JP4498198B2 - Nonvolatile semiconductor memory device - Google Patents
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Description
本発明は、不揮発性半導体記憶装置に関し、特にSOI(Silicon On Insulator)基板を用いたフラッシュメモリに使用される不揮発性半導体記憶装置に関する。 The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory device, and more particularly to a nonvolatile semiconductor memory device used for a flash memory using an SOI (Silicon On Insulator) substrate.
不揮発性半導体記憶装置として、一括消去が可能なNAND型フラッシュメモリが良く用いられる。NAND型フラッシュメモリにおいては、メモリセルトランジスタ間の素子分離領域の寄生容量や、配線と基板間の寄生容量の影響によるゲート閾値電圧のばらつき等の問題がある。 As a nonvolatile semiconductor memory device, a NAND flash memory capable of batch erasing is often used. The NAND flash memory has problems such as a parasitic capacitance in an element isolation region between memory cell transistors and a variation in gate threshold voltage due to an influence of a parasitic capacitance between a wiring and a substrate.
素子分離領域の寄生容量や、配線と基板間の寄生容量の影響によるゲート閾値電圧のばらつきを低減するために、埋め込み絶縁層(BOX層)上に配置された半導体層(SOI層)を活性層とするSOI技術を用いたNAND型フラッシュメモリが検討されている(例えば、特許文献1参照。)。SOI技術を用いたNAND型フラッシュメモリによれば、行方向に隣接するメモリセルトランジスタは埋め込み絶縁層まで埋め込まれた素子分離絶縁膜により互いに分離されるので、素子分離領域の寄生容量を低減できる。また、埋め込み絶縁層上にSOI層を形成するので配線と基板間の寄生容量を低減でき、ゲート閾値電圧のばらつきを低減可能となる。しかし、メモリセルトランジスタの微細化に伴い、SOI技術を用いたNAND型フラッシュメモリにおいても、メモリセルトランジスタのソース及びドレイン領域の間隔が狭くなり、ショートチャネル効果の影響が大きくなってきている。 In order to reduce variations in gate threshold voltage due to the parasitic capacitance in the element isolation region and the parasitic capacitance between the wiring and the substrate, the semiconductor layer (SOI layer) disposed on the buried insulating layer (BOX layer) is an active layer. A NAND flash memory using the SOI technology is being studied (for example, see Patent Document 1). According to the NAND flash memory using the SOI technology, the memory cell transistors adjacent in the row direction are separated from each other by the element isolation insulating film embedded up to the embedded insulating layer, so that the parasitic capacitance in the element isolation region can be reduced. In addition, since the SOI layer is formed on the buried insulating layer, the parasitic capacitance between the wiring and the substrate can be reduced, and variations in the gate threshold voltage can be reduced. However, with the miniaturization of memory cell transistors, even in a NAND flash memory using SOI technology, the distance between the source and drain regions of the memory cell transistors is narrowed, and the influence of the short channel effect is increasing.
そこで、SOI技術を用いたNAND型フラッシュメモリにおいて、メモリセルトランジスタとしてデプレッション型(D型)のMISトランジスタを用いることが検討されている。デプレッション型のMISトランジスタを用いれば、浮遊ゲート電極に電子が蓄積された状態ではチャネルが空乏化するので、ショートチャネル効果の影響を低減することができる。 Therefore, it has been studied to use a depletion type (D type) MIS transistor as a memory cell transistor in a NAND flash memory using SOI technology. If a depletion type MIS transistor is used, the channel is depleted in a state where electrons are accumulated in the floating gate electrode, so that the influence of the short channel effect can be reduced.
ところで、NAND型フラッシュメモリでは、一括消去動作は非常に重要な機能である。バルク基板を用いたNAND型フラッシュメモリでは、p型ウェル、ビット線、ソース線に正の電圧(例えば18V)を印加すると、メモリセルのチャネル領域部分の電位が同電位となる。このとき、浮遊ゲート電極とチャネル領域間に強電界が発生し、浮遊ゲート電極に蓄えられている電子がトンネリング現象によりチャネル領域側へ抜けることにより、メモリ信号の一括消去が実施される。 By the way, in the NAND flash memory, the batch erase operation is a very important function. In a NAND flash memory using a bulk substrate, when a positive voltage (for example, 18 V) is applied to a p-type well, a bit line, and a source line, the potential of the channel region portion of the memory cell becomes the same potential. At this time, a strong electric field is generated between the floating gate electrode and the channel region, and electrons stored in the floating gate electrode escape to the channel region side due to a tunneling phenomenon, whereby the memory signal is collectively erased.
一方、SOI構造のNAND型フラッシュメモリでは、バルク基板の場合のp型ウェルに相当する電極が存在しないため、バルク基板の場合と同様の一括消去を行うことができない。SOI構造の場合でも、ビット線とソース線に正の電圧(例えば18V)を印加しても、ビット線あるいはソース線に接続しているn+型の半導体領域と、選択ゲートトランジスタのp型のチャネル領域の間がpn接合の逆バイアスとなる。このため、ビット線あるいはソース線に印加した正の電圧はメモリセルのチャネル領域にまで到達しない場合がある。即ち、SOI構造を持つNAND型フラッシュメモリにおいては、メモリセルのチャネル領域と浮遊ゲート電極との間に強電界を発生させることができず、一括消去を行うことが困難であった。
本発明の目的は、SOI構造を持つNAND型フラッシュメモリにおいて、メモリ信号の一括消去を高速に実現可能な不揮発性半導体記憶装置を提供することである。 An object of the present invention is to provide a nonvolatile semiconductor memory device capable of realizing batch erase of memory signals at high speed in a NAND flash memory having an SOI structure.
本願発明の一態様によれば、(イ)埋め込み絶縁層に接した第1導電型のチャネル領域を備え、列方向に配列された複数のメモリセルトランジスタと、(ロ)メモリセルトランジスタの配列の一端に隣接し、埋め込み絶縁層に接した第2導電型のチャネル領域を備える第1の選択ゲートトランジスタと、(ハ)第2導電型のチャネル領域と電気的に接続し、チャネル領域よりも高不純物密度の第2導電型のソース線コンタクト領域と、(ニ)第1の選択ゲートトランジスタの第1導電型のソース領域と電気的に接続し、且つソース線コンタクト領域と電気的に接続したソース線コンタクトプラグとを備え、複数のメモリセルトランジスタの一括消去時に、複数のメモリセルトランジスタのそれぞれのチャネル領域、ソース領域及びドレイン領域の埋め込み絶縁層側界面に正孔反転層又は電子反転層が形成され、且つ第1の選択ゲートトランジスタのチャネル領域の埋め込み絶縁層側界面に正孔蓄積層又は電子蓄積層が形成されるNAND型の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, (b) a plurality of memory cell transistors having a first conductivity type channel region in contact with a buried insulating layer and arranged in a column direction; A first select gate transistor having a second conductivity type channel region adjacent to one end and in contact with the buried insulating layer; and (c) electrically connected to the second conductivity type channel region and higher than the channel region. A source line contact region of a second conductivity type having an impurity density and (d) a source electrically connected to the first conductivity type source region of the first select gate transistor and electrically connected to the source line contact region and a line contact plug, when collective erasure of a plurality of memory cell transistors, each of the channel regions of the plurality of memory cell transistors, a source region and a drain territory NAND type in which a hole inversion layer or an electron inversion layer is formed at the buried insulating layer side interface, and a hole accumulation layer or an electron accumulation layer is formed at the buried insulating layer side interface of the channel region of the first select gate transistor nonvolatile semiconductor memory device is provided for.
本発明によれば、SOI構造を持つNAND型フラッシュメモリにおいて、メモリ信号の一括消去を高速に実現可能な不揮発性半導体記憶装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a nonvolatile semiconductor memory device capable of realizing batch erase of memory signals at high speed in a NAND flash memory having an SOI structure.
