JP2007142468A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置に係り、特にゲート絶縁膜の高特性が必要な微細な半導体装置及
びその製造方法に関わる。
The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a fine semiconductor device that requires high characteristics of a gate insulating film and a manufacturing method thereof.
電気的に書き込み消去可能な不揮発性半導体記憶装置の一種として、シリコン窒化膜中
に電荷をトラップさせることでデータを記憶する、いわゆるMONOS(金属―酸化シリ
コン膜―窒化シリコン膜―酸化シリコン膜―半導体)型メモリセルが知られている。MO
NOS型メモリは浮遊ゲート型メモリと比較して低電圧で書き込み消去動作が可能であり
、また、積層ゲート構造が必要な浮遊ゲート型メモリセルに対して、単層ゲート構造のM
ONOS型メモリセルはゲートのアスペクト比が小さいため、素子の微細化に適している
という特徴がある。
As a kind of electrically erasable and erasable non-volatile semiconductor memory device, so-called MONOS (metal-silicon oxide film-silicon nitride film-silicon oxide film-semiconductor) stores data by trapping charges in a silicon nitride film ) Type memory cells are known. MO
The NOS type memory can perform a write / erase operation at a lower voltage compared to the floating gate type memory, and has a single layer gate structure M for a floating gate type memory cell that requires a stacked gate structure.
Since the ONOS memory cell has a small gate aspect ratio, it is suitable for miniaturization of elements.
図94に従来のLOCOS型素子分離によるMONOSメモリセルの断面図を示す。 FIG. 94 shows a cross-sectional view of a conventional MONOS memory cell by LOCOS type element isolation.
図94において、半導体基板100上にメモリセルのトンネル絶縁膜101が形成され
、このトンネル絶縁膜を挟みこむようにトンネル絶縁膜101よりも膜厚が厚い素子分離
領域102が形成されている。これら、素子分離領域102、トンネル絶縁膜101表面
上にシリコン窒化膜からなる電荷蓄積層103が形成されている。この電荷蓄積層103
上には、バリア絶縁膜104が形成されている。さらにこのバリア絶縁膜104上には、
ゲート電極105が形成されている。
In FIG. 94, a tunnel
A
A
ところで、微細化に伴って、従来のLOCOS型素子分離に替わってSTIによる素子
分離が重要な技術となっている。特に浮遊ゲート型不揮発性メモリに
適した素子分離法として、自己整合STIが提案されている(「A 0.67μm2SELF-AL
IGHNED SHALLOW TRNECH ISOLATION CELL(SA-STI CELL) FOR 3V-only 256Mbit NAND EEPRO
Ms」IEDM Tech. Dig. 1994 pp61-64) 。ここでは、浮遊ゲート下に形成されたゲート絶
縁膜の厚さがゲート電極端にて他の部分よりも厚く形成されている。自己整合STIでは
電荷蓄積層である浮遊ゲートに対して自己整合的に素子分離溝を形成することによって、
ゲート電極の一部が素子分離端に入り込むことによる素子分離端での電界集中を防ぎ、そ
の結果、セル特性のばらつきが改善され、高信頼性化が実現できる。
By the way, along with miniaturization, element isolation by STI has become an important technique in place of conventional LOCOS element isolation. Self-aligned STI has been proposed as an element isolation method particularly suitable for floating gate nonvolatile memories ("A 0.67 μm 2 SELF-AL
IGHNED SHALLOW TRNECH ISOLATION CELL (SA-STI CELL) FOR 3V-only 256Mbit NAND EEPRO
Ms "IEDM Tech. Dig. 1994 pp61-64). Here, the thickness of the gate insulating film formed under the floating gate is formed thicker than the other portions at the gate electrode end. In self-aligned STI, by forming an element isolation trench in a self-aligned manner with respect to a floating gate that is a charge storage layer,
Electric field concentration at the element isolation end due to part of the gate electrode entering the element isolation end is prevented. As a result, variations in cell characteristics are improved, and high reliability can be realized.
なお、MNOS型不揮発性半導体記憶装置のサイドウオーク現象を防止するようにゲー
ト絶縁膜を周辺の選択酸化膜との境界領域において、全て溝部内に存在させた構成が記載
されている(例えば、特許文献1参照。)。
A configuration is described in which the gate insulating film is entirely present in the trench in the boundary region with the peripheral selective oxide film so as to prevent the sidewalk phenomenon of the MNOS type nonvolatile semiconductor memory device (for example, patent Reference 1).
なお、MONOSのように電荷蓄積層として絶縁膜を用いた不揮発性メモリはリードデ
ィスターブ特性が劣ることが記載されている(例えば、特許文献2参照。)。
以上のような従来の半導体装置では、以下の課題が生じる。 The conventional semiconductor device as described above has the following problems.
素子分離領域を形成する熱酸化の影響により、素子分離エッジ部106で酸化膜が厚く
なりこの領域で書き込み消去特性が悪くなる。すなわち、素子分離エッジ部で絶縁膜厚が
厚くなることから、電界が弱くなり、閾値が低くなる。
Due to the influence of thermal oxidation that forms the element isolation region, the oxide film becomes thick at the element
MONOS構造では電荷を絶縁膜であるシリコン窒化膜中にトラップさせるため、電荷
蓄積層中をキャリアが移動しない。このため書き込みパルスを与えた場合、チャネルエッ
ジの部分だけしきい値が低いまま取り残されることになる。このことはトランジスタ特性
に対して、サブスレッショルドリークまたはハンプ(hump)として観測される。サイドウオ
ーク(sidewalk)と呼ばれるこの現象はMONOSメモリセルの書き込み消去ウィンドウを
狭くするので問題である。
In the MONOS structure, since charges are trapped in a silicon nitride film which is an insulating film, carriers do not move in the charge storage layer. Therefore, when a write pulse is applied, only the channel edge portion is left with a low threshold. This is observed as subthreshold leakage or hump for transistor characteristics. This phenomenon, called sidewalk, is problematic because it narrows the write / erase window of the MONOS memory cell.
また、上記特許文献1(特開平4−12573号公報)では、半導体基板中に溝を設け
、溝中に絶縁膜が設けられているが、その膜厚は素子分離領域近辺で厚くなっており、電
界集中が発生し、制御特性が悪化してしまう。
Further, in Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 4-12573), a groove is provided in a semiconductor substrate, and an insulating film is provided in the groove, but the film thickness is thick in the vicinity of the element isolation region. Electric field concentration occurs and control characteristics deteriorate.
本発明の目的は以上のような従来技術の課題を解決することにある。 An object of the present invention is to solve the above-described problems of the prior art.
特に、本発明の目的は、素子分離領域付近でのゲート絶縁膜の電気的特性と素子分離領
域付近以外でのゲート絶縁膜の電気的特性とが等しい半導体装置及びその製造方法を提供
することにある。さらに、本発明の別の目的は、素子領域を定義する4辺のうちソース・
ドレイン間電流の流れる方向と平行な2辺のエッジでの電荷保持特性劣化を抑制した信頼
性の高い半導体装置を提供することである。
In particular, an object of the present invention is to provide a semiconductor device in which the electrical characteristics of the gate insulating film near the element isolation region and the electrical characteristics of the gate insulating film outside the element isolation region are equal, and a method for manufacturing the same. is there. Furthermore, another object of the present invention is to provide a source / source among the four sides defining the element region.
An object of the present invention is to provide a highly reliable semiconductor device in which deterioration of charge retention characteristics at two edges parallel to the direction in which drain-to-drain current flows is suppressed.
さらに、本発明の別の目的は、ゲート電極のエッジ部での書き込み消去特性やデータ保
持特性のばらつき並びに閾値変動を抑制する半導体装置を提供することである。
Furthermore, another object of the present invention is to provide a semiconductor device that suppresses variations in write / erase characteristics and data retention characteristics at the edge portion of the gate electrode and threshold fluctuations.
上記目的を達成するために、半導体基板と、前記半導体基板中に形成された素子領域と
、前記素子領域上に設けられた第1のゲート絶縁膜と、少なくとも1つのゲート電極と、
前記ゲート電極の少なくとも一部に接して、前記半導体基板上に形成された素子分離領域
と、前記第1のゲート絶縁膜上に設けられ、データの記憶が可能であり、かつ電気的に書
き込み消去可能な絶縁膜を有し、端部が前記素子分離領域中に位置する電荷蓄積領域とを
具備し、前記電荷蓄積領域の端部が、前記素子分離領域中に、0.5nmから15nmの
範囲で進入していることを特徴とする半導体装置である。
To achieve the above object, a semiconductor substrate, an element region formed in the semiconductor substrate, a first gate insulating film provided on the element region, at least one gate electrode,
An element isolation region formed on the semiconductor substrate and in contact with at least a part of the gate electrode and the first gate insulating film are capable of storing data, and are electrically written and erased And a charge storage region having an end portion located in the element isolation region, and an end portion of the charge storage region is in a range of 0.5 nm to 15 nm in the element isolation region. The semiconductor device is characterized in that it has entered at a point.
本発明の別の特徴は、半導体基板と、前記半導体基板中に形成された実質上4辺を有す
る第1導電型の素子領域と、前記素子領域上に設けられた第1のゲート絶縁膜と、前記第
1ゲート絶縁膜上に設けられ、データの記憶が可能であり、かつ、電気的に書き込み消去
可能な絶縁膜を有する電荷蓄積領域と、前記電荷蓄積領域上に設けられた少なくとも1つ
のゲート電極と、前記素子領域の対向する2辺にそれぞれ形成され、第1の導電型と逆の
導電型のソース電極及びドレイン電極と、前記電荷蓄積領域と前記ゲート電極間に配置さ
れ、前記ソース電極及び前記ドレイン電極が形成されていない2辺において、前記電荷蓄
積領域に対向した面における前記ゲート電極中央部下と比較して、前記電荷蓄積領域に対
向した面における前記ゲート電極端下で厚く形成されている第2ゲート絶縁膜とを具備し
、前記ソース電極及び前記ドレイン電極が形成されていない2辺において、前記第2ゲー
ト絶縁膜の厚さが、前記電荷蓄積領域に対向した面におけるゲート電極中央部下と比較し
て前記電荷蓄積領域に対向した面における前記ゲート電極端下で0.6nmから50nm
の範囲の厚さ分厚く形成されていることを特徴とする半導体装置である。
Another feature of the present invention is a semiconductor substrate, a first conductivity type element region having substantially four sides formed in the semiconductor substrate, and a first gate insulating film provided on the element region. A charge storage region provided on the first gate insulating film, capable of storing data, and having an insulating film that can be electrically written and erased, and at least one provided on the charge storage region A source electrode and a drain electrode of a conductivity type opposite to the first conductivity type, and disposed between the charge storage region and the gate electrode, respectively; On the two sides where the electrode and the drain electrode are not formed, the gate electrode on the surface facing the charge storage region is lower than the lower part of the center of the gate electrode on the surface facing the charge storage region. A second gate insulating film formed thick under the edge, and on the two sides where the source electrode and the drain electrode are not formed, the thickness of the second gate insulating film is in the charge storage region. 0.6 nm to 50 nm below the edge of the gate electrode on the surface facing the charge storage region compared to below the center of the gate electrode on the facing surface
The semiconductor device is characterized in that it is formed thicker than the range of
本発明の別の特徴は、半導体基板と、前記半導体基板中に形成された実質上4辺を有す
る第1導電型の素子領域と、前記素子領域上に設けられた第1のゲート絶縁膜と、前記第
1ゲート絶縁膜上に設けられ、データの記憶が可能であり、かつ、電気的に書き込み消去
可能な絶縁膜よりなり、対向する2辺で2つの端を有する電荷蓄積領域と、前記電荷蓄積
領域上に設けられた少なくとも1つのゲート電極と、前記半導体基板中に設けられた第1
の導電型と逆の導電型のソース電極及びドレイン電極と、前記ソース電極及び前記ドレイ
ン電極にそれぞれ設けられ、前記ソース電極及び前記ドレイン電極間の導通状態と遮断状
態によって、前記電荷蓄積領域の記憶状態を検知する電流端子と、前記電荷蓄積領域と前
記ゲート電極間に配置され、少なくとも前記電流端子間が導通状態において、素子領域上
を電流が流れる方向を第一の方向とし、前記半導体基板上で第一の方向と直交する方向を
第二の方向とすると、前記第二の方向において、前記電荷蓄積領域に対向した面における
ゲート電極中央部下と比較して前記電荷蓄積領域に対向した面における前記ゲート電極端
下で0.6nmから50nmの範囲で厚い第2のゲート絶縁膜とを具備することを特徴と
する半導体装置である。
Another feature of the present invention is a semiconductor substrate, a first conductivity type element region having substantially four sides formed in the semiconductor substrate, and a first gate insulating film provided on the element region. A charge storage region provided on the first gate insulating film, which is made of an insulating film capable of storing data and electrically writable and erasable, and has two ends on two opposite sides; At least one gate electrode provided on the charge storage region; and a first electrode provided in the semiconductor substrate.
A source electrode and a drain electrode of a conductivity type opposite to the conductivity type of the first electrode, and a source electrode and a drain electrode provided on the source electrode and the drain electrode, respectively. A current terminal that detects a state; and is disposed between the charge storage region and the gate electrode, and at least the current terminal is in a conductive state. When the direction orthogonal to the first direction is the second direction, in the second direction, in the surface facing the charge storage region compared to the lower part of the center of the gate electrode in the surface facing the charge storage region. A semiconductor device comprising: a second gate insulating film that is thick in the range of 0.6 nm to 50 nm below the edge of the gate electrode.
本発明によれば、素子分離領域付近でのゲート絶縁膜の電気的特性と素子分離領域付近
以外でのゲート絶縁膜の電気的特性とが等しい半導体装置及びその製造方法を提供できる
。さらに、本発明によれば、素子領域を定義する4辺のうちソース、ドレイン間電流の流
れる方向と平行な2辺のエッジでの電荷保持特性劣化を抑制した信頼性の高い半導体装置
を提供できる。さらに、本発明によれば、ゲート電極のエッジ部での書き込み消去特性や
データ保持特性のばらつき並びに閾値変動を抑制する半導体装置を提供できる。
According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor device in which the electrical characteristics of the gate insulating film in the vicinity of the element isolation region and the electrical characteristics of the gate insulating film other than in the vicinity of the element isolation region are equal, and a method for manufacturing the same. Furthermore, according to the present invention, it is possible to provide a highly reliable semiconductor device in which the charge retention characteristic deterioration is suppressed at the edges of two sides parallel to the direction in which the current between the source and drain flows among the four sides defining the element region. . Furthermore, according to the present invention, it is possible to provide a semiconductor device that suppresses variations in write / erase characteristics and data retention characteristics and threshold fluctuations at the edge of the gate electrode.
次に,図面を参照して、本発明の実施例を説明する。以下の図面の記載において、同一
又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なもので
あり,厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は、現実のものとは異なる。従って
、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間
においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, the drawings are schematic, and the relationship between the thickness and the planar dimensions, the ratio of the thickness of each layer, and the like are different from the actual ones. Accordingly, specific thicknesses and dimensions should be determined in consideration of the following description. Moreover, the part from which the relationship and ratio of a mutual dimension differ also in between drawings is contained.
まず、本発明の実施例1に係る半導体装置について、図面を参照して説明する。フロー
ティングゲート型のフラッシュメモリにおいて、セルフアラインSTI(Self-Aligned Sh
allow Trench Isolation:SA-STI)プロセスによってMONOSセルを形成した場合のプロ
トタイプを図2に示す。
First, a semiconductor device according to
A prototype when a MONOS cell is formed by an allow Trench Isolation (SA-STI) process is shown in FIG.
ここでは、半導体基板1上にシャロートレンチ素子分離領域2が複数形成されている。
隣接する2つのシャロートレンチ素子分離領域2の間の半導体基板1表面付近には、シリ
コン酸化膜からなるトンネル絶縁膜3が形成されている。このトンネル絶縁膜3上にはシ
リコン窒化膜からなる電荷蓄積層4が形成されている。この電荷蓄積層4上には、シリコ
ン酸化膜からなるブロック絶縁膜5が形成されている。このブロック絶縁膜5は同じ材料
であるシャロートレンチ素子分離領域2と一体となっている。このブロック絶縁膜5及び
シャロートレンチ素子分離領域2上にはゲート電極6が形成されている。
Here, a plurality of shallow
A
この場合,このゲート電極6はシャロートレンチ素子分離領域2にはさまれた部分が先
に形成された後に、シャロートレンチ素子分離領域が形成され、その後でシャロートレン
チ素子分離領域2上に追加でゲート電極6が形成されている。
In this case, the
すなわち、同ゲート電極であっても場所により別工程で形成されているため,自然酸化膜
がゲート絶縁膜中に含まれている。
That is, since the gate electrode is formed in a different process depending on the location, a natural oxide film is included in the gate insulating film.
このような構成を採用することにより、LOCOS型素子分離を用いたMONOSに比
べて、サイドウオーク現象を改善できる。また、シャロートレンチ素子分離領域2上に電
荷蓄積層4が形成されていないことで、従来生じていた素子分離領域上の電荷蓄積層4を
介して隣接するセルへ電荷が移動することによるデータ消失を防ぐことができる。
By adopting such a configuration, the sidewalk phenomenon can be improved as compared with MONOS using LOCOS type element isolation. In addition, since the
このようにSA−STIを用いた場合、トンネル絶縁膜3のゲートエッジ(シャロート
レンチ素子分離領域2に挟まれたゲート電極6の端部)での厚膜化はほとんどない。しか
し、トレンチ形成後に欠陥回復のために半導体表面を酸化するときに、ゲート電極6を構
成する多結晶シリコンにバーズビークが入り、シャロートレンチ素子分離領域のエッジで
ブロック絶縁膜5が厚膜化してしまい、バーズビーク部7が生じてしまう。すなわち、図
3にシャロートレンチ素子分離領域2とゲート電極6の接触部分の拡大図を示す。
When SA-STI is used in this way, there is almost no thickening at the gate edge of tunnel insulating film 3 (the end of
さらにゲート電極6を構成する多結晶シリコンが酸化によって後退するので、シャロー
素子分離領域2が突出した突出部8が形成される。このようにシャロー素子分離領域2で
挟まれたゲート電極6から、電荷蓄積層がゲート電極6の幅よりも大きくなり、電荷蓄積
層が図2の断面でより大きい長さを有し、突出部9が形成される状態となる。
Furthermore, since the polycrystalline silicon constituting the
ここで、ゲート電極6に電圧を印加してもゲート電極6から図2中の突出部9には書き
込み/消去に十分な電界がかからないため、この領域9の閾値は制御できない。
Here, even if a voltage is applied to the
すなわち、図4に半導体記憶装置での書き込み状態のセルのサブスレッショルド特性を
示す。(I)で表したのはチャネル中央部の特性で、これに対して(II)で表したチャ
ネルエッジ部(素子分離領域との境界部)の特性は書き込み閾値が中央部よりも低いこと
に特徴がある。これはエッジ部においてゲート絶縁膜が厚膜化しているために書き込み電
界が弱まり、書き込み電流が減少することに起因する。
That is, FIG. 4 shows the subthreshold characteristics of the cell in the written state in the semiconductor memory device. (I) represents the characteristics at the center of the channel, whereas the characteristics at the channel edge (boundary with the element isolation region) represented by (II) indicate that the write threshold is lower than that at the center. There are features. This is because the gate insulating film is thickened at the edge portion, so that the write electric field is weakened and the write current is reduced.
このようなセルのセル全体としてのサブスレッショルド特性は図5中に(III)で示
すように低電圧部にこぶ(hump)を持ったものとなる。
The sub-threshold characteristic of such a cell as a whole cell has a hump in the low voltage portion as indicated by (III) in FIG.
図6は書き込み状態、消去状態の両方のサブスレッショルド特性をプロットしたもので
ある。書き込み状態の特性は(IV)で示され、消去状態の特性は(V)で示される。消
去時にはチャネルエッジ部の閾値がチャネル中央部の閾値よりも高いために、セル全体と
しての特性には影響しない。結局、セル特性におけるサイドウオーク減少の影響は書き込
み特性の悪化として現れる。
FIG. 6 is a plot of subthreshold characteristics in both the written state and the erased state. The characteristic of the written state is indicated by (IV), and the characteristic of the erased state is indicated by (V). At the time of erasing, since the threshold value of the channel edge portion is higher than the threshold value of the channel central portion, the characteristics of the entire cell are not affected. Eventually, the influence of sidewalk reduction on the cell characteristics appears as deterioration of the writing characteristics.
このSA−STIプロセスを用いたプロトタイプにおける課題を解決する実施例を以下
の通り説明する。
An embodiment for solving the problem in the prototype using the SA-STI process will be described as follows.
図1に本実施例の半導体装置のメモリ部のメモリセルトランジスタ及び選択トランジス
タのロウ方向の断面図を示す。半導体基板1上にトンネル絶縁膜10が例えば膜厚約0.
5nm〜5nm程度のシリコン酸化膜又はシリコン酸窒化膜で形成されている。ここで、
半導体基板1はその中に半導体基板と逆導電型のウエルが表面付近に形成されていてもよ
い。さらに逆導電型のウエル上にさらに半導体基板と同一導電型の別のウエルが形成され
ていてもよい(以下同様)。このトンネル絶縁膜10上には、電荷蓄積層11が例えば3
nm〜30nm程度の厚さのシリコン窒化膜やシリコン酸窒化膜、Ta2O5、TiO2、
Al2O3等の絶縁膜で形成されている。この電荷蓄積層11上には、ブロック絶縁膜12
が例えば膜厚約1nm〜20nm程度のシリコン酸化膜又はシリコン酸窒化膜で形成され
ている。
FIG. 1 is a cross-sectional view in the row direction of a memory cell transistor and a select transistor in a memory portion of the semiconductor device of this embodiment. A
It is formed of a silicon oxide film or silicon oxynitride film of about 5 nm to 5 nm. here,
In the
a silicon nitride film or a silicon oxynitride film having a thickness of about 30 nm to 30 nm, Ta 2 O 5 , TiO 2 ,
It is formed of an insulating film such as Al 2 O 3 . On the
Is formed of, for example, a silicon oxide film or a silicon oxynitride film having a thickness of about 1 nm to 20 nm.
このトンネル酸化膜10、電荷蓄積層11及びブロック絶縁膜12は例えば深さ約20
nm〜500nm程度のシリコン酸化膜などからなるシャロートレンチ素子分離領域13
により互いに分断されている。このシャロートレンチ素子分離領域13及びブロック絶縁
膜12上には、メモリセルの第1ゲート電極14が例えば多結晶シリコンで、膜厚約5n
m〜500nmで第2ゲート電極15が、例えばポリサイドや金属で形成されている。こ
こで、ポリサイドは例えば、WSi,NiSi,MOSi,TiSi,CoSiなどが適
用できる。
The
Shallow trench
Are separated from each other. On the shallow
The
この第2ゲート電極15上には、シリコン窒化膜などによりゲートキャップ絶縁膜16
が形成されている。このゲートキャップ絶縁膜16上には、シリコン窒化膜などによりバ
リア絶縁膜31が形成されている。このバリア絶縁膜31上には、層間膜17が形成され
ている。この層間膜17上部表面付近にはビット線18が埋め込まれている。このビット
線18及び層間膜17上には保護膜19が形成されている。
A gate
Is formed. On the gate
ここで、2つのシャロートレンチ素子分離領域13ではさまれた部分の第1ゲート電極
14下方の半導体基板1の表面はチャネルを形成する。2つのシャロートレンチ素子分離
領域13によってはさまれたトンネル酸化膜10、電荷蓄積層11及びブロック絶縁膜1
2はその膜厚が、チャネル中央部付近と、シャロートレンチ素子分離領域13に接する部
分とで実質的に等しく形成されている。なお、少なくとも第1ゲート14下のブロック絶
縁膜12の膜厚がチャネル中央部付近と、シャロートレンチ素子分離領域13に接する部
分とで実質的に等しく形成されている。
Here, the surface of the
No. 2 is formed so that the film thickness is substantially equal between the vicinity of the center of the channel and the portion in contact with the shallow
また、半導体基板1上のトンネル酸化膜10の膜厚がチャネル中央部付近と、シャロー
トレンチ素子分離領域13に接する部分とで実質的に等しく形成されている。また、場合
により、半導体基板1上にトンネル酸化膜10が形成され、その上に電荷蓄積層11が形
成され、この上に第1ゲート14が直接形成されている構造でもよい。また、シャロート
レンチ素子分離領域13で挟まれたトンネル酸化膜10、電荷蓄積層11及びブロック絶
縁膜12はそれぞれのロウ方向の長さが実質上等しく形成されていて、シャロートレンチ
素子分離領域13の側面と同一水平面で接触している。また、第1ゲート電極14もシャ
ロートレンチ素子分離領域13ではさまれた部分のロウ方向の長さがシャロートレンチ素
子分離領域13ではさまれたトンネル酸化膜10、電荷蓄積層11及びブロック絶縁膜1
2のロウ方向の長さと実質上等しくなっている。
Further, the thickness of the
2 is substantially equal to the length in the row direction.
ここで、シャロートレンチ素子分離領域13上には、第1ゲート14が直接、形成され
ていて、トンネル酸化膜10、電荷蓄積層11及びブロック絶縁膜12を間に介在させて
はいない。そのため、電荷蓄積層11を介して隣接するゲートへ電荷が移動することが防
止される。また、シャロートレンチ素子分離領域13の上端部には窪みであるノッチが生
じる場合もある。
Here, the
次に周辺回路部の高耐圧トランジスタのロウ方向での断面が図7に示される。 Next, a cross section in the row direction of the high voltage transistor in the peripheral circuit portion is shown in FIG.
ここでは、半導体基板1上にゲート絶縁膜20が膜厚が例えば約8nm〜40nmのシ
リコン酸化膜又はシリコン酸窒化膜が形成されている。半導体基板1上でゲート絶縁膜2
0を分断するようにシャロートレンチ素子分離領域21が形成されている。このシャロー
トレンチ素子分離領域21の深さはメモリ部のシャロートレンチ素子分離領域13の厚さ
よりも高耐圧トランジスタのゲート絶縁膜20の厚さからメモリ部のトンネル酸化膜10
の厚さを差し引いた分だけ、浅く形成されている。
Here, a silicon oxide film or a silicon oxynitride film having a thickness of, for example, about 8 nm to 40 nm is formed on the
A shallow
It is formed shallower by subtracting the thickness of.
シャロートレンチ素子分離領域21及びゲート絶縁膜20上にはメモリ部の第1ゲート
電極14と同じ組成で、ほぼ同じ膜厚の第1ゲート電極22が形成されている。この第1
ゲート電極22上には、メモリ部の第2ゲート電極15と同じ組成で、ほぼ同じ膜厚の第
2ゲート電極23が形成されている。この第2ゲート電極23上には、メモリ部のゲート
キャップ絶縁膜16と同じ組成で、ほぼ同じ膜厚のゲートキャップ絶縁膜24が形成され
ている。このゲートキャップ絶縁膜24上には、図1に示される通り、バリア絶縁膜31
や層間膜17などが形成されているが図示は省略されている。
On the shallow
On the
The
ここで、ゲート絶縁膜20はその膜厚がシャロートレンチ素子分離領域21と接触する
部分と、チャネル中央部とでそれぞれほぼ等しく形成されている。すなわち、従来例やプ
ロトタイプのようにシャロートレンチ素子分離領域と接触する部分のゲート絶縁膜が他の
部分よりも厚く形成されることはない。
Here, the
また、シャロートレンチ素子分離領域21で挟まれたゲート絶縁膜20は、ロウ方向の
長さが、第1ゲート電極22がシャロートレンチ素子分離領域21で挟まれた部分のロウ
方向の長さと実質上等しくなっている。また、シャロートレンチ素子分離領域21の上端
部には窪みであるノッチが生じている。このノッチはメモリ部のノッチよりもその窪み深
さが大きく形成されている。
The
次に周辺部の低電圧トランジスタのロウ方向での断面が図8に示される。ここでは、半
導体基板1上にゲート絶縁膜25が膜厚が例えば約0.5nm〜10nmのシリコン酸化
膜又はシリコン酸窒化膜として形成されている。半導体基板1上でゲート絶縁膜25を分
断するようにシャロートレンチ素子分離領域26が形成されている。このシャロートレン
チ素子分離領域26の厚さはメモリ部のシャロートレンチ素子分離領域13の深さとほぼ
等しく形成されている。
Next, a cross section in the row direction of the peripheral low voltage transistor is shown in FIG. Here, the
シャロートレンチ素子分離領域26及びゲート絶縁膜25上にはメモリ部の第1ゲート
電極14と同じ組成で、ほぼ同じ膜厚の第1ゲート電極27が形成されている。この第1
ゲート電極27上には、メモリ部の第2ゲート電極15と同じ組成で、ほぼ同じ膜厚の第
2ゲート電極28が形成されている。この第2ゲート電極28上には、メモリ部のバリア
絶縁膜16と同じ組成で、ほぼ同じ膜厚のゲートキャップ絶縁膜29が形成されている。
このゲートキャップ絶縁膜29上には、図1に示される通り、バリア絶縁膜31や層間膜
17などが形成されているが図示は省略されている。
On the shallow
On the
On the gate
ここで、ゲート絶縁膜25はその膜厚がシャロートレンチ素子分離領域26と接触する
部分と、チャネル中央部でそれぞれほぼ等しく形成されている。すなわち、従来例やプロ
トタイプのようにシャロートレンチ素子分離領域と接触する部分のゲート絶縁膜が他の部
分よりも厚く形成されることはない。
Here, the
また、シャロートレンチ素子分離領域26で挟まれたゲート絶縁膜25は、ロウ方向の
長さが、第1ゲート電極27がシャロートレンチ素子分離領域26で挟まれた部分のロウ
方向の長さと実質上等しくなっている。また、シャロートレンチ素子分離領域26の上端
部には窪みであるノッチが生じている。このノッチはメモリ部のノッチよりもその窪み深
さが大きく形成されている。また、周辺部での半導体基板表面からシャロートレンチ上部
までの高さが、メモリ部での半導体基板表面からシャロートレンチ上部までの高さよりも
低く形成されている。
The
この構造のゲート絶縁膜、ゲート電極作り分けがなされた構造のゲート絶縁膜の種類ご
との素子分離領域であるSTI深さ、STI上部エッジの凹部の大きさ、ゲート電極幅と
半導体基板幅の関係、エッジの曲率半径、ゲート電極の特性が表1に示される。
この表1からわかるように、素子分離領域であるSTI深さはゲート絶縁膜がONOや
シリコン酸化膜の薄膜である場合の深さAがシリコン酸化膜の厚膜である場合の深さBに
比べて、深くなっている。
As can be seen from Table 1, the STI depth as the element isolation region is the depth B when the gate insulating film is a thin film of ONO or a silicon oxide film and the depth B when the gate insulating film is a thick film of a silicon oxide film. It is deeper than that.
また、STI上部エッジの凹部の大きさはゲート酸化膜がONOである場合の大きさC
が、シリコン酸化膜である場合の大きさDに比べて小さくなっている。
The size of the recess at the upper edge of the STI is the size C when the gate oxide film is ONO.
Is smaller than the size D of the silicon oxide film.
また、ゲート絶縁膜の種類に関わらず、2つの素子分離領域ではさまれたゲート電極幅の
方が同じ2つの素子分離領域ではさまれた半導体基板幅よりも大きくなっている。
Regardless of the type of gate insulating film, the width of the gate electrode sandwiched between the two element isolation regions is larger than the width of the semiconductor substrate sandwiched between the same two element isolation regions.
さらに、ゲート電極が素子分離領域と接するエッジ部分での曲率半径は、半導体基板が
素子分離領域と接するゲート電極近傍でのエッジ部分での曲率半径よりも小さくなってい
る。さらに、ゲート電極はPプラス電極とNプラス電極とで作り分けを行うことが可能と
なっている。すなわち、半導体装置中にPプラス電極のトランジスタとNプラス電極のト
ランジスタとが混在して、両者のゲート電極膜の膜厚が等しく形成される。
Further, the radius of curvature at the edge portion where the gate electrode is in contact with the element isolation region is smaller than the radius of curvature at the edge portion in the vicinity of the gate electrode where the semiconductor substrate is in contact with the element isolation region. Furthermore, the gate electrode can be separately formed by a P plus electrode and an N plus electrode. That is, a P plus electrode transistor and an N plus electrode transistor are mixed in the semiconductor device, and the gate electrode films of both are formed to have the same film thickness.
ここで、図9には、本実施例のメモリ部の平面図が示される。この平面図において、“
A−A”線で示される部分の断面図が図1に相当する。図9に示されるように、図中で上
下方向に一定間隔を置いて、互いに平行に直線状に複数本のビット線(BL)43が配置
されている。このビット線43に直交して、互いに平行に複数のデータ選択線(ワード線
)40がビット線43の下方に配置されている。各ワード線40(WL0〜WL31)の
間には、ビット線43の下以外において、シャロートレンチ素子分離領域13が形成され
て、ソース・ドレイン領域30が絶縁分離されている。ビット線43のビット線選択信号
線41に隣接したソース・ドレイン領域30には、ビット線コンタクト44が形成されて
いる。また、ビット線43の共通ソース線選択信号線42に隣接したソース、ドレイン領
域30には、接地電位が与えられるソース線コンタクト45が接続されている。なお、図
9中では、データ選択線40は斜線で表示され、シャロートレンチ素子分離領域13は点
模様で表示され、ソース・ドレイン領域30は斜めの桝目模様で表示される。
Here, FIG. 9 shows a plan view of the memory section of the present embodiment. In this plan view, “
A cross-sectional view taken along line AA ″ corresponds to FIG. 1. As shown in FIG. 9, a plurality of bit lines are linearly arranged in parallel with each other at regular intervals in the vertical direction. (BL) 43 is arranged, and a plurality of data selection lines (word lines) 40 are arranged below and orthogonal to the
図9中に図示された構成が実際には、図9の中で上下方向に繰り返して、形成される。 The configuration shown in FIG. 9 is actually formed repeatedly in the vertical direction in FIG.
