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JP2020074392A - Nonvolatile semiconductor storage device and manufacturing method for the same - Google Patents

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JP2020074392A JP2019194915A JP2019194915A JP2020074392A JP 2020074392 A JP2020074392 A JP 2020074392A JP 2019194915 A JP2019194915 A JP 2019194915A JP 2019194915 A JP2019194915 A JP 2019194915A JP 2020074392 A JP2020074392 A JP 2020074392A
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Abstract

【課題】記憶密度が向上できる不揮発性半導体記憶装置及びその製造方法を提供する。【解決手段】実施形態によれば、不揮発性半導体記憶装置は、半導体層と、電極と、第1〜第3層と、窒化物分子の複数の窒化物部と、を含む。第1層は半導体層と電極との間に設けられる。第2層は第1層と電極との間に設けられる。第2層の伝導帯端のエネルギーは第1層よりも低い。第2層は第1領域及び第2領域を含み、第1領域は第1層と第2領域との間に設けられる。第3層は第2層と電極との間に設けられる。第3層の伝導帯端のエネルギーは第2層よりも高い。複数の窒化物部は、第1、第2領域の間、第1、第2層の間、第2、3層の間のいずれかに設けられる。窒化物分子は、4〜6族、13族のいずれかの第1元素と窒素とを含む。複数の窒化物部の、半導体層から電極に向かう第1方向の長さは、窒化物分子の大きさの最大値以下である。【選択図】図1PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a non-volatile semiconductor storage device capable of improving a storage density and a method for manufacturing the same. According to an embodiment, a non-volatile semiconductor storage device includes a semiconductor layer, electrodes, first to third layers, and a plurality of nitride portions of a nitride molecule. The first layer is provided between the semiconductor layer and the electrodes. The second layer is provided between the first layer and the electrode. The energy at the conduction band edge of the second layer is lower than that of the first layer. The second layer includes a first region and a second region, and the first region is provided between the first layer and the second region. The third layer is provided between the second layer and the electrode. The energy at the conduction band edge of the third layer is higher than that of the second layer. The plurality of nitride portions are provided in any of the first and second regions, the first and second layers, and the second and third layers. The nitride molecule contains the first element of any of Group 4-6 and Group 13 and nitrogen. The length of the plurality of nitrided portions in the first direction from the semiconductor layer to the electrode is equal to or less than the maximum value of the size of the nitride molecule. [Selection diagram] Fig. 1

Description

本発明の実施形態は、不揮発性半導体記憶装置及びその製造方法に関する。   Embodiments of the present invention relate to a nonvolatile semiconductor memory device and a method for manufacturing the same.

不揮発性半導体記憶装置において記憶密度の向上が望まれる。   It is desired to improve the storage density in a nonvolatile semiconductor memory device.

特開2010−135561号公報JP, 2010-135561, A

本発明の実施形態は、記憶密度が向上できる不揮発性半導体記憶装置及びその製造方法を提供する。   Embodiments of the present invention provide a non-volatile semiconductor memory device capable of improving storage density and a method for manufacturing the same.

本発明の実施形態によれば、不揮発性半導体記憶装置は、半導体層と、第1電極と、第1〜第3層と、窒化物分子の複数の窒化物部と、を含む。前記第1層は、前記半導体層と前記第1電極との間に設けられる。前記第2層は、前記第1層と前記第1電極との間に設けられる。前記第2層の伝導帯端の第2エネルギーは、前記第1層の伝導帯端の第1エネルギーよりも低い。前記第2層は、前記第1領域及び第2領域を含み、前記第1領域は前記第1層と前記第2領域との間に設けられる。前記第3層は、前記第2層と前記第1電極との間に設けられる。前記第3層の伝導帯端の第3エネルギーは、前記第2エネルギーよりも高い。前記複数の窒化物部は、前記第1領域と前記第2領域との間、前記第1層と前記第2層との間、及び、前記第2層と前記第3層との間、のいずれかに設けられる。前記第1層は、トンネル絶縁膜であり、前記第2層は、電荷蓄積膜であり、前記第3層は、ブロック絶縁層である。前記窒化物分子は、TiN、ZrN、HfN、VN、NbN、TaN、CrN、MoN、WN、BN、AlN、GaN及びInNの少なくとも1つを含む。前記複数の窒化物部の、前記半導体層から前記第1電極に向かう第1方向の長さは、前記窒化物分子の大きさの最大値以下である。   According to an embodiment of the present invention, a nonvolatile semiconductor memory device includes a semiconductor layer, a first electrode, first to third layers, and a plurality of nitride portions of nitride molecules. The first layer is provided between the semiconductor layer and the first electrode. The second layer is provided between the first layer and the first electrode. The second energy at the conduction band edge of the second layer is lower than the first energy at the conduction band edge of the first layer. The second layer includes the first region and the second region, and the first region is provided between the first layer and the second region. The third layer is provided between the second layer and the first electrode. The third energy at the conduction band edge of the third layer is higher than the second energy. The plurality of nitride portions are between the first region and the second region, between the first layer and the second layer, and between the second layer and the third layer. It is provided in either. The first layer is a tunnel insulating film, the second layer is a charge storage film, and the third layer is a block insulating layer. The nitride molecules include at least one of TiN, ZrN, HfN, VN, NbN, TaN, CrN, MoN, WN, BN, AlN, GaN and InN. The length of the plurality of nitride portions in the first direction from the semiconductor layer toward the first electrode is less than or equal to the maximum value of the size of the nitride molecule.

図1(a)〜図1(c)は、第1の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置を例示する模式図である。1A to 1C are schematic views illustrating the nonvolatile semiconductor memory device according to the first embodiment. 図2(a)〜図2(c)は、第2の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置を例示する模式図である。2A to 2C are schematic views illustrating the nonvolatile semiconductor memory device according to the second embodiment. 図3(a)及び図3(b)は、第3の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置を例示する模式図である。3A and 3B are schematic views illustrating the nonvolatile semiconductor memory device according to the third embodiment. 図4(a)及び図4(b)は、第4の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置を例示する模式的断面図である。FIG. 4A and FIG. 4B are schematic cross-sectional views illustrating the nonvolatile semiconductor memory device according to the fourth embodiment. 図5(a)〜図5(d)は、第4の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の製造方法を例示する工程順模式的断面図である。5A to 5D are schematic cross-sectional views in order of the processes, illustrating the method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device according to the fourth embodiment. 図6(a)〜図6(d)は、第4の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の別の製造方法を例示する工程順模式的断面図である。6A to 6D are schematic cross-sectional views in order of the processes, illustrating another method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device according to the fourth embodiment. 図7(a)及び図7(b)は、第4の実施形態に係る別の不揮発性半導体記憶装置を例示する模式的断面図である。7A and 7B are schematic cross-sectional views illustrating another nonvolatile semiconductor memory device according to the fourth embodiment. 図8(a)〜図8(d)は、第4の実施形態に係る別の不揮発性半導体記憶装置の製造方法を例示する工程順模式的断面図である。FIG. 8A to FIG. 8D are schematic cross-sectional views in order of the processes, illustrating a method for manufacturing another nonvolatile semiconductor memory device according to the fourth embodiment. 図9(a)〜図9(d)は、第4の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の別の製造方法を例示する工程順模式的断面図である。9A to 9D are schematic cross-sectional views in order of the processes, illustrating another method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device according to the fourth embodiment. 図10(a)及び図10(b)は、第4の実施形態に係る別の不揮発性半導体記憶装置を例示する模式的断面図である。10A and 10B are schematic cross-sectional views illustrating another nonvolatile semiconductor memory device according to the fourth embodiment. 図11(a)〜図11(d)は、第4の実施形態に係る別の不揮発性半導体記憶装置の製造方法を例示する工程順模式的断面図である。11A to 11D are schematic cross-sectional views in order of the processes, illustrating a method for manufacturing another nonvolatile semiconductor memory device according to the fourth embodiment. 図12(a)〜図12(d)は、第4の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の別の製造方法を例示する工程順模式的断面図である。12A to 12D are schematic cross-sectional views in order of the processes, illustrating another method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device according to the fourth embodiment. 第4の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置を例示する模式的斜視図である。FIG. 9 is a schematic perspective view illustrating a nonvolatile semiconductor memory device according to a fourth embodiment. 図14(a)〜図14(c)は、第4の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置を例示する模式的断面図である。14A to 14C are schematic cross-sectional views illustrating the nonvolatile semiconductor memory device according to the fourth embodiment.

以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
Each embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
The drawings are schematic or conceptual, and the relationship between the thickness and width of each portion, the size ratio between the portions, and the like are not always the same as the actual ones. Even when the same portion is shown, the dimensions and ratios may be different depending on the drawings.
In the specification and the drawings of the application, components similar to those described in regard to a drawing thereinabove are marked with like reference numerals, and a detailed description is omitted as appropriate.

(第1の実施形態)
図1(a)〜図1(c)は、第1の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置を例示する模式図である。
図1(a)は、断面図である。図1(b)は、エネルギーバンド図である。図1(c)は、不揮発性半導体記憶装置に含まれる分子を示す模式図である。
(First embodiment)
1A to 1C are schematic views illustrating the nonvolatile semiconductor memory device according to the first embodiment.
FIG. 1A is a sectional view. FIG. 1B is an energy band diagram. FIG. 1C is a schematic diagram showing molecules included in the nonvolatile semiconductor memory device.

図1(a)に示すように、実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置111は、半導体層20と、第1電極41と、第1層31と、第2層32と、第3層33と、複数の窒化物部35と、を含む。   As shown in FIG. 1A, the nonvolatile semiconductor memory device 111 according to the embodiment includes a semiconductor layer 20, a first electrode 41, a first layer 31, a second layer 32, and a third layer 33. , And a plurality of nitride portions 35.

第1層31は、半導体層20と第1電極41との間に設けられる。第2層32は、第1層31と第1電極41との間に設けられる。第3層33は、第2層32と第1電極41との間に設けられる。   The first layer 31 is provided between the semiconductor layer 20 and the first electrode 41. The second layer 32 is provided between the first layer 31 and the first electrode 41. The third layer 33 is provided between the second layer 32 and the first electrode 41.

この例では、複数の窒化物部35は、第1層31と第2層32との間に設けられる。後述するように、複数の窒化物部35は、第2層32と第3層33との間に設けられても良く、第2層32の中に設けられても良い。   In this example, the plurality of nitride parts 35 are provided between the first layer 31 and the second layer 32. As will be described later, the plurality of nitride portions 35 may be provided between the second layer 32 and the third layer 33, or may be provided in the second layer 32.

複数の窒化物部35は、窒化物分子である。窒化物分子は、4族(IVB族)、5族(VB族)、6族(VIB族)及び13族(IIIA族)のいずれかの元素(第1元素)と、窒素と、を含む。   The plurality of nitride parts 35 are nitride molecules. The nitride molecule contains an element (first element) of any one of Group 4 (IVB group), Group 5 (VB group), Group 6 (VIB group) and Group 13 (IIIA group), and nitrogen.

半導体層20から第1電極41に向かう方向を第1方向とする。第1方向をX軸方向とする。X軸方向に対して垂直な1つの軸をZ軸方向とする。X軸方向及びZ軸方向に対して垂直な方向をY軸方向とする。後述するように、半導体層20はピラー状でも良く、この場合は、半導体層20から第1電極41に向かう方向は、ピラーの延在方向に対して交差する任意の方向に対応する。   The direction from the semiconductor layer 20 toward the first electrode 41 is the first direction. The first direction is the X-axis direction. One axis perpendicular to the X-axis direction is the Z-axis direction. The direction perpendicular to the X-axis direction and the Z-axis direction is the Y-axis direction. As described later, the semiconductor layer 20 may have a pillar shape, and in this case, the direction from the semiconductor layer 20 toward the first electrode 41 corresponds to an arbitrary direction intersecting with the extending direction of the pillar.

半導体層20は、第1層31に対向する面(第1面20a)を有する。例えば、複数の窒化物部35は、半導体層20の第1面20aに沿って並ぶ。例えば、複数の窒化物部35は、半導体層20の第1面20aに対して平行な面内で、並ぶ。   The semiconductor layer 20 has a surface (first surface 20a) facing the first layer 31. For example, the plurality of nitride portions 35 are arranged along the first surface 20a of the semiconductor layer 20. For example, the plurality of nitride parts 35 are arranged in a plane parallel to the first surface 20a of the semiconductor layer 20.

第1電極41は、第3層33に対向する面(第2面41a)を有する。例えば、複数の窒化物部35は、第1電極41の第2面41aに沿って並ぶ。例えば、複数の窒化物部35は、第1電極41の第2面41aに対して平行な面内で、並ぶ。   The first electrode 41 has a surface (second surface 41a) facing the third layer 33. For example, the plurality of nitride parts 35 are arranged along the second surface 41 a of the first electrode 41. For example, the plurality of nitride parts 35 are arranged in a plane parallel to the second surface 41a of the first electrode 41.

例えば、複数の窒化物部35は、第1方向(X軸方向)に対して垂直な面に沿って並んでも良い。   For example, the plurality of nitride parts 35 may be arranged along a plane perpendicular to the first direction (X-axis direction).

図1(b)には、伝導帯端Bc及び価電子帯端Bvの例が示されている。本明細書において、バンドアライメント、伝導帯バリアハイト及び価電子帯バリアハイトは、シリコンの伝導帯端のエネルギーを基準にしている。   FIG. 1B shows an example of the conduction band edge Bc and the valence band edge Bv. In this specification, the band alignment, the conduction band barrier height, and the valence band barrier height are based on the energy at the conduction band edge of silicon.

例えば、第1層31の伝導帯端Bcの第1エネルギーE1は、半導体層20の伝導帯端BcのエネルギーEsよりも高い。第1層31は、例えば、絶縁性の材料を含む。第1層31は、例えば、トンネル絶縁膜に対応する。   For example, the first energy E1 of the conduction band edge Bc of the first layer 31 is higher than the energy Es of the conduction band edge Bc of the semiconductor layer 20. The first layer 31 includes, for example, an insulating material. The first layer 31 corresponds to, for example, a tunnel insulating film.

例えば、第2層32の伝導帯端Bcの第2エネルギーE2は、半導体層20の伝導帯端BcのエネルギーEsよりも高い。第2層32は、例えば、絶縁性の材料を含む。   For example, the second energy E2 of the conduction band edge Bc of the second layer 32 is higher than the energy Es of the conduction band edge Bc of the semiconductor layer 20. The second layer 32 includes, for example, an insulating material.

