JP3556491B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、不揮発性メモリ混載のLSIに関し、特にEEPROM(Electrically Erasable Programmable ROM)をはじめとする複数ポリシリコン層を備えた半導体メモリとその周辺の構造と製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
EEPROMは、ユーザーがデータを電気的に書込み/消去可能な不揮発性メモリである。近年では、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)などのCMOSロジックとともに同一チップ上に集積された不揮発性メモリ混載LSIとして、携帯機器やICカード等の情報機器をはじめとする幅広い分野に用いられている。
【0003】
図11は、1ビットごとのデータの書込み/消去が可能な一般的なEEPROMメモリセルの構造例を示す断面図である。各メモリセルには、メモリトランジスタとこれに直列に接続される選択トランジスタが形成され、2つのトランジスタで単一セルが構成されている。
【0004】
同図に示すように、メモリトランジスタは、通常のMOSFETのコントロールゲート374と基板310との間にフローティングゲート354を持った2層ポリシリコン構造で構成されている。フローティングゲート354下層にはゲート酸化膜330が形成されているが、一部の領域には、「トンネル酸化膜」と呼ばれる100Å程度の薄い酸化膜334が設けられている。
【0005】
このトンネル酸化膜334の下層には、TN不純物拡散領域324が形成されており、トンネル酸化膜334を介して行われるTN不純物拡散領域324からフローティングゲート354への電子の注入、または引き抜きによりメモリトランジスタへのデータの書き込みと消去が行われる。フローティングゲート354は、酸化膜により周囲を絶縁されるため、電源を切っても蓄積電荷の状態は変化せず、データの保存が可能である。
【0006】
メモリトランジスタに隣接する選択トランジスタは、メモリトランジスタとの構造上およびプロセス上の整合性を図るため、二層ポリシリコン構造のゲート電極352、372を有しているが、この上下のゲート電極は、電気的にショートされた状態で使用される。ゲート電極352の両側にあたる基板表面層には、選択トランジスタのソース/ドレイン領域に相当するセルのドレイン領域321とN不純物拡散領域322、323が形成されている。また、N不純物拡散領域323とTN不純物拡散領域324とは一部重複するように形成され、両者は電気的に接続されている。メモリトランジスタの脇にあたる基板表面層には、セルのソース領域326が形成されている。
【0007】
なお、図11においては、フローティングゲート354とコントロールゲート374の間およびその周囲に形成される絶縁膜、および各種配線については便宜上図示を省略している。
【0008】
例えば、EEPROMのメモリセルのデータを消去する際は、コントロールゲート374に20V程度の高電圧を与える。そうするとトンネル酸化膜334を介して、TN不純物拡散領域324からフローティングゲート354へ電子のトンネル注入が起こり、マイナス(−)電荷がフローティングゲート354に蓄積される。
【0009】
一方、データを書き込む際は、コントロールゲート374にかかる電圧極性を反転させる。電子はフローティングゲート354からTN不純物拡散領域324へ引き抜かれる。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
上述するように、データの書き込み/消去は、100Å程度の薄いトンネル酸化膜334を介して高電圧を印加した際に起こる電子のトンネル現象を利用して行われる。よって、メモリセルの周辺には、駆動回路とともに、高電圧を供給するための昇圧回路等の周辺回路が必要となる。
【0011】
近年、EEPROMを搭載したLSIの微細化、プロセス負担の簡略化への要請はますます強くなっており、これらのニーズに対応するためには、EEPROMメモリセルの構造のみならず、その周辺回路を含めた検討が必要とされる。
【0012】
以下、具体的な課題についてメモリセルに関するもの、および周辺回路に関するものについて説明する。
【0013】
(EEPROMメモリセルに関する課題)
図12(a)は、最近、本願出願人により提案され、その開発が進められているEEPROMメモリセルの構造を簡易に示す平面図、図12(b)はその断面図である。基本的な構成は、図11に示す従来の一般的なEEPROMメモリセルと共通するが、薄いトンネル酸化膜534が、メモリトランジスタ全域に形成されている点で大きく異なる。これにより、メモリトランジスタの必要面積は、MOSトランジスタの一般的なスケーリング則にならい、トンネル酸化膜の厚みに依存し大幅な縮小化が可能にできる。
【0014】
図12(a)、図12(b)に示すように、このEEPROMでは、フローティングゲート554への電子の注入/引き抜きは、フローティングゲート554の下層の基板表面層の一部に形成されたTN不純物拡散領域524とフローティングゲート554が対向する領域間で行われる。
【0015】
なお、このEEPROMメモリセルでは、コントロールゲート574およびフローティングゲート554の形成領域内に両ゲートを突き抜ける開口部580が設けられており、この開口部580を介してTN拡散領域524の脇に一部重複するように、セルフアライン工程を用い、N不純物拡散領域525が形成されている。このN不純物拡散領域525は、データの書き込み/消去の際、フローティングゲート554とTN不純物拡散領域523間にかかる高電界の影響により発生する「バンド間トンネル電流」と呼ばれる基板へのリーク電流を阻止するホールストッパとしての効果を有する。
【0016】
このように、単一セルのみを動作させる場合においては、図12に示すメモリセル構成を採用することにより、良好な素子性能を維持したままセルの微細化を図ることが可能となる。しかしながら、多数のメモリセルをチップ上にマトリクスに配置したEEPROMでは、次のような問題を生じることがわかった。
【0017】
図13は、マトリクス配置されたメモリセルの一部である隣接する2つのセル(S1、S2)を抜き出し、その構成を簡易に示した断面図である。同図に示すように、通常は、ソース領域526を共通とし、その両側に左右対称となるように2つのセルが配置される。
【0018】
使用に際しては、初期的にまず全てのメモリセルのデータが消去された状態とされる。即ち、全てのセルのフローティングゲートには、マイナス(−)の電荷が蓄積された状態となる。この後、必要に応じて指定されたセルにデータの書き込みが行われる。
【0019】
よって、図13に示すように、ソース領域526を共通として隣接しあうメモリセルの一方(S1)のみにデータの書き込みが行われる場合は、共通ソース領域526を挟み、一方のセルのフローティングゲート554aにはプラス(+)電荷が、他方のセルのフローティングゲート554bにはマイナス(−)電荷が蓄積されることとなる。このような場合において、共通ソース領域526から基板510へのリーク電流の発生や、耐圧特性の悪化が起こることがある。リーク電流の発生等は、データの書き込みを浅くし、データ保持の信頼性を低下させるとともに、書き込み可能回数を大幅に減少させる虞れがある。
【0020】
上述する問題に鑑み、本発明の第1の目的は、チップ上にマトリクス配置した複数のEEPROMを有する半導体装置において、微細化と高信頼性を兼ね添える半導体装置を提供することである。
【0021】
(EEPROM周辺回路についての課題:その1)
既に述べたように、EEPROMでのデータの書き込み/消去は、100Å程度の薄いトンネル酸化膜を介してフローティングゲートとTN不純物拡散領域間に高電圧を印加した際に起こる電子のトンネル現象を利用して行われる。
【0022】
よって、EEPROMセルの周辺には、このトンネル現象のために必要な高電圧を発生させる昇圧回路が必要となる。また、他の駆動回路についてもメモリセルと同様に高電圧がかかる場合があるため、必要に応じ、高耐圧構造のトランジスタ(以下、HV系トランジスタという)を備える必要がある。
【0023】
図14は、EEPROMとともに同一チップ上に搭載されるHV系トランジスタの一例を示す概略断面図である。図中左側にEEPROMのメモリセル、右側にHV系トランジスタを示した。なお、ここには、Nウエル512に形成するPチャネルMOSトランジスタを例示している。
【0024】
同図に示すように、このHV系トランジスタは、EEPROMとのプロセス上の整合を図るためEEPROMセルと同様に二層ポリシリコン構造からなるゲート電極556、576を有しているが、上下のゲート電極は電気的にショートさせて使用する。なお耐圧性を上げるため、ゲート酸化膜530としては、400Å程度の厚い膜が使用される。
【0025】
また、EEPROMとともに搭載するHV系トランジスタでは、ソース領域582とドレイン領域583との間に高電界がかかるわけでははないので、ホットエレクトロンの発生はそれほど問題とはならず、ソース/ドレイン領域の内側脇に薄い不純物拡散領域を形成したLDD構造は採用されていない。
【0026】
ところで、ソース/ドレイン領域の形成の際は、通常二層ポリシリコンゲート電極576、556のパターンをマスクとしてイオン注入を行うこととなるが、このマスクは、2層のポリシリコン膜と厚いゲート酸化膜等で構成されているため、かなりの高さとなる。よって、これをマスクとしてイオン注入を行うと影となる部分ができやすく、ソース/ドレイン領域582、583をゲート電極556の両サイドに十分に近接して形成することが難しい。また、ソース/ドレイン領域582、583は、高濃度不純物拡散領域とする必要があるが、高濃度に不純物をイオン注入する場合は、マスクエッジ近傍で十分な注入深さを確保しにくく、注入領域の端部において注入不足が生じやすい。
【0027】
さらに他の回路とのプロセス上の整合を図る必要からイオン注入を行う際には、すでにゲート電極側面にサイドウォールが形成されていることが多いため、よけいにソース/ドレイン領域582、583をゲート電極576、556の両サイドに近接して形成することが困難となる。
【0028】
こうなると、図中破線で示すように、ゲート電極下に形成されるチャネル形成領域581とソース/ドレイン領域581、582の間があいてしまいトランジスタをONにした際、安定したチャネルが形成できず、オフセットトランジスタになってしまう。
【0029】
上述する問題に鑑み、本発明の第2の目的は、EEPROMとともに混載するHV系トランジスタがオフセットトランジスタとなることを防止し、信頼性の高いEEPROMを搭載した半導体装置を提供することである。
【0030】
(EEPROM周辺回路についての課題:その2)
EEPROMメモリセルの周辺には、トンネル現象を用いたデータの書き込み/消去に必要な高電圧を得るための昇圧回路が設けられる。この昇圧回路により、例えば5Vの電源電圧は20Vまで昇圧される。この昇圧回路中には、多くの場合キャパシタが使用される。
【0031】
キャパシタは、一対の電極とこの電極間に挟まれた誘電体層から構成されるが、従来、二層ポリシリコン構造を有するEEPROMを搭載した半導体装置においては、キャパシタを構成する下層電極として、基板表面に形成したN不純物拡散領域を用い、誘電体層としてはHV系トランジスタのゲート酸化膜として使用される厚いSiO2膜を用い、上層電極としてはゲート電極として用いられるポリシリコン膜を用いていた。
【0032】
しかし、誘電体層として厚いSiO2膜を用いる場合、チップ上に占めるキャパシタの面積は無視できないものとなっており、チップサイズの縮小化を図る上でその面積が問題となっていた。
【0033】
上述する問題に鑑み、本発明の第3の目的は、プロセス上の負担を伴わず、EEPROMとともに混載する昇圧回路のキャパシタサイズを縮小化することである。
【0034】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載した本発明の半導体装置の特徴は、選択トランジスタとメモリトランジスタを有する複数のEEPROMセルを、隣接するセルのメモリトランジスタが共通のソース領域を有するよう配置した半導体装置において、前記メモリトランジスタが、第1導電型を有する半導体基板表面上に形成されたトンネル絶縁膜と、前記トンネル絶縁膜上に形成されたフローティングゲートと、前記フローティングゲート上に形成された絶縁層と、前記絶縁層上に形成されたコントロールゲートと、前記フローティングゲート直下の一部領域にあたる該半導体基板表面層に形成された第2導電型の第1不純物拡散領域と、前記フローティングゲート脇の該半導体基板表面層に形成された第2導電型の前記ソース領域と、前記ソース領域に隣接する該基板表面層に形成された該ソース領域より低不純物濃度の第2導電型の第2不純物拡散領域と、前記コントロールゲート、前記絶縁層および前記フローティングゲートを突き抜ける開口と、この開口領域に対応する基板表面層に、前記第1不純物拡散領域より低濃度の不純物濃度を有する第2導電型の第3不純物拡散領域とを有することである
【0035】
上記請求項1の特徴によれば、ソース領域に隣接して設けた低不純物濃度の第2不純物拡散領域の存在により、ソース領域から基板へのバンド間リーク電流の発生等を抑制できる。即ち、上述のようなマトリクス構成のEEPROMセルでは、共通するソース領域の両側にメモリセルが対称に配置されることとなるが、一方のセルのメモリトランジスタのみにデータの書き込みが行われる場合、ソース領域を介して隣接するフローティングゲートの一方にはマイナス(−)、他方にはプラス(+)電荷が蓄積され、両者の蓄積電荷の極性の相違に伴い、書き込みを行わない一方のフローティングゲートとソース領域間に、相対的に高い電圧がかかる。上記ソース領域に隣接して設けられた第2不純物拡散領域は、当該ソース領域とフローティングゲート間にかかるこの電圧で発生する電界強度を実質的に低減し、バンド間リーク電流の発生を抑制するとともに、メモリトランジスタの実質的な耐圧特性を改善する。なお、トンネル絶縁膜には、トンネル酸化膜が含まれる。
【0036】
また、前記メモリトランジスタが、前記コントロールゲート、前記絶縁層および前記フローティングゲートを突き抜ける開口と、この開口領域に対応する基板表面層に、前記第1不純物拡散領域より低濃度の不純物濃度を有する第2導電型の第3不純物拡散領域を有し、前記第3不純物拡散領域が、前記第1不純物拡散領域に一部重複するように形成されているので、この第3不純物拡散領域が、前記第1不純物拡散領域から基板へのバンド間電流の発生を抑制することもできる。
【0037】
請求項2に記載するように、前記選択トランジスタが、該選択トランジスタのゲート電極脇の基板表面層に形成された第2導電型のドレイン領域と、該ドレイン領域に隣接する基板表面層に、該ドレイン領域より低不純物濃度の第2導電型の第4不純物拡散領域を有し、前記第2不純物拡散領域と、前記第3不純物拡散領域と、前記第4不純物拡散領域とが、略同一不純物濃度を有するようにすれば、これら第2、第3、第4不純物拡散領域を同一工程で形成することができる。
【0038】
請求項3に記載する半導体装置の特徴は、前記EEPROMの周辺回路領域を有し、
前記周辺回路領域に、前記EEPROMのデータの書き込みもしくは消去に必要とされる高電圧下で動作可能であって、ソース領域およびドレイン領域のゲート側端部の基板表面層に、前記各領域とゲート電極直下のチャネル形成領域とに一部重複するように、これらと同一の導電型の不純物拡散領域を有する高耐圧MOSトランジスタを有することである。
【0039】
上記請求項3の特徴によれば、チャネル領域に一部重複するように形成した不純物拡散領域の存在により、高耐圧MOSトランジスタのON時において、確実にチャネル領域をソース領域とドレイン領域に電気的に接続し、オフセットトランジスタの発生を防止できる。
【0041】
請求項4に記載の半導体装置の特徴は、さらに、前記EEPROMの周辺回路領域を有し、前記周辺回路領域に、前記EEPROMのデータの書き込みもしくは消去のために必要な高電圧を供給する昇圧回路と、前記昇圧回路中に、上層電極と下層電極およびこれらの電極で挟まれた誘電体層からなるキャパシタを有し、前記誘電体層が、前記EEPROMの前記絶縁層と同一層を含むものであることである。
【0042】
上記請求項4の特徴によれば、EEPROMセルにおいて二層ポリシリコン構造を作製する場合に、同時に昇圧回路中のキャパシタの誘電体層を形成できる。
【0043】
請求項5に記載の半導体装置の製造方法の特徴は、選択トランジスタとメモリトランジスタを有する複数のEEPROMセルを、隣接するセルのメモリトランジスタが共通のソース領域を有するよう配置された半導体装置の製造方法において、メモリトランジスタ形成領域の一部の第1導電型の基板表面層に第2導電型の第1不純物拡散領域を形成する工程と、該基板表面上に選択トランジスタのゲート絶縁膜を形成する工程と、メモリトランジスタ形成領域上の前記ゲート絶縁膜を除去し、該除去領域にトンネル絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート絶縁膜および前記トンネル絶縁膜上に第1ポリシリコン膜、絶縁層、第2ポリシリコン膜を順次形成する工程と、前記第1ポリシリコン膜、絶縁層および第2ポリシリコン膜をそれぞれエッチングし、選択トランジスタと開口部を有するメモリトランジスタの各ゲートパターンを形成する工程と、前記各ゲートパターンを注入マスクとして、イオン注入法により基板表面層に複数の第2導電型の低濃度不純物拡散領域を形成する工程と、前記各ゲートパターン側壁にサイドウォールを形成し、これを注入マスクとして、イオン注入法により第2導電型の高濃度不純物拡散領域であるソース/ドレイン領域を形成する工程とを有し、前記低濃度不純物拡散領域を形成する工程が、前記ドレイン領域、前記第1不純物拡散領域それぞれに一部重複する低濃度不純物拡散領域とともに、前記ソース領域に一部重複する低濃度不純物拡散領域を形成することである。
