JP2006120758A - 不揮発性半導体記憶装置及び不揮発性半導体記憶装置の製造方法 - Google Patents

不揮発性半導体記憶装置及び不揮発性半導体記憶装置の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】
マクロサイズを小さく抑えながら、高速に動作させることが可能な不揮発性半導体記憶装置を提供する。
【解決手段】
ゲート絶縁層5、コントロールゲート(CG)層6、第1シリサイド層9、電荷蓄積層7、メモリゲート(MG)層8及び第2シリサイド層10を具備する不揮発性半導体記憶装置を用いる。ゲート絶縁層5は基板1の第1領域上に、CG層6はゲート絶縁膜5上に、第1シリサイド層9はCG層6上に、それぞれ設けられる。電荷蓄積層7は基板1の第1領域の両側上に設けられる。MG層8は電荷蓄積層7上にCG層6から離れて設けられ、厚膜ゲート層8aと薄膜ゲート層8bとを含む。第2シリサイド層10はMG層8上に設けられる。厚膜ゲート層8aはCG層6に遠い側に設けられ第2シリサイド層10と接合している。薄膜ゲート層8bはCG層6に近い側に、厚膜ゲート層8aよりも薄く、CG層6の高さよりも低く設けられている。
【選択図】 図3

Description

本発明は、不揮発性半導体記憶装置及び不揮発性半導体記憶装置の製造方法に関し、特に、1セル当たり2ビット以上の情報を記憶できる不揮発性半導体記憶装置及び不揮発性半導体記憶装置の製造方法に関する。
近年、不揮発性半導体記憶装置(以下「不揮発性メモリ」ともいう)の高集積化を図るために、1つのセルに2ビットの情報を記憶できる不揮発性メモリが開発されている(例えば、非特許文献1参照)。図1は、非特許文献1に記載された従来の不揮発性メモリを示す断面図である。図1に示すように、この不揮発性メモリは、シリコン基板101の表面に形成されたメモリセル102により形成されている。
メモリセル102においては、シリコン基板101の表面にソース・ドレイン領域106が形成されている。シリコン基板101上におけるソース・ドレイン領域106間の領域の直上領域には、ゲート絶縁膜103が設けられている。ゲート絶縁膜103上には、ワード線であるコントロールゲート104が設けられている。コントロールゲート104の上面には、シリサイド層105が形成されている。また、コントロールゲート104の両側方には、メモリゲート108が設けられている。コントロールゲート104とメモリゲート108との間、及び、メモリゲート108とシリコン基板101との間にはONO膜(Oxide Nitride Oxide film:酸化物−窒化物−酸化物膜)107が設けられている。更に、ソース・ドレイン領域106は、コンタクト(図示されず)を介して、上層のビット線110(図2参照)に接続されている。
このような不揮発性メモリにおいては、ONO膜107中の窒化膜の電荷状態を選択することで、すなわち、この窒化膜に電子を蓄積するか否かを選訳することにより、2値の情報を記憶することができる。そして、コントロールゲート104の両側において、ONO膜107の電荷状態を相互に独立して制御することにより、1つのメモリセル102に2ビットの情報を記憶することができる。なお、メモリゲート108はONO膜107の窒化膜に対する電子の注入及び引き出し並びに読み出しを容易にするために設けられている。
次に、図1に示す従来の不揮発性メモリの動作について説明する。まず、情報の書き込み動作について説明する。コントロールゲート104に約0.8Vの正電位を印加し、書き込みを行う側(以下「選択側」という)のメモリゲート108に約5.5Vの正電位を印加し、このメモリゲート108と対をなす書き込みを行わない側(以下「非選択側」という)のメモリゲート108に約3.3Vの正電位を印加し、書き込みを行う側のソース・ドレイン領域106に約4.5Vの正電位を印加する。これにより、チャネル領域において発生したホットエレクトロンが、選択側のONO膜107の室化膜中に注入される。これをCHE(Channel Hot Electron:チャネル熱電子)注入という。これにより、データが書き込まれる。
次に、書き込んだ情報の消去動作について説明する。コントロールゲート104に約−1Vの負電位を印加し、選択側のメモリゲート108に約−3Vの負電位を印加し、非選択側のメモリゲート108に約3.3Vの正電位を印加し、選択側のソース・ドレイン領域106に約4Vの正電位を印加する。これにより、バンド間トンネルによりホール・エレクトロンペアが発生し、このホール又はこのホールに衝突されて発生したホールが加速きれてホットホールとなり、選択側のONO膜7の窒化膜中に注入される。これにより、ONO膜7の窒化膜中に蓄積きれていた負電荷が打ち消され、データが消去される。
次に、書き込んだ情報の読み出し動作について説明する。コントロールゲート104に約1.8Vの正電位を印加し、選択側のメモリゲート108に約1.8Vの正電位を印加し、非選択側のメモリゲート108に約3.3Vの正電位を印加し、非選択側のソース・ドレイン領域106に約1.8Vの正電位を印加する。この状態で、メモリセル102のしきい値を検出する。選択側のONO膜107に負電荷が蓄積されていれば、負電荷が蓄積されていない場合よりもしきい値が増加するため、しきい値を検出することにより、選択側のONO膜107書き込まれた情報を読み出すことができる。なお、このとき、非選択側のONO膜107に負電荷が蓄積されていても、非選択側のメモリゲート108に約3.3Vの正電位を印加し、非選択側のソース・ドレイン領域106に約1.8Vの正電位を印加することにより、非選択側のONO膜107に蓄積された負電荷の影響を抑制して、選択側のONO膜7の電荷状態を検出することができる。図1に示す従来の不揮発性メモリにおいては、上述のようにして1セル当たり2ビットの情報を記録している。
