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JP3728577B2 - Manufacturing method of semiconductor memory device - Google Patents
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JP3728577B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フローティング・ゲートをもち低消費電力で高密度化が可能なフラッシュ・メモリを含む半導体記憶装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、フローティング・ゲートをもつフラッシュ・メモリに於いては、電荷を蓄積する為のフローティング半導体層のサイズを小さくし、究極的には量子ドットとすることで消費電力の低減、及び、高密度集積化が可能となる。
【0003】
この電荷を蓄積する為の量子ドットをもつフラッシュ・メモリを制御性良く作成する技術として、TSR(tetrahedral shaped recess)構造にフローティング半導体層を含むヘテロ接合を再成長させる技術が知られている。
【0004】
図10乃至図13はTSR構造を用いるフラッシュ・メモリに関する先行技術を説明する為の工程要所に於ける半導体記憶装置を表す要部切断側面図及び要部切断説明図(図13)である(要すれば、先行技術として「特願平9−311701号」を参照)。
【0005】
図10(A)参照
10−(1)
n型半導体基板1上にn型半導体層(第一の半導体層)2、ノンドープ半導体層(第二の半導体層)3、n型半導体層(第三の半導体層)4を形成する。
【0006】
各半導体部分の主要なデータは、
▲1▼ n型半導体基板1
材料:半絶縁性GaAs
▲2▼ n型半導体層2
材料:n−GaAs
不純物:Se
不純物濃度:5×1018〔cm-3
▲3▼ ノンドープ半導体層3
材料:i−GaAs
▲4▼ n型半導体層4
材料:n−GaAs
不純物:Se
不純物濃度:5×1018〔cm-3
【0007】
図10(B)参照
10−(2)
プラズマCVD(plasma chemical vapour deposition)法を適用することに依り、厚さが200〔nm〕のSiO2
からなる絶縁膜5を形成する。
【0008】
10−(3)
電子ビーム・リソグラフィ技術を適用することに依り、SiO2 からなる絶縁膜5に直径が1〔μm〕程度である開口5Aを形成する。
【0009】
図11(A)参照
11−(1)
エッチャントをブロムメタノールとするウエット・エッチング法を適用することに依り、開口5Aを介してn型半導体層4とノンドープ半導体層3の異方性エッチングを行ない、開口5Aよりも大きいサイズの正四面体溝(TSR)
3Aを形成する。
【0010】
図11(B)参照
11−(2)
MOVPE(metalorganic vapor phase epitaxy)法を適用することに依り、電子親和力が大きいn型半導体層(チャネル層)6、半導体層6に比較して電子親和力が小さいノンドープ半導体層(第一のバリヤ層)7、半導体層7に比較して電子親和力が大きいノンドープ半導体層(電子蓄積層)8、ノンドープ半導体層8に比較して電子親和力が小さいノンドープ半導体層(第二のバリヤ層)9を形成する。
【0011】
各半導体部分の主要なデータは、
▲1▼ n型半導体層(チャネル層)6
材料:n型InGaAs
不純物:Se
不純物濃度:1×1018〔cm-3
厚さ:15〔nm〕
▲2▼ ノンドープ半導体層(第一のバリヤ層)7
材料:i−AlGaAs
厚さ:15〔nm〕
▲3▼ ノンドープ半導体層(電子蓄積層)8
材料:i−InGaAs
厚さ:5〔nm〕
▲4▼ ノンドープ半導体層(第二のバリヤ層)9
材料:i−AlGaAs
厚さ:10〔nm〕
【0012】
図12(A)参照
12−(1)
リソグラフィ技術、及び、真空蒸着法などを適用することに依り、正四面体溝3Aの周囲に在る絶縁膜5の一部を除去して表出させたn型半導体層4上及びn型半導体基板1の裏面に厚さが50〔nm〕/200〔nm〕のAuGe/Auからなるドレイン電極10及びソース電極11を形成して、温度450〔℃〕、1〔分〕間の合金化熱処理を行う。
【0013】
図12(B)参照
12−(2)
真空蒸着法及びリソグラフィ技術などを適用することに依り、厚さが200〔nm〕のAlからなるゲート電極12を形成する。
【0014】
図13(A)及び(B)参照
13−(1)
素子の周辺に於いて、表面から第一の半導体層であるn型半導体層2内に達するメサ・エッチングを行って素子間を分離する。
【0015】
前記したTSR構造を用いて半導体記憶装置を製造する場合、TSRのサイズを微細化すると共に配列ピッチを縮小することでフラッシュ・メモリの高集積化が可能になり、また、その場合、電子蓄積層であるノンドープ半導体層8の底部分に生成されるフローティング量子ドットのサイズは変わらずにTSRのファセット面(傾斜面)に於ける面積のみが小さくなるので、フローティング量子ドットに電子を出し入れする際、TSRのファセット面に形成されている量子井戸層を介して流れる電流、即ち、前記フローティング量子ドットに流れることなく、ファセット面に於ける第一のバリヤ層であるノンドープ半導体層7、電子蓄積層であるノンドープ半導体層8、第二のバリヤ層であるノンドープ半導体層9を経てチャネル層であるn型半導体層6に流れてしまう電流は少なくなり、従って、消費電力を低減することができる。
【0016】
従来、前記説明したような微細TSR構造を制御性良く作成する為の技術としては、TSRサイズ、及び、TSR配列ピッチを共に縮小する方法、並びに、TSR配列ピッチを変えずにTSRサイズのみを縮小する方法が知られている。
【0017】
TSRサイズ、及び、TSR配列ピッチを共に縮小する方法では、メモリのドレイン電極10を形成する為マスク位置合わせ余裕が少なくなり、メモリを製造する際の歩留りが悪くなる旨の問題がある。
【0018】
また、TSR配列ピッチを変えずにTSRサイズのみを縮小する方法では、ヘテロ接合を生成させる各半導体層を再成長させる速度を十分に遅くしないと、再成長させる半導体層の層厚を正確に制御することが困難であり、しかも、配列ピッチが変化しない為、高集積化することができない旨の問題がある。
【0019】
【発明が解決しようとする課題】
本発明では、TSR構造を用いたフラッシュ・メモリに於ける書き込み時及び消去時の消費電力を低減させ、また、微細構造形成の制御性を向上して高密度化及び製造歩留りの向上を実現させようとする。
【0020】
【課題を解決するための手段】
本発明では、等方性エッチングに依ってマスク膜に微細な開口を形成し、その開口を介して各半導体層の異方性エッチングを行って前記開口に比較して大きいサイズのTSRを形成する点では先行技術と変わりないが、その後、マスクを残したまま、量子井戸構造の形成及びゲート電極用金属膜の形成を行うことで、フローティング量子ドット及びその近傍にのみ対応するゲート電極を自己整合的に形成し、更に、そのゲート電極をマスクに自己整合的にファセット面の量子井戸構造をエッチングすることが基本になっている。
【0021】
そのようにすると、ゲート電極は当初に形成したマスク膜に於ける開口に近い大きさの微細なものとなり、また、その下に在る量子井戸構造も同じ大きさとなるのであるから、フローティング量子ドットに電子を出し入れする際、必要な電流に並行して量子井戸を流れる電流は著しく少なくなり、メモリ動作時に於ける消費電力は低減される。
【0022】
この他、若干の工程増加にはなるが、前記基本の手段に平坦化する為の研磨工程を付加することで、ドレイン電極形成時に十分な位置合わせ精度を確保できるようにしたり、或いは、ゲート電極に自己整合的にドレイン電極を形成できるようにして製造歩留りを向上することが可能である。
【0023】
前記したところから、本発明に依る半導体記憶装置の製造方法に於いては、
(1)