【0044】
上記請求項5の特徴によれば、低濃度不純物拡散領域を形成する工程で、ソース領域に重複する領域にも低濃度不純物拡散領域を形成するため、従来のプロセスに新たな負担をかけることなく、ソース領域から基板へのバンド間リーク電流の発生を抑制できるEEPROMセルを搭載した請求項1に記載した半導体装置を提供できる。
なお、ゲート絶縁膜には、ゲート酸化膜が含まれる。
【0045】
請求項6に記載の半導体装置の製造方法の特徴は、前記ゲート絶縁膜を形成する工程において、同時に周辺回路領域にゲート絶縁膜を形成し、前記第1ポリシリコン膜、絶縁層、第2ポリシリコン膜を順次形成する工程において、同時に前記周辺回路領域の前記ゲート絶縁膜上に前記第1ポリシリコン膜、絶縁層、第2ポリシリコン膜を順次形成し、前記各ゲートパターンを形成する工程において、同時に前記周辺回路領域に、前記第1ポリシリコン膜、絶縁層及び第2ポリシリコン膜をエッチングし、高耐圧MOSトランジスタのゲートパターンを形成し、前記第2導電型の低濃度不純物拡散領域を形成する工程において、同時に前記周辺回路領域のゲートパターンを注入マスクとして使用し、第2導電型の低濃度不純物拡散領域を形成し、この後、前記各ゲートパターン側壁に前記各ゲートパターン側壁にサイドウォールを形成し、これを注入マスクとして、EEPROMセル形成領域と高耐圧MOSトランジスタ形成領域の基板表面層にイオン注入法により第2導電型の高濃度不純物拡散領域であるソース/ドレイン領域を形成する工程を有することである。
【0046】
上記請求項6の特徴によれば、低濃度不純物拡散領域を形成する工程で、高耐圧トランジスタのソース/ドレイン領域に一部重複する低濃度不純物拡散領域を形成したことで、従来のプロセスに新たな負担をかけることなく、オフセットトランジスタの発生がない請求項3に記載の半導体装置を提供できる。なお、ソース/ドレイン領域を形成する工程において、高耐圧MOSトランジスタ形成領域では、サイドウォールのないゲートパターンを注入マスクとしてもよい。
【0047】
請求項7に記載の半導体装置の製造方法の特徴は前記ゲート絶縁膜を形成する工程において、同時に周辺回路領域にゲート絶縁膜を形成し、前記第1ポリシリコン膜、絶縁層、第2ポリシリコン膜を順次形成する工程において、同時に前記周辺回路領域の前記ゲート絶縁膜上に前記第1ポリシリコン膜、絶縁層、第2ポリシリコン膜を順次形成し、前記各ゲートパターンを形成する工程において、同時に前記周辺回路領域に、前記第1ポリシリコン膜、絶縁層及び第2ポリシリコン膜をエッチングし、前記第1ポリシリコン膜を下層電極とし、前記絶縁層を誘電体層とし、前記第2ポリシリコン膜を上層電極とするキャパシタパターンを形成する工程を有することである。
【0048】
上記請求項7の特徴によれば、前記第1ポリシリコン膜を下層電極とし、前記絶縁層を誘電体層とし、前記第2ポリシリコン膜を上層電極とする請求項4に記載の半導体装置を、従来のプロセスに新たな負担をかけることなく作製できる。
【0049】
請求項8に記載の半導体装置の製造方法の特徴は、前記第1不純物拡散領域を形成する工程において、同時に前記周辺回路領域の基板表面層に第1不純物拡散領域を形成し、前記ゲート絶縁膜を形成する工程において、同時に周辺回路領域にゲート絶縁膜を形成し、前記第1ポリシリコン膜、絶縁層、第2ポリシリコン膜を順次形成する工程において、同時に前記周辺回路領域の前記ゲート絶縁膜上に少なくとも前記第1ポリシリコン膜を形成し、前記各ゲートパターンを形成する工程において、同時に前記周辺回路領域に、前記第1ポリシリコン膜、及びゲート絶縁膜をエッチングし、前記第1不純物拡散領域を下層電極とし、前記ゲート絶縁膜を誘電体層とし、前記第1ポリシリコン膜を上層電極とするキャパシタパターンを形成する工程を有することである。
【0050】
上記請求項8の特徴によれば、キャパシタ形成領域の基板表面層に前記第1不純物拡散領域と同じ条件で形成した不純物拡散領域を下層電極とし、前記絶縁層もしくは前記絶縁層にトンネル絶縁膜を加えた層を誘電体層とし、前記第2ポリシリコンを上層電極と半導体装置を、従来のプロセスに新たな負担をかけることなく作製できる。
【0054】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各実施の形態について説明する。
【0055】
(第1の実施の形態)
図1は、本発明の第1の実施の形態にかかるEEPROMメモリセルのうちソース領域を共通とする2つのメモリセルの構造を簡略に示すセル断面図である。
【0056】
この断面図は、図2(a)に示すように、チップ上にマトリクス配置されるEEPROMの一部を抜き出したものである。なお、図2(a)中、縦に伸びる細い帯状パターンが選択トランジスタのゲートパターン72a、72bであり、やや太く、凹凸を有する縦状パターンがメモリトランジスタのゲートパターン74a、74bである。また、横方向に伸びるパターンは、ソース/ドレイン領域を含む各種不純物拡散領域の形成ゾーン12である。上下に隣接するセルは境界に形成されたスリット100により分離されている。ソース領域の引き出し電極110は、4つのセルで共通となるよう形成されている。
【0057】
図2(b)は、ソース領域を共通として左右対称に配置された2つのメモリセルS1、S2を抜き出した平面図であり、図1に示す断面図は、この2つのセルの断面構成に相当する。
【0058】
再び、図1に戻り説明する。第1の実施の形態にかかるEEPROMメモリセルは、選択トランジスタとメモリトランジスタで構成されており、ソース領域26を共通とし、その両側に左右対称となるように2つのセルのメモリトランジスタと選択トランジスタが配置されている。図13に示すEEPROMと同様、メモリトランジスタ形成領域の全域に薄いトンネル酸化膜32a、32bが形成されているため、メモリトランジスタの面積を小さく維持できる。選択トランジスタは隣接するメモリトランジスタの構造にあわせて二層ポリシリコン構造のゲート電極52a、52b、72a、72bで形成されており、上下のポリシリコン膜は、電気的にショートして用いる。
【0059】
本実施の形態におけるEEPROMセルが図13に示す従来のEEPROMセルと異なる点は、両側のメモリセルに共通するソース領域26の両脇に低濃度のN不純物拡散領域27a、27bを形成していることである。即ち、ソース領域26をいわゆるLDD構造にしていることである。
【0060】
以下、ソース領域26に隣接して形成したこのLDD構造の効果について、図1を参照しながら説明する。
【0061】
通常、EEPROMメモリセルの初期の状態においては、全てのデータが消去され、全てのメモリセルのフローティングゲートにマイナス(−)電荷が蓄積される。この初期状態のセルに、図1に示すように、片側(図中左側)のメモリセルS1(選択セル)のみに書き込みを行う場合は、書き込みをおこなうメモリセルS1の選択トランジスタのゲート(50a、70a)に電圧Vppをかけ、選択トランジスタをONにする。これに伴いゲート電極52a下の半導体基板表面層にはnチャネルが形成される。
【0062】
各メモリセルのドレイン領域21a、21bにはVppの電圧がかけられているため、ドレイン領域21aは、N不純物拡散領域22aとこのゲート電極下にできるnチャネルを介してN不純物拡散領域23aと導通し、両領域は同電位(Vpp)となる。さらに、N不純物拡散領域23aとTN不純物拡散領域24aは重複形成されているため、TN不純物拡散領域24aも同電位(Vpp)となる。
【0063】
一方、メモリトランジスタのコントロールゲート74aはグラウンド(G)に接地されているため、コントロールゲート74aとTN不純物拡散領域24a間には、Vppの電圧が印加されることになる。この結果、薄いトンネル酸化膜32aを介してフローティングゲート54aとTN不純物拡散領域24a間に高電界がかかり、フローティングゲート54aに蓄積されていたマイナス(−)電荷が引き抜かれ、フローティングゲート55aはプラス(+)電荷となる。
【0064】
このとき、ソース領域26はオープンとされているため、トンネル酸化膜32aを介してフローティングゲート54aとソース領域26間には、メモリトランジスタのしきい値電圧Vthに相当する電圧がかかることになる。
【0065】
一方、データの書き込みがなされない図中右側のメモリセルS2(非選択セル)では、選択トランジスタのゲート72b、52bおよびメモリトランジスタのコントロールゲート74bはともにグラウンド(G)に接地されており、非選択メモリセルS2のフローティングゲート54bには、左側のメモリセルS1とは反対の極性であるマイナス(−)電荷が蓄積されたままである。
【0066】
上述するように、ソース領域26と左側の選択メモリセルS1のフローティングゲート54a間にはそのしきい値電圧Vthに相当する電圧がかかっているが、非選択メモリセルS2である右側のフローティングゲート54bには、左側のフローティングゲートとは極性が異なるマイナス(−)電荷が蓄積されているため相対的にソース領域26と右側のフローティングゲート54bとの間にはトンネル酸化膜32bを介して高い電界がかかることになる。
【0067】
このとき、従来のEEPROMセルのように共通ソース領域26がLDD構造を有していない場合は、非選択メモリセルS2側のソース領域26とフローティングゲート54b間に直接電界がかかるため、これが強電界となる。これに伴いソース領域境界周囲にできる空乏層が基板表面層で極度に薄くなり、電子が価電子帯から伝導帯にトンネルし、あとの価電子帯にホールを残し、このホールがバンド間電流として基板中に流出する。即ち、いわゆるバンド間リーク電流が生じる。
【0068】
また、上述のような場合、従来のEEPROMセルでは、非選択セルとソース領域間には、相対的にしきい値電圧の2倍に相当する高い電位差が発生するため、メモリセルの実質的な耐圧特性が劣化し、通常の使用条件でもVppがダウンし易くなる。
【0069】
しかし、本実施の形態におけるように、ソース領域26の両サイドに薄い不純物濃度を有するN不純物拡散領域27a、27bを設け、LDD構造を形成した場合は、これによりソース領域26とフローティングゲート54b間に発生する電界強度が緩和されるため、上述するようなバンド間リーク電流の発生を抑制することができる。
【0070】
上述したケースとは逆に、右側のメモリセルS2のみに書き込みを行う場合においては、ソース領域26と左側のメモリセルS1のフローティングゲート54aとの間に高い電界がかかることとなるが、この場合は、ソース領域26の脇に形成したN不純物拡散領域27aの存在により、その電界が緩和され、トンネル電流の発生が抑制できる。同様に、ソース領域26に隣接して形成するLDD構造は、メモリセルのソース領域側の実質的な耐圧特性を改善できる。
【0071】
図3は、本実施の形態におけるEEPROMにおけるソース領域の耐圧特性の改善効果を示すものである。横軸にソース電圧(Vs)、縦軸にソース電流(Is)を示す。参考のため、同グラフ中には、LDD構造を有さない従来のEEPROMにおける耐圧特性データもあわせて示している。
【0072】
同グラフに示すように、従来のEEPROMにおいては、ソース領域を共通とする一対のメモリセルの一方にのみ書き込みを行う場合において、他方のセルと共通ソース領域間に相対的に高い電圧が直接かかることとなるため、耐圧がもたず、ドレイン領域にかかるVppがダウンすることがあったが、本実施の形態におけるEEPROMでは、耐圧性が約3倍程度向上し、上述のような書き込み条件においてもVppがダウンすることはなくなる。
【0073】
(実施例1.1)
以下、単位メモリセルの各製造工程における断面を示す図4(a)〜図4(g)を参照しながら、第1の実施の形態にかかるEEPROMメモリセルの製造方法の実施例について説明する。なお、通常は、後述するように、同一チップ上に形成される他の回路とともに作製されるが、ここでは特にEEPROMメモリセルに関する製造工程に絞って説明する。
【0074】
まず、図4(a)に示すように、P型シリコン基板10の基板表面層に、イオン注入法を用いて、N不純物拡散領域24を形成する。このときのイオン注入条件としては、例えば、加速電圧70KeV、ドーズ量5.0×1013 を用い、最終的に深さ0.35μm、不純物濃度3×1017cm−3の拡散領域を形成する。
【0075】
次に、基板表面全面に酸化法を用いて、選択トランジスタのゲート酸化膜(SiO2膜)30を形成する。ゲート酸化膜30の膜厚は、十分な耐圧性を確保するため、400〜450Å程度と厚くする。この後、メモリトランジスタ形成領域のゲート酸化膜30をエッチング除去する。
【0076】
次に、表面に膜厚約100Åの薄いトンネル酸化膜32を酸化法を用いて形成する。図4(b)に示すように、メモリトランジスタ形成領域の基板露出面上に、トンネル酸化膜32が形成される。
【0077】
図4(c)に示すように、ゲート酸化膜30およびトンネル酸化膜32が形成された表面に、酸化法を用いて膜厚約2000Åの第1ポリシリコン膜50を形成する。
【0078】
図4(d)に示すように、この第1ポリシリコン膜50上に膜厚約250Åの絶縁層60を形成する。この絶縁層60は、「ONO膜」と呼ばれるSi3N4膜をSiO2の2層で挟んだ3層構造の積層膜で構成する。3層構造にすることにより、ポリシリコン膜との界面で、応力が発生しにくくなるとともに、耐圧性に優れ、さらにメモリトランジスタの縮小化にも対応できる。
【0079】
続けて、絶縁層60上に、熱CVD法を用いて膜厚約4000Åの第2ポリシリコン膜70を形成する。
【0080】
図4(e)に示すように、通常のフォトリソグラフィ工程により、第2ポリシリコン膜70、絶縁層60および第1ポリシリコン膜50をRIE法を用いて、順次エッチングし、選択トランジスタとメモリトランジスタ形成に必要なパターニングを行う。また、同時に、メモリトランジスタ中の開口部80のパターンも形成する。この工程により、選択トランジスタのゲート電極52、57およびメモリトランジスタのフローティングゲート54とコントロールゲート74が形成される。
【0081】
次に、図4(f)に示すように、上記各種ゲートパターンを注入マスクとして、セルフアラインプロセスで、基板表面層に、P(リン)をイオン注入し、N型不純物拡散領域22、23、25、27を形成する。即ち、本実施の形態の特徴であるソース領域脇に形成するN型不純物拡散領域27は、他の不純物拡散領域といっしょに形成できる。なお、このときのイオン注入条件は、加速電圧50KeV、ドーズ量1×1013とし、最終的に深さ約0.3μm、不純物濃度1×1017cm−3以下の拡散領域を形成する。
【0082】
図4(g)に示すように、表面にSiO2膜を形成し、適度なエッチングを施すことにより、サイドウォール90を形成し、ゲート電極とこのサイドウォールパターンを注入マスクとしてイオン注入を行い、N不純物拡散領域からなるソース領域26とドレイン領域21を形成する。
【0083】
こうして、先の工程で形成したN不純物拡散領域27に一部重複するようにソース領域26が形成され、LDD構造を備えたEEPROMセルができあがる。
【0084】
なお、特に記載していないが、各イオン注入は、適切なアニーリング工程を伴っているものとする(以下、同じ)。
【0085】
以上に説明するように、第1の実施の形態にかかるEEPROMセルは、従来の低濃度不純物拡散領域形成工程において、イオン注入マスクパターンを変更するだけで、工程に新たな負担を生じることなく容易にLDD構造のソース領域を形成できる。
【0086】
(第2の実施の形態)
図5は、本発明の第2の実施の形態にかかるEEPROMメモリ混載LSIに搭載された高耐圧トランジスタの構造を示す装置の断面図である。図中左側には第1の実施の形態において示したEEPROMメモリセルを、その右側には同一チップ上に混載される高耐圧トランジスタ(HV系トランジスタ)を示している。
【0087】
ここには、pチャネルHV系トランジスタの例を示す。nチャネルの場合も導電型を除けば、同様な構成を有するものとする。pチャネルトランジスタの場合は、P型基板10の上層に形成されたN型ウエル12中に形成する。EEPROMとともに混載されるトランジスタは、プロセス上の整合性を高めるため、ゲート電極がEEPROMのメモリトランジスタと同様、二層ポリシリコン構造で構成するが、上下のゲート電極52、72は電気的に短絡させて用いる。
【0088】
本実施の形態におけるHV系トランジスタは、従来のものと同様に、基板表面層にP型不純物拡散領域からなるソース領域82とドレイン領域83が形成され、ゲート酸化膜30を介して、ソース領域82とドレイン領域83の間にゲート電極52が形成されている。ゲート酸化膜30は、耐圧性を維持するため、EEPROMの選択トランジスタのゲート酸化膜同様、400Å程度の厚い膜厚とする。
【0089】
