JP2007173462A - 半導体記憶装置及び半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】選択ゲートトランジスタにおける選択ゲート電位のノイズを低減し安定性を高めることができる半導体記憶装置を提供する。
【解決手段】半導体記憶装置は、メモリセルとこのメモリセルを選択する選択ゲートトランジスタとを有するセルユニットが複数配列されたメモリセルアレイと、選択ゲートトランジスタの制御ゲートである選択ゲート線SGSLの上層に形成された上部配線ULと、選択ゲート線SGSL上に形成され、選択ゲート線SGSLと上部配線ULとを電気的に接続するコンタクト材CP1とを備える。選択ゲート線SGSLは、第1ゲート電極、ゲート間絶縁膜、第2ゲート電極の順序で積層され、ゲート間絶縁膜は第1ゲート電極と第2ゲート電極とを接触させるためのEIパターンを有する。さらに、コンタクト材CP1は、EIパターンが配置されていない選択ゲート線SGSL上に配置されている。
【選択図】 図2

Description

この発明は、半導体記憶装置または半導体装置に関するものであり、例えば制御ゲートと浮遊ゲートを有するメモリセルを備えた電気的書き換え可能なNAND型EEPROM(electrically erasable and programmable ROM)に関するものである。
近年、電気的書き換え可能な不揮発性半導体記憶装置として、NAND型EEPROMが様々な機器で用いられている。NAND型EEPROMは、NAND型に直列に接続された複数のメモリセル(以下、NANDセルと記す)と、NANDセルの両端に配置された選択ゲートトランジスタとを有している。選択ゲートトランジスタは、NANDセルの両端に位置し、選択されたアドレスのNANDセルに接続された選択ゲートトランジスタのみオンすることで、NANDセルの選択/非選択を規定する。
選択ゲートトランジスタのゲート電極(以下、選択ゲートと記す)に隣接するワード線には書き込み時の高電圧パルスや読み出し時の高速パルスが印加される。そのような場合に、選択ゲートトランジスタの選択ゲート電位が影響を受けて変動すると、前述した選択/非選択の特性が劣化するため、選択ゲートトランジスタの選択ゲートはセルアレイ途中でより抵抗の低い金属配線により裏打ち(シャント)されている(例えば、特許文献1参照)。金属配線は選択ゲートの上層に形成されているため、金属配線と選択ゲートとを接続するコンタクト材が必要である。このように、選択ゲートの抵抗を下げるために、金属配線と選択ゲートとを接続するコンタクト材が形成される領域を、以降、シャント領域と呼ぶ。
シャント領域内の選択ゲート上にコンタクト材を形成する場合、加工時の機械的ストレス、あるいはゲート材が掘られることによる応力ストレスなどにより、コンタクト材直下のゲート絶縁膜がダメージを受けることが懸念され、これにより選択ゲート電位のノイズが増加するという問題が生じる。
また、周辺回路を構成するトランジスタでは、ゲート電極上にコンタクト材を形成する場合、同様に、コンタクト材直下のゲート絶縁膜がダメージを受けることが懸念されるため、素子分離領域上に、コンタクト材を配置するためのゲート電極領域が必要である。このため、トランジスタ形成に必要な面積を低減できないという問題が生じている。
特開2000−91546号公報
この発明は、選択ゲートトランジスタにおける選択ゲート電位のノイズを低減し安定性を高めることができる半導体記憶装置を提供する。また、この発明は、トランジスタ形成に必要な面積を低減でき、トランジスタを含む回路領域の面積を縮小できる半導体装置を提供する。
この発明の第1実施態様によれば、メモリセルと前記メモリセルを選択する選択ゲートトランジスタとを有するセルユニットが複数配列されたメモリセルアレイと、前記選択ゲートトランジスタの制御ゲートである第1選択ゲート線の上層に形成された第2選択ゲート線と、前記第1選択ゲート線上に形成され、前記第1選択ゲート線と前記第2選択ゲート線とを電気的に接続するコンタクト材とを具備し、前記第1選択ゲート線は、第1ゲート電極、ゲート間絶縁膜、第2ゲート電極の順序で積層され、ゲート間絶縁膜は前記第1ゲート電極と前記第2ゲート電極とを接触させるための開口部を有し、前記コンタクト材は前記開口部が配置されていない前記第1選択ゲート線上に配置されていることを特徴とする半導体記憶装置が提供される。