Tomoko Ogura et al.,"Embedded Twin MONOS Flash Memories with 4ns and 15ns Fast Access Times",2003 Symposium on VLSI Circuits Digest of Technical Papers,PP.207−210
しかしながら、上述の従来の技術には、以下に示すような問題点がある。図1に示すように、この従来の不揮発性メモリにおいては、メモリゲート108の幅が狭く、また、メモリゲート108がポリシリコンのみにより形成されており、表面がシリサイド化されていないため、大きな抵抗値を有している。図2は、図1に示す従来の不揮発性メモリを示す平面図である。(ただし、ONO膜107及びシリサイド膜105(図1参照)は図示していない。)図2に示すように、メモリゲート108は、幅が狭くシリサド化もされていないため、抵抗が高い。そのため、メモリゲート108を単独で使用しようとすると、書き込み、消去、読み出し時におけるメモリゲート108の充電に時間がかかる。
この問題を回避するために、従来の不揮発性メモリにおいては、メモリセルゲート108の抵抗値を低減するため、上層の配線層にメモリゲート108と並行に延びる裏打ち配線を形成し、この裏打配線をメモリゲート108に接続することが行われている。
例えば、16本のビット線110毎に1ヶ所、ビット線110と同じ方に延びるコンタクト形成領域113が設けられている。そして、このコンタクト形成領域113においては、メモリゲート108間を相互に接続する延出部108aが設けられている。延出部108aは、メモリゲート108からメモリゲート108が延びる方向に直交する方向に延出し、このメモリゲート108との間にソース・ドレイン領域106を挟んで対向する他のメモリゲート108に接続されている。この延出部108a上にはコンタクト(図示されず)が設けられている。このコンタクト上にはビット線110と同じ配線層に配線109が設けられている。この配線109上にはビア111が設けられている。ビア111上には、メモリゲート108と同じ方向に延びる配線112が、ビット線110よりも上層に設けられている。これにより、配線112は、ビア111、配線109、コンタクト(図示されず)及び延出部108aを介してメモリゲート108に扱続されており、メモリゲート108の裏打配線となっている。
このように、この従来の不揮発性メモリにおいては、メモリゲート108の裏打ちをとることにより、メモリゲート108自体の抵抗の高さを補って動作速度が低下することを防止している。しかし、上述のごとく、コンタクト形成領域113は、例えばビット線16本毎に1ヶ所設けるというように、ある程度高密度に配置しなければ、充分な効果が得られない。このため、不揮発性メモリのマクロサイズが大きくなってしまうという問題が発生する。
また、メモリゲート108の抵抗を低くするために、メモリゲート108の上部をシリサイド化することが考えられるが、図1から分かるように、メモリゲート108の上部とシリサイド5の端部とは、非常に距離が近い。そのため、シリサイド化の過程で、メモリゲート108の上部側のシリサイドが、絶縁膜上をせり上がるようにしてシリサイド5へ伸びてシリサイド5の端部と電気的に接続したり、逆にシリサイド5の端部がメモリゲート108へ伸びてメモリゲート108の上部側のシリサイドと電気的に接続するという問題が発生する。
従って、本発明の目的は、マクロサイズを小さく抑えながら、高速に動作することが可能な不揮発性半導体記憶装置及び不揮発性半導体記憶装置の製造方法を提供することにある。
以下に、発明を実施するための最良の形態で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、特許請求の範囲の記載と発明を実施するための最良の形態との対応関係を明らかにするために括弧付きで付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、特許請求の範囲に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
従って、上記課題を解決するために、本発明の不揮発性半導体記憶装置は、ゲート絶縁層(5)と、コントロールゲート層(6)と、第1シリサイド層(9)と、電荷蓄積層(7)と、メモリゲート層(8)と、第2シリサイド層(10)とを具備する。ゲート絶縁層(5)は、半導体基板(1)の第1領域上に設けられている。コントロールゲート層(6)は、ゲート絶縁膜(5)上に設けられている。第1シリサイド層(9)は、コントロールゲート層(6)上に設けられている。電荷蓄積層(7)は、半導体基板(1)におけるその第1領域の両側の各々の上に設けられおり、電荷を蓄積可能である。メモリゲート層(8)は、電荷蓄積層(7)上に、コントロールゲート層(6)から離れて設けられている。第2シリサイド層(10)は、メモリゲート層(8)上に設けられている。メモリゲート層(8)は、厚膜ゲート層(8a)と薄膜ゲート層(8b)とを備える。厚膜ゲート層(8a)は、コントロールゲート層(6)に遠い側に設けられ、第2シリサイド層(10)と接合している。薄膜ゲート層(8b)は、コントロールゲート層(6)に近い側に、厚膜ゲート層(8a)よりも膜厚が薄く、コントロールゲート層(6)の高さよりも低く設けられている。
このような不揮発性半導体記憶装置は、メモリゲート層(8)上に低抵抗の第2シリサイド層(10)を設けているので、裏打ち配線などを設ける必要がない。したがって、その分マクロサイズを小さく抑えることができ、かつ、高速に動作させることが可能となる。また、薄膜ゲート層(8b)を設けることで、第1シリサイド層(9)と第2シリサイド層(10)との間の実効的な距離を大きくとることができる。それにより、第1シリサイド層(9)と第2シリサイド層(10)とが電気的に接続しないようにできるとともに、製造上のムラが多少あったとしても、シリサイド同士の電気的な接触のような故障が発生し難く、不揮発性半導体記憶装置を高歩留まりで製造することが可能となる。
