JP2006319186A - Semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To enhance memory characteristics, especially the data retention characteristics, of a semiconductor memory device in which a sidewall-like charge storage 8 is arranged on at least any one side of the opposite sidewalls of a gate electrode 6, by efficiently and rigidly terminating a dangling bond generated on a tunnel oxide film 3, under the charge storage 8 or the interface of the tunnel oxide film 3 and a semiconductor substrate with hydrogen. <P>SOLUTION: An insulating film 11, containing water molecules of at least 2×10<SP>21</SP>/cm<SP>3</SP>during film deposition, is formed in a charge storage 8, or on the surface thereof. Furthermore, a film 12 of a substance that reacts with moisture to oxidize is formed at a position touching the insulating film 11. Moisture supplied from the insulating film 11 is decomposed, to produce hydrogen used for terminating dangling bonds. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体記憶装置に関し、より具体的には、ゲート電極のサードウォール部に電荷を保持可能な電荷蓄積部を有するMOSFET構造の不揮発性メモリセルを備えた不揮発性半導体記憶装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor memory device, and more specifically to a nonvolatile semiconductor memory device including a MOSFET-structure nonvolatile memory cell having a charge storage portion capable of holding charges in a third wall portion of a gate electrode.

フラッシュメモリ等に代表される不揮発性メモリは、大容量で小型の情報記録媒体として、コンピュータ、通信、計測機器、自動制御装置、及び、一般家庭で用いられる家庭用機器等の分野において広く用いられている。より安価でより大容量の不揮発性メモリに対する需要は非常に大きく、開発が盛んに行われている。   Nonvolatile memories represented by flash memories and the like are widely used in the fields of computers, communications, measuring instruments, automatic control devices, and household devices used in general households as large-capacity and small-sized information recording media. ing. The demand for cheaper and larger capacity non-volatile memories is enormous and is being actively developed.

多数回の電気的書き換え可能な不揮発性メモリには、浮遊ゲート(FG:Floating Gate)型構造のフラッシュメモリ、MONOS(Metal−Oxide−Nitride−Oxide−Semiconductor)型構造のMONOS型メモリ(またはMNOS型メモリ)、強誘電体材料等の新材料を用いた新型メモリ等が挙げられる。最も広く用いられているのは、浮遊ゲート型のフラッシュメモリであり、大容量化を実現し安価に製造できるためである。その他の新型メモリは、製造技術の未熟さと高製造コストのため、その特性を活かした高速読み書きを必要とする用途にのみ限定されている。また、新型メモリにおいては、ビットコストを下げる一手段であるメモリセル当たりの多値化は殆ど進展していない。一方、MONOS型メモリは、従来から提案されていたものの、データの保持特性が劣っていたことや、デバイス設計の困難さから広くは普及していなかった。   Non-volatile memories that can be electrically rewritten many times include a floating gate (FG) type flash memory, a MONOS (Metal-Oxide-Nitride-Oxide-Semiconductor) type structure MONOS type memory (or MNOS type) Memory), a new memory using a new material such as a ferroelectric material, and the like. The most widely used is a floating gate type flash memory because it can realize a large capacity and can be manufactured at low cost. Other new memories are limited only to applications requiring high-speed reading and writing taking advantage of their characteristics due to immaturity of manufacturing technology and high manufacturing cost. In the new memory, the multi-value per memory cell, which is one means for reducing the bit cost, has hardly progressed. On the other hand, although the MONOS type memory has been proposed in the past, it has not been widely used due to poor data retention characteristics and difficulty in device design.

フラッシュメモリのような浮遊ゲート型メモリは、電荷蓄積部が多結晶シリコン等の導電体で形成されており、浮遊ゲートの電荷蓄積部を基板と絶縁するトンネル酸化膜の一部にでも絶縁不良があれば、蓄積した電荷が全て抜けてしまう。そのため、トンネル酸化膜を薄膜化すれば、一部のメモリセルにおいてメモリ特性の劣化が発生する。よって、トンネル酸化膜を薄膜化することは、困難である。このことは、メモリセル自体の微細化が将来的に困難になることを示唆している。   In a floating gate type memory such as a flash memory, the charge storage portion is formed of a conductor such as polycrystalline silicon, and even in a part of the tunnel oxide film that insulates the charge storage portion of the floating gate from the substrate, there is an insulation failure. If there is, all accumulated charges are lost. Therefore, if the tunnel oxide film is thinned, the memory characteristics are deteriorated in some memory cells. Therefore, it is difficult to reduce the thickness of the tunnel oxide film. This suggests that miniaturization of the memory cell itself will be difficult in the future.

一方、MONOS型メモリはNROM(Nitride ROM)とも呼ばれ、その電荷蓄積部は一般にシリコン窒化膜で構成されている。電荷蓄積部が絶縁膜であり、電子はシリコン窒化膜のトラップに離散的に捕獲される。そのため、基板と電荷蓄積部との間にあるトンネル酸化膜に欠陥があっても、一度に全ての電荷が抜けることはなく、トンネル酸化膜の薄膜化が可能であり、微細化に有利である。しかしながら、上述のように、ある一定の割合で電荷は僅かながら徐々に抜けてしまうため、データの保持特性を保つ工夫が必要である。   On the other hand, the MONOS type memory is also called NROM (Nitride ROM), and its charge storage portion is generally composed of a silicon nitride film. The charge storage part is an insulating film, and electrons are discretely captured by traps of the silicon nitride film. Therefore, even if there is a defect in the tunnel oxide film between the substrate and the charge storage part, all charges are not released at once, and the tunnel oxide film can be made thin, which is advantageous for miniaturization. . However, as described above, since charges are gradually removed at a certain rate, it is necessary to devise a method for maintaining data retention characteristics.

このMONOS型メモリへのデータの書き込みは、浮遊ゲート型メモリと同様に、F−N(Fowler−Nordheim)トンネル電流を用いる方法と、MONOS型独自の狭い領域に絞ってホットキャリア注入を用いる方法がある。F−Nトンネル電流を用いる場合には、書き込み・消去に高電圧を要するのに対し、ホットキャリア注入を用いる場合には、高電圧を要しない。そのため、昇圧回路や高圧回路が不要となるため、ホットキャリア注入タイプのMONOS型メモリは、プロセス工程数の少なさに加え、チップ面積を縮小できるため、低コスト化が図れ、ロジック回路との混載も容易となる。そのため、フラッシュメモリの後継メモリとしての期待が高まっている。   Data writing to the MONOS type memory includes a method using an FN (Fowler-Nordheim) tunnel current and a method using hot carrier injection narrowed down to a narrow region unique to the MONOS type, as in the floating gate type memory. is there. When an FN tunnel current is used, a high voltage is required for writing / erasing, whereas when hot carrier injection is used, a high voltage is not required. This eliminates the need for a booster circuit or a high-voltage circuit. In addition to the small number of process steps, the hot carrier injection type MONOS type memory can reduce the chip area, thereby reducing the cost and incorporating it with a logic circuit. Is also easier. Therefore, the expectation as a successor memory of flash memory is increasing.

また一般に、半導体基板上にメモリセルを平面的に形成するゲート電極直下に電荷保持部のある所謂プレーナー型メモリのビット容量は、フォトリソグラフィー技術の解像限界である最小加工寸法(Feature Size)に律速される。フォトリソグラフィー技術の改善に依存すること無く、次世代における高集積度と、ビット当たりの製造コストの低減を達成させる手段として、メモリセルの多値化技術が検討されている。   In general, the bit capacity of a so-called planar type memory having a charge holding portion directly below a gate electrode for forming a memory cell in a plane on a semiconductor substrate has a minimum processing dimension (Feature Size) which is a resolution limit of photolithography technology. It is rate-limited. As a means for achieving a high degree of integration in the next generation and a reduction in manufacturing cost per bit without depending on the improvement of the photolithography technology, a multilevel technology for memory cells has been studied.

メモリセルの多値化技術は、メモリセルの閾値分布を3種類以上に設定する閾値制御型と、電荷を保持する領域を1メモリセル内において離散させ、各々の領域に独立して電荷を蓄積する電荷蓄積領域離散型に大別される。前者の閾値制御型は、フラッシュメモリのような浮遊ゲート型メモリ及びMONOS型メモリの両方において採用可能であるが、後者の電荷蓄積領域離散型は、特にMONOS型メモリに適している。電荷蓄積領域離散型のMONOS型多値メモリには、例えば、下記の特許文献1及び特許文献2等に開示されたものが挙げられる。   The memory cell multi-value technology is a threshold control type in which the threshold distribution of the memory cells is set to three or more types, and a region for holding charges is made discrete in one memory cell, and charges are stored independently in each region. The charge storage region is roughly divided into discrete types. The former threshold control type can be employed in both a floating gate type memory such as a flash memory and a MONOS type memory, while the latter charge storage region discrete type is particularly suitable for a MONOS type memory. Examples of the charge storage region discrete type MONOS type multi-level memory include those disclosed in Patent Document 1 and Patent Document 2 below.

図8は、特許文献1に開示されている電荷蓄積領域離散型のMONOS型多値メモリのメモリセルの概略断面図であり、電荷蓄積部が、ゲート電極26の直下において、酸化膜23−窒化膜24−酸化膜25のONO膜として形成され、半導体基板21の表面のゲート電極26の両側に拡散層領域22が形成されている。この従来例では、電荷蓄積部を酸化膜−窒化膜−酸化膜(ONO膜)で形成することで、1つのメモリセルに2つの電荷を保持する領域が配置され、1メモリセル当たり2ビットの情報が記憶可能な構成となっている。   FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of a memory cell of a charge storage region discrete type MONOS type multi-value memory disclosed in Patent Document 1, in which the charge storage unit is directly under the gate electrode 26, and the oxide film 23-nitridation. A diffusion layer region 22 is formed on both sides of the gate electrode 26 on the surface of the semiconductor substrate 21. In this conventional example, by forming the charge storage portion with an oxide film-nitride film-oxide film (ONO film), a region for holding two charges is arranged in one memory cell, and 2 bits per memory cell. The information can be stored.

また、図9は、特許文献2に開示されている電荷蓄積領域離散型のMONOS型多値メモリのメモリセルの概略断面図であり、サイドウォール状の電荷蓄積部8がゲート電極6の両側壁部に配置され、1メモリセル当たり2ビットの情報が記憶可能な構成となっている。この従来例では、図8に例示したMONOS型多値メモリとは異なり、ゲート電極6の両側壁部に配置される電荷蓄積部8は酸化膜3−窒化膜4−酸化膜5(ONO膜)に限定されず、例えば多結晶シリコン等の導電体の浮遊ゲートにより形成されていてもよく、電荷蓄積部の材料や形状が1つの形態に限定されないという利点がある。   FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of a memory cell of a MONOS type multi-valued memory of a charge storage region discrete type disclosed in Patent Document 2. Side wall-shaped charge storage portions 8 are formed on both side walls of the gate electrode 6. Arranged so that 2-bit information can be stored per memory cell. In this conventional example, unlike the MONOS type multi-value memory illustrated in FIG. 8, the charge storage portion 8 disposed on both side walls of the gate electrode 6 is formed of an oxide film 3 -nitride film 4 -oxide film 5 (ONO film). For example, it may be formed by a floating gate of a conductor such as polycrystalline silicon, and there is an advantage that the material and shape of the charge storage portion are not limited to one form.

図9に示すサイドウォール状構造の電荷蓄積領域離散型のMONOS型多値メモリセルでは、ゲート電極下の絶縁膜を電荷蓄積部として用いないので、ゲート電極長を小さくしても、ゲート電極の両側に配置される電荷蓄積部の距離を十分確保することが可能となる。そのため、ゲート電極両側に夫々配置された電荷蓄積部に記憶された2ビットの情報が互いに干渉することなく、分離した状態を維持することが可能であり、微細化の点で非常に有利である。   In the charge storage region discrete type MONOS type multi-value memory cell shown in FIG. 9, since the insulating film under the gate electrode is not used as the charge storage portion, the gate electrode length can be reduced even if the gate electrode length is reduced. It is possible to secure a sufficient distance between the charge storage units arranged on both sides. Therefore, it is possible to maintain the separated state without interfering with the 2-bit information stored in the charge storage portions arranged on both sides of the gate electrode, which is very advantageous in terms of miniaturization. .

また、当該メモリセルは低電圧動作が可能な構造であることから、既存のロジック回路の製造プロセスに対する整合性が良く、既存の製造プロセスに対して低コストで容易に不揮発性メモリを付加できるという点でも有利である。   In addition, since the memory cell has a structure capable of operating at a low voltage, it has good compatibility with the existing logic circuit manufacturing process, and a nonvolatile memory can be easily added to the existing manufacturing process at low cost. This is also advantageous.

その反面、電荷蓄積部下に形成されるトンネル酸化膜は、ゲート電極を形成する際に加工損傷を与えられたSi基板を酸化して形成するため、半導体基板とトンネル酸化膜の界面、また、トンネル酸化膜中にSiの結合手が切れたダングリングボンド(未結合手)が形成される等のダメージを受け易い。   On the other hand, since the tunnel oxide film formed under the charge storage portion is formed by oxidizing the Si substrate that has been damaged by the processing when forming the gate electrode, the interface between the semiconductor substrate and the tunnel oxide film, or the tunnel The oxide film is susceptible to damage such as formation of dangling bonds (unbonded hands) in which Si bonds are broken.

特開2001−77220号公報JP 2001-77220 A 国際公開第03/044868号パンフレットInternational Publication No. 03/044868 Pamphlet

上述のように、電荷蓄積領域離散型のMONOS型多値メモリで、ゲート電極の両側にサイドウォール状の電荷蓄積部を配置する場合、ゲート電極を形成する際に加工損傷を与えられたSi基板を酸化してトンネル酸化膜を形成するため、半導体基板とトンネル酸化膜の界面、また、トンネル酸化膜中にSiの結合手が切れたダングリングボンドが形成される問題があった。ダングリングボンドは、不対電子の形成であり、界面準位やトラップ密度が増大させ、デバイス特性の悪化、特にデータ保持特性の悪化や、メモリ特性の制御性を困難化させ、大容量化を阻害していた。集積度の向上に不利な平面型のMONOS型メモリでは、電荷蓄積部はプラズマ等の加工損傷に晒されることはなく、このような問題は発生し難い。   As described above, when a charge storage region discrete type MONOS type multi-valued memory is provided with sidewall-shaped charge storage portions on both sides of the gate electrode, the Si substrate is damaged when forming the gate electrode. As a result, the tunnel oxide film is formed by oxidizing the semiconductor substrate, and there is a problem in that a dangling bond in which a Si bond is broken is formed in the interface between the semiconductor substrate and the tunnel oxide film. Dangling bonds are the formation of unpaired electrons, increasing the interface state and trap density, deteriorating device characteristics, especially data retention characteristics, and making controllability of memory characteristics difficult, increasing the capacity. It was inhibiting. In a planar MONOS type memory that is disadvantageous in improving the degree of integration, the charge storage portion is not exposed to processing damage such as plasma, and such a problem hardly occurs.