この発明の第2実施態様によれば、直列に接続された複数のメモリセルと前記複数のメモリセルの両端に接続された選択ゲートトランジスタとを有するセルユニットが複数配列されてなる第1、第2ブロックと、前記第1ブロックと前記第2ブロックとの間に配置された、前記メモリセルが形成されていないシャント領域と、前記第1、第2ブロック内、及び前記シャント領域内を延伸するように形成された、前記選択ゲートトランジスタの制御ゲートである第1選択ゲート線と、前記第1選択ゲート線の上層に形成された第2選択ゲート線と、前記シャント領域内の前記第1選択ゲート線上に形成され、前記第1選択ゲート線と前記第2選択ゲート線とを電気的に接続するコンタクト材とを具備し、前記第1選択ゲート線は、第1ゲート電極、ゲート間絶縁膜、第2ゲート電極の順序で積層され、前記ゲート間絶縁膜は前記第1ゲート電極と前記第2ゲート電極とを接触させるための開口部を有し、前記シャント領域内の前記第1選択ゲート線に前記開口部が配置され、前記シャント領域内の前記開口部が配置されていない前記第1選択ゲート線上に前記コンタクト材が配置されていることを特徴とする半導体記憶装置が提供される。
この発明の第3実施態様によれば、カラム方向に延伸する活性領域がロウ方向に複数配列され、前記活性領域の各々に、直列接続された複数のメモリセルが形成され、前記複数のメモリセルの両端に選択ゲートトランジスタが形成された第1、第2ブロックと、前記第1ブロックと前記第2ブロックとの間に配置され、カラム方向に延伸する第1、第2活性領域がロウ方向に配列されたシャント領域と、前記第1、第2ブロック内の前記活性領域上、及び前記シャント領域内の前記活性領域上に、ロウ方向に延伸するように形成された、前記選択ゲートトランジスタの制御ゲートである第1選択ゲート線と、前記第1選択ゲート線の上層に形成された第2選択ゲート線と、前記シャント領域内の前記第1選択ゲート線上に形成され、前記第1選択ゲート線と前記第2選択ゲート線とを電気的に接続するコンタクト材とを具備し、前記第1選択ゲート線は、第1ゲート電極、ゲート間絶縁膜、第2ゲート電極の順序で積層され、前記ゲート間絶縁膜は前記第1ゲート電極と前記第2ゲート電極とを接触させるための開口部を有し、前記シャント領域内において、前記第1活性領域上の前記第1選択ゲート線には前記開口部が配置され、前記第2活性領域上の前記第1選択ゲート線上には前記コンタクト材が配置されていることを特徴とする半導体記憶装置が提供される。
この発明の第4実施態様によれば、半導体基板に形成されたソース領域と、前記半導体基板に、前記ソース領域と離隔して形成されたドレイン領域と、前記ソース領域と前記ドレイン領域との間のチャネル領域上に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成された第1ゲート電極と、前記第1ゲート電極上に形成され、前記チャネル領域の直上に開口部を有するゲート間絶縁膜と、前記開口部内の前記第1ゲート電極上、及び前記ゲート間絶縁膜上に形成された第2ゲート電極と、前記チャネル領域の直上の前記第2ゲート電極上に形成されたコンタクト材とを具備し、前記半導体基板面に垂直な方向において、前記開口部と前記コンタクト材は重なっていないことを特徴とする半導体装置が提供される。
この発明によれば、選択ゲートトランジスタにおける選択ゲート電位のノイズを低減し安定性を高めることができる半導体記憶装置を提供することが可能である。また、この発明によれば、トランジスタ形成に必要な面積を低減でき、トランジスタを含む回路領域の面積を縮小できる半導体装置を提供することが可能である。
以下、図面を参照してこの発明の実施形態の半導体記憶装置について説明する。説明に際し、全図にわたり、共通する部分には共通する参照符号を付す。
[第1実施形態]
まず、この発明の第1の実施形態の半導体記憶装置について説明する。
