JP3256122B2 - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の製造
方法に関し、より詳細には、多出力レベルを得ることの
できるMOS型マスクROMを備えた半導体装置の製造
方法に関する。The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly, to a method for manufacturing a semiconductor device having a MOS type mask ROM capable of obtaining multiple output levels.
【0002】[0002]
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】従来か
ら、トランジスタのしきい値電圧を変化させる方法とし
ては、ゲート絶縁膜の膜厚を変化させる方法と、チャネ
ル領域の不純物濃度を変化させる方法とが使用されてお
り、マスクROMの書き込みは、一般にチャネル領域に
不純物イオンを注入することで行っている(以後、「書
き込み注入」と記す)。2. Description of the Related Art Conventionally, as a method of changing a threshold voltage of a transistor, a method of changing a thickness of a gate insulating film and a method of changing an impurity concentration of a channel region are known. In general, writing to a mask ROM is performed by implanting impurity ions into a channel region (hereinafter, referred to as “writing implantation”).
【0003】上記従来のマスクROMの書き込み方法で
は、所望のトランジスタに対して、1回書き込み注入を
行うか、又は行わないかでチャネルの不純物濃度を変化
させ、2値の出力レベルを作っている。また、3値の出
力レベルを有するマスクROMの場合には、不純物の注
入量が異なる2回の注入が必要である。従って、ROM
の大容量化及びチップ面積の縮小化のため、3値の出力
レベルを実現する場合には、出力レベルに応じて所望の
トランジスタに対して、最低1回以上不純物イオンの注
入工程及び/又はゲート酸化膜の膜厚を変化させる工程
を増加しなければならず、イオン注入用のフォトマスク
も必要となり、長納期化、高コスト化を引き起こす。In the above-described conventional mask ROM writing method, a binary output level is produced by changing the impurity concentration of the channel depending on whether or not write injection is performed once for a desired transistor. . Further, in the case of a mask ROM having a ternary output level, two implantations with different implantation amounts of impurities are required. Therefore, ROM
In order to realize a ternary output level in order to increase the capacity of the device and reduce the chip area, at least one or more impurity ion implantation steps and / or gates are performed on a desired transistor according to the output level. The number of steps for changing the thickness of the oxide film must be increased, and a photomask for ion implantation is also required, resulting in a long delivery time and high cost.
【0004】例えば、IEEE VOL. SC・19. NO.2 APRIL 1
984,“A FOUR-State ROM Using Multilevel Process Te
chnology”には3枚のROMデータ書き込みマスクを用
いて、第1トランジスタ(しきい値電圧0〜0.5V)
はROMデータ書き込み注入を行わず、第2トランジス
タ(しきい値電圧0.5〜1.0V)はボロン+リンイ
オンを注入し、第3トランジスタ(しきい値電圧1.5
〜2.0V)はボロンイオンを注入し、第4トランジス
タ(しきい値電圧15V以上)はゲート酸化膜をフィー
ルド酸化で形成することにより、4値を書き込む方法が
発表されている。[0004] For example, IEEE VOL. SC, 19. NO.2 APRIL 1
984, “A FOUR-State ROM Using Multilevel Process Te
The first transistor (threshold voltage: 0 to 0.5 V) using three ROM data write masks for "chnology"
Does not perform ROM data write injection, the second transistor (threshold voltage 0.5 to 1.0 V) implants boron + phosphorus ions, and the third transistor (threshold voltage 1.5
A method of writing quaternary values by implanting boron ions into the fourth transistor (with a threshold voltage of 15 V or more) by forming a gate oxide film by field oxidation has been disclosed.
【0005】この方法においては、ROMデータの書き
込みを他工程のマスクと兼用することにより、実質的に
マスク工程は増加させていないが、フィールド酸化膜形
成という最初の段階でROMのデータ書き込みを行うた
め、ROMの短納期化の面で非常に問題がある。また、
他の多値出力を得る方法として、特開昭59−1483
60号公報及び特開昭61−263263号公報に、メ
モリーセルを構成する複数のトランジスタのチャネル領
域に選択的に不純物イオンを注入して、実効チャネル幅
を異ならせる半導体装置の製造方法が開示されている。
しかし、これらの方法では、1回のROM書き込み注入
で多値レベルの書き込みができる利点はあるが、イオン
注入用マスクとなるレジストをチャネル幅に対応させて
パターニングする必要があるため、大容量化及びチップ
面積の縮小化は実現することができない。つまり、例え
ば、3値の出力レベルを得る場合、最小の不純物イオン
注入領域を最小解像寸法で形成したとしても、チャネル
幅Wfはその3倍程度を必要とすることとなる。従っ
て、メモリーセルに2ビットの多値情報を記憶させて
も、結果的には大容量化及びチップ面積の縮小化が図れ
ないのが現実である。In this method, ROM data writing is also used as a mask in another process, so that the number of masking processes is not substantially increased. However, data writing in the ROM is performed at the first stage of field oxide film formation. Therefore, there is a very problem in shortening the delivery time of the ROM. Also,
Another method for obtaining a multi-value output is disclosed in Japanese Unexamined Patent Publication No. 59-1483.
No. 60 and Japanese Unexamined Patent Publication (Kokai) No. 61-263263 disclose a method of manufacturing a semiconductor device in which impurity ions are selectively implanted into channel regions of a plurality of transistors constituting a memory cell to make the effective channel width different. ing.
