JP6416053B2 - 不揮発性半導体記憶装置 - Google Patents

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Description

実施形態は、不揮発性半導体記憶装置に関する。
NAND型フラッシュメモリは、大容量データの記憶装置として広く普及している。現在、記憶素子を微細化することによってビットあたりのコスト削減や大容量化が進められており、今後の一層の微細化が進展することが要求されている。しかし、フラッシュメモリをさらに微細化するためには、リソグラフィー技術開発や、短チャネル効果、素子間干渉、素子間ばらつきの抑制など、解決すべき多くの課題がある。このため、単純な平面内の微細化技術の開発だけでは、今後継続的に記憶密度を向上させることは困難となる可能性が高い。
そこで、近年、メモリセルの集積度を高めるために、その構造を従来の二次元(平面)構造から三次元(立体)構造へと移行させる開発が行われ、様々な三次元不揮発性半導体記憶装置が提案されている。その内の1つである垂直ゲート(Vertical Gate;VG)型半導体メモリ構造は、半導体基板上に複数の半導体層(チャネル)を備え、かつ、各半導体内に複数のメモリセル(例えば、NANDセル)が配置される。
しかし、チャネルとしての半導体層は、メモリセルの集積度の向上と共に、細く、かつ、長くなり、チャネル抵抗の増大によるメモリセルのオン電流の低下が問題となっている。この問題は、半導体層として、多結晶材料(例えば、多結晶シリコン)を用いる場合に顕著となる。
A Highly Scalable Vertical Gate (VG) 3D NAND Flash with Robust Program Disturb Immunity Using a Novel PN Diode Decoding Structure, C.H.Hung et al., 2011 Symposium on VLSI Technology Digest of Technical Papers, pp.68-69
実施形態は、三次元不揮発性半導体記憶装置において、メモリセルのオン電流を向上させる技術を提案する。
実施形態によれば、不揮発性半導体記憶装置は、第1の方向に、第1の絶縁層、半導体層、及び、第2の絶縁層の順で積み重ねられ、かつ、前記第1の方向に交差する第2の方向に延びる第1の構造と、前記第1及び第2の方向に交差する第3の方向に面する前記半導体層の表面上に配置され、前記第2の方向に直列接続される複数のメモリセルと、前記第2の方向における前記第1の構造の第1及び第2の端部の少なくとも1つに接触し、かつ、前記第1及び第2の端部間の領域の少なくとも一部を覆わない第3の絶縁層と、を具備し、前記第2の方向における前記半導体層内の半導体原子の格子間隔は、前記第1の方向における前記半導体層内の半導体原子の格子間隔よりも大き表面を有する半導体基板をさらに具備し、前記第1の構造は、前記表面上に配置され、前記第1の方向は、前記表面に垂直な方向であり、前記第2及び第3の方向は、前記表面に平行な方向であり、前記半導体基板及び前記半導体層は、シリコン原子を含み、前記第2の方向において、前記半導体層内の前記シリコン原子の格子間隔は、前記半導体基板内の前記シリコン原子の格子間隔よりも大きく、前記第1の方向において、前記半導体層内の前記シリコン原子の格子間隔は、前記半導体基板内の前記シリコン原子の格子間隔よりも小さい
不揮発性半導体記憶装置の第1の実施例を示す平面図。 図1のII−II線に沿う断面図。 半導体原子の格子間隔を示す図。 不揮発性半導体記憶装置の第2の実施例を示す斜視図。 不揮発性半導体記憶装置の第2の実施例を示す斜視図。 不揮発性半導体記憶装置の第2の実施例を示す斜視図。 図4の構造を製造する方法を示す平面図。 図7のVIII−VIII線に沿う断面図。 図4の構造を製造する方法を示す平面図。 図9のX−X線に沿う断面図。 図4の構造を製造する方法を示す平面図。 図11のXII−XII線に沿う断面図。 図11のXIII−XIII線に沿う断面図。 図4の構造を製造する方法を示す断面図。 図4の構造を製造する方法を示す断面図。 引張応力が発生するメカニズムを説明する平面図。 図16のXVII−XVII線に沿う断面図。 図16のXVIII−XVIII線に沿う断面図。 堆積膨張が引張応力に変化される例を示す断面図。 堆積膨張がフィン構造の高さを大きくする例を示す断面図。 図4の構造を製造する方法を示す断面図。 図4の構造を製造する方法を示す断面図。 図4の構造を製造する方法を示す断面図。 図4の構造を製造する方法を示す平面図。 図24のXXV−XXV線に沿う断面図。 図24のXXVI−XXVI線に沿う断面図。 不揮発性半導体記憶装置の第3の実施例を示す平面図。 不揮発性半導体記憶装置の第3の実施例を示す平面図。 不揮発性半導体記憶装置の第3の実施例を示す平面図。 不揮発性半導体記憶装置の第3の実施例を示す平面図。 不揮発性半導体記憶装置の第3の実施例を示す平面図。 不揮発性半導体記憶装置の第3の実施例を示す平面図。 不揮発性半導体記憶装置の第3の実施例を示す平面図。 不揮発性半導体記憶装置の第3の実施例を示す平面図。 不揮発性半導体記憶装置の第3の実施例を示す平面図。 不揮発性半導体記憶装置の適用例を示す斜視図。 不揮発性半導体記憶装置の適用例を示す斜視図。
以下、図面を参照しながら実施例を説明する。
