JP4564511B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、半導体記憶装置及びその製造方法に係わり、特に1層ゲート構造を有する選択ゲートトランジスタと、2層ゲート構造を有するメモリセルトランジスタとを同一半導体基板上に搭載したNAND型不揮発性メモリのゲート構造に関する。 The present invention relates to a semiconductor memory device and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a NAND type nonvolatile memory in which a select gate transistor having a one-layer gate structure and a memory cell transistor having a two-layer gate structure are mounted on the same semiconductor substrate. It relates to the gate structure.
NAND型不揮発性メモリは、半導体基板の素子領域上に形成されたメモリセルトランジスタが複数個直列に接続されて、その両側に選択ゲートトランジスタが配置された構造を有する。このNAND型不揮発性メモリの製造においては、製造工程を簡素化するために、メモリセルトランジスタと選択ゲートトランジスタの加工を同時に行っている。 The NAND type nonvolatile memory has a structure in which a plurality of memory cell transistors formed on an element region of a semiconductor substrate are connected in series, and select gate transistors are arranged on both sides thereof. In the manufacture of the NAND type nonvolatile memory, the memory cell transistor and the select gate transistor are simultaneously processed in order to simplify the manufacturing process.
すなわち、メモリセルトランジスタ領域及び選択ゲートトランジスタ領域における半導体基板上にゲート絶縁膜を介して第1ゲート電極層を形成する。この第1ゲート電極層上に電極間絶縁層を形成した後に、エッチングにより選択ゲートトランジスタ領域の電極間絶縁層に第1ゲート電極層の一部表面を露出するための開口部を形成する。次に、第1ゲート電極層の露出表面及び電極間絶縁層上に第2ゲート電極層を形成した後、ゲート電極加工を行って、メモリセルトランジスタ領域においては浮遊ゲート電極層(第1ゲート電極そう)と制御ゲート電極層(第2ゲート電極層)からなる2層ゲート構造のメモリセルゲート電極を、また選択ゲートトランジスタ領域においては開口部を介して下層ゲート電極層(第1ゲート電極層)と上層ゲート電極層(第2ゲート電極層)が導通した1層ゲート構造の選択ゲート電極を形成する(例えば、特許文献1参照。)。 That is, the first gate electrode layer is formed on the semiconductor substrate in the memory cell transistor region and the select gate transistor region via the gate insulating film. After forming the interelectrode insulating layer on the first gate electrode layer, an opening for exposing a part of the surface of the first gate electrode layer is formed in the interelectrode insulating layer in the select gate transistor region by etching. Next, a second gate electrode layer is formed on the exposed surface of the first gate electrode layer and the interelectrode insulating layer, and then gate electrode processing is performed. In the memory cell transistor region, a floating gate electrode layer (first gate electrode layer) is formed. And a control gate electrode layer (second gate electrode layer) and a memory cell gate electrode having a two-layer gate structure, and in the selection gate transistor region, a lower gate electrode layer (first gate electrode layer) through an opening. A selection gate electrode having a one-layer gate structure in which the upper gate electrode layer (second gate electrode layer) is electrically connected is formed (see, for example, Patent Document 1).
この製造方法では、選択ゲートトランジスタ領域において、電極間絶縁層に開口部を形成する際のエッチングにより、下層ゲート電極層の上部もエッチングされる。また、開口部を形成した後に、下層ゲート電極層の露出表面に形成された自然酸化膜により、上層ゲート電極層と下層ゲート電極層との間で導通不良が生じる恐れがあるため、自然酸化膜をフッ酸洗浄によって除去するが、このエッチングにより上層ゲート電極層及びゲート絶縁層を貫いて半導体基板表面を露出してしまい、上層ゲート電極層が半導体基板と接触する恐れあるため、下層ゲート電極層を厚く形成する必要がある。 In this manufacturing method, in the select gate transistor region, the upper part of the lower gate electrode layer is also etched by etching when the opening is formed in the interelectrode insulating layer. In addition, the natural oxide film formed on the exposed surface of the lower gate electrode layer after the opening is formed may cause a conduction failure between the upper gate electrode layer and the lower gate electrode layer. The surface of the semiconductor substrate is exposed through the upper gate electrode layer and the gate insulating layer by this etching, and the upper gate electrode layer may come into contact with the semiconductor substrate. Must be formed thick.
一方、NAND型不揮発性メモリにおいては、微細化によりセル間干渉が問題になってきているが、このセル間干渉を小さくするためにメモリセルトランジスタの浮遊ゲート電極層の膜厚を薄くすることが有効であることが知られている(例えば、非特許文献1参照。)。 On the other hand, in the NAND type nonvolatile memory, inter-cell interference has become a problem due to miniaturization. In order to reduce the inter-cell interference, it is necessary to reduce the thickness of the floating gate electrode layer of the memory cell transistor. It is known that it is effective (for example, refer nonpatent literature 1).
しかし、メモリセルトランジスタの浮遊ゲート電極層と選択ゲートトランジスタの下層ゲート電極層は一体的に形成されているため、浮遊ゲート電極層の膜厚を薄くすると下層ゲート電極層の膜厚も薄くなり、また、逆に、下層ゲート電極層を厚くすると、浮遊ゲート電極層が厚くなるため、選択ゲートトランジスタのゲート電極と半導体基板との電気的ショートと、メモリセルトランジスタのセル間干渉を同時に改善することは困難である。
本発明は上記点に鑑み、選択ゲートトランジスタのゲート電極と半導体基板との電気的ショートとメモリセルトランジスタのセル間干渉を同時に改善することが可能となる半導体記憶装置及びその製造方法を提供する。 In view of the above, the present invention provides a semiconductor memory device and a method for manufacturing the same, which can simultaneously improve the electrical short circuit between the gate electrode of the select gate transistor and the semiconductor substrate and the inter-cell interference of the memory cell transistor.
本発明の一態様の半導体記憶装置の製造方法は、半導体基板の上面を加工して、第1上面領域と前記第1上面領域よりも下方の平面上に上面が位置する第2上面領域とを形成する工程と、前記第1上面領域及び前記第2上面領域上に、前記第1及び第2上面領域における絶縁層の膜厚が同じになるようにゲート絶縁層を形成する工程と、前記ゲート絶縁層上に、前記第1及び第2上面領域における電極層の膜厚が同じになるようにゲート電極層を形成し、且つ前記第1上面領域における第1ゲート電極層の上面を前記第2上面領域における前記第1ゲート電極層の上面よりも上方の平面上に位置させる工程と、前記第1上面領域における前記第1ゲート電極層の上面と前記第2上面領域における前記第1ゲート電極層の上面とを同一平面上に位置させる工程と、前記第1ゲート電極層上に電極間絶縁層を形成する工程と、前記第2上面領域における前記電極間絶縁層に前記第1ゲート電極層の一部表面を露出する開口部を形成する工程と、前記第1ゲート電極層の前記露出表面に形成された自然酸化膜を除去する工程と、前記第1ゲート電極層の前記露出表面及び前記電極間絶縁層上に第2ゲート電極層を形成する工程と、前記第1及び第2上面領域上の前記第2ゲート電極層、前記電極間絶縁層、前記第1ゲート電極層及び前記ゲート絶縁層とを選択的に除去して、前記第1上面領域にメモリセルトランジスタのゲート電極を、前記第2上面領域に選択ゲートトランジスタのゲート電極を形成する工程と、を具備することを特徴としている。
According to another aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor memory device, comprising: processing a top surface of a semiconductor substrate; Forming a gate insulating layer on the first upper surface region and the second upper surface region so that the thicknesses of the insulating layers in the first and second upper surface regions are the same; and A gate electrode layer is formed on the insulating layer so that the electrode layers in the first and second upper surface regions have the same film thickness, and the upper surface of the first gate electrode layer in the first upper surface region is formed on the second layer. A step of positioning on a plane above the upper surface of the first gate electrode layer in the upper surface region; and an upper surface of the first gate electrode layer in the first upper surface region and the first gate electrode layer in the second upper surface region. On the same plane A step of forming an interelectrode insulating layer on the first gate electrode layer, and an opening exposing a part of the surface of the first gate electrode layer in the interelectrode insulating layer in the second upper surface region. A step of removing a natural oxide film formed on the exposed surface of the first gate electrode layer; and a second gate on the exposed surface of the first gate electrode layer and the inter-electrode insulating layer. Forming an electrode layer and selectively removing the second gate electrode layer, the inter-electrode insulating layer, the first gate electrode layer, and the gate insulating layer on the first and second upper surface regions; Forming a gate electrode of a memory cell transistor in the first upper surface region and a gate electrode of a selection gate transistor in the second upper surface region .
本発明の別態様の半導体記憶装置の製造方法は、半導体基板の第1上面領域上に第2上面領域上よりもゲート絶縁層の膜厚を厚く形成する工程と、前記ゲート絶縁層上に、前記第1及び第2上面領域における電極層の膜厚が同じになるように第1ゲート電極層を形成し、且つ前記第1上面領域における第1ゲート電極層の上面を前記第2上面領域における前記第1ゲート電極層の上面よりも上方の平面上に位置させる工程と、且つ前記第1上面領域における前記第1ゲート電極層の上面と前記第2上面領域における前記第1ゲート電極層の上面とを同一平面上に位置させる工程と、前記第1ゲート電極層上に電極間絶縁層を形成する工程と、前記第2上面領域における前記電極間絶縁層に前記第1ゲート電極層の一部表面を露出する開口部を形成する工程と、前記第1ゲート電極層の前記露出表面に形成された自然酸化膜を除去する工程と、前記第1ゲート電極層の前記露出表面及び前記電極間絶縁層上に第2ゲート電極層を形成する工程と、前記第1及び第2上面領域上の前記第2ゲート電極層、前記電極間絶縁層、前記第1ゲート電極層及び前記ゲート絶縁層とを選択的に除去して、前記第1上面領域にメモリセルトランジスタのゲート電極を、前記第2上面領域に選択ゲートトランジスタのゲート電極を形成する工程と、を具備することを特徴としている。
According to another aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor memory device, comprising: forming a gate insulating layer thicker on the first upper surface region of the semiconductor substrate than on the second upper surface region; The first gate electrode layer is formed so that the film thickness of the electrode layer in the first and second upper surface regions is the same, and the upper surface of the first gate electrode layer in the first upper surface region is in the second upper surface region. A step of being positioned on a plane above the upper surface of the first gate electrode layer; and the upper surface of the first gate electrode layer in the first upper surface region and the upper surface of the first gate electrode layer in the second upper surface region. , A step of forming an interelectrode insulating layer on the first gate electrode layer, and a part of the first gate electrode layer on the interelectrode insulating layer in the second upper surface region. The opening that exposes the surface A step of removing, a step of removing a natural oxide film formed on the exposed surface of the first gate electrode layer, and a second gate electrode on the exposed surface of the first gate electrode layer and the inter-electrode insulating layer. Forming a layer, and selectively removing the second gate electrode layer, the interelectrode insulating layer, the first gate electrode layer, and the gate insulating layer on the first and second upper surface regions , Forming a gate electrode of a memory cell transistor in the first upper surface region and forming a gate electrode of a selection gate transistor in the second upper surface region .
