JP4440670B2 - Nonvolatile semiconductor memory device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、メモリ素子を有する半導体装置に関し、詳しくは、MONOS(金属―酸化膜―窒化膜―酸化膜―半導体)構造のメモリ素子を有する不揮発性半導体記憶装置に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device having a memory element, and more particularly to a nonvolatile semiconductor memory device having a memory element having a MONOS (metal-oxide film-nitride film-oxide film-semiconductor) structure.
電気的にデータの書き換えが可能なメモリ素子は、一般にEEPROMと云われており、電子機器の仕様や動作に必要なデータを格納するのに適している。
EEPROMの主なタイプとしてMONOS構造のメモリ素子、MNOS(金属―窒化膜―酸化膜―半導体)構造のメモリ素子およびフローティングゲート構造のメモリ素子がある。
A memory element capable of electrically rewriting data is generally called an EEPROM, and is suitable for storing data necessary for the specification and operation of an electronic device.
As the main types of EEPROM, there are a memory element having a MONOS structure, a memory element having a MNOS (metal-nitride film-oxide film-semiconductor) structure, and a memory element having a floating gate structure.
ところで、電子機器の仕様や動作に必要なデータは、メモリ素子の製造開始時には既に判明していることがある。その場合は、半導体装置に搭載するメモリ素子は、EEPROMではなく、マスクROMでも良い。 By the way, the data necessary for the specifications and operation of the electronic device may be already known at the start of manufacturing the memory element. In that case, the memory element mounted on the semiconductor device may be a mask ROM instead of an EEPROM.
ところが、修正の必要のない製品版プログラムや固定データを記憶させる場合はマスクROMでも良いが、データの上書きや、書き込み消去を行うことを前提としたメモリ素子は、EEPROMでしか構成することは出来ない。
また、メモリ素子を備える半導体装置を電子機器に搭載する直前に、製造バラツキの補正や急な仕様の変更のために、データの追加、あるいは書き換えをしなければならない場合があり、このような事情からEEPROMは広く使われている。
However, a product ROM program that does not need to be corrected or fixed data may be stored in a mask ROM. However, a memory element that is assumed to be overwritten or written / erased can only be composed of an EEPROM. Absent.
In addition, just before mounting a semiconductor device including a memory element on an electronic device, it may be necessary to add or rewrite data in order to correct manufacturing variations or suddenly change specifications. EEPROM is widely used.
EEPROMは、書き込むデータの種類によらず、書き込み用の正電源および消去用の負電源をそれぞれ用意する必要がある。EEPROMを備える半導体装置においては、その製造工程において、工数と時間のかかるデータの書き込みおよび消去を行う必要があり、半導体装置の量産を行う場合においての大きな負荷となっている。 In the EEPROM, it is necessary to prepare a positive power source for writing and a negative power source for erasing regardless of the type of data to be written. In a semiconductor device provided with an EEPROM, it is necessary to write and erase data that requires man-hours and time in the manufacturing process, which is a great burden when mass-producing semiconductor devices.
上記のうち、書き込み用の正電源および消去用の負電源をそれぞれ用意しなくてはならない問題を改善する方法としてはいくつかの提案を見るところである(例えば、特許文献1参照)。 Among the above, as a method for improving the problem of having to prepare a positive power source for writing and a negative power source for erasing, several proposals are being seen (see, for example, Patent Document 1).