導電性半導体基板(例えばn−GaAs基板21)上に一導電型の第一の半導体層(例えばn−GaAs層22)及びノンドープの第二の半導体層(例えばi−GaAs層23)及び一導電型高不純物濃度の第三の半導体層(例えばn−GaAs層24)を順に積層形成する工程と、次いで、第三の半導体層上に絶縁膜(例えばSiO2 からなる絶縁膜25)を形成してから該絶縁膜に開口(例えば開口25A)を該開口のサイズに比較して大きいピッチをもって配列形成する工程と、次いで、前記開口を介しエッチングを行って第三の半導体層から第二の半導体層内に達し且つ該開口に比較して大きいサイズをもつ正四面体溝(TSR)(例えば正四面体溝(TSR)23A)を形成する工程と、次いで、前記正四面体溝内に電子親和力が大きい一導電型チャネル層(例えばn−InGaAsからなるチャネル層26)及び一導電型チャネル層に比較して電子親和力が小さい第一のバリヤ層(例えばi−AlGaAsからなる第一のバリヤ層27)及び第一のバリヤ層に比較して電子親和力が大きい電子蓄積層(例えばi−InGaAsからなる電子蓄積層28)及び電子蓄積層に比較して電子親和力が小さい第二のバリヤ層(例えばi−AlGaAsからなる第二のバリヤ層29)を順に積層再成長する工程と、次いで、前記正四面体溝の先端に位置する電子蓄積層の一部である量子ドット(例えば量子ドット28D)に対向するゲート電極(例えばゲート電極30)を第二のバリヤ層上に形成する工程と、次いで、前記積層再成長させた各半導体層をゲート電極と同パターンにメサ・エッチングする工程と、次いで、ドレイン電極(例えばドレイン電極31)をゲート電極の周囲に表出されている第三の半導体層上に、また、ソース電極(例えばソース電極32)を導電性半導体基板裏面にそれぞれ形成する工程とが含まれてなることを特徴とするか、又は、
【0024】
(2)
前記(1)に於いて、正四面体溝(例えば正四面体溝23A)を形成する際のマスクとして用いた絶縁膜(例えば絶縁膜25)の開口(例えば開口25A)を介して該正四面体溝内に一導電型チャネル層(例えばチャネル層26)及び第一のバリヤ層(例えばバリヤ層27)及び電子蓄積層(例えば電子蓄積層28)及び第二のバリヤ層(例えばバリヤ層29)を順に積層再成長してから同じく該絶縁膜の開口を介してゲート電極材料(例えばAl等)の被着を行って該正四面体溝の先端に位置する電子蓄積層の一部である量子ドット(例えば量子ドット28D)に対向するゲート電極(例えばゲート電極30)を第二のバリヤ層上に形成することを特徴とするか、又は、
【0025】
(3)
前記(1)或いは(2)に於いて、正四面体溝(例えば正四面体溝23A)内に積層再成長した各半導体層(例えばチャネル層26、バリヤ層27、電子蓄積層28、バリヤ層29)をゲート電極(例えばゲート電極30)と自己整合でメサ・エッチングしてから同じくゲート電極と自己整合でドレイン電極(例えばドレイン電極31)を第三の半導体層(例えばn−GaAs層24)上に形成することを特徴とするか、又は、
【0026】
(4)
前記(1)乃至(3)の何れか1に於いて、ドレイン電極(例えばドレイン電極31)を形成してから該ドレイン電極と自己整合で第三の半導体層(例えばn−GaAs層24)表面からメサ・エッチングを行って素子間分離を行うことを特徴とするか、又は、
【0027】
(5)
前記(1)或いは(2)或いは(4)に於いて、正四面体溝(例えば正四面体溝23A)内に積層再成長した各半導体層(例えばチャネル層26、バリヤ層27、電子蓄積層28、バリヤ層29)をゲート電極(例えばゲート電極30)と自己整合でメサ・エッチングした後、該メサの側面に絶縁膜からなるサイド・ウォールを形成してからゲート電極と自己整合でドレイン電極(例えばドレイン電極31)を第三の半導体層(例えばn−GaAs層24)上に形成することを特徴とするか、又は、
【0028】
(6)
前記(1)乃至(5)の何れか1に於いて、正四面体溝(例えば正四面体溝23A)の形成及び各半導体層(例えばチャネル層26、バリヤ層27、電子蓄積層28、バリヤ層29)の積層再成長及びゲート電極(例えばゲート電極30)の形成にマスクとして用いた絶縁膜(例えば絶縁膜25)の開口(例えば開口25A)を拡大してからゲート電極と自己整合でドレイン電極(例えばドレイン電極31)を第三の半導体層(例えばn−GaAs層24)上に形成することを特徴とする。
【0031】
前記手段を採ることに依り、TSR構造を用いたフラッシュ・メモリに於ける書き込み時及び消去時の消費電力を低減させ、また、微細構造形成の制御性を向上して高密度化及び製造歩留りの向上を実現することができる。
【0032】
【発明の実施の形態】
図1乃至図5は本発明に於ける実施の形態1を説明する為の工程要所に於ける半導体記憶装置を表す要部切断側面図であり、以下、これ等の図を参照しつつ説明する。
【0033】
図1(A)参照
1−(1)
MOVPE法を適用することに依り、基板21上に第一の半導体層22、第二の半導体層23、第三の半導体層24を形成する。
【0034】
この場合に於ける各半導体部分に関する主要なデータを例示すると次の通りである。
▲1▼ 基板21
材料:n−GaAs
不純物濃度:1×1018〔cm-3
▲2▼ 第一の半導体層22
材料:n−GaAs
不純物:Se
不純物濃度:5×1018〔cm-3
厚さ:200〔nm〕
▲3▼ 第二の半導体層23
材料:i−GaAs
厚さ:20〔nm〕
▲4▼ 第三の半導体層24
材料:n−GaAs
不純物:Se
不純物濃度:5×1018〔cm-3
厚さ:2〔μm〕
【0035】
ここで、i−GaAsからなる第二の半導体層23の厚さは、後に形成するTSR内にInGaAs層を再成長して生成させる量子ドットのサイズ程度をもって定め、それに依って、n−i−nダイオード電流がTSRメモリ電流に比較して十分に小さくなるようにする。
【0036】
図1(B)参照
1−(2)
プラズマCVD法を適用することに依り、第三の半導体層24の表面に厚さが200〔nm〕のSiO2 からなる絶縁膜25を形成する。
【0037】
1−(3)
電子ビーム・リソグラフィ技術を適用することに依り、絶縁膜25のエッチングを行って、直径が0.3〔μm〕の開口25Aを形成する。
【0038】
この開口25Aは、メモリ・セル・アレイにする為に多数を配列した状態に形成するのであるが、配列のピッチは開口25Aの大きさに比較して十分に大きくすることが必要であり、その理由は、後にドレイン電極を形成する際の十分な位置合わせ精度を確保する為である。
【0039】
図2(A)参照
2−(1)
エッチャントをリン酸系エッチング液とするウエット・エッチング法を適用することに依り、開口25Aをもつ絶縁膜25をマスクに第三の半導体層24の等方性エッチングを行ってリセス24Aを形成する。
【0040】
図2(B)参照
2−(2)
エッチャントをブロムメタノールとするウエット・エッチング法を適用することに依り、開口25Aを介して第三の半導体層24及び第二の半導体層23の異方性エッチングを行って正四面体溝(TSR)23Aを形成する。
【0041】
この際、正四面体溝23Aの平面の面積は、正四面体溝23Aが形成されていない部分の面積と同程度になるように、且つ、正四面体溝23Aの配列ピッチに比較して十分に大きなサイズとし、後にヘテロ接合を生成する為の量子井戸層などを再成長させる際の成長速度を十分に遅くなるようにすることで、層厚を正確に制御できるようにする。
【0042】
図3(A)参照
3−(1)
MOVPE法を適用することに依り、絶縁膜25の開口25Aを介して正四面体溝23Aのファセット面にチャネル層26、第一のバリヤ層27、電子蓄積層28、第二のバリヤ層29を成長させる。尚、電子蓄積層28に於ける正四面体溝23Aの底部に位置する部分は量子ドット28Dを構成する。
【0043】
前記したように、正四面体溝23Aのサイズを配列ピッチに比較して十分に大きくしてあるので、本工程で各半導体層を再成長させる速度は緩徐であることから、各層厚の制御は容易且つ正確に実施することが可能である。
【0044】
ここで成長した各半導体層に関する主要なデータを例示すると次の通りである。
▲1▼ チャネル層26
材料:n−InGaAs
電子親和力:大
不純物:Se
不純物濃度:1×1018〔cm-3
厚さ:15〔nm〕
▲2▼ 第一のバリヤ層27
材料:i−AlGaAs
