JP2007109954A - Semiconductor storage device, manufacturing method thereof and operating method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体記憶装置、その製造方法及びその動作方法に関する。更に詳しくは、本発明は、電荷を蓄積する機能を有する絶縁膜をゲート電極の下に有し、1セルにおいて複数ビットの記憶を従来以上の信頼性で行いうる半導体記憶装置、その製造方法及びその動作方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor memory device, a manufacturing method thereof, and an operation method thereof. More specifically, the present invention relates to a semiconductor memory device having an insulating film having a function of accumulating charges under a gate electrode and capable of storing a plurality of bits in one cell with higher reliability than before, a manufacturing method thereof, and It relates to the operation method.
半導体記憶装置として、種々の装置が報告されており、その中でNROM(窒化物含有の、プログラム可能な読み取り専用メモリ)が特開2001−156189号公報(特許文献1)で報告されている。以下、この公報に記載されたNROMについて図16〜図21を用いて説明する。 Various devices have been reported as semiconductor memory devices. Among them, NROM (Nitride-containing programmable read-only memory) is reported in Japanese Patent Laid-Open No. 2001-156189 (Patent Document 1). The NROM described in this publication will be described below with reference to FIGS.
図16は、従来のNROMの概略断面図である。このNROMは、NMOSFETの形成に準じて形成されている。このNROMは、p型の半導体基板201上に第1の絶縁膜202、電荷蓄積絶縁膜203、第2の絶縁膜204、ゲート電極205を有している。一般にはそれぞれ、半導体基板201としてはシリコン基板、第1の絶縁膜202及び第2の絶縁膜204としてはシリコン酸化膜、電荷蓄積絶縁膜203としてはシリコン窒化膜、ゲート電極205としてはポリシリコン膜が用いられる。
FIG. 16 is a schematic sectional view of a conventional NROM. This NROM is formed according to the formation of the NMOSFET. This NROM has a first
これらは周知の方法で形成できる。すなわち、第1の絶縁膜202は半導体基板201表面の熱酸化によって、また、電荷蓄積絶縁膜203、第2の絶縁膜204及びゲート電極205は化学気相成長法(CVD法)によって形成した材料膜を、リソグラフィ及びドライエッチングによって加工することで形成できる。
These can be formed by a known method. That is, the first
ゲート電極205の両側には、その一部をゲート電極205とオーバーラップする形で、イオン注入及び活性化アニールによって形成された、n型拡散領域206と207を有する。
On both sides of the
拡散領域206と207間に電位差を設けた状態で、ゲート電極205へ正電圧を印加することにより、ゲート電極205下のチャネル領域208を介して拡散領域206と207間に電流が流れる。
By applying a positive voltage to the
なお、しばしば、拡散領域206及び207と、チャネル領域208との境界部に、ウェルよりもp型不純物濃度の濃いハロー領域(ポケット注入領域)209と210が設けられる。このハロー領域209と210は、一般に微細MOSFETにおいて短チャネル効果を抑制し、オフリークを抑える働きがある。加えて、特にNROMでは後述のように、多数回書込み消去を行った場合にも装置特性の低下を防ぐ効果があると、上記公報で説明されている。
Often, halo regions (pocket implantation regions) 209 and 210 having a p-type impurity concentration higher than that of the well are provided at the boundary between the
NROMの書込み及び読出し動作を図17〜19を用いて説明する。
図17は、書込みメカニズムの概略説明図である。書込みの際には、拡散領域207とゲート電極205に、正の高いプログラミング電圧を印加する。この時、通常のMOSFET動作と同様に、チャネル領域208に反転層211が形成され、拡散領域206をソース、拡散領域207をドレインとして、ソースからドレインへ電子が流れる。この場合、反転層211が拡散領域207近傍でピンチオフするため、拡散領域207近傍で電子が高電界によって加速され、ホットエレクトロンが発生する。このホットエレクトロンの一部は、高い正電圧が印加されたゲート電極205に引っ張られて紙面上方向へ走り、電荷蓄積絶縁膜203へトラップされる。この膜は絶縁膜であるため、トラップされた電子(電荷)212は膜中をほとんど移動せず、拡散領域207端近傍上に局在することになる。
NROM writing and reading operations will be described with reference to FIGS.
FIG. 17 is a schematic explanatory diagram of the writing mechanism. At the time of writing, a positive high programming voltage is applied to the
図18は、読出しメカニズムの概略説明図である。書込みの際には上述のように拡散領域207へ正電圧を印加したが、読出しの際には、逆に拡散領域206へ正の読出し電圧を印加し、拡散領域207及び半導体基板201の電位はグラウンドとする。ここでゲート電極205へ正電圧を印加すると、今度は拡散領域206をドレイン、拡散領域207をソースとして、ソースからドレインへ電子が流れる。この場合、図18のように拡散領域207(ソース)端近傍の電荷蓄積絶縁膜203にトラップされた電子212が存在する場合、そのポテンシャルの影響により、電子212が存在しない場合に比較して電流213が小さなものになる。つまり、電子212の有無、ないし多寡を、MOSFETのドレイン電流の大小で検出できる、ということになる。ここで、213は読出し電流を意味する。
FIG. 18 is a schematic explanatory diagram of the read mechanism. When writing, a positive voltage is applied to the
一方、図19は、拡散領域206をソース、拡散領域207をドレインとして、同じ電荷蓄積状態を読出した場合を表す。反転層がピンチオフした状態、いわゆる飽和領域においては、電子212の直下には反転層が形成されないため、読出し電流214は、電子212のポテンシャルの影響を受けにくい。つまり、拡散領域207端付近に電子212を生じさせる書込み方法(図17)による情報は、拡散領域207をソースとする図18の方法によれば検出される。しかし、拡散領域206をソースとする図19の方法によればほとんど検出されない。
On the other hand, FIG. 19 shows a case where the same charge accumulation state is read using the
更に、図17の書込み方法に準拠し、拡散領域207の代わりに拡散領域206へプログラミング電圧を印加すれば、今度は拡散領域206端近傍の電荷蓄積絶縁膜203へ電子を蓄積することができ、この場合は、拡散領域206をソースとしたときに検出可能となる。
このような方法によって、NROMは、1トランジスタで2ビットの情報を記憶することが可能である。
Further, in accordance with the writing method of FIG. 17, if a programming voltage is applied to the
By such a method, the NROM can store 2-bit information with one transistor.
図20及び21に消去メカニズムの概略を示す。図20はNROMの概略断面図、図21は図20のバンド模式図である。
拡散領域207端部上の消去の際には、ゲート電極205へ負の高い消去電圧、拡散領域207へ正の高い消去電圧を印加し、半導体基板201は例えばグラウンド電位とする。特に、拡散領域207と半導体基板201の間の接合部にp型ハロー領域210が存在する場合、拡散領域207とハロー領域210のPN接合は急峻なプロファイルになっており、更に高い逆方向バイアスが印加される。そのため、図21のバンド図に示すように、ハロー領域210の荷電子帯から拡散領域207の伝導帯へ、一部の電子がバンド間トンネルによって流れ込む。このトンネル電子215は電界によって加速され、基板のシリコン原子と衝突し、ホットホール216とホットエレクトロン217のペアを生成する。このうちホットホール216の一部は、負バイアスが印加されたゲート電極205へ引っ張られ、電荷蓄積絶縁膜203へ入るため、すでに蓄積されていた電子と再結合し、蓄積していた電子を消滅させる。これによって、拡散領域207端部付近の紙面右側の電子のみを消去することができる。同様の方法で、拡散領域206端部付近の紙面左側の電子のみの消去も可能である。
20 and 21 show an outline of the erasing mechanism. 20 is a schematic sectional view of the NROM, and FIG. 21 is a schematic band diagram of FIG.
At the time of erasing on the end portion of the
なお、上述のハロー領域209と210を備えることにより、書込み消去時の高度な電界を拡散領域近傍のみに発生させることができる。この時、電荷蓄積絶縁膜203における、書込み時に電子が注入される領域と、消去時にホールが注入される領域とを整合させることができ、消去動作で消去し切れない電子がチャネル領域上の電荷蓄積絶縁膜203内に残ることがない。そのため、繰り返し書込み消去を行った場合に、未消去電子の蓄積による装置特性低下を防止できるという効果があることが、上記公報に記載されている。
前記従来のNROMには、微細化が困難という問題点がある。
すなわち、ゲート長の小さい微細装置では、上述のように2ビットメモリとして使用した場合、各ビットの蓄積電荷の位置が互いに過度に接近してしまう。この接近が、メモリ機能の信頼性等に悪影響を及ぼすことになる。例えば、一方のビットのみに書込みを行った場合、蓄積電荷位置が互いに十分離れていれば、消去状態であるもう一方のビットの読出し時には、上述したように、この書込み側ビットの蓄積電荷の影響をほとんど受けない。そのため、「消去状態」と「書込み状態」の差を明確に得ることができる。
The conventional NROM has a problem that miniaturization is difficult.
That is, in a fine device having a small gate length, when used as a 2-bit memory as described above, the positions of the accumulated charges of each bit are excessively close to each other. This approach adversely affects the reliability of the memory function. For example, when writing is performed only on one bit, if the accumulated charge positions are sufficiently separated from each other, when reading the other bit in the erased state, as described above, the influence of the accumulated charge on the write side bit Hardly receive. Therefore, the difference between the “erased state” and the “written state” can be clearly obtained.
しかし、微細化により、互いの電荷蓄積位置が接近してくると、読出しの際に逆ビットの情報の影響を受けやすくなる。その結果、読出し側ビットの情報だけでなく、逆ビットが「書込み状態」か「消去状態」かによっても読出し側ビットの読出し電流に差が生じてしまう。この差が生じる分、「書込み状態」と「消去状態」の読出しマージンが小さくなってしまい、メモリの信頼性を低下させる。 However, when the charge storage positions approach each other due to miniaturization, the read bit is easily affected by the information of the reverse bit. As a result, a difference occurs in the read current of the read side bit not only depending on the information on the read side bit but also whether the reverse bit is “written state” or “erased state”. Due to this difference, the read margin between the “written state” and the “erased state” becomes small, and the reliability of the memory is lowered.
また、長期保持の観点からも、両ビットの電荷蓄積位置が過度に近いことは好ましくない。電荷は絶縁膜中にトラップされているため、短期的に見れば、電荷はほとんど移動せず局在化している。しかし有限温度のもとでは、蓄積電荷の一部が電荷蓄積絶縁膜内でわずかずつ移動し、長期的にはやがて両ビットの情報が次第に混ざり合ってしまう恐れがあり、長期保持の信頼性を低下させる原因となる。 Also, from the viewpoint of long-term retention, it is not preferable that the charge storage positions of both bits are too close. Since the electric charges are trapped in the insulating film, the electric charges hardly move and are localized in the short term. However, at a finite temperature, part of the stored charge moves little by little in the charge storage insulating film, and there is a risk that both bits of information will gradually mix in the long term. It causes a decrease.
特に、昨今の情報化社会においては多くの情報量を扱うことから、半導体記憶装置に対しては、単位面積あたりの記憶容量を増やすことが望まれている。そのため、蓄積電荷の有無の2段階だけではなく、段階的に多寡をもたせてそれぞれを情報記憶に利用する、多数ビット化への要望がある。しかし、上記のような信頼性の問題は、多数ビット化への障害となりうる。 In particular, since a large amount of information is handled in the modern information society, it is desired to increase the storage capacity per unit area for a semiconductor memory device. For this reason, there is a demand not only for two stages of presence / absence of accumulated charges, but also for multi-biting, which is used for information storage in a step-by-step manner. However, the reliability problem as described above can be an obstacle to the number of bits.
更には、微細化に伴うオフリーク増大の問題もある。ゲート電極下部の電荷蓄積機能を有する絶縁膜は、ゲート絶縁膜としての役割を兼ね、かつ第1の絶縁膜・電荷蓄積絶縁膜・第2の絶縁膜からなる層構造を持っている。第1の絶縁膜、第2の絶縁膜は、電荷蓄積絶縁膜から外部へ蓄積電荷が流出することを防いでいる。電荷を長期保持するためには、第1、第2の絶縁膜の膜厚は、トンネル現象による電荷流出を極力抑えられるだけの厚さが必要である。これがゲート絶縁膜の薄膜化を阻害している。そのため、微細装置では、オフリークの増大の原因となる。 Furthermore, there is a problem of an increase in off-leakage accompanying miniaturization. The insulating film having a charge storage function under the gate electrode also serves as a gate insulating film and has a layer structure including a first insulating film, a charge storage insulating film, and a second insulating film. The first insulating film and the second insulating film prevent the stored charge from flowing out from the charge storage insulating film. In order to hold the charge for a long period of time, the first and second insulating films need to be thick enough to prevent the charge outflow due to the tunnel phenomenon as much as possible. This hinders the thinning of the gate insulating film. Therefore, in a fine device, it causes an increase in off-leakage.
