JP2005064178A - Semiconductor device and manufacturing method therefor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置およびその製造技術に関し、特に、書き換え可能な不揮発性半導体記憶装置およびその製造技術に適用して有効な技術に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing technique thereof, and more particularly to a rewritable nonvolatile semiconductor memory device and a technique effective when applied to the manufacturing technique.
電気的に書き換え可能な不揮発性半導体記憶装置は、オンボードでプログラムの書き換えができることから、製品の開発期間の短縮、開発効率の向上が可能になるほか、少量多品種製品への対応、仕向け先別チューニングなどの用途に応用が広がっている。特に近年では、EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)内蔵マイコンへのニーズが大きい。 Electrically rewritable non-volatile semiconductor memory devices can be rewritten on-board, enabling product development time to be shortened and development efficiency to be improved. Applications are expanding to other tuning applications. Particularly in recent years, there is a great need for microcomputers with built-in EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory).
これまで、電気的に書き換え可能な不揮発性半導体記憶装置としては、ポリシリコン膜を電荷蓄積膜としたEEPROMが主に使用されていた。 Until now, an EEPROM using a polysilicon film as a charge storage film has been mainly used as an electrically rewritable nonvolatile semiconductor memory device.
しかし、ポリシリコン膜を電荷蓄積膜としたEEPROMでは、ポリシリコン膜を取り囲む酸化膜のどこか一部にでも欠陥があると、電荷蓄積膜が導体であるため、異常リークにより電荷蓄積膜に貯えられた電子がすべて抜け出てしまう問題点を持っている。特に今後微細化が進み集積度が向上してくると、この問題がより顕著になってくると考えられる。 However, in an EEPROM using a polysilicon film as a charge storage film, if there is a defect in any part of the oxide film surrounding the polysilicon film, the charge storage film is a conductor. There is a problem that all the electrons that are sent out. In particular, it is considered that this problem will become more prominent when miniaturization progresses and the degree of integration increases.
そこで、電荷蓄積膜としてポリシリコン膜ではなく窒化シリコン膜(Si3N4)を電荷蓄積膜とするMNOS(Metal Nitride Oxide Semiconductor)構造およびMONOS(Metal Oxide Nitride Oxide Semiconductor)構造が提案されている。この構造の場合、電子は、絶縁体である窒化シリコン膜の離散的なトラップ準位中に蓄積されるため、電荷蓄積膜のどこか一部に欠陥が生じて異常リークが起きても、電荷蓄積膜に蓄積された電子がすべて抜け出てしまうことがない。このため、データ保持の信頼度を向上させることができる。 Therefore, an MNOS (Metal Nitride Oxide Semiconductor) structure and a MONOS (Metal Oxide Nitride Oxide Semiconductor) structure in which a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) is used as a charge storage film instead of a polysilicon film are proposed. In this structure, electrons are stored in the discrete trap levels of the silicon nitride film, which is an insulator. Therefore, even if a defect occurs in some part of the charge storage film and abnormal leakage occurs, All the electrons stored in the storage film will not escape. For this reason, the reliability of data retention can be improved.
なお、MONOS型トランジスタを使用した不揮発性半導体記憶装置としては、例えば特開平06−077491号公報(特許文献1)に記載がある。
上記したMONOS型トランジスタを使用した不揮発性半導体記憶装置の記憶部は、メモリセルが2次元状に多数配列した構造をしている。そして、2次元状に配列したメモリセルは、ワード線やビット線を介して互いに接続されている。各メモリセルには、例えばメモリ用のMONOS型トランジスタとメモリセルを選択する選択用のMIS(Metal Insulator Semiconductor)トランジスタが形成されている。 The storage portion of the nonvolatile semiconductor memory device using the above-described MONOS transistor has a structure in which a large number of memory cells are arranged two-dimensionally. The two-dimensionally arranged memory cells are connected to each other through word lines and bit lines. In each memory cell, for example, a MONOS type transistor for memory and a MIS (Metal Insulator Semiconductor) transistor for selection for selecting the memory cell are formed.
このようなメモリセルに対して書き込み動作、消去動作または読み取り動作をする場合、動作対象となるメモリセルの選択用MIS型トランジスタをオン状態にして、メモリセルを選択する。そして、選択したメモリセル内にあるMONOS型トランジスタのソース領域、ドレイン領域およびゲート電極などに設定電圧を印加することにより、目的とする動作を行なう。 When a write operation, an erase operation, or a read operation is performed on such a memory cell, the memory cell selection MIS transistor is turned on to select the memory cell. Then, a target operation is performed by applying a set voltage to the source region, drain region, and gate electrode of the MONOS transistor in the selected memory cell.
このとき、選択されたメモリセル以外の非選択メモリセルにおいても、ワード線あるいはビット線などを介して所定の電圧が印加される。この場合、非選択メモリセル内のpn接合にリーク電流が発生する問題点がある。このようなリーク電流が増大すると、不揮発性半導体記憶装置の性能劣化や信頼性の低下を招くことになる。特に、pn接合部におけるリーク電流は、サイドウォール長を縮小するにつれて増大している。 At this time, a predetermined voltage is applied to a non-selected memory cell other than the selected memory cell via a word line or a bit line. In this case, there is a problem that a leak current is generated at the pn junction in the non-selected memory cell. When such a leakage current increases, the performance and reliability of the nonvolatile semiconductor memory device are deteriorated. In particular, the leakage current at the pn junction increases as the sidewall length is reduced.
また、MONOS型トランジスタへ書き込みが行われた状態(電荷蓄積膜に電子が蓄積された状態)にある非選択メモリセルにおいては、リーク電流により誘起されたエネルギーの高いホットホールがゲート絶縁膜をトンネルして電荷蓄積膜に注入され、誤消去(ディスターブ)を生じるという問題点がある。特に、MONOS型トランジスタのサイドウォール長、ゲート長を縮小するにつれて、上記したディスターブが生じやすくなっている。 In a non-selected memory cell in a state where data is written to the MONOS transistor (a state where electrons are stored in the charge storage film), hot holes with high energy induced by the leakage current tunnel through the gate insulating film. As a result, it is injected into the charge storage film to cause erroneous erasure (disturbance). In particular, as the sidewall length and gate length of the MONOS transistor are reduced, the above-described disturbance is likely to occur.
本発明の目的は、MONOS型トランジスタのサイドウォール長を縮小した場合に顕著に現れるリーク電流を低減できる半導体装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of reducing a leakage current that appears remarkably when the sidewall length of a MONOS transistor is reduced.
また、本発明の他の目的は、MONOS型トランジスタのサイドウォール長、ゲート長を縮小した場合に顕著に現れるディスターブを低減できる半導体装置を提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of reducing the disturbance that appears remarkably when the sidewall length and gate length of the MONOS transistor are reduced.
また、本発明の他の目的は、リーク電流を低減できる半導体装置の製造方法を提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a semiconductor device manufacturing method capable of reducing leakage current.
また、本発明の他の目的は、ディスターブを低減できる半導体装置の製造方法を提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a semiconductor device manufacturing method capable of reducing disturbance.
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。 The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。 Of the inventions disclosed in the present application, the outline of typical ones will be briefly described as follows.
本発明の半導体装置は、メモリ用の第1電界効果トランジスタを有する書き換え可能な不揮発性メモリセルを、半導体基板上に備える半導体装置であって、前記第1電界効果トランジスタは、(a)前記半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜と、(b)前記ゲート絶縁膜上に形成された電荷蓄積膜と、(c)前記電荷蓄積膜上に形成されたゲート電極と、(d)前記ゲート絶縁膜、前記電荷蓄積膜および前記ゲート電極のそれぞれの側壁にわたって形成されたサイドウォールとを備え、前記ゲート電極のゲート長方向において、前記電荷蓄積膜の長さは、前記ゲート電極の長さに比べて短いことを特徴とするものである。 The semiconductor device of the present invention is a semiconductor device comprising a rewritable nonvolatile memory cell having a first field effect transistor for memory on a semiconductor substrate, wherein the first field effect transistor comprises: (a) the semiconductor A gate insulating film formed on the substrate; (b) a charge storage film formed on the gate insulating film; (c) a gate electrode formed on the charge storage film; and (d) the gate insulation. And a sidewall formed over each sidewall of the gate electrode, and in the gate length direction of the gate electrode, the length of the charge storage film is larger than the length of the gate electrode. It is characterized by being short.
また、本発明の半導体装置の製造方法は、(a)半導体基板上に第1ゲート絶縁膜を形成する工程と、(b)前記第1ゲート絶縁膜上に電荷蓄積膜を形成する工程と、(c)前記電荷蓄積膜上に第1導体膜を形成する工程と、(d)前記第1導体膜をパターニングして第1ゲート電極を形成する工程と、(e)前記電荷蓄積膜をエッチングすることにより、ゲート長方向における前記電荷蓄積膜の長さを前記第1ゲート電極のゲート長に比べて短くする工程とを備えるものである。 The method for manufacturing a semiconductor device of the present invention includes (a) a step of forming a first gate insulating film on a semiconductor substrate, (b) a step of forming a charge storage film on the first gate insulating film, (C) forming a first conductor film on the charge storage film; (d) patterning the first conductor film to form a first gate electrode; and (e) etching the charge storage film. Thus, a step of shortening the length of the charge storage film in the gate length direction as compared with the gate length of the first gate electrode is provided.
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。 Among the inventions disclosed in the present application, effects obtained by typical ones will be briefly described as follows.
半導体装置のリーク電流を低減できる。また、誤消去を低減できる。 The leakage current of the semiconductor device can be reduced. In addition, erroneous erasure can be reduced.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that components having the same function are denoted by the same reference symbols throughout the drawings for describing the embodiment, and the repetitive description thereof will be omitted.
本実施の形態は、メモリ用のMONOS型トランジスタとセルを選択するMIS型トランジスタよりなる不揮発性メモリセルを、半導体基板上に複数備える半導体装置およびその製造方法に本発明を適用したものである。 In the present embodiment, the present invention is applied to a semiconductor device including a plurality of nonvolatile memory cells including a MONOS transistor for memory and a MIS transistor for selecting a cell on a semiconductor substrate, and a manufacturing method thereof.
本実施の形態における半導体装置について、図面を参照しながら説明する。まず、特定のメモリセルを選択して書き込み動作をする場合、選択しなかったメモリセルにおいても、所定の電圧(ストレス)が印加されることについて説明する。 The semiconductor device in this embodiment will be described with reference to the drawings. First, when a specific memory cell is selected and a write operation is performed, it will be described that a predetermined voltage (stress) is applied to a memory cell that is not selected.