図10に示されるカラム方向のメモリ部の断面図では、半導体基板1上にソース・ドレ
イン領域30が複数設けられている。半導体基板1上には、トンネル酸化膜10、電荷蓄
積層11及びブロック絶縁膜12が設けられている。このブロック絶縁膜12上にゲート
形成部分において、第1ゲート電極14、第2ゲート電極15からなるゲートが複数個形
成されている。このゲート形成部分を覆うゲートキャップ絶縁膜16が設けられている。
ゲートキャップ絶縁膜15及び露出したブロック絶縁膜12を覆うバリア絶縁膜31がさ
らに設けられている。
In the sectional view of the memory portion in the column direction shown in FIG. 10, a plurality of source /
A
ビット線コンタクト44は図10中で右端部付近に形成されている。このビット線コン
タクト44はビット線引き出し配線47に接続されている。このビット線引き出し配線4
7はビット線引き出しコンタクト46に接続され、このビット線引き出しコンタクト46
はビット線18に接続されている。
The
The bit
Is connected to the
ソース線コンタクト45は図10中で左端部付近に形成されている。このソース線コン
タクト45はソース線配線48に接続されている。
The
各ゲート形成部、ビット線コンタクト44、ビット線引き出し配線47、ビット線引き
出しコンタクト46、ソース線コンタクト45、ソース線配線48は層間膜17で被覆さ
れている。
Each gate forming portion,
また、ビット線18及び層間膜17は保護膜19で被覆されている。なお、半導体基板
上に半導体基板と反対導電型の第1ウエルを設け、さらにその上に半導体基板と同一導電
型の第2ウエルを設けるツインウエル構成としてもよい。
The
図11は図9の一部を回路図にて表現した図である。ここでは、メモリセルのアレイ構
造はNAND型で、直列に接続されたメモリセルの一端は選択トランジスタ(S1)50
を介してビット線コンタクト44に接続されており、他の一端は選択トランジスタ(S2
)51を介してソース線コンタクト45に接続されている。
FIG. 11 is a circuit diagram showing a part of FIG. Here, the array structure of the memory cells is a NAND type, and one end of the memory cells connected in series is the selection transistor (S1) 50.
And the other end is connected to the select transistor (S2).
) 51 to the
直列に接続されたメモリセルトランジスタ(M0〜M31)52のそれぞれのゲート電
極はデータ選択線(WL0〜WL31)40に接続されている。選択トランジスタ(S1
)50のゲート電極はビット線選択信号線(SSL)41に接続され、選択トランジスタ
(S2)51のゲート電極は共通ソース線選択信号(GSL)42に接続されている。選
択トランジスタ(S1)50と選択トランジスタ(S2)51で挟まれたメモリセルトラ
ンジスタ52の列をNANDストリングと呼び、このNANDストリングが直列に数千個
接続され、このNANDストリングが並列にそれぞれ、データ選択線、ビット線、共通ソ
ース線に接続されて、数千個接続されて半導体記憶装置が構成されると数Mビットの記憶
容量の半導体記憶装置となる。
The gate electrodes of the memory cell transistors (M0 to M31) 52 connected in series are connected to the data selection lines (WL0 to WL31) 40. Select transistor (S1
) 50 is connected to the bit line selection signal line (SSL) 41, and the gate electrode of the selection transistor (S2) 51 is connected to the common source line selection signal (GSL). A column of the
また、本実施例では選択トランジスタ50、51はメモリセルトランジスタ52と同じ
MONOS構造となっている。このためにメモリセルと選択トランジスタでゲート絶縁膜
を作り分ける必要が無く、素子の微細化、低コスト化に適している。また、周辺回路を形
成するトランジスタはMOS構造でゲート酸化膜厚の異なる2種類のトランジスタが存在
する。なお、周辺回路を構成するトランジスタはそのゲート酸化膜厚が3種類以上ある場
合でも本実施例は適用できる。
In this embodiment, the
本実施例によれば、素子分離領域端での書き込み消去特性の低下に由来するサイドウオ
ーク現象を解決し、書き込み消去動作を高速化することが可能である。
According to the present embodiment, it is possible to solve the sidewalk phenomenon resulting from the deterioration of the write / erase characteristics at the edge of the element isolation region, and to speed up the write / erase operation.
以下に、本実施例の半導体装置の製造方法を図12乃至図27を用いて説明する。ここ
では、本実施例の特徴が表された図1,7,8に示された断面でのロウ方向における製造
方法を説明する。以下の図12乃至図27において、(a)は、メモリ部のメモリセルト
ランジスタ及び選択トランジスタの製造方法を示す工程図であり、(b)は周辺回路部の
低電圧トランジスタの製造方法を示す工程図であり、(c)は周辺回路部の高耐圧トラン
ジスタの製造方法を示す工程図である。
Hereinafter, a method of manufacturing the semiconductor device of this example will be described with reference to FIGS. Here, a manufacturing method in the row direction in the cross section shown in FIGS. 1, 7 and 8 in which the features of the present embodiment are shown will be described. 12 to 27, (a) is a process diagram showing a method for manufacturing a memory cell transistor and a select transistor in a memory portion, and (b) is a process showing a method for manufacturing a low voltage transistor in a peripheral circuit portion. FIG. 6C is a process diagram illustrating a method for manufacturing a high voltage transistor in the peripheral circuit portion.
まず、図12(a)、(b)、(c)に示されるように半導体基板1上に5nm〜20
nm程度の犠牲酸化膜(図示せず)を形成した後、必要に応じてメモリ部及び周辺回路部
のウエル、チャネル不純物の注入を行う(図示せず)。犠牲酸化膜を剥離した後、周辺回
路部の高耐圧トランジスタのゲート絶縁膜20を半導体基板1全面に形成する。ここで、
ゲート絶縁膜20は例えば8nm〜40nm程度のシリコン酸化膜又はシリコン酸窒化膜
であるが、後の工程での膜厚の変動量から逆算して最終的に狙いの膜厚になるように調整
しておく必要がある。
First, as shown in FIGS. 12A, 12 </ b> B, and 12 </ b> C, 5 nm to 20 nm on the
After a sacrificial oxide film (not shown) of about nm is formed, the wells and channel impurities of the memory part and the peripheral circuit part are implanted as needed (not shown). After removing the sacrificial oxide film, a
The
次に、図13(c)に示されるように高耐圧トランジスタ部では、全体をレジスト55
で覆って、図13(a)、(b)に示されるメモリ部及び低電圧トランジスタ部では、ゲ
ート絶縁膜20を剥離する。
Next, as shown in FIG. 13C, in the high breakdown voltage transistor portion, the entire resist 55 is formed.
In the memory portion and the low voltage transistor portion shown in FIGS. 13A and 13B, the
次に、図14(c)に示されるようにレジスト55を除去した後、図14(a)、(b
)に示されるようにMONOSメモリセルのトンネル絶縁膜10として例えば0.5nm
〜5nmの厚さからなるシリコン酸化膜またはシリコン酸窒化膜を形成する。
Next, after removing the resist 55 as shown in FIG. 14C, FIGS.
), For example, 0.5 nm as the
A silicon oxide film or silicon oxynitride film having a thickness of ˜5 nm is formed.
次に、図15(a)、(b)、(c)に示されるように電荷蓄積層11を例えば3nm
〜30nm程度の厚さのシリコン窒化膜やシリコン酸窒化膜、Ta2O5、TiO2、Al2
O3等の絶縁膜で堆積し、さらにブロック絶縁膜12として1nm〜20nmのシリコン
酸化膜又はシリコン酸窒化膜を形成する。
Next, as shown in FIGS. 15A, 15B, and 15C, the
Silicon nitride film or silicon oxynitride film having a thickness of about 30 nm, Ta 2 O 5 , TiO 2 , Al 2
A silicon oxide film or silicon oxynitride film having a thickness of 1 nm to 20 nm is formed as the
次に、図16(a)、(b)、(c)に示されるように素子分離領域の埋め込み材を平
坦化するCMP法(Chemical Mechanical Polishing)のストッパ膜56として例えば10
nm〜500nm程度のシリコン窒化膜を堆積する。ここで、ストッパ膜56に求められ
る条件として、(1)CMPのストッパ膜として素子分離領域の埋め込み材に対して十分
な選択比があること、(2)ストッパ膜56を剥離する際に、MONOSのブロック絶縁
膜12と十分な選択比があること、(3)素子分離領域形成のための異方性エッチングの
後、基板表面を酸化してダメージ回復するが、この際に酸化されない膜であることの3点
を少なくとも満たす必要がある。
Next, as shown in FIGS. 16A, 16B, and 16C, for example, 10 as a
A silicon nitride film of about nm to 500 nm is deposited. Here, the conditions required for the
ここで、素子分離領域の埋め込み膜およびブロック絶縁膜が酸化膜である場合にはスト
ッパ膜56としてはシリコン窒化膜が適している。さらに素子分離領域の異方性エッチン
グのマスク材57としてたとえばシリコン酸化膜を20nm〜500nm堆積する。なお
、図16(c)に示された高耐圧トランジスタ領域では、ゲート絶縁膜20が図16(a
),(b)に示されたメモリ部や低電圧トランジスタ領域のトンネル絶縁膜10と比べて
その厚さが厚いため、図16(c)に示されたマスク材57の上表面が図16(a),(
b)に示されたマスク材57の上表面よりも高く形成されている。
Here, when the buried film and the block insulating film in the element isolation region are oxide films, a silicon nitride film is suitable as the
) And (b) are thicker than the
It is formed higher than the upper surface of the
次に、図17(a),(b)、(c)に示されるようにレジスト(図示せず)をパター
ニングしてマスク材57を異方性エッチングで加工し、続いてストッパ膜56、ブロック
絶縁膜12、電荷蓄積層11、トンネル酸化膜10、ゲート絶縁膜20を加工した後に半
導体基板1を所望の深さまでエッチングして素子分離溝(トレンチ溝)58,59,60
を形成する。
Next, as shown in FIGS. 17A, 17B, and 17C, a resist (not shown) is patterned and the
Form.
この際、図17(c)に示された領域では、半導体基板1上に形成されたゲート絶縁膜
20の厚さが図17(a),(b)に示されたトンネル絶縁膜10の厚さよりも厚いため
に、その厚みの追加分に対応して、素子分離溝60の深さが図17(a),(b)に示さ
れた素子分離溝58,59の深さよりも浅く形成されている。また、メモリ部ではトラン
ジスタの大きさが周辺回路部よりも小さいため、周辺回路部の素子分離溝59,60より
もその素子分離溝58の幅や素子分離溝の間隔が小さく形成されている。
At this time, in the region shown in FIG. 17C, the thickness of the
次に、図18(a),(b)、(c)に示されるようにエッチングによって半導体基板
1に入った欠陥等のダメージを回復するために、酸化雰囲気中でアニールすることで、素
子分離溝内の半導体基板1表面上に例えば厚さ2nm〜50nmのシリコン酸化膜61を
形成する。このときに、マスク材57は酸化されず、したがってバーズビークも入らない
ので、素子分離端におけるブロック絶縁膜12の厚膜化が起こらない。
Next, as shown in FIGS. 18A, 18B, and 18C, in order to recover damages such as defects that have entered the
このようにチャネル領域中央上とシャロートレンチ素子分離領域と接する部分のブロッ
ク絶縁膜12の膜厚が等しくなる。こここで、膜厚が等しいとは、その物理的膜厚が実質
的に等しいことを意味し、具体的には、素子分離端とチャネル中央での、その膜厚の差が
約2nmよりは小さくなっていて、好ましくは1nm程度以下になっていることが望まし
い。すなわち、膜厚の差が2nmあると、サイドウオーク現象が発生してしまう。これに
よって、素子分離端での書き込み消去特性の劣化を防止することが可能となり、サイドウ
オーク現象のない良好なトランジスタ特性を得ることができる。
As described above, the thickness of the
次に、図19(a),(b)、(c)に示されるように素子分離溝58,59,60を
それぞれ素子分離絶縁膜(埋め込み材)62,63,64で埋め込んだ後、CMP法によ
って各素子分離絶縁膜62,63,64の上表面を平坦化する。各素子分離絶縁膜はその
上表面が半導体基板表面から例えば約100nm〜300nm程度となるように形成する
。
Next, as shown in FIGS. 19A, 19B, and 19C,
次に、図20(a),(b)、(c)に示されるように、例えば80〜200℃に熱し
た燐酸によってマスク材57を剥離する。マスク材57の剥離後の表面にはブロック絶縁
膜12が露出した状態となる。この際、マスク材57の剥離条件によっては、各素子分離
絶縁膜62,63,64の上表面端部には、互いにほぼ等しい大きさの窪み65が形成さ
れる。
Next, as shown in FIGS. 20A, 20 </ b> B, and 20 </ b> C, the
次に、図21(a)に示されるようにメモリセルトランジスタ領域及び選択トランジス
タ領域をレジスト66で覆った後、図21(b)、(c)に示されるように周辺回路領域
のブロック絶縁膜12及び電荷蓄積層11をCDE(Chemical Dry Etching)などの等方性
エッチングを用いて剥離する。
Next, after the memory cell transistor region and the select transistor region are covered with a resist 66 as shown in FIG. 21A, the block insulating film in the peripheral circuit region is shown in FIGS. 21B and 21C. 12 and the
この際、周辺回路部における各素子分離絶縁膜63,64の上表面端部には、互いにほ
ぼ等しい大きさの窪み67が形成される。この窪み67は先の工程で形成された窪み65
よりもその大きさが大きくなっている。窪み67の深さは例えば、5nm以上となる。ま
た、メモリ部における素子分離絶縁膜62はこの工程においては、レジスト66で覆われ
ているために、窪み65の大きさは変化しない。または凹部は形成されない。
At this time, recesses 67 having substantially the same size are formed on the upper surface end portions of the element
The size is larger than. The depth of the
また、周辺回路領域の絶縁膜剥離を例えば、ブロック絶縁膜12のみをRIEなどの異
方性エッチングで行ってもよい。この場合は、エッチングによって周辺回路領域の素子分
離領域の上面の半導体基板表面からの高さが、メモリ部における素子分離領域の上面の半
導体基板表面からの高さよりも低くなる。この場合のゲート絶縁膜の種類ごとの素子分離
領域の半導体基板表面からのSTI深さ、STI上部の半導体基板上表面からの高さ、ゲ
ート電極幅と半導体基板の幅の大小関係、エッジの曲率半径、ゲート電極の特性について
、まとめて表2に示す。
この表2からわかるように、素子分離領域であるSTI深さはゲート絶縁膜がONOや
シリコン酸化膜の薄膜である場合の深さAがシリコン酸化膜の厚膜である場合の深さBに
比べて、深くなっている。
As can be seen from Table 2, the STI depth as the element isolation region is the depth B when the gate insulating film is a thin film of ONO or a silicon oxide film, and the depth B when the gate insulating film is a thick film of a silicon oxide film. It is deeper than that.
また、STI上部の半導体基板上表面からの高さはゲート酸化膜がONOである場合の
高さEが、シリコン酸化膜である場合の高さFに比べて高くなっている。また、ゲート絶
縁膜の種類に関わらず、2つの素子分離領域で挟まれたゲート電極幅の方が同じ2つの素
子分離領域で挟まれた半導体基板幅よりも大きくなっている。
In addition, the height of the STI from the upper surface of the semiconductor substrate is such that the height E when the gate oxide film is ONO is higher than the height F when the gate oxide film is a silicon oxide film. Regardless of the type of gate insulating film, the width of the gate electrode sandwiched between the two element isolation regions is larger than the width of the semiconductor substrate sandwiched between the same two element isolation regions.
さらに、ゲート電極が素子分離領域と接するエッジ部分での曲率半径は、半導体基板が
素子分離領域と接するゲート電極近傍でのエッジ部分での曲率半径よりも小さくなってい
る。さらに、ゲート電極はPプラス電極とNプラス電極とで作り分けを行うことが可能と
なっている。
Further, the radius of curvature at the edge portion where the gate electrode is in contact with the element isolation region is smaller than the radius of curvature at the edge portion in the vicinity of the gate electrode where the semiconductor substrate is in contact with the element isolation region. Furthermore, the gate electrode can be separately formed by a P plus electrode and an N plus electrode.
ブロック絶縁膜12と素子分離絶縁膜62,63,64に共にシリコン酸化膜を用いた
場合、ブロック絶縁膜12の剥離時に素子分離絶縁膜63、64の上部もエッチングされ
て窪み67が形成されるが、素子分離絶縁膜63、64の側面に接する電荷蓄積層11は
シリコン窒化膜を用いた場合には、エッチング時のシリコン酸化膜との選択比は十分あり
、素子分離絶縁膜63,64の側面がサイドエッチされてディボット等が発生することは
無い。
When silicon oxide films are used for the
こうして、電荷蓄積層11の剥離後には、図21(b)に示されるように低電圧トラン
ジスタ領域にはトンネル絶縁膜10が露出し、図21(c)に示されるように高電圧トラ
ンジスタ領域には高電圧トランジスタ用ゲート絶縁膜20が露出した状態となる。
Thus, after the
次に、図22(a)に示されるようにメモリセルトランジスタ領域のレジスト66を除
去した後、図22(b)に示されるように低電圧トランジスタ領域にゲート絶縁膜25を
例えば0.5nm〜10nmの膜厚のシリコン酸化膜又はシリコン酸窒化膜で形成する。
Next, after removing the resist 66 in the memory cell transistor region as shown in FIG. 22A, the
この際、ゲート絶縁膜25の形成を熱酸化で行うことで、メモリ部のブロック絶縁膜1
2や高電圧トランジスタのゲート絶縁膜20に対して同時にデンシファイ効果が得られる
のでマスク材57や電荷蓄積層11の剥離時のダメージを回復することが可能で、メモリ
セルや周辺回路の信頼性を向上することが出来る。
At this time, the
2 and the
次に、図23(a)、(b)、(c)に示されるように、ゲート電極材料68,69,
70として、例えばドープしていない多結晶または非晶質のシリコンを5nm〜500n
mの膜厚となるように堆積する。
Next, as shown in FIGS. 23A, 23B, and 23C,
70, for example, undoped polycrystalline or amorphous silicon of 5 nm to 500 n
The film is deposited to a thickness of m.
次に、図24(a)、(b)、(c)に示されるように、ゲート電極材料68,69,
70上に例えば膜厚10nm前後のシリコン酸化膜71を堆積する。これは、この後のゲ
ート電極への不純物注入時に不純物が電極から抜けるのを抑制するためである。
Next, as shown in FIGS. 24A, 24B, and 24C,
For example, a
次に、図25(a)に示されるようにメモリセル領域をレジスト72で覆って、図25
(b)、(c)に示されるように周辺部トランジスタのゲート電極に例えば燐又は砒素を
10E19cm-3以上注入してn型ゲート電極27,22を形成する。
Next, as shown in FIG. 25A, the memory cell region is covered with a resist 72, and FIG.
As shown in (b) and (c), n-
次に、図26(a)に示されるようにレジスト72を剥離した後、今度は周辺回路部の
みをレジスト73で覆い、メモリセル部に例えばボロンを10E19cm-3以上注入して
、P型の第1ゲート電極14を形成する。
Next, as shown in FIG. 26A, after removing the resist 72, this time, only the peripheral circuit portion is covered with the resist 73, and boron is implanted into the memory cell portion by 10E19 cm −3 or more, for example. A
次に、図27(a)、(b)、(c)に示されるように、各第1ゲート電極14,27
,22上の酸化膜71を剥離した後、WSi,NiSi,MoSi,TiSi,CoSi
等のいずれかを堆積してゲート電極15,28,23を形成する。この後、図示しないが
、バリア絶縁膜31、層間膜17、ビット線18、保護膜19などを順次形成する。
Next, as shown in FIGS. 27A, 27B, and 27C, the
, 22 after peeling off the
Or the like is deposited to form
本実施例では各ゲート電極は不純物を添加したポリシリコンとポリサイドとのスタック
構造としたがこれに限定されず、ポリメタルやメタル電極を用いてもよい。また、ポリシ
リコンの不純物の打ち分けをメモリセル部と周辺回路部に分けて行っているがこれに限ら
ず、所望のトランジスタ特性およびセル特性が得られるように作り分け方を変えても良い
し、作り分けをしなくても良い。作り分けをしない場合、ポリシリコンへの不純物注入は
インプラに限らず、図23の工程で砒素、燐、ボロン等でドープされた多結晶シリコンを
堆積しても良い。
In this embodiment, each gate electrode has a stack structure of polysilicon doped with impurities and polycide. However, the present invention is not limited to this, and a polymetal or a metal electrode may be used. In addition, the polysilicon impurity is divided into the memory cell portion and the peripheral circuit portion. However, the present invention is not limited to this, and the method of making the impurities may be changed so as to obtain desired transistor characteristics and cell characteristics. , You don't have to make it. If not separately formed, impurity implantation into polysilicon is not limited to implantation, and polycrystalline silicon doped with arsenic, phosphorus, boron, or the like may be deposited in the step of FIG.
なお、図23の工程で、非晶質シリコンを堆積した場合には、後の熱工程においてポリ
シリコンに変化する。また、ゲート電極の材料としては、低抵抗が必要な場合には金属材
料を用いることが好ましいが、金属を用いた場合には、ゲート電極形成後の製造工程で加
えられる温度がポリシリコンなどと比べて高温を用いることができず、製造工程に制約が
生じる。そのため、低抵抗と製造工程中の加熱温度のトレードオフの関係で適宜、ゲート
電極材料が選択される。
Note that when amorphous silicon is deposited in the process of FIG. 23, it is changed to polysilicon in the subsequent thermal process. As a material for the gate electrode, it is preferable to use a metal material when low resistance is required. However, when a metal is used, the temperature applied in the manufacturing process after the formation of the gate electrode is polysilicon or the like. Compared with this, high temperature cannot be used, and the manufacturing process is limited. Therefore, a gate electrode material is appropriately selected depending on the trade-off relationship between low resistance and heating temperature during the manufacturing process.
また、図25,26で示した工程において、ゲート電極だけにではなく、チャネル不純
物注入やウエル不純物注入を行ってもよい。ゲート絶縁膜形成や素子分離トレンチ表面の
酸化などの高温工程を通過した後に不純物注入すれば、熱工程による不純物の拡散を回避
できるので、よりシャープな不純物プロファイルが得られ、デバイス特性を向上すること
ができる。
In the steps shown in FIGS. 25 and 26, not only the gate electrode but also channel impurity implantation and well impurity implantation may be performed. Impurity implantation after passing through high-temperature processes such as gate insulation film formation and element isolation trench surface oxidation avoids diffusion of impurities due to thermal processes, resulting in a sharper impurity profile and improved device characteristics Can do.
ゲート電極堆積後の工程は図示しないが、リソグラフィによってパターニングを行い、
拡散層を形成した後、層間膜を堆積し、コンタクト、配線を形成してMISFETを形成
する。
Although the process after gate electrode deposition is not shown, patterning is performed by lithography,
After forming the diffusion layer, an interlayer film is deposited and contacts and wirings are formed to form a MISFET.
本実施例によれば、ゲート絶縁膜を素子分離膜形成工程の前に形成するので、チャネル
エッジ、中央共に制御良く同じ膜厚にすることができる。さらにゲート電極となる多結晶
シリコンは素子分離後に堆積するので、トレンチ形成後の酸化でバーズビークが入ること
がない。結果として、チャネルエッジにおけるゲート絶縁膜の厚膜化や薄膜化等の問題を
回避できてデバイス特性を向上させることができる。
According to this embodiment, since the gate insulating film is formed before the element isolation film forming step, it is possible to control the channel edge and the center to have the same film thickness with good control. Furthermore, since the polycrystalline silicon serving as the gate electrode is deposited after the element isolation, the bird's beak does not enter due to the oxidation after the trench formation. As a result, problems such as thickening and thinning of the gate insulating film at the channel edge can be avoided and the device characteristics can be improved.
さらにゲート電極の側壁も酸化されないのでゲート絶縁膜端と同一平面状にゲート電極
の側壁を位置させることが可能で、書き込み消去時にゲート絶縁膜全体に均一な電界を与
えることができる。さらに本発明ではメモリセルトランジスタのトンネル酸化膜をさらに
酸化することでMOSトランジスタのゲート絶縁膜としているのでゲート酸化前のウェッ
ト処理が不要となり、シャロートレンチ素子分離側面に窪みが形成されることを回避でき
る。
Furthermore, since the side walls of the gate electrode are not oxidized, the side walls of the gate electrode can be positioned on the same plane as the edge of the gate insulating film, and a uniform electric field can be applied to the entire gate insulating film during writing and erasing. Further, in the present invention, the tunnel oxide film of the memory cell transistor is further oxidized to form the gate insulating film of the MOS transistor, so that the wet treatment before the gate oxidation is unnecessary and the formation of the depression on the side surface of the shallow trench isolation is avoided. it can.
また、このゲート酸化がバリア絶縁膜や周辺回路部の酸化膜に対してはデンシファイと
して働くのでウェット処理等でできる可能性のあるピンホールを塞ぎ、メモリセル及び周
辺回路部のトランジスタの信頼性を向上させることができる。
In addition, since this gate oxidation acts as a densification on the barrier insulating film and the oxide film in the peripheral circuit portion, it closes the pinhole that may be formed by wet processing etc., and improves the reliability of the memory cell and the transistor in the peripheral circuit portion. Can be improved.
さらにゲート絶縁膜のチャネル方向の幅と、シャロートレンチ素子分離で挟まれた部分
のゲート電極のチャネル方向の幅とが等しく形成でき、トランジスタの特性が向上する。
Further, the width in the channel direction of the gate insulating film and the width in the channel direction of the portion of the gate electrode sandwiched by the shallow trench isolation can be formed to improve the transistor characteristics.
また全てのトランジスタに対してゲート電極を同時に堆積している上に、素子分離領域
で挟まれる部分と、素子分離領域上の部分とで、多結晶シリコンを二度付ける必要がない
ので工程数の削減につながり、低コスト化が実現できる。
In addition, the gate electrodes are simultaneously deposited for all the transistors, and it is not necessary to attach polycrystalline silicon twice between the part sandwiched by the element isolation region and the part on the element isolation region. This leads to a reduction in cost and a reduction in cost can be realized.
さらにゲート絶縁膜の作り分け(MONOS構造とMOS構造)やゲート電極の作り分
け(PプラスゲートとNプラスゲート)の工程数を削減し、低コスト化を実現している。
In addition, the number of steps for separately forming the gate insulating film (MONOS structure and MOS structure) and forming the gate electrode (P plus gate and N plus gate) is reduced, thereby realizing cost reduction.
また、ゲート電極としてドープされていない多結晶シリコンを用いればメモリセルと周
辺トランジスタでPプラスゲートとNプラスゲートを作り分けることも容易である。
If undoped polycrystalline silicon is used as the gate electrode, it is easy to make a P plus gate and an N plus gate separately for the memory cell and the peripheral transistor.
この場合、ゲート電極の多結晶シリコンはPプラス部分とNプラス部分とで同時に形成
しているため、膜厚が等しくなるので、後のゲート電極の加工が容易となる。
In this case, since the polycrystalline silicon of the gate electrode is formed at the same time in the P plus portion and the N plus portion, the film thickness becomes equal, so that the subsequent processing of the gate electrode becomes easy.
さらに、メモリ部のゲート電極と周辺回路部のゲート電極とを同時に形成できるので、
製造工程数が削減できる。
Furthermore, since the gate electrode of the memory part and the gate electrode of the peripheral circuit part can be formed simultaneously,
The number of manufacturing processes can be reduced.
また、メモリ部と周辺回路部でそれぞれ、一方をPプラス部分、他方をNプラス部分と
することができる。また、メモリ部、周辺回路部それぞれにPプラス部分、Nプラス部分
を両方混在させて形成することもできる。この場合、メモリ部においては、例えば、メモ
リ部の多数個のセルトランジスタにP型不純物を導入し、セルトランジスタよりも少数の
個数の選択トランジスタにN型不純物を導入し、周辺回路部の多数個の低電圧トランジス
タにP型不純物を導入し、少数個の高耐圧トランジスタにN型不純物を導入することで形
成できる。
Further, in the memory portion and the peripheral circuit portion, one can be a P plus portion and the other can be an N plus portion. Further, both the P plus portion and the N plus portion can be formed in the memory portion and the peripheral circuit portion, respectively. In this case, in the memory unit, for example, P-type impurities are introduced into a large number of cell transistors in the memory unit, N-type impurities are introduced into a smaller number of selection transistors than the cell transistors, and a large number of peripheral circuit units are formed. It can be formed by introducing a P-type impurity into a low voltage transistor and introducing an N-type impurity into a small number of high voltage transistors.
このプロセスをNANDフラッシュメモリに用いた場合、選択トランジスタをメモリセ
ルトランジスタと同じゲート絶縁膜構造にすることで、工程数が増加することはない。
When this process is used in a NAND flash memory, the number of steps is not increased by making the selection transistor have the same gate insulating film structure as the memory cell transistor.
なお、Pプラス部とNプラス部とが混在した場合、Pプラス部、Nプラス部の境界部分
の半導体基板、素子分離領域、又はゲート電極にP型不純物とN型不純物の両方が注入さ
れている。なお、Pプラス部、Nプラス部の境界部分の大きさによっては、P型不純物、
N型不純物いずれも注入されない。
When the P plus portion and the N plus portion are mixed, both the P-type impurity and the N-type impurity are implanted into the semiconductor substrate, the element isolation region, or the gate electrode at the boundary between the P plus portion and the N plus portion. Yes. Depending on the size of the boundary between the P plus portion and the N plus portion, P-type impurities,
None of the N-type impurities are implanted.
また、シャロートレンチ素子分離領域上に形成された第2ゲート電極15、28,23
は、各ゲートの膜中に自然酸化膜を含むことなく、素子分離領域間に形成されている第1
ゲート電極14、27、22と一体形成されていて、抵抗値が一定に保たれ、従来技術に
おいて2段階で間に自然酸化膜を介してゲート電極が形成された場合と比較してゲート電
極の制御性が向上する。
The
Is formed between the element isolation regions without including a natural oxide film in each gate film.
The
本実施例は、加工ダメージを受けずに電荷蓄積絶縁膜を形成できる場合に効果を有する
。
This embodiment is effective when the charge storage insulating film can be formed without being damaged by processing.
本実施例においては、MONOS構造の半導体記憶装置を例に挙げて説明したが、本実
施例はMONOS構造の半導体記憶装置に限られるものではなく、ゲート絶縁膜の電気的
特性の高特性化が必要な微細化されたMOSトランジスタを有する半導体装置全般に適用
できる。
In this embodiment, the semiconductor memory device having the MONOS structure has been described as an example. However, this embodiment is not limited to the semiconductor memory device having the MONOS structure, and the electrical characteristics of the gate insulating film can be improved. The present invention can be applied to all semiconductor devices having necessary miniaturized MOS transistors.
本発明の実施例2においては、メモリ部の選択トランジスタの構造が実施例1と異なり
、図8に示される周辺回路部の低電圧トランジスタと同一の構造となっている。 このよ
うに選択トランジスタのゲート絶縁膜がMONOS構造ではなくMOS構造になっている
。メモリ部のカラム方向の断面図は図28に示される通りで、メモリセルトランジスタの
形状は実施例1と同様となっている。選択トランジスタ部分のゲート絶縁膜の構成が実施
例1と異なり、低電圧トランジスタのゲート絶縁膜25で構成されている。
In the second embodiment of the present invention, the structure of the selection transistor in the memory section is the same as that of the low voltage transistor in the peripheral circuit section shown in FIG. Thus, the gate insulating film of the select transistor has a MOS structure instead of a MONOS structure. A cross-sectional view of the memory portion in the column direction is as shown in FIG. 28, and the shape of the memory cell transistor is the same as that of the first embodiment. Unlike the first embodiment, the configuration of the gate insulating film in the selection transistor portion is configured by the
この実施例の回路図は図29に示される通りで、実施例1と同様に直列に接続されたメ
モリセルトランジスタ(M0〜M31)52の両端にそれぞれ接続された選択トランジス
タ(S1、S2)50、51の構成が、MONOSではなくMOS構造として表される。
他の構成は、図11に示された実施例1の回路図と同一である。
A circuit diagram of this embodiment is as shown in FIG. 29. Similarly to the first embodiment, select transistors (S1, S2) 50 respectively connected to both ends of memory cell transistors (M0 to M31) 52 connected in series. , 51 is represented as a MOS structure instead of MONOS.
Other configurations are the same as the circuit diagram of the first embodiment shown in FIG.
本実施例では、選択トランジスタのゲート絶縁膜にシリコン窒化膜を用いていないこと
から、半導体記憶装置の動作時のゲート電圧やドレイン電圧のストレスによって選択トラ
ンジスタの閾値が変動することがなくなり、より高性能で高信頼性の半導体記憶装置を実
現できる。
In this embodiment, since the silicon nitride film is not used for the gate insulating film of the selection transistor, the threshold voltage of the selection transistor is not changed by the stress of the gate voltage or the drain voltage during the operation of the semiconductor memory device. A highly reliable semiconductor memory device with high performance can be realized.