However, these methods have an advantage that multi-level writing can be performed by one ROM writing implantation, but since the resist serving as a mask for ion implantation needs to be patterned in accordance with the channel width, the capacity is increased. In addition, reduction in chip area cannot be realized. That is, for example, when obtaining a ternary output level, the channel width Wf needs to be about three times that of the minimum impurity ion implanted region even if it is formed with the minimum resolution. Therefore, even if 2-bit multi-valued information is stored in the memory cell, it is actually impossible to increase the capacity and the chip area as a result.
【0006】[0006]
【課題を解決するための手段】本発明によれば、(i) 半
導体基板上にゲート酸化膜及びゲート電極、並びに半導
体基板表面内部にソース/ドレイン領域を有するMOS
型トランジスタからなるメモリセルを複数個形成し、(i
i)前記トランジスタの内、所望のトランジスタのチャネ
ル領域の不純物濃度を変化させて、しきい値電圧の高い
トランジスタを形成し、(iii) 該しきい値電圧の高いト
ランジスタの内、所望のトランジスタにホットキャリア
ストレスを加えてさらにしきい値電圧の高いトランジス
タを形成することからなる多値出力レベルのマスクRO
Mを有する半導体装置の製造方法が提供される。According to the present invention, there is provided (i) a MOS having a gate oxide film and a gate electrode on a semiconductor substrate and a source / drain region inside the surface of the semiconductor substrate.
A plurality of memory cells consisting of
i) changing the impurity concentration of a channel region of a desired transistor among the transistors to form a transistor having a high threshold voltage; and (iii) forming a desired transistor among the transistors having a high threshold voltage. A multi-level output level mask RO formed by applying a hot carrier stress to form a transistor having a higher threshold voltage.
A method for manufacturing a semiconductor device having M is provided.
【0007】[0007]
【発明の実施の形態】本発明においては、まず、工程
(i) において、半導体基板上にゲート酸化膜及びゲート
電極、並びに半導体基板表面内部にソース/ドレイン領
域を有するMOS型トランジスタからなるメモリセルを
複数個形成する。半導体基板としては特に限定されるも
のではないが、シリコン基板が好ましい。半導体基板
は、トランジスタを形成する前等に、適宜しきい値電圧
を調整するための不純物のドーピングを行うことが好ま
しい。トランジスタを構成するゲート酸化膜、ゲート電
極及びソース/ドレイン領域は公知の方法でそれぞれ形
成することができる。これらトランジスタとしては、例
えば、ゲート電極とソース/ドレイン領域とがそれぞれ
平行に又は互いに直行して形成されるフラットセルのも
の、あるいはNOR型Xセル等のようなもの(図8参
照、つまり、ゲート電極34及びソース/ドレイン領域
32からなるメモリセルMと、ビットライン31と、こ
のビットラインに接続されるコンタクト部33とからな
る)等、トランジスタのしきい値電圧を制御することで
書き込みを行うROMを構成するトランジスタの全てを
包含する。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS In the present invention, first, a process
In (i), a plurality of memory cells including a MOS transistor having a gate oxide film and a gate electrode on a semiconductor substrate and a source / drain region inside the surface of the semiconductor substrate are formed. The semiconductor substrate is not particularly limited, but is preferably a silicon substrate. It is preferable that the semiconductor substrate be doped with an impurity for adjusting a threshold voltage as appropriate before forming a transistor or the like. The gate oxide film, the gate electrode, and the source / drain regions constituting the transistor can be formed by known methods. As these transistors, for example, a flat cell in which a gate electrode and a source / drain region are formed in parallel or perpendicular to each other, or a NOR type X cell or the like (see FIG. Writing is performed by controlling the threshold voltage of a transistor such as a memory cell M including an electrode 34 and a source / drain region 32, a bit line 31, and a contact portion 33 connected to the bit line 31). It includes all the transistors that make up the ROM.
