JP2010050285A - Semiconductor storage device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor storage device having a charge trap flash structure which can be highly integrated. <P>SOLUTION: In the semiconductor storage device 70, a gate insulation film 2, a charge accumulation film 3, a high dielectric constant insulation film 4, a gate electrode film 5, and an insulation film 6 are stacked on a first principal surface (the front surface) of a semiconductor substrate 1. The high dielectric constant insulation film 4 has a trapezoidal shape with the bottom being wider than the top. The gate electrode film 5 and the insulation film 6 are formed within the edge of the bottom of the high dielectric constant insulation film 4. The gate length of memory cell transistors MTR and the distance between the gates of the memory cell transistors MTR are set to 60 nm or below. There is no source nor drain formed between the gates of the memory cell transistors MTR. During writing and reading operations of the memory cell transistors MTR, an inverse layer 31 which has been generated serves for the source or drain. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体記憶装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor memory device.

フラッシュメモリなどの電気的に書き込み、消去可能な不揮発性半導体記憶装置は、デジタルカメラ、移動体端末、携帯オーディオ機器、或いはパーソナルコンピュータ(PC)等の大容量データ記憶媒体として広く採用されている。フラッシュメモリに使用される不揮発性メモリセルトランジスタには、代表的なものにフローティングゲート(FG)とコントロールゲート(CG)から構成される積層ゲート構造のものと、例えばシリコン窒化膜を電荷蓄積膜として使用するチャージトラップ型フラッシュ(CTF;Charge Trap Flashとも呼称される)構造のものがある。近年、半導体素子の微細化、高集積度化の進展に伴い、積層ゲート構造のフラッシュメモリにおいては、メモリセルトランジスタのゲート間距離が狭まり、隣接セルのフローティングゲート(FG)間での容量カップリングなどにより誤動作が発生しやすくなる。このため、誤動作が発生しにくいチャージトラップ型フラッシュ構造のメモリセルトランジスタが開発されている(例えば、特許文献1参照。)。   An electrically writable and erasable nonvolatile semiconductor memory device such as a flash memory is widely adopted as a large-capacity data storage medium such as a digital camera, a mobile terminal, a portable audio device, or a personal computer (PC). Typical non-volatile memory cell transistors used in flash memory include a stacked gate structure composed of a floating gate (FG) and a control gate (CG), and a silicon nitride film as a charge storage film. There is a charge trap type flash (CTF; also called Charge Trap Flash) structure to be used. In recent years, with the progress of miniaturization and high integration of semiconductor elements, the distance between the gates of the memory cell transistors is reduced in the flash memory having the stacked gate structure, and the capacitive coupling between the floating gates (FG) of adjacent cells. Malfunctions are likely to occur. For this reason, a memory cell transistor having a charge trap type flash structure in which malfunction is unlikely to occur has been developed (for example, see Patent Document 1).

特許文献1などに記載されるチャージトラップ型フラッシュ構造のメモリセルトランジスタでは、電荷蓄積層の膜厚が数ナノメートル程度と薄いので、フローティングゲート電極膜を使用する積層ゲート構造のものに比較し、誤動作を大幅に抑制することができる。しかしながら、チャージトラップ型フラッシュ構造のメモリセルトランジスタであっても、更にセル間間隔が狭くなるとメモリセルのワードライン間の半導体基板に拡散層形成用としてイオン注入されるイオン種のドーズロスが発生してメモリセル電流が低下する。また、更にセル間間隔が狭くなると、電荷蓄積層を隣接するメモリセルの電荷蓄積層と分離しない場合は、メモリセルトランジスタの電荷蓄積層に蓄積された電荷が、隣接するメモリセルトランジスタの電荷蓄積層に移動することにより、しきい値変動が生じる。また、微細化するとメモリセルトランジスタの書込時に電荷蓄積層に一様に電界がかからないことに起因して書込電荷が一様に書き込まれず、書込後の放置によって、当該メモリセルトランジスタの電荷蓄積層内部で書込電荷の再分布が生じ、メモリセルトランジスタのしきい値変動が生じる可能性がある。この結果、チャージトラップ型フラッシュ構造の半導体記憶装置を高集積化することが困難となる問題点が生じる。
特開2003−78043号公報
In the memory cell transistor having a charge trap type flash structure described in Patent Document 1 and the like, the thickness of the charge storage layer is as thin as several nanometers, so that compared to a stacked gate structure using a floating gate electrode film, Malfunctions can be greatly suppressed. However, even in a memory cell transistor having a charge trap type flash structure, when the inter-cell spacing is further reduced, a dose loss of ion species to be ion-implanted for forming a diffusion layer in a semiconductor substrate between word lines of the memory cell occurs. The memory cell current decreases. If the inter-cell spacing is further reduced, if the charge storage layer is not separated from the charge storage layer of the adjacent memory cell, the charge stored in the charge storage layer of the memory cell transistor is stored in the charge storage layer of the adjacent memory cell transistor. Moving to the layer causes threshold fluctuations. In addition, when the memory cell transistor is miniaturized, the write charge is not uniformly written because the electric field is not uniformly applied to the charge storage layer at the time of writing to the memory cell transistor. There is a possibility that redistribution of the write charge occurs in the storage layer and the threshold value of the memory cell transistor fluctuates. As a result, there arises a problem that it is difficult to highly integrate a semiconductor memory device having a charge trap type flash structure.
JP 2003-78043 A

本発明は、高集積化することができるチャージトラップ型フラッシュ構造の半導体記憶装置を提供する。   The present invention provides a semiconductor memory device having a charge trap type flash structure that can be highly integrated.

本発明の一態様の半導体記憶装置は、半導体基板と、前記半導体基板上にゲート絶縁膜、第1の絶縁膜、第2の絶縁膜、及びゲート電極膜が積層形成されるゲートを有する第1のメモリセルトランジスタと、前記半導体基板上に前記ゲート絶縁膜、前記第1の絶縁膜、前記第2の絶縁膜、及び前記ゲート電極膜が積層形成されるゲートを有し、前記第1のメモリセルトランジスタに隣接配置される第2のメモリセルトランジスタとを具備し、前記第1の絶縁膜は電荷蓄積膜として用いられ、前記第2の絶縁膜はシリコン酸化膜よりも誘電率が高く、メモリセルの書き込み動作及び読み出し動作のとき、前記第1のメモリセルトランジスタのゲートと前記第2のメモリセルトランジスタのゲートの間の前記半導体基板表面に前記半導体基板とは逆導電型の反転層が形成されることを特徴とする。   A semiconductor memory device according to one embodiment of the present invention includes a semiconductor substrate and a gate in which a gate insulating film, a first insulating film, a second insulating film, and a gate electrode film are stacked over the semiconductor substrate. The memory cell transistor and a gate on which the gate insulating film, the first insulating film, the second insulating film, and the gate electrode film are stacked on the semiconductor substrate. A second memory cell transistor disposed adjacent to the cell transistor, wherein the first insulating film is used as a charge storage film, and the second insulating film has a higher dielectric constant than the silicon oxide film, In the cell write operation and read operation, the semiconductor substrate is formed on the surface of the semiconductor substrate between the gate of the first memory cell transistor and the gate of the second memory cell transistor. Wherein the conductivity type of the inversion layer is formed.

更に、本発明の他態様の半導体記憶装置は、半導体基板と、前記半導体基板上にゲート絶縁膜、第1の絶縁膜、第2の絶縁膜、及びゲート電極膜が積層形成されるゲートを有する第1のメモリセルトランジスタと、前記半導体基板上に前記ゲート絶縁膜、前記第1の絶縁膜、前記第2の絶縁膜、及び前記ゲート電極膜が積層形成されるゲートを有し、前記第1のメモリセルトランジスタに隣接配置される第2のメモリセルトランジスタと、前記第1のメモリセルトランジスタのゲートと前記第2のメモリセルトランジスタのゲートの間の前記半導体基板表面に形成される前記半導体基板とは逆導電型の半導体層とを具備し、前記第1の絶縁膜は電荷蓄積膜として用いられ、前記第2の絶縁膜はシリコン酸化膜よりも誘電率が高く、前記第2の絶縁膜は底部が上部よりも幅が広く、前記第1の絶縁膜は、前記第2の絶縁膜の底部端よりも内側に設けられ、メモリセルの書き込み動作及び読み出し動作のとき、前記第1のメモリセルトランジスタのゲートと前記第2のメモリセルトランジスタのゲートの間の前記第1の絶縁膜が存在する部分と、前記半導体基板とは逆導電型の半導体層間の前記半導体基板表面に、前記半導体基板とは逆の反転層が形成され、前記反転層と前記半導体基板とは逆導電型の半導体層が連結することを特徴とする。   Furthermore, a semiconductor memory device according to another aspect of the present invention includes a semiconductor substrate and a gate in which a gate insulating film, a first insulating film, a second insulating film, and a gate electrode film are stacked over the semiconductor substrate. A first memory cell transistor; and a gate on which the gate insulating film, the first insulating film, the second insulating film, and the gate electrode film are stacked on the semiconductor substrate. A second memory cell transistor disposed adjacent to the memory cell transistor; and the semiconductor substrate formed on a surface of the semiconductor substrate between a gate of the first memory cell transistor and a gate of the second memory cell transistor And the first insulating film is used as a charge storage film, the second insulating film has a dielectric constant higher than that of the silicon oxide film, and the second insulating film is used as a charge storage film. The edge film is wider at the bottom than at the top, and the first insulating film is provided inside the bottom end of the second insulating film. A portion where the first insulating film exists between the gate of the memory cell transistor and the gate of the second memory cell transistor, and the surface of the semiconductor substrate between the semiconductor layers opposite in conductivity type to the semiconductor substrate, An inversion layer opposite to the semiconductor substrate is formed, and the inversion layer and the semiconductor substrate are connected to an opposite conductivity type semiconductor layer.

本発明によれば、高集積化することができるチャージトラップ型フラッシュ構造の半導体記憶装置を提供することができる。   According to the present invention, a semiconductor memory device having a charge trap type flash structure that can be highly integrated can be provided.

以下本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

まず、本発明の実施例1に係る半導体記憶装置について、図面を参照して説明する。図1は半導体記憶装置を示す図、図1(a)は半導体記憶装置を示す回路図、図1(b)は半導体記憶装置を示す平面図、図2は図1(b)のA−A線に沿う半導体記憶装置の断面図である。本実施例では、ブロック膜としての高誘電率絶縁膜を台形形状し、電荷蓄積膜及びゲート絶縁膜を高誘電率絶縁膜の底部端よりも内側に形成し、ソース或いはドレインとなる拡散層を省略している。   First, a semiconductor memory device according to Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to the drawings. 1A and 1B are diagrams showing a semiconductor memory device, FIG. 1A is a circuit diagram showing the semiconductor memory device, FIG. 1B is a plan view showing the semiconductor memory device, and FIG. 2 is an AA of FIG. It is sectional drawing of the semiconductor memory device which follows a line. In this embodiment, the high dielectric constant insulating film as the block film is trapezoidal, the charge storage film and the gate insulating film are formed inside the bottom end of the high dielectric constant insulating film, and the diffusion layer serving as the source or drain is formed. Omitted.

図1(a)に示すように、半導体記憶装置70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。半導体記憶装置70は、チャージトラップ型フラッシュ(CTF;Charge Trap Flash)メモリである。チャージトラップ型フラッシュメモリは、MONOS(Metal Oxide Nitride Oxide Silicon)、SONOS(Silicon Oxide Nitride Oxide Silicon)やTANOS(TaN AlO Nitride Oxide Silicon)と呼称される場合がある。   As shown in FIG. 1A, the semiconductor memory device 70 is provided with a plurality of unit memory cells. The plurality of unit memory cells constitute a memory cell block, and the plurality of memory cell blocks constitute a memory cell array. The semiconductor memory device 70 is a charge trap flash (CTF) memory. The charge trap flash memory may be called MONOS (Metal Oxide Nitride Oxide Silicon), SONOS (Silicon Oxide Nitride Oxide Silicon), or TANOS (TaN AlO Nitride Oxide Silicon).

ユニットメモリセルには、図示しないセンスアンプに接続されるビット線BL側に選択トランジスタSTRが設けられ、ソース線SL側に選択トランジスタSTRが設けられ、その間に縦続接続される複数のメモリトランジスタMTRが設けられる。ビット線BL1、BL2、及びBL3と、制御線SGD、ワード線WLn、・・・、ワード線WL4、ワード線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。   In the unit memory cell, a selection transistor STR is provided on the bit line BL side connected to a sense amplifier (not shown), a selection transistor STR is provided on the source line SL side, and a plurality of memory transistors MTR connected in cascade therebetween are provided. Provided. Bit lines BL1, BL2, and BL3 and control line SGD, word line WLn,..., Word line WL4, word line WL3, word line WL2, word line WL1, control line SGS, and source line SL cross each other. To do.