(第1の実施例)
図1は、不揮発性半導体記憶装置の平面図である。図2は、図1のII−II線に沿う断面図である。
半導体基板1は、例えば、シリコン基板である。絶縁層2は、例えば、酸化シリコン層であり、半導体基板1上に配置される。
第1の構造Finは、絶縁層2上に配置される。第1の構造Finは、例えば、半導体基板1の表面に垂直な第1の方向に積み重ねられる複数(本例では、4つ)の半導体層3a,3b,3c,3dを有する。また、第1の構造Finは、半導体基板1の表面に平行な第2の方向に延びる。
半導体層3a,3b,3c,3dは、例えば、絶縁層4a,4b,4c,4d,5により互いに絶縁される。
第1の方向において、絶縁層4a,4b,4c,4dの厚さは、互いに等しいのが望ましい。また、最上層としての絶縁層5は、第1の構造Finを形成するときのマスクとして機能させてもよい。この場合、第1の方向において、絶縁層5は、絶縁層4a,4b,4c,4dよりも厚いのが望ましい。
本例では、4つの半導体層3a,3b,3c,3dを積み重ねているが、第1の構造Fin内の半導体層の数は、これに限定されることはない。第1の構造Fin内の半導体層の数が多いほど、不揮発性半導体記憶装置のメモリ容量の増大にとっては望ましい。
メモリセルMCは、第1及び第2の方向に交差する第3の方向における半導体層3a,3b,3c,3dの表面上に配置される。
例えば、セルユニット(メモリストリング)Na,Nb,Nc,Ndは、第3の方向における半導体層3a,3b,3c,3dの表面上に配置される。セルユニットNa,Nb,Nc,Ndの各々は、第2の方向に直列接続される複数のメモリセルMCを含む。
本例では、1つのセルユニットは、直列接続される2つのメモリセルMCを含むが、1つのセルユニット内のメモリセルの数は、これに限定されることはない。1つのセルユニット内のメモリセルMCの数は、4、8、16、32など、であってもよい。
また、セルユニットNa,Nb,Nc,Ndの各々は、直列接続される複数のメモリセルMCの両端に1つずつ接続される2つの選択トランジスタを備えていてもよい。
メモリセルMCは、FET(Filed effect transistor)構造を有する。例えば、メモリセルMCは、半導体層3a,3b,3c,3dの第3の方向に面する表面上に第2の構造を備える。第2の構造は、例えば、ゲート絶縁層(トンネル絶縁層)、電荷蓄積層、ブロック絶縁層、及び、コントロールゲート電極を備える。
ワード線WLは、コントロールゲート電極として機能する。
半導体層3a,3b,3c,3dは、メモリセルMCのチャネルとして機能する。この場合、半導体層3a,3b,3c,3dは、単結晶構造であるのが望ましいが、多結晶構造や、アモルファス構造などであってもよい。
半導体層3a,3b,3c,3dが多結晶構造又はアモルファス構造であるとき、メモリセルMCの微細化により、第3の方向における第1の構造Finの幅が狭くなると、メモリセルのMCのチャネル抵抗の増大が顕著となる。その結果、メモリセルMCのオン電流が低下する。
これを防ぐため、例えば、第1の方向における半導体層3a,3b,3c,3dの厚さを大きくすると、第1の方向における第1の構造Finの高さが大きくなる。これは、第1の構造Finのパターニングを難しくする。
そこで、本例では、第2の方向(チャネル電流が流れる方向)において、半導体層3a,3b,3c,3dに引張応力(Tensile stress)を印加することにより、メモリセルMCに流れるオン電流を増大される技術を提案する。
FETにおいて、チャネルとしての半導体層に、チャネル電流が流れる方向に引張応力を印加すると、半導体層の結晶構造(単結晶/多結晶/アモルファス)、結晶方位や、配向性など、に関係なく、チャネルFETのオン電流が増大する。しかし、本例の不揮発性半導体記憶装置は、三次元構造を有する。即ち、FETとしてのメモリセルMCのチャネルに引張応力を印加するためには、一工夫が必要である。
従って、本例では、メモリセルMCのチャネルに引張応力を印加するため、製造プロセスにおいて、絶縁層4a,4b,4c,4d,5に体積膨張(volume expansion)を発生させる。
例えば、絶縁層4a,4b,4c,4d,5が酸化シリコンを備えるとき、これらに酸素原子を注入することにより、絶縁層4a,4b,4c,4d,5を酸素リッチな状態に変化させ、かつ、絶縁層4a,4b,4c,4d,5に体積膨張を発生させる。
ここで、酸素リッチな状態とは、酸化シリコンの酸素の化学量論比(SiO)よりも多い酸素を含む状態を意味する。例えば、シリコンと酸素の割合が1:x(xは2より大きい数)の酸化シリコンは、酸素リッチな状態にある。
絶縁層4a,4b,4c,4d,5への酸素原子の注入は、例えば、これらを酸素雰囲気中に晒すことにより行うことができる。例えば、メモリセルMCのゲート絶縁層が酸化シリコンを備えるとき、このゲート絶縁層は、酸素雰囲気中での熱酸化工程により形成される。そこで、例えば、この熱酸化工程において、絶縁層4a,4b,4c,4d,5への酸素原子の注入を行うことができる。
絶縁層4a,4b,4c,4d,5に体積膨張が発生すると、図16乃至図18に示すように、第1の構造Finは、第1の方向へ伸びようとする。
しかし、本例では、第2の方向における第1の構造Finの第1及び第2の端部の少なくとも1つに接触し、かつ、第1及び第2の端部間の領域の少なくとも一部を覆わない絶縁層6を備える。絶縁層6は、例えば、第1及び第2の端部を除く、第1の構造Finの中央部を覆わない(以下の実施例も同様)。