図1は、2次元状に配列されたメモリセルC1-1〜C2-4を示した回路構成図である。図1において、メモリセルC1-1は、メモリ用のMONOS型トランジスタTr1aおよびセル選択用のMIS型トランジスタTr2aより構成されている。同様にして、各メモリセルC1-2〜C2-4は、それぞれメモリ用のMONOS型トランジスタTr1b〜Tr1hとセル選択用のMIS型トランジスタTr2b〜Tr2hより構成されている。 Figure 1 is a circuit diagram showing a memory cell C 1-1 -C 2-4 which are arranged two-dimensionally. In Figure 1, a memory cell C 1-1 is composed of a MIS transistor Tr2a for MONOS type transistors Tr1a and cell selection for memory. Similarly, each of the memory cells C1-2 to C2-4 includes a MONOS transistor Tr1b to Tr1h for memory and a MIS transistor Tr2b to Tr2h for cell selection.
同じ行に配列されたメモリセルC1-1〜C1-4において、各MONOS型トランジスタTr1a〜Tr1dのゲート電極は、一本の信号線(ワード線)WL2で接続されており、MIS型トランジスタTr2a〜Tr2dのゲート電極も一本の信号線(ワード線)WL1で接続されている。同様に、同じ行に配列されたメモリセルC2-1〜C2-4において、MONOS型トランジスタTr1e〜Tr1hのゲート電極も、一本の信号線WL4で接続されており、MIS型トランジスタTr2e〜Tr2hのゲート電極も一本の信号線WL3で接続されている。 In the memory cell C 1-1 -C 1-4 arranged in the same row, the gate electrode of each of the MONOS transistor Tr1a~Tr1d are connected by one signal line (word line) WL2, MIS-type transistor The gate electrodes of Tr2a to Tr2d are also connected by a single signal line (word line) WL1. Similarly, in the memory cells C 2-1 to C 2-4 arranged in the same row, the gate electrodes of the MONOS transistors Tr1e to Tr1h are also connected by one signal line WL4, and the MIS transistors Tr2e to Tr2e are connected. The gate electrode of Tr2h is also connected by one signal line WL3.
次に、同じ列に配列されたメモリセルC1-1とメモリセルC2-1において、それぞれのソース領域は、互いに一本の信号線SL1で接続されており、それぞれのドレイン領域も互いに一本の信号線DL1で接続されている。同様に、同じ列に配列されたメモリセルC1-2とメモリセルC2-2については、信号線SL2によって互いのソース領域が接続されており、信号線DL2によって互いのドレイン領域が接続されている。また、メモリセルC1-3とメモリセルC2-3においては、信号線SL3によって互いのソース領域が接続され、信号線DL3によって互いのドレイン領域が接続されており、メモリセルC1-4とメモリセルC2-4については、信号線SL4によって互いのソース領域が接続され、信号線DL4によって互いのドレイン領域が接続されている。 Then, in the memory cell C 1-1 and the memory cell C 2-1 arranged in the same column, each of the source regions is connected by one signal line SL1 mutually, respective drain region to each other one The signal lines DL1 are connected. Similarly, the memory cells C 1-2 and the memory cell C 2-2 arranged in the same column are connected to the source region of each other by a signal line SL2, the signal line DL2 to each other of the drain region is connected ing. Further, in the memory cell C 1-3 and the memory cell C 2-3, by a signal line SL3 is connected the source region of one another, are connected to each other in the drain region by a signal line DL3, the memory cell C 1-4 And the memory cell C 2-4 have their source regions connected by a signal line SL4 and their drain regions connected by a signal line DL4.
メモリセルC1-1、メモリセルC1-2、メモリセルC2-1およびメモリセルC2-2は、同一のウェル上に形成されており、このウェルには、信号線K1によって電圧が印加されるようになっている。また、メモリセルC1-3、メモリセルC1-4、メモリセルC2-3およびメモリセルC2-4は、同一のウェル上に形成されており、このウェルには、信号線K2によって電圧が印加されるようになっている。 The memory cell C 1-1 , the memory cell C 1-2 , the memory cell C 2-1 and the memory cell C 2-2 are formed on the same well, and a voltage is applied to the well by the signal line K1. It is to be applied. Further, the memory cell C 1-3 , the memory cell C 1-4 , the memory cell C 2-3, and the memory cell C 2-4 are formed on the same well, and the well is connected to the well by the signal line K2. A voltage is applied.
このように構成されたメモリセルC1-1〜C2-4において、メモリセルC1-1を選択して書き込み動作を行なう場合の一例について図1を参照しながら説明する。図1に示すように、メモリセルC1-1を選択するため、信号線WL1に1.5Vを印加する。また、信号線WL2にも1.5Vを印加し、信号線SL1、DL1およびK1に−10.5Vを印加する。すると、メモリセルC1-1(選択セル)内のMONOS型トランジスタTr1aのソース領域とゲート電極間にゲート電極側を正にして電位差12.0Vが発生する。このような高電位差が発生するとソース領域内にある電子が、MONOS型トランジスタTr1aのゲート絶縁膜をトンネルして電荷蓄積膜中に注入され、書き込み動作が行なわれる。このとき、信号線WL1に接続されている他のメモリセルC1-2、C1-3、C1-4(書き込みを行なわない非選択セル)のソース領域およびドレイン領域にも信号線SL2〜SL4、信号線DL2を介して所定の電圧が印加されているが、ソース領域(あるいはドレイン領域)と信号線WL1との電位差は、書き込みを行なうメモリセルC1-1におけるソース領域(あるいはドレイン領域)と信号線WL1との電位差より低くなっている。 In such a memory cell C 1-1 -C 2-4 constructed in, with reference to FIG. 1 will be described an example of the case where by selecting the memory cell C 1-1 performs a write operation. As shown in FIG. 1, for selecting a memory cell C 1-1, applies a 1.5V to signal line WL1. Further, 1.5 V is applied to the signal line WL2, and -10.5 V is applied to the signal lines SL1, DL1, and K1. Then, a potential difference of 12.0 V is generated between the source region and the gate electrode of the MONOS transistor Tr1a in the memory cell C 1-1 (selected cell) with the gate electrode side being positive. When such a high potential difference occurs, electrons in the source region are injected into the charge storage film through the gate insulating film of the MONOS transistor Tr1a, and a write operation is performed. At this time, other memory cells C 1-2 which is connected to the signal line WL1, C 1-3, signal lines to the source and drain regions of the C 1-4 (non-selected cells not written) SL2~ A predetermined voltage is applied via SL4 and the signal line DL2, but the potential difference between the source region (or drain region) and the signal line WL1 is caused by the source region (or drain region) in the memory cell C1-1 in which writing is performed. ) And the signal line WL1.
また、メモリセルC2-3、C2-4について見ると、信号線WL3には0Vが印加されており、メモリセルC2-3、C2-4が非選択メモリセルであることがわかる。しかし、メモリセルC2-3、C2-4内のMONOS型トランジスタTr1g、Tr1hのソース領域には、信号線SL3や信号線SL4により1.5Vが印加され、ウェルには、信号線K2により−10.5Vが印加されている。したがって、ソース領域とウェル間のpn接合には、12.0Vもの電位差が生じていることがわかる。また、このMONOS型トランジスタTr1g、Tr1hのゲート電極には、信号線WL4により−10.5Vの電圧が印加されている。このため、ゲート電極とソース領域との間には、12.0Vもの電位差が生じている。したがって、メモリセルC2-3、C2-4では、ソース領域とウェル間でリーク電流が発生しやすいとともに、リーク電流によって誘起されたホットホールが、電子の蓄積された電荷蓄積膜に注入され、誤消去を生じるおそれがあることがわかる。 Further, the memory cell C 2-3, looking at the C 2-4, the signal line WL3 are applied 0V, it can be seen that the memory cell C 2-3, is C 2-4 a non-selected memory cells . However, the memory cells C 2-3, MONOS type transistor Tr1g in C 2-4, to the source region of Tr1h, the signal line SL3 and the signal line SL4 1.5V is applied to the well, the signal line K2 -10.5V is applied. Therefore, it can be seen that a potential difference of 12.0 V is generated at the pn junction between the source region and the well. Further, a voltage of −10.5 V is applied to the gate electrodes of the MONOS transistors Tr1g and Tr1h through the signal line WL4. For this reason, a potential difference of 12.0 V is generated between the gate electrode and the source region. Accordingly, in the memory cells C 2-3 and C 2-4 , a leak current is likely to occur between the source region and the well, and hot holes induced by the leak current are injected into the charge storage film in which electrons are stored. It can be seen that erroneous erasure may occur.
次に、メモリセルC1-1を選択して消去動作を行なう場合の一例について図2を参照しながら説明する。図2に示すように、メモリセルC1-1を選択するため、信号線WL1に1.5Vを印加する。また、信号線WL2に−8.5Vを印加し、信号線SL1、K1に1.5Vする。このとき、信号線DL1は、フローティング状態にする。すると、メモリセルC1-1内のMONOS型トランジスタTr1aのウェル(ソース領域)とゲート電極間にウェル(ソース領域)側を正にして電位差10.0Vが発生する。したがって、MONOS型トランジスタTr1aに書き込みが行われている場合、すなわち電荷蓄積膜内に電子が蓄積されている場合、電荷蓄積膜内の電子がゲート絶縁膜をトンネルしてウェル側に注入され、消去動作が行なわれる。 Next, an example of performing the erase operation by selecting the memory cell C1-1 will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 2, for selecting a memory cell C 1-1, applies a 1.5V to signal line WL1. Further, −8.5V is applied to the signal line WL2, and 1.5V is applied to the signal lines SL1 and K1. At this time, the signal line DL1 is brought into a floating state. Then, the potential difference positively MONOS transistor Tr1a well in the memory cell C 1-1 (source region) of the well (source region) side between the gate electrode 10.0V occurs. Therefore, when writing is performed in the MONOS transistor Tr1a, that is, when electrons are stored in the charge storage film, electrons in the charge storage film are tunneled through the gate insulating film and injected into the well side, and erased. Operation is performed.
この消去動作が行なわれる際にも、非選択メモリセルに所定の電圧(ストレス)が印加されていることがわかるが、書き込み動作時のメモリセルC2-3、C2-4ほどストレスは発生していないことがわかる。 It can be seen that a predetermined voltage (stress) is applied to the non-selected memory cell even when this erase operation is performed. However, the stress occurs in the memory cells C 2-3 and C 2-4 during the write operation. You can see that they are not.
