JP2011096772A - Semiconductor device, and method of manufacturing the same - Google Patents

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Itaru Yanagi
至 柳
Takeshi Arikane
有金  剛
Masaru Hisamoto
大 久本
Toshiya Uenishi
俊哉 植西
Daisuke Okada
大介 岡田
Atsushi Yoshitomi
敦司 吉冨
Yasushi Morimoto
康史 森本
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve performance of a semiconductor device having a nonvolatile memory. <P>SOLUTION: The semiconductor device includes the nonvolatile memory NVM1 arranged on a silicon substrate 1. The nonvolatile memory NVM1 includes a memory gate insulating film MI1 and a memory gate electrode MG1 formed sequentially on the silicon substrate 1. The memory gate insulating film MI1 is formed of three-layer laminated insulating film of a lower barrier film BB1 mainly containing silicon oxide, a charge retention film CS1 mainly containing silicon nitride, and an upper barrier film TB1 mainly containing silicon oxynitride. Especially a ratio of the silicon oxide out of the silicon oxynitride in the upper barrier film TB1 is higher than 0.46 and is lower than 0.92. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、特に、不揮発性メモリを有する半導体装置に適用して有効な技術に関するものである。   The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a technique effective when applied to a semiconductor device having a nonvolatile memory.

半導体素子を集積したLSI(Large Scale Integrated Circuit)は、様々なシステムの制御に用いられており、社会を支えるインフラストラクチャとなっている。LSIの動作は、プログラムに従って演算処理を行うことを基本としているため、多くの場合、プログラムを格納できることが必須の条件となっている。そのための半導体素子として、MIS(Metal-Insulator-Semiconductor)構造の電界効果トランジスタ(以下、単にMISトランジスタ)で構成される集積回路と、半導体メモリの一つである不揮発性メモリとを混載したLSIが重要になってきている。LSIを様々な応用に用いるには、プログラムを組みかえることで対応させることが求められるため、書き換えが可能で、かつ、半導体装置の電源を切っても記憶情報が残る不揮発性メモリを搭載することが望まれている。   LSI (Large Scale Integrated Circuit) integrated with semiconductor elements is used to control various systems, and is an infrastructure that supports society. Since the operation of an LSI is based on performing arithmetic processing according to a program, in many cases, it is an essential condition that the program can be stored. As a semiconductor element for this purpose, there is an LSI in which an integrated circuit composed of a field effect transistor (hereinafter simply referred to as MIS transistor) having a MIS (Metal-Insulator-Semiconductor) structure and a non-volatile memory which is one of semiconductor memories. It is becoming important. In order to use LSI for various applications, it is necessary to change the program so that it can be rewritten, and a nonvolatile memory that can be rewritten and that retains stored information even when the semiconductor device is turned off is installed. Is desired.

代表的な不揮発性メモリとして、所謂フローティングゲート型メモリや、絶縁膜を電荷蓄積層として用いたメモリなどがある。後者のうち、絶縁膜を積層し、それらの界面や膜中の電荷捕獲準位(トラップ)等に電荷を蓄積するタイプの不揮発性メモリは、フローティング型メモリのように新たな導電層を形成する必要が無い。この利点から、既存のCMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)構成を基本とした集積回路を形成するプロセスと整合性良く、不揮発性メモリを形成できる。   As a typical nonvolatile memory, there are a so-called floating gate type memory and a memory using an insulating film as a charge storage layer. Among the latter, non-volatile memories of the type in which insulating films are stacked and charges are accumulated at their interfaces and charge trap levels (traps) in the films form a new conductive layer like floating type memories. There is no need. From this advantage, a nonvolatile memory can be formed with good consistency with a process of forming an integrated circuit based on an existing complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) configuration.

上記のように電荷蓄積層となり得る絶縁膜としては、電荷の保持特性と書き換え特性とを両立できることから、窒化シリコン膜の上下を酸化シリコン膜で挟んだ積層膜が適用される。このような、窒化シリコン膜を酸化シリコン膜で挟んだ積層絶縁膜を備えた不揮発性メモリは、MONOS(Metal-Oxide-Nitride-Oxide-Semiconductor)型メモリと呼ばれている。   As the insulating film that can be a charge storage layer as described above, a stacked film in which the upper and lower sides of the silicon nitride film are sandwiched between the silicon oxide films is applied because both charge retention characteristics and rewrite characteristics can be achieved. Such a nonvolatile memory including a laminated insulating film in which a silicon nitride film is sandwiched between silicon oxide films is called a MONOS (Metal-Oxide-Nitride-Oxide-Semiconductor) type memory.

MONOS型メモリの代表例として、メモリトランジスタと選択トランジスタとを直列に接続した2トランジスタセルがある。メモリトランジスタは、チャネルとゲート電極間に電位差を与える(バイアスする)ことで発生するF−N(Fowler-Nordheim)トンネル電流および直接トンネル電流を用い、チャネル全面で電荷の注入・放出を行わせるようになっている。   A typical example of the MONOS type memory is a two-transistor cell in which a memory transistor and a selection transistor are connected in series. The memory transistor uses an FN (Fowler-Nordheim) tunnel current and a direct tunnel current generated by applying (biasing) a potential difference between the channel and the gate electrode, so that charge is injected and released over the entire surface of the channel. It has become.

このような不揮発性メモリには、高速での情報書き換えのために良好な電荷の注入・放出性能が望まれる一方で、情報保持のために十分な電荷保持特性が要求される。このような要求が、種々の課題をもたらす一原因となっている。より具体的には、例えば電荷保持特性を確保するために積層絶縁膜を厚くすると、書き込み・消去のための電荷注入が困難となり、書き込み・消去動作の時間が実用範囲を超えてしまう。   Such a non-volatile memory is required to have good charge injection / discharge performance for information rewriting at high speed, while being required to have sufficient charge retention characteristics for information retention. Such a request is one cause of various problems. More specifically, for example, if the laminated insulating film is made thick in order to ensure charge retention characteristics, it becomes difficult to inject charges for writing / erasing, and the time for writing / erasing operations exceeds the practical range.

これに対し、例えば、米国特許第6215148号(特許文献1)には、電荷を放出する代わりに、異なる符号を持った2種類の電荷(電子および正孔(ホールともいう))をホットキャリアとして注入することで、記憶情報の書き換えを行う技術が開示されている。ホットキャリア注入を行うことにより、厚い絶縁膜であっても電荷の注入を効率的に行うことができる。この方式によれば、電子と正孔とを局所的に交互に注入することができる。従って、プレーナ型MOSトランジスタのチャネル方向の端部、即ちソースおよびドレイン近傍にそれぞれ別の電荷注入状態を作り、電荷情報として読み出すことが可能になる。   On the other hand, for example, in US Pat. No. 6,215,148 (Patent Document 1), instead of releasing charges, two kinds of charges (electrons and holes (also referred to as holes)) having different signs are used as hot carriers. A technique for rewriting stored information by injection is disclosed. By performing hot carrier injection, charge injection can be performed efficiently even with a thick insulating film. According to this method, electrons and holes can be locally and alternately injected. Therefore, it is possible to create different charge injection states at the ends of the planar MOS transistor in the channel direction, that is, in the vicinity of the source and drain, and read out the charge information.

また、例えば、米国特許第5969383号(特許文献2)や米国特許第6477084号(特許文献3)には、MONOS型メモリの他の例として、スプリットゲート構造と呼ばれる不揮発性メモリが開示されている。   Further, for example, US Pat. No. 5,969,383 (Patent Document 2) and US Pat. No. 6,477,084 (Patent Document 3) disclose a nonvolatile memory called a split gate structure as another example of the MONOS type memory. .

また、例えば、特開2005−347679号公報(特許文献4)には、MONOS型メモリを形成する過程において、水素を含まないオゾン酸化を用いてトップのシリコン酸化膜を形成する技術が開示されている。   Also, for example, Japanese Patent Laying-Open No. 2005-347679 (Patent Document 4) discloses a technique for forming a top silicon oxide film using ozone oxidation not containing hydrogen in the process of forming a MONOS type memory. Yes.

また、例えば、特開2008−270343号公報(特許文献5)には、電荷蓄積膜として酸窒化シリコン膜を用いた構造を有する不揮発性半導体記憶装置が開示されている。   Further, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-270343 (Patent Document 5) discloses a nonvolatile semiconductor memory device having a structure using a silicon oxynitride film as a charge storage film.

また、例えば、「アイ・イー・イー・イー エレクトロン デバイス レターズ(IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS)」VOL.29, ISSUE8, pp.920-922, 2008(非特許文献1)では、電荷トラップ能力を維持し得る窒化シリコン膜の条件に言及している。   Further, for example, in “IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS” VOL.29, ISSUE8, pp.920-922, 2008 (Non-Patent Document 1), the charge trapping capability can be maintained. Reference is made to the conditions of the silicon nitride film.

米国特許第6215148号US Pat. No. 6,215,148 米国特許第5969383号US Pat. No. 5,969,383 米国特許第6477084号US Pat. No. 6,477,084 特開2005−347679号公報JP 2005-347679 A 特開2008−270343号公報JP 2008-270343 A

「アイ・イー・イー・イー エレクトロン デバイス レターズ(IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS)」VOL.29, ISSUE8, pp.920-922, 2008"IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS" VOL.29, ISSUE8, pp.920-922, 2008

本発明者らが検討したホットキャリア方式によるMONOS型メモリにおいては、基本的には、MISトランジスタの構造が適用されている。より具体的には、本発明者らが検討したMONOS型メモリは、通常のMISトランジスタにおいてゲート絶縁膜として用いられる酸化シリコン膜を、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化シリコン膜の3層絶縁膜に置き換え、この積層絶縁膜の部分を電荷蓄積層として有している。また、メモリアレイの構成法としては、ソース・ドレインを厚い素子分離酸化膜下に形成した構造や、ソース・ドレインをゲート電極の延在方向にライン状に形成して配線として用いる構造などが考えられている。いずれのメモリアレイにおいても、1つのメモリセルに着目すると、多くの場合、基本的なメモリセル動作は同様である。   In the MONOS type memory by the hot carrier system examined by the present inventors, the structure of the MIS transistor is basically applied. More specifically, in the MONOS type memory investigated by the present inventors, a silicon oxide film used as a gate insulating film in a normal MIS transistor is a three-layer insulating film of a silicon oxide film, a silicon nitride film, and a silicon oxide film. The stacked insulating film portion is used as a charge storage layer. In addition, as a configuration method of the memory array, a structure in which the source / drain is formed under a thick element isolation oxide film, a structure in which the source / drain is formed in a line shape in the extending direction of the gate electrode, and the like are considered. It has been. In any memory array, when attention is paid to one memory cell, in many cases, the basic memory cell operation is the same.

ここで、ホットキャリアを用いたキャリア注入方式であれば、シリコン基板と電荷保持膜である窒化シリコン膜との間にある絶縁膜(酸化シリコン膜)が厚くても、注入を効率良く行うことができる。これは、ホットキャリアのエネルギーが、シリコンのバンド端上から測った絶縁膜のバリアポテンシャルの大きさに匹敵する程度のエネルギーを持つためである。従って、MONOS型メモリにおいてホットキャリアの注入方式を採用することで、良好な電荷保持特性と、高効率の書き換え特性とを両立した不揮発性メモリを実現することができる。   Here, in the case of a carrier injection method using hot carriers, even if the insulating film (silicon oxide film) between the silicon substrate and the silicon nitride film as the charge holding film is thick, the injection can be performed efficiently. it can. This is because the hot carrier energy has energy comparable to the magnitude of the barrier potential of the insulating film measured from above the band edge of silicon. Therefore, by adopting the hot carrier injection method in the MONOS type memory, it is possible to realize a nonvolatile memory that achieves both good charge retention characteristics and high-efficiency rewriting characteristics.

しかしながら、本発明者らの更なる検討により、ホットキャリアを用いたキャリア注入方式を採用したMONOS型メモリにおいて、以下のような課題を有することが明らかになった。即ち、閾値電圧の変動やばらつきが生じることが分かった。本発明者らの検証によれば、当該MONOS型メモリにおいては、電荷保持膜に対して高エネルギー状態のホットキャリアを基板側から絶縁膜を介して注入することで、基板と絶縁膜との界面に多数の欠陥を生じさせることが分かった。   However, further studies by the present inventors have revealed that the MONOS type memory employing the carrier injection method using hot carriers has the following problems. That is, it has been found that the threshold voltage varies and varies. According to the verification by the present inventors, in the MONOS type memory, hot carriers in a high energy state are injected into the charge retention film from the substrate side through the insulating film, so that the interface between the substrate and the insulating film is obtained. Has been found to cause a number of defects.

そして、このような界面欠陥にキャリアが捕獲(トラップ)され、閾値電圧のばらつきを生じさせる一原因となる。そして、界面に形成された欠陥準位(界面準位)は時間と共に回復するため、メモリトランジスタのS値(サブスレッショルドスイング値)は、書き込みおよび消去動作の直後の状態から徐々に小さくなり、大きな閾値変動を引き起こす一原因となる。   Then, carriers are trapped (trapped) by such interface defects, which causes a variation in threshold voltage. Since the defect level (interface level) formed at the interface recovers with time, the S value (subthreshold swing value) of the memory transistor gradually decreases from the state immediately after the writing and erasing operations, and is large. One cause of threshold fluctuation.

特に、チャネル直上のゲート絶縁膜である酸化シリコン膜のシリコンに対するバンドオフセットは、電子に対してよりも正孔に対しての方が高いことから、ホットホールの注入にはより高いエネルギーを要する。このような理由から、チャネルと絶縁膜との界面に生じる欠陥は、ホットホール注入の際により顕著になる。   In particular, since the band offset of silicon oxide film, which is a gate insulating film directly above the channel, with respect to silicon is higher with respect to holes than with electrons, higher energy is required for hot hole injection. For this reason, defects generated at the interface between the channel and the insulating film become more prominent during hot hole injection.

以上のように、本発明者らが検討したホットキャリア注入方式によるMONOS型メモリは閾値電圧のばらつきや時間変動を生じるため、このようなMONOS型メモリを搭載したLSIの高性能化を実現できないという課題を有することが分かった。   As described above, since the MONOS type memory by the hot carrier injection method examined by the present inventors causes variations in threshold voltage and time fluctuation, it is impossible to realize high performance of an LSI equipped with such a MONOS type memory. It turns out that it has a problem.

そこで、本発明の目的は、不揮発性メモリを有する半導体装置の性能を向上させる技術を提供することにある。   Therefore, an object of the present invention is to provide a technique for improving the performance of a semiconductor device having a nonvolatile memory.

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。   The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.

本願においては複数の発明が開示されるが、そのうちの一実施例の概要を簡単に説明すれば以下の通りである。   A plurality of inventions are disclosed in the present application. An outline of an embodiment of the invention will be briefly described as follows.

半導体基板上に配置された不揮発性メモリを有する半導体装置であって、不揮発性メモリは、半導体基板上に形成された第1ゲート絶縁膜と、第1ゲート絶縁膜上に形成された第1ゲート電極とを有する。この第1ゲート絶縁膜は、前記半導体基板に近い方から順に、第1バリア膜、電荷保持膜、および、第2バリア膜の3層からなる積層膜によって構成されている。また、第1バリア膜は酸化シリコンを主体とする絶縁膜、電荷保持膜は窒化シリコンを主体とする絶縁膜、第2バリア膜は酸窒化シリコン主体とする絶縁膜である。特に、第2バリア膜において、酸窒化シリコンのうちの酸化シリコンの割合は0.46より大きく、かつ、0.92以下である。   A semiconductor device having a nonvolatile memory disposed on a semiconductor substrate, wherein the nonvolatile memory includes a first gate insulating film formed on the semiconductor substrate and a first gate formed on the first gate insulating film. Electrode. The first gate insulating film is composed of a laminated film including three layers of a first barrier film, a charge holding film, and a second barrier film in order from the side closer to the semiconductor substrate. The first barrier film is an insulating film mainly composed of silicon oxide, the charge retention film is an insulating film mainly composed of silicon nitride, and the second barrier film is an insulating film mainly composed of silicon oxynitride. In particular, in the second barrier film, the ratio of silicon oxide in silicon oxynitride is greater than 0.46 and not greater than 0.92.

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。   Among the inventions disclosed in the present application, effects obtained by typical ones will be briefly described as follows.

即ち、不揮発性メモリを有する半導体装置の性能を向上させることができる。   That is, the performance of a semiconductor device having a nonvolatile memory can be improved.

本発明の実施の形態1である半導体装置の要部断面図であって、左から、図2の要部平面図のA1−A1線、B1−B1線、および、C1−C1線に沿って矢印方向に見た要部断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of main parts of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, from the left along the A1-A1 line, the B1-B1 line, and the C1-C1 line of the main part plan view of FIG. It is principal part sectional drawing seen in the arrow direction. 本発明の実施の形態1である半導体装置の要部平面図である。1 is a main part plan view of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention; 本発明の実施の形態1の半導体装置の動作を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating operation | movement of the semiconductor device of Embodiment 1 of this invention. 図3を用いて説明した動作と同様の動作を説明するための他の説明図である。FIG. 4 is another explanatory diagram for explaining the same operation as that described with reference to FIG. 3. 本発明の実施の形態1の半導体装置の他の動作を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating other operation | movement of the semiconductor device of Embodiment 1 of this invention. 図5を用いて説明した動作と同様の動作を説明するための他の説明図である。FIG. 6 is another explanatory diagram for explaining an operation similar to the operation described with reference to FIG. 5. 本発明の実施の形態1の半導体装置の特性を説明するためのグラフ図である。It is a graph for demonstrating the characteristic of the semiconductor device of Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1の半導体装置の他の特性を説明するためのグラフ図である。It is a graph for demonstrating the other characteristic of the semiconductor device of Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1の半導体装置の更に他の特性を説明するためのグラフ図である。It is a graph for demonstrating the further another characteristic of the semiconductor device of Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1である半導体装置の製造工程中における要部断面図であって、左から、図2の要部平面図のA1−A1線、B1−B1線、および、C1−C1線に該当する箇所に沿って矢印方向に見た要部断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of main parts during the manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, from the left, A1-A1 line, B1-B1 line, and C1-C1 of the main part plan view of FIG. It is principal part sectional drawing seen in the arrow direction along the location applicable to a line. 図10に続く半導体装置の製造工程中における要部断面図である。FIG. 11 is an essential part cross sectional view of the semiconductor device during a manufacturing step following FIG. 10; 図11に続く半導体装置の製造工程中における要部断面図である。FIG. 12 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device during a manufacturing step following that of FIG. 11; 図12に続く半導体装置の製造工程中における要部断面図である。FIG. 13 is an essential part cross sectional view of the semiconductor device during a manufacturing step following FIG. 12; 図13に続く半導体装置の製造工程中における要部断面図である。FIG. 14 is an essential part cross sectional view of the semiconductor device during a manufacturing step following FIG. 13; 図14に続く半導体装置の製造工程中における要部断面図である。FIG. 15 is an essential part cross sectional view of the semiconductor device during a manufacturing step following FIG. 14; 図15に続く半導体装置の製造工程中における要部断面図である。FIG. 16 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device during a manufacturing step following that of FIG. 15; 図16に続く半導体装置の製造工程中における要部断面図である。FIG. 17 is an essential part cross sectional view of the semiconductor device during a manufacturing step following FIG. 16; 図17に続く半導体装置の製造工程中における要部断面図である。FIG. 18 is an essential part cross sectional view of the semiconductor device during a manufacturing step following FIG. 17; 図18に続く半導体装置の製造工程中における要部断面図である。FIG. 19 is an essential part cross sectional view of the semiconductor device during a manufacturing step following FIG. 18; 図19に続く半導体装置の製造工程中における要部断面図である。FIG. 20 is an essential part cross sectional view of the semiconductor device during a manufacturing step following FIG. 19; 図20に続く半導体装置の製造工程中における要部断面図である。FIG. 21 is an essential part cross sectional view of the semiconductor device during a manufacturing step following FIG. 20; 本発明の実施の形態1の半導体装置の更に他の特性を説明するためのグラフ図である。It is a graph for demonstrating the further another characteristic of the semiconductor device of Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態2である半導体装置の要部断面図であって、左から、図2の要部平面図のA1−A1線、B1−B1線、および、C1−C1線に沿って矢印方向に見た要部断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of main parts of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention, from the left along the A1-A1 line, B1-B1 line, and C1-C1 line of the main part plan view of FIG. It is principal part sectional drawing seen in the arrow direction. 本発明の実施の形態2である半導体装置の製造工程中における要部断面図であって、左から、図2の要部平面図のA1−A1線、B1−B1線、および、C1−C1線に該当する箇所に沿って矢印方向に見た要部断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of main parts during a manufacturing process of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention, from the left, A1-A1 line, B1-B1 line, and C1-C1 of the main part plan view of FIG. It is principal part sectional drawing seen in the arrow direction along the location applicable to a line. 図24に続く半導体装置の製造工程中における要部断面図である。FIG. 25 is an essential part cross sectional view of the semiconductor device during a manufacturing step following FIG. 24; 図25に続く半導体装置の製造工程中における要部断面図である。FIG. 26 is an essential part cross sectional view of the semiconductor device during a manufacturing step following FIG. 25; 本発明の実施の形態2の半導体装置の特性を説明するためのグラフ図である。It is a graph for demonstrating the characteristic of the semiconductor device of Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態3である半導体装置の要部断面図であって、それぞれ、左は図29の要部平面図のA2−A2線、右は図29の要部平面図のB2−B2線に沿って矢印方向に見た要部断面図である。29 is a cross-sectional view of a main part of the semiconductor device according to the third embodiment of the present invention, the left is the A2-A2 line of the main part plan view of FIG. 29, and the right is B2-B2 of the main part plan view of FIG. It is principal part sectional drawing seen in the arrow direction along the line. 本発明の実施の形態3である半導体装置の要部平面図である。It is a principal part top view of the semiconductor device which is Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施の形態3である半導体装置の製造工程中における要部断面図であって、それぞれ、左は図29の要部平面図のA2−A2線、右は図29の要部平面図のB2−B2線に該当する箇所に沿って矢印方向に見た要部断面図である。29 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device according to the third embodiment of the present invention during the manufacturing process, wherein the left side is the A2-A2 line of the major part plan view of FIG. 29 and the right is the major part plan view of FIG. It is principal part sectional drawing seen in the arrow direction along the location applicable to line B2-B2. 図30に続く半導体装置の製造工程中における要部断面図である。FIG. 31 is an essential part cross sectional view of the semiconductor device during a manufacturing step following FIG. 30; 図31に続く半導体装置の製造工程中における要部断面図である。FIG. 32 is an essential part cross sectional view of the semiconductor device during a manufacturing step following FIG. 31; 図32に続く半導体装置の製造工程中における要部断面図である。FIG. 33 is an essential part cross sectional view of the semiconductor device during a manufacturing step following FIG. 32; 図33に続く半導体装置の製造工程中における要部断面図である。FIG. 34 is an essential part cross sectional view of the semiconductor device during a manufacturing step following FIG. 33; 図34に続く半導体装置の製造工程中における要部断面図である。FIG. 35 is an essential part cross sectional view of the semiconductor device during a manufacturing step following FIG. 34; 図35に続く半導体装置の製造工程中における要部断面図である。FIG. 36 is an essential part cross sectional view of the semiconductor device during a manufacturing step following FIG. 35; 図36に続く半導体装置の製造工程中における要部断面図である。FIG. 37 is an essential part cross sectional view of the semiconductor device during a manufacturing step following FIG. 36; 図37に続く半導体装置の製造工程中における要部断面図である。FIG. 38 is an essential part cross sectional view of the semiconductor device during a manufacturing step following FIG. 37; 図38に続く半導体装置の製造工程中における要部断面図である。FIG. 39 is an essential part cross sectional view of the semiconductor device during a manufacturing step following FIG. 38; 本発明者らが検討した半導体装置の要部平面図である。It is a principal part top view of the semiconductor device which the present inventors examined. 図40に示す半導体装置のAx−Ax線に沿って矢印方向に見た要部断面図である。41 is a main-portion cross-sectional view of the semiconductor device shown in FIG. 40, taken along the line Ax-Ax in the arrow direction. FIG. 本発明者らが検討した半導体装置の動作を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating operation | movement of the semiconductor device which the present inventors examined. 本発明者らが検討した半導体装置の他の動作を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating other operation | movement of the semiconductor device which the present inventors examined. 本発明者らが検討した半導体装置の更に他の動作を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating other operation | movement of the semiconductor device which the present inventors examined. 本発明者らが検討した半導体装置の更に他の動作を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating other operation | movement of the semiconductor device which the present inventors examined. 本発明者らが検討した他の半導体装置の要部平面図である。It is a principal part top view of the other semiconductor device which the present inventors examined. 図46に示す半導体装置のAy−Ay線に沿って矢印方向に見た要部断面図である。FIG. 47 is a main-portion cross-sectional view of the semiconductor device shown in FIG. 本発明者らが検討した他の半導体装置であって、図46に示した半導体装置の等価回路図である。FIG. 47 is another equivalent circuit diagram of the semiconductor device shown in FIG. 46, which is another semiconductor device studied by the present inventors. 本発明者らが検討した他の半導体装置であって、図46に示した半導体装置の他の等価回路図である。46 is another semiconductor device investigated by the present inventors, and is another equivalent circuit diagram of the semiconductor device shown in FIG. 46. FIG. 本発明者らが検討した他の半導体装置の動作を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating operation | movement of the other semiconductor device which the present inventors examined. 本発明者らが検討した他の半導体装置の他の動作を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating other operation | movement of the other semiconductor device which the present inventors examined. 本発明者らが検討した他の半導体装置の特性を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the characteristic of the other semiconductor device which the present inventors examined.

本実施の形態を説明するための全図において同一機能を有するものは同一の符号を付すようにし、その繰り返しの説明は可能な限り省略するようにしている。以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。   Components having the same function are denoted by the same reference symbols throughout the drawings for describing the embodiments, and the repetitive description thereof is omitted as much as possible. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

(実施の形態1)
本実施の形態1では、まず、本発明者らが検討した構造の半導体装置に見られる課題に関して、詳しく説明する。
(Embodiment 1)
In the first embodiment, first, the problems found in the semiconductor device having the structure studied by the present inventors will be described in detail.

初めに本発明者らが検討した半導体装置の構造について、図40および図41を用いて説明する。図40には当該半導体装置の要部平面図を示し、そのAx−Ax線に沿って矢印方向に見た要部断面図を図41に示している。これらの図中では、一部の絶縁膜やコンタクト機構などを省略して図示している。   First, the structure of the semiconductor device studied by the present inventors will be described with reference to FIGS. FIG. 40 shows a plan view of the main part of the semiconductor device, and FIG. 41 shows a cross-sectional view of the main part viewed in the direction of the arrow along the Ax-Ax line. In these drawings, some insulating films and contact mechanisms are omitted.

本発明者らが初めに検討した半導体装置が有する不揮発性メモリNVMaは、p型のシリコン基板100に形成されている。不揮発性メモリNVMaは、ソース・ドレインを構成する一対のn型半導体領域である拡散層200,300、メモリゲート絶縁膜400、および、メモリゲート電極500を有している。メモリゲート電極500は、メモリゲート絶縁膜400を介してシリコン基板100上に配置され、メモリゲート電極500の両側壁側下のシリコン基板100に、一対の拡散層200,300が形成されている。また、拡散層200,300およびメモリゲート電極500には、コンタクト600が形成されている。   The nonvolatile memory NVMa included in the semiconductor device first examined by the present inventors is formed on a p-type silicon substrate 100. The nonvolatile memory NVMa has a pair of diffusion layers 200 and 300, a memory gate insulating film 400, and a memory gate electrode 500 that constitute a source / drain. The memory gate electrode 500 is disposed on the silicon substrate 100 with the memory gate insulating film 400 interposed therebetween, and a pair of diffusion layers 200 and 300 are formed on the silicon substrate 100 below both side walls of the memory gate electrode 500. A contact 600 is formed on the diffusion layers 200 and 300 and the memory gate electrode 500.

ここで、メモリゲート絶縁膜400は3層の絶縁膜の積層構造となっている。より詳しくは、メモリゲート絶縁膜400は、シリコン基板100に近い方から順に、下部酸化シリコン膜401、窒化シリコン膜402、および、上部酸化シリコン膜403の3層の積層構造を有している。このメモリゲート絶縁膜400の部分が電荷蓄積膜となり、電荷を授受することでメモリ動作を実現し得る。このように、本発明者らが初めに検討した半導体装置は、一つのゲート電極(メモリゲート電極500)からなるシングルゲート構造のMONOS型メモリである。以下では、その動作方式に関して詳しく説明する。   Here, the memory gate insulating film 400 has a laminated structure of three insulating films. More specifically, the memory gate insulating film 400 has a three-layer stacked structure of a lower silicon oxide film 401, a silicon nitride film 402, and an upper silicon oxide film 403 in order from the side closer to the silicon substrate 100. The memory gate insulating film 400 becomes a charge storage film, and a memory operation can be realized by transferring charges. As described above, the semiconductor device first studied by the present inventors is a MONOS type memory having a single gate structure including one gate electrode (memory gate electrode 500). Hereinafter, the operation method will be described in detail.

図42〜図45には、不揮発性メモリNVMaの動作を説明するための説明図を示した。これらの図は、上記図41の要部断面図に該当する箇所を示している。   42 to 45 are explanatory diagrams for explaining the operation of the nonvolatile memory NVMa. These drawings show portions corresponding to the cross-sectional view of the main part of FIG.

図42を用いて、シングルゲート構造のMONOS型メモリである不揮発性メモリNVMaの書き込み動作を説明する。書き込み時には、メモリゲート電極500(ワード線WL)に15V、拡散層200(第1ビット線BL1)に0V、拡散層300(第2ビット線BL2)に5Vを印加する。この時、チャネルの電界によって加速された電子ENがホットキャリア状態となり、正電圧を印加した拡散層300端部付近のメモリゲート絶縁膜400に注入される。メモリゲート絶縁膜400に注入された電子ENは、窒化シリコン膜402の欠陥準位などに捕獲(トラップ)され、メモリゲート絶縁膜400中に保持される。このようなホットキャリアの生成法として、アバランシェ現象を用いる方式や、基板バイアス加速を用いる方式などが知られている。当該不揮発性メモリNVMaをnチャネル型MISトランジスタと見れば、上記のようにメモリゲート絶縁膜400に電子ENが注入された状態では、トランジスタの閾値電圧が上昇する。これによって、電荷蓄積状態を識別することができる。読み出し動作については後に詳しく説明する。   The write operation of the nonvolatile memory NVMa that is a MONOS type memory having a single gate structure will be described with reference to FIG. At the time of writing, 15 V is applied to the memory gate electrode 500 (word line WL), 0 V is applied to the diffusion layer 200 (first bit line BL1), and 5 V is applied to the diffusion layer 300 (second bit line BL2). At this time, the electrons EN accelerated by the electric field of the channel enter a hot carrier state and are injected into the memory gate insulating film 400 near the end of the diffusion layer 300 to which a positive voltage is applied. The electrons EN injected into the memory gate insulating film 400 are captured (trapped) by a defect level of the silicon nitride film 402 and held in the memory gate insulating film 400. As a method for generating such hot carriers, a method using an avalanche phenomenon, a method using substrate bias acceleration, and the like are known. If the nonvolatile memory NVMa is viewed as an n-channel MIS transistor, the threshold voltage of the transistor increases in a state where electrons EN are injected into the memory gate insulating film 400 as described above. Thereby, the charge accumulation state can be identified. The read operation will be described in detail later.

図43を用いて、シングルゲート構造のMONOS型メモリである不揮発性メモリNVMaの消去動作を説明する。消去時には、メモリゲート電極500(ワード線WL)に−6V、拡散層200(第1ビット線BL1)に0V、拡散層300(第2ビット線BL2)に6Vを印加する。この時、拡散層300の端部でバンド間トンネル(Band to Band Tunneling:BTBT)現象により正孔HLが発生する。そして、拡散層300とシリコン基板100との間の電位差で正孔HLを加速することにより、この正孔HLはメモリゲート絶縁膜400に注入される。当該不揮発性メモリNVMaをnチャネル型MISトランジスタと見れば、上記のようにメモリゲート絶縁膜400に正孔HLが注入された状態では、トランジスタの閾値電圧が降下する。これによって、電荷蓄積状態を識別することができる。即ち、上述のように、閾値電圧が上昇した状態を書き込み状態とすれば、閾値電圧が降下した状態を消去状態として分別することができる。読み出し動作については後に詳しく説明する。   The erase operation of the nonvolatile memory NVMa, which is a MONOS type memory having a single gate structure, will be described with reference to FIG. At the time of erasing, -6V is applied to the memory gate electrode 500 (word line WL), 0V is applied to the diffusion layer 200 (first bit line BL1), and 6V is applied to the diffusion layer 300 (second bit line BL2). At this time, holes HL are generated at the end of the diffusion layer 300 due to a band-to-band tunneling (BTBT) phenomenon. Then, the holes HL are accelerated by the potential difference between the diffusion layer 300 and the silicon substrate 100, so that the holes HL are injected into the memory gate insulating film 400. If the nonvolatile memory NVMa is viewed as an n-channel MIS transistor, the threshold voltage of the transistor drops in a state where holes HL are injected into the memory gate insulating film 400 as described above. Thereby, the charge accumulation state can be identified. That is, as described above, if the state in which the threshold voltage is increased is set as the write state, the state in which the threshold voltage is decreased can be classified as the erased state. The read operation will be described in detail later.

