JP2004079654A - Nonvolatile semiconductor storage device - Google Patents

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JP2004079654A
JP2004079654A JP2002235460A JP2002235460A JP2004079654A JP 2004079654 A JP2004079654 A JP 2004079654A JP 2002235460 A JP2002235460 A JP 2002235460A JP 2002235460 A JP2002235460 A JP 2002235460A JP 2004079654 A JP2004079654 A JP 2004079654A
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JP
Japan
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semiconductor substrate
region
dielectric constant
drain
electric field
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Pending
Application number
JP2002235460A
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Japanese (ja)
Inventor
Takamitsu Ishihara
石原 貴光
Kazuya Matsuzawa
松澤 一也
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nonvolatile semiconductor storage device wherein writing speed can be increased even if power source voltage is low. <P>SOLUTION: The nonvolatile semiconductor storage device is provided with: a semiconductor substrate 1 of a first conduction type; a source region 7 and a drain region 8 which are constituted of impurity diffusion layers of a second conduction type which are formed facing a surface of the semiconductor substrate 1; a floating gate 3 which is formed between the source region 7 and the drain region 8 on the semiconductor substrate 1 via an insulating film 2; and a control gate 5 formed on the floating gate 3. A low relative permittivity region 9 having relative permittivity lower than that of the semiconductor substrate 1 is formed in the semiconductor substrate 1 below the drain region 8. A first interface A is positioned in the vicinity of a drain end portion 100, and a second interface B is isolated at least 0.01μm from the surface of the semiconductor substrate 1. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、不揮発性半導体記憶装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、デジタルカメラや携帯電話の需要は急激に拡大し、これらの携帯機器の記憶媒体に用いるフラッシュメモリに代表する不揮発性半導体記憶装置の需要も急速に拡大しつつある。
【0003】
また、デジタルカメラや携帯電話は、小型化、軽量化、高機能化の要求がますます厳しくなってきており、それに伴い不揮発性半導体記憶装置においても微細化、高集積化、低電源電圧化、信頼性の向上がますます要求されるようになってきている。
【0004】
