようにする。一般的には、たとえば32個のフローティングゲートメモリセルを直列に含む各々のNANDストリングは、2つの選択トランジスタによって終端されている。この2つの選択トランジスタの夫々は、ストリングの夫々の端部にある。ドレイン側の選択トランジスタのソース拡散層は、このストリング上の最後のセルのドレインと同一である。ドレイン側の選択トランジスタのドレインは、グローバルビット線に接続されている。グローバルビット線は、ワード線に対して直交する方向に延在している。各々のNANDストリングは、これにアクセスする特定のビット線の下に存在している。グローバルビット線は、数千のNANDストリングに及ぶことがある。NANDストリング中の最初のフローティングゲートトランジスタのソース側拡散層は、ソース側の選択トランジスタのドレインと同一である。一般的に、ソース側の選択トランジスタのソースは、ワード線に対して並行に配置されている共有線に接続されている。ワード線は、これらの列の多くに及んで、セル上で延在している。ある列中の個々のセルは、このストリング中の他のセルをオーバードライブさせる。それにより、ストリング中を流れる電流がアドレス指定されたセルに蓄積されている電荷のレベルに従い、プログラミング中に読み出しと検証をする。NANDアーキテクチャアレイとメモリシステムの1部としてのその動作の一例が、米国特許第6,046,935号に開示されている。
ソース拡散層とドレイン拡散層の間に「スプリットチャネル」を有する別のタイプのアレイでは、セルのフローティングゲートは、チャネルの一部分上に存在している。そして、ワード線(制御ゲートとも呼ばれる)は、フローティングゲート上だけではなく他のチャネル部分上にも存在している。これによって、2つのトランジスタを直列に持つセルが効果的に形成される。この2つのトランジスタのうちの一方(メモリトランジスタ)では、フローティングゲート上の電荷の量と、チャネルのうちの自身の部分を流れることができる電流の量を制御するワード線上の電圧が組み合わされている。そして、他方(選択トランジスタ)では、そのゲートとしてのみ働くワード線を有している。ワード線は、1行のフローティングゲート上で延びている。このようなセルの例として、メモリシステムにおけるその用途および製造方法が、米国特許第5,070,032号、第5,095,344号、第5,315,541号、第5,343,063号、第5,661,053号および第6,281,075号に開示されている。
このスプリットチャネル式フラッシュEEPROMセルの改良型では、フローティングゲートとワード線の間にステアリングゲートが追加されている。アレイ中のステアリングゲートの夫々は、ワード線に直交する1列のフローティングゲート上で延びている。これによって、ワード線は、選択されたセルを読み出しまたはプログラミングするときに、同時に2つの機能を実行する必要がない。これら2つの機能とは、(1)選択トランジスタのゲートとして働いて、選択トランジスタをオン/オフするための電圧を適正化すること、(2)ワード線とフローティングゲートの間の電界結合(容量性結合)によって、フローティングゲートの電圧を所望のレベルにまで駆動することである。このような機能の双方を単一の電圧で最適に実行することは、多くの場合困難である。ステアリングゲートが追加されると、ワード線は機能(1)だけを実行すればよい。一方、追加されたステアリングゲートが機能(2)を実行する。フラッシュEEPROMアレイ中でステアリングゲートを用いることは、たとえば、米国特許第5,313,421号と第6,222,762号に記載されている。
上記したタイプのメモリセルアレイにおいても、セルのフローティングゲートは、基板からフローティングゲートに電子を注入することによってプログラムされる。このことは、チャネル領域に適切なドーピングを行い、そして、ソースとドレインと他のゲートに適切な電圧を印加することによって遂行される。
フローティングゲートから電荷を除去してメモリセルを消去する2つの技術が、上記した3つのタイプのメモリセルアレイで用いられている。1つの技術は、ソースとドレインと他のゲートに適当な電圧を印加し、電子がフローティングゲートと基板の間の誘電体層の一部分をトンネル通過するようにして消去する。他方の消去技術は、フローティングゲートから別のゲートにまで、これらの間に位置しているトンネル誘電体層を介して電子を転送させる。上記した第2のタイプのセルでは、この目的のために第3の消去ゲートが備えられている。すでに3つのゲートを有している上記した第3のタイプのセルでは、ステアリングゲートを用いているので、第4のゲートを追加する必要性なく、フローティングゲートはワード線まで消去される。この後者の技術では、ワード線によって第2の機能を実行することが追加される。しかしながら、これらの機能は、それぞれ異なった時点で実行されるので、2つの機能を実行するためになにかを犠牲にする必要がない。どちらの消去技術を利用するときにも、多数のメモリセルを一緒のグループとして同時に、すなわち「一瞬」のうちに消去する。1つの方式では、このグループには、ディスクのセクタに記憶されるユーザデータ量、より具体的にいうと、512バイトにいくらかのオーバーヘッドデータを足したデータ量を記憶するに十分なメモリセルが含まれる。別の方式では、夫々のグループには、多数のディスクのセクタ分のデータに等しい数千バイトのユーザデータを保持するのに十分なセルが含まれる。マルチブロック消去、故障管理および他のフラッシュEEPROMシステムの特徴は、米国特許第5,297,148号に記載されている。
ほとんどすべての集積回路の応用分野と同じように、なんらかの集積回路機能を実施するために必要なシリコン基板の面積を縮小しようとする圧力が、フラッシュEEPROMシステムの場合にも存在する。所定の面積のシリコン基板に記憶可能なデジタルデータの量を増加させて、所定のサイズのメモリカードや他のタイプのパッケージの記憶容量を増加させたり、あるいは、容量を増加させるとともにサイズを縮小させようとする要求が常に存在する。データの記憶密度を増大させる1つの方法は、メモリセル1つ当たりに、2ビット以上のデータを記憶することである。これは、フローティングゲートの電荷レベル電圧範囲のウインドウを、少なくとも3つ以上の状態に分割することにより実施される。このような状態を4つ用いると、夫々のセルが2ビットのデータを記憶可能となり、8つの状態にすると、夫々のセルが3ビットのデータを記憶可能となる。多重状態型のフラッシュEEPROM構造とその動作が、米国特許第5,043,940号と第5,172,338号に記載されている。
