JP2010114369A - Nonvolatile semiconductor storage - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電気的にデータの書き換えが可能な不揮発性半導体記憶装置に関する。 The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory device capable of electrically rewriting data.
従来、シリコン基板上の2次元平面内に素子を集積して、LSIが形成されてきた。メモリの記憶容量を増加させるには、一素子の寸法を小さくする(微細化する)のが一般的だが、近年その微細化もコスト的、技術的に困難なものになってきた。微細化のためにはフォトリソグラフィの技術向上が必要であるが、リソグラフィ工程に要するコストは増加の一途を辿っている。また、仮に微細化が達成されたとしても、駆動電圧などがスケーリングされない限り、素子間の耐圧など物理的な限界点を迎える事が予想される。つまり、デバイスとしての動作が困難になる可能性が高い。 Conventionally, LSIs have been formed by integrating elements in a two-dimensional plane on a silicon substrate. In order to increase the storage capacity of a memory, it is common to reduce the size of one element (miniaturize), but in recent years, the miniaturization has become costly and technically difficult. For miniaturization, photolithography technology needs to be improved, but the cost required for the lithography process is steadily increasing. Even if miniaturization is achieved, it is expected that physical limits such as breakdown voltage between elements will be reached unless the drive voltage is scaled. That is, there is a high possibility that operation as a device is difficult.
そこで、近年、メモリの集積度を高めるために、メモリセルを3次元的に配置した半導体記憶装置が提案されている(特許文献1参照)。 Therefore, in recent years, a semiconductor memory device in which memory cells are arranged three-dimensionally has been proposed in order to increase the degree of integration of the memory (see Patent Document 1).
メモリセルを3次元的に配置した従来の半導体記憶装置の一つに、円柱型構造のトランジスタを用いた半導体記憶装置がある(特許文献1)。円柱型構造のトランジスタを用いた半導体記憶装置においては、ゲート電極となる多層の導電層、及びピラー状の柱状半導体が設けられる。柱状半導体は、トランジスタのチャネル(ボディ)部として機能する。柱状半導体の周りには、メモリゲート絶縁層が設けられている。これら導電層、柱状半導体、メモリゲート絶縁層を含む構成は、メモリストリングと呼ばれる。 One conventional semiconductor memory device in which memory cells are arranged three-dimensionally is a semiconductor memory device using a transistor having a cylindrical structure (Patent Document 1). In a semiconductor memory device using a transistor having a cylindrical structure, a multi-layered conductive layer to be a gate electrode and a pillar-shaped columnar semiconductor are provided. The columnar semiconductor functions as a channel (body) portion of the transistor. A memory gate insulating layer is provided around the columnar semiconductor. A structure including these conductive layers, columnar semiconductors, and memory gate insulating layers is called a memory string.
また、一般に、メモリストリングの上方又は下方には、選択トランジスタが設けられる。選択トランジスタは、柱状半導体、その周りに形成されたゲート絶縁層にて構成される。選択トランジスタの柱状半導体は、メモリストリングの柱状半導体の上面又は下面に接するように形成される。 In general, a selection transistor is provided above or below the memory string. The selection transistor includes a columnar semiconductor and a gate insulating layer formed around the columnar semiconductor. The columnar semiconductor of the selection transistor is formed so as to be in contact with the upper surface or the lower surface of the columnar semiconductor of the memory string.
すなわち、柱状半導体間の境界によって、メモリストリングと選択トランジスタとの間には、コンタクト抵抗が生じる。これにより、読み出し時のセル電流は、十分に高くできない。一方、選択トランジスタのカットオフ特性を保持することも望まれる。
本発明は、高い信頼性を有する不揮発性半導体記憶装置を提供する。 The present invention provides a highly reliable nonvolatile semiconductor memory device.
本発明の一態様に係る不揮発性半導体記憶装置は、電気的に書き換え可能な複数のメモリセルが直列に接続された複数のメモリストリング、前記メモリストリングの両端に接続された選択トランジスタ、及び前記メモリストリングと前記選択トランジスタとの間に設けられたダミートランジスタを備え、前記メモリストリングは、基板に対して垂直方向に延びる柱状部を有する第1半導体層と、前記柱状部の側面を取り囲むように形成された電荷蓄積層と、前記柱状部の側面及び前記電荷蓄積層を取り囲むように形成され、前記メモリセルの制御電極として機能する第1導電層とを備え、前記選択トランジスタは、前記柱状部の上面又は下面から前記垂直方向に延びる第2半導体層と、前記第2半導体層の側面を取り囲むように形成されたゲート絶縁層と、前記第2半導体層の側面及び前記ゲート絶縁層を取り囲むように形成され、前記選択トランジスタの制御電極として機能する第2導電層とを備え、前記ダミートランジスタは、前記第1半導体層及び前記第2半導体層と、前記電荷蓄積層及び前記ゲート絶縁層と、前記第1半導体層と前記第2半導体層との境界及び前記電荷蓄積層と前記ゲート絶縁層との境界を取り囲むように形成され、前記ダミートランジスタの制御電極として機能する第3導電層とを備えたことを特徴とする。 A nonvolatile semiconductor memory device according to one embodiment of the present invention includes a plurality of memory strings in which a plurality of electrically rewritable memory cells are connected in series, select transistors connected to both ends of the memory string, and the memory A dummy transistor provided between a string and the selection transistor is provided, and the memory string is formed so as to surround a first semiconductor layer having a columnar portion extending in a direction perpendicular to a substrate and a side surface of the columnar portion. And a first conductive layer that is formed so as to surround the side surface of the columnar portion and the charge storage layer and functions as a control electrode of the memory cell, and the selection transistor includes the columnar portion of the columnar portion. A second semiconductor layer extending in the vertical direction from the upper surface or the lower surface, and a gate formed so as to surround a side surface of the second semiconductor layer. And a second conductive layer formed to surround the side surface of the second semiconductor layer and the gate insulating layer and function as a control electrode of the selection transistor, and the dummy transistor includes the first semiconductor A layer, the second semiconductor layer, the charge storage layer, the gate insulating layer, a boundary between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer, and a boundary between the charge storage layer and the gate insulating layer. And a third conductive layer functioning as a control electrode of the dummy transistor.
本発明は、高い信頼性を有する不揮発性半導体記憶装置を提供することが可能となる。 The present invention can provide a nonvolatile semiconductor memory device having high reliability.
以下、図面を参照して、本発明に係る不揮発性半導体記憶装置の一実施形態について説明する。 Hereinafter, an embodiment of a nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention will be described with reference to the drawings.
[第1実施形態]
(第1実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置100の構成)
図1は、本発明の第1実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置100の概略図を示す。図1に示すように、第1実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置100は、主として、メモリトランジスタ領域12、ワード線駆動回路13、ソース側選択ゲート線(SGS)駆動回路14、ドレイン側選択ゲート線(SGD)駆動回路15、センスアンプ16、ソース線駆動回路17、バックゲートトランジスタ駆動回路18、及びダミーワード線駆動回路19を有する。メモリトランジスタ領域12は、データを記憶するメモリトランジスタを有する。ワード線駆動回路13は、ワード線WLに印加する電圧を制御する。ソース側選択ゲート線(SGS)駆動回路14は、ソース側選択ゲート線SGSに印加する電圧を制御する。ドレイン側選択ゲート線(SGD)駆動回路15は、ドレイン側選択ゲート線(SGD)に印加する電圧を制御する。センスアンプ16は、メモリトランジスタから読み出した電位を増幅する。ソース線駆動回路17は、ソース線SLに印加する電圧を制御する。バックゲートトランジスタ駆動回路18は、バックゲート線BGに印加する電圧を制御する。ダミーワード線駆動回路19は、ダミーワード線DWLに印加する電圧を制御する。なお、上記の他、第1実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置100は、ビット線BLに印加する電圧を制御するビット線駆動回路を有する。(図示略)。
[First Embodiment]
(Configuration of Nonvolatile Semiconductor Memory Device 100 according to First Embodiment)
FIG. 1 is a schematic view of a nonvolatile semiconductor memory device 100 according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the nonvolatile semiconductor memory device 100 according to the first embodiment mainly includes a memory transistor region 12, a word line drive circuit 13, a source side select gate line (SGS) drive circuit 14, and a drain side select gate. A line (SGD) drive circuit 15, a sense amplifier 16, a source line drive circuit 17, a back gate transistor drive circuit 18, and a dummy word line drive circuit 19 are included. The memory transistor region 12 includes a memory transistor that stores data. The word line drive circuit 13 controls the voltage applied to the word line WL. The source side select gate line (SGS) drive circuit 14 controls the voltage applied to the source side select gate line SGS. The drain side select gate line (SGD) drive circuit 15 controls the voltage applied to the drain side select gate line (SGD). The sense amplifier 16 amplifies the potential read from the memory transistor. The source line driver circuit 17 controls the voltage applied to the source line SL. The back gate transistor drive circuit 18 controls the voltage applied to the back gate line BG. The dummy word line drive circuit 19 controls the voltage applied to the dummy word line DWL. In addition to the above, the nonvolatile semiconductor memory device 100 according to the first embodiment includes a bit line driving circuit that controls a voltage applied to the bit line BL. (Not shown).
図2は、第1実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置100のメモリトランジスタ領域12の一部の概略斜視図である。第1実施形態において、メモリトランジスタ領域12は、メモリストリングMS、ソース側選択トランジスタSSTr、及びドレイン側選択トランジスタSDTrをm×n個(m、nは自然数)を有している。図2においては、m=6、n=2の一例を示している。 FIG. 2 is a schematic perspective view of a part of the memory transistor region 12 of the nonvolatile semiconductor memory device 100 according to the first embodiment. In the first embodiment, the memory transistor region 12 has m × n memory cells MS, source side select transistors SSTr, and drain side select transistors SDTr (m and n are natural numbers). FIG. 2 shows an example of m = 6 and n = 2.
第1実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置100において、メモリトランジスタ領域12には、複数のメモリストリングMSが設けられている。詳しくは後述するが、メモリストリングMSは、電気的に書き換え可能な複数のメモリトランジスタMTr1〜MTr8が直列に接続された構成を有する。図1及び図2に示すように、メモリストリングMSを構成するメモリトランジスタMTr1〜MTr8は、半導体層を複数積層することによって形成されている。 In the nonvolatile semiconductor memory device 100 according to the first embodiment, the memory transistor region 12 is provided with a plurality of memory strings MS. As will be described in detail later, the memory string MS has a configuration in which a plurality of electrically rewritable memory transistors MTr1 to MTr8 are connected in series. As shown in FIGS. 1 and 2, the memory transistors MTr1-MTr8 constituting the memory string MS are formed by stacking a plurality of semiconductor layers.
各メモリストリングMSは、U字状半導体SC、ワード線WL1〜WL8、バックゲート線BGを有する。 Each memory string MS includes a U-shaped semiconductor SC, word lines WL1 to WL8, and a back gate line BG.
U字状半導体SCは、ロウ方向からみてU字状に形成されている。すなわち、U字状半導体SCは、半導体基板Baに対して略垂直方向に延びる一対の柱状部CL、及び一対の柱状部CLの下端を連結させるように形成された連結部JPを有する。なお、柱状部CLは、円柱状であっても、角柱状であってもよい。また、柱状部CLは、段々形状を有する柱状であってもよい。ここで、ロウ方向は、積層方向に直交する方向であり、後述するカラム方向は、積層方向及びロウ方向に直交する方向である。 The U-shaped semiconductor SC is formed in a U shape when viewed from the row direction. That is, the U-shaped semiconductor SC has a pair of columnar portions CL extending in a substantially vertical direction with respect to the semiconductor substrate Ba, and a connecting portion JP formed to connect the lower ends of the pair of columnar portions CL. Note that the columnar portion CL may be cylindrical or prismatic. Further, the columnar portion CL may be a columnar shape having a stepped shape. Here, the row direction is a direction orthogonal to the stacking direction, and a column direction to be described later is a direction orthogonal to the stacking direction and the row direction.