電子親和力:チャネル層26に比較して小
厚さ:15〔nm〕
▲3▼ 電子蓄積層28
材料:i−InGaAs
電子親和力:第一のバリヤ層27に比較して大
厚さ:5〔nm〕
▲4▼ 第二のバリヤ層29
材料:i−AlGaAs
電子親和力:電子蓄積層28に比較して小
厚さ:10〔nm〕
【0045】
図3(B)参照
3−(2)
真空蒸着法を適用することに依り、厚さが200〔nm〕のAl膜を形成すると、絶縁膜25の開口25Aから正四面体溝23A内に入って第二のバリヤ層29上に被着されたものが量子ドット28Dに対応するゲート電極30となる。
【0046】
図4(A)参照
4−(1)
CMP(chemical mechanical polishing)法を適用することに依り、表面から第三の半導体層24内に達し、且つ、ゲート電極30のエッジが在る近傍の深さまで研磨を行って平坦化する。
【0047】
図4(B)参照
4−(2)
エッチング・ガスを例えば塩素系ガスとするドライ・エッチング法を適用することに依り、ゲート電極30をマスクにして第二のバリヤ層29から第一のバリヤ層27内に達するまで再成長各半導体層のエッチングを行ってメサ形状にする。尚、この際、表出されている第三の半導体層24もエッチングされて薄層化する。
【0048】
図5(A)参照
5−(1)
真空蒸着法、及び、リソグラフィ技術を適用することに依り、ドレイン電極31及びソース電極32を形成する。
【0049】
各電極は、厚さ50〔nm〕/200〔nm〕であるAuGe/Auで構成され、温度450〔℃〕で1〔分〕間の合金化熱処理を行ってオーミックにしたものである。
【0050】
尚、前記工程4−(1)に於いて、表面を平坦化する為に研磨を行ない、また、前記工程4−(2)に於いて、再成長各半導体層のエッチングを行ってメサ形状にする際に第三の半導体層24もエッチングされた為、最終的な正四面体溝23Aのサイズは当初に設定した大きさに比較して小さくなっていて、この段階では配列ピッチの方が大きい状態となり、従って、正四面体溝23Aの周囲には十分な面積余裕があり、ドレイン電極31を形成する際の位置合わせは容易且つ精密に行うことができ、製造歩留りは向上する。
【0051】
図5(B)参照
5−(2)
リソグラフィ技術に於けるレジスト・プロセス、及び、エッチング・ガスを塩素系ガ とするドライ・エッチング法を適用することに依り、第三の半導体層24及び第二の 半導体層23をメサ・エッチングして素子間分離を行って完成する。
【0052】
以上の工程を経て完成された半導体記憶装置に於いては、フローティング量子ドット28Dに電子を出し入れする際、フローティング量子ドット28Dに対応する以外の部分を並行して流れる電流は著しく少なくなり、従って、メモリの書き込み及び消去時の消費電力は低減される。
【0053】
図6及び図7は本発明に於ける実施の形態2を説明する為の工程要所に於ける半導体記憶装置を表す要部切断側面図であり、以下、これ等の図を参照しつつ説明する。尚、図1乃至図3について説明した実施の形態1の工程1−(1)乃至3−(2)は、実施の形態2に於いても同じであるから省略し、その次の工程から説明する。
【0054】
図6(A)参照
6−(1)
ゲート電極30を形成した後、フッ酸に浸漬して、SiO2 からなる絶縁膜25のエッチングを行ない、正四面体溝23A内の第二のバリヤ層29が全面が表出された状態で停止する。
【0055】
図6(B)参照
6−(2)
CMP法を適用することに依り、絶縁膜25上に在るAl膜を研磨して除去する。
【0056】
図7(A)参照
7−(1)
エッチャントをリン酸系エッチング液とするウエット・エッチング法を適用することに依り、ゲート電極30をマスクとして第二のバリヤ層29など再成長半導体層のメサ・エッチングを行って、正四面体溝23A内のファセット面に第三の半導体層24を表出させる。
【0057】
7−(2)
真空蒸着法を適用することに依り、厚さが50〔nm〕/200〔nm〕のAuGe/Au膜を形成し、ゲート電極30に対して自己整合的にドレイン電極31を形成し、また、基板21の裏面に同様なAuGe/Au膜からなるソース電極32を形成してから、温度を450〔℃〕、時間を1〔分〕とする合金化熱処理を行ってオーミックにする。
【0058】
図7(B)参照
7−(3)
CMP法を適用することに依り、絶縁膜25並びにその上に在るAuGe/Au膜を研磨して除去する。
【0059】
7−(4)
プラズマCVD法を適用することに依り、厚さが例えば200〔nm〕であるSiO2 膜を形成する。
【0060】
7−(5)
エッチング・ガスをCF4 +O2 ガスとするドライ・エッチング法を適用することに依り、前記工程7−(4)で形成したSiO2 膜の異方性エッチングを行ってサイド・ウォール33を形成する。
【0061】
尚、サイド・ウォール33は、メサ化された再成長各半導体層とドレイン電極31との間を埋めて保護するので、その部分が後のエッチング工程で損傷を受けることはなくなる。
【0062】
7−(4)
エッチング・ガスを例えば塩素系ガスとするドライ・エッチング法を適用することに依り、第三の半導体層24及び第二の半導体層23をメサ・エッチングして素子間分離を行って完成する。
【0063】
以上の工程を経て完成された半導体記憶装置に於いては、正四面体溝23A内のファセット面に表出された第三の半導体層24の殆ど全面にドレイン電極31を形成することができるので、素子のコンタクト抵抗は低減され、また、素子サイズが1〔μm〕程度の高密度メモリとすることができる。
【0064】
図8及び図9は本発明に於ける実施の形態3を説明する為の工程要所に於ける半導体記憶装置を表す要部切断側面図であり、以下、これ等の図を参照しつつ説明する。尚、図1乃至図3について説明した実施の形態1の工程1−(1)乃至3−(2)は、実施の形態3に於いても同じであるから省略し、その次の工程から説明する。
【0065】
図8(A)参照
8−(1)
ゲート電極30を形成した後、フッ酸に浸漬して、SiO2 からなる絶縁膜25のエッチングを行ない、開口25Aの直径が0.3〔μm〕であったものを0.5〔μm〕に拡大する。
【0066】
図8(B)参照
8−(2)
CMP法を適用することに依り、絶縁膜25上に在るAl膜を研磨して除去する。
【0067】
図9(A)参照
9−(1)
エッチャントをリン酸系エッチング液とするウエット・エッチング法を適用することに依り、ゲート電極30をマスクとして第二のバリヤ層29など再成長半導体層のメサ・エッチングを行って、正四面体溝23A内のファセット面に第三の半導体層24を表出させる。
【0068】
9−(2)
径を拡大した開口25Aをもつ絶縁膜25をマスクにして、真空蒸着法を適用することに依り、厚さが50〔nm〕/200〔nm〕のAuGe/Au膜を形成し、ゲート電極30に対して自己整合的にドレイン電極31を形成し、また、基板21の裏面に同様なAuGe/Au膜からなるソース電極32を形成してから、温度を450〔℃〕、時間を1〔分〕とする合金化熱処理を行ってオーミックにする。
【0069】
図9(B)参照
9−(3)
CMP法を適用することに依り、絶縁膜25並びにその上に在るAuGe/Au膜を研磨して除去する。
【0070】
9−(4)
エッチング・ガスを例えば塩素系ガスとするドライ・エッチング法を適用することに依り、第三の半導体層24及び第二の半導体層23をメサ・エッチングして素子間分離を行って完成する。
【0071】
以上の工程を経て完成された半導体記憶装置に於いては、ドレイン電極31が著しく小型化されるので、素子サイズが0.5〔μm〕程度の高密度メモリにすることができる。
【0072】
【発明の効果】
本発明に依る半導体記憶装置の製造方法に於いては、導電性半導体基板上に一導電型の第一の半導体層及びノンドープの第二の半導体層及び一導電型高不純物濃度の第三の半導体層を順に積層形成し、第三の半導体層上に絶縁膜を形成してから該絶縁膜に開口を該開口のサイズに比較して大きいピッチをもって配列形成し、前記開口を介しエッチングを行って第三の半導体層から第二の半導体層内に達し且つ該開口に比較して大きいサイズをもつ正四面体溝(TSR)を形成し、前記正四面体溝内に一導電型チャネル層及び第一のバリヤ層及び電子蓄積層及び第二のバリヤ層を順に積層再成長し、前記正四面体溝の先端に位置する電子蓄積層の一部である量子ドットに対向するゲート電極を第二のバリヤ層上に形成し、前記積層再成長させた各半導体層をゲート電極と同パターンにメサ・エッチングし、ドレイン電極をゲート電極の周囲に表出されている第三の半導体層上に、ソース電極を導電性半導体基板裏面にそれぞれ形成する。
