TW558834B - Non-volatile semiconductor memory device - Google Patents
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Description
558834 五、發明說明(l) [發明之領域] 本發明有關於非揮發性半導體記憶裝置,亦,更有關 於H進行2進制記憶之非揮發性半導體記憶裝置。 [负景技術之說明] MDnt 揮發性半導體記憶裝置之中,快閃EEPR0M之一種之 1tr lde Read 0η1Υ Memory )型快閃EEPR0M(以下稱 為NROM)已受到重視。有關於帅⑽見於美國專利案第 6 0 1 1 7 2 5號和5 7 6 8 1 9 2號之報告。 鲁 圖18疋布置g|,用來表示習知之⑽⑽之記憶單元陣 一部份。 一圖1 8 ’ NRQM之記憶單元陣列包含有排列成列之多個 :線1’和排列成行之多個位元線2。各個記憶單元mc分別 被配置在以虛線包圍之區域3。 圖19是圖18中之線A-a之剖面概略圖。 一圖19 ’在p#10之主表面形成有位元線2成為隔開指 疋之間隔。位元線2是形成作為〇型擴散區域之擴散位元 ^ t個位元線2上形成氧切膜11。在2個位元線2之 間之p#10之主表面上,形成氧化矽膜12。在氧化矽膜 形成用以儲存電荷之氮化膜13。纟氮化膜13上形成氧 膜14。在氧切賴和u上形成字線丨。該 ^ 形成。 A夕日日矽 如圖19所示,NR0M之記憶單元之電荷儲存部 膜12、氮化膜13 ’和氧化矽膜14之積層構造(以下稱石 積層構造)。在_M中,電荷在酬積層構造中之氮化膜^
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五、發明說明(2) 之兩端,於位於各個位元線2之上部之區域,分別各記愧^ 個位元。利用以上之構造,在NROM以1個之記憶單元進 位元記憶。另外,如圖丨8所示,在包夾位元線之互相鄰接 之記憶單元間,共用被配置在鄰接之記憶單元間之位元線 2作為源極或汲極。 其結果是相對於習知之肋^型快閃EEPR0M之每一個位元 之佔用面積為5〜15F2,NROM可以大幅的減小為2. 5F2。 利用以上之方式可以使⑽⑽高積體化,可以抑制成本使 其降低。 不同的,在 此,位元線間 元線2。因 能會比習知之 裝置,經由提 ’可以實現性 有主表面之第 電區域,多個 緣膜和多個導 表面。多個絕 導電區域交替
但是’如圖19所示,與習知之快閃EEPR0M NROM之位元線間未存在有分離元件區域。因 之对壓會劣化,有可能發生電荷之洩漏。 另外’如圖19所示,以擴散形成NR0M之位 此’位疋線之電阻變高。其結果是NR0M之性 快閃EEPR0M劣化。 [發明之概要] 一本1明之目的是提供非揮發性半導體記憶 :位^間耐壓’ π以防止洩漏電流之發生 能之提南,和降低製造成本。 1 發π明之非揮發性半導體記憶裝置包含具 1之半導體基板,第2導 絕緣區域,第1维故腺;电土夕守 雷繞。夕細Ϊ 電荷記憶膜,第2絕 分巴ϋ二a ί電區域形成在半導體基板之主 d域形成在半導體基板之主表面,與多個 五、發明說明(3) 的配置。第1絕緣膜形成在 §己憶膜形成在第1絕緣膜上,呈;::之主表面上。電荷 骐形成在電荷圮愔晅μ々,、有夕個記憶區域。第2絕緣 上。 隐膜上。多個導電線形成在第2絕緣膜 陣==時發性半導趙記憶…記憶單元 可以提高位元線間耐壓,m二分離氧化膜。因此’ 另外,因為位元線不”:二制電荷之泡漏。 所以位元線之電m值γ=^政位兀線,而是以金屬形成, 性半導體記憶裝置之性能。_八、、,=果疋可以提高非揮發 [較佳貫施形態之說明] 下:將參照圖面用來詳細的說 外,在圖中夕i日F1々上& 卞私门々灵她形態。