図44を用いて、シングルゲート構造のMONOS型メモリである不揮発性メモリNVMaの読み出し動作を説明する。読み出し時には、メモリゲート電極500(ワード線WL)に3V、拡散層200(第1ビット線BL1)に1V、拡散層300(ビット線BL2)に0Vを印加する。この条件下で、nチャネル型MISトランジスタとしての不揮発性メモリNVMaにおいて、ドレイン電流IDを計測する。ここで、メモリゲート絶縁膜400における拡散層300の端部付近に電子ENが注入されているとき(上記図42の書き込み状態)には閾値電圧が高く、ドレイン電流IDは微小である。一方、メモリゲート絶縁膜400における拡散層300の端部付近に正孔HLが注入されているとき(上記図43の消去状態)には閾値電圧が低く、大きなドレイン電流IDが流れる。このようにして、当該不揮発性メモリNVMaの書き込み状態または消去状態を読み出すことができる。   The read operation of the nonvolatile memory NVMa that is a MONOS type memory having a single gate structure will be described with reference to FIG. At the time of reading, 3V is applied to the memory gate electrode 500 (word line WL), 1V is applied to the diffusion layer 200 (first bit line BL1), and 0V is applied to the diffusion layer 300 (bit line BL2). Under this condition, the drain current ID is measured in the nonvolatile memory NVMa as an n-channel MIS transistor. Here, when electrons EN are injected near the end of the diffusion layer 300 in the memory gate insulating film 400 (the writing state in FIG. 42), the threshold voltage is high and the drain current ID is very small. On the other hand, when holes HL are injected near the end of the diffusion layer 300 in the memory gate insulating film 400 (the erased state in FIG. 43), the threshold voltage is low and a large drain current ID flows. In this way, the writing state or erasing state of the nonvolatile memory NVMa can be read.

以上のようなシングルゲート構造のMONOS型メモリの場合、閾値電圧の高低は、読み出し時にソース側となる拡散層の端部に注入された電荷に強く影響され、ドレイン側となる拡散層端部の電荷状態にはそれほど強く依存しない。そのため、上述した拡散層200と拡散層300とを入れ替えて用いることにより、1個のメモリセルを2ビット記憶素子として用いることもできる。図45には、メモリゲート絶縁膜400において、拡散層200側の端部に正孔HLを保持し、拡散層300側の端部に電子ENを保持した状態を示している。この状態で、例えば、メモリゲート電極500(ワード線WL)に3V、拡散層200(第1ビット線BL1)に0V、拡散層300(第2ビット線BL2)に1Vを印加する。このとき、ドレイン電流IDには、ソース側となる拡散層200付近のメモリゲート絶縁膜400の荷電状態が反映されるから、正孔HLが注入された状態、即ち消去状態が読み出される。両拡散層200,300に印加する電圧を逆にすれば、拡散層300付近のメモリゲート絶縁膜400の荷電状態を読み出すことができる。   In the case of the MONOS type memory having the single gate structure as described above, the level of the threshold voltage is strongly influenced by the charge injected into the end of the diffusion layer on the source side at the time of reading, and at the end of the diffusion layer on the drain side. It is not so strongly dependent on the charge state. Therefore, one memory cell can also be used as a 2-bit storage element by using the above-described diffusion layer 200 and diffusion layer 300 interchangeably. FIG. 45 shows a state in which holes HL are held at the end on the diffusion layer 200 side and electrons EN are held at the end on the diffusion layer 300 side in the memory gate insulating film 400. In this state, for example, 3V is applied to the memory gate electrode 500 (word line WL), 0V is applied to the diffusion layer 200 (first bit line BL1), and 1V is applied to the diffusion layer 300 (second bit line BL2). At this time, since the charge state of the memory gate insulating film 400 in the vicinity of the diffusion layer 200 on the source side is reflected in the drain current ID, the state in which holes HL are injected, that is, the erased state is read out. If the voltages applied to both diffusion layers 200 and 300 are reversed, the charge state of the memory gate insulating film 400 in the vicinity of the diffusion layer 300 can be read.

他に本発明者らが検討した半導体装置の構造について、図46および図47を用いて説明する。図46には当該半導体装置の要部平面図を示し、そのAy−Ay線に沿って矢印方向に見た要部断面図を図47に示している。これらの図中では、一部の絶縁膜やコンタクト機構などを省略して図示している。   In addition, the structure of the semiconductor device studied by the present inventors will be described with reference to FIGS. FIG. 46 shows a plan view of the main part of the semiconductor device, and FIG. 47 shows a cross-sectional view of the main part viewed in the direction of the arrow along the Ay-Ay line. In these drawings, some insulating films and contact mechanisms are omitted.

本発明者らが次に検討した半導体装置が有する不揮発性メモリNVMbは、p型のシリコン基板100に形成されている。不揮発性メモリNVMbは、ソース・ドレインを構成する一対のn型半導体領域である拡散層200,300、メモリゲート絶縁膜400、メモリゲート電極500、選択ゲート絶縁膜700、および、選択ゲート電極800を有している。メモリゲート電極500はメモリゲート絶縁膜400を介して、また、選択ゲート電極800は選択ゲート絶縁膜700を介して、シリコン基板100上に配置されている。また、メモリゲート電極500と選択ゲート電極800とはシリコン基板100上において隣り合うようにして配置されている。ただし、メモリゲート電極500と選択ゲート電極800との間にはメモリゲート絶縁膜400が配置されていることで、互いに絶縁されている。メモリゲート電極500および選択ゲート電極800が互いに隣り合わない側の両側壁側下のシリコン基板100に、一対の拡散層200,300が形成されている。また、拡散層200,300、メモリゲート電極500および選択ゲート電極800には、コンタクト600が形成されている。   The non-volatile memory NVMb included in the semiconductor device examined next by the present inventors is formed on a p-type silicon substrate 100. The nonvolatile memory NVMb includes a pair of n-type semiconductor regions constituting the source / drain, such as diffusion layers 200 and 300, a memory gate insulating film 400, a memory gate electrode 500, a select gate insulating film 700, and a select gate electrode 800. Have. The memory gate electrode 500 is disposed on the silicon substrate 100 via the memory gate insulating film 400, and the selection gate electrode 800 is disposed on the silicon substrate 100 via the selection gate insulating film 700. Further, the memory gate electrode 500 and the select gate electrode 800 are arranged adjacent to each other on the silicon substrate 100. However, the memory gate insulating film 400 is disposed between the memory gate electrode 500 and the selection gate electrode 800 so that they are insulated from each other. A pair of diffusion layers 200 and 300 are formed on the silicon substrate 100 below the side walls on the side where the memory gate electrode 500 and the selection gate electrode 800 are not adjacent to each other. A contact 600 is formed on the diffusion layers 200 and 300, the memory gate electrode 500 and the selection gate electrode 800.

ここで、メモリゲート絶縁膜400は3層の絶縁膜の積層構造となっている。より詳しくは、メモリゲート絶縁膜400は、シリコン基板100に近い方から順に、下部酸化シリコン膜401、窒化シリコン膜402、および、上部酸化シリコン膜403の3層の積層構造を有している。このメモリゲート絶縁膜400の部分が電荷蓄積膜となり、電荷を授受することでメモリ動作を実現し得る。なお、選択ゲート絶縁膜700は酸化シリコン膜である。このように、本発明者らが初めに検討した半導体装置は、二つのゲート電極(メモリゲート電極500および選択ゲート電極800)からなるスプリットゲート構造のMONOS型メモリである。以下では、その動作方式に関して詳しく説明する。   Here, the memory gate insulating film 400 has a laminated structure of three insulating films. More specifically, the memory gate insulating film 400 has a three-layer stacked structure of a lower silicon oxide film 401, a silicon nitride film 402, and an upper silicon oxide film 403 in order from the side closer to the silicon substrate 100. The memory gate insulating film 400 becomes a charge storage film, and a memory operation can be realized by transferring charges. Note that the selection gate insulating film 700 is a silicon oxide film. Thus, the semiconductor device first examined by the present inventors is a MONOS type memory having a split gate structure including two gate electrodes (memory gate electrode 500 and select gate electrode 800). Hereinafter, the operation method will be described in detail.

スプリットゲート構造のMONOS型メモリは、基本的にはnチャネル型MISトランジスタをベースとした2個のMISトランジスタ(メモリトランジスタ510および選択トランジスタ810)が、選択トランジスタの脇にメモリトランジスタを縦積みにした状態で連結されている。この状態を等価回路で示したのが図48である。また、このメモリセルを用いたメモリセルアレイの回路構成を示す等価回路を図49に示す。メモリトランジスタ510および選択トランジスタ810のそれぞれのゲート電極(メモリゲート電極500および選択ゲート電極800)は、選択ゲート用ワード線SGL(図では代表してSGL0〜SGL3の符号を付している)およびメモリゲート用ワード線MGL(図では代表してMGL0〜MGL3の符号を付している)で接続されている。また、選択トランジスタ810側の拡散層200がビット線BL(図では代表してBL0およびBL1の符号を付している)によって接続され、メモリトランジスタ510側の拡散層300がソース線SL(図では代表してSL0およびSL1の符号を付している)によって接続されている。   The split gate MONOS type memory basically has two MIS transistors (a memory transistor 510 and a selection transistor 810) based on an n-channel type MIS transistor, and the memory transistors are stacked vertically next to the selection transistor. Linked in state. FIG. 48 shows this state with an equivalent circuit. FIG. 49 shows an equivalent circuit showing a circuit configuration of a memory cell array using the memory cell. Each of the gate electrodes (memory gate electrode 500 and selection gate electrode 800) of the memory transistor 510 and the selection transistor 810 has a selection gate word line SGL (represented by reference numerals SGL0 to SGL3 in the drawing) and a memory. They are connected by a gate word line MGL (represented by reference numerals MGL0 to MGL3 in the figure). Further, the diffusion layer 200 on the selection transistor 810 side is connected by a bit line BL (represented by reference numerals BL0 and BL1 in the figure), and the diffusion layer 300 on the memory transistor 510 side is connected to a source line SL (in the figure). (Represented by symbols SL0 and SL1).

このような不揮発性メモリNVMbの基本的な動作には、(1)書き込み動作、(2)消去動作、(3)保持、(4)読み出し動作の4つの状態がある。ただし、この4つの状態の呼び名は代表的なものとして用いており、書き込みと消去については、逆の呼び方をすることもできる。また、動作も代表的なものを用いて説明するが、スプリットゲート構造のMONOS型メモリの動作としては、様々な動作が考えられている。ここでは、2つのnチャネル型MISトランジスタ(メモリトランジスタ510および選択トランジスタ810)で構成されたメモリセルについて述べるが、2つのpチャネル型MISトランジスタで構成されたメモリセルであっても、原理的には同様の動作として説明できる。   The basic operation of such a nonvolatile memory NVMb includes four states: (1) write operation, (2) erase operation, (3) hold, and (4) read operation. However, the names of these four states are used as representative ones, and the reverse names can be used for writing and erasing. Although the operation will be described using typical ones, various operations are considered as the operation of the MONOS type memory having the split gate structure. Here, a memory cell constituted by two n-channel type MIS transistors (memory transistor 510 and selection transistor 810) will be described. However, even a memory cell constituted by two p-channel type MIS transistors is in principle. Can be described as a similar operation.

図50を用いて、スプリットゲート構造のMONOS型メモリである不揮発性メモリNVMbの書き込み動作を説明する。書き込み動作では、メモリゲート電極500側の拡散層300に正電位を与え、選択ゲート電極800側の拡散層200にシリコン基板100と同じ接地電位を与える。メモリゲート電極500に、シリコン基板100に対して高いゲートオーバードライブ電圧を加えることにより、メモリゲート電極500下のチャネルをオン状態にする(メモリゲート電極500下のシリコン基板100に反転層を形成させる)。ここで、選択ゲート電極800の電圧を規定の閾値電圧よりも0.1〜0.2V高い値とすることにより、こちらもオン状態とする(選択ゲート電極800下のシリコン基板100に反転層を形成させる)。このとき、両ゲート電極500,800の境界付近に最も強い電界が生じるため、多くのホットエレクトロンが発生する。そして、このホットエレクトロンはメモリゲート電極500の正電位に引かれて、メモリゲート絶縁膜400に注入される。また、メモリゲート電極500下の要部900に示したように、インパクトイオン化によって電子ENおよび正孔HL(電子正孔対)が生成され、これらのうちの電子ENもメモリゲート電極500の正電位に引かれて、メモリゲート絶縁膜400に注入される。上記の現象は、ソースサイドインジェクション(Source Side Injection:SSI)と称される。   The write operation of the nonvolatile memory NVMb, which is a split-gate structure MONOS type memory, will be described with reference to FIG. In the write operation, a positive potential is applied to the diffusion layer 300 on the memory gate electrode 500 side, and the same ground potential as that of the silicon substrate 100 is applied to the diffusion layer 200 on the selection gate electrode 800 side. By applying a high gate overdrive voltage to the memory gate electrode 500 with respect to the silicon substrate 100, the channel under the memory gate electrode 500 is turned on (an inversion layer is formed in the silicon substrate 100 under the memory gate electrode 500). ). Here, by setting the voltage of the selection gate electrode 800 to a value higher by 0.1 to 0.2 V than the specified threshold voltage, this is also turned on (an inversion layer is formed on the silicon substrate 100 under the selection gate electrode 800). To form). At this time, since the strongest electric field is generated in the vicinity of the boundary between the gate electrodes 500 and 800, many hot electrons are generated. The hot electrons are attracted to the positive potential of the memory gate electrode 500 and injected into the memory gate insulating film 400. Further, as shown in the main part 900 under the memory gate electrode 500, an electron EN and a hole HL (electron hole pair) are generated by impact ionization, and the electron EN of these is also a positive potential of the memory gate electrode 500. And is injected into the memory gate insulating film 400. The above phenomenon is referred to as source side injection (SSI).

SSI方式によるホットエレクトロン注入の特徴として、電界がメモリゲート電極500と選択ゲート電極800の境界付近に集中するため、メモリゲート絶縁膜400の選択ゲート電極800側端部に集中的に電子ENが注入されることがある。また、例えばフローティングゲート型メモリでは、電荷保持層が導電膜により構成されているが、MONOS型メモリでは、電荷は絶縁膜中に蓄積される。これら2つの特徴をあわせると、スプリットゲート構造のMONOS型メモリは、極めて狭い領域に電子ENが保持されることになる。メモリゲート絶縁膜400に電子ENが保持された状態では、nチャネル型MISトランジスタであるメモリトランジスタ510の閾値電圧は上昇する。この状態を書き込み状態とする。   As a feature of hot electron injection by the SSI method, since the electric field is concentrated near the boundary between the memory gate electrode 500 and the selection gate electrode 800, electrons EN are concentratedly injected into the end portion of the memory gate insulating film 400 on the selection gate electrode 800 side. May be. For example, in the floating gate type memory, the charge holding layer is formed of a conductive film. However, in the MONOS type memory, charges are accumulated in the insulating film. Combining these two characteristics, the MONOS type memory having the split gate structure holds electrons EN in a very narrow area. In a state where the electrons EN are held in the memory gate insulating film 400, the threshold voltage of the memory transistor 510 that is an n-channel MIS transistor increases. This state is referred to as a write state.

図51を用いて、スプリットゲート構造のMONOS型メモリである不揮発性メモリNVMbの消去動作を説明する。消去動作では、メモリゲート電極500に負電位を与えると共に、メモリゲート電極500側の拡散層300に正電位を与える。これにより、拡散層300の端部近傍のメモリゲート電極500と拡散層300とがオーバーラップした領域で強反転が生じるようにすることで、BTBT現象を引き起こし、ホットホール(正孔HL)を生成させる。このメモリセルにおいては、発生した正孔がチャネル方向へ加速され、メモリゲート電極500の負バイアスに引かれて、メモリゲート絶縁膜400に注入される。また、要部901に示すように、発生した正孔HLが2次的な電子正孔対を生成し得る。これらの電子正孔対のうちの正孔HLも、メモリゲート電極500の負電位に引かれてメモリゲート絶縁膜400に注入される。即ち、上記の書き込み動作によって、電子ENの電荷で上昇していたメモリトランジスタ510の閾値電圧を、正孔HLの注入によって降下させる。この状態を消去状態とする。   The erase operation of the nonvolatile memory NVMb, which is a MONOS type memory having a split gate structure, will be described with reference to FIG. In the erase operation, a negative potential is applied to the memory gate electrode 500 and a positive potential is applied to the diffusion layer 300 on the memory gate electrode 500 side. As a result, strong inversion occurs in a region where the memory gate electrode 500 and the diffusion layer 300 in the vicinity of the end of the diffusion layer 300 overlap, thereby causing a BTBT phenomenon and generating a hot hole (hole HL). Let In this memory cell, the generated holes are accelerated in the channel direction, drawn by the negative bias of the memory gate electrode 500, and injected into the memory gate insulating film 400. Further, as shown in the main part 901, the generated holes HL can generate secondary electron-hole pairs. Of these electron-hole pairs, the hole HL is also attracted to the negative potential of the memory gate electrode 500 and injected into the memory gate insulating film 400. That is, the threshold voltage of the memory transistor 510 that has been increased by the charge of the electrons EN is decreased by the injection of the holes HL by the above-described write operation. This state is referred to as an erased state.

電荷保持時、電荷はメモリゲート絶縁膜400中に注入されたキャリアの電荷として保持される。酸化シリコン膜/窒化シリコン膜/酸化シリコン膜の3層からなるメモリゲート絶縁膜400では、窒化シリコン膜中の欠陥準位などに電荷が保持される。また、窒化シリコン膜を挟む酸化シリコン膜はポテンシャル障壁が高く、電荷は良好に保持される。   At the time of charge retention, the charge is retained as the charge of carriers injected into the memory gate insulating film 400. In the memory gate insulating film 400 composed of three layers of silicon oxide film / silicon nitride film / silicon oxide film, electric charges are held at a defect level or the like in the silicon nitride film. In addition, the silicon oxide film sandwiching the silicon nitride film has a high potential barrier, and the charge is well retained.

読み出し時、選択ゲート電極800側の拡散層200に正電位を与え、選択ゲート電極800に正電位を与える。これにより、選択トランジスタ810はオン状態となる。ここで、メモリゲート電極500には、書き込み・消去状態により与えられるメモリゲート電極500の閾値電圧の差を判別できる適切なメモリゲート電位(例えば、書き込み状態の閾値電圧と消去状態の閾値電圧との中間電位)を与える。これにより、メモリゲート絶縁膜400が電子ENを蓄積した状態(書き込み状態)であるのか、正孔HLによって電荷が打ち消された状態(消去状態)であるのかを、ドレイン電流として読み出すことができる。   At the time of reading, a positive potential is applied to the diffusion layer 200 on the selection gate electrode 800 side, and a positive potential is applied to the selection gate electrode 800. Thereby, the selection transistor 810 is turned on. Here, the memory gate electrode 500 has an appropriate memory gate potential (for example, a threshold voltage in the write state and a threshold voltage in the erase state) that can determine the difference in threshold voltage of the memory gate electrode 500 given by the write / erase state. Intermediate potential). Thereby, it can be read as a drain current whether the memory gate insulating film 400 is in a state where electrons EN are accumulated (write state) or in a state where charges are canceled by the holes HL (erasure state).

ここで、上述のように、ホットキャリアを用いたキャリアの注入による動作方式では、シリコン基板100と電荷蓄積層である窒化シリコン膜402との間にある絶縁膜(下部酸化シリコン膜401)が厚くても、注入を効率よく行うことができる。これは、ホットキャリアのエネルギーが、シリコンバンド上から測った絶縁膜のバリアポテンシャルの大きさに匹敵する程度のエネルギーを持つためである。しかし、高エネルギー状態のキャリアを基板側から絶縁膜を介して注入することは、シリコン基板100と下部酸化シリコン膜401との界面に多数の欠陥を作る原因となることが分かっている。そして、読み出し動作時にその欠陥にキャリアがトラップされることが、閾値電圧のばらつきが生じる一原因となっている。また、界面に生成した欠陥準位(界面準位)は時間とともに回復するため、メモリトランジスタ510のサブスレッショルドスイング値(S値)は、書き込みおよび消去直後の状態から徐々に小さくなっていく。このように、閾値電圧の変動の原因にもなることが分かった。特に、チャネル直上のメモリゲート絶縁膜400である下部酸化シリコン膜401に対するバンドオフセット(ポテンシャルバリア)が、電子ENに対してよりも、正孔HLに対しての方が高いことから、ホットホール注入には、ホットエレクトロン注入よりも高いエネルギーが必要となる。そのため、ホットホール注入を採用する場合、チャネルと下部酸化シリコン膜401との界面に与えるダメージは、ホットエレクトロン注入を採用した場合よりも深刻になる。   Here, as described above, in the operation method by carrier injection using hot carriers, the insulating film (lower silicon oxide film 401) between the silicon substrate 100 and the silicon nitride film 402 serving as the charge storage layer is thick. However, the injection can be performed efficiently. This is because the hot carrier energy has energy comparable to the barrier potential of the insulating film measured from the silicon band. However, it has been found that injecting carriers in a high energy state from the substrate side through the insulating film causes a large number of defects at the interface between the silicon substrate 100 and the lower silicon oxide film 401. The carrier trapped in the defect during the read operation is one cause of the variation in threshold voltage. In addition, since the defect level (interface level) generated at the interface recovers with time, the subthreshold swing value (S value) of the memory transistor 510 gradually decreases from the state immediately after writing and erasing. Thus, it has been found that it also causes variation in threshold voltage. In particular, since the band offset (potential barrier) for the lower silicon oxide film 401, which is the memory gate insulating film 400 immediately above the channel, is higher for the holes HL than for the electrons EN, hot hole injection Requires higher energy than hot electron injection. Therefore, when hot hole injection is employed, damage to the interface between the channel and the lower silicon oxide film 401 becomes more serious than when hot electron injection is employed.

以上のように、本発明者らが検討したホットキャリア注入方式によるMONOS型メモリは閾値電圧のばらつきや時間変動を生じるため、このようなMONOS型メモリを搭載したLSIの高性能化を実現できないという課題を有することが分かった。そこで、本発明者らは、界面準位の増加の原因を更に検討したところ、以下のようなことが分かった。   As described above, since the MONOS type memory by the hot carrier injection method examined by the present inventors causes variations in threshold voltage and time fluctuation, it is impossible to realize high performance of an LSI equipped with such a MONOS type memory. It turns out that it has a problem. Then, the present inventors further examined the cause of the increase in the interface state and found the following.

通常、MONOS型メモリのメモリゲート絶縁膜400としては、窒化シリコン膜402とメモリゲート電極500との間での電荷移動(真性リーク)を防ぐという観点から、窒化シリコン膜402上に、バリアポテンシャルの高い酸化シリコン膜からなる上部酸化シリコン膜403を配置する。特に、スプリットゲート構造のMONOS型メモリにおける窒化シリコン膜402上の酸化シリコン膜としては、欠陥が少ないことに加え、選択ゲート電極800の側壁も含めてL字型の部分をコンフォーマルに酸化できる手法によって、上部酸化シリコン膜403を形成することが望まれる。このような要求に応える手法として、本発明者らの検討によれば、L字型部のような角部にも回り込みが良いISSG(In Situ Stream Generation)酸化が適用されている。ただし、このISSG酸化法によって実用上のスループットを満たしながら、窒化シリコン膜402上に4〜5nm以上の上部酸化シリコン膜403を形成するためには、処理時の温度を高温にし、かつ、処理時の水素濃度を高濃度にする必要がある。   Usually, the memory gate insulating film 400 of the MONOS type memory has a barrier potential on the silicon nitride film 402 from the viewpoint of preventing charge transfer (intrinsic leakage) between the silicon nitride film 402 and the memory gate electrode 500. An upper silicon oxide film 403 made of a high silicon oxide film is disposed. In particular, as a silicon oxide film on the silicon nitride film 402 in the split gate structure MONOS type memory, in addition to a small number of defects, an L-shaped portion including the side wall of the selection gate electrode 800 can be oxidized conformally. Therefore, it is desirable to form the upper silicon oxide film 403. As a method for meeting such a demand, according to the study by the present inventors, ISSG (In Situ Stream Generation) oxidation that is easy to wrap around a corner portion such as an L-shaped portion is applied. However, in order to form the upper silicon oxide film 403 having a thickness of 4 to 5 nm or more on the silicon nitride film 402 while satisfying the practical throughput by this ISSG oxidation method, the processing temperature is increased and the processing temperature is increased. It is necessary to increase the hydrogen concentration of

しかしながら、このような処理温度および水素濃度の高いISSG酸化法で上部酸化シリコン膜403を形成する工程が、上記の課題の一原因となっていることが、本発明者らの更なる検討で明らかになった。即ち、高温、高水素濃度でのISSG酸化では、水素がシリコン基板100と下部酸化シリコン膜401との界面にまで回り込んでしまう。そして、このような水素は、下部酸化シリコン膜401におけるシリコンと酸素との結合を置換し、シリコンと水素の結合を過剰に生成し得る。ISSG酸化の反応は、H+O→O+OH+Hであり、酸素ラジカルを生成するが、同時に未反応水素も生成する。この水素の拡散が、強力なISSG酸化条件によって促進されると考えられる。 However, it is clear from further studies by the present inventors that the step of forming the upper silicon oxide film 403 by the ISSG oxidation method having a high processing temperature and high hydrogen concentration is one cause of the above problem. Became. That is, in the ISSG oxidation at a high temperature and a high hydrogen concentration, hydrogen goes around to the interface between the silicon substrate 100 and the lower silicon oxide film 401. Such hydrogen can replace the bond between silicon and oxygen in the lower silicon oxide film 401 and can generate an excessive bond between silicon and hydrogen. The reaction of ISSG oxidation is H 2 + O 2 → O * + OH + H, which generates oxygen radicals, but also generates unreacted hydrogen. This hydrogen diffusion is believed to be facilitated by strong ISSG oxidation conditions.

MONOS型メモリにおける下部酸化シリコン膜401が、上記のようなシリコンと水素との結合を有していると、以下のような現象が起こり得る。例えばメモリの書き込み動作の際には、高エネルギーのホットキャリアが下部酸化シリコン膜401を通過する。このとき、下部酸化シリコン膜401中に過剰に含まれるシリコンと水素との結合において水素が脱離させられ、残ったシリコンにはダングリングボンド(未結合手)が発生する。このようなダングリングボンドは、キャリアの捕獲準位となり、上述のような閾値電圧のばらつきや変動の一原因となる。特に、有効質量が大きく、かつ、高エネルギーでの注入を要するホットホールは、より、シリコンと水素との結合を壊し易く、影響が大きい。   When the lower silicon oxide film 401 in the MONOS type memory has a bond of silicon and hydrogen as described above, the following phenomenon may occur. For example, during a memory write operation, high energy hot carriers pass through the lower silicon oxide film 401. At this time, hydrogen is desorbed in the bond between silicon and hydrogen excessively contained in the lower silicon oxide film 401, and dangling bonds (unbonded hands) are generated in the remaining silicon. Such a dangling bond becomes a carrier trap level, and causes a variation or fluctuation of the threshold voltage as described above. In particular, a hot hole having a large effective mass and requiring injection with high energy is more likely to break the bond between silicon and hydrogen and has a greater influence.

以上のように、本発明者らの更なる検討によって、高温かつ高水素濃度でのISSG酸化法によって上部酸化シリコン膜403を形成する工程が、MONOS型メモリの閾値電圧のばらつきおよび変動をもたらす界面準位を増加させる一原因となっていることが分かった。なお、本発明者らは、水素を含まないオゾン酸化法によって上部酸化シリコン膜403を形成する手法についても検討した。この手法では、ISSG酸化時のような過剰なシリコンと水素との結合の生成は低減し得るものの、窒化シリコン膜402上のオゾン酸化の進行は遅く、実用的でないことが分かった。   As described above, according to further studies by the present inventors, the step of forming the upper silicon oxide film 403 by the ISSG oxidation method at a high temperature and a high hydrogen concentration is an interface that causes variations and fluctuations in the threshold voltage of the MONOS type memory. It turned out to be one cause to increase the level. Note that the present inventors also studied a method of forming the upper silicon oxide film 403 by an ozone oxidation method that does not contain hydrogen. Although this method can reduce the formation of excess silicon-hydrogen bonds as in ISSG oxidation, it has been found that the progress of ozone oxidation on the silicon nitride film 402 is slow and impractical.

また、別の観点での本発明者らの検討により、MONOS型メモリにおける以下のような課題も明らかとなった。上述のように、SSI方式およびBTBT方式を用いてスプリットゲート構造のMONOS型メモリの書き換えを行う場合、電子ENは選択ゲート電極800下のチャネルからメモリゲート絶縁膜400に注入され、正孔HLはメモリゲート電極500側の拡散層300付近からメモリゲート絶縁膜400に注入される。そのため、メモリゲート絶縁膜400中における書き込み動作時の電子ENの注入位置と、消去動作時の正孔HLの注入位置とは異なる。従って、書き換え動作を繰り返していくうちに、電子ENおよび正孔HLの消し残り(残存キャリア)が蓄積されていく。   Further, the following problems in the MONOS type memory have been clarified by the study of the present inventors from another viewpoint. As described above, when rewriting a MONOS type memory having a split gate structure using the SSI method and the BTBT method, electrons EN are injected into the memory gate insulating film 400 from the channel below the selection gate electrode 800, and the holes HL are Implanted into the memory gate insulating film 400 from the vicinity of the diffusion layer 300 on the memory gate electrode 500 side. Therefore, the injection position of electrons EN in the memory gate insulating film 400 at the time of writing operation is different from the injection position of holes HL at the time of erasing operation. Accordingly, as the rewriting operation is repeated, the unerased (remaining carriers) of the electrons EN and holes HL are accumulated.

図52には、この状況を説明するための説明図を示している。図52は、上記図46〜上記図51を用いて説明したスプリットゲート構造のMONOS型メモリである不揮発性メモリNVMbにおいて、多数回書き換え動作を施した後に書き込み動作を施したときの、メモリゲート絶縁膜400内の電荷分布を示している。電子ENは電荷分布902で表され、正孔HLは電荷分布903で表される。書き換え動作によって、メモリゲート絶縁膜400における選択ゲート電極800側には、注入された電子ENの電荷分布902が広がっている。しかしながら、電子ENの電荷分布902以外にも、メモリゲート絶縁膜400における拡散層300側には、残存キャリアである正孔HLの電荷分布903も広がっている。これは、上述のように、書き換え動作中に、メモリゲート絶縁膜400の中で離れた位置に、それぞれお互いのキャリアが注入され、蓄積していくためである。こうした残存キャリアは、時間と共に拡散していき、電子ENと正孔HLが再結合(対消滅)することで、閾値電圧の時間的な変動の一原因となり得ることが分かった。   FIG. 52 is an explanatory diagram for explaining this situation. FIG. 52 shows the memory gate insulation when the write operation is performed after performing the rewrite operation many times in the nonvolatile memory NVMb which is the MONOS type memory having the split gate structure described with reference to FIGS. The charge distribution in the film 400 is shown. The electron EN is represented by a charge distribution 902, and the hole HL is represented by a charge distribution 903. As a result of the rewriting operation, the charge distribution 902 of the injected electrons EN spreads on the select gate electrode 800 side of the memory gate insulating film 400. However, in addition to the charge distribution 902 of the electrons EN, the charge distribution 903 of holes HL that are residual carriers also spreads on the diffusion layer 300 side in the memory gate insulating film 400. This is because, as described above, during the rewrite operation, carriers are injected and accumulated in positions distant from each other in the memory gate insulating film 400, respectively. It has been found that such residual carriers diffuse over time and can cause a temporal variation in threshold voltage by recombination (pair annihilation) of electrons EN and holes HL.

