JP2608965B2 - Semiconductor memory device and method of manufacturing the same - Google Patents

Semiconductor memory device and method of manufacturing the same

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【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、フローティングゲート型の電界効果トラン
ジスタで構成される半導体記憶装置およびその製造方法
に関する。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor memory device including a floating gate type field effect transistor and a method of manufacturing the same.

従来の技術 従来、電気的書き込み消去が可能なEEPROM(Electric
ally Erasable and Programable ROM)の一つとして、
トンネリング注入により書き込み消去を行うフローティ
ングゲート構造の半導体記憶装置がよく知られている。
このフローティングゲート構造の半導体記憶装置は、拡
散層上の薄い絶縁膜を介して電荷のトンネリング注入を
行い、薄い絶縁膜上のフローティングゲート電極に電荷
を蓄積させ、トランジスタのしきい値電圧を変化させて
情報を記憶させることを原理としている。
Conventional technology Conventionally, EEPROM (Electric
ally Erasable and Programmable ROM)
2. Description of the Related Art A semiconductor memory device having a floating gate structure that performs writing and erasing by tunneling injection is well known.
In this semiconductor memory device having a floating gate structure, charge tunneling injection is performed through a thin insulating film on a diffusion layer, charges are accumulated in a floating gate electrode on the thin insulating film, and the threshold voltage of the transistor is changed. It is based on the principle that information is stored.

以下に従来の半導体記憶装置について説明する。 Hereinafter, a conventional semiconductor memory device will be described.

第2図は従来のフローティングゲート型の半導体記憶
装置の要部断面図である。第2図に示すように、P型シ
リコン基板21の中にN型拡散層からなるソース領域22お
よびドレイン領域23が形成され、ソース領域22およびド
レイン領域23にまたがって比較的厚い酸化シリコン膜24
が形成されるとともに、この酸化シリコン膜24の一部分
のみを開孔し、この開孔部にトンネリング媒体となる薄
い酸化シリコン膜25が形成され、酸化シリコン膜24およ
び25の上にフローティングゲート電極26、酸化シリコン
膜27およびコントロールゲート電極28が順次積層された
構造となっている。
FIG. 2 is a sectional view of a main part of a conventional floating gate type semiconductor memory device. As shown in FIG. 2, a source region 22 and a drain region 23 made of an N-type diffusion layer are formed in a P-type silicon substrate 21, and a relatively thick silicon oxide film 24 extends over the source region 22 and the drain region 23.
Is formed, and only a portion of the silicon oxide film 24 is opened. A thin silicon oxide film 25 serving as a tunneling medium is formed in the opening, and a floating gate electrode 26 is formed on the silicon oxide films 24 and 25. , A silicon oxide film 27 and a control gate electrode 28 are sequentially laminated.

従来、第2図のようなフローティングゲート型の半導
体記憶装置を製造する場合、通常P型シリコン基板21の
表面上に、N型拡散層22および23、酸化シリコン膜24お
よび25、フローティングゲート電極26,酸化シリコン膜2
7および、コントロールゲート電極28を順次積層してい
た。
Conventionally, when a floating gate type semiconductor memory device as shown in FIG. 2 is manufactured, N type diffusion layers 22 and 23, silicon oxide films 24 and 25, floating gate electrode 26 are usually formed on the surface of a P type silicon substrate 21. , Silicon oxide film 2
7 and the control gate electrode 28 were sequentially laminated.

発明が解決しようとする課題 しかしながら、上記の従来の構成では、フローティン
グゲート型の半導体記憶装置のコントロールゲート電極
28とフローティングゲート電極26は酸化シリコン膜27に
より容量結合されているため、コントロールゲート電極
28による消去および書き込みを効率的かつ高速に行うた
めにはコントロールゲート電極28とフローティングゲー
ト電極26間の酸化シリコン膜27を薄くするか、コントロ
ールゲート電極28の面積を大きくする必要がある。しか
し、2つの電極間の酸化シリコン膜27には書き込みおよ
び消去時に高い電圧が印加されるため、信頼性上の問題
から膜厚を薄くすることはできない。このため、高速な
書き込みおよび消去を行うためにはコントロールゲート
電極28の面積を大きくする必要があり、メモリーセルの
面積が大きくなるため高集積化が困難であるという課題
を有していた。
SUMMARY OF THE INVENTION However, in the above conventional configuration, the control gate electrode of the floating gate type semiconductor memory device is not provided.
28 and the floating gate electrode 26 are capacitively coupled by the silicon oxide film 27, so that the control gate electrode
In order to perform erasing and writing efficiently and at a high speed, it is necessary to reduce the thickness of the silicon oxide film 27 between the control gate electrode 28 and the floating gate electrode 26 or to increase the area of the control gate electrode 28. However, since a high voltage is applied to the silicon oxide film 27 between the two electrodes during writing and erasing, the thickness cannot be reduced due to reliability problems. For this reason, it is necessary to increase the area of the control gate electrode 28 in order to perform high-speed writing and erasing, and there is a problem that it is difficult to achieve high integration because the area of the memory cell becomes large.