本発明の更に別様態の半導体記憶装置は、第1上面領域と前記第1上面領域よりも下方の平面上に上面が位置する第2上面領域とを備えた半導体基板と、前記第1及び第2上面領域上に設けられたゲート絶縁層と、前記第1上面領域上に前記ゲート絶縁層を介して設けられた浮遊ゲート電極層と、前記浮遊ゲート電極層上に設けられた第1電極間絶縁層と、前記第1電極間絶縁層上に設けられた制御ゲート電極層とからなるメモリセルトランジスタのゲート電極と、前記第2上面領域に前記ゲート絶縁層を介して設けられ、且つ上面が前記浮遊ゲート電極層の上面と同じ平面上に位置する下層ゲート電極層と、前記下層ゲート電極層上に設けられ、且つ前記下層ゲート電極層中に底部を有し、前記下層ゲート電極層の一部上面を露出するための開口部を有する第2電極間絶縁層と、前記下層ゲート電極層の前記露出表面及び前記第2電極間絶縁層上に設けられた上層ゲート電極層とからなる選択ゲートトランジスタのゲート電極と、を具備し、前記浮遊ゲート電極層の膜厚が、前記下層ゲート電極層の膜厚よりも薄いことを特徴としている。
According to still another aspect of the present invention, there is provided a semiconductor memory device including a semiconductor substrate including a first upper surface region and a second upper surface region having an upper surface located on a plane below the first upper surface region, and the first and first semiconductor devices. 2 between the gate insulating layer provided on the upper surface region, the floating gate electrode layer provided on the first upper surface region via the gate insulating layer, and the first electrode provided on the floating gate electrode layer A gate electrode of a memory cell transistor comprising an insulating layer and a control gate electrode layer provided on the first inter-electrode insulating layer; and the upper surface provided on the second upper surface region via the gate insulating layer. A lower gate electrode layer located on the same plane as the upper surface of the floating gate electrode layer; and a lower gate electrode layer provided on the lower gate electrode layer and having a bottom in the lower gate electrode layer . To expose the top surface A second inter-electrode insulating layer having an opening, and a gate electrode of the selection gate transistors comprising the upper gate electrode layer provided on the exposed surface and the second inter-electrode insulating layer of the lower gate electrode layer And the thickness of the floating gate electrode layer is smaller than the thickness of the lower gate electrode layer.
本発明の更に別様態の半導体記憶装置は、同一平面上に第1上面領域と第2上面領域を有する半導体基板と、前記第1上面領域上に設けられ、且つ前記第2上面領域に設けられた第2ゲート絶縁層よりも膜厚の厚い第1ゲート絶縁層と、前記第1上面領域上に前記第1ゲート絶縁層を介して設けられた浮遊ゲート電極層と、前記浮遊ゲート電極層上に設けられた第1電極間絶縁層と、前記第1電極間絶縁層上に設けられた制御ゲート電極層とからなるメモリセルトランジスタのゲート電極と、前記第2上面領域に前記第2ゲート絶縁層を介して設けられ、且つ上面が前記浮遊ゲート電極層の上面と同じ平面上に位置する下層ゲート電極層と、前記下層ゲート電極層上に設けられ、且つ前記下層ゲート電極層中に底部を有し、前記下層ゲート電極層の一部上面を露出するための開口部を有する第2電極間絶縁層と、前記下層ゲート電極層の前記露出表面及び前記第2電極間絶縁層上に設けられた上層ゲート電極層とからなる選択ゲートトランジスタのゲート電極と、を具備し、前記浮遊ゲート電極層の膜厚が、前記下層ゲート電極層の膜厚よりも薄いことを特徴としている。 According to still another aspect of the present invention, there is provided a semiconductor memory device, the semiconductor substrate having a first upper surface area and a second upper surface area on the same plane, the first upper surface area, and the second upper surface area. A first gate insulating layer thicker than the second gate insulating layer, a floating gate electrode layer provided on the first upper surface region via the first gate insulating layer, and the floating gate electrode layer A gate electrode of a memory cell transistor comprising a first inter-electrode insulating layer provided on the first electrode and a control gate electrode layer provided on the first inter-electrode insulating layer; and the second gate insulating layer in the second upper surface region. A lower gate electrode layer provided on the lower gate electrode layer, the upper surface being located on the same plane as the upper surface of the floating gate electrode layer, and a bottom portion being provided in the lower gate electrode layer The lower gate power From a second inter-electrode insulating layer having an opening for exposing a portion upper surface of the layer, the provided lower gate electrode layer of the exposed surface and the second inter-electrode insulating layer and the upper gate electrode layer And a gate electrode of the select gate transistor , wherein the floating gate electrode layer is thinner than the lower gate electrode layer.
本発明によれば、選択ゲートトランジスタのゲート電極と半導体基板との電気的ショートとメモリセルトランジスタのセル間干渉を同時に改善することが可能である。 According to the present invention, it is possible to simultaneously improve the electrical short circuit between the gate electrode of the select gate transistor and the semiconductor substrate and the inter-cell interference of the memory cell transistor.
以下に図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面において、同一またはは類似の部分には同一または類似の符号で表している。但し、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。また、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勿論である。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, 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. Moreover, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.
[第1の実施形態]
図1は本発明の第1の実施形態に係る半導体記憶装置であるNAND型不揮発性メモリを模式的に示す平面図で、図2は図1のA−A線に沿う断面図である。この実施形態のNAND型不揮発性メモリでは、半導体基板に第1上面領域とこの第1上面領域よりも下方の平面上に上面が位置する第2上面領域とを設け、第1上面領域上にメモリセルトランジスタの浮遊ゲート電極層を設け、第2上面領域上に選択ゲートトランジスタの下層ゲート電極層を設けることにより、浮遊ゲート電極層と下層ゲート電極層との上面が同一平面をなし、且つ浮遊ゲート電極層が薄く、下層ゲート電極層が浮遊ゲート電極層よりも厚い構造にしたことを特徴としている。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a plan view schematically showing a NAND nonvolatile memory which is a semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG. In the NAND type nonvolatile memory of this embodiment, a first upper surface region and a second upper surface region whose upper surface is located on a plane below the first upper surface region are provided on a semiconductor substrate, and the memory is provided on the first upper surface region. By providing the floating gate electrode layer of the cell transistor and providing the lower gate electrode layer of the selection gate transistor on the second upper surface region, the upper surfaces of the floating gate electrode layer and the lower gate electrode layer are flush with each other, and the floating gate The electrode layer is thin and the lower gate electrode layer is thicker than the floating gate electrode layer.
図1に示すように、メモリセル領域11には、図中Y方向に素子形成領域であるアクティブエリア13が素子分離絶縁膜14を介して帯状に複数本並列して形成され、図中Y方向と直交する図中X方向にワードラインWL1、WL2、・・・、WL8が帯状に複数本並列して形成されている。このアクティブエリア13とワードラインWL1、WL2、・・・、WL8の交差部分にはそれぞれメモリセルトランジスタMTが形成されている。ワードラインWL1の外側及びワードラインWL8の外側には選択ゲートラインSGLが形成され、アクティブエリア13と選択ゲートラインSGLの交差部分にはそれぞれアクセスするメモリセルブロックを指定するための選択ゲートトランジスタSTが配置されている。ここで、「メモリセルブロック」は任意の選択ゲートラインSGLで挟まれたメモリセルトランジスタMTを含む領域である。選択ゲートラインSGLにはこの選択ゲートラインSGLのライン幅より狭い幅を有し、選択ゲートラインSGLの全長に亘って後述の開口部28bを有する電極間絶縁層が設けられている。ここで、メモリセル領域11のうち、メモリセルトランジスタMTが配置されている領域をメモリセルトランジスタ領域11aと称し、選択ゲートトランジスタSTが配置されている領域を選択ゲートトランジスタ領域11bと称す。また、選択ゲートトランジスタ領域11bにおいて選択ゲートラインSGLに挟まれた領域のアクティブエリア13上にメモリセルトランジスタMTのデータをビットライン(図示せず)に接続するためのコンタクト電極17が配置されている。なお、本実施形態ではメモリブロック毎のワードライン数が8本の構成であるが、16本、32本等更に多い構成であってもよい。同様にアクティブエリア13の本数も6本であるが更に多い構成であってもよい。
As shown in FIG. 1, in the
また、メモリセル領域11の外側には、素子分離絶縁膜14で囲まれた1つのアクティブエリア13と、このアクティブエリア13上に設けられ図中X方向にアクティブエリア13を横断するように伸び、素子分離絶縁膜14上にまで至る1つのゲート電極TGが形成されている。ゲート電極TGを挟むように図中Y方向の上下領域のアクティブエリア13上にはそれぞれ上層メタル配線(図示せず)と電気的に接続され、ゲート電極TGの伸延方向と平行に配置された複数のコンタクト電極17が形成されている。ゲート電極TGには素子分離絶縁膜14上に上層配線(図示せず)に接続されたゲートコンタクト電極18が形成されている。ゲート電極TG中のアクティブエリア13上には後述の開口部28cを有する電極間絶縁層が設けられている。このアクティブエリア13とゲート電極TGの交差部分にはメモリセルトランジスタMTや選択ゲートトランジスタSTを駆動する、周辺回路トランジスタであるMOSトランジスタTRが形成されている。このMOSトランジスタTRが形成される領域を周辺回路領域12と称する。なお、ゲート電極TGは1つしか配置されていないが複数であってもよく、コンタクト電極17の数やゲートコンタクト電極18の数も本実施形態の数と異なっていてもよい。また、電極間絶縁層はゲート電極TG中に複数形成されていても構わない。
Further, outside the
図2に示すように、半導体基板21は、上面が互いに異なる平面上に位置する第1上面領域と第2上面領域とを有している。ここでは、上方の位置に上面を有する第1上面領域がメモリセルトランジスタ領域11a、下方の位置に上面を有する第2上面領域が選択ゲートトランジスタ領域11b及び周辺回路領域12となる。この半導体基板21のメモリセルトランジスタ領域11a、選択ゲートトランジスタ領域11b及び周辺回路領域12の上面には、同じ膜厚を有するゲート絶縁層22a、22b、22cが形成されている。
As shown in FIG. 2, the
メモリセルトランジスタMT1、MT2、MT3のゲート電極MG1、MG2、MG3はゲート絶縁層22a上に所定間隔をもって形成されている。このゲート電極MG1、MG2、MG3は、それぞれゲート絶縁層22aを介して設けられた浮遊ゲート電極層23aと、この浮遊ゲート電極層23a上に形成された第1電極間絶縁層24aと、この第1電極間絶縁層24aの上に形成された制御ゲート電極層下部25aとこの制御ゲート電極層下部25a上に形成された制御ゲート電極層上部26aとで構成される制御ゲート電極層27aと、この制御ゲート電極層27a上に形成されたメタル層29aとから構成されている。この構成により、メモリセルトランジスタMT1、MT2、MT3のゲート電極MG1、MG2、MG3は、浮遊ゲート電極層23aと制御ゲート電極層27aが第1電極間絶縁層24aで電気的に分断された2層ゲート構造となっている。また、メモリセルトランジスタMT1、MT2、MT3のゲート電極MG1、MG2、MG3を挟むように半導体基板21の表面付近には、ソース/ドレイン領域としての不純物拡散層20が形成されている。
The gate electrodes MG1, MG2, and MG3 of the memory cell transistors MT1, MT2, and MT3 are formed on the
選択ゲートトランジスタSTのゲート電極SGはゲート絶縁層22b上に形成されている。このゲート電極SGはゲート絶縁層22bを介して設けられ、浮遊ゲート電極層23aの上面と同じ平面上に位置する下層ゲート電極層23bと、この下層ゲート電極層23b上に形成された第2電極間絶縁層24bと、この第2電極間絶縁層24bの上面に第2電極間絶縁層24bを貫通して下層ゲート電極層23b中に底部を有する開口部28bと、第2電極間絶縁層24bの上面に形成された上層ゲート電極層下部25bとこの上層ゲート電極層下部25b上及び開口部28b内に形成され、下層ゲート電極層23bと電気的接続される上層ゲート電極層上部26bとで構成される上層ゲート電極層27bと、この上層ゲート電極層27b上に形成されたメタル層29bから構成されている。この構成により、選択ゲートトランジスタSTのゲート電極SGは、下層ゲート電極層23bと上層ゲート電極層27bとが電気的接続された1層ゲート構造となっている。また、ゲート電極SGを挟むように半導体基板21の表面付近には、ソース/ドレイン領域としての不純物拡散層20が形成されている。
The gate electrode SG of the select gate transistor ST is formed on the
MOSトランジスタTRのゲート電極TGはゲート絶縁層22c上に形成されている。このゲート電極TGはゲート絶縁層22cを介して設けられ、浮遊ゲート電極層23aの上面と同じ平面上に位置する下層ゲート電極層23cと、この下層ゲート電極層23c上に形成された第2電極間絶縁層24cと、この第2電極間絶縁層24cの上面に第2電極間絶縁層24cを貫通して下層ゲート電極層23c中に底部を有する開口部28cと、第2電極間絶縁層24cの上面に形成された上層ゲート電極層下部25cとこの上層ゲート電極層下部25c及び開口部28c内に形成され、下層ゲート電極層23cと電気的接続される上層ゲート電極層上部26cとで構成される上層ゲート電極層27cと、この上層ゲート電極層27c上に形成されたメタル層29cから構成されている。この構成により、MOSトランジスタTRのゲート電極TGは、下層ゲート電極層23cと上層ゲート電極層27cとが電気的接続された1層ゲート構造となっている。また、ゲート電極TGを挟むように半導体基板21の表面付近には、ソース/ドレイン領域としての不純物拡散層20が形成されている。
The gate electrode TG of the MOS transistor TR is formed on the
なお、ここで言う「同じ平面上」とは、完全に同じ平面上であることに限定されるものではなく、製造ばらつきの範囲内において、平面が異なるものは、同じ平面上にあるもとする。 Note that “on the same plane” as used herein is not limited to being completely on the same plane, and within a range of manufacturing variations, different planes are on the same plane. .