続いて、メモリセルC1-1を選択して読み取り動作を行なう場合の一例について図3を参照しながら説明する。図3に示すように、信号線WL1に2.0Vの電圧を印加する。また、信号線WL2、SL1およびK1に0Vを印加し、信号線DL1に1.5Vを印加する。ここで、メモリセルC1-1内のMONOS型トランジスタTr1aに書き込みが行われて、電荷蓄積膜に電子が蓄積されている場合、MONOS型トランジスタTr1aのしきい値電圧は0Vより高くなる。このため、メモリセルC1-1のソース領域とドレイン領域の間に電流は流れない。一方、MONOS型トランジスタTr1aに書き込みが行なわれていない場合(電荷蓄積膜に電子が蓄積されていない場合)、ゲート電極に0Vを印加すると電流が流れる。このようにして、読み取り動作を行なうことができる。 Next, an example in which the memory cell C1-1 is selected and the reading operation is performed will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 3, a voltage of 2.0 V is applied to the signal line WL1. Further, 0 V is applied to the signal lines WL2, SL1, and K1, and 1.5 V is applied to the signal line DL1. Here, writing is performed in the MONOS type transistors Tr1a in the memory cell C 1-1, if the electrons into the charge storage film is accumulated, the threshold voltage of the MONOS transistor Tr1a is higher than 0V. For this reason, no current flows between the source region and the drain region of the memory cell C1-1 . On the other hand, when writing is not performed in the MONOS transistor Tr1a (when electrons are not stored in the charge storage film), a current flows when 0 V is applied to the gate electrode. In this way, a reading operation can be performed.
読み取り動作が行なわれる際にも、非選択メモリセルに所定の電圧が印加されるが、書き込み動作時のメモリセルC2-3、C2-4ほどストレスは発生していないことがわかる。 Even when the read operation is performed, a predetermined voltage is applied to the non-selected memory cells, but it can be seen that the stress is not generated as much as the memory cells C 2-3 and C 2-4 during the write operation.
以上述べたように、特定のメモリセルを選択して目的とする動作を行なう場合、選択していない非選択メモリセルにおいて所定の電圧(ストレス)が印加されることがわかる。特に、書き込み動作時には、所定の非選択メモリセルに印加されるストレスが大きくなり、リーク電流および誤消去といった問題が生じやすくなることがわかる。 As described above, when a specific memory cell is selected and a target operation is performed, it is understood that a predetermined voltage (stress) is applied to an unselected memory cell that is not selected. In particular, it can be seen that during a write operation, the stress applied to a predetermined unselected memory cell increases, and problems such as leakage current and erroneous erasure are likely to occur.
次に、サイドウォール長を縮小するにつれて、非選択メモリセルで生じるpn接合のリーク電流が増大し、かつ書き込みが行われた非選択メモリセルの誤消去(ディスターブ)が生じ易くなる点について検証してみた。つまり、0.35μmプロセスで形成された相対的にサイドウォール長の長い不揮発性メモリセルの非選択メモリセルでは、あまり問題とならなかったリーク電流および誤消去が、0.18μmプロセスで形成された相対的にサイドウォール長の短い不揮発性メモリセルの非選択メモリセルにおいては、なぜ問題となるのかをシミュレーションを用いて検証してみた。 Next, it is verified that as the sidewall length is reduced, the leakage current of the pn junction generated in the non-selected memory cell increases, and erroneous erasure (disturbance) of the non-selected memory cell to which data has been written is likely to occur. I tried. That is, in the non-selected memory cell of the nonvolatile memory cell having a relatively long sidewall length formed by the 0.35 μm process, the leakage current and the erroneous erasure that were not a problem were formed by the 0.18 μm process. In a non-selected memory cell of a nonvolatile memory cell having a relatively short side wall length, the reason why it becomes a problem was verified using simulation.
図4は、サイドウォール長の長いMONOS型トランジスタに生じるリーク電流の経路(リークパス)およびインパクトイオン化現象の最も発生する領域をシミュレーションで求めた結果を示したものである。図4において、横軸は、横方向の寸法を示したものであり、その単位はμmである。また、縦軸は、縦方向の寸法を示したものであり、その単位はμmである。 FIG. 4 shows a result obtained by simulation of a leak current path (leak path) generated in a MONOS transistor having a long sidewall length and a region where the impact ionization phenomenon occurs most. In FIG. 4, the horizontal axis indicates the horizontal dimension, and the unit is μm. The vertical axis indicates the vertical dimension, and its unit is μm.
シミュレーションは、以下に示す構造で行なった。すなわち、図4に示すようにウェル上にゲート絶縁膜、電荷蓄積膜、絶縁膜およびゲート電極を下から順に積層し、このゲート絶縁膜、電荷蓄積膜、絶縁膜およびゲート電極の側壁にわたってサイドウォールを形成する。そして、このサイドウォール下にソース領域を形成した構造で行なった。なお、図4に示した構造では、ゲート絶縁膜、電荷蓄積膜、絶縁膜およびゲート電極は、途中で切断されている。 The simulation was performed with the structure shown below. That is, as shown in FIG. 4, a gate insulating film, a charge storage film, an insulating film, and a gate electrode are stacked in order from the bottom on the well, and the side walls are formed over the side walls of the gate insulating film, the charge storage film, the insulating film, and the gate electrode. Form. And it was carried out with the structure which formed the source region under this side wall. In the structure shown in FIG. 4, the gate insulating film, the charge storage film, the insulating film, and the gate electrode are cut halfway.
図4に示すように、サイドウォール長の長いMONOS型トランジスタにおいて、リーク電流は、ソース領域(いわゆる拡散層)下を流れていることがわかる。このため、電子が結晶格子に衝突することにより電子および正孔(ホール)を発生させるインパクトイオン化も、ソース領域下で最も発生していることがわかる。 As can be seen from FIG. 4, in the MONOS transistor having a long sidewall length, the leakage current flows under the source region (so-called diffusion layer). For this reason, it can be seen that impact ionization in which electrons and holes are generated when electrons collide with the crystal lattice is most generated under the source region.
一方、図5は、サイドウォール長の短いMONOS型トランジスタに生じるリーク電流の経路およびインパクトイオン化現象の最も発生する領域をシミュレーションした結果を示したものである。 On the other hand, FIG. 5 shows the result of simulating the path of the leakage current generated in the MONOS transistor having a short sidewall length and the region where the impact ionization phenomenon occurs most.
図5に示すように、リーク電流は、サイドウォール長の長いMONOS型トランジスタとは異なり、半導体基板の表面近くを流れている。また、インパクトイオン化もリーク電流の流れているゲート電極の端部下で最も発生していることがわかる。 As shown in FIG. 5, unlike the MONOS transistor having a long sidewall length, the leakage current flows near the surface of the semiconductor substrate. It can also be seen that impact ionization occurs most under the edge of the gate electrode where leakage current flows.
図6に、図5に示したサイドウォール長の短いMONOS型トランジスタの電界分布を示す。すなわち、MONOS型トランジスタのゲート電極、ソース領域、ウェルなどの間に所定の電位差(ストレス)が生じている場合の電界分布を示す。なお、ここで示す電界の単位は、MV/cmである。 FIG. 6 shows the electric field distribution of the MONOS transistor with a short sidewall length shown in FIG. That is, the electric field distribution is shown when a predetermined potential difference (stress) is generated between the gate electrode, the source region, the well, and the like of the MONOS transistor. Note that the unit of the electric field shown here is MV / cm.
図6を見ると、ゲート電極の端部下で、等電界線が密になっており、周囲に比べて高電界になっていることがわかる。つまり、ゲート電極の端部下で電界集中が起こっていることがわかる。このことから、サイドウォール長の短いMONOS型トランジスタのリーク電流は、半導体基板内の表面に近い領域であって、電界集中が生じているゲート電極の端部下を流れていることがわかる。 Referring to FIG. 6, it can be seen that the equal electric field lines are dense under the edge of the gate electrode, and the electric field is higher than the surrounding area. That is, it can be seen that electric field concentration occurs under the edge of the gate electrode. From this, it can be seen that the leakage current of the MONOS transistor having a short sidewall length flows in the region near the surface in the semiconductor substrate and below the end of the gate electrode where electric field concentration occurs.
ここで、ゲート電極の端部下では、電界集中が生じている。このため、ゲート電極の端部下をリーク電流が流れる場合、そのリーク電流量は増加すると考えられる。 Here, electric field concentration occurs below the end of the gate electrode. For this reason, when a leak current flows under the end of the gate electrode, the amount of the leak current is considered to increase.
また、図5に示すようにインパクトイオン化現象の発生は、ゲート電極の端部下において最大となっている。このため、ゲート電極の端部下では、インパクトイオン化により正孔が発生し易くなる。そして、発生した正孔の中には高いエネルギーをもつものがあり、これはホットホールと呼ばれる。 Further, as shown in FIG. 5, the occurrence of the impact ionization phenomenon is maximum under the end portion of the gate electrode. For this reason, holes are easily generated by impact ionization under the end of the gate electrode. Some of the generated holes have high energy, which is called a hot hole.
このようなホットホールの中には、MONOS型トランジスタのゲート絶縁膜をトンネルして、電荷蓄積膜中に注入されるものがある。MONOS型トランジスタに書き込みが行われている場合には、電荷蓄積膜中に電子が蓄積されているが、ホットホールが注入されると、電荷蓄積膜中に蓄積されていた電子が消失してしまい誤消去が生じる。特に、今の場合、ホットホールの発生場所は、ゲート電極の端部下の半導体基板内であり、電荷蓄積膜の近傍であるため、電荷蓄積膜へホットホールが注入されることによる誤消去が生じやすくなっている。 Some of these hot holes are injected into the charge storage film through the gate insulating film of the MONOS transistor. When writing is performed in the MONOS transistor, electrons are accumulated in the charge storage film. However, when hot holes are injected, the electrons accumulated in the charge storage film are lost. Erroneous erasure occurs. In particular, in this case, since the hot hole is generated in the semiconductor substrate below the end of the gate electrode and in the vicinity of the charge storage film, erroneous erasure occurs due to hot holes being injected into the charge storage film. It has become easier.
以上述べたように、サイドウォール長の長いMONOS型トランジスタでは、ソース領域の下をリーク電流が流れている。また、インパクトイオン化現象もソース領域の下で最も発生している。したがって、インパクトイオン化によりホットホールが発生しても、電子が蓄積されている電荷蓄積膜とは距離が離れているため、ホットホールの注入による誤消去は生じにくい。 As described above, in the MONOS transistor having a long sidewall length, a leakage current flows under the source region. Also, impact ionization phenomenon occurs most under the source region. Therefore, even if hot holes are generated by impact ionization, the distance from the charge storage film in which electrons are stored is far away, so that erroneous erasure due to hot hole injection is unlikely to occur.
これに対し、サイドウォール長の短いMONOS型トランジスタでは、ゲート電極の端部下の電界集中が生じている場所をリーク電流が流れているため、リーク電流量が増加する。 On the other hand, in the MONOS transistor having a short sidewall length, the leakage current flows through the place where the electric field concentration is occurring under the end of the gate electrode, and thus the amount of leakage current increases.
また、ホットホールは、電荷蓄積膜に近いゲート電極の端部下において発生しやすくなっており、ホットホールの電荷蓄積膜への注入による誤消去が起こりやすくなっている。 Also, hot holes are likely to occur below the edge of the gate electrode near the charge storage film, and erroneous erasure due to injection of hot holes into the charge storage film is likely to occur.
