JP2002009179A - Non-volatile semiconductor storage device and its manufacturing method - Google Patents

Non-volatile semiconductor storage device and its manufacturing method

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JP2002009179A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To enhance charge injection efficiency by improving retention characteristics and charge retention characteristics. SOLUTION: A non-volatile semiconductor storage device has a semiconductor layer supported on a semiconductor board or a board, an insulation layer formed on the surface area CH and including in the inside a charge accumulation layer FG in which charge is injected from a board side, and a control electrode on the insulation film. It has a bottom insulation film BTM including an area different in nitrogen concentration in the film thickness direction between the semiconductor surface area CH of the board side and the charge accumulation layer FG. The nitrogen concentration distribution in the film thickness direction has the maximum value, and the peak is unevenly distributed on the board side from the film thickness center of the bottom insulation film BTM. Furthermore, nitrogen concentration is low in the neighborhood of an interface with the semiconductor surface area CH, and increases toward the inside of the bottom insulation film. The nitrogen concentration distribution of the bottom insulation film BTM exposes the semiconductor surface area CH to plasma containing nitrogen atoms, and is obtained by nitriding.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、フラッシュメモリ
などEEPROM(Electrically Erasable and Program
mable Read Only Memory) を構成する不揮発性メモリ素
子において、基板側の半導体表面領域と電荷蓄積層との
間に介在しエネルギー障壁として機能するボトム絶縁膜
の膜質を改善した不揮発性半導体記憶装置と、その製造
方法とに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an electrically erasable and programmable memory (EEPROM) such as a flash memory.
mable Read Only Memory), a nonvolatile semiconductor memory device having an improved bottom insulating film functioning as an energy barrier interposed between the semiconductor surface region on the substrate side and the charge storage layer, It relates to the manufacturing method.

【0002】[0002]

【従来の技術】不揮発性半導体メモリは、大容量で小型
の情報記録媒体として期待されている。その記憶素子で
ある不揮発性メモリトランジスタは、基板側の半導体表
面領域(チャネル形成領域)上に、内部に電荷蓄積層を
含む絶縁膜(ゲート絶縁膜)とゲート電極を積層した構
造を有する。電荷蓄積層としては、単一のポリシリコン
からなるフローティングゲート、あるいは、多数のキャ
リアトラップを形成するため、たとえば酸化膜との界面
でトラップ密度が大きくできる窒化膜などがある。
2. Description of the Related Art A nonvolatile semiconductor memory is expected as a large-capacity and small-sized information recording medium. The nonvolatile memory transistor as the storage element has a structure in which an insulating film (a gate insulating film) including a charge storage layer and a gate electrode are stacked on a semiconductor surface region (a channel forming region) on a substrate side. Examples of the charge storage layer include a floating gate made of a single polysilicon, and a nitride film capable of increasing a trap density at an interface with an oxide film to form a large number of carrier traps.

【0003】不揮発性半導体メモリでは、高速の書き込
み動作または消去動作のために10MeV/cmオーダ
ー以上の高電界をゲート絶縁膜の最下層の膜(以下、ボ
トム絶縁膜という)に印加して、電荷蓄積層への電荷
(電子または正孔)の注入・放出を行う。電荷蓄積層に
電荷が蓄積されると、メモリトランジスタのしきい値電
圧が変化し、これにより情報が記録される。消去時に
は、電荷を基板側に引き抜くか、逆極性の電荷を電荷蓄
積層に注入する。一方、情報の読み出し時には、そのし
きい値電圧変化をチャネルの導電性の違いまたはチャネ
ルのオン/オフによるドレイン電位変化に変換して読み
出す。
In a nonvolatile semiconductor memory, a high electric field of the order of 10 MeV / cm or more is applied to a lowermost film (hereinafter, referred to as a bottom insulating film) of a gate insulating film for a high-speed writing operation or erasing operation, thereby causing a charge. The charge (electrons or holes) are injected and released into the storage layer. When the charge is stored in the charge storage layer, the threshold voltage of the memory transistor changes, thereby recording information. At the time of erasing, the charge is extracted to the substrate side, or a charge of the opposite polarity is injected into the charge storage layer. On the other hand, at the time of reading information, the change in threshold voltage is converted into a change in drain conductivity due to a difference in channel conductivity or a change in drain potential due to ON / OFF of the channel.

【0004】このように動作する不揮発性メモリトラン
ジスタにおいて、電荷の注入・放出を行う基板側と電荷
蓄積層との間に介在するボトム絶縁膜の材料、膜厚、膜
質および形成法は、書き込みおよび消去特性、あるいは
電荷保持特性を大きく左右するため重要である。従来、
このボトム絶縁膜として、伝導チャネルと絶縁膜との界
面密度を最小限に抑制し、かつ実用に耐える100万回
程度の書き込み/消去を可能にするために、Si基板を
熱酸化することによって形成したSiO2 膜が用いられ
てきた。
In the non-volatile memory transistor operating as described above, the material, thickness, film quality, and formation method of the bottom insulating film interposed between the charge injection layer and the substrate side for injecting / ejecting the charge are written and written. This is important because it greatly affects the erasing characteristics or the charge retention characteristics. Conventionally,
The bottom insulating film is formed by thermally oxidizing a Si substrate in order to minimize the interface density between the conduction channel and the insulating film and to enable practically usable writing / erasing of about 1,000,000 times. SiO 2 films have been used.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】従来のフラッシュメモ
リあるいはEEPROMでは、書き換え・消去動作を何
度も繰り返すと、熱酸化シリコン膜(ボトム絶縁膜)中
に電子または正孔が捕獲され、しきい値電圧の変動が生
じることが知られていた。これに関しては、例えば(遠
藤,舛岡,電子情報通信学会誌 C-III,vol.J79-C-II,N
o.7 p.333) で論じられている。
In a conventional flash memory or EEPROM, when rewriting and erasing operations are repeated many times, electrons or holes are trapped in a thermally oxidized silicon film (bottom insulating film) and a threshold voltage is reduced. It has been known that voltage fluctuations occur. In this regard, for example, (Endo, Masukaoka, IEICE C-III, vol.J79-C-II, N
o.7 p.333).

【0006】このようにして生じたトンネル酸化膜中の
ダメージ、およびそれに伴うトラップ数の増大は、繰り
返し動作後のしきい値電圧変動、すなわちリテンション
特性の劣化の要因となるだけでなく、ボトム絶縁膜を介
するリーク電流を大きくする。その結果、メモリトラン
ジスタの電荷保持特性が劣化してしまうことが知られて
いる(例えば,S.Sato et al., Proc. IEEE 1995 Int.
Conference on Microelectronic Test Structures, 8,
97(1995)) 。
[0006] The damage in the tunnel oxide film and the resulting increase in the number of traps thus caused not only cause the threshold voltage fluctuation after repetitive operation, that is, the deterioration of the retention characteristic, but also the bottom insulation. Increase the leakage current through the film. As a result, it is known that the charge retention characteristic of the memory transistor deteriorates (for example, S. Sato et al., Proc. IEEE 1995 Int.
Conference on Microelectronic Test Structures, 8,
97 (1995)).

【0007】一方、電荷保持特性を上げるには、一般
に、ボトム絶縁膜の膜厚を厚くすればよいが、それでは
電荷の注入効率が低下し、低電圧動作が困難となる。
On the other hand, in order to improve the charge retention characteristics, it is generally sufficient to increase the thickness of the bottom insulating film. However, this lowers the charge injection efficiency and makes low-voltage operation difficult.

【0008】本発明の目的は、書き込み・消去動作を繰
り返した後のしきい値電圧の変動および電荷保持特性の
劣化が小さく、あるいは電荷保持に必要なエネルギー障
壁は維持しながら電荷注入効率を上げることができる不
揮発性半導体記憶装置と、その製造方法とを提供するこ
とにある。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to improve the charge injection efficiency while keeping the fluctuation of the threshold voltage and the deterioration of the charge retention characteristics after repeating the write / erase operation, or maintaining the energy barrier necessary for the charge retention. And a method of manufacturing the same.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明の第1の観点に係
る不揮発性半導体記憶装置は、半導体基板または基板に
支持された半導体層と、当該半導体基板または半導体層
の表面領域上に形成され、基板側から電荷が注入される
電荷蓄積層を内部に含む絶縁膜と、当該絶縁膜上の制御
電極とを有した不揮発性半導体記憶装置であって、上記
基板側の半導体表面領域と上記電荷蓄積層との間に、膜
厚方向に窒素濃度が異なる領域を含むボトム絶縁膜を有
する。上記ボトム絶縁膜は、たとえば、窒化珪素SiN
x (x>0),酸化窒化珪素SiOxy(x,y>0)の何れか
を主構成物質として形成されている。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a nonvolatile semiconductor memory device formed on a semiconductor substrate or a semiconductor layer supported by the substrate and a surface region of the semiconductor substrate or the semiconductor layer. A non-volatile semiconductor memory device having an insulating film including a charge storage layer into which electric charges are injected from a substrate side, and a control electrode on the insulating film, wherein the semiconductor surface region on the substrate side and the electric charge A bottom insulating film including a region having a different nitrogen concentration in the film thickness direction is provided between the storage layer and the storage layer. The bottom insulating film is made of, for example, silicon nitride SiN.
One of x (x> 0) and silicon oxynitride SiO x N y (x, y> 0) is formed as a main constituent material.

【0010】好適に、上記ボトム絶縁膜の窒素濃度分布
は、以下の特徴を有する。第1に、ボトム絶縁膜の膜厚
方向に極大値を有する。たとえば、ボトム絶縁膜の基板
側下面から電荷蓄積層に接する上面までに単一の極大値
をもつ傾向を有する。第2に、ボトム絶縁膜の膜厚方向
の窒素濃度分布中心が基板側に偏在する。とくに上記単
一の極大値を有する場合、そのピークが上記ボトム絶縁
膜の膜厚中心より基板側に偏在する。第3に、基板側の
半導体表面領域との界面付近からボトム絶縁膜内側に向
かって窒素濃度が急激に増加する。
[0010] Preferably, the nitrogen concentration distribution of the bottom insulating film has the following characteristics. First, it has a maximum value in the thickness direction of the bottom insulating film. For example, the bottom insulating film tends to have a single maximum value from the lower surface on the substrate side to the upper surface in contact with the charge storage layer. Second, the center of the nitrogen concentration distribution in the thickness direction of the bottom insulating film is unevenly distributed on the substrate side. In particular, when it has the single maximum value, its peak is unevenly distributed on the substrate side from the center of the thickness of the bottom insulating film. Third, the nitrogen concentration sharply increases from near the interface with the semiconductor surface region on the substrate side toward the inside of the bottom insulating film.

【0011】この不揮発性半導体記憶装置では、書き込
みおよび消去時に、たとえば、チャネルホットエレクト
ロン注入、ダイレクトトンネリングによるエレクトロン
注入、バンド間トンネル電流を用いたホットエレクトロ
ンまたはホットホールの注入、FNトンネリングを用い
たチャネル全面からのエレクトロン注入などが用いられ
る。本発明の不揮発性半導体記憶装置では、その動作の
際に電荷が通過する記憶素子のボトム絶縁膜が上記特徴
の窒素濃度分布を有するため、以下のように、特性およ
び信頼性が向上する。
In this nonvolatile semiconductor memory device, at the time of writing and erasing, for example, channel hot electron injection, electron injection by direct tunneling, injection of hot electrons or hot holes using an inter-band tunnel current, and channel injection using FN tunneling Electron injection from the entire surface is used. In the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention, since the bottom insulating film of the memory element through which electric charges pass during the operation has the nitrogen concentration distribution having the above characteristics, the characteristics and reliability are improved as follows.

【0012】すなわち、第1および第2の特徴と関連す
ることとして、電荷蓄積層側のエネルギー障壁を維持し
ながら基板側のエネルギー障壁が低減される。窒素濃度
が高まるとエネルギー障壁が低下するためである。した
がって、電荷保持特性を低下させずに電荷注入効率を高
めることができる。また、ボトム絶縁膜を厚くしても必
要な電荷注入効率が確保できるため、その分、電荷保持
特性が向上する。
That is, as related to the first and second features, the energy barrier on the substrate side is reduced while maintaining the energy barrier on the charge storage layer side. This is because as the nitrogen concentration increases, the energy barrier decreases. Therefore, the charge injection efficiency can be increased without lowering the charge retention characteristics. In addition, the required charge injection efficiency can be ensured even if the bottom insulating film is thickened, so that the charge retention characteristics are improved accordingly.

