JP2008160074A - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device capable of writing and erasing data with a low voltage, and to provide a method of manufacturing the semiconductor device. <P>SOLUTION: There are provided: an Si layer 5 formed on an Si substrate 1 via an insulating film 3; an Si layer 9 formed on the Si layer 5 via an insulating film 7; a PMOS 20 formed at least on one side face of the Si layer 5; and an NMOS 30 formed at least on one side face of the Si layer 9. The PMOS 20 and the NMOS 30 have common floating gates 17, 13. The common floating gate 13 is provided successively from the side face of the Si layer 5 to that of the Si layer 9, thus writing data to and erasing data from the common floating gate 13 by supplying two carriers, namely an electron and a hole. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、例えば、データの読み込み、及び、データの書き込みと消去を低電圧で実行可能な技術に関する。   The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the same, and, for example, to a technology capable of executing data reading and data writing and erasing at a low voltage.

従来の不揮発性メモリは、特許文献1、2に示すように、プレナーMOS構造からなり、コントロール・ゲートとシリコン基板(MOSFETチャネル)間には、SiO2絶縁膜に囲まれたフローティング・ゲートが形成されていた。このような構造の不揮発性メモリにおいては、ソース・ドレイン或いはボディに対して数十Vの大きなプラス電圧をコントロール・ゲートに加え、フローティング・ゲートに電子を注入することによってデータの書き込みを行っていた。また、ソース・ドレイン或いはボディに対して数十Vの大きなマイナス電圧をコントロール・ゲートに加え、フローティング・ゲートから電子を抜き出すことによってデータの消去を行っていた。
特開2006−186300号公報 国際公開第2004/084314号パンフレット 特開2005−327796号公報 特開2005−322830号公報 T.Sakai et al.“Separation by BondingSi Islands(SBSI) for LSI Application”,Second International SiGe Technology and Device Meeting,Meeting Abstract,pp.230−231,May(2004)
As shown in Patent Documents 1 and 2, a conventional nonvolatile memory has a planar MOS structure, and a floating gate surrounded by a SiO 2 insulating film is formed between a control gate and a silicon substrate (MOSFET channel). It had been. In the nonvolatile memory having such a structure, data is written by applying a large positive voltage of several tens of volts to the source / drain or body to the control gate and injecting electrons into the floating gate. . Further, data is erased by applying a large negative voltage of several tens of volts to the source / drain or body to the control gate and extracting electrons from the floating gate.
JP 2006-186300 A International Publication No. 2004/084314 Pamphlet JP 2005-327796 A JP 2005-322830 A T.A. Sakai et al. “Separation by Bonding Si Islands (SBSI) for LSI Applications”, Second International SiGe Technology and Device Meeting, Meeting Abstract, pp. 230-231, May (2004)

従来の技術では、フローティング・ゲートに対するデータの書き込みと消去とを、電子というひとつのキャリアだけを使って行っていたため、書き込みと消去時に、コントロール・ゲートに正と負の大きな電圧を印加する必要があった。このため、例えば、低電圧駆動ロジック回路と不揮発性メモリを混載したLSIにおいても高電圧駆動回路動作が必要となり、LSIのチップ面積増大による製造コストの上昇や、低電圧駆動回路の信頼性が劣化してしまうおそれがあった。   In the conventional technology, data is written to and erased from the floating gate using only one carrier called electrons, so it is necessary to apply large positive and negative voltages to the control gate during writing and erasing. there were. For this reason, for example, even in an LSI in which a low-voltage drive logic circuit and a non-volatile memory are mixedly mounted, a high-voltage drive circuit operation is required, resulting in an increase in manufacturing cost due to an increase in the chip area of the LSI and deterioration in reliability of the low-voltage drive circuit. There was a risk of doing so.

また、不揮発性メモリのデバイス構造においても、高い電圧駆動における信頼性を確保するために、ゲート絶縁膜を薄膜化したりソース・ドレイン接合を急峻化したりすることができず、デバイスの縮小化に限界があった。さらに、ゲート絶縁膜の薄膜化やソース・ドレイン接合の急峻化ができないということは、データの読み込み時にMOSトランジスタのドレイン電流が小さい、ということを意味する。このため、従来の技術では、低電圧での読み込みや高速の読み込みが十分にできていなかった。
そこで、この発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、データの書き込みと消去を低電圧で実行可能な半導体装置およびその製造方法を提供することを目的のひとつとする。
Even in the device structure of non-volatile memory, the gate insulating film cannot be thinned or the source / drain junction cannot be sharpened in order to ensure high voltage drive reliability. was there. Furthermore, the fact that the gate insulating film cannot be thinned or the source / drain junction cannot be abrupt means that the drain current of the MOS transistor is small when reading data. For this reason, the conventional technology has not been able to sufficiently read at a low voltage or at a high speed.
Therefore, the present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of executing data writing and erasing at a low voltage and a method for manufacturing the same.

上述した課題を解決するために、本発明に係る半導体装置のひとつは、基板上に第1絶縁膜を介して形成された第1半導体層と、前記第1半導体層上に第2絶縁膜を介して形成された第2半導体層と、前記第1半導体層の少なくとも一つの側面に形成された第1導電型MOSトランジスタと、前記第2半導体層の少なくとも一つの側面に形成された第2導電型MOSトランジスタと、を備え、前記第1導電型MOSトランジスタ及び前記第2導電型MOSトランジスタは、共通の電荷蓄積層及び共通のコントロール・ゲートを有し、前記共通の電荷蓄積層は、前記第1半導体層の前記第1導電型MOSトランジスタが形成された前記側面から、前記第2半導体層の前記第2導電型MOSトランジスタが形成された前記側面にかけて連続して設けられていることを特徴とするものである。   In order to solve the above-described problem, one of semiconductor devices according to the present invention includes a first semiconductor layer formed on a substrate via a first insulating film, and a second insulating film formed on the first semiconductor layer. A second semiconductor layer formed on the first semiconductor layer, a first conductivity type MOS transistor formed on at least one side surface of the first semiconductor layer, and a second conductivity layer formed on at least one side surface of the second semiconductor layer. The first conductivity type MOS transistor and the second conductivity type MOS transistor have a common charge storage layer and a common control gate, and the common charge storage layer includes The semiconductor device is continuously provided from the side surface on which the first conductive MOS transistor of one semiconductor layer is formed to the side surface of the second semiconductor layer on which the second conductive MOS transistor is formed. And it is characterized in that it is.

ここで、本発明の「第1半導体層」及び「第2半導体層」は、例えば単結晶のシリコン(Si)層である。また、本発明の「第1導電型」はP型またはN型の一方であり、「第2導電型」はP型またはN型の他方である。例えば、第1導電型がP型チャネルの場合、第2導電型はN型チャネルである。さらに、本発明の「トンネルゲート絶縁膜」とは、トンネル効果あるいは障壁を越えるエネルギーによって電子または正孔(ホール)が通り抜ける絶縁膜のことである。本発明では、第1半導体層あるいは第2半導体層からこの絶縁膜を通してキャリアが電荷蓄積層に供給される。この絶縁膜は、SiO2膜厚換算で数nmの膜厚を有する。この薄さのため、ホットキャリアがエネルギー障壁を飛び越えるだけでなく、ソースとゲート電極間の電界によるF−Nトンネル効果により、キャリアが電荷蓄積層に供給される。このため、本発明では、この絶縁膜をトンネルゲート絶縁膜と呼んでいる。また、本発明の「電荷蓄積層」とは、トンネルゲート絶縁膜を通り抜けてきたキャリア(電子または、ホール)を蓄積する層であり、例えば、P型あるいはN型不純物が導入されたポリシリコン(Poly−Si)などの半導体膜、または、Ti、Ta、TiN、TaNなどの金属薄膜、或いは、Si34膜などの絶縁膜や、イントリンジックPoly−Siのような高抵抗半導体で構成されるものである。 Here, the “first semiconductor layer” and the “second semiconductor layer” of the present invention are, for example, single crystal silicon (Si) layers. In the present invention, the “first conductivity type” is one of P type and N type, and the “second conductivity type” is the other of P type and N type. For example, when the first conductivity type is a P-type channel, the second conductivity type is an N-type channel. Furthermore, the “tunnel gate insulating film” of the present invention is an insulating film through which electrons or holes (holes) pass through due to the tunnel effect or energy exceeding the barrier. In the present invention, carriers are supplied from the first semiconductor layer or the second semiconductor layer to the charge storage layer through this insulating film. This insulating film has a film thickness of several nm in terms of SiO 2 film thickness. Due to this thinness, not only hot carriers jump over the energy barrier, but also carriers are supplied to the charge storage layer by the FN tunnel effect due to the electric field between the source and gate electrodes. For this reason, in the present invention, this insulating film is called a tunnel gate insulating film. The “charge storage layer” of the present invention is a layer for storing carriers (electrons or holes) that have passed through the tunnel gate insulating film. For example, polysilicon (p-type or n-type impurities introduced) Poly-Si) or the like, or a metal thin film such as Ti, Ta, TiN, or TaN, or an insulating film such as Si 3 N 4 film, or a high-resistance semiconductor such as intrinsic Poly-Si. It is what is done.

上述した課題を解決するために、本発明に係る半導体装置のひとつは、基板上に第1絶縁膜を介して形成された第1半導体層と、前記第1半導体層上に第2絶縁膜を介して形成された第2半導体層と、前記第1半導体層の少なくとも一つの側面に形成された第1導電型MOSトランジスタと、前記第2半導体層の少なくとも一つの側面及び上面に形成された第2導電型MOSトランジスタと、を備え、前記第1導電型MOSトランジスタ及び前記第2導電型MOSトランジスタは、共通の電荷蓄積層及び共通のコントロール・ゲートを有し、前記共通の電荷蓄積層は、前記第1半導体層の前記第1導電型MOSトランジスタが形成された前記側面から、前記第2半導体層の前記第2導電型MOSトランジスタが形成された前記側面を通って、前記第2半導体層の前記上面にかけて連続して設けられていることを特徴とするものである。   In order to solve the above-described problem, one of semiconductor devices according to the present invention includes a first semiconductor layer formed on a substrate via a first insulating film, and a second insulating film formed on the first semiconductor layer. A first semiconductor MOS transistor formed on at least one side surface of the first semiconductor layer, and a first semiconductor layer formed on at least one side surface and the upper surface of the second semiconductor layer. A two-conductivity type MOS transistor, wherein the first conductivity-type MOS transistor and the second conductivity-type MOS transistor have a common charge accumulation layer and a common control gate, and the common charge accumulation layer includes: From the side surface where the first conductivity type MOS transistor of the first semiconductor layer is formed, through the side surface where the second conductivity type MOS transistor of the second semiconductor layer is formed, And it is characterized in that is provided continuously over the said top surface of serial second semiconductor layer.

本発明に係る半導体装置のひとつは、基板上に第1絶縁膜を介して形成された第1半導体層と、前記第1半導体層上に第2絶縁膜を介して形成された第2半導体層と、前記第1半導体層の少なくとも一つの側面に形成された第1導電型MOSトランジスタと、前記第2半導体層の少なくとも一つの側面及び上面に形成された第2導電型MOSトランジスタと、を備え、前記第1導電型MOSトランジスタ及び前記第2導電型MOSトランジスタは、共通の電荷蓄積層及び共通のコントロール・ゲートを有し、前記共通の電荷蓄積層は、前記第1半導体層の前記第1導電型MOSトランジスタが形成された前記側面から、前記第2半導体層の前記第2導電型MOSトランジスタが形成された前記側面にかけて連続して設けられており、且つ、前記第2導電層の前記上面には設けられていないことを特徴とするものである。   One of the semiconductor devices according to the present invention includes a first semiconductor layer formed on a substrate via a first insulating film, and a second semiconductor layer formed on the first semiconductor layer via a second insulating film. And a first conductivity type MOS transistor formed on at least one side surface of the first semiconductor layer, and a second conductivity type MOS transistor formed on at least one side surface and the upper surface of the second semiconductor layer. The first conductivity type MOS transistor and the second conductivity type MOS transistor have a common charge storage layer and a common control gate, and the common charge storage layer is the first semiconductor layer of the first semiconductor layer. The conductive MOS transistor is continuously provided from the side surface where the MOS transistor is formed to the side surface where the second conductivity type MOS transistor of the second semiconductor layer is formed. The said upper surface of the second conductive layer is characterized in that not provided.