另 是不再重複其說明"虽之部份附加相同之元件編號,但 [實施形態1 ] 半ΓΑ電二V用來表示本發明之實施形態之非揮發性 導體δ己憶义置之記憶單元陣列塊之構造之詳細部份。 一參照圖1,記憶單元陣列塊具備有多個非揮發性記憶 元M C,多個字線2 〇,和多個位元線3 〇。 多個字線2 0排列成列,多個位元線3 〇排列成行。 多個非揮發性記憶單元MC之各個被配置在字線2〇和位元 線3 0所包圍之各個區域。被配置成與位於相同列之多個區 域對應之多個非揮發性記憶單元MC,形成串聯連接,其閘 極連接到相同之字線20。另外,位元線30被排列成為通過
C:\2D-OODE\9Ml\91122366.ptd 第7頁 558834 五、發明說明(4) 鄰接之2個非揮發性記憶單元MC之連接點。 :二非揮發性記憶單元MC具有2個之記憶區域。 下面將說明對該非揮發性記憶單 作和讀出動作。 $ <丁 <胃#之寫入動 是概略圖’肖來表示對非揮發性記憶單元進行之資 料之寫入動作和讀出動作。 參,2 A ’非揮發性記憶單元Mc以其閉極連接到字線 夕,非揮發性記憶單几紅連接到位元線BL1和BL2。 非揮發性記憶單元MC在位元線BL1側具有記憶區域11,如 圖2 C所示,在位元線b l 2側具有記憶區域^ 2。 首先說明對記憶區域L1進行之寫入動作。參照圖2A, 將資料寫入到記憶區域L1之情況時,位元線BU之電位 持在寫入電位VCCW,位元線BL2之電位維持在接地電位、 GND °其結果是寫入電流I f w從位元線儿1通過非揮發性 憶單元MC流到位元線BL2。這時將資料寫入到記憔 ° U 。 一取 下面將說明記憶區域L1之資料之讀出動作。參照圖2β, 在讀出記憶區域L1之資料之情況時,位元線肌1之電"^維 持在接地電位GND,位元線BL2之電位維持在讀出電位— V C C R。其結果是讀出電流I f r從位元線B L 2流到位元線 BL1。這時讀出記憶區域L1之資料。 如上所述,在記憶區域L1 ’寫入動作時之電流方白矛^ 出動作時之電流方向成為相反。 ° ^ 下面將說明對記憶區域L2進行之寫入動作。參照圖%,
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558834 五、發明說明(5) —" ' ---- 在將資料寫入到記憶區域L2之情況時,位元飧 維姓+从 兀線BL1之電位 、、隹符在接地電位GND,位元線BL2之電位維掊力宜λ兩 y p p it» T 馬入 位 LLW。其結果是寫入電流Irw從位元線BL2流到位元線 BL1。這時將資料寫入到記憶區域l2。 v’ 下面將說明記憶區域L2之資料之讀出動作。夂昭圖⑼ 在讀^記憶區域L2之資料之情況時,位元線Bu〃之電位維 持在讀出電位VCCR,位元線BL2之電位維持在接地電位、、 GfD °其結果是讀出電流Irr從位元線BL1流到位元線。 這時讀出記憶區域L2之資料。 、 ° 如上所述,在記憶區域L 2亦是寫入動作時之電流方 讀出動作時之電流方向相反。 "σ
圖3是布置圖,用來表示本發明之實施形態之非揮發 半導體記憶裝置之記憶單元陣列之構造。 X 參照圖3,多個字線2 0 a〜2 0 d排列成列,多個位元線3 〇 & 〜30i排列成行。在鄰接之字線2〇a和2〇b之間,n#4〇和元& 件分離區域50對該行交替排列。元件分離區域5〇由氧化^夕 膜形成。在字線20b和20c之間,字.線2〇c和2〇d之間等,或 其他之字線之間,同樣的交替排列n # 4 〇和元件分離區域5 5 0 ° 一 位元線30a〜30i被配置在n#40之上部。位元線3〇a〜3()i 和位於其下之n#4〇經由接觸孔6〇互相連接。 1 圖4是圖3中之線B-B之剖面概略圖。圖4是位元線方向 剖面概略圖。 °之 參照圖4 ’從半導體基板8 〇之主表面起到指定深度之區