【0013】その一方、本発明者らは、このような窒素
濃度分布にするとリーク電流が大幅に低減することを実
験的に確かめた。これは、ボトム絶縁膜を窒化珪素膜ま
たは酸化窒化珪素膜とした場合、耐電流ストレス性に優
れた珪素−窒素結合基を含むためである。したがって、
ボトム絶縁膜の膜厚方向でほぼ一様な窒素濃度分布とし
た従来の場合に比べ、リーク電流に関しては大幅な向上
が達成されている。また、書き込み消去を繰り返した後
のしきい値電圧変動に関するリテンション特性が向上す
る。
On the other hand, the present inventors have experimentally confirmed that such a nitrogen concentration distribution significantly reduces the leak current. This is because when the bottom insulating film is a silicon nitride film or a silicon oxynitride film, it contains a silicon-nitrogen bonding group having excellent current stress resistance. Therefore,
Compared with the conventional case in which the nitrogen concentration distribution is substantially uniform in the thickness direction of the bottom insulating film, a significant improvement in the leakage current is achieved. In addition, retention characteristics relating to threshold voltage fluctuation after repeated writing and erasing are improved.

【0014】また、第1および第3の特徴と関連するこ
ととして、窒素原子が基板との界面付近に余り存在しな
いため、基板界面準位、および界面における窒素原子散
乱の発生が低く押さえらている。このことが、リーク低
減のほかに、メモリ素子のトランスコンダクタンスの変
動およびしきい値電圧の変動が小さい要因となってい
る。
[0014] In connection with the first and third features, since nitrogen atoms are scarcely present near the interface with the substrate, the substrate interface state and the occurrence of nitrogen atom scattering at the interface are suppressed to a low level. I have. This causes a small change in the transconductance of the memory element and a small change in the threshold voltage, in addition to the leakage reduction.

【0015】なお、本発明に係る不揮発性半導体記憶装
置は、いわゆるMONOS型、MNOS型など窒化珪素
系の絶縁膜を電荷蓄積層とするもの、窒化珪素系以外で
電荷トラップを多数含む絶縁膜を電荷蓄積層とするも
の、いわゆるFG型などのように多結晶珪素の単一層を
電荷蓄積層とするもの、いわゆるナノ結晶型などのよう
に微細な多結晶珪素または金属粒子を絶縁物質で埋め込
んだものを電荷蓄積層とするものの何れにも適用され
る。
It is to be noted that the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention uses a silicon nitride-based insulating film such as a so-called MONOS type or MNOS type as a charge storage layer, or a non-silicon nitride-based insulating film containing many charge traps. A charge storage layer, such as a so-called FG type, a single layer of polycrystalline silicon as a charge storage layer, a fine polycrystalline silicon, such as a so-called nanocrystalline type, or metal particles embedded in an insulating material. The present invention can be applied to any device having a charge storage layer.

【0016】とくに、窒化珪素系および他の絶縁膜を電
荷蓄積層とする不揮発性半導体記憶装置では、上記電荷
蓄積層を中心とした絶縁膜内領域に、上記半導体領域の
表面に対向した面内および膜厚方向に離散化された記憶
電荷の蓄積手段として、電荷トラップが分布している。
また、上記電荷蓄積層は、Frenkel-Pool伝導特性を示す
絶縁膜、たとえば窒化珪素SiNx (x>0),酸化窒化珪
素SiOxy (x,y>0),酸化アルミニウムAlOx (x
>0),酸化タンタルTaOx (x>0)の何れかからなる膜
を含む。とくに電荷蓄積層が窒化珪素SiNx (x>0)か
らなる場合、好ましくは、その上記制御電極側の上方領
域に、上記基板側の下方領域より高い密度の珪素−水素
結合基を含有する。電荷トラップ中心は基板からの距離
が遠いほうが電荷保持のためには好ましいからである。
In particular, in a nonvolatile semiconductor memory device using a silicon nitride-based or other insulating film as a charge storage layer, a non-volatile semiconductor memory device is provided in a region in the insulating film centered on the charge storage layer and in a surface facing the surface of the semiconductor region. In addition, charge traps are distributed as storage means for storing the storage charge discretized in the film thickness direction.
The charge storage layer is formed of an insulating film having Frenkel-Pool conduction characteristics, for example, silicon nitride SiN x (x> 0), silicon oxynitride SiO x N y (x, y> 0), and aluminum oxide AlO x (x
> 0) and tantalum oxide TaO x (x> 0). In particular, when the charge storage layer is made of silicon nitride SiN x (x> 0), it preferably contains a silicon-hydrogen bonding group having a higher density in the upper region on the control electrode side than in the lower region on the substrate side. This is because it is preferable that the center of the charge trap is far from the substrate for holding the charge.

【0017】本発明の第2の観点に係る不揮発性半導体
記憶装置の製造方法は、半導体基板または基板に支持さ
れた半導体層上に、基板側から電荷が注入される電荷蓄
積層を内部に含む絶縁膜と、当該絶縁膜上の制御電極と
を積層する不揮発性半導体記憶装置の製造方法であっ
て、上記半導体基板または半導体層に上記絶縁膜を形成
する際に、最初のボトム絶縁膜を、窒素原子を含むプラ
ズマに上記半導体基板または半導体層の表面を曝し、当
該半導体表面を直接、窒化する処理により形成する。
A method of manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to a second aspect of the present invention includes a charge storage layer into which charges are injected from the substrate, on a semiconductor substrate or a semiconductor layer supported by the substrate. An insulating film, a method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device by laminating a control electrode on the insulating film, when forming the insulating film on the semiconductor substrate or semiconductor layer, the first bottom insulating film, The surface of the semiconductor substrate or the semiconductor layer is exposed to plasma containing nitrogen atoms, and the semiconductor surface is directly nitrided.

【0018】上記ボトム絶縁膜として窒化珪素膜を形成
するに際し、好適に、窒素N2 またはアンモニアNH3
の原料ガスを導入しながら上記プラズマに上記半導体基
板または半導体層を曝す。また、上記ボトム絶縁膜とし
て酸化窒化珪素膜を形成するに際し、好適に、窒素N2
またはアンモニアNH3 と、酸化窒素NOまたはN2
との混合ガスを原料ガスとして導入しながら上記プラズ
マに上記半導体基板または半導体層を曝す。
In forming the silicon nitride film as the bottom insulating film, it is preferable to use nitrogen N 2 or ammonia NH 3.
The semiconductor substrate or the semiconductor layer is exposed to the plasma while introducing the raw material gas. In forming a silicon oxynitride film as the bottom insulating film, it is preferable to use nitrogen N 2.
Or ammonia NH 3 and nitric oxide NO or N 2 O
The semiconductor substrate or the semiconductor layer is exposed to the plasma while introducing a mixed gas of the above as a source gas.

【0019】これらボトム絶縁膜の形成において、好適
に、5MHzから5GHzまでの周波数範囲内の交流電
磁場中で上記プラズマを生成し、当該交流電磁場中のプ
ラズマに上記半導体基板または半導体層を曝す。その
際、本発明では、好適に、プラズマを生成し、生成した
プラズマを空間的に離れた場所に誘導し、当該誘導によ
り荷電イオンの数が減少したプラズマに上記半導体基板
または半導体層を曝すとよい。この方法は、いわゆるリ
モートプラズマ法であり、当該不揮発性半導体記憶装置
を形成するウエハに到達するプラズマ流内で荷電イオン
の数が減少するため、基板へのダメージが低減する。同
じ作用をもたらす他の方法として、上記プラズマを生成
した後にグリッド電極を透過させ、当該グリッド電極の
透過により荷電イオンの数が減少したプラズマに上記半
導体基板または半導体層を曝してもよい。
In forming these bottom insulating films, the plasma is preferably generated in an AC electromagnetic field within a frequency range from 5 MHz to 5 GHz, and the semiconductor substrate or the semiconductor layer is exposed to the plasma in the AC electromagnetic field. At this time, in the present invention, preferably, plasma is generated, and the generated plasma is guided to a spatially distant place, and the semiconductor substrate or the semiconductor layer is exposed to plasma in which the number of charged ions is reduced by the induction. Good. This method is a so-called remote plasma method, in which the number of charged ions in the plasma flow reaching the wafer forming the nonvolatile semiconductor memory device is reduced, so that damage to the substrate is reduced. As another method of providing the same effect, the semiconductor substrate or the semiconductor layer may be exposed to plasma in which the number of charged ions is reduced by the transmission of the grid electrode after the generation of the plasma.

【0020】一方、形成したボトム絶縁膜上に、上記電
荷蓄積層として窒化珪素膜を形成する際に、好適に、珪
素−水素結合基を相対的に少なくする条件で窒化珪素膜
を形成し始め、その後、形成途中で珪素−水素結合基を
相対的に多くする条件に切り換えるとよい。たとえば、
この成膜条件の切り換えでは、複数の原料ガスの混合比
を変える。あるいは、混合する原料ガスの種類を変える
ことで、上記成膜条件を切り換える。
On the other hand, when forming a silicon nitride film as the above-mentioned charge storage layer on the formed bottom insulating film, it is preferable to start forming the silicon nitride film under a condition that silicon-hydrogen bonding groups are relatively reduced. Then, it is preferable to switch to a condition in which the number of silicon-hydrogen bonding groups is relatively increased during the formation. For example,
In the switching of the film forming conditions, the mixing ratio of the plurality of source gases is changed. Alternatively, the film forming conditions are switched by changing the type of the source gas to be mixed.

【0021】このような本発明に係る不揮発性半導体記
憶装置の製造方法では、前記した特徴の窒素濃度分布を
有するボトム絶縁膜が容易に形成される。また、電荷蓄
積層内の電荷トラップが上方側に密集して形成され、電
荷保持特性が向上する。
In the method of manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention, a bottom insulating film having the above-described nitrogen concentration distribution can be easily formed. Further, the charge traps in the charge storage layer are densely formed on the upper side, and the charge retention characteristics are improved.

【0022】[0022]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態につい
て、記憶素子としてnチャネル型のメモリトランジスタ
を有する場合を例に図面を参照しながら説明する。な
お、pチャネル型のメモリトランジスタは、以下の説明
で不純物導電型を逆にすることで実現される。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings, taking as an example the case where an n-channel type memory transistor is used as a storage element. Note that a p-channel memory transistor is realized by reversing the impurity conductivity type in the following description.

【0023】第1実施形態 本実施形態は、いわゆるFG(Floating Gate) 型メモリ
トランジスタを有する不揮発性半導体メモリ装置に関す
る。図1に、第1実施形態に係る不揮発性メモリトラン
ジスタの断面構造を示す。
First Embodiment This embodiment relates to a nonvolatile semiconductor memory device having a so-called FG (Floating Gate) type memory transistor. FIG. 1 shows a cross-sectional structure of the nonvolatile memory transistor according to the first embodiment.

【0024】このメモリトランジスタは、たとえばp型
シリコンウエハなどの半導体基板、半導体基板内表面に
形成されたpウエル、またはSOI型基板分離構造のp
型シリコン層(以下、単に基板SUBという)に形成さ
れている。基板SUBの表面に、必要に応じて、たとえ
ばLOCOS(Local Oxidation of Silicon)法またはS
TI(Shallow Trench Isolation)法などから形成された
素子分離絶縁層ISOが形成されている。この素子分離
絶縁層ISOが形成されていない基板表面部分が当該メ
モリトランジスタを含む能動素子が形成される活性領域
となる。
This memory transistor is, for example, a semiconductor substrate such as a p-type silicon wafer, a p-well formed on the inner surface of the semiconductor substrate, or a p-type SOI substrate isolation structure.
It is formed on a mold silicon layer (hereinafter, simply referred to as a substrate SUB). If necessary, a LOCOS (Local Oxidation of Silicon) method or an S
An element isolation insulating layer ISO formed by a TI (Shallow Trench Isolation) method or the like is formed. The surface portion of the substrate where the element isolation insulating layer ISO is not formed becomes an active region in which an active element including the memory transistor is formed.

【0025】活性領域上に、いわゆるゲート絶縁膜(本
発明では、便宜上、ボトム絶縁膜BTMという)、フロ
ーティングゲートFG、ゲート間絶縁膜INTG、およ
びコントロールゲートCGからなるゲート積層膜構造が
形成されている。このコントロールゲートCG自身、あ
るいは、コントロールゲートCGに接続された上層配線
層により、メモリセルアレイのワード線が構成される。
On the active region, a so-called gate insulating film (for convenience, referred to as a bottom insulating film BTM), a floating gate FG, an inter-gate insulating film INTG, and a gate laminated film structure including a control gate CG are formed. I have. The control gate CG itself or an upper wiring layer connected to the control gate CG forms a word line of the memory cell array.

