JP4224000B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents

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Description

本発明はMIS型構造を有する半導体装置に係わるものである。更に、本発明は、特
に不揮発性半導体記憶装置及びその製造方法に関するものである。
The present invention relates to a semiconductor device having a MIS type structure. Furthermore, the present invention particularly relates to a nonvolatile semiconductor memory device and a manufacturing method thereof.

不揮発性半導体記憶装置は、通例、半導体集積回路装置として構成されている。その代表的な例は、電気的に書込みおよび消去が可能なフラッシュメモリ装置である。このフラッシュメモリ装置は、例えば、特開昭62-276878号公報(特許文献1)、特開平3-219496号公報(特許文献2)あるいはIEDM,1992 92-991〜92-993に掲載の久米氏の論文「 A1.28μm2 Contactless Memory Cell Technology for a 3V-Only 64Mbit EEPROM」(非特許文献1)などに記載されている。   The nonvolatile semiconductor memory device is usually configured as a semiconductor integrated circuit device. A typical example is a flash memory device that can be electrically written and erased. This flash memory device is disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 62-276878 (Patent Document 1), Japanese Patent Laid-Open No. 3-219496 (Patent Document 2) or IEDM, 1992 92-991 to 92-993. In the paper “A1.28 μm 2 Contactless Memory Cell Technology for a 3V-Only 64 Mbit EEPROM” (Non-patent Document 1).

図10にこうしたフラッシュメモリ装置の例の主要部の断面構造を示す。メモリの主要部はいわゆるスタック構造が幅広く用いられている。スタック構造とは、例えば電気的なスイッチ回路の上部に記憶用に供される容量が搭載された概括的形態の一般的呼称である。図10において、601は単結晶Si基板、602は素子分離酸化膜、603はゲート酸化膜(トンネル絶縁膜)、606は浮遊ゲート電極、607は層間絶縁膜、608は制御ゲート電極、610はソース、611はドレイン、609,612,613は絶縁膜、614はソース配線、及び615はドレイン配線を各々示している。   FIG. 10 shows a cross-sectional structure of the main part of an example of such a flash memory device. A so-called stack structure is widely used as the main part of the memory. The stack structure is a general name of a general form in which a capacitor provided for storage is mounted on an electrical switch circuit, for example. In FIG. 10, 601 is a single crystal Si substrate, 602 is an element isolation oxide film, 603 is a gate oxide film (tunnel insulating film), 606 is a floating gate electrode, 607 is an interlayer insulating film, 608 is a control gate electrode, and 610 is a source. 611, drain, 609, 612, 613, insulating film, 614, source wiring, and 615, drain wiring.

このメモリ主要部の構成を、以下に詳細に説明する。ゲート酸化膜603には厚さ7.5nm〜10nmのシリコン酸化膜が用いられている。このシリコン酸化膜は通例Si基板を熱酸化して形成されている。浮遊ゲート電極606はリンを高濃度に含んだ多結晶Si膜が用いられており、膜厚は約50nm〜200nm程度である。層間絶縁膜607には、減圧化学気相成長法(以下LP−CVDと記す)で形成したSiO2膜/Si34膜/SiO2膜の積層膜607が用いられている。この積層膜607はいわゆるONO膜(以下、この膜をONO膜と略記する)と称されている。 The configuration of the main part of the memory will be described in detail below. As the gate oxide film 603, a silicon oxide film having a thickness of 7.5 nm to 10 nm is used. This silicon oxide film is usually formed by thermally oxidizing a Si substrate. The floating gate electrode 606 is a polycrystalline Si film containing phosphorus at a high concentration, and the film thickness is about 50 nm to 200 nm. As the interlayer insulating film 607, a laminated film 607 of SiO 2 film / Si 3 N 4 film / SiO 2 film formed by low pressure chemical vapor deposition (hereinafter referred to as LP-CVD) is used. This laminated film 607 is called a so-called ONO film (hereinafter, this film is abbreviated as ONO film).

このフラッシュメモリの情報の第1の状態、例えば書き込みは次の方法によっている。ドレイン611を正バイアス(例えば+4V)、制御ゲート電極608を負バイアス(例えば−10V)、ソース610を開放し、一方、Si基板601を0Vに各々設定する。この状態では浮遊ゲート電極606に蓄積した電子はドレイン611側に引き抜かれて情報の書き込みが行われる。上記の各電圧は、それぞれ100マイクロ秒幅程度のパルスを用いて印加される。この方法によれば、浮遊ゲート電極606中の電子がファウラー・ノルドハイム(Fowler−Nordheim)トンネル電流(以下、F−N電流と略記する)によってドレイン611側に引き抜かれる。   The first state of the information in the flash memory, for example, writing is performed by the following method. The drain 611 is set to a positive bias (for example, + 4V), the control gate electrode 608 is set to a negative bias (for example, −10V), the source 610 is opened, while the Si substrate 601 is set to 0V. In this state, electrons accumulated in the floating gate electrode 606 are extracted to the drain 611 side, and information is written. Each of the above voltages is applied using a pulse having a width of about 100 microseconds. According to this method, electrons in the floating gate electrode 606 are extracted to the drain 611 side by a Fowler-Nordheim tunnel current (hereinafter abbreviated as FN current).

また、情報の第2の状態、例えば消去は次の方法によっている。制御ゲート電極608を正バイアス(例えば+10V)、Si基板601を負バイアス(例えば−4V)、ソース610、及びドレイン611を開放の状態に各々設定する。この状態では、Si基板601から浮遊ゲート電極606に電子が注入され情報を消去する。電圧はそれぞれ100マイクロ秒幅程度のパルスを用いて印加される。   The second state of information, for example, erasure is performed by the following method. The control gate electrode 608 is set to a positive bias (for example, +10 V), the Si substrate 601 is set to a negative bias (for example, −4 V), and the source 610 and the drain 611 are set to an open state. In this state, electrons are injected from the Si substrate 601 to the floating gate electrode 606 to erase information. Each voltage is applied using a pulse having a width of about 100 microseconds.

尚、上記情報の保持の状態として、第1および第2の状態を各々書き込みおよび消去と称したが、同じ電荷の状態に対して逆の呼称をすることもある。これは動作方式による。しかし、問題の所在は同様である。以下、電荷の状態に対して便宜的に上記の呼称を使用する。これは、明細書内容の理解を容易ならしめる為である。逆の呼称の動作方式の場合も、その電荷状態で本願明細書における電荷状態を読み替えるものとして、本願発明に含まれるものであることは言うまでもない。   As the information holding state, the first and second states are referred to as writing and erasing, respectively. However, the same charge state may be called in reverse. This depends on the operating method. However, the problem is similar. Hereinafter, for convenience, the above names are used for the state of charge. This is to facilitate understanding of the contents of the specification. It is needless to say that the operation method of the reverse designation is also included in the present invention as the charge state in this specification is read as the charge state.

特開昭62−276878号公報JP-A-62-276878 特開平3−219496号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-219396 IEDM,1992, KUME「 A1.28μm2 Contactless Memory Cell Technology for a 3V-Only 64Mbit EEPROM」(92-991〜92-993)IEDM, 1992, KUME “A1.28μm2 Contactless Memory Cell Technology for a 3V-Only 64Mbit EEPROM” (92-991 to 92-993) アイイーイーイー・エレクトロン・デバイス・レターズ12巻11号 1991年 (IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS, Vol.12, No.11,November 1991)(p587)IEE Electron Device Letters Vol.12 No.11 1991 (IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS, Vol.12, No.11, November 1991) (p587)

フラッシュメモリにおける情報の書換えは、ゲート絶縁膜を介して浮遊ゲート電極への電子の注入および引き抜き動作により行っている。この書換え時間はゲート絶縁膜中を流れるF−N電流量に依存している。このF−N電流量はゲート絶縁膜の膜厚に大きく依存するので、ゲート絶縁膜が薄いほど書換え時間は短くできる。しかし、ゲート絶縁膜の薄膜化は、次に示す問題を誘発する。以下、図を用いて問題点の概要を説明する。   Information rewriting in the flash memory is performed by injecting and extracting electrons from the floating gate electrode through the gate insulating film. This rewriting time depends on the amount of FN current flowing in the gate insulating film. Since this FN current amount greatly depends on the film thickness of the gate insulating film, the thinner the gate insulating film, the shorter the rewriting time. However, the thinning of the gate insulating film induces the following problems. The outline of the problem will be described below with reference to the drawings.

図15は定電流(F−N電流)ストレス印加前後のMOSキャパシタの電界−電流特性を示した図である。尚、ストレス印加とは、実装された現実の状態でストレスが加わった状態を加速的にテストする為の方法を意味している。即ち、この方法はメモリセルに所定量の電荷を注入し、この電荷注入前後のメモリ特性を比較検討するものである。この場合に電荷の注入をストレス印加と称している。   FIG. 15 is a diagram showing the electric field-current characteristics of the MOS capacitor before and after applying a constant current (FN current) stress. The stress application means a method for acceleratingly testing a state in which stress is applied in a mounted actual state. That is, this method injects a predetermined amount of charge into a memory cell and compares the memory characteristics before and after the charge injection. In this case, charge injection is referred to as stress application.

図15において実線はストレス印加前の特性、点線はストレス印加後の特性を示している。この例では、注入電流密度は0.1A/cm2で、注入電荷量は1C/cm2の例である。図15から明らかなように、ストレス印加後、その漏洩電流は低電界領域(例えば±8MV/cm以下)で増大している。これは、ストレス印加の為にF−N電流注入をゲート絶縁膜に行うと、ゲート絶縁膜に注入された正孔等が、ゲート絶縁膜内に新たな準位を形成する。そして、この準位を介した漏洩電流が増大する為である。 In FIG. 15, the solid line indicates the characteristic before the stress is applied, and the dotted line indicates the characteristic after the stress is applied. In this example, the injection current density is 0.1 A / cm 2 and the injection charge amount is 1 C / cm 2 . As is apparent from FIG. 15, after applying stress, the leakage current increases in a low electric field region (for example, ± 8 MV / cm or less). This is because when FN current injection is performed on the gate insulating film for applying stress, holes or the like injected into the gate insulating film form new levels in the gate insulating film. This is because the leakage current through this level increases.

この低電界領域における漏洩電流は、ラッシュメモリの電荷保持特性の劣化を引き起こす主原因となる。即ち、この電荷保持特性の劣化の具体的要因は、一般的にフラッシュメモリのリテンション不良(浮遊ゲートから基板側へ電荷が漏洩)やディスターブ不良(基板側から浮遊ゲート側へ電荷が漏洩)と呼ばれるものである。   This leakage current in the low electric field region is a main cause of deterioration of charge retention characteristics of the rush memory. That is, the specific cause of the deterioration of the charge retention characteristic is generally called a retention failure of the flash memory (a charge leaks from the floating gate to the substrate side) or a disturbance failure (a charge leaks from the substrate side to the floating gate side). Is.

図16はフラッシュメモリセルにおけるゲート絶縁膜の膜厚と電流密度との関係を示した図である。黒点の特性はゲート絶縁膜の膜厚とF−N電流との関係、白点の特性はゲート絶縁膜の膜厚と低電界での漏洩電流の関係を表わしている。図16より理解されるように、上記低電界での漏洩電流はゲート絶縁膜を厚くすることで抑制できる。しかし、低電界での漏洩電流とF−N電流は、ゲート絶縁膜の膜厚に対してトレードオフの関係が有る。従って、ゲート絶縁膜を厚くするとF−N電流が減少し、書換え時間の増大という新たな問題が発生する。   FIG. 16 is a diagram showing the relationship between the thickness of the gate insulating film and the current density in the flash memory cell. The black dot characteristic represents the relationship between the gate insulating film thickness and the FN current, and the white dot characteristic represents the relationship between the gate insulating film thickness and the leakage current in a low electric field. As understood from FIG. 16, the leakage current in the low electric field can be suppressed by increasing the thickness of the gate insulating film. However, the leakage current and the FN current in a low electric field have a trade-off relationship with the film thickness of the gate insulating film. Therefore, when the gate insulating film is thickened, the FN current decreases, and a new problem of increasing the rewriting time occurs.

この問題を解決する1つの手段として、従来の熱酸化膜に微量な窒素を導入した酸窒化膜を用いることで、低電界での漏洩電流を抑制する方法が提案されている。例えば、アイイーイーイー・エレクトロン・デバイス・レターズ12巻11号 1991年 (IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS, Vol.12, No.11, p587, November 1991)(非特許文献2)である。しかし、この方法を用いても電荷保持特性を保証する十分なレベルには未だ至っていない。   As one means for solving this problem, a method of suppressing a leakage current in a low electric field by using an oxynitride film in which a small amount of nitrogen is introduced into a conventional thermal oxide film has been proposed. For example, IEE Electron Device Letters, Vol. 12, No. 11, 1991 (IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS, Vol. 12, No. 11, p587, November 1991) (Non-Patent Document 2). However, even if this method is used, a sufficient level for guaranteeing the charge retention characteristic has not yet been reached.

本発明の目的は、書換え動作によるゲート絶縁膜の低電界での漏洩電流を抑制しつつ、F−N電流増大せしめた不揮発性の半導体装置を提供するものである。更には、本発明の目的はその製造方法を提供することに有る。もって、本発明は高信頼性かつ高速書換えの不揮発性の半導体装置を提供し得るものである。   An object of the present invention is to provide a nonvolatile semiconductor device in which a FN current is increased while suppressing a leakage current in a low electric field of a gate insulating film due to a rewrite operation. Furthermore, the object of the present invention is to provide a manufacturing method thereof. Therefore, the present invention can provide a highly reliable and high-speed rewritable nonvolatile semiconductor device.

本明細書の開示される発明のうち代表的な例の概要を説明すれば、以下の通りである。   The outline of a representative example of the invention disclosed in this specification will be described as follows.

本発明の半導体装置の一つの形態は次の特徴を有する。即ち、それは、ゲート絶縁膜を介して設けられ且つ平均膜厚10nm以下、より好ましくは8nm以下の非単結晶シリコン膜からなる浮遊ゲート電極と、前記浮遊ゲート電極に少なくとも一部が積層する形で層間絶縁膜を介して設けられた制御ゲート電極とを少なくとも有する電気的に書換え可能な不揮発性の半導体装置である。本発明の効果は平均膜厚10nmより以下で認められ。そして、平均膜厚8nm以下において極めて顕著に効果は現れる。   One form of the semiconductor device of the present invention has the following characteristics. That is, the floating gate electrode is formed through a non-single crystal silicon film having an average film thickness of 10 nm or less, more preferably 8 nm or less, and at least a part of which is laminated on the floating gate electrode. This is an electrically rewritable nonvolatile semiconductor device having at least a control gate electrode provided through an interlayer insulating film. The effect of the present invention is recognized when the average film thickness is 10 nm or less. The effect appears remarkably when the average film thickness is 8 nm or less.

本発明の半導体装置の別な形態は次の特徴を有する。即ち、それは、ゲート絶縁膜を介して設けられた非晶質シリコン膜からなる浮遊ゲート電極と、前記浮遊ゲート電極に少なくとも一部が積層する形で層間絶縁膜を介して設けられた制御ゲート電極とを少なくとも有する電気的に書換え可能な不揮発性の半導体装置である。   Another embodiment of the semiconductor device of the present invention has the following characteristics. That is, it includes a floating gate electrode made of an amorphous silicon film provided via a gate insulating film, and a control gate electrode provided via an interlayer insulating film in such a manner that at least a part of the floating gate electrode is laminated on the floating gate electrode And an electrically rewritable nonvolatile semiconductor device.

尚、上記非単結晶シリコンとは多結晶シリコンあるいは非晶質シリコン、あるいはそれら両者の混在形態などを指している。これまでの半導体装置分野の製造工程、製造方法に基づけば多結晶シリコンが最も用い易い。   The non-single-crystal silicon refers to polycrystalline silicon, amorphous silicon, or a mixed form of both. Polycrystalline silicon is the easiest to use based on the manufacturing process and manufacturing method in the field of semiconductor devices.

本発明の半導体装置の更に別な形態は次の通りである。即ち、それは、ゲート絶縁膜を介して設けられ且つ複数の導体ないし半導体膜から構成された浮遊ゲート電極と、前記浮遊ゲート電極に少なくとも一部が積層する形で層間絶縁膜を介して設けられた制御ゲート電極とを少なくとも有し電気的に書換え可能な不揮発性の半導体装置である。そして、前記浮遊ゲート電極を構成する層のうちゲ−ト絶縁膜に接する層の膜厚が平均膜厚10nm以下、より好ましくは平均膜厚8nm以下の非単結晶シリコン膜である。本発明の効果は平均膜厚10nmより以下で認められる。そして、平均膜厚8nm以下において極めて顕著に効果は現れる。   Still another embodiment of the semiconductor device of the present invention is as follows. That is, it is provided via the interlayer insulating film in a form in which at least a part is stacked on the floating gate electrode provided via the gate insulating film and composed of a plurality of conductors or semiconductor films. The nonvolatile semiconductor device has at least a control gate electrode and is electrically rewritable. Of the layers constituting the floating gate electrode, a non-single-crystal silicon film having an average film thickness of 10 nm or less, more preferably an average film thickness of 8 nm or less is in contact with the gate insulating film. The effect of the present invention is recognized when the average film thickness is 10 nm or less. The effect appears remarkably when the average film thickness is 8 nm or less.