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558834 五、發明說明(6) 域,、形成有p#81。在半導體基板80之主表面形成n型擴散 區域4〇a〜4Oe,成為隔開指定之間隔。氧化矽膜82a形成 j半導體基板80之主表面上,而且位於n型擴散區域4〇a和 4此之間。同樣的,氧化矽膜82b形成在半導體基板8〇之主 ,面上而且位於η型擴散區域4 0 b和4 0 c之間。同樣的, 氧化矽膜82c形成在n型擴散區域4〇c和4〇d之間,氧化矽膜 成在η型擴散區域和4〇e之間。 $氧化矽膜82a〜82d上形成用來儲存電荷之氮化膜83a ^3〇1。氮化膜833在11型擴散區域4〇a側和n型擴散區域4〇匕 ,別f具有1個之記憶區域。其結果可以利用!個之記憶 :=進仃2個位元之記憶。同樣的,氮化膜83b〜83d分別 具有2個之記憶區域。 在氮化膜83a〜83d上形成氧化矽膜84a〜84d。在氧化 膜8 4a〜8 4d上形成字線20a〜2〇d。字線2〇a〜2〇d由多晶矽 形成。層間絕緣膜85在半導體基板8〇之主表面上,形 位於η型擴散區域4Ga〜染上之區域和字線,〜謝之 上。在層間絕緣膜85上形成有層間絕緣膜86。 f圖4中,n型擴散區域4〇a和n型擴散區域4〇b之作用是 個非揮發性記憶單元之源極區域或汲極區域。利用 擴散區域’氧化矽膜82&,具有2個記憶區域之 矽膜843和字線2〇3’用來構成第1非揮發 性憶早兀。另外,利用η型擴散區域40b,η型擴散區朽 40c,氧化矽膜82b,氮化膜,备儿 、月文&域 2 0b,用來構成第2非揮發性矽膜,’和字線 P评|旺忑is早兀。這時之η型擴散區 第10頁 C:\2D-CX)DE\91-U\91122366.ptd 558834 五、發明說明(7) ,〇b之作用是作為第!和第2非揮 源極汲極區域。 丨心早兀之共用之 同樣的’利用n型擴散區域4〇c、η型沪埒π以/⑸卜 石夕膜82c、氮化膜83c、氧化石夕膜區域彻、氧化 成第3非揮發性記憶單元;子線20c ’用來構 區域40e,氯介切和用11孓擴放區域40d,n型擴散 ⑽μ^a化膜83d,氧化砂膜_,和字 Λ2 Od用末構成弟4非揮發性記憶單元。 胃圖5是圖3中之線c — c之剖面圖。圖5是字線方向之剖面 械〆二,L ^半導體基板8 〇之主表面起到指定深度之區
Ui有?#81。另外,在半導體基板80之主表面,形成 二15为0 ^或Τ'501,成為隔開指定之間隔。元件分離 £域50a〜5〇1由氧化矽膜形成。元件分離區域5〇a和5〇b之 間之區域是記憶單元Mc之通道區或。同樣的,各個元件分 離區域間之區域是各個記德單元MC之通道區域。 *在半導體基板8G之主表面上形成氧化石夕膜82。在氧化石夕 膜82上形成用以儲存電荷之氮化膜⑽。在氮化膜83上形成 氧化矽膜84。在氧化矽膜84上形成字線2〇。在字線2〇上形 成層間絕緣膜85。在層間絕緣膜85上之位於元件分離區域 5 0a〜50ι之上之區域,分別形成位元線3〇a〜3〇i,位元線 3 0a〜30ι之材料可以使用鋁—矽-銅(A1_Si-Cu)合金膜。 在位元線間形成層間絕緣膜8 6。 圖6是圖3中之線D-D之剖面圖。 參照圖6,從半導體基板8 〇之主表面起到指定深度之區 第11頁 C: \2D-C0DE\91-11\91122366.ptd 558834