【0026】ボトム絶縁層BTMは、たとえば1nm〜
20nm程度の膜厚を有する窒化珪素SiNx (x>0)ま
たは酸化窒化珪素SiOxy (x,y>0)の膜からなる。
このボトム絶縁膜BTMの形成は、詳細は後述するが、
窒素N2 またはアンモニアNH3 、あるいは、これに酸
化窒素N2 OまたはNOを付加したガスの電離気体(プ
ラズマ)にSi活性領域を曝すことにより、Si活性領
域表面を直接、窒化または酸化窒化して形成する。電荷
蓄積層としてのフローティングゲートFGは、p型また
はn型の不純物を導入して導電化した多結晶珪素の膜よ
りなる。ゲート間絶縁膜INTGは、たとえばONO(O
xide-Nitride-Oxide) 膜あるいは単層の酸化珪素膜から
なり、その膜厚は3nm〜20nm程度とする。コント
ロールゲートCGは、CVD法により形成し高濃度に不
純物がドーピングされた多結晶珪素、または、多結晶珪
素とその上のWSi2,TiN,TaSi 2,TiSi2,
i,W,Cu,Al,Au等との積層膜からなる。
The bottom insulating layer BTM has a thickness of, for example, 1 nm to
Silicon nitride SiN having a thickness of about 20 nmx (x> 0)
Or silicon oxynitride SiOx Ny (x, y> 0).
The formation of the bottom insulating film BTM will be described later in detail,
Nitrogen NTwo Or ammonia NHThree Or an acid
Nitrogen NTwo Ionized gas (P) added with O or NO
Exposing the Si active region to the
It is formed by directly nitriding or oxynitriding the region surface. charge
The floating gate FG as a storage layer is a p-type or
Is a polycrystalline silicon film made conductive by introducing n-type impurities.
It becomes. The inter-gate insulating film INTG is, for example, ONO (O
xide-Nitride-Oxide) film or single-layer silicon oxide film
And the film thickness is about 3 nm to 20 nm. Conte
The roll gate CG is formed by a CVD method and is not highly concentrated.
Pure doped polycrystalline silicon or polycrystalline silicon
Element and WSi on it2,TiN, TaSi 2,TiSi2,T
It is composed of a laminated film of i, W, Cu, Al, Au and the like.

【0027】ゲート積層構造の両側のシリコン活性領域
内表面に、いわゆるLDD(LightlyDoped Drain) 構造
を有した2つのソース・ドレイン不純物領域S/Dが離
れて形成されている。動作時の電圧印加方向に応じて、
この2つのソース・ドレイン不純物領域S/Dの一方が
ソース、他方がドレインとして機能する。また、ゲート
積層膜構造の両側面には、いわゆるサイドウォールSW
と称せられる絶縁層が形成されている。サイドウォール
SW直下に位置する活性領域に、n型不純物が比較的低
濃度で浅く導入されることにより、ソース・ドレイン不
純物領域S/Dのn- 不純物領域(LDD領域)が形成
されている。また、サイドウォールSWを自己整合マス
クとして、その両外側にn型不純物を比較的高濃度で深
くまで導入することにより、ソース・ドレイン不純物領
域S/Dの主体をなすn+ 不純物領域が形成されてい
る。なお、2つのソース・ドレイン不純物領域S/Dの
間の活性領域部分が、当該メモリトランジスタのチャネ
ル形成領域CHである。
Two source / drain impurity regions S / D having a so-called LDD (Lightly Doped Drain) structure are formed apart from each other on the inner surface of the silicon active region on both sides of the gate laminated structure. Depending on the direction of voltage application during operation,
One of the two source / drain impurity regions S / D functions as a source, and the other functions as a drain. On both sides of the gate laminated film structure, so-called sidewall SW
Is formed. An active region located immediately below the sidewall SW, by n-type impurity is introduced shallow at relatively low concentrations, n of the source and drain impurity regions S / D - impurity region (LDD region) is formed. Further, by using the sidewall SW as a self-aligned mask and introducing n-type impurities deeply at a relatively high concentration on both outer sides thereof, an n + impurity region which is a main component of the source / drain impurity region S / D is formed. ing. Note that an active region portion between the two source / drain impurity regions S / D is a channel formation region CH of the memory transistor.

【0028】本実施形態におけるメモリトランジスタ
は、前記したボトム絶縁膜BTMの窒素濃度分布に特徴
を有する。図2は、このボトム絶縁膜BTMを中心とし
た、基板に垂直方向の窒素濃度分布を示すグラフであ
る。この図示例のボトム絶縁膜BTMは、その膜厚方向
に窒素濃度CN の単一の極大値を有する。すなわち、チ
ャネル形成領域との界面側は極めて窒素濃度が低く抑え
られ、ボトム絶縁膜BTM内に向かって急激に窒素濃度
が増加し、ピーク点Pに達すると以後はフローティング
ゲートFG側に窒素濃度が減少する。このような窒素濃
度分布は、その膜形成法に強く依存する。
The memory transistor according to the present embodiment is characterized by the nitrogen concentration distribution of the bottom insulating film BTM. FIG. 2 is a graph showing a nitrogen concentration distribution in the direction perpendicular to the substrate with the bottom insulating film BTM at the center. Bottom insulating film BTM in this illustrated example, has a single maximum value of the nitrogen concentration C N in the film thickness direction. That is, the nitrogen concentration on the interface side with the channel formation region is extremely low, the nitrogen concentration rapidly increases toward the inside of the bottom insulating film BTM, and reaches the peak point P. Decrease. Such a nitrogen concentration distribution strongly depends on the film formation method.

【0029】以下、このボトム絶縁膜の形成法を含むメ
モリトランジスタの製造方法を、図面を参照しながら説
明する。ここで、図3〜図6は、第1実施形態に係るメ
モリトランジスタの製造途中の断面図である。図3に示
すように、基板SUB上にLOCOS法またはSTI法
により素子分離絶縁層ISOを形成する。また、必要に
応じて、メモリトランジスタのしきい値電圧を調整する
ための不純物ドーピングを、たとえばイオン注入法によ
り行う。
Hereinafter, a method of manufacturing a memory transistor including the method of forming the bottom insulating film will be described with reference to the drawings. Here, FIGS. 3 to 6 are cross-sectional views of the memory transistor according to the first embodiment in the process of being manufactured. As shown in FIG. 3, an element isolation insulating layer ISO is formed on a substrate SUB by a LOCOS method or an STI method. Further, if necessary, impurity doping for adjusting the threshold voltage of the memory transistor is performed by, for example, an ion implantation method.

【0030】図4に示すように、少なくともSi活性領
域上にボトム絶縁膜BTMを形成する。このボトム絶縁
膜BTMの形成では、Si活性領域の表面を窒素原子、
または酸素原子と窒素原子を共に含むプラズマに曝すこ
とにより、Si活性領域表面を直接、窒化または酸化窒
化する。このとき、Si活性領域にプラズマダメージが
多少なりとも導入される。このプラズマダメージは、後
のアニーリングにより回復可能であるが、膜形成時にプ
ラズマダメージの導入を可能な限り抑制することが望ま
しい。
As shown in FIG. 4, a bottom insulating film BTM is formed on at least the Si active region. In the formation of the bottom insulating film BTM, the surface of the Si active region is
Alternatively, the surface of the Si active region is directly nitrided or oxynitrided by exposure to a plasma containing both oxygen atoms and nitrogen atoms. At this time, any plasma damage is introduced into the Si active region. This plasma damage can be recovered by annealing later, but it is desirable to suppress the introduction of plasma damage during film formation as much as possible.

【0031】このようにプラズマダメージの導入を抑え
ながらボトム絶縁膜BTMを形成するには、たとえばE
CR(Electron Cyclotron Resonance)による交流電磁場
(5MHz〜5GHz)内でプラズマを生成するプラズ
マ生成室とウエハを処理する処理室を空間的に分離し、
プラズマ生成室からのプラズマ流を電磁誘導により処理
室に導いてウエハ上に照射する方法が好適である。この
方法はリモートプラズマ法と称され、生成時のプラズマ
に多く含まれる荷電イオンN+ ,O+ が誘導過程で低減
し、ウエハ上に到達するときには中性活性原子N,Oの
比率が増大する。したがって、この方法では、極度に高
い照射エネルギーの原子による基板損傷が有効に抑制で
きる。
To form the bottom insulating film BTM while suppressing the introduction of plasma damage as described above, for example, E
A plasma generation chamber for generating plasma in an AC electromagnetic field (5 MHz to 5 GHz) by CR (Electron Cyclotron Resonance) is spatially separated from a processing chamber for processing a wafer.
It is preferable to use a method in which the plasma flow from the plasma generation chamber is guided to the processing chamber by electromagnetic induction and irradiated onto the wafer. This method is called a remote plasma method, in which charged ions N + and O + contained in a large amount of plasma at the time of generation are reduced during the induction process, and the ratio of neutral active atoms N and O is increased when the ions reach the wafer. . Therefore, in this method, substrate damage due to atoms having extremely high irradiation energy can be effectively suppressed.

【0032】また、プラズマダメージの導入を抑えなが
らボトム絶縁膜BTMを形成する他の方法としては、生
成したプラズマを電極グリッドを透過させて荷電イオン
をある程度中性化した後、ウエハ処理に用いる方法があ
る。この方法でも、極度に高い照射エネルギーの原子が
低減し、これによる基板損傷が有効に抑制できる。
As another method of forming the bottom insulating film BTM while suppressing the introduction of plasma damage, a method in which generated plasma is transmitted through an electrode grid to neutralize charged ions to some extent and then used for wafer processing. There is. Also in this method, atoms with extremely high irradiation energy are reduced, and the damage to the substrate due to this is effectively suppressed.

【0033】ところで、リモートプラズマ法によりシリ
コン基板上に酸化窒化膜あるいは窒化膜を形成する場
合、その膜中に極大値を有する窒素濃度分布が得られる
こと自体は、既に知られている(E. Ploura et al., Ap
plied Physics Letters, 49,97(1996)) 。このような窒
素濃度分布となるのは、Si中の窒素の拡散係数がSi
中の窒素濃度の上昇に伴い減少するためであると考えら
れている。
When a oxynitride film or a nitride film is formed on a silicon substrate by the remote plasma method, it is already known that a nitrogen concentration distribution having a maximum value can be obtained in the film (E. Ploura et al., Ap
plied Physics Letters, 49,97 (1996)). Such a nitrogen concentration distribution occurs because the diffusion coefficient of nitrogen in Si is
It is thought that this is due to a decrease with increasing nitrogen concentration in the atmosphere.

【0034】本発明者は、このような窒素濃度分布を有
する窒化膜または酸化窒化膜を、メモリトランジスタに
おいて電荷がトンネリングするボトム絶縁膜に適用する
と、特性および品質(寿命)が大幅に改善できることを
実験により見いだした。この実験では、p型シリコンウ
エハ(不純物濃度1.5×1016cm-3)の(100)
面を、ECRプラズマ装置で処理した。このとき、導入
ガスとしてN2Oを流量50sccmを処理室(チャン
バ)に流し、チャンバ内圧力は0.8mTorrに設定
した。そして、周波数2.45GHz,パワー300W
の交流電磁場中で窒素原子および酸素原子を含むプラズ
マを生成し、このプラズマに基板温度150℃に保った
シリコンウエハを曝して、酸化窒化珪素膜を形成した。
The inventor of the present invention has found that when a nitride film or an oxynitride film having such a nitrogen concentration distribution is applied to a bottom insulating film in which charges are tunneled in a memory transistor, characteristics and quality (lifetime) can be greatly improved. Found by experiment. In this experiment, (100) of a p-type silicon wafer (impurity concentration 1.5 × 10 16 cm −3 ) was used.
The surface was treated with an ECR plasma device. At this time, N 2 O was introduced as a gas to be introduced into the processing chamber (chamber) at a flow rate of 50 sccm, and the pressure in the chamber was set at 0.8 mTorr. And a frequency of 2.45 GHz and a power of 300 W
A plasma containing nitrogen atoms and oxygen atoms was generated in an alternating current electromagnetic field, and a silicon wafer kept at a substrate temperature of 150 ° C. was exposed to this plasma to form a silicon oxynitride film.

【0035】酸化窒化珪素膜を形成後、図1の構造のメ
モリトランジスタを形成し、電流−電圧特性を測定し
た。その電流−電圧特性結果から得られた Fowler-Nord
heim(F−N)プロットを図7に示す。図7の縦軸はl
og(J/E2 )、横軸は−1/Eである。ここでJは
電流密度,Eは熱酸化珪素膜中あるいは酸化窒化珪素膜
中の電界強度を表す。ここでの、酸化窒化珪素膜厚は分
光エリプソメトリ法により3.5nmと求められた。ま
た、図7には、上述の酸化窒化膜形成に用いた基板と同
様の基板表面を熱酸化(常圧、基板温度850℃)して
作製した二酸化珪素膜(膜厚6.7mm)の電流電圧特
性のF−Nプロットを併記した。図7より、酸化窒化珪
素膜のほうが膜厚が薄いにもかかわらず、同じ電界にお
いて酸化窒化珪素膜を流れる電流は二酸化珪素膜を流れ
る電流の1/10程度であることが分かる。また、この
実験を含め種々の実験により、このリーク電流の低減
は、図2のような極大値をもつ窒素濃度分布と強い相関
があることが判明した。
After forming the silicon oxynitride film, a memory transistor having the structure shown in FIG. 1 was formed, and the current-voltage characteristics were measured. Fowler-Nord obtained from the current-voltage characteristics results
The heim (FN) plot is shown in FIG. The vertical axis of FIG.
og (J / E 2 ), and the horizontal axis is -1 / E. Here, J represents the current density, and E represents the electric field strength in the thermal silicon oxide film or the silicon oxynitride film. Here, the silicon oxynitride film thickness was determined to be 3.5 nm by a spectroscopic ellipsometry method. FIG. 7 shows the current of a silicon dioxide film (thickness: 6.7 mm) produced by thermally oxidizing (normal pressure, substrate temperature: 850 ° C.) a substrate surface similar to the substrate used for forming the above-described oxynitride film. The FN plot of the voltage characteristics is also shown. From FIG. 7, it can be seen that the current flowing through the silicon oxynitride film at the same electric field is about 1/10 of the current flowing through the silicon dioxide film even though the silicon oxynitride film is thinner. Further, various experiments including this experiment revealed that the reduction of the leak current had a strong correlation with the nitrogen concentration distribution having the maximum value as shown in FIG.

