JP2007142450A - Manufacturing method of nonvolatile semiconductor storage - Google Patents

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Masatoshi Arai
雅利 荒井
Takahiko Hashizume
貴彦 橋爪
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To realize a manufacturing method of a nonvolatile semiconductor storage having a floating gate electrode with high charge holding capacity. <P>SOLUTION: The manufacturing method of the nonvolatile semiconductor storage comprises a step (a) of forming a tunnel insulating film made of a silicon oxide film on a semiconductor region in a substrate by performing heat treatment in atmosphere containing oxygen and hydrogen; a step (b) of diffusing nitrogen into the tunnel insulating film by performing heat treatment in atmosphere containing N<SB>2</SB>O or NO; a step (c) of diffusing hydrogen into the tunnel insulating film by performing heat treatment in a temperature range of 300-950°C in atmosphere containing hydrogen; a step (d) of forming a memory gate electrode section 8 on the tunnel insulating film after the step (c); and a step (e) of forming two impurity diffusion regions 30, 31 having a conductivity type opposite to that of the semiconductor region, by introducing impurities into a region positioned at both the sides of a floating gate electrode in the semiconductor region. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、不揮発性半導体記憶装置及びその製造方法に関し、特に、不揮発性半導体記憶装置の信頼性の向上対策に関する。   The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory device and a method for manufacturing the same, and more particularly to measures for improving the reliability of a nonvolatile semiconductor memory device.

従来より、フラッシュEEPROMに代表される不揮発性半導体記憶装置は、MISトランジスタのゲート電極として機能するコントロールゲート電極とチャネル領域との間に、電荷を蓄積するフローティングゲート電極を介在させた構造を基本とするものである。そして、もっとも一般的な構造においては、フローティングゲート電極における電荷の有無に応じて、MISトランジスタがONするかONしないかを検知することで、フローティングゲート電極の情報を読みとる構造となっている。ここで、この不揮発性半導体記憶装置においては、フローティングゲート電極における情報を書き換えるために、フローティングゲート電極下方のトンネル絶縁膜における電荷のトンネリングを利用して、フローティングゲート電極に電荷を注入したり、フローティングゲート電極から電荷を引き抜くことが可能になっている。ここで、トンネル絶縁膜として酸化膜が一般的に用いられているが、電荷がトンネル酸化膜を通過することによってゲート絶縁膜が経時的に劣化することが経験的に知られている。そこで、トンネル絶縁膜の信頼性の向上のために、多くの工夫が行なわれている。   Conventionally, a nonvolatile semiconductor memory device represented by a flash EEPROM basically has a structure in which a floating gate electrode for accumulating charges is interposed between a control gate electrode functioning as a gate electrode of a MIS transistor and a channel region. To do. In the most general structure, the information of the floating gate electrode is read by detecting whether the MIS transistor is turned on or not according to the presence or absence of charge in the floating gate electrode. Here, in this nonvolatile semiconductor memory device, in order to rewrite information in the floating gate electrode, charge is injected into the floating gate electrode by using tunneling of charges in the tunnel insulating film below the floating gate electrode, or floating. It is possible to extract charges from the gate electrode. Here, although an oxide film is generally used as the tunnel insulating film, it is empirically known that the gate insulating film deteriorates with time when charges pass through the tunnel oxide film. Therefore, many efforts have been made to improve the reliability of the tunnel insulating film.

以下、トンネル絶縁膜の信頼性の向上を図るための対策を講じた従来の不揮発性半導体記憶装置について、図13(a)〜(d)を参照しながら説明する。   Hereinafter, a conventional nonvolatile semiconductor memory device in which measures for improving the reliability of the tunnel insulating film are taken will be described with reference to FIGS.

まず、図13(a)に示す工程で、p型半導体基板101上に素子分離領域102と、素子分離領域102によって囲まれた活性領域103とを形成する。次に、図13(b)に示す工程で、半導体基板101の表面上に厚みが約10nmのトンネル酸化膜104を形成する。次に、図13(c)に示す工程で、基板上に、第1ポリシリコン膜,ONO膜,第2のポリシリコン膜を順次体積した後、各膜をパターニングすることにより、フローティングゲート電極105、電極間絶縁膜106、コントロールゲート電極107からなるゲート電極部108を形成する。ここで、ONO絶縁膜とは、酸化膜・窒化膜・酸化膜からなる積層膜のことである。最後に、図13(d)に示す工程で、トンネル絶縁膜104,フローティングゲート電極105,電極間絶縁膜106及びコントロールゲート電極107の側面上にサイドウォール109を形成する。そして、ゲート電極部108及びサイドウォール109をマスクとするイオン注入を行なって、半導体基板101内におけるゲート電極部108の両側に位置する領域にn型ソース拡散層110およびn型ドレイン拡散層111を形成する。   First, in the step shown in FIG. 13A, an element isolation region 102 and an active region 103 surrounded by the element isolation region 102 are formed on the p-type semiconductor substrate 101. Next, in a step shown in FIG. 13B, a tunnel oxide film 104 having a thickness of about 10 nm is formed on the surface of the semiconductor substrate 101. Next, in the step shown in FIG. 13C, after the first polysilicon film, the ONO film, and the second polysilicon film are sequentially volumed on the substrate, the respective films are patterned to thereby form the floating gate electrode 105. Then, the gate electrode portion 108 including the interelectrode insulating film 106 and the control gate electrode 107 is formed. Here, the ONO insulating film is a laminated film composed of an oxide film, a nitride film, and an oxide film. Finally, in the step shown in FIG. 13D, sidewalls 109 are formed on the side surfaces of the tunnel insulating film 104, the floating gate electrode 105, the interelectrode insulating film 106, and the control gate electrode 107. Then, ion implantation is performed using the gate electrode portion 108 and the sidewall 109 as a mask, and the n-type source diffusion layer 110 and the n-type drain diffusion layer 111 are formed in regions located on both sides of the gate electrode portion 108 in the semiconductor substrate 101. Form.

上記従来技術において、書き込み動作は、半導体基板101のうちトンネル絶縁膜104下方に位置する領域であるチャネル領域全体から、電子をトンネル絶縁膜104を介してフローティングゲート電極105に注入させることによって行なわれる。この電子の注入は、例えばFNトンネリングを利用している。また、フローティングゲート電極105からの電子の引き抜きは、例えばフローティングゲート電極105から半導体基板101のチャネル領域への移動によって行なわれる。その際、電子がトンネル絶縁膜104をFNトンネリングすることを繰り返し行なうことにより、次第にトンネル絶縁膜104中に捕獲サイト等の欠陥が増大して、信頼性が劣化するという現象が生じることが知られている。そこで、かかる捕獲サイトなどの欠陥の発生を抑制するために、トンネル絶縁膜を構成する酸化膜中に窒素を拡散させるという有望な対策が提案されている。   In the above prior art, the write operation is performed by injecting electrons from the entire channel region, which is a region located below the tunnel insulating film 104 in the semiconductor substrate 101, into the floating gate electrode 105 through the tunnel insulating film 104. . This electron injection uses, for example, FN tunneling. Further, extraction of electrons from the floating gate electrode 105 is performed, for example, by movement from the floating gate electrode 105 to the channel region of the semiconductor substrate 101. At this time, it is known that by repeatedly performing FN tunneling of electrons through the tunnel insulating film 104, defects such as trap sites gradually increase in the tunnel insulating film 104, resulting in deterioration of reliability. ing. Therefore, a promising measure for diffusing nitrogen into the oxide film constituting the tunnel insulating film has been proposed in order to suppress the occurrence of defects such as such trap sites.

しかしながら、本発明者が種々の実験を重ねた結果、上記トンネル絶縁膜中に窒素を拡散させるという改良を加えても、トンネル絶縁膜の劣化を効果的に抑制することが困難であることがわかった。そこで、その原因を調べたところ、以下のような事実が明らかになった。   However, as a result of repeated experiments by the inventors, it has been found that it is difficult to effectively suppress the deterioration of the tunnel insulating film even if the improvement that nitrogen is diffused in the tunnel insulating film is added. It was. Then, when the cause was investigated, the following facts became clear.

一般に、熱酸化膜であるシリコン酸化膜中に窒素を拡散させるとトンネル絶縁膜の基板側の部分の膜質は向上するが、トンネル絶縁膜のフローティングゲート側の部分における膜質の向上がみられない。これは、トンネル絶縁膜内において半導体基板との界面付近の領域には窒素が比較的高濃度に分布するが、トンネル絶縁膜のフローティングゲート電極との界面付近の領域には窒素が殆ど分布していないからである。   In general, when nitrogen is diffused into a silicon oxide film which is a thermal oxide film, the film quality of the tunnel insulating film on the substrate side is improved, but the film quality of the tunnel insulating film on the floating gate side is not improved. This is because nitrogen is distributed at a relatively high concentration in the tunnel insulating film near the interface with the semiconductor substrate, but almost all nitrogen is distributed in the tunnel insulating film near the interface with the floating gate electrode. Because there is no.

ところで、従来から熱酸化膜を形成する熱処理の際には、酸化膜の形成に酸素ガスと水素ガスを用いるパイロ酸化を用いるのが一般的である。このパイロ酸化によって形成された酸化膜中には、多くの水素が含まれるが、この水素が酸化膜中のダングリングボンドを終端することにより、下地の半導体基板に生じる応力を低減し、ひいては、トランジスタの特性を良好に保持するのに寄与していることが知られている。つまり、酸素ガスのみを用いて酸化するドライ酸化によって形成されたシリコン酸化膜に比べて、パイロ酸化法によって形成されたシリコン酸化膜のほうが高い信頼性を発揮しうることが知られている。   By the way, in the conventional heat treatment for forming a thermal oxide film, pyrooxidation using oxygen gas and hydrogen gas is generally used for forming the oxide film. The oxide film formed by the pyro-oxidation contains a lot of hydrogen, but this hydrogen terminates dangling bonds in the oxide film, thereby reducing the stress generated in the underlying semiconductor substrate, It is known that it contributes to maintaining good transistor characteristics. That is, it is known that a silicon oxide film formed by a pyro-oxidation method can exhibit higher reliability than a silicon oxide film formed by dry oxidation using only oxygen gas.

ところが、本発明者の実験によると、熱酸化膜中に窒素を拡散させる処理(窒素拡散処理)の際に、パイロ酸化によって熱酸化膜に導入された水素が外方に拡散しているのではないかというデータが得られた。この実験データについては後述する。そして、上述のような窒素拡散処理を行なったトンネル絶縁膜の膜質の劣化は、本発明者の推測によると、高温の熱処理により酸化膜表面に存在する水素が外方拡散し、酸化膜表面近傍に電荷捕獲サイトが生成されることによるものと考えられる。以下、本発明者が考えているトンネル絶縁膜の劣化のメカニズムについて、説明する。   However, according to the experiments of the present inventors, hydrogen introduced into the thermal oxide film by pyro-oxidation is diffused outward during the process of diffusing nitrogen in the thermal oxide film (nitrogen diffusion process). The data was obtained. This experimental data will be described later. The deterioration of the film quality of the tunnel insulating film that has been subjected to the nitrogen diffusion treatment as described above is, according to the inventor's estimation, that hydrogen existing on the surface of the oxide film diffuses outward due to high-temperature heat treatment, and the vicinity of the oxide film surface This is thought to be due to the generation of charge trapping sites. Hereinafter, the mechanism of deterioration of the tunnel insulating film considered by the present inventors will be described.

図14は、フローティングゲート電極,トンネル絶縁膜及び半導体基板を通過する断面における電子注入時のエネルギーバンド構造を示すバンド図である。同図に示すように、FNトンネリングを利用して、半導体基板からフローティングゲート電極に電子を注入する際、窒素が拡散している熱酸化膜であるトンネル絶縁膜中のフローティングゲート電極に近い領域において、水素が抜けたことによるダングリングボンドが存在すると、その部位に正孔が捕獲されると考えられる。一方、上述のように、トンネル絶縁膜内における半導体基板に近い領域には窒素が高濃度に拡散しているので、水素が抜けたダングリングボンドは窒素によって終端され、正孔が捕獲される確率は低いと考えられる。   FIG. 14 is a band diagram showing an energy band structure at the time of electron injection in a cross section passing through the floating gate electrode, the tunnel insulating film, and the semiconductor substrate. As shown in the figure, when electrons are injected from the semiconductor substrate to the floating gate electrode using FN tunneling, in a region near the floating gate electrode in the tunnel insulating film, which is a thermal oxide film in which nitrogen is diffused. When dangling bonds due to the loss of hydrogen are present, it is considered that holes are captured at those sites. On the other hand, as described above, nitrogen is diffused in a high concentration in a region close to the semiconductor substrate in the tunnel insulating film, so that the dangling bond from which hydrogen has escaped is terminated by nitrogen and the probability that holes are captured Is considered low.

図15は、正孔が捕獲されたときのフローティングゲート電極,トンネル絶縁膜及び半導体基板を通過する断面における読み出し動作などの際のエネルギーバンド構造を示すバンド図である。同図に示すように、正孔がトンネル絶縁膜中のフローティングゲート電極に近い領域に捕獲されると、トンネル絶縁膜の伝導帯端の一部においてポテンシャルが低下するようにエネルギーバンド構造が変化するため、フローティングゲート電極に蓄積されている電荷(電子)が容易にトンネリングによって半導体基板側に漏出し、記憶保持能力が低下するなど、メモリセルの信頼性の低下が発生すると考えられる。なお、電子も捕獲されるが、電子はゲート絶縁膜中に広く分布していると考えられる。   FIG. 15 is a band diagram showing an energy band structure at the time of reading operation in a cross section passing through the floating gate electrode, the tunnel insulating film, and the semiconductor substrate when holes are captured. As shown in the figure, when holes are trapped in a region near the floating gate electrode in the tunnel insulating film, the energy band structure changes so that the potential decreases at a part of the conduction band edge of the tunnel insulating film. Therefore, it is considered that the reliability of the memory cell occurs, for example, the charge (electrons) accumulated in the floating gate electrode easily leaks to the semiconductor substrate side by tunneling and the memory retention capability is reduced. Although electrons are also captured, it is considered that electrons are widely distributed in the gate insulating film.

本発明は、上述のような熱酸化膜中に窒素を拡散させて構成されるトンネル絶縁膜における信頼性の低下の原因の解明に基づき、トンネル絶縁膜の劣化を有効に防止しうる手段を講ずることにより、フローティングゲート電極の電荷保持能力の劣化を抑制してメモリセルの信頼性の向上を図りうる不揮発性半導体記憶装置及びその製造方法を提供することにある。   The present invention takes measures to effectively prevent the deterioration of the tunnel insulating film based on the elucidation of the cause of the decrease in reliability in the tunnel insulating film constituted by diffusing nitrogen in the thermal oxide film as described above. Accordingly, it is an object of the present invention to provide a nonvolatile semiconductor memory device and a method for manufacturing the same, which can improve the reliability of the memory cell by suppressing the deterioration of the charge retention capability of the floating gate electrode.

本発明の不揮発性半導体記憶装置の製造方法は、酸素及び水素を含む雰囲気中で熱処理を行うことにより、基板内の半導体領域の上にシリコン酸化膜からなるトンネル絶縁膜を形成する工程(a)と、N2O又はNOを含む雰囲気中で熱処理を行うことにより、トンネル絶縁膜中に窒素を拡散させる工程(b)と、水素を含む雰囲気中で300℃から950℃の温度範囲で熱処理を行うことにより、トンネル絶縁膜中に水素を拡散させる工程(c)と、工程(c)の後、トンネル絶縁膜の上に、フローティングゲート電極,電極間絶縁膜及びコントロールゲート電極からなるメモリゲート電極部を形成する工程(d)と、半導体領域内のフローティングゲート電極の両側に位置する領域に不純物を導入して、半導体領域とは逆導電型の2つの不純物拡散領域を形成する工程(e)とを含んでいる。 The method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device of the present invention includes a step (a) of forming a tunnel insulating film made of a silicon oxide film on a semiconductor region in a substrate by performing heat treatment in an atmosphere containing oxygen and hydrogen. And a step (b) of diffusing nitrogen in the tunnel insulating film by performing heat treatment in an atmosphere containing N 2 O or NO, and a heat treatment in a temperature range of 300 ° C. to 950 ° C. in an atmosphere containing hydrogen. A step (c) of diffusing hydrogen into the tunnel insulating film, and a memory gate electrode comprising a floating gate electrode, an interelectrode insulating film, and a control gate electrode on the tunnel insulating film after the step (c). Forming step (d) and introducing impurities into regions located on both sides of the floating gate electrode in the semiconductor region, And a step (e) to form a net things diffusion region.

