JP2005197425A - Semiconductor device - Google Patents

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Yasuyoshi Itou
康悦 伊藤
Shuichi Ueno
修一 上野
Masayoshi Shirahata
正芳 白畑
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device which can obtain a non-volatile memory having higher integration density. <P>SOLUTION: A first trench is formed on the surface of a semiconductor substrate, and a second trench is formed on the bottom surface of the first trench. A first active region is formed on the surface of the semiconductor substrate, a second active region on the bottom surface of the first trench, and a third active region on the bottom surface of the second trench, respectively. Moreover, an insulating film covering the side surface and the bottom surface of the first and second trenches is formed and a conductive material covering the insulating film is also formed. A part covering the side surface of the second trench of the insulating film is defined as a gate insulating film (for example, ONO film) of a first MIS transistor and a part covering the side surface of the first trench of the insulating film is defined as a gate insulating film of a second MIS transistor. The gate insulating films of the first and second MIS transistors are controlled to function as charge holding portions which can hold charges. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

この発明は、不揮発性メモリに利用される半導体装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor device used for a nonvolatile memory.

不揮発性メモリに利用される半導体装置の一つに、下記特許文献1および非特許文献1に示される構造のMONOS(Metal Oxide Nitride Oxide Semiconductor)トランジスタがある。このMONOSトランジスタは、MIS(Metal Insulator Semiconductor)トランジスタの一種であり、半導体基板内に形成されたソース領域およびドレイン領域と、半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極とを備える。   One of semiconductor devices used for a nonvolatile memory is a MONOS (Metal Oxide Nitride Oxide Semiconductor) transistor having a structure shown in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 below. This MONOS transistor is a kind of MIS (Metal Insulator Semiconductor) transistor, and is formed on a source region and a drain region formed in a semiconductor substrate, a gate insulating film formed on the semiconductor substrate, and a gate insulating film. And a gate electrode.

このうちゲート絶縁膜は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜およびシリコン酸化膜の順に積層された積層膜(ONO:Oxide Nitride Oxide 膜)である。メモリセルとしてこのMONOSトランジスタにプログラム(書き込み)動作を行う場合、半導体基板、ゲート電極、ソース領域およびドレイン領域の各部に適当な電圧を印加することにより、シリコン窒化膜中の例えばドレイン領域側に電子等の電荷をトラップさせる。一方、イレース(消去)動作を行う場合も、上記各部に適当な電圧を印加することにより、トラップされている電荷を引き抜く。なお、MONOSトランジスタで構成された不揮発性メモリにおいては、ソース領域およびドレイン領域がビット線として機能し、ゲート電極がワード線として機能する。   Among these, the gate insulating film is a laminated film (ONO: Oxide Nitride Oxide film) in which a silicon oxide film, a silicon nitride film, and a silicon oxide film are laminated in this order. When a program (write) operation is performed on the MONOS transistor as a memory cell, an appropriate voltage is applied to each part of the semiconductor substrate, the gate electrode, the source region, and the drain region, so that, for example, electrons are formed on the drain region side in the silicon nitride film. Trap the charges. On the other hand, also in the erase (erase) operation, the trapped charge is extracted by applying an appropriate voltage to each of the above portions. Note that in a nonvolatile memory including MONOS transistors, a source region and a drain region function as bit lines, and a gate electrode functions as a word line.

電荷がトラップされている場合には、トラップされていない場合に比べてMONOSトランジスタのしきい値電圧に変化が生じる。よって、このしきい値電圧の変化を検出することにより、メモリセルに1ビットの情報が記憶されているか否かを判断できる。   When charge is trapped, the threshold voltage of the MONOS transistor changes compared to when it is not trapped. Therefore, by detecting this change in threshold voltage, it can be determined whether 1-bit information is stored in the memory cell.

なお、この出願の発明に関連する他の先行技術文献情報としては、先述の特許文献1および非特許文献1のほかに次のものがある。   In addition to the above-described Patent Document 1 and Non-Patent Document 1, there are the following other prior art document information related to the invention of this application.

米国特許第5768192号明細書US Pat. No. 5,768,192 特開2001−77219号公報JP 2001-77219 A 特開平5−75133号公報JP-A-5-75133 I.Bloom et al.,「NROM a new non-volatile memory technology: from device to products」 Microelectronic Engineering 59(2001),pp.213-223I. Bloom et al., `` NROM a new non-volatile memory technology: from device to products '' Microelectronic Engineering 59 (2001), pp.213-223 B.Goebel et al.,「Vertical N-Channel MOSFETs for Extremely High Density Memories:The Impact of Interface Orientation on Device Performance」 IEEE Transactions On Electron Devices,VOL.48,NO.5,MAY 2001B. Goebel et al., `` Vertical N-Channel MOSFETs for Extremely High Density Memories: The Impact of Interface Orientation on Device Performance '' IEEE Transactions On Electron Devices, VOL.48, NO.5, MAY 2001 J.De Blauwe et al.,「Si-Dot Non-Volatile Memory Device」 Extended Abstracts of the 2001 International Conference on Solid State Devices and Materials,Tokyo,2001,pp.518-519J. De Blauwe et al., `` Si-Dot Non-Volatile Memory Device '' Extended Abstracts of the 2001 International Conference on Solid State Devices and Materials, Tokyo, 2001, pp. 518-519

上記MONOSトランジスタにおいては、上記非特許文献1のFIG.1.(a)にも示されているように、シリコン窒化膜のうちドレイン領域側およびソース領域側の双方にそれぞれ電荷をトラップさせることが可能である。これにより、一つのメモリセルで2ビットの情報を記憶させることができ、記憶素子の高集積化が実現できる。   In the MONOS transistor, as shown in FIG. 1. (a) of Non-Patent Document 1, charges can be trapped on both the drain region side and the source region side of the silicon nitride film. Is possible. Accordingly, 2-bit information can be stored in one memory cell, and high integration of the memory element can be realized.

しかし、不揮発性メモリに対しては、更に多くの情報を記憶可能とすることが求められている。すなわち、より集積度の高い不揮発性メモリの実現が要求されている。   However, the nonvolatile memory is required to be able to store more information. That is, it is required to realize a non-volatile memory with a higher degree of integration.

この発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、より集積度の高い不揮発性メモリを実現可能な半導体装置を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and it is an object of the present invention to provide a semiconductor device capable of realizing a highly integrated nonvolatile memory.