より具体的には、上記MONOS型多値メモリを従来のサイドウォール状構造で作製し、電荷蓄積部のトンネル酸化膜、半導体基板、及び、それらの界面を電子スピン共鳴法で評価すると、約1014個/cmの不対電子が観測された。当該不対電子が存在すると、この準位を介して、電荷が移動してしまい、電荷蓄積部の窒化膜に保持されている電荷の保持特性が悪化し、当該窒化膜に対する電荷の注入・放出を正確に制御することが困難となる。そのため、より高信頼性、高歩留まりのデバイスを作製するには、この不対電子をなくすことが望まれる。従って、不対電子密度は、電子スピン共鳴法での検出下限界である1012個/cm個程度、望ましくはそれ以下に抑える必要があった。 More specifically, when the MONOS type multi-valued memory is manufactured with a conventional sidewall structure, and the tunnel oxide film of the charge storage portion, the semiconductor substrate, and their interface are evaluated by an electron spin resonance method, it is about 10 14 unpaired electrons / cm 2 were observed. If the unpaired electron exists, the charge moves through this level, and the retention characteristic of the charge held in the nitride film of the charge storage portion deteriorates, and the charge is injected into and released from the nitride film. It becomes difficult to accurately control. Therefore, it is desirable to eliminate these unpaired electrons in order to manufacture a device with higher reliability and higher yield. Therefore, the unpaired electron density has to be suppressed to about 10 12 / cm 2, which is the lower limit of detection in the electron spin resonance method, and preferably less than that.

また、一般にシリコン窒化膜は、水素を透過させ難い性質を持っている。特に、電荷蓄積部のメモリ膜(電荷を保持する電荷保持膜)に用いるような高品質なシリコン窒化膜は、その製法からLP(Low Pressure)−SiN膜と呼ばれ、非常に緻密であり、粒子径の小さな水素でも透過し難い。   In general, a silicon nitride film has a property that it is difficult for hydrogen to permeate. In particular, a high-quality silicon nitride film used for a memory film (charge holding film that holds charges) in a charge storage portion is called an LP (Low Pressure) -SiN film because of its manufacturing method, and is very dense. Even hydrogen with a small particle diameter is difficult to permeate.

また、図10に示すように、ゲート電極の両側にサイドウォール状の電荷蓄積部を配置する電荷蓄積領域離散型のMONOS型多値メモリでは、層間絶縁膜13へのコンタクトホール10の開口時におけるエッチングストッパーとするため、ゲート電極6及び電荷蓄積部8をシリコン窒化膜9が厚く覆っている。このシリコン窒化膜9は、その製法からP(Plasma)−SiN膜と呼ばれ、シラン、アンモニアガスを原料とし、LP−SiN膜と比較して低温で、プラズマ中で成膜される。P―SiN膜は、LP−SiN膜と比べると厚い膜を形成することが可能である。そのため、シリコン窒化膜9の成膜後に通常の水素シンター処理を行っても、十分に水素が所望の個所まで拡散浸透せず、シリコン窒化膜9に覆われた内側の下部にあるダングリングボンドを終端させることが困難であった。   Further, as shown in FIG. 10, in the charge storage region discrete type MONOS type multi-level memory in which the side wall-like charge storage portions are arranged on both sides of the gate electrode, the contact hole 10 is opened to the interlayer insulating film 13. In order to serve as an etching stopper, the silicon nitride film 9 covers the gate electrode 6 and the charge storage portion 8 thickly. The silicon nitride film 9 is called a P (Plasma) -SiN film because of its manufacturing method, and is formed in plasma at a lower temperature than the LP-SiN film using silane and ammonia gas as raw materials. The P-SiN film can be thicker than the LP-SiN film. Therefore, even if a normal hydrogen sintering process is performed after the formation of the silicon nitride film 9, hydrogen does not sufficiently diffuse and penetrate to a desired location, and the dangling bonds at the lower part inside the silicon nitride film 9 are formed. It was difficult to terminate.

上述のダングリングボンドは、一般的に水素により、Si−H結合を形成させて終端させることで消滅させることができる。ところが、Si−H結合は、結合エネルギーが比較的小さい。400℃程度の比較的低温で終端させた水素原子は、温度、光、電気的ストレス等の外的要因で、解離してしまう。よって、後工程で形成されるメタル配線に損傷を与えない程度の温度帯である400℃程度の低温での水素シンターを実施しても、それ以降の後工程での熱エネルギー、紫外光の照射等の外的要因により、再び容易に解離してしまい、水素シンターの効果が充分に活かされないことが分かっている。この問題は、一般にメタル配線の形成前に、800℃程度の高温で水素シンターを行うことによって、ある程度の抑制は可能である。   The dangling bond described above can be eliminated by forming a Si—H bond with hydrogen and terminating it. However, the Si—H bond has a relatively small bond energy. Hydrogen atoms terminated at a relatively low temperature of about 400 ° C. are dissociated due to external factors such as temperature, light, and electrical stress. Therefore, even if hydrogen sintering is performed at a low temperature of about 400 ° C., which is a temperature range that does not damage the metal wiring formed in the subsequent process, the subsequent heat energy and ultraviolet light irradiation are performed in the subsequent process. It is known that the dissociation easily occurs due to external factors such as the above, and the effect of the hydrogen sinter is not fully utilized. In general, this problem can be suppressed to some extent by performing hydrogen sintering at a high temperature of about 800 ° C. before forming the metal wiring.

しかしながら、実際に高温水素シンターを800〜850℃の水素雰囲気で実施したところ、メモリデバイスに混載する回路部のトランジスタの閾値の変動や、トランジスタの接合位置が深くなることによる短チャネル効果が、顕著になって回路動作に支障をきたした。この結果、新たに混載回路部を形成する製造プロセスを組み立て直す必要が生じていた。かかる問題が生じると、既存のロジック製造プロセスに対して低コストで容易に不揮発性メモリを付加できるという大きな利点が損なわれてしまう。   However, when high-temperature hydrogen sintering is actually performed in a hydrogen atmosphere of 800 to 850 ° C., the fluctuation of the threshold value of the transistor in the circuit portion embedded in the memory device and the short channel effect due to the deeper junction position of the transistor are prominent. This has hindered circuit operation. As a result, it has become necessary to reassemble a manufacturing process for forming a new embedded circuit section. When such a problem occurs, the great advantage that a nonvolatile memory can be easily added to an existing logic manufacturing process at a low cost is lost.

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ゲート電極の両側壁部の少なくとも何れか一方側にサイドウォール状の電荷蓄積部を配置してなるMONOS型等の半導体記憶装置において、電荷蓄積部下方のトンネル酸化膜、または、当該トンネル酸化膜と半導体基板界面に発生したダングリングボンドを効率的且つ強固に水素終端させ、メモリ特性、特にデータ保持特性を向上させる点にある。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor such as a MONOS type in which a side wall-like charge storage portion is disposed on at least one side wall portion of a gate electrode. In the memory device, the tunnel oxide film under the charge storage section or the dangling bond generated at the interface between the tunnel oxide film and the semiconductor substrate is effectively and strongly hydrogen-terminated to improve the memory characteristics, particularly the data retention characteristics. It is in.

上記目的を達成するための本発明に係る半導体記憶装置は、少なくとも1つの不揮発性メモリセルを備えてなる半導体記憶装置であって、前記不揮発性メモリセルが、半導体基板と、前記半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、前記ゲート電極の両側壁部の少なくとも何れか一方側に形成された電荷を蓄積可能な電荷蓄積部と、前記ゲート電極下に位置するチャネル領域と、前記チャネル領域の両側の前記半導体基板表面に形成された2つの拡散層領域と、を備え、前記ゲート電極への電圧印加によって前記2つの拡散層領域の一方から他方へ流れる電流量を前記電荷蓄積部に蓄積された電荷量の多寡により変化可能に構成されており、前記電荷蓄積部の内部または表面上に、成膜時において少なくとも2×1021個/cmの水分子を含む絶縁膜が形成されていることを第1の特徴とする。 In order to achieve the above object, a semiconductor memory device according to the present invention is a semiconductor memory device including at least one nonvolatile memory cell, and the nonvolatile memory cell is disposed on a semiconductor substrate and the semiconductor substrate. A gate insulating film formed; a gate electrode formed on the gate insulating film; a charge storage portion capable of storing charges formed on at least one side wall of the gate electrode; and the gate A channel region located under the electrode, and two diffusion layer regions formed on the semiconductor substrate surface on both sides of the channel region, from one of the two diffusion layer regions by applying a voltage to the gate electrode The amount of current flowing to the other side can be changed depending on the amount of charge accumulated in the charge accumulation unit, and is formed inside or on the surface of the charge accumulation unit during film formation. It is a first feature of the insulating film is formed comprising a water molecule at least 2 × 10 21 atoms / cm 3 Te.

更に、上記第1の特徴の半導体記憶装置は、前記不揮発性メモリセルにおいて、前記電荷蓄積部が、前記半導体基板側より第1絶縁膜、電荷保持膜、及び、第2絶縁膜の順に積層されて形成され、前記第2絶縁膜が、成膜時において少なくとも2×1021個/cmの水分子を含んでいることを第2の特徴とする。 Furthermore, in the semiconductor memory device according to the first feature, in the nonvolatile memory cell, the charge storage unit is stacked in order of a first insulating film, a charge holding film, and a second insulating film from the semiconductor substrate side. A second feature is that the second insulating film includes at least 2 × 10 21 molecules / cm 3 of water molecules at the time of film formation.

更に、上記第1の特徴の半導体記憶装置は、前記不揮発性メモリセルが、前記電荷蓄積部を覆う第3絶縁膜を更に備え、前記電荷蓄積部が、前記半導体基板側より第1絶縁膜、電荷保持膜、及び、第2絶縁膜の順に積層されて形成され、前記第2絶縁膜と前記第3絶縁膜の内の少なくとも何れか一方が、成膜時において少なくとも2×1021個/cmの水分子を含んでいることを第3の特徴とする。 Furthermore, in the semiconductor memory device according to the first feature, the nonvolatile memory cell further includes a third insulating film that covers the charge storage unit, and the charge storage unit includes a first insulating film from the semiconductor substrate side, The charge holding film and the second insulating film are stacked in this order, and at least one of the second insulating film and the third insulating film is at least 2 × 10 21 / cm at the time of film formation. The third feature is that it contains three water molecules.

更に、上記第2または第3の特徴の半導体記憶装置は、前記第2絶縁膜、または、前記第2絶縁膜と前記第3絶縁膜が、シリコン酸化膜であることを特徴とする。   Furthermore, the semiconductor memory device according to the second or third feature is characterized in that the second insulating film, or the second insulating film and the third insulating film are silicon oxide films.

更に、上記第2または第3の特徴の半導体記憶装置は、前記第2絶縁膜と前記第3絶縁膜の少なくとも何れか一方が、テトラエトキシシラン(TEOS)を原料とし、オゾンと反応する化学気相堆積法で成膜されたシリコン酸化膜であることを特徴とする。   Furthermore, in the semiconductor memory device according to the second or third feature, at least one of the second insulating film and the third insulating film uses tetraethoxysilane (TEOS) as a raw material and reacts with ozone. It is a silicon oxide film formed by a phase deposition method.

更に、上記第2の特徴の半導体記憶装置は、前記第2絶縁膜に接し、且つ、前記電荷保持膜に接しない位置に、前記第2絶縁膜と前記第3絶縁膜の内の少なくとも何れか一方に含まれる水分と反応して酸化可能な被酸化物質膜が形成されていることを第4の特徴とする。   Further, in the semiconductor memory device according to the second feature, at least one of the second insulating film and the third insulating film is in a position in contact with the second insulating film and not in contact with the charge retention film. A fourth feature is that an oxidizable material film that can be oxidized by reacting with moisture contained in one side is formed.

更に、上記第3の特徴の半導体記憶装置は、前記第2絶縁膜または前記第3絶縁膜に接し、且つ、前記電荷保持膜に接しない位置に、前記第2絶縁膜と前記第3絶縁膜の内の少なくとも何れか一方に含まれる水分と反応して酸化可能な被酸化物質膜が形成されていることを第5の特徴とする。   Further, in the semiconductor memory device according to the third feature, the second insulating film and the third insulating film are in a position in contact with the second insulating film or the third insulating film and not in contact with the charge retention film. A fifth feature is that an oxidizable substance film that can be oxidized by reacting with moisture contained in at least one of the above is formed.

更に、上記第4または第5の特徴の半導体記憶装置は、前記被酸化物質膜が金属または金属化合物であることを特徴とする。   Furthermore, the semiconductor memory device according to the fourth or fifth feature is characterized in that the oxidized material film is a metal or a metal compound.

更に、上記第4または第5の特徴の半導体記憶装置は、前記被酸化物質膜を覆うように、シリコン窒化膜が形成されていることを特徴とする。   Further, the semiconductor memory device according to the fourth or fifth feature is characterized in that a silicon nitride film is formed so as to cover the oxidized material film.

更に、上記第4または第5の特徴の半導体記憶装置は、前記被酸化物質膜が、チタン、タンタル、アルミニウム、ニッケル、コバルト、シリコン、クロム、マグネシウム、及び、タングステンの内から選択される少なくとも1種の元素を含んで構成される物質、または、前記被酸化物質膜が、チタン、タンタル、及び、アルミニウムの内から選択される少なくとも1種の元素の窒化物または酸化物、或いは、それらの組み合わせで構成される金属化合物であることを特徴とする。   Furthermore, in the semiconductor memory device according to the fourth or fifth feature, the material film to be oxidized is at least one selected from titanium, tantalum, aluminum, nickel, cobalt, silicon, chromium, magnesium, and tungsten. A substance including a seed element, or the film to be oxidized is a nitride or oxide of at least one element selected from titanium, tantalum, and aluminum, or a combination thereof It is a metal compound comprised by these.

更に、上記第2乃至第5の何れかの特徴の半導体記憶装置は、前記電荷保持膜がシリコン窒化膜であることを特徴とする。   Furthermore, the semiconductor memory device according to any one of the second to fifth features is characterized in that the charge retention film is a silicon nitride film.

更に、上記何れかの特徴の半導体記憶装置は、前記電荷蓄積部表面またはその近傍に、触媒作用による水素活性化能を有する貴金属膜が形成されていることを特徴とする。   Furthermore, the semiconductor memory device having any one of the above characteristics is characterized in that a noble metal film having a hydrogen activation ability by catalytic action is formed on or near the surface of the charge storage portion.

