JP2010045175A - 不揮発性半導体記憶装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】メモリセルトランジスタの特性の劣化を抑制することができる。
【解決手段】不揮発性半導体記憶装置は、素子分離絶縁膜5aによって区画された第1及び第2メモリセルトランジスタMT1、MT2と素子分離絶縁膜を覆うバリア絶縁膜6aとを具備し、第1メモリセルトランジスタは第1トンネル絶縁膜2a−1と絶縁膜からなる第1電荷蓄積層3a−1と第1ブロック絶縁膜8aと第1ゲート電極9aとを有し、第2メモリセルトランジスタは第2トンネル絶縁膜2a−2と絶縁膜からなる第2電荷蓄積層3a−2と第2ブロック絶縁膜8aと第2ゲート電極9aとを有し、バリア絶縁膜は第1及び第2電荷蓄積層に接し、第1及び第2電荷蓄積層よりも膜厚が薄い。
【選択図】 図2
【解決手段】不揮発性半導体記憶装置は、素子分離絶縁膜5aによって区画された第1及び第2メモリセルトランジスタMT1、MT2と素子分離絶縁膜を覆うバリア絶縁膜6aとを具備し、第1メモリセルトランジスタは第1トンネル絶縁膜2a−1と絶縁膜からなる第1電荷蓄積層3a−1と第1ブロック絶縁膜8aと第1ゲート電極9aとを有し、第2メモリセルトランジスタは第2トンネル絶縁膜2a−2と絶縁膜からなる第2電荷蓄積層3a−2と第2ブロック絶縁膜8aと第2ゲート電極9aとを有し、バリア絶縁膜は第1及び第2電荷蓄積層に接し、第1及び第2電荷蓄積層よりも膜厚が薄い。
【選択図】 図2
Description
本発明は、バリア絶縁膜を有するメモリセルトランジスタを備える不揮発性半導体記憶装置に関する。
メモリセルトランジスタにMONOSセルを適用した不揮発性半導体記憶装置では、素子分離領域によって区画された素子領域上に、トンネル絶縁膜、電荷蓄積層、ブロック絶縁膜、ゲート電極が積層された構造となっている。隣接するセル間で電荷の移動を防止するために、メモリセルトランジスタ間で電荷蓄積層を切断しておくと、素子分離領域上にはブロック絶縁膜が積層された構造となる。
メモリセルトランジスタの書き込み/消去特性を改善するためには、トンネル絶縁膜よりも誘電率の大きい絶縁膜(high-k膜)をブロック絶縁膜として用いることが有効である。
しかしながら、ブロック絶縁膜にhigh-k膜を用いると、high-k膜の成膜時に発生する不純物元素が素子領域近傍に固定電荷を形成し、メモリセルトランジスタのしきい値電圧が変動し、メモリセルトランジスタの特性が劣化する問題がある(例えば、非特許文献1参照。)。
Jae Sung Sim、"Self Aligned Trap-Shallow Trench Isolation Scheme For the Reliability of TANOS (TaN/AlO/SiN/Oxide/Si) NAND Flash Memory"、NVSMW 2007年8月、Page 110-111
Jae Sung Sim、"Self Aligned Trap-Shallow Trench Isolation Scheme For the Reliability of TANOS (TaN/AlO/SiN/Oxide/Si) NAND Flash Memory"、NVSMW 2007年8月、Page 110-111
本発明は、メモリセルトランジスタの特性の劣化を抑制する不揮発性半導体記憶装置を提供する。
本発明の第1の視点による不揮発性半導体記憶装置は、半導体基板と、前記半導体基板内に形成された第1素子分離絶縁膜と、前記第1素子分離絶縁膜によって区画された第1及び第2メモリセルトランジスタと、前記第1素子分離絶縁膜を覆う第1バリア絶縁膜と、を具備し、前記第1メモリセルトランジスタは、前記半導体基板上に形成された第1トンネル絶縁膜と、前記第1トンネル絶縁膜上に形成され、絶縁膜からなる第1電荷蓄積層と、前記第1電荷蓄積層上に形成された第1ブロック絶縁膜と、前記第1ブロック絶縁膜上に形成された第1ゲート電極と、を有し、前記第2メモリセルトランジスタは、前記半導体基板上に形成された第2トンネル絶縁膜と、前記第2トンネル絶縁膜上に形成され、絶縁膜からなる第2電荷蓄積層と、前記第2電荷蓄積層上に形成された第2ブロック絶縁膜と、前記第2ブロック絶縁膜上に形成された第2ゲート電極と、を有し、前記第1バリア絶縁膜は、前記第1及び第2電荷蓄積層に接し、前記第1及び第2電荷蓄積層よりも膜厚が薄い。
本発明の第2の視点による不揮発性半導体記憶装置は、半導体基板と、前記半導体基板内に形成された第1素子分離絶縁膜と、前記第1素子分離絶縁膜によって区画された第1及び第2メモリセルトランジスタと、前記第1素子分離絶縁膜を覆う第1バリア絶縁膜と、を具備し、前記第1メモリセルトランジスタは、前記半導体基板上に形成された第1トンネル絶縁膜と、前記第1トンネル絶縁膜上に形成され、絶縁膜からなる第1電荷蓄積層と、前記第1電荷蓄積層上に形成された第1ブロック絶縁膜と、前記第1ブロック絶縁膜上に形成された第1ゲート電極と、を有し、前記第2メモリセルトランジスタは、前記半導体基板上に形成された第2トンネル絶縁膜と、前記第2トンネル絶縁膜上に形成され、絶縁膜からなる第2電荷蓄積層と、前記第2電荷蓄積層上に形成された第2ブロック絶縁膜と、前記第2ブロック絶縁膜上に形成された第2ゲート電極と、を有し、前記第1バリア絶縁膜は、前記第1及び第2電荷蓄積層に接し、前記第1及び第2電荷蓄積層とは異なる絶縁膜である。