選択トランジスタのゲート絶縁膜25としては、例えば0.5nm〜10nm程度のシ
リコン酸化膜又はシリコン酸窒化膜が挙げられるが、周辺回路部の低電圧トランジスタと
同じ形成条件にすることがプロセスの工程削減のためには望ましい。すなわち本実施例の
製造方法は、実施例1の製造方法において、選択トランジスタをメモリ部のメモリセルト
ランジスタと同じ製造工程を経ずに、周辺回路部の低電圧トランジスタと同様の製造工程
を適用することで実現される。
As the
このプロセスをNANDフラッシュメモリに用いた場合、選択トランジスタを周辺回路
部の低電圧トランジスタと同じゲート絶縁膜構造にすることで、製造工程数が増加するこ
とはない。
When this process is used in a NAND flash memory, the number of manufacturing steps is not increased by making the selection transistor have the same gate insulating film structure as the low voltage transistor in the peripheral circuit portion.
本実施例においては、MONOS構造の半導体記憶装置を例に挙げて説明したが、本実
施例はMONOS構造の半導体記憶装置に限られるものではなく、ゲート絶縁膜の電気的
特性の高特性化が必要な微細化されたMOSトランジスタを有する半導体装置全般に適用
できる。
In this embodiment, the semiconductor memory device having the MONOS structure has been described as an example. However, this embodiment is not limited to the semiconductor memory device having the MONOS structure, and the electrical characteristics of the gate insulating film can be improved. The present invention can be applied to all semiconductor devices having necessary miniaturized MOS transistors.
本発明の実施例3の半導体装置は、特に絶縁膜を電荷蓄積層として用いるメモリセルに
おいて使用される。
The semiconductor device according to the third embodiment of the present invention is used particularly in a memory cell using an insulating film as a charge storage layer.
図30には、本実施例のプロトタイプである自己整合STIを用いたMONOS型メモ
リセルが示される。図30(A)には、本実施例のプロトタイプの上面図が示されていて
、素子分離領域110に囲まれて、素子領域111が直線状に左右方向に形成されている
。この不純物領域の長手方向に直交して、ゲート電極112が形成されている。素子領域
111には、ゲート電極112の左右それぞれの側にコンタクト113が1対設けられて
いる。また、ゲート電極には、その端部に幅の広い領域が設けられ、そこにはコンタクト
114が設けられている。このメモリセルではゲート電極112の両側の素子領域111
がソース拡散層115、ドレイン拡散層116となり、データ読み出し時にはソース拡散
層115からドレイン拡散層116へ図30(A)中の矢印で示されるCからD方向へ流
れる電流量によって書き込み状態と消去状態とを判別する。このような構造は、NAND
型EEPROMやNOR型EEPROM等で利用される。
FIG. 30 shows a MONOS type memory cell using a self-aligned STI which is a prototype of this embodiment. FIG. 30A shows a top view of the prototype of the present embodiment, in which the
Becomes the
Used in type EEPROM, NOR type EEPROM, and the like.
図30(A)における“C−D”線上での断面図が、図30(B)に示される。半導体
基板117上にゲート電極112が形成され、その両側の半導体基板117中にソース拡
散層115、ドレイン拡散層116が形成されている。ゲート電極112は、トンネル絶
縁膜118、データ保持絶縁膜(電荷蓄積領域)119、ブロック絶縁膜120からなる
ゲート絶縁膜の上に積層されている。半導体基板117、ゲート電極112の表面上には
層間絶縁膜121が形成されている。
A cross-sectional view along the “CD” line in FIG. 30A is shown in FIG. A
また、図30(A)における“E−F”線上での断面図が、図30(C)に示される。
半導体基板117中には、素子分離溝122が設けられ、その中に素子分離領域110が
形成されている。素子分離領域110の間には、トンネル絶縁膜118、データ保持絶縁
膜119、ブロック絶縁膜120からなるゲート絶縁膜が形成されている。このブロック
絶縁膜120上には、ゲート電極112が素子分離領域110上にまで延在して形成され
ている。
In addition, a cross-sectional view taken along the line “EF” in FIG. 30A is shown in FIG.
An
このような図30(B)、図30(C)に示されたメモリセルの製造方法においては、
素子分離溝を形成するためのエッチング加工時や、ゲート電極及びゲート絶縁膜のエッチ
ング加工時に、データ保持絶縁膜端が異方性エッチングのプラズマにさらされるために、
素子分離領域のエッジ及びゲートのエッジにおいてデータ保持絶縁膜が加工ダメージを受
け、このためデータ保持絶縁膜のエッジ部における電荷保持力が劣化し、メモリセルの信
頼性が損なわれる場合がある。
In the method of manufacturing the memory cell shown in FIGS. 30B and 30C,
Since the edge of the data retention insulating film is exposed to anisotropic etching plasma during the etching process for forming the element isolation trench and the etching process of the gate electrode and the gate insulating film,
In some cases, the data holding insulating film is damaged at the edge of the element isolation region and the edge of the gate, so that the charge holding power at the edge of the data holding insulating film is deteriorated and the reliability of the memory cell is impaired.
図30に示される構造を持つメモリセルの場合、とりわけ素子分離領域のエッジにおけ
るデータ保持絶縁膜の特性劣化が深刻な問題となる場合がある。以下にそれを説明する。
図30(B)に示される断面において、メモリセルトランジスタを(I)、(II)、(
III)の領域に分ける。ここでは、(I)、(III)の領域のデータ保持絶縁膜がダ
メージを受けたダメージ領域123となっている。同様に図30(C)に示される断面に
おいて、メモリセルトランジスタを(IV)、(V)、(VI)の領域に分ける。ここで
は、(IV)、(VI)のデータ保持絶縁膜がダメージを受けたダメージ領域124とな
っている。
In the case of a memory cell having the structure shown in FIG. 30, deterioration of the characteristics of the data retention insulating film at the edge of the element isolation region may be a serious problem. This is explained below.
In the cross section shown in FIG. 30B, the memory cell transistors are formed as (I), (II), (
It is divided into the area III). Here, the data holding insulating film in the regions (I) and (III) is a damaged
ここで、データ保持絶縁膜に電子をトラップさせて閾値を高くした状態(書き込み状態
)を仮定する。図31(A)には、図30(B)の断面に相当するトランジスタの回路図
を示し、図31(B)には、図30(C)の断面に相当するトランジスタの回路図を示し
、図31(C)には横軸にゲート電圧、縦軸にドレイン電流を表し、データ保持絶縁膜の
状態ごとの電流―電圧特性の変化を示す。図31(A)に示される回路図では、ゲートが
共通に接続された3つのトランジスタ(I)、(II)、(III)がソース、ドレイン
間で直列に接続された構成が示される。このトランジスタ(I)、(II)、(III)
は、図30(B)におけるメモリセルトランジスタ(I)、(II)、(III)の領域
にそれぞれが対応している。また、図31(B)に示される回路図では、ゲートが共通に
接続された3つのトランジスタ(IV)、(V)、(VI)がソース、ドレイン間で並列
に接続された構成が示される。このトランジスタ(IV)、(V)、(VI)は、図30
(C)におけるメモリセルトランジスタ(IV)、(V)、(VI)の領域にそれぞれが
対応している。
Here, it is assumed that the data retention insulating film traps electrons to increase the threshold value (write state). FIG. 31A shows a circuit diagram of a transistor corresponding to the cross section of FIG. 30B, FIG. 31B shows a circuit diagram of a transistor corresponding to the cross section of FIG. FIG. 31C shows the gate voltage on the horizontal axis and the drain current on the vertical axis, and shows changes in current-voltage characteristics for each state of the data retention insulating film. The circuit diagram shown in FIG. 31A shows a configuration in which three transistors (I), (II), and (III) having gates connected in common are connected in series between a source and a drain. This transistor (I), (II), (III)
Corresponds to the regions of the memory cell transistors (I), (II), and (III) in FIG. In addition, the circuit diagram shown in FIG. 31B shows a configuration in which three transistors (IV), (V), and (VI) whose gates are commonly connected are connected in parallel between the source and the drain. . The transistors (IV), (V), (VI) are shown in FIG.
Each region corresponds to the memory cell transistors (IV), (V), and (VI) in (C).
データ保持絶縁膜のエッジ部では電荷保持特性が劣化しているので、電子が容易に脱離
する。MONOS型メモリセルに代表されるような電荷蓄積領域として絶縁膜を用いた構
造のメモリセルの場合、領域(I)、(II)、(III)間又は(IV)、(V)、(
VI)間では、電荷の移動は行われないので、電荷が抜けた領域(エッジ部)はチャネル
中央部と比較して閾値が低下する。ここで、図30(B)において示される断面は電流が
流れる方向でのチャネルを表していて、この電流が流れる方向にトランジスタが直列に接
続されていた場合、いずれかのトランジスタの閾値が低くなっても、全体としての閾値は
変化しない。
Since the charge retention characteristic is deteriorated at the edge portion of the data retention insulating film, electrons are easily desorbed. In the case of a memory cell having a structure using an insulating film as a charge storage region typified by a MONOS type memory cell, the region (I), (II), (III) or (IV), (V), (
Since the movement of charge is not performed between (VI), the threshold is lowered in the region (edge portion) from which the charge is lost compared to the central portion of the channel. Here, the cross section shown in FIG. 30B represents a channel in the direction in which the current flows. When a transistor is connected in series in the direction in which the current flows, the threshold value of any of the transistors becomes low. However, the threshold value as a whole does not change.
ここで、領域(I)、(II)、(III)はソース、ドレイン間に直列に配置されて
いるので、領域(I)、(III)の閾値が低下しても領域(II)の閾値が高ければソ
ース、ドレイン間に電流は流れず、ゲートエッジ部の閾値低下はメモリセルの閾値低下と
しては検知されない。一方、領域(IV)、(V)、(VI)はソース、ドレイン間に並
列に接続されているので領域(IV)、(VI)の閾値が低下するとソース、ドレイン間
に電流が流れるので、素子分離領域のエッジ部における閾値低下がメモリセルの閾値低下
として検知される。この様子が図31(C)に示されている。すなわち、書き込み直後は
各領域ともにほぼ同じゲート電圧になるが、時間の推移とともに書き込み状態で、中央部
(V)に比べて、エッジ部(IV)、(VI)におけるゲート電圧がより多く低下し、消
去状態の電圧に近づいている。つまりメモリセルの電荷保持特性が、ダメージを受けた部
分の電荷保持特性で決定されることになる。
Here, since the regions (I), (II), and (III) are arranged in series between the source and the drain, even if the threshold values of the regions (I) and (III) are lowered, the threshold value of the region (II) Is high, no current flows between the source and the drain, and a decrease in the threshold value of the gate edge is not detected as a decrease in the threshold value of the memory cell. On the other hand, since the regions (IV), (V), and (VI) are connected in parallel between the source and the drain, a current flows between the source and the drain when the threshold values of the regions (IV) and (VI) are lowered. A threshold value decrease at the edge portion of the element isolation region is detected as a memory cell threshold value decrease. This situation is shown in FIG. That is, the gate voltage is almost the same in each region immediately after writing, but the gate voltage at the edge portions (IV) and (VI) decreases more than the central portion (V) in the writing state with time. The voltage of the erased state is approaching. That is, the charge retention characteristic of the memory cell is determined by the charge retention characteristic of the damaged part.
上述のように、自己整合STI構造でMONOS型メモリセルを形成した場合には、素
子分離領域のエッジまたはゲート電極のエッジでの、電荷蓄積領域のデータ保持特性劣化
がメモリセルの信頼性に対して影響を及ぼし、特に素子領域を定義する4辺のうちソース
、ドレイン間電流の流れる方向と平行な2辺のエッジでの電荷保持特性劣化が問題となる
場合がある。本実施例では以上の問題を解決する方法を提供する。
As described above, when the MONOS type memory cell is formed with the self-aligned STI structure, the deterioration of the data retention characteristics of the charge storage region at the edge of the element isolation region or the edge of the gate electrode is affected by the reliability of the memory cell. In particular, there is a case where deterioration of charge retention characteristics at the edges of two sides parallel to the flow direction of the current between the source and drain among the four sides defining the element region may be a problem. The present embodiment provides a method for solving the above problems.
次に、本実施例の自己整合STIを用いたMONOS型メモリセルが図32に示される
。図32(A)には、本実施例の半導体装置の上面図が示されていて、素子分離領域13
0に囲まれて、素子領域131が直線状に左右方向に形成されている。この素子領域13
1の長手方向に直交して、ゲート電極132が形成されている。素子領域131には、ゲ
ート電極132の左右それぞれの側にコンタクト133が1対設けられている。また、ゲ
ート電極132には、その端部に幅の広い領域が設けられ、そこにはゲートコンタクト1
34が設けられている。
Next, FIG. 32 shows a MONOS type memory cell using the self-aligned STI of this embodiment. FIG. 32A shows a top view of the semiconductor device of this example, and the
Surrounded by 0, the
A
34 is provided.
このメモリセルではゲート電極132の両側の素子領域131がソース不純物領域13
5、ドレイン不純物領域136となり、データ読み出し時にはソース不純物領域135か
らドレイン不純物領域136へ図32(A)中の矢印で示されるGからH方向へ流れる電
流量によって書き込み状態と消去状態とを判別する。このような構造は、NAND型EE
PROMやNOR型EEPROM等で利用される。
In this memory cell, the
5. A
Used in PROM, NOR type EEPROM, etc.
図32(A)における“G−H”線上での断面図が、図32(B)に示される。半導体
基板137上にゲート電極132が形成され、その両側の半導体基板137中にソース拡
散層135、ドレイン拡散層136が形成されている。このゲート電極132は下層の第
1ゲート138、その上の第2ゲート139から構成されている。ゲート電極132は、
トンネル絶縁膜140、データ保持絶縁膜(電荷蓄積領域)141、ブロック絶縁膜14
2からなるゲート絶縁膜の上に積層されている。ゲート電極132の側面にはゲート側壁
絶縁膜143が設けられている。半導体基板137、ゲート電極112、ゲート側壁絶縁
膜143の表面上には層間絶縁膜144が形成されている。ここで、データ保持絶縁膜1
41はゲート電極132よりもその幅がゲート側壁絶縁膜143の厚さ分、大きく形成さ
れている。
A cross-sectional view on the “GH” line in FIG. 32A is shown in FIG. A
2 is laminated on the gate insulating film. A gate
41 is formed wider than the
また、図32(A)における“I−J”線上での断面図が、図32(C)に示される。
半導体基板137中には、素子分離溝145が設けられ、その中に素子分離領域130が
形成されている。素子分離領域130の間には、トンネル絶縁膜140、データ保持絶縁
膜141、ブロック絶縁膜142からなるゲート絶縁膜及び第1ゲート138が形成され
ている。このブロック絶縁膜142上には、第2ゲート139が素子分離領域130上に
まで延在して形成されている。ここで、データ保持絶縁膜141は第1ゲート138より
もその幅が大きく形成され、素子分離領域130内に突き出している。
FIG. 32C shows a cross-sectional view along the “I-J” line in FIG.
An
本メモリセルでは、半導体基板137中の上部には図示しない低濃度不純物領域である
ウエルが形成されている。半導体基板137上に例えば膜厚が1〜15nm程度のシリコ
ン酸化膜やシリコン酸窒化膜等からトンネル絶縁膜140が形成されている。さらに、こ
のトンネル絶縁膜140上には、膜厚が例えば3〜30nm程度のシリコン窒化膜、シリ
コン酸窒化膜、Ta2O5膜、TiO2膜、Al2O3膜等の絶縁膜でデータ保持膜141が
形成されている。さらにこのデータ保持膜141の上には、膜厚が例えば1〜15nm程
度のシリコン酸化膜やシリコン酸窒化膜等でブロック絶縁膜142が形成されている。こ
のブロック絶縁膜142の上には、例えばポリシリコンやWSi(タングステンシリサイ
ド)とポリシリコンとのスタック構造、又は、NiSi,MOSi,TiSi,CoSi
とポリシリコンのスタック構造、金属とポリシリコンのスタック構造、又はシリコンの金
属化合物や金属の単層構造からなるゲート電極132が10nmから500nmの厚さで
形成されている。
In this memory cell, a well, which is a low-concentration impurity region (not shown), is formed in the upper portion of the
And a polysilicon stack structure, a metal-polysilicon stack structure, or a silicon metal compound or a metal single layer structure is formed to a thickness of 10 nm to 500 nm.
次に、本実施例の半導体装置の動作を説明する。図32に示されたトランジスタがメモ
リセルを構成する。消去動作は例えばゲート電極を0Vとした状態で半導体基板に高電圧
(例えば10〜25V)を印加して、半導体基板から電荷蓄積領域にホールを注入するこ
とで行われる。またはソース電位に対してドレイン電位を負にバイアスしてチャネルで加
速されたホットホールを発生させ、さらにゲート電極をソース電位に対して負にバイアス
することでホットホールを電荷蓄積領域に注入することで行われる。またはウエル電位に
対してソース電位及びドレイン電位を正にバイアスして不純物領域とウエル間のジャンク
ションでホットホールを発生させ、さらにゲート電極をウエル電位に対して負にバイアス
することでホットホールを電荷蓄積領域に注入することで行われる。
Next, the operation of the semiconductor device of this embodiment will be described. The transistors shown in FIG. 32 constitute a memory cell. The erasing operation is performed, for example, by applying a high voltage (for example, 10 to 25 V) to the semiconductor substrate with the gate electrode at 0 V and injecting holes from the semiconductor substrate into the charge storage region. Alternatively, the drain potential is negatively biased with respect to the source potential to generate hot holes accelerated in the channel, and the gate electrode is negatively biased with respect to the source potential to inject the hot holes into the charge storage region. Done in Alternatively, the source potential and drain potential are positively biased with respect to the well potential to generate a hot hole at the junction between the impurity region and the well, and the gate electrode is negatively biased with respect to the well potential to charge the hot hole. This is done by injecting into the accumulation region.
書き込み動作は例えば半導体基板を0Vとして状態でゲート電極に高電圧(例えば10
〜25V)を印加して、半導体基板から電荷蓄積領域に電子を注入することで行われる。
またはソース電位に対してドレイン電位を正にバイアスしてチャネルで加速されたホット
エレクトロンを発生させ、さらにゲート電極をソース電位に対して正にバイアスすること
でホットエレクトロンを電荷蓄積領域に注入することで行われる。
In the writing operation, for example, the semiconductor substrate is set to 0 V and a high voltage (for example, 10%) is applied to the gate electrode.
~ 25V) is applied to inject electrons from the semiconductor substrate into the charge storage region.
Alternatively, the drain potential is positively biased with respect to the source potential to generate hot electrons accelerated in the channel, and the gate electrode is positively biased with respect to the source potential to inject hot electrons into the charge storage region. Done in
読み出し動作では、ドレインコンタクトに接続されたビット線をプリチャージした後に
フローティングにし、ゲート電極の電圧を読み出し電圧Vref、ソース線を0Vとして
、メモリセルに電流が流れるか否かをビット線で検出することにより行われる。すなわち
、メモリセルの閾値VthがVrefよりも大きい、書き込み状態ならばメモリセルはオ
フになるのでビット線はプリチャージ電位を保つ。これに対して選択メモリセルの閾値V
thがVrefよりも小さい消去状態ならばメモリセルはオンするのでビット線の電位は
プリチャージ電位からΔVだけ低下する。この電位変化をセンスアンプで検知することに
よってメモリセルのデータが読み出される。
In the read operation, the bit line connected to the drain contact is precharged and then floated, the voltage of the gate electrode is set to the read voltage Vref, the source line is set to 0 V, and whether the current flows through the memory cell is detected by the bit line. Is done. That is, if the threshold value Vth of the memory cell is larger than Vref, and the memory cell is turned off in the writing state, the bit line maintains the precharge potential. On the other hand, the threshold value V of the selected memory cell
If th is smaller than Vref, the memory cell is turned on, so that the potential of the bit line decreases by ΔV from the precharge potential. Data in the memory cell is read by detecting this potential change with a sense amplifier.
図32(A)に示されるように、ゲート電極132の両側の半導体基板上には素子領域
131が形成され、データの読み出し時にはゲートのエッジと垂直な方向(“G−H”線
方向)に流れる電流量によって記憶されたデータを判別する。ここで、図32(B)に示
されるように、データ保持絶縁膜141はゲート電極132に対して突き出した形状とな
っている。ここで、突き出す程度は0.5nmから10nm程度である。ここで、突き出
す程度が小さいと、効果が得られず、突き出す程度が大きすぎると製造工程において、困
難が生じ、微細化には不適切である。
As shown in FIG. 32A,
また、図32(C)の断面に示すように、素子分離溝145はゲート電極132及びゲ
ート絶縁膜中のトンネル絶縁膜140及びブロック絶縁膜142に対して自己整合的に形
成されている。ここで、データ保持絶縁膜141はゲート電極132中の第1ゲート13
8及び半導体基板137に対して突き出しており、両端が素子分離溝145中に入り込ん
だ形状となっている。
32C, the
8 and the
このように、本実施例の半導体装置においてはデータ保持絶縁膜が、ゲート電極、若し
くは半導体基板又はその両方に対して突き出しているために、データ保持絶縁膜の突き出
し部がメモリセルトランジスタの電荷蓄積領域としてもゲート絶縁膜としても使用されな
い。
Thus, in the semiconductor device of this embodiment, since the data holding insulating film protrudes from the gate electrode and / or the semiconductor substrate, the protruding portion of the data holding insulating film accumulates the charge of the memory cell transistor. It is not used as a region or a gate insulating film.
データ保持絶縁膜のエッジ部は中央部と比較して、加工ダメージによって電荷保持力が
劣るが、この領域の電荷保持特性がメモリセルの電荷保持特性に影響しないために、信頼
性の高い不揮発性半導体記憶装置が実現できる。ここで、図32(B)に示される断面で
、メモリセルを領域(I)、(II)、(III)としてエッジ部と中央部とに分割する
。さらに、図32(C)に示される断面で、メモリセルを領域(IV)、(V)、(VI
)としてエッジ部と中央部に分割する。ここでは、エッジ部(I)、(III)、(IV
)、(VI)の電荷蓄積絶縁膜の特性が中央部(II)、(V)と同一であるために、エ
ッジ部に起因した信頼性劣化がない。このように突き出し部の突き出しの長さは、加工ダ
メージの進入深さよりも大きい値とすることで、エッジ部(I)、(III)、(IV)
、(VI)の特性が中央部(II)、(V)の特性と等しくなる。
Compared with the central part, the edge of the data retention insulating film is inferior in charge retention due to processing damage, but the charge retention characteristics in this area do not affect the charge retention characteristics of the memory cell, so it is highly reliable non-volatile A semiconductor memory device can be realized. Here, in the cross section shown in FIG. 32B, the memory cell is divided into an edge portion and a central portion as regions (I), (II), and (III). Further, in the cross section shown in FIG. 32C, the memory cell is divided into regions (IV), (V), (VI
) Is divided into an edge portion and a central portion. Here, the edge portions (I), (III), (IV
), (VI) because the characteristics of the charge storage insulating film are the same as those of the central portions (II) and (V), there is no reliability deterioration due to the edge portion. In this way, the protrusion length of the protrusion portion is set to a value larger than the depth of penetration of processing damage, so that the edge portions (I), (III), (IV)
, (VI) have the same characteristics as those of the central portions (II) and (V).
ここで、特にソース、ドレイン間電流の流れる方向(図32(A)の“G−H”方向)
と平行な2辺(素子分離端と接する2辺)で、データ保持絶縁膜が突き出している形状に
なっていることの効果が大きい。これは図32(C)の領域(IV)、(VI)はソース
、ドレイン間において中央部(V)と並列に配置されているため、この部分の電荷抜けに
よる閾値低下がメモリセル全体の閾値低下として検知されるため、特に(IV)、(VI
)の部分の電荷抜けを防ぐ必要があるためである。
Here, in particular, the direction in which the current between the source and drain flows ("GH" direction in FIG. 32A).
The data holding insulating film protrudes on two sides parallel to each other (two sides in contact with the element isolation end). This is because the regions (IV) and (VI) in FIG. 32C are arranged in parallel with the central portion (V) between the source and drain, and the threshold value drop due to charge loss in this portion is the threshold value of the entire memory cell. In particular, (IV), (VI
This is because it is necessary to prevent the charge from being lost in the portion).
図32(B)に示す断面での各領域をトランジスタを用いた回路図で表すと図33(A
)の通りとなるが、各領域(I)、(II)、(III)の特性が等しいため、図33(
B)に示されるように1つのトランジスタで表現される。さらに図32(C)に示す断面
での各領域をトランジスタを用いた回路図で表すと図33(C)の通りとなるが、各領域
(IV)、(V)、(VI)の特性が等しいため、図33(D)に示されるように1つの
トランジスタで表現される。
Each region in the cross section shown in FIG. 32B is represented by a circuit diagram using a transistor in FIG.
However, since the characteristics of the regions (I), (II), and (III) are equal, FIG.
It is expressed by one transistor as shown in B). Further, each region in the cross section shown in FIG. 32C is represented by a circuit diagram using a transistor as shown in FIG. 33C. The characteristics of the regions (IV), (V), and (VI) are as follows. Since they are equal, they are represented by one transistor as shown in FIG.
ここで、図32(C)に示された断面を拡大した例を図34に示す。第1ゲート電極1
43下の半導体基板137と素子分離領域130の間には、素子分離側壁絶縁膜146が
形成されている。また、第1ゲート電極138側面と素子分離領域130の間には、ポリ
シリコン側壁酸化膜147が形成されている。また、第2ゲート電極139がポリシリコ
ン側壁酸化膜147及び素子分離領域130に接する端部148では、第2ゲート電極1
39が半導体基板137方向へ張り出している。このように、データ保持絶縁膜142は
第1ゲート138よりもポリシリコン側壁酸化膜147の厚さ分、素子分離領域130方
向に突き出している。また、データ保持絶縁膜142は半導体基板137よりも素子分離
側壁酸化膜146の厚さ分、素子分離領域130方向に突き出している。
Here, an example in which the cross section shown in FIG. 32C is enlarged is shown in FIG.
An element isolation sidewall insulating film 146 is formed between the
39 protrudes in the direction of the
本実施例では、データ保持絶縁膜の両端が、ゲート電極及び半導体基板の両方に対して
突き出しているが、ゲート電極又は半導体基板のいずれかに対して突き出していてもよい
。すなわち、図32の“I−J”断面又は“G−H”断面のいずれか一方のみを採用し、
他方を本実施例のプロトタイプの通りとしてもよい。また、本実施例ではメモリセルトラ
ンジスタの素子領域を定義する4辺全てにおいてデータ保持絶縁膜が突き出しているが、
4辺のうち少なくとも1辺、好ましくは、ソース、ドレイン間電流の流れる方向と平行な
2辺で、データ保持絶縁膜が突き出している形状であればよい。
In this embodiment, both ends of the data retention insulating film protrude from both the gate electrode and the semiconductor substrate, but may protrude from either the gate electrode or the semiconductor substrate. That is, only one of the “IJ” cross section or the “GH” cross section of FIG. 32 is adopted,
The other may be the same as the prototype of this embodiment. In this embodiment, the data retention insulating film protrudes on all four sides defining the element region of the memory cell transistor.
It is sufficient that the data retention insulating film protrudes on at least one of the four sides, preferably on two sides parallel to the direction in which the current between the source and drain flows.
このようにMONOS型不揮発性メモリセルにおいて、ゲート電極よりもデータ保持絶
縁膜が突き出している形状にすることによって、データ保持特性を向上させることができ
る。
Thus, in the MONOS type nonvolatile memory cell, the data retention characteristic can be improved by forming the data retention insulating film so as to protrude from the gate electrode.
さらに、ゲート電極に対してデータ保持絶縁膜が突き出した形状となっているので、加
工ダメージを受けたデータ保持絶縁膜端を電荷蓄積領域及びトランジスタのゲート絶縁膜
として使用しなくて済むため、メモリセルの信頼性が向上する。とりわけ、ソース、ドレ
イン間電流の流れる方向(図32(C)の“I−J”方向)と平行な2辺(素子分離領域
端と接する2辺)で、データ保持絶縁膜が突き出している形状になっていると、閾値降下
を防止でき、データ保持特性を改善する効果が大きい。
In addition, since the data retention insulating film protrudes from the gate electrode, it is not necessary to use the edge of the data retention insulating film that has been damaged by processing as the charge storage region and the gate insulation film of the transistor. Cell reliability is improved. In particular, the shape in which the data holding insulating film protrudes on two sides (two sides in contact with the end of the element isolation region) parallel to the direction in which the current between the source and drain flows (the “IJ” direction in FIG. 32C). In this case, the threshold drop can be prevented and the effect of improving the data retention characteristics is great.
本実施例の半導体装置によれば、電荷蓄積領域の両端が、ゲート側壁絶縁膜の下におい
て、ゲート電極へ突き出し、チャネル端において、半導体基板に対して突き出していれば
、チャネル部への製造工程におけるダメージが入ることを防止できる。
According to the semiconductor device of this embodiment, if both ends of the charge storage region protrude to the gate electrode under the gate sidewall insulating film and protrude from the semiconductor substrate at the channel end, the manufacturing process to the channel portion is performed. It is possible to prevent damage from entering.
このように、電荷蓄積領域がゲート電極又は基板に対して突き出していることで、加工
によるダメージを受け、電荷保持特性が劣化した絶縁膜端部を電荷蓄積領域としてもゲー
ト絶縁膜としても使用しないので、メモリセルの信頼性が向上する。
As described above, the charge storage region protrudes from the gate electrode or the substrate, so that the end portion of the insulating film that has been damaged by processing and has deteriorated charge retention characteristics is not used as the charge storage region or the gate insulating film. Therefore, the reliability of the memory cell is improved.
本実施例の半導体装置においては、読み出し電流が流れる向きと並列に配置された、デ
ータ保持絶縁膜端部をゲート電極又は半導体基板に対して突き出した形状とすることで、
データ保持絶縁膜端部の閾値落ちがメモリセルの閾値落ちとして検知されることを防止す
る。
In the semiconductor device of the present embodiment, by arranging the end portion of the data retention insulating film, which is arranged in parallel with the direction in which the read current flows, to protrude from the gate electrode or the semiconductor substrate,
This prevents a threshold drop at the edge of the data holding insulating film from being detected as a threshold drop in the memory cell.
なお、実施例1における図2及び図3に示されるような形状の半導体装置とした場合で
も本実施例の半導体装置の効果を得ることができる。
Even when the semiconductor device having the shape shown in FIGS. 2 and 3 in the first embodiment is used, the effect of the semiconductor device of this embodiment can be obtained.
次に、図35乃至図43を用いて本実施例の半導体装置の製造方法の一例を説明する。
図35乃至図43においては、それぞれ各図の(A)図が図32(A)における“I−J
”線上での断面、(B)図が図32(A)における“G−H”線上での断面に相当してい
る。
Next, an example of a method for manufacturing the semiconductor device of this embodiment will be described with reference to FIGS.
In FIGS. 35 to 43, (A) of each figure is “I-J” in FIG. 32 (A).
The cross section on line “B” corresponds to the cross section on line “GH” in FIG.
まず、半導体基板137上に犠牲酸化膜(図示せず)を形成した後、チャネル不純物や
ウエル不純物の注入を行い、犠牲酸化膜を剥離する。
First, after a sacrificial oxide film (not shown) is formed on the
次に、図35(A)及び図35(B)に示されるように、半導体基板137上に例えば
1〜15nm程度の厚さのシリコン酸化膜やシリコン酸窒化膜等のトンネル絶縁膜140
、例えば3〜30nm程度の厚さのシリコン窒化膜やシリコン酸窒化膜、Ta2O5、Ti
O2、Al2O3等の絶縁膜により、データ保持絶縁膜141を順次形成する。さらに例え
ば1〜15nm程度の厚さのシリコン酸化膜やシリコン酸窒化膜等により、ブロック絶縁
膜142を形成する。さらにその上に、例えばポリシリコン等により、第1ゲート電極を
10〜100nm程度の厚さで堆積する。さらにシリコン窒化膜等の絶縁膜を10〜20
0nm程度の厚さで堆積してマスク材150を形成する。
Next, as shown in FIGS. 35A and 35B, a
For example, a silicon nitride film or silicon oxynitride film having a thickness of about 3 to 30 nm, Ta 2 O 5 , Ti
A data
A
次に、図36(A)及び図36(B)に示される工程において、フォトリソグラフィー
によって素子分離領域のパターンニングを行った後、マスク材150、第1ゲート電極1
38、ブロック絶縁膜142、データ保持絶縁膜141、トンネル絶縁膜140、及び半
導体基板137を異方性エッチングにより加工し、素子分離溝151を形成する。ここで
、形成される素子分離溝の深さは例えば約50nm〜300nm程度である。なお、図3
6(B)に示される断面では、素子分離溝は形成されない。
Next, in the step shown in FIGS. 36A and 36B, after patterning the element isolation region by photolithography, the
38, the
In the cross section shown in FIG. 6B, no element isolation trench is formed.
次に、図37(A)に示されるように第1ゲート電極138の側壁を酸化し、ゲート側
壁絶縁膜152が形成される。この工程で酸化される第1ゲート電極138の厚さは約0
.5nmから15nm程度である。この値は加工によるダメージがデータ保持絶縁膜14
1に進入しない値が選ばれる。なお、図37(B)に示される断面では、酸化は行なわれ
ない。
Next, as shown in FIG. 37A, the side wall of the
. It is about 5 nm to 15 nm. This value indicates that the damage caused by processing is the data
A value that does not enter 1 is selected. Note that oxidation is not performed in the cross section shown in FIG.
