JP2011192879A - 不揮発性記憶装置および不揮発性記憶装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、集積度が高い不揮発性記憶装置および不揮発性記憶装置の製造方法を提供する。
【解決手段】それぞれ複数の絶縁膜及び電極膜が交互に積層された積層体と、前記積層体を貫く半導体ピラーと、前記電極膜と前記半導体ピラーとの間に設けられたチャージトラップ膜と、を備え、前記電極膜は、前記積層体の積層方向に対して直交する一の方向に延び、相互に離隔して複数本設けられ、共通の前記電極膜に交わり隣り合う2本の前記半導体ピラーは、前記電極膜の幅方向における相互に異なる位置で交わっていることを特徴とする不揮発性記憶装置が提供される。
【選択図】図1
【解決手段】それぞれ複数の絶縁膜及び電極膜が交互に積層された積層体と、前記積層体を貫く半導体ピラーと、前記電極膜と前記半導体ピラーとの間に設けられたチャージトラップ膜と、を備え、前記電極膜は、前記積層体の積層方向に対して直交する一の方向に延び、相互に離隔して複数本設けられ、共通の前記電極膜に交わり隣り合う2本の前記半導体ピラーは、前記電極膜の幅方向における相互に異なる位置で交わっていることを特徴とする不揮発性記憶装置が提供される。
【選択図】図1
Description
本発明は、不揮発性記憶装置および不揮発性記憶装置の製造方法に関する。
従来の不揮発性記憶装置(メモリ)においては、シリコン基板上の2次元平面内に素子を集積させてきた。メモリの記憶容量を増加させるために1つの素子の寸法を小さくする(微細化する)ことが行われているが、近年その微細化もコスト的、技術的に困難なものになってきた。
これに対し、不揮発性記憶装置(メモリ)の記憶容量を増加させるために、一括加工型3次元積層メモリセルが提案されている(例えば、特許文献1参照)。この方法によれば積層数によらず、積層メモリを一括して形成することが可能なため、コストの増加を抑えることが可能となる。
この一括加工型3次元積層メモリにおいては、交互に積層された絶縁膜と電極膜とを有する積層体と、積層体を貫通する半導体ピラー(シリコンピラー)と、半導体ピラー(シリコンピラー)と電極膜との間の電荷蓄積層(記憶層;チャージトラップ膜)と、が設けられ、これにより、半導体ピラー(シリコンピラー)と各電極膜との交差部にメモリセルが設けられる。
ところが、近年においてはこのような積層型不揮発性記憶装置においても、平面内にメモリセルをより稠密に配置し一層の高集積化を図ることが望まれていた。
ところが、近年においてはこのような積層型不揮発性記憶装置においても、平面内にメモリセルをより稠密に配置し一層の高集積化を図ることが望まれていた。
本発明は、集積度が高い不揮発性記憶装置および不揮発性記憶装置の製造方法を提供する。
本発明の一態様によれば、それぞれ複数の絶縁膜及び電極膜が交互に積層された積層体と、前記積層体を貫く半導体ピラーと、前記電極膜と前記半導体ピラーとの間に設けられたチャージトラップ膜と、を備え、前記電極膜は、前記積層体の積層方向に対して直交する一の方向に延び、相互に離隔して複数本設けられ、共通の前記電極膜に交わり隣り合う2本の前記半導体ピラーは、前記電極膜の幅方向における相互に異なる位置で交わっていることを特徴とする不揮発性記憶装置が提供される。
また、本発明の他の一態様によれば、それぞれ複数の絶縁膜及び犠牲膜が交互に積層された積層体を形成する工程と、前記積層体の積層方向に延びる複数の貫通ホールを形成する工程と、前記貫通ホールに半導体ピラーを形成する工程と、前記積層体の積層方向に延びるトレンチを形成する工程と、前記トレンチを介して前記犠牲膜を選択的に除去する工程と、前記半導体ピラーの外周面側にチャージトラップ膜を形成する工程と、前記絶縁膜の積層方向において前記絶縁膜と前記絶縁膜との間に複数の電極膜を形成する工程と、を備え、前記電極膜を形成する工程において、前記電極膜は、前記絶縁膜の積層方向に対して直交する一の方向に延び、相互に離隔して複数本形成され、前記貫通ホールを形成する工程において、前記一の方向に隣り合う2つの前記貫通ホールは、共通の前記電極膜の幅方向における相互に異なる位置で交わるように形成されることを特徴とする不揮発性記憶装置の製造方法が提供される。
本発明によれば、集積度が高い不揮発性記憶装置および不揮発性記憶装置の製造方法が提供される。
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について例示をする。
図1は、第1の実施形態に係る不揮発性記憶装置を例示するための模式斜視図である。 なお、煩雑となるのを避けるため、原則として導電部分のみを示し、絶縁部分は省略している。
図2は、第1の実施形態に係る不揮発性記憶装置を例示するための模式断面図である。 なお、図2(a)はビットラインBL方向(図1におけるY方向)から見た図、図2(b)はワードラインWL方向(図1におけるX方向)から見た図、図2(c)は図2(a)におけるA−A矢視断面図、図2(d)は図2(b)におけるB−B矢視断面図、図2(e)は図2(a)におけるC部の模式拡大図である。
また、図中のX、Y、Zは直交座標系を表し、シリコン基板11の上面に対して垂直な方向、すなわち、上下方向をZ方向とし、シリコン基板11の上面に平行な水平方向であって、ワードラインWL方向をX方向、ビットラインBL方向をY方向としている。なお、後述する他の実施形態においても同様である。
図1は、第1の実施形態に係る不揮発性記憶装置を例示するための模式斜視図である。 なお、煩雑となるのを避けるため、原則として導電部分のみを示し、絶縁部分は省略している。
図2は、第1の実施形態に係る不揮発性記憶装置を例示するための模式断面図である。 なお、図2(a)はビットラインBL方向(図1におけるY方向)から見た図、図2(b)はワードラインWL方向(図1におけるX方向)から見た図、図2(c)は図2(a)におけるA−A矢視断面図、図2(d)は図2(b)におけるB−B矢視断面図、図2(e)は図2(a)におけるC部の模式拡大図である。
また、図中のX、Y、Zは直交座標系を表し、シリコン基板11の上面に対して垂直な方向、すなわち、上下方向をZ方向とし、シリコン基板11の上面に平行な水平方向であって、ワードラインWL方向をX方向、ビットラインBL方向をY方向としている。なお、後述する他の実施形態においても同様である。
本実施の形態に係る不揮発性記憶装置1は、電極膜と絶縁膜とが交互に積層された積層体内に複数本の半導体ピラーSPが設けられた3次元積層型のフラッシュメモリである。 この様な不揮発性記憶装置1においては、ゲート電極に電圧を印加することによって形成される空乏層をつないでチャネルを形成するので、チャネルに通常電子が存在しない。そのため、非選択セルにパス電圧(Vpass)が印加されてもProgram DisturbやRead Disturbによる誤動作を起こしにくいという特徴がある。また、チャネルがP−型なので消去時にシリコン基板からホールを容易に引き込むことができる。そのため、消去特性がよい。
そして、本実施の形態に係る不揮発性記憶装置1は、図2(c)、(d)、後述する図3に示すように、Z方向から見て、半導体ピラーSPを千鳥状に配設させている。そのため、半導体ピラーSP同士の間の最短距離が一定値以上となるようにしつつ、より稠密な配置とすることができるので、一層の高集積化を図ることができる。また、ビットラインBL、ソースラインSLへの接続を容易とすることができる。なお、半導体ピラーSPの配設形態に関する詳細は後述する。
以下、本実施の形態に係る不揮発性記憶装置1の構成について例示をする。
図1、図2に示すように、本実施の形態に係る不揮発性記憶装置1には、例えば単結晶シリコンからなるシリコン基板11が設けられている。シリコン基板11の表層部分には、イオン・インプランテーションによりソースラインSLが形成されている。
図1、図2に示すように、本実施の形態に係る不揮発性記憶装置1には、例えば単結晶シリコンからなるシリコン基板11が設けられている。シリコン基板11の表層部分には、イオン・インプランテーションによりソースラインSLが形成されている。
シリコン基板11上には、メモリ積層体MLが設けられている。メモリ積層体MLにおいては、複数の絶縁膜14とセレクトゲートSGと複数のワードラインWL(電極膜)とが交互に設けられている。絶縁膜14はワードラインWL同士を絶縁する層間絶縁膜として機能する。また、ワードラインWL(電極膜)は、メモリ積層体MLの積層方向(Z方向)に対して直交するX方向に延び、相互に離隔して複数本設けられている。なお、図2(a)、(b)に示す例では、ワードラインWLは4層設けられているが、本発明はこれに限定されない。