かくして本発明によれば、半導体層上に形成された電荷を局在的に蓄積する機能を有する電荷保持膜と、
前記電荷を局在的に蓄積する機能を有する電荷保持膜の一部の上に形成されたゲート電極と、
前記ゲート電極の両側の前記上記半導体層に形成された拡散領域とを備え、
前記拡散領域の前記ゲート電極側の端部が、前記ゲート電極直下よりも外側に位置し、
前記電荷を局在的に蓄積する機能を有する電荷保持膜が、少なくとも前記拡散領域の前記ゲート電極側の端部上にまで延在していることを特徴とする半導体記憶装置が提供される。
Thus, according to the present invention, a charge retention film having a function of locally accumulating charges formed on the semiconductor layer,
A gate electrode formed on a part of the charge retention film having a function of locally accumulating the charge;
A diffusion region formed in the semiconductor layer on both sides of the gate electrode,
The end of the diffusion region on the gate electrode side is located outside the area directly below the gate electrode,
A semiconductor memory device is provided in which the charge retention film having a function of locally accumulating charges extends to at least the end of the diffusion region on the gate electrode side.
また、本発明によれば、上記半導体記憶装置の製造方法であって、
前記電荷を局在的に蓄積する機能を有する電荷保持膜を形成する工程と、前記電荷保持膜上に導電体膜を堆積する工程と、リソグラフィ及びエッチングによって前記導電体膜を加工することでゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極の側面に絶縁体からなるサイドウォールスペーサを形成する工程と、
不純物注入及びアニールを行って前記拡散領域を形成する工程と
を有することを特徴とする半導体記憶装置の製造方法が提供される。
According to the present invention, there is also provided a method for manufacturing the above semiconductor memory device,
Forming a charge holding film having a function of locally accumulating the charge; depositing a conductor film on the charge holding film; and processing the conductor film by lithography and etching to form a gate Forming an electrode;
Forming a sidewall spacer made of an insulator on a side surface of the gate electrode;
And a step of forming the diffusion region by implanting impurities and annealing. A method of manufacturing a semiconductor memory device is provided.
更に、本発明によれば、上記半導体記憶装置の動作方法であって、
前記半導体層の電位に対して、前記ゲート電極の電位と前記拡散領域の電位とが互いに逆のバイアスとなるように電圧印加を行うことで、前記電荷を局在的に蓄積する機能を有する電荷保持膜中の電荷の一部のみを消去することを特徴とする半導体記憶装置の動作方法が提供される。
Furthermore, according to the present invention, there is provided a method for operating the semiconductor memory device,
A charge having a function of locally accumulating the charge by applying a voltage so that the potential of the gate electrode and the potential of the diffusion region are opposite to each other with respect to the potential of the semiconductor layer. There is provided a method for operating a semiconductor memory device, wherein only a part of electric charges in a holding film is erased.
本発明の半導体記憶装置は、拡散領域のゲート電極側の端部がゲート電極直下よりも外側にある、いわゆるオフセット構造を有しており、かつ電荷を局在的に蓄積する機能を有する電荷保持膜がゲート電極下より外の拡散領域のゲート電極側の端部上にまで広がっている。この装置を2ビットメモリセルとして使用した際、左右のビットの電荷蓄積部位を互いに離すことができる。その結果、微細装置においても、両ビットの情報を各々明確に取り出すことができ、書込み状態と消去状態の読出しマージンが大きくなって、メモリとしての信頼性を高めることができる。また、拡散領域同士の距離がゲート長よりも大きくなっているオフセット構造のため、従来の半導体記憶装置よりも短チャネル効果が抑えられ、オフリークをより低くできる。よって、消費電力の低い半導体記憶装置が提供できる。 The semiconductor memory device of the present invention has a so-called offset structure in which the end of the diffusion region on the gate electrode side is outside the area directly below the gate electrode, and has a function of storing charges locally. The film extends to the gate electrode side end of the diffusion region outside the gate electrode. When this device is used as a 2-bit memory cell, the charge storage portions of the left and right bits can be separated from each other. As a result, even in a fine device, both bits of information can be clearly extracted, the read margin in the written state and the erased state is increased, and the reliability of the memory can be improved. Further, the offset structure in which the distance between the diffusion regions is larger than the gate length, the short channel effect can be suppressed as compared with the conventional semiconductor memory device, and the off-leakage can be further reduced. Therefore, a semiconductor memory device with low power consumption can be provided.
また更に、電荷保持膜中において電荷が蓄積される部位は、ゲート電極端付近から、ゲート電極外側のオフセット部分にかけてである。ゲート電極端部とオフセット部分との、両方に蓄積電荷がある場合(書込み状態)・片方のみに電荷がある場合(中間状態)・両方とも電荷がない場合(消去状態)、の3つの状態を情報記憶に利用することで、1セル当りに記憶できる情報量を増加させることができ、1セルあたり2ビット以上の記憶容量をもつ装置の実現も可能となる。 Furthermore, the portion of the charge holding film where charge is accumulated is from the vicinity of the gate electrode end to the offset portion outside the gate electrode. There are three states: accumulated charge at both the gate electrode end and the offset portion (written state), charged only on one side (intermediate state), and no charge on both (erased state). By using it for information storage, the amount of information that can be stored per cell can be increased, and a device having a storage capacity of 2 bits or more per cell can be realized.
また、電荷を局在的に蓄積する機能を有する電荷保持膜が、少なくともその一部において、半導体層側より順に、第1の絶縁膜、電荷蓄積機能を有する絶縁体、及び第2の絶縁膜、からなる構造を有する場合、以下の効果を奏する。 In addition, at least part of the charge retention film having a function of accumulating charges locally, in order from the semiconductor layer side, a first insulating film, an insulator having a charge accumulating function, and a second insulating film In the case of having a structure consisting of, the following effects are obtained.
すなわち、電荷蓄積機能を有する絶縁体に蓄積された電荷は、第1の絶縁膜、第2の絶縁膜によって、ゲート電極や半導体層等への流出が防がれる。その結果、特に長期保持時の信頼性を高めることができる。 That is, the charge accumulated in the insulator having a charge accumulation function is prevented from flowing out to the gate electrode, the semiconductor layer, or the like by the first insulating film and the second insulating film. As a result, it is possible to improve the reliability particularly during long-term holding.
また、第1の絶縁膜の膜厚が、ゲート電極の下と、ゲート電極の外側の部位とで、互いに異なる場合、次の効果を奏する。電荷消去速度は、第1の絶縁膜の膜厚に強く依存する。そのため、ゲート電極端部の電荷蓄積機能を有する絶縁体からの電荷消去と、オフセット部分の電荷蓄積機能を有する絶縁体からの電荷消去の速度とを、大きく変えることができる。その結果、ゲート電極端部とオフセット部のうちの一方の部位のみに蓄積電荷が存在する中間状態を、制御よく、比較的容易に形成することができる。制御性が高まることは、装置の信頼性向上や、装置動作の高速化につながるメリットとなる。 In addition, when the thickness of the first insulating film is different between the portion below the gate electrode and the portion outside the gate electrode, the following effects are obtained. The charge erasing speed strongly depends on the thickness of the first insulating film. Therefore, the charge erasure from the insulator having the charge storage function at the end of the gate electrode and the charge erasure speed from the insulator having the charge storage function in the offset portion can be greatly changed. As a result, an intermediate state in which accumulated charges exist only in one of the gate electrode end portion and the offset portion can be formed with good control and relatively easily. Increased controllability is a merit that leads to improved device reliability and faster device operation.
また、第1の絶縁膜の膜厚が、ゲート電極の下部よりも、ゲート電極の外側の部位の方が薄い場合、次の効果を奏する。すなわち、ゲート電極端部付近の電荷の消去よりも、オフセット部分の電荷の消去を、より効果的に速くすることができ、中間状態の形成を、より制御よく実現できる。 Further, when the thickness of the first insulating film is thinner in the portion outside the gate electrode than in the lower portion of the gate electrode, the following effects are obtained. That is, the charge in the offset portion can be erased more effectively and more efficiently than in the vicinity of the gate electrode end, and the formation of the intermediate state can be realized with better control.
また、第1の絶縁膜のバンドギャップが、ゲート電極の下と、ゲート電極の外側の部位とで、互いに異なる場合、次の効果を奏する。すなわち、ゲート電極端部からの電荷消去と、オフセット部分の電荷消去の速度を変えることができる。その結果、ゲート電極端部とオフセット部分のうちの一方のみに蓄積電荷が存在する上記中間状態を、制御よく、比較的容易に形成することができる。制御性が高まることは、装置の信頼性向上や、装置動作の高速化につながるメリットとなる。 Further, when the band gap of the first insulating film is different between the portion below the gate electrode and the portion outside the gate electrode, the following effects are obtained. That is, it is possible to change the charge erasing speed from the end portion of the gate electrode and the charge erasing speed at the offset portion. As a result, the intermediate state in which the accumulated charge exists only in one of the gate electrode end portion and the offset portion can be formed with good control and relatively easily. Increased controllability is a merit that leads to improved device reliability and faster device operation.
また、第1の絶縁膜のバンドギャップが、ゲート電極の下部よりも、ゲート電極の外側の部位の方が小さい場合、次の効果を奏する。すなわち、ゲート電極端部付近の電荷の消去よりも、オフセット部分の電荷の消去を、より効果的に速くすることができ、中間状態の形成を、より制御よく実現できる。 Further, when the band gap of the first insulating film is smaller in the portion outside the gate electrode than in the lower portion of the gate electrode, the following effects are obtained. That is, the charge in the offset portion can be erased more effectively and more efficiently than in the vicinity of the gate electrode end, and the formation of the intermediate state can be realized with better control.
また、本発明の半導体記憶装置の製造方法によれば、本発明の半導体記憶装置を、通常の半導体プロセス装置を用い、複雑なプロセスを経ることなく、比較的低コストで製造することができる利点がある。 Further, according to the method for manufacturing a semiconductor memory device of the present invention, the semiconductor memory device of the present invention can be manufactured at a relatively low cost without using a normal semiconductor process device and without a complicated process. There is.
また、サイドウォールスペーサを、ゲート電極の表面を熱酸化することによって形成できる。そのため、簡便かつ安価にサイドウォールスペーサを形成することができる。 Further, the sidewall spacer can be formed by thermally oxidizing the surface of the gate electrode. Therefore, the sidewall spacer can be formed easily and inexpensively.
また、ゲート電極の側面にサイドウォールスペーサを、表面へ絶縁膜を堆積する工程と、異方性エッチング法を用いて絶縁膜をエッチバックする工程により形成できる。この形成方法は、熱酸化によらない比較的低温のプロセスである。そのため、サイドウォールスペーサ形成前に半導体層にハロー領域形成のための不純物注入等を行っても、サイドウォールスペーサ形成工程が不純物プロファイルへ与える影響が小さくてすむ。よって、プロファイル設計の制御性を高めることができる。これによって、所望の装置特性を実現するための設計の自由度が増す他、装置特性のバラツキを抑えて歩留まりを高める効果がある。 Further, a sidewall spacer can be formed on the side surface of the gate electrode by a step of depositing an insulating film on the surface and a step of etching back the insulating film using an anisotropic etching method. This forming method is a relatively low-temperature process that does not depend on thermal oxidation. Therefore, even if the impurity implantation for forming the halo region is performed on the semiconductor layer before forming the sidewall spacer, the influence of the sidewall spacer forming process on the impurity profile can be reduced. Therefore, controllability of profile design can be improved. As a result, the degree of freedom in design for realizing desired device characteristics is increased, and there is an effect of increasing the yield by suppressing variations in the device characteristics.