上記の本発明に係る半導体装置のそれぞれは、共通の電荷蓄積層に対して、N型のMOSトランジスタから電子を供給することができると共に、P型のMOSトランジスタからホールを供給することができる。そして、共通の電荷蓄積層に電子やホールを選択的に供給することで、その電位を変化させることができ、N型、P型の各MOSトランジスタの閾値電圧を制御することできる。例えば、データの書き込み時には、共通の電荷蓄積層に電子を供給して、各MOSトランジスタの閾値電圧をそれぞれ変化させることができる。また、データの消去時には、共通の電荷蓄積層にホールを供給して、蓄積されている電子をホールと再結合させ(或いは、トラップされている電子の負電荷をホールの正電荷で相殺し)、各MOSトランジスタの閾値電圧をそれぞれ書き込み前の状態に戻すことができる。   Each of the semiconductor devices according to the present invention can supply electrons from an N-type MOS transistor and holes from a P-type MOS transistor to a common charge storage layer. By selectively supplying electrons and holes to the common charge storage layer, the potential can be changed, and the threshold voltage of each of the N-type and P-type MOS transistors can be controlled. For example, when writing data, electrons can be supplied to a common charge storage layer to change the threshold voltage of each MOS transistor. When erasing data, supply holes to the common charge storage layer to recombine the stored electrons with the holes (or cancel the negative charge of the trapped electrons with the positive charge of the holes). The threshold voltage of each MOS transistor can be returned to the state before writing.

このように、上記の本発明に係る半導体装置のそれぞれは、共通の電荷蓄積層に対する書き込みと消去とを、電子とホールのふたつのキャリア供給によって実現することができるので、従来の技術と比べて、データの書き込みと消去時にコントロール・ゲートに対して正負の電圧を高電圧で印加する必要がなく、高電圧駆動回路を省くことができる。従って、LSIのチップ面積を低減することができる。同時に、電池などの低電圧源にて、データの書き込み・消去が可能になる。   As described above, each of the semiconductor devices according to the present invention described above can realize writing and erasing with respect to the common charge storage layer by supplying two carriers of electrons and holes. Therefore, it is not necessary to apply a positive or negative voltage to the control gate at a high voltage when writing or erasing data, and the high voltage driving circuit can be omitted. Therefore, the chip area of the LSI can be reduced. At the same time, data can be written / erased by a low voltage source such as a battery.

また、本発明に係る半導体装置のひとつは、第2導電型MOSトランジスタのチャネルの面積が増えるので、データの書き込み動作、消去動作の高速化が可能である。さらに、発明3の半導体装置によれば、データの読み込み時に、第2導電型MOSトランジスタのコントロール・ゲートによる電流制御性が向上するので、低電圧・高速の読み込みが可能となる。   Further, in one of the semiconductor devices according to the present invention, the area of the channel of the second conductivity type MOS transistor is increased, so that the data writing operation and the erasing operation can be speeded up. Furthermore, according to the semiconductor device of the invention 3, the current controllability by the control gate of the second conductivity type MOS transistor is improved at the time of reading data, so that low voltage and high speed reading is possible.

なお、上記の本発明に係る半導体装置のそれぞれは、PチャネルのMOSトランジスタとNチャネルのMOSトランジスタの両方を備え、且つ、これらPNの各MOSトランジスタは共通のコントロール・ゲートを有するため、同一タイミングでオン、オフを切り替えることが可能である。そのため、発明1〜3の半導体装置は例えばNOR回路などに適用することができる。   Each of the semiconductor devices according to the present invention includes both a P-channel MOS transistor and an N-channel MOS transistor, and these PN MOS transistors have a common control gate, so that the same timing is obtained. It is possible to switch on and off with. Therefore, the semiconductor devices according to the first to third aspects can be applied to, for example, a NOR circuit.

さらに、上記の本発明に係る半導体装置のそれぞれは、前記第1導電型MOSトランジスタのドレインと、前記第2導電型MOSトランジスタのドレインとが電気的に接続されていることを特徴とするものである。このような構成であれば、第1導電型MOSトランジスタのドレインと、第2導電型MOSトランジスタとの間でドレインに繋がる配線を共通化できるので、チップ面における配線の占有面積を少なくすることが可能である。   Further, each of the semiconductor devices according to the present invention is characterized in that the drain of the first conductivity type MOS transistor and the drain of the second conductivity type MOS transistor are electrically connected. is there. With such a configuration, since the wiring connected to the drain can be shared between the drain of the first conductivity type MOS transistor and the second conductivity type MOS transistor, the area occupied by the wiring on the chip surface can be reduced. Is possible.

本発明に係る半導体装置のひとつは、前記第2導電型MOSトランジスタのうちの前記第2半導体層の前記側面に形成された部分のトンネルゲート絶縁膜は、前記第2導電型MOSトランジスタのうちの前記第2半導体層の前記上面に形成された部分のゲート絶縁膜よりも薄く形成されていることを特徴とするものである。   One of the semiconductor devices according to the present invention is that a tunnel gate insulating film of a portion formed on the side surface of the second semiconductor layer of the second conductivity type MOS transistor is a portion of the second conductivity type MOS transistor. The second semiconductor layer is formed thinner than a portion of the gate insulating film formed on the upper surface.

本発明に係る半導体装置のひとつは、前記第2半導体層との接触により生じる障壁エネルギーに関して、前記第2導電型MOSトランジスタのうちの前記第2半導体層の前記側面に形成された部分のトンネルゲート絶縁膜は、前記第2導電型MOSトランジスタのうちの前記第2半導体層の前記上面に形成された部分のゲート絶縁膜よりも前記障壁エネルギーが小さい膜で形成されていることを特徴とするものである。トンネル絶縁膜の障壁エネルギーが小さいため、エネルギーの低いホットキャリアを電荷蓄積層へ注入できる。従って、駆動電圧を下げることができ、前記上面に形成されたゲート膜にキャリアが注入されること無く、電荷蓄積層に効率的にキャリアを注入することができる。   One of the semiconductor devices according to the present invention is a tunnel gate of a portion formed on the side surface of the second semiconductor layer of the second conductivity type MOS transistor with respect to barrier energy generated by contact with the second semiconductor layer. The insulating film is formed of a film having a lower barrier energy than the gate insulating film of the portion formed on the upper surface of the second semiconductor layer of the second conductivity type MOS transistor. It is. Since the barrier energy of the tunnel insulating film is small, hot carriers with low energy can be injected into the charge storage layer. Accordingly, the drive voltage can be lowered, and carriers can be efficiently injected into the charge storage layer without being injected into the gate film formed on the upper surface.

上記の本発明に係る半導体装置は、第2導電型MOSトランジスタのうちの第2半導体層上面に形成された部分のゲート絶縁膜よりも、トンネルゲート絶縁膜の方がキャリア(電子または、ホール)に対する電位障壁が小さくなるため、データの書き込み、消去時にトンネルゲート絶縁膜を通してキャリアをフローティング・ゲートへ移動させることが容易となる。   In the semiconductor device according to the present invention described above, the tunnel gate insulating film has carriers (electrons or holes) rather than the gate insulating film formed on the upper surface of the second semiconductor layer of the second conductivity type MOS transistor. Therefore, it becomes easy to move carriers to the floating gate through the tunnel gate insulating film when writing or erasing data.

上述した課題を解決するために、本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上に第1犠牲半導体層、第1半導体層、第2犠牲半導体層及び第2半導体層を順次積層する工程と、前記第2半導体層、前記第2犠牲半導体層、前記第1半導体層及び前記第1犠牲半導体層を部分的に順次エッチングして、当該各半導体層を貫く第1溝を形成する工程と、前記第1半導体層と前記第2半導体層とを支持する支持体を前記第1溝内に形成する工程と、前記支持体を形成した後で、前記第2半導体層、前記第2犠牲半導体層、前記第1半導体層及び前記第1犠牲半導体層を部分的に順次エッチングして当該各半導体層の側面を露出させる第2溝を形成する工程と、前記第1半導体層及び前記第2半導体層よりも前記第1犠牲半導体層及び前記第2犠牲半導体層の方がエッチングされ易いエッチング条件で、前記第2溝を介して前記第1犠牲半導体層及び前記第2犠牲半導体層をエッチングすることによって、前記半導体基板と前記第1半導体層との間に第1空洞部を形成すると共に、前記第1半導体層と前記第2半導体層との間に第2空洞部を形成する工程と、前記第1空洞部内に第1絶縁膜を形成すると共に、前記第2空洞部内に第2絶縁膜を形成する工程と、前記第1絶縁膜及び前記第2絶縁膜を形成した後で、前記第1半導体層の前記第2溝に面した側面に第1導電型MOSトランジスタを形成すると共に、前記第2半導体層の前記第2溝に面した側面に前記第2導電型MOSトランジスタを形成する工程と、を含み、前記第1導電型MOSトランジスタを形成すると共に、前記第2導電型MOSトランジスタを形成する工程では、前記第1半導体層の前記第2溝に面した側面と前記第2半導体層の前記第2溝に面した側面とにそれぞれトンネルゲート絶縁膜を形成し、前記トンネルゲート絶縁膜を覆うように前記第1半導体層の前記側面から前記第2半導体層の前記側面にかけて共通の電荷蓄積層を形成し、前記電荷蓄積層を覆うように前記第1半導体層の前記側面から前記第2半導体層の前記側面にかけてゲート絶縁膜を形成し、その後、前記ゲート絶縁膜を覆うように前記第1半導体層の前記側面から前記第2半導体層の前記側面にかけて共通のコントロール・ゲートを形成する、ことを特徴とするものである。   In order to solve the above-described problems, a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of sequentially stacking a first sacrificial semiconductor layer, a first semiconductor layer, a second sacrificial semiconductor layer, and a second semiconductor layer on a semiconductor substrate. And sequentially etching the second semiconductor layer, the second sacrificial semiconductor layer, the first semiconductor layer, and the first sacrificial semiconductor layer to form a first groove penetrating each semiconductor layer; Forming a support for supporting the first semiconductor layer and the second semiconductor layer in the first groove; and after forming the support, the second semiconductor layer and the second sacrificial semiconductor. Etching a layer, the first semiconductor layer, and the first sacrificial semiconductor layer partially sequentially to form a second groove exposing a side surface of each semiconductor layer; and the first semiconductor layer and the second semiconductor The first sacrificial semiconductor layer and the first Etching the first sacrificial semiconductor layer and the second sacrificial semiconductor layer through the second groove under an etching condition in which the sacrificial semiconductor layer is more easily etched, thereby forming the semiconductor substrate and the first semiconductor layer. Forming a first cavity therebetween, forming a second cavity between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer; forming a first insulating film in the first cavity; Forming a second insulating film in the second cavity, and forming the first insulating film and the second insulating film on the side surface of the first semiconductor layer facing the second groove. Forming a first conductivity type MOS transistor, and forming the second conductivity type MOS transistor on a side surface facing the second groove of the second semiconductor layer, and forming the first conductivity type MOS transistor And before In the step of forming the second conductivity type MOS transistor, a tunnel gate insulating film is formed on each of a side surface of the first semiconductor layer facing the second groove and a side surface of the second semiconductor layer facing the second groove. And forming a common charge storage layer from the side surface of the first semiconductor layer to the side surface of the second semiconductor layer so as to cover the tunnel gate insulating film, and covering the charge storage layer. A gate insulating film is formed from the side surface of the layer to the side surface of the second semiconductor layer, and then shared from the side surface of the first semiconductor layer to the side surface of the second semiconductor layer so as to cover the gate insulating film. The control gate is formed.