また、更に、最上層のセレクトゲートSGの上方には、絶縁膜17及び絶縁膜16がこの順に積層されている。
また、更に、最上層のセレクトゲートSGの上方には、絶縁膜17及び絶縁膜16がこの順に積層されている。
ワードラインWLは消去ブロック単位で分断されており、消去ブロック内ではXY平面に平行な1枚の導電膜となっている。ワードラインWLは、例えば、タングステンなどから形成されているものとすることができる。
絶縁膜14は、絶縁材料、例えば、シリコン酸化物などから形成されているものとすることができる。
絶縁膜16は、絶縁材料、例えば、シリコン窒化物などから形成されているものとすることができる。
絶縁膜17は、絶縁材料、例えば、シリコン酸化物などから形成されているものとすることができる。
なお、各膜間の任意の位置に、例えばシリコン窒化物からなるストッパ膜等、プロセス上必要な膜が適宜設けられていてもよい。
絶縁膜16は、絶縁材料、例えば、シリコン窒化物などから形成されているものとすることができる。
絶縁膜17は、絶縁材料、例えば、シリコン酸化物などから形成されているものとすることができる。
なお、各膜間の任意の位置に、例えばシリコン窒化物からなるストッパ膜等、プロセス上必要な膜が適宜設けられていてもよい。
そして、メモリ積層体MLには、積層方向(Z方向)に延びる複数本の貫通ホール18が形成されている。各貫通ホール18はメモリ積層体ML全体を貫いている。各貫通ホール18の内部には、半導体ピラーとしての半導体ピラーSPが埋設されている。
半導体ピラーSPは、半導体、例えば、ボロンがドープされた多結晶シリコンから形成されているものとすることができる。この場合、ボロン濃度は、1017〜1018cm−3とすることができる。なお、半導体ピラーSPは他の半導体材料、例えば、アモルファスシリコン、ポリシリコンによって形成されていてもよく、また、これらの半導体材料には不純物がドープされていてもよく、ドープされていなくてもよい。
半導体ピラーSPの形状は、Z方向に延びる柱形であり、例えば円柱形である。
この場合、半導体ピラーSPを同心状の二重構造とすることができる。すなわち、各半導体ピラーSPにおいて、その中心軸を含む中心部分と、中心部分の周囲を囲む外周部分とを設けるようにすることができる。中心部分及び外周部分は、それぞれ、半導体ピラーSPの全長にわたって延びている。半導体ピラーSPの外周部分は、不純物、例えばリンを含有したシリコンによって形成されており、半導体部分として機能する。すなわち、外周部分は、その近傍に配置された電極膜の電位に応じて、反転層が形成されて電流を流したり、空乏層が形成されて電流を遮断したりする。一方、半導体ピラーSPの中心部分は、不純物及び酸素を含有したシリコンによって形成されており、中心部分の酸素濃度は、単体のシリコン(Si)と二酸化珪素(SiO2)との間である。これにより、中心部分は、外周部分よりも高抵抗な半導体部分として機能する。すなわち、中心部分は、外周部分から伸びてきた空乏層を停止させて各メモリトランジスタのしきい値を安定させるとともに、ある程度の駆動電流を流すことができる。そのため、不揮発性記憶装置1を高集積化して半導体ピラーSPを細くしても、メモリセルのしきい値を安定させつつ、駆動電流を確保することができる。
この場合、半導体ピラーSPを同心状の二重構造とすることができる。すなわち、各半導体ピラーSPにおいて、その中心軸を含む中心部分と、中心部分の周囲を囲む外周部分とを設けるようにすることができる。中心部分及び外周部分は、それぞれ、半導体ピラーSPの全長にわたって延びている。半導体ピラーSPの外周部分は、不純物、例えばリンを含有したシリコンによって形成されており、半導体部分として機能する。すなわち、外周部分は、その近傍に配置された電極膜の電位に応じて、反転層が形成されて電流を流したり、空乏層が形成されて電流を遮断したりする。一方、半導体ピラーSPの中心部分は、不純物及び酸素を含有したシリコンによって形成されており、中心部分の酸素濃度は、単体のシリコン(Si)と二酸化珪素(SiO2)との間である。これにより、中心部分は、外周部分よりも高抵抗な半導体部分として機能する。すなわち、中心部分は、外周部分から伸びてきた空乏層を停止させて各メモリトランジスタのしきい値を安定させるとともに、ある程度の駆動電流を流すことができる。そのため、不揮発性記憶装置1を高集積化して半導体ピラーSPを細くしても、メモリセルのしきい値を安定させつつ、駆動電流を確保することができる。
また、半導体ピラーSPは、中実状であってもよいし、筒状(中空パイプ状)であってもよい。筒状(中空パイプ状)とすれば、ゲート電極で制御する半導体ピラーSPの肉厚が積層されたメモリセル間で等しくなるので、しきい値電圧(Vth)のばらつきを抑制するのに有効である。
半導体ピラーSPの断面形状は、特に限定されないが、断面形状を円形とすれば、後述するトンネル酸化膜24、チャージトラップ膜23、チャージブロック膜22における曲率半径を略一定とすることができる。
また、断面形状を楕円形とすれば、長軸方向に大きな半導体ピラーSPを形成することができる。この場合、ワードラインWL方向(図1におけるX方向)を長軸方向とすれば、ワードラインWLの幅方向(Y方向)寸法を小さくすることができる。
また、半導体ピラーSPはメモリ積層体MLの積層方向全長にわたって設けられており、その下端部はシリコン基板11のソースラインSLに接続されている。
また、断面形状を楕円形とすれば、長軸方向に大きな半導体ピラーSPを形成することができる。この場合、ワードラインWL方向(図1におけるX方向)を長軸方向とすれば、ワードラインWLの幅方向(Y方向)寸法を小さくすることができる。
また、半導体ピラーSPはメモリ積層体MLの積層方向全長にわたって設けられており、その下端部はシリコン基板11のソースラインSLに接続されている。
また、図2(e)に示すように、メモリ積層体MLにおいては、貫通ホール18の外周面側に、トンネル酸化膜24、チャージトラップ膜23、チャージブロック膜22がこの順に積層されている。すなわち、トンネル酸化膜24、チャージトラップ膜23、チャージブロック膜22は、半導体ピラーSPとワードラインWLとの間にも配置されており、チャージブロック膜22はワードラインWLに接し、トンネル酸化膜24は半導体ピラーSPに接している。そして、ワードラインWLの半導体ピラーSPが交わる部分がゲート電極となる。
なお、煩雑化を避けるため図2(a)〜(d)においては、トンネル酸化膜24、チャージトラップ膜23、チャージブロック膜22を一体的に表している。
なお、煩雑化を避けるため図2(a)〜(d)においては、トンネル酸化膜24、チャージトラップ膜23、チャージブロック膜22を一体的に表している。
チャージブロック膜22は、不揮発性記憶装置1の駆動電圧の範囲内で電圧が印加されても実質的に電流を流さない膜であり、高誘電率材料、例えば、誘電率がチャージトラップ膜23を形成する材料の誘電率よりも高い誘電率を有する材料によって形成されており、例えば、アルミナによって形成されている。
チャージトラップ膜23は電荷を保持する能力がある膜であり、例えば、電子のトラップサイトを含む膜であり、例えば、シリコン窒化膜である。
トンネル酸化膜24は、通常は絶縁性であるが、不揮発性記憶装置1の駆動電圧の範囲内にある所定の電圧が印加されるとトンネル電流を流す膜であり、例えば、単層のシリコン酸化膜又はONO膜(oxide-nitride-oxide膜:酸化物−窒化物−酸化物膜)によって構成されている。
チャージトラップ膜23は電荷を保持する能力がある膜であり、例えば、電子のトラップサイトを含む膜であり、例えば、シリコン窒化膜である。
トンネル酸化膜24は、通常は絶縁性であるが、不揮発性記憶装置1の駆動電圧の範囲内にある所定の電圧が印加されるとトンネル電流を流す膜であり、例えば、単層のシリコン酸化膜又はONO膜(oxide-nitride-oxide膜:酸化物−窒化物−酸化物膜)によって構成されている。
この場合、トンネル酸化膜24とチャージブロック膜22とでは曲率半径が異なり、曲率半径の小さいトンネル酸化膜24により強く電界を集中させることができる。そのため、平面MONOS構造に比べて大幅にW/E特性を改善することができる。また、MLC(multi-level cell)動作を行うのに有効である。