域二形成有P#81。另外,在半導體基板 元件分離區域50a〜5〇i,成a隔„ 6 y ^ A ^ ^ Γ 成為隔開指定之間隔。在半導體 m 開指定間隔之元件分離區域5〇a、 50b、_、5〇f、5Gh、5()i。在半導體基板8()之主表面, 於兀件分離區域5〇a和50b之間,形成n型擴散區域4〇c。同 樣的,在-兀件分離區域50b和5〇d之間形成η型擴散區域 40f。在元件分離區域50d和5〇f之間形成η型擴散區域 40g。在元件分離區域50f和50h之間形成11型擴散區域 40h,在元件分離區域50h和50i之間形成11型擴散區域 4 0 i。 ’、
在半導體基板8 0之主表面上形成層間絕緣膜8 5。在層間 絕緣膜85上,與圖5同樣的,形成位元線3〇a〜3〇i成為隔 開4曰疋之間隔。在各個位元線間形成層間絕緣膜8 6。 在位於η型擴散區域4〇c、40f〜4〇i之上之區域,經由部 份的除去層間絕緣膜8 5之一部份,用來形成接觸孔β 〇 ^〜 6 0 e。在忒接觸孔6 〇 a〜6 〇 e之底部,使^型擴散區域4 〇 c、 40f〜40i之表面露出。位元線3〇a、3〇c、30e、30g、30i
延伸到接觸孔60a〜60e之底部,分別與n型擴散區域4〇c、 40f〜40i連接。 下面說明具有上述構造之非揮發性半導體記憶裝置之製 造步驟。 圖7〜1 3是剖面概略圖,用來說明本發明之非揮發性半 導體記憶裝置之製造步驟。另外,圖7〜9和圖11A、圖 12A、圖13A、圖14A表示圖3中之區域100内之線C-C之剖面
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C:\2D-OODE\91-ll\9ll22366.ptd 第12頁 558834 五、發明說明(9) 概略圖,圖11B、圖12B、圖13B、圖14B表示圖3中之區域 1 0 0内之線D - D之剖面概略圖。 一參照圖7,在p型矽基板之半導體基板8〇之主表面,形成 元件为離區域5〇a、50b、50c。元件分離區域5〇a、50b、 5 0 c由溝道組合形成。 其次,將硼植入到半導體基板80。利用此種方式形成 8所示之p#81。 其次,如圖9所示,使用熱氧化法在半導體基板8〇之主 表:面亡形成氧化矽膜82。其次在氧化矽膜82上形成氮化膜 83。虱化膜83使用減壓CVD法(Chemical Vap〇r
Deposit ion)形成。然後在氮化膜83上形成氧化矽膜84。 曰0戶:示’在氧化石夕膜84上形成字線。字線 20之材貝疋夕日日矽,使用減壓CVD法形成。 其次,使用光刻法在字線20上形成具有指定之圖案之抗 蝕劑膜1 1 0。其結果是抗蝕劑膜丨丨〇 〃 中二100内之,c之剖面(以下稱: 在子線2 0上。但是,如圖1 1 r张一 在圖3中之區域m内之:DD = “劑膜110不會形成 使用該抗㈣膜η。作=:… 結果如圖】2B所示,在^為^面罩,=n的除去字線。其 面,如圖m所示,Γ為,除去。另外一方 南J#110,所以c-c/l 之字線20上形成有抗蝕 Μ膜11U所以C C剖面之字線2〇不會被 然後,部份的除去氧仆功腺β 1 ^ ·、 82。其、结果如圖13Β所示,在D D j而化膜83和氧化石夕膜 坏不,在D-D剖面,氧化矽膜84、氮化 C: \2D-OODE\91-11\91122366.ptd 第13頁 五、發明說明(10) 膜83和氧化石夕膜82被徐去。另外 在C-C剖面,牢綠巧儿 方面’如圖13A所不, 膜82因A 4 -、,乳化矽膜84,氮化膜83,和氧化矽 膜文剩’所以保持原樣的殘留。 能疋:己憶單元陣列成為將多個字線2。排列成列之狀 心之π以露:::字r存在之區域,,導體基板 其次,斜π Γ ^狀九、。然後,除去抗蝕劑膜11 0。 於i板8 0之^ ί憶單&陣列内之未存在有字線2 G之使半導 2;?,表面露出之區域,植入钟離子。缺後,將半 用該處理使坤離i;::度】=:衰境中進行熱處理。