JP2009277858A - Nonvolatile semiconductor memory device, and method of manufacturing the same - Google Patents

Nonvolatile semiconductor memory device, and method of manufacturing the same Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an excellent nonvolatile semiconductor memory device wherein writing and erasing characteristics are enhanced by improving an insulating film between a control electrode and a charge storage layer, and to provide a method of manufacturing the device. <P>SOLUTION: The nonvolatile semiconductor memory device has source-drain regions formed in a silicon substrate 1, a first insulating film 2 which is a tunnel insulating film formed on a channel region between the source-drain regions of the silicon substrate 1, a first conductive layer 3 formed on the first insulating film 2, and a two-layer gate structure in which a second insulating film 7 made of a multilayer film of a low dielectric constant insulating film and a high dielectric constant insulating film formed on the first conductive layer 3 is formed as an inter-electrode insulating film, and a second conductive layer 8 is formed on the second insulating film 7 as a control electrode. The multilayer film of a nitrogen-added silicon oxide film 7-1/the high dielectric constant insulating film 7-2/silicon oxide film7-3 is formed as the second insulating film 7. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、不揮発性半導体記憶装置及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory device and a manufacturing method thereof.

近年、不揮発性半導体記憶装置では、制御電極と電荷蓄積層との間の容量を高めるため
に、制御電極と電荷蓄積層との間に高誘電率絶縁膜を設けることが提案されている(例え
ば、特許文献1参照)。
In recent years, in nonvolatile semiconductor memory devices, in order to increase the capacitance between the control electrode and the charge storage layer, it has been proposed to provide a high dielectric constant insulating film between the control electrode and the charge storage layer (for example, , See Patent Document 1).

しかしながら、従来は、制御電極と電荷蓄積層との間に設ける絶縁膜について、十分な
検討がなされていたとは言えず、特性や信頼性に優れた不揮発性半導体記憶装置を得るこ
とが困難であった。
特開平5−129625号公報
Conventionally, however, it cannot be said that sufficient studies have been made on the insulating film provided between the control electrode and the charge storage layer, and it is difficult to obtain a nonvolatile semiconductor memory device having excellent characteristics and reliability. It was.
JP-A-5-129625

制御電極と電荷蓄積層との間の絶縁膜を改善することにより、優れた不揮発性半導体記
憶装置及びその製造方法を提供することを目的としている。
An object of the present invention is to provide an excellent nonvolatile semiconductor memory device and a method for manufacturing the same by improving an insulating film between a control electrode and a charge storage layer.

本発明の第1の視点にかかる不揮発性半導体記憶装置は、半導体基板と、前記半導体基
板上に形成された第1の絶縁膜と、前記第1の絶縁膜上に形成された電荷蓄積層と、前記電
荷蓄積層上に形成された第2の絶縁膜と前記第2の絶縁膜上に形成された制御電極と、を備
えたものである。
A nonvolatile semiconductor memory device according to a first aspect of the present invention includes a semiconductor substrate, a first insulating film formed on the semiconductor substrate, and a charge storage layer formed on the first insulating film. And a second insulating film formed on the charge storage layer and a control electrode formed on the second insulating film.

本発明の第2の視点にかかる不揮発性半導体記憶装置は、半導体基板と、前記半導体基
板上に形成された第1の絶縁膜と、前記第1の絶縁膜上に形成された電荷蓄積層と、前記電
荷蓄積層上に形成された第2の絶縁膜と前記第2の絶縁膜上に形成された制御電極と、を備
えた不揮発性半導体記憶装置であって前記第2の絶縁膜は、下層の第1のシリコン窒化膜と
前記第1のシリコン窒化膜上に形成され、かつ、窒素が膜中に添加されたシリコン酸化膜
と前記第1のシリコン酸化膜上に形成されかつ比誘電率が7以上の中間絶縁膜と、前記中間
絶縁膜上に形成された第2のシリコン酸化膜と、前記シリコン酸化膜上に形成された第2の
シリコン窒化膜とを備えるものである。
A nonvolatile semiconductor memory device according to a second aspect of the present invention includes a semiconductor substrate, a first insulating film formed on the semiconductor substrate, and a charge storage layer formed on the first insulating film. A non-volatile semiconductor memory device comprising a second insulating film formed on the charge storage layer and a control electrode formed on the second insulating film, wherein the second insulating film comprises: A lower dielectric constant is formed on the first silicon nitride film and the first silicon nitride film, and is formed on the silicon oxide film added with nitrogen and the first silicon oxide film. Is provided with an intermediate insulating film of 7 or more, a second silicon oxide film formed on the intermediate insulating film, and a second silicon nitride film formed on the silicon oxide film.

本発明の第3の視点にかかる不揮発性半導体記憶装置の製造方法は、半導体基板上に第1
の絶縁膜を形成する工程と、前記第1の絶縁膜上に電荷蓄積層を形成する工程と、前記電
荷蓄積層上に第2の絶縁膜を形成する工程と、
前記第2の絶縁膜上に制御電極とを形成する工程とを備えた不揮発性半導体記憶装置の
製造方法であって、前記第2の絶縁膜は、下層の第1のシリコン酸化膜中に窒素を添加し、
前記第1のシリコン酸化膜上に比誘電率が7以上の中間絶縁膜を形成し、前記中間絶縁膜上
に形成された上層の第2のシリコン酸化膜を形成し、前記シリコン酸化膜はALD法で形
成される。
A method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to a third aspect of the present invention provides a first method on a semiconductor substrate.
Forming an insulating film, a step of forming a charge storage layer on the first insulating film, a step of forming a second insulating film on the charge storage layer,
And a step of forming a control electrode on the second insulating film, wherein the second insulating film is formed of nitrogen in the lower first silicon oxide film. Add
An intermediate insulating film having a relative dielectric constant of 7 or more is formed on the first silicon oxide film, and an upper second silicon oxide film formed on the intermediate insulating film is formed. The silicon oxide film is an ALD. Formed by law.

本発明の第4の視点にかかる不揮発性半導体記憶装置の製造方法は、半導体基板上に第1
の絶縁膜を形成する工程と、前記第1の絶縁膜上に電荷蓄積層を形成する工程と、前記電
荷蓄積層上に第2の絶縁膜を形成する工程と、前記第2の絶縁膜上に制御電極とを形成する
工程とを備えた不揮発性半導体記憶装置の製造方法であって、前記第2の絶縁膜は、下層
の第1のシリコン窒化膜層を形成し、前記第1のシリコン窒化膜上に、窒素を添加したシリ
コン酸化膜を形成し、前記下層シリコン酸化膜上に比誘電率が7以上の中間絶縁膜を形成
し、前記中間絶縁膜上に形成された上層の第2のシリコン酸化膜を形成し、前記第2のシリ
コン酸化膜上にシリコン窒化膜を形成し、前記シリコン酸化膜はALD法で形成される。
A method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to a fourth aspect of the present invention provides a first method on a semiconductor substrate.
Forming an insulating film, forming a charge storage layer on the first insulating film, forming a second insulating film on the charge storage layer, and on the second insulating film And forming a control electrode on the non-volatile semiconductor memory device, wherein the second insulating film forms a lower first silicon nitride film layer, and the first silicon A silicon oxide film added with nitrogen is formed on the nitride film, an intermediate insulating film having a relative dielectric constant of 7 or more is formed on the lower silicon oxide film, and a second upper layer formed on the intermediate insulating film is formed. A silicon oxide film is formed, a silicon nitride film is formed on the second silicon oxide film, and the silicon oxide film is formed by an ALD method.

本発明によれば、電極間絶縁膜を改善することにより、書き込み/消去特性に優れた不
揮発性半導体記憶装置を得ることができる。
According to the present invention, a nonvolatile semiconductor memory device having excellent write / erase characteristics can be obtained by improving the interelectrode insulating film.

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

(実施形態1)
以下、本実施形態に係る以下、不揮発性半導体記憶装置(半導体装置と称する。)につ
いて、図を参照して説明する。
(Embodiment 1)
Hereinafter, a nonvolatile semiconductor memory device (referred to as a semiconductor device) according to the present embodiment will be described with reference to the drawings.

図1は、メモリセルトランジスタを列方向に複数個配列して構成したメモリセルカラムを
行方向に沿って複数本並列配置したメモリセルアレイを備える半導体記憶装置に関するも
のである。半導体基板と複数のメモリセルカラム間において互に平行に走行する複数の素
子分離絶縁膜、絶縁膜によって分離された第1の導電層、第1の導電層上に形成されて互に
隣接するメモリセルカラムにそれぞれ属する電極間絶縁膜、底面が電極間絶縁膜上に形成
され隣接するメモリセルに共通の配線となる第2の導電層が示されている。
FIG. 1 relates to a semiconductor memory device including a memory cell array in which a plurality of memory cell columns configured by arranging a plurality of memory cell transistors in the column direction are arranged in parallel in the row direction. A plurality of element isolation insulating films that run parallel to each other between a semiconductor substrate and a plurality of memory cell columns, a first conductive layer separated by the insulating film, and a memory formed on the first conductive layer and adjacent to each other An inter-electrode insulating film belonging to each cell column and a second conductive layer having a bottom surface formed on the inter-electrode insulating film and serving as a common wiring for adjacent memory cells are shown.