また、半導体ピラーSPの上端部には、砒素がイオン注入されたドレイン領域部15が設けられている。
更にまた、メモリ積層体ML上には、絶縁膜19及び絶縁膜19内に埋設されたプラグP1が設けられている。絶縁膜19は、プラグP1を埋設させるようにして設けられるとともに、図2(b)に示すように、Y方向においてメモリ積層体MLを分割するように設けられている。
更にまた、メモリ積層体ML上には、絶縁膜19及び絶縁膜19内に埋設されたプラグP1が設けられている。絶縁膜19は、プラグP1を埋設させるようにして設けられるとともに、図2(b)に示すように、Y方向においてメモリ積層体MLを分割するように設けられている。
絶縁膜19は、絶縁材料、例えば、TEOS/O3などから形成されているものとすることができる。
プラグP1は、タングステンなどの金属から形成されているものとすることができる。
プラグP1は、タングステンなどの金属から形成されているものとすることができる。
そして、これらの上には、Y方向に延びる複数本のビットラインBLが設けられている。ビットラインBLは金属によって形成されている。各ビットラインBLは、Y方向に沿って配設された各列の半導体ピラーSPの直上域を通過するように配設されており、プラグP1を介して半導体ピラーSPの上端部に接続されている。これにより、半導体ピラーSPは、ビットラインBLとソースラインSLとの間に接続される。また、半導体ピラーSPは、Y方向に延びる列ごとに、異なるビットラインBLに接続されている。また、ビットラインBL上及びビットラインBL同士の間には絶縁層20が設けられ、さらにその上面には配線25、26及び絶縁層27、28が適宜設けられている。また、ビットラインBL、ワードラインWLなどの配線のための図示しないプラグが適宜設けられている。
このような積層型の不揮発性記憶装置には、以下に示すような利点がある。
(1)積層数に対して工程数が殆ど増えないので積層するほどビットあたりの製造コストを低下させることができる。
(2)半導体ピラー(シリコンチャネル)をトンネル酸化膜、チャージトラップ膜、チャージブロック膜、ゲート電極が順次取り囲む構成となるため、チャージブロック膜に比べて曲率半径の小さいトンネル酸化膜に電界を集中させることができる。そのため、平面MONOS構造に比べてメモリセルに対する書き込み消去の速度特性(W/E特性)を大幅に改善することができる。
(1)積層数に対して工程数が殆ど増えないので積層するほどビットあたりの製造コストを低下させることができる。
(2)半導体ピラー(シリコンチャネル)をトンネル酸化膜、チャージトラップ膜、チャージブロック膜、ゲート電極が順次取り囲む構成となるため、チャージブロック膜に比べて曲率半径の小さいトンネル酸化膜に電界を集中させることができる。そのため、平面MONOS構造に比べてメモリセルに対する書き込み消去の速度特性(W/E特性)を大幅に改善することができる。
しかしながら、このような積層型の不揮発性記憶装置においては、基板に垂直に立てた半導体ピラー(シリコンチャネル)の側壁にMONOS構造を形成する必要がある。そのため、隣り合う半導体ピラー(シリコンチャネル)間の距離を縮めることが難しく、ハーフピッチで65〜50nm(ナノメートル)程度が微細化の限界になるという平面上のセル配置の制約がある。また、その結果として、積層数が10以上に達してしまうという問題もある。
そこで、本実施の形態に係る不揮発性記憶装置1においては、以下に例示をするような半導体ピラーSPの配設形態とすることで、平面内にメモリセルをより稠密に配置し一層の高集積化を図るようにしている。
そこで、本実施の形態に係る不揮発性記憶装置1においては、以下に例示をするような半導体ピラーSPの配設形態とすることで、平面内にメモリセルをより稠密に配置し一層の高集積化を図るようにしている。
次に、半導体ピラーSPの配設形態についてさらに例示をする。
図3は、半導体ピラーSPの配設形態を例示するための模式図である。
図3に示すように、不揮発性記憶装置1においては、共通のセレクトゲートSG及び共通のワードラインWL(電極膜)に交わり隣り合う2本の半導体ピラーSPは、ワードラインWLの幅方向(Y方向)における相互に異なる位置で交わっている。より具体的には、共通のセレクトゲートSG及び共通のワードラインWLに交わる複数本の半導体ピラーSPは、X方向に沿って交互に、ワードラインWLの幅方向(Y方向)における一方の側と他方の側とで交わっており、Y方向に沿って配設された複数本の半導体ピラーSPは、ワードラインWLの幅方向(Y方向)における相互に同じ側で交わっている。
図3は、半導体ピラーSPの配設形態を例示するための模式図である。
図3に示すように、不揮発性記憶装置1においては、共通のセレクトゲートSG及び共通のワードラインWL(電極膜)に交わり隣り合う2本の半導体ピラーSPは、ワードラインWLの幅方向(Y方向)における相互に異なる位置で交わっている。より具体的には、共通のセレクトゲートSG及び共通のワードラインWLに交わる複数本の半導体ピラーSPは、X方向に沿って交互に、ワードラインWLの幅方向(Y方向)における一方の側と他方の側とで交わっており、Y方向に沿って配設された複数本の半導体ピラーSPは、ワードラインWLの幅方向(Y方向)における相互に同じ側で交わっている。
すなわち、あるビットラインBLに共通接続された複数本の半導体ピラーSPは、すべて、ワードラインWLをその幅方向における同じ側、例えば、+Y方向側で交わっており、このビットラインBLの隣に配置された他のビットラインBLに共通接続された複数本の半導体ピラーSPは、すべて、ワードラインWLをその幅方向における反対側、例えば、−Y方向側で交わっている。この結果、Z方向から見て、半導体ピラーSPは千鳥状に配設されている。
次に、本実施形態の作用効果を例示するために、本実施形態の比較例について例示する。 図4は、比較例に係る不揮発性記憶装置におけるビットライン、ワードライン、セレクトゲートと半導体ピラーとの位置関係を例示する模式的平面図である。
図4に示すように、比較例に係る不揮発性記憶装置101においては、すべての半導体ピラーSPがワードラインWLの幅方向における同じ位置、具体的には中央部で交わっている。これにより、Z方向から見て、半導体ピラーSPはX方向及びY方向に沿ってマトリクス状に配設されている。本比較例における上記以外の構成は、第1の実施形態と同様である。
以下、本実施形態の作用効果を、前述の比較例と比較して例示する。
図5は、本実施形態の作用効果を例示するための模式図である。
図5(a)及び(b)は、本実施形態の効果を例示する模式的平面図であり、(a)は比較例に係る装置を示し、(b)は本実施形態に係る装置を示す。
図5は、本実施形態の作用効果を例示するための模式図である。
図5(a)及び(b)は、本実施形態の効果を例示する模式的平面図であり、(a)は比較例に係る装置を示し、(b)は本実施形態に係る装置を示す。
図5(a)に示すように、比較例に係る不揮発性記憶装置101においては、最小加工寸法をF1とするとき、貫通ホール18(図2参照)の直径はF1であり、貫通ホール18内に埋設された半導体ピラーSPの直径はF1未満である。また、ワードラインWLの幅は、その内部に貫通ホール18を形成しなくてはならないため2F1であり、ワードラインWL間の間隔はF1である。また、ビットラインBLは半導体ピラーSPにプラグP1を介して接続されていればよいため、その幅はF1であり、ビットラインBL間の間隔もF1である。このため、1つのメモリセルのX方向の長さは2F1であり、Y方向の長さは3F1であり、従って、セル面積は6F1 2である。このとき、半導体ピラーSPの中心軸間の最短距離L1は、X方向において隣り合う半導体ピラーSPの中心軸間の距離であり、L1=2F1である。
これに対して、図5(b)に示すように、本実施形態に係る不揮発性記憶装置1においては、最小加工寸法をF2とするとき、ワードラインWLの幅は3F2であり、ワードラインWL間の間隔はF2である。これに対してビットラインBLの幅はF3であり、ビットラインBL間の間隔はF2である。2F3は半導体ピラーSPの直径と等しいのでF2となる。すなわち、1つのメモリセルのX方向の長さは2F3=F2であり、Y方向の長さは4F2であり、従って、セル面積は4F2 2である。
このように、本実施形態によれば、半導体ピラーSPを千鳥状に配設することにより、半導体ピラーSP間のX方向の最短距離を縮めて半導体ピラーSP間の干渉を防止しつつ、セル面積を縮小することができる。この結果、集積度が高い不揮発性記憶装置を実現することができる。