例えば、第3層33の伝導帯端Bcの第3エネルギーE3は、半導体層20の伝導帯端BcのエネルギーEsよりも高い。第3層33は、例えば、絶縁性の材料を含む。第3層33は、例えば、ブロック絶縁膜に対応する。   For example, the third energy E3 of the conduction band edge Bc of the third layer 33 is higher than the energy Es of the conduction band edge Bc of the semiconductor layer 20. The third layer 33 includes, for example, an insulating material. The third layer 33 corresponds to, for example, a block insulating film.

第2層32の伝導帯端Bcの第2エネルギーE2は、第1層31の伝導帯端Bcの第1エネルギーE1よりも低い。第2層32の伝導帯端Bcの第2エネルギーE2は、第3層33の伝導帯端Bcの第3エネルギーE3よりも低い。すなわち、第3層33の第3エネルギーE3は、第2エネルギーE2よりも高い。第2層3は、例えば、電荷蓄積膜として機能する。   The second energy E2 of the conduction band edge Bc of the second layer 32 is lower than the first energy E1 of the conduction band edge Bc of the first layer 31. The second energy E2 at the conduction band edge Bc of the second layer 32 is lower than the third energy E3 at the conduction band edge Bc of the third layer 33. That is, the third energy E3 of the third layer 33 is higher than the second energy E2. The second layer 3 functions as a charge storage film, for example.

例えば、第1層31は、酸化シリコンを含む。例えば、第2層32は、窒化シリコンを含む。例えば、第3層33は、酸化シリコンを含む。   For example, the first layer 31 includes silicon oxide. For example, the second layer 32 includes silicon nitride. For example, the third layer 33 includes silicon oxide.

不揮発性半導体記憶装置111において、例えば、半導体層20の電位(電圧)を基準とする。例えば、正の電圧が第1電極41に印加されると、電荷(電子)が半導体層20から第1層31(トンネル絶縁膜)を通過して、第2層32(電荷蓄積膜)に注入される。注入された電荷は、第3層33(ブロック絶縁膜)により、第1電極41に移動することが抑制される。第2層32に注入された電荷は、第2層32にトラップされ、第2層32に蓄積される。第2層32中の電荷の有無(多寡)により、半導体層20に流れる電流のしきい値が変化する。この動作(例えば書き込み動作)により、第1状態が形成される。半導体層20と第1電極41との間に、上記の電圧とは逆極性の電圧を印加することで、第2層32に蓄積された電荷は、半導体層20に移動する。この動作(例えば消去動作)により、第2状態が形成される。第1状態及び第2状態におけるしきい値を検出することで、記憶された状態の読み出し動作が行われる。   In the nonvolatile semiconductor memory device 111, for example, the potential (voltage) of the semiconductor layer 20 is used as a reference. For example, when a positive voltage is applied to the first electrode 41, charges (electrons) pass from the semiconductor layer 20 through the first layer 31 (tunnel insulating film) and are injected into the second layer 32 (charge storage film). To be done. The injected charges are suppressed from moving to the first electrode 41 by the third layer 33 (block insulating film). The charges injected into the second layer 32 are trapped in the second layer 32 and accumulated in the second layer 32. The threshold value of the current flowing through the semiconductor layer 20 changes depending on the presence or absence (the amount) of charges in the second layer 32. By this operation (for example, write operation), the first state is formed. By applying a voltage having a polarity opposite to the above voltage between the semiconductor layer 20 and the first electrode 41, the charges accumulated in the second layer 32 move to the semiconductor layer 20. The second state is formed by this operation (for example, the erase operation). By detecting the threshold values in the first state and the second state, the read operation of the stored state is performed.

第1〜第3層31〜33及び複数の窒化物部35は、メモリ膜MFに含まれる。半導体層20、第1電極41及びメモリ膜MFが、1つのメモリセル(第1メモリセル)に対応する。半導体層20は、チャネルボディに対応する。   The first to third layers 31 to 33 and the plurality of nitride parts 35 are included in the memory film MF. The semiconductor layer 20, the first electrode 41, and the memory film MF correspond to one memory cell (first memory cell). The semiconductor layer 20 corresponds to the channel body.

実施形態において、複数の窒化物部35の窒化物分子は、例えば、BN、AlN、GaN及びInNの少なくとも1つを含む。   In the embodiment, the nitride molecules of the plurality of nitride portions 35 include, for example, at least one of BN, AlN, GaN, and InN.

図1(c)に示すように、窒化物分子35Mは、第1元素35p(第1原子)と、窒素原子35qと、を含む。第1元素35pは、4族(IVB族)、5族(VB族)、6族(VIB族)及び13族(IIIA族)のいずれかの元素である。第1元素35pは、例えば、ボロン(B)、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)及びインジウム(In)のいずれかである。   As shown in FIG. 1C, the nitride molecule 35M includes a first element 35p (first atom) and a nitrogen atom 35q. The first element 35p is an element of any one of Group 4 (IVB group), Group 5 (VB group), Group 6 (VIB group) and Group 13 (IIIA group). The first element 35p is, for example, one of boron (B), aluminum (Al), gallium (Ga), and indium (In).

窒化物分子35Mの形状は、球形ではない。図1(c)に示すように、窒化物分子35Mの大きさの最大値35Lは、例えば、第1元素35pと窒素原子35qとを結ぶ方向に沿った窒化物分子35Mに長さに対応する。   The shape of the nitride molecule 35M is not spherical. As shown in FIG. 1C, the maximum value 35L of the size of the nitride molecule 35M corresponds to the length of the nitride molecule 35M along the direction connecting the first element 35p and the nitrogen atom 35q, for example. ..

複数の窒化物部35の、第1方向(半導体層20から第1電極41に向かう方向)の長さ35d(厚さ、図1(a)参照)は、窒化物分子35Mの大きさの最大値35L以下である。   The length 35d (thickness, see FIG. 1A) of the plurality of nitride parts 35 in the first direction (direction from the semiconductor layer 20 toward the first electrode 41) is the maximum of the size of the nitride molecule 35M. The value is 35 L or less.

例えば、複数の窒化物部35は、窒化物分子35Mの単分子の状態で、分散されている。複数の窒化物部35が設けられている領域の厚さは、実質的に、窒化物分子35Mの大きさの最大値35L程度以下である。   For example, the plurality of nitride parts 35 are dispersed in a single molecule state of the nitride molecule 35M. The thickness of the region in which the plurality of nitride portions 35 are provided is substantially equal to or less than the maximum value 35L of the size of the nitride molecule 35M.

不揮発性半導体記憶装置111においては、電界(電圧)の印加により、電荷は、半導体層20から第1層31(トンネル絶縁膜)を通過した後に、第2層32(電荷蓄積膜)に移動する。例えば、複数の窒化物部35のバリアハイトにより、第2層32に移動した電荷が第1層31に向かって透過する確率が低下する。これにより、例えば、第2層32において、電荷が捕獲される確率が高まる。電荷の蓄積効率が高まるため、例えば、とり得るしきい値電圧の幅が拡大する。   In the nonvolatile semiconductor memory device 111, when an electric field (voltage) is applied, charges move from the semiconductor layer 20 to the second layer 32 (charge storage film) after passing through the first layer 31 (tunnel insulating film). .. For example, due to the barrier heights of the plurality of nitride portions 35, the probability that charges transferred to the second layer 32 are transmitted toward the first layer 31 is reduced. Thereby, for example, the probability of trapping charges in the second layer 32 increases. Since the charge storage efficiency is increased, for example, the range of possible threshold voltages is expanded.

例えば、第1層31と第2層32との間の界面F1に、トラップサイトを形成しつつ、第2層32のトラップサイトの捕獲効率が向上できる。これにより、とり得るしきい値電圧の幅が拡大できる。   For example, while trap sites are formed at the interface F1 between the first layer 31 and the second layer 32, the trap efficiency of the second layer 32 can be improved. As a result, the range of possible threshold voltages can be expanded.

例えば、窒化物の層(例えば3nmの厚さ)をトンネル絶縁膜と電荷蓄積膜との間に設ける第1参考例がある。第1参考例においては、窒化物の層は、金属ドットのような結晶構造体を含む。結晶構造体の大きさは、窒化物の分子の大きさよりも著しく大きい。第1参考例においては、窒化物と半導体層との間の距離は、窒化物の層の厚さ(例えば3nm)の中で変動する。金属酸化物と半導体層との間の距離が変動すると、しきい値が変動する。このため、第1参考例においては、しきい値の安定は、不十分である。   For example, there is a first reference example in which a nitride layer (thickness of 3 nm, for example) is provided between the tunnel insulating film and the charge storage film. In the first reference example, the nitride layer includes a crystalline structure such as a metal dot. The size of the crystal structure is significantly larger than the size of the nitride molecule. In the first reference example, the distance between the nitride and the semiconductor layer varies within the thickness of the nitride layer (for example, 3 nm). When the distance between the metal oxide and the semiconductor layer changes, the threshold changes. Therefore, in the first reference example, the stability of the threshold value is insufficient.

これに対して、本実施形態においては、複数の窒化物部35の長さ35d(厚さ)は、窒化物分子35Mの大きさの最大値35L以下である。複数の窒化物部35は、窒化物分子35Mの単分子の状態で、分散されている。窒化物部35と半導体層20との間の距離は、実質的に一定である。このため、しきい値の変動が小さい。   On the other hand, in the present embodiment, the length 35d (thickness) of the plurality of nitride portions 35 is equal to or smaller than the maximum value 35L of the size of the nitride molecule 35M. The plurality of nitride parts 35 are dispersed in the state of a single molecule of the nitride molecule 35M. The distance between the nitride portion 35 and the semiconductor layer 20 is substantially constant. Therefore, the fluctuation of the threshold value is small.

一方、メモリ膜MF中(シリコン酸化膜とシリコン窒化膜との間、または、シリコン窒化膜中)に金属の粒子を設ける第2参考例がある。第2参考例においては、電荷のトラップ性が低い。さらに、第2参考例においては、金属の不完全な酸化により、制御されていない結合が形成されやすい。このため、例えば、金属粒子に基づくトラップサイトの位置の制御が困難である。例えば、複数のトラップサイトが過度に近づきやすい。このため、データ保持特性が悪化する。   On the other hand, there is a second reference example in which metal particles are provided in the memory film MF (between the silicon oxide film and the silicon nitride film or in the silicon nitride film). In the second reference example, the charge trapping property is low. Further, in the second reference example, uncontrolled bonding is likely to be formed due to incomplete oxidation of the metal. Therefore, for example, it is difficult to control the position of the trap site based on the metal particles. For example, multiple trap sites are too easily accessible. Therefore, the data retention characteristic deteriorates.

これに対して、実施形態においては、窒化物分子35Mの複数の窒化物部35が設けられる。窒化物分子35MがBN、AlN、GaN及びInNである場合、例えば、捕獲断面積の異なるトラップが形成される。これにより、捕獲効率を向上できる。窒化物分子35Mが用いられるため、金属酸化物などが制御されずに形成されることが抑制される。複数の窒化物部35(窒化物分子35M)が、面(この例では、第1層31と第2層32との間の界面F1)に沿って(2次元状に)、分散して配置される。複数の窒化物部35により、膜厚方向(第1方向)の所望の位置に、離散トラップが形成される。良好なデータ保持特性が得られる。   On the other hand, in the embodiment, the plurality of nitride parts 35 of the nitride molecule 35M are provided. When the nitride molecules 35M are BN, AlN, GaN and InN, for example, traps having different trapping cross sections are formed. Thereby, the capture efficiency can be improved. Since the nitride molecule 35M is used, uncontrolled formation of metal oxide or the like is suppressed. A plurality of nitride parts 35 (nitride molecules 35M) are dispersedly arranged along the surface (in this example, the interface F1 between the first layer 31 and the second layer 32) (two-dimensionally). To be done. The plurality of nitride portions 35 form discrete traps at desired positions in the film thickness direction (first direction). Good data retention characteristics can be obtained.

実施形態において、複数の窒化物部35の密度(面密度)は、例えば、1×1013cm−2以上1×1015cm−2以下である。この密度は、第1方向(半導体層20から第1電極41に向かう方向)と交差する面における密度(面密度)である。第1方向と交差する面は、例えば、第1方向に対して垂直な面である。 In the embodiment, the density (area density) of the plurality of nitride portions 35 is, for example, 1 × 10 13 cm −2 or more and 1 × 10 15 cm −2 or less. This density is the density (area density) in the plane intersecting the first direction (direction from the semiconductor layer 20 toward the first electrode 41). The surface intersecting the first direction is, for example, a surface perpendicular to the first direction.

例えば、2つの窒化物分子35Mどうしの間の距離が3nm未満になると、トラップされた電荷が、近接トラップへ直接トンネリングによって移動しやすくなる。2つの窒化物分子35Mどうしの間の距離は、3nm以上であることが好ましい。これにより、直接トンネルが抑制でき、電荷のホッピングが抑制できる。例えば、複数の窒化物分子35Mを、直径が3nmの円として最密充填(1.156倍に対応)することを仮定する。さらに、立方体の8つの頂点に1つの窒化物分子35Mが配置されることを仮定する。この場合において、1cm×1cmの領域に設けられる窒化物分子35Mの数は、1cm×1cm×1、156×8/(3nm×3nm)であり、約1.03×1015cm−2となる。 For example, when the distance between the two nitride molecules 35M is less than 3 nm, the trapped charges are likely to move to the proximity trap by direct tunneling. The distance between the two nitride molecules 35M is preferably 3 nm or more. As a result, direct tunneling can be suppressed and charge hopping can be suppressed. For example, it is assumed that the plurality of nitride molecules 35M are closest packed (corresponding to 1.156 times) as a circle having a diameter of 3 nm. Further, it is assumed that one nitride molecule 35M is arranged at eight vertices of the cube. In this case, the number of nitride molecules 35M provided in the area of 1 cm × 1 cm is 1 cm × 1 cm × 1, 156 × 8 / (3 nm × 3 nm), which is about 1.03 × 10 15 cm −2. ..

複数の窒化物部35の密度を1×1015cm−2以下とすることで、例えば、直接トンネルが抑制でき、良好なリテンション特性が得られる。複数の窒化物部35の密度を1×1013cm−2以上とすることで、例えば、窒化物部35を設けることによるとり得るしきい値電圧の幅の拡大が効果的に行われる。 By setting the density of the plurality of nitride portions 35 to 1 × 10 15 cm −2 or less, for example, direct tunnels can be suppressed and good retention characteristics can be obtained. By setting the density of the plurality of nitride portions 35 to 1 × 10 13 cm −2 or more, for example, the width of the threshold voltage that can be obtained by providing the nitride portions 35 is effectively expanded.