このような検討結果から、サイドウォール長の短いMONOS型トランジスタでは、リーク電流の増加および誤消去が問題となることがわかる。 From these examination results, it can be seen that an increase in leakage current and erroneous erasure are problematic in a MONOS transistor having a short sidewall length.
次に、本実施の形態における不揮発性メモリセルの構成について説明する。図7は、本実施の形態における不揮発性メモリセルの構成を示した断面図である。図7において、半導体基板10上には、素子分離領域11が形成されている。
Next, the configuration of the nonvolatile memory cell in this embodiment will be described. FIG. 7 is a cross-sectional view showing the configuration of the nonvolatile memory cell in the present embodiment. In FIG. 7, an
また、半導体基板10の内部には、n型ウェル13が形成されており、このn型ウェル13内には、p型ウェル14が形成されている。
An n-
p型ウェル14上の領域であって、素子分離領域11に挟まれたメモリセル形成領域には、不揮発性メモリセルが形成されており、この不揮発性メモリセルは、MONOS型トランジスタQ1およびMIS型トランジスタQ2より構成されている。MONOS型トランジスタQ1は、1ビットを記憶する記憶用(メモリ用)のトランジスタであり、MIS型トランジスタQ2は、各不揮発性メモリセルを選択するための選択用トランジスタである。
A non-volatile memory cell is formed in the memory cell forming region sandwiched between the
次に、図7に示すMONOS型トランジスタQ1およびMIS型トランジスタQ2の構成について説明する。 Next, the configurations of the MONOS transistor Q 1 and the MIS transistor Q 2 shown in FIG. 7 will be described.
まず、MONOS型トランジスタQ1は、以下に示すような構成をしている。すなわち、半導体基板10内に形成されたp型ウェル14上にゲート絶縁膜(第1ゲート絶縁膜)15が形成されており、このゲート絶縁膜15上に電荷蓄積膜16が形成されている。そして、この電荷蓄積膜16上に絶縁膜17が形成され、絶縁膜17上に導体膜よりなるゲート電極(第1ゲート電極)20が形成されている。
First, the MONOS transistor Q 1 has a configuration as shown below. That is, a gate insulating film (first gate insulating film) 15 is formed on a p-type well 14 formed in the
ゲート電極20は、低抵抗化を図るためにポリシリコン膜18上にシリサイド膜として例えばコバルトシリサイド膜30が形成された積層構造で構成されている。なお、シリサイド膜は、上記したコバルトシリサイド膜30に限定されず、例えばコバルトシリサイド膜30に代えて、チタンシリサイド膜やニッケルシリサイド膜で構成してもよい。
The
続いて、このゲート電極20の側壁、絶縁膜17の側壁、電荷蓄積膜16の側壁およびゲート絶縁膜15の側壁にわたって、絶縁膜よりなるサイドウォール26a(第1サイドウォール)が形成されている。このサイドウォール26aは、MONOS型トランジスタをLDD(Lightly Doped Drain)構造とするために形成されるものである。
Subsequently, a
サイドウォール26a下のp型ウェル14内には、低濃度n型不純物拡散領域(エクステンション領域)(不純物拡散領域)23、24が形成されており、この低濃度n型不純物拡散領域23、24は、サイドウォール26a下から外側に延伸するように形成されている。また、低濃度n型不純物拡散領域23、24は、ゲート電極20の下部にまで延在している。
Low-concentration n-type impurity diffusion regions (extension regions) (impurity diffusion regions) 23 and 24 are formed in the p-type well 14 below the
そして、サイドウォール26aより外側にある低濃度n型不純物拡散領域23、24内には、高濃度n型不純物拡散領域(拡散層)(不純物領域)27、28が形成されており、この高濃度n型不純物拡散領域27、28上には、低抵抗化を図るためのシリサイド膜として例えばコバルトシリサイド膜30が形成されている。
High concentration n type impurity diffusion regions (diffusion layers) (impurity regions) 27 and 28 are formed in the low concentration n type
高濃度n型不純物拡散領域27、28には、低濃度n型不純物拡散領域23、24に比べて、例えばリンや砒素などのn型不純物が高濃度に導入されており、低濃度n型不純物拡散領域23および高濃度n型不純物拡散領域27(コバルトシリサイド膜30も含む)によって、MONOS型トランジスタの半導体領域であるソース領域が形成されている。同様に、低濃度n型不純物拡散領域24および高濃度n型不純物拡散領域28によりMONOS型トランジスタの半導体領域であるドレイン領域が形成されている。
Compared with the low-concentration n-type
上記したゲート絶縁膜15は、例えば酸化シリコン膜より形成され、ゲート絶縁膜としての機能の他にトンネル絶縁膜としての機能も有する。例えば、このMONOS型トランジスタQ1は、半導体基板10からゲート絶縁膜15を介して電荷蓄積膜16へ電子を注入したり、ゲート絶縁膜15を介して電荷蓄積膜16に蓄積した電子を半導体基板10へ引き抜いたりして、データの記憶や消去を行なう。したがって、ゲート絶縁膜15は、電子をトンネルさせるトンネル絶縁膜としての機能を有することがわかる。
The
電荷蓄積膜16は、データ記憶に寄与する電荷を蓄積するために設けられた膜であり、例えば窒化シリコン膜より形成されている。
The
従来、電荷蓄積膜16としてポリシリコン膜が主に使用されてきたが、電荷蓄積膜16としてポリシリコン膜を使用した場合、電荷蓄積膜16を取り囲む酸化膜のどこか一部に欠陥があると、電荷蓄積膜16が導体であるため、異常リークにより電荷蓄積膜16に蓄積された電荷がすべて抜けてしまうことが起こりうる。
Conventionally, a polysilicon film has been mainly used as the
そこで、上述したように電荷蓄積膜16として、絶縁体である窒化シリコン膜が使用されている。この場合、データ記憶に寄与する電荷は、窒化シリコン膜中に存在する離散的なトラップ準位(捕獲準位)に蓄積される。したがって、電荷蓄積膜16を取り巻く酸化膜中の一部に欠陥が生じても、電荷は電荷蓄積膜16の離散的なトラップ準位に蓄積されているため、すべての電荷が電荷蓄積膜16から抜け出てしまうことがない。このため、データ保持の信頼性向上を図ることができる。
Therefore, as described above, a silicon nitride film that is an insulator is used as the
このような理由から、電荷蓄積膜16として、窒化シリコン膜に限らず、離散的なトラップ準位を含む膜を使用することにより、データ保持の信頼性向上を図ることができる。
For this reason, not only the silicon nitride film but also a film including discrete trap levels can be used as the
続いて、MONOS型トランジスタQ1の形状について説明する。上記したようにMONOS型トランジスタQ1は、下から順にゲート絶縁膜15、電荷蓄積膜16、絶縁膜17およびゲート電極20を積層した構造になっている。
The following describes the shape of the MONOS transistor Q 1. MONOS-type transistor Q 1 as described above is adapted to the
従来、このような積層構造をしたMONOS型トランジスタは、ゲート電極のゲート長方向において、積層した膜の長さが概ね等しかった。つまり、ゲート長方向におけるゲート絶縁膜の長さ、電荷蓄積膜の長さ、絶縁膜の長さおよびゲート電極の長さが互いに概ね等しかった。 Conventionally, in the MONOS transistor having such a stacked structure, the lengths of the stacked films are approximately equal in the gate length direction of the gate electrode. That is, the length of the gate insulating film, the length of the charge storage film, the length of the insulating film, and the length of the gate electrode in the gate length direction were substantially equal to each other.
これに対し、本実施の形態におけるMONOS型トランジスタQ1では、図7に示すように、ゲート長方向において、ゲート電極20の長さとその他の膜、特に電荷蓄積膜16の長さが異なっている。すなわち、図7に示すように、ゲート長方向のゲート電極20の長さAに比べて、電荷蓄積膜16の長さBが短くなっている。そして、さらに電荷蓄積膜16は、ゲート電極20の両端部下において形成されないように構成されている。
On the other hand, in the MONOS transistor Q 1 in this embodiment, as shown in FIG. 7, the length of the
ここで、ゲート電極20の長さAと電荷蓄積膜16の長さBとの差A−Bは、例えば60nmであり、ゲート電極20下の掘り込み量(A−B)/2は、例えば30nmである。
Here, the difference A−B between the length A of the
このように、本実施の形態におけるMONOS型トランジスタQ1は、ゲート長方向の長さが短いゲート絶縁膜15、電荷蓄積膜16および絶縁膜17が下から順に積層され、この絶縁膜17上に、ゲート長方向の長さが長いゲート電極20が形成されている構造をし、かつゲート電極20の両端部下には電荷蓄積膜16が形成されていない構造をしている。したがって、本実施の形態のMONOS型トランジスタは、ゲート絶縁膜15、電荷蓄積膜16、絶縁膜17およびゲート電極20だけの構成をみれば、マッシュルーム形状のような形をしている。したがって、例えば、ゲート長方向における高濃度n型不純物拡散領域(不純物領域)27の端部と電荷蓄積膜16の端部との距離は、ゲート長方向における高濃度n型不純物拡散領域27の端部からゲート電極20の端部との距離よりも長くなっている。
As described above, in the MONOS transistor Q 1 in this embodiment, the
また、本実施の形態のMONOS型トランジスタQ1において、ゲート電極20の下側の両端は、概ね直角の形状をしているのではなく、図7に示すように、角部を面取りしてなだらかな曲線で形成したようなラウンディング形状をしている。すなわち、ゲート電極20の端部下には、サイドウォール26aの一部である絶縁膜が形成されており、この絶縁膜の膜厚は、ゲート絶縁膜15、電荷蓄積膜16および絶縁膜17を合わせた膜厚に比べて厚くなっている。つまり、ゲート電極20の底面は、半導体基板10から離れるようにラウンディングしている(曲がっている)ため、底面の中央部から半導体基板10までの距離よりも底面の端部から半導体基板10までの距離が大きくなる構造をしている。
Further, in the MONOS transistor Q 1 of the present embodiment, the lower ends of the
次に、MIS型トランジスタQ2の構成について説明する。図7に示すように、MIS型トランジスタQ2は、以下に示すような構成をしている。すなわち、半導体基板10内に形成されたp型ウェル14上にゲート絶縁膜(第2ゲート絶縁膜)21が形成されており、このゲート絶縁膜21上にゲート電極(第2ゲート電極)22が形成されている。
Next, the configuration of the MIS transistor Q 2 will be described. As shown in FIG. 7, the MIS transistor Q 2 has a configuration as shown below. That is, a gate insulating film (second gate insulating film) 21 is formed on the p-type well 14 formed in the
ゲート電極22は、低抵抗化を図るためにポリシリコン膜22a上にシリサイド膜として例えばコバルトシリサイド膜30が形成された積層構造で構成されており、このゲート電極22およびゲート絶縁膜21の側壁には、サイドウォール26bが形成されている。なお、MIS型トランジスタQ2においてもMONOS型トランジスタQ1と同様に、シリサイド膜は、コバルトシリサイド膜30に限らず、チタンシリサイド膜やニッケルシリサイド膜を使用してもよい。