上記の不揮発性半導体記憶装置において、メモリゲート層(8)は、厚膜ゲート層(8a)を一方の縦に伸びる層とし薄膜ゲート層(8b)を底部の層として含む略U字型又は略J字型であることが好ましい。
このような形状により、第1シリサイド層(9)と第2シリサイド層(10)との間の実効的な距離をより大きくとることができる。
上記の不揮発性半導体記憶装置において、メモリゲート層(8)は、薄膜ゲート(8b)よりもコントロールゲート層(6)に近い側に、薄膜ゲート層(8b)の高さよりも高く設けられた境界ゲート層(8c)を更に備える。
このような形状により、第1シリサイド層(9)と第2シリサイド層(10)との間の実効的な距離をより大きくとることができる。
上記の不揮発性半導体記憶装置において、第2シリサイド層(10)の下側の半導体基板(1)の領域に埋め込まれた拡散層(3)を更に具備することが好ましい。
このような不揮発性半導体記憶装置は、拡散層(3)間の距離(チャネル領域の距離)が短くなり、チャネル領域での電気抵抗を低減できる。それにより、メモリセル(2)の動作速度等の特性を向上させることができる。
上記の不揮発性半導体記憶装置において、厚膜ゲート層(8a)の半導体基板(1)表面からの高さは、コントロールゲート層(6)の半導体基板(1)表面からの高さよりも低いことが好ましい。
このような不揮発性半導体記憶装置は、第1シリサイド層(9)と第2シリサイド層(10)との距離が更に大きくなり、より電気的に接続しないようにすることができる。
上記の不揮発性半導体記憶装置において、電荷蓄積層(7)は、ゲート絶縁層(5)及びコントロールゲート層(6)の側面に接することが好ましい。
このような不揮発性半導体記憶装置は、メモリセル(2)をコンパクトにすることが出来、マクロサイズをより小さく抑えることができる。
上記の不揮発性半導体記憶装置において、電荷蓄積層(7)は、第1酸化シリコン層、酸化シリコンよりも誘電率の高い絶縁層、及び、第2酸化シリコン層がこの順に積層された多層膜構造を含むことが好ましい。
このような不揮発性半導体記憶装置は、確実に電荷を蓄積(データを格納)することができる。
上記の不揮発性半導体記憶装置において、その酸化シリコンよりも誘電率の高い絶縁層は、窒化シリコンを含むことが好ましい。
このような不揮発性半導体記憶装置は、より確実に電荷を蓄積(データを格納)することができる。
上記の不揮発性半導体記憶装置において、電荷蓄積層(7)は、絶縁膜中に導電性を有する複数の粒子が分散された構造を含むことが好ましい。
このような不揮発性半導体記憶装置は、確実に電荷を蓄積(データを格納)することができる。
従って、上記課題を解決するために、本発明の不揮発性半導体記憶装置の製造方法は、(a)半導体基板(1)上の第1領域上に形成された第1絶縁膜(22)及び第1導電膜(23)を含む積層体(24)と半導体基板(1)の表面とを覆うように、多層絶縁膜(25)と第2導電膜(26)と第2絶縁膜(27)とをこの順に積層する工程と、(b)第2絶縁膜(27)をエッチバックして、積層体(24)と半導体基板(1)の表面とが交わる部分に対応する第2導電膜(26)上の第1位置において、その第1位置の近傍を覆う絶縁膜スペーサ(29)を形成する工程と、(c)絶縁膜スペーサ(29)で挟まれる領域をマスクとして、自己整合的にイオン注入し、半導体基板(1)の表面に拡散層(3)を形成する工程と、(d)第2導電膜(26)と絶縁膜スペーサ(29)とを覆うように、導電膜を形成し、第2導電膜(26)と共に第3導電膜(30)とする工程と、(e)絶縁膜スペーサ(29)の上部表面及び多層絶縁層(25)の表面の一部を露出させ、絶縁膜スペーサ(29)の側面及び下部の第3導電膜(31)が残るように、第3導電膜(30)をエッチバックする工程と、(f)積層体(24)の上部、積層体(24)から遠い側の第3導電膜(31)の上部、及び拡散層(3)の表面の一部を露出させるように、全面を覆うように形成された第3絶縁膜(36)及び多層絶縁膜(25)をエッチバックする工程と、(g)積層体(24)の上部、積層体(24)から遠い側の第3導電膜(31)の上部、及び拡散層(3)の表面の一部をシリサイド化する工程とを具備する。
上記の不揮発性半導体記憶装置の製造方法において、(f)工程は、(f1)積層体(24)の表面、第3導電膜(31)の表面を酸化して酸化シリコン膜(32)を形成する工程と、(f2)積層体(24)の上部、積層体(24)から遠い側の第3導電膜(31)の上部、及び拡散層(3)の表面の一部を露出させるように、第3絶縁膜(36)及び多層絶縁膜(25)に加えて、酸化シリコン膜(32)をエッチバックする工程とを備えることが好ましい。
上記の不揮発性半導体記憶装置の製造方法において、(f)工程は、(f1)積層体(24)の表面、第3導電膜(31)の表面を酸化して酸化シリコン膜(32)を形成する工程と、(f2)一部を露出させるように、第3導電膜(31)の表面に形成された酸化シリコン膜(32)及び多層絶縁膜(25)をエッチバックする工程と、(f3)積層体(24)の上部、積層体(24)から遠い側の第3導電膜(31)の上部、及び拡散層(3)の表面の一部を露出させるように、第3絶縁膜(36)及び多層絶縁膜(25)に加えて、酸化シリコン膜(32)をエッチバックする工程とを備える。
上記の不揮発性半導体記憶装置の製造方法において、(e)ステップは、第3導電膜(31)の一部が拡散層(3)の一部を覆ったまま残るように、第3導電膜(30)をエッチバックすることが好ましい。
上記の不揮発性半導体記憶装置の製造方法において、(e)ステップは、エッチバック後の第3導電膜(31)の半導体基板(1)表面からの高さが、第1導電膜(23)の半導体基板(1)表面からの高さよりも低いことが好ましい。
上記の不揮発性半導体記憶装置の製造方法において、多層絶縁膜(25)は、第1酸化シリコン膜、酸化シリコンよりも誘電率の高い絶縁膜、及び、第2酸化シリコン膜がこの順に積層されていることが好ましい。