図1は、第1実施形態の半導体記憶装置の構成の概要を示すレイアウト図である。
NANDセル領域11は、ロウ方向及びカラム方向にマトリクス状に配列され、ロウ方向のNANDセル領域11の間にはシャント領域12が配置されている。また、周辺部には周辺回路領域13が配置されている。NANDセル領域11には、NANDセルとNANDセルの両端に接続された選択ゲートトランジスタとからなるセルユニットが複数配列される。NANDセルは、制御ゲートと浮遊ゲートが積層されたメモリセルが隣り合うメモリセル同士でソースあるいはドレインを共有するように複数個直列に接続されたメモリセル群から形成されている。NANDセル領域11及びシャント領域12には、選択ゲートトランジスタの選択ゲートの抵抗を下げるための上部配線が形成されており、シャント領域12には選択ゲートトランジスタの選択ゲートと上部配線とを接続するコンタクト材が形成されている。さらに、周辺回路領域13には、セルユニットへデータを入出力する入出力回路や、セルユニットを動作させるための駆動回路等を含む周辺回路が形成されている。
図2は、図1に示したシャント領域12とNANDセル領域11の一部を拡大した図であり、セルユニットの構成を示すレイアウト図である。図3に、セルユニットの回路図を示す。
図2に示すように、メモリセルM0〜M7の制御ゲートCG0〜CG7が、拡散層(ソースあるいはドレイン)21Aを挟んで平行に配列されている。制御ゲートCG0の隣には、拡散層(ソースあるいはドレイン)21Bを挟んで選択ゲートトランジスタSGSの選択ゲートSGSLが配置されている。選択ゲートトランジスタSGSの他方の拡散層(ソースあるいはドレイン)21C上には、拡散層21Cとソース線SLとを接続するソースコンタクトCPSが形成される。
制御ゲートCG7の隣には、拡散層(ソースあるいはドレイン)21Dを挟んで選択ゲートトランジスタSGDの選択ゲートSGDLが配置されている。選択ゲートトランジスタSGDの他方の拡散層(ソースあるいはドレイン)21E上には、拡散層21Eとビット線BLとを接続するドレインコンタクトCPDが形成されている。さらに、NANDセル領域11内の選択ゲートSGSL、SGDLには、EIパターンが形成されている。EIパターンについては後で詳述する。
また、シャント領域12には、NANDセル領域11内の拡散層21A、21B、21C、21D、21E及び選択ゲートと同様の周期パターンで、活性領域AA1、AA2と選択ゲートが形成されている。しかし、シャント領域12内では、活性領域AA1上の選択ゲートSGSLには、EIパターンが形成されているが、活性領域AA2上の選択ゲートSGSLにはEIパターンが形成されていない。活性領域AA2上の選択ゲートSGSL上には、選択ゲートSGSLと上部配線ULとを電気的に接続するコンタクト材CP1が形成されている。すなわち、シャント領域12内の選択ゲートSGSLの一部にEIパターンが配置され、シャント領域12内のEIパターンが配置されていない選択ゲートSGSL上にコンタクト材CP1が配置されている。
図4は、図2における4−4線に沿った断面図であり、シャント領域における活性領域AA2上の断面構造を示している。
コンタクト材CP1が形成された選択ゲートSGSLは以下のような構造を有している。半導体基板21の活性領域AA2上にはゲート絶縁膜22が形成され、このゲート絶縁膜22上には第1ゲート電極23、ゲート間絶縁膜24、第2ゲート電極25の順序で積層された選択ゲートSGSLが形成されている。第1ゲート電極23はポリシリコン膜から形成されている。第2ゲート電極25は、ゲート間絶縁膜24上に形成されたポリシリコン膜25Aと、このポリシリコン膜25A上に形成されたシリサイド膜25Bから形成されている。シリサイド膜25Bは、タングステンシリサイド膜、コバルトシリサイド膜、チタンシリサイド膜、及びニッケルシリサイド膜の少なくともいずれかを含む。なお、第1ゲート電極23がメモリセルの浮遊ゲート電極に相当し、第2ゲート電極25がメモリセルの制御ゲート電極に相当する。さらに、第2ゲート電極25上にはコンタクト材CP1が形成され、コンタクト材CP1上には上部配線ULが形成されている。これにより、選択ゲートSGSLは、コンタクト材CP1により上部配線ULに電気的に接続されている。コンタクト材CP1は、ポリシリコン、タングステン、及びチタンのいずれか1つを含むか、またはポリシリコン、タングステン、及びチタンの少なくともいずれか2つから形成された合金を含む。