絶縁層6は、絶縁層4a,4b,4c,4d,5が体積膨張するときに、第1の方向への第1の構造Finの伸び(extension)を抑えるサポーターとしての機能を備える。また、絶縁層6は、第1の構造Finの中央部を覆わないことから、第1の構造Finを覆う層間絶縁層とは異なる。
この場合、絶縁層4a,4b,4c,4d,5は、体積膨張により第1の方向に伸びることができないため、それらの間に配置される半導体層3a,3b,3c,3dを圧縮する。従って、第2の方向(チャネル電流が流れる方向)における引張応力が、半導体層3a,3b,3c,3d内に発生する。
これにより、メモリセルMCのオン電流を増大させることができる。
また、第2の方向において、半導体層3a,3b,3c,3d内に引張応力を発生させることにより、以下の付随的効果が発生する。
VG型半導体メモリ構造において、データのライト/イレーズは、チャネルとしての半導体層3a,3b,3c,3dとメモリセルMCの電荷蓄積層との間の電荷の移動により実行される。しかし、ライト/イレーズが繰り返されると、メモリセルMCのゲート絶縁層(トンネル絶縁層)にダメージ(欠陥)が発生し、かつ、そのダメージに電荷がトラップされる。ゲート絶縁層にトラップされた電荷は、メモリセルMCからのデータのリードにおいて、メモリセルMCの閾値電圧を変動させる。また、リードにおいて、その電荷がデトラップされると、それによってチャネル電流が変動する。これらの現象は、リードディスターブや、リードエラーなど、の原因となる。
しかし、第2の方向において、半導体層3a,3b,3c,3d内に引張応力を発生させると、半導体層3a,3b,3c,3dと絶縁層4a,4b,4c,4d,5との間のバンド構造が変化し、このような電荷のトラップ/デトラップが発生し難くなる。これにより、リードディスターブや、リードエラーなど、を防止し、リード性能を向上できる。
絶縁層6は、第1の方向への第1の構造Finの伸びを抑えるサポーターとしての機能を有効に発揮するため、例えば、窒化シリコンや、炭化シリコンなど、を備えるのが望ましい。
尚、図3に示すように、第2の方向において、半導体層3a,3b,3c,3d内に引張応力が発生すると、第2の方向における半導体層3a,3b,3c,3d内の半導体原子の格子間隔bは、第1の方向における半導体層3a,3b,3c,3d内の半導体原子の格子間隔cよりも大きくなる。
また、例えば、半導体基板1及び半導体層3a,3b,3c,3dがシリコン原子を含むとき、第2の方向において、半導体層3a,3b,3c,3d内のシリコン原子の格子間隔bは、半導体基板1内のシリコン原子の格子間隔aよりも大きく、かつ、第1の方向において、半導体層3a,3b,3c,3d内のシリコン原子の格子間隔cは、半導体基板1内のシリコン原子の格子間隔aよりも小さくなる。
本例では、絶縁層6は、第2の方向における第1の構造Finの両端(第1及び第2の端部)に接触する。即ち、絶縁層6は、絶縁層4a,4b,4c,4d,5の体積膨張時に、第1の構造Finが第1の方向に伸びないように、第1の構造Finを第2の方向の両端から支えている。
しかし、絶縁層6は、第2の方向における第1の構造Finの一端(第1又は第2の端部)のみに接触していてもよい。
(第2の実施例)
第2の実施例は、第1の実施例において、メモリセルの構造を具体化する例である。
VG型半導体メモリ構造は、メモリセル構造によって大きく2つに分類される。その1つは、電荷蓄積層として電気的にフローティング状態の導電層(フローティングゲート電極)を用いるVG-FG(Vertical gate-Floating gate)型であり、もう1つは、電荷蓄積層として電荷をトラップする絶縁層(電荷トラップ層)を用いるVG-SONOS(Vertical gate-Silicon/Oxide/Nitride/Oxide/Silicon)型である。
いずれのタイプも、半導体基板上の半導体層(チャネル)の側面上に、ゲート絶縁層、電荷蓄積層、ブロック絶縁層(IPD層)、及び、コントロールゲート電極の順で積み重ねられるゲート積層構造(メモリセル)を備えている点に特徴を有する。
(1) 構造
図4は、不揮発性半導体記憶装置の斜視図である。
本例は、メモリセルMCがVG-FG型の例である。メモリセルMC以外の要素については、第1の実施例(図1及び図2)と同じであるため、第1の実施例と同じ要素には同じ符号を付すことにより、その詳細な説明を省略する。
セルユニット(メモリストリング)Na,Nb,Nc,Ndは、第3の方向における半導体層3a,3b,3c,3dの表面上に配置される。セルユニットNa,Nb,Nc,Ndの各々は、第2の方向に直列接続される複数のメモリセルMCを含む。
メモリセルMCは、半導体層3a,3b,3c,3dの第3の方向に面する表面上に第2の構造を備える。第2の構造は、例えば、ゲート絶縁層(トンネル絶縁層)7、電荷蓄積層(電気的にフローティング状態の導電層)8、ブロック絶縁層9、及び、コントロールゲート電極10を備える。
ワード線WLは、コントロールゲート電極10として機能する。
本例のメモリセルMCは、コントロールゲート電極10が、第1の方向における電荷蓄積層8の表面の一部を覆っている。この構造により、メモリセルMCのカップリング比を向上させることができる。