この方法により、工程(c)における水素の拡散処理によって、シリコン酸化膜中の電荷捕獲サイトが低減され、このシリコン酸化膜がフローティングゲート電極下方のトンネル絶縁膜として機能する。従って、トンネル絶縁膜からの電荷の漏出が低減され電荷保持能力の高いフローティングゲート電極を備えた不揮発性半導体装置が形成される。   With this method, the charge trapping sites in the silicon oxide film are reduced by the hydrogen diffusion process in the step (c), and this silicon oxide film functions as a tunnel insulating film below the floating gate electrode. Accordingly, a nonvolatile semiconductor device having a floating gate electrode with reduced charge leakage from the tunnel insulating film and high charge holding capability is formed.

また、トンネル絶縁膜中に窒素を拡散させる工程(b)を含むため、窒素が拡散されたシリコン酸化膜がフローティングゲート電極下方のトンネル絶縁膜として機能するので、フローティングゲート電極からの電子の引き抜きによる欠陥の発生の少ない信頼性の高いトンネル絶縁膜が得られる。   In addition, since the step (b) of diffusing nitrogen into the tunnel insulating film is included, the silicon oxide film in which nitrogen is diffused functions as a tunnel insulating film below the floating gate electrode, so that electrons are extracted from the floating gate electrode. A highly reliable tunnel insulating film with few defects is obtained.

本発明に係る不揮発性半導体記憶装置によれば、フローティングゲート電極の電荷保持能力の劣化を抑制してメモリセルの信頼性の向上を図ることができる。   According to the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention, it is possible to improve the reliability of the memory cell by suppressing the deterioration of the charge retention capability of the floating gate electrode.

以下、本発明の実施形態における不揮発性半導体記憶装置について、図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, a nonvolatile semiconductor memory device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

(第1の実施形態)
図1(a)〜(e)は、本発明の第1の実施形態における不揮発性半導体記憶装置(メモリセル)の製造工程を示す断面図である。
(First embodiment)
FIGS. 1A to 1E are cross-sectional views showing manufacturing steps of the nonvolatile semiconductor memory device (memory cell) in the first embodiment of the present invention.

まず、図1(a)に示す工程で、p型不純物を含むシリコン基板1内に、n型不純物のイオン注入などによってn型ウェル1aを形成し、このn型ウェル1aのうちメモリセルが形成される活性領域3を区画するための素子分離領域2を形成する。   First, in the step shown in FIG. 1A, an n-type well 1a is formed in a silicon substrate 1 containing a p-type impurity by ion implantation of an n-type impurity, and a memory cell is formed in the n-type well 1a. An element isolation region 2 for partitioning the active region 3 to be formed is formed.

次に、図1(b)に示す工程で、周知のパイロ酸化法により、活性領域3の表面部を酸化して、厚みが約7nmのシリコン酸化膜4aを形成する。   Next, in the step shown in FIG. 1B, the surface portion of the active region 3 is oxidized by a known pyro-oxidation method to form a silicon oxide film 4a having a thickness of about 7 nm.

続いて、図1(c)に示す工程で、N2O雰囲気中で1050℃のランプアニールを行うことにより、窒素をシリコン酸化膜4a中に侵入させて窒素をシリコン酸化膜中を拡散させるとともに、シリコン酸化膜の膜厚を10nmに増大させて、厚みが約10nmの窒素含有シリコン酸化膜4xとする。このとき、窒素は窒素含有シリコン酸化膜4x中においてn型ウェル1aに近い部分で高濃度になるように偏って分布している。 Subsequently, in the step shown in FIG. 1C, lamp annealing is performed at 1050 ° C. in an N 2 O atmosphere, so that nitrogen penetrates into the silicon oxide film 4a and diffuses in the silicon oxide film. The thickness of the silicon oxide film is increased to 10 nm to obtain a nitrogen-containing silicon oxide film 4x having a thickness of about 10 nm. At this time, nitrogen is unevenly distributed in the nitrogen-containing silicon oxide film 4x so as to have a high concentration near the n-type well 1a.

次に、図1(d)に示す工程で、窒素含有シリコン酸化膜4xの上に第1のポリシリコン膜,ONO膜(シリコン酸化膜/シリコン窒化膜/シリコン酸化膜の積層膜)及び第2のポリシリコン膜を順次堆積した後、フォトリソグラフィーによるレジストマスクの形成とドライエッチングとを行なうことにより、第2のポリシリコン膜,ONO膜,第1のポリシリコン膜及び窒素含有シリコン酸化膜4xを順次パターニングして、トンネル絶縁膜4と、フローティングゲート電極5と、ONO膜からなる電極間絶縁膜6と、コントロールゲート電極7とを形成する。この工程により、トンネル絶縁膜4の上には、フローティングゲート電極5,電極間絶縁膜6及びコントロールゲート電極7からなるメモリゲート電極部8が形成されている。また、メモリゲート電極部8の側方に、ゲート絶縁膜14と、セレクトゲート電極15と、ダミー電極間絶縁膜16と、ダミーコントロールゲート電極17とを板間に介在するゲート絶縁膜14とを形成する。この工程により、ゲート絶縁膜14の上には、セレクトゲート電極15,ダミー電極間絶縁膜16及びダミーコントロールゲート電極17からなるセレクトゲート電極部18が形成されている。そして、セレクトゲート電極15とダミーコントロールゲート電極17とは互いに電気的に導通するように一部で短絡されており、ダミーコントロールゲート電極17に電圧を印加することによってセレクトゲート電極15に直接電圧を印加するように構成されている。   Next, in the step shown in FIG. 1D, a first polysilicon film, an ONO film (silicon oxide film / silicon nitride film / silicon oxide film laminated film), and a second film are formed on the nitrogen-containing silicon oxide film 4x. After sequentially depositing the polysilicon films, a resist mask is formed by photolithography and dry etching is performed to form the second polysilicon film, the ONO film, the first polysilicon film, and the nitrogen-containing silicon oxide film 4x. By sequentially patterning, a tunnel insulating film 4, a floating gate electrode 5, an interelectrode insulating film 6 made of an ONO film, and a control gate electrode 7 are formed. Through this process, a memory gate electrode portion 8 including a floating gate electrode 5, an interelectrode insulating film 6 and a control gate electrode 7 is formed on the tunnel insulating film 4. Further, a gate insulating film 14, a select gate electrode 15, a dummy interelectrode insulating film 16, and a dummy control gate electrode 17 are interposed between the plates on the side of the memory gate electrode portion 8. Form. Through this process, a select gate electrode portion 18 including a select gate electrode 15, a dummy inter-electrode insulating film 16, and a dummy control gate electrode 17 is formed on the gate insulating film 14. The select gate electrode 15 and the dummy control gate electrode 17 are partially short-circuited so as to be electrically connected to each other, and a voltage is directly applied to the select gate electrode 15 by applying a voltage to the dummy control gate electrode 17. It is comprised so that it may apply.

次に、図1(e)に示す工程で、メモリゲート電極部8及びセレクトゲート電極部18の各側面に、それぞれ厚みが約100nmのサイドウォール9,19を形成した後、メモリゲート電極部8,セレクトゲート電極部18およびサイドウォール9,19をマスクとして、n型ウェル1a内にp型不純物のイオン注入を行なうことにより、n型ウェル1aのうちフローティングゲート電極5の側方に位置する領域にはp型ソース拡散層10を、セレクトゲート電極15の側方に位置する領域にはp型ドレイン拡散層11を、フローティングゲート電極5とセレクトゲート電極15との間に位置する領域にはp型中間拡散層12をそれぞれ形成する。   Next, in the step shown in FIG. 1E, sidewalls 9 and 19 having a thickness of about 100 nm are formed on the side surfaces of the memory gate electrode portion 8 and the select gate electrode portion 18, respectively. , A region located on the side of the floating gate electrode 5 in the n-type well 1a by implanting p-type impurities into the n-type well 1a using the select gate electrode portion 18 and the sidewalls 9 and 19 as a mask. P-type source diffusion layer 10, p-type drain diffusion layer 11 in the region located beside the select gate electrode 15, and p-type source diffusion layer 11 in the region located between the floating gate electrode 5 and the select gate electrode 15. The mold intermediate diffusion layers 12 are respectively formed.

次に、図2(a),(b)は、本実施形態において形成されたメモリセルに書き込み,消去を行なう方法を説明するための断面図である。   Next, FIGS. 2A and 2B are cross-sectional views for explaining a method of writing and erasing the memory cell formed in this embodiment.

図2(a)に示すように、このメモリセルに書き込み(Program)を行なう場合には、例えば、p型ソース拡散層10をオープンにして、p型ドレイン拡散層11に負の中間電圧(−5.5V)を、セレクトゲート電極15に負の大電圧(−7.5V)を、コントロールゲート電極7には正の高電圧(+10V)を、n型ウェル1aには正の低電圧Vcc(+3.0V)をそれぞれ印加する。このような電圧設定により、n型ウェル1aとp型中間拡散層12との間のpn接合の傾斜が急峻になるので、n型ウェル1aからp型中間拡散層12に正孔がバンド−バンド間トンネリングによって高速に移動するが、その際、正孔が空乏層(n型ウェル1aと中間拡散層12との境界付近の領域)の電子と衝突することにより、ホットエレクトロン(バンド−バンド間トンネル電流誘起ホットエレクトロン)が発生し、このホットエレクトロンがコントロールゲート電極7と容量結合しているフローティングゲート電極5に引かれ、トンネル絶縁膜4のうちp型中間拡散層12に近い部分をトンネリングしてフローティングゲート電極5内に注入される。これによって、書き込み(Program)が行なわれる。   As shown in FIG. 2A, when writing into this memory cell (Program), for example, the p-type source diffusion layer 10 is opened, and a negative intermediate voltage (− 5.5V), a negative large voltage (−7.5V) at the select gate electrode 15, a positive high voltage (+ 10V) at the control gate electrode 7, and a positive low voltage Vcc (at the n-type well 1a). +3.0 V) is applied. By such voltage setting, the slope of the pn junction between the n-type well 1a and the p-type intermediate diffusion layer 12 becomes steep, so that holes are band-band from the n-type well 1a to the p-type intermediate diffusion layer 12. It moves at high speed by inter-tunneling. At this time, holes collide with electrons in the depletion layer (region near the boundary between the n-type well 1a and the intermediate diffusion layer 12), thereby causing hot electrons (band-band tunneling). Current induced hot electrons) are generated, and the hot electrons are attracted to the floating gate electrode 5 capacitively coupled to the control gate electrode 7, and a portion of the tunnel insulating film 4 close to the p-type intermediate diffusion layer 12 is tunneled. It is injected into the floating gate electrode 5. Thus, writing (Program) is performed.

一方、図2(b)に示すように、このメモリセルの消去(Erase)を行なう場合には、p型ドレイン拡散層11をオープンにして、p型ソース拡散層10に正の高電圧(+10V)を、セレクトゲート電極15に正の高電圧(+10V)を、コントロールゲート電極7には負の大電圧(−7.5)を、n型ウェル1aには正の高電圧(+10V)をそれぞれ印加する。このような電圧設定により、フローティングゲート電極5中の電子が、n型ウェル1aの高電圧に引かれて、トンネル絶縁膜4の全面をトンネリングしてn型ウェル1aに引き抜かれる。これによって、消去(Erase)が行なわれる。   On the other hand, as shown in FIG. 2B, when erasing the memory cell, the p-type drain diffusion layer 11 is opened and a positive high voltage (+10 V) is applied to the p-type source diffusion layer 10. ), A positive high voltage (+ 10V) is applied to the select gate electrode 15, a negative high voltage (−7.5) is applied to the control gate electrode 7, and a positive high voltage (+ 10V) is applied to the n-type well 1a. Apply. With such a voltage setting, electrons in the floating gate electrode 5 are drawn by the high voltage of the n-type well 1a, tunneled over the entire surface of the tunnel insulating film 4, and drawn out to the n-type well 1a. As a result, erase is performed.

ここで、本実施形態の不揮発性半導体記憶装置(メモリセル)の構造によると、トンネル絶縁膜4中に窒素が拡散されており、トンネル絶縁膜4中のn型ウェル1aに近い部分で濃くなるように偏って分布しているので、この部分における膜質は良好である。したがって、電子がフローティングゲート電極5からトンネル絶縁膜4のほぼ全体をトンネリングする際に、トンネル絶縁膜4中のn型ウェル1aに近い部分での欠陥の発生は抑制される。   Here, according to the structure of the nonvolatile semiconductor memory device (memory cell) of the present embodiment, nitrogen is diffused in the tunnel insulating film 4 and becomes thicker in the tunnel insulating film 4 near the n-type well 1a. Thus, the film quality in this part is good. Therefore, when electrons tunnel through substantially the entire tunnel insulating film 4 from the floating gate electrode 5, the occurrence of defects in the portion of the tunnel insulating film 4 near the n-type well 1a is suppressed.

一方、トンネル絶縁膜4中のフローティングゲート電極5に近い部分においては、上述の従来の不揮発性半導体記憶装置と同様に、水素の外方への拡散に起因する電荷捕獲サイトが生じうる。しかしながら、本実施形態のメモリセルにおいては、書き込み時には、n型ウェル1aとp型中間拡散層12との境界付近の領域においてバンド−バンド間トンネル電流によって誘起されたホットエレクトロンが、トンネル絶縁膜4のうちp型中間拡散層12の近傍の局所的領域のみを通過するために、トンネリングの際に正孔が電荷捕獲サイトに捕獲される場所は、トンネル絶縁膜4のうちp型中間拡散層12の近傍の局所的領域のみに限られている。つまり、この正孔が捕獲され得る面積は、トンネル絶縁膜4のフローティングゲート電極5との界面全体の面積に比べると極めて小さい。したがって、正孔が電荷捕獲サイトに捕獲されてバンド構造が変化した部位から電子が漏出する量は極めてわずかである。よって、本実施形態の不揮発性半導体記憶装置(メモリセル)においては、バンドーバンド間トンネル電流誘起ホットエレクトロン注入方式の特徴、つまり、書き込み・消去によるしきい値電圧の差を大きくとれ、書き換え回数が多く、書き込み時間が短いという特徴を活かしつつ、新たな電荷捕獲サイトの発生に起因するフローティングゲート電極5の電荷保持能力の低下を抑制することができる。   On the other hand, in the portion close to the floating gate electrode 5 in the tunnel insulating film 4, a charge trapping site due to the outward diffusion of hydrogen can occur as in the above-described conventional nonvolatile semiconductor memory device. However, in the memory cell of the present embodiment, at the time of writing, hot electrons induced by a band-to-band tunnel current in a region near the boundary between the n-type well 1a and the p-type intermediate diffusion layer 12 are transferred to the tunnel insulating film 4. In order to pass only a local region in the vicinity of the p-type intermediate diffusion layer 12 of the tunnel insulating film 4, holes are trapped in the charge trapping site during tunneling. It is limited only to a local region in the vicinity of. That is, the area where holes can be captured is extremely small compared to the area of the entire interface between the tunnel insulating film 4 and the floating gate electrode 5. Therefore, the amount of electrons leaking from the site where the hole structure is changed by trapping holes at the charge trapping site is very small. Therefore, in the nonvolatile semiconductor memory device (memory cell) of the present embodiment, the characteristics of the band-to-band tunneling current induced hot electron injection method, that is, the difference in threshold voltage between writing and erasing can be increased, and the number of rewrites can be increased. In many cases, it is possible to suppress a decrease in the charge retention capability of the floating gate electrode 5 due to the generation of a new charge trapping site while taking advantage of the short writing time.