更に、上記目的を達成するための本発明に係る半導体記憶装置は、少なくとも1つの不揮発性メモリセルを備えてなる半導体記憶装置であって、前記不揮発性メモリセルが、半導体基板と、前記半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、前記ゲート電極の両側壁部の少なくとも何れか一方側に形成された電荷蓄積部と、前記ゲート電極下に位置するチャネル領域と、前記チャネル領域の両側の前記半導体基板表面に形成された2つの拡散層領域と、を備え、前記ゲート電極への電圧印加によって前記2つの拡散層領域の一方から他方へ流れる電流量を前記電荷蓄積部に保持された電荷量の多寡により変化可能に構成されており、前記電荷蓄積部表面またはその近傍に触媒作用による水素活性化能を有する貴金属膜が形成されていることを第6の特徴とする。   Furthermore, a semiconductor memory device according to the present invention for achieving the above object is a semiconductor memory device comprising at least one nonvolatile memory cell, wherein the nonvolatile memory cell includes a semiconductor substrate and the semiconductor substrate. A gate insulating film formed on the gate insulating film; a gate electrode formed on the gate insulating film; a charge storage portion formed on at least one of both side walls of the gate electrode; and under the gate electrode. A channel region that is positioned, and two diffusion layer regions formed on the surface of the semiconductor substrate on both sides of the channel region, and flows from one of the two diffusion layer regions to the other by applying a voltage to the gate electrode The amount of current is configured to be variable depending on the amount of charge held in the charge storage unit, and the hydrogen activity by the catalytic action on or near the surface of the charge storage unit That noble metal film having a capacity is formed to a sixth aspect of.

更に、上記第6の特徴の半導体記憶装置は、前記貴金属膜が、白金、ロジウム、及び、パラジウムの内の何れか、または、これらの組み合わせからなることを特徴とする。   Furthermore, the semiconductor memory device according to the sixth aspect is characterized in that the noble metal film is made of any one of platinum, rhodium, and palladium, or a combination thereof.

更に、上記第6の特徴の半導体記憶装置は、前記貴金属膜を覆うように、シリコン窒化膜が形成されていることを特徴とする。   Furthermore, the semiconductor memory device of the sixth feature is characterized in that a silicon nitride film is formed so as to cover the noble metal film.

更に、上記目的を達成するための本発明に係る半導体記憶装置の製造方法は、上記第4または第5の特徴の半導体記憶装置の製造方法であって、成膜時において少なくとも2×1021個/cmの水分子を含んで形成される前記絶縁膜と前記被酸化物質膜を形成した後の工程において、加熱処理を施し、当該絶縁膜に含まれる水分を離脱させて周囲に拡散させ、前記被酸化物質膜と反応させて水素を発生させることを特徴とする。 Furthermore, a semiconductor memory device manufacturing method according to the present invention for achieving the above object is a method for manufacturing a semiconductor memory device according to the fourth or fifth feature, wherein at least 2 × 10 21 semiconductor films are formed at the time of film formation. In the step after forming the insulating film and the oxidizable material film formed to contain water molecules of / cm 3 , heat treatment is performed, moisture contained in the insulating film is released and diffused to the surroundings, It is characterized in that hydrogen is generated by reacting with the oxidizable material film.

上記第1乃至第3の何れかの特徴の半導体記憶装置によれば、電荷を保持してメモリ機能を担う電荷保持膜上に形成される第2絶縁膜または第3絶縁膜等の電荷蓄積部の内部または表面上に形成された絶縁膜が成膜時において少なくとも2×1021個/cmの水分子を含んでいることから、当該絶縁膜内の水分が分解して、電荷蓄積部下方のトンネル酸化膜、または、当該トンネル酸化膜と半導体基板界面に発生したダングリングボンドを終端させる水素源となり得るため、半導体記憶装置のメモリ特性、特にデータ保持特性を向上させることが可能となる。ここで、第2絶縁膜または第3絶縁膜が成膜時における水分子個数は、上記データ保持特性の実験において有意な改善効果を現した絶縁膜に対し、後述するTDS(Thermal Desorption Spectrometry:昇温脱離ガス分析)法による脱離ガス分析を行った結果、2×1021個/cm個以上の水分子が検出されていることから、水素供給源となる第2絶縁膜または第3絶縁膜等の電荷蓄積部の内部または表面上に形成された絶縁膜が成膜時において少なくとも2×1021個/cmの水分子を含んでいることが本発明の要件となる。 According to the semiconductor memory device having any one of the first to third characteristics, the charge storage unit such as the second insulating film or the third insulating film formed on the charge holding film holding the charge and performing the memory function. Since the insulating film formed inside or on the surface contains at least 2 × 10 21 molecules / cm 3 of water molecules at the time of film formation, the moisture in the insulating film is decomposed and below the charge storage portion Therefore, it is possible to improve the memory characteristics, particularly the data retention characteristics of the semiconductor memory device, because the tunnel oxide film or the dangling bond generated at the interface between the tunnel oxide film and the semiconductor substrate can be terminated. Here, the number of water molecules when the second insulating film or the third insulating film is formed is higher than the TDS (Thermal Desorption Spectrometer) described later with respect to the insulating film exhibiting a significant improvement effect in the data retention characteristic experiment. As a result of the desorption gas analysis by the (thermal desorption gas analysis) method, 2 × 10 21 molecules / cm 3 or more water molecules are detected. It is a requirement of the present invention that the insulating film formed inside or on the surface of the charge storage portion such as an insulating film contains at least 2 × 10 21 molecules / cm 3 of water molecules at the time of film formation.

更に、第4または第5の特徴の半導体記憶装置によれば、成膜時において少なくとも2×1021個/cmの水分子を含む第2絶縁膜または第3絶縁膜中の水分は、工程中の加熱処理において、周囲の電荷保持膜や第1絶縁膜中を拡散し、金属または金属化合物等である被酸化物質膜に接触して、被酸化物質膜を酸化させると同時に水素を発生させる。被酸化物質膜の酸化により生成された水素は、外方から水素シンター等で拡散してくる水素に比べて、電荷保持膜、トンネル酸化膜となる第1絶縁膜、半導体基板、及び、これらの界面の近傍で発生して拡散するため、トンネル酸化膜、または、当該トンネル酸化膜と半導体基板界面に発生した多くのダングリングボンドを効率的且つ強固に終端することが期待される。特に、電荷保持膜が緻密な膜の場合や、コンタクトホール等の精密な加工を実現するために、電荷蓄積部やゲート電極をP−SiN膜等で覆っている場合、つまり、被酸化物質膜を覆うシリコン窒化膜が存在する場合には、その影となる部分への水素の拡散に対して、本特徴構成は非常に有効である。つまり、電荷蓄積部等をP−SiN膜等で覆うことで、当該シリコン窒化膜がエッチングストッパーとしての従来の機能を発揮するとともに、当該シリコン窒化膜の内側の電荷蓄積部またはその近傍で発生した水素が、外方へ拡散するのを防止し、効率的にトンネル酸化膜となる第1絶縁膜、半導体基板、及び、これらの界面等の所望の個所へ水素を供給し、多くのダングリングボンドをより効率的に終端することが可能となる。 Furthermore, according to the semiconductor memory device of the fourth or fifth feature, the moisture in the second insulating film or the third insulating film containing at least 2 × 10 21 molecules / cm 3 of water molecules at the time of film formation In the heat treatment, the material diffuses in the surrounding charge holding film and the first insulating film and comes into contact with the oxidizable material film such as a metal or a metal compound to oxidize the oxidizable material film and simultaneously generate hydrogen. . Compared with hydrogen diffused from the outside by hydrogen sinter or the like, hydrogen generated by oxidation of the material film to be oxidized is a charge holding film, a first insulating film that becomes a tunnel oxide film, a semiconductor substrate, and these Since it is generated and diffused in the vicinity of the interface, it is expected that many dangling bonds generated at the tunnel oxide film or the interface between the tunnel oxide film and the semiconductor substrate are terminated efficiently and firmly. In particular, when the charge retention film is a dense film, or when the charge storage portion or the gate electrode is covered with a P-SiN film or the like in order to realize precise processing such as a contact hole, that is, an oxidized material film In the case where there is a silicon nitride film covering the film, this characteristic configuration is very effective for diffusion of hydrogen into the shadowed portion. That is, by covering the charge storage portion and the like with a P-SiN film or the like, the silicon nitride film exhibits a conventional function as an etching stopper and is generated at or near the charge storage portion inside the silicon nitride film. Hydrogen is prevented from diffusing outward, and hydrogen is supplied to desired locations such as the first insulating film, the semiconductor substrate, and their interfaces, which efficiently become tunnel oxide films, and many dangling bonds Can be terminated more efficiently.

尚、被酸化物質膜としては、チタン、タンタル、アルミニウム、ニッケル、コバルト、シリコンクロム、マグネシウム、及び、タングステン等の物質、または、チタン、タンタル、及び、アルミニウム等の窒化物または酸化物の金属化合物が使用される。これらの被酸化物質膜は、400℃〜1000℃の温度で水分と接触することで、容易に酸化し水素が生成され、生成された水素が、ダングリングボンドの終端に用いることができる。   As the material to be oxidized, a material such as titanium, tantalum, aluminum, nickel, cobalt, silicon chrome, magnesium, and tungsten, or a metal compound of nitride or oxide such as titanium, tantalum, or aluminum is used. Is used. These oxidizable material films come into contact with moisture at a temperature of 400 ° C. to 1000 ° C. to easily oxidize and generate hydrogen, and the generated hydrogen can be used for termination of dangling bonds.

更に、上記第6の特徴の半導体記憶装置によれば、電荷蓄積部表面またはその近傍に触媒作用による水素活性化能を有する貴金属膜が形成されているので、電荷蓄積部の近傍において活性水素を発生でき、その活性水素によりダングリングボンドを効率的に終端させることができ、半導体記憶装置のメモリ特性、特にデータ保持特性を向上させることが可能となる。拡散係数の大きな活性水素は、その周囲に拡散することにより、ダングリングボンドが効率的に水素終端される。また、上記第6の特徴の半導体記憶装置によれば、電荷蓄積部またはその上部の絶縁膜中の水分が少ない場合においても、貴金属膜の水素活性化能によりダングリングボンドの水素終端が促進される。尚、本特徴の半導体記憶装置では、触媒を失活させる触媒毒も電荷蓄積部の周囲にないため、製造工程を経る際の温度や可視光、ドライエッチング工程のプラズマから生じる紫外光等により触媒作用を持続させることが可能である。   Furthermore, according to the semiconductor memory device of the sixth feature, since the noble metal film having the hydrogen activation ability by the catalytic action is formed on the surface of the charge storage portion or in the vicinity thereof, the active hydrogen is reduced in the vicinity of the charge storage portion. The dangling bonds can be efficiently terminated by the active hydrogen, and the memory characteristics, particularly the data retention characteristics, of the semiconductor memory device can be improved. Active hydrogen having a large diffusion coefficient diffuses to the periphery thereof, so that dangling bonds are effectively hydrogen-terminated. In addition, according to the semiconductor memory device of the sixth feature, even when the moisture in the charge storage portion or the insulating film thereover is small, the hydrogen termination of the dangling bond is promoted by the hydrogen activation ability of the noble metal film. The In the semiconductor memory device of this feature, there is no catalyst poison that deactivates the catalyst around the charge storage part. Therefore, the catalyst is generated by temperature during the manufacturing process, visible light, ultraviolet light generated from plasma in the dry etching process, or the like. It is possible to maintain the action.

また、上記第6の特徴の半導体記憶装置において、貴金属膜として白金を用いた場合における、電荷蓄積部のトンネル酸化膜、半導体基板、及び、それらの界面において約1013個/cmの不対電子が観測され、従来の約1014個/cm個の不対電子と比較して改善が見られた。 In the semiconductor memory device of the sixth feature, when platinum is used as the noble metal film, the tunnel oxide film in the charge storage portion, the semiconductor substrate, and the interface between them have a mismatch of about 10 13 / cm 2 . Electrons were observed and an improvement was seen compared to the conventional unpaired electrons of about 10 14 / cm 2 .

更に、上記第6の特徴の半導体記憶装置と上記第2または第3の特徴の半導体記憶装置を組み合わせると、貴金属膜として白金を用いた場合において、電荷蓄積部のトンネル酸化膜、半導体基板、及び、それらの界面の不対電子数は、電子スピン共鳴法での検出下限界である1012個/cm個以下となり、大幅な改善が見られた。例えば、白金−酸化チタン等を電荷蓄積部表面またはその近傍に設けた場合には、電荷蓄積部またはその上部の絶縁膜(上記第1または第2の特徴の半導体記憶装置における第2絶縁膜または第3絶縁膜に相当)中から拡散する水分が酸化チタンに吸着し、水素が生成される一方で、白金による還元反応で水素化が促進され活性な水素が発生する。 Further, when the semiconductor memory device having the sixth feature and the semiconductor memory device having the second or third feature are combined, when platinum is used as the noble metal film, the tunnel oxide film of the charge storage portion, the semiconductor substrate, and The number of unpaired electrons at these interfaces was 10 12 / cm 2 or less, which is the lower limit of detection in the electron spin resonance method, and a significant improvement was observed. For example, when platinum-titanium oxide or the like is provided on or near the surface of the charge storage portion, the charge storage portion or an insulating film above the charge storage portion (the second insulating film or the second insulating film in the semiconductor memory device having the first or second characteristics described above) Moisture diffusing from inside is adsorbed to titanium oxide and hydrogen is generated, while hydrogenation is promoted by a reduction reaction with platinum to generate active hydrogen.

また、上記第1乃至第6の何れかの特徴の半導体記憶装置によれば、メモリセルの拡散層領域へのコンタクトホールの開口時におけるエッチングストッパーとするために、シリコン窒化膜等の水素遮断性に優れる物質でゲート電極及び電荷蓄積部が厚く覆われる場合においても、外方から水素シンター等で拡散してくる水素だけでなく、電荷蓄積部の内側でも水素供給が可能であるため、上述の各特徴の作用効果により、電荷蓄積部の電荷保持特性の悪化を防ぎ、データ保持特性に優れた信頼性の高い半導体記憶装置を提供できる。   In addition, according to the semiconductor memory device having any one of the first to sixth features, a hydrogen barrier property such as a silicon nitride film is used as an etching stopper when a contact hole is opened to the diffusion layer region of the memory cell. Even when the gate electrode and the charge storage portion are thickly covered with a material excellent in hydrogen, hydrogen can be supplied not only from the hydrogen diffused by the hydrogen sinter or the like from the outside, but also inside the charge storage portion. Due to the effect of each feature, it is possible to prevent deterioration of the charge retention characteristics of the charge storage portion and provide a highly reliable semiconductor memory device having excellent data retention characteristics.