本発明の半導体装置の更に別な形態は次の通りである。即ち、それは、ゲート絶縁膜を介して設けられ且つ複数の導体ないし半導体膜から構成された浮遊ゲート電極と、前記浮遊ゲート電極に少なくとも一部が積層する形で層間絶縁膜を介して設けられた制御ゲート電極とを少なくとも有し電気的に書換え可能な不揮発性の半導体装置である。そして、前記浮遊ゲート電極を構成する層のうちゲ−ト絶縁膜に接する層が非晶質シリコン膜である。   Still another embodiment of the semiconductor device of the present invention is as follows. That is, it is provided via the interlayer insulating film in a form in which at least a part is stacked on the floating gate electrode provided via the gate insulating film and composed of a plurality of conductors or semiconductor films. The nonvolatile semiconductor device has at least a control gate electrode and is electrically rewritable. Of the layers constituting the floating gate electrode, the layer in contact with the gate insulating film is an amorphous silicon film.

尚、非単結晶シリコンとは多結晶シリコンあるいは非晶質シリコン、あるいはそれら両者の混在形態などを指している。これまでの半導体装置分野の製造工程、製造方法に基づけば多結晶シリコンが最も用い易い。   Note that non-single-crystal silicon refers to polycrystalline silicon, amorphous silicon, or a mixed form of both. Polycrystalline silicon is the easiest to use based on the manufacturing process and manufacturing method in the field of semiconductor devices.

上記浮遊ゲート電極を構成する2層以上の導体あるいは半導体材料の内、上記ゲ−ト絶縁膜に接する層以外の層は通例の半導体記憶装置において、浮遊ゲートの材料として用いている材料でよい。これらを例示すれば、半導体材料としてはシリコン、導体としては高濃度に不純物を含有する多結晶シリコン、タングステン、あるいはチタンナイトライドなどをあげることが出来る。   Of the two or more conductors or semiconductor materials constituting the floating gate electrode, the layers other than the layer in contact with the gate insulating film may be materials used as a material for the floating gate in a typical semiconductor memory device. For example, silicon can be used as the semiconductor material, and polycrystalline silicon, tungsten, or titanium nitride containing impurities at a high concentration can be used as the conductor.

尚、浮遊ゲート電極において、前記ゲート絶縁膜に接する層より上層のシリコン膜が燐(P)または砒素(As)を含んだ多結晶シリコン膜を多用する。   In the floating gate electrode, a polycrystalline silicon film containing phosphorus (P) or arsenic (As) is frequently used as the silicon film above the layer in contact with the gate insulating film.

上記浮遊ゲート電極のゲート絶縁膜に接する層の厚みは、多結晶シリコンの場合、8nm以下の範囲が良い。又、多結晶シリコンの平均粒径は20nm以下となすのがより好適である。一方、非晶質シリコンの場合、8nm以下の範囲が良い。尚、上記浮遊ゲート電極全体としての厚みは、不揮発性半導体記憶装置における通例の厚みとして充分である。   The thickness of the layer in contact with the gate insulating film of the floating gate electrode is preferably 8 nm or less in the case of polycrystalline silicon. The average grain size of polycrystalline silicon is more preferably 20 nm or less. On the other hand, in the case of amorphous silicon, the range of 8 nm or less is preferable. The total thickness of the floating gate electrode is sufficient as a typical thickness in a nonvolatile semiconductor memory device.

本発明の半導体装置の別な形態によれば、ゲート絶縁膜を介して設けられた浮遊ゲート電極と、前記浮遊ゲート電極に少なくとも一部が積層する形で層間絶縁膜を介して設けられた制御ゲート電極とを少なくとも有し、前記浮遊ゲート電極が同一マスクを用いて加工された2層以上の導体ないし半導体膜から構成され、ゲ−ト絶縁膜に接する層の薄膜が平均膜厚10nm以下、より好ましくは平均膜厚8nm以下のシリコン膜であることを特徴とする電気的に書換え可能な不揮発性の半導体装置である。   According to another aspect of the semiconductor device of the present invention, the floating gate electrode provided via the gate insulating film, and the control provided via the interlayer insulating film in a form where at least a part of the floating gate electrode is laminated. At least a gate electrode, wherein the floating gate electrode is composed of two or more layers of conductors or semiconductor films processed using the same mask, and the thin film of the layer in contact with the gate insulating film has an average film thickness of 10 nm or less, More preferably, the electrically rewritable nonvolatile semiconductor device is a silicon film having an average film thickness of 8 nm or less.

この場合、上記浮遊ゲート電極のゲート絶縁膜に接する層の厚みは、多結晶シリコンの場合、8nm以下の範囲が極めて好ましい。又、この多結晶シリコンの平均粒径は20nm以下となすのがより好適である。一方、非晶質シリコンの場合、上記浮遊ゲート電極のゲート絶縁膜に接する層の厚みは、8nm以下の範囲が極めて好ましい。   In this case, the thickness of the layer in contact with the gate insulating film of the floating gate electrode is extremely preferably in the range of 8 nm or less in the case of polycrystalline silicon. The average grain size of this polycrystalline silicon is more preferably 20 nm or less. On the other hand, in the case of amorphous silicon, the thickness of the layer in contact with the gate insulating film of the floating gate electrode is extremely preferably in the range of 8 nm or less.

尚、上記浮遊ゲート電極全体としての厚みは、通例の厚みとして充分である。浮遊ゲート電極において、前記ゲート絶縁膜に接する層より上層のシリコン膜が燐(P)または砒素(As)を含んだ多結晶シリコン膜を多用する。   The thickness of the entire floating gate electrode is sufficient as a usual thickness. In the floating gate electrode, a polycrystalline silicon film containing phosphorus (P) or arsenic (As) is frequently used as the silicon film above the layer in contact with the gate insulating film.

本願発明は、ゲート絶縁膜に関する下記知見に基づいてなされた。
(1)MOSキャパシタのF−N電流とゲート電極となる多結晶Si膜厚の関係についての検討を行った。この結果、多結晶Si膜の膜厚を約8nmより薄くすると、F−N電流が著しく増加することを見出した。
(2)ゲート絶縁膜に接するゲート電極を非晶質Si膜にしても上記(1)と同様の効果が得られる知見を得た。
The present invention has been made based on the following knowledge about the gate insulating film.
(1) The relationship between the FN current of the MOS capacitor and the thickness of the polycrystalline Si film serving as the gate electrode was examined. As a result, it has been found that when the thickness of the polycrystalline Si film is thinner than about 8 nm, the FN current is remarkably increased.
(2) The inventors have obtained knowledge that the same effect as the above (1) can be obtained even when the gate electrode in contact with the gate insulating film is an amorphous Si film.

こうした現象の発生する理由は次にように思考される。即ち、例えば多結晶のシリコン膜表面にある絶縁物、例えば酸素や窒素等は高温の熱処理を行うと、シリコン粒の界面を拡散して、多結晶シリコン膜の裏面(即ち、ゲート絶縁膜側の面)に達する。この時、裏面のシリコン膜と反応し、新たな絶縁物膜を形成する。この現象は微粒界に添って発生し勝ちである。この為、多結晶シリコンの裏面は微細な凹凸状を有することとなる。この結果、電界が印加された時、この微細な凸部において電界集中が発生し、むしろF-N電流が著しく増加するものと考えられる。   The reason for this phenomenon is considered as follows. That is, for example, when an insulator such as oxygen or nitrogen on the surface of the polycrystalline silicon film is subjected to a high-temperature heat treatment, the interface of the silicon grains diffuses and the back surface of the polycrystalline silicon film (that is, the gate insulating film side). Reach the surface). At this time, it reacts with the silicon film on the back surface to form a new insulator film. This phenomenon tends to occur along the grain boundary. For this reason, the back surface of the polycrystalline silicon has fine irregularities. As a result, it is considered that when an electric field is applied, electric field concentration occurs in the fine protrusions, and the F-N current increases remarkably.

更に、上記した本発明の形態において、非晶質シリコン膜と他のゲート材料を用い場合、上記ゲート絶縁物層に接する非晶質シリコン膜と他のゲート材料よりなる薄膜、即ち導体膜あるいは半導体の膜との界面に絶縁物の薄層が存在する。この絶縁物の薄層は、多くの場合、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、またはそれらの複合膜である。そして、この絶縁物の薄層の厚さは0.3nm以上1nm以下となっている。又、これらの絶縁物中、熱酸化物層が最も有用である。   Further, in the above-described embodiment of the present invention, when an amorphous silicon film and another gate material are used, a thin film made of an amorphous silicon film and another gate material in contact with the gate insulator layer, that is, a conductor film or a semiconductor. A thin layer of insulator exists at the interface with the film. This thin layer of insulator is often a silicon oxide film, a silicon nitride film, or a composite film thereof. And the thickness of the thin layer of this insulator is 0.3 nm or more and 1 nm or less. Of these insulators, the thermal oxide layer is most useful.

一般に、非晶質Si膜は600〜650℃以上の温度で結晶化が進行すると認識されている。しかし、我々は、膜表面に絶縁膜が存在する場合、膜厚が約8nm以下の極めて薄い非晶質シリコン膜は結晶化温度が高くなることを見出した。具体的には、ジシラン(Si26)を用いた減圧化学気相成長法により、約480℃以下の温度で形成した厚さ約8nm以下の非晶質シリコン膜は、約800℃以下の熱処理温度では結晶化しない知見を得た。但し、この現象は、非晶質シリコン膜表面に約0.3nm以上の絶縁膜が存在した場合に限られる。上記現象を利用して800℃以下のプロセスで電界効果トランジスタを作製すれば、非晶質シリコン膜からなるゲート電極を形成することが可能となる。 In general, it is recognized that crystallization of an amorphous Si film proceeds at a temperature of 600 to 650 ° C. or higher. However, we have found that when an insulating film is present on the film surface, a very thin amorphous silicon film having a film thickness of about 8 nm or less has a high crystallization temperature. Specifically, an amorphous silicon film having a thickness of about 8 nm or less formed at a temperature of about 480 ° C. or less by a low pressure chemical vapor deposition method using disilane (Si 2 H 6 ) has a temperature of about 800 ° C. or less. The knowledge that it does not crystallize at the heat treatment temperature was obtained. However, this phenomenon is limited to the case where an insulating film of about 0.3 nm or more exists on the surface of the amorphous silicon film. If a field effect transistor is manufactured by a process of 800 ° C. or less utilizing the above phenomenon, a gate electrode made of an amorphous silicon film can be formed.

本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を説明すれば、下記の通りである。   The effects obtained by typical inventions among those disclosed in the present application will be described as follows.

不揮発性半導体装置に代表されるフラシュメモリの低電界漏洩電流を増加させることなく、書換え電流(F−N電流)を大幅に増加させることができる。書換え電流(F−N電流)の増加は書換え時間の向上をもたらす。   The rewrite current (F-N current) can be greatly increased without increasing the low electric field leakage current of a flash memory typified by a nonvolatile semiconductor device. An increase in the rewriting current (F-N current) brings about an improvement in the rewriting time.

また、ゲート絶縁膜の破壊寿命も大幅に向上する。   In addition, the breakdown life of the gate insulating film is greatly improved.

これにより、従来法に比べ書換え時間が大幅に向上した、高信頼性の不揮発性半導体記憶装置を提供できる。   As a result, a highly reliable nonvolatile semiconductor memory device in which the rewriting time is significantly improved as compared with the conventional method can be provided.

先ず、本発明の基礎となるキャパシタを用いた比較実験について説明する。   First, a comparative experiment using a capacitor as the basis of the present invention will be described.

MOSキャパシタの電流−電圧特性(I−V特性)等の特性の比較を行なうため、3種類の平面キャパシタ構造を準備した。これらの断面図を図1、図2に示す。図1は本発明に対応する構造である。尚、図中、100番台の符号は下層のゲート用Si膜が多結晶Si膜の場合を、200番台の符号は下層のゲート用シリコン膜が非晶質Si膜の場合を夫々示している。双方、幾何学的形状は同様である。図2は従来のキャパシタ構造を示す断面図である。また、図3には、プロセスの違いを比較するための試料の条件を示した。   Three types of planar capacitor structures were prepared in order to compare characteristics such as current-voltage characteristics (IV characteristics) of MOS capacitors. These sectional views are shown in FIGS. FIG. 1 shows a structure corresponding to the present invention. In the figure, the reference number 100 indicates the case where the lower gate Si film is a polycrystalline Si film, and the reference number 200 indicates the case where the lower gate silicon film is an amorphous Si film. Both geometric shapes are the same. FIG. 2 is a cross-sectional view showing a conventional capacitor structure. FIG. 3 shows the sample conditions for comparing the differences in the processes.

まず、P型の単結晶Si基板101,201,および301の各々上に周知のLOCOS法により、500nmの素子分離酸化膜102,202,302を形成する。次いで、850℃のパイロジェニック酸化法により、膜厚が7.7nmのゲート絶縁膜を形成する。図1、および図2には、このゲート酸化膜を各々103,203,303と表示してある。この比較実験の各試料は図3に示した。   First, element isolation oxide films 102, 202, and 302 of 500 nm are formed on each of P-type single crystal Si substrates 101, 201, and 301 by a well-known LOCOS method. Next, a gate insulating film having a thickness of 7.7 nm is formed by a pyrogenic oxidation method at 850 ° C. In FIGS. 1 and 2, the gate oxide films are indicated as 103, 203, and 303, respectively. Each sample of this comparative experiment is shown in FIG.

次に、No.1とNo.6の試料は、従来のゲート電極である。   Next, no. 1 and No. Sample 6 is a conventional gate electrode.

これらの試料のゲート電極は200nmのリンドープの非晶質Si膜306である。このリンドープ非晶質Si膜306はSiとホスフィン(PH)を用た減圧化学気相成長法(以下LP−CVD法と記述する)による。尚、リンを3×1020/cm3の濃度に含有させた(図2)。 The gate electrode of these samples is a 200 nm phosphorus-doped amorphous Si film 306. The phosphorus-doped amorphous Si film 306 is formed by a low pressure chemical vapor deposition method (hereinafter referred to as LP-CVD method) using Si 2 H 6 and phosphine (PH 3 ). Phosphorus was contained at a concentration of 3 × 10 20 / cm 3 (FIG. 2).

一方、No.2〜No.5、及びNo.7の各試料は、ノンドープ非晶質Si膜、SiO2膜、及びリンドープ非晶質Si膜の積層構造を有するものである。 On the other hand, no. 2-No. 5 and no. Each sample 7 has a laminated structure of a non-doped amorphous Si film, a SiO 2 film, and a phosphorus-doped amorphous Si film.

各層の具体的厚さは次の通りである。ノンドープ非晶質Si膜104,204の膜厚は2〜8nm、 SiO2膜105,204の膜厚は0.5nm及びリンドープト非晶質Si膜106,206の膜厚は200nmである。これらの層は同一装置において、それぞれ順次連続して形成した。以下その詳細を説明する。 The specific thickness of each layer is as follows. The film thickness of the non-doped amorphous Si films 104 and 204 is 2 to 8 nm, the film thickness of the SiO 2 films 105 and 204 is 0.5 nm, and the film thickness of the phosphorus-doped amorphous Si films 106 and 206 is 200 nm. These layers were successively formed in the same apparatus. The details will be described below.

まず、Si2を用いたLP−CVD法により、ゲート酸化膜上103,203にノンドープ非晶質Si膜104,205を堆積した。堆積装置には、ロードロック機構を有する縦型LP−CVD装置を用いた。堆積温度は420℃、堆積圧力は70Pa、Siの流量は毎分150ccとした。キャリアガスとして窒素を同時に流し形成した。この窒素の流量は毎分2000ccである。 First, non-doped amorphous Si films 104 and 205 were deposited on the gate oxide films 103 and 203 by LP-CVD using Si 2 H 6 . A vertical LP-CVD apparatus having a load lock mechanism was used as the deposition apparatus. The deposition temperature was 420 ° C., the deposition pressure was 70 Pa, and the flow rate of Si 2 H 6 was 150 cc / min. It was formed by simultaneously flowing nitrogen as a carrier gas. The flow rate of this nitrogen is 2000 cc / min.

非晶質Si膜104,204の膜厚は、Siガスを導入する時間で制御した。各試料における非晶質Si膜は次の通りである。試料No.2は2nm、No.3は4nm、No.4は6nm、そしてNo.5は8nmである(図3参照)。続いて、Si2H6ガスを遮断し反応炉内を真空排気した後、酸素ガスを炉内に流し、減圧酸素雰囲気中で非晶質Si膜104,204表面にSiO2膜105,205を形成した。SiO2膜105,205の膜厚は、酸素分圧と時間により制御することが可能である。本実施例では、上記SiO2膜105,205の膜厚を0.5nmとした。続いて、減圧窒素中で、炉内の温度を525℃に昇温し、リンを3×1020/cm3含んだ非晶質Si膜106,206を200nmの膜厚に堆積した。本試料においても、上記リンドープ非晶質Si膜106,206の形成にSi26とPH3を用い、先に記述したリンドープ非晶質膜306と同様の条件で堆積を行なった。 The film thicknesses of the amorphous Si films 104 and 204 were controlled by the time for introducing Si 2 H 6 gas. The amorphous Si film in each sample is as follows. Sample No. 2 is 2 nm. 3 is 4 nm. 4 is 6 nm, and no. 5 is 8 nm (see FIG. 3). Subsequently, the Si 2 H 6 gas was shut off and the inside of the reaction furnace was evacuated, and then oxygen gas was flowed into the furnace to form SiO 2 films 105 and 205 on the surfaces of the amorphous Si films 104 and 204 in a reduced-pressure oxygen atmosphere. The film thicknesses of the SiO 2 films 105 and 205 can be controlled by the oxygen partial pressure and time. In this embodiment, the thickness of the SiO 2 films 105 and 205 is 0.5 nm. Subsequently, the temperature inside the furnace was raised to 525 ° C. in reduced-pressure nitrogen, and amorphous Si films 106 and 206 containing 3 × 10 20 / cm 3 of phosphorus were deposited to a thickness of 200 nm. Also in this sample, Si 2 H 6 and PH 3 were used for forming the phosphorus-doped amorphous Si films 106 and 206, and deposition was performed under the same conditions as the phosphorus-doped amorphous film 306 described above.