このとき半導体基板137の素子分離溝151の側壁部分も酸化され、素子分離側壁絶
縁膜153が形成されるが、データ保持絶縁膜141は酸化されないように酸化条件を調
整する。第1ゲート電極138は例えばポリシリコンを用い、素子分離溝151の側壁は
半導体基板137であるので、単結晶シリコンを用いた場合、両者の酸化レートの違いを
利用して、酸化条件が設定できる。この第1ゲート電極138の側壁の酸化量及び素子分
離溝151の側壁の酸化量によって、データ保持絶縁膜141の突き出し量が決まる。す
なわち、第1ゲート電極138側面にゲート側壁絶縁膜152が形成されたことによる、
第1ゲート電極138側面の後退量によって、データ保持絶縁膜141の第1ゲート電極
138への突き出し量が決定される。また、素子分離溝151側面に素子分離側壁絶縁膜
153が形成されたことによる、半導体基板137側面の後退量によって、データ保持絶
縁膜141の半導体基板137への突き出し量が決定される。
At this time, the side wall portion of the
The amount of protrusion of the data
ここで形成される素子分離溝の側壁の酸化膜は、半導体基板を構成する単結晶シリコン
の酸化膜であり、比較的硬度が高い性質を持つ。なお、第1ゲート電極138の側壁のみ
、または半導体基板137の素子分離溝151の側壁部のみ酸化されるような条件として
も良い。こうして、酸化により第1ゲート電極138や半導体基板137が後退した結果
、データ保持絶縁膜141の両端は、第1ゲート電極138、又は半導体基板137のど
ちらか一方、又は第1ゲート電極138と半導体基板137との両者に対して突き出した
形状となる。
The oxide film on the side wall of the element isolation trench formed here is an oxide film of single crystal silicon constituting the semiconductor substrate, and has a property of relatively high hardness. Note that the conditions may be such that only the side walls of the
ここで、データ保持絶縁膜141に順テーパが形成されるようにエッチングされる条件
を用いることにより、後の工程の素子分離溝151へのシリコン酸化膜埋め込みをより容
易にすることができる。順テーパーの角度としては、半導体基板137の上面を標準とし
て60°から89°の範囲の角度が良い。
Here, by using a condition in which the data holding insulating
次に、図37(A)に示されるように、ポリシリコンからなる第1ゲート電極138の
酸化によって、第1ゲート電極側壁酸化膜152がデータ保持絶縁膜141よりも出る構
造にすることが、例えば、後で述べるHDP−SiO2による素子分離絶縁膜埋め込み時
のデータ保持絶縁膜141のダメージを小さくし、より信頼性の高いデバイス構造を形成
するのに望ましい。また、半導体基板137の酸化によって、素子分離側壁酸化膜153
がデータ保持絶縁膜141よりも素子分離溝151に出る構造にすることが、後の工程の
素子分離溝151へのシリコン酸化膜埋め込みをより容易にすることができる。
Next, as shown in FIG. 37A, by oxidizing the
The structure in which the
ここで、データ保持絶縁膜141の両端は、半導体基板137から0.5nm以上15
nm以下の範囲内で突き出していることが信頼性上望ましく、素子分離領域151内壁に
形成した酸化膜の厚さとしては、1nm以上16nm以下の範囲で形成することが望まし
い。
Here, both ends of the data holding insulating
The protrusion within the range of nm or less is desirable for reliability, and the thickness of the oxide film formed on the inner wall of the
第1ゲート電極138や半導体基板137を、データ保持絶縁膜141に対して後退さ
せる方法は酸化に限定されず、ウェットエッチング等によるエッチバックでも良い。さら
に例えば、TEOSやHTO(High Temperature Oxide)をデータ保持絶縁膜141の突
き出し量よりも厚く堆積することにより、後述するHDP(High Density Plasma)−
SiO2による素子分離絶縁膜埋め込み時のデータ保持絶縁膜のダメージを小さくしても
良い。この場合、データ保持絶縁膜をエッチングさせないことが必要である。酸化と組み
合わせて、ウェットエッチングなどを用いることもできる。さらに、シリコン酸化膜等の
絶縁膜を例えば5〜50nm程度の厚さで堆積した後、異方性エッチングによってエッチ
バックし、側壁絶縁膜を形成し、これをマスクとして第1ゲート絶縁膜及び半導体基板を
エッチングして素子分離溝を形成することもできる。
The method of retracting the
The damage of the data retention insulating film when the element isolation insulating film is embedded with SiO 2 may be reduced. In this case, it is necessary not to etch the data retention insulating film. Wet etching or the like can also be used in combination with oxidation. Further, after depositing an insulating film such as a silicon oxide film with a thickness of, for example, about 5 to 50 nm, it is etched back by anisotropic etching to form a sidewall insulating film, and using this as a mask, the first gate insulating film and the semiconductor The element isolation groove can also be formed by etching the substrate.
次に、図38(A)に示されるように、素子分離溝151を例えば、HDP−SiO2
やTEOSなどのシリコン酸化膜等の堆積法で、埋め込んだ後、CMP法によって平坦化
して、素子分離領域110を形成する。ここで埋め込むシリコン酸化膜は単結晶シリコン
の酸化膜に比べて、比較的硬度が低い性質を持つ。
Next, as shown in FIG. 38A, the
After being buried by a deposition method such as a silicon oxide film such as TEOS or the like, the
次に、図39(A)及び(B)に示されるように、CMPのストッパであるマスク材1
50をウェットエッチングにより除去する。
Next, as shown in FIGS. 39A and 39B, a
50 is removed by wet etching.
次に、図40(A)及び(B)に示されるように、例えばポリシリコンやWSi(タン
グステンシリサイド)とポリシリコンとのスタック構造、又は、NiSi、MoSi、T
iSi、CoSiなどのシリコンの金属化合物とポリシリコンのスタック構造、金属とポ
リシリコンのスタック構造、またはシリコンの金属化合物やW、Al、Cuなどの金属の
単層構造またはポリシリコンの単層構造からなる第2ゲート電極139を堆積し、第1ゲ
ート電極138と合わせて、メモリセルのゲート電極132とする。
Next, as shown in FIGS. 40A and 40B, for example, a stack structure of polysilicon or WSi (tungsten silicide) and polysilicon, or NiSi, MoSi, T
From a silicon metal compound and polysilicon stack structure such as iSi and CoSi, a metal and polysilicon stack structure, a silicon metal compound and a single layer structure of a metal such as W, Al, Cu, or a single layer structure of polysilicon A
次に、図41に示されるようにフォトリソグラフィーによってゲートのパターンを形成
し、異方性エッチングによってゲート電極をエッチングする。図41(B)においては、
ブロック絶縁膜142が露出して、一部にゲート電極132が形成される。なお、図41
(A)に示される断面では、ゲート電極132はエッチングされない。この工程において
、データ保持絶縁膜141はエッチングしない。ここでは、データ保持絶縁膜141の上
のブロック絶縁膜142はエッチングしてもしなくてもどちらの場合も可能である。
Next, as shown in FIG. 41, a gate pattern is formed by photolithography, and the gate electrode is etched by anisotropic etching. In FIG. 41B,
The
In the cross section shown in (A), the
次に、必要に応じてエッチングダメージ回復のための熱処理を行った後、図42(B)
に示されるように、シリコン酸化膜等の絶縁膜を例えば5〜50nm程度の厚さで堆積し
、異方性エッチングによってこれをエッチバックし、側壁絶縁膜143を形成する。この
時に側壁絶縁膜143をマスクとしてデータ保持絶縁膜141もエッチングする。その結
果、ゲート電極132に対して、側壁絶縁膜143の膜厚分だけ、データ保持絶縁膜14
1が突き出した形状となる。ここで、側壁絶縁膜143の厚さは堆積厚さに相当するので
、堆積膜厚を調整して、側壁絶縁膜143の厚さを制御する。又は、側壁絶縁膜143を
堆積によってではなく、ゲート多結晶シリコンを酸化することによって形成しても良い。
この場合、側壁絶縁膜143の厚さは酸化量によって調整される。
Next, after performing a heat treatment for etching damage recovery as necessary, FIG.
As shown in FIG. 5, an insulating film such as a silicon oxide film is deposited to a thickness of about 5 to 50 nm, for example, and etched back by anisotropic etching to form a
It becomes the shape which 1 protruded. Here, since the thickness of the
In this case, the thickness of the
次に、図43(B)に示されるように拡散層の不純物を注入して、ソース、ドレイン不
純物領域135,136を形成する。さらに、図43(A)及び(B)に示されるように
層間絶縁膜144を堆積する。さらに層間絶縁膜144中にコンタクトプラグ133,1
34を形成し、メタル配線(図示せず)等を形成する工程を経て不揮発性メモリセルを完
成させる。
Next, as shown in FIG. 43B, impurities in the diffusion layer are implanted to form source and drain
34 is formed, and a nonvolatile memory cell is completed through a process of forming a metal wiring (not shown) and the like.
本実施例の半導体記憶装置の製造方法によれば、第1ゲート電極138でチャネル幅を
規定し、第2ゲート電極139でチャネル長を規定することによって、メモリセルを形成
するデータ保持絶縁膜141の面積を2つのリソグラフィによって決めることができる。
さらに、この2つのリソグラフィには、直線状のパターンを用いることができる。よって
、チャネル幅とチャネル長以外に、浮遊ゲートと制御ゲートとのリソグラフィ寸法に大き
く依存する浮遊ゲート型不揮発性半導体記憶装置よりも寸法ばらつきのメモリ特性に対す
る影響要因を減らすことができ、メモリセルごとの書き込み電圧や消去電圧をより一層安
定させることができ、信頼性を向上できる。
According to the manufacturing method of the semiconductor memory device of this embodiment, the data
Further, a linear pattern can be used for the two lithography. Therefore, in addition to the channel width and the channel length, it is possible to reduce the influence factors on the memory characteristics of the dimensional variation than the floating gate type nonvolatile semiconductor memory device that greatly depends on the lithography dimensions of the floating gate and the control gate. The writing voltage and erasing voltage can be further stabilized, and the reliability can be improved.
また、第1ゲート電極138が形成されていない部分には、データ保持絶縁膜141が
形成されていない。よって、例えば、第2ゲート電極139の下にデータ保持絶縁膜14
1が形成されている場合に生じる、第2ゲート電極139下のデータ保持絶縁膜141の
電極加工中や動作時のデータ保持絶縁膜141への電荷注入が生じない。よって、それら
が起因となる隣接するメモリセル間のチャネル間の耐圧ばらつきや電流漏れの問題が生じ
ない。
Further, the data
Charge injection into the data holding insulating
(実施例3の変形例)
本変形例では、実施例3の半導体装置において、図32(C)に示される断面の構造を
図44に示される構造に替えて構成している。ここでは、素子分離領域の下部がデータ保
持絶縁膜141の下側に形成されていない構造となっている。
(Modification of Example 3)
In this modification, in the semiconductor device of Example 3, the structure of the cross section shown in FIG. 32C is changed to the structure shown in FIG. Here, the lower part of the element isolation region is not formed below the data holding insulating
本変形例の半導体装置の製造方法は、“I−J”線上での断面においてのみ、図37以
降に示される工程において実施例3と異なり、“G−H”線上での断面では、実施例3の
半導体装置の製造方法と同様であるので図示及び説明は省略する。すなわち、図36(A
)に示される工程の後で、図45に示されるように。素子分離溝151形成後のゲート側
壁絶縁膜形成工程において、素子分離溝151の側面の酸化を行わずに、ゲート側壁絶縁
膜152を形成する。
The manufacturing method of the semiconductor device according to the present modification differs from the third embodiment only in the cross section on the “IJ” line, in the steps shown in FIG. Since this is the same as the manufacturing method of the semiconductor device of FIG. That is, FIG.
After the step shown in FIG. 45, as shown in FIG. In the gate sidewall insulating film forming step after the
次に、図46に示されるように、素子分離溝151を例えば、HDP−SiO2やTE
OSなどのシリコン酸化膜等の堆積法で、埋め込んだ後、CMP法によって平坦化して、
素子分離領域110を形成する。ここで埋め込むシリコン酸化膜は単結晶シリコンの酸化
膜に比べて、比較的硬度が低い性質を持つ。
Next, as shown in FIG. 46, the
After embedding with a deposition method such as a silicon oxide film such as OS, it is planarized by CMP method,
An
次に、図47に示されるように、CMPのストッパであるマスク材150をウェットエ
ッチングにより除去する。
Next, as shown in FIG. 47, the
次に、図48に示されるように、例えばポリシリコンやWSi(タングステンシリサイ
ド)とポリシリコンとのスタック構造、又は、NiSi、MoSi、TiSi、CoSi
などのシリコンの金属化合物とポリシリコンのスタック構造、金属とポリシリコンのスタ
ック構造、またはシリコンの金属化合物やW、Al、Cuなどの金属の単層構造またはポ
リシリコンの単層構造からなる第2ゲート電極139を堆積し、第1ゲート電極138と
合わせて、メモリセルのゲート電極132とする。
Next, as shown in FIG. 48, for example, a stack structure of polysilicon or WSi (tungsten silicide) and polysilicon, or NiSi, MoSi, TiSi, CoSi
A second structure comprising a silicon metal compound and polysilicon stack structure, a metal and polysilicon stack structure, a silicon metal compound or a single layer structure of a metal such as W, Al, or Cu, or a single layer structure of polysilicon. A
次に、図49に示されるように層間絶縁膜144を堆積する。さらに層間絶縁膜144
中にコンタクトプラグ134を形成し、メタル配線(図示せず)等を形成する工程を経て
不揮発性メモリセルを完成させる。
Next, an
A
このように素子分離側壁絶縁膜を設けないことで、データ保持絶縁膜141が第1ゲー
ト電極138に対してのみ突き出し、半導体基板137に対しては突き出さない形状とす
ることができる。本変形例においても実施例3と同様の効果を得ることができる。
By not providing the element isolation side wall insulating film in this manner, the data holding insulating
図50には、本発明の実施例4のプロトタイプである自己整合STIを用いたMONO
S型メモリセルが示される。図50(A)には、本実施例のプロトタイプの上面図が示さ
れていて、素子分離領域110に接して半導体基板117中の一部にソース不純物領域1
55が直線状に左右方向に形成されている。このソース不純物領域155の一部ではその
幅が大きくなっていて、ソースコンタクト157が設けられている。また、このソース不
純物領域155に対向して素子分離領域110に接して、半導体基板117中の一部にド
レイン不純物領域156が直線上に左右方向に形成されている。このドレイン不純物領域
156の一部ではその幅が大きくなっていて、ドレインコンタクト158が設けられてい
る。
FIG. 50 shows a MONO using a self-aligned STI which is a prototype of the fourth embodiment of the present invention.
An S-type memory cell is shown. FIG. 50A shows a top view of the prototype of the present embodiment. The
55 is linearly formed in the left-right direction. A part of the
ソース不純物領域155及びドレイン不純物領域156の長手方向に直交して、ゲート
電極112が形成されている。ゲート電極112には、その端部に幅の広い領域が設けら
れ、そこにはゲートコンタクト114が設けられている。このメモリセルではゲート電極
112の真下にソース不純物領域155、ドレイン不純物領域156が設けられ、データ
読み出し時にはソース不純物領域155からドレイン不純物領域156へ図50(A)中
の矢印で示されるMからN方向へ流れる電流量によって書き込み状態と消去状態とを判別
する。このような構造は、AND型EEPROMやDINOR型EEPROM等で利用さ
れる。
A
図50(A)における“K−L”線上での断面図が、図50(B)に示される。半導体
基板117上にゲート電極112が形成されている。ゲート電極112は、トンネル絶縁
膜118、データ保持絶縁膜(電荷蓄積領域)119、ブロック絶縁膜120からなるゲ
ート絶縁膜の上に積層されている。半導体基板117、ゲート電極112の表面上には層
間絶縁膜121が形成されている。
A cross-sectional view on the “KL” line in FIG. 50A is shown in FIG. A
また、図50(A)における“M−N”線上での断面図が、図50(C)に示される。
半導体基板117中には、素子分離溝122が設けられ、その中に素子分離領域110が
形成されている。素子分離領域110の間には、トンネル絶縁膜118、データ保持絶縁
膜119、ブロック絶縁膜120からなるゲート絶縁膜が形成されている。このブロック
絶縁膜120上には、ゲート電極112が素子分離領域110上にまで延在して形成され
ている。トンネル絶縁膜118の端部の半導体基板117中には、素子分離溝122は設
けられておらず、素子分離領域110に接して、ソース不純物領域155及びドレイン不
純物領域156が設けられている。
Further, a cross-sectional view on the “MN” line in FIG. 50A is shown in FIG.
An
このような図50(B)、図50(C)に示されたメモリセルの製造方法においては、
素子分離溝を形成するためのエッチング加工時や、ゲート電極及びゲート絶縁膜のエッチ
ング加工時に、データ保持絶縁膜端が異方性エッチングのプラズマにさらされるために、
素子分離領域のエッジ及びゲートのエッジにおいてデータ保持絶縁膜が加工ダメージを受
け、このためデータ保持絶縁膜のエッジ部における電荷保持力が劣化し、メモリセルの信
頼性が損なわれる場合がある。
In the method of manufacturing the memory cell shown in FIGS. 50B and 50C,
Since the edge of the data retention insulating film is exposed to anisotropic etching plasma during the etching process for forming the element isolation trench and the etching process of the gate electrode and the gate insulating film,
In some cases, the data holding insulating film is damaged at the edge of the element isolation region and the edge of the gate, so that the charge holding power at the edge of the data holding insulating film is deteriorated and the reliability of the memory cell is impaired.
図50に示される構造を持つメモリセルの場合、とりわけ素子分離領域のエッジにおけ
るデータ保持絶縁膜の特性劣化が深刻な問題となる場合がある。以下にそれを説明する。
図50(B)に示される断面において、メモリセルトランジスタを(I)、(II)、(
III)の領域に分ける。ここでは、(I)、(III)の領域のデータ保持絶縁膜がダ
メージを受けたエッジ領域123となっている。同様に図50(C)に示される断面にお
いて、メモリセルトランジスタを(IV)、(V)、(VI)の領域に分ける。ここでは
、(IV)、(VI)のデータ保持絶縁膜がダメージを受けたエッジ領域124となって
いる。
In the case of the memory cell having the structure shown in FIG. 50, deterioration of the characteristics of the data holding insulating film at the edge of the element isolation region may be a serious problem. This is explained below.
In the cross section shown in FIG. 50B, the memory cell transistors are formed as (I), (II), (
It is divided into the area III). Here, the data holding insulating film in the regions (I) and (III) is the damaged
ここで、データ保持絶縁膜に電子をトラップさせて閾値を高くした状態(書き込み状態
)を仮定する。図51(A)には、図50(B)の断面に相当するトランジスタの回路図
を示し、図51(B)には、図50(C)の断面に相当するトランジスタの回路図を示し
、図51(C)には横軸にゲート電圧、縦軸にドレイン電流を表し、データ保持絶縁膜の
状態ごとの電流―電圧特性の変化を示す。図51(A)に示される回路図では、ゲートが
共通に接続された3つのトランジスタ(I)、(II)、(III)がソース、ドレイン
間で並列に接続された構成が示される。このトランジスタ(I)、(II)、(III)
は、図50(B)におけるメモリセルトランジスタ(I)、(II)、(III)の領域
にそれぞれが対応している。また、図51(B)に示される回路図では、ゲートが共通に
接続された3つのトランジスタ(IV)、(V)、(VI)がソース、ドレイン間で直列
に接続された構成が示される。このトランジスタ(IV)、(V)、(VI)は、図50
(C)におけるメモリセルトランジスタ(IV)、(V)、(VI)の領域にそれぞれが
対応している。
Here, it is assumed that the data retention insulating film traps electrons to increase the threshold value (write state). 51A shows a circuit diagram of a transistor corresponding to the cross section of FIG. 50B, FIG. 51B shows a circuit diagram of a transistor corresponding to the cross section of FIG. FIG. 51C shows the gate voltage on the horizontal axis and the drain current on the vertical axis, and shows changes in current-voltage characteristics for each state of the data retention insulating film. The circuit diagram shown in FIG. 51A shows a configuration in which three transistors (I), (II), and (III) having gates connected in common are connected in parallel between a source and a drain. This transistor (I), (II), (III)
Corresponds to the regions of the memory cell transistors (I), (II), and (III) in FIG. In addition, the circuit diagram shown in FIG. 51B shows a configuration in which three transistors (IV), (V), and (VI) whose gates are commonly connected are connected in series between the source and drain. . The transistors (IV), (V), (VI) are shown in FIG.
Each region corresponds to the memory cell transistors (IV), (V), and (VI) in (C).
データ保持絶縁膜のエッジ部では電荷保持特性が劣化しているので、電子が容易に脱離
する。MONOS型メモリセルに代表されるような電荷蓄積領域として絶縁膜を用いた構
造のメモリセルの場合、領域(I)、(II)、(III)間又は(IV)、(V)、(
VI)間では、電荷の移動は行われないので、電荷が抜けた領域(エッジ部)はチャネル
中央部と比較して閾値が低下する。ここで、図50(B)において示される断面は電流が
流れる方向でのチャネルを表していて、この電流が流れる方向にトランジスタが直列に接
続されていた場合、いずれかのトランジスタの閾値が低くなっても、全体としての閾値は
変化しない。
Since the charge retention characteristic is deteriorated at the edge portion of the data retention insulating film, electrons are easily desorbed. In the case of a memory cell having a structure using an insulating film as a charge storage region typified by a MONOS type memory cell, the region (I), (II), (III) or (IV), (V), (
Since the movement of charge is not performed between (VI), the threshold is lowered in the region (edge portion) from which the charge is lost compared to the central portion of the channel. Here, the cross section shown in FIG. 50B represents a channel in the direction in which current flows, and when a transistor is connected in series in the direction in which this current flows, the threshold value of any transistor is lowered. However, the threshold value as a whole does not change.
ここで、領域(IV)、(V)、(VI)はソース、ドレイン間に直列に配置されてい
るので、領域(IV)、(VI)の閾値が低下しても領域(V)の閾値が高ければソース
、ドレイン間に電流は流れず、ゲートエッジ部のしきい値低下はメモリセルの閾値低下と
しては検知されない。一方、領域(I)、(II)、(III)はソース、ドレイン間に
並列に接続されているので領域(I)、(III)の閾値が低下するとソース、ドレイン
間に電流が流れるので、素子分離領域のエッジ部における閾値低下がメモリセルの閾値低
下として検知される。この様子が図51(C)に示されている。すなわち、書き込み直後
は各領域ともにほぼ同じゲート電圧になるが、時間の推移とともに書き込み状態で、中央
部(II)に比べて、エッジ部(I)、(III)におけるゲート電圧がより多く低下し
、消去状態の電圧に近づいている。つまりメモリセルの電荷保持特性が、ダメージを受け
た部分の電荷保持特性で決定されることになる。
Here, since the regions (IV), (V), and (VI) are arranged in series between the source and the drain, even if the threshold values of the regions (IV) and (VI) are lowered, the threshold value of the region (V) Is high, no current flows between the source and the drain, and a decrease in the threshold value of the gate edge is not detected as a decrease in the threshold value of the memory cell. On the other hand, since the regions (I), (II), and (III) are connected in parallel between the source and the drain, current flows between the source and the drain when the threshold values of the regions (I) and (III) are lowered. A threshold value decrease at the edge portion of the element isolation region is detected as a memory cell threshold value decrease. This situation is shown in FIG. That is, the gate voltage is almost the same in each region immediately after writing, but the gate voltage at the edge portions (I) and (III) decreases more than the central portion (II) in the writing state with time. The voltage of the erased state is approaching. That is, the charge retention characteristic of the memory cell is determined by the charge retention characteristic of the damaged part.
上述のように、自己整合STI構造でMONOS型メモリセルを形成した場合には、素
子分離領域のエッジ又はゲート電極のエッジでの、電荷蓄積領域のデータ保持特性劣化が
メモリセルの信頼性に対して影響を及ぼし、特に素子領域を定義する4辺のうちソース、
ドレイン間電流の流れる方向と平行な2辺のエッジでの電荷保持特性劣化が問題となりう
る。本実施例では以上の問題を解決する方法を提供する。
As described above, when the MONOS type memory cell is formed with the self-aligned STI structure, the deterioration of the data retention characteristics of the charge storage region at the edge of the element isolation region or the edge of the gate electrode is affected by the reliability of the memory cell. Among the four sides that define the device area,
Deterioration of charge retention characteristics at two edges parallel to the direction in which the drain-to-drain current flows can be a problem. The present embodiment provides a method for solving the above problems.
次に、本実施例の自己整合STIを用いたMONOS型メモリセルが図52に示される
。図52(A)には、本実施例の半導体装置の上面図が示されていて、素子分離領域16
0に接して、一方側の半導体基板161中にソース不純物領域162が直線状に左右方向
に形成されている。このソース不純物領域162に対向して、素子分離領域160に接し
て、他方側の半導体基板161中にドレイン不純物領域163が形成されている。ソース
不純物領域162には、その一部で幅が広く形成されていて、そこにはソースコンタクト
164が形成されている。さらにドレイン不純物領域163には、その一部で幅が広く形
成されていて、そこにはドレインコンタクト165が形成されている。これらソース不純
物領域162、ドレイン不純物領域165の長手方向に直交して、ゲート電極166が形
成されている。
Next, FIG. 52 shows a MONOS type memory cell using the self-aligned STI of this embodiment. FIG. 52A shows a top view of the semiconductor device of this example, and the
A
また、ゲート電極166には、その端部に幅の広い領域が設けられ、そこにはゲートコ
ンタクト167が設けられている。このメモリセルではゲート電極166の下側の半導体
基板161の一部がソース不純物領域162、ドレイン不純物領域163となり、データ
読み出し時にはソース不純物領域162からドレイン不純物領域163へ図52(A)中
の矢印で示されるQからR方向へ流れる電流量によって書き込み状態と消去状態とを判別
する。このような構造は、AND型EEPROMやDINOR型EEPROM等で利用さ
れる。
The
図52(A)における“O−P”線上での断面図が、図52(B)に示される。半導体
基板161上にゲート電極166が形成されている。このゲート電極166は下層の第1
ゲート170、その上の第2ゲート171から構成されている。ゲート電極166は、ト
ンネル絶縁膜172、データ保持絶縁膜(電荷蓄積領域)173、ブロック絶縁膜174
からなるゲート絶縁膜の上に積層されている。ゲート電極166の側面にはゲート側壁絶
縁膜175が設けられている。半導体基板161、ゲート電極166、ゲート側壁絶縁膜
175の表面上には層間絶縁膜176が形成されている。ここで、データ保持絶縁膜17
3はゲート電極166よりもその幅がゲート側壁絶縁膜175の厚さ分、大きく形成され
ている。
A cross-sectional view along the “OP” line in FIG. 52A is shown in FIG. A
It consists of a
Is laminated on a gate insulating film made of A gate
3 is wider than the
また、図52(A)における“Q−R”線上での断面図が、図52(C)に示される。
半導体基板161中には、素子分離溝177が設けられ、その中に素子分離領域160が
形成されている。素子分離領域160の間には、トンネル絶縁膜172、データ保持絶縁
膜173、ブロック絶縁膜174からなるゲート絶縁膜及び第1ゲート170が形成され
ている。このブロック絶縁膜174上には、第2ゲート171が素子分離領域160上に
まで延在して形成されている。ここで、データ保持絶縁膜173及びその下に位置するト
ンネル絶縁膜172は第1ゲート170よりもその幅が大きく形成され、素子分離領域1
60内に突き出している。
Further, a cross-sectional view on the “QR” line in FIG. 52A is shown in FIG.
An
It protrudes into 60.
本メモリセルでは、半導体基板161中の上部には図示しない低濃度不純物領域である
ウエルが形成されている。半導体基板161上に例えば膜厚が1〜15nm程度のシリコ
ン酸化膜やシリコン酸窒化膜等からトンネル絶縁膜172が形成されている。さらに、こ
のトンネル絶縁膜172上には、膜厚が例えば3〜30nm程度のシリコン窒化膜、シリ
コン酸窒化膜、Ta2O5膜、TiO2膜、Al2O3膜等の絶縁膜でデータ保持絶縁膜17
3が形成されている。
In this memory cell, a well, which is a low concentration impurity region (not shown), is formed in the upper portion of the
3 is formed.
さらにこのデータ保持絶縁膜173の上には、膜厚が例えば1〜15nm程度のシリコ
ン酸化膜やシリコン酸窒化膜等でブロック絶縁膜174が形成されている。このブロック
絶縁膜174の上には、例えばポリシリコンやWSi(タングステンシリサイド)とポリ
シリコンとのスタック構造、又は、NiSi,MOSi,TiSi,CoSiとポリシリ
コンのスタック構造、金属とポリシリコンのスタック構造、又はシリコンの金属化合物や
金属の単層構造からなるゲート電極166が10nmから500nmの厚さで形成されて
いる。ここで、素子分離領域160の端に接する半導体基板161中には、ソース不純物
領域162、ドレイン不純物領域163が形成されている。このソース不純物領域162
、ドレイン不純物領域163は、第1ゲート170から突き出したデータ保持絶縁膜17
3の下に形成されているが、第1ゲート電極170の下方には形成されていない。
Further, on this data
The
3, but not below the
次に、本実施例の半導体装置の動作を説明する。図52に示されたトランジスタがメモ
リセルを構成する。消去動作は例えばゲート電極を0Vとした状態で半導体基板に高電圧
(例えば10〜25V)を印加して、半導体基板から電荷蓄積領域にホールを注入するこ
とで行われる。またはソース電位に対してドレイン電位を負にバイアスしてチャネルで加
速されたホットホールを発生させ、さらにゲート電極をソース電位に対して負にバイアス
することでホットホールを電荷蓄積領域に注入することで行われる。またはウエル電位に
対してソース電位及びドレイン電位を正にバイアスして不純物領域とウエル間のジャンク
ションでホットホールを発生させ、さらにゲート電極をウエル電位に対して負にバイアス
することでホットホールを電荷蓄積領域に注入することで行われる。
Next, the operation of the semiconductor device of this embodiment will be described. The transistors shown in FIG. 52 constitute a memory cell. The erasing operation is performed, for example, by applying a high voltage (for example, 10 to 25 V) to the semiconductor substrate with the gate electrode at 0 V and injecting holes from the semiconductor substrate into the charge storage region. Alternatively, the drain potential is negatively biased with respect to the source potential to generate hot holes accelerated in the channel, and the gate electrode is negatively biased with respect to the source potential to inject the hot holes into the charge storage region. Done in Alternatively, the source potential and drain potential are positively biased with respect to the well potential to generate a hot hole at the junction between the impurity region and the well, and the gate electrode is negatively biased with respect to the well potential to charge the hot hole. This is done by injecting into the accumulation region.
書き込み動作は例えば半導体基板を0Vとして状態でゲート電極に高電圧(例えば10
〜25V)を印加して、半導体基板から電荷蓄積領域に電子を注入することで行われる。
またはソース電位に対してドレイン電位を正にバイアスしてチャネルで加速されたホット
エレクトロンを発生させ、さらにゲート電極をソース電位に対して正にバイアスすること
でホットエレクトロンを電荷蓄積領域に注入することで行われる。
In the writing operation, for example, the semiconductor substrate is set to 0 V and a high voltage (for example, 10%) is applied to the gate electrode.
~ 25V) is applied to inject electrons from the semiconductor substrate into the charge storage region.
Alternatively, the drain potential is positively biased with respect to the source potential to generate hot electrons accelerated in the channel, and the gate electrode is positively biased with respect to the source potential to inject hot electrons into the charge storage region. Done in
読み出し動作では、ドレインコンタクトに接続されたビット線をプリチャージした後に
フローティングにし、ゲート電極の電圧を読み出し電圧Vref、ソース線を0Vとして
、メモリセルに電流が流れるか否かをビット線で検出することにより行われる。すなわち
、メモリセルの閾値VthがVrefよりも大きい、書き込み状態ならばメモリセルはオ
フになるのでビット線はプリチャージ電位を保つ。これに対して選択メモリセルの閾値V
thがVrefよりも小さい消去状態ならばメモリセルはオンするのでビット線の電位は
プリチャージ電位からΔVだけ低下する。この電位変化をセンスアンプで検知することに
よってメモリセルのデータが読み出される。
In the read operation, the bit line connected to the drain contact is precharged and then floated, the voltage of the gate electrode is set to the read voltage Vref, the source line is set to 0 V, and whether the current flows through the memory cell is detected by the bit line. Is done. That is, if the threshold value Vth of the memory cell is larger than Vref, and the memory cell is turned off in the writing state, the bit line maintains the precharge potential. On the other hand, the threshold value V of the selected memory cell
If th is smaller than Vref, the memory cell is turned on, so that the potential of the bit line decreases by ΔV from the precharge potential. Data in the memory cell is read by detecting this potential change with a sense amplifier.
ここで、図52(B)に示されるように、データ保持絶縁膜173は第1ゲート電極1
70に対して突き出した形状となっている。ここで、突き出す程度はデータ保持絶縁膜1
73が0.5nmから10nm程度、素子分離領域160中に入っている。ここで、突き
出す程度が小さいと、効果が得られず、突き出す程度が大きすぎると製造工程において、
困難が生じ、微細化には不適切である。
Here, as shown in FIG. 52B, the data
The shape protrudes with respect to 70. Here, the extent of protrusion is the data
73 is in the
Difficulties arise and are inappropriate for miniaturization.