【0036】この実験結果を前提に、図4においては一
つの好ましい実施例として、リモートプラズマ法によ
り、酸化窒化窒素を、N2 O,NOまたはN2 のガスを
用い交流電磁場(13.56MHz)内で膜厚1nm〜
20nm程度形成する。なお、従来のように熱酸化シリ
コン膜をトンネル膜として用いたFG型メモリトランジ
スタでは、そのトンネル膜厚は電荷保持特性等から8n
m程度が限界とされていたが、本実施形態では、ボトム
絶縁膜BTMを8nmより薄膜化できる利点がある。
[0036] Given this experimental result, as one preferred embodiment in FIG. 4, by a remote plasma method, a nitrogen oxide nitride, N 2 O, alternating electromagnetic field (13.56 MHz) with a gas NO or N 2 Within 1 nm thickness
It is formed to a thickness of about 20 nm. In a conventional FG type memory transistor using a thermally oxidized silicon film as a tunnel film, the tunnel film thickness is 8 n
Although the limit is about m, the present embodiment has an advantage that the bottom insulating film BTM can be made thinner than 8 nm.

【0037】つぎに、図5に示すように、ボトム絶縁膜
BTM上に、順次、フローティングゲートFGとなる導
電層、ゲート間絶縁膜INTGおよびコントロールゲー
トCGとなる導電層を形成する。フローティングゲート
FGとなる導電層(多結晶シリコン)の形成では、モノ
シラン(SiH4 ),ジクロロシラン(SiCl2
2 ),テトラクロロシラン(SiCl4 )などのシリコ
ン原子を含むガスを原料としたCVD法、または、多結
晶シリコンをターゲットとしたスパッタリング法(PC
D)を用いる。ここでは、基板温度650℃としたCV
Dにより多結晶シリコンを、たとえば50nm〜200
nm程度堆積する。この膜形成過程あるいは成膜後のイ
オン注入により多結晶シリコンに不純物を導入し導電化
する。つぎに、ゲート間絶縁膜INTGとして3nm〜
20nm程度の膜厚の二酸化珪素膜を、フローティング
ゲートFGとなる多結晶シリコン上に堆積した。この堆
積は、SiH4 ,SiCl22 ,トリクロロシラン
(SiCl3 H),SiCl4 などシリコン原子を含む
ガス、および酸化窒素N2 O,酸素O2 などを含むガス
を用いた基板温度600〜800℃のCVD法を用い
る。そして、コントロールゲートCGとなる導電膜とし
て、多結晶シリコン膜と、その上の金属、高融点金属、
その金属シリサイドを含む合金などからなる低抵抗化層
との積層膜を形成する。低抵抗化層の材料としては、銅
(Cu),アルミニウム(Al),金(Au),タング
ステン(W),チタン(Ti),タングステンシリサイ
ド(WSi2 ),タンタルシリサイド(TaSi2 ),
チタンナイトライド(TiN)などを用いる。このコン
トロールゲートCGとなる導電膜は、CVD法またはP
VD法により、厚さ50nm〜200nm程度形成す
る。
Next, as shown in FIG. 5, a conductive layer serving as a floating gate FG, an inter-gate insulating film INTG and a conductive layer serving as a control gate CG are sequentially formed on the bottom insulating film BTM. In the formation of the conductive layer (polycrystalline silicon) to be the floating gate FG, monosilane (SiH 4 ) and dichlorosilane (SiCl 2 H) are used.
2 ), a CVD method using a gas containing silicon atoms such as tetrachlorosilane (SiCl 4 ) as a raw material, or a sputtering method using a polycrystalline silicon target (PC
D) is used. Here, the CV with a substrate temperature of 650 ° C.
D to make polycrystalline silicon, for example, 50 nm to 200 nm.
Deposit about nm. Impurities are introduced into the polycrystalline silicon by the ion implantation after the film formation process or after the film formation to make the polysilicon conductive. Next, an inter-gate insulating film INTG of 3 nm to
A silicon dioxide film having a thickness of about 20 nm was deposited on polycrystalline silicon to be a floating gate FG. This deposition is performed at a substrate temperature of 600 ° C. using a gas containing silicon atoms such as SiH 4 , SiCl 2 H 2 , trichlorosilane (SiCl 3 H), and SiCl 4 and a gas containing nitrogen oxide N 2 O and oxygen O 2. An 800 ° C. CVD method is used. Then, a polycrystalline silicon film and a metal thereon, a high melting point metal,
A laminated film with a low-resistance layer made of an alloy containing the metal silicide is formed. Examples of the material of the low resistance layer include copper (Cu), aluminum (Al), gold (Au), tungsten (W), titanium (Ti), tungsten silicide (WSi 2 ), tantalum silicide (TaSi 2 ),
Titanium nitride (TiN) or the like is used. The conductive film serving as the control gate CG is formed by CVD or P
It is formed to a thickness of about 50 nm to 200 nm by the VD method.

【0038】とくに図示しないが、ドライエッチング耐
性の優れた絶縁膜(例えば、SiO 2 )をCVDにより
堆積し、この絶縁膜をゲート電極パターンに加工する。
この絶縁膜をマスクとして異方性のあるエッチング、た
とえばRIE(Reactive IonEtching)を行って、図6に
示すように、コントロールゲートCG,ゲート間絶縁膜
INTG,フローティングゲートFG,ボトム絶縁膜B
TMからなるゲート積層膜を形成する。つぎに、ゲート
積層膜を自己整合マスクとして、上記エッチングにより
表出したSi活性領域の表面にn型不純物を低濃度でイ
オン注入し、n- 不純物領域(LDD領域,図ではn-
で示す)を形成する。このイオン注入では、たとえば砒
素イオン(As+ )を1〜5×1013cm-2個ほどドー
ピングする。
Although not particularly shown, dry etching resistance
Insulating film (eg, SiO 2 Two ) By CVD
Then, the insulating film is processed into a gate electrode pattern.
Using this insulating film as a mask, anisotropic etching and
For example, RIE (Reactive IonEtching) is performed, and FIG.
As shown, the control gate CG, the gate insulating film
INTG, floating gate FG, bottom insulating film B
A gate laminated film made of TM is formed. Next, the gate
Using the laminated film as a self-aligned mask,
An n-type impurity is implanted at a low concentration on the surface of the exposed Si active region.
ON injection, n- Impurity region (LDD region, n in the figure)- 
) Are formed. In this ion implantation, for example,
Elementary ion (As+ ) Is 1-5 × 1013cm-2About do
Ping.

【0039】その後は、全面にCVDによりSiO2
を100nm〜200nm程度堆積し、これをRIE等
の異方性エッチングによりエッチバックする。これによ
り、図1に示すように、ゲート積層膜の側面にサイドウ
ォールSWが形成される。この状態で、サイドウォール
SW外側のSi活性領域にn型不純物を高濃度でイオン
注入し、ソース・ドレイン不純物領域S/Dを形成す
る。このイオン注入では、たとえば、ゲート積層膜およ
びサイドウォールSWをマスクとして自己整合的にAs
+ を1〜5×1015cm-2個ほどドーピングする。その
後、層間絶縁膜および配線層の形成を行って、当該メモ
リトランジスタを完成させる。
Thereafter, an SiO 2 film is deposited on the entire surface by CVD to a thickness of about 100 to 200 nm, and this is etched back by anisotropic etching such as RIE. Thereby, as shown in FIG. 1, the sidewall SW is formed on the side surface of the gate stacked film. In this state, high-concentration n-type impurities are ion-implanted into the Si active region outside the sidewall SW to form source / drain impurity regions S / D. In this ion implantation, for example, As is self-aligned using the gate laminated film and the sidewall SW as a mask.
+ Is doped about 1 to 5 × 10 15 cm −2 . After that, an interlayer insulating film and a wiring layer are formed to complete the memory transistor.

【0040】本発明ではメモリセルアレイ方式に限定は
ない。図8および図9は、メモリトランジスタのメモリ
セルアレイ内におけるセル間接続例を示す回路図であ
る。図8は、いわゆるNOR型のメモリセルアレイの基
本的構成を示している。ここでは2メモリトランジスタ
しか示していないが、図示しない行方向(図の横方向)
に配列されたメモリトランジスタのゲート電極(コント
ロールゲートCG)がワード線WLi−1,WLiまた
はWLi+1によって行方向に共通接続されている。ま
た、ソース・ドレイン不純物領域S/DのうちソースS
として機能する一方がソース線SLによって列方向(図
の縦方向)に共通接続されて、ドレインDとして機能す
る一方がビット線BLによって列方向に共通接続されて
いる。このようなトランジスタ接続を基本とするメモリ
セルアレイとしては、ソース線が各列ごとに設けられた
NOR型が最もよく知られている。そのほか、ソース線
が2列間で共通化されたHiCR(高容量結合)型、ソ
ース線またはビット線として切り換えて使用させる不純
物拡散層が行方向でチャネル形成領域と交互に配置され
素子分離絶縁層が不要なVG(仮想接地)型、ソース線
とビット線がそれぞれ列方向の所定数のセルごとに階層
化され、選択トランジスタを介して下層配線が上層配線
と接続されたAND型、ビット線のみが階層化されたD
INOR(分割NOR)型がある。
The present invention is not limited to the memory cell array system. FIGS. 8 and 9 are circuit diagrams showing examples of connection between cells in a memory cell array of memory transistors. FIG. 8 shows a basic configuration of a so-called NOR type memory cell array. Although only two memory transistors are shown here, a row direction (lateral direction in the figure) not shown
The gate electrodes (control gates CG) of the memory transistors arranged in a row are commonly connected in the row direction by word lines WLi-1, WLi or WLi + 1. Further, the source S in the source / drain impurity region S / D
Are commonly connected in the column direction (vertical direction in the drawing) by a source line SL, and one of them that functions as a drain D is commonly connected in the column direction by a bit line BL. As a memory cell array based on such transistor connection, a NOR type in which a source line is provided for each column is best known. In addition, an element isolation insulating layer in which a HiCR (high capacity coupling) type in which a source line is shared between two columns, and an impurity diffusion layer to be switched and used as a source line or a bit line is alternately arranged in a row direction with a channel forming region. VG (virtual ground) type, AND type in which source lines and bit lines are hierarchized for each of a predetermined number of cells in the column direction, and a lower wiring is connected to an upper wiring via a selection transistor, only a bit line Is a hierarchical D
There is an INOR (split NOR) type.

【0041】図9は、いわゆるNAND型のメモリセル
アレイの基本的構成を示している。ここでは1つのNA
ND列しか示していないが、図示しない行方向(図の縦
方向)に配列された複数のNAND列間で、メモリトラ
ンジスタのゲート電極(コントロールゲートCG)がワ
ード線WL1,…,WLn−2,WLn−1,WLnに
よって行方向に共通接続されている。また、NAND列
内のメモリトランジスタは直列接続され、その一方端の
ドレインDが、図示を省略した選択トランジスタを介し
てビット線BLに接続されている。また、NAND列の
他端のソースSが、図示を省略した選択トランジスタを
介してソース線SLに接続されている。
FIG. 9 shows a basic configuration of a so-called NAND type memory cell array. Here one NA
Although only ND columns are shown, the gate electrodes (control gates CG) of the memory transistors are connected to word lines WL1,..., WLn-2, among a plurality of NAND columns arranged in a row direction (vertical direction in the figure). WLn-1 and WLn are commonly connected in the row direction. The memory transistors in the NAND string are connected in series, and one end of the drain D is connected to the bit line BL via a select transistor (not shown). The source S at the other end of the NAND string is connected to a source line SL via a select transistor not shown.

