JP2006041227A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 MONOS型不揮発性半導体記憶装置の高性能化、高信頼性化を推進することのできる技術を提供する。
【解決手段】 MONOS型不揮発性メモリのメモリセル1は、コントロールゲート6を備えたコントロールトランジスタ4と、メモリゲート8を備えたメモリトランジスタ5とで構成され、それらトランジスタは、基板2の表面に形成されたドレイン拡散層23およびソース拡散層24を有している。メモリゲート8と基板2との間の電荷蓄積部である窒化シリコン膜13は、メモリゲート8のゲート長方向の長さが、メモリゲート8のゲート長より短い。
【選択図】 図1

Description

本発明は、半導体装置およびその製造技術に関し、特に、MONOS(Metal Oxide Nitride Oxide Semiconductor)構造のトランジスタを有する不揮発性半導体記憶装置の製造に適用して有効な技術に関するものである。
電気的に書込み・消去が可能な不揮発性半導体記憶装置(不揮発性メモリ)として、EEPROM(Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory)が広く使用されている。これらの不揮発性メモリは、MOS(Metal Oxide Semiconductor)トランジスタのゲート電極下に、酸化膜で囲まれた導電性の浮遊ゲート電極やトラップ性の絶縁膜を有しており、浮遊ゲート電極やトラップ性絶縁膜での電荷蓄積状態を記憶情報とし、それをトランジスタのしきい値として読み出すものである。このトラップ性絶縁膜とは、電荷の蓄積可能な絶縁膜をいい、一例として、窒化シリコン膜等があげられる。このような電荷蓄積領域(電荷蓄積部)への電荷の注入・放出によってMOSトランジスタのしきい値をシフトさせ記憶素子として動作させる。
この不揮発性メモリの一種として、MONOS(Metal Oxide Nitride Oxide Semiconductor)構造を用いた、スプリットゲート型のメモリセルが知られている。かかるメモリにおいては、電荷蓄積領域として窒化シリコン膜を用いることで、導電性の浮遊ゲート膜と比べ、1)離散的に電荷を蓄積するためにデータ保持の信頼性に優れる。また、2)データ保持の信頼性に優れているために窒化シリコン膜上下の酸化膜を薄膜化でき、書込み・消去動作の低電圧化が可能である、等の利点を有する。
また、スプリットゲート型セルを用いることで、1)ソースサイド注入(Source Side Injection)方式でホットエレクトロンを窒化シリコン膜に注入することができ、電子注入効率に優れ、高速、低電流の書込みが可能である。また、2)書込み・消去動作の制御が簡単であるがために周辺回路を小規模にすることができる、等の利点も有する。
例えば、非特許文献1には、上記メモリセルが、浮遊ゲートに電荷を蓄積するメモリセルに比べて、1メモリセルサイズを縮小することができること、書込み動作や消去動作を低電圧で行うことができること、およびデータ保持の信頼性に優れていること、に関する記述がされている。
Wei-Ming Chen,et.al,"A Novel Flash Memory Device with SPlit Gate Source Side Injection and ONO Charge Storage Stack (SPIN)",Symposium on VLSI Technology Digest of Technical Papers,1997,pp.63-64.
本発明者が開発中のMONOS型不揮発性メモリは、コントロールトランジスタとメモリトランジスタとでメモリセルを構成している。このMONOS型不揮発性メモリの一例として、図18に示すような断面構造を有するメモリセル51について説明する。なお、図19は、図18で示すメモリセルの動作時の要部断面図であり、図20は、図19で示すメモリセルの電子およびホール分布の概念図である。
このメモリセル51は、半導体基板52の主面のp型ウエル53上にゲート絶縁膜54を介して形成されたコントロールゲート55と、一部がコントロールゲート55の一方の側壁に形成されると共に、他部がp型ウエル53上に形成された断面L字状の絶縁膜部56と、コントロールゲート55の一方の側壁に形成され、絶縁膜部56の一部を介してコントロールゲート55と電気的に分離されると共に、絶縁膜部56の他部を介してp型ウエル53と電気的に分離されたメモリゲート57と、p型ウエル53の表面に形成され、一端がコントロールゲート55の近傍に配置されたドレイン拡散層61と、p型ウエル53の表面に形成され、一端がメモリゲート57の近傍に配置されたソース拡散層62とを有している。
ここで、絶縁膜部56は、2層の酸化シリコン膜56aおよび56cとそれらに挟まれた電荷蓄積部(電荷蓄積領域)を構成する窒化シリコン膜56bとで構成されている。また、ドレイン拡散層61は基板表面から深い位置にpn接合を有するn+型拡散層(ドレイン領域)58dと相対的に浅い位置にpn接合を有するn+型拡散層(エクステンション領域)59dとからなり、同様にソース拡散層62は、n+型拡散層58s(ソース領域)とn+型拡散層(エクステンション領域)59sとからなる。また、コントロールゲート55の他方の側壁およびメモリゲート57の一方の側壁には、酸化シリコン膜からなるサイドウォールスペーサ60が形成されている。
このメモリセル51の書込み動作は、図19に示すように、コントロールゲート55とメモリゲート57との中間付近のチャネル領域で高電界により発生したホットエレクトロンを、電荷蓄積部を構成する窒化シリコン膜56b中に局所的に注入することによって行われる。よって、注入された電子により、絶縁膜部56に電荷が保持される。一方、消去動作は、ソース拡散層62側の端部の領域で高電界により発生したBTBT(Band To Band Tunneling)のホットホールを窒化シリコン膜56b中に注入することによって行われる。よって、注入されたホールにより、絶縁膜部56に保持されている電子を電気的に打ち消して、電荷を消去する。