【0008】次いで、工程(ii)において、得られたトラ
ンジスタの内、所望のトランジスタのチャネル領域の不
純物濃度を変化させて、しきい値電圧の高いトランジス
タを形成する。具体的には、所望のトランジスタ上に開
口部を有するレジストパターンをフォトリソグラフィ工
程により形成し、このレジストパターンをマスクとして
用いてイオン注入を行うことにより、しきい値電圧の高
いトランジスタを形成する。この際のイオン注入は、半
導体基板の導電型と同じ導電型の不純物イオンを用い、
レジストパターンを通過させず、かつレジストパターン
が存在しない領域のトランジスタのゲート電極およびゲ
ート酸化膜を通過してチャネル領域に注入されるエネル
ギーで、かつ所望のしきい値電圧を得るに足りるドーズ
で行うことが好ましい。エネルギー及びドーズは、形成
するレジストパターンの厚み、得ようとするトランジス
タのしきい値等により異なるが、B+イオンを用いる場
合には120〜200keV程度、3.5〜5.5×1
013cm-2程度が挙げられる。このイオン注入のドーズ
量が多すぎると、後工程で行うホットキャリアストレス
印加に対して劣化が著しくなるため、通常動作時のドレ
イン領域に印加される電圧においてトランジスタの信頼
性が確保されるように考慮する必要がある。このように
トランジスタのチャネル領域にイオン注入を行う工程を
行うことにより、チャネル領域にイオン注入を行わない
トランジスタよりも、例えば、2.5〜3.5V程度し
きい値電圧を高く設定するができる。Next, in step (ii), a transistor having a high threshold voltage is formed by changing the impurity concentration of a channel region of a desired transistor among the obtained transistors. Specifically, a transistor having a high threshold voltage is formed by forming a resist pattern having an opening over a desired transistor by a photolithography process and performing ion implantation using the resist pattern as a mask. The ion implantation at this time uses impurity ions of the same conductivity type as that of the semiconductor substrate,
Energy is injected into the channel region through the gate electrode and the gate oxide film of the transistor in a region where the resist pattern does not exist and where the resist pattern does not exist, and at a dose sufficient to obtain a desired threshold voltage. Is preferred. The energy and dose vary depending on the thickness of the resist pattern to be formed, the threshold value of the transistor to be obtained, and the like. However, when B + ions are used, about 120 to 200 keV, 3.5 to 5.5 × 1
About 0 13 cm -2 is mentioned. If the dose amount of the ion implantation is too large, the deterioration is remarkable with respect to the application of hot carrier stress performed in a later step, so that the reliability of the transistor is ensured at the voltage applied to the drain region during normal operation. It needs to be considered. By performing the step of implanting ions into the channel region of the transistor in this manner, a threshold voltage can be set higher than that of a transistor not implanting ions into the channel region by, for example, about 2.5 to 3.5 V. .
【0009】なお、上記イオン注入工程は、ドーズを変
化させるなどして2回以上行うことも可能である。これ
により、3種以上のしきい値電圧が異なるトランジスタ
を得ることができる。さらに、工程(iii) においては、
工程(ii)で得られたしきい値電圧の高いトランジスタの
内、所望のトランジスタにホットキャリアストレスを加
えてさらにしきい値電圧の高いトランジスタを形成す
る。このような工程により、上述したように、多値出力
レベルのマスクROMを有する半導体装置を製造するこ
とができる。The ion implantation step can be performed two or more times by changing the dose. Thus, three or more kinds of transistors having different threshold voltages can be obtained. Further, in step (iii),
Of the high threshold voltage transistors obtained in the step (ii), a desired transistor is subjected to hot carrier stress to form a transistor having a higher threshold voltage. Through such steps, as described above, a semiconductor device having a mask ROM with a multi-level output level can be manufactured.
【0010】ホットキャリアストレスを加える具体的な
方法としては、書き込みしようとするトランジスタのド
レイン領域とゲート電極とに所望の電圧を印加する方法
が挙げられる。このように、ホットキャリアストレスを
加えることにより、ゲート電極にホットキャリアを注入
し、さらにはゲート絶縁膜にホットキャリアをトラップ
させることができ、よって、浮遊ゲートを形成すること
なく、さらにしきい値電圧の異なるトランジスタを作製
することができる。As a specific method of applying the hot carrier stress, there is a method of applying a desired voltage to a drain region and a gate electrode of a transistor to be written. As described above, by applying the hot carrier stress, hot carriers can be injected into the gate electrode, and the hot carriers can be trapped in the gate insulating film. Therefore, the threshold voltage can be further increased without forming a floating gate. Transistors with different voltages can be manufactured.
【0011】この際、ドレイン領域に印加する電圧は、
ストレス印加前のトランジスタのオン耐圧以下で、オン
耐圧近くとすることが好ましい。また、ゲート電極に印
加する電圧は、所定のドレイン電圧において基板電流が
最大となる電圧を選択することにより、ホットキャリア
がトラップされる確率が大きくなるので、しきい値電圧
のシフトが速くなり好ましい。具体的にはドレイン領域
に印加する電圧は4.0〜5.0V程度、ゲート電極に
印加する電圧は9.0〜10.0V程度が好ましい。さ
らに、この際、書き込みを行わないトランジスタには、
ストレスが加わらないように、ソース/ドレイン領域の
両方に同じ大きさの電圧を印加する必要がある。例え
ば、ソース/ドレイン領域共GND又はVdが挙げれ
る。At this time, the voltage applied to the drain region is
It is preferable that the on-state breakdown voltage be equal to or lower than the on-state breakdown voltage of the transistor before the application of stress. In addition, the voltage applied to the gate electrode is preferably such that the probability of hot carriers being trapped is increased by selecting a voltage at which the substrate current is maximized at a predetermined drain voltage, so that the shift of the threshold voltage becomes faster, which is preferable. . Specifically, the voltage applied to the drain region is preferably about 4.0 to 5.0 V, and the voltage applied to the gate electrode is preferably about 9.0 to 10.0 V. Further, at this time, the transistors that do not perform writing include:
It is necessary to apply the same voltage to both the source / drain regions so as not to apply stress. For example, both the source / drain regions include GND or Vd.