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、高速動
作および高集積化を実現するフローティングゲート構造
の半導体記憶装置およびその製造方法を提供することを
目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above-mentioned conventional problems and to provide a semiconductor memory device having a floating gate structure realizing high-speed operation and high integration, and a method of manufacturing the same.

課題を解決するための手段 この目的を達成するために本発明の半導体記憶装置
は、一方導電型の半導体基板に設けたトレンチの底部に
他方導電型のソース領域を、半導体基板の表面トレンチ
近傍に他方導電型のドレイン領域をそれぞれ設けてお
り、ソース領域上のトンネリング媒体となる薄い絶縁膜
の部分を除いて半導体基板表面からトレンチ側壁部およ
び底部にゲート絶縁膜を設け、薄い絶縁膜上を含んでト
レンチ側壁にフローティングゲート電極を設け、そのフ
ローティングゲート電極上に絶縁膜を介してコントロー
ルゲート電極を設けた構成を有している。
Means for Solving the Problems To achieve this object, a semiconductor memory device according to the present invention includes a source region of the other conductivity type at a bottom of a trench provided in a semiconductor substrate of one conductivity type, and a source region near a surface trench of the semiconductor substrate. On the other hand, a drain region of the conductivity type is provided, and a gate insulating film is provided on the trench side wall and bottom from the surface of the semiconductor substrate except for a thin insulating film serving as a tunneling medium on the source region. And a floating gate electrode is provided on the side wall of the trench, and a control gate electrode is provided on the floating gate electrode via an insulating film.

作用 この構成によってコントロールゲート電極の大部分は
トレンチ側壁部に形成されるためコントロールゲート電
極の面積が従来の平面型のメモリセルトランジスタに比
べ、大きく取ることができ、両電極間の結合容量は増大
する。したがって、コントロールゲート電極による制御
効率が向上し、フローティングゲートへの書き込みまた
は消去の速度を向上させることができる。また両電極の
大部分はトレンチの側壁部に形成されるため、メモリセ
ルトランジスタの二次元的な面積は従来のものに比べ縮
小することができる。
Operation With this configuration, most of the control gate electrode is formed on the side wall of the trench, so that the area of the control gate electrode can be larger than that of a conventional planar memory cell transistor, and the coupling capacitance between both electrodes increases. I do. Therefore, control efficiency by the control gate electrode is improved, and the speed of writing or erasing data on the floating gate can be improved. In addition, since most of the two electrodes are formed on the side wall of the trench, the two-dimensional area of the memory cell transistor can be reduced as compared with the conventional one.

実施例 以下本発明の一実施例について、図面を参照しながら
説明する。
An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

第1図(a)〜(d)は本発明の一実施例における半
導体記憶装置の製造工程順断面図である。図において、
1はP型半導体基板、2はトレンチ、3はトレンチ底
部、4はソース領域、5はドレイン領域、6は酸化シリ
コン膜、7は薄い酸化シリコン膜、8はフローティング
ゲート電極、9は酸化シリコン膜、10はコントロールゲ
ート電極である。
1 (a) to 1 (d) are cross-sectional views of a semiconductor memory device according to an embodiment of the present invention in the order of manufacturing steps. In the figure,
1 is a P-type semiconductor substrate, 2 is a trench, 3 is a trench bottom, 4 is a source region, 5 is a drain region, 6 is a silicon oxide film, 7 is a thin silicon oxide film, 8 is a floating gate electrode, and 9 is a silicon oxide film. , 10 are control gate electrodes.