The
サイドウォール26b下のp型ウェル14内には、低濃度n型不純物拡散領域24、25が形成されており、この低濃度n型不純物拡散領域24、25は、サイドウォール26b下から外側に延伸するように形成されている。
Low-concentration n-type
サイドウォール26bより外側にある低濃度n型不純物拡散領域24、25内には、高濃度n型不純物拡散領域28、29が形成されており、この高濃度n型不純物拡散領域28、29上には、低抵抗化を図るためのシリサイド膜として例えばコバルトシリサイド膜30が形成されている。このシリサイド膜もチタンシリサイド膜やニッケルシリサイド膜を使用してもよい。
High-concentration n-type
低濃度n型不純物拡散領域24および高濃度n型不純物拡散領域28(コバルトシリサイド膜30を含む)によって、MIS型トランジスタQ2のソース領域が形成され、低濃度n型不純物拡散領域25および高濃度n型不純物拡散領域29(コバルトシリサイド膜30を含む)によって、MIS型トランジスタQ2のドレイン領域が形成される。ここで、低濃度n型不純物拡散領域24および高濃度n型不純物拡散領域28は、前述したMONOS型トランジスタQ1のドレイン領域にもなっている。つまり、図7を見てわかるように、低濃度n型不純物拡散領域24および高濃度n型不純物拡散領域28は、MONOS型トランジスタQ1とMIS型トランジスタQ2を電気接続している領域と言える。
The source region of the MIS transistor Q 2 is formed by the low-concentration n-type
MONOS型トランジスタQ1は、上記したようにゲート電極20のゲート長に比べて、ゲート絶縁膜15、電荷蓄積膜16および絶縁膜17のゲート長方向における長さが短くなっている。一方、MIS型トランジスタQ2においてはゲート電極22のゲート長とゲート絶縁膜21のゲート長方向における長さは概ね等しい。したがって、ゲート長方向において、MIS型トランジスタQ2のゲート絶縁膜21に比べて、MONOS型トランジスタQ1のゲート絶縁膜15の長さは、短くなっている。また、MONOS型トランジスタQ1のゲート電極20の下端部には、ゲート電極20のゲート長に比べて、ゲート絶縁膜15、電荷蓄積膜16および絶縁膜17のゲート長方向における長さが短くなっている分だけ、埋め込むようにサイドウォール26aが形成されている。このため、サイドウォール26aのサイドウォール幅は、MIS型トランジスタQ2のサイドウォール26bのサイドウォール幅に比べて長くなっている。
In the MONOS transistor Q 1 , the
本実施の形態におけるMONOS型トランジスタQ1およびMIS型トランジスタQ2は、上記のように構成されており、次に本実施の形態のMONOS型トランジスタQ1によれば、ゲート電極20の端部下の電界を緩和できることについて説明する。
The MONOS transistor Q 1 and the MIS transistor Q 2 in the present embodiment are configured as described above. Next, according to the MONOS transistor Q 1 of the present embodiment, the MONOS transistor Q 1 and the MIS transistor Q 2 are arranged under the end of the
まず、サイドウォール長の短いMONOS型トランジスタQ1を含む不揮発性メモリセルが非選択メモリセルであり、図7に示すMONOS型トランジスタQ1のゲート電極20、ソース領域(低濃度n型不純物拡散領域23、高濃度n型不純物拡散領域27)、p型ウェル14などの間に所定の電位差(ストレス)が発生している場合の電界分布をシミュレーションした結果を図8に示す。
First, the non-volatile memory cell including the MONOS transistor Q 1 having a short sidewall length is a non-selected memory cell. The
図8において、ゲート電極の端部下には電荷蓄積膜は形成されておらず掘り込まれたようになっており、この掘り込まれた部分にはサイドウォールの一部が形成されている。このような条件下で、ストレスが印加された場合の電界分布を見てみると、図6に示す場合に比べてゲート電極の端部下における電界集中が緩和されていることがわかる。 In FIG. 8, a charge storage film is not formed under the end of the gate electrode, but is dug, and a part of the side wall is formed in this dug. Looking at the electric field distribution when stress is applied under such conditions, it can be seen that the electric field concentration under the edge of the gate electrode is relaxed compared to the case shown in FIG.
図6は、サイドウォール長の短いMONOS型トランジスタであって、ゲート電極の形状が通常の形状をしているMONOS型トランジスタにストレスが印加された場合の電界分布をシミュレーションした結果を示したものである。図6を見てわかるように、ゲート電極の端部下で等電界線は密になっており、電界の最大値は、0.9MV/cmにもなっている。このため、ゲート電極の端部下で電界集中が生じていることがわかる。 FIG. 6 shows the result of simulating the electric field distribution when a stress is applied to a MONOS transistor having a short sidewall length and having a normal gate electrode shape. is there. As can be seen from FIG. 6, the isoelectric lines are dense under the end of the gate electrode, and the maximum value of the electric field is 0.9 MV / cm. For this reason, it can be seen that electric field concentration occurs under the edge of the gate electrode.
一方、図8に示すように、本実施の形態のMONOS型トランジスタQ1をシミュレートした場合、ゲート電極の端部下の等電界線は、図6に比べて密になっておらず、また電界の最大値も、0.6MV/cmで0.9MV/cmに比べて低くなっている。したがって、本実施の形態のMONOS型トランジスタQ1によれば、ゲート電極の端部下の電界集中を防止できることがわかる。すなわち、ゲート長方向のゲート電極の長さに比べて電荷蓄積膜の長さを短くし、ゲート電極の端部下に電荷蓄積膜を形成せず、かつゲート電極の端部下で酸化シリコン膜を厚くすることにより、ゲート電極の端部下における電界集中を緩和することができる。 On the other hand, as shown in FIG. 8, when simulating the MONOS transistor Q 1 of the present embodiment, the isoelectric field below the end of the gate electrode is not dense compared to FIG. The maximum value is also 0.6 MV / cm, which is lower than 0.9 MV / cm. Therefore, according to the MONOS transistor Q 1 of the present embodiment, it can be seen that electric field concentration under the end of the gate electrode can be prevented. That is, the length of the charge storage film is shorter than the length of the gate electrode in the gate length direction, the charge storage film is not formed under the end of the gate electrode, and the silicon oxide film is thickened under the end of the gate electrode. By doing so, the electric field concentration under the edge of the gate electrode can be reduced.
次に、ゲート電極の端部下における電界集中を緩和できる理由について説明する。まず、図7に示したように、本実施の形態におけるMONOS型トランジスタQ1は、ゲート長方向のゲート電極20の長さAに比べて、電荷蓄積膜16の長さBが短くなっている。そして、ゲート電極20の端部下には電荷蓄積膜16が形成されておらず、掘り込まれたようになっており、この掘り込まれたようになっている部分を埋め込むように、サイドウォール26aの一部が形成されている。言い換えれば、MONOS型トランジスタQ1のサイドウォール26aの長さは、MIS型トランジスタQ2のサイドウォール26bの長さよりも長くなるように形成している。
Next, the reason why the electric field concentration under the end of the gate electrode can be relaxed will be described. First, as shown in FIG. 7, in the MONOS transistor Q 1 in the present embodiment, the length B of the
このように電荷蓄積膜16の長さを、ゲート電極20の長さよりも短く形成することで、ソース領域である高濃度n型不純物拡散領域27との距離が長くなる為、電荷蓄積膜16へのホットホール注入確率を減少することができ、メモリセルの誤消去を生じにくくすることが出来る。
By forming the
ここで、電荷蓄積膜16は、例えば窒化シリコン膜より形成され、またサイドウォール26aは、例えば酸化シリコン膜より形成されている。したがって、ゲート電極20の端部下には、窒化シリコン膜に代えて酸化シリコン膜が形成されている。酸化シリコン膜の誘電率は、窒化シリコン膜の誘電率に比べて低くなっているので、ゲート電極20に所定の電圧が印加されたとき、ゲート電極20の端部下の半導体基板10内に形成される電界は、ゲート電極20の端部下に窒化シリコン膜がある場合に比べて緩和される。つまり、ゲート電極の端部下にまで窒化シリコン膜が形成されている従来のMONOS型トランジスタに比べて、本実施の形態におけるMONOS型トランジスタQ1では、電界を緩和できる。なお、上記では、サイドウォール26aを酸化シリコン膜で形成し、電荷蓄積膜16を窒化シリコン膜で形成したが、サイドウォール26aを構成する材料として、電荷蓄積膜16を構成する材料の誘電率よりも低い誘電率を有する材料を使用することにより、ゲート電極20の端部下に生じる電界を緩和することができる。
Here, the
また、MONOS型トランジスタQ1に書き込みが行われている状態では、電荷蓄積膜16に電子が蓄積されている。この場合、MONOS型トランジスタQ1は、負バイアスがかかっているのと同様の状態となり、ゲート電極20下の半導体基板10内の電界は増加する。しかし、本実施の形態におけるMONOS型トランジスタQ1によれば、ゲート電極20の端部下には電荷蓄積膜16が形成されていない。したがって、ゲート電極20の端部下に電子が蓄積されることはないため、ゲート電極20の端部下の半導体基板10内における電界を緩和することができる。
In the state where writing is performed in the MONOS transistor Q 1 , electrons are stored in the
さらに、本実施の形態におけるMONOS型トランジスタQ1では、ゲート電極20の下側の両端は、概ね直角の形状をしているのではなく、図7に示すように、角部を面取りしてなだらかな曲線で形成したようなラウンディング形状をしている。つまり、ゲート電極20の端部下で酸化シリコン膜の膜厚が厚い構造をしている。したがって、概ね直角の形状をしている従来のMONOS型トランジスタに比べて、ゲート電極20の端部下で半導体基板10とゲート電極20との距離を離すことができる。このため、ゲート電極20の端部下の半導体基板10内における電界を緩和することができる。
Furthermore, in the MONOS transistor Q 1 in the present embodiment, the lower ends of the
次に、図9は、本実施の形態のMONOS型トランジスタQ1に流れるリーク電流の経路およびインパクトイオン化の最も発生する領域をシミュレーションした結果を示したものである。 Next, FIG. 9 shows the result of simulating the path of the leakage current flowing through the MONOS transistor Q 1 and the region where impact ionization occurs most in the present embodiment.