特許文献1に示した従来技術を説明する。図8は、EEPROMの主なタイプであるMONOS構造のメモリ素子の構造を示す簡略図であり、その趣旨を逸脱しないように書き直した図である。
The prior art shown in
図8において、10はMONOS構造のメモリ素子、11はp型半導体基板、12aはソースとしてのn+拡散層、12bはドレインとしてのn+拡散層、13は空乏層、14cはゲート絶縁膜、15はコントロールゲート、21はドレイン端子、22はゲート端子、23はソース端子、141はトンネル酸化膜、142はメモリ窒化膜、143cはトップ酸化膜である。
ゲート絶縁膜14cは、トンネル酸化膜141とメモリ窒化膜142とトップ酸化膜143cとで構成している。
In FIG. 8, 10 is a memory element having a MONOS structure, 11 is a p-type semiconductor substrate, 12a is an n + diffusion layer as a source, 12b is an n + diffusion layer as a drain, 13 is a depletion layer, 14c is a gate insulating film,
The gate insulating film 14c includes a
図8は、ドレイン端子21に正電源を接続し、ゲート端子22を接地電位とし、ソース端子23を開放(オープン)とした場合を示している。このような電位関係では、空乏層13は、ドレイン側のpn接合面からソース側のpn接合面に向かって広がる。
FIG. 8 shows a case where a positive power source is connected to the
このような構成を有するMONOS構造のメモリ素子は、ゲート絶縁膜14cのメモリ窒化膜142へ電荷を蓄積することによりデータの書き込み(記憶)を行う。そして、書き込みおよび消去動作時のしきい値電圧の制御(電荷蓄積量の制御)は、コントロールゲート15、n+拡散層12aおよびn+拡散層12bへの印加電圧を変化させることにより行う。
The memory element having the MONOS structure having such a configuration writes (stores) data by accumulating charges in the
たとえば、書き込み時には、ゲート端子22からコントロールゲート15に10V程度の正電圧を印加することにより、p型半導体基板11の表面近傍の電子がトンネル酸化膜141を通過し、メモリ窒化膜142へ蓄積される。
For example, when writing, by applying a positive voltage of about 10 V from the
そして、消去時には、ドレイン端子21からn+拡散層12bに10V程度の正電圧を印加し、ゲート端子22を介してコントロールゲート15は接地電位とし、ソース端子23は電気的にオープンとすることでn+拡散層12aも電気的にオープンとする。
ドレイン端子21に正電位を与えることで、図8に示すように、チャネル中に空乏層13が伸び、ゲート端子22の下のチャネル電位が上がる。そのため、ゲート絶縁膜14cのメモリ窒化膜142に保持されている負電荷が空乏層13に引き抜かれ、結果としてデータが消去される。
At the time of erasing, a positive voltage of about 10 V is applied from the
By applying a positive potential to the
特許文献1に示した従来技術は、正電圧印加による消去方法を提供することで、消去用の負電源を用意する必要がなくなるというものである。
これにより、書き込みおよび消去用の電源を半導体装置の内部に持つ場合においては、昇圧系回路の設計が容易になり、また書き込みおよび消去用の電源を半導体装置の外部に用意する場合においては、そのための設備が不要になる。
The prior art disclosed in
As a result, when the power supply for writing and erasing is provided inside the semiconductor device, the booster circuit can be easily designed, and when the power supply for writing and erasing is prepared outside the semiconductor device, therefore. The equipment is no longer needed.
特許文献1に示した従来技術は、不揮発性半導体記憶装置を量産する上で最も大きな負荷となっている書き込みおよび消去時に工数と時間がかかるという問題がある。
The prior art disclosed in
本発明が解決しようとする問題点は、汎用データはほぼ固定されているにも関わらず、その書き込みのためには、不測の事態が生じた場合やさまざまな理由によるデータの書き換えと同等の時間と工数をかけなくてはならない点である。 The problem to be solved by the present invention is that, even though general-purpose data is almost fixed, the time required for writing is the same as when data is rewritten for unexpected reasons or for various reasons. It is a point that has to spend time.
メモリ素子は製造したばかりの状態では、データの蓄積状態がいわゆる不定状態となっている。このため、データの書き込みは、全ビットを一括で消去した後に、消去状態を保つビットを避けながら所望のビットに選択的に書き込みを行う必要がある。すなわち、ビット数の増加に伴ない書き込み時間と工数も増えていく点が大きな課題となっている。 In a state where the memory element is just manufactured, the data storage state is a so-called indeterminate state. For this reason, in writing data, it is necessary to selectively write to a desired bit while erasing all bits at once and avoiding bits that maintain the erased state. That is, a major problem is that the writing time and the man-hour increase as the number of bits increases.
上記課題を解決するために、本発明は以下のような構成を採用する。 In order to solve the above problems, the present invention adopts the following configuration.