不揮発性半導体記憶装置111において、複数の窒化物部35の窒化物分子35Mは、例えば、TiN、ZrN、HfN、VN、NbN、TaN、CrN、MoN及びWNの少なくとも1つを含んでも良い。第1元素35p(第1原子)は、例えば、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、バナジウム(V)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、クロム(Cr)、モリブデン(Mo)及びタングステン(W)の1つでも良い。   In the nonvolatile semiconductor memory device 111, the nitride molecules 35M of the plurality of nitride portions 35 may include at least one of TiN, ZrN, HfN, VN, NbN, TaN, CrN, MoN, and WN. The first element 35p (first atom) is, for example, titanium (Ti), zirconium (Zr), hafnium (Hf), vanadium (V), niobium (Nb), tantalum (Ta), chromium (Cr), molybdenum ( It may be one of Mo) and tungsten (W).

例えば、Tiの仕事関数は4.1eVであり、TiNの仕事関数は4.6eVである。金属の粒子における電荷の捕獲性は、窒化物における電荷の捕獲性よりも低い。このため、金属の粒子を用いる上記の第2参考例においては、例えば、データ保持特性が不十分である。   For example, the work function of Ti is 4.1 eV and the work function of TiN is 4.6 eV. The charge trapping property of metal particles is lower than the charge trapping property of nitrides. Therefore, in the second reference example using the metal particles, for example, the data retention characteristic is insufficient.

これに対して、実施形態において、複数の窒化物部35がTiN、ZrN、HfN、VN、NbN、TaN、CrN、MoN及びWNなどの分子である場合、電荷の高い捕獲性が得られる。そして、複数の窒化物部35の、第1方向の長さ35d(厚さ)は、窒化物分子35Mの大きさの最大値35L以下であり、複数の窒化物部35は、窒化物分子35Mの単分子の状態で、分散されている。これにより、実施形態においては、例えば、良好なデータ保持特性が得られる。   On the other hand, in the embodiment, when the plurality of nitride portions 35 are molecules such as TiN, ZrN, HfN, VN, NbN, TaN, CrN, MoN and WN, a high charge trapping property is obtained. The length 35d (thickness) of the plurality of nitride portions 35 in the first direction is equal to or smaller than the maximum value 35L of the size of the nitride molecule 35M, and the plurality of nitride portions 35 include the nitride molecule 35M. Are dispersed in a single molecule state. Thereby, in the embodiment, for example, good data retention characteristics can be obtained.

窒化物においては、仕事関数が大きいため、深い準位のトラップが形成される。これにより、トラップされた電荷が抜け難くなる。その結果、例えば、データ保持特性が向上する。さらに、電荷が抜けにくくなることは、書き込み中においても、トラップされた電荷が抜けにくくなることを意味する。これにより、書き込み効率が向上したように見える。例えば、書き込み中に高電界が加わっているので、トラップの準位が浅い場合には、書き込み時間中にトラップされた電荷がこの高電界により抜ける。これに対して、トラップの準位が深い場合には、これが抑制される。このため、書き込み効率が向上したように見える。   Since nitride has a large work function, deep level traps are formed. This makes it difficult for the trapped charges to escape. As a result, for example, the data retention characteristic is improved. Further, it is difficult for the charge to escape, which means that the trapped charge is difficult to escape even during writing. This seems to improve the writing efficiency. For example, since a high electric field is applied during writing, when the trap level is shallow, charges trapped during the writing time escape due to this high electric field. On the other hand, when the trap level is deep, this is suppressed. Therefore, it seems that the writing efficiency is improved.

このように、実施形態においては、メモリ膜MFの複数の窒化物部35において、第1元素35pと窒素原子35qとの間の安定な結合が形成される。窒化物分子35Mを用いることで、例えば、仕事関数が大きくなり、深い準位が得られる。複数の窒化物部35を用いることで、電荷のトラップ量を増加できる。窒化物分子35Mの複数の窒化物部35が膜厚方向と交差する面内に沿って配置される。これにより、安定したしきい値が得られる。書き込み電圧及び消去電圧の許容範囲が拡大できる。   As described above, in the embodiment, in the plurality of nitride portions 35 of the memory film MF, stable bonds are formed between the first element 35p and the nitrogen atoms 35q. By using the nitride molecule 35M, for example, the work function increases and a deep level can be obtained. By using the plurality of nitride portions 35, the amount of trapped charges can be increased. A plurality of nitride portions 35 of the nitride molecule 35M are arranged along a plane intersecting the film thickness direction. Thereby, a stable threshold value can be obtained. The allowable range of write voltage and erase voltage can be expanded.

例えば、メモリセルのサイズを小さくしても安定した動作が得られる。その結果、例えば、記憶密度が向上できる。   For example, stable operation can be obtained even if the size of the memory cell is reduced. As a result, for example, the storage density can be improved.

複数の窒化物部35の面密度を、例えば、1×1013cm−2以上1×1015cm−2以下とすることで、電荷の横方向(第1方向と交差する方向)の拡散を抑制できる。これにより、良好なリテンションが得られる。 By setting the areal density of the plurality of nitride portions 35 to, for example, 1 × 10 13 cm −2 or more and 1 × 10 15 cm −2 or less, diffusion of charges in the lateral direction (direction intersecting the first direction) is performed. Can be suppressed. As a result, good retention can be obtained.

不揮発性半導体記憶装置111において、窒化物分子35Mに含まれる第1元素35pの第1元素の粒子36がさらに設けられても良い(図1(a)参照)。第1元素の粒子36は、複数の窒化物部35とともに設けられる。この図1(a)の例では、第1元素の粒子36は、第1層31と第2層32との間に設けられる。   In the nonvolatile semiconductor memory device 111, particles 36 of the first element of the first element 35p contained in the nitride molecule 35M may be further provided (see FIG. 1A). The particles 36 of the first element are provided together with the plurality of nitride parts 35. In the example of FIG. 1A, the particles 36 of the first element are provided between the first layer 31 and the second layer 32.

この場合、複数の窒化物部35と、第1元素の粒子36と、を含む領域における平均の窒素濃度は、窒化物分子35Mの化学量論比の窒素濃度よりも低い。このように、この領域において、化学量論比から、窒素が欠損していても良い。これにより、例えば、この領域におけるバンドギャップ中に、欠陥準位が形成される。例えば、窒化アルミニウムの場合、バンドギャップの中央付近に欠陥準位が形成される。この欠陥準位は、伝導帯端Bcから2.9eV近傍であり、深い。これにより形成されるトラップサイトにおいては、電荷は、非常に動きにくい。これにより、データ保持特性が向上できる。さらに、とり得るしきい値電圧の幅を拡大できる。   In this case, the average nitrogen concentration in the region including the plurality of nitride parts 35 and the particles 36 of the first element is lower than the stoichiometric nitrogen concentration of the nitride molecules 35M. Thus, nitrogen may be deficient in this region from the stoichiometric ratio. Thereby, for example, a defect level is formed in the band gap in this region. For example, in the case of aluminum nitride, a defect level is formed near the center of the band gap. This defect level is near 2.9 eV from the conduction band edge Bc and is deep. At the trap site formed by this, the charge is very hard to move. Thereby, the data retention characteristic can be improved. Furthermore, the range of possible threshold voltages can be expanded.

図1(a)に示すように、不揮発性半導体記憶装置111において、第2電極42及び層間絶縁膜45iが設けられている。このように、不揮発性半導体記憶装置111は、複数の電極40を含んでも良い。第1電極41及び第2電極42は、複数の電極40に含まれる。第2電極42は、第1方向(X軸方向)と交差する第2方向(例えばZ軸方向)において、第1電極41と並ぶ。複数の電極40の間に、層間絶縁膜45iが設けられる。   As shown in FIG. 1A, in the nonvolatile semiconductor memory device 111, the second electrode 42 and the interlayer insulating film 45i are provided. As described above, the nonvolatile semiconductor memory device 111 may include the plurality of electrodes 40. The first electrode 41 and the second electrode 42 are included in the plurality of electrodes 40. The second electrode 42 is arranged with the first electrode 41 in the second direction (for example, the Z-axis direction) that intersects the first direction (the X-axis direction). An interlayer insulating film 45i is provided between the plurality of electrodes 40.

第1層31は、第2電極42と半導体層20との間にさらに設けられる。第2層32は、第2電極42と第1層31との間にさらに設けられる。第3層33は、第2電極42と第2層32との間にさらに設けられる。   The first layer 31 is further provided between the second electrode 42 and the semiconductor layer 20. The second layer 32 is further provided between the second electrode 42 and the first layer 31. The third layer 33 is further provided between the second electrode 42 and the second layer 32.

半導体層20、第2電極42及びメモリ膜MFが、別の1つのメモリセル(第2メモリセル)に対応する。第2メモリセルにおいても、しきい値の変動が小さく、とり得るしきい値電圧の幅が拡大できる。例えば、第1電極41と第2電極42との間の距離を短くできる。記憶密度が向上できる。   The semiconductor layer 20, the second electrode 42, and the memory film MF correspond to another one memory cell (second memory cell). Also in the second memory cell, the fluctuation of the threshold value is small and the range of possible threshold voltage can be expanded. For example, the distance between the first electrode 41 and the second electrode 42 can be shortened. The memory density can be improved.

実施形態において、第1層31の厚さt1(第1方向に沿った長さ、図1(a)参照)は、例えば、2ナノメートル以上8ナノメートル以下である。第2層32の厚さt2(第1方向に沿った長さ、図1(a)参照)は、例えば、2ナノメートル以上8ナノメートル以下である。第3層33の厚さt3(第1方向に沿った長さ、図1(a)参照)は、例えば、3ナノメートル以上10ナノメートル以下である。   In the embodiment, the thickness t1 (the length along the first direction, see FIG. 1A) of the first layer 31 is, for example, 2 nm or more and 8 nm or less. The thickness t2 (the length along the first direction, see FIG. 1A) of the second layer 32 is, for example, 2 nanometers or more and 8 nanometers or less. The thickness t3 (the length along the first direction, see FIG. 1A) of the third layer 33 is, for example, 3 nm or more and 10 nm or less.

(第2の実施形態)
図2(a)〜図2(c)は、第2の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置を例示する模式図である。
図2(a)は、断面図である。図2(b)は、エネルギーバンド図である。図2(c)は、不揮発性半導体記憶装置に含まれる分子を示す模式図である。
(Second embodiment)
2A to 2C are schematic views illustrating the nonvolatile semiconductor memory device according to the second embodiment.
FIG. 2A is a sectional view. FIG. 2B is an energy band diagram. FIG. 2C is a schematic diagram showing molecules included in the nonvolatile semiconductor memory device.

図2(a)に示すように、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置112においても、半導体層20、第1電極41、第1〜第3層31〜33、及び、複数の窒化物部35が設けられる。半導体層20、第1電極41及び第1〜第3層31〜33については、不揮発性半導体記憶装置111と同様なので説明を省略する。   As shown in FIG. 2A, also in the nonvolatile semiconductor memory device 112 according to this embodiment, the semiconductor layer 20, the first electrode 41, the first to third layers 31 to 33, and the plurality of nitride parts. 35 are provided. The semiconductor layer 20, the first electrode 41, and the first to third layers 31 to 33 are the same as those in the nonvolatile semiconductor memory device 111, so the description thereof will be omitted.

以下、不揮発性半導体記憶装置112における複数の窒化物部35について説明する。   Hereinafter, the plurality of nitride parts 35 in the nonvolatile semiconductor memory device 112 will be described.

不揮発性半導体記憶装置112においては、窒化物分子35Mの複数の窒化物部35は、第2層32と第3層33との間に設けられる。複数の窒化物部35は、第2層32と第3層33との間の界面F2に沿って設けられる。この例においても、複数の窒化物部35の、第1方向(半導体層20から第1電極41に向かう方向)の長さ35d(厚さ)は、窒化物分子35Mの大きさの最大値35L(図2(c)参照)以下である。例えば、複数の窒化物部35は、窒化物分子35Mの単分子の状態で、分散されている。   In the nonvolatile semiconductor memory device 112, the plurality of nitride portions 35 of the nitride molecule 35M are provided between the second layer 32 and the third layer 33. The plurality of nitride portions 35 are provided along the interface F2 between the second layer 32 and the third layer 33. Also in this example, the length 35d (thickness) of the plurality of nitride parts 35 in the first direction (direction from the semiconductor layer 20 toward the first electrode 41) is the maximum value 35L of the size of the nitride molecule 35M. (See FIG. 2C) Below. For example, the plurality of nitride parts 35 are dispersed in a single molecule state of the nitride molecule 35M.

例えば、複数の窒化物部35は、半導体層20の第1面20aに沿って並ぶ。例えば、複数の窒化物部35は、第1電極41の第2面41aに沿って並ぶ。   For example, the plurality of nitride portions 35 are arranged along the first surface 20a of the semiconductor layer 20. For example, the plurality of nitride parts 35 are arranged along the second surface 41 a of the first electrode 41.

不揮発性半導体記憶装置112において、複数の窒化物部35の窒化物分子35M(図2(c)参照)は、例えば、TiN、ZrN、HfN、VN、NbN、TaN、CrN、MoN及びWNの少なくとも1つを含む。   In the nonvolatile semiconductor memory device 112, the nitride molecules 35M (see FIG. 2C) of the plurality of nitride portions 35 are, for example, at least TiN, ZrN, HfN, VN, NbN, TaN, CrN, MoN and WN. Including one.

第1元素35p(第1原子)は、例えば、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、バナジウム(V)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、クロム(Cr)、モリブデン(Mo)及びタングステン(W)の1つである。   The first element 35p (first atom) is, for example, titanium (Ti), zirconium (Zr), hafnium (Hf), vanadium (V), niobium (Nb), tantalum (Ta), chromium (Cr), molybdenum ( Mo) and tungsten (W).

図2(b)に示すように、不揮発性半導体記憶装置112においても、第2層32の伝導帯端Bcの第2エネルギーE2は、第1層31の伝導帯端Bcの第1エネルギーE1よりも低く、第3層33の伝導帯端Bcの第3エネルギーE3よりも低い。例えば、第1層31は、酸化シリコンを含む。例えば、第2層32は、窒化シリコンを含む。例えば、第3層33は、酸化シリコンを含む。   As shown in FIG. 2B, also in the nonvolatile semiconductor memory device 112, the second energy E2 of the conduction band edge Bc of the second layer 32 is larger than the first energy E1 of the conduction band edge Bc of the first layer 31. Is also lower than the third energy E3 of the conduction band edge Bc of the third layer 33. For example, the first layer 31 includes silicon oxide. For example, the second layer 32 includes silicon nitride. For example, the third layer 33 includes silicon oxide.