【0012】ドレイン領域とゲート電極とに印加する電
圧は、その印加時間を長くすることにより、しきい値電
圧を増大させることができるため、所望のしきい値電圧
に応じて適宜印加時間を調節することができる。例え
ば、常温で電圧を印加する場合には数秒間〜100秒間
程度が好ましい。上述のホットキャリアストレス印加
は、チャネル領域への不純物イオンの注入量が多いほど
所定印加時間におけるしきい値電圧のシフト量が大きく
なり、書き込み注入を行なっていないトランジスタに
は、ストレス印加を行っても効率的にしきい値電圧をシ
フトさせることはできない。従って、工程(ii)におい
て、書き込み注入を2回以上行うことにより、異なるし
きい値電圧を有するトランジスタを2種以上作製した場
合(つまり、3種以上の異なるしきい値電圧のトランジ
スタが存在する場合)には、それらのトランジスタに、
同じストレス印加時間及び同じストレス印加電圧を加え
ることにより、さらに2種以上の異なるしきい値電圧を
有するトランジスタ(つまり、4値又は5値出力)を作
製することが可能である。また、このホットキャリアス
トレス印加を異なる時間、異なる印加電圧等で2回以上
行うことにより、さらに異なるしきい値電圧を有するト
ランジスタを作製することも可能である。The voltage applied to the drain region and the gate electrode can be increased in the application time so that the threshold voltage can be increased. Therefore, the application time is appropriately adjusted according to the desired threshold voltage. can do. For example, when a voltage is applied at room temperature, it is preferably from several seconds to about 100 seconds. In the above-described hot carrier stress application, the shift amount of the threshold voltage during a predetermined application time increases as the amount of impurity ions implanted into the channel region increases. Also, the threshold voltage cannot be shifted efficiently. Therefore, in the step (ii), when two or more transistors having different threshold voltages are manufactured by performing write injection twice or more (that is, there are three or more transistors having different threshold voltages). If) those transistors have
By applying the same stress application time and the same stress application voltage, transistors having two or more different threshold voltages (that is, quaternary or quinary output) can be manufactured. In addition, by applying the hot carrier stress twice or more at different times and with different applied voltages or the like, a transistor having a further different threshold voltage can be manufactured.
【0013】また、上述のホットキャリアストレスは、
半導体基板温度が0℃以下の低温状態で加えられる場合
には、ストレス印加時間を短縮することができる。さら
に、ホットキャリアストレスは、基板にバイアス電圧を
印加しながら加えられる場合にも、ストレス印加時間を
短縮することができる。この場合のバイアス電圧はドレ
イン領域の接合耐圧程度以下が好ましく(例えば、ドレ
インのストレス電圧を4V印加する場合、フラットセル
トランジスタのドレイン領域の接合耐圧は約7Vである
ため)、具体的には−0.5〜−2.0V程度が好まし
い。The above-mentioned hot carrier stress is:
When the semiconductor substrate temperature is applied at a low temperature of 0 ° C. or less, the stress application time can be reduced. Furthermore, even when the hot carrier stress is applied while applying a bias voltage to the substrate, the time for applying the stress can be shortened. In this case, the bias voltage is preferably equal to or less than the junction withstand voltage of the drain region (for example, when a stress voltage of 4 V is applied to the drain region, the junction withstand voltage of the drain region of the flat cell transistor is about 7 V). About 0.5 to -2.0 V is preferable.
【0014】本発明においては、上記工程を行うことに
より、例えば、2値出力レベルを得るために必要な1回
の書き込み注入と、1回のホットキャリアストレス印加
とを組み合わせることにより、3値出力レベルのマスク
ROMを実現することができる。このような方法では、
3値出力レベルを得るために2回の書き込み注入を行う
よりも短納期化を図ることができ、書き込み注入用マス
クも1枚削減できるため、低コストでメモリーセルサイ
ズ当たりの記憶容量を増大(3値出力)させることがで
きる。よって、大容量化及びチップ面積の縮小化が実現
されることとなる。In the present invention, by performing the above steps, for example, by combining one write injection necessary for obtaining a binary output level and one hot carrier stress application, a ternary output A level mask ROM can be realized. In such a way,
The delivery time can be shortened as compared with the case where two writing injections are performed to obtain a ternary output level, and the number of writing injection masks can be reduced by one, so that the storage capacity per memory cell size can be increased at low cost ( Ternary output). Therefore, a large capacity and a small chip area can be realized.
【0015】また、4値の出力レベルを実現するために
は、従来では3回の書き込み注入が必要であったが、上
記の方法によれば、2回の書き込み注入と1回のホット
キャリアストレス印加、又は1回の書き込み注入と2回
のホットキャリアストレス印加との組み合わせ、5値の
出力レベルを実現するためには、2回の書き込み注入と
2回のホットキャリアストレス印加、2回の書き込み注
入と2種の異なるしきい値電圧のトランジスタへの1回
のホットキャリアストレス印加、1回の書き込み注入と
3回のホットキャリアストレス印加、あるいは3回の書
き込み注入と1回のホットキャリアストレス印加とを組
み合わせることができる。以下、本発明の半導体装置の
製造方法の具体例について、図面に基づいて説明する。In order to realize a quaternary output level, three write injections were conventionally required, but according to the above method, two write injections and one hot carrier stress are required. In order to realize a quinary output level, a combination of application or one write injection and two hot carrier stress applications, two write injections, two hot carrier stress applications, and two write operations Injection and one-time application of hot carrier stress to transistors having two different threshold voltages, one-time injection and application of three hot-carrier stresses, or three-time injection and application of one-time hot carrier stress And can be combined. Hereinafter, a specific example of a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention will be described with reference to the drawings.