本発明によれば、メモリセルトランジスタの特性の劣化を抑制することができる不揮発性半導体記憶装置を提供できる。
本発明の実施の形態を以下に図面を参照して説明する。この説明に際し、全図にわたり、共通する部分には共通する参照符号を付す。尚、本実施形態の不揮発性半導体記憶装置は、例えば、NAND型又はNOR型フラッシュメモリであり、特にMONOS構造のフラッシュメモリで適用される。
ここで、NAND型フラッシュメモリの構造について、図1(a)及び(b)を用いて説明する。図1(a)は、半導体記憶装置の回路図を示す。図1(b)は、半導体記憶装置の平面図を示す。
図1(a)に示すように、半導体記憶装置100には、複数のユニットメモリセルが設けられる。複数のユニットメモリセルはメモリセルブロックを構成し、複数のメモリセルブロックはメモリセルアレイを構成する。ここで、半導体記憶装置100は、NAND型フラッシュメモリである。
ユニットメモリセルには、センスアンプ(図示せず)に接続されるビット線BL側及びソース線SL側に選択トランジスタSTが設けられる。これらのビット線BL側及びソース線SL側に設けられた選択トランジスタST間に直列接続される複数のメモリセルトランジスタMTが設けられる。ビット線BL1、BL2、及びBL3と、制御線SGD、ワードWLn、・・・、ワードWL4、ワードWL3、ワード線WL2、ワード線WL1、制御線SGS、及びソース線SLとは互いに交差する。
制御線SGDは、センスアンプ(図示せず)に接続されるビット線BL1乃至3側の選択トランジスタSTのゲートに接続される。ワード線WLnは、ビット線BL1乃至3に接続されるn番目のメモリセルトランジスタMTのコントロールゲートに接続される。ワード線WL4は、ビット線BL1乃至3に接続される4番目のメモリセルトランジスタMTのコントロールゲートに接続される。ワード線WL3は、ビット線BL1乃至3に接続される3番目のメモリセルトランジスタメモリセルトランジスタMTのコントロールゲートに接続される。ワード線WL2は、ビット線BL1乃至3に接続される2番目のメモリセルトランジスタMTのコントロールゲートに接続される。ワード線WL1は、ビット線BL1乃至3に接続される1番目のメモリセルトランジスタMTのコントロールゲートに接続される。制御線SGSは、ソース線SLに接続されるビット線BL1乃至3側の選択トランジスタSTのゲートに接続される。
図1(b)に示すように、半導体記憶装置100では、ソース線SL、制御線SGS、ワード線WL1、ワード線WL2、ワード線WL3、ワード線WL4、・・・、ワード線WLn、制御線SGDが上下方向(図中)に互いに離間され並列配置される。ビット線BL1乃至3が横方向(図中)に互いに離間され並列配置される。ビット線BL間には素子分離領域が設けられ、ビット線BLの間を分離している。ソース線SLとビット線BL1乃至3の交差部分にはソース線コンタクトSLCが設けられる。制御線SGDとセンスアンプ(図示せず)の間のビット線BLにはビット線コンタクトBLCが設けられる。
尚、図2(a)乃至図16(a)は、図1(b)のA−A線に沿った断面図であり、図2(b)乃至図16(b)は、図1(b)のB−B線に沿った断面図である。
(第1の実施形態)
第1の実施形態は、メモリセルトランジスタにおいて、素子分離絶縁膜を覆うバリア絶縁膜が形成される例である。
第1の実施形態は、メモリセルトランジスタにおいて、素子分離絶縁膜を覆うバリア絶縁膜が形成される例である。
図2(a)は、本発明の第1の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置のメモリセルトランジスタのチャネル幅方向の断面図を示す。図2(b)は、本発明の第1の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の選択トランジスタのチャネル幅方向の断面図を示す。以下に、第1の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置のメモリセルトランジスタ及び選択トランジスタの構造について説明する。
図2(a)に示すように、メモリセルトランジスタMT1及びMT2のチャネル幅方向の断面においては、半導体基板1内に素子分離絶縁膜5aが設けられ、この素子分離絶縁膜5aによって区画されたメモリセルトランジスタMT1及びMT2が形成されている。このメモリセルトランジスタMT1及びMT2間において、素子分離絶縁膜5aを覆うようにバリア絶縁膜6aが形成されている。