電界印加により、電荷が、半導体層20から、第1層31(例えばトンネル絶縁膜)及び第2層32(電荷蓄積膜)を通過して、窒化物部35に到達する。窒化物部35は、トラップサイトとして機能する。   Due to the application of the electric field, the electric charge reaches the nitride portion 35 from the semiconductor layer 20 through the first layer 31 (for example, the tunnel insulating film) and the second layer 32 (the charge storage film). The nitride part 35 functions as a trap site.

例えば、窒化物部35が、窒化チタンである。窒化チタンの仕事関数は、4.5eVである。窒化チタンにより、第2層32(電荷蓄積膜、例えば、シリコン窒化膜)のバンドギャップの中央付近の、深い準位が形成される。これにより、良好なデータ保持特性が得られる。とり得るしきい値電圧の幅を拡大できる。   For example, the nitride portion 35 is titanium nitride. The work function of titanium nitride is 4.5 eV. Titanium nitride forms a deep level near the center of the band gap of the second layer 32 (charge storage film, eg, silicon nitride film). As a result, good data retention characteristics can be obtained. The range of possible threshold voltages can be expanded.

不揮発性半導体記憶装置112においては、第2層32(例えば電荷蓄積膜)と第3層33(例えばブロック絶縁膜)との間の界面F2おけるトラップサイトを増加できる。さらに、界面F2付近のトラップサイトにおける捕獲効率を向上できる。これにより、とり得るしきい値電圧の幅を拡大できる。   In the nonvolatile semiconductor memory device 112, the number of trap sites at the interface F2 between the second layer 32 (for example, charge storage film) and the third layer 33 (for example, block insulating film) can be increased. Furthermore, the trapping efficiency at the trap site near the interface F2 can be improved. As a result, the range of possible threshold voltages can be expanded.

例えば、窒化物部35と半導体層20との間の距離は、実質的に一定である。このため、しきい値の変動が小さい。   For example, the distance between the nitride portion 35 and the semiconductor layer 20 is substantially constant. Therefore, the fluctuation of the threshold value is small.

本実施形態において、例えば、メモリセルのサイズを小さくしても安定した動作が得られる。その結果、例えば、記憶密度が向上できる。   In this embodiment, for example, stable operation can be obtained even if the size of the memory cell is reduced. As a result, for example, the storage density can be improved.

不揮発性半導体記憶装置112において、複数の窒化物部35の密度は、1×1013cm−2以上1×1015cm−2以下でも良い。例えば、直接トンネルが抑制でき、良好なリテンション特性が得られる。複数の窒化物部35の密度を1×1013cm−2以上とすることで、例えば、とり得るしきい値電圧の幅の拡大が効果的に行われる。 In the nonvolatile semiconductor memory device 112, the density of the plurality of nitride portions 35 may be 1 × 10 13 cm −2 or more and 1 × 10 15 cm −2 or less. For example, direct tunneling can be suppressed and good retention characteristics can be obtained. By setting the density of the plurality of nitride portions 35 to 1 × 10 13 cm −2 or more, for example, the width of the possible threshold voltage is effectively expanded.

不揮発性半導体記憶装置112において、窒化物分子35Mに含まれる第1元素35pの粒子36がさらに設けられても良い(図2(a)参照)。この例では、第1元素35pの粒子36は、第2層32と第3層33との間に設けられる。これにより、データ保持特性が向上できる。さらに、とり得るしきい値電圧の幅を拡大できる。   In the nonvolatile semiconductor memory device 112, particles 36 of the first element 35p contained in the nitride molecule 35M may be further provided (see FIG. 2A). In this example, the particles 36 of the first element 35p are provided between the second layer 32 and the third layer 33. Thereby, the data retention characteristic can be improved. Furthermore, the range of possible threshold voltages can be expanded.

(第3の実施形態)
図3(a)及び図3(b)は、第3の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置を例示する模式図である。
図3(a)は、断面図である。図3(b)は、エネルギーバンド図である。
(Third Embodiment)
3A and 3B are schematic views illustrating the nonvolatile semiconductor memory device according to the third embodiment.
FIG. 3A is a sectional view. FIG. 3B is an energy band diagram.

図3(a)に示すように、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置113おいても、半導体層20、第1電極41、第1〜第3層31〜33、及び、複数の窒化物部35が設けられる。半導体層20、第1電極41、第1層31及び第3層33については、不揮発性半導体記憶装置111と同様なので説明を省略する。   As shown in FIG. 3A, also in the nonvolatile semiconductor memory device 113 according to this embodiment, the semiconductor layer 20, the first electrode 41, the first to third layers 31 to 33, and the plurality of nitrides. A section 35 is provided. The semiconductor layer 20, the first electrode 41, the first layer 31, and the third layer 33 are the same as those in the nonvolatile semiconductor memory device 111, so the description thereof will be omitted.

以下、不揮発性半導体記憶装置113における、第2層32及び複数の窒化物部35について説明する。   The second layer 32 and the plurality of nitride portions 35 in the nonvolatile semiconductor memory device 113 will be described below.

不揮発性半導体記憶装置113においては、窒化物分子35Mの複数の窒化物部35は、第2層32中に設けられる。   In the nonvolatile semiconductor memory device 113, the plurality of nitride parts 35 of the nitride molecule 35M are provided in the second layer 32.

図3(a)に示すように、第2層32は、第1領域32a及び第2領域32bを含む。第1領域32aは、第1層31と第2領域32bとの間に設けられる。第1領域32aは、第1層31側の領域である。第2領域32bは、第3層33側の領域である。   As shown in FIG. 3A, the second layer 32 includes a first region 32a and a second region 32b. The first region 32a is provided between the first layer 31 and the second region 32b. The first region 32a is a region on the first layer 31 side. The second region 32b is a region on the third layer 33 side.

複数の窒化物部35は、第1領域32aと第2領域32bとの間に設けられる。   The plurality of nitride parts 35 are provided between the first region 32a and the second region 32b.

この例においても、複数の窒化物部35の、第1方向(半導体層20から第1電極41に向かう方向)の長さ35d(厚さ)は、窒化物分子35Mの大きさの最大値35L(図2(c)と同様)以下である。例えば、複数の窒化物部35は、窒化物分子35Mの単分子の状態で、分散されている。   Also in this example, the length 35d (thickness) of the plurality of nitride parts 35 in the first direction (direction from the semiconductor layer 20 toward the first electrode 41) is the maximum value 35L of the size of the nitride molecule 35M. (Similar to FIG. 2C) and below. For example, the plurality of nitride parts 35 are dispersed in a single molecule state of the nitride molecule 35M.

例えば、複数の窒化物部35は、半導体層20の第1面20aに沿って並ぶ。例えば、複数の窒化物部35は、第1電極41の第2面41aに沿って並ぶ。   For example, the plurality of nitride portions 35 are arranged along the first surface 20a of the semiconductor layer 20. For example, the plurality of nitride parts 35 are arranged along the second surface 41 a of the first electrode 41.

不揮発性半導体記憶装置113おいて、複数の窒化物部35の窒化物分子35M(図2(c)と同様)は、例えば、TiN、ZrN、HfN、VN、NbN、TaN、CrN、MoN及びWNの少なくとも1つを含む。第1元素35p(第1原子)は、例えば、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、バナジウム(V)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、クロム(Cr)、モリブデン(Mo)及びタングステン(W)の1つである。   In the nonvolatile semiconductor memory device 113, the nitride molecules 35M (similar to FIG. 2C) of the plurality of nitride portions 35 are, for example, TiN, ZrN, HfN, VN, NbN, TaN, CrN, MoN and WN. At least one of The first element 35p (first atom) is, for example, titanium (Ti), zirconium (Zr), hafnium (Hf), vanadium (V), niobium (Nb), tantalum (Ta), chromium (Cr), molybdenum ( Mo) and tungsten (W).

図3(b)に示すように、不揮発性半導体記憶装置113においても、第2層32の伝導帯端Bcの第2エネルギーE2は、第1層31の伝導帯端Bcの第1エネルギーE1よりも低く、第3層33の伝導帯端Bcの第3エネルギーE3よりも低い。例えば、第1層31は、酸化シリコンを含む。例えば、第2層32は、窒化シリコンを含む。例えば、第3層33は、酸化シリコンを含む。   As shown in FIG. 3B, also in the nonvolatile semiconductor memory device 113, the second energy E2 of the conduction band edge Bc of the second layer 32 is larger than the first energy E1 of the conduction band edge Bc of the first layer 31. Is also lower than the third energy E3 of the conduction band edge Bc of the third layer 33. For example, the first layer 31 includes silicon oxide. For example, the second layer 32 includes silicon nitride. For example, the third layer 33 includes silicon oxide.

電界の印加により、電荷は、半導体層20から、第1層31(例えばトンネル絶縁膜)、及び、第2層32の第1領域32aを通過し、複数の窒化物部35に到達する。複数の窒化物部35は、トラップサイトとなる。例えば、窒化物部35は、窒化タングステンの分子である。窒化タングステンの仕事関数は、4.6eVである。窒化タングステンにより、第2層32(例えば、シリコン窒化物)のバンドギャップの中央付近の、深い準位が形成できる。これにより、良好なデータ保持特性が得られる。さらに、とり得るしきい値電圧の幅を拡大できる。   Due to the application of the electric field, the charges pass from the semiconductor layer 20, the first layer 31 (for example, the tunnel insulating film), the first region 32a of the second layer 32, and reach the plurality of nitride portions 35. The plurality of nitride parts 35 serve as trap sites. For example, the nitride portion 35 is a molecule of tungsten nitride. The work function of tungsten nitride is 4.6 eV. Tungsten nitride can form a deep level near the center of the bandgap of the second layer 32 (eg, silicon nitride). As a result, good data retention characteristics can be obtained. Furthermore, the range of possible threshold voltages can be expanded.

例えば、第2層32の第1領域32a及び第2領域32bにおいて、離散的なトラップサイトが形成される。トラップサイトの捕獲効率を向上できる。これにより、とり得るしきい値電圧の幅を拡大できる。   For example, discrete trap sites are formed in the first region 32a and the second region 32b of the second layer 32. The trapping efficiency of the trap site can be improved. As a result, the range of possible threshold voltages can be expanded.

例えば、窒化物部35と半導体層20との間の距離は、実質的に一定である。このため、しきい値の変動が小さい。   For example, the distance between the nitride portion 35 and the semiconductor layer 20 is substantially constant. Therefore, the fluctuation of the threshold value is small.

本実施形態において、例えば、メモリセルのサイズを小さくしても安定した動作が得られる。その結果、例えば、記憶密度が向上できる。   In this embodiment, for example, stable operation can be obtained even if the size of the memory cell is reduced. As a result, for example, the storage density can be improved.

不揮発性半導体記憶装置113において、複数の窒化物部35の密度は、1×1013cm−2以上1×1015cm−2以下でも良い。例えば、直接トンネルが抑制でき、良好なリテンション特性が得られる。複数の窒化物部35の密度を1×1013cm−2以上とすることで、例えば、とり得るしきい値電圧の幅の拡大が効果的に行われる。 In the nonvolatile semiconductor memory device 113, the density of the plurality of nitride portions 35 may be 1 × 10 13 cm −2 or more and 1 × 10 15 cm −2 or less. For example, direct tunneling can be suppressed and good retention characteristics can be obtained. By setting the density of the plurality of nitride portions 35 to 1 × 10 13 cm −2 or more, for example, the width of the possible threshold voltage is effectively expanded.

不揮発性半導体記憶装置113の第2層32において、第1領域32aの厚さt2aは、第2領域32bの厚さt2bと実質的に同じでも良い。例えば、第1領域32aの厚さt2aは、第2領域32bの厚さt2bの0.5倍以上1.5倍以下である。   In the second layer 32 of the nonvolatile semiconductor memory device 113, the thickness t2a of the first region 32a may be substantially the same as the thickness t2b of the second region 32b. For example, the thickness t2a of the first region 32a is 0.5 times or more and 1.5 times or less the thickness t2b of the second region 32b.

不揮発性半導体記憶装置113において、窒化物分子35Mに含まれる第1元素35pの粒子36がさらに設けられても良い(図3(a)参照)。この例では、第1元素の粒子36は、第1領域32aと第2領域32bとの間に設けられる。これにより、データ保持特性が向上できる。さらに、とり得るしきい値電圧の幅を拡大できる。   In the nonvolatile semiconductor memory device 113, particles 36 of the first element 35p contained in the nitride molecule 35M may be further provided (see FIG. 3A). In this example, the particles 36 of the first element are provided between the first region 32a and the second region 32b. Thereby, the data retention characteristic can be improved. Furthermore, the range of possible threshold voltages can be expanded.

不揮発性半導体記憶装置112及び113において、複数の窒化物部35の窒化物分子は、例えば、BN、AlN、GaN及びInNの少なくとも1つを含んでも良い。窒化物分子35Mは、第1元素35p(第1原子)と、窒素原子35qと、を含む(例えば図2(c)参照)。第1元素35pは、ボロン(B)、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)及びインジウム(In)のいずれかでも良い。この場合も、例えば、メモリセルのサイズを小さくしても安定した動作が得られる。その結果、例えば、記憶密度が向上できる。   In the nonvolatile semiconductor memory devices 112 and 113, the nitride molecules of the plurality of nitride portions 35 may include at least one of BN, AlN, GaN, and InN. The nitride molecule 35M includes a first element 35p (first atom) and a nitrogen atom 35q (see, for example, FIG. 2C). The first element 35p may be any of boron (B), aluminum (Al), gallium (Ga), and indium (In). Also in this case, stable operation can be obtained even if the size of the memory cell is reduced. As a result, for example, the storage density can be improved.