また、本実施形態の製造方法によると、トンネル絶縁膜4中への窒素の拡散に際してランプアニール(ハロゲンランプ照射などによる急速加熱/冷却処理)を用いることによって、急速な熱処理を行うことができ、n型ウェル1a中の不純物プロファイルを維持したまま窒素を拡散することが可能となる。これにより、しきい値電圧のばらつきや変動を抑制することができる。   Further, according to the manufacturing method of the present embodiment, rapid annealing can be performed by using lamp annealing (rapid heating / cooling treatment by halogen lamp irradiation or the like) when diffusing nitrogen into the tunnel insulating film 4. Nitrogen can be diffused while maintaining the impurity profile in the n-type well 1a. Thereby, variation and fluctuation of the threshold voltage can be suppressed.

なお、上記実施形態において、セレクトゲート電極15が設けられていない構造であってもよい。その場合には、p型中間拡散層12の代わりにp型ドレイン拡散層11との境界領域におけるバンド−バンド間トンネル電流誘起ホットエレクトロンが、トンネル絶縁膜4のうちp型ドレイン拡散層11の近傍の局所的領域のみを通過して、フローティングゲート電極5に注入されることになる。よって、本実施形態と同じ効果を発揮することができる。   In the above embodiment, a structure in which the select gate electrode 15 is not provided may be used. In that case, the band-to-band tunneling current-induced hot electrons in the boundary region with the p-type drain diffusion layer 11 instead of the p-type intermediate diffusion layer 12 are generated in the vicinity of the p-type drain diffusion layer 11 in the tunnel insulating film 4. Only through the local region, the floating gate electrode 5 is injected. Therefore, the same effect as this embodiment can be exhibited.

また、図2(a)において、p型ドレイン拡散層11をオープンにして、p型ソース拡散層10に負の電圧(−5.5V)を印加してもよい。その場合には、p型ソース拡散層10の近傍におけるバンド−バンド間トンネル電流誘起ホットエレクトロンが、トンネル絶縁膜4のうちp型ソース拡散層10の近傍の局所的領域のみを通過して、フローティングゲート電極5に注入されることになる。よって、本実施形態と同じ効果を発揮することができる。   In FIG. 2A, the p-type drain diffusion layer 11 may be opened and a negative voltage (−5.5 V) may be applied to the p-type source diffusion layer 10. In that case, band-to-band tunneling current-induced hot electrons in the vicinity of the p-type source diffusion layer 10 pass only through a local region in the vicinity of the p-type source diffusion layer 10 in the tunnel insulating film 4 and float. It will be injected into the gate electrode 5. Therefore, the same effect as this embodiment can be exhibited.

(第2の実施形態)
図3(a)〜(e)は、本発明の第2の実施形態における不揮発性半導体記憶装置(メモリセル)の製造工程を示す断面図である。
(Second Embodiment)
FIGS. 3A to 3E are cross-sectional views showing the manufacturing process of the nonvolatile semiconductor memory device (memory cell) in the second embodiment of the present invention.

まず、図3(a)に示す工程で、p型シリコン基板1に、p型シリコン基板1のうちメモリセルが形成される活性領域3を区画するための素子分離領域2を形成する。   First, in the step shown in FIG. 3A, an element isolation region 2 for partitioning an active region 3 in which a memory cell is formed in the p-type silicon substrate 1 is formed on the p-type silicon substrate 1.

次に、図3(b)に示す工程で、周知のパイロ酸化法により、活性領域3の表面部を酸化して、厚みが約7nmのシリコン酸化膜を形成する。続いて、N2O雰囲気中で1050℃のランプアニールを行うことにより、窒素をシリコン酸化膜中に侵入させて窒素をシリコン酸化膜中を拡散させるとともに、シリコン酸化膜の膜厚を10nmに増大させて、厚みが約10nmの窒素含有シリコン酸化膜4xとする。このとき、窒素は窒素含有シリコン酸化膜4x中においてシリコン基板1に近い部分で高濃度になるように偏って分布している。 Next, in the step shown in FIG. 3B, the surface portion of the active region 3 is oxidized by a known pyro-oxidation method to form a silicon oxide film having a thickness of about 7 nm. Subsequently, by performing lamp annealing at 1050 ° C. in an N 2 O atmosphere, nitrogen is penetrated into the silicon oxide film to diffuse nitrogen in the silicon oxide film, and the thickness of the silicon oxide film is increased to 10 nm. Thus, a nitrogen-containing silicon oxide film 4x having a thickness of about 10 nm is obtained. At this time, nitrogen is unevenly distributed in the nitrogen-containing silicon oxide film 4x so as to have a high concentration in a portion close to the silicon substrate 1.

次に、図3(c)に示す工程で、窒素含有シリコン酸化膜4xの上に第1のポリシリコン膜,ONO膜(シリコン酸化膜/シリコン窒化膜/シリコン酸化膜の積層膜)及び第2のポリシリコン膜を順次堆積した後、フォトリソグラフィーによるレジストマスクの形成とドライエッチングとを行なうことにより、第2のポリシリコン膜,ONO膜,第1のポリシリコン膜及び窒素含有シリコン酸化膜4xを順次パターニングして、トンネル絶縁膜4と、フローティングゲート電極5と、ONO膜からなる電極間絶縁膜6と、コントロールゲート電極7とを形成する。この工程により、トンネル絶縁膜4の上には、フローティングゲート電極5,電極間絶縁膜6及びコントロールゲート電極7からなるメモリゲート電極部8が形成されている。   Next, in the step shown in FIG. 3C, on the nitrogen-containing silicon oxide film 4x, a first polysilicon film, an ONO film (a laminated film of silicon oxide film / silicon nitride film / silicon oxide film) and a second film are formed. After sequentially depositing the polysilicon films, a resist mask is formed by photolithography and dry etching is performed to form the second polysilicon film, the ONO film, the first polysilicon film, and the nitrogen-containing silicon oxide film 4x. By sequentially patterning, a tunnel insulating film 4, a floating gate electrode 5, an interelectrode insulating film 6 made of an ONO film, and a control gate electrode 7 are formed. Through this process, a memory gate electrode portion 8 including a floating gate electrode 5, an interelectrode insulating film 6 and a control gate electrode 7 is formed on the tunnel insulating film 4.

次に、図3(d)に示す工程で、メモリゲート電極部8の側面に、厚みが約100nmのサイドウォール9を形成する。次に、基板上に、メモリゲート電極部8の中央部付近からドレイン拡散層を形成しようとする領域に亘る部分を覆うフォトレジストマスクRe1を形成し、このフォトレジスト膜Re1,メモリゲート電極部8およびサイドウォール9をマスクとして、砒素イオンを、加速エネルギーが約40keV、ドーズ量が約2×1015atoms・cm-3の条件でp型シリコン基板1内に注入し、さらに、燐イオンを、加速エネルギーが約70keV、ドーズ量が約4×1015atoms・cm-3の条件でp型シリコン基板1内に注入することにより、深いn型ソース拡散層20を形成する。 Next, sidewalls 9 having a thickness of about 100 nm are formed on the side surfaces of the memory gate electrode portion 8 in the step shown in FIG. Next, a photoresist mask Re1 is formed on the substrate to cover a portion extending from the vicinity of the center of the memory gate electrode portion 8 to the region where the drain diffusion layer is to be formed. The photoresist film Re1, the memory gate electrode portion 8 Then, using the side wall 9 as a mask, arsenic ions are implanted into the p-type silicon substrate 1 under conditions of an acceleration energy of about 40 keV and a dose of about 2 × 10 15 atoms · cm −3 , and phosphorus ions A deep n-type source diffusion layer 20 is formed by implanting into the p-type silicon substrate 1 under conditions of an acceleration energy of about 70 keV and a dose of about 4 × 10 15 atoms · cm −3 .

次に、図3(e)に示す工程で、基板上に、メモリゲート電極部8の中央部付近からn型ソース拡散層20に亘る部分を覆うフォトレジストマスクRe2を形成し、このフォトレジスト膜Re2,メモリゲート電極部8およびサイドウォール9をマスクとして、砒素イオンを、加速エネルギーが約40keV、ドーズ量が約3×1014atoms・cm-3の条件でp型シリコン基板1内に注入して、浅いn型ドレイン拡散層21を形成する。 Next, in the step shown in FIG. 3E, a photoresist mask Re2 is formed on the substrate to cover a portion extending from the vicinity of the center of the memory gate electrode portion 8 to the n-type source diffusion layer 20, and this photoresist film Ar 2 ions are implanted into the p-type silicon substrate 1 under conditions of an acceleration energy of about 40 keV and a dose of about 3 × 10 14 atoms · cm −3 using Re 2, the memory gate electrode portion 8 and the sidewall 9 as a mask. Thus, a shallow n-type drain diffusion layer 21 is formed.

次に、図4(a),(b)は、本実施形態において形成されたメモリセルに書き込み,消去を行なう方法を説明するための断面図である。   Next, FIGS. 4A and 4B are cross-sectional views for explaining a method of writing and erasing the memory cell formed in the present embodiment.

図4(a)に示すように、このメモリセルに書き込み(Program)を行なう場合には、例えば、p型シリコン基板1を接地して、n型ソース拡散層20に0Vの電圧を、n型ドレイン拡散層21に正の中間電圧(5V)を、コントロールゲート電極7に正の高電圧(+10V)をそれぞれ印加する。このような電圧設定により、n型ソース拡散層20からn型ドレイン拡散層21に電子が流れるが、n型ドレイン拡散層21の近傍では不純物濃度プロファイルが急峻になるので、電子が加速され、原子との衝突によって電子・正孔対を発生させる。このとき、p型シリコン基板1とn型ドレイン拡散層21との境界付近の領域に発生した高速のホットエレクトロン(チャネルホットエレクトロン)が、コントロールゲート電極7と容量結合しているフローティングゲート電極5に引かれて、トンネル絶縁膜4のうちn型ドレイン拡散層21に近い部分をトンネリングしてフローティングゲート電極5内に注入される。これによって、書き込み(Program)が行なわれる。   As shown in FIG. 4A, when writing (Program) to this memory cell, for example, the p-type silicon substrate 1 is grounded, and a voltage of 0 V is applied to the n-type source diffusion layer 20. A positive intermediate voltage (5 V) is applied to the drain diffusion layer 21, and a positive high voltage (+10 V) is applied to the control gate electrode 7. With such a voltage setting, electrons flow from the n-type source diffusion layer 20 to the n-type drain diffusion layer 21, but since the impurity concentration profile becomes steep in the vicinity of the n-type drain diffusion layer 21, the electrons are accelerated, Electron / hole pairs are generated by collisions with. At this time, high-speed hot electrons (channel hot electrons) generated in the region near the boundary between the p-type silicon substrate 1 and the n-type drain diffusion layer 21 are transferred to the floating gate electrode 5 capacitively coupled to the control gate electrode 7. As a result, a portion of the tunnel insulating film 4 close to the n-type drain diffusion layer 21 is tunneled and injected into the floating gate electrode 5. Thus, writing (Program) is performed.

一方、図4(b)に示すように、このメモリセルの消去(Erase)を行なう場合には、p型シリコン基板1を接地し、n型ドレイン拡散層21をオープンにして、コントロールゲート電極7に0Vの電圧を、n型ソース拡散層20に正の高電圧(+12V)をそれぞれ印加する。このような電圧設定により、フローティングゲート電極5中の電子が、n型ソース拡散層20の高電圧に引かれて、トンネル絶縁膜4のうちn型ソース拡散層20に近い部分をFNトンネリングしてn型ソース拡散層20に引き抜かれる。これによって、消去(Erase)が行なわれる。   On the other hand, as shown in FIG. 4B, when erasing the memory cell, the p-type silicon substrate 1 is grounded, the n-type drain diffusion layer 21 is opened, and the control gate electrode 7 is opened. A voltage of 0 V is applied to the n-type source diffusion layer 20 and a positive high voltage (+12 V) is applied to the n-type source diffusion layer 20. By such voltage setting, electrons in the floating gate electrode 5 are attracted by the high voltage of the n-type source diffusion layer 20, and FN tunneling is performed on a portion of the tunnel insulating film 4 close to the n-type source diffusion layer 20. The n-type source diffusion layer 20 is extracted. As a result, erase is performed.

ただし、図2(b)の電圧設定において、コントロールゲート電極7に負の大電圧(−8V)を印加する一方、n型ソース拡散層20に正の低電圧(+5V)を印加しても電子をn型ソース拡散層20に引き抜くことができ、消去動作を円滑に行なうことができる。   However, in the voltage setting of FIG. 2B, even when a large negative voltage (−8 V) is applied to the control gate electrode 7, electrons are applied even when a positive low voltage (+5 V) is applied to the n-type source diffusion layer 20. Can be extracted to the n-type source diffusion layer 20, and the erase operation can be performed smoothly.

ここで、本実施形態の不揮発性半導体記憶装置(メモリセル)の構造によると、トンネル絶縁膜4中に窒素が拡散されており、トンネル絶縁膜4中のp型シリコン基板1に近い部分で濃くなるように偏って分布しているので、この部分における膜質は良好である。したがって、電子がフローティングゲート電極5からトンネル絶縁膜4をトンネリングする際に、トンネル絶縁膜4中のp型シリコン基板1(n型ソース拡散層20)に近い部分での欠陥の発生は抑制される。   Here, according to the structure of the nonvolatile semiconductor memory device (memory cell) of the present embodiment, nitrogen is diffused in the tunnel insulating film 4, and is deeper in the portion near the p-type silicon substrate 1 in the tunnel insulating film 4. Therefore, the film quality in this part is good. Therefore, when electrons tunnel the tunnel insulating film 4 from the floating gate electrode 5, the occurrence of defects in the portion of the tunnel insulating film 4 near the p-type silicon substrate 1 (n-type source diffusion layer 20) is suppressed. .

一方、トンネル絶縁膜4中のフローティングゲート電極5に近い部分においては、上述の従来の不揮発性半導体記憶装置と同様に、水素の外方への拡散に起因する電荷捕獲サイトが生じうる。しかしながら、本実施形態のメモリセルにおいては、書き込み時には、ホットエレクトロンがトンネル絶縁膜4のうちn型ドレイン拡散層21の近傍の局所的領域のみを通過するために、トンネリングの際に正孔が電荷捕獲サイトに捕獲される場所は、トンネル絶縁膜4のうちn型ドレイン拡散層21の近傍の局所的領域のみに限られている。つまり、この正孔が捕獲され得る面積は、トンネル絶縁膜4のフローティングゲート電極5との界面全体の面積に比べると極めて小さい。したがって、正孔が電荷捕獲サイトに捕獲されてバンド構造が変化した部位から電子が漏出する量は極めてわずかである。よって、本実施形態の不揮発性半導体記憶装置(メモリセル)においては、制御回路が単純化できるというチャネルホットエレクトロンによる注入方式の利点を発揮しつつ、電荷捕獲サイトへ正孔が捕獲されることによる電荷保持能力の低下を抑制することができる。   On the other hand, in the portion close to the floating gate electrode 5 in the tunnel insulating film 4, a charge trapping site due to the outward diffusion of hydrogen can occur as in the above-described conventional nonvolatile semiconductor memory device. However, in the memory cell of the present embodiment, at the time of writing, since hot electrons pass only through a local region in the vicinity of the n-type drain diffusion layer 21 in the tunnel insulating film 4, holes are charged during tunneling. The location captured by the capture site is limited to only a local region in the vicinity of the n-type drain diffusion layer 21 in the tunnel insulating film 4. That is, the area where holes can be captured is extremely small compared to the area of the entire interface between the tunnel insulating film 4 and the floating gate electrode 5. Therefore, the amount of electrons leaking from the site where the hole structure is changed by trapping holes at the charge trapping site is very small. Therefore, in the nonvolatile semiconductor memory device (memory cell) of the present embodiment, the hole is trapped at the charge trapping site while exhibiting the advantage of the channel hot electron injection method that the control circuit can be simplified. A decrease in charge retention capability can be suppressed.