利 面之半導體基板8〇之主表面丑:、=果】如圖13B所示’在D — D剖 J- ^ ^ 主表面形成η型擴散區域40c。 8。二表ίΐ憶單元陣列内之多個字線2。上和半導體基板 rvn、+广、上’形成層間絕緣膜85。層間絕緣膜85使用 逆膜硬^化成栋然後對半導體基板8〇進行熱處理用來層間絕 進行姓列丁JL姓以该抗蝕劑膜作為遮罩,對層間絕緣膜85 除::::/=示,广面之 1 4 A % - ^ r η末形成接觸孔6 0。另外一方面,如圖 抗餘劑膜。°,j面’層間絕緣膜85未被姓刻。然後除去 ς H i ί用濺散法形成作為導電體膜之鋁-矽-銅(A卜 二5U之:邻ΐ面?其從接觸孔6°a之内部延伸到層間絕緣 有配魂圖i ^ f 。利用平版印刷法在該合金膜上形成具 •、" 几生劑膜(圖中未顯示)。以該抗蝕劑膜作為
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遮罩’部份的㈣和除去該合金膜。其結果是形成排列 =之位元線3〇a:3〇c。然後,在被敍刻除去合金膜之區 剖 域’形成層間絕緣膜8 6。利用此藉古斗说…
二3 π η ^ ^ …用此種方式獲得圖15Α之C-C 面,和圖1 5Β之D-D剖面所示之構造。 [實施形態2 ] 導體記憶裝置中,構建 單元用來進行2個位元之 在實施形態1所示之非揮發性半 成可以使用氮化膜83以1個之記憶 記憶。
:此相同的,使用含有多個多晶矽微細體之氧化矽膜 =個非揮發性記憶單元之電荷儲存層肖,與氮化膜同 樣的’可以進行2個位元之記憶。使用含有多晶石夕微細體 Ϊ H作為電荷儲存層之非揮發性記憶單元見於美屋 專利案第6011725號之報告。 从Ϊ 1道6 :布置圖’用來表示本發明之實施形態2之非揮發 性半導體記憶裝置之記憶單元陣列之構造。 省布置圖因為與實施形態1相同,所以不再重複其說 日月0 〆、口 圖17是圖16中之線Ε-Ε之剖面概略圖。
麥照圖17,當與圖4比較時,其不同部份是在氧化矽膜 82a〜82d上形成含有多晶矽微細體之氧化矽膜ll3a〜、 \13ά,、用來代替氮化膜83a〜83d。氧化矽膜113&在11型擴 政區f40a側和n型擴散區域4〇b側分別具有記憶區域。其 結果是可以利用1個記憶單元用來進行2位元記憶。同樣、 的氧化砂膜11 3 b〜11 3 d分別具有2個之記憶區域。
558834 五、發明說明(12) 其他之構造因為與圖4相同,所以其說明不再重複。 其結果是使用含有多個多晶矽微細體之氧化矽膜,作為 1個之非揮發性記憶單元之電荷儲存層,亦可以製造與實 施形態1同樣之構造之非揮發性半導體記憶裝置。 [元件編號之說明] 1、 2 0 字線 2、 3 0 位元線 1 1、12、14、82、84 氧化矽膜 13、8 3 氮化膜 40 η型擴散區域 50 元件分離區域 60 接觸孔 80 半導體基板 81 p# 8 5、8 6 層間絕緣膜 110 抗蝕劑膜
C:\2D-CODE\91-ll\91122366.ptd 第16頁 558834 圖式簡單說明 圖1是電路圖,用央矣 半導體記憶裝置之記:二發明之實施形態之 ,A〜2D是概略圖:列;,構造之詳細部份。 之眘粗夕宜X > 用末表不對非揮發性記憶單元進行 之貝料之寫入動作和讀出動作。 圖3是布置圖,用炎矣-丄 半導俨表不本發明之實施形態之非揮發性 牛¥體5己憶裝置之記憶單元陣列之構造。 圖4是圖3中之線B-B之剖面概略圖。 圖5是圖3中之線C-C之剖面概略圖。 圖6是圖3中之線D-D之剖面概略圖。