図5は、不揮発性半導体記憶装置の斜視図である。
本例は、図4のメモリセルMCの変形例である。メモリセルMC以外の要素については、第1の実施例(図1及び図2)と同じであるため、第1の実施例と同じ要素には同じ符号を付すことにより、その詳細な説明を省略する。
本例のメモリセルMCは、コントロールゲート電極10が、第3の方向における電荷蓄積層8の表面のみを覆っている。
この構造により、コントロールゲート電極10の下層となるブロック絶縁層9の凹凸がなくなるため、リード/ライト時にブロック絶縁層9に生じるリーク電流を減らすことができる。また、コントロールゲート電極10のパターニングが容易化される。
図6は、不揮発性半導体記憶装置の斜視図である。
本例は、メモリセルMCがVG-SONOS型の例である。メモリセルMC以外の要素については、第1の実施例(図1及び図2)と同じであるため、第1の実施例と同じ要素には同じ符号を付すことにより、その詳細な説明を省略する。
セルユニット(メモリストリング)Na,Nb,Nc,Ndは、第3の方向における半導体層3a,3b,3c,3dの表面上に配置される。セルユニットNa,Nb,Nc,Ndの各々は、第2の方向に直列接続される複数のメモリセルMCを含む。
メモリセルMCは、半導体層3a,3b,3c,3dの第3の方向に面する表面上に第2の構造を備える。第2の構造は、例えば、ゲート絶縁層(トンネル絶縁層)7、電荷蓄積層(電荷をトラップする絶縁層)8、ブロック絶縁層9、及び、コントロールゲート電極10を備える。
ワード線WLは、コントロールゲート電極10として機能する。
本例では、コントロールゲート電極10を共有する複数のメモリセルMCは、電荷蓄積層8も共有する。このような構造であっても、電荷蓄積層8は、電荷トラップ型であるため、複数のメモリセルMCの電荷蓄積層8内の電荷(情報)が混同することはない。
また、電荷蓄積層8の分離工程が不要であるため、製造プロセスが容易化される。
(2) 材料例
次に、図4乃至図6の構造の各要素を構成する材料例を説明する。
これら不揮発性半導体記憶装置を構成する材料については、半導体メモリの各世代に応じた最適な材料を適宜選択することができるが、以下では、最もよく使用される材料例を説明する。
半導体層3a,3b,3c,3dは、例えば、シリコン層である。シリコン層は、単結晶状態であるのが望ましいが、多結晶状態や、アモルファス状態などであってもよい。また、半導体層3a,3b,3c,3dは、例えば、Geなどの半導体層や、SiGeなどの化合物半導体層であってもよい。
絶縁層2,4a,4b,4c,4d,5は、例えば、酸化シリコン層である。絶縁層2,4a,4b,4c,4d,5は、例えば、酸化シリコン層、窒化シリコン層など、を含む積層構造であってもよい。
絶縁層5は、ハードマスク層として機能させるため、絶縁層3,4a,4b,4c,4dと異なる材料、例えば、窒化アルミニウム層を備えていてもよい。
ゲート絶縁層7及びブロック絶縁層9は、例えば、酸化シリコン層、窒化シリコン層など、である。ゲート絶縁層7及びブロック絶縁層9は、酸窒化シリコン層や、酸化シリコン層と窒化シリコン層との組み合わせなど、とすることもできる。
ゲート絶縁層7及びブロック絶縁層9は、酸化ハフニウム層(HfO)、酸化ジルコニウム(ZrO)、酸化アルミニウム層(Al)、酸化ランタンアルミニウム層(LaAlO)、酸化ランタンアルミニウムシリコン層(LaAlSiO)、酸窒化アルミニウム(AlON)、ハフニア(HfO)、ハフニウム・アルミネート(HfAlO)、窒化ハフニア(HfON)、窒化ハフニウム・アルミネート(HfAlON)、ハフニウム・シリケート(HfSiO)、窒化ハフニウム・シリケート(HfSiON)、酸化ランタン(La)、ランタン・アルミネート(LaAlO)、ランタンアルミシリケート(LaAlSiO)、及び、これらの組成比を変化させた材料など、であってもよい。
ゲート絶縁層7及びブロック絶縁層9は、シリコンナノ粒子や、金属イオンなどを含んでいてもよい。
コントロールゲート電極10は、例えば、導電性シリコン層を含んでいるのが一般的である。但し、パターニングが可能であることを条件に、半導体メモリの各世代に応じた最適な材料を適宜選択できる。
例えば、コントロールゲート電極10は、タンタルナイトライド(TaN)、タンタルカーバイト(TaC)、チタンナイトライド(TiN)など、のような金属化合物を備える。また、コントロールゲート電極10は、金属的な電気伝導特性を示す、V、Cr、Mn、Y、Mo、Ru、Rh、Hf、Ta、W、Ir、Co、Ti、Er、Pt、Pd、Zr、Gd、Dy、Ho、及び、これらのシリサイドでもよい。
電荷蓄積層8が電気的にフローティング状態の導電層であるとき、例えば、電荷蓄積層8は、導電性シリコン層を含んでいるのが一般的である。但し、パターニングが可能であることを条件に、半導体メモリの各世代に応じた最適な材料を適宜選択できる。
また、電荷蓄積層8は、タンタルナイトライド(TaN)、タンタルカーバイト(TaC)、チタンナイトライド(TiN)など、のような金属化合物でもよい。さらに、電荷蓄積層8は、金属的な電気伝導特性を示す、V、Cr、Mn、Y、Mo、Ru、Rh、Hf、Ta、W、Ir、Co、Ti、Er、Pt、Pd、Zr、Gd、Dy、Ho、及び、これらのシリサイドでもよい。
電荷蓄積層8は、コントロールゲート電極10と同じ材料を含んでいてもよいし、コントロールゲート電極10と異なる材料を含んでいてもよい。