【0073】
前記構成を採ることに依り、TSR構造を用いたフラッシュ・メモリに於ける書き込み時及び消去時の消費電力を低減させ、また、微細構造形成の制御性を向上して高密度化及び製造歩留りの向上を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に於ける実施の形態1を説明する為の工程要所に於ける半導体記憶装置を表す要部切断側面図である。
【図2】本発明に於ける実施の形態1を説明する為の工程要所に於ける半導体記憶装置を表す要部切断側面図である。
【図3】本発明に於ける実施の形態1を説明する為の工程要所に於ける半導体記憶装置を表す要部切断側面図である。
【図4】本発明に於ける実施の形態1を説明する為の工程要所に於ける半導体記憶装置を表す要部切断側面図である。
【図5】本発明に於ける実施の形態1を説明する為の工程要所に於ける半導体記憶装置を表す要部切断側面図である。
【図6】本発明に於ける実施の形態2を説明する為の工程要所に於ける半導体記憶装置を表す要部切断側面図である。
【図7】本発明に於ける実施の形態2を説明する為の工程要所に於ける半導体記憶装置を表す要部切断側面図である。
【図8】本発明に於ける実施の形態3を説明する為の工程要所に於ける半導体記憶装置を表す要部切断側面図である。
【図9】本発明に於ける実施の形態3を説明する為の工程要所に於ける半導体記憶装置を表す要部切断側面図である。
【図10】TSR構造を用いるフラッシュ・メモリに関する先行技術を説明する為の工程要所に於ける半導体記憶装置を表す要部切断側面図である。
【図11】TSR構造を用いるフラッシュ・メモリに関する先行技術を説明する為の工程要所に於ける半導体記憶装置を表す要部切断側面図である。
【図12】TSR構造を用いるフラッシュ・メモリに関する先行技術を説明する為の工程要所に於ける半導体記憶装置を表す要部切断側面図である。
【図13】TSR構造を用いるフラッシュ・メモリに関する先行技術を説明する為の工程要所に於ける半導体記憶装置を表す要部切断説明図である。
【符号の説明】
21 基板
22 第一の半導体層
23 第二の半導体層
23A 正四面体溝(TSR)
24 第三の半導体層
24A リセス
25 絶縁膜
25A 開口
26 チャネル層
27 第一のバリヤ層
28 電子蓄積層
28D フローティング量子ドット
29 第二のバリヤ層
30 ゲート電極
31 ドレイン電極
32 ソース電極
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor memory device including a flash memory having a floating gate and low power consumption and high density.
[0002]
[Prior art]
In general, in a flash memory with a floating gate, the size of the floating semiconductor layer for storing electric charge is reduced, and ultimately it is a quantum dot, thereby reducing power consumption and high-density integration. Can be realized.
[0003]
As a technique for producing a flash memory having quantum dots for accumulating charges with good controllability, a technique is known in which a heterojunction including a floating semiconductor layer is regrown in a TSR (tetrahedral shaped recess) structure.
[0004]
FIGS. 10 to 13 are a cutaway side view and a cutaway explanatory view (FIG. 13) of a main part showing a semiconductor memory device in a process key point for explaining the prior art relating to a flash memory using the TSR structure. If necessary, see Japanese Patent Application No. 9-317101 as prior art).
[0005]
Refer to FIG.
10- (1)
An n-type semiconductor layer (first semiconductor layer) 2, a non-doped semiconductor layer (second semiconductor layer) 3, and an n-type semiconductor layer (third semiconductor layer) 4 are formed on the n-type semiconductor substrate 1.
[0006]
The main data of each semiconductor part is
(1) n-type semiconductor substrate 1
Material: Semi-insulating GaAs
(2) n-type semiconductor layer 2
Material: n-GaAs
Impurity: Se
Impurity concentration: 5 × 1018〔cm-3]
(3) Non-doped semiconductor layer 3
Material: i-GaAs
(4) n-type semiconductor layer 4
Material: n-GaAs
Impurity: Se
Impurity concentration: 5 × 1018〔cm-3]
[0007]
Refer to FIG.
10- (2)
By applying plasma CVD (plasma chemical vapor deposition) method, SiO with a thickness of 200 nm2
An insulating film 5 made of is formed.
[0008]
10- (3)
By applying electron beam lithography technology, SiO2An opening 5A having a diameter of about 1 [μm] is formed in the insulating film 5 made of
[0009]
Refer to FIG.
11- (1)
By applying a wet etching method using bromomethanol as an etchant, anisotropic etching of the n-type semiconductor layer 4 and the non-doped semiconductor layer 3 is performed through the opening 5A, and a tetrahedron having a size larger than that of the opening 5A. Groove (TSR)
3A is formed.
[0010]
Refer to FIG.