特に、本実施形態においては、n型ドレイン拡散層21を浅く形成して、pn接合部における急峻な濃度プロファイルを形成することにより、書き込みの際にホットエレクトロンに対する加速度を高くすることができる一方、n型ソース拡散層20を拡散能の大きい燐と拡散能の小さい砒素という2つの不純物の導入によっていわゆるDD構造(二重ドレイン構造)としているので、消去の際にn型ソース拡散層20に高電圧(10V)が印加されるときの耐圧性が良好になるという利点がある。   In particular, in the present embodiment, by forming the n-type drain diffusion layer 21 shallow and forming a steep concentration profile at the pn junction, the acceleration with respect to hot electrons can be increased during writing, Since the n-type source diffusion layer 20 has a so-called DD structure (double drain structure) by introducing two impurities, phosphorus having a high diffusibility and arsenic having a low diffusivity, the n-type source diffusion layer 20 has a high level in the erasure. There is an advantage that the pressure resistance when a voltage (10 V) is applied is improved.

また、トンネル絶縁膜4中への窒素の拡散に際してランプアニールを用いる効果は、実施形態1と同様である。   Further, the effect of using lamp annealing when diffusing nitrogen into the tunnel insulating film 4 is the same as that of the first embodiment.

(第3の実施形態)
図5(a)〜(e)は、本発明の第3の実施形態における不揮発性半導体記憶装置(メモリセル)の製造工程を示す断面図である。
(Third embodiment)
FIG. 5A to FIG. 5E are cross-sectional views showing manufacturing steps of the nonvolatile semiconductor memory device (memory cell) in the third embodiment of the present invention.

まず、図5(a)に示す工程で、p型シリコン基板1に、p型シリコン基板1のうちメモリセルが形成される活性領域3を区画するための素子分離領域2を形成する。   First, in the step shown in FIG. 5A, an element isolation region 2 for partitioning an active region 3 in which a memory cell is formed in the p-type silicon substrate 1 is formed on the p-type silicon substrate 1.

次に、図5(b)に示す工程で、周知のパイロ酸化法により、活性領域3の表面部を酸化して、厚みが約7nmのシリコン酸化膜を形成する。続いて、NO雰囲気中で950℃の熱処理を行うことにより、窒素をシリコン酸化膜中に侵入させて窒素をシリコン酸化膜中を拡散させて窒素含有シリコン酸化膜4yとする。このとき、第1,第2の実施形態のような窒素含有シリコン酸化膜4yの膜厚の増大はほとんどみられず、約7nmのままである。ただし、窒素が窒素含有シリコン酸化膜4y中においてシリコン基板1に近い部分で高濃度になるように偏って分布している点は、上記第1,第2の実施形態と同様である。   Next, in the step shown in FIG. 5B, the surface portion of the active region 3 is oxidized by a known pyro-oxidation method to form a silicon oxide film having a thickness of about 7 nm. Subsequently, a heat treatment at 950 ° C. is performed in an NO atmosphere, so that nitrogen penetrates into the silicon oxide film and nitrogen is diffused in the silicon oxide film to form a nitrogen-containing silicon oxide film 4y. At this time, almost no increase in the thickness of the nitrogen-containing silicon oxide film 4y as in the first and second embodiments is observed, and it remains at about 7 nm. However, as in the first and second embodiments, nitrogen is unevenly distributed in the nitrogen-containing silicon oxide film 4y so as to have a high concentration at a portion close to the silicon substrate 1.

次に、図5(c)に示す工程で、窒素含有シリコン酸化膜4yの上に第1のポリシリコン膜,ONO膜(シリコン酸化膜/シリコン窒化膜/シリコン酸化膜の積層膜)及び第2のポリシリコン膜を順次堆積した後、フォトリソグラフィーによるレジストマスクの形成とドライエッチングとを行なうことにより、第2のポリシリコン膜,ONO膜,第1のポリシリコン膜及び窒素含有シリコン酸化膜4yを順次パターニングして、トンネル絶縁膜4と、フローティングゲート電極5と、ONO膜からなる電極間絶縁膜6と、コントロールゲート電極7とを形成する。この工程により、トンネル絶縁膜4の上には、フローティングゲート電極5,電極間絶縁膜6及びコントロールゲート電極7からなるメモリゲート電極部8が形成されている。   Next, in the step shown in FIG. 5C, the first polysilicon film, the ONO film (silicon oxide film / silicon nitride film / silicon oxide film laminated film) and the second film are formed on the nitrogen-containing silicon oxide film 4y. After sequentially depositing the polysilicon films, a resist mask is formed by photolithography and dry etching is performed to form the second polysilicon film, the ONO film, the first polysilicon film, and the nitrogen-containing silicon oxide film 4y. By sequentially patterning, a tunnel insulating film 4, a floating gate electrode 5, an interelectrode insulating film 6 made of an ONO film, and a control gate electrode 7 are formed. Through this process, a memory gate electrode portion 8 including a floating gate electrode 5, an interelectrode insulating film 6 and a control gate electrode 7 is formed on the tunnel insulating film 4.

次に、図5(d)に示す工程で、メモリゲート電極部8の側面に、厚みが約100nmのサイドウォール9を形成する。次に、基板上に、メモリゲート電極部8の中央部付近からドレイン拡散層を形成しようとする領域に亘る部分を覆うフォトレジストマスクRe3を形成し、このフォトレジスト膜Re3,メモリゲート電極部8およびサイドウォール9をマスクとして、砒素イオンを、加速エネルギーが約40keVで、ドーズ量が約3×1014atoms・cm-3の条件でp型シリコン基板1内に注入して、浅いn型ソース拡散層30を形成する。 Next, in the step shown in FIG. 5D, a sidewall 9 having a thickness of about 100 nm is formed on the side surface of the memory gate electrode portion 8. Next, a photoresist mask Re3 is formed on the substrate to cover a portion extending from the vicinity of the center of the memory gate electrode portion 8 to the region where the drain diffusion layer is to be formed. The photoresist film Re3, the memory gate electrode portion 8 Then, using the sidewall 9 as a mask, arsenic ions are implanted into the p-type silicon substrate 1 under the conditions of an acceleration energy of about 40 keV and a dose of about 3 × 10 14 atoms · cm −3 to form a shallow n-type source A diffusion layer 30 is formed.

次に、図5(e)に示す工程で、基板上に、メモリゲート電極部8の中央部付近からn型ソース拡散層30に亘る部分を覆うフォトレジストマスクRe4を形成し、このフォトレジスト膜Re4,メモリゲート電極部8およびサイドウォール9をマスクとして、砒素イオンを、加速エネルギーが約40keV、ドーズ量が約2×1015atoms・cm-3の条件でp型シリコン基板1内に注入し、さらに、燐イオンを、加速エネルギーが約70keV、ドーズ量が約4×1015atoms・cm-3の条件でp型シリコン基板1内に注入することにより、深いn型ドレイン拡散層31を形成する。 Next, in the step shown in FIG. 5E, a photoresist mask Re4 is formed on the substrate so as to cover a portion extending from the vicinity of the central portion of the memory gate electrode portion 8 to the n-type source diffusion layer 30, and this photoresist film. Ar 4 ions are implanted into the p-type silicon substrate 1 under the conditions of acceleration energy of about 40 keV and dose of about 2 × 10 15 atoms · cm −3 using Re 4, memory gate electrode portion 8 and sidewall 9 as a mask. Further, a deep n-type drain diffusion layer 31 is formed by implanting phosphorus ions into the p-type silicon substrate 1 under conditions of an acceleration energy of about 70 keV and a dose of about 4 × 10 15 atoms · cm −3. To do.

次に、図6(a),(b)は、本実施形態において形成されたメモリセルに書き込み,消去を行なう方法を説明するための断面図である。   Next, FIGS. 6A and 6B are cross-sectional views for explaining a method of writing and erasing the memory cell formed in this embodiment.

図6(a)に示すように、このメモリセルに書き込み(Program)を行なう場合には、例えば、p型シリコン基板1を接地しn型ソース拡散層30をオープンにして、n型ドレイン拡散層31に正の比較的高い電圧(+6V)を、コントロールゲート電極7には負の大電圧(−8V)をそれぞれ印加する。このような電圧設定により、フローティングゲート電極5中の電子がトンネル絶縁膜4のうちn型ドレイン拡散層31に近い部分をFNトンネリングしてn型ドレイン拡散層31に引き抜かれる。これによって、書き込み(Program)が行なわれる。   As shown in FIG. 6A, when writing to this memory cell (Program), for example, the p-type silicon substrate 1 is grounded, the n-type source diffusion layer 30 is opened, and the n-type drain diffusion layer is formed. A positive and relatively high voltage (+6 V) is applied to 31 and a large negative voltage (−8 V) is applied to the control gate electrode 7. With such a voltage setting, electrons in the floating gate electrode 5 are extracted to the n-type drain diffusion layer 31 by FN tunneling of the tunnel insulating film 4 near the n-type drain diffusion layer 31. Thus, writing (Program) is performed.

一方、図6(b)に示すように、このメモリセルの消去(Erase)を行なう場合には、n型ドレイン拡散層31をオープンにして、p型シリコン基板1及びn型ソース拡散層30に負の大電圧(−8V)を印加し、コントロールゲート電極7に正の高電圧(+8V)を印加する。このような電圧設定により、p型シリコン基板1中の電子がコントロールゲート電極7と容量結合しているフローティングゲート電極5に引かれ、チャネル領域のほぼ全体からトンネル絶縁膜4のほぼ全体をFNトンネリングしてフローティングゲート電極5に注入される。これによって、消去(Erase)が行なわれる。   On the other hand, as shown in FIG. 6B, when erasing the memory cell, the n-type drain diffusion layer 31 is opened and the p-type silicon substrate 1 and the n-type source diffusion layer 30 are formed. A negative large voltage (−8 V) is applied, and a positive high voltage (+8 V) is applied to the control gate electrode 7. By such voltage setting, electrons in the p-type silicon substrate 1 are attracted to the floating gate electrode 5 capacitively coupled to the control gate electrode 7, and FN tunneling is performed from almost the entire channel region to the entire tunnel insulating film 4. Then, it is injected into the floating gate electrode 5. As a result, erase is performed.

ここで、本実施形態の不揮発性半導体記憶装置(メモリセル)の構造によると、トンネル絶縁膜4中に窒素が拡散されており、トンネル絶縁膜4中のp型シリコン基板1に近い部分で濃くなるように偏って分布しているので、この部分における膜質は良好である。したがって、電子がフローティングゲート電極5からトンネル絶縁膜4のほぼ全体をトンネリングする際に、トンネル絶縁膜4中のp型シリコン基板1(n型ドレイン拡散層31)に近い部分での欠陥の発生は抑制される。   Here, according to the structure of the nonvolatile semiconductor memory device (memory cell) of the present embodiment, nitrogen is diffused in the tunnel insulating film 4, and is deeper in the portion near the p-type silicon substrate 1 in the tunnel insulating film 4. Therefore, the film quality in this part is good. Therefore, when electrons tunnel through substantially the entire tunnel insulating film 4 from the floating gate electrode 5, the occurrence of defects in the portion of the tunnel insulating film 4 near the p-type silicon substrate 1 (n-type drain diffusion layer 31) It is suppressed.

一方、図5(b)に示す工程において、窒素拡散処理によって窒素含有シリコン酸化膜4yを形成する際に、窒素の拡散を約950℃で行なっているので、窒素含有シリコン酸化膜4y中のフローティングゲート電極5に近い部分においても、以下のように、窒素拡散処理の際の水素の外方への拡散に起因する電荷捕獲サイトの新たな発生を抑制することができる。   On the other hand, in the step shown in FIG. 5B, when the nitrogen-containing silicon oxide film 4y is formed by the nitrogen diffusion process, the diffusion of nitrogen is performed at about 950 ° C. Therefore, the floating in the nitrogen-containing silicon oxide film 4y is performed. Even in a portion close to the gate electrode 5, new generation of charge trapping sites due to outward diffusion of hydrogen during the nitrogen diffusion treatment can be suppressed as follows.

図7は、本実施形態の窒素含有シリコン酸化膜4yをパターニングして得られるトンネル絶縁膜4の表面(フローティングゲート電極5に近い領域)における正孔捕獲量の窒素拡散温度依存性を示す図である。同図において、横軸はNO雰囲気中での窒素拡散処理の際の窒素拡散温度(℃)を表し、縦軸は正孔捕獲量の指標となるゲート電圧シフト量(mV)を表している。すなわち、ゲートに一定の電圧を印加したときに、ゲート電圧が経時的に低下した後回復するが、そのときの極小値の初期値からのシフト量(mV)を正孔捕獲量として評価している。同図に示すように、窒素拡散処理の950℃以下の窒素拡散温度においては、1050℃の窒素拡散温度と比較して正孔捕獲量が大幅に減少しており、窒素拡散温度が950℃以下における正孔捕獲量は、窒素拡散処理を行なわないシリコン酸化膜の正孔捕獲量の値とほぼ等しくなっている。すなわち、950℃以下の窒素拡散温度においては、酸化膜表面近傍に電荷捕獲サイトが新たに形成されない。その結果、電子がフローティングゲート電極5に注入される際における正孔の捕獲量が、窒素拡散処理を行なっていないシリコン酸化膜よりもほとんど増大することがない。よって、窒素拡散処理に起因するフローティングゲート電極5の電荷保持能力の低下を抑制することができる。ただし、効果的に窒素をシリコン酸化膜中に拡散するためには、800℃以上の条件で熱処理を行なうことが好ましい。   FIG. 7 is a graph showing the nitrogen diffusion temperature dependence of the amount of trapped holes on the surface of the tunnel insulating film 4 (region close to the floating gate electrode 5) obtained by patterning the nitrogen-containing silicon oxide film 4y of this embodiment. is there. In the figure, the horizontal axis represents the nitrogen diffusion temperature (° C.) during the nitrogen diffusion treatment in the NO atmosphere, and the vertical axis represents the gate voltage shift amount (mV) that serves as an index of the hole trapping amount. That is, when a constant voltage is applied to the gate, it recovers after the gate voltage decreases with time, and the shift amount (mV) from the initial value of the minimum value at that time is evaluated as the hole trapping amount. Yes. As shown in the figure, at the nitrogen diffusion temperature of 950 ° C. or lower in the nitrogen diffusion treatment, the hole trapping amount is significantly reduced compared with the nitrogen diffusion temperature of 1050 ° C., and the nitrogen diffusion temperature is 950 ° C. or lower. The hole trapping amount at is substantially equal to the value of the hole trapping amount of the silicon oxide film not subjected to the nitrogen diffusion treatment. That is, at a nitrogen diffusion temperature of 950 ° C. or less, no new charge trapping site is formed near the oxide film surface. As a result, the amount of holes captured when electrons are injected into the floating gate electrode 5 hardly increases as compared with a silicon oxide film not subjected to nitrogen diffusion treatment. Therefore, it is possible to suppress a decrease in the charge retention capability of the floating gate electrode 5 due to the nitrogen diffusion treatment. However, in order to effectively diffuse nitrogen into the silicon oxide film, it is preferable to perform the heat treatment under conditions of 800 ° C. or higher.

本実施形態の製造工程によって形成されたメモリセルは、窒素拡散処理に起因するトンネル絶縁膜4中の電荷捕獲サイトの新たな発生がないので、メモリセル構造やメモリセルの書き込み・消去方法の如何に拘わらず、電荷保持能力を高く維持することができる。具体的には、第1,第2の実施形態及び後述する各実施形態において説明するメモリセルの構造や書き込み・消去方法を採用することが可能である。   In the memory cell formed by the manufacturing process of this embodiment, there is no new generation of the charge trapping site in the tunnel insulating film 4 due to the nitrogen diffusion process. Therefore, the memory cell structure and the memory cell write / erase method are not affected. Regardless of this, the charge retention capability can be maintained high. Specifically, it is possible to employ the memory cell structure and the write / erase method described in the first and second embodiments and each embodiment described later.