次に、この第1の実施形態に係るNAND型不揮発性メモリの製造方法を図3乃至図13を用いて説明する。 Next, a method for manufacturing the NAND nonvolatile memory according to the first embodiment will be described with reference to FIGS.
図3乃至図13は、第1の実施形態に係るNAND型不揮発性メモリの製造工程を模式的に示す図面で、各図は図1中におけるA−A線に沿う断面図である。 3 to 13 are diagrams schematically showing a manufacturing process of the NAND-type nonvolatile memory according to the first embodiment, and each drawing is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
まず、図3に示すように、メモリセルトランジスタ領域11aにおける半導体基板21の上面を、例えばフォトレジストからなる第1マスク材30aで覆い、エッチングにて選択ゲートトランジスタ領域11b及び周辺回路領域12の半導体基板21の上面を除去する。この除去工程により第2上面領域である選択ゲートトランジスタ領域11b及び周辺回路領域12の上面は、第1上面領域であるメモリセルトランジスタ領域11aの上面よりも下方の平面上に位置する。ここで、メモリセルトランジスタ領域11a上面と選択ゲートトランジスタ領域11b及び周辺回路領域12上面の高さの差(以下、段差と称する)H1は、20nm以上に形成する。なお、この段差H1の上限値に関しては後述する。ここで言う「高さ」とは、半導体基板21の上面からの高さを意味する。
First, as shown in FIG. 3, the upper surface of the
次に、図4に示すように、第1マスク材30aを取り除き、メモリセルトランジスタ領域11a、選択ゲートトランジスタ領域11b及び周辺回路領域12における半導体基板21上に共通に、例えばシリコン酸化膜(SiO2)またはシリコンチッ化膜(SiN)からなるゲート絶縁層22を同じ膜厚、例えば50Åから100Å程度に形成する。ここで、ゲート絶縁層22の膜厚はメモリセルトランジスタ領域11a、選択ゲートトランジスタ領域11b及び周辺回路領域12において同じになっている。
Next, as shown in FIG. 4, the
次に、図5に示すように、メモリセルトランジスタ領域11a、選択ゲートトランジスタ領域11b及び周辺回路領域12におけるゲート絶縁層22上に共通に、例えば多結晶シリコンからなる、後に浮遊ゲート電極層または下層ゲート電極層となる第1ゲート電極層23を同じ膜厚、例えば70nmから100nm程度に形成する。ここで、メモリセルトランジスタ領域11aにおける第1ゲート電極層23の上面は選択ゲートトランジスタ領域11b及び周辺回路領域12における第1ゲート電極層23の上面よりも段差H1だけ上方に位置している。なお、第1ゲート電極層23の多結晶シリコンに、例えばリンまたはヒ素またはボロンなどの不純物をドープすることも可能である。
Next, as shown in FIG. 5, on the
なお、ここで言う「同じ膜厚」とは、完全に同じ膜厚に限定されるべきものではなく、製造ばらつきの範囲内(本実施形態においては10%程度のばらつき)において異なる膜厚については、同じ膜厚の範疇に含まれるものとする。 The “same film thickness” as used herein is not limited to the same film thickness, and different film thicknesses are within the range of manufacturing variation (in this embodiment, about 10% variation). And within the category of the same film thickness.
次に、図6に示すように、メモリセルトランジスタ領域11aにおける第1ゲート電極層23の上部を除去し、メモリセルトランジスタ領域11aと選択ゲートトランジスタ領域11b及び周辺回路領域12の第1ゲート電極層23の上面とを同一平面上に位置させる。この除去工程には、例えばCMP(Chemical Mechanical Polishing)による平坦化が用いられる。このCMP工程によりメモリセルトランジスタ領域11aにおける第1ゲート電極層23の上部だけでなく、選択ゲートトランジスタ領域11b及び周辺回路領域12における第1ゲート電極層23の上部も多少、除去されるため、メモリセルトランジスタ領域11aにおける第1ゲート電極層23の膜厚は30nm程度に、選択ゲートトランジスタ領域11b及び周辺回路領域12における第1ゲート電極層23の膜厚は50nm以上に形成される。また、CMPによる平坦化を行わず、選択ゲートトランジスタ領域11b及び周辺回路領域12の第1ゲート電極層23上にCVD法により多結晶シリコンを形成し、メモリセルトランジスタ領域11aと選択ゲートトランジスタ領域11b及び周辺回路領域12の第1ゲート電極層23の上面とを同一平面上に位置させることも可能である。
Next, as shown in FIG. 6, the upper part of the first
なお、ここで言う「同一平面上に位置する」とは、完全に同一平面にあることに限定されるべきものではなく、製造ばらつきの範囲内(本実施形態においては15nm程度)において異なる平面である場合には同一平面の範疇に含まれるものとする。 Here, “located on the same plane” is not limited to being completely on the same plane, but is different planes within the range of manufacturing variations (in this embodiment, about 15 nm). In some cases, they are included in the category of the same plane.
次に、例えばシリコンチッ化膜からなる第2マスク材(図示せず)を第1ゲート電極層23上に形成し、この第2マスク材をマスクとして第1ゲート電極層23、ゲート絶縁層22、及び半導体基板21をエッチングして半導体基板21内に達する素子分離溝(図示せず)を形成し、この素子分離溝内に、例えばシリコン酸化膜(SiO2)を埋め込んで素子分離絶縁膜(図示せず)を形成する。次に、素子分離絶縁膜の上面を第1ゲート電極層23の上面にほぼ一致させた後、第2マスク材を除去する。この工程により素子分離絶縁膜14が形成される。なお、メモリセル領域11における素子分離絶縁膜14の半導体基板21の表面からの高さを周辺回路領域12における高さより低くすることも可能である。また、この素子分離絶縁膜14を形成してから、ゲート絶縁層22を形成する、いわゆるゲート後作りプロセスでも可能である。
Next, a second mask material (not shown) made of, for example, a silicon nitride film is formed on the first
次に、図7に示すように、第1ゲート電極層23上に、例えばONO(Oxide−Nitride−Oxide)膜からなる電極間絶縁層24を膜厚12nmから17nm程度に形成し、さらにこの電極間絶縁層24上に、例えば多結晶シリコンからなる、後に制御ゲート電極層下部または上層ゲート電極層下部となる第2ゲート電極層下部25を膜厚30nmから60nm程度に形成する。この第2ゲート電極層下部25は電極間絶縁層24の電気的な特性変動を防止する保護膜として用いられるものであり、動作上この電気的な特性変動を許容することができれば、第2ゲート電極層下部25は形成しなくてもよい。
Next, as shown in FIG. 7, an interelectrode insulating
次に、図8に示すように、例えばフォトレジストからなる第3マスク材30bを第2ゲート電極層下部25上に形成する。この第3マスク材30bは、図2に示した第2電極間絶縁層24b、24cの開口部28b、28cを形成するための開口31を有する。なお、第3マスク材30bは、例えばシリコンチッ化膜やBSG(Boron Silicate Glass)やTEOS(TetraEthyl OrthoSilicate)からなるハードマスクとすることも可能である。
Next, as shown in FIG. 8, a
次に、図9に示すように、第3マスク材30bをマスクとしてエッチングにより、第3マスク材30bの開口31内における第2ゲート電極層下部25と電極間絶縁層24を除去し、第1ゲート電極層23の表面を露出する開口部28b、28cを形成する。ここで、開口部28b、28cの形成においては、第1ゲート電極層23の表面を確実に露出するため、オーバーエッチングをおこなう。そのため、電極間絶縁層24内における第1ゲート電極層23の上部が40nm程度削られてしまう。しかし、選択ゲートトランジスタ領域11b及び周辺回路領域12における第1ゲート電極層23の膜厚は50nm以上に形成されているため、第1ゲート電極層23を貫通してゲート絶縁層22の表面に達することはなく、開口部28b、28cの底部は第1ゲート電極層23中に位置する。その後、開口部28b、28c内の第1ゲート電極層23の露出表面に形成されたSiO2からなる自然酸化膜(図示せず)を除去するため、例えばフッ化水素または希釈フッ酸などのフッ酸系の薬液を用いて洗浄を行なう。なお、この洗浄において、第1ゲート電極層23の表面に形成された自然酸化膜とゲート絶縁層22とが除去できる薬液であれば、フッ酸系の薬液以外でも可能である。
Next, as shown in FIG. 9, the second gate electrode layer
次に、図10に示すように、開口部28b、28c内を埋めるように、第2ゲート電極層下部25上に、例えば多結晶シリコンからなる、後に制御ゲート電極層上部または上層ゲート電極層上部となる第2ゲート電極層上部26を膜厚60nmから150nm程度に形成する。次に、図11に示すように、第2ゲート電極層上部26上に、例えばタングステンからなるメタル層29を膜厚20nmから60nm程度に形成する。また、メタル層29に代え、例えばチタンやコバルトやニッケルを第2ゲート電極層上部26上に堆積させ、高温で反応させるサリサイドプロセスによりシリサイド層を形成するとも可能である。
Next, as shown in FIG. 10, on the second gate electrode layer
次に、図12に示すように、例えばフォトレジストからなる第4マスク材30cをメタル層29上に形成する。この第4マスク材30cは、後にゲート電極MT、SG、TGとなる部分を覆う。また、第4マスク材30cはフォトレジストに代え、例えばシリコンチッ化膜やBSGやTEOSからなるハードマスクを用いて加工することも可能である。
Next, as shown in FIG. 12, a
次に、図13に示すように、第4マスク材30cをマスクとして異方性エッチングによりメタル層29、第2ゲート電極層上部26、第2ゲート電極層下部25、及び電極間絶縁層24を除去する。次に、メモリセルトランジスタ領域11aにおける第1ゲート電極層23の膜厚(図中のH2)分だけエッチングを進める。この時、ゲート絶縁層22はメモリセルトランジスタ領域11a、選択ゲートトランジスタ領域11b及び周辺回路領域12において同じ膜厚であるため、選択ゲートトランジスタ領域11b及び周辺回路領域12における第4マスク材30cでマスクされていない部分には、メモリセルトランジスタ領域11aの上面と選択ゲートトランジスタ領域11b及び周辺回路領域12の上面との段差H1に等しい膜厚H1の第1ゲート電極層23が残存することになる。
Next, as shown in FIG. 13, the
次に、図14に示すように、さらにエッチングを進め、選択ゲートトランジスタ領域11b及び周辺回路領域12に残存する第1ゲート電極層23をゲート絶縁層22が露出するまで除去する。この時、メモリセルトランジスタ領域11aにおける第4マスク材30cでマスクされていない部分のゲート絶縁層22dも同時にエッチングされて膜厚が図中のH3から図中のH4まで薄くなる。ここで、選択ゲートトランジスタ領域11b及び周辺回路領域12における第1ゲート電極層23を全て取り除くまでにゲート絶縁層22dが全て削られてしまうと、ゲート絶縁層22下の半導体基板21が削られメモリセルトランジスタMTの電気的特性が変動してしまう。ゆえに、ゲート絶縁層22に対する第1ゲート電極層23と選択比により図中の段差H1の上限値が決まる。具体的には、段差H1はゲート絶縁層22の膜厚であるH3とゲート絶縁層22に対する第1ゲート電極層23のエッチング選択比の積より低くする必要がある。このエッチング工程により、第1ゲート電極層23は浮遊ゲート電極層23a及び下層ゲート電極層23b、23cに、電極間絶縁層24は第1電極間絶縁層24a及び第2電極間絶縁層24b、24cに、第2ゲート電極層下部25と第2ゲート電極層上部26からなる第2ゲート電極層27は制御ゲート電極層27a及び上層ゲート電極層27b、27cに、またメタル層29はメタル層29a、29b、29cにそれぞれ分断される。
Next, as shown in FIG. 14, the etching is further advanced, and the first
次に、図15に示すように、第4マスク材30cをマスクとしてゲート絶縁層22を除去し、その後、第4マスク材30cを除去することにより、ゲート電極MG1、MG2、MG3、SG、TGが形成される。その後、イオンインプランテーション法によりゲート電極MG1、MG2、MG3、SG、TGをマスクとして不純物拡散層20を形成する。また、選択ゲートトランジスタSTとメモリセルトランジスタMT1間における半導体基板21の表面の段差による不純物拡散層20の分断を防ぐために不純物イオンの入射方向を半導体基板21と垂直方向から斜めに傾けることも可能である。また、第4マスク材30cはゲート電極MG1、MG2、MG3、SG、TGの形成時における異方性エッチングにより全て取り除かれる場合もある。また、ゲート絶縁層22のエッチングはゲート電極MG1、MG2、MG3、SG、TGをマスクとして行なうことも可能である。