【0016】実施の形態1 まず、図1(a)に示したように、P型の半導体基板1
上に約180Åのゲート酸化膜3を形成し、ゲート酸化
膜3の上にチャネルに対向する複数のゲート電極4を互
いに平行に形成する。また、半導体基板1の表面内部に
複数のN型のソース/ドレイン領域2を形成して、それ
ぞれ同サイズのチャネル長とチャネル幅を有する第1ト
ランジスタから第3トランジスタ(T1〜T3)を含む
複数のメモリーセルトランジスタを形成する。Embodiment 1 First, as shown in FIG. 1A, a P-type semiconductor substrate 1 is formed.
A gate oxide film 3 of about 180 ° is formed thereon, and a plurality of gate electrodes 4 facing the channel are formed on the gate oxide film 3 in parallel with each other. Further, a plurality of N-type source / drain regions 2 are formed inside the surface of the semiconductor substrate 1 and include a first transistor to a third transistor (T1 to T3) each having the same channel length and channel width. Is formed.
【0017】次に、図1(b)に示したように、ゲート
酸化膜3及びゲート電極4上に、第1の情報書き込みレ
ジストパターン5をフォトリソグラフィにより形成す
る。続いて、このレジストパターン5をマスクとして、
例えば、第2トランジスタ(T2)及び第3トランジス
タ(T3)のチャネル領域7、8に、不純物イオンを注
入することによりROMデータ書き込みを行う。この際
のイオン注入は、例えばB+イオンを、120〜200
keV程度、3.5〜5.5×1013cm-2程度のドー
ズで行う。これにより、ROM書き込みを行っていない
メモリーセルトランジスタと、しきい値電圧Vthが
3.0〜3.7Vのトランジスタが形成される。Next, as shown in FIG. 1B, a first information writing resist pattern 5 is formed on the gate oxide film 3 and the gate electrode 4 by photolithography. Subsequently, using this resist pattern 5 as a mask,
For example, ROM data writing is performed by implanting impurity ions into the channel regions 7 and 8 of the second transistor (T2) and the third transistor (T3). At this time, for example, B +
The treatment is performed at a dose of about keV and about 3.5 to 5.5 × 10 13 cm −2 . As a result, a memory cell transistor in which ROM writing is not performed and a transistor having a threshold voltage Vth of 3.0 to 3.7 V are formed.
【0018】上記のように2値出力のメモリーセルを形
成した後、図1(c)に示したように、例えば、第3ト
ランジスタ(T3)のドレイン領域2aにVd=4.0
V,ゲート電極4aにVg=9.0Vのストレスを約5
0秒間加える。これにより、T3において、しきい値電
圧Vthが6V以上のトランジスタが形成される。この
ように、1回のROM書き込みイオン注入とホットキャ
リアの注入により3値出力のトランジスタT1,T2,
T3を形成することができる。従って、ROM書き込み
イオン注入に必要なレジスト塗布、露光、現像、検査、
ROM書き込みイオン注入、レジストハクリの工程を2
回行うことにより3値出力のトランジスタを形成するよ
りもマスクの形成工程を削除することができ、処理時間
が短縮できるとともに、製造コストを低減させることが
できる。After forming the binary output memory cell as described above, as shown in FIG. 1C, for example, Vd = 4.0 is applied to the drain region 2a of the third transistor (T3).
V, a stress of Vg = 9.0 V is applied to the gate electrode 4a for about 5
Add for 0 seconds. Thus, a transistor having a threshold voltage Vth of 6 V or more is formed at T3. In this manner, the ternary output transistors T1, T2,
T3 can be formed. Therefore, resist coating, exposure, development, inspection,
ROM writing ion implantation and resist removal
By performing the process twice, the step of forming a mask can be omitted as compared with the case of forming a transistor of three-value output, and the processing time can be reduced and the manufacturing cost can be reduced.
【0019】上記と同様の方法により2値出力のメモリ
ーセルを形成した後、ホットキャリア注入のためのスト
レス印加を種々の時間で行った。その結果を図2に示
す。図2より明らかなように、ホットキャリアストレス
印加の時間が長くなるほど、しきい値電圧が増大するこ
とがわかる。After forming a binary output memory cell by the same method as described above, stress was applied for hot carrier injection at various times. The result is shown in FIG. As is clear from FIG. 2, the threshold voltage increases as the time of applying the hot carrier stress increases.
【0020】実施の態様2 2値出力のメモリーセルを形成した後、ホットキャリア
ストレスを0℃以下の低温状態で加える以外は、実施の
態様1と同様に半導体装置を製造した。図3に、種々の
チャネル長(○=0.8μm、●=1.0μm、△=
1.4μm)を有するトランジスタでのストレス印加温
度と寿命との関係を示す。なお、この場合の寿命とは、
3極管Betaが約10%低くなった時を示している。
ストレス印加時の温度を常温から−50℃程度に変化さ
せた場合には、トランジスタの寿命が約1/100とな
っている。このことから、しきい値電圧が高くシフトす
る時間も約1/100であると考えることができ、よっ
て、ホットキャリアストレス印加時間を約1/100に
短縮することができる。Embodiment 2 A semiconductor device was manufactured in the same manner as in Embodiment 1, except that a hot carrier stress was applied at a low temperature of 0 ° C. or less after forming a binary output memory cell. FIG. 3 shows various channel lengths (○ = 0.8 μm, ● = 1.0 μm, Δ =
4 shows the relationship between the stress application temperature and the lifetime of a transistor having a thickness of 1.4 μm). The life in this case is
The time when the triode Beta is lowered by about 10% is shown.