前述した不揮発性半導体記憶装置の要求される性能のなかでも低電源電圧化は、消費電力を減少させ、信頼性を向上させるためにも不可欠なものである。しかしながら従来の不揮発性半導体装置の構造で、そのまま電源電圧を低くすると書き込み速度が減少してしまうため高速化の要求が満たされない。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように従来の不揮発性半導体記憶装置は、低電源電圧化と書き込み速度の向上という二つの要求を同時に満たすことができなかった。
【0006】
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、低い電源電圧においても書き込み速度を向上させることのできる不揮発性半導体記憶装置を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、第1導電型の半導体基板と、
互いに離され且つ対向して前記半導体基板表面に形成されたソース領域及びドレイン領域と、
前記半導体基板上の前記ソース領域及び前記ドレイン領域間に絶縁膜を介して形成されたフローティングゲートと、
前記フローティングゲート上に形成されたコントロールゲートと、
前記ドレイン領域下の前記半導体基板中に形成された前記半導体基板よりも低い比誘電率を有する低比誘電率領域とを具備し、
前記低比誘電率領域は前記半導体基板表面から少なくとも0.01μm以上離れており、その前記ソース領域に近い端部は前記ドレイン領域側に存在することを特徴とする不揮発性半導体記憶装置を提供する。
【0008】
このとき前記低比誘電率領域は、前記半導体基板中に形成された空隙であることが好ましい。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の不揮発性半導体装置について図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、種々選択して用いることができる。
【0010】
(実施形態1)
図1は、本発明の実施形態1に関わる不揮発性半導体記憶装置の素子構造を示す断面図である。図1ではセル部分の構成を示すが、このセル構造はNAND型、NOR型、OR型、AND型の各種メモリセルユニットに適用できる。
【0011】
図1に示すように、この不揮発性半導体装置は、第1導電型の半導体基板1と、互いに離され且つ対向して半導体基板1の表面に形成された第2導電型の不純物拡散層からなるソース領域7及びドレイン領域8を具備している。
【0012】
半導体基板1上のソース領域7及びドレイン領域8間には、ゲート絶縁膜2を介してフローティングゲート3が形成されている。フローティングゲート3上には、絶縁膜4を介してコントロールゲート5が形成されている。
【0013】
フローティングゲート3及びコントロールゲート5の表面には絶縁膜10が皮膜されており、側壁には、側壁絶縁膜11及び12が形成されている。
【0014】
半導体基板1は、例えばp型シリコンで形成され、ソース領域7及びドレイン領域8はn型シリコンで形成されている。フローティングゲート3及びコントロールゲート5はポリシリコンで形成されている。絶縁膜2、4、10及び11は例えば酸化シリコンで形成されている。
【0015】
ドレイン領域8下の半導体基板1中には、半導体基板1よりも低い比誘電率を有する低比誘電率領域9が配置されている。
【0016】
この低比誘電率領域9と半導体基板1との界面のうち、ソース領域7と対向する第1の界面Aはドレイン領域8のソース領域7と対向する端部100(以下ドレイン端と記す)の近傍に位置するように形成されている。
【0017】
また、低比誘電率領域9と半導体基板1との界面のうち、半導体基板1表面に対向する第2の界面Bは、半導体基板1表面から少なくとも0.01μm以上離れている。
【0018】
このようにドレイン端100の近傍に、チャネル領域に接した第1の界面Aを持つように、半導体基板1よりも低比誘電率領域9が形成されているので、この領域9上の半導体層内での電界集中が大きくなる。すなわち電界集中が大きくなる領域に、ドレイン端100が位置するので、ここで発生するホットエレクトロンの量が増大するため動作速度を向上させることができる。
【0019】
ここで低比誘電率領域9は、半導体基板1中に形成された空隙を用いることができる。空隙は比誘電率がほぼ1である。したがって半導体基板1(例えばシリコン)の比誘電率よりも十分に小さいので効果的に電界集中を生じさせる。また、空隙を比誘電率の低い絶縁物で埋め込んでもよい。
【0020】
上述したドレイン端100における電界集中の大きさは、低比誘電率領域9の第1の界面A及び第2の界面Bの位置により変化する。この様子を以下に説明する。
【0021】
先ず、ドレイン端100における電界集中のtz依存性について説明する。ここでtzは半導体基板1の表面と第2の界面Bとの距離である。
【0022】
図2は、tz=10nm、tz=30nm及び低比誘電率領域9が存在しない場合のドレイン端100の横方向電界分布を示した図である。ドレイン端100は、半導体基板1の表面から1nmの深さである。図2の表の縦軸は電界(V/cm)を示し、横軸はソース領域7のドレイン領域8に対抗する端部(以下ソース端101と記す)とドレイン端100との中間点を0.00としている。
【0023】
図2から分かるように、低比誘電率領域9が存在しない場合に比べて、tz=30nm、tz=10nmと低費誘電領域9における第2の界面Bの位置が浅くなるほどドレイン端100での横方向電界は増大している。