上記の第1〜第3の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置111〜113において、複数の窒化物部35の状態の少なくとも一部に関する情報は、例えば、TEM−EELS(Transmission Electron Microscope-electron energy loss spectroscopy)により得られる。複数の窒化物部35の状態の少なくとも一部に関する情報は、例えば、SIMS( Secondary Mass Spectrometry)により得られる。複数の窒化物部35の状態の少なくとも一部に関する情報は、例えば、3次元アトムプローブを用いた分析に得られる。3次元アトムプローブとして、例えばLEAP4000(CAMECA社)などを用いることができる。   In the nonvolatile semiconductor memory devices 111 to 113 according to the first to third embodiments described above, information about at least a part of the states of the plurality of nitride portions 35 is, for example, TEM-EELS (Transmission Electron Microscope-electron energy). loss spectroscopy). The information on at least a part of the states of the plurality of nitride portions 35 is obtained by SIMS (Secondary Mass Spectrometry), for example. The information on at least a part of the states of the plurality of nitride portions 35 is obtained, for example, by analysis using a three-dimensional atom probe. As the three-dimensional atom probe, for example, LEAP4000 (CAMECA) can be used.

(第4の実施形態)
第4の実施形態においては、半導体層20はピラー状である。
図4(a)及び図4(b)は、第4の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置を例示する模式的断面図である。
図4(b)は、図4(a)のA1−A2線断面図である。
(Fourth Embodiment)
In the fourth embodiment, the semiconductor layer 20 has a pillar shape.
FIG. 4A and FIG. 4B are schematic cross-sectional views illustrating the nonvolatile semiconductor memory device according to the fourth embodiment.
FIG. 4B is a sectional view taken along the line A1-A2 of FIG.

図4(a)に示すように、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置121においては、半導体層20、第1電極41、第2電極42、層間絶縁膜45i、第1〜第3層31〜33、及び、複数の窒化物部35が設けられる。   As shown in FIG. 4A, in the nonvolatile semiconductor memory device 121 according to this embodiment, the semiconductor layer 20, the first electrode 41, the second electrode 42, the interlayer insulating film 45i, and the first to third layers 31. To 33 and a plurality of nitride parts 35 are provided.

第2電極42は、第1方向(半導体層20から第1電極41に向かう方向を)と交差する第2方向(例えばZ軸方向)において、第1電極41と並ぶ。複数の電極40の間に、層間絶縁膜45iが設けられる。以下、不揮発性半導体記憶装置121について、不揮発性半導体記憶装置111とは異なる部分について説明する。   The second electrode 42 is arranged with the first electrode 41 in the second direction (for example, the Z-axis direction) that intersects the first direction (the direction from the semiconductor layer 20 toward the first electrode 41). An interlayer insulating film 45i is provided between the plurality of electrodes 40. The parts of the nonvolatile semiconductor memory device 121 different from the nonvolatile semiconductor memory device 111 will be described below.

第1電極41、層間絶縁膜45i及び第2電極42は、積層体SBに含まれる。半導体層20は、積層体SBの中を第2方向(Z軸方向)に沿って延びる。   The first electrode 41, the interlayer insulating film 45i, and the second electrode 42 are included in the stacked body SB. The semiconductor layer 20 extends in the stacked body SB along the second direction (Z-axis direction).

この例では、コアピラー20cが設けられている。コアピラー20cは、積層体SB中をZ軸方向に延びる。コアピラー20cは、例えば絶縁性である。   In this example, the core pillar 20c is provided. The core pillar 20c extends in the Z-axis direction in the stacked body SB. The core pillar 20c is, for example, insulating.

図4(a)及び図4(b)に示すように、コアピラー20cの周りに半導体層20が設けられる。半導体層20は、例えば管状である。半導体層20の周りに、第1層31が設けられる。第1層31の周りに、第2層32が設けられる。第2層32の周りに第3層33が設けられる。第1〜第3層31〜33は、管状である。第3層33の周りに、電極40(第1電極41及び第2電極42など)が設けられる。   As shown in FIGS. 4A and 4B, the semiconductor layer 20 is provided around the core pillar 20c. The semiconductor layer 20 has, for example, a tubular shape. A first layer 31 is provided around the semiconductor layer 20. The second layer 32 is provided around the first layer 31. A third layer 33 is provided around the second layer 32. The first to third layers 31 to 33 are tubular. An electrode 40 (a first electrode 41, a second electrode 42, etc.) is provided around the third layer 33.

不揮発性半導体記憶装置121においては、窒化物分子35Mの複数の窒化物部35は、第1層31と第2層32との間に設けられる。不揮発性半導体記憶装置121においても、例えば、メモリセルのサイズを小さくしても安定した動作が得られる。その結果、例えば、記憶密度が向上できる。   In the nonvolatile semiconductor memory device 121, the plurality of nitride parts 35 of the nitride molecule 35M are provided between the first layer 31 and the second layer 32. Also in the nonvolatile semiconductor memory device 121, stable operation can be obtained even if the size of the memory cell is reduced, for example. As a result, for example, the storage density can be improved.

以下、不揮発性半導体記憶装置121の製造方法の例について説明する。
本製造方法は、半導体層20と、第1電極41と、半導体層20と第1電極41との間に設けられた第1層31と、第1層31と第1電極41との間に設けられた第2層32と、第2層32と第1電極41との間に設けられた第3層33と、を含む不揮発性半導体記憶装置121の製造方法である。既に説明したように、第2層32の伝導帯端Bcの第2エネルギーE2は、第1層31の伝導帯端Bcの第1エネルギーE1よりも低い。第3層33の伝導帯端Bcの第3エネルギーE3は、第2エネルギーE2よりも高い。本製造方法は、第1層31の形成、第2層32の形成、第3層33の形成、及び、複数の窒化物部35の形成を含む。
Hereinafter, an example of a method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device 121 will be described.
The present manufacturing method uses the semiconductor layer 20, the first electrode 41, the first layer 31 provided between the semiconductor layer 20 and the first electrode 41, and the first layer 31 and the first electrode 41. It is a method of manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device 121 including the provided second layer 32 and the third layer 33 provided between the second layer 32 and the first electrode 41. As described above, the second energy E2 of the conduction band edge Bc of the second layer 32 is lower than the first energy E1 of the conduction band edge Bc of the first layer 31. The third energy E3 of the conduction band edge Bc of the third layer 33 is higher than the second energy E2. The manufacturing method includes forming the first layer 31, forming the second layer 32, forming the third layer 33, and forming the plurality of nitride portions 35.

図5(a)〜図5(d)は、第4の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の製造方法を例示する工程順模式的断面図である。
図5(a)に示すように、基体10の上に、電極40となる導電層40fと、層間絶縁膜45iとなる絶縁層45ifと、を交互に積層する。導電層40fは、例えばタングステンである。絶縁層45ifは、例えば、酸化シリコンである。積層体SBが形成される。積層方向が、Z軸方向に対応する。
5A to 5D are schematic cross-sectional views in order of the processes, illustrating the method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device according to the fourth embodiment.
As shown in FIG. 5A, a conductive layer 40f to be the electrode 40 and an insulating layer 45if to be the interlayer insulating film 45i are alternately laminated on the base 10. The conductive layer 40f is, for example, tungsten. The insulating layer 45if is, for example, silicon oxide. The stacked body SB is formed. The stacking direction corresponds to the Z-axis direction.

図5(b)に示すように、積層体SBに孔SBhを形成する。孔SBhは、Z軸方向に延びる。   As shown in FIG. 5B, the holes SBh are formed in the stacked body SB. The hole SBh extends in the Z-axis direction.

図5(c)に示すように、孔SBhの側壁に、第3層33を形成し、その上に、第2層32を形成する。第2層32の表面に、複数の窒化物部35を形成する。   As shown in FIG. 5C, the third layer 33 is formed on the side wall of the hole SBh, and the second layer 32 is formed thereon. A plurality of nitride parts 35 are formed on the surface of the second layer 32.

複数の窒化物部35の形成においては、例えば、第1元素35pを含むガス(例えば、塩化チタンなど)と、窒素原子35qを含むガス(例えばアンモニア)と、を用いた原子層堆積(ALD、Atomic Layer Deposition)が行われる。例えば、ALDにおけるサイクル数、ALDにおける雰囲気(例えばアンモニアガスの圧力など)、及び、ALDにおける温度などが制御される。これにより、第2層32の表面に、窒化物分子35Mの複数の窒化物部35が形成される。複数の窒化物部35の、第1方向(Z軸方向と交差する方向であり、半導体層20から第1電極41に向かう方向に対応する)の長さ35dは、窒化物分子35Mの大きさの最大値35L以下である。   In the formation of the plurality of nitride parts 35, for example, atomic layer deposition (ALD, using a gas containing the first element 35p (eg, titanium chloride) and a gas containing nitrogen atoms 35q (eg, ammonia). Atomic Layer Deposition) is performed. For example, the number of cycles in ALD, the atmosphere in ALD (for example, the pressure of ammonia gas, etc.), the temperature in ALD, etc. are controlled. As a result, a plurality of nitride parts 35 of the nitride molecule 35M are formed on the surface of the second layer 32. The length 35d of the plurality of nitride portions 35 in the first direction (the direction that intersects the Z-axis direction and corresponds to the direction from the semiconductor layer 20 toward the first electrode 41) is the size of the nitride molecule 35M. Is less than or equal to the maximum value of 35 L.

図5(d)に示すように、第2層32の表面の一部、及び、複数の窒化物部35の上に、第1層31を形成する。   As shown in FIG. 5D, the first layer 31 is formed on a part of the surface of the second layer 32 and the plurality of nitride portions 35.

さらに、第1層31の表面に半導体層20を形成し、さらに、残余の空間に絶縁材料を埋め込んでコアピラー20cを形成することで、不揮発性半導体記憶装置121が形成できる。   Further, the semiconductor layer 20 is formed on the surface of the first layer 31, and the remaining space is filled with an insulating material to form the core pillar 20c, whereby the nonvolatile semiconductor memory device 121 can be formed.

この例では、第3層33の形成の後に、第2層32の形成を実施する。そして、第2層32の形成の後に、複数の窒化物部35の形成を実施する。そして、複数の窒化物部35の形成の後に、第1層31の形成を実施する。   In this example, the second layer 32 is formed after the formation of the third layer 33. Then, after forming the second layer 32, the plurality of nitride portions 35 are formed. Then, after forming the plurality of nitride portions 35, the first layer 31 is formed.

本実施形態において、複数の窒化物部35の、第1方向(Z軸方向)と交差する面(第2層32と第3層33との間の筒状の面)における密度は、例えば、1×1013cm−2以上1×1015cm−2以下である。 In the present embodiment, the density of the plurality of nitride portions 35 on the surface intersecting the first direction (Z-axis direction) (cylindrical surface between the second layer 32 and the third layer 33) is, for example, It is 1 × 10 13 cm −2 or more and 1 × 10 15 cm −2 or less.

以下、不揮発性半導体記憶装置121の製造方法の別の例について説明する。この方法においては、リプレイス法が用いられる。   Hereinafter, another example of the method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device 121 will be described. In this method, the replace method is used.

図6(a)〜図6(d)は、第4の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の別の製造方法を例示する工程順模式的断面図である。
図6(a)に示すように、基体10の上に、複数の第1膜61及び複数の第2膜62を交互に積層する。第1膜61は、例えば、犠牲層である。第2膜62は、例えば、層間絶縁膜45iとなる。第1膜61は、例えばシリコン窒化膜である。第2膜62は、例えばシリコン酸化膜である。これにより、積層体SB0が形成される。
6A to 6D are schematic cross-sectional views in order of the processes, illustrating another method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device according to the fourth embodiment.
As shown in FIG. 6A, a plurality of first films 61 and a plurality of second films 62 are alternately laminated on the base 10. The first film 61 is, for example, a sacrificial layer. The second film 62 becomes, for example, the interlayer insulating film 45i. The first film 61 is, for example, a silicon nitride film. The second film 62 is, for example, a silicon oxide film. Thereby, the stacked body SB0 is formed.

さらに、積層体SB0に孔を形成し、この孔に、第3層33、第2層32、複数の窒化物部35、第1層31、半導体層20及びコアピラー20cを順次形成する。これにより、第3層33、第2層32、複数の窒化物部35、第1層31、半導体層20及びコアピラー20cを含むピラー部PPが形成される。   Further, a hole is formed in the stacked body SB0, and the third layer 33, the second layer 32, the plurality of nitride portions 35, the first layer 31, the semiconductor layer 20, and the core pillar 20c are sequentially formed in the hole. Thereby, the pillar portion PP including the third layer 33, the second layer 32, the plurality of nitride portions 35, the first layer 31, the semiconductor layer 20, and the core pillar 20c is formed.

図6(b)に示すように、積層体SB0にスリットST(孔でも良い)を形成する。
図6(c)に示すように、スリットSTを介して、第1膜61を除去する。
図6(d)に示すように、第1膜61が除去されて形成された空間に導電材料を埋め込んで電極40を形成する。残っている第2膜62が、層間絶縁膜45iとなる。
これにより、不揮発性半導体記憶装置121が形成される。
As shown in FIG. 6B, the slit ST (may be a hole) is formed in the stacked body SB0.
As shown in FIG. 6C, the first film 61 is removed via the slit ST.
As shown in FIG. 6D, a conductive material is embedded in the space formed by removing the first film 61 to form the electrode 40. The remaining second film 62 becomes the interlayer insulating film 45i.
As a result, the nonvolatile semiconductor memory device 121 is formed.

このように、本製造方法においては、犠牲層(第1膜61)を形成することと、犠牲層を除去することと、第1電極41(電極40)を形成すること、を含む。   As described above, the present manufacturing method includes forming the sacrificial layer (first film 61), removing the sacrificial layer, and forming the first electrode 41 (electrode 40).

第3層33の形成は、犠牲層(第1膜61)の面の上に第3層33を形成することを含む。第1層31の形成の後に半導体層20を形成する。半導体層20の形成の後に(この例では、コアピラー20cの形成の後に)、犠牲層の除去を実施する。第1電極41の形成は、犠牲層の除去により露出した第3層33の面の上に第1電極41を形成することを含む。このように、リプレイス法により不揮発性半導体記憶装置121を製造しても良い。   The formation of the third layer 33 includes forming the third layer 33 on the surface of the sacrificial layer (first film 61). After forming the first layer 31, the semiconductor layer 20 is formed. After forming the semiconductor layer 20 (in this example, after forming the core pillar 20c), the sacrifice layer is removed. Forming the first electrode 41 includes forming the first electrode 41 on the surface of the third layer 33 exposed by removing the sacrificial layer. In this way, the nonvolatile semiconductor memory device 121 may be manufactured by the replacement method.