本実験で、ノンドープ非晶質Si膜104,204の形成方法について検討を行った結果、約480℃以上の温度で堆積を行った場合、薄膜表面の凹凸が大きくなり、平坦な連続膜が得られないことが分かった。また、堆積速度が大きくなるため、膜厚制御が非常に困難であった。従って、上記ノンドープ非晶質Si膜104,204は、480℃以下の温度で形成することが望ましい。   As a result of examining the formation method of the non-doped amorphous Si films 104 and 204 in this experiment, when the deposition is performed at a temperature of about 480 ° C. or higher, the unevenness of the thin film surface becomes large, and a flat continuous film is obtained. I found it impossible. Further, since the deposition rate is increased, it is very difficult to control the film thickness. Therefore, the non-doped amorphous Si films 104 and 204 are desirably formed at a temperature of 480 ° C. or lower.

次に、全ての試料の上記リンドープ非晶質Si膜106,206,306をリンドープ多結晶Si膜106,206,306に変換した。この変換は各試料を750℃の窒素雰囲気中で、40分の熱処理することによって可能である。この熱処理温度では、200nmの膜厚のリンドープSi膜106,206,306だけが結晶化する。一方、この処理中、ゲート絶縁膜103,203と接しているノンドープ非晶質Si膜104,204は、非晶質状態を保持している。これは、シリコンの多結晶化がリンによって促進されるからである。非晶質Siの結晶化はSiクラスタの半径がある一定以上の大きさに達した時に発生する。このクラスタの半径は一般に臨界半径と呼ばれる。本発明におけるSi膜の膜厚は、上記臨界半径と同等以上であるため、通常、非晶質Siが結晶化する熱処理よりも更に高温の熱処理を施さなければ結晶化は発生しない。   Next, the phosphorus-doped amorphous Si films 106, 206, and 306 of all the samples were converted into phosphorus-doped polycrystalline Si films 106, 206, and 306. This conversion is possible by heat-treating each sample in a nitrogen atmosphere at 750 ° C. for 40 minutes. At this heat treatment temperature, only the phosphorus-doped Si films 106, 206, and 306 having a thickness of 200 nm are crystallized. On the other hand, during this process, the non-doped amorphous Si films 104 and 204 in contact with the gate insulating films 103 and 203 maintain an amorphous state. This is because the polycrystallization of silicon is promoted by phosphorus. Crystallization of amorphous Si occurs when the radius of the Si cluster reaches a certain size. The radius of this cluster is generally called the critical radius. Since the thickness of the Si film in the present invention is equal to or greater than the critical radius, crystallization does not usually occur unless a heat treatment at a higher temperature than the heat treatment for crystallizing amorphous Si is performed.

次に、試料No.1〜No.5に関しては、900℃、120分の窒素アニールを追加して、下層電極104に相当するノンドープ非晶質Si膜104を多結晶Si膜104に変換した。   Next, sample No. 1-No. 5, nitrogen annealing at 900 ° C. for 120 minutes was added to convert the non-doped amorphous Si film 104 corresponding to the lower electrode 104 into the polycrystalline Si film 104.

続いて、周知のリソグラフィー及びドライエッチング法により、リンドープ多結晶Si膜106,206,306、及び下層Si膜104,204を所定の形状に加工してゲート電極104,106,204,206,306を形成する。こうして図1、および図2に示したMOSキャパシタが作成される。   Subsequently, the phosphorus-doped polycrystalline Si films 106, 206, 306 and the lower Si films 104, 204 are processed into a predetermined shape by a known lithography and dry etching method to form the gate electrodes 104, 106, 204, 206, 306. Form. Thus, the MOS capacitor shown in FIGS. 1 and 2 is produced.

まず最初に、透過型電子顕微鏡でゲート電極であるSi膜106,206,204,206,306の結晶性、及びその粒径を観察した。900℃、120分の熱処理を追加した試料(No.1〜No.5)の上層電極106,206,306の結晶粒径は、試料によらず約0.5μm〜1.5μmであった。これに対し、図1に示した下層の極薄Si膜104は、非常に微小な粒径を有した多結晶Si膜104になっていることを確認した。具体的には、それらの平均粒径は堆積膜厚の約2倍〜2.5程度となっていた。下層Si膜104を8nm堆積した試料(No.5)の平均粒径は約20nm程度であった。   First, the crystallinity of the Si films 106, 206, 204, 206, and 306, which are gate electrodes, and the grain size thereof were observed with a transmission electron microscope. The crystal grain size of the upper electrodes 106, 206, and 306 of the sample (No. 1 to No. 5) to which heat treatment at 900 ° C. for 120 minutes was added was about 0.5 μm to 1.5 μm regardless of the sample. On the other hand, it was confirmed that the ultrathin Si film 104 in the lower layer shown in FIG. 1 is a polycrystalline Si film 104 having a very small particle size. Specifically, their average particle size was about 2 to 2.5 times the deposited film thickness. The average particle size of the sample (No. 5) in which the lower Si film 104 was deposited by 8 nm was about 20 nm.

一方、高温の熱処理を追加していない試料(No.6、No.7)、すなわち750℃の熱処理だけを行った試料のリンドープ多結晶Si膜206,306の結晶粒径は、何れも約0.3μm〜1.0μm程度であった。また、試料No.7の下層Si膜204は堆積直後の結晶性を保持した非晶質Si膜204であること、並びに当該Si膜上の薄いSiO2膜205(膜厚約0.5nm)は、変化なく存在していることを確認した。 On the other hand, the crystal grain sizes of the phosphorus-doped polycrystalline Si films 206 and 306 of the samples to which the high-temperature heat treatment is not added (No. 6, No. 7), that is, the samples subjected to only the heat treatment at 750 ° C. are both about 0. It was about 3 μm to 1.0 μm. Sample No. 7 is an amorphous Si film 204 that retains crystallinity immediately after deposition, and a thin SiO 2 film 205 (film thickness of about 0.5 nm) on the Si film exists without change. Confirmed that.

上記各試料に対して定電流ストレス印加前後の電流−電界特性の比較を行った。図4はゲート酸化膜103上に堆積した下層極薄Si膜104,204の膜厚と低電界漏洩電流(−6MV/cm時)の関係を示している。図5は図4と同じ試料について、ゲート酸化膜103上に堆積した下層極薄Si膜104,204の膜厚とF−N電流(−11MV/cm)との関係を示している。本図においては、下層Si膜0nmの点が、従来法である単層ゲート電極306に対応する。   The current-electric field characteristics before and after the constant current stress application were compared for each of the above samples. FIG. 4 shows the relationship between the thickness of the lower ultrathin Si films 104 and 204 deposited on the gate oxide film 103 and the low electric field leakage current (at −6 MV / cm). FIG. 5 shows the relationship between the film thickness of the lower ultrathin Si films 104 and 204 deposited on the gate oxide film 103 and the FN current (−11 MV / cm) for the same sample as FIG. In this figure, the point of the lower Si film of 0 nm corresponds to the conventional single layer gate electrode 306.

これらの図から分かるように、本発明においてはストレス印加後の低電界リーク電流を従来法と少なくとも同等に維持したまま、F−N電流を大幅に増加できることが分かる。即ち、上記F−N電流の増加は下層Si膜104の膜厚が8nmより薄くなる領域から、下層Si膜104の薄膜化と共に増加した。特に、下層Si膜104の膜厚が2nmの試料では、従来構造の試料に比べ、F−N電流を約1桁も大きくできた。   As can be seen from these figures, it can be seen that in the present invention, the FN current can be significantly increased while maintaining the low electric field leakage current after stress application at least equivalent to the conventional method. That is, the increase in the FN current increased from the region where the thickness of the lower layer Si film 104 was thinner than 8 nm as the thickness of the lower layer Si film 104 was reduced. In particular, in the sample with the lower Si film 104 having a thickness of 2 nm, the FN current could be increased by about an order of magnitude compared with the sample having the conventional structure.

図6に、900℃、60分の熱処理を追加した試料の定電流ストレスによる破壊寿命分布の比較を示した。図5の縦軸は累積不良率、横軸は注入電荷量を示す。   FIG. 6 shows a comparison of the fracture life distribution due to constant current stress of the sample added with heat treatment at 900 ° C. for 60 minutes. The vertical axis in FIG. 5 represents the cumulative defect rate, and the horizontal axis represents the injected charge amount.

本発明によれば、従来法に比べ一定電流ストレスに対する破壊寿命が向上すること、またそれは下層Si膜104が薄くなるに伴い向上することが分かる。   According to the present invention, it can be seen that the breakdown life against a constant current stress is improved as compared with the conventional method, and it is improved as the lower layer Si film 104 becomes thinner.

一方、上層電極106を堆積する前に、予め下層非晶質Si膜104を熱処理して多結晶Si膜104に変換しても上述した結果と同様の結果が得られた。   On the other hand, even if the lower amorphous Si film 104 was previously heat-treated and converted to the polycrystalline Si film 104 before the upper electrode 106 was deposited, the same result as described above was obtained.

図7は、750℃、40分の熱処理だけを行った試料(No.6、No.7)の定電流ストレスによる破壊寿命分布を比較した図である。本発明では従来法に比べ、約2倍の破壊寿命の向上が見られた。   7 is a diagram comparing the fracture life distributions due to constant current stress of samples (No. 6, No. 7) subjected to only heat treatment at 750 ° C. for 40 minutes. In the present invention, the fracture life was improved by about twice that of the conventional method.

本実施例においては、下層非晶質Si膜204の膜厚は、4nmの試料しか記載していないが、この下層非晶質Si膜厚が約8nm程度までは、上記試料と同等の結果が得られた。   In the present embodiment, only the sample having a thickness of 4 nm is described for the lower amorphous Si film 204, but the same result as the above sample is obtained until the lower amorphous Si film thickness is about 8 nm. Obtained.

ノンドープ非晶質Si膜を形成した後の熱処理温度と、その膜の結晶性の関係について検討した結果、膜厚が約8nmよりも厚くなると、該非晶質Si膜の結晶化温度が減少することが分かった。従って、約800℃程度まで非晶質状態を保持するためには、非晶質Si膜の膜厚は、約8nm以下であることが好ましい。   As a result of examining the relationship between the heat treatment temperature after forming the non-doped amorphous Si film and the crystallinity of the film, the crystallization temperature of the amorphous Si film decreases when the film thickness is greater than about 8 nm. I understood. Therefore, in order to maintain the amorphous state up to about 800 ° C., the thickness of the amorphous Si film is preferably about 8 nm or less.

また、本実施例においては、ゲート絶縁膜103,203にSi基板を水蒸気中で酸化したSiO2膜103,203を用いたが、次の雰囲気中で形成した酸窒化膜を用いても同様の効果が得られた。それらの雰囲気は(1)アンモニア(NH3)雰囲気中、(2)亜酸化窒素(N2O)雰囲気中、もしくは(3)一酸化窒素(NO)雰囲気中である。また、ここでは、上層電極106,206としてIn−Situ非晶質Si膜106,206の堆積を行ったが、In−Situ多結晶Si膜を堆積した場合でも同様の効果が得られた。 In this embodiment, the SiO 2 films 103 and 203 obtained by oxidizing the Si substrate in water vapor are used for the gate insulating films 103 and 203. However, the same thing can be said even if an oxynitride film formed in the following atmosphere is used. The effect was obtained. These atmospheres are (1) ammonia (NH 3 ) atmosphere, (2) nitrous oxide (N 2 O) atmosphere, or (3) nitrogen monoxide (NO) atmosphere. Here, the In-Situ amorphous Si films 106 and 206 were deposited as the upper layer electrodes 106 and 206, but the same effect was obtained even when the In-Situ polycrystalline Si film was deposited.

本発明で、もう一つ重要なことは、下層極薄Si膜104,204と上層電極106,206との界面に存在する絶縁膜105,205の膜厚である。本実施例では、下層極薄Si膜104,204堆積後、同一CVD装置内で該下層極薄Si膜104,204を酸化することにより約0.5nmのSiO2膜105,205を形成している。上記、極薄Si膜104,204表面に形成されるSiO2膜105,205の膜厚について検討したところ、約0.3nmより薄くなると、上層電極106,206が結晶化する際、下層の極薄Si膜104,204も上層の結晶性に揃って同時に結晶化し、ほとんど単層膜と同様になることが分かった。 In the present invention, another important point is the thickness of the insulating films 105 and 205 existing at the interface between the lower ultrathin Si films 104 and 204 and the upper electrodes 106 and 206. In this embodiment, after the lower ultra-thin Si films 104 and 204 are deposited, the lower ultra-thin Si films 104 and 204 are oxidized in the same CVD apparatus to form SiO 2 films 105 and 205 of about 0.5 nm. Yes. When the film thicknesses of the SiO 2 films 105 and 205 formed on the surfaces of the ultrathin Si films 104 and 204 are examined, when the upper electrodes 106 and 206 are crystallized when the thickness is less than about 0.3 nm, the lower electrode It was found that the thin Si films 104 and 204 were crystallized simultaneously with the crystallinity of the upper layer and almost the same as the single layer film.

一方、上記SiO2膜105,205の膜厚が約1nmより厚くなると、該絶縁膜105,205が抵抗となりゲート電圧の電圧降下が発生した。すなわち、本発明においては、電極界面に存在する絶縁膜105,205の膜厚を、0.3nm〜1nm程度にすることが重要となる。この界面の絶縁膜に関しては、窒素原子を含む雰囲気中で形成した、窒化膜や酸窒化膜についても同様の結果が得られた。 On the other hand, when the thickness of the SiO 2 films 105 and 205 is greater than about 1 nm, the insulating films 105 and 205 become resistors and a gate voltage drop occurs. That is, in the present invention, it is important that the thicknesses of the insulating films 105 and 205 existing at the electrode interface are about 0.3 nm to 1 nm. With respect to the insulating film at the interface, similar results were obtained for nitride films and oxynitride films formed in an atmosphere containing nitrogen atoms.

実施例1
次に、本発明の第1の実施例を図を用いて説明する。
Example 1
Next, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

本実施例では書込み/消去時間を評価するために図8〜図10に示したメモリセルを作製した。図8及び図9の試料は、これまで述べてきたものと同様に極めて薄い(極薄と称する)Si膜404,504の膜厚をパラメータとした。また、図8の試料はゲート酸化膜403に接するノンドープ極薄Si膜404を900℃の熱処理により多結晶Si膜404に変換した試料である。図9の試料はその最高熱処理温度が750℃の試料である。以下、図8―図10を用いて詳細な説明を行う。   In this example, the memory cells shown in FIGS. 8 to 10 were fabricated in order to evaluate the write / erase time. In the samples of FIGS. 8 and 9, the film thickness of the extremely thin (referred to as ultrathin) Si films 404 and 504 was used as a parameter as described above. 8 is a sample obtained by converting a non-doped ultrathin Si film 404 in contact with the gate oxide film 403 into a polycrystalline Si film 404 by heat treatment at 900 ° C. The sample of FIG. 9 is a sample whose maximum heat treatment temperature is 750 ° C. Hereinafter, detailed description will be given with reference to FIGS.

まず、P型、単結晶Si基板401,501,601上に周知のLOCOS法により、素子分離酸化膜402,502,602を形成する。この素子分離酸化膜に囲まれて領域内に8nmのゲート絶縁膜403,503,603を形成した。このゲート絶縁膜403,503,603の形成は850℃のパイロジェニック酸化法によった。次に、標準試料となる従来法の試料(図11)は、LP−CVD法により、リンを3×1020/cm3含んだ多結晶Si膜606を100nm堆積した。また、本発明における試料は実施例1に示した方法で非晶質のノンドープ極薄Si膜404,504をそれぞれ2nm、4nm、6nm、8nm、10nm堆積した後、0.5nmのSiO2膜405,505、及び100nmのIn−situリンドープ多結晶Si膜406,506を形成した。本実施例においては、上記In−situリンドープ多結晶Si膜306,406の形成にモノシラン(SiH4)とホスフィン(PH3)を用い、630℃の温度で堆積を行なった。 First, element isolation oxide films 402, 502, and 602 are formed on a P-type single crystal Si substrate 401, 501, and 601 by a well-known LOCOS method. Gate insulating films 403, 503, and 603 having a thickness of 8 nm were formed in the region surrounded by the element isolation oxide film. The gate insulating films 403, 503, and 603 were formed by a pyrogenic oxidation method at 850 ° C. Next, as a standard sample (FIG. 11) as a standard sample, a polycrystalline Si film 606 containing 3 × 10 20 / cm 3 of phosphorus was deposited to 100 nm by LP-CVD. In the sample of the present invention, amorphous non-doped ultrathin Si films 404 and 504 were deposited by the method shown in Example 1 to 2 nm, 4 nm, 6 nm, 8 nm, and 10 nm, respectively, and then a 0.5 nm SiO 2 film 405 was deposited. , 505 and 100 nm In-situ phosphorus-doped polycrystalline Si films 406 and 506 were formed. In this example, monosilane (SiH 4 ) and phosphine (PH 3 ) were used to form the In-situ phosphorus-doped polycrystalline Si films 306 and 406, and deposition was performed at a temperature of 630 ° C.