メモリゲート絶縁膜400中に捕獲されているキャリアの拡散し易さは、窒化シリコン膜402上の上部酸化シリコン膜403の形成方法にも依存することが、本発明者らの更なる検討によって明らかになった。即ち、窒化シリコン膜402上をISSG酸化法、ドライ酸化法、ウェット酸化法、または、オゾン酸化法などで熱酸化することで、上部酸化シリコン膜403を形成すると、窒化シリコン膜402と上部酸化シリコン膜403との界面に遷移層が形成され得る。そして、この遷移層は多数の欠陥(ダングリングボンドなど)を有し、この欠陥を介してキャリアの移動が促進されることが分かった。そのため、閾値電圧の変動は短時間でより大きなものとなる。   As a result of further studies by the present inventors, the ease of diffusion of carriers trapped in the memory gate insulating film 400 also depends on the formation method of the upper silicon oxide film 403 on the silicon nitride film 402. Became. That is, when the upper silicon oxide film 403 is formed by thermally oxidizing the silicon nitride film 402 by an ISSG oxidation method, a dry oxidation method, a wet oxidation method, an ozone oxidation method, or the like, the silicon nitride film 402 and the upper silicon oxide film are formed. A transition layer may be formed at the interface with the film 403. This transition layer has a large number of defects (such as dangling bonds), and it has been found that the movement of carriers is promoted through these defects. Therefore, the fluctuation of the threshold voltage becomes larger in a short time.

以上を踏まえて、本実施の形態1では、動作速度の速いホットキャリア注入方式を用いた不揮発性メモリにおいて、書き換え後の界面劣化が少なく、また、電荷の局在と移動とを抑制し得るような不揮発性メモリを有する半導体装置について説明する。このような半導体装置によって上述の課題を解決し、不揮発性メモリを有する半導体装置の性能を向上させる技術を提供する。   Based on the above, in the first embodiment, in the nonvolatile memory using the hot carrier injection method with a high operating speed, the interface deterioration after rewriting is small, and the localization and movement of charges can be suppressed. A semiconductor device having a non-volatile memory will be described. Such a semiconductor device solves the above-described problems and provides a technique for improving the performance of a semiconductor device having a nonvolatile memory.

本実施の形態1の半導体装置について、図1および図2を用いて説明する。本実施の形態1の半導体装置は、単結晶シリコンからなるシリコン基板(半導体基板)1上に配置された不揮発性メモリNVM1を有する。図1には、本実施の形態1の半導体装置が有する不揮発性メモリNVM1の要部断面図を示している。また、図2には、本実施の形態1の半導体装置が有する不揮発性メモリNVM1の要部平面図を示している。特に、図2の要部平面図において、A1−A1線、B1−B1線、および、C1−C1線に沿って矢印方向に見た要部断面図を、図1において左側から順に示している。これらの図中では、一部の絶縁膜やコンタクト機構などを省略して図示している。また、図2の平面図中、一部の部材に対して便宜上ハッチングを付しているが、構造上特別な意味を有するものではない。また、図1のA1−A1線に沿って見た要部断面図では、2セル分の本実施の形態1の不揮発性メモリNVM1を示している。また、図2中には複数の本実施の形態1の不揮発性メモリNVM1がアレイ配置している状態を示している。   The semiconductor device according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. The semiconductor device according to the first embodiment has a nonvolatile memory NVM1 disposed on a silicon substrate (semiconductor substrate) 1 made of single crystal silicon. FIG. 1 shows a cross-sectional view of a main part of the nonvolatile memory NVM1 included in the semiconductor device of the first embodiment. FIG. 2 is a plan view of the main part of the nonvolatile memory NVM1 included in the semiconductor device of the first embodiment. In particular, in the main part plan view of FIG. 2, cross-sectional views of main parts viewed in the direction of the arrows along the lines A <b> 1-A <b> 1, B <b> 1-B <b> 1, and C <b> 1-C <b> 1 are shown in order from the left side in FIG. . In these drawings, some insulating films and contact mechanisms are omitted. Further, in the plan view of FIG. 2, some members are hatched for convenience, but do not have a special meaning in terms of structure. In addition, the cross-sectional view of the main part viewed along the line A1-A1 in FIG. 1 shows the nonvolatile memory NVM1 of the first embodiment for two cells. FIG. 2 shows a state in which a plurality of nonvolatile memories NVM1 of the first embodiment are arranged in an array.

シリコン基板1には、浅溝の中に酸化シリコン膜を埋め込んだ構造(Shallow Trench Isolation:STI構造)の分離部2によって活性領域が規定されている。また、シリコン基板1の主面には、p型半導体領域であるpウェル3が形成されている。本実施の形態1の半導体装置が有する不揮発性メモリNVM1は、シリコン基板1において、これらの活性領域におけるpウェル3内に配置されている。本実施の形態1の半導体装置が有する不揮発性メモリNVM1は、以下で詳しく説明するような構成要素を有している。   In the silicon substrate 1, an active region is defined by an isolation portion 2 having a structure (Shallow Trench Isolation: STI structure) in which a silicon oxide film is embedded in a shallow groove. A p well 3 that is a p-type semiconductor region is formed on the main surface of the silicon substrate 1. The nonvolatile memory NVM1 included in the semiconductor device of the first embodiment is disposed in the p well 3 in these active regions on the silicon substrate 1. The nonvolatile memory NVM1 included in the semiconductor device according to the first embodiment has components as will be described in detail below.

シリコン基板1上には、メモリゲート絶縁膜(第1ゲート絶縁膜)MI1が形成されている。このメモリゲート絶縁膜MI1は、3層の絶縁膜からなる積層膜によって構成されている。より具体的には、メモリゲート絶縁膜MI1は、シリコン基板1に近い方から順に、下部バリア膜(第1バリア膜)BB1、電荷保持膜CS1、および、上部バリア膜(第2バリア膜)TB1からなる。ここで、下部バリア膜BB1は、酸化シリコンを主体とする絶縁膜からなる。また、電荷保持膜CS1は、窒化シリコンを主体とする絶縁膜からなる。また、上部バリア膜TB1は、酸化シリコンよりもバンドギャップ(禁制帯幅)の小さい絶縁膜からなる。一例として、上部バリア膜TB1は、酸窒化シリコンを主体とする絶縁膜からなる。本実施の形態1の不揮発性メモリNVM1が、このような積層膜からなるメモリゲート絶縁膜MI1を有することの効果、および、メモリゲート絶縁膜MI1の詳細な仕様とその効果に関しては、後に詳しく説明する。   A memory gate insulating film (first gate insulating film) MI1 is formed on the silicon substrate 1. The memory gate insulating film MI1 is composed of a laminated film composed of three layers of insulating films. More specifically, the memory gate insulating film MI1 is, in order from the side closer to the silicon substrate 1, the lower barrier film (first barrier film) BB1, the charge holding film CS1, and the upper barrier film (second barrier film) TB1. Consists of. Here, the lower barrier film BB1 is made of an insulating film mainly composed of silicon oxide. The charge holding film CS1 is made of an insulating film mainly composed of silicon nitride. The upper barrier film TB1 is made of an insulating film having a smaller band gap (forbidden band width) than that of silicon oxide. As an example, the upper barrier film TB1 is made of an insulating film mainly composed of silicon oxynitride. The effect that the nonvolatile memory NVM1 of the first embodiment has the memory gate insulating film MI1 made of such a laminated film, and the detailed specifications and effects of the memory gate insulating film MI1 will be described in detail later. To do.

メモリゲート絶縁膜MI1上には、メモリゲート電極(第1ゲート電極)MG1が形成されている。言い換えれば、シリコン基板1上には、メモリゲート絶縁膜MI1を介してメモリゲート電極MG1が配置されている。更に言い換えれば、メモリゲート絶縁膜MI1は、メモリゲート電極MG1とシリコン基板1との間に配置されている。メモリゲート電極MG1は、多結晶シリコン(ポリシリコンとも言う)を主体とし、不純物を含むことで低抵抗化された導体膜である。特に、本実施の形態1のメモリゲート電極MG1は、ドナー不純物を含み、n型導電型である。メモリゲート電極MG1は、シリコン基板1上の一方向に延在するようにして、また、分離部2を跨いで複数の活性領域に交差するようにして配置されている。このようにして、複数の不揮発性メモリNVM1がメモリゲート電極MG1を共有している。   A memory gate electrode (first gate electrode) MG1 is formed on the memory gate insulating film MI1. In other words, the memory gate electrode MG1 is disposed on the silicon substrate 1 via the memory gate insulating film MI1. In other words, the memory gate insulating film MI1 is disposed between the memory gate electrode MG1 and the silicon substrate 1. The memory gate electrode MG1 is a conductor film mainly composed of polycrystalline silicon (also referred to as polysilicon) and reduced in resistance by containing impurities. In particular, the memory gate electrode MG1 of the first embodiment includes a donor impurity and has an n-type conductivity type. The memory gate electrode MG1 is arranged so as to extend in one direction on the silicon substrate 1 and to cross a plurality of active regions across the isolation part 2. In this way, the plurality of nonvolatile memories NVM1 share the memory gate electrode MG1.

シリコン基板1上には、更に、選択ゲート絶縁膜(第2ゲート絶縁膜)SI1が形成されている。この選択ゲート絶縁膜SI1は、酸化シリコンを主体とする絶縁膜からなる。そして、選択ゲート絶縁膜SI1上には、選択ゲート電極(第2ゲート電極)SG1が形成されている。言い換えれば、シリコン基板1上には、選択ゲート絶縁膜SI1を介して選択ゲート電極SG1が配置されている。更に言い換えれば、選択ゲート絶縁膜SI1は、選択ゲート電極SG1とシリコン基板1との間に配置されている。選択ゲート電極SG1は、多結晶シリコンを主体とし、不純物を含むことで低抵抗化された導体膜である。選択ゲート電極SG1は、シリコン基板1上の一方向に延在するように、特に、上述のメモリゲート電極MG1の延在方向に沿うようにして配置され、また、分離部2を跨いで複数の活性領域に交差するようにして配置されている。このようにして、複数の不揮発性メモリNVM1が選択ゲート電極SG1を共有している。   On the silicon substrate 1, a selection gate insulating film (second gate insulating film) SI1 is further formed. The selection gate insulating film SI1 is made of an insulating film mainly composed of silicon oxide. A selection gate electrode (second gate electrode) SG1 is formed on the selection gate insulating film SI1. In other words, the select gate electrode SG1 is disposed on the silicon substrate 1 via the select gate insulating film SI1. In other words, the select gate insulating film SI1 is disposed between the select gate electrode SG1 and the silicon substrate 1. The selection gate electrode SG1 is a conductor film mainly composed of polycrystalline silicon and reduced in resistance by containing impurities. The selection gate electrode SG1 is arranged so as to extend in one direction on the silicon substrate 1, particularly along the extending direction of the memory gate electrode MG1 described above. They are arranged so as to intersect the active region. In this way, the plurality of nonvolatile memories NVM1 share the selection gate electrode SG1.

ここで、シリコン基板1上において、メモリゲート電極MG1は選択ゲート電極SG1に隣り合うような位置に配置されている。ただし、メモリゲート電極MG1と選択ゲート電極SG1との間には、メモリゲート電極MG1とシリコン基板1との間に配置されたメモリゲート絶縁膜MI1が同様に、かつ一体的に配置され、両者を電気的に絶縁している。言い換えれば、選択ゲート電極SG1の片側の側壁には、メモリゲート絶縁膜MI1を介してメモリゲート電極MG1が配置されている。更に言い換えれば、メモリゲート絶縁膜MI1は、メモリゲート電極MG1とシリコン基板1との間から、メモリゲート電極MG1と選択ゲート電極SG1との間に渡って一体的に配置されている。   Here, on the silicon substrate 1, the memory gate electrode MG1 is arranged at a position adjacent to the selection gate electrode SG1. However, the memory gate insulating film MI1 disposed between the memory gate electrode MG1 and the silicon substrate 1 is similarly and integrally disposed between the memory gate electrode MG1 and the selection gate electrode SG1, It is electrically insulated. In other words, the memory gate electrode MG1 is disposed on one side wall of the selection gate electrode SG1 via the memory gate insulating film MI1. In other words, the memory gate insulating film MI1 is integrally disposed from between the memory gate electrode MG1 and the silicon substrate 1 to between the memory gate electrode MG1 and the select gate electrode SG1.

以上のように、本実施の形態1の半導体装置が有する不揮発性メモリNVM1は、互いに絶縁された状態で隣り合って配置された二つのゲート電極を有する、所謂スプリットゲート構造のMONOS型メモリである。当該不揮発性メモリNVM1は、更に以下のような構成要素を有する。   As described above, the nonvolatile memory NVM1 included in the semiconductor device according to the first embodiment is a so-called split gate MONOS type memory having two gate electrodes arranged adjacent to each other while being insulated from each other. . The nonvolatile memory NVM1 further includes the following components.

不揮発性メモリNVM1において電荷を授受するソース・ドレイン機構として、シリコン基板1の主面側に2種の不純物拡散領域4,5が形成されている。より具体的には、メモリゲート電極MG1と選択ゲート電極SG1とが互いに隣り合わない方の側方下部のシリコン基板1に、低濃度拡散領域4が形成されている。更に、各ゲート電極MG1,SG1の同様の側方下部のシリコン基板1であって、低濃度拡散領域4よりも離れた箇所に、高濃度拡散領域5が形成されている。各拡散領域4,5はドナー不純物を含むn型半導体領域である。それらのドナー不純物濃度は、低濃度拡散領域4の方が、高濃度拡散領域5よりも低い。また、シリコン基板1の主面から見た深さは、低濃度拡散領域4の方が、高濃度拡散領域5よりも浅い。また、低濃度拡散領域4と高濃度拡散領域5とは互いの端部において接触しており、電気的に接続されている。この低濃度拡散領域4は、ソース・ドレイン機構においてLDD(Lightly doped drain)構造と称され、所謂エクステンション領域として機能する。   As a source / drain mechanism for transferring charges in the nonvolatile memory NVM1, two types of impurity diffusion regions 4 and 5 are formed on the main surface side of the silicon substrate 1. More specifically, the low concentration diffusion region 4 is formed in the silicon substrate 1 at the lower side of the side where the memory gate electrode MG1 and the selection gate electrode SG1 are not adjacent to each other. Further, a high concentration diffusion region 5 is formed in the silicon substrate 1 at the same lower side of each of the gate electrodes MG1 and SG1 and at a position away from the low concentration diffusion region 4. Each of the diffusion regions 4 and 5 is an n-type semiconductor region containing a donor impurity. Their donor impurity concentration is lower in the low-concentration diffusion region 4 than in the high-concentration diffusion region 5. Further, the depth seen from the main surface of the silicon substrate 1 is shallower in the low concentration diffusion region 4 than in the high concentration diffusion region 5. Moreover, the low concentration diffusion region 4 and the high concentration diffusion region 5 are in contact with each other at the end portions and are electrically connected. This low concentration diffusion region 4 is called an LDD (Lightly doped drain) structure in the source / drain mechanism, and functions as a so-called extension region.

シリコン基板1の主面上において、メモリゲート電極MG1と選択ゲート電極SG1とが隣り合わない方の側壁を覆うようにして、サイドウォールスペーサ6が配置されている。サイドウォールスペーサ6は、少なくとも、シリコン基板1に形成された低濃度拡散領域4を覆うような位置に形成されている。サイドウォールスペーサ6は、例えば、酸化シリコンを主体とする絶縁膜、窒化シリコンを主体とする絶縁膜、または、それらの積層膜などからなる。   On the main surface of the silicon substrate 1, sidewall spacers 6 are arranged so as to cover the side walls where the memory gate electrode MG1 and the selection gate electrode SG1 are not adjacent to each other. The sidewall spacer 6 is formed at a position covering at least the low concentration diffusion region 4 formed in the silicon substrate 1. The sidewall spacer 6 is made of, for example, an insulating film mainly composed of silicon oxide, an insulating film mainly composed of silicon nitride, or a laminated film thereof.

以上が、本実施の形態1の半導体装置が有する不揮発性メモリNVM1の主要な構成要素である。本実施の形態1の半導体装置は、更に以下のような構成要素を有する。   The above are the main components of the nonvolatile memory NVM1 included in the semiconductor device of the first embodiment. The semiconductor device of the first embodiment further includes the following components.

メモリゲート電極MG1、選択ゲート電極SG1、および、高濃度拡散領域5の表面には、金属シリサイド層7が形成されている。金属シリサイド層7は、金属とシリコンとの化合物であり、低抵抗な部材である。金属シリサイド層7は、不揮発性メモリNVM1の構成要素と、後述するコンタクト部材との接触抵抗を低減し、オーミック接続を実現するために備えられている。金属シリサイド層7は、例えば、コバルトシリサイドやニッケルシリサイドなどからなる。   A metal silicide layer 7 is formed on the surfaces of the memory gate electrode MG 1, the select gate electrode SG 1, and the high concentration diffusion region 5. The metal silicide layer 7 is a compound of metal and silicon and is a low resistance member. The metal silicide layer 7 is provided to reduce the contact resistance between the constituent elements of the nonvolatile memory NVM1 and a contact member to be described later and realize ohmic connection. The metal silicide layer 7 is made of, for example, cobalt silicide or nickel silicide.

シリコン基板1上には、以上のシリコン基板1上に配置された構成要素を覆うようにして、層間絶縁膜8が形成されている。層間絶縁膜8は、例えば、酸化シリコンを主体とする絶縁膜からなる。また、層間絶縁膜8は最下部において、エッチングストップ膜としての窒化シリコン膜を備えていても良い。   An interlayer insulating film 8 is formed on the silicon substrate 1 so as to cover the components arranged on the silicon substrate 1 described above. The interlayer insulating film 8 is made of, for example, an insulating film mainly composed of silicon oxide. Further, the interlayer insulating film 8 may include a silicon nitride film as an etching stop film at the bottom.

層間絶縁膜8を膜厚方向に貫くようにして、コンタクトプラグCP1が形成されている。コンタクトプラグCP1は、金属シリサイド層7に接することで、不揮発性メモリNVM1の各構成要素と電気的に接続されている。コンタクトプラグCP1は、例えば、タングステン、アルミニウム、または、銅などの金属からなる。また、コンタクトプラグCP1と、層間絶縁膜8および金属シリサイド層7との間には、相互拡散や化学反応を防止するためのバリア導体膜を備えていても良い。層間絶縁膜8上には、コンタクトプラグCP1と電気的に接続する金属配線MW1が形成されている。金属配線MW1は、不揮発性メモリNVM1を回路構成するための所望の配線パターンを有している。金属配線MW1は、例えば、アルミニウムまたは銅などの金属からなる。また、金属配線MW1と層間絶縁膜8との間には、相互拡散や化学反応を防止するためのバリア導体膜を備えていても良い。以上のような層間絶縁膜8、コンタクトプラグCP1および金属配線MW1を上部に繰り返し配置することで、多層配線構造を有していても良い(図示しない)。   A contact plug CP1 is formed so as to penetrate the interlayer insulating film 8 in the film thickness direction. The contact plug CP1 is in electrical contact with each component of the nonvolatile memory NVM1 by contacting the metal silicide layer 7. The contact plug CP1 is made of a metal such as tungsten, aluminum, or copper, for example. Further, a barrier conductor film for preventing mutual diffusion and chemical reaction may be provided between the contact plug CP1 and the interlayer insulating film 8 and the metal silicide layer 7. On the interlayer insulating film 8, a metal wiring MW1 electrically connected to the contact plug CP1 is formed. The metal wiring MW1 has a desired wiring pattern for configuring the nonvolatile memory NVM1 as a circuit. The metal wiring MW1 is made of a metal such as aluminum or copper, for example. Further, a barrier conductor film for preventing mutual diffusion and chemical reaction may be provided between the metal wiring MW1 and the interlayer insulating film 8. The interlayer insulating film 8, the contact plug CP1, and the metal wiring MW1 as described above may be repeatedly arranged on the upper portion to have a multilayer wiring structure (not shown).

以上が、本実施の形態1の半導体装置が有する不揮発性メモリNVM1の構造と、その回路構成を実現するための配線構造である。特に、不揮発性メモリNVM1は、所謂スプリットゲート構造のMONOS型メモリであり、その動作方式は、上記図46〜上記図51を用いて説明したものと同様である。即ち、ホットキャリアを生成し、それをメモリゲート絶縁膜MI1に注入することで変化する閾値電圧を利用して、メモリ動作を実現する。   The above is the structure of the nonvolatile memory NVM1 included in the semiconductor device of the first embodiment and the wiring structure for realizing the circuit configuration. In particular, the nonvolatile memory NVM1 is a MONOS type memory having a so-called split gate structure, and its operation method is the same as that described with reference to FIGS. That is, a memory operation is realized using a threshold voltage that is changed by generating hot carriers and injecting them into the memory gate insulating film MI1.

ここで、上述のように、本実施の形態1の半導体装置が有する不揮発性メモリNVM1は、3層の積層絶縁膜からなるメモリゲート絶縁膜MI1のうち、上部バリア膜TB1は酸窒化シリコンを主体とする絶縁膜からなる。これは、本発明者らが検討した不揮発性メモリ(例えば、上記図47を用いて説明した不揮発性メモリNVMb)において、上部酸化シリコン膜403が酸化シリコンを主体とする絶縁膜であったのに対し、異なる構成である。本実施の形態1の半導体装置では、不揮発性メモリNVM1の上部バリア膜TB1として酸窒化シリコンを主体とする絶縁膜を適用することで、メモリ動作中における閾値電圧の変動を低減することができる。その理由を以下で詳しく説明する。   Here, as described above, in the nonvolatile memory NVM1 included in the semiconductor device of the first embodiment, the upper barrier film TB1 is mainly composed of silicon oxynitride in the memory gate insulating film MI1 formed of the three-layer laminated insulating film. It consists of an insulating film. This is because the upper silicon oxide film 403 is an insulating film mainly composed of silicon oxide in the nonvolatile memory studied by the present inventors (for example, the nonvolatile memory NVMb described with reference to FIG. 47). On the other hand, the configuration is different. In the semiconductor device according to the first embodiment, by applying an insulating film mainly composed of silicon oxynitride as the upper barrier film TB1 of the nonvolatile memory NVM1, it is possible to reduce the variation in threshold voltage during the memory operation. The reason will be described in detail below.

本実施の形態1の不揮発性メモリNVM1では、メモリゲート絶縁膜MI1を構成する上部バリア膜TB1を酸窒化シリコン膜とすることで、書き換えの際のキャリアの消し残しを低減し、メモリゲート絶縁膜MI1中に生じるキャリアの局在を低減することができる。図3および図4には、本実施の形態1の不揮発性メモリNVM1の書き込み動作の説明図を示している。各図中には、不揮発性メモリNVM1の書き込み動作時における電子ENまたは正孔HLの挙動と、書き込み動作後の電荷分布D1,D2を示している。   In the nonvolatile memory NVM1 of the first embodiment, the upper barrier film TB1 constituting the memory gate insulating film MI1 is made of a silicon oxynitride film, thereby reducing unerased carriers at the time of rewriting and the memory gate insulating film Carrier localization occurring in MI1 can be reduced. FIGS. 3 and 4 are explanatory diagrams of the write operation of the nonvolatile memory NVM1 of the first embodiment. Each figure shows the behavior of the electrons EN or holes HL during the write operation of the nonvolatile memory NVM1 and the charge distributions D1 and D2 after the write operation.

図3に示すように、上述のSSI方式によるメモリゲート絶縁膜MI1への電子ENの注入のみを考えると、メモリゲート絶縁膜MI1のうち、選択ゲート電極SG1との境界部近傍に電子ENの電荷分布D1が偏る。ここで、本実施の形態1の不揮発性メモリNVM1であれば、書き込み動作中に、メモリゲート電極MG1とメモリゲート絶縁膜MI1との間での電荷の授受が容易になる。その結果、図4に示すように、書き込み動作後の電荷分布D2はメモリゲート絶縁膜MI1の中で横方向に広がり、電子ENのみの分布を考慮した場合(図3の電荷分布D1)と比較して滑らかになる。この現象について、以下でより詳しく説明する。   As shown in FIG. 3, considering only the injection of electrons EN into the memory gate insulating film MI1 by the SSI method described above, the charge of the electrons EN in the vicinity of the boundary with the selection gate electrode SG1 in the memory gate insulating film MI1. Distribution D1 is biased. Here, in the nonvolatile memory NVM1 of the first embodiment, charge transfer between the memory gate electrode MG1 and the memory gate insulating film MI1 is facilitated during the write operation. As a result, as shown in FIG. 4, the charge distribution D2 after the write operation spreads in the lateral direction in the memory gate insulating film MI1, and is compared with the case where the distribution of only the electron EN is considered (charge distribution D1 in FIG. 3). And smooth. This phenomenon will be described in more detail below.

上述のように、スプリットゲート構造のMONOS型メモリにおけるSSI方式による書き込み動作時には、メモリゲート電極MG1に高い正の電圧を印加して、ホットエレクトロンをメモリゲート絶縁膜MI1に引き込む。ここで、酸窒化シリコン膜のように、酸化シリコン膜よりもバンドギャップの小さい絶縁体は、電子ENおよび正孔HLがポテンシャルバリアを越え易くなる。これらを考慮すると、本実施の形態1の不揮発性メモリNVM1では、正電位を印加したメモリゲート電極MG1の中の正孔HLは、酸窒化シリコン膜からなる上部バリア膜TB1を越えて、メモリゲート絶縁膜MI1(電荷保持膜CS1)に注入され易くなる。同様に、メモリゲート絶縁膜MI1(電荷保持膜CS1)に注入された電子ENも、上部バリア膜TB1を越えて、メモリゲート電極MG1に抜け易くなる。またSSI方式による書き込み動作では、選択ゲート電極SG1に近い側のメモリゲート絶縁膜MI1(電荷保持膜CS1)への電子ENの注入量が多いため、その付近での電界は強くなる。そのため、特に電荷が局在しやすい選択ゲート電極SG1側において、メモリゲート電極MG1からメモリゲート絶縁膜MI1の正孔HLの注入、および、メモリゲート絶縁膜MI1からメモリゲート電極MG1への電子ENの放出が起こり易くなり、電荷分布D2は平らな形になる。   As described above, during a write operation by the SSI method in the MONOS type memory having the split gate structure, a high positive voltage is applied to the memory gate electrode MG1 to draw hot electrons into the memory gate insulating film MI1. Here, an insulator having a band gap smaller than that of a silicon oxide film, such as a silicon oxynitride film, makes it easier for electrons EN and holes HL to cross the potential barrier. In consideration of these, in the nonvolatile memory NVM1 of the first embodiment, the holes HL in the memory gate electrode MG1 to which a positive potential is applied exceed the upper barrier film TB1 made of a silicon oxynitride film, and the memory gate It becomes easy to be injected into the insulating film MI1 (charge holding film CS1). Similarly, the electrons EN injected into the memory gate insulating film MI1 (charge holding film CS1) also easily escape to the memory gate electrode MG1 over the upper barrier film TB1. In the write operation by the SSI method, the amount of electrons EN injected into the memory gate insulating film MI1 (charge holding film CS1) on the side close to the select gate electrode SG1 is large, so that the electric field in the vicinity thereof becomes strong. Therefore, particularly on the selection gate electrode SG1 side where charges are likely to be localized, injection of holes HL of the memory gate insulating film MI1 from the memory gate electrode MG1 and electron EN from the memory gate insulating film MI1 to the memory gate electrode MG1 Emission is likely to occur, and the charge distribution D2 has a flat shape.

同様の説明は、消去動作時にも適用できる。図5および図6には、本実施の形態1の不揮発性メモリNVM1の消去動作の説明図を示している。各図中には、不揮発性メモリNVM1の消去動作時における電子ENまたは正孔HLの挙動と、消去動作後の電荷分布D3,D4を示している。   The same explanation can be applied to the erase operation. 5 and 6 are explanatory diagrams of the erase operation of the nonvolatile memory NVM1 of the first embodiment. Each figure shows the behavior of the electrons EN or holes HL during the erase operation of the nonvolatile memory NVM1 and the charge distributions D3 and D4 after the erase operation.

図5に示すように、メモリゲート絶縁膜MI1に対しての、上述のBTBT方式で生じた正孔HLの注入のみを考えると、拡散領域4,5近傍のメモリゲート絶縁膜MI1に正孔HLの電荷分布D3が偏る。ここで、本実施の形態1の不揮発性メモリNVM1であれば、消去動作中に、メモリゲート電極MG1とメモリゲート絶縁膜MI1との間での電荷の授受が容易になる。その結果、図6に示すように、消去動作後の電荷分布D4はメモリゲート絶縁膜MI1の中で横方向に広がり、正孔HLのみの分布を考慮した場合(図5の電荷分布D3)と比較して滑らかになる。この現象について、以下でより詳しく説明する。   As shown in FIG. 5, considering only the injection of the holes HL generated by the above-described BTBT method into the memory gate insulating film MI1, the holes HL are formed in the memory gate insulating film MI1 near the diffusion regions 4 and 5. The charge distribution D3 is biased. Here, with the nonvolatile memory NVM1 of the first embodiment, charge transfer between the memory gate electrode MG1 and the memory gate insulating film MI1 is facilitated during the erase operation. As a result, as shown in FIG. 6, the charge distribution D4 after the erase operation spreads in the horizontal direction in the memory gate insulating film MI1, and the distribution of only the holes HL is considered (charge distribution D3 in FIG. 5). Compared to smooth. This phenomenon will be described in more detail below.

上述のように、スプリットゲート構造のMONOS型メモリにおける消去動作時には、メモリゲート電極MG1に高い負の電圧を印加し、拡散領域4,5に高い正の電圧を印加して、BTBT現象で発生した正孔HLをメモリゲート絶縁膜MI1に引き込む。ここで、酸窒化シリコン膜のように、酸化シリコン膜よりもバンドギャップの小さい絶縁体は、電子ENおよび正孔HLがポテンシャルバリアを越え易くなる。これらを考慮すると、本実施の形態1の不揮発性メモリNVM1では、負電位にバイアスされたメモリゲート電極MG1の中の電子ENは、酸窒化シリコン膜からなる上部バリア膜TB1を越えて、メモリゲート絶縁膜MI1(電荷保持膜CS1)に注入され易くなる。同様に、メモリゲート絶縁膜MI1(電荷保持膜CS1)に注入された正孔HLも、上部バリア膜TB1を越えて、メモリゲート電極MG1に抜け易くなる。また、BTBT方式による消去動作では、拡散領域4,5に近い側のメモリゲート絶縁膜MI1(電荷保持膜CS1)への正孔HLの注入量が多いため、その付近での電界は強くなる。そのため、特に電荷が局在しやすい拡散領域4,5近傍において、メモリゲート電極MG1からメモリゲート絶縁膜MI1の電子ENの注入、および、メモリゲート絶縁膜MI1からメモリゲート電極MG1への正孔HLの放出が起こり易くなり、電荷分布D4は平らな形になる。   As described above, at the time of erasing operation in the MONOS type memory having the split gate structure, a high negative voltage is applied to the memory gate electrode MG1, and a high positive voltage is applied to the diffusion regions 4 and 5, resulting in the BTBT phenomenon. The holes HL are drawn into the memory gate insulating film MI1. Here, an insulator having a band gap smaller than that of a silicon oxide film, such as a silicon oxynitride film, makes it easier for electrons EN and holes HL to cross the potential barrier. Considering these, in the nonvolatile memory NVM1 of the first embodiment, the electrons EN in the memory gate electrode MG1 biased to a negative potential exceed the upper barrier film TB1 made of a silicon oxynitride film, and the memory gate It becomes easy to be injected into the insulating film MI1 (charge holding film CS1). Similarly, the holes HL injected into the memory gate insulating film MI1 (charge holding film CS1) also easily escape to the memory gate electrode MG1 over the upper barrier film TB1. Further, in the erasing operation by the BTBT method, since the injection amount of holes HL into the memory gate insulating film MI1 (charge holding film CS1) on the side close to the diffusion regions 4 and 5 is large, the electric field in the vicinity thereof becomes strong. Therefore, particularly in the vicinity of diffusion regions 4 and 5 where charges are likely to be localized, injection of electrons EN from memory gate electrode MG1 into memory gate insulating film MI1 and hole HL from memory gate insulating film MI1 to memory gate electrode MG1. Is likely to occur, and the charge distribution D4 has a flat shape.

以上のように、本実施の形態1の半導体装置が有する不揮発性メモリNVM1によれば、メモリゲート絶縁膜MI1の上部バリア膜TB1を酸窒化シリコン膜とすることで、書き換え後の電荷分布の局在(消し残り)を低減することができる。従って、局在電荷が拡散し、電子と正孔が時間経過と共に対消滅していく現象も低減できる。これにより、スプリットゲート構造のMONOS型メモリの動作時における、閾値電圧の変動を低減することができる。結果として、不揮発性メモリを有する半導体装置の性能を向上させることができる。   As described above, according to the nonvolatile memory NVM1 included in the semiconductor device of the first embodiment, the upper barrier film TB1 of the memory gate insulating film MI1 is a silicon oxynitride film, so that the local distribution of charge distribution after the rewrite is performed. The presence (unerased) can be reduced. Therefore, it is possible to reduce the phenomenon in which localized charges diffuse and electrons and holes disappear with time. As a result, fluctuations in the threshold voltage during operation of the MONOS memory having the split gate structure can be reduced. As a result, the performance of the semiconductor device having a nonvolatile memory can be improved.