メモリセルトランジスタMT1及びMT2において、半導体基板1上にトンネル絶縁膜2a−1及び2a−2が形成されている。このトンネル絶縁膜2a−1及び2a−2上に絶縁膜からなる電荷蓄積層3a−1及び3a−2が形成されている。この電荷蓄積層3a−1及び3a−2及びバリア絶縁膜6a上にブロック絶縁膜8aが形成されている。そして、メモリセルトランジスタMT1及びMT2の書き込み、消去、読み出しのために制御電圧が印加されるゲート電極(コントロールゲート)9aは、ブロック絶縁膜8a上に形成されている。
ブロック絶縁膜8aは、トンネル絶縁膜2a−1及び2a−2(例えばシリコン酸化膜)よりも誘電率の大きい膜(例えばAl2O3膜)である。これにより、メモリセルトランジスタMT1及びMT2の書き込み/消去特性を向上することができる。
バリア絶縁膜6aは、素子分離絶縁膜5aとブロック絶縁膜8aとの間に形成されている。このとき、バリア絶縁膜6aの側面は、隣り合う電荷蓄積層3a−1及び3a−2に接している。従って、素子分離絶縁膜5aは、バリア絶縁膜6aで完全に覆われる。これにより、素子分離絶縁膜5aの上面は、ブロック絶縁膜8aと直接接することはない。
バリア絶縁膜6aは、電荷蓄積層3a−1及び3a−2とは異なる層で形成される。すなわち、バリア絶縁膜6aは、電荷蓄積層3a−1及び3a−2と同じ一つの層で形成されるわけではない。
バリア絶縁膜6aと電荷蓄積層3a−1及び3a−2の材料が、同じ(例えばシリコン窒化膜)であっても、その材料の組成(材質)が異なればよい。また、バリア絶縁膜6aと電荷蓄積層3a−1及び3a−2の材料及び材質が、同じ(例えばシリコン窒化膜)であっても、バリア絶縁膜6aの膜厚が電荷蓄積層3a−1及び3a−2よりも薄ければよい。
バリア絶縁膜6aの材料としては、例えば、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜などが挙げられる。また、バリア絶縁膜6aは、上面から底面にいくに従って、シリコン窒化膜からシリコン酸窒化膜に変化する膜であってもよい。バリア絶縁膜6aは、窒化雰囲気で形成されることが望ましい。
バリア絶縁膜6aの膜厚は、電荷蓄積層3a−1及び3a−2の膜厚よりも薄いことが望ましい。これにより、隣り合うメモリセルトランジスタMT1及びMT2間での電荷の移動を抑制し、データの保持特性が悪化することを抑制できる。
素子分離絶縁膜5aの上面及びバリア絶縁膜6aの上面は、電荷蓄積層3a−1及び3a−2の上面より低いことが望ましい。電荷蓄積層3a−1及び3a−2の側面をブロック絶縁膜8aが覆うと、ゲート電極9aによる制御性が向上し、メモリセル特性が向上するからである。
素子分離絶縁膜5aの上面は、トンネル絶縁膜2a−1及び2a−2の上面より高いことが望ましい。素子分離絶縁膜5a、トンネル絶縁膜2a−1及び2a−2が同じ材料からなる場合、または、トンネル絶縁膜2a−1及び2a−2の一部に素子分離絶縁膜5aと同じ材料を有する場合、素子分離絶縁膜5aの高さ調整のためのエッチング時にエッチングの選択比がとれずにトンネル絶縁膜2a−1及び2a−2をエッチングしてしまうことを防止するためである。
図2(b)に示すように、選択トランジスタST1及びST2のチャネル幅方向の断面においては、半導体基板1内に素子分離絶縁膜5bが設けられ、この素子分離絶縁膜5bによって区画された選択トランジスタST1及びST2が形成されている。
選択トランジスタST1及びST2において、半導体基板1上にゲート絶縁膜10が形成されている。このゲート絶縁膜10は、例えば、シリコン酸化膜からなる酸化膜7b−1及び7b−2とブロック絶縁膜8bとで構成される積層構造である。具体的には、半導体基板11上に酸化膜7b−1及び7b−2が形成され、この酸化膜7b−1及び7b−2上にブロック絶縁膜8bが形成されている。このブロック絶縁膜8bは、メモリセルトランジスタMT1及びMT2のブロック絶縁膜8aと同じ絶縁膜である。酸化膜7b−1及び7b−2とブロック絶縁膜8bは、メモリセルトランジスタMT1及びMT2の電荷蓄積層3a−1及び3a−2とは異なる絶縁膜である。つまり、選択トランジスタST1及びST2のゲート絶縁膜10は、電荷蓄積層3a−1及び3a−2と同じ層を含まない。そして、ブロック絶縁膜8b上にゲート電極9bが形成されている。
酸化膜7b−1及び7b−2の膜厚は、メモリセルトランジスタMT1及びMT2のトンネル絶縁膜2a−1及び2a−2の膜厚よりも厚いことが望ましい。酸化膜7b−1及び7b−2を厚くすることで、酸化膜7b−1及び7b−2に電荷が蓄積することを抑制できる。酸化膜7b−1及び7b−2の上面は、素子分離絶縁膜5bの上面より、高くても低くても等しくてもよい。
ブロック絶縁膜8bは、酸化膜7b−1及び7b−2よりも誘電率の大きい膜(例えばAl2O3膜)である。これにより、選択トランジスタST1及びST2の特性を向上することができる。
図2(a)及び(b)乃至図8(a)及び(b)は、本発明の第1の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置のメモリセルトランジスタ及び選択トランジスタにおけるチャネル幅方向の断面図を製造工程ごとに示す。以下に、第1の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の製造方法について説明する。