上記の不揮発性半導体記憶装置の製造方法において、その酸化シリコンよりも誘電率の高い絶縁膜は、窒化シリコンでも良い。
上記の不揮発性半導体記憶装置の製造方法において、多層絶縁膜(25)は、絶縁膜中に導電性を有する複数の粒子が分散された構造でも良い。
本発明により、不揮発性半導体記憶装置のマクロサイズを小さく抑えながら、メモリゲートのシリサイドと、コントロールゲートのシリサイドとが電気的に接続しないようにすることができ、高速に動作させることが可能となる。
以下、本発明の不揮発性半導体記憶装置及び不揮発性半導体記憶装置の製造方法の実施の形態に関して、添付図面を参照して説明する。
まず、本発明の不揮発性半導体記憶装置の実施の形態の構成について説明する。図3は、本発明の不揮発性半導体記憶装置の実施の形態の構成を示す断面図である。不揮発性半導体記憶装置は、メモリセル2、コンタクト12、第1配線13、層間絶縁層14を具備する。
メモリセル2は、シリコン基板1上に設けられ、1つにつき2ビットの情報を記憶できる。メモリセル2は、拡散層3、ゲート絶縁膜5、コントロールゲート6、メモリ層7、メモリゲート8、シリサイド9、シリサイド10、シリサイド11を備える。
ゲート絶縁膜5は、シリコン基板1の所定の第1領域(チャネル領域4の中央部)上に設けられている。ゲート絶縁膜5は、例えば、酸化シリコンに例示される。コントロールゲート6は、ゲート絶縁膜5上に設けられている。コントロールゲート6は、例えば、幅50nmのポリシリコンである。シリサイド9は、コントロールゲート6上に設けられている。シリサイド9は、例えば、コバルトシリサイドである。
メモリ層7(電荷蓄積層)は、ゲート絶縁膜5及びコントロールゲート6の両側面(図における左右両側)上、及び、シリコン基板1における第1領域の両側(図における左右両側)の上に設けられ、電荷を蓄積可能である。メモリ層7は、例えば、酸化シリコン膜、酸化シリコンよりも誘電率の高い絶縁膜、及び、酸化シリコン膜がこの順に積層された多層膜構造である。その場合、酸化シリコン膜よりも誘電率の高い絶縁膜に電荷が蓄積される。酸化シリコン膜よりも誘電率の高い絶縁膜としては、窒化シリコン膜が例示される。すなわち、多層構造体としては、シリコンのONO膜(Oxide Nitride Oxide film:酸化物−窒化物−酸化物膜)が例示される。その他、メモリ層7は、絶縁膜中に導電性を有する複数の粒子(量子ドット)が分散された構造で有ってもよい。そのような構造としては、酸化シリコン膜、シリコン粒子、及び、酸化シリコン膜がこの順に積層された構造である。その場合、シリコン粒子に電荷が蓄積される。
メモリゲート8は、メモリ層7(電荷蓄積層)上に、コントロールゲート6から離れて、電気的に絶縁されて設けられている。メモリゲート8は、厚膜ゲート8a、薄膜ゲート8b及び境界ゲート8cとを含む。
厚膜ゲート8aは、コントロールゲート6に遠い側に設けられ、上部でシリサイド10(例示:コバルトシリサイド)と接合する。厚膜ゲート8aは、薄膜ゲート8bよりも膜厚が厚い。その膜厚は、30nmより大きく、300nm以下が好ましい。これにより、薄膜ゲート8bよりも厚くできる。厚膜ゲート8aのシリコン基板表面からの高さは、コントロールゲート6のシリコン基板1表面からの高さよりも低いことがより好ましい。それにより、シリサイド9とシリサイド10との距離を大きくとることができ、電気的に接続することを防止できる。
薄膜ゲート8bは、厚膜ゲート8aよりもコントロールゲート6に近い側に設けられている。厚膜ゲート8aよりも膜厚が薄い。シリコン基板1の表面からのコントロールゲート6の高さよりも低いことが好ましい。更に、シリコン基板1の表面からの(コントロールゲート6側面での)メモリ層7の高さよりも低いことがより好ましい。それにより、シリサイド形成時に絶縁膜37で薄膜ゲート8bを覆うことが出来、コントロールゲート6の露出面とメモリゲート8の露出面との距離を充分長くとって、シリサイド9とシリサイド10とが、電気的に接続することを防止できる。その膜厚は、10nm以上であることでメモリゲート8として機能させることができる。
境界ゲート8cは、薄膜ゲート8bよりもコントロールゲート6に近い側に設けられている。コントロールゲート6側面のメモリ層7に接しており、シリコン基板1の表面からの(コントロールゲート6側面での)メモリ層7の高さよりも低くいことがより好ましい。さらに境界ゲート8cの幅は30nm以下であることが望ましい。境界ゲート8cの高さが低く、幅が狭いことにより、薄膜ゲート8bより厚くても、シリサイド形成時に表面を絶縁膜37で充分覆うことができ、コントロールゲート6の露出面とメモリゲート8露出面の距離を充分長くとって、シリサイド9とシリサイド10が、電気的に接続することを防止できる。
薄膜ゲート8bの膜厚下限と、境界ゲート8cの幅の上限からポリシリコン膜26(後述)の膜厚は10nm以上、30nm以下が好ましい。
これら厚膜ゲート8a、薄膜ゲート8b及び境界ゲート8cは、略U字型の形状を有している。その場合、厚膜ゲート8aをU字の一方の縦に伸びる層とし、薄膜ゲート層8bをU字の底部の層とし、境界ゲート8cをU字の他方の縦に伸びる層とする。そして、それらにより、シリサイド9とシリサイド10との間に溝15が形成される。この溝15により、シリサイド10が薄膜ゲート8b伝いに成長した場合に、シリサイド9への経路を充分に長くし、電気的に接続することを防止できる。これら厚膜ゲート8a、薄膜ゲート8b及び境界ゲート8cは、略J字型の形状を有していても良い。すなわち、境界ゲート層8cがやや低くなる場合である。この場合にも、厚膜ゲート8aとシリサイド9との距離があることで、シリサイド10からシリサイド9への経路を充分に長く取ることができる。
