JP2013149908A - Semiconductor device and method of manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、不揮発メモリを有する半導体装置及び半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device having a nonvolatile memory and a method for manufacturing the semiconductor device.
不揮発メモリの一つに、スプリットゲート型の不揮発メモリがある。この不揮発メモリは、セレクトゲート電極とソース・ドレイン拡散層の間に電荷蓄積用のONO膜を形成し、さらにこのONO膜の上にセレクトゲート電極を設けた構成を有している。スプリットゲート型の不揮発メモリでは、チャネルホットエレクトロンを利用したONO膜への電荷注入を行うことにより書き込みを行い、Gate Induced Drain Leakage(GIDL)を利用したONO膜へのホットホール注入を用いることにより消去を行っている。 One type of nonvolatile memory is a split gate type nonvolatile memory. This nonvolatile memory has a configuration in which an ONO film for charge accumulation is formed between a select gate electrode and a source / drain diffusion layer, and a select gate electrode is provided on the ONO film. In the split gate type nonvolatile memory, writing is performed by injecting charges into the ONO film using channel hot electrons, and erasing is performed by using hot hole injection into the ONO film using Gate Induced Drain Leakage (GIDL). It is carried out.
スプリットゲート型の不揮発メモリにおいて、セレクトゲートの端部は、不純物領域と重なっている。特許文献1では、この重なっている部分に、ONO膜の代わりに、ONO膜と同じ厚さの酸化シリコン膜を形成することが記載されている。 In the split gate type nonvolatile memory, the end portion of the select gate overlaps with the impurity region. In Patent Document 1, it is described that a silicon oxide film having the same thickness as the ONO film is formed in this overlapping portion instead of the ONO film.
本発明者が検討した結果、スプリットゲート型の不揮発メモリでは以下の課題があることが判明した。上記した書込動作により注入される電荷の分布と、消去動作により注入されるホールの分布が一致しない場合、書込及び消去を繰り返すにつれて電荷蓄積用の絶縁膜にホールが蓄積することがある。このホールの蓄積が、電荷蓄積層のうち不純物領域側の端部で生じた場合、蓄積されたホールによって、消去動作時にドレイン領域とセレクトゲート電極の間に印加される電界がシールドされ、これによってGIDL電流の発生が妨げられてしまう。GIDL電流の発生が妨げられた場合、所定の消去電圧が印加されても、消去に必要な数のホールが電荷蓄積層に注入されない可能性が出てくる。すなわち、不揮発メモリで消去不良が生じる可能性がある。 As a result of examination by the present inventors, it has been found that the split gate type nonvolatile memory has the following problems. When the distribution of charges injected by the above-described writing operation does not match the distribution of holes injected by the erasing operation, holes may accumulate in the insulating film for charge accumulation as writing and erasing are repeated. When this hole accumulation occurs at the end of the charge accumulation layer on the impurity region side, the accumulated hole shields the electric field applied between the drain region and the select gate electrode during the erase operation, thereby Generation of the GIDL current is hindered. When the generation of the GIDL current is prevented, there is a possibility that the number of holes necessary for erasing is not injected into the charge storage layer even when a predetermined erasing voltage is applied. That is, there is a possibility that an erasure failure occurs in the nonvolatile memory.