【0042】つぎに、メモリトランジスタの動作につい
て説明する。本発明では、メモリトランジスタの書き込
み方法、読み出し方法および消去方法に限定はない。こ
こでは先ず第1の動作例として、チャネル全面からのF
Nトンネリング注入による書き込み、読み出し、および
チャネル全面FNトンネリングによる消去を、NOR型
メモリセルアレイ(図8)を前提として述べる。
Next, the operation of the memory transistor will be described. In the present invention, the writing method, the reading method, and the erasing method of the memory transistor are not limited. Here, first, as a first operation example, F
Writing and reading by N tunneling implantation and erasing by FN tunneling on the entire channel will be described on the premise of a NOR type memory cell array (FIG. 8).

【0043】書き込み時には、基板電位を基準にしてソ
ースS、ドレインDを全て0Vにし、ゲートGに正の電
位、たとえば18Vを印加する。このゲート電圧印加に
より、チャネル形成領域表面に少数キャリア(電子)が
誘起され反転層(チャネル)が形成される。その電子の
一部はトンネル効果によりボトム絶縁膜BTM内を伝導
し、電荷蓄積層(フローティングゲートFG)に達する
とフォノン散乱によりエネルギーを失い蓄積される。こ
れにより、メモリトランジスタのしきい値電圧が上昇
し、たとえば書き込み状態“1”となる。書き込み状態
“0”、すなわち消去状態を維持させるメモリトランジ
スタに対しては、ソースS,Dに所定の正の電圧を印加
するか、ゲート電圧10Vが印加されないので、チャネ
ルが形成されずトンネル注入は起こらない。
At the time of writing, the source S and the drain D are all set to 0 V with respect to the substrate potential, and a positive potential, for example, 18 V is applied to the gate G. By this gate voltage application, minority carriers (electrons) are induced on the surface of the channel formation region, and an inversion layer (channel) is formed. Some of the electrons are conducted through the bottom insulating film BTM by the tunnel effect, and when they reach the charge storage layer (floating gate FG), they lose energy due to phonon scattering and are stored. As a result, the threshold voltage of the memory transistor rises, for example, to the write state “1”. For a memory transistor that maintains the write state “0”, that is, the erase state, a predetermined positive voltage is applied to the sources S and D or a gate voltage of 10 V is not applied, so that a channel is not formed and tunnel injection is performed. Does not happen.

【0044】読み出し時には、基板電位を基準としてソ
ースに0V,ドレインDに例えば1.5V印加する。ま
た、このドレイン電圧の条件下で書き込み状態“0”の
メモリトランジスタが十分オンする状態、またはオン状
態に近いチャネル伝導度が得られる程度に、ゲートに正
の電圧、たとえば2V印加する。一方、書き込み状態
“1”のメモリトランジスタは、しきい値電圧が高いた
め、同じバイアス電圧条件下では、有効なまでチャネル
伝導度は上昇しない。何れの場合も、この条件下では、
ボトム絶縁膜BTMを介した電荷の移動が殆どなく電荷
蓄積層内の電子数に有効な変化を与えない。このチャネ
ル伝導度の変化の違いが読み出し電流の差となり、ドレ
イン電圧Dに電位変化が生じる。この電位変化を検出回
路(センスアンプ)で増幅して記憶情報“1”と“0”
を読み出す。
At the time of reading, 0 V is applied to the source and 1.5 V is applied to the drain D with reference to the substrate potential. Further, a positive voltage, for example, 2 V, is applied to the gate so that the memory transistor in the write state "0" is sufficiently turned on under the condition of the drain voltage or a channel conductivity close to the on state is obtained. On the other hand, since the memory transistor in the write state “1” has a high threshold voltage, the channel conductivity does not increase until effective under the same bias voltage condition. In any case, under these conditions,
There is almost no charge movement through the bottom insulating film BTM, and the number of electrons in the charge storage layer is not effectively changed. The difference in the change in the channel conductivity becomes the difference in the read current, and the potential change occurs in the drain voltage D. This potential change is amplified by a detection circuit (sense amplifier) to store the stored information “1” and “0”.
Is read.

【0045】消去時には、基板電位を基準にしてソー
ス、ドレインを全て0Vにし、ゲートGに負の電位、た
とえば−15Vを印加する。このとき、書き込み状態
“1”のメモリトランジスタにおいて、フローティング
ゲートFGに蓄積された電子はボトム絶縁膜BTMをト
ンネルすることによりSi活性領域(チャネル形成領
域)に戻される。したがって、全てのメモリトランジス
タが消去状態(書き込み状態“0”)に揃えられる。
At the time of erasing, the source and the drain are all set to 0 V with respect to the substrate potential, and a negative potential, for example, -15 V is applied to the gate G. At this time, in the memory transistor in the write state “1”, the electrons accumulated in the floating gate FG are returned to the Si active region (channel formation region) by tunneling through the bottom insulating film BTM. Therefore, all the memory transistors are aligned in the erased state (written state “0”).

【0046】次に第2の動作例として、チャネルホット
エレクトロン(CHE)注入により書き込みを行い、バ
ンド−バント間トンネル電流に起因したホットホール注
入により消去する場合を述べる。
Next, as a second operation example, a case where writing is performed by injection of channel hot electrons (CHE) and erasing is performed by injection of hot holes caused by a band-to-band tunnel current will be described.

【0047】書き込み時には、基板電位を基準にしてソ
ースSを0V、ドレインDを5Vにし、ゲートGに正の
電圧、たとえば10Vを印加する。このバイアス条件下
では、ドレイン電圧が5Vと第1の動作例より高く、チ
ャネル内を電子が加速されてドレイン端で高エネルギー
電子(ホットエレクトロン)となる。そのホットエレク
トロンの一部がボトム絶縁層BTMのエネルギー障壁よ
りも高いエネルギーを持つと、それらの電子は散乱過程
によりボトム絶縁膜BTMのエネルギー障壁を越え、フ
ローティングゲートFGに注入され、そこでフォノン散
乱によりエネルギーを失い蓄積される。消去状態(書き
込み状態“0”)を維持するメモリトランジスタは、ド
レイン電圧5Vまたはゲート電圧10Vが印加されない
ので、このようなCHE注入は起こらない。
At the time of writing, the source S is set to 0 V, the drain D is set to 5 V, and a positive voltage, for example, 10 V, is applied to the gate G based on the substrate potential. Under this bias condition, the drain voltage is 5 V, which is higher than in the first operation example, and electrons are accelerated in the channel to become high-energy electrons (hot electrons) at the drain end. If some of the hot electrons have higher energy than the energy barrier of the bottom insulating layer BTM, those electrons cross the energy barrier of the bottom insulating film BTM by a scattering process and are injected into the floating gate FG, where they are scattered by phonon scattering. Loses energy and accumulates. Such a CHE injection does not occur in the memory transistor that maintains the erased state (written state “0”) because the drain voltage 5 V or the gate voltage 10 V is not applied.

【0048】読み出しは、第1動作例と同様にして行
う。
Reading is performed in the same manner as in the first operation example.

【0049】消去は、第1の動作例と同様にして行うこ
とも可能であるが、ここでは、基板電位を基準にして、
ソースSに0V、ドレインDに5V、ゲートGに−5V
印加し、ドレイン端とゲート間のみ高電界とする。これ
により、ドレイン端表面が深い空乏化状態となり電子が
基板側に流れ、これに起因してホールが発生する。発生
したホールはチャネル形成領域側にドリフトして、ここ
でゲート電圧により加速され、その一部がホットホール
となる。このバンド−バンド間トンネリングにより生じ
たホットホールはフローティングゲートFGに注入さ
れ、蓄積される。これにより、フローティングゲートF
Gの電位が上昇し、全てのメモリトランジスタのしきい
値電圧が低下して消去状態となる。
The erasing can be performed in the same manner as in the first operation example, but here, the erasing is performed with reference to the substrate potential.
0V for source S, 5V for drain D, -5V for gate G
A high electric field is applied only between the drain end and the gate. As a result, the surface of the drain end becomes deeply depleted, and electrons flow toward the substrate, thereby generating holes. The generated holes drift to the channel forming region side, are accelerated by the gate voltage, and part of the holes become hot holes. Hot holes generated by the band-to-band tunneling are injected into the floating gate FG and accumulated. Thereby, the floating gate F
The potential of G increases, the threshold voltages of all the memory transistors decrease, and the memory transistor enters an erased state.

【0050】なお、図9のNAND型では、通常、前記
第1の動作例と同様の原理で、チャネル全面トンネル注
入により書き込みおよび消去が行われる。
In the NAND type shown in FIG. 9, writing and erasing are usually performed by tunnel injection over the entire channel on the same principle as in the first operation example.

【0051】第2実施形態 第2実施形態は、MONOS型メモリトランジスタに関
する。
Second Embodiment The second embodiment relates to a MONOS type memory transistor.

【0052】図10に、このMONOS型メモリトラン
ジスタの断面構造を示す。このメモリトランジスタは、
電荷蓄積層として第1実施形態のフローティングゲート
FGに代えて窒化珪素SiNx の膜を用いたものであ
る。この電荷蓄積層を中心とした領域に形成された電荷
トラップが離散化された電荷蓄積手段として機能する。
トップ絶縁膜TOPは、3.5nm〜5nm程度の酸化
珪素膜を用いる。MONOS型では電荷蓄積層が絶縁膜
であるため、図10のように、電荷蓄積層SINと、そ
の下のボトム絶縁膜BTMをゲート電圧Gと一括してパ
ターンニングせずに、全面に残すことができる。もちろ
ん、第1実施形態と同様な形状にパターンニングしても
よい。
FIG. 10 shows a sectional structure of the MONOS type memory transistor. This memory transistor is
As the charge storage layer, a silicon nitride SiN x film is used instead of the floating gate FG of the first embodiment. The charge trap formed in the region centered on the charge storage layer functions as a discrete charge storage means.
As the top insulating film TOP, a silicon oxide film having a thickness of about 3.5 to 5 nm is used. In the MONOS type, since the charge storage layer is an insulating film, as shown in FIG. 10, the charge storage layer SIN and the bottom insulating film BTM under the charge storage layer SIN should not be collectively patterned with the gate voltage G and should be left on the entire surface. Can be. Of course, patterning may be performed in the same shape as in the first embodiment.

【0053】このメモリトランジスタの形成では、第1
実施形態と同様の方法でボトム絶縁膜BTMの形成まで
を行う。ただし、MONOS型メモリトランジスタの電
荷蓄積層は離散化されて導電性が極めて低いため電荷保
持特性に優れ、その結果、ボトム絶縁膜BTMは、第1
実施形態のFG型より薄くできる。
In the formation of this memory transistor, the first
The steps up to the formation of the bottom insulating film BTM are performed in the same manner as in the embodiment. However, since the charge storage layer of the MONOS type memory transistor is discretized and has extremely low conductivity, the charge storage layer has excellent charge retention characteristics. As a result, the bottom insulating film BTM has
It can be thinner than the FG type of the embodiment.

【0054】電荷蓄積層SINの形成では、モノシラン
(SiH4 ),ジクロロシラン(SiCl22 ),ト
リクロロシラン(SiCl3 H),テトラクロロシラン
(SiCl4 )などSiを含むガス、および、N2 また
はNH3 など窒素原子を含むガスを原料としたCVD法
によりSiNx を1nmから20nm堆積する。
In forming the charge storage layer SIN, a gas containing Si such as monosilane (SiH 4 ), dichlorosilane (SiCl 2 H 2 ), trichlorosilane (SiCl 3 H), tetrachlorosilane (SiCl 4 ), and N 2 Alternatively, SiN x is deposited to a thickness of 1 to 20 nm by a CVD method using a gas containing a nitrogen atom such as NH 3 as a raw material.

【0055】このSiNx 成膜時に、たとえば、基板に
近い層はNH3 /SiCl22 の分圧比が小さい条件
でCVDし、その後、NH3 /SiCl22 の分圧比
が大きな条件でCVDすることが望ましい。これによ
り、チャネル形成領域CHに近い領域ではSi−Hボン
ド密度を低く抑え、チャネル形成領域CHから遠いトッ
プ絶縁膜TOP側にSi−Hボンドを高密度とすること
ができる。Si−Hボンドは水素が置換されるとSiダ
ングリングボンドを形成するため、その密度が電荷トラ
ップの分布に関与する。したがって、このようにして形
成されたSiNx はトップ絶縁膜TOP形成後にチャネ
ル形成領域CHに遠い側に高密度の電荷トラップが形成
されやすい。したがって、電荷トラップに一旦捕獲され
た電荷は基板側に戻り難く、その分、電荷保持特性が向
上する。
At the time of this SiN x film formation, for example, a layer close to the substrate is subjected to CVD under the condition that the partial pressure ratio of NH 3 / SiCl 2 H 2 is small, and then under the condition that the partial pressure ratio of NH 3 / SiCl 2 H 2 is large. It is desirable to perform CVD. Thus, the Si—H bond density can be kept low in a region near the channel formation region CH, and the Si—H bond density can be increased on the side of the top insulating film TOP far from the channel formation region CH. Since the Si—H bond forms a Si dangling bond when hydrogen is replaced, its density contributes to the distribution of charge traps. Therefore, in the SiN x thus formed, a high-density charge trap is likely to be formed on the side far from the channel formation region CH after the formation of the top insulating film TOP. Therefore, the charge once captured by the charge trap is difficult to return to the substrate side, and the charge retention characteristics are improved accordingly.