以下第1図に沿って本発明の一実施例における半導体
記憶装置の製造方法を説明する。
Hereinafter, a method of manufacturing a semiconductor memory device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

まず、第1図(a)に示すように比抵抗5〜10Ωcmの
P型シリコン基板1上に幅1.5×長さ100μmで深さ3μ
mのトレンチ2を反応性イオンエッチング(RIE方式)
によるドライエッチング技術により形成する。このトレ
ンチ2の底部3およびP型シリコン基板1の表面上の所
定の位置にフォトリソグラフィー技術により形成したレ
ジストパターンをマスクとして砒素を注入量1×1014/c
m2,加速電圧140KeVで注入し、その後900℃窒素雰囲気中
で30分間アニールを行い、ソース領域4およびドレイン
領域5となる拡散層を形成する。次に同図(b)に示す
ように900℃水蒸気雰囲気中でP型シリコン基板1の表
面およびトレンチ内部に酸化シリコン膜6を50nm形成す
る。さらにこの酸化シリコン膜6にフォトリソグラフィ
ー技術によりトンネリング領域となる開孔部を形成し、
900℃で1モル%のトリクロロエタンを含む水蒸気雰囲
気中でトンネリング媒体となる薄い酸化シリコン膜7を
形成する。次に同図(c)に示すように減圧CVD法によ
り燐原子を3×1020/cm3含む多結晶シリコン膜を300nm
堆積し、フォトリソグラフィー技術によりパターン形成
を行い、フローティングゲート電極8を形成する。次に
同図(d)に示すように1150℃酸素雰囲気中でランプ加
熱による急速酸化法によりフローティングゲート電極8
上に45nmの酸化シリコン膜9を形成し、その上に減圧CV
D法により燐原子を3×1020/cm3含んだ多結晶シリコン
膜を200nm形成し、フォトリソグラフィー技術によりパ
ターン形成を行い、コントロールゲート電極10を形成す
る。その後、再度砒素を注入量2×1015/cm2,加速電圧4
0KeVでドレイン領域5にイオン注入する。
First, as shown in FIG. 1 (a), on a P-type silicon substrate 1 having a specific resistance of 5 to 10 Ωcm, a width of 1.5 × 100 μm and a depth of 3 μm.
Reactive ion etching (RIE method) for trench 2
Formed by a dry etching technique. Using a resist pattern formed by photolithography at the bottom 3 of the trench 2 and a predetermined position on the surface of the P-type silicon substrate 1 as a mask, arsenic is implanted at a dose of 1 × 10 14 / c.
Implantation is performed at m 2 and an acceleration voltage of 140 KeV, and then annealing is performed in a nitrogen atmosphere at 900 ° C. for 30 minutes to form a diffusion layer serving as the source region 4 and the drain region 5. Next, as shown in FIG. 3B, a silicon oxide film 6 is formed to a thickness of 50 nm on the surface of the P-type silicon substrate 1 and inside the trench in a steam atmosphere of 900 ° C. Further, an opening serving as a tunneling region is formed in the silicon oxide film 6 by photolithography,
A thin silicon oxide film 7 serving as a tunneling medium is formed at 900 ° C. in a steam atmosphere containing 1 mol% of trichloroethane. Next, as shown in FIG. 2C, a polycrystalline silicon film containing 3 × 10 20 / cm 3 of phosphorus atoms is formed to a thickness of 300 nm by a low pressure CVD method.
The floating gate electrode 8 is formed by depositing and patterning by photolithography. Next, as shown in FIG. 4D, the floating gate electrode 8 is formed by a rapid oxidation method using a lamp in an oxygen atmosphere at 1150 ° C.
A 45 nm silicon oxide film 9 is formed thereon, and a reduced pressure CV
A 200 nm-thick polycrystalline silicon film containing 3 × 10 20 / cm 3 of phosphorus atoms is formed by the method D, and a pattern is formed by photolithography to form the control gate electrode 10. After that, arsenic was implanted again at a dose of 2 × 10 15 / cm 2 and an acceleration voltage of 4
Ion is implanted into the drain region 5 at 0 KeV.

なお、本発明の一実施例における半導体記憶装置の要
部は第1図(d)に示すようにトレンチ内部の側壁部に
2つのメモリセントランジスタが形成され、これらのメ
モリセントランジスタを選択する選択トランジスタはメ
モリセントランジスタとドレイン領域を共通とし、トレ
ンチをはさんで両側に形成される。このとき、各メモリ
セルトランジスタのソース領域はトレンチ底部で共通と
なっている。
In addition, as shown in FIG. 1 (d), a main part of the semiconductor memory device according to one embodiment of the present invention is formed with two memory sensing transistors on the side wall inside the trench, and selects these memory sensing transistors. The transistor has the same drain region as the memory sensor transistor, and is formed on both sides of the trench. At this time, the source region of each memory cell transistor is common at the bottom of the trench.

