[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

JP2011114235A - Nonvolatile semiconductor storage device and method of manufacturing the same - Google Patents

Nonvolatile semiconductor storage device and method of manufacturing the same Download PDF

Info

Publication number
JP2011114235A
JP2011114235A JP2009270588A JP2009270588A JP2011114235A JP 2011114235 A JP2011114235 A JP 2011114235A JP 2009270588 A JP2009270588 A JP 2009270588A JP 2009270588 A JP2009270588 A JP 2009270588A JP 2011114235 A JP2011114235 A JP 2011114235A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
film
semiconductor layer
layer
semiconductor
fin
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2009270588A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Masahiro Kiyotoshi
正弘 清利
Atsuhiro Kinoshita
敦寛 木下
Koichi Muraoka
浩一 村岡
Kiwamu Sakuma
究 佐久間
Ichiro Mizushima
一郎 水島
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
Priority to JP2009270588A priority Critical patent/JP2011114235A/en
Publication of JP2011114235A publication Critical patent/JP2011114235A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Semiconductor Memories (AREA)
  • Non-Volatile Memory (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nonvolatile semiconductor storage device, having a laminate type memory structure, which has a hierarchic selective transistor having a simpler structure than before. <P>SOLUTION: A finned laminate structure having an interlayer insulating film 109 and a semiconductor layer 107 laminated alternately has a hierarchic selective transistor formation region R11 formed adjacently to a memory cell formation region R12 where a control gate electrode 118 is disposed via a charge storage layer 112 to cross the finned laminate structure, wherein hierarchical select gate electrodes 116, 117 are provided stepwise so that the hierarchical select gate electrodes covering side faces of semiconductor layers 107 of the finned laminate structure decrease in number, layer by layer, to cover the side faces of the semiconductor layers 107 via the charge storage layer 112 from above the finned laminate structure, and an impurity of a prescribed conductivity type is diffused in semiconductor layers 107 above a bottom-side semiconductor layer 107 among the semiconductor layers 107 covered with the hierarchical select gate electrodes 116, 117. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、不揮発性半導体記憶装置およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory device and a manufacturing method thereof.

NAND型フラッシュメモリの分野では、リソグラフィ技術の解像度の限界に制約されることなく高集積化を達成するために、積層型メモリが注目されている。ここで、積層型メモリを製造する際の工程数を削減するため、複数のメモリ層となる半導体層を有する積層構造をフィン状に加工した後、制御ゲート電極を一括形成するとともに、フィン状の積層構造の端部に階段状に各半導体層を露出させ、この部分に積層された各メモリ層を一括選択する階層選択トランジスタを形成する方式が提案されている(たとえば、特許文献1参照)。   In the field of NAND flash memory, a stacked memory is attracting attention in order to achieve high integration without being restricted by the resolution limit of lithography technology. Here, in order to reduce the number of steps when manufacturing a stacked memory, after processing a stacked structure having a semiconductor layer to be a plurality of memory layers into a fin shape, a control gate electrode is collectively formed, There has been proposed a system in which each semiconductor layer is exposed in a stepped manner at the end of the stacked structure, and a hierarchical selection transistor is formed to collectively select each memory layer stacked in this portion (see, for example, Patent Document 1).

しかしながら、従来のNAND型フラッシュメモリの積層構造では、階層選択トランジスタの階層選択ゲート電極を積層された各メモリ層に設けるプロセスが複雑化しやすい。そのため、工程数が増大してしまうという問題点があった。また、このようにして形成された階層選択トランジスタの構造も複雑化してしまうという問題点があった。   However, in the conventional NAND flash memory stacked structure, the process of providing the hierarchical selection gate electrode of the hierarchical selection transistor in each stacked memory layer tends to be complicated. Therefore, there is a problem that the number of steps increases. There is also a problem that the structure of the hierarchical selection transistor formed in this way is complicated.

特開2008−78404号公報JP 2008-78404 A

本発明は、積層型メモリ構造を有する不揮発性半導体記憶装置において、従来に比して簡易な構造の階層選択トランジスタを有する不揮発性半導体記憶装置を提供することを目的とする。また、積層型メモリ構造を有する不揮発性半導体記憶装置の製造方法において、従来に比して工程数を増大させずに階層選択トランジスタを形成できる不揮発性半導体記憶装置の製造方法を提供することも目的とする。   It is an object of the present invention to provide a nonvolatile semiconductor memory device having a hierarchical selection transistor having a simpler structure as compared with the conventional nonvolatile semiconductor memory device having a stacked memory structure. Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device having a stacked memory structure, in which a hierarchical selection transistor can be formed without increasing the number of processes as compared with the conventional method. And

本発明の一態様によれば、層間絶縁膜と半導体層とが交互に積層された積層構造が基板上にフィン状に配置され、前記フィン状の積層構造と交差するとともに積層された前記半導体層の側面を覆うように電荷蓄積層を介して制御ゲート電極が配置されるメモリセルトランジスタ部と、前記フィン状の積層構造の前記メモリセル部の形成位置に隣接して、前記フィン状の積層構造と交差するようにゲート誘電体膜を介して階層選択ゲート電極が前記半導体層の積層数だけ配置される階層選択トランジスタ部と、を備え、前記階層選択ゲート電極は、前記フィン状の積層構造の側面で対向する前記半導体層の数が一層ずつ減少するように階段状に、前記半導体層の側面を前記ゲート誘電体膜を介して前記フィン状の積層構造の上部から覆うように設けられ、各階層選択ゲート電極によって側面が覆われる前記半導体層のうち、最下層の前記半導体層には所定の導電型の不純物が拡散されておらず、前記最下層の半導体層よりも上層の前記半導体層には所定の導電型の不純物が拡散されていることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置が提供される。   According to one aspect of the present invention, a stacked structure in which interlayer insulating films and semiconductor layers are alternately stacked is disposed in a fin shape on a substrate, and intersects the fin-shaped stacked structure and is stacked. A memory cell transistor portion in which a control gate electrode is disposed via a charge storage layer so as to cover the side surface of the fin, and the fin-like laminated structure adjacent to a formation position of the memory cell portion of the fin-like laminated structure And a hierarchy selection transistor portion in which the hierarchy selection gate electrode is arranged by the number of laminations of the semiconductor layer through a gate dielectric film so as to intersect the gate dielectric film, the hierarchy selection gate electrode having the fin-like lamination structure The semiconductor layers are stepped so that the number of the semiconductor layers facing each other is reduced one by one, and the side surfaces of the semiconductor layers are covered from the top of the fin-like stacked structure through the gate dielectric film. Among the semiconductor layers whose side surfaces are covered by the respective level selection gate electrodes, impurities of a predetermined conductivity type are not diffused in the lowermost semiconductor layer, and the upper layer is higher than the lowermost semiconductor layer. A non-volatile semiconductor memory device is provided in which impurities of a predetermined conductivity type are diffused in the semiconductor layer.

また、本発明の一態様によれば、層間絶縁膜と半導体層とが交互に積層された積層構造が基板上にフィン状に配置され、前記フィン状の積層構造と交差するとともに積層された前記半導体層の側面を覆うように電荷蓄積層を介して制御ゲート電極が配置されるメモリセルトランジスタ部と、前記フィン状の積層構造の前記メモリセル部の形成位置に隣接して、前記フィン状の積層構造と交差するとともに積層された前記半導体層の側面を覆うようにゲート誘電体膜を介して階層選択ゲート電極が前記半導体層の積層数だけ配置される階層選択トランジスタ部と、を備え、前記階層選択ゲート電極によって覆われる前記半導体層は、各半導体層の前記階層選択ゲート電極と対向する領域に、所定の導電型の不純物が拡散されていない非拡散部と、所定の導電型の不純物が導入されている拡散部と、を有し、前記非拡散部は、各階層選択ゲート電極で互いに異なる半導体層の前記階層選択ゲート領域と対向する領域が前記非拡散部となるように形成されることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置が提供される。   Further, according to one aspect of the present invention, the stacked structure in which the interlayer insulating films and the semiconductor layers are alternately stacked is arranged in a fin shape on the substrate, intersects with the fin-shaped stacked structure, and is stacked. A memory cell transistor portion in which a control gate electrode is disposed via a charge storage layer so as to cover a side surface of the semiconductor layer, and the fin-like stacked structure adjacent to the formation position of the memory cell portion. A hierarchical selection transistor section in which hierarchical selection gate electrodes are arranged in a number corresponding to the number of stacked semiconductor layers through a gate dielectric film so as to cover the side surfaces of the stacked semiconductor layers while crossing the stacked structure, The semiconductor layer covered by the hierarchy selection gate electrode includes a non-diffusion part in which impurities of a predetermined conductivity type are not diffused in a region of each semiconductor layer facing the hierarchy selection gate electrode. A diffusion part into which an impurity of a predetermined conductivity type is introduced, and the non-diffusion part has a region facing each of the layer selection gate regions of different semiconductor layers in each layer selection gate electrode. Thus, a nonvolatile semiconductor memory device is provided.

さらに、本発明の一態様によれば、基板上に層間絶縁膜と半導体層とを交互に、前記半導体層が複数層となるように積層構造を形成する第1の工程と、前記積層構造をフィン状に加工する第2の工程と、前記基板の階層選択トランジスタ形成領域上の前記フィン状の積層構造間に、階層選択トランジスタの各形成位置で、前記半導体層が一層ずつ順に露出するように階段状のマスク膜を形成する第3の工程と、前記フィン状の積層構造の前記マスク膜から露出した前記半導体層に不純物を拡散させる第4の工程と、前記第4の工程の後、前記マスク膜を前記半導体層の一層分だけエッチングする第5の工程と、前記第5の工程の後、前記フィン状の積層構造上に、露出した前記半導体層の側面を覆うようにゲート誘電体膜を形成する第6の工程と、前記ゲート誘電体膜上にゲート電極膜を形成する第7の工程と、前記ゲート電極を前記フィン状の積層構造と交差するようにパターニングする第8の工程と、を含むことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の製造方法が提供される。   Further, according to one aspect of the present invention, a first step of forming a stacked structure in which an interlayer insulating film and a semiconductor layer are alternately formed on a substrate so that the semiconductor layer has a plurality of layers; Between the second step of processing into a fin shape and the fin-shaped stacked structure on the layer selection transistor formation region of the substrate, the semiconductor layers are sequentially exposed at each formation position of the layer selection transistor. A third step of forming a stepped mask film, a fourth step of diffusing impurities into the semiconductor layer exposed from the mask film of the fin-like stacked structure, and after the fourth step, A fifth step of etching the mask film by one layer of the semiconductor layer, and a gate dielectric film so as to cover the exposed side surface of the semiconductor layer on the fin-like stacked structure after the fifth step. The sixth mechanic that forms And a seventh step of forming a gate electrode film on the gate dielectric film, and an eighth step of patterning the gate electrode so as to intersect the fin-like laminated structure. A non-volatile semiconductor memory device manufacturing method is provided.

本発明によれば、積層型メモリ構造を有する不揮発性半導体記憶装置において、従来に比して簡易な構造の階層選択トランジスタを有する不揮発性半導体記憶装置を提供することができるという効果を有する。また、積層型メモリ構造を有する不揮発性半導体記憶装置の製造方法において、本発明によれば、従来に比して工程数を増大させずに階層選択トランジスタを形成できる不揮発性半導体記憶装置の製造方法を提供することができるという効果を奏する。   According to the present invention, in the nonvolatile semiconductor memory device having a stacked memory structure, it is possible to provide a nonvolatile semiconductor memory device having a hierarchical selection transistor having a simpler structure than conventional ones. Further, in a method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device having a stacked memory structure, according to the present invention, a method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device capable of forming a hierarchy selection transistor without increasing the number of steps as compared with the prior art. There is an effect that can be provided.

図1は、本発明の第1の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の構造の一例を模式的に示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an example of the structure of the nonvolatile semiconductor memory device according to the first embodiment of the invention. 図2−1は、第1の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である(その1)。FIGS. 2-1 is sectional drawing which shows typically an example of the procedure of the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device by 1st Embodiment (the 1). 図2−2は、第1の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である(その2)。FIGS. 2-2 is sectional drawing which shows typically an example of the procedure of the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device by 1st Embodiment (the 2). 図2−3は、第1の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である(その3)。FIGS. 2-3 is sectional drawing which shows typically an example of the procedure of the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device by 1st Embodiment (the 3). 図2−4は、第1の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である(その4)。FIG. 2-4 is a sectional view schematically showing an example of a procedure of the method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device according to the first embodiment (No. 4). 図2−5は、第1の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である(その5)。2-5 is sectional drawing which shows typically an example of the procedure of the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device by 1st Embodiment (the 5). 図2−6は、第1の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である(その6)。FIGS. 2-6 is sectional drawing which shows typically an example of the procedure of the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device by 1st Embodiment (the 6). 図3−1は、第2の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である(その1)。FIGS. 3-1 is sectional drawing which shows typically an example of the procedure of the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device by 2nd Embodiment (the 1). 図3−2は、第2の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である(その2)。FIGS. 3-2 is sectional drawing which shows typically an example of the procedure of the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device by 2nd Embodiment (the 2). 図3−3は、第2の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である(その3)。FIGS. 3-3 is sectional drawing which shows typically an example of the procedure of the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device by 2nd Embodiment (the 3). 図3−4は、第2の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である(その4)。3-4 is sectional drawing which shows typically an example of the procedure of the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device by 2nd Embodiment (the 4). 図3−5は、第2の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である(その5)。3-5 is sectional drawing which shows typically an example of the procedure of the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device by 2nd Embodiment (the 5). 図3−6は、第2の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である(その6)。3-6 is sectional drawing which shows typically an example of the procedure of the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device by 2nd Embodiment (the 6). 図3−7は、第2の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である(その7)。3-7 is sectional drawing which shows typically an example of the procedure of the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device by 2nd Embodiment (the 7). 図3−8は、第2の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である(その8)。3-8 is sectional drawing which shows typically an example of the procedure of the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device by 2nd Embodiment (the 8). 図4−1は、第3の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である(その1)。FIGS. 4-1 is sectional drawing which shows typically an example of the procedure of the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device by 3rd Embodiment (the 1). 図4−2は、第3の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である(その2)。FIGS. 4-2 is sectional drawing which shows typically an example of the procedure of the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device by 3rd Embodiment (the 2). 図4−3は、第3の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である(その3)。4-3 is sectional drawing which shows typically an example of the procedure of the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device by 3rd Embodiment (the 3). 図4−4は、第3の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である(その4)。4-4 is sectional drawing which shows typically an example of the procedure of the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device by 3rd Embodiment (the 4). 図4−5は、第3の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である(その5)。4-5 is sectional drawing which shows typically an example of the procedure of the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device by 3rd Embodiment (the 5). 図4−6は、第3の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である(その6)。4-6 is sectional drawing which shows typically an example of the procedure of the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device by 3rd Embodiment (the 6).

以下に添付図面を参照して、本発明の実施の形態にかかる不揮発性半導体記憶装置およびその製造方法を詳細に説明する。なお、これらの実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、以下の実施の形態で用いられる不揮発性半導体記憶装置の断面図は模式的なものであり、層の厚みと幅との関係や各層の厚みの比率などは現実のものとは異なる。さらに、以下で示す膜厚は一例であり、これに限定されるものではない。   A nonvolatile semiconductor memory device and a manufacturing method thereof according to embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. Note that the present invention is not limited to these embodiments. In addition, cross-sectional views of the nonvolatile semiconductor memory device used in the following embodiments are schematic, and the relationship between the thickness and width of the layers, the ratio of the thicknesses of the layers, and the like are different from the actual ones. Furthermore, the film thickness shown below is an example and is not limited thereto.

(第1の実施の形態)
図1は、本発明の第1の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の構造の一例を模式的に示す断面図であり、(a)はビット線方向の断面図であり、(b)は(a)のA−A断面図であり、(c)は(a)のB−B断面図である。なお、(a)は(b)において、フィン状の積層構造間での切断面またはそれに対応する位置での切断面である。半導体基板101上には、NAND型フラッシュメモリなどのメモリセルが形成されるメモリセル部R1と、メモリセルを制御する周辺回路が形成される周辺回路部R2と、が設けられる。周辺回路部R2には、図示しないが、電界効果型トランジスタなどが形成されている。
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an example of the structure of the nonvolatile semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 1A is a cross-sectional view in the bit line direction, and FIG. It is AA sectional drawing of (a), (c) is BB sectional drawing of (a). In addition, (a) is a cut surface in the position corresponding to a cut surface between fin-shaped laminated structures in (b). On the semiconductor substrate 101, a memory cell portion R1 in which memory cells such as a NAND flash memory are formed, and a peripheral circuit portion R2 in which a peripheral circuit for controlling the memory cells is formed are provided. Although not shown, a field effect transistor or the like is formed in the peripheral circuit portion R2.

半導体基板101のメモリセル部R1上には、層間絶縁膜109と半導体層107とが交互に積層されたフィン状の積層構造が配置されている。ここでは、半導体層107が2層積層された場合が示されている。また、フィン状の積層構造は、第1の方向に延在した形状を有しており、第2の方向に所定の間隔で複数並行して配置されている。このフィン状の積層構造の端部付近が、階層選択トランジスタが形成される階層選択トランジスタ形成領域R11となり、その他の領域が、メモリセルトランジスタが形成されるメモリセル形成領域R12となる。   On the memory cell portion R1 of the semiconductor substrate 101, a fin-like stacked structure in which interlayer insulating films 109 and semiconductor layers 107 are alternately stacked is disposed. Here, a case where two semiconductor layers 107 are stacked is shown. Further, the fin-like laminated structure has a shape extending in the first direction, and a plurality of fin-like laminated structures are arranged in parallel in the second direction at predetermined intervals. Near the end of the fin-like stacked structure is a hierarchy selection transistor formation region R11 in which a hierarchy selection transistor is formed, and the other region is a memory cell formation region R12 in which a memory cell transistor is formed.

