JP2008112898A - Nonvolatile semiconductor memory device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
【課題】電荷移動によるデータ状態の変化を防止し、且つ、微細化を実現できる電荷トラップ型の不揮発性半導体記憶装置を提供する。
【解決手段】メモリトランジスタ50は、半導体基板1におけるチャネル領域の中央部の上に順次積層されて形成された中央部ゲート絶縁膜11及び下部ゲート電極5からなる第1ゲート構造体51と、半導体基板1におけるチャネル領域の一端部の上で且つ第1ゲート構造体51の一側面上に順次積層されて形成された電荷トラップ膜4及び側壁ゲート電極12からなる第2ゲート構造体52と、半導体基板1におけるチャネル領域の他端部の上で且つ第1ゲート構造体51の他側面上に順次積層されて形成された電荷トラップ膜4及び側壁ゲート電極12からなる第3ゲート構造体53とを有している。中央部ゲート絶縁膜11は電荷トラップ性を有さず、電荷トラップ膜4は電荷トラップ性を有する。
【選択図】図2There is provided a charge trap type nonvolatile semiconductor memory device capable of preventing change in data state due to charge transfer and realizing miniaturization.
A memory transistor includes a first gate structure including a central gate insulating film and a lower gate electrode, which are sequentially stacked on a central portion of a channel region in a semiconductor substrate, and a semiconductor. A second gate structure 52 comprising a charge trap film 4 and a sidewall gate electrode 12 which are sequentially stacked on one end of a channel region in the substrate 1 and on one side surface of the first gate structure 51; and a semiconductor A third gate structure 53 composed of the charge trap film 4 and the sidewall gate electrode 12 formed on the other end of the channel region in the substrate 1 and sequentially stacked on the other side surface of the first gate structure 51; Have. The central gate insulating film 11 does not have charge trapping properties, and the charge trapping film 4 has charge trapping properties.
[Selection] Figure 2
Description
本発明は、不揮発性半導体記憶装置及びその製造方法、特に電荷トラップ膜を有する不揮発性半導体記憶装置及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a nonvolatile semiconductor memory device having a charge trap film and a manufacturing method thereof.
近年、不揮発性半導体記憶装置の高集積化及び低コスト化に伴い、バーチャルグラウンド型アレイを有し、電荷をゲート絶縁膜に局所的にトラップさせるMONOS(metal oxide nitride oxide semiconductor)型の不揮発性メモリ技術が注目されている。 In recent years, with high integration and low cost of non-volatile semiconductor memory devices, a MONOS (metal oxide nitride oxide semiconductor) type non-volatile memory having a virtual ground type array and locally trapping charges in a gate insulating film Technology is drawing attention.
以下、従来の局所トラップ型不揮発性半導体記憶装置及びその製造方法について図面を参照しながら説明する。 A conventional local trap type nonvolatile semiconductor memory device and a manufacturing method thereof will be described below with reference to the drawings.
まず、第1の従来例について図11〜図14を用いて説明する(例えば、特許文献1を参照。)。 First, a first conventional example will be described with reference to FIGS. 11 to 14 (see, for example, Patent Document 1).
図11は第1の従来例に係るメモリセルアレイの平面構成を示している。図11に示すように、半導体基板101の上部には、例えば、複数の拡散層ビット線102が列方向に形成され、半導体基板101の上には、複数のワード線電極103が行方向に形成されている。ここで、ワード線電極103はワード線として機能する。また、各メモリトランジスタは、1対の拡散層ビット線102に挟まれたワード線電極103の下方に形成される。
FIG. 11 shows a planar configuration of a memory cell array according to the first conventional example. As shown in FIG. 11, for example, a plurality of diffusion
図12(a)は図11のXIIa−XIIa線における断面構成を示している。図12(a)に示すように、半導体基板101の上部には、列方向に延伸する複数の拡散層ビット線102が互いに間隔をおいて形成されている。半導体基板101上の拡散層ビット線102同士に挟まれた領域には、ONO膜又は微細なシリコンからなる粒子を含むシリコン酸化膜である電荷トラップ膜104が形成されている。各電荷トラップ膜104の上には下部ゲート電極105が形成され、下部ゲート電極105同士の間には上面が下部ゲート電極105の上面と揃うように平坦化された埋め込み絶縁膜106が形成されている。また、下部ゲート電極105と埋め込み絶縁膜106との上には、行方向に延伸するワード線電極103が形成されている。ここで、ONO膜はシリコン酸化膜の間にシリコン窒化膜が挟まれてなる積層膜をいう。
FIG. 12A shows a cross-sectional configuration taken along line XIIa-XIIa in FIG. As shown in FIG. 12A, a plurality of diffusion
図12(b)、図12(c)及び図12(d)は、それぞれ図11のXIIb−XIIb線、XIIc−XIIc線及びXIId−XIId線における断面構成を示している。 FIGS. 12B, 12C, and 12D show cross-sectional structures taken along lines XIIb-XIIb, XIIc-XIIc, and XIId-XIId in FIG. 11, respectively.
以下、図11のXIIa−XIIa線における断面を用いて第1の従来例の製造方法を説明する。 Hereinafter, the manufacturing method of the first conventional example will be described using a cross section taken along line XIIa-XIIa in FIG.
まず、図13(a)に示すように、半導体基板101の主面上に、絶縁膜104A及び第1の導電膜105Aを順次堆積する。
First, as shown in FIG. 13A, an
次に、図13(b)に示すように、下部ゲート加工マスクを用いて、第1の導電膜105A及び絶縁膜104Aに対して順次選択的にエッチングを行なって、第1の導電膜105Aから下部ゲート電極105を形成し、絶縁膜104Aから電荷トラップ膜104を形成する。続いて、イオン注入法により、下部ゲート加工マスクを用いて開口部から半導体基板101に、例えばn型ドーパントをイオン注入することにより、半導体基板101の上部に拡散層ビット線102を形成する。その後、下部ゲート加工マスクを除去する。
Next, as shown in FIG. 13B, the first
次に、図13(c)に示すように、埋め込み絶縁膜6を半導体基板101の上に下部ゲート電極105を覆う共に、互いに隣接する下部ゲート電極105同士の間の領域を埋め込むように堆積する。
Next, as shown in FIG. 13C, the buried
次に、図14(a)に示すように、化学機械研磨(CMP)法又はエッチバック法等により、埋め込み絶縁膜6に対して下部ゲート電極105が露出するまで平坦化する。
Next, as shown in FIG. 14A, the buried
次に、図14(b)に示すように、下部ゲート電極105及び埋め込み絶縁膜106の上に、第2の導電膜103Aを堆積する。その後、堆積した第2の導電膜103A及び下部ゲート電極105をワード線加工マスクを用いてパターニングすることにより、図12(a)に示すように、第2の導電膜103Aからワード線電極103を形成する。このとき、各下部ゲート電極105は、半導体基板101におけるビット線拡散層102同士の間の領域上で且つワード線電極103の下側の領域に島状に形成される。その後は、配線工程等に移る。
Next, as illustrated in FIG. 14B, a second
このように、第1の従来例においては、列方向に延伸し且つ互いに隣接する拡散層ビット線102をソース及びドレインとし、互いに隣接する拡散層ビット線102同士の間に位置する、ほぼ均一の膜厚を有する電荷トラップ膜104をゲート絶縁膜とし、下部ゲート電極105をゲート電極とするメモリトランジスタを、行方向に延伸するワード線電極103により接続することによりメモリアレイを形成している。
As described above, in the first conventional example, the diffusion
次に、第1の従来例に係る不揮発性半導体記憶装置の基本動作を図面に基づいて説明する。 Next, the basic operation of the nonvolatile semiconductor memory device according to the first conventional example will be described with reference to the drawings.