まず、図3(a)及び(b)に示すように、イオン注入により、半導体基板1内にメモリセルトランジスタMT1及びMT2及び選択トランジスタST1及びST2のウェル・チャネル領域(図示せず)が形成される。次に、例えば熱酸化により、半導体基板1上にメモリセルトランジスタMT1及びMT2のトンネル絶縁膜2a−1及び2a−2となるシリコン酸化膜2a及び2bが形成される。次に、シリコン酸化膜2a及び2b上に、例えばCVD(Chemical Vapor Deposition)法により、メモリセルトランジスタMT1及びMT2の電荷蓄積層3a−1及び3a−2となるシリコン窒化膜3a及び3bが形成される。
次に、図4(a)及び(b)に示すように、シリコン窒化膜3a及び3b上に、例えばシリコン酸化膜とシリコン窒化膜の積層膜からなるマスク材4が堆積される。その後、リソグラフィ工程により、マスク材4の素子分離領域に対応する部分が開口される。次に、エッチングにより、マスク材4を用いて、シリコン窒化膜3a及び3b、シリコン酸化膜2a及び2b、半導体基板1が順に加工され、半導体基板1内に素子分離領域となる溝が形成される。これにより、素子ごとに分離された、シリコン酸化膜2a−1、2a−2、2b−1及び2b−2、シリコン窒化膜3a−1、3a−2、3b−1及び3b−1が形成される。
次に、図5(a)及び(b)に示すように、半導体基板1内に形成された溝内に、例えばシリコン酸化膜からなる素子分離絶縁膜5a及び5bが形成される。次に、素子分離絶縁膜5a及び5bがCMP(Chemical Mechanical Polish)により平坦化された後、エッチングにより高さが調節され、マスク材4が除去される。ここで、例えば、素子分離絶縁膜5a及び5bの上面は、電荷蓄積層3a−1、3a−2、3b−1及び3b−2の膜厚の中間程度に下げられる。
次に、図6(a)及び(b)に示すように、例えば窒化雰囲気のアニール処理により、素子分離絶縁膜5a及び5b上にシリコン酸窒化膜からなるバリア絶縁膜6a及び6bが形成される。ここで、バリア絶縁膜6aの膜厚は、電荷蓄積層3a−1及び3a−2の膜厚よりも薄く、バリア絶縁膜6aの側面は、電荷蓄積層3a−1及び3a−2の側面の中央部付近に接する。
この工程までは、メモリセルトランジスタMT1及びMT2、選択トランジスタST1及びST2は同じ構造となる。
次に、図7(a)に示すように、メモリセルトランジスタMT1及びMT2、選択トランジスタST1及びST2上にマスク材11が堆積される。次に、リソグラフィ工程により、マスク材11の選択トランジスタST1及びST2領域が開口される。その後、図7(b)に示すように、エッチングにより、選択トランジスタST1及びST2のシリコン窒化膜3b−1及び3b−2、シリコン酸化膜2b−1及び2b−2が除去される。このとき、シリコン酸窒化膜からなるバリア絶縁膜6bも除去される。これにより、選択トランジスタST1及びST2において、素子分離絶縁膜5b間の半導体基板1が露出される。
次に、図8(a)に示すように、メモリセルトランジスタMT1及びMT2において、マスク材11が除去される。その後、図8(b)に示すように、例えば熱酸化により、選択トランジスタST1及びST2の半導体基板1上にシリコン酸化膜からなる酸化膜7b−1及び7b−2が形成される。この酸化膜7b−1及び7b−2は、例えば、メモリセルトランジスタMT1及びMT2のトンネル絶縁膜2a−1及び2a−2よりも厚く形成することが望ましい。ここで、メモリセルトランジスタMT1及びMT2領域は、表面がシリコン窒化膜からなる電荷蓄積層3a−1及び3a−2とシリコン酸窒化膜からなるバリア絶縁膜6aとで覆われていることにより、シリコン酸化膜からなるトンネル絶縁膜2a−1及び2a−2の膜厚が厚くなることはない。
次に、図2(a)及び(b)に示すように、メモリセルトランジスタMT1及びMT2、選択トランジスタST1及びST2上に例えばAl2O3膜からなるブロック絶縁膜8a及び8bが形成される。ここで、メモリセルトランジスタMT1及びMT2領域は表面がシリコン窒化膜からなる電荷蓄積層3a−1及び3a−2とシリコン酸窒化膜からなるバリア絶縁膜6aとで覆われていることにより、Al2O3膜の成膜によって不純物元素がメモリセルトランジスタMT1及びMT2の素子領域近傍に拡散することはない。次に、例えばTaN/WN/W膜からなるゲート電極9a及び9bがブロック絶縁膜8a及び8b上に形成される。
その後、一般的に知られた手法を用いて、ゲート電極9a及び9bが加工される。ここで、メモリセルトランジスタMT1及びMT2と選択トランジスタST1及びST2のブロック絶縁膜8a及び8b、ゲート電極9a及び9bの形成及び加工を同時に行うことで、製造コストを下げることができる。さらに、拡散層領域が形成された後、コンタクト電極(図示せず)、上層の配線層(図示せず)が形成される。このようにして、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置が完成する。