本実施の形態に係るHV系トランジスタが従来のそれと異なる点は、ソース領域82およびドレイン領域83の内側境界に隣接してP型不純物拡散領域84、85を形成していることである。即ち、ソース領域とドレイン領域にLDD構造を形成していることである。
【0090】
型不純物拡散領域84、85それぞれの一方の端部は、ソース領域82もしくはドレイン領域83に一部重複するように形成され、なおかつ他方の端部はゲート電極56下層に形成されるチャネル形成領域81と一部重複して形成されているため、従来の構成において発生していたチャネルの不連続によるオフセットトランジスタの発生を抑制できる。
【0091】
このように上記LDD構造は、一般的なMOSトランジスタで用いられるLDD構造のようにホットエレクトロン発生阻止を主目的とするものではなく、オフセットトランジスタの発生抑制を主な効果とするものである。
【0092】
なお、ソース領域82やドレイン領域83に較べ不純物濃度の低い注入層を形成しているのは、低濃度不純物拡散層の方が、注入マスクとなるゲート電極76、56のエッジ近傍まで十分な深さを有する拡散領域を形成できるからである。
【0093】
(実施例2.1)
図6は、第2の実施の形態に係るEEPROMとHV系トランジスタの作製方法を示す工程フロー図である。以下、この工程フロー図と、図7に示す各工程における装置断面図を参考に、本実施の形態にかかるHV系トランジスタの作製方法の実施例について簡単に説明する。
【0094】
まずロット投入(S1)された半導体基板の表面の必要領域に、ウェル形成を行う(S2)。図7(a)に示すように、P型半導体基板10に上述するようなPチャネルのHV系トランジスタを形成する場合には、その周囲に予め熱拡散方法もしくはイオン注入法とアニール処理を用いてNウエル12を形成する。
【0095】
続いて、通常の方法を用いて、素子分離領域(LOCOS)34を形成(S3)し、トランジスタの活性領域を画定する。この後、EEPROMセルのメモリトランジスタ形成領域の一部の基板表面層にイオン注入法を用いてTN不純物拡散領域24を形成する(S4)。
【0096】
次に、トランジスタのしきい値を調整するため、HV系トランジスタのゲート電極下層にあたる領域にP型の不純物を薄く注入し、基板表面のN型不純物濃度を緩和し、チャネル形成領域81を形成する(S5)。
【0097】
HV系トランジスタおよびEEPROMセルの選択トランジスタのゲート酸化膜に相当する膜厚約400ÅのSiO2膜30を基板全面に形成する(S6)。EEPROMのメモリトランジスタ形成領域のSiO2膜30をエッチング除去し、ここに膜厚約100Å程度の薄いトンネル酸化膜(SiO2膜)32を形成する(S7)。
【0098】
図7(b)に示すように、ゲート酸化膜30およびトンネル酸化膜32が形成された表面上に、熱CVD法を用いて膜厚約2000Åの第1ポリシリコン膜50を形成する(S8)。
【0099】
この後、図6の工程フロー図に示すように、スリットの形成を行う(S9)。このスリットとは、図7には示していないが、図2(a)の平面図を参照するとわかるように、各EEPROMメモリセルの境界部のトンネル酸化膜32と第1ポリシリコン膜50をエッチングして形成した短冊状の開口パターンであり、各セルの分離に必要とされるものである。
【0100】
さらに、膜厚約250ÅのONO膜からなる絶縁層60を基板全面に形成し(S10)、続けて熱CVD法を用いて膜厚約4000Åの第2ポリシリコン膜70を絶縁層60上に形成する(S11)。
【0101】
図7(c)に示すように、通常のフォトリソグラフィ工程により、第2ポリシリコン膜70、絶縁層60および第1ポリシリコン膜50をRIE法を用いて、順次エッチングし、EEPROMおよびHV系トランジスタに必要なゲートパターンを形成する(S12)。また、同時に、メモリトランジスタ中の開口部80のパターンも形成する。この工程により、選択トランジスタのゲート電極52、57およびメモリトランジスタのフローティングゲート54、コントロールゲート74とともに、HV系トランジスタの各ゲート電極56、76が形成される。
【0102】
次に、図7(d)に示すように、上記各種ゲートパターンを注入マスクとして、セルフアラインプロセスで、基板表面層に、P(リン)をイオン注入し、N型不純物拡散領域22、23、25、27を形成する。またHV系トランジスタ形成領域では、ゲート電極56、76をイオン注入マスクとして、P型不純物イオン、例えばボロン(B)を薄く注入し、P不純物拡散領域を形成する(S13)。ゲート電極が二層ポリシリコン構造であり、ゲート酸化膜も厚いため、注入マスクパターンはかなり高いが、ドーズ量を1×1013以下、イオン注入角度を0度とし、加速電圧を40keVとすることにより、ゲート電極56下のチャネル領域84に一部重複する深さ約0.4μm、不純物濃度5×1016cm−3以下のP型不純物拡散領域84、85を形成できる。
【0103】
この後、図7(e)に示すように、表面にSiO2膜を形成し、適度なエッチングを施すことによりサイドウォール90を形成する(S14)。この工程は、HV系トランジスタにおいては、本来不要な工程であるが、同一チップ上に搭載されるEEPROMや他の回路との関係で、特に別工程を設けて除去等の処理をしなければ、同様にサイドウォール91ができてしまう。
【0104】
続けて、このサイドウォールパターンを注入マスクとして、イオン注入を行い、ソース領域21、82とドレイン領域26、83を形成する(S15)。EEPROMメモリセルにはリン(P)等を注入し、一方、PチャネルHV系トランジスタ形成領域には、ボロン(B)等を注入する。例えば、HV系トランジスタのソース/ドレイン領域形成のための注入条件としては、加速電圧を50keV、ドーズ量を3.0×1015 とし、深さ0.2μm、不純物濃度1×1019 cm−3以上の拡散領域を形成する。
【0105】
こうして、先の工程で形成したP不純物拡散領域84、85に一部重複するようにソース領域82、83が形成され、第1の実施の形態に係るEEPROMセルとともに、第2の実施の形態に係るHV系トランジスタが形成される。
【0106】
このように、EEPROM混載LSIに形成される二層ポリシリコン構造のHV系トランジスタにおいて、通常のトランジスタのLDD構造の形成工程と同様な手順により、ソース領域とドレイン領域の内側境界に隣接して不純物拡散領域を形成すれば、オフセットトランジスタになりにくいHV系トランジスタを得ることができる。
【0107】
オフセットトランジスタが発生すると、EEPROMメモリセルに不具合があった場合に、その発見が非常に困難となるため、従来の構成においては、余分な書き込みマージン(writeマージン)や、リテンションマージンを考慮する必要があったが、本実施の形態におけるEEPROM混載LSIでは、これらが不要となり、信頼性が向上する。
【0108】
なお、第2の実施の形態においては、キャパシタとともに形成するEEPROMとして第1の実施の形態に係るEEPROMを例示しているが、二層ポリシリコン構造を有するEEPROMであれば、この構成に限定されることなく、上述する第2の実施の形態にかかるHV系トランジスタの効果を得ることができる。
【0109】
(第3の実施の形態)
本発明の第3の実施の形態は、EEPROMメモリとともに同一チップ上に搭載される昇圧回路に用いられるキャパシタに関する。
【0110】
図8(a)〜図8(c)は、第3の実施の形態に係る3種のキャパシタの構成例を示す装置断面図である。なお、図中左側には同一チップ上に搭載されるEEPROMを示している。ここに示すEEPROMは、第1の実施の形態に示したEEPROMと同一構成を有するものである。
【0111】
これら3種のキャパシタに共通する特徴は、誘電体層として、いわゆるONO膜を用いていることである。ONO膜は、Si3N4膜を上下2層のSiO2膜で挟んだ3層構造の積層膜であり、一般にEEPROMメモリトランジスタにおいて、フローティングゲートとコントロールゲートとの間に形成される絶縁層として用いられている。
【0112】
従来のキャパシタでは、EEPROMのコントロールトランジスタのゲート酸化膜30に用いられる約400ÅのSiO2膜を誘電体層として用いていたが、これを上述のように、ONO膜にかえれば、必要なキャパシタの面積を大幅に縮小化することが可能となる。これは、SiO2膜の誘電率が3.9であるのに対し、Si3N4膜の誘電率が7.5と高いことによる。
【0113】
誘電体層をSi3N4膜のみで構成した場合は、ポリシリコン膜で形成する上下の電極と誘電体層との界面に応力が発生し易く、剥離が起こることがあるが、ポリシリコン膜とSi3N4膜との間にSiO2膜を設けたONO膜を用いた場合は、界面における応力の発生が少なく、剥離等の問題も抑制できる。
【0114】
図8(a)に示す第1のキャパシタは、半導体基板10上に形成されたLOCOS膜34上に、第1ポリシリコン膜と第2ポリシリコン膜をパターニングして得た下層電極58と上層電極78、およびONO膜をパターニングして得た誘電体層68で構成したものである。
【0115】
図8(b)に示す第2のキャパシタは、EEPROMセルにイオン注入法を用いてTN不純物拡散領域24を形成する際、同時にキャパシタ領域に形成したTN不純物拡散領域24をキャパシタの下層電極29とし、ONO膜をパターニングして誘電体層68を形成し、第2ポリシリコン膜をパターニングして上層電極78を形成したものである。
【0116】
図8(c)に示す第3のキャパシタは、第2のキャパシタとよく似ているが、後述するプロセス上の相違により、誘電体層68をトンネル酸化膜32とONO膜で形成している。トンネル酸化膜32の存在は、ONO膜を構成する下層のSiO2膜の厚みが若干増えた程度の差に過ぎず、実質的なONO膜の効果は変わらない。
【0117】
(実施例3.1)
図9(a)〜図9(d)は、第3の実施の形態に係るEEPROMと図8(a)に示した第1のキャパシタの作製方法を示す各工程における装置断面図である。なお、各図面左側には、同一チップ上に搭載されるEEPROMを示す。これらの図を参照しながら、第1のキャパシタの作製方法について説明する。なお、本実施例においても図6に示したEEPROMの工程フローに沿って、各素子を作製する。但し、HV系トランジスタの形成工程についてはここでは触れないものとする。
【0118】
図9(a)に示すように、素子分離領域形成工程(S3)で、キャパシタ形成領域全面に、LOCOS膜34を形成する。一方、この後、EEPROMのメモリセルには、必要な領域にTN不純物拡散領域24を形成する(S4)。
【0119】
次に、図9(b)に示すように、基板表面に選択トランジスタのゲート酸化膜30を形成した(S6)後、メモリトランジスタ形成領域のゲート酸化膜30についてはエッチング除去し、さらに基板表面にトンネル酸化膜32を形成する(S7)。続けて、基板表面に第1ポリシリコン膜50を形成する(S8)。キャパシタ形成領域には、LOCOS膜34上にゲート酸化膜30とトンネル酸化膜32および第1ポリシリコン膜50が積層される。
【0120】
この後、EEPROMのメモリトランジスタのセル境界部分に、第1ポリシリコン膜とトンネル酸化膜を短冊状にエッチングしたスリット100(図2参照)を形成する(S6)(図9中には図示せず)が、キャパシタ形成領域はそのままとする。
【0121】
図9(c)に示すように、第1ポリシリコン膜50上に、ONO膜からなる絶縁層60を形成する。この絶縁層60を構成する上層と下層のSiO2膜は酸化法を用いて作製する。例えば反応ガスとしてO2を使用し、基板温度900℃、の条件を用いる。中間層であるSi3N4膜は、CVD法を用いて、基板温度700℃の条件を用いる。例えば、上層のSiO2膜の膜厚を60Å、Si3N4膜の膜厚を140Å、下層のSiO2膜を70Åとする。
【0122】
図9(d)に示すように、通常のフォトリソグラフィ工程を用いて、第2ポリシリコン膜70、絶縁層(ONO膜)60および第1ポリシリコン膜50をRIE法を用いて、順次エッチングし、EEPROM形成領域に必要なゲートパターン(52、72、54、74)および開口部を形成する(S12)とともに、キャパシタ形成領域においてもエッチングを行い、下層電極58、誘電体層68および上層電極78から構成されるキャパシタを形成する。
【0123】
このように、キャパシタの誘電体層としてSi3N4膜を含むONO膜を用いることにより、誘電体層68としてSiO2膜のみを用いていた従来のキャパシタと比較しその面積を約60%まで縮小することが可能となる。
【0124】
なお、この後、EEPROM形成領域では、さらに必要なN不純物拡散領域22、23、25、27とソース/ドレイン領域21、26が形成され、図8(a)に示す装置ができる。
【0125】
(実施例3.2)
図10(a)〜図10(d)は、第3の実施の形態に係るEEPROMと図8(b)に示した第2のキャパシタの作製方法を示す各工程における装置断面図である。なお、各図面左側には、同一チップに搭載されるEEPROMを示す。これらの図を参照しながら、図8(b)に示す第2のキャパシタの作製方法について説明する。
【0126】
まず、図10(a)に示すように、素子分離領域形成工程(S3)で、キャパシタ形成領域を画定するように、その周囲にLOCOS膜34を形成する。続く工程で、EEPROMのメモリセルの必要な領域にTN不純物拡散領域24を形成する(S4)。また、同時にキャパシタ形成領域にもTN不純物拡散領域29を形成する。このTN不純物拡散領域29がキャパシタの下層電極を構成する。
【0127】
次に、基板表面に選択トランジスタのゲート酸化膜30を形成し(S6)、この後メモリトランジスタ形成領域のゲート酸化膜30についてはエッチング除去し、基板表面にトンネル酸化膜32を形成する(S7)。さらに、基板表面に第1ポリシリコン膜50を形成する。キャパシタ形成領域にも、ゲート酸化膜30、トンネル酸化膜32および第1ポリシリコン膜50が積層される。
【0128】
この後、EEPROMのメモリトランジスタのセル境界部分の第1ポリシリコン膜50とトンネル酸化膜32を短冊状にエッチングし、スリットを形成する(S9)(図9中には図示せず)工程で、キャパシタ形成領域の第1ポリシリコン膜50とトンネル酸化膜32およびゲート酸化膜30も一緒にエッチング除去する。キャパシャタ形成領域は、図10(b)に示すように、TN不純物拡散領域29が露出した状態となる。
【0129】
次に、図10(c)に示すように、基板表面にONO膜からなる絶縁層60を形成する。この絶縁層60は、上述の実施例3.1と同様な条件で作製する。
【0130】
図10(d)に示すように、第2ポリシリコン膜70、絶縁層60および第1ポリシリコン膜50をRIE法を用いて、順次エッチングし、EEPROM形成領域に必要なゲートパターン52、72、54、74および開口部を形成するとともに、キャパシタ形成領域においてもエッチングを行い、ONO膜(絶縁層)60で誘電体層68、第2ポリシリコン膜78で上層電極78を形成し、キャパシタを完成する。
【0131】
なお、EEPROM形成領域で、さらに、必要なN不純物拡散領域22、23、25、27とソース/ドレイン領域21、26を形成すれば、図8(b)に示す装置ができあがる。
【0132】
なお、キャパシタ形成領域において、ゲート酸化膜30をエッチングし、トンネル酸化膜32についてはエッチングせずにそのまま残すこともできる。この場合は、図8(c)に示すように、誘電体層としてトンネル酸化膜32と絶縁層(ONO膜)60の積層膜を用いることとなる。
【0133】
このように、本実施の形態におけるキャパシタは、EEPROMメモリセルで用いられる各層をキャパシタの上下電極と誘電体層として利用するため、キャパシタ形成において新たな工程の負担を伴うことがない。
【0134】
なお、第3の実施の形態においては、キャパシタとともに形成するEEPROMとして第1の実施の形態に係るEEPROMを例示しているが、この構成に限定されるものではない。例えば、図8(a)に示す第1のキャパシタの例であれば、二層ポリシリコン構造を有し、ONO膜を有するEEPROMであれば、工程の負担を伴うことなく第1のキャパシタを形成できる。
【0135】
また、第2、第3のキャパシタの場合は、EEPROMが必ずしも二層ポリシリコン構造である必要もない。
【0136】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明の第1の主な特徴は、隣接しあうセルが共通のソース領域を有するようにマトリクス状に配置された複数のEEPROMセルを搭載した半導体装置において、該EEPROMセルのメモリトランジスタ形成領域全域に薄いトンネル絶縁膜を有するとともに、上記共通ソース領域に隣接する該基板表面層に、当該ソース領域より低不純物濃度の第2導電型の不純物拡散領域を有することである。
【0137】
ソース領域を共通として隣接する2つのセルの一方にのみ書き込みを行う場合において当該ソース領域と書き込みが行われない一方のセルのフローティングゲート間にかかる電界強度を実質的に低減し、バンド間リーク電流の発生を抑制するとともに、メモリトランジスタの実質的な耐圧特性を改善することができる。よって、メモリセルのサイズを小さく維持したまま、データの信頼性が高く、書き込み可能回数も大幅に増やすことができる。
【0138】
本発明の半導体装置の第2の主な特徴は、二層ポリシリコン構造を有するEEPROMセルと、前記EEPROMのデータの書き込みもしくは消去に必要とされる高電圧下で動作可能な高耐圧MOSトランジスタとを有する半導体装置において、前記高耐圧MOSトランジスタが、ソース領域およびドレイン領域の内側基板表面層に、前記各領域とゲート電極直下のチャネル形成領域とに一部重複するように、不純物拡散領域形成したことである。