本発明は、表面を有する半導体基板と、前記半導体基板の前記表面に形成され、底面および少なくとも一つの側面を有する第1トレンチと、前記第1トレンチの前記底面に形成され、底面および少なくとも一つの側面を有する第2トレンチと、前記第1トレンチの前記底面および少なくとも一つの側面、並びに、前記第2トレンチの前記底面および少なくとも一つの側面を覆う絶縁膜と、前記絶縁膜を覆う導電性材料と、前記半導体基板の前記表面において前記第1トレンチに隣接して形成された第1活性領域と、前記第1トレンチの前記底面において前記第2トレンチに隣接して形成された第2活性領域と、前記第2トレンチの前記底面に形成された第3活性領域とを備え、前記絶縁膜のうち前記第2トレンチの前記少なくとも一つの側面を覆う部分、前記導電性材料、前記第2活性領域、並びに、前記第3活性領域がそれぞれ、第1MIS(Metal Insulator Semiconductor)トランジスタの、ゲート絶縁膜、ゲート電極、ソースおよびドレイン領域の一方、並びに、ソースおよびドレイン領域の他方を構成し、前記絶縁膜のうち前記第1トレンチの前記少なくとも一つの側面を覆う部分、前記導電性材料、前記第1活性領域、並びに、前記第2活性領域がそれぞれ、第2MISトランジスタの、ゲート絶縁膜、ゲート電極、ソースおよびドレイン領域の一方、並びに、ソースおよびドレイン領域の他方を構成し、前記第1および第2MISトランジスタの前記ゲート絶縁膜はそれぞれ、電荷を保持することが可能な電荷保持部として機能する半導体装置である。   The present invention provides a semiconductor substrate having a surface, a first trench formed on the surface of the semiconductor substrate and having a bottom surface and at least one side surface, formed on the bottom surface of the first trench, and having a bottom surface and at least one surface. A second trench having a side surface; an insulating film covering the bottom surface and at least one side surface of the first trench; an insulating film covering the bottom surface and at least one side surface of the second trench; and a conductive material covering the insulating film; A first active region formed adjacent to the first trench on the surface of the semiconductor substrate; a second active region formed adjacent to the second trench on the bottom surface of the first trench; A third active region formed on the bottom surface of the second trench, and the at least one side surface of the second trench of the insulating film. The covering portion, the conductive material, the second active region, and the third active region are each one of a gate insulating film, a gate electrode, a source and drain region of a first MIS (Metal Insulator Semiconductor) transistor, and The other of the source and drain regions, the portion of the insulating film covering the at least one side surface of the first trench, the conductive material, the first active region, and the second active region, The second MIS transistor constitutes one of the gate insulating film, the gate electrode, the source and drain regions, and the other of the source and drain regions, and each of the gate insulating films of the first and second MIS transistors holds charges. This is a semiconductor device that functions as a charge holding portion that can be used.

本発明によれば、ゲート絶縁膜が電荷保持部として機能する第1および第2MISトランジスタを、第2および第1トレンチの少なくとも一つの側面内にそれぞれ含む。よって、第1および第2トレンチ内に、記憶素子として機能する少なくとも2つ(両側面の場合は4つ)のMISトランジスタが含まれており、より集積度の高い不揮発性メモリを実現可能な半導体装置が得られる。また、この半導体装置によれば、第1トレンチの深さと第2トレンチの深さとを異ならしめることができる。これにより例えば、第2トレンチを浅く形成して第1MISトランジスタのチャネル長を短めにする一方で、第1トレンチを深く形成して第2MISトランジスタのチャネル長を長めにすることができる。また、その逆も可能である。よって、自由度の高いトランジスタのサイズ設計が可能となる。   According to the present invention, the first and second MIS transistors in which the gate insulating film functions as a charge holding portion are included in at least one side surface of the second and first trenches, respectively. Therefore, the first and second trenches include at least two (four in the case of both side surfaces) MIS transistors functioning as memory elements, and a semiconductor capable of realizing a highly integrated nonvolatile memory. A device is obtained. Further, according to this semiconductor device, the depth of the first trench and the depth of the second trench can be made different. Thereby, for example, the second trench can be formed shallow to shorten the channel length of the first MIS transistor, while the first trench can be formed deep to increase the channel length of the second MIS transistor. The reverse is also possible. Therefore, it is possible to design a transistor with a high degree of freedom.

<実施の形態1>
本実施の形態は、二段に形成されたトレンチ(溝)内に複数のMONOSトランジスタを含ませた半導体装置である。
<Embodiment 1>
The present embodiment is a semiconductor device in which a plurality of MONOS transistors are included in trenches (grooves) formed in two stages.

図1は、本実施の形態に係る半導体装置を有する不揮発性メモリ101Aの具体的な構造の一例を示す斜視図である。また、図2は、不揮発性メモリ101Aの回路図である。   FIG. 1 is a perspective view showing an example of a specific structure of a nonvolatile memory 101A having a semiconductor device according to the present embodiment. FIG. 2 is a circuit diagram of the nonvolatile memory 101A.

この不揮発性メモリ101Aにおいては、半導体基板110の表面にて二段に形成されたトレンチの内部に、複数のMONOSトランジスタが形成されている。そして、その複数のMONOSトランジスタの、ドレイン領域113,114がビット線として、ソース領域111,112,115がソース線として、ゲート電極130がワード線として、それぞれ機能する。また、隣接するトレンチ間のソース領域111,112の上部にはそれぞれ、シリコン酸化膜等で構成される素子分離領域140が形成されている。二段形成トレンチの表面にはゲート絶縁膜120が形成され、ゲート絶縁膜120はゲート電極130に覆われる。なお、図1においては、トレンチ上に形成された層間絶縁膜150を、その下部構造の表示を遮らないよう透明化して図示している。   In the nonvolatile memory 101A, a plurality of MONOS transistors are formed inside a trench formed in two stages on the surface of the semiconductor substrate 110. In each of the MONOS transistors, the drain regions 113 and 114 function as bit lines, the source regions 111, 112, and 115 function as source lines, and the gate electrode 130 functions as a word line. An element isolation region 140 made of a silicon oxide film or the like is formed above the source regions 111 and 112 between adjacent trenches. A gate insulating film 120 is formed on the surface of the two-stage trench, and the gate insulating film 120 is covered with the gate electrode 130. In FIG. 1, the interlayer insulating film 150 formed on the trench is shown transparent so as not to obstruct the display of the lower structure.

不揮発性メモリ101Aにおいては、二段形成トレンチ、ドレイン領域113,114、ソース領域111,112,115、ゲート絶縁膜120、並びに、素子分離領域140は、ソース線およびビット線の伸びる方向(図1では紙面からの奥行き方向であって、チャネル幅方向に相当)に連続している。また、ゲート電極130は、ワード線の伸びる方向(図1では紙面と平行な方向であって、チャネル長方向に相当)に連続している。   In the nonvolatile memory 101A, the two-stage formed trench, the drain regions 113 and 114, the source regions 111, 112, and 115, the gate insulating film 120, and the element isolation region 140 extend in the direction in which the source line and the bit line extend (FIG. 1). Then, it is continuous in the depth direction from the paper surface and corresponding to the channel width direction). Further, the gate electrode 130 is continuous in the direction in which the word line extends (in FIG. 1, the direction is parallel to the paper surface and corresponds to the channel length direction).

図3は、本実施の形態の半導体装置たる、図1の二段形成トレンチ内の複数のMONOSトランジスタTr1〜Tr4を示す断面図である。図3に示すように、この半導体装置においては、シリコン基板等の半導体基板110の表面に、底面および両側面を有する第1段目のトレンチTR1aが形成される。そして、トレンチTR1aの底面に、底面および両側面を有する第2段目のトレンチTR1bが形成される。   FIG. 3 is a cross-sectional view showing a plurality of MONOS transistors Tr1 to Tr4 in the two-stage formation trench of FIG. 1, which is the semiconductor device of the present embodiment. As shown in FIG. 3, in this semiconductor device, a first-stage trench TR1a having a bottom surface and both side surfaces is formed on the surface of a semiconductor substrate 110 such as a silicon substrate. Then, a second-stage trench TR1b having a bottom surface and both side surfaces is formed on the bottom surface of the trench TR1a.

なお、トレンチTR1aの開口幅は例えば0.3μmに設定され、半導体基板110表面からの深さは例えば0.2μmに設定される。また、トレンチTR1bの開口幅は例えば0.1μmに設定され、トレンチTR1a底面からの深さは例えば0.2μmに設定される。なお、ゲート電極130の幅により規定されるチャネル幅は例えば0.2μmに設定される。   The opening width of the trench TR1a is set to 0.3 μm, for example, and the depth from the surface of the semiconductor substrate 110 is set to 0.2 μm, for example. Further, the opening width of the trench TR1b is set to 0.1 μm, for example, and the depth from the bottom surface of the trench TR1a is set to 0.2 μm, for example. The channel width defined by the width of the gate electrode 130 is set to 0.2 μm, for example.