また、コンタクト材CP1が形成されていない他の選択ゲートSGSLは以下のような構造を有している。半導体基板21の活性領域AA2上にはゲート絶縁膜22が形成され、このゲート絶縁膜22上には第1ゲート電極23、ゲート間絶縁膜24、第2ゲート電極25の順序で積層された選択ゲートSGSLが形成されている。ゲート間絶縁膜24は中央部付近で除去されており、除去された領域(開口部)にはポリシリコン膜25Aが入り込み、第1ゲート電極23と第2ゲート電極25とが電気的に接続されている。このように、ゲート間絶縁膜24が除去され、ポリシリコン膜25Aが入り込んだパターンをEI(Etching Interpoly)パターンという。
図5は、図2における5−5線に沿った断面図であり、シャント領域における活性領域AA1上の断面構造を示している。活性領域AA1上の選択ゲートSGSL上にはコンタクト材が形成されておらず、選択ゲートSGSLにはEIパターンが形成されている。
断面構造は以下の通りである。半導体基板21の活性領域AA1上にはゲート絶縁膜22が形成され、このゲート絶縁膜22上には第1ゲート電極23、ゲート間絶縁膜24、第2ゲート電極25の順序で積層された選択ゲートSGSLが形成されている。第2ゲート電極25は、ゲート間絶縁膜24上に形成されたポリシリコン膜25Aと、このポリシリコン膜25A上に形成されたシリサイド膜25Bから形成されている。ゲート間絶縁膜24にはEIパターンが形成されており、第1ゲート電極23と第2ゲート電極25とが電気的に接続されている。さらに、選択ゲートSGSLの上層には、上部配線ULが形成されている。
図2に示した構成を持つ半導体記憶装置では、シャント領域12内の選択ゲートSGSLにおいて、コンタクト材CP1が形成された第2ゲート電極25下にはゲート間絶縁膜24が存在しているため、言い換えると、コンタクト材CP1が形成された第2ゲート電極25下にはEIパターンが形成されていないため、コンタクト材形成による機械的ストレスや応力ストレスにより、第1ゲート電極23下のゲート絶縁膜22が破壊されるのを防止することができる。これにより、選択ゲートSGSLと半導体基板との絶縁性が不安定になる等の不具合を防ぐことができ、選択ゲート電位に発生するノイズを低減し、選択ゲート電位を安定化することができる。
次に、図1に示した周辺回路領域13に形成される周辺回路について説明する。
前述したNANDセル領域11と同一の半導体基板上に形成される周辺回路領域13では、通常、ユニットセルの製造工程と同一の工程を利用して周辺回路を形成する。このため、周辺回路を構成する周辺トランジスタは、前述した選択ゲートトランジスタと同様に、ゲート絶縁膜上に第1ゲート電極、ゲート間絶縁膜、第2ゲート電極が積層された積層ゲートを持ち、EIパターンにより第1ゲート電極と第2ゲート電極とが接続された構造を有している。
図6に、従来例の周辺トランジスタのレイアウトを示す。活性領域AA3上及び素子分離領域31上にはゲート電極32が形成されている。活性領域AA3上のゲート電極32にはEIパターンが形成され、素子分離領域31上のゲート電極32上に、このゲート電極32と上部配線(図示しない)とを接続するコンタクト材CP2が形成されている。さらに、活性領域AA3のソース領域及びドレイン領域上には、これら領域と上部配線(図示しない)とを接続するコンタクト材CP3、CP4がそれぞれ形成されている。このような構成を持つ周辺トランジスタでは、コンタクト材CP2を形成するために、素子分離領域31上に所定のルールに従ったゲート電極領域が必要である。このため、周辺トランジスタの形成に必要な面積を縮小化することができなかった。
図7及び図9に、この実施形態の周辺トランジスタの構成例をそれぞれ示す。実施形態では、素子領域AA3上のゲート電極32にEIパターンを形成し、素子領域AA3上のEIパターンが形成されていないゲート電極32上にコンタクト材CP2を形成する。