尚、上述するメモリセルトランジスタMT1及びMT2、選択トランジスタST1及びST2は、上記の材料に限定されず、種々変更可能である。
上記第1の実施形態によれば、メモリセルトランジスタMT1及びMT2において、シリコン酸化膜からなる素子分離絶縁膜5a上にシリコン酸窒化膜からなるバリア絶縁膜6aが形成されている。このとき、バリア絶縁膜6aの側面は、隣り合う電荷蓄積層3a−1及び3a−2に直接接している。従って、素子分離絶縁膜5aは、バリア絶縁膜6aで完全に覆われる。このバリア絶縁膜6aは、ブロック絶縁膜8aの成膜前に形成される。このバリア絶縁膜6aにより、ブロック絶縁膜8aの成膜時に生じる不純物元素が素子分離絶縁膜5a内に拡散し、素子領域近傍に固定電荷を形成することを抑制できる。従って、不純物拡散により生じるメモリセルトランジスタMT1及びMT2のしきい値電圧の変動を抑え、メモリセルトランジスタMT1及びMT2の特性の劣化を抑制することができる。
また、従来の不揮発性半導体記憶装置では、選択トランジスタはメモリセルトランジスタと同じ構造であった。このため、選択トランジスタのゲート絶縁膜には、電荷蓄積層が含まれていた。この場合、読み出し動作を多数回行うと、読み出し時に選択トランジスタのゲート電極に印加される電圧ストレスによって、選択トランジスタの電荷蓄積層に電荷が注入される。その結果、選択トランジスタのしきい値電圧が変化し、誤動作してしまう問題があった。
そこで、第1の実施形態では、選択トランジスタST1及びST2のゲート絶縁膜10として、酸化膜7b−1及び7b−2にブロック絶縁膜8bが積層された構造にする。ところが、この構造では、選択トランジスタST1及びST2のゲート絶縁膜10の酸化膜7b−1及び7b−2を熱酸化により形成する際に、メモリセルトランジスタMT1及びMT2の素子分離絶縁膜5aから酸化剤が進入してトンネル絶縁膜2a−1及び2a−2も酸化されてしまい、トンネル絶縁膜2a−1及び2a−2の膜厚が増加して、メモリセルトランジスタMT1及びMT2の特性が劣化する恐れがある。
しかし、上記第1の実施形態によれば、上述するように、メモリセルトランジスタMT1及びMT2において、シリコン酸化膜からなる素子分離絶縁膜5a上にシリコン酸窒化膜からなるバリア絶縁膜6aが形成されている。このバリア絶縁膜6aは、選択トランジスタST1及びST2のゲート絶縁膜10の酸化膜7b−1及び7b−2の成膜前に形成される。このバリア絶縁膜6aにより、酸化膜7b−1及び7b−2の成膜によって素子分離絶縁膜5a上から酸化剤が侵入することを抑制し、メモリセルトランジスタMT1及びMT2の特性の劣化を抑制することができる。
また、バリア絶縁膜6aは、電荷蓄積層3a−1及び3a−2とは異なる層で形成される。これにより、隣り合うメモリセルトランジスタMT1及びMT2間での電荷の移動を抑制し、データの保持特性が悪化することを抑制することができる。さらに、電荷蓄積層3a−1及び3a−2とバリア絶縁膜6aの成膜方法を変えることで、電荷蓄積層3a−1及び3a−2よりもバリア絶縁膜6aに含まれる電荷トラップサイト密度を小さくすることができる。これにより、隣り合うメモリセルトランジスタMT1及びMT2間での電荷の移動をより抑制し、データの保持特性が悪化することをさらに抑制することができる。
(第2の実施形態)
第1の実施形態では、メモリセルトランジスタにおいて、素子分離絶縁膜上のみにバリア絶縁膜が形成された。これに対し、第2の実施形態では、メモリセルトランジスタにおいて、素子分離絶縁膜上から電荷蓄積層上に延在されたバリア絶縁膜が形成される例である。尚、ここでは、上記第1の実施形態と同様の点については説明を省略し、異なる点について詳説する。
第1の実施形態では、メモリセルトランジスタにおいて、素子分離絶縁膜上のみにバリア絶縁膜が形成された。これに対し、第2の実施形態では、メモリセルトランジスタにおいて、素子分離絶縁膜上から電荷蓄積層上に延在されたバリア絶縁膜が形成される例である。尚、ここでは、上記第1の実施形態と同様の点については説明を省略し、異なる点について詳説する。
図9(a)は、本発明の第2の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置のメモリセルトランジスタのチャネル幅方向の断面図を示す。図9(b)は、本発明の第2の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の選択トランジスタのチャネル幅方向の断面図を示す。以下に、第2の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置のメモリセルトランジスタ及び選択トランジスタの構造について説明する。
図9(a)及び(b)に示すように、第2の実施形態において、第1の実施形態と異なる点は、メモリセルトランジスタMT1及びMT2において、バリア絶縁膜6aが素子分離絶縁膜5a上から電荷蓄積層3a−1及び3a−2上に延在して形成されている点である。