半導体基板110の表面においては、トレンチTR1aに隣接してトレンチTR1aを挟むように、活性領域たるソース領域111,112が形成される。また、トレンチTR1aの底面においては、トレンチTR1bに隣接してトレンチTR1bを挟むように、活性領域たるドレイン領域113,114が形成される。そして、トレンチTR1bの底面には、活性領域たるソース領域115が形成される。   On the surface of semiconductor substrate 110, source regions 111 and 112 as active regions are formed so as to sandwich trench TR1a adjacent to trench TR1a. On the bottom surface of trench TR1a, drain regions 113 and 114 as active regions are formed so as to sandwich trench TR1b adjacent to trench TR1b. A source region 115 as an active region is formed on the bottom surface of the trench TR1b.

トレンチTR1aの底面および両側面、並びに、トレンチTR1bの底面および両側面上には、これらを覆うようにゲート絶縁膜120が形成される。なお、ゲート絶縁膜120は、半導体基板110の表面にまで延在して半導体基板110の表面をも覆う。   On the bottom surface and both side surfaces of trench TR1a and on the bottom surface and both side surfaces of trench TR1b, gate insulating film 120 is formed so as to cover them. Note that the gate insulating film 120 extends to the surface of the semiconductor substrate 110 and also covers the surface of the semiconductor substrate 110.

そして、トレンチTR1a,TR1bを埋め込み、ゲート絶縁膜120を覆うようにゲート電極130が形成される。なお、ゲート絶縁膜120は、シリコン酸化膜121、シリコン窒化膜122、および、シリコン酸化膜123の順に積層された積層膜であり、また、ゲート電極130は、ポリシリコン等の導電性材料で構成される。   Then, gate electrode 130 is formed so as to fill trenches TR1a and TR1b and cover gate insulating film 120. The gate insulating film 120 is a laminated film in which a silicon oxide film 121, a silicon nitride film 122, and a silicon oxide film 123 are laminated in this order, and the gate electrode 130 is made of a conductive material such as polysilicon. Is done.

ここで、ゲート絶縁膜120のうちトレンチTR1bの一方側面を覆う部分、ゲート電極130のうちトレンチTR1b内の部分130f、ドレイン領域113、並びに、ソース領域115がそれぞれ、MONOSトランジスタTr1の、ゲート絶縁膜、ゲート電極、ドレイン領域、並びに、ソース領域を構成する。   Here, the portion of the gate insulating film 120 that covers one side surface of the trench TR1b, the portion 130f of the gate electrode 130 in the trench TR1b, the drain region 113, and the source region 115 are the gate insulating film of the MONOS transistor Tr1, respectively. , A gate electrode, a drain region, and a source region.

また、ゲート絶縁膜120のうちトレンチTR1bの他方側面を覆う部分、ゲート電極130のうちトレンチTR1b内の部分130f、ドレイン領域114、並びに、ソース領域115がそれぞれ、MONOSトランジスタTr2の、ゲート絶縁膜、ゲート電極、ドレイン領域、並びに、ソース領域を構成する。   In addition, the portion of the gate insulating film 120 that covers the other side surface of the trench TR1b, the portion 130f of the gate electrode 130 in the trench TR1b, the drain region 114, and the source region 115 are the gate insulating film of the MONOS transistor Tr2, respectively. A gate electrode, a drain region, and a source region are formed.

また、ゲート絶縁膜120のうちトレンチTR1aの一方側面を覆う部分、ゲート電極130のうちトレンチTR1a内の部分130e、ドレイン領域113、並びに、ソース領域111がそれぞれ、MONOSトランジスタTr3の、ゲート絶縁膜、ゲート電極、ドレイン領域、並びに、ソース領域を構成する。   In addition, the portion of the gate insulating film 120 that covers one side surface of the trench TR1a, the portion 130e of the gate electrode 130 in the trench TR1a, the drain region 113, and the source region 111 are respectively a gate insulating film of the MONOS transistor Tr3, A gate electrode, a drain region, and a source region are formed.

また、ゲート絶縁膜120のうちトレンチTR1aの他方側面を覆う部分、ゲート電極130のうちトレンチTR1a内の部分130e、ドレイン領域114、並びに、ソース領域112がそれぞれ、MONOSトランジスタTr4の、ゲート絶縁膜、ゲート電極、ドレイン領域、並びに、ソース領域を構成する。   Further, the portion of the gate insulating film 120 that covers the other side surface of the trench TR1a, the portion 130e of the gate electrode 130 in the trench TR1a, the drain region 114, and the source region 112 are respectively formed of the gate insulating film of the MONOS transistor Tr4, A gate electrode, a drain region, and a source region are formed.

MONOSトランジスタTr1〜Tr4の各ゲート絶縁膜内においてはそれぞれ、シリコン窒化膜122のうちソース領域の側およびドレイン領域の側のそれぞれの部分が、電荷を保持することが可能な電荷保持部として機能する。図3では、MONOSトランジスタTr1〜Tr4において、電子等の電荷CH1〜CH8がそれぞれ、各トランジスタのソース領域側の電荷保持部およびドレイン領域側の電荷保持部にトラップされている場合が示されている。   In each of the gate insulating films of the MONOS transistors Tr1 to Tr4, the respective portions of the silicon nitride film 122 on the source region side and the drain region side function as charge holding portions capable of holding charges. . FIG. 3 shows a case where in the MONOS transistors Tr1 to Tr4, charges CH1 to CH8 such as electrons are trapped in the charge holding part on the source region side and the charge holding part on the drain region side of each transistor, respectively. .

図2に示すように、MONOSトランジスタTr1〜Tr4はそれぞれ、不揮発性メモリ101Aのメモリセルとして機能する。これらのMONOSトランジスタTr1〜Tr4にプログラム動作、読み出し動作およびイレース動作を行う場合は、半導体基板110、ゲート電極130、ソース領域111,112,115およびドレイン領域113,114の各部に適当な電圧を印加することにより行えばよい。   As shown in FIG. 2, each of the MONOS transistors Tr1 to Tr4 functions as a memory cell of the nonvolatile memory 101A. When a program operation, a read operation, and an erase operation are performed on these MONOS transistors Tr1 to Tr4, appropriate voltages are applied to the semiconductor substrate 110, the gate electrode 130, the source regions 111, 112, 115, and the drain regions 113, 114. To do so.

例えばMONOSトランジスタTr1に電荷CH5のプログラム動作を行う場合は、半導体基板110、ドレイン領域113,114およびソース領域111,112に接地電位0[V]を与え、ソース領域115およびゲート電極130に接地電位よりも高い電位(例えばソース領域115に5[V]、ゲート電極130に9[V])を与えてトレンチTR1bの一方側面内にチャネルを形成すればよい。これら各部への電圧印加により、電荷(例えば電子)CH5は、ドレイン領域113からソース領域115に向かって、チャネルホットエレクトロンとして移動する。そして、チャネルのピンチオフ点付近でシリコン窒化膜122内の電荷保持部にトラップされる。   For example, when the charge CH5 program operation is performed on the MONOS transistor Tr1, the ground potential 0 [V] is applied to the semiconductor substrate 110, the drain regions 113 and 114, and the source regions 111 and 112, and the ground potential is applied to the source region 115 and the gate electrode 130. A channel may be formed in one side surface of the trench TR1b by applying a higher potential (for example, 5 [V] to the source region 115 and 9 [V] to the gate electrode 130). By applying a voltage to each of these parts, charge (for example, electrons) CH5 moves from the drain region 113 toward the source region 115 as channel hot electrons. Then, it is trapped in the charge holding portion in the silicon nitride film 122 in the vicinity of the pinch-off point of the channel.

