(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板上において、前記半導体基板の表面に垂直な方向に延びる第１の半導体柱と、
前記第１の半導体柱の外周を囲むトンネル絶縁層と、
前記トンネル絶縁層の外周を囲むデータ電荷蓄積絶縁層と、
前記データ電荷蓄積絶縁層の外周を囲む第１の層間絶縁層と、
前記第１の層間絶縁層の外周を囲む空間と、
前記空間の外周を囲み、前記半導体基板の上表面に垂直な方向に単層又は複数層形成されている積層材料層であって、各層が第１の導体層及び第２の層間絶縁層を含む積層材料層と、
前記第１の半導体柱の外周、且つ、前記積層材料層上に形成され、前記第１の層間絶縁層の側面を支持し、前記空間を密閉する第２の導体層と、を備え、
前記第１の層間絶縁層と前記空間とが、前記第１の導体層と前記データ電荷蓄積絶縁層との間の絶縁を行い、
前記第１の層間絶縁層が、前記第２の導体層と前記データ電荷蓄積絶縁層との間の絶縁を行い、
前記第１の導体層に印加される電圧によって、前記トンネル絶縁層を介した前記第１の半導体柱と前記データ電荷蓄積絶縁層との間でのデータ電荷の移動によるデータ書き込み及び消去、又は前記データ電荷蓄積絶縁層によるデータ電荷の保持が行なわれる、
ことを特徴とする柱状半導体メモリ装置。
【請求項２】
前記積層材料層が複数層形成されており、
前記積層材料層の下方に形成され、前記第１の半導体柱の外周を囲む第１のゲート絶縁層と、
前記第１のゲート絶縁層の外周を囲む第３の導体層と、
前記第３の導体層の下方、且つ、前記第１の半導体柱の底部に形成され、ドナー又はアクセプタ不純物を含む第１の不純物領域と、
前記積層材料層の上方に形成され、前記第１の半導体柱の外周を囲む第２のゲート絶縁層と、
前記第２のゲート絶縁層の外周を囲む第４の導体層と、
前記第１の半導体柱の頂部に形成され、前記第１の不純物領域と同じ導電型を有する第２の不純物領域とを有し、
前記積層材料層の前記第１の導体層が、ワード線配線金属層に接続され、
前記第３の導体層が、ソース側選択ゲート配線金属層に接続され、
前記第１の不純物領域が、コモンソース配線金属層に接続され、
前記第４の導体層が、ドレイン側選択ゲート配線金属層に接続され、
前記第２の不純物領域が、ビット線配線金属層に接続されることで、
前記第１の半導体柱にＮＡＮＤ型フラッシュメモリ素子が形成されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の柱状半導体メモリ装置。
【請求項３】
平面視において、前記第１の半導体柱の外周縁が、前記空間の外周縁よりも内側にある、
ことを特徴とする請求項１に記載の柱状半導体メモリ装置。
【請求項４】
前記第１の半導体柱が形成されたメモリ素子領域の外周に形成された第１の外周部半導体領域と、
前記第１の外周部半導体領域に含まれる第２の外周部半導体領域に形成され、頂部の高さが、前記第１の半導体柱の頂部の高さとほぼ一致しており、且つ、底面の高さが、前記第４の導体層の底面の高さとほぼ一致している第２の半導体柱と、
前記第２の半導体柱の外周を囲む第３のゲート絶縁層と、
前記第３のゲート絶縁層の外周を囲むように形成され、前記第４の導体層と上下端の高さがほぼ一致している第５の導体層と、
前記第５の導体層の上方、且つ、前記第２の半導体柱の頂部に形成され、ドナー又はアクセプタ不純物を含む第３の不純物領域と、
前記第５の導体層の下方、且つ、前記第２の半導体柱の底部に形成され、前記第３の不純物領域と同じ導電型を有する第４の不純物領域と、を備え、
前記第３の不純物領域及び前記第４の不純物領域の一方がソースである場合に、他方がドレインであり、前記第３の不純物領域と、前記第４の不純物領域とによって挟まれた前記第２の半導体柱をチャネルとし、前記第５の導体層をゲートとするＳＧＴ（Surrounding Gate MOS Transistor）が形成されている、
ことを特徴とする請求項２に記載の柱状半導体メモリ装置。
【請求項５】
前記半導体基板上において、前記第１の半導体柱の外周を囲むように形成されるとともに、前記第１の外周部半導体領域の側面、及び上面まで延在した第３の層間絶縁層をさらに備え、
前記積層材料層は、前記第３の層間絶縁層上に形成され、
前記積層材料層の上表面の高さは、前記第１の外周部半導体領域上に存在する前記第３の層間絶縁層の上表面の高さとほぼ一致しており、
前記第１の外周部半導体領域の側面上端に上表面を有する前記積層材料層の前記第１の導体層の上表面に接続されたコンタクトホールをさらに備え、
前記コンタクトホールを介して、前記第１の導体層と前記ワード線配線金属層とが接続されている、
ことを特徴とする請求項４に記載の柱状半導体メモリ装置。
【請求項６】
半導体基板上に、平面視円形のマスク絶縁層を形成するマスク絶縁層形成工程と、
前記マスク絶縁層をマスクとして用い、前記半導体基板をエッチングすることで、前記半導体基板上に、半導体柱を形成するとともに、前記半導体柱の側面をその内側に後退させることにより、第１の半導体柱を形成する第１半導体柱形成工程と、
前記第１の半導体柱の外周を囲むようにトンネル絶縁層を形成するトンネル絶縁層形成工程と、
前記トンネル絶縁層の外周を囲むようにデータ電荷蓄積絶縁層を形成するデータ電荷蓄積絶縁層形成工程と、
前記データ電荷蓄積絶縁層の外周を囲むように第１の層間絶縁層を形成する第１層間絶縁層形成工程と、
前記マスク絶縁層の上表面に垂直な方向から材料原子を入射することで、前記第１の半導体柱の外周、且つ、前記半導体基板の上方に第１の導体層を形成する第１導体層形成工程と、
前記マスク絶縁層の上表面に垂直な方向から、前記第１の導体層上に材料原子を入射することで、第２の層間絶縁層を形成する第２層間絶縁層形成工程と、
前記第１導体層形成工程と前記第２層間絶縁層形成工程とに並行して、前記第１の層間絶縁層の側面と、前記第１の導体層及び前記第２の層間絶縁層の側面との間に、空間を形成する空間形成工程と、
前記第１の導体層と前記第２の層間絶縁層とを一組として形成される積層材料層を、前記半導体基板の上表面に垂直な方向に単層又は複数層形成する積層材料層形成工程と、を備え、
前記第１の導体層に印加される電圧により、前記トンネル絶縁層を介した前記第１の半導体柱と前記データ電荷蓄積絶縁層との間でのデータ電荷の移動によるデータ書き込み及び消去、又は前記データ電荷蓄積絶縁層によるデータ電荷の保持が行なわれる、
ことを特徴とする柱状半導体メモリ装置の製造方法。
【請求項７】
前記マスク絶縁層の上表面に垂直な方向から材料原子を入射することで、前記第１の半導体柱の外周、且つ、前記積層材料層の上方に第２の導体層を形成する第２導体層形成工程と、
熱処理によって、前記第２の導体層を、前記半導体基板の上表面に平行な方向に膨張させることで、前記第２の導体層と前記第１の層間絶縁層とを接続する第２導体層・第１層間絶縁層接続工程を有する、
ことを特徴とする請求項６に記載の柱状半導体メモリ装置の製造方法。
【請求項８】
前記積層材料層形成工程の後から、前記第２導体層・第１層間絶縁層接続工程の間において、水素を含む雰囲気の下、熱処理を行う、
ことを特徴とする請求項７に記載の柱状半導体メモリ装置の製造方法。
【請求項９】
前記積層材料層形成工程の後から、前記第２導体層・第１層間絶縁層接続工程の間において、酸素を含む雰囲気の下、熱処理を行うことで、前記第２の導体層の側面表層に酸化絶縁層を形成する、
ことを特徴とする請求項７に記載の柱状半導体メモリ装置の製造方法。
【請求項１０】
前記第１の半導体柱上に、前記マスク絶縁層として、円錐台形状を有する円錐台状マスク絶縁層を形成する円錐台状マスク絶縁層形成工程と、
前記半導体基板の上表面に垂直な方向から材料原子を入射するとともに、前記円錐台状マスク絶縁層側面における前記材料原子の堆積速度が、前記材料原子の剥離速度よりも小さい条件で前記材料原子を堆積させることで、前記積層材料層を前記半導体基板の上方に形成し、前記円錐台状マスク絶縁層上に、前記積層材料層と共通する材料層からなる円錐形状の円錐状積層材料層を形成する円錐状積層材料層形成工程と、を備える、
ことを特徴とする請求項６に記載の柱状半導体メモリ装置の製造方法。
【請求項１１】
前記積層材料層の下方において、前記第１の半導体柱の外周を囲むように第１のゲート絶縁層を形成する第１ゲート絶縁層形成工程と、
前記第１のゲート絶縁層の外周を囲むように第３の導体層を形成する第３導体層形成工程と、
前記第３の導体層の下方、且つ、前記第１の半導体柱の底部に、ドナー又はアクセプタ不純物を含む第１の不純物領域を形成する第１不純物領域形成工程と、
前記積層材料層の上方において、前記第１の半導体柱の外周を囲むように第２のゲート絶縁層を形成する第２ゲート絶縁層形成工程と、
前記第２のゲート絶縁層の外周を囲むように第４の導体層を形成する第４導体層形成工程と、
前記第４の導体層の上方に、前記第１の不純物領域と同じ導電型を有する第２の不純物領域を形成する第２不純物領域形成工程とを有し、
前記積層材料層の前記第１の導体層を、ワード線配線金属層に接続し、
前記第３の導体層を、ソース側選択ゲート配線金属層に接続し、
前記第１の不純物領域を、コモンソース配線金属層に接続し、
前記第４の導体層を、ドレイン側選択ゲート配線金属層に接続し、
前記第２の不純物領域を、ビット線配線金属層に接続することで、
前記第１の半導体柱にＮＡＮＤ型フラッシュメモリ素子を形成する、
ことを特徴とする請求項６に記載の柱状半導体メモリ装置の製造方法。
【請求項１２】
前記第１の半導体柱が形成されたメモリ素子領域の外周に、第１の外周部半導体領域を形成する第１外周部半導体領域形成工程と、
前記第１の外周部半導体領域に含まれる第２の外周部半導体領域に形成され、頂部の高さが、前記第１の半導体柱の頂部の高さとほぼ一致しており、且つ、底面の高さが、前記第４の導体層の底面の高さとほぼ一致している第２の半導体柱を形成する第２半導体柱形成工程と、
前記第２の半導体柱の外周を囲むように、第３のゲート絶縁層を形成する第３ゲート絶縁層形成工程と、
前記第３のゲート絶縁層の外周を囲むように、前記半導体基板の垂直方向において、前記第４の導体層の上下端の高さと、上下端の高さがほぼ一致している第５の導体層を形成する第５導体層形成工程と、
前記第５の導体層の上方、且つ、前記第２の半導体柱の頂部に、ドナー又はアクセプタ不純物を含む第３の不純物領域を形成する第３不純物領域形成工程と、
前記第５の導体層の下方、且つ、前記第２の半導体柱の底部に、前記第３の不純物領域と同じ導電型を有する第４の不純物領域を形成する第４不純物領域形成工程と、を備え、
前記第３の不純物領域及び前記第４の不純物領域の一方がソースである場合に、他方がドレインであり、前記第３の不純物領域と、前記第４の不純物領域とによって挟まれた前記第２の半導体柱をチャネルとし、前記第５の導体層をゲートとするＳＧＴ（Surrounding Gate MOS Transistor）が形成されている、
ことを特徴とする請求項１１に記載の柱状半導体メモリ装置の製造方法。
【請求項１３】
前記半導体基板上において、前記第１の半導体柱の外周を囲むように、前記第１の外周部半導体領域の側面、及び上面まで延在した第３の層間絶縁層を形成する第３層間絶縁層形成工程をさらに備え、
前記積層材料層を、前記第３の層間絶縁層上に形成し、
前記積層材料層の上面の高さが、前記第１の外周部半導体領域上に存在する前記第３の層間絶縁層の上面の高さとほぼ一致するようにし、
前記第２の外周部半導体領域の側面上端に上表面を有する前記積層材料層の前記第１の導体層の上表面に接続されたコンタクトホールを形成し、
前記コンタクトホールを介して、前記第１の導体層と前記ワード線配線金属層とを接続する、
ことを特徴とする請求項１２に記載の柱状半導体メモリ装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、柱状半導体に形成したメモリ装置である柱状半導体メモリ装置、及び、その製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、フラッシュメモリで代表されるメモリ装置を用いた電子装置は、多くの分野で用いられており、市場規模と応用分野をさらに拡大させている。そしてこれに伴い、メモリ装置の高集積化と低価格化が求められている。【０００３】
ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ（例えば、非特許文献１を参照）は高集積化、低価格化において優位である。また、半導体シリコン柱（以下、半導体シリコン柱を「Ｓｉ柱」と称する。）に複数のメモリセル・トランジスタを積み上げた縦構造ＮＡＮＤ型フラッシュメモリは、更に高集積化が可能になる（例えば、特許文献１を参照）。【０００４】
図８に、従来例の縦構造ＮＡＮＤ型フラッシュメモリの断面構造を示す（特許文献１を参照）。真性型半導体シリコン基板１００（以下、真性型半導体シリコン基板を「ｉ層基板」と称する。）上にＳｉ柱１０１ａ、１０１ｂが形成され、このＳｉ柱１０１ａ、１０１ｂの外周を囲むように、トンネル絶縁層であるＳｉＯ２層１０２ａ、１０２ｂが形成されている。このＳｉＯ２層１０２ａ、１０２ｂの外周を囲むように、電気的に浮遊しているフローティング電極１０３ａ、１０３ｂが形成されている。Ｓｉ柱１０１ａ、１０１ｂの下部にあるソース側選択ゲート電極１０４ａ、１０４ｂと、上部にあるドレイン側選択ゲート電極１０５ａ、１０５ｂとが形成されている。フローティング電極１０３ａ、１０３ｂの外周を囲むように層間ＳｉＯ２層１０７ａ、１０７ｂが形成され、この層間ＳｉＯ２層１０７ａ、１０７ｂの外周を囲むようにワード線電極１０８ａ、１０８ｂが形成されている。Ｓｉ柱１０１ａ、１０１ｂの底部に繋がるｉ層基板１００表層にコモンソースＮ＋層１０９（以下、ドナー不純物を多く含む半導体層を「Ｎ＋層」と称する。）が形成され、Ｓｉ柱１０１ａ、１０１ｂの頂部にドレインＮ＋層１１０ａ、１１０ｂが形成されている。さらに全体を覆うようにＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）によるＳｉＯ２層１１１が形成されている。ドレインＮ＋層１１０ａ、１１０ｂ上に形成されたコンタクトホール１１２ａ、１１２ｂを介してビット線配線金属層１１３ａ、１１３ｂが形成されている。ｉ層基板１００上のＳｉ柱１０１ａ、１０１ｂの内部にＰ−層１１４ａ、１１４ｂ（以下、アクセプタ不純物が少量含まれている半導体層を「Ｐ−層」と称する。）が形成されている。Ｓｉ柱１０１ａ、１０１ｂのソース側選択ゲート電極１０４ａ、１０４ｂ上に、Ｐ−層１１４ａ、１１４ｂの外周を囲むように形成されたＳｉＯ２層１０２ａ、１０２ｂ、フローティング電極１０３ａ、１０３ｂ、層間ＳｉＯ２層１０７ａ、１０７ｂ、ワード線電極１０８ａ、１０８ｂからなるメモリセル・トランジスタＱｃ１上に、このメモリセル・トランジスタＱｃ１と同じ構造を有し、且つ互いに電気的に分離されたメモリセル・トランジスタＱｃ２、Ｑｃ３が形成されている。さらに、メモリセル・トランジスタＱｃ１、Ｑｃ２、Ｑｃ３の上下に、ソース側選択ゲート電極１０４ａ、１０４ｂを有するソース側選択トランジスタＱｓ１と、ドレイン側選択ゲート電極１０５ａ、１０５ｂを有するドレイン側選択トランジスタＱｓ２とが形成されている。これにより、高密度な縦構造ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ素子が形成される。【０００５】