When the temperature at the time of applying the stress is changed from room temperature to about −50 ° C., the lifetime of the transistor is about 1/100. From this, it can be considered that the time during which the threshold voltage shifts high is also about 1/100, and therefore, the hot carrier stress application time can be reduced to about 1/100.
【0021】実施の形態3 あらかじめ基板に接続した端子を形成しておき、ホット
キャリアストレス印加時に基板にバイアス印加を行う以
外は、実施の形態1と同様に半導体装置を製造した。図
4は、ROMデータの書き込み注入を行わなかったトラ
ンジスタ(●)、1.7×1013cm-2で書き込み注入
を行ったトランジスタ(▲)、3.5×10 13cm-2で
書き込み注入を行ったトランジスタ(■)のそれぞれに
ついて、基板バイアスVsub を種々変化させた場合のし
きい値電圧Vthの変化を示す。これによれば、ホットキ
ャリアストレス印加時に基板に印加するバイアス電圧を
大きくすると、エージング時のしきい値電圧は高くなる
ことを示す。Embodiment 3 Terminals connected to a substrate are formed in advance and hot
When applying a bias to the substrate when applying carrier stress,
Outside, a semiconductor device was manufactured in the same manner as in the first embodiment. Figure
Reference numeral 4 denotes a track in which writing and injection of ROM data were not performed.
Transistor (●), 1.7 × 1013cm-2With writing injection
Transistor (▲), 3.5 × 10 13cm-2so
Write-injected transistor (■)
In the case where the substrate bias Vsub is variously changed,
The change of the threshold voltage Vth is shown. According to this,
The bias voltage applied to the substrate when applying carrier stress.
The larger the threshold, the higher the threshold voltage during aging
Indicates that
【0022】例えば、しきい値電圧が3〜3.7Vのト
ランジスタの場合に、0.5〜1V程度の基板バイアス
を印加して、ホットキャリアストレスを印加すると、エ
ージング時のしきい値電圧が約4〜4.7Vとなる。つ
まり、このことは、寿命が約1/100となることを示
しており、よって、ホットキャリアストレス印加時間を
1/100に短縮することができる。For example, in the case of a transistor having a threshold voltage of 3 to 3.7 V, when a substrate bias of about 0.5 to 1 V is applied and a hot carrier stress is applied, the threshold voltage at the time of aging is reduced. It becomes about 4-4.7V. That is, this indicates that the lifetime is reduced to about 1/100, and therefore, the hot carrier stress application time can be reduced to 1/100.
【0023】実施の形態4 まず、図5(a)に示したように、P型の半導体基板1
1上に複数のN型のソース/ドレイン領域12を互いに
平行に等間隔で形成する。次いで半導体基板1上に約1
80Åのゲート酸化膜13を形成し、ゲート酸化膜13
の上にソース/ドレイン領域12と直行する複数のゲー
ト電極14を互いに平行に形成する。これにより、複数
のソース/ドレイン領域12とゲート電極14とのマト
リクス上に、それぞれ同サイズのチャネル長とチャネル
幅を有する第1トランジスタから第3トランジスタ(T
1〜T3)を含む複数のメモリーセルトランジスタを形
成する(図6参照)。Embodiment 4 First, as shown in FIG. 5A, a P-type semiconductor substrate 1 is formed.
A plurality of N-type source / drain regions 12 are formed at equal intervals on one. Then, about 1
Forming a gate oxide film 13 of 80 °;
A plurality of gate electrodes 14 which are perpendicular to the source / drain regions 12 are formed in parallel with each other. Thereby, on the matrix of the plurality of source / drain regions 12 and the gate electrode 14, the first to third transistors (T
1 to T3) are formed (see FIG. 6).
【0024】次に、図5(b)に示したように、ゲート
酸化膜13及びゲート電極14上に、第1の情報書き込
みレジストパターン15をフォトリソグラフィにより形
成する。続いて、このレジストパターン15をマスクと
して、例えば、第2トランジスタ(T2)及び第3トラ
ンジスタ(T3)のチャネル領域17、18に、不純物
イオンを注入することによりROMデータ書き込みを行
う。この際のイオン注入は、例えばB+イオンを、12
0〜200keV程度、3.5〜5.5×101 3cm-2
程度のドーズで行う。これにより、ROM書き込みを行
っていないメモリーセルトランジスタと、しきい値電圧
Vthが3.0〜3.7Vのトランジスタが形成され
る。Next, as shown in FIG. 5B, a first information writing resist pattern 15 is formed on the gate oxide film 13 and the gate electrode 14 by photolithography. Subsequently, using this resist pattern 15 as a mask, for example, ROM data writing is performed by implanting impurity ions into the channel regions 17 and 18 of the second transistor (T2) and the third transistor (T3). At this time, for example, B + ions are
About 0~200keV, 3.5~5.5 × 10 1 3 cm -2
Perform at a moderate dose. As a result, a memory cell transistor in which ROM writing is not performed and a transistor having a threshold voltage Vth of 3.0 to 3.7 V are formed.
【0025】上記のように2値出力のメモリーセルを形
成した後、図5(c)に示したように、例えば、第3ト
ランジスタ(T3)のドレイン領域12aにVd=4.