また、同様に、MONOSトランジスタTr1に電荷CH7のプログラム動作を行う場合は、半導体基板110、ドレイン領域114およびソース領域111,112,115に接地電位0[V]を与え、ドレイン領域113およびゲート電極130に接地電位よりも高い電位(例えばドレイン領域113に5[V]、ゲート電極130に9[V])を与えてトレンチTR1bの一方側面内にチャネルを形成し、情報の書き込みを行えばよい。   Similarly, when the charge CH7 is programmed in the MONOS transistor Tr1, the ground potential 0 [V] is applied to the semiconductor substrate 110, the drain region 114, and the source regions 111, 112, and 115, and the drain region 113 and the gate electrode Information may be written by applying a potential higher than the ground potential to 130 (for example, 5 [V] to the drain region 113 and 9 [V] to the gate electrode 130) to form a channel in one side surface of the trench TR1b. .

一方、MONOSトランジスタTr1にトラップされた電荷CH5の読み出し動作を行うには、以下のようにすればよい。すなわち、半導体基板110、ドレイン領域114およびソース領域111,112,115に接地電位0[V]を与え、ドレイン領域113およびゲート電極130に接地電位よりも高い電位(例えばドレイン領域113に1.6[V]、ゲート電極130に3.5[V])を与えてトレンチTR1bの一方側面内にチャネルの形成を行えばよい。こうすれば、センスアンプ(図示せず)が、MONOSトランジスタTr1に流れる電流をセンスすることが可能となる。   On the other hand, the reading operation of the charge CH5 trapped in the MONOS transistor Tr1 may be performed as follows. That is, a ground potential of 0 [V] is applied to the semiconductor substrate 110, the drain region 114, and the source regions 111, 112, and 115, and a potential higher than the ground potential is applied to the drain region 113 and the gate electrode 130 (for example, 1.6 to the drain region 113). [V] and 3.5 [V]) may be applied to the gate electrode 130 to form a channel in one side surface of the trench TR1b. In this way, a sense amplifier (not shown) can sense the current flowing through the MONOS transistor Tr1.

MONOSトランジスタTr1にトラップされた電荷CH7の読み出し動作についても同様であり、半導体基板110、ドレイン領域113,114およびソース領域111,112に接地電位0[V]を与え、ソース領域115およびゲート電極130に接地電位よりも高い電位(例えばソース領域115に1.6[V]、ゲート電極130に3.5[V])を与えてトレンチTR1bの一方側面内にチャネルを形成すればよい。   The same applies to the read operation of the charge CH7 trapped in the MONOS transistor Tr1. The ground potential 0 [V] is applied to the semiconductor substrate 110, the drain regions 113 and 114, and the source regions 111 and 112, and the source region 115 and the gate electrode 130. A channel higher than the ground potential (for example, 1.6 [V] to the source region 115 and 3.5 [V] to the gate electrode 130) may be applied to form a channel in one side surface of the trench TR1b.

また、MONOSトランジスタTr1にトラップされた電荷CH5のイレース動作を行う場合は、例えば、ソース領域115に与える電位を8[V]、半導体基板110、ドレイン領域113,114、ソース領域111,112およびゲート電極130に与える電位を0[V]とすればよい。あるいは、ソース領域115に与える電位を5[V]、半導体基板110、ドレイン領域113,114およびソース領域111,112に与える電位を0[V]、ゲート電極130に与える電位を−6[V]とすればよい。   Further, when performing the erase operation of the charge CH5 trapped in the MONOS transistor Tr1, for example, the potential applied to the source region 115 is 8 [V], the semiconductor substrate 110, the drain regions 113 and 114, the source regions 111 and 112, and the gate The potential applied to the electrode 130 may be 0 [V]. Alternatively, the potential applied to the source region 115 is 5 [V], the potential applied to the semiconductor substrate 110, the drain regions 113 and 114 and the source regions 111 and 112 is 0 [V], and the potential applied to the gate electrode 130 is −6 [V]. And it is sufficient.

また、MONOSトランジスタTr1にトラップされた電荷CH7のイレース動作を行う場合は、例えば、ドレイン領域113に与える電位を8[V]、半導体基板110、ドレイン領域114およびソース領域111,112,115およびゲート電極130に与える電位を0[V]とすればよい。あるいは、ドレイン領域113に与える電位を5[V]、半導体基板110、ドレイン領域114およびソース領域111,112,115に与える電位を0[V]、ゲート電極130に与える電位を−6[V]とすればよい。   Further, when performing the erase operation of the charge CH7 trapped in the MONOS transistor Tr1, for example, the potential applied to the drain region 113 is 8 [V], the semiconductor substrate 110, the drain region 114, the source regions 111, 112, 115 and the gate. The potential applied to the electrode 130 may be 0 [V]. Alternatively, the potential applied to the drain region 113 is 5 [V], the potential applied to the semiconductor substrate 110, the drain region 114 and the source regions 111, 112, and 115 is 0 [V], and the potential applied to the gate electrode 130 is −6 [V]. And it is sufficient.

なお、ソース領域111,112,115およびドレイン領域113,114の電位を浮遊状態とし、ゲート電極130と半導体基板110との間に所定の電位差を与えれば、MONOSトランジスタTr1にトラップされた電荷CH5,CH7を一括してゲート電極130もしくはチャネル側の半導体基板110に引き抜くことも可能であり、一括消去時に便利となる。   If the potentials of the source regions 111, 112, 115 and the drain regions 113, 114 are set in a floating state and a predetermined potential difference is applied between the gate electrode 130 and the semiconductor substrate 110, the charges CH5 trapped in the MONOS transistor Tr1. CH7 can be extracted to the gate electrode 130 or the semiconductor substrate 110 on the channel side all at once, which is convenient for batch erasure.

他のMONOSトランジスタTr2〜Tr4にプログラム動作、読み出し動作およびイレース動作を行う場合も、上記の電荷CH5,CH7の場合と同様にすればよい。なお、MONOSトランジスタTr1〜Tr4にトラップさせる電荷CH1〜CH8は電子に限られるわけではなく、例えば正孔であってもよい。   When performing the program operation, the read operation, and the erase operation for the other MONOS transistors Tr2 to Tr4, the same operation as that for the charges CH5 and CH7 may be performed. The charges CH1 to CH8 trapped in the MONOS transistors Tr1 to Tr4 are not limited to electrons, and may be holes, for example.

図4〜図7は、本実施の形態に係る半導体装置の各製造工程を示す断面図である。   4 to 7 are cross-sectional views showing each manufacturing process of the semiconductor device according to the present embodiment.

まず、図4に示すように、半導体基板110上に、フォトレジストやシリコン酸化膜、シリコン窒化膜等でマスク201を形成し、これに開口部OP1を設けて半導体基板110の表面にトレンチTR1aを異方性エッチングにより形成する。   First, as shown in FIG. 4, a mask 201 is formed on a semiconductor substrate 110 with a photoresist, a silicon oxide film, a silicon nitride film, or the like, and an opening OP1 is provided in this to form a trench TR1a on the surface of the semiconductor substrate 110. It is formed by anisotropic etching.

続いて、図5に示すように、半導体基板110上およびトレンチTR1aの底面の一部上にフォトレジストやシリコン酸化膜、シリコン窒化膜等でマスク202を形成し、これに開口部OP2を設けてトレンチTR1aの底面にトレンチTR1bを異方性エッチングにより形成する。   Subsequently, as shown in FIG. 5, a mask 202 is formed of a photoresist, a silicon oxide film, a silicon nitride film or the like on the semiconductor substrate 110 and a part of the bottom surface of the trench TR1a, and an opening OP2 is provided in the mask 202. A trench TR1b is formed on the bottom surface of the trench TR1a by anisotropic etching.