図８に示す縦構造ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ素子では、Ｓｉ柱１０１ａ、１０１ｂの外周部を囲むように、欠陥が少なく、信頼性の高いトンネル絶縁層であるＳｉＯ２層１０２ａ、１０２ｂ、層間ＳｉＯ２層１０７ａ、１０７ｂ、ソース側選択ゲート電極１０４ａ、１０４ｂ、ドレイン側選択ゲート電極１０５ａ、１０５ｂ、フローティング電極１０３ａ、１０３ｂ、ワード線電極１０８ａ、１０８ｂが容易に形成されることが課題である。【０００６】
また、ワード線電極材料層と絶縁層とを縦方向に繰り返し積層した後、この積層されたワード線電極材料層と絶縁層とを貫通した貫通孔を形成し、その後、その貫通孔の側面表層に層間絶縁層、データ電荷を蓄積するＳｉ３Ｎ４層（窒化シリコン層）、トンネルＳｉＯ２層を形成し、さらに、貫通孔内にチャネルとなるポリＳｉ層（以下、多結晶Ｓｉ層を「ポリＳｉ層」と称する。）を埋め込む縦構造ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ（例えば、特許文献２を参照。）においても、欠陥が少なく、信頼性の高い層間絶縁層、Ｓｉ３Ｎ４層、トンネルＳｉＯ２層、ワード線電極を容易に形成できることが要求されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平４−７９３６９号公報
【特許文献２】米国特許出願公開第２００７／０２５２２０１号明細書
【特許文献３】特開平２−１８８９６６号公報
【特許文献４】米国特許第８１８９３７１号明細書
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】C.Y.Ting, V.J.Vivalda, and H.G.Schaefer:“Study of planarized sputter-deposited SiO2“, J.Vac.Sci. Technol. 15(3), p.p.1105-1112, May/June (1978)
【非特許文献２】A.D.G.Stewart, and M.W.Thomson:“Microtopography of Surface Eroded by Ion-Bombardment, Journal of Material Science 4“, p.p.56-69 (1969)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
図８に示す縦構造ＮＡＮＤ型フラッシュメモリでは、Ｓｉ柱１０１ａ、１０１ｂの外周部を囲むように、欠陥が少なく、信頼性の高いＳｉＯ２層１０２ａ、１０２ｂ、層間ＳｉＯ２層１０７ａ、１０７ｂ、ソース側選択ゲート電極１０４ａ、１０４ｂ、ドレイン側選択ゲート電極１０５ａ、１０５ｂ、フローティング電極１０３ａ、１０３ｂ、ワード線電極１０８ａ、１０８ｂを容易に形成することが要求されている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１の観点に係る柱状半導体メモリ装置は、
半導体基板と、
前記半導体基板上において、前記半導体基板の表面に垂直な方向に延びる第１の半導体柱と、
前記第１の半導体柱の外周を囲むトンネル絶縁層と、
前記トンネル絶縁層の外周を囲むデータ電荷蓄積絶縁層と、
前記データ電荷蓄積絶縁層の外周を囲む第１の層間絶縁層と、
前記第１の層間絶縁層の外周を囲む空間と、
前記空間の外周を囲み、前記半導体基板の上表面に垂直な方向に単層又は複数層形成されている積層材料層であって、各層が第１の導体層及び第２の層間絶縁層を含む積層材料層と、
前記第１の半導体柱の外周、且つ、前記積層材料層上に形成され、前記第１の層間絶縁層の側面を支持し、前記空間を密閉する第２の導体層と、を備え、
前記第１の層間絶縁層と前記空間とが、前記第１の導体層と前記データ電荷蓄積絶縁層との間の絶縁を行い、
前記第１の層間絶縁層が、前記第２の導体層と前記データ電荷蓄積絶縁層との間の絶縁を行い、
前記第１の導体層に印加される電圧によって、前記トンネル絶縁層を介した前記第１の半導体柱と前記データ電荷蓄積絶縁層との間でのデータ電荷の移動によるデータ書き込み及び消去、又は前記データ電荷蓄積絶縁層によるデータ電荷の保持が行なわれる、
ことを特徴とする。
【００１２】
前記積層材料層が複数層形成されており、
前記積層材料層の下方に形成され、前記第１の半導体柱の外周を囲む第１のゲート絶縁層と、
前記第１のゲート絶縁層の外周を囲む第３の導体層と、
前記第３の導体層の下方、且つ、前記第１の半導体柱の底部に形成され、ドナー又はアクセプタ不純物を含む第１の不純物領域と、
前記積層材料層の上方に形成され、前記第１の半導体柱の外周を囲む第２のゲート絶縁層と、
前記第２のゲート絶縁層の外周を囲む第４の導体層と、
前記第１の半導体柱の頂部に形成され、前記第１の不純物領域と同じ導電型を有する第２の不純物領域とを有し、
前記積層材料層の前記第１の導体層が、ワード線配線金属層に接続され、
前記第３の導体層が、ソース側選択ゲート配線金属層に接続され、
前記第１の不純物領域が、コモンソース配線金属層に接続され、
前記第４の導体層が、ドレイン側選択ゲート配線金属層に接続され、
前記第２の不純物領域が、ビット線配線金属層に接続されることで、
前記第１の半導体柱にＮＡＮＤ型フラッシュメモリ素子が形成されている、
ことが好ましい。【００１３】
平面視において、前記第１の半導体柱の外周縁が、前記空間の外周縁よりも内側にある、
ことが好ましい。【００１４】
前記第１の半導体柱が形成されたメモリ素子領域の外周に形成された第１の外周部半導体領域と、
前記第１の外周部半導体領域に含まれる第２の外周部半導体領域に形成され、頂部の高さが、前記第１の半導体柱の頂部の高さとほぼ一致しており、且つ、底面の高さが、前記第４の導体層の底面の高さとほぼ一致している第２の半導体柱と、
前記第２の半導体柱の外周を囲む第３のゲート絶縁層と、
前記第３のゲート絶縁層の外周を囲むように形成され、前記第４の導体層と上下端の高さがほぼ一致している第５の導体層と、
前記第５の導体層の上方、且つ、前記第２の半導体柱の頂部に形成され、ドナー又はアクセプタ不純物を含む第３の不純物領域と、
前記第５の導体層の下方、且つ、前記第２の半導体柱の底部に形成され、前記第３の不純物領域と同じ導電型を有する第４の不純物領域と、を備え、
前記第３の不純物領域及び前記第４の不純物領域の一方がソースである場合に、他方がドレインであり、前記第３の不純物領域と、前記第４の不純物領域とによって挟まれた前記第２の半導体柱をチャネルとし、前記第５の導体層をゲートとするＳＧＴ（Surrounding Gate MOS Transistor）が形成されている、
ことが好ましい。【００１５】
前記半導体基板上において、前記第１の半導体柱の外周を囲むように形成されるとともに、前記第１の外周部半導体領域の側面、及び上面まで延在した第３の層間絶縁層をさらに備え、
前記積層材料層は、前記第３の層間絶縁層上に形成され、
前記積層材料層の上表面の高さは、前記第１の外周部半導体領域上に存在する前記第３の層間絶縁層の上表面の高さとほぼ一致しており、
前記第１の外周部半導体領域の側面上端に上表面を有する前記積層材料層の前記第１の導体層の上表面に接続されたコンタクトホールをさらに備え、
前記コンタクトホールを介して、前記第１の導体層と前記ワード線配線金属層とが接続されている、
ことが好ましい。
【００１６】
本発明の第２の観点に係る柱状半導体装置の製造方法は、
半導体基板上に、平面視円形のマスク絶縁層を形成するマスク絶縁層形成工程と、
前記マスク絶縁層をマスクとして用い、前記半導体基板をエッチングすることで、前記半導体基板上に、半導体柱を形成するとともに、前記半導体柱の側面をその内側に後退させることにより、第１の半導体柱を形成する第１半導体柱形成工程と、
前記第１の半導体柱の外周を囲むようにトンネル絶縁層を形成するトンネル絶縁層形成工程と、
前記トンネル絶縁層の外周を囲むようにデータ電荷蓄積絶縁層を形成するデータ電荷蓄積絶縁層形成工程と、
前記データ電荷蓄積絶縁層の外周を囲むように第１の層間絶縁層を形成する第１層間絶縁層形成工程と、
前記マスク絶縁層の上表面に垂直な方向から材料原子を入射することで、前記第１の半導体柱の外周、且つ、前記半導体基板の上方に第１の導体層を形成する第１導体層形成工程と、
前記マスク絶縁層の上表面に垂直な方向から、前記第１の導体層上に材料原子を入射することで、第２の層間絶縁層を形成する第２層間絶縁層形成工程と、
前記第１導体層形成工程と前記第２層間絶縁層形成工程とに並行して、前記第１の層間絶縁層の側面と、前記第１の導体層及び前記第２の層間絶縁層の側面との間に、空間を形成する空間形成工程と、
前記第１の導体層と前記第２の層間絶縁層とを一組として形成される積層材料層を、前記半導体基板の上表面に垂直な方向に単層又は複数層形成する積層材料層形成工程と、を備え、
前記第１の導体層に印加される電圧により、前記トンネル絶縁層を介した前記第１の半導体柱と前記データ電荷蓄積絶縁層との間でのデータ電荷の移動によるデータ書き込み及び消去、又は前記データ電荷蓄積絶縁層によるデータ電荷の保持が行なわれる、
ことを特徴とする。
【００１７】
前記マスク絶縁層の上表面に垂直な方向から材料原子を入射することで、前記第１の半導体柱の外周、且つ、前記積層材料層の上方に第２の導体層を形成する第２導体層形成工程と、
熱処理によって、前記第２の導体層を、前記半導体基板の上表面に平行な方向に膨張させることで、前記第２の導体層と前記第１の層間絶縁層とを接続する第２導体層・第１層間絶縁層接続工程を有する、
ことが好ましい。【００１８】
前記積層材料層形成工程の後から、前記第２導体層・第１層間絶縁層接続工程の間において、水素を含む雰囲気の下、熱処理を行う、
ことが好ましい。【００１９】
前記積層材料層形成工程の後から、前記第２導体層・第１層間絶縁層接続工程の間において、酸素を含む雰囲気の下、熱処理を行うことで、前記第２の導体層の側面表層に酸化絶縁層を形成する、
ことが好ましい。【００２０】
前記第１の半導体柱上に、前記マスク絶縁層として、円錐台形状を有する円錐台状マスク絶縁層を形成する円錐台状マスク絶縁層形成工程と、
前記半導体基板の上表面に垂直な方向から材料原子を入射するとともに、前記円錐台状マスク絶縁層側面における前記材料原子の堆積速度が、前記材料原子の剥離速度よりも小さい条件で前記材料原子を堆積させることで、前記積層材料層を前記半導体基板の上方に形成し、前記円錐台状マスク絶縁層上に、前記積層材料層と共通する材料層からなる円錐形状の円錐状積層材料層を形成する円錐状積層材料層形成工程と、を備える、
ことが好ましい。【００２１】
前記積層材料層の下方において、前記第１の半導体柱の外周を囲むように第１のゲート絶縁層を形成する第１ゲート絶縁層形成工程と、
前記第１のゲート絶縁層の外周を囲むように第３の導体層を形成する第３導体層形成工程と、
前記第３の導体層の下方、且つ、前記第１の半導体柱の底部に、ドナー又はアクセプタ不純物を含む第１の不純物領域を形成する第１不純物領域形成工程と、
前記積層材料層の上方において、前記第１の半導体柱の外周を囲むように第２のゲート絶縁層を形成する第２ゲート絶縁層形成工程と、
前記第２のゲート絶縁層の外周を囲むように第４の導体層を形成する第４導体層形成工程と、
前記第４の導体層の上方に、前記第１の不純物領域と同じ導電型を有する第２の不純物領域を形成する第２不純物領域形成工程とを有し、
前記積層材料層の前記第１の導体層を、ワード線配線金属層に接続し、
前記第３の導体層を、ソース側選択ゲート配線金属層に接続し、
前記第１の不純物領域を、コモンソース配線金属層に接続し、
前記第４の導体層を、ドレイン側選択ゲート配線金属層に接続し、
前記第２の不純物領域を、ビット線配線金属層に接続することで、
前記第１の半導体柱にＮＡＮＤ型フラッシュメモリ素子を形成する、
ことが好ましい。
【００２２】
前記第１の半導体柱が形成されたメモリ素子領域の外周に、第１の外周部半導体領域を形成する第１外周部半導体領域形成工程と、
前記第１の外周部半導体領域に含まれる第２の外周部半導体領域に形成され、頂部の高さが、前記第１の半導体柱の頂部の高さとほぼ一致しており、且つ、底面の高さが、前記第４の導体層の底面の高さとほぼ一致している第２の半導体柱を形成する第２半導体柱形成工程と、
前記第２の半導体柱の外周を囲むように、第３のゲート絶縁層を形成する第３ゲート絶縁層形成工程と、
前記第３のゲート絶縁層の外周を囲むように、前記半導体基板の垂直方向において、前記第４の導体層の上下端の高さと、上下端の高さがほぼ一致している第５の導体層を形成する第５導体層形成工程と、
前記第５の導体層の上方、且つ、前記第２の半導体柱の頂部に、ドナー又はアクセプタ不純物を含む第３の不純物領域を形成する第３不純物領域形成工程と、
前記第５の導体層の下方、且つ、前記第２の半導体柱の底部に、前記第３の不純物領域と同じ導電型を有する第４の不純物領域を形成する第４不純物領域形成工程と、を備え、
前記第３の不純物領域及び前記第４の不純物領域の一方がソースである場合に、他方がドレインであり、前記第３の不純物領域と、前記第４の不純物領域とによって挟まれた前記第２の半導体柱をチャネルとし、前記第５の導体層をゲートとするＳＧＴ（Surrounding Gate MOS Transistor）が形成されている、