Ht f 7道至-圖1〇疋剖面概略圖,用來說明實施形態1之非揮發 性+導體記憶裝置之製造過程之第1至第4步驟。 圖11A及11B是剖面概略圖,用來說明實施形態丨之非揮 發性半導體記憶裝置之製造過程之第5步驟。 圖12A及12B是剖面概略圖,用來說明實施形態1之非揮 發性半導體記憶裝置之製造過程之第6步驟。 圖1 3A及1 3B是剖面概略圖,用來說明實施形態i之非揮 發性半導體記憶裝置之製造過程之第7步驟。 圖1 4A及1 4B是剖面概略圖,用來說明實施形態1之非揮 發性半導體記憶裝置之製造過程之第8步驟。 圖1 5A及1 5B是剖面概略圖,用來說明實施形態1之非揮 發性半導體記憶裝置之製造過程之第9步驟。 圖1 6是布置圖’用來表示實施形態2之非揮發性半導體 5己憶裝置之記憶早元陣列之構造。 圖1 7疋圖1 6中之線E - E之剖面概略圖。
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- 558834 六、申請專利範圍 1: 一種非揮發性半導體記憶裝置,其特徵是包含有: 第1導電型之半導體基板,具有主表面; 第2導電型之多個導電區域,形成在上述之半導體基板 之主表面; 多個絕緣區域,形成在上述之半導體基板之主表面,與 上述之多個導電區域交替的配置; 第1^邑緣膜’形成在上述之半導體基板之主表面上; 電何記憶膜,形成在上述之第丨絕緣膜上,具有多個記 憶區域; 第2絕緣膜,形成在上述之電荷記憶膜上;和 >多個導電線,形成在上述之第2絕緣膜上。 ^如申請專利範圍第1項之非揮發性半導體記憶裝置 記憶裝置更包含有多個位元線 之上層,連接到上述之導電區 上述之非揮發性半導體 形成在上述之多個導電線 域〇 其3中非揮發性半導體記憶裝置, 4.如Ψ往id μ 、、友排列成與上述之多個位元線交叉。 上述之多二邑缘f ^第3項之非揮發性半導體記憶裝置, 5 成與上述之多個位元線平行。 其中上述之電荷^ 項之非揮發性半導體記憶裝置, 电何。己憶膜為氮化膜。 立中範園第3項之非揮發性半導體記情裝置, …述之電荷記憶膜由含有多個多晶:部體之=置物形558834 六、申請專利範圍 成。 7· #中請專利範圍第2項之非揮發性半導體記憶裝置, 其中上述之多個位元線以金屬形成。 8· —種非揮發性半導體記憶裝置,包含有記憶單元陣 列,其特徵是: 上述之記憶單元陣列包含有: 第1導電型之半導體基板,具有主表面; 多個導電線,排列成列; 多個位元線,形成在上述之多個導電線之上層, 行;和 X 多個非揮發性記憶單元,被配置成為與上述之導電線和 上述之位元線之交點對應; 上述之多個非揮發性記憶單元之各個包含有: 第2導電型之2個導電區域,形成在上述半導體基板之主 表面,分別被配置成為包夾對應之導電線,分別連接到上 述互相連接之2根位元線中之對應之位元線; 第1絕緣膜,形成在上述半導體基板之主表面上 個導電區域之間; 電荷圯憶膜,形成在上述之第丨絕緣膜上;和 第2絕緣膜,形成在上述之電荷記憶膜上。 9·如申請專利範圍第8項之非揮發性半導體記憶裝 其中 上述之非揮發性半導體記憶裝置更包含有多個絕緣區 域,排列成行’排列在上述多個非揮發性記憶單元之間。六 申請專利範圍 •如申睛專利範 /、中上述之電荷弟9項之非揮發性半導體記憶裝f, 域。 D思膜包含有被分離成為2個之記情 , 1¾ [σρ 11 ·如申令青專 其中上述^導電=第9項之非揮發性半導體記憶裝置, 和讀出動作時成為相成反之。電位之而低關係、,在寫人動作時 置,1中申上。月十專利範圍第11項之非揮發性半導體記恢妒 1 3.如申过哀^丨非揮發性記憶單元記憶2位元之資料。〜 置,1中/、十利範圍第11項之非揮發性半導體記憶裝 j ^ ^迷之電荷記憶膜為氮化膜。 置,盆如/晴專利範圍第1 1項之非揮發性半導體記憶裝 物形i。i述之電荷記憶膜由含有多個多晶矽部之氧化矽
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