制御線SGDは、図示しないセンスアンプに接続されるビット線BL1乃至3側の選択トランジスタSTR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番目のメモリトランジスタMTR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番目のメモリトランジスタMTR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番目のメモリトランジスタMTR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番目のメモリトランジスタMTR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番目のメモリトランジスタMTR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STRのゲートに接続される。   The control line SGD is connected to the gates of the select transistors STR on the bit lines BL1 to BL3 connected to a sense amplifier (not shown). The word line WLn is connected to the control gate of the nth memory transistor MTR connected to the bit lines BL1 to BL3. The word line WL4 is connected to the control gate of the fourth memory transistor MTR connected to the bit lines BL1 to BL3. The word line WL3 is connected to the control gate of the third memory transistor MTR connected to the bit lines BL1 to BL3. The word line WL2 is connected to the control gate of the second memory transistor MTR connected to the bit lines BL1 to BL3. The word line WL1 is connected to the control gate of the first memory transistor MTR connected to the bit lines BL1 to BL3. The control line SGS is connected to the gates of the select transistors STR on the bit lines BL1 to BL3 connected to the source line SL.

図1(b)に示すように、半導体記憶装置70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と図示しないセンスアンプの間のビット線BLにはビット線コンタクトBLCが設けられる。   As shown in FIG. 1B, in the semiconductor memory device 70, the source line SL, the control line SGS, the word line WL1, the word line WL2, the word line WL3, the word line WL4,..., The word line WLn, the control line SGDs are spaced apart from each other in the vertical direction (in the drawing) and are arranged in parallel. Bit lines BL1 to BL3 are spaced apart from each other in the horizontal direction (in the drawing) and arranged in parallel. An element isolation region is provided between the bit lines BL to separate the bit lines BL. A source line contact SLC is provided at the intersection of the source line SL and the bit lines BL1 to BL3. A bit line contact BLC is provided on the bit line BL between the control line SGD and a sense amplifier (not shown).

図2に示すように、半導体記憶装置70には、P型シリコンである半導体基板1の第1主面(表面)にゲート絶縁膜2、電荷蓄積膜(第1の絶縁膜)3、高誘電率絶縁膜(第2の絶縁膜)4、ゲート電極膜5、及び絶縁膜6が積層形成される。ゲート絶縁膜2、電荷蓄積膜3、高誘電率絶縁膜4、及びゲート電極膜5はメモリセルトランジスタのゲートを構成する。   As shown in FIG. 2, the semiconductor memory device 70 includes a gate insulating film 2, a charge storage film (first insulating film) 3, a high dielectric constant on a first main surface (front surface) of a semiconductor substrate 1 made of P-type silicon. A rate insulating film (second insulating film) 4, a gate electrode film 5, and an insulating film 6 are laminated. The gate insulating film 2, the charge storage film 3, the high dielectric constant insulating film 4, and the gate electrode film 5 constitute the gate of the memory cell transistor.

メモリセルトランジスタのゲート間のゲート絶縁膜2は、半導体基板1の表面を覆っている。電荷蓄積膜3は、高誘電率絶縁膜4の底部端よりも内側に設けられる。高誘電率絶縁膜4は、底部が上部より広い(テーパー形状)台形形状を有するシリコン酸化膜よりも誘電率が高い絶縁膜である。高誘電率絶縁膜4、ゲート電極膜5、及び絶縁膜6の両端部には側壁絶縁膜7が設けられる。ゲート電極膜5及び絶縁膜6は、高誘電率絶縁膜4の底部端よりも内側に形成される。つまり、ゲート電極膜5及び絶縁膜6のチャネル長方向における寸法は、高誘電率絶縁膜4の底部のチャネル長方向における寸法よりも狭い。なお、ゲートの低抵抗化のために、ゲート電極膜5をシリサイド化する場合、ゲート加工用マスクとしての絶縁膜6はシリサイド化の前に除去される。   A gate insulating film 2 between the gates of the memory cell transistors covers the surface of the semiconductor substrate 1. The charge storage film 3 is provided inside the bottom end of the high dielectric constant insulating film 4. The high dielectric constant insulating film 4 is an insulating film having a dielectric constant higher than that of a silicon oxide film having a trapezoidal shape whose bottom is wider (tapered) than the top. Sidewall insulating films 7 are provided on both ends of the high dielectric constant insulating film 4, the gate electrode film 5, and the insulating film 6. The gate electrode film 5 and the insulating film 6 are formed inside the bottom end of the high dielectric constant insulating film 4. That is, the dimension in the channel length direction of the gate electrode film 5 and the insulating film 6 is narrower than the dimension in the channel length direction at the bottom of the high dielectric constant insulating film 4. When the gate electrode film 5 is silicided to reduce the resistance of the gate, the insulating film 6 as a gate processing mask is removed before silicidation.

ここで、メモリセルトランジスタMTRのゲート長(ワード線WL幅)とメモリセルトランジスタMTRのゲート間(ワード線WL間隔)は、60nm以下に形成され、ハーフピッチ寸法を有する。メモリセルトランジスタMTRのゲート間のP型シリコンである半導体基板1の表面には、メモリセルトランジスタMTRのソース或いはドレインとなるN層が設けられていない。 Here, the gate length (word line WL width) of the memory cell transistor MTR and the gate of the memory cell transistor MTR (word line WL interval) are formed to be 60 nm or less and have a half pitch dimension. On the surface of the semiconductor substrate 1 that is P-type silicon between the gates of the memory cell transistor MTR, an N + layer that becomes the source or drain of the memory cell transistor MTR is not provided.

メモリセルトランジスタMTRの書き込み、読み出し、及び消去動作の時、メモリセルトランジスタのゲートと半導体基板1間、或いはメモリセルトランジスタのゲート間などに高電界が発生し、ワードライン間のフリンジ電界によりメモリセルトランジスタMTRのゲート間のP型シリコンである半導体基板1の表面に反転層31が形成される。反転層31は電荷蓄積膜3の端部の半導体基板1表面まで延在する。この反転層31は、制御線SDGに接続される制御トランジスタSTR及び制御線SGSに接続される制御トランジスタSTRのソース或いはドレイン層からの電荷転送の機能を果たし、ソース或いはドレインとなるN層がなくともメモリセルトランジスタの書き込み及び読み出し動作が行われる。 During writing, reading and erasing operations of the memory cell transistor MTR, a high electric field is generated between the gate of the memory cell transistor and the semiconductor substrate 1 or between the gates of the memory cell transistor, and the memory cell is generated by a fringe electric field between word lines. An inversion layer 31 is formed on the surface of the semiconductor substrate 1 which is P-type silicon between the gates of the transistor MTR. The inversion layer 31 extends to the surface of the semiconductor substrate 1 at the end of the charge storage film 3. The inversion layer 31 serve charge transfer from the source or drain layer of the control transistor STR is connected to the control transistors STR and the control line SGS is connected to the control line SDG, N + layer serving as a source or drain At least the write and read operations of the memory cell transistor are performed.

次に、半導体記憶装置の動作について図3乃至6を参照して説明する。図3はメモリセルトランジスタのワード線WL間隔に対する読み出し動作時でのフリンジ電界の関係を示す図、図中実線(a)は高誘電率絶縁膜が台形形状を有する場合、図中破線(b)は高誘電率絶縁膜が垂直形状を有する場合、図4は半導体記憶装置の書き込み動作を説明する図、図4(a)はメモリセルブロックを示す図、図4(b)は書き込み動作条件を示す図、図5は半導体記憶装置の読み出し動作を説明する図、図5(a)はメモリセルブロックを示す図、図5(b)は読み出し動作条件を示す図、図6は半導体記憶装置の消去動作を説明する図、図6(a)はメモリセルブロックを示す図、図6(b)は消去動作条件を示す図である。   Next, the operation of the semiconductor memory device will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is a diagram showing the relationship of the fringe electric field during the read operation with respect to the word line WL interval of the memory cell transistor. In FIG. 3, the solid line (a) indicates the case where the high dielectric constant insulating film has a trapezoidal shape. FIG. 4 illustrates a write operation of the semiconductor memory device, FIG. 4A illustrates a memory cell block, and FIG. 4B illustrates a write operation condition when the high dielectric constant insulating film has a vertical shape. FIG. 5 illustrates a read operation of the semiconductor memory device, FIG. 5A illustrates a memory cell block, FIG. 5B illustrates a read operation condition, and FIG. 6 illustrates a semiconductor memory device. FIG. 6A is a diagram illustrating a memory cell block, and FIG. 6B is a diagram illustrating an erase operation condition.

ここで、図3のフリンジ電界の強度はシミュレーションから算出したものである。図3のフリンジ電界シミュレーションは、隣接するワード線WLが書き込み状態で電荷蓄積層に電子が蓄積されている読み出し時のワーストケースのものである。このため、メモリセルトランジスタのトンネル絶縁膜にかかる電界より、フリンジ電界が強くなる。メモリセルトランジスタが消去状態もしくは中性状態のときは、高誘電率膜の下に存在するトンネル絶縁膜下の部分の電界がフリンジ電界より強くなる。なお、ワード線WL間のフリンジ電界が、メモリセルトランジスタのトンネル電界より強いのは、書き込み状態のワーストケースの読み出し時に限定される。   Here, the strength of the fringe electric field in FIG. 3 is calculated from a simulation. The fringe electric field simulation of FIG. 3 is for the worst case at the time of reading in which the adjacent word line WL is in a written state and electrons are accumulated in the charge accumulation layer. For this reason, the fringe electric field becomes stronger than the electric field applied to the tunnel insulating film of the memory cell transistor. When the memory cell transistor is in the erased state or neutral state, the electric field in the portion under the tunnel insulating film existing under the high dielectric constant film becomes stronger than the fringe electric field. The fact that the fringe electric field between the word lines WL is stronger than the tunnel electric field of the memory cell transistor is limited to the worst case reading in the writing state.

図3に示すように、ブロック膜としての高誘電率絶縁膜4の両端部の形状により、メモリセルトランジスタのワード線WL間の読み出し動作時でのワードライン間のフリンジ電界の強度が変化する。ここでは、非選択ワード線WLにパス電圧Vredを5.5Vにし、選択ワード線WLを0Vに設定している。メモリセルトランジスタのワード線WL間の埋め込み材料となる層間絶縁膜8には、比誘電率3.9を有するシリコン酸化膜と同程度の誘電率を有する、例えばTEOS膜を用い、高誘電率絶縁膜4には比誘電率が略10のAl膜(アルミナ膜)を用いている。 As shown in FIG. 3, the strength of the fringe electric field between the word lines during the read operation between the word lines WL of the memory cell transistor varies depending on the shape of both ends of the high dielectric constant insulating film 4 as the block film. Here, the pass voltage Vred is set to 5.5V for the unselected word line WL, and the selected word line WL is set to 0V. For example, a TEOS film having a dielectric constant comparable to that of a silicon oxide film having a relative dielectric constant of 3.9 is used as the interlayer insulating film 8 serving as a filling material between the word lines WL of the memory cell transistors, and a high dielectric constant insulation is used. The film 4 is an Al 2 O 3 film (alumina film) having a relative dielectric constant of about 10.

高誘電率絶縁膜4の端部が垂直な形状の場合(図中破線(b)で、テーパー角90°の場合)、メモリセルトランジスタのゲートは略垂直な形状となり、台形形状の高誘電率絶縁膜4に比べてメモリセルトランジスタのワード線WL間隔が広くなる。このため、セル書き込み状態においてトンネル酸化膜としてのゲート絶縁膜5に印加される電界よりもフリンジ電界の方が強くなる領域が比較的狭いワード線WL間隔に限られる。   When the end portion of the high dielectric constant insulating film 4 has a vertical shape (in the case of the broken line (b) in the figure, the taper angle is 90 °), the gate of the memory cell transistor has a substantially vertical shape, and has a trapezoidal high dielectric constant. Compared with the insulating film 4, the interval between the word lines WL of the memory cell transistors is increased. Therefore, the region where the fringe electric field is stronger than the electric field applied to the gate insulating film 5 as the tunnel oxide film in the cell writing state is limited to the relatively narrow word line WL interval.

一方、高誘電率絶縁膜4が台形形状の場合(図中実線(a)で、テーパー角70°の場合)、メモリセルトランジスタのゲートは高誘電率絶縁膜4の部分が他の部分よりもせり出した形状となり、高誘電率絶縁膜4の底部間隔が狭くなる。このため、セル書き込み状態においてトンネル酸化膜としてのゲート絶縁膜5に印加される電界よりもフリンジ電界の方が強くなる領域が、高誘電率絶縁膜4の端部が垂直な形状の場合に比べ、比較的広いワード線WL間隔まで拡大する。したがって、高誘電率絶縁膜4のテーパー角を緩やかにするほどフリンジ電界をトンネル酸化膜電界よりも強くでき、メモリセルトランジスタのゲート間の半導体基板1の表面に反転層を形成しやすくなる。   On the other hand, when the high dielectric constant insulating film 4 has a trapezoidal shape (in the case of the solid line (a) in the figure, the taper angle is 70 °), the gate of the memory cell transistor has a higher dielectric constant insulating film 4 portion than the other portion. The protruding shape is formed, and the interval between the bottom portions of the high dielectric constant insulating film 4 is narrowed. Therefore, the region where the fringe electric field is stronger than the electric field applied to the gate insulating film 5 as the tunnel oxide film in the cell writing state is compared with the case where the end portion of the high dielectric constant insulating film 4 is vertical. Then, it is expanded to a relatively wide interval between word lines WL. Therefore, as the taper angle of the high dielectric constant insulating film 4 is made gentler, the fringe electric field can be made stronger than the tunnel oxide film electric field, and an inversion layer can be easily formed on the surface of the semiconductor substrate 1 between the gates of the memory cell transistors.