【0056】同様の効果を得るための、他の望ましいC
VD条件の切り換え方法としては、SiNx 成膜時に、
基板に近い層はNH3 /SiCl4 の混合ガスによりC
VDし、その後、NH3 /SiCl22 の混合ガスに
切り換えてCVDする。この方法によっても、チャネル
形成領域CHに近い領域にSi−Hボンド数が少なく、
チャネル形成領域CHから遠い領域にSi−Hボンド数
が多くなり、その結果、電荷保持特性が向上する。
To obtain the same effect, another desirable C
As a method of switching VD conditions, at the time of SiN x film formation,
The layer close to the substrate is treated with a mixed gas of NH 3 / SiCl 4
VD, and then CVD is performed by switching to a mixed gas of NH 3 / SiCl 2 H 2 . Also according to this method, the number of Si—H bonds is small in a region near the channel formation region CH,
The number of Si—H bonds increases in a region far from the channel formation region CH, and as a result, charge retention characteristics are improved.

【0057】以後のメモリトランジスタの形成工程は、
第1実施形態と同様であるが、図10の構造とするに
は、ゲート電極Gをマスクにトップ絶縁膜TOPをRI
Eによりエッチングした後、電荷蓄積層SINおよびボ
トム絶縁膜BTMのエッチングは行わない。
The subsequent steps for forming the memory transistor are as follows:
As in the first embodiment, the top insulating film TOP is formed using the gate electrode G as a mask and the
After the etching by E, the charge storage layer SIN and the bottom insulating film BTM are not etched.

【0058】このメモリトランジスタ構造が適用可能な
メモリセルアレイ方式に限定はなく、第1実施形態と同
様、図8および図9に示す説明した各種メモリセルアレ
イ方式が採用できる。また、第1実施形態で説明した第
1および第2の動作例も、本実施形態で適用可能であ
る。
The memory cell array system to which the memory transistor structure can be applied is not limited, and the various memory cell array systems described with reference to FIGS. 8 and 9 can be employed as in the first embodiment. Further, the first and second operation examples described in the first embodiment are also applicable in the present embodiment.

【0059】以下、本実施形態に代表される電荷蓄積手
段(電荷トラップ)が離散化されたメモリトランジスタ
に特有であり、1メモリトランジスタ内に多値化せずに
2ビット情報を書き込んで有効に読み出すことができる
方法について説明する。なお、この方法は図8に示すN
OR型メモリセルアレイで実施できる。この方法は、C
HE注入により電荷蓄積層SINのドレイン端側から電
荷注入することでは、前記した第2の動作例と共通す
る。ただし、本実施形態では電荷蓄積手段が離散化され
ているため横方向の導電性が極めて低く、したがって、
注入電荷は電荷蓄積層SINのドレイン端に局部的に蓄
積される。このことを利用して、ドレイン電圧の印加方
法を逆にして2回目の電荷注入を行うと、1回目の電荷
注入時のソース端に局部的に電荷が蓄積できる。また、
読み出し時のしきい値電圧はソース側の電荷蓄積量に支
配されるため、読み出しドレイン電圧の印加方向を入れ
換えた2度の読み出し動作により、電荷蓄積層SINの
両端部にそれぞれ独立に書き込みされた情報を、独立に
読み出すことができる。
Hereinafter, the charge storage means (charge trap) represented by the present embodiment is peculiar to a discrete memory transistor, and two-bit information can be effectively written by writing two-bit information in one memory transistor without multileveling. A method for reading data will be described. Note that this method uses the N
It can be implemented with an OR type memory cell array. This method uses C
Injecting charges from the drain end side of the charge storage layer SIN by HE injection is common to the above-described second operation example. However, in this embodiment, since the charge storage means is discretized, the conductivity in the lateral direction is extremely low.
The injected charges are locally stored at the drain end of the charge storage layer SIN. By utilizing this fact, when the second charge injection is performed by reversing the method of applying the drain voltage, charges can be locally accumulated at the source terminal at the time of the first charge injection. Also,
Since the threshold voltage at the time of reading is governed by the amount of charge stored on the source side, the data is independently written to both ends of the charge storage layer SIN by two read operations in which the application direction of the read drain voltage is changed. The information can be read independently.

【0060】具体的には、第1の2値情報の書き込み時
には、たとえば、基板電位を基準にしてソース線SL
(ソースS)を0V、ビット線BL(ドレインD)を
4.5Vにし、ゲートGに正の電圧、たとえば9Vを印
加する。このとき、ソース線SL側から供給された電子
が形成されたチャネル内で加速されホットエレクトロン
となり、その一部がドレインD側から電荷蓄積層SIN
内に捕獲され、局所的に蓄積される。この第1の2値情
報の読み出し時には、基板電位を基準としてビット線B
L(図ではDで示すが、実際には、ここがソースとな
る)に0V、ソース線SL(図ではSで示すが、実際に
は、ここがドレインとなる)に、たとえば1.5V印加
し、ゲート電極Gに、たとえば2Vを印加する。メモリ
トランジスタは、主にソース側の蓄積電荷の有無に応じ
てしきい値電圧が変化する。したがって、図ではDで示
すソース側端の電荷の有無、または蓄積電荷量に応じて
読み出し電流が流れ、または読み出し電流量が決まり、
ソース線SLに電位変化が生じる。このソース線の電位
変化をセンスアンプ等で増幅することで、第1の2値情
報の読み出しが可能となる。
Specifically, at the time of writing the first binary information, for example, the source line SL is set with reference to the substrate potential.
(Source S) is set to 0 V, bit line BL (drain D) is set to 4.5 V, and a positive voltage, for example, 9 V is applied to gate G. At this time, electrons supplied from the source line SL are accelerated in the formed channel to become hot electrons, and a part of the electrons is supplied from the drain D to the charge storage layer SIN.
Captured within and accumulated locally. When reading the first binary information, the bit line B
0 V is applied to L (indicated by D in the figure, this is actually the source), and, for example, 1.5 V is applied to the source line SL (indicated by S in the figure, but is actually the drain) Then, for example, 2 V is applied to the gate electrode G. The threshold voltage of a memory transistor changes mainly in accordance with the presence or absence of stored charge on the source side. Therefore, the read current flows or the read current amount is determined according to the presence or absence of the charge at the source side end indicated by D in FIG.
A potential change occurs in the source line SL. By amplifying the potential change of the source line by a sense amplifier or the like, the first binary information can be read.

【0061】これに対し、第2の2値情報の書き込みお
よび読み出しは、上記した第1の2情報の場合とソース
線とビット線に印加する電圧を入れ換えることで可能で
ある。すなわち、第2の2値情報の書き込み時には、た
とえば、基板電位を基準にしてビット線SL(図に示す
ドレインD)を0V、ソース線SL(図に示すソース
S)を4.5Vにし、ゲートGに正の電圧、たとえば9
Vを印加する。このとき、ビット線側から供給された電
子が形成されたチャネル内で加速されホットエレクトロ
ンとなり、その一部が、図ではSで示すドレイン側から
電荷蓄積層SIN内に捕獲され、局所的に蓄積される。
この第2の2値情報の読み出し時には、基板電位を基準
としてソース線SL(ソースS)に0V、ビット線BL
(ドレインD)に、たとえば1.5V印加し、ゲート電
極Gに、たとえば2Vを印加する。メモリトランジスタ
は、主にソース側の蓄積電荷の有無に応じてしきい値電
圧が変化する。したがって、ソースS側端の電荷の有
無、または蓄積電荷量に応じて読み出し電流が流れ、ま
たは読み出し電流量が決まり、ビット線BLに電位変化
が生じる。このビット線の電位変化をセンスアンプ等で
増幅することで、第2の2値情報の読み出しが可能とな
る。
On the other hand, writing and reading of the second binary information can be performed by exchanging the voltages applied to the source line and the bit line in the case of the first binary information. That is, at the time of writing the second binary information, for example, the bit line SL (the drain D shown in the figure) is set to 0 V, the source line SL (the source S shown in the figure) is set to 4.5 V, and the gate is set with reference to the substrate potential. G has a positive voltage, for example 9
V is applied. At this time, electrons supplied from the bit line side are accelerated in the formed channel to become hot electrons, and a part thereof is captured in the charge storage layer SIN from the drain side indicated by S in FIG. Is done.
At the time of reading the second binary information, 0 V is applied to the source line SL (source S) and the bit line BL
For example, 1.5 V is applied to (drain D), and 2 V is applied to gate electrode G, for example. The threshold voltage of a memory transistor changes mainly in accordance with the presence or absence of stored charge on the source side. Therefore, the read current flows or the read current amount is determined according to the presence or absence of the charge at the source S side end, or the amount of accumulated charge, and a potential change occurs in the bit line BL. By amplifying the potential change of the bit line by a sense amplifier or the like, the second binary information can be read.

【0062】消去時は、第2の動作例と同様、電位を基
準にしてソース、ドレインを全て0Vにし、ゲートGに
負の電圧、たとえば−10Vを印加する。このとき、電
荷蓄積層SINに蓄積された電子はボトム絶縁膜BTM
をトンネルすることによりチャネル形成領域CHに戻さ
れる。
At the time of erasing, as in the second operation example, the source and the drain are all set to 0 V with respect to the potential, and a negative voltage, for example, -10 V is applied to the gate G. At this time, the electrons stored in the charge storage layer SIN are transferred to the bottom insulating film BTM.
Is returned to the channel forming region CH.

【0063】第3実施形態 第1,第2実施形態においては、ボトム絶縁層BTMの
形成時に、N2 O,NO,NH3 またはN2 を5MHz
〜5GHz(例えば、13.56MHz)の交流電磁場
によって電離した電離気体にSi活性領域を曝すことに
よって、酸化窒化珪素膜あるいは窒化珪素膜を形成して
いた。これに対し、第3実施形態では、それぞれの原料
ガスを電離させずに、この原料ガスに1000°C程度
加熱した基板を曝露させる。このとき、Si中の窒素濃
度が高い領域では窒素原子が拡散しにくいので、窒素は
Si/窒化膜界面側に偏析する傾向がある。したがっ
て、第1,第2実施形態と同様な窒素濃度分布のボトム
絶縁膜BTMが形成できる。
Third Embodiment In the first and second embodiments, when forming the bottom insulating layer BTM, N 2 O, NO, NH 3 or N 2 is set to 5 MHz.
A silicon oxynitride film or a silicon nitride film has been formed by exposing the Si active region to an ionized gas ionized by an AC electromagnetic field of up to 5 GHz (for example, 13.56 MHz). On the other hand, in the third embodiment, the substrate heated to about 1000 ° C. is exposed to the source gas without ionizing the source gas. At this time, nitrogen tends to be segregated on the Si / nitride film interface side because nitrogen atoms are hardly diffused in a region where the nitrogen concentration in Si is high. Therefore, the bottom insulating film BTM having the same nitrogen concentration distribution as in the first and second embodiments can be formed.

【0064】第4実施形態 第4実施形態におけるボトム絶縁膜BTMの形成では、
まず、チャネル形成領域CHを含むSi活性領域表面を
熱酸化して酸化珪素膜を形成する。そして、形成した酸
化珪素膜を、第1,第2実施形態と同様な方法によって
電離気体に曝すことにより、酸化窒化珪素膜あるいは窒
化珪素膜を形成する。あるいは、第3実施形態と同様
に、それぞれの原料ガスを電離させずに、この原料ガス
に、熱酸化により酸化珪素膜を形成した基板を1000
℃程度に加熱して曝露させることにより、ボトム絶縁膜
BTMとして酸化窒化珪素膜あるいは窒化珪素膜を形成
する。
[0064] In the formation of the bottom insulating film BTM in the fourth embodiment The fourth embodiment,
First, the surface of the Si active region including the channel forming region CH is thermally oxidized to form a silicon oxide film. Then, the formed silicon oxide film is exposed to an ionizing gas by the same method as in the first and second embodiments to form a silicon oxynitride film or a silicon nitride film. Alternatively, as in the third embodiment, the substrate on which a silicon oxide film is formed by thermal oxidation is added to each raw material gas without ionizing the raw material gas.
By heating and exposing to about ° C., a silicon oxynitride film or a silicon nitride film is formed as the bottom insulating film BTM.