なお、上記は、上部バリア膜TB1を酸窒化シリコン膜とするという構造上の特徴から説明される効果であり、実際には、本実施の形態1の半導体装置の製造方法上の特徴にも起因する効果がある。製法上の特徴に起因する効果に関しては、後に詳しく説明する。   The above is an effect explained from the structural feature that the upper barrier film TB1 is a silicon oxynitride film. Actually, it is also caused by the feature in the manufacturing method of the semiconductor device of the first embodiment. There is an effect to. The effects resulting from the manufacturing characteristics will be described in detail later.

本発明者らは、上記の効果を発現し得るような、上部バリア膜TB1としての酸窒化シリコン膜の組成を詳細に検証した。   The present inventors have examined in detail the composition of the silicon oxynitride film as the upper barrier film TB1 that can exhibit the above-described effects.

ここで、酸窒化シリコン膜の組成は、酸窒化シリコン膜中の酸化シリコンと窒化シリコンの含有割合で示すことができる。特に、本明細書中では、上部バリア膜TB1としての酸窒化シリコン膜の組成比xを、酸窒化シリコン(SiON)を構成する二酸化シリコン(SiO)および四窒化三シリコン(Si)のうちの、二酸化シリコンの割合として示す。言い換えれば、酸素(O)と結合したシリコン(Si)の濃度を組成比xとし、酸窒化シリコンの組成を(SiO(Si1−x(ただし、組成比xは0以上、1以下)として表す。また、酸窒化シリコンを3元系表示(Si)した場合には、組成比xと組成比a,b,cとの関係として、a=(3−2x)/(7−4x),b=(4−4x)/(7−4x),c=2x/(7−4x)によって表される。なお、組成比x=0の場合は窒化シリコンとなり、組成比x=1の場合は酸化シリコンとなる。 Here, the composition of the silicon oxynitride film can be represented by the content ratio of silicon oxide and silicon nitride in the silicon oxynitride film. In particular, in the present specification, the composition ratio x of the silicon oxynitride film as the upper barrier film TB1 is determined by using silicon dioxide (SiO 2 ) and trisilicon tetranitride (Si 3 N 4 ) constituting silicon oxynitride (SiON). Of these, it is shown as the proportion of silicon dioxide. In other words, the composition ratio x is the concentration of silicon (Si) bonded to oxygen (O), and the composition of silicon oxynitride is (SiO 2 ) x (Si 3 N 4 ) 1-x (where the composition ratio x is 0). This is expressed as 1 or less. When silicon oxynitride is displayed in a ternary system (Si a N b O c ), the relationship between the composition ratio x and the composition ratios a, b, and c is a = (3-2x) / (7− 4x), b = (4-4x) / (7-4x), c = 2x / (7-4x). When the composition ratio x = 0, silicon nitride is used, and when the composition ratio x = 1, silicon oxide is used.

また、酸窒化シリコン膜の組成はその屈折率とほぼ比例するため、酸窒化シリコンの屈折率(Refractive Index)RIを酸窒化シリコンの組成比xに代替して表現することがある。本発明者らの検証によれば、上記のように定義された酸窒化シリコンの組成比x=0(窒化シリコン)の場合には屈折率RI=2.0となり、酸窒化シリコンの組成比x=1(酸化シリコン)の場合には屈折率RI=1.46となる。即ち、組成比xは、ほぼ(屈折率RI−2)/(1.46−2)として表すことができる。以下では、上部バリア膜TB1としての酸窒化シリコン膜の組成を、上記のように定義した組成比xと屈折率RIとの両方で示す。   Further, since the composition of the silicon oxynitride film is almost proportional to the refractive index, the refractive index RI of silicon oxynitride may be expressed in place of the composition ratio x of silicon oxynitride. According to the verification by the present inventors, in the case of the composition ratio x = 0 (silicon nitride) of silicon oxynitride defined as described above, the refractive index RI = 2.0, and the composition ratio x of silicon oxynitride When = 1 (silicon oxide), the refractive index RI = 1.46. That is, the composition ratio x can be expressed approximately as (refractive index RI-2) / (1.46-2). Hereinafter, the composition of the silicon oxynitride film as the upper barrier film TB1 is shown by both the composition ratio x and the refractive index RI defined as described above.

図7には、本実施の形態1の不揮発性メモリNVM1において、メモリゲート絶縁膜MI1における上部バリア膜TB1の組成を変化させたときの、閾値電圧の変動特性を表したグラフ図を示している。より具体的には、組成の異なる上部バリア膜TB1を有する検証試料において、室温にて同条件で1000回書き換えた後の、閾値電圧の時間変化(電荷の保持特性)を示している。有意差を短時間で明確にさせるために、150℃において閾値電圧の時間変化を測定している。メモリゲート絶縁膜MI1を構成する上部バリア膜TB1としての酸窒化シリコン膜の組成比xを0.787(屈折率RIを1.575)とし、膜厚9nmとした場合の特性を、特性P01として示す。同様に、上部バリア膜TB1としての酸窒化シリコン膜の組成比xを0.55(屈折率RIを1.7)とし、膜厚9nmとした場合を特性P02として示す。同様に、上部バリア膜TB1としての酸窒化シリコン膜の組成比xを0.37(屈折率RIを1.8)とし、膜厚9nmとした場合を特性P03として示す。同様に、上部バリア膜TB1としての酸窒化シリコン膜の組成比xを1(屈折率RIを1.46、即ち酸化シリコン膜)、膜厚約5nmとした場合を特性P04として示す。その他の構造や仕様はほぼ同様であり、例えば、メモリゲート絶縁膜MI1の他の構成のうち、下部バリア膜BB1としての酸化シリコン膜は4nm、電荷保持膜CS1としての窒化シリコン膜は5nmから10nmである。   FIG. 7 is a graph showing the variation characteristics of the threshold voltage when the composition of the upper barrier film TB1 in the memory gate insulating film MI1 is changed in the nonvolatile memory NVM1 of the first embodiment. . More specifically, the change in threshold voltage over time (charge retention characteristics) after rewriting 1000 times under the same conditions at room temperature in a verification sample having an upper barrier film TB1 having a different composition is shown. In order to clarify a significant difference in a short time, the time change of the threshold voltage is measured at 150 ° C. A characteristic P01 is a characteristic when the composition ratio x of the silicon oxynitride film as the upper barrier film TB1 constituting the memory gate insulating film MI1 is 0.787 (refractive index RI is 1.575) and the film thickness is 9 nm. Show. Similarly, the characteristic P02 is shown when the composition ratio x of the silicon oxynitride film as the upper barrier film TB1 is 0.55 (refractive index RI is 1.7) and the film thickness is 9 nm. Similarly, the characteristic P03 is shown when the composition ratio x of the silicon oxynitride film as the upper barrier film TB1 is 0.37 (refractive index RI is 1.8) and the film thickness is 9 nm. Similarly, a case where the composition ratio x of the silicon oxynitride film as the upper barrier film TB1 is 1 (refractive index RI is 1.46, that is, a silicon oxide film) and the film thickness is about 5 nm is shown as a characteristic P04. Other structures and specifications are substantially the same. For example, among other configurations of the memory gate insulating film MI1, the silicon oxide film as the lower barrier film BB1 is 4 nm, and the silicon nitride film as the charge holding film CS1 is 5 to 10 nm. It is.

特性P01(組成比x=0.787、屈折率RI=1.575)および特性P02(組成比x=0.55、屈折率RI=1.7)において、閾値電圧の時間変動が緩和されているのが分かる。これは、上述のように、メモリゲート絶縁膜MI1の上部バリア膜TB1を酸窒化シリコン膜にしたことで、書き換えを繰り返す間の電荷の局在が緩和された効果である。なお、これは、上部バリア膜TB1を酸窒化シリコン膜とするという構造上の特徴から説明される効果であり、実際には、本実施の形態1の半導体装置の製造方法上の特徴に起因する効果もある。製法上の特徴に起因する効果に関しては、後に詳しく説明する。   In the characteristic P01 (composition ratio x = 0.787, refractive index RI = 1.575) and the characteristic P02 (composition ratio x = 0.55, refractive index RI = 1.7), the time variation of the threshold voltage is alleviated. I can see that As described above, the upper barrier film TB1 of the memory gate insulating film MI1 is made of a silicon oxynitride film, so that the effect of localizing charges during repeated rewriting is reduced. This is an effect explained from the structural feature that the upper barrier film TB1 is a silicon oxynitride film, and is actually due to the feature in the method of manufacturing the semiconductor device of the first embodiment. There is also an effect. The effects resulting from the manufacturing characteristics will be described in detail later.

一方、特性P03(組成比x=0.37、屈折率RI=1.8)において、閾値電圧の変動が、従来構造(組成比x=1、屈折率RI=1.46の酸化シリコン膜)の特性P04と同程度か、それよりも大きな変動となっているのが分かる。これは、特性P03では、上部バリア膜TB1における酸化シリコンの割合が少なく、窒化シリコンの割合が多いため、保持電荷に対するポテンシャルバリアの高さが低くなり過ぎたことが一原因である。即ち、上部バリア膜TB1における窒化シリコンの割合が増え、ポテンシャルバリアが低くなると、メモリゲート絶縁膜MI1の電荷保持膜CS1に捕獲されている電荷が、メモリゲート電極MG1側へ漏れてしまうためである。以下、このような現象を真性の電荷リークと称する。このような真性の電荷リークが支配的になると、不揮発性メモリNVM1の実用的なスペックを満たすことが困難となる。なお、これは、上部バリア膜TB1を酸窒化シリコン膜とするという構造上の特徴から説明される影響であり、実際には、製法上の特徴に起因する影響もある。製法上の特徴に起因する影響に関しては、後に詳しく説明する。   On the other hand, in the characteristic P03 (composition ratio x = 0.37, refractive index RI = 1.8), the threshold voltage varies according to the conventional structure (silicon oxide film having the composition ratio x = 1 and refractive index RI = 1.46). It can be seen that the fluctuation is similar to or larger than the characteristic P04. This is because, in the characteristic P03, since the ratio of silicon oxide in the upper barrier film TB1 is small and the ratio of silicon nitride is large, the height of the potential barrier with respect to the retained charge is too low. That is, if the ratio of silicon nitride in the upper barrier film TB1 increases and the potential barrier becomes lower, the charges trapped in the charge holding film CS1 of the memory gate insulating film MI1 leak to the memory gate electrode MG1 side. . Hereinafter, such a phenomenon is referred to as intrinsic charge leakage. When such intrinsic charge leakage becomes dominant, it becomes difficult to satisfy practical specifications of the nonvolatile memory NVM1. This is an influence explained from the structural feature that the upper barrier film TB1 is a silicon oxynitride film, and in fact, there is also an influence caused by the feature of the manufacturing method. The influence resulting from the manufacturing characteristics will be described in detail later.

以上のような検証結果を元に、本発明者らは、本実施の形態1の半導体装置が有する不揮発性メモリNVM1において、真性の電荷リークを支配的な保持劣化の要因とせずに、閾値電圧の変動を低減する効果を得るための条件を、更に詳しく検証した。   Based on the verification results as described above, the inventors of the nonvolatile memory NVM1 included in the semiconductor device of the first embodiment do not cause intrinsic charge leakage to be a dominant cause of retention deterioration, but the threshold voltage. The conditions for obtaining the effect of reducing the fluctuation of the above were verified in more detail.

まず、本実施の形態1の不揮発性メモリNVM1における書き込みおよび消去動作中において、上述のようなメモリゲート電極MG1から逆極性キャリアが注入されて電荷分布の局在を緩和できるという効果が発現される条件を検証した。その結果、メモリゲート絶縁膜MI1を構成する上部バリア膜TB1としての酸窒化シリコン膜の組成比xが0.92以下(屈折率RIが1.5以上)のときに、上述の効果が得られた。   First, during the writing and erasing operations in the nonvolatile memory NVM1 of the first embodiment, the effect of reducing the localization of the charge distribution by injecting reverse polarity carriers from the memory gate electrode MG1 as described above is exhibited. The condition was verified. As a result, the above-described effects can be obtained when the composition ratio x of the silicon oxynitride film as the upper barrier film TB1 constituting the memory gate insulating film MI1 is 0.92 or less (refractive index RI is 1.5 or more). It was.

次に、本実施の形態1の不揮発性メモリNVM1におけるメモリ動作において、真性の電荷リークが保持特性の劣化の主原因とならないような条件を検証した。その結果、メモリゲート絶縁膜MI1を構成する上部バリア膜TB1としての酸窒化シリコン膜の組成比xが0.46よりも大きい(屈折率RIは1.75よりも小さい)ときに、不揮発性メモリNVM1の信頼性を確保できることが分かった。   Next, in the memory operation in the nonvolatile memory NVM1 of the first embodiment, conditions were verified so that intrinsic charge leakage does not become the main cause of deterioration of retention characteristics. As a result, when the composition ratio x of the silicon oxynitride film as the upper barrier film TB1 constituting the memory gate insulating film MI1 is larger than 0.46 (the refractive index RI is smaller than 1.75), the nonvolatile memory It was found that the reliability of NVM1 can be secured.

以上をまとめると、本実施の形態1の半導体装置が有する不揮発性メモリNVM1において、真性の電荷リークを支配的な保持劣化の要因とせずに、閾値電圧の変動を低減する効果を得るためには、メモリゲート絶縁膜MI1の上部バリア膜TB1としての酸窒化シリコン膜の組成比xを0.46より大きく、かつ、0.92以下とする(屈折率RIを1.5以上、かつ、1.75より小さくする)ことが条件となる。このような条件下において、上述のように、不揮発性メモリを有する半導体装置の性能を向上させることができる。   To summarize the above, in the nonvolatile memory NVM1 included in the semiconductor device of the first embodiment, in order to obtain the effect of reducing the fluctuation of the threshold voltage without causing intrinsic charge leakage as a dominant cause of retention deterioration. The composition ratio x of the silicon oxynitride film as the upper barrier film TB1 of the memory gate insulating film MI1 is larger than 0.46 and not larger than 0.92 (refractive index RI is not smaller than 1.5 and 1. It must be smaller than 75). Under such conditions, as described above, the performance of the semiconductor device having a nonvolatile memory can be improved.

更に、アレイ動作時に非選択セルが受けるディスターブモードへの耐性を考えると、上述の真性の電荷リークは、より低くなるような構造とした方が好ましい。アレイ動作時に非選択セルが受けるディスターブモードとは、例えば、あるメモリセルを書き込むときに、書き込み対象ではない状態のセルのメモリゲートにも電圧が印加され、ゲートへ蓄積電荷が放出したり、意図しない電荷注入が起こったりすることで、誤書き込み、誤消去されるモードなどである。このようなディスターブモードへの耐性を考えた上で、安定して保持特性向上の効果を活かすためには、上部バリア膜TB1としての酸窒化シリコン膜の組成比xは0.55以上(屈折率RIは1.7以下)である方が、より好ましい。また、このように組成比xを0.55以下(屈折率RIを1.7以下)とする条件下では、閾値電圧の変動特性における組成比依存性が認識されない範囲でもある(上記図7参照)。従って、多数メモリを形成した際に生じる組成のばらつきが、特性に影響を及ぼさないという利点もある。結果として、不揮発性メモリを有する半導体装置の性能を、更に向上させることができる。   Further, considering the resistance to the disturb mode received by the non-selected cells during the array operation, it is preferable that the above-described intrinsic charge leakage is made lower. The disturb mode received by non-selected cells during array operation is, for example, when a certain memory cell is written, a voltage is also applied to the memory gate of the cell that is not the write target, and the stored charge is released to the gate. This is a mode in which erroneous writing or erroneous erasure is caused by the occurrence of uninjected charge injection. In view of such resistance to the disturb mode, in order to utilize the effect of improving the retention characteristics stably, the composition ratio x of the silicon oxynitride film as the upper barrier film TB1 is 0.55 or more (refractive index The RI is more preferably 1.7 or less. In addition, under such a condition that the composition ratio x is 0.55 or less (refractive index RI is 1.7 or less), it is also in a range where the composition ratio dependency in the variation characteristic of the threshold voltage is not recognized (see FIG. 7 above). ). Therefore, there is an advantage that the variation in composition that occurs when a large number of memories are formed does not affect the characteristics. As a result, the performance of the semiconductor device having a nonvolatile memory can be further improved.

本発明者は、上部バリア膜TB1の膜厚に関しても詳細な検証を行った。図8には、本実施の形態1の不揮発性メモリNVM1において、メモリゲート絶縁膜MI1における上部バリア膜TB1の膜厚を変化させたときの、閾値電圧の変動特性を表したグラフ図を示している。より具体的には、膜厚の異なる上部バリア膜TB1を有する検証試料において、室温にて同条件で1000回書き換えた後の、閾値電圧の時間変化(電荷の保持特性)を示している。有意差を短時間で明確にさせるために、150℃において閾値電圧の変化を測定している。メモリゲート絶縁膜MI1を構成する上部バリア膜TB1の膜厚を12nmとした場合の特性を、特性P05として示す。同様に、上部バリア膜TB1の膜厚を9nmとした場合の特性を、特性P06として示す。同様に、上部バリア膜TB1の膜厚を6nmとした場合の特性を、特性P07として示す。なお、ここまでの検証試料では、上部バリア膜TB1としての酸窒化シリコン膜の組成比xは0.55(屈折率RIは1.7)である。更に、上部バリア膜TB1を酸化シリコン膜(組成比x=1、屈折率RI=1.46)とし、膜厚を5nmとした場合の特性を、特性P08として示す。その他の構造や仕様はほぼ同様であり、例えば、メモリゲート絶縁膜MI1の他の構成のうち、下部バリア膜BB1としての酸化シリコン膜は4nm、電荷保持膜CS1としての窒化シリコン膜は5nmから10nmである。   The inventor also performed detailed verification on the film thickness of the upper barrier film TB1. FIG. 8 is a graph showing the variation characteristics of the threshold voltage when the thickness of the upper barrier film TB1 in the memory gate insulating film MI1 is changed in the nonvolatile memory NVM1 of the first embodiment. Yes. More specifically, the change in threshold voltage over time (charge retention characteristics) after rewriting 1000 times under the same conditions at room temperature in the verification sample having the upper barrier film TB1 having different film thicknesses is shown. In order to clarify a significant difference in a short time, a change in threshold voltage is measured at 150 ° C. A characteristic when the film thickness of the upper barrier film TB1 constituting the memory gate insulating film MI1 is 12 nm is shown as a characteristic P05. Similarly, a characteristic when the film thickness of the upper barrier film TB1 is 9 nm is shown as a characteristic P06. Similarly, a characteristic when the thickness of the upper barrier film TB1 is 6 nm is shown as a characteristic P07. In the verification sample so far, the composition ratio x of the silicon oxynitride film as the upper barrier film TB1 is 0.55 (refractive index RI is 1.7). Further, a characteristic when the upper barrier film TB1 is a silicon oxide film (composition ratio x = 1, refractive index RI = 1.46) and the film thickness is 5 nm is shown as a characteristic P08. Other structures and specifications are substantially the same. For example, among other configurations of the memory gate insulating film MI1, the silicon oxide film as the lower barrier film BB1 is 4 nm, and the silicon nitride film as the charge holding film CS1 is 5 to 10 nm. It is.

特性P05(膜厚12nm)および特性P06(膜厚9nm)において、閾値電圧の変動特性はほぼ同様である。これに対し、特性P07(膜厚6nm)では、閾値電圧の変動が大きくなる。これは、元々、酸化シリコン膜よりもポテンシャルバリアの低い酸窒化シリコン膜からなる上部バリア膜TB1を更に薄膜化することで、バリアとしての機能が弱まっていることを示している。即ち、酸窒化シリコン膜からなる上部バリア膜TB1の膜厚を薄膜化することで、メモリゲート絶縁膜MI1に捕獲された電荷がメモリゲート電極に漏れる成分が見え始めている。本発明者らの更なる検証によれば、このような真性の電荷リークは上部バリア膜TB1の膜厚を5nmより薄くしたときに支配的になり、閾値電圧の変動特性は、従来の酸化シリコン膜を上部バリア膜TB1に適用した特性P08と同程度か、それよりも劣化した特性になる。従って、酸窒化シリコン膜による上部バリア膜TB1の厚さは5nm以上である方が、より好ましい。このような膜厚とすることで、スプリットゲート構造のMONOS型メモリの閾値電圧の変動を、より低減することができる。結果として、不揮発性メモリを有する半導体装置の性能を、更に向上させることができる。   In the characteristic P05 (film thickness 12 nm) and the characteristic P06 (film thickness 9 nm), the threshold voltage variation characteristics are almost the same. On the other hand, in the characteristic P07 (film thickness 6 nm), the threshold voltage varies greatly. This indicates that the function as a barrier is weakened by further reducing the thickness of the upper barrier film TB1 made of a silicon oxynitride film having a lower potential barrier than that of the silicon oxide film. That is, by reducing the thickness of the upper barrier film TB1 made of a silicon oxynitride film, a component in which the charge trapped in the memory gate insulating film MI1 leaks to the memory gate electrode starts to be seen. According to further verification by the present inventors, such intrinsic charge leakage becomes dominant when the thickness of the upper barrier film TB1 is made thinner than 5 nm, and the threshold voltage variation characteristic is the same as that of the conventional silicon oxide. The characteristic is similar to or worse than the characteristic P08 in which the film is applied to the upper barrier film TB1. Therefore, the thickness of the upper barrier film TB1 made of the silicon oxynitride film is more preferably 5 nm or more. With such a film thickness, the fluctuation of the threshold voltage of the MONOS memory having the split gate structure can be further reduced. As a result, the performance of the semiconductor device having a nonvolatile memory can be further improved.

更に、上述のように、メモリゲート絶縁膜MI1における上部バリア膜TB1の厚さを9nm以上とすることで、真性の電荷リークがほぼ完全に見られなくなるので、より好ましい。これにより、上述のディスターブ耐性も更に向上させることができる。また、このように膜厚を9nm以上とする条件下では、閾値電圧の変動特性における膜厚依存性が認識されない範囲でもある(上記図8参照)。従って、多数メモリを形成した際に生じる膜厚のばらつきが、特性に影響を及ぼさないという利点もある。結果として、不揮発性メモリを有する半導体装置の性能を、更に向上させることができる。   Furthermore, as described above, it is more preferable to set the thickness of the upper barrier film TB1 in the memory gate insulating film MI1 to 9 nm or more, since an intrinsic charge leak is hardly seen. Thereby, the above-mentioned disturbance tolerance can be further improved. In addition, under such a condition that the film thickness is 9 nm or more, the film thickness dependence in the variation characteristic of the threshold voltage is not recognized (see FIG. 8 above). Therefore, there is an advantage that variations in film thickness that occurs when a large number of memories are formed do not affect the characteristics. As a result, the performance of the semiconductor device having a nonvolatile memory can be further improved.

以上は、本実施の形態1の不揮発性メモリNVM1における、酸窒化シリコン膜からなる上部バリア膜TB1の膜厚の下限について、本発明者らが検証した結果を説明した。上部バリア膜TB1の膜厚の上限については、不揮発性メモリNVM1の消去速度によって規定し得る。この観点から、本実施の形態1の不揮発性メモリNVM1の上部バリア膜TB1の膜厚について本発明者らが検証した内容を、詳しく説明する。   The above has described the results of verification by the present inventors on the lower limit of the thickness of the upper barrier film TB1 made of the silicon oxynitride film in the nonvolatile memory NVM1 of the first embodiment. The upper limit of the film thickness of the upper barrier film TB1 can be defined by the erase speed of the nonvolatile memory NVM1. From this point of view, the contents verified by the inventors about the film thickness of the upper barrier film TB1 of the nonvolatile memory NVM1 of Embodiment 1 will be described in detail.

スプリットゲート構造のMONOS型メモリを適用する利点として、記憶情報の読み出し動作が高速で行えるということがある。消去状態の時にホールを多量に捕獲させることで、読み出し時にはメモリゲート電極MG1への印加電圧が0Vでも、低電圧でオン、オフをスイッチできる選択ゲート電極SG1をオン状態にすれば、大きな読み出し電流が得られる。そのため、読み出し時にメモリゲート電極MG1の電圧を昇圧する必要なく、高速な読み出しが可能となる。   An advantage of applying the MONOS type memory having the split gate structure is that the stored information can be read at a high speed. By capturing a large amount of holes in the erase state, even if the voltage applied to the memory gate electrode MG1 is 0 V during reading, if the selection gate electrode SG1 that can be switched on / off at a low voltage is turned on, a large read current can be obtained. Is obtained. Therefore, high-speed reading can be performed without increasing the voltage of the memory gate electrode MG1 during reading.

たとえばマイクロコントローラは、高速なもので動作周波数が100Mhz以上を要求され、それを実現するための不揮発性メモリNVM1の読み出し電流は、1セルあたり約10μA以上が必要となる。一方、電源電圧、I/O(入出力)系で3.3V系を使用する場合、3.3V系の高耐圧MISトランジスタのジャンクション耐圧はおよそ6〜7V程度である。このような観点から、消去に使用できる電圧として±6V程度というのが、およその上限となる。   For example, the microcontroller is required to have a high speed and an operating frequency of 100 Mhz or more, and the read current of the nonvolatile memory NVM1 for realizing it requires about 10 μA or more per cell. On the other hand, when a 3.3V system is used as the power supply voltage and I / O (input / output) system, the junction breakdown voltage of the 3.3V high voltage MIS transistor is about 6 to 7V. From such a viewpoint, a voltage that can be used for erasing is about ± 6 V, which is an approximate upper limit.

そこで、図9にメモリゲート電極MG1の電圧を−6V、拡散領域4,5の電圧を6VとしてBTBT方式によるホットホール消去を行った場合の、メモリゲート絶縁膜MI1の等価酸化膜厚(Equivalent Oxide Thickness:EOT)と消去時間の関係を表すグラフ図を示す。ここで、等価酸化膜厚とは、絶縁膜の厚さを酸化シリコン(二酸化シリコン)膜と等価な電気的膜厚として、比誘電率を用いて換算した値である。例えば、比誘電率が酸化シリコンの10倍である絶縁体(誘電体)では、物理膜厚が10nmのときに等価酸化膜厚が1nmとなる。なお、窒化シリコンの比誘電率は、酸化シリコンの比誘電率の約2倍である。消去時間は、読み出し時にメモリゲート電極MG1の電圧を−1V、選択ゲート電極SG1の電圧を1.5V、ドレイン電圧を1V、ソースを電圧0Vとしたときに、83.3μA/μm以上の電流がソース−ドレイン間で流れるまでにかかる消去時間で規定している。これは、スプリットゲート構造のMONOS型メモリにおいて、トランジスタの幅が0.12μm以上のセルの読み出しを行う場合、メモリゲート電極MG1の電圧0Vで、1セルあたり10μA以上の電流を十分に確保できるスペックであり、モジュールの高速動作に必要な電流値である。   Therefore, FIG. 9 shows an equivalent oxide thickness (Equivalent Oxide) of the memory gate insulating film MI1 when hot hole erasing is performed by the BTBT method with the voltage of the memory gate electrode MG1 set to −6V and the voltages of the diffusion regions 4 and 5 set to 6V. A graph showing the relationship between Thickness (EOT) and erase time is shown. Here, the equivalent oxide film thickness is a value obtained by converting the thickness of the insulating film into an electrical film thickness equivalent to a silicon oxide (silicon dioxide) film using a relative dielectric constant. For example, an insulator (dielectric) whose relative dielectric constant is 10 times that of silicon oxide has an equivalent oxide thickness of 1 nm when the physical thickness is 10 nm. Note that the relative dielectric constant of silicon nitride is about twice that of silicon oxide. The erase time is a current of 83.3 μA / μm or more when the voltage of the memory gate electrode MG1 is −1V, the voltage of the selection gate electrode SG1 is 1.5V, the drain voltage is 1V, and the source voltage is 0V. It is defined by the erase time required to flow between the source and drain. This is a specification that, in a MONOS type memory having a split gate structure, when reading a cell having a transistor width of 0.12 μm or more, a current of 10 μA or more per cell can be sufficiently secured with a voltage of 0 V of the memory gate electrode MG1. This is a current value necessary for high-speed operation of the module.

本発明者らの検討によれば、マイクロコントローラなどに搭載されるフラッシュメモリの製品スペックとしては、1MByteあたり1秒程度で消去できることが望ましい。また、一度に流せる消去電流の上限値などの制約や、より細かな動作を行うために、4kbit単位程度で消去を行うことが多い。この条件下では、1Mbyteの消去を1秒で行うには、1bitあたり、1(秒)÷8(Mbit)×4(kbit)=500μ秒の消去時間以下であることが望ましい。   According to the study by the present inventors, it is desirable that the product specifications of a flash memory mounted on a microcontroller or the like can be erased in about 1 second per 1 Mbyte. Further, in order to perform restrictions such as the upper limit value of the erasing current that can be flowed at one time and finer operations, erasing is often performed in units of about 4 kbit. Under this condition, in order to erase 1 Mbyte in 1 second, it is desirable that 1 (second) ÷ 8 (Mbit) × 4 (kbit) = 500 μsec or less per 1 bit.

本図9より、およそメモリゲート絶縁膜MI1全体の厚さは、等価酸化膜厚17.5nm以下で、消去に必要な時間が500μ秒以下となり、上記の条件を満たす。従って、本実施の形態1の不揮発性メモリNVM1では、メモリゲート絶縁膜MI1全体の厚さは、等価酸化膜厚で17.5nm以下である方が、より好ましい。これにより、消去動作がより高速であるスプリットゲート構造のMONOS型メモリを実現できる。結果として、不揮発性メモリを有する半導体装置の性能を、更に向上させることができる。   As shown in FIG. 9, the total thickness of the memory gate insulating film MI1 is equal to or less than the equivalent oxide film thickness of 17.5 nm, and the time required for erasing is 500 μsec or less, which satisfies the above condition. Therefore, in the nonvolatile memory NVM1 of the first embodiment, it is more preferable that the total thickness of the memory gate insulating film MI1 is 17.5 nm or less in terms of equivalent oxide thickness. Thereby, it is possible to realize a MONOS type memory having a split gate structure in which the erase operation is faster. As a result, the performance of the semiconductor device having a nonvolatile memory can be further improved.

また、スプリットゲート構造のMONOS型メモリにおいて、積層構造のメモリゲート絶縁膜の下層に配置する酸化シリコン膜は、4nmより薄くなるとダイレクトトンネル現象による真性の電荷リークが見え始めるため、4nm以上とする必要がある。また、上記非特許文献1では、積層構造のメモリゲート絶縁膜の電荷保持層として配置する窒化シリコン膜は、4nm(等価酸化膜厚2nm)以下程度から電荷トラップ能力が弱くなることに言及している。従って、本実施の形態1の不揮発性メモリNVM1が有するメモリゲート絶縁膜MI1全体の等価酸化膜厚が17.5nm以下とするとき、上部バリア膜TB1の等価酸化膜厚は、下部バリア膜BB1の4nmと電荷保持膜の2nmを引いて、11.5nm以下である方が、より好ましいことになる。   In the MONOS type memory having the split gate structure, the silicon oxide film disposed below the stacked structure memory gate insulating film starts to show intrinsic charge leakage due to the direct tunnel phenomenon when it becomes thinner than 4 nm. There is. Further, in Non-Patent Document 1, it is mentioned that a silicon nitride film disposed as a charge retention layer of a memory gate insulating film having a laminated structure has a weak charge trapping capability from about 4 nm (equivalent oxide thickness 2 nm) or less. Yes. Therefore, when the equivalent oxide thickness of the entire memory gate insulating film MI1 included in the nonvolatile memory NVM1 of the first embodiment is 17.5 nm or less, the equivalent oxide thickness of the upper barrier film TB1 is equal to that of the lower barrier film BB1. It is more preferable that 4 nm and 2 nm of the charge holding film are subtracted to be 11.5 nm or less.

また上記では、本実施の形態1の不揮発性メモリNVM1において、メモリゲート電極MG1は多結晶シリコンを主体とし、ドナー不純物を含み、n型導電型であるとして説明した。上述の各効果に関しては、メモリゲート電極MG1の不純物濃度に依らず、同様に効果的である。ただし、本実施の形態1の半導体装置が有する不揮発性メモリNVM1では、メモリゲート電極MG1に含まれる不純物濃度は、選択ゲート電極SG1に含まれる不純物濃度よりも低いほうが、より好ましい。その理由を以下で説明する。   In the above description, in the nonvolatile memory NVM1 of the first embodiment, the memory gate electrode MG1 is mainly composed of polycrystalline silicon, includes donor impurities, and has n-type conductivity. The above-described effects are similarly effective regardless of the impurity concentration of the memory gate electrode MG1. However, in the nonvolatile memory NVM1 included in the semiconductor device of the first embodiment, it is more preferable that the impurity concentration contained in the memory gate electrode MG1 is lower than the impurity concentration contained in the selection gate electrode SG1. The reason will be described below.