電荷蓄積層8が電荷をトラップする絶縁層であるとき、例えば、電荷蓄積層8は、シリコン窒化膜(Si)、又は、その構成元素であるシリコン及び窒素の組成比を変化させた材料を備える。また、電荷蓄積層8は、酸窒化シリコン(SiON)、酸化アルミニウム(Al)、酸窒化アルミニウム(AlON)、ハフニア(HfO)、ハフニウム・アルミネート(HfAlO)、窒化ハフニア(HfON)、窒化ハフニウム・アルミネート(HfAlON)、ハフニウム・シリケート(HfSiO)、窒化ハフニウム・シリケート(HfSiON)、酸化ランタン(La)、ランタン・アルミネート(LaAlO)、などでもよい。
(3) 製造方法
図4の構造を製造する方法の例を説明する。
まず、図7及び図8に示すように、例えば、面方位(100)及び比抵抗10〜20Ωcmを有する第1の導電型(例えば、P型)の半導体基板(例えば、シリコン基板)1を用意する。この半導体基板1上に、絶縁層(例えば、酸化シリコン層)2、絶縁層(例えば、酸化シリコン層)4a,4b,4c,4d,5、及び、半導体層(例えば、多結晶シリコン層)3a,3b,3c,3dを含む積層構造を形成する。
この後、PEP(Photo Engraving Process)により、この積層構造内に開口部を形成する。また、例えば、LPCVD及びCMPを用いて、開口部内に絶縁層6を満たす。絶縁層6は、例えば、窒化シリコン層、炭化シリコン層など、である。
次に、図9及び図10に示すように、PEPにより、マスク層11を形成する。また、マスク層11をマスクにして、RIEにより、上述の積層構造をパターニングする。その結果、図11、図12、及び、図13に示すように、第2の方向の一端が絶縁層6に接触する第1の構造(フィン構造)Finが形成される。
次に、図14に示すように、例えば、ウェットエッチングにより、半導体層3a,3b,3c,3dを、それぞれ、選択的にシュリンクする。即ち、半導体層3a,3b,3c,3dの第3の方向の幅は、それぞれ、絶縁層4a,4b,4c,4d,5の第3の方向の幅よりも狭くなる。
次に、図15に示すように、例えば、酸素雰囲気中において、熱酸化を行うことにより、第3の方向において、半導体層3a,3b,3c,3dの表面上に、それぞれ、ゲート絶縁層(例えば、酸化シリコン層)7を形成する。
この時、図16、図17、及び、図18に示すように、第2の方向において、半導体層3a,3b,3c,3d内に引張応力が発生する。
即ち、熱酸化により、絶縁層4a,4b,4c,4d,5内に酸素原子が注入され、絶縁層4a,4b,4c,4d,5は、酸素リッチな状態へ変化し、かつ、体積膨張が発生する。しかし、第1の構造Finの第1の方向への伸び(extension)は、サポーターとしての絶縁層6により抑えられるため、絶縁層4a,4b,4c,4d,5の体積膨張は、半導体層3a,3b,3c,3dを第1の方向に圧縮する力に変換される。
従って、第2の方向において、半導体層3a,3b,3c,3d内に引張応力が発生する。これにより、半導体層3a,3b,3c,3dにおいて、バンド構造や、有効質量など、の変化が発生し、半導体層3a,3b,3c,3dをチャネルとするメモリセルのオン電流を増加させることができる。
また、図19に示すように、本例では、サポーターとしての絶縁層6により第1の構造Finを支えているため、熱酸化による第1の構造Finの第1の方向への伸びが抑えられる。即ち、熱酸化の前後において、第1の方向における第1の構造Finの高さは、実質的に変化しない。
これに対し、図20に示すように、サポーターとしての絶縁層6を有しない比較例では、第1の構造Finは、熱酸化により、第1の方向へ伸張する。即ち、熱酸化により、絶縁層内に酸素原子が注入されるため、第1の方向における第1の構造の高さは、熱酸化前よりも熱酸化後のほうが大きくなる。
また、この熱酸化により、ゲート絶縁層の形成と同時に第1の方向における半導体層の表面も酸化されるため、半導体層は、薄く、かつ、絶縁層は厚くなる。即ち、半導体層と絶縁層の厚さの比が変化する。
尚、上述の引張応力を発生させる効果を有効にするため、絶縁層6は、酸素雰囲気中での熱酸化により体積膨張が発生しない材料、例えば、窒化シリコン層や、炭化シリコン層など、であるのが望ましい。
次に、図21に示すように、第1の構造Finを覆う導電層(例えば、不純物がドープされた多結晶シリコン層)8’を形成する。また、RIEにより、導電層8’をエッチングすることにより、導電層8’を、絶縁層4a,4b,4c,4d,5間の凹部内のみに残存させる。
その結果、図22に示すように、互いに電気的に分離された複数の電荷蓄積層(フローティングゲート電極)8が、絶縁層4a,4b,4c,4d,5間の凹部内に形成される。
次に、図23に示すように、例えば、ウェットエッチングにより、絶縁層4a,4b,4c,4d,5を、それぞれ、選択的にシュリンクする。即ち、絶縁層4a,4b,4c,4d,5の第3の方向の表面は、それぞれ、第3の方向に露出する電荷蓄積層8の表面よりも内側に配置される。
最後に、図24、図25、及び、図26に示すように、第1の構造Finを覆うブロック絶縁層9及びコントロールゲート電極10を形成する。また、例えば、PEP及びRIEにより、コントロールゲート電極10をパターニングすることにより、第1の構造Finを跨ぐワード線WLを形成する。
以上のステップにより、図4の構造を得ることができる。