また、製造方法が、ゲート電極下部以外の部分の電荷を局在的に蓄積する機能を有する電荷保持膜形成用の材料膜を除去することで第1の電荷を局在的に蓄積する機能を有する電荷保持膜を形成する工程と、表面へ第2の電荷を局在的に蓄積する機能を有する電荷保持膜形成用の材料膜を形成する工程と、異方性エッチング法を用いて、第2の材料膜をエッチバックすることで第2の電荷を局在的に蓄積する機能を有する電荷保持膜を形成する工程とを有することで以下の効果を奏する。 Further, the manufacturing method has a function of locally accumulating the first charge by removing the material film for forming the charge holding film having a function of locally accumulating the charge other than the portion below the gate electrode. A step of forming a charge retention film having a function, a step of forming a material film for forming a charge retention film having a function of locally accumulating the second charge on the surface, and an anisotropic etching method. The following effects are achieved by including a step of forming a charge retention film having a function of locally accumulating the second charge by etching back the second material film.
すなわち、電荷を局在的に蓄積する機能を有する電荷保持膜の膜厚がゲート電極の下とゲート電極の外側の部位とで互いに異なる半導体記憶装置を、特殊なプロセスを用いることなく、既存の製造装置(ライン装置)を用いて製造することができる。 In other words, a semiconductor memory device in which the thickness of the charge retention film having a function of locally accumulating charges is different between a portion below the gate electrode and a portion outside the gate electrode can be obtained without using a special process. It can manufacture using a manufacturing apparatus (line apparatus).
また、ゲート電極及び/又は拡散領域の上面の少なくとも一部に、高融点金属と半導体との化合物膜を有する。化合物膜は低抵抗であるため、シート抵抗を低下でき、より消費電力の低い半導体記憶装置を実現できる。 In addition, a compound film of a refractory metal and a semiconductor is provided on at least a part of the upper surface of the gate electrode and / or the diffusion region. Since the compound film has low resistance, the sheet resistance can be reduced, and a semiconductor memory device with lower power consumption can be realized.
また、化合物膜を、拡散領域の形成後、高融点金属を堆積する工程と、熱処理によって、少なくとも拡散領域表面の半導体と高融点金属を反応させる工程と、未反応の高融点金属を除去する工程とを経て形成できる。そのため化合物膜を、自己整合的に簡便に形成することができて、しかも化合物膜間の電気的短絡を防止できる。 In addition, a step of depositing a refractory metal after forming a diffusion region, a step of reacting at least a semiconductor on the surface of the diffusion region with a refractory metal by heat treatment, and a step of removing unreacted refractory metal And can be formed. Therefore, the compound film can be easily formed in a self-aligning manner, and an electrical short circuit between the compound films can be prevented.
また、本発明の半導体記憶装置の動作方法では、半導体層の電位に対して、ゲート電極の電位と拡散領域の電位とが互いに逆のバイアスとなるように電圧印加を行うことで、電荷を局在的に蓄積する機能を有する電荷保持膜中の電荷の一部のみを消去することができる。よって、書込み状態と消去状態の中間的状態を安定して制御よく得ることができる。そのため、動作の信頼性と、動作の速度を向上できる。 Further, in the operation method of the semiconductor memory device of the present invention, the charge is localized by applying a voltage so that the potential of the gate electrode and the potential of the diffusion region are opposite to each other with respect to the potential of the semiconductor layer. Only a part of the charges in the charge holding film having a function of accumulating in nature can be erased. Therefore, an intermediate state between the written state and the erased state can be stably obtained with good control. Therefore, the reliability of operation and the speed of operation can be improved.
本発明の半導体記憶装置は、半導体層、絶縁膜、ゲート電極及び拡散領域を有している。
半導体層は、半導体装置に使用されるものであれば特に限定されない。半導体層には、基板上に形成された半導体層のみならず、半導体基板も含まれる。例えば、シリコン、ゲルマニウム等の元素半導体、シリコンゲルマニウム、GaAs、InGaAs、ZnSe、GaN等の化合物半導体によるバルク基板;SOI基板、SOS基板又は多層SOI基板;ガラスやプラスチック基板上に形成された半導体層(上記元素半導体や化合物半導体からなる層)が挙げられる。なかでもシリコン基板又は表面にシリコン層が形成されたSOI基板等が好ましい。半導体層は、単結晶、多結晶又はアモルファスのいずれであってもよい。
The semiconductor memory device of the present invention has a semiconductor layer, an insulating film, a gate electrode, and a diffusion region.
The semiconductor layer is not particularly limited as long as it is used in a semiconductor device. The semiconductor layer includes not only a semiconductor layer formed on the substrate but also a semiconductor substrate. For example, a bulk substrate made of an elemental semiconductor such as silicon or germanium, a compound semiconductor such as silicon germanium, GaAs, InGaAs, ZnSe, or GaN; an SOI substrate, an SOS substrate, or a multilayer SOI substrate; a semiconductor layer formed on a glass or plastic substrate ( A layer made of the above element semiconductor or compound semiconductor). Among these, a silicon substrate or an SOI substrate having a silicon layer formed on the surface is preferable. The semiconductor layer may be single crystal, polycrystalline, or amorphous.
半導体層上に形成されている電荷保持膜は、電荷を局在的に蓄積する機能を有していさえすれば、特に限定されず、半導体装置に使用される絶縁膜をいずれも使用できる。例えば、半導体層側から第1の絶縁膜、電荷蓄積絶縁体膜及び第2の絶縁膜の順で積層された絶縁膜、電荷蓄積可能な微細ドットを複数含有した絶縁膜等が挙げられる。なお、本明細書において、電荷とは、電子又は正孔を意味する。また、局在的にとは、電荷保持膜に注入された電荷が、その注入された位置に保持され、他の部分へ移動しないで存在することを意味する。 The charge holding film formed on the semiconductor layer is not particularly limited as long as it has a function of locally accumulating charges, and any insulating film used in a semiconductor device can be used. For example, an insulating film in which a first insulating film, a charge storage insulator film, and a second insulating film are stacked in this order from the semiconductor layer side, an insulating film containing a plurality of fine dots capable of storing charge, and the like can be given. In addition, in this specification, an electric charge means an electron or a hole. Further, “locally” means that the charges injected into the charge holding film are held at the injected position and do not move to other portions.
上記例示中、前者の絶縁膜の第1絶縁膜及び第2絶縁膜としては、シリコン酸化膜、シリコン酸窒化膜、高誘電材料膜(例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ハフニウム−酸化シリコン混合物、酸化ジルコニウム、酸化ジルコニウム−酸化シリコン混合物、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化ランタン−酸化シリコン混合物、酸化プラセオジウム、酸化セリウム)等が挙げられる。電荷蓄積絶縁体膜としては、シリコン窒化膜、酸化チタニウム膜、酸化タンタル膜、酸化ハフニウム膜等が挙げられる。第1絶縁膜及び第2絶縁膜は、同一種の膜からなっていても、異なる種類の膜からなっていてもよいが、特に第1絶縁膜としては膜中のトラップ準位密度が低い材質の膜を用いるのが好ましい。トラップ準位密度が低い材質の膜としては、シリコン酸化膜、酸化アルミニウム膜等が挙げられる。構造の一例としては、第1の絶縁膜・電荷蓄積絶縁体膜・第2の絶縁膜すべてに酸化アルミニウム膜を用い、そのうち電荷蓄積絶縁体膜のみをトラップ準位密度の高いアルミニウムリッチな組成とした構造をとることも可能であるが、この場合は、同一のプロセス装置で上記3つの層すべてを形成できるメリットがある。 In the above examples, as the first insulating film and the second insulating film of the former insulating film, a silicon oxide film, a silicon oxynitride film, a high dielectric material film (for example, aluminum oxide, hafnium oxide, hafnium oxide-silicon oxide mixture, Zirconium oxide, zirconium oxide-silicon oxide mixture, yttrium oxide, lanthanum oxide, lanthanum oxide-silicon oxide mixture, praseodymium oxide, cerium oxide) and the like. Examples of the charge storage insulator film include a silicon nitride film, a titanium oxide film, a tantalum oxide film, and a hafnium oxide film. The first insulating film and the second insulating film may be made of the same kind of film or different kinds of films, and in particular, the first insulating film is a material having a low trap level density in the film. It is preferable to use this film. Examples of the film made of a material having a low trap level density include a silicon oxide film and an aluminum oxide film. As an example of the structure, an aluminum oxide film is used for all of the first insulating film, the charge storage insulator film, and the second insulating film, and only the charge storage insulator film has an aluminum-rich composition with a high trap state density. In this case, there is an advantage that all the three layers can be formed by the same process apparatus.
後者の微細ドットとしては、窒化シリコン等の窒化物;酸化アルミニウム、酸化チタニウム、酸化タンタル、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、酸化亜鉛等の酸化物;シリコン;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;強誘電体;金属等のドットが挙げられる。ドットの形状及び大きさは、所望する電荷の蓄積量に応じて適宜設定できる。ドットを含有する絶縁膜としては、シリコン酸化膜、シリコン酸窒化膜、高誘電材料膜等が挙げられる。 The latter fine dots include nitrides such as silicon nitride; oxides such as aluminum oxide, titanium oxide, tantalum oxide, hafnium oxide, zirconium oxide and zinc oxide; silicon; silicate glass containing impurities such as phosphorus and boron; silicon Carbide; Ferroelectric; Dot of metal or the like. The shape and size of the dots can be appropriately set according to the desired amount of accumulated charge. Examples of the insulating film containing dots include a silicon oxide film, a silicon oxynitride film, and a high dielectric material film.
電荷を局在的に蓄積する機能を有する電荷保持膜は、第1の絶縁膜、電荷蓄積絶縁体膜及び第2の絶縁膜の順で積層された絶縁膜が、製造が容易であるという観点から好ましい。 The charge retention film having a function of locally accumulating charges is an easy-to-manufacture manufacturing of an insulating film in which a first insulating film, a charge storage insulating film, and a second insulating film are stacked in this order. To preferred.
電荷を局在的に蓄積する機能を有する電荷保持膜の一部の上にはゲート電極が形成されている。ゲート電極は、通常、半導体装置に使用されるものであれば特に限定されない。例えば、ポリシリコン:銅、アルミニウム等の金属:タングステン、チタン、タンタル等の高融点金属:高融点金属とのシリサイド等の単層膜又は積層膜等が挙げられる。なお、ゲート電極下の半導体層にはチャネル領域が位置している。 A gate electrode is formed on a part of the charge holding film having a function of accumulating charges locally. The gate electrode is not particularly limited as long as it is usually used in a semiconductor device. For example, polysilicon: metal such as copper and aluminum: refractory metal such as tungsten, titanium and tantalum: single layer film or laminated film such as silicide with refractory metal. Note that a channel region is located in the semiconductor layer under the gate electrode.
ゲート電極の両側の上記半導体層には拡散領域が形成されている。この拡散領域は、半導体層において、チャネル領域の両側に位置し、ソース/ドレイン領域として機能する。拡散領域の導電型及び不純物濃度は、半導体記憶装置の性能に応じて適宜設定できる。拡散領域の表面層には高融点金属のシリサイド層を備えていてもよい。 Diffusion regions are formed in the semiconductor layer on both sides of the gate electrode. This diffusion region is located on both sides of the channel region in the semiconductor layer and functions as a source / drain region. The conductivity type and impurity concentration of the diffusion region can be set as appropriate according to the performance of the semiconductor memory device. A surface layer of the diffusion region may be provided with a refractory metal silicide layer.
拡散領域は、半導体層に形成されたウェル領域内に位置していてもよい。ウェル領域は、拡散領域と異なる導電型を有していることが好ましい。この場合、拡散領域の導電型を第1導電型、ウェル領域の導電型を第2導電型とする。 The diffusion region may be located in a well region formed in the semiconductor layer. The well region preferably has a conductivity type different from that of the diffusion region. In this case, the conductivity type of the diffusion region is the first conductivity type, and the conductivity type of the well region is the second conductivity type.
更に、本発明の半導体記憶装置は、拡散領域のゲート電極側の端部が、チャネル長方向において、ゲート電極直下よりも外側に位置している。この構造をオフセット構造と称し、ゲート電極と拡散領域間で、ゲート電極と拡散領域が存在しない箇所の半導体層をオフセット部分と称する。オフセット部分のゲート長(チャネル長)方向における長さは、半導体記憶装置の性能に応じて適宜設定できる。 Furthermore, in the semiconductor memory device of the present invention, the end of the diffusion region on the gate electrode side is located outside the region directly below the gate electrode in the channel length direction. This structure is referred to as an offset structure, and a semiconductor layer where the gate electrode and the diffusion region do not exist between the gate electrode and the diffusion region is referred to as an offset portion. The length of the offset portion in the gate length (channel length) direction can be appropriately set according to the performance of the semiconductor memory device.