続いて、750℃の窒素雰囲気中で30分の熱処理を行なった後、浮遊ゲート電極404,406,504,506,606となる上記リンドープ多結晶Si膜406,506,606、及び下層の極薄Si膜404,504の一方の側面(図の紙面に並行方向)を所定の形状に加工した。この加工は周知のリソグラフィー及びドライエッチング法によった。   Subsequently, after performing a heat treatment for 30 minutes in a nitrogen atmosphere at 750 ° C., the phosphorus-doped polycrystalline Si films 406, 506, 606 to be the floating gate electrodes 404, 406, 504, 506, 606, and the ultrathin layer underneath. One side surface of the Si films 404 and 504 (in the direction parallel to the drawing sheet) was processed into a predetermined shape. This processing was performed by known lithography and dry etching methods.

次に、LP−CVD法によりSiO2/Si/SiO2積層膜からなる層間絶縁膜407,507,607を形成した。Siの上下層となるSiO2膜の厚さは4nmである。その形成にはSiと亜酸化窒素(N2O)を用い、製造温度は700℃である。Siの膜厚は8nmである。その製造にはジクロルシラン(SiH2Cl2)とアンモニア(NH3)を用い、製造温度は700℃である。続いて、制御ゲート電極408,508,608となる100nmのリンドープ多結晶Si膜408,508,608、及び100nmのSiO2膜409,509,609をLP−CVD法により堆積した。更にこれらを750℃の窒素雰囲気中で20分の熱処理を行なった。続いて、上記SiO膜409,509,609、制御ゲート電極408,508,608となるリンドープ多結晶Si膜408,508,608、層間絶縁膜407,507,607、及び浮遊ゲート電極404,406,504,506,606のもう一方の側面(図の紙面に垂直方向)を所定の形状に加工して、制御ゲート電極408,508,608及び浮遊ゲート電極404,406,504,506,606とした。加工は周知のリソグラフィーおよびドライエッチング法によった。 Next, interlayer insulating films 407, 507, and 607 composed of a SiO 2 / Si 3 N 4 / SiO 2 laminated film were formed by LP-CVD. The thickness of the SiO 2 film as the upper and lower layers of Si 3 N 4 is 4 nm. For the formation, Si 3 N 4 and nitrous oxide (N 2 O) are used, and the manufacturing temperature is 700 ° C. The film thickness of Si 3 N 4 is 8 nm. Dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ) and ammonia (NH 3 ) are used for the production, and the production temperature is 700 ° C. Subsequently, 100 nm phosphorus-doped polycrystalline Si films 408, 508, and 608 to be control gate electrodes 408, 508, and 608 and 100 nm SiO 2 films 409, 509, and 609 were deposited by LP-CVD. Furthermore, these were heat-treated in a nitrogen atmosphere at 750 ° C. for 20 minutes. Subsequently, the SiO 2 films 409, 509, and 609, the phosphorus-doped polycrystalline Si films 408, 508, and 608 to be the control gate electrodes 408, 508, and 608, the interlayer insulating films 407, 507, and 607, and the floating gate electrodes 404 and 406 , 504, 506, 606 are processed into a predetermined shape on the other side surface (perpendicular to the paper surface of the drawing), and control gate electrodes 408, 508, 608 and floating gate electrodes 404, 406, 504, 506, 606 did. Processing was performed by known lithography and dry etching methods.

次に、LP−CVD法によりSiO2膜を10nm堆積した後、ソース410,510,610、ドレイン411,511,611となる領域にリンをイオン注入する。この後、図8に示した試料、及び図10に示した従来法による試料は900℃、60分の窒素アニールを、また図9に示した試料は750℃、300分の窒素アニールを行ないソース410,510,610、ドレイン411,511,611を形成した。 Next, after depositing a 10 nm SiO 2 film by LP-CVD, phosphorus is ion-implanted into the regions to be the sources 410, 510, 610 and the drains 411, 511, 611. Thereafter, the sample shown in FIG. 8 and the conventional sample shown in FIG. 10 are subjected to nitrogen annealing at 900 ° C. for 60 minutes, and the sample shown in FIG. 9 is subjected to nitrogen annealing at 750 ° C. for 300 minutes. 410, 510, 610 and drains 411, 511, 611 were formed.

次に、LP−CVD法により100nmのSiO2膜412,512,612を堆積した後、異方性ドライエッチングにより、上記SiO2膜412,512,612の全面エッチングを行ない、浮遊ゲート電極404,406,504,506,606、ONO膜407,507,607、制御ゲート電極408,508,608側壁部に、側壁絶縁膜412,512,612を形成した。続いて、常圧−CVD法により、リンを4mol%含んだSiO2膜(PSG膜)413,513,613を300nm堆積した後、ソース410,510,610、ドレイン411,511,611表面が露出するコンタクト孔を形成した。 Next, after depositing 100 nm SiO 2 films 412, 512, 612 by LP-CVD, the entire surfaces of the SiO 2 films 412, 512, 612 are etched by anisotropic dry etching, and floating gate electrodes 404, Side wall insulating films 412, 512, and 612 were formed on the side walls of 406, 504, 506, 606, ONO films 407, 507, 607, and control gate electrodes 408, 508, 608. Subsequently, after depositing 300 nm of SiO 2 films (PSG films) 413, 513, 613 containing 4 mol% of phosphorus by atmospheric pressure-CVD, the surfaces of the sources 410, 510, 610, and the drains 411, 511, 611 are exposed. A contact hole was formed.

最後に、アルミニウム(Al)414,415,514,515,614,615を反応性スパッタ法にて500nm堆積した後、所定の形状に加工してソース配線414,514,614、ドレイン配線415,515,615とし、図8〜図10に示すメモリセルを作製した。   Finally, aluminum (Al) 414, 415, 514, 515, 614, 615 is deposited by reactive sputtering to a thickness of 500 nm, then processed into a predetermined shape, and source wirings 414, 514, 614, drain wirings 415, 515 are formed. , 615, and the memory cells shown in FIGS.

図8に示した試料は、最高熱処理温度を900℃としたので、ゲート酸化膜直上にある極薄Si膜405は、多結晶Si膜405になっていた。一方、図9に示した試料のそれは、最高熱処理温度が750℃であるため非晶質Si膜504の状態を保持していた。   In the sample shown in FIG. 8, the maximum heat treatment temperature was set to 900 ° C., so that the ultrathin Si film 405 immediately above the gate oxide film was a polycrystalline Si film 405. On the other hand, in the sample shown in FIG. 9, the maximum heat treatment temperature is 750 ° C., so the state of the amorphous Si film 504 is maintained.

この構造の不揮発性半導体記憶装置を用いて、書換え特性を評価した。消去動作は、浮遊ゲート電極404,406,504,506,506へゲート絶縁膜403,503,603の全面を介したF−N電流による電荷の注入で行ない、書込み動作は浮遊ゲート電極404,406,504,506,606からドレイン411,511,611へのゲート絶縁膜403,503,603のF−N電流による電荷の引き抜きで行なった。消去を行なう際には、制御ゲート電極408,508,608に+10V、ソース410,510,610、ドレイン411,511,611を開放し、Si基板401,501,601を−4Vにしたパルスを印加し、しきい値電圧を確認しながら消去を行なった。書込みの際には、制御ゲート電極408,508,608を−10V、ドレイン411,511,611を+4V、ソース410,510,610を開放し、Si基板401,501,601をOVにしたパルスを印加し、しきい値電圧を確認しながら書込みを行なった。   The rewrite characteristics were evaluated using the nonvolatile semiconductor memory device having this structure. The erasing operation is performed by injecting electric charges with the FN current through the entire surface of the gate insulating films 403, 503, and 603 to the floating gate electrodes 404, 406, 504, 506, and 506, and the writing operation is performed. , 504, 506, 606 to drains 411, 511, 611, the charge is extracted by the FN current of the gate insulating films 403, 503, 603. When erasing is performed, a pulse is applied to the control gate electrodes 408, 508, and 608 with + 10V, the sources 410, 510, and 610, the drains 411, 511, and 611 open, and the Si substrates 401, 501, and 601 set to -4V. Then, erasing was performed while checking the threshold voltage. At the time of writing, a pulse in which the control gate electrodes 408, 508 and 608 are set to −10V, the drains 411, 511 and 611 are set to + 4V, the sources 410, 510 and 610 are opened, and the Si substrates 401, 501 and 601 are set to OV. The voltage was applied and writing was performed while checking the threshold voltage.

上記メモリセルの下層極薄Si膜404の膜厚と書込みおよび消去時間の関係を図11に示す。図11は900℃、60分の熱処理を行った試料で比較したものである。従来の方法で形成したメモリセルに比べ消去時間に有意差はほとんど見られなかったが、書込み時間に関しては下層極薄Si膜404の薄膜化に伴い大幅に減少した。   FIG. 11 shows the relationship between the film thickness of the lower ultrathin Si film 404 of the memory cell and the write and erase times. FIG. 11 is a comparison of samples subjected to heat treatment at 900 ° C. for 60 minutes. Although there was almost no significant difference in the erase time compared with the memory cell formed by the conventional method, the write time was significantly reduced as the lower ultrathin Si film 404 was made thinner.

図12は、最高熱処理温度が750℃の試料で比較したものである。本試料の書込み時間も従来法に比べ大幅に短くなった。本試料の特徴は、下層極薄Si膜504の膜厚が約6nm程度までは書込み時間はほとんど変化しないが、約8nmを境に書込み時間が長くなる傾向を示す。これは、実施例1で記述したように、約8nm程度から結晶化が進行していることに対応している。透過型電子顕微鏡で観察した結果、約8nmの下層極薄Si膜504は、局所的に結晶化が進行しており、約10nmのそれは、ほぼ多結晶Si膜になっていた。   FIG. 12 is a comparison of samples with a maximum heat treatment temperature of 750 ° C. The writing time of this sample was also significantly shorter than the conventional method. The characteristic of this sample is that the writing time hardly changes until the film thickness of the lower ultrathin Si film 504 is about 6 nm, but the writing time tends to be longer after about 8 nm. This corresponds to the progress of crystallization from about 8 nm as described in Example 1. As a result of observation with a transmission electron microscope, the lower ultrathin Si film 504 of about 8 nm was locally crystallized, and that of about 10 nm was almost a polycrystalline Si film.

本実施例では、浮遊ゲート電極としてリンドープ多結晶Si/極薄Siの2層構造としたが、リンドープ多結晶Si/ノンドープ多結晶Si/極薄Si構造やチタンナイトライド(TiN)/ノンドープ多結晶Si/極薄Si構造等、3層構造にしても同様の効果が得られた。すなわち、F−N電流の増加はゲート絶縁膜に接する最下層のSi膜の膜厚ないしその粒径に依存しており、その上層に形成する浮遊ゲート電極材料には依存しなかった。   In this embodiment, the floating gate electrode has a two-layer structure of phosphorus-doped polycrystalline Si / ultra-thin Si. However, a phosphorus-doped polycrystalline Si / non-doped polycrystalline Si / ultra-thin Si structure or titanium nitride (TiN) / non-doped polycrystalline Similar effects were obtained even with a three-layer structure such as Si / ultra-thin Si structure. That is, the increase in the FN current depends on the thickness or grain size of the lowermost Si film in contact with the gate insulating film, and does not depend on the floating gate electrode material formed on the upper layer.

実施例2
次に本発明の第2の実施例を説明する。これまで、最下層に極薄Si膜を含んだ、2層ないし3層構造の浮遊ゲート構造について記述したが、ここでは浮遊ゲート電極を極薄Si単層膜とした例について説明する。
Example 2
Next, a second embodiment of the present invention will be described. Up to now, a floating gate structure having a two-layer or three-layer structure including an ultrathin Si film in the lowermost layer has been described. Here, an example in which the floating gate electrode is an ultrathin Si single layer film will be described.

図13は本発明の第3の実施例にで作製した不揮発性半導体記憶装置の断面図である。本構造及びプロセスフローは実施例1の図10に示した従来の構造とほとんど同じである。相違点は、浮遊ゲート電極704の膜厚とその形成方法である。図10に示したように従来の浮遊ゲート電極606はリンを含んだ多結晶Si膜606であり、またその膜厚も50nm以上と厚い構造である。本発明による浮遊ゲート電極704は、実施例2の下層極薄Si膜504と同様の方法で形成したノンドープのSi膜704であり、膜厚も約8nm以下と極めて薄いのが特徴である。   FIG. 13 is a cross-sectional view of the nonvolatile semiconductor memory device manufactured in the third embodiment of the present invention. This structure and process flow are almost the same as the conventional structure shown in FIG. The difference is the film thickness of the floating gate electrode 704 and the method of forming it. As shown in FIG. 10, the conventional floating gate electrode 606 is a polycrystalline Si film 606 containing phosphorus, and has a thickness as thick as 50 nm or more. The floating gate electrode 704 according to the present invention is a non-doped Si film 704 formed by the same method as the lower ultrathin Si film 504 of Example 2, and is characterized by a very thin film thickness of about 8 nm or less.

図14に、浮遊ゲート電極704の膜厚を2nm〜10nmとした時の書換え特性示す。消去/書き込みの評価方法は実施例2と同じとした。   FIG. 14 shows the rewrite characteristics when the thickness of the floating gate electrode 704 is 2 nm to 10 nm. The evaluation method for erasing / writing was the same as in Example 2.

消去時間に関しては従来法とほぼ同等であるが、書込み時間は浮遊ゲートSi膜704の薄膜化、特に約8nmより薄くなると著しく短くなった。   The erase time is almost the same as that of the conventional method, but the write time is remarkably shortened when the floating gate Si film 704 is thinned, particularly when the thickness is less than about 8 nm.

本実施例では最高熱処理温度が900℃と高いため、浮遊ゲート電極は多結晶Si膜となっているが、実施例2に示したように750℃以下の温度で形成した場合、すなわち浮遊ゲート電極をノンドープ非晶質Si膜とした場合も、従来法に比べ書込み時間が大幅に短縮された。   In this embodiment, since the maximum heat treatment temperature is as high as 900 ° C., the floating gate electrode is a polycrystalline Si film, but when formed at a temperature of 750 ° C. or less as shown in Embodiment 2, that is, the floating gate electrode Even when a non-doped amorphous Si film was used, the writing time was significantly reduced as compared with the conventional method.

実施例3
以下、不揮発性記憶素子を有する半導体集積回路装置に本発明を適用した具体例を説明する。
Example 3
A specific example in which the present invention is applied to a semiconductor integrated circuit device having a nonvolatile memory element will be described below.

なお、実施例を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。   In all the drawings for explaining the embodiments, parts having the same functions are given the same reference numerals, and repeated explanation thereof is omitted.

本発明の実施例である半導体集積回路装置の概略構成を図17(要部等価回路図)に示す。   A schematic configuration of a semiconductor integrated circuit device according to an embodiment of the present invention is shown in FIG.

図17に示すように、半導体集積回路装置は複数のメモリブロック17を行列状に配置したメモリセルアレイを塔載する。メモリセルアレイには、X方向に延在するワード線WLが複数本配置されると共に、Y方向に延在するデータ線DLが複数本配置される。   As shown in FIG. 17, the semiconductor integrated circuit device mounts a memory cell array in which a plurality of memory blocks 17 are arranged in a matrix. In the memory cell array, a plurality of word lines WL extending in the X direction are arranged, and a plurality of data lines DL extending in the Y direction are arranged.

前記メモリブロック17には書き込み動作及び消去動作をトンネル効果で行う不揮発性記憶素子Qが配置される。この不揮発性記憶素子Qは、ワード線WLの延在方向に複数個配置され、かつデータ線DLの延在方向に複数個配置される。つまり、不揮発性記憶素子Qは、ワード線WLとデータ線DLとが交差する領域に配置される。   The memory block 17 is provided with a nonvolatile memory element Q that performs a write operation and an erase operation by the tunnel effect. A plurality of nonvolatile memory elements Q are arranged in the extending direction of the word lines WL, and a plurality of nonvolatile memory elements Q are arranged in the extending direction of the data lines DL. That is, the nonvolatile memory element Q is disposed in a region where the word line WL and the data line DL intersect.

尚、これまで本明細書において詳細に述べてきた本発明の直接的な対象は、上記不揮発性記憶素子Qの構造に関するものである。   The direct object of the present invention described in detail in the present specification relates to the structure of the nonvolatile memory element Q.