図7(a)及び図7(b)は、第4の実施形態に係る別の不揮発性半導体記憶装置を例示する模式的断面図である。
図7(b)は、図7(a)のA1−A2線断面図である。
7A and 7B are schematic cross-sectional views illustrating another nonvolatile semiconductor memory device according to the fourth embodiment.
FIG. 7B is a sectional view taken along the line A1-A2 of FIG.

図7(a)に示すように、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置122においても、半導体層20、第1電極41、第2電極42、層間絶縁膜45i、第1〜第3層31〜33、及び、複数の窒化物部35が設けられる。複数の窒化物部35は、第2層32と第3層33との間に設けられる。これ以外は、不揮発性半導体記憶装置121と同様である。   As shown in FIG. 7A, also in the nonvolatile semiconductor memory device 122 according to this embodiment, the semiconductor layer 20, the first electrode 41, the second electrode 42, the interlayer insulating film 45i, and the first to third layers 31. To 33 and a plurality of nitride parts 35 are provided. The plurality of nitride parts 35 are provided between the second layer 32 and the third layer 33. The rest is the same as the nonvolatile semiconductor memory device 121.

不揮発性半導体記憶装置122においては、半導体層20は積層体SBの中を第2方向(Z軸方向)に沿って延びる。これ以外は、不揮発性半導体記憶装置112と同様である。不揮発性半導体記憶装置122においても、例えば、メモリセルのサイズを小さくしても安定した動作が得られる。その結果、例えば、記憶密度が向上できる。   In the nonvolatile semiconductor memory device 122, the semiconductor layer 20 extends in the stacked body SB along the second direction (Z-axis direction). Other than this, the nonvolatile semiconductor memory device 112 is the same as the nonvolatile semiconductor memory device 112. Also in the nonvolatile semiconductor memory device 122, stable operation can be obtained even if the size of the memory cell is reduced, for example. As a result, for example, the storage density can be improved.

以下、不揮発性半導体記憶装置122の製造方法の例について説明する。
図8(a)〜図8(d)は、第4の実施形態に係る別の不揮発性半導体記憶装置の製造方法を例示する工程順模式的断面図である。
図8(a)及び図8(b)に示すように、基体10の上に、電極40となる導電層40fと、層間絶縁膜45iとなる絶縁層45ifと、を交互に積層して積層体SBを形成し、さらに、積層体SBに孔SBhを形成する。
Hereinafter, an example of a method of manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device 122 will be described.
FIG. 8A to FIG. 8D are schematic cross-sectional views in order of the processes, illustrating a method for manufacturing another nonvolatile semiconductor memory device according to the fourth embodiment.
As shown in FIGS. 8A and 8B, a laminated body in which a conductive layer 40f to be the electrode 40 and an insulating layer 45if to be the interlayer insulating film 45i are alternately laminated on the substrate 10. SB is formed, and then a hole SBh is formed in the stacked body SB.

図8(c)に示すように、孔SBhの側壁に、第3層33を形成し、その上に、複数の窒化物部35を形成する。複数の窒化物部35の形成において、図5(c)に関して説明した処理が行われる。   As shown in FIG. 8C, the third layer 33 is formed on the side wall of the hole SBh, and the plurality of nitride portions 35 are formed thereon. In the formation of the plurality of nitride portions 35, the processing described with reference to FIG.

図8(d)に示すように、第3層33の表面の一部、及び、複数の窒化物部35の上に、第2層32を形成し、さらに、第2層32の表面に第1層31を形成する。   As shown in FIG. 8D, the second layer 32 is formed on a part of the surface of the third layer 33 and on the plurality of nitride portions 35, and further, on the surface of the second layer 32, a second layer 32 is formed. The first layer 31 is formed.

さらに、第1層31の表面に半導体層20を形成し、さらに、残余の空間に絶縁材料を埋め込んでコアピラー20cを形成することで、不揮発性半導体記憶装置122が形成できる。   Further, by forming the semiconductor layer 20 on the surface of the first layer 31 and further filling the remaining space with an insulating material to form the core pillar 20c, the nonvolatile semiconductor memory device 122 can be formed.

この例では、第3層33の形成の後に複数の窒化物部35の形成を実施する。複数の窒化物部35の形成の後に第2層32の形成を実施する。第2層32の形成の後に第1層31の形成を実施する。   In this example, the formation of the plurality of nitride portions 35 is performed after the formation of the third layer 33. The formation of the second layer 32 is performed after the formation of the plurality of nitride portions 35. The formation of the first layer 31 is performed after the formation of the second layer 32.

図9(a)〜図9(d)は、第4の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の別の製造方法を例示する工程順模式的断面図である。
図9(a)に示すように、基体10の上に、積層体SB0を形成し、積層体SB0にピラー部PPを形成する。ピラー部PPにおいては、複数の窒化物部35は、第3層33と第2層32との間に設けられる。
9A to 9D are schematic cross-sectional views in order of the processes, illustrating another method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device according to the fourth embodiment.
As shown in FIG. 9A, the stacked body SB0 is formed on the base body 10, and the pillar portion PP is formed on the stacked body SB0. In the pillar part PP, the plurality of nitride parts 35 are provided between the third layer 33 and the second layer 32.

図9(b)〜図9(d)に示すように、積層体SB0にスリットST(孔でも良い)を形成し、スリットSTを介して第1膜61を除去し、第1膜61が除去されて形成された空間に導電材料を埋め込んで電極40を形成する。残っている第2膜62が、層間絶縁膜45iとなる。これにより、不揮発性半導体記憶装置122が形成される。   As shown in FIGS. 9B to 9D, a slit ST (a hole may be used) is formed in the stacked body SB0, the first film 61 is removed through the slit ST, and the first film 61 is removed. A conductive material is embedded in the space thus formed to form the electrode 40. The remaining second film 62 becomes the interlayer insulating film 45i. As a result, the nonvolatile semiconductor memory device 122 is formed.

図10(a)及び図10(b)は、第4の実施形態に係る別の不揮発性半導体記憶装置を例示する模式的断面図である。
図10(b)は、図10(a)のA1−A2線断面図である。
10A and 10B are schematic cross-sectional views illustrating another nonvolatile semiconductor memory device according to the fourth embodiment.
FIG. 10B is a sectional view taken along the line A1-A2 of FIG.

図10(a)に示すように、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置123においても、半導体層20、第1電極41、第2電極42、層間絶縁膜45i、第1〜第3層31〜33、及び、複数の窒化物部35が設けられる。複数の窒化物部35は、第2層32の第1領域32aと第2領域32bとの間に設けられる。これ以外は、不揮発性半導体記憶装置121と同様である。   As shown in FIG. 10A, also in the nonvolatile semiconductor memory device 123 according to this embodiment, the semiconductor layer 20, the first electrode 41, the second electrode 42, the interlayer insulating film 45i, and the first to third layers 31. To 33 and a plurality of nitride parts 35 are provided. The plurality of nitride portions 35 are provided between the first region 32a and the second region 32b of the second layer 32. The rest is the same as the nonvolatile semiconductor memory device 121.

不揮発性半導体記憶装置123においては、半導体層20は積層体SBの中を第2方向(Z軸方向)に沿って延びる。これ以外は、不揮発性半導体記憶装置113と同様である。不揮発性半導体記憶装置123においても、例えば、メモリセルのサイズを小さくしても安定した動作が得られる。その結果、例えば、記憶密度が向上できる。   In the nonvolatile semiconductor memory device 123, the semiconductor layer 20 extends in the stacked body SB along the second direction (Z-axis direction). The rest is the same as the nonvolatile semiconductor memory device 113. Also in the nonvolatile semiconductor memory device 123, stable operation can be obtained even if the size of the memory cell is reduced, for example. As a result, for example, the storage density can be improved.

以下、不揮発性半導体記憶装置123の製造方法の例について説明する。
図11(a)〜図11(d)は、第4の実施形態に係る別の不揮発性半導体記憶装置の製造方法を例示する工程順模式的断面図である。
図11(a)及び図11(b)に示すように、基体10の上に、電極40となる導電層40fと、層間絶縁膜45iとなる絶縁層45ifと、を交互に積層して積層体SBを形成し、さらに、積層体SBに孔SBhを形成する。
Hereinafter, an example of a method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device 123 will be described.
11A to 11D are schematic cross-sectional views in order of the processes, illustrating a method for manufacturing another nonvolatile semiconductor memory device according to the fourth embodiment.
As shown in FIGS. 11A and 11B, a laminated body in which a conductive layer 40f to be the electrode 40 and an insulating layer 45if to be the interlayer insulating film 45i are alternately laminated on the substrate 10. SB is formed, and then a hole SBh is formed in the stacked body SB.

図11(c)に示すように、孔SBhの側壁に、第3層33を形成し、その上に、第2層32の一部(第2領域32b)を形成する。さらに、その表面に、複数の窒化物部35を形成する。複数の窒化物部35の形成において、図5(c)に関して説明した処理が行われる。   As shown in FIG. 11C, the third layer 33 is formed on the side wall of the hole SBh, and a part of the second layer 32 (the second region 32b) is formed thereon. Further, a plurality of nitride parts 35 are formed on the surface thereof. In the formation of the plurality of nitride portions 35, the processing described with reference to FIG.

図11(d)に示すように、第2領域32bの表面の一部、及び、複数の窒化物部35の上に、第2層32の別の一部(第1領域32a)を形成し、さらに、第1領域32aの表面に第1層31を形成する。   As shown in FIG. 11D, another part of the second layer 32 (first region 32a) is formed on part of the surface of the second region 32b and on the plurality of nitride portions 35. Further, the first layer 31 is formed on the surface of the first region 32a.

さらに、第1層31の表面に半導体層20を形成し、さらに、残余の空間に絶縁材料を埋め込んでコアピラー20cを形成することで、不揮発性半導体記憶装置123が形成できる。   Further, by forming the semiconductor layer 20 on the surface of the first layer 31 and further filling the remaining space with an insulating material to form the core pillar 20c, the nonvolatile semiconductor memory device 123 can be formed.

この例では、第3層33の形成の後に第2層32の一部(第2領域32b)を形成し、第2層32のこの一部(第2領域32b)の形成の後に複数の窒化物部35の形成を実施する。複数の窒化物部35の形成の後に第2層32の他の一部(第1領域32a)を形成する。第2層32の上記の他の一部(第1領域32a)の形成の後に、第1層31の形成を実施する。   In this example, a part of the second layer 32 (the second region 32b) is formed after the formation of the third layer 33, and a plurality of nitrides is formed after the formation of the part (the second region 32b) of the second layer 32. The object portion 35 is formed. After forming the plurality of nitride parts 35, another part (first region 32a) of the second layer 32 is formed. The formation of the first layer 31 is performed after the formation of the other part (first region 32a) of the second layer 32 described above.

図12(a)〜図12(d)は、第4の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の別の製造方法を例示する工程順模式的断面図である。
図12(a)に示すように、基体10の上に、積層体SB0を形成し、積層体SB0にピラー部PPを形成する。ピラー部PPにおいては、複数の窒化物部35は、第2層32の第1領域32aと第2領域32bとの間に設けられる。
12A to 12D are schematic cross-sectional views in order of the processes, illustrating another method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device according to the fourth embodiment.
As shown in FIG. 12A, the stacked body SB0 is formed on the base body 10, and the pillar portion PP is formed on the stacked body SB0. In the pillar portion PP, the plurality of nitride portions 35 are provided between the first region 32a and the second region 32b of the second layer 32.

図12(b)〜図12(d)に示すように、積層体SB0にスリットST(孔でも良い)を形成し、スリットSTを介して第1膜61を除去し、第1膜61が除去されて形成された空間に導電材料を埋め込んで電極40を形成する。残っている第2膜62が、層間絶縁膜45iとなる。これにより、不揮発性半導体記憶装置123が形成される。   As shown in FIGS. 12B to 12D, a slit ST (a hole may be used) is formed in the stacked body SB0, the first film 61 is removed through the slit ST, and the first film 61 is removed. A conductive material is embedded in the space thus formed to form the electrode 40. The remaining second film 62 becomes the interlayer insulating film 45i. As a result, the nonvolatile semiconductor memory device 123 is formed.

図5(a)〜図5(d)、図8(a)〜図8(d)、及び、図11(a)〜図11(d)に関して説明した製造方法においては、第3層33の形成の前に、積層体SBが形成される。すなわち、第3層33の形成の前に第1電極41が形成される。そして、第1層31の形成の後に、半導体層20が形成される。   In the manufacturing method described with reference to FIGS. 5A to 5D, 8 </ b> A to 8 </ b> D, and 11 </ b> A to 11 </ b> D, the third layer 33 is formed. The laminated body SB is formed before the formation. That is, the first electrode 41 is formed before the formation of the third layer 33. Then, after forming the first layer 31, the semiconductor layer 20 is formed.

これに対して、図6(a)〜図6(d)、図9(a)〜図9(d)、及び、図12(a)〜図12(d)に関して説明した製造方法においては、第1層31〜第3層33、複数の窒化物部35及び半導体層20が形成された後に、電極40(第1電極41及び第2電極42など)が形成される。   On the other hand, in the manufacturing method described with reference to FIGS. 6A to 6D, 9 </ b> A to 9 </ b> D, and 12 </ b> A to 12 </ b> D, After the first layer 31 to the third layer 33, the plurality of nitride portions 35, and the semiconductor layer 20 are formed, the electrode 40 (the first electrode 41, the second electrode 42, etc.) is formed.

図13は、第4の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置を例示する模式的斜視図である。
図13においては、図を見易くするために、絶縁部分の少なくとも一部が省略されている。
FIG. 13 is a schematic perspective view illustrating the nonvolatile semiconductor memory device according to the fourth embodiment.
In FIG. 13, at least a part of the insulating portion is omitted in order to make the drawing easy to see.

図13に示す不揮発性半導体記憶装置131は、上記の不揮発性半導体記憶装置121〜131の構成を有する。不揮発性半導体記憶装置131においては、メモリセルが、3次元的に配置される。   A nonvolatile semiconductor memory device 131 shown in FIG. 13 has the configuration of the nonvolatile semiconductor memory devices 121 to 131 described above. In the nonvolatile semiconductor memory device 131, memory cells are three-dimensionally arranged.

不揮発性半導体記憶装置131において、基体10の上に、バックゲートBGが設けられる。この上に、積層体SBが設けられる。積層体SBは、交互に設けられた複数の導電層WL及び複数の絶縁層(図示せず、例えば層間絶縁膜45iに対応する)を含む。積層体SBにおける積層方向がZ軸方向に対応する。   In the nonvolatile semiconductor memory device 131, the back gate BG is provided on the base body 10. The stacked body SB is provided thereon. The stacked body SB includes a plurality of conductive layers WL and a plurality of insulating layers that are alternately provided (not shown, for example, corresponding to the interlayer insulating film 45i). The stacking direction in the stacked body SB corresponds to the Z-axis direction.