本発明によれば、半導体基板と、
前記半導体基板上に形成されたセレクトゲート絶縁膜と、
前記セレクトゲート絶縁膜上に形成されたセレクトゲート電極と、
前記半導体基板上に形成され、前記セレクトゲート電極の両隣それぞれに位置し、窒化シリコン層を含む電荷蓄積層と、
前記2つの電荷蓄積層それぞれ上に形成されたコントロールゲート電極と、
前記半導体基板に形成され、前記電荷蓄積層を介して前記セレクトゲート絶縁膜とは反対側に位置する不純物領域と、
前記コントロールゲート電極のうち前記セレクトゲート電極とは逆側の端部の下に位置し、前記電荷蓄積層より薄く、酸化シリコンからなる端部絶縁膜と、
を備える半導体装置が提供される。
According to the present invention, a semiconductor substrate;
A select gate insulating film formed on the semiconductor substrate;
A select gate electrode formed on the select gate insulating film;
A charge storage layer formed on the semiconductor substrate, located on both sides of the select gate electrode, and including a silicon nitride layer;
A control gate electrode formed on each of the two charge storage layers;
An impurity region formed on the semiconductor substrate and located on the opposite side of the select gate insulating film via the charge storage layer;
The control gate electrode is located below the end opposite to the select gate electrode, thinner than the charge storage layer, and an end insulating film made of silicon oxide,
A semiconductor device is provided.
本発明によれば、コントロールゲート電極のうちセレクトゲート電極とは逆側の端部の下には、端部絶縁膜が形成されている。端部絶縁膜は酸化シリコンから形成されており、かつ、電荷蓄積層より薄い。このように、電気的膜厚(すなわち誘電率を基準に酸化シリコン膜に換算した膜厚)で見た場合、端部絶縁膜の膜厚は、電荷蓄積層より薄くなる。このため、電荷蓄積層のうち不純物領域側の端部にホールが蓄積されても、これに起因して、不純物領域とセレクトゲート電極の間に印加される電界がシールドされることが抑制される。従って、不揮発メモリで消去不良が生じることを抑制できる。 According to the present invention, the end insulating film is formed under the end of the control gate electrode opposite to the select gate electrode. The end insulating film is made of silicon oxide and is thinner than the charge storage layer. Thus, when viewed in terms of electrical film thickness (that is, film thickness converted to a silicon oxide film based on the dielectric constant), the end insulating film is thinner than the charge storage layer. For this reason, even when holes are accumulated at the end of the charge accumulation layer on the impurity region side, the electric field applied between the impurity region and the select gate electrode is prevented from being shielded due to this. . Therefore, it is possible to suppress the occurrence of erasure failure in the nonvolatile memory.
本発明によれば、半導体基板上にセレクトゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記セレクトゲート絶縁膜上に、セレクトゲート電極を形成する工程と、
前記半導体基板のうち前記セレクトゲート電極の両隣それぞれに位置する領域に、第1酸化シリコン膜及び窒化シリコン膜の積層膜を形成する工程と、
前記半導体基板上及び前記積層膜上に、第2酸化シリコン膜を形成する工程と、
前記第2酸化シリコン膜のうち、前記積層膜と重なる領域、及び当該領域の周囲のうち前記セレクトゲート絶縁膜とは逆側の位置する領域のそれぞれ上に、コントロールゲート電極を形成する工程と、
前記セレクトゲート電極及び前記コントロールゲート電極をマスクとして前記半導体基板に不純物を注入することにより、不純物領域を形成する工程と、
を備える半導体装置の製造方法が提供される。
According to the present invention, a step of forming a select gate insulating film on a semiconductor substrate;
Forming a select gate electrode on the select gate insulating film;
Forming a laminated film of a first silicon oxide film and a silicon nitride film in regions located on both sides of the select gate electrode in the semiconductor substrate;
Forming a second silicon oxide film on the semiconductor substrate and the laminated film;
Forming a control gate electrode on each of a region of the second silicon oxide film that overlaps the stacked film and a region on the opposite side of the select gate insulating film in the periphery of the region;
Forming an impurity region by implanting impurities into the semiconductor substrate using the select gate electrode and the control gate electrode as a mask;
A method for manufacturing a semiconductor device is provided.
本発明によれば、不揮発メモリで消去不良が生じることを抑制できる。 According to the present invention, it is possible to suppress the occurrence of erasure failure in a nonvolatile memory.
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings, the same reference numerals are given to the same components, and the description will be omitted as appropriate.