0V,ゲート電極14にVg=9.0Vのストレスを常
温で数10秒間加える。これにより、T3において、し
きい値電圧Vthが6V以上のトランジスタが形成され
る。なお、この際、書き込みを行わないトランジスタに
おいてはストレスが加わらないようソース/ドレイン領
域12に印加される電圧を等しくしておく必要がある
(ソース/ドレイン領域12が両者共GNDか、または
ソース/ドレイン領域12両者共Vd)。After forming the binary output memory cell as described above, as shown in FIG. 5C, for example, Vd = 4.V in the drain region 12a of the third transistor (T3).
A stress of 0 V and Vg = 9.0 V is applied to the gate electrode 14 at room temperature for several tens of seconds. Thus, a transistor having a threshold voltage Vth of 6 V or more is formed at T3. At this time, it is necessary to equalize the voltage applied to the source / drain regions 12 so that no stress is applied to the transistors in which writing is not performed (both the source / drain regions 12 are GND or the source / drain regions 12). The drain region 12 is both Vd).
【0026】このホットキャリアの注入は、図7に示す
ようにストレス印加装置に書き込みアドレスバッファA
を設けて、書き込みビットラインとワードラインを入力
する。そして1ビット線をONにし、そのビット線に対
して選択されたワード線をアドレスバッファAより読み
取り、そのワード線をまとめてホットキャリアストレス
を印加する。すべてのビット線でこれを繰り返す。例え
ば16MマスクROMの場合、1ブロック当たりのビッ
トラインは256本であり8ブロックのメモリセル(M
21〜M28)同時に印加すれば最大256回のストレ
ス印加で書き込みが可能となる。1回のストレス印加時
間が約50秒であるとすると、1チップ4時間程度かか
るが、複数チップをバッチ処理することで、3値出力を
有するトランジスタを形成するために、レジスト塗布、
露光、現像、検査、ROM書き込みイオン注入、レジス
トハクリの工程を2回行うよりも短時間で大量生産が可
能となる。またフォト工程が1回減るためフォトを行う
ためのマスクを削減できる。As shown in FIG. 7, the hot carrier is injected into the stress applying device by the write address buffer A.
And input the write bit line and the word line. Then, one bit line is turned on, the word line selected for the bit line is read from the address buffer A, and the word lines are collectively applied with hot carrier stress. Repeat this for all bit lines. For example, in the case of a 16M mask ROM, there are 256 bit lines per block, and 8 blocks of memory cells (M
21 to M28) If applied simultaneously, writing can be performed with a maximum of 256 stress applications. Assuming that one stress application time is about 50 seconds, it takes about 4 hours for one chip. However, in order to form a transistor having a ternary output by batch processing a plurality of chips, resist coating,
Mass production becomes possible in a shorter time than performing the steps of exposure, development, inspection, ROM writing ion implantation, and resist removal. Further, since the number of photo steps is reduced by one, masks for performing photo can be reduced.
【0027】[0027]
【発明の効果】本発明によれば、書き込み注入とホット
キャリアストレス印加との組み合わせを行うことによ
り、3値以上の出力レベルを有する半導体装置を製造す
ることができる。つまり、たとえば、1回の書き込み注
入と1回のホットキャリアストレス印加で3段階の出力
レベルを有する半導体装置が形成され、3値の出力レベ
ルを形成するために必要なROM書き込み用のマスクが
1枚削減でき、フォト、現像、検査、ROM書き込みイ
オン注入、レジストハクリの工程がホットキャリアスレ
トス印加に置き換わるため、短納期化、低コストが実現
できる。また、4値以上の出力レベルを実現するために
も、1回以上の書き込み注入と1回以上のホットキャリ
アストレス印加を組み合わせることが可能である。According to the present invention, a semiconductor device having three or more output levels can be manufactured by combining write injection and hot carrier stress application. That is, for example, a semiconductor device having three output levels is formed by one writing injection and one hot carrier stress application, and a ROM writing mask necessary for forming a ternary output level has one mask. Since the number of sheets can be reduced and the steps of photo, development, inspection, ROM writing ion implantation, and resist removal are replaced by hot carrier threshold application, a short delivery time and low cost can be realized. Also, in order to realize an output level of four or more values, it is possible to combine one or more writing injections and one or more hot carrier stress applications.
【0028】また、本発明において、ホットキャリアス
トレスを、半導体基板温度が0℃以下の低温状態で加え
るか、あるいは基板にバイアス電圧を印加しながら加え
られる場合には、ストレス印加時間を短縮することがで
きるとともに、このような印加時間の短縮によって、さ
らに比選択メモリセル、つまりストレス印加により書き
込みを望まないメモリセルに対する誤書き込みを防止す
ることができ、半導体装置自体の信頼性を高めることが
可能となる。Further, in the present invention, when a hot carrier stress is applied in a low temperature state where the semiconductor substrate temperature is 0 ° C. or less, or when a bias voltage is applied to the substrate while applying a bias voltage, the stress application time is shortened. By shortening the application time, it is possible to further prevent erroneous writing in the ratio-selected memory cell, that is, a memory cell to which writing is not desired due to stress application, thereby improving the reliability of the semiconductor device itself. Becomes
【図1】本発明の半導体装置の製造方法の一実施例を示
す製造工程図である。FIG. 1 is a manufacturing process diagram showing one embodiment of a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention.