ここで、本発明の「第1半導体層」及び「第2半導体層」は、上述したように例えば単結晶のSi層である。また、「第1犠牲半導体層」及び「第2犠牲半導体層」は、例えば単結晶のシリコンゲルマニウム(SiGe)層である。
上記の本発明の半導体装置の製造方法によれば、いわゆるSBSI法を応用して、発明1〜発明6の半導体装置を製造することができる。従って、電荷蓄積層に対する書き込みと消去とを電子とホールのふたつのキャリア供給によって実現することができるので、低電圧駆動で、チップ面積の増大を抑制した半導体装置を提供することが可能である。
Here, as described above, the “first semiconductor layer” and the “second semiconductor layer” of the present invention are, for example, single-crystal Si layers. The “first sacrificial semiconductor layer” and the “second sacrificial semiconductor layer” are, for example, single-crystal silicon germanium (SiGe) layers.
According to the semiconductor device manufacturing method of the present invention described above, the semiconductor devices of Inventions 1 to 6 can be manufactured by applying the so-called SBSI method. Therefore, since writing and erasing with respect to the charge storage layer can be realized by supplying two carriers of electrons and holes, it is possible to provide a semiconductor device that suppresses an increase in chip area by low voltage driving.

以下、本発明に係る半導体装置およびその製造方法について説明する。
図1は、本発明の実施の形態に係る不揮発性メモリ100の構成例を示す図であり、図1(a)は平面図、図1(b)は図1(a)をX−X´線で切断したときの断面図、図1(c)は図1(a)をY−Y´線で切断したときの断面図である。なお、図1(a)では、不揮発性メモリ100の構成例を平面視で理解し易くするために、層間絶縁膜の記入を省略している。
Hereinafter, a semiconductor device and a manufacturing method thereof according to the present invention will be described.
1A and 1B are diagrams showing a configuration example of a nonvolatile memory 100 according to an embodiment of the present invention. FIG. 1A is a plan view, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line XX ′ in FIG. FIG. 1C is a cross-sectional view taken along the line YY ′ of FIG. 1A. In FIG. 1A, the interlayer insulating film is not shown for easy understanding of the configuration example of the nonvolatile memory 100 in a plan view.

図1(a)〜(c)に示すように、この不揮発性メモリ100では、Si基板1上に絶縁膜3を介して第1の単結晶Si層5が形成され、この単結晶Si層5上に絶縁膜7を介して第2の単結晶Si層9が形成されている。絶縁膜3、7は、例えばシリコン酸化(SiO2)膜である。また、単結晶Si層(以下、単に「Si層」という。)5、9は、例えばX−X´線と平行となるように配置された細長い直方体であり、Si層5、9のそれぞれの中心部が平面視で重なり合うように配置されている。そして、Si層5の両側の側面にはP型のMOS電界効果トランジスタ(以下、単に「PMOS」という。)20が形成され、Si層9の両側の側面及び上面にはN型のMOS電界効果トランジスタ(以下、単に「NMOS」という。)30が形成されている。つまり、PMOS20のチャネル領域はSi層5の両側の側面にあり、NMOS30のチャネル領域はSi層の両側の側面と上面とにある。 As shown in FIGS. 1A to 1C, in the nonvolatile memory 100, a first single crystal Si layer 5 is formed on an Si substrate 1 with an insulating film 3 interposed therebetween. A second single crystal Si layer 9 is formed thereon with an insulating film 7 interposed. The insulating films 3 and 7 are, for example, silicon oxide (SiO 2 ) films. The single-crystal Si layers (hereinafter simply referred to as “Si layers”) 5 and 9 are elongate rectangular parallelepipeds arranged so as to be parallel to the XX ′ line, for example. It arrange | positions so that a center part may overlap by planar view. A P-type MOS field effect transistor (hereinafter simply referred to as “PMOS”) 20 is formed on both side surfaces of the Si layer 5, and an N-type MOS field effect is formed on both side surfaces and the upper surface of the Si layer 9. A transistor (hereinafter simply referred to as “NMOS”) 30 is formed. That is, the channel region of the PMOS 20 is on the side surfaces on both sides of the Si layer 5, and the channel region of the NMOS 30 is on the side surfaces on both sides and the upper surface of the Si layer.

ここで、PMOS20及びNMOS30は、不揮発性のメモリトランジスタであり、共通のフローティング・ゲート13及び共通のコントロール・ゲート17を有するものである。即ち、図1(c)において、Si層5、9の右側の側面にはトンネルゲート絶縁膜11を介してフローティング・ゲート13が連続して形成されている。また、Si層5、9の左側の側面にもトンネルゲート絶縁膜11を介してフローティング・ゲート13が連続して形成されている。ここで、トンネルゲート絶縁膜11を構成している材料膜は、SiO2膜でも構わないが、バンドギャップ(即ち、伝導帯Ecと価電子帯Evとのエネルギー差)がSiO2よりも小さく、Siとの障壁エネルギー(電位障壁)がSiO2よりも小さい絶縁膜であることがより好ましい。障壁エネルギーが小さい絶縁膜としては、例えば、Si34膜、Ta25膜、BaTiO3膜、ZrO2膜、HfO膜、Y23膜、ZrSiO2膜などが挙げられる。 Here, the PMOS 20 and the NMOS 30 are nonvolatile memory transistors, and have a common floating gate 13 and a common control gate 17. That is, in FIG. 1C, the floating gate 13 is continuously formed on the right side surface of the Si layers 5 and 9 via the tunnel gate insulating film 11. A floating gate 13 is continuously formed on the left side surface of the Si layers 5 and 9 via the tunnel gate insulating film 11. Here, the material film constituting the tunnel gate insulating film 11 may be a SiO 2 film, but the band gap (that is, the energy difference between the conduction band Ec and the valence band Ev) is smaller than that of SiO 2 . It is more preferable that the insulating film has a barrier energy (potential barrier) with Si smaller than that of SiO 2 . Examples of the insulating film having a small barrier energy include a Si 3 N 4 film, a Ta 2 O 5 film, a BaTiO 3 film, a ZrO 2 film, a HfO film, a Y 2 O 3 film, and a ZrSiO 2 film.

このように、Si34膜等によってトンネルゲート絶縁膜11が構成されている場合には、SiO2膜と比べて、Si層5、9からフローティング・ゲート13へ移動するキャリア(電子またはホール)に対する電位障壁が小さくなるため、データの書き込み及び消去に必要な電圧を低くすることができる。
また、フローティング・ゲート13は、例えば、P型あるいはN型不純物が導入されたポリシリコン(Poly−Si)などの半導体膜、または、Ti、Ta、TiN、TaNなどの金属薄膜で構成されており、トンネルゲート絶縁膜11やゲート絶縁膜15によって周囲の導電層から電気的に絶縁されている(即ち、電気的に浮遊している。)。さらに、フローティング・ゲート13の外側にはゲート絶縁膜15を介してコントロール・ゲート17が連続して形成されている。図1(a)〜(c)に示すように、このコントロール・ゲート17は、Si基板1上に積層されたSi層5、9の中心部付近を跨ぐように形成されている。そして、Si層5のコントロール・ゲート17から外れた部分にPMOS20のソース・ドレイン(P+)が形成され、Si層9のコントロール・ゲート17から外れた部分にNMOS30のソース・ドレイン(N−)が形成されている。
As described above, when the tunnel gate insulating film 11 is constituted by the Si 3 N 4 film or the like, carriers (electrons or holes) moving from the Si layers 5 and 9 to the floating gate 13 are compared with the SiO 2 film. ), The voltage necessary for data writing and erasing can be reduced.
The floating gate 13 is made of, for example, a semiconductor film such as polysilicon (Poly-Si) doped with P-type or N-type impurities, or a metal thin film such as Ti, Ta, TiN, or TaN. The tunnel gate insulating film 11 and the gate insulating film 15 are electrically insulated from the surrounding conductive layers (that is, are electrically floating). Further, a control gate 17 is continuously formed outside the floating gate 13 through a gate insulating film 15. As shown in FIGS. 1A to 1C, the control gate 17 is formed so as to straddle the vicinity of the center of the Si layers 5 and 9 stacked on the Si substrate 1. Then, the source / drain (P +) of the PMOS 20 is formed in the portion of the Si layer 5 that is out of the control gate 17, and the source / drain (N−) of the NMOS 30 is in the portion of the Si layer 9 that is out of the control gate 17. Is formed.

このように、本実施の形態に係る不揮発性メモリ100では、Si基板1上に絶縁膜3、7を介してSi層5、9が積層されており、これらSi層5、9の両側の側面に不揮発性のメモリトランジスタであるPMOS20とNMOS30とがそれぞれ形成されている。そして、これらPMOS20とNMOS30は、共通のフローティング・ゲート13と、共通のコントロール・ゲート17とを有する。   Thus, in the nonvolatile memory 100 according to the present embodiment, the Si layers 5 and 9 are stacked on the Si substrate 1 via the insulating films 3 and 7, and the side surfaces on both sides of the Si layers 5 and 9 are stacked. In addition, PMOS 20 and NMOS 30 which are nonvolatile memory transistors are formed. The PMOS 20 and the NMOS 30 have a common floating gate 13 and a common control gate 17.

このような構造により、フローティング・ゲート13には、NMOS30から電子を供給できるだけでなく、PMOS20からホールを供給することができ、フローティング・ゲート13に対して電子或いはホールの供給量を変化させることで、PMOS20及びNMOS30の閾値電圧を制御することができる。つまり、フローティング・ゲート13に対するデータの書き込みと消去とを、電子とホールのふたつのキャリア供給によって実現することができる。   With such a structure, not only can electrons be supplied from the NMOS 30 to the floating gate 13, but also holes can be supplied from the PMOS 20, and the amount of electrons or holes supplied to the floating gate 13 can be changed. , The threshold voltages of the PMOS 20 and the NMOS 30 can be controlled. That is, data writing and erasing with respect to the floating gate 13 can be realized by supplying two carriers of electrons and holes.

なお、Siにおいて電子・ホール対を形成するために必要なエネルギーは約1.1eVであり、SiとSiO2とが接触している状態において、SiからSiO2に電子が飛び込むために必要なエネルギーは約3.2eVである。また、上記の接触状態においてSiからSiO2にホールが飛び込むために必要なエネルギーは約4.8eVである。従って、PMOS20及びNMOS30において、データの書き込み動作や、消去動作に必要な電圧は最大(Max)値で約4.8Vで良い。また、SiO2より電位障壁の小さいトンネル絶縁膜を用いる場合は、データ書き込み・消去に必要な電圧を更に低くすることができる。 The energy required for forming an electron-hole pair in Si is about 1.1 eV, and the energy required for electrons to jump from Si to SiO 2 when Si and SiO 2 are in contact with each other. Is about 3.2 eV. In addition, the energy required for holes to jump from Si to SiO 2 in the above contact state is about 4.8 eV. Therefore, in the PMOS 20 and the NMOS 30, the voltage required for the data writing operation and the erasing operation may be about 4.8V at the maximum (Max) value. Further, when a tunnel insulating film having a lower potential barrier than SiO 2 is used, the voltage required for data writing / erasing can be further reduced.

さらに、ラッキー・キャリアの存在から、4.8Vよりも小さい電圧で、SiからSiO2に飛び込むホールも存在するが、書き込み時間や消去の時間短縮のためには、ある程度の電流が必要となるため、3〜5V程度の駆動電圧が適当である。さらに、コントロール・ゲート17に加える電圧Vcgは、フローティング・ゲート13への電子注入時はNMOS30のドレイン電位(即ち、PMOSのソース電位)に設定し、フローティング・ゲート13へのホール注入時はNMOS30のソース電位(即ち、PMOSのドレイン電位)に設定すれば良い。このような設定によれば、PMOS20とNMOS30両方のソース・ボディ・ドレイン・ゲートにおける、最大の電位差が5Vを超えることはない。 Furthermore, due to the presence of lucky carriers, there are holes that jump from Si to SiO 2 at a voltage lower than 4.8 V, but a certain amount of current is required to shorten the writing time and erasing time. A driving voltage of about 3 to 5 V is appropriate. Further, the voltage Vcg applied to the control gate 17 is set to the drain potential of the NMOS 30 (that is, the source potential of the PMOS) when electrons are injected into the floating gate 13, and when the holes are injected into the floating gate 13, the voltage of the NMOS 30 is set. What is necessary is just to set to source potential (namely, drain potential of PMOS). According to such a setting, the maximum potential difference between the source, body, drain, and gate of both the PMOS 20 and the NMOS 30 does not exceed 5V.