【0024】
図3は、ドレイン端100近傍での電界ポテンシャルの分布を等高線で示したものであり、(a)は低比誘電率領域9がない場合、(b)はtzが30nmの場合、(c)はtzが10nmの場合を示している。
【0025】
図3に示すように、低比誘電率領域9上の電界ポテンシャルの等高線は、tzを減少させる、すなわち低比誘電率領域9の第2の界面Bを半導体基板1の表面に近づけるにつれ密になっていることが分かる。
【0026】
tzは、小さくすればするほど、すなわち、低比誘電率領域9における第2の界面Bを半導体基板1表面に近づければ近づけるほど、電界集中は大きくなる。
【0027】
図4は、低比誘電率領域9における第1の界面Aとゲート端との距離txを0.03μmにしたときの、tzとドレイン端100の横方向電界の最大値(V/cm)の関係を示した図である。
【0028】
図4に示すように、第2の界面Bと半導体基板1表面間の距離tzが小さいほど電界集中は大きくなっていることが分かる。しかし、当然のことながら、低誘電率領域9を半導体基板1表面に接触させすぎてしまうと、ドレイン端100におけるドレイン領域8の厚さが薄くなってしまうことから電流がブロックされて抵抗が高くなってしまう。従って、tzはドレイン電流を減少させない程度の大きさにする必要がある。
【0029】
そのためには、低比誘電率絶縁領域9上のドレイン領域8中の電子濃度があまり減らないように、tzを設定する必要がある。これは、例えば、以下に説明するように設定すればよい。
【0030】
図5は、横軸にtz、縦軸に電子濃度を示すグラフである。
【0031】
図5に示すように、深さ方向の電子濃度分布n(tz)は、Zmaxで最大値を示す。そして、
n(tz)/n(Zmax)=α・・・(1)
とおく。tzがZmaxよりも深い位置で、このαが十分小さくなるように、tzを設定すればよい。すなわちn(z)は、例えば、次のように与えられる。
【0032】
n(z)=(b/2)Z−bz・・・(2)
(2)式から、Zmax=2/bと与えられる。また、反転層幅は、<z>=2/bと与えられる。通常、<z>=2nm程度である。この場合、例えば、tz=10nmとすると、(1)式からα=(15/2)−13となり、αは十分小さい。また、αの値をあらかじめ設定しておいて、(1)式からtzを求めてもよい。
【0033】
上述の考察からわかるように、通常、tz=0.01μm程度であれば十分であるが、0.01μmよりも浅い位置に低比誘電領域9の第2の界面Bが存在すると電子濃度が不十分となる。したがって本発明では第2の界面Bは半導体基板1表面から0.01μm以上離れていることを規定している。
【0034】
次に、電界集中のtx依存性について説明する。
【0035】
図6は、低比誘電率領域9における第2の界面Bと半導体基板1の表面との距離tzを0.01μmにしたときの、低比誘電率領域9の第1の界面Aとゲート側壁との距離txとドレイン端100の横方向電界の最大値(V/cm)の関係を示した図である。
【0036】
図6に示すように、電界集中の大きさには、tx依存性が観察される。
【0037】
図7は、ドレイン端100近傍での電界ポテンシャルの分布を等高線で示したものであり、(a)は低比誘電率領域9がない場合、(b)はtxが0.1μmの場合、(c)はtxが34nmの場合を示している。
【0038】
図7に示すように、低比誘電率領域9上に位置するドレイン端100における電界ポテンシャルの等高線は、txをドレイン端100(tx=0.034μm)に近づけるにつれ、密になっていることが分かる。
【0039】
このような理由で、横方向電界は図6に示すような依存性を示しているわけである。
【0040】
図8は、横方向電界の最大値を、txの関数として示している。低誘電率領域がない場合の横方向電界が最大になる位置、すなわち、ドレイン端100にtxを設定すると、横方向電界が最大になる。従って、低比誘電率領域9の第1の界面Aは、なるべくドレイン端100に接した位置に設定することが望ましい。
【0041】
実際のデバイス設計においては、tx、tzは次のようなプロセスで設定される。
【0042】
先ず、デバイス性能に対する要求から、指定されたコントロールゲート電圧・ドレイン電圧のもとでのホットキャリアの書き込み・消去後のしきい値変動に対するスペックが決まる。
【0043】
次に、要求されるしきい値変動をもたらすようなゲート電流の大きさが決まる。ゲート電流が要求された水準になるように、横方向電界の最大値が設定され、この横方向電界の最大値をもたらすように、tx、tzが、図4、図8を用いて決められる。
【0044】
ここで、本実施例と別のデバイスに対して図4、図8に対応する図面を作成した場合、横方向電界の最大値の値そのもの及びそのtx依存性、tz依存性は、図4、図8に示したものとは一般に異なることに注意する必要がある。図4、図8は、各デバイス構造毎に作成される必要がある。
【0045】
次に、図9を用いて本発明の不揮発性半導体記憶装置の製造方法を説明する。
【0046】
ここでは低比誘電率領域9として、空気が充填された空隙を形成した。
【0047】