また、図52(C)に示されるように、素子分離溝160はゲート絶縁膜中のトンネル
絶縁膜172及びデータ保持絶縁膜173に対して自己整合的に形成されている。このト
ンネル絶縁膜172及びデータ保持絶縁膜173は、ブロック絶縁膜174及び第1ゲー
ト電極170より、左右方向に突き出している。このように、電荷蓄積絶縁膜はゲート電
極に対して突き出しており、両端が素子分離絶縁膜中に入り込んだ形状となっている。こ
こでは、“Q−R”線に平行な方向の制御ゲートの2辺と、“O−P”線に平行な方向の
拡散層の2辺で囲まれた制御ゲート下の矩形状の半導体基板領域が島状領域となる。
Further, as shown in FIG. 52C, the
第1ゲート電極170の下方端の両側の半導体基板161上にはソース、ドレイン不純
物領域162、163が形成され、データの読み出し時にはゲートの長手方向(“Q−R
”線方向)に流れる電流量によって記憶されたデータを判別する。このように、本実施例
の半導体装置においてはデータ保持絶縁膜が、ゲート電極または半導体基板またはその両
方に対して突き出しているために、データ保持絶縁膜の突き出し部がメモリセルトランジ
スタの電荷蓄積領域としてもゲート絶縁膜としても使用されない。
Source and drain
The stored data is discriminated by the amount of current flowing in the “line direction.” Thus, in the semiconductor device of this embodiment, the data holding insulating film protrudes from the gate electrode and / or the semiconductor substrate. In addition, the protruding portion of the data holding insulating film is not used as a charge storage region or a gate insulating film of the memory cell transistor.
データ保持絶縁膜のエッジ部は中央部と比較して、加工ダメージによって電荷保持力が
劣るが、この領域の電荷保持特性がメモリセルの電荷保持特性に影響しないために、信頼
性の高い不揮発性半導体記憶装置が実現できる。
Compared with the central part, the edge of the data retention insulating film is inferior in charge retention due to processing damage, but the charge retention characteristics in this area do not affect the charge retention characteristics of the memory cell, so it is highly reliable non-volatile A semiconductor memory device can be realized.
ここで、図52(B)に示される断面で、メモリセルを領域(I)、(II)、(II
I)としてエッジ部と中央部とに分割する。さらに、図52(C)に示される断面で、メ
モリセルを領域(IV)、(V)、(VI)としてエッジ部と中央部に分割する。ここで
は、エッジ部(I)、(III)、(IV)、(VI)の電荷蓄積絶縁膜の特性が中央部
(II)、(V)と同一であるために、エッジ部に起因した信頼性劣化がない。このよう
に突き出し部の突き出しの長さは、加工ダメージの進入深さよりも大きい値とすることで
、エッジ部(I)、(III)、(IV)、(VI)の特性が中央部(II)、(V)の
特性と等しくなる。
Here, in the cross section shown in FIG. 52B, the memory cells are divided into regions (I), (II), (II
I) is divided into an edge portion and a central portion. Further, in the cross section shown in FIG. 52C, the memory cell is divided into an edge portion and a central portion as regions (IV), (V), and (VI). Here, since the characteristics of the charge storage insulating films of the edge portions (I), (III), (IV), and (VI) are the same as those of the central portions (II) and (V), the reliability caused by the edge portions is obtained. There is no sexual degradation. Thus, the length of the protrusion of the protrusion is set to a value larger than the depth of penetration of the processing damage, so that the characteristics of the edge portions (I), (III), (IV), and (VI) are the central portion (II ) And (V).
ここで、特にソース、ドレイン間電流の流れる方向(図52(A)の“Q−R”'方向
)と平行な2辺(ゲートエッジを定義する2辺)で、データ保持絶縁膜が突き出している
形状になっていることの効果が大きい。これは図52(B)の領域(I)、(III)は
ソース、ドレイン間において中央部(II)と並列に配置されているため、この部分の電
荷抜けによる閾値低下がメモリセル全体の閾値低下として検知されるため、特に(I)、
(III)の部分の電荷抜けを防ぐ必要があるためである。
Here, in particular, the data retention insulating film protrudes on two sides (two sides defining the gate edge) parallel to the direction in which the current between the source and drain flows (the “QR” ′ direction in FIG. 52A). The effect of having a shape is great. This is because the regions (I) and (III) in FIG. 52B are arranged in parallel with the central portion (II) between the source and drain, and the threshold value drop due to charge loss in this portion is the threshold value of the entire memory cell. In particular, (I)
This is because it is necessary to prevent charge loss in the portion (III).
図52(B)に示す断面での各領域をトランジスタを用いた回路図で表すと図53(A
)の通りとなるが、各領域(I)、(II)、(III)の特性が等しいため、図53(
B)に示されるように1つのトランジスタで表現される。さらに図52(C)に示す断面
での各領域をトランジスタを用いた回路図で表すと図53(C)の通りとなるが、各領域
(IV)、(V)、(VI)の特性が等しいため、図53(D)に示されるように1つの
トランジスタで表現される。
Each region in the cross section shown in FIG. 52B is represented by a circuit diagram using a transistor.
However, since the characteristics of the regions (I), (II), and (III) are equal, FIG.
It is expressed by one transistor as shown in B). Further, each region in the cross section shown in FIG. 52C is represented by a circuit diagram using a transistor as shown in FIG. 53C. The characteristics of the regions (IV), (V), and (VI) are as follows. Since they are equal, they are expressed by one transistor as shown in FIG.
本実施例では、データ保持絶縁膜の両端が、ゲート電極及び半導体基板の両方に対して
突き出しているが、ゲート電極又は半導体基板のいずれかに対して突き出していてもよい
。すなわち、図52の“O−P”断面又は“Q−R”断面のいずれか一方のみを採用し、
他方を本実施例のプロトタイプの通りとしてもよい。また、本実施例ではメモリセルトラ
ンジスタの素子領域を定義する4辺全てにおいてデータ保持絶縁膜が突き出しているが、
4辺のうち少なくとも1辺、好ましくは、ソース、ドレイン間電流の流れる方向と平行な
2辺で、データ保持絶縁膜が突き出している形状であればよい。
In this embodiment, both ends of the data retention insulating film protrude from both the gate electrode and the semiconductor substrate, but may protrude from either the gate electrode or the semiconductor substrate. That is, only one of the “OP” cross section or the “QR” cross section of FIG. 52 is adopted,
The other may be the same as the prototype of this embodiment. In this embodiment, the data retention insulating film protrudes on all four sides defining the element region of the memory cell transistor.
It is sufficient that the data retention insulating film protrudes on at least one of the four sides, preferably on two sides parallel to the direction in which the current between the source and drain flows.
本実施例の半導体装置においては、実施例3の半導体装置の効果と同様の効果を得るこ
とができる。すなわち、データ保持絶縁膜が、ゲート電極又は半導体基板又はその両方に
対して突き出しているために、データ保持絶縁膜のエッジ部がメモリセルトランジスタの
電荷蓄積領域としてもゲート絶縁膜としても使用されない。データ保持絶縁膜のエッジ部
は中央部と比較して、加工ダメージによって電荷保持力が劣るが、この領域の電荷保持特
性がメモリセルの電荷保持特性に影響しないために、信頼性の高い不揮発性メモリが実現
できる。
In the semiconductor device of this embodiment, the same effect as that of the semiconductor device of
次に図54乃至図62を用いて、本実施例の半導体装置の製造方法の一例を説明する。 Next, an example of a method for manufacturing the semiconductor device of this embodiment will be described with reference to FIGS.
図54乃至図62においては、それぞれ各図の(A)図が図52(A)における“Q−
R線上での断面、(B)図が図52(A)における“O−P”線上での断面に相当してい
る。
54 to 62, (A) of each figure is “Q-” in FIG. 52 (A).
The cross section on line R, (B) corresponds to the cross section on the “OP” line in FIG.
まず、半導体基板161上に犠牲酸化膜(図示せず)を形成した後、チャネル不純物や
ウエル不純物の注入を行い、犠牲酸化膜を剥離する。
First, after a sacrificial oxide film (not shown) is formed on the
次に、図54(A)及び図54(B)に示されるように、半導体基板161上に例えば
1〜15nm程度の厚さのシリコン酸化膜やシリコン酸窒化膜等のトンネル絶縁膜172
、例えば3〜30nm程度の厚さのシリコン窒化膜やシリコン酸窒化膜、Ta2O5、Ti
O2、Al2O3等の絶縁膜により、データ保持絶縁膜173を順次形成する。さらに例え
ば1〜15nm程度の厚さのシリコン酸化膜やシリコン酸窒化膜等により、ブロック絶縁
膜174を形成する。さらにその上に、例えばポリシリコン等により、第1ゲート電極1
70を10〜100nm程度の厚さで堆積する。さらにシリコン窒化膜等の絶縁膜を10
〜200nm程度の厚さで堆積してマスク材180を形成する。
Next, as shown in FIGS. 54A and 54B, a
For example, a silicon nitride film or silicon oxynitride film having a thickness of about 3 to 30 nm, Ta 2 O 5 , Ti
A data
70 is deposited to a thickness of about 10 to 100 nm. Further, an insulating film such as a silicon nitride film is added to 10
A
次に、図55(A)に示される工程において、フォトリソグラフィーによって素子分離
領域のパターンニングを行った後、マスク材180、第1ゲート電極170を異方性エッ
チングにより加工する。なお、図55(B)に示される断面では、エッチングは行なわれ
ない。
Next, in the step shown in FIG. 55A, after patterning the element isolation region by photolithography, the
次に、図56(A)に示されるように、マスク材180をマスクに半導体基板161中
に拡散層不純物を注入して、ソース、ドレイン不純物領域162,163を形成する。
Next, as shown in FIG. 56A, diffusion layer impurities are implanted into the
次に、図57(A)に示されるようにシリコン酸化膜等の絶縁膜を例えば5〜50nm
程度の厚さで堆積した後、異方性エッチングによってエッチバックし、ゲート側壁絶縁膜
181を形成し、これをマスクとしてブロック絶縁膜174、データ保持絶縁膜173、
トンネル絶縁膜172、及び半導体基板161を異方性エッチングにより加工し、素子分
離溝177を形成する。ここで、形成される素子分離溝177の深さは例えば約50nm
〜300nm程度である。なお、図57(B)に示される断面では、素子分離溝は形成さ
れない。このようにゲート側壁絶縁膜181を形成することで、チャネル端にソース、ド
レイン不純物領域162,163を残すことができる。この残されたソース、ドレイン不
純物領域162,163の幅は、残されたゲート側壁絶縁膜181の幅に対応して制御で
きる。その結果、第1ゲート電極170に対して、ゲート側壁絶縁膜181の膜厚だけ、
データ保持絶縁膜175が突き出した形状となる。
Next, as shown in FIG. 57A, an insulating film such as a silicon oxide film is formed, for example, at 5 to 50 nm.
After being deposited with a thickness of about, the film is etched back by anisotropic etching to form a gate sidewall insulating
The
It is about ~ 300 nm. Note that the element isolation trench is not formed in the cross section shown in FIG. By forming the gate sidewall insulating
The data
次に、必要に応じてエッチングダメージ回復のための熱処理を行った後、図58(A)
に示されるように、素子分離溝177をシリコン酸化膜等の絶縁膜で埋め込み、CMP法
によって平坦化した後、CMP法のストッパであるマスク材180をウェットエッチング
により除去する。また、図58(B)に示される断面においては、マスク材180を除去
して、第1ゲート電極170の上表面を露出させる。
Next, after performing heat treatment for recovery of etching damage as necessary, FIG.
As shown in FIG. 4, after the
次に、図59に示されるように、例えばポリシリコンやWSiとポリシリコンとのスタ
ック構造、または、NiSi、MoSi、TiSi、CoSiとポリシリコンのスタック
構造、金属とポリシリコンのスタック構造、またはシリコンの金属化合物や金属の単層構
造からなる第2ゲート電極171を堆積し、第1ゲート電極170と合わせて、メモリセ
ルのゲート電極166とする。
Next, as shown in FIG. 59, for example, a stack structure of polysilicon or WSi and polysilicon, or a stack structure of NiSi, MoSi, TiSi, CoSi and polysilicon, a stack structure of metal and polysilicon, or silicon A
次に、図60(B)に示されるようにフォトリソグラフィーによってゲートのパターン
を形成し、異方性エッチングによってゲート電極166をエッチングする。この際、通常
の場合、ブロック絶縁膜174はわずかにエッチングされるが、データ保持絶縁膜173
はエッチングしないようにする。
Next, as shown in FIG. 60B, a gate pattern is formed by photolithography, and the
Do not etch.
必要に応じてエッチングダメージ回復のための熱処理を行ってもよい。また、この工程
の後に、例えば、2nmから20nmの範囲で、第1ゲート電極を酸化することによって
、ダメージ回復を行っても良い。なお、図61(A)に示される断面においては、ゲート
電極166はエッチングされない。
If necessary, heat treatment for recovering etching damage may be performed. Further, after this step, damage recovery may be performed by oxidizing the first gate electrode in the range of 2 nm to 20 nm, for example. Note that the
次に、図61(B)に示されるように、例えば、TEOSやHTOからなるシリコン酸
化膜又はシリコン窒化膜からなる絶縁膜を例えば5〜50nm程度の厚さで堆積し、異方
性エッチングによってこれをエッチバックし、ゲート側壁絶縁膜175を形成する。この
ときにゲート側壁絶縁膜175をマスクとしてデータ保持絶縁膜173及びトンネル絶縁
膜172もエッチングする。その結果、ゲート電極166に対して、ゲート側壁絶縁膜1
75の膜厚だけ、データ保持絶縁膜173が突き出した形状となる。なお、図61(A)
に示される断面では、ゲート側壁絶縁膜175は形成されない。
Next, as shown in FIG. 61B, for example, a silicon oxide film made of TEOS or HTO or an insulating film made of silicon nitride film is deposited to a thickness of about 5 to 50 nm, for example, and anisotropic etching is performed. This is etched back to form a gate sidewall insulating
The data holding insulating
In the cross section shown in FIG. 5, the gate sidewall insulating
ここで、側壁絶縁膜175を堆積によってではなく、ゲート多結晶シリコンを酸化する
ことによって形成しても良い。この場合、側壁絶縁膜175の厚さは酸化量によって調整
される。
Here, the
次に、図62に示されるように、層間絶縁膜176を表面上に堆積し、層間絶縁膜17
6中にコンタクトプラグ167を形成し、メタル配線(図示せず)等を形成する工程を経
て不揮発性メモリセルを完成させる。
Next, as shown in FIG. 62, an
6, a
このように、本実施例の半導体装置の製造方法によれば、ゲート電極に対してデータ保
持絶縁膜が突き出した形状となっているので、ブロック絶縁膜、データ保持絶縁膜、及び
トンネル絶縁膜をエッチングする工程における加工ダメージを受けたデータ保持絶縁膜端
をデータ保持絶縁膜およびトランジスタのゲート絶縁膜として使用しなくて済むため、メ
モリセルの信頼性が向上する。とりわけ、図52(A)におけるソース、ドレイン間電流
の流れる方向(“Q−R”線方向)と平行な2辺(ゲートエッジを定義する2辺)におい
て、データ保持絶縁膜が突き出している形状になっていることの効果が大きい。
Thus, according to the manufacturing method of the semiconductor device of this embodiment, since the data holding insulating film protrudes from the gate electrode, the block insulating film, the data holding insulating film, and the tunnel insulating film are provided. The reliability of the memory cell is improved because it is not necessary to use the end of the data holding insulating film that has been damaged in the etching process as the data holding insulating film and the gate insulating film of the transistor. In particular, the shape in which the data retention insulating film protrudes on two sides (two sides defining the gate edge) parallel to the direction in which the current between the source and drain flows (the “QR” line direction) in FIG. The effect of being is great.
本実施例の製造方法によれば、実施例3と同様の効果を得ることができる。すなわち、
第1ゲート電極でチャネル幅を規定し、第2ゲート電極でチャネル長を規定することによ
って、メモリセルを形成するデータ保持絶縁膜の面積を2つのリソグラフィによって決め
ることができる。さらにこの2つのリソグラフィでは、直線状のパターンを用いることが
できる。よって、浮遊ゲートと制御ゲートとのリソグラフィ寸法に大きく依存する浮遊ゲ
ート型不揮発性半導体装置よりも寸法ばらつきのメモリ特性に対する影響要因をチャネル
幅とチャネル長以外で減らすことができる。よって、メモリセルごとの書き込み電圧や消
去電圧を安定させることができ、信頼性を向上できる。
According to the manufacturing method of the present embodiment, the same effect as in the third embodiment can be obtained. That is,
By defining the channel width with the first gate electrode and the channel length with the second gate electrode, the area of the data holding insulating film forming the memory cell can be determined by two lithography methods. Furthermore, in these two lithography, a linear pattern can be used. Therefore, the influence factors on the memory characteristics of the dimensional variation can be reduced other than the channel width and the channel length as compared with the floating gate type nonvolatile semiconductor device that largely depends on the lithography dimensions of the floating gate and the control gate. Therefore, the write voltage and erase voltage for each memory cell can be stabilized and the reliability can be improved.
また、第1ゲート電極が形成されていない部分には、データ保持絶縁膜が形成されてい
ない。よって、例えば、第2ゲート電極の下にデータ保持絶縁膜が形成されている場合に
生じる第2ゲート電極の下のデータ保持絶縁膜の電極加工中や動作時のデータ保持絶縁膜
への電荷注入が生じない。よってこれらの電荷注入が起因となる隣接するメモリセル間の
耐圧ばらつきや電流漏れの問題が生じない。
Further, the data retention insulating film is not formed in the portion where the first gate electrode is not formed. Thus, for example, charge injection into the data retention insulating film during or during the processing of the data retention insulating film under the second gate electrode, which occurs when the data retention insulating film is formed under the second gate electrode Does not occur. Therefore, there is no problem of variations in breakdown voltage or current leakage between adjacent memory cells due to these charge injections.
(実施例4の変形例)
本変形例では、図63に示されるようにバーチャルグラウンドアレイセル構造を実現す
る。図63は、図52(C)に示される断面に対応した構造を拡大して示している。ここ
では、実施例4と異なり、素子分離領域160を設けておらず、代わりに高濃度不純物領
域185が半導体基板161中に設けられている。
(Modification of Example 4)
In this modification, a virtual ground array cell structure is realized as shown in FIG. FIG. 63 shows an enlarged view of the structure corresponding to the cross section shown in FIG. Here, unlike the fourth embodiment, the
この半導体装置の製造方法は、実施例4の半導体装置の製造方法において、図57に示
された半導体基板161をエッチングする工程に代えて、半導体基板161表面からマス
ク材180の高さまで絶縁膜を埋め込む。
This semiconductor device manufacturing method is the same as the semiconductor device manufacturing method according to the fourth embodiment except that an insulating film is formed from the surface of the
さらに、図61に示される工程に代えて、図63に示されるように、隣接するゲート電
極間の素子分離を良好とするために例えば、ボロンやインジウムからなるP型不純物を1
011cm-2から1014cm-2の範囲で注入して高濃度不純物領域185を形成する。
この際、ソース及びドレイン不純物領域部分は、側壁絶縁膜が上部にもあらかじめ形成さ
れているので、P型不純物のイオンが側壁絶縁膜下の手前で止まるように制限することに
より、N型ソース及びドレイン不純物領域にはP型不純物の混入を行わないように制限で
きる。このP型不純物のイオン注入エネルギーとしては、1eVから100eVの範囲と
する。また、この際、P型不純物注入イオンのデータ保持絶縁膜に導入されるダメージを
ゲート電極側壁絶縁膜によって分離することができ、より高信頼性のメモリセルを実現で
きる。このような形状のバーチャルグラウンドアレイセルでは、絶縁物埋め込みによる素
子分離領域に替えて、Pプラス拡散層又はNプラス拡散層を形成し、それぞれが素子分離
の役割を果たしている。ここでは、Nプラス拡散層がビット線になったり、ソース線にな
ったりして固定されていない。
Further, instead of the process shown in FIG. 61, as shown in FIG. 63, in order to improve the element isolation between the adjacent gate electrodes, for example, a P-type impurity made of boron or indium is 1
A high concentration impurity region 185 is formed by implantation in the range of 0 11 cm −2 to 10 14 cm −2 .
At this time, since the side wall insulating film is also formed on the upper portion of the source and drain impurity region portions, by restricting the ions of the P type impurity to stop before the side wall insulating film, The drain impurity region can be limited not to be mixed with P-type impurities. The ion implantation energy of this P-type impurity is in the range of 1 eV to 100 eV. At this time, damage introduced into the data holding insulating film of the P-type impurity implanted ions can be separated by the gate electrode side wall insulating film, and a more reliable memory cell can be realized. In the virtual ground array cell having such a shape, a P plus diffusion layer or an N plus diffusion layer is formed in place of the element isolation region by embedding an insulator, and each plays a role of element isolation. Here, the N plus diffusion layer becomes a bit line or a source line and is not fixed.
本変形例は、実施例4と同様の効果を有し、さらに、隣接するゲート電極間の素子分離
を良好とするために、例えば、ボロンやインジウムからなるp型不純物を添加した場合に
は、エッジ部分の反転層形成を抑え、さらに接するメモリセル間のチャネル間の耐圧ばら
つきや電流漏れの問題発生を低減できる。
This modification has the same effect as that of the fourth embodiment. Furthermore, in order to improve element isolation between adjacent gate electrodes, for example, when a p-type impurity made of boron or indium is added, It is possible to suppress the formation of the inversion layer at the edge portion, and to reduce the occurrence of problems such as variations in breakdown voltage between channels between memory cells in contact with each other and current leakage.
本発明における実施例5の半導体装置の構造を図64に示す。図64(A)には、本実
施例の半導体装置の上面図が示されていて、素子分離領域190に囲まれて、素子領域1
91が直線状に左右方向に形成されている。この素子領域191の長手方向に直交して、
ゲート電極192が形成されている。素子領域191には、ゲート電極192の左右それ
ぞれの側にコンタクト193が1対設けられている。また、ゲート電極192には、その
端部に幅の広い領域が設けられ、そこにはゲートコンタクト194が設けられている。こ
のメモリセルではゲート電極192の両側の素子領域191がソース拡散層195、ドレ
イン拡散層196となり、データ読み出し時にはソース拡散層195からドレイン拡散層
196へ図64(A)中の矢印で示されるSからT方向へ流れる電流量によって書き込み
状態と消去状態とを判別する。このような構造は、NAND型EEPROMやNOR型E
EPROM等で利用される。
The structure of the semiconductor device according to Example 5 of the present invention is shown in FIG. FIG. 64A shows a top view of the semiconductor device of this embodiment, which is surrounded by the
91 is linearly formed in the left-right direction. Perpendicular to the longitudinal direction of the element region 191,
A
Used in EPROM.
図64(A)における“S−T”線上での断面図が、図64(B)に示される。半導体
基板197上にゲート電極192が形成され、その両側の半導体基板197中にソース拡
散層195、ドレイン拡散層196が形成されている。ゲート電極192は、トンネル絶
縁膜198、データ保持絶縁膜(電荷蓄積領域)199、ブロック絶縁膜200からなる
ゲート絶縁膜の上に積層されている。半導体基板197、ゲート電極192の表面上には
層間絶縁膜201が形成されている。ここで、ブロック絶縁膜200はゲート電極192
のエッジ部202で、その厚さが中央部よりも厚く形成されている。
A cross-sectional view on the “ST” line in FIG. 64A is shown in FIG. A
The
また、図64(A)における“U−V”線上での断面図が、図64(C)に示される。
半導体基板197中には、素子分離溝203が設けられ、その中に素子分離領域190が
形成されている。素子分離領域190の間には、トンネル絶縁膜198、データ保持絶縁
膜199、ブロック絶縁膜200からなるゲート絶縁膜及びゲート電極192が形成され
ている。このブロック絶縁膜200上には、ゲート電極192が素子分離領域190上に
まで延在して形成されている。ここで、ブロック絶縁膜200はゲート電極192のエッ
ジ部204において、その厚さが中央部よりも厚く形成されている。
FIG. 64C shows a cross-sectional view on the “U-V” line in FIG.
An
このようにゲート絶縁膜厚がゲート電極のエッジ部で厚くなっていることに特徴があり
、このためにリードディスターブ特性が改善する。とくにトンネル絶縁膜198又はブロ
ック絶縁膜200が厚くなっていることに特徴があり、好ましくはブロック絶縁膜200
のエッジ部が厚くなっていることが望ましい。これは電荷が通過するトンネル酸化膜19
8やデータ保持絶縁膜199の膜厚が不均一であると、消去特性やデータ保持特性のばら
つきの原因となるのに対して、電荷の通過がないブロック絶縁膜200がエッジで厚膜化
しても、特性ばらつきの原因とはならないためである。
As described above, the gate insulating film thickness is increased at the edge portion of the gate electrode, which improves the read disturb characteristic. In particular, the
It is desirable that the edge part of this is thick. This is because of the
8 and non-uniform thickness of the data
ここで、不揮発性メモリの読み出し動作においては、ゲート電極に読み出し電圧Vre
fが加えられるが、読み出し動作を繰り返すのに伴い、Vefにより作られた電界によっ
て消去状態のセルの閾値が上昇し、書き込み状態のセルとの閾値マージンが減少するとい
う問題があり、これはリードディスターブと呼ばれている。
Here, in the read operation of the nonvolatile memory, the read voltage Vre is applied to the gate electrode.
Although f is added, as the read operation is repeated, there is a problem in that the threshold value of the erased cell increases due to the electric field generated by Vef, and the threshold margin with the write state cell decreases. It is called disturb.
本実施例ではエッジ部で、ゲート絶縁膜が厚膜化しているために、Vrefが作る電界
がエッジ部で弱められる。このためにチャネル中央部と比較してエッジ部でリードディス
ターブによる閾値変動が抑制される。これは、図64(B)及び(C)で示すようにメモ
リセルを(I)、(II)、(III)及び(IV)、(V)、(VI)に分割した場合
に、(I)、(III)と(IV)、(VI)の閾値変動が小さくなることを示している
。これらの領域(I)、(II)、(III)、(IV)、(V)、(VI)はバーズビ
ークの進入深さで定義される。
In this embodiment, since the gate insulating film is thickened at the edge portion, the electric field generated by Vref is weakened at the edge portion. For this reason, threshold fluctuation due to read disturbance is suppressed at the edge portion as compared with the channel center portion. As shown in FIGS. 64B and 64C, when the memory cell is divided into (I), (II), (III) and (IV), (V), (VI), (I ), (III), (IV), and (VI) show that the threshold fluctuation is small. These regions (I), (II), (III), (IV), (V), (VI) are defined by the penetration depth of bird's beaks.
特にソース、ドレイン間電流が流れる方向である図64(A)の“S−T”線方向と平
行な2辺(素子分離端)における閾値変動が小さくなることの効果が大きい。
In particular, the effect of reducing threshold fluctuations on two sides (element isolation ends) parallel to the “ST” line direction in FIG. 64A, which is the direction in which the source-drain current flows, is significant.
このことを図65を用いて説明する。図65(A)には、図64(B)の断面に相当す
るトランジスタの回路図を示し、図65(B)には、図64(C)の断面に相当するトラ
ンジスタの回路図を示し、図65(C)には横軸にゲート電圧、縦軸にドレイン電流を表
し、データ保持絶縁膜の状態ごとの電流―電圧特性の変化を示す。図65(A)に示され
る回路図では、ゲートが共通に接続された3つのトランジスタ(I)、(II)、(II
I)がソース、ドレイン間で直列に接続された構成が示される。このトランジスタ(I)
、(II)、(III)は、図64(B)におけるメモリセルトランジスタ(I)、(I
I)、(III)の領域にそれぞれが対応している。トランジスタ(I)、(III)が
ブロック絶縁膜が厚膜化しているエッジ部202に対応する。また、図65(B)に示さ
れる回路図では、ゲートが共通に接続された3つのトランジスタ(IV)、(V)、(V
I)がソース、ドレイン間で並列に接続された構成が示される。このトランジスタ(IV
)、(V)、(VI)は、図64(C)におけるメモリセルトランジスタ(IV)、(V
)、(VI)の領域にそれぞれが対応している。トランジスタ(IV)、(VI)がブロ
ック絶縁膜が厚膜化しているエッジ部204に対応する。
This will be described with reference to FIG. 65A shows a circuit diagram of a transistor corresponding to the cross section of FIG. 64B, FIG. 65B shows a circuit diagram of a transistor corresponding to the cross section of FIG. 64C, FIG. 65C shows the gate voltage on the horizontal axis and the drain current on the vertical axis, and shows changes in the current-voltage characteristics for each state of the data retention insulating film. In the circuit diagram shown in FIG. 65A, three transistors (I), (II), (II
A configuration in which I) is connected in series between the source and drain is shown. This transistor (I)
, (II), (III) are the memory cell transistors (I), (I) in FIG.
These correspond to the areas I) and (III), respectively. The transistors (I) and (III) correspond to the
A configuration in which I) is connected in parallel between the source and drain is shown. This transistor (IV
), (V), (VI) are the memory cell transistors (IV), (V) in FIG.
) And (VI) respectively. The transistors (IV) and (VI) correspond to the
図65(C)はメモリセルのドレイン電流(Id)−ゲート電圧(Vg)特性を示して
いる。消去状態のメモリセルは読み出し時のVrefストレスによって閾値が上昇するが
、エッジ部(IV)、(VI)では電界が弱められているために閾値変動が小さい。MO
NOS型メモリのように電荷蓄積層として絶縁膜を用いたメモリでは、トラップされた電
荷が絶縁膜中をほとんど移動しないので、エッジ部(IV)、(VI)の閾値は中央部(
V)と比較して低いままに保たれる。図65(C)に示されるように領域(IV)、(V
)、(VI)はソース−ドレイン間に並列に配置されているので、メモリセルの閾値は、
より閾値の低い(IV)、(VI)によって決定される。このためエッジ部の電界を弱め
て領域(IV)、(VI)の閾値変動を抑制することにより、メモリセルの閾値変動を抑
制することが可能となる。
FIG. 65C shows the drain current (Id) -gate voltage (Vg) characteristics of the memory cell. The threshold value of the memory cell in the erased state increases due to the Vref stress at the time of reading, but the threshold value fluctuation is small because the electric field is weakened at the edge portions (IV) and (VI). MO
In a memory using an insulating film as a charge storage layer such as a NOS type memory, trapped charges hardly move in the insulating film, so that the threshold values of the edge portions (IV) and (VI) are set at the central portion (
V) remains low compared to V). As shown in FIG. 65 (C), the regions (IV) and (V
), (VI) are arranged in parallel between the source and drain, the threshold of the memory cell is
It is determined by (IV) and (VI) having lower thresholds. For this reason, the threshold value fluctuation of the memory cell can be suppressed by weakening the electric field at the edge portion to suppress the threshold value fluctuation in the regions (IV) and (VI).
本実施例のメモリセルでは、半導体基板197中の上部には図示しない低濃度不純物領
域であるウエルが形成されている。半導体基板197上に例えば膜厚が1nm〜15nm
程度のシリコン酸化膜やシリコン酸窒化膜等からトンネル絶縁膜198が形成されている
。さらに、このトンネル絶縁膜198上には、膜厚が例えば3nm〜30nm程度のシリ
コン窒化膜、シリコン酸窒化膜、Ta2O5膜、TiO2膜、Al2O3膜等の絶縁膜でデー
タ保持絶縁膜199が形成されている。
In the memory cell of this embodiment, a well which is a low concentration impurity region (not shown) is formed in the upper portion of the
A
さらにこのデータ保持絶縁膜199の上には、膜厚が例えば1nm〜15nm程度のシ
リコン酸化膜やシリコン酸窒化膜等でブロック絶縁膜200が形成されている。このブロ
ック絶縁膜200の上には、例えばポリシリコンやWSi(タングステンシリサイド)と
ポリシリコンとのスタック構造、又は、NiSi,MOSi,TiSi,CoSiとポリ
シリコンのスタック構造、金属とポリシリコンのスタック構造、又はシリコンの金属化合
物や金属の単層構造からなるゲート電極202が10nmから500nmの厚さで形成さ
れている。ここで、トンネル絶縁膜198の端に接する半導体基板197中には、ソース
不純物領域195、ドレイン不純物領域196が形成されている。
Further, on this data
図64に示されたトランジスタがメモリセルを構成する。消去動作、書き込み動作、読
み出し動作は、実施例3又は4と同様である。
The transistor shown in FIG. 64 constitutes a memory cell. The erase operation, write operation, and read operation are the same as in the third or fourth embodiment.
本実施例では、ゲート絶縁膜をエッジ部で厚膜化することによって、リードディスター
ブストレス時の電界をエッジ部で弱めて、エッジにおける閾値変動を抑制する。
In this embodiment, by thickening the gate insulating film at the edge portion, the electric field at the time of read disturb stress is weakened at the edge portion to suppress threshold fluctuation at the edge.
すなわち、読み出し電流が流れる向きと並列に配置された、絶縁膜端部における閾値上
昇を小さくすることで、チャネル中央部の閾値が上昇してもメモリセルの閾値としてはエ
ッジ部の閾値を検知するので、リードディスターブによるメモリセルの閾値変動を小さく
することができる。
That is, the threshold value of the edge portion is detected as the threshold value of the memory cell even if the threshold value at the center of the channel is increased by reducing the threshold value increase at the insulating film end portion arranged in parallel with the direction in which the read current flows. Therefore, the threshold fluctuation of the memory cell due to read disturb can be reduced.
また、電荷の通過のないブロック絶縁膜の膜厚を変化させることで、書き込み消去特性
やデータ保持特性のばらつきを引き起こすことなく、エッジ部で電界を弱めることができ
る。
Further, by changing the film thickness of the block insulating film through which charges do not pass, the electric field can be weakened at the edge portion without causing variations in write / erase characteristics and data retention characteristics.