そして、フローティングゲート電極5への電子の注入(書き込み又は消去)をドレイン拡散層近傍またはソース拡散層近傍に限定しなくてもよい。つまり、窒素を含む雰囲気中で950℃以下の熱処理を行うことにより、FNトンネル電流を利用した基板表面のチャネル領域全体からのフローティングゲートへの電子注入を利用することが可能になる。   The injection (writing or erasing) of electrons into the floating gate electrode 5 may not be limited to the vicinity of the drain diffusion layer or the source diffusion layer. That is, by performing heat treatment at 950 ° C. or lower in an atmosphere containing nitrogen, it becomes possible to use electron injection from the entire channel region on the substrate surface using the FN tunnel current to the floating gate.

ただし、本実施形態の図6(b)に示すように、FNトンネル電流を利用したチャネル領域全体からのフローティングゲート電極5への電子の注入(書き込み又は消去)を行なうことにより、電子が注入される面積が大きいために、効率的に電子をフローティングゲートへ注入することが可能となり、結果として高速な書き込み動作又は消去動作が実現できる。   However, as shown in FIG. 6B of the present embodiment, electrons are injected by injecting (writing or erasing) electrons into the floating gate electrode 5 from the entire channel region using the FN tunnel current. The large area allows electrons to be efficiently injected into the floating gate. As a result, a high-speed write operation or erase operation can be realized.

なお、本実施形態においては、浅いn型ソース拡散層30と深いn型ドレイン拡散層31を有するメモリセルを用いているが、例えばn型不純物をソース拡散層及びドレイン拡散層に同時に注入して形成される,深さの等しいn型ソース拡散層とn型ドレイン拡散層とを有するメモリセルにおいても、トンネル絶縁膜4に対して本実施形態の窒素拡散処理を施すことにより、本実施形態と同じ効果が得られる。   In this embodiment, a memory cell having a shallow n-type source diffusion layer 30 and a deep n-type drain diffusion layer 31 is used. For example, an n-type impurity is simultaneously injected into the source diffusion layer and the drain diffusion layer. Even in the formed memory cell having the n-type source diffusion layer and the n-type drain diffusion layer having the same depth, the tunnel diffusion film 4 is subjected to the nitrogen diffusion treatment according to the present embodiment to obtain the present embodiment. The same effect can be obtained.

(第4の実施形態)
図8(a)〜(e)は、本発明の第4の実施形態における不揮発性半導体記憶装置(メモリセル)の製造工程を示す断面図である。
(Fourth embodiment)
FIGS. 8A to 8E are cross-sectional views showing manufacturing steps of the nonvolatile semiconductor memory device (memory cell) in the fourth embodiment of the present invention.

まず、図8(a)に示す工程で、p型シリコン基板1に、p型シリコン基板1のうちメモリセルが形成される活性領域3を区画するための素子分離領域2を形成する。   First, in the process shown in FIG. 8A, an element isolation region 2 for partitioning an active region 3 in which a memory cell is formed in the p-type silicon substrate 1 is formed on the p-type silicon substrate 1.

次に、図8(b)に示す工程で、周知のパイロ酸化法により、活性領域3の表面部を酸化して、厚みが約7nmのシリコン酸化膜を形成する。続いて、N2O雰囲気中で1050℃のランプアニールを行うことにより、窒素をシリコン酸化膜中に侵入させて窒素をシリコン酸化膜中を拡散させるとともに、シリコン酸化膜の膜厚を10nmに増大させて、厚みが約10nmの窒素含有シリコン酸化膜4zとする。このとき、窒素は窒素含有シリコン酸化膜4z中においてシリコン基板1に近い部分で高濃度になるように偏って分布している。 Next, in the step shown in FIG. 8B, the surface portion of the active region 3 is oxidized by a known pyro-oxidation method to form a silicon oxide film having a thickness of about 7 nm. Subsequently, by performing lamp annealing at 1050 ° C. in an N 2 O atmosphere, nitrogen is penetrated into the silicon oxide film to diffuse nitrogen in the silicon oxide film, and the thickness of the silicon oxide film is increased to 10 nm. Thus, a nitrogen-containing silicon oxide film 4z having a thickness of about 10 nm is obtained. At this time, nitrogen is unevenly distributed in the nitrogen-containing silicon oxide film 4z so as to have a high concentration in a portion close to the silicon substrate 1.

その後、本実施形態においては、水素ガスと酸素ガスとを含む雰囲気中で750℃の熱処理を行うことにより水素を窒素含有シリコン酸化膜4z中に拡散させて、水素が放出されて形成された電荷捕獲サイトや、窒素拡散処理を行なう前から存在していた電荷捕獲サイトを不活性化させてなる窒素含有シリコン酸化膜4zを形成する。この処理を行なうことが、本実施形態における製造工程の最大の特徴である。このとき、水素ガスと酸素ガスとを含む雰囲気中で300℃から950℃の温度範囲で熱処理を行なうことが好ましい。950℃を越えると、新たな電荷捕獲サイトが形成される可能性があり、300℃未満では十分な量の水素が導入されていないおそれがあるからである。   Thereafter, in the present embodiment, the heat formed by diffusing hydrogen into the nitrogen-containing silicon oxide film 4z by performing heat treatment at 750 ° C. in an atmosphere containing hydrogen gas and oxygen gas to release the hydrogen. A nitrogen-containing silicon oxide film 4z is formed by inactivating the trap sites and the charge trap sites that existed before the nitrogen diffusion treatment. Performing this processing is the greatest feature of the manufacturing process in the present embodiment. At this time, it is preferable to perform heat treatment in an atmosphere containing hydrogen gas and oxygen gas in a temperature range of 300 ° C. to 950 ° C. If the temperature exceeds 950 ° C., a new charge trapping site may be formed, and if it is less than 300 ° C., a sufficient amount of hydrogen may not be introduced.

なお、水素を含む雰囲気の代わりにフッ素を含む雰囲気中で熱処理を行なうことにより、窒素含有シリコン酸化膜中にフッ素を拡散させて、フッ素により電荷捕獲サイトを不活性化させる処理を行なってもよい。   Note that, by performing heat treatment in an atmosphere containing fluorine instead of an atmosphere containing hydrogen, the fluorine may be diffused in the nitrogen-containing silicon oxide film and the charge trapping site may be deactivated by fluorine. .

次に、図8(c)に示す工程で、窒素含有シリコン酸化膜4zの上に第1のポリシリコン膜,ONO膜(シリコン酸化膜/シリコン窒化膜/シリコン酸化膜の積層膜)及び第2のポリシリコン膜を順次堆積した後、フォトリソグラフィーによるレジストマスクの形成とドライエッチングとを行なうことにより、第2のポリシリコン膜,ONO膜,第1のポリシリコン膜及び窒素含有シリコン酸化膜4zを順次パターニングして、トンネル絶縁膜4と、フローティングゲート電極5と、ONO膜からなる電極間絶縁膜6と、コントロールゲート電極7とを形成する。この工程により、トンネル絶縁膜4の上には、フローティングゲート電極5,電極間絶縁膜6及びコントロールゲート電極7からなるメモリゲート電極部8が形成されている。   Next, in the step shown in FIG. 8C, on the nitrogen-containing silicon oxide film 4z, the first polysilicon film, the ONO film (silicon oxide film / silicon nitride film / silicon oxide film laminated film) and the second film are formed. After sequentially depositing the polysilicon films, a resist mask is formed by photolithography and dry etching is performed to form the second polysilicon film, the ONO film, the first polysilicon film, and the nitrogen-containing silicon oxide film 4z. By sequentially patterning, a tunnel insulating film 4, a floating gate electrode 5, an interelectrode insulating film 6 made of an ONO film, and a control gate electrode 7 are formed. Through this process, a memory gate electrode portion 8 including a floating gate electrode 5, an interelectrode insulating film 6 and a control gate electrode 7 is formed on the tunnel insulating film 4.

次に、図8(d)に示す工程で、メモリゲート電極部8の側面に、厚みが約100nmのサイドウォール9を形成する。次に、基板上に、メモリゲート電極部8の中央部付近からドレイン拡散層を形成しようとする領域に亘る部分を覆うフォトレジストマスクRe5を形成し、このフォトレジスト膜Re5,メモリゲート電極部8およびサイドウォール9をマスクとして、砒素イオンを、加速エネルギーが約40keVで、ドーズ量が約3×1014atoms・cm-3の条件でp型シリコン基板1内に注入して、浅いn型ソース拡散層30を形成する。 Next, a sidewall 9 having a thickness of about 100 nm is formed on the side surface of the memory gate electrode portion 8 in the step shown in FIG. Next, a photoresist mask Re5 is formed on the substrate to cover a portion extending from the vicinity of the central portion of the memory gate electrode portion 8 to the region where the drain diffusion layer is to be formed. The photoresist film Re5, the memory gate electrode portion 8 Then, using the sidewall 9 as a mask, arsenic ions are implanted into the p-type silicon substrate 1 under the conditions of an acceleration energy of about 40 keV and a dose of about 3 × 10 14 atoms · cm −3 to form a shallow n-type source A diffusion layer 30 is formed.

次に、図8(e)に示す工程で、基板上に、メモリゲート電極部8の中央部付近からn型ソース拡散層30に亘る部分を覆うフォトレジストマスクRe6を形成し、このフォトレジスト膜Re6,メモリゲート電極部8およびサイドウォール9をマスクとして、砒素イオンを、加速エネルギーが約40keV、ドーズ量が約2×1015atoms・cm-3の条件でp型シリコン基板1内に注入し、さらに、燐イオンを、加速エネルギーが約70keV、ドーズ量が約4×1015atoms・cm-3の条件でp型シリコン基板1内に注入することにより、深いn型ドレイン拡散層31を形成する。 Next, in the step shown in FIG. 8E, a photoresist mask Re6 is formed on the substrate to cover a portion extending from the vicinity of the center of the memory gate electrode portion 8 to the n-type source diffusion layer 30, and this photoresist film Ar6 ions are implanted into the p-type silicon substrate 1 under the conditions of acceleration energy of about 40 keV and dose of about 2 × 10 15 atoms · cm −3 using Re 6, memory gate electrode portion 8 and sidewall 9 as a mask. Further, a deep n-type drain diffusion layer 31 is formed by implanting phosphorus ions into the p-type silicon substrate 1 under conditions of an acceleration energy of about 70 keV and a dose of about 4 × 10 15 atoms · cm −3. To do.

本実施形態の製造工程によって形成されたメモリセルに対する書き込み又は消去動作は、上記第3の実施形態と同様であるので、説明を省略する。   Since the write or erase operation for the memory cell formed by the manufacturing process of this embodiment is the same as that of the third embodiment, description thereof is omitted.

ここで、本実施形態の不揮発性半導体記憶装置(メモリセル)の構造によると、トンネル絶縁膜4中に窒素が拡散されており、トンネル絶縁膜4中のp型シリコン基板1に近い部分で濃くなるように偏って分布しているので、この部分における膜質は良好である。したがって、電子がフローティングゲート電極5からトンネル絶縁膜4をトンネリングして通過する際に、トンネル絶縁膜4中のp型シリコン基板1(n型ドレイン拡散層31)に近い部分での欠陥の発生は抑制される。   Here, according to the structure of the nonvolatile semiconductor memory device (memory cell) of the present embodiment, nitrogen is diffused in the tunnel insulating film 4, and is deeper in the portion near the p-type silicon substrate 1 in the tunnel insulating film 4. Therefore, the film quality in this part is good. Therefore, when electrons pass through the tunnel insulating film 4 from the floating gate electrode 5 by tunneling, generation of defects in a portion of the tunnel insulating film 4 near the p-type silicon substrate 1 (n-type drain diffusion layer 31) is generated. It is suppressed.

そして、特に本実施形態の製造方法においては、図8(b)に示す工程で、窒素含有シリコン酸化膜4zの表面付近の部分において、最初の窒素拡散処理の際に水素の外方拡散によって形成された新たな電荷捕獲サイトだけでなく、窒素拡散処理の前からシリコン酸化膜中に存在していた電荷捕獲サイト(ダングリングボンドなど)も、水素(またはフッ素)を含む雰囲気中での熱処理によって水素(またはフッ素)と結合して不活性にされる。したがって、上記第3の実施形態よりもさらに効果的に、電荷捕獲サイトを低減することができる。その結果、電子がフローティングゲート電極5に注入される際における正孔の捕獲量を、窒素拡散処理を行なっていないシリコン酸化膜よりもさらに低減することができる。よって、メモリセル中のフローティングゲート電極5における電荷保持能力の向上を図ることができる。   In particular, in the manufacturing method of the present embodiment, in the step shown in FIG. 8B, the portion near the surface of the nitrogen-containing silicon oxide film 4z is formed by the outward diffusion of hydrogen during the first nitrogen diffusion treatment. In addition to the new charge trapping sites, the charge trapping sites (such as dangling bonds) that existed in the silicon oxide film before the nitrogen diffusion treatment are also treated by heat treatment in an atmosphere containing hydrogen (or fluorine). Combined with hydrogen (or fluorine) to render it inactive. Therefore, charge trap sites can be reduced more effectively than in the third embodiment. As a result, the amount of holes captured when electrons are injected into the floating gate electrode 5 can be further reduced as compared with a silicon oxide film not subjected to nitrogen diffusion treatment. Therefore, the charge retention capability of the floating gate electrode 5 in the memory cell can be improved.

本実施形態の製造工程によって形成されたメモリセルは、窒素拡散処理に起因するトンネル絶縁膜4中の電荷捕獲サイトの新たな発生がないので、メモリセル構造やメモリセルの書き込み・消去方法の如何に拘わらず、電荷保持能力を高く維持することができる。具体的には、第1,第2の実施形態及び後述する各実施形態において説明するメモリセルの構造や書き込み・消去方法を採用することが可能である。   In the memory cell formed by the manufacturing process of this embodiment, there is no new generation of the charge trapping site in the tunnel insulating film 4 due to the nitrogen diffusion process. Therefore, the memory cell structure and the memory cell write / erase method are not affected. Regardless of this, the charge retention capability can be maintained high. Specifically, it is possible to employ the memory cell structure and the write / erase method described in the first and second embodiments and each embodiment described later.

なお、本実施形態においては、図8(b)に示す工程で、水素ガスと酸素ガスとを含む雰囲気中で750℃の熱処理を行うことにより、窒素含有シリコン酸化膜4z中に水素を拡散させているが、水素(またはフッ素)が含まれる雰囲気であれば、他の種類のガスを用いても、本実施形態と同じ効果が得られる。また、水素(又はフッ素)を含む雰囲気中で750℃より低い温度、たとえば400℃程度による熱処理を行なったり、水素またはフッ素を含む雰囲気中でのプラズマ処理を行っても、本実施形態と同じ効果が得られる。   In the present embodiment, hydrogen is diffused into the nitrogen-containing silicon oxide film 4z by performing heat treatment at 750 ° C. in an atmosphere containing hydrogen gas and oxygen gas in the step shown in FIG. 8B. However, if the atmosphere contains hydrogen (or fluorine), the same effects as in the present embodiment can be obtained even if other types of gases are used. Further, the same effect as this embodiment can be obtained by performing heat treatment at a temperature lower than 750 ° C. in an atmosphere containing hydrogen (or fluorine), for example, about 400 ° C., or performing plasma treatment in an atmosphere containing hydrogen or fluorine. Is obtained.