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。また、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。また、以下に示す実施の形態において、「第1導電型」と「第2導電型」とは互いに反対導電型である。即ち、第1導電型がn型であれば、第2導電型はp型であり、第1導電型がp型であれば、第2導電型はn型である。また、以下の説明では第1導電型がn型、第2導電型がp型の場合を説明するが、第1導電型がp型、第2導電型がn型でもあっても良い。 Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic, and the relationship between the thickness and the planar dimensions, the ratio of the thickness of each layer, and the like are different from the actual ones. Therefore, specific thicknesses and dimensions should be determined in consideration of the following description. Moreover, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings. Further, the embodiments described below exemplify apparatuses and methods for embodying the technical idea of the present invention, and the technical idea of the present invention includes the material, shape, structure, The layout is not specified as follows. The technical idea of the present invention can be variously modified within the scope of the claims. In the embodiment described below, the “first conductivity type” and the “second conductivity type” are opposite conductivity types. That is, if the first conductivity type is n-type, the second conductivity type is p-type. If the first conductivity type is p-type, the second conductivity type is n-type. In the following description, the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type. However, the first conductivity type may be p-type and the second conductivity type may be n-type.
本発明の実施の形態に係る不揮発性半導体記憶装置は、図1に示すように、埋め込み絶縁層(BOX層)2に接した第1導電型(n-型)のチャネル領域411〜41nを備え、列方向に配列された複数のメモリセルトランジスタMT11〜MT1nと、メモリセルトランジスタMT11〜MT1nの配列の一端に隣接し、埋め込み絶縁層2に接した第2導電型(p-)のチャネル領域42を備える第1の選択ゲートトランジスタSTS1と、第2導電型(p-)のチャネル領域42と電気的に接続し、チャネル領域42よりも高不純物密度の第2導電型(p+型)のソース線コンタクト領域46と、第1の選択ゲートトランジスタSTS1の第1導電型(n+型)のソース領域43と電気的に接続し、且つソース線コンタクト領域46と電気的に接続したソース線コンタクトプラグ18と、メモリセルトランジスタMT11〜MT1nの配列の他端に隣接し、第2導電型(p-)のチャネル領域44を備える第2の選択ゲートトランジスタSTD1と、第2の選択ゲートトランジスタSTD1のチャネル領域44と電気的に接続し、チャネル領域44よりも高不純物密度の第2導電型(p+型)のビット線コンタクト領域47と、第2の選択ゲートトランジスタSTD1の第1導電型(n+型)のドレイン領域45と電気的に接続し、且つビット線コンタクト領域47と電気的に接続したビット線コンタクトプラグ17とを備えるNAND型フラッシュメモリである。
As shown in FIG. 1, the nonvolatile semiconductor memory device according to the embodiment of the present invention includes first conductivity type (n − type)
図1は図2に示した列方向に沿ったA−A切断面で見た場合の断面図を示す。図1において、例えばn個(nは整数)のメモリセルトランジスタMT11〜MT1nが列方向に隣接して配置されている。メモリセルトランジスタMT11〜MT1nは、浮遊ゲート電極13と制御ゲート電極15が積層されたスタックゲート構造であり、例えばデプレッション型MISトランジスタである。メモリセルトランジスタMT11〜MT1nのそれぞれは、列方向に隣接するメモリセルトランジスタMT11〜MT1nと互いに共有するソース及びドレイン領域421〜42(n+1)と、ソース及びドレイン領域421〜42(n+1)間に挟まれたチャネル領域411〜41n上にゲート絶縁膜(トンネル酸化膜)12を介して配置された浮遊ゲート電極13と、浮遊ゲート電極13上に電極間絶縁膜14を介して配置された制御ゲート電極15をそれぞれ備える。「互いに共有する」とは、隣接するメモリセルトランジスタMT11〜MT1n間で、一方のドレイン領域が他方のソース領域として機能する共通の領域であるという意味である。
FIG. 1 shows a cross-sectional view when viewed along the AA section along the column direction shown in FIG. In FIG. 1, for example, n (n is an integer) memory cell transistors MT 11 to MT 1n are arranged adjacent to each other in the column direction. The memory cell transistors MT 11 to MT 1n have a stack gate structure in which the
マトリクスの中の一の列方向に配列された複数のメモリセルトランジスタMT11〜MT1nでは、例えば一つのメモリセルトランジスタMT11のドレイン領域422が、隣接する他のメモリセルトランジスタMT12のソース領域422となるように、逐次一の列方向にソース領域421〜42n、チャネル領域411〜41n及びドレイン領域422〜42(n+1)が延伸し、他の列方向のメモリセルトランジスタの対応するソース領域、チャネル領域及びドレイン領域とは分離するように複数本平行配列されている。
In the plurality of memory cell transistors MT 11 to MT 1n arranged in one column direction in the matrix, for example, the
ゲート絶縁膜12としては、シリコン酸化膜(SiO2膜)の他にも、窒化シリコン(Si3N4)、酸化タンタル(Ta2O5)、酸化チタン(TiO2)、アルミナ(Al2O3)、及び酸化ジルコニウム(ZrO2)等の材料が使用可能である。
As the
電極間絶縁膜14の材料としては、Si3N4、Ta2O5、TiO2、Al2O3、ZrO2、オキサイド/ナイトライド/オキサイド(ONO)、リンガラス(PSG)、ボロンリンガラス(BPSG)、窒化酸化シリコン(SiON)、チタン酸バリウム(BaTiO3)、酸フッ化シリコン(SiOxFy)、及びポリイミド等の有機樹脂等が使用可能である。
Examples of the material for the interelectrode
SOI構造を実現する埋め込み絶縁層2の材料としては、SiO2やサファイア(Al2O3)等が使用可能である。また、SON(Silicon On Nothing)技術を適用して、埋め込み絶縁層2が中空(空気)であっても良く、中空が絶縁層として機能する。半導体層(SOI層)3の材料としては、単結晶シリコンや、シリコンゲルマニウム(SiGe)等が使用可能である。活性層である半導体層(SOI層)3の材料としては、単結晶シリコンや、シリコンゲルマニウム(SiGe)等が使用可能である。埋め込み絶縁層2の厚さは例えば約40nm程度であり、SOI層3の厚さは例えば約30nm程度である。埋め込み絶縁層2下にはシリコン(Si)等の支持基板1が配置されている。
As a material for the buried
第1の選択ゲートトランジスタSTS1及び第2の選択ゲートトランジスタSTD1は、例えばエンハンスメント型MISトランジスタである。第1の選択ゲートトランジスタSTS1は、列方向の配列の一端に位置するメモリセルトランジスタMT11のソース領域421と共通領域となるn+型のドレイン領域421と、ドレイン領域421に隣接して配置された第2導電型(p-型)のチャネル領域42と、チャネル領域42に隣接して配置されたn+型のソース領域43と、チャネル領域42上にゲート絶縁膜12を介して配置された選択ゲート電極13a,15aとを備える。ドレイン領域421、チャネル領域42及びソース領域43はSOI層3に配置される。第1の選択ゲートトランジスタSTS1に隣接して、ソース領域43上にソース線コンタクトプラグ18が配置されている。