先ず、図9(a)に示すように、トレンチ200をp型シリコン基板1の表面に形成する。トレンチ200はシリコン基板1上にマスクを形成し異方性エッチングを用いて形成すればよい。
【0048】
次に、図9(b)に示すように、この基板1を水素雰囲気中で熱処理を行う。こうすることによりトレンチ表面が平滑化され、シリコン基板1の内部に空気が充填された空隙9が形成される。これが半導体基板1よりも比誘電率が低い低比誘電率領域となる。
【0049】
次に、図9(c)に示すように、p型シリコン基板1上に絶縁膜2を形成し、第1の絶縁膜2を介してフローティングゲート3を形成し、更に、フローティングゲート3上に第2の絶縁膜4を形成し、第2の絶縁膜4上にコントロールゲート5をそれぞれ積層に形成する。フローティングゲート3及びコントロールゲート5はポリシリコン、金属等で形成すればよい。絶縁膜2、4は酸化シリコンで形成すればよい。それぞれの層を連続的に堆積した後マスク工程によりゲート部を成形することでできる。
【0050】
次に、図9(d)に示すように、フローティングゲート3及びコントロールゲート5からなる領域を、絶縁膜10で被覆する。絶縁膜10としては酸化シリコンを用いることができる。また、CVD法を用いて皮膜できる。
【0051】
次に、図9(e)に示すように、絶縁膜10を介してイオン注入によりn型ソース領域7及びn型ドレイン領域8を形成する。
【0052】
次に、図9(f)に示すように、側壁窒化膜111、12を形成する。
【0053】
なお、ソース領域7及びドレイン領域8を形成するためのイオン注入は、側壁窒化膜11、12を形成した後に行ってもよい。
【0054】
次に、図10を用いて、本発明の不揮発性半導体記憶装置の別の製造方法を説明する。この製造方法では、低比誘電率領域9がシリコンよりも誘電率が小さい絶縁膜からなる。
【0055】
先ず、図10(a)に示すように、トレンチ200をp型シリコン基板1表面に形成する。トレンチ200はシリコン基板1上にマスクを形成し異方性エッチングを用いて形成すればよい。
【0056】
次に、図10(b)に示すように、トレンチ200が形成されたシリコン基板1表面を酸化する。
【0057】
次に、図10(c)に示すように、シリコン基板1上にレジストを堆積しパターにングすることによって、トレンチ200上にマスク14を形成する。このマスク14によりエッチングを行うことで、トレンチ200以外の領域に形成された絶縁膜のみ除去する。
【0058】
次に、図10(d)に示すように、レジスト16を堆積しパターにングする。
【0059】
次に、図10(e)に示すように、レジスト16をマスクとしてエッチングを行うことにより絶縁膜17をパターにングする。ここで、レジスト16の位置を調節することで、絶縁膜17の幅を調節することができる。
【0060】
次に、図10(f)に示すように、絶縁膜17をエッチングバックすることにより、低比誘電率領域9を形成する。ここで、絶縁膜17のエッチング量を調節することで、低比誘電率領域9の深さ方向の位置を調節することができる。
【0061】
次に、図10(g)に示すように、不純物がドープされていないシリコン層を堆積し、CMPにより表面を平坦化することにより、シリコン基板1中にこれより比誘電率が低い材料からなる低比誘電率領域9が形成される。この構造を形成する別の方法として、トレンチ内のシリコン領域を種にしてエピタキシャル成長させてもよい。
【0062】
このごの工程は、先の製造方法で説明した工程を経ることで本発明の不揮発性半導体記憶装置が完成する。
【0063】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ドレイン端付近の電界集中を増大させることができるので、ホットキャリアによるゲート電流が増大し書き込み効率が向上された不揮発性半導体装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態1に関わる不揮発性半導体記憶装置を示す素子構造断面図。
【図2】本発明の実施形態におけるチャネル横方向電界の分布を示す図。
【図3】本発明の実施形態におけるポテンシャル分布を示す図。
【図4】本発明の実施形態におけるチャネル横方向電界の最大値の深さ方向の位置に関する依存性を示す図。
【図5】本発明の実施形態におけるチャネル中反転層電子の深さ方向の分布を示す図。
【図6】本発明の実施形態におけるチャネル横方向電界の分布を示す図。
【図7】本発明の実施形態におけるポテンシャル分布を示す図。
【図8】本発明の実施形態におけるチャネル横方向電界の最大値の横方向の位置に関する依存性を示す図。
【図9】本発明の実施形態の製造方法を示す図。
【図10】本発明の実施形態の別の製造方法を示す図。
【符号の説明】
1・・・半導体基板
2・・・絶縁膜
3・・・フローティングゲート
4・・・絶縁膜
5・・・コントロールゲート
7・・・ソース領域
8・・・ドレイン領域
9・・・低比誘電率領域
10・・・絶縁膜
11・・・側壁絶縁膜
12・・・側壁絶縁膜
100・・・ドレイン端
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory device.