ここで、図64(C)に示された断面に、実施例3の半導体装置の構造を組み合わせて
構成した半導体装置の構造の断面を拡大した例を図66に示す。ゲート電極192は第1
ゲート電極205とその上の第2ゲート電極206とからなり、第1ゲート電極205下
の半導体基板197と素子分離領域190の間には、素子分離側壁絶縁膜207が形成さ
れている。また、第1ゲート電極205側面と素子分離領域190の間には、ゲート電極
側壁絶縁膜(ポリシリコン側壁絶縁膜)208が形成されている。ブロック絶縁膜200
は、第1ゲート電極205端部下で、その厚さが他の部分よりも厚く形成されている。ま
た、第2ゲート電極206がゲート電極側壁絶縁膜208及び素子分離領域190に接す
る端部209では、第2ゲート電極206が半導体基板197方向へ張り出している。こ
のように、データ保持絶縁膜199は第1ゲート電極205よりもゲート電極側壁絶縁膜
208の厚さ分、素子分離領域203方向に突き出している。
Here, FIG. 66 shows an example in which the cross section of the structure of the semiconductor device configured by combining the cross section shown in FIG. 64C with the structure of the semiconductor device of Example 3 is enlarged. The
An element isolation sidewall insulating
Is formed thicker than the other portions under the end of the
次に、図64(B)に示された断面に、実施例3の半導体装置の構造を組み合わせて構
成した半導体装置の構造の断面を拡大した例を図67に示す。
Next, FIG. 67 shows an example in which the cross section of the structure of the semiconductor device configured by combining the cross section shown in FIG. 64B with the structure of the semiconductor device of Example 3 is enlarged.
半導体基板197上には、トンネル絶縁膜198が形成され、その上にはデータ保持絶縁
膜199が形成されている。このデータ保持絶縁膜199上には、ブロック絶縁膜200
が形成され、その上には、第1ゲート電極205が形成されている。この第1ゲート電極
205上には第2ゲート電極206が形成され、第1ゲート電極205及び第2ゲート電
極206側壁には、ゲート電極側壁絶縁膜(ポリシリコン側壁絶縁膜)208が形成され
ている。
A
And a
ここで、第1ゲート電極205端部下のブロック絶縁膜200とその上のゲート電極側
壁絶縁膜208を合わせた厚さが他の部分におけるブロック絶縁膜200の厚さよりも厚
く形成されている。トンネル絶縁膜198端部下の半導体基板197中には、ドレイン不
純物領域196が形成されている。このドレイン不純物領域196上方にデータ保持絶縁
膜199が形成されていない領域では、表面酸化膜210が形成されている。この表面酸
化膜210上には、層間絶縁膜201が形成されている。ここで、トンネル絶縁膜198
、データ保持絶縁膜199、ブロック絶縁膜200は、第1ゲート電極205よりもゲー
ト電極側壁絶縁膜208の厚さ分、層間絶縁膜201方向に突き出している。
Here, the total thickness of the
The data
本実施例では、ブロック絶縁膜200(ポリシリコン側壁酸化膜208の底部付近の領
域をも合わせて含んだ絶縁膜)の両端が、ソース、ドレイン不純物領域195、196近
辺と素子分離領域203近辺の両方において、厚く形成されているが、ソース、ドレイン
不純物領域195、196近辺と素子分離領域203近辺のいずれかにおいて、厚さが厚
く形成されていてもよい。すなわち、図64(A)の“S−T”線での断面又は“U−V
”線での断面のいずれか一方のみを採用し、他方を実施例3のプロトタイプの通りとして
もよい。
In this embodiment, both ends of the block insulating film 200 (an insulating film including the region near the bottom of the polysilicon side wall oxide film 208) are near the source and drain
Only one of the cross-sections taken along the line may be adopted, and the other may be as in the prototype of Example 3.
なお、実施例1における図2及び図3に示されるような形状の半導体装置としても本実
施例の半導体装置の効果を得ることができる。
Note that the effect of the semiconductor device of this embodiment can also be obtained as a semiconductor device having a shape as shown in FIGS.
次に図68乃至図76を用いて、本実施例の半導体装置を実現するための製造方法の一
例を説明する。
Next, an example of a manufacturing method for realizing the semiconductor device of this embodiment will be described with reference to FIGS.
図68乃至図76においては、それぞれ各図の(A)図が図64(A)における“S−
T”線上での断面、(B)図が図64(A)における“U−V”線上での断面に相当して
いる。
In FIGS. 68 to 76, (A) in each figure is “S--” in FIG. 64 (A).
The cross section on the “T” line and FIG. 64B correspond to the cross section on the “UV” line in FIG.
まず、半導体基板197上に犠牲酸化膜(図示せず)を形成した後、チャネル不純物や
ウエル不純物の注入を行い、犠牲酸化膜を剥離した後、図68に示されるように、半導体
基板197上に例えば1〜15nm程度の厚さのシリコン酸化膜やシリコン酸窒化膜等の
トンネル絶縁膜198を形成する。次に、例えば3〜30nm程度の厚さの電荷蓄積絶縁
膜であるシリコン窒化膜やシリコン酸窒化膜、Ta2O5膜、TiO2膜、Al2O3膜等の
絶縁膜、さらに例えば1〜15nm程度のシリコン酸化膜やシリコン酸窒化膜等のブロッ
ク絶縁膜200を介して、例えばポリシリコン等の第1ゲート電極205を10〜100
nm程度の厚さで堆積する。さらにマスク材211となるシリコン窒化膜等の絶縁膜を1
0〜200nm程度の厚さで堆積する。
First, after a sacrificial oxide film (not shown) is formed on the
Deposit with a thickness of about nm. Further, an insulating film such as a silicon nitride film that becomes the
Deposited with a thickness of about 0-200 nm.
次に、図69(A)に示されるように、フォトリソグラフィーによって素子分離領域の
パターンニングを行った後、マスク材211、第1ゲート電極205を異方性エッチング
により加工する。なお、図69(B)における断面では、素子分離領域はパターニングさ
れない。
Next, as shown in FIG. 69A, after patterning the element isolation region by photolithography, the
次に、図70(A)に示されるように、第1ポリシリコン電極205を酸化して、ポリ
シリコン側壁酸化膜208を形成する。このとき酸化剤がゲート電極エッジに入り込みブ
ロック絶縁膜200がエッジ部で厚膜化するように酸化条件を調整する。なお、図70(
B)に示される断面では、ポリシリコン側壁酸化膜208は形成されない。
Next, as shown in FIG. 70A, the
In the cross section shown in B), the polysilicon side
ここで、メモリセルのゲート幅をLWとすると、バーズビークによって厚膜化しないブ
ロック絶縁膜を残し、均一な書き込み消去状態を実現する必要がある。
Here, when the gate width of the memory cell is L W , it is necessary to realize a uniform write / erase state while leaving a block insulating film that is not thickened by bird's beak.
このため、バーズビークの進入長はLWの1/2以下である必要がある。この進入長を得
る酸化膜厚は、ゲート電極側壁部の酸化膜厚増分をLWの1/4より小さくする必要があ
る。
For this reason, the entry length of the bird's beak needs to be ½ or less of L W. In order to obtain this penetration length, it is necessary to make the oxide film thickness increment at the side wall of the gate electrode smaller than ¼ of L W.
よって、LWを0.2μm以下に微細化した場合、酸化膜厚増分を50nmより小さく
する必要がある。一方、側壁酸化量が20nm以下の場合、酸化膜厚増分は、側壁酸化量
の1/4程度である。ここで、素子分離膜形成のダメージ領域を回避するために2nm以
上の側壁酸化が必要であり、端部で厚膜化する酸化膜厚増分は0.6nm以上50nm以
下の範囲内にすることが望ましい。
Therefore, when L W is miniaturized to 0.2 μm or less, it is necessary to make the oxide film thickness increment smaller than 50 nm. On the other hand, when the side wall oxidation amount is 20 nm or less, the increment of the oxide film thickness is about 1/4 of the side wall oxidation amount. Here, side wall oxidation of 2 nm or more is necessary in order to avoid the damage region of element isolation film formation, and the increment of the oxide film thickness to be thickened at the end portion should be in the range of 0.6 nm to 50 nm. desirable.
次に、図71(A)に示されるように、ゲート絶縁膜198,199,200及び半導
体基板197を異方性エッチングして素子分離溝203を形成する。次に、この素子分離
溝203側面を酸化して、素子分離側壁酸化膜207を形成する。このように図70(A
)に示される第1ゲート電極205の酸化によって、ポリシリコン側壁酸化膜208を形
成し、このポリシリコン側壁酸化膜208をマスクとして、データ保持絶縁膜199がエ
ッチングされるため、ポリシリコン側壁酸化膜208とデータ保持絶縁膜199とを自己
整合的に位置合わせを行うことができる。よって、後述するHDP−SiO2の素子分離
絶縁膜埋め込み時のダメージを受けるデータ保持絶縁膜端の突出部を非常に小さくでき、
信頼性が向上する。
Next, as shown in FIG. 71A, the
The polysilicon side
Reliability is improved.
また、半導体領域の側壁酸化膜厚さをポリシリコンの側壁酸化膜よりもはるかに薄膜化
ができる。その厚さは例えば0から10nm程度の範囲に設定でき、半導体領域の凸部の
薄膜での電界集中を防ぐことができる。
Further, the sidewall oxide film thickness of the semiconductor region can be made much thinner than that of the polysilicon sidewall oxide film. The thickness can be set in the range of, for example, about 0 to 10 nm, and electric field concentration in the thin film on the convex portion of the semiconductor region can be prevented.
ここで、データ保持絶縁膜に順テーパが形成されるようにエッチングされる条件を用い
ることで、後の工程での素子分離トレンチへのシリコン酸化膜埋め込みをより容易にする
ことができる。順テーパの角度は半導体基板表面を基準として60°から89°の範囲の
角度が好ましい。製造方法において、素子分離絶縁膜を埋め込む際に、ゲート電極側壁酸
化膜、データ保持絶縁膜、及び半導体基板をすべて順テーパで形成することができるため
に、素子分離絶縁膜の埋め込み性が向上し、信頼性が向上する。また、ブロック絶縁膜に
バーズビークを入れることによってリードディスターブ特性が向上する。
Here, by using a condition in which the data holding insulating film is etched so that a forward taper is formed, the silicon oxide film can be embedded in the element isolation trench in a later process more easily. The forward taper angle is preferably in the range of 60 ° to 89 ° with respect to the semiconductor substrate surface. In the manufacturing method, when embedding the element isolation insulating film, the gate electrode sidewall oxide film, the data retention insulating film, and the semiconductor substrate can all be formed in a forward taper, so that the embedding property of the element isolation insulating film is improved. , Improve reliability. In addition, read disturb characteristics are improved by placing bird's beaks in the block insulating film.
本実施例においては、データ保持絶縁膜の両端は、半導体基板から0.5nm以上15
nm以下の範囲で突き出していることが信頼性上望ましく、トレンチ内壁に形成した酸化
膜の厚さは1nm以上16nm以下の範囲で形成することが好ましい。
In this embodiment, both ends of the data retention insulating film are 0.5 nm or more from the semiconductor substrate.
The protrusion in the range of nm or less is desirable for reliability, and the thickness of the oxide film formed on the inner wall of the trench is preferably formed in the range of 1 nm to 16 nm.
次に必要に応じてエッチングダメージ回復のための熱処理を行ってもよい。 Next, if necessary, heat treatment for recovering etching damage may be performed.
さらに、HDP−SiO2やTEOSなどのシリコン酸化膜などの堆積方法で、素子分
離溝をシリコン酸化膜等の絶縁膜で埋め込み、CMP法によって平坦化する。なお、図7
1(B)に示される工程では、素子分離溝は形成されない。
Further, the element isolation trench is filled with an insulating film such as a silicon oxide film by a deposition method such as a silicon oxide film such as HDP-
In the process shown in FIG. 1B, no element isolation trench is formed.
次に、図72に示されるように、CMP法のストッパであるマスク材211をウェット
エッチングにより除去する。
Next, as shown in FIG. 72, the
次に、図73に示されるように、ポリシリコンやWSi(タングステンシリサイド)と
ポリシリコンとのスタック構造、または、NiSi、MoSi、TiSi、CoSiとポ
リシリコンのスタック構造、金属とポリシリコンのスタック構造、またはシリコンの金属
化合物や金属の単層構造からなる第2ゲート電極206を堆積し、第1ゲート電極205
と合わせて、メモリセルのゲート電極192とする。
Next, as shown in FIG. 73, a stack structure of polysilicon or WSi (tungsten silicide) and polysilicon, a stack structure of NiSi, MoSi, TiSi, CoSi and polysilicon, or a stack structure of metal and polysilicon. Alternatively, a
Together with the
次に、図74(B)に示されるようにフォトリソグラフィーによってゲートのパターン
を形成し、異方性エッチングによってゲート電極192をエッチングする。このとき、ブ
ロック絶縁膜200、データ保持絶縁膜199、トンネル絶縁膜198はエッチングしな
い。なお、図74(A)に示される断面では、ゲート電極のエッチングは行なわれない。
Next, as shown in FIG. 74B, a gate pattern is formed by photolithography, and the
次に、図75(B)に示されるようにゲート電極192を酸化する。このとき酸化剤が
ゲート電極エッジに入り込みブロック絶縁膜200がエッジ部で厚膜化するように酸化条
件を調整する。なお、図75(A)に示される断面では、ゲート電極の酸化は行なわれな
い。
Next, as shown in FIG. 75B, the
ここで、メモリセルのゲート幅をLWとすると、バーズビークによって厚膜化しないブ
ロック絶縁膜を残し、均一な書き込み消去状態を実現する必要がある。
Here, when the gate width of the memory cell is L W , it is necessary to realize a uniform write / erase state while leaving a block insulating film that is not thickened by bird's beak.
このため、バーズビークの進入長はLWの1/2以下である必要がある。この進入長を
得る酸化膜厚は、ゲート電極側壁部の酸化膜厚増分をLWの1/4より小さくする必要が
ある。
For this reason, the entry length of the bird's beak needs to be ½ or less of L W. In order to obtain this penetration length, it is necessary to make the oxide film thickness increment at the side wall of the gate electrode smaller than ¼ of L W.
よって、LWを0.2μm以下に微細化した場合、酸化膜厚増分を50nmより小さく
する必要がある。一方、側壁酸化量が20nm以下の場合、酸化膜厚増分は、側壁酸化量
の1/4程度である。ここで、素子分離膜形成のダメージ領域を回避するために2nm以
上の側壁酸化が必要であり、端部で厚膜化する酸化膜厚増分は、0.6nm以上50nm
以下の範囲内にすることが望ましい。
Therefore, when L W is miniaturized to 0.2 μm or less, it is necessary to make the oxide film thickness increment smaller than 50 nm. On the other hand, when the side wall oxidation amount is 20 nm or less, the increment of the oxide film thickness is about 1/4 of the side wall oxidation amount. Here, side wall oxidation of 2 nm or more is necessary in order to avoid the damage region of the element isolation film formation, and the oxide film thickness increment to be thickened at the end is 0.6 nm to 50 nm.
It is desirable to be within the following range.
次に、図76(B)に示されるように、ゲート側壁絶縁膜212をマスクとして、ブロ
ック絶縁膜200、データ保持絶縁膜199、トンネル絶縁膜198をエッチングする。
Next, as shown in FIG. 76B, the
次に、拡散層不純物注入、層間絶縁膜201を堆積し、コンタクトプラグ193、19
4を形成し、メタル配線(図示せず)等の工程を経て不揮発性メモリセルを完成させる。
Next, diffusion layer impurity implantation, an
4 is formed, and a nonvolatile memory cell is completed through processes such as metal wiring (not shown).
このように、本実施例によれば、ゲート電極のエッジ部においてゲート絶縁膜、とくに
ブロック絶縁膜が厚膜化しているためにデータ読み出し時にゲート絶縁膜に加わる電界を
エッジ部において低下させることができるのでリードディスターブ特性が向上する。とり
わけ、図64(A)におけるソース、ドレイン間電流の流れる方向(S−T方向)と平行
な2辺(素子分離端と接する2辺)で、ゲート絶縁膜が厚膜化していることの効果が大き
い。
As described above, according to this embodiment, since the gate insulating film, particularly the block insulating film is thickened at the edge portion of the gate electrode, the electric field applied to the gate insulating film at the time of data reading can be reduced at the edge portion. As a result, read disturb characteristics are improved. In particular, the effect of increasing the thickness of the gate insulating film on two sides (two sides in contact with the element isolation end) parallel to the source-drain current flowing direction (ST direction) in FIG. Is big.
本実施例ではメモリセルトランジスタの素子領域を定義する4辺全てのエッジ部におい
てゲート絶縁膜が厚膜化しているが、4辺のうち少なくとも1辺、好ましくは、ソース、
ドレイン間電流の流れる方向と平行な2辺のエッジ部で、ゲート絶縁膜、好ましくはブロ
ック絶縁膜が厚膜化していればよい。
In this embodiment, the gate insulating film is thickened at all four edge portions defining the element region of the memory cell transistor, but at least one of the four sides, preferably the source,
It is only necessary that the gate insulating film, preferably the block insulating film, is thickened at two edge portions parallel to the direction in which the drain-to-drain current flows.
また、本実施例の半導体記憶装置の製造方法によれば、実施例3の半導体装置の製造方
法と同様の効果を得ることができる。さらに、リードディスターブによるメモリセルの閾
値変動が小さい半導体装置の製造方法を提供することができる。
Further, according to the method for manufacturing the semiconductor memory device of the present embodiment, the same effects as those of the method for manufacturing the semiconductor device of
本発明の実施例6の自己整合STIを用いたMONOS型メモリセルが図77に示され
る。図77(A)には、本実施例の半導体装置の上面図が示されていて、素子分離領域2
15に接して、一方側の半導体基板216中にソース不純物領域217が直線状に左右方
向に形成されている。このソース不純物領域217に対向して、素子分離領域215に接
して、他方側の半導体基板216中にドレイン不純物領域218が形成されている。ソー
ス不純物領域217には、その一部で幅が広く形成されていて、そこにはソースコンタク
ト219が形成されている。さらにドレイン不純物領域218には、その一部で幅が広く
形成されていて、そこにはドレインコンタクト220が形成されている。これらソース不
純物領域217、ドレイン不純物領域218の長手方向に直交して、ゲート電極220が
形成されている。
FIG. 77 shows a MONOS type memory cell using self-aligned STI according to the sixth embodiment of the present invention. FIG. 77A shows a top view of the semiconductor device of this example, and shows an
15,
また、ゲート電極220には、その端部に幅の広い領域が設けられ、そこにはコンタク
ト221が設けられている。このメモリセルではゲート電極220の下側の半導体基板2
16の一部がソース不純物領域217、ドレイン不純物領域218となり、データ読み出
し時にはソース不純物領域217からドレイン不純物領域218へ図77(A)中の矢印
で示されるYからZ方向へ流れる電流量によって書き込み状態と消去状態とを判別する。
このような構造は、AND型EEPROMやDINOR型EEPROM等で利用される。
Further, the
16 becomes a
Such a structure is used in an AND type EEPROM, a DINOR type EEPROM, or the like.
図77(A)における“W−X”線上での断面図が、図77(B)に示される。半導体
基板216上にゲート電極220が形成されている。ゲート電極220は、トンネル絶縁
膜222、データ保持絶縁膜(電荷蓄積領域)223、ブロック絶縁膜224からなるゲ
ート絶縁膜の上に積層されている。半導体基板216、ゲート電極220の表面上には層
間絶縁膜225が形成されている。ここでは、ゲート絶縁膜厚がゲート電極のエッジ部2
26で厚くなっていることに特徴があり、このためにリードディスターブ特性が改善する
。とくにトンネル絶縁膜222又はブロック絶縁膜224が厚くなっていることに特徴が
あり、好ましくはブロック絶縁膜224のエッジ部が厚くなっていることが望ましい。こ
れは電荷が通過するトンネル酸化膜222やデータ保持絶縁膜223の膜厚が不均一であ
ると、消去特性やデータ保持特性のばらつきの原因となるのに対して、電荷の通過がない
ブロック絶縁膜224がエッジで厚膜化しても、特性ばらつきの原因とはならないためで
ある。
A cross-sectional view on the “W-X” line in FIG. 77 (A) is shown in FIG. 77 (B). A
26 is characterized by a thickening, and this improves the read disturb characteristics. In particular, the
また、図77(A)における“Y−Z”線上での断面図が、図77(C)に示される。
半導体基板216中には、素子分離溝227が設けられ、その中に素子分離領域215が
形成されている。素子分離領域215の間には、トンネル絶縁膜222、データ保持絶縁
膜223、ブロック絶縁膜224からなるゲート絶縁膜及びゲート電極220が形成され
ている。ここでは、ゲート絶縁膜厚がゲート電極のエッジ部226で厚くなっていること
に特徴があり、このためにリードディスターブ特性が改善する。とくにトンネル絶縁膜2
22またはブロック絶縁膜224が厚くなっていることに特徴があり、好ましくはブロッ
ク絶縁膜224のエッジ部が厚くなっていることが望ましい。
A cross-sectional view along the “YZ” line in FIG. 77 (A) is shown in FIG. 77 (C).
An
22 or the
本メモリセルでは、半導体基板216中の上部には図示しない低濃度不純物領域である
ウエルが形成されている。半導体基板216上に例えば膜厚が1〜15nm程度のシリコ
ン酸化膜やシリコン酸窒化膜等からトンネル絶縁膜222が形成されている。さらに、こ
のトンネル絶縁膜222上には、膜厚が例えば3〜30nm程度のシリコン窒化膜、シリ
コン酸窒化膜、Ta2O5膜、TiO2膜、Al2O3膜等の絶縁膜でデータ保持絶縁膜22
3が形成されている。
In this memory cell, a well, which is a low-concentration impurity region (not shown), is formed in the upper portion of the
3 is formed.
さらにこのデータ保持絶縁膜223の上には、膜厚が例えば1〜15nm程度のシリコ
ン酸化膜やシリコン酸窒化膜等でブロック絶縁膜224が形成されている。このブロック
絶縁膜224の上には、例えばポリシリコンやWSi(タングステンシリサイド)とポリ
シリコンとのスタック構造、又は、NiSi,MOSi,TiSi,CoSiとポリシリ
コンのスタック構造、金属とポリシリコンのスタック構造、又はシリコンの金属化合物や
金属の単層構造からなるゲート電極166が10nmから500nmの厚さで形成されて
いる。ここで、素子分離領域227の端に接する半導体基板216中には、ソース不純物
領域217、ドレイン不純物領域218が形成されている。このソース不純物領域217
、ドレイン不純物領域218は、トンネル絶縁膜222の端の下方の素子分離領域227
下に形成されている。
Further, on the data holding insulating
The
Formed below.
不揮発性メモリの読み出し動作においてはゲート電極に読み出し電圧Vrefが加えら
れるが、読み出し動作を繰り返すのに伴い、Vrefにより作られた電界によって消去状
態のセルの閾値が上昇し、書き込み状態のセルとの閾値マージンが減少するリードディス
ターブという問題がある。
In the read operation of the non-volatile memory, the read voltage Vref is applied to the gate electrode. As the read operation is repeated, the threshold value of the erased cell increases due to the electric field generated by Vref, and the cell is in the write state. There is a problem of read disturb in which the threshold margin decreases.
本実施例ではゲート電極220のエッジ部226,228で、ゲート絶縁膜222,2
24が厚膜化しているために、Vrefが作る電界がエッジ部226,228で弱められ
る。このためにチャネル中央部と比較してエッジ部226,228でリードディスターブ
による閾値変動が抑制される。これは、図77(B)、(C)で示すようにメモリセルを
領域(I)、(II)、(III)及び領域(IV)、(V)、(VI)に分割した場合
に、領域(I)、(III)と領域(IV)、(VI)の閾値変動が小さくなることを示
している。特にソース、ドレイン間電流が流れる方向である図77(A)の“Y−Z”線
方向と平行な2辺(素子分離端)における閾値変動が小さくなることの効果が大きい。
In this embodiment, the
Since 24 is thickened, the electric field generated by Vref is weakened at the
このことを図78(A)、(B)、(C)で説明する。図78(A)には、図77(B
)の断面に相当するトランジスタの回路図を示し、図78(B)には、図77(C)の断
面に相当するトランジスタの回路図を示し、図78(C)には横軸にゲート電圧、縦軸に
ドレイン電流を表し、データ保持絶縁膜の状態ごとの電流―電圧特性の変化を示す。図7
8(A)に示される回路図では、ゲートが共通に接続された3つのトランジスタ(I)、
(II)、(III)がソース、ドレイン間で並列に接続された構成が示される。このト
ランジスタ(I)、(II)、(III)は、図77(B)におけるメモリセルトランジ
スタ(I)、(II)、(III)の領域にそれぞれが対応している。また、図78(B
)に示される回路図では、ゲートが共通に接続された3つのトランジスタ(IV)、(V
)、(VI)がソース、ドレイン間で直列に接続された構成が示される。このトランジス
タ(IV)、(V)、(VI)は、図77(C)におけるメモリセルトランジスタ(IV
)、(V)、(VI)の領域にそれぞれが対応している。
This will be described with reference to FIGS. 78 (A), (B), and (C). In FIG. 78A, FIG.
) Is a circuit diagram of a transistor corresponding to the cross section of FIG. 78, FIG. 78B is a circuit diagram of a transistor corresponding to the cross section of FIG. 77C, and FIG. The vertical axis represents the drain current, and shows the change in the current-voltage characteristic for each state of the data retention insulating film. FIG.
In the circuit diagram shown in FIG. 8 (A), three transistors (I) whose gates are commonly connected,
A configuration in which (II) and (III) are connected in parallel between the source and drain is shown. The transistors (I), (II), and (III) correspond to the regions of the memory cell transistors (I), (II), and (III) in FIG. 77B, respectively. FIG. 78 (B
In the circuit diagram shown in FIG. 3, three transistors (IV), (V
), (VI) is shown in the source and drain connected in series. The transistors (IV), (V), (VI) are the memory cell transistors (IV) in FIG.
), (V), and (VI) respectively correspond to the areas.
図78(C)はメモリセルのドレイン電流Id−ゲート電圧特性Vg特性を示している
。消去状態のメモリセルは読み出し時のVrefストレスによって閾値が上昇するが、エ
ッジ部(I)、(III)では電界が弱められているために中央部(II)に比べて、閾
値変動が小さい。MONOS型メモリのように電荷蓄積層として絶縁膜を用いたメモリで
は、トラップされた電荷が絶縁膜中をほとんど移動しないので、エッジ部(I)、(II
I)の閾値は中央部(II)と比較して低いままに保たれる。図78(A)に示すように
領域(I)、(II)、(III)はソース-ドレイン間に並列に配置されているので、
メモリセルの閾値は、より閾値の低い領域(I)、(III)によって決定される。この
ためエッジ部の電界を弱めて(I)、(III)の閾値変動を抑制することにより、メモ
リセルの閾値変動を抑制することが可能となる。
FIG. 78C shows a drain current Id-gate voltage characteristic Vg characteristic of the memory cell. The threshold value of the memory cell in the erased state rises due to Vref stress at the time of reading, but the threshold value fluctuation is smaller than that of the central part (II) because the electric field is weakened at the edge parts (I) and (III). In a memory using an insulating film as a charge storage layer like a MONOS type memory, trapped charges hardly move in the insulating film, so that the edge portions (I), (II
The threshold of I) remains low compared to the central part (II). As shown in FIG. 78 (A), since the regions (I), (II), and (III) are arranged in parallel between the source and drain,
The threshold value of the memory cell is determined by regions (I) and (III) having lower threshold values. For this reason, it is possible to suppress the threshold fluctuation of the memory cell by weakening the electric field of the edge portion and suppressing the threshold fluctuation of (I) and (III).
本実施例の半導体装置の消去動作、書き込み動作及び読み出し動作は実施例4の半導体
装置と同様である。
The erase operation, write operation, and read operation of the semiconductor device of this embodiment are the same as those of the semiconductor device of the fourth embodiment.
次に、図77(C)に示される断面の拡大図を図79に示す。 Next, an enlarged view of the cross section shown in FIG. 77C is shown in FIG.
第1ゲート電極230と素子分離領域215の間には、ポリシリコン側壁絶縁膜231
が形成されている。さらにこのポリシリコン側壁絶縁膜231と素子分離絶縁膜215と
の間には、ゲート側壁絶縁膜232が形成されている。このゲート側壁絶縁膜232は、
データ保持絶縁膜223の側面にまで延びて形成されている。また、第2ゲート電極23
3が第1ゲート電極230上に形成されていて、ポリシリコン側壁酸化膜231、ゲート
側壁絶縁膜232及び素子分離領域215に接する端部234では、第2ゲート電極23
3が半導体基板216方向へ張り出している。このように、データ保持絶縁膜223は第
1ゲート電極230よりもポリシリコン側壁酸化膜231の厚さ分、素子分離領域215
方向に突き出している。また、ブロック絶縁膜224は第1ゲート電極230の端部下で
、他の部分よりもその厚さが厚く形成されている。
Between the
Is formed. Further, a gate sidewall insulating
The data
3 is formed on the
3 protrudes in the direction of the
Protruding in the direction. Further, the
また、トンネル絶縁膜222に接続して、素子分離側壁絶縁膜235が素子分離領域2
15と半導体基板216との間に形成されている。さらにデータ保持絶縁膜223の端部
の下方には、ドレイン不純物領域217が形成されている。
Further, the element isolation side
15 and the
図79に示された構造では、データ保持絶縁膜223の端部が、第1ゲート電極230
に対して突き出しているが、必ずしも第1ゲート電極230に対して突き出している必要
はない。すなわち、図77(B)、(C)に示されるように、ゲート電極に側壁絶縁膜を
形成せず、データ保持絶縁膜223の端部がゲート電極220に対して突き出さないよう
に構成できる。また、本実施例ではメモリセルトランジスタのゲート電極の端部の下方の
4辺全てにおいてブロック絶縁膜が厚く形成されているが、4辺のうち少なくとも1辺、
好ましくは、ソース、ドレイン間電流の流れる方向と平行な2辺の端部で、ゲート絶縁膜
、好ましくはブロック絶縁膜が厚く形成されていればよい。
In the structure shown in FIG. 79, the end portion of the data
However, it is not always necessary to protrude from the
Preferably, the gate insulating film, preferably the block insulating film, may be formed thick at the ends of the two sides parallel to the direction in which the source-drain current flows.
このように、本実施例の半導体装置によれば、ゲート電極エッジ部下方においてゲート
絶縁膜、特にブロック絶縁膜が厚膜化しているためにデータ読み出し時にゲート絶縁膜に
加わる電界をゲート電極のエッジ部において低下させることができるのでリードディスタ
ーブ特性が向上する。とりわけ、ソース、ドレイン間電流の流れる方向(図77(A)に
おける“Y−Z”線方向)と平行な2辺(ゲートエッジを定義する2辺)、すなわち、図
77(B)に示される断面で、ゲート絶縁膜端部が厚膜化していることの効果が大きい。
As described above, according to the semiconductor device of this embodiment, since the gate insulating film, in particular, the block insulating film is thickened below the edge portion of the gate electrode, the electric field applied to the gate insulating film at the time of data reading is changed to the edge of the gate electrode. Therefore, the read disturb characteristic is improved. In particular, two sides (two sides defining the gate edge) parallel to the direction in which the current between the source and drain flows (the direction of the “YZ” line in FIG. 77A), that is, FIG. 77B is shown. The effect of increasing the thickness of the end portion of the gate insulating film in the cross section is significant.
次に図80乃至図88を用いて、本実施例の半導体装置の製造方法の一例を説明する。 Next, an example of a method for manufacturing the semiconductor device of this embodiment will be described with reference to FIGS.
図80乃至図88においては、それぞれ各図の(A)図が図77(A)における“Y−
Z”線上での断面、(B)図が図77(A)における“W−X”線上での断面に相当して
いる。
In FIGS. 80 to 88, (A) in each figure is “Y--” in FIG. 77 (A).
The cross section on the Z ”line, (B) corresponds to the cross section on the“ WX ”line in FIG. 77 (A).
まず、半導体基板216上に犠牲酸化膜(図示せず)を形成した後、チャネル不純物や
ウエル不純物の注入を行い、犠牲酸化膜を剥離する。
First, after a sacrificial oxide film (not shown) is formed on the
次に、図80(A)及び図80(B)に示されるように、半導体基板216上に例えば
1〜15nm程度の厚さのシリコン酸化膜やシリコン酸窒化膜等のトンネル絶縁膜222
、例えば3〜30nm程度の厚さのシリコン窒化膜やシリコン酸窒化膜、Ta2O5、Ti
O2、Al2O3等の絶縁膜により、データ保持絶縁膜223を順次形成する。さらに例え
ば1〜15nm程度の厚さのシリコン酸化膜やシリコン酸窒化膜等により、ブロック絶縁
膜224を形成する。さらにその上に、例えばポリシリコン等により、第1ゲート電極2
30を10〜100nm程度の厚さで堆積する。さらにシリコン窒化膜等の絶縁膜を10
〜200nm程度の厚さで堆積してマスク材240を形成する。
Next, as shown in FIGS. 80A and 80B, a
For example, a silicon nitride film or silicon oxynitride film having a thickness of about 3 to 30 nm, Ta 2 O 5 , Ti
A data
30 is deposited to a thickness of about 10 to 100 nm. Further, an insulating film such as a silicon nitride film is added to 10
A
次に、図81(A)に示される工程において、フォトリソグラフィーによって素子分離
領域のパターンニングを行った後、マスク材240、第1ゲート電極230、ブロック絶
縁膜224、データ保持絶縁膜223及びトンネル絶縁膜232を異方性エッチングによ
り加工する。なお、図81(B)に示される断面では、エッチングは行なわれない。
Next, in the step shown in FIG. 81A, after patterning the element isolation region by photolithography, the
次に、図82(A)に示されるように、マスク材240をマスクに半導体基板216中
に拡散層不純物を注入して、ソース、ドレイン不純物領域217、218を形成する。続
いて、第1ゲート電極230を酸化する。このとき酸化剤がゲート電極エッジに入り込み
ブロック絶縁膜224がエッジ部で厚膜化するように酸化条件を調整する。なお、この工
程において、図82(B)に示される断面では、不純物注入や酸化は行なわれない。
Next, as shown in FIG. 82A, diffusion layer impurities are implanted into the
ここで、メモリセルのゲート幅をLWとすると、バーズビークによって厚膜化しないブ
ロック絶縁膜を残し、均一な書き込み消去状態を実現する必要がある。
Here, when the gate width of the memory cell is L W , it is necessary to realize a uniform write / erase state while leaving a block insulating film that is not thickened by bird's beak.