オフセット部分は、ゲート電極の少なくとも一方の端部側に位置している。オフセット部分は、ゲート電極の両側に位置することが好ましい。両側にオフセット部分を有する場合、オフセット部分のゲート長方向の長さは、同一でも異なっていてもよく、同一が好ましい。
オフセット部分が両側にある場合、拡散領域間の幅は、ゲート長の1.05倍〜1.5倍であることが好ましい。
The offset portion is located on at least one end side of the gate electrode. The offset portions are preferably located on both sides of the gate electrode. When offset portions are provided on both sides, the lengths of the offset portions in the gate length direction may be the same or different, and are preferably the same.
When the offset portion is on both sides, the width between the diffusion regions is preferably 1.05 to 1.5 times the gate length.
また、本発明では、電荷を局在的に蓄積する機能を有する電荷保持膜が、少なくとも拡散領域の前記ゲート電極側の端部上にまで延在している。電荷を局在的に蓄積する機能を有する電荷保持膜が、ゲート電極下から拡散領域のゲート電極側の端部上にまで延在していることで、拡散領域から絶縁膜への電荷の注入及び放出を容易に行うことができる。 In the present invention, the charge retention film having a function of locally accumulating charges extends at least over the end of the diffusion region on the gate electrode side. A charge holding film having a function of locally accumulating charges extends from below the gate electrode to the end of the diffusion area on the gate electrode side, thereby injecting charge from the diffusion area into the insulating film. And can be easily released.
拡散領域のゲート電極側の端部は、電荷を局在的に蓄積する機能を有する電荷保持膜とオーバーラップしていることが好ましい。このオーバーラップ幅に特に上限は無いが、電荷の長期保持の観点からは、電荷を局在的に蓄積する機能を有する電荷保持膜中の電荷の拡散を極力防ぐことが、長期保持能力のさらなる改善につながるため、例えばオーバーラップ幅を0〜70nm程度とすると、より好ましい。 The end of the diffusion region on the gate electrode side preferably overlaps with a charge retention film having a function of locally accumulating charges. Although there is no particular upper limit to the overlap width, from the viewpoint of long-term charge retention, it is possible to further prevent long-term retention capability by preventing the diffusion of charges in the charge retention film having a function of locally accumulating charges. In order to lead to improvement, for example, it is more preferable that the overlap width is about 0 to 70 nm.
更に、本発明では、以下の構成を備えていてもよい。
まず、拡散領域のゲート電極側の端部には、オフリークの抑制、読出し電流の低下防止等のために、拡散領域と同一又は異なる導電型の不純物領域を更に備えていてもよい。この不純物領域のゲート電極側端部は、ゲート電極に対してオフセット構造を有していてもいなくてもよい。
Furthermore, in the present invention, the following configuration may be provided.
First, an impurity region having the same or different conductivity type as that of the diffusion region may be further provided at the end of the diffusion region on the gate electrode side in order to suppress off-leakage and prevent a decrease in read current. The gate electrode side end of the impurity region may or may not have an offset structure with respect to the gate electrode.
次に、電荷を局在的に蓄積する機能を有する電荷保持膜において、電荷蓄積機能を有する部分は、少なくとも上記延在している部分に存在していることが好ましい。更に、電荷蓄積機能を有する部分は、ゲート電極端部でかつ直下にも存在していることが好ましい。この部分がゲート電極端部でかつ直下に存在することで、ゲート電極下部と延在している部分とで、蓄積される電荷の注入及び放出し易さを変化させることができる。この注入及び放出し易さを利用して、電荷の蓄積状態の種類を増やすことができる。よって、より多数ビット化を実現できる。 Next, in the charge retention film having a function of locally accumulating charges, it is preferable that the portion having the charge accumulation function exists at least in the extending portion. Furthermore, it is preferable that the portion having the charge storage function exists at the gate electrode end portion and directly below. The presence of this portion at and immediately below the end of the gate electrode makes it possible to change the ease of injecting and releasing the accumulated charge between the lower portion of the gate electrode and the extending portion. Utilizing this ease of injection and release, the types of charge accumulation states can be increased. Therefore, a larger number of bits can be realized.
更に、電荷蓄積機能を有する部分は、ゲート電極直下全面に存在してもよいし、左右に二分してゲート電極端付近にのみ存在する構造をとってもよい。前者は、複雑な工程を経ることなく簡便に形成できるメリットがある。後者は、長期保持時に蓄積電荷が電荷保持膜に沿って徐々に移動し左右の情報が混合してしまうことを、より効果的に防止できるため、さらに保持特性を改善することができるメリットがある。目的に応じ、どちらかの構造を選択することができる。 Further, the portion having the charge storage function may exist on the entire surface directly under the gate electrode, or may have a structure in which the portion exists only in the vicinity of the end of the gate electrode divided into right and left. The former has an advantage that it can be easily formed without going through a complicated process. The latter has a merit that the retention characteristics can be further improved because it is possible to more effectively prevent the accumulated charges from moving gradually along the charge retention film and mixing left and right information during long-term retention. . Either structure can be selected according to the purpose.
また、電荷を局在的に蓄積する機能を有する電荷保持膜が、第1の絶縁膜、電荷蓄積絶縁体膜及び第2の絶縁膜の順で積層された絶縁膜の場合、第1の絶縁膜が、ゲート電極下部と延在している部分とで、互いに異なる膜厚及び/又はバンドギャップを有していてもよい。このことによりゲート電極下部と延在している部分とで、蓄積される電荷の注入及び放出し易さを変化させることができる。よって、より多数ビット化を実現できる。更に、延在している部分の第1の絶縁膜の膜厚を薄く及び/又はバンドギャップを小さくすることで、この部分の電荷の注入及び放出し易さを、ゲート電極下部より向上することができる。 In the case where the charge holding film having a function of locally accumulating charges is an insulating film in which the first insulating film, the charge storage insulating film, and the second insulating film are stacked in this order, the first insulating film The film may have a different film thickness and / or band gap between the lower portion of the gate electrode and the extending portion. This makes it possible to change the ease of injecting and releasing the accumulated charge between the lower portion of the gate electrode and the extending portion. Therefore, a larger number of bits can be realized. Further, by reducing the thickness of the first insulating film in the extending portion and / or reducing the band gap, it is possible to improve the ease of charge injection and emission in this portion from the lower part of the gate electrode. Can do.
なお、延在している部分の第1の絶縁膜の膜厚は、上記利点を効果的に実現するためには、ゲート電極下部より10%以上小さいことが好ましく、一方、蓄積電荷の外部への流出を防ぎ長期保持を実現するという観点からは、3nm以上の膜厚を有することが、より好ましい。 It should be noted that the thickness of the first insulating film in the extending portion is preferably 10% or more smaller than the lower portion of the gate electrode in order to effectively realize the above-described advantages, while on the other hand, to the outside of the accumulated charge It is more preferable to have a film thickness of 3 nm or more from the viewpoint of preventing the outflow of water and realizing long-term retention.
また、延在している部分の第1の絶縁膜のバンドギャップは、上記利点を効果的に実現するためには、ゲート電極下部より10%以上小さいことが好ましく、一方、蓄積電荷の外部への流出を防ぎ長期保持を実現するという観点からは、半導体層に対し、1eV以上の障壁を第1の絶縁膜が有することが、より好ましい。 Further, the band gap of the first insulating film in the extending portion is preferably 10% or more smaller than the lower part of the gate electrode in order to effectively realize the above-mentioned advantage, while on the other hand, to the outside of the accumulated charge It is more preferable that the first insulating film has a barrier of 1 eV or more with respect to the semiconductor layer from the viewpoint of preventing the outflow of the semiconductor layer and realizing long-term holding.
また、ゲート電極下部と延在している部分とで、電荷蓄積絶縁体膜の種類を代えることで、蓄積される電荷の注入及び放出し易さを変化させることもできる。
本明細書では、ゲート電極下部に位置する電荷を局在的に蓄積する機能を有する電荷保持膜を第1の電荷保持膜と、延在している部分に位置する電荷保持膜を第2の電荷保持膜とも称する。
In addition, by changing the type of the charge storage insulator film between the lower portion of the gate electrode and the extending portion, the ease of injecting and releasing the stored charge can be changed.
In this specification, the charge holding film having a function of locally accumulating charges located under the gate electrode is used as the first charge holding film, and the charge holding film located in the extending portion is used as the second charge holding film. Also referred to as a charge retention film.
(動作方法)
上記半導体記憶装置は、例えば、以下のように動作させることができる。
(Operation method)
The semiconductor memory device can be operated as follows, for example.
すなわち、半導体層の電位に対して、ゲート電極の電位と拡散領域の電位とが互いに逆のバイアスとなるように電圧印加を行う。この電圧印加により、電荷を局在的に蓄積する機能を有する電荷保持膜中の電荷を消去することができる。電荷の消去及び未消去を利用して、情報を書込み及び消去することができる。また、消去される電荷は、電荷保持膜中の電荷全部でも一部でもよい。 That is, the voltage is applied so that the potential of the gate electrode and the potential of the diffusion region are opposite to each other with respect to the potential of the semiconductor layer. By applying this voltage, the charges in the charge holding film having a function of locally accumulating charges can be erased. Information can be written and erased using charge erasure and non-erasure. Further, the charge to be erased may be all or a part of the charge in the charge holding film.
(製造方法)
上記半導体記憶装置は、例えば以下のように製造できる。
すなわち、まず、半導体層上に電荷を局在的に蓄積する機能を有する電荷保持膜を形成する。次いで、電荷保持膜上に導電体膜を堆積する。更に、リソグラフィ及びエッチングによって導電体膜を加工することでゲート電極を形成する。この後、ゲート電極が電荷保持膜の一部の上に位置するように、ゲート電極の側面に絶縁体からなるサイドウォールスペーサを形成する。次に、不純物注入及びアニールを行って前記拡散領域を形成することで半導体記憶装置を製造できる。
(Production method)
The semiconductor memory device can be manufactured as follows, for example.
That is, first, a charge holding film having a function of locally accumulating charges is formed on the semiconductor layer. Next, a conductor film is deposited on the charge retention film. Further, the gate electrode is formed by processing the conductor film by lithography and etching. Thereafter, sidewall spacers made of an insulator are formed on the side surfaces of the gate electrode so that the gate electrode is positioned on a part of the charge retention film. Next, a semiconductor memory device can be manufactured by performing impurity implantation and annealing to form the diffusion region.
サイドウォールスペーサは、例えば、ゲート電極の側面を熱酸化する方法、全面にサイドウォールスペーサ形成用膜を積層し、異方性エッチングによりエッチバックする方法等により形成できる。 The sidewall spacer can be formed by, for example, a method of thermally oxidizing the side surface of the gate electrode, a method of stacking a sidewall spacer forming film on the entire surface, and etching back by anisotropic etching.
また、拡散領域の表面層に高融点金属の化合物膜を備える場合、この化合物膜は、例えば以下の方法により得ることができる。まず、拡散領域形成後、前面に高融点金属層を積層する。次いで、熱処理に付して半導体層と高融点金属層とを反応させて化合物膜を形成する。更に、未反応の高融点金属層を除去することで、拡散領域の表面層のみに化合物膜を形成できる。 When a refractory metal compound film is provided on the surface layer of the diffusion region, this compound film can be obtained, for example, by the following method. First, after forming the diffusion region, a refractory metal layer is laminated on the front surface. Next, the compound film is formed by subjecting the semiconductor layer and the refractory metal layer to heat treatment. Furthermore, the compound film can be formed only on the surface layer of the diffusion region by removing the unreacted refractory metal layer.
電荷を局在的に蓄積する機能を有する電荷保持膜が、第1の電荷保持膜と第2の電荷保持膜からなる場合、例えば、以下のようにこれらの膜を形成できる。
まず、ゲート電極形成後、ゲート電極直下以外の電荷を局在的に蓄積する機能を有する電荷保持膜形成用材料膜を除去することで第1の電荷保持膜を形成する。次いで、少なくともゲート電極側面を覆うように第2の電荷保持膜形成用の材料膜を形成する。更に、異方性エッチング法を用いて、第2の材料膜をエッチバックすることで第2の電荷保持膜を形成することができる。
When the charge retention film having a function of locally accumulating charges includes the first charge retention film and the second charge retention film, for example, these films can be formed as follows.