メモリセル形成領域R12では、このフィン状の積層構造と交差するように電荷蓄積層112を介して制御ゲート電極118が配置され、メモリセルトランジスタを構成している。ここで、制御ゲート電極118は、電荷蓄積層112を介して半導体層107の側面に対向配置され、半導体層107の側面にチャネル領域を形成することができる。   In the memory cell formation region R12, a control gate electrode 118 is disposed via the charge storage layer 112 so as to intersect with the fin-like stacked structure, thereby constituting a memory cell transistor. Here, the control gate electrode 118 is disposed to face the side surface of the semiconductor layer 107 with the charge storage layer 112 interposed therebetween, and a channel region can be formed on the side surface of the semiconductor layer 107.

また、階層選択トランジスタ形成領域R11でも同様に、フィン状の積層構造と交差するように電荷蓄積層112を介して階層選択ゲート電極116,117が、フィン状の積層構造における半導体層107の数だけ配置され、階層選択トランジスタを構成している。つまり、この図1の場合には、半導体層107は2層であるので、2本の階層選択ゲート電極116,117が設けられている。また、階層選択ゲート電極116,117は、電荷蓄積層112を介して半導体層107の側面に対向配置され、半導体層107の側面にチャネル領域を形成することができる。   Similarly, in the hierarchical selection transistor formation region R11, the hierarchical selection gate electrodes 116 and 117 are provided by the number of the semiconductor layers 107 in the fin-shaped stacked structure through the charge storage layer 112 so as to intersect the fin-shaped stacked structure. Arranged to constitute a hierarchical selection transistor. That is, in the case of FIG. 1, since the semiconductor layer 107 has two layers, two hierarchical selection gate electrodes 116 and 117 are provided. Further, the hierarchy selection gate electrodes 116 and 117 are disposed to face the side surface of the semiconductor layer 107 with the charge storage layer 112 interposed therebetween, and a channel region can be formed on the side surface of the semiconductor layer 107.

ここで、それぞれの階層選択トランジスタの階層選択ゲート電極116,117は、フィン状の積層構造の積層方向に沿った長さが異なっている。具体的には、メモリセル形成領域R12側に配置される階層選択トランジスタからフィン状の積層構造の端部に配置される階層選択トランジスタに向かって、側面を覆う半導体層107の数が一層ずつ多くなるように階段状に階層選択ゲート電極116,117が形成される。なお、これは一例であり、メモリセル形成領域R12からフィン状の積層構造の端部に向かって、側面を覆う半導体層107の数が一層ずつ少なくなるように階段状に階層選択ゲート電極116,117を形成してもよい。   Here, the hierarchy selection gate electrodes 116 and 117 of the respective hierarchy selection transistors have different lengths along the lamination direction of the fin-like laminated structure. Specifically, the number of semiconductor layers 107 covering the side faces increases one by one from the hierarchy selection transistor arranged on the memory cell formation region R12 side toward the hierarchy selection transistor arranged at the end of the fin-like stacked structure. Thus, the layer selection gate electrodes 116 and 117 are formed in a staircase pattern. Note that this is an example, and the hierarchical selection gate electrodes 116, staircases are formed so that the number of semiconductor layers 107 covering the side faces decreases one by one from the memory cell formation region R12 toward the end of the fin-like stacked structure. 117 may be formed.

たとえば、図1の場合には、メモリセル形成領域R12に最も近い階層選択トランジスタの階層選択ゲート電極116は、最上層の半導体層107の側面を覆うが、それよりも下層の半導体層107の側面を覆わない長さとされる。ここでは、階層選択ゲート電極116の下部には、基板上面から上から2層目の層間絶縁膜109にわたる凸状の埋め込み絶縁膜111が形成されている。また、この階層選択トランジスタ形成領域R11のメモリセル形成領域R12とは反対側に形成される階層選択トランジスタの階層選択ゲート電極117は、最上層の半導体層107と上から2層目(=最下層)の半導体層107の側面を覆う長さとされる。   For example, in the case of FIG. 1, the hierarchical selection gate electrode 116 of the hierarchical selection transistor closest to the memory cell formation region R12 covers the side surface of the uppermost semiconductor layer 107, but the side surface of the lower semiconductor layer 107. The length is not covered. Here, a convex embedded insulating film 111 extending from the top surface of the substrate to the second-layer interlayer insulating film 109 is formed below the hierarchical selection gate electrode 116. The hierarchical selection gate electrode 117 of the hierarchical selection transistor formed on the opposite side of the hierarchical selection transistor formation region R11 to the memory cell formation region R12 is the uppermost semiconductor layer 107 and the second layer from the top (= the lowest layer). ) To cover the side surface of the semiconductor layer 107.

さらに、階層選択トランジスタにおいて、階層選択ゲート電極117が側面を覆う半導体層107のうち、最下層の半導体層107以外の上層の半導体層107の階層選択ゲート電極117と対向する領域には高濃度に不純物がドーピングされている。これによって、不純物がドーピングされた半導体層107においては、階層選択トランジスタを形成しても常時オン状態となるので、階層選択トランジスタの階層選択ゲート電極117に電圧を印加しても、空乏層が延びて導通が遮断されることがない。また、階層選択トランジスタの階層選択ゲート電極116,117が覆う最下層の半導体層107には不純物がドーピングされていないので、階層選択ゲート電極116,117に電圧を印加すると、空乏層を延ばすことによって導通を遮断することができる。このような構造によって、各階層選択ゲート電極116,117は、各半導体層107を独立に遮断することができ、階層選択ゲート電極116は、最上層の半導体層107を選択し、階層選択ゲート電極117は2層目(最下層)の半導体層107を選択するゲートとして機能する。   Further, in the hierarchical selection transistor, a region of the semiconductor layer 107 that covers the side surface of the hierarchical selection gate electrode 117 has a high concentration in a region facing the hierarchical selection gate electrode 117 of the upper semiconductor layer 107 other than the lowermost semiconductor layer 107. Impurities are doped. As a result, in the semiconductor layer 107 doped with impurities, the depletion layer extends even when a voltage is applied to the hierarchy selection gate electrode 117 of the hierarchy selection transistor because the semiconductor layer 107 is always turned on even if the hierarchy selection transistor is formed. The continuity is not interrupted. Further, since the lowermost semiconductor layer 107 covered by the hierarchy selection gate electrodes 116 and 117 of the hierarchy selection transistor is not doped with impurities, when a voltage is applied to the hierarchy selection gate electrodes 116 and 117, the depletion layer is extended. The conduction can be cut off. With such a structure, each of the hierarchical selection gate electrodes 116 and 117 can block each semiconductor layer 107 independently. The hierarchical selection gate electrode 116 selects the uppermost semiconductor layer 107, and the hierarchical selection gate electrode. 117 functions as a gate for selecting the semiconductor layer 107 of the second layer (lowermost layer).

ここで、半導体基板101および半導体層107の材料は、たとえばSi,Ge,SiGe,SiC,SiSn,PbS,GaAs,InP,GaP,GaN,ZnSeまたはInGaAsPなどの中から選択することができる。また、半導体層107は、単結晶半導体から構成するようにしてもよいし、多結晶半導体から構成するようにしてもよいし、連続粒界結晶半導体(Continuous Grain Semiconductor)から構成するようにしてもよい。なお、レーザアニール法またはNi触媒法で多結晶シリコン膜を結晶化させることで、連続粒界結晶半導体を形成することができる。   Here, the material of the semiconductor substrate 101 and the semiconductor layer 107 can be selected from, for example, Si, Ge, SiGe, SiC, SiSn, PbS, GaAs, InP, GaP, GaN, ZnSe, or InGaAsP. Further, the semiconductor layer 107 may be made of a single crystal semiconductor, may be made of a polycrystalline semiconductor, or may be made of a continuous grain boundary crystal semiconductor (Continuous Grain Semiconductor). Good. Note that a continuous grain boundary crystal semiconductor can be formed by crystallizing a polycrystalline silicon film by a laser annealing method or a Ni catalyst method.

また、電荷蓄積層112としては、たとえばONO(シリコン酸化膜/シリコン窒化膜/シリコン酸化膜)構造を用いてもよいし、ANO(酸化アルミニウム膜/シリコン窒化膜/シリコン酸化膜)構造を用いてもよいし、浮遊ゲート構造を用いるようにしてもよい。あるいは、ANO構造の酸化アルミニウム膜に代えて、HfO2,La23,Pr23,Y23,ZrO2などの金属酸化膜、あるいはこのような金属酸化膜を複数種組み合わせた膜を用いるようにしてもよい。 As the charge storage layer 112, for example, an ONO (silicon oxide film / silicon nitride film / silicon oxide film) structure or an ANO (aluminum oxide film / silicon nitride film / silicon oxide film) structure may be used. Alternatively, a floating gate structure may be used. Alternatively, instead of an aluminum oxide film having an ANO structure, a metal oxide film such as HfO 2 , La 2 O 3 , Pr 2 O 3 , Y 2 O 3 , ZrO 2 , or a combination of a plurality of such metal oxide films is used. A film may be used.

さらに、層間絶縁膜109の材料は、たとえばシリコン酸化膜を用いるようにしてもよいし、有機膜を用いるようにしてもよい。   Further, as a material of the interlayer insulating film 109, for example, a silicon oxide film may be used, or an organic film may be used.

また、制御ゲート電極118と階層選択ゲート電極116,117の材料は、たとえば多結晶シリコンを用いることができる。なお、図1では、メモリセル部R1のメモリセルの制御ゲート電極118および階層選択トランジスタの階層選択ゲート電極116,117と、周辺回路部R2の電界効果型トランジスタのゲート電極は、第1のゲート電極膜113と第2のゲート電極膜114が積層された構造となっているが、異種の材料を積層したものでもよいし、同種の材料を積層させたものでもよい。   The material of the control gate electrode 118 and the hierarchy selection gate electrodes 116 and 117 can be, for example, polycrystalline silicon. In FIG. 1, the control gate electrode 118 of the memory cell of the memory cell part R1, the hierarchy selection gate electrodes 116 and 117 of the hierarchy selection transistor, and the gate electrode of the field effect transistor of the peripheral circuit part R2 are the first gate. Although the electrode film 113 and the second gate electrode film 114 are stacked, different materials may be stacked, or the same kind of materials may be stacked.

つぎに、このような構造の不揮発性半導体記憶装置の製造方法について説明する。図2−1〜図2−6は、第1の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である。これらの図において、(a)は、ビット線方向の断面を示し、(b)は、(a)のA−A断面図を示しており、1つの階層選択トランジスタのワード線方向の断面図であり、(c)は、(a)のB−B断面図を示しており、他の階層選択トランジスタのワード線方向の断面図である。なお、以下に示す製造方法では、ビット線のハーフピッチが32nmであり、ワード線のハーフピッチが22nmであるデザインのメモリセルを2層積層することによって、平面構造での19nm世代に相当するセル面積1,320nm2を実現するフラッシュメモリを例に挙げて説明する。 Next, a method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device having such a structure will be described. 2-1 to 2-6 are cross-sectional views schematically showing an example of the procedure of the method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device according to the first embodiment. In these drawings, (a) shows a cross section in the bit line direction, (b) shows a cross section in AA of (a), and is a cross section in the word line direction of one hierarchical selection transistor. (C) is a cross-sectional view taken along the line BB of (a), and is a cross-sectional view in the word line direction of another hierarchical selection transistor. In the manufacturing method described below, a cell corresponding to the 19 nm generation in a planar structure is formed by stacking two memory cells having a design in which the bit line half pitch is 32 nm and the word line half pitch is 22 nm. A flash memory realizing an area of 1,320 nm 2 will be described as an example.

まず、図2−1に示される構造を形成する。ここでは、最初に周辺回路部R2を形成する。すなわち、半導体基板101の熱酸化を行うことによって、半導体基板101上に周辺回路部R2のゲート絶縁膜102を形成する。このゲート絶縁膜102として、たとえばシリコン熱酸化膜を用いることができる。ついで、周辺回路のゲート電極の一部であるゲート電極膜103をCVD(Chemical Vapor Deposition)法などの成膜法によって形成し、さらに後のCMP(Chemical Mechanical Polishing)処理時のストッパとなるストッパ膜104をCVD法などの成膜法によって順に形成する。ゲート電極膜103としては、n型多結晶シリコン膜を用いることができ、ストッパ膜104としては、シリコン窒化膜を用いることができる。また、ゲート電極膜103の膜厚としては、たとえば110nm程度に設定することができ、ストッパ膜104の膜厚としては、たとえば30nm程度に設定することができる。   First, the structure shown in FIG. 2-1 is formed. Here, the peripheral circuit portion R2 is formed first. That is, the gate insulating film 102 of the peripheral circuit portion R2 is formed on the semiconductor substrate 101 by performing thermal oxidation of the semiconductor substrate 101. As this gate insulating film 102, for example, a silicon thermal oxide film can be used. Then, a gate electrode film 103 which is a part of the gate electrode of the peripheral circuit is formed by a film forming method such as a CVD (Chemical Vapor Deposition) method, and further a stopper film serving as a stopper in a subsequent CMP (Chemical Mechanical Polishing) process 104 are sequentially formed by a film forming method such as a CVD method. An n-type polycrystalline silicon film can be used as the gate electrode film 103, and a silicon nitride film can be used as the stopper film 104. Further, the thickness of the gate electrode film 103 can be set to, for example, about 110 nm, and the thickness of the stopper film 104 can be set to, for example, about 30 nm.

その後、リソグラフィ技術および反応性イオンエッチング技術(以下、RIE(Reactive Ion Etching)法という)によって、周辺回路部R2のストッパ膜104、ゲート電極膜103、ゲート絶縁膜102および半導体基板101に、STI(Shallow Trench Isolation)となる図示しないアイソレーション溝を形成する。ついで、このアイソレーション溝内を埋め込むように、図示しない埋め込み絶縁膜を形成する。この埋め込み絶縁膜として、たとえば、high density plasma enhanced SiO2(HDP−SiO)膜やTEOS(Tetraethyl orthosilicate)/O3膜を用いることができる。そして、ストッパ膜104が露出するまで、CMP技術によって平坦化する。以上の処理によって、周辺回路部R2に図示しないSTIが形成される。 Thereafter, the stopper film 104, the gate electrode film 103, the gate insulating film 102, and the semiconductor substrate 101 of the peripheral circuit portion R2 are formed on the STI (reactive ion etching (RIE) method) (hereinafter referred to as RIE (Reactive Ion Etching) method). An isolation groove (not shown) to be Shallow Trench Isolation) is formed. Next, a buried insulating film (not shown) is formed so as to be buried in the isolation trench. As this buried insulating film, for example, a high density plasma enhanced SiO 2 (HDP-SiO 2 ) film or a TEOS (Tetraethyl orthosilicate) / O 3 film can be used. Then, planarization is performed by a CMP technique until the stopper film 104 is exposed. Through the above processing, an STI (not shown) is formed in the peripheral circuit portion R2.

ついで、リソグラフィ技術およびRIE法によって、メモリセル部R1のストッパ膜104、ゲート電極膜103、ゲート絶縁膜102を除去し、さらに半導体基板101を掘り下げてメモリセル部R1に凹部を形成する。   Next, the stopper film 104, the gate electrode film 103, and the gate insulating film 102 of the memory cell portion R1 are removed by lithography and RIE, and the semiconductor substrate 101 is further dug to form a recess in the memory cell portion R1.

続いて、CVD法などの方法によって、半導体基板101全面にHTO(High Temperature Oxide)膜105を、たとえば30nmの厚さで形成し、RIE法によってエッチバックを行って、半導体基板101上(凹部の底部)とストッパ膜104上のHTO膜105を除去し、凹部の側壁にのみHTO膜105を残す。そして、希弗酸処理によって、半導体基板101の清浄表面を露出させる。   Subsequently, an HTO (High Temperature Oxide) film 105 is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 101 with a thickness of, for example, 30 nm by a method such as a CVD method, and etched back by the RIE method. Bottom) and the HTO film 105 on the stopper film 104 is removed, leaving the HTO film 105 only on the side walls of the recess. Then, the clean surface of the semiconductor substrate 101 is exposed by dilute hydrofluoric acid treatment.