具体的には、図9(a)に示すように、バリア絶縁膜6aの底面は、素子分離絶縁膜5aの上面、電荷蓄積層3a−1及び3a−2の側面及び上面に直接接している。つまり、素子分離絶縁膜5a及び電荷蓄積層3a−1及び3a−2の表面は全てバリア絶縁膜6aで覆われる。従って、素子分離絶縁膜5a及び電荷蓄積層3a−1及び3a−2の上面は、ブロック絶縁膜8aと直接接することはない。
第2の実施形態によるバリア絶縁膜6aの材料としては、例えば、シリコン窒化膜などが挙げられる。バリア絶縁膜6aは、CVD法で形成されることが望ましい。
尚、図9(b)に示すように、選択トランジスタST1及びST2のチャネル幅方向の断面においては、第1の実施形態と同じ構造になっている。
図9(a)及び(b)乃至図12(a)及び(b)は、本発明の第2の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置のメモリセルトランジスタ及び選択トランジスタにおけるチャネル幅方向の断面図を製造工程ごとに示す。以下に、第2の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の製造方法について説明する。
まず、第2の実施形態においても、第1の実施形態の製造工程と同様に、図3(a)及び(b)乃至図5(a)及び(b)の工程が行われる。
次に、図10(a)及び(b)に示すように、例えばCVD法により、素子分離絶縁膜5a及び5b、電荷蓄積層3a−1、3a−2、3b−1及び3b−2上に、シリコン窒化膜からなるバリア絶縁膜6a及び6bが形成される。これにより、メモリセルトランジスタMT1及びMT2において、素子分離絶縁膜5a及び電荷蓄積層3a−1及び3a−2の表面は全てバリア絶縁膜6aで覆われ、選択トランジスタST1及びST2において、素子分離絶縁膜5b及び電荷蓄積層3b−1及び3b−2の表面は全てバリア絶縁膜6bで覆われる。
次に、図11(a)及び(b)に示すように、第1の実施形態の図7(a)及び(b)の製造工程と同様に、メモリセルトランジスタMT1及びMT2領域にマスク材11が形成される。次に、このマスク材11を用いて、選択トランジスタST1及びST2のバリア絶縁膜6b、シリコン窒化膜3b−1及び3b−2、シリコン酸化膜2b−1及び2b−2が除去される。その後、マスク材11が除去される。
次に、図12(a)及び(b)に示すように、第1の実施形態の図8(a)及び(b)の製造工程と同様に、例えば熱酸化により、選択トランジスタST1及びST2の半導体基板1上に例えば、シリコン酸化膜からなる酸化膜7b−1及び7b−2が形成される。
次に、図9(a)及び(b)に示すように、第1の実施形態の図1(a)及び(b)の製造工程と同様に、メモリセルトランジスタMT1及びMT2、選択トランジスタST1及びST2上に例えばAl2O3膜からなるブロック絶縁膜8a及び8bが形成され、このブロック絶縁膜8a及び8b上に例えばTaN/WN/W膜からなるゲート電極9a及び9bが形成される。
尚、上述するメモリセルトランジスタMT1及びMT2、選択トランジスタST1及びST2は、上記の材料に限定されず、種々変更可能である。
上記第2の実施形態によれば、第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。
さらに、第2の実施形態では、メモリセルトランジスタMT1及びMT2において、バリア絶縁膜6aが素子分離絶縁膜5a上から電荷蓄積層3a−1及び3a−2上に延在して形成されている。このため、素子分離絶縁膜5a及び電荷蓄積層3a−1及び3a−2の表面は全てバリア絶縁膜6aで覆われる。これにより、本実施形態では、第1の実施形態よりも、不純物元素及び酸化剤の素子分離絶縁膜5a内への進入に対するバリア特性が高くなり、メモリセルトランジスタMT1及びMT2の特性が劣化することをさらに抑制することができる。
尚、第1の実施形態は、第2の実施形態との比較において、ブロック絶縁膜8aと電荷蓄積層3a−1及び3a−2との間にバリア絶縁膜6aがない。すなわち、第1の実施形態では、メモリセルトランジスタのブロック層8aの下面からトンネル絶縁膜2a−1及び2a−2の上面までの距離を電荷蓄積層3a−1及び3a−2のみで調整できる。そのため、第2の実施形態よりも、セルの書き込み時においてトンネル絶縁膜2a−1及び2a−2に加わる電界のばらつきが少なくなる。
(第3の実施形態)
第1の実施形態では、メモリセルトランジスタの素子分離絶縁膜上のみにバリア絶縁膜が形成された。これに対し、第3の実施形態では、メモリセルトランジスタの素子分離絶縁膜上だけでなく、選択トランジスタの素子分離絶縁膜上にもバリア絶縁膜が形成される例である。尚、ここでは、上記第1の実施形態と同様の点については説明を省略し、異なる点について詳説する。
第1の実施形態では、メモリセルトランジスタの素子分離絶縁膜上のみにバリア絶縁膜が形成された。これに対し、第3の実施形態では、メモリセルトランジスタの素子分離絶縁膜上だけでなく、選択トランジスタの素子分離絶縁膜上にもバリア絶縁膜が形成される例である。尚、ここでは、上記第1の実施形態と同様の点については説明を省略し、異なる点について詳説する。