図1(a)は、ワード線方向(チャネル幅方向)、図1(b)は、ビット線方向(チャネル長方向)の
断面図である。
1A is a cross-sectional view in the word line direction (channel width direction), and FIG. 1B is a cross-sectional view in the bit line direction (channel length direction).

図1に示すように、素子分離領域6に埋め込む素子分離絶縁膜を塗布絶縁膜から形成する
As shown in FIG. 1, an element isolation insulating film embedded in the element isolation region 6 is formed from a coating insulating film.

セルトランジスターは、シリコン基板1に形成されたソース・ドレイン領域(図示してい
ない。)と、シリコン基板1のソース・ドレイン領域(図示していない。)間のチャネル領域
上に形成されたトンネル絶縁膜である第1の絶縁膜2と、第1の絶縁膜2上に第1の導電層3に
より形成された浮遊ゲート電極である第1の導電層3と、第1の導電層3上に形成された低誘
電率絶縁膜および高誘電率絶縁膜の積層膜からなる第2の絶縁膜7を電極間絶縁膜して形成
し、第2の絶縁膜7上に第2の導電層8を制御ゲート電極として形成した二層ゲート構造を有
している。
The cell transistor has a tunnel insulation formed on a channel region between a source / drain region (not shown) formed in the silicon substrate 1 and a source / drain region (not shown) of the silicon substrate 1. A first insulating film 2 that is a film, a first conductive layer 3 that is a floating gate electrode formed on the first insulating film 2 by a first conductive layer 3, and a first conductive layer 3 A second insulating film 7 made of a laminated film of a low dielectric constant insulating film and a high dielectric constant insulating film is formed as an interelectrode insulating film, and a second conductive layer 8 is formed on the second insulating film 7. It has a two-layer gate structure formed as a control gate electrode.

本実施形態では、電極間絶縁膜である第2の絶縁膜7として、窒素を添加したシリコン酸
化膜7-1/高誘電率絶縁膜7-2/シリコン酸化膜7-3の積層膜を形成する。
In this embodiment, as the second insulating film 7 which is an interelectrode insulating film, a laminated film of a silicon oxide film 7-1 added with nitrogen / a high dielectric constant insulating film 7-2 / a silicon oxide film 7-3 is formed. To do.

本実施形態では、素子の書き込み特性を向上させる場合に関して、本実施形態による素
子の製造方法を述べる。
In the present embodiment, a method for manufacturing an element according to the present embodiment will be described with respect to the case where the writing characteristics of the element are improved.

素子に消去特性の向上が要求される場合には本実施形態を制御電極側のシリコン酸化膜
7-3に適用することで所望の改善効果を得ることが可能になる。
If the device is required to have improved erasing characteristics, this embodiment is used as a silicon oxide film on the control electrode side.
Application to 7-3 makes it possible to obtain a desired improvement effect.

また、本実施形態を両方のシリコン酸化膜7-1および7-3に適用することで、書き込み/
消去の両方向の特性に改善効果が得られることは言うまでも無い。
In addition, by applying this embodiment to both silicon oxide films 7-1 and 7-3, writing /
It goes without saying that an improvement effect can be obtained in the characteristics in both directions of erasure.

本実施形態では、書き込み特性改善を目的として、第2の絶縁膜7における下層のシリコ
ン酸化膜7-1中に窒素を添加する。このとき添加する窒素の量は図2の模式図に示すように
シリコン酸化膜中でほぼ一様になるように導入する。シリコン酸化膜7-1に窒素を添加す
ることで、高電界が印加される書き込み時の特性が向上する。従来の、シリコン酸化膜7-
1に窒素を添加しない構造では、トンネル絶縁膜である第1の絶縁膜2を通して浮遊ゲート
電極である第1の導電層3に注入した電子が、電極間絶縁膜である第2の絶縁膜7を抜けてし
まう、つまりトンネルのリーク電流と電極間絶縁膜のリーク電流が釣り合ったために、閾
値が飽和してしまう。すなわち、書き込みができなくなる。
In the present embodiment, nitrogen is added to the silicon oxide film 7-1 under the second insulating film 7 for the purpose of improving the write characteristics. The amount of nitrogen added at this time is introduced so as to be substantially uniform in the silicon oxide film as shown in the schematic diagram of FIG. By adding nitrogen to the silicon oxide film 7-1, characteristics at the time of writing to which a high electric field is applied are improved. Conventional silicon oxide film 7-
In the structure in which nitrogen is not added to 1, electrons injected into the first conductive layer 3 that is the floating gate electrode through the first insulating film 2 that is the tunnel insulating film are converted into the second insulating film 7 that is the interelectrode insulating film. The threshold value is saturated because the leakage current of the tunnel and the leakage current of the interelectrode insulating film are balanced. That is, it becomes impossible to write.

一方、シリコン酸化膜7-1に窒素を添加した本実施形態の場合には、窒素を添加したシ
リコン酸化膜7-1の誘電率が増大し、シリコン酸化膜7-1での書き込み時の高電界が抑制さ
れること、また高誘電率化により電気膜厚を増加させずに物理膜厚を増加することができ
ることから、浮遊ゲート電極である第1の導電層3から制御電極である第2の導電層8側に抜
ける電子のトンネル確率を減少させることができる。
On the other hand, in the case of the present embodiment in which nitrogen is added to the silicon oxide film 7-1, the dielectric constant of the silicon oxide film 7-1 to which nitrogen is added is increased, and the high writing speed in the silicon oxide film 7-1 is increased. Since the electric field is suppressed and the physical film thickness can be increased without increasing the electric film thickness by increasing the dielectric constant, the first conductive layer 3 that is the floating gate electrode is changed to the second electrode that is the control electrode. The probability of tunneling electrons passing through the conductive layer 8 can be reduced.

このため、より高い閾値まで書き込むことができる。   For this reason, it is possible to write up to a higher threshold.

シリコン酸化膜7-1に窒素を導入することで、絶縁耐圧を向上させることができる。   By introducing nitrogen into the silicon oxide film 7-1, the withstand voltage can be improved.

また、窒素の導入により不純物の拡散を抑制することができる。高誘電率絶縁膜7-2が
炭素を含む場合には、高誘電率絶縁膜7-2形成後の熱工程もしくは酸化工程で炭素が素子
分離絶縁膜中に拡散し、トランジスターの閾値を変動させてしまうが、下層シリコン酸化
膜7-1に窒素を含有させることで不純物の拡散量を抑制することができる。
Further, diffusion of impurities can be suppressed by introducing nitrogen. When the high dielectric constant insulating film 7-2 contains carbon, carbon diffuses into the element isolation insulating film in the thermal process or oxidation process after the formation of the high dielectric constant insulating film 7-2, thereby changing the threshold value of the transistor. However, the amount of impurity diffusion can be suppressed by incorporating nitrogen into the lower silicon oxide film 7-1.

本実施形態では、シリコン酸化膜中に窒素がほぼ一様に形成されている場合について述
べた。本方法によれば、窒素の導入がシリコン酸化膜の全体に渡るため、窒素導入の効果
である高電界リークの抑制を効果的に実現することができる。
In the present embodiment, the case where nitrogen is substantially uniformly formed in the silicon oxide film has been described. According to this method, since nitrogen is introduced over the entire silicon oxide film, high electric field leakage, which is an effect of introducing nitrogen, can be effectively realized.

したがって、書き込みスペックが厳しい場合、すなわち高い閾値まで書き込みたい場合
には、本実施形態の方法が有効である。
Therefore, when the writing specification is severe, that is, when it is desired to write up to a high threshold, the method of this embodiment is effective.

なお、電荷保持時の低電界リーク特性への要求が厳しい場合には、後述する実施例を適
用する。
In addition, when the demand for the low electric field leakage characteristic at the time of charge holding is severe, the embodiment described later is applied.

図4〜8を用いて、本実施形態による半導体装置の製造方法について説明する。   The method for manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment will be explained with reference to FIGS.

図4に示すように、p型シリコン基板1上(もしくはn型シリコン基板上にp型ウェルを
形成したもの)に第1の絶縁膜2を1nmから15nm程度形成し、その上に化学気相成長法によ
って電荷蓄積層となる第1の導電層3(浮遊ゲート)を10nmから200nm程度形成する。
As shown in FIG. 4, a first insulating film 2 is formed on a p-type silicon substrate 1 (or a p-type well formed on an n-type silicon substrate) to a thickness of 1 nm to 15 nm, and a chemical vapor phase is formed thereon. A first conductive layer 3 (floating gate) serving as a charge storage layer is formed to a thickness of about 10 nm to 200 nm by a growth method.

そして、次に化学気相成長法によってシリコン窒化膜4を50nmから200nm程度形成し、更
に化学気相成長法によってシリコン酸化膜5を50nmから400nm程度形成する。
Then, a silicon nitride film 4 is formed to a thickness of about 50 nm to 200 nm by chemical vapor deposition, and a silicon oxide film 5 is further formed to a thickness of about 50 nm to 400 nm by chemical vapor deposition.

シリコン酸化膜5を50nmから400nm程度形成した後、シリコン酸化膜上に、フォトレジス
ト(図示しない。)を塗布し、露光描画によりレジストをパターニングする。
After the silicon oxide film 5 is formed to a thickness of about 50 nm to 400 nm, a photoresist (not shown) is applied on the silicon oxide film, and the resist is patterned by exposure drawing.