拡散層3は、シリコン基板1の表面に埋め込まれて形成されている。ソース又はドレインとして機能する。シリコン基板1表面におけるシリサイド10の下側の領域に埋め込まれている。ゲート絶縁膜5の下の第1領域を含む拡散層3間の領域は、チャネル領域4である。拡散層3は、メモリ層7に接続すると共に、シリサイド11(例示:コバルトシリサイド)及びコンタクト12を介して、第1配線13と接続している。上記各構成物は、層間絶縁膜14により埋め込まれている。
拡散層3が、シリサイド10の下側の領域まで延びてきていることは、二つの拡散層3間の距離(チャネル領域4の距離)が短くなり、チャネル領域での電気抵抗を低減でき好ましい。それにより、メモリセル2の動作速度等の特性を向上させることができる。
なお、メモリセルとしてデータを格納するために、メモリ層7における電荷を蓄積できる領域(拡散層3の端部からコントロールゲート6の側面までのメモリ層7)を確保する必要があることから、二つの拡散層3間の距離の下限が設計で決められる。
本発明では、シリサイド9とシリサイド10との間の実効的な距離を大きくとることができ、シリサイド10とシリサイド9とが電気的に接続しないようにすることができる。加えて、実効的な距離を大きくとっているので、製造上のムラが多少あったとしても、シリサイド同士の電気的な接触のような故障が発生し難く、不揮発性半導体記憶装置を高歩留まりで製造することが可能となる。
図4は、本発明の不揮発性半導体記憶装置の実施の形態の構成を示す平面図である。ただし、第1配線13より上の構造、シリサイド9、及びシリサイド10を省略している。
シリコン基板1上には、ワード線を兼ねる複数のコントロールゲート6が、第1方向(図中、X方向)へ、互いに平行に設けられている。コントロールゲート6の両側には、コントロールゲート6と同じ第1方向(X方向)に延びるメモリゲート8が設けられている。1本のコントロールゲート6及びその両側にある2本のメモリゲート8から一つのゲート群が構成されている。
ゲート群の間の下側におけるシリコン基板1の表面には、コントロールゲート6が延びる第1方向(X方向)に沿って、素子分離領域21と拡散層3とが交互に形成されている。メモリセル2のある層より上層の配線層には、第1方向に直交する第2方向(図中、Y方向)に延びる複数のビット線(図示されず)が設けられている。コンタクト12は、隣接するコンタクト12と配線(図示されず)で2個一組として接続される。そして、その配線とビット線(図示されず)とがビアで接続している。ビット線間の領域とゲート群との最近接点毎、すなわち、シリコン基板1の表面に垂直な方向から見た場合のビット線間の領域とゲート群との交点毎にメモリセル2(コントロールゲート6、その両側のメモリゲート8及びメモリ層7を含む)が形成されている。これにより、不揮発性半導体記憶装置は、複数のメモリセル2がマトリックス状に配列されている。図3は、第1方向(X方向)に直交する断面図である。
本発明では、メモリゲート8上に低抵抗のシリサイド10を設けているので、従来技術のような裏打ち配線や、コンタクト形成領域などを設ける必要がない。すなわち、不揮発性半導体記憶装置のマクロサイズを小さく抑えることができ、かつ、不揮発性半導体記憶装置を高速に動作させることが可能となる。
次に、図3を参照して、不揮発性半導体記憶装置の実施の形態の動作について説明する。まず、情報の書き込み動作について説明する。コントロールゲート6に正電圧(約1.0V)の正電位を印加し、書き込みを行う側(以下「選択側」という)のメモリゲート8に約5Vの正電位を印加し、このメモリゲート8と対をなす書き込みを行わない側(以下「非選択側」という)のメモリゲート8に約3Vの正電位を印加し、選択側の拡散層3に約5Vの正電位を印加する。これにより、チャネル領域において発生したホットエレクトロンが、選択側のメモリ層7の室化膜中に注入される。これをCHE(Channel Hot Electron:チャネル熱電子)注入という。これにより、データが書き込まれる。
次に、書き込んだ情報の消去動作について説明する。コントロールゲート6に約−1Vの負電位を印加し、選択側のメモリゲート8に約−5Vの負電位を印加し、非選択側のメモリゲート8に約3Vの正電位を印加し、選択側の拡散層3に約5Vの正電位を印加する。これにより、バンド間トンネルによりホール・エレクトロンペアが発生し、このホール又はこのホールに衝突されて発生したホールが加速きれてホットホールとなり、選択側のメモリ層7の窒化膜中に注入される。これにより、メモリ層7の窒化膜中に蓄積きれていた負電荷が打ち消され、データが消去される。
次に、書き込んだ情報の読み出し動作について説明する。コントロールゲート6に正電圧(約1.8V)の正電位を印加し、選択側のメモリゲート8に正電圧(約1.8V)の正電位を印加し、非選択側のメモリゲート8に約3.3Vの正電位を印加し、非選択側の拡散層3に約1.5Vの正電位を印加する。この状態で、メモリセル2のしきい値を検出する。選択側のメモリ層7に負電荷が蓄積されていれば、負電荷が蓄積されていない場合よりもしきい値が増加するため、しきい値を検出することにより、選択側のメモリ層7に書き込まれた情報を読み出すことができる。このとき、非選択側のメモリ層7に負電荷が蓄積されていても、非選択側のメモリゲート8に約3.3Vの正電位を印加し、非選択側の拡散層3に約1.5Vの正電位を印加することにより、非選択側のメモリ層7に蓄積された負電荷の影響を抑制して、選択側のメモリ層7の電荷状態を検出することができる。図3に示すメモリセル2においては、上述のようにして1セル当たり2ビットの情報を記録している。
次に、本発明の不揮発性半導体記憶装置の製造方法の実施の形態について説明する。
図5〜図18は、本発明の不揮発性半導体記憶装置の製造方法の実施の形態を示す断面図である。ただし、各図において、(a)は図3に示す断面図と同じ方向の断面を示す。(b)は(a)におけるAA断面図、(c)は(a)におけるBB断面図、(d)は(a)におけるCC断面図である。
図5を参照して、p型シリコン基板1の表面の所定の領域に、 従来のSTI(shallow trench isolation)法により素子分離領域21を形成する。次に、所定の領域に素子分離領域21よりも深く、pウエル(図示されず)を形成する。