Next, as shown in FIG. 15, the
その後、ゲート電極MG1、MG2、MG3、SG、TGを覆うようにゲート電極間絶縁膜(図示せず)が埋め込まれ、さらにこのゲート電極間絶縁膜上に層間絶縁層が形成される。その後、このゲート電極間絶縁層及び層間絶縁層を貫通し、不純物拡散層20に達するコンタクト電極17及びコンタメタル層29に達するゲートコンタクト電極18がそれぞれ形成され、さらにコンタクト電極17及びゲートコンタクト電極18とそれぞれ電気的接続された上層メタル配線(図示せず)が層間絶縁層上にそれぞれ形成される。
Thereafter, an inter-gate electrode insulating film (not shown) is buried so as to cover the gate electrodes MG1, MG2, MG3, SG, and TG, and an interlayer insulating layer is formed on the inter-gate electrode insulating film. Thereafter, a
また、図15に示した第4マスク材30cをマスクとしてメモリセル領域11aにおけるゲート絶縁層22を除去する工程を行なわず、前述した層間絶縁層、コンタクト電極17、ゲートコンタクト電極18及び上層メタル配線を形成することも可能である。
Further, without performing the step of removing the
以上の工程により、図1及び図2に示すNAND型不揮発性メモリが得られる。 Through the above steps, the NAND nonvolatile memory shown in FIGS. 1 and 2 is obtained.
本実施形態のNAND型不揮発性メモリによれば、半導体基板21の選択ゲートトランジスタ領域11bの上面及び周辺回路領域12の上面がメモリセルトランジスタ領域11aの上面よりも下方に位置する平面上に設けられ、メモリセルトランジスタMTの浮遊ゲート電極層23aが、また第2上面領域である選択ゲートトランジスタ領域11b及び周辺回路領域12に選択ゲートトランジスタST及びMOSトランジスタTRの下層ゲート電極層23b、23cが、それぞれ上面が同一平面上に位置するように設けられている。そのため、メモリセルトランジスタMTの浮遊ゲート電極層23aは薄い膜厚に形成され、一方、選択ゲートトランジスタST及びMOSトランジスタTRの下層ゲート電極層23b、23cはメモリセルトランジスタMTの浮遊ゲート電極層23aよりも厚い膜厚に形成されており、選択ゲートトランジスタST及びMOSトランジスタTRの電極間絶縁層24の開口部28b、28cの低部は下層ゲート電極層23b、23c中に位置する。従って、メモリセルトランジスタのセル間干渉を低減できると共に選択ゲートトランジスタのゲート電極SGと半導体基板21との電気的ショートを防止することが可能となる。
According to the NAND type nonvolatile memory of the present embodiment, the upper surface of the select
また、本実施形態のNAND型不揮発性メモリの製造方法によれば、半導体基板21の上面にメモリセルトランジスタ領域11aと、メモリセルトランジスタ領域11aよりも下方の平面上に上面が位置する選択ゲートトランジスタ領域11b及び周辺回路領域12を形成し、ゲート絶縁層22a、22b、22cを介してメモリセルトランジスタ領域11a上に浮遊ゲート電極層23aを、また選択ゲートトランジスタ領域11b上及び周辺回路領域12上に下層ゲート電極層23b、23cを、それらの上面が同一平面上に位置するように形成することにより、浮遊ゲート電極層23aの膜厚を薄く、一方、下層ゲート電極層23b、23cの膜厚を浮遊ゲート電極層23aの膜厚より厚くすることができる。つまり、メモリセルトランジスタ領域11aの上面と選択ゲートトランジスタ領域11b及び周辺回路領域12の上面との段差H1を調整することにより、浮遊ゲート電極層23aを薄膜化しても、下層ゲート電極層23b、23cの膜厚を第2電極間絶縁層24b、24cに開口部28b、28cを形成する際のエッチングにより下層ゲート電極層23b、23cを貫通してゲート絶縁層22b、22cの上面が露出されないように十分に厚くすることができる。従って、後の下層ゲート電極層23b、23cの露出表面に形成された自然酸化膜を除去する際に、ゲート絶縁層22b、22cが同時に除去されることがなく、選択ゲートトランジスタST及びMOSトランジスタTRのゲート電極SG、TGと半導体基板21との電気的ショートを防止することが可能となると共に、メモリセルトランジスタのセル間干渉を低減するこが可能なNAND型不揮発性メモリを容易に得ることができる。
Further, according to the method for manufacturing the NAND type nonvolatile memory of the present embodiment, the memory
また、メモリセルトランジスタMT、選択ゲートトランジスタST及びMOSトランジスタTRのゲート電極MG1、MG2、MG3、SG、TGの上面が同一平面上に位置する。従って、ゲート電極MG1、MG2、MG3、SG、TGをストッパとしたCMPの平坦性が向上する。 The top surfaces of the gate electrodes MG1, MG2, MG3, SG, and TG of the memory cell transistor MT, select gate transistor ST, and MOS transistor TR are located on the same plane. Accordingly, the flatness of CMP using the gate electrodes MG1, MG2, MG3, SG, and TG as stoppers is improved.
なお、本実施形態において、周辺回路領域12に複数のアクティブエリア13を配置し、複数のMOSトランジスタTRを形成することも可能であり、複数のMOSトランジスタTRを1つのアクティブエリア13上に形成することも可能であり、MOSトランジスタTRがN型MOSトランジスタであってもP型MOSトランジスタであっても本実施形態と同様の効果が得られる。
In the present embodiment, a plurality of
[第1の実施形態の製造方法の変形例]
図16乃至図18は、本発明の第1の実施形態の製造方法の変形例に係るNAND型不揮発性メモリの製造工程を模式的に示す工程断面図で、各図は、図1中におけるA−A線に沿う断面図である。以下、説明の便宜上、上述の第1の実施形態と同じ、または類似の部分については同じ符号を付記し、上述の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
[Modification of Manufacturing Method of First Embodiment]
16 to 18 are process cross-sectional views schematically showing the manufacturing process of the NAND-type nonvolatile memory according to the modification of the manufacturing method of the first embodiment of the present invention, and each figure is A in FIG. It is sectional drawing which follows the -A line. Hereinafter, for convenience of explanation, the same or similar parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and different parts from the above-described embodiment will be mainly described.
まず、上述の第1の実施形態と同様の工程を経て、半導体基板21の上面に第1ゲート電極層23を形成する。次に、図16に示すように、選択ゲートトランジスタ領域11b及び周辺回路領域12における第1ゲート電極層23上に、例えばフォトレジストからなる第5マスク材30dを形成する。次に、図17に示すように、選択ゲートトランジスタ領域11b及び周辺回路領域12上の第1ゲート電極層23の上面より上方に突出するメモリセルトランジスタ領域11a上の第1ゲート電極層23の上部、すなわちメモリセルトランジスタ領域11aと選択ゲートトランジスタ領域11b及び周辺回路領域12における第1ゲート電極層23の高さの差分に相当する膜厚分を熱酸化によりシリコン酸化膜23dに置換させる。
First, the first
次に、図18に示すように、例えば弗化水素を用いたエッチングによりシリコン酸化膜23dを除去する。その後、第5マスク材30dを除去することにより、選択ゲートトランジスタ領域11b及び周辺回路領域12とメモリセルトランジスタ領域11aにおける第1ゲート電極層23の上面を同じ平面上に位置させる。なお、シリコン酸化膜23dのエッチングには、例えばジフルオロカーボン(CF2)によるドライエッチングを用いることも可能である。また、メモリセルトランジスタ領域11aにおける第1ゲート電極層23中に不純物をドーピングすることによりメモリセルトランジスタ領域11aにおける第1ゲート電極層23の酸化レートを早くすることも可能である。以降の工程からは上述の第1の実施形態と同様であるため説明を省略する。
Next, as shown in FIG. 18, the
上記変形例においても、メモリセルトランジスタ領域11a上の浮遊ゲート電極層23aを薄い膜厚に、また選択ゲートトランジスタ領域11b及び周辺回路領域12上の下層ゲート電極層23b、23cを厚い膜厚にそれぞれ形成することができる。従って、上述の第1の実施形態と同様の効果を有するNAND型不揮発性メモリが製造できる。
Also in the modified example, the floating
また、選択ゲートトランジスタ領域11b及び周辺回路領域12の第1ゲート電極層23の上面をCMP等で削ることなく、選択ゲートトランジスタ領域11b及び周辺回路領域12とメモリセルトランジスタ領域11aにおける第1ゲート電極層23の上面の高さを等しくしているため、ゲート電極MG、TGの半導体基板21の上面からの高さのばらつきが少ない。
Further, the first gate electrode in the selection
[第1の実施形態の不揮発性メモリの変形例]
図19、図20は本発明の第1の実施形態に係るNAND型不揮発性メモリの変形例の模式的な断面図で、図19は第1の実施形態に係るNAND型不揮発性メモリの変形例の平面図で、図20は図19のA−A線に沿う断面図である。この変形例が上述の第1の実施形態と異なる点は、選択ゲートトランジスタにおける第2電極間絶縁層の開口部が下層ゲート電極層上面の幅方向の片側半分を露出する構造であること、MOSトランジスタのゲート電極が第2電極間絶縁層及び下層ゲート電極層を持たない構造となっていることである。以下、説明の便宜上、上述の第1の実施形態と同じ、または類似の部分には同じ符号を付記し、上述の第1の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
[Variation of Nonvolatile Memory of First Embodiment]
19 and 20 are schematic cross-sectional views of a modification of the NAND nonvolatile memory according to the first embodiment of the present invention. FIG. 19 is a modification of the NAND nonvolatile memory according to the first embodiment. FIG. 20 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. This modification differs from the first embodiment described above in that the opening of the second inter-electrode insulating layer in the select gate transistor has a structure in which one half in the width direction of the upper surface of the lower gate electrode layer is exposed, the MOS The gate electrode of the transistor has a structure without the second inter-electrode insulating layer and the lower gate electrode layer. Hereinafter, for convenience of explanation, the same or similar parts as those in the above-described first embodiment are denoted by the same reference numerals, and different parts from those in the above-described first embodiment will be mainly described.
