JP5295606B2 - Nand型不揮発性半導体メモリ装置 - Google Patents
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Description
J−S.Lee, et al.,SSDM(2005)200.
本発明の第1の実施の形態のNAND型不揮発性半導体メモリ装置は、半導体基板に、直列接続された複数のメモリセルトランジスタと、これらの直列接続された複数のメモリセルトランジスタの端部に設けられる選択トランジスタを備えている。そして、このメモリセルトランジスタは、半導体基板上の第1の絶縁膜と、第1の絶縁膜上の電荷蓄積層と、電荷蓄積層上の、主要成分がアルミニウム酸化物である第2の絶縁膜と、第2の絶縁膜上の第1の制御ゲート電極と、第1の制御ゲート電極の両側の半導体基板中に形成される第1のソース/ドレイン領域を備えている。また、選択トランジスタは、半導体基板上の第3の絶縁膜と、第3の絶縁膜上の、主要成分がアルミニウム酸化物であり、4価カチオン元素、5価カチオン元素、N(窒素)のうち少なくとも1種の元素を少量成分として含有する第4の絶縁膜と、第4の絶縁膜上の第2の制御電極と、第2の制御ゲート電極の両側の前記半導体基板中に形成される第2のソース/ドレイン領域を備えることを特徴とする。
第1の絶縁膜および第3の絶縁膜上に電荷蓄積層を堆積し、第3の絶縁膜上の電荷蓄積層を除去し、電荷蓄積層上に、主要成分がアルミニウム酸化物である第2の絶縁膜を形成し、
第3の絶縁膜上に、主要成分がアルミニウム酸化物であり、4価カチオン元素、5価カチオン元素、N(窒素)のうち少なくとも1種の元素を少量成分として含有する第4の絶縁膜を形成し、第2の絶縁膜上に第1の制御ゲート電極を形成し、第4の絶縁膜上に第2の制御ゲート電極を形成し、第1の制御ゲート電極の両側の前記半導体基板中に第1のソース/ドレイン領域を形成し、第2の制御ゲート電極の両側の前記半導体基板中に第2のソース/ドレイン領域を形成することを特徴とする。
本発明の第2の実施の形態のNAND型不揮発性半導体メモリ装置は、選択トランジスタの第3の絶縁膜と第4の絶縁膜との間に、4価カチオン元素、5価カチオン元素、窒素のうち少なくとも1種の元素の酸窒化物または酸化物からなり、前記元素の濃度分布の半値幅で定義された膜厚が0.1nm以上1nm以下の第5の絶縁膜を有する点、およびメモリセルトランジスタの電荷蓄積層と第2の絶縁膜との間にも上記同様の絶縁膜を有する点以外は、第1の実施の形態と同様である。したがって、第1の実施の形態と重複する記載については、記述を省略する。なお、上記の4価カチオン元素、5価カチオン元素、窒素のうち少なくとも1種の元素の酸窒化物または酸化物からなる第5の絶縁膜には、素子形成後には、それらの上に積層されたアルミニウム酸化膜と反応することにより、アルミニウムが拡散し、その酸化物が形成されている。ここで、元素の濃度とは、単位体積あたりの原子数をいう。
本発明の第3の実施の形態のNAND型不揮発性半導体メモリ装置は、選択トランジスタの第3の絶縁膜がシリコン酸化膜であり、アルミニウム酸化物を主要成分とする第4の絶縁膜との間に、シリコン酸窒化膜を有する以外は、第1の実施の形態と同様である。したがって、第1の実施の形態と重複する記載については、記述を省略する。