なお、消去動作では、n+拡散層を導入していないため、P型半導体基板1の表面でホールの蓄積層が形成され、このホールが電荷蓄積層に注入されることにより消去される。   In the erase operation, since no n + diffusion layer is introduced, a hole accumulation layer is formed on the surface of the P-type semiconductor substrate 1, and the holes are erased by being injected into the charge accumulation layer.

図4(a)に示すように、メモリセルブロックのワード線WL3とビット線BL2で選択されるメモリセルトランジスタを選択トランジスタとして書き込み動作を行う場合、図4(b)に示すように、選択トランジスタに“0(ゼロ)”を書き込むとき、対応するビット線BLを“0V”にし、選択トランジスタに“1”を書き込むとき、対応するビット線BLを昇圧された高電位側電源電圧Vddにする。ソース線SLを0Vにする。制御線SGDを(+)電圧である制御電圧Vsg1にし、制御線SGSに(+)電圧である制御電圧Vsg2を印加して制御トランジスタSTRを“ON”させる。選択されたワード線WL3を書き込み電圧Vpgmにし、非選択のワード線WLを中間電圧Vmにしている。   As shown in FIG. 4A, when a write operation is performed using a memory cell transistor selected by the word line WL3 and the bit line BL2 of the memory cell block as a selection transistor, as shown in FIG. When “0 (zero)” is written to the corresponding transistor, the corresponding bit line BL is set to “0 V”, and when “1” is written to the selection transistor, the corresponding bit line BL is set to the boosted high potential side power supply voltage Vdd. The source line SL is set to 0V. The control line SGD is set to a control voltage Vsg1 which is a (+) voltage, and the control voltage Vsg2 which is a (+) voltage is applied to the control line SGS to turn on the control transistor STR. The selected word line WL3 is set to the write voltage Vpgm, and the non-selected word line WL is set to the intermediate voltage Vm.

ここで、書き込み電圧Vpgmを、例えば20Vに設定し、中間電圧Vmを、例えば6Vに設定している。このため、ワード線WL間のフリンジ電界が図3に示すようになるので、メモリセルトランジスタのゲート間の半導体基板1の表面に反転層が形成され、ソース或いはドレインとなるN層がなくともメモリセルトランジスタの書き込み動作が可能となる。 Here, the write voltage Vpgm is set to 20 V, for example, and the intermediate voltage Vm is set to 6 V, for example. Therefore, the fringe electric field between the word lines WL is as shown in FIG. 3, so that an inversion layer is formed on the surface of the semiconductor substrate 1 between the gates of the memory cell transistors, and there is no N + layer serving as the source or drain. The memory cell transistor can be written.

図5(a)に示すように、メモリセルブロックのワード線WL3とビット線BL2で選択されるメモリセルトランジスタを選択トランジスタとして読み出し動作を行う場合、図5(b)に示すように、対応するビット線BLを(+)電圧のプリチャージ電圧Vblにし、ソース線SLを0Vにする。制御線SGDを(+)電圧である制御電圧Vsg1にし、制御線SGSに(+)電圧である制御電圧Vsg2を印加して制御トランジスタSTRを“ON”させる。選択されたワード線WL3を0Vにし、非選択のワード線WLをパス電圧Vreadにしている。   As shown in FIG. 5A, when the read operation is performed using the memory cell transistor selected by the word line WL3 and the bit line BL2 of the memory cell block as a selection transistor, as shown in FIG. The bit line BL is set to the (+) voltage precharge voltage Vbl, and the source line SL is set to 0V. The control line SGD is set to a control voltage Vsg1 which is a (+) voltage, and the control voltage Vsg2 which is a (+) voltage is applied to the control line SGS to turn on the control transistor STR. The selected word line WL3 is set to 0V, and the non-selected word line WL is set to the pass voltage Vread.

ここで、パス電圧Vreadを、例えば5.5Vに設定している。このため、ワード線WL間のフリンジ電界が書込状態のメモリセルトランジスタの読み出し時におけるトンネル酸化膜電界よりも強くなるので、メモリセルトランジスタのゲート間の半導体基板1の表面に反転層が形成され、ソース或いはドレインとなるN層がなくともメモリセルトランジスタの読み出し動作が可能となる。 Here, the pass voltage Vread is set to 5.5 V, for example. For this reason, since the fringe electric field between the word lines WL is stronger than the tunnel oxide film electric field at the time of reading of the memory cell transistor in the written state, an inversion layer is formed on the surface of the semiconductor substrate 1 between the gates of the memory cell transistor. The memory cell transistor can be read without an N + layer serving as a source or drain.

図6(a)に示すように、メモリセルブロックを一括消去動作を行う場合、図6(b)に示すように、対応するビット線BL、制御線SGD、ソース線SL、及び制御線SGSをフローティングにし、半導体基板1を消去電圧Veraにし、ワード線WLを0Vにする。また、Pウエル層を形成している場合には、このPウエル層に消去電圧Veraを加える。   As shown in FIG. 6A, when performing a batch erase operation on a memory cell block, as shown in FIG. 6B, the corresponding bit line BL, control line SGD, source line SL, and control line SGS are set. The semiconductor substrate 1 is set in the floating state, the erase voltage Vera is set, and the word line WL is set to 0V. When a P well layer is formed, an erase voltage Vera is applied to the P well layer.

ここで、消去電圧Veraを、例えば20Vに設定している。このため、メモリセルブロックのメモリセルトランジスタに格納される情報は一括消去される。   Here, the erase voltage Vera is set to 20 V, for example. For this reason, the information stored in the memory cell transistors of the memory cell block is erased collectively.

次に、半導体記憶装置の製造方法について、図7乃至図10を参照して説明する。図7乃至図9は半導体記憶装置の製造工程を示す断面図、図10はゲート側面に空隙が発生した半導体記憶装置を示す断面図である。   Next, a method for manufacturing the semiconductor memory device will be described with reference to FIGS. 7 to 9 are cross-sectional views showing the manufacturing process of the semiconductor memory device, and FIG. 10 is a cross-sectional view showing the semiconductor memory device in which a gap is generated on the side surface of the gate.

図7に示すように、まず、P型シリコンである半導体基板1上に、ゲート絶縁膜2、電荷蓄積膜(第1の絶縁膜)3、高誘電率絶縁膜(第2の絶縁膜)4、ゲート電極膜5、及び絶縁膜6を積層形成する。   As shown in FIG. 7, first, a gate insulating film 2, a charge storage film (first insulating film) 3, and a high dielectric constant insulating film (second insulating film) 4 are formed on a semiconductor substrate 1 made of P-type silicon. The gate electrode film 5 and the insulating film 6 are stacked.

ここで、ゲート絶縁膜2には、トンネル酸化膜として厚さ0.5〜10nmの範囲のSiO膜(シリコン酸化膜)を用いているが、代わりにEOT(Equivalent Oxide Thickness)換算で同じ厚さのSiN膜/SiO膜の積層膜(SiOが半導体基板1側)、SiO膜/SiN膜/SiOの積層膜、SiO膜/高誘電率絶縁膜/SiO膜の積層膜、或いは高誘電率絶縁膜/SiO膜の積層膜などを用いてもよい。 Here, a SiO 2 film (silicon oxide film) having a thickness in the range of 0.5 to 10 nm is used for the gate insulating film 2 as a tunnel oxide film. Instead, the same thickness in terms of EOT (Equivalent Oxide Thickness) is used. the SiN film / SiO 2 film laminated film (SiO 2 is the semiconductor substrate 1 side), SiO 2 film / SiN film / SiO 2 of the laminated film, SiO 2 film / high dielectric constant insulating film / SiO 2 film laminated film of Alternatively, a laminated film of a high dielectric constant insulating film / SiO 2 film may be used.

電荷蓄積膜3には、厚さ3〜50nmの範囲のSiN膜(シリコン窒化膜)を用いているが、代わりにHfAlO膜を用いてもよい。また、シリコン酸化膜よりも誘電率の高いAl膜、MgO膜、SrO膜、BaO膜、TiO膜、Ta膜、BaTiO膜、BaZrO膜、ZrO膜、HfO膜、Y膜、ZrSiO膜、HSiO膜、或いはLaAlO膜などの高誘電率の絶縁膜を含む積層膜を用いてもよい。その場合の積層膜は、SiN膜/高誘電率の絶縁膜/SiN膜、HfAlO膜/高誘電率の絶縁膜/SiN膜(ゲート絶縁膜2側がSiN膜)、SiN膜/高誘電率の絶縁膜/HfAlO膜、或いはHfAlO膜/高誘電率の絶縁膜/HfAlO膜などである。 As the charge storage film 3, a SiN film (silicon nitride film) having a thickness in the range of 3 to 50 nm is used, but an HfAlO film may be used instead. Further, Al 2 O 3 film, MgO film, SrO film, BaO film, TiO film, Ta 2 O 5 film, BaTiO 3 film, BaZrO film, ZrO 2 film, HfO 2 film, dielectric constant higher than silicon oxide film, A stacked film including a high dielectric constant insulating film such as a Y 2 O 3 film, a ZrSiO film, an HSiO film, or a LaAlO film may be used. In this case, the laminated film is SiN film / insulating film with high dielectric constant / SiN film, HfAlO film / insulating film with high dielectric constant / SiN film (SiN film on the gate insulating film 2 side), SiN film / insulating with high dielectric constant. Film / HfAlO film or HfAlO film / high dielectric constant insulating film / HfAlO film.

ブロック膜としての高誘電率絶縁膜4には、厚さ5〜30nmの範囲のAl膜(アルミナ膜)を用いているが、代わりにシリコン酸化膜よりも誘電率の高いMgO膜、SrO膜、SiN膜、BaO膜、TiO膜、Ta膜、BaTiO膜、BaZrO膜、ZrO膜、HfO膜、Y膜、ZrSiO膜、HfSiO膜、或いはLaAlO膜などの高誘電率絶縁膜又はその積層膜(Al膜(アルミナ膜)の積層膜も含む)を用いてもよい。その場合の積層膜は、SiO膜/高誘電率絶縁膜/SiO膜、SiO膜/高誘電率絶縁膜、高誘電率絶縁膜/SiO膜、或いは高誘電率絶縁膜/SiO膜/高誘電率絶縁膜などである。 As the high dielectric constant insulating film 4 as the block film, an Al 2 O 3 film (alumina film) having a thickness in the range of 5 to 30 nm is used. Instead, an MgO film having a higher dielectric constant than the silicon oxide film, SrO film, SiN film, BaO film, TiO film, Ta 2 O 5 film, BaTiO 3 film, BaZrO film, ZrO 2 film, HfO 2 film, Y 2 O 3 film, ZrSiO film, HfSiO film, LaAlO film, etc. A high dielectric constant insulating film or a laminated film thereof (including a laminated film of an Al 2 O 3 film (alumina film)) may be used. In that case, the laminated film is SiO 2 film / high dielectric constant insulating film / SiO 2 film, SiO 2 film / high dielectric constant insulating film, high dielectric constant insulating film / SiO 2 film, or high dielectric constant insulating film / SiO 2. Film / high dielectric constant insulating film.

ゲート電極膜5には、P型不純物が高濃度にドープされた厚さ10〜500nmの範囲のP多結晶シリコン膜と金属シリサイドの積層膜を用いているが、代わりにP多結晶シリコン膜やN型不純物が高濃度にドープされたN多結晶シリコン膜を用いてもよい。また、金属膜/多結晶シリコンの積層膜、或いは金属膜/窒化金属膜の積層膜などを用いてもよい。この場合、金属シリサイドとしては、CoSi、NiSi、WSi、MoSi、TiSiなどであり、金属としてはWなどであり、窒化金属としてはWN、TaN、TiNなどであり、炭化金属としてTaCなどである。 As the gate electrode film 5, a P + polycrystalline silicon film and a metal silicide laminated film with a thickness of 10 to 500 nm doped with a high concentration of P-type impurities is used. Instead, P + polycrystalline silicon is used. A film or an N + polycrystalline silicon film doped with N-type impurities at a high concentration may be used. Alternatively, a metal film / polycrystalline silicon laminated film or a metal film / metal nitride laminated film may be used. In this case, the metal silicide is CoSi, NiSi, WSi, MoSi, TiSi or the like, the metal is W or the like, the metal nitride is WN, TaN, TiN or the like, and the carbide metal is TaC or the like.

絶縁膜6は、ゲート形成用のマスク材として用いられる。絶縁膜6には、SiN膜(シリコン窒化膜)を用いているが、代わりにSiO膜(シリコン酸化膜)を用いてもよい。なお、ゲート電極膜5をシリサイド化する場合、シリサイド化の前に絶縁膜6は除去される。 The insulating film 6 is used as a mask material for gate formation. As the insulating film 6, a SiN film (silicon nitride film) is used, but an SiO 2 film (silicon oxide film) may be used instead. When the gate electrode film 5 is silicided, the insulating film 6 is removed before silicidation.