データ密度は、メモリセルおよび/またはアレイ全体の物理的サイズを縮小することによっても増加させることが可能である。集積回路のサイズの縮小化は、時間の経過とともに処理技法が改善され、特徴物のサイズを縮小することが可能となるにつれて、すべてのタイプの回路に対して一般的に行われてきた。しかしながら、このような方法で所定の回路のレイアウトを縮小することは、常に限界がある。これは、多くの場合、これ以上縮小不可能な特徴物が少なくとも1つ存在するので、レイアウト全体の縮小可能な量が制限されてしまうからである。このことが発生すると、設計者は、新たな又は異なったレイアウト、あるいは、新たな又は異なったアーキテクチャの回路を実現して、その機能を実行するために必要とされるシリコン領域の面積を縮小しようとする。上記のフラッシュEEPROM集積回路システムを縮小しようとする場合にも、同様の制限を受けることがある。
別のフラッシュEEPROMアーキテクチャでは、二重フローティングゲートメモリセルを用いて、フローティングゲート1つ当たりに複数の状態を記憶するようにしている。このタイプのセルでは、2つのフローティングゲートとともに選択トランジスタを、ソース拡散層とドレイン拡散層の間のチャネル上に配置している。ステアリングゲートが各フローティングゲートの列に含まれており、ワード線がフローティングゲートの各行の上に配置されている。読み出しまたはプログラミング目的で所定のフローティングゲートにアクセスする場合、対象となるフローティングゲートを含むセルの他のフローティングゲート上にあるステアリングゲートを十分高電圧にまで上昇させ、他のフローティングゲート下のチャネルを、対象となるフローティングゲート上に存在する電荷レベルとは無関係にオンさせる。これによって効果的に、同じメモリセル中の対象となるフローティングゲートを読み出したりプログラミングしたりするときに、他のフローティングゲートがこれに影響を及ぼすことがなくなる。たとえば、セルを流れる電流の量はその状態を読み出す目的に利用可能であるが、その場合には、同じセル内の他のフローティングゲートではなく対象とされるフローティングゲート上の電荷量の関数となる。このセルアレイアーキテクチャとその操作技術の例が、米国特許第5,712,180号、第6,103,573および第6,151,248号に記載されている。
これらや他のタイプの不揮発性メモリにおいては、フローティングゲートとこの上を通過している制御ゲートの間の電場結合の量が注意深く制御される。この結合の量によって、フローティングゲートに結合される制御ゲートに印加される電圧のパーセンテージが決まる。このパーセンテージ結合は、制御ゲートの表面と重なるフローティングゲートの表面面積の量を含む多くの要因によって決まる。フローティングゲートと制御ゲート間のパーセンテージ結合は、重なる面積を最大化することにより最大化することが望ましい場合が多い。結合面積を増す1つの方法が、Yuanらの米国特許第5,343,063号に記載されている。この特許に記載されている方式は、フローティングゲートを通常より厚く作成して、制御ゲートと結合する垂直表面を増加させる。フローティングゲートと制御ゲートを結合させる面積を増す別の方法が、Yuanの米国特許第6,908,817号に記載されている。
隣り合うフローティングゲートと制御ゲートの間の垂直方向の結合面積を増すためには、夫々のセルが占有する基板の面積が増加しないようにすることがさらに望ましい。また、フローティングゲート同士の結合を抑制し、それにより、隣り合うフローティングゲート同士が互いに影響しないようにすることが望ましい。
ワード線方向に沿った断面においてL字形状であるフローティングゲートは、ビット線方向にある隣のフローティングゲートに対してはL字形状の面(facet)を示す。言い換えれば、2つの隣り合ったワード線上にある2つの隣り合ったフローティングゲートは、互いに対してL字形状の面を示す。このL字形状の面は、従来の矩形のフローティングゲートよりも面積が小さいが、フローティングゲートとそのフローティングゲートに重なるワード線間の結合は同じ(またはより良好)である。加えて、2つの隣り合ったワード線上にある2つの隣り合ったフローティングゲート間の寄生結合は、面の面積を縮小しただけの場合よりもさらに減少することができる。L字形状のフローティングゲートによって、L字形状の面上のそれら自身の制御ゲートから最も遠い点の距離がかなり減少する。これらの距離は、フローティングゲート同士の距離よりも小さくすることができる。これによって、面の面積の縮小によってもたらされる減少よりも、フローティングゲート同士間の容量が減少するという事実が得られる。L字形状の面から放散する力線の数が増加することが、隣のワード線の下方にある隣のフローティングゲート上を延長して終端するのではなく、自身の制御ゲートで終端することを可能にする。フローティングゲートメモリセルのNANDストリングに沿ったすべてのフローティングゲートは、一実施形態では同じ方向を有する。別の実施形態では、ストリングに沿ったフローティングゲートは、方向が交互に変わるL字形状をしている。L向きと逆L向きを持つフローティングゲートが交互に現れる。このような交互方向の1つの利点は、ビット線方向で隣り合ったフローティングゲートの対向する面の容量性結合を軽減することである。別の実施形態では、L字形状のフローティングゲートの向きが、ワード線方向に沿って交互に入れ替わる。このことは、ビット線方向に沿って交互に入れ替わることが付加されてもよい。L字形状のフローティングゲートに加えて、他の非対称の形状のフローティングゲートを形成して、その向きが交互になるように配置してもよい。