本発明の第4の実施の形態のNAND型不揮発性半導体メモリ装置は、メモリセルトランジスタ領域に、電荷蓄積層としてのシリコン窒化膜(SiN)層を有しないこと、それに代わって電荷蓄積層として機能させるアルミニウム酸化物層とその下地のシリコン酸化膜層との間には4価カチオン元素、5価カチオン元素、窒素のうち少なくとも1種の元素の酸窒化物または酸化物からなる絶縁膜を有しないこと以外は、第2の実施の形態と同様である。したがって、第2の実施の形態と重複する記載については、記述を省略する。
本発明の第5の実施の形態のNAND型不揮発性半導体メモリ装置は、選択トランジスタのシリコン酸化膜と主要成分がアルミニウム酸化物である絶縁膜との間に4価カチオン元素、5価カチオン元素、窒素のうち少なくとも1種の元素の酸窒化物または酸化物からなる絶縁膜を有する代わりに、4価カチオン元素、5価カチオン元素、窒素のうち少なくとも1種の元素を少量成分として含有するアルミニウム酸化物を用いること以外は、第4の実施の形態と同様である。したがって、第4の実施の形態および効果と重複する記載については、記述を省略する。
本発明の第6の実施の形態のNAND型不揮発性半導体メモリ装置は、第1の実施の形態と比べると、メモリセルトランジスタのアルミニウム酸化物の第2の絶縁膜がアルミニウム酸化物膜でシリコン酸化膜を挟み込んだ3層構造のブロック絶縁膜であること、および選択トランジスタのアルミニウム酸化物の第4の絶縁膜がアルミニウム酸化物膜でシリコン酸化膜を挟み込んだ3層構造の絶縁膜であること以外は第1の実施の形態と同様である。したがって、第1の実施の形態と重複する記載については、記述を省略する。なお、上記のアルミニウム酸化物膜は、4価カチオン元素、5価カチオン元素、N(窒素)のうち少なくとも1種の元素を少量成分として含有させた絶縁膜である。
本発明の第7の実施の形態のNAND型不揮発性半導体メモリ装置は、メモリセルトランジスタおよび選択トランジスタのアルミニウム酸化物膜と、その上側あるいは下側で接するシリコン酸化膜あるいはシリコン窒化膜との間には、4価カチオン元素、5価カチオン元素、窒素のうち少なくとも1種の元素の酸窒化物または酸化物からなる絶縁膜が存在すること以外は、第6の実施の形態と同様である。この積層構造によってメモリセルトランジスタのブロック絶縁膜にあたる部分は6層構造となる。プロセス簡便性から選択トランジスタの絶縁膜も本来のゲート絶縁膜であるシリコン酸化膜の上に接して上記6層構造の絶縁膜が存在することになる。したがって、第1および第6の実施の形態と重複する記載については、記述を省略する。
本発明の第8の実施の形態のNAND型不揮発性半導体メモリ装置は、メモリセルトランジスタの第1の絶縁膜(トンネル絶縁膜)と、電荷蓄積層との間に、主要成分がアルミニウム酸化物であり、4価カチオン元素、5価カチオン元素、N(窒素)のうち少なくとも1種の元素を少量成分として含有する絶縁膜と、その上層のシリコン酸化膜が介在する以外は、第1の実施の形態と同様である。したがって、第1の実施の形態と重複する記載については、記述を省略する。本実施例はトンネル絶縁膜として公知のシリコン酸化膜/シリコン窒化膜(酸窒化膜)/シリコン酸化膜構造、いわゆるONO構造のシリコン窒化膜(酸窒化膜)を主要成分がアルミニウム酸化物であり、4価カチオン元素、5価カチオン元素、N(窒素)のうち少なくとも1種の元素を少量成分として含有する絶縁膜に置換した構造に対応する。すなわち、トンネル絶縁膜の改善を目的とした実施の形態であり、実施の形態1ないし7で示したブロック膜あるいは電荷捕獲層の改善とは目的が異なる。したがって、実施の形態1ないし7で示したメモリセルトランジスタのトンネル絶縁膜および選択トランジスタのゲート絶縁膜すべてに、そのまま適用可能である。