[0002]
[Prior art]
In recent years, demand for digital cameras and mobile phones has rapidly increased, and demand for nonvolatile semiconductor storage devices typified by flash memories used as storage media for these mobile devices is also rapidly expanding.
[0003]
In digital cameras and mobile phones, demands for miniaturization, weight reduction, and high functionality are becoming more and more strict, and accordingly, in nonvolatile semiconductor memory devices, miniaturization, high integration, low power supply voltage, There is an increasing demand for improved reliability.
[0004]
Among the required performances of the above-described nonvolatile semiconductor memory device, lowering the power supply voltage is indispensable for reducing power consumption and improving reliability. However, in the structure of the conventional nonvolatile semiconductor device, if the power supply voltage is lowered as it is, the writing speed is reduced, and the demand for high speed is not satisfied.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the conventional nonvolatile semiconductor memory device cannot simultaneously satisfy the two requirements of lowering the power supply voltage and improving the writing speed.
[0006]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above circumstances, and has as its object to provide a nonvolatile semiconductor memory device capable of improving a writing speed even at a low power supply voltage.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides a semiconductor substrate of a first conductivity type,
A source region and a drain region formed on the surface of the semiconductor substrate facing each other and facing each other;
A floating gate formed on the semiconductor substrate between the source region and the drain region via an insulating film;
A control gate formed on the floating gate,
A low relative dielectric constant region having a lower relative dielectric constant than the semiconductor substrate formed in the semiconductor substrate below the drain region,
The low relative dielectric constant region is at least 0.01 μm or more away from the surface of the semiconductor substrate, and an end near the source region exists on the drain region side. .
[0008]
At this time, it is preferable that the low dielectric constant region is a void formed in the semiconductor substrate.
[0009]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a nonvolatile semiconductor device of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the following embodiments, and various selections can be made.
[0010]
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a sectional view showing an element structure of a nonvolatile semiconductor memory device according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 1 shows the configuration of a cell portion, but this cell structure can be applied to various types of memory cell units of NAND type, NOR type, OR type, and AND type.
[0011]
As shown in FIG. 1, the nonvolatile semiconductor device includes a semiconductor substrate 1 of a first conductivity type and an impurity diffusion layer of a second conductivity type formed on the surface of the semiconductor substrate 1 so as to be separated from and opposed to each other. A source region 7 and a drain region 8 are provided.
[0012]
The floating gate 3 is formed between the source region 7 and the drain region 8 on the semiconductor substrate 1 via the gate insulating film 2. On the floating gate 3, a control gate 5 is formed via an insulating film 4.
[0013]
An insulating film 10 is formed on the surfaces of the floating gate 3 and the control gate 5, and side wall insulating films 11 and 12 are formed on the side walls.
[0014]
The semiconductor substrate 1 is formed of, for example, p-type silicon, and the source region 7 and the drain region 8 are formed of n-type silicon. The floating gate 3 and the control gate 5 are formed of polysilicon. The insulating films 2, 4, 10, and 11 are formed of, for example, silicon oxide.
[0015]
In the semiconductor substrate 1 below the drain region 8, a low dielectric constant region 9 having a lower dielectric constant than the semiconductor substrate 1 is arranged.
[0016]
Of the interface between the low dielectric constant region 9 and the semiconductor substrate 1, the first interface A facing the source region 7 is located at the end 100 of the drain region 8 facing the source region 7 (hereinafter referred to as the drain end). It is formed so as to be located in the vicinity.
[0017]
Further, of the interfaces between the low relative dielectric constant region 9 and the semiconductor substrate 1, the second interface B facing the surface of the semiconductor substrate 1 is at least 0.01 μm or more away from the surface of the semiconductor substrate 1.
[0018]
As described above, the region 9 having a lower relative dielectric constant than the semiconductor substrate 1 is formed near the drain end 100 so as to have the first interface A in contact with the channel region. The electric field concentration inside becomes large. That is, since the drain end 100 is located in a region where the electric field concentration is large, the amount of hot electrons generated here increases, so that the operation speed can be improved.