11- (2)
An n-type semiconductor layer (channel layer) 6 having a large electron affinity and a non-doped semiconductor layer (first barrier layer) having a small electron affinity compared to the semiconductor layer 6 by applying a MOVPE (metalorganic vapor phase epitaxy) method. 7. A non-doped semiconductor layer (electron storage layer) 8 having a higher electron affinity than the semiconductor layer 7 and a non-doped semiconductor layer (second barrier layer) 9 having a lower electron affinity than the non-doped semiconductor layer 8 are formed.
[0011]
The main data of each semiconductor part is
(1) n-type semiconductor layer (channel layer) 6
Material: n-type InGaAs
Impurity: Se
Impurity concentration: 1 × 1018〔cm-3]
Thickness: 15 [nm]
(2) Non-doped semiconductor layer (first barrier layer) 7
Material: i-AlGaAs
Thickness: 15 [nm]
(3) Non-doped semiconductor layer (electron storage layer) 8
Material: i-InGaAs
Thickness: 5 [nm]
(4) Non-doped semiconductor layer (second barrier layer) 9
Material: i-AlGaAs
Thickness: 10 [nm]
[0012]
Refer to FIG.
12- (1)
On the n-type semiconductor layer 4 and the n-type semiconductor exposed by removing a part of the insulating film 5 around the tetrahedral groove 3A by applying a lithography technique, a vacuum deposition method, or the like A drain electrode 10 and a source electrode 11 made of AuGe / Au having a thickness of 50 [nm] / 200 [nm] are formed on the back surface of the substrate 1, and an alloying heat treatment is performed at a temperature of 450 [° C.] for 1 [min]. I do.
[0013]
Refer to FIG.
12- (2)
The gate electrode 12 made of Al having a thickness of 200 [nm] is formed by applying a vacuum deposition method or a lithography technique.
[0014]
See FIGS. 13A and 13B
13- (1)
In the periphery of the element, mesa etching reaching the n-type semiconductor layer 2 as the first semiconductor layer from the surface is performed to separate the elements.
[0015]
When a semiconductor memory device is manufactured using the TSR structure described above, high integration of a flash memory can be achieved by reducing the size of the TSR and reducing the arrangement pitch. Since the size of the floating quantum dots generated at the bottom portion of the non-doped semiconductor layer 8 is not changed and only the area on the facet surface (inclined surface) of the TSR is reduced, when electrons are taken in and out of the floating quantum dots, The current flowing through the quantum well layer formed on the facet surface of the TSR, that is, the first barrier layer on the facet surface without flowing through the floating quantum dot, the non-doped semiconductor layer 7 and the electron storage layer N which is a channel layer via a non-doped semiconductor layer 8 and a non-doped semiconductor layer 9 which is a second barrier layer. Current will flow to the semiconductor layer 6 is less, therefore, it is possible to reduce power consumption.
[0016]
Conventionally, as a technique for creating the fine TSR structure as described above with good controllability, both the TSR size and the method for reducing the TSR arrangement pitch, and the TSR size only without changing the TSR arrangement pitch are reduced. How to do is known.
[0017]
In the method of reducing both the TSR size and the TSR arrangement pitch, there is a problem that the mask alignment margin is reduced because the drain electrode 10 of the memory is formed, and the yield in manufacturing the memory is deteriorated.
[0018]
In addition, in the method of reducing only the TSR size without changing the TSR arrangement pitch, the layer thickness of the semiconductor layer to be regrown can be accurately controlled unless the speed of regrowing each semiconductor layer that generates the heterojunction is sufficiently slow. In addition, there is a problem that high integration cannot be achieved because the arrangement pitch does not change.
[0019]
[Problems to be solved by the invention]
In the present invention, the power consumption at the time of writing and erasing in the flash memory using the TSR structure is reduced, and the controllability of the fine structure formation is improved to realize a higher density and an improved manufacturing yield. Try to.
[0020]
[Means for Solving the Problems]
In the present invention, a fine opening is formed in the mask film by isotropic etching, and each semiconductor layer is anisotropically etched through the opening to form a TSR having a size larger than that of the opening. In this respect, it is the same as the prior art, but after that, by forming the quantum well structure and forming the metal film for the gate electrode while leaving the mask, the gate electrode corresponding only to the floating quantum dot and its vicinity is self-aligned. Further, it is fundamental that the quantum well structure on the facet surface is etched in a self-aligning manner using the gate electrode as a mask.
[0021]
By doing so, the gate electrode becomes a minute one that is close to the opening in the mask film that was originally formed, and the underlying quantum well structure has the same size. When electrons are taken in and out, the current flowing through the quantum well in parallel with the necessary current is significantly reduced, and the power consumption during memory operation is reduced.
[0022]
In addition, although the number of steps is slightly increased, a sufficient polishing accuracy can be ensured when forming the drain electrode by adding a polishing step for flattening to the basic means, or the gate electrode It is possible to improve the manufacturing yield by allowing the drain electrode to be formed in a self-aligned manner.
[0023]
From the foregoing, in the method of manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention,
(1)
A first semiconductor layer of one conductivity type (for example, n-GaAs layer 22), a non-doped second semiconductor layer (for example, i-GaAs layer 23), and one conductor on a conductive semiconductor substrate (for example, n-GaAs substrate 21). A step of sequentially forming a third semiconductor layer (eg, n-GaAs layer 24) having a high impurity concentration and an insulating film (eg, SiO 2)2And forming an opening (for example, opening 25A) in the insulating film with a pitch larger than the size of the opening, and then performing etching through the opening. Forming a regular tetrahedral groove (TSR) (e.g., a regular tetrahedral groove (TSR) 23A) reaching from the third semiconductor layer into the second semiconductor layer and having a size larger than the opening; A one-conductivity type channel layer (for example, a channel layer 26 made of n-InGaAs) having a high electron affinity in the tetrahedral groove and a first barrier layer (for example, an i-type) having a smaller electron affinity than the one-conductivity type channel layer. The first barrier layer 27) made of AlGaAs and the electron storage layer (for example, the electron storage layer 28 made of i-InGaAs) and the electron storage having a higher electron affinity than the first barrier layer. A step of sequentially stacking and re-growing a second barrier layer (for example, the second barrier layer 29 made of i-AlGaAs) having a smaller electron affinity than the layer, and then an electron located at the tip of the tetrahedral groove Forming a gate electrode (for example, gate electrode 30) opposite to the quantum dot (for example, quantum dot 28D) which is a part of the storage layer on the second barrier layer, and then re-growing each semiconductor layer And mesa etching in the same pattern as the gate electrode, and then the drain electrode (eg, drain electrode 31) is formed on the third semiconductor layer exposed around the gate electrode, and the source electrode (eg, source electrode) Forming the electrodes 32) on the back surface of the conductive semiconductor substrate, respectively, or
[0024]
(2)
In the above (1), the regular tetrahedron is formed through an opening (for example, opening 25A) of an insulating film (for example, insulating film 25) used as a mask when forming a regular tetrahedral groove (for example, regular tetrahedral groove 23A). One conductivity type channel layer (for example, channel layer 26) and first barrier layer (for example, barrier layer 27), electron storage layer (for example, electron storage layer 28), and second barrier layer (for example, barrier layer 29) in the body groove. Quantum which is a part of the electron storage layer located at the tip of the tetrahedral groove by depositing a gate electrode material (for example, Al) through the opening of the insulating film and re-growing the layers in order. Forming a gate electrode (for example, gate electrode 30) facing the dot (for example, quantum dot 28D) on the second barrier layer, or
[0025]
(3)
In the above (1) or (2), the respective semiconductor layers (for example, the channel layer 26, the barrier layer 27, the electron storage layer 28, and the barrier layer) which are stacked and regrown in the regular tetrahedral groove (for example, the regular tetrahedral groove 23A). 29) is mesa-etched by self-alignment with the gate electrode (for example, the gate electrode 30), and then the drain electrode (for example, the drain electrode 31) is also self-aligned with the gate electrode for the third semiconductor layer (for example, the n-GaAs layer 24). Characterized in that it is formed on, or
[0026]
(4)
In any one of (1) to (3), after the drain electrode (for example, the drain electrode 31) is formed, the surface of the third semiconductor layer (for example, the n-GaAs layer 24) is self-aligned with the drain electrode. Or mesa-etching to separate the elements, or
[0027]
(5)
In the above (1), (2), or (4), each semiconductor layer (for example, the channel layer 26, the barrier layer 27, the electron storage layer) re-grown in the regular tetrahedral groove (for example, the regular tetrahedral groove 23A). 28, the barrier layer 29) is mesa-etched with the gate electrode (for example, the gate electrode 30) in a self-aligned manner, a side wall made of an insulating film is formed on the side surface of the mesa, and then the drain electrode is self-aligned with the gate electrode. (For example, the drain electrode 31) is formed on the third semiconductor layer (for example, the n-GaAs layer 24), or
[0028]
(6)
  In any one of the above (1) to (5), formation of a regular tetrahedral groove (for example, a regular tetrahedral groove 23A) and each semiconductor layer (for example, a channel layer 26, a barrier layer 27, an electron storage layer 28, a barrier) The layer 29) is regrown and the opening (for example, the opening 25A) of the insulating film (for example, the insulating film 25) used as a mask for forming the gate electrode (for example, the gate electrode 30) is enlarged, and then the drain is self-aligned with the gate electrode. An electrode (for example, drain electrode 31) is formed on a third semiconductor layer (for example, n-GaAs layer 24).The
[0031]
By adopting the above means, the power consumption at the time of writing and erasing in the flash memory using the TSR structure is reduced, and the controllability of the fine structure formation is improved to increase the density and the manufacturing yield. Improvements can be realized.