まず、図15に第1の書き込み動作を示す。図15においては、図中の右側に位置するメモリトランジスタにおける電荷トラップ膜104の左側端部に電子を注入している。具体的には、ワード線電極103に9Vの電圧を印加し、左側に位置する拡散層ビット線102をオープン(開放)状態とし、中央に位置する拡散層ビット線102に5Vの電圧を印加し、右側の拡散層ビット線102及び半導体基板101に0Vの電圧を印加する。これにより、右側に位置する拡散層ビット線102から中央の拡散層ビット線102に電子が流れ、中央の拡散層ビット線2の右側端部付近で電子がホットエレクトロン化する。これにより、右側のメモリトランジスタの電荷トラップ膜104の左側端部に電子を注入することができる。
First, FIG. 15 shows a first write operation. In FIG. 15, electrons are injected into the left end portion of the
次に、第2の書き込み動作であって、図16の右側に位置するメモリトランジスタにおける電荷トラップ膜104の右側端部に電子を注入する場合を示す。図15と異なるのは、中央の拡散層ビット線102に0Vを印加し、右側の拡散層ビット線102に5Vを印加する点である。
Next, a case of injecting electrons into the right end portion of the
次に、図17に消去動作を示す。図17に示すように、消去動作は、右側のメモリトランジスタにおける電荷トラップ膜104の左側端部にホールを注入し、既に注入されている電子の電荷を中和することにより行なう。具体的には、ワード線電極103に−7Vの電圧を印加し、左右の拡散層ビット線102をオープン状態とし、中央の拡散層ビット線102に5Vの電圧を印加し、半導体基板101に0Vの電圧を印加する。これにより、中央の拡散層ビット線102に左右でバンド−バンド間トンネル電流によりホールが発生して、中央の拡散層ビット線102の右側端部付近でホットホール化する。これにより、右側に位置するメモリトランジスタにおける電荷トラップ膜104の左側端部にホールを注入することができる。
Next, FIG. 17 shows an erase operation. As shown in FIG. 17, the erasing operation is performed by injecting holes into the left end portion of the
次に、図18に読み出し動作を示す。図18は、読み出し動作として、右側のメモリトランジスタにおける電荷トラップ膜104の右側端部の状態を読み出す場合を示している。具体的には、ワード線電極103に5Vの電圧を印加し、左側の拡散層ビット線102をオープン状態とし、中央の拡散層ビット線102に1Vの電圧を印加し、右側の拡散層ビット線102に0Vの電圧を印加し、半導体基板101に0Vの電圧を印加する。これにより、電荷トラップ膜104の右側端部に電子が蓄積されている場合には電流が流れず、逆に電荷トラップ膜104の右側端部に電子とホールとが蓄積されている場合には電流が流れる。このようにして、右側に位置するメモリトランジスタにおける電荷トラップ膜104の右側端部の電荷の蓄積状態を読み出すことができる。
Next, FIG. 18 shows a read operation. FIG. 18 shows a case where the state of the right end portion of the
しかしながら、第1の従来例に係る不揮発性半導体記憶装置は、以上に説明した各動作を行なう場合に、図19に示すように、メモリトランジスタにおける電荷トラップ膜104の左側端部及び右側端部にそれぞれ注入された電子とホールとが、電荷トラップ膜104の内部を移動して電荷の状態が変化してしまう場合がある。特に、ホールは電子に比べて移動しやすく、この現象が顕著に現われる。
However, in the nonvolatile semiconductor memory device according to the first conventional example, when each operation described above is performed, as shown in FIG. 19, the nonvolatile semiconductor memory device is provided at the left end portion and the right end portion of the
このような第1の従来例に係る問題を解決するために、以下に示す第2の従来例が提案されている(例えば、特許文献2を参照。)。 In order to solve such a problem related to the first conventional example, a second conventional example shown below has been proposed (see, for example, Patent Document 2).
以下、第2の従来例について図20を用いて説明する。 Hereinafter, the second conventional example will be described with reference to FIG.
図20に示すように、半導体基板101の上部に、複数の拡散層ビット線102が互いに間隔をおいて形成され、半導体基板101上における各拡散層ビット線102に挟まれた領域には、電荷トラップ性を有さず且つ断面U字状の中央部ゲート絶縁膜111が形成され、該中央部ゲート絶縁膜111の両側には電荷トラップ膜104がそれぞれ形成されている。
As shown in FIG. 20, a plurality of diffusion
中央部ゲート絶縁膜111の内側には下部ゲート電極105が形成され、中央部ゲート絶縁膜111の外側で且つ電荷トラップ膜104の上側には側壁ゲート電極112が形成されている。下部ゲート電極105と側壁ゲート電極112とは、その上部でワード線電極103と電気的に接続されている。
A
なお、第2の従来例の場合は、メモリセルアレイはドレインコンタクトを用いる通常のNOR型アレイを想定している。 In the case of the second conventional example, the memory cell array is assumed to be a normal NOR type array using drain contacts.
このように、第2の従来例の場合は、メモリトランジスタの下部に形成された電荷トラップ膜104が断面U字状の中央部ゲート絶縁膜111によって左右に分割されているため、電子又はホールの移動による電荷状態の変化が生じにくい。また、中央部ゲート絶縁膜111を電荷トラップ膜104よりも薄膜化できるため、より微細なトランジスタを構成することができる。
しかしながら、前記第2の従来例に係る不揮発性半導体記憶装置は、製造方法が複雑であり、また、第1の従来例に係る不揮発性半導体記憶装置のアレイ構造のようにユニットセルサイズの縮小に適したバーチャルグラウンド型アレイ構造ではなく、ユニットセル当たり約0.5個のコンタクトを必要とするNOR型アレイ構造であるため、実用性に乏しいという問題がある。 However, the nonvolatile semiconductor memory device according to the second conventional example has a complicated manufacturing method, and the unit cell size can be reduced as in the array structure of the nonvolatile semiconductor memory device according to the first conventional example. Since this is not a suitable virtual ground type array structure but a NOR type array structure that requires about 0.5 contacts per unit cell, there is a problem that it is not practical.
本発明は、前記従来の問題に鑑み、電荷移動によるデータ状態の変化を防止し、且つ半導体記憶装置の微細化を実現できるようにすることを目的とする。 In view of the above-described conventional problems, an object of the present invention is to prevent a change in data state due to charge transfer and to realize miniaturization of a semiconductor memory device.
前記の目的を達成するため、本発明は、不揮発性半導体記憶装置を、側壁ゲート電極が下部ゲート電極の側面上にサイドウォール状に形成される構成とする。 In order to achieve the above object, according to the present invention, a nonvolatile semiconductor memory device has a configuration in which a sidewall gate electrode is formed in a sidewall shape on a side surface of a lower gate electrode.
具体的に、本発明に係る不揮発性半導体記憶装置は、それぞれが半導体基板に行列状に配置され、ゲート電極、ソース拡散層、ドレイン拡散層及び半導体基板におけるゲート電極の下側に形成されるチャネル領域を有する複数のメモリトランジスタと、複数のメモリトランジスタのうち、行方向に並ぶメモリトランジスタのゲート電極を共通に接続して延びる複数のワード線と、複数のメモリトランジスタのうち、列方向に並ぶメモリトランジスタのソース拡散層又はドレイン拡散層を共通に接続して延びるビット線とを備え、各メモリトランジスタは、半導体基板におけるチャネル領域の中央部の上に順次積層されて形成された第1ゲート絶縁膜及び第1ゲート電極からなる第1ゲート構造体と、半導体基板におけるチャネル領域の一端部の上に順次積層されて形成された第2ゲート絶縁膜及び第2ゲート電極からなる第2ゲート構造体と、半導体基板におけるチャネル領域の他端部の上に順次積層されて形成された第3ゲート絶縁膜及び第3ゲート電極からなる第3ゲート構造体とを有し、ワード線は、第1ゲート電極、第2ゲート電極及び第3ゲート電極と共通に接続されてワード線電極を構成し、第1ゲート絶縁膜は、電荷トラップ性を有さない第1の絶縁膜からなり、第2ゲート絶縁膜及び第3ゲート絶縁膜は、電荷トラップ性を有する第2の絶縁膜を含むことを特徴とする。 Specifically, the non-volatile semiconductor memory device according to the present invention includes a gate electrode, a source diffusion layer, a drain diffusion layer, and a channel formed below the gate electrode in the semiconductor substrate, each arranged in a matrix on the semiconductor substrate. A plurality of memory transistors having a region, a plurality of word lines extending by connecting gate electrodes of memory transistors arranged in the row direction among the plurality of memory transistors, and a memory arranged in the column direction among the plurality of memory transistors And a bit line extending in common with the source diffusion layer or the drain diffusion layer of the transistors, and each memory transistor is formed by sequentially stacking on the central portion of the channel region in the semiconductor substrate. And a first gate structure comprising the first gate electrode and one end of the channel region in the semiconductor substrate A second gate structure composed of a second gate insulating film and a second gate electrode, which are sequentially stacked on top of each other, and a third gate formed by sequentially stacking on the other end of the channel region in the semiconductor substrate A third gate structure including an insulating film and a third gate electrode, and the word line is commonly connected to the first gate electrode, the second gate electrode, and the third gate electrode to form a word line electrode; The first gate insulating film is made of a first insulating film having no charge trapping property, and the second gate insulating film and the third gate insulating film include a second insulating film having a charge trapping property. And
本発明の不揮発性半導体記憶装置によると、第1ゲート構造体の両側に形成された、トラップ性を有する第2の絶縁膜(第2ゲート絶縁膜及び第3ゲート絶縁膜)は、トラップ性を有さない第1の絶縁膜(第1ゲート絶縁膜)を含む第1ゲート構造体の両側面上に形成されている。このため、第2ゲート構造体と第3ゲート構造体とが第1ゲート構造体により電気的に絶縁されるため、電荷の移動が防止されるので、データ保持特性が良好となる。その上、電荷トラップ膜(第2の絶縁膜)並びに第2及び第3ゲート電極をサイドウォール法等の、従来の半導体製造プロセスで形成できるため、容易に製造することが可能となる。 According to the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention, the second insulating film having the trapping property (the second gate insulating film and the third gate insulating film) formed on both sides of the first gate structure has the trapping property. It is formed on both side surfaces of the first gate structure including the first insulating film (first gate insulating film) that does not have. For this reason, since the second gate structure and the third gate structure are electrically insulated by the first gate structure, the movement of electric charges is prevented, so that the data retention characteristic is improved. In addition, since the charge trapping film (second insulating film) and the second and third gate electrodes can be formed by a conventional semiconductor manufacturing process such as a sidewall method, it can be easily manufactured.