詳述すると、図7に示す周辺トランジスタでは、素子領域AA3のチャネル領域上のゲート電極32において、第1の領域にEIパターンが形成され、EIパターンが形成されていない第2の領域にコンタクト材CP2が形成されている。図8に、図7における8−8線に沿った断面を示す。半導体基板21の素子分離領域31にて分離された活性領域AA1上には、ゲート絶縁膜22が形成されている。このゲート絶縁膜22上には、第1ゲート電極23、ゲート間絶縁膜24、第2ゲート電極25の順序で積層されたゲート電極32が形成されている。第1ゲート電極23はポリシリコン膜から形成されている。第2ゲート電極25は、ゲート間絶縁膜24上に形成されたポリシリコン膜25Aと、このポリシリコン膜25A上に形成されたシリサイド膜25Bから形成されている。さらに、ゲート間絶縁膜24にはEIパターンが形成されており、第1ゲート電極23と第2ゲート電極25とが電気的に接続されている。
図9に示す周辺トランジスタでは、素子領域AA3のチャネル領域上のゲート電極の両端側にEIパターンが形成され、これらEIパターンで挟まれた、EIパターンが形成されていないゲート電極32上にコンタクト材CP2が形成されている。コンタクト材CP2は、ポリシリコン、タングステン、及びチタンのいずれか1つを含むか、またはポリシリコン、タングステン、及びチタンの少なくともいずれか2つから形成された合金を含む。
このような構成を持つ周辺トランジスタによれば、ゲート電極と上部配線とを接続するコンタクト材を、素子分離領域上のゲート電極上に形成せず、活性領域内のチャネル領域上で、EIパターンが配置されていないゲート電極上に形成している。これにより、ゲート電位の安定性を維持したままで、周辺トランジスタ形成に必要な面積を従来例に比べて低減することができる。この結果、周辺トランジスタを含む周辺回路の形成に必要な面積を低減でき、さらには半導体記憶装置及び半導体装置の微細化、大容量化の推進を図ることが可能となる。
なお、前述した実施形態は唯一の実施形態ではなく、前記構成の変更あるいは各種構成の追加によって、様々な実施形態を形成することが可能である。
この発明の実施形態の半導体記憶装置の構成の概要を示すレイアウト図である。 この発明の実施形態のNANDセル領域におけるセルユニットの構成を示すレイアウト図である。 この発明の実施形態のセルユニットの回路図である。 図2に示したレイアウト図における4−4線に沿った断面図である。 図2に示したレイアウト図における5−5線に沿った断面図である。 従来例の周辺回路が含む周辺トランジスタの構成を示すレイアウト図である。 この発明の実施形態の周辺回路領域における周辺トランジスタの第1構成例を示すレイアウト図である。 図7に示したレイアウト図における8−8線に沿った断面図である。 この発明の実施形態の周辺回路領域における周辺トランジスタの第2構成例を示すレイアウト図である。
符号の説明
11…NANDセル領域、12…シャント領域、13…周辺回路領域、21…半導体基板、21A,21B,21C,21D,21E…拡散層(ソースあるいはドレイン)、22…ゲート絶縁膜、23…第1ゲート電極、24…ゲート間絶縁膜、25…第2ゲート電極、25A…ポリシリコン膜、25B…シリサイド膜、31…素子分離領域、32…ゲート電極、AA1,AA2,AA3…活性領域、BL…ビット線、CG0〜CG7…制御ゲート、CP1,CP2,CP3…コンタクト材、CPD…ドレインコンタクト、CPS…ソースコンタクト、M0〜M7…メモリセル、SGD,SGS…選択ゲートトランジスタ、SGDL,SGSL…選択ゲート、SL…ソース線、UL…上部配線。

Claims (5)

  1. メモリセルと前記メモリセルを選択する選択ゲートトランジスタとを有するセルユニットが複数配列されたメモリセルアレイと、
    前記選択ゲートトランジスタの制御ゲートである第1選択ゲート線の上層に形成された第2選択ゲート線と、
    前記第1選択ゲート線上に形成され、前記第1選択ゲート線と前記第2選択ゲート線とを電気的に接続するコンタクト材とを具備し、