ことが好ましい。【００２３】
前記半導体基板上において、前記第１の半導体柱の外周を囲むように、前記第１の外周部半導体領域の側面、及び上面まで延在した第３の層間絶縁層を形成する第３層間絶縁層形成工程をさらに備え、
前記積層材料層を、前記第３の層間絶縁層上に形成し、
前記積層材料層の上面の高さが、前記第１の外周部半導体領域上に存在する前記第３の層間絶縁層の上面の高さとほぼ一致するようにし、
前記第２の外周部半導体領域の側面上端に上表面を有する前記積層材料層の前記第１の導体層の上表面に接続されたコンタクトホールを形成し、
前記コンタクトホールを介して、前記第１の導体層と前記ワード線配線金属層とを接続する、
ことが好ましい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、高い信頼性を有する高密度、低価格の柱状半導体メモリ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１実施形態に係る縦構造ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ装置の回路図である。
【図２Ａ】第１実施形態に係る縦構造ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ装置と、その製造方法を説明するための平面図（ａ）と断面構造図（ｂ）、（ｃ）である。
【図２Ｂ】第１実施形態に係る縦構造ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ装置と、その製造方法を説明するための平面図（ａ）と断面構造図（ｂ）、（ｃ）である。
【図２Ｃ】第１実施形態に係る縦構造ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ装置と、その製造方法を説明するための平面図（ａ）と断面構造図（ｂ）、（ｃ）である。
【図２Ｄ】第１実施形態に係る縦構造ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ装置と、その製造方法を説明するための平面図（ａ）と断面構造図（ｂ）、（ｃ）である。
【図２Ｅ】第１実施形態に係る縦構造ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ装置と、その製造方法を説明するための平面図（ａ）と断面構造図（ｂ）、（ｃ）である。
【図２Ｆ】第１実施形態に係る縦構造ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ装置と、その製造方法を説明するための平面図（ａ）と断面構造図（ｂ）、（ｃ）である。
【図２Ｇ】第１実施形態に係る縦構造ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ装置と、その製造方法を説明するための平面図（ａ）と断面構造図（ｂ）、（ｃ）である。
【図２Ｈ】第１実施形態に係る縦構造ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ装置と、その製造方法を説明するための平面図（ａ）と断面構造図（ｂ）、（ｃ）である。
【図２Ｉ】第１実施形態に係る縦構造ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ装置と、その製造方法を説明するための平面図（ａ）と断面構造図（ｂ）、（ｃ）である。
【図２Ｊ】第１実施形態に係る縦構造ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ装置と、その製造方法を説明するための平面図（ａ）と断面構造図（ｂ）、（ｃ）である。
【図２Ｋ】第１実施形態に係る縦構造ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ装置と、その製造方法を説明するための平面図（ａ）と断面構造図（ｂ）、（ｃ）である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る縦構造ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ装置の製造方法を説明するための平面図（ａ）と断面構造図（ｂ）、（ｃ）である。
【図４Ａ】本発明の第３実施形態に係る縦構造ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ装置と、その製造方法を説明するための平面図（ａ）と断面構造図（ｂ）、（ｃ）である。
【図４Ｂ】第３実施形態に係る縦構造ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ装置と、その製造方法を説明するための平面図（ａ）と断面構造図（ｂ）、（ｃ）である。
【図５Ａ】本発明の第４実施形態に係る基板上に形成した断面形状が台形柱へバイアススパッタ法を用いて材料原子を堆積させた場合の、堆積形状を説明するものである。
【図５Ｂ】第４実施形態に係る縦構造ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ装置と、その製造方法を説明するための平面図（ａ）と断面構造図（ｂ）、（ｃ）である。
【図５Ｃ】第４実施形態に係る縦構造ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ装置と、その製造方法を説明するための平面図（ａ）と断面構造図（ｂ）、（ｃ）である。
【図６】本発明の第５実施形態に係る縦構造ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ装置と、その製造方法を説明するための平面図（ａ）と断面構造図（ｂ）、（ｃ）である。
【図７Ａ】本発明の第６実施形態に係る縦構造ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ装置と、その製造方法を説明するための平面図（ａ）と断面構造図（ｂ）である。
【図７Ｂ】第６実施形態に係る縦構造ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ装置と、その製造方法を説明するための平面図（ａ）と断面構造図（ｂ）である。
【図７Ｃ】第６実施形態に係る縦構造ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ装置と、その製造方法を説明するための平面図（ａ）と断面構造図（ｂ）である。
【図７Ｄ】第６実施形態に係る縦構造ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ装置と、その製造方法を説明するための平面図（ａ）と断面構造図（ｂ）である。
【図７Ｅ】第６実施形態に係る縦構造ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ装置と、その製造方法を説明するための平面図（ａ）と断面構造図（ｂ）である。
【図７Ｆ】第６実施形態に係る縦構造ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ装置と、その製造方法を説明するための平面図（ａ）と断面構造図（ｂ）である。
【図７Ｇ】第６実施形態に係る縦構造ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ装置と、その製造方法を説明するための平面図（ａ）と断面構造図（ｂ）である。
【図７Ｈ】第６実施形態に係る縦構造ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ装置と、その製造方法を説明するための平面図（ａ）と断面構造図（ｂ）である。
【図８】従来例の縦構造ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ装置の断面構造図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の実施形態に係る縦構造（柱状構造）ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ装置、及び、その製造方法について、図面を参照しながら説明する。
【００２７】
（第１実施形態）
以下、図１、図２Ａ〜図２Ｌを参照しながら、本発明の第１実施形態に係る縦構造ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ装置の製造方法について説明する。
【００２８】
図１に、第１実施形態に係るＮＡＮＤ型フラッシュメモリ回路を示す。直列に接続されたｎ個のメモリセル・トランジスタＷＴ１１、ＷＴ１２、ＷＴ１ｎの各ゲート電極が、ｎ個のワード線Ｗ１、Ｗ２、Ｗｎに接続されている。ｎ個のメモリセル・トランジスタＷＴ１１、ＷＴ１２、ＷＴ１ｎの両側にソース側選択トランジスタＳＴＳ１と、ドレイン側選択トランジスタＳＴＤ１が接続されている。ソース側選択トランジスタＳＴＳ１のゲート電極はソース側選択線ＳＧＳに接続され、ドレイン側選択トランジスタＳＴＤ１のゲート電極はドレイン側選択線ＳＧＤに接続されている。ソース側選択トランジスタＳＴＳ１のソースはコモンソース線ＣＳＬに接続され、ドレイン側選択トランジスタＳＤＴ１のドレインはビット線ＢＬ１に接続されている。直列に接続されたｎ個のメモリセル・トランジスタＷＴ１１、ＷＴ１２、ＷＴ１ｎに並行して、直列に接続されたｎ個のメモリセル・トランジスタＷＴ２１、ＷＴ２２、ＷＴ２ｎが形成されている。ｎ個のメモリセル・トランジスタＷＴ２１、ＷＴ２２、ＷＴ２ｎの各ゲート電極は、ワード線Ｗ１、Ｗ２、Ｗｎに接続されている。メモリセル・トランジスタＷＴ２１、ＷＴ２２、ＷＴ２ｎの上下にソース側選択トランジスタＳＴＳ２と、ドレイン側選択トランジスタＳＴＤ２とが接続されている。ソース側選択トランジスタＳＴＳ１のゲート電極はソース側選択線ＳＧＳに接続され、ドレイン側選択トランジスタＳＤＴ２のゲート電極はドレイン側選択線ＳＧＤに接続されている。ソース側選択トランジスタＳＴＳ２のソースはコモンソース線ＣＳＬに接続され、ドレイン側選択トランジスタＳＴＤ２のドレインはビット線ＢＬ２に接続されている。このような回路からなる構造が、ブロックメモリ素子領域において繰り返し形成されている。
【００２９】
以下、図２Ａ〜図２Ｌを参照しながら、第１実施形態に係る柱状半導体メモリ装置の製造方法について説明する。図２Ａ〜図２Ｌにおいて、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＸ−Ｘ’線に沿う断面図であり、（ｃ）はＹ−Ｙ’線に沿う断面図である。
【００３０】
図２Ａに示すように、ｉ層基板１上に、Ｓｉ３Ｎ４膜（図示せず）を形成し、このＳｉ３Ｎ４膜上にレジスト膜（図示せず）を塗布し、リソグラフィ法を用いて平面視円形のレジスト層３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄを形成する。次に、レジスト層３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄをマスクとして用い、例えばＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法によって、Ｓｉ３Ｎ４膜をエッチングすることで、Ｓｉ３Ｎ４層２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄを形成する。
【００３１】
次に、図２Ｂに示すように、レジスト層３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄと、Ｓｉ３Ｎ４層２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄとをマスクとして用い、例えばＲＩＥ法を用いてｉ層基板１をエッチングすることで、Ｓｉ柱４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄを形成する。その後、レジスト層３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄを除去する。
【００３２】
次に、図２Ｃに示すように、Ｓｉ柱４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの外周にあるｉ層基板１ａの表層に、例えばヒ素（Ａｓ）イオンを注入することによってＮ＋層５を形成し、Ｓｉ柱４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの外周にあるｉ層基板１ａ上に、ＳｉＯ２層９を形成する。さらに、Ｓｉ柱４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの側面表層に、例えば熱酸化法によりＳｉＯ２層６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ（ＳｉＯ２層６ｃは図示せず。）を形成する。その後、Ｓｉ柱４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの外周にあるＳｉＯ２層９上に、ドープドＳｉ層（以下、アクセプタ又はドナー不純物を含むポリＳｉ層を「ドープドＳｉ層」と称する。）を形成し、続いて、このドープドＳｉ層７上にＳｉ３Ｎ４層８を形成する。
【００３３】
次に、図２Ｄに示すように、Ｓｉ柱４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの側面表層に、Ｓｉ３Ｎ４層２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、８をマスクとして用い、熱酸化法によって、ＳｉＯ２層１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ（ＳｉＯ２層１０ｃは図示せず。）を厚く形成する。その後、ＳｉＯ２層１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄを除去する。Ｓｉ３Ｎ４層２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、８は、熱酸化法では酸化されないので、ＳｉＯ２層１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄを除去すると、Ｓｉ柱４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの断面の直径は、Ｓｉ３Ｎ４層２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄの断面の直径よりも小さくなる。