以下、本発明に係る半導体記憶装置及びその製造方法(以下、適宜「本発明装置」及び「本発明方法」と略称する)の実施形態を図面に基づいて説明する。尚、図9及び図10に示す従来の半導体記憶装置のメモリセルの構成要素と同じものについては同じ符号を付して説明する。   Embodiments of a semiconductor memory device and a method for manufacturing the same according to the present invention (hereinafter abbreviated as “device of the present invention” and “method of the present invention” as appropriate) will be described below with reference to the drawings. The same components as those of the memory cell of the conventional semiconductor memory device shown in FIGS. 9 and 10 will be described with the same reference numerals.

〈第1実施形態〉
図1は、本発明装置の不揮発性メモリセルのメタル配線形成後の模式的な構造を示す素子断面図である。図2(a)及び(b)は、本発明装置のメモリセルが形成される前の活性領域15と素子分離領域16を模式的に示す平面図と断面図である。図2(b)の断面図は、同図(a)のA−A’断面における断面図であり、図1の断面図は、図2(a)のB−B’断面(活性領域15の延伸方向)における断面図である。
<First Embodiment>
FIG. 1 is an element cross-sectional view showing a schematic structure after formation of metal wiring of a nonvolatile memory cell of the device of the present invention. FIGS. 2A and 2B are a plan view and a sectional view schematically showing the active region 15 and the element isolation region 16 before the memory cell of the device of the present invention is formed. 2B is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. 2A, and FIG. 1 is a cross-sectional view taken along line BB ′ of FIG. It is sectional drawing in the extending | stretching direction.

本実施形態における不揮発性メモリセルは、図1及び図2に示すように、半導体基板1の少なくとも一部を活性領域15とし、活性領域15の表面の少なくとも一部にゲート絶縁膜7が形成され、ゲート絶縁膜7の少なくとも一部を覆うように、例えば多結晶シリコンからなるゲート電極6が形成され、更に、ゲート絶縁膜7の下部にチャネル領域16が形成され、チャネル領域17の両側に半導体基板1とは逆導電型の拡散層領域2が形成されている。更に、ゲート電極6の両側壁部にサイドウォール状の電荷蓄積部8が形成されている。この電荷蓄積部8は、半導体基板1側より、例えば熱酸化によるシリコン酸化膜からなるL字状の第1絶縁膜3、例えばシリコン窒化膜からなるL字状の電荷保持膜4、及び、例えばシリコン酸化膜からなる第2絶縁膜5の順に積層され、サイドウォール状に形成されている。更に、ゲート電極6の一部とサイドウォール状の電荷蓄積部8を覆うように、水分を多く含むシリコン酸化膜からなる第3絶縁膜11が形成され、第3絶縁膜11の表面の一部に金属膜からなる被酸化物質膜12が形成され、それらがシリコン窒化膜9で覆われている。更に、その上に、層間絶縁膜13が形成され、層間絶縁膜13に拡散層領域2と接続するためのコンタクトホール10が開口され、メタル配線14が形成されている。   In the nonvolatile memory cell according to the present embodiment, as shown in FIGS. 1 and 2, at least a part of the semiconductor substrate 1 is an active region 15, and a gate insulating film 7 is formed on at least a part of the surface of the active region 15. A gate electrode 6 made of, for example, polycrystalline silicon is formed so as to cover at least a part of the gate insulating film 7, a channel region 16 is formed below the gate insulating film 7, and a semiconductor is formed on both sides of the channel region 17. A diffusion layer region 2 having a conductivity type opposite to that of the substrate 1 is formed. Further, sidewall-shaped charge storage portions 8 are formed on both side walls of the gate electrode 6. The charge storage unit 8 is formed from the semiconductor substrate 1 side, for example, an L-shaped first insulating film 3 made of a silicon oxide film by thermal oxidation, for example, an L-shaped charge holding film 4 made of a silicon nitride film, and, for example, The second insulating film 5 made of a silicon oxide film is stacked in this order and formed in a sidewall shape. Further, a third insulating film 11 made of a silicon oxide film containing a large amount of water is formed so as to cover a part of the gate electrode 6 and the side wall-shaped charge storage portion 8, and a part of the surface of the third insulating film 11 is formed. An oxidizable material film 12 made of a metal film is formed, and these are covered with a silicon nitride film 9. Further, an interlayer insulating film 13 is formed thereon, a contact hole 10 for connecting to the diffusion layer region 2 is opened in the interlayer insulating film 13, and a metal wiring 14 is formed.

次に、図1に示すメモリセルを形成する工程を、工程順に説明する。尚、以下の説明では、フォトレジストの塗布、露光、現像、及び、除去の各工程、洗浄工程等の一般的な工程の説明は、当該工程が公知であるため、詳細な説明は割愛する。   Next, the process of forming the memory cell shown in FIG. 1 will be described in the order of processes. In the following description, the description of general steps such as the steps of applying, exposing, developing, and removing the photoresist, and the cleaning step are well known, and thus detailed description thereof is omitted.

先ず、半導体基板として、例えば、p型シリコン基板1に、公知の技術により素子分離領域16を形成する。尚、素子分離領域16は、LOCOS(Local Oxidation of Silicon)、STI(Shallow Trench Isolation)等により形成され、本実施形態では、その断面形状を問わず、素子分離の目的を達するものであれば、その断面形状及び製造方法は問わない。p型シリコン基板1の素子分離領域16を除く領域が活性領域15である。   First, as a semiconductor substrate, for example, an element isolation region 16 is formed on a p-type silicon substrate 1 by a known technique. The element isolation region 16 is formed by LOCOS (Local Oxidation of Silicon), STI (Shallow Trench Isolation) or the like. In the present embodiment, the element isolation region 16 can achieve the purpose of element isolation regardless of its cross-sectional shape. The cross-sectional shape and manufacturing method are not limited. A region excluding the element isolation region 16 of the p-type silicon substrate 1 is an active region 15.

次に、必要に応じて例えばイオン注入により、シリコン基板1の活性領域15の表面に不純物を導入し、シリコン基板1の表面やバルクを所望の不純物濃度にする。引き続き、シリコン基板1の表面を例えば熱酸化することでゲート絶縁膜7となるシリコン酸化膜を形成する。   Next, if necessary, impurities are introduced into the surface of the active region 15 of the silicon substrate 1 by ion implantation, for example, so that the surface or bulk of the silicon substrate 1 has a desired impurity concentration. Subsequently, a silicon oxide film to be the gate insulating film 7 is formed by, for example, thermally oxidizing the surface of the silicon substrate 1.

次に、ゲート電極6となる例えば多結晶シリコンを300nmの膜厚に堆積し、公知のフォトリソグラフィー技術によりパターニングした後、多結晶シリコンとその下部のゲート絶縁膜7を、例えば反応性イオンエッチング等の異方性エッチングによりエッチングして、ゲート電極6を形成する。尚、ゲート電極6の幅(ゲート長を規定する)は、例えば50nm〜300nm程度が好ましいが、その範囲は特に限定されない。   Next, for example, polycrystalline silicon to be the gate electrode 6 is deposited to a thickness of 300 nm and patterned by a known photolithography technique, and then the polycrystalline silicon and the gate insulating film 7 below the polycrystalline silicon are subjected to, for example, reactive ion etching or the like. The gate electrode 6 is formed by etching by anisotropic etching. The width of the gate electrode 6 (which defines the gate length) is preferably about 50 nm to 300 nm, for example, but the range is not particularly limited.

次に、ゲート電極6の両側壁部に、ゲート電極6と電荷保持膜4との間のエネルギー障壁となるトンネル酸化膜と呼ばれる第1絶縁膜3となるシリコン酸化膜を形成する。これは、ゲート電極6の側壁面の多結晶シリコン、及び、ゲート電極6の両側壁部下方のシリコン基板1の表面を、熱酸化することで5nmの膜厚のシリコン酸化膜を形成する。   Next, a silicon oxide film serving as a first insulating film 3 called a tunnel oxide film serving as an energy barrier between the gate electrode 6 and the charge holding film 4 is formed on both side walls of the gate electrode 6. This forms a silicon oxide film having a thickness of 5 nm by thermally oxidizing the polycrystalline silicon on the side wall surface of the gate electrode 6 and the surface of the silicon substrate 1 below both side wall portions of the gate electrode 6.

次に、電荷保持膜4となるシリコン窒化膜を、ジクロロシランとアンモニアガスを用い、低圧で熱分解することで反応させて膜厚10nmに形成する。このシリコン窒化膜は膜厚が5〜50nm程度であることが望ましい。更に、電荷保持膜4の上層に、シランと一酸化窒素を低圧下において800℃程度の温度で反応させて、第2絶縁膜5となるシリコン酸化膜を形成する。   Next, a silicon nitride film to be the charge holding film 4 is reacted by thermal decomposition at low pressure using dichlorosilane and ammonia gas to form a film having a thickness of 10 nm. The silicon nitride film preferably has a thickness of about 5 to 50 nm. Further, silane and nitrogen monoxide are reacted at a temperature of about 800 ° C. under a low pressure to form a silicon oxide film to be the second insulating film 5 on the charge retention film 4.

この状態で、メモリセル部を少なくとも全て含む広範囲に亘って、異方性エッチングによりエッチバックを行い、上層部から順次エッチングすることで、ゲート電極6の両側の段差部(両側壁部)のみにサイドウォール状にシリコン酸化膜(第1絶縁膜3)−シリコン窒化膜(電荷保持膜4)−シリコン酸化膜(第2絶縁膜5)を残し、ゲート電極6の両側壁部にサイドウォール状の電荷蓄積部8を形成する。この結果、第1絶縁膜3と電荷保持膜4はL字状に形成される。   In this state, etching back is performed by anisotropic etching over a wide range including at least all of the memory cell portion, and etching is performed sequentially from the upper layer portion, so that only the step portions (both side wall portions) on both sides of the gate electrode 6 are obtained. A side wall-like silicon oxide film (first insulating film 3) -silicon nitride film (charge holding film 4) -silicon oxide film (second insulating film 5) is left, and side wall-like shapes are formed on both side walls of the gate electrode 6. The charge storage unit 8 is formed. As a result, the first insulating film 3 and the charge holding film 4 are formed in an L shape.

次に、ゲート電極6とその両側の電荷蓄積部8をマスクとして、例えばイオン注入法により不純物注入し、n型の拡散層領域2を形成する。尚、図1においては、上記エッチバックの実施後に、例えばイオン注入法によりn型の拡散層領域2を形成した場合の概略断面形状を示している。尚、拡散層領域2は、第2絶縁膜5となるシリコン酸化膜の形成前後、或いは、シリコン窒化膜4の堆積後等の工程にて、例えばイオン注入法により形成してもよい。   Next, using the gate electrode 6 and the charge storage portions 8 on both sides thereof as a mask, impurities are implanted, for example, by ion implantation to form the n-type diffusion layer region 2. FIG. 1 shows a schematic cross-sectional shape when the n-type diffusion layer region 2 is formed, for example, by ion implantation after the above etchback. The diffusion layer region 2 may be formed by, for example, an ion implantation method before or after the formation of the silicon oxide film to be the second insulating film 5 or after the deposition of the silicon nitride film 4.

引き続き、第2絶縁膜5の上層に、ゲート電極6と電荷蓄積部8を覆うように、第3絶縁膜11として、TEOS(テトラエトキシシラン)を熱分解してオゾンと反応形成したシリコン酸化膜が300nmの膜厚で形成される。第2絶縁膜5または第3絶縁膜11の内の少なくとも何れか一方は、TEOSを原料としてオゾン、酸素と混合して気相成長させるCVD法で形成される必要がある。このような膜は、多くの水分を含んでいることが、TDS法による脱離ガス分析で判明した。   Subsequently, as a third insulating film 11, a silicon oxide film formed by thermal decomposition of TEOS (tetraethoxysilane) and reacting with ozone is formed on the second insulating film 5 so as to cover the gate electrode 6 and the charge storage portion 8. Is formed with a film thickness of 300 nm. At least one of the second insulating film 5 and the third insulating film 11 needs to be formed by a CVD method in which TEOS is used as a raw material and mixed with ozone and oxygen to perform vapor phase growth. It was found by desorption gas analysis by the TDS method that such a film contains a large amount of moisture.

次に、第3絶縁膜11となるシリコン酸化膜に対して異方性エッチングを行い、電荷蓄積部8の表面とゲート電極6の側壁面の上部のみを覆う第3絶縁膜11を形成する。この結果、第3絶縁膜11に覆われず表面が露出しているのは、ゲート電極6の上面、活性領域15の拡散層領域2、及び、素子分離領域16の表面となる。   Next, anisotropic etching is performed on the silicon oxide film to be the third insulating film 11 to form the third insulating film 11 that covers only the surface of the charge storage portion 8 and the upper portion of the side wall surface of the gate electrode 6. As a result, the surface exposed without being covered with the third insulating film 11 is the upper surface of the gate electrode 6, the diffusion layer region 2 of the active region 15, and the surface of the element isolation region 16.

更に、被酸化物質膜12として金属チタン膜をスパッタリング法により10nm堆積し、熱処理を加えることにより、活性領域15のシリコン基板とゲート電極6の多結晶シリコン表面のサリサイド化を行う。第3絶縁膜11の表面を覆う金属チタン膜12は、上記熱処理による反応はせずに金属のまま状態で残っている。尚、このままの状態では、拡散層領域2とゲート電極6間が金属チタン膜12を介して導通しているので、この残留部分の金属チタン膜12を、加熱した硫酸等に浸さずに、異方性エッチングを行うことにより第3絶縁膜11の一部表面に僅かに残して両端部を除去する。これにより、拡散層領域2とゲート電極6間の導通を未然に防ぐ。本実施形態では、被酸化物質膜12として金属チタン膜を使用したが、後工程の熱処理温度で酸化され得る金属であれば、チタン以外の材料を用いても、同様の効果が得られる。   Further, a metal titanium film is deposited to a thickness of 10 nm as the oxidizable material film 12 by sputtering, and heat treatment is performed to salicide the silicon substrate in the active region 15 and the polycrystalline silicon surface of the gate electrode 6. The metal titanium film 12 covering the surface of the third insulating film 11 remains in a metal state without being reacted by the heat treatment. In this state, the diffusion layer region 2 and the gate electrode 6 are electrically connected through the metal titanium film 12, so that the remaining portion of the metal titanium film 12 is not immersed in heated sulfuric acid or the like. By performing isotropic etching, both ends of the third insulating film 11 are removed while leaving a little on the surface. Thereby, conduction between the diffusion layer region 2 and the gate electrode 6 is prevented in advance. In the present embodiment, a metal titanium film is used as the oxidizable material film 12, but the same effect can be obtained even if a material other than titanium is used as long as it is a metal that can be oxidized at a heat treatment temperature in a later step.