本発明の不揮発性半導体記憶装置において、第2ゲート構造体における第2ゲート絶縁膜及び第2ゲート電極は、チャネル領域の一端部の上で且つ第1ゲート構造体の一の側面上に積層されて形成されており、第3ゲート構造体における第3ゲート絶縁膜及び第3ゲート電極は、チャネル領域の他端部の上で且つ第1ゲート構造体の他の側面上に積層されて形成されていることが好ましい。 In the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention, the second gate insulating film and the second gate electrode in the second gate structure are stacked on one end of the channel region and on one side surface of the first gate structure. The third gate insulating film and the third gate electrode in the third gate structure are formed by being stacked on the other end of the channel region and on the other side surface of the first gate structure. It is preferable.
本発明の不揮発性半導体記憶装置において、ワード線の延伸方向における第2ゲート電極とワード線電極とが接触する長さ及びワード線の延伸方向における第3ゲート電極とワード線電極とが接触する長さは、ワード線の延伸方向における第2ゲート電極及び第3ゲート電極の各下端部における長さの2分の1以上であることが好ましい。 In the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention, the length of contact between the second gate electrode and the word line electrode in the word line extending direction and the length of contact between the third gate electrode and the word line electrode in the word line extending direction. The length is preferably at least half of the length of each lower end portion of the second gate electrode and the third gate electrode in the extending direction of the word line.
本発明の不揮発性半導体記憶装置において、第2の絶縁膜は、半導体基板側から順次形成されたシリコン酸化膜、シリコン窒化膜及びシリコン酸化膜を含む積層構造を有していることが好ましい。 In the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention, the second insulating film preferably has a stacked structure including a silicon oxide film, a silicon nitride film, and a silicon oxide film that are sequentially formed from the semiconductor substrate side.
本発明の不揮発性半導体記憶装置において、第2の絶縁膜は、シリコンからなる粒子と該粒子が混入されたシリコン酸化膜とを含むことが好ましい。 In the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention, the second insulating film preferably includes particles made of silicon and a silicon oxide film mixed with the particles.
本発明の不揮発性半導体記憶装置において、ソース拡散層及びドレイン拡散層のうちの一方は半導体基板における第2ゲート構造体の第1ゲート構造体と反対側の領域に形成され、ソース拡散層及びドレイン拡散層のうちの他方は半導体基板における第3ゲート構造体の第1ゲート構造体と反対側の領域に形成されていることが好ましい。 In the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention, one of the source diffusion layer and the drain diffusion layer is formed in a region of the semiconductor substrate on the side opposite to the first gate structure, and the source diffusion layer and the drain are formed. The other of the diffusion layers is preferably formed in a region of the semiconductor substrate opposite to the first gate structure of the third gate structure.
本発明の第1の不揮発性半導体記憶装置の製造方法は、半導体基板の上に行列状に配置された複数のメモリトランジスタと、該複数のメモリトランジスタのうち、行方向に並ぶメモリトランジスタのゲート電極同士を共通に接続して延びる複数のワード線と、列方向に並ぶメモリトランジスタのソース拡散層又はドレイン拡散層を共通に接続して延びる複数のビット線とを備えた不揮発性半導体記憶装置の製造方法を対象とし、半導体基板の上に、電荷トラップ性を有さない第1の絶縁膜、及び第1の導電膜を順次形成する工程(a)と、第1の導電膜及び第1の絶縁膜を選択的にエッチングすることにより、各メモリトランジスタのチャネル領域の中央部の上に第1の絶縁膜から第1ゲート絶縁膜を形成すると共に第1の導電膜から第1ゲート電極を形成し、形成した第1ゲート絶縁膜及び第1ゲート電極から第1ゲート構造体を形成する工程(b)と、半導体基板の上に第1ゲート構造体の上面及び側面を覆うように、電荷トラップ性を有する第2の絶縁膜、及び第2の導電膜を順次形成する工程(c)と、第2の導電膜及び第2の絶縁膜を選択的に且つ異方的にエッチングすることにより、第1ゲート構造体におけるチャネル領域のチャネル長方向の両側面上にそれぞれ、第2の絶縁膜から第2ゲート絶縁膜及び第3ゲート絶縁膜を形成すると共に第2の導電膜から第2ゲート電極及び第3ゲート電極を形成し、形成した第2ゲート絶縁膜及び第2ゲート電極から第2ゲート構造体並びに第3ゲート絶縁膜及び第3ゲート電極から第3ゲート構造体を形成する工程(d)と、半導体基板における第1ゲート構造体に対する第2ゲート構造体の外側及び第3ゲート構造体の外側にそれぞれビット線となるソース拡散層及びドレイン拡散層を形成する工程(e)と、半導体基板の上に第1ゲート構造体、第2ゲート構造体及び第3ゲート構造体の上を覆うと共に、互いに隣接するメモリトランジスタ同士の間を埋め込む埋め込み絶縁膜を形成する工程(f)と、形成した埋め込み絶縁膜の上部をエッチングすることにより、第1ゲート電極、第2ゲート電極及び第3ゲート電極を露出すると共に、互いに隣接するメモリトランジスタ同士の間に埋め込み絶縁膜を残存させる工程(g)と、露出した第1ゲート電極、第2ゲート電極及び第3ゲート電極の上部と接触するように、半導体基板の上に第3の導電膜を形成する工程(h)と、第3の導電膜を選択的にエッチングすることにより、第3の導電膜からワード線電極を形成する工程(I)とを備えていることを特徴とする。 A first non-volatile semiconductor memory device manufacturing method according to the present invention includes a plurality of memory transistors arranged in a matrix on a semiconductor substrate, and a gate electrode of memory transistors arranged in a row direction among the plurality of memory transistors. Manufacturing of non-volatile semiconductor memory device having a plurality of word lines extending commonly connected to each other and a plurality of bit lines extending commonly connecting source diffusion layers or drain diffusion layers of memory transistors arranged in the column direction (A) sequentially forming a first insulating film having no charge trapping property and a first conductive film on a semiconductor substrate, and the first conductive film and the first insulation. By selectively etching the film, the first gate insulating film is formed from the first insulating film on the central portion of the channel region of each memory transistor, and the first gate film is formed from the first conductive film. Forming a first electrode, forming a first gate structure from the formed first gate insulating film and the first gate electrode, and covering the upper surface and side surfaces of the first gate structure on the semiconductor substrate. And (c) sequentially forming a second insulating film having a charge trapping property and a second conductive film, and selectively and anisotropically etching the second conductive film and the second insulating film. Thus, the second gate insulating film and the third gate insulating film are formed from the second insulating film on both side surfaces in the channel length direction of the channel region in the first gate structure, respectively, and from the second conductive film. A second gate electrode and a third gate electrode are formed, a second gate structure is formed from the formed second gate insulating film and the second gate electrode, and a third gate structure is formed from the third gate insulating film and the third gate electrode. Step (d), and A step (e) of forming a source diffusion layer and a drain diffusion layer to be bit lines on the outer side of the second gate structure and the third gate structure with respect to the first gate structure on the conductor substrate, respectively; (F) forming a buried insulating film that covers the first gate structure, the second gate structure, and the third gate structure and that embeds between adjacent memory transistors, and the formed buried insulation. Etching the upper portion of the film to expose the first gate electrode, the second gate electrode, and the third gate electrode, and leaving a buried insulating film between adjacent memory transistors; A process of forming a third conductive film on the semiconductor substrate so as to be in contact with the upper portions of the first gate electrode, the second gate electrode, and the third gate electrode. (H) and a step (I) of forming a word line electrode from the third conductive film by selectively etching the third conductive film.