前記1本のデータ線DLには、その延在方向に沿って配置された複数個の不揮発性記憶素子Qの夫々のドレイン領域が選択用トランジスタSt1及びローカルデータ線LDLを介して電気的に接続される。また、1本のデータ線DLの延在方向に沿って配置された複数個の不揮発性記憶素子Qの夫々のソース領域にはローカルソース線LSLを介して選択用トランジスタSt2が電気的に接続される。ローカルソース線LSLは、選択用トランジスタSt2を介してソース線SLに電気的に接続される。また、1本のワード線WLには、その延在方向に沿って配置された複数個の不揮発性記憶素子Qの夫々の制御ゲート電極が電気的に接続される。このように構成されるメモリセルアレイは、不揮発性記憶素子Qの消去動作をワード線WL毎又はメモリブロック17毎に行うことができると共に、メモリセルアレイ全体で行うことができる。なお、ワード線WLと不揮発性記憶素子Qの制御ゲート電極とは、後述するように、一般には一体に形成される。   A drain region of each of the plurality of nonvolatile memory elements Q arranged along the extending direction is electrically connected to the one data line DL via the selection transistor St1 and the local data line LDL. Is done. Further, a selection transistor St2 is electrically connected to each source region of the plurality of nonvolatile memory elements Q arranged along the extending direction of one data line DL via a local source line LSL. The The local source line LSL is electrically connected to the source line SL via the selection transistor St2. In addition, each word line WL is electrically connected to each control gate electrode of a plurality of nonvolatile memory elements Q arranged along the extending direction. In the memory cell array configured as described above, the erasing operation of the nonvolatile memory element Q can be performed for each word line WL or for each memory block 17 and also for the entire memory cell array. Note that the word line WL and the control gate electrode of the nonvolatile memory element Q are generally formed integrally as will be described later.

次に、前記半導体集積回路装置に塔載される不揮発性記憶素子Qの具体的な構造について、図18(要部平面図)、図19(図18に示すA−A切断線の位置で切った断面図)及び図20(図2に示すB−B切断線の位置で切った断面図)を用いて説明する。なお、図18において、図を見易くするため、後述する層間絶縁膜30、データ線DL等は図示を省略している。   Next, the specific structure of the non-volatile memory element Q mounted on the semiconductor integrated circuit device is cut at the position of FIG. 18 (main part plan view) and FIG. 19 (AA cutting line shown in FIG. 18). A cross-sectional view taken along the line BB in FIG. 2 will be described. In FIG. 18, an interlayer insulating film 30 and a data line DL, which will be described later, are not shown for easy viewing.

前記不揮発性記憶素子Qは、図18(要部平面図)に示すように、ゲート長方向(X方向)に延在するワード線WLの延在方向に複数個配置され、かつゲート幅方向(Y方向)に延在するデータ線(図示せず)の延在方向に複数個配置される。   As shown in FIG. 18 (main part plan view), a plurality of the nonvolatile memory elements Q are arranged in the extending direction of the word lines WL extending in the gate length direction (X direction), and in the gate width direction ( A plurality of data lines (not shown) extending in the Y direction are arranged in the extending direction.

前記不揮発性記憶素子Qは、図19に示すように、単結晶シリコンからなるp型半導体基板1の活性領域の表面に構成される。この不揮発性記憶素子Qは、主に、チャネル形成領域であるp型半導体基板1、第1ゲート絶縁膜3、浮遊ゲート電極(フローティングゲートないしは電荷蓄積ゲート電極とも称する)G1、第2ゲート絶縁膜13、制御ゲート電極(コントロールゲート電極)G2、ソース領域であるn型半導体領域6A、ドレイン領域であるn型半導体領域6B、ソース領域及びドレイン領域である一対のn+型半導体領域9、しきい値電圧制御領域であるp型半導体領域15で構成される。つまり、不揮発性記憶素子Qはnチャネル導電型の電界効果トランジスタで構成される。   The nonvolatile memory element Q is formed on the surface of the active region of the p-type semiconductor substrate 1 made of single crystal silicon, as shown in FIG. The nonvolatile memory element Q mainly includes a p-type semiconductor substrate 1 serving as a channel formation region, a first gate insulating film 3, a floating gate electrode (also referred to as a floating gate or a charge storage gate electrode) G1, and a second gate insulating film. 13, a control gate electrode (control gate electrode) G2, an n-type semiconductor region 6A as a source region, an n-type semiconductor region 6B as a drain region, a pair of n + -type semiconductor regions 9 as a source region and a drain region, a threshold value The p-type semiconductor region 15 is a voltage control region. That is, the nonvolatile memory element Q is composed of an n-channel conductivity type field effect transistor.

前記第1ゲート絶縁膜3は例えば8[nm]程度の膜厚に設定された酸化珪素膜で形成される。前記第2ゲート絶縁膜13は例えば第1酸化珪素膜、窒化珪素膜、第2酸化珪素膜の夫々を順次積層した多層構造で形成される。第1酸化珪素膜は例えば5[nm]程度の膜厚に設定され、窒化珪素膜は例えば10[nm]程度の膜厚に設定され、第2酸化珪素膜は例えば4[nm]程度の膜厚に設定される。   The first gate insulating film 3 is formed of a silicon oxide film set to a thickness of about 8 [nm], for example. For example, the second gate insulating film 13 is formed in a multilayer structure in which a first silicon oxide film, a silicon nitride film, and a second silicon oxide film are sequentially laminated. The first silicon oxide film is set to a thickness of about 5 [nm], the silicon nitride film is set to a thickness of about 10 [nm], and the second silicon oxide film is a film of about 4 [nm], for example. Set to thickness.

本発明に係わる前記浮遊ゲート電極G1は、第1のゲート材(8、20)及びこの第1のゲート材(8、20)の表面上に積層された第2ゲート材11で構成される。尚、本実施例において、第1のゲート材はこれまで説明してきた非単結晶のシリコン膜20と多結晶シリコン膜8によって構成されている。第ゲート材の下層20は、具体例は、非晶質シリコン膜を堆積した後、熱処理により結晶化した多単結晶のシリコン膜20で、その厚さは平均膜厚は8nm以下となす。以下、この両層をもって第1のゲート材と称する。   The floating gate electrode G1 according to the present invention includes a first gate material (8, 20) and a second gate material 11 laminated on the surface of the first gate material (8, 20). In this embodiment, the first gate material is composed of the non-single-crystal silicon film 20 and the polycrystalline silicon film 8 described so far. The lower layer 20 of the first gate material is specifically a multi-single crystal silicon film 20 which is crystallized by heat treatment after depositing an amorphous silicon film, and the average thickness is 8 nm or less. Hereinafter, both layers are referred to as a first gate material.

第2ゲート材11は、抵抗値を低減する不純物(例えば燐)が導入された多結晶シリコン膜で形成される。この多結晶シリコン膜は、例えば100[nm]程度の膜厚に設定され、3.5×1020[atoms/cm3]程度の不純物濃度に設定される。この多結晶シリコン膜に導入される不純物は多結晶シリコン膜の堆積中又は堆積後に導入される。第1ゲート材(8、20)は、最初、不純物を含まない多結晶シリコン膜で形成され、例えば50[nm]程度の膜厚に設定される。この後、2.5×1020[atoms/cm3]程度の不純物濃度に設定される。この第1ゲート材(8、20)に導入される不純物は、ゲート材11の多結晶シリコン膜から熱拡散(ドライブイン拡散)によって導入される。 The second gate material 11 is formed of a polycrystalline silicon film into which an impurity (for example, phosphorus) for reducing the resistance value is introduced. This polycrystalline silicon film is set to a thickness of about 100 [nm], for example, and is set to an impurity concentration of about 3.5 × 10 20 [atoms / cm 3 ]. Impurities introduced into the polycrystalline silicon film are introduced during or after the deposition of the polycrystalline silicon film. The first gate material (8, 20) is initially formed of a polycrystalline silicon film that does not contain impurities, and is set to a thickness of, for example, about 50 [nm]. Thereafter, the impurity concentration is set to about 2.5 × 10 20 [atoms / cm 3 ]. The impurities introduced into the first gate material (8, 20) are introduced from the polycrystalline silicon film of the gate material 11 by thermal diffusion (drive-in diffusion).

前記第1ゲート材(8、20)のゲート長方向の幅は電荷蓄積ゲート電極G1のゲート長を規定する。この第1ゲート材(8、20)のゲート長方向の幅は例えば0.5[μm]程度に設定される。つまり、電荷蓄積ゲート電極G1のゲート長は0.5[μm]に設定される。   The width of the first gate material (8, 20) in the gate length direction defines the gate length of the charge storage gate electrode G1. The width in the gate length direction of the first gate material (8, 20) is set to about 0.5 [μm], for example. That is, the gate length of the charge storage gate electrode G1 is set to 0.5 [μm].

前記第1ゲート材(8、20)のゲート長方向の夫々の側壁面上には、サイドウォールスペーサ16が形成される。このサイドウォールスペーサ16は例えばCVD法で堆積した酸化珪素膜で形成される。   Sidewall spacers 16 are formed on the respective side wall surfaces in the gate length direction of the first gate material (8, 20). The sidewall spacer 16 is formed of a silicon oxide film deposited by, for example, a CVD method.

前記制御ゲート電極G2は例えば抵抗値を低減する不純物(例えば燐)が導入された多結晶シリコン膜で形成される。この多結晶シリコン膜は、例えば200[nm]程度の膜厚に設定され、3.5×1020[atoms/cm3]程度の不純物濃度に設定される。 The control gate electrode G2 is formed of, for example, a polycrystalline silicon film into which an impurity (for example, phosphorus) for reducing a resistance value is introduced. This polycrystalline silicon film is set to a thickness of about 200 [nm], for example, and an impurity concentration of about 3.5 × 10 20 [atoms / cm 3 ].

前記ソース領域であるn型半導体領域6Aは、熱酸化絶縁膜(フィールド絶縁膜)2と第1ゲート材(8、20)との間のp型半導体基板1の活性領域の表面に形成され、例えば5×1019[atoms/cm3]程度の不純物濃度に設定される。前記ドレイン領域であるn型半導体領域6Bは、熱酸化絶縁膜2と第1ゲート材(8、20)との間のp型半導体基板1の活性領域の表面に形成され、例えば5×1020[atoms/cm3]程度の不純物濃度に設定される。前記ソース領域及びドレイン領域である一対のn+型半導体領域9の夫々は、n型半導体領域6A、n型半導体領域6Bの夫々の表面に形成され、例えば7×1020[atoms/cm3]程度の不純物濃度に設定される。つまり、一対のn型半導体領域9の夫々はn型半導体領域6A、n型半導体領域6Bの夫々に比べて高不純物濃度に設定され、不揮発性記憶素子Qはドレイン領域のチャネル形成領域側の一部の領域がその他の領域の不純物濃度に比べて低い不純物濃度に設定されたLDD(Lightly Doped Drain)構造で構成される。 The n-type semiconductor region 6A as the source region is formed on the surface of the active region of the p-type semiconductor substrate 1 between the thermal oxide insulating film (field insulating film) 2 and the first gate material (8, 20). For example, the impurity concentration is set to about 5 × 10 19 [atoms / cm 3 ]. The n-type semiconductor region 6B, which is the drain region, is formed on the surface of the active region of the p-type semiconductor substrate 1 between the thermal oxide insulating film 2 and the first gate material (8, 20), for example, 5 × 10 20. The impurity concentration is set to about [atoms / cm 3 ]. Each of the pair of n + -type semiconductor regions 9 as the source region and the drain region is formed on the surface of each of the n-type semiconductor region 6A and the n-type semiconductor region 6B, for example, about 7 × 10 20 [atoms / cm 3 ]. Impurity concentration is set. That is, each of the pair of n-type semiconductor regions 9 is set to a higher impurity concentration than each of the n-type semiconductor region 6A and the n-type semiconductor region 6B, and the nonvolatile memory element Q is one of the drain region on the channel formation region side. The part region is configured by an LDD (Lightly Doped Drain) structure in which the impurity concentration is set lower than the impurity concentration of the other regions.

前記しきい値電圧制御領域であるp型半導体領域15は、ソース領域であるn型半導体領域6A下のp型半導体基板1の活性領域の表面に形成され、例えば5×1017[atoms/cm3]程度の不純物濃度に設定される。p型半導体領域15は、第1ゲート材(8、20)を形成する工程の後であって前記ソース領域であるn型半導体領域6A及びドレイン領域であるn型半導体領域6Bを形成する工程の前に、p型半導体基板1の表面にp型不純物を例えばイオン打込み法で選択的に導入することにより形成される。 The p-type semiconductor region 15 serving as the threshold voltage control region is formed on the surface of the active region of the p-type semiconductor substrate 1 under the n-type semiconductor region 6A serving as the source region, and is, for example, 5 × 10 17 [atoms / cm. 3 ] is set to an impurity concentration of about. The p-type semiconductor region 15 is a step of forming the n-type semiconductor region 6A as the source region and the n-type semiconductor region 6B as the drain region after the step of forming the first gate material (8, 20). Prior to this, p-type impurities are selectively introduced into the surface of the p-type semiconductor substrate 1 by, for example, ion implantation.

前記p型半導体基板1の活性領域のゲート長方向の幅は、p型半導体基板1の非活性領域の表面上に形成された一対の熱酸化絶縁膜(フィールド絶縁膜)2で規定される。一対の熱酸化絶縁膜2の夫々は、周知の選択酸化法で形成された酸化珪素膜で形成され、例えば500[nm]程度の膜厚に設定される。この一対の熱酸化珪素膜2の夫々は、ゲート幅方向に向って延在し、ワード線WLが延在する方向に配置された不揮発性記憶素子Q間を電気的に分離する。つまり、熱酸化絶縁膜2は素子間分離用絶縁膜として使用される。   The width of the active region of the p-type semiconductor substrate 1 in the gate length direction is defined by a pair of thermally oxidized insulating films (field insulating films) 2 formed on the surface of the inactive region of the p-type semiconductor substrate 1. Each of the pair of thermal oxide insulating films 2 is formed of a silicon oxide film formed by a well-known selective oxidation method, and has a thickness of, for example, about 500 [nm]. Each of the pair of thermal silicon oxide films 2 extends in the gate width direction, and electrically isolates the nonvolatile memory elements Q arranged in the direction in which the word lines WL extend. That is, the thermal oxidation insulating film 2 is used as an insulating film for element isolation.

前記熱酸化絶縁膜2下にはチャネルストッパ領域であるp型半導体領域12が形成される。このp型半導体領域12は例えば4×1017[atoms/cm3]程度の不純物濃度に設定される。 A p-type semiconductor region 12 which is a channel stopper region is formed under the thermal oxide insulating film 2. The p-type semiconductor region 12 is set to an impurity concentration of about 4 × 10 17 [atoms / cm 3 ], for example.

前記ソース領域であるn型半導体領域6A、ドレイン領域であるn型半導体領域6Bの夫々は、ゲート幅方向に配置された複数の不揮発性記憶素子Qのn型半導体領域6A、n型半導体領域6Bの夫々と一体に形成されるように、ゲート幅方向に向って連続的に形成される。また、ソース領域及びドレイン領域である一対のn型半導体領域9の夫々は、ゲート幅方向に配置された複数の不揮発性記憶素子Qのソース領域、ドレイン領域である一対のn型半導体領域9の夫々と一体に形成されるように、ゲート幅方向に向って連続的に形成される。つまり、不揮発性記憶素子Qのソース領域、ドレイン領域の夫々は、ゲート幅方向に配置された他の不揮発性記憶素子Qのソース領域、ドレイン領域の夫々に電気的に接続される。   The n-type semiconductor region 6A that is the source region and the n-type semiconductor region 6B that is the drain region are respectively the n-type semiconductor region 6A and the n-type semiconductor region 6B of the plurality of nonvolatile storage elements Q arranged in the gate width direction. Are formed continuously in the direction of the gate width. Each of the pair of n-type semiconductor regions 9 that are the source region and the drain region is the source region of the plurality of nonvolatile memory elements Q arranged in the gate width direction, and the pair of n-type semiconductor regions 9 that are the drain regions. It is formed continuously in the gate width direction so as to be formed integrally with each other. That is, each of the source region and the drain region of the nonvolatile memory element Q is electrically connected to each of the source region and the drain region of another nonvolatile memory element Q arranged in the gate width direction.

前記ソース領域であるn型半導体領域6A及びソース領域である一方のn+型半導体領域9はローカルソース線(LSL)として使用される。また、前記ドレイン領域であるn型半導体領域6B及びドレイン領域である他方のn+型半導体領域9はローカルデータ線(LDL)として使用される。つまり、本実施例の半導体集積回路装置は、p型半導体基板1内にローカルデータ線(LDL)を埋め込んだ構造で構成されると共に、AND型のフラッシュメモリで構成される。   The n-type semiconductor region 6A, which is the source region, and one n + -type semiconductor region 9, which is the source region, are used as local source lines (LSL). The n-type semiconductor region 6B as the drain region and the other n + -type semiconductor region 9 as the drain region are used as local data lines (LDL). That is, the semiconductor integrated circuit device of the present embodiment is configured with a structure in which a local data line (LDL) is embedded in the p-type semiconductor substrate 1 and is configured with an AND type flash memory.

前記熱酸化絶縁膜2と第1のゲート材(8、20)との間のp型半導体基板1の夫々の表面上には一対の熱酸化絶縁膜10が形成される。この一対の熱酸化絶縁膜10の夫々は、n型半導体領域6A、n型半導体領域6B、一対のn型半導体領域9の夫々の表面上に形成される。一対の熱酸化絶縁膜10の夫々は、ゲート幅方向に向って延在する。一対の熱酸化絶縁膜10の夫々は、熱酸化法で形成され、例えば150[nm]程度の膜厚に設定される。   A pair of thermally oxidized insulating films 10 are formed on the respective surfaces of the p-type semiconductor substrate 1 between the thermally oxidized insulating film 2 and the first gate material (8, 20). Each of the pair of thermal oxide insulating films 10 is formed on the surface of each of the n-type semiconductor region 6A, the n-type semiconductor region 6B, and the pair of n-type semiconductor regions 9. Each of the pair of thermal oxide insulating films 10 extends in the gate width direction. Each of the pair of thermally oxidized insulating films 10 is formed by a thermal oxidation method, and is set to a film thickness of, for example, about 150 [nm].