図6を参照して、シリコン基板1の表面に、熱酸化処理により、酸化膜22を形成する。その酸化膜22を覆うように、ポリシリコン膜23をCVD法により形成する。
図7を参照して、フォトリソグラフィー及びドライエッチングにより、ポリシリコン膜23をエッチングし、コントロールゲートを形成する領域にポリシリコン膜23を残す。その後、そのポリシリコン膜23をマスクに用いて、酸化膜22をエッチングする。それにより、エッチングで成形されたポリシリコン膜23及び酸化膜22からなる積層体24が形成される。
図8を参照して、シリコン基板1の表面及び積層体24を覆うように酸化シリコン、窒化シリコン及び酸化シリコンをスパッタ法でこの順に積層する。それにより、電荷蓄積層としてのONO膜25が形成される。その後、ONO膜25を覆うようにポリシリコン膜26をCVD法により形成する。更に、ポリシリコン膜26を覆うようにシリコンの酸化膜27をCVD法により形成する。
図9を参照して、酸化膜27をエッチバックし、酸化膜スペーサ29を形成する。ただし、酸化膜スペーサ29は、積層体24の側面とシリコン基板1の表面とが形成する角(かど)に対応するポリシリコン膜26上に形成されている。その後、積層体24、積層体24を覆うポリシリコン膜26及びONO膜25、及び、酸化膜スペーサ29をマスクとして、例えば、砒素(As)のようなn型不純物を注入する。それにより、シリコン基板1の表面における積層体24、積層体24を覆うポリシリコン膜26及びONO膜25、及び、酸化膜スペーサ29の直下の領域、並びに素子分離領域21を除く領域に、自己整合的に拡散層28が形成される。
図10を参照して、ポリシリコン膜26及び酸化膜スペーサ29を覆うように、ポリシリコン膜をCVD方で形成し、ポリシリコン膜30とする。
図11を参照して、ポリシリコン膜30をエッチバックし、積層体24を覆うONO膜25の上部、酸化膜スペーサ29の上側の表面、及び拡散層28上のONO膜25を露出させる。それにより、ポリシリコン膜30は、ポリシリコン膜31となる。ポリシリコン膜31は、積層体24の側面とシリコン基板1の表面とが形成する角に対応するONO膜25上に、酸化膜スペーサ29の下側及び周囲を囲むように、積層体24よりも低く形成されている。
図12を参照して、エッチバックされたポリシリコン膜31の表面に、熱酸化処理により、酸化膜32を形成する。
図13を参照して、ONO膜25及び酸化膜32をエッチバックし、積層体24の上側の表面、ポリシリコン膜31の表面、及び拡散層28(ただし、ポリシリコン膜31及び酸化膜32の下側の領域を除く)の表面を露出させる。これにより、酸化膜32は、ポリシリコン膜31の外側の酸化膜34と中側(酸化膜スペーサ29のあった場所)の酸化膜35とに分かれる。
その後、図示はしないが、周辺回路を形成するための工程(例示:ポリシリコン膜のエッチングやイオン注入)の一部を行う。
図14を参照して、酸化膜をCVD法により全面を覆うように形成する。これにより、酸化膜34と酸化膜35とを含めた酸化膜36がシリコン基板1上の全面を覆う。
図15を参照して、酸化膜36及びONO膜25をエッチバックし、積層体24の上部、ポリシリコン膜31における積層体24から離れた側の上部及び拡散層28の一部(ONO膜25及び、ONO膜25近傍の酸化膜36の下側の領域を除く)の表面を露出させる。これにより、酸化膜36は、酸化膜37と酸化膜38とに分かれる。酸化膜37は、積層体24の側面上のONO膜25と積層体24側のポリシリコン膜31とを覆う。酸化膜38は、拡散層28側のポリシリコン膜31側面及びONO膜25とONO膜25近傍の拡散層28とを覆う。
図16を参照して、シリコン基板1の全面にコバルト膜をスパッタ法により形成する。その後、熱処理を行う。この熱処理により、積層体24の上部とコバルト膜とが反応し、積層体24の上部に、コバルトシリサイドのシリサイド膜39が形成される。加えて、ポリシリコン膜31における積層体24から離れた側の上部とコバルト膜とが反応し、ポリシリコン膜31のその上部に、コバルトシリサイドのシリサイド膜40が形成される。更に、拡散層28の一部(ONO膜25及び酸化膜38の下側の領域を除く)とコバルト膜とが反応し、その拡散層28の一部に、コバルトシリサイドのシリサイド膜41が形成される。その後、シリサイド膜以外のコバルト膜をエッチングにより除去する。
図17を参照して、シリコン基板1の全面に層間絶縁膜42をCVD法により形成する。その後、フォトリソグラフィー及びドライエッチングにより、コンタクトホール43を形成する。
図18を参照して、シリコン基板1の全面に銅膜をスパッタ法により形成する。その後、CMP法により層間絶縁膜42上の銅膜を除去する。コンタクトホール42には、コンタクト44が形成される。
以降のプロセスについては、公知のプロセスを用いるので、その説明を省略する。
上記の製造方法により、不揮発性半導体記憶装置が製造される。
なお、図3における各構成と18図における各構成との対応関係は、以下に示すようになる。
図3における、拡散層3、ゲート絶縁膜5、コントロールゲート6、メモリ層7、メモリゲート8、シリサイド9、シリサイド10、シリサイド11、コンタクト12、及び層間絶縁層14は、それぞれ図18における拡散層28、ゲート絶縁膜22、コントロールゲート23、メモリ層25、メモリゲート31、シリサイド39、シリサイド40、シリサイド41、コンタクト44、及び(層間絶縁層42+酸化膜37+酸化膜38)に対応する。
本発明により、不揮発性半導体記憶装置のマクロサイズを小さく抑えながら、高速に動作させることが可能となる。メモリゲートのシリサイドと、コントロールゲートのシリサイドとが電気的に接続しないようにすることができる。そして、不揮発性半導体記憶装置を高歩留まりで製造することが可能となる。