次に、周知のリソグラフィー法を用いて、レジスト膜21を形成し、レジスト膜21をマスクとして、例えばRIE(Reactive Ion Etching)法により絶縁膜6をエッチングする。   Next, a resist film 21 is formed by using a well-known lithography method, and the insulating film 6 is etched by, for example, RIE (Reactive Ion Etching) method using the resist film 21 as a mask.

続いて、図8に示すように、レジスト膜21を除去後、絶縁膜6をマスクとして、例えばRIE法によりゲート電極膜5及び高誘電率絶縁膜4をエッチングする。このとき、絶縁膜6(Al膜)などの金属酸化膜のRIE加工ではエッチング中に側壁面などに発生するデポ物がシリコン、シリコン酸化膜、或いはSiN膜などに比べ残留しやすく絶縁膜6(Al膜)の形状がテーパーとなる。 Subsequently, as shown in FIG. 8, after removing the resist film 21, the gate electrode film 5 and the high dielectric constant insulating film 4 are etched by, for example, the RIE method using the insulating film 6 as a mask. At this time, in the RIE processing of the metal oxide film such as the insulating film 6 (Al 2 O 3 film), the deposit generated on the side wall surface during the etching is likely to remain as compared with the silicon, silicon oxide film, SiN film or the like. The shape of the film 6 (Al 2 O 3 film) is tapered.

ここで、絶縁膜6(Al膜)を垂直にエッチングしようとし、デポ物によるエッチング速度の低下を打ち消すために、例えばRIEでの高周波電力を増加させた場合、絶縁膜6(Al膜)直下の電荷蓄積膜3やゲート絶縁膜2がオーバーエッチングされ、電荷蓄積膜3のエッチングの際にP型シリコンである半導体基板1にえぐれ(ガウジングとも呼称される)が発生し、メモリセルの電流が低下するという問題点がある。 Here, when the insulating film 6 (Al 2 O 3 film) is to be etched vertically and the high-frequency power in RIE, for example, is increased in order to cancel the decrease in the etching rate due to the deposit, the insulating film 6 (Al 2 O 3 film) The charge storage film 3 and the gate insulating film 2 immediately below are over-etched, and when the charge storage film 3 is etched, pitting (also referred to as gouging) occurs in the semiconductor substrate 1 which is P-type silicon, There is a problem that the current of the memory cell decreases.

そして、図9に示すように、半導体基板1上に側壁絶縁膜7となる絶縁膜を全面に堆積し、例えば、RIE法を用いて絶縁膜6、ゲート電極膜5、及び高誘電率絶縁膜4の端部に側壁絶縁膜7を形成する。   Then, as shown in FIG. 9, an insulating film to be the sidewall insulating film 7 is deposited on the entire surface of the semiconductor substrate 1, and the insulating film 6, the gate electrode film 5, and the high dielectric constant insulating film are formed by using, for example, the RIE method. A side wall insulating film 7 is formed at the end of 4.

次に、絶縁膜6及び側壁絶縁膜7をマスクとして、例えば電荷蓄積膜3をRIE法でエッチングして側面を露出後、例えばウエットエッチング法により露出された電荷蓄積膜3の端部をエッチングし、電荷蓄積膜3を高誘電率絶縁膜4よりも内側に後退させる。   Next, using the insulating film 6 and the sidewall insulating film 7 as a mask, for example, the charge storage film 3 is etched by the RIE method to expose the side surfaces, and then, for example, the end portion of the charge storage film 3 exposed by the wet etching method is etched. Then, the charge storage film 3 is retracted inward from the high dielectric constant insulating film 4.

このゲート電極膜5が乗っていない部分、すなわち側壁絶縁膜7の下にあたる部分では、書き込み及び消去時の電荷蓄積膜3にかかる電界が低下している。そこで、電荷蓄積膜3を高誘電率絶縁膜4よりも、ゲート電極5が乗っている部分まで内側に後退させることにより、電荷蓄積膜3にかかる電界を向上させることができる。ここでは、ゲート絶縁膜2をエッチング除去していないが、電荷蓄積膜3間のゲート絶縁膜2の端部をエッチングしてもよい。その結果、ゲート間の半導体基板1の表面に形成される反転層31がゲート絶縁膜2の膜厚バラツキに左右されずに形成できる。   The electric field applied to the charge storage film 3 during writing and erasing is reduced in a portion where the gate electrode film 5 is not placed, that is, a portion under the side wall insulating film 7. Therefore, the electric field applied to the charge storage film 3 can be improved by retracting the charge storage film 3 to the inside of the high dielectric constant insulating film 4 to the portion where the gate electrode 5 is placed. Here, the gate insulating film 2 is not removed by etching, but the end of the gate insulating film 2 between the charge storage films 3 may be etched. As a result, the inversion layer 31 formed on the surface of the semiconductor substrate 1 between the gates can be formed regardless of the film thickness variation of the gate insulating film 2.

続いて、メモリセルトランジスタのゲート側面を覆うように層間絶縁膜8を形成する。層間絶縁膜8形成後、周知の技術を用いて層間絶縁膜や配線層形成などを行い、MONOS構造のNAND型フラッシュメモリとしての半導体記憶装置70が完成する。   Subsequently, an interlayer insulating film 8 is formed so as to cover the gate side surface of the memory cell transistor. After the formation of the interlayer insulating film 8, an interlayer insulating film and a wiring layer are formed using a known technique, and the semiconductor memory device 70 as a NAND flash memory having a MONOS structure is completed.

図10に示すように、層間絶縁膜8が、例えば被覆能力の低いものである場合、側壁絶縁膜7及び高誘電率絶縁膜4の下面、ゲート絶縁膜2の上面、電荷蓄積膜3の側面に囲まれた部分に空隙41が発生する。この空隙41により、メモリセルトランジスタの電荷蓄積膜3間の寄生容量を低減することができる。なお、空隙41は信頼性低下やメモリセルトランジスタの特性劣化などの要因とはならない。   As shown in FIG. 10, when the interlayer insulating film 8 has a low covering capability, for example, the lower surface of the sidewall insulating film 7 and the high dielectric constant insulating film 4, the upper surface of the gate insulating film 2, and the side surface of the charge storage film 3. A gap 41 is generated in a portion surrounded by. Due to the air gap 41, the parasitic capacitance between the charge storage films 3 of the memory cell transistor can be reduced. The air gap 41 does not cause a decrease in reliability or a characteristic deterioration of the memory cell transistor.

上述したように、本実施例の半導体記憶装置では、半導体基板1の第1主面(表面)にゲート絶縁膜2、電荷蓄積膜3、高誘電率絶縁膜4、ゲート電極膜5、及び絶縁膜6が積層形成される。高誘電率絶縁膜4は、底部が上部より広い台形形状を有し、ゲート電極膜5及び絶縁膜6は、高誘電率絶縁膜4の底部端よりも内側に形成される。メモリセルトランジスタMTRのゲート長とメモリセルトランジスタMTRのゲート間は60nm以下に形成される。メモリセルトランジスタMTRの書き込み及び読み出し動作時では、ワード線WL間のフリンジ電界がトンネル酸化膜であるゲート絶縁膜2電界よりも強くなり、メモリセルトランジスタMTRのゲート間の半導体基板1の表面に反転層31が形成される。   As described above, in the semiconductor memory device of this embodiment, the gate insulating film 2, the charge storage film 3, the high dielectric constant insulating film 4, the gate electrode film 5, and the insulating film are formed on the first main surface (front surface) of the semiconductor substrate 1. A film 6 is laminated. The high dielectric constant insulating film 4 has a trapezoidal shape whose bottom is wider than the top, and the gate electrode film 5 and the insulating film 6 are formed inside the bottom end of the high dielectric constant insulating film 4. The gap between the gate length of the memory cell transistor MTR and the gate of the memory cell transistor MTR is formed to be 60 nm or less. During the write and read operations of the memory cell transistor MTR, the fringe electric field between the word lines WL becomes stronger than the electric field of the gate insulating film 2 which is a tunnel oxide film, and is inverted to the surface of the semiconductor substrate 1 between the gates of the memory cell transistor MTR. Layer 31 is formed.

このため、ソース或いはドレインとなるN層がなくとも、反転層31がソース或いはドレイン層として機能し、メモリセルトランジスタの書き込み及び読み出し動作を行うことができる。また、ソース或いはドレインとなる拡散層を有するメモリセルトランジスタのハーフピッチが狭くなった場合、ソース或いはドレインとなる拡散層形成用のイオン注入のドーズロスが発生し、メモリセル電流が低下するが、半導体記憶装置70ではメモリセル電流の低下を抑制することができる。したがって、メモリセルトランジスタのハーフピッチを狭く出来、半導体記憶装置70を従来よりも高集積化することができる。また、ブロック膜としての高誘電率絶縁膜4の端部をテーパーをもたせた台形形状にしているので、ゲート加工時の半導体基板1のえぐれの発生を抑制することができ、メモリセル電流の低下を抑制することができる。更に、メモリセルトランジスタのゲート間にソース或いはドレインとなるN層を形成していないので、半導体記憶装置70の製造工程を短縮化することできる。 Therefore, the inversion layer 31 functions as a source or drain layer without performing an N + layer serving as a source or a drain, and writing and reading operations of the memory cell transistor can be performed. In addition, when the half pitch of a memory cell transistor having a diffusion layer serving as a source or drain is narrowed, a dose loss of ion implantation for forming a diffusion layer serving as a source or drain occurs and the memory cell current decreases. In the memory device 70, a decrease in memory cell current can be suppressed. Therefore, the half pitch of the memory cell transistors can be narrowed, and the semiconductor memory device 70 can be more highly integrated than before. Further, since the end portion of the high dielectric constant insulating film 4 as a block film has a trapezoidal shape with a taper, it is possible to suppress the occurrence of chipping of the semiconductor substrate 1 during gate processing and to reduce the memory cell current. Can be suppressed. Further, since the N + layer serving as the source or drain is not formed between the gates of the memory cell transistors, the manufacturing process of the semiconductor memory device 70 can be shortened.

なお、本実施例では、P型シリコンである半導体基板1上にメモリセルトランジスタを形成しているが、Pウエル層上やSOI(silicon on insulator)基板上にメモリセルトランジスタを形成してもよい。   In this embodiment, the memory cell transistor is formed on the semiconductor substrate 1 made of P-type silicon. However, the memory cell transistor may be formed on a P well layer or an SOI (silicon on insulator) substrate. .

次に、本発明の実施例2に係る半導体記憶装置について、図面を参照して説明する。図11は半導体記憶装置を示す断面図である。本実施例では、メモリセルトランジスタのゲート間の半導体基板表面にN+層を設けている。 Next, a semiconductor memory device according to Embodiment 2 of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 11 is a cross-sectional view showing a semiconductor memory device. In this embodiment, an N + layer is provided on the surface of the semiconductor substrate between the gates of the memory cell transistors.

以下、実施例1と同一構成部分には、同一符号を付してその部分の説明を省略し、異なる部分のみ説明する。   In the following, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted, and only different portions are described.

図11に示すように、半導体記憶装置71には、P型シリコンである半導体基板1の第1主面(表面)にゲート絶縁膜2、電荷蓄積膜3、高誘電率絶縁膜4、ゲート電極膜5、及び絶縁膜6が積層形成される。ゲート絶縁膜2、電荷蓄積膜3、高誘電率絶縁膜4、及びゲート電極膜5はメモリセルトランジスタMTRのゲートを構成する。メモリセルトランジスタMTRのゲート間における半導体基板1の表面には、N層22が設けられる。高誘電率絶縁膜4は、底部が上部より広い(テーパー形状)台形形状を有する。高誘電率絶縁膜4、ゲート電極膜5、及び絶縁膜6の両端部には側壁絶縁膜7が設けられる。ゲート電極膜5及び絶縁膜6は、高誘電率絶縁膜4の底部端よりも内側に形成される。つまり、ゲート電極膜5及び絶縁膜6の寸法は、高誘電率絶縁膜4の底部の寸法よりも狭い。電荷蓄積膜3は、高誘電率絶縁膜4の底部端よりも内側に設けられる。半導体記憶装置71は、チャージトラップ型フラッシュ(CTF;Charge Trap Flash)メモリである。 As shown in FIG. 11, the semiconductor memory device 71 includes a gate insulating film 2, a charge storage film 3, a high dielectric constant insulating film 4, a gate electrode on the first main surface (front surface) of a semiconductor substrate 1 made of P-type silicon. A film 5 and an insulating film 6 are stacked. The gate insulating film 2, the charge storage film 3, the high dielectric constant insulating film 4, and the gate electrode film 5 constitute the gate of the memory cell transistor MTR. An N + layer 22 is provided on the surface of the semiconductor substrate 1 between the gates of the memory cell transistors MTR. The high dielectric constant insulating film 4 has a trapezoidal shape in which the bottom is wider (tapered) than the top. Sidewall insulating films 7 are provided on both ends of the high dielectric constant insulating film 4, the gate electrode film 5, and the insulating film 6. The gate electrode film 5 and the insulating film 6 are formed inside the bottom end of the high dielectric constant insulating film 4. That is, the dimensions of the gate electrode film 5 and the insulating film 6 are narrower than the dimensions of the bottom of the high dielectric constant insulating film 4. The charge storage film 3 is provided inside the bottom end of the high dielectric constant insulating film 4. The semiconductor memory device 71 is a charge trap flash (CTF) memory.