【0065】第5実施形態 本実施形態では、ボトム絶縁膜BTMとして酸化窒化珪
素膜を形成する場合、モノシラン(SiH4 ),ジクロ
ロシラン(SiCl22 ),トリクロロシラン(Si
Cl3 H),テトラクロロシラン(SiCl4 )などS
iを含むガスと、NO,N2 Oなど酸素−窒素結合を含
む原子よりなるガスを原料とするCVDにより、Si活
性領域上に酸化窒化珪素膜を形成する。あるいは、上記
Siを含むガスと、NOとN2 、またはO2 とN2 など
の酸素を含むガスと窒素を含むガスの混合ガスとを原料
としてCVDすることで、Si活性領域上に酸化窒化珪
素膜を形成する。これらCVDの最中にSiH4 ,Si
Cl22 ,SiCl3 H,SiCl4と、NO,N2
Oとのガス流量比を変化させることにより、図2のよう
な窒素濃度分布が得られる。
Fifth Embodiment In this embodiment, when a silicon oxynitride film is formed as the bottom insulating film BTM, monosilane (SiH 4 ), dichlorosilane (SiCl 2 H 2 ), trichlorosilane (Si
Cl 3 H), tetrachlorosilane (SiCl 4 ), etc.
A silicon oxynitride film is formed on a Si active region by CVD using a gas containing i and a gas containing atoms containing an oxygen-nitrogen bond such as NO and N 2 O as raw materials. Alternatively, CVD is performed using the above-mentioned gas containing Si and a mixed gas of a gas containing oxygen and a gas containing nitrogen such as NO and N 2 or O 2 and N 2 as raw materials, so that oxynitride A silicon film is formed. During the CVD, SiH 4 , Si
Cl 2 H 2 , SiCl 3 H, SiCl 4 and NO, N 2
By changing the gas flow ratio with O, a nitrogen concentration distribution as shown in FIG. 2 is obtained.

【0066】変形例 本発明の実施形態は上記第1〜第5実施形態に限定され
ず、種々の変更が可能である。まず、本発明では、MO
NOS型における電荷蓄積層SINに代えて、酸化アル
ミニウムAlOx ,酸化タンタルTaOx など、電荷ト
ラップを含有する絶縁物質からなる膜とすることができ
る。
Modifications Embodiments of the present invention are not limited to the above-described first to fifth embodiments, and various modifications are possible. First, in the present invention, the MO
Instead of the charge storage layer SIN of the NOS type, a film made of an insulating material containing a charge trap such as aluminum oxide AlO x or tantalum oxide TaO x can be used.

【0067】AlOx 膜を、たとえば、AlCl3 ,C
2 およびH2 を含む原料ガスを用いたCVD法により
形成する。あるいは、アルミニウムアルコシド(Al
(C25 O)3,Al(C37 O)3 ,Al(C49
O)3 など)を熱分解により堆積する方法によって、
AlOx 膜を形成する。また、TaOx 膜を、たとえ
ば、TaCl5 ,CO2 およびH2 を原料ガスとしたC
VD法により形成する。あるいは、TaCl2 (OC2
52572 またはTa(OC255 など
の熱分解により堆積する方法によって、TaOx 膜を形
成する。
The AlO x film is made of, for example, AlCl 3 , C
It is formed by a CVD method using a source gas containing O 2 and H 2 . Alternatively, aluminum alksides (Al
(C 2 H 5 O) 3, Al (C 3 H 7 O) 3 , Al (C 4 H 9
O) 3 ) by pyrolysis
An AlO x film is formed. Further, the TaO x film is formed, for example, by using a C gas using TaCl 5 , CO 2 and H 2 as source gases.
It is formed by the VD method. Alternatively, TaCl 2 (OC 2
H 5) by a method of depositing by thermal decomposition, such as 2 C 5 H 7 O 2 or Ta (OC 2 H 5) 5 , to form a TaO x film.

【0068】また、電荷蓄積手段として、多結晶シリコ
ンまたは金属などからなる小粒径導電体から構成するこ
ともできる。この場合、電荷蓄積層としては、たとえば
ボトム絶縁膜BTM上に分散して形成された小粒径導電
体と、その小粒径導電体間のスペースを埋める絶縁膜と
からなる。なお、この場合、MONOS型などのように
トップ絶縁膜は不要となる。また、MONOS型のトッ
プ絶縁膜を省略して窒化膜を厚く堆積した、いわゆるM
NOS型に対しても本発明が適用できる。
Further, the charge storage means may be composed of a conductor having a small particle diameter made of polycrystalline silicon or metal. In this case, the charge storage layer is composed of, for example, a small-diameter conductor dispersed and formed on the bottom insulating film BTM, and an insulating film that fills a space between the small-diameter conductors. In this case, a top insulating film such as a MONOS type is not required. Further, a so-called M in which a MONOS type top insulating film is omitted and a nitride film is thickly deposited.
The present invention can be applied to the NOS type.

【0069】たとえば、小粒径導電体としてSix Ge
1-x の微結晶を形成する場合、モノシラン(SiH
4 ),ジクロロシラン(SiCl22 ),トリクロロ
シラン(SiCl3 H),テトラクロロシラン(SiC
4 )などSiを含むガスに、Geを添加するためには
ゲルマン(GeH4 )を加えたガスを原料ガスとして、
たとえば基板温度650°CでCVDを行う。そして、
成長の初期過程に生じる島状成長の過程でCVDを止め
と、ボトム絶縁膜BTM上に無数のSix Ge1-x微結
晶を分散して形成することができる。その後は、たとえ
ば酸化珪素膜をCVDにより堆積する。
For example, Si x Ge is used as a conductor having a small particle diameter.
When forming 1-x microcrystals, monosilane (SiH
4 ), dichlorosilane (SiCl 2 H 2 ), trichlorosilane (SiCl 3 H), tetrachlorosilane (SiC
To add Ge to a gas containing Si such as l 4 ), a gas obtained by adding germane (GeH 4 ) is used as a raw material gas.
For example, CVD is performed at a substrate temperature of 650 ° C. And
When CVD is stopped during the island-like growth process that occurs in the initial growth process, countless Si x Ge 1-x microcrystals can be dispersed and formed on the bottom insulating film BTM. Thereafter, for example, a silicon oxide film is deposited by CVD.

【0070】また、多結晶珪素を堆積して、この膜をE
B描画などの微細加工技術を用いて微細ポリシリコント
ッドを形成し、これを酸化珪素膜による埋め込んだもの
を、離散化された小粒径導電体を含む電荷蓄積層として
用いてもよい。
Also, polycrystalline silicon is deposited, and this film is
A fine polysilicon tod may be formed by using a fine processing technique such as B drawing, and this may be embedded with a silicon oxide film and used as a charge storage layer including a discretized small-diameter conductor.

【0071】以上述べてきた本発明の実施形態では、前
記したように、ボトム絶縁膜BTMが、たとえば図2に
示すような窒素濃度分布を有することから、ボトム絶縁
膜BTM内のリーク電流特性が大幅に改善され、これに
より電荷保持特性が向上した。
In the embodiment of the present invention described above, since the bottom insulating film BTM has a nitrogen concentration distribution as shown in FIG. 2, for example, the leakage current characteristic in the bottom insulating film BTM is low. Significantly improved, thereby improving charge retention characteristics.

【0072】また、図2のグラフのように、窒素濃度分
布中心がボトム絶縁膜BTMの膜厚中心よりチャネル形
成領域CHに偏在している。このため、ボトム絶縁膜B
TMは、電荷蓄積層側のエネルギー障壁を維持しながら
基板側のエネルギー障壁が低減される。窒素濃度が高ま
るとエネルギー障壁が低下するためである。したがっ
て、電荷保持特性を低下させずに電荷注入効率を高める
ことができる。また、ボトム絶縁膜を厚くしても必要な
電荷注入効率が確保できるため、その分、電荷保持特性
が向上した。
Further, as shown in the graph of FIG. 2, the center of the nitrogen concentration distribution is unevenly distributed in the channel forming region CH from the center of the thickness of the bottom insulating film BTM. Therefore, the bottom insulating film B
In TM, the energy barrier on the substrate side is reduced while maintaining the energy barrier on the charge storage layer side. This is because as the nitrogen concentration increases, the energy barrier decreases. Therefore, the charge injection efficiency can be increased without lowering the charge retention characteristics. In addition, the required charge injection efficiency can be ensured even if the bottom insulating film is made thicker, so that the charge retention characteristics are improved accordingly.

【0073】さらに、ボトム絶縁膜BTMの窒素濃度は
基板側で極めて低く、チャネル形成領域CHとの界面付
近からボトム絶縁膜内側に向かって窒素濃度が急激に増
加する。このような窒素濃度分布では、窒素原子が基板
との界面付近に余り存在しないため、基板界面準位、お
よび界面における窒素原子散乱の発生が低く押さえら
る。このことが、リーク低減のほかに、メモリ素子のト
ランスコンダクタンスの変動およびしきい値電圧の変動
が小さい要因となっている。また、その結果として、書
き込み消去を繰り返した後のしきい値電圧変動に関する
リテンション特性が向上した。
Further, the nitrogen concentration of the bottom insulating film BTM is extremely low on the substrate side, and the nitrogen concentration sharply increases from near the interface with the channel formation region CH toward the inside of the bottom insulating film. In such a nitrogen concentration distribution, since nitrogen atoms are scarcely present near the interface with the substrate, the occurrence of nitrogen atom scattering at the substrate interface level and at the interface is suppressed to a low level. This causes a small change in the transconductance of the memory element and a small change in the threshold voltage, in addition to the leakage reduction. As a result, the retention characteristic with respect to the threshold voltage variation after repeated writing and erasing was improved.

【0074】[0074]

【発明の効果】本発明では、このようなボトム絶縁膜の
窒素濃度分布の改善により、不揮発性メモリトランジス
タのボトム絶縁膜として好ましい方向に膜質が改善し、
その結果、データ保持特性および繰り返し書き換え後の
しきい値電圧変動(リテンション特性)が向上し、さら
に書き込みおよび消去効率が向上した。
According to the present invention, by improving the nitrogen concentration distribution of the bottom insulating film, the film quality can be improved in a direction preferable as the bottom insulating film of the nonvolatile memory transistor.
As a result, the data retention characteristics and the threshold voltage fluctuation (retention characteristics) after repeated rewriting were improved, and the writing and erasing efficiency was further improved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】第1実施形態に係るメモリトランジスタの断面
図である。
FIG. 1 is a sectional view of a memory transistor according to a first embodiment.

【図2】実施形態に係るメモリトランジスタにおいて、
ボトム絶縁膜を中心とした基板に垂直な方向の窒素濃度
分布を示すグラフである。
FIG. 2 shows a memory transistor according to an embodiment;
5 is a graph showing a nitrogen concentration distribution in a direction perpendicular to the substrate centering on a bottom insulating film.

【図3】第1実施形態に係るメモリトランジスタの製造
において、素子分離絶縁層の形成後の断面図である。
FIG. 3 is a cross-sectional view after the formation of an element isolation insulating layer in the manufacture of the memory transistor according to the first embodiment.

【図4】第1実施形態に係るメモリトランジスタの製造
において、ボトム絶縁膜の形成後の断面図である。
FIG. 4 is a cross-sectional view after a bottom insulating film is formed in the manufacture of the memory transistor according to the first embodiment.

【図5】第1実施形態に係るメモリトランジスタの製造
において、コントロールゲートとなる導電膜の形成後の
断面図である。
FIG. 5 is a cross-sectional view after formation of a conductive film serving as a control gate in the manufacture of the memory transistor according to the first embodiment.

【図6】第1実施形態に係るメモリトランジスタの製造
において、LDD領域の形成後の断面図である。
FIG. 6 is a cross-sectional view after the formation of the LDD region in the manufacture of the memory transistor according to the first embodiment.

【図7】本発明の前提となる実験から得られた、電流−
電圧特性のF−Nプロットを示すグラフである。
FIG. 7 is a graph showing current-current obtained from an experiment on which the present invention is based.
It is a graph which shows the FN plot of a voltage characteristic.

【図8】実施形態に係るメモリトランジスタのメモリセ
ルアレイ内での第1の接続関係を示す回路図である。
FIG. 8 is a circuit diagram showing a first connection relationship of a memory transistor in a memory cell array according to the embodiment.

【図9】実施形態に係るメモリトランジスタのメモリセ
ルアレイ内での第2の接続関係を示す回路図である。
FIG. 9 is a circuit diagram showing a second connection relationship in the memory cell array of the memory transistor according to the embodiment.