【0139】
チャネル形成領域に重複するように形成した不純物拡散領域の存在により、オフセットトランジスタの発生を防止できるため、信頼性の高い動作を確保できる。
【0140】
本発明の半導体装置の第3の主な特徴は、二層ポリシリコン構造を有するEEPROMセルと、前記EEPROMのデータの書き込みもしくは消去のために必要な高電圧を供給する昇圧回路とを有する半導体装置において、前記昇圧回路が、下層電極と上層電極およびこれらの電極で挟まれた誘電体層からなるキャパシタを用いたものであり、前記誘電体層が、前記二層ポリシリコン構造を構成する第1ポリシリコン膜と第2ポリシリコン膜の間に形成された絶縁層と同一材料、例えば酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化シリコン膜が順に積層された絶縁層で形成されたものであることである。
【0141】
EEPROMセルにおいて二層ポリシリコン構造を作製する場合に、同時に昇圧回路中の上記キャパシタを形成できるため、工程の負担を伴わずキャパシタの形成ができるとともに、前記誘電体層が、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化シリコン膜の順に積層された層で形成されていれば、誘電率の高い窒化シリコン膜の存在により、キャパシタの面積を縮小できる。また、誘電体層中の酸化シリコン膜の存在は、キャパシタの上層電極、下層電極をポリシリコン膜で形成する場合に、窒化シリコン膜が電極に直接接する場合に比較し、電極と誘電体層との境界で発生する応力等を緩和できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態におけるEEPROMの構成を示す装置断面図である。
【図2】本発明の第1の実施の形態におけるEEPROMのメモリセルの配置を示す装置平面図である。
【図3】本発明の第1の実施の形態におけるEEPROMの耐圧特性を示すグラフである。
【図4】本発明の第1の実施の形態におけるEEPROMの製造方法を説明するための各工程における装置の部分断面図である。
【図5】本発明の第2の実施の形態における半導体装置の構成を示す装置断面図である。
【図6】本発明の第2の実施の形態における半導体装置の作製方法を示す工程フロー図である。
【図7】本発明の第2の実施の形態における半導体装置の製造方法を説明するための各工程における装置断面図である。
【図8】本発明の第3の実施の形態における3種の半導体装置の構成を示す装置断面図である。
【図9】本発明の第3の実施の形態における一の半導体装置の製造方法を説明するための各工程における装置断面図である。
【図10】本発明の第3の実施の形態における他の半導体装置の製造方法を説明するための各工程における装置断面図である。
【図11】従来のEEPROMセルの構成を示す装置断面図である。
【図12】従来のEEPROMセルの構成を示す装置平面図と断面図である。
【図13】従来のマトリクス配置されたEEPROMセルの構成を示す装置断面図である。
【図14】従来のEEPROMセルとこれと同一チップ上に搭載される高耐圧トランジスタの構成を示す装置断面図である。
【符号の説明】
10 基板
21a、21b ドレイン領域
22a、23a、25a、22b、23b、25b N不純物拡散領域
24a、24b TN不純物拡散領域
26 ソース領域
27a、27b N不純物拡散領域
30 ゲート酸化膜
32 トンネル酸化膜
52a、54b フローティングゲート
74a、74b コントロールゲート
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an LSI incorporating a nonvolatile memory, and more particularly to a semiconductor memory including a plurality of polysilicon layers such as an EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM), and a peripheral structure and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
The EEPROM is a nonvolatile memory in which data can be electrically written / erased by a user. In recent years, as a non-volatile memory mixed LSI integrated on the same chip together with a CMOS logic such as an ASIC (Application Specific Integrated Circuit), it is used in a wide range of fields including information devices such as portable devices and IC cards.
[0003]
FIG. 11 is a cross-sectional view showing a structure example of a general EEPROM memory cell in which data can be written / erased bit by bit. Each memory cell is formed with a memory transistor and a selection transistor connected in series with the memory transistor, and a single cell is composed of two transistors.
[0004]
As shown in the figure, the memory transistor has a two-layer polysilicon structure having a floating gate 354 between a control gate 374 of a normal MOSFET and a substrate 310. Although a gate oxide film 330 is formed below the floating gate 354, a thin oxide film 334 of about 100 ° called a “tunnel oxide film” is provided in a part of the region.
[0005]
Under the tunnel oxide film 334, TNAn impurity diffusion region 324 is formed, and TN performed through a tunnel oxide film 334 is performed.Data is written to and erased from the memory transistor by injecting or extracting electrons from the impurity diffusion region 324 to the floating gate 354. Since the periphery of the floating gate 354 is insulated by the oxide film, the state of the accumulated charge does not change even when the power is turned off, and data can be stored.
[0006]
The select transistor adjacent to the memory transistor has gate electrodes 352 and 372 of a two-layer polysilicon structure in order to achieve structural and process consistency with the memory transistor. Used in an electrically shorted state. On the substrate surface layer on both sides of the gate electrode 352, the drain region 321 of the cell corresponding to the source / drain region of the selection transistor and NImpurity diffusion regions 322 and 323 are formed. Also, NImpurity diffusion region 323 and TNThe impurity diffusion region 324 is formed so as to partially overlap, and both are electrically connected. A source region 326 of the cell is formed in a substrate surface layer beside the memory transistor.
[0007]
In FIG. 11, an insulating film formed between and around the floating gate 354 and the control gate 374, and various wirings are not shown for convenience.
[0008]
For example, when erasing data in a memory cell of an EEPROM, a high voltage of about 20 V is applied to the control gate 374. Then, through the tunnel oxide film 334, TNElectron tunnel injection from the impurity diffusion region 324 to the floating gate 354 occurs, and negative (−) charges are accumulated in the floating gate 354.
[0009]
On the other hand, when writing data, the voltage polarity applied to the control gate 374 is inverted. Electrons flow from the floating gate 354 to the TNIt is extracted to the impurity diffusion region 324.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, data writing / erasing is performed by utilizing the electron tunnel phenomenon that occurs when a high voltage is applied through the thin tunnel oxide film 334 of about 100 °. Therefore, a peripheral circuit such as a booster circuit for supplying a high voltage is required along with the drive circuit around the memory cell.
[0011]
In recent years, there has been an increasing demand for miniaturization of LSIs equipped with EEPROM and simplification of the process burden. To meet these needs, not only the structure of the EEPROM memory cell but also its peripheral circuits have been required. Consideration including this is required.
[0012]
Hereinafter, specific problems regarding a memory cell and those regarding a peripheral circuit will be described.
[0013]
(Issues related to EEPROM memory cells)
FIG. 12A is a plan view schematically showing the structure of an EEPROM memory cell which has been recently proposed by the present applicant and is under development, and FIG. 12B is a sectional view thereof. The basic configuration is the same as that of the conventional general EEPROM memory cell shown in FIG. 11, but differs greatly in that a thin tunnel oxide film 534 is formed over the entire memory transistor. As a result, the required area of the memory transistor follows the general scaling rule of the MOS transistor, and depends on the thickness of the tunnel oxide film.
[0014]
As shown in FIGS. 12A and 12B, in this EEPROM, electrons are injected / extracted into / from the floating gate 554 by a TN formed in a part of the substrate surface layer below the floating gate 554.This is performed between regions where the impurity diffusion region 524 and the floating gate 554 face each other.
[0015]
In this EEPROM memory cell, an opening 580 that penetrates the control gate 574 and the floating gate 554 is provided in the formation region of the two gates.By using a self-alignment process so as to partially overlap the side of the diffusion region 524, NAn impurity diffusion region 525 is formed. This NThe impurity diffusion region 525 has a floating gate 554 and a TN when writing / erasing data.This has an effect as a hole stopper for preventing a leak current to the substrate called “inter-band tunnel current” generated by the influence of the high electric field applied between the impurity diffusion regions 523.
[0016]
As described above, when only a single cell is operated, by employing the memory cell configuration shown in FIG. 12, it is possible to miniaturize the cell while maintaining good element performance. However, it has been found that the following problem occurs in an EEPROM in which a large number of memory cells are arranged in a matrix on a chip.