L字形状のフローティングゲートを持つメモリアレイを形成するプロセスで、ゲートの誘電体層は基板表面上に形成され、第1の導電層がこのゲートの誘電体層上に形成される。マスク層が第1の導電層上に形成され、レジスト層がマスク層上に形成される。レジスト層がパターニングされ、このパターンがマスク層に転写されてマスク部分が形成される。次に、このようなマスク部分を用いて、y方向に延びるSTI構造を形成する。STI構造によって、第1の導電層が第1の導電部分に分割される。マスク部分は、その後第2の導電部分に置換される。第1と第2の導電部分は互いに接触して、y方向に延びる電気的に導通している導電部分を形成する。このような導電部分は、パターニングされたエッチングマスクを用いて部分的にエッチングすることによって、L字形状のフローティングゲートに形成してもよい。L字形状フローティングゲートの望ましい向きよって、異なるエッチングマスクを用いてもよい。部分的エッチングによって、導電部分の領域が垂直方向に部分的にエッチングされる。エッチングされた領域は、STI構造の側壁に沿って延びて、隣のSTI構造の側壁に沿って延びる狭い導電部分を分離している。次いで、エッチングマスクを除去して、STI構造をエッチバックする。次に、誘電体層または誘電体層の組み合わせを堆積して、導電層をこの誘電体層上に堆積する。互いに分離したワード線がこの導電層から形成される。導電部分は、同じエッチステップで互いに別個のフローティングゲートに分離される。これにより、これらの特徴物が自己整合する。
本発明の実施形態に関連するメモリアレイを含むメモリシステムを示す。 フローティングゲートメモリセルのNANDストリングを含む図1のメモリアレイの詳細図を示す。 図2のメモリセルのフローティングゲートの詳細図であり、L字の断面形状を持つフローティングゲートを示す。 矩形形状のフローティングゲートと比較した図3Aのフローティングゲートの面を示す。 ゲート誘電体層と第1の導電層とパターニングされたレジスト層が重なっているマスク層を含む、製造の初期段階における図2のメモリアレイの断面図を示す。 レジスト層のパターンをマスク層に転写し、次にこのマスク層を用いてSTI構造の位置を設定する、同一の観察方向における図4の構造を示す。 マスク層部分を第2の導電層に置換して平坦化した後の図5の構造を示す。 マスク層部分を薄い第2の導電層を用いて置換し、誘電体層を配置した後に平坦化した、図6Aの構造の代替構造を示す。 導電部分とSTI構造上にレジストパターンを形成して、このレジストパターンを用いて導電部分を部分的にエッチングした後の図6Aの構造を示す。 導電部分上に部分的に存在するエッチングマスクで部分的にエッチングした後の図6Bの代替実施形態の個々の導電部分を示す。 レジスト部分を除去して、基板表面のレベルにまでSTI構造をエッチバックした後の図7Aの構造を示す。 誘電体を除去した後に狭い上部部分が残っている図7Bの個々の導電部分を示す。 誘電体層とその誘電体層上に導電層を堆積した後の図8Aの構造を示す。 本発明の実施形態に関連するメモリアレイのL字形状フローティングゲートを示す。 本発明の別の実施形態のL字形状フローティングゲートであり、交互に向きが入れ替わるストリングのフローティングゲート、同じ向きを有する行のフローティングゲートを示す。 導電部分から図11のフローティングゲートを形成するために用いることができるエッチングマスクを示す。 図12Aのエッチングマスクでパターニングされた導電部分と、パターニングされた導電部分上に形成されたワード線の位置を示す。 導電部分から図11のフローティングゲートを形成するために用いることができる代替のエッチングマスクを示す。 図13Aのエッチングマスクでパターニングされた導電部分と、このパターニングされた導電部分上に形成されたワード線の位置を示す。 本発明の別の実施形態のL字形状フローティングゲート、ビット線方向に沿って交互に向きが入れ替わるストリングのフローティングゲート、ワード線方向に沿って交互に向きが入れ替わる行のフローティングゲートを示す。 導電部分から図14のフローティングゲートを形成するために用いられるエッチングマスクを示す。 図15Aのエッチングマスクでパターニングされた導電部分と、このパターニングされた導電部分上に形成されたワード線の位置を示す。
メモリ構造
本発明の様々な様態を含むメモリシステム100の一例を、図1のブロック図に示す。個別にアドレス可能な多くのメモリセルが、行と列の規則的なアレイ110内に配列されている。しかしながら、他の物理的なセル配列ももちろん可能である。本明細書ではセルのアレイ110の列に沿って延びるように設計されているビット線は、線150を介して、ビット線デコーダと駆動回路130に電気的に接続している。本明細書ではセルのアレイ110の行に沿って延びるように設計されているワード線は、線170を介して、ワード線デコーダと駆動回路190に電気的に接続している。デコーダ130と190の夫々が、メモリコントローラ180からバス160を介して、メモリセルアドレスを受ける。デコーダと駆動回路もまた、夫々制御信号線135とステータス信号線195によってコントローラ180に接続されている。
コントローラ180は、線140を介して、ホストデバイス(図示せず)に接続可能である。このホストは、パソコン、ノート型パソコン、デジタルカメラ、オーディオプレーや、様々な他の手持ち式電子デバイスおよび類似物であってよい。図1のメモリシステム100は、一般的に、PCMCIA、CompactFlash(登録商標)アソシエーション、MMC(登録商標)アソシエーションや、これ以外のいくつかの既存の物理的、電気的基準のうちの1つに適合するカードなどの着脱可能メモリとして実現される。カード形式の場合、線140は、ホストデバイスの補完するコネクタに接続するカードのコネクタで終端する。多くのカードの電気的インタフェースがATA基準に適合しているが、この場合、メモリシステムは、ホストにとって磁気ディスクドライブのようなものとなる。他のメモリカードインタフェース基準も存在する。カード形式の代替例として、図1に示すタイプのメモリシステムが、ホストデバイスに永久的に埋め込まれてもよい。
デコーダと駆動回路130および190がバス160を介してアドレス指定されると、夫々の制御線135とステータス線195上の制御信号に従って、アレイ110の夫々の線に適切な電圧を発生させて、プログラミング機能、読み出し機能および消去機能を実行する。電圧レベルと他のアレイパラメータを含んだステータス信号は、アレイ110から同じ制御線135とステータス線195を介してコントローラ180に出力される。回路130中の複数のセンスアンプが、アレイ110内のアドレス指定されたメモリセルの状態を示す電流または電圧レベルを受信して、読み出し動作中に線145を介してこれらの状態に関する情報をコントローラ180に提供する。多くのメモリセルの状態を同時並行に読み出し可能にするために、通常は、多くのセンスアンプが用いられる。読み出し操作とプログラム動作の間、一般的に、複数のセルの1行が回路190によって一時にアドレス指定されて、回路130で選択されたアドレス指定済みの行内の多くのセルにアクセスする。消去動作中、一般的に、多くの行の各々の行内のすべてのセルが、ブロックとして一緒にアドレス指定されて同時に消去される。