また、図1(a)〜(c)に示した不揮発性メモリ100を低電圧駆動ロジック回路と混載してLSIを構成した場合でも、最高電圧は5V程度になるため、LSIチップ面積増大によるLSIのコストアップや、低電圧駆動回路の信頼性が劣化するという課題を大きく改善することが可能である。さらに、不揮発性メモリ100のデバイス構造において、ゲート絶縁膜の薄膜化やソース・ドレイン接合の急峻化が可能になり、デバイスの縮小化が実現できる。また、ゲート絶縁膜の薄膜化やソース・ドレイン接合の急峻化により、ドレイン電流が向上し、低電圧の読み込みや高速の読み込みが可能になる。   Further, even when the non-volatile memory 100 shown in FIGS. 1A to 1C is combined with a low voltage drive logic circuit to constitute an LSI, the maximum voltage is about 5 V. It is possible to greatly improve the problem that the cost increases and the reliability of the low voltage drive circuit deteriorates. Further, in the device structure of the nonvolatile memory 100, the gate insulating film can be made thinner and the source / drain junction can be made sharper, and the device can be reduced. In addition, by reducing the thickness of the gate insulating film and sharpening the source / drain junction, the drain current is improved, and low voltage reading and high speed reading are possible.

次に、図1(a)〜(c)に示した不揮発性メモリ100において、データ(例えば、プログラム等)の書き込み方法と消去方法及び、読み込み方法について説明する。
データの書き込みと消去は、次のようにして行うことができる。例えば、電源電圧をVss(0V)、Vdd(5V)とし、PN共通のゲート電圧及びPN共通のドレイン電圧をVddに設定すると、NMOS30がオン(ON)となり、PMOS20がオフ(OFF)となる。ここで、PN共通のゲート電圧とは、コントロール・ゲート17に印加される電圧のことである。このような電圧設定により、NMOS30においては電子がソースからドレインに流れ、高電界により加速され、或いは、インパクト・イオナイゼーションにより電子・ホール対が形成、ホットキャリアが発生する。ホットエレクトロンは、酸化膜/シリコンの障壁を越え、Vddが印加されているコントロール・ゲート17に引っ張られ、フローティング・ゲート13に注入される。また、同時に、ソースとコントロール・ゲート電極間の電界により、F−N電流として、トンネル膜を通して、フロ―テイング・ゲートにキャリアが供給される。
Next, in the nonvolatile memory 100 shown in FIGS. 1A to 1C, a data writing method, an erasing method, and a reading method will be described.
Data writing and erasing can be performed as follows. For example, when the power supply voltages are Vss (0 V) and Vdd (5 V) and the common gate voltage and common drain voltage of PN are set to Vdd, the NMOS 30 is turned on and the PMOS 20 is turned off. Here, the PN common gate voltage is a voltage applied to the control gate 17. With such a voltage setting, electrons flow from the source to the drain in the NMOS 30 and are accelerated by a high electric field, or electron-hole pairs are formed by impact ionization, and hot carriers are generated. Hot electrons cross the oxide / silicon barrier, are pulled by the control gate 17 to which Vdd is applied, and injected into the floating gate 13. At the same time, carriers are supplied to the floating gate through the tunnel film as an FN current by the electric field between the source and the control gate electrode.

一方、PN共通のゲート電圧と、PN共通のドレイン電圧をVssに設定すると、NMOS30がオフとなり、PMOS20がオンとなる。PMOS20においてホールがソースからドレインに流れ、高電界により加速され、或いは、インパクト・イオナイゼーションにより電子・ホール対を形成、ホットキャリアが発生する。ホットホールは、酸化膜/シリコンの障壁を越え、Vss印加したコントロール・ゲート17に引っ張られ、フローティング・ゲート13に注入される。また、同時に、ソースとコントロール・ゲート電極間の電界により、F−N電流として、トンネル膜を通して、フロ―テイング・ゲートにキャリアが供給される。このような、電子或いはホールの注入により、データの書き込みと消去が可能になる。   On the other hand, when the gate voltage common to PN and the drain voltage common to PN are set to Vss, the NMOS 30 is turned off and the PMOS 20 is turned on. Holes flow from the source to the drain in the PMOS 20 and are accelerated by a high electric field, or form electron / hole pairs by impact ionization to generate hot carriers. The hot hole is pulled by the control gate 17 to which Vss is applied, over the oxide / silicon barrier, and injected into the floating gate 13. At the same time, carriers are supplied to the floating gate through the tunnel film as an FN current by the electric field between the source and the control gate electrode. Data can be written and erased by such injection of electrons or holes.

また、データの読み込みは、次のようにして行うことができる。例えば、電源電圧をVss(0V)、Vdd(3〜5V)とし、PN共通のゲート電圧及びPN共通のドレイン電圧を、PMOS20のソースと同電位(例えばVdd/2)に設定すると、PMOS20では、チャネルがオフとなり、かつ、ソース・ドレイン間の電位差が無いため、PMOS20には電流が流れない。一方、NMOS30では、ソース・ドレイン間には、Vdd/2−Vssの電位が加わり、コントロール・ゲート17とソース間にも、同じ電位が加わる。このため、NMOS30では、フローティング・ゲート13に蓄えられた電子が多い場合にはチャネルがオフとなり電流が流れないものの、フローティング・ゲート13に蓄えられた電子が少ない場合、或いは、ホールが蓄えられている場合には、チャネルがオンし、ソースからドレインに電子が流れる。   Data can be read as follows. For example, if the power supply voltages are Vss (0 V) and Vdd (3 to 5 V), and the PN common gate voltage and PN common drain voltage are set to the same potential as the source of the PMOS 20 (for example, Vdd / 2), Since the channel is turned off and there is no potential difference between the source and drain, no current flows through the PMOS 20. On the other hand, in the NMOS 30, a potential of Vdd / 2−Vss is applied between the source and the drain, and the same potential is applied between the control gate 17 and the source. For this reason, in the NMOS 30, when there are many electrons stored in the floating gate 13, the channel is turned off and no current flows. However, when there are few electrons stored in the floating gate 13 or holes are stored. The channel is turned on, and electrons flow from the source to the drain.

なお、図1(a)〜(c)に示すように、NMOS30のうちのSi層9上面に形成された部分(以下、この部分を「NMOS30a」ともいう。)が、共通のコントロール・ゲート17をゲート電極として有し、かつ、フローティング・ゲート13を持たない場合には、データの読み込み時に、NMOS30全体のコントロール・ゲート17による電流制御性が向上し、低電圧・高速の読み込みが可能となる。一方、NMOS30aにフローティング・ゲート13を持たせた場合(即ち、コントロール・ゲート17とSi層9上面との間にフローティング・ゲート13を配置した場合)には、N型の不揮発性メモリトランジスタのチャネル領域の面積が増えるので、高速の書き込み、消去が可能となる。   As shown in FIGS. 1A to 1C, a portion of the NMOS 30 formed on the upper surface of the Si layer 9 (hereinafter, this portion is also referred to as “NMOS 30a”) is a common control gate 17. Is used as the gate electrode and the floating gate 13 is not provided, the current controllability by the control gate 17 of the entire NMOS 30 is improved when reading data, and low voltage and high speed reading is possible. . On the other hand, when the NMOS 30a has the floating gate 13 (that is, when the floating gate 13 is disposed between the control gate 17 and the upper surface of the Si layer 9), the channel of the N-type nonvolatile memory transistor is used. Since the area of the region increases, high-speed writing and erasing are possible.

次に、Si基板1上に積層された二層のSi層5、9をVdd、Vssラインとして使
う回路の一例について説明する。 図23は、本発明の実施形態に係るDiNOR(Divided bit line NOR Flash Memory)回路200の構成例を示す平面図である。また、図24はDiNOR回路200の構成例を示す回路図である。このDiNOR回路200では、その1ビットのメモリセルが図1(a)〜(c)に示した不揮発性メモリ100で構成されている。
Next, an example of a circuit that uses the two Si layers 5 and 9 stacked on the Si substrate 1 as Vdd and Vss lines will be described. FIG. 23 is a plan view showing a configuration example of a Divorbit line NOR Flash Memory (DiNOR) circuit 200 according to the embodiment of the present invention. FIG. 24 is a circuit diagram showing a configuration example of the DiNOR circuit 200. In the DiNOR circuit 200, the 1-bit memory cell includes the nonvolatile memory 100 shown in FIGS.

即ち、図23に示すように、Si基板上には絶縁膜を介してSi層5、9が積層されており、これらは平面視でX方向及びY方向に延びた碁盤の格子状となっている。また、これらSi層5、9のうちのX方向に延びている部分と平面視で直交するように、Si基板1上にはY方向に沿ってワード線(W/L)201が配置されている。このワード線(W/L)201が、図1(a)〜(c)に示した共通のコントロール・ゲート17に対応している。さらに、Si基板上には、Si層5、9のうちのX方向に延びている部分の真上を通るように、ビット線(B/L)203が配置されている。   That is, as shown in FIG. 23, Si layers 5 and 9 are laminated on an Si substrate via an insulating film, and these form a grid of grids extending in the X and Y directions in plan view. Yes. Further, a word line (W / L) 201 is arranged on the Si substrate 1 along the Y direction so as to be orthogonal to the portion of the Si layers 5 and 9 extending in the X direction in plan view. Yes. This word line (W / L) 201 corresponds to the common control gate 17 shown in FIGS. Further, a bit line (B / L) 203 is disposed on the Si substrate so as to pass directly above the portion of the Si layers 5 and 9 extending in the X direction.

この例では、絶縁膜を介してワード線201の上をビット線203が通っている。また、この例では、PMOSのドレイン(D)とNMOSのドレイン(D)には共通のコンタクト電極211が形成されており、この共通のコンタクト電極211を介してPMOS及びNMOSの各ドレインがビット線203に接続されている。また、PMOSのソース(S)はコンタクト電極213によって絶縁膜上に引き出されており、図24に示すように、配線によって例えば電源Vddに接続されている。NMOSのソース(S)はコンタクト電極215によって絶縁膜上に引き出されており、図24に示すように、配線によって例えば電源Vssに接続されている。図23、24において、2点鎖線で囲んだ部分が1ビットのメモリセル、即ち、不揮発性メモリ100である。
このように、図23、24に示したDiNOR回路200では、Si基板上に積層された2つのSi層5、9をそれぞれVddと、Vssラインとして使っている。その結果、ドレイン(D)のコンタクト電極211をPNで共通化することができ、コンタクト数を減らすことができるので、DiNOR回路200の集積度を高めることが可能である。
In this example, the bit line 203 passes over the word line 201 through an insulating film. In this example, a common contact electrode 211 is formed on the PMOS drain (D) and the NMOS drain (D), and the PMOS and NMOS drains are connected to the bit line via the common contact electrode 211. 203. Further, the source (S) of the PMOS is drawn out on the insulating film by the contact electrode 213, and is connected to, for example, the power supply Vdd by wiring as shown in FIG. The source (S) of the NMOS is drawn out on the insulating film by the contact electrode 215, and is connected to the power source Vss, for example, by wiring as shown in FIG. In FIGS. 23 and 24, a portion surrounded by a two-dot chain line is a 1-bit memory cell, that is, a nonvolatile memory 100.
In this way, in the DiNOR circuit 200 shown in FIGS. 23 and 24, the two Si layers 5 and 9 stacked on the Si substrate are used as the Vdd and Vss lines, respectively. As a result, the drain (D) contact electrode 211 can be shared by PN, and the number of contacts can be reduced, so that the integration degree of the DiNOR circuit 200 can be increased.

次に、図1(a)〜(c)に示した不揮発性メモリ100の製造方法について説明する。
図2〜図21は、本発明の実施形態に係る不揮発性メモリ100の製造方法を示す図であり、図2(a)〜図21(a)は図1(b)に至るまでのX−X´断面に対応した工程図であり、図2(b)〜図21(b)は図1(c)に至るまでのY−Y´断面に対応した工程図である。ここでは、図1(a)〜(c)に示した不揮発性メモリ100をSBSI法を応用して製造することについて説明する。
Next, a method for manufacturing the nonvolatile memory 100 shown in FIGS. 1A to 1C will be described.
2 to 21 are views showing a method of manufacturing the nonvolatile memory 100 according to the embodiment of the present invention, and FIGS. 2A to 21A are X-- up to FIG. 1B. FIG. 2B to FIG. 21B are process diagrams corresponding to the YY ′ section up to FIG. 1C. Here, manufacturing the nonvolatile memory 100 shown in FIGS. 1A to 1C by applying the SBSI method will be described.