ついで、LPCVD(Low Pressure CVD)法によって、半導体層106,107を交互に積層し、最上層は半導体層106で終わるようにする。このとき、半導体層106,107は、下地の半導体層に対してエピタキシャル成長させることが望ましい。また、半導体層106として、半導体層107に比してエッチングレートが大きな半導体材料が選択される。このような半導体層106,107の材料としては、たとえばSi,Ge,SiGe,SiC,SiSn,PbS,GaAs,InP,GaP,GaN,ZnSe,GaInAsPなどの中から、格子整合を取ることができるように選択された組み合わせを用いることができる。ここでは、半導体層106として、エピタキシャルシリコンゲルマニウム膜を用い、半導体層107としてPがドープされたエピタキシャルシリコン膜を用いるものとする。また、半導体層106,107の膜厚は、たとえば、下から順に20nm,45nm,20nm,45nm,20nmの厚さで形成する。   Next, the semiconductor layers 106 and 107 are alternately stacked by LPCVD (Low Pressure CVD) method so that the uppermost layer ends with the semiconductor layer 106. At this time, it is desirable that the semiconductor layers 106 and 107 are epitaxially grown on the underlying semiconductor layer. For the semiconductor layer 106, a semiconductor material having a higher etching rate than that of the semiconductor layer 107 is selected. As materials of such semiconductor layers 106 and 107, for example, lattice matching can be achieved from Si, Ge, SiGe, SiC, SiSn, PbS, GaAs, InP, GaP, GaN, ZnSe, GaInAsP, and the like. The selected combination can be used. Here, an epitaxial silicon germanium film is used as the semiconductor layer 106, and an epitaxial silicon film doped with P is used as the semiconductor layer 107. The film thicknesses of the semiconductor layers 106 and 107 are, for example, 20 nm, 45 nm, 20 nm, 45 nm, and 20 nm in order from the bottom.

なお、凹部の側壁に形成されるHTO膜105の近傍では、半導体層106,107のエピタキシャル成長が行われないため、半導体層106,107の積層構造の周囲には傾斜面が生成され、HTO膜105と半導体層106,107の積層構造との間には楔状の凹部が形成される。   Note that since the semiconductor layers 106 and 107 are not epitaxially grown in the vicinity of the HTO film 105 formed on the side wall of the recess, an inclined surface is generated around the stacked structure of the semiconductor layers 106 and 107, and the HTO film 105. A wedge-shaped recess is formed between the semiconductor layer 106 and the stacked structure of the semiconductor layers 106 and 107.

その後、CVD法などの成膜法によって、半導体基板101上の全面に平坦化膜108を形成する。平坦化膜108は、たとえばシリコン酸化膜を用いることができる。そして、CMP法などの方法によって、周辺回路部R2でストッパ膜104が露出するまで、平坦化膜108の平坦化を行う。以上によって、図2−1に示される構造が形成される。   Thereafter, a planarizing film 108 is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 101 by a film forming method such as a CVD method. As the planarizing film 108, for example, a silicon oxide film can be used. Then, the planarization film 108 is planarized by the CMP method or the like until the stopper film 104 is exposed in the peripheral circuit portion R2. Thus, the structure shown in FIG. 2-1 is formed.

つぎに、図2−2に示されるように、リソグラフィ技術およびRIE法によって、図示しないトレンチを形成して、メモリセル部R1の平坦化膜108と、半導体層106,107とを適当なサイズの帯状に分割する。これによって、半導体層106,107の側壁を所定の間隔で露出させる。続いて、ウエットエッチングによって、半導体層106を選択的に除去することにより、上下の半導体層107間に空隙を形成する。ここでは、半導体層106にエピタキシャルシリコンゲルマニウム膜を用い、半導体層107にエピタキシャルシリコン膜を用いているので、ウエットエッチングの薬液としては、シリコンゲルマニウム膜がシリコン膜に比して選択的にエッチングされるように、たとえば、弗酸/硝酸/酢酸混合液を用いることができる。なお、CDE(Chemical Dry Etching)法によって半導体層106を選択的に除去してもよい。   Next, as shown in FIG. 2B, a trench (not shown) is formed by a lithography technique and an RIE method, and the planarizing film 108 and the semiconductor layers 106 and 107 of the memory cell portion R1 are appropriately sized. Divide into strips. As a result, the side walls of the semiconductor layers 106 and 107 are exposed at a predetermined interval. Subsequently, a gap is formed between the upper and lower semiconductor layers 107 by selectively removing the semiconductor layer 106 by wet etching. Here, since the epitaxial silicon germanium film is used for the semiconductor layer 106 and the epitaxial silicon film is used for the semiconductor layer 107, the silicon germanium film is selectively etched as compared with the silicon film as a chemical solution for wet etching. Thus, for example, a hydrofluoric acid / nitric acid / acetic acid mixed solution can be used. Note that the semiconductor layer 106 may be selectively removed by a CDE (Chemical Dry Etching) method.

その後、上記トレンチを介して半導体層107の上下面を水蒸気酸化することによって、半導体層107間の半導体層106が除去された空隙を層間絶縁膜109で完全に埋め込む。層間絶縁膜109として、たとえば、シリコン熱酸化膜を用いることができる。なお、半導体層107間に埋め込まれた層間絶縁膜109を形成する方法として、上記した半導体層107の水蒸気酸化の他に、CVD法やALD(Atomic Layer Deposition)法を用いてもよい。また、塗布法によってSOG(Spin On Glass)膜を埋め込むようにしてもよいし、液状の有機絶縁膜を半導体層107間の空隙に浸漬させた後、硬化させるようにしてもよい。   Thereafter, the upper and lower surfaces of the semiconductor layer 107 are steam-oxidized through the trench, thereby completely filling the voids in which the semiconductor layer 106 between the semiconductor layers 107 is removed with the interlayer insulating film 109. For example, a silicon thermal oxide film can be used as the interlayer insulating film 109. Note that as a method of forming the interlayer insulating film 109 embedded between the semiconductor layers 107, a CVD method or an ALD (Atomic Layer Deposition) method may be used in addition to the above-described steam oxidation of the semiconductor layer 107. Alternatively, an SOG (Spin On Glass) film may be embedded by a coating method, or a liquid organic insulating film may be immersed in a gap between the semiconductor layers 107 and then cured.

ついで、リソグラフィ技術およびRIE法によって、ビット線コンタクトを形成するためのトレンチ110aを形成する。ここでは、メモリセル部R1の半導体層107と層間絶縁膜109とが交互に完全に積層されている周縁部に、層間絶縁膜109と半導体層107の積層膜を帯状に一括加工して、トレンチ110aを形成する。これによって、2層の半導体層107の側面が露出する。続いて、半導体層107を所定の導電型にするための不純物元素を含むガス雰囲気下で熱処理を行って、半導体層107に不純物を導入する。ここでは、850℃の20TorrのPH3雰囲気中で熱処理を5分間行うことによって、1×1020cm-3以上のPをドーピングする。その後、コンタクト層110を半導体基板101上の全面に、トレンチ110aを埋め込むように形成する。コンタクト層110として、たとえばn型多結晶シリコン膜を用いることができる。そして、RIE法によって全面エッチバックし、平坦化膜108の上面に形成されたコンタクト層110を除去する。これによって、トレンチ110a内にビット線コンタクトが形成される。 Next, a trench 110a for forming a bit line contact is formed by lithography and RIE. Here, the laminated film of the interlayer insulating film 109 and the semiconductor layer 107 is collectively processed into a band shape at the peripheral edge where the semiconductor layers 107 and the interlayer insulating films 109 of the memory cell portion R1 are alternately and completely laminated, and trenches are formed. 110a is formed. As a result, the side surfaces of the two semiconductor layers 107 are exposed. Subsequently, heat treatment is performed in a gas atmosphere containing an impurity element for making the semiconductor layer 107 have a predetermined conductivity type, so that impurities are introduced into the semiconductor layer 107. Here, P of 1 × 10 20 cm −3 or more is doped by performing heat treatment in a PH 3 atmosphere of 20 Torr at 850 ° C. for 5 minutes. Thereafter, the contact layer 110 is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 101 so as to fill the trench 110a. As contact layer 110, for example, an n-type polycrystalline silicon film can be used. Then, the entire surface is etched back by the RIE method, and the contact layer 110 formed on the upper surface of the planarizing film 108 is removed. As a result, a bit line contact is formed in the trench 110a.

その後、リソグラフィ技術およびRIE法によって、メモリセル部R1の層間絶縁膜109/半導体層107の積層膜を第1の方向に延在する帯状の構造物(フィン構造)に一括加工する。これによって、複数のフィン構造が第2の方向に所定の間隔をおいて並行して形成され、半導体層107の側面が露出した状態となる。なお、この半導体層107は、活性領域(アクティブエリア)となる。また、このフィン構造の幅は、たとえば20nmに設定することができ、このフィン構造のハーフピッチは、たとえば32nmに設定することができる。そして、ウエットエッチングによってストッパ膜104を除去する。ストッパ膜104をシリコン窒化膜で構成する場合には、ウエットエッチングの薬液として熱燐酸を用いることができる。これによって、図2−2に示される構造が得られる。   Thereafter, the laminated film of the interlayer insulating film 109 / semiconductor layer 107 of the memory cell portion R1 is collectively processed into a band-shaped structure (fin structure) extending in the first direction by lithography and RIE. As a result, a plurality of fin structures are formed in parallel in the second direction at a predetermined interval, and the side surface of the semiconductor layer 107 is exposed. The semiconductor layer 107 becomes an active region (active area). The width of the fin structure can be set to 20 nm, for example, and the half pitch of the fin structure can be set to 32 nm, for example. Then, the stopper film 104 is removed by wet etching. When the stopper film 104 is composed of a silicon nitride film, hot phosphoric acid can be used as a chemical solution for wet etching. As a result, the structure shown in FIG. 2-2 is obtained.

つぎに、図2−3に示されるように、フィン構造間にCVD法などの成膜法によって埋め込み絶縁膜111を形成する。埋め込み絶縁膜111としては、TEOS/O3膜を用いることができる。その後、リソグラフィ技術およびRIE法を用いて埋め込み絶縁膜111を部分的にエッチングする。ここで、2つの階層選択トランジスタのうちメモリセルトランジスタに隣接する方を第1の階層選択トランジスタとし、他方を第2の階層選択トランジスタというものとすると、エッチングする領域は、メモリセル部R1の階層選択トランジスタ形成領域R11のうち第2の階層選択トランジスタの形成領域を含み、第1の階層選択トランジスタの形成領域を含まない領域R3とされる。また、この領域R3では、最上層の半導体層107の側面が露出し、最下層の半導体層107が露出しない深さまでエッチングされる。 Next, as shown in FIG. 2-3, a buried insulating film 111 is formed between the fin structures by a film forming method such as a CVD method. As the buried insulating film 111, a TEOS / O 3 film can be used. Thereafter, the buried insulating film 111 is partially etched using a lithography technique and an RIE method. Here, of the two hierarchy selection transistors, the one adjacent to the memory cell transistor is the first hierarchy selection transistor, and the other is the second hierarchy selection transistor. The region to be etched is the hierarchy of the memory cell portion R1. The selection transistor formation region R11 is a region R3 that includes the formation region of the second hierarchy selection transistor and does not include the formation region of the first hierarchy selection transistor. In this region R3, the side surface of the uppermost semiconductor layer 107 is exposed, and etching is performed to a depth at which the lowermost semiconductor layer 107 is not exposed.

ついで、希弗酸で前処理を行った後、露出している半導体層107の側面から所定の導電型の不純物を拡散させる。この半導体層107への不純物の拡散方法として、GPD(Gas Phase Doping:気相ドーピング)を用いることができる。たとえば、850℃の温度で、0.1TorrのPH3雰囲気中で熱処理を10分間行うことによって1×1019cm-3以上のPを、半導体層107であるエピタキシャルシリコン膜にドーピングする。Pがドーピングされた半導体層107の領域は、この後、階層選択トランジスタのゲート誘電体膜としての電荷蓄積層が形成された後に積層された階層を選択する階層選択ゲート電極に電圧を印加した場合でも空乏化が起こらないのでトランジスタとしては常時「オン」の状態になる。 Next, after pretreatment with dilute hydrofluoric acid, impurities of a predetermined conductivity type are diffused from the exposed side surfaces of the semiconductor layer 107. As a method for diffusing impurities into the semiconductor layer 107, GPD (Gas Phase Doping) can be used. For example, the epitaxial silicon film as the semiconductor layer 107 is doped with P of 1 × 10 19 cm −3 or more by performing heat treatment for 10 minutes in a PH 3 atmosphere of 0.1 Torr at a temperature of 850 ° C. In the region of the semiconductor layer 107 doped with P, a voltage is applied to a layer selection gate electrode that selects a layer stacked after a charge storage layer as a gate dielectric film of the layer selection transistor is formed. However, since depletion does not occur, the transistor is always “on”.

その後、図2−4に示されるように、リソグラフィ技術およびRIE法によってメモリセル形成領域R12に形成されている埋め込み絶縁膜111をエッチバックする。これによって、メモリセル形成領域R12で半導体層107の側面が露出する。さらに、半導体基板101上の全面で埋め込み絶縁膜111を層間絶縁膜109/半導体層107の積層膜の1層分に相当する厚さだけエッチバックする。これによって、第2の階層選択トランジスタの形成領域では、最下層の半導体層107の側面が露出し、第1の階層選択トランジスタの形成領域では、最上層の半導体層107の側面が露出し、最下層の半導体層107の側面は埋め込み絶縁膜111で覆われた状態となる。   Thereafter, as shown in FIG. 2-4, the buried insulating film 111 formed in the memory cell formation region R12 is etched back by lithography and RIE. As a result, the side surface of the semiconductor layer 107 is exposed in the memory cell formation region R12. Further, the buried insulating film 111 is etched back over the entire surface of the semiconductor substrate 101 by a thickness corresponding to one layer of the laminated film of the interlayer insulating film 109 / semiconductor layer 107. Thus, the side surface of the lowermost semiconductor layer 107 is exposed in the formation region of the second hierarchy selection transistor, and the side surface of the uppermost semiconductor layer 107 is exposed in the formation region of the first hierarchy selection transistor. The side surface of the lower semiconductor layer 107 is covered with the buried insulating film 111.

ついで、図2−5に示されるように、希弗酸で前処理を行った後、CVD法などの成膜法によって、半導体層107の側面が覆われるようにして、フィン構造および第1のゲート電極膜103上に電荷蓄積層112を形成する。電荷蓄積層112としては、たとえばシリコン酸化膜/シリコン窒化膜/シリコン酸化膜からなるONO膜を用いることができ、このときの膜厚は、下から順に3nm,2nm,8nmで合計13nmに設定することができる。   Next, as shown in FIG. 2-5, after the pretreatment with dilute hydrofluoric acid, the side surface of the semiconductor layer 107 is covered by a film formation method such as a CVD method so that the fin structure and the first structure A charge storage layer 112 is formed over the gate electrode film 103. As the charge storage layer 112, for example, an ONO film made of silicon oxide film / silicon nitride film / silicon oxide film can be used, and the film thicknesses at this time are set to 13 nm in total from 3 nm, 2 nm, and 8 nm in order from the bottom. be able to.

ついで、CVD法などの成膜法によって、半導体基板101上の全面に、メモリセルトランジスタの制御ゲート電極118の一部となり、階層選択トランジスタの階層選択ゲート電極116,117の一部となるゲート電極膜113を形成する。ゲート電極膜113としては、たとえばn型多結晶シリコン膜を用いることができる。また、ゲート電極膜113の膜厚としては、たとえば40nm程度に設定することができる。   Next, a gate electrode that becomes a part of the control gate electrode 118 of the memory cell transistor and a part of the hierarchy selection gate electrodes 116 and 117 of the hierarchy selection transistor is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 101 by a film formation method such as a CVD method. A film 113 is formed. As gate electrode film 113, for example, an n-type polycrystalline silicon film can be used. The film thickness of the gate electrode film 113 can be set to about 40 nm, for example.

ついで、リソグラフィ技術およびRIE法によって、周辺回路部R2のゲート電極となる部分のゲート電極膜113と電荷蓄積層112の一部を除去し、ゲート電極膜103に連通する開口121を形成する。続いて、メモリセルトランジスタの制御ゲート電極118の一部となり、階層選択トランジスタの階層選択ゲート電極116,117の一部となり、さらに周辺回路のゲート電極の一部となるゲート電極膜114を、CVD法などの成膜法によって、半導体基板101上の全面に形成する。ゲート電極膜114としては、たとえば、n型多結晶シリコン膜を用いることができる。また、ゲート電極膜114の膜厚としては、たとえば150nm程度に設定することができる。以上で周辺回路のゲート電極膜103とゲート電極膜114とが電気的に接続される。その後、CVD法などの成膜法によって、ゲート電極膜114上にメモリセル部R1に形成されるトランジスタのゲート電極加工用のマスク膜115を形成する。このマスク膜115としては、たとえばシリコン窒化膜を用いることができる。また、マスク膜115の膜厚としては、たとえば100nmに設定することができる。以上によって、図2−5に示される構造が形成される。   Next, a part of the gate electrode film 113 and the charge storage layer 112 that become the gate electrode of the peripheral circuit portion R <b> 2 is removed by the lithography technique and the RIE method, and an opening 121 that communicates with the gate electrode film 103 is formed. Subsequently, a gate electrode film 114 that becomes a part of the control gate electrode 118 of the memory cell transistor, a part of the hierarchy selection gate electrodes 116 and 117 of the hierarchy selection transistor, and a part of the gate electrode of the peripheral circuit is formed by CVD. It is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 101 by a film forming method such as a method. As gate electrode film 114, for example, an n-type polycrystalline silicon film can be used. The film thickness of the gate electrode film 114 can be set to, for example, about 150 nm. Thus, the gate electrode film 103 and the gate electrode film 114 of the peripheral circuit are electrically connected. Thereafter, a mask film 115 for processing the gate electrode of the transistor formed in the memory cell portion R1 is formed on the gate electrode film 114 by a film forming method such as a CVD method. As this mask film 115, for example, a silicon nitride film can be used. The film thickness of the mask film 115 can be set to 100 nm, for example. Thus, the structure shown in FIG. 2-5 is formed.