【００３４】
次に、図２Ｅに示すように、Ｓｉ柱４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの側面表層に、例えば熱酸化法によって、トンネル絶縁層となるＳｉＯ２層１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ（ＳｉＯ２層１１ｃは図示せず。）を形成し、その後、全体を覆うように、データ電荷蓄積絶縁層となるＳｉ３Ｎ４層１２と、層間絶縁層となるＳｉＯ２層１３とを形成する。
【００３５】
次に、図２Ｆに示すように、例えばバイアススパッタ法を用いて、ドナー又はアクセプタ不純物を含むＳｉ材料と、ＳｉＯ２材料とを、ｉ層基板１ａの表面に垂直な方向から入射することで、Ｓｉ柱４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの外周に、ドープドＳｉ層１４ａ１、１４ａ２、１４ａｎと、ＳｉＯ２層１５ａ１、１５ａ２、１５ａｎとを形成する。ここでは、Ｓｉ柱４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ上に、ドープドＳｉ層１４ｂ１、１４ｂ２、１４ｂｎ、１４ｃ１、１４ｃ２、１４ｃｎ、１４ｄ１、１４ｄ２、１４ｄｎ、１４ｅ１、１４ｅ２、１４ｅｎ（ドープドＳｉ層１４ｄ１、１４ｄ２、１４ｄｎは図示せず。）と、ＳｉＯ２層１５ｂ１、１５ｂ２、１５ｂｎ、１５ｃ１、１５ｃ２、１５ｃｎ、１５ｄ１、１５ｄ２、１５ｄｎ、１５ｅ１、１５ｅ２、１５ｅｎ（ＳｉＯ２層１５ｄ１、１５ｄ２、１５ｄｎは図示せず。）とを積層させる。その後、同様に例えばバイアススパッタ法を用いて、Ｓｉ柱４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの外周において、ＴｉＮ（窒化チタン）層１６ａと、ＳｉＯ２層１７ａとを形成すると同時に、Ｓｉ柱４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ上に、ＴｉＮ層１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅ（ＴｉＮ層１６ｄは図示せず。）と、ＳｉＯ２層１７ｂ、１７ｃ、１７ｄ、１７ｅ（ＳｉＯ２層１７ｄは図示せず。）とを積層させる。以上のように、ドナー又はアクセプタ不純物を含むＳｉ材料と、ＳｉＯ２材料とを、ｉ層基板１ａの表面に垂直な方向から入射させるので、Ｓｉ３Ｎ４層２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄがマスクとなることで、Ｓｉ柱４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの側面に形成されたＳｉＯ２層１３の側面と、ドープドＳｉ層１４ａ１、１４ａ２、１４ａｎ及びＳｉＯ２層１５ａ１、１５ａ２、１５ａｎの側面との間に気体層（空間、例えば空気を含む空気層）１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ（気体層１８ｃは図示せず。）が形成される。
【００３６】
次に、図２Ｇに示すように、例えば５５０℃で熱処理を行うことで、ＳｉＯ２層１７ａをキャップとして用い、ＴｉＮ層１６ａを塑性変形させることで図の横方向に伸長させ、ＳｉＯ２層１３と接触するＴｉＮ層１６ａａを形成する。これにより、気体層（空間）１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄの頂部の隙間がＴｉＮ層１６ａａにより密閉される。また、Ｓｉ柱４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ上のＴｉＮ層１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅについても、ＳｉＯ２層１７ｂ、１７ｃ、１７ｄ、１７ｅをキャップとして用い、ＴｉＮ層１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅを塑性変形させることで図の横方向に伸長させ、ＴｉＮ層１６ｂｂ、１６ｃｃ、１６ｄｄ、１６ｅｅ（ＴｉＮ層１６ｄｄは図示せず）が形成される。
【００３７】
次に、図２Ｈに示すように、Ｓｉ柱４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ上のドープドＳｉ層１４ｂ１、１４ｂ２、１４ｂｎ、１４ｃ１、１４ｃ２、１４ｃｎ、１４ｄ１、１４ｄ２、１４ｄｎ、１４ｅ１、１４ｅ２、１４ｅｎと、ＳｉＯ２層１５ｂ１、１５ｂ２、１５ｂｎ、１５ｃ１、１５ｃ２、１５ｃｎ、１５ｄ１、１５ｄ２、１５ｄｎ、１５ｅ１、１５ｅ２、１５ｅｎと、ＴｉＮ層１６ｂｂ、１６ｃｃ、１６ｄｄ、１６ｅｅと、ＳｉＯ２層１７ｂ、１７ｃ、１７ｄ、１７ｅとを除去する。続いて、ＴｉＮ層１６ａａの上面よりも上方に存在し、且つ、Ｓｉ柱４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄを覆っているＳｉＯ２層１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄと、Ｓｉ３Ｎ４層１２と、ＳｉＯ２層１３とを除去し、ＳｉＯ２層１１ａａ、１１ｂｂ、１１ｃｃ、１１ｄｄ（ＳｉＯ２層１１ｃｃは図示せず）と、Ｓｉ３Ｎ４層１２ａと、ＳｉＯ２層１３ａと、を形成する。その後、Ｓｉ３Ｎ４層２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄを除去する。
【００３８】
次に、図２Ｉに示すように、ＴｉＮ層１６ａａと、露出しているＳｉ柱４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの頂部とを覆うように、酸化ハフニウム層（以下、酸化ハフニウム層を「ＨｆＯ２層」と称する。）１９で被覆する。続いて、例えばバイアススパッタ法を用いてドープドＳｉ層２０と、ＳｉＯ２層２１とを形成する。そして、Ｓｉ柱４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの頂部に形成されたドープドＳｉ層２０とＳｉＯ２層２１とは除去する（除去工程は図示せず。）。さらに、Ｓｉ柱４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの頂部のＨｆＯ２層１９を除去する。その後、例えば、ヒ素（Ａｓ）イオン注入法によって、Ｓｉ柱４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの頂部にＮ＋層２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ（Ｎ＋層２４ｃは図示せず。）を形成する。
【００３９】
次に、図２Ｊに示すように、リソグラフィ法によって、Ｓｉ柱４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄを覆うともに、図２Ｊ（ａ）に示すように、横方向に繋がるレジスト層２６ａ、２６ｂを形成する。ここで、レジスト層２６ａは、Ｓｉ柱４ａ、４ｂを覆うとともに、図２Ｊ（ａ）に示すように横方向に繋がり、レジスト層２６ｂは、Ｓｉ柱４ｃ、４ｄを覆うとともに、図２Ｊ（ａ）に示すように横方向に繋がっている。その後、レジスト層２６ａ、２６ｂをマスクとして用い、ＳｉＯ２層２１、ドープドＳｉ層２０をその上面からＲＩＥエッチングする。これにより、レジスト層２６ａの下方に、ＳｉＯ２層２１ａ、ドープドＳｉ層２０ａが形成される。これと同時に、レジスト層２６ｂの下方に、ＳｉＯ２層２１ｂ、ドープドＳｉ層２０ｂが形成される。その後、レジスト層２６ａ、２６ｂを除去する。
【００４０】
次に、図２Ｋに示すように、ＣＶＤ法により、ＳｉＯ２層２８を全体に亘って堆積し、Ｓｉ柱４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ上に、それぞれコンタクトホール２９ａ、２９ｂ、２９ｃ、２９ｄを形成する。その後、コンタクトホール２９ａ、２９ｂ、２９ｃ、２９ｄを介して、Ｎ＋層２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄと接続した金属配線層３０ａ、３０ｂを、図２Ｋ（ａ）の上下方向に延びるように形成する。金属配線層３０ａはＳｉ柱４ａ、４ｃ上のＮ＋層２４ａ、２４ｃ（Ｎ＋層２４ｃは図示せず。）に接続されており、金属配線層３０ｂはＳｉ柱４ｂ、４ｄ上のＮ＋層２４ｂ、２４ｄに接続されている。以上により、縦構造ＮＡＮＤ型フラッシュメモリが形成される。
【００４１】
図２Ｋにおいて、Ｎ＋層５ａはコモンソース、ドープドＳｉ層７はソース側選択線、ドープドＳｉ層１４ａ１、１４ａ２、１４ａｎはワード線、ドープドＳｉ層２０ａはドレイン側選択線、Ｎ＋層２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄはドレイン、金属配線層３０ａ、３０ｂはビット線としてそれぞれ機能する。また、ＳｉＯ２層１１ａａ、１１ｂｂ、１１ｃｃ、１１ｄｄはトンネル絶縁層、Ｓｉ３Ｎ４層１２ａはデータ電荷蓄積絶縁層、ＳｉＯ２層１３ａは層間絶縁層としてそれぞれ機能する。なお、ＴｉＮ層１６ａａには、データ書込み動作及びデータ読み出し動作時において、Ｓｉ柱４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄのチャネルがオン状態になる電圧が印加されることが望ましい。
【００４２】
第１実施形態によれば、以下の効果が奏される。
１．図２Ｋに示す構造で形成された縦構造ＮＡＮＤ型フラッシュメモリでは、Ｓｉ柱４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄを囲むように形成されたトンネル絶縁層として機能するＳｉＯ２層１１ａａ、１１ｂｂ、１１ｃｃ、１１ｄｄと、データ電荷蓄積絶縁層として機能するＳｉ３Ｎ４層１２ａと、層間絶縁層として機能するＳｉＯ２層１３ａとからなる積層絶縁層と、ワード線として機能するドープドＳｉ層１４ａ１、１４ａ２、１４ａｎ、及び、層間絶縁層として機能するＳｉＯ２層１５ａ１、１５ａ２、１５ａｎとが、気体層１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄによって互いに離間して形成されている。これにより、ＳｉＯ２層１１ａａ、１１ｂｂ、１１ｃｃ、１１ｄｄ、Ｓｉ３Ｎ４層１２ａ、ＳｉＯ２層１３ａａに対して、ドープドＳｉ層１４ａ１、１４ａ２、１４ａｎ、及びＳｉＯ２層１５ａ１、１５ａ２、１５ａｎからの応力の伝達が遮断される。この結果、ＳｉＯ２層１１ａａ、１１ｂｂ、１１ｃｃ、１１ｄｄ、Ｓｉ３Ｎ４層１２ａ、ＳｉＯ２層１３ａにおける欠陥発生を低減することが可能となり、メモリ特性の信頼性が高められる。
２．図２Ｆに示すように、Ｓｉ柱４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄを囲むように、トンネル酸化層として機能するＳｉＯ２層１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄと、データ電荷蓄積絶縁層として機能するＳｉ３Ｎ４層１２と、層間絶縁層として機能するＳｉＯ２層１３とを形成した後、バイアススパッタ法を用いて、ドナー又はアクセプタ不純物を含むＳｉ材料と、ＳｉＯ２材料とを、ｉ層基板１ａの表面に垂直な方向から入射することで、Ｓｉ柱４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの外周において、ドープドＳｉ層１４ａ１、１４ａ２、１４ａｎと、ＳｉＯ２層１５ａ１、１５ａ２、１５ａｎとを形成している。この場合、Ｓｉ３Ｎ４層２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄがマスクとなることで、ｉ層基板１ａの表面に垂直な方向から入射された、ドナー又はアクセプタ不純物を含むＳｉ材料原子及びＳｉＯ２材料原子は、Ｓｉ柱４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ側面のＳｉＯ２層１３の表面に入射することがない。これにより、トンネル酸化層として機能するＳｉＯ２層１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄと、データ電荷蓄積絶縁層として機能するＳｉ３Ｎ４層１２と、層間絶縁層として機能するＳｉＯ２層１３は、Ｓｉ材料原子とＳｉＯ２材料原子の入射による損傷を受けることがない。この結果、ＳｉＯ２層１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、Ｓｉ３Ｎ４層１２、ＳｉＯ２層１３における欠陥発生を低減することが可能となり、メモリ特性の信頼性が高められる。
３．気体層１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄがトラップ準位のない絶縁層であるため、トラップ準位を介在して、ワード線として機能するドープドＳｉ層１４ａ１、１４ａ２、１４ａｎから、データ電荷蓄積絶縁層として機能するＳｉ３Ｎ４層１２ａへの電荷注入によって生じるデータ保持特性の劣化が発生することがない。