図19に示すように、選択ゲートトランジスタ領域11bにおいては、第2電極間絶縁層24bの開口部28bは選択ゲートラインSGL1、SGL2、SGL3のライン幅の中央から幅方向の端縁にまで至る幅を有し、図中のX方向に伸びている。周辺回路領域12においては、電極間絶縁層の開口部28cはアクティブエリア13とゲート電極TGの交差部分に形成されたMOSトランジスタTRを包含するように設けられている。
As shown in FIG. 19, in the select
図20に示されるように、選択ゲートトランジスタSTのゲート電極SGでは、第2電極間絶縁層24bの開口部28bは、下層ゲート電極層23bの上面中心より幅方向の端縁に至る領域に設けられ、下層ゲート電極層23b上面の片側半分を露出する構造となっている。また、MOSトランジスタTRのゲート電極TGでは、第2電極間絶縁層及び下層ゲート電極層は設けられておらず、ゲート電極TGは、ゲート絶縁層22c上に設けられた上層ゲート電極層下部25cとこの上層ゲート電極層下部25c上に設けられた上層ゲート電極層上部26cとからなる第2ゲート電極層27の単層構造に構成されている。上述以外の構造は第1の実施形態と同じであるため説明を省略する。
As shown in FIG. 20, in the gate electrode SG of the select gate transistor ST, the
図21乃至図23は、第1の実施形態に係るNAND型不揮発性メモリの変形例の製造工程を模式的に示した図面である。各図は、図19中におけるA−A線に沿う断面図である。 21 to 23 are drawings schematically showing a manufacturing process of a modification of the NAND nonvolatile memory according to the first embodiment. Each drawing is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
まず、電極間絶縁層24上に第2ゲート電極層下部25を形成する工程までは上述の第1の実施形態と同様であるため説明を省略する。次に、図21に示すように、例えばフォトレジストからなる第3マスク材30bを第2ゲート電極層下部25上に形成する。この第3マスク材30bは、図20に示す電極間絶縁膜の開口部28b、28cを形成するための開口31を有する。
First, the process up to the step of forming the second gate electrode layer
次に、図22に示すように、第3マスク材30bをマスクとしてエッチングにより第2ゲート電極層下部25と電極間絶縁層24を除去し、第1ゲート電極層23の表面を露出する開口部28b、28cを形成する。ここで、選択ゲートトランジスタ領域11b及び周辺回路領域12における第1ゲート電極層23の膜厚は50nm以上に形成されているため、第1ゲート電極層23を貫通してゲート絶縁層22の表面は露出されず、開口部28b、28cの底部は第1ゲート電極層23中に形成される。以降の工程から第2ゲート電極層上部26上にメタル層29を形成する工程までは上述の第1の実施形態と同様であるため説明を省略する。
Next, as shown in FIG. 22, the second gate electrode layer
次に、図23に示すように、メタル層29上に、後にゲート電極MG1、MG2、MG3、SG、TGとなる部分以外を覆った、例えばフォトレジストからなる第4マスク材30cを形成する。その後、第4マスク材30cをマスクとして異方性エッチングによりメタル層29、第2ゲート電極層上部26、第2ゲート電極層下部25、電極間絶縁層24、及び第1ゲート電極層23を除去する。この時、選択ゲートトランジスタSTのゲート電極SGでは、第2電極間絶縁層24bの開口部28bは、下層ゲート電極層23bの上面の片側半分を露出する構造となり、MOSトランジスタTRのゲート電極TGでは、第2電極間絶縁層及び第1ゲート電極層を持たない構造となる。以降の工程からは第1の実施形態と同様であるため説明を省略する。
Next, as shown in FIG. 23, a
本実施形態のように、選択ゲートトランジスタSTの第2電極間絶縁層24bの開口部28bが下層ゲート電極層23bの上面の片側半分を露出する構造であっても、メモリセルトランジスタMTの浮遊ゲート電極層23aの膜厚を薄く、一方、選択トランジスタST及びMOSトランジスタTRの下層ゲート電極層23bの膜厚を浮遊ゲート電極層23aの膜厚より厚くすることができる。従って、第1の実施形態と同様の効果が得られる。
Even if the
また、選択ゲートトランジスタSTのゲート電極SGでは、第2電極間絶縁層24bの開口部28bは下層ゲート電極層23bの幅方向の上面の片側半分を露出し、下層ゲート電極層23bと第2ゲート電極層27とを電気的接続しているため、ゲート電極SGの電気抵抗を下げることができる。また、MOSトランジスタTRのゲート電極TGでは、第2電極間絶縁層が存在しない構造になっているため電気抵抗をさらに下げることができる。
In the gate electrode SG of the select gate transistor ST, the
また、メモリセル領域11においてメモリセルトランジスタMT1のゲート電極MGと選択ゲートトランジスタSTのゲート電極SGの開口部28bの端との間の距離を広くすることができるため、第3マスク材30bに開口31を形成する際のリソグラフィーの合せマージンが向上する。
Further, since the distance between the gate electrode MG of the memory cell transistor MT1 and the end of the
なお、本実施形態において、選択ゲートトランジスタ領域11bにおける選択ゲートトランジスタSTのゲート電極SGをMOSトランジスタTRのゲート電極TGと同様に第2電極間絶縁層と第1ゲート電極層を有さない構造にすることも可能であり、周辺回路領域12におけるMOSトランジスタTRのゲート電極TGに、選択ゲートトランジスタSTのゲート電極SGと同様の構造を有する開口部28cを有する第2電極間絶縁層24cを設けることも可能である。
In the present embodiment, the gate electrode SG of the selection gate transistor ST in the selection
また、周辺回路領域12における電極間絶縁層の開口部28cはMOSトランジスタTRの一部とアクティブエリア13にまたがる構造、例えば図中X方向における領域がアクティブエリア13に包含される構造であっても構わなく、ゲート電極TGを包含するように設けられていても構わない。
Further, the
[第2の実施形態]
図24は第2の実施形態に係るNAND型不揮発性メモリの模式的な図面で、図1のA−A線に沿う断面図である。この実施形態が上述の第1の実施形態と異なる点は、周辺回路領域におけるMOSトランジスタTRの第2ゲート絶縁層の膜厚を、メモリセルトランジスタMT及び選択ゲートトランジスタSTの第1ゲート絶縁層の膜厚より厚くしたこと、また第2ゲート絶縁層の膜厚が厚くなったことにより下層ゲート電極層の膜厚が選択ゲートトランジスタSTの下層ゲート電極層の膜厚に比べて薄くなっていることにある。以下、説明の便宜上、上述の第1の実施形態と同じ、または類似の部分には同じ符号を付記し、本実施形態の特徴部分を中心に説明する。
[Second Embodiment]
FIG. 24 is a schematic diagram of a NAND nonvolatile memory according to the second embodiment, and is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG. This embodiment differs from the first embodiment described above in that the film thickness of the second gate insulating layer of the MOS transistor TR in the peripheral circuit region is the same as that of the first gate insulating layer of the memory cell transistor MT and select gate transistor ST. The film thickness of the lower gate electrode layer is smaller than the film thickness of the lower gate electrode layer of the select gate transistor ST because the film thickness is larger than the film thickness and the film thickness of the second gate insulating layer is increased. It is in. Hereinafter, for convenience of explanation, the same or similar parts as those of the above-described first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description will be made focusing on the characteristic parts of the present embodiment.
図24に示すように、本実施形態では、メモリセルトランジスタMTの第1ゲート絶縁層22aと選択ゲートトランジスタSTの第1ゲート絶縁層22bを同じ膜厚に形成しているが、MOSトランジスタTRの第2ゲート絶縁層32cの膜厚をメモリセルトランジスタMT及び選択ゲートトランジスタSTの第1ゲート絶縁層22a、22bの膜厚より厚く形成している。またMOSトランジスタTRの下層ゲート電極層23cの膜厚が、第2ゲート絶縁層32cの膜厚が厚くなったことにより、選択ゲートトランジスタSTの下層ゲート電極層23bの膜厚に比べて薄くなっている。上述以外の構造は第1の実施形態と同じであるため説明を省略する。
As shown in FIG. 24, in this embodiment, the first
次に、この第2の実施形態に係るNAND型不揮発性メモリの製造方法を図25乃至図29を用いて説明する。 Next, a method for manufacturing the NAND nonvolatile memory according to the second embodiment will be described with reference to FIGS.
図25乃至図29は、第2の実施形態に係るNAND型不揮発性メモリの製造工程を模式的に示した図面で、各図は、図1中におけるA−A線に沿う断面図である。 25 to 29 are diagrams schematically showing a manufacturing process of the NAND nonvolatile memory according to the second embodiment, and each drawing is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG.