さらに、本実施形態においては、窒素をシリコン酸化膜中に導入して窒素含有シリコン酸化膜4zに変えた直後に、窒素含有シリコン酸化膜4zに対して水素を含む雰囲気中で熱処理を行うことにより、窒素含有シリコン酸化膜4z中に水素を導入しているが、導入方法として他の方法も可能である。例えば、上記第1,第2の実施形態と同様の処理によって高温の窒素拡散処理によって窒素含有シリコン酸化膜を形成しておいて、フローティングゲート電極5を形成するための第1のポリシリコン膜を堆積する際に水素(又はフッ素)を第1のポリシリコン膜に導入するか、第1のポリシリコン膜を堆積した後に第1のポリシリコン膜中に水素(又はフッ素)を含むイオンのイオン注入を行なうことにより、予め第1のポリシリコン膜中に水素(又はフッ素)を導入しておく。その後、熱処理によって第1のポリシリコン膜から窒素含有シリコン酸化膜中に水素(又はフッ素)を拡散させるか、メモリゲート電極部8及びトンネル絶縁膜4をパターニングした後に、熱処理を行なって、フローティングゲート電極5に導入されている水素(またはフッ素)をトンネル絶縁膜4中に拡散させても、本実施形態と同じ効果が得られる。   Furthermore, in this embodiment, immediately after nitrogen is introduced into the silicon oxide film and changed to the nitrogen-containing silicon oxide film 4z, the nitrogen-containing silicon oxide film 4z is heat-treated in an atmosphere containing hydrogen. Although hydrogen is introduced into the nitrogen-containing silicon oxide film 4z, other methods are possible as the introduction method. For example, a nitrogen-containing silicon oxide film is formed by a high-temperature nitrogen diffusion process by the same process as in the first and second embodiments, and the first polysilicon film for forming the floating gate electrode 5 is formed. Hydrogen (or fluorine) is introduced into the first polysilicon film during deposition, or ion implantation of ions containing hydrogen (or fluorine) in the first polysilicon film after the first polysilicon film is deposited As a result, hydrogen (or fluorine) is introduced into the first polysilicon film in advance. Thereafter, hydrogen (or fluorine) is diffused from the first polysilicon film into the nitrogen-containing silicon oxide film by heat treatment, or the memory gate electrode portion 8 and the tunnel insulating film 4 are patterned, and then heat treatment is performed to form the floating gate. Even if hydrogen (or fluorine) introduced into the electrode 5 is diffused into the tunnel insulating film 4, the same effect as in the present embodiment can be obtained.

なお、本実施形態においては、浅いn型ソース拡散層30と深いn型ドレイン拡散層31を有するメモリセルを用いているが、例えばn型不純物をソース拡散層及びドレイン拡散層に同時に注入して形成される,深さの等しいn型ソース拡散層とn型ドレイン拡散層とを有するメモリセルにおいても、トンネル絶縁膜4に対して本実施形態の水素(又はフッ素)の拡散処理を行なうことにより、本実施形態と同じ効果が得られる。   In this embodiment, a memory cell having a shallow n-type source diffusion layer 30 and a deep n-type drain diffusion layer 31 is used. For example, an n-type impurity is simultaneously injected into the source diffusion layer and the drain diffusion layer. Even in the formed memory cell having the n-type source diffusion layer and the n-type drain diffusion layer having the same depth, the diffusion process of hydrogen (or fluorine) of the present embodiment is performed on the tunnel insulating film 4. The same effect as this embodiment can be obtained.

また、本実施形態の製造工程によって形成されたメモリセルは、窒素拡散処理に起因するトンネル絶縁膜4中の電荷捕獲サイトの新たな発生がないので、メモリセル構造やメモリセルの書き込み・消去方法の如何に拘わらず、電荷保持能力を高く維持することができる。具体的には、第1,第2の実施形態及び後述する各実施形態において説明するメモリセルの構造や書き込み・消去方法を採用することが可能である。   Further, in the memory cell formed by the manufacturing process of this embodiment, there is no new generation of charge trapping sites in the tunnel insulating film 4 due to the nitrogen diffusion process, so that the memory cell structure and the memory cell writing / erasing method Regardless of the case, the charge retention capability can be maintained high. Specifically, it is possible to employ the memory cell structure and the write / erase method described in the first and second embodiments and each embodiment described later.

−第4の実施形態の変形例−
図16(a)〜(e)は、本発明の第4の実施形態の変形例における不揮発性半導体記憶装置(メモリセル)の製造工程を示す断面図である。
-Modification of the fourth embodiment-
FIGS. 16A to 16E are cross-sectional views showing manufacturing steps of the nonvolatile semiconductor memory device (memory cell) in the modification of the fourth embodiment of the present invention.

まず、図16(a)に示す工程で、p型シリコン基板1に、p型シリコン基板1のうちメモリセルが形成される活性領域3を区画するための素子分離領域2を形成する。   First, in the step shown in FIG. 16A, an element isolation region 2 for partitioning an active region 3 in which a memory cell is formed in the p-type silicon substrate 1 is formed on the p-type silicon substrate 1.

次に、図16(b)に示す工程で、周知のパイロ酸化法により、活性領域3の表面部を酸化して、厚みが約7nmのシリコン酸化膜を形成する。続いて、N2O雰囲気中で1050℃のランプアニールを行うことにより、窒素をシリコン酸化膜中に侵入させて窒素をシリコン酸化膜中を拡散させるとともに、シリコン酸化膜の膜厚を10nmに増大させて、厚みが約10nmの窒素含有シリコン酸化膜4wとする。このとき、窒素は窒素含有シリコン酸化膜4w中においてシリコン基板1に近い部分で高濃度になるように偏って分布している。このとき、窒素雰囲気中での処理温度が800℃以上であれば、窒素を窒素含有シリコン酸化膜4w中においてシリコン基板1に近い部分で高濃度になるように偏って分布させることができる。ただし、あまりに高温であると電荷捕獲サイトが形成されるおそれがあるので、1200℃以下であることが好ましい。 Next, in the step shown in FIG. 16B, the surface portion of the active region 3 is oxidized by a known pyro-oxidation method to form a silicon oxide film having a thickness of about 7 nm. Subsequently, by performing lamp annealing at 1050 ° C. in an N 2 O atmosphere, nitrogen is penetrated into the silicon oxide film to diffuse nitrogen in the silicon oxide film, and the thickness of the silicon oxide film is increased to 10 nm. Thus, a nitrogen-containing silicon oxide film 4w having a thickness of about 10 nm is obtained. At this time, nitrogen is unevenly distributed in the nitrogen-containing silicon oxide film 4w so as to have a high concentration in a portion close to the silicon substrate 1. At this time, if the processing temperature in the nitrogen atmosphere is 800 ° C. or higher, the nitrogen can be unevenly distributed so as to have a high concentration in a portion near the silicon substrate 1 in the nitrogen-containing silicon oxide film 4w. However, since the charge trapping site may be formed when the temperature is too high, the temperature is preferably 1200 ° C. or lower.

その後、本実施形態においては、窒素ラジカル雰囲気中で600℃のランプアニールを行うことにより、窒素をシリコン酸化膜中に侵入させて窒素をシリコン酸化膜中を拡散させる。窒素ラジカルは、ランプアニールを行なうチャンバーとは別のチャンバーで窒素とヘリウム混合ガスをプラズマ化することにより生成され、活性状態のままランプアニールを行うチャンバーに導入される。この方法では、低温で窒素を拡散させることが可能になるため、窒素は窒素含有シリコン酸化膜4w中において表面に近い部分で高濃度になるように偏って分布する。   Thereafter, in the present embodiment, lamp annealing is performed at 600 ° C. in a nitrogen radical atmosphere, so that nitrogen penetrates into the silicon oxide film and nitrogen is diffused in the silicon oxide film. Nitrogen radicals are generated by converting nitrogen and helium mixed gas into plasma in a chamber different from the chamber in which lamp annealing is performed, and are introduced into the chamber in which lamp annealing is performed in an active state. In this method, since nitrogen can be diffused at a low temperature, nitrogen is unevenly distributed in the nitrogen-containing silicon oxide film 4w so as to have a high concentration near the surface.

図17は、本変形例における窒素含有シリコン酸化膜中の窒素の濃度分布を示す図である。同図に示すように、窒素は窒素含有シリコン酸化膜4w中においてシリコン基板1に近い部分と表面に近い部分の両方で高濃度になるように分布している。このような窒素の濃度分布を処理を行うことが、本実施形態における製造工程の最大の特徴である。このとき、図17に示すような窒素の濃度プロファイルを得るためには、窒素ラジカルによる窒素の拡散処理温度が300℃から800℃の範囲であることが好ましい。すなわち、このときの処理温度が800℃以上であると、窒素ラジカル処理によって導入された窒素が窒素含有シリコン酸化膜4wの内部に容易に拡散する反面、窒素ラジカル処理によって十分な窒素量を窒素含有シリコン酸化膜4wの表面部に導入するには、300℃以上である必要があるからである。   FIG. 17 is a diagram showing the concentration distribution of nitrogen in the nitrogen-containing silicon oxide film in this modification. As shown in the figure, nitrogen is distributed in the nitrogen-containing silicon oxide film 4w so as to have a high concentration in both the portion close to the silicon substrate 1 and the portion close to the surface. The processing of such a nitrogen concentration distribution is the greatest feature of the manufacturing process in the present embodiment. At this time, in order to obtain a nitrogen concentration profile as shown in FIG. 17, it is preferable that the nitrogen diffusion treatment temperature by the nitrogen radical is in the range of 300 ° C. to 800 ° C. That is, if the processing temperature at this time is 800 ° C. or higher, the nitrogen introduced by the nitrogen radical treatment easily diffuses into the nitrogen-containing silicon oxide film 4w, but the nitrogen radical treatment contains a sufficient amount of nitrogen. This is because the temperature must be 300 ° C. or higher in order to introduce the silicon oxide film 4w into the surface portion.

次に、図16(c)に示す工程で、窒素含有シリコン酸化膜4wの上に第1のポリシリコン膜,ONO膜(シリコン酸化膜/シリコン窒化膜/シリコン酸化膜の積層膜)及び第2のポリシリコン膜を順次堆積した後、フォトリソグラフィーによるレジストマスクの形成とドライエッチングとを行なうことにより、第2のポリシリコン膜,ONO膜,第1のポリシリコン膜及び窒素含有シリコン酸化膜4wを順次パターニングして、トンネル絶縁膜4と、フローティングゲート電極5と、ONO膜からなる電極間絶縁膜6と、コントロールゲート電極7とを形成する。この工程により、トンネル絶縁膜4の上には、フローティングゲート電極5,電極間絶縁膜6及びコントロールゲート電極7からなるメモリゲート電極部8が形成されている。   Next, in the step shown in FIG. 16C, the first polysilicon film, the ONO film (silicon oxide film / silicon nitride film / silicon oxide film laminated film) and the second film are formed on the nitrogen-containing silicon oxide film 4w. After sequentially depositing the polysilicon films, a resist mask is formed by photolithography and dry etching is performed to form the second polysilicon film, the ONO film, the first polysilicon film, and the nitrogen-containing silicon oxide film 4w. By sequentially patterning, a tunnel insulating film 4, a floating gate electrode 5, an interelectrode insulating film 6 made of an ONO film, and a control gate electrode 7 are formed. Through this process, a memory gate electrode portion 8 including a floating gate electrode 5, an interelectrode insulating film 6 and a control gate electrode 7 is formed on the tunnel insulating film 4.

次に、図16(d)に示す工程で、メモリゲート電極部8の側面に、厚みが約100nmのサイドウォール9を形成する。次に、基板上に、メモリゲート電極部8の中央部付近からドレイン拡散層を形成しようとする領域に亘る部分を覆うフォトレジストマスクRe5を形成し、このフォトレジスト膜Re5,メモリゲート電極部8およびサイドウォール9をマスクとして、砒素イオンを、加速エネルギーが約40keVで、ドーズ量が約3×1014atoms・cm-3の条件でp型シリコン基板1内に注入して、浅いn型ソース拡散層30を形成する。 Next, a sidewall 9 having a thickness of about 100 nm is formed on the side surface of the memory gate electrode portion 8 in the step shown in FIG. Next, a photoresist mask Re5 is formed on the substrate to cover a portion extending from the vicinity of the central portion of the memory gate electrode portion 8 to the region where the drain diffusion layer is to be formed. The photoresist film Re5, the memory gate electrode portion 8 Then, using the sidewall 9 as a mask, arsenic ions are implanted into the p-type silicon substrate 1 under the conditions of an acceleration energy of about 40 keV and a dose of about 3 × 10 14 atoms · cm −3 to form a shallow n-type source A diffusion layer 30 is formed.

次に、図16(e)に示す工程で、基板上に、メモリゲート電極部8の中央部付近からn型ソース拡散層30に亘る部分を覆うフォトレジストマスクRe6を形成し、このフォトレジスト膜Re6,メモリゲート電極部8およびサイドウォール9をマスクとして、砒素イオンを、加速エネルギーが約40keV、ドーズ量が約2×1015atoms・cm-3の条件でp型シリコン基板1内に注入し、さらに、燐イオンを、加速エネルギーが約70keV、ドーズ量が約4×1015atoms・cm-3の条件でp型シリコン基板1内に注入することにより、深いn型ドレイン拡散層31を形成する。 Next, in the step shown in FIG. 16E, a photoresist mask Re6 is formed on the substrate so as to cover a portion extending from the vicinity of the central portion of the memory gate electrode portion 8 to the n-type source diffusion layer 30, and this photoresist film Ar6 ions are implanted into the p-type silicon substrate 1 under the conditions of acceleration energy of about 40 keV and dose of about 2 × 10 15 atoms · cm −3 using Re 6, memory gate electrode portion 8 and sidewall 9 as a mask. Further, a deep n-type drain diffusion layer 31 is formed by implanting phosphorus ions into the p-type silicon substrate 1 under conditions of an acceleration energy of about 70 keV and a dose of about 4 × 10 15 atoms · cm −3. To do.

本変形例の製造工程によって形成されたメモリセルに対する書き込み又は消去動作は、上記第3の実施形態と同様であるので、説明を省略する。   Since the write or erase operation for the memory cell formed by the manufacturing process of this modification is the same as that of the third embodiment, the description is omitted.

ここで、本変形例の不揮発性半導体記憶装置(メモリセル)の構造によると、トンネル絶縁膜4中に窒素が拡散されており、トンネル絶縁膜4中のp型シリコン基板1に近い部分で濃くなるように偏って分布しているので、この部分における膜質は良好である。したがって、電子がフローティングゲート電極5からトンネル絶縁膜4をトンネリングして通過する際に、トンネル絶縁膜4中のp型シリコン基板1(n型ドレイン拡散層31)に近い部分での欠陥の発生は抑制される。さらに、窒素ラジカル雰囲気中での600℃のランプアニールにより、窒素はトンネル絶縁膜4中の表面に近い部分においても濃くなるように偏って分布する。その結果、トンネル絶縁膜4の表面付近において、窒素ラジカル雰囲気中での600℃のランプアニール処理前に、水素の外方拡散によって形成された新たな電荷捕獲サイトを不活性とするだけでなく、窒素により電子がフローティングゲート電極5に注入される際における正孔の捕獲量を、上記第4の実施形態よりもさらに効果的に低減することができる。   Here, according to the structure of the nonvolatile semiconductor memory device (memory cell) of this modification, nitrogen is diffused in the tunnel insulating film 4, and is deeper in the portion near the p-type silicon substrate 1 in the tunnel insulating film 4. Therefore, the film quality in this part is good. Therefore, when electrons pass through the tunnel insulating film 4 from the floating gate electrode 5 by tunneling, generation of defects in a portion of the tunnel insulating film 4 near the p-type silicon substrate 1 (n-type drain diffusion layer 31) is generated. It is suppressed. Further, by lamp annealing at 600 ° C. in a nitrogen radical atmosphere, nitrogen is unevenly distributed so as to be concentrated even in a portion near the surface in the tunnel insulating film 4. As a result, in the vicinity of the surface of the tunnel insulating film 4, not only a new charge trapping site formed by the outward diffusion of hydrogen is deactivated before the lamp annealing treatment at 600 ° C. in a nitrogen radical atmosphere, The amount of holes trapped when electrons are injected into the floating gate electrode 5 by nitrogen can be more effectively reduced than in the fourth embodiment.

なお、本変形例においては、浅いn型ソース拡散層30と深いn型ドレイン拡散層31とを有するメモリセルを用いているが、例えばn型不純物をソース拡散層及びドレイン拡散層に同時に注入して形成される,深さの等しいn型ソース拡散層とn型ドレイン拡散層とを有するメモリセルにおいても、トンネル絶縁膜4に対して本変形例の窒素ラジカル雰囲気中でのランプアニールによる窒素の拡散処理を行なうことにより、本変形例と同じ効果が得られる。   In this modification, a memory cell having a shallow n-type source diffusion layer 30 and a deep n-type drain diffusion layer 31 is used. For example, an n-type impurity is simultaneously injected into the source diffusion layer and the drain diffusion layer. Even in a memory cell having an n-type source diffusion layer and an n-type drain diffusion layer formed with the same depth, the tunnel insulating film 4 is subjected to nitrogen annealing by lamp annealing in the nitrogen radical atmosphere of this modification. By performing the diffusion process, the same effect as in the present modification can be obtained.