４．気体層１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄの上部は、図２Ｇにおいて熱処理により形成されたＴｉＮ層１６ａａによって密閉され、且つ、Ｓｉ柱４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄがＴｉＮ層１６ａａによって支持される。これにより、以後に行われる洗浄処理工程、リソグラフィ工程等において、処理液が気体層１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄに進入したまま除去されないことによる汚染不良が防止される。さらにこれにより、Ｓｉ柱４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの傾き、又は曲がりの発生を防止できる。なお、ＴｉＮ層１６ａに代えて、ポリＳｉ層と、例えばニッケル（Ｎｉ）とからなる積層体を用いてもよい。熱処理によって、Ｎｉ原子がポリＳｉ層内に拡散することでニッケルシリサイド（ＮｉＳｉ）層が形成される。このＮｉＳｉ層は、熱処理によって、元のポリＳｉ層よりも体積が膨張する。この場合、ＮｉＳｉ上に、キャップ層となるＳｉＯ２層１７ａが存在するため、主に図の横方向に膨張する。これにより、ＴｉＮ層１６ａａと同様に、気体層１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄの上部が密閉される。
【００４３】
（第２実施形態）
以下、図３を参照しながら、本発明の第２実施形態に係る縦構造ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ装置の製造方法について説明する。なお、図３を参照して説明する工程以外は、第１実施形態と同様である。
【００４４】
図３に示すように、図２Ｆと同様にして、例えばバイアススパッタ法を用いて、ドナー又はアクセプタ不純物を含むＳｉ材料原子と、ＳｉＯ２材料原子とを、ｉ層基板１ａの上表面に垂直な方向から入射することで、Ｓｉ柱４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの外周に、ドープドＳｉ層１４ａ１、１４ａ２、１４ａｎと、ＳｉＯ２層１５ａ１、１５ａ２、１５ａｎとを形成する。その後に、例えば水素（Ｈ２）を含む雰囲気の下、４５０℃の熱処理を行う。ここでの熱処理は、水素ガスが気体層１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄの上部から底部まで充満した状態で行われる。以下、図２Ｇ〜図２Ｋに示す工程を行う。
【００４５】
第２実施形態によれば、気体層１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄの上部から底部までＨ２ガスが充満した状態で熱処理が行われるため、水素イオンが層間絶縁層であるＳｉＯ２層１３内に容易に拡散し、ＳｉＯ２層１３内の未結合手（ダングリング・ボンド）が不活性化される。これによって、ＳｉＯ２層１３の絶縁性が向上するとともにメモリ特性の信頼性が高められる。なお、ＴｉＮ層１６ａに代えて、ポリＳｉ層と、例えばニッケル（Ｎｉ）等からなる積層体を用いると、さらに高温で水素環境での熱処理を行うことができるので、メモリ特性の信頼性がさらに向上する。また、ＴｉＮ層１６ａを形成する前に水素環境での熱処理を行えば、さらに高温で水素環境での熱処理が行えるので、一層メモリ特性の信頼性が向上する。
【００４６】
（第３実施形態）
以下、図４Ａ、図４Ｂを参照しながら、本発明の第３実施形態に係る縦構造ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ素子の製造方法について説明する。なお、図４Ａ、図４Ｂを参照して説明する工程以外は、第１実施形態と同様である。
【００４７】
図４Ａに示すように、例えばバイアススパッタ法を用いて、ドナー又はアクセプタ不純物を含むＳｉ材料原子と、ＳｉＯ２材料原子とを、ｉ層基板１ａの表面に垂直な方向から入射することで、Ｓｉ柱４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの外周に、ドープドＳｉ層１４ａ１、１４ａ２、１４ａｎと、ＳｉＯ２層１５ａ１、１５ａ２、１５ａｎとを形成し、Ｓｉ柱４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ上に、ドープドＳｉ層１４ｂ１、１４ｂ２、１４ｂｎ、１４ｃ１、１４ｃ２、１４ｃｎ、１４ｄ１、１４ｄ２、１４ｄｎ、１４ｅ１、１４ｅ２、１４ｅｎと、ＳｉＯ２層１５ｂ１、１５ｂ２、１５ｂｎ、１５ｃ１、１５ｃ２、１５ｃｎ、１５ｄ１、１５ｄ２、１５ｄｎ、１５ｅ１、１５ｅ２、１５ｅｎとを積層する。その後、例えば、９００℃の酸素を含む雰囲気の下、ドープドＳｉ層１４ａ１、１４ａ２、１４ａｎの側面表層に、ＳｉＯ２層３５ａを形成すると同時に、ドープドＳｉ層１４ｂ１、１４ｂ２、１４ｂｎ、１４ｃ１、１４ｃ２、１４ｃｎ、１４ｄ１、１４ｄ２、１４ｄｎ、１４ｅ１、１４ｅ２、１４ｅｎの側面表層にＳｉＯ２層３５ｂを形成する。
【００４８】
次に、図４Ｂに示すように、バイアススパッタ法を用いて、ＴｉＮ層１６ａと、ＳｉＯ２層１７ａとを、Ｓｉ柱４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの外周に形成すると同時に、Ｓｉ柱４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ上に、ＴｉＮ層１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅ（ＴｉＮ層１６ｄは図示せず。）と、ＳｉＯ２層１７ｂ、１７ｃ、１７ｄ、１７ｅとを積層させる。以下、図２Ｇ〜図２Ｋに示す工程を行う。これにより、縦構造ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ素子が形成される。
【００４９】
第３実施形態によれば、ワード線として機能するドープドＳｉ層１４ａ１、１４ａ２、１４ａｎの側面表層に層間絶縁層として機能するＳｉＯ２層３５ａが形成されるため、ワード線であるドープドＳｉ層１４ａ１、１４ａ２、１４ａｎと、データ電荷蓄積絶縁層であるＳｉ３Ｎ４層１２ａとの間の絶縁性が向上するとともに、メモリ特性の信頼性が高められる。
【００５０】
（第４実施形態）
以下、図５Ａ〜図５Ｃを参照しながら、本発明の第４実施形態に係る縦構造ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ装置の製造方法について説明する。第４実施形態では、バイアススパッタ法で堆積する材料層の形状についても説明する。
【００５１】
バイアススパッタ法を用いて、イオン原子を基板３６の表面に垂直な方向から入射した場合において、基板３６上に形成した円錐台状柱３７上及びその周辺の基板３６上に堆積する材料層の時間変化を、図５Ａに示す（例えば、非特許文献１、２を参照）。
【００５２】
図５Ａ（ｂ）に示す基板３６と側面のなす傾斜角度がα（°）の円錐台状柱３７に、基板３６の表面に垂直な方向からイオン原子を入射させた場合において、円錐台状柱３７の側面の傾斜角度αに対する、円錐台状柱３７の側面における入射イオン原子材料層の堆積速度（デポジションレート）と剥離速度(リムーバルレート)との関係について、図５Ａを用いて説明する。堆積速度は、バイアススパッタ装置における陽極（アノード）と陰極（カソード）間の印加電圧に依存し、傾斜角度αには依存しない。また、印加電圧が高いほど堆積速度は大きい。一方、剥離速度は、図５Ａ（ａ）に示すように、傾斜角度αの増加に伴い大きくなり、傾斜角度α＝θｐで最大となってその後減少する。ここでθｐは７０°以上８０°以下である。このように剥離速度が傾斜角度αの増加に伴い大きくなるのは、傾斜角度αの増加に伴い、既に堆積した材料層へのイオン原子の進入経路の距離が長くなり、この長くなった進入経路において、入射したイオン原子と堆積材料層の原子との衝突機会が増え、より多くの堆積材料層の原子が放出されることによる。一方、傾斜角度αがθｐを超えると、既に堆積した材料層に対するイオン原子の進入が困難となり、より多くのイオン原子が堆積材料層の表面で反射され、入射したイオン原子と堆積材料層の原子との衝突機会が減り、剥離速度が減少するようになる。図５Ａ（ａ）に示すように、堆積速度Ａ−Ａ’の場合、傾斜角度αに依存せず、堆積速度は剥離速度よりも大きくなる。また、堆積速度Ｂ−Ｂ’の場合、堆積速度と剥離速度とが互いに等しくなる傾斜角度θａよりも小さい傾斜角度α（α＜θａ）では堆積速度が剥離速度よりも大きくなり、傾斜角度θａよりも大きい傾斜角度α（α＞θａ）では剥離速度が堆積速度よりも大きくなる。また、堆積速度Ｃ−Ｃ’の場合、ほとんどの傾斜角度αで、剥離速度が堆積速度よりも大きくなる。ここで、図５Ａ（ｃ）に示すように、堆積速度が剥離速度よりも大きくなる条件では、円錐台状柱３７と、その外周に位置する基板３６上に堆積された堆積材料層３８ａ１、３８ａ２、３８ａ３は、時間ｔ０（堆積開始前）、ｔ１、ｔ２、ｔ３の経過と共に、基板３６上と、円錐台状柱３７の側面及び上面において繋がって形成される。一方、図５Ａ（ｄ）に示すように、堆積速度が剥離速度よりも小さくなる条件では、円錐台状柱３７の側面での剥離速度が大きいことにより、基板３６上に堆積する堆積材料層３９ａ１、３９ａ２、３９ａ３と、円錐台状柱３７上に堆積する堆積材料層３９ｂ１、３９ｂ２、３９ｂ３とが、互いに分離して形成される。このように、円錐台状柱３７の側面の傾斜角度α及び堆積速度の設定を種種変更することにより、円錐台状柱３７上及びその側面への堆積材料層の形状を変えることができる。
【００５３】
以下、図５Ｂ、図５Ｃを参照しながら、第４実施形態に係る縦構造ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ素子の製造方法について説明する。ここで、図５Ｂ、図５Ｃを用いて説明する工程以外は、第１実施形態の工程と同様である。
【００５４】
図５Ｂに示すように、図２Ｅに示すＳｉ柱４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ上に形成したＳｉ３Ｎ４層２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄに代えて、円錐台状であり、且つ、側面の傾斜角度がβであるＳｉ３Ｎ４層２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄを形成する。続いて、Ｓｉ柱４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの側面表層に、トンネル絶縁層となるＳｉＯ２層１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ（ＳｉＯ２層１１ｃは図示せず。）を形成する。さらに全体を覆うように、データ電荷蓄積絶縁層となるＳｉ３Ｎ４層１２と、層間絶縁層となるＳｉＯ２層１３とを形成する。
【００５５】
次に、図５Ｃに示すように、例えばバイアススパッタ法を用いて、ドナー又はアクセプタ不純物を含んだＳｉ材料原子及びＳｉＯ２材料原子を、図５Ａ（ｄ）に示すように、円錐台状Ｓｉ３Ｎ４層２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの傾斜角度βに対して、堆積速度が剥離速度よりも小さくなる条件を用い、ｉ層基板１ａの表面に垂直な方向から入射させる。これにより、Ｓｉ柱４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの外周に、ドープドＳｉ層１４ａ１、１４ａ２、１４ａｎと、ＳｉＯ２層１５ａ１、１５ａ２、１５ａｎとを形成し、さらにその上方にＴｉＮ層１６ａ、ＳｉＯ２層１７ａを形成する。これと同時に、Ｓｉ柱４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ上に、円錐台形状を有し、それぞれが積層構造のドープドＳｉ層、ＳｉＯ２層からなる円錐台状積層材料層４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄが形成される。円錐台状積層材料層４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄが円錐台形状となった後では、入射したＳｉ材料と、ＳｉＯ２材料とは、この円錐台状積層材料層４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ上に堆積されないため、円錐台状積層材料層４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄの高さＬｂは、Ｓｉ柱４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの外周に形成された、ドープドＳｉ層１４ａ１、１４ａ２、１４ａｎの厚さと、ＳｉＯ２層１５ａ１、１５ａ２、１５ａｎの厚さとを合計した厚さＬａよりも短くなる。以下、図２Ｇ〜図２Ｋに示す工程を行う。
【００５６】
第１実施形態では、Ｓｉ柱４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ上に、ドープドＳｉ層１４ａ１、１４ａ２、１４ａｎと、ＳｉＯ２層１５ａ１、１５ａ２、１５ａｎと、ＴｉＮ層１６ａ、ＳｉＯ２層１７ａとを合計した厚さＬａと同じ厚さを有する、ドープドＳｉ層１４ｂ１、１４ｂ２、１４ｂｎ、１４ｃ１、１４ｃ２、１４ｃｎ、１４ｄ１、１４ｄ２、１４ｄｎ、１４ｅ１、１４ｅ２、１４ｅｎと、ＳｉＯ２層１５ｂ１、１５ｂ２、１５ｂｎ、１５ｃ１、１５ｃ２、１５ｃｎ、１５ｄ１、１５ｄ２、１５ｄｎ、１５ｅ１、１５ｅ２、１５ｅｎと、ＴｉＮ層１６ｂｂ、１６ｃｃ、１６ｄｄ、１６ｅｅと、ＳｉＯ２層１７ｂ、１７ｃ、１７ｄ、１７ｅとが形成される。この場合、この後の洗浄工程等によって、ドープドＳｉ層１４ｂ１、１４ｂ２、１４ｂｎ、１４ｃ１、１４ｃ２、１４ｃｎ、１４ｄ１、１４ｄ２、１４ｄｎ、１４ｅ１、１４ｅ２、１４ｅｎと、ＳｉＯ２層１５ｂ１、１５ｂ２、１５ｂｎ、１５ｃ１、１５ｃ２、１５ｃｎ、１５ｄ１、１５ｄ２、１５ｄｎ、１５ｅ１、１５ｅ２、１５ｅｎと、ＴｉＮ層１６ｂｂ、１６ｃｃ、１６ｄｄ、１６ｅｅと、ＳｉＯ２層１７ｂ、１７ｃ、１７ｄ、１７ｅとが倒れたり、曲がったりする不良が発生し易くなる。これに対して、第４実施形態によれば、円錐台状積層材料層４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄの高さＬｂは、Ｓｉ柱４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの外周に形成された、ドープドＳｉ層１４ａ１、１４ａ２、１４ａｎと、ＳｉＯ２層１５ａ１、１５ａ２、１５ａｎとを合計した厚さＬａよりも短くなるので、その後の洗浄工程等における円錐台状積層材料層４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄの倒れや曲がりなどの不良の発生を防止することができる。