図1は、従来の不揮発性メモリを示す断面図である。 図2は、図1に示す従来の不揮発性メモリを示す平面図である。 図3は、本発明の不揮発性半導体記憶装置の実施の形態の構成を示す断面図である。 図4は、本発明の不揮発性半導体記憶装置の実施の形態の構成を示す平面図である。 図5(a)〜(d)は、本発明の不揮発性半導体記憶装置の製造方法の実施の形態を示す断面図である。 図6(a)〜(d)は、本発明の不揮発性半導体記憶装置の製造方法の実施の形態を示す断面図である。 図7(a)〜(d)は、本発明の不揮発性半導体記憶装置の製造方法の実施の形態を示す断面図である。 図8(a)〜(d)は、本発明の不揮発性半導体記憶装置の製造方法の実施の形態を示す断面図である。 図9(a)〜(d)は、本発明の不揮発性半導体記憶装置の製造方法の実施の形態を示す断面図である。 図10(a)〜(d)は、本発明の不揮発性半導体記憶装置の製造方法の実施の形態を示す断面図である。 図11(a)〜(d)は、本発明の不揮発性半導体記憶装置の製造方法の実施の形態を示す断面図である。 図12(a)〜(d)は、本発明の不揮発性半導体記憶装置の製造方法の実施の形態を示す断面図である。 図13(a)〜(d)は、本発明の不揮発性半導体記憶装置の製造方法の実施の形態を示す断面図である。 図14(a)〜(d)は、本発明の不揮発性半導体記憶装置の製造方法の実施の形態を示す断面図である。 図15(a)〜(d)は、本発明の不揮発性半導体記憶装置の製造方法の実施の形態を示す断面図である。 図16(a)〜(d)は、本発明の不揮発性半導体記憶装置の製造方法の実施の形態を示す断面図である。 図17(a)〜(d)は、本発明の不揮発性半導体記憶装置の製造方法の実施の形態を示す断面図である。 図18(a)〜(d)は、本発明の不揮発性半導体記憶装置の製造方法の実施の形態を示す断面図である。
符号の説明
1 シリコン基板
2 メモリセル
3 拡散層
4 チャネル領域
5 ゲート絶縁膜
6 コントロールゲート
7 メモリ層
8 メモリゲート
8a 厚膜ゲート
8b 薄膜ゲート
8c 境界ゲート
9、10、11 シリサイド
12 コンタクト
13 第1配線
14 層間絶縁層
15 溝
21 素子分離領域
22、27、32、34、35、36、37、38 酸化膜
23、26、30、31 ポリシリコン膜
24 積層体
25 ONO膜
28 拡散層
29 酸化膜スペーサ
39、40、41 シリサイド膜
43 コンタクトホール
44 コンタクト
101 シリコン基板
102 メモリセル
103 ゲート絶縁膜
104 コントロールゲート
105 シリサイド層
106 ソース・ドレイン領域
107 ONO膜
108 メモリゲート
108a 延出部
109 配線
110 ビット線
111 ビア
112 配線
113 コンタクト形成領域

Claims (19)

  1. 半導体基板の第1領域上に設けられたゲート絶縁層と、
    前記ゲート絶縁膜上に設けられたコントロールゲート層と、
    前記コントロールゲート層上に設けられた第1シリサイド層と、
    前記半導体基板における前記第1領域の両側の各々の上に設けられ、電荷を蓄積可能な電荷蓄積層と、
    前記電荷蓄積層上に、前記コントロールゲート層から離れて設けられたメモリゲート層と、
    前記メモリゲート層上に設けられた第2シリサイド層と
    を具備し、
    前記メモリゲート層は、
    前記コントロールゲート層に遠い側に設けられ、前記第2シリサイド層と接合する厚膜ゲート層と、
    前記コントロールゲート層に近い側に、前記厚膜ゲート層よりも膜厚が薄く、前記コントロールゲート層の高さよりも低く設けられた薄膜ゲート層と
    を備える
    不揮発性半導体記憶装置。
  2. 請求項1に記載の不揮発性半導体記憶装置において、
    前記メモリゲート層は、前記厚膜ゲート層を一方の縦に伸びる層とし前記薄膜ゲート層を底部の層として含む略U字型又は略J字型である
    不揮発性半導体記憶装置。
  3. 請求項1又は2に記載の不揮発性半導体記憶装置において、
    前記メモリゲート層は、前記薄膜ゲートよりも前記コントロールゲート層に近い側に、前記薄膜ゲート層の高さよりも高く設けられた境界ゲート層を更に備える
    不揮発性半導体記憶装置。
  4. 請求項1乃至3のいずれか一項に記載の不揮発性半導体記憶装置において、
    前記第2シリサイド層の下側の前記半導体基板の領域に埋め込まれた拡散層を更に具備する
    不揮発性半導体記憶装置。
  5. 請求項1乃至4のいずれか一項に記載の不揮発性半導体記憶装置において、
    前記厚膜ゲート層の前記半導体基板表面からの高さは、前記コントロールゲート層の前記半導体基板表面からの高さよりも低い
    不揮発性半導体記憶装置。
  6. 請求項1乃至5のいずれか一項に記載の不揮発性半導体記憶装置において、
    前記電荷蓄積層は、前記ゲート絶縁層及び前記コントロールゲート層の側面に接する
    不揮発性半導体記憶装置。
  7. 請求項1乃至6のいずれか一項に記載の不揮発性半導体記憶装置において、
    前記電荷蓄積層は、第1酸化シリコン層、酸化シリコンよりも誘電率の高い絶縁層、及び、第2酸化シリコン層がこの順に積層された多層膜構造を含む
    不揮発性半導体記憶装置。
  8. 請求項7に記載の不揮発性半導体記憶装置において、
    前記酸化シリコンよりも誘電率の高い絶縁層は、窒化シリコンを含む
    不揮発性半導体記憶装置。
  9. 請求項1乃至6のいずれか一項に記載の不揮発性半導体記憶装置において、
    前記電荷蓄積層は、絶縁膜中に導電性を有する複数の粒子が分散された構造を含む
    不揮発性半導体記憶装置。
  10. (a)半導体基板上の第1領域上に形成された第1絶縁膜及び第1導電膜を含む積層体と前記半導体基板の表面とを覆うように、多層絶縁膜と第2導電膜と第2絶縁膜とをこの順に積層する工程と、