パターニングした後に、フォトレジスト(図示しない。)を耐エッチングマスクにして
シリコン酸化膜をエッチングする。
After patterning, the silicon oxide film is etched using a photoresist (not shown) as an etching resistant mask.

エッチング後にフォトレジストを除去し、シリコン酸化膜5をマスクにしてシリコン窒
化膜4をエッチングし、第1の導電層3、第1の絶縁膜2およびシリコン基板1をエッチングす
ることにより素子分離のための溝を形成する。
After the etching, the photoresist is removed, the silicon nitride film 4 is etched using the silicon oxide film 5 as a mask, and the first conductive layer 3, the first insulating film 2 and the silicon substrate 1 are etched for element isolation. Grooves are formed.

素子分離のための溝、すなわち素子分離領域6を形成した後に、塗布技術により埋め込
み素子分離絶縁膜を200nmから1500nm形成することによって素子分離溝を埋め込むことで
、図4の断面図を得る。
After forming the trench for element isolation, that is, the element isolation region 6, by embedding the element isolation trench by forming a buried element isolation insulating film by 200 nm to 1500 nm by a coating technique, the cross-sectional view of FIG. 4 is obtained.

図5に示すように、素子分離領域6は、酸素雰囲気もしくは水蒸気雰囲気下で処理を行う
ことにより高密度化を行う。
As shown in FIG. 5, the element isolation region 6 is densified by processing in an oxygen atmosphere or a water vapor atmosphere.

次いで、化学的機械的研磨法(CMPにより)シリコン窒化膜4をストッパーにして平坦化
を行う。次いで、シリコン窒化膜と選択比のあるエッチング条件を用いて、素子分離絶縁
膜のみエッチバックし、図5の断面図を得る。
Next, planarization is performed using a chemical mechanical polishing method (by CMP) using the silicon nitride film 4 as a stopper. Next, only the element isolation insulating film is etched back using etching conditions having a selection ratio with the silicon nitride film, and the cross-sectional view of FIG. 5 is obtained.

次に、図6に示すように、ALD(Atomic Layer Deposition)法により、300℃〜700℃の
温度にて、シリコン原料にアミノシランを使用し、酸素原料に水蒸気、オゾンなどを使用
し、窒素原料にアンモニアを使用し、1原子層以上のシリコンおよび酸素および窒素を交
互に堆積することで、窒素を添加したシリコン酸化膜7-1を形成し、図6の断面図を得る。
Next, as shown in FIG. 6, by using ALD (Atomic Layer Deposition) method, aminosilane is used as the silicon raw material, water vapor, ozone, etc. are used as the oxygen raw material at a temperature of 300 ° C. to 700 ° C., and the nitrogen raw material is used. Ammonia is used for this, and silicon of one atomic layer or more and oxygen and nitrogen are alternately deposited to form a silicon oxide film 7-1 to which nitrogen is added, and the cross-sectional view of FIG. 6 is obtained.

窒素添加したシリコン酸化膜7-1の膜厚は1〜5nmである。   The thickness of the silicon oxide film 7-1 doped with nitrogen is 1 to 5 nm.

本実施形態では、窒素原料ガス条件を調整することで、シリコン酸化膜中の窒素量を精
度良く制御することが可能である。
In the present embodiment, the nitrogen amount in the silicon oxide film can be accurately controlled by adjusting the nitrogen source gas conditions.

シリコン酸化膜に添加する窒素の量は、膜種の積層構造、膜厚および素子の動作時の電
界に依存する。
The amount of nitrogen added to the silicon oxide film depends on the laminated structure of the film type, the film thickness, and the electric field during operation of the device.

前記条件を考慮してバンド構造を考えた場合、素子の動作電界印加時に、絶縁膜の導電
帯がシリコンの導電帯位置を横切る膜厚が、シリコン酸化膜7-1に窒素を添加することで
増加するようにする。窒素を添加することで膜の誘電率が上がり書き込み時の電子の当該
距離は増加するが、添加する窒素の量が多すぎると、バリアハイトが低下することにより
、当該距離は短くなってしまう。
When the band structure is considered in consideration of the above conditions, when the operating electric field is applied to the element, the film thickness of the conductive band of the insulating film crossing the conductive band position of silicon is obtained by adding nitrogen to the silicon oxide film 7-1. Try to increase. Adding nitrogen increases the dielectric constant of the film and increases the distance of electrons at the time of writing. However, if the amount of nitrogen to be added is too large, the barrier height decreases, and the distance becomes shorter.

例えば、図3に示すように、本実施形態に記載の膜構造の場合、シリコン酸化膜の比誘
電率=3.9として、電極間絶縁膜電界=10MV/cm、SiO2のSiの導電帯に対するバリアハイト=3
eVの場合は、シリコン酸化膜7-1に添加する窒素の量は、SiO2に対するSi3N4の組成比で表
すと、90%(誘電率にして約6.7)未満の範囲でリーク電流減少の効果が得られる。
For example, as shown in FIG. 3, in the case of the film structure described in the present embodiment, the relative dielectric constant of the silicon oxide film is 3.9, the interelectrode insulating film electric field is 10 MV / cm, the barrier height with respect to the Si conduction band of SiO2 = Three
In the case of eV, when the amount of nitrogen added to the silicon oxide film 7-1 is expressed by the composition ratio of Si3N4 to SiO2, the effect of reducing leakage current is obtained in the range of less than 90% (dielectric constant is about 6.7). It is done.

最も効果的な組成比は、約45%(誘電率にして約5.1)の場合となる。また、前記前提の
もと、注入側の膜構造が、シリコン酸化膜=1nm、シリコン窒化膜=1nm(比誘電率=7の場合)
、シリコン酸化膜=5nmの場合は、SiO2に対するSi3N4の組成比で表すと、20%(誘電率にし
て約5.1)未満の範囲でリーク電流が減少する。窒素の添加量は、素子の使用状況や、前
述したように電荷保持特性から最適値が決まる。
The most effective composition ratio is about 45% (dielectric constant is about 5.1). Also, based on the above assumption, the film structure on the injection side is silicon oxide film = 1 nm, silicon nitride film = 1 nm (in the case of relative dielectric constant = 7)
When the silicon oxide film = 5 nm, the leakage current decreases within a range of less than 20% (dielectric constant of about 5.1) when expressed by the composition ratio of Si3N4 to SiO2. The optimum amount of nitrogen to be added is determined from the usage status of the device and the charge retention characteristics as described above.

また、シリコン酸化膜中の窒素濃度を増やしていき、窒素含有シリコン酸化膜の電荷ト
ラップ量を増加させることが可能になる。
In addition, the nitrogen concentration in the silicon oxide film can be increased, and the amount of charge traps in the nitrogen-containing silicon oxide film can be increased.

また、N/Si組成比をSiリッチに形成しても窒素含有シリコン酸化膜の電荷トラップ量を
増加させることが可能になる。
Further, even if the N / Si composition ratio is formed to be Si-rich, the amount of charge traps in the nitrogen-containing silicon oxide film can be increased.

いずれかの方法もしくは両者を組み合わせて、電荷トラップ量を増加させることで、高
電界印加時のリーク電流を低減させることも可能である。これは、窒素の含有によって、
結合に酸化膜に不整合が起こる、もしくは酸素欠損ができる、もしくはSiのダングリング
ボンドが膜中に形成されることなどによって電荷トラップが形成されると考えられる。電
荷トラップは、多すぎると隣接セル間のリーク電流を増加させてしまうため適切な量が存
在する。これは、隣接セル間の距離や構造、隣接セル間の電界など素子の使用状況により
異なる。
It is also possible to reduce the leakage current when a high electric field is applied by increasing the amount of charge traps by combining either method or both. This is due to the nitrogen content,
It is considered that charge traps are formed when mismatching occurs in the oxide film due to bonding, oxygen vacancies are formed, or dangling bonds of Si are formed in the film. If there are too many charge traps, the leakage current between adjacent cells increases, so there is an appropriate amount. This differs depending on the use state of the element such as the distance and structure between adjacent cells and the electric field between adjacent cells.

図7に示すように、窒素を添加したシリコン酸化膜7-1の上部に誘電率の高い金属酸化物
である高誘電率絶縁膜7-2を1〜20nm程度形成し、その上部にシリコン酸化膜7-3を1〜10nm
程度形成して図7の断面図を得る。
As shown in FIG. 7, a high dielectric constant insulating film 7-2, which is a metal oxide having a high dielectric constant, is formed on the upper portion of the silicon oxide film 7-1 to which nitrogen is added. 1-7nm for film 7-3
A cross section of FIG.

そして、図8に示すように、電極間絶縁膜である第2の絶縁膜7上に、第2の導電層8を形
成する。第2の導電層8は、制御ゲート電極となる。制御電極を露光描画によりパターニン
グした後、通常の後工程を経て不揮発性半導体記憶装置を得る。
Then, as shown in FIG. 8, a second conductive layer 8 is formed on the second insulating film 7 which is an interelectrode insulating film. The second conductive layer 8 becomes a control gate electrode. After patterning the control electrode by exposure drawing, a nonvolatile semiconductor memory device is obtained through a normal post-process.