基体10は、例えば半導体基板(シリコン基板など)である。バックゲートBGは、例えば不純物を含むシリコンを含む。導電層WLは、例えば、金属(例えばタングステンなど)または半導体(例えば不純物を含むシリコンなど)を含む。導電層WLは、例えば、ワード線となる。   The base 10 is, for example, a semiconductor substrate (silicon substrate or the like). The back gate BG includes, for example, silicon containing impurities. The conductive layer WL includes, for example, a metal (eg, tungsten) or a semiconductor (eg, silicon containing impurities). The conductive layer WL becomes, for example, a word line.

不揮発性半導体記憶装置131において、複数のメモリストリングMSを含む。1つのメモリストリングMSは、ピラー部PPを含む。この例では、1つのメモリストリングMSは、2つのピラー部PPと、連結部JPと、を含む。連結部JPは、2つのピラー部PPのそれぞれの下端を連結する。メモリストリングMSは、例えば、U字状である。   The nonvolatile semiconductor memory device 131 includes a plurality of memory strings MS. One memory string MS includes a pillar part PP. In this example, one memory string MS includes two pillar parts PP and a connecting part JP. The connection part JP connects the lower ends of the two pillar parts PP. The memory string MS has, for example, a U shape.

ピラー部PPは、例えば柱状(円柱状、偏平円柱状など)である。ピラー部PPは、積層体SBのなかをZ軸方向に延びる。ピラー部PPの1つの上端部に、ドレイン側選択ゲートSGDが設けられる。ピラー部PPの別の1つの上端部に、ソース側選択ゲートSGSが設けられている。ドレイン側選択ゲートSGD及びソース側選択ゲートSGSは、例えば、上部選択ゲートとなる。ドレイン側選択ゲートSGD及びソース側選択ゲートSGSは、例えば、最上層の導電層WL上に絶縁層を介して設けられる。ドレイン側選択ゲートSGD及びソース側選択ゲートSGSは、例えば、不純物を含むシリコンを含む。ドレイン側選択ゲートSGDとソース側選択ゲートSGSとの間に絶縁分離膜(図示しない)が設けられる。これらのゲートは、Y軸方向に沿って延びる。   The pillar portion PP has, for example, a columnar shape (a cylindrical shape, a flat cylindrical shape, or the like). The pillar portion PP extends in the Z-axis direction inside the stacked body SB. A drain-side selection gate SGD is provided on one upper end of the pillar portion PP. A source-side selection gate SGS is provided on another upper end of the pillar portion PP. The drain side selection gate SGD and the source side selection gate SGS are, for example, upper selection gates. The drain-side selection gate SGD and the source-side selection gate SGS are provided, for example, on the uppermost conductive layer WL via an insulating layer. The drain-side selection gate SGD and the source-side selection gate SGS include, for example, silicon containing impurities. An insulating separation film (not shown) is provided between the drain side selection gate SGD and the source side selection gate SGS. These gates extend along the Y-axis direction.

ドレイン側選択ゲートSGDの下の積層体SBと、ソース側選択ゲートSGSの下の積層体SBも、絶縁分離膜によって分離されている。積層体SBは、Y軸方向に延びる。   The stacked body SB below the drain side select gate SGD and the stacked body SB below the source side select gate SGS are also separated by the insulating separation film. The stacked body SB extends in the Y-axis direction.

ソース側選択ゲートSGS上に、絶縁層を介して、ソース線SL(例えば金属膜)が設けられる。ドレイン側選択ゲートSGD上及びソース線SLの上に、絶縁層を介して、複数のビット線BL(例えば金属膜)が設けられている。複数のビット線BLのそれぞれは、X軸方向に延びる。   A source line SL (for example, a metal film) is provided on the source-side selection gate SGS via an insulating layer. A plurality of bit lines BL (for example, a metal film) are provided on the drain-side selection gate SGD and the source line SL via an insulating layer. Each of the plurality of bit lines BL extends in the X-axis direction.

複数の導電層WLは、複数の電極40に対応する。複数の導電層WLのそれぞれは、複数のメモリセルのそれぞれに対応する。   The plurality of conductive layers WL correspond to the plurality of electrodes 40. Each of the plurality of conductive layers WL corresponds to each of the plurality of memory cells.

ピラー部PPの1つの上端部に、ドレイン側選択トランジスタSTDが設けられる。ピラー部PPの別の1つの上端部に、ソース側選択トランジスタSTSが設けられる。メモリセル、ドレイン側選択トランジスタSTD及びソース側選択トランジスタSTSは、縦型トランジスタである。これらのトランジスタにおいては、Z軸方向に沿って電流が流れる。   The drain side select transistor STD is provided at one upper end of the pillar part PP. The source-side selection transistor STS is provided at another upper end of the pillar portion PP. The memory cell, the drain-side selection transistor STD, and the source-side selection transistor STS are vertical transistors. In these transistors, current flows along the Z-axis direction.

ドレイン側選択ゲートSGDは、ドレイン側選択トランジスタSTDのゲート電極(コントロールゲート)として機能する。ドレイン側選択ゲートSGDと半導体層20との間には、絶縁膜(図示せず)が設けられる。この絶縁膜は、ドレイン側選択トランジスタSTDのゲート絶縁膜として機能する。ドレイン側選択トランジスタSTDのチャネルボディ(半導体層20)は、ドレイン側選択ゲートSGDの上方で、ビット線BLと接続されている。   The drain side selection gate SGD functions as a gate electrode (control gate) of the drain side selection transistor STD. An insulating film (not shown) is provided between the drain side select gate SGD and the semiconductor layer 20. This insulating film functions as a gate insulating film of the drain side select transistor STD. The channel body (semiconductor layer 20) of the drain side select transistor STD is connected to the bit line BL above the drain side select gate SGD.

ソース側選択ゲートSGSは、ソース側選択トランジスタSTSのゲート電極(コントロールゲート)として機能する。ソース側選択ゲートSGSと半導体層20との間には、絶縁膜(図示せず)が設けられている。この絶縁膜は、ソース側選択トランジスタSTSのゲート絶縁膜として機能する。ソース側選択トランジスタSTSのチャネルボディ(半導体層20)は、ソース側選択ゲートSGSの上方で、ソース線SLと接続されている。   The source side selection gate SGS functions as a gate electrode (control gate) of the source side selection transistor STS. An insulating film (not shown) is provided between the source side selection gate SGS and the semiconductor layer 20. This insulating film functions as a gate insulating film of the source side select transistor STS. The channel body (semiconductor layer 20) of the source side selection transistor STS is connected to the source line SL above the source side selection gate SGS.

メモリストリングMSの連結部JPには、バックゲートトランジスタBGTが設けられる。バックゲートBGは、バックゲートトランジスタBGTのゲート電極(コントロールゲート)として機能する。   The back gate transistor BGT is provided in the connection part JP of the memory string MS. The back gate BG functions as a gate electrode (control gate) of the back gate transistor BGT.

ピラー部PPに設けられるメモリ膜MFは、バックゲートBG内にも設けられても良い。このメモリ膜MFは、バックゲートトランジスタBGTのゲート絶縁膜として機能する。   The memory film MF provided in the pillar part PP may be provided also in the back gate BG. This memory film MF functions as a gate insulating film of the back gate transistor BGT.

ドレイン側選択トランジスタSTDとバックゲートトランジスタBGTとの間には、複数のメモリセルが設けられる。バックゲートトランジスタBGTとソース側選択トランジスタSTSの間にも、複数のメモリセルが設けられる。複数のメモリセルのそれぞれは、複数の導電層WLのそれぞれをコントロールゲートとする。   A plurality of memory cells are provided between the drain side select transistor STD and the back gate transistor BGT. A plurality of memory cells are also provided between the back gate transistor BGT and the source side select transistor STS. Each of the plurality of memory cells uses each of the plurality of conductive layers WL as a control gate.

複数のメモリセル、ドレイン側選択トランジスタSTD、バックゲートトランジスタBGTおよびソース側選択トランジスタSTSは、半導体層20を通じて、直列接続される。これにより、U字状の1つのメモリストリングMSが形成される。複数のメモリストリングMSが、X軸方向及びY軸方向に配列される。複数のメモリセルがX軸方向、Y軸方向及びZ軸方向に、3次元的に設けられる。   The plurality of memory cells, the drain side selection transistor STD, the back gate transistor BGT and the source side selection transistor STS are connected in series through the semiconductor layer 20. As a result, one U-shaped memory string MS is formed. The plurality of memory strings MS are arranged in the X-axis direction and the Y-axis direction. A plurality of memory cells are three-dimensionally provided in the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction.

実施形態において、2つのピラー部PPが連結されなくても良い。1つのピラー部PPの下端部が例えばソース線SLと接続され、上端部が例えばビット線BLと接続されても良い。   In the embodiment, the two pillar portions PP may not be connected. The lower end of one pillar part PP may be connected to the source line SL, for example, and the upper end may be connected to the bit line BL, for example.

(第5の実施形態)
第5の実施形態においては、半導体層20は基板状である。
図14(a)〜図14(c)は、第4の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置を例示する模式的断面図である。
図14(a)〜図14(c)に示すように、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置151〜153は、半導体層20と、第1電極41と、第1層31と、第2層32と、第3層33と、複数の窒化物部35と、を含む。
(Fifth Embodiment)
In the fifth embodiment, the semiconductor layer 20 has a substrate shape.
14A to 14C are schematic cross-sectional views illustrating the nonvolatile semiconductor memory device according to the fourth embodiment.
As shown in FIGS. 14A to 14C, the nonvolatile semiconductor memory devices 151 to 153 according to the present embodiment include a semiconductor layer 20, a first electrode 41, a first layer 31, and a second layer. The layer 32, the third layer 33, and the plurality of nitride portions 35 are included.

半導体層20として、例えば、半導体基板(例えばシリコン基板など)が用いられる。半導体層20は、例えば、SOI構造を有しても良い。これ以外は、不揮発性半導体記憶装置111〜113と同様である。   As the semiconductor layer 20, for example, a semiconductor substrate (for example, a silicon substrate) is used. The semiconductor layer 20 may have, for example, an SOI structure. Other than this, it is the same as the nonvolatile semiconductor memory devices 111 to 113.

不揮発性半導体記憶装置151〜153は、例えば、以下のようにして製造される。
半導体層20の上に第1層31を形成する。第1層31の形成の後に第2層32を形成する。第2層32の形成の後に第3層32を形成する。第3層33の形成の後に第1電極41(及び第2電極42など)を形成する。
The nonvolatile semiconductor memory devices 151 to 153 are manufactured as follows, for example.
The first layer 31 is formed on the semiconductor layer 20. After forming the first layer 31, the second layer 32 is formed. After forming the second layer 32, the third layer 32 is formed. After forming the third layer 33, the first electrode 41 (and the second electrode 42 and the like) are formed.

第1層31の形成と第3層33の形成との間に、複数の窒化物部35の形成が実施される。   A plurality of nitride portions 35 is formed between the formation of the first layer 31 and the formation of the third layer 33.

例えば、第1層31の形成と第2層32の形成の間に、複数の窒化物部35の形成が行われる。これにより不揮発性半導体記憶装置151が形成される。例えば、第2層32の形成と第3層33の形成の間に、複数の窒化物部35の形成が行われる。これにより不揮発性半導体記憶装置152が形成される。例えば、第2層32の一部(第1領域32a)形成と、第2層32の別の一部(第2領域32b)の形成の間に、複数の窒化物部35の形成が行われる。これにより不揮発性半導体記憶装置153が形成される。   For example, the formation of the plurality of nitride portions 35 is performed between the formation of the first layer 31 and the formation of the second layer 32. As a result, the nonvolatile semiconductor memory device 151 is formed. For example, the formation of the plurality of nitride portions 35 is performed between the formation of the second layer 32 and the formation of the third layer 33. As a result, the nonvolatile semiconductor memory device 152 is formed. For example, the formation of the plurality of nitride portions 35 is performed between the formation of a part of the second layer 32 (the first region 32a) and the formation of another part of the second layer 32 (the second region 32b). . As a result, the nonvolatile semiconductor memory device 153 is formed.

例えば、不揮発性半導体記憶装置のフラッシュメモリとして、3次元メモリが開発されている。3次元メモリにおいては、例えば、MONOSメモリセルが設けられる。MONOSメモリセルにおいて、電荷蓄積膜中の離散的な欠陥に、電荷が蓄積される。欠陥の密度が高いと多くの電荷を蓄積でき、とり得るしきい値電圧の幅が拡大する。一方、欠陥の密度が高く、欠陥どうしの間の距離が短くなると、欠陥間を電荷が移動し易くなり、データ保持特性が劣化する。メモリセルが微細化されると電荷蓄積膜の厚さが薄くされる。薄くされると、電荷蓄積量が減少する。このため、書き込み電圧及び消去電圧の許容範囲が縮小する。   For example, a three-dimensional memory has been developed as a flash memory of a nonvolatile semiconductor memory device. In the three-dimensional memory, for example, MONOS memory cells are provided. In the MONOS memory cell, charges are accumulated in discrete defects in the charge accumulation film. If the density of defects is high, a large amount of charges can be stored, and the range of possible threshold voltage is expanded. On the other hand, when the density of defects is high and the distance between the defects is short, electric charges easily move between the defects and the data retention characteristic is deteriorated. When the memory cell is miniaturized, the thickness of the charge storage film is reduced. When the thickness is reduced, the amount of accumulated charge is reduced. Therefore, the allowable range of the write voltage and the erase voltage is reduced.

実施形態においては、窒化物分子35Mの複数の窒化物部35をメモリ膜MFに設ける。複数の窒化物部35は、離散的に配置される。複数の窒化物部35の長さ35d(サイズ)は、窒化物分子35Mの大きさの最大値35L以下である。これにより、電荷の蓄積量を増加させる。蓄積した電荷を抜け難くする。これにより、書き込み電圧及び消去電圧の許容範囲が拡大する。良好なデータ保持特性が得られる。これにより、メモリセルのサイズを縮小しても適正な動作が行われる。   In the embodiment, the plurality of nitride portions 35 of the nitride molecule 35M are provided in the memory film MF. The plurality of nitride parts 35 are arranged discretely. The length 35d (size) of the plurality of nitride portions 35 is equal to or smaller than the maximum value 35L of the size of the nitride molecule 35M. As a result, the amount of accumulated charge is increased. Makes it difficult for the accumulated charge to escape. As a result, the allowable range of write voltage and erase voltage is expanded. Good data retention characteristics can be obtained. As a result, proper operation is performed even if the size of the memory cell is reduced.