本発明に係る第2の不揮発性半導体記憶装置の製造方法は、半導体基板の上に行列状に配置された複数のメモリトランジスタと、該複数のメモリトランジスタのうち、行方向に並ぶメモリトランジスタのゲート電極同士を共通に接続して延びる複数のワード線と、列方向に並ぶメモリトランジスタのソース拡散層又はドレイン拡散層を共通に接続して延びる複数のビット線とを備えた不揮発性半導体記憶装置の製造方法を対象とし、半導体基板の上に、電荷トラップ性を有さない第1の絶縁膜、第1の導電膜及びエッチングストッパ膜を順次形成する工程(a)と、エッチングストッパ膜、第1の導電膜及び第1の絶縁膜を選択的にエッチングすることにより、各メモリトランジスタのチャネル領域の中央部の上に第1の絶縁膜から第1ゲート絶縁膜を形成すると共に第1の導電膜から第1ゲート電極を形成し、形成したエッチングストッパ膜、第1ゲート絶縁膜及び第1ゲート電極から第1ゲート構造体を形成する工程(b)と、半導体基板の上に第1ゲート構造体の上面及び側面を覆うように、電荷トラップ性を有する第2の絶縁膜、及び第2の導電膜を順次形成する工程(c)と、第2の導電膜及び第2の絶縁膜を選択的に且つ異方的にエッチングすることにより、第1ゲート構造体におけるチャネル領域のチャネル長方向の両側面上にそれぞれ、第2の絶縁膜から第2ゲート絶縁膜及び第3ゲート絶縁膜を形成すると共に第2の導電膜から第2ゲート電極及び第3ゲート電極を形成し、形成した第2ゲート絶縁膜及び第2ゲート電極から第2ゲート構造体並びに第3ゲート絶縁膜及び第3ゲート電極から第3ゲート構造体を形成する工程(d)と、半導体基板における第1ゲート構造体に対する第2ゲート構造体の外側及び第3ゲート構造体の外側にそれぞれビット線となるソース拡散層及びドレイン拡散層を形成する工程(e)と、半導体基板の上に第1ゲート構造体、第2ゲート構造体及び第3ゲート構造体の上を覆うと共に、互いに隣接するメモリトランジスタ同士の間を埋め込む埋め込み絶縁膜を形成する工程(f)と、形成した埋め込み絶縁膜の上部をエッチングすることにより、エッチングストッパ膜、第2ゲート電極及び第3ゲート電極を露出すると共に、互いに隣接するメモリトランジスタ同士の間に埋め込み絶縁膜を残存させる工程(g)と、第1ゲート構造体におけるエッチングストッパ膜を除去することにより、第1ゲート電極を露出する工程(h)と、露出した第1ゲート電極、第2ゲート電極及び第3ゲート電極の上部と接触するように、半導体基板の上に第3の導電膜を形成する工程(I)と、第3の導電膜を選択的にエッチングすることにより、第3の導電膜からワード線電極を形成する工程(J)とを備えていることを特徴とする。 A second non-volatile semiconductor memory device manufacturing method according to the present invention includes a plurality of memory transistors arranged in a matrix on a semiconductor substrate, and gates of memory transistors arranged in a row direction among the plurality of memory transistors. A nonvolatile semiconductor memory device comprising: a plurality of word lines extending by connecting electrodes in common; and a plurality of bit lines extending by commonly connecting source diffusion layers or drain diffusion layers of memory transistors arranged in a column direction (A) sequentially forming a first insulating film having no charge trapping property, a first conductive film, and an etching stopper film on a semiconductor substrate, the etching stopper film, the first By selectively etching the conductive film and the first insulating film, the first gate electrode is formed from the first insulating film on the central portion of the channel region of each memory transistor. (B) forming an insulating film, forming a first gate electrode from the first conductive film, and forming a first gate structure from the formed etching stopper film, first gate insulating film, and first gate electrode; A step (c) of sequentially forming a second insulating film having a charge trapping property and a second conductive film on the semiconductor substrate so as to cover the upper surface and the side surface of the first gate structure; By selectively and anisotropically etching the conductive film and the second insulating film, the second insulating film to the second gate are respectively formed on both side surfaces in the channel length direction of the channel region of the first gate structure. Forming an insulating film and a third gate insulating film, forming a second gate electrode and a third gate electrode from the second conductive film, forming the second gate structure from the second gate insulating film and the second gate electrode, and 3rd gate A step (d) of forming a third gate structure from the edge film and the third gate electrode; and a bit line on the outside of the second gate structure and the outside of the third gate structure with respect to the first gate structure in the semiconductor substrate, respectively. A step (e) of forming a source diffusion layer and a drain diffusion layer, and a memory that covers the first gate structure, the second gate structure, and the third gate structure on the semiconductor substrate and is adjacent to each other The step (f) of forming a buried insulating film embedded between the transistors and etching the upper portion of the formed buried insulating film expose the etching stopper film, the second gate electrode, and the third gate electrode, and A step (g) of leaving a buried insulating film between adjacent memory transistors, and an etching stopper film in the first gate structure The step (h) of exposing the first gate electrode by removing the third gate electrode on the semiconductor substrate so as to be in contact with the exposed first gate electrode, second gate electrode, and third gate electrode. A step (I) of forming a conductive film; and a step (J) of forming a word line electrode from the third conductive film by selectively etching the third conductive film. To do.
第1又は第2の不揮発性半導体記憶装置の製造方法によると、第2の導電膜及び第2の絶縁膜を選択的に且つ異方的にエッチングすることにより、第1ゲート構造体におけるチャネル領域のチャネル長方向の両側面上にそれぞれ、第2の絶縁膜から第2ゲート絶縁膜及び第3ゲート絶縁膜を形成すると共に第2の導電膜から第2ゲート電極及び第3ゲート電極を形成し、形成した第2ゲート絶縁膜及び第2ゲート電極から第2ゲート構造体並びに第3ゲート絶縁膜及び第3ゲート電極から第3ゲート構造体を形成する。これにより、第2ゲート構造体と第3ゲート構造体とが第1ゲート構造体により電気的に絶縁されて電荷の移動が防止されるため、データ保持特性が良好となる。その上、電荷トラップ膜(第2の絶縁膜)並びに第2及び第3ゲート電極をサイドウォール法等の、従来の半導体製造プロセスで形成できるため、容易に製造することが可能となる。 According to the manufacturing method of the first or second nonvolatile semiconductor memory device, the channel region in the first gate structure is obtained by selectively and anisotropically etching the second conductive film and the second insulating film. The second gate insulating film and the third gate insulating film are formed from the second insulating film and the second gate electrode and the third gate electrode are formed from the second conductive film on both side surfaces in the channel length direction, respectively. The second gate structure is formed from the formed second gate insulating film and the second gate electrode, and the third gate structure is formed from the third gate insulating film and the third gate electrode. As a result, the second gate structure and the third gate structure are electrically insulated by the first gate structure and the movement of charges is prevented, so that the data retention characteristic is improved. In addition, since the charge trapping film (second insulating film) and the second and third gate electrodes can be formed by a conventional semiconductor manufacturing process such as a sidewall method, it can be easily manufactured.
第2の不揮発性半導体記憶装置の製造方法において、エッチングストッパ膜は、窒化シリコンを含むことが好ましい。 In the second method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device, the etching stopper film preferably contains silicon nitride.
第1又は第2の不揮発性半導体記憶装置の製造方法は、工程(g)において、ワード線の延伸方向における第2ゲート電極とワード線電極とが接触する長さ及びワード線の延伸方向における第3ゲート電極とワード線電極とが接触する長さが、ワード線の延伸方向における第2ゲート電極及び第3ゲート電極の各下端部における長さの2分の1以上となるようにエッチングすることが好ましい。 In the manufacturing method of the first or second nonvolatile semiconductor memory device, in the step (g), the length in which the second gate electrode and the word line electrode are in contact with each other in the extending direction of the word line and the first extending direction in the extending direction of the word line. Etching so that the length of contact between the 3 gate electrode and the word line electrode is at least half of the length at the lower end of each of the second gate electrode and the third gate electrode in the extending direction of the word line. Is preferred.