The first selection gate transistor STS1 and the second selection gate transistor STD1 are, for example, enhancement type MIS transistors. First select gate transistor STS1 is an n + -
ここで、第1の選択ゲートトランジスタSTS1のソース領域43と埋め込み絶縁層2の間には、ソース線コンタクト領域46が配置されている。ソース線コンタクト領域46は、チャネル領域42と電気的に接続され、且つソース線コンタクトプラグ18はソース領域43を通して、ソース線コンタクト領域46に電気的に接続されている。
Here, a source
一方、第2の選択ゲートトランジスタSTD1は、列方向の配列の他端に位置するメモリセルトランジスタMT1nのドレイン領域42(n+1)と共通領域となるn+型のソース領域42(n+1)と、ソース領域42(n+1)に隣接して配置されたp-型のチャネル領域44と、チャネル領域44に隣接して配置されたn+型のドレイン領域45と、チャネル領域44上にゲート絶縁膜12を介して配置された選択ゲート電極13b,15bとを備える。ソース領域42(n+1)、チャネル領域44及びドレイン領域45はSOI層3に配置される。第2の選択ゲートトランジスタSTD1に隣接して、ドレイン領域45上にビット線コンタクトプラグ17が配置されている。
On the other hand, the second select gate transistor STD1 includes an n + -type source region 42 (n + 1) which is a common region with the drain region 42 (n + 1) of the memory cell transistor MT 1n located at the other end of the column-direction array, A p −
ここで、第2の選択ゲートトランジスタSTD1のドレイン領域45と埋め込み絶縁層2の間には、ビット線コンタクト領域47が配置されている。ビット線コンタクト領域47は、チャネル領域44に電気的に接続され、且つビット線コンタクトプラグ17はドレイン領域45を通して、ビット線コンタクト領域47に電気的に接続されている。
Here, a bit
ソース線コンタクト領域46及びビット線コンタクト領域47のp型の不純物密度は、例えば1×1019cm-3〜1×1020cm-3程度である。第1及び第2の選択ゲートトランジスタSTS1,STD1のそれぞれのチャネル領域42,44のp型の不純物密度は、例えば1×1017cm-3〜1×1018cm-3程度である。第1の選択ゲートトランジスタSTS1のソース領域43及び第2の選択ゲートトランジスタSTD1のドレイン領域45のn型の不純物密度は1×1019cm-3〜1×1020cm-3程度である。
The p-type impurity density of the source
図2に示すように、不揮発性半導体記憶装置のセルアレイの列方向には、ソース線コンタクトプラグ18に接続された共通ソース線SL、図1に示した第1の選択ゲートトランジスタSTS1の選択ゲート電極13a,15aが接続された選択ゲート線SGS、メモリセルトランジスタMT11〜MT1nのそれぞれの制御ゲート電極15が接続されたワード線WL1〜WLn、第2の選択ゲートトランジスタSTD1の選択ゲート電極13b,15bが接続された選択ゲート線SGDが配列している。行方向には、ビット線コンタクトプラグ17に接続されたビット線BL1,BL2が配列されている。
As shown in FIG. 2, in the column direction of the cell array of the nonvolatile semiconductor memory device, the common source line SL connected to the source
図3は図2に示した行方向に沿ったB−B切断面で見た場合の断面図を示す。図3に示すように、行方向に隣接するメモリセルトランジスタMT11,MT21のそれぞれの浮遊ゲート電極13及びチャネル領域411間には素子分離絶縁膜6が埋め込まれている。即ち、行方向に隣接するメモリセルトランジスタMT11,MT21は互いに完全に素子分離される。なお、複数のメモリセルトランジスタからなるセルアレイの外側に半導体基板上に配置されたセルアレイの周辺回路を更に備える。
FIG. 3 shows a cross-sectional view when viewed along the BB cut surface along the row direction shown in FIG. As shown in FIG. 3, an element
図1〜図3に示した不揮発性半導体記憶装置の等価回路を図4に示す。図4に示すように、例えばm×n(mは整数)個のメモリセルトランジスタMT11〜MT1n,MT21〜MT2n,・・・・・,MTm1〜MTmnがセルアレイ100に含まれる。セルアレイ100において、列方向に一群として複数のメモリセルトランジスタMT11〜MT1n,MT21〜MT2n,・・・・・,MTm1〜MTmnが配列され、且つこの一群のメモリセルトランジスタMT11〜MT1n,MT21〜MT2n,・・・・・,MTm1〜MTmnが行方向に配列されることにより、複数のメモリセルトランジスタMT11〜MT1n,MT21〜MT2n,・・・・・,MTm1〜MTmnをマトリクス状に配置している。
FIG. 4 shows an equivalent circuit of the nonvolatile semiconductor memory device shown in FIGS. As shown in FIG. 4, for example, m × n (m is an integer) memory cell transistors MT 11 to MT 1n , MT 21 to MT 2n ,..., MT m1 to MT mn are included in the
メモリセルトランジスタMT11〜MT1n、及び第1及び第2の選択ゲートトランジスタSTS1,STD1が直列接続されてセルユニット111を構成している。直列接続された一群のメモリセルトランジスタMT11〜MT1nの配列の端部に位置するメモリセルトランジスタMT11のソース領域には、メモリセルトランジスタMT11〜MT1nを選択する第1の選択ゲートトランジスタSTS1のドレイン領域が接続されている。直列接続された一群のメモリセルトランジスタMT11〜MT1nの配列の端部に位置するメモリセルトランジスタMT1nのドレイン領域には、メモリセルトランジスタMT11〜MT1nを選択する第2の選択ゲートトランジスタSTD1のソース領域が接続される。第1の選択ゲートトランジスタSTS2〜STSm、メモリセルトランジスタMT21〜MT2n,・・・・・,MTm1〜MTmn、及び第2の選択ゲートトランジスタSTD2〜STDmもそれぞれ直列接続されてセルユニット112,・・・・・,11mを構成している。
The memory cell transistors MT 11 to MT 1n and the first and second select
第1の選択ゲートトランジスタSTS1〜STSmのソースには、共通の共通ソース線SLが接続される。共通ソース線SLには共通ソース線SLに電圧を供給するソース線ドライバ103が接続される。第1の選択ゲートトランジスタSTS1〜STSmの共通の選択ゲート線SGSと、第2の選択ゲートトランジスタSTD1〜STDmの共通の選択ゲート線SGDと、メモリセルトランジスタMT11,MT21,・・・・・,MTm1,メモリセルトランジスタMT12,MT22,・・・・・,MTm2、・・・・・メモリセルトランジスタMT1n,MT2n,・・・・・,MTmnのそれぞれのワード線WL1〜WLnは、ロウデコーダ101に接続される。ロウデコーダ101は、行アドレス信号をデコードして行アドレスデコード信号を得てワード線WL1〜WLn及び選択ゲート線SGS,SGDに選択的に動作電圧を供給する。第2の選択ゲートトランジスタSTD1〜STDmのそれぞれのドレインにはビット線BL1〜BLmがそれぞれ接続される。ビット線BL1〜BLmには、センスアンプ102及びカラムデコーダ104が接続される。カラムデコーダ104は、列アドレス信号をデコードして列アドレスデコード信号を得て、列アドレスデコード信号に基づいてビット線BL1〜BLmのいずれかを選択する。センスアンプ102は、ロウデコーダ101及びカラムデコーダ104によって選択されたメモリセルトランジスタから読み出したメモリ信号を増幅する。
A common source line SL is connected to the sources of the first select gate transistors STS1 to STSm. A
次に、本発明の実施の形態に係る不揮発性半導体記憶装置における消去動作、書き込み動作及び読み出し動作のそれぞれの制御方法を説明する。まず、消去動作の制御方法として、図1に示したメモリセルトランジスタMT11〜MT1nが一括消去される一例を説明する。 Next, each control method of the erase operation, the write operation, and the read operation in the nonvolatile semiconductor memory device according to the embodiment of the present invention will be described. First, an example in which the memory cell transistors MT 11 to MT 1n shown in FIG. 1 are collectively erased will be described as a method for controlling the erase operation.