ここで、本実施形態中で述べた電極間絶縁膜中の高誘電率絶縁膜に関して述べる。比誘
電率が7程度であるシリコン窒化物(Si3N4)膜、比誘電率が8程度であるアルミニウム酸
化物(Al2O3)膜、比誘電率が10程度であるマグネシウム酸化物(MgO)膜、比誘電率が16
程度であるイットリウム酸化物(Y2O3)膜、比誘電率が22程度であるハフニウム酸化物(
HfO2)膜、ジルコニウム酸化物(ZrO2)膜およびランタン酸化物(La2O3)のいずれか1つ
の単層膜が使用可能である。更には、また、ハフニウムシリケート(HfSiO)膜やハフニ
ウム・アルミネート(HfAlO)膜のような三元系の化合物からなる絶縁膜でも良い。
Here, the high dielectric constant insulating film in the interelectrode insulating film described in the present embodiment will be described. Silicon nitride (Si3N4) film with a relative dielectric constant of about 7, aluminum oxide (Al2O3) film with a relative dielectric constant of about 8, magnesium oxide (MgO) film with a relative dielectric constant of about 10, dielectric constant Rate is 16
Yttrium oxide (Y2O3) film, hafnium oxide with a relative dielectric constant of about 22 (
Any one single layer film of HfO2) film, zirconium oxide (ZrO2) film and lanthanum oxide (La2O3) can be used. Furthermore, an insulating film made of a ternary compound such as a hafnium silicate (HfSiO) film or a hafnium aluminate (HfAlO) film may be used.

すなわち、シリコン(Si)、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、イットリウム
(Y)、ハフニウム(Hf)、ジルコニウム(Zr)、ランタン(La)のいずれか1つの元素を
少なくとも含む酸化物もしくは窒化物であっても使用可能である。
That is, an oxide or nitride containing at least one element of silicon (Si), aluminum (Al), magnesium (Mg), yttrium (Y), hafnium (Hf), zirconium (Zr), and lanthanum (La) Even it can be used.

窒素添加したシリコン酸化膜の製法に関して、本実施例で示したALD法以外に、減圧化
学気相成長法によりジクロロシランと亜酸化窒素(N2O)及びアンモニアを800℃程度の温度
で順次反応させて窒素を添加したシリコン酸化膜7-1を形成してもよい。
Regarding the manufacturing method of nitrogen-added silicon oxide film, in addition to the ALD method shown in this example, dichlorosilane, nitrous oxide (N2O), and ammonia are sequentially reacted at a temperature of about 800 ° C. by low pressure chemical vapor deposition. A silicon oxide film 7-1 to which nitrogen is added may be formed.

この場合のシリコン酸化膜には塩素が含まれる為、電子のトラップ作用により高電界印
加時のリーク電流が低減に効果がある。また、CVD法によるシリコン酸化膜とシリコン窒
化膜の極薄層の積層構造でも同様の効果を発揮する。また、窒素を含む塗布系シリコン原
料を熱処理することでも形成できる。前記塗布系シリコン原料を用いる方法では、熱処理
の条件により膜中に残留する窒素量が決まる。
Since the silicon oxide film in this case contains chlorine, the leakage current when applying a high electric field is effectively reduced by the trapping action of electrons. The same effect is also exhibited in a laminated structure of a silicon oxide film and a silicon nitride film formed by CVD. Alternatively, it can be formed by heat-treating a coating silicon material containing nitrogen. In the method using the coating-based silicon raw material, the amount of nitrogen remaining in the film is determined by the heat treatment conditions.

また、シリコン酸化膜への窒素の添加方法については、シリコン酸化膜の形成後に窒化
処理を施す方法もある。窒化処理には、熱窒化処理、ラジカル窒化処理、インプラ処理な
どがある。ただしこの場合には、窒化処理の条件によりシリコン酸化膜の膜厚に制限加わ
る、つまり、シリコン酸化膜に均一に窒素を添加できる膜厚が、窒化処理の条件によって
決まる。
As a method for adding nitrogen to the silicon oxide film, there is a method in which nitriding treatment is performed after the silicon oxide film is formed. Examples of the nitriding treatment include thermal nitriding treatment, radical nitriding treatment, and implantation treatment. However, in this case, the thickness of the silicon oxide film is limited by the nitriding conditions, that is, the thickness at which nitrogen can be uniformly added to the silicon oxide film is determined by the nitriding conditions.

更に、これらの製法により形成した窒素を添加したシリコン酸化膜に熱処理を加えるこ
とで膜中の窒素分布を更に一様にすることができる。同時に膜質も改善するため、電気特
性を向上させることができる。また、シリコン酸化膜に窒化処理を施すことで窒素添加し
た膜に熱処理を行った場合では、シリコン酸化膜に均一に窒素を添加できる膜厚をさらに
厚く見積もれる。
Furthermore, the nitrogen distribution in the film can be made more uniform by applying heat treatment to the silicon oxide film added with nitrogen formed by these manufacturing methods. At the same time, the film quality is also improved, so that the electrical characteristics can be improved. Further, in the case where the silicon oxide film is subjected to a nitriding process and then the heat treatment is performed on the nitrogen-added film, the film thickness at which nitrogen can be uniformly added to the silicon oxide film can be estimated to be even thicker.

また、積層構造に関しては、シリコン酸化膜/高誘電率膜/シリコン酸化膜の場合につい
て述べたが、本実施例の効果は他の積層構造であっても得ることができる。
Further, regarding the laminated structure, the case of silicon oxide film / high dielectric constant film / silicon oxide film has been described, but the effect of this embodiment can be obtained even in other laminated structures.

例えば、下層からシリコン窒化膜/シリコン酸化膜/高誘電率膜/シリコン酸化膜/シリコ
ン窒化膜、シリコン窒化膜/シリコン酸化膜/シリコン窒化膜/シリコン酸化膜/シリコン窒
化膜などの積層構造でも本実施形態は有効である。
For example, even in a laminated structure such as silicon nitride film / silicon oxide film / high dielectric constant film / silicon oxide film / silicon nitride film, silicon nitride film / silicon oxide film / silicon nitride film / silicon oxide film / silicon nitride film, etc. The embodiment is effective.

窒素添加したシリコン酸化膜の下層がシリコン窒化膜の場合、窒素添加したシリコン酸
化膜を形成する際に、下層のシリコン窒化膜の表面に対して再窒化を行うことで下層の窒
素抜けが補填できる。
In the case where the lower layer of the nitrogen-added silicon oxide film is a silicon nitride film, when forming the nitrogen-added silicon oxide film, re-nitridation can be performed on the surface of the lower silicon nitride film to compensate for nitrogen loss in the lower layer .

例えば、窒素添加したシリコン酸化膜成膜開始時に、アンモニアなどの窒素原料を先に
導入させておくことで、下層のシリコン窒化膜の窒素抜けを補填できる。こうすることで
、シリコン窒化膜の膜質が改善し、さらに誘電率も増加するため、電極間絶縁膜の電気特
性が向上する。
For example, when a nitrogen source material such as ammonia is introduced first at the start of the formation of a silicon oxide film doped with nitrogen, nitrogen loss in the lower silicon nitride film can be compensated. By doing so, the film quality of the silicon nitride film is improved and the dielectric constant is also increased, so that the electrical characteristics of the interelectrode insulating film are improved.

本実施形態では、浮遊ゲート電極を有する不揮発性半導体記憶装置に関する例を述べた
が、他の構造を有する半導体装置であっても、同様の積層構造を有する素子であれば同様
の効果を有することは言うまでも無い。
In this embodiment, an example related to a nonvolatile semiconductor memory device having a floating gate electrode has been described. However, even a semiconductor device having another structure has the same effect as long as it is an element having a similar stacked structure. Needless to say.

一般にMONOSとして知られる絶縁膜中のトラップを利用した不揮発性半導体記憶装置に
おいても、例えば電荷蓄積層の上層に形成するブロック絶縁膜に本発明を適用することで
もその有効性を実現できる。
Even in a nonvolatile semiconductor memory device using a trap in an insulating film generally known as MONOS, the effectiveness can be realized by applying the present invention to a block insulating film formed on an upper layer of a charge storage layer, for example.

(実施形態2)
以下、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置(以下、半導体装置と証する。)につ
いて、図を参照して説明する。
(Embodiment 2)
Hereinafter, a nonvolatile semiconductor memory device according to the present embodiment (hereinafter referred to as a semiconductor device) will be described with reference to the drawings.

メモリセルトランジスタを列方向に複数個配列して構成したメモリセルカラムを行方向に
沿って複数本並列配置したメモリセルアレイを備える半導体記憶装置に関するものであり
、構造断面図は上述の実施形態1と同様なため、構造断面図の説明は図1を用いて説明する
The present invention relates to a semiconductor memory device including a memory cell array in which a plurality of memory cell columns configured by arranging a plurality of memory cell transistors in a column direction are arranged in parallel in a row direction. For the same reason, the description of the structural cross-sectional view will be described using FIG.

図1に示すように、半導体基板と複数のメモリセルカラム間において互に平行に走行する
複数の素子分離絶縁膜、絶縁膜によって分離された第1の導電層、第1の導電層上に形成さ
れて互に隣接するメモリセルカラムにそれぞれ属する電極間絶縁膜、底面が電極間絶縁膜
上に形成され隣接するメモリセルに共通の配線となる第2の導電層を示すものである。
As shown in FIG. 1, a plurality of element isolation insulating films that run parallel to each other between a semiconductor substrate and a plurality of memory cell columns, a first conductive layer separated by the insulating film, and formed on the first conductive layer The inter-electrode insulating films respectively belonging to the memory cell columns adjacent to each other and the second conductive layer formed on the inter-electrode insulating film and serving as a common wiring for the adjacent memory cells are shown.