まず、半導体基板21の上面に、第1上面領域であるメモリセルトランジスタ領域11aとこの第1上面領域より下方の平面上に上面が位置する第2上面領域である選択ゲートトランジスタ領域11b及び周辺回路領域12とを形成する工程までは、上述の第1の実施形態と同様であるため説明を省略する。
First, on the upper surface of the
次に、図25に示すように、メモリセルトランジスタ領域11a、選択ゲートトランジスタ領域11b及び周辺回路領域12に共通に、例えばシリコン酸化膜(SiO2)またはシリコンチッ化膜(SiN)からなる第2ゲート絶縁層32を膜厚300Åから400Å程度に形成する。ここで、第2ゲート絶縁層32の膜厚は、メモリセルトランジスタ領域11a、選択ゲートトランジスタ領域11b及び周辺回路領域12において同じになっている。ここで、半導体基板21のメモリセルトランジスタ領域11aの上面と選択ゲートトランジスタ領域11b及び周辺回路領域12の上面の高さの差、すなわち段差H5は、60nm以上に形成する。なお、段差H5の上限値に関しては後述する。
Next, as shown in FIG. 25, a second layer made of, for example, a silicon oxide film (SiO 2 ) or a silicon nitride film (SiN) commonly used for the memory
次に、図26に示すように、周辺回路領域12における第2ゲート絶縁層32上に、例えばフォトレジストからなる第1マスク材33を形成する。次に、図27に示すように、第1マスク材33をマスクとして、例えば弗化水素またはフッ酸によるウエットエッチングにより周辺回路領域12以外の領域における第2ゲート絶縁層32を除去する。また、第2ゲート絶縁層32のエッチングには、例えばジフルオロカーボン(CF2)によるドライエッチングを用いることも可能である。
Next, as shown in FIG. 26, a
次に、図28に示すように、選択ゲートトランジスタ領域11b及びメモリセルトランジスタ領域11aにおける半導体基板21の上面に、例えば熱酸化によりシリコン酸化膜からなる第1ゲート絶縁層22を膜厚50Åから100Å程度に形成する。このとき、周辺回路領域12も同時に熱酸化されるため、周辺回路領域12における第2ゲート絶縁層32の膜厚が350Åから500Å程度になる。
Next, as shown in FIG. 28, on the upper surface of the
これらの工程を用いることにより、周辺回路領域12にメモリセル領域11より膜厚が厚い第2ゲート絶縁層32を形成することができる。また、第1及び第2ゲート絶縁層22、32はCVD法によっても形成することが可能であり、第1及び第2ゲート絶縁層22、32は、窒素雰囲気中で加熱することによりシリコンチッ化膜にすることも可能である。
By using these steps, the second
以降の工程からゲート電極MG1、MG2、MG3、SG、TGを形成する工程までは上述の第1の実施形態と同様であるため説明を省略する。次に、図29に示すように、第4マスク材30cをマスクとして異方性エッチングによりメタル層29、第2ゲート電極層上部26と第2ゲート電極層下部25からなる第2ゲート電極層27、及び電極間絶縁層24を除去する。次に、メモリセルトランジスタ領域11aにおける第1ゲート電極層23の膜厚(図中のH2)分だけエッチングを進める。この時、第4マスク材30cでマスクされていない部分の第1ゲート電極層23の膜厚は、選択ゲートトランジスタ領域11bでは図中のH5となり、周辺回路領域12ではH5より第2ゲート絶縁層32と第1ゲート絶縁層22の膜厚の差分だけ小さい、図中のH6となる。ゆえに、第1ゲート絶縁層22に対する第1ゲート電極層23と選択比により図中のH5の上限値が決まる。具体的には、H5は第1ゲート絶縁層22の膜厚であるH3と第1ゲート電極層23に対する第1ゲート電極層23のエッチング選択比の積より低くする必要がある。以降の工程からは上述の第1の実施形態と同様であるため説明を省略する。
Since the subsequent steps up to the step of forming the gate electrodes MG1, MG2, MG3, SG, and TG are the same as those in the first embodiment, description thereof is omitted. Next, as shown in FIG. 29, a second
本実施形態おいても、第1の実施形態と同様の効果が得られる。また、MOSトランジスタTRのゲート絶縁層22cの膜厚を、選択ゲートトランジスタSTのゲート絶縁層22bの膜厚よりも厚くしているため、MOSトランジスタTRを高耐圧のトランジスタにし、選択ゲートトランジスタSTを動作速度の速いトランジスタに作り分けることができる。
Also in this embodiment, the same effect as the first embodiment can be obtained. Further, since the thickness of the
[第3の実施形態]
図30は第3の実施形態に係るNAND型不揮発性メモリの模式的な図面で、図1のA−A線に沿う断面図である。この第3の実施形態のNAND型不揮発性メモリでは、同一平面を有する半導体基板の第1上面領域上に厚い膜厚の第1ゲート絶縁層を設け、第2上面領域に第1ゲート絶縁層よりも薄い膜厚の第2ゲート絶縁層を設けることにより第2ゲート絶縁の上面を第1ゲート絶縁層の上面よりも下方の平面上に位置させ、第1ゲート絶縁層上にメモリセルトランジスタの浮遊ゲート電極層を設け、第2ゲート絶縁層上に選択ゲートトランジスタの下層ゲート電極層を設けることにより、浮遊ゲート電極層と下層ゲート電極層との上面が同一平面をなし、且つ浮遊ゲート電極層が薄く、下層ゲート電極層が浮遊ゲート電極層よりも厚い構造にしたことを特徴としている。なお、説明の便宜上上述の第1の実施形態と同じ、または類似の部分には同じ符号を付記し、本実施形態の特徴部分を中心に説明する。
[Third Embodiment]
FIG. 30 is a schematic diagram of a NAND nonvolatile memory according to the third embodiment, and is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG. In the NAND nonvolatile memory according to the third embodiment, a thick first gate insulating layer is provided on a first upper surface region of a semiconductor substrate having the same plane, and the second upper surface region is provided with a first gate insulating layer. The upper surface of the second gate insulation is positioned on a plane below the upper surface of the first gate insulating layer by providing the second gate insulating layer having a smaller thickness, and the memory cell transistor is floated on the first gate insulating layer. By providing the gate electrode layer and providing the lower gate electrode layer of the selection gate transistor on the second gate insulating layer, the upper surfaces of the floating gate electrode layer and the lower gate electrode layer are in the same plane, and the floating gate electrode layer It is thin and has a structure in which the lower gate electrode layer is thicker than the floating gate electrode layer. For convenience of explanation, the same or similar parts as those in the first embodiment described above are denoted by the same reference numerals, and description will be made focusing on the characteristic parts of the present embodiment.
図30に示されるように、本実施形態のNAND型不揮発性メモリでは、半導体基板21の第1上面領域であるメモリセルトランジスタ領域11aの上面と第2上面領域である選択ゲートトランジスタ領域11b及び周辺回路領域12の上面とは同一平面上に位置している。また、メモリセルトランジスタMTの第1ゲート絶縁層41の膜厚は、選択ゲートトランジスタST及びMOSトランジスタTRの第2ゲート絶縁層42b、42cの膜厚に比べて厚くなっている。さらに、メモリセルトランジスタMTの浮遊ゲート電極層23aの上面と選択ゲートトランジスタST及び周辺回路のMOSトランジスタTRの下層ゲート電極層23b、23cの上面は同じ平面上に位置するように設けられており、この構成により、メモリセルトランジスタMTの浮遊ゲート電極層23aの膜厚は薄く、選択ゲートトランジスタST及び周辺回路のMOSトランジスタTRの下層ゲート電極層23b、23cの膜厚は、浮遊ゲート電極層23aの膜厚より厚くなっている。上述以外の構造は第1の実施形態と同じであるため説明を省略する。
As shown in FIG. 30, in the NAND-type nonvolatile memory according to the present embodiment, the upper surface of the memory
次に、この第3の実施形態に係るNAND型不揮発性メモリの製造方法を図31乃至図34を用いて説明する。 Next, a method for manufacturing the NAND nonvolatile memory according to the third embodiment will be described with reference to FIGS.
図31乃至図34は、第3の実施形態に係るNAND型不揮発性メモリの製造工程を模式的に示した図面で、各図は図1中におけるA−A線に沿う断面図である。 FIG. 31 to FIG. 34 are drawings schematically showing the manufacturing process of the NAND-type nonvolatile memory according to the third embodiment, and each drawing is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG.
まず、図31に示すように、半導体基板21上に、例えばシリコン酸化膜(SiO2)またはシリコンチッ化膜(SiN)からなる第1ゲート絶縁層41を膜厚400Åから800Å程度に形成する。次に、メモリセルトランジスタ領域11aにおける第1ゲート絶縁層41上に、例えばフォトレジストからなる第1マスク材49を形成する。その後、図32に示すように、マスク材49をマスクとして例えば弗化水素またはフッ酸によるウエットエッチングによりメモリセルトランジスタ領域11a以外の領域における第1ゲート絶縁層41を除去する。また、このエッチングには、例えばジフルオロカーボン(CF2)によるドライエッチングを用いることも可能である。
First, as shown in FIG. 31, a first
次に、図33に示すように、第1マスク材49を取り除いた後に、例えば熱酸化により選択ゲートトランジスタ領域11b及び周辺回路領域12における半導体基板21の上面に第2ゲート絶縁層42を、第1ゲート絶縁層41よりも薄い膜厚30Åから50Å程度に形成する。このとき、メモリセルトランジスタ領域11aも同時に熱酸化されるため、メモリセルトランジスタ領域11aにおける第1ゲート絶縁層41の膜厚が50Åから100Å程度になる。これらの工程を用いることにより、半導体基板21のメモリセルトランジスタ領域11aには膜厚が厚い第1ゲート絶縁層41が形成され、選択ゲートトランジスタ領域11b及び周辺回路領域12には第1ゲート絶縁層41よりも膜厚が薄い第2ゲート絶縁層42が形成され、第2ゲート絶縁層42の上面を第1ゲート絶縁層41の上面よりも下方の平面上に位置させることができる。
Next, as shown in FIG. 33, after removing the
ここで、開口部28b、28cを形成する際に第2ゲート絶縁層42の上面が露出されないように、図中のH7で示した第1ゲート絶縁層41の膜厚と第2ゲート絶縁層42の膜厚の差は20nm以上に形成する。また、第1及び第2ゲート絶縁層41、42はCVD法によっても形成することが可能であるし、第1及び第2ゲート絶縁層41、42の材質は窒素雰囲気中で加熱することによりシリコンチッ化膜にすることも可能である。
Here, when forming the
以降の工程からゲート電極MG1、MG2、MG3、SG、TGを形成する工程までは第1の実施形態と同様であるため説明を省略する。次に、図34に示すように、第4マスク材30cをマスクとして異方性エッチングによりメタル層29、第2ゲート電極層上部26と第2ゲート電極層下部25とからなる第2ゲート電極層27、及び電極間絶縁層24と除去した後に、メモリセルトランジスタ領域11aにおける第1ゲート電極層23の膜厚(図中のH2)分だけエッチングを進める。この時、選択ゲートトランジスタ領域11b及び周辺回路領域12における第4マスク材30cでマスクされていない部分の第1ゲート電極層23の膜厚は、第2ゲート絶縁層42と第1ゲート絶縁層22の膜厚の差である図中のH7と等しくなる。従って、膜厚の差H7は第1ゲート絶縁層22の膜厚であるH3と第1ゲート絶縁層22に対する第1ゲート電極層23のエッチング選択比の積より低くする必要がある。以降の工程からは第1の実施形態と同様であるため説明を省略する。
Since the subsequent steps to the step of forming the gate electrodes MG1, MG2, MG3, SG, and TG are the same as those in the first embodiment, description thereof is omitted. Next, as shown in FIG. 34, a second gate electrode layer comprising a
本実施形態によれば、半導体基板21上面のメモリセルトランジスタ領域11aの上面に膜厚の厚い第1ゲート絶縁層41を設け、選択ゲートトランジスタ領域11bの上面及び周辺回路領域12の上面に第1ゲート絶縁層41の膜厚よりも薄い第2ゲート絶縁層42を設けることにより、選択ゲートトランジスタ領域11bの上面及び周辺回路領域12の上面の第2ゲート絶縁層42の上面を、メモリセルトランジスタ領域11aの第1ゲート絶縁層41の上面よりも下方の平面上に位置させ、第1ゲート絶縁層41の上面にメモリセルトランジスタMTの浮遊ゲート電極層23aを、また第2ゲート絶縁層42の上面に選択ゲートトランジスタST及びMOSトランジスタTRの下層ゲート電極層23b、23cを、それぞれ上面が同一平面上に位置するように設ける。
According to the present embodiment, the thick first
そのため、メモリセルトランジスタMTの浮遊ゲート電極層23aは薄い膜厚に形成され、一方、選択ゲートトランジスタST及びMOSトランジスタTRの下層ゲート電極層23b、23cはメモリセルトランジスタMTの浮遊ゲート電極層23aよりも厚い膜厚に形成されており、選択ゲートトランジスタST及びMOSトランジスタTRの電極間絶縁層24の開口部28b、28cの低部は下層ゲート電極層23b、23c中に位置する。従って、第1の実施形態と同様の効果が得られる。
Therefore, the floating
また、選択ゲートトランジスタSTとMOSトランジスタTRの第2ゲート絶縁層42b、42cを薄くすることができるため、スイッチング速度が上昇しDATAの転送速度の速いNAND型フラッシュメモリが提供できる。
Further, since the second
また、本実施形態において、浮遊ゲート電極層23aの膜厚より薄い範囲で第2ゲート絶縁層42b、42cの膜厚を異ならしめることも可能であり、周辺回路領域12に複数のMOSトランジスタTRを配置した場合においてこの複数のMOSトランジスタTRの第2ゲート絶縁層42cの膜厚を異ならしめることも可能である。
In the present embodiment, the thickness of the second
[第4の実施形態]
第4の実施形態は本発明をNOR型不揮発性メモリに適用した場合の1例である。
[Fourth Embodiment]
The fourth embodiment is an example when the present invention is applied to a NOR type nonvolatile memory.