メモリゲート電極MG1の不純物濃度を低くすることで、メモリゲート絶縁膜MI1との界面付近の不純物濃度も低くなる。これにより、空乏化したゲートを適用することができる。ゲートが空乏化していると、電荷保持状態において上部および下部のバリア膜TB1,BB1に生じる電界が、ゲートが空乏化していない場合に比べて弱くなる。これは、ゲート中の不純物濃度が低い部分にも電界が生じるからである。そのため、電荷保持特性をより向上させることができる。結果として、不揮発性メモリを有する半導体装置の性能を、更に向上させることができる。   By reducing the impurity concentration of the memory gate electrode MG1, the impurity concentration in the vicinity of the interface with the memory gate insulating film MI1 is also reduced. Thereby, a depleted gate can be applied. When the gate is depleted, the electric field generated in the upper and lower barrier films TB1 and BB1 in the charge holding state is weaker than when the gate is not depleted. This is because an electric field is also generated in a portion having a low impurity concentration in the gate. Therefore, the charge retention characteristics can be further improved. As a result, the performance of the semiconductor device having a nonvolatile memory can be further improved.

このようなメモリゲート電極MG1を形成するためには、例えば、不純物を意図的に加えていない多結晶シリコン(ノンドープの多結晶シリコン)を用いて、メモリゲート電極MG1を形成する。この時点では、メモリゲート電極MG1は真性半導体に近い程度の不純物濃度を有する。ただし、メモリゲート電極MG1は、各拡散領域4,5などを形成する際のイオン注入マスクとして適用するため、当該イオン注入で導入される程度の不純物を含むことになる。メモリゲート電極MG1や各拡散領域4,5の形成方法については、後に詳しく説明する。   In order to form such a memory gate electrode MG1, for example, the memory gate electrode MG1 is formed using polycrystalline silicon (non-doped polycrystalline silicon) to which impurities are not intentionally added. At this time, the memory gate electrode MG1 has an impurity concentration that is close to that of an intrinsic semiconductor. However, since the memory gate electrode MG1 is applied as an ion implantation mask when forming the diffusion regions 4 and 5 and the like, the memory gate electrode MG1 contains impurities to the extent introduced by the ion implantation. A method for forming the memory gate electrode MG1 and the diffusion regions 4 and 5 will be described in detail later.

以上のような効果を有する不揮発性メモリNVM1を備えた本実施の形態1の半導体装置の製造方法を、図10〜図21を用いて説明する。図10〜図21は、上記図1に該当する領域における製造工程中の要部断面図である。   A manufacturing method of the semiconductor device according to the first embodiment provided with the nonvolatile memory NVM1 having the above effects will be described with reference to FIGS. 10 to 21 are fragmentary cross-sectional views of the region corresponding to FIG. 1 during the manufacturing process.

はじめに、図10に示すように、シリコン基板1の主面にSTI構造の分離部2を形成する。分離部2は、フォトリソグラフィ法およびエッチング法によりシリコン基板1の表面に浅い溝を形成し、熱酸化法や化学気相成長(Chemical Vapor Deposition:CVD)法などにより酸化シリコンを体積し、化学的機械的研磨(Chemical and Mechanical Polishing:CMP)法を施すことで、浅い溝に酸化シリコンを埋め込むことで形成する。分離部2は、シリコン基板1上において、不揮発性メモリやその他の素子を形成する領域を規定するようにして形成する。このように分離部2によって規定されたシリコン基板1上の領域を活性領域(アクティブ領域)などと言う。   First, as shown in FIG. 10, the isolation portion 2 having the STI structure is formed on the main surface of the silicon substrate 1. The separation unit 2 forms a shallow groove on the surface of the silicon substrate 1 by a photolithography method and an etching method, and the silicon oxide is volumetrically formed by a thermal oxidation method, a chemical vapor deposition (CVD) method, or the like. It is formed by embedding silicon oxide in a shallow groove by applying a mechanical and mechanical polishing (CMP) method. The isolation | separation part 2 is formed on the silicon substrate 1 so that the area | region which forms a non-volatile memory and another element may be prescribed | regulated. The region on the silicon substrate 1 thus defined by the separation unit 2 is called an active region (active region) or the like.

その後、シリコン基板1上にpウェル3を形成する。ここでは、フォトリソグラフィ法によって形成したフォトレジスト膜(図示しない)などによって、pウェル3を形成しない領域を覆い、これをイオン注入マスクとしてシリコン基板1にイオン注入および熱処理を施すことで、pウェル3を形成する。pウェル3はp型導電型の半導体領域であるから、アクセプタ不純物となる原子(例えば、ホウ素など)をイオン注入する。ここで、形成する不揮発性メモリNVM1の閾値電圧を調整する場合には、本工程でシリコン基板1の活性領域表面にイオン注入を施すことで、チャネルの不純物濃度を調整しても良い。   Thereafter, a p-well 3 is formed on the silicon substrate 1. Here, a region where the p-well 3 is not formed is covered with a photoresist film (not shown) formed by a photolithography method, and the silicon substrate 1 is subjected to ion implantation and heat treatment using this as a mask for ion implantation. 3 is formed. Since the p-well 3 is a p-type conductivity type semiconductor region, atoms (for example, boron) that become acceptor impurities are ion-implanted. Here, when adjusting the threshold voltage of the nonvolatile memory NVM1 to be formed, the impurity concentration of the channel may be adjusted by performing ion implantation on the surface of the active region of the silicon substrate 1 in this step.

次に、図11に示すように、シリコン基板1上に選択ゲート絶縁膜SI1を形成し、選択ゲート絶縁膜SI1上に選択ゲート電極SG1を形成する。これには、例えば、シリコン基板1を熱酸化することで、シリコン基板1上に酸化シリコンを主体とする絶縁膜である酸化シリコン膜9を、例えば2.5nm程度形成する。その後、例えばCVD法などによって、酸化シリコン膜9上に多結晶シリコン膜10(ポリシリコンとも言う)を、例えば200nm程度堆積する。続いて、フォトリソグラフィ法やエッチング法などにより、多結晶シリコン膜10および酸化シリコン膜9を順に加工することで、多結晶シリコン膜10からなる選択ゲート電極SG1を形成し、酸化シリコン膜9からなる選択ゲート絶縁膜SI1を形成する。ここで、選択ゲート電極SG1の導電型および導電率を調整するために、選択ゲート電極SG1となる多結晶シリコン膜10には所望の不純物を導入する必要がある。その方法として、予め不純物を導入した多結晶シリコン膜10(ドープドポリシリコン)をCVDによって堆積しても良いし、多結晶シリコン膜10を堆積した後、加工する前に、イオン注入によって不純物を導入しても良い。以上の工程によって、シリコン基板1上に選択ゲート絶縁膜SI1を形成し、その上に選択ゲート電極SG1を形成したことになる。   Next, as shown in FIG. 11, a selection gate insulating film SI1 is formed on the silicon substrate 1, and a selection gate electrode SG1 is formed on the selection gate insulating film SI1. For this purpose, for example, by thermally oxidizing the silicon substrate 1, a silicon oxide film 9 which is an insulating film mainly composed of silicon oxide is formed on the silicon substrate 1 with a thickness of about 2.5 nm, for example. Thereafter, a polycrystalline silicon film 10 (also referred to as polysilicon) is deposited on the silicon oxide film 9 by, for example, a CVD method or the like, for example, about 200 nm. Subsequently, the polycrystalline silicon film 10 and the silicon oxide film 9 are sequentially processed by a photolithography method, an etching method, or the like, thereby forming a selection gate electrode SG1 made of the polycrystalline silicon film 10, and made of the silicon oxide film 9. A selection gate insulating film SI1 is formed. Here, in order to adjust the conductivity type and conductivity of the selection gate electrode SG1, it is necessary to introduce a desired impurity into the polycrystalline silicon film 10 to be the selection gate electrode SG1. As a method for this, a polysilicon film 10 (doped polysilicon) into which impurities have been introduced in advance may be deposited by CVD, or after depositing the polysilicon film 10 and before processing, the impurities may be implanted by ion implantation. It may be introduced. Through the above steps, the selection gate insulating film SI1 is formed on the silicon substrate 1, and the selection gate electrode SG1 is formed thereon.

次に、図12に示すように、シリコン基板1の主面を覆うようにして、順に、酸化シリコンを主体とする絶縁膜である酸化シリコン膜(第1バリア膜)11、および、窒化シリコンを主体とする絶縁膜である窒化シリコン膜(電荷保持膜)12を形成する。これには、例えば、シリコン基板1を熱酸化することで、シリコン基板1上に酸化シリコン膜11を、例えば4〜5nm程度形成する。このとき、多結晶シリコンからなる選択ゲート電極SG1の側壁および上面も酸化され、酸化シリコン膜11が形成される。その後、例えばCVD法などによって、酸化シリコン膜11を覆うようにして窒化シリコン膜12を、例えば5〜10nm程度堆積する。酸化シリコン膜11は4nm程度よりも薄いと、注入された電荷がダイレクトトンネル現象によって基板側へ漏れてしまう。逆に、4nm程度以上の酸化膜厚であれば、基板表面に近い酸化膜中、窒化膜中のごく浅いトラップに捕獲されたキャリア以外は基板側へ漏れ難くなる。また、窒化シリコン膜12は4nmより薄い膜厚になるとキャリアの捕獲能力が低下するため、4nm以上とするのが望ましい。本工程で形成した酸化シリコン膜11および窒化シリコン膜12は、後述の加工によって、それぞれ、メモリゲート絶縁膜MI1の下部バリア膜BB1および電荷保持膜CS1となる絶縁膜である。具体的な加工工程に関しては、後に詳しく説明する。   Next, as shown in FIG. 12, in order to cover the main surface of the silicon substrate 1, a silicon oxide film (first barrier film) 11, which is an insulating film mainly composed of silicon oxide, and silicon nitride are sequentially formed. A silicon nitride film (charge holding film) 12 which is a main insulating film is formed. For this purpose, for example, the silicon substrate 1 is thermally oxidized to form a silicon oxide film 11 on the silicon substrate 1 with a thickness of about 4 to 5 nm, for example. At this time, the side walls and the upper surface of the selection gate electrode SG1 made of polycrystalline silicon are also oxidized, and the silicon oxide film 11 is formed. Thereafter, a silicon nitride film 12 is deposited, for example, about 5 to 10 nm so as to cover the silicon oxide film 11 by, eg, CVD. If the silicon oxide film 11 is thinner than about 4 nm, the injected charge leaks to the substrate side by the direct tunnel phenomenon. On the contrary, if the oxide film thickness is about 4 nm or more, it is difficult to leak to the substrate side except for carriers trapped in a very shallow trap in the nitride film and oxide film near the substrate surface. The silicon nitride film 12 is desirably 4 nm or more because the carrier trapping ability is reduced when the film thickness is thinner than 4 nm. The silicon oxide film 11 and the silicon nitride film 12 formed in this step are insulating films that become the lower barrier film BB1 and the charge holding film CS1 of the memory gate insulating film MI1, respectively, by processing described later. Specific processing steps will be described in detail later.

次に、図13に示すように、シリコン基板1上に形成した窒化シリコン膜12を覆うようにして、酸窒化シリコンを主体とする絶縁膜である酸窒化シリコン膜(第2バリア膜)13を形成する。ここで、本実施の形態1の半導体装置の製造方法では、酸窒化シリコン膜13をCVD法によって堆積する。例えば、組成比xが0.55(屈折率RIが1.7)となり、膜厚が9nm程度となるように、CVD法によって酸窒化シリコン膜13を堆積する。本工程で形成した酸窒化シリコン膜13は、後述の加工によって、メモリゲート絶縁膜MI1の上部バリア膜TB1となる絶縁膜である。具体的な加工工程に関しては、後に詳しく説明する。   Next, as shown in FIG. 13, a silicon oxynitride film (second barrier film) 13 which is an insulating film mainly composed of silicon oxynitride is formed so as to cover the silicon nitride film 12 formed on the silicon substrate 1. Form. Here, in the method of manufacturing the semiconductor device of the first embodiment, the silicon oxynitride film 13 is deposited by the CVD method. For example, the silicon oxynitride film 13 is deposited by CVD so that the composition ratio x is 0.55 (refractive index RI is 1.7) and the film thickness is about 9 nm. The silicon oxynitride film 13 formed in this step is an insulating film that becomes the upper barrier film TB1 of the memory gate insulating film MI1 by processing described later. Specific processing steps will be described in detail later.

上部バリア膜TB1としてこのような酸窒化シリコン膜13を形成することによる効果は、上記図1〜上記図9を用いて説明したものと同様であり、ここでの重複した説明は省略する。また、上部バリア膜TB1として形成した酸窒化シリコン膜13の組成比x(屈折率RI)や膜厚を調整することで発現し得る効果の違いに関しても、上記図1〜上記図9を用いて説明したものと同様である。また、本工程では上部バリア膜TB1として酸窒化シリコン膜13を形成するとして説明したが、上部バリア膜TB1としては、酸化シリコンよりもバンドギャップの小さい絶縁膜を選択することが効果的であり、その中で、酸窒化シリコンがより効果的である。その理由に関しても、上述の通りである。   The effect obtained by forming such a silicon oxynitride film 13 as the upper barrier film TB1 is the same as that described with reference to FIGS. 1 to 9 described above, and redundant description thereof is omitted here. Further, regarding the difference in the effects that can be manifested by adjusting the composition ratio x (refractive index RI) and the film thickness of the silicon oxynitride film 13 formed as the upper barrier film TB1, the above-described FIGS. The same as described. In this step, the silicon oxynitride film 13 is formed as the upper barrier film TB1, but it is effective to select an insulating film having a band gap smaller than that of silicon oxide as the upper barrier film TB1. Among them, silicon oxynitride is more effective. The reason is also as described above.

本実施の形態1の半導体装置の製造方法において、上記の工程で、上部バリア膜TB1としての酸窒化シリコン膜13を、CVD法によって形成することに一つの特徴がある。上部バリア膜TB1としての酸窒化シリコン膜13をCVD法によって形成することの効果に関しては、後に詳しく説明する。   The semiconductor device manufacturing method of the first embodiment is characterized in that the silicon oxynitride film 13 as the upper barrier film TB1 is formed by the CVD method in the above-described steps. The effect of forming the silicon oxynitride film 13 as the upper barrier film TB1 by the CVD method will be described in detail later.

続く工程では、図14に示すように、酸窒化シリコン膜13を覆うようにして、多結晶シリコン膜14を形成する。ここでは、例えばCVD法によって、多結晶シリコン膜14を形成する。その後、図15に示すように、多結晶シリコン膜14の全面に対して、シリコン基板1の主面に垂直な方向に選択性を有するようなエッチング(エッチバック)を施す。これにより、多結晶シリコン膜14のうち、選択ゲート電極SG1の両側壁を覆う部分を残し、他の部分が除去される。続いて、酸窒化シリコン膜13、窒化シリコン膜12、および、酸化シリコン膜11に対してエッチバックを施す。これにより、上記3層の絶縁膜のうち、多結晶シリコン膜14に覆われた部分、即ち、多結晶シリコン膜14とシリコン基板1との間に配置された部分、および、多結晶シリコン膜14と選択ゲート電極SG1との間に配置された部分を残し、他の部分が除去される。   In the subsequent process, as shown in FIG. 14, a polycrystalline silicon film 14 is formed so as to cover the silicon oxynitride film 13. Here, the polycrystalline silicon film 14 is formed by, eg, CVD. Thereafter, as shown in FIG. 15, the entire surface of the polycrystalline silicon film 14 is etched (etched back) so as to have selectivity in a direction perpendicular to the main surface of the silicon substrate 1. As a result, portions of the polycrystalline silicon film 14 that cover both side walls of the selection gate electrode SG1 are left, and the other portions are removed. Subsequently, the silicon oxynitride film 13, the silicon nitride film 12, and the silicon oxide film 11 are etched back. As a result, of the three insulating films, the portion covered with the polycrystalline silicon film 14, that is, the portion disposed between the polycrystalline silicon film 14 and the silicon substrate 1, and the polycrystalline silicon film 14 And the other portion is removed, leaving a portion disposed between the gate electrode SG1 and the selection gate electrode SG1.

次に、図16に示すように、多結晶シリコン膜14、および、酸化シリコン膜11と窒化シリコン膜12と酸窒化シリコン膜13とからなる積層絶縁膜のうち、選択ゲート電極SG1の片側壁に配置された部分を除去する。これには、まず、選択ゲート電極SG1の一方の側壁を覆い、他の一方の側壁を露出するようなフォトレジスト膜15を、フォトリソグラフィ法などによって形成する。その後、フォトレジスト膜15をエッチングマスクとしてエッチングを施すことで、露出した部分の多結晶シリコン膜14、および、酸化シリコン膜11と窒化シリコン膜12と酸窒化シリコン膜13とからなる積層絶縁膜を除去する。このようにして、多結晶シリコン膜14からなるメモリゲート電極MG1を形成する。また、酸化シリコン膜11、窒化シリコン膜12および酸窒化シリコン膜13からなるメモリゲート絶縁膜MI1を形成する。ここで、酸化シリコン膜11は下部バリア膜BB1として、窒化シリコン膜12は電荷保持膜CS1として、酸窒化シリコン膜13は上部バリア膜TB1として機能する。即ち、上記の工程によって、下部バリア膜BB1としての酸化シリコン膜11、電荷保持膜CS1としての窒化シリコン膜12、および、上部バリア膜TB1としての酸窒化シリコン膜13からなるメモリゲート絶縁膜MI1を形成したことになる。   Next, as shown in FIG. 16, among the polycrystalline silicon film 14 and the laminated insulating film composed of the silicon oxide film 11, the silicon nitride film 12, and the silicon oxynitride film 13, on one side wall of the select gate electrode SG1. Remove the placed part. For this, first, a photoresist film 15 is formed by photolithography or the like so as to cover one side wall of the select gate electrode SG1 and expose the other side wall. Thereafter, etching is performed using the photoresist film 15 as an etching mask, so that an exposed portion of the polycrystalline silicon film 14 and a laminated insulating film composed of the silicon oxide film 11, the silicon nitride film 12, and the silicon oxynitride film 13 are formed. Remove. In this way, the memory gate electrode MG1 made of the polycrystalline silicon film 14 is formed. Further, a memory gate insulating film MI1 made of the silicon oxide film 11, the silicon nitride film 12, and the silicon oxynitride film 13 is formed. Here, the silicon oxide film 11 functions as the lower barrier film BB1, the silicon nitride film 12 functions as the charge holding film CS1, and the silicon oxynitride film 13 functions as the upper barrier film TB1. That is, by the above process, the memory gate insulating film MI1 composed of the silicon oxide film 11 as the lower barrier film BB1, the silicon nitride film 12 as the charge holding film CS1, and the silicon oxynitride film 13 as the upper barrier film TB1 is formed. Will be formed.

以上のような工程によって形成したメモリゲート絶縁膜MI1およびメモリゲート電極MG1は、より詳しくは、以下のような形態でシリコン基板1上に配置したことになる。即ち、メモリゲート絶縁膜MI1は、シリコン基板1に近い方から順に、下部バリア膜BB1、電荷保持膜CS1、および、上部バリア膜TB1を有するようにして配置されたことになる。また、メモリゲート絶縁膜MI1上にはメモリゲート電極MG1が配置されたことになる。言い換えれば、シリコン基板1上には、メモリゲート絶縁膜MI1を介してメモリゲート電極MG1が配置されたことになる。更に言い換えれば、メモリゲート絶縁膜MI1は、メモリゲート電極MG1とシリコン基板1との間に配置されたことになる。また、シリコン基板1上において、メモリゲート電極MG1は選択ゲート電極SG1に隣り合うような位置に配置されたことになる。ただし、メモリゲート電極MG1と選択ゲート電極SG1との間には、メモリゲート電極MG1とシリコン基板1との間に配置されたメモリゲート絶縁膜MI1が同様に、かつ一体的に配置され、両者を電気的に絶縁している。言い換えれば、選択ゲート電極SG1の片側の側壁には、メモリゲート絶縁膜MI1を介してメモリゲート電極MG1が配置されたことになる。更に言い換えれば、メモリゲート絶縁膜MI1は、メモリゲート電極MG1とシリコン基板1との間から、メモリゲート電極MG1と選択ゲート電極SG1との間に渡って一体的に配置されたことになる。   More specifically, the memory gate insulating film MI1 and the memory gate electrode MG1 formed by the above process are arranged on the silicon substrate 1 in the following manner. That is, the memory gate insulating film MI1 is arranged so as to have the lower barrier film BB1, the charge holding film CS1, and the upper barrier film TB1 in order from the side closer to the silicon substrate 1. Further, the memory gate electrode MG1 is disposed on the memory gate insulating film MI1. In other words, the memory gate electrode MG1 is disposed on the silicon substrate 1 via the memory gate insulating film MI1. In other words, the memory gate insulating film MI1 is disposed between the memory gate electrode MG1 and the silicon substrate 1. In addition, on the silicon substrate 1, the memory gate electrode MG1 is disposed adjacent to the selection gate electrode SG1. However, the memory gate insulating film MI1 disposed between the memory gate electrode MG1 and the silicon substrate 1 is similarly and integrally disposed between the memory gate electrode MG1 and the selection gate electrode SG1, It is electrically insulated. In other words, the memory gate electrode MG1 is disposed on one side wall of the selection gate electrode SG1 via the memory gate insulating film MI1. In other words, the memory gate insulating film MI1 is integrally disposed from between the memory gate electrode MG1 and the silicon substrate 1 to between the memory gate electrode MG1 and the select gate electrode SG1.

ここで、メモリゲート電極MG1の導電型および導電率を調整するために、メモリゲート電極MG1となる多結晶シリコン膜14には所望の不純物を導入する必要がある。その方法として、上記図14で説明した工程において、不純物を導入した多結晶シリコン膜14をCVD法によって堆積しても良いし、多結晶シリコン膜14を堆積した後、加工する前に、イオン注入によって不純物を導入しても良い。ただし、上記図1〜上記図9を用いて説明したように、本実施の形態1の半導体装置では、メモリゲート電極MG1に含まれる不純物濃度は、選択ゲート電極SG1に含まれる不純物濃度よりも低い方が、より好ましい。その理由に関しては、上述の通りである。この観点から、上記図14の工程ではノンドープの多結晶シリコン膜14を形成することで、選択ゲート電極SG1よりも不純物濃度の低いメモリゲート電極MG1を実現できる。   Here, in order to adjust the conductivity type and conductivity of the memory gate electrode MG1, it is necessary to introduce a desired impurity into the polycrystalline silicon film 14 to be the memory gate electrode MG1. As the method, in the step described with reference to FIG. 14, the polysilicon film 14 into which impurities are introduced may be deposited by the CVD method, or after the polysilicon film 14 is deposited and before processing, ion implantation is performed. Impurities may be introduced by the above. However, as described with reference to FIGS. 1 to 9, in the semiconductor device of the first embodiment, the impurity concentration contained in the memory gate electrode MG1 is lower than the impurity concentration contained in the selection gate electrode SG1. Is more preferable. The reason is as described above. From this point of view, the memory gate electrode MG1 having a lower impurity concentration than the selection gate electrode SG1 can be realized by forming the non-doped polycrystalline silicon film 14 in the process of FIG.

続く工程では、図17に示すように、メモリゲート電極MG1と選択ゲート電極SG1とが互いに隣り合わない方の側方下部のシリコン基板1に、n型導電型の半導体領域である低濃度拡散領域4を形成する。これには、シリコン基板1に対してドナー不純物をイオン注入することで、低濃度拡散領域4を形成する。このイオン注入の際には、先にシリコン基板1上に形成した選択ゲート電極SG1およびメモリゲート電極MG1がイオン注入マスクとなり、両ゲート電極SG1,MG1下のシリコン基板1にはドナー不純物が導入されない。即ち、両ゲート電極SG1,MG1下のシリコン基板1には低濃度拡散領域4が形成されず、両ゲート電極SG1,MG1の側壁側下のシリコン基板1に低濃度拡散領域4が形成される。   In the subsequent step, as shown in FIG. 17, a low concentration diffusion region which is an n-type conductivity type semiconductor region is formed in the silicon substrate 1 at the lower side of the side where the memory gate electrode MG1 and the selection gate electrode SG1 are not adjacent to each other. 4 is formed. For this, a low concentration diffusion region 4 is formed by ion-implanting a donor impurity into the silicon substrate 1. At the time of this ion implantation, the selection gate electrode SG1 and the memory gate electrode MG1 previously formed on the silicon substrate 1 serve as an ion implantation mask, and donor impurities are not introduced into the silicon substrate 1 below both the gate electrodes SG1 and MG1. . That is, the low concentration diffusion region 4 is not formed in the silicon substrate 1 under both the gate electrodes SG1, MG1, but the low concentration diffusion region 4 is formed in the silicon substrate 1 under the side walls of the gate electrodes SG1, MG1.

次に、図18に示すように、選択ゲート電極SG1とメモリゲート電極MG1とが互いに隣り合わない方の側壁を覆うようにして、サイドウォールスペーサ6を形成する。これには、まず、シリコン基板1を覆うようにして、例えば酸化シリコンを主体とする絶縁膜をCVD法などによって堆積する。その後、酸化シリコン膜に対してエッチバックを施すことで、選択ゲート電極SG1とメモリゲート電極MG1との側壁を覆うようなサイドウォールスペーサ6を形成できる。サイドウォールスペーサ6としては、酸化シリコンのほかに、窒化シリコン、または、それらの積層膜を主体とする絶縁膜であっても良い。   Next, as shown in FIG. 18, the side wall spacer 6 is formed so as to cover the side wall where the select gate electrode SG1 and the memory gate electrode MG1 are not adjacent to each other. For this purpose, first, an insulating film mainly composed of silicon oxide, for example, is deposited by CVD or the like so as to cover the silicon substrate 1. After that, by etching back the silicon oxide film, the sidewall spacer 6 that covers the sidewalls of the selection gate electrode SG1 and the memory gate electrode MG1 can be formed. As the side wall spacer 6, in addition to silicon oxide, silicon nitride or an insulating film mainly composed of a laminated film thereof may be used.

次に、図19に示すように、メモリゲート電極MG1と選択ゲート電極SG1とが互いに隣り合わない方の側方下部のシリコン基板1であって、低濃度拡散領域4よりも離れた箇所に、n型導電型の半導体領域である高濃度拡散領域5を形成する。これには、シリコン基板1に対してドナー不純物をイオン注入することで、高濃度拡散領域5を形成する。このイオン注入の際には、先にシリコン基板1上に形成した選択ゲート電極SG1、メモリゲート電極MG1、および、サイドウォールスペーサ6がイオン注入マスクとなり、両ゲート電極SG1,MG1下およびサイドウォールスペーサ6下のシリコン基板1にはドナー不純物が導入されない。即ち、両ゲート電極SG1,MG1下およびサイドウォールスペーサ6下のシリコン基板1には高濃度拡散領域5が形成されず、両ゲート電極SG1,MG1の側壁側下であって、サイドウォールスペーサ6の分だけ離れた位置のシリコン基板1に高濃度拡散領域5が形成される。   Next, as shown in FIG. 19, the memory gate electrode MG <b> 1 and the selection gate electrode SG <b> 1 are the lower side silicon substrate 1 that is not adjacent to each other, and at a position farther from the low concentration diffusion region 4. A high concentration diffusion region 5 which is an n-type conductivity type semiconductor region is formed. For this, a high concentration diffusion region 5 is formed by ion implantation of a donor impurity into the silicon substrate 1. At the time of this ion implantation, the selection gate electrode SG1, the memory gate electrode MG1, and the side wall spacer 6 previously formed on the silicon substrate 1 serve as an ion implantation mask, and both the gate electrodes SG1, MG1 and the side wall spacers. No donor impurity is introduced into the lower silicon substrate 1. That is, the high concentration diffusion region 5 is not formed in the silicon substrate 1 under both the gate electrodes SG1 and MG1 and under the side wall spacers 6, but under the side walls of both the gate electrodes SG1 and MG1, A high concentration diffusion region 5 is formed in the silicon substrate 1 at a position separated by a distance.

ここでは、低濃度拡散領域4と高濃度拡散領域5とを比較して、低濃度拡散領域4の方が高濃度拡散領域5よりも小さなドーズ量で、かつ、低い注入エネルギーでドナー不純物をイオン注入する。従って、低濃度拡散領域4は、高濃度拡散領域5の不純物濃度よりも低く、かつ、高濃度拡散領域5の深さよりも浅くなるようにして形成される。また、低濃度拡散領域4と高濃度拡散領域5とは互いに接し、電気的に接続するようにして形成される。以上のようにして、低濃度拡散領域4をエクステンション領域として有するような高濃度拡散領域5からなる、ソース・ドレイン構造を形成する。   Here, comparing the low-concentration diffusion region 4 and the high-concentration diffusion region 5, the low-concentration diffusion region 4 ionizes donor impurities with a smaller dose than the high-concentration diffusion region 5 and with a low implantation energy. inject. Therefore, the low concentration diffusion region 4 is formed so as to be lower than the impurity concentration of the high concentration diffusion region 5 and shallower than the depth of the high concentration diffusion region 5. The low concentration diffusion region 4 and the high concentration diffusion region 5 are formed so as to be in contact with each other and electrically connected. As described above, a source / drain structure including the high concentration diffusion region 5 having the low concentration diffusion region 4 as an extension region is formed.

ここで、上記図17〜上記図19を用いて説明したように、先の工程で形成したメモリゲート電極MG1は、低濃度拡散領域4および高濃度拡散領域5を形成する際に、イオン注入マスクとして適用している。従って、例えば上記図14の工程でノンドープの多結晶シリコン膜14(後にメモリゲート電極MG1)を形成したとしても、メモリゲート電極MG1には、低濃度拡散領域4および高濃度拡散領域5で導入されたドナー不純物と同程度の不純物濃度のドナー不純物が含まれることになる。ただし、上記図11で説明した工程では、これよりも多くのドナー不純物が含まれるようにして選択ゲート電極SG1を形成する。これにより、メモリゲート電極MG1は選択ゲート電極SG1よりも低い不純物濃度を有するという、上述のように効果的な構造を実現できる。   Here, as described with reference to FIG. 17 to FIG. 19, the memory gate electrode MG1 formed in the previous step is used as an ion implantation mask when the low concentration diffusion region 4 and the high concentration diffusion region 5 are formed. As applied. Therefore, for example, even if the non-doped polycrystalline silicon film 14 (later memory gate electrode MG1) is formed in the process of FIG. 14, the low concentration diffusion region 4 and the high concentration diffusion region 5 are introduced into the memory gate electrode MG1. Thus, a donor impurity having an impurity concentration similar to that of the donor impurity is included. However, in the process described with reference to FIG. 11, the selection gate electrode SG1 is formed so as to include more donor impurities. Thereby, an effective structure as described above can be realized in which the memory gate electrode MG1 has a lower impurity concentration than the selection gate electrode SG1.

以上のようにして、本実施の形態1の半導体装置が有する不揮発性メモリNVM1の基本的な構造を形成することができる。以下では、不揮発性メモリNVM1に給電するための給電機構の形成方法を説明する。   As described above, the basic structure of the nonvolatile memory NVM1 included in the semiconductor device of the first embodiment can be formed. Below, the formation method of the electric power feeding mechanism for electrically feeding to non-volatile memory NVM1 is demonstrated.

上記より続く工程として、図20に示すように、メモリゲート電極MG1、選択ゲート電極SG1、および、高濃度拡散領域5の表面に、金属シリサイド層7を形成する。これには、所謂サリサイドプロセスによって、金属シリサイド層7を形成する。具体的には、まず、シリコン基板1を覆うようにして、スパッタリング法などによって、例えばコバルトやニッケルなどからなる金属膜を堆積する。その後、熱処理を施すことで、金属膜とシリコンとが接している箇所でシリサイド反応が起こり、金属膜とシリコンとが化合する。この化合物が、コバルトシリサイドやニッケルシリサイドなどからなる金属シリサイド膜となる。その後エッチングを施すことで、シリサイド反応により金属シリサイド膜とならなかった金属膜を除去することで、金属シリサイド層7を形成する。上記の工程で、金属膜とシリコンとが接する箇所とは、それぞれシリコンからなる、メモリゲート電極MG1、選択ゲート電極SG1、および、高濃度拡散領域5の表面である。他のシリコンからなる箇所は、絶縁膜などによって覆われており、金属膜とは接しない。従って、上記のようにして、メモリゲート電極MG1、選択ゲート電極SG1、および、高濃度拡散領域5の表面に、金属シリサイド層7を形成することができる。   As a process subsequent to the above, as shown in FIG. 20, a metal silicide layer 7 is formed on the surfaces of the memory gate electrode MG <b> 1, the select gate electrode SG <b> 1, and the high concentration diffusion region 5. For this purpose, the metal silicide layer 7 is formed by a so-called salicide process. Specifically, first, a metal film made of, for example, cobalt or nickel is deposited by a sputtering method or the like so as to cover the silicon substrate 1. Thereafter, by performing heat treatment, a silicidation reaction occurs at a position where the metal film and silicon are in contact with each other, and the metal film and silicon are combined. This compound becomes a metal silicide film made of cobalt silicide, nickel silicide, or the like. Etching is then performed to remove the metal film that has not become a metal silicide film due to the silicide reaction, thereby forming the metal silicide layer 7. In the above process, the portions where the metal film and silicon are in contact are the surfaces of the memory gate electrode MG1, the select gate electrode SG1, and the high-concentration diffusion region 5, each made of silicon. Other portions made of silicon are covered with an insulating film or the like and do not contact the metal film. Therefore, the metal silicide layer 7 can be formed on the surfaces of the memory gate electrode MG1, the select gate electrode SG1, and the high concentration diffusion region 5 as described above.