図9を見ると、リーク電流がゲート電極の端部下の半導体基板表面付近を流れず、ゲート電極の端部下から離れた半導体基板内部の領域をリーク電流が流れていることがわかる。つまり、図5に示すように、サイドウォール長が短いMONOS型トランジスタであって、ゲート電極の形状が通常の形状をしている従来のMONOS型トランジスタの場合、リーク電流は、ゲート電極の端部下の半導体基板表面付近を流れている。これに対し、本実施の形態におけるMONOS型トランジスタQ1のように、ゲート長方向のゲート電極の長さに比べて電荷蓄積膜の長さを短くして、ゲート電極の端部下に電荷蓄積膜を形成しない形状をとり、かつゲート電極の端部下で酸化シリコン膜の膜厚を厚くした場合、リーク電流は、ゲート電極の端部下から離れた半導体基板内部の領域を流れることがわかる。このように、ゲート電極の端部下から離れた半導体基板内部の領域をリーク電流が流れるのは、図8に示したように、ゲート電極の端部下における電界集中を緩和したためである。すなわち、ゲート電極の端部下における電界集中を緩和したため、ゲート電極の端部下をリーク電流が流れにくくなり、ゲート電極の端部下から離れた半導体基板内部の領域をリーク電流が流れるようになったものである。 As can be seen from FIG. 9, the leakage current does not flow near the surface of the semiconductor substrate below the edge of the gate electrode, but the leakage current flows in a region inside the semiconductor substrate far from the edge of the gate electrode. That is, as shown in FIG. 5, in the case of a conventional MONOS transistor having a short sidewall length and a normal gate electrode shape, the leakage current is below the end of the gate electrode. Near the surface of the semiconductor substrate. On the other hand, like the MONOS transistor Q 1 in the present embodiment, the length of the charge storage film is made shorter than the length of the gate electrode in the gate length direction, and the charge storage film is formed below the end of the gate electrode. It can be seen that when the silicon oxide film is formed under the shape of the gate electrode and the thickness of the silicon oxide film is increased under the end of the gate electrode, the leakage current flows in a region inside the semiconductor substrate away from the bottom of the end of the gate electrode. As described above, the leakage current flows through the region inside the semiconductor substrate far from the bottom of the end of the gate electrode, as shown in FIG. 8, because the electric field concentration under the end of the gate electrode is relaxed. That is, since the electric field concentration under the edge of the gate electrode is relaxed, the leakage current hardly flows under the edge of the gate electrode, and the leakage current flows through a region inside the semiconductor substrate away from the edge of the gate electrode. It is.
ここで、本実施の形態のMONOS型トランジスタQ1において、リーク電流の流れるpn接合付近の電界分布(図8、図9参照)は、従来のMONOS型トランジスタのリーク電流が流れるゲート電極の端部下付近の電界分布(図5、図6参照)に比べて、電界集中を生じていない。したがって、本実施の形態のMONOS型トランジスタQ1におけるリーク電流量は、図5に示した従来のMONOS型トランジスタのリーク電流量に比べて減少することがわかる。 Here, in the MONOS transistor Q 1 of this embodiment, the electric field distribution (see FIGS. 8 and 9) in the vicinity of the pn junction through which the leak current flows is below the end of the gate electrode through which the leak current of the conventional MONOS transistor flows. Compared with the electric field distribution in the vicinity (see FIGS. 5 and 6), no electric field concentration occurs. Therefore, it can be seen that the amount of leakage current in the MONOS transistor Q 1 of the present embodiment is smaller than the amount of leakage current of the conventional MONOS transistor shown in FIG.
また、図9に示すように、インパクトイオン化の最も発生する領域も図5に比べて、ゲート電極の端部下から離れた半導体基板内部にあることがわかる。したがって、本実施の形態のMONOS型トランジスタQ1によれば、インパクトイオン化の最も発生する領域をゲート電極の端部下から離すことができるので、インパクトイオン化により発生したホットホールが、ゲート絶縁膜をトンネルして電荷蓄積膜に注入されることを低減できる。すなわち、ホットホールの電荷蓄積膜への注入による誤消去(ディスターブ)を低減できる。 Further, as shown in FIG. 9, it can be seen that the region where impact ionization occurs most is also inside the semiconductor substrate far from the end of the gate electrode, as compared with FIG. Therefore, according to the MONOS transistor Q 1 of the present embodiment, the region where impact ionization occurs most can be separated from the bottom of the end of the gate electrode, so that hot holes generated by impact ionization tunnel the gate insulating film. Thus, injection into the charge storage film can be reduced. That is, erroneous erasure (disturbance) due to injection of hot holes into the charge storage film can be reduced.
言い換えれば、本実施の形態のMONOS型トランジスタQ1では、ゲート電極の端部下の領域がインパクトイオン化の最も発生する領域にならないため、ゲート電極の端部下でのホットホールの発生を低減でき、ホットホールの電荷蓄積膜への注入による誤消去を低減することができる。 In other words, in the MONOS transistor Q 1 of the present embodiment, since the region under the end of the gate electrode is not the region where impact ionization occurs most, the generation of hot holes under the end of the gate electrode can be reduced. Erroneous erasure due to injection of holes into the charge storage film can be reduced.
また、本実施の形態のMONOS型トランジスタQ1によれば、ゲート電極の端部下に電荷蓄積膜を形成しない構成をしているため、電荷蓄積膜とインパクトイオン化の最も発生する領域との距離をさらに離すことができる。したがって、ホットホールの電荷蓄積膜への注入による誤消去をさらに低減できる。 In addition, according to the MONOS transistor Q 1 of the present embodiment, since the charge storage film is not formed under the end of the gate electrode, the distance between the charge storage film and the region where impact ionization occurs most is set. Can be further separated. Therefore, erroneous erasure due to injection of hot holes into the charge storage film can be further reduced.
次に、本実施の形態のMONOS型トランジスタQ1を含む不揮発性メモリセルの製造方法について、図面を参照しながら説明する。 Next, a method for manufacturing a nonvolatile memory cell including the MONOS transistor Q 1 of this embodiment will be described with reference to the drawings.
まず、図10に示すように、例えば単結晶シリコンにホウ素(B)などのp型不純物を導入した半導体基板10を用意する。次に、半導体基板10の主面上に素子分離領域11を形成する。素子分離領域11は、例えば酸化シリコン膜よりなり、STI(Shallow Trench Isolation)法やLOCOS(Local Oxidization Of Silicon)法などによって形成される。図10では、半導体基板10に溝を形成し、形成した溝に酸化シリコン膜を埋め込むSTI法によって形成された素子分離領域11を示している。
First, as shown in FIG. 10, for example, a
次に、半導体基板10の主面に酸化シリコン膜12を形成した後、半導体基板10内にn型ウェル13を形成する。n型ウェル13は、フォトリソグラフィ技術およびイオン注入法を使用して、リンや砒素などのn型不純物を半導体基板10内に導入することにより形成される。
Next, after forming a
続いて、n型ウェル13内にp型ウェル14を形成する。p型ウェル14は、フォトリソグラフィ技術およびイオン注入法を使用して、半導体基板10内にp型不純物を導入することにより形成される。p型不純物としては、例えばボロンやフッ化ボロンなどがある。
Subsequently, a p-
次に、半導体基板10上に形成した酸化シリコン膜12を除去した後、図11に示すように、半導体基板10の主面上にゲート絶縁膜(第1ゲート絶縁膜)15を形成する。ゲート絶縁膜15は、例えば酸化シリコン膜よりなり、例えば熱酸化法を使用して形成することができる。そして、このゲート絶縁膜15上に電荷蓄積膜16を形成する。電荷蓄積膜16は、例えば窒化シリコン膜よりなり、シランガス(SiH4)とアンモニアガス(NH3)とを化学反応させるCVD(Chemical Vapor Deposition)法を使用して形成することができる。なお、電荷蓄積膜16として、窒化シリコン膜を使用する例を示したが、これに限らず、例えば酸窒化シリコン(SiON)膜などの膜中にトラップ準位を含む膜であってもよい。
Next, after the
続いて、電荷蓄積膜16上に絶縁膜17を形成する。絶縁膜17は、例えば酸化シリコン膜よりなり、シランガスと酸素ガス(O2)とを化学反応させるCVD法によって形成することができる。なお、MNOS型トランジスタを形成する場合は、絶縁膜17は形成しない。
Subsequently, an insulating
次に、絶縁膜17上にポリシリコン膜(第1導体膜)18を形成する。ポリシリコン膜18は、例えばシランガスを窒素ガス(N2)中で熱分解させるCVD法によって形成することができる。ポリシリコン膜18の成長時には、リンなどの導電型不純物が添加される。なお、ポリシリコン膜18の成長時ではなく、ポリシリコン膜18の成膜を終了してから、イオン注入法を使用してポリシリコン膜18にリンなどの導電型不純物を注入してもよい。
Next, a polysilicon film (first conductor film) 18 is formed on the insulating
その後、ポリシリコン膜18上にキャップ絶縁膜19を形成する。キャップ絶縁膜19は、例えば酸化シリコン膜よりなり、例えばCVD法を使用することによって形成することができる。キャップ絶縁膜19は、後述する工程で形成するゲート電極20を保護する機能を有する。
Thereafter, a
続いて、キャップ絶縁膜19上にレジスト膜を塗布した後、このレジスト膜に対して露光・現像することにより、レジスト膜をパターニングする。パターニングは、ゲート電極20を形成する領域にレジスト膜が残るようにする。そして、パターニングしたレジスト膜をマスクにしたエッチングにより、図12に示すようにゲート電極(第1ゲート電極)20を形成する。
Subsequently, after applying a resist film on the
次に、図13に示すように、ライト酸化を行い、ゲート電極20の側面を酸化して、酸化シリコン膜20aを形成する。このライト酸化を通常に比べて長めに行なうことにより、ゲート電極20の下部の端部において内部にまで酸化シリコン膜20aが形成され、いわゆるバーズビークが形成される。このようにバーズビークを形成することにより、後述する酸化シリコン膜20aのエッチングで、ゲート電極20の端部を半導体基板10から離れるようにラウンディングすることができる。このため、ゲート電極20の端部と後述する工程で半導体基板10内に形成するソース領域やドレイン領域との距離を離すことができる。したがって、ゲート電極20の端部下における電界集中を緩和することができる。
Next, as shown in FIG. 13, light oxidation is performed to oxidize the side surface of the
続いて、図14に示すように、ウェットエッチングを行い、窒化シリコン膜と酸化シリコン膜とを順次除去する。すなわち、ゲート電極20下以外の場所に形成されている電荷蓄積膜(窒化シリコン膜)16を除去し、その後、ゲート電極20を覆うキャップ絶縁膜19および酸化シリコン膜20aとゲート電極20下以外の場所に形成されているゲート絶縁膜15を除去する。