First, after the formation of the gate electrode, the first charge retention film is formed by removing the charge retention film forming material film having a function of locally accumulating charges other than directly under the gate electrode. Next, a material film for forming a second charge retention film is formed so as to cover at least the side surface of the gate electrode. Furthermore, the second charge retention film can be formed by etching back the second material film using an anisotropic etching method.
(実施形態)
以下、図を用いて本発明をより詳細に説明する。なお、以下においてはn型装置(拡散領域がn型の装置)について説明するが、不純物の導電型とバイアスを逆にすれば、p型装置として形成することも可能である。また、ここでは、電荷を電子とし、電荷保持膜に電子が蓄積された状態を書込み状態、蓄積されていない場合を消去状態と定義している。
(Embodiment)
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings. In the following, an n-type device (a device in which the diffusion region is an n-type) will be described. However, a p-type device can also be formed by reversing the impurity conductivity type and the bias. Here, the charge is defined as an electron, and a state where electrons are accumulated in the charge holding film is defined as a written state, and a case where no electrons are accumulated is defined as an erased state.
第1実施形態
図1(a)及び(b)を用いて第1実施形態における半導体記憶装置の構成を説明する。図1(a)は、第1実施形態の半導体装置の断面の模式図である。p型半導体層101上に、第1の絶縁膜102、電荷蓄積絶縁膜103、及び第2の絶縁膜104を有する。更にその上部に、ポリシリコン等よりなるゲート電極105、及びゲート電極105側面に絶縁体よりなるサイドウォールスペーサ106と107を有する。ゲート電極105の左右の半導体層101には、n型拡散領域109と110が形成されている。半導体層101としては例えばp型シリコン基板を用いる。ここで、拡散領域109及び110とゲート電極105とはオーバーラップせず、オフセットの位置関係にある(図中、111と112はオフセット部分)。また、少なくとも拡散領域109と110のゲート電極寄りの端の位置の上にまで、第1の絶縁膜102、電荷蓄積絶縁膜103が伸びている。また、ゲート電極105下の半導体層101にはチャネル領域108が位置している。
First Embodiment A configuration of a semiconductor memory device in a first embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 1A is a schematic cross-sectional view of the semiconductor device of the first embodiment. A first insulating
以上より、電荷蓄積絶縁膜103が、下部を第1の絶縁膜102、上部を第2の絶縁膜104又はサイドウォールスペーサ106と107で挟まれた構造をなし、これがメモリ機能体としての働きをもつ。第1の絶縁膜102と第2の絶縁膜104は、電荷蓄積絶縁膜103に蓄積される電荷にとっての障壁となり、電荷が半導体層101やゲート電極105へ簡単に流出することを防ぐ働きがある。
As described above, the charge
なお、ここでは、半導体層上に設けられる素子分離帯や、層間絶縁膜、電極、コンタクトプラグ等は図示省略している。またこれも図示しないが、オフセット部分111と112の基板中にホウ素濃度の濃いハロー領域を形成してもよい。
Here, an element isolation band, an interlayer insulating film, an electrode, a contact plug, and the like provided on the semiconductor layer are not shown. Although not shown, a halo region having a high boron concentration may be formed in the substrate of the offset
本実施形態の半導体記憶装置は、ゲート電極105と拡散領域109及び110とがオフセットしている。このため、従来の半導体記憶装置に比べ、拡散領域109〜110間距離が大きく、微細装置においても、短チャネル効果によるオフリークをより小さくできるメリットがある。
In the semiconductor memory device of this embodiment, the
本実施形態の半導体記憶装置の書込み、消去、読出し動作は、上記背景技術での書込み、消去、読出し方法に準じて行えばよい。すなわち、例えば書込みを行う場合、拡散領域110に6V程度の正の書込み電圧、ゲート電極に6V程度の正の書込み電圧を印加し、p型半導体層及び拡散領域109を0Vとする。この時、図1(b)に示すように、ゲート電極下に反転層113が形成され、拡散領域109から110へ電子が流れる。しかし、反転層113が拡散領域110近傍でピンチオフするため、拡散領域110近傍で電子が高電界によって加速され、ホットエレクトロンが発生する。このホットエレクトロンの一部は、ゲート電極105の電界に引っ張られて紙面の上方向へ走り、電荷蓄積絶縁膜103でトラップされ、蓄積電荷114となる。この蓄積電荷114は、サイドウォールスペーサ107下部から、拡散領域110寄りのゲート電極105下部にかけての部位の電荷蓄積絶縁膜103中にトラップされることになる。
The writing, erasing, and reading operations of the semiconductor memory device of this embodiment may be performed according to the writing, erasing, and reading methods in the above background art. That is, for example, when writing is performed, a positive write voltage of about 6V is applied to the
この電荷(上記書込み操作によって、装置に対し紙面右側に蓄積された電荷)の読出しは、以下のように行う。すなわち、拡散領域110を0Vとし、拡散領域109に2V程度の正の読出し電圧を印加する。更にゲート電極105へ3V程度の正の読出し電圧を印加する。その結果、拡散領域110から拡散領域109へ電子が流れるが、蓄積電荷114の多寡によって、そのポテンシャルの影響により電子の流れにも大小が生じる。すなわち、蓄積電荷114の多寡を電流の大小として読出すことが可能であり、これを情報記憶として用いることができる。
Reading of this charge (charge accumulated on the right side of the sheet with respect to the apparatus by the above writing operation) is performed as follows. That is, the
一方、書込みの際に、上記とは逆に拡散領域109に正電圧、拡散領域110に0Vを印加した場合には、上述とは逆に紙面の左側、すなわちサイドウォールスペーサ106下部から、拡散領域109寄りのゲート電極105下部にかけての部位の電荷蓄積絶縁膜103中に電荷がトラップされる。
On the other hand, at the time of writing, when a positive voltage is applied to the
この左側の電荷の読出しは、拡散領域109に0V、拡散領域110に例えば2Vの正電圧、ゲート電極に例えば3Vの正電圧を印加することで、拡散領域109と110間に流れる電流の大小として検出することにより行える。この場合、左側に蓄積された電荷の多寡が電流の大小に大きな影響を与えるが、右側に蓄積された電荷の多寡は、電流の大小にあまり大きな影響を与えない。上記従来技術の欄でも説明した通り、読出し時に紙面右の拡散領域110に印加される正電圧によって、付近の反転層がピンチオフするためである。
The charge on the left side is read by applying a positive voltage of 0 V to the
逆に右側の電荷多寡情報を読出す際は、左の拡散領域109に正電圧を印加することで、左側の電荷多寡情報は無視され右側の電荷多寡情報が電流量に主として反映される。つまり、上述した背景技術の手法に従って、読出し方向を各々逆にすることにより、左側の蓄積電荷の有無、右側の蓄積電荷の有無を、個別に取り出すことができ、1つの装置に2ビットの情報を記憶させることができる。
Conversely, when reading the right charge amount information, by applying a positive voltage to the
本実施形態では、電荷蓄積絶縁膜103が、ゲート電極105下よりも外部にまで延在している。そのため、サイドウォールスペーサ107(106)下部から、拡散領域110(109)寄りのゲート電極105下部にかけての部位の電荷蓄積絶縁膜103中に電荷が蓄積される。その結果、左右両ビットの電荷蓄積位置が互いに離れることになる。このため、両ビットの情報を明確に切り分けることができ、長期保持の際の信頼性も高くなる。
In the present embodiment, the charge
消去の場合も、背景技術と同様の方法で、例えばゲート電極105に−6V程度の負の消去電圧、右の拡散領域110へ6V程度の正の消去電圧を印加し、半導体層101を0Vとする。この時、半導体層の荷電子帯から拡散領域110の伝導帯へ、一部の電子がバンド間トンネルによって流れ込み、更に電界加速されて半導体層101中のシリコン原子と衝突してホットホール・ホットエレクトロンのペアを生成する。ホットホールの一部はゲート電極105の電界に引っ張られ、電荷蓄積絶縁膜103に入って蓄積電荷114と再結合して電荷を消滅させる。これによって、右側に蓄積されていた電荷のみを消去させることができる。左側蓄積電荷の消去の場合は、左の拡散領域109へ正電圧印加を行う。
In the case of erasing, for example, a negative erasing voltage of about −6V is applied to the
以上のように、書込み・読出し・消去は、背景技術と同様の方法を使用できる。ここで、本実施形態の場合、左右の電荷蓄積位置は、ゲート電極105の端部からオフセット部分111と112上にかけてであり、上記背景技術よりも更に互いに距離を離すことができる。このため、両者の情報を分離しやすい。特に左右ビットの一方を書込み状態、一方を消去状態としたまま長期保持させたとき、電荷蓄積絶縁膜103中のトラップ準位等を介して書込み側ビットから蓄積電荷が徐々に横方向に移動する。蓄積電荷が消去側ビットにまで達してしまうと、書込み側読出しと消去側読出しの差が小さくなり、判別が困難になる。左右の電荷蓄積位置が互いに離れている本実施形態では、このような情報の混合がより起こりにくく、従って情報の長期保持に有利である。
As described above, the same method as the background art can be used for writing / reading / erasing. Here, in the case of the present embodiment, the left and right charge accumulation positions are from the end of the
次に図2〜図5を用いて、第1実施形態の半導体記憶装置の製造方法を説明する。
まず、図2に示すように、p型半導体層101上に、第1の絶縁膜102、電荷蓄積絶縁膜103、第2の絶縁膜104より構成されるゲート絶縁膜、ゲート電極105を順次形成する。
Next, a method for manufacturing the semiconductor memory device according to the first embodiment will be described with reference to FIGS.