次いで、シランとアンモニアをプラズマで分解し反応させてシリコン窒化膜9(P−SiN)を堆積し、ゲート電極6とそのサイドウォール部(両側壁部)だけを覆うように形成する。この状態で、ゲート電極6、電荷蓄積膜8、水分を多く含む第3絶縁膜11、及び、金属チタンからなる被酸化物質膜12が、水素遮断性のよいシリコン窒化膜9で覆われたことになる。   Next, silane and ammonia are decomposed and reacted with plasma to deposit a silicon nitride film 9 (P-SiN), which is formed so as to cover only the gate electrode 6 and its side wall portions (both side wall portions). In this state, the gate electrode 6, the charge storage film 8, the third insulating film 11 containing a lot of moisture, and the oxidizable material film 12 made of metal titanium are covered with the silicon nitride film 9 having a good hydrogen barrier property. become.

引き続いて、ボロンとリンを添加したシリコン酸化膜(BPSG膜)を層間絶縁膜13として堆積し、800℃程度の熱処理を加え、その際の流動性を利用して平坦性を上げる。この熱処理は後述するように、水素を発生させるためにも機能している。更に、例えばCMP(Chemical Mechanical Polish)を用いて層間絶縁膜13の平坦化を行う。次に、拡散層領域2との接続用のコンタクトホール10の形成を行う。この際に、シリコン窒化膜9は、コンタクトホール10が拡散層領域2上に開口する際にドライエッチングで電荷蓄積膜8、第3絶縁膜11、及び、被酸化物質膜12等に対する無用のエッチングが進行しないように、該エッチングを精度良く行うために使用される。   Subsequently, a silicon oxide film (BPSG film) to which boron and phosphorus are added is deposited as the interlayer insulating film 13, and a heat treatment at about 800 ° C. is performed, and the flatness is improved by utilizing the fluidity at that time. As will be described later, this heat treatment also functions to generate hydrogen. Further, the interlayer insulating film 13 is planarized by using, for example, CMP (Chemical Mechanical Polish). Next, a contact hole 10 for connection with the diffusion layer region 2 is formed. At this time, the silicon nitride film 9 is used for unnecessary etching of the charge storage film 8, the third insulating film 11, the oxidized material film 12, and the like by dry etching when the contact hole 10 is opened on the diffusion layer region 2. It is used to perform the etching with high accuracy so as not to proceed.

ここで、第3絶縁膜11に含まれる水分が、層間絶縁膜13の平坦性を向上させるために行った熱処理中に、被酸化物質膜12の金属チタンと反応し、シリコン基板1とシリコン窒化膜9に囲まれた領域内で生成された水素が電荷蓄積部8を中心としたサイドウォール部に充分に拡散する。ここで、水素遮断性に優れたシリコン窒化膜9は、エッチングストッパーとしての上記機能に加えて、当該領域内で生成された水素が外方へ拡散するのを防止し、水素が効率的にサイドウォール部内に拡散するのを促進する機能を発揮する。この結果、電荷蓄積部8の第1絶縁膜3(トンネル酸化膜)、半導体基板1、及び、それらの間の界面に生成されたダングリングボンドを水素終端させ、ダングリングボンドに起因する不対電子数を低減でき、不対電子による準位を介して電荷が外部に移動するのを防止でき、電荷保持特性が向上する。   Here, the moisture contained in the third insulating film 11 reacts with the metal titanium of the oxidizable material film 12 during the heat treatment performed to improve the flatness of the interlayer insulating film 13, and the silicon substrate 1 and the silicon nitride. Hydrogen generated in the region surrounded by the film 9 is sufficiently diffused into the sidewall portion centering on the charge storage portion 8. Here, in addition to the above function as an etching stopper, the silicon nitride film 9 having an excellent hydrogen barrier property prevents hydrogen generated in the region from diffusing outwardly, so that the hydrogen is effectively side-exposed. It functions to promote diffusion into the wall. As a result, the dangling bonds generated at the first insulating film 3 (tunnel oxide film) of the charge storage portion 8, the semiconductor substrate 1, and the interface between them are hydrogen-terminated, and the dangling bond is caused by dangling bonds. The number of electrons can be reduced, the charge can be prevented from moving to the outside through the level due to unpaired electrons, and the charge retention characteristics are improved.

シリコン窒化膜9は、電荷蓄積部8を含むサイドウォール部を覆って形成されており、シリコン窒化膜9の形成後でアルミニウム等のメタル配線形成前に水素シンターを行っても、シリコン窒化膜9の良好な水素遮断性のためにサイドウォール部に対する水素シンターの効果は十分には発揮されない。しかしながら、メタル配線形成後では、更に厚いメタル配線自体によって水素が遮断されるので、400℃、2%水素雰囲気で、水素シンター処理を実施する。その後、アルミニウムを主たる構成物とするメタル配線14を公知の技術で形成する。   The silicon nitride film 9 is formed so as to cover the sidewall portion including the charge storage portion 8, and even if hydrogen sintering is performed after the formation of the silicon nitride film 9 and before formation of a metal wiring such as aluminum, the silicon nitride film 9 is formed. Therefore, the effect of the hydrogen sinter on the sidewall portion is not sufficiently exhibited. However, after the metal wiring is formed, hydrogen is cut off by the thicker metal wiring itself, so the hydrogen sintering process is performed at 400 ° C. in a 2% hydrogen atmosphere. Thereafter, the metal wiring 14 mainly composed of aluminum is formed by a known technique.

以上の工程を経て、半導体基板1、半導体基板1上に形成されたゲート絶縁膜7、ゲート絶縁膜7上に形成されたゲート電極6、ゲート電極6の両側壁部に半導体基板1側より第1絶縁膜3、電荷保持膜4、及び、第2絶縁膜5の順に積層された電荷蓄積部8、ゲート電極6下に位置するチャネル領域17、及び、チャネル領域17の両側の半導体基板1表面に形成された2つの拡散層領域2を備えてなる本発明装置の不揮発性メモリセルが形成される。尚、上記説明で例示した拡散層領域2との接続用のコンタクトホール10及びメタル配線14は、必ずしもメモリセル単位に設ける必要はなく、図1に示す構成に限定されるものではない。   Through the above steps, the semiconductor substrate 1, the gate insulating film 7 formed on the semiconductor substrate 1, the gate electrode 6 formed on the gate insulating film 7, and both side walls of the gate electrode 6 are arranged from the semiconductor substrate 1 side. 1 is an insulating film 3, a charge holding film 4, and a second insulating film 5, which are stacked in this order, a channel region 17 located under the gate electrode 6, and the surface of the semiconductor substrate 1 on both sides of the channel region 17. The nonvolatile memory cell of the device of the present invention comprising the two diffusion layer regions 2 formed in the above is formed. Note that the contact hole 10 and the metal wiring 14 for connection to the diffusion layer region 2 exemplified in the above description are not necessarily provided for each memory cell, and are not limited to the configuration shown in FIG.

上記各工程を経て形成された本発明装置の不揮発性メモリセルは、ゲート電極6への電圧印加によって、2つの拡散層領域2の一方(ドレイン領域)から他方(ソース領域)へ流れる電流量が、電荷蓄積部8の電荷保持膜4に保持された電荷量の多寡により変化する。ここで、何れの拡散層領域2をドレイン側とするかによって、何れの電荷蓄積部8の電荷蓄積量がドレイン・ソース電流の電流量に影響するかが決定し、電流方向を切り替えることで、2ビットのデータが読み出せる。尚、本発明装置は、当該不揮発性メモリセルを行方向及び列方向に複数配列してなるメモリセルアレイを少なくとも1つ備え、当該メモリセルアレイに対してデータの読み出し、書き込み、消去の各メモリ動作を実行する周辺回路を備えて構成される。データの読み出し、書き込み、消去の各メモリ動作は、特許文献2に詳細に記載されており、また、当該周辺回路は、当該メモリ動作の処理に基づいて公知の技術に基づいて構成されるので、詳細な説明は割愛する。   In the nonvolatile memory cell of the device of the present invention formed through the above steps, the amount of current flowing from one (drain region) to the other (source region) of the two diffusion layer regions 2 by applying a voltage to the gate electrode 6 is reduced. This changes depending on the amount of charge held in the charge holding film 4 of the charge storage section 8. Here, depending on which diffusion layer region 2 is on the drain side, it is determined which charge accumulation amount of the charge accumulation unit 8 affects the current amount of the drain-source current, and by switching the current direction, 2-bit data can be read. The device according to the present invention includes at least one memory cell array in which a plurality of the nonvolatile memory cells are arranged in the row direction and the column direction, and performs memory reading, writing, and erasing operations on the memory cell array. A peripheral circuit to be executed is provided. Each memory operation for reading, writing, and erasing data is described in detail in Patent Document 2, and the peripheral circuit is configured based on a known technique based on the processing of the memory operation. Detailed explanation is omitted.

本実施形態では、第3絶縁膜11に水分を多く含むシリコン酸化膜を用いたが、第3絶縁膜11中の水分量の違いによる電荷保持特性の改善効果を比較検討するために、第3絶縁膜11であるシリコン酸化膜の堆積温度を変化させ、含有水分量を変化させたシリコン酸化膜、及び、シランと一酸化窒素を用いて高温で堆積させたシリコン酸化膜を用いた場合の膜中水分量と、電子スピン共鳴法で測定した不対電子数の相関関係を調べた。図3に示すように、含有水分量(単位体積当たりの水分子個数)が2×1021個/cm以上になると、急激に不対電子数が減少している。このことは、電荷保持特性の改善を行うには、少なくとも2×1021個/cm程度の水分量を膜中に保持していないと、効果的に水分が拡散せずにダングリングボンドが十分に水素終端せず、不対電子が消滅しないことを示唆している。 In the present embodiment, a silicon oxide film containing a large amount of moisture is used as the third insulating film 11, but in order to compare and examine the effect of improving the charge retention characteristics due to the difference in the amount of moisture in the third insulating film 11, A film in the case of using a silicon oxide film in which the deposition temperature of the silicon oxide film as the insulating film 11 is changed to change the water content, and a silicon oxide film deposited at a high temperature using silane and nitrogen monoxide The correlation between the amount of water in the medium and the number of unpaired electrons measured by the electron spin resonance method was investigated. As shown in FIG. 3, when the water content (number of water molecules per unit volume) is 2 × 10 21 molecules / cm 3 or more, the number of unpaired electrons decreases rapidly. This means that in order to improve the charge retention characteristics, dangling bonds are not effectively diffused unless moisture is retained in the film at least about 2 × 10 21 pieces / cm 3. It is suggested that hydrogen does not terminate sufficiently and unpaired electrons do not disappear.

本実施形態では、第3絶縁膜11を、TEOSを原料とし、オゾンと反応するCVD法(化学気相堆積法)を用い、成膜温度400℃で成膜した。この第3絶縁膜11の水分量は、TDS法による脱離ガス分析で2×1021個/cmであり、電子スピン共鳴法で測定した不対電子数は、約5×1012個/cmであった。従来のサイドウォール状構造のMONOS型多値メモリでは、不対電子数が約1014個/cmであったので、水分を多く含む第3絶縁膜11を用いることによる電荷保持特性の改善効果が確認できた。 In the present embodiment, the third insulating film 11 is formed at a film formation temperature of 400 ° C. using a CVD method (chemical vapor deposition method) that reacts with ozone using TEOS as a raw material. The moisture content of the third insulating film 11 is 2 × 10 21 pieces / cm 3 by desorption gas analysis by the TDS method, and the number of unpaired electrons measured by the electron spin resonance method is about 5 × 10 12 pieces / cm 3. cm 2 . In the conventional MONOS type multi-valued memory having a sidewall structure, the number of unpaired electrons is about 10 14 / cm 2 , and therefore the effect of improving the charge retention characteristics by using the third insulating film 11 containing a large amount of moisture. Was confirmed.

〈第2実施形態〉
次に、本発明装置の不揮発性メモリセルの第2実施形態につき、図4に基づいて説明する。図4は、第2実施形態に係る不揮発性メモリセルのメタル配線形成後の模式的な構造を示す素子断面図である。図4の断面図は、図2(a)のB−B’断面(活性領域15の延伸方向)における断面図である。
Second Embodiment
Next, a second embodiment of the nonvolatile memory cell of the device of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 4 is an element cross-sectional view showing a schematic structure after metal wiring formation of the nonvolatile memory cell according to the second embodiment. The cross-sectional view of FIG. 4 is a cross-sectional view in the BB ′ cross section (the extending direction of the active region 15) of FIG.

第2実施形態における不揮発性メモリセルは、図4及び図2に示すように、半導体基板1の少なくとも一部を活性領域15とし、活性領域15の表面の少なくとも一部にゲート絶縁膜7が形成され、ゲート絶縁膜7の少なくとも一部を覆うように、例えば多結晶シリコンからなるゲート電極6が形成され、更に、ゲート絶縁膜7の下部にチャネル領域16が形成され、チャネル領域17の両側に半導体基板1とは逆導電型の拡散層領域2が形成されている。更に、ゲート電極6の両側壁部にサイドウォール状の電荷蓄積部8が形成されている。この電荷蓄積部8は、半導体基板1側より、例えば熱酸化によるシリコン酸化膜からなるL字状の第1絶縁膜3、例えばシリコン窒化膜からなるL字状の電荷保持膜4、及び、例えばシリコン酸化膜からなる第2絶縁膜5の順に積層され、サイドウォール状に形成されている。更に、電荷蓄積部8の表面の第2絶縁膜5に接し、電荷保持膜4に接しない位置に金属膜からなる被酸化物質膜12が形成され、サイドウォール状の電荷蓄積部8と被酸化物質膜12とゲート電極6を覆うように、水分を多く含むシリコン酸化膜からなる第3絶縁膜11が形成され、シリコン窒化膜9で覆われている。更に、その上に、層間絶縁膜13が形成され、層間絶縁膜13に拡散層領域2と接続するためのコンタクトホール10が開口され、メタル配線14が形成されている。尚、各部の形成方法は、第1実施形態と同じであるので、重複する説明は省略する。   In the nonvolatile memory cell according to the second embodiment, as shown in FIGS. 4 and 2, at least a part of the semiconductor substrate 1 is an active region 15, and a gate insulating film 7 is formed on at least a part of the surface of the active region 15. Then, a gate electrode 6 made of, for example, polycrystalline silicon is formed so as to cover at least a part of the gate insulating film 7, and a channel region 16 is formed below the gate insulating film 7, and on both sides of the channel region 17. A diffusion layer region 2 having a conductivity type opposite to that of the semiconductor substrate 1 is formed. Further, sidewall-shaped charge storage portions 8 are formed on both side walls of the gate electrode 6. The charge storage unit 8 is formed from the semiconductor substrate 1 side, for example, an L-shaped first insulating film 3 made of a silicon oxide film by thermal oxidation, for example, an L-shaped charge holding film 4 made of a silicon nitride film, and, for example, The second insulating film 5 made of a silicon oxide film is stacked in this order and formed in a sidewall shape. Further, an oxidizable material film 12 made of a metal film is formed at a position in contact with the second insulating film 5 on the surface of the charge storage portion 8 and not in contact with the charge holding film 4. A third insulating film 11 made of a silicon oxide film containing a large amount of water is formed so as to cover the material film 12 and the gate electrode 6, and is covered with the silicon nitride film 9. Further, an interlayer insulating film 13 is formed thereon, a contact hole 10 for connecting to the diffusion layer region 2 is opened in the interlayer insulating film 13, and a metal wiring 14 is formed. In addition, since the formation method of each part is the same as 1st Embodiment, the overlapping description is abbreviate | omitted.