図1は、実施形態に係る半導体装置の構成を示す断面図である。この半導体装置は、スプリットゲート型のMONOS構造を有する不揮発メモリを有している。詳細には、この半導体装置は、半導体基板100、セレクトゲート絶縁膜110、セレクトゲート電極120、電荷蓄積層130、コントロールゲート電極150、及びソース・ドレイン領域160を有している。半導体基板100は、例えばシリコン基板である。セレクトゲート絶縁膜110は、半導体基板100上に形成されており、セレクトゲート電極120はセレクトゲート絶縁膜110上に形成されている。電荷蓄積層130は半導体基板100上に位置しており、平面視でセレクトゲート電極120の両側それぞれに形成されている。電荷蓄積層130は、酸化シリコン膜132、窒化シリコン膜134、及び酸化シリコン膜136をこの順に積層したONO膜である。コントロールゲート電極150は2つの電荷蓄積層130上それぞれに形成されている。ソース・ドレイン領域160(不純物領域)は半導体基板100に形成されており、平面視で、電荷蓄積層130を介してセレクトゲート絶縁膜110とは反対側に位置している。セレクトゲート電極120及び電荷蓄積層130は、例えばポリシリコン膜である。
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a semiconductor device according to an embodiment. This semiconductor device has a non-volatile memory having a split gate type MONOS structure. Specifically, the semiconductor device includes a
また酸化シリコン膜136(端部絶縁膜)は、平面視で、コントロールゲート電極150のうちセレクトゲート電極120とは逆側の端部152の下に位置している。すなわち電荷蓄積層130のうち酸化シリコン膜132及び窒化シリコン膜134は、平面視でコントロールゲート電極150の全体とは重なっていない。そしてコントロールゲート電極150の端部152の下では、酸化シリコン膜136のみが形成されている。酸化シリコン膜136の厚さは、窒化シリコン膜134の厚さよりも薄い。
The silicon oxide film 136 (end insulating film) is located under the
またソース・ドレイン領域160のうちコントロールゲート電極150側の端部は、平面視でコントロールゲート電極150と重なっている。この重なっている部分の少なくとも一部(好ましくは全部)には、電荷蓄積層130のうち酸化シリコン膜136のみが位置している。
Further, the end of the source /
図2、図3、及び図4の各図は、図1に示した半導体装置の製造方法を示す断面図である。この半導体装置の製造方法は、以下の工程を有している。まず、半導体基板100上にセレクトゲート絶縁膜110を形成する。次いで、セレクトゲート絶縁膜110上にセレクトゲート電極120を形成する。次いで、半導体基板100のうちセレクトゲート電極120の両隣それぞれに位置する領域に、酸化シリコン膜132及び窒化シリコン膜134の積層膜を形成する。次いで半導体基板100上、並びに酸化シリコン膜132及び窒化シリコン膜134の積層膜上に、酸化シリコン膜136を形成する。次いで、酸化シリコン膜136のうち、酸化シリコン膜132及び窒化シリコン膜134の積層膜と重なる領域、並びにこの領域の周囲のうちセレクトゲート絶縁膜110とは逆側の位置する領域のそれぞれ上に、コントロールゲート電極150を形成する。次いで、セレクトゲート電極120及びコントロールゲート電極150をマスクとして半導体基板100に不純物を注入することにより、ソース・ドレイン領域160を形成する。以下、詳細に説明する。
2, 3, and 4 are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing the semiconductor device illustrated in FIG. 1. This semiconductor device manufacturing method includes the following steps. First, the select gate
まず図2(a)に示すように、半導体基板100上にセレクトゲート絶縁膜110を形成する。半導体基板100がシリコン基板である場合、セレクトゲート絶縁膜110は、例えば熱酸化法により形成された酸化シリコン膜である。次いで、セレクトゲート絶縁膜110上に導電膜、例えばポリシリコン膜を形成する。次いで、この導電膜上にマスクパターン(例えばレジストパターン:図示せず)を形成し、このマスクパターンをマスクとして導電膜をエッチングする。これにより、セレクトゲート絶縁膜110上にセレクトゲート電極120が形成される。なお、このエッチング工程において、セレクトゲート絶縁膜110のうちセレクトゲート電極120に覆われていない部分の大部分は除去されることもある。