このように、本実施形態によれば、半導体ピラーSPを千鳥状に配設することにより、半導体ピラーSP間のX方向の最短距離を縮めて半導体ピラーSP間の干渉を防止しつつ、セル面積を縮小することができる。この結果、集積度が高い不揮発性記憶装置を実現することができる。
不揮発性記憶装置1のような3次元積層型の不揮発性記憶装置において、メモリセルを微細化するための手法としては、貫通ホール18の縮径とビットラインBLの配設周期の短縮が考えられる。一般に、孔を縮径する手法としては、一旦孔を形成した後スペーサーにより埋め戻す方法がある。しかし、不揮発性記憶装置1の場合は、ワードラインWLと半導体ピラーSPとの間には十分な電界が形成される必要があるため、貫通ホール18をスペーサーにより埋め戻すことはできない。これに対して、ビットラインBLの配設周期の短縮は、例えば側壁加工法により実現することができる。そして、本実施形態におけるメモリセルの微細化は、ビットラインの配設周期を短縮するものでもあるため、既存の技術を適用して容易に実現することができる。
また、本実施形態によれば、ワードラインピッチに比べてビットラインピッチを約半分にすることができる。そのため、ビット密度の向上が可能となる。但し、Y方向における半導体ピラーの干渉を避けるためにY方向のメモリセルの長さは逆に約1.3倍長くなる。これは同等の積層数とした場合、前述の比較例と比べて約1.7倍のビット密度を実現できることになる。あるいは、同等のビット密度とした場合、前述の比較例と比べて約1/1.7の積層数ですむことになる。すなわち、より高いビット密度をより少ない積層数、つまりより低い高さ寸法の立体構造で実現することが可能となる。そのため、インテグレーションに大きな負担をかけることなく更に高いビット密度の不揮発性記憶装置を提供することが可能となる。
次に、本発明の第2の実施形態について例示する。
図6は、第2の実施形態に係る不揮発性記憶装置を例示するための模式斜視図である。 なお、煩雑となるのを避けるため、原則として導電部分のみを示し、絶縁部分は省略している。
図7は、第2の実施形態に係る不揮発性記憶装置を例示するための模式断面図である。 なお、図7(a)はビットラインBL方向(図6におけるY方向)から見た図、図7(b)はワードラインWL方向(図6におけるX方向)から見た図、図7(c)は図7(a)におけるD−D矢視断面図、図7(d)は図7(b)におけるE−E矢視断面図、図7(e)は図7(a)におけるF部の模式拡大図である。
また、前述した第1の実施形態に係る不揮発性記憶装置1と同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
図6は、第2の実施形態に係る不揮発性記憶装置を例示するための模式斜視図である。 なお、煩雑となるのを避けるため、原則として導電部分のみを示し、絶縁部分は省略している。
図7は、第2の実施形態に係る不揮発性記憶装置を例示するための模式断面図である。 なお、図7(a)はビットラインBL方向(図6におけるY方向)から見た図、図7(b)はワードラインWL方向(図6におけるX方向)から見た図、図7(c)は図7(a)におけるD−D矢視断面図、図7(d)は図7(b)におけるE−E矢視断面図、図7(e)は図7(a)におけるF部の模式拡大図である。
また、前述した第1の実施形態に係る不揮発性記憶装置1と同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
本実施の形態においては、シリコン基板11の上面に垂直に立てられた隣り合う半導体ピラーSPを燐をドープしたN型多結晶シリコンで接続し、セレクトゲートは半導体ピラーSPの上方にのみ設けるようにしている。すなわち、セレクトゲート形成のための層数を1層のみとした3次元積層型のフラッシュメモリの例である。本実施の形態によれば、更にソースラインSLとビットラインBLとを同一方向に引き出すことで一回の加工工程でソースラインSLとビットラインBLとを形成することができる。
図6、図7に示すように、本実施形態に係る不揮発性記憶装置2は、前述の第1の実施形態に係る不揮発性記憶装置1と比較して、メモリ積層体MLの最下層の絶縁膜14とシリコン基板11との間に絶縁膜29、チャネル30が設けられていること、ソースラインSLがビットラインBLと交互に設けられていること、貫通ホール18の内周にボロンをドープした多結晶シリコン膜31が設けられていること、ソースラインSLを半導体ピラーSPの上端部に接続するためのプラグP2が設けられていることが異なっている。
絶縁膜29は、絶縁材料、例えば、シリコン酸化物などから形成されているものとすることができる。
チャネル30は、例えば、燐をドープした多結晶シリコンなどから形成されているものとすることができる。
ボロンがドープされた多結晶シリコン膜31は、下端がチャネル30と接続されている。多結晶シリコン膜31は、筒状(中空パイプ状)を呈しているが、中実状であってもよい。この場合、筒状(中空パイプ状)とすれば、ゲート電極で制御する半導体ピラーSPの肉厚が積層されたメモリセル間で等しくなるので、しきい値電圧(Vth)のばらつきの抑制、及びカットオフ性能の向上に有効である。
プラグP2は、タングステンなどの金属から形成されているものとすることができる。
絶縁膜29は、絶縁材料、例えば、シリコン酸化物などから形成されているものとすることができる。
チャネル30は、例えば、燐をドープした多結晶シリコンなどから形成されているものとすることができる。
ボロンがドープされた多結晶シリコン膜31は、下端がチャネル30と接続されている。多結晶シリコン膜31は、筒状(中空パイプ状)を呈しているが、中実状であってもよい。この場合、筒状(中空パイプ状)とすれば、ゲート電極で制御する半導体ピラーSPの肉厚が積層されたメモリセル間で等しくなるので、しきい値電圧(Vth)のばらつきの抑制、及びカットオフ性能の向上に有効である。
プラグP2は、タングステンなどの金属から形成されているものとすることができる。
すなわち、不揮発性記憶装置2は、メモリ積層体MLの下方に設けられ、電極膜の幅方向における一方の側で交わる位置に形成された第1の半導体ピラーの下端部と、この電極膜と隣り合う電極膜の幅方向における他方の側で交わる位置に形成された第2の半導体ピラーの下端部と、がそれぞれ接する位置に設けられたチャネル30と、メモリ積層体MLの上方に設けられ、Y方向に延びる複数本のビットラインBLと、メモリ積層体MLの上方に設けられ、Y方向に延びる複数本のソースラインSLと、を備え、第1の半導体ピラーと第2の半導体ピラーとのいずれか一方の上端部はビットラインBLに接続され、第1の半導体ピラーと第2の半導体ピラーとのいずれか他方の上端部はソースラインSLに接続されている。
また、ビットラインBLとソースラインSLとは、交互に配置されている。
また、ビットラインBLとソースラインSLとは、交互に配置されている。
そして、本実施の形態に係る不揮発性記憶装置2においても、図6、図7(c)、(d)に示すように、Z方向から見て、半導体ピラーSPを千鳥状に配設させている。
そのため、前述した不揮発性記憶装置1と同様の効果を享受することができる。すなわち、半導体ピラーSPを千鳥状に配設することにより、半導体ピラーSP間の最短距離を維持して半導体ピラーSP間の干渉を防止しつつ、セル面積を縮小することができる。この結果、集積度が高い不揮発性記憶装置を実現することができる。
また、ワードラインピッチに比べてビットラインピッチを約半分にすることができる。そのため、ビット密度の向上が可能となる。これは同等の積層数とした場合、前述の比較例と比べて約2倍のビット密度を実現できることになる。あるいは、同等のビット密度とした場合、前述の比較例と比べて約1/2の積層数ですむことになる。すなわち、より高いビット密度をより少ない積層数、つまりより低い高さ寸法の立体構造で実現することが可能となる。そのため、インテグレーションに大きな負担をかけることなく更に高いビット密度の不揮発性記憶装置を提供することが可能となる。
そのため、前述した不揮発性記憶装置1と同様の効果を享受することができる。すなわち、半導体ピラーSPを千鳥状に配設することにより、半導体ピラーSP間の最短距離を維持して半導体ピラーSP間の干渉を防止しつつ、セル面積を縮小することができる。この結果、集積度が高い不揮発性記憶装置を実現することができる。