図13(a)は、本発明の第3の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置のメモリセルトランジスタのチャネル幅方向の断面図を示す。図13(b)は、本発明の第3の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の選択トランジスタのチャネル幅方向の断面図を示す。以下に、第3の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置のメモリセルトランジスタ及び選択トランジスタの構造について説明する。
図13(a)及び(b)に示すように、第3の実施形態において、第1の実施形態と異なる点は、選択トランジスタST1及びST2において、バリア絶縁膜6bが素子分離絶縁膜5b上に形成されている点である。
具体的には、図13(b)に示すように、バリア絶縁膜6bは、素子分離絶縁膜5bとブロック絶縁膜8bとの間に形成されている。このとき、バリア絶縁膜6bの側面は、隣り合う酸化膜7b−1及び7b−2に接している。従って、素子分離絶縁膜5bは、バリア絶縁膜6bで完全に覆われる。これにより、素子分離絶縁膜5bの上面は、ブロック絶縁膜8bと直接接することはない。
バリア絶縁膜6bは、例えば、バリア絶縁膜6aと同時に形成される。この場合、バリア絶縁膜6bは、上記第1の実施形態で述べたようなバリア絶縁膜6aと同じ膜厚、材料、材質などとなる。
尚、図13(a)に示すように、メモリセルトランジスタMT1及びMT2のチャネル幅方向の断面においては、第1の実施形態と同じ構造になっている。
図13(a)及び(b)乃至図16(a)及び(b)は、本発明の第3の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置のメモリセルトランジスタ及び選択トランジスタにおけるチャネル幅方向の断面図を製造工程ごとに示す。以下に、第3の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の製造方法について説明する。
第3の実施形態において、第1の実施形態と異なる点は、図6(a)及び(b)の段階において窒化雰囲気により、素子分離絶縁膜5a及び5b上にバリア絶縁膜6a及び6bが形成される工程を、選択トランジスタST1及びST2の素子領域の半導体基板上に酸化膜7b−1及び7b−2が形成された直後に行う点である。
まず、第3の実施形態においても、第1の実施形態の製造工程と同様に、図3(a)及び(b)乃至図5(a)及び(b)の工程が行われる。
次に、図14(a)及び(b)に示すように、メモリセルトランジスタMT1及びMT2領域上にマスク材11が形成され、このマスク材11を用いて、エッチングにより、シリコン窒化膜3b−1及び3b−2、シリコン酸化膜2b−1及び2b−2が除去される。
次に、図15(a)に示すように、メモリセルトランジスタMT1及びMT2において、マスク材11が除去される。その後、図15(b)に示すように、例えば熱酸化により、選択トランジスタST1及びST2の半導体基板11上にシリコン酸化膜からなる酸化膜7b−1及び7b−2が形成される。
次に、図16(a)及び(b)に示すように、例えば窒化雰囲気のアニール処理により、素子分離絶縁膜5a及び5b上にシリコン酸窒化膜からなるバリア絶縁膜6a及び6bが形成される。
次に、図13(a)及び(b)に示すように、第1の実施形態の図1(a)及び(b)の製造工程と同様に、メモリセルトランジスタMT1及びMT2、選択トランジスタST1及びST2上に例えばAl2O3膜からなるブロック絶縁膜8a及び8bが形成され、このブロック絶縁膜8a及び8b上に例えばTaN/WN/W膜からなるゲート電極9a及び9bが形成される。
尚、上述するメモリセルトランジスタMT1及びMT2、選択トランジスタST1及びST2は、上記の材料に限定されず、種々変更可能である。
上記第3の実施形態によれば、第1の実施形態と同様、メモリセルトランジスタMT1及びMT2において、ブロック絶縁膜8aの成膜前に、素子分離絶縁膜5a上にバリア絶縁膜6aが形成されている。これにより、不純物拡散により生じるメモリセルトランジスタMT1及びMT2のしきい値電圧の変動を抑え、メモリセルトランジスタMT1及びMT2の特性の劣化を抑制することができる。
また、第3の実施形態では、選択トランジスタST1及びST2において、シリコン酸化膜からなる素子分離絶縁膜5b上にシリコン酸窒化膜からなるバリア絶縁膜6bが形成されている。このとき、バリア絶縁膜6bの側面は、酸化膜7b−1及び7b−2に接している。従って、素子分離絶縁膜5bは、バリア絶縁膜6bで完全に覆われる。このバリア絶縁膜6bは、ブロック絶縁膜8bの成膜前に形成される。これにより、ブロック絶縁膜8bの成膜時に生じる不純物元素が素子分離絶縁膜5b内に拡散するのを抑制することができる。従って、不純物拡散により生じる選択トランジスタST1及びST2の特性の劣化を抑制することができる。