その後、図2−6に示されるように、リソグラフィ技術およびRIE法によって、メモリセル部R1における制御ゲート電極118および階層選択ゲート電極116,117の平面形状に対応するようにマスク膜115をパターニングする。そして、マスク膜115を介してゲート電極膜114,113および電荷蓄積層112を一括してRIE法によってエッチングする。これによって、第1の方向に延在するフィン構造と交差するように(第2の方向に延在するように)電荷蓄積層112を介して配置された制御ゲート電極118と階層選択ゲート電極116,117がメモリセル部R1に形成される。このとき、図示していないが、周辺回路部R2でもゲート電極が加工される。なお、メモリセル部R1の制御ゲート電極118のハーフピッチは、たとえば22nmに設定することができる。また、このとき、階層選択ゲート電極116,117は、部分的に埋め込み絶縁膜111が成膜されているので、ゲート電極が成膜される深さが場所によって異なる。そのため、階層選択ゲート電極116,117の長さがメモリセル形成領域R12に近い側から、フィン構造の端部に向かって階段状に長くなる。   Thereafter, as shown in FIG. 2-6, the mask film 115 is patterned by the lithography technique and the RIE method so as to correspond to the planar shapes of the control gate electrode 118 and the hierarchy selection gate electrodes 116 and 117 in the memory cell portion R1. . Then, the gate electrode films 114 and 113 and the charge storage layer 112 are collectively etched by the RIE method through the mask film 115. Thus, the control gate electrode 118 and the hierarchy selection gate electrode 116 disposed via the charge storage layer 112 so as to intersect with the fin structure extending in the first direction (extending in the second direction). , 117 are formed in the memory cell portion R1. At this time, although not shown, the gate electrode is also processed in the peripheral circuit portion R2. Note that the half pitch of the control gate electrode 118 of the memory cell portion R1 can be set to 22 nm, for example. At this time, since the buried insulating film 111 is partially formed in the hierarchical selection gate electrodes 116 and 117, the depth at which the gate electrode is formed differs depending on the location. For this reason, the lengths of the hierarchy selection gate electrodes 116 and 117 are increased stepwise from the side close to the memory cell formation region R12 toward the end of the fin structure.

その後、図示しないが、水素/酸素混合ガスから生成されるラジカルを用いる高温短時間酸化処理で、制御ゲート電極118および階層選択ゲート電極116,117の側壁を酸化し、制御ゲート電極118および階層選択ゲート電極116,117の加工不足による隣接ゲート電極間に残存した多結晶シリコン膜を焼き切ることによって、これらの短絡を防止するとともに、加工ダメージを除去する。   Thereafter, although not shown, the sidewalls of the control gate electrode 118 and the hierarchy selection gate electrodes 116 and 117 are oxidized by high-temperature and short-time oxidation using radicals generated from a hydrogen / oxygen mixed gas, and the control gate electrode 118 and the hierarchy selection are selected. By burning out the polycrystalline silicon film remaining between adjacent gate electrodes due to insufficient processing of the gate electrodes 116 and 117, these short circuits are prevented and processing damage is removed.

ついで、周辺回路部R2のサイドウォールスペーサ膜を形成するとともに、メモリセル部R1の制御ゲート電極118と階層選択ゲート電極116,117の間が埋め込まれるように図示しない埋め込み絶縁膜を形成する。この埋め込み絶縁膜としては、たとえばBPSG(Boron Phosphorus doped Silicate Glass)膜などを用いることができる。さらに、図示しないがリソグラフィ技術、イオン注入技術および活性化アニール技術によって、周辺回路部R2の拡散層を形成する。そして、層間絶縁膜を形成し、拡散層/ゲート電極へのコンタクトを形成し、さらに多層配線層を形成することによってフラッシュメモリの回路を形成する。   Next, a sidewall spacer film of the peripheral circuit portion R2 is formed, and a buried insulating film (not shown) is formed so as to be buried between the control gate electrode 118 and the hierarchy selection gate electrodes 116 and 117 of the memory cell portion R1. As this buried insulating film, for example, a BPSG (Boron Phosphorus doped Silicate Glass) film or the like can be used. Further, although not shown, the diffusion layer of the peripheral circuit portion R2 is formed by lithography, ion implantation, and activation annealing. Then, an interlayer insulating film is formed, a contact to the diffusion layer / gate electrode is formed, and a multilayer wiring layer is formed to form a flash memory circuit.

第1の実施の形態では、半導体層107と層間絶縁膜109とを交互に複数積層した第1の方向に延在するフィン構造に交差するように電荷蓄積層112と制御ゲート電極118を形成してメモリセルトランジスタを形成し、フィン構造の端部にフィン構造に交差するように半導体層107の層数と同じ数の階層選択トランジスタを設けた。そのため、従来に比して階層選択トランジスタの構造が簡易になるという効果を有する。   In the first embodiment, the charge storage layer 112 and the control gate electrode 118 are formed so as to intersect the fin structure extending in the first direction in which a plurality of semiconductor layers 107 and interlayer insulating films 109 are alternately stacked. A memory cell transistor was formed, and the same number of layer selection transistors as the number of semiconductor layers 107 were provided at the end of the fin structure so as to cross the fin structure. Therefore, it has an effect that the structure of the hierarchical selection transistor is simplified as compared with the prior art.

また、階層選択トランジスタの階層選択ゲート電極116,117は、上部の位置が同じで、下部の位置がメモリセルトランジスタに接する側から順に、側面を覆う半導体層107の数が1層ずつ増加するようにまたは1層ずつ減少するように階段状に形成されるとともに、階層選択ゲート電極116,117で覆われている半導体層107のうち、最下層の半導体層107よりも上層の半導体層107には所定の導電型の不純物が拡散されるようにした。これによって、各階層選択トランジスタで各半導体層107での導通を独立に遮断することができるという効果を有する。   Further, the hierarchy selection gate electrodes 116 and 117 of the hierarchy selection transistor have the same upper position, and the number of the semiconductor layers 107 covering the side surface increases one by one in order from the side where the lower position contacts the memory cell transistor. Of the semiconductor layers 107 that are formed stepwise so as to decrease one layer at a time and are covered with the hierarchical selection gate electrodes 116 and 117, the semiconductor layer 107 that is higher than the lowermost semiconductor layer 107 is formed in the semiconductor layer 107. Impurities of a predetermined conductivity type are diffused. Accordingly, there is an effect that conduction in each semiconductor layer 107 can be cut off independently by each hierarchical selection transistor.

さらに、DG−FinFET(Double Gate Fin Field Effect Transistor)構造を有するメモリセルトランジスタを複数層にわたって形成することができる。このDG−FinFET構造では、ショートチャネル効果に強く、チャネルの支配力が強いために、2ビット/Cell(=4値)、3ビット/Cell(=8値)のような多値記憶を容易に実現できるとともに、記憶密度を2倍に向上させることができる。   Furthermore, a memory cell transistor having a DG-FinFET (Double Gate Fin Field Effect Transistor) structure can be formed over a plurality of layers. In this DG-FinFET structure, since it is strong in the short channel effect and has a strong channel dominance, multi-value storage such as 2 bits / cell (= 4 values), 3 bits / cell (= 8 values) can be easily performed. This can be realized and the storage density can be doubled.

また、階層選択トランジスタの形成は、メモリセルトランジスタの形成と同時に行うことが可能であり、最も微細な加工技術が要求される半導体層107と制御ゲート電極118は、通常の積層しないメモリと同じ一回ずつのリソグラフィ工程で加工を行うことができ、従来に比して工程数を増大させないで階層選択トランジスタを製造することができるという効果も有する。さらに、半導体層107への不純物導入を、フィン状の積層構造間に不純物を含む膜を埋め込むことなく行うことができるという効果も有する。   In addition, the formation of the hierarchy selection transistor can be performed simultaneously with the formation of the memory cell transistor, and the semiconductor layer 107 and the control gate electrode 118 that require the finest processing technology are the same as those in a normal non-stacked memory. Processing can be performed in a single lithography process, and the hierarchical selection transistor can be manufactured without increasing the number of processes as compared with the prior art. Further, the semiconductor layer 107 can be doped with impurities without embedding a film containing impurities between the fin-like stacked structures.

なお、上述した説明では、単結晶シリコン膜とシリコン酸化膜とを積層して一括加工を行う場合を示したが、これに代えて多結晶シリコン膜とシリコン酸化膜とを積層して一括加工を行うようにしてもよい。   In the above description, the case where the single crystal silicon film and the silicon oxide film are stacked to perform batch processing has been shown. Instead, the polycrystalline silicon film and the silicon oxide film are stacked to perform batch processing. You may make it perform.

(第2の実施の形態)
第1の実施の形態では、階層選択ゲート電極への不純物の導入をGPDによって行っていたが、第2の実施の形態では、固相拡散法で行う場合について説明する。また、以下の説明では、フィン状の積層構造において半導体層が6層積層される構造のフラッシュメモリの製造方法について説明する。
(Second Embodiment)
In the first embodiment, the introduction of impurities into the hierarchical selection gate electrode is performed by GPD. In the second embodiment, a case of performing the solid phase diffusion method will be described. In the following description, a method for manufacturing a flash memory having a structure in which six semiconductor layers are stacked in a fin-shaped stacked structure will be described.

図3−1〜図3−8は、第2の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である。これらの図において、(a)は、ビット線方向の断面を示し、(b)は、(a)のC−C断面図を示しており、階層選択トランジスタのワード線方向の断面図である。また、(a)は(b)のフィン構造間の切断面またはそれに対応する位置での切断面である。なお、この製造方法では、ビット線のハーフピッチが43nmであり、ワード線のハーフピッチが22nmであるデザインのメモリセルを6層積層することによって、平面構造での12nm世代に相当するセル面積631nm2を実現するフラッシュメモリを例に挙げる。 3-1 to 3-8 are cross-sectional views schematically showing an example of the procedure of the method of manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device according to the second embodiment. In these drawings, (a) shows a cross section in the bit line direction, (b) shows a CC cross section in (a), and is a cross section in the word line direction of the hierarchical selection transistor. Moreover, (a) is a cut surface between the fin structures of (b) or a cut surface at a position corresponding thereto. In this manufacturing method, by stacking six layers of memory cells having a design in which the half pitch of the bit lines is 43 nm and the half pitch of the word lines is 22 nm, the cell area corresponding to the 12 nm generation in the planar structure is 631 nm. Take flash memory that implements 2 as an example.

まず、図3−1に示されるように、半導体基板201上に周辺回路部R2のゲート絶縁膜202を形成する。このゲート絶縁膜202として、たとえばシリコン熱酸化膜を用いることができる。ついで、周辺回路のゲート電極の一部であるゲート電極膜203をCVD法などの成膜法によって形成し、さらに後のCMP処理時のストッパとなるストッパ膜204をCVD法などの成膜法によって順に形成する。ゲート電極膜203としては、n型多結晶シリコン膜を用いることができ、ストッパ膜204としては、シリコン窒化膜を用いることができる。また、ゲート電極膜203の膜厚としては、たとえば110nm程度に設定することができ、ストッパ膜204の膜厚としては、たとえば30nm程度に設定することができる。   First, as shown in FIG. 3A, the gate insulating film 202 of the peripheral circuit portion R <b> 2 is formed on the semiconductor substrate 201. As this gate insulating film 202, for example, a silicon thermal oxide film can be used. Next, a gate electrode film 203 which is a part of the gate electrode of the peripheral circuit is formed by a film forming method such as a CVD method, and a stopper film 204 serving as a stopper at a later CMP process is formed by a film forming method such as a CVD method. Form in order. As the gate electrode film 203, an n-type polycrystalline silicon film can be used, and as the stopper film 204, a silicon nitride film can be used. Further, the thickness of the gate electrode film 203 can be set to, for example, about 110 nm, and the thickness of the stopper film 204 can be set to, for example, about 30 nm.

ついで、リソグラフィ技術およびRIE法によって、ストッパ膜204、ゲート電極膜203およびゲート絶縁膜202をエッチングし、周辺回路部R2のSTIとなる図示しないアイソレーション溝を形成する。なお、ここでは第1の実施の形態とは異なり、アイソレーション溝の形成とともに、メモリセル部R1についても掘り下げてトレンチ205aを形成するものとする。その後、このアイソレーション溝とトレンチ205aを埋め込むように埋め込み絶縁膜205を形成する。この埋め込み絶縁膜205として、たとえば、HDP−SiO膜やTEOS/O3膜を用いることができる。そして、ストッパ膜204が露出するまで、CMP技術によって平坦化する。以上の処理によって、周辺回路部R2のSTIが形成されるとともに、メモリセル部R1のトレンチ205aに埋め込み絶縁膜205が充填される。 Next, the stopper film 204, the gate electrode film 203, and the gate insulating film 202 are etched by a lithography technique and an RIE method to form an isolation groove (not shown) that becomes the STI of the peripheral circuit portion R2. Here, unlike the first embodiment, the trench 205a is formed by digging down the memory cell portion R1 as well as forming the isolation trench. Thereafter, a buried insulating film 205 is formed so as to fill the isolation trench and the trench 205a. As the buried insulating film 205, for example, an HDP-SiO 2 film or a TEOS / O 3 film can be used. Then, planarization is performed by a CMP technique until the stopper film 204 is exposed. Through the above processing, the STI of the peripheral circuit portion R2 is formed and the trench 205a of the memory cell portion R1 is filled with the buried insulating film 205.

ついで、図3−2に示されるように、リソグラフィ技術およびRIE法によって、メモリセル部R1のトレンチ205a内に埋め込まれた埋め込み絶縁膜205をエッチバックし、トレンチ205aの側壁にのみ埋め込み絶縁膜205を残す。そして、希弗酸処理によって、半導体基板101の清浄表面を露出させる。   Next, as shown in FIG. 3B, the embedded insulating film 205 embedded in the trench 205a of the memory cell portion R1 is etched back by lithography and RIE, and the embedded insulating film 205 is formed only on the sidewall of the trench 205a. Leave. Then, the clean surface of the semiconductor substrate 101 is exposed by dilute hydrofluoric acid treatment.

ついで、LPCVD法によって、半導体層206,207を交互に複数層積層し、最上層は半導体層206で終わるようにする。このとき、半導体層206,207は、下地の半導体層に対してエピタキシャル成長させることが望ましい。また、半導体層206として、半導体層207に比してエッチングレートが大きな半導体材料が選択される。このような半導体層206,207の材料としては、たとえばSi,Ge,SiGe,SiC,SiSn,PbS,GaAs,InP,GaP,GaN,ZnSe,GaInAsPなどの中から、格子整合を取ることができるように選択された組み合わせを用いることができる。ここでは、半導体層206として、エピタキシャルシリコンゲルマニウム膜を用い、半導体層207としてBがドープされたエピタキシャルシリコン膜を用いるものとする。また、半導体層206,207の膜厚は、たとえば、下から順に15nm、25nm、15nm、25nm、15nm、25nm、15nm、25nm、15nm、25nm、15nm、25nm、10nmの厚さで形成し、半導体層207が6層積層されるように形成するものとする。   Next, a plurality of semiconductor layers 206 and 207 are alternately stacked by LPCVD, and the uppermost layer ends with the semiconductor layer 206. At this time, it is desirable that the semiconductor layers 206 and 207 be epitaxially grown on the underlying semiconductor layer. For the semiconductor layer 206, a semiconductor material having a higher etching rate than that of the semiconductor layer 207 is selected. As materials for such semiconductor layers 206 and 207, for example, lattice matching can be obtained from Si, Ge, SiGe, SiC, SiSn, PbS, GaAs, InP, GaP, GaN, ZnSe, GaInAsP, and the like. The selected combination can be used. Here, an epitaxial silicon germanium film is used as the semiconductor layer 206, and an epitaxial silicon film doped with B is used as the semiconductor layer 207. Further, the semiconductor layers 206 and 207 are formed to have a thickness of, for example, 15 nm, 25 nm, 15 nm, 25 nm, 15 nm, 25 nm, 15 nm, 25 nm, 15 nm, 25 nm, 15 nm, 25 nm, and 10 nm in order from the bottom. It is assumed that six layers 207 are stacked.

なお、トレンチ205aの側壁に形成される埋め込み絶縁膜205の近傍では、半導体層206,207のエピタキシャル成長が行われないため、半導体層206,207の積層構造の周囲には傾斜面が生成され、埋め込み絶縁膜205と半導体層206,207の積層構造との間には楔状の凹部が形成される。   Note that since the epitaxial growth of the semiconductor layers 206 and 207 is not performed in the vicinity of the buried insulating film 205 formed on the sidewall of the trench 205a, an inclined surface is generated around the stacked structure of the semiconductor layers 206 and 207, and buried. A wedge-shaped recess is formed between the insulating film 205 and the stacked structure of the semiconductor layers 206 and 207.

その後、CVD法などの成膜法によって、半導体基板201上の全面に平坦化膜208を形成する。平坦化膜208は、たとえばシリコン酸化膜を用いることができる。そして、CMP法などの方法によって、周辺回路部R2でストッパ膜204が露出するまで、平坦化膜208の平坦化を行う。   Thereafter, a planarizing film 208 is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 201 by a film forming method such as a CVD method. As the planarizing film 208, for example, a silicon oxide film can be used. Then, the planarization film 208 is planarized by the CMP method or the like until the stopper film 204 is exposed in the peripheral circuit portion R2.