また、ワードラインピッチに比べてビットラインピッチを約半分にすることができる。そのため、ビット密度の向上が可能となる。これは同等の積層数とした場合、前述の比較例と比べて約2倍のビット密度を実現できることになる。あるいは、同等のビット密度とした場合、前述の比較例と比べて約1/2の積層数ですむことになる。すなわち、より高いビット密度をより少ない積層数、つまりより低い高さ寸法の立体構造で実現することが可能となる。そのため、インテグレーションに大きな負担をかけることなく更に高いビット密度の不揮発性記憶装置を提供することが可能となる。
その上、本実施の形態に係る不揮発性記憶装置2においては、ソースラインSLとビットラインBLとを同一方向に引き出すことができるので一回の加工工程でソースラインSLとビットラインBLとを形成することができる。そのため、製造工程の削減、コストの低減を図ることができる。
次に、本発明の第3の実施形態について例示する。
図8〜図14は、不揮発性記憶装置1の製造方法を例示するための模式工程断面図である。
なお、各図において、(a)はビットラインBL方向(図1におけるY方向)の側断面図、(c)は(a)におけるG−G矢視断面図、(b)はワードラインWL方向(図1におけるX方向)の側断面図、(d)は(b)におけるH−H矢視断面図である。
図8〜図14は、不揮発性記憶装置1の製造方法を例示するための模式工程断面図である。
なお、各図において、(a)はビットラインBL方向(図1におけるY方向)の側断面図、(c)は(a)におけるG−G矢視断面図、(b)はワードラインWL方向(図1におけるX方向)の側断面図、(d)は(b)におけるH−H矢視断面図である。
まず、図8(a)〜(d)に示すように、シリコン基板11上に不揮発性記憶装置1の周辺回路(不図示)を形成する。また、ソースラインSLとなるN型のソース領域102を形成する。そして、シリコン基板11の全面にメモリ積層体MLを形成するために、PECVD(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition)法により、シリコン酸化膜103、シリコン窒化膜104、を交互に6層形成する。その後、更にシリコン酸化膜105、シリコン窒化膜106を形成し、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜の積層体を形成する。
なお、形成される積層体はシリコン窒化膜、シリコン酸化膜に限定されるわけではない。高選択エッチングが可能な犠牲膜とできるものを適宜選択することができる。また、積層体を形成する方法もPECVD法に限定されるわけではなく、例えば、SACVD(Semi-Atmospheric Chemical Vapor Deposition)法、LPCVD(Low Pressure Chemica Vapor Deposition)法、スパッタ法、SOD(Spin On Dielectric)法などとすることができる。また、これらの方法を適宜組み合わせることもできる。
なお、一例として、シリコン酸化膜103、シリコン窒化膜104、を交互に6層形成する場合を説明したが積層される層の数はこれに限定されるわけではない。
なお、形成される積層体はシリコン窒化膜、シリコン酸化膜に限定されるわけではない。高選択エッチングが可能な犠牲膜とできるものを適宜選択することができる。また、積層体を形成する方法もPECVD法に限定されるわけではなく、例えば、SACVD(Semi-Atmospheric Chemical Vapor Deposition)法、LPCVD(Low Pressure Chemica Vapor Deposition)法、スパッタ法、SOD(Spin On Dielectric)法などとすることができる。また、これらの方法を適宜組み合わせることもできる。
なお、一例として、シリコン酸化膜103、シリコン窒化膜104、を交互に6層形成する場合を説明したが積層される層の数はこれに限定されるわけではない。
次に、図9(a)〜(d)に示すように、CVD(Chemical Vapor Deposition)法により全面にカーボン膜(不図示)を形成し、既知のリソグラフィ法及び反応性イオンエッチング法により、図8において例示をした積層体を一括加工してシリコン基板11に連通する貫通ホール128を形成する。続いて、形成したカーボン膜を除去し半導体ピラーSPの鋳型を形成する。
この際、図9(c)、(d)に示すように、貫通ホール128が千鳥状に配設されるようにする。この様にすれば、後述する多結晶シリコン膜107、ひいては前述した半導体ピラーSP同士の間の最短距離が一定値以上となるようにしつつ、より稠密な配置とすることができるので、一層の高集積化を図ることができる。また、後述するタングステン膜112(ビットラインBL)、ソース領域102(ソースラインSL)への接続を容易にすることができる。なお、千鳥状の配設形態に関しては前述したものと同様のためその説明は省略する。
この際、図9(c)、(d)に示すように、貫通ホール128が千鳥状に配設されるようにする。この様にすれば、後述する多結晶シリコン膜107、ひいては前述した半導体ピラーSP同士の間の最短距離が一定値以上となるようにしつつ、より稠密な配置とすることができるので、一層の高集積化を図ることができる。また、後述するタングステン膜112(ビットラインBL)、ソース領域102(ソースラインSL)への接続を容易にすることができる。なお、千鳥状の配設形態に関しては前述したものと同様のためその説明は省略する。
次に、図10(a)〜(d)に示すように、LPCVD(Low Pressure Chemica Vapor Deposition)法により、ボロンがドープされた多結晶シリコン膜107を形成することで貫通ホール128を埋め込み下端をソース領域102に接続する。この場合、ボロン濃度は、1017〜1018cm−3とすることができる。また、ボロンがドープされた多結晶シリコン膜107により貫通ホール128を完全に埋め込むようにすることもできるし、筒状(中空パイプ状)に埋め込むようにすることもできる。筒状(中空パイプ状)に埋め込むものとすれば、ゲート電極で制御する半導体ピラーSPの肉厚が積層されたメモリセル間で等しくなるので、しきい値電圧(Vth)のばらつきを抑制するのに有効である。
そして、さらに貫通ホール128の上端近傍のボロンがドープされた多結晶シリコン膜107をエッチバックする。続いて既知のリソグラフィ法及びイオン注入法により、ボロンがドープされた多結晶シリコン膜107の上端近傍に砒素がイオン注入されたドレイン領域108を形成する。
そして、さらに貫通ホール128の上端近傍のボロンがドープされた多結晶シリコン膜107をエッチバックする。続いて既知のリソグラフィ法及びイオン注入法により、ボロンがドープされた多結晶シリコン膜107の上端近傍に砒素がイオン注入されたドレイン領域108を形成する。
次に、図11(a)〜(d)に示すように、CVD(Chemical Vapor Deposition)法により全面にカーボン膜(不図示)を形成し、既知のリソグラフィ法及び反応性イオンエッチング法により図10において例示をした積層体を一括加工してトレンチ129を形成し、前記積層体をゲート電極形状に分割する。続いて、形成したカーボン膜を除去する。
次に、図12(a)〜(d)に示すように、トレンチ129を介して熱燐酸によりシリコン窒化膜104を選択的に除去し、MONOS構造を形成するための鋳型となる空洞を形成する。このとき、多結晶シリコン膜107が柱となってシリコン酸化膜103、105、106を支えるので空洞がつぶれることはない。
次に、図13(a)〜(d)に示すように、MONOSセルを構成するトンネル酸化膜24、チャージトラップ膜23、チャージブロック膜22を形成する。なお、煩雑化を避けるため図13(a)〜(d)においては、トンネル酸化膜24、チャージトラップ膜23、チャージブロック膜22を一体的に表している。ここで、図13(e)は、図13(a)におけるI部の模式拡大図である。
例えば、トンネル酸化膜24としてはLPCVD(Low Pressure Chemica Vapor Deposition)法により形成したONO膜(oxide-nitride-oxide膜:シリコン酸化物−シリコン窒化物−シリコン酸化物膜)、チャージトラップ膜23としてはALD(Atomic Layer Deposition)法で形成したシリコン窒化膜、チャージブロック膜22としてはALD(Atomic Layer Deposition)法で形成したアルミナ膜とすることができる。本構造では、トンネル酸化膜24とチャージブロック膜22とでは曲率半径が異なり、曲率半径の小さいトンネル酸化膜24により強く電界を集中させることができる。そのため、平面MONOS構造に比べて大幅にW/E特性を改善することができる。また、MLC(multi-level cell)動作を行うのに有効である。