しかしながら、図20に示すように、絶縁膜部56に注入された電子やホールは、主に窒化シリコン膜56b中のトラップに捕獲され、窒化シリコン膜56b中を自由に移動することができないので、上記のようにホットエレクトロンの発生場所とホットホールの発生場所が離れていると、絶縁膜部56に注入された電子の位置とホールの位置も離れて蓄積されるものと考えられる。
特に、窒化シリコン膜56bのL字状部では、電子は注入され易い一方で、ホールの発生場所から離れているので、ホールが注入され難い。そのため、ソース拡散層62側の窒化シリコン膜56bの電子は消去されていても、L字状部の電子を消去するためにホールを注入し続ける必要があり、その結果、ソース拡散層62側の窒化シリコン膜56bにホールが蓄積される。
したがって、書換えを繰り返し行うと、ホール発生部位上部の窒化シリコン膜56b中のホール蓄積量が増加していき、書込みによって注入した電子を完全に消去する前にホールの発生が止まることになる結果、書込み消去動作を繰り返し行うことが制限されてしまう問題が生じる。すなわち、書換え耐性の劣化が起こる。
また、BTBTによるホットホール注入は、ソース拡散層62端でホールを発生させるため、その直上の窒化シリコン膜56bに過度にホールが蓄積された状態となる場合がある。したがって、書込み状態でもホールが局所的に蓄積された状態であるため、ホールと電子の再結合によってしきい値が変化し、保持特性の劣化として観測されることになる。すなわち、蓄積されたホールは、電荷保持特性(リテンション特性)を劣化させる。
また、上記メモリセルが複数存在する不揮発性メモリでは、選択されたメモリセルに対して書込み消去動作が繰り返されることにより、書込み阻止電圧が印加されているメモリセルであってもドレイン領域からソース領域に充電電流が流れてしまう。このため、書込みされるべきでないメモリセルにも、ホットエレクトロンが注入されることにより、メモリトランジスタのしきい値が上昇してしまう現象、いわゆるディスターブが発生する問題が考えられる。
本発明の目的は、MONOS型不揮発性半導体記憶装置の高性能化、高信頼性化を推進することのできる技術を提供することにある。
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。
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。
本発明による半導体装置は、半導体基板の主面上に第1絶縁膜部を介して形成された第1ゲートと、一部が前記第1ゲートの一方の側壁に形成され、他の一部が前記半導体基板上に形成された第2絶縁膜部と、一部が前記第1ゲートの前記一方の側壁に前記第2絶縁膜部を介して形成され、他の一部が前記半導体基板上に前記第2絶縁膜部を介して形成された第2ゲートと、前記半導体基板の表面に形成され、一端が前記第1ゲートの近傍に配置された第1拡散層と、前記半導体基板の表面に形成され、一端が前記第2ゲートの近傍に配置された第2拡散層と、前記第2絶縁膜部の一部を構成し、前記第1ゲート、第2ゲート、第1拡散層、第2拡散層および半導体基板に電圧印加して生じた電界によって前記半導体基板から電荷が注入される電荷蓄積部と、を有する半導体装置であって、前記半導体基板の上部に位置する前記電荷蓄積部は、前記第2ゲートのゲート長方向の長さが前記第2ゲートのゲート長より短い。
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。
MONOS型不揮発性半導体記憶装置の高性能化を推進することのできる技術を提供することができる。
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。
(実施の形態1)
本実施の形態で示す不揮発性半導体記憶装置(以下、不揮発性メモリという)は、MONOS膜を用いたスプリットゲート型セルを有している。図1は、本実施の形態の不揮発性メモリを示す要部断面図である。また、図2〜図9は、本実施の形態の不揮発性メモリの製造工程中における要部断面図である。
本実施の形態で示す不揮発性メモリのメモリセル1は、図1に示すように、p型の単結晶シリコンからなる半導体基板(以下、単に基板という)2のp型ウエル3に形成されている。このメモリセル1は、コントロールトランジスタ4とメモリトランジスタ5とで構成されている。コントロールトランジスタ4のゲート電極(導電体)、いわゆるコントロールゲート6はn型多結晶シリコン膜からなり、酸化シリコン膜からなるゲート絶縁膜7(絶縁膜部)上に形成されている。また、メモリトランジスタ5のゲート電極(導電体)、いわゆるメモリゲート8はn型多結晶シリコン膜からなり、コントロールゲート6の一方の側壁に配置されている。このメモリゲート8は、コントロールゲート6および基板2(p型ウエル3)と電気的に分離する絶縁膜部9を介して配置されている。このようにコントロールゲート6と、メモリゲート8とで、スプリットゲートを構成することとなる。
コントロールゲート6の近傍のp型ウエル3には、メモリセル1のドレイン領域として機能するn+型拡散層14dが形成されている。また、メモリゲート8の近傍のp型ウエル3には、メモリセル1のソース領域として機能するn+型拡散層14sが形成されている。n+型拡散層14dに隣接した領域のp型ウエル3には、n+型拡散層14dよりも浅い位置にpn接合を有するn+型拡散層15dが形成されている。また、n+型拡散層14sに隣接した領域のp型ウエル3には、n+型拡散層14sよりも浅い位置にpn接合を有するn+型拡散層15sが形成されている。n+型拡散層15dおよびn+型拡散層15sは、短チャネル効果抑制のためのエクステンション領域である。このn+型拡散層(ドレイン領域)14dとn+型拡散層(エクステンション領域)15dとでドレイン拡散層23を形成し、n+型拡散層(ソース領域)14sとn+型拡散層(エクステンション領域)15sとでソース拡散層24を形成することとなる。