First, as shown in FIG. 2A, a select
次いで、セレクトゲート絶縁膜110及びセレクトゲート電極120の積層構造の上面及び側面上、並びに半導体基板100上に、酸化シリコン膜132及び窒化シリコン膜134をこの順に形成する。酸化シリコン膜132及び窒化シリコン膜134は、気相法により成膜される。窒化シリコン膜134の厚さは、例えば10nm以上20nm以下である。
Next, a
次いで図2(b)に示すように、セレクトゲート電極120の側面上にサイドウォール140を形成する。サイドウォール140は、例えば酸化シリコン膜をエッチバックすることにより形成される。サイドウォール140は、半導体基板100の上に位置する窒化シリコン膜134のうち、平面視でセレクトゲート電極120の隣に位置する領域も覆っている。
Next, as shown in FIG. 2B, the
次いで図3(a)に示すように、サイドウォール140をマスクとして窒化シリコン膜134及び酸化シリコン膜132をエッチングする。これにより、酸化シリコン膜132及び窒化シリコン膜134の積層膜は、サイドウォール140に追われている部分を除いて除去される。すなわち酸化シリコン膜132及び窒化シリコン膜134の積層膜は、セレクトゲート電極120の側面上に位置する部分、及び半導体基板100のうち平面視でセレクトゲート電極120の隣に位置する領域上に位置する部分を除いて、除去される。
Next, as shown in FIG. 3A, the
その後、図3(b)に示すように、サイドウォール140を除去する。次いで半導体基板100上、セレクトゲート電極120上、及び窒化シリコン膜134上に、酸化シリコン膜136を形成する。酸化シリコン膜136は、例えば気相法により成膜される。酸化シリコン膜136の厚さは、例えば3nm以上10nm以下であり、かつ窒化シリコン膜134よりも薄い。
Thereafter, as shown in FIG. 3B, the
次いで図4に示すように、窒化シリコン膜134上に導電膜、例えばポリシリコン膜を形成する。次いで、この導電膜上にマスクパターン(例えばレジストパターン:図示せず)を形成し、このマスクパターンをマスクとして導電膜をエッチングする。これにより、コントロールゲート電極150が形成される。このとき、コントロールゲート電極150の端部152が、半導体基板100のうち酸化シリコン膜136のみが形成されている領域上に位置するようにする。
Next, as shown in FIG. 4, a conductive film such as a polysilicon film is formed on the
その後、セレクトゲート電極120及びコントロールゲート電極150をマスクとして半導体基板100に不純物を注入することにより、ソース・ドレイン領域160を形成する。これにより、図1に示す半導体装置が形成される。
Thereafter, impurities are implanted into the
次に、本実施形態の作用及び効果について説明する。本実施形態によれば、コントロールゲート電極150の端部152の下には、電荷蓄積層130を構成する酸化シリコン膜132、窒化シリコン膜134、及び酸化シリコン膜136のうち、酸化シリコン膜136のみが形成されている。酸化シリコン膜136の膜厚は、窒化シリコン膜134の膜厚よりも薄い。このため、電荷蓄積層130のうちソース・ドレイン領域160側の端部にホールが蓄積されても、これに起因して、ソース・ドレイン領域160とセレクトゲート電極120の間に印加される電界がシールドされることが抑制される。従って、不揮発メモリで消去不良が生じることを抑制できる。
Next, the operation and effect of this embodiment will be described. According to the present embodiment, only the
また、コントロールゲート電極150の端部152の下には酸化シリコン膜136のみが形成されているため、端部152の下に電荷蓄積層130の全層が形成されている場合と比較して、メモリの消去時にコントロールゲート電極150に印加する電圧の大きさを小さくすることができる。これにより、コントロールゲート電極150に印加する電圧を生成するための回路を小さく、かつ簡素化することができる。また、不揮発メモリの消費電力を小さくすることができる。
In addition, since only the
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described with reference to drawings, these are the illustrations of this invention, Various structures other than the above are also employable.