U字状半導体SCは、一対の柱状部CLの中心軸を結ぶ直線がカラム方向に平行になるように配置されている。また、U字状半導体SCは、ロウ方向及びカラム方向から構成される面内にマトリクス状となるように配置されている。 The U-shaped semiconductor SC is arranged so that a straight line connecting the central axes of the pair of columnar portions CL is parallel to the column direction. Further, the U-shaped semiconductor SC is arranged in a matrix form in a plane constituted by the row direction and the column direction.
各層のワード線WL1〜WL8は、ロウ方向に平行に延びる形状を有している。各層のワード線WL1〜WL8は、カラム方向に所定ピッチを設けて、互いに絶縁分離してライン状に繰り返して形成されている。ワード線WL1は、ワード線WL8と同層に形成されている。同様に、ワード線WL2は、ワード線WL7と同層に形成され、ワード線WL3は、ワード線WL6と同層に形成され、ワード線WL4は、ワード線WL5と同層に形成されている。 The word lines WL1 to WL8 in each layer have a shape extending in parallel to the row direction. The word lines WL <b> 1 to WL <b> 8 in each layer are repeatedly formed in a line with a predetermined pitch in the column direction and insulated from each other. The word line WL1 is formed in the same layer as the word line WL8. Similarly, the word line WL2 is formed in the same layer as the word line WL7, the word line WL3 is formed in the same layer as the word line WL6, and the word line WL4 is formed in the same layer as the word line WL5.
カラム方向の同位置に設けられロウ方向に並ぶメモリトランジスタMTr1〜MTr8のゲートは、同一のワード線WL1〜WL8に接続されている。各ワード線WL1〜WL8のロウ方向の端部は、階段状に形成されている。各ワード線WL1〜WL8は、ロウ方向に複数並ぶ柱状部CLを取り囲むように形成されている。 The gates of the memory transistors MTr1-MTr8 provided at the same position in the column direction and arranged in the row direction are connected to the same word lines WL1-WL8. The end portions in the row direction of the respective word lines WL1 to WL8 are formed in a step shape. Each of the word lines WL1 to WL8 is formed so as to surround a plurality of columnar portions CL arranged in the row direction.
図3に示すように、ワード線WL1〜WL8と柱状部CLとの間には、ONO(Oxide-Nitride-Oxide)層NLが形成されている。ONO層NLは、柱状部CLに接するトンネル絶縁層TI、トンネル絶縁層TIに接する電荷蓄積層EC、及び電荷蓄積層ECに接するブロック絶縁層BIを有する。電荷蓄積層ECは、電荷を蓄積する機能を有する。上記構成を換言すると、電荷蓄積層ECは、柱状部CLの側面を取り囲むように形成されている。各ワード線WL1〜WL8は、電荷蓄積層ECを取り囲むように形成されている。 As shown in FIG. 3, an ONO (Oxide-Nitride-Oxide) layer NL is formed between the word lines WL1 to WL8 and the columnar part CL. The ONO layer NL includes a tunnel insulating layer TI in contact with the columnar portion CL, a charge storage layer EC in contact with the tunnel insulating layer TI, and a block insulating layer BI in contact with the charge storage layer EC. The charge storage layer EC has a function of storing charges. In other words, the charge storage layer EC is formed so as to surround the side surface of the columnar part CL. Each word line WL1 to WL8 is formed so as to surround the charge storage layer EC.
ドレイン側選択トランジスタSDTrは、柱状半導体SCa、ドレイン側選択ゲート線SGDを有する。柱状半導体SCaは、一方の柱状部CLの上面から上方に基板Baに対して垂直方向に延びるように形成されている。ドレイン側選択ゲート線SGDは、最上部のワード線WL1の上部に設けられている。ドレイン側選択ゲート線SGDは、ロウ方向に平行に延びる形状を有している。ドレイン側選択ゲート線SGDは、カラム方向に所定ピッチを交互に設けて、後述するソース側選択ゲート線SGSを挟むように、ライン状に繰り返し形成されている。ドレイン側選択ゲート線SGDは、ロウ方向に複数並ぶ柱状半導体SCaを取り囲むように形成されている。図3に示すように、ドレイン側選択ゲート線SGDと柱状半導体SCaとの間には、ゲート絶縁層DGIが形成されている。上記構成を換言すると、各ドレイン側選択ゲート線SGDは、ゲート絶縁層DGIを取り囲むように形成されている。 The drain side select transistor SDTr has a columnar semiconductor SCa and a drain side select gate line SGD. The columnar semiconductor SCa is formed to extend upward from the upper surface of one columnar portion CL in a direction perpendicular to the substrate Ba. The drain side select gate line SGD is provided above the uppermost word line WL1. The drain side select gate line SGD has a shape extending in parallel to the row direction. The drain side select gate lines SGD are repeatedly formed in a line so as to alternately provide a predetermined pitch in the column direction and sandwich the source side select gate lines SGS described later. The drain side select gate line SGD is formed so as to surround a plurality of columnar semiconductors SCa arranged in the row direction. As shown in FIG. 3, a gate insulating layer DGI is formed between the drain side select gate line SGD and the columnar semiconductor SCa. In other words, each drain-side selection gate line SGD is formed so as to surround the gate insulating layer DGI.
ソース側選択トランジスタSSTrは、柱状半導体SCb、ソース側選択ゲート線SGSを有する。柱状半導体SCbは、他方の柱状部CLの上面から上方に延びるように形成されている。ソース側選択ゲート線SGSは、最上部のワード線WL8の上部に設けられている。ソース側選択ゲート線SGSは、ロウ方向に平行に延びる形状を有している。ソース側選択ゲート線SGSは、カラム方向に所定ピッチに設けて、上述したドレイン側選択ゲート線SGDを間に挟んで、ライン状に繰り返し形成されている。ソース側選択ゲート線SGSは、ロウ方向に複数行並ぶ柱状半導体SCbを取り囲むように形成されている。図3に示すように、ソース側選択ゲート線SGSと柱状半導体SCbとの間には、ゲート絶縁層SGIが形成されている。上記構成を換言すると、各ドレイン側選択ゲート線SGSは、ゲート絶縁層SGIを取り囲むように形成されている。 The source side select transistor SSTr has a columnar semiconductor SCb and a source side select gate line SGS. The columnar semiconductor SCb is formed to extend upward from the upper surface of the other columnar portion CL. The source side select gate line SGS is provided above the uppermost word line WL8. The source side select gate line SGS has a shape extending in parallel to the row direction. The source side selection gate lines SGS are provided in a predetermined pitch in the column direction, and are repeatedly formed in a line shape with the drain side selection gate lines SGD interposed therebetween. The source side select gate line SGS is formed so as to surround the columnar semiconductors SCb arranged in a plurality of rows in the row direction. As shown in FIG. 3, a gate insulating layer SGI is formed between the source side select gate line SGS and the columnar semiconductor SCb. In other words, each drain-side selection gate line SGS is formed so as to surround the gate insulating layer SGI.
ダミーワード線DWL1は、ドレイン側選択ゲート線SGDとワード線WL1との間に形成されている。ダミーワード線WL1は、ロウ方向に平行に延びる形状を有している。ダミーワード線DWL1は、ロウ方向に平行に複数行並ぶ柱状半導体SCa及び柱状部CLを取り囲むように形成されている。図3に示すように、ダミーワード線DWL1と柱状半導体SCaとの間には、ゲート絶縁層DGIが形成されている。また、ダミーワード線DWL1と柱状部CLとの間には、ONO層NLが形成されている。 The dummy word line DWL1 is formed between the drain side select gate line SGD and the word line WL1. The dummy word line WL1 has a shape extending in parallel to the row direction. The dummy word line DWL1 is formed so as to surround the columnar semiconductors SCa and the columnar portions CL arranged in a plurality of rows in parallel in the row direction. As shown in FIG. 3, a gate insulating layer DGI is formed between the dummy word line DWL1 and the columnar semiconductor SCa. An ONO layer NL is formed between the dummy word line DWL1 and the columnar part CL.
ダミーワード線DWL2は、ソース側選択ゲート線SGSとワード線WL8との間に形成されている。ダミーワード線WL2は、ワード線WLと同様に、ロウ方向に平行に延びる形状を有している。ダミーワード線DWL2は、ロウ方向に平行に複数行並ぶ柱状半導体SCb及び柱状部CLを取り囲むように形成されている。図3に示すように、ダミーワード線DWL2と柱状半導体SCbとの間には、ゲート絶縁層SGIが形成されている。また、ダミーワード線DWL2と柱状部CLとの間には、ONO層NLが形成されている。 The dummy word line DWL2 is formed between the source side select gate line SGS and the word line WL8. Like the word line WL, the dummy word line WL2 has a shape extending in parallel to the row direction. The dummy word line DWL2 is formed so as to surround the columnar semiconductors SCb and the columnar portions CL arranged in a plurality of rows in parallel in the row direction. As shown in FIG. 3, a gate insulating layer SGI is formed between the dummy word line DWL2 and the columnar semiconductor SCb. Further, an ONO layer NL is formed between the dummy word line DWL2 and the columnar part CL.
バックゲート線BGは、複数の連結部JPの下部を覆うように、ロウ方向及びカラム方向に2次元的に広がって形成されている。図3に示すように、バックゲート線BGと連結部JPとの間には、上述したONO層NLが形成されている。 The back gate line BG is formed to extend two-dimensionally in the row direction and the column direction so as to cover the lower portions of the plurality of connecting portions JP. As shown in FIG. 3, the ONO layer NL described above is formed between the back gate line BG and the connecting portion JP.
再び図2に戻って説明を続ける。柱状半導体SCbは、カラム方向に隣接して形成されている。一対の柱状半導体SCbの上端には、ソース線SLが接続されている。ソース線SLは、一対の柱状半導体SCbに対して共通に設けられている。 Returning to FIG. 2 again, the description will be continued. The columnar semiconductor SCb is formed adjacent to the column direction. A source line SL is connected to the upper ends of the pair of columnar semiconductors SCb. The source line SL is provided in common for the pair of columnar semiconductors SCb.
ドレイン側選択ゲート線SGDにて取り囲まれた柱状半導体SCaの上端には、プラグ線PLを介してビット線BLが形成されている。各ビット線BLは、ソース線SLよりも上方に位置するように形成されている。各ビット線BLは、ロウ方向に所定間隔を設けてカラム方向に延びるライン状に繰り返し形成されている。 A bit line BL is formed at the upper end of the columnar semiconductor SCa surrounded by the drain side select gate line SGD via the plug line PL. Each bit line BL is formed to be positioned above the source line SL. Each bit line BL is repeatedly formed in a line extending in the column direction with a predetermined interval in the row direction.
次に、図2〜図4を参照して、第1実施形態におけるメモリストリングMS、ドレイン側選択トランジスタSDTr、ソース側選択トランジスタSSTrにより構成される回路構成を説明する。図4は、第1実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置100の一部の回路図である。 Next, a circuit configuration including the memory string MS, the drain side selection transistor SDTr, and the source side selection transistor SSTr in the first embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 4 is a partial circuit diagram of the nonvolatile semiconductor memory device 100 according to the first embodiment.
図2〜図4に示すように、第1実施形態において、各メモリストリングMSは、電気的に書き換え可能な8つのメモリトランジスタMTr1〜MTr8が直列に接続されたものである。ソース側選択トランジスタSSTr、ドレイン側選択トランジスタSDTrは、メモリストリングMSの両端に接続されている。バックゲートトランジスタBGTrは、メモリストリングMS(メモリトランジスタMTr4とメモリトランジスタMTr5との間)に設けられている。 As shown in FIGS. 2 to 4, in the first embodiment, each memory string MS is formed by connecting eight electrically rewritable memory transistors MTr <b> 1 to MTr <b> 8 in series. The source side select transistor SSTr and the drain side select transistor SDTr are connected to both ends of the memory string MS. The back gate transistor BGTr is provided in the memory string MS (between the memory transistor MTr4 and the memory transistor MTr5).