一括消去動作時には、図5の時間T11〜T12に示すように、支持基板1には0V以下の電圧VSuberase(例えば−5V)を印加する。選択ゲート線SGS,SGDには電圧Vsgerase(例えば18V)、すべてのビット線BL1〜BLm及び共通ソース線SLには電圧Verase(例えば18V)をそれぞれ印加する。すべてのワード線WL1〜WLnには電圧VWLerase(例えば2V)を印加する。
During the batch erase operation, a voltage V Suberase (for example, −5 V) of 0 V or less is applied to the
図6に示すように、共通ソース線SLから転送された電圧Verase(例えば18V)が、ソース線コンタクトプラグ18を介し、ソース線コンタクト領域46を通って、第1の選択ゲートトランジスタSTS1のp-型のチャネル領域42へ流れる。一方、ビット線BL1から転送された電圧Verase(例えば18V)が、ビット線コンタクトプラグ17を介し、ビット線コンタクト領域47を通って、第2の選択ゲートトランジスタSTD1のそれぞれのp-型のチャネル領域44へ流れる。この結果、第1及び第2の選択ゲートトランジスタSTS1,STD1のそれぞれのp-型のチャネル領域42,44の埋め込み絶縁層2側界面には正孔蓄積層48a,48bが形成され、メモリセルトランジスタMT11〜MT1nのソース及びドレイン領域421〜42(n+1)とチャネル領域411〜41nの埋め込み絶縁層2側界面には正孔反転層49が形成される。この正孔反転層49によって、ビット線BL1及び共通ソース線SLからの電圧Verase(例えば18V)が、SOI層3の埋め込み絶縁層2側界面を通してメモリセルトランジスタMT11〜MT1nの中央部まで伝えられる。このため、浮遊ゲート電極13とSOI層3の間に電界が発生し、浮遊ゲート電極13中の電子がSOI層3側に引き抜かれる。この結果、メモリセルトランジスタMT11〜MT1nは一括消去される。
As shown in FIG. 6, the voltage V erase (for example, 18 V) transferred from the common source line SL passes through the source
図43に、SOI構造の不揮発性半導体記憶装置の比較例を示す。図43に示すように図6に示したソース線コンタクト領域46及びビット線コンタクト領域47がない場合には、共通ソース線SLに接続しているn+型のソース領域43と第1の選択ゲートトランジスタSTS1のチャネル領域42の間と、ビット線BL1に接続しているn+型のドレイン領域45と第2の選択ゲートトランジスタSTD1のp-型のチャネル領域44の間がそれぞれpn接合の逆バイアスとなる。このため、ビット線BL1あるいは共通ソース線SLに印加した電圧Verase(例えば18V)は、メモリセルトランジスタMT11〜MT1nのチャネル領域411〜41nにまで到達しない場合がある。したがって、電子−正孔対の生成やリーク電流により正孔が供給される必要がある。
FIG. 43 shows a comparative example of an SOI structure nonvolatile semiconductor memory device. As shown in FIG. 43, when the source
これに対して、本発明の実施の形態によれば、図6に示したソース線コンタクト領域46及びビット線コンタクト領域47が正孔の供給源として機能するので、電子−正孔対の生成やリーク電流に依らないで正孔蓄積層48a,48b及び正孔反転層49を高速に形成することができる。なお、ここで説明する印加電圧は一例であって、一括消去の際のバイアス条件は、SOI層3の埋め込み絶縁層2側界面に正孔反転層49が形成されれば任意に設定可能である。
On the other hand, according to the embodiment of the present invention, the source
図7及び図8は、NAND型フラッシュメモリの動作をシミュレータ(デバイスシミュレータ)を用いて検証した結果を示す。図7は一括消去動作において、ビット線、ソース線及び選択ゲートトランジスタのそれぞれに18Vを印加し、ワード線に10Vを印加して固定し、支持基板に0Vを印加して、それぞれの印加開始後1ms後の正孔濃度分布を示した結果である。選択ゲートトランジスタ領域のSOI層の埋め込み絶縁層側界面、及びメモリセルトランジスタ領域のSOI層の埋め込み絶縁層側界面では正孔濃度が高くなっており、選択ゲートトランジスタ領域のSOI層の埋め込み絶縁層側界面では正孔蓄積層が、メモリセルトランジスタ領域のSOI層の埋め込み絶縁層側界面では正孔反転層が形成されていることが分かる。 7 and 8 show the results of verifying the operation of the NAND flash memory using a simulator (device simulator). FIG. 7 shows that in the batch erase operation, 18V is applied to each of the bit line, the source line, and the select gate transistor, 10V is applied to the word line and fixed, and 0V is applied to the support substrate. It is the result which showed the hole concentration distribution after 1 ms. The hole concentration is high at the buried insulating layer side interface of the SOI layer in the select gate transistor region and the buried insulating layer side interface of the SOI layer in the memory cell transistor region, and the buried insulating layer side of the SOI layer in the select gate transistor region It can be seen that a hole accumulation layer is formed at the interface, and a hole inversion layer is formed at the buried insulating layer side interface of the SOI layer in the memory cell transistor region.
図8は、図7と同一状態におけるメモリセルトランジスタ領域の電位(擬フェルミレベル)分布を示す。ビット線及びソース線に印加された電圧(例えば18V)が、NAND列の中央部まで到達していることから、一括消去動作が実現可能であることが分かる。 FIG. 8 shows the potential (pseudo Fermi level) distribution in the memory cell transistor region in the same state as FIG. Since the voltage (for example, 18V) applied to the bit line and the source line reaches the center of the NAND string, it can be understood that the batch erase operation can be realized.
なお、消去動作後にベリファイ動作を実行する場合には、図5の時間T12〜T13に示すように、すべてのワード線WL1〜WLnに電圧VWLverify(例えば2V)、支持基板1に0以下の電圧VSubverify(例えば−5V)をそれぞれ印加して、ビット線BL1の電位を読み出す。
When the verify operation is executed after the erase operation, the voltage V WLverify (for example, 2 V) is applied to all the word lines WL1 to WLn and 0 or less to the
次に、本発明の実施の形態に係る不揮発性半導体記憶装置の書き込み動作の制御方法の一例を説明する。図9の時間T21〜T22に示すように、選択ゲート線SGS,SGDには電圧VBLinhibit(例えば3V)、選択ビット線BL1には電圧VBLpgm(例えば0V)、非選択ワード線WL2〜WLnには電圧Vpass(例えば10V)、選択ワード線WL1には電圧Vpgm(例えば18V)をそれぞれ印加する。支持基板1には0Vを印加する。メモリセルトランジスタMT11においては、図1に示した制御ゲート電極15に電圧Vpgm(例えば18V)が印加されるので、浮遊ゲート電極13と浮遊ゲート電極13直下のチャネル領域411間に高電界がかかり、ゲート絶縁膜12を介して浮遊ゲート電極13に電子が注入される。浮遊ゲート電極13に電子が蓄積されると、選択メモリセルトランジスタMT11の閾値電圧は、負の閾値電圧からΔVだけ上昇して、メモリ信号が書き込まれる。
Next, an example of a method for controlling the write operation of the nonvolatile semiconductor memory device according to the embodiment of the present invention will be described. As shown at times T 21 to T 22 in FIG. 9, the selection gate lines SGS and SGD have a voltage V BLinhibit (for example, 3V), the selection bit line BL1 has a voltage V BLpgm (for example, 0V), and the unselected word lines WL2 to A voltage V pass (for example, 10 V) is applied to WLn, and a voltage V pgm (for example, 18 V) is applied to the selected word line WL1. 0 V is applied to the
なお、書き込み動作後にベリファイ動作を実行する場合には、図9の時間T22〜T23に示すように、選択ゲート線SGS,SGDに電圧Vsgread(例えば3V)、非選択ワード線WL2〜WLnには電圧Vread(例えば4.5V)、選択ワード線WL1には電圧Vsence(例えば0V)、支持基板1には0V未満の電圧VSubverify(例えば−5V)をそれぞれ印加して、ビット線BL1の電位を読み出す。
Incidentally, when performing a verify operation after the write operation, as shown in time T 22 through T 23 in FIG. 9, the voltage V sgread (e.g. 3V) select gate line SGS, the SGD, unselected word lines WL2~WLn Is applied with a voltage V read (for example, 4.5 V), a voltage V sence (for example, 0 V) is applied to the selected word line WL1, and a voltage V Subverify (for example, −5 V) of less than 0 V is applied to the
次に、本発明の実施の形態に係る不揮発性半導体記憶装置における、書き込み動作及びベリファイ動作の制御方法の一例を、図10のフローチャートを参照しながら説明する。 Next, an example of a control method of the write operation and the verify operation in the nonvolatile semiconductor memory device according to the embodiment of the present invention will be described with reference to the flowchart of FIG.
ステップS1において、図10の時間T21〜T22に示した動作電圧を用いて書き込み動作を行う。ステップS2においてベリファイ動作を行う。ベリファイ動作では、図10の時間T22〜T23に示した動作電圧を用いて選択ビット線BL1の電位を読み出して、正常に書き込みされたか判定する。書き込みが正常にされていないと判定された場合にステップS3に進む。一方、書き込みが正常と判定されれた場合、ステップS4に進む。ステップS3において、正常に書き込みが行われていないメモリセルトランジスタMT11に対して、再度書き込み動作を行う。再度の書き込み動作では、図10の時間T23〜T24に示すように、選択ワード線WL1には、印加電圧VpgmをΔVpgm昇圧した電圧(Vpgm+ΔVpgm)を印加する。その後、ステップS2の手順に戻る。ステップS4においては、図10の時間T23〜T24に示すようにビット線BL1に電圧VBLinhibit(例えば3V)を印加して書込み禁止とし、書き込みを終了する。 In step S1, the write operation by using the operation voltages shown in time T 21 through T 22 in Figure 10. In step S2, a verify operation is performed. In the verify operation, reads out the potential of the selected bit line BL1 with the operating voltage shown in time T 22 through T 23 in FIG. 10, it is determined whether the write successfully. If it is determined that the writing is not normal, the process proceeds to step S3. On the other hand, if it is determined that the writing is normal, the process proceeds to step S4. In step S3, the memory cell transistors MT 11 not performed normally written, writing operation again. In the write operation again, as shown at times T 23 to T 24 in FIG. 10, a voltage (V pgm + ΔV pgm ) obtained by boosting the applied voltage V pgm by ΔV pgm is applied to the selected word line WL1. Thereafter, the procedure returns to step S2. In step S4, by applying a voltage V BLinhibit (e.g. 3V) to the bit line BL1 as shown in time T 23 through T 24 in Figure 10 is write-protected, and terminates the write.