まず始めに、図2(a)及び(b)において、Si基板1上に図示しないシリコンバッファ(Si−buffer)層を形成し、その上に単結晶のSiGe層51、単結晶のSi層5、単結晶のSiGe層53、単結晶のSi層9を順次積層する。これらSi−buffer層、SiGe層51、Si層5、SiGe層53、Si層9は、例えばエピタキシャル成長法で連続して形成する。   First, in FIGS. 2A and 2B, a silicon buffer (Si-buffer) layer (not shown) is formed on the Si substrate 1, and a single-crystal SiGe layer 51 and a single-crystal Si layer 5 are formed thereon. A single crystal SiGe layer 53 and a single crystal Si layer 9 are sequentially stacked. These Si-buffer layer, SiGe layer 51, Si layer 5, SiGe layer 53, and Si layer 9 are continuously formed by, for example, an epitaxial growth method.

次に、図3(a)及び(b)に示すように、Si層9を熱酸化してその表面にSiO2膜55を形成する。そして、CVD法により、SiO2膜55上の全面にSiN膜57を形成する。このSiN膜57は、Si層5、9やSiGe層51、53の酸化を防止するための酸化防止膜として機能すると共に、後の工程でCMP(化学的機械研磨)を行う際にストッパー層としても機能する。なお、SiO2膜55の形成方法は熱酸化に限られることはなく、例えばCVD法で形成しても良い。 Next, as shown in FIGS. 3A and 3B, the Si layer 9 is thermally oxidized to form a SiO 2 film 55 on the surface thereof. Then, a SiN film 57 is formed on the entire surface of the SiO 2 film 55 by the CVD method. The SiN film 57 functions as an antioxidant film for preventing the Si layers 5 and 9 and the SiGe layers 51 and 53 from being oxidized, and as a stopper layer when performing CMP (Chemical Mechanical Polishing) in a later process. Also works. The method for forming the SiO 2 film 55 is not limited to thermal oxidation, and may be formed by, for example, a CVD method.

次に、図4(a)及び(b)に示すように、フォトリソグラフィー技術及びエッチング技術を用いて、SiN膜57、SiO2膜55、Si層9及びSiGe層53を部分的に順次エッチングする。これにより、素子分離領域(即ち、SOI構造を形成しない領域)と平面視で重なる領域に、Si層9とSiGe層53とを貫いてSi層5を底面とする浅い支持体穴h1を形成する。次に、図5(a)及び(b)に示すように、フォトリソグラフィー技術及びエッチング技術を用いて、浅い支持体穴h1の底面で露出したSi層5と、その下のSiGe層51及びSi−buffer層を部分的に順次エッチングする。これにより、素子分離領域と平面視で重なる領域に、Si層5とSiGe層51とを貫いてSi基板1を底面とする深い支持体穴h2を形成する。なお、深い支持体穴h2を形成するエッチング工程では、Si基板1の表面でエッチングを止めるようにしてもよいし、Si基板1をオーバーエッチングして凹部を形成するようにしてもよい。以下、説明の便宜上から、浅い支持体穴h1と深い支持体穴h2を合わせて支持体穴hともいう。 Next, as shown in FIGS. 4A and 4B, the SiN film 57, the SiO 2 film 55, the Si layer 9, and the SiGe layer 53 are partially and sequentially etched using a photolithography technique and an etching technique. . Thus, a shallow support hole h1 having the Si layer 5 as a bottom through the Si layer 9 and the SiGe layer 53 is formed in a region overlapping the element isolation region (that is, a region where the SOI structure is not formed) in plan view. . Next, as shown in FIGS. 5A and 5B, by using a photolithography technique and an etching technique, the Si layer 5 exposed at the bottom surface of the shallow support hole h1, and the SiGe layer 51 and Si under the Si layer 5 are exposed. -The buffer layer is partially etched sequentially. As a result, a deep support hole h2 having the Si substrate 1 as the bottom surface is formed through the Si layer 5 and the SiGe layer 51 in a region overlapping the element isolation region in plan view. In the etching process for forming the deep support hole h2, the etching may be stopped on the surface of the Si substrate 1, or the Si substrate 1 may be over-etched to form a recess. Hereinafter, for convenience of explanation, the shallow support hole h1 and the deep support hole h2 are collectively referred to as a support hole h.

次に、図6(a)及び(b)に示すように、支持体穴hを埋め込むようにSi基板1上の全面に支持体膜59を形成する。支持体膜59は例えばシリコン酸化(SiO2)膜であり、その形成は例えばCVD法で行う。次に、図7(a)及び(b)に示すように、フォトリソグラフィー技術及びエッチング技術を用いて支持体膜59、SiN膜57、SiO2膜55、Si層9、SiGe層53、Si層5、SiGe層51及びSi−buffer層(図示せず)を順次、部分的にエッチングして、支持体膜59から支持体60を形成すると共に、Si基板1の表面及びSi層9、SiGe層53、Si層5、SiGe層51の各側面を露出させる溝Hを形成する。なお、溝Hを形成するエッチング工程では、Si基板1の表面でエッチングを止めるようにしてもよいし、Si基板1をオーバーエッチングして凹部を形成するようにしてもよい。 Next, as shown in FIGS. 6A and 6B, a support film 59 is formed on the entire surface of the Si substrate 1 so as to fill the support hole h. The support film 59 is, for example, a silicon oxide (SiO 2 ) film, and is formed by, for example, a CVD method. Next, as shown in FIGS. 7A and 7B, the support film 59, the SiN film 57, the SiO 2 film 55, the Si layer 9, the SiGe layer 53, and the Si layer using a photolithography technique and an etching technique. 5, the SiGe layer 51 and the Si-buffer layer (not shown) are partially etched sequentially to form the support 60 from the support film 59, and the surface of the Si substrate 1, the Si layer 9, and the SiGe layer 53, a groove H exposing each side surface of the Si layer 5 and the SiGe layer 51 is formed. In the etching process for forming the groove H, the etching may be stopped on the surface of the Si substrate 1, or the Si substrate 1 may be over-etched to form a recess.

次に、図7(a)及び(b)において、溝Hを介してフッ硝酸溶液をSi層5、9及びSiGe層51、53のそれぞれの側面に接触させて、SiGe層51、53を選択的にエッチングして除去する。これにより、図8(a)及び(b)に示すように、Si基板1とSi層5との間に第1の空洞部61を形成すると共に、Si層5とSi層9との間に第2の空洞部63を形成する。ここで、フッ硝酸溶液を用いたウェットエッチングでは、Siと比べてSiGeのエッチングレートが大きい(即ち、Siに対するエッチングの選択比が大きい)ので、Si層5、9を残しつつSiGe層だけをエッチングして除去することが可能である。空洞部61、63の形成後、Si層9はその上面と側面とが支持体60によって支えられると共に、Si層5はその側面が支持体60によって支えられることとなる。   Next, in FIGS. 7A and 7B, the hydrofluoric acid solution is brought into contact with the side surfaces of the Si layers 5 and 9 and the SiGe layers 51 and 53 through the grooves H to select the SiGe layers 51 and 53. Etch away. As a result, as shown in FIGS. 8A and 8B, a first cavity 61 is formed between the Si substrate 1 and the Si layer 5, and between the Si layer 5 and the Si layer 9. A second cavity 63 is formed. Here, in wet etching using a hydrofluoric acid solution, the etching rate of SiGe is larger than that of Si (that is, the etching selectivity to Si is large), so only the SiGe layer is etched while leaving the Si layers 5 and 9. And can be removed. After the formation of the cavities 61 and 63, the Si layer 9 is supported by the support body 60 on the upper surface and side surfaces thereof, and the side surface of the Si layer 5 is supported by the support body 60.

次に、図8(a)及び(b)において、Si基板1を希フッ酸(HF)溶液で洗浄処理する。そして、Si基板1を酸素(O2)またはオゾン(O3)等の酸化雰囲気中に配置し、この状態でSi基板1に熱処理を施す。これにより、図9(a)及び(b)に示すように、Si層5、9やSi−buffer層(図示せず)、Si基板1の各表面においてSiの表面酸化をそれぞれ進行させ、空洞部61、63内をSiO2膜65で埋め込む。なお、このSiO2膜65のうちの、空洞部61内及びSi基板1表面に形成された部分が図1(b)及び(c)に示した絶縁膜3となり、空洞部63内に形成された部分が絶縁膜7となる。 Next, in FIGS. 8A and 8B, the Si substrate 1 is cleaned with a diluted hydrofluoric acid (HF) solution. Then, the Si substrate 1 is placed in an oxidizing atmosphere such as oxygen (O 2 ) or ozone (O 3 ), and the Si substrate 1 is subjected to heat treatment in this state. As a result, as shown in FIGS. 9A and 9B, the surface oxidation of Si proceeds on the respective surfaces of the Si layers 5 and 9, the Si-buffer layer (not shown), and the Si substrate 1. The portions 61 and 63 are filled with the SiO 2 film 65. Of the SiO 2 film 65, the portions formed in the cavity 61 and on the surface of the Si substrate 1 become the insulating film 3 shown in FIGS. 1B and 1C and are formed in the cavity 63. This portion becomes the insulating film 7.

次に、図10(a)及び(b)に示すように、Si基板1の上方全面にSiN膜69を形成する。このSiN膜69の形成は例えばCVD法で行う。続いて、異方性のドライエッチングを利用してSiN膜69をエッチバックする。これにより、図11(a)及び(b)に示すように、Si層5、9や、SiO2膜55、SiN膜57、支持体60の溝Hに面した側面にサイドウォール70を形成する。 Next, as shown in FIGS. 10A and 10B, an SiN film 69 is formed on the entire upper surface of the Si substrate 1. The SiN film 69 is formed by, for example, a CVD method. Subsequently, the SiN film 69 is etched back using anisotropic dry etching. As a result, as shown in FIGS. 11A and 11B, the sidewalls 70 are formed on the side surfaces of the Si layers 5 and 9, the SiO 2 film 55, the SiN film 57, and the groove 60 of the support 60. .

次に、図12(a)及び(b)に示すように、Si基板1に熱酸化処理を施して、SiO2膜65のうちの、サイドウォール70下から露出している部分を厚膜化する。このとき、Si層5、9は、その側面がSiN膜からなるサイドウォール70で覆われ、且つ、その上方はSiN膜57で覆われているので、酸化されずに済む。なお、この基板表面SiO2膜65の厚膜化は、後の図14の工程でSi層5、9の溝Hに面した側面を露出させる際に、Si基板1表面を露出させないためである。基板表面の厚いSiO2膜65の存在により、図23のワード・ラインにおける配線容量を減らすことができる。 Next, as shown in FIGS. 12A and 12B, the Si substrate 1 is subjected to thermal oxidation to thicken the portion of the SiO 2 film 65 exposed from under the sidewall 70. To do. At this time, the side surfaces of the Si layers 5 and 9 are covered with the sidewall 70 made of the SiN film and the upper side thereof is covered with the SiN film 57, so that the Si layers 5 and 9 need not be oxidized. This thickening of the substrate surface SiO 2 film 65 is because the surface of the Si substrate 1 is not exposed when the side surface facing the groove H of the Si layers 5 and 9 is exposed in the later step of FIG. . The presence of the thick SiO 2 film 65 on the substrate surface can reduce the wiring capacitance in the word line of FIG.