図1(a)は、ワード線方向(チャネル幅方向)、図2(b)は、ビット線方向(チャネル長方向)の
断面図である。
1A is a cross-sectional view in the word line direction (channel width direction), and FIG. 2B is a cross-sectional view in the bit line direction (channel length direction).

以下に、本実施形態について、図を用いて説明する。   Hereinafter, the present embodiment will be described with reference to the drawings.

図1に示すように、素子分離領域6に埋め込む素子分離絶縁膜を塗布絶縁膜から形成する
As shown in FIG. 1, an element isolation insulating film embedded in the element isolation region 6 is formed from a coating insulating film.

セルトランジスターは、シリコン基板1に形成されたソース・ドレイン領域(図示して
いない。)と、シリコン基板1のソース・ドレイン領域(図示していない。)間のチャネル
領域上に形成されたトンネル絶縁膜である第1の絶縁膜2と、第1の絶縁膜2上に第1の導電
層3により形成された浮遊ゲート電極と、第1の導電層3上に形成された低誘電率絶縁膜お
よび高誘電率絶縁膜の積層膜からなる第2の絶縁膜7を電極間絶縁膜して形成し、第2の絶
縁膜7上に第2の導電層8を制御ゲート電極として形成した二層ゲート構造を有している。
The cell transistor has a tunnel insulation formed on a channel region between a source / drain region (not shown) formed in the silicon substrate 1 and a source / drain region (not shown) of the silicon substrate 1. A first insulating film 2 which is a film, a floating gate electrode formed by the first conductive layer 3 on the first insulating film 2, and a low dielectric constant insulating film formed on the first conductive layer 3 And a second insulating film 7 composed of a laminated film of a high dielectric constant insulating film formed as an interelectrode insulating film, and a second conductive layer 8 formed as a control gate electrode on the second insulating film 7 It has a gate structure.

本実施形態では、電極間絶縁膜である第2の絶縁膜7として、シリコン酸化膜7-1、高誘
電率絶縁膜7-2、シリコン酸化膜7-3の積層膜を形成する。
In the present embodiment, a laminated film of a silicon oxide film 7-1, a high dielectric constant insulating film 7-2, and a silicon oxide film 7-3 is formed as the second insulating film 7 that is an interelectrode insulating film.

消去特性の向上が要求される場合には本実施形態を制御電極側のシリコン酸化膜7-3に
適用することで所望の改善効果を得ることが可能になる。また、本実施形態を両方のシリ
コン酸化膜7-1および7-3に適用することで、書き込み/消去の両方向の特性に改善効果が
得られる。
When improvement in erasing characteristics is required, it is possible to obtain a desired improvement effect by applying this embodiment to the silicon oxide film 7-3 on the control electrode side. Further, by applying this embodiment to both silicon oxide films 7-1 and 7-3, an improvement effect can be obtained in the characteristics in both the write / erase directions.

本実施形態では、書き込み特性改善を目的として、第2の絶縁膜7における下層のシリコ
ン酸化膜7-1中に窒素を添加する。このとき添加する窒素は、上部に形成する高誘電率絶
縁膜7-2の界面に向かって徐々に増加させる。
In the present embodiment, nitrogen is added to the silicon oxide film 7-1 under the second insulating film 7 for the purpose of improving the write characteristics. The nitrogen added at this time is gradually increased toward the interface of the high dielectric constant insulating film 7-2 formed on the top.

図9に、該当膜中の窒素組成比の深さ方向の分布(模式図)を示す。図9(a)は、シリ
コン酸化膜の浮遊電極側界面では窒素は添加されておらず、膜中のある膜厚から窒素が添
加され始め、高誘電率絶縁膜7-2側界面まで徐々に窒素添加量を増加させた場合である。
FIG. 9 shows the distribution (schematic diagram) in the depth direction of the nitrogen composition ratio in the film. In FIG. 9 (a), nitrogen is not added at the floating electrode side interface of the silicon oxide film, and nitrogen starts to be added from a certain thickness in the film and gradually reaches the high dielectric constant insulating film 7-2 side interface. This is a case where the amount of nitrogen added is increased.

図9(b)は、シリコン酸化膜の浮遊電極側界面から窒素が添加してあり、高誘電率絶縁
膜7-2側界面まで徐々に窒素添加量を増加させた場合である。
FIG. 9B shows a case where nitrogen is added from the floating electrode side interface of the silicon oxide film, and the nitrogen addition amount is gradually increased to the high dielectric constant insulating film 7-2 side interface.

図9(a)の場合は、浮遊ゲート電極側にバリアハイトの高いシリコン酸化膜が残るため
、電荷保持時の低電界のリークが抑制できるというメリットがある。
In the case of FIG. 9 (a), a silicon oxide film having a high barrier height remains on the floating gate electrode side, so that there is an advantage that leakage of a low electric field during charge holding can be suppressed.

一方で、図9(b)の場合は(a)に比べて、全体としてより高濃度の窒素を添加する場
合に相当し、高電界印加時のリーク低減の効果を求める場合に適する。ここで気をつけな
くてはならないことは、書き込み時の高電界リークを低減させる為には、窒素分布は、浮
遊電極側から高誘電率絶縁膜側に向かって徐々に窒素添加量を増やすのだが、消去時の高
電界リークを低減させたい場合には、シリコン酸化膜7-3に窒素を添加する。その時の窒
素分布は、高誘電率絶縁膜7-2の界面から制御電極側に向かって徐々に減少させる。
On the other hand, the case of FIG. 9 (b) corresponds to the case of adding a higher concentration of nitrogen as a whole compared with (a), and is suitable for obtaining the effect of reducing the leak when applying a high electric field. It must be noted here that in order to reduce the high electric field leakage during writing, the nitrogen distribution gradually increases the amount of nitrogen added from the floating electrode side toward the high dielectric constant insulating film side. However, nitrogen is added to the silicon oxide film 7-3 in order to reduce high electric field leakage during erasure. The nitrogen distribution at that time gradually decreases from the interface of the high dielectric constant insulating film 7-2 toward the control electrode.

シリコン酸化膜7-1に窒素を添加することで、高電界が印加される書き込み時の特性が
向上する。従来の、シリコン酸化膜7-1に窒素を添加しない構造では、トンネル絶縁膜で
ある第1の絶縁膜2を通して浮遊ゲート電極である第1の導電層3に注入した電子が、電極間
絶縁膜である第2の絶縁膜7を抜けてしまう、つまりトンネルのリーク電流と電極間絶縁膜
のリーク電流が釣り合ったために、閾値が飽和してしまう。すなわち、書き込みができな
くなる。
By adding nitrogen to the silicon oxide film 7-1, characteristics at the time of writing to which a high electric field is applied are improved. In the conventional structure in which nitrogen is not added to the silicon oxide film 7-1, electrons injected into the first conductive layer 3 that is the floating gate electrode through the first insulating film 2 that is the tunnel insulating film are transferred to the interelectrode insulating film. That is, the threshold value is saturated because the leakage current of the tunnel and the leakage current of the interelectrode insulating film are balanced. That is, it becomes impossible to write.

一方、シリコン酸化膜7-1に窒素を添加した本実施形態の場合には、窒素を添加したシ
リコン酸化膜7-1の誘電率が増大し、シリコン酸化膜7-1での書き込み時の高電界が抑制さ
れること、また高誘電率化により電気膜厚を増加させずに物理膜厚を増加することができ
ることから、浮遊ゲート電極である第1の導電層3から制御電極である第2の導電層8側に抜
ける電子のトンネル確率を減少させることができる。 このため、書き込み時間を長くし
ても閾値の飽和は起きにくくなる。
また窒素の導入によりその他のメリットも得ることができる。シリコン酸化膜7-1に窒
素を導入することで、絶縁耐圧を向上させることができる。また、窒素の導入により不純
物の拡散を抑制することができる。高誘電率絶縁膜7-2が炭素を含む場合には、高誘電率
絶縁膜7-2形成後の熱工程もしくは酸化工程で炭素が素子分離絶縁膜中を拡散し、トラン
ジスタの閾値を変動させてしまうが、下層シリコン酸化膜7-1に窒素を含有させることで
不純物の拡散量を抑制することができる。
On the other hand, in the case of the present embodiment in which nitrogen is added to the silicon oxide film 7-1, the dielectric constant of the silicon oxide film 7-1 to which nitrogen is added is increased, and the high writing speed in the silicon oxide film 7-1 is increased. Since the electric field is suppressed and the physical film thickness can be increased without increasing the electric film thickness by increasing the dielectric constant, the first conductive layer 3 that is the floating gate electrode is changed to the second electrode that is the control electrode. The probability of tunneling electrons passing through the conductive layer 8 can be reduced. For this reason, even if the writing time is lengthened, the threshold is less likely to be saturated.
Other benefits can also be obtained by introducing nitrogen. By introducing nitrogen into the silicon oxide film 7-1, the withstand voltage can be improved. Further, diffusion of impurities can be suppressed by introducing nitrogen. When the high dielectric constant insulating film 7-2 contains carbon, carbon diffuses in the element isolation insulating film in the thermal process or oxidation process after the formation of the high dielectric constant insulating film 7-2, and the threshold value of the transistor is changed. However, the amount of impurity diffusion can be suppressed by incorporating nitrogen into the lower silicon oxide film 7-1.