次に、図21に示すように、シリコン基板1を覆うようにして、酸化シリコンを主体とする絶縁膜からなる層間絶縁膜8を形成する。これには、例えばCVD法などによってシリコン基板1上に酸化シリコン膜を堆積し、CMP法などによって表面研磨を施すことで、層間絶縁膜8を形成する。ここでは、層間絶縁膜8を堆積する前に、その下層として窒化シリコンを主体とする絶縁膜からなるエッチングストップ膜を形成しても良い(図示しない)。その後、層間絶縁膜8を貫通し、金属シリサイド層7に達するようなコンタクトプラグCP1と、層間絶縁膜8上においてコンタクトプラグCP1と電気的に接続するような金属配線MW1とを形成する。これには、まず、層間絶縁膜8にフォトリソグラフィ法やエッチング法などによってコンタクトホールを形成し、これを埋め込むようにして、タングステン、アルミニウムまたは銅などからなるコンタクトプラグを堆積する。その後、層間絶縁膜8上にアルミニウムまたは銅などからなる金属膜を堆積し、これをフォトリソグラフィ法やエッチング法などによって所望の回路パターンを有するようにパターニングすることで、金属配線MW1を形成する。ここでは、コンタクトプラグCP1と層間絶縁膜8および金属シリサイド層7との間、または、金属配線MW1と層間絶縁膜8との間などに、バリア金属膜を形成しても良い(図示しない)。   Next, as shown in FIG. 21, an interlayer insulating film 8 made of an insulating film mainly composed of silicon oxide is formed so as to cover the silicon substrate 1. For this purpose, for example, a silicon oxide film is deposited on the silicon substrate 1 by a CVD method or the like, and surface polishing is performed by a CMP method or the like, thereby forming an interlayer insulating film 8. Here, before the interlayer insulating film 8 is deposited, an etching stop film made of an insulating film mainly composed of silicon nitride may be formed as a lower layer (not shown). Thereafter, a contact plug CP1 that penetrates the interlayer insulating film 8 and reaches the metal silicide layer 7 and a metal wiring MW1 that is electrically connected to the contact plug CP1 on the interlayer insulating film 8 are formed. For this purpose, first, a contact hole is formed in the interlayer insulating film 8 by photolithography or etching, and a contact plug made of tungsten, aluminum, copper, or the like is deposited so as to be embedded therein. Thereafter, a metal film made of aluminum, copper, or the like is deposited on the interlayer insulating film 8, and is patterned to have a desired circuit pattern by a photolithography method, an etching method, or the like, thereby forming the metal wiring MW1. Here, a barrier metal film may be formed between the contact plug CP1 and the interlayer insulating film 8 and the metal silicide layer 7 or between the metal wiring MW1 and the interlayer insulating film 8 (not shown).

以上のようにして、本実施の形態1の半導体装置が有する不揮発性メモリNVM1と、その給電機構の基本的な構成を形成することができる。以下では、上記のような工程で不揮発性メモリNVM1を形成することの効果について、詳しく説明する。   As described above, the basic configuration of the nonvolatile memory NVM1 included in the semiconductor device of the first embodiment and its power feeding mechanism can be formed. Below, the effect of forming the non-volatile memory NVM1 by the above process will be described in detail.

例えば、本発明者らが検討した製造方法では、上部バリア膜としては、酸化シリコンを主体とする絶縁膜をISSG酸化法によって形成している。上述のように、このようなISSG酸化法によれば、L字型部のような角部にも回りこみが良く、コンフォーマルに酸化できる。しかしながら、ISSG酸化法によって、実用上のスループットを満たしながら窒化シリコン膜12からなる電荷保持膜CS1上に、4〜5nm程度の酸化シリコン膜を形成するためには、処理時の温度を高温にし、かつ、処理時の水素濃度を高濃度にする必要があることが分かっている。そして、このような水素原子は下部バリア膜としての酸化シリコン膜において、その膜中やシリコン基板界面における、良好なシリコンと酸素との結合をも、シリコンと水素との結合に置換してしまう。上述のように、このような下部バリア膜に存在するシリコンと水素との結合においては、メモリ書き換えのためのキャリアの授受に伴い水素が脱離することで、キャリアを捕獲する欠陥準位となる。このような欠陥は時間経過と共に回復することから、不揮発性メモリの閾値電圧の変動やばらつきの一原因となる。   For example, in the manufacturing method studied by the present inventors, as the upper barrier film, an insulating film mainly composed of silicon oxide is formed by the ISSG oxidation method. As described above, according to such an ISSG oxidation method, the corner portion such as the L-shaped portion has good rounding and can be oxidized conformally. However, in order to form a silicon oxide film having a thickness of about 4 to 5 nm on the charge retention film CS1 made of the silicon nitride film 12 while satisfying the practical throughput by the ISSG oxidation method, the temperature during processing is set high. In addition, it has been found that the hydrogen concentration during the treatment needs to be high. Such hydrogen atoms in the silicon oxide film as the lower barrier film also replace good silicon-oxygen bonds in the film or at the silicon substrate interface with silicon-hydrogen bonds. As described above, in the bond between silicon and hydrogen existing in such a lower barrier film, the hydrogen is desorbed with the transfer of carriers for memory rewriting, resulting in a defect level for capturing carriers. . Since such a defect recovers with time, it causes a variation or variation in the threshold voltage of the nonvolatile memory.

これに対して、本実施の形態1の半導体装置が有する不揮発性メモリNVM1の製造方法では、上記図13を用いて説明したように、上部バリア膜TB1としての酸窒化シリコン膜13をCVD法によって形成する。このCVD法による工程では、例えば、ジクロロシラン(SiHCl)とアンモニア(NH)とを原料ガスとして用い、この原料ガスに酸化剤として一酸化二窒素(NO)を添加し、アンモニアの流量を制限することで、上部バリア膜TB1としての酸窒化シリコン膜13を形成する。ここでは、未反応水素の生成や、当該水素のシリコン基板1と下部バリア膜BB1との界面への拡散はほとんどない。従って、下部バリア膜BB1としての酸化シリコン膜11とシリコン基板1との界面では、良好なシリコンと酸素との結合が保たれる。そのため、不揮発性メモリNVM1の書き換え動作時における、キャリアの授受に伴う界面欠陥の生成を低減することができる。従って、本実施の形態1の製造方法によって形成した不揮発性メモリNVM1では、時間経過に伴う界面欠陥の量の変化が低減されるので、閾値電圧の変動も低減できる。結果として、不揮発性メモリを有する半導体装置の性能を、更に向上させることができる。 In contrast, in the method of manufacturing the nonvolatile memory NVM1 included in the semiconductor device of the first embodiment, as described with reference to FIG. 13, the silicon oxynitride film 13 as the upper barrier film TB1 is formed by the CVD method. Form. In this CVD method, for example, dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ) and ammonia (NH 3 ) are used as source gases, and dinitrogen monoxide (N 2 O) is added as an oxidant to the source gases. By limiting the flow rate of ammonia, the silicon oxynitride film 13 is formed as the upper barrier film TB1. Here, there is little generation of unreacted hydrogen and diffusion of the hydrogen to the interface between the silicon substrate 1 and the lower barrier film BB1. Therefore, a good bond between silicon and oxygen is maintained at the interface between the silicon oxide film 11 as the lower barrier film BB1 and the silicon substrate 1. Therefore, it is possible to reduce the generation of interface defects associated with the exchange of carriers during the rewrite operation of the nonvolatile memory NVM1. Therefore, in the nonvolatile memory NVM1 formed by the manufacturing method of the first embodiment, the change in the amount of interface defects with the passage of time is reduced, so that the variation in threshold voltage can also be reduced. As a result, the performance of the semiconductor device having a nonvolatile memory can be further improved.

また、別の観点から、上部バリア膜としての酸化シリコン膜をISSG酸化法、ドライ酸化法、ウェット酸化法、または、オゾン酸化法などで熱酸化することで形成した場合、電荷保持膜としての窒化シリコン膜と上部バリア膜としての酸化シリコン膜との界面に遷移層が形成され得ることが分かっている。そして、このような遷移層は多数のダングリングボンドなどの欠陥を有し、この欠陥を介してキャリアの移動が促進されることが分かった。このようなキャリアの移動は不揮発性メモリの閾値電圧の変動やばらつきの一原因となる。   From another viewpoint, when a silicon oxide film as an upper barrier film is formed by thermal oxidation using an ISSG oxidation method, a dry oxidation method, a wet oxidation method, an ozone oxidation method, or the like, a nitridation as a charge retention film is performed. It has been found that a transition layer can be formed at the interface between the silicon film and the silicon oxide film as the upper barrier film. And it has been found that such a transition layer has a number of defects such as dangling bonds, and the movement of carriers is promoted through these defects. Such carrier movement causes a variation or variation in the threshold voltage of the nonvolatile memory.

これに対して、本実施の形態1の半導体装置が有する不揮発性メモリNVM1の製造方法では、上述の通り、上部バリア膜TB1としての酸窒化シリコン膜13をCVD法によって形成している。この方法によれば、窒化シリコン膜を熱酸化したときに見られるような界面遷移層の生成を低減できる。そのため、不揮発性メモリNVM1の動作において電荷保持膜CS1としての窒化シリコン膜12に捕獲されたキャリアは、より拡散し難くなる。従って、本実施の形態1の製造方法によって形成した不揮発性メモリNVM1では、捕獲されたキャリアの拡散が抑制され、閾値電圧の変動も低減できる。結果として、不揮発性メモリを有する半導体装置の性能を、更に向上させることができる。   In contrast, in the method of manufacturing the nonvolatile memory NVM1 included in the semiconductor device of the first embodiment, as described above, the silicon oxynitride film 13 as the upper barrier film TB1 is formed by the CVD method. According to this method, it is possible to reduce the generation of the interface transition layer as seen when the silicon nitride film is thermally oxidized. Therefore, carriers captured by the silicon nitride film 12 as the charge holding film CS1 in the operation of the nonvolatile memory NVM1 are more difficult to diffuse. Therefore, in the nonvolatile memory NVM1 formed by the manufacturing method according to the first embodiment, the diffusion of the trapped carriers can be suppressed and the fluctuation of the threshold voltage can be reduced. As a result, the performance of the semiconductor device having a nonvolatile memory can be further improved.

また、本発明者らの検討により、メモリセルトランジスタおよび周辺回路部トランジスタを形成後の水素アニールによる界面欠陥修復時の適切な温度範囲も、明らかになった。水素アニールは、成膜時や、その他不純物注入やエッチングなどのプロセス工程で生じるトランジスタのゲート絶縁膜と基板界面の欠陥を水素で終端する技術である。水素アニールをしない場合、成膜時やその他プロセス工程で生じる真性の界面欠陥がそのまま残るため、界面欠陥量は非常に多くなる。界面欠陥量が多いと、メモリセルおよび周辺回路トランジスタのチャネル部は高抵抗となり、ON電流が極めて少なくなる。また、メモリセルおよび周辺回路トランジスタの界面欠陥に電荷がトラップされることによる閾値ばらつきを引き起こす。よって水素アニールによる界面欠陥の修復は必要となる。そして水素アニールは、プロセス中にできる界面欠陥の修復であるため、なるべく後の工程(メモリセルおよび周辺回路トランジスタ形成後)に行うことが望ましい。そして高温の水素雰囲気であるほうが、より欠陥修復に効果がある。   In addition, the inventors have also clarified an appropriate temperature range at the time of repairing interface defects by hydrogen annealing after forming the memory cell transistor and the peripheral circuit transistor. Hydrogen annealing is a technique for terminating defects at the interface between a gate insulating film and a substrate of a transistor, which are generated during film formation and other process steps such as impurity implantation and etching, with hydrogen. When hydrogen annealing is not performed, intrinsic interface defects generated during film formation and other process steps remain as they are, so that the amount of interface defects becomes very large. When the amount of interface defects is large, the channel portion of the memory cell and the peripheral circuit transistor has a high resistance, and the ON current is extremely reduced. In addition, threshold variation is caused by trapping charges in the interface defect between the memory cell and the peripheral circuit transistor. Therefore, it is necessary to repair interface defects by hydrogen annealing. Since the hydrogen annealing is a repair of interface defects that can be generated during the process, it is desirable to perform the hydrogen annealing as much as possible in the subsequent steps (after the formation of the memory cells and peripheral circuit transistors). A higher temperature hydrogen atmosphere is more effective for repairing defects.

しかしながら、これまで述べたように、高温の水素雰囲気によるアニールは、良好なシリコンと酸素との結合をも、シリコンと水素との結合に置換してしまい、結果として書き換えに際して生成出来る界面欠陥の増加を招く。よって、成膜時やその他プロセス中に生じる真性の界面欠陥のみを水素で終端し、良好なシリコンと酸素の結合を置換しない温度範囲による水素アニールが必要である。   However, as described above, annealing in a high-temperature hydrogen atmosphere replaces good silicon-oxygen bonds with silicon-hydrogen bonds, resulting in an increase in interface defects that can be generated during rewriting. Invite. Therefore, it is necessary to perform hydrogen annealing in a temperature range in which only intrinsic interface defects that occur during film formation or other processes are terminated with hydrogen and a good bond between silicon and oxygen is not substituted.

図22の縦軸には、不揮発性メモリNVM1に書き込み動作を施した後、150℃雰囲気中にて1000秒間放置した後の閾値電圧を示している。書き込み動作直後の閾値電圧を電圧V1としている。横軸には、メモリセル形成後に水素雰囲気中で熱処理を施した際の温度を示している。図22から分かるように、400℃〜450℃程度の温度で熱処理を施した場合、閾値電圧の変動はほとんど見られない。一方、550℃を超えるような温度で熱処理を施した場合、閾値電圧が変動してしまう。本発明者らの検証によれば、このように550℃を超える温度で熱処理を施した場合、過剰なシリコンと水素との結合の生成とその脱離がもたらした界面欠陥によって、閾値電圧が変動したものと考えられる。また、400℃未満の熱処理では、選択ゲート絶縁膜SI1とチャネルとの界面の真性欠陥を、十分に回復させることが困難である。以上より、本実施の形態1の半導体装置の製造方法においては、400℃以上、550℃以下の温度で、上記の水素雰囲気中での熱処理を施す方が、より好ましい。これにより、良好なシリコンと酸素の結合を水素で置換することなく、かつメモリセルトランジスタ及び周辺回路部トランジスタの真性の界面欠陥を修復させることができる。従って、選択ゲート絶縁膜SI1を高品質化でき、不揮発性メモリNVM1の動作速度および駆動能力を向上できる。結果として、不揮発性メモリを有する半導体装置の性能を、更に向上させることができる。   The vertical axis in FIG. 22 shows the threshold voltage after the non-volatile memory NVM1 is subjected to a write operation and left in a 150 ° C. atmosphere for 1000 seconds. The threshold voltage immediately after the write operation is the voltage V1. The horizontal axis indicates the temperature when heat treatment is performed in a hydrogen atmosphere after the formation of the memory cell. As can be seen from FIG. 22, when the heat treatment is performed at a temperature of about 400 ° C. to 450 ° C., the threshold voltage hardly varies. On the other hand, when heat treatment is performed at a temperature exceeding 550 ° C., the threshold voltage fluctuates. According to the verification by the present inventors, when the heat treatment is performed at a temperature exceeding 550 ° C., the threshold voltage fluctuates due to the formation of an excessive bond between silicon and hydrogen and the interface defect caused by the desorption. It is thought that. In addition, it is difficult to sufficiently recover the intrinsic defect at the interface between the select gate insulating film SI1 and the channel by heat treatment at less than 400 ° C. As described above, in the method of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment, it is more preferable to perform the heat treatment in the hydrogen atmosphere at a temperature of 400 ° C. or higher and 550 ° C. or lower. As a result, it is possible to repair the intrinsic interface defects of the memory cell transistor and the peripheral circuit portion transistor without replacing the favorable bond between silicon and oxygen with hydrogen. Therefore, the quality of the select gate insulating film SI1 can be improved, and the operation speed and drive capability of the nonvolatile memory NVM1 can be improved. As a result, the performance of the semiconductor device having a nonvolatile memory can be further improved.

また、上記図14の工程では、後の加工でメモリゲート電極MG1となる多結晶シリコン膜14として、ノンドープの多結晶シリコン膜14を形成することで、選択ゲート電極SG1よりも不純物濃度の低いメモリゲート電極MG1を形成するとして説明した。ここで、上述の上部バリア膜TB1をCVD法で形成することの効果や、上述の熱処理を施すことの効果などは、メモリゲート電極MG1の不純物濃度によらない。言い換えれば、選択ゲート電極MG1と同程度の不純物濃度を有するようにしてメモリゲート電極MG1を形成したとしても、上述の効果は同様に発現し得る。   In the process of FIG. 14 described above, a non-doped polycrystalline silicon film 14 is formed as the polycrystalline silicon film 14 that will be the memory gate electrode MG1 in the subsequent processing, whereby a memory having a lower impurity concentration than the select gate electrode SG1. It has been described that the gate electrode MG1 is formed. Here, the effect of forming the above-described upper barrier film TB1 by the CVD method and the effect of performing the above-described heat treatment do not depend on the impurity concentration of the memory gate electrode MG1. In other words, even if the memory gate electrode MG1 is formed so as to have the same impurity concentration as that of the selection gate electrode MG1, the above-described effects can be similarly exhibited.

ただし、本実施の形態1の半導体装置の製造方法では、メモリゲート電極MG1は、選択ゲート電極SG1よりも低い不純物濃度を有するようにして形成する方が、より好ましい。なぜなら、メモリゲート電極MG1の不純物濃度を低くすることで、メモリゲート絶縁膜MI1との界面付近の不純物濃度も低くなる。これにより、空乏化したゲートを適用することができる。ゲートが空乏化していると、電荷保持状態において上部および下部のバリア膜TB1,BB1に生じる電界が、ゲートが空乏化していない場合に比べて弱くなる。これは、ゲート中の不純物濃度が低い部分にも電界が生じるからである。そのため、電荷保持特性をより向上させることができる。結果として、不揮発性メモリを有する半導体装置の性能を、更に向上させることができる。   However, in the method of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment, it is more preferable that the memory gate electrode MG1 is formed so as to have a lower impurity concentration than the selection gate electrode SG1. This is because by reducing the impurity concentration of the memory gate electrode MG1, the impurity concentration in the vicinity of the interface with the memory gate insulating film MI1 is also reduced. Thereby, a depleted gate can be applied. When the gate is depleted, the electric field generated in the upper and lower barrier films TB1 and BB1 in the charge holding state is weaker than when the gate is not depleted. This is because an electric field is also generated in a portion having a low impurity concentration in the gate. Therefore, the charge retention characteristics can be further improved. As a result, the performance of the semiconductor device having a nonvolatile memory can be further improved.

(実施の形態2)
本実施の形態2の半導体装置が有する不揮発性メモリNVM2の構造について、図23を用いて説明する。本実施の形態2の半導体装置が有する不揮発性メモリNVM2は、以下で特記する構成を除いて、上記実施の形態1の半導体装置が有する不揮発性メモリNVM1と同様の構成要素を有し、同様の構造である。図23は本実施の形態2の半導体装置が有する不揮発性メモリNVM2の要部断面図であり、上記図1と同様の箇所を示している。
(Embodiment 2)
A structure of the nonvolatile memory NVM2 included in the semiconductor device of the second embodiment will be described with reference to FIG. The nonvolatile memory NVM2 included in the semiconductor device according to the second embodiment has the same components as those of the nonvolatile memory NVM1 included in the semiconductor device according to the first embodiment, except for the configuration specifically described below. Structure. FIG. 23 is a cross-sectional view of a main part of the nonvolatile memory NVM2 included in the semiconductor device of the second embodiment, and shows the same parts as those in FIG.

本実施の形態2の半導体装置が有する不揮発性メモリNVM2は、メモリゲート絶縁膜(第1ゲート絶縁膜)MI2の構成が、以下の点で、上記実施の形態1の不揮発性メモリNVM1のメモリゲート絶縁膜MI1と異なる。本実施の形態2の不揮発性メモリNVM2のメモリゲート絶縁膜MI2を構成する上部バリア膜(第2バリア膜)TB2は、酸化シリコンを主体とする絶縁膜である。言い換えれば、上記実施の形態1の不揮発性メモリNVM1のメモリゲート絶縁膜MI1は酸窒化シリコン膜からなる上部バリア膜TB1を有していたのに対し、本実施の形態2の不揮発性メモリNVM2のメモリゲート絶縁膜MI2は、酸化シリコン膜からなる上部バリア膜TB2を有している。メモリゲート絶縁膜MI2の他の構成要素および構造などの仕様は、上記実施の形態1のメモリゲート絶縁膜MI1と同様である。   The nonvolatile memory NVM2 included in the semiconductor device according to the second embodiment has a memory gate insulating film (first gate insulating film) MI2 having the following configuration in the memory gate of the nonvolatile memory NVM1 according to the first embodiment. Different from the insulating film MI1. The upper barrier film (second barrier film) TB2 constituting the memory gate insulating film MI2 of the nonvolatile memory NVM2 of the second embodiment is an insulating film mainly composed of silicon oxide. In other words, the memory gate insulating film MI1 of the nonvolatile memory NVM1 of the first embodiment has the upper barrier film TB1 made of a silicon oxynitride film, whereas the nonvolatile memory NVM2 of the second embodiment has The memory gate insulating film MI2 has an upper barrier film TB2 made of a silicon oxide film. Specifications of other components and structure of the memory gate insulating film MI2 are the same as those of the memory gate insulating film MI1 of the first embodiment.

このように、本実施の形態2の不揮発性メモリNVM2は、メモリゲート絶縁膜MI2として酸化シリコン膜(下部バリア膜BB1)、窒化シリコン膜(電荷保持膜CS1)および酸化シリコン膜(上部バリア膜TB2)を有し、スプリットゲート構造を有するMONOS型メモリである。これは、構造上は、本発明者らが事前に検討した従来の不揮発性メモリ(例えば、上記図46〜上記図52などを用いて説明した不揮発性メモリNVMbなど)と同様の構造である。ただし、本実施の形態2の半導体装置が有する不揮発性メモリNVM2は、その製造方法に特徴がある。以下で、図24〜図26を用いて、本実施の形態2の半導体装置が有する不揮発性メモリNVM2の製造方法について、詳しく説明する。図24〜図26は本実施の形態2の半導体装置の製造工程中において、上記実施の形態1の半導体装置の製造方法を説明した上記図10〜上記図21と同様の箇所における要部断面図を示している。   Thus, in the nonvolatile memory NVM2 of the second embodiment, the silicon oxide film (lower barrier film BB1), the silicon nitride film (charge holding film CS1), and the silicon oxide film (upper barrier film TB2) are used as the memory gate insulating film MI2. MONOS type memory having a split gate structure. This is structurally similar to the conventional nonvolatile memory (for example, the nonvolatile memory NVMb described with reference to FIGS. 46 to 52 described above) examined in advance by the present inventors. However, the non-volatile memory NVM2 included in the semiconductor device of the second embodiment is characterized by its manufacturing method. A method for manufacturing the nonvolatile memory NVM2 included in the semiconductor device of the second embodiment will be described in detail below with reference to FIGS. 24 to 26 are cross-sectional views of main parts at the same positions as those in FIGS. 10 to 21, explaining the method of manufacturing the semiconductor device of the first embodiment, during the manufacturing process of the semiconductor device of the second embodiment. Is shown.

まず、図24に示すように、上記図10〜上記図12を用いて説明した工程と同様にして、シリコン基板1上に、分離部2、pウェル3、選択ゲート絶縁膜SI1、選択ゲート電極SG1、酸化シリコン膜11、および、窒化シリコン膜12を形成する。   First, as shown in FIG. 24, the isolation portion 2, the p-well 3, the select gate insulating film SI1, and the select gate electrode are formed on the silicon substrate 1 in the same manner as described with reference to FIGS. SG1, a silicon oxide film 11, and a silicon nitride film 12 are formed.

次に、図25に示すように、窒化シリコン膜12を覆うようにして、酸化シリコン膜(第2バリア膜)16を形成する。その後、図26に示すように、上記図14〜上記図16を用いて説明した工程と同様にして、酸化シリコン膜11からなる下部バリア膜BB1、窒化シリコン膜12からなる電荷保持膜CS1、および、酸化シリコン膜16からなる上部バリア膜TB2の3層の積層絶縁膜からなるメモリゲート絶縁膜MI2と、その上部を覆うメモリゲート電極MG1とを形成する。続いて、上記図17〜上記図21を用いて説明した工程と同様にして、低濃度拡散領域4、サイドウォールスペーサ6、高濃度拡散領域5、金属シリサイド層7、層間絶縁膜8、コンタクトプラグCP1、および、金属配線MW1を形成する。このようにして、本実施の形態2の不揮発性メモリNVM2を有する半導体装置を形成する。   Next, as shown in FIG. 25, a silicon oxide film (second barrier film) 16 is formed so as to cover the silicon nitride film 12. Thereafter, as shown in FIG. 26, in the same manner as described with reference to FIGS. 14 to 16, the lower barrier film BB1 made of the silicon oxide film 11, the charge holding film CS1 made of the silicon nitride film 12, and Then, a memory gate insulating film MI2 made of a three-layer laminated insulating film made of the upper barrier film TB2 made of the silicon oxide film 16, and a memory gate electrode MG1 covering the upper part thereof are formed. Subsequently, in the same manner as described with reference to FIGS. 17 to 21, the low concentration diffusion region 4, the sidewall spacer 6, the high concentration diffusion region 5, the metal silicide layer 7, the interlayer insulating film 8, and the contact plug. CP1 and metal wiring MW1 are formed. In this way, a semiconductor device having the nonvolatile memory NVM2 of the second embodiment is formed.

ここで、本実施の形態2の半導体装置の製造方法では、メモリゲート絶縁膜MI2を構成する上部バリア膜TB2としての酸化シリコン膜16の形成方法において、以下のような特徴を持つ。即ち、本実施の形態2の半導体装置の製造方法では、電荷保持膜CS1としての窒化シリコン膜12を覆うようにして、CVD法によって酸化シリコンを主体とする絶縁膜である酸化シリコン膜16を形成する。特に、このCVD法による酸化シリコン膜16の形成工程では、四塩化ケイ素(SiCl)またはジクロロシラン(SiHCl)と、一酸化二窒素(NO)とを含むガスを用いる。代表的な反応として、SiHCl+3NO→SiO+HO+3N+Clや、SiCl+2NO→SiO+2N+2Clなどがある。このような反応によって生成した酸化シリコン(SiO)を堆積した酸化シリコン膜を、HTO(High Temperature Oxide)膜などと称することもある。言い換えれば、本実施の形態2の半導体装置が有する不揮発性メモリNVM2では、メモリゲート絶縁膜MI2を構成する上部バリア膜TB2として、HTO膜を適用している。 Here, the manufacturing method of the semiconductor device according to the second embodiment has the following characteristics in the method of forming the silicon oxide film 16 as the upper barrier film TB2 constituting the memory gate insulating film MI2. That is, in the manufacturing method of the semiconductor device of the second embodiment, the silicon oxide film 16 that is an insulating film mainly composed of silicon oxide is formed by the CVD method so as to cover the silicon nitride film 12 as the charge holding film CS1. To do. In particular, in the step of forming the silicon oxide film 16 by this CVD method, a gas containing silicon tetrachloride (SiCl 4 ) or dichlorosilane (SiH 2 Cl 4 ) and dinitrogen monoxide (N 2 O) is used. Typical reactions include SiH 2 Cl 4 + 3N 2 O → SiO 2 + H 2 O + 3N 2 + Cl 2 and SiCl 4 + 2N 2 O → SiO 2 + 2N 2 + 2Cl 2 . A silicon oxide film on which silicon oxide (SiO 2 ) generated by such a reaction is deposited may be referred to as an HTO (High Temperature Oxide) film or the like. In other words, in the nonvolatile memory NVM2 included in the semiconductor device of the second embodiment, the HTO film is applied as the upper barrier film TB2 that constitutes the memory gate insulating film MI2.

例えば、本発明者らが検討した製造方法では、上部バリア膜としては、酸化シリコンを主体とする絶縁膜をISSG酸化法によって形成している。上述のように、このようなISSG酸化法によれば、L字型部のような角部にも回りこみが良く、コンフォーマルに酸化できる。しかしながら、ISSG酸化法によって、実用上のスループットを満たしながら窒化シリコン膜12からなる電荷保持膜CS1上に、4〜5nm程度の酸化シリコン膜を形成するためには、処理時の温度を高温にし、かつ、処理時の水素濃度を高濃度にする必要があることが分かっている。そして、このような水素原子は下部バリア膜としての酸化シリコン膜において、その膜中やシリコン基板界面における、良好なシリコンと酸素との結合をも、シリコンと水素との結合に置換してしまう。上述のように、このような下部バリア膜に存在するシリコンと水素との結合においては、メモリ書き換えのためのキャリアの授受に伴い水素が脱離することで、キャリアを捕獲する欠陥準位となる。このような欠陥は時間経過と共に回復することから、不揮発性メモリの閾値電圧の変動やばらつきの一原因となる。   For example, in the manufacturing method studied by the present inventors, as the upper barrier film, an insulating film mainly composed of silicon oxide is formed by the ISSG oxidation method. As described above, according to such an ISSG oxidation method, the corner portion such as the L-shaped portion has good rounding and can be oxidized conformally. However, in order to form a silicon oxide film having a thickness of about 4 to 5 nm on the charge retention film CS1 made of the silicon nitride film 12 while satisfying the practical throughput by the ISSG oxidation method, the temperature during processing is set high. In addition, it has been found that the hydrogen concentration during the treatment needs to be high. Such hydrogen atoms in the silicon oxide film as the lower barrier film also replace good silicon-oxygen bonds in the film or at the silicon substrate interface with silicon-hydrogen bonds. As described above, in the bond between silicon and hydrogen existing in such a lower barrier film, the hydrogen is desorbed with the transfer of carriers for memory rewriting, resulting in a defect level for capturing carriers. . Since such a defect recovers with time, it causes a variation or variation in the threshold voltage of the nonvolatile memory.

これに対して、本実施の形態2の半導体装置が有する不揮発性メモリNVM2の製造方法では、上部バリア膜TB2として、CVD法によって形成した酸化シリコン(特にHTO膜)である酸化シリコン膜16を適用している。ここでは、ISSG法によらないため、未反応水素の生成や、当該水素のシリコン基板1と下部バリア膜BB1との界面への拡散はほとんどない。従って、下部バリア膜BB1としての酸化シリコン膜11とシリコン基板1との界面では、良好なシリコンと酸素との結合が保たれる。そのため、不揮発性メモリNVM2の書き換え動作時における、キャリアの授受に伴う界面欠陥の生成を低減することができる。従って、本実施の形態2の製造方法によって形成した不揮発性メモリNVM2では、時間経過に伴う界面欠陥の量の変化が低減されるので、閾値電圧の変動も低減できる。結果として、不揮発性メモリを有する半導体装置の性能を、更に向上させることができる。   On the other hand, in the method for manufacturing the nonvolatile memory NVM2 included in the semiconductor device of the second embodiment, the silicon oxide film 16 that is silicon oxide (particularly, HTO film) formed by the CVD method is applied as the upper barrier film TB2. is doing. Here, since it is not based on the ISSG method, there is almost no generation of unreacted hydrogen and diffusion of the hydrogen to the interface between the silicon substrate 1 and the lower barrier film BB1. Therefore, a good bond between silicon and oxygen is maintained at the interface between the silicon oxide film 11 as the lower barrier film BB1 and the silicon substrate 1. Therefore, it is possible to reduce the generation of interface defects associated with the exchange of carriers during the rewrite operation of the nonvolatile memory NVM2. Therefore, in the nonvolatile memory NVM2 formed by the manufacturing method of the second embodiment, the change in the amount of interface defects with the passage of time is reduced, so that the variation in threshold voltage can also be reduced. As a result, the performance of the semiconductor device having a nonvolatile memory can be further improved.