各メモリトランジスタMTrは、柱状部CL、ONO層NL(電荷蓄積層EC)、及びワード線WLにより構成されている。ワード線WLは、メモリトランジスタMTrの制御ゲート電極として機能する。 Each memory transistor MTr includes a columnar portion CL, an ONO layer NL (charge storage layer EC), and a word line WL. The word line WL functions as a control gate electrode of the memory transistor MTr.
ドレイン側選択トランジスタSDTrは、柱状半導体SCa、ゲート絶縁層DGI、及びドレイン側選択ゲート線SGDにより構成されている。ドレイン側選択ゲート線SGDは、ドレイン側選択トランジスタSDTrの制御ゲート電極として機能する。 The drain side select transistor SDTr is configured by a columnar semiconductor SCa, a gate insulating layer DGI, and a drain side select gate line SGD. The drain side select gate line SGD functions as a control gate electrode of the drain side select transistor SDTr.
ソース側選択トランジスタSSTrは、柱状半導体SCb、ゲート絶縁層SGI、及びソース側選択ゲート線SGSにより構成されている。ソース側選択ゲート線SGSは、ソース側選択トランジスタSSTrの制御ゲート電極として機能する。 The source side select transistor SSTr is configured by a columnar semiconductor SCb, a gate insulating layer SGI, and a source side select gate line SGS. The source side select gate line SGS functions as a control gate electrode of the source side select transistor SSTr.
ダミートランジスタDTr1は、柱状半導体SCa、柱状部CL、ONO層NL(電荷蓄積層EC)、ゲート絶縁層DGI、及びダミーワード線DWL1にて構成されている。ダミーワード線WL1は、ダミートランジスタDTr1の制御ゲート電極として機能する。 The dummy transistor DTr1 includes a columnar semiconductor SCa, a columnar portion CL, an ONO layer NL (charge storage layer EC), a gate insulating layer DGI, and a dummy word line DWL1. The dummy word line WL1 functions as a control gate electrode of the dummy transistor DTr1.
ダミートランジスタDTr2は、柱状半導体SCb、柱状部CL、ONO層NL(電荷蓄積層EC)、ゲート絶縁層SGI、及びダミーワード線DWL2にて構成されている。ダミーワード線WL2は、ダミートランジスタDTr2の制御ゲート電極として機能する。 The dummy transistor DTr2 includes a columnar semiconductor SCb, a columnar portion CL, an ONO layer NL (charge storage layer EC), a gate insulating layer SGI, and a dummy word line DWL2. The dummy word line WL2 functions as a control gate electrode of the dummy transistor DTr2.
バックゲートトランジスタBGTrは、連結部JP、ONO層NL(電荷蓄積層EC)、及びバックゲート線BGにより構成されている。バックゲート線BGは、バックゲートトランジスタBGTrの制御ゲート電極として機能する。 The back gate transistor BGTr is composed of a connecting portion JP, an ONO layer NL (charge storage layer EC), and a back gate line BG. The back gate line BG functions as a control gate electrode of the back gate transistor BGTr.
(第1実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置100の具体的構成)
次に、図5を参照して、第1実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置100の具体的構成について説明する。図5は、第1実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置100のメモリトランジスタ領域12の断面図である。
(Specific Configuration of Nonvolatile Semiconductor Memory Device 100 According to First Embodiment)
Next, a specific configuration of the nonvolatile semiconductor memory device 100 according to the first embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a cross-sectional view of the memory transistor region 12 of the nonvolatile semiconductor memory device 100 according to the first embodiment.
図5に示すように、メモリセトランジスタ領域12は、半導体基板Baから積層方向に、順次、バックゲートトランジスタ層20、メモリトランジスタ層30、ダミートランジスタ層40、選択トランジスタ層50、及び配線層60を有する。バックゲートトランジスタ層20は、上述したバックゲートトランジスタBGTrとして機能する。メモリトランジスタ層30は、上述したメモリトランジスタMTr1〜MTr8として機能する。ダミートランジスタ層40は、上述したダミートランジスタDTr1、DTr2として機能する。選択トランジスタ層50は、上述したソース側選択トランジスタ層SSTr及びドレイン側選択トランジスタSDTrとして機能する。
As shown in FIG. 5, the memory transistor region 12 includes a back
バックゲートトランジスタ層20は、半導体基板Baの上に順次積層されたバックゲート絶縁層21、及びバックゲート導電層22を有する。これらバックゲート絶縁層21、及びバックゲート導電層22は、メモリトランジスタ領域12の端部までロウ方向及びカラム方向に広がって形成されている。
The back
バックゲート導電層22は、後述するU字状半導体層35の連結部35bの下面及び側面を覆い且つ連結部35bの上面と同じ高さまで形成されている。
The back gate
バックゲート絶縁層21は、酸化シリコン(SiO2)にて構成されている。バックゲート導電層22は、ポリシリコン(p−Si)にて構成されている。
The back
バックゲートトランジスタ層20は、バックゲート導電層22を堀込むように形成されたバックゲートホール23を有する。バックゲートホール23は、ロウ方向に短手、カラム方向に長手を有する開口にて構成されている。バックゲートホール23は、ロウ方向及びカラム方向に所定間隔毎に形成されている。換言すると、バックゲートホール23は、ロウ方向及びカラム方向を含む面内にてマトリクス状に形成されている。
The back
メモリトランジスタ層30は、バックゲート導電層22の上に、交互に積層された第1〜第5ワード線間絶縁層31a〜31e、及び第1〜第4ワード線導電層32a〜32dを有する。
The
第1〜第5ワード線間絶縁層31a〜31e、第1〜第4ワード線導電層32a〜32dは、ロウ方向に延びるように且つカラム方向に所定間隔を設けて繰り返しライン状に形成されている。図5では図示していないが、第1〜第5ワード線間絶縁層31a〜31e、第1〜第4ワード線導電層32a〜32dは、ロウ方向の端部にて階段状に加工されている。
The first to fifth inter-wordline insulating
第1〜第5ワード線間絶縁層31a〜31eは、酸化シリコン(SiO2)にて構成されている。第1〜第4ワード線導電層32a〜32dは、ポリシリコン(p−Si)にて構成されている。
The first to fifth inter-wordline insulating
メモリトランジスタ層30は、第1〜第5ワード線間絶縁層31a〜31e、第1〜第4ワード線導電層32a〜32dを貫通するように形成されたメモリホール33を有する。メモリホール33は、各バックゲートホール23のカラム方向の両端近傍の位置に整合するように形成されている。
The
ダミートランジスタ層40は、第5ワード線間絶縁層31eの上に、ダミーワード線導電層41、及びダミーワード線間絶縁層42を有する。ダミーワード線導電層41、及びダミーワード線間絶縁層42は、ロウ方向に延びるように且つカラム方向に所定間隔を設けて繰り返しライン状に形成されている。ダミーワード線導電層41は、後述するU字状半導体層35とドレイン側柱状半導体層57a(ソース側柱状半導体層57b)との境界、及びメモリゲート絶縁層34(電荷蓄積層)とドレイン側ゲート絶縁層56a(ソース側ゲート絶縁層56b)との境界を取り囲むように形成されている。
The
ダミーワード線導電層41は、ポリシリコン(p−Si)にて構成されている。ダミーワード線間絶縁層42は、酸化シリコン(SiO2)にて構成されている。
The dummy word line
ダミートランジスタ層40は、ダミーワード線導電層41、及びダミーワード線間絶縁層42を貫通するように形成されたダミーホール43を有する。ダミーホール43は、メモリホール33と連続して一体に形成されている。
The
また、上記バックゲートトランジスタ層20、メモリトランジスタ層30、及びダミートランジスタ層40は、メモリゲート絶縁層34、U字状半導体層(メモリ半導体層)35、及び溝73を有する。メモリゲート絶縁層34は、ダミーホール43の側壁、メモリホール33の側壁、及びバックゲートホール23の側壁に形成されている。図6に示すように、メモリゲート絶縁層34は、ダミーワード線導電層41の下面と上面との間の高さまで形成されている。メモリゲート絶縁層34は、例えば、15nmの厚みを有する。
The back
U字状半導体層35は、ロウ方向からみてU字状に形成されている。U字状半導体層35は、メモリゲート絶縁層34に接し且つバックゲートホール23及びメモリホール33を埋めるように形成されている。U字状半導体層35は、ロウ方向からみて半導体基板Baに対して垂直方向に延びる一対の柱状部35a、及び一対の柱状部35aの下端を連結させるように形成された連結部35bを有する。図6に示すように、U字状半導体層35は、ダミーワード線導電層41の下面と上面との間の高さまで形成されている。
The
メモリゲート絶縁層34は、酸化シリコン(SiO2)−窒化シリコン(SiN)−酸化シリコン(SiO2)にて構成されている。U字状半導体層35は、リン(P)をドープされたポリシリコン(p−Si)(n型半導体)にて構成されている。U字状半導体層35は、1×1019cm−3以上の実効的不純物濃度を有する。ここで、実効的不純物濃度は、n型不純物濃度からp型不純物濃度を差し引いた濃度である。
Memory
溝73は、第1〜第5ワード線間絶縁層31a〜31e、第1〜第4ワード線導電層32a〜32d、ダミーワード線導電層41、及びダミーワード線間絶縁層42を貫通するように形成されている。溝73は、カラム方向に並ぶメモリホール33及びダミーホール43の間に形成されている。溝73は、ロウ方向に延びるように形成されている。
The
上記バックゲートトランジスタ層20、及びメモリトランジスタ層30の構成において、バックゲート導電層22は、バックゲートトランジスタBGTrのゲート電極として機能する。バックゲート導電層22は、バックゲート線BGとして機能する。第1〜第4ワード線導電層32a〜32dは、メモリトランジスタMTr1〜MTr8のゲート電極として機能する、第1〜第4ワード線導電層32a〜32dは、ワード線WL1〜WL8として機能する。
In the configuration of the back
選択トランジスタ層50は、メモリトランジスタ層30の上に堆積された層間絶縁層51、ドレイン側導電層52a、ソース側導電層52b、選択トランジスタ絶縁層53、及び層間絶縁層54を有する。層間絶縁層51は、溝73の側面及びダミーワード線間絶縁層42の上面に接するように形成されている。ドレイン側導電層52a、ソース側導電層52b、及び選択トランジスタ絶縁層53は、層間絶縁層51上に設けられ、ロウ方向に延びるように且つカラム方向に所定間隔を設けて繰り返しライン状に形成されている。
The
ドレイン側導電層52aは、第1〜第4ワード線導電層32a〜32dと同様に、カラム方向に所定ピッチを設けてロウ方向に延びるように形成されている。同様に、ソース側導電層52bは、カラム方向に所定ピッチに設けてロウ方向に延びるように形成されている。一対のドレイン側導電層52aと一対のソース側導電層52bは、カラム方向に交互に形成されている。選択トランジスタ絶縁層53は、上記のように形成されたドレイン側導電層52a及びソース側導電層52bの間に形成されている。層間絶縁層54は、ドレイン側導電層52a、ソース側導電層52b、及び選択トランジスタ絶縁層53上に形成されている。