本実施形態では、高誘電率絶縁膜の界面にかけて徐々に窒素濃度が高くなる場合につい
て述べた。
In the present embodiment, the case where the nitrogen concentration gradually increases toward the interface of the high dielectric constant insulating film has been described.

シリコン酸化膜の濃度分布が図9(a)の場合のバンド図を、図10に示す。   FIG. 10 shows a band diagram when the concentration distribution of the silicon oxide film is FIG.

本実施形態によれば、高濃度窒素の導入が高誘電率絶縁膜界面付近に限定されるため、
浮遊電極側のバリアハイトはシリコン酸化膜であることから高く、注入側の電子が感じる
バリアハイトを効果的に高くすることができ、また電荷保持のトンネル確率を有効に下げ
ることができる。
According to the present embodiment, the introduction of high concentration nitrogen is limited to the vicinity of the high dielectric constant insulating film interface,
Since the barrier height on the floating electrode side is high because it is a silicon oxide film, the barrier height felt by electrons on the injection side can be effectively increased, and the tunnel probability of charge retention can be effectively reduced.

また、徐々に窒素濃度を高くすることにより高誘電率絶縁膜方向で膜の誘電率が増加し
、窒素を導入しない場合であればSiの導電帯を窒素添加シリコン酸化膜の導電帯が横切っ
て電子のトンネル確率を増加させてしまう領域において、高誘電率化により高電界印加時
の電界を小さくすることが可能になり、バリアをより高誘電率絶縁膜側に延長することが
できるため、高電界リークを効果的に抑制することができる。
Also, by gradually increasing the nitrogen concentration, the dielectric constant of the film increases in the direction of the high dielectric constant insulating film. If nitrogen is not introduced, the conduction band of the nitrogen-added silicon oxide film crosses the conduction band of Si. In the region where the tunneling probability of electrons increases, it is possible to reduce the electric field when a high electric field is applied by increasing the dielectric constant, and the barrier can be extended to the higher dielectric constant insulating film side. Electric field leakage can be effectively suppressed.

電荷保持特性への要求が厳しく、高電界リークを低減させたい場合には本実施形態によ
る方法が有効な方法となる。
図11〜15を用いて、本実施形態による半導体装置の製造方法について説明する。
The method according to the present embodiment is an effective method when the demand for the charge retention characteristic is severe and it is desired to reduce the high electric field leakage.
The semiconductor device manufacturing method according to the present embodiment will be explained with reference to FIGS.

図11に示すように、p型シリコン基板上(もしくはn型シリコン基板上にp型ウェルを
形成したもの)1に第1の絶縁膜2を1nmから15nm程度形成し、その上に化学気相成長法によ
って電荷蓄積層となる第1の導電層3(浮遊ゲート)を10nmから200nm程度形成し、化学気
相成長法によってシリコン窒化膜4を50nmから200nm程度形成したのちに化学気相成長法に
よってシリコン酸化膜5を50nmから400nm程度形成する。
As shown in FIG. 11, a first insulating film 2 is formed on a p-type silicon substrate 1 (or a p-type well formed on an n-type silicon substrate) 1 to a thickness of 1 to 15 nm, and a chemical vapor phase is formed thereon. The first conductive layer 3 (floating gate) to be a charge storage layer is formed by a growth method to a thickness of about 10 nm to 200 nm, and the silicon nitride film 4 is formed by a chemical vapor deposition method to a thickness of about 50 nm to 200 nm. Thus, the silicon oxide film 5 is formed to a thickness of about 50 nm to 400 nm.

そして、シリコン酸化膜5上に、フォトレジスト(図示しない。)を塗布し、露光描画
によりレジストをパターニングする。
Then, a photoresist (not shown) is applied on the silicon oxide film 5, and the resist is patterned by exposure drawing.

次に、フォトレジスト(図示しない。)を耐エッチングマスクにしてシリコン酸化膜を
エッチングする。エッチング後にフォトレジストを除去し、シリコン酸化膜5をマスクに
してシリコン窒化膜4をエッチングし、次いで第1の導電層3、第1の絶縁膜2およびシリコ
ン基板1をエッチングすることにより素子分離のための溝を形成する。
Next, the silicon oxide film is etched using a photoresist (not shown) as an etching resistant mask. After the etching, the photoresist is removed, the silicon nitride film 4 is etched using the silicon oxide film 5 as a mask, and then the first conductive layer 3, the first insulating film 2 and the silicon substrate 1 are etched, thereby isolating elements. Grooves are formed.

次いで、素子分離領域6に塗布技術により埋め込み素子分離絶縁膜を200nmから1500nm形
成することによって素子分離溝を埋め込むことで、図11の断面図を得る。
Next, the element isolation trench is embedded by forming a buried element isolation insulating film in the element isolation region 6 by a coating technique to 200 nm to 1500 nm, thereby obtaining the cross-sectional view of FIG.

次に、図12に示すように、素子分離領域6は、酸素雰囲気もしくは水蒸気雰囲気下で処
理を行うことにより高密度化を行う。次いで、化学的機械的研磨法(CMPにより)シリコ
ン窒化膜4をストッパーにして平坦化を行う。
Next, as shown in FIG. 12, the element isolation region 6 is densified by performing treatment in an oxygen atmosphere or a water vapor atmosphere. Next, planarization is performed using a chemical mechanical polishing method (by CMP) using the silicon nitride film 4 as a stopper.

次いで、シリコン窒化膜4と選択比のあるエッチング条件を用いて、素子分離絶縁膜の
みエッチバックし、図12の断面図を得る。
Next, only the element isolation insulating film is etched back using etching conditions having a selection ratio with the silicon nitride film 4 to obtain the cross-sectional view of FIG.

次に、図13に示すように、次いで、ALD(Atomic Layer Deposition)法により、300℃
〜700℃の温度にて、Si原料にアミノシランを、酸素原料に水蒸気、オゾンなどを、窒素
原料にアンモニアを使用し、1原子層以上のSiおよびOおよびNを交互に堆積して、窒素を
添加したシリコン酸化膜7-1を形成し、図13の断面図を得る。
Next, as shown in FIG. 13, then, by ALD (Atomic Layer Deposition) method,
At a temperature of ~ 700 ° C, aminosilane is used as the Si raw material, water vapor, ozone, etc. are used as the oxygen raw material, ammonia is used as the nitrogen raw material, and one or more atomic layers of Si and O and N are alternately deposited to form nitrogen. The added silicon oxide film 7-1 is formed, and the cross-sectional view of FIG. 13 is obtained.

窒素添加したシリコン酸化膜7-1の膜厚は1〜5nmである。本実施形態では、Si、O、N各
原料を流通させる順序およびN原料の導入通条件を調整することで、膜中の窒素量及び深
さ方向の分布傾向を調節することができる。
The thickness of the silicon oxide film 7-1 doped with nitrogen is 1 to 5 nm. In the present embodiment, the amount of nitrogen in the film and the distribution tendency in the depth direction can be adjusted by adjusting the order in which the Si, O, and N materials are circulated and the introduction conditions of the N materials.

シリコン酸化膜に添加する窒素の最適な範囲は、浮遊ゲート電極である第1の導電層3の
界面からの距離によってその効果が左右され、その最適な位置は、膜種の積層構造、膜厚
および素子の動作時の電界に依存する。前記条件を考慮してバンド構造を考えた場合、素
子の動作電界印加時に、絶縁膜の導電帯がSiの導電帯位置を横切る膜厚よりも浮遊電極側
に形成するのが望ましい。
The optimum range of nitrogen added to the silicon oxide film depends on the effect from the distance from the interface of the first conductive layer 3, which is a floating gate electrode. And depends on the electric field during operation of the device. When a band structure is considered in consideration of the above conditions, it is desirable that the conductive band of the insulating film is formed on the floating electrode side with respect to the film thickness that crosses the position of the conductive band of Si when an operating electric field is applied to the element.

例えば、本実施形態の膜構造の場合、シリコン酸化膜の比誘電率=3.9として、電極間絶
縁膜電界=10MV/cm、SiO2のSiの導電帯に対するバリアハイト=3eVの場合は、絶縁膜の導電
帯がSiの導電帯位置を横切る膜厚=約3nmになり、浮遊電極3からの距離が3nmより小さい位
置に窒素を添加し始め、徐々に窒素添加量を増加させてシリコン酸化膜7-1を形成するこ
とが望ましい。
For example, in the case of the film structure of the present embodiment, when the dielectric constant of the silicon oxide film is 3.9, the electric field of the insulating film between the electrodes is 10 MV / cm, and the barrier height with respect to the Si conductive band of SiO2 is 3 eV, the conductive property of the insulating film The thickness of the band across the conductive band position of Si is about 3 nm, and nitrogen starts to be added at a position where the distance from the floating electrode 3 is smaller than 3 nm, and the amount of added nitrogen is gradually increased to increase the silicon oxide film 7-1. It is desirable to form.