そして、更にCVD(Chemical Vapor Deposition)法によりタングステン膜110を形成し、CF4を用いたドライエッチング法によりタングステン膜110を加工して積層された各メモリ層に対するゲート電極(ワードラインWL)となるように分割する。
次に、図14(a)〜(d)に示すように、全面にTEOS/O3膜111を形成し平坦化する。そして、タングステン膜110及びドレイン領域108に連通するコンタクトホールを形成し、CVD(Chemical Vapor Deposition)法を用いてタングステン膜112を埋め込みプラグを形成する。
その後、多層配線工程によってビットラインBL、絶縁層20、配線25、絶縁層27、配線26、絶縁28が順次形成される。
その後、多層配線工程によってビットラインBL、絶縁層20、配線25、絶縁層27、配線26、絶縁28が順次形成される。
以上例示をしたように、本実施の形態に係る不揮発性記憶装置の製造方法においては、それぞれ複数の絶縁膜(例えば、シリコン酸化膜103)及び犠牲膜(例えば、シリコン窒化膜104)が交互に積層された積層体を形成する工程と、積層体の積層方向に延びる複数の貫通ホール128を形成する工程と、貫通ホール128に不純物を導入しながらシリコンを堆積させて、半導体ピラーSPを形成する工程と、積層体の積層方向に延びるトレンチ129を形成する工程と、トレンチ129を介して犠牲膜を選択的に除去する工程と、半導体ピラーSPの外周面側にチャージトラップ膜23を形成する工程と、絶縁膜の積層方向において絶縁膜と絶縁膜との間に複数の電極膜(例えば、タングステン膜110)を形成する工程と、を備え、電極膜を形成する工程において、電極膜は、絶縁膜の積層方向に対して直交する一の方向(例えば、図1におけるX方向)に延び、相互に離隔して複数本形成され、貫通ホール128を形成する工程において、一の方向(例えば、図1におけるX方向)に隣り合う2つの貫通ホールは、共通の電極膜(例えば、タングステン膜110)の幅方向における相互に異なる位置で交わるように形成される。
また、より具体的には、貫通ホール128を形成する工程において、一の方向(例えば、図1におけるX方向)に沿って形成される複数の貫通ホール128は、一の方向に沿って交互に、電極膜(例えば、タングステン膜110)の幅方向における一方の側と他方の側とで交わる位置に形成され、積層方向(例えば、図1におけるZ方向)に対して直交し一の方向に対して交差する他の方向(例えば、図1におけるY方向)に沿って形成される複数の貫通ホール128は、電極膜の幅方向における相互に同じ側で交わる位置に形成される。 また、半導体ピラーSPを形成する工程において、貫通ホール128の外周部に不純物を導入しながらシリコンを堆積させて、筒状(中空パイプ状)の半導体ピラーSPを形成する。
ここで、図2との対比において、例えば、ソース領域102はソースラインSL、シリコン酸化膜103は絶縁膜14、シリコン酸化膜105は絶縁膜17、シリコン酸化膜106は絶縁膜16、多結晶シリコン膜107は半導体ピラーSP、ドレイン領域108はドレイン領域部15、タングステン膜110はワードラインWL、TEOS/O3膜111は絶縁膜19、タングステン膜112はプラグP1となる。
本実施の形態によれば、前述した不揮発性記憶装置1を効率よく製造することができる。この場合、ワードラインピッチに比べてビットラインピッチを約半分にすることができる。そのため、ビット密度の向上が可能となる。これは同等の積層数とした場合、前述の比較例と比べて約1.7倍のビット密度を実現できることになる。あるいは、同等のビット密度とした場合、前述の比較例と比べて約1/1.7の積層数ですむことになる。すなわち、より高いビット密度をより少ない積層数、つまりより低い高さ寸法の立体構造で実現することが可能となる。そのため、インテグレーションに大きな負担をかけることなく更に高いビット密度の不揮発性記憶装置を製造することが可能となる。
次に、本発明の第4の実施形態について例示する。
図15〜図23は、不揮発性記憶装置2の製造方法を例示するための模式工程断面図である。
なお、各図において、(a)はビットラインBL方向(図7におけるY方向)の側断面図、(c)は(a)におけるJ−J矢視断面図、(b)はワードラインWL方向(図7におけるX方向)の側断面図、(d)は(b)におけるK−K矢視断面図である。
図15〜図23は、不揮発性記憶装置2の製造方法を例示するための模式工程断面図である。
なお、各図において、(a)はビットラインBL方向(図7におけるY方向)の側断面図、(c)は(a)におけるJ−J矢視断面図、(b)はワードラインWL方向(図7におけるX方向)の側断面図、(d)は(b)におけるK−K矢視断面図である。
まず、図15(a)〜(d)に示すように、シリコン基板11上に不揮発性記憶装置2の周辺回路(不図示)を形成する。そして、メモリセルとなる部分にシリコン酸化膜202を形成し、既知のリソグラフィ法及び反応性イオンエッチング法によりトレンチを形成する。その後、燐をドープした多結晶シリコン膜203を埋め込み、これをトレンチ内にのみ残存せしめる。すなわち、図7に例示をしたチャネル30を形成する。
次に、図16(a)〜(d)に示すように、メモリ積層体MLを形成するために、LPCVD(Low Pressure Chemica Vapor Deposition)法により、シリコン酸化膜204、シリコン窒化膜205、を交互に6層形成する。その後、更にシリコン酸化膜204a、シリコン窒化膜205aを形成し、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜の積層体を形成する。
なお、形成される積層体はシリコン窒化膜、シリコン酸化膜に限定されるわけではない。高選択エッチングが可能な犠牲膜とできるものを適宜選択することができる。また、積層体を形成する方法もLPCVD法に限定されるわけではなく、例えば、PECVD法、SACVD(Semi-Atmospheric Chemical Vapor Deposition)法、LPCVD(Low Pressure Chemica Vapor Deposition)法、スパッタ法、SOD(Spin On Dielectric)法などとすることができる。また、これらの方法を適宜組み合わせることもできる。
なお、一例として、シリコン酸化膜204、シリコン窒化膜205、を交互に6層形成する場合を説明したが積層される層の数はこれに限定されるわけではない。
なお、形成される積層体はシリコン窒化膜、シリコン酸化膜に限定されるわけではない。高選択エッチングが可能な犠牲膜とできるものを適宜選択することができる。また、積層体を形成する方法もLPCVD法に限定されるわけではなく、例えば、PECVD法、SACVD(Semi-Atmospheric Chemical Vapor Deposition)法、LPCVD(Low Pressure Chemica Vapor Deposition)法、スパッタ法、SOD(Spin On Dielectric)法などとすることができる。また、これらの方法を適宜組み合わせることもできる。
なお、一例として、シリコン酸化膜204、シリコン窒化膜205、を交互に6層形成する場合を説明したが積層される層の数はこれに限定されるわけではない。
次に、図17(a)〜(d)に示すように、CVD(Chemical Vapor Deposition)法により全面にカーボン膜(不図示)を形成し、既知のリソグラフィ法及び反応性イオンエッチング法により、図16において例示をした積層体を一括加工してトレンチを形成する。続いて、全面にシリコン酸化膜206を埋め込み、シリコン窒化膜205aをストッパーとしてCMP(Chemical Mechanical Polishing )法により平坦化する。なお、上記シリコン酸化膜206を埋め込んだトレンチの目的は読み出し及び書き込み時の再隣接非選択セルへの誤書き込みを抑制することである。
次に、図18(a)〜(d)に示すように、燐をドープした多結晶シリコン膜203に連通する貫通ホール228を形成する。続いて、形成したカーボン膜を除去し半導体ピラーSPの鋳型を形成する。