[0017]
FIG. 13 is a cross-sectional view simply showing two adjacent cells (S1, S2), which are a part of the memory cells arranged in a matrix, and schematically showing the configuration thereof. As shown in the figure, usually, two cells are arranged so as to be symmetrical on both sides of a common source region 526.
[0018]
At the time of use, first, the data in all the memory cells is erased. That is, the floating gates of all the cells are in a state where negative (-) charges are accumulated. Thereafter, data is written to the designated cell as needed.
[0019]
Therefore, as shown in FIG. 13, when data is written to only one (S1) of the memory cells adjacent to each other while sharing the source region 526, the floating gate 554a of one of the cells is sandwiched by the common source region 526. , And a negative (−) charge is stored in the floating gate 554b of the other cell. In such a case, a leakage current from the common source region 526 to the substrate 510 may occur, or the breakdown voltage characteristics may deteriorate. The occurrence of a leak current or the like may cause the data writing to be shallow, reduce the reliability of data retention, and significantly reduce the number of writable times.
[0020]
In view of the above problems, a first object of the present invention is to provide a semiconductor device having a plurality of EEPROMs arranged in a matrix on a chip and having both miniaturization and high reliability.
[0021]
(Issues on EEPROM Peripheral Circuits: Part 1)
As described above, data writing / erasing in the EEPROM is performed by using a floating gate and a TN through a thin tunnel oxide film of about 100 °.This is performed using the electron tunnel phenomenon that occurs when a high voltage is applied between the impurity diffusion regions.
[0022]
Therefore, a booster circuit for generating a high voltage required for the tunnel phenomenon is required around the EEPROM cell. In addition, since a high voltage may be applied to other driving circuits in the same manner as a memory cell, a transistor having a high breakdown voltage structure (hereinafter, referred to as an HV transistor) needs to be provided as necessary.
[0023]
FIG. 14 is a schematic sectional view showing an example of an HV transistor mounted on the same chip together with the EEPROM. In the figure, the memory cells of the EEPROM are shown on the left side, and the HV transistors are shown on the right side. Here, a P-channel MOS transistor formed in the N well 512 is illustrated.
[0024]
As shown in the figure, this HV transistor has gate electrodes 556 and 576 each having a double-layer polysilicon structure like an EEPROM cell in order to achieve matching in process with the EEPROM. The electrodes are electrically short-circuited. Note that a thick film of about 400 ° is used as the gate oxide film 530 in order to increase the breakdown voltage.
[0025]
In an HV transistor mounted together with the EEPROM, a high electric field is not applied between the source region 582 and the drain region 583. Therefore, generation of hot electrons does not matter so much. The LDD structure in which a thin impurity diffusion region is formed on the side is not adopted.
[0026]
When forming source / drain regions, ion implantation is usually performed using the pattern of the two-layer polysilicon gate electrodes 576 and 556 as a mask. This mask is composed of a two-layer polysilicon film and a thick gate oxide. Since it is composed of a film or the like, the height is considerably large. Therefore, when ion implantation is performed using this as a mask, shadowed portions are likely to be formed, and it is difficult to form the source / drain regions 582 and 583 sufficiently close to both sides of the gate electrode 556. The source / drain regions 582 and 583 need to be high-concentration impurity diffusion regions. However, in the case where high-concentration impurities are ion-implanted, it is difficult to secure a sufficient implantation depth near the mask edge. Insufficiency of injection is likely to occur at the end of.
[0027]
In addition, when performing ion implantation for the purpose of achieving process matching with other circuits, sidewalls are often already formed on the side surfaces of the gate electrode, and therefore, the source / drain regions 582 and 583 are added to the gates. It is difficult to form the electrodes 576 and 556 close to both sides.
[0028]
In this case, as shown by a broken line in the figure, there is a gap between the channel formation region 581 formed below the gate electrode and the source / drain regions 581 and 582, and when the transistor is turned on, a stable channel cannot be formed. , It becomes an offset transistor.
[0029]
In view of the above-described problem, a second object of the present invention is to provide a semiconductor device having a highly reliable EEPROM mounted thereon by preventing an HV transistor mixed with the EEPROM from becoming an offset transistor.
[0030]
(Issues on EEPROM Peripheral Circuits: Part 2)
A booster circuit for obtaining a high voltage necessary for writing / erasing data using a tunnel phenomenon is provided around the EEPROM memory cell. With this booster circuit, for example, the power supply voltage of 5V is boosted to 20V. A capacitor is often used in this booster circuit.
[0031]
A capacitor is composed of a pair of electrodes and a dielectric layer sandwiched between the electrodes. Conventionally, in a semiconductor device equipped with an EEPROM having a two-layer polysilicon structure, a substrate is used as a lower electrode constituting the capacitor. N formed on the surfaceAn impurity diffusion region is used, a thick SiO2 film used as a gate oxide film of an HV transistor is used as a dielectric layer, and a polysilicon film used as a gate electrode is used as an upper electrode.
[0032]
However, when a thick SiO2 film is used as the dielectric layer, the area of the capacitor occupying the chip cannot be ignored, and the area has been a problem in reducing the chip size.
[0033]
In view of the above-described problem, a third object of the present invention is to reduce the size of a capacitor of a booster circuit that is mounted together with an EEPROM without a process load.
[0034]
[Means for Solving the Problems]
The feature of the semiconductor device of the present invention described in claim 1 is thatIn a semiconductor device in which a plurality of EEPROM cells having a selection transistor and a memory transistor are arranged such that memory transistors of adjacent cells have a common source region,The memory transistor includes a tunnel insulating film formed on a semiconductor substrate surface having a first conductivity type, a floating gate formed on the tunnel insulating film, an insulating layer formed on the floating gate, A control gate formed on an insulating layer, a first impurity diffusion region of a second conductivity type formed on a surface layer of the semiconductor substrate corresponding to a partial region immediately below the floating gate, and a surface of the semiconductor substrate beside the floating gate The source region of the second conductivity type formed in the layerWhen,In the substrate surface layer adjacent to the source regionBeen formedA second impurity diffusion region of a second conductivity type having a lower impurity concentration than the source region;An opening penetrating the control gate, the insulating layer, and the floating gate; and a third impurity diffusion layer of a second conductivity type having an impurity concentration lower than that of the first impurity diffusion region in a substrate surface layer corresponding to the opening region. Is to have an area.
[0035]
According to the feature of the first aspect, the presence of the low impurity concentration second impurity diffusion region provided adjacent to the source region can suppress generation of an interband leak current from the source region to the substrate. That is, in the EEPROM cell having the matrix configuration as described above, the memory cells are arranged symmetrically on both sides of the common source region. However, when data is written only in the memory transistor of one of the cells, A negative (-) charge is stored in one of the floating gates adjacent to each other through the region, and a positive (+) charge is stored in the other. A relatively high voltage is applied between the regions. The second impurity diffusion region provided adjacent to the source region substantially reduces the electric field intensity generated by this voltage applied between the source region and the floating gate, suppresses the generation of an interband leakage current, and In addition, a substantial breakdown voltage characteristic of the memory transistor is improved. Note that the tunnel insulating film includes a tunnel oxide film.
[0036]
Further, the memory transistor is:An opening penetrating the control gate, the insulating layer, and the floating gate; and a third impurity diffusion layer of a second conductivity type having an impurity concentration lower than that of the first impurity diffusion region in a substrate surface layer corresponding to the opening region. Region, and the third impurity diffusion region is formed so as to partially overlap the first impurity diffusion region. Therefore, the third impurity diffusion region is formed between the first impurity diffusion region and the substrate. Generation of an interband current can also be suppressed.
[0037]
As described in claim 2,The selection transistor includes a second conductivity type drain region formed in a substrate surface layer beside a gate electrode of the selection transistor, and a second impurity region having a lower impurity concentration than the drain region in a substrate surface layer adjacent to the drain region. If a fourth impurity diffusion region of a conductivity type is provided and the second impurity diffusion region, the third impurity diffusion region, and the fourth impurity diffusion region have substantially the same impurity concentration, The second, third, and fourth impurity diffusion regions can be formed in the same step.
[0038]
The feature of the semiconductor device according to claim 3 is thatA peripheral circuit area of the EEPROM;
In the peripheral circuit area,A channel forming region which is operable under a high voltage required for writing or erasing the data in the EEPROM and which is located on a substrate surface layer at a gate side end of a source region and a drain region, and a channel forming region immediately below a gate electrode; Impurity diffusion regions of the same conductivity type as these so as to partially overlapHigh voltage MOS transistorThat is.
[0039]
According to the features of claim 3,The presence of the impurity diffusion region formed so as to partially overlap the channel region ensures that the channel region is electrically connected to the source region and the drain region when the high breakdown voltage MOS transistor is ON, thereby preventing the occurrence of an offset transistor. it can.
[0041]
The feature of the semiconductor device according to claim 4 is thatFurther, it has a peripheral circuit area of the EEPROM, and in the peripheral circuit area,A booster circuit for supplying a high voltage necessary for writing or erasing data in the EEPROMWhen,The booster circuitinside,An upper electrode, a lower electrode, and a capacitor comprising a dielectric layer sandwiched between these electrodes, wherein the dielectric layer comprises:EEPROMThe same layer as the insulating layerIncludingThat is.
[0042]
According to the features of claim 4When a two-layer polysilicon structure is manufactured in an EEPROM cell, a dielectric layer of a capacitor in a booster circuit can be formed at the same time.
[0043]
A method of manufacturing a semiconductor device according to claim 5, wherein a plurality of EEPROM cells having a selection transistor and a memory transistor are arranged such that memory transistors of adjacent cells have a common source region.Forming a first impurity diffusion region of a second conductivity type on a surface layer of a first conductivity type substrate in a part of a memory transistor formation region; and forming a gate insulating film of a selection transistor on the surface of the substrate. Forming, removing the gate insulating film on the memory transistor formation region, and forming a tunnel insulating film in the removed region; forming a first polysilicon film on the gate insulating film and the tunnel insulating film; Forming a layer and a second polysilicon film sequentially, and etching the first polysilicon film, the insulating layer and the second polysilicon film, respectively, to form a selection transistor andWith openingsForming each gate pattern of the memory transistor, forming a plurality of second-conductivity-type low-concentration impurity diffusion regions in the substrate surface layer by ion implantation using the respective gate patterns as an implantation mask; Form a sidewall on the pattern side wall and use this as an implantation mask by ion implantation.Of the second conductivity typeForming a source / drain region that is a high-concentration impurity diffusion region, wherein the step of forming the low-concentration impurity diffusion region includes a low-concentration impurity diffusion region that partially overlaps the drain region and the first impurity diffusion region. Forming a low concentration impurity diffusion region partially overlapping the source region together with the impurity diffusion region.
[0044]
According to the features of claim 5,In the process of forming the low-concentration impurity diffusion region, since the low-concentration impurity diffusion region is also formed in a region overlapping with the source region, an inter-band leakage from the source region to the substrate can be performed without adding a new burden to the conventional process. The semiconductor device according to claim 1, which includes an EEPROM cell capable of suppressing generation of a current, can be provided.
Note that the gate insulating film includes a gate oxide film.
[0045]
7. A method of manufacturing a semiconductor device according to claim 6, wherein in the step of forming the gate insulating film, a gate insulating film is simultaneously formed in a peripheral circuit region, and the first polysilicon film, the insulating layer, and the second polysilicon film are formed. Forming a first polysilicon film, an insulating layer, and a second polysilicon film sequentially on the gate insulating film in the peripheral circuit region in the step of sequentially forming a silicon film, and forming the respective gate patterns; Simultaneously, the first polysilicon film, the insulating layer and the second polysilicon film are etched in the peripheral circuit region to form a gate pattern of a high breakdown voltage MOS transistor, and the second conductive type low concentration impurity diffusion region is formed. In the forming step, a low concentration impurity diffusion region of the second conductivity type is simultaneously formed using the gate pattern of the peripheral circuit region as an implantation mask. Thereafter, sidewalls are formed on the side walls of the respective gate patterns, and the second conductive patterns are formed on the side surfaces of the substrate in the EEPROM cell formation region and the high breakdown voltage MOS transistor formation region by ion implantation using the sidewalls as implantation masks. Forming a source / drain region which is a high-concentration impurity diffusion region of a mold type.
[0046]
According to the features of claim 6,In the step of forming the low-concentration impurity diffusion region, the low-concentration impurity diffusion region that partially overlaps the source / drain region of the high breakdown voltage transistor is formed. No occurrenceClaim 3The semiconductor device described above can be provided. In the step of forming the source / drain regions, a gate pattern without sidewalls may be used as the implantation mask in the high breakdown voltage MOS transistor formation region.
[0047]
The feature of the method for manufacturing a semiconductor device according to claim 7 is that,In the step of forming the gate insulating film, a step of forming a gate insulating film in a peripheral circuit region at the same time, and in the step of sequentially forming the first polysilicon film, the insulating layer, and the second polysilicon film, simultaneously form the peripheral circuit region. Forming a first polysilicon film, an insulating layer, and a second polysilicon film on the gate insulating film in order, and forming the respective gate patterns in the peripheral circuit region at the same time; Etching the insulating layer and the second polysilicon film to form a capacitor pattern using the first polysilicon film as a lower electrode, the insulating layer as a dielectric layer, and the second polysilicon film as an upper electrode. Is to have.
[0048]
According to the features of claim 7,The first polysilicon film is used as a lower electrode, the insulating layer is used as a dielectric layer, and the second polysilicon film is used as an upper electrode.Claim 4Can be manufactured without imposing a new burden on a conventional process.
[0049]
9. A method of manufacturing a semiconductor device according to claim 8, wherein, in the step of forming the first impurity diffusion region, a first impurity diffusion region is simultaneously formed in a substrate surface layer of the peripheral circuit region, and the gate insulating film is formed. Forming a gate insulating film in the peripheral circuit region at the same time, and forming the first polysilicon film, the insulating layer, and the second polysilicon film sequentially in the step of forming the gate insulating film in the peripheral circuit region at the same time. Forming at least the first polysilicon film thereon and forming the respective gate patterns, simultaneously etching the first polysilicon film and the gate insulating film in the peripheral circuit region to form the first impurity diffusion layer; Forming a capacitor pattern using the region as a lower electrode, the gate insulating film as a dielectric layer, and the first polysilicon film as an upper electrode; It is to have a.
[0050]
the aboveClaim 8According to the feature, an impurity diffusion region formed on the substrate surface layer of the capacitor formation region under the same conditions as the first impurity diffusion region is used as a lower electrode, and the insulating layer or a layer obtained by adding a tunnel insulating film to the insulating layer is formed. The second polysilicon can be used as the dielectric layer, and the upper electrode and the semiconductor device can be manufactured without adding a new burden to the conventional process.