シリコン基板上に形成されたNANDメモリセルアレイ110の一例の平面図を図2に示す。同図中、説明がわかりやすいように、導電性素子の繰り返し構造の小さい部分を図示し、これらの素子同士間に存在する誘電体層は詳細に示していない。浅溝隔離(STI)構造210a〜210dが、基板表面に延びて形成されている。本明細書のコンベンションを示すために、STI構造が第1の方向(x方向)に互いに隔てて示されており、それらの全長は第2の方向(y方向)に延びており、第1の方向と第2の方向は実質的に互いに直交している。
STI構造210a〜210d同士の間には、y方向に延びているメモリセルストリング220a〜220cが配置されている。したがって、ストリングの方向は、STI構造の方向と平行である。ストリング220a〜220cの夫々が、直列に接続された多くのメモリデバイスを含んでいる。図2は、ストリングごとに3つのメモリセルが示されているストリング220a〜220cの部分を示す。しかしながら、ストリング220a〜220cは、図2には示されていない追加のセルを含む。また、アレイ110は、図2には示されていない追加のストリングスを含んでいる。このタイプのアレイでは、数千のストリングを備えており、ストリングごとに16個、32個またはこれ以上のメモリセルを備えている。
例示しているメモリセル224では、フローティングゲート230と導電性のソース/ドレイン領域240a−240bが、y方向の両側でフローティングゲート230に隣り合って基板内に含まれている。STI構造210bと210cが、隔離素子を形成している。この隔離素子が、隣のストリング220aと220c内のセルのソース/ドレイン領域とチャネル領域から、ソース/ドレイン領域240aと240bを電気的に隔離している。y方向に沿って、ソース/ドレイン領域240aと240bが、隣のセルと共有される。ソース/ドレイン領域240aと240bを含むソース/ドレイン領域は、1つのセルを次のセルに電気的に接続してストリング220bを形成している。この例のソース/ドレイン領域240aと240bは、必要とされる領域の基板内に不純物を注入することによって形成されている。
図3Aは、三次元形状が明瞭にわかるようにメモリアレイ110の個々のフローティングゲート230を示している。図3Aのz軸は、基板表面と直交している。すなわち、z軸は、図2の図に直交している。フローティングゲート230がx軸に沿った断面においてL字形状であることが確認できる。フローティングゲート230は、四角形の面を持つベース301を有しており、この四角形の側部の寸法が使用される露光技術の最小特徴物サイズ(F)に等しくなるように形成されている。これらの寸法が異なっている例もある。ベース301一方側から突起物303が延びており、フローティングゲート230をL字形状にしている。L字形状である結果、フローティングゲート230は、ビット線方向において隣接するフローティングゲートに対してL字形状の面を示す。
図3Bに、図3Aのフローティングゲート230の面の寸法を示す。図3Bはまた、矩形のフローティングゲートの面の概略形状を示す。L字形状の面の面積が、同じ高さ(Z1)と幅(F)を有する矩形の面の面積より小さいことがわかる。しかしながら、面の周辺の長さはまったく減少していないので、フローティングゲート230とその上にある制御ゲート間の結合は、矩形のフローティングゲートとほぼ同じである(結合面積は、制御ゲートが上に存在するフローティングゲートの周辺の長さに、y寸法を乗算したものである)。図3Bの例では、寸法F−X1はX1にほぼ等しい。そのため、突起物303は、ベース部分301のほぼ半分の幅である。しかしながら、このことは常に当てはまるわけではない。フローティングゲートと制御ゲート間の結合は、X1の特定の値で決まるものではなく、この値はある程度の変動が容認される。
プロセスの流れ
図4に、製造の初期段階における図2の不揮発性メモリアレイのx方向での断面図を示す。図4の断面図は、図2のI−I線で示されている。図4では、ゲート誘電体層405が基板407上を延びており、第1の導電層409がゲート誘電体層405上を延びている。一般的には、ゲート誘電体層405は、基板407のシリコン表面を酸化することによって成長した二酸化シリコンで形成される。ついで、第1の導電層409を、化学的気相成長法(CVD)または他の方法によってポリシリコンで形成する。誘電体(この例では窒化シリコン)のマスク層411が、第1の導電層409上に延びている。別の実施形態では、このマスク層は、ドーピングされたポリシリコンなどの1つ以上の導電体で形成することができる。ゲート誘電体405、第1の導電層409およびマスク層411はすべて、基板407全体に及ぶ全体層として形成される。レジスト部分413a〜413cが、マスク層411上に位置している。レジスト部分413a〜413cは、露光技術で設定されたパターンにしたがって形成される。この場合、レジスト部分413a〜413cのx方向の寸法は、これらを形成するために用いられる露光プロセスの最小特徴物サイズ(F)に等しい。レジスト部分413a〜413cはまた、Fに等しい距離だけx方向に互いに隔てられている。レジスト部分のx方向寸法がFより大きかったり、レジストスリミング技術や他の技術を用いて、Fよりも小さくなるような例もある。レジスト部分413a〜413cは、y方向(図4に対して直交する)に延びている。レジスト部分413a〜413cで設定されたパターンを用いて、マスク層411をパターニングしてマスク部分とし、次にこれをエッチングマスクとして用いてSTI構造を形成する。