この際、図18(c)、(d)に示すように、貫通ホール228がトレンチ内に埋め込まれたシリコン酸化膜206を挟むように千鳥状に配設されるようにする。この様にすれば、後述する多結晶シリコン膜207、ひいては前述した半導体ピラーSP同士の間の最短距離が一定値以上となるようにしつつ、より稠密な配置とすることができるので、一層の高集積化を図ることができる。また、後述するビットラインBL、ソースラインSLへの接続を容易にすることができる。なお、千鳥状の配設形態に関しては前述したものと同様のためその説明は省略する。
この際、図18(c)、(d)に示すように、貫通ホール228がトレンチ内に埋め込まれたシリコン酸化膜206を挟むように千鳥状に配設されるようにする。この様にすれば、後述する多結晶シリコン膜207、ひいては前述した半導体ピラーSP同士の間の最短距離が一定値以上となるようにしつつ、より稠密な配置とすることができるので、一層の高集積化を図ることができる。また、後述するビットラインBL、ソースラインSLへの接続を容易にすることができる。なお、千鳥状の配設形態に関しては前述したものと同様のためその説明は省略する。
次に、図19(a)〜(d)に示すように、LPCVD(Low Pressure Chemica Vapor Deposition)法により、ボロンがドープされた多結晶シリコン膜207を形成することで貫通ホール228を埋め込み下端を多結晶シリコン膜203に接続する。この場合、ボロン濃度は、1017〜1018cm−3とすることができる。また、ボロンがドープされた多結晶シリコン膜207により筒状(中空パイプ状)に埋め込むようにすることもできるし、貫通ホール228を完全に埋め込むようにすることもできる。筒状(中空パイプ状)に埋め込むものとすれば、ゲート電極で制御する半導体ピラーSPの肉厚が積層されたメモリセル間で等しくなるので、しきい値電圧(Vth)のばらつきを抑制するのに有効である。
そして、さらにALD(Atomic Layer Deposition)法によりシリコン酸化膜208を埋め込む。続いて、シリコン酸化膜208を反応性イオンエッチング法を用いて後退させボロンがドープされた多結晶シリコン膜を埋め込む。そして、既知のリソグラフィ法及びイオン注入法を用いてボロンがドープされた多結晶シリコン膜に砒素をイオン注入しソース領域209及びドレイン領域210を形成する。
なお、図19(e)は、図19(a)におけるL−L矢視断面図、図19(f)は、図19(b)におけるM−M矢視断面図である。
なお、図19(e)は、図19(a)におけるL−L矢視断面図、図19(f)は、図19(b)におけるM−M矢視断面図である。
次に、図20(a)〜(d)に示すように、CVD(Chemical Vapor Deposition)法により全面にカーボン膜(不図示)を形成し、既知のリソグラフィ法及び反応性イオンエッチング法により図19において例示をした積層体を一括加工してトレンチ229を形成し、前記積層体をゲート電極形状に分割する。続いて、形成したカーボン膜を除去する。
次に、図21(a)〜(d)に示すように、弗酸の蒸気を用いたエッチング(vapor etching)によりトレンチ229を介してシリコン窒化膜205を選択的に除去し、MONOS構造を形成するための鋳型となる空洞を形成する。
次に、図22(a)〜(d)に示すように、MONOSセルを構成するトンネル酸化膜24、チャージトラップ膜23、チャージブロック膜22を形成する。なお、煩雑化を避けるため図22(a)〜(d)においては、トンネル酸化膜24、チャージトラップ膜23、チャージブロック膜22を一体的に表している。ここで、図22(e)は、図22(a)におけるN部の模式拡大図である。
例えば、トンネル酸化膜24としてはISSG(In-Situ Steam Generator)酸化で形成した熱酸化膜、チャージトラップ膜23としてはALD(Atomic Layer Deposition)法で形成したシリコン窒化膜、チャージブロック膜22としてはALD(Atomic Layer Deposition)法で形成したハフニア膜とすることができる。
例えば、トンネル酸化膜24としてはISSG(In-Situ Steam Generator)酸化で形成した熱酸化膜、チャージトラップ膜23としてはALD(Atomic Layer Deposition)法で形成したシリコン窒化膜、チャージブロック膜22としてはALD(Atomic Layer Deposition)法で形成したハフニア膜とすることができる。
本構造では、トンネル酸化膜24とチャージブロック膜22とでは曲率半径が異なり、曲率半径の小さいトンネル酸化膜24により強く電界を集中させることができる。そのため、平面MONOS構造に比べて大幅にW/E特性を改善することができる。また、MLC(multi-level cell)動作を行うのに有効である。
そして、更にCVD(Chemical Vapor Deposition)法によりタングステン膜213を形成し、CF4を用いたドライエッチング法によりタングステン膜213を加工して積層された各メモリ層に対するゲート電極(ワードラインWL)となるように分割する。
そして、更にCVD(Chemical Vapor Deposition)法によりタングステン膜213を形成し、CF4を用いたドライエッチング法によりタングステン膜213を加工して積層された各メモリ層に対するゲート電極(ワードラインWL)となるように分割する。
次に、図23(a)〜(d)に示すように、全面にTEOS/O3膜215を形成し平坦化する。そして、タングステン膜213、ソース領域209、ドレイン領域210に連通するコンタクトホールを形成し、CVD(Chemical Vapor Deposition)法を用いてタングステン膜214を埋め込みプラグを形成する。
その後、多層配線工程によってビットラインBL、ソースラインSL、絶縁層20、配線25、絶縁層27、配線26、絶縁28が順次形成される。
その後、多層配線工程によってビットラインBL、ソースラインSL、絶縁層20、配線25、絶縁層27、配線26、絶縁28が順次形成される。
以上に例示をしたように、本実施の形態に係る不揮発性記憶装置の製造方法においては、第1の電極膜(例えば、タングステン膜213)の幅方向における一方の側で交わる位置に形成される第1の貫通ホール228の下端部と、第1の電極膜と隣り合う第2の電極膜(例えば、タングステン膜213)の幅方向における他方の側で交わる位置に形成される第2の貫通ホール228の下端部と、がそれぞれ接する位置にチャネル30(多結晶シリコン膜203)を形成する工程と、半導体ピラーSPの上方に設けられ、他の方向(例えば、図6におけるY方向)に延びる複数本のビットラインBLを形成する工程と、半導体ピラーSPの上方に設けられ、他の方向(例えば、図6におけるY方向)に延びる複数本のソースラインSLを形成する工程と、をさらに備え、ビットラインBLを形成する工程において、第1の貫通ホール228により形成された半導体ピラーSPと第2の貫通ホール228により形成された半導体ピラーSPとのいずれか一方の上端部はビットラインBLに接続され、ソースラインSLを形成する工程において、第1の貫通ホール228により形成された半導体ピラーSPと第2の貫通ホール228により形成された半導体ピラーSPとのいずれか他方の上端部はソースラインSLに接続される。
また、ビットラインBLを形成する工程またはソースラインSLを形成する工程において、ビットラインBLとソースラインSLとが、交互に配置されるように形成される。
また、ビットラインBLを形成する工程またはソースラインSLを形成する工程において、ビットラインBLとソースラインSLとが、交互に配置されるように形成される。
ここで、図7との対比において、例えば、シリコン酸化膜202は絶縁膜29、多結晶シリコン膜203はチャネル30、シリコン酸化膜204は絶縁膜14、シリコン酸化膜204aは絶縁膜17、シリコン窒化膜205aは絶縁膜16、多結晶シリコン膜207は多結晶シリコン膜31、シリコン酸化膜208は半導体ピラーSP、ドレイン領域210はドレイン領域部15、タングステン膜213はワードラインWL、TEOS/O3膜215は絶縁膜19となる。
本実施の形態によれば、前述した不揮発性記憶装置2を効率よく製造することができる。この場合、ワードラインピッチに比べてビットラインピッチを約半分にすることができる。そのため、ビット密度の向上が可能となる。これは同等の積層数とした場合、前述の比較例と比べて約1.7倍のビット密度を実現できることになる。あるいは、同等のビット密度とした場合、前述の比較例と比べて約1/1.7の積層数ですむことになる。すなわち、より高いビット密度をより少ない積層数、つまりより低い高さ寸法の立体構造で実現することが可能となる。そのため、インテグレーションに大きな負担をかけることなく更に高いビット密度の不揮発性記憶装置を製造することが可能となる。