[0054]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
[0055]
(First Embodiment)
FIG. 1 is a cell cross-sectional view schematically showing the structure of two memory cells having a common source region among the EEPROM memory cells according to the first embodiment of the present invention.
[0056]
As shown in FIG. 2A, this cross-sectional view is a part of an EEPROM arranged in a matrix on a chip. In FIG. 2A, the thin strips extending vertically are the gate patterns 72a and 72b of the selection transistor, and the slightly thicker and more vertical patterns are the gate patterns 74a and 74b of the memory transistor. The pattern extending in the lateral direction is a formation zone 12 of various impurity diffusion regions including source / drain regions. The vertically adjacent cells are separated by slits 100 formed at the boundaries. The extraction electrode 110 of the source region is formed so as to be common to the four cells.
[0057]
FIG. 2B is a plan view showing two memory cells S1 and S2 which are arranged symmetrically with a common source region, and the cross-sectional view shown in FIG. 1 corresponds to the cross-sectional configuration of these two cells. I do.
[0058]
Returning to FIG. 1, the description will be continued. The EEPROM memory cell according to the first embodiment includes a selection transistor and a memory transistor. The memory transistor and the selection transistor of the two cells have a common source region 26 and are symmetrical on both sides thereof. Are located. Similar to the EEPROM shown in FIG. 13, since the thin tunnel oxide films 32a and 32b are formed over the entire memory transistor formation region, the area of the memory transistor can be kept small. The select transistor is formed of gate electrodes 52a, 52b, 72a, 72b of a two-layer polysilicon structure according to the structure of the adjacent memory transistor, and the upper and lower polysilicon films are used by being electrically short-circuited.
[0059]
The difference between the EEPROM cell in the present embodiment and the conventional EEPROM cell shown in FIG. 13 is that low-density N cells are provided on both sides of a source region 26 common to both memory cells.That is, the impurity diffusion regions 27a and 27b are formed. That is, the source region 26 has a so-called LDD structure.
[0060]
Hereinafter, the effect of the LDD structure formed adjacent to the source region 26 will be described with reference to FIG.
[0061]
Normally, in the initial state of an EEPROM memory cell, all data is erased and negative (-) charges are accumulated in the floating gates of all the memory cells. As shown in FIG. 1, when writing is performed on only the memory cell S1 (selected cell) on one side (left side in the figure) in the cell in this initial state, the gate (50a, 50a, 70a) is applied with the voltage Vpp to turn on the selection transistor. Accordingly, an n-channel is formed in the semiconductor substrate surface layer below the gate electrode 52a.
[0062]
Since a voltage of Vpp is applied to the drain regions 21a and 21b of each memory cell, the drain region 21aN through the impurity diffusion region 22a and an n channel formed under the gate electrode.Conduction with the impurity diffusion region 23a is made, and both regions have the same potential (Vpp). Furthermore, NImpurity diffusion region 23a and TNSince the impurity diffusion region 24a is formed overlapping, the TNThe impurity diffusion region 24a also has the same potential (Vpp).
[0063]
On the other hand, since the control gate 74a of the memory transistor is grounded to the ground (G), the control gate 74a and the TNA voltage of Vpp is applied between the impurity diffusion regions 24a. As a result, the floating gate 54a and the TN are connected via the thin tunnel oxide film 32a.A high electric field is applied between the impurity diffusion regions 24a, and the minus (-) charges accumulated in the floating gate 54a are extracted, and the floating gate 55a becomes plus (+) charges.
[0064]
At this time, since the source region 26 is open, a voltage corresponding to the threshold voltage Vth of the memory transistor is applied between the floating gate 54a and the source region 26 via the tunnel oxide film 32a.
[0065]
On the other hand, in the memory cell S2 (non-selected cell) on the right side in the drawing where data is not written, the gates 72b and 52b of the selection transistor and the control gate 74b of the memory transistor are both grounded to the ground (G), and are not selected. In the floating gate 54b of the memory cell S2, a negative (-) charge having the opposite polarity to that of the left memory cell S1 is still stored.
[0066]
As described above, although a voltage corresponding to the threshold voltage Vth is applied between the source region 26 and the floating gate 54a of the left selected memory cell S1, the right floating gate 54b which is an unselected memory cell S2 is applied. Since a negative (-) charge having a different polarity from that of the left floating gate is stored, a high electric field is relatively generated between the source region 26 and the right floating gate 54b via the tunnel oxide film 32b. That would be.
[0067]
At this time, when the common source region 26 does not have the LDD structure as in the conventional EEPROM cell, an electric field is directly applied between the source region 26 on the non-selected memory cell S2 side and the floating gate 54b. It becomes. Along with this, the depletion layer formed around the source region boundary becomes extremely thin on the substrate surface layer, and electrons tunnel from the valence band to the conduction band, leaving holes in the later valence band, and this hole serves as an interband current. Outflows into the substrate. That is, a so-called inter-band leak current occurs.
[0068]
In the case described above, in the conventional EEPROM cell, a high potential difference corresponding to twice the threshold voltage is generated relatively between the unselected cell and the source region. The characteristics are degraded, and Vpp is likely to decrease even under normal use conditions.
[0069]
However, as in the present embodiment, NWhen the impurity diffusion regions 27a and 27b are provided and the LDD structure is formed, the intensity of the electric field generated between the source region 26 and the floating gate 54b is reduced, thereby suppressing the generation of the inter-band leakage current as described above. can do.
[0070]
Contrary to the case described above, when writing is performed only on the right memory cell S2, a high electric field is applied between the source region 26 and the floating gate 54a of the left memory cell S1. Is the N formed on the side of the source region 26.Due to the presence of the impurity diffusion region 27a, the electric field is alleviated, and generation of a tunnel current can be suppressed. Similarly, the LDD structure formed adjacent to the source region 26 can substantially improve the withstand voltage characteristics on the source region side of the memory cell.
[0071]
FIG. 3 shows the effect of improving the breakdown voltage characteristics of the source region in the EEPROM according to the present embodiment. The horizontal axis shows the source voltage (Vs) and the vertical axis shows the source current (Is). For reference, the graph also shows withstand voltage characteristics data of a conventional EEPROM having no LDD structure.
[0072]
As shown in the graph, in a conventional EEPROM, when writing is performed only on one of a pair of memory cells having a common source region, a relatively high voltage is directly applied between the other cell and the common source region. Therefore, Vpp applied to the drain region may be reduced without the withstand voltage. However, in the EEPROM of the present embodiment, the withstand voltage is improved by about three times, and under the above-described write condition, Also, Vpp will not go down.
[0073]
(Example 1.1)
Hereinafter, an example of a method of manufacturing an EEPROM memory cell according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. 4A to 4G illustrating cross sections in respective manufacturing steps of a unit memory cell. It is to be noted that, although it is usually manufactured together with other circuits formed on the same chip, as will be described later, the following description focuses particularly on the manufacturing process for an EEPROM memory cell.
[0074]
First, as shown in FIG. 4 (a), an N type is implanted into a substrate surface layer of a P-type silicon substrate 10 by ion implantation.An impurity diffusion region 24 is formed. The ion implantation conditions at this time are, for example, an acceleration voltage of 70 KeV and a dose of 5.0 × 10 5ThirteenFinally, a depth of 0.35 μm and an impurity concentration of 3 × 1017cm-3Is formed.
[0075]
Next, a gate oxide film (SiO 2 film) 30 of the select transistor is formed on the entire surface of the substrate by using an oxidation method. The thickness of the gate oxide film 30 is made as thick as about 400 to 450 ° in order to secure sufficient withstand voltage. Thereafter, the gate oxide film 30 in the memory transistor formation region is removed by etching.
[0076]
Next, a thin tunnel oxide film 32 having a thickness of about 100 ° is formed on the surface by using an oxidation method. As shown in FIG. 4B, a tunnel oxide film 32 is formed on the exposed surface of the substrate in the memory transistor formation region.
[0077]
As shown in FIG. 4C, on the surface on which the gate oxide film 30 and the tunnel oxide film 32 have been formed, a first polysilicon film 50 having a thickness of about 2000.degree.
[0078]
As shown in FIG. 4D, an insulating layer 60 having a thickness of about 250 ° is formed on the first polysilicon film 50. The insulating layer 60 is formed of a three-layer laminated film in which a Si3N4 film called an "ONO film" is sandwiched between two SiO2 layers. With the three-layer structure, stress is less likely to be generated at the interface with the polysilicon film, the pressure resistance is excellent, and the size of the memory transistor can be reduced.
[0079]
Subsequently, a second polysilicon film 70 having a thickness of about 4000 ° is formed on the insulating layer 60 by using a thermal CVD method.
[0080]
As shown in FIG. 4E, the second polysilicon film 70, the insulating layer 60, and the first polysilicon film 50 are sequentially etched by RIE using a normal photolithography process, so that a selection transistor and a memory transistor are formed. Patterning necessary for formation is performed. At the same time, a pattern of the opening 80 in the memory transistor is formed. By this step, the gate electrodes 52 and 57 of the select transistor and the floating gate 54 and the control gate 74 of the memory transistor are formed.
[0081]
Next, as shown in FIG. 4F, P (phosphorus) is ion-implanted into the substrate surface layer by a self-alignment process using the above-mentioned various gate patterns as an implantation mask.Formed impurity diffusion regions 22, 23, 25 and 27 are formed. That is, the N formed at the side of the source region, which is a feature of this embodiment,The type impurity diffusion region 27 can be formed together with another impurity diffusion region. The ion implantation conditions at this time were as follows: an acceleration voltage of 50 KeV and a dose of 1 × 10ThirteenFinally, a depth of about 0.3 μm and an impurity concentration of 1 × 1017cm-3The following diffusion region is formed.
[0082]
As shown in FIG. 4 (g), a SiO 2 film is formed on the surface, and a suitable etching is performed to form a side wall 90, and ion implantation is performed using the gate electrode and the side wall pattern as an implantation mask to form N 2.+A source region 26 and a drain region 21 made of an impurity diffusion region are formed.
[0083]
Thus, the N formed in the previous step isThe source region 26 is formed so as to partially overlap the impurity diffusion region 27, and an EEPROM cell having an LDD structure is completed.
[0084]
Although not particularly described, it is assumed that each ion implantation involves an appropriate annealing step (the same applies hereinafter).
[0085]
As described above, the EEPROM cell according to the first embodiment can be easily formed in the conventional low-concentration impurity diffusion region forming step without changing the process by merely changing the ion implantation mask pattern. A source region having an LDD structure can be formed at the same time.
[0086]
(Second embodiment)
FIG. 5 is a sectional view of an apparatus showing a structure of a high breakdown voltage transistor mounted on an EEPROM memory embedded LSI according to a second embodiment of the present invention. The left side of the figure shows the EEPROM memory cell shown in the first embodiment, and the right side shows a high-voltage transistor (HV transistor) mixedly mounted on the same chip.
[0087]
Here, an example of a p-channel HV transistor is shown. The n channel has the same configuration except for the conductivity type. In the case of a p-channel transistor, it is formed in an N-type well 12 formed in an upper layer of a P-type substrate 10. The transistor mounted together with the EEPROM has a gate electrode formed of a double-layer polysilicon structure like the memory transistor of the EEPROM in order to enhance process consistency, but the upper and lower gate electrodes 52 and 72 are electrically short-circuited. Used.
[0088]
In the HV transistor according to the present embodiment, a source region 82 and a drain region 83 formed of a P-type impurity diffusion region are formed in a substrate surface layer, and the source region 82 is formed via a gate oxide film 30 in the same manner as a conventional HV transistor. The gate electrode 52 is formed between the gate electrode 52 and the drain region 83. The gate oxide film 30 is made as thick as about 400 ° like the gate oxide film of the select transistor of the EEPROM in order to maintain the breakdown voltage.
[0089]
The HV transistor according to the present embodiment is different from the conventional HV transistor in that the P-type transistor is adjacent to the inner boundary of the source region 82 and the drain region 83.That is, the type impurity diffusion regions 84 and 85 are formed. That is, the LDD structure is formed in the source region and the drain region.
[0090]
POne end of each of the impurity diffusion regions 84 and 85 is formed so as to partially overlap the source region 82 or the drain region 83, and the other end is formed in a channel formation region 81 formed below the gate electrode 56. Therefore, the occurrence of the offset transistor due to the discontinuity of the channel, which occurs in the conventional configuration, can be suppressed.
[0091]
As described above, the LDD structure does not mainly prevent the generation of hot electrons unlike the LDD structure used in a general MOS transistor, but has a main effect of suppressing generation of an offset transistor.
[0092]
The reason why the implantation layer having a lower impurity concentration than that of the source region 82 and the drain region 83 is formed is that the low-concentration impurity diffusion layer has a sufficient depth to the vicinity of the edges of the gate electrodes 76 and 56 serving as an implantation mask. This is because it is possible to form a diffusion region having an appropriate thickness.
[0093]
(Example 2.1)
FIG. 6 is a process flow chart showing a method for manufacturing an EEPROM and HV transistors according to the second embodiment. Hereinafter, an example of a method for manufacturing an HV transistor according to the present embodiment will be briefly described with reference to this process flow chart and the cross-sectional views of the device in each process shown in FIG.
[0094]
First, a well is formed in a necessary region on the surface of the semiconductor substrate put in the lot (S1) (S2). As shown in FIG. 7A, when the above-described P-channel HV transistor is formed on the P-type semiconductor substrate 10, a heat diffusion method or an ion implantation method and an annealing process are used in advance around the P-channel HV transistor. An N well 12 is formed.
[0095]
Subsequently, an element isolation region (LOCOS) 34 is formed (S3) using a usual method, and an active region of the transistor is defined. Thereafter, the TN is formed by ion implantation into a part of the substrate surface layer in the memory transistor forming region of the EEPROM cell.An impurity diffusion region 24 is formed (S4).
[0096]
Next, in order to adjust the threshold value of the transistor, a P-type impurity is thinly implanted into a region below the gate electrode of the HV transistor, the N-type impurity concentration on the substrate surface is reduced, and the channel formation region 81 is formed. (S5).
[0097]
An SiO 2 film 30 having a thickness of about 400 ° corresponding to the gate oxide film of the HV transistor and the select transistor of the EEPROM cell is formed on the entire surface of the substrate (S6). The SiO2 film 30 in the memory transistor formation region of the EEPROM is removed by etching, and a thin tunnel oxide film (SiO2 film) 32 having a thickness of about 100 degrees is formed here (S7).
[0098]
As shown in FIG. 7B, on the surface on which the gate oxide film 30 and the tunnel oxide film 32 have been formed, a first polysilicon film 50 having a thickness of about 2000 .ANG. Is formed by thermal CVD (S8). .