その他、本発明は、上記各実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で、種々に変形することが可能である。例えば、各実施形態におけるトンネル絶縁膜2a−1及び2a−2は、単層に限定されず、シリコン酸化膜/シリコン窒化膜又はシリコン酸窒化膜/シリコン酸化膜などからなる積層にしてもよい。また、ゲート電極9a及び9bは、TaN上にポリシリコンと、例えばCoSiやNiSiなどのシリサイドを積層した構造にしてもよい。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
1…半導体基板、2a,2b,2b−1,2b−2,7b−1,7b−2…シリコン酸化膜、2a−1,2a−2…トンネル絶縁膜、3a,3b,3b−1,3b−2…シリコン窒化膜、3a−1,3a−2…電荷蓄積層、4,11…マスク材、5a,5b…素子分離絶縁膜、6a,6b…バリア絶縁膜、8a,8b…ブロック絶縁膜、9a,9b…ゲート電極、10…ゲート絶縁膜、100…半導体記憶装置。
Claims (6)
- 半導体基板と、
前記半導体基板内に形成された第1素子分離絶縁膜と、
前記第1素子分離絶縁膜によって区画された第1及び第2メモリセルトランジスタと、
前記第1素子分離絶縁膜を覆う第1バリア絶縁膜と、
を具備し、
前記第1メモリセルトランジスタは、
前記半導体基板上に形成された第1トンネル絶縁膜と、
前記第1トンネル絶縁膜上に形成され、絶縁膜からなる第1電荷蓄積層と、
前記第1電荷蓄積層上に形成された第1ブロック絶縁膜と、
前記第1ブロック絶縁膜上に形成された第1ゲート電極と、
を有し、
前記第2メモリセルトランジスタは、
前記半導体基板上に形成された第2トンネル絶縁膜と、
前記第2トンネル絶縁膜上に形成され、絶縁膜からなる第2電荷蓄積層と、
前記第2電荷蓄積層上に形成された第2ブロック絶縁膜と、
前記第2ブロック絶縁膜上に形成された第2ゲート電極と、
を有し、
前記第1バリア絶縁膜は、前記第1及び第2電荷蓄積層に接し、前記第1及び第2電荷蓄積層よりも膜厚が薄いことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 - 前記第1バリア絶縁膜は、前記第1素子分離絶縁膜上から前記第1及び第2電荷蓄積層上に延在されることを特徴とする請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置。
- 前記半導体基板内に形成された第2素子分離絶縁膜と、
前記第2素子分離絶縁膜によって区画された第1及び第2選択トランジスタと、
をさらに具備し、
前記第1選択トランジスタは、
前記半導体基板上に形成された第1酸化膜と前記第1酸化膜上に形成された第3ブロック絶縁膜とで構成され、前記第1酸化膜及び前記第3ブロック絶縁膜は前記第1及び第2電荷蓄積層と異なる絶縁膜である第1ゲート絶縁膜と、
前記第1ゲート絶縁膜上に形成された第3ゲート電極と、
を有し、
前記第2選択トランジスタは、
前記半導体基板上に形成された第2酸化膜と前記第2酸化膜上に形成された第4ブロック絶縁膜とで構成され、前記第2酸化膜及び前記第4ブロック絶縁膜は前記第1及び第2電荷蓄積層と異なる絶縁膜である第2ゲート絶縁膜と、
前記第2ゲート絶縁膜上に形成された第4ゲート電極と、
を有することを特徴とする請求項1又は請求項2記載の不揮発性半導体記憶装置。 - 前記第2素子分離絶縁膜を覆い、前記第1及び第2酸化膜に接して形成された第2バリア絶縁膜と、
をさらに具備することを特徴とする請求項3記載の不揮発性半導体記憶装置。 - 前記第1及び第2ブロック絶縁膜の誘電率は、前記第1及び第2トンネル絶縁膜の誘電率よりも大きいことを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の不揮発性半導体記憶装置。
- 半導体基板と、
前記半導体基板内に形成された素子分離絶縁膜と、
前記素子分離絶縁膜によって区画された第1及び第2メモリセルトランジスタと、
前記素子分離絶縁膜を覆うバリア絶縁膜と、
を具備し、
前記第1メモリセルトランジスタは、
前記半導体基板上に形成された第1トンネル絶縁膜と、
前記第1トンネル絶縁膜上に形成され、絶縁膜からなる第1電荷蓄積層と、
前記第1電荷蓄積層上に形成された第1ブロック絶縁膜と、
前記第1ブロック絶縁膜上に形成された第1ゲート電極と、
を有し、
前記第2メモリセルトランジスタは、
前記半導体基板上に形成された第2トンネル絶縁膜と、
前記第2トンネル絶縁膜上に形成され、絶縁膜からなる第2電荷蓄積層と、
前記第2電荷蓄積層上に形成された第2ブロック絶縁膜と、
前記第2ブロック絶縁膜上に形成された第2ゲート電極と、
を有し、
前記バリア絶縁膜は、前記第1及び第2電荷蓄積層に接し、前記第1及び第2電荷蓄積層とは異なる絶縁膜であることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
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