    前記第1選択ゲート線は、第1ゲート電極、ゲート間絶縁膜、第2ゲート電極の順序で積層され、ゲート間絶縁膜は前記第1ゲート電極と前記第2ゲート電極とを接触させるための開口部を有し、
    前記コンタクト材は前記開口部が配置されていない前記第1選択ゲート線上に配置されていることを特徴とする半導体記憶装置。
  2. 直列に接続された複数のメモリセルと前記複数のメモリセルの両端に接続された選択ゲートトランジスタとを有するセルユニットが複数配列されてなる第1、第2ブロックと、
    前記第1ブロックと前記第2ブロックとの間に配置された、前記メモリセルが形成されていないシャント領域と、
    前記第1、第2ブロック内、及び前記シャント領域内を延伸するように形成された、前記選択ゲートトランジスタの制御ゲートである第1選択ゲート線と、
    前記第1選択ゲート線の上層に形成された第2選択ゲート線と、
    前記シャント領域内の前記第1選択ゲート線上に形成され、前記第1選択ゲート線と前記第2選択ゲート線とを電気的に接続するコンタクト材とを具備し、
    前記第1選択ゲート線は、第1ゲート電極、ゲート間絶縁膜、第2ゲート電極の順序で積層され、前記ゲート間絶縁膜は前記第1ゲート電極と前記第2ゲート電極とを接触させるための開口部を有し、
    前記シャント領域内の前記第1選択ゲート線に前記開口部が配置され、前記シャント領域内の前記開口部が配置されていない前記第1選択ゲート線上に前記コンタクト材が配置されていることを特徴とする半導体記憶装置。
  3. カラム方向に延伸する活性領域がロウ方向に複数配列され、前記活性領域の各々に、直列接続された複数のメモリセルが形成され、前記複数のメモリセルの両端に選択ゲートトランジスタが形成された第1、第2ブロックと、
    前記第1ブロックと前記第2ブロックとの間に配置され、カラム方向に延伸する第1、第2活性領域がロウ方向に配列されたシャント領域と、
    前記第1、第2ブロック内の前記活性領域上、及び前記シャント領域内の前記活性領域上に、ロウ方向に延伸するように形成された、前記選択ゲートトランジスタの制御ゲートである第1選択ゲート線と、
    前記第1選択ゲート線の上層に形成された第2選択ゲート線と、
    前記シャント領域内の前記第1選択ゲート線上に形成され、前記第1選択ゲート線と前記第2選択ゲート線とを電気的に接続するコンタクト材とを具備し、
    前記第1選択ゲート線は、第1ゲート電極、ゲート間絶縁膜、第2ゲート電極の順序で積層され、前記ゲート間絶縁膜は前記第1ゲート電極と前記第2ゲート電極とを接触させるための開口部を有し、
    前記シャント領域内において、前記第1活性領域上の前記第1選択ゲート線には前記開口部が配置され、前記第2活性領域上の前記第1選択ゲート線上には前記コンタクト材が配置されていることを特徴とする半導体記憶装置。
  4. 前記シャント領域には第1、第2活性領域が配列され、前記開口部は前記第1活性領域上の前記第1選択ゲート線に配置され、前記コンタクト材は前記第2活性領域上の前記第1選択ゲート線上に配置されていることを特徴とする請求項2に記載の半導体記憶装置。
  5. 半導体基板に形成されたソース領域と、
    前記半導体基板に、前記ソース領域と離隔して形成されたドレイン領域と、
    前記ソース領域と前記ドレイン領域との間のチャネル領域上に形成されたゲート絶縁膜と、
    前記ゲート絶縁膜上に形成された第1ゲート電極と、
    前記第1ゲート電極上に形成され、前記チャネル領域の直上に開口部を有するゲート間絶縁膜と、
    前記開口部内の前記第1ゲート電極上、及び前記ゲート間絶縁膜上に形成された第2ゲート電極と、
    前記チャネル領域の直上の前記第2ゲート電極上に形成されたコンタクト材とを具備し、
    前記半導体基板面に垂直な方向において、前記開口部と前記コンタクト材は重なっていないことを特徴とする半導体装置。
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