[0019]
Here, as the low relative dielectric constant region 9, a void formed in the semiconductor substrate 1 can be used. The void has a relative dielectric constant of approximately 1. Therefore, since the dielectric constant is sufficiently smaller than the relative dielectric constant of the semiconductor substrate 1 (for example, silicon), electric field concentration is effectively generated. Alternatively, the void may be filled with an insulator having a low relative dielectric constant.
[0020]
The magnitude of the electric field concentration at the drain end 100 described above varies depending on the positions of the first interface A and the second interface B in the low relative dielectric constant region 9. This will be described below.
[0021]
First, the tz dependence of the electric field concentration at the drain end 100 will be described. Here, tz is the distance between the surface of the semiconductor substrate 1 and the second interface B.
[0022]
FIG. 2 is a diagram showing a lateral electric field distribution at the drain end 100 when tz = 10 nm, tz = 30 nm, and the low relative dielectric constant region 9 does not exist. The drain end 100 has a depth of 1 nm from the surface of the semiconductor substrate 1. The vertical axis of the table in FIG. 2 indicates the electric field (V / cm), and the horizontal axis indicates the midpoint between the end of the source region 7 facing the drain region 8 (hereinafter, referred to as a source end 101) and the drain end 100. .00.
[0023]
As can be seen from FIG. 2, as the position of the second interface B in the low-cost dielectric region 9 becomes shallower, that is, tz = 30 nm and tz = 10 nm, as compared with the case where the low relative dielectric constant region 9 does not exist, The transverse electric field is increasing.
[0024]
3A and 3B show the distribution of the electric field potential near the drain end 100 by contour lines. FIG. 3A shows the case where there is no low relative permittivity region 9, FIG. 3B shows the case where tz is 30 nm, and FIG. Indicates the case where tz is 10 nm.
[0025]
As shown in FIG. 3, the contour lines of the electric field potential on the low relative dielectric constant region 9 decrease tz, that is, as the second interface B of the low relative dielectric constant region 9 approaches the surface of the semiconductor substrate 1, the density increases. You can see that it is.
[0026]
The electric field concentration increases as tz decreases, that is, as the second interface B in the low relative dielectric constant region 9 approaches the surface of the semiconductor substrate 1.
[0027]
FIG. 4 shows the relationship between tz and the maximum value (V / cm) of the lateral electric field at the drain end 100 when the distance tx between the first interface A and the gate end in the low dielectric constant region 9 is 0.03 μm. It is a figure showing a relation.
[0028]
As shown in FIG. 4, it can be seen that the electric field concentration increases as the distance tz between the second interface B and the surface of the semiconductor substrate 1 decreases. However, naturally, if the low dielectric constant region 9 is brought into excessive contact with the surface of the semiconductor substrate 1, the current is blocked because the thickness of the drain region 8 at the drain end 100 becomes thin, and the resistance is increased. turn into. Therefore, it is necessary to make tz large enough not to reduce the drain current.
[0029]
For that purpose, it is necessary to set tz so that the electron concentration in the drain region 8 on the low dielectric constant insulating region 9 does not decrease so much. This may be set, for example, as described below.
[0030]
FIG. 5 is a graph showing tz on the horizontal axis and electron concentration on the vertical axis.
[0031]
As shown in FIG. 5, the electron density distribution in the depth direction n (tz) shows a maximum at Z max. And
n (tz) / n (Z max ) = α (1)
far. tz is at a position deeper than Z max, so that this α is sufficiently small, may be set tz. That is, n (z) is given, for example, as follows.
[0032]
n (z) = (b 3 /2) Z 2 e -bz ··· (2)
From the equation (2), it is given that Z max = 2 / b. The width of the inversion layer is given as <z> = 2 / b. Usually, <z> = about 2 nm. In this case, for example, if tz = 10 nm, α = (15/2) 2 e −13 from the equation (1), and α is sufficiently small. Alternatively, the value of α may be set in advance, and tz may be obtained from equation (1).
[0033]
As can be seen from the above discussion, it is usually sufficient if tz = about 0.01 μm. However, if the second interface B of the low dielectric constant region 9 is present at a position shallower than 0.01 μm, the electron concentration becomes inadequate. Will be enough. Therefore, the present invention specifies that the second interface B is separated from the surface of the semiconductor substrate 1 by 0.01 μm or more.