【００５７】
（第５実施形態）
以下、図６を参照しながら、本発明の第５実施形態に係る縦構造ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ素子の製造方法を説明する。図６に示す工程以外は、第１実施形態と同様である。
【００５８】
図６に示すように、側面がｉ層基板１ａの表面に対して垂直なＳｉ柱４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄに代えて、円錐台形状を有する円錐台状Ｓｉ柱４ａａ、４ｂｂ、４ｃｃ、４ｄｄを形成する。円錐台状Ｓｉ柱４ａａ、４ｂｂ、４ｃｃ、４ｄｄは、底部の直径が頂部の直径よりも大きい。次に、円錐台状Ｓｉ柱４ａａ、４ｂｂ、４ｃｃ、４ｄｄの側面表層に、例えば熱酸化法によってトンネル絶縁層となるＳｉＯ２層１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ（ＳｉＯ２層１１ｃは図示せず。）を形成する。さらに全体を覆うように、データ電荷蓄積絶縁層として機能するＳｉ３Ｎ４層１２と、層間絶縁層として機能するＳｉＯ２層１３とを形成する。ここでは、円錐台状Ｓｉ柱４ａａ、４ｂｂ、４ｃｃ、４ｄｄの底部周囲に形成したＳｉＯ２層１３の底部外周円の直径Ｌｃが、Ｓｉ３Ｎ４層２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄの側面周囲に形成したＳｉＯ２層１３の側面外周円の直径Ｌｄよりも小さくなるようにする。
【００５９】
第５実施形態では、バイアススパッタ法を用いて、ドナー又はアクセプタ不純物を含むＳｉ材料原子と、ＳｉＯ２材料原子とを、ｉ層基板１ａの上表面に垂直な方向から入射することで、円錐台状Ｓｉ柱４ａａ、４ｂｂ、４ｃｃ、４ｄｄの外周に形成する、ドープドＳｉ層１４ａ１、１４ａ２、１４ａｎと、ＳｉＯ２層１５ａ１、１５ａ２、１５ａｎ、ＴｉＮ層１６ａと、ＳｉＯ２層１７ａの側面と、円錐台状Ｓｉ柱４ａａ、４ｂｂ、４ｃｃ、４ｄｄの側面との間に、第１実施形態の気体層（空間）１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄと同様に気体層（空間）が形成される。これにより、第５実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果が得られる。なお、Ｓｉ柱４ａａ、４ｂｂ、４ｃｃ、４ｄｄの形状は、以上のように円錐台形状でなくとも、Ｓｉ柱４ａａ、４ｂｂ、４ｃｃ、４ｄｄの外周に形成したＳｉＯ２層１３の側面外周円の中で最大の直径が、Ｓｉ３Ｎ４層２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄの外周に形成したＳｉＯ２層１３の側面外周円の直径よりも小さくなるような樽型Ｓｉ柱であっても、第１実施形態と同様の効果が得られる。なお、図６では、平面視において、Ｓｉ柱４ａａ、４ｂｂ、４ｃｃ、４ｄｄの外周縁が、気体層１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄの外周縁よりも内側にある。
【００６０】
（第６実施形態）
以下、図７Ａ〜図７Ｈを参照しながら、本発明の第６実施形態に係る縦構造ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ装置の製造方法について説明する。ここで、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＸ−Ｘ’線に沿う断面構造図である。なお、Ｓｉ柱４ａ、４ｂは図２Ｂ〜図２ＫにおけるＳｉ柱４ａ、４ｂに対応する。
【００６１】
図７Ａに示すように、Ｓｉ柱４ａ、４ｂが形成されたメモリ素子領域４２の外周に、ｉ層基板１ａに対して傾斜角度θｋで傾斜した外周部ｉ層４３ａ、４３ｂ(外周部ｉ層４３ａ、４３ｂはメモリ素子領域４２の外周で繋がっている。)を形成する。その後、図２Ｃ〜図２Ｈに示す工程を行うことで、Ｎ＋層５ａ、ＳｉＯ２層９、６ａ、６ｂ、ドープドＳｉ層７、ＳｉＯ２層１１ａａ、１１ｂｂ、Ｓｉ３Ｎ４層１２ａ、ＳｉＯ２層１３ａ、ドープドＳｉ層１４ａ１、１４ａ２、１４ａｎ、ＳｉＯ２層１５ａ１、１５ａ２、１５ａｎ、ＴｉＮ層１６ａａを形成する。そして、Ｓｉ柱４ａ、４ｂ上にＳｉ３Ｎ４層２ａ、２ｂを残存させる。ＳｉＯ２層９、ドープドＳｉ層７、ドープドＳｉ層１４ａ１、１４ａ２、１４ａｎ、ＳｉＯ２層１５ａ１、１５ａ２、１５ａｎ、ＴｉＮ層１６ａは、例えばバイアススパッタ法を用いることで、材料原子をｉ層基板１ａの上表面に垂直な方向から入射して形成する。それぞれのバイアススパッタ法による堆積は、図５Ａ（ｃ）を参照して説明したように、外周部ｉ層４３ａ、４３ｂの傾斜角度θｋにおいて、堆積速度が剥離速度よりも大きくなる条件で行う。また、ＳｉＯ２層１１ａａ、１１ｂｂ、Ｓｉ３Ｎ４層１２ａ、ＳｉＯ２層１３ａはＡＬＤ法を用いて形成する。これによって、ＳｉＯ２層９、ドープドＳｉ層７、Ｓｉ３Ｎ４層１２ａ、ＳｉＯ２層１３ａ、ドープドＳｉ層１４ａ１、１４ａ２、１４ａｎ、ＳｉＯ２層１５ａ１、１５ａ２、１５ａｎは、Ｓｉ柱４ａ、４ｂの外周の気体層（空間）１８ａ、１８ｂの外周において、外周部ｉ層４３ａ、４３ｂ上に繋がって形成される。ＴｉＮ層１６ａａは、例えばバイアススパッタ法を用いることで、ＴｉＮ材料原子をｉ層基板１ａの上表面に垂直な方向から入射して堆積した後に、例えば５５０℃の熱処理による横方向に伸張する塑性変形を生じさせて形成する。ＴｉＮ層１６ａａは、ＳｉＯ２層１３ａに接触し、且つ、外周部ｉ層４３ａ、４３ｂに繋がって形成される。
【００６２】
次に、図７Ｂに示すように、リソグラフィ法とＲＩＥエッチング法とを用いて、Ｓｉ柱４ａ、４ｂを含み、且つＳｉ柱４ａ、４ｂ間と外周部ｉ層４３ｂ上に繋がるドープドＳｉ層７、Ｓｉ３Ｎ４層１２ａ、ＳｉＯ２層１３ａ、ドープドＳｉ層１４ａ１、１４ａ２、１４ａｎ、ＳｉＯ２層１５ａ１、１５ａ２、１５ａｎ、ＴｉＮ層１６ａａを形成する。
【００６３】
次に、図７Ｃに示すように、ＣＶＤ法によりＳｉＯ２を堆積し、その後にＣＭＰ法によって平坦化することで、その表面の高さが、外周部ｉ層４３ｂ上のＴｉＮ層１６ａａの上表面よりも高い位置にあるＳｉＯ２層４５を形成する。
【００６４】
次に、図７Ｄに示すように、ＣＭＰ法を用いて、ＳｉＯ２層４５、ドープドＳｉ層７、Ｓｉ３Ｎ４層１２ａ、ＳｉＯ２層１３ａ、ドープドＳｉ層１４ａ１、１４ａ２、１４ａｎ、ＳｉＯ２層１５ａ１、１５ａ２、１５ａｎ、ＴｉＮ層１６ａａを、その上表面の高さが外周部ｉ層４３ａ、４３ｂ上のＳｉＯ２層９の上表面の高さにほぼ一致するようにエッチングすることで、表面を平坦化する。
【００６５】
次に、図７Ｅに示すように、外周部ｉ層４３ｂ上において上表面が露出しているドープドＳｉ層７、Ｓｉ３Ｎ４層１２ａ、ＳｉＯ２層１３ａ、ドープドＳｉ層１４ａ１、１４ａ２、１４ａｎ、ＳｉＯ２層１５ａ１、１５ａ２、１５ａｎ、ＴｉＮ層１６ａａ上に、絶縁層であるＳｉ３Ｎ４層４６を形成する。続いて、リソグラフィ法とＲＩＥ法とを用いてＳｉＯ２層９をエッチングすることで、ＳｉＯ２層４７ａ、４７ｂを形成する。続いて、ＳｉＯ２層４７ａ、４７ｂをマスクとして用い、外周部ｉ層４３ａを、例えばＲＩＥ法を用いてエッチングすることで、底面の高さがＴｉＮ層１６ａａの上表面の高さとほぼ一致するように、Ｓｉ柱４８ａ、４８ｂを形成する。その後、例えばエッチバック法を用いて、メモリ素子領域４２上のＳｉＯ２層４５、９を、その上表面の高さがＴｉＮ層１６ａａの上表面の高さとほぼ一致するようにエッチングする。
【００６６】
次に、図７Ｆに示すように、Ｓｉ柱４８ａの底部に、リソグラフィ法、アクセプタ不純物イオン注入法、及び熱拡散法を用いることで、Ｐ＋層５１ａを形成する。これと同様にＳｉ柱４８ｂの底部に、リソグラフィ法、アクセプタ不純物イオン注入法、熱拡散法を用いて、Ｎ＋層５２ａを形成する。続いて、Ｓｉ柱４ａ、４ｂ、４８ａ、４８ｂの外周全体に、ＳｉＯ２層５０を形成する。その後、Ｓｉ柱４ａ、４ｂ、４８ａ、４８ｂを覆うように、ＡＬＤ法を用いてＨｆＯ２層５３とＴｉＮ層５４とを全体に堆積する。
【００６７】
次に、図７Ｇに示すように、リソグラフィ法とＲＩＥ法とを用いて、ＴｉＮ層５４をエッチングすることで、Ｓｉ柱４８ａ、４８ｂを囲み、且つＳｉ柱４８ａ、４８ｂに繋がるＴｉＮ層５４ａを形成する。これと同時に、Ｓｉ柱４ａ、４ｂを囲み、且つＳｉ柱４ａ、４ｂに繋がるＴｉＮ層５４ｂを形成する。続いて、Ｓｉ柱４ａ、４ｂ、４８ａ、４８ｂの頂部にあるＨｆＯ２層５３、ＴｉＮ層５４ａ、５４ｂを除去する。その後、リソグラフィ法、イオン注入法を用いて、Ｓｉ柱４８ａの頂部にＰ＋層５１ｂを形成し、Ｓｉ柱４８ｂ、４ａ、４ｂの頂部にＮ＋層５２ｂ、５５ａ、５５ｂを形成する。
【００６８】
次に、図７Ｈに示すように、ＣＶＤ法を用いてＳｉＯ２を堆積し、その後にＣＭＰ法を用いて、表面が平滑に研磨されたＳｉＯ２層５６を、その表面の高さが外周部ｉ層４３ｂよりも上方になるように形成する。続いて、Ｓｉ柱４８ａ上にコンタクトホール５７ａ、Ｓｉ柱４８ｂ上にコンタクトホール５７ｂ、ＴｉＮ層５３ａ上にコンタクトホール５７ｃ、外周部ｉ層４３ａの表層に形成されたＰ＋層５１ａとＮ＋層５２ａの境界線上にコンタクトホール５７ｄをそれぞれ形成する。続いて、コンタクトホール５７ａを介してＰ＋層５１ｂと接続した電源配線金属層Ｖｄｄと、コンタクトホール５７ｂを介してＮ＋層５２ｂと接続したグランド配線金属層Ｖｓｓと、コンタクトホール５７ｃを介してＴｉＮ層５３ａと接続した入力配線金属層Ｖｉｎと、コンタクトホール５７ｄを介してＰ＋領域５１ａ、Ｎ＋層５２ａと接続した出力配線金属層Ｖｏｕｔとをそれぞれ形成する。続いて、全体を覆うように、ＣＶＤ法とＣＭＰ法とを用いることで、表面が平滑なＳｉＯ２層５８を形成する。続いて、ＴｉＮ層５３ｂ上にコンタクトホール５９ａを、Ｓｉ柱４ａ上にコンタクトホール５９ｂを、外周部ｉ層４３ｂの上部まで持ち上げられたドープドＳｉ層１４ａ１上にコンタクトホール５９ｄを、外周部ｉ層４３ｂの上部まで持ち上げられたドープドＳｉ層１４ａ２上にコンタクトホール５９ｅを、外周部ｉ層４３ｂの上部まで持ち上げられたドープドＳｉ層１４ａｎ上にコンタクトホール５９ｆを形成する。その後、コンタクトホール５９ａを介してＴｉＮ層５３ｂと接続したドレイン側選択ゲート配線金属層ＳＧＤと、コンタクトホール５９ｂを介してＮ＋層５５ａと接続したビット線配線金属層ＢＬａと、コンタクトホール５９ｃを介してＮ＋層５５ｂと接続したビット線配線金属層ＢＬｂと、コンタクトホール５９ｄを介してドープドＳｉ層１４ａ１と接続したワード線配線金属層ＷＬ１と、コンタクトホール５９ｅを介してドープドＳｉ層１４ａ２と接続したワード線配線金属層ＷＬ２と、コンタクトホール５９ｆを介してドープドＳｉ層１４ａｎと接続したワード線配線金属層ＷＬｎとが形成される。これと同様にして、Ｎ＋層５ａはコモンソース配線層に、ドープドＳｉ層７はソース側選択ゲート配線層に接続される（コモンソース配線層、ソース側選択ゲート配線層は図示せず）。
【００６９】
図７Ｈに示すように、外周部ｉ層４３ａ上において、Ｐ＋層５１ａがソースとして機能し、Ｐ＋層５１ｂがドレインとして機能し、Ｐ＋層５１ａ、５１ｂ間のＳｉ柱４８ａがチャネルとして機能し、ＴＩＮ層５４ａがゲートとして機能するＰチャネルＳＧＴ（Surrounding Gate MOS Transistor）と、Ｎ＋層５２ａがソースとして機能し、Ｎ＋層５２ｂがドレインとして機能し、Ｎ＋層５２ａ、５２ｂ間のＳｉ柱４８ｂがチャネルとして機能し、ＴＩＮ層５４ａがゲートとして機能するＮチャネルＳＧＴとが形成される（ＳＧＴに関しては、例えば、特許文献３を参照）。Ｓｉ柱４８ａ、４８ｂに形成されたＮチャネルＳＧＴ、ＰチャネルＳＧＴからＣＭＯＳインバータ回路が形成され、メモリ素子領域４２におけるＳｉ柱４ａ、４ｂには、図１に示すような、ｎ段のメモリセル・トランジスタが直列に接続された縦構造ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ素子が形成される。
【００７０】
第６実施形態によれば、以下の効果が奏される。
１．Ｓｉ柱４８ａに形成されたＰチャネルＳＧＴと、Ｓｉ柱４８ｂに形成されたＮチャネルＳＧＴと、Ｓｉ柱４ａとＳｉ柱４ｂとの頂部に形成された縦構造ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ素子のドレイン側選択トランジスタとが、互いに同じ高さに形成される。これにより、ＰチャネルＳＧＴと、ＮチャネルＳＧＴと、ドレイン側選択トランジスタのゲート絶縁層であるＨｆＯ２層５３とを同時に形成することができる。これと同様に、ＰチャネルＳＧＴと、ＮチャネルＳＧＴと、ドレイン側選択トランジスタのゲート導体層であるＴｉＮ層５４とを同時に形成することができる。これと同様に、ＮチャネルＳＧＴのＮ＋層５２ｂと、縦構造ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ素子のＮ＋層５５ａ、５５ｂとを同時に形成することができる。このように、外周部ｉ層４３ａ上に存在するＰチャネルＳＧＴとＮチャネルＳＧＴとからなる周辺回路の形成に必要な工程と、縦構造ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ素子のドレイン側選択トランジスタの形成に必要な工程との多くが共通化できる。これにより、製造するＮＡＮＤ型フラッシュメモリ装置の低コスト化が実現される。