前記浮遊ゲート電極G1の第2のゲート材11は、第1のゲート材(8、20)の表面上及び酸化絶縁膜10の表面上に形成される。つまり、第2のゲート材11のゲート長方向の幅は、電荷蓄積ゲート電極G1のゲート長を規定する第1のゲート材(8、20)のゲート長方向の幅に比べて広く構成される。このように、第2ゲート材11のゲート長方向の幅を第1ゲート材(8、20)のゲート長方向の幅に比べて広く構成することにより、電荷蓄積ゲート電極G1のゲート長の寸法を増加することなく、電荷蓄積ゲート電極G1の面積を増加することができるので、不揮発性記憶素子Qの動作速度の高速化を図ることができると共に、不揮発性記憶素子Qの電荷蓄積量を増加することができる。   The second gate material 11 of the floating gate electrode G1 is formed on the surface of the first gate material (8, 20) and the surface of the oxide insulating film 10. That is, the width of the second gate material 11 in the gate length direction is wider than the width of the first gate material (8, 20) that defines the gate length of the charge storage gate electrode G1. . In this way, the width of the second gate material 11 in the gate length direction is made wider than the width of the first gate material (8, 20) in the gate length direction, thereby making it possible to measure the gate length of the charge storage gate electrode G1. Since the area of the charge storage gate electrode G1 can be increased without increasing the operating speed, the operating speed of the nonvolatile memory element Q can be increased and the amount of charge stored in the nonvolatile memory element Q can be increased. can do.

前記不揮発性記憶素子Qの制御ゲート電極(コントロールゲート電極ともいう)G2は、ゲート長方向に延在するワード線WLと一体に形成され、ゲート長方向に配置された他の不揮発性記憶素子Qの制御ゲート電極G2に電気的に接続される。制御ゲート電極G2及びワード線WLは例えば多結晶シリコン膜で形成される。この多結晶珪素膜には抵抗値を低減する不純物がその堆積中又は堆積後に導入される。   A control gate electrode (also referred to as a control gate electrode) G2 of the nonvolatile memory element Q is formed integrally with a word line WL extending in the gate length direction, and is arranged in another nonvolatile memory element Q arranged in the gate length direction. Are electrically connected to the control gate electrode G2. The control gate electrode G2 and the word line WL are formed of, for example, a polycrystalline silicon film. Impurities that reduce the resistance value are introduced into the polycrystalline silicon film during or after the deposition.

前記不揮発性記憶素子Qの制御ゲート電極G2上及びワード線WL上を含むp型半導体基板1上の全面には層間絶縁膜30が形成される。この層間絶縁膜30上にはデータ線DLが延在する。層間絶縁膜30は例えば酸化珪素膜で形成され、データ線DLは例えばアルミニウム膜又はアルミニウム合金膜等の金属膜で形成される。   An interlayer insulating film 30 is formed on the entire surface of the nonvolatile memory element Q on the p-type semiconductor substrate 1 including the control gate electrode G2 and the word line WL. A data line DL extends on the interlayer insulating film 30. The interlayer insulating film 30 is formed of a silicon oxide film, for example, and the data line DL is formed of a metal film such as an aluminum film or an aluminum alloy film.

なお、ゲート幅方向に配置される不揮発性記憶素子Qと不揮発性記憶素子Qとの間のp型半導体基板1の表面には、図20に示すように、チャネルストッパー領域であるp型半導体領域14が形成される。   In addition, on the surface of the p-type semiconductor substrate 1 between the non-volatile memory element Q and the non-volatile memory element Q arranged in the gate width direction, as shown in FIG. 14 is formed.

次に、前記不揮発性記憶素子Qを有する半導体集積回路装置の製造方法について、図21乃至図23(製造方法を説明するための要部断面図)及び図24乃至図27(製造方法を説明するための要部平面図)を用いて説明する。   Next, a method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device having the nonvolatile memory element Q will be described with reference to FIGS. 21 to 23 (cross-sectional views for explaining a manufacturing method) and FIGS. 24 to 27 (a manufacturing method). For this purpose will be described.

まず、単結晶シリコンからなるp型半導体基板1を用意する。   First, a p-type semiconductor substrate 1 made of single crystal silicon is prepared.

次に、図21及び図23に示すように、前記p型半導体基板1の非活性領域の表面上に一対の熱酸化絶縁膜(フィールド絶縁膜)2を形成する。この一対の熱酸化絶縁膜2の夫々は、例えば周知の選択酸化法で形成した熱酸化珪素膜で形成され、ゲート幅方向(Y方向)に向って延在する。一対の熱酸化絶縁膜2の夫々はp型半導体基板1の活性領域のゲート長方向(X方向)の幅を規定する。   Next, as shown in FIGS. 21 and 23, a pair of thermally oxidized insulating films (field insulating films) 2 are formed on the surface of the inactive region of the p-type semiconductor substrate 1. Each of the pair of thermally oxidized insulating films 2 is formed of, for example, a thermally oxidized silicon film formed by a well-known selective oxidation method, and extends in the gate width direction (Y direction). Each of the pair of thermal oxide insulating films 2 defines the width in the gate length direction (X direction) of the active region of the p-type semiconductor substrate 1.

次に、前記一対の熱酸化絶縁膜2で規定されたp型半導体基板1の活性領域の表面上に第1ゲート絶縁膜3を形成する。この第1ゲート絶縁膜3は熱酸化法で形成した酸化珪素膜で形成される。   Next, a first gate insulating film 3 is formed on the surface of the active region of the p-type semiconductor substrate 1 defined by the pair of thermal oxide insulating films 2. The first gate insulating film 3 is formed of a silicon oxide film formed by a thermal oxidation method.

次に、前記熱酸化絶縁膜2、第1のゲート絶縁膜3の各々の表面上を含む基板の全面に、実施例1に示した方法で、非晶質シリコン膜20、熱酸化絶縁膜、および多結晶シリコン膜8を順次形成する。前記、非晶質シリコン膜20、及び多結晶シリコン膜8は、不純物を含まないシリコン膜である。前記非晶質シリコン膜20は厚さ4nmの非晶質シリコン膜であり、その表面の熱酸化絶縁膜は、非晶質シリコン膜20を低温減圧酸素雰囲気内で熱酸化して得られる、厚さ0.5nm熱酸化珪素膜である。   Next, on the entire surface of the substrate including the surfaces of the thermal oxide insulating film 2 and the first gate insulating film 3, the amorphous silicon film 20, the thermal oxide insulating film, Then, a polycrystalline silicon film 8 is sequentially formed. The amorphous silicon film 20 and the polycrystalline silicon film 8 are silicon films containing no impurities. The amorphous silicon film 20 is an amorphous silicon film having a thickness of 4 nm, and the thermally oxidized insulating film on the surface thereof is obtained by thermally oxidizing the amorphous silicon film 20 in a low-temperature reduced-pressure oxygen atmosphere. This is a 0.5 nm thermal silicon oxide film.

次に、前記第1ゲート絶縁膜3上の非晶質シリコン膜20、熱酸化珪素膜、及多結晶シリコン膜8からなる積層膜の一部の表面上に、ゲート幅方向に向かって延在する耐酸化性のマスク5を形成する。   Next, on the surface of a part of the laminated film composed of the amorphous silicon film 20, the thermal silicon oxide film, and the polycrystalline silicon film 8 on the first gate insulating film 3, it extends in the gate width direction. An oxidation resistant mask 5 is formed.

次に、前記耐酸化性マスク5、及び積層膜にパターンングを施し、前記第1ゲート絶縁膜3の一部の表面上に、非晶質シリコン膜20、熱酸化珪素膜、多結晶シリコン膜8、及びその上部の表面が耐酸化性のマスク5で被覆され、かつゲート長方向の幅が規定された第1ゲート材(8、20)を形成する。   Next, the oxidation resistant mask 5 and the laminated film are patterned, and an amorphous silicon film 20, a thermal silicon oxide film, and a polycrystalline silicon film are formed on a part of the surface of the first gate insulating film 3. 8 and the upper surface thereof are covered with an oxidation-resistant mask 5, and a first gate material (8, 20) having a defined width in the gate length direction is formed.

次に、前記熱酸化絶縁膜2と耐酸化性のマスク5との間の一方のp型半導体基板1の表面に前記熱酸化絶縁膜2及び耐酸化性のマスク5に対して自己整合でp型不純物(例えば硼素)を選択的に導入し、しきい値電圧制御領域であるp型半導体領域15を形成する。このp型不純物は、加速エネルギ100keV、注入量1×1014[atoms/cm2]、p型半導体基板1の表面に対して60度の角度をなす方向から導入される。 Next, the surface of one p-type semiconductor substrate 1 between the thermal oxide insulating film 2 and the oxidation resistant mask 5 is self-aligned with respect to the thermal oxide insulating film 2 and the oxidation resistant mask 5. A p-type semiconductor region 15 which is a threshold voltage control region is formed by selectively introducing a type impurity (for example, boron). The p-type impurity is introduced from an acceleration energy of 100 keV, an implantation amount of 1 × 10 14 [atoms / cm 2 ], and a direction that forms an angle of 60 degrees with the surface of the p-type semiconductor substrate 1.

次に、前記熱酸化絶縁膜2と耐酸化性のマスク5との間の一方のp型半導体基板1の表面に前記熱酸化絶縁膜2及び耐酸化性のマスク5に対して自己整合でn型不純物(例えば砒素)を選択的に導入し、ソース領域であるn型半導体領域6Aを形成する。   Next, n is formed on the surface of one p-type semiconductor substrate 1 between the thermal oxide insulating film 2 and the oxidation resistant mask 5 in a self-aligned manner with respect to the thermal oxide insulating film 2 and the oxidation resistant mask 5. A type impurity (for example, arsenic) is selectively introduced to form an n-type semiconductor region 6A as a source region.

次に、前記熱酸化絶縁膜2と耐酸化性のマスク5との間の他方のp型半導体基板1の表面に前記熱酸化絶縁膜2及び耐酸化性のマスク5に対して自己整合でn型不純物(例えば砒素)を選択的に導入し、ドレイン領域であるn型半導体領域6Bを形成する。   Next, n is formed on the surface of the other p-type semiconductor substrate 1 between the thermal oxidation insulating film 2 and the oxidation resistant mask 5 in a self-aligned manner with respect to the thermal oxidation insulating film 2 and the oxidation resistant mask 5. A type impurity (for example, arsenic) is selectively introduced to form an n-type semiconductor region 6B as a drain region.

次に、図22及び図25に示すように、前記耐酸化性のマスク5、第1ゲート材(8、20)の夫々のゲート長方向の側壁面上にサイドウォールスペーサ16を形成する。このサイドウォールスペーサ16は例えば酸化珪素膜で形成される。サイドウォールスペーサ16は、耐酸化性のマスク5の表面上を含むp型半導体基板1の全面に例えばCVD(Chemical Vapor Deposition)法で酸化珪素膜を形成した後、この酸化珪素膜に異方性エッチングを施すことにより形成される。   Next, as shown in FIGS. 22 and 25, side wall spacers 16 are formed on the side walls in the gate length direction of the oxidation-resistant mask 5 and the first gate material (8, 20). The sidewall spacer 16 is formed of, for example, a silicon oxide film. The sidewall spacer 16 is formed by forming a silicon oxide film on the entire surface of the p-type semiconductor substrate 1 including the surface of the oxidation resistant mask 5 by, for example, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method, and then anisotropically forming the silicon oxide film. It is formed by etching.

次に、前記熱酸化絶縁膜2とサイドウォールスペーサ16との間のp型半導体基板1の表面に前記熱酸化絶縁膜2及びサイドウォールスペーサ16に対して自己整合でn型不純物(例えば燐)を導入し、n型半導体領域6A、n型半導体領域6Bの夫々の表面にソース領域及びドレイン領域である一対のn型半導体領域9を形成する。この一対のn型半導体領域9の夫々はn型半導体領域6A、6Bの夫々に比べて高不純物濃度に設定される。   Next, the surface of the p-type semiconductor substrate 1 between the thermal oxide insulating film 2 and the side wall spacer 16 is n-type impurity (for example, phosphorus) self-aligned with the thermal oxide insulating film 2 and the side wall spacer 16. Then, a pair of n-type semiconductor regions 9 which are a source region and a drain region are formed on the surfaces of the n-type semiconductor region 6A and the n-type semiconductor region 6B. Each of the pair of n-type semiconductor regions 9 is set to a higher impurity concentration than the n-type semiconductor regions 6A and 6B.

次に、熱酸化処理を施し、前記熱酸化絶縁膜2とサイドウォールスペーサ16との間のp型半導体基板1の表面上に一対の熱酸化絶縁膜10を形成する。一対の熱酸化絶縁膜10の夫々の膜厚は、前記熱酸化絶縁膜2に比べて薄く、第1ゲート絶縁膜3に比べて厚く設定される。熱酸化処理は、表面反応がp型半導体基板1の酸化量を律則する傾向の強い酸化温度領域での水蒸気中で行なわれる。   Next, a thermal oxidation process is performed to form a pair of thermal oxide insulating films 10 on the surface of the p-type semiconductor substrate 1 between the thermal oxide insulating film 2 and the sidewall spacers 16. The thickness of each of the pair of thermal oxide insulating films 10 is set to be thinner than the thermal oxide insulating film 2 and thicker than the first gate insulating film 3. The thermal oxidation treatment is performed in water vapor in an oxidation temperature region where the surface reaction tends to regulate the oxidation amount of the p-type semiconductor substrate 1.

上記酸化処理において、第1ゲート絶縁膜3に接する厚さ4nmの非晶質シリコン膜は、多結晶シリコン膜20となる。この時、上記非晶質シリコン膜表面に形成されていた酸化珪素膜は消滅する。   In the oxidation treatment, the amorphous silicon film having a thickness of 4 nm in contact with the first gate insulating film 3 becomes the polycrystalline silicon film 20. At this time, the silicon oxide film formed on the surface of the amorphous silicon film disappears.

一方、上記酸化により第1のゲート材(8、20)とp型半導体基板1との間に第1ゲート材(8、20)のゲート長方向の側壁面側からその中央部に向って成長するゲートバーズビーク(熱酸化絶縁膜)が形成されるが、このゲートバーズビーク(熱酸化絶縁膜)のバラツキは非常に小さくなる。このゲートバーズビークのバラツキが小さい理由は不純物濃度が小さいため増速作用がないからである。   On the other hand, the first gate material (8, 20) is grown between the first gate material (8, 20) and the p-type semiconductor substrate 1 from the side wall surface side in the gate length direction toward the center by the oxidation. The gate bird's beak (thermal oxide insulating film) is formed, but the variation of the gate bird's beak (thermal oxide insulating film) becomes very small. The reason why the variation in the gate bird's beak is small is that there is no speed increasing action because the impurity concentration is small.

また、熱酸化絶縁膜10の膜厚は選択酸化法で形成される熱酸化絶縁膜2に比べて薄く設定されるので、熱酸化絶縁膜10を形成する熱処理時間は熱酸化絶縁膜2を形成する熱処理時間に比べて短い。   Further, since the thickness of the thermal oxide insulating film 10 is set to be thinner than that of the thermal oxide insulating film 2 formed by the selective oxidation method, the heat treatment time for forming the thermal oxide insulating film 10 forms the thermal oxide insulating film 2. Shorter than the heat treatment time.

次に、前記マスク5を除去する。この時、サイドウォールスペーサ16の一部も除去される。   Next, the mask 5 is removed. At this time, a part of the sidewall spacer 16 is also removed.

次に、前記酸化絶縁膜10、第1のゲート材(8、20)の夫々の表面上を含むp型半導体基板1の全面に例えばCVD法で多結晶珪素膜を形成する。この多結晶珪素膜には抵抗値を低減する不純物(例えば燐)がその堆積中に導入される。   Next, a polycrystalline silicon film is formed on the entire surface of the p-type semiconductor substrate 1 including the surfaces of the oxide insulating film 10 and the first gate material (8, 20) by, eg, CVD. Impurities (for example, phosphorus) that reduce the resistance value are introduced into the polycrystalline silicon film during its deposition.

次に、前記酸化絶縁膜10上及び第1のゲート材(8、20)上の多結晶シリコン膜の一部の表面上にゲート長方向の幅が規定されたマスク20を形成する。このマスク20は、例えばフォトレジスト膜で形成され、ゲート幅方向に向って延在する。   Next, a mask 20 having a defined width in the gate length direction is formed on a part of the surface of the polycrystalline silicon film on the oxide insulating film 10 and the first gate material (8, 20). The mask 20 is formed of a photoresist film, for example, and extends in the gate width direction.

次に、前記多結晶シリコン膜にパターンニングを施し、図7及び図10に示すように、前記酸化絶縁膜10、第1のゲート材(8、20)の夫々の表面上に、不純物が導入された多結晶シリコン膜で形成され、かつゲート長方向の幅が規定された第2のゲート材11を形成する。   Next, the polycrystalline silicon film is patterned, and impurities are introduced onto the surfaces of the oxide insulating film 10 and the first gate material (8, 20) as shown in FIGS. A second gate material 11 made of the polycrystalline silicon film and having a defined width in the gate length direction is formed.