[0034]
Next, the tx dependency of the electric field concentration will be described.
[0035]
FIG. 6 shows the first interface A of the low relative dielectric constant region 9 and the gate side wall when the distance tz between the second interface B in the low relative dielectric constant region 9 and the surface of the semiconductor substrate 1 is 0.01 μm. FIG. 5 is a diagram showing a relationship between a distance tx between the first and second electrodes and a maximum value (V / cm) of a lateral electric field at a drain end 100.
[0036]
As shown in FIG. 6, tx dependence is observed in the magnitude of the electric field concentration.
[0037]
7A and 7B show the distribution of the electric field potential near the drain end 100 by contour lines. FIG. 7A shows the case where the low relative dielectric constant region 9 is not provided, FIG. 7B shows the case where tx is 0.1 μm, and FIG. c) shows the case where tx is 34 nm.
[0038]
As shown in FIG. 7, the contour lines of the electric field potential at the drain end 100 located on the low dielectric constant region 9 may become dense as tx approaches the drain end 100 (tx = 0.034 μm). I understand.
[0039]
For this reason, the lateral electric field shows the dependence as shown in FIG.
[0040]
FIG. 8 shows the maximum value of the lateral electric field as a function of tx. When tx is set at the position where the horizontal electric field becomes maximum when there is no low dielectric constant region, that is, when the drain end 100 is set to tx, the horizontal electric field becomes maximum. Therefore, it is desirable to set the first interface A of the low relative dielectric constant region 9 as close to the drain end 100 as possible.
[0041]
In an actual device design, tx and tz are set by the following process.
[0042]
First, the specifications for the threshold fluctuation after the writing / erasing of the hot carrier under the designated control gate voltage / drain voltage are determined from the requirements for the device performance.
[0043]
Next, the magnitude of the gate current that causes the required threshold fluctuation is determined. The maximum value of the lateral electric field is set so that the gate current is at the required level, and tx and tz are determined using FIGS. 4 and 8 so as to provide the maximum value of the lateral electric field.
[0044]
Here, when drawings corresponding to FIGS. 4 and 8 are created for a device different from the present embodiment, the maximum value of the lateral electric field itself and its tx dependency and tz dependency are shown in FIG. Note that it is generally different from that shown in FIG. 4 and 8 need to be created for each device structure.
[0045]
Next, a method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention will be described with reference to FIG.
[0046]
Here, a void filled with air was formed as the low dielectric constant region 9.
[0047]
First, as shown in FIG. 9A, a trench 200 is formed on the surface of the p-type silicon substrate 1. The trench 200 may be formed by forming a mask on the silicon substrate 1 and using anisotropic etching.
[0048]
Next, as shown in FIG. 9B, the substrate 1 is subjected to a heat treatment in a hydrogen atmosphere. By doing so, the trench surface is smoothed, and a void 9 filled with air is formed inside the silicon substrate 1. This is a low relative dielectric constant region having a lower relative dielectric constant than the semiconductor substrate 1.
[0049]
Next, as shown in FIG. 9C, an insulating film 2 is formed on the p-type silicon substrate 1, a floating gate 3 is formed via the first insulating film 2, and further, on the floating gate 3, A second insulating film 4 is formed, and a control gate 5 is formed on the second insulating film 4 in a laminated manner. The floating gate 3 and the control gate 5 may be formed of polysilicon, metal, or the like. The insulating films 2 and 4 may be formed using silicon oxide. The gate portion can be formed by a mask process after successively depositing the respective layers.
[0050]
Next, as shown in FIG. 9D, a region including the floating gate 3 and the control gate 5 is covered with an insulating film 10. Silicon oxide can be used for the insulating film 10. In addition, a film can be formed using a CVD method.
[0051]
Next, as shown in FIG. 9E, an n-type source region 7 and an n-type drain region 8 are formed by ion implantation via the insulating film 10.
[0052]
Next, as shown in FIG. 9F, sidewall nitride films 111 and 12 are formed.
[0053]
Note that the ion implantation for forming the source region 7 and the drain region 8 may be performed after the sidewall nitride films 11 and 12 are formed.