このため、バーズビークの進入長はLWの1/2以下である必要がある。この進入長を得
る酸化膜厚は、ゲート電極側壁部の酸化膜厚増分をLWの1/4より小さくする必要があ
る。
For this reason, the entry length of the bird's beak needs to be ½ or less of L W. In order to obtain this penetration length, it is necessary to make the oxide film thickness increment at the side wall of the gate electrode smaller than ¼ of L W.
よって、LWを0.2μm以下に微細化した場合、酸化膜厚増分を50nmより小さく
する必要がある。一方、側壁酸化量が20nm以下の場合、酸化膜厚増分は、側壁酸化量
の1/4程度である。ここで、素子分離膜形成のダメージ領域を回避するために2nm以
上の側壁酸化が必要であり、端部で厚膜化する酸化膜厚増分は。0.6nm以上50nm
以下の範囲内にすることが望ましい。
Therefore, when L W is miniaturized to 0.2 μm or less, it is necessary to make the oxide film thickness increment smaller than 50 nm. On the other hand, when the side wall oxidation amount is 20 nm or less, the increment of the oxide film thickness is about 1/4 of the side wall oxidation amount. Here, side wall oxidation of 2 nm or more is necessary in order to avoid the damage region of the element isolation film formation, and the oxide film thickness increment to be thickened at the end portion. 0.6nm to 50nm
It is desirable to be within the following range.
次に、図83(A)に示されるようにシリコン酸化膜等の絶縁膜を例えば5〜50nm
程度の厚さで堆積した後、異方性エッチングによってエッチバックし、ゲート側壁絶縁膜
242を形成し、これをマスクとして半導体基板261を異方性エッチングにより加工し
、素子分離溝227を形成する。ここで、形成される素子分離溝227の深さは例えば約
50nm〜300nm程度である。なお、図83(B)に示される断面では、素子分離溝
は形成されない。このようにゲート側壁絶縁膜242を形成することで、チャネル端にソ
ース、ドレイン不純物領域217,218を残すことができる。この残されたソース、ド
レイン不純物領域217,218の幅は、残されたゲート側壁絶縁膜242の幅に対応し
て制御できる。
Next, as shown in FIG. 83A, an insulating film such as a silicon oxide film is formed to, for example, 5 to 50 nm.
After depositing to a certain thickness, etching back is performed by anisotropic etching to form a gate sidewall insulating
次に、必要に応じてエッチングダメージ回復のための熱処理を行った後、図84(A)
に示されるように、素子分離溝227をHDP−SiO2やTEOSなどのシリコン酸化
膜などの堆積方法で、シリコン酸化膜等の絶縁膜で埋め込み、CMP法によって平坦化し
た後、CMP法のストッパであるマスク材240をウェットエッチングにより除去する。
また、図84(B)に示される断面においては、マスク材240を除去して、第1ゲート
電極230の上表面を露出させる。
Next, after performing a heat treatment for recovering etching damage as necessary, FIG.
As shown in FIG. 2, the
In the cross section shown in FIG. 84B, the
次に、図85に示されるように、例えばポリシリコンやWSiとポリシリコンとのスタ
ック構造、または、NiSi、MoSi、TiSi、CoSiとポリシリコンのスタック
構造、金属とポリシリコンのスタック構造、またはシリコンの金属化合物や金属の単層構
造からなる第2ゲート電極233を堆積し、第1ゲート電極230と合わせて、メモリセ
ルのゲート電極220とする。
Next, as shown in FIG. 85, for example, a stack structure of polysilicon or WSi and polysilicon, a stack structure of NiSi, MoSi, TiSi, CoSi and polysilicon, a stack structure of metal and polysilicon, or silicon A
次に、図86(B)に示されるようにフォトリソグラフィーによってゲートのパターン
を形成し、異方性エッチングによってゲート電極220をエッチングする。この際、通常
の場合、ブロック絶縁膜224はわずかにエッチングされるが、データ保持絶縁膜223
はエッチングしないようにする。さらに、必要に応じてエッチングダメージ回復のための
熱処理を行ってもよい。また、この工程の後に、例えば、2nmから20nmの範囲で、
第1ゲート電極を酸化することによって、ダメージ回復を行っても良い。なお、図86(
A)に示される断面においては、ゲート電極220はエッチングされない。
Next, as shown in FIG. 86B, a gate pattern is formed by photolithography, and the
Do not etch. Furthermore, you may perform the heat processing for an etching damage recovery as needed. In addition, after this step, for example, in the range of 2 nm to 20 nm,
Damage may be recovered by oxidizing the first gate electrode. In addition, FIG. 86 (
In the cross section shown in A), the
次に、図87(B)に示されるように、ゲート電極220を酸化してゲート側壁絶縁膜
241を形成する。このとき酸化剤がゲート電極220のエッジに入り込みブロック絶縁
膜224がエッジ部で厚膜化するように酸化条件を調整する。
Next, as shown in FIG. 87B, the
ここで、メモリセルのゲート幅をLWとすると、バーズビークによって厚膜化しないブロ
ック絶縁膜224を残し、均一な書き込み消去状態を実現する必要がある。このため、バ
ーズビークの進入長はLWの1/2以下である必要がある。この進入長を得るブロック絶
縁膜224の酸化膜厚は、ゲート電極220の側壁部の酸化膜厚増分をLWの1/4より
小さくする必要がある。
Here, if the gate width of the memory cell is L W , it is necessary to leave the
よって、LWを0.2μm以下に微細化した場合、酸化膜厚増分を50nmより小さく
する必要がある。一方、側壁酸化量が20nm以下の場合、酸化膜厚増分は、側壁酸化量
の1/4程度である。ここで、素子分離膜形成のダメージ領域を回避するために2nm以
上の側壁酸化が必要であり、端部で厚膜化する酸化膜厚増分は。0.6nm以上50nm
以下の範囲内にすることが望ましい。なお、図87(A)に示される断面では、ゲート側
壁絶縁膜241は形成されない。
Therefore, when L W is miniaturized to 0.2 μm or less, it is necessary to make the oxide film thickness increment smaller than 50 nm. On the other hand, when the side wall oxidation amount is 20 nm or less, the increment of the oxide film thickness is about 1/4 of the side wall oxidation amount. Here, side wall oxidation of 2 nm or more is necessary in order to avoid the damage region of the element isolation film formation, and the oxide film thickness increment to be thickened at the end portion. 0.6nm to 50nm
It is desirable to be within the following range. Note that the gate sidewall insulating
次に、図88(B)に示されるように、ゲート電極220及びゲート側壁絶縁膜241
をマスクとして、ゲート電極220下方以外の領域の半導体基板216上のブロック絶縁
膜224、データ保持絶縁膜223、及びトンネル絶縁膜222をエッチングする。次に
、層間絶縁膜215を露出表面上に堆積し、層間絶縁膜215中にコンタクトプラグ22
1を形成し、メタル配線(図示せず)等を形成する工程を経て不揮発性メモリセルを完成
させる。
Next, as shown in FIG. 88B, the
As a mask, the
1 is formed, and a nonvolatile memory cell is completed through a process of forming a metal wiring (not shown) and the like.
本実施例の半導体装置の製造方法によれば、実施例5と同様の半導体装置の製造方法の
効果を得ることができる。
According to the semiconductor device manufacturing method of the present embodiment, the same effects of the semiconductor device manufacturing method as in the fifth embodiment can be obtained.
(実施例6の変形例)
本変形例では、図89に示されるようにバーチャルグラウンドアレイセル構造を実現す
る。図89は、図77(C)に示される断面に対応した構造を拡大して示している。ここ
では、実施例6と異なり、素子分離領域190を設けておらず、代わりに例えばP型高濃
度不純物領域245が半導体基板216中に設けられている。このP型高濃度不純物領域
245に隣接して、半導体基板210中にソース拡散層217が形成されている。また、
P型高濃度不純物領域245上には、シリコン酸化膜246を介して層間絶縁膜215が
形成されている。
(Modification of Example 6)
In this modification, a virtual ground array cell structure is realized as shown in FIG. FIG. 89 shows an enlarged view of the structure corresponding to the cross section shown in FIG. Here, unlike the sixth embodiment, the
An interlayer insulating
半導体基板216上には、トンネル絶縁膜222が形成されている。このトンネル絶縁
膜222及びこのトンネル絶縁膜222に接するシリコン酸化膜246上の一部には、デ
ータ保持絶縁膜223が形成されている。このデータ保持絶縁膜223上には、ブロック
絶縁膜224が形成されている。このブロック絶縁膜224上には、第1ゲート電極23
0及び第2ゲート電極233が積層されている。
A
0 and the
この第1ゲート電極230及び第2ゲート電極233の側壁には、ゲート電極側壁絶縁
膜232が形成されて、第1ゲート電極230のエッジ部下で、ゲート電極側壁絶縁膜2
32とブロック絶縁膜224を合わせた厚さがエッジ部以外におけるブロック絶縁膜22
4の厚さよりも厚く形成されている。また、第1ゲート電極230のエッジよりもデータ
保持絶縁膜223は、図89中で左右方向に突き出して形成されている。
A gate electrode
32 and the
4 is formed to be thicker than 4. Further, the data
この半導体装置の製造方法は、実施例6の半導体装置の製造方法において、図83(A
)に示される半導体基板をエッチングする工程は、バーチャルグラウンドアレイセル構造
を実現するためには、必ずしも必要ではなく、半導体基板216の表面からマスク材24
0の高さまで絶縁膜を埋め込むプロセスで代用できる。
This semiconductor device manufacturing method is the same as that of the semiconductor device manufacturing method of
The step of etching the semiconductor substrate shown in FIG. 3 is not necessarily required to realize the virtual ground array cell structure, and the mask material 24 is formed from the surface of the
A process of embedding an insulating film up to a height of 0 can be substituted.
その後、さらに、図83(A)に示される工程に替えて、図89に示されるように、隣
接する第2のゲート電極間の素子分離を良好とするために,例えば、ボロンやインジウム
からなるP型不純物を1011cm-2から1014cm-2の範囲で注入してもよい。この
際、ソース及びドレイン電極部分は、素子分離膜又は側壁絶縁膜が上部にもあらかじめ形
成されているので、P型不純物のイオンが素子分離膜で止まるように制限することにより
、N型ソース及びドレイン電極にはP型不純物の混入を行わないように制限できる。この
P型不純物のイオン注入エネルギーとしては、1eVから100eVの範囲とする。また
、この際、P型不純物注入イオンの電荷蓄積膜に導入されるダメージをゲート電極側壁絶
縁膜によって分離することができ、より高信頼性のメモリセルを実現できる。
Thereafter, in place of the process shown in FIG. 83A, as shown in FIG. 89, for example, boron or indium is used to improve element isolation between adjacent second gate electrodes. P-type impurities may be implanted in the range of 10 11 cm −2 to 10 14 cm −2 . At this time, since the element isolation film or the side wall insulating film is also formed on the upper portion of the source and drain electrode portions in advance, by limiting the ions of the P-type impurity to stop at the element isolation film, The drain electrode can be limited not to be mixed with P-type impurities. The ion implantation energy of this P-type impurity is in the range of 1 eV to 100 eV. At this time, damage introduced into the charge storage film of the P-type impurity implanted ions can be separated by the gate electrode side wall insulating film, and a more reliable memory cell can be realized.
このような形状のバーチャルグラウンドアレイセルでは、絶縁物埋め込みによる素子分
離領域に替えて、Pプラス拡散層又はNプラス拡散層を形成し、それぞれが素子分離の役
割を果たしている。ここでは、Nプラス拡散層がビット線になったり、ソース線になった
りして固定されていない。
In the virtual ground array cell having such a shape, a P plus diffusion layer or an N plus diffusion layer is formed in place of the element isolation region by embedding an insulator, and each plays a role of element isolation. Here, the N plus diffusion layer becomes a bit line or a source line and is not fixed.
本変形例は、実施例6と同様の効果を有し、さらに、隣接するゲート電極間の素子分離
を良好とするために、例えば、ボロンやインジウムからなるP型不純物を添加した場合に
は、エッジ部分の反転層形成を抑え、さらに接するメモリセル間のチャネル間の耐圧ばら
つきや電流漏れの問題発生を低減できる。
This modification has the same effect as that of the sixth embodiment. Further, in order to improve element isolation between adjacent gate electrodes, for example, when a P-type impurity made of boron or indium is added, It is possible to suppress the formation of the inversion layer at the edge portion, and to reduce the occurrence of problems such as variations in breakdown voltage between channels between memory cells in contact with each other and current leakage.
本発明の実施例7の半導体装置の構造を図90及び図91に示す。本実施例では先の実
施例3及び5の特徴を持つメモリセルで、代表的な不揮発性記憶装置の一種であるNAN
D型EEPROMを構成している。
90 and 91 show the structure of the semiconductor device according to Example 7 of the present invention. The present embodiment is a memory cell having the characteristics of the third and fifth embodiments, and is a type of typical nonvolatile memory device, NAN.
A D-type EEPROM is configured.
ここで、図90(A)には、NAND型EEPROMの等価回路図、図90(B)には
、メモリセルの平面図が示される。ここで、NAND型EEPROMでは、ソース線コン
タクトとビット線コンタクトの間にゲートにSSL信号線が入力されたソース選択トラン
ジスタS1及びゲートにGSL信号線が入力されたソース選択トランジスタS2を介して
、メモリセルトランジスタM0〜M15が直列に配置されていて、1つのNANDメモリ
セルブロックを構成している。各メモリセルトランジスタのゲート電極(制御ゲート)は
データ選択線(ワード線)WL0〜WL15に接続されている。また、各メモリセルトラ
ンジスタM0〜M15のバックゲートはウエル電位が与えられている。
Here, FIG. 90A shows an equivalent circuit diagram of the NAND type EEPROM, and FIG. 90B shows a plan view of the memory cell. Here, in the NAND type EEPROM, the memory is connected between the source line contact and the bit line contact via the source selection transistor S1 in which the SSL signal line is input to the gate and the source selection transistor S2 in which the GSL signal line is input to the gate. Cell transistors M0 to M15 are arranged in series to constitute one NAND memory cell block. The gate electrode (control gate) of each memory cell transistor is connected to data selection lines (word lines) WL0 to WL15. A well potential is applied to the back gate of each of the memory cell transistors M0 to M15.
また、図90(B)に示されるように、図中で上下方向に一定間隔を置いて、互いに平
行に直線状に複数本のビット線BLが配置されている。このビット線BLに直交して、互
いに平行に複数のワード線がビット線の下方に配置されている。各ワード線WL0〜WL
15の間には、ビット線下以外において、素子分離領域250が形成されて、ソース・ド
レイン領域251が絶縁分離されている。ビット線BLのSSL信号線に隣接したソース
・ドレイン領域251には、ビット線コンタクト252が形成されている。また、ビット
線BLのGSL信号線に隣接したソース・ドレイン領域251には、接地電位が与えられ
るSLコンタクト253が接続されている。
In addition, as shown in FIG. 90B, a plurality of bit lines BL are arranged in a straight line parallel to each other at regular intervals in the vertical direction in the figure. A plurality of word lines are arranged below the bit lines in parallel to each other perpendicular to the bit lines BL. Each word line WL0-WL
15, an
さらに、図91(A)には、ワード線に平行に切ったときのロウ方向のメモリセルの断
面図(図90(B)における“III―IV”線上での断面図)、図91(B)には、ワード
線に垂直に切ったときのカラム方向のメモリセルの断面図(図90(B)における“I−I
I”線上での断面図)を示す。
Further, FIG. 91A shows a cross-sectional view of the memory cell in the row direction when cut in parallel to the word line (a cross-sectional view along the “III-IV” line in FIG. 90B), and FIG. ) Shows a cross-sectional view of the memory cell in the column direction ("I-I" in FIG. 90B) when cut perpendicular to the word line.
Sectional view on line I ”).
なお、図90においては、1つのNANDブロック中のメモリセルトランジスタの数は
16個であり、また、選択トランジスタはメモリセルと異なるMOS構造をとっているが
、1つのNANDブロック中のメモリセルの数は16個に限定されず、また、選択トラン
ジスタはメモリセルと同じMONOS構造をとっていても良い。図90に示された構造は
、実施例3と実施例5の半導体装置の構造を組み合わせたものである。
In FIG. 90, the number of memory cell transistors in one NAND block is 16, and the selection transistor has a MOS structure different from that of the memory cell. The number is not limited to 16, and the selection transistor may have the same MONOS structure as the memory cell. The structure shown in FIG. 90 is a combination of the structures of the semiconductor devices of the third and fifth embodiments.
図91(A)に示されるように、本メモリセルでは、半導体基板255上に、N型ウエ
ル256が形成され、このN型ウエル256上には、P型ウエル257が形成されている
。このP型ウエル257中には、素子分離溝258が設けられ、この素子分離溝258中
には、絶縁物が埋めこまれて、複数の素子分離領域259が形成されている。この複数の
素子分離領域259間のP型ウエル257上には、例えば膜厚が1〜15nm程度のシリ
コン酸化膜やシリコン酸窒化膜等からトンネル絶縁膜260が形成されている。さらに、
このトンネル絶縁膜260上には、膜厚が例えば3〜30nm程度のシリコン窒化膜、シ
リコン酸窒化膜、Ta2O5膜、TiO2膜、Al2O3膜等の絶縁膜でデータ保持膜261
が形成されている。
As shown in FIG. 91A, in this memory cell, an N-
On this
Is formed.
さらにこのデータ保持膜261の上には、膜厚が例えば1〜15nm程度のシリコン酸
化膜やシリコン酸窒化膜等でブロック絶縁膜262が形成されている。
Further, on the
このブロック絶縁膜262の上には、例えばポリシリコンやWSi(タングステンシリ
サイド)とポリシリコンとのスタック構造、又は、NiSi,MOSi,TiSi,Co
Siとポリシリコンのスタック構造、金属とポリシリコンのスタック構造、又はシリコン
の金属化合物や金属の単層構造からなる第1ゲート電極263及び第2ゲート電極264
の積層構造からなるワード線WLが10nmから500nmの厚さで形成されている。こ
の第2ゲート電極264上には、第1層間絶縁膜265が形成されている。この第1層間
絶縁膜265上方内には、複数のビット線BLが形成されている。このビット線BL及び
第1層間絶縁膜265上には、第2層間絶縁膜266が形成されている。
On the
A
A word line WL having a laminated structure of 10 nm to 500 nm is formed. A first
ここで、データ保持絶縁膜261は、その端部が素子分離領域259内に突き出して形
成されている。また、ブロック絶縁膜262は、素子分離領域259に接する端部で、そ
の厚さが他の部分よりも厚く形成されている。
Here, the data holding insulating
ここで、データ保持絶縁膜261の突き出し長さ及びブロック絶縁膜の厚膜化の程度は
、先に説明した実施例3及び5と同様である。
Here, the protruding length of the data holding insulating
図91(B)に示される断面においては、メモリセルトランジスタは、P型ウエル25
7上に、互いに分離されて複数形成されたトンネル絶縁膜260、その上のデータ保持絶
縁膜261、その上のブロック絶縁膜262の上に形成されている。ここで、ゲート電極
周囲には、ゲート電極側壁絶縁膜267が形成されている。このゲート電極側壁絶縁膜2
67の幅の分だけ、ブロック絶縁膜262の幅は、トンネル絶縁膜260及びデータ保持
絶縁膜261の幅よりも狭く形成されている。各ゲート電極間のP型ウエル257中の上
表面付近にはソース、ドレイン領域251が形成されている。
In the cross section shown in FIG. 91 (B), the memory cell transistor has a P-
7 are formed on a plurality of
The
メモリセル列の一方の端部の選択トランジスタS1は、P型ウエル257上に設けられ
たゲート絶縁膜268上に第1ゲート電極269及び第2ゲート電極270の積層構造で
形成され、その周囲にはゲート側壁絶縁膜271が形成されている。ゲート絶縁膜268
は、第1ゲート電極269のエッジ下でその厚さが他の部分の厚さよりも厚く形成されて
いる。この選択トランジスタS1の幅は、メモリセルトランジスタの幅よりも大きく形成
されている。この選択トランジスタS1の端のP型ウエル257中のソース・ドレイン領
域251には、ビット線コンタクト252が接続されている。このビット線コンタクト2
52は第1層間絶縁膜265中に設けられて、ビット線BLに接続されている。
The selection transistor S1 at one end of the memory cell column is formed on the
Is formed under the edge of the
52 is provided in the first
メモリセル列の他方の端部の選択トランジスタS2は、P型ウエル257上に選択トラ
ンジスタS1と同様に形成されている。この選択トランジスタS2の端のP型ウエル25
7中のソース・ドレイン領域251には、ソース線コンタクト253が接続されている。
このソース線コンタクト253は第1層間絶縁膜265中に設けられて、第1層間絶縁膜
265中に設けられたソース線272に接続されている。
The selection transistor S2 at the other end of the memory cell column is formed on the P-type well 257 in the same manner as the selection transistor S1. P-type well 25 at the end of this select transistor S2
A
The
次に、本実施例の半導体装置の動作を説明する。消去動作は例えばゲート電極を0Vと
した状態で半導体基板に高電圧(例えば10〜25V)を印加して、半導体基板から電荷
蓄積領域にホールを注入することで行われる。またはソース電位に対してドレイン電位を
負にバイアスしてチャネルで加速されたホットホールを発生させ、さらにゲート電極をソ
ース電位に対して負にバイアスすることでホットホールを電荷蓄積領域に注入することで
行われる。またはウエル電位に対してソース電位及びドレイン電位を正にバイアスして不
純物領域とウエル間のジャンクションでホットホールを発生させ、さらにゲート電極をウ
エル電位に対して負にバイアスすることでホットホールを電荷蓄積領域に注入することで
行われる。
Next, the operation of the semiconductor device of this embodiment will be described. The erasing operation is performed, for example, by applying a high voltage (for example, 10 to 25 V) to the semiconductor substrate with the gate electrode at 0 V and injecting holes from the semiconductor substrate into the charge storage region. Alternatively, the drain potential is negatively biased with respect to the source potential to generate hot holes accelerated in the channel, and the gate electrode is negatively biased with respect to the source potential to inject the hot holes into the charge storage region. Done in Alternatively, the source potential and drain potential are positively biased with respect to the well potential to generate a hot hole at the junction between the impurity region and the well, and the gate electrode is negatively biased with respect to the well potential to charge the hot hole. This is done by injecting into the accumulation region.
書き込み動作は例えば半導体基板を0Vとして状態でゲート電極に高電圧(例えば10
〜25V)を印加して、半導体基板からトンネル絶縁膜を介して電荷が移動し、電荷蓄積
領域に電子を注入することで行われる。又はソース電位に対してドレイン電位を正にバイ
アスしてチャネルで加速されたホットエレクトロンを発生させ、さらにゲート電極をソー
ス電位に対して正にバイアスすることでホットエレクトロンを電荷蓄積領域に注入するこ
とで行われる。
In the writing operation, for example, the semiconductor substrate is set to 0 V and a high voltage (for example, 10%) is applied to the gate electrode.
˜25V) is applied, the charge is transferred from the semiconductor substrate through the tunnel insulating film, and electrons are injected into the charge storage region. Alternatively, the drain potential is positively biased with respect to the source potential to generate hot electrons accelerated in the channel, and the gate electrode is positively biased with respect to the source potential to inject hot electrons into the charge storage region. Done in
読み出し動作では、ドレインコンタクトに接続されたビット線をプリチャージした後に
フローティングにし、読み出し選択されたメモリセルのゲート電極の電圧を読み出し電圧
Vref、ソース線を0Vとして、メモリセルに電流が流れるか否かをビット線で検出す
ることにより行われる。読み出し選択されないメモリセルの制御ゲートの電圧を非選択読
み出し電圧Vreadとする。選択トランジスタS1、S2のゲート電圧を電源電圧Vc
c、ソース線を0Vとする。読み出し選択されたメモリセルに電流が流れるか否かをビッ
ト線BLで検出することにより行われる。すなわち、図92に示されるように、読み出さ
れる選択メモリセルM2のゲートには、Vrefが与えられ、他の非読み出しメモリセル
M0,M1,M3〜M15のゲートには、Vreadが与えられる。また、選択ゲートS
1,S2のゲートにはVddが与えられる。
In the read operation, the bit line connected to the drain contact is precharged and then floated, and the voltage of the gate electrode of the memory cell selected for reading is set to the read voltage Vref and the source line is set to 0 V. This is done by detecting this with a bit line. The voltage of the control gate of the memory cell that is not selected for reading is defined as a non-selected reading voltage Vread. The gate voltages of the selection transistors S1 and S2 are set to the power supply voltage Vc.
c, the source line is set to 0V. This is done by detecting whether or not a current flows through the memory cell selected for reading by the bit line BL. That is, as shown in FIG. 92, Vref is applied to the gate of the selected memory cell M2 to be read, and Vread is applied to the gates of the other non-read memory cells M0, M1, M3 to M15. Select gate S
Vdd is applied to the gates of 1 and S2.
すなわち、メモリセルの閾値VthがVrefよりも大きい、書き込み状態ならばメモ
リセルはオフになるのでビット線はプリチャージ電位を保つ。これに対して選択メモリセ
ルの閾値VthがVrefよりも小さい消去状態ならばメモリセルはオンするのでビット
線の電位はプリチャージ電位からΔVだけ低下する。
That is, if the threshold value Vth of the memory cell is larger than Vref, and the memory cell is turned off in the writing state, the bit line maintains the precharge potential. On the other hand, if the threshold value Vth of the selected memory cell is smaller than Vref, the memory cell is turned on, so that the potential of the bit line is lowered by ΔV from the precharge potential.
この電位変化をセンスアンプで検知することによってメモリセルのデータが読み出され
る。電荷蓄積絶縁膜中の電荷量が変化することでメモリセルの閾値電圧が変化し、これを
検出することでデータを読み出すことができる。
Data in the memory cell is read by detecting this potential change with a sense amplifier. By changing the amount of charge in the charge storage insulating film, the threshold voltage of the memory cell changes, and data can be read by detecting this.
ここで,Vrefは書き込み状態の閾値と消去状態の閾値の中間の電圧であり、Vre
adは書き込み状態の閾値よりも高い電圧、Vddは選択トランジスタの閾値よりも高い
電圧である。
Here, Vref is an intermediate voltage between the threshold value in the write state and the threshold value in the erase state.
ad is a voltage higher than the threshold value of the write state, and Vdd is a voltage higher than the threshold value of the selection transistor.
NAND型EEPROMの読み出しでは上記のように読み出し非選択ワード線に書き込
み閾値よりも高い電圧Vreadが加えられるため、実施例5及び6で述べたような電圧
Vrefを用いた場合と比較して、リードディスターブによる閾値変動が大きい。
In reading from the NAND-type EEPROM, the voltage Vread higher than the write threshold is applied to the read unselected word line as described above. Therefore, compared with the case where the voltage Vref as described in the fifth and sixth embodiments is used, read is performed. Threshold fluctuation due to disturbance is large.
これに対し、本実施例の半導体装置ではゲート電極のエッジ部の下でブロック絶縁膜を
厚膜化しているために、エッジ部でVreadによる電界が弱められ、消去閾値の上昇が
小さい。電荷蓄積領域としてデータ保持絶縁膜を使用している場合、データ保持絶縁膜中
を電荷は移動しないので、チャネル中央部の閾値がリードディスターブによって上昇して
もエッジ部の閾値は低いままである。特に読み出し電流の流れる方向と平行な2辺、つま
り素子分離端における閾値が低いままで抑えられることによって、メモリセルの閾値も低
いままに抑えられるためVreadストレスによる消去閾値の上昇という課題を解決でき
る。
In contrast, in the semiconductor device of this embodiment, since the block insulating film is thickened under the edge portion of the gate electrode, the electric field due to Vread is weakened at the edge portion, and the increase in the erase threshold is small. When the data holding insulating film is used as the charge storage region, the charge does not move through the data holding insulating film. Therefore, even if the threshold value at the center of the channel rises due to read disturb, the threshold value at the edge portion remains low. In particular, since the threshold value at two sides parallel to the direction in which the read current flows, that is, at the element isolation end is kept low, the threshold value of the memory cell can be kept low, so that the problem of an increase in erase threshold due to Vread stress can be solved. .
また、本実施例では、データ保持絶縁膜の両端が素子分離領域端やゲート電極のエッジ
に対して突き出した形状となっている。このため、加工時のダメージにより電荷保持特性
が劣化したデータ保持絶縁膜の両端部を、電荷蓄積領域としても、トランジスタのゲート
絶縁膜としても使用することが無いので、メモリセルの信頼性が向上する。特に、読み出
し電流の流れる方向と平行な2辺、つまり素子分離端において、データ保持絶縁膜が突き
出していることによって、ゲート電極のエッジにおける電荷抜けによる閾値低下が、メモ
リセルの閾値低下として検知される不具合を解決することができる。
In the present embodiment, both ends of the data holding insulating film protrude from the end of the element isolation region and the edge of the gate electrode. For this reason, both ends of the data retention insulating film whose charge retention characteristics have deteriorated due to damage during processing are not used as a charge storage region or a gate insulating film of a transistor, improving the reliability of the memory cell. To do. In particular, since the data retention insulating film protrudes at two sides parallel to the direction in which the read current flows, that is, at the element isolation end, a threshold decrease due to charge loss at the edge of the gate electrode is detected as a threshold decrease of the memory cell. Can solve the problem.
さらに、本実施例の半導体装置では隣接するメモリセル間でデータ保持絶縁膜を共有し
ていないので、絶縁膜を電荷が移動することでメモリセル間に電荷のやり取りが生じて、
メモリセルの閾値が変動するという不具合を解決している。
Furthermore, in the semiconductor device of this embodiment, since the data holding insulating film is not shared between adjacent memory cells, the exchange of charges occurs between the memory cells by moving the charges through the insulating film.
The problem that the threshold value of the memory cell fluctuates is solved.
上記のように、実施例1及び3の特徴を持つメモリセルをNAND型EEPROMに対
して適用した例を説明したが、適用の範囲はこれに限定されない。すなわち、実施例3乃
至6の特徴をもつメモリセルを用いても良いし、実施例3乃至6の特徴の一部のみを持つ
メモリセルを用いても良い。
As described above, the example in which the memory cell having the characteristics of the first and third embodiments is applied to the NAND-type EEPROM has been described, but the scope of application is not limited to this. That is, a memory cell having the characteristics of
(実施例7の変形例)
本実施例は適用するEEPROMはNAND型に限定されものではない。
(Modification of Example 7)
The EEPROM to which this embodiment is applied is not limited to the NAND type.
すなわち、本変形例である図93(A)に示される等価回路図及び読み出し動作状態の
電位を示したAND型EEPROMであってもよい。すなわち、ビット線BLにソースが
接続された選択トランジスタS1のドレインに1つのメモリセルを構成するメモリセルト
ランジスタM0〜M15のそれぞれのドレインが共通に接続されている。メモリセルトラ
ンジスタM0〜M15のソースは、互いに共通に接続され、かつ、選択トランジスタS2
のドレインに接続されている。この選択トランジスタS2のソースは共通ソース線Sou
rceに接続されている。ここで、読み出し時には、読み出し選択されたメモリセルトラ
ンジスタM2のゲートには、Vrefが入力され、他のメモリセルトランジスタM0,M
1、M3〜M15のゲートには、Vreadが入力される。選択トランジスタS1、S2
のゲートには、Vddが入力される。
That is, the equivalent circuit diagram shown in FIG. 93A, which is the present modification, and an AND type EEPROM showing the potential in the read operation state may be used. That is, the drains of the memory cell transistors M0 to M15 constituting one memory cell are commonly connected to the drain of the selection transistor S1 whose source is connected to the bit line BL. The sources of the memory cell transistors M0 to M15 are connected in common to each other, and the selection transistor S2
Connected to the drain. The source of the selection transistor S2 is the common source line Sou
connected to rce. Here, at the time of reading, Vref is input to the gate of the memory cell transistor M2 selected for reading, and the other memory cell transistors M0, M
1, Vread is input to the gates of M3 to M15. Select transistor S1, S2
Vdd is input to the gates of the two.
また、図93(B)に示される等価回路図及び読み出し動作を示したNOR型EEPR
OMであっても良い。第1ビット線BL1には、メモリセルトランジスタM1のドレイン
が接続される。このメモリセルトランジスタM1のソースには、メモリセルトランジスタ
M2のドレインが接続され、さらにこのメモリセルトランジスタM2のソースには、メモ
リセルトランジスタM3のドレインが接続される。このメモリセルトランジスタM3のソ
ースには、ソース電位VSLが入力される。また、隣接するビット線BL2にメモリセル
トランジスタM4のドレインが接続される。このメモリセルトランジスタM4のソースに
は、メモリセルトランジスタM5のドレインが接続され、さらにこのメモリセルトランジ
スタM5のソースには、メモリセルトランジスタM6のドレイン及びビット線BL2が接
続される。このメモリセルトランジスタM6のソースには、ソース電位VSLが入力され
る。
Further, the NOR type EEPR showing the equivalent circuit diagram and the reading operation shown in FIG.