Subsequently, as shown in FIG. 14, wet etching is performed to sequentially remove the silicon nitride film and the silicon oxide film. That is, the charge storage film (silicon nitride film) 16 formed at a place other than under the
ここで、窒化シリコン膜よりなる電荷蓄積膜16の除去には、例えば熱リン酸溶液が使用されるが、この熱リン酸溶液によるエッチング時間を通常より多めに行なう。このようにエッチング時間を長くとることにより、ゲート電極20下以外の領域に形成されている電荷蓄積膜16だけでなく、ゲート電極20下にある電荷蓄積膜16の一部も掘り込むようにして除去することができる。例えば、熱リン酸溶液によるエッチング時間を9分から18分にすることにより、電荷蓄積膜16をゲート電極20の両端部から約30nm(0.03μm)後退させることができる。
Here, for example, a hot phosphoric acid solution is used to remove the
以上のようにして、ゲート電極20のゲート長に比べて電荷蓄積膜16の長さが短く、ゲート電極20の両端部下に電荷蓄積膜16を形成しない構造を形成することができる。
As described above, a structure in which the
また、酸化シリコン膜20のエッチングにより、ゲート電極20の端部は、面取りをしたように、なだらかな形状となる。すなわち、前述したようにライト酸化を長めに行なうことにより形成されたバーズビークをエッチングして除去することで、ゲート電極20の底面形状を、底面の中央部から半導体基板10までの距離よりも底面の端部から半導体基板10までの距離が大きくなる形状とすることができ、ゲート電極20の端部を半導体基板10から離すことができる。したがって、ゲート電極20の端部下における電界集中を緩和できる。
Further, by etching the
次に、半導体基板10の主面にゲート絶縁膜(第2ゲート絶縁膜)21を形成する。ゲート絶縁膜21は、例えば酸化シリコン膜よりなり、例えば熱酸化法によって形成することができる。なお、ゲート絶縁膜21として、酸化シリコン膜を使用する例を示したが、これに限らず、例えば酸化シリコンより誘電率の高い材料(いわゆるHigh−k膜)を使用してもよい。例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウムなどの膜から形成してもよい。
Next, a gate insulating film (second gate insulating film) 21 is formed on the main surface of the
続いて、ゲート絶縁膜21上にポリシリコン膜(第2導体膜)を形成する。ポリシリコン膜は、例えばCVD法によって形成することができる。そして、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を使用して、図15に示すようにゲート電極(第2ゲート電極)22を形成するとともに、ゲート電極22下にだけゲート絶縁膜21を残す。
Subsequently, a polysilicon film (second conductor film) is formed on the
次に、図16に示すように、フォトリソグラフィ技術およびイオン注入法を使用して、p型ウェル14内に半導体領域である低濃度n型不純物拡散領域(不純物拡散領域)23、24、25を形成する。低濃度n型不純物拡散領域23、24、25は、p型ウェル14内にリンや砒素などのn型不純物を導入し、その後導入したn型不純物を活性化するための熱処理を行なうことにより形成することができる。
Next, as shown in FIG. 16, low-concentration n-type impurity diffusion regions (impurity diffusion regions) 23, 24, and 25 that are semiconductor regions are formed in the p-type well 14 by using a photolithography technique and an ion implantation method. Form. The low-concentration n-type
続いて、半導体基板10の主面上に例えばCVD法を使用して酸化シリコン膜を形成する。そして、形成した酸化シリコン膜を異方性エッチングすることにより、ゲート電極20の側壁にサイドウォール(第1サイドウォール)26aを形成し、ゲート電極22の側壁にサイドウォール(第2サイドウォール)26bを形成する。さらに細かくいうと、サイドウォール26aは、ゲート絶縁膜15、電荷蓄積膜16、絶縁膜17およびゲート電極20の側壁にわたって形成され、ゲート電極20の端部下の掘り込まれた部分を埋め込むように形成されている。また、サイドウォール26bは、ゲート絶縁膜21およびゲート電極22の側壁にわたって形成されている。すなわち、MONOS型トランジスタQ1のサイドウォール26aの長さを、MIS型トランジスタQ2のサイドウォール26bの長さよりも長くなるように形成している。また、MONOS型トランジスタQ1のゲート電極20の端部において、窒化シリコン膜よりも低誘電率の酸化シリコン膜が厚くなるように形成している。つまり、ゲート電極20の端部に窒化シリコン膜を形成しないとともに、ゲート電極20の端部がラウンディングした形状をしていることにより、ゲート電極20の端部における酸化シリコン膜の膜厚が厚くなっている。
Subsequently, a silicon oxide film is formed on the main surface of the
その後、フォトリソグラフィ技術およびイオン注入法を使用して、半導体領域である高濃度n型不純物拡散領域27、28、29を形成する。高濃度n型不純物拡散領域27、28、29は、低濃度n型不純物拡散領域23、24、25より高濃度にn型不純物が導入されている。
Thereafter, high-concentration n-type
次に、図7に示すように半導体基板10の主面上に高融点金属膜として例えばコバルト膜を形成する。コバルト膜は、例えばスパッタリング法やCVD法を使用して形成することができる。その後、熱処理を施すことによりコバルトシリサイド膜30を形成する。そして、未反応のコバルト膜を除去する。このコバルトシリサイド膜30は、低抵抗化のために形成される。なお、高融点金属膜として、コバルト膜の代わりにチタン膜またはニッケル膜を用いることにより、チタンシリサイド膜やニッケルシリサイド膜を形成してもよい。
Next, as shown in FIG. 7, for example, a cobalt film is formed on the main surface of the
このようにして、本実施の形態のMONOS型トランジスタQ1およびMIS型トランジスタQ2を形成することができる。 In this way, the MONOS transistor Q 1 and the MIS transistor Q 2 of the present embodiment can be formed.
次に、配線工程について簡単に説明する。図7に示すように、半導体基板10の主面上に窒化シリコン膜31を形成する。窒化シリコン膜31は、例えばCVD法によって形成することができる。そして、窒化シリコン膜31上に酸化シリコン膜32を形成する。この酸化シリコン膜32も例えばCVD法を使用して形成することができる。その後、酸化シリコン膜32の表面を、例えばCMP(Chemical Mechanical Polishing)法を使用して平坦化する。
Next, the wiring process will be briefly described. As shown in FIG. 7, a
続いて、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を使用して、酸化シリコン膜32にコンタクトホール33を形成する。そして、コンタクトホール33の底面および内壁を含む酸化シリコン膜32上にチタン/窒化チタン膜34aを形成する。チタン/窒化チタン膜34aは、チタン膜と窒化チタン膜の積層膜から形成され、例えばスパッタリング法を使用することにより形成できる。
Subsequently, a
次に、コンタクトホール33を埋め込むように、半導体基板10の主面上にタングステン膜34bを形成する。タングステン膜34bは、例えばCVD法を使用することにより形成することができる。そして、酸化シリコン膜32上に形成された不要なチタン/窒化チタン膜34aおよびタングステン膜34bを例えばCMP法を使用して除去することにより、プラグ35を形成する。
Next, a
次に、酸化シリコン膜32およびプラグ35上にチタン/窒化チタン膜36a、アルミニウム膜36b、チタン/窒化チタン膜36cを順次、形成する。これらの膜は、例えばスパッタリング法を使用することにより形成できる。続いて、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を使用することにより、これらの膜のパターニングを行い、配線37を形成する。さらに配線37の上層に配線を形成するが、本明細書での説明は省略する。
Next, a titanium /
以上のようにして、本実施の形態のMONOS型トランジスタQ1を含む不揮発性メモリセルを形成することができる。 As described above, a nonvolatile memory cell including the MONOS transistor Q 1 of the present embodiment can be formed.
本実施の形態のMONOS型トランジスタQ1によれば、ゲート長方向におけるゲート電極20の長さとサイドウォール26aのサイドウォール長を短くした場合であっても、ゲート電極20の端部下の電界集中を緩和できるので、リーク電流の低減を図ることができる。また、ゲート電極20の端部下におけるホットホールの発生を低減できるので、誤消去の低減も同時に達成することができる。
According to the MONOS transistor Q 1 of the present embodiment, even when the length of the
つまり、本実施の形態のMONOS型トランジスタQ1を含む不揮発性メモリセルによれば、メモリセルサイズを縮小しながら、リーク電流および誤消去の低減というデバイス性能の向上を図ることができる。 That is, according to the nonvolatile memory cell including the MONOS transistor Q 1 of the present embodiment, it is possible to improve device performance such as reducing leakage current and erroneous erasure while reducing the memory cell size.
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。 As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the present invention is not limited to the embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.
前記実施の形態では、MONOS型トランジスタについて説明したが、これに限らず、例えばMNOS型トランジスタに本発明を適用してもよい。 Although the MONOS transistor has been described in the above embodiment, the present invention is not limited to this, and the present invention may be applied to, for example, an MNOS transistor.
本発明は、例えば不揮発性半導体記憶装置であるICカードを製造する製造業に利用されるものである。 The present invention is used, for example, in the manufacturing industry for manufacturing IC cards that are nonvolatile semiconductor memory devices.
10 半導体基板
11 素子分離領域
12 酸化シリコン膜
13 n型ウェル
14 p型ウェル
15 ゲート絶縁膜(第1ゲート絶縁膜)
16 電荷蓄積膜
17 絶縁膜
18 ポリシリコン膜(第1導体膜)
19 キャップ絶縁膜
20 ゲート電極(第1ゲート電極)
20a 酸化シリコン膜
21 ゲート絶縁膜(第2ゲート絶縁膜)
22 ゲート電極(第2ゲート電極)
23 低濃度n型不純物拡散領域(不純物拡散領域)
24 低濃度n型不純物拡散領域(不純物拡散領域)
25 低濃度n型不純物拡散領域(不純物拡散領域)
26a サイドウォール(第1サイドウォール)
26b サイドウォール(第2サイドウォール)
27 高濃度n型不純物拡散領域(不純物領域)
28 高濃度n型不純物拡散領域(不純物領域)
29 高濃度n型不純物拡散領域
30 コバルトシリサイド膜
31 窒化シリコン膜
32 酸化シリコン膜
33 コンタクトホール
34a チタン/窒化チタン膜
34b タングステン膜
35 プラグ
36a チタン/窒化チタン膜
36b アルミニウム膜
36c チタン/窒化チタン膜
37 配線
Q1 MONOS型トランジスタ
Q2 MIS型トランジスタ
DESCRIPTION OF
16
19
20a
22 Gate electrode (second gate electrode)
23 Low-concentration n-type impurity diffusion region (impurity diffusion region)
24 Low-concentration n-type impurity diffusion region (impurity diffusion region)
25 Low-concentration n-type impurity diffusion region (impurity diffusion region)
26a side wall (first side wall)
26b Side wall (second side wall)
27 High-concentration n-type impurity diffusion region (impurity region)
28 High-concentration n-type impurity diffusion region (impurity region)
29 High-concentration n-type
Claims (16)
前記第1電界効果トランジスタは、
(a)前記半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜と、
(b)前記ゲート絶縁膜上に形成された電荷蓄積膜と、
(c)前記電荷蓄積膜上に形成されたゲート電極と、
(d)前記ゲート絶縁膜、前記電荷蓄積膜および前記ゲート電極のそれぞれの側壁にわたって形成された第1サイドウォールとを備え、
前記ゲート電極のゲート長方向において、前記電荷蓄積膜の長さは、前記ゲート電極の長さに比べて短いことを特徴とする半導体装置。 A semiconductor device comprising a rewritable nonvolatile memory cell having a first field effect transistor for memory on a semiconductor substrate,
The first field effect transistor is:
(A) a gate insulating film formed on the semiconductor substrate;
(B) a charge storage film formed on the gate insulating film;
(C) a gate electrode formed on the charge storage film;
(D) a first sidewall formed over the respective sidewalls of the gate insulating film, the charge storage film, and the gate electrode;
The length of the charge storage film in the gate length direction of the gate electrode is shorter than the length of the gate electrode.