２．縦構造ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ素子においてワード線導体層として機能するドープドＳｉ層１４ａ１、１４ａ２、１４ａｎと、各ドープドＳｉ層１４ａ１、１４ａ２、１４ａｎとを絶縁するためのＳｉＯ２層１５ａ１、１５ａ２、１５ａｎとは、バイアススパッタ法を用いて、ｉ層基板１ａの表面に垂直な方向から材料原子を入射させることにより形成した。この材料層の堆積について、Ｓｉ柱４ａ、４ｂにおいては、Ｓｉ３Ｎ４層２ａ、２ｂをマスクとして用い、外周部ｉ層４３ａ、４３ｂの側面角度θｋに対して、バイアススパッタの堆積速度が剥離速度よりも大きくなる条件で形成した。これにより、Ｓｉ柱４ａ、４ｂの外周に気体層（空間）１８ａ、１８ｂを形成することができるとともに、ドープドＳｉ層１４ａ１、１４ａ２、１４ａｎ、ＳｉＯ２層１５ａ１、１５ａ２、１５ａｎは外周部ｉ層４３ｂの側面に繋がって形成される。この結果、ワード線配線金属層ＷＬ１、ＷＬ２、ＷＬｎを、底面が同じ高さであるコンタクトホール５９ｄ、５９ｅ、５９ｆを介して形成することができる。このため、ワード線配線金属層ＷＬ１、ＷＬ２、ＷＬｎを形成するための工程が簡略化され、ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ装置の製造の低コスト化が図れる。
【００７１】
なお、第１実施形態では、ドープドＳｉ層１４ａ１とＳｉＯ２層１５ａ１を一つの組とすると、少なくとも３つの組のドープドＳｉ層１４ａ１、１４ａ２、１４ａｎと、ＳｉＯ２層１５ａ１、１５ａ２、１５ａｎとを、縦構造ＮＡＮＤフラッシュメモリに適用した場合について説明したが、一組のドープドＳｉ層１４ａ１とＳｉＯ２層１５ａ１とからなる、例えばＮＯＲ型など他のＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）装置にも適用することができる。このことは、本発明に係る他の実施形態においても同様に適用可能である。
【００７２】
第１実施形態では、バイアススパッタ法を用いて、ドナー又はアクセプタ不純物を含むＳｉ材料原子と、ＳｉＯ２材料原子とを、ｉ層基板１ａの上表面に垂直な方向から入射することで、Ｓｉ柱４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの外周に、ドープドＳｉ層１４ａ１、１４ａ２、１４ａｎと、ＳｉＯ２層１５ａ１、１５ａ２、１５ａｎとを形成したが、ドナー又はアクセプタ不純物を含むＳｉ材料と、ＳｉＯ２材料とを、ｉ層基板１ａの上表面に垂直な方向から入射することで、ドープドＳｉ層１４ａ１、１４ａ２、１４ａｎと、ＳｉＯ２層１５ａ１、１５ａ２、１５ａｎとを形成することが可能な方法であれば、他の方法を用いても良い。このことは、本発明に係る他の実施形態においても同様に適用される。
【００７３】
なお、第１実施形態における、ドープドＳｉ層１４ａ１、１４ａ２、１４ａｎは、アモルファスＳｉ、又はポリＳｉであってもよい。このことは、本発明に係る他の実施形態においても同様に適用される。
【００７４】
第１実施形態における、ドープドＳｉ層１４ａ１、１４ａ２、１４ａｎは、導電性を有する材料層であってもよい。このことは、本発明に係る他の実施形態においても同様に適用される。
【００７５】
第１実施形態における、トンネル絶縁層として機能するＳｉＯ２層１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、データ電荷蓄積層として機能するＳｉ３Ｎ４層１２ａ、層間絶縁層として機能するＳｉＯ２層１３ａは、それぞれの層の機能を実現できる材料層であれば、他の材料層を用いてもよい。このことは、本発明に係る他の実施形態においても同様に適用される。
【００７６】
第１実施形態では、ＴｉＮ層１６ａ、又はポリＳｉ層とニッケル（Ｎｉ）との積層体を用いて、熱処理により生じる塑性変形または体積膨張により、ＴｉＮ層１６ａ又はＮｉＳｉ層が図の横方向に膨張することで、気体層（空間）１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄの上部が密閉される。このようなＴｉＮ層、又はＮｉＳｉ層と同様に、気体層１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄの上部が密閉される材料層であれば、他の材料層を用いてもよい。このことは、本発明に係る他の実施形態においても同様に適用される。
【００７７】
第１実施形態においては、ソース側選択ゲート配線金属層（導体層）、及びドレイン側選択ゲート配線金属層（導体層）として、ドープドＳｉ層７、２０ａを例として説明した。しかしこれに限られず、導体層であれば、他の材料層を用いてもよい。このことは、本発明に係る他の実施形態においても同様に適用される。
【００７８】
第１実施形態では、ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ素子をＳｉ柱４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄに形成した。しかしこれに限られず、ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ素子は他の半導体柱に形成することもできる。このことは、本発明に係る他の実施形態においても同様に適用される。
【００７９】
第１実施形態では、真円状のレジスト層３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄをマスクとして用い、Ｓｉ３Ｎ４膜を、例えばＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法を用いてエッチングすることで、Ｓｉ３Ｎ４層２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄを形成した。しかしこれに限られず、レジスト層３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、Ｓｉ３Ｎ４層２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄの平面視での形状は例えば楕円状であってもよい。このことは、本発明に係る他の実施形態においても同様に適用される。
【００８０】
第１実施形態では、レジスト層３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄと、Ｓｉ３Ｎ４層２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄとの両層をマスクとして用い、例えばＲＩＥ法を用いてｉ層基板１をエッチングすることで、Ｓｉ柱４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄを形成した。しかしこれに限られず、レジスト層３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄと、Ｓｉ３Ｎ４層２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄとの両層をエッチングマスクとして用いず、いずれか一方をエッチングマスクとして用いることで、ｉ層基板１のエッチングを行うこともできる。また、レジスト層３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄと、Ｓｉ３Ｎ４層２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄが有する機能を実現可能なものであれば、他の材料層を用いてもよい。このことは、本発明に係る他の実施形態においても同様に適用される。
【００８１】
第１実施形態では、ワード線となるドープドＳｉ層１４ａ１、１４ａ２、１４ａｎ、そしてソース側選択線となるドープドＳｉ層７は、Ｓｉ柱４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの外周部に繋がり形成された構造を用いて説明した。このような構造だけでなく、装置動作の仕様に従って、ドレイン側選択線となるドープドＳｉ層２０ａ、２０ｂと同様に、Ｓｉ柱４ａ、４ｂの外周部と、Ｓｉ柱４ｃ、４ｄの外周部とに繋がったドープドＳｉ層に分離した構造であっても本発明の技術思想の範囲内である。このことは、本発明に係る他の実施形態においても同様に適用される。
【００８２】
第１実施形態では、Ｓｉ柱４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄにおいて、底部にコモンソースのＮ＋層５ａがあり、頂部にドレインのＮ＋層２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄがある構造を用いて説明したが、１つのＮＡＮＤ型フラッシュメモリ素子を２つのＳｉ柱で形成する縦型ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ素子（例えば、特許文献４を参照）にも本発明の技術思想を適用することができる。この場合、コモンソースＮ＋層５ａ、ドレインＮ＋層２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄは、Ｓｉ柱４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの頂部に形成され、ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ素子のチャネルは、コモンソースＮ＋層に繋がるＳｉ柱のチャネルと、これに繋がる一方のドレインＮ＋層に繋がるＳｉ柱のチャネルと、から構成される。このことは、本発明に係る他の実施形態においても同様に適用される。
【００８３】
第２実施形態における水素熱処理について、第１実施形態を例にして説明した。このことは、本発明に係る他の実施形態においても同様に適用される。
【００８４】
第４実施形態で説明した内容は、本発明に係る他の実施形態においても適用される。
【００８５】
第４実施形態では、Ｓｉ３Ｎ４層２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄに代えて円錐台状Ｓｉ３Ｎ４層２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄを形成し、この円錐台状Ｓｉ３Ｎ４層２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ上に、円錐台状積層材料層４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄを形成した。円錐台状積層材料層４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄは、このように円錐台状でなくても、先細りの形状であればよい。このことは、本発明に係る他の実施形態においても同様に適用可能である。
【００８６】
第６実施形態では、Ｓｉ柱４８ａ、４８ｂの底面の高さがＴｉＮ層１６ａａの上表面の高さにほぼ一致するようにした。しかしこれに限られず、Ｓｉ柱４８ａ、４８ｂにＳＧＴが形成される限り、Ｓｉ柱４８ａ、４８ｂの底面の高さは、ＴｉＮ層１６ａａ表面の高さ近傍であればよい。
【００８７】
第６実施形態では、単層のＴｉＮ層５４を用いた。しかしこれに限られず、単層のＴｉＮ層５４に代えて、例えばポリＳｉ層と２層構造、または他の材料層を用いることも可能である。
【００８８】
第６実施形態では、コンタクトホール５９ｄ、５９ｅ、５９ｆを、ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ素子が形成されたＳｉ柱４ａ、４ｂの中心線Ｘ−Ｘ’線の近傍に形成した。しかしこれに限られず、ドープドＳｉ層１４ａ１、１４ａ２、１４ａｎは、メモリ素子領域４２の全域に繋がって形成されているので、図７Ｈに示すように、必ずしもＸ−Ｘ’線の近傍に集合させて形成する必要はない。
【００８９】
第６実施形態では、外周部ｉ層４８上のＳｉ柱４８ａ、４８ｂにＮチャネル、ＰチャネルＳＧＴからなるＣＭＯＳインバータ回路が形成された例を用いて説明したが、他のＳＧＴを用いた回路を形成した場合にも、本発明の技術思想が適用されることは言うまでもない。
【００９０】
［付記１］
半導体基板と、
前記半導体基板上において、前記半導体基板の表面に垂直な方向に延びる第１の半導体柱と、
前記第１の半導体柱の外周を囲むトンネル絶縁層と、
前記トンネル絶縁層の外周を囲むデータ電荷蓄積絶縁層と、
前記データ電荷蓄積絶縁層の外周を囲む第１の層間絶縁層と、
前記第１の層間絶縁層の外周を囲む空間と、
前記空間の外周を囲む第１の導体層と、
前記第１の導体層と前記空間の外周を囲む第２の層間絶縁層とを一組とする積層材料層が、前記半導体基板の上表面に垂直な方向に単層又は複数層形成されており、
前記第１の導体層に印加される電圧によって、前記トンネル絶縁層を介した前記第１の半導体柱と前記データ電荷蓄積絶縁層との間でのデータ電荷の移動によるデータ書き込み及び消去、又は前記データ電荷蓄積絶縁層によるデータ電荷の保持が行なわれる、
ことを特徴とする柱状半導体メモリ装置。
［付記２］
前記第１の半導体柱の外周、且つ、前記積層材料層の上方に形成され、前記第１の層間絶縁層の側面に接する第２の導体層をさらに有する、
ことを特徴とする付記１に記載の柱状半導体メモリ装置。
［付記３］
前記積層材料層が複数層形成されており、
前記積層材料層の下方に形成され、前記第１の半導体柱の外周を囲む第１のゲート絶縁層と、
前記第１のゲート絶縁層の外周を囲む第３の導体層と、
前記第３の導体層の下方、且つ、前記第１の半導体柱の底部に形成され、ドナー又はアクセプタ不純物を含む第１の不純物領域と、
前記積層材料層の上方に形成され、前記第１の半導体柱の外周を囲む第２のゲート絶縁層と、
前記第２のゲート絶縁層の外周を囲む第４の導体層と、
前記第１の半導体柱の頂部に形成され、前記第１の不純物領域と同じ導電型を有する第２の不純物領域とを有し、
前記積層材料層の前記第１の導体層が、ワード線配線金属層に接続され、
前記第３の導体層が、ソース側選択ゲート配線金属層に接続され、
前記第１の不純物領域が、コモンソース配線金属層に接続され、
前記第４の導体層が、ドレイン側選択ゲート配線金属層に接続され、
前記第２の不純物領域が、ビット線配線金属層に接続されることで、
前記第１の半導体柱にＮＡＮＤ型フラッシュメモリ素子が形成されている、
ことを特徴とする付記１に記載の柱状半導体メモリ装置。
［付記４］
平面視において、前記第１の半導体柱の外周縁が、前記空間の外周縁よりも内側にある、