以上、本実施の形態について例示をした。しかし、本発明はこれらの記述に限定されるものではない。
前述の実施の形態に関して、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。
例えば、積層体の膜構成及びその形成方法、MONOSの膜構造、加工方法などは例示をしたものに限定されるものでなく、本発明の特徴を備えている限り、任意の組み合わせが可能である。また、例示をしていない既知の方法、例えばレーザーアニール法、あるいはNi触媒法により結晶化させた多結晶シリコン膜、または単結晶シリコン膜を半導体ピラーSP(チャネル半導体)として用いることも可能である。この場合、ゲルマニウム等の異種元素を含む半導体を用いることも可能である。MONOS構造におけるチャージブロック膜としてはAl2O3(アルミナ)以外にもHfO2、La2O3、Pr2O3、Y2O3、ZrO2等の金属酸化膜、あるいは上記金属膜を複数種組み合わせた膜を用いることが可能である。また、MONOS構造における電極膜(ワードラインWL)としても例示をしたもの以外に、TaN、W、WSi、CoSi、NiSi、PrSi、NiPtSi、PtSi、Pt、Ru、RuO2等を用いることも可能である。
前述の実施の形態に関して、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。
例えば、積層体の膜構成及びその形成方法、MONOSの膜構造、加工方法などは例示をしたものに限定されるものでなく、本発明の特徴を備えている限り、任意の組み合わせが可能である。また、例示をしていない既知の方法、例えばレーザーアニール法、あるいはNi触媒法により結晶化させた多結晶シリコン膜、または単結晶シリコン膜を半導体ピラーSP(チャネル半導体)として用いることも可能である。この場合、ゲルマニウム等の異種元素を含む半導体を用いることも可能である。MONOS構造におけるチャージブロック膜としてはAl2O3(アルミナ)以外にもHfO2、La2O3、Pr2O3、Y2O3、ZrO2等の金属酸化膜、あるいは上記金属膜を複数種組み合わせた膜を用いることが可能である。また、MONOS構造における電極膜(ワードラインWL)としても例示をしたもの以外に、TaN、W、WSi、CoSi、NiSi、PrSi、NiPtSi、PtSi、Pt、Ru、RuO2等を用いることも可能である。
また、本実施の形態に係る不揮発性記憶装置の製造方法は、メモリセルをシリコン基板直上にシリコン基板と電気的に接続するように形成する場合(第3の実施形態に係る不揮発性記憶装置の製造方法)のみならず、シリコン基板上に誘電体膜(絶縁層)を介してメモリセルを形成し、周辺回路とは多層配線を介して接続する場合(第4の実施形態に係る不揮発性記憶装置の製造方法)にも適用が可能である。特に後者においてはメモリセルを周辺回路の直上に設けることで、更にビット密度の向上が可能である。この場合、第2の実施形態に係る不揮発性記憶装置と同様のチャネル構造を実現するには縦型チャネルの上部を燐だドープされた多結晶シリコン膜などで接続すればよい。
また、例示をした積層数(6層)よりも少ない数のもののみならず、これよりも多層(例えば、10層以上)の不揮発性記憶装置についても適用可能であることは明らかである。
また、本発明を用いることで、今後も不揮発性記憶装置の継続的な集積度向上を図ることができるようになるため、様々な応用分野が広がっていくことが期待されることになる。 また、前述した各実施の形態が備える各要素は、可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
また、本発明を用いることで、今後も不揮発性記憶装置の継続的な集積度向上を図ることができるようになるため、様々な応用分野が広がっていくことが期待されることになる。 また、前述した各実施の形態が備える各要素は、可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
1 不揮発性記憶装置、2 不揮発性記憶装置、11 シリコン基板、14 絶縁膜、15 ドレイン領域部、16 絶縁膜、17 絶縁膜、18 貫通ホール、19 絶縁膜、20 絶縁層、22 チャージブロック膜、23 チャージトラップ膜、24 トンネル酸化膜、29 絶縁膜、30 チャネル、31 多結晶シリコン膜、ML メモリ積層体、SP 半導体ピラー、P1 プラグ、P2 プラグ、SL ソースライン、WL ワードライン、BL ビットライン
Claims (5)
- それぞれ複数の絶縁膜及び電極膜が交互に積層された積層体と、
前記積層体を貫く半導体ピラーと、
前記電極膜と前記半導体ピラーとの間に設けられたチャージトラップ膜と、
を備え、
前記電極膜は、前記積層体の積層方向に対して直交する一の方向に延び、相互に離隔して複数本設けられ、
共通の前記電極膜に交わり隣り合う2本の前記半導体ピラーは、前記電極膜の幅方向における相互に異なる位置で交わっていることを特徴とする不揮発性記憶装置。 - 共通の前記電極膜に交わる複数本の前記半導体ピラーは、前記一の方向に沿って交互に、前記電極膜の幅方向における一方の側と他方の側とで交わっており、前記積層方向に対して直交し前記一の方向に対して交差する他の方向に沿って配列された複数本の前記半導体ピラーは、前記電極膜の幅方向における相互に同じ側で交わっていることを特徴とする請求項1記載の不揮発性記憶装置。
- 前記積層体の下方に設けられ、第1の電極膜の幅方向における前記一方の側で交わる位置に形成された第1の半導体ピラーの下端部と、前記第1の電極膜と隣り合う第2の電極膜の幅方向における前記他方の側で交わる位置に形成された第2の半導体ピラーの下端部と、がそれぞれ接する位置に設けられたチャネルと、
前記積層体の上方に設けられ、前記他の方向に延びる複数本のビットラインと、
前記積層体の上方に設けられ、前記他の方向に延びる複数本のソースラインと、
をさらに備え、
前記第1の半導体ピラーと前記第2の半導体ピラーとのいずれか一方の上端部は前記ビットラインに接続され、前記第1の半導体ピラーと前記第2の半導体ピラーとのいずれか他方の上端部は前記ソースラインに接続されていることを特徴とする請求項1または2に記載の不揮発性記憶装置。 - それぞれ複数の絶縁膜及び犠牲膜が交互に積層された積層体を形成する工程と、
前記積層体の積層方向に延びる複数の貫通ホールを形成する工程と、
前記貫通ホールに半導体ピラーを形成する工程と、
前記積層体の積層方向に延びるトレンチを形成する工程と、
前記トレンチを介して前記犠牲膜を選択的に除去する工程と、
前記半導体ピラーの外周面側にチャージトラップ膜を形成する工程と、
前記絶縁膜の積層方向において前記絶縁膜と前記絶縁膜との間に複数の電極膜を形成する工程と、
を備え、
前記電極膜を形成する工程において、前記電極膜は、前記絶縁膜の積層方向に対して直交する一の方向に延び、相互に離隔して複数本形成され、
前記貫通ホールを形成する工程において、前記一の方向に隣り合う2つの前記貫通ホールは、共通の前記電極膜の幅方向における相互に異なる位置で交わるように形成されることを特徴とする不揮発性記憶装置の製造方法。 - 第1の電極膜の幅方向における前記一方の側で交わる位置に形成される第1の貫通ホールの下端部と、前記第1の電極膜と隣り合う第2の電極膜の幅方向における前記他方の側で交わる位置に形成される第2の貫通ホールの下端部と、がそれぞれ接する位置にチャネルを形成する工程と、
前記半導体ピラーの上方に設けられ、前記他の方向に延びる複数本のビットラインを形成する工程と、
前記半導体ピラーの上方に設けられ、前記他の方向に延びる複数本のソースラインを形成する工程と、
をさらに備え、
前記ビットラインを形成する工程において、前記第1の貫通ホールにより形成された半導体ピラーと前記第2の貫通ホールにより形成された半導体ピラーとのいずれか一方の上端部は前記ビットラインに接続され、
前記ソースラインを形成する工程において、前記第1の貫通ホールにより形成された半導体ピラーと前記第2の貫通ホールにより形成された半導体ピラーとのいずれか他方の上端部は前記ソースラインに接続されることを特徴とする請求項4記載の不揮発性記憶装置の製造方法。
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