ここで、メモリセルトランジスタMTRのゲート長(ワード線WL幅)とメモリセルトランジスタMTRのゲート間(ワード線WL間隔)は、60nm以下に形成され、ハーフピッチ寸法である。メモリセルトランジスタMTRの書き込み動作及び読み出し動作時に、ワード線WL間のフリンジ電界によりメモリセルトランジスタMTRのゲート間のP型シリコンである半導体基板1の表面のゲート絶縁膜2端部とN層22の間に反転層31が形成される。この反転層31とN層22により、電子の転送が可能となり、メモリセルトランジスタMTRの書き込み及び読み出し動作が行われる。 Here, the gate length (word line WL width) of the memory cell transistor MTR and the gate of the memory cell transistor MTR (word line WL interval) are formed to be 60 nm or less and have a half pitch dimension. During the writing operation and reading operation of the memory cell transistor MTR, the memory cell transistor gate insulating film 2 ends of the surface of the semiconductor substrate 1 is a P-type silicon and N + layer between the gate of the MTR 22 by fringe electric field between the word lines WL The inversion layer 31 is formed between the two. Electrons can be transferred by the inversion layer 31 and the N + layer 22, and writing and reading operations of the memory cell transistor MTR are performed.

次に、半導体記憶装置の製造方法について図12を参照して説明する。図12は半導体記憶装置の製造工程を示す断面図である。ここで、本実施例では、メモリセルトランジスタのゲート形成までは実施例1と同様なので図示及び説明を省略する。   Next, a method for manufacturing a semiconductor memory device will be described with reference to FIG. FIG. 12 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the semiconductor memory device. Here, in the present embodiment, the process up to the formation of the gate of the memory cell transistor is the same as that of the first embodiment, and therefore illustration and description thereof are omitted.

図12に示すように、メモリセルトランジスタMTRのゲート形成後、As(砒素)を、例えば加速電圧(Vac)1〜50KeV、ドーズ量(Qd)1×1013〜5×1014の範囲で半導体基板1表面にイオン注入する。メモリセルトランジスタMTRのゲート絶縁膜2は側壁絶縁膜7が形成されている部分よりも内側に形成されているので、イオン注入層はゲート絶縁膜2の端部と離間し形成される。なお、As(砒素)の代わりにP(燐)やSb(アンチモン)を用いてもよい。 As shown in FIG. 12, after forming the gate of the memory cell transistor MTR, As (arsenic) is converted into a semiconductor in the range of, for example, acceleration voltage (Vac) 1 to 50 KeV, dose amount (Qd) 1 × 10 13 to 5 × 10 14. Ions are implanted into the surface of the substrate 1. Since the gate insulating film 2 of the memory cell transistor MTR is formed inside the portion where the sidewall insulating film 7 is formed, the ion implantation layer is formed apart from the end of the gate insulating film 2. Note that P (phosphorus) or Sb (antimony) may be used instead of As (arsenic).

次に、高温熱処理を行い、イオン注入層を活性化及び熱拡散させてN層22を形成する。これ以降の工程は、実施例1と同様なので説明を省略する。 Next, high-temperature heat treatment is performed to activate and thermally diffuse the ion implantation layer, thereby forming the N + layer 22. Since the subsequent steps are the same as those in the first embodiment, the description thereof is omitted.

上述したように、本実施例の半導体記憶装置では、半導体基板1の第1主面(表面)にゲート絶縁膜2、電荷蓄積膜3、高誘電率絶縁膜4、ゲート電極膜5、及び絶縁膜6が積層形成される。高誘電率絶縁膜4は、底部が上部より広い台形形状を有し、ゲート電極膜5及び絶縁膜6は、高誘電率絶縁膜4の底部端よりも内側に形成される。電荷蓄積膜3は、高誘電率絶縁膜4の底部端よりも内側に設けられる。メモリセルトランジスタMTRのゲート間における半導体基板1の表面には、ゲート絶縁膜2と離間したN層22が設けられる。メモリセルトランジスタMTRのゲート長とメモリセルトランジスタMTRのゲート間は60nm以下に形成される。メモリセルトランジスタMTRの書き込み動作時及び読み出し動作時では、ワード線WL間のフリンジ電界がトンネル酸化膜であるゲート絶縁膜2電界よりも強くなり、メモリセルトランジスタMTRのゲート間の半導体基板1の表面のゲート絶縁膜2の端部とN層22の間に反転層31が形成される。 As described above, in the semiconductor memory device of this embodiment, the gate insulating film 2, the charge storage film 3, the high dielectric constant insulating film 4, the gate electrode film 5, and the insulating film are formed on the first main surface (front surface) of the semiconductor substrate 1. A film 6 is laminated. The high dielectric constant insulating film 4 has a trapezoidal shape whose bottom is wider than the top, and the gate electrode film 5 and the insulating film 6 are formed inside the bottom end of the high dielectric constant insulating film 4. The charge storage film 3 is provided inside the bottom end of the high dielectric constant insulating film 4. An N + layer 22 separated from the gate insulating film 2 is provided on the surface of the semiconductor substrate 1 between the gates of the memory cell transistors MTR. The gap between the gate length of the memory cell transistor MTR and the gate of the memory cell transistor MTR is formed to be 60 nm or less. During the write operation and read operation of the memory cell transistor MTR, the fringe electric field between the word lines WL is stronger than the electric field of the gate insulating film 2 that is a tunnel oxide film, and the surface of the semiconductor substrate 1 between the gates of the memory cell transistor MTR. An inversion layer 31 is formed between the end portion of the gate insulating film 2 and the N + layer 22.

このため、反転層31及びN層22がソース或いはドレイン層として機能し、メモリセルトランジスタの書き込み及び読み出し動作を行うことができる。また、ソース或いはドレインとなる拡散層を有するメモリセルトランジスタのハーフピッチが狭くなった場合、ソース或いはドレインとなる拡散層形成用のイオン注入のドーズロスが発生し、メモリセル電流が低下するが、半導体記憶装置71ではメモリセル電流の低下を抑制することができる。したがって、メモリセルトランジスタのハーフピッチを狭く出来、半導体記憶装置71を従来よりも高集積化することができる。また、ブロック膜としての高誘電率絶縁膜4の端部をテーパーをもたせた台形形状にしているので、ゲート加工時の半導体基板1のえぐれの発生を抑制することができ、メモリセル電流の低下を抑制することができる。 For this reason, the inversion layer 31 and the N + layer 22 function as a source or drain layer, and writing and reading operations of the memory cell transistor can be performed. In addition, when the half pitch of a memory cell transistor having a diffusion layer serving as a source or drain is narrowed, a dose loss of ion implantation for forming a diffusion layer serving as a source or drain occurs and the memory cell current decreases. In the memory device 71, a decrease in memory cell current can be suppressed. Therefore, the half pitch of the memory cell transistors can be reduced, and the semiconductor memory device 71 can be more highly integrated than in the prior art. Further, since the end portion of the high dielectric constant insulating film 4 as a block film has a trapezoidal shape with a taper, it is possible to suppress the occurrence of chipping of the semiconductor substrate 1 during gate processing and to reduce the memory cell current. Can be suppressed.

次に、本発明の実施例3に係る半導体記憶装置について、図面を参照して説明する。図13は半導体記憶装置を示す断面図である。本実施例では、メモリセルトランジスタのゲートの構造を変更している。   Next, a semiconductor memory device according to Embodiment 3 of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 13 is a cross-sectional view showing a semiconductor memory device. In this embodiment, the gate structure of the memory cell transistor is changed.

以下、実施例1と同一構成部分には、同一符号を付してその部分の説明を省略し、異なる部分のみ説明する。   In the following, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted, and only different portions are described.

図13に示すように、半導体記憶装置72には、P型シリコンである半導体基板1の第1主面(表面)にゲート絶縁膜2、電荷蓄積膜3、高誘電率絶縁膜4、ゲート電極膜5、及び絶縁膜6が積層形成される。ゲート絶縁膜2、電荷蓄積膜3、高誘電率絶縁膜4、及びゲート電極膜5はメモリセルトランジスタMTRのゲートを構成する。高誘電率絶縁膜4は、底部が上部より広い(テーパー形状)台形形状を有する。高誘電率絶縁膜4、ゲート電極膜5、及び絶縁膜6の両端部には側壁絶縁膜7が設けられる。ゲート電極膜5及び絶縁膜6は、高誘電率絶縁膜4の底部端よりも外側に形成される。電荷蓄積膜3の端部は、側壁絶縁膜7の端部上に設けられる。半導体記憶装置72は、チャージトラップ型フラッシュ(CTF;Charge Trap Flash)メモリである。   As shown in FIG. 13, the semiconductor memory device 72 includes a gate insulating film 2, a charge storage film 3, a high dielectric constant insulating film 4, a gate electrode on the first main surface (front surface) of a semiconductor substrate 1 made of P-type silicon. A film 5 and an insulating film 6 are stacked. The gate insulating film 2, the charge storage film 3, the high dielectric constant insulating film 4, and the gate electrode film 5 constitute the gate of the memory cell transistor MTR. The high dielectric constant insulating film 4 has a trapezoidal shape in which the bottom is wider (tapered) than the top. Sidewall insulating films 7 are provided on both ends of the high dielectric constant insulating film 4, the gate electrode film 5, and the insulating film 6. The gate electrode film 5 and the insulating film 6 are formed outside the bottom end of the high dielectric constant insulating film 4. The end of the charge storage film 3 is provided on the end of the sidewall insulating film 7. The semiconductor memory device 72 is a charge trap flash (CTF) memory.

ここで、メモリセルトランジスタMTRのゲート長(ワード線WL幅)とメモリセルトランジスタMTRのゲート間(ワード線WL間隔)は、60nm以下に形成され、ハーフピッチ寸法である。メモリセルトランジスタMTRの書き込み動作時及び読み出し動作時には、ワード線WL間のフリンジ電界によりメモリセルトランジスタMTRのゲート間のP型シリコンである半導体基板1の表面に反転層31が形成される。この反転層31により、ソース或いはドレインとなるN層がなくともメモリセルトランジスタMTRの書き込み及び読み出し動作が行われる。 Here, the gate length (word line WL width) of the memory cell transistor MTR and the gate of the memory cell transistor MTR (word line WL interval) are formed to be 60 nm or less and have a half pitch dimension. During the write operation and the read operation of the memory cell transistor MTR, the inversion layer 31 is formed on the surface of the semiconductor substrate 1 which is P-type silicon between the gates of the memory cell transistor MTR by a fringe electric field between the word lines WL. By the inversion layer 31, writing and reading operations of the memory cell transistor MTR are performed even if there is no N + layer serving as a source or a drain.

なお、本実施例の半導体記憶装置72では、実施例1と異なり、側壁絶縁膜7をマスクとして電荷蓄積層3のRIEによるエッチング後、電荷蓄積層3のウエットエッチング等による電荷蓄積層3の内側への後退を行っていない。   In the semiconductor memory device 72 of this embodiment, unlike the first embodiment, after etching the charge storage layer 3 by RIE using the sidewall insulating film 7 as a mask, the inside of the charge storage layer 3 by wet etching or the like of the charge storage layer 3 is used. Did not go back to.

上述したように、本実施例の半導体記憶装置では、半導体基板1の第1主面(表面)にゲート絶縁膜2、電荷蓄積膜3、高誘電率絶縁膜4、ゲート電極膜5、及び絶縁膜6が積層形成される。ゲート絶縁膜2、電荷蓄積膜3、及び高誘電率絶縁膜4は、底部が上部より広い台形形状を有している。メモリセルトランジスタMTRのゲート長とメモリセルトランジスタMTRのゲート間は60nm以下に形成される。メモリセルトランジスタMTRの書き込み動作時及び読み出し動作時には、ワード線WL間のフリンジ電界によって、メモリセルトランジスタMTRのゲート間の半導体基板1の表面に反転層31が形成される。このため、実施例1と同様な効果を有する。   As described above, in the semiconductor memory device of this embodiment, the gate insulating film 2, the charge storage film 3, the high dielectric constant insulating film 4, the gate electrode film 5, and the insulating film are formed on the first main surface (front surface) of the semiconductor substrate 1. A film 6 is laminated. The gate insulating film 2, the charge storage film 3, and the high dielectric constant insulating film 4 have a trapezoidal shape whose bottom is wider than the top. The gap between the gate length of the memory cell transistor MTR and the gate of the memory cell transistor MTR is formed to be 60 nm or less. During the write operation and the read operation of the memory cell transistor MTR, an inversion layer 31 is formed on the surface of the semiconductor substrate 1 between the gates of the memory cell transistor MTR by a fringe electric field between the word lines WL. For this reason, it has the same effect as Example 1.

次に、本発明の実施例4に係る半導体記憶装置について、図面を参照して説明する。図14は半導体記憶装置を示す断面図である。本実施例では、メモリセルトランジスタのゲートの構造を変更している。   Next, a semiconductor memory device according to Embodiment 4 of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 14 is a cross-sectional view showing a semiconductor memory device. In this embodiment, the gate structure of the memory cell transistor is changed.