First, as shown in FIG. 2, a gate insulating film composed of a first
ここでは半導体層101として一般的な、素子分離領域を有するシリコン基板を用いたが、シリコン−ゲルマニウム基板等を用いてもよい。また、ガラス基板上に設けた半導体層(例えばシリコン層)を用いてもよい。
Although a general silicon substrate having an element isolation region is used as the
第1の絶縁膜102は、シリコン基板101の表面を熱酸化することによって得た。膜厚は1nm〜10nm程度が好ましく、ここでは5nmとした。膜の材質は、上記熱酸化膜以外に、CVD酸化膜、高誘電材料膜、ラジカル酸化により得た酸化膜等を用いてもよい。また、これら膜の組み合わせでもよい。
The first
電荷蓄積絶縁膜103としては、シリコン窒化膜を用いたが、酸化アルミニウムや、酸化ハフニウム等、他の材質を用いてもよいし、電荷蓄積可能な微細ドットを複数含有した絶縁膜(シリコン酸化膜等)を用いることも可能である。またこれらの膜の組み合わせでもよい。シリコン窒化膜を使用した本実施形態では、膜厚は1nm〜15nm、例えば5nmとした。特に薄膜化した場合には、蓄積電荷の横方向拡散を抑え、保持能力を高める利点がある。
As the charge
第2の絶縁膜104は、ここではCVD酸化膜を用い、厚さは例えば8nmとした。CVD酸化膜以外にも、上記シリコン窒化膜の表面を熱酸化して酸化膜を得ることも可能であるし、また、高誘電材料膜を用いることもできる。これらの膜の組み合わせでもよい。シリコン窒化膜表面を熱酸化する場合には、シリコン窒化膜の表面の一部が酸化膜として消費されるため、最終的に所望の膜厚のシリコン窒化膜が残るように、酸化による消費分を上乗せしたシリコン窒化膜を形成しておく。
Here, the second
ゲート電極105は、ポリシリコンを使用した。ゲート電極は、ポリシリコン膜を、周知のリソグラフィ及びドライエッチングによって形成できる。なお、ここでは、ゲート長を130nmとし、ゲート幅を200nmとした。
Polysilicon was used for the
ただし、本実施形態では、第2の絶縁膜104でエッチングを止めることで、これより下の膜を残す。更に、ゲート電極105直下以外の第2の絶縁膜をウェットエッチングによって取り除く。この工程は必須ではないが、第2の絶縁膜表面はゲートエッチ時にエッチング種のプラズマによるダメージが入っている恐れがある。そのため、メモリ装置としての信頼性を高める上で、ゲート電極105直下以外の第2の絶縁膜を除去しておく方が好ましい。このようにして、図3の形状が得られる。
However, in this embodiment, the etching is stopped at the second
次に、ゲート電極105の側面に、膜厚20nm〜150nm程度の絶縁体からなるサイドウォールスペーサ106と107を形成する。これは、基板上の全面にCVD法によってシリコン酸化膜等の絶縁膜を形成した後、エッチバックによって形成することも可能である。また、ゲート電極の表面を熱酸化することによって得ることもできる(図4)。特に後者の方法は簡便であり、製造コストを下げられる利点がある。ここでは後者の方法を採用する(前者の方法の利点については、後述する第2実施形態で言及する)。ここでは、サイドウォールスペーサ106と107のゲート長方向の幅を50nmとした。
Next,
次に、拡散領域形成工程を行う。本実施形態の拡散領域形成工程では、シリコン層表面に残存している第1の絶縁膜102及び電荷蓄積絶縁膜103をそのまま注入保護膜として使用している。更にこの上にCVD酸化膜等を堆積して、注入保護膜厚を調整してもよい。また、表面に露出している電荷蓄積絶縁膜103とその下の第1の絶縁膜102をエッチング除去した後、熱酸化ないしCVD酸化膜の堆積によって新たに注入保護膜を形成してもよい。
Next, a diffusion region forming step is performed. In the diffusion region forming step of this embodiment, the first insulating
しかる後、例えば、30keVにエネルギーが制御された砒素イオンを、5×1015cm-2の面積密度で注入して、シリコン基板101の表面及びゲート電極105にn型不純物である砒素イオンをドープする。このとき、ゲート下のチャネル領域108、及びサイドウォールスペーサ106と107の下には砒素イオンがドープされない。
Thereafter, for example, arsenic ions whose energy is controlled to 30 keV are implanted at an area density of 5 × 10 15 cm −2 , and the surface of the
しかる後、窒素雰囲気下でアニール、例えば1050℃で10秒のRTA処理によって、注入イオンの活性化処理を行う。このようにして、図5に示すように、シリコン基板101内に、紙面においてゲート電極105を中心にして略左右対称に、第2導電型の一例としてのn型拡散領域109と110を形成する。このアニールの際、砒素イオンのシリコン中拡散のため、サイドウォールスペーサ106と107の下部にまで砒素イオンが進入し、拡散領域109と110の一部はサイドウォールスペーサ106と107下にまで延伸する。上記アニールの条件を適当に設定することにより、拡散領域109と110の端(ウェル領域との接合)をサイドウォールスペーサ106と107の下に位置させ、かつ拡散領域106と107及びゲート電極105との間にオフセット部分111と112を形成することができる。
Thereafter, the implanted ions are activated by annealing in a nitrogen atmosphere, for example, RTA treatment at 1050 ° C. for 10 seconds. In this way, as shown in FIG. 5, n-
ここで、拡散領域106及び107と電荷蓄積絶縁膜103とのゲート長方向のオーバーラップ幅は40nmとした。また、オフセット部分111と112のゲート長方向の幅は10nmとした。
Here, the overlap width in the gate length direction between the
なお、上記アニール工程の前に、ハロー注入を行ってもよい。ハロー注入は、上記砒素イオン注入工程の前ないし後に行われる。ハロー注入は、p型不純物であるホウ素の、20〜60keVの注入エネルギーで、上記砒素の面積密度よりも少ない1×1013〜1×1014cm-2程度の面積密度で、垂直方向に対して15°から45°の間の角度でサイドウォールスペーサ106と107の下部への注入を意味する。ハロー注入後、アニールを行う事によって、各拡散領域109と110端部付近のオフセット部分111と112に、p型不純物であるホウ素の濃度が濃いハロー領域を形成する(図示せず)。このハロー領域を形成することによって、拡散領域109と110がゲート電極105下にまで拡散することを抑え、オフセット部分111と112を安定して形成することができる。
Note that halo implantation may be performed before the annealing step. The halo implantation is performed before or after the arsenic ion implantation step. In the halo implantation, boron, which is a p-type impurity, is implanted at an energy of 20 to 60 keV and has an area density of about 1 × 10 13 to 1 × 10 14 cm −2, which is smaller than the area density of arsenic. This means implantation at the bottom of the
なお、上記各種構成部材形成前は、第1導電型であるp型ウェル領域は、当初、シリコン基板101の全体であった。シリコン基板101に、拡散領域109、110を形成したことにより、第1導電型であるp型ウェル領域が、シリコン基板101における拡散領域109と110が形成されなかった領域まで、減少することは勿論である。
Prior to the formation of the above-mentioned various constituent members, the p-type well region which is the first conductivity type was initially the
以上の工程を経て、図1に示した第1実施形態の装置構造が得られる。ここで必要に応じて、ゲート電極105上部の絶縁膜や、表面に露出した部分の電荷蓄積絶縁膜103をエッチング除去してもよい。
Through the above steps, the device structure of the first embodiment shown in FIG. 1 is obtained. Here, if necessary, the insulating film on the
第2実施形態
第2実施形態を、図6及び7を用いて説明する。第2実施形態では、サイドウォールスペーサ106と107の形成前に、ハロー注入及び表面近傍のハロー濃度を下げるためのn型不純物による打ち返し注入を行う。すなわち、第1実施形態に従って図3のようにゲート電極を加工した後、必要に応じて表面に注入保護膜(図示せず)を形成する。この後、p型不純物であるホウ素を、15〜20keVのエネルギーで、1×1013〜1×1014cm-2程度の面積密度で、垂直方向に対して10°以下の角度で注入する。更に本実施形態では、エネルギーが20〜40keVに設定されたn型不純物である砒素を、ホウ素の面積密度以下で、垂直方向に対して10°以下の角度で注入する(図6)。
Second Embodiment A second embodiment will be described with reference to FIGS. In the second embodiment, before the formation of the
しかる後、サイドウォールスペーサ106と107を形成する。ここでは、ゲート電極105の表面を直接熱酸化する方法よりも、CVD法によって全面に絶縁膜を堆積した後、反応性イオンエッチング(RIE)を用いたエッチバックによってサイドウォールスペーサを形成する方法が好ましい。この方法は、熱酸化方法よりも低温の方法であるため、先に注入したホウ素と砒素の半導体層中の熱拡散を抑えることができる。
Thereafter,
この後、例えば、30keVにエネルギーが制御された砒素イオンを、5×1015cm-2の面積密度で注入する。次いで、RTA等のアニール処理を行うことで、サイドウォールスペーサ106と107の下の一部にまで伸びた拡散領域109と110、サイドウォールスペーサ106と107下のp型濃度が濃いハロー領域115と116、更にその上部、第1の絶縁膜102との境界近くに、砒素打ち返しによってハロー濃度が下げられたハロー打ち返し領域117と118が形成される。このハロー打ち返し領域は必須ではないため、形成工程を省略してもかまわない。しかし、これを設けることで、サイドウォールスペーサ106と107下のハロー濃度が高くなりすぎて読出し電流が低下してしまうことを防ぐことができる利点がある。
Thereafter, for example, arsenic ions whose energy is controlled to 30 keV are implanted at an area density of 5 × 10 15 cm −2 . Next, by performing an annealing process such as RTA,
本実施形態では、サイドウォールスペーサ106と107の形成前にハロー注入を行っている。そのため、サイドウォールスペーサ106と107下部領域へハロー注入を、鉛直に近い角度で比較的低いエネルギーで行うことができる。その結果、所望の深さに精度よく注入することができる。ハロー打ち返し注入に関しても同様である。また、これらの注入の後でサイドウォールスペーサ106と107を形成するにあたっては、これらを熱酸化で形成するよりも、CVD膜の堆積とエッチバックによって形成するほうが好ましい。後者の方法は、処理温度が低いため、注入プロファイルへの影響が少なく、高い精度で不純物プロファイルを制御できる利点がある。
以下、層間絶縁膜やコンタクトプラグ等の形成を適宜行うことにより、第2実施形態の半導体記憶装置が作製される。
In the present embodiment, halo implantation is performed before the
Thereafter, the semiconductor memory device of the second embodiment is manufactured by appropriately forming an interlayer insulating film, a contact plug, and the like.
第3実施形態
第3実施形態は、本発明の半導体記憶装置の消去方法に関するものであり、本実施形態により、1つのセルに記憶できる情報量を更に増やすことができる。
Third Embodiment The third embodiment relates to a method for erasing a semiconductor memory device according to the present invention. According to this embodiment, the amount of information that can be stored in one cell can be further increased.
第1実施形態では、バンド間トンネル電子によって生成されるホットホールを用いて、電荷蓄積絶縁膜中に蓄積されている電荷を消去したが、本実施形態では、電界によるFNトンネル(Fowler−Nordheim tunneling)を用いて蓄積電荷を抜き取る方法をとる。本方法では、蓄積電荷の一部のみを抜き取ることができる。図8(a)及び(b)を用いてこれを説明する。 In the first embodiment, the charges accumulated in the charge storage insulating film are erased by using hot holes generated by interband tunneling electrons. However, in this embodiment, FN tunneling (Fowler-Nordheim tunneling) by an electric field is performed. ) Is used to extract the accumulated charge. In this method, only a part of the accumulated charge can be extracted. This will be described with reference to FIGS. 8 (a) and 8 (b).
図8(a)は、第1実施形態の図1(b)に従って紙面右側のビットに書込みを行い、電荷が蓄積された状態である。ゲート電極105右端付近の下からサイドウォールスペーサ107の下にかけての電荷蓄積絶縁膜103中に電荷が蓄積されている。ここで便宜的に、これらの電荷のうち概ねゲート電極端下部付近に存在する電荷を114a、概ねサイドウォールスペーサ下部付近に存在する電荷を114bとして表すことにする。この状態において左の拡散領域109をドレイン、右の拡散領域110をソースとして読出しを行うと、右側ビットの蓄積電荷114aと114bの両方のポテンシャルにより読出し電流が小さくなり、「書込み状態」として認識することができる(蓄積電荷114aと114bがともに無ければ、読出し電流が大きくなり「消去状態」として認識される)。
FIG. 8A shows a state where charges are accumulated by writing to the bit on the right side of the drawing according to FIG. 1B of the first embodiment. Charges are accumulated in the charge
ここで、ゲート電極105に高い負の電圧、例えば−14Vを印加し、右の拡散領域110に4V程度の正電圧を印加する。半導体層101の電位は0Vとする。この時、ゲート電極105と右の拡散領域110との間の強い電界により、蓄積電荷のうちの一部、すなわちサイドウォールスペーサ107下の、拡散領域110端近くの蓄積電荷114bのみが、FNトンネルによって、拡散領域110へと抜き取られる。一方、拡散領域110端から離れた部位の蓄積電荷114aはそのまま電荷蓄積絶縁膜103中に残る。
Here, a high negative voltage, for example, −14 V is applied to the
このようにして、図8(b)に示すように右側ビットの電荷の一部が抜き取られた状態が得られる。この状態で、左側拡散領域109をドレイン、右側拡散領域110をソースとして右側ビットの読出しを行う。この場合、読出し電流119は、電荷114b抜き取り前の図8(a)の状態に対する読出し電流よりも大きく、消去状態に対する読出し電流よりも小さくなる。つまり、図8(a)の状態と消去状態の中間的状態として認識することができる。つまり、消去状態・中間状態・書込み状態の、3つの状態を情報記憶に利用することができ、1つのセルに記憶できる情報量を増やすことができる。これによって、単位面積あたりの記憶容量が高い高密度記憶容量メモリセルアレイが実現できる。
In this way, as shown in FIG. 8B, a state in which a part of the right bit charge is extracted is obtained. In this state, the right bit is read using the
なお、残された蓄積電荷を消去する場合、あるいは蓄積電荷すべてを一度に消去する場合には、第1実施形態と同様、バンド間トンネルによるホットホール生成を用いることもできるし、あるいはFNトンネルによって電荷を消去することも可能である。 When erasing the remaining accumulated charges or erasing all accumulated charges at once, hot hole generation by band-to-band tunneling can be used as in the first embodiment, or by FN tunneling. It is also possible to erase the charge.