本発明の不揮発性半導体記憶装置の構造は、半導体基板上にトンネル酸化膜、メモリー窒化膜、トップ酸化膜の順に積層した構造のゲート絶縁膜を有し、ゲート電極への印加電圧に応じてメモリ窒化膜に電荷を蓄積することによりデータの書き込みを行い、電荷を放出させることによりデータの消去を行うメモリ素子を有する不揮発性半導体記憶装置において、
トップ酸化膜は、膜厚の薄い第1のトップ酸化膜と、膜厚の厚い第2のトップ酸化膜とからなり、
半導体基板に、データに対応するように形成された、書き込み状態を所望する第1のトップ酸化膜を有する第1のメモリ素子と消去状態を所望する第2のトップ酸化膜を有する第2のメモリ素子とを有し、
第1のメモリ素子と第2のメモリ素子とに同時に同一の負電圧を印加することで、1ステップで選択的にビット毎に書き込み状態あるいは消去状態にできることを特徴とする。
また、本発明の不揮発性半導体記憶装置の構造は、半導体基板上にトンネル酸化膜、メモリー窒化膜、トップ酸化膜の順に積層した構造のゲート絶縁膜を有し、ゲート電極への印加電圧に応じてメモリ窒化膜に電荷を放出することによりデータの書き込みを行い、電荷を蓄積させることによりデータの消去を行うメモリ素子を有する不揮発性半導体記憶装置において、
トップ酸化膜は、膜厚の薄い第1のトップ酸化膜と、膜厚の厚い第2のトップ酸化膜と
からなり、
半導体基板に、データに対応するように形成された、消去状態を所望する第1のトップ酸化膜を有する第1のメモリ素子と書き込み状態を所望する第2のトップ酸化膜を有する第2のメモリ素子とを有し、
第1のメモリ素子と第2のメモリ素子とに同時に同一の負電圧を印加することで、1ステップで選択的にビット毎に書き込み状態あるいは消去状態にできることを特徴とする。
The structure of the non-volatile semiconductor memory device of the present invention has a gate insulating film having a structure in which a tunnel oxide film, a memory nitride film, and a top oxide film are stacked in this order on a semiconductor substrate, and a memory according to the voltage applied to the gate electrode. In a nonvolatile semiconductor memory device having a memory element that writes data by accumulating charges in a nitride film and erases data by releasing charges,
The top oxide film is composed of a thin first top oxide film and a thick second top oxide film,
A first memory element having a first top oxide film desired to be written and a second memory having a second top oxide film desired to be erased are formed on a semiconductor substrate so as to correspond to data. Having an element,
By applying the same negative voltage to the first memory element and the second memory element at the same time , it is possible to selectively write or erase each bit in one step .
Further, the structure of the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention has a gate insulating film having a structure in which a tunnel oxide film, a memory nitride film, and a top oxide film are stacked in this order on a semiconductor substrate, and according to the voltage applied to the gate electrode. In a nonvolatile semiconductor memory device having a memory element that writes data by discharging charges to the memory nitride film and erases data by accumulating charges,
The top oxide film includes a thin first top oxide film and a thick second top oxide film.
Consists of
A first memory element having a first top oxide film desired to be erased and a second top oxide film desired to be written is formed on the semiconductor substrate so as to correspond to data. Having an element,
By applying the same negative voltage to the first memory element and the second memory element at the same time, it is possible to selectively write or erase each bit in one step.
本発明の不揮発性半導体記憶装置の製造方法は、導体基板上にトンネル酸化膜を成膜する第1の酸化膜形成工程と、トンネル酸化膜の上にメモリ窒化膜を成膜する窒化膜形成工程と、メモリ窒化膜の上にダミー酸化膜を成膜する第2の酸化膜形成工程と、
ダミー酸化膜の所望の部分を残しその他の部分を除去しメモリ窒化膜を露出する除去工程と、
メモリ窒化膜の表面とダミー酸化膜の表面とを酸化し、メモリ窒化膜上に酸化膜厚の薄い第1のトップ酸化膜と酸化膜厚の厚い第2のトップ酸化膜とを形成する第3の酸化膜形成工程と、
第1のトップ酸化膜を有する第1のメモリ素子と第2のトップ酸化膜を有する第2のメモリ素子とを、データに対応して形成する工程と、
第1のメモリ素子と第2のメモリ素子とに同時に同一の負電圧を印加し、1ステップで第1のメモリ素子を書き込み状態とし、第2のメモリ素子を消去状態とする工程と、
を有することを特徴とする。
また、本発明の不揮発性半導体記憶装置の製造方法は、導体基板上にトンネル酸化膜を成膜する第1の酸化膜形成工程と、トンネル酸化膜の上にメモリ窒化膜を成膜する窒化膜形成工程と、メモリ窒化膜の上にダミー酸化膜を成膜する第2の酸化膜形成工程と、
ダミー酸化膜の所望の部分を残しその他の部分を除去しメモリ窒化膜を露出する除去工程と、
メモリ窒化膜の表面とダミー酸化膜の表面とを酸化し、メモリ窒化膜上に酸化膜厚の薄い第1のトップ酸化膜と酸化膜厚の厚い第2のトップ酸化膜とを形成する第3の酸化膜形成工程と、
第1のトップ酸化膜を有する第1のメモリ素子と第2のトップ酸化膜を有する第2のメモリ素子とを、データに対応して形成する工程と、
第1のメモリ素子と第2のメモリ素子とに同時に同一の負電圧を印加し、1ステップで第1のメモリ素子を消去状態とし、第2のメモリ素子を書き込み状態とする工程と、
を有することを特徴とする。
A method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention includes a first oxide film forming step for forming a tunnel oxide film on a conductor substrate, and a nitride film forming step for forming a memory nitride film on the tunnel oxide film. A second oxide film forming step of forming a dummy oxide film on the memory nitride film;