(第3の実施例)
第3の実施例は、第1及び第2の実施例における第1の構造(フィン構造)Finのレイアウトに関する。以下の説明において、第1の構造Finは、第1及び第2の実施例における第1の構造Finに対応し、絶縁層6は、第1及び第2の実施例における絶縁層6に対応する。
図27は、不揮発性半導体記憶装置のレイアウトの第1の例である。
複数(本例では、5つ)の第1の構造Finの各々は、第1の方向に交差する第2の方向に延び、かつ、第1及び第2の方向に交差する第3の方向に並ぶ。
梁としての第2の構造12−1は、第2の方向における複数の第1の構造Finの複数の第1の端部に接触し、かつ、複数の第1の構造と同じ複数の層を備える。第2の構造12−1は、複数のセルユニットのドレイン領域(D)として機能する。
サポーターとしての絶縁層6は、第2の方向に面する第2の構造12−1の表面に接触し、複数の第1の構造Finを覆わない。
また、梁としての第2の構造12−2は、第2の方向における複数の第1の構造Finの複数の第2の端部に接触し、かつ、複数の第1の構造と同じ複数の層を備える。第2の構造12−2は、複数のセルユニットのソース領域(S)として機能する。
サポーターとしての絶縁層6は、第2の方向に面する第2の構造12−2の表面に接触し、複数の第1の構造Finを覆わない。
このレイアウトによれば、複数の第1の構造Fin内の半導体層に引張応力を効率的に印加することができる。
尚、第2の構造12−1に接触する絶縁層6、及び、第2の構造12−2に接触する絶縁層6のうちの1つを省略してもよい。
図28は、不揮発性半導体記憶装置のレイアウトの第2の例である。
第2の例は、第1の例と比べると、ソース領域(S)とドレイン領域(D)のレイアウトが異なる。
第2の例では、複数の第1の構造Finのうち、左端から奇数番目の第1の構造Finは、第2の構造12−1をドレイン領域(D)とし、左端から偶数番目の第1の構造Finは、第2の構造12−2をドレイン領域(D)とする。
このレイアウトでは、左端から奇数番目の第1の構造Finのソース領域(S)は、第2の構造12−2に物理的に結合(combine)されるが、第2の構造12−2内のドレイン領域(D)からは、電気的に分離(isolate)される。
また、左端から偶数番目の第1の構造Finのソース領域(S)は、第2の構造12−1に物理的に接続されるが、第2の構造12−1内のドレイン領域(D)からは、電気的に分離される。
このレイアウトでも、複数の第1の構造Fin内の半導体層に引張応力を効率的に印加することができる。
尚、第2の構造12−1に接触する絶縁層6、及び、第2の構造12−2に接触する絶縁層6のうちの1つを省略してもよい。
図29は、不揮発性半導体記憶装置のレイアウトの第3の例である。
第3の例は、第1の例と比べると、ソース領域(S)とドレイン領域(D)のレイアウトが異なる。
第3の例では、第2の構造12−1,12−2は、共に、ドレイン領域(D)として機能する。この場合、複数の第1の構造Finの中央部にソース領域(S)が設けられる。
このレイアウトでも、複数の第1の構造Fin内の半導体層に引張応力を効率的に印加することができる。
尚、第2の構造12−1に接触する絶縁層6、及び、第2の構造12−2に接触する絶縁層6のうちの1つを省略してもよい。
図30は、不揮発性半導体記憶装置のレイアウトの第4の例である。
第4の例は、第1の例と比べると、複数の第1の構造Finの複数の第2の端部を互いに結合する、図27の第2の構造12−2が存在しない点に特徴を有する。
即ち、複数の第1の構造Finのソース領域(S)側において、サポーターとしての絶縁層6は、複数の第1の構造Finの複数の第2の端部に接触し、かつ、複数の第1の構造Finの中央部を覆わない。
このレイアウトでも、複数の第1の構造Fin内の半導体層に引張応力を効率的に印加することができる。
尚、第2の構造12−1に接触する絶縁層6、及び、複数の第1の構造Finのソース領域(S)側の複数の第2の端部に接触する絶縁層6のうちの1つを省略してもよい。
図31は、不揮発性半導体記憶装置のレイアウトの第5の例である。
第5の例は、第1の例と比べると、複数の第1の構造Finの複数の第1の端部を互いに結合する、図27の第2の構造12−1が存在しない点に特徴を有する。
即ち、複数の第1の構造Finのドレイン領域(D)側において、サポーターとしての絶縁層6は、複数の第1の構造Finの複数の第1の端部に接触し、かつ、複数の第1の構造Finの中央部を覆わない。
このレイアウトでも、複数の第1の構造Fin内の半導体層に引張応力を効率的に印加することができる。
尚、第2の構造12−2に接触する絶縁層6、及び、複数の第1の構造Finのドレイン領域(D)側の複数の第1の端部に接触する絶縁層6のうちの1つを省略してもよい。
図32は、不揮発性半導体記憶装置のレイアウトの第6の例である。
第6の例は、第1の例と比べると、第2の構造12−1,12−2が、共に、ドレイン領域(D)であり、かつ、ソース領域(S)が、第2の構造12−1,12−2から物理的に分離されている点に特徴を有する。
第6の例では、複数の第1の構造Finのうち、左端から奇数番目の第1の構造Finは、第2の構造12−1をドレイン領域(D)とし、左端から偶数番目の第1の構造Finは、第2の構造12−2をドレイン領域(D)とする。