次に、図6に示すように、不純物注入IP1を行って、ソース領域111,112,115およびドレイン領域113,114を形成する。   Next, as shown in FIG. 6, impurity implantation IP <b> 1 is performed to form source regions 111, 112, 115 and drain regions 113, 114.

そして、図7に示すように、半導体基板110の表面、トレンチTR1aの底面および両側面、並びに、トレンチTR1bの底面および両側面上に、これらを覆うように、シリコン酸化膜121、シリコン窒化膜122、シリコン酸化膜123を順次形成する。   Then, as shown in FIG. 7, on the surface of the semiconductor substrate 110, the bottom surface and both side surfaces of the trench TR1a, and the bottom surface and both side surfaces of the trench TR1b, the silicon oxide film 121 and the silicon nitride film 122 are covered so as to cover them. Then, the silicon oxide film 123 is sequentially formed.

その後、シリコン酸化膜123上に、シリコン酸化膜123を覆うようにポリシリコン等の導電性材料をトレンチTR1a,TR1b内に埋め込んで形成すれば、ゲート電極130が形成され、図1の構造が得られる。   Thereafter, if a conductive material such as polysilicon is buried in the trenches TR1a and TR1b so as to cover the silicon oxide film 123 on the silicon oxide film 123, the gate electrode 130 is formed, and the structure of FIG. 1 is obtained. It is done.

本実施の形態に係る半導体装置によれば、ゲート絶縁膜が電荷保持部として機能するMONOSトランジスタTr1,Tr3を、トレンチTR1a,TR1bの一方側面内にそれぞれ含み、ゲート絶縁膜内に電荷保持部が形成されたMONOSトランジスタTr2,Tr4を、トレンチTR1a,TR1bの他方側面内にそれぞれ含む。よって、トレンチ内に、記憶素子として機能する少なくとも2つ(本実施の形態の場合はトレンチTR1a,TR1bの両側面にMONOSトランジスタを2つずつ形成するので計4つ)のMONOSトランジスタが含まれており、より集積度の高い不揮発性メモリを実現可能な半導体装置が得られる。   According to the semiconductor device according to the present embodiment, the MONOS transistors Tr1 and Tr3 in which the gate insulating film functions as a charge holding portion are included in one side surface of the trenches TR1a and TR1b, respectively, and the charge holding portion is provided in the gate insulating film. The formed MONOS transistors Tr2 and Tr4 are included in the other side surfaces of the trenches TR1a and TR1b, respectively. Therefore, at least two MONOS transistors functioning as memory elements are included in the trench (in the case of this embodiment, two MONOS transistors are formed on both sides of the trenches TR1a and TR1b, so a total of four MONOS transistors). Thus, a semiconductor device capable of realizing a highly integrated nonvolatile memory can be obtained.

また、本実施の形態に係る半導体装置によれば、ゲート絶縁膜120のうちトレンチTR1a,TR1bの両側面を覆う部分はいずれも、シリコン酸化膜121、シリコン窒化膜122、および、シリコン酸化膜123の順に積層された積層膜であって、シリコン窒化膜122が電荷保持部として機能する。よって、トレンチTR1a,TR1bの両側面に形成されるMISトランジスタをMONOSトランジスタで実現できる。   Also, according to the semiconductor device of the present embodiment, any part of gate insulating film 120 that covers both side surfaces of trenches TR1a and TR1b is silicon oxide film 121, silicon nitride film 122, and silicon oxide film 123. The silicon nitride film 122 functions as a charge holding portion. Therefore, the MIS transistors formed on both side surfaces of the trenches TR1a and TR1b can be realized by MONOS transistors.

また、本実施の形態に係る半導体装置によれば、MONOSトランジスタTr1〜Tr4のゲート絶縁膜内においてはそれぞれ、電荷保持部として機能する部分は二つ存在し、その二つはソース領域の側およびドレイン領域の側のそれぞれに配置されている。よって、MONOSトランジスタTr1〜Tr4のそれぞれにおいて、各2ビット分の情報(計8ビット分)を記憶することができ、更なる高集積化が図れる。   Further, according to the semiconductor device according to the present embodiment, there are two portions functioning as charge holding portions in the gate insulating films of the MONOS transistors Tr1 to Tr4, respectively, the two being on the source region side and It is arranged on each side of the drain region. Therefore, each of the MONOS transistors Tr1 to Tr4 can store information for 2 bits (a total of 8 bits), and can achieve further high integration.

また、トレンチTR1a,TR1bの各深さを自由に設計することで、例えばMONOSトランジスタTr1,Tr2のチャネル長を長く設計し、MONOSトランジスタTr3,Tr4のチャネル長を短く設計することが可能となる。また、その逆も可能である。さらに、トレンチTR1a,TR1bの両方を深めに設定することも、浅めに設定することも可能である。よって、自由度の高いトランジスタのサイズ設計が可能となる。   Further, by freely designing the depths of the trenches TR1a and TR1b, for example, the channel lengths of the MONOS transistors Tr1 and Tr2 can be designed long, and the channel lengths of the MONOS transistors Tr3 and Tr4 can be designed short. The reverse is also possible. Furthermore, both trenches TR1a and TR1b can be set deeper or shallower. Therefore, it is possible to design a transistor with a high degree of freedom.

例えばトレンチTR1bの深さを大きく設定してMONOSトランジスタTr1のチャネル長を大きく設計すれば、シリコン窒化膜122のドレイン領域側に電荷CH7をトラップさせる際に、ソース領域側に既に書き込み済みの電荷CH5の電界による電荷CH7への反発の影響(すなわち電荷CH7の書き込み不良の問題)を回避することが可能となる(電荷CH5をトラップさせる際に、ドレイン領域側に既に書き込み済みの電荷CH7の電界による電荷CH5への反発の影響についても同様)。   For example, if the channel length of the MONOS transistor Tr1 is designed to be large by setting the depth of the trench TR1b to be large, when trapping the charge CH7 on the drain region side of the silicon nitride film 122, the charge CH5 already written on the source region side. The influence of the repulsion on the charge CH7 by the electric field (that is, the problem of defective writing of the charge CH7) can be avoided (when trapping the charge CH5, the electric field of the charge CH7 already written on the drain region side). The same applies to the effect of repulsion on the charge CH5).

また、電荷保持部にトラップされた電荷CH5,CH7のシリコン窒化膜122内での電荷分布は、トラップ後の時間経過によりチャネル長方向に拡がる傾向がある。これにより、電荷CH5,CH7の区別が難しくなり、2ビット分の情報記憶が困難となる可能性もある(1ビット分の情報しか記憶できない可能性がある)。しかし、MONOSトランジスタTr1のチャネル長を長く設計することで、このような2ビット分の情報記憶の困難性も回避可能である。   In addition, the charge distribution in the silicon nitride film 122 of the charges CH5 and CH7 trapped in the charge holding portion tends to spread in the channel length direction as time elapses after the trap. This makes it difficult to distinguish between the charges CH5 and CH7, and it may be difficult to store information of 2 bits (may store only 1 bit of information). However, by designing the channel length of the MONOS transistor Tr1 to be long, it is possible to avoid such difficulty in storing information of 2 bits.

本実施の形態に係る半導体装置の構造によれば、トレンチTR1bを深くしてMONOSトランジスタTr1のチャネル長を長くすることができる。よって、チャネル長を大きくしつつ、半導体基板表面におけるトレンチ幅の広がりを抑制でき、集積度向上と書き込み不良回避および2ビット分の情報記憶の困難性の回避とを両立させることができる。このことは、他のMONOSトランジスタTr2〜Tr4についても同様である。   According to the structure of the semiconductor device according to the present embodiment, the trench TR1b can be deepened to increase the channel length of the MONOS transistor Tr1. Therefore, it is possible to suppress the spread of the trench width on the surface of the semiconductor substrate while increasing the channel length, and to achieve both improvement in integration, avoidance of writing failure, and avoidance of difficulty in storing information for 2 bits. The same applies to the other MONOS transistors Tr2 to Tr4.