第1又は第2の不揮発性半導体記憶装置の製造方法において、第2の絶縁膜は、半導体基板側から順次形成されたシリコン酸化膜、シリコン窒化膜及びシリコン酸化膜を含む積層構造を有していることが好ましい。 In the first or second nonvolatile semiconductor memory device manufacturing method, the second insulating film has a stacked structure including a silicon oxide film, a silicon nitride film, and a silicon oxide film sequentially formed from the semiconductor substrate side. Preferably it is.
第1又は第2の不揮発性半導体記憶装置の製造方法において、第2の絶縁膜は、シリコンからなる粒子と該粒子が混入されたシリコン酸化膜とを含むことが好ましい。 In the first or second nonvolatile semiconductor memory device manufacturing method, the second insulating film preferably includes particles made of silicon and a silicon oxide film mixed with the particles.
本発明に係る不揮発性半導体記憶装置及びその製造方法によると、メモリトランジスタを構成する電荷トラップ膜をチャネル領域の両端部に分割して形成するため、電荷トラップ膜に注入された電荷の移動が防止されて、データ保持特性が良好となる。その上、従来の半導体製造プロセスを採用できるため、容易に且つ確実に製造することが可能となる。また、埋め込み拡散層を用いたバーチャルグラウンド型アレイを採用できるため、メモリセルサイズも小さくすることができる。 According to the nonvolatile semiconductor memory device and the method of manufacturing the same according to the present invention, the charge trap film constituting the memory transistor is divided and formed at both ends of the channel region, so that the movement of the charge injected into the charge trap film is prevented. As a result, the data retention characteristics are improved. In addition, since a conventional semiconductor manufacturing process can be employed, manufacturing can be performed easily and reliably. Further, since a virtual ground type array using a buried diffusion layer can be adopted, the memory cell size can be reduced.
(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置について図面を参照しながら説明する。
(First embodiment)
A nonvolatile semiconductor memory device according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は本発明の第1の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の平面構成を示している。図1に示すように、例えばシリコンからなる半導体基板1の上部には、例えば、複数の拡散層ビット線2が列方向に形成され、半導体基板1の上には、複数のワード線電極3が行方向に形成されている。ここで、ワード線電極3はワード線として機能する。また、各メモリトランジスタ50は、1対の拡散層ビット線2に挟まれたワード線電極3の下方に形成される。
FIG. 1 shows a planar configuration of a nonvolatile semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, for example, a plurality of diffusion
図2は図1のII−II線における断面構成を示している。図2に示すように、半導体基板1の上部には、列方向に延伸する複数の拡散層ビット線2が互いに間隔をおいて形成されている。半導体基板1上の拡散層ビット線2同士に挟まれた領域には、メモリトランジスタ50がそれぞれ形成されている。
FIG. 2 shows a cross-sectional configuration taken along line II-II in FIG. As shown in FIG. 2, a plurality of diffusion
メモリトランジスタ50は、半導体基板1における拡散層ビット線2同士に挟まれた領域上のほぼ中央部に形成された第1ゲート構造体51と、該第1ゲート構造体51の行方向側の両端部に形成された第2のゲート構造体52及び第3ゲート構造体53とにより構成されている。ここで、半導体基板1におけるメモリトランジスタ50の下側の領域、すなわち半導体基板1における拡散層ビット線2同士の間の領域がチャネル領域1aとなる。
The
第1ゲート構造体51は、半導体基板1上に形成された電荷トラップ性を有さない、例えば酸化シリコン等からなる中央部ゲート絶縁膜11とその上に形成された、例えば導電性ポリシリコンからなる下部ゲート電極5とにより構成されている。
The
第2ゲート構造体52及び第3ゲート構造体53は、半導体基板1上及び第1ゲート構造体51の各側面上にわたってそれぞれ形成された電荷トラップ性を有する、例えばONO膜である電荷トラップ膜4と該電荷トラップ膜4の上に形成された、例えば導電性ポリシリコンからなる側壁ゲート電極12とにより構成されている。
The
半導体基板1上のメモリトランジスタ50同士の間には、例えば酸化シリコンからなる埋め込み絶縁膜6が形成されている。下部ゲート電極5と各側壁ゲート電極12との上で且つ平坦化された埋め込み絶縁膜6の上には、例えば導電性ポリシリコンからなり、行方向に延伸するワード線電極3が形成されている。ワード線電極3は、下部ゲート電極5及び側壁ゲート電極12の上部とそれぞれ電気的に接続されている。
A buried insulating
なお、図2において、下部ゲート電極5と側壁ゲート電極12とが対向する側面同士の間には、電荷トラップ膜4が形成されているが、この対向部分には電荷トラップ膜4が必ずしも設けられる必要はなく、シリコン酸化膜であってもよい。さらには、絶縁膜を設けずに、下部ゲート電極5と側壁ゲート電極12とが直接に接触していてもよい。これらの構造は、製造工程により変えることができる。
In FIG. 2, the
また、図3(a)、図3(b)及び図3(c)は、それぞれ図1のIIIa−IIIa線、IIIb−IIIb線及びIIIc−IIIc線における断面構成を示している。 FIGS. 3A, 3B, and 3C show cross-sectional structures taken along lines IIIa-IIIa, IIIb-IIIb, and IIIc-IIIc in FIG. 1, respectively.
以下、前記のように構成された不揮発性半導体記憶装置の製造方法について図4(a)〜図4(c)、図5(a)〜図5(c)及び図6を参照しながら説明する。 Hereinafter, a method of manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device configured as described above will be described with reference to FIGS. 4 (a) to 4 (c), FIGS. 5 (a) to 5 (c), and FIG. .
まず、図4(a)に示すように、シリコンからなる半導体基板1の主面上に、熱酸化法又は化学的気相堆積(CVD)法により、第1の絶縁膜11Aを形成し、続いて、CVD法により、第1の絶縁膜11Aの上に第1の導電膜5Aを堆積する。
First, as shown in FIG. 4A, a first
次に、図4(b)に示すように、リソグラフィ法により、下部ゲート電極形成用の第1のマスクパターン(図示せず)を形成し、形成した第1のマスクパターンを用いて、エッチングにより、第1の導電膜5Aから下部ゲート電極5を形成し、第1の絶縁膜11Aから中央部ゲート絶縁膜11を形成する。その後、第1のマスクパターンを除去する。
Next, as shown in FIG. 4B, a first mask pattern (not shown) for forming the lower gate electrode is formed by lithography, and etching is performed using the formed first mask pattern. Then, the
次に、図4(c)に示すように、半導体基板1の上に、第2の絶縁膜4A及び第2の導電膜12Aを、下部ゲート電極5及び中央部ゲート絶縁膜11を覆うように順次堆積する。
Next, as shown in FIG. 4C, the second
次に、図5(a)に示すように、堆積した第2の導電膜12Aに対して異方性エッチングを行なって、下部ゲート電極5の両側面上にサイドウォール状の側壁ゲート電極12を形成する。その後、第2の絶縁膜4Aの不要部分を選択的に除去することにより、側壁ゲート電極12と半導体基板1及び下部ゲート電極5との間に電荷トラップ膜4を形成する。続いて、イオン注入法により、下部ゲート電極5、電荷トラップ膜4及び側壁ゲート電極12をマスクとして、半導体基板1に対して、例えばn型ドーパントをイオン注入することにより、半導体基板の上部に拡散層ビット線2を自己整合的に形成する。
Next, as shown in FIG. 5A, anisotropic etching is performed on the deposited second
次に、図5(b)に示すように、半導体基板1の上に、埋め込み絶縁膜6を下部ゲート電極5、電荷トラップ膜4及び側壁ゲート電極12を覆うように堆積する。
Next, as shown in FIG. 5B, a buried insulating
次に、図5(c)に示すように、化学機械研磨(CMP)法又はエッチバック法等により、埋め込み絶縁膜6を平坦化して下部ゲート電極5及び側壁ゲート電極12を露出する。このとき、側壁ゲート電極12の上部が所定の幅で露出するように、過剰気味に研磨又はエッチバックを行なう。なお、エッチバックを行なう場合は、過剰気味のエッチバックを連続して行なう代わりに、別工程としてエッチングを行なってもよい。このように、側壁ゲート電極12の上部を十分に露出することにより、次工程で実施する側壁ゲート電極12とワード線電極3との電気的な接触を確実に行なえるため、側壁ゲート電極12とワード線電極3との間の電気的抵抗を低減することができる。
Next, as shown in FIG. 5C, the buried insulating