[0032]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 to FIG. 5 are side sectional views showing a main part of the semiconductor memory device in the main points of the process for explaining the first embodiment of the present invention. The following description will be given with reference to these figures. To do.
[0033]
Refer to FIG.
1- (1)
By applying the MOVPE method, the first semiconductor layer 22, the second semiconductor layer 23, and the third semiconductor layer 24 are formed on the substrate 21.
[0034]
Examples of main data regarding each semiconductor portion in this case are as follows.
(1) Substrate 21
Material: n-GaAs
Impurity concentration: 1 × 1018〔cm-3]
(2) First semiconductor layer 22
Material: n-GaAs
Impurity: Se
Impurity concentration: 5 × 1018〔cm-3]
Thickness: 200 [nm]
(3) Second semiconductor layer 23
Material: i-GaAs
Thickness: 20 [nm]
(4) Third semiconductor layer 24
Material: n-GaAs
Impurity: Se
Impurity concentration: 5 × 1018〔cm-3]
Thickness: 2 [μm]
[0035]
Here, the thickness of the second semiconductor layer 23 made of i-GaAs is determined by the size of a quantum dot formed by re-growing an InGaAs layer in a TSR to be formed later, and accordingly, ni- The n diode current is made sufficiently smaller than the TSR memory current.
[0036]
Refer to FIG.
1- (2)
By applying the plasma CVD method, the surface of the third semiconductor layer 24 has a thickness of 200 nm.2An insulating film 25 made of is formed.
[0037]
1- (3)
By applying the electron beam lithography technique, the insulating film 25 is etched to form an opening 25A having a diameter of 0.3 [μm].
[0038]
The openings 25A are formed in a state in which a large number are arranged in order to form a memory cell array, but the arrangement pitch must be sufficiently larger than the size of the openings 25A. The reason is to ensure sufficient alignment accuracy when forming the drain electrode later.
[0039]
Refer to FIG.
2- (1)
By applying a wet etching method using an etchant as a phosphoric acid-based etchant, the third semiconductor layer 24 is isotropically etched using the insulating film 25 having the opening 25A as a mask to form the recess 24A.
[0040]
Refer to FIG.
2- (2)
By applying a wet etching method using bromomethanol as an etchant, anisotropic etching of the third semiconductor layer 24 and the second semiconductor layer 23 is performed through the opening 25A to form a tetrahedral groove (TSR). 23A is formed.
[0041]
At this time, the area of the plane of the regular tetrahedral groove 23A is substantially the same as the area of the portion where the regular tetrahedral groove 23A is not formed, and is sufficiently larger than the arrangement pitch of the regular tetrahedral grooves 23A. The layer thickness can be accurately controlled by making the growth rate sufficiently low when the growth rate when a quantum well layer or the like for later forming a heterojunction is regrowth is sufficiently slow.
[0042]
Refer to FIG.
3- (1)
By applying the MOVPE method, the channel layer 26, the first barrier layer 27, the electron storage layer 28, and the second barrier layer 29 are formed on the facet surface of the tetrahedral groove 23A through the opening 25A of the insulating film 25. Grow. In addition, the part located in the bottom part of the regular tetrahedral groove | channel 23A in the electron storage layer 28 comprises quantum dot 28D.
[0043]
As described above, since the size of the regular tetrahedral groove 23A is sufficiently larger than the arrangement pitch, the rate of regrowth of each semiconductor layer in this step is slow. It can be implemented easily and accurately.
[0044]
The main data regarding each grown semiconductor layer is exemplified as follows.
(1) Channel layer 26
Material: n-InGaAs
Electron affinity: Large
Impurity: Se
Impurity concentration: 1 × 1018〔cm-3]
Thickness: 15 [nm]
(2) First barrier layer 27
Material: i-AlGaAs
Electron affinity: small compared to channel layer 26
Thickness: 15 [nm]
(3) Electron storage layer 28
Material: i-InGaAs
Electron affinity: Greater than the first barrier layer 27
Thickness: 5 [nm]
(4) Second barrier layer 29
Material: i-AlGaAs
Electron affinity: Small compared to the electron storage layer 28
Thickness: 10 [nm]
[0045]
Refer to FIG.
3- (2)
When an Al film having a thickness of 200 [nm] is formed by applying the vacuum deposition method, the Al film enters the tetrahedral groove 23A from the opening 25A of the insulating film 25 and is deposited on the second barrier layer 29. The resultant is the gate electrode 30 corresponding to the quantum dot 28D.
[0046]
Refer to FIG.
4- (1)
By applying a CMP (Chemical Mechanical Polishing) method, the surface of the third semiconductor layer 24 is reached from the surface and polished to a depth near the edge of the gate electrode 30 for planarization.
[0047]
Refer to FIG.
4- (2)
Each semiconductor layer is regrown by applying a dry etching method in which an etching gas is, for example, a chlorine-based gas, and reaching the first barrier layer 27 from the second barrier layer 29 using the gate electrode 30 as a mask. Etching is performed to form a mesa shape. At this time, the exposed third semiconductor layer 24 is also etched and thinned.
[0048]
Refer to FIG.
5- (1)
The drain electrode 31 and the source electrode 32 are formed by applying a vacuum deposition method and a lithography technique.
[0049]
Each electrode is made of AuGe / Au having a thickness of 50 [nm] / 200 [nm] and is made ohmic by alloying heat treatment at a temperature of 450 [° C.] for 1 [minute].