一方、例えばトレンチTR1a,TR1bの深さを小さく設定すれば、半導体基板110がSOI(Silicon On Insulator)基板等であるために基板表面の素子形成可能な領域が浅い場合であっても、MONOSトランジスタTr1〜Tr4が形成可能である。   On the other hand, for example, if the depths of the trenches TR1a and TR1b are set to be small, the MONOS transistor can be used even when the element formation region on the substrate surface is shallow because the semiconductor substrate 110 is an SOI (Silicon On Insulator) substrate or the like. Tr1 to Tr4 can be formed.

<実施の形態2>
本実施の形態は、実施の形態1に係る半導体装置の変形例であって、半導体基板110の表面およびトレンチTR1a,TR1bの底面においては、シリコン窒化膜122を形成せずにゲート絶縁膜120をシリコン酸化膜121,123の積層膜に変更したものである。
<Embodiment 2>
The present embodiment is a modification of the semiconductor device according to the first embodiment, and the gate insulating film 120 is not formed on the surface of the semiconductor substrate 110 and the bottom surfaces of the trenches TR1a and TR1b without forming the silicon nitride film 122. This is a change to a laminated film of silicon oxide films 121 and 123.

図8は、本実施の形態に係る半導体装置を示す図である。なお、図8においては、ゲート絶縁膜120に代わってゲート絶縁膜120bが採用されている点以外、装置構成は図3と同じである。   FIG. 8 shows a semiconductor device according to the present embodiment. In FIG. 8, the device configuration is the same as that of FIG. 3 except that a gate insulating film 120b is employed instead of the gate insulating film 120.

ゲート絶縁膜120bについて説明する。図8に示すように、このゲート絶縁膜120bは、半導体基板110の表面およびトレンチTR1a,TR1bの底面上では、シリコン窒化膜122を含まない、シリコン酸化膜121,123の積層膜となっている。一方、トレンチTR1a,TR1bの両側面上ではそれぞれ、このゲート絶縁膜120bは、シリコン酸化膜121,シリコン窒化膜122a,シリコン酸化膜123の積層膜、シリコン酸化膜121,シリコン窒化膜122b,シリコン酸化膜123の積層膜、シリコン酸化膜121,シリコン窒化膜122c,シリコン酸化膜123の積層膜、シリコン酸化膜121,シリコン窒化膜122d,シリコン酸化膜123の積層膜となっている。   The gate insulating film 120b will be described. As shown in FIG. 8, the gate insulating film 120b is a laminated film of silicon oxide films 121 and 123 that does not include the silicon nitride film 122 on the surface of the semiconductor substrate 110 and the bottom surfaces of the trenches TR1a and TR1b. . On the other hand, on both side surfaces of the trenches TR1a and TR1b, the gate insulating film 120b includes a silicon oxide film 121, a silicon nitride film 122a, a laminated film of a silicon oxide film 123, a silicon oxide film 121, a silicon nitride film 122b, and a silicon oxide film, respectively. A laminated film of the film 123, a laminated film of a silicon oxide film 121, a silicon nitride film 122c, a silicon oxide film 123, a laminated film of a silicon oxide film 121, a silicon nitride film 122d, and a silicon oxide film 123 are formed.

その他の点については、実施の形態1に係る半導体装置と同様のため、説明を省略する。   Since other points are the same as those of the semiconductor device according to the first embodiment, description thereof is omitted.

図9および図10は、本実施の形態に係る半導体装置の各製造工程を示す断面図である。   9 and 10 are cross-sectional views showing each manufacturing process of the semiconductor device according to the present embodiment.

まず、図4〜図6と同様にして、半導体基板110内に、トレンチTR1a,TR1b、ソース領域111,112,115およびドレイン領域113,114を形成する。   First, similarly to FIGS. 4 to 6, trenches TR <b> 1 a and TR <b> 1 b, source regions 111, 112, 115 and drain regions 113, 114 are formed in the semiconductor substrate 110.

次に、図9に示すように、半導体基板110の表面、トレンチTR1aの底面および両側面、並びに、トレンチTR1bの底面および両側面上に、これらを覆うように、シリコン酸化膜121、シリコン窒化膜122を順次形成する。   Next, as shown in FIG. 9, on the surface of the semiconductor substrate 110, the bottom surface and both side surfaces of the trench TR1a, and the bottom surface and both side surfaces of the trench TR1b, a silicon oxide film 121, a silicon nitride film are formed so as to cover them. 122 are formed sequentially.

そして、図10に示すように、シリコン窒化膜122に異方性エッチングET1を施して、半導体基板110の表面上、および、トレンチTR1a,TR1bの底面上のシリコン窒化膜122を除去し、トレンチTR1a,TR1bの側面上にのみシリコン窒化膜122a〜122dを残置させる。   Then, as shown in FIG. 10, anisotropic etching ET1 is performed on the silicon nitride film 122 to remove the silicon nitride film 122 on the surface of the semiconductor substrate 110 and on the bottom surfaces of the trenches TR1a and TR1b, and the trench TR1a. The silicon nitride films 122a to 122d are left only on the side surfaces of TR1b.

その後、シリコン酸化膜121およびシリコン窒化膜122a〜122dを覆うようにシリコン酸化膜123を形成し、シリコン酸化膜123上にシリコン酸化膜123を覆うようにポリシリコン等の導電性材料をトレンチTR1a,TR1b内に埋め込んで形成すれば、ゲート電極130が形成され、図8の構造が得られる。   Thereafter, a silicon oxide film 123 is formed so as to cover the silicon oxide film 121 and the silicon nitride films 122a to 122d, and a conductive material such as polysilicon is formed on the silicon oxide film 123 so as to cover the silicon oxide film 123 in the trenches TR1a, If formed by embedding in TR1b, the gate electrode 130 is formed, and the structure of FIG. 8 is obtained.

本実施の形態に係る半導体装置によれば、半導体基板110の表面においては、ゲート絶縁膜120bは、シリコン酸化膜121,123の積層膜である。よって、ゲート絶縁膜120bのうち半導体基板110表面上の延在部分においてはシリコン窒化膜が存在せず、その延在部分を半導体基板110表面に形成すべき他のMISトランジスタのゲート酸化膜に利用することができる。   In the semiconductor device according to the present embodiment, the gate insulating film 120 b is a stacked film of the silicon oxide films 121 and 123 on the surface of the semiconductor substrate 110. Therefore, the silicon nitride film does not exist in the extended portion of the gate insulating film 120b on the surface of the semiconductor substrate 110, and the extended portion is used as the gate oxide film of another MIS transistor to be formed on the surface of the semiconductor substrate 110. can do.

<実施の形態3>
本実施の形態も、実施の形態1に係る半導体装置の変形例であって、実施の形態1におけるゲート絶縁膜120に代わって、シリコンで形成された複数の島状領域たるドットを有するゲート絶縁膜を採用するものである。
<Embodiment 3>
The present embodiment is also a modification of the semiconductor device according to the first embodiment, and instead of the gate insulating film 120 in the first embodiment, a gate insulation having a plurality of island-shaped dots formed of silicon. A membrane is adopted.

シリコン酸化膜内にシリコンのドットを形成する技術が、例えば上記非特許文献3に記載されている。本実施の形態においては、ゲート絶縁膜にこのようなシリコンドットを含むシリコン酸化膜を採用する。   A technique for forming silicon dots in a silicon oxide film is described in Non-Patent Document 3, for example. In the present embodiment, a silicon oxide film including such silicon dots is used for the gate insulating film.