次に、例えば希HF溶液を用いて支持体60をエッチングしてSiN膜57の表面を露出させ、さらに、例えば熱リン酸溶液を用いてSiN膜57をエッチングする。このようにして、図13(a)及び(b)に示すように、Si層9上のSiO2膜55や、Si層5、9側面のSiO2膜65を露出させる。次に、例えば希HF溶液を用いてSiO2膜55、65をエッチングする。これにより、図14(a)及び(b)に示すように、Si層5、9の溝Hに面した側面と、Si層9の上面とを露出させる。なお、図14以降では、図1との対応関係の混乱を避けるために、Si基板1とSi層5との間のSiO2膜65を絶縁膜3と記し、Si層5とSi層9との間のSiO2膜65を絶縁膜7と記す。 Next, the support 60 is etched using, for example, a diluted HF solution to expose the surface of the SiN film 57, and further, the SiN film 57 is etched using, for example, a hot phosphoric acid solution. In this way, as shown in FIGS. 13A and 13B, the SiO 2 film 55 on the Si layer 9 and the SiO 2 film 65 on the side surfaces of the Si layers 5 and 9 are exposed. Next, the SiO 2 films 55 and 65 are etched using, for example, a diluted HF solution. Thereby, as shown in FIGS. 14A and 14B, the side surface of the Si layers 5 and 9 facing the groove H and the upper surface of the Si layer 9 are exposed. In FIG. 14 and subsequent figures, in order to avoid the confusion of the correspondence with FIG. 1, the SiO 2 film 65 between the Si substrate 1 and the Si layer 5 is referred to as an insulating film 3, and the Si layer 5 and the Si layer 9 The SiO 2 film 65 between them is referred to as an insulating film 7.

次に、図15(a)及び(b)に示すように、少なくともSi層5、9の溝Hに面した側面を覆うように、トンネルゲート絶縁膜11を形成する。ここで、トンネルゲート絶縁膜11としてSiO2膜を使用する場合には、例えばSiの熱酸化またはCVDによりSiO2膜を形成する。また、トンネルゲート絶縁膜11として、バンドギャップ(即ち、価電子帯と伝導帯とのエネルギー差)がSiO2よりも小さく、Siとの障壁エネルギーが小さい膜を使用する場合には、例えばCVD法やALD法により、Si34膜、Ta25膜、BaTiO3膜、ZrO2膜、HfO膜、Y23膜、ZrSiO2膜などを形成する。 Next, as shown in FIGS. 15A and 15B, the tunnel gate insulating film 11 is formed so as to cover at least the side surface of the Si layers 5 and 9 facing the groove H. Here, when an SiO 2 film is used as the tunnel gate insulating film 11, the SiO 2 film is formed by, for example, thermal oxidation of Si or CVD. Further, when a film having a band gap (that is, an energy difference between a valence band and a conduction band) smaller than that of SiO 2 and having a small barrier energy with Si is used as the tunnel gate insulating film 11, for example, a CVD method is used. Further, an Si 3 N 4 film, a Ta 2 O 5 film, a BaTiO 3 film, a ZrO 2 film, an HfO film, a Y 2 O 3 film, a ZrSiO 2 film, or the like is formed by the ALD method.

次に、図16(a)及び(b)に示すように、トンネルゲート絶縁膜11を覆うようにSi基板1上の全面に導電膜73を形成する。導電膜73には、例えばPoly−Siのような半導体膜、金属膜を使用することができるが、ここでは導電膜73として例えばPoly−Siを使用するものとする。Poly−Siの形成は、例えばCVDにより行う。   Next, as shown in FIGS. 16A and 16B, a conductive film 73 is formed on the entire surface of the Si substrate 1 so as to cover the tunnel gate insulating film 11. For the conductive film 73, for example, a semiconductor film such as Poly-Si or a metal film can be used. Here, for example, Poly-Si is used as the conductive film 73. Poly-Si is formed by CVD, for example.

次に、異方性のドライエッチングを利用して、導電膜73をエッチバックする。これにより、図17(a)及び(b)に示すように、Si層5、9の溝Hに面した側面だけに導電膜を残し、それ以外の領域からは導電膜を取り除く。このSi層5、9の溝Hに面した側面に残された導電膜が、フローティング・ゲート13となる。フローティング・ゲート13を形成した後は、Si基板1に例えば希HF溶液を用いた洗浄処理を施して、フローティング・ゲート13の表面や、フローティング・ゲート13から露出しているトンネルゲート絶縁膜11(即ち、トンネルゲート絶縁膜11のうちのSi層9上面に残されている部分)の表面を清浄化する。なお、この洗浄処理工程では、図22(a)に示すように、トンネルゲート絶縁膜11のうちのSi層9上面に残されている部分を完全に取り除いて、Si層9の上面を露出させても良い。   Next, the conductive film 73 is etched back using anisotropic dry etching. Thus, as shown in FIGS. 17A and 17B, the conductive film is left only on the side surface of the Si layers 5 and 9 facing the groove H, and the conductive film is removed from the other regions. The conductive film left on the side surface of the Si layers 5 and 9 facing the groove H becomes the floating gate 13. After the floating gate 13 is formed, the Si substrate 1 is subjected to a cleaning process using, for example, a dilute HF solution, and the surface of the floating gate 13 or the tunnel gate insulating film 11 (exposed from the floating gate 13) ( That is, the surface of the tunnel gate insulating film 11 remaining on the upper surface of the Si layer 9 is cleaned. In this cleaning process, as shown in FIG. 22A, the portion of the tunnel gate insulating film 11 remaining on the upper surface of the Si layer 9 is completely removed to expose the upper surface of the Si layer 9. May be.

次に、図18(a)及び(b)に示すように、フローティング・ゲート13の表面にゲート絶縁膜15を形成する。ゲート絶縁膜15の形成方法は、例えば熱酸化やHTO(即ち、600〜900℃程度の高温における熱CVD)である。例えば、フローティング・ゲート13がポリシリコンの場合は、熱酸化によってSiO2膜が形成される。絶縁物11がSiO2,HfO、ZrO2等の酸化膜の場合には、熱酸化時に酸化種が絶縁膜11中を拡散し、絶縁膜11とSi層9上面との界面には、新しいSiO2が形成される。従って、絶縁膜11がエネルギー障壁の小さい酸化絶縁物から形成されている場合でも、Si層9の上面だけには、エネルギー障壁の大きなSiO2膜が存在する。なお、このゲート絶縁膜15の形成工程において、図22(a)に示したようにSi層9の上面が露出している場合には、図22(b)に示すように、Si層9の上面にもゲート絶縁膜15が形成される。そして、このSi層9上面に形成されたゲート絶縁膜15が、NMOS30aのゲート絶縁膜となる。 Next, as shown in FIGS. 18A and 18B, a gate insulating film 15 is formed on the surface of the floating gate 13. The formation method of the gate insulating film 15 is, for example, thermal oxidation or HTO (that is, thermal CVD at a high temperature of about 600 to 900 ° C.). For example, when the floating gate 13 is polysilicon, a SiO 2 film is formed by thermal oxidation. When the insulator 11 is an oxide film such as SiO 2 , HfO, or ZrO 2 , the oxidized species diffuses in the insulating film 11 during thermal oxidation, and new SiO 2 is present at the interface between the insulating film 11 and the upper surface of the Si layer 9. 2 is formed. Therefore, even when the insulating film 11 is formed of an oxide insulator having a small energy barrier, an SiO 2 film having a large energy barrier exists only on the upper surface of the Si layer 9. In the step of forming the gate insulating film 15, when the upper surface of the Si layer 9 is exposed as shown in FIG. 22A, the Si layer 9 is formed as shown in FIG. A gate insulating film 15 is also formed on the upper surface. The gate insulating film 15 formed on the upper surface of the Si layer 9 becomes the gate insulating film of the NMOS 30a.

次に、図18(a)及び(b)に示すように、ゲート絶縁膜15を覆うようにSi基板1上の全面に導電膜75を形成する。ここで、導電膜75には、例えばリン(P)またはボロン(B)等の導電性不純物を添加したPoly−Siを使用する。次に、図19(a)及び(b)に示すように、コントロール・ゲート17の形成領域を覆い、それ以外の領域を露出するレジストパターン77を導電膜上に形成する。そして、このレジストパターン77をマスクに導電膜をドライエッチングして、コントロール・ゲート17を形成する。   Next, as shown in FIGS. 18A and 18B, a conductive film 75 is formed on the entire surface of the Si substrate 1 so as to cover the gate insulating film 15. Here, for the conductive film 75, for example, Poly-Si to which conductive impurities such as phosphorus (P) or boron (B) are added is used. Next, as shown in FIGS. 19A and 19B, a resist pattern 77 is formed on the conductive film, covering the formation region of the control gate 17 and exposing the other regions. Then, the control gate 17 is formed by dry etching the conductive film using the resist pattern 77 as a mask.

次に、図20(a)及び(b)に示すように、レジストパターン77及びコントロール・ゲート17をマスクに、ボロン等のP型不純物をSi基板1に向けてイオン注入する。ここで、イオン注入のRp(プロジェクトレンジ)をSi層5に合わせることで、Si層5にP型不純物を集中的に導入することができ、Si層5のみにPMOSのソース・ドレイン(P+)を形成することができる。   Next, as shown in FIGS. 20A and 20B, a P-type impurity such as boron is ion-implanted toward the Si substrate 1 using the resist pattern 77 and the control gate 17 as a mask. Here, by matching the Rp (project range) of ion implantation to the Si layer 5, P-type impurities can be intensively introduced into the Si layer 5, and the PMOS source / drain (P +) can be introduced only into the Si layer 5. Can be formed.

次に、図21(a)及び(b)に示すように、レジストパターン77及びコントロール・ゲート17をマスクに、ヒ素等のN型不純物をSi基板1に向けてイオン注入する。ここで、イオン注入のRp(プロジェクトレンジ)をSi層9に合わせることで、Si層9にN型不純物を集中的に導入することができ、Si層9のみにNMOSのソース・ドレイン(N+)を形成することができる。その後、コントロール・ゲート17上からレジストパターン77を取り除く。これにより、図1(a)〜(c)に示した不揮発性メモリ100が完成する。
なお、図2〜図21で説明したような方法で、図23に示したようなDiNOR回路200を形成することも可能である。その場合は、DiNOR回路200の複数の素子分離領域(即ち、Si層5、9を残さない領域)220に、支持体穴hや溝Hを選択的に配置すれば良い。
Next, as shown in FIGS. 21A and 21B, N-type impurities such as arsenic are ion-implanted toward the Si substrate 1 using the resist pattern 77 and the control gate 17 as a mask. Here, by matching the ion implantation Rp (project range) to the Si layer 9, N-type impurities can be intensively introduced into the Si layer 9, and the NMOS source / drain (N +) can be introduced only into the Si layer 9. Can be formed. Thereafter, the resist pattern 77 is removed from the control gate 17. Thereby, the nonvolatile memory 100 shown in FIGS. 1A to 1C is completed.
It is also possible to form the DiNOR circuit 200 as shown in FIG. 23 by the method described with reference to FIGS. In that case, the support hole h and the groove H may be selectively disposed in a plurality of element isolation regions (that is, regions where the Si layers 5 and 9 are not left) 220 of the DiNOR circuit 200.

以上説明したように、本発明の実施の形態によれば、共通のフローティング・ゲート13に対して、NMOS30から電子を供給することができると共に、PMOS20からホールを供給することができる。そして、フローティング・ゲート13に電子やホールを選択的に供給することで、その電位を変化させることができ、PMOS20、NMOS30の閾値電圧を制御することできる。例えば、データの書き込み時には、共通のフローティング・ゲート13に電子を供給して、PMOS20の閾値を下げ、NMOS30の閾値を上げることができる。また、データの消去時には、フローティング・ゲート13にホールを供給して、蓄積されている電子をホールと再結合させ、PMOS20、NMOS30の閾値電圧をそれぞれ書き込み前の状態に戻すことができる。   As described above, according to the embodiment of the present invention, electrons can be supplied from the NMOS 30 and holes can be supplied from the PMOS 20 to the common floating gate 13. By selectively supplying electrons and holes to the floating gate 13, the potential can be changed, and the threshold voltages of the PMOS 20 and the NMOS 30 can be controlled. For example, when writing data, electrons can be supplied to the common floating gate 13 to lower the threshold of the PMOS 20 and raise the threshold of the NMOS 30. At the time of erasing data, holes can be supplied to the floating gate 13 to recombine the accumulated electrons with the holes, and the threshold voltages of the PMOS 20 and NMOS 30 can be returned to the state before writing.