[0099]
Thereafter, as shown in the process flow chart of FIG. 6, a slit is formed (S9). Although this slit is not shown in FIG. 7, as can be seen from the plan view of FIG. 2A, the tunnel oxide film 32 and the first polysilicon film 50 at the boundary of each EEPROM memory cell are etched. This is a strip-shaped opening pattern formed in this way, and is required for separating each cell.
[0100]
Further, an insulating layer 60 made of an ONO film having a thickness of about 250 ° is formed on the entire surface of the substrate (S10), and a second polysilicon film 70 having a thickness of about 4000 ° is formed on the insulating layer 60 by using a thermal CVD method. (S11).
[0101]
As shown in FIG. 7C, the second polysilicon film 70, the insulating layer 60, and the first polysilicon film 50 are sequentially etched by RIE using a normal photolithography process, and the EEPROM and the HV transistor are formed. (S12). At the same time, a pattern of the opening 80 in the memory transistor is formed. Through this step, the gate electrodes 56 and 76 of the HV transistor are formed together with the gate electrodes 52 and 57 of the selection transistor, the floating gate 54 and the control gate 74 of the memory transistor.
[0102]
Next, as shown in FIG. 7D, P (phosphorus) is ion-implanted into the substrate surface layer by a self-alignment process using the above-mentioned various gate patterns as an implantation mask.Formed impurity diffusion regions 22, 23, 25 and 27 are formed. In the HV transistor forming region, P-type impurity ions, for example, boron (B) are thinly implanted by using the gate electrodes 56 and 76 as an ion implantation mask.An impurity diffusion region is formed (S13). Since the gate electrode has a two-layer polysilicon structure and the gate oxide film is thick, the implantation mask pattern is considerably high.ThirteenHereinafter, by setting the ion implantation angle to 0 degree and the acceleration voltage to 40 keV, the depth partially overlapping the channel region 84 below the gate electrode 56 is about 0.4 μm, and the impurity concentration is 5 × 10 5.16cm-3The following PType impurity diffusion regions 84 and 85 can be formed.
[0103]
Thereafter, as shown in FIG. 7E, a SiO2 film is formed on the surface, and a suitable etching is performed to form a sidewall 90 (S14). This step is essentially unnecessary for the HV transistor, but in the context of the EEPROM mounted on the same chip and other circuits, unless a separate step is provided to perform a process such as removal. Similarly, the side wall 91 is formed.
[0104]
Subsequently, ion implantation is performed using the sidewall pattern as an implantation mask to form source regions 21 and 82 and drain regions 26 and 83 (S15). Phosphorus (P) or the like is implanted into the EEPROM memory cell, while boron (B) or the like is implanted into the P-channel HV transistor forming region. For example, as an implantation condition for forming a source / drain region of an HV transistor, an acceleration voltage is 50 keV, and a dose is 3.0 × 10 3FifteenAnd a depth of 0.2 μm and an impurity concentration of 1 × 1019cm-3The above diffusion region is formed.
[0105]
Thus, the P formed in the previous stepSource regions 82 and 83 are formed so as to partially overlap the impurity diffusion regions 84 and 85, and the HV transistor according to the second embodiment is formed together with the EEPROM cell according to the first embodiment.
[0106]
As described above, in the HV transistor having the double-layer polysilicon structure formed in the LSI on which the EEPROM is embedded, the impurity is formed adjacent to the inner boundary between the source region and the drain region by the same procedure as the process of forming the LDD structure of the normal transistor. By forming the diffusion region, an HV transistor that is unlikely to be an offset transistor can be obtained.
[0107]
When an offset transistor occurs, it is very difficult to find out if there is a defect in the EEPROM memory cell. Therefore, in the conventional configuration, it is necessary to consider an extra write margin (write margin) and a retention margin. However, these are unnecessary in the EEPROM-embedded LSI in the present embodiment, and the reliability is improved.
[0108]
In the second embodiment, the EEPROM according to the first embodiment is exemplified as the EEPROM formed together with the capacitor. However, the EEPROM is not limited to this configuration as long as the EEPROM has a double-layer polysilicon structure. Without the above, the effect of the HV transistor according to the above-described second embodiment can be obtained.
[0109]
(Third embodiment)
The third embodiment of the present invention relates to a capacitor used for a booster circuit mounted on the same chip together with an EEPROM memory.
[0110]
FIGS. 8A to 8C are device cross-sectional views illustrating a configuration example of three types of capacitors according to the third embodiment. The left side of the figure shows an EEPROM mounted on the same chip. The EEPROM shown here has the same configuration as the EEPROM shown in the first embodiment.
[0111]
A feature common to these three types of capacitors is that a so-called ONO film is used as the dielectric layer. The ONO film has a three-layer structure in which an Si3N4 film is sandwiched between upper and lower SiO2 films, and is generally used as an insulating layer formed between a floating gate and a control gate in an EEPROM memory transistor. .
[0112]
In the conventional capacitor, a SiO 2 film of about 400 ° used for the gate oxide film 30 of the control transistor of the EEPROM is used as the dielectric layer. However, if this is replaced with the ONO film as described above, the necessary capacitor area is required. Can be greatly reduced. This is because the dielectric constant of the SiO2 film is 3.9, whereas the dielectric constant of the Si3N4 film is as high as 7.5.
[0113]
When the dielectric layer is composed only of the Si3N4 film, stress is easily generated at the interface between the upper and lower electrodes formed of the polysilicon film and the dielectric layer, and peeling may occur. However, the polysilicon film and the Si3N4 film are formed. When an ONO film having a SiO2 film between them is used, the generation of stress at the interface is small, and problems such as peeling can be suppressed.
[0114]
The first capacitor shown in FIG. 8A has a lower electrode 58 and an upper electrode obtained by patterning a first polysilicon film and a second polysilicon film on a LOCOS film 34 formed on a semiconductor substrate 10. 78 and a dielectric layer 68 obtained by patterning the ONO film.
[0115]
The second capacitor shown in FIG. 8 (b) has a TNWhen the impurity diffusion region 24 is formed, the TNThe impurity diffusion region 24 is used as the lower electrode 29 of the capacitor, the ONO film is patterned to form the dielectric layer 68, and the second polysilicon film is patterned to form the upper electrode 78.
[0116]
Although the third capacitor shown in FIG. 8C is very similar to the second capacitor, the dielectric layer 68 is formed of the tunnel oxide film 32 and the ONO film due to a difference in a process described later. The existence of the tunnel oxide film 32 is only a difference in the thickness of the lower SiO 2 film constituting the ONO film slightly, and the effect of the ONO film does not substantially change.
[0117]
(Example 3.1)
FIGS. 9A to 9D are cross-sectional views of the device in respective steps showing a method for manufacturing the EEPROM according to the third embodiment and the first capacitor shown in FIG. 8A. The left side of each drawing shows an EEPROM mounted on the same chip. A method for manufacturing the first capacitor will be described with reference to these drawings. In this embodiment, each element is manufactured according to the process flow of the EEPROM shown in FIG. However, the formation process of the HV transistor is not described here.
[0118]
As shown in FIG. 9A, in the element isolation region forming step (S3), a LOCOS film 34 is formed on the entire surface of the capacitor formation region. On the other hand, after this, TN is stored in a necessary area in the memory cell of the EEPROM.An impurity diffusion region 24 is formed (S4).
[0119]
Next, as shown in FIG. 9B, after the gate oxide film 30 of the select transistor is formed on the substrate surface (S6), the gate oxide film 30 in the memory transistor formation region is removed by etching. A tunnel oxide film 32 is formed (S7). Subsequently, a first polysilicon film 50 is formed on the substrate surface (S8). In the capacitor formation region, the gate oxide film 30, the tunnel oxide film 32, and the first polysilicon film 50 are stacked on the LOCOS film 34.
[0120]
Thereafter, a slit 100 (see FIG. 2) in which the first polysilicon film and the tunnel oxide film are etched in a strip shape is formed at the cell boundary portion of the memory transistor of the EEPROM (S6) (not shown in FIG. 9). ), But leave the capacitor formation region as it is.
[0121]
As shown in FIG. 9C, an insulating layer 60 made of an ONO film is formed on the first polysilicon film 50. The upper and lower SiO2 films constituting the insulating layer 60 are formed by using an oxidation method. For example, O2 is used as a reaction gas, and a condition of a substrate temperature of 900 ° C. is used. For the Si3N4 film as the intermediate layer, a condition of a substrate temperature of 700 ° C. is used by a CVD method. For example, the upper SiO2 film has a thickness of 60 °, the Si3N4 film has a thickness of 140 °, and the lower SiO2 film has a thickness of 70 °.
[0122]
As shown in FIG. 9D, the second polysilicon film 70, the insulating layer (ONO film) 60, and the first polysilicon film 50 are sequentially etched by RIE using a normal photolithography process. , The necessary gate patterns (52, 72, 54, 74) and openings are formed in the EEPROM formation region (S12), and etching is also performed in the capacitor formation region to form the lower electrode 58, the dielectric layer 68 and the upper electrode 78. Is formed.
[0123]
As described above, by using the ONO film including the Si3N4 film as the dielectric layer of the capacitor, the area can be reduced to about 60% as compared with the conventional capacitor using only the SiO2 film as the dielectric layer 68. It becomes possible.
[0124]
After this, in the EEPROM forming area, the necessary NThe impurity diffusion regions 22, 23, 25 and 27 and the source / drain regions 21 and 26 are formed, and the device shown in FIG.
[0125]
(Example 3.2)
FIGS. 10A to 10D are cross-sectional views of the device in respective steps showing a method for manufacturing the EEPROM according to the third embodiment and the second capacitor shown in FIG. 8B. The left side of each drawing shows an EEPROM mounted on the same chip. A method for manufacturing the second capacitor shown in FIG. 8B will be described with reference to these drawings.
[0126]
First, as shown in FIG. 10A, in a device isolation region forming step (S3), a LOCOS film 34 is formed therearound so as to define a capacitor formation region. In the subsequent step, TN is set in a necessary area of the EEPROM memory cell.An impurity diffusion region 24 is formed (S4). At the same time, a TNAn impurity diffusion region 29 is formed. This TNThe impurity diffusion region 29 forms a lower electrode of the capacitor.
[0127]
Next, a gate oxide film 30 of the select transistor is formed on the substrate surface (S6). Thereafter, the gate oxide film 30 in the memory transistor formation region is removed by etching, and a tunnel oxide film 32 is formed on the substrate surface (S7). . Further, a first polysilicon film 50 is formed on the surface of the substrate. The gate oxide film 30, the tunnel oxide film 32, and the first polysilicon film 50 are also stacked in the capacitor formation region.
[0128]
Thereafter, the first polysilicon film 50 and the tunnel oxide film 32 at the cell boundaries of the memory transistors of the EEPROM are etched into strips to form slits (S9) (not shown in FIG. 9). The first polysilicon film 50, the tunnel oxide film 32 and the gate oxide film 30 in the capacitor formation region are also removed by etching. As shown in FIG. 10 (b), the capacitor forming region is TNImpurity diffusion region 29 is exposed.
[0129]
Next, as shown in FIG. 10C, an insulating layer 60 made of an ONO film is formed on the surface of the substrate. This insulating layer 60 is manufactured under the same conditions as in Example 3.1 described above.
[0130]
As shown in FIG. 10D, the second polysilicon film 70, the insulating layer 60, and the first polysilicon film 50 are sequentially etched by using the RIE method, and gate patterns 52, 72, In addition to forming the openings 54 and 74 and the opening, etching is also performed in the capacitor formation region, and a dielectric layer 68 is formed with the ONO film (insulating layer) 60 and an upper layer electrode 78 is formed with the second polysilicon film 78 to complete the capacitor. I do.
[0131]
In the EEPROM formation area, the necessary NWhen the impurity diffusion regions 22, 23, 25, 27 and the source / drain regions 21, 26 are formed, the device shown in FIG. 8B is completed.
[0132]
In the capacitor formation region, the gate oxide film 30 may be etched, and the tunnel oxide film 32 may be left without being etched. In this case, as shown in FIG. 8C, a stacked film of the tunnel oxide film 32 and the insulating layer (ONO film) 60 is used as the dielectric layer.
[0133]
As described above, in the capacitor according to the present embodiment, since the layers used in the EEPROM memory cell are used as the upper and lower electrodes and the dielectric layer of the capacitor, no additional process is required in forming the capacitor.
[0134]
Note that, in the third embodiment, the EEPROM according to the first embodiment is illustrated as an EEPROM formed together with the capacitor, but the present invention is not limited to this configuration. For example, in the case of the first capacitor shown in FIG. 8A, an EEPROM having a double-layer polysilicon structure and an ONO film is used to form the first capacitor without burdening the process. it can.
[0135]
In the case of the second and third capacitors, the EEPROM does not necessarily have to have a double-layer polysilicon structure.
[0136]
【The invention's effect】
As described above, the first main feature of the present invention is that in a semiconductor device having a plurality of EEPROM cells arranged in a matrix so that adjacent cells have a common source region, A thin tunnel insulating film is formed over the entire memory transistor formation region of the cell, and a second conductivity type impurity diffusion region having a lower impurity concentration than the source region is provided on the substrate surface layer adjacent to the common source region. .
[0137]
When writing is performed only on one of two adjacent cells with a common source region, the electric field intensity applied between the source region and the floating gate of one cell on which no writing is performed is substantially reduced, and the inter-band leakage current is reduced. And the substantial withstand voltage characteristics of the memory transistor can be improved. Therefore, the reliability of data is high and the number of writable times can be greatly increased while keeping the size of the memory cell small.
[0138]
A second main feature of the semiconductor device of the present invention is that an EEPROM cell having a two-layer polysilicon structure, a high-voltage MOS transistor operable under a high voltage required for writing or erasing data in the EEPROM, and Wherein the high breakdown voltage MOS transistor has an impurity diffusion region formed on the inner substrate surface layer of the source region and the drain region so as to partially overlap each of the regions and the channel formation region immediately below the gate electrode. That is.
[0139]
The presence of the impurity diffusion region formed so as to overlap with the channel formation region can prevent the occurrence of an offset transistor, so that highly reliable operation can be ensured.
[0140]
A third main feature of the semiconductor device of the present invention is that the semiconductor device includes an EEPROM cell having a double-layer polysilicon structure and a booster circuit for supplying a high voltage necessary for writing or erasing data in the EEPROM. Wherein the booster circuit uses a capacitor comprising a lower electrode, an upper electrode, and a dielectric layer sandwiched between these electrodes, and the dielectric layer comprises a first layer constituting the double-layer polysilicon structure. The same material as the insulating layer formed between the polysilicon film and the second polysilicon film, for example, an insulating layer formed by sequentially stacking a silicon oxide film, a silicon nitride film, and a silicon oxide film. .