図11は、本実施の形態に係る半導体装置を示す断面図である。図11では、シリコンドットDTを含むゲート絶縁膜(例えばシリコン酸化膜)220が、半導体基板110の表面上、トレンチTR1aの底面および両側面上、並びに、トレンチTR1bの底面および両側面上に形成されている。すなわち、本実施の形態においては、MONOSトランジスタではなく、シリコンドットDTを含むゲート絶縁膜220を有するMISトランジスタTr1〜Tr4が採用されている。   FIG. 11 is a cross-sectional view showing the semiconductor device according to the present embodiment. In FIG. 11, a gate insulating film (for example, silicon oxide film) 220 including silicon dots DT is formed on the surface of the semiconductor substrate 110, on the bottom surface and both side surfaces of the trench TR1a, and on the bottom surface and both side surfaces of the trench TR1b. ing. That is, in this embodiment, MIS transistors Tr1 to Tr4 having the gate insulating film 220 including the silicon dots DT are employed instead of the MONOS transistors.

本実施の形態に係る半導体装置は、ONO構造のゲート絶縁膜120がシリコンドットDTを含むゲート絶縁膜220に置換されていること以外は、実施の形態1に係る半導体装置と同様の構造である。   The semiconductor device according to the present embodiment has the same structure as the semiconductor device according to the first embodiment, except that the gate insulating film 120 having the ONO structure is replaced with the gate insulating film 220 including the silicon dots DT. .

実施の形態1の場合、電荷CH1〜CH8が保持されるのはシリコン窒化膜122中のトラップ準位であるが、このトラップ準位はシリコン窒化膜122内の欠陥部分に存在しているため、トラップ準位の値が場所により不均一である。そのため、保持した電荷CH1〜CH8を長期間保存した場合に、エネルギーの揺らぎなどがあれば電荷CH1〜CH8が抜け出てしまう可能性がある。特に、浅い準位にトラップされた電荷は、深い準位にトラップされた電荷に比べて飛び出してしまいやすい。   In the case of the first embodiment, the charges CH1 to CH8 are held in the trap level in the silicon nitride film 122, but this trap level exists in a defect portion in the silicon nitride film 122. The trap level value is non-uniform depending on the location. Therefore, when the stored charges CH1 to CH8 are stored for a long period of time, the charges CH1 to CH8 may escape if there are fluctuations in energy. In particular, a charge trapped in a shallow level is likely to jump out compared to a charge trapped in a deep level.

シリコンドットDTの場合は、導電性があることからトラップ準位がシリコン窒化膜のものと比べて深く、かつ、場所に関わらず安定しているため、保持した電荷が抜ける確率が低くなる。これはすなわち、実施の形態1におけるシリコン窒化膜122のように電荷保持部がゲート絶縁膜120内で連続する膜である場合に比べて、保持した電荷の移動がより起こりにくく、より不揮発性に優れた半導体装置を実現できることを意味する。   In the case of the silicon dot DT, since it has conductivity, the trap level is deeper than that of the silicon nitride film and is stable regardless of the location. In other words, compared to the case where the charge holding portion is a continuous film in the gate insulating film 120 as in the silicon nitride film 122 in the first embodiment, the movement of the held charge is less likely to occur and is more nonvolatile. This means that an excellent semiconductor device can be realized.

なお、シリコンドットの代わりに、シリコン窒化膜をシリコン酸化膜内にドット状に形成する技術が、例えば上記特許文献3に記載されている(当該公報の図1を参照)。シリコン窒化膜であっても、ドット状であればゲート絶縁膜120内で連続する膜である場合に比べて、保持した電荷の移動がより起こりにくく、シリコンドットDTの場合と同様の効果があると考えられる。よって、シリコンドットの代わりに、ドット状シリコン窒化膜を採用してもよい。   A technique for forming a silicon nitride film in the form of dots in a silicon oxide film instead of silicon dots is described in, for example, Patent Document 3 (see FIG. 1 of the publication). Even if it is a silicon nitride film, if it is a dot shape, compared with the case where it is a film | membrane continuous in the gate insulating film 120, compared with the case where it is the film | membrane which hold | maintained, the movement of the held electric charge is less likely to occur. it is conceivable that. Therefore, a dot-like silicon nitride film may be employed instead of the silicon dots.

このように、ゲート絶縁膜220内に複数形成された島状領域たるドットDTを、電荷CH1〜CH8の電荷保持部として機能させれば、シリコン窒化膜122のようにゲート絶縁膜120内で連続する膜を電荷保持部として機能させる場合に比べて、保持した電荷の移動がより起こりにくく、より不揮発性に優れた半導体装置を実現できる。   As described above, if the dots DT, which are island-shaped regions formed in the gate insulating film 220, function as charge holding portions for the charges CH1 to CH8, they are continuously formed in the gate insulating film 120 like the silicon nitride film 122. As compared with the case where the film to be functioned as a charge holding portion, the movement of the held charge is less likely to occur, and a semiconductor device with higher non-volatility can be realized.

また、ゲート絶縁膜220に例えばシリコン酸化膜を用いる場合、シリコンまたはシリコン窒化膜のドットにおけるエネルギー準位はシリコン酸化膜のエネルギー準位よりも安定している。よって、ドットをシリコンまたはシリコン窒化膜で構成すれば、保持した電荷の移動が起こりにくく、不揮発性に優れた半導体装置を実現できる。   Further, when a silicon oxide film, for example, is used for the gate insulating film 220, the energy level in the dot of the silicon or silicon nitride film is more stable than the energy level of the silicon oxide film. Therefore, if the dots are made of silicon or a silicon nitride film, the movement of the held charges hardly occurs, and a semiconductor device having excellent non-volatility can be realized.

<変形例>
実施の形態1ないし3においては、トレンチを二段形成する場合を示したが、本発明はこれに限られるものではない。
<Modification>
In the first to third embodiments, the case where the trench is formed in two stages is shown, but the present invention is not limited to this.

例えば図12に示すように、実施の形態1の半導体装置を変形して、トレンチTR1bの底部にさらに三段目のトレンチTR1cを設けてもよい。そして、トレンチTR1cの両側面に、MONOSトランジスタTr1〜Tr4と同様の構造のMONOSトランジスタTr5,Tr6を形成してもよい。このようにすれば、より高集積化が図れる。   For example, as shown in FIG. 12, the semiconductor device of the first embodiment may be modified to further provide a third-stage trench TR1c at the bottom of the trench TR1b. The MONOS transistors Tr5 and Tr6 having the same structure as the MONOS transistors Tr1 to Tr4 may be formed on both side surfaces of the trench TR1c. In this way, higher integration can be achieved.

この場合、トレンチTR1bの底面においてトレンチTR1cに隣接して形成されたソース領域115b,115a(いずれも図3のソース領域115に相当する)がそれぞれ、MONOSトランジスタTr1,Tr2のソース領域として機能するとともに、MONOSトランジスタTr5,Tr6のソース領域としても機能する。また、トレンチTR1cの底面に形成されたドレイン領域116が、MONOSトランジスタTr5,Tr6のドレイン領域として機能する。   In this case, source regions 115b and 115a (both corresponding to source region 115 in FIG. 3) formed adjacent to trench TR1c on the bottom surface of trench TR1b function as source regions for MONOS transistors Tr1 and Tr2, respectively. , And also functions as a source region for the MONOS transistors Tr5 and Tr6. Further, the drain region 116 formed on the bottom surface of the trench TR1c functions as the drain region of the MONOS transistors Tr5 and Tr6.