該当膜の窒素添加量は、高誘電率絶縁膜7-2の界面で100%つまりシリコン窒化膜であれ
ばなお良い。また、前記前提のもと、注入側の膜構造が、シリコン酸化膜=1nm、シリコン
窒化膜=1nm(比誘電率=7の場合)、シリコン酸化膜=5nmの場合は、窒素を添加し始めるシリ
コン酸化膜の範囲は、浮遊電極である第1の導電層3から約3.6nmまでの距離となる。
The nitrogen addition amount of the corresponding film is preferably 100% at the interface of the high dielectric constant insulating film 7-2, that is, a silicon nitride film. On the basis of the above assumption, when the film structure on the injection side is silicon oxide film = 1 nm, silicon nitride film = 1 nm (in the case of relative dielectric constant = 7), and silicon oxide film = 5 nm, addition of nitrogen starts. The range of the silicon oxide film is a distance from the first conductive layer 3 which is a floating electrode to about 3.6 nm.

次に、図14に示すように、シリコン酸化膜7-1の上部に誘電率の高い金属酸化物である
高誘電率膜7-2を1〜20nm程度形成、その上部にシリコン酸化膜7-3を1〜10nm程度形成して
図14の構造断面図を得る。
Next, as shown in FIG. 14, a high dielectric constant film 7-2, which is a metal oxide having a high dielectric constant, is formed on the silicon oxide film 7-1 to a thickness of about 1 to 20 nm, and a silicon oxide film 7- 3 is formed to a thickness of about 1 to 10 nm, and the structure sectional view of FIG.

そして、図15に示すように、電極間絶縁膜である第2の絶縁膜7上に、第2の導電層8を形
成する。第2の導電層8は、制御ゲート電極となる。制御電極を露光描画によりパターニン
グした後、通常の後工程を経て半導体装置を得る。
Then, as shown in FIG. 15, the second conductive layer 8 is formed on the second insulating film 7 which is an interelectrode insulating film. The second conductive layer 8 becomes a control gate electrode. After patterning the control electrode by exposure drawing, a semiconductor device is obtained through a normal post-process.

ここで、本実施形態で述べた電極間絶縁膜中の高誘電率絶縁膜に関して述べる。比誘電
率が7程度であるシリコン窒化物(Si3N4)膜、比誘電率が8程度であるアルミニウム酸化
物(Al2O3)膜、比誘電率が10程度であるマグネシウム酸化物(MgO)膜、比誘電率が16程
度であるイットリウム酸化物(Y2O3)膜、比誘電率が22程度であるハフニウム酸化物(Hf
O2)膜、ジルコニウム酸化物(ZrO2)膜およびランタン酸化物(La2O3)のいずれか1つの
単層膜が使用可能である。
Here, the high dielectric constant insulating film in the interelectrode insulating film described in the present embodiment will be described. Silicon nitride (Si3N4) film with a relative dielectric constant of about 7, aluminum oxide (Al2O3) film with a relative dielectric constant of about 8, magnesium oxide (MgO) film with a relative dielectric constant of about 10, dielectric constant Yttrium oxide (Y2O3) film with a dielectric constant of about 16, hafnium oxide with a relative dielectric constant of about 22 (Hf
Any one single layer film of O2) film, zirconium oxide (ZrO2) film and lanthanum oxide (La2O3) can be used.

更には、また、ハフニウムシリケート(HfSiO)膜やハフニウム・アルミネート(HfAlO
)膜のような三元系の化合物からなる絶縁膜でも良い。すなわち、シリコン(Si)、アル
ミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、イットリウム(Y)、ハフニウム(Hf)、ジルコ
ニウム(Zr)、ランタン(La)のいずれか1つの元素を少なくとも含む酸化物もしくは窒
化物であっても使用可能である。
Furthermore, hafnium silicate (HfSiO) film and hafnium aluminate (HfAlO)
) An insulating film made of a ternary compound such as a film may be used. That is, an oxide or nitride containing at least one element of silicon (Si), aluminum (Al), magnesium (Mg), yttrium (Y), hafnium (Hf), zirconium (Zr), and lanthanum (La) Even it can be used.

本実施形態ではALD法により窒素を添加したシリコン酸化膜7-1)の製法を示したが、減
圧化学気相成長法(LP-CVD法)による製法も良い。LP-CVD法では、ジクロロシランと亜酸
化窒素(N2O)及び窒素源としてアンモニアを800℃程度の温度で反応させて、窒素を添加し
たシリコン酸化膜7-1を形成する。
In the present embodiment, a method of manufacturing the silicon oxide film 7-1) to which nitrogen is added by the ALD method is shown, but a manufacturing method by a low pressure chemical vapor deposition method (LP-CVD method) is also good. In the LP-CVD method, dichlorosilane, nitrous oxide (N 2 O), and ammonia as a nitrogen source are reacted at a temperature of about 800 ° C. to form a silicon oxide film 7-1 to which nitrogen is added.

添加する窒素量は、アンモニアの流量により制御できる。窒素添加したシリコン酸化膜
の成膜を、シリコン原料(ジクロロシラン)と酸素原料(二酸化窒素)と添加する窒素原
料(アンモニア)の同時流通によるCVD成膜で形成する方法以外にも、シリコン酸化膜と
シリコン窒化膜の極薄層を交互に積層させることでも同様の効果を発揮する。
The amount of nitrogen to be added can be controlled by the flow rate of ammonia. In addition to the method of forming a silicon oxide film added with nitrogen by CVD film formation by simultaneous flow of a silicon raw material (dichlorosilane), an oxygen raw material (nitrogen dioxide) and a nitrogen raw material (ammonia) to be added, a silicon oxide film The same effect can be achieved by alternately laminating ultrathin layers of silicon nitride and silicon nitride.

シリコン酸化膜の膜厚とシリコン窒化膜の膜厚の比率を徐々に変化させることで、添加
する窒素量を制御して当該膜を形成できる。この方法で成膜したシリコン酸化膜には膜中
に塩素を含む為、電子のトラップ作用による高電界印加時のリーク電流低減効果が本発明
による効果に加わり、電気特性が向上する。
By gradually changing the ratio between the thickness of the silicon oxide film and the thickness of the silicon nitride film, the amount of nitrogen to be added can be controlled to form the film. Since the silicon oxide film formed by this method contains chlorine, the effect of reducing the leakage current when a high electric field is applied by the trapping action of electrons is added to the effect of the present invention, and the electrical characteristics are improved.

また、シリコン酸化膜の形成後に窒化処理を施すことで、膜中に窒素を添加する方法も
ある。窒化処理には、熱窒化処理、プラズマ窒化処理などがある。窒化条件により、シリ
コン酸化膜中の窒素量を制御する。
There is also a method of adding nitrogen into the film by performing nitriding after the formation of the silicon oxide film. Nitriding includes thermal nitriding and plasma nitriding. The amount of nitrogen in the silicon oxide film is controlled by the nitriding conditions.

いずれの場合でも、窒素添加したシリコン酸化膜の形成後に熱処理を加えることで膜質
が良くなり、電気特性は更に良くなる。
In any case, the film quality is improved by applying a heat treatment after the formation of the silicon oxide film added with nitrogen, and the electrical characteristics are further improved.

また、積層構造に関しては、シリコン酸化膜/高誘電率膜/シリコン酸化膜の場合につい
て述べたが、実施形態の効果は他の積層構造であっても得ることができる。
Further, regarding the laminated structure, the case of silicon oxide film / high dielectric constant film / silicon oxide film has been described, but the effect of the embodiment can be obtained even in other laminated structures.

例えば、下層からシリコン窒化膜/シリコン酸化膜/高誘電率膜/シリコン酸化膜/シリコ
ン窒化膜、シリコン窒化膜/シリコン酸化膜/シリコン窒化膜/シリコン酸化膜/シリコン窒
化膜などのように積層した構造でも本実施例の効果は有効となる。
For example, silicon nitride film / silicon oxide film / high dielectric constant film / silicon oxide film / silicon nitride film, silicon nitride film / silicon oxide film / silicon nitride film / silicon oxide film / silicon nitride film, etc. The effect of the present embodiment is effective even in the structure.

窒素添加したシリコン酸化膜の下層がシリコン窒化膜であり、窒素添加したシリコン酸
化膜の膜中窒素分布が図9(b)の場合においては、窒素添加したシリコン酸化膜を形成す
る際に、下層のシリコン窒化膜の表面に対して再窒化を行うことで、下層の窒素抜けが補
填できる。
In the case where the lower layer of the nitrogen-added silicon oxide film is a silicon nitride film and the nitrogen distribution in the nitrogen-added silicon oxide film is as shown in FIG. 9B, the lower layer is formed when the nitrogen-added silicon oxide film is formed. By renitriding the surface of the silicon nitride film, nitrogen loss in the lower layer can be compensated.

例えば、窒素添加したシリコン酸化膜成膜開始時に、アンモニアなどの窒素原料を先に
流通させておくことで、下層のシリコン窒化膜の窒素抜けを補填できる。こうすることで
、シリコン窒化膜の膜質が改善し、さらに誘電率も増加するため、電極間絶縁膜の電気特
性が向上する。
For example, when a nitrogen source material such as ammonia is first circulated at the start of the formation of a silicon oxide film to which nitrogen is added, nitrogen loss in the lower silicon nitride film can be compensated. By doing so, the film quality of the silicon nitride film is improved and the dielectric constant is also increased, so that the electrical characteristics of the interelectrode insulating film are improved.