第1実施形態の不揮発性メモリセルとの相違点は、第1実施形態では、第3絶縁膜11の上に被酸化物質膜12が形成されていたのに対し、第2実施形態では、被酸化物質膜12が第3絶縁膜11と第2絶縁膜5の間に形成されている点で相違する。しかしながら、第2実施形態においても、水分を多く含む第3絶縁膜11と被酸化物質膜12が、シリコン基板1とシリコン窒化膜9に囲まれた領域内に存在するため、当該領域内で生成された水素が電荷蓄積部8を中心としたサイドウォール部に充分に拡散し、第1実施形態と同様に、電荷蓄積部8の第1絶縁膜3(トンネル酸化膜)、半導体基板1、及び、それらの間の界面に生成されたダングリングボンドを水素終端させ、ダングリングボンドに起因する不対電子数を低減でき、不対電子による準位を介して電荷が外部に移動するのを防止でき、電荷保持特性が向上する。   The difference from the nonvolatile memory cell of the first embodiment is that, in the first embodiment, the oxidizable material film 12 is formed on the third insulating film 11, whereas in the second embodiment, the oxidizable material film 12 is formed. The oxide material film 12 is different in that it is formed between the third insulating film 11 and the second insulating film 5. However, also in the second embodiment, the third insulating film 11 and the oxidized material film 12 containing a large amount of moisture are present in the region surrounded by the silicon substrate 1 and the silicon nitride film 9, and thus generated in the region. The hydrogen thus diffused sufficiently into the sidewall portion centered on the charge storage portion 8, and similarly to the first embodiment, the first insulating film 3 (tunnel oxide film) of the charge storage portion 8, the semiconductor substrate 1, and , Dangling bonds generated at the interface between them can be hydrogen-terminated to reduce the number of unpaired electrons caused by the dangling bonds and prevent the charge from moving outside through the level due to the unpaired electrons Charge retention characteristics are improved.

尚、被酸化物質膜12の形成個所は、図1及び図4に図示する位置に限定されるものではなく、水素遮断性の優れたシリコン窒化膜9で覆われている領域内における、水分を多く含む第3絶縁膜11に接し、電荷保持膜4に接しない位置であればどこでもよい。   The location where the oxidizable material film 12 is formed is not limited to the position shown in FIGS. 1 and 4, and moisture in the region covered with the silicon nitride film 9 having excellent hydrogen barrier properties can be removed. Any position may be used as long as it is in contact with the third insulating film 11 including many and not in contact with the charge holding film 4.

〈第3実施形態〉
次に、本発明装置の不揮発性メモリセルの第3実施形態につき、図5に基づいて説明する。図5は、第3実施形態に係る不揮発性メモリセルのメタル配線形成後の模式的な構造を示す素子断面図である。図5の断面図は、図2(a)のB−B’断面(活性領域15の延伸方向)における断面図である。
<Third Embodiment>
Next, a third embodiment of the nonvolatile memory cell of the device of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 5 is an element cross-sectional view showing a schematic structure after metal wiring formation of the nonvolatile memory cell according to the third embodiment. The cross-sectional view of FIG. 5 is a cross-sectional view in the BB ′ cross section (the extending direction of the active region 15) of FIG.

第3実施形態における不揮発性メモリセルは、図5及び図2に示すように、半導体基板1の少なくとも一部を活性領域15とし、活性領域15の表面の少なくとも一部にゲート絶縁膜7が形成され、ゲート絶縁膜7の少なくとも一部を覆うように、例えば多結晶シリコンからなるゲート電極6が形成され、更に、ゲート絶縁膜7の下部にチャネル領域16が形成され、チャネル領域17の両側に半導体基板1とは逆導電型の拡散層領域2が形成されている。更に、ゲート電極6の両側壁部にサイドウォール状の電荷蓄積部8が形成されている。この電荷蓄積部8は、半導体基板1側より、例えば熱酸化によるシリコン酸化膜からなるL字状の第1絶縁膜3、例えばシリコン窒化膜からなるL字状の電荷保持膜4、及び、例えばシリコン酸化膜からなる水分を多く含む第2絶縁膜5の順に積層され、サイドウォール状に形成されている。更に、電荷蓄積部8の表面の第2絶縁膜5に接し、電荷保持膜4に接しない位置に金属膜からなる被酸化物質膜12が形成され、サイドウォール状の電荷蓄積部8と被酸化物質膜12とゲート電極6がシリコン窒化膜9で覆われている。更に、その上に、層間絶縁膜13が形成され、層間絶縁膜13に拡散層領域2と接続するためのコンタクトホール10が開口され、メタル配線14が形成されている。尚、各部の形成方法は、第1実施形態と同じであるので、重複する説明は省略する。   In the nonvolatile memory cell according to the third embodiment, as shown in FIGS. 5 and 2, at least a part of the semiconductor substrate 1 is an active region 15, and a gate insulating film 7 is formed on at least a part of the surface of the active region 15. Then, a gate electrode 6 made of, for example, polycrystalline silicon is formed so as to cover at least a part of the gate insulating film 7, and a channel region 16 is formed below the gate insulating film 7, and on both sides of the channel region 17. A diffusion layer region 2 having a conductivity type opposite to that of the semiconductor substrate 1 is formed. Further, sidewall-shaped charge storage portions 8 are formed on both side walls of the gate electrode 6. The charge storage unit 8 is formed from the semiconductor substrate 1 side, for example, an L-shaped first insulating film 3 made of a silicon oxide film by thermal oxidation, for example, an L-shaped charge holding film 4 made of a silicon nitride film, and, for example, The second insulating film 5 made of a silicon oxide film containing a large amount of moisture is laminated in this order, and is formed in a sidewall shape. Further, an oxidizable material film 12 made of a metal film is formed at a position in contact with the second insulating film 5 on the surface of the charge storage portion 8 and not in contact with the charge holding film 4. The material film 12 and the gate electrode 6 are covered with a silicon nitride film 9. Further, an interlayer insulating film 13 is formed thereon, a contact hole 10 for connecting to the diffusion layer region 2 is opened in the interlayer insulating film 13, and a metal wiring 14 is formed. In addition, since the formation method of each part is the same as 1st Embodiment, the overlapping description is abbreviate | omitted.

第1実施形態の不揮発性メモリセルとの相違点は、第1実施形態では、水分を多く含むが第3絶縁膜11がゲート電極6の一部とサイドウォール状の電荷蓄積部8を覆うように形成されていたのに対し、第3実施形態では、水分を多く含む第3絶縁膜11を形成せずに、その代わりに、電荷蓄積部8の第2絶縁膜5が水分を多く含むシリコン酸化膜で形成されている点で相違する。しかしながら、第3実施形態においても、水分を多く含む第2絶縁膜5と被酸化物質膜12が、シリコン基板1とシリコン窒化膜9に囲まれた領域内に存在するため、当該領域内で生成された水素が電荷蓄積部8を中心としたサイドウォール部に充分に拡散し、第1実施形態と同様に、電荷蓄積部8の第1絶縁膜3(トンネル酸化膜)、半導体基板1、及び、それらの間の界面に生成されたダングリングボンドを水素終端させ、ダングリングボンドに起因する不対電子数を低減でき、不対電子による準位を介して電荷が外部に移動するのを防止でき、電荷保持特性が向上する。   The difference from the nonvolatile memory cell of the first embodiment is that in the first embodiment, the third insulating film 11 covers a part of the gate electrode 6 and the side wall-shaped charge storage portion 8 although it contains a lot of moisture. In contrast, in the third embodiment, the third insulating film 11 containing a large amount of moisture is not formed. Instead, the second insulating film 5 of the charge storage portion 8 contains silicon containing a lot of moisture. It differs in that it is formed of an oxide film. However, also in the third embodiment, since the second insulating film 5 and the oxidizable material film 12 containing a large amount of water exist in the region surrounded by the silicon substrate 1 and the silicon nitride film 9, they are generated in the region. The hydrogen thus diffused sufficiently into the sidewall portion centered on the charge storage portion 8, and similarly to the first embodiment, the first insulating film 3 (tunnel oxide film) of the charge storage portion 8, the semiconductor substrate 1, and , Dangling bonds generated at the interface between them can be hydrogen-terminated to reduce the number of unpaired electrons caused by the dangling bonds and prevent the charge from moving outside through the level due to the unpaired electrons Charge retention characteristics are improved.

尚、第1実施形態及び第2実施形態において第3絶縁膜11を設けることの優位点は、第3絶縁膜11は、第2絶縁膜5より低温(約400℃)での成長が可能で、その分多くの水分を含有可能であり、その分多くの水素を発生できる点で有利である。   The advantage of providing the third insulating film 11 in the first embodiment and the second embodiment is that the third insulating film 11 can be grown at a lower temperature (about 400 ° C.) than the second insulating film 5. This is advantageous in that it can contain a large amount of water and can generate a large amount of hydrogen accordingly.

〈第4実施形態〉
次に、本発明装置の不揮発性メモリセルの第4実施形態につき、図1、図4、及び、図5を参照して説明する。
<Fourth embodiment>
Next, a non-volatile memory cell according to a fourth embodiment of the device of the present invention will be described with reference to FIG. 1, FIG. 4, and FIG.

第4実施形態における不揮発性メモリセルは、図1、図4、または、図5に各別に示す第1実施形態、第2実施形態、または、第3実施形態における不揮発性メモリセル中の被酸化物質膜12に代えて、白金等の触媒作用による水素活性化能を有する貴金属膜が形成されている。被酸化物質膜12が貴金属膜に交代している以外は、第1実施形態、第2実施形態、または、第3実施形態の各不揮発性メモリセルの構成要素及びその形成工程が同様であり、重複する説明は省略する。   The nonvolatile memory cell according to the fourth embodiment is oxidized in the nonvolatile memory cell according to the first embodiment, the second embodiment, or the third embodiment shown in FIG. 1, FIG. 4, or FIG. Instead of the material film 12, a noble metal film having a hydrogen activating ability by catalytic action such as platinum is formed. Except that the oxidizable material film 12 is replaced with a noble metal film, the components of the nonvolatile memory cells of the first embodiment, the second embodiment, or the third embodiment and the formation process thereof are the same. A duplicate description is omitted.

第4実施形態における不揮発性メモリセルでは、電荷蓄積部8の表面またはその近傍に触媒作用による水素活性化能を有する貴金属膜が形成されているので、電荷蓄積部8の近傍において活性水素を発生でき、その活性水素によりダングリングボンドを効率的に終端させることができ、半導体記憶装置のメモリ特性、特にデータ保持特性を向上させることが可能となる。拡散係数の大きな活性水素は、その周囲に拡散することにより、ダングリングボンドが効率的に水素終端される。また、第3絶縁膜11または第2絶縁膜5中の水分が少ない場合においても、貴金属膜の水素活性化能によりダングリングボンドの水素終端が促進される。つまり、第3絶縁膜11または第2絶縁膜5中から脱離する水分が少ない場合でも、通常の低温水素シンター処理を実施すれば、外方から拡散してくる水素をより効率的にダングリングボンドに結合させることが可能となり、水素シンター処理の効果が得られる。   In the nonvolatile memory cell according to the fourth embodiment, since a noble metal film having a hydrogen activation ability by catalytic action is formed on or near the surface of the charge storage unit 8, active hydrogen is generated in the vicinity of the charge storage unit 8. The dangling bonds can be effectively terminated by the active hydrogen, and the memory characteristics, particularly the data retention characteristics, of the semiconductor memory device can be improved. Active hydrogen having a large diffusion coefficient diffuses to the periphery thereof, so that dangling bonds are effectively hydrogen-terminated. Even when the moisture in the third insulating film 11 or the second insulating film 5 is small, the hydrogen termination of the dangling bond is promoted by the hydrogen activation ability of the noble metal film. That is, even when the amount of moisture desorbed from the third insulating film 11 or the second insulating film 5 is small, if the normal low-temperature hydrogen sintering process is performed, the hydrogen diffused from the outside is more efficiently dangling. It becomes possible to bond to the bond, and the effect of the hydrogen sintering treatment can be obtained.

〈第5実施形態〉
次に、本発明装置の不揮発性メモリセルの第5実施形態につき、図1、図4、及び、図5を参照して説明する。
<Fifth Embodiment>
Next, a fifth embodiment of the non-volatile memory cell of the device of the present invention will be described with reference to FIG. 1, FIG. 4, and FIG.

第5実施形態における不揮発性メモリセルは、図1、図4、または、図5に各別に示す第1実施形態、第2実施形態、または、第3実施形態における不揮発性メモリセル中の被酸化物質膜12に加えて、白金等の触媒作用による水素活性化能を有する貴金属膜が更に形成されている。貴金属膜の形成位置は、被酸化物質膜12と同様の形成位置とし、必ずしも被酸化物質膜12と貴金属膜が同位置に重ねて形成される必要はない。例えば、第1実施形態の不揮発性メモリセルに対して、第2実施形態の不揮発性メモリセルの被酸化物質膜12の形成位置に貴金属膜を形成するようにしても構わない。第5実施形態における不揮発性メモリセルは、貴金属膜が追加されている以外は、第1実施形態、第2実施形態、または、第3実施形態の各不揮発性メモリセルの構成要素及びその形成工程が同様であり、重複する説明は省略する。   The nonvolatile memory cell according to the fifth embodiment is oxidized in the nonvolatile memory cell according to the first embodiment, the second embodiment, or the third embodiment shown in FIG. 1, FIG. 4, or FIG. In addition to the material film 12, a noble metal film having a hydrogen activation ability by catalytic action such as platinum is further formed. The formation position of the noble metal film is the same as the formation position of the oxidizable material film 12, and the oxidizable material film 12 and the noble metal film do not necessarily have to be formed at the same position. For example, a noble metal film may be formed at the formation position of the oxidizable material film 12 of the nonvolatile memory cell of the second embodiment with respect to the nonvolatile memory cell of the first embodiment. The nonvolatile memory cell according to the fifth embodiment is a component of each nonvolatile memory cell according to the first embodiment, the second embodiment, or the third embodiment, and the formation process thereof, except that a noble metal film is added. Are the same, and redundant description is omitted.