このように、フローティング・ゲート13に対する書き込みと消去とを、電子とホールのふたつのキャリア供給によって実現することができるので、従来の技術と比べて、データの書き込みと消去時にコントロール・ゲートに対して正負の電圧を高電圧で印加する必要がなく、高電圧駆動回路を省くことができる。従って、LSIのチップ面積を低減することができる。また、電池等を用いた低電圧電源でのデータ書き込み/消去が可能になる。   As described above, since writing and erasing with respect to the floating gate 13 can be realized by supplying two carriers of electrons and holes, compared with the conventional technique, the data is written and erased with respect to the control gate. There is no need to apply positive and negative voltages at a high voltage, and a high voltage driving circuit can be omitted. Therefore, the chip area of the LSI can be reduced. In addition, data writing / erasing can be performed with a low voltage power source using a battery or the like.

この実施の形態では、Si基板1が本発明の「基板」または「半導体基板」に対応し、絶縁膜3が本発明の「第1絶縁膜」に対応し、絶縁膜7が本発明の「第2絶縁膜」に対応している。また、単結晶のSi層5が本発明の「第1半導体層」に対応し、単結晶のSi層9が本発明の「第2半導体層」に対応し、フローティング・ゲート13が本発明の「電荷蓄積層」に対応している。さらに、Si層5の側面に形成されたPMOS20が本発明の「第1導電型MOSトランジスタ」に対応し、Si層9の側面に形成されたNMOS30が本発明の「第2導電型MOSトランジスタ」に対応している。また、SiGe層51が本発明の「第1犠牲半導体層」に対応し、SiGe層53が本発明の「第2犠牲半導体層」に対応している。さらに、支持体穴hが本発明の「第1溝」に対応し、溝Hが本発明の「第2溝」に対応している。また、空洞部61が本発明の「第1空洞部」に対応し、空洞部63が本発明の「第2空洞部」に対応している。   In this embodiment, the Si substrate 1 corresponds to the “substrate” or “semiconductor substrate” of the present invention, the insulating film 3 corresponds to the “first insulating film” of the present invention, and the insulating film 7 corresponds to “ This corresponds to the “second insulating film”. The single crystal Si layer 5 corresponds to the “first semiconductor layer” of the present invention, the single crystal Si layer 9 corresponds to the “second semiconductor layer” of the present invention, and the floating gate 13 corresponds to the “first semiconductor layer” of the present invention. It corresponds to the “charge storage layer”. Further, the PMOS 20 formed on the side surface of the Si layer 5 corresponds to the “first conductivity type MOS transistor” of the present invention, and the NMOS 30 formed on the side surface of the Si layer 9 corresponds to the “second conductivity type MOS transistor” of the present invention. It corresponds to. The SiGe layer 51 corresponds to the “first sacrificial semiconductor layer” of the present invention, and the SiGe layer 53 corresponds to the “second sacrificial semiconductor layer” of the present invention. Further, the support hole h corresponds to the “first groove” of the present invention, and the groove H corresponds to the “second groove” of the present invention. The cavity 61 corresponds to the “first cavity” of the present invention, and the cavity 63 corresponds to the “second cavity” of the present invention.

なお、本発明では、図1(a)〜(c)において、Si層9上面の絶縁膜(即ち、NMOS30aのゲート絶縁膜)が、Si層5、9側面のトンネルゲート絶縁膜11よりも厚く形成されていることが好ましい。例えば、図22(a)及び(b)に示したように、NMOS30aのゲート絶縁膜がゲート絶縁膜15で構成されている場合には、トンネルゲート絶縁膜11よりもゲート絶縁膜15の方が厚く形成されていることが好ましい。このような構成であれば、フローティング・ゲート13に電子(または、ホール)を注入する際に、ゲート絶縁膜15よりもトンネルゲート絶縁膜11の方がキャリア(電子または、ホール)に対する電位障壁が小さくなるため、データの書き込み、消去時にトンネルゲート絶縁膜11を通してキャリアをフローティング・ゲート13へ移動させることが容易となる。   1A to 1C, the insulating film on the upper surface of the Si layer 9 (that is, the gate insulating film of the NMOS 30a) is thicker than the tunnel gate insulating film 11 on the side surfaces of the Si layers 5 and 9. Preferably it is formed. For example, as shown in FIGS. 22A and 22B, when the gate insulating film of the NMOS 30 a is composed of the gate insulating film 15, the gate insulating film 15 is more than the tunnel gate insulating film 11. It is preferable to form it thickly. With such a configuration, when electrons (or holes) are injected into the floating gate 13, the tunnel gate insulating film 11 has a potential barrier against carriers (electrons or holes) rather than the gate insulating film 15. Therefore, it becomes easy to move carriers to the floating gate 13 through the tunnel gate insulating film 11 when writing or erasing data.

また、本発明では、図1(a)〜(c)において、Siとの接触により生じる障壁エネルギーに関して、Si層5、9側面のトンネルゲート絶縁膜11は、NMOS30aのゲート絶縁膜よりも障壁エネルギーが小さい材料膜で構成されていることが好ましい。例えば、図22(a)及び(b)では、ゲート絶縁膜15はSiO2膜であり、トンネルゲート絶縁膜11はSi34膜、Ta25膜、BaTiO3膜、ZrO2膜、HfO膜、Y23膜、ZrSiO2膜等であることが好ましい。このような構成であれば、NMOS30aのゲート絶縁膜よりもトンネルゲート絶縁膜11の方がキャリア(電子または、ホール)に対する電位障壁が小さくなるため、データの書き込み、消去時にトンネルゲート絶縁膜11を通してキャリアをフローティング・ゲート13へ移動させることが容易となる。 Further, in the present invention, in FIGS. 1A to 1C, regarding the barrier energy generated by contact with Si, the tunnel gate insulating film 11 on the side surfaces of the Si layers 5 and 9 has a barrier energy higher than the gate insulating film of the NMOS 30a. Is preferably made of a material film having a small thickness. For example, in FIGS. 22A and 22B, the gate insulating film 15 is a SiO 2 film, and the tunnel gate insulating film 11 is a Si 3 N 4 film, a Ta 2 O 5 film, a BaTiO 3 film, a ZrO 2 film, A HfO film, a Y 2 O 3 film, a ZrSiO 2 film, or the like is preferable. With such a configuration, the potential barrier against carriers (electrons or holes) is smaller in the tunnel gate insulating film 11 than in the gate insulating film of the NMOS 30a, so that the data is written and erased through the tunnel gate insulating film 11. It becomes easy to move carriers to the floating gate 13.

さらに、本発明では、図1(a)〜(c)において、フローティング・ゲート13を、絶縁膜からなる電荷トラップ膜で置き換えても良い。即ち、本発明の「電荷蓄積層」は、Poly−Siなどの半導体膜や、金属膜に限定されるものではなく、例えばSi34膜などの絶縁膜や、イントリンジックPoly−Siのような高抵抗半導体であっても良い。このような構成であっても、上記の実施形態と同様に、電荷トラップ膜に対する書き込みと消去とを、電子とホールのふたつのキャリア供給によって実現することができる。例えば、データの書き込み時には、共通の電荷トラップ膜に電子を供給して、PMOS20、NMOS30の閾値電圧をそれぞれ変化させることができる。また、データの消去時には、電荷トラップ膜にホールを供給して、トラップされている電子の負電荷をホールの正電荷で相殺し、PMOS20、NMOS30の閾値電圧をそれぞれ書き込み前の状態に戻すことができる。従って、従来の技術と比べて、データの書き込みと消去時にコントロール・ゲートに対して正負の電圧を高電圧で印加する必要がなく、高電圧駆動回路を省くことができる。 Further, in the present invention, in FIGS. 1A to 1C, the floating gate 13 may be replaced with a charge trap film made of an insulating film. That is, the “charge storage layer” of the present invention is not limited to a semiconductor film such as Poly-Si or a metal film. For example, an insulating film such as a Si 3 N 4 film or an intrinsic Poly-Si film is used. Such a high resistance semiconductor may be used. Even with such a configuration, similarly to the above-described embodiment, writing and erasing with respect to the charge trapping film can be realized by supplying two carriers of electrons and holes. For example, when writing data, electrons can be supplied to the common charge trapping film to change the threshold voltages of the PMOS 20 and NMOS 30 respectively. When erasing data, holes are supplied to the charge trapping film so that the negative charges of the trapped electrons are canceled by the positive charges of the holes, and the threshold voltages of the PMOS 20 and NMOS 30 are returned to the state before writing. it can. Therefore, compared with the conventional technique, it is not necessary to apply a positive or negative voltage to the control gate at a high voltage at the time of data writing and erasing, and a high voltage driving circuit can be omitted.

実施の形態に係る不揮発性メモリ100の構成例を示す図。1 is a diagram showing a configuration example of a nonvolatile memory 100 according to an embodiment. 不揮発性メモリ100の製造方法を示す図(その1)。FIG. 3 is a diagram illustrating a method for manufacturing the nonvolatile memory 100 (part 1); 不揮発性メモリ100の製造方法を示す図(その2)。FIG. 2 is a diagram illustrating a method for manufacturing the nonvolatile memory 100 (part 2); 不揮発性メモリ100の製造方法を示す図(その3)。FIG. 3 is a diagram illustrating a method for manufacturing the nonvolatile memory 100 (No. 3). 不揮発性メモリ100の製造方法を示す図(その4)。FIG. 4 is a diagram illustrating a method for manufacturing the nonvolatile memory 100 (part 4); 不揮発性メモリ100の製造方法を示す図(その5)。FIG. 5 is a diagram illustrating a method for manufacturing the nonvolatile memory 100 (No. 5). 不揮発性メモリ100の製造方法を示す図(その6)。FIG. 6 illustrates a method for manufacturing the nonvolatile memory 100 (No. 6). 不揮発性メモリ100の製造方法を示す図(その7)。FIG. 7 shows a method for manufacturing the nonvolatile memory 100 (No. 7). 不揮発性メモリ100の製造方法を示す図(その8)。FIG. 8 shows a method for manufacturing the nonvolatile memory 100 (No. 8). 不揮発性メモリ100の製造方法を示す図(その9)。FIG. 9 shows a method for manufacturing the nonvolatile memory 100 (No. 9). 不揮発性メモリ100の製造方法を示す図(その10)。FIG. 10 shows a method for manufacturing the nonvolatile memory 100 (No. 10). 不揮発性メモリ100の製造方法を示す図(その11)。FIG. 11 shows a method for manufacturing the nonvolatile memory 100 (No. 11). 不揮発性メモリ100の製造方法を示す図(その12)。FIG. 12 shows a method for manufacturing the nonvolatile memory 100 (No. 12). 不揮発性メモリ100の製造方法を示す図(その13)。FIG. 13 shows a method for manufacturing the nonvolatile memory 100 (No. 13). 不揮発性メモリ100の製造方法を示す図(その14)。FIG. 14 is a diagram showing a method for manufacturing the nonvolatile memory 100 (No. 14). 不揮発性メモリ100の製造方法を示す図(その15)。FIG. 15 is a view showing a method for manufacturing the nonvolatile memory 100 (No. 15). 不揮発性メモリ100の製造方法を示す図(その16)。FIG. 16 is a view showing the method of manufacturing the nonvolatile memory 100 (No. 16). 不揮発性メモリ100の製造方法を示す図(その17)。FIG. 17 is a view showing a method for manufacturing the nonvolatile memory 100 (No. 17). 不揮発性メモリ100の製造方法を示す図(その18)。FIG. 18 shows a method for manufacturing the nonvolatile memory 100 (No. 18). 不揮発性メモリ100の製造方法を示す図(その19)。FIG. 19 is a diagram illustrating a method for manufacturing the nonvolatile memory 100 (19); 不揮発性メモリ100の製造方法を示す図(その20)。FIG. 20 shows a method for manufacturing the nonvolatile memory 100 (No. 20). 不揮発性メモリ100の他の構成例を示す図。The figure which shows the other structural example of the non-volatile memory. 実施の形態に係るDiNOR回路200の構成例を示す平面図。The top view which shows the structural example of the DiNOR circuit 200 which concerns on embodiment. DiNOR回路200の構成例を示す回路図。FIG. 2 is a circuit diagram showing a configuration example of a DiNOR circuit 200.