102a 第1の絶縁膜
102b 第3の絶縁膜
104 電荷蓄積層
106a、c 第2の絶縁膜
106b、d 第4の絶縁膜
108a 第1の制御ゲート電極
108b 第2の制御ゲート電極
112b 第5の絶縁膜
Claims (4)
- 半導体基板に、直列接続された複数のメモリセルトランジスタと、直列接続された前記複数のメモリセルトランジスタの端部に設けられる選択トランジスタを備え、
前記メモリセルトランジスタは、
前記半導体基板上の第1の絶縁膜と、
前記第1の絶縁膜上の電荷蓄積層と、
前記電荷蓄積層上の、アルミニウム酸化物である第2の絶縁膜と、
前記第2の絶縁膜上の第1の制御ゲート電極と、
前記第1の制御ゲート電極の両側の前記半導体基板中に形成される第1のソース/ドレイン領域を備え、
前記選択トランジスタは、
前記半導体基板上の第3の絶縁膜と、
前記第3の絶縁膜上の、アルミニウム酸化物であり、4価カチオン元素、5価カチオン元素、N(窒素)のうち少なくとも1種の元素を含有する第4の絶縁膜と、
前記第4の絶縁膜上の第2の制御ゲート電極と、
前記第2の制御ゲート電極の両側の前記半導体基板中に形成される第2のソース/ドレイン領域を備え、
前記第4の絶縁膜中の前記4価カチオン元素、5価カチオン元素、N(窒素)の合算濃度が、前記第3の絶縁膜側で最大値をとる分布を有することを特徴とするNAND型不揮発性半導体メモリ装置。 - 半導体基板に、直列接続された複数のメモリセルトランジスタと、直列接続された前記複数のメモリセルトランジスタの端部に設けられる選択トランジスタを備え、
前記メモリセルトランジスタは、
前記半導体基板上の第1の絶縁膜と、
前記第1の絶縁膜上の電荷蓄積層と、
前記電荷蓄積層上の、アルミニウム酸化物である第2の絶縁膜と、
前記第2の絶縁膜上の第1の制御ゲート電極と、
前記第1の制御ゲート電極の両側の前記半導体基板中に形成される第1のソース/ドレイン領域を備え、
前記選択トランジスタは、
前記半導体基板上の第3の絶縁膜と、
前記第3の絶縁膜上の、アルミニウム酸化物であり、4価カチオン元素、5価カチオン元素、N(窒素)のうち少なくとも1種の元素を含有する第4の絶縁膜と、
前記第4の絶縁膜上の第2の制御ゲート電極と、
前記第2の制御ゲート電極の両側の前記半導体基板中に形成される第2のソース/ドレイン領域を備え、
前記第3の絶縁膜と前記第4の絶縁膜との間に、アルミニウム酸化物であり、前記4価カチオン元素、5価カチオン元素、窒素のうち少なくとも1種の元素を含有する、前記元素の濃度分布の半値幅で定義された膜厚が0.1nm以上1nm以下の第5の絶縁膜を有することを特徴とするNAND型不揮発性半導体メモリ装置。 - 前記4価カチオン元素はSi、Ge、Sn、Hf、Zr、Tiから選ばれる少なくとも1種の元素であり、前記5価カチオン元素はV、Nb、Taから選ばれる少なくとも1種の元素であることを特徴とする請求項1または請求項2記載のNAND型不揮発性半導体メモリ装置。
- 前記4価カチオン元素の前記第4の絶縁膜中の濃度が0.03≦M/(Al+M)≦0.3(M=4価カチオン元素)、前記5価カチオン元素の前記第4の絶縁膜中の濃度が0.015≦M/(Al+M)≦0.15(M=5価カチオン元素)、前記N(窒素)の前記第4の絶縁膜中の濃度が0.02≦N/(O+N)≦0.4であることを特徴とする請求項1ないし請求項3いずれか一項記載のNAND型不揮発性半導体メモリ装置。
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