Similarly to the first to fourth word line
ドレイン側導電層52a及びソース側導電層52bは、ホウ素(B)がドープされたポリシリコン(p−Si)(P+型半導体)にて構成されている。層間絶縁層51、54及び選択トランジスタ絶縁層53は、酸化シリコン(SiO2)にて構成されている。
The drain side
選択トランジスタ層50は、ドレイン側ホール55a、ソース側ホール55b、ソース線配線溝55cを有する。
The
ドレイン側ホール55aは、層間絶縁層54、ドレイン側導電層52a、及び層間絶縁層51を貫通するように形成されている。ソース側ホール55bは、層間絶縁層54、ソース側導電層52b、及び層間絶縁層51を貫通するように形成されている。ドレイン側ホール55a及びソース側ホール55bは、メモリホール33及びダミーホール43に整合する位置に形成されている。ソース線配線溝55cは、カラム方向に隣接するソース側ホール55bの上部にて層間絶縁層54を掘り込むように形成されている。ソース線配線溝55cは、カラム方向に隣接するソース側ホール55bの上部を繋ぎ且つロウ方向に延びるように形成されている。
The
選択トランジスタ層50及びダミートランジスタ層40は、ドレイン側ゲート絶縁層56a、ソース側ゲート絶縁層56b、ドレイン側柱状半導体層57a、及びソース側柱状半導体層57bを有する。
The
ドレイン側ゲート絶縁層56aは、ドレイン側ホール55aの側壁、及びダミーホール43の側壁に形成されている。ソース側ゲート絶縁層56bは、ソース側ホール45bの側壁、及びダミーホール43の側壁に形成されている。ドレイン側ゲート絶縁層56a及びソース側ゲート絶縁層56bは、メモリゲート絶縁層34の上面に接するように形成されている。すなわち、ドレイン側ゲート絶縁層56a及びソース側ゲート絶縁層56bは、ダミーワード線導電層41の下面と上面との間の高さから上層へと形成されている。
The drain side
図6に示すように、ドレイン側ゲート絶縁層56a(ソース側ゲート絶縁層56b)は、ドレイン側柱状半導体層57a(ソース側柱状半導体層57b)の側面、及びその一部底面を覆うように形成されている。また、ドレイン側ゲート絶縁層56a(ソース側ゲート絶縁層56b)は、柱状部35aの一部側面及び一部上面を覆うように形成されている。ドレイン側ゲート絶縁層56aは、ドレイン側柱状半導体層57aの側面に接する領域で、例えば、10nmの厚みを有する。ドレイン側ゲート絶縁層56aは、U字状半導体層35の側面に接する領域で、例えば、15nmの厚みを有する。ソース側ゲート絶縁層56bは、ドレイン側ゲート絶縁層56bと同様の厚みを有する。すなわち、ダミーワード線導電層41の近傍におけるドレイン側ゲート絶縁層57a(ソース側柱状半導体層57b)は、ドレイン側導電層52a(ソース側導電層52b)の近傍におけるドレイン側ゲート絶縁層57a(ソース側柱状半導体層57b)よりも厚い。
As shown in FIG. 6, the drain side
ドレイン側柱状半導体層57aは、ダミーホール43からドレイン側ホール55aに亘ってドレイン側ゲート絶縁層56aに接するように形成されている。ソース側柱状半導体層57bは、ダミーホール43からソース側ホール56bに亘ってソース側ゲート絶縁層56bに接するように形成されている。ドレイン側柱状半導体層57a及びソース側柱状半導体層57bは、U字状半導体層35の柱状部35aの上面に接するように形成されている。すなわち、ドレイン側柱状半導体層57a及びソース側柱状半導体層57bは、ダミーワード線導電層41の下面と上面との間の高さから上層へと形成されている。
The drain side
さらに、選択トランジスタ層50は、ドレイン側ホール55a内及びソース配線溝55c内に、プラグ導電層58a、及びソース導電層58bを有する。
Further, the
プラグ導電層58aは、ドレイン側柱状半導体層57aの上面に接するように形成されている。プラグ導電層58aは、選択トランジスタ層50の上面まで、ドレイン側ホール55aを埋めるように形成されている。ソース導電層58bは、ソース側柱状半導体層57bの上面に接するように形成されている。ソース側柱状半導体層57bは、選択トランジスタ層50の上面まで、ソース側ホール55b及びソース線配線溝55cを埋めるように形成されている。
The plug
ドレイン側ゲート絶縁層56a及びソース側ゲート絶縁層56bは、酸化シリコン(SiO2)にて構成されている。ドレイン側柱状半導体層57a及びソース側柱状半導体層57bは、微少量のリン(P)がドープされたポリシリコン(p−Si)(n型半導体)、又は不純物がドープされていないポリシリコン(Si)(i型半導体)にて構成されている。ドレイン側柱状半導体層57a及びソース側柱状半導体層57bは、3×1017cm−3以下の実効的不純物濃度を有する。すなわち、ドレイン側柱状半導体層57a及びソース側柱状半導体層57bの実効的不純物濃度は、U字状半導体層35の実効的不純物濃度よりも低い。プラグ導電層58a及びソース導電層58bは、チタン(Ti)−窒化チタン(TiN)−タングステン(W)にて構成されている。
The drain side
上記ダミートランジスタ層40の構成において、ダミーワード線導電層41は、ダミートランジスタDTrのゲート電極として機能する。また、ダミーワード線導電層41は、ダミーワード線DWLとして機能する。
In the configuration of the
上記選択トランジスタ層50の構成において、ドレイン側導電層52aは、ドレイン側選択トランジスタ層SDTrのゲート電極として機能する。また、ドレイン側導電層52aは、ドレイン側選択線SGDとして機能する。ソース側導電層52bは、ソース側選択トランジスタSSTrのゲート電極として機能する。また、ソース側導電層52bは、ソース側選択線SGSとして機能する。ソース導電層58bは、ソース線SLとして機能する。
In the configuration of the
配線層60は、層間絶縁層61、ホール61a、プラグ層61b、及びビット線層62を有する。層間絶縁層61は、選択トランジスタ層50の上面に形成されている。ホール61aは層間絶縁層61を貫通してドレイン側ホール55aに整合する位置に形成されている。プラグ層61bは、ホール61aを埋めるように、層間絶縁層61の上面まで形成されている。ビット線層62は、プラグ層61bの上面に接するように、ロウ方向に所定ピッチをもって、カラム方向に延びるライン状に形成されている。
The
層間絶縁層61は、酸化シリコン(SiO2)にて構成されている。プラグ層61b、ビット線層62は、チタン(Ti)−窒化チタン(TiN)−タングステン(W)にて構成されている。
The interlayer insulating
上記配線層60の構成において、ビット線層62は、ビット線BLとして機能する。
In the configuration of the
(第1実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置100の動作)
次に、第1実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置100の動作(読み込み、書き込み、消去)を説明する。第1実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置100は、ソース側選択トランジスタSSTr及びドレイン側選択トランジスタSDTrにて、対象とするメモリストリングMSを選択する。そして、不揮発性半導体記憶装置100は、ワード線WL1〜WL8に印加する電圧を制御すること、すなわち、メモリトランジスタMTr1〜MTr8の電荷蓄積層に蓄積する電荷を制御することにより、動作を実行する。なお、消去動作の場合、不揮発性半導体記憶装置100は、ワード線WL1〜WL8を同一の0Vに設定し、複数のメモリストリングMSからなるブロック単位でデータ消去を実行する。
(Operation of Nonvolatile Semiconductor Memory Device 100 According to First Embodiment)
Next, operations (reading, writing, erasing) of the nonvolatile semiconductor memory device 100 according to the first embodiment will be described. In the nonvolatile semiconductor memory device 100 according to the first embodiment, the target memory string MS is selected by the source side select transistor SSTr and the drain side select transistor SDTr. The nonvolatile semiconductor memory device 100 performs the operation by controlling the voltage applied to the word lines WL1 to WL8, that is, controlling the charge accumulated in the charge accumulation layers of the memory transistors MTr1 to MTr8. In the case of the erase operation, the nonvolatile semiconductor memory device 100 sets the word lines WL1 to WL8 to the same 0V, and performs data erase in units of blocks including a plurality of memory strings MS.
不揮発性半導体記憶装置100は、各動作を行う際、バックゲート線BGに電圧を印加し、バックゲートトランジスタBGTrをオン状態とする。 When performing each operation, the nonvolatile semiconductor memory device 100 applies a voltage to the back gate line BG to turn on the back gate transistor BGTr.
不揮発性半導体記憶装置100は、メモリトランジスタMTrの各動作に応じて、ダミーワード線DWL1、DWL2の電位を制御する。不揮発性半導体記憶装置100は、非選択のメモリトランジスタMTrに接続されたワード線WL1〜WL8と同電位となるように、ダミーワード線DWL1、DWL2の電位を制御する。なお、消去動作の場合、不揮発性半導体記憶装置100は、全てのワード線WL1〜WL8と同電位となるように、ダミーワード線DWLの電位を制御する。 The nonvolatile semiconductor memory device 100 controls the potentials of the dummy word lines DWL1 and DWL2 according to each operation of the memory transistor MTr. The nonvolatile semiconductor memory device 100 controls the potentials of the dummy word lines DWL1 and DWL2 so as to be the same potential as the word lines WL1 to WL8 connected to the non-selected memory transistors MTr. In the erase operation, the nonvolatile semiconductor memory device 100 controls the potential of the dummy word line DWL so as to have the same potential as all the word lines WL1 to WL8.
(第1実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置100の製造方法)
次に、図7〜図24を参照して、第1実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置100の製造方法を説明する。図7〜図24は、第1実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置100の製造工程を示す断面図である。
(Method for Manufacturing Nonvolatile Semiconductor Memory Device 100 According to First Embodiment)
A method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device 100 according to the first embodiment is now described with reference to FIGS. 7 to 24 are cross-sectional views illustrating manufacturing steps of the nonvolatile semiconductor memory device 100 according to the first embodiment.