図5に、マスク層411からマスク部分411a〜411cを形成してSTI構造515a〜515dを形成した後の、図4と同一の観察方向における構造を示す。マスク部分411a〜411cは、レジスト部分413a〜413cのパターンがマスク層411に転写されるように、レジスト部分413a〜413cをしかるべき位置に配置して、マスク層411をエッチングすることによって形成される。次に、マスク部分411a〜411cをマスクとして使用して、第1の導電層409、ゲート誘電体層405およびその下の基板407をエッチングすることによってSTI溝を形成する。第1の導電層409を貫通してエッチングすると、第1の導電層409は、y方向に小片として延びる第1の導電部分409a〜409cに分割される。ゲート誘電体層405も同様に分割して、誘電体部分405a〜405cとする。第1の導電部分409a〜409cがSTI溝を形成する同じステップで形成されるので、これらの特徴物は自己整合する。STI溝を1つまたは複数の誘電体(この例では堆積された二酸化シリコン)で埋めて、STI構造515a〜515dが形成される。少なくとも1つの誘電体を堆積して、STI溝を埋めるとともにマスク部分411a〜411cをカバーする。そして、次に、マスク部分411a〜411c上の誘電体がすべて除去されるように、たとえば、化学的/機械的研磨法を利用して平坦化する。
次いで、マスク部分411a〜411cを除去して、第2の導電部分617a〜617cが除去された箇所に形成されてもよい。第2の導電部分617a〜617cは、ポリシリコンから形成される。ポリシリコンを全体層として堆積して、次にSTI構造515a〜515d上のポリシリコンがすべて除去されるように平坦化する。第1の導電部分409aと第2の導電部分617aが1つの導電部分618aを形成していると考えてもよい。同様に、導電部分618bと618cは、第1の部分と第2の部分から形成される。図6Aに示す第1の実施形態では、前もってマスク部分に占有されていた体積全体がポリシリコンで満たされる。代替例では、マスク部分411a〜411cが導電性であり、マスク部分411a〜411cが第2の導電部分を形成するために、置換ステップが不要となる。
図6Bに示す代替の実施形態では、ポリシリコン層は、前もってマスク部分に占有されていた体積全体が満たされないように堆積する。追加の誘電体層がポリシリコン層上に加えられて、次に平坦化が実行される。この場合、第2の導電部分619a〜619cの厚さX2は小さくしてもよいが、その厚さX2は注意深く制御される。第2の導電部分619a〜619cは、第1の導電部分409a〜409c上に直接設けられており、第1の導電部分409a〜409cと電気的に接触している。したがって、第2の導電部分619aとその下の第1の導電部分409aが、1つの導電部分621aであると考えてもよい。同様に、導電部分621bと621cは、第1の部分と第2の部分から形成される。どちらの実施形態でも、平坦化後は、第2の導電部分とSTI構造の平坦化された表面上に、マスク部分が形成される。
図7Aは、STI構造515a〜515dと導電部分618a〜618cの上で延在するマスク部分723a〜723cを有する図6Aの構造を示す。レジストを全体層として堆積した後にそのレジストをパターニングしてマスク部分723a〜723cを形成することによって、マスク層を形成することができる。第1の実施形態では、レジスト層を単にパターニングして、y方向に延在するとともに幅Fを有する連続した長い部分を形成する(他のパターンは後で説明する)。マスク部分723a〜723cは、個々のレジスト部分723aがSTI構造515a上の一部分と導電部分618a上の一部分に存在するように位置付けされる。このためには、レジスト部分723a〜723c形成用のパターンと、STI構造515a〜515dおよび導電部分618a〜618cのパターンが整合されていることが必要である。レジスト部分723a〜723cをエッチングマスクとして用いて、図示するように導電部分618a〜618cをエッチングする。垂直方向にエッチングするために、異方性エッチングが利用される。異方性エッチングは、STI構造515a〜515dが実質的にエッチングされず、ポリシリコンを選択的にエッチングする化学エッチングが利用される。エッチングは、第1の導電部分409a〜409cと第2の導電部分617a〜617c間の界面、または他のいずれかのレベルで停止させる。エッチングは、第1の導電部分409a〜409c内にまで進行したり、第1の導電部分409a〜409cより上のレベルで停止したりする。異方性エッチング後に、追加のウエットエッチングを実施することもある。オプションとしてのウエットエッチングは、L字形状の導電部分618a〜618cの垂直方向と水平方向の寸法をさらに狭くする働きをする。ついで、部分的充填または完全充填するオプションステップを実行して、誘電体を用いたエッチングで生じた体積を埋める。次に、充填材料を平坦化して、導電部分上に延在する過剰の充填材料を除去する。代替例では、誘電体の充填と次の平坦化が不必要な場合がある。次に、STI構造515a〜515dを含む誘電体をエッチバックする。このエッチバックは、ポリシリコン上の誘電体に対して選択的に実行される。このエッチバックは、異方性ドライエッチングでよい。いくつかの場合、この選択性は、充填用誘電体の充填と次の平坦化を不必要とする。
図7Bは、上記したレジスト部分を用いてエッチングした後における、図6Bの代替実施形態の導電部分621aを示す。図示するように、エッチング後も、誘電体725が幾分か残っている。第2の導電部分619aと残りの誘電体725の幅はX1である。X1の値は、導電部分を形作るために用いられるエッチングマスクのレジスト部分の位置と範囲によって決まるので、この値はレジスト部分を形成するために用いられるパターンの整合に依存する。
図8Aは、エッチバックプロセス後の図7Aの構造を示す。このエッチバックプロセスによって、この例では、ゲート誘電体層部分405a〜405cの頂部より上のレベルにまでSTI構造515a〜515dを除去するが、STI構造は他のレベルにまでエッチバックされてもよい。エッチバックプロセスによって、導電部分618a〜618cの側部が露出したまま残る。導電部分618a〜618cは、この時点ではy方向に延在しており、図示するようにx方向に沿った断面においてL字形状である。次いで、1つ以上の誘電体層と1つ以上の制御層を、図8Aの構造上に形成する。
図7Bに示すように導電部分が形成されるときには、導電部分621a上に堆積された全ての残留誘電体725が、図8Bに示すようにエッチバックステップで除去される。これによって、x方向に厚さX2の垂直突起物829を持ったL字形状の導電部分621aが残る。厚さX2は、堆積された第2の導電部分619aの厚さに等しい。これは、エッチングマスクを用いたパターニングで決まる厚さX1より小さい。図8Aの例とは対照的に、この厚さX2は、整合によっては決定されず、整合で決定される寸法より厳しく制御される。