次に、本発明の実施の形態に係る不揮発性半導体記憶装置の読み出し動作の制御方法の一例を説明する。例えばメモリセルトランジスタMT11のメモリ信号を読み出す場合には、図9の時間T22〜T23に示すように、支持基板1には0V未満の基板電圧VSubverify(例えば−5V)を印加し、かつ選択ビット線BL1にはプリチャージ電圧VBLread(例えば0.5〜1.1V)を印加後フローティングとする。この時、隣接するビット線間(BL−BL間)干渉を防止するため、奇数ビット線BL1と偶数ビット線BL2を交互に読み出しを行うために、選択ビット線BL1に隣接する非選択BL2にはプリチャージ電圧VBLreadを印加しない場合もある。次に、選択ゲート線SGS,SGDに電圧Vsgread(例えば2.5V)、非選択ワード線WL2〜WLnには電圧Vread(例えば4.5V)、選択ワード線WL1には判定電圧Vsense(例えば0V)をそれぞれ印加する。読み出し電位の印加時間(TR)は、BL−BL間寄生容量、セル電流による基準電位の上昇などのノイズを考慮して適切な値に設定されることが望ましい。
Next, an example of a method for controlling the read operation of the nonvolatile semiconductor memory device according to the embodiment of the present invention will be described. For example, when reading the memory signal of the memory cell transistor MT 11 , a substrate voltage V Subverify (eg, −5 V) of less than 0 V is applied to the
メモリセルトランジスタMT11において、浮遊ゲート電極13に電子が蓄積されていないとき、選択メモリセルトランジスタMT11がオン状態となり、セル電流が流れ選択ビット線BL1の電位が下降する。一方、浮遊ゲート電極13に電子が蓄積されているとき、メモリセルトランジスタMT11はオフ状態となるので、セル電流が流れず選択ビット線BL1の電位はプリチャージ電圧VBLreadを保持する。読み出し電位の印加後、選択ビット線BL1の電位と判定基準電位とを比較する。選択ビット線BL1の電位が判定基準電位より高ければ書き込み状態と判定される。一方、選択ビット線BL1の電位が判定基準電位より低ければ消去状態と判定される。
In the memory cell transistor MT 11 , when no electrons are accumulated in the floating
本発明の実施の形態に係る不揮発性半導体記憶装置によれば、SOI構造であるにも関わらず、バルク基板を用いた時と同様の一括消去動作が可能となる。即ち、図6に示すようにp+型のソース線コンタクト領域46及びビット線コンタクト領域47が正孔の供給源となることで、SOI層3の埋め込み絶縁層2側界面に正孔反転層49が高速に形成され、メモリの一括消去を高速に行うことが可能となる。
According to the nonvolatile semiconductor memory device of the embodiment of the present invention, it is possible to perform the same batch erase operation as when a bulk substrate is used, regardless of the SOI structure. That is, by p + -type source
次に、本発明の実施の形態に係る不揮発性半導体記憶装置の製造方法の一例を説明する。ここで、図2に示したセルアレイのA−A方向の切断面で見た列方向の工程断面図を図11(a),図12(a),・・・・・,図28(a)に示し、合わせてB−B方向の切断面で見た行方向の工程断面図を図11(b),図12(b),・・・・・,図28(b)に示す。なお、図11(a)〜図28(b)に示す不揮発性半導体記憶装置の製造方法は一例であり、この変形例を含めてこれ以外の種々の製造方法により実現可能であることは勿論である。 Next, an example of a method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device according to the embodiment of the present invention will be described. Here, FIG. 11 (a), FIG. 12 (a),..., FIG. 28 (a) show process cross-sectional views in the column direction as viewed along the AA direction cut surface of the cell array shown in FIG. FIG. 11 (b), FIG. 12 (b),..., FIG. 28 (b) show process sectional views in the row direction as viewed along the cut surface in the BB direction. It should be noted that the method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device shown in FIGS. 11A to 28B is merely an example, and can be realized by various other manufacturing methods including this modification. is there.
(イ)まず、Si等の支持基板1を用意し、例えばサイモックス(SIMOX)法により支持基板1に酸素をイオン注入して熱処理を行い図11(a)及び図11(b)に示すように支持基板1内部に埋め込み絶縁層2、及び埋め込み絶縁層2上に半導体層(SOI層)3を形成する。或いは、張り合わせ法により、2枚のウェハのうち一方に埋め込み絶縁層2を形成して互いに張り合わせて熱処理を行い、一方のウェハを平坦研削して薄膜化させることによりSOI層3を形成しても良い。
(A) First, a
(ロ)次に、SOI層3上にレジスト膜20を塗布し、リソグラフィ技術を用いてレジスト膜20を図12(a)及び図12(b)に示すようにパターニングする。引き続き、パターニングされたレジスト膜20をマスクとしてボロン(11B+)等のp型不純物をイオン注入する。残存したレジスト膜20はレジストリムーバ等を用いて除去される。その後熱処理を行い、SOI層3に注入された不純物イオンを活性化して、選択ゲートトランジスタ形成領域にp-型の不純物拡散層40a,40bを形成される。引き続き、SOI層3上にレジスト膜21を塗布し、リソグラフィ技術を用いてレジスト膜21を図13(a)及び図13(b)に示すようにパターニングする。その後、パターニングされたレジスト膜21をマスクとして燐(31P+)又は砒素(75As+)等のn型不純物をイオン注入する。
(B) Next, a resist
(ハ)次に、図14(a)及び図14(b)に示すように、熱酸化法によりSiO2膜等のゲート絶縁膜(トンネル酸化膜)12を1nm〜15nm程度形成する。このとき、SOI層3に注入された不純物イオンが活性化して、メモリセルトランジスタ形成領域にn-型の不純物拡散層41が形成される。次に、ゲート絶縁膜12の上に減圧CVD(RPCVD)法により浮遊ゲート電極となる燐ドープの第1ポリシリコン層(浮遊ゲート電極)13を10nm〜200nm程度堆積する。次に、図15(a)及び図15(b)に示すようにCVD法によりSi3N4膜等のマスク膜5を50nm〜200nm程度堆積する。
(C) Next, as shown in FIGS. 14A and 14B, a gate insulating film (tunnel oxide film) 12 such as a SiO 2 film is formed to a thickness of about 1 nm to 15 nm by a thermal oxidation method. At this time, the impurity ions implanted into the
(ニ)次に、マスク膜5上にレジスト膜をスピン塗布し、フォトリソグラフィ技術を用いてレジスト膜のエッチングマスクを形成する。このエッチングマスクを用いた反応性イオンエッチング(RIE)法により、マスク膜5の一部を選択的に除去する。エッチング後にレジスト膜を除去する。マスク膜5をマスクにして、第1ポリシリコン層13、ゲート絶縁膜12及びSOI層3の一部を埋め込み絶縁層2に達するまで列方向に選択的に除去する。この結果、図16(a)及び図16(b)に示すように、第1ポリシリコン層13、ゲート絶縁膜12及びSOI層3を貫通する溝部7が形成される。なお、図16(b)では埋め込み絶縁層2の一部が除去されているが、埋め込み絶縁層2は平坦なままであって良い。
(D) Next, a resist film is spin-coated on the
(ホ)次に、図17(a)及び図17(b)に示すように、CVD法等により溝部7に素子分離絶縁膜6を200nm〜1500nm程度埋め込む。そして、図18(a)及び図18(b)に示すように、化学的機械的研磨(CMP)法により素子分離絶縁膜6を平坦化する。このとき、素子分離絶縁膜6の上面がゲート絶縁膜12より高い位置にある。この結果、行方向のメモリセルトランジスタMT11,MT21は、互いに完全に素子分離される。
(E) Next, as shown in FIGS. 17A and 17B, the element
(ヘ)次に、図19(a)及び図19(b)に示すように、CVD法等により、第1ポリシリコン層13の上面及び素子分離絶縁膜6の上面に電極間絶縁膜14を堆積する。引き続き、電極間絶縁膜14上にレジスト膜23を塗布し、リソグラフィ技術を用いてレジスト膜23をパターニングする。引き続き、図20(a)及び図20(b)に示すように、パターニングされたレジスト膜23をマスクとして、RIE等により電極間絶縁膜14の一部に開口部8a,8bを形成する。その後、図21(a)及び図21(b)に示すように、CVD法により電極間絶縁膜14上に燐ドープの制御ゲート電極となる第2ポリシリコン層(制御ゲート電極)15を10nm〜200nm程度堆積する。
(F) Next, as shown in FIGS. 19A and 19B, the interelectrode insulating