先ず、図7に示すように、半導体基板Ba上に酸化シリコン(SiO2)及びポリシリコン(p−Si)を堆積させ、バックゲート絶縁層21及びバックゲート導電層22を形成する。
First, as shown in FIG. 7, silicon oxide (SiO 2 ) and polysilicon (p-Si) are deposited on the semiconductor substrate Ba to form a back
次に、図8に示すように、リソグラフィ法やRIE(Reactive Ion Etching)法を用いて、バックゲート導電層22を彫り込み、バックゲートホール23を形成する。
Next, as shown in FIG. 8, the back gate
続いて、図9に示すように、バックゲートホール23を埋めるように、窒化シリコン(SiN)を堆積させ、犠牲層71を形成する。
Subsequently, as shown in FIG. 9, silicon nitride (SiN) is deposited so as to fill the
次に、図10に示すように、バックゲート導電層22及び犠牲層71の上に、酸化シリコン(SiO2)及びポリシリコン(p−Si)を交互に堆積させ、第1〜第5ワード線間絶縁層31a〜31e、第1〜第4ワード線導電層32a〜32d、ダミーワード線導電層41、及びダミーワード線間絶縁層42を形成する。
Next, as shown in FIG. 10, silicon oxide (SiO 2 ) and polysilicon (p-Si) are alternately deposited on the back gate
続いて、図11に示すように、第1〜第5ワード線間絶縁層31a〜31e、第1〜第4ワード線導電層32a〜32d、ダミーワード線導電層41、及びダミーワード線間絶縁層42を貫通させて、メモリホール33及びダミーホール43を形成する。メモリホール33及びダミーホール43は、犠牲層71のカラム方向の両端上面に達するように形成する。なお、メモリホール33及びダミーホール43は、一体に連続的に形成される。
Subsequently, as shown in FIG. 11, the first to fifth inter-word
次に、図12に示すように、メモリホール33及びダミーホール43を埋めるように、窒化シリコン(SiN)を堆積させ、犠牲層72を形成する。
Next, as shown in FIG. 12, silicon nitride (SiN) is deposited so as to fill the
続いて、図13に示すように、第1〜第5ワード線間絶縁層31a〜31e、第1〜第4ワード線導電層32a〜32d、ダミーワード線導電層41、及びダミーワード線間絶縁層42を貫通させて、溝73を形成する。溝73は、カラム方向に並ぶメモリホール33及びダミーホール43の間に形成する。溝73は、ロウ方向に延びるように形成する。
Subsequently, as shown in FIG. 13, the first to fifth inter-word
次に、図14に示すように、溝73を埋めるように、酸化シリコン(SiO2)を堆積させ、層間絶縁層51を形成する。
Next, as shown in FIG. 14, silicon oxide (SiO 2 ) is deposited so as to fill the
続いて、図15に示すように、層間絶縁層51上に、ポリシリコン(p−Si)及び酸化シリコン(SiO2)を堆積させ、ドレイン側導電層52a、ソース側導電層52b、選択トランジスタ絶縁層53、及び層間絶縁層54を形成する。ここで、カラム方向に所定ピッチを設けてロウ方向に延びるように、ドレイン側導電層52a、ソース側導電層52b、選択トランジスタ絶縁層53を形成する。一対のドレイン側導電層52aと一対のソース側導電層52bは、交互にカラム方向に配列するように形成する。
Subsequently, as shown in FIG. 15, polysilicon (p-Si) and silicon oxide (SiO 2 ) are deposited on the
次に、図16に示すように、層間絶縁層54、ドレイン側導電層52a、及び層間絶縁層51を貫通させて、ドレイン側ホール55aを形成する。また、層間絶縁層54、ソース側導電層52b、及び層間絶縁層51を貫通させて、ソース側ホール55bを形成する。ドレイン側ホール55a及びソース側ホール55bは、メモリホール33及びダミーホール43に整合する位置に形成する。
Next, as shown in FIG. 16, a
続いて、図17に示すように、熱燐酸溶液にて、犠牲層71、72を除去する。
Subsequently, as shown in FIG. 17, the
次に、図18に示すように、酸化シリコン(SiO2)、窒化シリコン(SiN)、及び酸化シリコン(SiO2)を堆積させ、ONO層84を形成する。ONO層84は、バックゲートホール23、メモリホール33、ダミーホール43、ドレイン側ホール55a、及びソース側ホール55bの側面を覆うように形成する。
Next, as shown in FIG. 18, silicon oxide (SiO 2 ), silicon nitride (SiN), and silicon oxide (SiO 2 ) are deposited to form an
続いて、図19に示すように、メモリホール33、及びバックゲートホール23内にポリシリコン(p−Si)を堆積させ、リン(P)をドープする。これら工程により、U字状半導体層35を形成する。ここで、U字状半導体層35の実効的不純物濃度は、1×1019cm−3以上とする。U字状半導体層35は、ダミーワード線導電層41の下面と上面との間の高さまで形成される。U字状半導体層35は、その上面がダミーワード線導電層41の上面と下面の間に位置するように形成される。
Subsequently, as shown in FIG. 19, polysilicon (p-Si) is deposited in the
次に、図20に示すように、ドレイン側ホール55a、ソース側ホール55b、ダミーホール43に形成されたONO層84を除去する。ここで、ONO層84は、ダミーワード線導電層41の下面と上面との間の高さまで除去するものとする。ONO層84は、その上面がダミーワード線導電層41の上面と下面の間に位置するように除去される。ONO層84は、その上面がU字状半導体層35の上面よりも下方に位置するように除去される。この工程により、ダミーホール43、メモリホール33、及びバックゲートホール23に残存したONO層84は、メモリゲート絶縁層34となる。
Next, as shown in FIG. 20, the
続いて、図21に示すように、ドレイン側ホール55a、及びソース側ホール55bの側壁、及びダミーホール43の側壁に酸化シリコン(SiO2)を堆積させ、ドレイン側ゲート絶縁層56a、及びソース側ゲート絶縁層56bを形成する。ここで、ドレイン側ゲート絶縁層56a(ソース側ゲート絶縁層56b)は、U字状半導体層35(柱状部35a)の一部側面及び一部上面を覆うように形成される。
Subsequently, as shown in FIG. 21, silicon oxide (SiO 2 ) is deposited on the sidewalls of the drain-
次に、図22に示すように、ドレイン側ホール55a、及びソース側ホール55b内に、
ダミーワード線導電層41の下面と上面との間の高さまで、ポリシリコン(p−Si)を堆積させ、リン(P)をドープする。これら工程により、ドレイン側柱状半導体層57a、及びソース側柱状半導体層57bを形成する。ここで、ドレイン側柱状半導体層57a、及びソース側柱状半導体層57bの実効的不純物濃度は、3×1017cm−3以下とする。すなわち、ドレイン側柱状半導体層57a、及びソース側柱状半導体層57bの実効的不純物濃度は、U字状半導体層35の実効的不純物濃度以下とする。
Next, as shown in FIG. 22, in the
Polysilicon (p-Si) is deposited to a height between the lower surface and the upper surface of the dummy word line
続いて、図23に示すように、カラム方向に隣接する各ソース側ホール55bの上部をカラム方向につなぐように層間絶縁層54を堀込み、ソース線配線溝55cを形成する。ソース線配線溝55cは、カラム方向に短手、ロウ方向に長手を有する矩形状の開口を有するように形成する。
Subsequently, as shown in FIG. 23, the
次に、図24に示すように、ドレイン側ホール52a、ソース側ホール52b、及びソース線配線溝55cを埋めるように、チタン(Ti)−窒化チタン(TiN)−タングステン(W)を堆積させ、プラグ層58a、及びソース線導電層58bを形成する。
Next, as shown in FIG. 24, titanium (Ti) -titanium nitride (TiN) -tungsten (W) is deposited so as to fill the
続いて、配線層60を形成し、図5に示す不揮発性半導体記憶装置100を形成する。
Subsequently, the
(第1実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置100の効果)
次に、第1実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置100の効果について説明する。第1実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置100は、上記積層構造に示したように高集積化可能である。
(Effect of Nonvolatile Semiconductor Memory Device 100 According to First Embodiment)
Next, effects of the nonvolatile semiconductor memory device 100 according to the first embodiment will be described. The nonvolatile semiconductor memory device 100 according to the first embodiment can be highly integrated as shown in the stacked structure.
さらに、第1実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置100は、ダミーワード線導電層41を備える。上述したように、ダミーワード線導電層41は、U字状半導体層35とドレイン側柱状半導体層57a(ソース側柱状半導体層57b)との境界に設けられている。すなわち、このダミーワード線導電層41は、電界効果によって、上記境界付近に高濃度キャリアを生じさせる。したがって、不揮発性半導体記憶装置100において、U字状半導体層35とドレイン側柱状半導体層57a(ソース側柱状半導体層57b)との境界は、良好なコンタクト抵抗をとることができる。不揮発性半導体記憶装置100は、トランジスタ特性のバラツキを抑制し且つ良好なカットオフ特性を保持しつつ、読み出し電流を増大させることができる。また、第1実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置100は、ビット線導電層62(ビット線BL)と第1〜第4ワード線導電層32a〜32d(メモリトランジスタMTr1〜MTr8のゲート)との間の容量結合を低減させることができる。
Furthermore, the nonvolatile semiconductor memory device 100 according to the first embodiment includes a dummy word line
また、第1実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置100において、ダミーワード線導電層41(ダミーワード線DWL1、DWL2)は、上記のように各動作に応じて決まった電位に設定されるので、第1〜第4ワード線導電層32a〜32d(メモリトランジスタMTr1〜MTr8のゲート)の電位の影響を遮蔽することができる。これにより、不揮発性半導体記憶装置100は、特に読み出し動作を安定化させ、信頼度を高めることができる。
Further, in the nonvolatile semiconductor memory device 100 according to the first embodiment, the dummy word line conductive layer 41 (dummy word lines DWL1, DWL2) is set to a potential determined according to each operation as described above. The influence of the potential of the first to fourth word line
次に、第1実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置100の効果を説明するために、比較例を考える。比較例に係る不揮発性半導体記憶装置は、ダミーワード線導電層41を有していないものとする。また、比較例に係る不揮発性半導体記憶装置において、メモリゲート絶縁層34の終端部は、第4ワード線導電層32d(最上層のワード線導電層)とドレイン側導電層52a(ソース側導電層52b)の中間に位置するものとする。このような比較例においては、終端部付近でのメモリゲート絶縁層の電荷トラップ状態により、読み出し時のセル電流は、増減してしまう。一方、第1実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置100は、ダミーワード線導電層41を有している。さらに、不揮発性半導体記憶装置100において、メモリゲート絶縁層34の終端部は、ダミーワード線導電層41の真横に位置する。これにより、比較例と異なり、メモリゲート絶縁層34の終端部に電荷がトラップされた場合であっても、不揮発性半導体記憶装置100は、良好なセル電流を維持することができる。すなわち、不揮発性半導体記憶装置100は、読み出し精度を向上させることができる。また、不揮発性半導体記憶装置100は、第1〜第3ワード線導電層32a〜32cと同様に、第4ワード線導電層32dを制御することができる。
Next, in order to explain the effect of the nonvolatile semiconductor memory device 100 according to the first embodiment, consider a comparative example. It is assumed that the nonvolatile semiconductor memory device according to the comparative example does not have the dummy word line
また、第1実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置100において、ドレイン側ゲート絶縁層56a(ソース側ゲート絶縁層56b)は、U字状半導体層35と接する領域にて、メモリゲート絶縁層34と同様の厚みを有する(図6参照)。すなわち、ドレイン側ゲート絶縁層56a(ソース側ゲート絶縁層56b)は、所定領域にて、メモリゲート絶縁層34と同様の耐圧を有する。これにより、不揮発性半導体記憶装置100は、読み出し時、ダミーワード線導電層41(ダミートランジスタDTr1、DTr2のゲート)の電位をセル電流に影響しないレベルまで十分に高く上げることができる。同時に、選択トランジスタ層50のドレイン側ゲート絶縁層56a(ソース側ゲート絶縁層56b)の膜厚を小さくすることができる。特に、読み出し動作の際、ドレイン側選択トランジスタSDTr(ソース側選択トランジスタSSTr)は、非選択のメモリストリングMSからの漏れ電流を極力低減させることが望ましく、ゲート電圧に対して急峻なオンーオフスイッチ特性を示すことが望ましい。これに伴い、そのゲート絶縁層としては、比較的薄い、10nm前後の膜厚を用いることが望ましい。すなわち、第1実施形態のように、ドレイン側ゲート絶縁層56a(ソース側ゲート絶縁層56b)の厚みと、メモリゲート絶縁層34との厚みを変えることにより、ドレイン側選択トランジスタSDTr(ソース側選択トランジスタSSTr)のカットオフ特性と、ダミートランジスタDTr1、DTr2のゲート耐圧とを両立することが可能となる。
In the nonvolatile semiconductor memory device 100 according to the first embodiment, the drain-side
また、第1実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置100において、ドレイン側柱状半導体層57a及びソース側柱状半導体層57bの実効的不純物濃度は、U字状半導体層35の実効的不純物濃度よりも小さい。したがって、不揮発性半導体記憶装置100は、メモリトランジスタMTr1〜MTr8のゲート間(第1〜第4ワード線導電層32a〜32d間)の寄生抵抗を低減し、読み出し時のセル電流を増大させることができる。また、不揮発性半導体記憶装置100は、生成再結合電流を低減し、カットオフ特性の良好なドレイン側選択トランジスタSDTr及びソース側選択トランジスタSSTrを構成することができる。
In the nonvolatile semiconductor memory device 100 according to the first embodiment, the effective impurity concentration of the drain side
また、ドレイン側柱状半導体層57a及びソース側柱状半導体層57bの実効的不純物濃度は、3×1017cm−3以下であり、U字状半導体層35の実効的不純物濃度は、1×1019cm−3以上である。ここで、一般にポリシリコン層中のキャリア密度は、約1×1018cm−3の実効的不純物濃度を境に急激に変化することが知られている。すなわち、第1実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置100において、ドレイン側柱状半導体層57a、ソース側柱状半導体層57bの実効的不純物濃度、及びU字状半導体層35の実効的不純物濃度は、1×1018cm−3の実効的不純物濃度を避けるように構成されている。したがって、第1実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置100の製造時において実効的不純物濃度にわずかな変動が生じた場合であっても、そのキャリア密度は、大きく変化することはない。第1実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置100は、歩留まりを向上させることができる。
The effective impurity concentration of the drain side
また、不揮発性半導体記憶装置100は、ホウ素(B)がドープされたポリシリコン(p−Si)(P+型半導体)にて構成されたドレイン側導電層52a、及びソース側導電層52bを有する。したがって、第1実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置100は、ドレイン側選択トランジスタSDTr及びソース側選択トランジスタSSTrの閾値電圧を正とすることができる。これにより、ソース側選択ゲート線駆動回路14及びドレイン側選択ゲート線駆動回路15を単純化することができる。
The nonvolatile semiconductor memory device 100 includes a drain-side
[第2実施形態]
(第2実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の具体的構成)
次に、図25を参照して、第2実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の具体的構成について説明する。図25は、第2実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置のメモリトランジスタ領域の断面図である。なお、第2実施形態において、第1実施形態と同様の構成については、同一符号を付し、その説明を省略する。
[Second Embodiment]
(Specific Configuration of Nonvolatile Semiconductor Memory Device According to Second Embodiment)
Next, a specific configuration of the nonvolatile semiconductor memory device according to the second embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 25 is a cross-sectional view of the memory transistor region of the nonvolatile semiconductor memory device according to the second embodiment. Note that in the second embodiment, identical symbols are assigned to configurations similar to those in the first embodiment and descriptions thereof are omitted.