次に、図6に示すように、埋め込み絶縁膜6の上に、下部ゲート電極5、電荷トラップ膜4及び側壁ゲート電極12を覆うように第3の導電膜3Aを堆積する。その後、リソグラフィ法により、ワード線電極形成用の第2のマスクパターンを形成し、形成した第2のマスクパターンを用いて、図1に示すように、第3の導電膜3Aからワード線電極3を形成し、さらに下部ゲート電極5及び側壁ゲート電極12を島状にパターニングする。これ以降の配線工程等は省略する。
Next, as shown in FIG. 6, a third
ここで、ワード線電極3、下部ゲート電極5及び側壁ゲート電極12を同時にパターニングする際に、側壁ゲート電極12の上部にある埋め込み絶縁膜6がマスクとなり、列方向の隣接セル同士の間に位置する側壁ゲート電極12がエッチングにより除去されずにショートの原因となるおそれがある。これを防止するには、側壁ゲート電極12の上部の露出幅(図5(c)に示す幅L1)を、少なくとも側壁ゲート電極12の下端部の幅(図5(c)に示す幅L2)の2分の1以上にしておく必要がある。
Here, when the
例えば、側壁ゲート電極12の下端部の幅(L2)が20nmの場合に、その上部の露出幅(L2)を10nm程度としておくと、等方性エッチング及び洗浄等のウェットエッチングにより、列方向の隣接セル同士の間に位置する側壁ゲート電極12を確実に除去できるため、隣接セル同士の間のショートを回避することができる。
For example, when the width (L2) of the lower end portion of the
以上説明したように、第1の実施形態においては、図2に示すように、列方向に延伸し、隣接する拡散層ビット線2をソース及びドレインとし、隣接する拡散層ビット線2の間に形成されるメモリトランジスタ50を、第1ゲート構造体51、その両側に形成された第2ゲート構造体52及び第3ゲート構造体53により構成している。前述したように、第1ゲート構造体51は下部ゲート電極5及び中央部ゲート絶縁膜11からなり、第2ゲート構造体52及び第3ゲート構造体53は、それぞれ側壁ゲート電極12及び電荷トラップ膜4からなる。各メモリトランジスタ50は、行方向に延伸するワード線電極3により、下部ゲート電極5及び側壁ゲート電極12と電気的に接続されることにより、メモリアレイが形成される。
As described above, in the first embodiment, as shown in FIG. 2, extending in the column direction, the adjacent diffusion
このように、第1の実施形態においては、メモリトランジスタのゲート絶縁膜として、その中央部に中央部ゲート絶縁膜11が配置され、該中央部ゲート絶縁膜11の両端部に電荷トラップ膜4が配置される構成を採るため、電荷トラップ膜4にトラップされた電荷が移動しにくく、電荷保持特性に優れる。
As described above, in the first embodiment, as the gate insulating film of the memory transistor, the central
その上、電荷トラップ膜4及び側壁ゲート電極12をサイドウォール法等の、従来の半導体製造プロセスで形成できるため、容易に製造することが可能となる。
In addition, since the
ここで、中央部ゲート絶縁膜11は、酸化シリコンが好ましく、その膜厚は10nm程度が好適である。また、中央部ゲート絶縁膜11は部分的に窒化されていてもよい。
Here, the central
電荷トラップ膜4は、下から酸化シリコン、窒化シリコン及び酸化シリコンの3層からなり、総膜厚が20nm程度の、いわゆるONO絶縁膜による構成が好適である。また、電荷トラップ膜4は、粒径が1nm程度のシリコンからなる粒子を含み、膜厚が20nm程度のシリコン酸化膜により構成されていてもよい。
The
また、下部ゲート電極5、側壁ゲート電極12及びワード線電極3は、キャリア濃度が1×1020cm−3程度の砒素(As)又は燐(P)を含むポリシリコンで構成されることが好適である。さらに、ワード線電極3は、その上部がニッケル(Ni)又はチタン(Ti)等により金属シリサイド化されていることが望ましい。
The
埋め込み絶縁膜6は、CVD法により堆積されるシリコン酸化膜で構成されることが好適である。例えば、図2において、下部ゲート電極5は45nm程度のゲート長を有し、側壁ゲート電極12は20nm程度のゲート長を有することが望ましい。また、図3(c)において、下部ゲート電極5及びワード線電極3は、45nm程度のライン幅とスペース幅とを持つ構成が好適である。
The buried insulating
(第2の実施形態)
以下、本発明の第2の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置について図面を参照しながら説明する。
(Second Embodiment)
A nonvolatile semiconductor memory device according to the second embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図7は本発明の第2の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の断面構成を示している。第2の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の平面構成は図1の第1の実施形態と同等であり、図7は図1のII−II線における断面に相当する。ここで、図7において、図2に示す構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。 FIG. 7 shows a cross-sectional configuration of a nonvolatile semiconductor memory device according to the second embodiment of the present invention. The planar configuration of the nonvolatile semiconductor memory device according to the second embodiment is the same as that of the first embodiment of FIG. 1, and FIG. 7 corresponds to the cross section taken along the line II-II of FIG. Here, in FIG. 7, the same components as those shown in FIG.
図7に示すように、第2の実施形態と第1の実施形態との相違点は、下部ゲート電極5の高さが、側壁ゲート電極12の高さよりも低く形成されている点である。これは、次に述べる製造方法に起因する。
As shown in FIG. 7, the difference between the second embodiment and the first embodiment is that the height of the
以下、前記のように構成された不揮発性半導体記憶装置の製造方法について図8(a)〜図8(c)、図9(a)〜図9(c)、図10(a)及び図10(b)を参照しながら説明する。 8A to 8C, FIG. 9A to FIG. 9C, FIG. 10A, and FIG. 10 for the manufacturing method of the nonvolatile semiconductor memory device configured as described above. This will be described with reference to (b).
まず、図8(a)に示すように、シリコンからなる半導体基板1の主面上に、熱酸化法又はCVD法により、酸化シリコンからなる第1の絶縁膜11Aを形成し、続いて、CVD法により、第1の絶縁膜11Aの上に、砒素等がドープされたポリシリコンからなる第1の導電膜5Aと、第3の絶縁膜21Aとを順次堆積する。
First, as shown in FIG. 8A, a first
次に、図8(b)に示すように、リソグラフィ法により、下部ゲート電極形成用の第1のマスクパターン(図示せず)を形成し、形成した第1のマスクパターンを用いて、エッチングにより、第3の絶縁膜21Aからエッチングストッパ膜21を形成し、第1の導電膜5Aから下部ゲート電極5を形成し、第1の絶縁膜11Aから中央部ゲート絶縁膜11を形成する。その後、第1のマスクパターンを除去する。
Next, as shown in FIG. 8B, a first mask pattern (not shown) for forming the lower gate electrode is formed by lithography, and etching is performed using the formed first mask pattern. Then, the
次に、図8(c)に示すように、半導体基板1の上に、第2の絶縁膜4A及び第2の導電膜12Aをエッチングストッパ膜21、下部ゲート電極5及び中央部ゲート絶縁膜11を覆うように順次堆積する。
Next, as shown in FIG. 8C, the second
次に、図9(a)に示すように、堆積した第2の導電膜12Aに対して異方性エッチングを行なって、下部ゲート電極5の両側面上にサイドウォール状の側壁ゲート電極12を形成する。その後、第2の絶縁膜4Aの不要部分を選択的に除去することにより、側壁ゲート電極12と半導体基板1及び下部ゲート電極5との間に電荷トラップ膜4を形成する。続いて、イオン注入法により、エッチングストッパ膜21、電荷トラップ膜4及び側壁ゲート電極12をマスクとして、半導体基板1に対してイオン注入を行なって、半導体基板の上部に拡散層ビット線2を自己整合的に形成する。
Next, as shown in FIG. 9A, anisotropic etching is performed on the deposited second
次に、図9(b)に示すように、半導体基板1の上に、埋め込み絶縁膜6をエッチングストッパ膜21、電荷トラップ膜4及び側壁ゲート電極12を覆うように堆積する。
Next, as shown in FIG. 9B, a buried insulating
次に、図9(c)に示すように、CMP法又はエッチバック法等により、埋め込み絶縁膜6を平坦化してエッチングストッパ膜21及び側壁ゲート電極12を露出する。このとき、側壁ゲート電極12の上部が所定の幅で露出するように、過剰気味に研磨又はエッチバックを行なう。なお、エッチバックを行なう場合は、過剰気味のエッチバックを連続して行なう代わりに、別工程としてエッチングを行なってもよい。
Next, as shown in FIG. 9C, the buried insulating
次に、図10(a)に示すように、各下部ゲート電極5の上のエッチングストッパ膜21を選択的に除去する。このように、側壁ゲート電極12の上部を十分に露出することにより、次工程で実施する側壁ゲート電極12とワード線電極3との電気的な接触を確実に行なえるため、側壁ゲート電極12とワード線電極3との間の電気的抵抗を低減することができる。
Next, as shown in FIG. 10A, the
次に、図10(b)に示すように、埋め込み絶縁膜6の上に、露出した下部ゲート電極5、電荷トラップ膜4及び側壁ゲート電極12を覆うように第3の導電膜3Aを堆積する。その後、リソグラフィ法により、ワード線電極形成用の第2のマスクパターンを形成し、形成した第2のマスクパターンを用いて、図1に示すように、第3の導電膜3Aからワード線電極3を形成し、さらに下部ゲート電極5及び側壁ゲート電極12を島状にパターニングする。これ以降の配線工程等は省略する。
Next, as shown in FIG. 10B, a third