また、本変形例の製造工程によって形成されたメモリセルは、窒素拡散処理に起因するトンネル絶縁膜4中の電荷捕獲サイトの新たな発生がないので、メモリセル構造やメモリセルの書き込み・消去方法の如何に拘わらず、電荷保持能力を高く維持することができる。具体的には、第1,第2の実施形態及び後述する各実施形態において説明するメモリセルの構造や書き込み・消去方法を採用することが可能である。   Further, in the memory cell formed by the manufacturing process of this modification, there is no new generation of the charge trapping site in the tunnel insulating film 4 due to the nitrogen diffusion process, so the memory cell structure and the memory cell writing / erasing method Regardless of the case, the charge retention capability can be maintained high. Specifically, it is possible to employ the memory cell structure and the write / erase method described in the first and second embodiments and each embodiment described later.

(第5の実施形態)
図9(a),(b)は、本発明の第5の実施形態における不揮発性半導体記憶装置(メモリセル)の構造と書き込み・読み出し動作とを説明するための断面図である。本実施形態においては、メモリセルの製造工程の説明は省略するが、トンネル絶縁膜TIが上記第3又は第4の実施形態による処理を経て形成されたものである。
(Fifth embodiment)
FIGS. 9A and 9B are cross-sectional views for explaining the structure and write / read operations of the nonvolatile semiconductor memory device (memory cell) in the fifth embodiment of the present invention. In this embodiment, the description of the manufacturing process of the memory cell is omitted, but the tunnel insulating film TI is formed through the processing according to the third or fourth embodiment.

図9(a)に示すように、このメモリセルに書き込み(Program)を行なう場合には、例えば、シリコン基板SUBを接地し、ソース拡散層S及びドレイン拡散層Dをオープンにして、コントロールゲート電極CGに正の高電圧(+16V)を印加する。このような電圧設定により、シリコン基板SUB中の電子がチャネル領域のほぼ全体からトンネル絶縁膜TIのほぼ全体をFNトンネリングしてフローティングゲート電極FGに注入される。これによって、書き込み(Program)が行なわれる。   As shown in FIG. 9A, when writing (Program) to this memory cell, for example, the silicon substrate SUB is grounded, the source diffusion layer S and the drain diffusion layer D are opened, and the control gate electrode A positive high voltage (+ 16V) is applied to CG. With such a voltage setting, electrons in the silicon substrate SUB are injected into the floating gate electrode FG through FN tunneling from almost the entire channel region to almost the entire tunnel insulating film TI. Thus, writing (Program) is performed.

一方、図9(b)に示すように、このメモリセルの消去(Erase)を行なう場合には、ソース拡散層S及びドレイン拡散層Dをオープンにして、シリコン基板SUBに正の高電圧(+18V)を印加し、コントロールゲート電極CGを接地する。このような電圧設定により、コントロールゲート電極CGと容量結合しているフローティングゲート電極FG中の電子が、トンネル絶縁膜TIのほぼ全体をFNトンネリングしてシリコン基板SUBのチャネル領域全体に引き抜かれる。これによって、消去(Erase)が行なわれる。   On the other hand, as shown in FIG. 9B, when erasing the memory cell, the source diffusion layer S and the drain diffusion layer D are opened and a positive high voltage (+ 18V) is applied to the silicon substrate SUB. ) To ground the control gate electrode CG. With such a voltage setting, electrons in the floating gate electrode FG capacitively coupled to the control gate electrode CG are extracted to the entire channel region of the silicon substrate SUB by FN tunneling of the entire tunnel insulating film TI. As a result, erase is performed.

本実施形態では、書き込み・消去ともに、電子がトンネル絶縁膜TIの全体をFNトンネリングすることによって行なわれる。したがって、書き換え時における低消費電力化を図りうる。また、本実施形態のメモリセルにおいては、トンネル絶縁膜TI中に電荷捕獲サイトが窒化膜処理によって新たに発生していないか、あるいは、その後の水素(又はフッ素)拡散処理によって電荷捕獲サイトが低減されていることにより、高い信頼性を発揮することができる。したがって、本実施形態の構造及び書き込み・消去方法を有するメモリセルにおいては、第1,第2の実施形態における製造工程は適用されず、第3の比較的低温における窒素拡散処理か、第4の実施形態における窒素拡散処理と水素(又はフッ素)拡散処理とを行なう製造工程が適用される。ただし、ソース拡散層とドレイン拡散層との深さは同等でよく、両者が同時にイオン注入によって形成されたものであってもよい。   In the present embodiment, both writing and erasing are performed by electrons FN tunneling the entire tunnel insulating film TI. Therefore, power consumption can be reduced during rewriting. In the memory cell of this embodiment, no charge trapping sites are newly generated in the tunnel insulating film TI by the nitride film processing, or the charge trapping sites are reduced by the subsequent hydrogen (or fluorine) diffusion processing. Therefore, high reliability can be exhibited. Therefore, in the memory cell having the structure and the write / erase method of the present embodiment, the manufacturing process in the first and second embodiments is not applied, and the third nitrogen diffusion treatment at a relatively low temperature or the fourth The manufacturing process for performing the nitrogen diffusion treatment and the hydrogen (or fluorine) diffusion treatment in the embodiment is applied. However, the depths of the source diffusion layer and the drain diffusion layer may be equal, and both may be formed by ion implantation at the same time.

(第6の実施形態)
図10(a),(b)は、本発明の第6の実施形態における不揮発性半導体記憶装置(メモリセル)の構造と書き込み・読み出し動作とを説明するための断面図である。本実施形態においては、メモリセルの製造工程の説明は省略するが、トンネル絶縁膜TIが上記第3又は第4の実施形態による処理を経て形成されたものである。また、本実施形態においては、フローティングゲート電極FG及びコントロールゲート電極CGに加えて、セレクトゲート電極SGが設けられている。
(Sixth embodiment)
FIGS. 10A and 10B are cross-sectional views for explaining the structure and write / read operations of the nonvolatile semiconductor memory device (memory cell) in the sixth embodiment of the present invention. In this embodiment, the description of the manufacturing process of the memory cell is omitted, but the tunnel insulating film TI is formed through the processing according to the third or fourth embodiment. In the present embodiment, a select gate electrode SG is provided in addition to the floating gate electrode FG and the control gate electrode CG.

図10(a)に示すように、このメモリセルに書き込み(Program)を行なう場合には、例えば、シリコン基板SUBを接地し、ソース拡散層Sをオープンにして、セレクトゲート電極SG及びドレイン拡散層Dに0Vの電圧を、コントロールゲート電極CGに正の高電圧(+11V)をそれぞれ印加する。このような電圧設定により、シリコン基板SUB中の電子がチャネル領域のほぼ全体からトンネル絶縁膜TIのほぼ全体をFNトンネリングしてフローティングゲート電極FGに注入される。これによって、書き込み(Program)が行なわれる。   As shown in FIG. 10A, when writing (Program) to the memory cell, for example, the silicon substrate SUB is grounded, the source diffusion layer S is opened, and the select gate electrode SG and the drain diffusion layer are formed. A voltage of 0V is applied to D, and a positive high voltage (+ 11V) is applied to the control gate electrode CG. With such a voltage setting, electrons in the silicon substrate SUB are injected into the floating gate electrode FG through FN tunneling from almost the entire channel region to almost the entire tunnel insulating film TI. Thus, writing (Program) is performed.

一方、図10(b)に示すように、このメモリセルの消去(Erase)を行なう場合には、ソース拡散層S及びドレイン拡散層Dをオープンにして、シリコン基板SUBに正の高電圧(+18V)を、セレクトゲート電極SGに正の低電圧(+2V)をそれぞれ印加し、コントロールゲート電極CGを接地する。このような電圧設定により、コントロールゲート電極CGと容量結合しているフローティングゲート電極FG中の電子が、トンネル絶縁膜TIのほぼ全体をFNトンネリングしてシリコン基板SUBのチャネル領域全体に引き抜かれる。これによって、消去(Erase)が行なわれる。   On the other hand, as shown in FIG. 10B, when erasing the memory cell, the source diffusion layer S and the drain diffusion layer D are opened, and a positive high voltage (+ 18V) is applied to the silicon substrate SUB. ), A positive low voltage (+2 V) is applied to the select gate electrode SG, and the control gate electrode CG is grounded. With such a voltage setting, electrons in the floating gate electrode FG capacitively coupled to the control gate electrode CG are extracted to the entire channel region of the silicon substrate SUB by FN tunneling of the entire tunnel insulating film TI. As a result, erase is performed.

本実施形態においても、書き込み・消去共に、電子がトンネル絶縁膜TIの全体をFNトンネリングすることによって行なわれる。したがって、上記第5の実施形態と同じ利点を有する。また、本実施形態のメモリセルにおいては、トンネル絶縁膜TI中に電荷捕獲サイトが窒化膜処理によって新たに発生していないか、あるいは、その後の水素(又はフッ素)拡散処理によって電荷捕獲サイトが低減されていることにより、高い信頼性を発揮することができる。したがって、本実施形態の構造及び書き込み・消去方法を有するメモリセルにおいては、第1,第2の実施形態における製造工程は適用されず、第3の比較的低温における窒素拡散処理か、第4の実施形態における窒素拡散処理と水素(又はフッ素)拡散処理とを行なう製造工程が適用される。ただし、ソース拡散層とドレイン拡散層との深さは同等でよく、両者が同時にイオン注入によって形成されたものであってもよい。   Also in this embodiment, both writing and erasing are performed by electrons FN tunneling the entire tunnel insulating film TI. Therefore, it has the same advantages as the fifth embodiment. In the memory cell of this embodiment, no charge trapping sites are newly generated in the tunnel insulating film TI by the nitride film processing, or the charge trapping sites are reduced by the subsequent hydrogen (or fluorine) diffusion processing. Therefore, high reliability can be exhibited. Therefore, in the memory cell having the structure and the write / erase method of the present embodiment, the manufacturing process in the first and second embodiments is not applied, and the third nitrogen diffusion treatment at a relatively low temperature or the fourth The manufacturing process for performing the nitrogen diffusion treatment and the hydrogen (or fluorine) diffusion treatment in the embodiment is applied. However, the depths of the source diffusion layer and the drain diffusion layer may be equal, and both may be formed by ion implantation at the same time.

(第7の実施形態)
図11(a),(b)は、本発明の第7の実施形態における不揮発性半導体記憶装置(メモリセル)の構造と書き込み・読み出し動作とを説明するための断面図である。本実施形態においては、メモリセルの製造工程の説明は省略するが、トンネル絶縁膜TIは上記第3の実施形態による処理,第4の実施形態による処理又は窒素拡散処理のない水素(又はフッ素)拡散処理を経て形成されたものである。また、本実施形態のメモリセルは、いわゆるスプリットゲート構造を有し、コントロールゲート電極CGとフローティングゲート電極CGとの双方がチャネル領域上に設けられ、かつ、フローティングゲート電極FGはチャネル領域とドレイン拡散層Dとに跨り、コントロールゲート電極CGはチャネル領域とソース拡散層Sとに跨っている。そして、フローティングゲート電極FGとコントロールゲート電極CGとの間の電極間絶縁膜EIが消去の際のトンネル絶縁膜として機能する。また、本実施形態のメモリセルには、第3又は第4の実施形態と同様の処理によって形成された浅いソース拡散層Sと深いドレイン拡散層Dとが設けられている。
(Seventh embodiment)
11A and 11B are cross-sectional views for explaining the structure and write / read operations of the nonvolatile semiconductor memory device (memory cell) in the seventh embodiment of the present invention. In the present embodiment, the description of the manufacturing process of the memory cell is omitted, but the tunnel insulating film TI is hydrogen (or fluorine) without the treatment according to the third embodiment, the treatment according to the fourth embodiment, or the nitrogen diffusion treatment. It is formed through a diffusion treatment. The memory cell of this embodiment has a so-called split gate structure, both the control gate electrode CG and the floating gate electrode CG are provided on the channel region, and the floating gate electrode FG has the channel region and the drain diffusion. The control gate electrode CG straddles the channel region and the source diffusion layer S across the layer D. The interelectrode insulating film EI between the floating gate electrode FG and the control gate electrode CG functions as a tunnel insulating film at the time of erasing. In addition, the memory cell of this embodiment is provided with a shallow source diffusion layer S and a deep drain diffusion layer D formed by the same processing as in the third or fourth embodiment.

図11(a)に示すように、このメモリセルに書き込み(Program)を行なう場合には、例えば、シリコン基板SUBを接地し、ソース拡散層Sに0Vの電圧を、ドレイン拡散層Dに正の高電圧(+12V)を、コントロールゲート電極CGに正の低電圧(+2V)をそれぞれ印加する。このような電圧設定により、ソース拡散層Sからドレイン拡散層Dに向かって流れる電子が、コントロールゲート電極CGと容量結合しているフローティングゲート電極FGに引かれて、チャネル領域からトンネル絶縁膜TIをトンネリングしてフローティングゲート電極FGに注入される。これによって、書き込み(Program)が行なわれる。   As shown in FIG. 11A, when writing to this memory cell (Program), for example, the silicon substrate SUB is grounded, a voltage of 0 V is applied to the source diffusion layer S, and a positive voltage is applied to the drain diffusion layer D. A high voltage (+12 V) is applied, and a positive low voltage (+2 V) is applied to the control gate electrode CG. With this voltage setting, electrons flowing from the source diffusion layer S toward the drain diffusion layer D are attracted by the floating gate electrode FG capacitively coupled to the control gate electrode CG, and the tunnel insulating film TI is removed from the channel region. Tunneled and injected into the floating gate electrode FG. Thus, writing (Program) is performed.

一方、図11(b)に示すように、このメモリセルの消去(Erase)を行なう場合には、シリコン基板SUBを接地して、ソース拡散層S及びドレイン拡散層Dに0Vの電圧を、コントロールゲート電極CGに正の高電圧(+14V)をそれぞれ印加する。このような電圧設定により、フローティングゲート電極FG中の電子が高電位にあるコントロールゲート電極CGに引かれて、電極間絶縁膜EIをFNトンネリングしてコントロールゲート電極CGに引き抜かれる。これによって、消去(Erase)が行なわれる。   On the other hand, as shown in FIG. 11B, when erasing the memory cell, the silicon substrate SUB is grounded, and a voltage of 0 V is controlled on the source diffusion layer S and the drain diffusion layer D. A positive high voltage (+14 V) is applied to each gate electrode CG. With this voltage setting, electrons in the floating gate electrode FG are attracted to the control gate electrode CG at a high potential, and the interelectrode insulating film EI is tunneled to the control gate electrode CG by FN tunneling. As a result, erase is performed.

本実施形態では、書き込み動作がトンネル絶縁膜TIを電子がトンネリングすることによって行なわれる。したがって、シリコン酸化膜に窒素拡散処理を施すことなく水素(又はフッ素)拡散処理を施してトンネル絶縁膜を形成するか、シリコン酸化膜に窒素拡散処理を行なってから水素(又はフッ素)拡散処理を行なってトンネル絶縁膜TIを形成する(上記第4の実施形態の製造方法)ことにより、高い信頼性を発揮することができる。これらのいずれかの処理により、トンネル絶縁膜中の電荷捕獲サイトが低減されるので、フローティングゲート電極FGの電荷保持能力が向上するからである。ただし、第3の実施形態による低温の窒素拡散処理を行なうことによっても、窒素拡散処理の際の新たな電荷捕獲サイトの発生を抑制できるので、窒素拡散処理によるトンネル絶縁膜TIの膜質を良好にしつつ、フローティングゲート電極FGの電荷保持能力の低下を抑制しうるという効果が得られる。   In the present embodiment, the write operation is performed by tunneling electrons through the tunnel insulating film TI. Therefore, the silicon oxide film is subjected to hydrogen (or fluorine) diffusion treatment without being subjected to nitrogen diffusion treatment to form a tunnel insulating film, or the silicon oxide film is subjected to nitrogen diffusion treatment and then subjected to hydrogen (or fluorine) diffusion treatment. By forming the tunnel insulating film TI in the same manner (the manufacturing method of the fourth embodiment), high reliability can be exhibited. This is because the charge trapping sites in the tunnel insulating film are reduced by any of these treatments, so that the charge retention capability of the floating gate electrode FG is improved. However, since the generation of new charge trapping sites during the nitrogen diffusion process can also be suppressed by performing the low temperature nitrogen diffusion process according to the third embodiment, the film quality of the tunnel insulating film TI by the nitrogen diffusion process is improved. On the other hand, it is possible to obtain an effect that it is possible to suppress a decrease in the charge retention capability of the floating gate electrode FG.