A removal step of leaving the desired part of the dummy oxide film and removing the other part to expose the memory nitride film;
The surface of the memory nitride film and the surface of the dummy oxide film are oxidized to form a first top oxide film with a thin oxide film thickness and a second top oxide film with a thick oxide film film on the memory nitride film. An oxide film forming step,
Forming a first memory element having a first top oxide film and a second memory element having a second top oxide film corresponding to data ;
Applying the same negative voltage to the first memory element and the second memory element at the same time, setting the first memory element in a write state and setting the second memory element in an erase state in one step;
It is characterized by having.
The method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention also includes a first oxide film forming step for forming a tunnel oxide film on a conductor substrate, and a nitride film for forming a memory nitride film on the tunnel oxide film. A forming step; a second oxide film forming step of forming a dummy oxide film on the memory nitride film;
A removal step of leaving the desired part of the dummy oxide film and removing the other part to expose the memory nitride film;
The surface of the memory nitride film and the surface of the dummy oxide film are oxidized to form a first top oxide film with a thin oxide film thickness and a second top oxide film with a thick oxide film film on the memory nitride film. An oxide film forming step,
Forming a first memory element having a first top oxide film and a second memory element having a second top oxide film corresponding to data;
Applying the same negative voltage to the first memory element and the second memory element at the same time, bringing the first memory element into the erased state and the second memory element into the written state in one step;
It is characterized by having.
本発明は、メモリ素子の全ビットに一括で同一の電圧を印加することで、1ステップで選択的にビット毎の書き込みおよび消去が行えるように、トップ酸化膜の薄い第1のメモリ素子とトップ酸化膜の厚い第2のメモリ素子とを1つの半導体装置内に混在させることを最も主要な特徴とする。 The present invention applies the same voltage to all the bits of the memory element at once, so that the first memory element with the thin top oxide film and the top can be selectively written and erased for each bit in one step. The main feature is that the second memory element having a thick oxide film is mixed in one semiconductor device.
本発明の不揮発性半導体記憶装置は、半導体基板上にトップ酸化膜が薄い第1のメモリ素子とトップ酸化膜が厚い第2のメモリ素子とを設けており、これらのメモリ素子からなるメモリの全ビットに一括で同一の電圧を印加することで、1ステップで選択的にビット毎の書き込みおよび消去が行える。
よって、従来行っていた2回の電圧印加(消去した後の書き込み)が1回で済み、時間と工数を削減できるという利点がある。
また、全ビットに一括で同一の電圧を印加するのであるから、ビット数が増えても書き込み時間と工数は変わらないという利点もある。
トップ酸化膜が薄い第1のメモリ素子とトップ酸化膜が厚い第2のメモリ素子とは、メモリ素子1ビット単体ではそれぞれ通常のメモリ素子となんら変わらず情報の書き込みと消去とが行える。すなわち、本発明の不揮発性半導体記憶装置は、メモリ素子へのデータの書き込み時間と工数の削減を、書き換えが可能であるというEEPROMの特徴は損わずに実現したものである。
In the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention, a first memory element having a thin top oxide film and a second memory element having a thick top oxide film are provided on a semiconductor substrate, and the entire memory including these memory elements is provided. By applying the same voltage to the bits all at once, writing and erasing can be selectively performed for each bit in one step.
Therefore, there is an advantage that time and man-hours can be reduced because the conventional voltage application (writing after erasing) is performed only once.
In addition, since the same voltage is applied to all the bits at once, there is an advantage that even if the number of bits increases, the writing time and the man-hour do not change.