ここで、ワード線電極3、下部ゲート電極5及び側壁ゲート電極12を同時にパターニングする際に、側壁ゲート電極12の上側に残存する埋め込み絶縁膜6がマスクとなって、列方向の隣接セル同士の間に位置する側壁ゲート電極12がエッチングにより除去されず、その結果ショートの原因となるおそれがある。これを防止するには、側壁ゲート電極12の上部の露出幅(図10(a)に示す幅L1)を、少なくとも側壁ゲート電極12の下端部の幅(図10(a)に示す幅L2)の2分の1以上にしておく必要がある。
Here, when the
例えば、側壁ゲート電極12の下端部の幅(L2)が20nmの場合に、その上部の露出幅(L2)を10nm程度としておくと、等方性エッチング及び洗浄等のウェットエッチングにより、列方向の隣接セル同士の間に位置する側壁ゲート電極12を確実に除去できるため、隣接セル同士の間のショートを回避することができる。
For example, when the width (L2) of the lower end portion of the
以上のように、第2の実施形態においては、エッチングストッパ膜21を各下部ゲート電極5の上に設けることにより、埋め込み絶縁膜6の平坦化をより確実に行なうことができる。
As described above, in the second embodiment, by providing the
なお、エッチングストッパ膜21は、膜厚が10nm程度のシリコン酸化膜とその上に形成された膜厚が100nm程度のシリコン窒化膜とから構成されることが望ましい。また、この場合に、図10(a)に示す工程において、エッチングストッパ膜21を選択的に除去するには、まず、熱リン酸を用いる燐酸ボイルウェットエッチ法により、上部のシリコン窒化膜を除去し、続いて、フッ酸をエッチャントとするウェットエッチ法により、下部のシリコン酸化膜を除去することが望ましい。
The
また、図9(c)に示す工程と図10(a)に示す工程との間で、露出した各側壁ゲート電極12の表面に熱酸化等によりシリコン酸化膜を成長させておくと、燐酸ボイルウェットエッチ法でエッチングストッパ膜21の上部のシリコン窒化膜を除去する際に、側壁ゲート電極12がエッチングされないため好ましい。
Further, when a silicon oxide film is grown on the exposed surface of each
本発明に係る不揮発性半導体記憶装置及びその製造方法は、電荷保持特性に優れると共に製造プロセスが容易となり、その上微細化に対応できるという効果を有し、電荷トラップ膜を有し、バーチャルグラウンド型アレイを採用可能な不揮発性半導体記憶装置等に有用である。 The nonvolatile semiconductor memory device and the manufacturing method thereof according to the present invention have the effect of being excellent in charge retention characteristics, facilitating the manufacturing process, and being able to cope with miniaturization, having a charge trapping film, and having a virtual ground type This is useful for nonvolatile semiconductor memory devices that can employ arrays.
1 半導体基板
1a チャネル領域
2 拡散層ビット線
3 ワード線電極
3A 第3の導電膜
4 電荷トラップ膜
4A 第2の絶縁膜
5 下部ゲート電極
5A 第1の導電膜
6 埋め込み絶縁膜
11 中央部ゲート絶縁膜
11A 第1の絶縁膜
12 側壁ゲート電極
12A 第2の導電膜
21 エッチングストッパ膜
21A 第3の絶縁膜
50 メモリトランジスタ
51 第1ゲート構造体
52 第2ゲート構造体
53 第3ゲート構造体
DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記複数のメモリトランジスタのうち、行方向に並ぶメモリトランジスタの前記ゲート電極を共通に接続して延びる複数のワード線と、
前記複数のメモリトランジスタのうち、列方向に並ぶメモリトランジスタの前記ソース拡散層又は前記ドレイン拡散層を共通に接続して延びるビット線とを備え、
前記各メモリトランジスタは、
前記半導体基板における前記チャネル領域の中央部の上に順次積層されて形成された第1ゲート絶縁膜及び第1ゲート電極からなる第1ゲート構造体と、
前記半導体基板における前記チャネル領域の一端部の上に順次積層されて形成された第2ゲート絶縁膜及び第2ゲート電極からなる第2ゲート構造体と、
前記半導体基板における前記チャネル領域の他端部の上に順次積層されて形成された第3ゲート絶縁膜及び第3ゲート電極からなる第3ゲート構造体とを有し、
前記ワード線は、前記第1ゲート電極、第2ゲート電極及び第3ゲート電極と共通に接続されてワード線電極を構成し、
前記第1ゲート絶縁膜は、電荷トラップ性を有さない第1の絶縁膜からなり、
前記第2ゲート絶縁膜及び第3ゲート絶縁膜は、電荷トラップ性を有する第2の絶縁膜を含むことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 A plurality of memory transistors, each of which is arranged in a matrix on a semiconductor substrate, and has a gate electrode, a source diffusion layer, a drain diffusion layer, and a channel region formed below the gate electrode in the semiconductor substrate;
Among the plurality of memory transistors, a plurality of word lines extending by commonly connecting the gate electrodes of the memory transistors arranged in a row direction;
A bit line extending commonly connected to the source diffusion layer or the drain diffusion layer of the memory transistors arranged in a column direction among the plurality of memory transistors;
Each of the memory transistors is
A first gate structure including a first gate insulating film and a first gate electrode, which are sequentially stacked on a central portion of the channel region in the semiconductor substrate;
A second gate structure including a second gate insulating film and a second gate electrode, which are sequentially stacked on one end of the channel region in the semiconductor substrate;
A third gate structure including a third gate insulating film and a third gate electrode, which are sequentially stacked on the other end of the channel region in the semiconductor substrate;
The word line is commonly connected to the first gate electrode, the second gate electrode, and the third gate electrode to form a word line electrode,
The first gate insulating film is a first insulating film having no charge trapping property,
The nonvolatile semiconductor memory device, wherein the second gate insulating film and the third gate insulating film include a second insulating film having a charge trapping property.
前記第3ゲート構造体における前記第3ゲート絶縁膜及び第3ゲート電極は、前記チャネル領域の他端部の上で且つ前記第1ゲート構造体の他の側面上に積層されて形成されていることを特徴とする請求項1に記載の不揮発性半導体記憶装置。 The second gate insulating film and the second gate electrode in the second gate structure are formed by being laminated on one end of the channel region and on one side surface of the first gate structure,
The third gate insulating film and the third gate electrode in the third gate structure are formed by being stacked on the other end of the channel region and on the other side surface of the first gate structure. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1.
前記ソース拡散層及びドレイン拡散層のうちの他方は、前記半導体基板における前記第3ゲート構造体の前記第1ゲート構造体と反対側の領域に形成されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の不揮発性半導体記憶装置。 One of the source diffusion layer and the drain diffusion layer is formed in a region of the semiconductor substrate opposite to the first gate structure of the second gate structure,
The other of the source diffusion layer and the drain diffusion layer is formed in a region of the semiconductor substrate opposite to the first gate structure of the third gate structure. 6. The nonvolatile semiconductor memory device according to any one of 5 above.