図35は本発明の第4の実施形態に係るNOR型不揮発性メモリを模式的に示す平面図で、図36は図35のA−A線に沿う断面図である。説明の便宜上、上述の第1の実施形態と同じ、または類似の部分には同じ符号を付記し、本実施形態の特徴部分を説明する。 FIG. 35 is a plan view schematically showing a NOR type nonvolatile memory according to the fourth embodiment of the present invention, and FIG. 36 is a sectional view taken along the line AA of FIG. For convenience of explanation, the same reference numerals are given to the same or similar parts as those in the first embodiment, and the characteristic parts of the present embodiment will be described.
図35に示すように、メモリセル領域11には、図中Y方向に素子形成領域であるアクティブエリア13が素子分離絶縁膜14を介して帯状に複数本並列して形成され、図中Y方向に直交する図中X方向にワードラインWL1、WL2、・・・、WL4が帯状に複数本並列して形成されている。さらにこの複数のアクティブエリア13はワード線WL2とWL3の間で図中X方向に伸びるアクティブエリアで結合されており、この複数のアクティブエリア13が結合している部分をソース領域としての不純物拡散層53と称する。このアクティブエリア13とワードラインWL1、WL2、・・・、WL4の交差部分にそれぞれメモリセルトランジスタMTが形成されている。なお、この不純物拡散層53はWL2、WL3とアクティブエリア13の交差部分に形成されたメモリセルトランジスタMT2a、MT2b、MT3a、MT3bの共通ソースとしての機能を有する。ワード線WL1とWL2の間及びWL3とWL4の間にはメモリセルトランジスタMTのデータをビットライン(図示せず)に接続するためのコンタクト電極17が配置されている。ここで、第1の実施形態と異なりメモリセル領域11には選択ゲートトランジスタSTが配置されていない。なお、本実施形態ではメモリブロック毎のワードライン数が4本の構成であるが、16本、32本等更に多い構成であってもよい。同様にアクティブエリア13の本数も2本であるが更に多い構成であってもよい。また、メモリセル領域11の外側に配置された周辺回路領域12の構造は第1の実施形態と同じであるため説明を省略する。
As shown in FIG. 35, in the
図36に示すように、第1の実施形態と異なりメモリセル領域11には選択ゲートトランジスタSTが配置されていないこと以外は第1の実施形態と同じである。また、このNOR型不揮発性メモリの製造方法は第1の実施形態に係るNAND型不揮発性メモリと同様のため説明を省略する。
As shown in FIG. 36, unlike the first embodiment, the
本実施形態おいても、第1の実施形態と同様の効果が得られる。また、NOR型不揮発性メモリと同様にAND型やDiNOR型などの不揮発性メモリにも適用できる。 Also in this embodiment, the same effect as the first embodiment can be obtained. Further, the present invention can also be applied to AND-type and DiNOR-type non-volatile memories like the NOR-type non-volatile memories.
また、本実施形態を第2及び第3の実施形態のように変形することも可能である。 Further, the present embodiment can be modified as in the second and third embodiments.
[第5の実施形態]
第5の実施形態は、NAND型不揮発性メモリにおいて、周辺回路領域に第2ゲート電極と第2上層ゲート電極を抵抗体とした抵抗素子として配置したものである。
[Fifth Embodiment]
In the NAND-type nonvolatile memory according to the fifth embodiment, the second gate electrode and the second upper-layer gate electrode are arranged as resistance elements in the peripheral circuit region as resistors.
図37は第5の実施形態に係るNAND型不揮発性メモリの構造の模式的な平面図である。なお、説明の便宜上、上述の第1の実施形態と同じ、または類似の部分には同じ符号を付記し、本実施形態の特徴部分を説明する。 FIG. 37 is a schematic plan view of the structure of the NAND nonvolatile memory according to the fifth embodiment. For convenience of explanation, the same or similar parts as those in the first embodiment described above are denoted by the same reference numerals, and characteristic parts of the present embodiment will be described.
図37に示されるように、メモリセル領域11の外側には素子分離絶縁膜64で囲まれた1つのアクティブエリア63と、このアクティブエリア63上に設けられ、図中X方向に伸びアクティブエリア63を横断し、素子分離絶縁膜64上にまで至る1つのゲート電極RGが形成されている。このゲート電極RGはアクティブエリア63により左右に隔てられ、アクティブエリア63の左側に突出した素子分離絶縁膜64上のゲート電極RGに第1ゲートコンタクト電極68aが形成され、アクティブエリア63の右側に突出した素子分離絶縁膜64上のゲート電極RGに第2ゲートコンタクト電極68bが形成されている。この第1及び第2ゲートコンタクト電極68a、68bはそれぞれ電気的に分離された上層配線(図示せず)に接続されている。ゲート電極RG中のアクティブエリア63上には、開口部28cを有する第2電極間絶縁層24cが設けられている。このゲート電極RGは、例えば第1ゲートコンタクト電極68aに電圧を加え第2ゲートコンタクト電極68bをグランドに接続することによりゲート電極RGの電気抵抗を用いた抵抗素子REとして機能する。なお、アクティブエリア63は1つ以上配置されていてもよいし、ゲート電極RGは1つしか配置されていないが複数であってもよいし、1つのアクティブエリア63上に複数のゲート電極RGが配置されていてもよい。
As shown in FIG. 37, one
また、断面構造及び製造方法については、NAND型不揮発性メモリの製造方法は第1の実施形態に係るNAND型不揮発性メモリと同様のため説明を省略する。 The cross-sectional structure and the manufacturing method are not described because the manufacturing method of the NAND nonvolatile memory is the same as that of the NAND nonvolatile memory according to the first embodiment.
本実施形態おいても第1の実施形態と同様の効果が得られる。また、第1及び第2ゲートコンタクト電極68a、68b間の距離の変更及び数の変更や、下層ゲート電極層23c上または上層ゲート電極層27cの膜厚の厚さの変更や、第2電極間絶縁層24cの開口部28cの形状及び数の変更や、ゲート電極RGの形状を変更することで容易に抵抗素子REの抵抗値を変化させることが可能である。また、抵抗素子REを複数個、直列配置、または並列配置して上層メタル配線で接続することによりさまざまな抵抗素子をつくることも可能である。
In this embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained. In addition, the distance and the number of the first and second
また、第2電極間絶縁層24cの開口部28cの形状は長方形以外の形、例えば楕円形または切り掛け形状にすることも可能であり、第1及び第2ゲートコンタクト電極68a、68bを包含する形状であってもよく、ゲート電極RGを包含する形状であってもよい。また、第1及び第2ゲートコンタクト電極68a、68bはアクティブエリア63上のゲート電極RGに配置することも可能である。また、本実施形態を第2及び第3の実施形態のように変形することも可能である。
The shape of the
[第6の実施形態]
第6の実施形態は、NAND型不揮発性メモリにおいて、周辺回路領域に第2ゲート絶縁層を電荷蓄積層としたキャパシター素子を配置したものである。
[Sixth Embodiment]
In the sixth embodiment, a capacitor element using a second gate insulating layer as a charge storage layer is arranged in a peripheral circuit region in a NAND nonvolatile memory.
図38は第6の実施形態に係るNAND型不揮発性メモリの構造の模式的な平面図である。なお、説明の便宜上、上述の第1の実施形態と同じ、または類似の部分には同じ符号を付記し、本実施形態の特徴部分を説明する。 FIG. 38 is a schematic plan view of the structure of the NAND nonvolatile memory according to the sixth embodiment. For convenience of explanation, the same or similar parts as those in the first embodiment described above are denoted by the same reference numerals, and characteristic parts of the present embodiment will be described.
図38に示されるように、メモリセル領域11の外側には、素子分離絶縁膜74で囲まれた1つのアクティブエリア73と、このアクティブエリア73上に設けられたゲート電極CGとコンタクト電極77が形成されている。このゲート電極GC上にはゲートコンタクト電極78が形成され、ゲート電極CG中のアクティブエリア73上には、2つの開口部76を有する第2電極間絶縁層24cが設けられている。コンタクト電極77とゲートコンタクト電極78はそれぞれ電気的に分離された上層メタル配線(図示せず)と電気的に接続されている。このゲート電極CGは、例えばゲートコンタクト電極78に電圧を加えコンタクト電極77をグランドに接続することによりゲート電極CGのゲート絶縁層22c電荷蓄積層としたキャパシター素子CPとして機能する。なお、アクティブエリア73は1つ以上配置されてもよく、ゲート電極CGも複数、配置されてもよく、1つのアクティブエリア73上に複数のゲート電極CGが配置されていてもよい。
As shown in FIG. 38, on the outside of the
また、断面構造及び製造方法については、NAND型不揮発性メモリの製造方法は第1の実施形態にかかわるNAND型不揮発性メモリと同様のため説明を省略する。 The cross-sectional structure and the manufacturing method are not described because the manufacturing method of the NAND nonvolatile memory is the same as that of the NAND nonvolatile memory according to the first embodiment.