実施形態によれば記憶密度が向上できる不揮発性半導体記憶装置及びその製造方法を提供できる。   According to the embodiment, it is possible to provide a nonvolatile semiconductor memory device capable of improving the memory density and a method for manufacturing the same.

なお、本願明細書において、「垂直」及び「平行」は、厳密な垂直及び厳密な平行だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直及び実質的に平行であれは良い。   In the specification of the application, “vertical” and “parallel” include not only strict vertical and strict parallel but also variations in a manufacturing process, and may be substantially vertical and substantially parallel. is good.

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明の実施形態は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、不揮発性半導体記憶装置に含まれる半導体層、電極、第1〜第3層及び窒化物部などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。   The embodiments of the present invention have been described above with reference to specific examples. However, the embodiments of the present invention are not limited to these specific examples. For example, regarding a specific configuration of each element such as a semiconductor layer, an electrode, first to third layers, and a nitride portion included in a nonvolatile semiconductor memory device, a person skilled in the art can appropriately select from a known range. The present invention is included in the scope of the present invention as long as the same effects can be obtained.

また、各具体例のいずれか2つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。   Further, a combination of any two or more elements of the respective specific examples within a technically possible range is also included in the scope of the present invention as long as the gist of the present invention is included.

その他、本発明の実施の形態として上述した不揮発性半導体記憶装置及びその製造方法を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての不揮発性半導体記憶装置及びその製造方法も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。   In addition, based on the nonvolatile semiconductor memory device and the manufacturing method thereof described above as the embodiments of the present invention, all nonvolatile semiconductor memory devices and manufacturing methods thereof that can be appropriately modified and implemented by those skilled in the art As long as it includes the gist of the invention, it belongs to the scope of the present invention.

その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。   In addition, within the scope of the idea of the present invention, those skilled in the art can think of various modified examples and modified examples, and it is understood that these modified examples and modified examples also belong to the scope of the present invention. ..

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。   Although some embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the spirit of the invention. These embodiments and their modifications are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the invention described in the claims and the scope equivalent thereto.

10…基体、 20…半導体層、 20a…第1面、 20c…コアピラー、 31…第1層、 32…第2層、 32a…第1領域、 32b…第2領域、 33…第3層、 35…窒化物部、 35L…最大値、 35M…窒化物分子、 35d…長さ、 35p…第1元素、 35q…窒素原子、 36…粒子、 40…電極、 40f…導電層、 41…第1電極、 41a…第2面、 42…第2電極、 45i…層間絶縁膜、 45if…絶縁層、 61…第1膜、 62…第2膜、 111〜113、121〜123、131、151〜153…不揮発性半導体記憶装置、 BG…バックゲート、 BGT…バックゲートトランジスタ、 BL…ビット線、 Bc…伝導帯端、 Bv…価電子帯端、 E1〜E3…第1〜第3エネルギー、 F1、F2…界面、 JP…連結部、 MF…メモリ膜、 MS…メモリストリング、 PP…ピラー部、 SB…積層体、 SB0…積層体、 SBh…孔、 SGD…ドレイン側選択ゲート、 SGS…ソース側選択ゲート、 SL…ソース線、 ST…スリット、 STD…ドレイン側選択トランジスタ、 STS…ソース側選択トランジスタ、 WL…導電層、 t1、t2、t2a、t2b、t3…厚さ   10 ... Base | substrate, 20 ... Semiconductor layer, 20a ... 1st surface, 20c ... Core pillar, 31 ... 1st layer, 32 ... 2nd layer, 32a ... 1st area | region, 32b ... 2nd area, 33 ... 3rd layer, 35 ... Nitride part, 35L ... Maximum value, 35M ... Nitride molecule, 35d ... Length, 35p ... First element, 35q ... Nitrogen atom, 36 ... Particle, 40 ... Electrode, 40f ... Conductive layer, 41 ... First electrode , 41a ... Second surface, 42 ... Second electrode, 45i ... Interlayer insulating film, 45if ... Insulating layer, 61 ... First film, 62 ... Second film, 111-113, 121-123, 131, 151-153 ... Nonvolatile semiconductor memory device, BG ... Back gate, BGT ... Back gate transistor, BL ... Bit line, Bc ... Conduction band edge, Bv ... Valence band edge, E1 to E3 ... First to third energy, F1, F 2 ... Interface, JP ... Connection part, MF ... Memory film, MS ... Memory string, PP ... Pillar part, SB ... Laminated body, SB0 ... Laminated body, SBh ... Hole, SGD ... Drain side selection gate, SGS ... Source side selection Gate, SL ... Source line, ST ... Slit, STD ... Drain side selection transistor, STS ... Source side selection transistor, WL ... Conductive layer, t1, t2, t2a, t2b, t3 ... Thickness

Claims (6)

半導体層と、
第1電極と、
前記半導体層と前記第1電極との間に設けられたトンネル絶縁層と、
前記トンネル絶縁層と前記第1電極との間に設けられた電荷蓄積層であって、前記電荷蓄積層の伝導帯端の第2エネルギーは、前記トンネル絶縁層の伝導帯端の第1エネルギーよりも低く、前記電荷蓄積層は第1領域及び第2領域を含み、前記第1領域は前記トンネル絶縁層と前記第2領域との間に設けられた、前記電荷蓄積層と、
前記電荷蓄積層と前記第1電極との間に設けられたブロック絶縁層であって、前記ブロック絶縁層の伝導帯端の第3エネルギーは、前記第2エネルギーよりも高い、前記ブロック絶縁層と、
前記第1領域と前記第2領域との間、前記トンネル絶縁層と前記電荷蓄積層との間、及び、前記電荷蓄積層と前記ブロック絶縁層との間、のいずれかに設けられ窒化物分子を含む複数の窒化物部と、
を備え、
前記窒化物分子は、TiN、ZrN、HfN、VN、NbN、TaN、CrN、MoN、WN、BN、AlN、GaN及びInNの少なくとも1つを含み、
前記複数の窒化物部の、前記半導体層から前記第1電極に向かう第1方向の長さは、前記窒化物分子の大きさの最大値以下であり、
前記複数の窒化物部は、前記半導体層の前記トンネル絶縁層に対向する第1面に沿って並ぶ、不揮発性半導体記憶装置。
A semiconductor layer,
A first electrode,
A tunnel insulating layer provided between the semiconductor layer and the first electrode,
In the charge storage layer provided between the tunnel insulating layer and the first electrode, the second energy at the conduction band edge of the charge storage layer is higher than the first energy at the conduction band edge of the tunnel insulating layer. And the charge storage layer includes a first region and a second region, the first region being provided between the tunnel insulating layer and the second region, and
A block insulating layer provided between the charge storage layer and the first electrode, wherein the third energy at the conduction band edge of the block insulating layer is higher than the second energy; ,
Nitride molecules provided either between the first region and the second region, between the tunnel insulating layer and the charge storage layer, and between the charge storage layer and the block insulating layer. A plurality of nitride portions including
Equipped with
The nitride molecule includes at least one of TiN, ZrN, HfN, VN, NbN, TaN, CrN, MoN, WN, BN, AlN, GaN and InN,
The length of the plurality of nitride portions in the first direction from the semiconductor layer to the first electrode is equal to or less than the maximum value of the size of the nitride molecule,
The nonvolatile semiconductor memory device, wherein the plurality of nitride portions are arranged along a first surface of the semiconductor layer facing the tunnel insulating layer.
半導体層と、
第1電極と、
前記半導体層と前記第1電極との間に設けられたトンネル絶縁層と、
前記トンネル絶縁層と前記第1電極との間に設けられた電荷蓄積層であって、前記電荷蓄積層の伝導帯端の第2エネルギーは、前記トンネル絶縁層の伝導帯端の第1エネルギーよりも低く、前記電荷蓄積層は第1領域及び第2領域を含み、前記第1領域は前記トンネル絶縁層と前記第2領域との間に設けられた、前記電荷蓄積層と、
前記電荷蓄積層と前記第1電極との間に設けられたブロック絶縁層であって、前記ブロック絶縁層の伝導帯端の第3エネルギーは、前記第2エネルギーよりも高い、前記ブロック絶縁層と、
前記第1領域と前記第2領域との間、前記トンネル絶縁層と前記電荷蓄積層との間、及び、前記電荷蓄積層と前記ブロック絶縁層との間に設けられ窒化物分子を含む複数の窒化物部と、
を備え、
前記窒化物分子は、TiN、ZrN、HfN、VN、NbN、TaN、CrN、MoN、WN、BN、AlN、GaN及びInNの少なくとも1つを含み、
前記複数の窒化物部の、前記半導体層から前記第1電極に向かう第1方向の長さは、前記窒化物分子の大きさの最大値以下であり、
前記複数の窒化物部は、前記第1電極の前記ブロック絶縁層に対向する第2面に沿って並ぶ、不揮発性半導体記憶装置。
A semiconductor layer,
A first electrode,
A tunnel insulating layer provided between the semiconductor layer and the first electrode,
In the charge storage layer provided between the tunnel insulating layer and the first electrode, the second energy at the conduction band edge of the charge storage layer is higher than the first energy at the conduction band edge of the tunnel insulating layer. And the charge storage layer includes a first region and a second region, the first region being provided between the tunnel insulating layer and the second region, and
A block insulating layer provided between the charge storage layer and the first electrode, wherein the third energy at the conduction band edge of the block insulating layer is higher than the second energy; ,
A plurality of nitride molecules are provided between the first region and the second region, between the tunnel insulating layer and the charge storage layer, and between the charge storage layer and the block insulating layer. A nitride part,
Equipped with
The nitride molecule includes at least one of TiN, ZrN, HfN, VN, NbN, TaN, CrN, MoN, WN, BN, AlN, GaN and InN,
The length of the plurality of nitride portions in the first direction from the semiconductor layer to the first electrode is equal to or less than the maximum value of the size of the nitride molecule,
The nonvolatile semiconductor memory device, wherein the plurality of nitride portions are arranged along a second surface of the first electrode facing the block insulating layer.
前記窒化物分子は、4族、5族、6族及び13族のいずれかの第1元素と、窒素と、を含み、
前記複数の窒化物部の、前記第1方向と交差する面における密度は、1×1013cm−2以上1×1015cm−2以下である、請求項1または2に記載の不揮発性半導体記憶装置。
The nitride molecule contains a first element of any one of Groups 4, 5, 6, and 13 and nitrogen.
The non-volatile semiconductor according to claim 1 or 2, wherein a density of the plurality of nitride portions on a surface intersecting the first direction is 1 × 10 13 cm −2 or more and 1 × 10 15 cm −2 or less. Storage device.
半導体層と、
第1電極と、
前記半導体層と前記第1電極との間に設けられたトンネル絶縁層と、
前記トンネル絶縁層と前記第1電極との間に設けられた電荷蓄積層であって、前記電荷蓄積層の伝導帯端の第2エネルギーは、前記トンネル絶縁層の伝導帯端の第1エネルギーよりも低く、前記電荷蓄積層は第1領域及び第2領域を含み、前記第1領域は前記トンネル絶縁層と前記第2領域との間に設けられた、前記電荷蓄積層と、
前記電荷蓄積層と前記第1電極との間に設けられたブロック絶縁層であって、前記ブロック絶縁層の伝導帯端の第3エネルギーは、前記第2エネルギーよりも高い、前記ブロック絶縁層と、
前記第1領域と前記第2領域との間、前記トンネル絶縁層と前記電荷蓄積層との間、及び、前記電荷蓄積層と前記ブロック絶縁層との間、のいずれかに設けられ窒化物分子を含む複数の窒化物部と、
を備え、
前記窒化物分子は、TiN、ZrN、HfN、VN、NbN、TaN、CrN、MoN、WN、BN、AlN、GaN及びInNの少なくとも1つを含み、
前記複数の窒化物部の、前記半導体層から前記第1電極に向かう第1方向の長さは、前記窒化物分子の大きさの最大値以下であり、
前記複数の窒化物部は、第1元素の粒子をさらに含む、不揮発性半導体記憶装置。
A semiconductor layer,
A first electrode,
A tunnel insulating layer provided between the semiconductor layer and the first electrode,
In the charge storage layer provided between the tunnel insulating layer and the first electrode, the second energy at the conduction band edge of the charge storage layer is higher than the first energy at the conduction band edge of the tunnel insulating layer. And the charge storage layer includes a first region and a second region, the first region being provided between the tunnel insulating layer and the second region, and
A block insulating layer provided between the charge storage layer and the first electrode, wherein the third energy at the conduction band edge of the block insulating layer is higher than the second energy; ,
Nitride molecules provided either between the first region and the second region, between the tunnel insulating layer and the charge storage layer, and between the charge storage layer and the block insulating layer. A plurality of nitride portions including
Equipped with
The nitride molecule includes at least one of TiN, ZrN, HfN, VN, NbN, TaN, CrN, MoN, WN, BN, AlN, GaN and InN,
The length of the plurality of nitride portions in the first direction from the semiconductor layer to the first electrode is equal to or less than the maximum value of the size of the nitride molecule,
The nonvolatile semiconductor memory device, wherein the plurality of nitride portions further include particles of the first element.
前記複数の窒化物部の、前記第1方向に対して垂直な面における密度は、1×1013cm−2以上1×1015cm−2以下である、請求項1、2及び4のいずれか1つに記載の不揮発性半導体記憶装置。 The density of the plurality of nitride portions in a plane perpendicular to the first direction is 1 × 10 13 cm −2 or more and 1 × 10 15 cm −2 or less, any of claims 1, 2 and 4. 2. The non-volatile semiconductor memory device according to any one of the above. 前記窒化物分子は、4族、5族、6族及び13族のいずれかの前記第1元素と、窒素と、を含み、
前記複数の窒化物部の、前記第1方向と交差する面における密度は、1×1013cm−2以上1×1015cm−2以下である、請求項4記載の不揮発性半導体記憶装置。
The nitride molecule includes the first element of any one of Groups 4, 5, 6, and 13 and nitrogen.
The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 4, wherein a density of the plurality of nitride portions on a surface intersecting with the first direction is 1 × 10 13 cm −2 or more and 1 × 10 15 cm −2 or less.
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