FNトンネルによる電荷消去を行う場合には、例えばゲート電極105に−18V程度の高い負電圧、半導体層101と拡散領域110に0Vを印加する。これにより、電荷蓄積絶縁膜全面に紙面上下方向の強い電界がかかり、蓄積電荷をすべて消去することができる。
When performing charge erasure by FN tunneling, for example, a high negative voltage of about −18 V is applied to the
以上は、紙面右側の蓄積電荷の消去に関して述べたが、紙面左側の蓄積電荷の消去に関しても、左右を逆に読みかえて同様に行うことができる。
なお、第1の絶縁膜102、電荷蓄積絶縁膜103、第2の絶縁膜104の膜厚をより薄くすれば、消去時の各電圧を低くすることもできる。よって、目的に応じた電荷保持能力を損なわない範囲で、膜厚を適宜設定すればよい。
The above description has been made with respect to the erasure of the accumulated charge on the right side of the paper. However, the erase of the accumulated charge on the left side of the paper can be similarly performed by reversing the left and right sides.
Note that if the first insulating
第4実施形態
第4実施形態を、図9〜図14を用いて説明する。まず、第1実施形態の図3のようにリソグラフィ技術とエッチング技術を用いてゲート電極を形成する。この実施形態では、ゲートエッチ後更に続けて、ゲート電極105下部以外の第2の絶縁膜104と電荷蓄積絶縁膜103も除去しておく。更にフッ酸溶液を用いたエッチング等の方法で、ゲート電極105下部以外の第1の絶縁膜102も除去する(図9)。その結果、ゲート電極105下部に第1の電荷保持膜が形成される。
Fourth Embodiment A fourth embodiment will be described with reference to FIGS. First, as shown in FIG. 3 of the first embodiment, a gate electrode is formed using a lithography technique and an etching technique. In this embodiment, the second
更にこの後、半導体層101の露出した表面に対して熱酸化を行い、これをフッ酸溶液等でウェットエッチング除去する、いわゆる犠牲酸化処理を行ってもよい。この犠牲酸化処理を行うことで、エッチング工程や上記の電荷蓄積絶縁膜除去工程において半導体層101表面がプラズマによるダメージを受けていても、このダメージを除去することができ、メモリの信頼性を更に高めることができる。
Further, after that, thermal oxidation may be performed on the exposed surface of the
次に、図10に示すように、表面への熱酸化を行うことで、露出している半導体層101の表面へ絶縁膜121、ゲート電極105の側面及び上面に絶縁膜122を設ける。引き続きCVD法を用いて、シリコン窒化膜等の電荷蓄積絶縁膜123、シリコン酸化膜等の絶縁膜124を順次堆積する。ここで、半導体層101上の絶縁膜121の膜厚は、本実施形態では、第1の絶縁膜102よりも薄い膜厚とする。例えば、第1の絶縁膜の膜厚を5nm、半導体層101上の絶縁膜121の膜厚を4nmとする。電荷蓄積絶縁膜123の膜厚は、ゲート電極下の電荷蓄積絶縁膜103と同程度でよく、例えば5nmとする。絶縁膜124の膜厚は20nm〜150nm程度とする。
Next, as illustrated in FIG. 10, the insulating
続いて、RIEを用いて、全面をエッチバックすることにより、図11に示すように、ゲート電極105側面部分に、絶縁膜122、電荷蓄積絶縁膜123、絶縁膜124からなるサイドウォールスペーサが形成される。このサイドウォールスペーサは、ゲート電極105下のメモリ機能体と類似の構造をなし、第2の電荷保持膜としての働きをもつ。つまり、ゲート電極105下には、紙面下より順に、第1の絶縁膜102、電荷蓄積絶縁膜103及び第2の絶縁膜104の3層からなるゲート絶縁膜が存在し、これがメモリ機能体としての働きを持っている。一方、サイドウォールスペーサ部も同様に、絶縁膜120と121・電荷蓄積絶縁膜123・絶縁膜124の3つの部分からなるメモリ機能体を有している。特にこのサイドウォールスペーサの下部では、ゲート電極105下と同様、電荷蓄積絶縁膜123の一部が絶縁膜120と121を介して半導体層101と向かい合う構造になっている。
Subsequently, by etching back the entire surface using RIE, sidewall spacers made of the insulating
ところで本実施形態のエッチバックは、まず電荷蓄積絶縁膜123をエッチングストッパーとしてゲート電極側壁部以外の絶縁膜124を除去し、続いて絶縁膜120と121をエッチングストッパーとしてゲート電極側壁部以外の電荷蓄積絶縁膜123を除去する、という手法を用いている。しかし、これらの膜は必ずしもすべて除去しなければならないわけではなく、適度な膜厚を残し、後の注入工程における注入保護膜として流用することも可能である。
By the way, in the etch back of this embodiment, first, the insulating
ただし、これらの膜を一度除去し、再度注入保護膜を形成した方が、サイドウォールスペーサ部の膜の膜厚制御性が高いため、本実施形態では、サイドウォールスペーサ部以外の膜をすべて除去することとする。つまり、まず、ゲート電極105側面部以外の絶縁膜124、電荷蓄積絶縁膜123をエッチバックによって除去する。更に、フッ酸等によるウェットエッチングによって、半導体層101表面に露出した絶縁膜120と121も除去する。この後、熱酸化やCVDによって注入保護膜(図示せず)を適宜形成する。しかる後、例えば、30keVにエネルギーが制御された砒素イオンを、5×1015cm-2の面積密度で注入し、RTA等のアニール処理を行う。この結果、拡散領域109と110が形成される(図12)。
However, removing these films once and forming the implantation protective film again has higher controllability of the film thickness of the sidewall spacer portion, so in this embodiment, all the films other than the sidewall spacer portion are removed. I decided to. That is, first, the insulating
以上の工程により、第1実施形態の図1と同じく、ゲート電極と拡散領域とがオフセットし、かつメモリ機能体がゲート電極下から拡散領域端にまで延在した構造を得ることができる。 Through the above steps, a structure in which the gate electrode and the diffusion region are offset and the memory function body extends from the bottom of the gate electrode to the end of the diffusion region can be obtained as in FIG. 1 of the first embodiment.
本実施形態では、電荷蓄積絶縁膜103及び123と半導体層101の間に設けられる絶縁膜、すなわちゲート電極105下の第1の絶縁膜102と、サイドウォールスペーサ下部の絶縁膜120と121とが、別の工程で形成されるため、互いに異なる膜厚とすることが比較的容易にできる。
In this embodiment, the insulating film provided between the charge
なお、第2実施形態の手法に従い、ハロー領域やハロー打ち返し領域を形成してもよい。この場合は、電荷蓄積絶縁膜123を堆積した後、絶縁膜124を堆積する前に、第2実施形態に倣ってハロー注入やハロー打ち返し注入を行えばよい。この時、電荷蓄積絶縁膜123をそのまま注入保護膜として利用することができる。また、これらの注入を行った後に絶縁膜124を堆積し、エッチバックしてサイドウォールを形成することで、サイドウォールスペーサ下に注入種を導入することができる(第2実施形態の図6、7参照)。
Note that a halo region or a halo hitting region may be formed according to the method of the second embodiment. In this case, after depositing the charge
本実施形態の半導体記憶装置への書込みは、第1実施形態と同じ方法でなされる。すなわち、例えば紙面右側の電荷蓄積絶縁体へ電子を注入する場合、半導体層101及び拡散領域109を0V、拡散領域110を正の書込み電圧、ゲート電極105に正の書込み電圧を印加する。この結果、拡散領域109から拡散領域110間へ電子が流れ、拡散領域110近傍の高電界で加速されることでホットエレクトロンを生じる。このホットエレクトロンが電荷蓄積絶縁膜中へトラップされる。この時、図13に示すように、本実施形態において電荷が蓄積されるのは、ゲート電極105下の電荷蓄積絶縁膜103の紙面右側部分(蓄積電荷125)、及び、右側サイドウォールスペーサ中の電荷蓄積絶縁膜123の下部(蓄積電荷126)である。読出しも、第1実施形態に倣って行われる。
Writing to the semiconductor memory device of this embodiment is performed by the same method as that of the first embodiment. That is, for example, when electrons are injected into the charge storage insulator on the right side of the paper, 0 V is applied to the
消去もまた、第1実施形態に準じて行うが、本実施形態では、消去時間を調節することによって、1セルあたりの記憶情報量を増やすことができる。
紙面右側の蓄積電荷の消去を行う場合には、第1実施形態に倣い、ゲート電極105に負の消去電圧、拡散領域110に正の消去電圧、半導体層101に0Vを印加する。その結果、拡散領域110と半導体層101の間にバンド間トンネル電流127が発生し、その電子が更に電界による加速を受けてホットホール128を生じさせる。その一部が電荷蓄積絶縁膜中の電荷を消滅させる。このプロセスは第1実施形態にて説明した通りである。
Erasing is also performed according to the first embodiment, but in this embodiment, the amount of stored information per cell can be increased by adjusting the erasing time.
In the case of erasing the accumulated charge on the right side of the drawing, a negative erase voltage is applied to the
ここで、本実施形態での特徴は、サイドウォールスペーサ下部の絶縁膜121の膜厚を、ゲート電極下の第1の絶縁膜102よりも薄く設定したことにある。消去時に単位時間あたり絶縁膜を越えて電荷蓄積絶縁膜へ到達するホットホールの数は、特に絶縁膜厚に敏感に依存するため、薄い絶縁膜121を越えて電荷蓄積絶縁膜123へ入るホットホールの方が、第1の絶縁膜102を越えて電荷蓄積絶縁膜103へ入るホットホールよりも多くなり、電荷蓄積絶縁膜123中の電荷が優先的に消去される。これを利用し、適当な時間の消去パルスを印加することで、電荷蓄積絶縁膜103中の電荷125をできるだけ残しながら、サイドウォールスペーサ部の電荷蓄積絶縁膜123中の電荷を消去できる。この図14の状態は、書込みと消去の中間状態である。第3実施形態にて説明したように、この中間状態も記憶情報の一状態として利用することで、1セル当りに記憶できる情報量を増やすことができる。本実施形態では、バンド間トンネルを利用した消去方法を用いながら、この中間状態を制御よく実現できるため、高速にこれを実現できるメリットがある。
Here, the feature of this embodiment is that the thickness of the insulating
中間状態から、更に完全な消去状態にするには、上述のバンド間トンネル消去を更に長時間行ってもよいし、ゲート電極105と半導体層101に電界をかけてFNトンネルによって電荷を引き抜いてもよい。これは、第3実施形態にて説明した通りである。
In order to change from the intermediate state to a more complete erase state, the above-described band-to-band tunnel erase may be performed for a longer time, or an electric field may be extracted by the FN tunnel by applying an electric field to the
また、本実施形態では、バンド間トンネルによる消去を用いたが、第3実施形態と同様の手法で、FNトンネルによるサイドウォール部電荷の優先的引き抜きを行って、中間状態を作ることも可能である。特に、サイドウォールスペーサ部の絶縁膜121膜厚を薄く設定していることで、サイドウォールスペーサ内の電荷126(図13)がより引き抜きやすくなっている。そのため中間状態をより制御よく作り出すことができる。特にFNトンネルを用いた消去では、電流が殆ど流れないため、低消費電力装置の実現に有効である。
In this embodiment, erasing by band-to-band tunneling is used. However, it is also possible to create an intermediate state by preferentially extracting sidewall charges by FN tunneling by the same method as in the third embodiment. is there. In particular, by setting the thickness of the insulating
更に、本実施形態では、ゲート電極105下の第1の絶縁膜102の膜厚よりも、サイドウォールスペーサ下部の絶縁膜120と121の膜厚を薄く設定したが、これを逆にすることも可能である。この場合には、ゲート電極105下の蓄積電荷125が消去時に優先的に消去される。よって、この電荷125が消去されサイドウォールスペーサ部の電荷126が残存している状態まで消去を行うことで、中間状態が実現できる。
Furthermore, in this embodiment, the thickness of the insulating
ただし、上述した実施形態のようにサイドウォールスペーサ下部の絶縁膜121の方を薄く設定した方が、より高い制御性を実現できるメリットがある。すなわち、消去時に、ゲート電極105に負電圧、拡散領域110に正電圧、半導体層101に0Vを印加した際、ゲート電極105〜拡散領域110間に、ゲート電極105〜半導体層101間よりも強い電界がかかることになる。更にこの時サイドウォールスペーサ下の絶縁膜120と121の膜厚が薄ければ、強い電界と薄い膜厚の相乗効果によってサイドウォールスペーサ部の電荷126をより高速に消去することができる。
However, there is an advantage that higher controllability can be realized by setting the insulating
これにより、サイドウォールスペーサ部電荷126の消去速度と、ゲート電極105下電荷125の消去速度との差をより大きくできる。そのため、ゲート電極105下電荷125のみが残存する中間状態を、安定して高速に作り出すことができる。
Thereby, the difference between the erase speed of the side wall
第5実施形態
第5実施形態の半導体記憶装置も、概ね第4実施形態にそって作製されるが、図12において、ゲート電極下の第1の絶縁膜102と、サイドウォールスペーサ下部の絶縁膜120と121との材料を異なるものとし、異なるバンドギャップを有する材質とすることを特徴とする。例えば第1の絶縁膜102としてシリコン酸化膜、サイドウォールスペーサ下絶縁膜120と121として、よりバンドギャップの小さいシリコン酸窒化膜を利用する。このように、両者の材質を異なるものとし、異なるバンドギャップとすることで、ホットキャリアにとっての電気的障壁高さに差をつけることができる。
Fifth Embodiment The semiconductor memory device according to the fifth embodiment is also fabricated according to the fourth embodiment. In FIG. 12, the first insulating
この方法によっても、第4実施形態で説明したように、ゲート電極下電荷蓄積絶縁膜103中の電荷の消去速度と、サイドウォールスペーサ中電荷蓄積絶縁膜123下部の電荷の消去速度に差をつけることができる。その結果、書込みと消去の中間状態を制御よく作ることができる。
なお、第1の絶縁膜102や、絶縁膜120と121は、CVD法等を用いて形成することも可能であり、上記以外の材料の膜を使用してもよい。
This method also makes a difference between the charge erasing speed in the charge
Note that the first insulating
また、上述の実施形態とは逆に、サイドウォールスペーサ下絶縁膜120と121よりもゲート電極105下の第1の絶縁膜102の方が、バンドギャップが小さく電気的障壁の低い材質を用いることも可能である。しかし、上記第4実施形態で述べたと同様の理由から、サイドウォールスペーサ下部の絶縁膜120と121に、よりバンドギャップの小さい材料を使用した方が、消去時に、ゲート電極105下の電荷125が消去される速度と、サイドウォールスペーサ部の電荷126が消去される速度に大きな差をつけることができる。このため、サイドウォールスペーサ下部電荷126が消去されゲート電極105下電荷125が残存する中間状態を、より容易に作り出すことができる。
Contrary to the above-described embodiment, the first insulating
第6実施形態
第6実施形態を、図15(a)及び(b)を用いて説明する。第6実施形態は、半導体記憶装置の電極形成に関するものであり、半導体記憶装置をより高性能化することができる。
Sixth Embodiment A sixth embodiment will be described with reference to FIGS. 15 (a) and 15 (b). The sixth embodiment relates to electrode formation of a semiconductor memory device, and can improve the performance of the semiconductor memory device.