【図2】本発明において、ホットキャリアストレス印加
時間としきい値電圧との関係を示すグラフである。FIG. 2 is a graph showing a relationship between a hot carrier stress application time and a threshold voltage in the present invention.
【図3】本発明において、ホットキャリアストレス時の
基板温度とトランジスタの寿命との関係を示すグラフで
ある。FIG. 3 is a graph showing a relationship between a substrate temperature at the time of hot carrier stress and a lifetime of a transistor in the present invention.
【図4】本発明において、ホットキャリアストレス時の
基板バイアス電圧としきい値電圧との関係を示すグラフ
である。FIG. 4 is a graph showing a relationship between a substrate bias voltage and a threshold voltage during hot carrier stress in the present invention.
【図5】本発明の半導体装置の製造方法の別の実施例を
示す製造工程図である。FIG. 5 is a manufacturing process diagram showing another embodiment of the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention.
【図6】図5に示す半導体装置の平面図である。FIG. 6 is a plan view of the semiconductor device shown in FIG. 5;
【図7】本発明において、ホットキャリアストレスを印
加する方法を説明するための概略図である。FIG. 7 is a schematic view for explaining a method of applying a hot carrier stress in the present invention.
【図8】本発明の半導体の製造方法のROM書き込みが
可能なメモリーセルの例を説明するための概略平面図で
ある。FIG. 8 is a schematic plan view for explaining an example of a memory cell in which ROM can be written in the semiconductor manufacturing method of the present invention.
1、11 半導体基板 2、12、32 ソース/ドレイン領域 2a、12a ホットキャリアストレスVd印加ソース
/ドレイン領域 3、13 ゲート酸化膜 4、14、34 ゲート電極 4a、14a ホットキャリアストレスVg印加ゲート
電極 5、15 レジストパターン 6、7、8、16、17、18 チャネル領域 31 ビット線 33 コンタクト部 M メモリセル M21〜M28 メモリセルブロック A 書き込みアドレスバッファ B ワード線ストレス印加 C ビット線ストレス印加1, 11 Semiconductor substrate 2, 12, 32 Source / drain region 2a, 12a Hot carrier stress Vd applied source / drain region 3, 13 Gate oxide film 4, 14, 34 Gate electrode 4a, 14a Hot carrier stress Vg applied gate electrode 5 , 15 resist pattern 6, 7, 8, 16, 17, 18 channel region 31 bit line 33 contact portion M memory cell M21 to M28 memory cell block A write address buffer B word line stress application C bit line stress application
Claims (4)
ート電極、並びに半導体基板表面内部にソース/ドレイ
ン領域を有するMOS型トランジスタからなるメモリセ
ルを複数個形成し、(ii)前記トランジスタの内、所望の
トランジスタのチャネル領域の不純物濃度を変化させ
て、しきい値電圧の高いトランジスタを形成し、(iii)
該しきい値電圧の高いトランジスタの内、所望のトラン
ジスタにホットキャリアストレスを加えてさらにしきい
値電圧の高いトランジスタを形成することからなる多値
出力レベルのマスクROMを有する半導体装置の製造方
法。(I) forming a plurality of memory cells comprising a MOS transistor having a gate oxide film and a gate electrode on a semiconductor substrate and a source / drain region inside the surface of the semiconductor substrate; Changing the impurity concentration of the channel region of a desired transistor to form a transistor having a high threshold voltage, (iii)
A method of manufacturing a semiconductor device having a mask ROM with a multi-level output level, comprising applying a hot carrier stress to a desired transistor among the high threshold voltage transistors to form a transistor having a higher threshold voltage.
域とゲート電極とに所望の電圧を印加することにより加
える請求項1記載の半導体装置の製造方法。2. The method according to claim 1, wherein the hot carrier stress is applied by applying a desired voltage to the drain region and the gate electrode.
低温状態で加える請求項1又は2記載の半導体装置の製
造方法。3. The method according to claim 1, wherein the hot carrier stress is applied at a low temperature of 0 ° C. or lower.
アス電圧を印加しながら加える請求項1〜3のいずれか
に記載の半導体装置の製造方法。4. The method according to claim 1, wherein the hot carrier stress is applied while applying a bias voltage to the substrate.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP02654096A JP3256122B2 (en) | 1996-02-14 | 1996-02-14 | Method for manufacturing semiconductor device |
Applications Claiming Priority (1)
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---|---|---|---|
JP02654096A JP3256122B2 (en) | 1996-02-14 | 1996-02-14 | Method for manufacturing semiconductor device |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH09223750A JPH09223750A (en) | 1997-08-26 |
JP3256122B2 true JP3256122B2 (en) | 2002-02-12 |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US9240408B2 (en) | 2012-06-11 | 2016-01-19 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Integrated circuit device with transistors having different threshold voltages |
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---|---|---|---|---|
EP2075798A1 (en) | 2007-12-25 | 2009-07-01 | TPO Displays Corp. | Storage data unit using hot carrier stressing |
JP2012059996A (en) * | 2010-09-10 | 2012-03-22 | Elpida Memory Inc | Method of manufacturing semiconductor device |
-
1996
- 1996-02-14 JP JP02654096A patent/JP3256122B2/en not_active Expired - Fee Related
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