左端から奇数番目の第1の構造Finのソース領域(S)は、第2の構造12−2から物理的に分離(isolate)される。また、左端から偶数番目の第1の構造Finのソース領域(S)は、第2の構造12−1から物理的に分離される。
このレイアウトでも、複数の第1の構造Fin内の半導体層に引張応力を効率的に印加することができる。
尚、第2の構造12−1に接触する絶縁層6、及び、第2の構造12−2に接触する絶縁層6のうちの1つを省略してもよい。
図33は、不揮発性半導体記憶装置のレイアウトの第7の例である。
第7の例は、第6の例の特徴を含む。さらに、第7の例は、第6の例と比べると、複数の第1の構造Finのソース領域(S)側の端部に、サポーターとしての絶縁層6が接触している点に特徴を有する。
このレイアウトでも、複数の第1の構造Fin内の半導体層に引張応力を効率的に印加することができる。
尚、第2の構造12−1に接触する絶縁層6、第2の構造12−2に接触する絶縁層6、及び、複数の第1の構造Finのソース領域(S)側の端部に接触する絶縁層6のうちの1つを省略してもよい。
図34は、不揮発性半導体記憶装置のレイアウトの第8の例である。
第8の例は、第7の例の特徴を含む。さらに、第8の例は、第7の例と比べると、複数の第1の構造Finのソース領域(S)側の絶縁層6が、複数の第1の構造Finの第3の方向における表面の一部を覆っている点に特徴を有する。
このレイアウトでも、複数の第1の構造Fin内の半導体層に引張応力を効率的に印加することができる。
尚、第2の構造12−1に接触する絶縁層6、第2の構造12−2に接触する絶縁層6、及び、複数の第1の構造Finのソース領域(S)側の端部に接触する絶縁層6のうちの1つを省略してもよい。
図35は、不揮発性半導体記憶装置のレイアウトの第9の例である。
複数(本例では、4つ)の第1の構造Finの各々は、第1の方向に交差する第2の方向に延び、かつ、第1及び第2の方向に交差する第3の方向に並ぶ。
複数の第1の構造Finのうち、2つの第1の構造Finは、ペアとなり、ソース領域(S)を共有する。2つの第1の構造Finに共有されたソース領域(S)は、梁としての第2の構造として機能する。ドレイン領域(D)は、第1の構造Finの中央部に配置される。
サポーターとしての絶縁層6は、ソース領域(S)の周囲に配置され、かつ、ソース領域(S)に接触する。
このレイアウトでも、複数の第1の構造Fin内の半導体層に引張応力を効率的に印加することができる。
尚、絶縁層6は、ソース領域(S)の一部に接触していてもよい。即ち、絶縁層6のパターンを簡易にし、かつ、絶縁層6と第1の構造Finとの合わせずれを防止するために、絶縁層6は、例えば、ペアとなる2つの第1の構造Fin間のみに配置してもよい。
(適用例)
上述の第1乃至第3の実施例を、例えば、VLB (Vertical gate ladder-Bit cost scalable memory)に適用した場合を説明する。
図36及び図37は、VLBの斜視図を示している。
複数の第1の構造(フィン構造)Fin1,Fin2,Fin3の各々は、半導体層3a,3b,3cを有する。上述の第1及び第3の実施例では、半導体層の積層数が4層であったが、本例では、半導体層の積層数が3層である。
VG(Vertical gate)-NANDは、上述の第1乃至第3の実施例で説明した複数のセルユニット(メモリストリング)Na、Nb,Ncを含む。
複数の第1の構造Fin1,Fin2,Fin3の第2の方向の両端は、第3の方向に延びる梁としての第2の構造12−1,12−2に接続される。第2の構造12−1,12−2は、複数の第1の構造Fin1、Fin2,Fin3と同様に、半導体層3a,3b,3cを有する。
但し、第2の構造12−1,12−2内の半導体層3a,3b,3cは、低抵抗化のため、不純物領域13a,13b,13cを有する。
第2の構造12−1,12−2の第3の方向の端部は、複数のセルユニットNa、Nb,Ncのうちの1つを選択するための機能を備える。
例えば、図36の例では、第2の構造12−1,12−2の第3の方向の端部は、階段形状を有する。また、ビット線BLa,BLb,BLcは、コンタクトプラグ14a,14b,14cを介して、第2の構造12−1内のアクティブエリア3a,3b,3cに、それぞれ、独立に接続される。ソース線SLは、コンタクトプラグ15a,15b,15cを介して、第2の構造12−2内のアクティブエリア3a,3b,3cに、それぞれ、独立に接続される。
また、図37の例では、第2の構造12−1,12−2の第3の方向の端部は、アクティブエリア3a,3b,3cに共通に接続される共通半導体層16−1,16−2と、レイヤー選択トランジスタLSTa,LSTb,LSTcとを有する。
ビット線BLは、コンタクトプラグ17−1を介して、共通半導体層16−1に接続され、ソース線SLは、コンタクトプラグ17−2を介して、共通半導体層16−2に接続される。
レイヤー選択トランジスタLSTa,LSTb,LSTcは、それぞれ、選択ゲート電極SGa,SGb,SGcを有する。
レイヤー選択トランジスタLSTaは、選択ゲート電極SGaにより覆われる最下層としてのアクティブエリア3a内に不純物領域18aを有する。レイヤー選択トランジスタLSTbは、選択ゲート電極SGbにより覆われる中間層としてのアクティブエリア3b内に不純物領域18bを有する。レイヤー選択トランジスタLSTcは、選択ゲート電極SGcにより覆われる最上層としてのアクティブエリア3c内に不純物領域18cを有する。