以下、実施例1と同一構成部分には、同一符号を付してその部分の説明を省略し、異なる部分のみ説明する。   In the following, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted, and only different portions are described.

図14に示すように、半導体記憶装置73には、P型シリコンである半導体基板1の第1主面(表面)にゲート絶縁膜2、電荷蓄積膜(第1の絶縁膜)3、高誘電率絶縁膜(第2の絶縁膜)4、第1のゲート電極膜51、及び第2のゲート電極膜52が積層形成される。ゲート絶縁膜2、電荷蓄積膜3、高誘電率絶縁膜4、第1のゲート電極膜51、及び第2のゲート電極膜52はメモリセルトランジスタのゲートを構成する。半導体記憶装置73は、チャージトラップ型フラッシュ(CTF;Charge Trap Flash)メモリである。   As shown in FIG. 14, the semiconductor memory device 73 includes a gate insulating film 2, a charge storage film (first insulating film) 3, a high dielectric on the first main surface (front surface) of a semiconductor substrate 1 made of P-type silicon. A rate insulating film (second insulating film) 4, a first gate electrode film 51, and a second gate electrode film 52 are stacked. The gate insulating film 2, the charge storage film 3, the high dielectric constant insulating film 4, the first gate electrode film 51, and the second gate electrode film 52 constitute the gate of the memory cell transistor. The semiconductor memory device 73 is a charge trap flash (CTF) memory.

半導体基板1の表面には、メモリセルトランジスタのソース或いはドレインとなるN層22が選択的に設けられる。メモリセルトランジスタのゲート絶縁膜2は、半導体基板1の表面を覆っている。電荷蓄積膜3は、半導体基板1の上部方向から下部方向をみて、N層22の間にN層22とオーバーラップするようにゲート絶縁膜2を介して設けられる。 On the surface of the semiconductor substrate 1, an N + layer 22 that selectively serves as a source or drain of the memory cell transistor is selectively provided. The gate insulating film 2 of the memory cell transistor covers the surface of the semiconductor substrate 1. Charge storage film 3 is viewed downward direction from the upper direction of the semiconductor substrate 1 is provided with a gate insulating film 2 so as to overlap with the N + layer 22 between the N + layer 22.

高誘電率絶縁膜4は、端部が電荷蓄積膜3よりも端部が外側になるように電荷蓄積膜3上に設けられる。積層形成される第1のゲート電極膜51及び第2のゲート電極膜52は、高誘電率絶縁膜4の中央部側の上部に設けられる。側壁絶縁膜7は、第1のゲート電極膜51及び第2のゲート電極膜52の端部を覆うように、高誘電率絶縁膜4の端部側の上部に設けられる。ゲート絶縁膜2及びメモリセルトランジスタのゲートを覆うように、半導体基板1の第1主面(表面)に層間絶縁膜8が設けられる。   The high dielectric constant insulating film 4 is provided on the charge storage film 3 so that the end is outside the charge storage film 3. The first gate electrode film 51 and the second gate electrode film 52 formed in a stacked manner are provided on the upper side of the central portion side of the high dielectric constant insulating film 4. The sidewall insulating film 7 is provided on the upper portion of the high dielectric constant insulating film 4 so as to cover the end portions of the first gate electrode film 51 and the second gate electrode film 52. An interlayer insulating film 8 is provided on the first main surface (front surface) of the semiconductor substrate 1 so as to cover the gate insulating film 2 and the gate of the memory cell transistor.

ここで、電荷蓄積膜3のチャネル長方向の電荷蓄積膜長LDC、高誘電率絶縁膜4のチャネル長方向の高誘電率絶縁膜長LHKの関係は、
LHK>LDC・・・・・・・・・・・・式(1)
に設定される。つまり、高誘電率絶縁膜4は電荷蓄積膜3の寸法よりも広く形成され、また第1のゲート電極膜51、及び第2のゲート電極膜52の寸法よりも広く形成される。
Here, the relationship between the charge storage film length L DC in the channel length direction of the charge storage film 3 and the high dielectric constant insulating film length L HK in the channel length direction of the high dielectric constant insulating film 4 is
L HK > L DC・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ Formula (1)
Set to That is, the high dielectric constant insulating film 4 is formed wider than the dimension of the charge storage film 3 and larger than the dimensions of the first gate electrode film 51 and the second gate electrode film 52.

このため、電荷蓄積膜3にかかる電界を均一化でき、電荷蓄積膜3に不均一に電荷が書き込まれることに起因する電荷蓄積層3内部での電荷移動による、メモリセルトランジスタの閾値電圧(Vth)の変動を大幅に抑制することができる。この結果、メモリセルトランジスタを微細化(ハーフピッチの縮小化)でき半導体記憶装置73を高集積化することができる。ここでは、ビット線方向について図示及び説明をしているがワード線方向についても、高誘電率絶縁膜4を電荷蓄積膜3の寸法よりも広く形成し、また第1のゲート電極膜51、及び第2のゲート電極膜52の寸法よりも広く形成してもよい。   For this reason, the electric field applied to the charge storage film 3 can be made uniform, and the threshold voltage (Vth) of the memory cell transistor due to charge movement inside the charge storage layer 3 caused by non-uniform charge writing in the charge storage film 3. ) Can be greatly suppressed. As a result, the memory cell transistors can be miniaturized (half pitch reduction), and the semiconductor memory device 73 can be highly integrated. Here, the bit line direction is shown and described, but also in the word line direction, the high dielectric constant insulating film 4 is formed wider than the dimension of the charge storage film 3, and the first gate electrode film 51, and It may be formed wider than the dimension of the second gate electrode film 52.

次に、半導体記憶装置の製造方法について図15乃至19を参照して説明する。図15乃至19は半導体記憶装置の製造工程を示す断面図である。   Next, a method for manufacturing a semiconductor memory device will be described with reference to FIGS. 15 to 19 are cross-sectional views showing the manufacturing process of the semiconductor memory device.

図15に示すように、まず、P型シリコンである半導体基板1上に、ゲート絶縁膜2、電荷蓄積膜(第1の絶縁膜)3、高誘電率絶縁膜(第2の絶縁膜)4、第1のゲート電極膜51、及び第2のゲート電極膜52を積層形成する。   As shown in FIG. 15, first, a gate insulating film 2, a charge storage film (first insulating film) 3, and a high dielectric constant insulating film (second insulating film) 4 are formed on a semiconductor substrate 1 made of P-type silicon. The first gate electrode film 51 and the second gate electrode film 52 are stacked.

ここで、第1のゲート電極膜51には、窒化タンタル(TaN)を用いているが、代わりに窒化金属としてのWN、TiNや炭化金属としてのTaCや金属シリサイドとしてのCoSi、NiSi、WSi、MoSi、TiSiなどを用いてもよい。第2のゲート電極膜52には、P型不純物が高濃度にドープされたP多結晶シリコン膜を用いているが、代わりにN型不純物が高濃度にドープされたN多結晶シリコン膜などを用いてもよい。 Here, tantalum nitride (TaN) is used for the first gate electrode film 51. Instead, WN, TiN, TaC as a metal carbide, CoSi, NiSi, WSi as metal silicide, MoSi, TiSi or the like may be used. As the second gate electrode film 52, a P + polycrystalline silicon film doped with a high concentration of P-type impurities is used. Instead, an N + polycrystalline silicon film doped with a high concentration of N-type impurities is used. Etc. may be used.

第2のゲート電極膜52形成後、周知のリソグラフィー法を用いて、メモリセルトランジスタ形成領域にレジスト膜53を形成する。   After the formation of the second gate electrode film 52, a resist film 53 is formed in the memory cell transistor formation region using a well-known lithography method.

次に、図16に示すように、レジスト膜53をマスクとして、例えばRIE(Reactive Ion Etching)法により第1のゲート電極膜51及び第2のゲート電極膜52をエッチングする。RIEエッチング後、レジスト膜53、第1のゲート電極膜51、及び第2のゲート電極膜52をマスクにして、高誘電率絶縁膜(第2の絶縁膜)4、電荷蓄積膜(第1の絶縁膜)3、及びゲート絶縁膜2を介して半導体基板1表面にN型不純物をイオン注入する。   Next, as shown in FIG. 16, the first gate electrode film 51 and the second gate electrode film 52 are etched by, for example, RIE (Reactive Ion Etching) using the resist film 53 as a mask. After the RIE etching, using the resist film 53, the first gate electrode film 51, and the second gate electrode film 52 as a mask, the high dielectric constant insulating film (second insulating film) 4 and the charge storage film (first storage film) N-type impurities are ion-implanted into the surface of the semiconductor substrate 1 through the insulating film 3 and the gate insulating film 2.

続いて、図17に示すように、レジスト膜53を除去後、例えば熱処理により図示しないイオン注入層を活性化させてN層22を形成する。高誘電率絶縁膜(第2の絶縁膜)4、第1のゲート電極膜51、及び第2のゲート電極膜52上に絶縁膜を堆積し、例えば全面エッチバック処理を行って第1のゲート電極膜51及び第2のゲート電極膜52の側面に側壁絶縁膜7を形成する。 Subsequently, as shown in FIG. 17, after removing the resist film 53, an ion implantation layer (not shown) is activated by, for example, heat treatment to form the N + layer 22. An insulating film is deposited on the high dielectric constant insulating film (second insulating film) 4, the first gate electrode film 51, and the second gate electrode film 52, and, for example, the entire gate is etched back to perform the first gate. Sidewall insulating films 7 are formed on the side surfaces of the electrode film 51 and the second gate electrode film 52.

そして、図18に示すように、側壁絶縁膜7及び第2のゲート電極膜52をマスクにして、例えばRIE(Reactive Ion Etching)法により、N層22上の高誘電率絶縁膜(第2の絶縁膜)4及び電荷蓄積膜(第1の絶縁膜)3をエッチングする。ここでは、高誘電率絶縁膜(第2の絶縁膜)4が垂直にエッチングされているが実施例1と同様に台形形状になる場合もある。 Then, as shown in FIG. 18, with the sidewall insulating film 7 and the second gate electrode film 52 as a mask, a high dielectric constant insulating film (second film) on the N + layer 22 is formed by, eg, RIE (Reactive Ion Etching) method. Insulating film) 4 and charge storage film (first insulating film) 3 are etched. Here, the high dielectric constant insulating film (second insulating film) 4 is etched vertically, but it may be trapezoidal like the first embodiment.

次に、図19に示すように、例えばウエットエッチング液を用いて、高誘電率絶縁膜(第2の絶縁膜)4の端部をエッチングして、第1のゲート電極膜51及び第2のゲート電極膜52と略同一寸法幅まで後退させる。これ以降の工程は実施例1と同様なので図示及び説明を省略する。   Next, as shown in FIG. 19, the end portion of the high dielectric constant insulating film (second insulating film) 4 is etched using, for example, a wet etching solution, so that the first gate electrode film 51 and the second gate electrode film 51 The gate electrode film 52 is made to recede to substantially the same width. Since the subsequent steps are the same as those in the first embodiment, illustration and description thereof are omitted.

上述したように、本実施例の半導体記憶装置では、半導体基板1の第1主面(表面)にゲート絶縁膜2、電荷蓄積膜3、高誘電率絶縁膜4、第1のゲート電極膜51、及び第2のゲート電極膜52が積層形成される。電荷蓄積膜3は、半導体基板1の上部方向から下部方向からみて、メモリセルトランジスタのソース或いはドレインとなるN層22の間にN層22とオーバーラップするようにゲート絶縁膜2を介して設けられる。高誘電率絶縁膜4は、電荷蓄積膜3、第1のゲート電極膜51、及び第2のゲート電極膜52よりも端部が外側に設けられる。 As described above, in the semiconductor memory device of this embodiment, the gate insulating film 2, the charge storage film 3, the high dielectric constant insulating film 4, and the first gate electrode film 51 are formed on the first main surface (front surface) of the semiconductor substrate 1. And the second gate electrode film 52 are stacked. Charge storage film 3, as viewed from the lower direction from the upper direction of the semiconductor substrate 1, a gate insulating film 2 so as to overlap with the N + layer 22 between the N + layer 22 serving as a source or drain of the memory cell transistor Provided. The high dielectric constant insulating film 4 is provided on the outer side of the charge storage film 3, the first gate electrode film 51, and the second gate electrode film 52.

このため、電荷蓄積膜3にかかる電界を均一化でき、電荷蓄積膜3に不均一に電荷が書き込まれることに起因する電荷蓄積層3内部での電荷移動によるメモリセルトランジスタの閾値電圧(Vth)の変動を大幅に抑制することができる。したがって、メモリセルトランジスタを微細化でき半導体記憶装置73を従来よりも高集積化することができる。   Therefore, the electric field applied to the charge storage film 3 can be made uniform, and the threshold voltage (Vth) of the memory cell transistor due to charge movement inside the charge storage layer 3 caused by non-uniform charge writing in the charge storage film 3 It is possible to greatly suppress fluctuations in Therefore, the memory cell transistor can be miniaturized, and the semiconductor memory device 73 can be more highly integrated than in the past.