符号の説明Explanation of symbols

1 Si基板、3、7 絶縁膜、5、9 Si層、11 (トンネル)ゲート絶縁膜、
13 フローティング・ゲート、15 ゲート絶縁膜(例えば、SiO2膜)、17 コ
ントロール・ゲート、20 PMOS、30 NMOS、30a NMOSのうちのSi
層9上面に形成された部分(即ち、メモリ機能を持たない通常のNMOS)、51、53
SiGe層、55、65 SiO2膜、57、69 SiN膜、59 支持体膜、60
支持体、61、63 空洞部、70 サイドウォール、73、75 導電膜、77 レ
ジストパターン、100 不揮発性メモリ、200 DiNOR回路、201 ワード線
、203 ビット線、211、213、215 コンタクト電極、220 素子分離領域
、H 溝、h 支持体穴、h1 (浅い)支持体穴、h2 (深い)支持体穴
1 Si substrate, 3, 7 insulating film, 5, 9 Si layer, 11 (tunnel) gate insulating film,
13 Floating gate, 15 Gate insulating film (for example, SiO 2 film), 17 Control gate, 20 PMOS, 30 NMOS, 30a Si of NMOS
Portions formed on the upper surface of the layer 9 (that is, normal NMOS having no memory function), 51, 53
SiGe layer, 55, 65 SiO 2 film, 57, 69 SiN film, 59 Support film, 60
Support, 61, 63 cavity, 70 sidewall, 73, 75 conductive film, 77 resist pattern, 100 nonvolatile memory, 200 DiNOR circuit, 201 word line, 203 bit line, 211, 213, 215 contact electrode, 220 element Separation region, H groove, h support hole, h1 (shallow) support hole, h2 (deep) support hole

Claims (7)

基板上に第1絶縁膜を介して形成された第1半導体層と、
前記第1半導体層上に第2絶縁膜を介して形成された第2半導体層と、
前記第1半導体層の少なくとも一つの側面に形成された第1導電型MOSトランジスタと、
前記第2半導体層の少なくとも一つの側面に形成された第2導電型MOSトランジスタと、を備え、
前記第1導電型MOSトランジスタ及び前記第2導電型MOSトランジスタは、共通の電荷蓄積層及び共通のコントロール・ゲートを有し、
前記共通の電荷蓄積層は、前記第1半導体層の前記第1導電型MOSトランジスタが形成された前記側面から、前記第2半導体層の前記第2導電型MOSトランジスタが形成された前記側面にかけて連続して設けられていることを特徴とする半導体装置。
A first semiconductor layer formed on a substrate via a first insulating film;
A second semiconductor layer formed on the first semiconductor layer via a second insulating film;
A first conductivity type MOS transistor formed on at least one side surface of the first semiconductor layer;
A second conductivity type MOS transistor formed on at least one side surface of the second semiconductor layer,
The first conductivity type MOS transistor and the second conductivity type MOS transistor have a common charge storage layer and a common control gate,
The common charge storage layer is continuous from the side surface of the first semiconductor layer where the first conductive MOS transistor is formed to the side surface of the second semiconductor layer where the second conductive MOS transistor is formed. A semiconductor device characterized by being provided.
基板上に第1絶縁膜を介して形成された第1半導体層と、
前記第1半導体層上に第2絶縁膜を介して形成された第2半導体層と、
前記第1半導体層の少なくとも一つの側面に形成された第1導電型MOSトランジスタと、
前記第2半導体層の少なくとも一つの側面及び上面に形成された第2導電型MOSトランジスタと、を備え、
前記第1導電型MOSトランジスタ及び前記第2導電型MOSトランジスタは、共通の電荷蓄積層及び共通のコントロール・ゲートを有し、
前記共通の電荷蓄積層は、前記第1半導体層の前記第1導電型MOSトランジスタが形成された前記側面から、前記第2半導体層の前記第2導電型MOSトランジスタが形成された前記側面を通って、前記第2半導体層の前記上面にかけて連続して設けられていることを特徴とする半導体装置。
A first semiconductor layer formed on a substrate via a first insulating film;
A second semiconductor layer formed on the first semiconductor layer via a second insulating film;
A first conductivity type MOS transistor formed on at least one side surface of the first semiconductor layer;
A second conductivity type MOS transistor formed on at least one side surface and an upper surface of the second semiconductor layer,
The first conductivity type MOS transistor and the second conductivity type MOS transistor have a common charge storage layer and a common control gate,
The common charge storage layer passes from the side surface of the first semiconductor layer on which the first conductivity type MOS transistor is formed, to the side surface of the second semiconductor layer on which the second conductivity type MOS transistor is formed. The semiconductor device is provided continuously over the upper surface of the second semiconductor layer.
基板上に第1絶縁膜を介して形成された第1半導体層と、
前記第1半導体層上に第2絶縁膜を介して形成された第2半導体層と、
前記第1半導体層の少なくとも一つの側面に形成された第1導電型MOSトランジスタと、
前記第2半導体層の少なくとも一つの側面及び上面に形成された第2導電型MOSトランジスタと、を備え、
前記第1導電型MOSトランジスタ及び前記第2導電型MOSトランジスタは、共通の電荷蓄積層及び共通のコントロール・ゲートを有し、
前記共通の電荷蓄積層は、前記第1半導体層の前記第1導電型MOSトランジスタが形成された前記側面から、前記第2半導体層の前記第2導電型MOSトランジスタが形成された前記側面にかけて連続して設けられており、且つ、前記第2導電層の前記上面には設けられていないことを特徴とする半導体装置。
A first semiconductor layer formed on a substrate via a first insulating film;
A second semiconductor layer formed on the first semiconductor layer via a second insulating film;
A first conductivity type MOS transistor formed on at least one side surface of the first semiconductor layer;
A second conductivity type MOS transistor formed on at least one side surface and an upper surface of the second semiconductor layer,
The first conductivity type MOS transistor and the second conductivity type MOS transistor have a common charge storage layer and a common control gate,
The common charge storage layer is continuous from the side surface of the first semiconductor layer where the first conductive MOS transistor is formed to the side surface of the second semiconductor layer where the second conductive MOS transistor is formed. And the semiconductor device is not provided on the upper surface of the second conductive layer.
前記第1導電型MOSトランジスタのドレインと、前記第2導電型MOSトランジスタのドレインとが電気的に接続されていることを特徴とする請求項1から請求項3の何れか一項に記載の半導体装置。   4. The semiconductor according to claim 1, wherein a drain of the first conductivity type MOS transistor and a drain of the second conductivity type MOS transistor are electrically connected. 5. apparatus. 前記第2導電型MOSトランジスタのうちの前記第2半導体層の前記側面に形成された部分のトンネルゲート絶縁膜は、
前記第2導電型MOSトランジスタのうちの前記第2半導体層の前記上面に形成された部分のゲート絶縁膜よりも薄く形成されていることを特徴とする請求項3または請求項4に記載の半導体装置。
The tunnel gate insulating film of the portion formed on the side surface of the second semiconductor layer of the second conductivity type MOS transistor is:
5. The semiconductor according to claim 3, wherein the semiconductor is formed thinner than a portion of the gate insulating film formed on the upper surface of the second semiconductor layer of the second conductivity type MOS transistor. apparatus.
前記第2半導体層との接触により生じる障壁エネルギーに関して、
前記第2導電型MOSトランジスタのうちの前記第2半導体層の前記側面に形成された部分のトンネルゲート絶縁膜は、
前記第2導電型MOSトランジスタのうちの前記第2半導体層の前記上面に形成された部分のゲート絶縁膜よりも前記障壁エネルギーが小さい膜で形成されていることを特徴とする請求項3から請求項5の何れか一項に記載の半導体装置。
Regarding barrier energy generated by contact with the second semiconductor layer,
The tunnel gate insulating film of the portion formed on the side surface of the second semiconductor layer of the second conductivity type MOS transistor is:
4. The device according to claim 3, wherein the barrier energy of the second conductive MOS transistor is smaller than that of a portion of the gate insulating film formed on the upper surface of the second semiconductor layer. 6. The semiconductor device according to any one of items 5.
半導体基板上に第1犠牲半導体層、第1半導体層、第2犠牲半導体層及び第2半導体層を順次積層する工程と、
前記第2半導体層、前記第2犠牲半導体層、前記第1半導体層及び前記第1犠牲半導体層を部分的に順次エッチングして、当該各半導体層を貫く第1溝を形成する工程と、
前記第1半導体層と前記第2半導体層とを支持する支持体を前記第1溝内に形成する工程と、
前記支持体を形成した後で、前記第2半導体層、前記第2犠牲半導体層、前記第1半導体層及び前記第1犠牲半導体層を部分的に順次エッチングして当該各半導体層の側面を露出させる第2溝を形成する工程と、
前記第1半導体層及び前記第2半導体層よりも前記第1犠牲半導体層及び前記第2犠牲半導体層の方がエッチングされ易いエッチング条件で、前記第2溝を介して前記第1犠牲半導体層及び前記第2犠牲半導体層をエッチングすることによって、前記半導体基板と前記第1半導体層との間に第1空洞部を形成すると共に、前記第1半導体層と前記第2半導体層との間に第2空洞部を形成する工程と、
前記第1空洞部内に第1絶縁膜を形成すると共に、前記第2空洞部内に第2絶縁膜を形成する工程と、
前記第1絶縁膜及び前記第2絶縁膜を形成した後で、前記第1半導体層の前記第2溝に面した側面に第1導電型MOSトランジスタを形成すると共に、前記第2半導体層の前記第2溝に面した側面に前記第2導電型MOSトランジスタを形成する工程と、を含み、
前記第1導電型MOSトランジスタを形成すると共に、前記第2導電型MOSトランジスタを形成する工程では、
前記第1半導体層の前記第2溝に面した側面と前記第2半導体層の前記第2溝に面した側面とにそれぞれトンネルゲート絶縁膜を形成し、
前記トンネルゲート絶縁膜を覆うように前記第1半導体層の前記側面から前記第2半導体層の前記側面にかけて共通の電荷蓄積層を形成し、
前記電荷蓄積層を覆うように前記第1半導体層の前記側面から前記第2半導体層の前記側面にかけてゲート絶縁膜を形成し、その後、
前記ゲート絶縁膜を覆うように前記第1半導体層の前記側面から前記第2半導体層の前記側面にかけて共通のコントロール・ゲートを形成する、ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
Sequentially stacking a first sacrificial semiconductor layer, a first semiconductor layer, a second sacrificial semiconductor layer, and a second semiconductor layer on a semiconductor substrate;
Partially etching the second semiconductor layer, the second sacrificial semiconductor layer, the first semiconductor layer, and the first sacrificial semiconductor layer sequentially to form a first groove penetrating each semiconductor layer;
Forming a support in the first groove to support the first semiconductor layer and the second semiconductor layer;
After forming the support, the second semiconductor layer, the second sacrificial semiconductor layer, the first semiconductor layer, and the first sacrificial semiconductor layer are partially and sequentially etched to expose the side surfaces of the respective semiconductor layers. Forming a second groove to be caused;
The first sacrificial semiconductor layer and the second sacrificial semiconductor layer are more easily etched than the first semiconductor layer and the second semiconductor layer, and the first sacrificial semiconductor layer and the second sacrificial semiconductor layer are etched through the second groove. By etching the second sacrificial semiconductor layer, a first cavity is formed between the semiconductor substrate and the first semiconductor layer, and a second cavity is formed between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer. Forming two cavities;
Forming a first insulating film in the first cavity and forming a second insulating film in the second cavity;
After forming the first insulating film and the second insulating film, a first conductivity type MOS transistor is formed on a side surface of the first semiconductor layer facing the second groove, and the second semiconductor layer has the Forming the second conductivity type MOS transistor on a side surface facing the second groove,
In the process of forming the first conductivity type MOS transistor and forming the second conductivity type MOS transistor,
Forming a tunnel gate insulating film on each of a side surface of the first semiconductor layer facing the second groove and a side surface of the second semiconductor layer facing the second groove;
Forming a common charge storage layer from the side surface of the first semiconductor layer to the side surface of the second semiconductor layer so as to cover the tunnel gate insulating film;
Forming a gate insulating film from the side surface of the first semiconductor layer to the side surface of the second semiconductor layer so as to cover the charge storage layer;
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: forming a common control gate from the side surface of the first semiconductor layer to the side surface of the second semiconductor layer so as to cover the gate insulating film.
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