つぎに、図3−3に示されるように、リソグラフィ技術およびRIE法によって、図示しないトレンチを形成して、メモリセル部R1の平坦化膜208、半導体層206、半導体層207を適当なサイズの帯状に分割する。これによって、半導体層206,207の側壁を所定の間隔で露出させる。   Next, as shown in FIG. 3C, a trench (not shown) is formed by lithography and RIE, and the planarizing film 208, the semiconductor layer 206, and the semiconductor layer 207 of the memory cell portion R1 are appropriately sized. Divide into strips. As a result, the side walls of the semiconductor layers 206 and 207 are exposed at a predetermined interval.

続いて、ウエットエッチングによって、半導体層206を選択的に除去することによって、上下の半導体層207間に空隙を形成する。ここでは、半導体層206にエピタキシャルシリコンゲルマニウム膜を用い、半導体層207にエピタキシャルシリコン膜を用いているので、ウエットエッチングの薬液としては、シリコンゲルマニウム膜がシリコン膜に比して選択的にエッチング可能な、たとえば、弗酸/硝酸/酢酸混合液を用いることができる。なお、CDE法によって半導体層206を選択的に除去してもよい。   Subsequently, a gap is formed between the upper and lower semiconductor layers 207 by selectively removing the semiconductor layer 206 by wet etching. Here, since the epitaxial silicon germanium film is used for the semiconductor layer 206 and the epitaxial silicon film is used for the semiconductor layer 207, the silicon germanium film can be selectively etched as compared with the silicon film as a chemical solution for wet etching. For example, a mixed solution of hydrofluoric acid / nitric acid / acetic acid can be used. Note that the semiconductor layer 206 may be selectively removed by a CDE method.

その後、図示しない上記トレンチを介して半導体層207の上下面を水蒸気酸化することによって、半導体層207間の半導体層206が除去された空隙を層間絶縁膜209で完全に埋め込む。層間絶縁膜209として、たとえば、シリコン熱酸化膜を用いることができる。なお、半導体層207間に埋め込まれた層間絶縁膜209を形成する方法として、上記した半導体層207の水蒸気酸化の他に、CVD法やALD法を用いてもよい。また、塗布法によってSOG膜を埋め込むようにしてもよいし、液状の有機絶縁膜を半導体層207間の空隙に浸漬させた後、硬化させるようにしてもよい。   After that, the upper and lower surfaces of the semiconductor layer 207 are steam-oxidized through the trench (not shown), thereby completely filling the space where the semiconductor layer 206 between the semiconductor layers 207 is removed with the interlayer insulating film 209. For example, a silicon thermal oxide film can be used as the interlayer insulating film 209. Note that as a method of forming the interlayer insulating film 209 embedded between the semiconductor layers 207, a CVD method or an ALD method may be used in addition to the steam oxidation of the semiconductor layer 207 described above. Alternatively, the SOG film may be embedded by a coating method, or the liquid organic insulating film may be immersed in the gap between the semiconductor layers 207 and then cured.

ついで、リソグラフィ技術およびRIE法によって、ビット線コンタクトを形成するためのトレンチ210aを形成する。ここでは、メモリセル部R1の半導体層207と層間絶縁膜209とが交互に完全に積層されている周縁部に、層間絶縁膜209と半導体層207の積層膜を帯状に一括加工して、トレンチ210aを形成する。これによって、6層の半導体層207の側面が露出する。続いて、半導体層207を所定の導電型にするための不純物元素を含むガス雰囲気下で熱処理を行って、半導体層207に不純物を導入する。ここでは、850℃の温度で20TorrのPH3雰囲気中で熱処理を5分間行うことによって、1×1020cm-3以上のPをドーピングする。その後、コンタクト層210を半導体基板201上の全面に、トレンチ210aを埋め込むように形成する。コンタクト層210として、たとえばn型多結晶シリコン膜を用いることができる。そして、RIE法によって全面エッチバックし、平坦化膜208の上面に形成されたコンタクト層210を除去する。これによって、トレンチ210a内にビット線コンタクトが形成される。 Next, a trench 210a for forming a bit line contact is formed by lithography and RIE. Here, the laminated film of the interlayer insulating film 209 and the semiconductor layer 207 is collectively processed into a belt-like shape at the peripheral edge where the semiconductor layers 207 and the interlayer insulating films 209 of the memory cell portion R1 are alternately and completely laminated. 210a is formed. As a result, the side surfaces of the six semiconductor layers 207 are exposed. Subsequently, heat treatment is performed in a gas atmosphere containing an impurity element for making the semiconductor layer 207 have a predetermined conductivity type, so that impurities are introduced into the semiconductor layer 207. Here, P of 1 × 10 20 cm −3 or more is doped by performing heat treatment in a PH 3 atmosphere of 20 Torr at a temperature of 850 ° C. for 5 minutes. Thereafter, the contact layer 210 is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 201 so as to fill the trench 210a. As contact layer 210, for example, an n-type polycrystalline silicon film can be used. Then, the entire surface is etched back by the RIE method, and the contact layer 210 formed on the upper surface of the planarizing film 208 is removed. As a result, a bit line contact is formed in the trench 210a.

その後、リソグラフィ技術およびRIE法によって、メモリセル部R1の層間絶縁膜209/半導体層207の積層膜を第1の方向に延在する帯状の構造物(フィン構造)に一括加工する。これによって、複数のフィン構造が第2の方向に所定の間隔をおいて並行して形成され、半導体層207の側面が露出した状態となる。なお、この半導体層207は、活性領域となる。また、このフィン構造の幅は、たとえば30nmに設定することができ、このフィン構造のハーフピッチは、たとえば43nmに設定することができる。   Thereafter, the laminated film of the interlayer insulating film 209 / semiconductor layer 207 of the memory cell portion R1 is collectively processed into a band-shaped structure (fin structure) extending in the first direction by lithography and RIE. As a result, a plurality of fin structures are formed in parallel in the second direction at a predetermined interval, and the side surface of the semiconductor layer 207 is exposed. Note that the semiconductor layer 207 becomes an active region. The width of the fin structure can be set to 30 nm, for example, and the half pitch of the fin structure can be set to 43 nm, for example.

ついで、図3−4に示されるように、フィン構造間にCVD法などの成膜法によって埋め込み絶縁膜211を形成する。埋め込み絶縁膜211としては、TEOS/O3膜を用いることができる。その後、リソグラフィ技術およびRIE法を用いて埋め込み絶縁膜211を部分的にエッチングする。ここで、後に形成する階層選択トランジスタのうち、メモリセル形成領域R12に近いものから順に第1、第2、・・・および第6の階層選択トランジスタというものとすると、エッチングする領域は、階層選択トランジスタ形成領域R11のうち、第4〜第6の階層選択トランジスタの形成領域R4とされる。また、この領域R4では、最上層〜3層目の半導体層207の側面が露出し、4層目〜最下層(6層目)の半導体層207が露出しない深さまでエッチングされる。 Next, as shown in FIG. 3-4, a buried insulating film 211 is formed between the fin structures by a film forming method such as a CVD method. As the buried insulating film 211, a TEOS / O 3 film can be used. Thereafter, the buried insulating film 211 is partially etched by using a lithography technique and an RIE method. Here, if the first, second,..., And sixth hierarchy selection transistors are to be formed in order from the closest to the memory cell formation region R12 among the hierarchy selection transistors to be formed later, the region to be etched is the hierarchy selection transistor. Of the transistor formation region R11, the fourth to sixth layer selection transistor formation region R4 is used. Further, in this region R4, the side surfaces of the uppermost layer to the third layer semiconductor layer 207 are exposed, and etching is performed to such a depth that the fourth layer to the lowermost layer (sixth layer) semiconductor layer 207 is not exposed.

ついで、図3−5に示されるように、リソグラフィ技術およびRIE法を用いて埋め込み絶縁膜211を部分的にエッチングする処理を、さらに2回繰り返すことによって、埋め込み絶縁膜211が5段の階段状となるように加工する。その結果、第1の階層選択トランジスタの形成領域ではすべての半導体層207の側面が埋め込み絶縁膜211で被覆され、第2の階層選択トランジスタの形成領域では最上層の半導体層207の側面が露出し、第3の階層選択トランジスタの形成領域では最上層と上から2層目の半導体層207の側面が露出し、・・・、第6の階層選択トランジスタの形成領域では最上層〜5層目の半導体層207の側面が露出した状態となる。   Next, as shown in FIG. 3-5, the process of partially etching the buried insulating film 211 using the lithography technique and the RIE method is further repeated twice, so that the buried insulating film 211 has five steps. To be processed. As a result, the side surfaces of all the semiconductor layers 207 are covered with the buried insulating film 211 in the formation region of the first hierarchy selection transistor, and the side surfaces of the uppermost semiconductor layer 207 are exposed in the formation region of the second hierarchy selection transistor. In the third layer selection transistor formation region, the uppermost layer and the side surface of the second semiconductor layer 207 from the top are exposed, and in the sixth layer selection transistor formation region, the uppermost layer to the fifth layer are exposed. The side surface of the semiconductor layer 207 is exposed.

ついで、図3−6に示されるように、希弗酸で前処理を行った後、所定の導電型の不純物を含む拡散源膜212をフィン構造間に形成し、熱処理を行うことによって、拡散源膜212から半導体層207へと不純物を拡散させる。拡散源膜212として、たとえばPを6atomic%ドープしたPSG(Phosphorous doped Silicate Glass)膜を用いることができる。また、拡散源膜212の膜厚としては、たとえば20nmの厚さに設定することができる。さらに、熱処理としては、1,000℃の温度でRTA(Rapid Thermal Annealing)処理を行うことができる。これによって1×1019cm-3以上のPを半導体層207にドーピングする。Pがドーピングされた半導体層207の領域は、この後電荷蓄積層が形成された後に積層された階層を選択する階層選択ゲート電極に電圧を印加した場合でも空乏化が起こらないのでトランジスタとしては常時「オン」の状態になる。 Next, as shown in FIG. 3-6, after pretreatment with dilute hydrofluoric acid, a diffusion source film 212 containing impurities of a predetermined conductivity type is formed between the fin structures, and heat treatment is performed, thereby diffusion. Impurities are diffused from the source film 212 to the semiconductor layer 207. As the diffusion source film 212, for example, a PSG (Phosphorous doped Silicate Glass) film doped with 6 atomic% of P can be used. The film thickness of the diffusion source film 212 can be set to a thickness of 20 nm, for example. Further, as the heat treatment, RTA (Rapid Thermal Annealing) treatment can be performed at a temperature of 1,000 ° C. Thus, the semiconductor layer 207 is doped with P of 1 × 10 19 cm −3 or more. In the region of the semiconductor layer 207 doped with P, depletion does not occur even when a voltage is applied to a layer selection gate electrode that selects a layered layer after the charge storage layer is formed. Turns on.

ついで、ウエットエッチングによって、拡散源膜212を選択的に除去する。ウエットエッチングの薬液としては、拡散源膜212がPSG膜の場合には、たとえば希弗酸(DHF)を用いることができる。希弗酸を用いた場合のPSG膜のウエットエッチングレートは1,000℃のRTA処理後でも、埋め込み絶縁膜211を構成するTEOS/O3膜の10倍以上あるため、選択的な除去が可能となる。 Next, the diffusion source film 212 is selectively removed by wet etching. As the chemical solution for wet etching, for example, dilute hydrofluoric acid (DHF) can be used when the diffusion source film 212 is a PSG film. Since the wet etching rate of the PSG film when using dilute hydrofluoric acid is more than 10 times that of the TEOS / O 3 film constituting the buried insulating film 211 even after RTA treatment at 1,000 ° C., selective removal is possible. It becomes.

その後、図3−7に示されるように、RIE法によって埋め込み絶縁膜211を、積層されたメモリ層の1階層分エッチバックする。これによって、第1の階層選択トランジスタの形成領域では、最上層の半導体層207の側面が露出し、第2の階層選択トランジスタの形成領域では、2層目の半導体層207の側面が露出し、・・・、第6の階層選択トランジスタの形成領域では、6層目の半導体層207の側面が露出する。さらに、コンタクト層210の上面もエッチバックを行う。   Thereafter, as shown in FIG. 3-7, the buried insulating film 211 is etched back for one layer of the stacked memory layers by the RIE method. As a result, the side surface of the uppermost semiconductor layer 207 is exposed in the formation region of the first layer selection transistor, and the side surface of the second semiconductor layer 207 is exposed in the formation region of the second layer selection transistor. ..., the side surface of the sixth semiconductor layer 207 is exposed in the formation region of the sixth layer selection transistor. Furthermore, the upper surface of the contact layer 210 is also etched back.

ついで、リソグラフィ技術およびRIE法によってメモリセル形成領域R12に形成されている埋め込み絶縁膜211をエッチバックする。これによって、メモリセル形成領域R12で半導体層207の側面が露出する。そして、ウエットエッチングによって、最上層の層間絶縁膜209よりも上のストッパ膜204および平坦化膜208を除去する。ストッパ膜204をシリコン窒化膜で構成し、平坦化膜208をシリコン酸化膜で構成する場合には、ウエットエッチングの薬液として熱燐酸を用いることができる。   Next, the embedded insulating film 211 formed in the memory cell formation region R12 is etched back by lithography and RIE. As a result, the side surface of the semiconductor layer 207 is exposed in the memory cell formation region R12. Then, the stopper film 204 and the planarizing film 208 above the uppermost interlayer insulating film 209 are removed by wet etching. When the stopper film 204 is formed of a silicon nitride film and the planarization film 208 is formed of a silicon oxide film, hot phosphoric acid can be used as a chemical solution for wet etching.

ついで、図3−8に示されるように、希弗酸で前処理を行った後、CVD法などの成膜法によって、半導体層207の側面が覆われるようにして、フィン構造およびゲート電極膜203上に電荷蓄積層213を形成する。電荷蓄積層213としては、たとえばアルミナ膜/シリコン窒化膜/シリコン酸化膜からなるANO膜を用いることができ、このときの膜厚は、下から順に13nm,2nm,3nmで合計18nmに設定することができる。   Next, as shown in FIG. 3-8, after the pretreatment with diluted hydrofluoric acid, the side surface of the semiconductor layer 207 is covered by a film forming method such as a CVD method so that the fin structure and the gate electrode film are covered. A charge storage layer 213 is formed on 203. As the charge storage layer 213, for example, an ANO film made of alumina film / silicon nitride film / silicon oxide film can be used, and the film thicknesses at this time are set to 18 nm in total from 13 nm, 2 nm, and 3 nm in this order. Can do.

ついで、CVD法などの成膜法によって、半導体基板201上の全面に、メモリセルトランジスタの制御ゲート電極223の一部となり、階層選択トランジスタの階層選択ゲート電極217〜222の一部となるゲート電極膜214を形成する。ゲート電極膜214としては、たとえばp型多結晶シリコン膜を用いることができる。また、ゲート電極膜214の膜厚としては、たとえば40nm程度に設定することができる。   Next, a gate electrode that becomes a part of the control gate electrode 223 of the memory cell transistor and a part of the hierarchy selection gate electrodes 217 to 222 of the hierarchy selection transistor is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 201 by a film formation method such as a CVD method. A film 214 is formed. As gate electrode film 214, for example, a p-type polycrystalline silicon film can be used. The film thickness of the gate electrode film 214 can be set to, for example, about 40 nm.

ついで、リソグラフィ技術およびRIE法によって、周辺回路部R2のゲート電極形成部分のゲート電極膜214と電荷蓄積層213の一部を除去し、ゲート電極膜203に連通する開口230aを形成する。続いて、メモリセルトランジスタの制御ゲート電極223の一部となり、階層選択トランジスタの階層選択ゲート電極217〜222の一部となり、さらに周辺回路部R2のゲート電極の一部となるゲート電極膜215を、CVD法などの成膜法によって、半導体基板201上の全面に形成する。ゲート電極膜215としては、たとえば、n型多結晶シリコン膜を用いることができる。また、ゲート電極膜215の膜厚としては、たとえば150nm程度に設定することができる。以上で周辺回路のゲート電極膜203とゲート電極膜215とが電気的に接続される。   Next, a part of the gate electrode film 214 and the charge storage layer 213 in the gate electrode formation portion of the peripheral circuit portion R2 is removed by a lithography technique and an RIE method, and an opening 230a communicating with the gate electrode film 203 is formed. Subsequently, a gate electrode film 215 that becomes a part of the control gate electrode 223 of the memory cell transistor, becomes a part of the hierarchy selection gate electrodes 217 to 222 of the hierarchy selection transistor, and further becomes a part of the gate electrode of the peripheral circuit portion R2. The film is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 201 by a film forming method such as a CVD method. As gate electrode film 215, for example, an n-type polycrystalline silicon film can be used. The film thickness of the gate electrode film 215 can be set to, for example, about 150 nm. Thus, the gate electrode film 203 and the gate electrode film 215 of the peripheral circuit are electrically connected.

その後、ゲート電極膜215上にメモリセル部R1に形成されるトランジスタのゲート電極加工用のマスク膜216をCVD法などの成膜法によって形成する。このマスク膜216としては、たとえばシリコン窒化膜を用いることができる。また、マスク膜216の膜厚としては、たとえば100nmに設定することができる。   Thereafter, a mask film 216 for processing the gate electrode of the transistor formed in the memory cell portion R1 is formed on the gate electrode film 215 by a film forming method such as a CVD method. As the mask film 216, for example, a silicon nitride film can be used. The film thickness of the mask film 216 can be set to 100 nm, for example.