(ト)第2ポリシリコン層15上にレジスト膜24を塗布し、リソグラフィ技術を用いてレジスト膜24をパターニングする。引き続き、図22(a)及び図22(b)に示すように、パターニングされたレジスト膜24をマスクとして、RIEにより行方向に第2ポリシリコン層15、電極間絶縁膜14、及び第1ポリシリコン層13の一部をゲート絶縁膜12に達するまで行方向に選択的に除去する。この結果、第2ポリシリコン層15、電極間絶縁膜14、及び第1ポリシリコン層13を貫通する溝が形成され、制御ゲート電極15、電極間絶縁膜14、浮遊ゲート電極13、ゲート絶縁膜12の積層構造のパターンが形成される。選択ゲートトランジスタ形成領域には、選択ゲート電極13b,15bが形成される。その後、レジストリムーバ等を用いてレジスト膜24を除去する。
(G) A resist
(チ)次に、制御ゲート電極15上にレジスト膜25を塗布し、リソグラフィ技術を用いてレジスト膜25を図23(a)及び図23(b)に示すようにp-型の不純物拡散層40a,40bを覆うようにパターニングする。パターニングされたレジスト膜25と、制御ゲート電極15、電極間絶縁膜14、浮遊ゲート電極13、ゲート絶縁膜12の積層構造のパターンをマスクとして、ゲート絶縁膜12を介してn-型の不純物拡散層41に自己整合的に31P+又は75As+等のn型不純物をイオン注入する。残存したレジスト膜25はレジストリムーバ等を用いて除去される。その後熱処理すれば、SOI層3内のn型不純物イオンが活性化して、図24(a)及び図24(b)に示すように溝の下方に位置するSOI層3にn+型のソース及びドレイン領域421〜42(n+1)、及び浮遊ゲート電極13直下のSOI層3にn-型のチャネル領域411〜41nが形成され、デプレッション型のメモリセルトランジスタMT11〜MT1nが形成される。このとき、図示を省略した複数のメモリセルトランジスタが、列方向及び行方向に交差してマトリクス状に形成される。
(H) Next, the resist
(リ)次に、レジスト膜26を塗布し、リソグラフィ技術を用いてレジスト膜26を図25(a)及び図25(b)に示すようにn-型の不純物拡散層41を覆うようにパターニングする。パターニングされたレジスト膜26をマスクとして、11B+等のp型不純物イオンを例えば10keV、1×1015cm-2程度でp-型の不純物拡散層40a,40bに選択的に注入する。更に、p型不純物イオンが打ち込まれた深さより浅く、75As+等のn型不純物イオンを例えば5keV、1×1015cm-2程度でp-型の不純物拡散層40a,40bに選択的に注入する。レジスト膜26はレジストリムーバ等を用いて除去される。その後熱処理すれば、SOI層3内のn型及びp型不純物イオンが活性化して、図26(a)及び図26(b)に示すようにSOI層3にp-型のチャネル領域42、n+型のソース領域43が形成されて、エンハンスメント型の第1の選択ゲートトランジスタSTS1が形成される。更に、第1の選択ゲートトランジスタSTS1のソース領域43の下方に第1の選択ゲートトランジスタSTS1のチャネル領域42に接続した、p+型のソース線コンタクト領域46が形成される。他方、SOI層3にp型のチャネル領域44及びn+型のドレイン領域45が形成されて、エンハンスメント型の第2の選択ゲートトランジスタSTD1も形成される。更に、第2の選択ゲートトランジスタSTD1のドレイン領域45の下方に第2の選択ゲートトランジスタSTD1のチャネル領域44に接続した、p+型のビット線コンタクト領域47が形成される。
(I) Next, the resist
(ヌ)次に、図27(a)及び図27(b)に示すように、CVD法等により層間絶縁膜27を堆積し、層間絶縁膜27上にレジスト膜28を塗布する。リソグラフィ技術を用いてレジスト膜28をパターニングする。図28(a)及び図28(b)に示すように、パターニングされたレジスト膜28をマスクとしてRIE法等により、層間絶縁膜27、ソース領域43及びドレイン領域45をそれぞれ貫通し、ソース線コンタクト領域46及びビット線コンタクト領域47にそれぞれ達する開口部(コンタクトホール)29a,29bを形成する。その後、CVD法等により金属膜を開口部29a,29bに埋め込んで、図1に示したソース線コンタクトプラグ18及びビット線コンタクトプラグ17をソース線コンタクト領域46及びビット線コンタクト領域47にそれぞれ接続されるようにそれぞれ形成する。最後に、所定の配線や絶縁膜が形成・堆積されて、図1に示した不揮発性半導体記憶装置が完成する。
(N) Next, as shown in FIGS. 27A and 27B, an
本発明の実施の形態に係る半導体記憶装置の製造方法によれば、図1に示した不揮発性半導体記憶装置が実現可能となる。 According to the method of manufacturing a semiconductor memory device according to the embodiment of the present invention, the nonvolatile semiconductor memory device shown in FIG. 1 can be realized.
(第1の変形例)
本発明の実施の形態の第1の変形例に係る不揮発性半導体記憶装置は、図29に示すように、ソース線コンタクトプラグ18及びビット線コンタクトプラグ17がそれぞれソース線コンタクト領域46及びビット線コンタクト領域47を通して埋め込み絶縁層2まで達している点が、図1に示した不揮発性半導体記憶装置と異なる。
(First modification)
In the nonvolatile semiconductor memory device according to the first modification of the embodiment of the present invention, as shown in FIG. 29, the source
図29に示した不揮発性半導体記憶装置を製造する場合、図28(a)及び図28(b)の手順で、開口部(コンタクトホール)をソース線コンタクト領域46及びビット線コンタクト領域47をそれぞれ突き抜けて埋め込み絶縁層2に達するように形成し、ソース線コンタクトプラグ17及びビット線コンタクトプラグ18を埋め込めば良い。ただし、開口部(コンタクトホール)は埋め込み絶縁層2を突き抜けて支持基板1まで達しないようにする。
When the nonvolatile semiconductor memory device shown in FIG. 29 is manufactured, the opening (contact hole) is formed in the source
(第2の変形例)
本発明の実施の形態の第2の変形例に係る不揮発性半導体記憶装置は、図30に示すように、図1に示した不揮発性半導体記憶装置の第2の選択ゲートトランジスタSTD1側に、ビット線コンタクト領域47がない構造である。この場合でも、第1の選択ゲートトランジスタSTS1側のソース線コンタクト領域46が正孔の供給源として機能し、図1に示した不揮発性半導体記憶装置と同様の効果を得ることができる。
(Second modification)
As shown in FIG. 30, the nonvolatile semiconductor memory device according to the second modification example of the embodiment of the present invention has a bit on the second select gate transistor STD1 side of the nonvolatile semiconductor memory device shown in FIG. The
図30に示した不揮発性半導体記憶装置の製造方法としては、図25(a)及び図25(b)に示した手順において例えばn型不純物のみをイオン注入する。その後、レジスト膜を塗布し、n-型の不純物拡散層41とともにp-型の不純物拡散層40bも覆うようにレジスト膜をパターニングする。パターニングされたレジスト膜をマスクとして、p-型の不純物拡散層40aにのみp型不純物をイオン注入すれば良い。
As a method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device shown in FIG. 30, for example, only n-type impurities are ion-implanted in the procedure shown in FIGS. 25 (a) and 25 (b). Thereafter, a resist film is applied, and the resist film is patterned so as to cover the p − type
(第3の変形例)
本発明の実施の形態の第3の変形例に係る不揮発性半導体記憶装置は、図31に示すように、メモリセルトランジスタMT11〜MT1nのソース領域、ドレイン領域及びチャネル領域が一体となったn-型の不純物拡散層41を備える点が、図1に示した不揮発性半導体記憶装置と異なる。メモリセルトランジスタMT11〜MT1nのソース領域、ドレイン領域及びチャネル領域のn型の不純物密度は実質的に同一である。
(Third Modification)
In the nonvolatile semiconductor memory device according to the third modification of the embodiment of the present invention, as shown in FIG. 31, the source region, the drain region, and the channel region of the memory cell transistors MT 11 to MT 1n are integrated. 1 is different from the nonvolatile semiconductor memory device shown in FIG. 1 in that an n − type
図31に示した不揮発性半導体記憶装置の製造方法としては、図23(a)及び図23(b)のイオン注入工程と図24(a)及び図24(b)の熱処理工程を省略すれば良い。このため、図1に示した不揮発性半導体記憶装置と比べて工程を簡易化することができ、微細化にも適している。 In the method of manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device shown in FIG. 31, the ion implantation process in FIGS. 23A and 23B and the heat treatment process in FIGS. 24A and 24B are omitted. good. Therefore, the process can be simplified as compared with the nonvolatile semiconductor memory device shown in FIG. 1, and it is suitable for miniaturization.