図9は、図8Aまたは図8Bの導電部分上に誘電体層931(インターポリ誘電体(inter−poly dielectric))と制御ゲート933を堆積した結果を示す。誘電体層931は、単一層(二酸化シリコン層など)であってもよいし、化合物層(酸化物−窒化物−酸化物、すなわちONO層)であってもよい。制御ゲート933は、たとえば、ドーピングされたポリシリコン、いずれかの金属または金属の組み合わせ等の導電性材料から形成されている。場合によっては、ドーピングされたポリシリコンと金属シリサイドの組み合わせを利用する(たとえば、コバルトシリサイド、ニッケルシリサイド、タングステンシリサイドなど)。代替例では、制御ゲート層は、ポリシリコン、バリア層として働く窒化タングステン、タングステンの順で構成されることもある。誘電体層931と制御層933が全体層として形成された後、結果構造をパターニングすることによりワード線を形成し、導電部分を別個のフローティングゲートに切り離す。ワード線は、x方向に延在しており、一般的にはFに近い幅を有しているとともにFに近い距離だけ隔てられている。ワード線のピッチは、2Fに等しく維持される。ワード線は別個のフローティングゲートを形成する同じステップで形成されるので、ワード線は、フローティングゲートに対して自己整合される。ワード線は、メモリセル上のフローティングゲートが存在するところで制御ゲートを形成する。1つのワード線を共有しているメモリセルは、1つの行のメモリセルを形成しているとみなしてもよい。
図10は、第1の実施形態についての隣り合う3つの行1035a〜1035cのフローティングゲートを示す。図示するように、フローティングゲート1037bのL字形状の面は、隣の行のフローティングゲート1037aと1037cの同じL字形状の面に対向している。誘電体が行1035a〜1035c間に堆積される。したがって、対向する面同士は、平行板キャパシタの板として機能する。しかしながら、その面積は、同じ寸法の矩形の面を有するフローティングゲートよりも減少しているので、y方向に沿った隣同士のフローティングゲート間の結合が減少する。
対向して成形されたL字形状のフローティングゲート
図11は、本発明の別の実施形態についての隣り合う3つの行1141a〜1141cのフローティングゲートの配列を示す。フローティングゲートは全て、上述したようにL字形状である。しかしながら、ある行のフローティングゲートは、隣の行のフローティングゲートと逆向きである。行1141bのフローティングゲートは、L向きを有しており、隣の行1141aと1141cのフローティングゲートは逆L向きを有しているとみなすことができる。この配置によって、異なる行のフローティングゲート同士の上部部分間の結合が減少する。隣同士の行の対向するフローティングゲートは向きが互いに逆であり、直接的には上部部分が互いに対面しない。たとえば、上部部分1143aと1143bは互いに直接的に対面しない。これによって、フローティングゲートのこのような部分間の容量性結合が減少する。この配置では、フローティングゲートの向きがある行と次の行で互い違いになっており、特定の行のフローティングゲートがすべて同じ向きである。したがって、たとえば偶数番号の行のフローティングゲートが第1の向きであり、奇数番号の行のフローティングゲートが逆の向きである。このような配置は、L時形状のフローティングゲートに限られるものではなく、x方向に沿った断面がいずれかの非対照形状を有するフローティングゲートに適用してもよい。たとえば、フローティングゲートが、x方向に沿った断面において三角形形状を有することもある。図11に示すような配置を持ったフローティングゲートは、上記した図10と類似の方法で形成されるが、L字の断面形状を形成するために導電部分をエッチングするために用いられるパターンには幾分かの相違がある。
図12Aは、導電部分をエッチングするために用いられる第1のチェッカーボードパターンを示す。図12Aはまた、このパターンを下層の構造に対してどのようにして整合させるかを示している。このパターンは、レジストから形成されており、図7Aの断面形状に示すレジスト部分723a〜723cに類似するレジスト部分を含んでいる。このチェッカーボードパターンでは、その角に矩形部分が接触している。個々の矩形部分1245は、F×2Fの寸法を有している。チェッカーボードパターンは、導電部分1247a〜1247cとSTI構造1249a〜1249cのパターンからオフセットしている。そのため、チェッカーボードパターンの個々の矩形部分1245は、導電部分1247c上に部分的に存在するとともに、STI構造1249c上に部分的に存在する。このチェッカーボードパターンは、導電部分1247a〜1247cのある領域を保護し、導電部分1247a〜1247cの他の領域を露出したままにしている。レジストパターンをしかるべき位置に配置してエッチングを実行し、それにより、導電部分1247a〜1247cが露出した領域が部分的にエッチングされる(ただし、貫通するまでエッチングしない)。導電部分1247a〜1247cの保護された領域は実質的にエッチングされない。
図12Bに、図12Aのパターンにしたがってパターニングされた後の導電部分1247a〜1247cとSTI構造1249a〜1249cを示す。レジストで保護された領域はこの図では陰影が付されている。非保護領域がエッチングされて、導電部分のエッチングされなかった領域よりも厚み(z軸方向寸法)が薄くなる。誘電体層と導電層(図12Bには図示せず)が、導電部分1247a〜1247cとSTI構造1249a〜1249c上を延びるように形成される。導電部分と誘電体層と導電層を含む積層体をパターニングした後にエッチングし、ワード線を形成する。そして、上層のワード線と自己整合している分離したフローティングゲートを形成する。図12Bに,ワード線1251a〜1251cの概略を示す。ワード線1251a〜1251c間の領域をエッチングすることによって、導電層が、分離したワード線に分割される。同じエッチングにおいて、導電部分1247a〜1247cを少なくとも下層のゲート誘電体まで貫通するようにエッチングし、分離したフローティングゲートをワード線1251a〜1251cの下に形成する。