図25に示すように、第2実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置は、第1実施形態と異なるダミートランジスタ層40Aを有する。
As shown in FIG. 25, the nonvolatile semiconductor memory device according to the second embodiment has a
ダミートランジスタ層40Aは、第1実施形態の構成に加えて、さらに絶縁層36を有する。絶縁層36は、柱状部35aとドレイン側柱状半導体層57a(ソース側柱状半導体層57b)の界面に形成されている。絶縁層36は、柱状部35aとドレイン側柱状半導体層47a(ソース側柱状半導体層47b)との境界に形成されている。絶縁層36は、酸化シリコン(SiO2)、又は窒化シリコン(SiN)にて構成されている。絶縁層36は、1nm以下の厚みを有する。
The
(第2実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の効果)
次に、第2実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の効果について説明する。第2実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置は、第1実施形態と略同様の構成を有する。したがって、第2実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置は、第1実施形態と同様の効果を奏する。
(Effects of Nonvolatile Semiconductor Memory Device According to Second Embodiment)
Next, effects of the nonvolatile semiconductor memory device according to the second embodiment will be described. The nonvolatile semiconductor memory device according to the second embodiment has substantially the same configuration as that of the first embodiment. Therefore, the nonvolatile semiconductor memory device according to the second embodiment has the same effect as that of the first embodiment.
さらに、第2実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置は、絶縁層36を有する。したがって、第2実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置は、絶縁層36により、U字状半導体層35からドレイン側柱状半導体層57a(ソース側柱状半導体層57b)への不純物の拡散を抑制することができる。
Furthermore, the nonvolatile semiconductor memory device according to the second embodiment has an insulating
[第3実施形態]
(第3実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の構成)
次に、図26を参照して、第3実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の構成について説明する。図26は、第3実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置のメモリトランジスタ領域の一部概略斜視図である。なお。第3実施形態において、第1及び第2実施形態と同様の構成については、同一符号を付し、その説明を省略する。
[Third Embodiment]
(Configuration of Nonvolatile Semiconductor Memory Device According to Third Embodiment)
Next, the configuration of the nonvolatile semiconductor memory device according to the third embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 26 is a partial schematic perspective view of the memory transistor region of the nonvolatile semiconductor memory device according to the third embodiment. Note that. In the third embodiment, the same components as those in the first and second embodiments are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
図26に示すように、第3実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置は、主に、第1及び第2実施形態のようなU字状半導体SCの代わりに、I字状の柱状半導体CLaを有する。メモリトランジスタ領域は、下層から、ソース側選択トランジスタSSTra、第1ダミートランジスタDTra1、メモリトランジスタMTra1〜MTra4からなるメモリストリングMSa、及び第2ダミートランジスタDTra2、ドレイン側選択トランジスタSDTraを有している。また、それらは、ロウ方向×カラム方向における面内にm×n個(m、nは自然数)に配列されている。図26においては、m=3、n=4の一例を示している。 As shown in FIG. 26, the non-volatile semiconductor memory device according to the third embodiment mainly includes an I-shaped columnar semiconductor CLa instead of the U-shaped semiconductor SC as in the first and second embodiments. Have. The memory transistor region includes, from the lower layer, a source-side selection transistor SSTRa, a first dummy transistor DTra1, a memory string MSa including memory transistors MTra1 to MTra4, a second dummy transistor DTra2, and a drain-side selection transistor SDTra. Further, they are arranged in m × n (m and n are natural numbers) in a plane in the row direction × column direction. FIG. 26 shows an example of m = 3 and n = 4.
各メモリトランジスタMTra1〜MTra4は、柱状の柱状半導体CLa、その柱状半導体CLaを取り囲むように形成された電荷蓄積層、その電荷蓄積層を取り囲むように形成されたワード線WLa1〜WLa4を有する。 Each of the memory transistors MTra1 to MTra4 includes a columnar columnar semiconductor CLa, a charge storage layer formed so as to surround the columnar semiconductor CLa, and word lines WLa1 to WLa4 formed so as to surround the charge storage layer.
ワード線WLa1〜WLa4は、水平方向において2次元的に広がりを有するように形成され、それぞれ同一層からなる板状の平面構造となっている。ワード線WLa1〜WLa4は、それぞれ同一の導電層によって形成されており、それぞれ共通である。即ち、各メモリストリングMSaのメモリトランジスタMTra1のゲートの全てがワード線WLa1に接続されている。また、各メモリストリングMSaのメモリトランジスタMTra2のゲートの全てがワード線WLa2に接続されている。また、各メモリストリングMSaのメモリトランジスタMTra3のゲートの全てがワード線WLa3に接続されている。また、各メモリストリングMSaのメモリトランジスタMTra4のゲートの全てがワード線WLa4に接続されている。第3実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置においては、図26に示すように、ワード線WLa1〜WLa4は、それぞれ、半導体基板Baと平行な水平方向において2次元的に広がりを有する板状に形成されている。また、ワード線WLa1〜WLa4は、それぞれ、メモリストリングMSaに略垂直に配置されている。 The word lines WLa1 to WLa4 are formed so as to expand two-dimensionally in the horizontal direction and have a plate-like planar structure composed of the same layer. The word lines WLa1 to WLa4 are formed by the same conductive layer and are common to each other. That is, all the gates of the memory transistors MTra1 of each memory string MSa are connected to the word line WLa1. In addition, all the gates of the memory transistors MTra2 of each memory string MSa are connected to the word line WLa2. All the gates of the memory transistors MTra3 of each memory string MSa are connected to the word line WLa3. All the gates of the memory transistors MTra4 of each memory string MSa are connected to the word line WLa4. In the nonvolatile semiconductor memory device according to the third embodiment, as shown in FIG. 26, the word lines WLa1 to WLa4 are each formed in a plate shape that extends two-dimensionally in the horizontal direction parallel to the semiconductor substrate Ba. Has been. Further, the word lines WLa1 to WLa4 are arranged substantially perpendicular to the memory string MSa, respectively.
各柱状半導体CLaは、半導体基板Baから垂直方向に形成されており、ワード線WLa1〜WLa4を貫通して形成されている。各柱状半導体CLaは、面上においてマトリクス状になるように配置されている。つまり、メモリストリングMSaは、柱状半導体CLaに垂直な面内にマトリクス状に配置されている。なお、柱状半導体CLaは、円柱状であっても、角柱状であってもよい。また、柱状半導体CLaは、段々形状を有する柱状の半導体を含む。 Each columnar semiconductor CLa is formed in the vertical direction from the semiconductor substrate Ba, and is formed through the word lines WLa1 to WLa4. Each columnar semiconductor CLa is arranged in a matrix on the surface. That is, the memory strings MSa are arranged in a matrix in a plane perpendicular to the columnar semiconductor CLa. Note that the columnar semiconductor CLa may be cylindrical or prismatic. The columnar semiconductor CLa includes a columnar semiconductor having a stepped shape.
図26に示すように、メモリストリングMSaの下方には、第1ダミートランジスタDTra1、ソース側選択トランジスタSSTraが設けられている。第1ダミートランジスタDTra1は、柱状半導体CLa、CLb1、電荷蓄積層、絶縁膜(図示せず)、及び第1ダミーワード線DWLa1にて構成されている。ソース側選択トランジスタSSTraは、柱状半導体CLb1、絶縁膜(図示せず)、及びソース側選択ゲート線SGSaにて構成されている。 As shown in FIG. 26, below the memory string MSa, a first dummy transistor DTra1 and a source side select transistor SSTRA are provided. The first dummy transistor DTra1 includes columnar semiconductors CLa and CLb1, a charge storage layer, an insulating film (not shown), and a first dummy word line DWLa1. The source side select transistor SSTra includes a columnar semiconductor CLb1, an insulating film (not shown), and a source side select gate line SGSa.
ここで、第1ダミーワード線DWLa1、及びソース側選択ゲート線SGSaは、半導体基板Baと平行な水平方向において2次元的に広がりを有するように形成されている。第1ダミーワード線DWLa1は、ロウ及びカラム方向に並ぶ柱状半導体CLa、CLb1を取り囲むように形成されている。ソース側選択ゲート線SGSaは、ロウ及びカラム方向に並ぶ柱状半導体CLb1を取り囲むように形成されている。柱状半導体CLb1は、柱状半導体CLaの下面から下方に延びるように形成されている。柱状半導体CLb1の下面は、半導体基板Baに接するように形成されている。絶縁層は、柱状半導体CLb1の側面に形成されている。なお、半導体基板Ba上には、ソース線SLaとして機能する領域が形成されている。 Here, the first dummy word line DWLa1 and the source side selection gate line SGSa are formed so as to expand two-dimensionally in a horizontal direction parallel to the semiconductor substrate Ba. The first dummy word line DWLa1 is formed so as to surround the columnar semiconductors CLa and CLb1 aligned in the row and column directions. The source side select gate line SGSa is formed so as to surround the columnar semiconductors CLb1 arranged in the row and column directions. The columnar semiconductor CLb1 is formed to extend downward from the lower surface of the columnar semiconductor CLa. The lower surface of the columnar semiconductor CLb1 is formed in contact with the semiconductor substrate Ba. The insulating layer is formed on the side surface of the columnar semiconductor CLb1. Note that a region functioning as the source line SLa is formed on the semiconductor substrate Ba.
また、図26に示すように、メモリストリングMSaの上方には、第2ダミートランジスタDTra2、ドレイン側選択トランジスタSDTraが設けられている。第2ダミートランジスタDTra2は、柱状半導体CLa、CLb2、電荷蓄積層、絶縁膜(図示せず)、及び第2ダミーワード線DWLa2にて構成されている。ドレイン側選択トランジスタSDTraは、柱状半導体CLb2、絶縁膜(図示せず)、及びソース側選択ゲート線SGDaにて構成されている。 As shown in FIG. 26, a second dummy transistor DTra2 and a drain side selection transistor SDTr are provided above the memory string MSa. The second dummy transistor DTra2 includes columnar semiconductors CLa and CLb2, a charge storage layer, an insulating film (not shown), and a second dummy word line DWLa2. The drain side select transistor SDTr includes a columnar semiconductor CLb2, an insulating film (not shown), and a source side select gate line SGDa.