本実施形態おいても第1の実施形態と同様の効果が得られる。また、ゲート電極CGとアクティブエリア73との接する面積を変更することにより容易にキャパシター素子CPの容量を変化させることが可能である。また、キャパシター素子CPを複数個、直列配置、または並列配置し、上層メタル配線で接続することによりさまざまな容量をつくることも可能である。また、ゲートコンタクト電極78の数の変更及びコンタクト電極77の数の変更をすることも可能である。
In this embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained. In addition, the capacitance of the capacitor element CP can be easily changed by changing the area where the gate electrode CG and the
また、第2電極間絶縁層24cの開口部76の形状は長方形以外の形、例えば楕円形または切り掛け形状にすることも可能であり、ゲートコンタクト電極78を包含する形状であってもよく、ゲート電極CGを包含する形状であってもよい。また、ゲート電極CGはアクティブエリア73を突出し素子分離絶縁膜74上に形成することも可能であり、この場合において素子分離絶縁膜74上に突出したゲート電極上にゲートコンタクト電極78を配置することも可能であり、この素子分離絶縁膜74上に突出したゲート電極上に開口部76を有する電極間絶縁層を設けることも可能である。また、本実施形態を第2及び第3の実施形態のように変形することも可能である。
In addition, the shape of the
なお、本発明は上記実施形態のNAND型及びNOR型等の不揮発性メモリに限らず、1層ゲート構造と2層ゲート構造を同一半導体基板上に有する半導体記憶装置全てに適用できる。例えば、メモリセルトランジスタに1層ゲート構造のMOSトランジスタを使用するDRAMやSRAMであっても、周辺回路領域12に2層ゲート構造を有する抵抗素子又はキャパシター素子を配置する場合には適用できる。また、周辺回路領域に配置される回路素子はMOSトランジスタ、抵抗素子及びキャパシター素子に限らず、ゲート電極の粗密差を一定に保つためのダミーパターンや、本体動作に用いられないオプション回路中に配置されたMOSトランジスタ、抵抗素子及びキャパシター素子にも適用できる。例えば、ダストによるパターン崩れにより本体動作に使用するMOSトランジスタと電気的に接続と電気的に接続してしまった場合には、第1の実施形態と同様の効果が得られる。
The present invention is not limited to the NAND-type and NOR-type nonvolatile memories of the above-described embodiments, and can be applied to all semiconductor memory devices having a one-layer gate structure and a two-layer gate structure on the same semiconductor substrate. For example, even a DRAM or SRAM using a one-layer gate structure MOS transistor as a memory cell transistor can be applied when a resistor element or a capacitor element having a two-layer gate structure is arranged in the
11…メモリセル領域、11a…メモリセルトランジスタ領域、11b…選択ゲートトランジスタ領域、12…周辺回路領域、13、63、73…アクティブエリア、14、64、74…素子分離絶縁膜、17、77…コンタクト電極、18、78…ゲートコンタクト電極、20…不純物拡散層、21…半導体基板、22、22a、22b、22c、22d…ゲート絶縁層、23…第1ゲート電極層、23a…浮遊ゲート電極層、23b、23c…下層ゲート電極層、23d…シリコン酸化膜、24…電極間絶縁層、24a…第1電極間絶縁層、24b、24c…第2電極間絶縁層、25…第2ゲート電極層下部、25a…制御ゲート電極層下部、25b、25c…上層ゲート電極層下部、26…第2ゲート電極層上部、26a…制御ゲート電極層上部、26b、26c…上層ゲート電極層上部、27…第2ゲート電極層、27a…制御ゲート電極層、27b、27c…上層ゲート電極層、28b、28c…開口部、29、29a、29b、29c…メタル層、30a、33…第1マスク材、30b…第3マスク材、30c…第4マスク材、30d…第5マスク材、31…開口、32…第2ゲート絶縁層、41…第1ゲート絶縁層、42…第2ゲート絶縁層、42b、42c…第2ゲート絶縁層、49…マスク材、53…不純物拡散層、68a…第1ゲートコンタクト電極、68b…第2ゲートコンタクト電極、76…開口部
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記第1上面領域及び前記第2上面領域上に、前記第1及び第2上面領域における絶縁層の膜厚が同じになるようにゲート絶縁層を形成する工程と、
前記ゲート絶縁層上に、前記第1及び第2上面領域における電極層の膜厚が同じになるようにゲート電極層を形成し、且つ前記第1上面領域における第1ゲート電極層の上面を前記第2上面領域における前記第1ゲート電極層の上面よりも上方の平面上に位置させる工程と、
前記第1上面領域における前記第1ゲート電極層の上面と前記第2上面領域における前記第1ゲート電極層の上面とを同一平面上に位置させる工程と、
前記第1ゲート電極層上に電極間絶縁層を形成する工程と、
前記第2上面領域における前記電極間絶縁層に前記第1ゲート電極層の一部表面を露出する開口部を形成する工程と、
前記第1ゲート電極層の前記露出表面に形成された自然酸化膜を除去する工程と、
前記第1ゲート電極層の前記露出表面及び前記電極間絶縁層上に第2ゲート電極層を形成する工程と、
前記第1及び第2上面領域上の前記第2ゲート電極層、前記電極間絶縁層、前記第1ゲート電極層及び前記ゲート絶縁層とを選択的に除去して、前記第1上面領域にメモリセルトランジスタのゲート電極を、前記第2上面領域に選択ゲートトランジスタのゲート電極を形成する工程と、
を具備することを特徴とする半導体記憶装置の製造方法。 Processing the upper surface of the semiconductor substrate to form a first upper surface region and a second upper surface region having an upper surface located on a plane below the first upper surface region;
Forming a gate insulating layer on the first upper surface region and the second upper surface region so that the thicknesses of the insulating layers in the first and second upper surface regions are the same;
A gate electrode layer is formed on the gate insulating layer so that the film thicknesses of the electrode layers in the first and second upper surface regions are the same, and the upper surface of the first gate electrode layer in the first upper surface region is Locating on a plane above the upper surface of the first gate electrode layer in the second upper surface region;
Positioning the upper surface of the first gate electrode layer in the first upper surface region and the upper surface of the first gate electrode layer in the second upper surface region on the same plane;
Forming an interelectrode insulating layer on the first gate electrode layer;
Forming an opening exposing a part of the surface of the first gate electrode layer in the interelectrode insulating layer in the second upper surface region;
Removing a natural oxide film formed on the exposed surface of the first gate electrode layer;
Forming a second gate electrode layer on the exposed surface of the first gate electrode layer and the inter-electrode insulating layer;
The second gate electrode layer, the interelectrode insulating layer, the first gate electrode layer, and the gate insulating layer on the first and second upper surface regions are selectively removed, and a memory is formed in the first upper surface region. Forming a gate electrode of a cell transistor and a gate electrode of a select gate transistor in the second upper surface region;
A method of manufacturing a semiconductor memory device, comprising:
前記ゲート絶縁層上に、前記第1及び第2上面領域における電極層の膜厚が同じになるように第1ゲート電極層を形成し、且つ前記第1上面領域における第1ゲート電極層の上面を前記第2上面領域における前記第1ゲート電極層の上面よりも上方の平面上に位置させる工程と、
且つ前記第1上面領域における前記第1ゲート電極層の上面と前記第2上面領域における前記第1ゲート電極層の上面とを同一平面上に位置させる工程と、
前記第1ゲート電極層上に電極間絶縁層を形成する工程と、
前記第2上面領域における前記電極間絶縁層に前記第1ゲート電極層の一部表面を露出する開口部を形成する工程と、
前記第1ゲート電極層の前記露出表面に形成された自然酸化膜を除去する工程と、
前記第1ゲート電極層の前記露出表面及び前記電極間絶縁層上に第2ゲート電極層を形成する工程と、
前記第1及び第2上面領域上の前記第2ゲート電極層、前記電極間絶縁層、前記第1ゲート電極層及び前記ゲート絶縁層とを選択的に除去して、前記第1上面領域にメモリセルトランジスタのゲート電極を、前記第2上面領域に選択ゲートトランジスタのゲート電極を形成する工程と、
を具備することを特徴とする半導体記憶装置の製造方法。 Forming a gate insulating layer thicker on the first upper surface region of the semiconductor substrate than on the second upper surface region;
A first gate electrode layer is formed on the gate insulating layer so that the film thicknesses of the electrode layers in the first and second upper surface regions are the same, and the upper surface of the first gate electrode layer in the first upper surface region On a plane above the upper surface of the first gate electrode layer in the second upper surface region,
And positioning the upper surface of the first gate electrode layer in the first upper surface region and the upper surface of the first gate electrode layer in the second upper surface region on the same plane;
Forming an interelectrode insulating layer on the first gate electrode layer;
Forming an opening exposing a part of the surface of the first gate electrode layer in the interelectrode insulating layer in the second upper surface region;
Removing a natural oxide film formed on the exposed surface of the first gate electrode layer;
Forming a second gate electrode layer on the exposed surface of the first gate electrode layer and the inter-electrode insulating layer;
The second gate electrode layer, the interelectrode insulating layer, the first gate electrode layer, and the gate insulating layer on the first and second upper surface regions are selectively removed, and a memory is formed in the first upper surface region. Forming a gate electrode of a cell transistor and a gate electrode of a select gate transistor in the second upper surface region;
A method of manufacturing a semiconductor memory device, comprising:
前記第1上面領域における前記第1ゲート電極層の上部を、前記第1及び第2上面領域における第1ゲート電極層の高さの差分に相当する酸化膜に置換させる工程と、
前記酸化膜を取り除く工程と、
を含むことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体記憶装置の製造方法。 The step of positioning the upper surface of the first gate electrode layer in the first upper surface region and the second upper surface region on the same plane,
Replacing an upper portion of the first gate electrode layer in the first upper surface region with an oxide film corresponding to a difference in height of the first gate electrode layer in the first and second upper surface regions;
Removing the oxide film;
The method of manufacturing a semiconductor memory device according to claim 1, wherein:
前記第1及び第2上面領域上に設けられたゲート絶縁層と、
前記第1上面領域上に前記ゲート絶縁層を介して設けられた浮遊ゲート電極層と、前記浮遊ゲート電極層上に設けられた第1電極間絶縁層と、前記第1電極間絶縁層上に設けられた制御ゲート電極層とからなるメモリセルトランジスタのゲート電極と、
前記第2上面領域に前記ゲート絶縁層を介して設けられ、且つ上面が前記浮遊ゲート電極層の上面と同じ平面上に位置する下層ゲート電極層と、前記下層ゲート電極層上に設けられ、且つ前記下層ゲート電極層中に底部を有し、前記下層ゲート電極層の一部上面を露出するための開口部を有する第2電極間絶縁層と、前記下層ゲート電極層の前記露出表面及び前記第2電極間絶縁層上に設けられた上層ゲート電極層とからなる選択ゲートトランジスタのゲート電極と、を具備し、
前記浮遊ゲート電極層の膜厚が、前記下層ゲート電極層の膜厚よりも薄いことを特徴とする半導体記憶装置。 A semiconductor substrate comprising a first upper surface region and a second upper surface region whose upper surface is located on a plane below the first upper surface region;
A gate insulating layer provided on the first and second upper surface regions;
A floating gate electrode layer provided on the first upper surface region via the gate insulating layer, a first inter-electrode insulating layer provided on the floating gate electrode layer, and the first inter-electrode insulating layer A gate electrode of a memory cell transistor comprising a control gate electrode layer provided;
A lower gate electrode layer provided on the second upper surface region via the gate insulating layer and having an upper surface located on the same plane as the upper surface of the floating gate electrode layer; provided on the lower gate electrode layer; and A second interelectrode insulating layer having a bottom in the lower gate electrode layer and having an opening for exposing a part of the upper surface of the lower gate electrode layer; the exposed surface of the lower gate electrode layer; A gate electrode of a selection gate transistor comprising an upper gate electrode layer provided on the insulating layer between the two electrodes,
A semiconductor memory device, wherein the floating gate electrode layer is thinner than the lower gate electrode layer.
前記第1上面領域上に設けられ、且つ前記第2上面領域に設けられた第2ゲート絶縁層よりも膜厚の厚い第1ゲート絶縁層と、
前記第1上面領域上に前記第1ゲート絶縁層を介して設けられた浮遊ゲート電極層と、前記浮遊ゲート電極層上に設けられた第1電極間絶縁層と、前記第1電極間絶縁層上に設けられた制御ゲート電極層とからなるメモリセルトランジスタのゲート電極と、
前記第2上面領域に前記第2ゲート絶縁層を介して設けられ、且つ上面が前記浮遊ゲート電極層の上面と同じ平面上に位置する下層ゲート電極層と、前記下層ゲート電極層上に設けられ、且つ前記下層ゲート電極層中に底部を有し、前記下層ゲート電極層の一部上面を露出するための開口部を有する第2電極間絶縁層と、前記下層ゲート電極層の前記露出表面及び前記第2電極間絶縁層上に設けられた上層ゲート電極層とからなる選択ゲートトランジスタのゲート電極と、を具備し、
前記浮遊ゲート電極層の膜厚が、前記下層ゲート電極層の膜厚よりも薄いことを特徴とする半導体記憶装置。 A semiconductor substrate having a first upper surface region and a second upper surface region on the same plane;
A first gate insulating layer that is provided on the first upper surface region and is thicker than a second gate insulating layer provided on the second upper surface region;
A floating gate electrode layer provided on the first upper surface region via the first gate insulating layer; a first inter-electrode insulating layer provided on the floating gate electrode layer; and the first inter-electrode insulating layer A gate electrode of a memory cell transistor comprising a control gate electrode layer provided thereon;
A lower gate electrode layer provided on the second upper surface region via the second gate insulating layer and having an upper surface located on the same plane as the upper surface of the floating gate electrode layer; and provided on the lower gate electrode layer And a second inter-electrode insulating layer having a bottom in the lower gate electrode layer and having an opening for exposing a part of the upper surface of the lower gate electrode layer, the exposed surface of the lower gate electrode layer, and A gate electrode of a select gate transistor comprising an upper gate electrode layer provided on the second inter-electrode insulating layer,
A semiconductor memory device, wherein the floating gate electrode layer is thinner than the lower gate electrode layer.
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