[0050]
In step 4- (1), polishing is performed to flatten the surface. In step 4- (2), the regrowth semiconductor layers are etched to form a mesa shape. Since the third semiconductor layer 24 was also etched at this time, the final tetrahedral groove 23A size was smaller than the initially set size, and the arrangement pitch was larger at this stage. Therefore, there is a sufficient area margin around the tetrahedral groove 23A, and the alignment when forming the drain electrode 31 can be performed easily and precisely, and the manufacturing yield is improved.
[0051]
Refer to FIG.
  5- (2)
    Resist process and etching gas in lithography technologyChlorine-based gas  TheThe third semiconductor layer 24 and the second semiconductor layer 23 are mesa-etched to achieve isolation between elements by applying the dry etching method.
[0052]
In the semiconductor memory device completed through the above steps, when electrons are transferred into and out of the floating quantum dot 28D, the current flowing in parallel in the portion other than that corresponding to the floating quantum dot 28D is remarkably reduced. Power consumption during memory writing and erasing is reduced.
[0053]
6 and 7 are cutaway side views showing the main part of the semiconductor memory device at the main points of the process for explaining the second embodiment of the present invention, and will be described below with reference to these figures. To do. The steps 1- (1) to 3- (2) of the first embodiment described with reference to FIGS. 1 to 3 are the same as those of the second embodiment, and are omitted. To do.
[0054]
Refer to FIG.
6- (1)
After forming the gate electrode 30, it is immersed in hydrofluoric acid, and SiO 22The insulating film 25 made of is etched, and the second barrier layer 29 in the regular tetrahedral groove 23A is stopped in a state where the entire surface is exposed.
[0055]
Refer to FIG.
6- (2)
By applying the CMP method, the Al film on the insulating film 25 is polished and removed.
[0056]
Refer to FIG.
7- (1)
By applying a wet etching method using an etchant as a phosphoric acid-based etching solution, mesa etching of the regrowth semiconductor layer such as the second barrier layer 29 is performed using the gate electrode 30 as a mask to form a tetrahedral groove 23A. The third semiconductor layer 24 is exposed on the inner facet surface.
[0057]
7- (2)
By applying a vacuum deposition method, an AuGe / Au film having a thickness of 50 nm / 200 nm is formed, a drain electrode 31 is formed in a self-aligned manner with respect to the gate electrode 30, and After the source electrode 32 made of the same AuGe / Au film is formed on the back surface of the substrate 21, an alloying heat treatment is performed at a temperature of 450 [° C.] and a time of 1 [minute] to make ohmic.
[0058]
Refer to FIG.
7- (3)
By applying the CMP method, the insulating film 25 and the AuGe / Au film thereon are polished and removed.
[0059]
7- (4)
SiO having a thickness of, for example, 200 nm by applying the plasma CVD method2A film is formed.
[0060]
7- (5)
Etching gas CFFour+ O2By applying a dry etching method using gas, the SiO formed in the step 7- (4)2Side walls 33 are formed by anisotropic etching of the film.
[0061]
The side wall 33 protects by filling between the mesased regrowth semiconductor layers and the drain electrode 31, so that the portion is not damaged in the subsequent etching process.
[0062]
7- (4)
By applying a dry etching method in which an etching gas is, for example, a chlorine-based gas, the third semiconductor layer 24 and the second semiconductor layer 23 are mesa-etched to complete element isolation.
[0063]
In the semiconductor memory device completed through the above steps, the drain electrode 31 can be formed on almost the entire surface of the third semiconductor layer 24 exposed on the facet surface in the tetrahedral groove 23A. The contact resistance of the element is reduced, and a high-density memory having an element size of about 1 [μm] can be obtained.
[0064]
FIG. 8 and FIG. 9 are main part cut side views showing the semiconductor memory device in the main points of the process for explaining the third embodiment of the present invention, and will be described below with reference to these figures. To do. Note that steps 1- (1) to 3- (2) of the first embodiment described with reference to FIGS. 1 to 3 are the same in the third embodiment, and are omitted, and will be described from the next step. To do.
[0065]
Refer to FIG.
8- (1)
After forming the gate electrode 30, it is immersed in hydrofluoric acid, and SiO 22The insulating film 25 made of is etched, and the diameter of the opening 25A of 0.3 [μm] is expanded to 0.5 [μm].
[0066]
Refer to FIG.
8- (2)
By applying the CMP method, the Al film on the insulating film 25 is polished and removed.
[0067]
Refer to FIG.
9- (1)
By applying a wet etching method using an etchant as a phosphoric acid-based etching solution, mesa etching of the regrowth semiconductor layer such as the second barrier layer 29 is performed using the gate electrode 30 as a mask to form a tetrahedral groove 23A. The third semiconductor layer 24 is exposed on the inner facet surface.
[0068]
9- (2)
An AuGe / Au film having a thickness of 50 [nm] / 200 [nm] is formed by applying a vacuum deposition method using the insulating film 25 having the opening 25A having an enlarged diameter as a mask, and the gate electrode 30 The drain electrode 31 is formed in a self-aligned manner, and the source electrode 32 made of a similar AuGe / Au film is formed on the back surface of the substrate 21, and then the temperature is set to 450 [° C.] and the time is set to 1 [minute]. It is made ohmic by alloying heat treatment.
[0069]
Refer to FIG.
9- (3)
By applying the CMP method, the insulating film 25 and the AuGe / Au film thereon are polished and removed.
[0070]
9- (4)
By applying a dry etching method in which an etching gas is, for example, a chlorine-based gas, the third semiconductor layer 24 and the second semiconductor layer 23 are mesa-etched to complete element isolation.
[0071]
In the semiconductor memory device completed through the above steps, since the drain electrode 31 is remarkably miniaturized, a high-density memory having an element size of about 0.5 [μm] can be obtained.
[0072]
【The invention's effect】
In the method for manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention, a first semiconductor layer of one conductivity type, a second semiconductor layer that is not doped, and a third semiconductor having a high impurity concentration of one conductivity type on a conductive semiconductor substrate. The layers are sequentially stacked, an insulating film is formed on the third semiconductor layer, and openings are formed in the insulating film with a pitch larger than the size of the opening, and etching is performed through the openings. A tetrahedral groove (TSR) that reaches from the third semiconductor layer into the second semiconductor layer and has a size larger than the opening is formed, and the one-conductivity-type channel layer and the first tetrahedral groove are formed in the regular tetrahedral groove. A barrier layer, an electron storage layer, and a second barrier layer are sequentially stacked and regrown, and a gate electrode facing a quantum dot that is a part of the electron storage layer located at the tip of the tetrahedral groove is formed as a second electrode. Formed on the barrier layer and regrown the stack The semiconductor layer mesa is etched to the same pattern and the gate electrode, the third semiconductor layer being exposed to the drain electrode around the gate electrode, are formed respectively on the conductive semiconductor substrate backside source electrode.