本実施形態では、浮遊ゲート電極を有する不揮発性半導体記憶装置に関する例を述べた
が、他の構造を有する半導体装置であっても、同様の積層構造を有する素子であれば同様
の効果を有することは言うまでも無い。一般にMONOSとして知られる絶縁膜中のトラップ
を利用した不揮発性半導体記憶装置においても、例えば電荷蓄積層の上層に形成するブロ
ック絶縁膜に本発明を適用することでもその有効性を実現できる。
In this embodiment, an example related to a nonvolatile semiconductor memory device having a floating gate electrode has been described. However, even a semiconductor device having another structure has the same effect as long as it is an element having a similar stacked structure. Needless to say. Even in a nonvolatile semiconductor memory device using a trap in an insulating film generally known as MONOS, the effectiveness can be realized by applying the present invention to a block insulating film formed on an upper layer of a charge storage layer, for example.

本実施形態1による半導体装置の断面図Sectional drawing of the semiconductor device by this Embodiment 1. 本実施形態1によるシリコン酸化膜中の窒素濃度の深さ方向分布を示す図The figure which shows the depth direction distribution of the nitrogen concentration in the silicon oxide film by this Embodiment 1. 本実施形態1による高電界印加時のシリコン酸化膜のバンドを示す図The figure which shows the band of the silicon oxide film at the time of the high electric field application by this Embodiment 1 本実施形態1による半導体装置の製造工程の一部を示す図The figure which shows a part of manufacturing process of the semiconductor device by this Embodiment 1. 本実施形態1による半導体装置の製造工程の一部を示す図The figure which shows a part of manufacturing process of the semiconductor device by this Embodiment 1. 本実施形態1による半導体装置の製造工程の一部を示す図The figure which shows a part of manufacturing process of the semiconductor device by this Embodiment 1. 本実施形態1による半導体装置の製造工程の一部を示す図The figure which shows a part of manufacturing process of the semiconductor device by this Embodiment 1. 本実施形態1による半導体装置の製造工程の一部を示す図The figure which shows a part of manufacturing process of the semiconductor device by this Embodiment 1. 本実施形態2によるシリコン酸化膜中の窒素濃度の深さ方向分布を示す図The figure which shows the depth direction distribution of the nitrogen concentration in the silicon oxide film by this Embodiment 2. 本実施形態2による高電界印加時のシリコン酸化膜のバンドを示す図The figure which shows the band of the silicon oxide film at the time of the high electric field application by this Embodiment 2 本実施形態2による半導体装置の製造工程の一部を示す図The figure which shows a part of manufacturing process of the semiconductor device by this Embodiment 2. 本実施形態2による半導体装置の製造工程の一部を示す図The figure which shows a part of manufacturing process of the semiconductor device by this Embodiment 2. 本実施形態2による半導体装置の製造工程の一部を示す図The figure which shows a part of manufacturing process of the semiconductor device by this Embodiment 2. 本実施形態2による半導体装置の製造工程の一部を示す図The figure which shows a part of manufacturing process of the semiconductor device by this Embodiment 2. 本実施形態2による半導体装置の製造工程の一部を示す図The figure which shows a part of manufacturing process of the semiconductor device by this Embodiment 2.

符号の説明Explanation of symbols

1・・・・シリコン基板、2・・・・第1の絶縁膜、3・・・・第1の導電層、4・・・・シリ
コン窒化膜、5・・・・シリコン酸化膜、6・・・・素子分離領域、 7・・・・第2の絶縁
膜、 7-1・・・・リコン酸化膜、7-2・・・・高誘電率絶縁膜、 7-3・・・・シリコン酸
化膜、 8・・・・第2の導電層、9・・・層間絶縁膜
1 ... Silicon substrate, 2 ... First insulating film, 3 ... First conductive layer, 4 ... Silicon nitride film, 5 ... Silicon oxide film, 6 ... ... element isolation region, 7 ... second insulating film, 7-1 ... recon oxide film, 7-2 ... high dielectric constant insulating film, 7-3 ... silicon Oxide film, 8 ... second conductive layer, 9 ... interlayer insulation film

Claims (5)

半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された第1の絶縁膜と、
前記第1の絶縁膜上に形成された電荷蓄積層と、
前記電荷蓄積層上に形成された第2の絶縁膜と
前記第2の絶縁膜上に形成された制御電極と、を備えた半導体装置であって
前記第2の絶縁膜は、窒素が膜中に添加された第1のシリコン酸化膜と、
前記下層シリコン酸化膜上に形成されかつ比誘電率が7以上である中間絶縁膜と、
前記中間絶縁膜上に形成された第2のシリコン酸化膜
を含むことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
A semiconductor substrate;
A first insulating film formed on the semiconductor substrate;
A charge storage layer formed on the first insulating film;
A semiconductor device comprising: a second insulating film formed on the charge storage layer; and a control electrode formed on the second insulating film, wherein the second insulating film includes nitrogen in the film. A first silicon oxide film added to
An intermediate insulating film formed on the lower silicon oxide film and having a relative dielectric constant of 7 or more;
A nonvolatile semiconductor memory device comprising a second silicon oxide film formed on the intermediate insulating film.
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された第1の絶縁膜と、
前記第1の絶縁膜上に形成された電荷蓄積層と、
前記電荷蓄積層上に形成された第2の絶縁膜と
前記第2の絶縁膜上に形成された制御電極と、を備えた不揮発性半導体記憶装置であって
前記第2の絶縁膜は、下層の第1のシリコン窒化膜と
前記第1のシリコン窒化膜上に形成され、かつ、窒素が膜中に添加されたシリコン酸化膜

前記第1のシリコン酸化膜上に形成されかつ比誘電率が7以上の中間絶縁膜と、前記中間絶
縁膜上に形成された第2のシリコン酸化膜と、
前記シリコン酸化膜上に形成された第2のシリコン窒化膜とを含むことを特徴とする不揮
発性半導体記憶装置。
A semiconductor substrate;
A first insulating film formed on the semiconductor substrate;
A charge storage layer formed on the first insulating film;
A non-volatile semiconductor storage device comprising a second insulating film formed on the charge storage layer and a control electrode formed on the second insulating film, wherein the second insulating film is a lower layer Formed on the first silicon nitride film and the first silicon nitride film, and formed on the silicon oxide film to which nitrogen is added and the first silicon oxide film, and has a relative dielectric constant. 7 or more intermediate insulating films, a second silicon oxide film formed on the intermediate insulating film,
A non-volatile semiconductor memory device, comprising: a second silicon nitride film formed on the silicon oxide film.
窒素を添加したシリコン窒化膜中の窒素の深さ方向の分布は、シリコン酸化膜
中において浮遊ゲート電極側で低く、中間絶縁膜側で高いことを特徴とする前記請求項1
若しくは2に記載の不揮発性半導体記憶装置。
2. The distribution in the depth direction of nitrogen in the silicon nitride film to which nitrogen is added is low on the floating gate electrode side and high on the intermediate insulating film side in the silicon oxide film.
Or the non-volatile semiconductor memory device of 2.
半導体基板上に第1の絶縁膜を形成する工程と、
前記第1の絶縁膜上に電荷蓄積層を形成する工程と、
前記電荷蓄積層上に第2の絶縁膜を形成する工程と、
前記第2の絶縁膜上に制御電極とを形成する工程とを備えた不揮発性半導体記憶装置の
製造方法であって、
前記第2の絶縁膜は、下層の第1のシリコン酸化膜中に窒素を添加し、前記第1のシリコ
ン酸化膜上に比誘電率が7以上の中間絶縁膜を形成し、前記中間絶縁膜上に形成された上
層の第2のシリコン酸化膜を形成し、前記シリコン酸化膜はALD法で形成されることを
特徴とする不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
Forming a first insulating film on the semiconductor substrate;
Forming a charge storage layer on the first insulating film;
Forming a second insulating film on the charge storage layer;
Forming a control electrode on the second insulating film, and a method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device,
The second insulating film is formed by adding nitrogen to the lower first silicon oxide film to form an intermediate insulating film having a relative dielectric constant of 7 or more on the first silicon oxide film. A method of manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device, comprising: forming an upper second silicon oxide film formed on the silicon oxide film; and forming the silicon oxide film by an ALD method.
半導体基板上に第1の絶縁膜を形成する工程と、
前記第1の絶縁膜上に電荷蓄積層を形成する工程と、
前記電荷蓄積層上に第2の絶縁膜を形成する工程と、
前記第2の絶縁膜上に制御電極とを形成する工程とを備えた不揮発性半導体記憶装置の製
造方法であって、
前記第2の絶縁膜は、下層の第1のシリコン窒化膜層を形成し、前記第1のシリコン窒化膜
上に、窒素を添加したシリコン酸化膜を形成し、前記下層シリコン酸化膜上に比誘電率が
7以上の中間絶縁膜を形成し、前記中間絶縁膜上に形成された上層の第2のシリコン酸化膜
を形成し、前記第2のシリコン酸化膜上にシリコン窒化膜を形成し、前記シリコン酸化膜
はALD法で形成されることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
Forming a first insulating film on the semiconductor substrate;
Forming a charge storage layer on the first insulating film;
Forming a second insulating film on the charge storage layer;
Forming a control electrode on the second insulating film, and a method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device,
The second insulating film forms a lower first silicon nitride film layer, forms a silicon oxide film to which nitrogen is added on the first silicon nitride film, and compares the second insulating film with the lower silicon oxide film. Dielectric constant
7 or more intermediate insulating films are formed, an upper second silicon oxide film formed on the intermediate insulating film is formed, a silicon nitride film is formed on the second silicon oxide film, and the silicon oxide film is formed. A method of manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device, wherein the film is formed by an ALD method.
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