(第4の変形例)
本発明の実施の形態の第4の変形例に係る不揮発性半導体記憶装置は、図32に平面図、図33及び図34に図32のC−C方向及びD−D方向の切断面の断面図をそれぞれ示すように、p+型のソース線コンタクト領域43は、第1の選択ゲートトランジスタSTS1のn+型のソース領域43にゲート幅方向に隣接して配置されている。p+型のビット線コンタクト領域47は、第2の選択ゲートトランジスタSTD1のn+型のドレイン領域45にゲート幅方向に隣接して配置されている。このため、ソース線コンタクトプラグ18は、ソース領域43に対して貫通せずに接し、且つソース線コンタクト領域43に接している。また、ビット線コンタクトプラグ17は、ドレイン領域45に対して貫通せずに接し、且つビット線コンタクト領域45に接している。
(Fourth modification)
The nonvolatile semiconductor memory device according to the fourth modification example of the embodiment of the present invention is shown in a plan view in FIG. 32, and cross-sections along cut planes in directions CC and DD in FIG. As shown in the figures, the p + type source
図32〜図34に示した不揮発性半導体記憶装置の製造方法においては、例えば図25(a)及び図25(b)に示した手順の代わりに、リソグラフィ技術を用いてn-型の不純物拡散層41、及びp-型の不純物拡散層40a,40bのゲート幅方向の一部を覆うようにレジスト膜をパターニングする。パターニングされたレジスト膜をマスクとして、11B+等のp型不純物イオンを例えば10keV、1×1015cm-2程度でp-型の不純物拡散層40a,40bの露出した一部に選択的に注入する。レジスト膜はレジストリムーバ等を用いて除去される。
In the method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device shown in FIGS. 32 to 34, for example, instead of the procedure shown in FIGS. 25A and 25B, an n − -type impurity diffusion is performed using a lithography technique. The resist film is patterned so as to cover part of the
更に、リソグラフィ技術を用いてn-型の不純物拡散層41、及びp-型の不純物拡散層40a,40bのゲート幅方向のp型不純物イオンを注入していない一部を覆うようにレジスト膜をパターニングする。その後、75As+等のn型不純物イオンを例えば5keV、1×1015cm-2程度でp-型の不純物拡散層40a,40bの露出した一部に選択的に注入する。レジスト膜はレジストリムーバ等を用いて除去される。その後熱処理すれば、n+型のソース領域43及びドレイン領域45と、p+型のソース線コンタクト領域46及びビット線コンタクト領域47をそれぞれゲート幅方向に隣接して形成することができる。
Further, a resist film is formed so as to cover a part of the n − type
(第5の変形例)
本発明の実施の形態の第5の変形例に係る不揮発性半導体記憶装置は、図35に示すように、第1の選択ゲートトランジスタSTS1のソース領域43の表面の水平レベルが、メモリセルトランジスタMT11のチャネル領域411の表面の水平レベルよりも高くなっている点が、図1に示した不揮発性半導体記憶装置と異なる。
(Fifth modification)
As shown in FIG. 35, the nonvolatile semiconductor memory device according to the fifth modification example of the embodiment of the present invention has the horizontal level of the surface of the
図35に示した不揮発性半導体記憶装置の製造方法では、図22(a)及び図22(b)に示した構造を形成した後、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術により第1の選択ゲートトランジスタSTS1のソース領域43上のゲート絶縁膜12のみを除去する。そして、CVD法、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術により、第1の選択ゲートトランジスタSTS1のソース線側にサイドウォール30を形成する。
In the method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device shown in FIG. 35, after the structure shown in FIGS. 22A and 22B is formed, the first select gate transistor STS1 is formed by photolithography technology and etching technology. Only the
その後、露出したSOI層3上にSiを選択的にエピタキシャル成長させ、図36に示すように半導体層(エピタキシャル成長層)31を例えば20nm程度形成する。以降は図25(a)及び図25(b)に示した手順と同様に11B+を例えば10keV、1×1015cm-2でイオン注入し、75As+を10keV、1×1015cm-2でイオン注入する。他の手順は実質的に同様であるので、重複した説明を省略する。この結果、図35に示すような第1の選択ゲートトランジスタSTS1のソース領域43が形成される。
Thereafter, Si is selectively epitaxially grown on the exposed
第5の変形例によれば、イオン注入が困難となる膜厚までSOI層3を薄膜化した際でも、エピタキシャル成長によりSOI層3の膜厚を補完できる。このため、ソース線コンタクト領域46及びビット線コンタクト領域47を形成するためのイオン注入工程が容易となる。
According to the fifth modification, even when the
なお、図35には第1の選択ゲートトランジスタSTS1側を示したが、図1に示した第2の選択ゲートトランジスタSTD1側も同様に、ドレイン領域45の表面がメモリセルトランジスタMT11のチャネル領域411の表面よりも高くなっていても良い。
Although in FIG. 35 shows a first select gate transistor STS1 side, Similarly, the second selection gate transistor STD1 side shown in FIG. 1, the channel region of the surface of the
(第6の変形例)
本発明の実施の形態の第6の変形例に係る不揮発性半導体記憶装置は、図37に示すように、ソース線コンタクトプラグ18がソース領域43及びソース線コンタクト領域46には直接接しておらず、シリサイド領域(シリサイド電極)32を介してソース領域43及びソース線コンタクト領域46に電気的に接続されている点が、図1に示した不揮発性半導体記憶装置と異なる。
(Sixth Modification)
In the nonvolatile semiconductor memory device according to the sixth modification of the embodiment of the present invention, the source
図37に示した不揮発性半導体記憶装置の製造方法においては、図38に示すように、選択ゲート電極13a,15aのソース領域43側に側壁(サイドウォール)30xを形成した後、ゲート絶縁膜12の一部を選択的に除去する。引き続き、真空蒸着法等により、図39に示すようにニッケル(Ni)等の金属膜33を例えば15nm程度堆積する。その後、サリサイド工程において、450℃、30秒間の熱処理を行う。このとき、ソース領域43のSiとNiが反応してNiSiに変化し、図40に示すようにシリサイド領域(シリサイド電極)32が形成される。その後、未反応のNiのみを選択的に除去し、シリサイド領域32上にソース線コンタクトプラグ18を形成すれば、図37に示した不揮発性半導体記憶装置が実現可能となる。
In the method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device shown in FIG. 37, as shown in FIG. 38, after forming a
更に、図41に示すように、シリサイド領域(シリサイド電極)32が埋め込み絶縁層2に達していても良い。図41に示した不揮発性半導体記憶装置の製造方法においては、例えばSOI層3の厚さが30nmの場合、図39に示した手順においてNi等の金属膜33を20nm堆積してサリサイド工程を行えば、SOI層3がすべてシリサイド化される。この結果、図41に示した不揮発性半導体記憶装置が実現可能となる。
Furthermore, as shown in FIG. 41, the silicide region (silicide electrode) 32 may reach the buried insulating
なお、図37及び図41には第1の選択ゲートトランジスタSTS1側をそれぞれ示したが、図1に示した第2の選択ゲートトランジスタSTD1側も同様に、ビット線コンタクトプラグ17がドレイン領域45及びビット線コンタクト領域47には直接接しておらず、シリサイド領域(シリサイド電極)を介してドレイン領域45及びビット線コンタクト領域47に電気的に接続されていても良い。
37 and 41 show the first select gate transistor STS1 side, but the bit
(その他の実施の形態)
上記のように、本発明を実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。例えば、図6に正孔蓄積層48a,48b及び正孔反転層49を示したが、反対導電型であれば、電子の蓄積層及び反転層が形成されるのは勿論のことである。また、図42に示すように、SOI層3の表層部が削れていても構わない。
(Other embodiments)
As mentioned above, although this invention was described by embodiment, it should not be understood that the description and drawing which form a part of this indication limit this invention. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art. For example, although the hole accumulation layers 48a and 48b and the