100 半導体基板
110 セレクトゲート絶縁膜
120 セレクトゲート電極
130 電荷蓄積層
132 酸化シリコン膜
134 窒化シリコン膜
136 酸化シリコン膜
140 サイドウォール
150 コントロールゲート電極
152 端部
160 ソース・ドレイン領域
100
Claims (4)
前記半導体基板上に形成されたセレクトゲート絶縁膜と、
前記セレクトゲート絶縁膜上に形成されたセレクトゲート電極と、
前記半導体基板上に形成され、前記セレクトゲート電極の両隣それぞれに位置し、窒化シリコン層を含む電荷蓄積層と、
前記2つの電荷蓄積層それぞれ上に形成されたコントロールゲート電極と、
前記半導体基板に形成され、前記電荷蓄積層を介して前記セレクトゲート絶縁膜とは反対側に位置する不純物領域と、
前記コントロールゲート電極のうち前記セレクトゲート電極とは逆側の端部の下に位置し、前記電荷蓄積層より薄く、酸化シリコンからなる端部絶縁膜と、
を備える半導体装置。 A semiconductor substrate;
A select gate insulating film formed on the semiconductor substrate;
A select gate electrode formed on the select gate insulating film;
A charge storage layer formed on the semiconductor substrate, located on both sides of the select gate electrode, and including a silicon nitride layer;
A control gate electrode formed on each of the two charge storage layers;
An impurity region formed on the semiconductor substrate and located on the opposite side of the select gate insulating film via the charge storage layer;
The control gate electrode is located below the end opposite to the select gate electrode, thinner than the charge storage layer, and an end insulating film made of silicon oxide,
A semiconductor device comprising:
前記電荷蓄積層は、第1酸化シリコン膜、前記窒化シリコン層、及び第2酸化シリコン膜をこの順に積層したONO膜である半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor device, wherein the charge storage layer is an ONO film in which a first silicon oxide film, the silicon nitride layer, and a second silicon oxide film are stacked in this order.
前記不純物領域の一部は、前記コントロールゲート電極のうち前記端部絶縁膜上に位置する部分と重なっている半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1 or 2,
A part of the impurity region overlaps a portion of the control gate electrode located on the end insulating film.
前記セレクトゲート絶縁膜上に、セレクトゲート電極を形成する工程と、
前記半導体基板のうち前記セレクトゲート電極の両隣それぞれに位置する領域に、第1酸化シリコン膜及び窒化シリコン膜の積層膜を形成する工程と、
前記半導体基板上及び前記積層膜上に、第2酸化シリコン膜を形成する工程と、
前記第2酸化シリコン膜のうち、前記積層膜と重なる領域、及び当該領域の周囲のうち前記セレクトゲート絶縁膜とは逆側の位置する領域のそれぞれ上に、コントロールゲート電極を形成する工程と、
前記セレクトゲート電極及び前記コントロールゲート電極をマスクとして前記半導体基板に不純物を注入することにより、不純物領域を形成する工程と、
を備える半導体装置の製造方法。 Forming a select gate insulating film on the semiconductor substrate;
Forming a select gate electrode on the select gate insulating film;
Forming a laminated film of a first silicon oxide film and a silicon nitride film in regions located on both sides of the select gate electrode in the semiconductor substrate;
Forming a second silicon oxide film on the semiconductor substrate and the laminated film;
Forming a control gate electrode on each of a region of the second silicon oxide film that overlaps the stacked film and a region on the opposite side of the select gate insulating film in the periphery of the region;
Forming an impurity region by implanting impurities into the semiconductor substrate using the select gate electrode and the control gate electrode as a mask;
A method for manufacturing a semiconductor device comprising:
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