前記第1電界効果トランジスタは、前記電荷蓄積膜と前記ゲート電極との間に絶縁膜を有することを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The first field effect transistor has an insulating film between the charge storage film and the gate electrode.
前記ゲート電極の端部下には、前記電荷蓄積膜が形成されていないことを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
A semiconductor device, wherein the charge storage film is not formed under an end of the gate electrode.
前記ゲート電極の端部下には、前記第1サイドウォールの一部が形成されていることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
A semiconductor device, wherein a part of the first sidewall is formed under an end portion of the gate electrode.
前記第1サイドウォールを構成する材料の誘電率は、前記電荷蓄積膜を構成する材料の誘電率よりも低いことを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor device according to claim 1, wherein a dielectric constant of a material constituting the first sidewall is lower than a dielectric constant of a material constituting the charge storage film.
前記電荷蓄積膜は、窒化シリコン膜より形成され、前記第1サイドウォールは、酸化シリコン膜より形成されていることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor device, wherein the charge storage film is formed of a silicon nitride film, and the first sidewall is formed of a silicon oxide film.
前記不揮発性メモリセルは更に、前記不揮発性メモリセルを選択するための第2電界効果トランジスタを有することを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The non-volatile memory cell further includes a second field effect transistor for selecting the non-volatile memory cell.
ゲート長さ方向において、前記第1電界効果トランジスタの前記第1サイドウォールの長さは、前記第2電界効果トランジスタの第2サイドウォールの長さよりも長いことを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 7,
The semiconductor device according to claim 1, wherein a length of the first sidewall of the first field effect transistor is longer than a length of the second sidewall of the second field effect transistor in a gate length direction.
前記電界効果トランジスタは、
(a)前記半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜と、
(b)前記ゲート絶縁膜上に形成された電荷蓄積膜と、
(c)前記電荷蓄積膜上に形成されたゲート電極と、
(d)前記ゲート絶縁膜、前記電荷蓄積膜および前記ゲート電極のそれぞれの側壁にわたって形成されたサイドウォールと、
(e)前記半導体基板に形成された不純物領域であって、前記サイドウォールに整合して形成された前記不純物領域とを備え、
ゲート長方向における前記不純物領域から前記電荷蓄積膜までの距離は、ゲート長方向における前記不純物領域から前記ゲート電極までの距離よりも長いことを特徴とする半導体装置。 A semiconductor device comprising a plurality of rewritable nonvolatile memory cells having a field effect transistor for a memory on a semiconductor substrate,
The field effect transistor is
(A) a gate insulating film formed on the semiconductor substrate;
(B) a charge storage film formed on the gate insulating film;
(C) a gate electrode formed on the charge storage film;
(D) sidewalls formed over the respective sidewalls of the gate insulating film, the charge storage film, and the gate electrode;
(E) an impurity region formed in the semiconductor substrate, the impurity region formed in alignment with the sidewall,
A semiconductor device, wherein a distance from the impurity region to the charge storage film in a gate length direction is longer than a distance from the impurity region to the gate electrode in a gate length direction.
前記不揮発性メモリセルには前記電荷蓄積膜に電子が注入される選択セルと、前記電荷蓄積膜に電子が注入されない非選択セルがあり、
前記選択セルの前記ゲート電極と前記非選択セルの前記ゲート電極はワード線に接続されており、前記選択セルに電子を注入する書き込み動作時において、前記ワード線と前記選択セル内の前記不純物領域との間の電位差は、前記ワード線と前記非選択セル内の前記不純物領域との間の電位差よりも大きいことを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 9,
The nonvolatile memory cell includes a selected cell in which electrons are injected into the charge storage film and a non-selected cell in which electrons are not injected into the charge storage film,
The gate electrode of the selected cell and the gate electrode of the non-selected cell are connected to a word line, and in the write operation for injecting electrons into the selected cell, the word line and the impurity region in the selected cell A potential difference between the first and second word lines is larger than a potential difference between the word line and the impurity region in the non-selected cell.
(a)半導体基板上に形成された前記第1電界効果トランジスタの第1ゲート絶縁膜、
(b)前記半導体基板上に形成された前記第2電界効果トランジスタの第2ゲート絶縁膜、
(c)前記半導体基板上に形成された前記第1電界効果トランジスタの第1サイドウォール、
(d)前記半導体基板上に形成された前記第2電界効果トランジスタの第2サイドウォール、を有し、
ゲート長方向において、前記第1電界効果トランジスタの前記第1ゲート絶縁膜の長さは前記第2電界効果トランジスタの前記第2ゲート絶縁膜の長さよりも短く、
ゲート長方向において、前記第1電界効果トランジスタの前記第1サイドウォールの長さは前記第2電界効果トランジスタの前記第2サイドウォールの長さよりも長いことを特徴とした半導体装置。 A semiconductor device including a first field effect transistor for forming a nonvolatile memory element and a second field effect transistor for selecting the nonvolatile memory element,
(A) a first gate insulating film of the first field effect transistor formed on a semiconductor substrate;
(B) a second gate insulating film of the second field effect transistor formed on the semiconductor substrate;
(C) a first sidewall of the first field effect transistor formed on the semiconductor substrate;
(D) having a second sidewall of the second field effect transistor formed on the semiconductor substrate;
In the gate length direction, the length of the first gate insulating film of the first field effect transistor is shorter than the length of the second gate insulating film of the second field effect transistor,
The semiconductor device according to claim 1, wherein a length of the first sidewall of the first field effect transistor is longer than a length of the second sidewall of the second field effect transistor in a gate length direction.
前記電界効果トランジスタは、
(a)前記半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜と、
(b)前記ゲート絶縁膜上に形成された電荷蓄積膜と、
(c)前記電荷蓄積膜上に形成されたゲート電極とを備え、
前記ゲート電極の底面は、前記底面の中央部から前記半導体基板までの距離よりも前記底面の端部から前記半導体基板までの距離が大きくなる形状をしていることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor device comprising a rewritable nonvolatile memory cell having a field effect transistor for memory on a semiconductor substrate,
The field effect transistor is
(A) a gate insulating film formed on the semiconductor substrate;
(B) a charge storage film formed on the gate insulating film;
(C) a gate electrode formed on the charge storage film;
The bottom surface of the gate electrode has a shape in which a distance from an end of the bottom surface to the semiconductor substrate is larger than a distance from a central portion of the bottom surface to the semiconductor substrate.
(b)前記第1ゲート絶縁膜上に電荷蓄積膜を形成する工程と、
(c)前記電荷蓄積膜上に第1導体膜を形成する工程と、
(d)前記第1導体膜をパターニングして第1ゲート電極を形成する工程と、
(e)前記電荷蓄積膜をエッチングすることにより、ゲート長方向における前記電荷蓄積膜の長さを前記第1ゲート電極のゲート長に比べて短くする工程とを備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。 (A) forming a first gate insulating film on the semiconductor substrate;
(B) forming a charge storage film on the first gate insulating film;
(C) forming a first conductor film on the charge storage film;
(D) patterning the first conductor film to form a first gate electrode;
And (e) etching the charge storage film to shorten the length of the charge storage film in the gate length direction compared to the gate length of the first gate electrode. Production method.
前記電荷蓄積膜と前記第1導体膜の間に絶縁膜を形成する工程をさらに備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor device according to claim 13,
A method of manufacturing a semiconductor device, further comprising a step of forming an insulating film between the charge storage film and the first conductor film.
(f)前記半導体基板上に第2ゲート絶縁膜を形成する工程と、
(g)前記第2ゲート絶縁膜上に第2導体膜を形成する工程と、
(h)前記第2導体膜および前記第2ゲート絶縁膜をパターニングすることにより、第2ゲート電極を形成し、前記第2ゲート電極下にだけ前記第2ゲート絶縁膜を残す工程と、
(i)前記第1ゲート電極および前記第2ゲート電極をマスクにして、前記半導体基板内に不純物拡散領域を形成する工程と、
(j)前記第1ゲート絶縁膜、前記電荷蓄積膜および前記第1ゲート電極のそれぞれの側壁にわたる第1サイドウォールを形成し、前記第2ゲート絶縁膜および前記第2ゲート電極のそれぞれの側壁にわたる第2サイドウォールを形成する工程とを備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。 14. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 13, further comprising:
(F) forming a second gate insulating film on the semiconductor substrate;
(G) forming a second conductor film on the second gate insulating film;
(H) patterning the second conductor film and the second gate insulating film to form a second gate electrode, leaving the second gate insulating film only under the second gate electrode;
(I) forming an impurity diffusion region in the semiconductor substrate using the first gate electrode and the second gate electrode as a mask;
(J) forming first sidewalls extending over the respective sidewalls of the first gate insulating film, the charge storage film and the first gate electrode, and extending over the respective sidewalls of the second gate insulating film and the second gate electrode; And a step of forming a second sidewall.
(b)前記ゲート絶縁膜上に電荷蓄積膜を形成する工程と、
(c)前記電荷蓄積膜上に導体膜を形成する工程と、
(d)前記導体膜をパターニングしてゲート電極を形成する工程と、
(e)前記ゲート電極の下端部に絶縁膜よりなるバーズビークを形成する工程と、
(f)前記バーズビークを除去することにより、前記ゲート電極の底面の形状を、前記底面の中央部から前記半導体基板までの距離に比べて前記底面の端部から前記半導体基板までの距離が大きくなる形状にする工程とを備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。 (A) forming a gate insulating film on the semiconductor substrate;
(B) forming a charge storage film on the gate insulating film;
(C) forming a conductor film on the charge storage film;
(D) patterning the conductor film to form a gate electrode;
(E) forming a bird's beak made of an insulating film at the lower end of the gate electrode;
(F) By removing the bird's beak, the shape of the bottom surface of the gate electrode increases the distance from the end of the bottom surface to the semiconductor substrate as compared to the distance from the center of the bottom surface to the semiconductor substrate. And a step of forming the semiconductor device.
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