コントロールゲート6とメモリゲート8とが隣り合うコントロールゲート6の側壁とは反対の側壁に、例えば酸化シリコン膜からなるサイドウォールスペーサ16が形成されている。同様に、コントロールゲート6とメモリゲート8とが隣り合うメモリゲート8の側壁とは反対の側壁に、例えば酸化シリコン膜からなるサイドウォールスペーサ16が形成されている。これらのサイドウォールスペーサ16は、n+型拡散層14dおよびn+型拡散層14sを形成するために利用される。
上記絶縁膜部9は、酸化シリコン膜10(例えばSiO2)、酸化シリコン膜11a(例えばSiO2)、窒化シリコン膜13(例えばSi34)、酸化シリコン膜11b(例えばSiO2)および酸化シリコン膜22(例えばSiO2)から構成される。ここで、データの書込み時には、チャネル領域で発生したホットエレクトロンが絶縁膜部9に注入され、窒化シリコン膜13中のトラップ(空間的離散捕獲中心)に捕獲(蓄積)される。
この窒化シリコン膜13は、書込み時に注入された電子が蓄積している領域(電荷蓄積部、電荷蓄積領域)のみにホールが注入されるように、最適化された位置および長さ(寸法)で形成される。本実施の形態では、窒化シリコン膜13は、メモリゲート8のゲート長方向の長さが、例えば10〜20nm程度となるように形成される。これに対して、本発明者が検討した断面L字状の絶縁膜部56を有する不揮発性メモリでは(図18参照)、前記方向の窒化シリコン膜56bの長さは、100nm程度である。したがって、本実施の形態では、窒化シリコン膜13に注入された電子の位置(領域)とホールの位置(領域)とが離れておらず、蓄積されている電子を電気的に打ち消すようにホールが注入することができる。すなわち、電子の消し残し、およびホールの蓄積がなくなり、書換え耐性を向上することができる。
また、ホールが局所的に蓄積されないため、メモリとしての機能の1つである電子(電荷)を蓄積(保持)しているときに、ホールは蓄積されていないこととなる。したがって、保持されるべき電子とホールとの再結合および電荷再分布を防止することができる。すなわち、電荷保持特性(リテンション特性)を向上することができる。
また、本実施の形態で示すメモリセル1では、コントロールゲート6とメモリゲート8との間の絶縁膜部9が主に酸化シリコン膜により形成される。これに対して、本発明者が検討した絶縁膜部56を有するメモリセル51では(図18参照)、コントロールゲート55とメモリゲート57との間の絶縁膜部56に、酸化シリコン膜より誘電率の高い窒化シリコン膜が多く含まれている。このことより、本実施の形態で示す不揮発性メモリでは、ディスターブ耐性を向上することができる。
次に、上記メモリセル1を選択メモリセルとした場合の書込み、消去および読み出しの各動作について説明する。ここでは、電荷蓄積部である窒化シリコン膜13に電子を注入することを「書込み」、ホールを注入することを「消去」とそれぞれ定義する。
書込みは、いわゆるソースサイド注入方式と呼ばれるホットエレクトロン書込み方式を採用する。書込み時には、例えばコントロールゲート6に1.5V、メモリゲート8に14V、ソース領域14sに5.0V、ドレイン領域14dに0.8V、p型ウエル3に0.0Vをそれぞれ印加する。これにより、ソース領域14sとドレイン領域14dとの間に形成されるチャネル領域のうち、コントロールゲート6とメモリゲート8との中間付近の領域(高電界の領域)でホットエレクトロンが発生し、これが電荷蓄積部である窒化シリコン膜13に注入される。注入された電子は窒化シリコン膜13中のトラップに捕獲され、メモリトランジスタ5のしきい値電圧が上昇する。
消去は、バンド間ホットホール注入(Band to Band Hot Hole Injection)消去方式を採用する。消去時には、例えばコントロールゲート6に0.0V、メモリゲート8に−6.0V、ソース領域14sに7.0V、ドレイン領域14dに0.0V、p型ウエル3に0.0Vをそれぞれ印加する。これにより、ソース領域14sとメモリゲート8との間にかかる電位差によって、ソース拡散層24端部において高電界が発生する。この高電界によりBTBT(Band To Band Tunneling)現象が起こり、BTBTで生成された電子正孔対の内、ホットホールが、メモリゲート8に印加された電圧(−6.0V)によって、引き寄せられ、電荷蓄積部である窒化シリコン膜13に注入される。注入されたホールは窒化シリコン膜13中のトラップに捕獲され、メモリトランジスタ5のしきい値電圧が低下する。
また、読み出し時には、例えばコントロールゲート6に1.5V、メモリゲート8に1.5V、ソース領域14sに0V、ドレイン領域に1.0V、p型ウエル3に0.0Vをそれぞれ印加する。すなわち、メモリゲート8に印加する電圧を、書込み状態におけるメモリトランジスタ5のしきい値電圧と、消去状態におけるメモリトランジスタ5のしきい値電圧との間に設定し、書込み状態と消去状態とを判別する。
このように、MONOS型不揮発性メモリは、メモリセル1のコントロールゲート6に電圧を印加してコントロールトランジスタ4をONにし、メモリゲート8に電圧を印加した状態で読み出しを行うことができる。
次に、図面を参照しながら、上記MONOS型不揮発性メモリの製造方法を工程順に説明する。
まず、図2に示すように、周知の製造方法を用いて基板2上に、メモリセル領域となるp型ウエル3を形成する。p型ウエル3は、例えばイオン注入法を用いてボロンなどのp型不純物を基板2内に導入することにより形成される。