次に、本発明の実施例5に係る半導体記憶装置について、図面を参照して説明する。図20は半導体記憶装置を示す断面図である。本実施例では、メモリセルトランジスタのゲートの構造を変更している。   Next, a semiconductor memory device according to Embodiment 5 of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 20 is a cross-sectional view showing a semiconductor memory device. In this embodiment, the gate structure of the memory cell transistor is changed.

以下、実施例1と同一構成部分には、同一符号を付してその部分の説明を省略し、異なる部分のみ説明する。   In the following, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted, and only different portions are described.

図20に示すように、半導体記憶装置74には、P型シリコンである半導体基板1の第1主面(表面)にゲート絶縁膜2、電荷蓄積膜(第1の絶縁膜)3、高誘電率絶縁膜(第2の絶縁膜)4、第1のゲート電極膜51、及び第2のゲート電極膜52が積層形成される。ゲート絶縁膜2、電荷蓄積膜3、高誘電率絶縁膜4、第1のゲート電極膜51、及び第2のゲート電極膜52はメモリセルトランジスタのゲートを構成する。半導体記憶装置74は、チャージトラップ型フラッシュ(CTF;Charge Trap Flash)メモリである。   As shown in FIG. 20, the semiconductor memory device 74 includes a gate insulating film 2, a charge storage film (first insulating film) 3, a high dielectric constant on the first main surface (front surface) of a semiconductor substrate 1 made of P-type silicon. A rate insulating film (second insulating film) 4, a first gate electrode film 51, and a second gate electrode film 52 are stacked. The gate insulating film 2, the charge storage film 3, the high dielectric constant insulating film 4, the first gate electrode film 51, and the second gate electrode film 52 constitute the gate of the memory cell transistor. The semiconductor memory device 74 is a charge trap flash (CTF) memory.

電荷蓄積膜3は、ゲート絶縁膜2上に設けられる。高誘電率絶縁膜4は、端部が電荷蓄積膜3よりも外側になるように電荷蓄積膜3上に設けられる。積層形成される第1のゲート電極膜51及び第2のゲート電極膜52は、高誘電率絶縁膜4の中央部側の上部に設けられる。側壁絶縁膜7は、第1のゲート電極膜51及び第2のゲート電極膜52の端部を覆うように、高誘電率絶縁膜4の端部側の上部に設けられる。   The charge storage film 3 is provided on the gate insulating film 2. The high dielectric constant insulating film 4 is provided on the charge storage film 3 so that the end portion is outside the charge storage film 3. The first gate electrode film 51 and the second gate electrode film 52 formed in a stacked manner are provided on the upper side of the central portion side of the high dielectric constant insulating film 4. The sidewall insulating film 7 is provided on the upper portion of the high dielectric constant insulating film 4 so as to cover the end portions of the first gate electrode film 51 and the second gate electrode film 52.

ゲート絶縁膜2、電荷蓄積膜3、高誘電率絶縁膜4、第1のゲート電極膜51、第2のゲート電極膜52、及び側壁絶縁膜7は、実施例4と同様な形状を有し、半導体記憶装置74にはメモリセルトランジスタのゲート間にN層が設けられていない。 The gate insulating film 2, the charge storage film 3, the high dielectric constant insulating film 4, the first gate electrode film 51, the second gate electrode film 52, and the sidewall insulating film 7 have the same shape as in the fourth embodiment. , N + layer is not provided between the gate of the memory cell transistor in the semiconductor memory device 74.

メモリセルトランジスタMTRの書き込み、読み出し、及び消去動作の時、メモリセルトランジスタのゲートと半導体基板1間、或いはメモリセルトランジスタのゲート間などに高電界が発生し、ワードライン間のフリンジ電界によりメモリセルトランジスタMTRのゲート間のP型シリコンである半導体基板1の表面に反転層31が形成される。   During writing, reading and erasing operations of the memory cell transistor MTR, a high electric field is generated between the gate of the memory cell transistor and the semiconductor substrate 1 or between the gates of the memory cell transistor, and the memory cell is generated by a fringe electric field between word lines. An inversion layer 31 is formed on the surface of the semiconductor substrate 1 which is P-type silicon between the gates of the transistor MTR.

上述したように、本実施例の半導体記憶装置では、半導体基板1の第1主面(表面)にゲート絶縁膜2、電荷蓄積膜3、高誘電率絶縁膜4、第1のゲート電極膜51、及び第2のゲート電極膜52が積層形成される。電荷蓄積膜3は、ゲート絶縁膜2上に設けられる。高誘電率絶縁膜4は、電荷蓄積膜3、第1のゲート電極膜51、及び第2のゲート電極膜52よりも端部が外側に設けられる。メモリセルトランジスタの書き込み及び読み出し動作時では、ワード線WL間のフリンジ電界により、メモリセルトランジスタMTRのゲート間の半導体基板1の表面に反転層31が形成される。   As described above, in the semiconductor memory device of this embodiment, the gate insulating film 2, the charge storage film 3, the high dielectric constant insulating film 4, and the first gate electrode film 51 are formed on the first main surface (front surface) of the semiconductor substrate 1. And the second gate electrode film 52 are stacked. The charge storage film 3 is provided on the gate insulating film 2. The high dielectric constant insulating film 4 is provided on the outer side of the charge storage film 3, the first gate electrode film 51, and the second gate electrode film 52. During the write and read operations of the memory cell transistor, the inversion layer 31 is formed on the surface of the semiconductor substrate 1 between the gates of the memory cell transistor MTR by a fringe electric field between the word lines WL.

このため、ソース或いはドレインとなるN層がなくとも、反転層31がソース或いはドレイン層として機能し、メモリセルトランジスタの書き込み及び読み出し動作を行うことができる。また、ソース或いはドレインとなる拡散層を有するメモリセルトランジスタのハーフピッチが狭くなった場合、ソース或いはドレインとなる拡散層形成用のイオン注入のドーズロスが発生し、メモリセル電流が低下するが、半導体記憶装置74ではメモリセル電流の低下を抑制することができる。また、電荷蓄積膜3にかかる電界を均一化でき、電荷蓄積膜3に不均一に電荷が書き込まれることに起因する電荷蓄積層3内部での電荷移動による、メモリセルトランジスタの閾値電圧(Vth)の変動を大幅に抑制することができる。したがって、メモリセルトランジスタを微細化でき半導体記憶装置74を従来よりも高集積化することができる。 Therefore, the inversion layer 31 functions as a source or drain layer without performing an N + layer serving as a source or a drain, and writing and reading operations of the memory cell transistor can be performed. In addition, when the half pitch of a memory cell transistor having a diffusion layer serving as a source or drain is narrowed, a dose loss of ion implantation for forming a diffusion layer serving as a source or drain occurs and the memory cell current decreases. In the memory device 74, a decrease in memory cell current can be suppressed. Further, the electric field applied to the charge storage film 3 can be made uniform, and the threshold voltage (Vth) of the memory cell transistor due to charge movement inside the charge storage layer 3 caused by non-uniform charge being written to the charge storage film 3. It is possible to greatly suppress fluctuations in Therefore, the memory cell transistor can be miniaturized and the semiconductor memory device 74 can be more highly integrated than in the past.

本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々、変更してもよい。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications may be made without departing from the spirit of the invention.

本発明は、以下の付記に記載されているような構成が考えられる。
(付記1) 半導体基板と、前記半導体基板上にゲート絶縁膜、第1の絶縁膜、第2の絶縁膜、及びゲート電極膜が積層形成されるゲートを有する第1のメモリセルトランジスタと、前記半導体基板上に前記ゲート絶縁膜、前記第1の絶縁膜、前記第2の絶縁膜、及び前記ゲート電極膜が積層形成されるゲートを有し、前記第1のメモリセルトランジスタに隣接配置される第2のメモリセルトランジスタとを具備し、ビット線とソース線の間に第1及び第2のメモリセルトランジスタが縦続接続され、前記メモリセルトランジスタのゲートがワード線に接続され、前記第1の絶縁膜は電荷蓄積膜として用いられ、前記第2の絶縁膜はシリコン酸化膜よりも誘電率が高く、メモリセルの書き込み動作及び読み出し動作のとき、前記第1のメモリセルトランジスタのゲートと前記第2のメモリセルトランジスタのゲートの間の前記半導体基板表面に前記半導体基板とは逆導電型の反転層が形成され、前記反転層により前記第1及び第2のメモリセルトランジスタが動作する半導体記憶装置。
The present invention can be configured as described in the following supplementary notes.
(Supplementary Note 1) A semiconductor substrate, a first memory cell transistor having a gate on which a gate insulating film, a first insulating film, a second insulating film, and a gate electrode film are formed over the semiconductor substrate; A gate on which a gate insulating film, the first insulating film, the second insulating film, and the gate electrode film are stacked is formed on a semiconductor substrate, and is disposed adjacent to the first memory cell transistor. A first memory cell transistor is connected in cascade between the bit line and the source line, the gate of the memory cell transistor is connected to a word line, and the first memory cell transistor is connected to a word line. The insulating film is used as a charge storage film, and the second insulating film has a dielectric constant higher than that of the silicon oxide film, and the first memory cell is used during the write operation and read operation of the memory cell. An inversion layer having a conductivity type opposite to that of the semiconductor substrate is formed on the surface of the semiconductor substrate between the gate of the transistor and the gate of the second memory cell transistor, and the inversion layer forms the first and second memory cells. A semiconductor memory device in which a transistor operates.

(付記2) 前記第2の絶縁膜の端部は、前記第1の絶縁膜及びゲート電極膜よりも外側に設けられる付記1に記載の半導体記憶装置。 (Supplementary note 2) The semiconductor memory device according to supplementary note 1, wherein an end portion of the second insulating film is provided outside the first insulating film and the gate electrode film.

(付記3) 前記第2の絶縁膜は、Al膜、MgO膜、SrO膜、SiN膜、BaO膜、TiO膜、Ta膜、BaTiO膜、BaZrO膜、ZrO膜、HfO膜、Y膜、ZrSiO膜、HfSiO膜、或いはLaAlO膜である高誘電率絶縁膜を含む積層膜であり、前記積層膜は前記第1の絶縁膜側から、SiO膜/前記高誘電率絶縁膜/SiO膜、SiO膜/前記高誘電率絶縁膜、前記高誘電率絶縁膜/SiO膜、或いは前記高誘電率絶縁膜/SiO膜/前記高誘電率絶縁膜である付記1又は2に記載の半導体記憶装置。 (Supplementary Note 3) The second insulating film includes an Al 2 O 3 film, an MgO film, an SrO film, a SiN film, a BaO film, a TiO film, a Ta 2 O 5 film, a BaTiO 3 film, a BaZrO film, a ZrO 2 film, It is a laminated film including a high dielectric constant insulating film which is an HfO 2 film, a Y 2 O 3 film, a ZrSiO film, an HfSiO film, or a LaAlO film, and the laminated film is formed from an SiO 2 film / High dielectric constant insulating film / SiO 2 film, SiO 2 film / high dielectric constant insulating film, high dielectric constant insulating film / SiO 2 film, or high dielectric constant insulating film / SiO 2 film / high dielectric constant insulating The semiconductor memory device according to appendix 1 or 2, which is a film.

(付記4) 前記第1の絶縁膜は、Al膜、MgO膜、SrO膜、BaO膜、TiO膜、Ta膜、BaTiO膜、BaZrO膜、ZrO膜、HfO膜、Y膜、ZrSiO膜、HfSiO膜、或いはLaAlO膜である高誘電率絶縁膜を含む積層膜であり、前記積層膜は前記ゲート絶縁膜側から、SiN膜/前記高誘電率絶縁膜/SiN膜、HfAlO膜/前記高誘電率絶縁膜/SiN膜、SiN膜/前記高誘電率絶縁膜/HfAlO膜、或いはHfAlO膜/前記高誘電率絶縁膜/HfAlO膜である付記1乃至3のいずれかに記載の半導体記憶装置。 (Supplementary Note 4) The first insulating film includes an Al 2 O 3 film, an MgO film, a SrO film, a BaO film, a TiO film, a Ta 2 O 5 film, a BaTiO 3 film, a BaZrO film, a ZrO 2 film, and an HfO 2 film. , Y 2 O 3 film, ZrSiO film, HfSiO film, or LaAlO film, a laminated film including a high dielectric constant insulating film, and the laminated film is formed from the gate insulating film side from the SiN film / the high dielectric constant insulating film. Supplementary notes 1 to 3 are: / SiN film, HfAlO film / high dielectric constant insulating film / SiN film, SiN film / high dielectric constant insulating film / HfAlO film, or HfAlO film / high dielectric constant insulating film / HfAlO film. Any one of the semiconductor memory devices.

(付記5) 前記ゲート絶縁膜は、SiO膜或いはSiO膜を含む積層膜であり、前記積層膜の場合前記半導体基板側から、SiN膜/SiO膜、SiO膜/SiN膜/SiO膜、SiO膜/高誘電率絶縁膜/SiO膜、或いは高誘電率絶縁膜/SiO膜である付記1乃至4のいずれかに記載の半導体記憶装置。 (Supplementary Note 5) The gate insulating film is a SiO 2 film or a laminated film including a SiO 2 film, and in the case of the laminated film, from the semiconductor substrate side, a SiN film / SiO 2 film, a SiO 2 film / SiN film / SiO 2 2 film, a semiconductor memory device according to any one of SiO 2 film / high dielectric constant insulating film / SiO 2 film Supplementary Notes 1 to 4 or a high dielectric constant insulating film / SiO 2 film.