[0073]
By adopting the above configuration, the power consumption at the time of writing and erasing in the flash memory using the TSR structure is reduced, and the controllability of the fine structure formation is improved to increase the density and the production yield. Improvements can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cutaway side view showing a main part of a semiconductor memory device in a process essential point for explaining Embodiment 1 of the present invention;
FIG. 2 is a cutaway side view showing a main part of a semiconductor memory device in a process essential point for explaining the first embodiment of the present invention;
FIG. 3 is a cutaway side view showing a main part of a semiconductor memory device in a process essential point for explaining the first embodiment of the present invention;
FIG. 4 is a cutaway side view showing a main part of a semiconductor memory device in a process essential point for explaining the first embodiment in the present invention;
FIG. 5 is a cutaway side view showing a main part of a semiconductor memory device in a process essential point for explaining the first embodiment of the present invention;
FIG. 6 is a cutaway side view showing a main part of a semiconductor memory device in a process key point for explaining a second embodiment in the present invention;
FIG. 7 is a cutaway side view showing a main part of a semiconductor memory device in a process key point for explaining a second embodiment in the present invention;
FIG. 8 is a cutaway side view showing a main part of a semiconductor memory device in a process key point for explaining a third embodiment in the present invention;
FIG. 9 is a cutaway side view showing a main part of a semiconductor memory device in a process key point for explaining a third embodiment in the present invention;
FIG. 10 is a cutaway side view showing a main part of a semiconductor memory device at a process point for explaining the prior art related to a flash memory using a TSR structure;
FIG. 11 is a cutaway side view showing a main part of a semiconductor memory device at a process point for explaining the prior art relating to a flash memory using a TSR structure;
FIG. 12 is a cutaway side view showing a main part of a semiconductor memory device at a process point for explaining the prior art relating to a flash memory using a TSR structure;
FIG. 13 is a fragmentary cutaway explanatory view showing a semiconductor memory device in a process essential point for explaining the prior art relating to a flash memory using a TSR structure.
[Explanation of symbols]
21 Substrate
22 First semiconductor layer
23 Second semiconductor layer
23A Regular tetrahedral groove (TSR)
24 Third semiconductor layer
24A recess
25 Insulating film
25A opening
26 Channel layer
27 First barrier layer
28 Electron storage layer
28D floating quantum dot
29 Second barrier layer
30 Gate electrode
31 Drain electrode
32 source electrode

Claims (6)

導電性半導体基板上に一導電型の第一の半導体層及びノンドープの第二の半導体層及び一導電型高不純物濃度の第三の半導体層を順に積層形成する工程と、
次いで、第三の半導体層上に絶縁膜を形成してから該絶縁膜に開口を該開口のサイズに比較して大きいピッチをもって配列形成する工程と、
次いで、前記開口を介しエッチングを行って第三の半導体層から第二の半導体層内に達し且つ該開口に比較して大きいサイズをもつ正四面体溝(TSR)を形成する工程と、
次いで、前記正四面体溝内に電子親和力が大きい一導電型チャネル層及び一導電型チャネル層に比較して電子親和力が小さい第一のバリヤ層及び第一のバリヤ層に比較して電子親和力が大きい電子蓄積層及び電子蓄積層に比較して電子親和力が小さい第二のバリヤ層を順に積層再成長する工程と、
次いで、前記正四面体溝の先端に位置する電子蓄積層の一部である量子ドットに対向するゲート電極を第二のバリヤ層上に形成する工程と、
次いで、前記積層再成長させた各半導体層をゲート電極と同パターンにメサ・エッチングする工程と、
次いで、ドレイン電極をゲート電極の周囲に表出されている第三の半導体層上に、また、ソース電極を導電性半導体基板裏面にそれぞれ形成する工程と
が含まれてなることを特徴とする半導体記憶装置の製造方法。
A step of sequentially forming a one-conductivity-type first semiconductor layer, a non-doped second semiconductor layer, and a one-conductivity-type high impurity concentration third semiconductor layer on a conductive semiconductor substrate;
Next, forming an insulating film on the third semiconductor layer, and then forming openings in the insulating film with a pitch larger than the size of the opening;
Next, etching through the opening to form a tetrahedral groove (TSR) reaching from the third semiconductor layer into the second semiconductor layer and having a size larger than the opening;
Next, in the regular tetrahedral groove, the electron affinity is higher than that of the first barrier layer having a high electron affinity and the first barrier layer and the first barrier layer having a low electron affinity compared to the single conductivity type channel layer. A step of stacking and re-growing a second barrier layer having a small electron affinity compared to a large electron storage layer and an electron storage layer in order;
Next, forming a gate electrode on the second barrier layer that faces a quantum dot that is a part of the electron storage layer located at the tip of the regular tetrahedral groove;
Next, a step of mesa-etching each semiconductor layer that has been regrown to the same pattern as the gate electrode;
And a step of forming a drain electrode on the third semiconductor layer exposed around the gate electrode and a source electrode on the back surface of the conductive semiconductor substrate. A method for manufacturing a storage device.
正四面体溝を形成する際のマスクとして用いた絶縁膜の開口を介して該正四面体溝内に一導電型チャネル層及び第一のバリヤ層及び電子蓄積層及び第二のバリヤ層を順に積層再成長してから同じく該絶縁膜の開口を介してゲート電極材料の被着を行って該正四面体溝の先端に位置する電子蓄積層の一部である量子ドットに対向するゲート電極を第二のバリヤ層上に形成すること
を特徴とする請求項1記載の半導体記憶装置の製造方法。
The one-conductivity type channel layer, the first barrier layer, the electron storage layer, and the second barrier layer are sequentially formed in the regular tetrahedral groove through the opening of the insulating film used as a mask when forming the regular tetrahedral groove. After the regrowth, the gate electrode material is deposited through the opening of the insulating film, and the gate electrode facing the quantum dot which is a part of the electron storage layer located at the tip of the tetrahedral groove is formed. 2. The method of manufacturing a semiconductor memory device according to claim 1, wherein the semiconductor memory device is formed on the second barrier layer.
正四面体溝内に積層再成長した各半導体層をゲート電極と自己整合でメサ・エッチングしてから同じくゲート電極と自己整合でドレイン電極を第三の半導体層上に形成することを特徴とする請求項1或いは2記載の半導体記憶装置の製造方法。  Each semiconductor layer stacked and regrown in the tetrahedral groove is mesa-etched by self-alignment with the gate electrode, and then the drain electrode is formed on the third semiconductor layer by self-alignment with the gate electrode. A method of manufacturing a semiconductor memory device according to claim 1. ドレイン電極を形成してから該ドレイン電極と自己整合で第三の半導体層表面からメサ・エッチングを行って素子間分離を行うこと
を特徴とする請求項1乃至3の何れか1記載の半導体記憶装置の製造方法。
4. The semiconductor memory according to claim 1, wherein after the drain electrode is formed, element isolation is performed by performing mesa etching from the surface of the third semiconductor layer in a self-aligned manner with the drain electrode. Device manufacturing method.
正四面体溝内に積層再成長した各半導体層をゲート電極と自己整合でメサ・エッチングした後、該メサの側面に絶縁膜からなるサイド・ウォールを形成してからゲート電極と自己整合でドレイン電極を第三の半導体層上に形成すること
を特徴とする請求項1或いは2或いは4記載の半導体記憶装置の製造方法。
After each semiconductor layer stacked and regrown in the tetrahedral groove is mesa-etched by self-alignment with the gate electrode, a side wall made of an insulating film is formed on the side surface of the mesa and then drained by self-alignment with the gate electrode. 5. The method of manufacturing a semiconductor memory device according to claim 1, wherein the electrode is formed on a third semiconductor layer.
正四面体溝の形成及び各半導体層の積層再成長及びゲート電極の形成にマスクとして用いた絶縁膜の開口を拡大してからゲート電極と自己整合でドレイン電極を第三の半導体層上に形成すること
を特徴とする請求項1乃至5の何れか1記載の半導体記憶装置の製造方法。
Forming a tetrahedral groove, re-growing each semiconductor layer, and expanding the opening of the insulating film used as a mask for forming the gate electrode, and then forming the drain electrode on the third semiconductor layer in self-alignment with the gate electrode 6. A method of manufacturing a semiconductor memory device according to claim 1, wherein:
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