続いて、p型ウエル3の表面にゲート絶縁膜7を形成し、その上にコントロールゲート6となるn型ポリシリコン膜を形成した後、フォトリソグラフィ技術とドライエッチング技術を用いて基板2上に形成したn型ポリシリコン膜を加工し、コントロールトランジスタ4のコントロールゲート6を形成する。ゲート絶縁膜7は、例えば基板2を熱酸化することによって、膜厚2.7nm程度の酸化シリコンから形成される。また、n型ポリシリコン膜は、例えばCVD(Chemical Vapor Deposition)法を用いて膜厚250nm程度で形成される。
次に、図3に示すように、基板2上の全面に絶縁膜である酸化シリコン膜10を形成する。酸化シリコン膜10は、例えばCVD法を用いて膜厚20nm程度で形成される。
続いて、酸化シリコン膜10上にメモリゲート8となるn型ポリシリコン膜を形成した後、このn型ポリシリコン膜をエッチングすることによりメモリトランジスタ5のメモリゲート8を形成する。n型ポリシリコン膜は、例えばCVD法を用いて膜厚70nm程度で形成される。また、メモリゲート8は、コントロールゲート6の側壁に沿った方向の長さが250nm程度、その方向と交差する方向の長さが60nm程度となるように、異方性ドライエッチング技術を用いて形成される。なお、以降の工程では、コントロールゲート6の両側に形成されたメモリゲート8の一方のみを残して、メモリトランジスタを形成するが、そのままメモリゲート8を両者とも残してメモリトランジスタを形成しても良い。
次に、図4に示すように、コントロールゲート6の両側壁に酸化シリコン膜10を介して形成されているn型ポリシリコン膜の一方を、フォトレジスト膜25をマスクとして覆い、その他方を等方性ドライエッチング技術により除去する。
次に、図5に示すように、酸化シリコン膜10をエッチングした後、基板2を900℃程度で熱酸化することにより、膜厚5〜7nm程度の酸化シリコン膜11を、n型ポリシリコン膜からなるコントロールゲート6およびメモリゲート8の表面上、ならびにp型ウエル3上に形成する。
この酸化シリコン膜10のエッチングは、例えばメモリゲート8の下部に酸化シリコン膜10が存在しなくなるまで、フッ酸によるウエットエッチング技術を用いて酸化シリコン膜10を後退させることにより行われる。これにより、メモリゲート8と、その下面と対面する基板2との間には、隙間部(ギャップ部)26が形成されることとなる。また、上記熱酸化により、この隙間部26に酸化シリコン膜11a(メモリゲート8の下面に形成された酸化シリコン膜11である)および酸化シリコン膜11b(酸化シリコン膜11aに対面し、基板2上に形成された酸化シリコン膜11)が形成される。
次に、図6に示すように、例えばCVD法を用いて、基板2上に窒化シリコン膜13を形成した後、窒化シリコン膜13をエッチバックする。すなわち、窒化シリコン膜13は、酸化シリコン膜11aと酸化シリコン膜11bとの間の隙間部26が埋め込まれるように形成された後、隙間部26に埋め込まれた窒化シリコン膜13は、基板2表面に沿った方向の長さが、例えば10〜20nm程度になるまで、例えば熱リン酸によるウエットエッチング技術を用いて後退される。
次に、図7に示すように、例えば原料をTEOS(tetraethylorthosilicate or tetraethoxysilane)としたCVD法を用いて、基板2上に酸化シリコン膜22を形成する。すなわち、酸化シリコン膜22は、酸化シリコン膜11aと酸化シリコン膜11bとの間の隙間部26が埋め込まれるように形成される。その後、この酸化シリコン膜22をエッチバックし、隙間部26に埋め込まれた酸化シリコン膜22以外の不要な領域に形成された酸化シリコン膜22は、例えばフッ酸によるウエットエッチング技術を用いて除去されることとなる。
次に、図8に示すように、コントロールゲート6およびメモリゲート8のそれぞれ片側の基板2内に、n型不純物(例えばリンまたはヒ素)をイオン注入することによって、n+型拡散層15dおよびn+型拡散層15sを形成する。このn+型拡散層15dおよびn+型拡散層15sは、コントロールトランジスタ4およびメモリトランジスタ5の短チャネル効果を抑制するためのエクステンション領域である。なお、図示はしないが、エクステンション領域へp型の不純物(例えばボロン)を注入してもよい。このp型の不純物領域はn+型拡散層15dおよびn+型拡散層15sの下方に形成され、メモリセルの短チャネル効果を抑制するための領域(ハロー領域)として機能する。
続いて、コントロールゲート6およびメモリゲート8のそれぞれ一方の側壁にサイドウォールスペーサ16を形成する。サイドウォールスペーサ16は、基板2上にCVD法で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って形成される。
続いて、基板2内にn型不純物(例えばリンまたはヒ素)をイオン注入することにより、n+型拡散層(ドレイン領域)14dおよびn+型拡散層(ソース領域)14sを形成する。これにより、コントロールトランジスタ4とメモリトランジスタ5とで構成されるメモリセル1を完成することができる。なお、メモリセル1のコントロールゲート6、メモリゲート8、ソース領域14s、ドレイン領域14dの表面にコバルトシリサイドなどのシリサイド層を形成した場合には、コントロールゲート6やメモリゲート8などを低抵抗化することもできる。
次に、図9に示すように、基板2上にCVD法を用いて窒化シリコン膜17と酸化シリコン膜18とを形成した後、フォトリソグラフィ技術およびドライエッチング技術を用いてn+型拡散層(ドレイン領域)14d上にコンタクトホール20を開口し、周知の製造方法を用いてコンタクトホール20にプラグ21を形成し、さらに配線19を形成する。この配線19は、n+型拡散層(ドレイン領域)14dの上部に形成されたコンタクトホール20内のプラグ21を介してn+型拡散層(ドレイン領域)14dと電気的に接続されている。配線19は、アルミニウム合金を主体としたメタル膜からなり、プラグ21は、タングステンを主体としたメタル膜からなる。なお、この配線19の上層に層間絶縁膜を挟んで複数の配線を形成してもよい。