次に、前記熱酸化絶縁膜2下のp型半導体基板1の表面に前記マスク20に対して自己整合でp型不純物を例えばイオン打込み法で導入し、チャネルストッパー領域であるp型半導体領域12を形成する。次に、前記マスク20を除去する。   Next, a p-type impurity is introduced into the surface of the p-type semiconductor substrate 1 below the thermal oxide insulating film 2 in a self-aligned manner with respect to the mask 20 by, for example, ion implantation, to form a p-type semiconductor region 12 which is a channel stopper region. Form. Next, the mask 20 is removed.

次に、熱拡散処理を施し、前記第2のゲート材11に導入された不純物を第1ゲート材(8、20)に拡散させる。熱拡散処理は例えば850[℃]程度の温度雰囲気中で約10[分]間行う。この工程により、第1のゲート材の抵抗値は、第2ゲート材11から拡散によって導入された不純物で低減される。   Next, a thermal diffusion process is performed to diffuse the impurities introduced into the second gate material 11 into the first gate material (8, 20). The thermal diffusion treatment is performed for about 10 [minutes] in an atmosphere of about 850 [° C.], for example. By this step, the resistance value of the first gate material is reduced by the impurities introduced from the second gate material 11 by diffusion.

次に、前記第2ゲート材11の表面上に第2ゲート絶縁膜13を形成する。この第2ゲート絶縁膜13は、第1酸化珪素膜、窒化珪素膜、第2酸化珪素膜の夫々を例えばCVD法で順次積層した多層膜で形成される。   Next, a second gate insulating film 13 is formed on the surface of the second gate material 11. The second gate insulating film 13 is formed of a multilayer film in which a first silicon oxide film, a silicon nitride film, and a second silicon oxide film are sequentially stacked by, for example, a CVD method.

次に、前記第2ゲート絶縁膜13の表面上に第3のゲート材を形成する。この第3ゲート材は例えば抵抗値を低減する不純物が導入された多結晶シリコン膜で形成される。   Next, a third gate material is formed on the surface of the second gate insulating film 13. The third gate material is formed of, for example, a polycrystalline silicon film into which an impurity for reducing the resistance value is introduced.

次に、図27に示すように、前記第3ゲート材にゲート幅方向の幅を規定するパターンニング、前記第2ゲート材11、第1ゲート材(8、20)の夫々にゲート幅方向の幅を規定するパターンニングを順次行い、前記第3ゲート材で制御ゲート電極G2及びワード線(WL)を形成すると共に、前記第2ゲート材11、第1ゲート材(8、20)の夫々で浮遊ゲート電極G1を形成する。この工程により、不揮発性記憶素子Qがほぼ完成する。   Next, as shown in FIG. 27, the third gate material is patterned to define the width in the gate width direction, and each of the second gate material 11 and the first gate material (8, 20) is arranged in the gate width direction. The patterning for defining the width is sequentially performed to form the control gate electrode G2 and the word line (WL) with the third gate material, and the second gate material 11 and the first gate material (8, 20) respectively. A floating gate electrode G1 is formed. By this step, the nonvolatile memory element Q is almost completed.

次に、前記不揮発性記憶素子Qとゲート幅方向に配置された他の不揮発性記憶素子Qとの間のp型半導体基板1の表面にこれらの制御ゲート電極13に対して自己整合でp型不純物を導入し、チャネルストッパ領域であるp型半導体領域14を形成する。この工程により、ゲート幅方向に配置される複数個の不揮発性記憶素子Qのチャネル形成領域はp型半導体領域14によって互いに分離される。   Next, on the surface of the p-type semiconductor substrate 1 between the nonvolatile memory element Q and another nonvolatile memory element Q arranged in the gate width direction, the p-type is self-aligned with the control gate electrode 13. Impurities are introduced to form a p-type semiconductor region 14 which is a channel stopper region. Through this step, the channel formation regions of the plurality of nonvolatile memory elements Q arranged in the gate width direction are separated from each other by the p-type semiconductor region 14.

次に、前記ワード線(WL)及び制御ゲート電極G2を含むp型半導体基板1の全面に層間絶縁膜30を形成し、その後、前記層間絶縁膜30を含むp型半導体基板1の全面にデータ線DLを形成する。データ線DLは、例えばアルミニウム膜又はアルミニウム合金膜からなる金属膜で形成される。   Next, an interlayer insulating film 30 is formed on the entire surface of the p-type semiconductor substrate 1 including the word line (WL) and the control gate electrode G2, and then data is formed on the entire surface of the p-type semiconductor substrate 1 including the interlayer insulating film 30. Line DL is formed. The data line DL is formed of a metal film made of, for example, an aluminum film or an aluminum alloy film.

なお、前記熱酸化絶縁膜10、第1ゲート材(8、20)の夫々の表面上を含むp型半導体基板1の全面に例えばCVD法で多結晶シリコン膜を形成する工程の後であってマスク20を形成する工程の前に、前記多結晶シリコン膜に不純物(例えば燐)を導入する工程を備えてもよい。   In addition, after the step of forming a polycrystalline silicon film by, for example, the CVD method on the entire surface of the p-type semiconductor substrate 1 including the surfaces of the thermal oxide insulating film 10 and the first gate material (8, 20). Before the step of forming the mask 20, a step of introducing an impurity (for example, phosphorus) into the polycrystalline silicon film may be provided.

このように構成される不揮発性記憶素子Qは第1ゲート材(8、20)とp型半導体基板1との間に第1ゲート材(8、20)のゲート長方向の側壁面側からその中央部に向って成長するゲートバーズビークのバラツキを5[nm]以下に低減することができる。このゲートバーズビークのバラツキの低減は、書き込み後のしきい値電圧のバラツキを抑制することができる。   The nonvolatile memory element Q configured as described above has a first gate material (8, 20) between the first gate material (8, 20) and the p-type semiconductor substrate 1 from the side wall surface side in the gate length direction. The variation of the gate bird's beak that grows toward the center can be reduced to 5 [nm] or less. This reduction in gate bird's beak variation can suppress variation in threshold voltage after writing.

なお、前記不揮発性記憶素子Qの実効チャネル長は0.3[nm]であり、制御ゲート電極G2から計ったしきい値電圧は1.5[V]であり、パンチスルー耐圧は8[V]である。   Note that the effective channel length of the nonvolatile memory element Q is 0.3 [nm], the threshold voltage measured from the control gate electrode G2 is 1.5 [V], and the punch-through breakdown voltage is 8 [V]. ].

また、前記不揮発性記憶素子Qへのデータの消去動作は、p型半導体基板1に−4[V]の基準電位を印加し、制御ゲート電極G2にパルス幅0.5[ms]、電圧12[V]の動作電位(書き込み電圧パルス)を印加して、チャネル領域全面から電荷蓄積ゲート電極G1へのトンネル電流注入により行う。消去後のしきい値電圧は6[V]に上昇する。一方、データの消去動作は、制御ゲート電極G2に−9[V]の動作電位を印加し、ドレイン領域にパルス幅0.5[ms]、電圧5[V]の動作電位(消去電圧パルス)を印加して、電荷蓄積ゲート電極G1からドレイン領域ヘのトンネル電流放出により行う。消去後のしきい値電圧は1[V]に低下する。この書き込み動作、消去動作のテストを1[Mbit ]の容量を有する半導体集積回路装置で行った結果、一定のしきい値電圧シフトを得るための書き込み−消去電圧のバラツキを0.02[V]程度に抑えることができた。   In the data erasing operation to the nonvolatile memory element Q, a reference potential of −4 [V] is applied to the p-type semiconductor substrate 1, a pulse width of 0.5 [ms] and a voltage of 12 are applied to the control gate electrode G2. The operation potential (write voltage pulse) of [V] is applied and tunnel current injection from the entire channel region to the charge storage gate electrode G1 is performed. The threshold voltage after erasing rises to 6 [V]. On the other hand, in the data erasing operation, an operating potential of −9 [V] is applied to the control gate electrode G2, and an operating potential (erasing voltage pulse) having a pulse width of 0.5 [ms] and a voltage of 5 [V] is applied to the drain region. Is applied, and a tunnel current is discharged from the charge storage gate electrode G1 to the drain region. The threshold voltage after erasing decreases to 1 [V]. As a result of performing the test of the write operation and the erase operation with the semiconductor integrated circuit device having a capacity of 1 [Mbit], the variation of the write-erase voltage for obtaining a certain threshold voltage shift is 0.02 [V]. It was able to be suppressed to the extent.

本実施例の不揮発性記憶装置を有する半導体集積回路装置によれば、上記第1のゲート材に所定の非晶質シリコン膜を用いることにより、F-N電流の増大を図ることができた。   According to the semiconductor integrated circuit device having the nonvolatile memory device of this example, it was possible to increase the FN current by using a predetermined amorphous silicon film as the first gate material.

更に加えて、本実施例によれば、ゲート絶縁膜に接するゲート電極材の不純物濃度を低下し、ゲートバードビークによるオーバラップ領域の面積のバラツキを低下し、もって、F-N電流の均一化を図ることが出来る。   In addition, according to the present embodiment, the impurity concentration of the gate electrode material in contact with the gate insulating film is reduced, the variation in the area of the overlap region due to the gate bird beak is reduced, and the FN current is made uniform. I can do it.

更に加えて、本実施例によれば、以下の諸作用効果が得られる。
(1)第1のゲート材(8、20)のゲート長方向の幅の寸法精度を高めることができ、第1ゲート材のゲート長方向の幅で規定される浮遊ゲート電極G1のゲート長の寸法精度を高めることができる。この結果、浮遊ゲート電極G1とドレイン領域とが重さなるオーバーラップ領域の面積のバラツキを低減することができると共に、浮遊ゲート電極とソース領域とが重さなるオーバラップ領域の面積のバラツキを低減することができるので、不揮発性記憶素子Qの書き込み特性及び消去特性の均一化を図ることができる。
In addition, according to the present embodiment, the following various effects can be obtained.
(1) The dimensional accuracy of the width of the first gate material (8, 20) in the gate length direction can be increased, and the gate length of the floating gate electrode G1 defined by the width of the first gate material in the gate length direction can be increased. The dimensional accuracy can be increased. As a result, it is possible to reduce the variation in the area of the overlap region where the floating gate electrode G1 and the drain region overlap, and to reduce the variation in the area of the overlap region where the floating gate electrode and the source region overlap. Therefore, the write characteristics and erase characteristics of the nonvolatile memory element Q can be made uniform.

また、書き込み動作及び消去動作をトンネル効果で行う不揮発性記憶素子Qにおいて、書き込み後のしき値電圧のバラツキを低減することができる。この結果、電源電位の変動に対する不揮発性記憶素子Qの動作マージンを増加することができる。   Further, in the nonvolatile memory element Q that performs the writing operation and the erasing operation by the tunnel effect, the variation in threshold voltage after writing can be reduced. As a result, the operation margin of the nonvolatile memory element Q with respect to fluctuations in the power supply potential can be increased.

また、半導体チップ間や半導体ウエーハ間に渡って均一な特性の不揮発性記憶素子Qを製造することができるので、信頼性の高い大容量の半導体集積回路装置を安定して製造することができる。
(2)耐酸化性のマスク5に対して自己整合で導入された不純物が第1のゲート材(8、20)下のチャネル形成領域側に拡散する拡散長を短くすることができる。この結果、ソース領域とドレイン領域との間の実効チャネル長を確保することができるので、不揮発性記憶素子Qのパンチスルー耐圧を高めることができる。
(3)第1ゲート材(8、20)のゲート長方向の幅の寸法精度を更に高めることができる。この結果、電荷蓄積ゲート電極G1とドレイン領域とが重なるオーバラップ領域の面積のバラツキを更に低減することができるので、不揮発性記憶素子Qの書き込み特性及び消去特性の均一化を更に図ることができる。
In addition, since the nonvolatile memory element Q having uniform characteristics can be manufactured across the semiconductor chips and between the semiconductor wafers, a highly reliable large-capacity semiconductor integrated circuit device can be stably manufactured.
(2) The diffusion length in which impurities introduced in a self-aligned manner with respect to the oxidation resistant mask 5 are diffused to the channel forming region side under the first gate material (8, 20) can be shortened. As a result, the effective channel length between the source region and the drain region can be ensured, so that the punch-through breakdown voltage of the nonvolatile memory element Q can be increased.
(3) The dimensional accuracy of the width in the gate length direction of the first gate material (8, 20) can be further increased. As a result, the variation in the area of the overlap region where the charge storage gate electrode G1 and the drain region overlap can be further reduced, so that the write characteristics and the erase characteristics of the nonvolatile memory element Q can be further uniformed. .

なお、第2ゲート材11を形成する前の工程において、第1ゲート材(8)を不純物濃度が1×1019[atoms/cm3]以下に設定された非晶質珪素膜(アモルファスシリコン膜〔a−Si〕)で形成してもよい。この場合、第1ゲート材(8)を不純物濃度が1×1019[atoms/cm3]以下に設定された多結晶珪素膜で形成した場合と同様の効果が得られる。 In the step before forming the second gate material 11, the first gate material (8) is an amorphous silicon film (amorphous silicon film) whose impurity concentration is set to 1 × 10 19 [atoms / cm 3 ] or less. [A-Si]). In this case, the same effect as that obtained when the first gate material (8) is formed of a polycrystalline silicon film whose impurity concentration is set to 1 × 10 19 [atoms / cm 3 ] or less can be obtained.

不揮発性記憶素子の容量を増大させる為の変形例も当然実施できる。この変形例なる半導体集積回路装置の概略構成を図28(要部断面図)に示す。   Of course, a modification for increasing the capacity of the nonvolatile memory element can also be implemented. A schematic configuration of a semiconductor integrated circuit device according to this modification is shown in FIG.

図28に示すように、半導体集積回路装置は書き込み動作及び消去動作をトンネル効果で行う不揮発性記憶素子Qを塔載する。この不揮発性記憶素子Qは、主に、チャネル形成領域であるp型半導体基板1、第1ゲート絶縁膜3、浮遊ゲート電極G1、第2ゲート絶縁膜13、制御ゲート電極G2、ソース領域であるn型半導体領域6A、ドレイン領域であるn型半導体領域6B、ソース領域及びドレイン領域である一対のn+型半導体領域9、しきい値電圧制御領域であるp型半導体領域15で構成される。   As shown in FIG. 28, the semiconductor integrated circuit device includes a nonvolatile memory element Q that performs a write operation and an erase operation by a tunnel effect. The nonvolatile memory element Q is mainly a p-type semiconductor substrate 1, a first gate insulating film 3, a floating gate electrode G1, a second gate insulating film 13, a control gate electrode G2, and a source region, which are channel forming regions. An n-type semiconductor region 6A, an n-type semiconductor region 6B as a drain region, a pair of n + -type semiconductor regions 9 as a source region and a drain region, and a p-type semiconductor region 15 as a threshold voltage control region.

前記浮遊ゲート電極G1は、前述の例と同様に、第1ゲート材(8、20)及びこの第1ゲート材(8、20)の表面上に積層された第2ゲート材11で構成される。第2ゲート材11は抵抗値を低減する不純物として燐が導入された多結晶珪素膜で形成される。   The floating gate electrode G1 is composed of the first gate material (8, 20) and the second gate material 11 stacked on the surface of the first gate material (8, 20), as in the above example. . The second gate material 11 is formed of a polycrystalline silicon film into which phosphorus is introduced as an impurity for reducing the resistance value.

前記第2のゲート材11の表面は凸凹形状で構成される。この第2のゲート材11の凸凹形状は、前記第2ゲート絶縁膜13を形成する工程の前に、p型半導体基板1を燐酸液中に浸漬することにより形成される。このp型半導体基板1を燐酸液中に浸漬する工程は例えば140〜160[℃]程度の燐酸液(H3PO4)中に約60分間浸漬する条件下で行なわれる。 The surface of the second gate material 11 is formed in an uneven shape. The uneven shape of the second gate material 11 is formed by immersing the p-type semiconductor substrate 1 in a phosphoric acid solution before the step of forming the second gate insulating film 13. The step of immersing the p-type semiconductor substrate 1 in a phosphoric acid solution is performed under the condition of immersing in a phosphoric acid solution (H 3 PO 4 ) of about 140 to 160 ° C. for about 60 minutes.

このように、第2のゲート材11を燐が導入された多結晶珪素膜で形成し、この第2のゲート材11を形成する工程の後であって前記第2ゲート絶縁膜13を形成する工程の前に、前記半導体基板1を燐酸液中に浸漬する工程を備えることにより、第2のゲート材11の表面を凸凹形状にすることができるので、第2のゲート材11の表面積を増加することができる。この結果、電荷蓄積ゲート電極G1の表面積を増加することができるので、不揮発性記憶素子Qの電荷蓄積量を高めることができる。   As described above, the second gate material 11 is formed of a polycrystalline silicon film into which phosphorus is introduced, and the second gate insulating film 13 is formed after the step of forming the second gate material 11. By providing the step of immersing the semiconductor substrate 1 in a phosphoric acid solution before the step, the surface of the second gate material 11 can be made uneven, so that the surface area of the second gate material 11 is increased. can do. As a result, since the surface area of the charge storage gate electrode G1 can be increased, the charge storage amount of the nonvolatile memory element Q can be increased.