    (b)前記第2絶縁膜をエッチバックして、前記積層体と前記半導体基板の表面とが交わる部分に対応する前記第2導電膜上の第1位置において、前記第1位置の近傍を覆う絶縁膜スペーサを形成する工程と、
    (c)前記絶縁膜スペーサで挟まれる領域をマスクとして、自己整合的にイオン注入し、前記半導体基板の表面に拡散層を形成する工程と、
    (d)前記第2導電膜と前記絶縁膜スペーサとを覆うように、導電膜を形成し、前記第2導電膜と共に第3導電膜とする工程と、
    (e)前記絶縁膜スペーサの上部表面及び前記多層絶縁層の表面の一部を露出させ、前記絶縁膜スペーサの側面及び下部の前記第3導電膜が残るように、前記第3導電膜をエッチバックする工程と、
    (f)前記積層体の上部、前記積層体から遠い側の前記第3導電膜の上部、及び前記拡散層の表面の一部を露出させるように、全面を覆うように形成された第3絶縁膜及び前記多層絶縁膜をエッチバックする工程と、
    (g)前記積層体の上部、前記積層体から遠い側の前記第3導電膜の上部、及び前記拡散層の表面の一部をシリサイド化する工程と
    を具備する
    不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
  11. 請求項10に記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法において、
    前記(f)工程は、
    (f1)前記積層体の表面、前記第3導電膜の表面を酸化して酸化シリコン膜を形成する工程と、
    (f2)前記積層体の上部、前記積層体から遠い側の前記第3導電膜の上部、及び前記拡散層の表面の一部を露出させるように、前記第3絶縁膜及び前記多層絶縁膜に加えて、前記酸化シリコン膜をエッチバックする工程と
    を備える
    不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
  12. 請求項10に記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法において、
    前記(f)工程は、
    (f1)前記積層体の表面、前記第3導電膜の表面を酸化して酸化シリコン膜を形成する工程と、
    (f2)一部を露出させるように、前記第3導電膜の表面に形成された前記酸化シリコン膜及び前記多層絶縁膜をエッチバックする工程と、
    (f3)前記積層体の上部、前記積層体から遠い側の前記第3導電膜の上部、及び前記拡散層の表面の一部を露出させるように、前記第3絶縁膜及び前記多層絶縁膜に加えて、前記酸化シリコン膜をエッチバックする工程と
    を備える
    不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
  13. 請求項10乃至12のいずれか一項に記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法において、
    前記(e)工程は、前記第3導電膜の一部が前記拡散層の一部を覆ったまま残るように、前記第3導電膜をエッチバックする
    不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
  14. 請求項10乃至13のいずれか一項に記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法において、
    前記(e)工程は、エッチバック後の前記第3導電膜の前記半導体基板表面からの高さが、前記第1導電膜の前記半導体基板表面からの高さよりも低い
    不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
  15. 請求項10乃至14のいずれか一項に記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法において、
    前記多層絶縁膜は、第1酸化シリコン膜、酸化シリコンよりも誘電率の高い絶縁膜、及び、第2酸化シリコン膜がこの順に積層されている
    不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
  16. 請求項15に記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法において、
    前記酸化シリコンよりも誘電率の高い絶縁膜は、窒化シリコンを含む
    不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
  17. 請求項10乃至14のいずれか一項に記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法において、
    前記多層絶縁膜は、絶縁膜中に導電性を有する複数の粒子が分散された構造を含む
    不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
  18. 半導体基板の第1領域上に設けられたゲート絶縁層と、
    前記ゲート絶縁膜上に設けられたコントロールゲート層と、
    前記コントロールゲート層上に設けられた第1シリサイド層と、
    前記半導体基板における前記第1領域の両側の各々の上に設けられ、電荷を蓄積可能な電荷蓄積層と、
    前記電荷蓄積層上に凹部を有して形成されたメモリゲート層と、
    前記メモリゲート層の凸部上に形成された第2シリサイド層とを備えることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
  19. 前記メモリゲート層の前記凸部は前記凹部よりも前記コントロールゲートから離れて形成されていることを特徴とする請求項18記載の不揮発性半導体記憶装置。
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