(実施の形態2)
本実施の形態で示す不揮発性半導体記憶装置(以下、不揮発性メモリという)は、MONOS膜を用いたスプリットゲート型セルを有している。図10は、本実施の形態の不揮発性メモリを示す要部断面図である。また、図11は、本実施の形態の不揮発性メモリの製造工程中における要部断面図である。
図10に示すように、本実施の形態で示す不揮発性メモリのメモリセル31は、前記実施の形態1で示したメモリセル1とは、メモリゲート8下に形成される窒化シリコン膜13の長さの点で相違する。したがって、以下は相違する点を中心に説明する。
メモリセル31は、コントロールトランジスタ32とメモリトランジスタ33とで構成されている。コントロールトランジスタ32がコントロールゲート6を有し、メモリトランジスタ33がメモリゲート8を有し、これらが絶縁膜部9を介して配置されることによりスプリットゲート型セルが構成構成されることとなる。
このメモリゲート8は、絶縁膜部9を介して、コントロールゲート6の側壁と電気的に分離されるとともに、p型ウエル3と電気的に分離されている。
メモリゲート8とp型ウエル3(基板2)との間には、例えば酸化シリコン膜11a(例えばSiO2)および酸化シリコン膜11b(例えばSiO2)とそれらの間に形成された窒化シリコン膜13(例えばSi34)が形成される。なお、データの書込み時には、チャネル領域で発生したホットエレクトロンが絶縁膜部9に注入され、窒化シリコン膜13中のトラップに捕獲される。
この窒化シリコン膜13は、書込み時に注入された電子が蓄積している領域のみにホールが注入されるように、最適化された位置および長さで形成される。本実施の形態では、窒化シリコン膜13は、メモリゲート8のゲート長方向の長さが、例えば60nm程度となるように形成される。これに対して、本発明者が検討した断面L字状の絶縁膜部56を有する不揮発性メモリでは(図18参照)、前記方向の窒化シリコン膜56bの長さは、100nm程度である。したがって、本実施の形態では、窒化シリコン膜13に注入された電子の位置(領域)とホールの位置(領域)とが離れておらず、蓄積されている電子を電気的に打ち消すようにホールが注入することができる。特に、本実施の形態においては、窒化シリコン膜に電子が蓄積され易く消去し難いL字状部が存在しないので、L字状部の電子を消去するために過剰な消去を行う必要がない。すなわち、電子の消し残し、および過剰なホールの局所的な蓄積がなくなり、書換え耐性を向上することができる。
また、過剰なホールが局所的に蓄積されないため、メモリとしての機能の1つである電子(電荷)を蓄積(保持)しているときに、過剰なホールが蓄積されていないこととなる。したがって、保持されるべき電子とホールとの再結合および電荷再分布を防止することができる。すなわち、電荷保持特性(リテンション特性)を向上することができる。
また、本実施の形態で示す不揮発性メモリでは、コントロールゲート6とメモリゲート8との間の絶縁膜部9は、おもに酸化シリコン膜10により形成される。これに対して、本発明者が検討した断面L字状の絶縁膜部56を有する不揮発性メモリでは(図18参照)、コントロールゲート55とメモリゲート57との間の絶縁膜に、酸化シリコン膜より誘電率の高い窒化シリコン膜が多く含まれていた。したがって、本実施の形態で示す不揮発性メモリでは、ディスターブ耐性を向上することができる。
次に、上記MONOS型不揮発性メモリの製造方法を工程順に説明する。なお、実施の形態1で示したMONOS型不揮発性メモリの製造方法と相違する点を中心に説明する。
実施の形態1において、図2〜5を用いて説明した工程後、図11に示すように、例えばCVD法を用いて、基板2の全面上に窒化シリコン膜13を形成した後、窒化シリコン膜13をエッチバックする。すなわち、窒化シリコン膜13は、酸化シリコン膜11aと酸化シリコン膜11bとの間の隙間部26が埋め込まれるように形成される。その後、隙間部26に埋め込まれた窒化シリコン膜13以外の窒化シリコン膜13は、例えば熱リン酸によるウエットエッチング技術を用いて後退される。なお、隙間部26に埋め込まれた窒化シリコン膜13は、ドレイン拡散層23からソース拡散層24の方向の長さ、例えば60nm程度となる。
その後は、実施の形態1において、図8〜図9を用いて説明した工程と同様の工程を経ることとなる。
このように、本実施の形態で示した不揮発性メモリの製造方法は、前記実施の形態1で図7を参照して説明した酸化シリコン膜22を形成する工程を、削除することができる。
(実施の形態3)
本実施の形態で示す不揮発性半導体記憶装置(以下、不揮発性メモリという)は、MONOS膜を用いたスプリットゲート型セルを有している。図12は、本実施の形態の不揮発性メモリを示す要部断面図である。また、図13〜図19は、本実施の形態の不揮発性メモリの製造工程中における要部断面図である。
図12に示すように、本実施の形態で示す不揮発性メモリのメモリセル41は、前記実施の形態1で示したメモリセル1とは、コントロールゲート6とメモリゲート8との間に位置する絶縁膜部9を構成する絶縁膜の点で相違する。したがって、以下は相違する点を中心に説明する。
図12に示すように、本実施の形態で示す不揮発性メモリのメモリセル41は、コントロールトランジスタ42とメモリトランジスタ43とで構成されている。コントロールトランジスタ42のコントロールゲート6は酸化シリコン膜からなるゲート絶縁膜7上に形成され、またメモリトランジスタ43のゲート電極、メモリゲート8はコントロールゲート6の一方の側壁に形成されている。
メモリゲート8は、コントロールゲート6の側壁の一方と電気的に分離するとともに、p型ウエル3(基板2)と電気的に分離する絶縁膜部9を介して、コントロールゲート6とスプリットゲートを構成している。