まず、第1実施形態の説明に従って得られる図1(a)に示す構造に対し、フッ酸系溶液によって拡散領域109、110上及びゲート電極105上の自然酸化膜を極力除去する。この後、図15(a)に示すように、上面全面に、高融点金属膜129を堆積する。高融点金属膜129の材料としては、チタン、コバルト、ニッケル等の金属が挙げられる。この堆積工程は、スパッタリング法を用いるのが一般的であるが、他にCVD法等を用いてもよく、特に手段は問わない。適当な手段により、10〜50nm程度の膜厚で高融点金属129を堆積する。
First, with respect to the structure shown in FIG. 1A obtained according to the description of the first embodiment, natural oxide films on the
次に、第1及び第2の2段階熱処理を行う。まず、第1の熱処理として、400℃〜700℃程度の温度範囲で、10秒〜30秒程度のRTA処理を行う。この第1の熱処理によって、拡散領域109と110上面が高融点金属膜129と接触している部分、及びゲート電極105上面が高融点金属膜129と接触している部分において、シリコンと高融点金属が反応し、高融点金属シリサイド膜が形成される。一方、上記のような比較的低温の温度では、高融点金属膜129と、シリコン酸化膜等からなる絶縁膜106との反応は抑えられ、高融点金属シリサイド膜は形成されない。本明細書では特に図示していないが、素子分離領域上も同じ理由により、高融点金属シリサイド膜は形成されない。このため、シリコンが高融点金属と接触している部位のみに選択的に高融点金属シリサイド膜を形成することができる。
Next, first and second two-stage heat treatments are performed. First, as the first heat treatment, RTA treatment is performed for about 10 seconds to 30 seconds in a temperature range of about 400 ° C. to 700 ° C. By this first heat treatment, silicon and the refractory metal are formed in the portion where the upper surfaces of the
続いて、硫酸と過酸化水素水との混合溶液によるウェットエッチングによって未反応の高融点金属膜を除去する。これにより、図15(b)に示すように、拡散領域109と110上に高融点金属シリサイド膜131と132が形成され、ゲート電極105上に高融点金属シリサイド膜130が形成されて、なおかつこれらが互いに電気的に絶縁されている構造を得ることができる。
Subsequently, the unreacted refractory metal film is removed by wet etching using a mixed solution of sulfuric acid and hydrogen peroxide. As a result, as shown in FIG. 15B, the refractory
この後、第2の熱処理として、800℃〜1000℃程度の温度範囲で、10秒〜30秒程度のRTA処理を行うことにより、高融点金属シリサイド膜130、131及び132の抵抗を更に低下させることができる。以上の工程により、自己整合的に、ゲート電極105及び拡散領域109と110上に低抵抗な高融点金属シリサイド膜を形成することができる。これによって、ゲート電極105及び拡散領域109と110のシート抵抗が低下するため、半導体記憶装置の低消費電力化、動作の高速化を実現できる。
Thereafter, as the second heat treatment, the resistance of the refractory
なお、本実施形態で説明した手法は、いわゆるサリサイド技術に基づくものであるが、本発明の半導体記憶装置がゲート電極側面部に絶縁体サイドウォールスペーサを有しているが故に、この手法が可能となっている。つまり、ここでは第1実施形態の半導体記憶装置に対して本手法を適用した例を説明したが、上記の他の実施形態に対しても、まったく同じ手法の適用が可能である。 The technique described in this embodiment is based on the so-called salicide technique, but this technique is possible because the semiconductor memory device of the present invention has the insulator sidewall spacer on the side surface of the gate electrode. It has become. That is, the example in which the present technique is applied to the semiconductor memory device of the first embodiment has been described here, but the same technique can be applied to the other embodiments described above.
101 半導体層
102、202 第1の絶縁膜
103、123、203 電荷蓄積絶縁膜
104、204 第2の絶縁膜
105、205 ゲート電極
106、107 サイドウォールスペーサ
108、208 チャネル領域
109、110、206、207 拡散領域
111、112 オフセット部分
113、211 反転層
114 蓄積電荷
114a ゲート電極端付近下部の蓄積電荷
114b サイドウォールスペーサ下部の蓄積電荷
115、116、209、210 ハロー領域
117、118 ハロー打ち返し領域
119、214 読出し電流
120、121、122、124 絶縁膜
125 電荷蓄積絶縁膜103中の蓄積電荷
126 電荷蓄積絶縁膜123中の蓄積電荷
127 バンド間トンネル電流
128、216 ホットホール
129 高融点金属膜
130、131、132 化合物膜
201 半導体基板
212 電子
213、214 読出し電流
215 トンネル電子
217 ホットエレクトロン
101
Claims (16)
前記電荷を局在的に蓄積する機能を有する電荷保持膜の一部の上に形成されたゲート電極と、
前記ゲート電極の両側の前記上記半導体層に形成された拡散領域とを備え、
前記拡散領域の前記ゲート電極側の端部が、前記ゲート電極直下よりも外側に位置し、
前記電荷を局在的に蓄積する機能を有する電荷保持膜が、少なくとも前記拡散領域の前記ゲート電極側の端部上にまで延在していることを特徴とする半導体記憶装置。 A charge retention film formed on the semiconductor layer and having a function of locally accumulating charges;
A gate electrode formed on a part of the charge retention film having a function of locally accumulating the charge;
A diffusion region formed in the semiconductor layer on both sides of the gate electrode,
The end of the diffusion region on the gate electrode side is located outside the area directly below the gate electrode,
A semiconductor memory device, wherein the charge retention film having a function of locally accumulating charges extends at least to an end of the diffusion region on the gate electrode side.
前記電荷を局在的に蓄積する機能を有する電荷保持膜を形成する工程と、前記電荷を局在的に蓄積する機能を有する電荷保持膜上に導電体膜を堆積する工程と、リソグラフィ及びエッチングによって前記導電体膜を加工することでゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極の側面に絶縁体からなるサイドウォールスペーサを形成する工程と、
不純物注入及びアニールを行って前記拡散領域を形成する工程と
を有することを特徴とする半導体記憶装置の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor memory device according to claim 1,
Forming a charge holding film having a function of locally accumulating the charge; depositing a conductor film on the charge holding film having a function of locally accumulating the charge; lithography and etching; Forming the gate electrode by processing the conductor film by:
Forming a sidewall spacer made of an insulator on a side surface of the gate electrode;
And a step of forming the diffusion region by performing impurity implantation and annealing.
前記電荷を局在的に蓄積する機能を有する電荷保持膜及び前記ゲート電極を覆うサイドウォールスペーサ形成材料膜を堆積する工程と、
異方性エッチング法により前記材料膜をエッチバックする工程と
を経ることで形成される請求項11に記載の半導体記憶装置の製造方法。 The sidewall spacer is
Depositing a charge retention film having a function of locally accumulating the charge and a sidewall spacer forming material film covering the gate electrode;
The method of manufacturing a semiconductor memory device according to claim 11, wherein the method is formed by performing a process of etching back the material film by an anisotropic etching method.
前記第1の電荷を局在的に蓄積する機能を有する電荷保持膜形成用の材料膜を形成する工程と、前記第1の材料膜上に導電体膜を堆積する工程と、リソグラフィ及びエッチングによって前記導電体膜を加工することでゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極直下以外の前記第1の材料膜を除去することで第1の電荷を局在的に蓄積する機能を有する電荷保持膜を形成する工程と、
少なくとも前記ゲート電極側面を覆うように第2の電荷を局在的に蓄積する機能を有する電荷保持膜形成用の材料膜を形成する工程と、
異方性エッチング法を用いて、前記第2の材料膜をエッチバックすることで第2の電荷を局在的に蓄積する機能を有する電荷保持膜を形成する工程と、
不純物注入及びアニールを行って前記拡散領域を形成する工程と
を有することを特徴とする半導体記憶装置の製造方法。 A method for manufacturing a semiconductor memory device according to claim 8, comprising:
Forming a charge retention film forming material film having a function of locally accumulating the first charge; depositing a conductor film on the first material film; and lithography and etching. Forming a gate electrode by processing the conductor film;
Forming a charge retention film having a function of locally accumulating the first charge by removing the first material film other than directly under the gate electrode;
Forming a charge retention film forming material film having a function of locally accumulating the second charge so as to cover at least the side surface of the gate electrode;
Forming a charge retention film having a function of locally accumulating the second charge by etching back the second material film using an anisotropic etching method;
And a step of forming the diffusion region by performing impurity implantation and annealing.
高融点金属を上記拡散領域上面の少なくとも一部を覆うように堆積する工程と、
熱処理によって、前記拡散領域表面の半導体と前記高融点金属とを反応させることで高融点金属の化合物膜を形成する工程と、
未反応の高融点金属を除去する工程と
を有する請求項11に記載の半導体記憶装置の製造方法。 After the step of forming the diffusion region,
Depositing a refractory metal so as to cover at least part of the upper surface of the diffusion region;
Forming a refractory metal compound film by reacting the semiconductor on the surface of the diffusion region with the refractory metal by heat treatment;
The method for manufacturing a semiconductor memory device according to claim 11, further comprising a step of removing unreacted refractory metal.
前記半導体層の電位に対して、前記ゲート電極の電位と前記拡散領域の電位とが互いに逆のバイアスとなるように電圧印加を行うことで、前記電荷を局在的に蓄積する機能を有する電荷保持膜中の電荷の一部のみを消去することを特徴とする半導体記憶装置の動作方法。 An operation method of the semiconductor memory device according to claim 1,
A charge having a function of locally accumulating the charge by applying a voltage so that the potential of the gate electrode and the potential of the diffusion region are opposite to each other with respect to the potential of the semiconductor layer. A method for operating a semiconductor memory device, wherein only a part of electric charges in a holding film is erased.
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