【図10】第2実施形態に係るメモリトランジスタの断
面図である。
FIG. 10 is a sectional view of a memory transistor according to a second embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

SUB…半導体基板,ウエルまたは半導体層、ISO…
素子分離絶縁層、S/D…ソース・ドレイン不純物領
域、CH…チャネル形成領域、BTM…ボトム絶縁膜、
FG…フローティングゲート(電荷蓄積層)、SIN…
電荷蓄積層、INTG…ゲート間絶縁膜、TOP…トッ
プ絶縁膜、CG…コントロールゲート、SW…サイドウ
ォール、S…ソース、D…ドレイン、G…ゲート、WL
…ワード線、BL…ビット線、SL…ソース線。
SUB: semiconductor substrate, well or semiconductor layer, ISO ...
Element isolation insulating layer, S / D: source / drain impurity region, CH: channel forming region, BTM: bottom insulating film,
FG: floating gate (charge storage layer), SIN:
Charge storage layer, INTG: inter-gate insulating film, TOP: top insulating film, CG: control gate, SW: sidewall, S: source, D: drain, G: gate, WL
... word line, BL ... bit line, SL ... source line.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤原 一郎 東京都品川区北品川6丁目7番35号 ソニ ー株式会社内 Fターム(参考) 5F001 AA04 AA11 AA12 AA13 AA43 AC01 AC03 AD70 AF25 AG23 5F083 EP02 EP07 EP17 EP18 EP44 EP45 EP63 EP76 EP77 EP78 EP79 ER03 ER04 ER22 GA06 GA21 HA02 JA04 JA05 JA35 JA36 JA37 JA38 JA39 JA40 NA01 PR15 PR21 PR22 PR36 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Ichiro Fujiwara F-term (reference) in Sony Corporation 6-7-35 Kita-Shinagawa, Shinagawa-ku, Tokyo 5F001 AA04 AA11 AA12 AA13 AA43 AC01 AC03 AD70 AF25 AG23 5F083 EP02 EP07 EP17 EP18 EP44 EP45 EP63 EP76 EP77 EP78 EP79 ER03 ER04 ER22 GA06 GA21 HA02 JA04 JA05 JA35 JA36 JA37 JA38 JA39 JA40 NA01 PR15 PR21 PR22 PR36

Claims (24)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】半導体基板または基板に支持された半導体
層と、当該半導体基板または半導体層の表面領域上に形
成され、基板側から電荷が注入される電荷蓄積層を内部
に含む絶縁膜と、当該絶縁膜上の制御電極とを有した不
揮発性半導体記憶装置であって、 上記基板側の半導体表面領域と上記電荷蓄積層との間
に、膜厚方向に窒素濃度が異なる領域を含むボトム絶縁
膜を有する不揮発性半導体記憶装置。
A semiconductor substrate or a semiconductor layer supported by the substrate; an insulating film formed on a surface region of the semiconductor substrate or the semiconductor layer and including a charge storage layer into which charges are injected from the substrate side; A non-volatile semiconductor storage device having a control electrode on the insulating film, wherein a bottom insulating film includes a region having a different nitrogen concentration in a film thickness direction between the semiconductor surface region on the substrate side and the charge storage layer. A nonvolatile semiconductor memory device having a film.
【請求項2】上記ボトム絶縁膜は、その膜厚方向の窒素
濃度分布が極大値を有する請求項1記載の不揮発性半導
体記憶装置。
2. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein said bottom insulating film has a maximum nitrogen concentration distribution in a thickness direction thereof.
【請求項3】上記ボトム絶縁膜は、その基板側下面から
電荷蓄積層に接する上面までに単一の極大値をもつ傾向
の窒素濃度分布を有する請求項2に記載の不揮発性半導
体記憶装置。
3. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 2, wherein said bottom insulating film has a nitrogen concentration distribution that tends to have a single maximum value from a lower surface on the substrate side to an upper surface in contact with the charge storage layer.
【請求項4】上記窒素濃度分布の単一の極大値のピーク
が上記ボトム絶縁膜の膜厚中心より基板側に偏在する請
求項3に記載の不揮発性半導体記憶装置。
4. The non-volatile semiconductor memory device according to claim 3, wherein a peak of a single maximum value of the nitrogen concentration distribution is unevenly distributed on the substrate side from the center of the thickness of the bottom insulating film.
【請求項5】上記ボトム絶縁膜は、その膜厚方向の窒素
濃度分布中心が基板側に偏在する請求項1記載の不揮発
性半導体記憶装置。
5. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein said bottom insulating film has a nitrogen concentration distribution center in a film thickness direction unevenly distributed on a substrate side.
【請求項6】上記ボトム絶縁膜は、上記基板側の半導体
表面領域との界面付近からボトム絶縁膜内側に向かって
窒素濃度が増加する窒素濃度分布を有する請求項1記載
の不揮発性半導体記憶装置。
6. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein said bottom insulating film has a nitrogen concentration distribution in which the nitrogen concentration increases from near an interface with the semiconductor surface region on the substrate side toward the inside of the bottom insulating film. .
【請求項7】上記ボトム絶縁膜は、窒化珪素SiNx (x
>0),酸化窒化珪素SiOxy(x,y>0)の何れかを主
構成物質とする請求項1記載の不揮発性半導体記憶装
置。
7. The method according to claim 1, wherein the bottom insulating film is formed of silicon nitride SiN x (x
> 0), silicon oxynitride SiO x N y (x, y > 0) a non-volatile semiconductor memory device according to claim 1 wherein the main constituent of either.
【請求項8】上記電荷蓄積層を中心とした絶縁膜内領域
に、上記半導体領域の表面に対向した面内および膜厚方
向に離散化された記憶電荷の蓄積手段として、電荷トラ
ップが分布している請求項1記載の不揮発性半導体記憶
装置。
8. A charge trap is distributed in a region inside the insulating film centered on the charge storage layer as storage means for storing storage charges discrete in a plane facing the surface of the semiconductor region and in a film thickness direction. 2. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein:
【請求項9】上記電荷蓄積層は、Frenkel-Pool伝導特性
を示す絶縁膜を含む請求項8記載の不揮発性半導体記憶
装置。
9. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 8, wherein said charge storage layer includes an insulating film exhibiting Frenkel-Pool conduction characteristics.
【請求項10】上記電荷蓄積層は、窒化珪素SiNx (x
>0),酸化窒化珪素SiOxy (x,y>0),酸化アルミ
ニウムAlOx (x>0),酸化タンタルTaOx (x>0)の
何れかからなる膜を含む請求項9記載の不揮発性半導体
記憶装置。
10. The semiconductor device according to claim 1, wherein the charge storage layer is formed of silicon nitride SiN x (x
> 0), silicon oxynitride SiO x N y (x, y > 0), aluminum oxide AlO x (x> 0), according to claim 9, further comprising a film made of any of tantalum oxide TaO x (x> 0) Nonvolatile semiconductor memory device.
【請求項11】上記電荷蓄積層が窒化珪素SiNx (x>
0)からなり、その上記制御電極側の上方領域に、上記基
板側の下方領域より高い密度の珪素−水素結合基を含有
する請求項10記載の不揮発性半導体記憶装置。
11. The semiconductor device according to claim 11, wherein said charge storage layer is formed of silicon nitride SiN x (x>
11. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 10, wherein the upper region on the control electrode side contains a silicon-hydrogen bonding group having a higher density than the lower region on the substrate side.
【請求項12】上記半導体領域と上記制御電極との間の
絶縁膜が、上記ボトム絶縁膜、上記電荷蓄積層、電荷蓄
積層上のトップ絶縁膜からなる請求項8記載の不揮発性
半導体記憶装置。
12. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 8, wherein the insulating film between the semiconductor region and the control electrode comprises the bottom insulating film, the charge storage layer, and a top insulating film on the charge storage layer. .
【請求項13】上記電荷蓄積層は、上記ボトム絶縁膜上
で平面的に離散化して配置され、動作時に電荷が注入さ
れる小粒径導電体と、 当該小粒径導電体間に埋められた絶縁物質とからなる請
求項1記載の不揮発性半導体記憶装置。
13. The small-diameter conductor into which electric charges are injected during operation, and the charge storage layer is buried between the small-diameter conductors. 2. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein said nonvolatile semiconductor memory device is made of an insulating material.
【請求項14】上記小粒径導電体は多結晶珪素の微粒子
からなる請求項13に記載の不揮発性半導体記憶装置。
14. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 13, wherein said small-diameter conductor is made of fine particles of polycrystalline silicon.
【請求項15】上記電荷蓄積層は多結晶珪素からなる単
一の導電層である請求項1記載の不揮発性半導体記憶装
置。
15. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein said charge storage layer is a single conductive layer made of polycrystalline silicon.
【請求項16】半導体基板または基板に支持された半導
体層上に、基板側から電荷が注入される電荷蓄積層を内
部に含む絶縁膜と、当該絶縁膜上の制御電極とを積層す
る不揮発性半導体記憶装置の製造方法であって、 上記半導体基板または半導体層に上記絶縁膜を形成する
際に、最初のボトム絶縁膜を、窒素原子を含むプラズマ
に上記半導体基板または半導体層の表面を曝し、当該半
導体表面を直接、窒化する処理により形成する不揮発性
半導体記憶装置の製造方法。
16. A non-volatile semiconductor device comprising: a semiconductor substrate or a semiconductor layer supported by the substrate; and an insulating film including a charge storage layer into which charges are injected from the substrate side, and a control electrode on the insulating film. A method for manufacturing a semiconductor storage device, comprising: exposing a surface of the semiconductor substrate or the semiconductor layer to a plasma containing nitrogen atoms, when the insulating film is formed on the semiconductor substrate or the semiconductor layer, A method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device in which the semiconductor surface is directly formed by nitriding.
【請求項17】上記ボトム絶縁膜として窒化珪素膜を形
成するに際し、窒素N2 またはアンモニアNH3 の原料
ガスを導入しながら上記プラズマに上記半導体基板また
は半導体層を曝す請求項16記載の不揮発性半導体記憶
装置の製造方法。
17. The non-volatile semiconductor device according to claim 16, wherein said semiconductor substrate or semiconductor layer is exposed to said plasma while introducing a source gas of nitrogen N 2 or ammonia NH 3 when forming a silicon nitride film as said bottom insulating film. A method for manufacturing a semiconductor storage device.
【請求項18】上記ボトム絶縁膜として酸化窒化珪素膜
を形成するに際し、窒素N2 またはアンモニアNH3
と、酸化窒素NOまたはN2 Oとの混合ガスを原料ガス
として導入しながら上記プラズマに上記半導体基板また
は半導体層を曝す請求項16記載の不揮発性半導体記憶
装置の製造方法。
18. When forming the silicon oxynitride film as the bottom insulating film, nitrogen N 2 or ammonia NH 3
17. The method of manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to claim 16, wherein the semiconductor substrate or the semiconductor layer is exposed to the plasma while introducing a mixed gas of nitrogen and nitrogen oxide NO or N 2 O as a source gas.
【請求項19】5MHzから5GHzまでの周波数範囲
内の交流電磁場中で上記プラズマを生成し、当該交流電
磁場中のプラズマに上記半導体基板または半導体層を曝
す請求項16記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方
法。
19. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 16, wherein said plasma is generated in an AC electromagnetic field within a frequency range of 5 MHz to 5 GHz, and said semiconductor substrate or semiconductor layer is exposed to said plasma in said AC electromagnetic field. Production method.
【請求項20】プラズマを生成し、生成したプラズマを
空間的に離れた場所に誘導し、当該誘導により荷電イオ
ンの数が減少したプラズマに上記半導体基板または半導
体層を曝す請求項16記載の不揮発性半導体記憶装置の
製造方法。
20. The non-volatile memory according to claim 16, wherein a plasma is generated, the generated plasma is guided to a spatially separated place, and the semiconductor substrate or the semiconductor layer is exposed to the plasma in which the number of charged ions is reduced by the induction. Of manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device.
【請求項21】上記プラズマを生成した後にグリッド電
極を透過させ、当該グリッド電極の透過により荷電イオ
ンの数が減少したプラズマに上記半導体基板または半導
体層を曝す請求項16記載の不揮発性半導体記憶装置の
製造方法。
21. The non-volatile semiconductor memory device according to claim 16, wherein the plasma is transmitted through a grid electrode after the generation of the plasma, and the semiconductor substrate or the semiconductor layer is exposed to plasma in which the number of charged ions is reduced by the transmission through the grid electrode. Manufacturing method.
【請求項22】形成したボトム絶縁膜上に、上記電荷蓄
積層として窒化珪素膜を形成する場合、珪素−水素結合
基を相対的に少なくする条件で窒化珪素膜を形成し始
め、その後、形成途中で珪素−水素結合基を相対的に多
くする条件に切り換える請求項16記載の不揮発性半導
体記憶装置の製造方法。
22. When forming a silicon nitride film as the charge storage layer on the formed bottom insulating film, start forming the silicon nitride film under the condition of relatively reducing the number of silicon-hydrogen bonding groups. 17. The method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to claim 16, wherein the condition is switched to a condition in which the number of silicon-hydrogen bonding groups is relatively increased in the middle.
【請求項23】上記成膜条件の切り換えでは、複数の原
料ガスの混合比を変える請求項22記載の不揮発性半導
体記憶装置の製造方法。
23. The method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to claim 22, wherein the switching of the film forming conditions changes a mixing ratio of a plurality of source gases.
【請求項24】上記成膜条件の切り換えでは、混合する
原料ガスの種類を変える請求項22記載の不揮発性半導
体記憶装置の製造方法。
24. The method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to claim 22, wherein the switching of the film forming conditions changes the kind of the source gas to be mixed.
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