この絶縁膜部9は、酸化シリコン膜45(例えばSiO2)と窒化シリコン膜46(例えばSi34)と酸化シリコン膜47(例えばSiO2)および酸化膜シリコン48(例えばSiO2)とを有する。酸化シリコン膜45は、コントロールゲート6の一方の側壁およびp型ウエル3(基板2)の上面に断面L字状で形成されている。また、酸化シリコン膜47は、メモリゲート8の一方の側壁およびその下面に断面L字状で形成されている。また、窒化シリコン膜46は、酸化シリコン膜45および酸化シリコン膜47の間に挟まれて形成され、その形状は、酸化シリコン膜45および酸化シリコン膜47の形状に追従して断面L字状をしている。また、酸化シリコン膜48は、酸化シリコン膜45と酸化シリコン膜47との間に挟まれるとともに、断面L字状で形成されている窒化シリコン膜46の両端部に形成されている。
メモリゲート8の一方の側壁とコントロールゲート6の一方の側壁との間を除く窒化シリコン膜46、すなわちp型ウエル3(基板2)の上部の窒化シリコン膜46は、コントロールゲート6と基板2との間に印加する電界、およびメモリゲート8と基板2との間に印加する電界によって、酸化シリコン膜45を通して基板2から注入される電荷(電子)を捕獲(蓄積)する領域(電荷蓄積部、電荷蓄積領域)を有する。
電荷蓄積部の窒化シリコン膜46は、書込み時に注入された電子が蓄積している領域のみにホールが注入されるように、最適化された位置および長さで形成される。本実施の形態では、電荷蓄積部の窒化シリコン膜46は、メモリゲート8のゲート長方向の長さが、例えば35〜45nm程度となるように形成される。これに対して、本発明者が検討した断面L字状の絶縁膜部56を有する不揮発性メモリでは(図18参照)、前記方向の窒化シリコン膜56bの長さは、100nm程度である。したがって、本実施の形態では、窒化シリコン膜46に注入された電子の位置(領域)とホールの位置(領域)とが離れておらず、蓄積されている電子を電気的に打ち消すように、ホールを注入することができる。特に、本実施の形態においては、ホールが過剰に蓄積され易いソース拡散層24側の窒化シリコン膜13がエッチングによって後退しているので、電子が蓄積され易く消去し難いL字状部の電子を消去するためにホールを注入しても、ホールが過剰に蓄積され易い領域に窒化シリコン膜が存在していないので過剰なホールが蓄積されることは無い。すなわち、電子の消し残し、およびホールの蓄積がなくなり、書換え耐性を向上することができる。
また、ホールが局所的に蓄積されないため、メモリとしての機能の1つである電子(電荷)を蓄積(保持)しているときに、ホールは蓄積されていないこととなる。したがって、保持されるべき電子とホールとの再結合および電荷再分布を防止することができる。すなわち、電荷保持特性(リテンション特性)を向上することができる。
次に、図面を参照しながら、上記MONOS型不揮発性メモリの製造方法を工程順に説明する。
まず、図13に示すように、周知の製造方法を用いて基板2上に、メモリセル領域となるp型ウエル3を形成する。p型ウエル3は、例えばイオン注入法を用いてボロンなどのp型不純物を基板2内に導入することにより形成される。
続いて、p型ウエル3の表面にゲート絶縁膜7を形成し、その上にコントロールゲート6となるn型ポリシリコン膜を形成した後、フォトリソグラフィ技術とドライエッチング技術を用いて基板2上に形成したn型ポリシリコン膜を加工し、コントロールトランジスタ4のコントロールゲート6を形成する。ゲート絶縁膜7は、例えば基板2を熱酸化することによって、膜厚2.7nm程度の酸化シリコンから形成される。また、n型ポリシリコン膜は、例えばCVD(Chemical Vapor Deposition)法を用いて膜厚250nm程度で形成される。
次に、図14に示すように、基板2を、例えば熱酸化することにより、膜厚4〜6nm程度の酸化シリコン膜45を形成する。次いで、酸化シリコン膜45上に、例えばCVD法を用いて、膜厚14〜16nm程度の窒化シリコン膜46を形成する。次いで、窒化シリコン膜46上に、例えばCVD法を用いて、膜厚4〜6nm程度の酸化シリコン膜47を形成する。
続いて、酸化シリコン膜47上にメモリゲート8となるn型ポリシリコン膜を形成した後、このn型ポリシリコン膜をエッチバックすることによりメモリトランジスタ43のメモリゲート8を形成する。n型ポリシリコン膜は、例えばCVD法を用いて膜厚70nm程度で形成される。また、メモリゲート8は、コントロールゲート6の側壁に沿った方向の長さが250nm程度、その方向と交差する方向の長さが60nm程度となるように、異方性ドライエッチング技術を用いて形成される。なお、以降の工程では、コントロールゲート6の両側に形成されたメモリゲート8の一方のみを残して、メモリトランジスタ43を形成するが、そのままメモリゲート8を両者とも残してメモリトランジスタを形成しても良い。
次に、図15に示すように、コントロールゲート6の一方の側面に形成されているn型ポリシリコン膜を、フォトレジスト膜49をマスクにして等方性ドライエッチング技術を用いて除去する。
次に、図16に示すように、フッ酸によるウエットエッチング技術を用いて、メモリゲート8と接していない酸化シリコン膜47を除去した後、窒化シリコン膜46をエッチバックする。このエッチバックは、窒化シリコン膜46のうち電荷蓄積領域となる部分を、メモリゲート8のゲート長方向の長さが例えば35〜45nm程度になるまで、例えば熱リン酸によるウエットエッチング技術を用いて後退するものである。なお、窒化シリコン膜46の後退により、酸化シリコン膜45と酸化シリコン膜47との間には、隙間(ギャップ)部が形成されることとなる。