図13Aは、図11に示す配置のフローティングゲートを形成するためにも用いられる代替のパターンを示す。図13Aのパターンにおけるレジスト部分1353のx方向の寸法はFであり、y方向の寸法は2Fよりも大きい。この例では、y方向の寸法は2F+Dであり、DはFよりも小さい。レジスト部分同士の間隔のy方向における寸法は2F−Dである。したがって、単に角のところで接触する代わりに、レジスト部分は、その側部の一部分に沿って互いに接触している。これによって、導電部分1355a〜1355cの連続した領域が、レジストによって覆われる。図12Aまたは図12Bに従ったパターンを用いて導電部分1355a〜1355cをエッチングした後、レジスト部分を除去し、STI構造1357a〜1357cをエッチバックし、誘電体層と導電層を基板上に上述したように堆積する。
図13Bは、図13Aのパターンに従ってパターニングされた導電部分1355a〜1355cとSTI構造1357a〜1357cを示す。図13Bの導電部分1355aのエッチングされていない部分が、導電部分1355aに沿って蛇行するパターンを形成する。エッチングされていない連続部分が、不連続またはほとんど接触していない構造(図12Bに示すような構造)よりも機械的に強い構造を形成する。このような構造は、化学機械研磨法(CMP)などのプロセス中に発生する潜在的なダメージに対して、より耐性がある。図13Bに、ワード線1359a〜1359cの概略を示す。図12Bと13Bのパターンにはいくつかの違いがあるが、このような違いは、ワード線1359a〜1359c間に位置している。そのため、エッチングして分離したワード線1359a〜1359cとフローティングゲートを形成した後に、このような異なる特徴物を除去することによって、双方のパターンにおいても同じ構造が得られる。
行に沿って対向するフローティングゲート
図14は、本発明の別の実施形態におけるフローティングゲートの別の配置を示す。上記した場合と同様に、フローティングゲートは、x方向に沿った断面においてL字形状である。行1461bの1つのフローティングゲートの向きは、両隣の行1461aと1461cの対向するフローティングゲートの向きと反対である。しかしながら、前の例とは違って、ここでは、行1461bなどの行に沿ったフローティングゲートの向きが互い違いになっている。したがって、ある行に沿ったフローティングゲートは、互い違いに第1の向き(L向き)を有している。その行に沿った残りのフローティングゲートは、互い違いに第2の向き(逆L向き)を有している。
図15Aは、図14の配置を有するフローティングゲートを形成するために用いられるパターンを示す。図15Aに示す段階にまで到る処理は、図4〜6に示すように実行される。図15Aは、導電部分1563a〜1563cを部分的にエッチングするためのエッチングマスクとして用いられるチェッカーボードパターンを示す。このパターンは、両辺の長さが2Fである四角形1565aを含んでいる。このパターンでは、下層の導電部分1563a〜1563cとSTI構造1567a〜1567dが整合される。その結果、四角形とSTI構造1567a〜1567d間にオフセットが存在する。四角形1565bは、STI構造1567b上に位置するとともに、どちらかの側で導電部分1563aと1563b上のほぼ中間にまで延在している。すなわち、四角形1565bは、どちらかの側で導電部分1563aと1563b上にほぼF/2だけ延びている。図15Aの代替のパターンのレジスト部分は、y方向に2Fを超えて延びており、四角形がその辺に沿って接触している。上述したように、このようなパターンを用いた結果得られる構造は、角でしか接触しない四角形を有するパターンよりも物理的に強い構造お形成する。
図15Bは、図15Aのパターンにおけるエッチングの結果を示す。導電部分1563a〜1563dの陰影が施されていない領域をエッチングし、その垂直方向の厚さを、導電部分1563a〜1563dの残りの部分よりも薄くする。上記の例のように、ワード線1565a〜1565cの概略を示す。ここでは、あるワード線に沿ったフローティングゲートの向きが互い違いになっていることがわかる(エッチングされた領域が、導電部分の側面において互い違いになっている)。上述したように、STI構造と導電部分の上に、誘電体層と導電体層を堆積する。次に、ワード線のマスクを整合させる。このときに、図示されているように、パターンの角がワード線1563a〜1563c間に位置するように、ワード線1565a〜1565cが延びるようにする。導電層を分離したワード線に分割し、これと一緒に、導電部分1563a〜1563dを分離したフローティングゲートに分割する。
図14に示す例では、フローティングゲートの向きが、行(X方向)と列(Y方向)の双方に沿って互い違いになっているが、これはすべての場合に当てはまるわけではない。別の例では、フローティングゲートの向きは、行に沿って互い違いになっているが、列に沿って互い違いになっていない。すなわち、特定の列のフローティングゲートがすべて同じ向きであるが、両隣の列のフローティングゲートの向きが異なることがある。このようなフローティングゲートは、STI構造のどちらかの側において、導電部分上に部分的に存在して列方向に延びる小片を含むレジストパターンを用いることによって形成することができる。
本発明の様々な態様をその例示の実施形態を参照して説明したが、本発明は、その添付請求の範囲の全範囲において適用されることが理解されるであろう。

Claims (19)

  1. 第1の方向に沿って直列に接続されているとともに、各々がフローティングゲートを有する複数のメモリセルを形成する工程と、
    複数のメモリセルのうちのフローティングゲートを、第1の方向に直交する平面における断面がL字形状となるように成形する工程と、
    複数のワード線を形成する工程であって、前記複数のワード線が前記第1の方向と直交する第2の方向に延びており、前記複数のワード線のうちの1つのワード線に沿ってメモリセルが行を形成しており、前記行に沿った第1の交互するフローティングゲートが前記第2の方向に沿った断面において第1の向きを有しており、前記行に沿った第2の交互するフローティングゲートが前記第2の方向に沿った断面において第2の向きを有するように前記複数のワード線を形成する工程と、
    を含むNANDフラッシュメモリを形成する方法。