発明の効果 以上のように、本発明によれば、メモリセルトランジ
スタの専有面積を小さくするとともにコントロールゲー
ト電極とフローティングゲート電極との間の結合容量を
増大させることができ、高集積化、大容量化および高速
化を可能にする優れた半導体記憶装置およびその製造方
法を実現するものである。
As described above, according to the present invention, the occupation area of the memory cell transistor can be reduced, and the coupling capacitance between the control gate electrode and the floating gate electrode can be increased. An object of the present invention is to realize an excellent semiconductor memory device capable of achieving higher speed and higher speed and a method of manufacturing the same.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図(a)〜(d)は本発明の一実施例における半導
体記憶装置の製造工程順断面図、第2図は従来のフロー
ティングゲート型の半導体記憶装置の要部断面図であ
る。 1……P型半導体基板(半導体基板)、2……トレン
チ、3……トレンチ底部、4……ソース領域(第1の拡
散領域)、5……ドレイン領域(第2の拡散領域)、6
……酸化シリコン膜(第1の絶縁膜)、7……薄い酸化
シリコン膜(第2の絶縁膜)、8……フローティングゲ
ート電極(第1のゲート電極)、9……酸化シリコン膜
(第3の絶縁膜)、10……コントロールゲート電極(第
2のゲート電極)。
1 (a) to 1 (d) are cross-sectional views in the order of manufacturing steps of a semiconductor memory device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view of a main part of a conventional floating gate type semiconductor memory device. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... P type semiconductor substrate (semiconductor substrate), 2 ... trench, 3 ... trench bottom part, 4 ... source region (first diffusion region), 5 ... drain region (second diffusion region), 6
... Silicon oxide film (first insulating film), 7... Thin silicon oxide film (second insulating film), 8... Floating gate electrode (first gate electrode), 9. 3 insulating film), 10... Control gate electrode (second gate electrode).

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】一方導電型の半導体基板に設けたトレンチ
の底部に設けた他方導電型の第1の拡散領域と、半導体
基板上でトレンチの両側に近接して設けた他方導電型の
第2の拡散領域と、半導体基板の表面およびトレンチの
側壁部と底部を覆って設けた第1の絶縁膜と、第2の拡
散領域上で第1の絶縁膜に形成した開口部に設けた薄い
第2の絶縁膜と、開口部上を含み半導体基板の表面およ
びトレンチの側壁部上に設けた第1のゲート電極と、第
1のゲート電極上に第3の絶縁膜を介して設けた第2の
ゲート電極とを備えた半導体記憶装置。
1. A first diffusion region of the other conductivity type provided at the bottom of a trench provided in a semiconductor substrate of one conductivity type, and a second diffusion region of the other conductivity type provided adjacent to both sides of the trench on the semiconductor substrate. A first insulating film provided over the surface of the semiconductor substrate and the sidewalls and the bottom of the trench, and a thin first insulating film provided at an opening formed in the first insulating film over the second diffusion region. A second gate insulating film, a first gate electrode provided on the surface of the semiconductor substrate including the opening and on the side wall of the trench, and a second gate electrode provided on the first gate electrode with a third insulating film interposed therebetween. And a gate electrode.
【請求項2】一方導電型の半導体基板にトレンチを形成
する工程と、他方導電型の第1の拡散領域をトレンチの
底部に、他方導電型の第2の拡散領域を半導体基板上の
トレンチに近接した領域にそれぞれ形成する工程と、半
導体基板の表面とトレンチの側壁部とを覆う第1の絶縁
膜を形成する工程と、第2の拡散領域上に第1の絶縁膜
の開口部を設けその開口部に薄い第2の絶縁膜を形成す
る工程と、開口部上を含み半導体基板の表面およびトレ
ンチの側壁部上に第1のゲート電極を形成する工程と、
第1のゲート電極上に第3の絶縁膜を介して第2のゲー
ト電極を形成する工程とを備えた半導体記憶装置の製造
方法。
2. A step of forming a trench in a semiconductor substrate of one conductivity type, a first diffusion region of the other conductivity type at the bottom of the trench, and a second diffusion region of the other conductivity type at a trench on the semiconductor substrate. Forming a first insulating film covering the surface of the semiconductor substrate and the side wall of the trench; forming an opening of the first insulating film on the second diffusion region; Forming a thin second insulating film in the opening, forming a first gate electrode on the surface of the semiconductor substrate including on the opening and on the side wall of the trench,
Forming a second gate electrode over the first gate electrode with a third insulating film interposed therebetween.
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