次に、図17に示すように、例えば原料をTEOS(tetraethylorthosilicate or tetraethoxysilane)としたCVD法を用いて、基板2上に酸化シリコン膜48を形成する。すなわち、酸化シリコン膜48は、酸化シリコン膜45と酸化シリコン膜47との間の隙間が埋め込まれるように形成される。その後、この酸化シリコン膜48をエッチバックされ、隙間部に埋め込まれた酸化シリコン膜48以外の不要な領域に形成された酸化シリコン膜48は、例えばフッ酸によるウエットエッチング技術を用いて除去されることとなる。
その後は、実施の形態1において、図8〜図9を用いて説明した工程と同様の工程を経ることとなる。
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。
例えば、前記実施の形態は、不揮発性メモリについて適用した一例について説明したが、不揮発性メモリを混載したシステムLSIに適用することもできる。
また、前記実施の形態は、NMOS(nチャネル型MOS)トランジスタを基本としトラップ性絶縁膜(電荷を蓄積可能な絶縁膜、例えば窒化シリコン膜)を用いたメモリセルをもとに説明したため、極性(書込み・消去・読出時の印加電圧の極性やキャリアの極性)は、NMOS(nチャネル型MOS)トランジスタを基本としたメモリセルの場合の動作を説明するためのものであった。しかし、本実施の形態は、PMOS(pチャネル型MOS)トランジスタを基本としトラップ性絶縁膜を用いたメモリセルに適用されてもよく、PMOS(pチャネル型MOS)トランジスタを基本とする場合は、印加電位やキャリアの導電型等の極性をすべて反転させることで、原理的には同じ動作を得ることができる。
本発明は、MONOS型トランジスタを有する不揮発性半導体記憶装置に利用されるものである。
本発明の実施の形態1である不揮発性メモリを示す要部断面図である。 本発明の実施の形態1である不揮発性メモリの製造工程中における要部断面図である。 図2に続く不揮発性メモリの製造工程中における要部断面図である。 図3に続く不揮発性メモリの製造工程中における要部断面図である。 図4に続く不揮発性メモリの製造工程中における要部断面図である。 図5に続く不揮発性メモリの製造工程中における要部断面図である。 図6に続く不揮発性メモリの製造工程中における要部断面図である。 図7に続く不揮発性メモリの製造工程中における要部断面図である。 図8に続く不揮発性メモリの製造工程中における要部断面図である。 本発明の実施の形態2である不揮発性メモリを示す要部断面図である。 本発明の実施の形態2である不揮発性メモリの製造工程中における要部断面図である。 本発明の実施の形態3である不揮発性メモリを示す要部断面図である。 本発明の実施の形態3である不揮発性メモリの製造工程中における要部断面図である。 図13に続く不揮発性メモリの製造工程中における要部断面図である。 図14に続く不揮発性メモリの製造工程中における要部断面図である。 図15に続く不揮発性メモリの製造工程中における要部断面図である。 図16に続く不揮発性メモリの製造工程中における要部断面図である。 本発明者が検討した不揮発性メモリを示す要部断面図である。 図18で示したメモリセルの動作時の要部断面図である。 図19で示したメモリセルの電子およびホール分布の概念図である。
符号の説明
1 メモリセル
2 半導体基板(基板)
3 p型ウエル
4 コントロールトランジスタ
5 メモリトランジスタ
6 コントロールゲート
7 ゲート絶縁膜
8 メモリゲート
9 絶縁膜部
10 酸化シリコン膜
11 酸化シリコン膜
11a 酸化シリコン膜
11b 酸化シリコン膜
13 窒化シリコン膜
14d n+型拡散層(ドレイン領域)
14s n+型拡散層(ソース領域)
15d n+型拡散層(エクステンション領域)
15s n+型拡散層(エクステンション領域)
16 サイドウォールスペーサ
17 窒化シリコン膜
18 酸化シリコン膜
19 配線
20 コンタクトホール
21 プラグ
22 酸化シリコン膜
23 ドレイン拡散層
24 ソース拡散層
25 フォトレジスト膜
26 隙間部
31 メモリセル
32 コントロールトランジスタ
33 メモリトランジスタ
41 メモリセル
42 コントロールトランジスタ
43 メモリトランジスタ
49 フォトレジスト膜
51 メモリセル
52 半導体基板
53 p型ウエル
54 ゲート絶縁膜
55 コントロールゲート
56 絶縁膜部
56a 酸化シリコン膜
56b 窒化シリコン膜
56c 酸化シリコン膜
57 メモリゲート
58d n+型拡散層(ドレイン領域)
58s n+型拡散層(ソース領域)
59d n+型拡散層(エクステンション領域)
59s n+型拡散層(エクステンション領域)
60 サイドウォールスペーサ
61 ドレイン拡散層
62 ソース拡散層

Claims (5)

  1. 半導体基板の主面上に第1絶縁膜部を介して形成された第1ゲートと、
    一部が前記第1ゲートの一方の側壁に形成され、他の一部が前記半導体基板上に形成された第2絶縁膜部と、
    一部が前記第1ゲートの前記一方の側壁に前記第2絶縁膜部を介して形成され、他の一部が前記半導体基板上に前記第2絶縁膜部を介して形成された第2ゲートと、
    前記半導体基板の表面に形成され、一端が前記第1ゲートの近傍に配置された第1拡散層と、
    前記半導体基板の表面に形成され、一端が前記第2ゲートの近傍に配置された第2拡散層と、
    前記第2絶縁膜部の一部を構成し、前記第1ゲート、第2ゲート、第1拡散層、第2拡散層および半導体基板に電圧印加して生じた電界によって前記半導体基板から電荷が注入される電荷蓄積部と、を有する半導体装置であって、
    前記半導体基板の上部に位置する前記電荷蓄積部は、前記第2ゲートのゲート長方向の長さが前記第2ゲートのゲート長より短いことを特徴とする半導体装置。
  2. 半導体基板の主面上に第1絶縁膜部を介して形成された第1ゲートと、