  2. 前記フローティングゲートのうちの第1の交互するフローティングゲートが、前記第1の方向と直交する第2の方向に沿った断面においてL字形状をしており、
    前記フローティングゲートのうちの第2の交互するフローティングゲートが、前記第2の方向に沿った断面において逆L字形状をしている請求項に記載の方法。
  3. 前記L字形状を成形する工程において、あるパターンにしたがって導電性のフローティングゲート材料を除去し、
    その導電性フローティングゲート材料は、フローティングゲート材料の厚み全体よりも薄い深さまで除去される請求項1又は2に記載の方法。
  4. フローティングゲートを、ポリシリコン層を堆積することによって形成し、
    次いで、そのポリシリコン層を導電部分に分割する複数の浅い溝隔離構造を形成し、
    次いで、その導電部分を、チェッカーボードパターンに従ってエッチングし、
    次いで、その導電部分を、個々のフローティングゲートに分割する請求項1又は2に記載の方法。
  5. 前記導電部分の上に誘電体層を形成することと、その誘電体層の上に制御ゲート層を形成することをさらに有しており、
    制御ゲート層は、あるパターンにしたがって複数のワード線に成形され、
    前記導電部分も、そのパターンに従って個々のフローティングゲートに分割される請求項に記載の方法。
  6. フローティングゲートは、第1の方向に沿って、第1の向きと第2の向きが交互に出現する請求項に記載の方法。
  7. 基板の表面に延在する第1の導電層を形成する工程と、
    第1の方向に延在しているとともに、第1の方向と直交する第2の方向において分離している複数の浅い溝隔離構造を形成し、前記複数の浅い溝隔離構造が、前記第1の導電層内を前記基板にまで延びることによって、前記第1の導電層を複数の第1の導電部分に分割する工程と、
    複数の第2の導電部分を前記複数の第1の導電部分の上に設け、個々の第2の導電部分は、前記複数の浅い溝隔離構造のうちの隣り合う溝隔離構造によって前記第2の方向に画定される、複数の第2の導電部分を形成する工程と、
    前記複数の第2の導電部分を部分的にエッチングすることによって狭い第2の導電部分を形成する工程であって、前記狭い第2の導電部分は前記第1の導電部分よりも前記第2の方向において狭く、狭い第2の導電部分は浅い溝隔離構造によって一方の側に画定される工程と、を含み、
    前記複数の第2の導電部分が、チェッカーボードパターンによって部分的にエッチングされるフラッシュメモリアレイを形成する方法。
  8. さらに、前記複数の第1の導電部分とその上層に設けられている狭い第2の導電部分とを、前記第1の方向に直交する平面に沿った断面において、非対称性の形状を有する複数のフローティングゲートに切り離す工程を有する請求項に記載の方法。
  9. 前記複数の第2の導電部分の上層に誘電体層を形成する工程と、その誘電体層の上層に導電性の制御ゲート層を形成する工程とをさらに有しており、
    前記導電性制御ゲート層は、前記複数の第1の導電部分とその上層に設けられている狭い第2の導電部分とを前記複数のフローティングゲートに分離することと同じステップで個々のワード線に切り離される請求項に記載の方法。
  10. 前記複数のフローティングゲートが、前記第1の方向に沿って、第1の向きと第2の向きが交互に出現する非対称性の形状である請求項8又は9に記載の方法。
  11. 前記複数のフローティングゲートが、前記第2の方向に沿って、第1の向きと第2の向きが交互に出現する非対称性の形状である請求項8又は9に記載の方法。
  12. 前記複数のフローティングゲートが、前記第1の方向に沿って、第1の向きと第2の向きが交互に出現する非対称性の形状であり、また、前記第2の方向に沿って、第1の向きと第2の向きが交互に出現する非対称性の形状である請求項8又は9に記載の方法。
  13. 複数のメモリセルストリングと、
    第1の方向に沿って直列に接続された複数のメモリセルを有する個々のメモリセルストリングと、
    前記第1の方向に直交する平面に沿った断面においてL字形状であるフローティングゲートを有する前記複数のセルのうちの個々のセルと、を備えており、
    複数のワード線が、前記第1の方向と直交する第2の方向に延びており、
    前記複数のワード線のうちの1つのワード線で接続されたメモリセルが、行を形成しており、
    前記行に沿った第1の交互するフローティングゲートが、前記第2の方向に沿った断面において第1の向きを有しており、
    前記行に沿った第2の交互するフローティングゲートが、前記第2の方向に沿った断面において第2の向きを有しているNANDフラッシュメモリ。
  14. 前記フローティングゲートは、前記第1の方向における寸法と、前記第1の方向に直交する第2の方向おける寸法が同一であり、
    前記寸法は、個々のセルを形成するために用いられる光露光プロセスの最小特徴物サイズに等しい請求項13に記載のNANDフラッシュメモリ。
  15. 第1の交互するフローティングゲートが、前記第2の方向に沿った断面においてL字形状をしており、
    第2の交互するフローティングゲートが、前記第2の方向に沿った断面において逆L字形状をしている請求項13に記載のNANDフラッシュメモリ。
  16. 前記個々のストリングに沿ったフローティングゲートの向きが、前記第2の方向に沿った断面において交互になっている請求項13から15のいずれか一項に記載のNANDフラッシュメモリ。
  17. 前記フローティングゲートが、前記第1の方向と直交する第2の方向において第1の寸法である下方部分と、前記第2の方向おいて第2の寸法である上方部分を備えており、
    前記第1寸法が、前記フローティングゲートを形成するために用いられる光露光プロセスの最小特徴物サイズに等しく、
    前記第2の寸法が、前記第1の寸法よりも小さい請求項13から16のいずれか一項に記載のNANDフラッシュメモリ。
  18. 前記第2の寸法が、前記第1の寸法の半分である請求項17に記載のNANDフラッシュメモリ。
  19. 前記第2の寸法が、前記第1の寸法の半分未満であり、導電層の堆積によって決定され、パターン整合とは無関係である請求項17に記載のNANDフラッシュメモリ。
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