また、図1に示した不揮発性半導体記憶装置において、第2の選択ゲートトランジスタSTD1のチャネル領域44の不純物密度(例えば1×1018cm-3程度)が、第2の選択ゲートトランジスタSTD1のチャネル領域44の不純物密度(例えば1×1017cm-3程度)よりも高くても良い。この場合、図12(a)及び図12(b)に示す手順において、メモリセルトランジスタ形成領域とともに第1及び第2の選択ゲートトランジスタSTS1,STD1がそれぞれ形成されるSOI層3の領域をマスクしたドーズ量の異なるイオン注入をそれぞれ行えば良い。
In the nonvolatile semiconductor memory device shown in FIG. 1, the impurity density (for example, about 1 × 10 18 cm −3 ) of the
また、実施の形態では、メモリセルトランジスタMT11〜MT1nのゲート電極13,15及び選択ゲートトランジスタSTS1,STD1のゲート電極13a,13b,15a,15bとして、n型ポリシリコンを使用し、メモリセルトランジスタMT11〜MT1nがデプレッション型FET、選択ゲートトランジスタSTS1,STD1がエンハンスメント型FETとしてそれぞれ動作している場合を一例として説明した。ここで、メモリセルトランジスタMT11〜MT1nのゲート電極13,15及び選択ゲートトランジスタSTS1,STD1のゲート電極13a,13b,15a,15bの材質を変更し、ゲート電極材質の仕事関数を調整するなどの方法により、メモリセルトランジスタMT11〜MT1nがデプレッション型でないFETとして動作したり、選択ゲートトランジスタSTS1,STD1がエンハンスメント型ではないFETとして動作することも可能である。その場合はメモリ信号の書き込み、読み出し、一括消去などの動作を行う際に各電極に印加するバイアス条件を変更することにより、一例としてここで説明しているのと同等の動作を実現可能である。
In the embodiment, n-type polysilicon is used as the
更に、実施の形態ではm×n個のメモリセルトランジスタMT11〜MT1n,MT21〜MT2n,・・・・・,MTm1〜MTmnを示したが、現実的には更に多数のメモリセルトランジスタでセルアレイが構成されていても良い。また、実施の形態においては、2値NAND型フラッシュメモリについて説明した。しかし、3値以上の多値NAND型フラッシュメモリについても適用可能である。このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。 Further, in the embodiment, m × n memory cell transistors MT 11 to MT 1n , MT 21 to MT 2n ,..., MT m1 to MT mn are shown. The cell array may be formed of cell transistors. In the embodiment, the binary NAND flash memory has been described. However, the present invention can also be applied to a multi-value NAND flash memory having three or more values. As described above, the present invention naturally includes various embodiments not described herein. Therefore, the technical scope of the present invention is defined only by the invention specifying matters according to the scope of claims reasonable from the above description.
1…支持基板
2…埋め込み絶縁層(BOX層)
3…半導体層(SOI層)
5…マスク膜
6…素子分離絶縁膜
7…溝部
8…開口部
12…ゲート絶縁膜
13…浮遊ゲート電極(第1ポリシリコン層)
13a,15a,13b,15b…選択ゲート電極
14…電極間絶縁膜
15…制御ゲート電極(第2ポリシリコン層)
17…ビット線コンタクトプラグ
18…ソース線コンタクトプラグ
27…層間絶縁膜
29a,29b…開口部
30…サイドウォール
31…半導体層(エピタキシャル成長層)
40a,40b…p-型の不純物拡散層
41…n-型の不純物拡散層
42,44…チャネル領域
43…ソース領域
45…ドレイン領域
46…ソース線コンタクト領域
47…ビット線コンタクト領域
48a,48b…正孔蓄積層
49…正孔反転層
411〜41n…チャネル領域
421〜42(n+1)…ソース及びドレイン領域
DESCRIPTION OF
3. Semiconductor layer (SOI layer)
DESCRIPTION OF
13a, 15a, 13b, 15b ...
DESCRIPTION OF
40a, 40b ... p - type
Claims (5)
前記メモリセルトランジスタの配列の一端に隣接し、前記埋め込み絶縁層に接した第2導電型のチャネル領域を備える第1の選択ゲートトランジスタと、
前記第2導電型のチャネル領域と電気的に接続し、該チャネル領域よりも高不純物密度の第2導電型のソース線コンタクト領域と、
前記第1の選択ゲートトランジスタの第1導電型のソース領域と電気的に接続し、且つ前記ソース線コンタクト領域と電気的に接続したソース線コンタクトプラグ
とを備え、
前記複数のメモリセルトランジスタの一括消去時に、前記複数のメモリセルトランジスタのそれぞれの前記チャネル領域、ソース領域及びドレイン領域の前記埋め込み絶縁層側界面に正孔反転層又は電子反転層が形成され、且つ前記第1の選択ゲートトランジスタの前記チャネル領域の前記埋め込み絶縁層側界面に正孔蓄積層又は電子蓄積層が形成されることを特徴とするNAND型の不揮発性半導体記憶装置。 A plurality of memory cell transistors each including a channel region of a first conductivity type in contact with the buried insulating layer and arranged in a column direction;
A first select gate transistor comprising a channel region of a second conductivity type adjacent to one end of the array of the memory cell transistors and in contact with the buried insulating layer;
A second conductive type source line contact region electrically connected to the second conductive type channel region and having a higher impurity density than the channel region;
A source line contact plug electrically connected to the source region of the first conductivity type of the first select gate transistor and electrically connected to the source line contact region ;
A hole inversion layer or an electron inversion layer is formed at the interface between the channel region, the source region, and the drain region of each of the plurality of memory cell transistors at the time of collective erasing of the plurality of memory cell transistors; and A NAND-type nonvolatile semiconductor memory device , wherein a hole accumulation layer or an electron accumulation layer is formed at the buried insulating layer side interface of the channel region of the first select gate transistor .
前記第2の選択ゲートトランジスタのチャネル領域と電気的に接続し、該チャネル領域よりも高不純物密度の第2導電型のビット線コンタクト領域と、
前記第2の選択ゲートトランジスタの第1導電型のドレイン領域と電気的に接続し、且つ前記ビット線コンタクト領域と電気的に接続したビット線コンタクトプラグ
とを更に備えることを特徴とする請求項1に記載の不揮発性半導体記憶装置。 A second select gate transistor comprising a second conductivity type channel region adjacent to the other end of the memory cell transistor array;
A second conductive type bit line contact region electrically connected to the channel region of the second select gate transistor and having a higher impurity density than the channel region;
2. A bit line contact plug electrically connected to the drain region of the first conductivity type of the second select gate transistor and electrically connected to the bit line contact region. The non-volatile semiconductor memory device described in 1.
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