また、CVD法によって形成したHTO膜を上部バリア膜TB2として適用することで、電荷保持膜CS1としての窒化シリコン膜12と上部バリア膜TB2としての酸化シリコン膜16との間には遷移層が形成され難いため、捕獲電荷の膜中の移動のし易さを低減できる。これにより、不揮発性メモリNVM2のメモリ動作中における閾値電圧の変動を、より低減することができる。結果として、不揮発性メモリを有する半導体装置の性能を、更に向上させることができる。   Further, by applying the HTO film formed by the CVD method as the upper barrier film TB2, a transition layer is formed between the silicon nitride film 12 as the charge holding film CS1 and the silicon oxide film 16 as the upper barrier film TB2. Therefore, the ease of movement of trapped charges in the film can be reduced. Thereby, the fluctuation | variation of the threshold voltage during the memory operation of the nonvolatile memory NVM2 can be further reduced. As a result, the performance of the semiconductor device having a nonvolatile memory can be further improved.

更に、上述のようなCVD法によるHTO膜で上部バリア膜TB2を形成することの他の効果は、不揮発性メモリNVM2のアレイ動作時に発現され得る。これに関して、以下で詳しく説明する。   Furthermore, the other effect of forming the upper barrier film TB2 with the HTO film by the CVD method as described above can be exhibited during the array operation of the nonvolatile memory NVM2. This will be described in detail below.

本発明者らの検討によれば、スプリットゲート構造のMONOS型メモリのアレイ動作時において、あるメモリセルへの書き込み時に他のメモリセルが誤って書き込み及び消去されてしまうという問題(ディスターブモード)がある。例えば、上記図49のアレイ構成において、メモリゲート用ワード線MGL0とメモリゲート用ワード線MGL2とが束ねられ、これらに同一の電圧が印加される場合を考える。メモリの書き込み、消去および読み出し動作を高速化するため、また、周辺回路面積を低減するために、メモリゲート用ワード線MGLは束ねられることがある。   According to the study by the present inventors, there is a problem (disturb mode) that other memory cells are erroneously written and erased when writing to a certain memory cell during array operation of a MONOS type memory having a split gate structure. is there. For example, consider the case where the memory gate word line MGL0 and the memory gate word line MGL2 are bundled in the array configuration of FIG. 49 and the same voltage is applied to them. The memory gate word lines MGL may be bundled in order to speed up the memory write, erase and read operations and reduce the peripheral circuit area.

ビット線BL0および選択ゲート用ワード線SGL0で選択されるメモリセルに対し、SSI方式で書き込み動作を施す場合、メモリゲート用ワード線MGL0には正の高電圧を印加する。このとき、メモリゲート用ワード線MGL0と一緒に束ねられている他のメモリゲート用ワード線MGL2などにも正の高電圧が印加される。そのため、書き込みを順次行っていくに従い、ある非選択セルが受けるディスターブ時間(メモリゲートに高電圧が掛かっている時間)は、1セルの書き込み時間よりも長くなる。特に、束ねられたメモリゲート用ワード線MGLの数が多いほど、1つの非選択セルが受けるディスターブ時間は延びる。このようなアレイ構成を組む場合、上部バリア膜TB2のバリアポテンシャルが高いほど、ディスターブ耐性は向上する。これは、メモリゲートに高電圧が印加されたときにも、ゲートに電荷が引き抜かれ難くなるからである。上部バリア膜TB2がHTO膜である場合、バリアポテンシャルの高さが十分であるので、上記のようなディスターブは起こり難い。よって、より多くのメモリゲート用ワード線MGLを束ねられる。また、書き込み単位をより小さくすることができる。結果として、不揮発性メモリを有する半導体装置の性能を、更に向上させることができる。   When a write operation is performed on the memory cells selected by the bit line BL0 and the selection gate word line SGL0 by the SSI method, a positive high voltage is applied to the memory gate word line MGL0. At this time, a positive high voltage is also applied to the other memory gate word line MGL2 bundled together with the memory gate word line MGL0. Therefore, as the writing is sequentially performed, the disturb time (time during which a high voltage is applied to the memory gate) received by a certain non-selected cell becomes longer than the writing time of one cell. In particular, the greater the number of memory gate word lines MGL bundled, the longer the disturb time received by one unselected cell. When such an array configuration is assembled, the disturb resistance is improved as the barrier potential of the upper barrier film TB2 is higher. This is because even when a high voltage is applied to the memory gate, it is difficult to extract charges from the gate. When the upper barrier film TB2 is an HTO film, the barrier potential is sufficiently high, so that the disturbance as described above hardly occurs. Therefore, more memory gate word lines MGL can be bundled. Further, the writing unit can be made smaller. As a result, the performance of the semiconductor device having a nonvolatile memory can be further improved.

図27に、上部バリア膜TB2となる酸化シリコン膜16としてHTO膜を適用した場合の、不揮発性メモリNVM2の保持特性を示している。ここでは、各試料で同じ書き込み閾値電圧と消去閾値電圧とを定め、SSI方式による書き込み動作とBTBT方式による消去動作とを同条件で室温の下、1000回施した後の、閾値電圧の変化を示している。有意差を短時間で明確にするため、保持特性は150℃の温度で評価している。縦軸には、不揮発性メモリNVM2への書き込み動作後、150℃の温度で1時間放置した後の閾値電圧の変化量を示している。即ち、図の上側の特性ほど、閾値電圧の変動が大きい特性であることを表す。横軸には、上部バリア膜TB2としての酸化シリコン膜16の膜厚を示している。特に、図27には、酸化シリコン膜16の形成方法と、形成後の熱処理とを変えた場合の特性P09〜P11を示している。より具体的には、上部バリア膜TB2としてCVD法によってHTO膜からなる酸化シリコン膜16を形成した後、水蒸気を含むウェット酸化雰囲気中で750℃の熱処理を施した場合の特性を、特性P09として示している。処理時間はシリコン基板上を酸化する場合に、およそ5nm程度酸化されるだけの時間である。また、上部バリア膜TB2としてCVD法によってHTO膜からなる酸化シリコン膜16を形成した後、窒素雰囲気中で1000℃程度の熱処理を60秒施した場合の特性を、特性P10として示している。また、比較のため、上部バリア膜としてISSG酸化法によって酸化シリコン膜を形成した場合の特性を、特性P11として示している。   FIG. 27 shows retention characteristics of the nonvolatile memory NVM2 when an HTO film is applied as the silicon oxide film 16 to be the upper barrier film TB2. Here, the same write threshold voltage and erase threshold voltage are determined for each sample, and the threshold voltage change after 1000 times of the SSI write operation and the BTBT erase operation under the same conditions at room temperature is shown. Show. In order to clarify a significant difference in a short time, the retention characteristics are evaluated at a temperature of 150 ° C. The vertical axis represents the amount of change in the threshold voltage after being left at a temperature of 150 ° C. for 1 hour after the write operation to the nonvolatile memory NVM2. That is, the characteristic on the upper side of the figure indicates that the threshold voltage varies greatly. The horizontal axis shows the thickness of the silicon oxide film 16 as the upper barrier film TB2. In particular, FIG. 27 shows characteristics P09 to P11 when the method of forming the silicon oxide film 16 and the heat treatment after the formation are changed. More specifically, a characteristic when a silicon oxide film 16 made of an HTO film is formed as the upper barrier film TB2 by a CVD method and then heat-treated at 750 ° C. in a wet oxidizing atmosphere containing water vapor is defined as a characteristic P09. Show. The processing time is a time required to oxidize about 5 nm when oxidizing the silicon substrate. A characteristic P10 is shown as a characteristic when a silicon oxide film 16 made of an HTO film is formed as the upper barrier film TB2 by the CVD method and then heat-treated at about 1000 ° C. for 60 seconds in a nitrogen atmosphere. For comparison, a characteristic when a silicon oxide film is formed as the upper barrier film by the ISSG oxidation method is shown as a characteristic P11.

図27より、上部バリア膜TB2として、ISSG酸化法によって形成した酸化シリコン膜を用いるよりも、CVD法によるHTO膜からなる酸化シリコン膜16を用いる方が不揮発性メモリNVM2の閾値電圧の変動が小さく、保持特性を向上できることが分かる。これは、上述のように、CVD法によるHTO膜からなる酸化シリコン膜16を形成する際には、ISSG酸化のような水素の導入を要さないことで、下部バリア膜BB1に欠陥を生じ難くすることができることの効果である。   According to FIG. 27, the threshold voltage fluctuation of the nonvolatile memory NVM2 is smaller when the silicon oxide film 16 made of the HTO film by the CVD method is used as the upper barrier film TB2 than when the silicon oxide film formed by the ISSG oxidation method is used. It can be seen that the retention characteristics can be improved. As described above, when the silicon oxide film 16 made of the HTO film by the CVD method is formed, it is difficult to cause defects in the lower barrier film BB1 by not introducing hydrogen as in ISSG oxidation. The effect of being able to do.

また、本発明者らの検討では、HTO膜は堆積後の熱処理を施した場合でも、薄膜領域で電荷リークが多くなることが分かっている。そのため、特性P09のように、上部バリア膜TB2としての酸化シリコン膜16の膜厚が6nmを下回ると、閾値電圧の変動が大きくなり始める。従って、HTO膜からなる酸化シリコン膜16を上部バリア膜TB2として適用する場合、6nm以上の膜厚とする方が、より好ましい。一方、上記実施の形態1で説明したように、実用的な消去速度の観点から、メモリゲート絶縁膜MI2全体の厚さは、等価酸化膜厚(EOT)で17.5nm以下とする方が、より好ましい。以上をまとめると、本実施の形態2の半導体装置が有する不揮発性メモリNVM2においては、メモリゲート絶縁膜MI2は、全体の厚さが等価酸化膜厚で17.5nm以下となるように形成し、上部バリア膜TB2としての酸化シリコン膜16は、厚さが6nm以上となるように形成する方が、より好ましい。   Further, according to the study by the present inventors, it has been found that even when the HTO film is subjected to a heat treatment after deposition, charge leakage increases in the thin film region. Therefore, as the characteristic P09, when the thickness of the silicon oxide film 16 as the upper barrier film TB2 is less than 6 nm, the threshold voltage starts to increase. Therefore, when the silicon oxide film 16 made of an HTO film is applied as the upper barrier film TB2, it is more preferable to set the film thickness to 6 nm or more. On the other hand, as described in the first embodiment, from the viewpoint of practical erasing speed, the total thickness of the memory gate insulating film MI2 should be 17.5 nm or less in terms of equivalent oxide thickness (EOT). More preferred. In summary, in the nonvolatile memory NVM2 included in the semiconductor device of the second embodiment, the memory gate insulating film MI2 is formed so that the total thickness is 17.5 nm or less in terms of the equivalent oxide thickness, The silicon oxide film 16 as the upper barrier film TB2 is more preferably formed so as to have a thickness of 6 nm or more.

また、特性P09および特性P10を比較すると、上部バリア膜TB2の酸化シリコン膜16として同じHTO膜を形成した場合でも、形成後の熱処理の違いによって、不揮発性メモリNVM2の保持特性が異なることが分かる。より具体的には、HTO膜を形成後、ウェット酸化雰囲気で熱処理を施した場合と比較して、窒素雰囲気で熱処理を施した場合に保持特性が向上することが分かった。これは、ウェット酸化雰囲気に対して、窒素雰囲気では、含まれる水素の量が更に低減されるため、下部バリア膜BB1の劣化が更に改善されたことの効果である。   Further, comparing the characteristics P09 and the characteristics P10, it can be seen that even when the same HTO film is formed as the silicon oxide film 16 of the upper barrier film TB2, the retention characteristics of the nonvolatile memory NVM2 are different depending on the heat treatment after the formation. . More specifically, it has been found that the retention characteristics are improved when the heat treatment is performed in a nitrogen atmosphere as compared with the case where the heat treatment is performed in a wet oxidation atmosphere after the HTO film is formed. This is an effect that the deterioration of the lower barrier film BB1 is further improved because the amount of hydrogen contained in the nitrogen atmosphere is further reduced compared to the wet oxidation atmosphere.

ただし、ウェット酸化雰囲気において熱処理を施す場合であっても存在する水素の量は微量であり、下部バリア膜BB1のシリコンと酸素との結合のごく一部が水素に置換されるだけである。また、別の観点からの本発明者らの検証によれば、ウェット酸化雰囲気でHTO膜からなる酸化シリコン膜16を熱処理することで、フッ酸(HF)によるエッチング耐性が向上することが分かった。また、熱処理の時間を長くすることや、高温化することでもフッ酸にたいするエッチング体制が向上することが分かった。これは、メモリゲート電極MG1を選択ゲート電極SG1のサイドウォール状に形成する際のエッチング工程で、上部バリア膜TB2としての酸化シリコン膜16に入るサイドエッチを低減できる。これにより、シリコン基板1全面内(ウェハ面内)における不揮発性メモリNVM2の寸法ばらつきの低減に有効である。   However, even when heat treatment is performed in a wet oxidizing atmosphere, the amount of hydrogen present is very small, and only a small part of the bond between silicon and oxygen in the lower barrier film BB1 is replaced with hydrogen. Further, according to verification by the present inventors from another viewpoint, it was found that the etching resistance by hydrofluoric acid (HF) is improved by heat-treating the silicon oxide film 16 made of an HTO film in a wet oxidation atmosphere. . It was also found that the etching system for hydrofluoric acid can be improved by increasing the heat treatment time or increasing the temperature. This is an etching process when the memory gate electrode MG1 is formed in a sidewall shape of the selection gate electrode SG1, and side etching entering the silicon oxide film 16 as the upper barrier film TB2 can be reduced. This is effective in reducing the dimensional variation of the nonvolatile memory NVM2 in the entire surface of the silicon substrate 1 (in the wafer surface).

また、上部バリア膜TB2の酸化シリコン膜16としてのHTO膜の膜質を向上させるための熱処理条件について、本発明者らは更なる検証を行った。   In addition, the inventors further verified the heat treatment conditions for improving the quality of the HTO film as the silicon oxide film 16 of the upper barrier film TB2.

その結果、上部バリア膜TB2の酸化シリコン膜16としてHTO膜を形成後、ウェット酸化雰囲気中で熱処理を施す場合には、650℃以上、900℃以下の温度において、単結晶シリコン(例えばシリコン基板1)を1nm以上、10nm以下酸化させる時間で当該熱処理を施すことで、上述の効果が得られることが分かった。より好ましくは、700℃以上の温度において、単結晶シリコン(例えばシリコン基板1)を3nm以上酸化させる時間で当該熱処理を施すことで、上述の効果がより顕著に得られることが分かった。   As a result, when an HTO film is formed as the silicon oxide film 16 of the upper barrier film TB2 and then heat treatment is performed in a wet oxidizing atmosphere, single crystal silicon (for example, the silicon substrate 1) is formed at a temperature of 650 ° C. or higher and 900 ° C. or lower. It was found that the above-mentioned effect can be obtained by performing the heat treatment for a time period during which oxidation is performed for 1 nm or more and 10 nm or less. More preferably, it has been found that the above-described effects can be obtained more remarkably by performing the heat treatment at a temperature of 700 ° C. or higher for a time period during which single crystal silicon (for example, the silicon substrate 1) is oxidized by 3 nm or more.

また、上部バリア膜TB2の酸化シリコン膜16としてHTO膜を形成後、窒素雰囲気中で熱処理を施す場合には、800℃以上、1100℃以下の温度において、10秒以上、120秒以下の時間で当該熱処理を施すことで、上述の効果が得られることが分かった。より好ましくは、900℃以上の温度において、当該熱処理を施すことで、上述の効果がより顕著に得られることが分かった。   In addition, when heat treatment is performed in a nitrogen atmosphere after forming the HTO film as the silicon oxide film 16 of the upper barrier film TB2, the temperature is 800 ° C. or higher and 1100 ° C. or lower and the time is 10 seconds or longer and 120 seconds or shorter. It turned out that the above-mentioned effect is acquired by performing the said heat processing. More preferably, it has been found that the above-described effects can be obtained more significantly by performing the heat treatment at a temperature of 900 ° C. or higher.

(実施の形態3)
上記実施の形態1,2では、スプリットゲート構造のMONOS型メモリやその製造方法において、本発明を適用した例を示した。本実施の形態3では、シングルゲート構造のMONOS型メモリやその製造方法において、本発明を適用する例を示す。
(Embodiment 3)
In the first and second embodiments, the example in which the present invention is applied to the MONOS type memory having the split gate structure and the manufacturing method thereof has been described. The third embodiment shows an example in which the present invention is applied to a MONOS type memory having a single gate structure and a manufacturing method thereof.

本実施の形態3の半導体装置が有する不揮発性メモリNVM3の構造について、図28および図29を用いて説明する。図28は不揮発性メモリNVM3の要部断面図、図29は不揮発性メモリNVM3の要部平面図である。特に、図29の要部平面図におけるA2−A2線、および、B2−B2線に沿って矢印方向に見た要部断面図を、図28に示している。   The structure of nonvolatile memory NVM3 included in the semiconductor device of the third embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 28 is a cross-sectional view of the main part of the nonvolatile memory NVM3, and FIG. 29 is a plan view of the main part of the nonvolatile memory NVM3. In particular, FIG. 28 shows a cross-sectional view of the main part viewed in the direction of the arrow along the line A2-A2 and the line B2-B2 in the main part plan view of FIG.

本実施の形態3の不揮発性メモリNVM3は、ゲート構造において以下のような特徴を有すること以外は、上記実施の形態1および2の不揮発性メモリNVM1,2と同様の構造を有しており、ここでの重複した説明は省略する。   The non-volatile memory NVM3 of the third embodiment has the same structure as the non-volatile memories NVM1 and NVM2 of the first and second embodiments except that the gate structure has the following characteristics. The duplicate description here is omitted.

不揮発性メモリNVM3は、シリコン基板1上に形成されたメモリゲート絶縁膜(第1ゲート絶縁膜)MI3、および、その上に形成されたメモリゲート電極(第1ゲート電極)MG3を有している。単位セルとしての不揮発性メモリNVM3を構成するゲート電極はメモリゲート電極MG3のみであり、例えば、上記実施の形態1および2のような選択ゲート電極SG1などは有していない。このように、本実施の形態3の半導体装置が有する不揮発性メモリNVM3の基本構造は、シングルゲート構造のMONOS型メモリである。本発明者らが事前に検討したシングルゲート構造のMONOS型メモリの構造や動作方法は、上記図40〜上記図45を用いて説明した不揮発性メモリNVMaの通りである。   The nonvolatile memory NVM3 includes a memory gate insulating film (first gate insulating film) MI3 formed on the silicon substrate 1 and a memory gate electrode (first gate electrode) MG3 formed thereon. . The gate electrode constituting the nonvolatile memory NVM3 as the unit cell is only the memory gate electrode MG3, and does not have the selection gate electrode SG1 as in the first and second embodiments, for example. As described above, the basic structure of the nonvolatile memory NVM3 included in the semiconductor device according to the third embodiment is a MONOS type memory having a single gate structure. The structure and operation method of the MONOS type memory having a single gate structure examined in advance by the present inventors are as described in the nonvolatile memory NVMa described with reference to FIGS.

本実施の形態3の不揮発性メモリNVM3のメモリゲート絶縁膜MI3は、シリコン基板1に近い方から順に、下部バリア膜(第1バリア膜)BB3、電荷保持膜CS3、および、上部バリア膜(第2バリア膜)TB3の3層の積層絶縁膜からなる。言い換えれば、メモリゲート絶縁膜MI3は、電荷保持膜CS3を下部バリア膜BB3と上部バリア膜TB3とによって挟んだ構造となっている。下部バリア膜BB3は酸化シリコンを主体とする絶縁膜であり、電荷保持膜CS3は窒化シリコンを主体とする絶縁膜であり、上部バリア膜TB3は酸窒化シリコンを主体とする絶縁膜である。   The memory gate insulating film MI3 of the nonvolatile memory NVM3 of Embodiment 3 includes, in order from the side closer to the silicon substrate 1, the lower barrier film (first barrier film) BB3, the charge holding film CS3, and the upper barrier film (first barrier film). 2 barrier film) It consists of a three-layer laminated insulating film of TB3. In other words, the memory gate insulating film MI3 has a structure in which the charge holding film CS3 is sandwiched between the lower barrier film BB3 and the upper barrier film TB3. The lower barrier film BB3 is an insulating film mainly composed of silicon oxide, the charge retention film CS3 is an insulating film mainly composed of silicon nitride, and the upper barrier film TB3 is an insulating film mainly composed of silicon oxynitride.

不揮発性メモリNVM3において電荷を授受するソース・ドレイン機構として、シリコン基板1の主面側に2種の不純物拡散領域17,18が形成されている。より具体的には、メモリゲート電極MG3の側方下部のシリコン基板1に、低濃度拡散領域17が形成されている。更に、メモリゲート電極MG3の同様の側方下部のシリコン基板1であって、低濃度拡散領域17よりも離れた箇所に、高濃度拡散領域18が形成されている。各拡散領域17,18はドナー不純物を含むn型半導体領域である。それらのドナー不純物濃度は、低濃度拡散領域17の方が、高濃度拡散領域18よりも低い。また、シリコン基板1の主面から見た深さは、低濃度拡散領域17の方が、高濃度拡散領域18よりも浅い。また、低濃度拡散領域17と高濃度拡散領域18とは互いの端部において接触しており、電気的に接続されている。この低濃度拡散領域17は、ソース・ドレイン機構においてLDD構造と称され、所謂エクステンション領域として機能する。   As a source / drain mechanism for transferring charges in the nonvolatile memory NVM3, two types of impurity diffusion regions 17 and 18 are formed on the main surface side of the silicon substrate 1. More specifically, the low concentration diffusion region 17 is formed in the silicon substrate 1 below the side of the memory gate electrode MG3. Further, a high concentration diffusion region 18 is formed in the silicon substrate 1 at the same lower side of the memory gate electrode MG3 and at a position farther from the low concentration diffusion region 17. Each of the diffusion regions 17 and 18 is an n-type semiconductor region containing donor impurities. Their donor impurity concentration is lower in the low concentration diffusion region 17 than in the high concentration diffusion region 18. Further, the depth seen from the main surface of the silicon substrate 1 is shallower in the low concentration diffusion region 17 than in the high concentration diffusion region 18. Further, the low concentration diffusion region 17 and the high concentration diffusion region 18 are in contact with each other at the end portions, and are electrically connected. This low concentration diffusion region 17 is called an LDD structure in the source / drain mechanism and functions as a so-called extension region.

シリコン基板1の主面上において、メモリゲート電極MG3の側壁を覆うようにして、サイドウォールスペーサ19が配置されている。サイドウォールスペーサ19は、少なくとも、シリコン基板1に形成された低濃度拡散領域17を覆うような位置に形成されている。サイドウォールスペーサ19は、例えば、酸化シリコンを主体とする絶縁膜、窒化シリコンを主体とする絶縁膜、または、それらの積層膜などからなる。   On the main surface of the silicon substrate 1, sidewall spacers 19 are arranged so as to cover the sidewalls of the memory gate electrode MG3. The sidewall spacer 19 is formed at a position that covers at least the low concentration diffusion region 17 formed in the silicon substrate 1. The sidewall spacer 19 is made of, for example, an insulating film mainly composed of silicon oxide, an insulating film mainly composed of silicon nitride, or a laminated film thereof.

本実施の形態3の半導体装置が有する不揮発性メモリNVM3は、これらの他に、上記実施の形態1,2の半導体装置が有する不揮発性メモリNVM1,2と同様の構成要素を有している。   In addition to these, the nonvolatile memory NVM3 included in the semiconductor device according to the third embodiment has the same components as the nonvolatile memories NVM1 and NVM2 included in the semiconductor device according to the first and second embodiments.

上述のように、本実施の形態3の半導体装置が有する不揮発性メモリNVM3では、上部バリア膜TB3として酸窒化シリコンを主体とする絶縁膜を有している。この点は、上記実施の形態1の半導体装置が有する不揮発性メモリNVM1の上部バリア膜TB1と同様である。シングルゲート構造のMONOS型メモリである不揮発性メモリNVM3が上部バリア膜TB3として酸窒化シリコン膜を有することの効果に関しては、上記実施の形態1において説明した、スプリットゲート構造のMONOS型メモリである不揮発性メモリNVM1が上部バリア膜TB1として酸窒化シリコン膜を有することの効果と同様である。再度簡単に説明すれば、書き換え動作に伴う電荷の局在化が緩和されることや、電荷保持膜CS3と上部バリア膜TB3との間において遷移層が形成され難くなることなどの効果が得られる。これにより、不揮発性メモリNVM3における閾値電圧の変動やばらつきを低減できる。更に、本実施の形態3の不揮発性メモリNVM3において、上部バリア膜TB3として酸窒化シリコン膜を適用する際により好ましい組成や膜厚に関しても、上記実施の形態1において説明した組成や膜厚と同様である。   As described above, the nonvolatile memory NVM3 included in the semiconductor device according to the third embodiment has the insulating film mainly composed of silicon oxynitride as the upper barrier film TB3. This is the same as the upper barrier film TB1 of the nonvolatile memory NVM1 included in the semiconductor device of the first embodiment. Regarding the effect of the non-volatile memory NVM3, which is a MONOS type memory having a single gate structure, having a silicon oxynitride film as the upper barrier film TB3, the non-volatile type being a MONOS type memory having a split gate structure described in the first embodiment. This is similar to the effect of the volatile memory NVM1 having the silicon oxynitride film as the upper barrier film TB1. Briefly described, effects such as relaxation of charge localization associated with the rewrite operation and difficulty in forming a transition layer between the charge holding film CS3 and the upper barrier film TB3 can be obtained. . Thereby, fluctuations and variations in the threshold voltage in the nonvolatile memory NVM3 can be reduced. Further, in the nonvolatile memory NVM3 of the third embodiment, a more preferable composition and film thickness when applying a silicon oxynitride film as the upper barrier film TB3 are the same as the composition and film thickness described in the first embodiment. It is.

ただし、本実施の形態3の不揮発性メモリNVM3のシングルゲート構造のMONOS型メモリでは、書き換えに伴う電荷の局在化は起こり難い。例えば、NROM型のMONOSメモリにおいて、上記図42および上記図43を用いて説明した書き込み・消去動作を行う場合、電子の注入位置とホールの注入位置とはほぼ同位置である。従って、注入位置のずれによる電荷の消し残り(残存キャリアの蓄積、電荷の局在化)は起こり難い。従って、本実施の形態3の不揮発性メモリNVM3において電荷の局在化を解消するために、上部バリア膜のバリアポテンシャルを下げ、メモリゲート電極MG3側から電荷を注入し易くする必要性は、上記実施の形態1の不揮発性メモリNVM1ほど高くない。そこで、本実施の形態3の不揮発性メモリNVM3においては、上部バリア膜TB3としての酸窒化シリコン膜は、組成x(組成xの定義は上述の通り)が1である場合、即ち、窒化シリコンを含まない酸化シリコンのみを主体とする絶縁膜であっても良い。   However, in the MONOS type memory having the single gate structure of the nonvolatile memory NVM3 of the third embodiment, the localization of electric charges due to rewriting hardly occurs. For example, in the NROM type MONOS memory, when the write / erase operation described with reference to FIGS. 42 and 43 is performed, the electron injection position and the hole injection position are substantially the same position. Accordingly, the remaining charge (accumulation of residual carriers, charge localization) hardly occurs due to the shift of the injection position. Therefore, the necessity of lowering the barrier potential of the upper barrier film and facilitating the injection of charges from the memory gate electrode MG3 side in order to eliminate the localization of charges in the nonvolatile memory NVM3 of the third embodiment is as described above. It is not as high as the nonvolatile memory NVM1 of the first embodiment. Therefore, in the nonvolatile memory NVM3 of the third embodiment, the silicon oxynitride film as the upper barrier film TB3 has a composition x (the definition of the composition x is as described above) of 1, that is, silicon nitride. An insulating film mainly containing only silicon oxide not included may be used.

以上のように、本実施の形態3の不揮発性メモリNVM3によれば、メモリゲート絶縁膜MI3の上部バリア膜TB3として酸窒化シリコン膜を適用することで、シングルゲート構造のMONOS型メモリにおいて閾値電圧の変動やばらつきを低減することができる。結果として、不揮発性メモリを有する半導体装置の性能を、更に向上させることができる。   As described above, according to the nonvolatile memory NVM3 of the third embodiment, the threshold voltage is applied to the MONOS memory having a single gate structure by applying the silicon oxynitride film as the upper barrier film TB3 of the memory gate insulating film MI3. Fluctuations and variations can be reduced. As a result, the performance of the semiconductor device having a nonvolatile memory can be further improved.

以上のような効果を有する不揮発性メモリNVM3を備えた本実施の形態3の半導体装置の製造方法を、図30〜図39を用いて説明する。図30〜図39は、上記図29に該当する領域における製造工程中の要部断面図である。   A method of manufacturing the semiconductor device according to the third embodiment including the nonvolatile memory NVM3 having the above effects will be described with reference to FIGS. 30 to 39 are fragmentary cross-sectional views of the region corresponding to FIG. 29 during the manufacturing process.

はじめに、図30に示すように、上記図10を用いて説明した工程と同様にして、シリコン基板1に分離部2およびpウェル3を形成する。続いて、図31に示すように、上記図12を用いて説明した工程と同様にして、酸化シリコン膜11および窒化シリコン膜12を形成する。   First, as shown in FIG. 30, the isolation portion 2 and the p-well 3 are formed in the silicon substrate 1 in the same manner as described with reference to FIG. 10. Subsequently, as shown in FIG. 31, a silicon oxide film 11 and a silicon nitride film 12 are formed in the same manner as described with reference to FIG.

次に、図32に示すように、シリコン基板1上に形成した窒化シリコン膜12を覆うようにして、酸窒化シリコンを主体とする絶縁膜である酸窒化シリコン膜(第2バリア膜)20を形成する。ここで、本実施の形態3の半導体装置の製造方法では、酸窒化シリコン膜20をCVD法によって堆積する。例えば、組成比xが0.55(屈折率RIが1.7)となり、膜厚が9nm程度となるように、CVD法によって酸窒化シリコン膜20を堆積する。本工程で形成した酸窒化シリコン膜20は、後述の加工によって、メモリゲート絶縁膜MI3の上部バリア膜TB3となる絶縁膜である。即ち、上部バリア膜TB3を酸窒化シリコン膜20によって形成すること自体の効果は、上述の通りである。   Next, as shown in FIG. 32, a silicon oxynitride film (second barrier film) 20 that is an insulating film mainly composed of silicon oxynitride is formed so as to cover the silicon nitride film 12 formed on the silicon substrate 1. Form. Here, in the method of manufacturing the semiconductor device according to the third embodiment, the silicon oxynitride film 20 is deposited by the CVD method. For example, the silicon oxynitride film 20 is deposited by CVD so that the composition ratio x is 0.55 (refractive index RI is 1.7) and the film thickness is about 9 nm. The silicon oxynitride film 20 formed in this step is an insulating film that becomes the upper barrier film TB3 of the memory gate insulating film MI3 by processing described later. That is, the effect of forming the upper barrier film TB3 with the silicon oxynitride film 20 is as described above.

次に、図33に示すように、酸窒化シリコン膜20を覆うようにして、多結晶シリコン膜21を形成する。ここでは、例えばCVD法によって、多結晶シリコン膜21を形成する。その後、図34に示すように、フォトリソグラフィ法やエッチング法などによって多結晶シリコン膜21、酸窒化シリコン膜20、窒化シリコン膜12、および、酸化シリコン膜11を順に加工することでゲート構造を形成する。より具体的には、多結晶シリコン膜21からなるメモリゲート電極MG3を形成する。また、酸化シリコン膜11、窒化シリコン膜12および酸窒化シリコン膜20からなるメモリゲート絶縁膜MI3を形成する。ここで、酸化シリコン膜11は下部バリア膜BB3として、窒化シリコン膜12は電荷保持膜CS3として、酸窒化シリコン膜20は上部バリア膜TB3として機能する。即ち、上記の工程によって、下部バリア膜BB3としての酸化シリコン膜11、電荷保持膜CS3としての窒化シリコン膜12、および、上部バリア膜TB3としての酸窒化シリコン膜20を形成したことになる。   Next, as shown in FIG. 33, a polycrystalline silicon film 21 is formed so as to cover the silicon oxynitride film 20. Here, the polycrystalline silicon film 21 is formed by, eg, CVD. After that, as shown in FIG. 34, a gate structure is formed by sequentially processing the polycrystalline silicon film 21, the silicon oxynitride film 20, the silicon nitride film 12, and the silicon oxide film 11 by a photolithography method, an etching method, or the like. To do. More specifically, the memory gate electrode MG3 made of the polycrystalline silicon film 21 is formed. Further, a memory gate insulating film MI3 made of the silicon oxide film 11, the silicon nitride film 12, and the silicon oxynitride film 20 is formed. Here, the silicon oxide film 11 functions as the lower barrier film BB3, the silicon nitride film 12 functions as the charge holding film CS3, and the silicon oxynitride film 20 functions as the upper barrier film TB3. That is, the silicon oxide film 11 as the lower barrier film BB3, the silicon nitride film 12 as the charge holding film CS3, and the silicon oxynitride film 20 as the upper barrier film TB3 are formed by the above steps.