(第8の実施形態)
図12(a),(b)は、本発明の第8の実施形態における不揮発性半導体記憶装置(メモリセル)の構造と書き込み・読み出し動作とを説明するための断面図である。本実施形態においては、メモリセルの製造工程の説明は省略するが、トンネル絶縁膜TIは、上記第3の実施形態による処理,上記第4の実施形態による処理又は窒素拡散処理のない水素(又はフッ素)拡散処理を経て形成されたものである。また、本実施形態のメモリセルは、いわゆるスプリットゲート構造を有し、コントロールゲート電極CGとフローティングゲート電極CGとの双方がチャネル領域上に設けられ、かつ、フローティングゲート電極FGはチャネル領域とドレイン拡散層Dとに跨り、コントロールゲート電極CGはチャネル領域とソース拡散層Sとに跨っている。さらに、本実施形態のメモリセルは、消去ゲート電極EGを備えており、フローティングゲート電極FGと消去ゲート電極EGとの間の電極間絶縁膜ERIが消去の際のトンネル絶縁膜として機能する。また、本実施形態のメモリセルには、第1の実施形態と同様の処理によって形成された同じ深さのソース拡散層Sとドレイン拡散層Dとが設けられている。
(Eighth embodiment)
12A and 12B are cross-sectional views for explaining the structure and write / read operations of the nonvolatile semiconductor memory device (memory cell) according to the eighth embodiment of the present invention. In the present embodiment, the description of the manufacturing process of the memory cell is omitted, but the tunnel insulating film TI is formed of hydrogen (or a non-nitrogen diffusion process) according to the process according to the third embodiment, the process according to the fourth embodiment, or the nitrogen diffusion process. It is formed through a fluorine) diffusion treatment. The memory cell of this embodiment has a so-called split gate structure, both the control gate electrode CG and the floating gate electrode CG are provided on the channel region, and the floating gate electrode FG has the channel region and the drain diffusion. The control gate electrode CG straddles the channel region and the source diffusion layer S across the layer D. Furthermore, the memory cell of this embodiment includes an erase gate electrode EG, and the interelectrode insulating film ERI between the floating gate electrode FG and the erase gate electrode EG functions as a tunnel insulating film at the time of erasing. Further, the memory cell of the present embodiment is provided with the source diffusion layer S and the drain diffusion layer D having the same depth formed by the same processing as that of the first embodiment.

図12(a)に示すように、このメモリセルに書き込み(Program)を行なう場合には、例えば、シリコン基板SUBを接地し、消去ゲート電極EGをオープンにして、ソース拡散層Sに0Vの電圧を、ドレイン拡散層Dに正の中間電圧(+5V)を、コントロールゲート電極CGに正の高電圧(+10V)をそれぞれ印加する。このような電圧設定により、ソース拡散層Sからドレイン拡散層Dに向かって流れる電子から第2の実施形態と同様の作用によりホットエレクトロンが生ぜしめられ、このホットエレクトロンが、コントロールゲート電極CGと容量結合しているフローティングゲート電極FGに引かれて、チャネル領域からトンネル絶縁膜TIをトンネリングしてフローティングゲート電極FGに注入される。これによって、書き込み(Program)が行なわれる。   As shown in FIG. 12A, when writing into this memory cell (Program), for example, the silicon substrate SUB is grounded, the erase gate electrode EG is opened, and a voltage of 0 V is applied to the source diffusion layer S. A positive intermediate voltage (+5 V) is applied to the drain diffusion layer D, and a positive high voltage (+10 V) is applied to the control gate electrode CG. With this voltage setting, hot electrons are generated from electrons flowing from the source diffusion layer S toward the drain diffusion layer D by the same action as in the second embodiment, and the hot electrons are connected to the control gate electrode CG and the capacitance. Pulled by the coupled floating gate electrode FG, the tunnel insulating film TI is tunneled from the channel region and injected into the floating gate electrode FG. Thus, writing (Program) is performed.

一方、図12(b)に示すように、このメモリセルの消去(Erase)を行なう場合には、シリコン基板SUB及びコントロールゲート電極CGを接地して、ソース拡散層S及びドレイン拡散層Dをオープンにし、消去ゲート電極EGに正の高電圧(+12V)を印加する。このような電圧設定により、フローティングゲート電極FG中の電子が高電位にある消去ゲート電極EGに引かれて、電極間絶縁膜ERIをFNトンネリングして消去ゲート電極EGに引き抜かれる。これによって、消去(Erase)が行なわれる。   On the other hand, as shown in FIG. 12B, when erasing the memory cell, the silicon substrate SUB and the control gate electrode CG are grounded, and the source diffusion layer S and the drain diffusion layer D are opened. Then, a positive high voltage (+12 V) is applied to the erase gate electrode EG. By such voltage setting, electrons in the floating gate electrode FG are attracted to the erase gate electrode EG having a high potential, and the interelectrode insulating film ERI is tunneled to the erase gate electrode EG by FN tunneling. As a result, erase is performed.

本実施形態では、書き込み動作がトンネル絶縁膜TIを電子がトンネリングすることによって行なわれる。したがって、シリコン酸化膜に窒素拡散処理を施すことなく水素(又はフッ素)拡散処理を施してトンネル絶縁膜を形成するか、シリコン酸化膜に窒素拡散処理を行なってから水素(又はフッ素)拡散処理を行なってトンネル絶縁膜TIを形成する(上記第4の実施形態の製造方法)。これらのいずれかの処理により、トンネル絶縁膜中の電荷捕獲サイトが低減されるので、フローティングゲート電極FGの電荷保持能力が向上する。ただし、第3の実施形態による低温の窒素拡散処理を行なうことによっても、窒素拡散処理の際の新たな電荷捕獲サイトの発生を抑制できるので、窒素拡散処理によるトンネル絶縁膜TIの膜質を良好にしつつ、フローティングゲート電極FGの電荷保持能力の低下を抑制しうるという効果が得られる。   In the present embodiment, the write operation is performed by tunneling electrons through the tunnel insulating film TI. Therefore, the silicon oxide film is subjected to hydrogen (or fluorine) diffusion treatment without being subjected to nitrogen diffusion treatment to form a tunnel insulating film, or the silicon oxide film is subjected to nitrogen diffusion treatment and then subjected to hydrogen (or fluorine) diffusion treatment. Then, the tunnel insulating film TI is formed (the manufacturing method of the fourth embodiment). By any of these treatments, the charge trapping sites in the tunnel insulating film are reduced, so that the charge retention capability of the floating gate electrode FG is improved. However, since the generation of new charge trapping sites during the nitrogen diffusion process can also be suppressed by performing the low temperature nitrogen diffusion process according to the third embodiment, the film quality of the tunnel insulating film TI by the nitrogen diffusion process is improved. On the other hand, it is possible to obtain an effect that it is possible to suppress a decrease in the charge retention capability of the floating gate electrode FG.

本発明の不揮発性半導体記憶装置又はその製造方法は、フローティングゲート電極の電荷保持能力の劣化を抑制してメモリセルの信頼性の向上を図ることができ、信頼性が向上した不揮発性半導体記憶装置等として有用である。   The nonvolatile semiconductor memory device or the manufacturing method thereof according to the present invention can improve the reliability of the memory cell by suppressing the deterioration of the charge retention capability of the floating gate electrode, and can improve the reliability. Useful as such.

(a)〜(e)は、本発明の第1の実施形態における不揮発性半導体記憶装置(メモリセル)の製造工程を示す断面図である。(A)-(e) is sectional drawing which shows the manufacturing process of the non-volatile semiconductor memory device (memory cell) in the 1st Embodiment of this invention. (a),(b)は、本実施形態において形成されたメモリセルに書き込み,消去を行なう方法を説明するための断面図である。(A), (b) is sectional drawing for demonstrating the method to write and erase to the memory cell formed in this embodiment. (a)〜(e)は、本発明の第2の実施形態における不揮発性半導体記憶装置(メモリセル)の製造工程を示す断面図である。(A)-(e) is sectional drawing which shows the manufacturing process of the non-volatile semiconductor memory device (memory cell) in the 2nd Embodiment of this invention. (a),(b)は、第3の実施形態において形成されたメモリセルに書き込み,消去を行なう方法を説明するための断面図である。(A), (b) is sectional drawing for demonstrating the method to write and erase to the memory cell formed in 3rd Embodiment. (a)〜(e)は、本発明の第3の実施形態における不揮発性半導体記憶装置(メモリセル)の製造工程を示す断面図である。(A)-(e) is sectional drawing which shows the manufacturing process of the non-volatile semiconductor memory device (memory cell) in the 3rd Embodiment of this invention. (a),(b)は、第3の実施形態において形成されたメモリセルに書き込み,消去を行なう方法を説明するための断面図である。(A), (b) is sectional drawing for demonstrating the method to write and erase to the memory cell formed in 3rd Embodiment. 第3の実施形態の窒素含有シリコン酸化膜をパターニングして得られるトンネル絶縁膜の表面における正孔捕獲量の窒素拡散温度依存性を示す図である。It is a figure which shows the nitrogen diffusion temperature dependence of the hole trapping amount in the surface of the tunnel insulating film obtained by patterning the nitrogen containing silicon oxide film of 3rd Embodiment. (a)〜(e)は、本発明の第4の実施形態における不揮発性半導体記憶装置(メモリセル)の製造工程を示す断面図である。(A)-(e) is sectional drawing which shows the manufacturing process of the non-volatile semiconductor memory device (memory cell) in the 4th Embodiment of this invention. (a),(b)は、本発明の第5の実施形態における不揮発性半導体記憶装置(メモリセル)の構造と書き込み・読み出し動作とを説明するための断面図である。(A), (b) is sectional drawing for demonstrating the structure and write / read operation | movement of the non-volatile semiconductor memory device (memory cell) in the 5th Embodiment of this invention. (a),(b)は、本発明の第6の実施形態における不揮発性半導体記憶装置(メモリセル)の構造と書き込み・読み出し動作とを説明するための断面図である。(A), (b) is sectional drawing for demonstrating the structure and write / read operation | movement of the non-volatile semiconductor memory device (memory cell) in the 6th Embodiment of this invention. (a),(b)は、本発明の第7の実施形態における不揮発性半導体記憶装置(メモリセル)の構造と書き込み・読み出し動作とを説明するための断面図である。(A), (b) is sectional drawing for demonstrating the structure and write / read operation | movement of the non-volatile semiconductor memory device (memory cell) in the 7th Embodiment of this invention. (a),(b)は、本発明の第8の実施形態における不揮発性半導体記憶装置(メモリセル)の構造と書き込み・読み出し動作とを説明するための断面図である。(A), (b) is sectional drawing for demonstrating the structure and write / read operation | movement of the non-volatile semiconductor memory device (memory cell) in the 8th Embodiment of this invention. (a)〜(d)は、従来の不揮発性半導体記憶装置(メモリセル)の製造工程を示す断面図である。(A)-(d) is sectional drawing which shows the manufacturing process of the conventional non-volatile semiconductor memory device (memory cell). フローティングゲート電極,トンネル絶縁膜及び半導体基板を通過する断面における電子注入時のエネルギーバンド構造を示すバンド図である。It is a band figure which shows the energy band structure at the time of the electron injection in the cross section which passes a floating gate electrode, a tunnel insulating film, and a semiconductor substrate. 正孔が捕獲されたときのフローティングゲート電極,トンネル絶縁膜及び半導体基板を通過する断面における読み出し動作などの際のエネルギーバンド構造を示すバンド図である。FIG. 4 is a band diagram showing an energy band structure during a read operation in a cross section passing through a floating gate electrode, a tunnel insulating film, and a semiconductor substrate when holes are captured. (a)〜(e)は、本発明の第4の実施形態の変形例における不揮発性半導体記憶装置(メモリセル)の製造工程を示す断面図である。(A)-(e) is sectional drawing which shows the manufacturing process of the non-volatile semiconductor memory device (memory cell) in the modification of the 4th Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施形態の変形例における窒素含有シリコン酸化膜中の窒素の濃度分布を示す図である。It is a figure which shows the density | concentration distribution of the nitrogen in the nitrogen containing silicon oxide film in the modification of the 4th Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 p型シリコン基板
2 素子分離領域
3 活性領域
4 トンネル絶縁膜
4a シリコン酸化膜
4x,4y,4z,4w 窒素含有シリコン酸化膜
5 フローティングゲート電極
6 電極間絶縁膜
7 コントロールゲート電極
8 メモリゲート電極部
9 サイドウォール
10 p型ソース拡散層
11 p型ドレイン拡散層
12 p型中間拡散層
14 ゲート絶縁膜
15 ダミーフローティングゲート電極
16 ダミー電極間絶縁膜
17 ダミーコントロールゲート電極
18 セレクトゲート電極部
19 サイドウォール
20 n型ソース拡散層
21 n型ドレイン拡散層
30 n型ソース拡散層
31 n型ドレイン拡散層
1 p-type silicon substrate 2 element isolation region 3 active region 4 tunnel insulating film 4a silicon oxide film 4x, 4y, 4z, 4w nitrogen-containing silicon oxide film 5 floating gate electrode 6 interelectrode insulating film 7 control gate electrode 8 memory gate electrode portion DESCRIPTION OF SYMBOLS 9 Side wall 10 p-type source diffusion layer 11 p-type drain diffusion layer 12 p-type intermediate diffusion layer 14 Gate insulating film 15 Dummy floating gate electrode 16 Dummy inter-electrode insulating film 17 Dummy control gate electrode 18 Select gate electrode portion 19 Side wall 20 n-type source diffusion layer 21 n-type drain diffusion layer 30 n-type source diffusion layer 31 n-type drain diffusion layer

Claims (1)

酸素及び水素を含む雰囲気中で熱処理を行うことにより、基板内の半導体領域の上にシリコン酸化膜からなるトンネル絶縁膜を形成する工程(a)と、
2O又はNOを含む雰囲気中で熱処理を行うことにより、上記トンネル絶縁膜中に窒素を拡散させる工程(b)と、
水素を含む雰囲気中で300℃から950℃の温度範囲で熱処理を行うことにより、上記トンネル絶縁膜中に水素を拡散させる工程(c)と、
上記工程(c)の後、上記トンネル絶縁膜の上に、フローティングゲート電極、電極間絶縁膜及びコントロールゲート電極からなるメモリゲート電極部を形成する工程(d)と、
上記半導体領域内の上記フローティングゲート電極の両側に位置する領域に不純物を導入して、上記半導体領域とは逆導電型の2つの不純物拡散領域を形成する工程(e)とを含む不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
(A) forming a tunnel insulating film made of a silicon oxide film on a semiconductor region in the substrate by performing heat treatment in an atmosphere containing oxygen and hydrogen;
Performing a heat treatment in an atmosphere containing N 2 O or NO to diffuse nitrogen in the tunnel insulating film (b);
A step (c) of diffusing hydrogen into the tunnel insulating film by performing a heat treatment in a temperature range of 300 ° C. to 950 ° C. in an atmosphere containing hydrogen;
After the step (c), a step (d) of forming a memory gate electrode portion comprising a floating gate electrode, an interelectrode insulating film and a control gate electrode on the tunnel insulating film;
Non-volatile semiconductor memory including a step (e) of introducing impurities into regions located on both sides of the floating gate electrode in the semiconductor region to form two impurity diffusion regions having a conductivity type opposite to that of the semiconductor region Device manufacturing method.
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