なお、第2ゲート材11の表面の凸凹形状は、半球状の粒子(ヘミスフェリカル・グレイン:HSG)をCVD法で堆積しても形成できる。   The uneven shape on the surface of the second gate material 11 can also be formed by depositing hemispherical particles (hemispherical grains: HSG) by the CVD method.

本発明の基本効果を説明する為に用いた平面キャパシタの断面図である。It is sectional drawing of the planar capacitor used in order to demonstrate the basic effect of this invention. 本発明との比較に用いた従来型の平面キャパシタの断面図である。It is sectional drawing of the conventional planar capacitor used for the comparison with this invention. 本発明の基本効果を説明する為に用いた各試料の条件を示す図である。It is a figure which shows the conditions of each sample used in order to demonstrate the basic effect of this invention. 定電流ストレス印加後の低電界における漏洩電流の電流密度の比較を行う図である。It is a figure which compares the current density of the leakage current in the low electric field after constant current stress application. 定電流ストレス印加後の書換え(F−N)電流の比較を行う図である。It is a figure which compares the rewriting (FN) electric current after a constant current stress application. 一定電流ストレスによる破壊寿命分布の比較(900℃の熱処理を行ったキャパシタで比較)する図である。It is a figure which compares the breakdown lifetime distribution by constant current stress (comparison with the capacitor which heat-processed at 900 degreeC). 一定電流ストレスによる破壊寿命分布の比較(750℃の熱処理を行ったキャパシタで比較)する図である。It is a figure which compares the breakdown lifetime distribution by constant current stress (comparison with the capacitor which heat-processed at 750 degreeC). 本発明の第1の実施例に用いた第1のメモリセルの断面図である。1 is a cross-sectional view of a first memory cell used in a first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施例に用いた第2のメモリセルの断面図である。It is sectional drawing of the 2nd memory cell used for the 1st Example of the present invention. 第2の実施例中に比較の為に用いた従来のメモリセルの断面図である。It is sectional drawing of the conventional memory cell used for the comparison in the 2nd Example. メモリセルの書込み/消去時間の比較(900℃の熱処理)を示す図である。It is a figure which shows the comparison (900 degreeC heat processing) of the write / erase time of a memory cell. メモリセルの書込み/消去時間の比較(750℃の熱処理)を示す図である。It is a figure which shows the comparison (750 degreeC heat processing) of the programming / erasing time of a memory cell. 本発明の第2の実施例に用いたメモリセルの断面図である。It is sectional drawing of the memory cell used for the 2nd Example of this invention. メモリセルの書込み/消去時間の比較(900℃の熱処理)を示すである。FIG. 6 shows a comparison of memory cell write / erase times (heat treatment at 900 ° C.). FIG. 一定電流ストレス前後の電流−電界特性の比較例を示す図である。It is a figure which shows the comparative example of the electric current-electric field characteristic before and behind a fixed current stress. ゲート絶縁膜の膜厚と電流密度の一般的な関係を示す図である。It is a figure which shows the general relationship between the film thickness of a gate insulating film, and current density. 本発明の実施例3である半導体集積回路装置に搭載されるメモリアレイの主要部の等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram of the principal part of the memory array mounted in the semiconductor integrated circuit device that is Embodiment 3 of the present invention. 図17の半導体集積回路装置の主要部の平面図である。FIG. 18 is a plan view of a main part of the semiconductor integrated circuit device of FIG. 17. 図18に示すA−A切断線で切った要部断面図である。It is principal part sectional drawing cut | disconnected by the AA cutting line shown in FIG. 図18に示すB−B切断線で切った要部断面図である。It is principal part sectional drawing cut | disconnected by the BB cutting line shown in FIG. 前記半導体集積回路装置の製造方法を説明するための要部断面図である。It is principal part sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the said semiconductor integrated circuit device. 前記半導体集積回路装置の製造方法を説明するための要部断面図である。It is principal part sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the said semiconductor integrated circuit device. 前記半導体集積回路装置の製造方法を説明するための要部断面図である。It is principal part sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the said semiconductor integrated circuit device. 前記半導体集積回路装置の製造方法を説明するための要部平面図である。It is a principal part top view for demonstrating the manufacturing method of the said semiconductor integrated circuit device. 前記半導体集積回路装置の製造方法を説明するための要部平面図である。It is a principal part top view for demonstrating the manufacturing method of the said semiconductor integrated circuit device. 前記半導体集積回路装置の製造方法を説明するための要部平面図である。It is a principal part top view for demonstrating the manufacturing method of the said semiconductor integrated circuit device. 前記半導体集積回路装置の製造方法を説明するための要部平面図である。It is a principal part top view for demonstrating the manufacturing method of the said semiconductor integrated circuit device. 実施例3に示したメモリセルの変形例を示す主要部の断面図である。10 is a cross-sectional view of a main part showing a modification of the memory cell shown in Embodiment 3. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1...p型半導体基板1、2...フィールド絶縁膜、3...第1ゲート絶縁膜、4...多結晶珪素膜、5...耐酸化性のマスク、6...n型半導体領域、7...耐酸化性のマスク、8...第1ゲート材、9...n型半導体領域、10...酸化絶縁膜、11...第2ゲート材、12...p型半導体領域、13...第2ゲート絶縁膜、14...p型半導体領域、15...p型半導体領域、16...サイドウォールスペーサ、17...メモリブロック、G1...電荷蓄積ゲート電極、G2...制御ゲート電極、Q...不揮発性記憶素子、ST...選択用トランジスタ、WL...ワード線、DL...データ線、LSL...ローカルソース線、LDL...ローカルデータ線。101,201,301,401,501,601,701...単結晶シリコン基板、102,202,302,402,502,602,702...素子分離酸化膜、103,203,303,403,503,603,703...ゲート絶縁膜(トンネル絶縁膜)、104,204,404,504,704...Si膜、105,205,405,505...SiO2膜、104,106,204,206,306...ゲート電極、404,406,504,506,606,704...浮遊ゲート電極、407,507,607,707...ONO層間膜、408,508,608,708...制御ゲート電極、409,413,509,513,609,613,709,713...絶縁膜、412,512,612,712...側壁絶縁膜、410,510,610,710...ソース領域、411,511,611,711...ドレイン領域、414,514,614,714...ソース配線、415,515,615,715...ドレイン配線。 1 ... p-type semiconductor substrate 1, 2 ... field insulating film, 3 ... first gate insulating film, 4 ... polycrystalline silicon film, 5 ... oxidation resistant mask, 6. ... n-type semiconductor region, 7... oxidation-resistant mask, 8... first gate material, 9... n-type semiconductor region, 10. , 12 ... p-type semiconductor region, 13 ... second gate insulating film, 14 ... p-type semiconductor region, 15 ... p-type semiconductor region, 16 ... side wall spacer, 17 ... Memory block, G1 ... charge storage gate electrode, G2 ... control gate electrode, Q ... nonvolatile memory element, ST ... selection transistor, WL ... word line, DL ... data line , LSL ... Local source line, LDL ... Local data line. 101, 201, 301, 401, 501, 601, 701 ... single crystal silicon substrate, 102, 202, 302, 402, 502, 602, 702 ... element isolation oxide film, 103, 203, 303, 403, 503, 603, 703 ... gate insulating film (tunnel insulating film), 104, 204, 404, 504, 704 ... Si film, 105, 205, 405, 505 ... SiO 2 film, 104, 106, 204, 206, 306 ... gate electrode, 404, 406, 504, 506, 606, 704 ... floating gate electrode, 407, 507, 607, 707 ... ONO interlayer film, 408, 508, 608, 708 ... Control gate electrode, 409, 413, 509, 513, 609, 613, 709, 713 ... Insulating film, 412, 512, 612, 712 ... Side wall insulating film, 410, 51 , 610, 710 ... the source region, 411,511,611,711 ... drain region, 414,514,614,714 ... source wiring, 415,515,615,715 ... drain wiring.

Claims (14)

半導体基板上に形成された不揮発性半導体記憶装置の製造方法において、
(a)前記半導体基板上に、ゲート絶縁膜となる第1絶縁膜を形成する工程と、
(b)前記第1絶縁膜上に、平均膜厚10nm以下の非晶質の浮遊ゲート電極となる第1シリコン膜を形成する工程と、
(c)前記非晶質の第1シリコン膜上に厚さが0.3〜1nmの第2絶縁膜を形成する工程と、
(d)前記第2絶縁膜上に浮遊ゲート電極となる第1導体膜を形成する工程と、
(e)前記第1導体膜上に層間絶縁膜となる第3絶縁膜を形成する工程と、
(f)前記第3絶縁膜上に制御ゲート電極となる第2導電膜を形成する工程と、
(g)前記(b)工程以後に、熱処理する工程と、を有し、
前記(b)工程以後の熱処理する工程では、前記非晶質の第1シリコン膜は非晶質状態を保持することを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
In a method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device formed on a semiconductor substrate,
(A) forming a first insulating film to be a gate insulating film on the semiconductor substrate;
(B) forming a first silicon film to be an amorphous floating gate electrode having an average film thickness of 10 nm or less on the first insulating film;
(C) forming a second insulating film having a thickness of 0.3 to 1 nm on the amorphous first silicon film;
(D) forming a first conductor film serving as a floating gate electrode on the second insulating film;
(E) forming a third insulating film serving as an interlayer insulating film on the first conductor film;
(F) forming a second conductive film to be a control gate electrode on the third insulating film;
(G) having a heat treatment step after the step (b),
In the non-volatile semiconductor memory device manufacturing method, the amorphous first silicon film maintains an amorphous state in the heat treatment step after the step (b).
請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法において、
前記第1導電膜は非晶質の第2のシリコン膜を含み、前記熱処理する工程で、非晶質の前記第2のシリコン膜は多結晶シリコン膜に変換されることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
The method of manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1.
The first conductive film includes an amorphous second silicon film, and the amorphous second silicon film is converted into a polycrystalline silicon film in the heat treatment step . Manufacturing method of semiconductor memory device .
半導体基板上に形成された不揮発性半導体記憶装置の製造方法において、
(a)前記半導体基板上に、ゲート絶縁膜となる第1絶縁膜を形成する工程と、
(b)前記第1絶縁膜上に、平均膜厚10nm以下の非晶質の浮遊ゲート電極となる第1シリコン膜を形成する工程と、
(c)前記非晶質の第1シリコン膜上に厚さが0.3〜1nmの第2絶縁膜を形成する工程と、
(d)前記第2絶縁膜上に非晶質の第2シリコン膜を有する浮遊ゲート電極となる第1導体膜を形成する工程と、
(h)前記第2シリコン膜上に層間絶縁膜となる第3絶縁膜を形成する工程と、
(i)前記第3絶縁膜上に制御ゲート電極となる第2導電膜を形成する工程と、
(j)前記(d)工程以後に、選択的に前記第2シリコン膜を多結晶化する工程と、を有することを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
In a method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device formed on a semiconductor substrate,
(A) forming a first insulating film to be a gate insulating film on the semiconductor substrate;
(B) forming a first silicon film to be an amorphous floating gate electrode having an average film thickness of 10 nm or less on the first insulating film;
(C) forming a second insulating film having a thickness of 0.3 to 1 nm on the amorphous first silicon film;
(D) forming a first conductor film serving as a floating gate electrode having an amorphous second silicon film on the second insulating film;
(H) forming a third insulating film serving as an interlayer insulating film on the second silicon film;
(I) forming a second conductive film to be a control gate electrode on the third insulating film;
(J) A method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device , comprising the step of selectively polycrystallizing the second silicon film after the step (d).
請求項3記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法において、
前記選択的に前記第2シリコン膜を多結晶化する工程は、熱処理する工程であることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
The method of manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to claim 3.
The method of manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device , wherein the step of selectively polycrystallizing the second silicon film is a step of heat treatment.
請求項1〜のいずれか一項に記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法において、
前記第1シリコン膜の平均膜厚は8nm以下であることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
In the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device according to any one of claims 1 to 4 .
A method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device , wherein the first silicon film has an average film thickness of 8 nm or less .
請求項記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法において、
前記熱処理する工程は、800℃以下の熱処理工程、または、前記選択的に前記第2シリコン膜を多結晶化する工程は、800℃以下の熱処理工程であることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
The method of manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to claim 5 .
The heat treatment step is a heat treatment step of 800 ° C. or lower, or the step of selectively polycrystallizing the second silicon film is a heat treatment step of 800 ° C. or lower. Manufacturing method.
半導体基板上に形成された不揮発性半導体記憶装置の製造方法において
(a)前記半導体基板上に、ゲート絶縁膜となる第1絶縁膜を形成する工程と、
(b)前記第1絶縁膜上に、平均膜厚10nm以下の非晶質の浮遊ゲート電極となる第1シリコン膜を形成する工程と、
(c)前記非晶質のシリコン膜上に厚さが0.3〜1nmの第2絶縁膜を形成する工程と、
(d)前記第2絶縁膜上に非晶質の第2シリコン膜を有する浮遊ゲート電極となる第1導体膜を形成する工程と、
(e)前記第1導体膜上に層間絶縁膜となる第3絶縁膜を形成する工程と、
(f)前記第3絶縁膜上に制御ゲート電極となる第2導電膜を形成する工程と、
(g)前記(b)工程以後に、前記第1シリコン膜を多結晶化する工程と、
(h)前記(d)工程以後に、前記第2シリコン膜を多結晶化する工程と、を有し、
前記第1シリコン膜の結晶粒径は前記第2シリコン膜の結晶粒径よりも小さいことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
In a method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device formed on a semiconductor substrate ,
(A) forming a first insulating film to be a gate insulating film on the semiconductor substrate;
(B) forming a first silicon film to be an amorphous floating gate electrode having an average film thickness of 10 nm or less on the first insulating film;
(C) forming a second insulating film having a thickness of 0.3 to 1 nm on the amorphous silicon film;
(D) forming a first conductor film serving as a floating gate electrode having an amorphous second silicon film on the second insulating film;
(E) forming a third insulating film serving as an interlayer insulating film on the first conductor film;
(F) forming a second conductive film to be a control gate electrode on the third insulating film;
(G) after the step (b), a step of polycrystallizing the first silicon film;
(H) after the step (d), the step of polycrystallizing the second silicon film,
A method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device , wherein the crystal grain size of the first silicon film is smaller than the crystal grain size of the second silicon film .
半導体基板上に形成された不揮発性半導体記憶装置の製造方法において、
(a)前記半導体基板上に、ゲート絶縁膜となる第1絶縁膜を形成する工程と、
(b)前記第1絶縁膜上に、平均膜厚10nm以下の非晶質の浮遊ゲート電極となる第1シリコン膜を形成する工程と、
(c)前記非晶質の第1シリコン膜上に厚さが0.3〜1nmの第2絶縁膜を形成する工程と、
(d)前記第2絶縁膜上に多結晶の第2シリコン膜を有する浮遊ゲート電極となる第1導体膜を形成する工程と、
(e)前記第1導体膜上に層間絶縁膜となる第3絶縁膜を形成する工程と、
(f)前記第3絶縁膜上に制御ゲート電極となる第2導電膜を形成する工程と、
(g)前記(b)工程以後に、前記第2シリコン膜を多結晶化する工程と、を有し、
前記第1シリコン膜の結晶粒径は前記第2シリコン膜の結晶粒径よりも小さいことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
In a method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device formed on a semiconductor substrate,
(A) forming a first insulating film to be a gate insulating film on the semiconductor substrate;
(B) forming a first silicon film to be an amorphous floating gate electrode having an average film thickness of 10 nm or less on the first insulating film;
(C) forming a second insulating film having a thickness of 0.3 to 1 nm on the amorphous first silicon film;
(D) forming a first conductor film serving as a floating gate electrode having a polycrystalline second silicon film on the second insulating film;
(E) forming a third insulating film serving as an interlayer insulating film on the first conductor film;
(F) forming a second conductive film to be a control gate electrode on the third insulating film;
(G) after the step (b), the step of polycrystallizing the second silicon film,
A method of manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device , wherein the crystal grain size of the first silicon film is smaller than the crystal grain size of the second silicon film .
請求項7または8記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法において、
前記第1シリコン膜の結晶粒径は20nm以下であることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
The method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to claim 7 or 8,
A method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device , wherein the crystal grain size of the first silicon film is 20 nm or less .
請求項7〜9のいずれか一項に記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法において、
前記第1シリコン膜の平均膜厚は8nm以下であることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
In the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device according to any one of claims 7 to 9,
A method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device , wherein the first silicon film has an average film thickness of 8 nm or less .
請求項7〜10のいずれか一項に記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法において、
前記多結晶化する工程は、熱処理する工程であることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
In the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device according to any one of claims 7 to 10,
The method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device , wherein the polycrystallization step is a heat treatment step .
請求項11記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法において、
前記熱処理する工程で、前記第2絶縁膜が消滅することを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
The method of manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to claim 11.
The method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device, wherein the second insulating film disappears in the heat treatment step .
請求項1〜12のいずれか一項に記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法において、
前記第1導体膜は、シリコン膜の積層膜であることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
In the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device according to any one of claims 1 to 12,
The method of manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device , wherein the first conductor film is a laminated film of a silicon film .
請求項1〜13のいずれか一項に記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法において、
前記第1シリコン膜は、480℃以下で形成されることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
In the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device according to any one of claims 1 to 13,
The method of manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device , wherein the first silicon film is formed at 480 ° C. or lower .
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