[0054]
Next, another method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention will be described with reference to FIG. In this manufacturing method, the low relative dielectric constant region 9 is made of an insulating film having a dielectric constant smaller than that of silicon.
[0055]
First, as shown in FIG. 10A, a trench 200 is formed on the surface of the p-type silicon substrate 1. The trench 200 may be formed by forming a mask on the silicon substrate 1 and using anisotropic etching.
[0056]
Next, as shown in FIG. 10B, the surface of the silicon substrate 1 in which the trench 200 is formed is oxidized.
[0057]
Next, as shown in FIG. 10C, a mask is formed on the trench 200 by depositing a resist on the silicon substrate 1 and patterning the resist. By performing etching using the mask 14, only the insulating film formed in the region other than the trench 200 is removed.
[0058]
Next, as shown in FIG. 10D, a resist 16 is deposited and patterned.
[0059]
Next, as shown in FIG. 10E, the insulating film 17 is patterned by etching using the resist 16 as a mask. Here, the width of the insulating film 17 can be adjusted by adjusting the position of the resist 16.
[0060]
Next, as shown in FIG. 10F, the low relative dielectric constant region 9 is formed by etching back the insulating film 17. Here, by adjusting the etching amount of the insulating film 17, the position of the low relative dielectric constant region 9 in the depth direction can be adjusted.
[0061]
Next, as shown in FIG. 10 (g), a silicon layer not doped with an impurity is deposited, and the surface is flattened by CMP, so that the silicon substrate 1 is made of a material having a lower relative dielectric constant. A low dielectric constant region 9 is formed. As another method of forming this structure, the silicon region in the trench may be used as a seed for epitaxial growth.
[0062]
In these steps, the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention is completed through the steps described in the above manufacturing method.
[0063]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the concentration of an electric field near the drain end can be increased, so that a non-volatile semiconductor device in which the gate current due to hot carriers increases and the writing efficiency is improved can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an element structure sectional view showing a nonvolatile semiconductor memory device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating a distribution of a lateral electric field in a channel according to the embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a potential distribution in the embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing the dependence of the maximum value of the channel lateral electric field on the position in the depth direction in the embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a distribution of inversion layer electrons in a channel in a depth direction according to the embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing a distribution of a lateral electric field in a channel according to the embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a view showing a potential distribution in the embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing the dependence of the maximum value of the channel lateral electric field on the position in the lateral direction in the embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a diagram showing a manufacturing method according to the embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a diagram showing another manufacturing method according to the embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Semiconductor substrate 2 ... Insulating film 3 ... Floating gate 4 ... Insulating film 5 ... Control gate 7 ... Source region 8 ... Drain region 9 ... Low relative permittivity Region 10: insulating film 11: sidewall insulating film 12: sidewall insulating film 100: drain end

Claims (2)

第1導電型の半導体基板と、
互いに離され且つ対向して前記半導体基板表面に形成されたソース領域及びドレイン領域と、
前記半導体基板上の前記ソース領域及び前記ドレイン領域間に絶縁膜を介して形成されたフローティングゲートと、
前記フローティングゲート上に形成されたコントロールゲートと、
前記ドレイン領域下の前記半導体基板中に形成された前記半導体基板よりも低い比誘電率を有する低比誘電率領域とを具備し、
前記低比誘電率領域は前記半導体基板表面から少なくとも0.01μm以上離れており、その前記ソース領域に近い端部は前記ドレイン領域側に存在することを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
A first conductivity type semiconductor substrate;
A source region and a drain region formed on the surface of the semiconductor substrate facing each other and facing each other;
A floating gate formed on the semiconductor substrate between the source region and the drain region via an insulating film;
A control gate formed on the floating gate,
A low dielectric constant region having a lower dielectric constant than the semiconductor substrate formed in the semiconductor substrate below the drain region,
The non-volatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein the low dielectric constant region is at least 0.01 μm or more away from the surface of the semiconductor substrate, and an end near the source region exists on the drain region side.
前記低比誘電率領域は、前記半導体基板中に形成された空隙であることを特徴とする請求項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 low relative permittivity region is a void formed in said semiconductor substrate.
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