その後、リソグラフィ技術およびRIE法によって、メモリセル部R1における制御ゲート電極223および階層選択ゲート電極217〜222の平面形状に対応するようにマスク膜216をパターニングする。そして、マスク膜216を介してゲート電極膜215,214および電荷蓄積層213を一括してRIE法によってエッチングする。これによって、第1の方向に延在するフィン構造と交差するように(第2の方向に延在するように)電荷蓄積層213を介して配置された制御ゲート電極223と階層選択ゲート電極217〜222がメモリセル部R1に形成される。このとき、図示していないが、周辺回路部R2でもゲート電極が加工される。なお、メモリセル部R1の制御ゲート電極223のハーフピッチは、たとえば22nmに設定することができる。また、このとき、階層選択ゲート電極217〜220は、部分的に埋め込み絶縁膜211が成膜されているので、ゲート電極が成膜される深さが場所によって異なる。そのため、階層選択ゲート電極217〜222の長さがメモリセル形成領域R12に近い側から、フィン構造の端部に向かって階段状に長くなる。以上によって、図3−8に示される構造が得られる。   Thereafter, the mask film 216 is patterned by the lithography technique and the RIE method so as to correspond to the planar shapes of the control gate electrode 223 and the hierarchy selection gate electrodes 217 to 222 in the memory cell portion R1. Then, the gate electrode films 215 and 214 and the charge storage layer 213 are collectively etched by the RIE method through the mask film 216. Accordingly, the control gate electrode 223 and the hierarchy selection gate electrode 217 arranged via the charge storage layer 213 so as to intersect with the fin structure extending in the first direction (extending in the second direction). To 222 are formed in the memory cell portion R1. At this time, although not shown, the gate electrode is also processed in the peripheral circuit portion R2. The half pitch of the control gate electrode 223 of the memory cell portion R1 can be set to 22 nm, for example. At this time, since the buried insulating film 211 is partially formed in the hierarchy selection gate electrodes 217 to 220, the depth at which the gate electrode is formed differs depending on the location. Therefore, the length of the hierarchy selection gate electrodes 217 to 222 increases in a stepped manner from the side close to the memory cell formation region R12 toward the end of the fin structure. As a result, the structure shown in FIGS. 3-8 is obtained.

その後、図示しないが、水素/酸素混合ガスから生成されるラジカルを用いる高温短時間酸化処理で、制御ゲート電極223および階層選択ゲート電極217〜222の側壁を酸化し、制御ゲート電極223および階層選択ゲート電極217〜222の加工不足による隣接ゲート電極間に残存した多結晶シリコン膜を焼き切る。これによって、これらの短絡を防止するとともに、加工ダメージを除去する。ついで、ALD法などの成膜法によって、周辺回路部R2のサイドウォールスペーサ膜を形成するとともに、メモリセル部R1の制御ゲート電極223と階層選択ゲート電極217〜222の間が埋め込まれるように埋め込み絶縁膜を形成する。この埋め込み絶縁膜としては、たとえばBPSG膜などを用いることができる。さらに、リソグラフィ技術、イオン注入技術および活性化アニール技術によって、周辺回路部の拡散層を形成する。そして、層間絶縁膜を形成し、拡散層/ゲート電極へのコンタクトを形成し、さらに多層配線層を形成することによってフラッシュメモリの回路を形成する。以上によって、第2の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置が完成する。   Thereafter, although not shown, the sidewalls of the control gate electrode 223 and the hierarchy selection gate electrodes 217 to 222 are oxidized by high-temperature and short-time oxidation using radicals generated from a hydrogen / oxygen mixed gas, and the control gate electrode 223 and the hierarchy selection are performed. The polycrystalline silicon film remaining between adjacent gate electrodes due to insufficient processing of the gate electrodes 217 to 222 is burned out. This prevents these short circuits and removes processing damage. Next, a sidewall spacer film of the peripheral circuit portion R2 is formed by a film forming method such as an ALD method, and embedded so that the space between the control gate electrode 223 and the hierarchy selection gate electrodes 217 to 222 of the memory cell portion R1 is embedded. An insulating film is formed. As this buried insulating film, for example, a BPSG film can be used. Further, the diffusion layer of the peripheral circuit portion is formed by lithography, ion implantation, and activation annealing. Then, an interlayer insulating film is formed, a contact to the diffusion layer / gate electrode is formed, and a multilayer wiring layer is formed to form a flash memory circuit. As described above, the nonvolatile semiconductor memory device according to the second embodiment is completed.

なお、図3−8に示されるように、第1〜第6の階層選択トランジスタの階層選択ゲート電極217〜222の長さが階段状に形成されており、また階層選択ゲート電極217〜222で覆われている半導体層207のうち最下層の半導体層207には不純物がドーピングされておらず、これらの最下層の半導体層207よりも上の半導体層207には高濃度の不純物がドーピングされている。そのため、階層選択ゲート電極217〜222に電圧を印加しても、高濃度の不純物がドーピングされた半導体層207の階層選択ゲート電極217〜222で被覆される領域において、空乏層が延びて導通が遮断されることはない。つまり、各階層選択ゲート電極217〜222は階層選択ゲート電極217〜222で覆われている複数層の半導体層207のうち、最下層の半導体層207のみ、空乏層を延ばすことによって導通を遮断することができるので、積層された各半導体層207を独立に遮断することができる。すなわち、第1〜第6の階層選択ゲート電極217〜222は順に最上層(上から1層目)、2層目、3層目、4層目、5層目、6層目(最下層)の半導体層207を選択するゲートとして機能する。   As shown in FIG. 3-8, the lengths of the hierarchy selection gate electrodes 217 to 222 of the first to sixth hierarchy selection transistors are formed stepwise, and the hierarchy selection gate electrodes 217 to 222 are Of the covered semiconductor layer 207, the lowermost semiconductor layer 207 is not doped with impurities, and the semiconductor layer 207 above these lowermost semiconductor layers 207 is doped with high-concentration impurities. Yes. Therefore, even when a voltage is applied to the hierarchy selection gate electrodes 217 to 222, the depletion layer extends in the region covered with the hierarchy selection gate electrodes 217 to 222 of the semiconductor layer 207 doped with the high-concentration impurities, and the conduction is made. It will not be blocked. That is, each of the hierarchical selection gate electrodes 217 to 222 blocks conduction by extending the depletion layer only in the lowermost semiconductor layer 207 of the multiple semiconductor layers 207 covered by the hierarchical selection gate electrodes 217 to 222. Therefore, the stacked semiconductor layers 207 can be cut off independently. That is, the first to sixth hierarchy selection gate electrodes 217 to 222 are in the uppermost layer (first layer from the top), second layer, third layer, fourth layer, fifth layer, sixth layer (lowermost layer) in order. The semiconductor layer 207 functions as a gate for selecting.

第2の実施の形態によれば、半導体層207と、制御ゲート電極223および階層選択ゲート電極217〜222は通常の積層しないメモリと同じ一回ずつのリソグラフィ工程で加工を行うことができる。また、第1の実施の形態と同様に、積層された半導体層207の形成工程以外はほぼ従来のNAND型フラッシュメモリの製造工程と同一の処理工程となるので、従来のNAND型フラッシュメモリの製造ラインに、半導体層207を積層する工程向けの製造設備を追加する最小限の変更のみで、上記した不揮発性半導体記憶装置を製造することができるという効果を有する。これは微細化によってビットコストを低減する観点からは極めて有効である。   According to the second embodiment, the semiconductor layer 207, the control gate electrode 223, and the hierarchy selection gate electrodes 217 to 222 can be processed in the same lithography process as that of a normal non-stacked memory. In addition, as in the first embodiment, the manufacturing process of the conventional NAND flash memory is substantially the same as the manufacturing process of the conventional NAND flash memory except for the process of forming the stacked semiconductor layers 207. There is an effect that the above-described nonvolatile semiconductor memory device can be manufactured with only a minimal change in which a manufacturing facility for the process of stacking the semiconductor layer 207 is added to the line. This is extremely effective from the viewpoint of reducing the bit cost by miniaturization.

また、半導体層207への不純物の導入を、フィン状の積層構造間に不純物を含む拡散源膜212を埋め込み、熱処理によって拡散させるようにしたので、GPDで不純物の拡散を行う場合に比して、半導体層207の表面状態の影響を受け難くなるとともに、低濃度の不純物の拡散が容易になるという効果を有する。さらに、不純物を含む拡散源膜212に関して、半導体層207に不純物を拡散させた後に除去するのではなく、後工程で電荷蓄積層213を介して半導体層207の側面に対向形成するゲート電極膜214の部分を埋め込むための溝を加工するようにすれば、溝の周囲ではそのまま隣接する半導体層207間の絶縁層として使用することもできるという効果を有する。   In addition, since the impurity is introduced into the semiconductor layer 207 by burying the diffusion source film 212 containing the impurity between the fin-like stacked structures and diffusing by heat treatment, the impurity is diffused by GPD. In addition, the semiconductor layer 207 is less susceptible to the surface state of the semiconductor layer 207 and has an effect of facilitating the diffusion of low concentration impurities. Further, the diffusion source film 212 containing impurities is not removed after the impurities are diffused in the semiconductor layer 207, but is formed to face the side surface of the semiconductor layer 207 via the charge storage layer 213 in a later step. If the groove for embedding this part is processed, it can be used as an insulating layer between adjacent semiconductor layers 207 as it is around the groove.

なお、上述した説明では、単結晶シリコン膜とシリコン酸化膜とを積層して一括加工を行う場合を示したが、これに代えて多結晶シリコン膜とシリコン酸化膜とを積層して一括加工を行うようにしてもよい。   In the above description, the case where the single crystal silicon film and the silicon oxide film are stacked to perform batch processing has been shown. Instead, the polycrystalline silicon film and the silicon oxide film are stacked to perform batch processing. You may make it perform.

(第3の実施の形態)
第1と第2の実施の形態は、半導体基板上の異なる領域に周辺回路部とメモリセル部とを設ける場合を示したが、第3の実施の形態では、半導体基板上に周辺回路部を多層配線構造で形成し、周辺回路部上にメモリセル部を設ける構造について説明する。また、この第3の実施の形態では、フィン構造を構成する半導体層と層間絶縁膜とを気相成長法で交互に積層して形成し、階層選択ゲート電極の空乏化が不要な部位に固相拡散法によって一括して不純物拡散を行う場合の製造方法について説明する。
(Third embodiment)
In the first and second embodiments, the peripheral circuit portion and the memory cell portion are provided in different regions on the semiconductor substrate. In the third embodiment, the peripheral circuit portion is provided on the semiconductor substrate. A structure in which a multilayer wiring structure is formed and a memory cell portion is provided on a peripheral circuit portion will be described. In the third embodiment, the semiconductor layers constituting the fin structure and the interlayer insulating film are alternately stacked by the vapor phase growth method so that the layer selection gate electrode is not required to be depleted. A manufacturing method in the case of performing impurity diffusion collectively by the phase diffusion method will be described.

図4−1〜図4−6は、第3の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である。これらの図において、(a)は、ビット線方向の断面を示し、(b)は、(a)のD−D断面図を示しており、階層選択トランジスタのワード線方向の断面図である。また、(a)は(b)のフィン構造間の切断面またはそれに対応する位置での切断面である。なお、この製造方法では、ビット線のハーフピッチが32nmであり、ワード線のハーフピッチが32nmであるデザインのメモリセルを8層積層することによって、平面セル構造での11nm世代に相当するセル面積512nm2を実現するフラッシュメモリを例に挙げる。 4A to 4D are cross-sectional views schematically illustrating an example of a procedure of the method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device according to the third embodiment. In these drawings, (a) shows a cross section in the bit line direction, (b) shows a DD cross section in (a), and is a cross section in the word line direction of the hierarchical selection transistor. Moreover, (a) is a cut surface between the fin structures of (b) or a cut surface at a position corresponding thereto. In this manufacturing method, the cell area corresponding to the 11 nm generation in the planar cell structure is formed by stacking eight memory cells having a design in which the half pitch of the bit lines is 32 nm and the half pitch of the word lines is 32 nm. Take a flash memory that realizes 512 nm 2 as an example.

まず、図4−1に示される構造を形成する。すなわち、半導体基板301上に周辺回路部R2のSTI302と、電界効果型トランジスタ303と、を形成した後、層間絶縁膜304を形成する。ついで、層間絶縁膜304上に、配線305を形成し、電界効果型トランジスタ303と電気的に接続する。さらに、層間絶縁膜306を形成した後、層間絶縁膜306上に配線305と電気的に接続する配線307を形成する。その後、層間絶縁膜308を形成し、CMP法などの方法で上面の平坦化を行う。なお、電界効果型トランジスタ303と配線305との間はコンタクトを介して接続され、配線305,307間はビアを介して接続される。そして、配線307の形成位置上に、層間絶縁膜308を貫通し、配線307に至るビアホールを形成し、後に形成するメモリセルと接続するコンタクトプラグ309をビアホール内に埋め込む。この半導体基板301上に形成された電界効果型トランジスタ303を含む多層配線構造が、周辺回路部R2となる。   First, the structure shown in FIG. 4A is formed. That is, after forming the STI 302 of the peripheral circuit portion R2 and the field effect transistor 303 on the semiconductor substrate 301, the interlayer insulating film 304 is formed. Next, a wiring 305 is formed over the interlayer insulating film 304 and is electrically connected to the field effect transistor 303. Further, after the interlayer insulating film 306 is formed, a wiring 307 that is electrically connected to the wiring 305 is formed over the interlayer insulating film 306. Thereafter, an interlayer insulating film 308 is formed, and the upper surface is planarized by a method such as CMP. Note that the field-effect transistor 303 and the wiring 305 are connected via a contact, and the wirings 305 and 307 are connected via a via. Then, a via hole that penetrates the interlayer insulating film 308 and reaches the wiring 307 is formed on a position where the wiring 307 is formed, and a contact plug 309 connected to a memory cell to be formed later is embedded in the via hole. A multilayer wiring structure including the field effect transistor 303 formed on the semiconductor substrate 301 becomes the peripheral circuit portion R2.

ついで、周辺回路部R2上に、メモリセル部R1を形成していくが、最初に、LPCVD法によって層間絶縁膜310と半導体層311とを交互に複数層積層し、最上層は層間絶縁膜310で終わるようにする。層間絶縁膜310として、TEOS膜などを用いることができ、半導体層311として、たとえばSi,Ge,SiGe,SiC,SiSn,PbS,GaAs,InP,GaP,GaN,ZnSe,GaInAsPなどの中から、選択される材料を用いることができるが、ここではp型多結晶シリコン膜を用いるものとする。また、層間絶縁膜310と半導体層311の膜厚は、それぞれたとえば20nm、20nmの厚さで交互に8層形成し、最後に層間絶縁膜310を50nmの厚さで形成するものとする。   Next, the memory cell portion R1 is formed on the peripheral circuit portion R2. First, a plurality of interlayer insulating films 310 and semiconductor layers 311 are alternately stacked by the LPCVD method, and the uppermost layer is the interlayer insulating film 310. End with. A TEOS film or the like can be used as the interlayer insulating film 310, and the semiconductor layer 311 can be selected from, for example, Si, Ge, SiGe, SiC, SiSn, PbS, GaAs, InP, GaP, GaN, ZnSe, and GaInAsP. In this example, a p-type polycrystalline silicon film is used. In addition, the interlayer insulating film 310 and the semiconductor layer 311 are formed with eight layers alternately having a thickness of, for example, 20 nm and 20 nm, respectively, and finally the interlayer insulating film 310 is formed with a thickness of 50 nm.

その後、リソグラフィ技術およびRIE法によって、メモリセル部R1の層間絶縁膜310/半導体層311の積層膜に、コンタクトプラグ309に連通する溝312aを形成する。ここでは、下層の周辺回路部R2のコンタクトプラグ309の形成位置に対応する位置の層間絶縁膜310/半導体層311の積層膜を一括加工して溝312aを形成する。その後、溝312aを埋め込むように、コンタクト層312を形成する。コンタクト層312として、たとえばn型多結晶シリコン膜を用いることができる。そして、RIE法によって全面エッチバックし、層間絶縁膜310をストッパとして、最上層の層間絶縁膜310上に形成されたコンタクト層312を除去する。以上の処理によって、図4−1に示される構造が得られる。   Thereafter, a trench 312a communicating with the contact plug 309 is formed in the laminated film of the interlayer insulating film 310 / semiconductor layer 311 of the memory cell portion R1 by lithography technique and RIE method. Here, the groove 312a is formed by collectively processing the laminated film of the interlayer insulating film 310 / semiconductor layer 311 at a position corresponding to the position where the contact plug 309 is formed in the lower peripheral circuit portion R2. Thereafter, a contact layer 312 is formed so as to fill the groove 312a. As contact layer 312, for example, an n-type polycrystalline silicon film can be used. Then, the entire surface is etched back by the RIE method, and the contact layer 312 formed on the uppermost interlayer insulating film 310 is removed using the interlayer insulating film 310 as a stopper. The structure shown in FIG. 4A is obtained by the above processing.