前記半導体基板の上に、電荷トラップ性を有さない第1の絶縁膜、及び第1の導電膜を順次形成する工程(a)と、
前記第1の導電膜及び第1の絶縁膜を選択的にエッチングすることにより、前記各メモリトランジスタのチャネル領域の中央部の上に前記第1の絶縁膜から第1ゲート絶縁膜を形成すると共に前記第1の導電膜から第1ゲート電極を形成し、形成した前記第1ゲート絶縁膜及び第1ゲート電極から第1ゲート構造体を形成する工程(b)と、
前記半導体基板の上に前記第1ゲート構造体の上面及び側面を覆うように、電荷トラップ性を有する第2の絶縁膜、及び第2の導電膜を順次形成する工程(c)と、
前記第2の導電膜及び第2の絶縁膜を選択的に且つ異方的にエッチングすることにより、前記第1ゲート構造体における前記チャネル領域のチャネル長方向の両側面上にそれぞれ、前記第2の絶縁膜から第2ゲート絶縁膜及び第3ゲート絶縁膜を形成すると共に前記第2の導電膜から第2ゲート電極及び第3ゲート電極を形成し、形成した前記第2ゲート絶縁膜及び第2ゲート電極から第2ゲート構造体並びに前記第3ゲート絶縁膜及び第3ゲート電極から第3ゲート構造体を形成する工程(d)と、
前記半導体基板における前記第1ゲート構造体に対する前記第2ゲート構造体の外側及び前記第3ゲート構造体の外側にそれぞれビット線となるソース拡散層及びドレイン拡散層を形成する工程(e)と、
前記半導体基板の上に前記第1ゲート構造体、第2ゲート構造体及び第3ゲート構造体の上を覆うと共に、互いに隣接する前記メモリトランジスタ同士の間を埋め込む埋め込み絶縁膜を形成する工程(f)と、
形成した前記埋め込み絶縁膜の上部をエッチングすることにより、前記第1ゲート電極、第2ゲート電極及び第3ゲート電極を露出すると共に、互いに隣接する前記メモリトランジスタ同士の間に前記埋め込み絶縁膜を残存させる工程(g)と、
露出した前記第1ゲート電極、第2ゲート電極及び第3ゲート電極の上部と接触するように、前記半導体基板の上に第3の導電膜を形成する工程(h)と、
前記第3の導電膜を選択的にエッチングすることにより、前記第3の導電膜からワード線電極を形成する工程(I)とを備えていることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の製造方法。 A plurality of memory transistors arranged in a matrix on a semiconductor substrate, a plurality of word lines extending by connecting gate electrodes of memory transistors arranged in a row direction among the plurality of memory transistors, and a column direction A method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device comprising a plurality of bit lines extending commonly connected to source diffusion layers or drain diffusion layers of memory transistors arranged in a row,
(A) sequentially forming a first insulating film having no charge trapping property and a first conductive film on the semiconductor substrate;
By selectively etching the first conductive film and the first insulating film, a first gate insulating film is formed from the first insulating film on a central portion of the channel region of each memory transistor. Forming a first gate electrode from the first conductive film, and forming a first gate structure from the formed first gate insulating film and first gate electrode;
A step (c) of sequentially forming a second insulating film having a charge trapping property and a second conductive film on the semiconductor substrate so as to cover an upper surface and a side surface of the first gate structure;
By selectively and anisotropically etching the second conductive film and the second insulating film, the second conductive film and the second insulating film are respectively formed on both side surfaces in the channel length direction of the channel region in the first gate structure. A second gate insulating film and a third gate insulating film are formed from the second insulating film, and a second gate electrode and a third gate electrode are formed from the second conductive film. Forming a second gate structure from the gate electrode and a third gate structure from the third gate insulating film and the third gate electrode;
Forming a source diffusion layer and a drain diffusion layer to be bit lines on the outside of the second gate structure and the third gate structure with respect to the first gate structure in the semiconductor substrate, respectively (e);
Forming a buried insulating film on the semiconductor substrate so as to cover the first gate structure, the second gate structure, and the third gate structure, and fill the space between the adjacent memory transistors (f); )When,
The upper part of the formed buried insulating film is etched to expose the first gate electrode, the second gate electrode, and the third gate electrode, and the buried insulating film remains between the memory transistors adjacent to each other. A step (g) of
Forming a third conductive film on the semiconductor substrate so as to be in contact with the exposed upper portions of the first gate electrode, the second gate electrode, and the third gate electrode;
And (I) forming a word line electrode from the third conductive film by selectively etching the third conductive film. A method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device .
前記半導体基板の上に、電荷トラップ性を有さない第1の絶縁膜、第1の導電膜及びエッチングストッパ膜を順次形成する工程(a)と、
前記エッチングストッパ膜、第1の導電膜及び第1の絶縁膜を選択的にエッチングすることにより、前記各メモリトランジスタのチャネル領域の中央部の上に前記第1の絶縁膜から第1ゲート絶縁膜を形成すると共に前記第1の導電膜から第1ゲート電極を形成し、形成した前記エッチングストッパ膜、前記第1ゲート絶縁膜及び第1ゲート電極から第1ゲート構造体を形成する工程(b)と、
前記半導体基板の上に前記第1ゲート構造体の上面及び側面を覆うように、電荷トラップ性を有する第2の絶縁膜、及び第2の導電膜を順次形成する工程(c)と、
前記第2の導電膜及び第2の絶縁膜を選択的に且つ異方的にエッチングすることにより、前記第1ゲート構造体における前記チャネル領域のチャネル長方向の両側面上にそれぞれ、前記第2の絶縁膜から第2ゲート絶縁膜及び第3ゲート絶縁膜を形成すると共に前記第2の導電膜から第2ゲート電極及び第3ゲート電極を形成し、形成した前記第2ゲート絶縁膜及び第2ゲート電極から第2ゲート構造体並びに前記第3ゲート絶縁膜及び第3ゲート電極から第3ゲート構造体を形成する工程(d)と、
前記半導体基板における前記第1ゲート構造体に対する前記第2ゲート構造体の外側及び前記第3ゲート構造体の外側にそれぞれビット線となるソース拡散層及びドレイン拡散層を形成する工程(e)と、
前記半導体基板の上に前記第1ゲート構造体、第2ゲート構造体及び第3ゲート構造体の上を覆うと共に、互いに隣接する前記メモリトランジスタ同士の間を埋め込む埋め込み絶縁膜を形成する工程(f)と、
形成した前記埋め込み絶縁膜の上部をエッチングすることにより、前記エッチングストッパ膜、第2ゲート電極及び第3ゲート電極を露出すると共に、互いに隣接する前記メモリトランジスタ同士の間に前記埋め込み絶縁膜を残存させる工程(g)と、
前記第1ゲート構造体における前記エッチングストッパ膜を除去することにより、前記第1ゲート電極を露出する工程(h)と、
露出した前記第1ゲート電極、第2ゲート電極及び第3ゲート電極の上部と接触するように、前記半導体基板の上に第3の導電膜を形成する工程(I)と、
前記第3の導電膜を選択的にエッチングすることにより、前記第3の導電膜からワード線電極を形成する工程(J)とを備えていることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の製造方法。 A plurality of memory transistors arranged in a matrix on a semiconductor substrate, a plurality of word lines extending by connecting gate electrodes of memory transistors arranged in a row direction among the plurality of memory transistors, and a column direction A method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device comprising a plurality of bit lines extending commonly connected to source diffusion layers or drain diffusion layers of memory transistors arranged in a row,
(A) sequentially forming a first insulating film having no charge trapping property, a first conductive film, and an etching stopper film on the semiconductor substrate;
By selectively etching the etching stopper film, the first conductive film, and the first insulating film, the first gate insulating film is formed from the first insulating film on the center portion of the channel region of each memory transistor. Forming a first gate electrode from the first conductive film, and forming a first gate structure from the formed etching stopper film, the first gate insulating film, and the first gate electrode (b) When,
A step (c) of sequentially forming a second insulating film having a charge trapping property and a second conductive film on the semiconductor substrate so as to cover an upper surface and a side surface of the first gate structure;
By selectively and anisotropically etching the second conductive film and the second insulating film, the second conductive film and the second insulating film are respectively formed on both side surfaces in the channel length direction of the channel region in the first gate structure. A second gate insulating film and a third gate insulating film are formed from the second insulating film, and a second gate electrode and a third gate electrode are formed from the second conductive film. Forming a second gate structure from the gate electrode and a third gate structure from the third gate insulating film and the third gate electrode;
Forming a source diffusion layer and a drain diffusion layer to be bit lines on the outside of the second gate structure and the third gate structure with respect to the first gate structure in the semiconductor substrate, respectively (e);
Forming a buried insulating film on the semiconductor substrate so as to cover the first gate structure, the second gate structure, and the third gate structure, and fill the space between the adjacent memory transistors (f); )When,
The upper portion of the formed buried insulating film is etched to expose the etching stopper film, the second gate electrode, and the third gate electrode, and leave the buried insulating film between the memory transistors adjacent to each other. Step (g);
(H) exposing the first gate electrode by removing the etching stopper film in the first gate structure;
Forming a third conductive film on the semiconductor substrate so as to be in contact with the exposed upper portions of the first gate electrode, the second gate electrode, and the third gate electrode;
And a step (J) of forming a word line electrode from the third conductive film by selectively etching the third conductive film. .
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