OM may be sufficient. The drain of the memory cell transistor M1 is connected to the first bit line BL1. The drain of the memory cell transistor M2 is connected to the source of the memory cell transistor M1, and the drain of the memory cell transistor M3 is connected to the source of the memory cell transistor M2. A source potential VSL is input to the source of the memory cell transistor M3. The drain of the memory cell transistor M4 is connected to the adjacent bit line BL2. The source of the memory cell transistor M4 is connected to the drain of the memory cell transistor M5, and the source of the memory cell transistor M5 is connected to the drain of the memory cell transistor M6 and the bit line BL2. A source potential VSL is input to the source of the memory cell transistor M6.
ここで、読み出し選択された選択メモリセルトランジスタM2及び隣接するビット線に
接続されたメモリセルトランジスタM5のゲートには、Vref電位が与えられ、読み出
し選択された選択メモリセルトランジスタM2のソースには、選択ビット線BL1が接続
されている。また、メモリセルトランジスタM1、M4のソースには、VSL電位が与え
られる。さらに、メモリセルトランジスタM1,M3,M4,M6のゲートには、Vre
ad電位が与えられる。
Here, the Vref potential is applied to the gate of the selected memory cell transistor M2 selected for reading and the memory cell transistor M5 connected to the adjacent bit line, and the source of the selected memory cell transistor M2 selected for reading is The selected bit line BL1 is connected. The VSL potential is applied to the sources of the memory cell transistors M1 and M4. Further, Vre is connected to the gates of the memory cell transistors M1, M3, M4 and M6.
An ad potential is applied.
また、図示はしないがDINOR型等、他の種類のEEPROMでも適用可能である。
なお、バーチャルグラウンドアレイ構造のEEPROMであってもよい。AND型の場合
は、実施例4又は6の構造の半導体装置が適用される。NOR型の場合は、実施例3又は
5の構造の半導体装置が適用される。また、バーチャルグランドアレイ型の半導体装置で
は、実施例3乃至6の半導体装置が適用される。
Although not shown, the present invention can also be applied to other types of EEPROM such as DINOR type.
An EEPROM having a virtual ground array structure may be used. In the case of the AND type, the semiconductor device having the structure of Example 4 or 6 is applied. In the case of the NOR type, the semiconductor device having the structure of Example 3 or 5 is applied. In the virtual ground array type semiconductor device, the semiconductor devices of Examples 3 to 6 are applied.
どの種類のEEPROMにおいても、データ保持絶縁膜の両端がゲート電極又は半導体
基板又はその両方に対して突き出していることで、ゲート電極のエッジにおけるデータ保
持特性の劣化を解決する。また、特に読み出し電流の流れる方向と平行な2辺においてデ
ータ保持絶縁膜の両端が突き出していることで、ゲート電極のエッジにおける閾値の低下
がメモリセルの閾値低下として検知される問題を解決する。すなわち、製造工程中でダメ
ージを受けたデータ保持絶縁膜がチャネル領域内に存在しないことで、閾値低下を防止し
て、データ保持特性を向上することができる。
In any type of EEPROM, both ends of the data holding insulating film protrude from the gate electrode and / or the semiconductor substrate, thereby solving the deterioration of the data holding characteristics at the edge of the gate electrode. In addition, since both ends of the data holding insulating film protrude particularly on two sides parallel to the direction in which the read current flows, the problem that a threshold value decrease at the edge of the gate electrode is detected as a memory cell threshold value is solved. That is, since the data holding insulating film damaged during the manufacturing process does not exist in the channel region, the threshold value can be prevented from being lowered and the data holding characteristics can be improved.
さらに、ゲート絶縁膜、好ましくはデータ保持絶縁膜とゲート電極間に配置されたブロ
ック絶縁膜の膜厚がゲート電極のエッジ部において厚膜化することでデータ読み出し時の
ゲート電圧ストレスによる、閾値変動をゲート電極のエッジ部において抑制することがで
きる。特に、読み出し電流の流れる方向と平行な2辺においてゲート絶縁膜、好ましくは
ブロック絶縁膜が厚膜化していることで、ゲート電極のエッジ部での閾値変動抑制が、メ
モリセルの閾値変動抑制として検知されるのでメモリセルのリードディスターブ特性を改
善する。特に弱い電界を与えた時に閾値が高くなるのを防ぐことができる。
Further, the gate insulating film, preferably the block insulating film disposed between the data holding insulating film and the gate electrode is thickened at the edge of the gate electrode, thereby changing the threshold due to the gate voltage stress during data reading. Can be suppressed at the edge portion of the gate electrode. In particular, since the gate insulating film, preferably the block insulating film, is thickened on two sides parallel to the direction in which the read current flows, the threshold fluctuation suppression at the edge portion of the gate electrode is suppressed as the threshold fluctuation of the memory cell. As a result, the read disturb characteristic of the memory cell is improved. In particular, it is possible to prevent the threshold value from increasing when a weak electric field is applied.
ここで、データ保持絶縁膜の突き出し長さ及びブロック絶縁膜の厚膜化の程度は先に説
明した実施例4及び6と同程度である。
Here, the protruding length of the data retention insulating film and the degree of thickening of the block insulating film are the same as those in the fourth and sixth embodiments described above.
また、隣り合うメモリセル間でデータ保持絶縁膜を切断することで、メモリセル間の電
荷のやり取りに起因する閾値変動を防ぐことができる。
Further, by cutting the data holding insulating film between adjacent memory cells, it is possible to prevent threshold fluctuation due to charge exchange between the memory cells.
上記の実施例3乃至6においては、理解を容易にするためにコンタクト電極をトランジ
スタごとに形成した例が示されているが、本実施例のように、コンタクト電極をトランジ
スタごとに形成せず、例えばゲート電極やドレイン電極によって、直列又は並列に接続す
ることでも構成できる。
In the above-described Examples 3 to 6, an example in which a contact electrode is formed for each transistor is shown for easy understanding, but a contact electrode is not formed for each transistor as in this example. For example, it can be configured by connecting in series or in parallel by a gate electrode or a drain electrode.
本発明は、以下の付記に記載されているような構成が考えられる。
(付記1) 高耐圧トランジスタ領域及び低電圧トランジスタ領域を有する周辺回路部並
びにメモリ部の半導体基板上に第1ゲート絶縁膜を形成する工程と、前記周辺回路部の低
電圧トランジスタ領域及び前記メモリ部の前記第1ゲート絶縁膜を除去する工程と、シリ
コン窒化膜を含む多層膜からなる第2ゲート絶縁膜を全面に形成する工程と、前記第2ゲ
ート絶縁膜形成後に前記メモリ部及び周辺回路部の前記半導体基板中にトレンチ溝を形成
する工程と、前記トレンチ溝中に絶縁物を埋め込み、シャロートレンチ素子分離領域を形
成する工程と、前記周辺回路部の第2ゲート絶縁膜の内、シリコン窒化膜を除去した後、
熱酸化により前記周辺回路部の低電圧トランジスタゲート絶縁膜及び高耐圧トランジスタ
ゲート絶縁膜を形成する工程と、前記メモリ部の前記ゲート絶縁膜、低電圧トランジスタ
ゲート絶縁膜及び高耐圧トランジスタゲート絶縁膜、並びに前記シャロートレンチ素子分
離領域上にゲート電極を形成する工程とを有する半導体装置の製造方法。
The present invention can be configured as described in the following supplementary notes.
(Supplementary Note 1) A step of forming a first gate insulating film on a semiconductor substrate of a peripheral circuit unit having a high voltage transistor region and a low voltage transistor region and a memory unit, and a low voltage transistor region of the peripheral circuit unit and the memory unit Removing the first gate insulating film, forming a second gate insulating film comprising a multilayer film including a silicon nitride film on the entire surface, and forming the memory section and the peripheral circuit section after forming the second gate insulating film. Forming a trench groove in the semiconductor substrate, burying an insulator in the trench groove to form a shallow trench isolation region, and silicon nitride in the second gate insulating film of the peripheral circuit portion After removing the membrane
Forming a low voltage transistor gate insulating film and a high voltage transistor gate insulating film in the peripheral circuit section by thermal oxidation; and the gate insulating film, low voltage transistor gate insulating film and high voltage transistor gate insulating film in the memory section, And a step of forming a gate electrode on the shallow trench isolation region.
(付記2) 前記ゲート電極を形成する工程において、前記メモリ部に複数のゲート電極
及び前記周辺回路部に複数のゲート電極を同時に形成し、前記ゲート電極を形成する工程
の後に、前記周辺回路部の第1の個数のゲート電極に第1導電型不純物を導入する工程と
、前記周辺回路部の第2の個数のゲート電極に第2導電型不純物を導入する工程と、前記
メモリ部の第1の個数のゲート電極に第1導電型不純物を導入する工程と、前記メモリ部
の第2の個数のゲート電極に第2導電型不純物を導入する工程とをさらに有する付記1記
載の半導体装置の製造方法。
(Supplementary Note 2) In the step of forming the gate electrode, a plurality of gate electrodes in the memory portion and a plurality of gate electrodes in the peripheral circuit portion are simultaneously formed, and after the step of forming the gate electrode, the peripheral circuit portion Introducing a first conductivity type impurity into the first number of gate electrodes, introducing a second conductivity type impurity into the second number of gate electrodes of the peripheral circuit portion, and a first of the memory portion. The method of manufacturing a semiconductor device according to
(付記3) メモリセルトランジスタ領域及び選択トランジスタ領域を有するメモリ部並
びに低電圧トランジスタ領域及び高耐圧トランジスタ領域を有する周辺回路部の半導体基
板上に第1ゲート絶縁膜を形成する工程と、前記周辺回路部の低電圧トランジスタ領域及
び前記メモリ部の前記第1ゲート絶縁膜を除去する工程と、シリコン窒化膜を含む多層膜
からなる第2ゲート絶縁膜を形成する工程と、前記第2ゲート絶縁膜形成後に前記メモリ
部及び周辺回路部の前記半導体基板中にトレンチ溝を形成する工程と、前記トレンチ溝中
に絶縁物を埋め込み、シャロートレンチ素子分離領域を形成する工程と、前記メモリ部の
選択トランジスタ領域及び前記周辺回路部の第2ゲート絶縁膜の内、シリコン窒化膜を除
去した後、熱酸化により前記周辺回路部の低電圧トランジスタゲート絶縁膜及び高耐圧ト
ランジスタゲート絶縁膜を形成する工程と、前記メモリセルトランジスタのゲート絶縁膜
、選択トランジスタのゲート絶縁膜、低電圧トランジスタゲート絶縁膜及び高耐圧トラン
ジスタゲート絶縁膜、並びに前記シャロートレンチ素子分離領域上にゲート電極を形成す
る工程とを有する半導体装置の製造方法。
(Supplementary Note 3) Forming a first gate insulating film on a semiconductor substrate of a memory portion having a memory cell transistor region and a select transistor region, and a peripheral circuit portion having a low voltage transistor region and a high breakdown voltage transistor region, and the peripheral circuit A step of removing the first gate insulating film of the memory portion, a step of forming a second gate insulating film made of a multilayer film including a silicon nitride film, and a step of forming the second gate insulating film A step of forming a trench groove in the semiconductor substrate of the memory portion and the peripheral circuit portion later, a step of filling an insulator in the trench groove to form a shallow trench isolation region, and a select transistor region of the memory portion And removing the silicon nitride film from the second gate insulating film of the peripheral circuit portion, and then thermally oxidizing the periphery. A step of forming a low voltage transistor gate insulating film and a high voltage transistor gate insulating film in the side circuit portion; a gate insulating film of the memory cell transistor; a gate insulating film of the selection transistor; a low voltage transistor gate insulating film; And a step of forming a gate electrode on the insulating region and the shallow trench isolation region.
(付記4) 半導体基板と、この半導体基板中に形成された実質上4辺を有する第1導電
型の素子領域と、前記素子領域の対向する2辺にそれぞれ形成され、第1の導電型と逆導
電型のソース電極及びドレイン電極と、前記素子領域上に設けられた第1のゲート絶縁膜
と、この第1のゲート絶縁膜上に設けられ、データの記憶が可能であり、かつ電気的に書
き込み消去可能な絶縁膜を有し、かつ、ソース電極及びドレイン電極が形成されていない
2辺で2つの端を有する電荷蓄積領域と、この電荷蓄積領域の上に設けられ、下面におけ
る前記ソース電極及びドレイン電極が形成されていない対向する2辺の距離が、前記電荷
蓄積領域の上面における前記ソース電極及びドレイン電極が形成されていない2辺での2
つの端の距離よりも小さく形成された少なくとも1つのゲート電極とを具備する半導体装
置。
(Supplementary Note 4) A semiconductor substrate, a first conductivity type element region having substantially four sides formed in the semiconductor substrate, and a first conductivity type formed on two opposite sides of the element region, respectively. A source electrode and a drain electrode of reverse conductivity type, a first gate insulating film provided on the element region, and provided on the first gate insulating film, capable of storing data and electrically And a charge storage region having two ends on two sides where a source electrode and a drain electrode are not formed, and the source on the lower surface provided on the charge storage region. The distance between two opposing sides where the electrode and the drain electrode are not formed is 2 on the two sides where the source electrode and the drain electrode are not formed on the upper surface of the charge storage region.
A semiconductor device comprising: at least one gate electrode formed smaller than a distance between two ends.
(付記5) 前記ゲート電極下面でのソース電極及びドレイン電極が形成されていない対
向する2辺の距離は、前記電荷蓄積領域の前記2つの端の距離よりも10nmから100
nmの範囲で小さい付記4記載の半導体装置。
(Supplementary Note 5) The distance between the two opposite sides where the source electrode and the drain electrode are not formed on the lower surface of the gate electrode is 10 nm to 100 than the distance between the two ends of the charge storage region.
The semiconductor device according to
(付記6) 前記電荷蓄積領域の前記2つの端の距離が、前記第1のゲート絶縁膜に対向
した面において、ソース電極及びドレイン電極が形成されていない前記素子領域の2辺の
距離よりも長いことを特徴とする付記4記載の半導体装置。
(Supplementary Note 6) The distance between the two ends of the charge storage region is larger than the distance between two sides of the element region where the source electrode and the drain electrode are not formed on the surface facing the first gate insulating film. The semiconductor device according to
(付記7) 前記電荷蓄積領域の前記2つの端の距離が、前記第1のゲート絶縁膜に対向
した面において、ソース電極及びドレイン電極が形成されていない前記素子領域の2辺の
距離よりも1nmから30nmの範囲で長い付記4記載の半導体装置。
(Supplementary Note 7) The distance between the two ends of the charge storage region is larger than the distance between the two sides of the element region where the source electrode and the drain electrode are not formed on the surface facing the first gate insulating film. The semiconductor device according to
(付記8) 半導体基板と、この半導体基板中に形成された実質上4辺を有する第1導電
型の素子領域と、この素子領域上に設けられた第1のゲート絶縁膜と、前記半導体基板中
に形成された第1導電型と逆の導電型のソース電極及びドレイン電極と、前記第1のゲー
ト絶縁膜上に設けられ、データの記憶が可能であり、かつ電気的に書き込み消去可能な絶
縁膜を有し、対向する2辺で2つの端を有し、少なくとも前記ソース電極及びドレイン電
極間が導通状態において、前記素子形成領域上を電流が流れる方向を第1の方向とし、前
記半導体基板面上で第1の方向と直交する方向を第2の方向とすると、その上面において
、前記第2の方向における2つの端を有する電荷蓄積領域と、この電荷蓄積領域の上に設
けられ、下面における前記第2の方向における2辺の長さが、前記電荷蓄積領域の上面で
の前記第2の方向における前記電荷蓄積領域の2つの端の間の距離よりも短く形成された
少なくとも1つのゲート電極と、前記ソース電極及びドレイン電極にそれぞれ接続され、
この間の導通状態又は、遮断状態であるかによって、前記電荷蓄積領域のデータ記憶状態
を検知する少なくとも2つの電流端子とを具備する半導体装置。
(Supplementary Note 8) A semiconductor substrate, a first conductivity type element region having substantially four sides formed in the semiconductor substrate, a first gate insulating film provided on the element region, and the semiconductor substrate A source electrode and a drain electrode having a conductivity type opposite to that of the first conductivity type formed therein and the first gate insulating film are provided, and can store data and can be electrically written and erased. An insulating film having two ends on two opposite sides, wherein at least the source electrode and the drain electrode are in a conductive state, a direction in which a current flows on the element formation region is a first direction, and the semiconductor If the direction perpendicular to the first direction on the substrate surface is the second direction, the upper surface is provided with a charge storage region having two ends in the second direction, and on the charge storage region, The second on the lower surface At least one gate electrode formed so that a length of two sides in the direction of the first electrode is shorter than a distance between two ends of the charge storage region in the second direction on the upper surface of the charge storage region; Connected to the source electrode and drain electrode,
A semiconductor device comprising: at least two current terminals for detecting a data storage state of the charge storage region depending on whether it is in a conductive state or a cut-off state.
(付記9) 前記電荷蓄積領域に対向した面における前記ゲート電極の前記第2の方向に
おける2辺の長さが、前記第2の方向における前記電荷蓄積領域の前記2つの端の長さよ
りも10nmから100nmの範囲で短い付記8記載の半導体装置。
(Supplementary Note 9) The length of two sides in the second direction of the gate electrode on the surface facing the charge storage region is 10 nm longer than the length of the two ends of the charge storage region in the second direction. 9. The semiconductor device according to
(付記10) 前記第2の方向における前記電荷蓄積領域の前記2つの端の長さが、前記
素子領域の前記第1のゲート絶縁膜に対向した面において、前記第2の方向における素子
領域の長さよりも長い付記8記載の半導体装置。
(Supplementary Note 10) The length of the two ends of the charge storage region in the second direction is such that the length of the device region in the second direction is the surface of the device region facing the first gate insulating film.
(付記11) 前記第2の方向における前記電荷蓄積領域の前記2つの端の長さが、前記
素子領域の前記第1のゲート絶縁膜に対向した面において、前記第2の方向における素子
領域の長さよりも1nmから30nmの範囲で長い付記8記載の半導体装置。
(Supplementary Note 11) The length of the two ends of the charge storage region in the second direction is such that the length of the device region in the second direction is the surface of the device region facing the first gate insulating film.
(付記12) 前記ゲート電極は、前記第1の方向に実質的に平行な2辺と、第2の方向
に実質的に平行な2辺とを有する矩形領域で形成された下部導電体と、前記下部導電体の
対向する2辺のいずれかを共有し、隣接する複数のゲート電極中の下部導電体を電気的に
接続する上部導電体とを有する付記4乃至11いずれか記載の半導体装置。
(Supplementary Note 12) The gate electrode includes a lower conductor formed of a rectangular region having two sides substantially parallel to the first direction and two sides substantially parallel to the second direction; 12. The semiconductor device according to any one of
(付記13) 前記ゲート電極の側壁部に形成された側壁絶縁膜をさらに具備し、かつ、
この側壁絶縁膜の前記ゲート電極に接する側の面を第1の側面とすると、前記ゲート電極
に対向する面において、前記電荷蓄積絶縁膜の端部が前記第1の側面よりも前記ゲート電
極が形成されていない側まで形成されている付記4乃至12いずれか記載の半導体装置。
(Additional remark 13) It further comprises the side wall insulating film formed in the side wall part of the said gate electrode, and
When the side of the side wall insulating film that is in contact with the gate electrode is a first side surface, the end of the charge storage insulating film is located on the surface facing the gate electrode so that the gate electrode is closer than the first side surface. 13. The semiconductor device according to any one of
(付記14) 前記電荷蓄積領域の上に設けられた第2のゲート絶縁膜をさらに有し、こ
の第2のゲート絶縁膜上に前記ゲート電極が形成されている付記4乃至13いずれか記載
の半導体装置。
(Supplementary note 14) The
(付記15) 半導体基板と、この半導体基板中に形成された実質上4辺を有する第1の
導電型の素子領域と、この素子領域上に設けられた第1のゲート絶縁膜と、この第1のゲ
ート絶縁膜上に設けられ、データの記憶が可能であり、かつ、電気的に書き込み消去可能
な絶縁膜よりなり、対向する2辺で2つの端を有する電荷蓄積領域と、この電荷蓄積領域
上に設けられた少なくとも1つのゲート電極と、前記半導体基板中に設けられた第1の導
電型と逆の導電型のソース電極及びドレイン電極と、このソース電極及びドレイン電極に
それぞれ設けられ、前記ソース電極及びドレイン電極間の導通状態と遮断状態によって、
前記電荷蓄積領域の記憶状態を検知する電流端子と、前記電荷蓄積領域と前記ゲート電極
間に配置され、少なくとも前記電流端子間が導通状態において、素子領域上を電流が流れ
る方向を第1の方向とし、前記半導体基板面上で第1の方向と直交する方向を第2の方向
とすると、この第2の方向において、前記電荷蓄積領域に対向した面におけるゲート電極
中央部下と比較して前記電荷蓄積領域に対向した面における前記ゲート電極端下で厚い第
2のゲート絶縁膜とを具備し、前記第1のゲート絶縁膜の厚さが前記電荷蓄積領域に対向
した面におけるゲート電極中央部下と比較して、前記電荷蓄積領域に対向した面における
前記ゲート電極端下で厚い半導体装置。
(Supplementary Note 15) A semiconductor substrate, a first conductivity type element region having substantially four sides formed in the semiconductor substrate, a first gate insulating film provided on the element region, A charge storage region which is provided on one gate insulating film and is made of an insulating film capable of storing data and electrically writable and erasable and having two ends on two opposite sides; At least one gate electrode provided on the region, a source electrode and a drain electrode having a conductivity type opposite to the first conductivity type provided in the semiconductor substrate, and provided on the source electrode and the drain electrode, respectively. By the conduction state and the cutoff state between the source electrode and the drain electrode,
A current terminal that detects a storage state of the charge storage region, and is disposed between the charge storage region and the gate electrode, and at least the current terminal is in a conductive state, and a direction in which a current flows over the element region is a first direction. When the direction perpendicular to the first direction on the semiconductor substrate surface is the second direction, the charge in the second direction is lower than that below the center of the gate electrode on the surface facing the charge storage region. A second gate insulating film that is thick below the end of the gate electrode on the surface facing the storage region, and the thickness of the first gate insulating film is below the center of the gate electrode on the surface facing the charge storage region; In comparison, a semiconductor device that is thick under the edge of the gate electrode on the surface facing the charge storage region.
(付記16) 前記ゲート電極は、それぞれが積層方向に下部導電体、上部導電体となっ
ている少なくとも2層の積層導電体領域を有し、この下部導電体は、前記第1の方向に実
質的に平行な2辺と、前記第2の方向に実質的に平行な2辺を有する矩形領域で形成され
、前記上部導電体は、前記下部導電体の対向する2辺のいずれかを共有し、隣接する複数
の下部導電体を電気的に接続する付記15記載の半導体装置。
(Supplementary Note 16) The gate electrode has at least two layers of stacked conductor regions, each of which is a lower conductor and an upper conductor in the stacking direction, and the lower conductor is substantially in the first direction. Formed in a rectangular region having two sides parallel to each other and two sides substantially parallel to the second direction, and the upper conductor shares one of the two opposite sides of the lower conductor. The semiconductor device according to
(付記17) 前記ゲート電極の少なくとも一部に隣接して配置され、前記ゲート電極、
第1のゲート絶縁膜、電荷蓄積絶縁膜、又は第2のゲート絶縁膜の少なくとも1つに対し
て、自己整合的に形成された素子分離溝を有する素子分離領域をさらに具備する付記4乃
至16いずれか記載の半導体装置。
(Supplementary Note 17) The gate electrode is disposed adjacent to at least a part of the gate electrode,
(付記18) 前記半導体基板上に前記ゲート電極が複数個配置され、隣接する前記ゲー
ト電極間で、前記電荷蓄積層がそれぞれ分離されている付記4乃至17いずれか記載の半
導体装置。
(Supplementary note 18) The semiconductor device according to any one of
(付記19) 前記第1ゲート電極の少なくとも一部に隣接して配置され、前記半導体基
板中に設けられた高濃度不純物領域を有する素子分離領域をさらに具備する付記4乃至1
6、又は18いずれか記載の半導体装置。
(Additional remark 19)
The semiconductor device according to any one of 6 and 18.
1、117、137、161、197、216、255 半導体基板(ウエル)
2、13、21、26 シャロートレンチ素子分離領域
3、10、118、140、172、198、222、260 トンネル絶縁膜
4、11 電荷蓄積層
5、12、120、142、174、200、224、262 ブロック絶縁膜
6、112、132、166、192、220 ゲート電極
7 バーズビーク部
8、9 突出部
14、22、27、138、170、205、230、263、269 第1ゲート電極
15、23、28、139、171、206、233、264、270 第2ゲート電極
16、24、29 ゲートキャップ絶縁膜
17 層間膜
18、43 ビット線
19 保護膜
20、25、268 ゲート絶縁膜
30,251 ソース・ドレイン領域
31、32 バリア絶縁膜
40 データ選択線(ワード線)
41 ビット線選択信号線(SSL)
42 共通ソース線選択信号線(GSL)
44 ビット線コンタクト
45 ソース線コンタクト
46 ビット線引き出しコンタクト
47 ビット線引き出し配線
48 ソース線配線
50、51 選択トランジスタ
52 メモリセルトランジスタ
55、66、72、73 レジスト
56 ストッパ膜
57、150、180、211、240 マスク材
58、59、60 素子分離溝(トレンチ溝)
61、71 シリコン酸化膜
62、63、64 素子分離絶縁膜(埋め込み材)
65、67 窪み
68、69、70 ゲート電極材料
110、130、160、190、215、250、258 素子分離領域
111、131、191 素子領域
113、133、193、219 コンタクト
114、134、167、194、221 ゲートコンタクト
115、135、155、162、195、217 ソース不純物領域
116、136、156、163、196、218 ドレイン不純物領域
119、141、173、199、223、261 データ保持絶縁膜
121、144、176、201、225 層間絶縁膜
122、145、151、177、203、227、259 素子分離溝
123、124、202、204、226、228 エッジ領域
143、175、181、241、242、267、271 ゲート側壁絶縁膜
146、207、235 素子分離側壁酸化膜
147、208 ポリシリコン側壁酸化膜
148、209、234 端部
152 第1ゲート電極側壁酸化膜
153 素子分離側壁絶縁膜
157、164 ソースコンタクト
158、165 ドレインコンタクト
185、245 P型高濃度領域
210、246 シリコン酸化膜
212 後酸化膜
232 ポリシリコン側壁絶縁膜
252 ビット線コンタクト
253 SLコンタクト
256 Nウエル
257 Pウエル
265 第1層間絶縁膜
266 第2層間絶縁膜
272 ソース線
1, 117, 137, 161, 197, 216, 255 Semiconductor substrate (well)
2, 13, 21, 26 Shallow
41 Bit line selection signal line (SSL)
42 Common source line selection signal line (GSL)
44
61, 71
65, 67 Recess 68, 69, 70 Gate electrode material 110, 130, 160, 190, 215, 250, 258 Element isolation region 111, 131, 191 Element region 113, 133, 193, 219 Contact 114, 134, 167, 194 221 Gate contacts 115, 135, 155, 162, 195, 217 Source impurity regions 116, 136, 156, 163, 196, 218 Drain impurity regions 119, 141, 173, 199, 223, 261 Data retention insulating films 121, 144 176, 201, 225 Interlayer insulating film 122, 145, 151, 177, 203, 227, 259 Element isolation groove 123, 124, 202, 204, 226, 228 Edge region 143, 175, 181, 241, 242, 267, 271 Gate sidewall insulation Films 146, 207, 235 Element isolation side wall oxide films 147, 208 Polysilicon side wall oxide films 148, 209, 234 Edge 152 First gate electrode side wall oxide film 153 Element isolation side wall insulating films 157, 164 Source contacts 158, 165 Drain contact 185, 245 P-type high concentration regions 210, 246 Silicon oxide film 212 Post oxide film 232 Polysilicon sidewall insulating film 252 Bit line contact 253 SL contact 256 N well 257 P well 265 First interlayer insulating film 266 Second interlayer insulating film 272 Source wire
Claims (5)
前記半導体基板中に形成された素子領域と、
前記素子領域上に設けられた第1のゲート絶縁膜と、
少なくとも1つのゲート電極と、
前記ゲート電極の少なくとも一部に接して、前記半導体基板上に形成された素子分離領域
と、
前記第1のゲート絶縁膜上に設けられ、データの記憶が可能であり、かつ電気的に書き込
み消去可能な絶縁膜を有し、端部が前記素子分離領域中に位置する電荷蓄積領域と、
を具備し、前記電荷蓄積領域の端部が、前記素子分離領域中に、0.5nmから15nm
の範囲で進入していることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor substrate;
An element region formed in the semiconductor substrate;
A first gate insulating film provided on the element region;
At least one gate electrode;
An element isolation region formed on the semiconductor substrate in contact with at least a portion of the gate electrode;
A charge storage region provided on the first gate insulating film, having an insulating film capable of storing data and electrically writable and erasable, and having an end portion located in the element isolation region;
And the end of the charge storage region is 0.5 nm to 15 nm in the element isolation region.
A semiconductor device that has entered in a range of.
前記半導体基板中に形成された実質上4辺を有する第1導電型の素子領域と、
前記素子領域上に設けられた第1のゲート絶縁膜と、
前記第1ゲート絶縁膜上に設けられ、データの記憶が可能であり、かつ、電気的に書き込
み消去可能な絶縁膜を有する電荷蓄積領域と、
前記電荷蓄積領域上に設けられた少なくとも1つのゲート電極と、
前記素子領域の対向する2辺にそれぞれ形成され、第1の導電型と逆の導電型のソース電
極及びドレイン電極と、
前記電荷蓄積領域と前記ゲート電極間に配置され、前記ソース電極及び前記ドレイン電極
が形成されていない2辺において、前記電荷蓄積領域に対向した面における前記ゲート電
極中央部下と比較して、前記電荷蓄積領域に対向した面における前記ゲート電極端下で厚
く形成されている第2ゲート絶縁膜と、
を具備し、前記ソース電極及び前記ドレイン電極が形成されていない2辺において、前記
第2ゲート絶縁膜の厚さが、前記電荷蓄積領域に対向した面におけるゲート電極中央部下
と比較して前記電荷蓄積領域に対向した面における前記ゲート電極端下で0.6nmから
50nmの範囲の厚さ分厚く形成されていることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor substrate;
A first conductivity type element region having substantially four sides formed in the semiconductor substrate;
A first gate insulating film provided on the element region;
A charge storage region provided on the first gate insulating film, having an insulating film capable of storing data and electrically writable and erasable;
At least one gate electrode provided on the charge storage region;
A source electrode and a drain electrode of a conductivity type opposite to the first conductivity type, each formed on two opposing sides of the element region;
The charge is disposed between the charge storage region and the gate electrode, and on the two sides where the source electrode and the drain electrode are not formed, as compared with the lower part of the gate electrode at the surface facing the charge storage region. A second gate insulating film formed thick below the edge of the gate electrode on the surface facing the storage region;
And the second gate insulating film has a thickness on two sides where the source electrode and the drain electrode are not formed, as compared with a lower portion of the gate electrode at a surface facing the charge storage region. A semiconductor device, wherein the semiconductor device is formed thicker in the range of 0.6 nm to 50 nm below the edge of the gate electrode on the surface facing the storage region.
は、0.2μm以下であることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 2, wherein a distance between two sides of the gate electrode where the source electrode and the drain electrode are formed is 0.2 μm or less.
前記半導体基板中に形成された実質上4辺を有する第1導電型の素子領域と、
前記素子領域上に設けられた第1のゲート絶縁膜と、
前記第1ゲート絶縁膜上に設けられ、データの記憶が可能であり、かつ、電気的に書き込
み消去可能な絶縁膜よりなり、対向する2辺で2つの端を有する電荷蓄積領域と、
前記電荷蓄積領域上に設けられた少なくとも1つのゲート電極と、
前記半導体基板中に設けられた第1の導電型と逆の導電型のソース電極及びドレイン電極
と、
前記ソース電極及び前記ドレイン電極にそれぞれ設けられ、
前記ソース電極及び前記ドレイン電極間の導通状態と遮断状態によって、前記電荷蓄積領
域の記憶状態を検知する電流端子と、
前記電荷蓄積領域と前記ゲート電極間に配置され、少なくとも前記電流端子間が導通状態
において、素子領域上を電流が流れる方向を第一の方向とし、前記半導体基板上で第一の
方向と直交する方向を第二の方向とすると、前記第二の方向において、前記電荷蓄積領域
に対向した面におけるゲート電極中央部下と比較して
前記電荷蓄積領域に対向した面における前記ゲート電極端下で0.6nmから50nmの
範囲で厚い第2のゲート絶縁膜と、
を具備することを特徴とする半導体装置。 A semiconductor substrate;
A first conductivity type element region having substantially four sides formed in the semiconductor substrate;
A first gate insulating film provided on the element region;
A charge storage region provided on the first gate insulating film, made of an insulating film capable of storing data and electrically writable and erasable, and having two ends on two opposite sides;
At least one gate electrode provided on the charge storage region;
A source electrode and a drain electrode having a conductivity type opposite to the first conductivity type provided in the semiconductor substrate;
Provided on each of the source electrode and the drain electrode;
A current terminal for detecting a storage state of the charge accumulation region according to a conduction state and a cutoff state between the source electrode and the drain electrode;
The first electrode is disposed between the charge storage region and the gate electrode, and at least between the current terminals is in a conducting state. The first direction is a direction in which current flows in the element region, and the first direction is orthogonal to the first direction on the semiconductor substrate. Assuming that the direction is the second direction, in the second direction, 0. 0 below the end of the gate electrode on the surface facing the charge storage region as compared to below the center of the gate electrode on the surface facing the charge storage region. A second gate insulating film thick in the range of 6 nm to 50 nm;
A semiconductor device comprising:
する請求項4に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 4, wherein a distance between two sides of the gate electrode in the second direction is 0.2 μm or less.
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