ついで、図4−2に示されるように、リソグラフィ技術およびRIE法によって、メモリセル部R1の層間絶縁膜310/半導体層311の積層膜を第1の方向に延在する帯状の構造物(フィン構造)に一括加工する。これによって、複数のフィン構造が第2の方向に所定の間隔をおいて並行して形成され、半導体層311の側面が露出した状態となる。なお、この半導体層311は、活性領域となる。また、このフィン構造の幅は、たとえば20nmに設定することができ、このフィン構造のハーフピッチは、たとえば32nmに設定することができる。   Next, as shown in FIG. 4B, a band-shaped structure (fin fin) extending in the first direction through the laminated film of the interlayer insulating film 310 / semiconductor layer 311 of the memory cell portion R1 by lithography and RIE. (Structure) is batch processed. As a result, a plurality of fin structures are formed in parallel in the second direction at predetermined intervals, and the side surface of the semiconductor layer 311 is exposed. Note that the semiconductor layer 311 serves as an active region. The width of the fin structure can be set to 20 nm, for example, and the half pitch of the fin structure can be set to 32 nm, for example.

その後、図4−3に示されるように、フィン構造間にCVD法などの成膜法によって埋め込み絶縁膜313を形成する。埋め込み絶縁膜313としては、TEOS/O3膜を用いることができる。その後、リソグラフィ技術およびRIE法を用いて、メモリセル部R1のうち階層選択トランジスタ形成領域R11の部分に埋め込まれた埋め込み絶縁膜313をエッチバックする。ついで、半導体基板301上の全面に、階層選択トランジスタ形成領域R11の半導体層311に所定の導電型の不純物を拡散させるための拡散源膜314を形成する。その後、リソグラフィ技術およびRIE法を用いて拡散源膜314を部分的にエッチングする。ここで、後に形成する階層選択トランジスタのうち、メモリセル形成領域R12に近いものから順に第1、第2、・・・および第8の階層選択トランジスタというものとすると、エッチングする領域は、階層選択トランジスタ形成領域R11のうち、第1〜第4の階層選択トランジスタの形成領域R5とされる。また、この領域R5では、最上層〜4層目の半導体層311の側面が露出し、5層目〜最下層(8層目)の半導体層311が露出しない深さまでエッチングされる。なお、拡散源膜314として、たとえば、P濃度が6atomic%のPSG膜を用いることができる。また、拡散源膜314の膜厚として、たとえば30nm程度に設定することができる。 Thereafter, as shown in FIG. 4C, a buried insulating film 313 is formed between the fin structures by a film forming method such as a CVD method. As the buried insulating film 313, a TEOS / O 3 film can be used. Thereafter, the embedded insulating film 313 embedded in the portion of the hierarchical selection transistor formation region R11 in the memory cell portion R1 is etched back by using the lithography technique and the RIE method. Next, a diffusion source film 314 for diffusing impurities of a predetermined conductivity type is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 301 in the semiconductor layer 311 of the hierarchical selection transistor formation region R11. Thereafter, the diffusion source film 314 is partially etched using a lithography technique and an RIE method. Here, if the first, second,..., And eighth hierarchical selection transistors are formed in order from the one close to the memory cell formation region R12 among the hierarchical selection transistors to be formed later, the region to be etched is hierarchical selection. Of the transistor formation region R11, the formation region R5 of the first to fourth hierarchy selection transistors is used. Further, in this region R5, the side surfaces of the uppermost layer to the fourth layer semiconductor layer 311 are exposed, and etching is performed to such a depth that the fifth to lowermost layer (eighth layer) semiconductor layer 311 is not exposed. As the diffusion source film 314, for example, a PSG film having a P concentration of 6 atomic% can be used. Further, the film thickness of the diffusion source film 314 can be set to about 30 nm, for example.

ついで、図4−4に示されるように、リソグラフィ技術およびRIE法を用いて、拡散源膜314を部分的にエッチングする処理を、さらに2回繰り返すことによって、拡散源膜314が7段の階段状となるように加工する。その結果、第1の階層選択トランジスタの形成領域では最上層〜上から7層目の半導体層311の側面が露出し、第2の階層選択トランジスタの形成領域では最上層〜6層目の半導体層311の側面が露出し、・・・、第7の階層選択トランジスタの形成領域では最上層の半導体層311の側面が露出し、第8の階層選択トランジスタの形成領域ではすべての半導体層311の側面が拡散源膜314によって覆われた状態となる。   Next, as shown in FIG. 4-4, the process of partially etching the diffusion source film 314 using lithography technique and RIE method is repeated twice more so that the diffusion source film 314 has seven steps. It is processed so that it becomes a shape. As a result, the side surfaces of the semiconductor layer 311 from the top layer to the seventh layer from the top are exposed in the formation region of the first layer selection transistor, and the semiconductor layers from the top layer to the sixth layer are formed in the formation region of the second layer selection transistor. The side surface of 311 is exposed,..., The side surface of the uppermost semiconductor layer 311 is exposed in the formation region of the seventh hierarchy selection transistor, and the side surfaces of all semiconductor layers 311 in the formation region of the eighth hierarchy selection transistor Is covered with the diffusion source film 314.

ついで、図4−5に示されるように、RIE法によって拡散源膜314を、積層されたメモリ層の1階層分エッチバックする。これによって、第1の階層選択トランジスタの形成領域では最上層〜8層目の半導体層311の側面が露出し、第2の階層選択トランジスタの形成領域では最上層〜7層目の半導体層311の側面が露出し、・・・、第7の階層選択トランジスタの形成領域では最上層〜2層目の半導体層311の側面が露出し、第8の階層選択トランジスタの形成領域では最上層の半導体層311の側面が露出した状態となる。   Next, as shown in FIG. 4-5, the diffusion source film 314 is etched back for one layer of the stacked memory layers by the RIE method. As a result, the side surfaces of the uppermost to eighth semiconductor layers 311 are exposed in the formation region of the first hierarchical selection transistor, and the uppermost to seventh semiconductor layers 311 are exposed in the formation region of the second hierarchical selection transistor. Side surfaces are exposed; in the formation region of the seventh layer selection transistor, the side surfaces of the uppermost layer to the second layer semiconductor layer 311 are exposed; in the formation region of the eighth layer selection transistor, the uppermost semiconductor layer The side surface of 311 is exposed.

その後、半導体基板301上の全面に埋め込み絶縁膜315を形成する。埋め込み絶縁膜315として、たとえばTEOS/O3膜を用いることができる。また、埋め込み絶縁膜315の膜厚は、30nm程度に設定することができる。そして、第1の拡散源膜314を階段状にエッチングした方法と同様の方法で、埋め込み絶縁膜315も階段状にエッチングする。 Thereafter, a buried insulating film 315 is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 301. As the buried insulating film 315, for example, a TEOS / O 3 film can be used. The film thickness of the buried insulating film 315 can be set to about 30 nm. Then, the buried insulating film 315 is etched stepwise by the same method as the method of etching the first diffusion source film 314 stepwise.

ウエットエッチングによって、半導体層311の側壁に残存した埋め込み絶縁膜315を除去した後、埋め込み絶縁膜315が除去されたフィン構造間を埋め込むように、さらに拡散源膜316を形成する。拡散源膜316として、P濃度が6atomic%のPSG膜を用いることができる。また、拡散源膜316の膜厚は、30nm程度に設定することができる。その後、たとえばCMP法などによって、拡散源膜316の上面を平坦化する。   After the buried insulating film 315 remaining on the sidewall of the semiconductor layer 311 is removed by wet etching, a diffusion source film 316 is further formed so as to be buried between the fin structures from which the buried insulating film 315 has been removed. As the diffusion source film 316, a PSG film having a P concentration of 6 atomic% can be used. The film thickness of the diffusion source film 316 can be set to about 30 nm. Thereafter, the upper surface of the diffusion source film 316 is planarized by, eg, CMP.

その後、熱処理を行うことによって、拡散源膜314,316から半導体層311へと不純物を拡散させる。この熱処理としては、1,000℃の温度で10秒間のRTA処理を行うことができる。これによって、拡散源膜314,316と接した半導体層311に5×1019cm-3以上のPが拡散される。 Thereafter, heat treatment is performed to diffuse impurities from the diffusion source films 314 and 316 to the semiconductor layer 311. As this heat treatment, an RTA treatment at a temperature of 1,000 ° C. for 10 seconds can be performed. As a result, P of 5 × 10 19 cm −3 or more is diffused into the semiconductor layer 311 in contact with the diffusion source films 314 and 316.

ついで、図4−6に示されるように、リソグラフィ技術およびRIE法によって、メモリセル部R1に埋め込まれた拡散源膜316、埋め込み絶縁膜315、拡散源膜314および埋め込み絶縁膜313をエッチバックする。さらに、ウエットエッチングで半導体層311の側壁上から拡散源膜316、埋め込み絶縁膜315、拡散源膜314および埋め込み絶縁膜313を完全に除去する。   Next, as shown in FIG. 4-6, the diffusion source film 316, the buried insulating film 315, the diffusion source film 314, and the buried insulating film 313 buried in the memory cell portion R1 are etched back by lithography and RIE. . Further, the diffusion source film 316, the buried insulating film 315, the diffusion source film 314, and the buried insulating film 313 are completely removed from the sidewalls of the semiconductor layer 311 by wet etching.

その後、CVD法などの成膜法によって、半導体層311の側面が覆われるようにして、フィン構造上に電荷蓄積層317を形成する。電荷蓄積層317としては、たとえばシリコン酸化膜/シリコン窒化膜/シリコン酸化膜からなるONO膜を用いることができ、このときの膜厚は、下から順に3nm/2nm/7nmで合計12nmに設定することができる。   Thereafter, the charge storage layer 317 is formed over the fin structure by a film formation method such as a CVD method so that the side surface of the semiconductor layer 311 is covered. As the charge storage layer 317, for example, an ONO film made of silicon oxide film / silicon nitride film / silicon oxide film can be used, and the film thickness at this time is set to 3 nm / 2 nm / 7 nm in order from the bottom to a total of 12 nm. be able to.

ついで、CVD法などの成膜法によって、半導体基板301上の全面に、メモリセルトランジスタの制御ゲート電極328の一部となり、階層選択トランジスタの階層選択ゲート電極320〜327の一部となるゲート電極膜318を形成する。ゲート電極膜318としては、たとえばp型多結晶シリコン膜を用いることができる。また、ゲート電極膜318の膜厚としては、たとえば100nm程度に設定することができる。   Next, a gate electrode that becomes a part of the control gate electrode 328 of the memory cell transistor and a part of the hierarchy selection gate electrodes 320 to 327 of the hierarchy selection transistor is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 301 by a film forming method such as a CVD method. A film 318 is formed. As gate electrode film 318, for example, a p-type polycrystalline silicon film can be used. The film thickness of the gate electrode film 318 can be set to about 100 nm, for example.

その後、ゲート電極膜318上にメモリセル部R1に形成されるトランジスタのゲート電極加工用のマスク膜319をCVD法などの成膜法によって形成する。このマスク膜319としては、たとえばシリコン窒化膜を用いることができる。また、マスク膜319の膜厚としては、たとえば100nmに設定することができる。   Thereafter, a mask film 319 for processing the gate electrode of the transistor formed in the memory cell portion R1 is formed on the gate electrode film 318 by a film forming method such as a CVD method. As the mask film 319, for example, a silicon nitride film can be used. The film thickness of the mask film 319 can be set to 100 nm, for example.

その後、リソグラフィ技術およびRIE法によって、メモリセル部R1における制御ゲート電極328および階層選択ゲート電極320〜327の平面形状に対応するようにマスク膜319をパターニングする。そして、マスク膜319を介してゲート電極膜318および電荷蓄積層317を一括してRIE法によってエッチングする。これによって、第1の方向に延在するフィン構造と交差するように(第2の方向に延在するように)電荷蓄積層317を介して配置された制御ゲート電極328と階層選択ゲート電極320〜327がメモリセル部R1に形成される。なお、メモリセル部R1の制御ゲート電極328のハーフピッチは、たとえば32nmに設定することができる。また、このとき、階層選択ゲート電極320〜327となるゲート電極は、第1と第2の実施の形態とは異なり、すべて同一形状(同じ長さ)に形成される。以上によって、図4−6に示される構造が得られる。   Thereafter, the mask film 319 is patterned by the lithography technique and the RIE method so as to correspond to the planar shapes of the control gate electrode 328 and the hierarchy selection gate electrodes 320 to 327 in the memory cell portion R1. Then, the gate electrode film 318 and the charge storage layer 317 are collectively etched by the RIE method through the mask film 319. As a result, the control gate electrode 328 and the hierarchy selection gate electrode 320 disposed through the charge storage layer 317 so as to intersect with the fin structure extending in the first direction (extending in the second direction). 327 are formed in the memory cell portion R1. Note that the half pitch of the control gate electrodes 328 of the memory cell portion R1 can be set to 32 nm, for example. At this time, the gate electrodes to be the hierarchy selection gate electrodes 320 to 327 are all formed in the same shape (the same length), unlike the first and second embodiments. As a result, the structure shown in FIG. 4-6 is obtained.

その後、図示しないが、水素/酸素混合ガスから生成されるラジカルを用いる高温短時間酸化処理で、制御ゲート電極328および階層選択ゲート電極320〜327の側壁を酸化し、制御ゲート電極328および階層選択ゲート電極320〜327の加工不足による隣接ゲート電極間に残存した多結晶シリコン膜を焼き切る。これによって、これらの短絡を防止するとともに、加工ダメージを除去する。そして、層間絶縁膜を形成し、多層配線工程によってメモリセル部R1の形成以前に形成した周辺回路部R2と、メモリセルのワード線およびビット線と、を接続する。以上によって、第3の実施の形態による不揮発性半導体記憶装置が完成する。   Thereafter, although not shown, the sidewalls of the control gate electrode 328 and the hierarchy selection gate electrodes 320 to 327 are oxidized by high-temperature and short-time oxidation treatment using radicals generated from a hydrogen / oxygen mixed gas, and the control gate electrode 328 and the hierarchy selection are performed. The polycrystalline silicon film remaining between adjacent gate electrodes due to insufficient processing of the gate electrodes 320 to 327 is burned out. This prevents these short circuits and removes processing damage. Then, an interlayer insulating film is formed, and the peripheral circuit portion R2 formed before the formation of the memory cell portion R1 by the multilayer wiring process is connected to the word line and the bit line of the memory cell. Thus, the nonvolatile semiconductor memory device according to the third embodiment is completed.

なお、図4−6に示されるように、第3の実施の形態では、第1〜第8の階層選択トランジスタの階層選択ゲート電極320〜327が全て同一形状に形成されるが、既に説明したように階層選択ゲート電極320〜327で覆われている半導体層311のうち7層の半導体層311は拡散源膜314,316からの固相拡散によって高濃度のPがドーピングされた拡散部となっているので、階層選択ゲート電極320〜327に電圧を印加しても、これらの半導体層311では空乏層が延びて導通が遮断されることはない。これに対して、残りの1層の半導体層311では、Pがドーピングされていない非拡散部となっているので、階層選択ゲート電極320〜327に電圧を印加した場合には、この半導体層311で空乏層が延びて導通を遮断する。すなわち、各階層選択ゲート電極320〜327は、階層選択ゲート電極320〜327で覆われている複数層の半導体層311のうち、1層の半導体層311のみで電圧印加時に空乏層を延ばして導通を遮断することができるため、各積層された半導体層311を独立に遮断する機能を有する。具体的には、第1〜第8の階層選択ゲート電極320〜327は、順に最下層(上から8層目)、7層目、6層目、5層目、4層目、3層目、2層目、最上層(1層目)の半導体層311を選択するゲートとして機能する。   As shown in FIG. 4-6, in the third embodiment, the hierarchy selection gate electrodes 320 to 327 of the first to eighth hierarchy selection transistors are all formed in the same shape. As described above, of the semiconductor layers 311 covered with the layer selection gate electrodes 320 to 327, the seven semiconductor layers 311 become diffusion portions doped with high-concentration P by solid phase diffusion from the diffusion source films 314 and 316. Therefore, even if a voltage is applied to the hierarchy selection gate electrodes 320 to 327, the depletion layer extends in these semiconductor layers 311 and conduction is not cut off. On the other hand, the remaining semiconductor layer 311 is a non-diffusion part that is not doped with P. Therefore, when a voltage is applied to the hierarchy selection gate electrodes 320 to 327, the semiconductor layer 311 The depletion layer extends and interrupts conduction. That is, each of the hierarchical selection gate electrodes 320 to 327 is conductive by extending a depletion layer when only a voltage is applied to one semiconductor layer 311 out of the plurality of semiconductor layers 311 covered by the hierarchical selection gate electrodes 320 to 327. Therefore, each stacked semiconductor layer 311 has a function of independently blocking. Specifically, the first to eighth hierarchy selection gate electrodes 320 to 327 are in the lowest layer (the eighth layer from the top), the seventh layer, the sixth layer, the fifth layer, the fourth layer, and the third layer in order. It functions as a gate for selecting the second and uppermost (first) semiconductor layer 311.

第3の実施の形態によれば、周辺回路部R2上にメモリセル部R1を形成したので、第1と第2の実施の形態に比してさらに不揮発性半導体記憶装置の面積を減少させることができるという効果を、第1と第2の実施の形態の効果に加えて得ることができる。また、フィン状の積層構造の半導体層311に不純物を導入する際に、フィン状の積層構造間に埋め込まれる絶縁膜を階段状に加工する場合には、半導体層311の積層数2n層に対してn回のリソグラフィ技術とRIE法を用いた加工工程で加工を行なうことができるという効果も有する。 According to the third embodiment, since the memory cell portion R1 is formed on the peripheral circuit portion R2, the area of the nonvolatile semiconductor memory device can be further reduced as compared with the first and second embodiments. In addition to the effects of the first and second embodiments, it is possible to obtain the effect that In addition, when an impurity is introduced into the semiconductor layer 311 having a fin-shaped stacked structure, an insulating film embedded between the fin-shaped stacked structures is processed stepwise, the number of stacked layers of the semiconductor layers 311 is 2 n layers. On the other hand, there is also an effect that processing can be performed in a processing process using n times of lithography technology and RIE method.