第5実施形態における不揮発性メモリセルでは、電荷蓄積部8の表面またはその近傍に、シリコン酸化膜中の水分を分解する被酸化物質膜12と、触媒作用による水素活性化能を有する貴金属膜の両方が形成されているので、第4実施形態に比較して電荷蓄積部8の近傍において活性水素を容易に発生でき、その活性水素によりダングリングボンドをより効率的且つ強固に終端させることができ、半導体記憶装置のメモリ特性、特にデータ保持特性を大幅に向上させることが可能となる。拡散係数の大きな活性水素は、その周囲に拡散することにより、ダングリングボンドが効率的に水素終端される。また、第3絶縁膜11または第2絶縁膜5中の水分が少ない場合においても、貴金属膜の水素活性化能によりダングリングボンドの水素終端が促進される。   In the nonvolatile memory cell according to the fifth embodiment, an oxidizable material film 12 for decomposing moisture in the silicon oxide film and a noble metal film having a hydrogen activation ability by catalytic action are formed on or near the surface of the charge storage unit 8. Since both are formed, active hydrogen can be easily generated in the vicinity of the charge storage portion 8 as compared with the fourth embodiment, and the dangling bond can be terminated more efficiently and firmly by the active hydrogen. Thus, the memory characteristics of the semiconductor memory device, particularly the data retention characteristics can be greatly improved. Active hydrogen having a large diffusion coefficient diffuses to the periphery thereof, so that dangling bonds are effectively hydrogen-terminated. Even when the moisture in the third insulating film 11 or the second insulating film 5 is small, the hydrogen termination of the dangling bond is promoted by the hydrogen activation ability of the noble metal film.

次に、上記各実施形態における電荷保持特性を比較評価する。図6に、第1実施形態(矢示A)、第4実施形態(矢示B)、第5実施形態(矢示C)、及び、2つの従来例(矢示D、E)における各不揮発性メモリセルの単体での電荷保持特性を夫々示す。矢示Dの従来例は、従来のサイドウォール状構造のMONOS型多値メモリであり、矢示Eの従来例は、矢示Dの従来例に対して850℃の水素シンターを実施した場合の電荷保持特性である。   Next, the charge retention characteristics in the above embodiments are compared and evaluated. In FIG. 6, each non-volatile in 1st Embodiment (arrow A), 4th Embodiment (arrow B), 5th Embodiment (arrow C), and two conventional examples (arrow D, E) Each of the charge retention characteristics of a single type of memory cell is shown. The conventional example of arrow D is a conventional MONOS type multi-valued memory having a sidewall-like structure, and the conventional example of arrow E is a case where hydrogen sintering at 850 ° C. is performed with respect to the conventional example of arrow D. Charge retention characteristics.

図6において、横軸は、1ビットの書き込みのために電荷蓄積部8の一方側の電荷保持膜4に電子を注入した状態の読み出し電流から、電荷注入前の読み出し電流を差し引いた電流差(書き込み量)を示し、単純には単一ビットの読み出し動作マージンを示す。縦軸は、一種の加速試験である250℃15分のベークを行った後に、書き込み(電子注入)状態の読み出し電流が、加速試験の前後でどれだけ変化したかを示す読み出し電流の変動量である。図6は、単一ビットでの電荷保持特性を示しており、メモリセルアレイのように多数のメモリセルを動作させる際には、メモリセル間の特性バラツキを考慮する必要がある。その上で、読み出し電流の差異を検出するセンスアンプ等の回路的要求から、単一ビットでの読み出し動作マージンとして60μAが必要である。この場合にデバイスの信頼性を確保するためには、加速試験の前後における電流変化を好ましくは1μA以下にする必要がある。   In FIG. 6, the horizontal axis represents a current difference obtained by subtracting the read current before charge injection from the read current in a state where electrons are injected into the charge holding film 4 on one side of the charge storage unit 8 for 1-bit writing. In other words, it indicates a single-bit read operation margin. The vertical axis shows the amount of fluctuation in the read current indicating how much the read current in the write (electron injection) state has changed before and after the acceleration test after baking at 250 ° C. for 15 minutes, which is a kind of acceleration test. is there. FIG. 6 shows the charge retention characteristics with a single bit. When operating a large number of memory cells like a memory cell array, it is necessary to consider the characteristic variation between the memory cells. In addition, 60 μA is required as a read operation margin with a single bit because of circuit requirements such as a sense amplifier for detecting a difference in read current. In this case, in order to ensure the reliability of the device, the current change before and after the acceleration test is preferably 1 μA or less.

矢示Dの従来例の電荷保持特性では、60μAの書き込み量に対して、25μAの電流変化があり、所望のデータ保持特性を確保するには不十分である。矢示Eの従来例は、矢示Dの従来例に対して電荷保持特性の改善が見られるものの、実際には、好ましくないトランジスタの閾値変動等が起こり、実現が困難である。   In the charge retention characteristic of the conventional example indicated by the arrow D, there is a current change of 25 μA with respect to the writing amount of 60 μA, which is insufficient to ensure the desired data retention characteristic. Although the conventional example of arrow E shows an improvement in charge retention characteristics as compared with the conventional example of arrow D, it is difficult to realize in practice due to undesired transistor threshold fluctuations and the like.

矢示A〜Cの本発明の第1実施形態(矢示A)、第4実施形態(矢示B)、及び、第5実施形態(矢示C)では、電荷保持特性の改善効果が得られている。中でも、矢示Cの第5実施形態の電荷保持特性では、上記加速試験の前後における電流変化が0.72μAと極めて良好な結果を示しており、所望のデータ保持特性要求を十分に満たしている。   In the first embodiment (arrow A), the fourth embodiment (arrow B), and the fifth embodiment (arrow C) of the present invention indicated by arrows A to C, the effect of improving the charge retention characteristics is obtained. It has been. In particular, in the charge retention characteristics of the fifth embodiment indicated by arrow C, the current change before and after the acceleration test shows a very good result of 0.72 μA, which sufficiently satisfies the desired data retention characteristics requirement. .

また、図7の表に、図6の各系列A〜Eの電荷保持特性における60μAの書き込み量に対する加速試験の前後における読み出し電流の電流変化と、電子スピン共鳴法で測定した不対電子数を示す。図7の表より、不対電子数と読み出し電流の電流変化の間に強い相関関係が見られ、この結果からも、上述と同様の結論が得られる。   In addition, the table of FIG. 7 shows the current change of the read current before and after the acceleration test with respect to the write amount of 60 μA in the charge retention characteristics of each series A to E of FIG. 6 and the number of unpaired electrons measured by the electron spin resonance method. Show. From the table of FIG. 7, a strong correlation is observed between the number of unpaired electrons and the change in the read current, and the same conclusion as described above can be obtained from this result.

次に、本発明装置及び本発明方法の別実施形態について説明する。   Next, another embodiment of the device of the present invention and the method of the present invention will be described.

〈1〉上記各実施形態において、電荷を保持してメモリ機能を担う電荷保持膜4として、シリコン窒化膜を使用したが、これは量産工場に導入し易く、非常に好ましいためである。しかし、電荷蓄積部8の膜構成及び材料は、上記実施形態に限定されるものではなく、電荷保持機能を有する膜または材料、例えば、シリコン窒化膜、リン・ボロン等の不純物を含むシリケートガラス、シリコンカーバイド、アルミナ、ハフニウムオキサイド、ジルコニウムオキサイド、タンタルオキサイド、酸化亜鉛、強誘電体材料等、絶縁膜の積層構造膜、若しくは、絶縁体中に離散的に電荷保持機能を有する材料を含んでいれば、基本的に本発明装置の不揮発性メモリセルを実現することが可能である。   <1> In each of the above embodiments, a silicon nitride film is used as the charge retention film 4 that retains charges and performs the memory function. This is because it is easy to introduce into a mass production factory and is very preferable. However, the film configuration and material of the charge accumulating portion 8 are not limited to the above embodiment, but a film or material having a charge holding function, for example, a silicate glass containing impurities such as a silicon nitride film and phosphorus-boron, As long as silicon carbide, alumina, hafnium oxide, zirconium oxide, tantalum oxide, zinc oxide, ferroelectric material, etc., a laminated structure film of an insulating film or a material having a discrete charge holding function is included in the insulator Basically, it is possible to realize the nonvolatile memory cell of the device of the present invention.

〈2〉上記各実施形態において、電荷蓄積部8がゲート電極6の両側壁部に夫々形成されている場合を説明したが、電荷蓄積部8がゲート電極6の両側壁部の何れか一方側にのみ存在するメモリセル構造に対しても、本発明は適用可能であり、本発明によるデータ保持特性の改善効果は十分に期待できる。   <2> In each of the above embodiments, the case where the charge storage portion 8 is formed on each side wall portion of the gate electrode 6 has been described. However, the charge storage portion 8 is on either side of the both side wall portions of the gate electrode 6. The present invention can also be applied to a memory cell structure existing only in the memory cell, and the effect of improving the data retention characteristics according to the present invention can be sufficiently expected.

〈3〉上記第1、第2、第3または第5実施形態において、被酸化物質膜12の材料として金属チタン膜を使用したが、被酸化物質膜12の材料は、上記実施形態に限定されるものではなく、水分と反応して酸化し、水素を生成可能な材料であればよい。例えば、被酸化物質膜12は、チタン以外に、タンタル、アルミニウム、ニッケル、コバルト、シリコン、クロム、マグネシウム、及び、タングステンの内から選択される少なくとも1種の元素を含んで構成される物質、または、チタン、タンタル、及び、アルミニウムの内から選択される少なくとも1種の元素の窒化物または酸化物、或いは、それらの組み合わせで構成される金属化合物であるのも好ましい。尚、被酸化物質膜12の材料として金属チタン膜を使用する場合は、他の材料と比較して低温で酸化し易いので、処理温度の低温化を図ることができ、好適である。   <3> In the first, second, third, or fifth embodiment, the metal titanium film is used as the material of the oxidizable material film 12, but the material of the oxidizable material film 12 is limited to the above embodiment. Any material that can react with moisture and oxidize to generate hydrogen may be used. For example, the material film 12 to be oxidized includes a material including at least one element selected from tantalum, aluminum, nickel, cobalt, silicon, chromium, magnesium, and tungsten in addition to titanium, or It is also preferred that the metal compound be composed of a nitride or oxide of at least one element selected from titanium, tantalum, and aluminum, or a combination thereof. Note that, when a metal titanium film is used as the material of the oxidizable substance film 12, it is easy to oxidize at a low temperature as compared with other materials, which is preferable because the processing temperature can be lowered.

〈4〉上記第4または第5実施形態において、触媒作用による水素活性化能を有する貴金属膜の一例として白金を例示したが、当該貴金属膜は、触媒作用による水素活性化能を有していれば、白金に限定されるものではない。例えば、貴金属膜として、白金単体以外に、ロジウム、パラジウム、または、白金、ロジウム、及び、パラジウムの2種以上の組み合わせでも構わない。   <4> In the fourth or fifth embodiment, platinum is exemplified as an example of a noble metal film having a hydrogen activation ability by catalytic action. However, the noble metal film may have a hydrogen activation ability by catalytic action. For example, it is not limited to platinum. For example, in addition to platinum alone, the noble metal film may be rhodium, palladium, or a combination of two or more of platinum, rhodium, and palladium.

〈5〉上記各実施形態において、半導体基板としてp型シリコン基板1を使用する場合を示したが、半導体基板1の導電型はp型に限定されるものではなく、n型であっても構わない。半導体基板1がn型の場合、拡散層領域2の導電型がp型となるのは言うまでもない。また、半導体基板1は、バルクの基板に限らず、絶縁体上に結晶成長させた半導体基板や、バルク基板上に不純物注入により形成されたウェルであっても構わない。   <5> In each of the above embodiments, the case where the p-type silicon substrate 1 is used as the semiconductor substrate has been described. However, the conductivity type of the semiconductor substrate 1 is not limited to the p-type, and may be an n-type. Absent. Needless to say, when the semiconductor substrate 1 is n-type, the conductivity type of the diffusion layer region 2 is p-type. Further, the semiconductor substrate 1 is not limited to a bulk substrate, and may be a semiconductor substrate crystal-grown on an insulator or a well formed by impurity implantation on a bulk substrate.

〈6〉上記各実施形態において、メタル配線14の上部に別の層間絶縁膜及びビアホールを介して、2層目のメタル配線を形成してもよく、メタル配線の層数については、特に限定されない。一般にメタル配線層数が増えれば、最終工程で行う水素シンターの効果は、所望の個所に到達するまでの拡散距離が大きくなることと、メタル配線自体が水素の拡散を阻害するため、水素シンターの効果が得にくくなるので、本発明を導入することによる効果がより顕著となる。   <6> In each of the above embodiments, a second-layer metal wiring may be formed above the metal wiring 14 via another interlayer insulating film and a via hole, and the number of metal wiring layers is not particularly limited. . In general, if the number of metal wiring layers increases, the effect of the hydrogen sintering performed in the final process is that the diffusion distance until reaching the desired location increases and the metal wiring itself inhibits hydrogen diffusion. Since it becomes difficult to obtain the effect, the effect of introducing the present invention becomes more remarkable.

〈7〉上記各実施形態において、ゲート電極6は多結晶シリコンを使用したが、ゲート電極6の材料としては、多結晶シリコンに限定されるものではなく、例えば、アルミニウム、タングステン、または、銅等の元素を含む金属を用いてもよい。ゲート電極6に金属を用いることにより、メモリセルアレイを構成した場合のワード線抵抗の低減が可能となり、ワード線上の信号遅延等の抑制が可能となり、メモリ動作における電気的特性の改善が図れる。   <7> In each of the above embodiments, the gate electrode 6 is made of polycrystalline silicon. However, the material of the gate electrode 6 is not limited to polycrystalline silicon. For example, aluminum, tungsten, copper, etc. You may use the metal containing these elements. By using metal for the gate electrode 6, it is possible to reduce the word line resistance when a memory cell array is configured, to suppress signal delay on the word line, and to improve electrical characteristics in memory operation.

本発明に係る半導体記憶装置及びその製造方法は、不揮発性半導体記憶装置に利用可能であり、より詳細には、ゲート電極のサードウォール部に電荷を保持可能な電荷蓄積部を備えたMOSFET構造の不揮発性メモリセルを備えた不揮発性半導体記憶装置に利用することで、データ保持特性の改善が図れる。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The semiconductor memory device and the manufacturing method thereof according to the present invention can be used for a non-volatile semiconductor memory device. Data retention characteristics can be improved by using the nonvolatile semiconductor memory device including the nonvolatile memory cells.