ここで、第2ダミーワード線DWLa2は、半導体基板Baと平行な水平方向において2次元的に広がりを有するように形成されている。ドレイン側選択ゲート線SGDaは、ロウ方向に延びるように形成され、カラム方向に所定ピッチを設けて配列されている。第2ダミーワード線DWLa2は、ロウ及びカラム方向に並ぶ柱状半導体CLa、CLb2を取り囲むように形成されている。ドレイン側選択ゲート線SGDaは、ロウ方向に並ぶ柱状半導体CLb2を取り囲むように形成されている。柱状半導体CLb2は、柱状半導体CLaの上面から上方に延びるように形成されている。柱状半導体CLb2の上面は、ビット線BLa1〜BLa3に接するように形成されている。絶縁層は、柱状半導体CLb2の側面に形成されている。なお、ビット線BLa1〜BLa3は、カラム方向に延び、ロウ方向に所定ピッチを設けて配列されている。 Here, the second dummy word line DWLa2 is formed to expand two-dimensionally in the horizontal direction parallel to the semiconductor substrate Ba. The drain side select gate lines SGDa are formed so as to extend in the row direction, and are arranged with a predetermined pitch in the column direction. The second dummy word line DWLa2 is formed so as to surround the columnar semiconductors CLa and CLb2 aligned in the row and column directions. The drain side select gate line SGDa is formed so as to surround the columnar semiconductors CLb2 arranged in the row direction. The columnar semiconductor CLb2 is formed to extend upward from the upper surface of the columnar semiconductor CLa. The upper surface of the columnar semiconductor CLb2 is formed in contact with the bit lines BLa1 to BLa3. The insulating layer is formed on the side surface of the columnar semiconductor CLb2. The bit lines BLa1 to BLa3 extend in the column direction and are arranged with a predetermined pitch in the row direction.
次に、図26及び図27を参照して、第3実施形態におけるメモリストリングMSaにより構成される回路構成及びその動作を説明する。図27は、第3実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の一部の回路図である。 Next, with reference to FIGS. 26 and 27, a circuit configuration constituted by the memory string MSa and its operation in the third embodiment will be described. FIG. 27 is a circuit diagram of a part of the nonvolatile semiconductor memory device according to the third embodiment.
図26及び図27に示すように、第3実施形態において、メモリストリングMSaは、4つのメモリトランジスタMTra1〜MTra4を有する。メモリストリングMSaの両端には、第1及び第2ダミートランジスタDTra1、DTra2を介してソース側選択トランジスタSSTra及びドレイン側選択トランジスタSDTraが設けられている。これらメモリトランジスタMTra1〜MTra4、第1及び第2ダミートランジスタDTra1、DTra2、ソース側選択トランジスタSSTra、及びドレイン側選択トランジスタSDTraは、それぞれ直列に接続されている(図27参照)。 As shown in FIGS. 26 and 27, in the third embodiment, the memory string MSa includes four memory transistors MTra1 to MTra4. At both ends of the memory string MSa, a source-side selection transistor SSTra and a drain-side selection transistor SDTr are provided via first and second dummy transistors DTra1 and DTra2. The memory transistors MTra1 to MTra4, the first and second dummy transistors DTra1 and DTra2, the source side selection transistor SSTra, and the drain side selection transistor SDTRA are connected in series (see FIG. 27).
ソース側選択トランジスタSSTraのソースにはソース線SLaが接続されている。また、ドレイン側選択トランジスタSDTraのドレインにはビット線BLaが接続されている。 A source line SLa is connected to the source of the source side select transistor SSTRA. A bit line BLa is connected to the drain of the drain side select transistor SDTr.
(第3実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の具体的構成)
次に、図28を参照して、第3実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の具体的構成について説明する。図28は、第3実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置のメモリトランジスタ領域の断面図である。なお、第3実施形態において、第1及び第2実施形態と同様の構成については、同一符号を付し、その説明を省略する。
(Specific Configuration of Nonvolatile Semiconductor Memory Device According to Third Embodiment)
Next, a specific configuration of the nonvolatile semiconductor memory device according to the third embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 28 is a cross-sectional view of the memory transistor region of the nonvolatile semiconductor memory device according to the third embodiment. Note that in the third embodiment, identical symbols are assigned to configurations similar to those in the first and second embodiments and descriptions thereof are omitted.
図28に示すように、第3実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置は、第1及び第2実施形態と異なる積層構造を有する。 As shown in FIG. 28, the nonvolatile semiconductor memory device according to the third embodiment has a stacked structure different from that of the first and second embodiments.
不揮発性半導体記憶装置は、半導体基板Ba上に、順次、ソース側選択トランジスタ層20B、第1ダミートランジスタ層20B、メモリトランジスタ層40B、第2ダミートランジスタ層50B、ドレイン側選択トランジスタ層60B、及び配線層70Bを有する。ソース側選択トランジスタ層20Bは、ソース側選択トランジスタSSTraとして機能する。第1ダミートランジスタ層30Bは、第1ダミートランジスタ層DTra1として機能する。メモリトランジスタ層40Bは、メモリトランジスタMTra1〜MTra4(メモリストリングMSa)として機能する。第2ダミートランジスタ層50Bは、第2ダミートランジスタDTra2として機能する。ドレイン側選択トランジスタ層60Bは、ドレイン側選択トランジスタSDTraとして機能する。
In the nonvolatile semiconductor memory device, a source side
不揮発性半導体記憶装置は、図28に示すように、半導体基板Ba上にP−型領域(P−Well領域)Ba1を有する。また、半導体基板Baは、P−型領域Ba1上にn+領域(ソース線SLaとなる領域)Ba2を有する。 As shown in FIG. 28, the nonvolatile semiconductor memory device has a P− type region (P-Well region) Ba1 on a semiconductor substrate Ba. Further, the semiconductor substrate Ba has an n + region (region that becomes the source line SLa) Ba2 on the P− type region Ba1.
ソース側選択トランジスタ層20Bは、半導体基板Ba上に順次積層された、ソース側第1絶縁層21B、ソース側導電層22B、及びソース側第2絶縁層23Bを有する。
The source side
ソース側第1絶縁層21B、ソース側導電層22B、及びソース側第2絶縁層23Bは、半導体基板Baと平行な水平方向において2次元的に広がりを有するように形成されている。ソース側第1絶縁層21B、ソース側導電層22B、及びソース側第2絶縁層23は、メモリトランジスタ領域内の所定領域(消去単位)毎に分断されている。
The source side first insulating
ソース側第1絶縁層21B、及びソース側第2絶縁層23Bは、酸化シリコン(SiO2)にて構成されている。ソース側導電層22Bは、ホウ素(B)がドープされたポリシリコン(p−Si)(p+型半導体)にて構成されている。
The source side first insulating
ソース側選択トランジスタ層20Bは、ソース側ホール24Bを有する。ソース側ホール24Bは、ソース側第2絶縁層23B、ソース側導電層22B、及びソース側第1絶縁層21Bを貫通するように形成されている。
The source side
第1ダミートランジスタ層30Bは、ソース側選択トランジスタ層20Bの上に形成された第1ダミーワード線導電層31B、及び第1ダミーワード線間絶縁層32Bを有する。第1ダミーワード線導電層31B、及び第1ダミーワード線間絶縁層32Bは、半導体基板Baと平行な水平方向において2次元的に広がりを有するように形成されている。第1ダミーワード線導電層31Bは、後述するソース側柱半導体層26Bとメモリ柱状半導体層45Bとの境界、及びソース側ゲート絶縁層25Bとメモリゲート絶縁層44Bとの境界を取り囲むように形成されている。
The first
第1ダミーワード線導電層31Bは、ポリシリコン(p−Si)にて構成されている。第1ダミーワード線間絶縁層32Bは、酸化シリコン(SiO2)にて構成されている。
The first dummy word line
第1ダミートランジスタ層30Bは、第1ダミーホール33Bを有する。第1ダミーホール33Bは、第1ダミーワード線導電層31B、及び第1ダミーワード線間絶縁層32Bを貫通するように形成されている。第1ダミーホール33Bは、ソース側ホール24Bと連続して一体に形成されている。
The first
また、上記ソース側選択トランジスタ層20B、及び第1ダミートランジスタ層30Bは、ソース側ゲート絶縁層25B、及びソース側柱状半導体層26Bを有する。ソース側ゲート絶縁層25Bは、第1ダミーホール33Bの側壁、ソース側ホール24Bの側壁に形成されている。ソース側ゲート絶縁層25Bは、第1ダミーワード線導電層31Bの下面と上面との間の高さまで形成されている。
The source side
ソース側柱状半導体層26Bは、半導体基板Baと平行な方向からみて柱状(I字状)に形成されている。ソース側柱状半導体層26Bは、ソース側ゲート絶縁層25Bに接し且つソース側ホール24B及び第1ダミーホール33Bを埋めるように形成されている。ソース側柱状半導体層26Bは、第1ダミーワード線導電層31Bの下面と上面との間の高さまで形成されている。
The source-side
ソース側ゲート絶縁層25Bは、酸化シリコン(SiO2)にて構成されている。ソース側柱状半導体層26Bは、リン(P)をドープされたポリシリコン(p−Si)(n型半導体)にて構成されている。ソース側柱状半導体層26Bは、3×1017cm−3以下の実効的不純物濃度を有する。なお、ソース側柱状半導体層26Bの実効的不純物濃度は、後述するメモリ柱状半導体層45Bの実効的不純物濃度以下である。
The source side
上記ソース側選択トランジスタ層20B、及び第1ダミートランジスタ層30Bの構成において、ソース側導電層22Bは、ソース側選択トランジスタSDTraのゲート電極として機能する。ソース側導電層22Bは、ソース側ゲート線SGSaとして機能する。
In the configuration of the source side
メモリトランジスタ層40Bは、第1ダミートランジスタ層30Bの上に形成された第1〜第5ワード線間絶縁層41Ba〜41Be、及び第1〜第4ワード線導電層42Ba〜42Bdを有する。第1〜第5ワード線間絶縁層41Ba〜41Be、及び第1〜第4ワード線導電層42Ba〜42Bdは、半導体基板Baと平行な水平方向において2次元的に広がりを有するように形成されている。
The
第1〜第5ワード線間絶縁層41Ba〜41Beは、酸化シリコン(SiO2)にて構成されている。第1〜第4ワード線導電層42Ba〜42Bdは、ポリシリコン(p−Si)にて構成されている。 The first to fifth inter-wordline insulating layers 41Ba to 41Be are composed of silicon oxide (SiO 2 ). The first to fourth word line conductive layers 42Ba to 42Bd are made of polysilicon (p-Si).