なお、上述した第1と第2の実施の形態において、メモリセル部R1の電荷蓄積層112,213上に形成される制御ゲート電極と階層選択ゲート電極および周辺回路部R2のゲート電極の上層にシリサイド膜を形成してもよい。この場合、周辺回路部R2の電極をシリサイド化して形成するためには、第1のゲート電極膜113,214と第2のゲート電極膜114,215からなる電極膜としては、シリコン系の電極が好ましい。また、周辺回路部R2のゲート電極を、多結晶シリコン膜上に、たとえばW/TiN/Ti,TiN/Ti,WSi,W/TaNなどの金属膜を成膜して形成することもできる。   In the first and second embodiments described above, the control gate electrode and the layer selection gate electrode formed on the charge storage layers 112 and 213 of the memory cell portion R1 and the gate electrode of the peripheral circuit portion R2 are formed above. A silicide film may be formed. In this case, in order to form the electrode of the peripheral circuit portion R2 by silicidation, a silicon-based electrode is used as the electrode film composed of the first gate electrode films 113 and 214 and the second gate electrode films 114 and 215. preferable. Further, the gate electrode of the peripheral circuit portion R2 can be formed by depositing a metal film such as W / TiN / Ti, TiN / Ti, WSi, or W / TaN on the polycrystalline silicon film.

また、第1〜第3の実施の形態で示した不揮発性半導体記憶装置の構造は、一例であり、2層以上であればメモリ層(半導体層)は任意の層数でよい。このようにすることで、不揮発性半導体記憶装置の集積度の向上を図ることができる。   The structures of the nonvolatile semiconductor memory devices shown in the first to third embodiments are merely examples, and the number of memory layers (semiconductor layers) may be any number as long as it is two or more layers. Thus, the integration degree of the nonvolatile semiconductor memory device can be improved.

さらに、第1〜第3の実施の形態では、階層選択トランジスタにおいてもメモリセルトランジスタの電荷蓄積層112,213,317をゲート誘電体膜として使用し、階層選択トランジスタとメモリセルトランジスタを同時に形成する場合を示したが、階層選択トランジスタでは電荷蓄積層とは異なるゲート誘電体膜を形成するようにしてもよい。   Furthermore, in the first to third embodiments, the charge storage layers 112, 213, and 317 of the memory cell transistor are also used as the gate dielectric film in the hierarchy selection transistor, and the hierarchy selection transistor and the memory cell transistor are formed at the same time. As shown, the hierarchical selection transistor may be formed with a gate dielectric film different from the charge storage layer.

101,201,301…半導体基板、102,202…ゲート絶縁膜、103,113,114,203,214,215,318…ゲート電極膜、104,204…ストッパ膜、105…HTO膜、106,107,206,207,311…半導体層、108,208…平坦化膜、109,209,304,306,308,310…層間絶縁膜、110,210,312…コンタクト層、111,205,211,313,315…埋め込み絶縁膜、112,213,317…電荷蓄積層、115,216,319…マスク膜、116,117,217〜222,320〜327…階層選択ゲート電極、118,223,328…制御ゲート電極、212,314,316…拡散源膜、309…コンタクトプラグ、R1…メモリセル部、R11…階層選択トランジスタ形成領域、R12…メモリセル形成領域、R2…周辺回路部。   101, 201, 301 ... semiconductor substrate, 102, 202 ... gate insulating film, 103, 113, 114, 203, 214, 215, 318 ... gate electrode film, 104, 204 ... stopper film, 105 ... HTO film, 106, 107 , 206, 207, 311 ... semiconductor layer, 108, 208 ... planarization film, 109, 209, 304, 306, 308, 310 ... interlayer insulating film, 110, 210, 312 ... contact layer, 111, 205, 211, 313 , 315 ... buried insulating film, 112, 213, 317 ... charge storage layer, 115, 216, 319 ... mask film, 116, 117, 217 to 222, 320 to 327 ... hierarchy selection gate electrode, 118, 223, 328 ... control Gate electrode, 212, 314, 316 ... diffusion source film, 309 ... contact plug, R1 ... memory cell , R11 ... layer selection transistor forming region, R12 ... memory cell formation region, R2 ... peripheral circuit portion.

Claims (5)

層間絶縁膜と半導体層とが交互に積層された積層構造が基板上にフィン状に配置され、前記フィン状の積層構造と交差するとともに積層された前記半導体層の側面を覆うように電荷蓄積層を介して制御ゲート電極が配置されるメモリセルトランジスタ部と、
前記フィン状の積層構造の前記メモリセル部の形成位置に隣接して、前記フィン状の積層構造と交差するようにゲート誘電体膜を介して階層選択ゲート電極が前記半導体層の積層数だけ配置される階層選択トランジスタ部と、
を備え、
前記階層選択ゲート電極は、前記フィン状の積層構造の側面で対向する前記半導体層の数が一層ずつ減少するように階段状に、前記半導体層の側面を前記ゲート誘電体膜を介して前記フィン状の積層構造の上部から覆うように設けられ、
各階層選択ゲート電極によって側面が覆われる前記半導体層のうち、最下層の前記半導体層には所定の導電型の不純物が拡散されておらず、前記最下層の半導体層よりも上層の前記半導体層には所定の導電型の不純物が拡散されていることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
A stacked structure in which interlayer insulating films and semiconductor layers are alternately stacked is arranged in a fin shape on a substrate, intersects with the fin-shaped stacked structure, and covers a side surface of the stacked semiconductor layers. A memory cell transistor portion in which a control gate electrode is disposed via,
Adjacent to the formation position of the memory cell portion of the fin-shaped stacked structure, hierarchical selection gate electrodes are arranged by the number of stacked semiconductor layers through a gate dielectric film so as to intersect the fin-shaped stacked structure. A hierarchical selection transistor unit,
With
The hierarchy selection gate electrode is stepped so that the number of the semiconductor layers facing each other on the side surface of the fin-like stacked structure is decreased step by step, and the side surface of the semiconductor layer is interposed between the fin dielectric film via the gate dielectric film. Is provided so as to cover from the top of the laminated structure,
Among the semiconductor layers whose side surfaces are covered by the respective hierarchy selection gate electrodes, impurities of a predetermined conductivity type are not diffused in the lowermost semiconductor layer, and the upper semiconductor layer is higher than the lowermost semiconductor layer. A non-volatile semiconductor memory device, wherein impurities of a predetermined conductivity type are diffused.
層間絶縁膜と半導体層とが交互に積層された積層構造が基板上にフィン状に配置され、前記フィン状の積層構造と交差するとともに積層された前記半導体層の側面を覆うように電荷蓄積層を介して制御ゲート電極が配置されるメモリセルトランジスタ部と、
前記フィン状の積層構造の前記メモリセル部の形成位置に隣接して、前記フィン状の積層構造と交差するとともに積層された前記半導体層の側面を覆うようにゲート誘電体膜を介して階層選択ゲート電極が前記半導体層の積層数だけ配置される階層選択トランジスタ部と、
を備え、
前記階層選択ゲート電極によって覆われる前記半導体層は、各半導体層の前記階層選択ゲート電極と対向する領域に、所定の導電型の不純物が拡散されていない非拡散部と、所定の導電型の不純物が導入されている拡散部と、を有し、
前記非拡散部は、各階層選択ゲート電極で互いに異なる半導体層の前記階層選択ゲート領域と対向する領域が前記非拡散部となるように形成されることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
A stacked structure in which interlayer insulating films and semiconductor layers are alternately stacked is arranged in a fin shape on a substrate, intersects with the fin-shaped stacked structure, and covers a side surface of the stacked semiconductor layers. A memory cell transistor portion in which a control gate electrode is disposed via,
Hierarchical selection via a gate dielectric film so as to cross the fin-like stacked structure and cover the side surface of the stacked semiconductor layer adjacent to the formation position of the memory cell portion of the fin-shaped stacked structure A hierarchical selection transistor portion in which gate electrodes are arranged by the number of stacked semiconductor layers;
With
The semiconductor layer covered by the hierarchy selection gate electrode includes a non-diffusion part in which a predetermined conductivity type impurity is not diffused in a region facing each of the hierarchy selection gate electrodes of each semiconductor layer, and a predetermined conductivity type impurity. And a diffusion part that has been introduced,
The non-diffusion part is formed in such a manner that a region facing the hierarchy selection gate region of a different semiconductor layer in each hierarchy selection gate electrode is the non-diffusion part.
基板上に層間絶縁膜と半導体層とを交互に、前記半導体層が複数層となるように積層構造を形成する第1の工程と、
前記積層構造をフィン状に加工する第2の工程と、
前記基板の階層選択トランジスタ形成領域上の前記フィン状の積層構造間に、階層選択トランジスタの各形成位置で、前記半導体層が一層ずつ順に露出するように階段状のマスク膜を形成する第3の工程と、
前記フィン状の積層構造の前記マスク膜から露出した前記半導体層に不純物を拡散させる第4の工程と、
前記第4の工程の後、前記マスク膜を前記半導体層の一層分だけエッチングする第5の工程と、
前記第5の工程の後、前記フィン状の積層構造上に、露出した前記半導体層の側面を覆うようにゲート誘電体膜を形成する第6の工程と、
前記ゲート誘電体膜上にゲート電極膜を形成する第7の工程と、
前記ゲート電極を前記フィン状の積層構造と交差するようにパターニングする第8の工程と、
を含むことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
A first step of alternately forming an interlayer insulating film and a semiconductor layer on a substrate and forming a stacked structure so that the semiconductor layer is a plurality of layers;
A second step of processing the laminated structure into a fin shape;
A stepped mask film is formed between the fin-like stacked structures on the layer selection transistor formation region of the substrate so that the semiconductor layers are sequentially exposed one by one at each formation position of the layer selection transistor. Process,
A fourth step of diffusing impurities in the semiconductor layer exposed from the mask film having the fin-like stacked structure;
After the fourth step, a fifth step of etching the mask film by one layer of the semiconductor layer;
After the fifth step, a sixth step of forming a gate dielectric film on the fin-like stacked structure so as to cover the exposed side surface of the semiconductor layer;
A seventh step of forming a gate electrode film on the gate dielectric film;
An eighth step of patterning the gate electrode so as to intersect the fin-shaped stacked structure;
A method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device, comprising:
前記第4の工程では、前記不純物を元素として含むガス中で熱処理することによって、前記半導体層に前記不純物を拡散させることを特徴とする請求項3に記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法。   4. The method of manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to claim 3, wherein in the fourth step, the impurity is diffused in the semiconductor layer by performing a heat treatment in a gas containing the impurity as an element. 前記第4の工程では、前記不純物を含む拡散源膜を前記フィン状の積層構造間の前記マスク膜上に埋め込んで熱処理を行って前記拡散源膜と接している前記半導体層に前記不純物を拡散させ、
前記第5の工程では、前記拡散源膜を除去した後に、前記マスク膜をエッチングすることを特徴とする請求項3に記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
In the fourth step, the diffusion source film containing the impurity is embedded in the mask film between the fin-like stacked structures, and heat treatment is performed to diffuse the impurity into the semiconductor layer in contact with the diffusion source film. Let
4. The method of manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to claim 3, wherein, in the fifth step, the mask film is etched after the diffusion source film is removed.
JP2009270588A 2009-11-27 2009-11-27 Nonvolatile semiconductor storage device and method of manufacturing the same Pending JP2011114235A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009270588A JP2011114235A (en) 2009-11-27 2009-11-27 Nonvolatile semiconductor storage device and method of manufacturing the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009270588A JP2011114235A (en) 2009-11-27 2009-11-27 Nonvolatile semiconductor storage device and method of manufacturing the same

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2011114235A true JP2011114235A (en) 2011-06-09

Family

ID=44236328

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2009270588A Pending JP2011114235A (en) 2009-11-27 2009-11-27 Nonvolatile semiconductor storage device and method of manufacturing the same

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2011114235A (en)

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8962444B2 (en) 2012-10-15 2015-02-24 Samsung Electronics Co., Ltd. Semiconductor device and method of manufacturing the same
US9019739B2 (en) 2013-01-11 2015-04-28 Samsung Electronics Co., Ltd. Three-dimensional semiconductor devices and methods of fabricating the same
US9305936B2 (en) 2013-07-03 2016-04-05 Kabushiki Kaisha Toshiba Nonvolatile semiconductor memory device and method of manufacturing the same
US9564450B2 (en) 2010-09-21 2017-02-07 Kabushiki Kaisha Toshiba Nonvolatile semiconductor memory device and method of manufacturing the same
US9768380B2 (en) 2011-07-15 2017-09-19 Kabushiki Kaisha Toshiba Nonvolatile semiconductor memory device and method of manufacturing the same
US20190088672A1 (en) * 2017-09-21 2019-03-21 Toshiba Memory Corporation Multi-layer wiring structure, method for manufacturing multi-layer wiring structure, and semiconductor device
CN110383478A (en) * 2017-03-09 2019-10-25 东京毅力科创株式会社 The manufacturing method and semiconductor device of the manufacturing method of contact pad and the semiconductor device using this method
CN111727507A (en) * 2018-02-21 2020-09-29 三菱电机株式会社 High electron mobility transistor and method for manufacturing high electron mobility transistor

Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9905571B2 (en) 2010-09-21 2018-02-27 Toshiba Memory Corporation Nonvolatile semiconductor memory device and method of manufacturing the same
US9564450B2 (en) 2010-09-21 2017-02-07 Kabushiki Kaisha Toshiba Nonvolatile semiconductor memory device and method of manufacturing the same
US9768380B2 (en) 2011-07-15 2017-09-19 Kabushiki Kaisha Toshiba Nonvolatile semiconductor memory device and method of manufacturing the same
US8962444B2 (en) 2012-10-15 2015-02-24 Samsung Electronics Co., Ltd. Semiconductor device and method of manufacturing the same
US9019739B2 (en) 2013-01-11 2015-04-28 Samsung Electronics Co., Ltd. Three-dimensional semiconductor devices and methods of fabricating the same
US9224429B2 (en) 2013-01-11 2015-12-29 Samsung Electronics Co., Ltd. Three-dimensional semiconductor devices and methods of fabricating the same
US9305936B2 (en) 2013-07-03 2016-04-05 Kabushiki Kaisha Toshiba Nonvolatile semiconductor memory device and method of manufacturing the same
CN110383478A (en) * 2017-03-09 2019-10-25 东京毅力科创株式会社 The manufacturing method and semiconductor device of the manufacturing method of contact pad and the semiconductor device using this method
CN110383478B (en) * 2017-03-09 2023-06-27 东京毅力科创株式会社 Method for manufacturing contact pad, method for manufacturing semiconductor device using the same, and semiconductor device
US20190088672A1 (en) * 2017-09-21 2019-03-21 Toshiba Memory Corporation Multi-layer wiring structure, method for manufacturing multi-layer wiring structure, and semiconductor device
US10586804B2 (en) * 2017-09-21 2020-03-10 Toshiba Memory Corporation Multi-layer wiring structure, method for manufacturing multi-layer wiring structure, and semiconductor device
CN111727507A (en) * 2018-02-21 2020-09-29 三菱电机株式会社 High electron mobility transistor and method for manufacturing high electron mobility transistor
CN111727507B (en) * 2018-02-21 2023-08-22 三菱电机株式会社 High electron mobility transistor and method for manufacturing the same

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4987918B2 (en) Nonvolatile semiconductor memory device and method of manufacturing nonvolatile semiconductor memory device
KR102612259B1 (en) Three-dimensional NOR array comprising vertical word lines and individual channels and methods for manufacturing the same
KR102378471B1 (en) A semiconductor memory device and a method for manufacturing the same
US8237221B2 (en) Semiconductor device and method of manufacturing semiconductor device
KR101868799B1 (en) Nonvolatile memory device and method for fabricating the same
KR101609254B1 (en) Semiconductor device and method of fabricating the same
US8697579B2 (en) Method of forming an isolation structure and method of forming a semiconductor device
KR100772935B1 (en) Transistor and method of manufacturing the same
TWI548086B (en) Trench lateral diffusion metal oxide semiconductor device and manufacturing method of the same
KR20190112443A (en) Semiconductor device with ultra low k spacer and method for fabricating the same
CN109285835B (en) Semiconductor memory device and method of manufacturing the same
EP2948982B1 (en) Non-volatile memory cells with enhanced channel region effective width, and method of making same
JP2011114235A (en) Nonvolatile semiconductor storage device and method of manufacturing the same
CN112117322B (en) Semiconductor device and method of manufacturing the same
KR102293874B1 (en) Semiconductor devices and methods of manufacturing thereof
KR101882360B1 (en) Semiconductor device including buried gate structure and method of manufacturing the same
JP7524192B2 (en) Three-dimensional memory device and method for fabricating same
TWI763097B (en) Semiconductor structure and method forming the same
JP2011243948A (en) Semiconductor device and method of manufacturing the same
KR20170137637A (en) Semiconductor device and manufacturing method of the same
TW201820590A (en) Method of manufacturing semiconductor device
KR20090017842A (en) Method of forming nonvolatile memory device having floating gate and related device
TWI722790B (en) Memory device
US20060243978A1 (en) Semiconductor device and method of manufacturing the same
JP2011129760A (en) Method of manufacturing semiconductor device, and semiconductor device