本発明の実施例1に係る半導体記憶装置を示す図、図1(a)は半導体記憶装置を示す回路図、図1(b)は半導体記憶装置を示す平面図。FIG. 1A is a circuit diagram illustrating a semiconductor memory device, and FIG. 1B is a plan view illustrating the semiconductor memory device. 図1(b)のA−A線に沿う半導体記憶装置の断面図。FIG. 2 is a cross-sectional view of the semiconductor memory device taken along line AA in FIG. 本発明の実施例1に係るメモリセルトランジスタのワード線間隔に対するフリンジ電界の関係を示す図、図中実線(a)は高誘電率絶縁膜が台形形状を有する場合の図、図中破線(b)は高誘電率絶縁膜が垂直形状を有する場合の図。The figure which shows the relationship of the fringe electric field with respect to the word line space | interval of the memory cell transistor which concerns on Example 1 of this invention, The solid line (a) in a figure is a figure in case a high dielectric constant insulating film has trapezoid shape, The broken line (b) in a figure ) Is a diagram when the high dielectric constant insulating film has a vertical shape. 本発明の実施例1に係る半導体記憶装置の書き込み動作を説明する図、図4(a)はメモリセルブロックを示す図、図4(b)は書き込み動作条件を示す図。FIGS. 4A and 4B illustrate a write operation of the semiconductor memory device according to the first embodiment of the invention, FIG. 4A illustrates a memory cell block, and FIG. 4B illustrates a write operation condition. 本発明の実施例1に係る半導体記憶装置の読み出し動作を説明する図、図5(a)はメモリセルブロックを示す図、図5(b)は読み出し動作条件を示す図。FIG. 5A is a diagram illustrating a read operation of the semiconductor memory device according to the first embodiment of the invention, FIG. 5A is a diagram illustrating a memory cell block, and FIG. 5B is a diagram illustrating a read operation condition. 本発明の実施例1に係る半導体記憶装置の消去動作を説明する図、図6(a)はメモリセルブロックを示す図、図6(b)は消去動作条件を示す図。6A and 6B are diagrams for explaining an erasing operation of the semiconductor memory device according to the first embodiment of the invention, FIG. 6A is a diagram showing a memory cell block, and FIG. 6B is a diagram showing an erasing operation condition. 本発明の実施例1に係る半導体記憶装置の製造工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the manufacturing process of the semiconductor memory device based on Example 1 of this invention. 本発明の実施例1に係る半導体記憶装置の製造工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the manufacturing process of the semiconductor memory device based on Example 1 of this invention. 本発明の実施例1に係る半導体記憶装置の製造工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the manufacturing process of the semiconductor memory device based on Example 1 of this invention. 本発明の実施例1に係るゲート側面に空隙が発生した半導体記憶装置を示す断面図。1 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor memory device in which a gap is generated on a gate side surface according to Embodiment 1 of the present invention. 本発明の実施例2に係る半導体記憶装置を示す断面図。Sectional drawing which shows the semiconductor memory device based on Example 2 of this invention. 本発明の実施例2に係る半導体記憶装置の製造工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the manufacturing process of the semiconductor memory device based on Example 2 of this invention. 本発明の実施例3に係る半導体記憶装置を示す断面図。Sectional drawing which shows the semiconductor memory device based on Example 3 of this invention. 本発明の実施例4に係る半導体記憶装置を示す断面図。Sectional drawing which shows the semiconductor memory device based on Example 4 of this invention. 本発明の実施例4に係る半導体記憶装置の製造工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the manufacturing process of the semiconductor memory device based on Example 4 of this invention. 本発明の実施例4に係る半導体記憶装置の製造工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the manufacturing process of the semiconductor memory device based on Example 4 of this invention. 本発明の実施例4に係る半導体記憶装置の製造工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the manufacturing process of the semiconductor memory device based on Example 4 of this invention. 本発明の実施例4に係る半導体記憶装置の製造工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the manufacturing process of the semiconductor memory device based on Example 4 of this invention. 本発明の実施例4に係る半導体記憶装置の製造工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the manufacturing process of the semiconductor memory device based on Example 4 of this invention. 本発明の実施例5に係る半導体記憶装置を示す断面図。Sectional drawing which shows the semiconductor memory device based on Example 5 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 半導体基板
2 ゲート絶縁膜
3 電荷蓄積膜
4 高誘電率絶縁膜
5 ゲート電極膜
6 絶縁膜
7 側壁絶縁膜
8 層間絶縁膜
21 レジスト膜
22 N
31 反転層
41 空隙
51 第1のゲート電極膜
52 第2のゲート電極膜
53 レジスト膜
70〜74 半導体記憶装置
BL1〜3 ビット線
BLC ビット線コンタクト
DC 電荷蓄積膜長
HK 高誘電率絶縁膜長
MTR メモリセルトランジスタ
SDG、SGS 制御線
SL ソース線
SLC ソース線コンタクト
Vbl プリチャージ電圧
Vdd 高電位側電源電圧
Vm 中間電圧
Vpgm 書き込み電圧
Vread パス電圧
Vsg1、Vsg2 制御電圧
WL1〜4、WL ワード線
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor substrate 2 Gate insulating film 3 Charge storage film 4 High dielectric constant insulating film 5 Gate electrode film 6 Insulating film 7 Side wall insulating film 8 Interlayer insulating film 21 Resist film 22 N + layer 31 Inversion layer 41 Void 51 First gate electrode Film 52 Second gate electrode film 53 Resist film 70 to 74 Semiconductor memory device BL1 to 3 Bit line BLC Bit line contact L DC charge storage film length L HK high dielectric constant insulating film length MTR Memory cell transistor SDG, SGS Control line SL source line SLC source line contact Vbl precharge voltage Vdd high-potential-side power supply voltage Vm intermediate voltage Vpgm write voltage Vread pass voltage Vsg1, Vsg2 control voltage WL 1 to 4, WL n word lines

Claims (5)

半導体基板と、
前記半導体基板上にゲート絶縁膜、第1の絶縁膜、第2の絶縁膜、及びゲート電極膜が積層形成されるゲートを有する第1のメモリセルトランジスタと、
前記半導体基板上に前記ゲート絶縁膜、前記第1の絶縁膜、前記第2の絶縁膜、及び前記ゲート電極膜が積層形成されるゲートを有し、前記第1のメモリセルトランジスタに隣接配置される第2のメモリセルトランジスタと、
を具備し、前記第1の絶縁膜は電荷蓄積膜として用いられ、前記第2の絶縁膜はシリコン酸化膜よりも誘電率が高く、メモリセルの書き込み動作及び読み出し動作のとき、前記第1のメモリセルトランジスタのゲートと前記第2のメモリセルトランジスタのゲートの間の前記半導体基板表面に前記半導体基板とは逆導電型の反転層が形成されることを特徴とする半導体記憶装置。
A semiconductor substrate;
A first memory cell transistor having a gate in which a gate insulating film, a first insulating film, a second insulating film, and a gate electrode film are stacked on the semiconductor substrate;
The gate insulating film, the first insulating film, the second insulating film, and the gate electrode film are stacked on the semiconductor substrate, and are disposed adjacent to the first memory cell transistor. A second memory cell transistor,
The first insulating film is used as a charge storage film, the second insulating film has a dielectric constant higher than that of the silicon oxide film, and the first insulating film is used for the memory cell write operation and read operation. An inversion layer having a conductivity type opposite to that of the semiconductor substrate is formed on a surface of the semiconductor substrate between a gate of the memory cell transistor and a gate of the second memory cell transistor.
前記第1の絶縁膜の端部は、前記第2の絶縁膜よりも内側に設けられることを特徴とする請求項1に記載の半導体記憶装置。   The semiconductor memory device according to claim 1, wherein an end portion of the first insulating film is provided on an inner side than the second insulating film. 半導体基板と、
前記半導体基板上にゲート絶縁膜、第1の絶縁膜、第2の絶縁膜、及びゲート電極膜が積層形成されるゲートを有する第1のメモリセルトランジスタと、
前記半導体基板上に前記ゲート絶縁膜、前記第1の絶縁膜、前記第2の絶縁膜、及び前記ゲート電極膜が積層形成されるゲートを有し、前記第1のメモリセルトランジスタに隣接配置される第2のメモリセルトランジスタと、
前記第1のメモリセルトランジスタのゲートと前記第2のメモリセルトランジスタのゲートの間の前記半導体基板表面に形成される前記半導体基板とは逆導電型の半導体層と、
を具備し、前記第1の絶縁膜は電荷蓄積膜として用いられ、前記第2の絶縁膜はシリコン酸化膜よりも誘電率が高く、前記第2の絶縁膜は底部が上部よりも幅が広く、前記第1の絶縁膜は、前記第2の絶縁膜の底部端よりも内側に設けられ、メモリセルの書き込み動作及び読み出し動作のとき、前記第1のメモリセルトランジスタのゲートと前記第2のメモリセルトランジスタのゲートの間の前記第1の絶縁膜が存在する部分と、前記半導体基板とは逆導電型の半導体層間の前記半導体基板表面に、前記半導体基板とは逆の反転層が形成され、前記反転層と前記半導体基板とは逆導電型の半導体層が連結することを特徴とする半導体記憶装置。
A semiconductor substrate;
A first memory cell transistor having a gate in which a gate insulating film, a first insulating film, a second insulating film, and a gate electrode film are stacked on the semiconductor substrate;
The gate insulating film, the first insulating film, the second insulating film, and the gate electrode film are stacked on the semiconductor substrate, and are disposed adjacent to the first memory cell transistor. A second memory cell transistor,
A semiconductor layer having a conductivity type opposite to that of the semiconductor substrate formed on the surface of the semiconductor substrate between a gate of the first memory cell transistor and a gate of the second memory cell transistor;
The first insulating film is used as a charge storage film, the second insulating film has a higher dielectric constant than the silicon oxide film, and the bottom of the second insulating film is wider than the top. The first insulating film is provided on the inner side of the bottom end of the second insulating film, and the gate of the first memory cell transistor and the second memory cell during the write operation and read operation of the memory cell. An inversion layer opposite to the semiconductor substrate is formed on the surface of the semiconductor substrate between the portion of the first insulating film between the gates of the memory cell transistor and the semiconductor layer having a conductivity type opposite to that of the semiconductor substrate. A semiconductor memory device, wherein the inversion layer and the semiconductor substrate are connected by a semiconductor layer having a reverse conductivity type.
半導体基板と、
前記半導体基板上にゲート絶縁膜、第1の絶縁膜、第2の絶縁膜、及びゲート電極膜が積層形成されるゲートを有する第1のメモリセルトランジスタと、
前記半導体基板上に前記ゲート絶縁膜、前記第1の絶縁膜、前記第2の絶縁膜、及び前記ゲート電極膜が積層形成されるゲートを有し、前記第1のメモリセルトランジスタに隣接配置される第2のメモリセルトランジスタと、
前記半導体基板上部から下部へ垂直方向にみて、前記第1のメモリセルトランジスタと前記第2のメモリセルトランジスタとの間において前記第1の絶縁膜にオーバーラップするように、前記半導体基板表面に設けられる前記半導体基板とは逆導電型の半導体層と、
を具備し、前記第1の絶縁膜は電荷蓄積膜として用いられ、前記第2の絶縁膜はシリコン酸化膜よりも誘電率が高く、前記第1の絶縁膜及びゲート電極膜よりも端部が外側に設けられることを特徴とする半導体記憶装置。
A semiconductor substrate;
A first memory cell transistor having a gate in which a gate insulating film, a first insulating film, a second insulating film, and a gate electrode film are stacked on the semiconductor substrate;
The gate insulating film, the first insulating film, the second insulating film, and the gate electrode film are stacked on the semiconductor substrate, and are disposed adjacent to the first memory cell transistor. A second memory cell transistor,
Provided on the surface of the semiconductor substrate so as to overlap the first insulating film between the first memory cell transistor and the second memory cell transistor when viewed from the top to the bottom of the semiconductor substrate. A semiconductor layer having a conductivity type opposite to that of the semiconductor substrate,
The first insulating film is used as a charge storage film, the second insulating film has a higher dielectric constant than the silicon oxide film, and has an end portion that is more than the first insulating film and the gate electrode film. A semiconductor memory device which is provided outside.
前記第2の絶縁膜は、Al膜、MgO膜、SrO膜、SiN膜、BaO膜、TiO膜、Ta膜、BaTiO膜、BaZrO膜、ZrO膜、HfO膜、Y膜、ZrSiO膜、HfSiO膜、或いはLaAlO膜であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の半導体記憶装置。 The second insulating film is an Al 2 O 3 film, MgO film, SrO film, SiN film, BaO film, TiO film, Ta 2 O 5 film, BaTiO 3 film, BaZrO film, ZrO 2 film, HfO 2 film, 5. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the semiconductor memory device is a Y 2 O 3 film, a ZrSiO film, a HfSiO film, or a LaAlO film.
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