    一部が前記第1ゲートの一方の側壁に形成され、他の一部が前記半導体基板上に形成された第2絶縁膜部と、
    一部が前記第1ゲートの前記一方の側壁に前記第2絶縁膜部を介して形成され、他の一部が前記半導体基板上に前記第2絶縁膜部を介して形成された第2ゲートと、
    前記半導体基板の表面に形成され、一端が前記第1ゲートの近傍に配置された第1拡散層と、
    前記半導体基板の表面に形成され、一端が前記第2ゲートの近傍に配置された第2拡散層と、
    前記第2絶縁膜部の一部を構成し、前記第1ゲート、第2ゲート、第1拡散層、第2拡散層および半導体基板に電圧印加して生じた電界によって前記半導体基板から電荷が注入される電荷蓄積部と、を有する半導体装置であって、
    第1ゲートと第2ゲートとの間に位置せず、前記第2ゲートの下部に位置する前記電荷蓄積部は、前記第2ゲートのゲート長方向の長さが前記第2ゲートのゲート長より短い、または、等しいことを特徴とする半導体装置。
  3. 半導体基板の主面上に第1絶縁膜部を介して形成された第1ゲートと、
    一部が前記第1ゲートの一方の側壁に形成され、他の一部が前記半導体基板上に形成された第2絶縁膜部と、
    一部が前記第1ゲートの前記一方の側壁に前記第2絶縁膜部を介して形成され、他の一部が前記半導体基板上に前記第2絶縁膜部を介して形成された第2ゲートと、
    前記半導体基板の表面に形成され、一端が前記第1ゲートの近傍に配置された第1拡散層と、
    前記半導体基板の表面に形成され、一端が前記第2ゲートの近傍に配置された第2拡散層と、
    前記第2絶縁膜部の一部を構成し、前記第1ゲート、第2ゲート、第1拡散層、第2拡散層および半導体基板に電圧印加して生じた電界によって前記半導体基板から電荷が注入される電荷蓄積部と、を有する半導体装置であって、
    (a)前記半導体基板の主面に前記第1絶縁膜部を形成した後、前記第1絶縁膜部上に第1導電性膜を形成し、前記第1導電性膜および前記第1絶縁膜部をパターニングすることによって、前記第1ゲートを形成し、前記第1ゲートの下部に前記第1絶縁膜部を残す工程と、
    (b)前記第1ゲートの側壁を含む前記半導体基板の主面を覆うように第2絶縁膜部を構成する第1絶縁膜を形成する工程と、
    (c)前記第1絶縁膜上に第2導電性膜を形成し、前記第2導電性膜をエッチングすることによって、前記第1ゲートの側壁に前記第2導電性膜からなる前記第2ゲートを形成する工程と、
    (d)前記第1絶縁膜をエッチングすることによって、前記第2ゲートと前記半導体基板との間に隙間部を形成する工程と、
    (e)前記隙間部の前記半導体基板側と前記第2ゲート側に、前記第2絶縁膜部を構成する第2絶縁膜を形成する工程と、
    (f)前記隙間部の前記第2絶縁膜間に、前記電荷蓄積部を構成する第3絶縁膜を形成する工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  4. 請求項3記載の半導体装置の製造方法において、
    (g)前記第3絶縁膜をエッチングすることによって、前記第2ゲートのゲート長方向の長さが、前記第2ゲート長より短い、または、等しい前記第3絶縁膜を形成する工程と、
    (h)エッチングにより除去された前記第3絶縁膜の領域に、前記第2絶縁膜部を構成する第4絶縁膜を形成する工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  5. 半導体基板の主面上に第1絶縁膜部を介して形成された第1ゲートと、
    一部が前記第1ゲートの一方の側壁に形成され、他の一部が前記半導体基板上に形成された第2絶縁膜部と、
    一部が前記第1ゲートの前記一方の側壁に前記第2絶縁膜部を介して形成され、他の一部が前記半導体基板上に前記第2絶縁膜部を介して形成された第2ゲートと、
    前記半導体基板の表面に形成され、一端が前記第1ゲートの近傍に配置された第1拡散層と、
    前記半導体基板の表面に形成され、一端が前記第2ゲートの近傍に配置された第2拡散層と、
    前記第2絶縁膜部の一部を構成し、前記第1ゲート、第2ゲート、第1拡散層、第2拡散層および半導体基板に電圧印加して生じた電界によって前記半導体基板から電荷が注入される電荷蓄積部と、を有する半導体装置であって、
    (a)前記半導体基板の主面に前記第1絶縁膜部を形成した後、前記第1絶縁膜部上に第1導電性膜を形成し、前記第1導電性膜および前記第1絶縁膜部をパターニングすることによって、前記第1ゲートを形成し、前記第1ゲートの下部に前記第1絶縁膜部を残す工程と、
    (b)前記第1ゲートの側壁を含む前記半導体基板の主面を覆うように第2絶縁膜部を構成する第1絶縁膜を形成する工程と、
    (c)前記第1絶縁膜上に、前記電荷蓄積部を構成する第2絶縁膜を形成する工程と、
    (d)前記第2絶縁膜上に、第2絶縁膜部を構成する第3絶縁膜を形成する工程と、
    (e)前記第3絶縁膜上に第2導電性膜を形成し、前記第2導電性膜をエッチングすることによって、前記第1ゲートの側壁に前記第2導電性膜からなる前記第2ゲートを形成する工程と、
    (f)前記第3絶縁膜をエッチングすることによって、前記第1ゲートと第2ゲートとの間、および前記第2ゲートと前記半導体基板との間以外の第3絶縁膜を除去する工程と、
    (g)前記第2絶縁膜をエッチングすることによって、前記第2ゲートのゲート長方向の長さが、前記第2ゲート長より短い、または、等しい前記第2絶縁膜を形成する工程と、
    (h)エッチングにより除去された前記第2絶縁膜の領域に、前記第2絶縁膜部を構成する第4絶縁膜を形成する工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
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