ことを特徴とする付記１に記載の柱状半導体メモリ装置。
［付記５］
前記第１の半導体柱が形成されたメモリ素子領域の外周に形成された第１の外周部半導体領域と、
前記第１の外周部半導体領域に含まれる第２の外周部半導体領域に形成され、頂部の高さが、前記第１の半導体柱の頂部の高さとほぼ一致しており、且つ、底面の高さが、前記第４の導体層の底面の高さとほぼ一致している第２の半導体柱と、
前記第２の半導体柱の外周を囲む第３のゲート絶縁層と、
前記第３のゲート絶縁層の外周を囲むように形成され、前記第４の導体層と上下端の高さがほぼ一致している第５の導体層と、
前記第５の導体層の上方、且つ、前記第２の半導体柱の頂部に形成され、ドナー又はアクセプタ不純物を含む第３の不純物領域と、
前記第５の導体層の下方、且つ、前記第２の半導体柱の底部に形成され、前記第３の不純物領域と同じ導電型を有する第４の不純物領域と、を備え、
前記第３の不純物領域及び前記第４の不純物領域の一方がソースである場合に、他方がドレインであり、前記第３の不純物領域と、前記第４の不純物領域とによって挟まれた前記第２の半導体柱をチャネルとし、前記第５の導体層をゲートとするＳＧＴ（Surrounding Gate MOS Transistor）が形成されている、
ことを特徴とする付記３に記載の柱状半導体メモリ装置。
［付記６］
前記半導体基板上において、前記第１の半導体柱の外周を囲むように形成されるとともに、前記第１の外周部半導体領域の側面、及び上面まで延在した第３の層間絶縁層をさらに備え、
前記積層材料層は、前記第３の層間絶縁層上に形成され、
前記積層材料層の上表面の高さは、前記第１の外周部半導体領域上に存在する前記第３の層間絶縁層の上表面の高さとほぼ一致しており、
前記第１外周部半導体領域の側面上端に上表面を有する前記積層材料層の前記第１の導体層の上表面に接続されたコンタクトホールをさらに備え、
前記コンタクトホールを介して、前記第１の導体層と前記ワード線配線金属層とが接続されている、
ことを特徴とする付記３に記載の柱状半導体メモリ装置。
［付記７］
半導体基板上に、平面視円形のマスク絶縁層を形成するマスク絶縁層形成工程と、
前記マスク絶縁層をマスクとして用い、前記半導体基板をエッチングすることで、前記半導体基板上に、半導体柱を形成するとともに、前記半導体柱の側面をその内側に後退させることにより、第１の半導体柱を形成する第１半導体柱形成工程と、
前記第１の半導体柱の外周を囲むようにトンネル絶縁層を形成するトンネル絶縁層形成工程と、
前記トンネル絶縁層の外周を囲むようにデータ電荷蓄積絶縁層を形成するデータ電荷蓄積絶縁層形成工程と、
前記データ電荷蓄積絶縁層の外周を囲むように第１の層間絶縁層を形成する第１層間絶縁層形成工程と、
前記マスク絶縁層の上表面に垂直な方向から材料原子を入射することで、前記第１の半導体柱の外周、且つ、前記半導体基板の上方に第１の導体層を形成する第１導体層形成工程と、
前記マスク絶縁層の上表面に垂直な方向から、前記第１の導体層上に材料原子を入射することで、第２の層間絶縁層を形成する第２層間絶縁層形成工程と、
前記第１の導体層形成工程と前記第２層間絶縁層形成工程とに並行して、前記第１の層間絶縁層の側面と、前記第１の導体層及び前記第２の層間絶縁層の側面との間に、空間を形成する空間形成工程と、
前記第１の導体層と前記第２の層間絶縁層とを一組として形成される積層材料層を、前記半導体基板の上表面に垂直な方向に単層又は複数層形成する積層材料層形成工程と、を備え、
前記第１の導体層に印加される電圧により、前記トンネル絶縁層を介した前記第１の半導体柱と前記データ電荷蓄積絶縁層との間でのデータ電荷の移動によるデータ書き込み及び消去、又は前記データ電荷蓄積絶縁層によるデータ電荷の保持が行なわれる、
ことを特徴とする柱状半導体メモリ装置の製造方法。
［付記８］
前記マスク絶縁層の上表面に垂直な方向から材料原子を入射することで、前記第１の半導体柱の外周、且つ、前記積層材料層の上方に第２の導体層を形成する第２導体層形成工程と、
熱処理によって、前記第２の導体層を、前記半導体基板の上表面に平行な方向に膨張させることで、前記第２の導体層と前記第１の層間絶縁層とを接続する第２導体層・第１層間絶縁層接続工程を有する、
ことを特徴とする付記７に記載の柱状半導体メモリ装置の製造方法。
［付記９］
前記積層材料層形成工程の後から、前記第２導体層・第１層間絶縁層接続工程の間において、水素を含む雰囲気の下、熱処理を行う、
ことを特徴とする付記７に記載の柱状半導体メモリ装置の製造方法。
［付記１０］
前記積層材料層形成工程の後から、前記第２導体層・第１層間絶縁層接続工程の間において、酸素を含む雰囲気の下、熱処理を行うことで、前記第２の導体層の側面表層に酸化絶縁層を形成する、
ことを特徴とする付記７に記載の柱状半導体メモリ装置の製造方法。
［付記１１］
前記第１の半導体柱上に、前記マスク絶縁層として、円錐台形状を有する円錐台状マスク絶縁層を形成する円錐台状マスク絶縁層形成工程と、
前記半導体基板の上表面に垂直な方向から材料原子を入射するとともに、前記円錐台状マスク絶縁層側面における前記材料原子の堆積速度が、前記材料原子の剥離速度よりも小さい条件で前記材料原子を堆積させることで、前記積層材料層を前記半導体基板の上方に形成し、前記円錐台状マスク絶縁層上に、前記積層材料層と共通する材料層からなる円錐形状の円錐状積層材料層を形成する円錐状積層材料層形成工程と、を備える、
ことを特徴とする付記７に記載の柱状半導体メモリ装置の製造方法。
［付記１２］
前記積層材料層の下方において、第１の半導体柱の外周を囲むように第１のゲート絶縁層を形成する第１ゲート絶縁層形成工程と、
前記第１のゲート絶縁層の外周を囲むように第３の導体層を形成する第３導体層形成工程と、
前記第３の導体層の下方、且つ、前記第１の半導体柱の底部に、ドナー又はアクセプタ不純物を含む第１の不純物領域を形成する第１不純物形成工程と、
前記積層材料層の上方において、前記第１の半導体柱の外周を囲むように第２のゲート絶縁層を形成する第２ゲート絶縁層形成工程と、
前記第２のゲート絶縁層の外周を囲むように第４の導体層を形成する第４導体層形成工程と、
前記第４の導体層の上方に、前記第１の不純物領域と同じ導電型を有する第２の不純物領域を形成する第２不純物形成工程とを有し、
前記積層材料層の前記第１の導体層を、ワード線配線金属層に接続し、
前記第３の導体層を、ソース側選択ゲート配線金属層に接続し、
前記第１の不純物領域を、コモンソース配線金属層に接続し、
前記第４の導体層を、ドレイン側選択ゲート配線金属層に接続し、
前記第２の不純物領域を、ビット線配線金属層に接続することで、
前記第１の半導体柱にＮＡＮＤ型フラッシュメモリ素子を形成する、
ことを特徴とする付記７に記載の柱状半導体メモリ装置の製造方法。
［付記１３］
前記第１の半導体柱が形成されたメモリ素子領域の外周に、第１の外周部半導体領域を形成する第１外周部半導体領域形成工程と、
前記第１の外周部半導体領域に含まれる第２の外周部半導体領域に形成され、頂部の高さが、前記第１の半導体柱の頂部の高さとほぼ一致しており、且つ、底面の高さが、前記第４の導体層の底面の高さとほぼ一致している第２の半導体柱を形成する第２半導体柱形成工程と、
前記第２の半導体柱の外周を囲むように、第３のゲート絶縁層を形成する第３ゲート絶縁層形成工程と、
前記第３のゲート絶縁層の外周を囲むように、前記半導体基板の垂直方向において、前記第４の導体層の上下端の高さと、上下端の高さがほぼ一致している第５の導体層を形成する第５導体層形成工程と、
前記第５の導体層の上方、且つ、前記第２の半導体柱の頂部に、ドナー又はアクセプタ不純物を含む第３の不純物領域を形成する第３不純物領域形成工程と、
前記第５の導体層の下方、且つ、前記第２の半導体柱の底部に、前記第３の不純物領域と同じ導電型を有する第４の不純物領域を形成する第４不純物領域形成工程と、を備え、
前記第３の不純物領域及び前記第４の不純物領域の一方がソースである場合に、他方がドレインであり、前記第３の不純物領域と、前記第４の不純物領域とによって挟まれた前記第２の半導体柱をチャネルとし、前記第５の導体層をゲートとするＳＧＴ（Surrounding Gate MOS Transistor）が形成されている、
ことを特徴とする付記１１に記載の柱状半導体メモリ装置の製造方法。
［付記１４］
前記半導体基板上において、前記第１の半導体柱の外周を囲むように、前記第１の外周部半導体領域の側面、及び上面まで延在した第３の層間絶縁層を形成する第３の層間絶縁層形成工程をさらに備え、
前記積層材料層を、前記第３の層間絶縁層上に形成し、
前記積層材料層の上面の高さが、前記第１の外周部半導体領域上に存在する前記第３の層間絶縁層の上面の高さとほぼ一致するようにし、
前記第２の外周部半導体領域の側面上端に上表面を有する前記積層材料層の前記第１の導体層の上表面に接続されたコンタクトホールを形成し、
前記コンタクトホールを介して、前記第１の導体層と前記ワード線配線金属層とを接続する、
ことを特徴とする付記１１に記載の柱状半導体メモリ装置の製造方法。
【産業上の利用可能性】
【００９１】
本発明によれば、高密度、低価格の柱状半導体メモリ装置と、これらを用いた高性能、新機能電子装置が提供される。
【符号の説明】
【００９２】
ＷＴ１１、ＷＴ１２、ＷＴ１ｎ、ＷＴ２１、ＷＴ２２、ＷＴ２ｎ  メモリセル・トランジスタ
Ｗ１、Ｗ２、Ｗｎ  ワード線
ＳＴＳ１、ＳＴＳ２  ソース側選択トランジスタ
ＳＴＤ１、ＳＴＤ２  ドレイン側選択トランジスタ
ＣＳＬ  コモンソース線
ＢＬ１、ＢＬ２  ビット線
１、１ａ  ｉ層基板
２ａ、２ｂ、８、１２、２Ａ，２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ、４６  Ｓｉ３Ｎ４層
３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、２６ａ、２６ｂ  レジスト層
４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４８ａ、４８ｂ  Ｓｉ柱
５、５ａ、２４ａ、２４ｂ、２４ｄ、５２ｂ、５５ａ、５５ｂ  Ｎ＋層
５１ａ、５１ｂ  Ｐ＋層
６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、９、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１３、１５ａ１、１５ａ２、１５ｂ１、１５ｂ２、１５ｂｎ、１５ｃ１、１５ｃ２、１５ｃｎ、１５ｅ１、１５ｅ２、１５ｅｎ、１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｅ、２１、２１ａ、３５ａ、３５ｂ、４５、４７ａ、４７ｂ、５０、５６、５８  ＳｉＯ２層
７、１４ａ１、１４ａ２、１４ａｎ、１４ｂ１、１４ｂ２、１４ｂｎ、１４ｃ１、１４ｃ２、１４ｃｎ、１４ｅ１、１４ｅ２、１４ｅｎ、２０、２０ａ、２０ｂ  ドープドＳｉ層
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｅ、１６ａａ、１６ｂｂ、１６ｃｃ、１６ｅｅ、５４  ＴｉＮ層
１８ａ、１８ｂ、１８ｄ  気体層（空間）
２９ａ、２９ｂ、２９ｃ、２９ｄ、５７ａ、５７ｂ、５７ｃ、５７ｄ、５９ａ、５９ｂ、５９ｃ、５９ｄ、５９ｅ、５９ｆ  コンタクトホール
３０ａ、３０ｂ  金属配線層
３６  基板
３７  円錐台状柱
３８ａ１、３８ａ２、３８ａ３、３９ａ１、３９ａ２、３９ａ３、３９ｂ１、３９ｂ２、３９ｂ３  堆積材料層
ｔ０、ｔ１、ｔ２、ｔ３  時間
４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ  円錐台状積層材料層
４２  メモリ素子領域
４３ａ、４３ｂ  外周部ｉ層
Ｖｄｄ  電源線配線金属層
Ｖｓｓ  グランド配線金属層
Ｖｉｎ  入力配線金属層
Ｖｏｕｔ  出力配線金属層
ＢＬａ、ＢＬｂ  ビット線配線金属層
ＡＧＤ  ドレイン側選択線配線金属層
ＳＧＤ  ドレイン側選択ゲート配線金属層
ＷＬ１、ＷＬ２、ＷＬｎ  ワード線配線金属層
【要約】
高密度であり、高信頼性且つ低価格な柱状半導体メモリ装置を実現する。
Ｓｉ柱（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）の外周を囲むように、トンネル絶縁層（１１ａａ、１１ｂｂ、１１ｄｄ）、データ電荷蓄積絶縁層（１２ａ）、層間絶縁層（１３ａ）、気体層（１８ａ、１８ｂ、１８ｄ）が形成されている。気体層（１８ａ、１８ｂ、１８ｄ）の外周を囲むように、ｉ層基板１ａの上表面に垂直な方向に、層間絶縁層（１５ａ１、１５ａ２、１５ａｎ）によって互いに分離されたワード線（１４ａ１、１４ａ２、１４ａｎ）が形成されている。【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図２Ｆ】
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【図２Ｇ】
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【図２Ｈ】
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【図２Ｉ】
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【図２Ｊ】
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【図２Ｋ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図７Ｅ】
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【図７Ｆ】
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【図７Ｇ】
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【図７Ｈ】
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【図８】
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