そして、ゲート絶縁膜120のうちトレンチTR1cの一方側面を覆う部分が、MONOSトランジスタTr5のゲート絶縁膜であって、電荷CH9,CH11の電荷保持部として機能する。また、ゲート絶縁膜120のうちトレンチTR1cの他方側面を覆う部分が、MONOSトランジスタTr6のゲート絶縁膜であって、電荷CH10,CH12の電荷保持部として機能する。   A portion of the gate insulating film 120 that covers one side surface of the trench TR1c is a gate insulating film of the MONOS transistor Tr5 and functions as a charge holding portion for the charges CH9 and CH11. The portion of the gate insulating film 120 that covers the other side surface of the trench TR1c is the gate insulating film of the MONOS transistor Tr6, and functions as a charge holding portion for the charges CH10 and CH12.

このような構造は、図5の製造工程の後にさらに、マスク形成およびエッチングを行ってトレンチTR1cを形成し、図6以降の工程を行うことで容易に得られる。   Such a structure can be easily obtained by performing mask formation and etching to form trench TR1c after the manufacturing process of FIG.

なお、トレンチを四段に形成する等、さらに多段のトレンチ構成としてもよい。その場合、さらなる高集積化が図れる。   In addition, it is good also as a multistage trench structure, such as forming a trench in four steps. In that case, further high integration can be achieved.

不揮発性メモリの具体的な構造の一例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows an example of the specific structure of a non-volatile memory. 不揮発性メモリの回路図である。It is a circuit diagram of a non-volatile memory. 実施の形態1に係る半導体装置を示す断面図である。1 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to a first embodiment. 実施の形態1に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。7 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device according to the first embodiment. FIG. 実施の形態1に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。7 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device according to the first embodiment. FIG. 実施の形態1に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。7 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device according to the first embodiment. FIG. 実施の形態1に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。7 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device according to the first embodiment. FIG. 実施の形態2に係る半導体装置を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to a second embodiment. 実施の形態2に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。11 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device according to the second embodiment. FIG. 実施の形態2に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。11 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device according to the second embodiment. FIG. 実施の形態3に係る半導体装置を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to a third embodiment. 実施の形態1に係る半導体装置の変形例を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing a modification of the semiconductor device according to the first embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

110 半導体基板、111,112,115 ソース領域、113,114 ドレイン領域、120,120b,220 ゲート絶縁膜、121,123 シリコン酸化膜、122,122a〜122d シリコン窒化膜、130 ゲート電極、140 素子分離領域、150 層間絶縁膜、201,202 フォトレジスト、DT ドット、CH1〜CH8 電荷。
110 Semiconductor substrate, 111, 112, 115 Source region, 113, 114 Drain region, 120, 120b, 220 Gate insulating film, 121, 123 Silicon oxide film, 122, 122a-122d Silicon nitride film, 130 Gate electrode, 140 Device isolation Region, 150 interlayer insulation film, 201, 202 photoresist, DT dot, CH1-CH8 charge.

Claims (6)

表面を有する半導体基板と、
前記半導体基板の前記表面に形成され、底面および少なくとも一つの側面を有する第1トレンチと、
前記第1トレンチの前記底面に形成され、底面および少なくとも一つの側面を有する第2トレンチと、
前記第1トレンチの前記底面および少なくとも一つの側面、並びに、前記第2トレンチの前記底面および少なくとも一つの側面を覆う絶縁膜と、
前記絶縁膜を覆う導電性材料と、
前記半導体基板の前記表面において前記第1トレンチに隣接して形成された第1活性領域と、
前記第1トレンチの前記底面において前記第2トレンチに隣接して形成された第2活性領域と、
前記第2トレンチの前記底面に形成された第3活性領域と
を備え、
前記絶縁膜のうち前記第2トレンチの前記少なくとも一つの側面を覆う部分、前記導電性材料、前記第2活性領域、並びに、前記第3活性領域がそれぞれ、第1MIS(Metal Insulator Semiconductor)トランジスタの、ゲート絶縁膜、ゲート電極、ソースおよびドレイン領域の一方、並びに、ソースおよびドレイン領域の他方を構成し、
前記絶縁膜のうち前記第1トレンチの前記少なくとも一つの側面を覆う部分、前記導電性材料、前記第1活性領域、並びに、前記第2活性領域がそれぞれ、第2MISトランジスタの、ゲート絶縁膜、ゲート電極、ソースおよびドレイン領域の一方、並びに、ソースおよびドレイン領域の他方を構成し、
前記第1および第2MISトランジスタの前記ゲート絶縁膜はそれぞれ、電荷を保持することが可能な電荷保持部として機能する
半導体装置。
A semiconductor substrate having a surface;
A first trench formed on the surface of the semiconductor substrate and having a bottom surface and at least one side surface;
A second trench formed on the bottom surface of the first trench and having a bottom surface and at least one side surface;
An insulating film covering the bottom surface and at least one side surface of the first trench, and the bottom surface and at least one side surface of the second trench;
A conductive material covering the insulating film;
A first active region formed adjacent to the first trench on the surface of the semiconductor substrate;
A second active region formed adjacent to the second trench at the bottom surface of the first trench;
A third active region formed on the bottom surface of the second trench,
A portion of the insulating film covering the at least one side surface of the second trench, the conductive material, the second active region, and the third active region are each of a first MIS (Metal Insulator Semiconductor) transistor. Constituting one of the gate insulating film, the gate electrode, the source and drain regions, and the other of the source and drain regions,
A portion of the insulating film covering the at least one side surface of the first trench, the conductive material, the first active region, and the second active region are respectively a gate insulating film and a gate of the second MIS transistor. Configure one of the electrode, source and drain regions, and the other of the source and drain regions,
Each of the gate insulating films of the first and second MIS transistors is a semiconductor device that functions as a charge holding unit capable of holding charges.
請求項1に記載の半導体装置であって、
前記絶縁膜のうち前記第1および第2トレンチの前記少なくとも一つの側面を覆う部分はいずれも、第1のシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、および、第2のシリコン酸化膜の順に積層された第1の積層膜であって、
前記シリコン窒化膜が前記電荷保持部として機能する
半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
A portion of the insulating film that covers the at least one side surface of the first and second trenches is laminated in the order of a first silicon oxide film, a silicon nitride film, and a second silicon oxide film. 1 laminated film,
A semiconductor device in which the silicon nitride film functions as the charge holding portion.
請求項2に記載の半導体装置であって、
前記絶縁膜は、前記半導体基板の前記表面にまで延在して前記半導体基板の前記表面をも覆い、
前記半導体基板の前記表面においては、前記絶縁膜は、前記第1および第2のシリコン酸化膜の順に積層された第2の積層膜である
半導体装置。
The semiconductor device according to claim 2,
The insulating film extends to the surface of the semiconductor substrate and covers the surface of the semiconductor substrate;
On the surface of the semiconductor substrate, the insulating film is a second stacked film in which the first and second silicon oxide films are stacked in this order.
請求項1に記載の半導体装置であって、
前記ゲート絶縁膜内には島状領域が複数形成され、
前記島状領域が前記電荷保持部として機能する
半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
A plurality of island regions are formed in the gate insulating film,
A semiconductor device in which the island region functions as the charge holding portion.
請求項4に記載の半導体装置であって、
前記島状領域は、シリコンまたは窒化シリコンで構成される
半導体装置。
The semiconductor device according to claim 4,
The island region is a semiconductor device made of silicon or silicon nitride.
請求項1に記載の半導体装置であって、
前記第1および第2MISトランジスタの前記ゲート絶縁膜内においてはそれぞれ、前記電荷保持部として機能する部分は二つ存在し、前記二つは前記ソース領域の側および前記ドレイン領域の側のそれぞれに配置されている
半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
In the gate insulating films of the first and second MIS transistors, there are two portions functioning as the charge holding portions, respectively, and the two are arranged on the source region side and the drain region side, respectively. Semiconductor device.
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