本発明に係る半導体記憶装置のメモリセルの第1実施形態における概略構成を示す素子断面図Sectional drawing which shows schematic structure in 1st Embodiment of the memory cell of the semiconductor memory device based on this invention 本発明に係る半導体記憶装置のメモリセルの一実施形態におけるメモリセル形成前の平面構造を示す平面図The top view which shows the planar structure before memory cell formation in one Embodiment of the memory cell of the semiconductor memory device based on this invention 本発明に係る半導体記憶装置のメモリセルの第1実施形態における第3絶縁膜中の水分濃度と不対電子数の関係を示す図The figure which shows the relationship between the water concentration in the 3rd insulating film in 1st Embodiment of the memory cell of the semiconductor memory device based on this invention, and the number of unpaired electrons. 本発明に係る半導体記憶装置のメモリセルの第2実施形態における概略構成を示す素子断面図Sectional drawing which shows schematic structure in 2nd Embodiment of the memory cell of the semiconductor memory device based on this invention 本発明に係る半導体記憶装置のメモリセルの第3実施形態における概略構成を示す素子断面図Sectional drawing which shows schematic structure in 3rd Embodiment of the memory cell of the semiconductor memory device based on this invention 本発明に係る半導体記憶装置及び従来の電荷蓄積領域離散型のMONOS型多値メモリの各メモリセルにおける電荷保持特性の一例を示す特性図6 is a characteristic diagram showing an example of charge retention characteristics in each memory cell of a semiconductor memory device according to the present invention and a conventional charge storage region discrete type MONOS type multi-value memory. 本発明に係る半導体記憶装置及び従来の電荷蓄積領域離散型のMONOS型多値メモリの各メモリセルにおける不対電子数と読み出し電流の電流変化の相関関係を示す比較表Comparison table showing the correlation between the number of unpaired electrons and the change in read current in each memory cell of the semiconductor memory device according to the present invention and the conventional charge storage region discrete type MONOS type multi-value memory 特許文献1に開示されている電荷蓄積領域離散型のMONOS型多値メモリのメモリセルの概略構成を示す素子断面図Element sectional view showing a schematic configuration of a memory cell of a charge storage region discrete type MONOS type multi-value memory disclosed in Patent Document 1 特許文献2に開示されている電荷蓄積領域離散型のMONOS型多値メモリのメモリセルの概略構成を示す素子断面図Device sectional view showing a schematic configuration of a memory cell of a MONOS type multi-valued memory of a charge storage region discrete type disclosed in Patent Document 2 図9に示す従来例のメモリセルの上部に、P−SiN膜と層間絶縁膜とコンタクトホールが形成された状態での概略構成を示す素子断面図FIG. 9 is an element cross-sectional view showing a schematic configuration in a state in which a P-SiN film, an interlayer insulating film, and a contact hole are formed above the memory cell of the conventional example shown in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1: 半導体基板
2: 拡散層領域
3: 第1絶縁膜(トンネル酸化膜)
4: 電荷保持膜
5: 第2絶縁膜
6: ゲート電極
7: ゲート絶縁膜
8: 電荷蓄積部
9: シリコン窒化膜
10: コンタクトホール
11: 第3絶縁膜
12: 被酸化物質膜(チタン膜)
13: 層間絶縁膜(BPSG膜)
14: メタル配線
15: 活性領域
16: 素子分離領域
17: チャネル領域
21: 半導体基板
22: 拡散層領域
23: 第1絶縁膜(酸化膜)
24: 電荷保持膜(窒化膜)
25: 第2絶縁膜(酸化膜)
26: ゲート電極
1: Semiconductor substrate 2: Diffusion layer region 3: First insulating film (tunnel oxide film)
4: Charge holding film 5: Second insulating film 6: Gate electrode 7: Gate insulating film 8: Charge storage portion 9: Silicon nitride film 10: Contact hole
11: Third insulating film 12: Oxidized material film (titanium film)
13: Interlayer insulating film (BPSG film)
14: Metal wiring 15: Active region 16: Element isolation region 17: Channel region 21: Semiconductor substrate 22: Diffusion layer region 23: First insulating film (oxide film)
24: Charge retention film (nitride film)
25: Second insulating film (oxide film)
26: Gate electrode

Claims (21)

少なくとも1つの不揮発性メモリセルを備えてなる半導体記憶装置であって、
前記不揮発性メモリセルが、
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、
前記ゲート電極の両側壁部の少なくとも何れか一方側に形成された電荷を蓄積可能な電荷蓄積部と、
前記ゲート電極下に位置するチャネル領域と、
前記チャネル領域の両側の前記半導体基板表面に形成された2つの拡散層領域と、を備え、
前記ゲート電極への電圧印加によって前記2つの拡散層領域の一方から他方へ流れる電流量を前記電荷蓄積部に蓄積された電荷量の多寡により変化可能に構成されており、
前記電荷蓄積部の内部または表面上に、成膜時において少なくとも2×1021個/cmの水分子を含む絶縁膜が形成されていることを特徴とする半導体記憶装置。
A semiconductor memory device comprising at least one nonvolatile memory cell,
The nonvolatile memory cell is
A semiconductor substrate;
A gate insulating film formed on the semiconductor substrate;
A gate electrode formed on the gate insulating film;
A charge accumulating portion capable of accumulating charges formed on at least one of both side walls of the gate electrode;
A channel region located under the gate electrode;
Two diffusion layer regions formed on the surface of the semiconductor substrate on both sides of the channel region,
The amount of current flowing from one of the two diffusion layer regions to the other by voltage application to the gate electrode is configured to be variable depending on the amount of charge accumulated in the charge accumulation unit,
A semiconductor memory device, wherein an insulating film containing at least 2 × 10 21 molecules / cm 3 of water molecules is formed inside or on the surface of the charge storage portion during film formation.
前記不揮発性メモリセルにおいて、
前記電荷蓄積部が、前記半導体基板側より第1絶縁膜、電荷保持膜、及び、第2絶縁膜の順に積層されて形成され、
前記第2絶縁膜が、成膜時において少なくとも2×1021個/cmの水分子を含んでいることを特徴とする請求項1に記載の半導体記憶装置。
In the nonvolatile memory cell,
The charge storage portion is formed by laminating a first insulating film, a charge holding film, and a second insulating film in this order from the semiconductor substrate side,
2. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the second insulating film contains at least 2 × 10 21 molecules / cm 3 of water molecules at the time of film formation.
前記第2絶縁膜がシリコン酸化膜であることを特徴とする請求項2に記載の半導体記憶装置。   The semiconductor memory device according to claim 2, wherein the second insulating film is a silicon oxide film. 前記シリコン酸化膜が、テトラエトキシシラン(TEOS)を原料とし、オゾンと反応する化学気相堆積法で成膜されることを特徴とする請求項3に記載の半導体記憶装置。   4. The semiconductor memory device according to claim 3, wherein the silicon oxide film is formed by a chemical vapor deposition method using tetraethoxysilane (TEOS) as a raw material and reacting with ozone. 前記不揮発性メモリセルが、前記電荷蓄積部を覆う第3絶縁膜を更に備え、
前記電荷蓄積部が、前記半導体基板側より第1絶縁膜、電荷保持膜、及び、第2絶縁膜の順に積層されて形成され、
前記第2絶縁膜と前記第3絶縁膜の内の少なくとも何れか一方が、成膜時において少なくとも2×1021個/cmの水分子を含んでいることを特徴とする請求項1に記載の半導体記憶装置。
The nonvolatile memory cell further includes a third insulating film that covers the charge storage portion,
The charge storage portion is formed by laminating a first insulating film, a charge holding film, and a second insulating film in this order from the semiconductor substrate side,
2. The device according to claim 1, wherein at least one of the second insulating film and the third insulating film contains at least 2 × 10 21 molecules / cm 3 of water molecules at the time of film formation. Semiconductor memory device.
前記第2絶縁膜と前記第3絶縁膜がシリコン酸化膜であることを特徴とする請求項5に記載の半導体記憶装置。   6. The semiconductor memory device according to claim 5, wherein the second insulating film and the third insulating film are silicon oxide films. 前記第2絶縁膜と前記第3絶縁膜の少なくとも何れか一方が、テトラエトキシシラン(TEOS)を原料とし、オゾンと反応する化学気相堆積法で成膜されたシリコン酸化膜であることを特徴とする請求項5または6に記載の半導体記憶装置。   At least one of the second insulating film and the third insulating film is a silicon oxide film formed by a chemical vapor deposition method using tetraethoxysilane (TEOS) as a raw material and reacting with ozone. A semiconductor memory device according to claim 5 or 6. 前記第2絶縁膜に接し、且つ、前記電荷保持膜に接しない位置に、前記第2絶縁膜に含まれる水分と反応して酸化可能な被酸化物質膜が形成されていることを特徴とする請求項2〜4の何れか1項に記載の半導体記憶装置。   An oxidizable material film that can be oxidized by reacting with moisture contained in the second insulating film is formed at a position in contact with the second insulating film and not in contact with the charge retention film. The semiconductor memory device according to claim 2. 前記第2絶縁膜または前記第3絶縁膜に接し、且つ、前記電荷保持膜に接しない位置に、前記第2絶縁膜と前記第3絶縁膜の内の少なくとも何れか一方に含まれる水分と反応して酸化可能な被酸化物質膜が形成されていることを特徴とする請求項5〜7の何れか1項に記載の半導体記憶装置。   Reaction with moisture contained in at least one of the second insulating film and the third insulating film at a position in contact with the second insulating film or the third insulating film and not in contact with the charge retention film 8. The semiconductor memory device according to claim 5, wherein an oxidizable material film that can be oxidized is formed. 前記被酸化物質膜が金属または金属化合物であることを特徴とする請求項8または9に記載の半導体記憶装置。   10. The semiconductor memory device according to claim 8, wherein the oxidizable material film is a metal or a metal compound. 前記被酸化物質膜が、チタン、タンタル、アルミニウム、ニッケル、コバルト、シリコン、クロム、マグネシウム、及び、タングステンの内から選択される少なくとも1種の元素を含んで構成される物質であることを特徴とする請求項8または9に記載の半導体記憶装置。   The oxidizable material film is a material including at least one element selected from titanium, tantalum, aluminum, nickel, cobalt, silicon, chromium, magnesium, and tungsten. The semiconductor memory device according to claim 8 or 9. 前記被酸化物質膜が、チタン、タンタル、及び、アルミニウムの内から選択される少なくとも1種の元素の窒化物または酸化物、或いは、それらの組み合わせで構成される金属化合物であることを特徴とする請求項8または9に記載の半導体記憶装置。   The oxidizable material film is a metal compound composed of a nitride or oxide of at least one element selected from titanium, tantalum, and aluminum, or a combination thereof. 10. The semiconductor memory device according to claim 8 or 9. 前記被酸化物質膜を覆うように、シリコン窒化膜が形成されていることを特徴とする請求項8〜12の何れか1項に記載の半導体記憶装置。   13. The semiconductor memory device according to claim 8, wherein a silicon nitride film is formed so as to cover the oxidizable material film. 前記電荷保持膜がシリコン窒化膜であることを特徴とする請求項2〜13の何れか1項に記載の半導体記憶装置。   The semiconductor memory device according to claim 2, wherein the charge retention film is a silicon nitride film. 前記電荷蓄積部表面またはその近傍に、触媒作用による水素活性化能を有する貴金属膜が形成されていることを特徴とする請求項1〜14の何れか1項に記載の半導体記憶装置。   15. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein a noble metal film having a hydrogen activation ability by catalytic action is formed on or near the surface of the charge storage portion. 前記貴金属膜が、白金、ロジウム、及び、パラジウムの内の何れか、または、これらの組み合わせからなることを特徴とする請求項15に記載の半導体記憶装置。   The semiconductor memory device according to claim 15, wherein the noble metal film is made of any one of platinum, rhodium, and palladium, or a combination thereof. 少なくとも1つの不揮発性メモリセルを備えてなる半導体記憶装置であって、
前記不揮発性メモリセルが、
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、
前記ゲート電極の両側壁部の少なくとも何れか一方側に形成された電荷蓄積部と、
前記ゲート電極下に位置するチャネル領域と、
前記チャネル領域の両側の前記半導体基板表面に形成された2つの拡散層領域と、を備え、
前記ゲート電極への電圧印加によって前記2つの拡散層領域の一方から他方へ流れる電流量を前記電荷蓄積部に保持された電荷量の多寡により変化可能に構成されており、
前記電荷蓄積部表面またはその近傍に触媒作用による水素活性化能を有する貴金属膜が形成されていることを特徴とする半導体記憶装置。
A semiconductor memory device comprising at least one nonvolatile memory cell,
The nonvolatile memory cell is
A semiconductor substrate;
A gate insulating film formed on the semiconductor substrate;
A gate electrode formed on the gate insulating film;
A charge storage portion formed on at least one of both side walls of the gate electrode;
A channel region located under the gate electrode;
Two diffusion layer regions formed on the surface of the semiconductor substrate on both sides of the channel region,
The amount of current flowing from one of the two diffusion layer regions to the other by applying a voltage to the gate electrode can be changed depending on the amount of charge held in the charge storage unit,
A semiconductor memory device, wherein a noble metal film having a hydrogen activating ability by catalytic action is formed on or near the surface of the charge storage portion.
前記貴金属膜が、白金、ロジウム、及び、パラジウムの内の何れか、または、これらの組み合わせからなることを特徴とする請求項17に記載の半導体記憶装置。   18. The semiconductor memory device according to claim 17, wherein the noble metal film is made of any one of platinum, rhodium, and palladium, or a combination thereof. 前記貴金属膜を覆うように、シリコン窒化膜が形成されていることを特徴とする請求項17または18に記載の半導体記憶装置。   19. The semiconductor memory device according to claim 17, wherein a silicon nitride film is formed so as to cover the noble metal film. 請求項8〜13の何れか1項に記載の半導体記憶装置の製造方法であって、
成膜時において少なくとも2×1021個/cmの水分子を含んで形成される前記絶縁膜と前記被酸化物質膜を形成した後の工程において、加熱処理を施し、当該絶縁膜に含まれる水分を離脱させて周囲に拡散させ、前記被酸化物質膜と反応させて水素を発生させることを特徴とする半導体記憶装置の製造方法。
14. A method of manufacturing a semiconductor memory device according to claim 8, wherein
In the step after forming the insulating film and the oxidizable material film including at least 2 × 10 21 molecules / cm 3 of water molecules at the time of film formation, heat treatment is performed and the insulating film is included in the insulating film. A method of manufacturing a semiconductor memory device, characterized in that moisture is released and diffused to the surroundings to react with the oxidized material film to generate hydrogen.
前記加熱処理は、前記被酸化物質膜を形成した後の層間絶縁膜形成時の平坦化処理における加熱処理であることを特徴とする請求項20に記載の半導体記憶装置の製造方法。
21. The method of manufacturing a semiconductor memory device according to claim 20, wherein the heat treatment is a heat treatment in a planarization process at the time of forming an interlayer insulating film after forming the oxidizable material film.
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