これにより、複数のセルユニットNa、Nb,Ncのうちの1つ(複数の第1の構造Fin1,Fin2,Fin3内の1つの半導体層)を選択することができる。
(むすび)
以上、実施形態によれば、三次元不揮発性半導体記憶装置において、メモリセルのオン電流を向上させることができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
1: 半導体基板、 3a,3b,3c,3d: アクティブエリア(半導体層)、 2,4a,4b,4c,4d,5: 絶縁層、 6: 絶縁層(サポーター)、 7: ゲート絶縁層、 8: 電荷蓄積層、 9: ブロック絶縁層、 10: コントロールゲート電極。

Claims (5)

  1. 第1の方向に、第1の絶縁層、半導体層、及び、第2の絶縁層の順で積み重ねられ、かつ、前記第1の方向に交差する第2の方向に延びる第1の構造と、前記第1及び第2の方向に交差する第3の方向に面する前記半導体層の表面上に配置され、前記第2の方向に直列接続される複数のメモリセルと、前記第2の方向における前記第1の構造の第1及び第2の端部の少なくとも1つに接触し、かつ、前記第1及び第2の端部間の領域の少なくとも一部を覆わない第3の絶縁層と、
    を具備し、
    前記第2の方向における前記半導体層内の半導体原子の格子間隔は、前記第1の方向における前記半導体層内の半導体原子の格子間隔よりも大き
    表面を有する半導体基板をさらに具備し、
    前記第1の構造は、前記表面上に配置され、前記第1の方向は、前記表面に垂直な方向であり、前記第2及び第3の方向は、前記表面に平行な方向であり、
    前記半導体基板及び前記半導体層は、シリコン原子を含み、前記第2の方向において、前記半導体層内の前記シリコン原子の格子間隔は、前記半導体基板内の前記シリコン原子の格子間隔よりも大きく、前記第1の方向において、前記半導体層内の前記シリコン原子の格子間隔は、前記半導体基板内の前記シリコン原子の格子間隔よりも小さい、
    不揮発性半導体記憶装置。
  2. 第1の方向に、第1の絶縁層、半導体層、及び、第2の絶縁層の順で積み重ねられ、かつ、前記第1の方向に交差する第2の方向に延びる第1の構造と、前記第1及び第2の方向に交差する第3の方向に面する前記半導体層の表面上に配置され、前記第2の方向に直列接続される複数のメモリセルと、前記第2の方向における前記第1の構造の第1及び第2の端部の少なくとも1つに接触し、かつ、前記第1及び第2の端部間の領域の少なくとも一部を覆わない第3の絶縁層と、
    を具備し、
    前記第1及び第2の絶縁層は、酸化シリコンを備え、前記第3の絶縁層は、窒化シリコン及び炭化シリコンのうちの少なくともいずれかを備え、
    表面を有する半導体基板をさらに具備し、
    前記第1の構造は、前記表面上に配置され、前記第1の方向は、前記表面に垂直な方向であり、前記第2及び第3の方向は、前記表面に平行な方向であり、
    前記半導体基板及び前記半導体層は、シリコン原子を含み、前記第2の方向において、前記半導体層内の前記シリコン原子の格子間隔は、前記半導体基板内の前記シリコン原子の格子間隔よりも大きく、前記第1の方向において、前記半導体層内の前記シリコン原子の格子間隔は、前記半導体基板内の前記シリコン原子の格子間隔よりも小さい、
    不揮発性半導体記憶装置。
  3. 前記第1及び第2の絶縁層は、シリコンと酸素の割合が1:x(xは2より大きい数)の酸化シリコンを備える、請求項1又は2に記載の不揮発性半導体記憶装置。
  4. 第1の方向に、第1の絶縁層、半導体層、及び、第2の絶縁層の順で積み重ねられ、かつ、前記第1の方向に交差する第2の方向に延びる第1の構造と、前記第1及び第2の方向に交差する第3の方向に面する前記半導体層の表面上に配置され、前記第2の方向に直列接続される複数のメモリセルと、前記第2の方向における前記第1の構造の第1及び第2の端部の少なくとも1つに接触し、かつ、前記第1及び第2の端部間の領域の少なくとも一部を覆わない第3の絶縁層と、を具備し、
    前記第2の方向における前記半導体層内の半導体原子の格子間隔は、前記第1の方向における前記半導体層内の半導体原子の格子間隔よりも大きく、
    前記第1及び第2の絶縁層は、シリコンと酸素の割合が1:x(xは2より大きい数)の酸化シリコンを備える、
    不揮発性半導体記憶装置
  5. 第1の方向に、第1の絶縁層、半導体層、及び、第2の絶縁層の順で積み重ねられ、かつ、前記第1の方向に交差する第2の方向に延びる第1の構造と、前記第1及び第2の方向に交差する第3の方向に面する前記半導体層の表面上に配置され、前記第2の方向に直列接続される複数のメモリセルと、前記第2の方向における前記第1の構造の第1及び第2の端部の少なくとも1つに接触し、かつ、前記第1及び第2の端部間の領域の少なくとも一部を覆わない第3の絶縁層と、を具備し、
    前記第1及び第2の絶縁層は、酸化シリコンを備え、前記第3の絶縁層は、窒化シリコン及び炭化シリコンのうちの少なくともいずれかを備え、
    前記第1及び第2の絶縁層は、シリコンと酸素の割合が1:x(xは2より大きい数)の酸化シリコンを備える、
    不揮発性半導体記憶装置。
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