メモリトランジスタ層40Bは、メモリホール43Bを有する。メモリホール43Bは、第1〜第5ワード線間絶縁層41Ba〜41Be、及び第1〜第4ワード線導電層42Ba〜42Bdを貫通するように形成されている。メモリホール43Bは、ソース側ホール24B及び第1ダミーホール33Bに整合する位置に形成されている。
The
第2ダミートランジスタ層50Bは、メモリトランジスタ層40Bの上に形成された第2ダミーワード線導電層51B、及び第2ダミーワード線間絶縁層52Bを有する。第2ダミーワード線導電層51B、及び第2ダミーワード線間絶縁層52Bは、半導体基板Baと平行な水平方向において2次元的に広がりを有するように形成されている。第2ダミーワード線導電層51Bは、後述するメモリ柱状半導体層45Bとドレイン側柱状半導体層67Bとの境界、及びメモリゲート絶縁層44Bとドレイン側ゲート絶縁層66Bとの境界を取り囲むように形成されている。
The second
第2ダミーワード線導電層51Bは、ポリシリコン(p−Si)にて構成されている。第2ダミーワード線間絶縁層52Bは、酸化シリコン(SiO2)にて構成されている。
The second dummy word line
第2ダミートランジスタ層50Bは、第2ダミーホール53Bを有する。第2ダミーホール53Bは、第2ダミーワード線導電層51B、及び第2ダミーワード線間絶縁層52Bを貫通するように形成されている。第2ダミーホール53Bは、メモリホール43Bに連続して一体に形成されている。
The second
また、上記第1ダミートランジスタ層30B、メモリトランジスタ層40B、及び第2ダミートランジスタ層50Bは、メモリゲート絶縁層44B、及びメモリ柱状半導体層45Bを有する。メモリゲート絶縁層44Bは、第2ダミーホール53Bの側壁、メモリホール43Bの側壁、及び第1ダミーホール33Bの側壁に形成されている。メモリゲート絶縁層44Bは、ソース側ゲート絶縁層25Bの上面に接するように形成されている。すなわち、メモリゲート絶縁層44Bは、第1ダミーワード線導電層31Bの下面と上面との間の高さから上層へと形成されている。また、メモリゲート絶縁層44Bは、第2ダミー導電層51Bの下面と上面との間の高さまで形成されている。メモリゲート絶縁層44Bは、ソース側柱状半導体層26Bの一部側面及び一部上面を覆うように形成されている。
The first
メモリ柱状半導体層45Bは、半導体基板Baと平行な方向からみて柱状(I字状)に形成されている。メモリ柱状半導体層45Bは、ソース側ゲート絶縁層25Bに接し且つ第1ダミーホール33B、メモリホール43B、及び第2ダミーホール53Bを埋めるように形成されている。メモリ柱状半導体層45Bは、ソース側柱状半導体層26Bの上面に接するように形成されている。すなわち、メモリ柱状半導体層45Bは、第1ダミーワード線導電層31Bの下面と上面との間の高さから上層へと形成されている。メモリ柱状半導体層45Bは、第2ダミー導電層51Bの下面と上面との間の高さまで形成されている。
The memory
メモリゲート絶縁層44Bは、酸化シリコン(SiO2)−窒化シリコン(SiN)−酸化シリコン(SiO2)にて構成されている。メモリ柱状半導体層45Bは、リン(P)をドープされたポリシリコン(p−Si)(n型半導体)にて構成されている。メモリ柱状半導体層45Bは、1×1019cm−3以上の実効的不純物濃度を有する。
Memory
上記第1ダミートランジスタ層30B及びメモリトランジスタ層40Bの構成において、第1ダミーワード線導電層31Bは、第1ダミートランジスタDTra1のゲート電極として機能する。また、第1ダミーワード線導電層31Bは、第1ダミーワード線DWLa1として機能する。第1〜第4ワード線導電層42Ba〜42Bdは、メモリトランジスタMTra1〜MTra4のゲート電極として機能する。第1〜第4ワード線導電層42Ba〜42Bdは、ワード線WLa1〜WLa4として機能する。
In the configuration of the first
ドレイン側選択トランジスタ層60Bは、第1ドレイン側絶縁層61B、ドレイン側導電層62B、層間絶縁層63B、及び第2ドレイン側絶縁層64Bを有する。ドレイン側導電層62Bは、ロウ方向に延び、カラム方向に所定ピッチを設けて配列されている。
The drain side
第1、第2ドレイン側絶縁層61B、64B、及び層間絶縁層63Bは、酸化シリコン(SiO2)にて構成されている。ドレイン側導電層62Bは、ホウ素(B)をドープされたポリシリコン(p−Si)(p+型半導体)にて構成されている。
The first and second drain
ドレイン側選択トランジスタ層60Bは、ドレイン側ホール65Bを有する。ドレイン側ホール65Bは、第1、第2ドレイン側絶縁層61B、64B、及びドレイン側導電層62Bを貫通するように形成されている。ドレイン側ホール65Bは、第2ダミーホール53B及びメモリホール43Bに整合する位置に形成されている。
The drain side
また、上記ドレイン側選択トランジスタ層60B、及び第2ダミートランジスタ層50Bは、ドレイン側ゲート絶縁層66B、及びドレイン側柱状半導体層67Bを有する。ドレイン側ゲート絶縁層66Bは、ドレイン側ホール65Bの側壁、第2ダミーホール53Bの側壁に形成されている。ドレイン側ゲート絶縁層66Bは、メモリゲート絶縁層44Bの上面に接し、第2ドレイン側絶縁層64Bの上面まで形成されている。すなわち、ドレイン側ゲート絶縁層66Bは、第2ダミー導電層51Bの下面と上面との間の高さから上層へと形成されている。ドレイン側ゲート絶縁層66Bは、メモリ柱状半導体層45Bの一部側面及び一部上面を覆うように形成されている。
The drain side
ドレイン側柱状半導体層67Bは、半導体基板Baと平行な方向からみて柱状(I字状)に形成されている。ドレイン側柱状半導体層67Bは、ドレイン側ゲート絶縁層66Bに接し且つドレイン側ホール65B及び第2ダミーホール65Bを埋めるように形成されている。すなわち、ドレイン側柱状半導体層67Bは、第2ダミー導電層51Bの下面と上面との間の高さから上層へと形成されている。
The drain side
ドレイン側ゲート絶縁層66Bは、酸化シリコン(SiO2)にて構成されている。ドレイン側柱状半導体層67Bは、リン(P)をドープされたポリシリコン(p−Si)(n型半導体)にて構成されている。ドレイン側柱状半導体層67Bは、3×1017cm−3以下の実効的不純物濃度を有する。
The drain side
上記第2ダミートランジスタ層50B及びドレイン側選択トランジスタ層60Bの構成において、第2ダミーワード線導電層51Bは、第2ダミートランジスタDTra2のゲート電極として機能する。また、第2ダミーワード線導電層51Bは、第2ダミーワード線DWLa2として機能する。ドレイン側導電層62Bは、ドレイン側選択トランジスタSDTraのゲート電極として機能する。また、ドレイン側導電層62Bは、ドレイン側選択ゲート線SGDaとして機能する。
In the configuration of the second
配線層70Bは、ドレイン側選択トランジスタ層60B上に形成された層間絶縁層71B、ビット線導電層72B、ホール73B、及びプラグ導電層74Bを有する。ビット線導電層72Bは、カラム方向に延び、ロウ方向に所定ピッチを設けて配列されている。ホール73Bは、層間絶縁層71Bを貫通するように形成されている。ホール73Bは、ドレイン側ホール65B及びビット線導電層72Bに整合する位置に形成されている。プラグ導電層74Bは、ホール73Bを埋めるように形成されている。
The
層間絶縁層71Bは、酸化シリコン(SiO2)にて構成されている。ビット線導電層72B及びプラグ導電層74Bは、チタン(Ti)−窒化チタン(TiN)−タングステン(W)にて構成されている。
The interlayer insulating
(第3実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の効果)
次に、第3実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の効果について説明する。第3実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置は、第1、第2ダミーワード線導電層31B、51Bを有する。したがって、第3実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置は、第1実施形態と同様の効果を奏する。
(Effects of Nonvolatile Semiconductor Memory Device According to Third Embodiment)
Next, effects of the nonvolatile semiconductor memory device according to the third embodiment will be described. The nonvolatile semiconductor memory device according to the third embodiment includes first and second dummy word line
[その他実施形態]
以上、不揮発性半導体記憶装置の一実施形態を説明してきたが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変更、追加、置換等が可能である。
[Other embodiments]
Although one embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device has been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications, additions, substitutions, and the like can be made without departing from the spirit of the invention. Is possible.
例えば、上記第3実施形態において、ソース側柱状半導体層26Bとメモリ柱状半導体層45Bとの間(境界)に、第2実施形態のように、絶縁層を設けてもよい。また、上記第3実施形態において、ドレイン側柱状半導体層67Bとメモリ柱状半導体層45Bとの間(境界)に、第2実施形態のように絶縁層を設けてもよい。
For example, in the third embodiment, an insulating layer may be provided between the source side
100…不揮発性半導体記憶装置、 12…メモリトランジスタ領域、 13…ワード線駆動回路、 14…ソース側選択ゲート線駆動回路、 15…ドレイン側選択ゲート線駆動回路、 16…センスアンプ、 17…ソース線駆動回路、 18…バックゲートトランジスタ駆動回路、 19…ダミーワード線駆動回路、 20…バックゲートトランジスタ層、 30、40B…メモリトランジスタ層、 40、40A…ダミートランジスタ層、50…選択トランジスタ層、 60、70B…配線層、 20B…ソース側選択トランジスタ層、 30B…第1ダミートランジスタ層、 50B…第2ダミートランジスタ層、 Ba…半導体基板、 SE…U字状半導体、 MTr1〜MTr8、MTra1〜MTra4…メモリトランジスタ、 SSTr、SSTra…ソース側選択トランジスタ、 SDTr、SDTra…ドレイン側選択トランジスタ、 DTr1、DTr2、DTra1、DTra2…ダミートランジスタ、BGTr…バックゲートトランジスタ。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Nonvolatile semiconductor memory device, 12 ... Memory transistor area | region, 13 ... Word line drive circuit, 14 ... Source side selection gate line drive circuit, 15 ... Drain side selection gate line drive circuit, 16 ... Sense amplifier, 17 ... Source line Drive circuit, 18 ... Back gate transistor drive circuit, 19 ... Dummy word line drive circuit, 20 ... Back gate transistor layer, 30, 40B ... Memory transistor layer, 40, 40A ... Dummy transistor layer, 50 ... Selection transistor layer, 60, 70B ... Wiring layer, 20B ... Source side selection transistor layer, 30B ... First dummy transistor layer, 50B ... Second dummy transistor layer, Ba ... Semiconductor substrate, SE ... U-shaped semiconductor, MTr1-MTr8, MTra1-MTra4 ... Memory Transistor, SST , SSTra ... source-side selection transistor, SDTr, SDTra ... drain-side selection transistor, DTr1, DTr2, DTra1, DTra2 ... dummy transistor, BGTr ... back gate transistor.
Claims (5)
前記メモリストリングは、
基板に対して垂直方向に延びる柱状部を有する第1半導体層と、
前記柱状部の側面を取り囲むように形成された電荷蓄積層と、
前記柱状部の側面及び前記電荷蓄積層を取り囲むように形成され、前記メモリセルの制御電極として機能する第1導電層とを備え、
前記選択トランジスタは、
前記柱状部の上面又は下面から前記垂直方向に延びる第2半導体層と、
前記第2半導体層の側面を取り囲むように形成されたゲート絶縁層と、
前記第2半導体層の側面及び前記ゲート絶縁層を取り囲むように形成され、前記選択トランジスタの制御電極として機能する第2導電層とを備え、
前記ダミートランジスタは、
前記第1半導体層及び前記第2半導体層と、
前記電荷蓄積層及び前記ゲート絶縁層と、
前記第1半導体層と前記第2半導体層との境界及び前記電荷蓄積層と前記ゲート絶縁層との境界を取り囲むように形成され、前記ダミートランジスタの制御電極として機能する第3導電層とを備えた
ことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 A plurality of memory strings in which a plurality of electrically rewritable memory cells are connected in series, a selection transistor connected to both ends of the memory string, and a dummy transistor provided between the memory string and the selection transistor With
The memory string is
A first semiconductor layer having a columnar portion extending in a direction perpendicular to the substrate;
A charge storage layer formed so as to surround a side surface of the columnar part;
A first conductive layer that is formed so as to surround a side surface of the columnar part and the charge storage layer, and functions as a control electrode of the memory cell;
The selection transistor is:
A second semiconductor layer extending in the vertical direction from an upper surface or a lower surface of the columnar portion;
A gate insulating layer formed to surround a side surface of the second semiconductor layer;
A second conductive layer formed so as to surround a side surface of the second semiconductor layer and the gate insulating layer, and functioning as a control electrode of the selection transistor;
The dummy transistor is
The first semiconductor layer and the second semiconductor layer;
The charge storage layer and the gate insulating layer;
A third conductive layer formed so as to surround a boundary between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer and a boundary between the charge storage layer and the gate insulating layer and function as a control electrode of the dummy transistor; A non-volatile semiconductor memory device.
ことを特徴とする請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置。 The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein an effective impurity concentration of the second semiconductor layer is equal to or less than an effective impurity concentration of the first semiconductor layer.
ことを特徴とする請求項1又は請求項2記載の不揮発性半導体記憶装置。 The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, further comprising an insulating layer formed at an interface between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer.
前記第1半導体層は、一対の前記柱状部の下端を連結させるように形成された連結部を有する
ことを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項記載の不揮発性半導体記憶装置。 The second semiconductor layer is formed on an upper layer of the first semiconductor layer,
4. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein the first semiconductor layer has a connection portion formed to connect lower ends of the pair of columnar portions. 5. .
ことを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項記載の不揮発性半導体記憶装置。
5. The non-volatile device according to claim 1, wherein the gate insulating layer in the vicinity of the third conductive layer is thicker than the gate insulating layer in the vicinity of the second conductive layer. Semiconductor memory device.
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