[0141]
When a two-layer polysilicon structure is manufactured in an EEPROM cell, the above-mentioned capacitor in the booster circuit can be formed at the same time, so that the capacitor can be formed without burdening the process, and the dielectric layer is made of a silicon oxide film, a nitride film. When the capacitor is formed of a layer in which a silicon film and a silicon oxide film are stacked in this order, the area of the capacitor can be reduced due to the presence of the silicon nitride film having a high dielectric constant. In addition, the presence of the silicon oxide film in the dielectric layer indicates that the upper electrode and the lower electrode of the capacitor are formed of a polysilicon film, and that the electrode and the dielectric layer are different from each other when the silicon nitride film is in direct contact with the electrode. Can be alleviated at the boundary of.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a device sectional view showing a configuration of an EEPROM according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a device plan view showing an arrangement of memory cells of the EEPROM according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a graph showing a breakdown voltage characteristic of the EEPROM according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a partial cross-sectional view of the device in each step for explaining the method for manufacturing the EEPROM according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a device cross-sectional view illustrating a configuration of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a process flow chart showing a method for manufacturing a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.
FIGS. 7A to 7C are cross-sectional views of a device in respective steps for describing a method of manufacturing a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a device sectional view showing a configuration of three types of semiconductor devices according to a third embodiment of the present invention.
FIGS. 9A to 9C are cross-sectional views of a semiconductor device in respective steps for describing a method of manufacturing one semiconductor device according to a third embodiment of the present invention.
FIGS. 10A to 10C are cross-sectional views of a device in respective steps for describing a method of manufacturing another semiconductor device according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a device sectional view showing a configuration of a conventional EEPROM cell.
FIG. 12 is a plan view and a sectional view of a device showing a configuration of a conventional EEPROM cell.
FIG. 13 is a device sectional view showing a configuration of a conventional EEPROM cell arranged in a matrix.
FIG. 14 is a device cross-sectional view showing a configuration of a conventional EEPROM cell and a high breakdown voltage transistor mounted on the same chip as the EEPROM cell.
[Explanation of symbols]
10 Substrate
21a, 21b Drain region
22a, 23a, 25a, 22b, 23b, 25b NImpurity diffusion region
24a, 24b TNImpurity diffusion region
26 Source area
27a, 27b NImpurity diffusion region
30 Gate oxide film
32 Tunnel oxide film
52a, 54b floating gate
74a, 74b control gate

Claims (8)

選択トランジスタとメモリトランジスタを有する複数のEEPROMセルを、隣接するセルのメモリトランジスタが共通のソース領域を有するよう配置した半導体装置において、
前記メモリトランジスタが、
第1導電型を有する半導体基板表面上に形成されたトンネル絶縁膜と、
前記トンネル絶縁膜上に形成されたフローティングゲートと、
前記フローティングゲート上に形成された絶縁層と、
前記絶縁層上に形成されたコントロールゲートと、
前記フローティングゲート直下の一部領域にあたる該半導体基板表面層に形成された第2導電型の第1不純物拡散領域と、
前記フローティングゲート脇の該半導体基板表面層に形成された第2導電型の前記ソース領域と、
前記ソース領域に隣接する該基板表面層に形成された該ソース領域より低不純物濃度の第2導電型の第2不純物拡散領域と、
前記コントロールゲート、前記絶縁層および前記フローティングゲートを突き抜ける開口と、
この開口領域に対応する基板表面層に、前記第1不純物拡散領域より低濃度の不純物濃度を有する第2導電型の第3不純物拡散領域とを有することを特徴とする半導体装置
In a semiconductor device in which a plurality of EEPROM cells having a selection transistor and a memory transistor are arranged such that memory transistors of adjacent cells have a common source region,
The memory transistor,
A tunnel insulating film formed on a surface of the semiconductor substrate having the first conductivity type;
A floating gate formed on the tunnel insulating film;
An insulating layer formed on the floating gate;
A control gate formed on the insulating layer,
A first impurity diffusion region of a second conductivity type formed in the semiconductor substrate surface layer corresponding to a partial region immediately below the floating gate;
A second conductivity type source region formed in the semiconductor substrate surface layer beside the floating gate ;
A second impurity diffusion region of a second conductivity type having a lower impurity concentration than the source region formed in the substrate surface layer adjacent to the source region;
An opening that penetrates the control gate, the insulating layer and the floating gate,
A semiconductor device having a second conductivity type third impurity diffusion region having an impurity concentration lower than that of the first impurity diffusion region in a substrate surface layer corresponding to the opening region .
前記選択トランジスタが、該選択トランジスタのゲート電極脇に形成された第2導電型のドレイン領域と、該ドレイン領域のゲート電極側に隣接する該基板表面層に、当該ドレイン領域より低不純物濃度の第2導電型の第4不純物拡散領域を有し、
前記第2不純物拡散領域、前記第3不純物拡散領域、および前記第4不純物拡散領域が、略同一不純物濃度を有することを特徴とする請求項に記載の半導体装置。
The select transistor has a second conductive type drain region formed on the side of the gate electrode of the select transistor and a substrate surface layer adjacent to the gate electrode side of the drain region, the second conductive type having a lower impurity concentration than the drain region. A second impurity-type fourth impurity diffusion region;
It said second impurity diffusion region, said third impurity diffusion region, and the fourth impurity diffusion region, the semiconductor device according to claim 1, characterized in that it has substantially the same impurity concentration.
さらに、前記EEPROMの周辺回路領域を有し、
前記周辺回路領域に、前記EEPROMのデータの書き込みもしくは消去に必要とされる高電圧下で動作可能であって、ソース領域およびドレイン領域のゲート側端部の基板表面層に、前記各領域とゲート電極直下のチャネル形成領域とに一部重複するように、これらと同一の導電型の不純物拡散領域を有する高耐圧MOSトランジスタを有することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
Further, it has a peripheral circuit area of the EEPROM,
The peripheral circuit region is operable at a high voltage required for writing or erasing the data in the EEPROM, and the region and the gate are formed on the substrate surface layer at the gate side end of the source region and the drain region. 2. The semiconductor device according to claim 1, further comprising a high-breakdown-voltage MOS transistor having an impurity diffusion region of the same conductivity type as these so as to partially overlap with a channel formation region immediately below the electrodes.
さらに、前記EEPROMの周辺回路領域を有し、
前記周辺回路領域に、前記EEPROMのデータの書き込みもしくは消去のために必要な高電圧を供給する昇圧回路と、
前記昇圧回路中に、上層電極と下層電極およびこれらの電極で挟まれた誘電体層からなるキャパシタを有し、
前記誘電体層が、前記EEPROMの前記絶縁層と同一層を含むものであることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
Further, it has a peripheral circuit area of the EEPROM,
A booster circuit for supplying a high voltage necessary for writing or erasing data in the EEPROM to the peripheral circuit area ;
In the booster circuit, having a capacitor consisting of an upper electrode and a lower electrode and a dielectric layer sandwiched between these electrodes,
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the dielectric layer includes the same layer as the insulating layer of the EEPROM .
選択トランジスタとメモリトランジスタを有する複数のEEPROMセルを、隣接するセルのメモリトランジスタが共通のソース領域を有するよう配置された半導体装置の製造方法において、
メモリトランジスタ形成領域の一部の第1導電型の基板表面層に第2導電型の第1不純物拡散領域を形成する工程と、
該基板表面上に選択トランジスタのゲート絶縁膜を形成する工程と、
メモリトランジスタ形成領域上の前記ゲート絶縁膜を除去し、該除去領域にトンネル絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜および前記トンネル絶縁膜上に第1ポリシリコン膜、絶縁層、第2ポリシリコン膜を順次形成する工程と、
前記第1ポリシリコン膜、絶縁層および第2ポリシリコン膜をそれぞれエッチングし、選択トランジスタと開口部を有するメモリトランジスタの各ゲートパターンを形成する工程と、
前記各ゲートパターンを注入マスクとして、イオン注入法により基板表面層に複数の第2導電型の低濃度不純物拡散領域を形成する工程と、
前記各ゲートパターン側壁にサイドウォールを形成し、これを注入マスクとして、イオン注入法により第2導電型の高濃度不純物拡散領域であるソース/ドレイン領域を形成する工程とを有し、
前記低濃度不純物拡散領域を形成する工程が、前記ドレイン領域、前記第1不純物拡散領域それぞれに一部重複する低濃度不純物拡散領域とともに、前記ソース領域に一部重複する低濃度不純物拡散領域を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
In a method of manufacturing a semiconductor device in which a plurality of EEPROM cells having a selection transistor and a memory transistor are arranged such that memory transistors of adjacent cells have a common source region ,
Forming a first impurity diffusion region of the second conductivity type in a part of the first conductivity type substrate surface layer of the memory transistor formation region;
Forming a gate insulating film of a select transistor on the substrate surface;
Removing the gate insulating film on the memory transistor forming region and forming a tunnel insulating film in the removed region;
Sequentially forming a first polysilicon film, an insulating layer, and a second polysilicon film on the gate insulating film and the tunnel insulating film;
Etching the first polysilicon film, the insulating layer, and the second polysilicon film, respectively, to form respective gate patterns of a select transistor and a memory transistor having an opening ;
Forming a plurality of second-conductivity-type low-concentration impurity diffusion regions in the substrate surface layer by an ion implantation method using the gate patterns as an implantation mask;
Forming side walls on the side walls of each of the gate patterns, and using these as an implantation mask, forming source / drain regions as high-concentration impurity diffusion regions of the second conductivity type by ion implantation,
The step of forming the low concentration impurity diffusion region includes forming the low concentration impurity diffusion region partially overlapping the source region together with the low concentration impurity diffusion region partially overlapping the drain region and the first impurity diffusion region. A method of manufacturing a semiconductor device.
前記ゲート絶縁膜を形成する工程において、同時に周辺回路領域にゲート絶縁膜を形成し、In the step of forming the gate insulating film, simultaneously forming a gate insulating film in the peripheral circuit region,
前記第1ポリシリコン膜、絶縁層、第2ポリシリコン膜を順次形成する工程において、同時に前記周辺回路領域の前記ゲート絶縁膜上に前記第1ポリシリコン膜、絶縁層、第2ポリシリコン膜を順次形成し、  In the step of sequentially forming the first polysilicon film, the insulating layer, and the second polysilicon film, the first polysilicon film, the insulating layer, and the second polysilicon film are simultaneously formed on the gate insulating film in the peripheral circuit region. Formed sequentially,
前記各ゲートパターンを形成する工程において、同時に前記周辺回路領域に、前記第1ポリシリコン膜、絶縁層及び第2ポリシリコン膜をエッチングし、高耐圧MOSトランジスタのゲートパターンを形成し、  In the step of forming each of the gate patterns, the first polysilicon film, the insulating layer and the second polysilicon film are simultaneously etched in the peripheral circuit region to form a gate pattern of a high voltage MOS transistor;
前記第2導電型の低濃度不純物拡散領域を形成する工程において、同時に前記周辺回路領域のゲートパターンを注入マスクとして使用し、第2導電型の低濃度不純物拡散領域を形成し、In the step of forming the second conductivity type low concentration impurity diffusion region, simultaneously using the gate pattern of the peripheral circuit region as an implantation mask, forming a second conductivity type low concentration impurity diffusion region;
この後、前記各ゲートパターン側壁にサイドウォールを形成し、これを注入マスクとして、EEPROMセル形成領域と高耐圧MOSトランジスタ形成領域の基板表面層にイオン注入法により第2導電型の高濃度不純物拡散領域であるソース/ドレイン領域を形成することを特徴とする請求項5に記載の半導体装置の製造方法。  Thereafter, sidewalls are formed on the sidewalls of each of the gate patterns, and using the sidewalls as implantation masks, high-concentration impurity diffusion of the second conductivity type is performed by ion implantation into the substrate surface layer in the EEPROM cell formation region and the high breakdown voltage MOS transistor formation region. 6. The method according to claim 5, wherein the source / drain regions are formed.
前記ゲート絶縁膜を形成する工程において、同時に周辺回路領域にゲート絶縁膜を形成し、  In the step of forming the gate insulating film, simultaneously forming a gate insulating film in the peripheral circuit region,
前記第1ポリシリコン膜、絶縁層、第2ポリシリコン膜を順次形成する工程において、同時に前記周辺回路領域の前記ゲート絶縁膜上に前記第1ポリシリコン膜、絶縁層、第2ポリシリコン膜を順次形成し、  In the step of sequentially forming the first polysilicon film, the insulating layer, and the second polysilicon film, the first polysilicon film, the insulating layer, and the second polysilicon film are simultaneously formed on the gate insulating film in the peripheral circuit region. Formed sequentially,
前記各ゲートパターンを形成する工程において、同時に前記周辺回路領域に、前記第1ポリシリコン膜、絶縁層及び第2ポリシリコン膜をエッチングし、前記第1ポリシリコン膜を下層電極とし、前記絶縁層を誘電体層とし、前記第2ポリシリコン膜を上層電極とするキャパシタパターンを形成することを特徴とする請求項5に記載の半導体装置の製造方法。  In the step of forming each of the gate patterns, the first polysilicon film, the insulating layer, and the second polysilicon film are simultaneously etched in the peripheral circuit region, and the first polysilicon film is used as a lower electrode, and the insulating layer is formed. 6. The method according to claim 5, wherein a capacitor pattern is formed using the first polysilicon film as a dielectric layer and the second polysilicon film as an upper electrode.
前記第1不純物拡散領域を形成する工程において、同時に前記周辺回路領域の基板表面層に第1不純物拡散領域を形成し、In the step of forming the first impurity diffusion region, simultaneously forming a first impurity diffusion region in a substrate surface layer of the peripheral circuit region;
前記ゲート絶縁膜を形成する工程において、同時に周辺回路領域にゲート絶縁膜を形成し、  In the step of forming the gate insulating film, simultaneously forming a gate insulating film in the peripheral circuit region,
前記第1ポリシリコン膜、絶縁層、第2ポリシリコン膜を順次形成する工程において、同時に前記周辺回路領域の前記ゲート絶縁膜上に少なくとも前記第1ポリシリコン膜を形成し、  In the step of sequentially forming the first polysilicon film, the insulating layer, and the second polysilicon film, simultaneously forming at least the first polysilicon film on the gate insulating film in the peripheral circuit region;
前記各ゲートパターンを形成する工程において、同時に前記周辺回路領域に、前記第1ポリシリコン膜、及びゲート絶縁膜をエッチングし、前記第1不純物拡散領域を下層電極とし、前記ゲート絶縁膜を誘電体層とし、前記第1ポリシリコン膜を上層電極とするキャパシタパターンを形成することを特徴とする請求項5に記載の半導体装置の製造方法。  In the step of forming each of the gate patterns, the first polysilicon film and the gate insulating film are simultaneously etched in the peripheral circuit region, the first impurity diffusion region is used as a lower electrode, and the gate insulating film is made of a dielectric material. 6. The method according to claim 5, wherein a capacitor pattern is formed as a layer and the first polysilicon film is used as an upper electrode.
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