ここで、メモリゲート電極MG3の導電型および導電率を調整するために、メモリゲート電極MG3となる多結晶シリコン膜21には、所望の不純物を導入する必要がある。上記図34で説明した工程において、不純物を導入した多結晶シリコン膜21をCVD法によって堆積しても良いし、多結晶シリコン膜21を堆積した後、加工する前にイオン注入によって不純物を導入しても良い。   Here, in order to adjust the conductivity type and conductivity of the memory gate electrode MG3, it is necessary to introduce a desired impurity into the polycrystalline silicon film 21 to be the memory gate electrode MG3. In the process described with reference to FIG. 34, the polycrystalline silicon film 21 into which the impurity is introduced may be deposited by a CVD method, or after the polycrystalline silicon film 21 is deposited, the impurity is introduced by ion implantation before processing. May be.

次に、図35に示すように、メモリゲート電極MG3の側方下部のシリコン基板1にn型導電型の半導体領域である低濃度拡散領域17を形成する。これには、シリコン基板1に対してドナー不純物をイオン注入することで、低濃度拡散領域17を形成する。このイオン注入の際には、先にシリコン基板1上に形成したメモリゲート電極MG3がイオン注入マスクとなる。即ち、メモリゲート電極MG3下のシリコン基板1には低濃度拡散領域17が形成されず、メモリゲート電極MG3の側壁側下のシリコン基板1に低濃度拡散領域17が形成される。   Next, as shown in FIG. 35, a low-concentration diffusion region 17 which is an n-type conductivity type semiconductor region is formed in the silicon substrate 1 on the lower side of the memory gate electrode MG3. For this, a low concentration diffusion region 17 is formed by ion-implanting a donor impurity into the silicon substrate 1. In this ion implantation, the memory gate electrode MG3 previously formed on the silicon substrate 1 serves as an ion implantation mask. That is, the low concentration diffusion region 17 is not formed in the silicon substrate 1 under the memory gate electrode MG3, but the low concentration diffusion region 17 is formed in the silicon substrate 1 under the side wall of the memory gate electrode MG3.

次に、図36に示すように、メモリゲート電極MG3の側壁を覆うようにして、サイドウォールスペーサ19を形成する。これには、上記図18を用いて説明した方法と同様にして、サイドウォールスペーサ19を形成する。   Next, as shown in FIG. 36, sidewall spacers 19 are formed so as to cover the sidewalls of the memory gate electrode MG3. For this purpose, sidewall spacers 19 are formed in the same manner as described with reference to FIG.

次に、図37に示すように、メモリゲート電極MG3の側方下部のシリコン基板1であって、低濃度拡散領域17よりも離れた箇所に、n型導電型の半導体領域である高濃度拡散領域18を形成する。これには、シリコン基板1に対してドナー不純物をイオン注入することで、高濃度拡散領域18を形成する。このイオン注入の際には、先にシリコン基板1上に形成したメモリゲート電極MG3およびサイドウォールスペーサ19がイオン注入マスクとなり、メモリゲート電極MG3およびサイドウォールスペーサ19下のシリコン基板1にはドナー不純物が導入されない。即ち、メモリゲート電極MG3下およびサイドウォールスペーサ19下のシリコン基板1には高濃度拡散領域18が形成されず、メモリゲート電極MG3の側壁側下であって、サイドウォールスペーサ19の分だけ離れた位置のシリコン基板1に高濃度拡散領域18が形成される。   Next, as shown in FIG. 37, in the silicon substrate 1 on the lower side of the memory gate electrode MG3, a high concentration diffusion which is an n-type conductivity type semiconductor region is provided at a location far from the low concentration diffusion region 17. Region 18 is formed. For this, a high concentration diffusion region 18 is formed by ion implantation of donor impurities into the silicon substrate 1. In this ion implantation, the memory gate electrode MG3 and the side wall spacer 19 previously formed on the silicon substrate 1 serve as an ion implantation mask, and the silicon substrate 1 under the memory gate electrode MG3 and the side wall spacer 19 has a donor impurity. Is not introduced. That is, the high-concentration diffusion region 18 is not formed in the silicon substrate 1 under the memory gate electrode MG3 and under the side wall spacer 19, and is located under the side wall side of the memory gate electrode MG3 and separated by the side wall spacer 19. A high concentration diffusion region 18 is formed in the silicon substrate 1 at the position.

ここでは、低濃度拡散領域17と高濃度拡散領域18とを比較して、低濃度拡散領域17の方が高濃度拡散領域18よりも小さなドーズ量で、かつ、低い注入エネルギーでドナー不純物をイオン注入する。従って、低濃度拡散領域17は、高濃度拡散領域18の不純物濃度よりも低く、かつ、高濃度拡散領域18の深さよりも浅くなるようにして形成される。また、低濃度拡散領域17と高濃度拡散領域18とは互いに接し、電気的に接続するようにして形成される。以上のようにして、低濃度拡散領域17をエクステンション領域として有するような高濃度拡散領域18からなる、ソース・ドレイン構造を形成する。   Here, comparing the low-concentration diffusion region 17 and the high-concentration diffusion region 18, the low-concentration diffusion region 17 is smaller in dose than the high-concentration diffusion region 18, and donor impurities are ionized with a low implantation energy. inject. Accordingly, the low concentration diffusion region 17 is formed so as to be lower than the impurity concentration of the high concentration diffusion region 18 and shallower than the depth of the high concentration diffusion region 18. The low concentration diffusion region 17 and the high concentration diffusion region 18 are formed so as to be in contact with each other and to be electrically connected. As described above, the source / drain structure including the high concentration diffusion region 18 having the low concentration diffusion region 17 as the extension region is formed.

以上のようにして、本実施の形態3の半導体装置が有する不揮発性メモリNVM3の基本的な構造を形成することができる。以下では、不揮発性メモリNVM3に給電するための給電機構の形成方法を説明する。   As described above, the basic structure of the nonvolatile memory NVM3 included in the semiconductor device of the third embodiment can be formed. Below, the formation method of the electric power feeding mechanism for supplying electric power to the non-volatile memory NVM3 is demonstrated.

上記より続く工程として、図38に示すように、メモリゲート電極MG3および高濃度拡散領域18の表面に、金属シリサイド層7を形成する。これには、上記図20を用いて説明した工程と同様にして、金属シリサイド層7を形成する。   As a subsequent process, a metal silicide layer 7 is formed on the surfaces of the memory gate electrode MG3 and the high concentration diffusion region 18, as shown in FIG. For this purpose, the metal silicide layer 7 is formed in the same manner as described with reference to FIG.

次に、図39に示すように、上記図21の工程と同様にして、層間絶縁膜8、コンタクトプラグCP1、および、金属配線MW1を形成する。   Next, as shown in FIG. 39, the interlayer insulating film 8, the contact plug CP1, and the metal wiring MW1 are formed in the same manner as in the process of FIG.

以上のようにして、本実施の形態3の半導体装置が有する不揮発性メモリNVM3と、その給電機構の基本的な構成を形成することができる。   As described above, the basic configuration of the nonvolatile memory NVM3 included in the semiconductor device of the third embodiment and its power feeding mechanism can be formed.

上述のように、本実施の形態3の半導体装置の製造方法では、上部バリア膜TB3としての酸窒化シリコン膜20をCVD法によって形成している。上部バリア膜TB3としての酸窒化シリコン膜20をCVD法によって形成することの効果は、上記実施の形態1で説明した、上部バリア膜TB1としての酸窒化シリコン膜13をCVD法によって形成することの効果と同様である。再度簡単に説明すれば、上部バリア膜TB3をCVD法によって形成することで、ISSG酸化法のような高温高濃度の水素を用いないため、下部バリア膜BB3に水素が拡散し難い構造とすることができる。これにより、複数回の書き換えにおいても欠陥の生じ難い下部バリア膜BB3とすることができる。   As described above, in the method of manufacturing the semiconductor device according to the third embodiment, the silicon oxynitride film 20 as the upper barrier film TB3 is formed by the CVD method. The effect of forming the silicon oxynitride film 20 as the upper barrier film TB3 by the CVD method is that the silicon oxynitride film 13 as the upper barrier film TB1 described in the first embodiment is formed by the CVD method. It is the same as the effect. To explain briefly again, the upper barrier film TB3 is formed by the CVD method, so that high-temperature and high-concentration hydrogen as in the ISSG oxidation method is not used, so that the lower barrier film BB3 is difficult to diffuse hydrogen. Can do. Thereby, it is possible to form the lower barrier film BB3 in which defects are not easily generated even in a plurality of rewrites.

また、上部バリア膜TB3として、組成比xが1である酸窒化シリコン膜(即ち、酸化シリコン膜)を形成する場合、CVD法によって、特にHTO膜を形成することが望ましい。その理由は、上記実施の形態2で説明したように、スプリットゲート構造のMONOS型メモリにおいて、上部バリア膜TB2にHTO膜を適用したことで得られる効果と同様である。   Further, when a silicon oxynitride film (that is, a silicon oxide film) having a composition ratio x of 1 is formed as the upper barrier film TB3, it is desirable to form an HTO film by the CVD method. The reason is the same as the effect obtained by applying the HTO film to the upper barrier film TB2 in the MONOS type memory having the split gate structure as described in the second embodiment.

以上のように、本実施の形態3の不揮発性メモリNVM3の形成方法によれば、シングルゲート構造のMONOS型メモリにおいて閾値電圧の変動やばらつきを、更に低減することができる。結果として、不揮発性メモリを有する半導体装置の性能を、更に向上させることができる。   As described above, according to the method for forming the non-volatile memory NVM3 of the third embodiment, fluctuations and variations in threshold voltage can be further reduced in the MONOS memory having a single gate structure. As a result, the performance of the semiconductor device having a nonvolatile memory can be further improved.

以上、本発明者らによってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。   Although the invention made by the present inventors has been specifically described based on the embodiment, the present invention is not limited to the embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.

本発明は、メモリセルを備えた半導体装置に適用することができる。   The present invention can be applied to a semiconductor device including a memory cell.

1 シリコン基板(半導体基板)
2 分離部
3 pウェル
4,17 低濃度拡散領域
5,18 高濃度拡散領域
6,19 サイドウォールスペーサ
7 金属シリサイド層
8 層間絶縁膜
9 酸化シリコン膜
10,14,21 多結晶シリコン膜
11 酸化シリコン膜(第1バリア膜)
12 窒化シリコン膜(電荷保持膜)
13,20 酸窒化シリコン膜(第2バリア膜)
15 フォトレジスト膜
16 酸化シリコン膜(第2バリア膜)
100 シリコン基板
200,300 拡散層
400 メモリゲート絶縁膜
401 下部酸化シリコン膜
402 窒化シリコン膜
403 上部酸化シリコン膜
500 メモリゲート電極
510 メモリトランジスタ
600 コンタクト
700 選択ゲート絶縁膜
800 選択ゲート電極
810 選択トランジスタ
BB1,BB3 下部バリア膜(第1バリア膜)
BL,BL0 ビット線
BL1 第1ビット線(ビット線)
BL2 第2ビット線(ビット線)
CP1 コンタクトプラグ
CS1,CS3 電荷保持膜
D1,D2,D3,D4 電荷分布
EN 電子
HL 正孔
ID ドレイン電流
MG1,MG3 メモリゲート電極(第1ゲート電極)
MGL,MGL0〜MGL3 メモリゲート用ワード線
MI1,MI2,MI3 メモリゲート絶縁膜(第1ゲート絶縁膜)
MW1 金属配線
NVM1,NVM2,NVM3 不揮発性メモリ
NVMa,NVMb 不揮発性メモリ
P01〜P10 特性
RI 屈折率
SG1 選択ゲート電極
SGL,SGL0〜SGL3 選択ゲート用ワード線
SI1 選択ゲート絶縁膜(第2ゲート絶縁膜)
SL,SL0,SL1 ソース線
TB1,TB2,TB3 上部バリア膜(第2バリア膜)
WL ワード線
x 組成比
1 Silicon substrate (semiconductor substrate)
2 Separation part 3 P well 4,17 Low concentration diffusion region 5,18 High concentration diffusion region 6,19 Side wall spacer 7 Metal silicide layer 8 Interlayer insulating film 9 Silicon oxide film 10, 14, 21 Polycrystalline silicon film 11 Silicon oxide Film (first barrier film)
12 Silicon nitride film (charge retention film)
13,20 Silicon oxynitride film (second barrier film)
15 Photoresist film 16 Silicon oxide film (second barrier film)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Silicon substrate 200,300 Diffusion layer 400 Memory gate insulating film 401 Lower silicon oxide film 402 Silicon nitride film 403 Upper silicon oxide film 500 Memory gate electrode 510 Memory transistor 600 Contact 700 Select gate insulating film 800 Select gate electrode 810 Select transistor BB1, BB3 Lower barrier film (first barrier film)
BL, BL0 Bit line BL1 First bit line (bit line)
BL2 Second bit line (bit line)
CP1 Contact plug CS1, CS3 Charge holding film D1, D2, D3, D4 Charge distribution EN Electron HL Hole ID Drain current MG1, MG3 Memory gate electrode (first gate electrode)
MGL, MGL0 to MGL3 Word line for memory gate MI1, MI2, MI3 Memory gate insulating film (first gate insulating film)
MW1 Metal wiring NVM1, NVM2, NVM3 Non-volatile memory NVMa, NVMb Non-volatile memory P01 to P10 Characteristics RI Refractive index SG1 Select gate electrode SGL, SGL0 to SGL3 Select gate word line SI1 Select gate insulating film (second gate insulating film)
SL, SL0, SL1 Source line TB1, TB2, TB3 Upper barrier film (second barrier film)
WL Word line x composition ratio

Claims (26)

半導体基板上に配置された不揮発性メモリを有する半導体装置であって、
前記不揮発性メモリは、
前記半導体基板上に形成された第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1ゲート電極とを有し、
前記第1ゲート絶縁膜は、前記半導体基板に近い方から順に、第1バリア膜、電荷保持膜、および、第2バリア膜の3層からなる積層膜によって構成され、
前記第1バリア膜は、酸化シリコンを主体とする絶縁膜であり、
前記電荷保持膜は、窒化シリコンを主体とする絶縁膜であり、
前記第2バリア膜は、酸窒化シリコンを主体とする絶縁膜であり、
前記第2バリア膜において、前記酸窒化シリコンのうちの前記酸化シリコンの割合は、0.46より大きく、かつ、0.92以下であることを特徴とする半導体装置。
A semiconductor device having a nonvolatile memory disposed on a semiconductor substrate,
The nonvolatile memory is
A first gate insulating film formed on the semiconductor substrate;
A first gate electrode formed on the first gate insulating film;
The first gate insulating film is constituted by a laminated film including three layers of a first barrier film, a charge holding film, and a second barrier film in order from the side closer to the semiconductor substrate,
The first barrier film is an insulating film mainly composed of silicon oxide,
The charge retention film is an insulating film mainly composed of silicon nitride,
The second barrier film is an insulating film mainly composed of silicon oxynitride,
In the second barrier film, a ratio of the silicon oxide in the silicon oxynitride is greater than 0.46 and not greater than 0.92.
請求項1記載の半導体装置において、
前記不揮発性メモリは、更に、
前記半導体基板上に形成された第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2ゲート電極とを有し、
前記第1ゲート電極は、前記第2ゲート電極と隣り合うような位置に配置され、
前記第1ゲート絶縁膜は、前記第1ゲート電極と前記半導体基板との間から、前記第1ゲート電極と前記第2ゲート電極との間に渡って一体的に配置されることで、前記第1ゲート電極と前記第2ゲート電極とは、前記第1ゲート絶縁膜によって電気的に絶縁され、
前記第2ゲート絶縁膜は、酸化シリコンを主体とする絶縁膜であることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
The nonvolatile memory further includes:
A second gate insulating film formed on the semiconductor substrate;
A second gate electrode formed on the second gate insulating film,
The first gate electrode is disposed adjacent to the second gate electrode;
The first gate insulating film is integrally disposed from between the first gate electrode and the semiconductor substrate to between the first gate electrode and the second gate electrode. The first gate electrode and the second gate electrode are electrically insulated by the first gate insulating film,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the second gate insulating film is an insulating film mainly composed of silicon oxide.
請求項2記載の半導体装置において、
前記第1ゲート絶縁膜を構成する前記第2バリア膜において、前記酸窒化シリコンのうちの前記酸化シリコンの割合は、0.55以上であることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 2,
In the second barrier film constituting the first gate insulating film, the ratio of the silicon oxide in the silicon oxynitride is 0.55 or more.
請求項2記載の半導体装置において、
前記第1ゲート絶縁膜全体の厚さは、等価酸化膜厚で17.5nm以下であり、
前記第1ゲート絶縁膜を構成する前記第2バリア膜の厚さは5nm以上であることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 2,
The total thickness of the first gate insulating film is 17.5 nm or less in terms of equivalent oxide thickness,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the second barrier film constituting the first gate insulating film has a thickness of 5 nm or more.
請求項4記載の半導体装置において、
前記第1ゲート絶縁膜を構成する前記第2バリア膜の厚さは9nm以上であることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 4.
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the second barrier film constituting the first gate insulating film has a thickness of 9 nm or more.
請求項2記載の半導体装置において、
前記第1ゲート電極および前記第2ゲート電極は多結晶シリコンを主体とし、
前記第1ゲート電極に含まれる不純物濃度は、前記第2ゲート電極に含まれる不純物濃度よりも低いことを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 2,
The first gate electrode and the second gate electrode are mainly composed of polycrystalline silicon,
The semiconductor device according to claim 1, wherein an impurity concentration contained in the first gate electrode is lower than an impurity concentration contained in the second gate electrode.
請求項1記載の半導体装置において、
前記不揮発性メモリは、
前記第1ゲート絶縁膜に対し、ホットホールを注入することで、消去動作を行うことを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
The nonvolatile memory is
An erasing operation is performed by injecting hot holes into the first gate insulating film.
請求項1記載の半導体装置において、
前記不揮発性メモリは、
前記第1ゲート絶縁膜に対し、チャネルで電荷を加速して生成させたホットエレクトロンを注入することで、書き込み動作を行い、
前記第1ゲート絶縁膜に対し、前記半導体基板に形成された拡散層と前記半導体基板との間でバンド間トンネル現象によって生成させたホットホールを注入することで、消去動作を行うことを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
The nonvolatile memory is
A write operation is performed by injecting hot electrons generated by accelerating charges in the channel into the first gate insulating film,
An erasing operation is performed by injecting hot holes generated by a band-to-band tunnel phenomenon between the diffusion layer formed on the semiconductor substrate and the semiconductor substrate into the first gate insulating film. Semiconductor device.
請求項2記載の半導体装置において、
前記不揮発性メモリは、
前記第1ゲート絶縁膜に対し、前記第2ゲート電極から前記第1ゲート電極側へ高電界をつくることで生成させたホットエレクトロンを注入する、ソースサイドインジェクション方式によって書き込み動作を行い、
前記第1ゲート絶縁膜に対し、前記第1ゲート電極の側方下部の前記半導体基板に形成された拡散層と前記半導体基板との間でバンド間トンネル現象によって生成させたホットホールを注入することで、消去動作を行うことを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 2,
The nonvolatile memory is
A write operation is performed by a source side injection method in which hot electrons generated by creating a high electric field from the second gate electrode to the first gate electrode side are injected into the first gate insulating film,
Injecting hot holes generated by a band-band tunneling phenomenon between the diffusion layer formed in the semiconductor substrate below the side of the first gate electrode and the semiconductor substrate into the first gate insulating film. A semiconductor device characterized by performing an erasing operation.
半導体基板上に不揮発性メモリを形成する工程を有する半導体装置の製造方法であって、
前記不揮発性メモリを形成する工程は、
(a)前記半導体基板上に第1ゲート絶縁膜を形成する工程と、
(b)前記第1ゲート絶縁膜上に第1ゲート電極を形成する工程とを有し、
前記(a)工程では、
前記第1ゲート絶縁膜として、前記半導体基板に近い方から順に、第1バリア膜、電荷保持膜、および、第2バリア膜を形成することで、前記第1バリア膜、前記電荷保持膜、および、前記第2バリア膜の3層の積層膜からなる前記第1ゲート絶縁膜を形成し、
前記第1バリア膜として、酸化シリコンを主体とする絶縁膜を形成し、
前記電荷保持膜として、窒化シリコンを主体とする絶縁膜を形成し、
前記第2バリア膜として、酸窒化シリコンを主体とする絶縁膜を、化学気相成長法によって形成し、
前記第2バリア膜は、前記酸窒化シリコンのうちの前記酸化シリコンの割合が、0.46より大きく、かつ、0.92以下となるように形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
A method of manufacturing a semiconductor device including a step of forming a nonvolatile memory on a semiconductor substrate,
The step of forming the nonvolatile memory includes
(A) forming a first gate insulating film on the semiconductor substrate;
(B) forming a first gate electrode on the first gate insulating film;
In the step (a),
As the first gate insulating film, a first barrier film, a charge holding film, and a second barrier film are formed in order from the side closer to the semiconductor substrate, so that the first barrier film, the charge holding film, and Forming the first gate insulating film composed of a laminated film of three layers of the second barrier film;
Forming an insulating film mainly composed of silicon oxide as the first barrier film;
As the charge retention film, an insulating film mainly composed of silicon nitride is formed,
As the second barrier film, an insulating film mainly composed of silicon oxynitride is formed by chemical vapor deposition,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the second barrier film is formed so that a ratio of the silicon oxide in the silicon oxynitride is greater than 0.46 and not more than 0.92.
請求項10記載の半導体装置の製造方法において、
前記不揮発性メモリを形成する工程は、更に、
(c)前記半導体基板上に第2ゲート絶縁膜を形成する工程と、
(d)前記第2ゲート絶縁膜上に第2ゲート電極を形成する工程とを有し、
前記(a)工程、前記(b)工程、前記(c)工程および前記(d)工程では、
前記第1ゲート電極は、前記第2ゲート電極と隣り合うような位置に形成し、
前記第1ゲート絶縁膜は、前記第1ゲート電極と前記半導体基板との間から、前記第1ゲート電極と前記第2ゲート電極との間に渡って一体的に配置されることで、前記第1ゲート電極と前記第2ゲート電極とは前記第1ゲート絶縁膜によって電気的に絶縁されるようにして形成し、
前記(c)工程では、前記第2ゲート絶縁膜として、酸化シリコンを主体とする絶縁膜を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 10.
The step of forming the nonvolatile memory further includes:
(C) forming a second gate insulating film on the semiconductor substrate;
(D) forming a second gate electrode on the second gate insulating film,
In the step (a), the step (b), the step (c) and the step (d),
The first gate electrode is formed adjacent to the second gate electrode,
The first gate insulating film is integrally disposed from between the first gate electrode and the semiconductor substrate to between the first gate electrode and the second gate electrode. The first gate electrode and the second gate electrode are formed so as to be electrically insulated by the first gate insulating film,
In the step (c), an insulating film mainly containing silicon oxide is formed as the second gate insulating film.
請求項11記載の半導体装置の製造方法において、
前記不揮発性メモリを形成する工程は、更に、
(e)水素雰囲気中において熱処理を施す工程を有し、
前記(e)工程では、400℃以上、550℃以下の温度で前記熱処理を施すことを特徴とする半導体装置の製造方法。
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 11.
The step of forming the nonvolatile memory further includes:
(E) having a step of performing heat treatment in a hydrogen atmosphere;
In the step (e), the heat treatment is performed at a temperature of 400 ° C. or higher and 550 ° C. or lower.
請求項12記載の半導体装置の製造方法において、
前記(e)工程は、前記(b)工程後に施すことを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 12,
The method (e) is performed after the step (b).
請求項13記載の半導体装置の製造方法において、
前記(a)工程では、
前記第2バリア膜は、前記酸窒化シリコンのうちの前記酸化シリコンの割合が、0.55以上となるように形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
14. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 13,
In the step (a),
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the second barrier film is formed so that a ratio of the silicon oxide in the silicon oxynitride is 0.55 or more.
請求項13記載の半導体装置の製造方法において、
前記(a)工程では、
前記第1ゲート絶縁膜は、全体の厚さが等価酸化膜厚で17.5nm以下となるように形成し、
前記第2バリア膜は、厚さが5nm以上となるように形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
14. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 13,
In the step (a),
The first gate insulating film is formed so that the total thickness is 17.5 nm or less in terms of equivalent oxide thickness,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the second barrier film is formed to have a thickness of 5 nm or more.
請求項15記載の半導体装置の製造方法において、
前記(a)工程では、
前記第2バリア膜は、厚さが9nm以上となるように形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 15,
In the step (a),
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the second barrier film is formed to have a thickness of 9 nm or more.
請求項13記載の半導体装置の製造方法において、
前記(b)工程および前記(d)工程では、
多結晶シリコンによって前記第1ゲート電極および前記第2ゲート電極を形成し、
前記(b)工程では、前記(d)工程で前記第2ゲート電極を形成するために形成した前記多結晶シリコンよりも、不純物濃度の低い前記多結晶シリコンを形成することで、前記第1ゲート電極を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
14. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 13,
In the step (b) and the step (d),
Forming the first gate electrode and the second gate electrode from polycrystalline silicon;
In the step (b), the first gate is formed by forming the polycrystalline silicon having an impurity concentration lower than that of the polycrystalline silicon formed to form the second gate electrode in the step (d). A method of manufacturing a semiconductor device, comprising forming an electrode.
半導体基板上に不揮発性メモリを形成する工程を有する半導体装置の製造方法であって、
前記不揮発性メモリを形成する工程は、
(a)前記半導体基板上に第1ゲート絶縁膜を形成する工程と、
(b)前記第1ゲート絶縁膜上に第1ゲート電極を形成する工程とを有し、
前記(a)工程では、
前記第1ゲート絶縁膜として、前記半導体基板に近い方から順に、第1バリア膜、電荷保持膜、および、第2バリア膜を形成することで、前記第1バリア膜、前記電荷保持膜、および、前記第2バリア膜の3層の積層膜からなる前記第1ゲート絶縁膜を形成し、
前記第1バリア膜として、酸化シリコンを主体とする絶縁膜を形成し、
前記電荷保持膜として、窒化シリコンを主体とする絶縁膜を形成し、
前記第2バリア膜として、酸化シリコンを主体とする絶縁膜を、化学気相成長法によって形成し、
前記第2バリア膜を形成するための前記化学気相成長法では、四塩化ケイ素またはジクロロシランと、一酸化二窒素とを含むガスを用いることを特徴とする半導体装置の製造方法。
A method of manufacturing a semiconductor device including a step of forming a nonvolatile memory on a semiconductor substrate,
The step of forming the nonvolatile memory includes
(A) forming a first gate insulating film on the semiconductor substrate;
(B) forming a first gate electrode on the first gate insulating film;
In the step (a),
As the first gate insulating film, a first barrier film, a charge holding film, and a second barrier film are formed in order from the side closer to the semiconductor substrate, so that the first barrier film, the charge holding film, and Forming the first gate insulating film composed of a laminated film of three layers of the second barrier film;
Forming an insulating film mainly composed of silicon oxide as the first barrier film;
As the charge retention film, an insulating film mainly composed of silicon nitride is formed,
As the second barrier film, an insulating film mainly composed of silicon oxide is formed by chemical vapor deposition,
In the chemical vapor deposition method for forming the second barrier film, a gas containing silicon tetrachloride or dichlorosilane and dinitrogen monoxide is used.
請求項18記載の半導体装置の製造方法において、
前記不揮発性メモリを形成する工程は、更に、
(c)前記半導体基板上に第2ゲート絶縁膜を形成する工程と、
(d)前記第2ゲート絶縁膜上に第2ゲート電極を形成する工程とを有し、
前記(a)工程、前記(b)工程、前記(c)工程および前記(d)工程では、
前記第1ゲート電極は、前記第2ゲート電極と隣り合うような位置に形成し、
前記第1ゲート絶縁膜は、前記第1ゲート電極と前記半導体基板との間から、前記第1ゲート電極と前記第2ゲート電極との間に渡って一体的に配置されることで、前記第1ゲート電極と前記第2ゲート電極とは前記第1ゲート絶縁膜によって電気的に絶縁されるようにして形成し、
前記(c)工程では、前記第2ゲート絶縁膜として、酸化シリコンを主体とする絶縁膜を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 18.
The step of forming the nonvolatile memory further includes:
(C) forming a second gate insulating film on the semiconductor substrate;
(D) forming a second gate electrode on the second gate insulating film,
In the step (a), the step (b), the step (c) and the step (d),
The first gate electrode is formed adjacent to the second gate electrode,
The first gate insulating film is integrally disposed from between the first gate electrode and the semiconductor substrate to between the first gate electrode and the second gate electrode. The first gate electrode and the second gate electrode are formed so as to be electrically insulated by the first gate insulating film,
In the step (c), an insulating film mainly containing silicon oxide is formed as the second gate insulating film.
請求項19記載の半導体装置の製造方法において、
前記不揮発性メモリを形成する工程は、更に、
(e)前記(a)工程において前記第2バリア膜を形成した後に、ウェット酸化雰囲気中で熱処理を施す工程を有し、
前記(e)工程では、650℃以上、900℃以下の温度において、前記半導体基板を1nm以上、10nm以下酸化させる時間、前記ウェット酸化雰囲気中で前記熱処理を施すことを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 19,
The step of forming the nonvolatile memory further includes:
(E) after forming the second barrier film in the step (a), and performing a heat treatment in a wet oxidizing atmosphere;
In the step (e), the heat treatment is performed in the wet oxidation atmosphere at a temperature of 650 ° C. or higher and 900 ° C. or lower for a time during which the semiconductor substrate is oxidized by 1 nm or more and 10 nm or less. Method.
請求項20記載の半導体装置の製造方法において、
前記(e)工程では、700度以上の温度において、前記半導体基板を3nm以上酸化させる時間、前記ウェット酸化雰囲気中で前記熱処理を施すことを特徴とする半導体装置の製造方法。
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 20,
In the step (e), the heat treatment is performed in the wet oxidizing atmosphere at a temperature of 700 ° C. or higher for a time for oxidizing the semiconductor substrate by 3 nm or more.
請求項19記載の半導体装置の製造方法において、
前記不揮発性メモリを形成する工程は、更に、
(f)前記(a)工程において前記第2バリア膜を形成した後に、窒素雰囲気中で熱処理を施す工程を有し、
前記(f)工程では、800℃以上、1100℃以下の温度において、10秒以上、120秒以下の時間、前記窒素雰囲気中で前記熱処理を施すことを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 19,
The step of forming the nonvolatile memory further includes:
(F) having a step of performing a heat treatment in a nitrogen atmosphere after forming the second barrier film in the step (a),
In the step (f), the heat treatment is performed in the nitrogen atmosphere at a temperature of 800 ° C. or higher and 1100 ° C. or lower for a time of 10 seconds or longer and 120 seconds or shorter.
請求項22記載の半導体装置の製造方法において、
前記(f)工程では、900℃以上の温度において、前記窒素雰囲気中で前記熱処理を施すことを特徴とする半導体装置の製造方法。
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 22,
In the step (f), the heat treatment is performed in the nitrogen atmosphere at a temperature of 900 ° C. or higher.
請求項19記載の半導体装置の製造方法において、
前記(a)工程では、
前記第1ゲート絶縁膜は、全体の厚さが等価酸化膜厚で17.5nm以下となるように形成し、
前記第2バリア膜は、厚さが6nm以上となるように形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 19,
In the step (a),
The first gate insulating film is formed so that the total thickness is 17.5 nm or less in terms of equivalent oxide thickness,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the second barrier film is formed to have a thickness of 6 nm or more.
請求項19記載の半導体装置の製造方法において、
前記不揮発性メモリを形成する工程は、更に、
(g)水素雰囲気中において熱処理を施す工程を有し、
前記(g)工程は、400℃以上、550℃以下の温度で前記熱処理を施すことを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 19,
The step of forming the nonvolatile memory further includes:
(G) having a step of performing a heat treatment in a hydrogen atmosphere;
In the step (g), the heat treatment is performed at a temperature of 400 ° C. or higher and 550 ° C. or lower.
請求項25記載の半導体装置の製造方法において、
前記(g)工程は、前記(b)工程後に施すことを特徴とする半導体装置の製造方法。
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 25,
The method (g) is performed after the step (b).
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