The first memory element having a thin top oxide film and the second memory element having a thick top oxide film can perform information writing and erasing without any difference from a normal memory element in a single memory element. That is, in the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention, the time for writing data to the memory element and the reduction of the man-hour are realized without losing the feature of the EEPROM that it can be rewritten.
[構造説明:図1]
図1は、本発明の不揮発性半導体記憶装置の構造を示す簡略図である。図1には、汎用データで書き込み状態を所望するメモリ素子1ビットと消去状態を所望するメモリ素子1ビット、計2ビット分を示している。
メモリ素子の各端子に印加するバイアス条件は、書き込みおよび消去時の条件を示している。
[Description of structure: Fig. 1]
FIG. 1 is a simplified diagram showing the structure of the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention. FIG. 1 shows a total of 2 bits, that is, 1 bit of a memory element for which a write state is desired with general-purpose data and 1 bit of a memory element for which an erase state is desired.
Bias conditions applied to each terminal of the memory element indicate conditions at the time of writing and erasing.
図1において、10はMONOS型のメモリ素子、11はp型半導体基板、12aおよび12cはソースとしてのn+拡散層、12bはドレインとしてのn+拡散層、14aおよび14bはゲート絶縁膜、15はコントロールゲート、20は正負両電圧を発生できる電源(以下、正負電源という)を示している。 In FIG. 1, 10 is a MONOS type memory element, 11 is a p-type semiconductor substrate, 12a and 12c are n + diffusion layers as sources, 12b is an n + diffusion layer as a drain, 14a and 14b are gate insulating films, 15 Denotes a control gate, and 20 denotes a power source capable of generating both positive and negative voltages (hereinafter referred to as positive and negative power sources).
ここで、n+拡散層12a、12bおよび12cは、p型半導体基板11の表層部に所定の間隔をあけて形成する。
n+拡散層12aと12bとに挟まれた領域の半導体基板11上には、n+拡散層12aと12bとを橋渡しする状態でゲート絶縁膜14aを形成する。n+拡散層12bと12cとに挟まれた領域の半導体基板11上には、n+拡散層12bと12cとを橋渡しする状態でゲート絶縁膜14bを形成する。
ゲート絶縁膜14aおよび14b上にはコントロールゲート15を設ける。
Here, the n + diffusion layers 12 a, 12 b and 12 c are formed in the surface layer portion of the p-type semiconductor substrate 11 at a predetermined interval.
n + on the semiconductor substrate 11 of the region sandwiched between the diffusion layer 12a and 12b is a gate insulating film 14a in the state to bridge the n + diffusion layer 12a and 12b. on the n + diffusion layer 12b and 12c and the region of the semiconductor substrate 11 sandwiched between form a
A
そして、ゲート絶縁膜14aは、最も半導体基板11に近いトンネル酸化膜141、中間層の窒化シリコン膜であるメモリ窒化膜142および最上層に設けるトップ酸化膜143aにより構成されている。ゲート絶縁膜14bも同様に、トンネル酸化膜141、メモリ窒化膜142およびトップ酸化膜143bにより構成されている。
トップ酸化膜の膜厚の薄い第1のトップ酸化膜をトップ酸化膜143a、トップ酸化膜の膜厚の厚い第2のトップ酸化膜をトップ酸化膜143bとする。そして、このトップ酸化膜143aを有するメモリ素子を第1のメモリ素子、トップ酸化膜143bを有するメモリ素子を第2のメモリ素子とする。
図1に示すトップ酸化膜143bは、トップ酸化膜143aよりも数倍その膜厚が厚いように記載しているが、第1のメモリ素子と第2のメモリ素子とのトップ酸化膜の膜厚は、使用する電源電圧や周辺回路との関係で自由に選ぶことができる。
The gate insulating film 14a includes a
The first top oxide film with a thin top oxide film is defined as a top oxide film 143a, and the second top oxide film with a thick top oxide film is defined as a
The
正負電源20は、コントロールゲート15と接続する。p型半導体基板11、n+拡散層12a、12bおよび12cは接地電位とする。
The positive /
本発明の不揮発性半導体記憶装置の基本構造は、ある特定のメモリ素子1ビットに注目した場合、従来例と何ら変わりはない。
しかし、全ビットで比較した場合、薄いトップ酸化膜143aを構成要素とする第1のメモリ素子と厚いトップ酸化膜143bを構成要素とする第2のメモリ素子とが、1つの半導体装置内に混在していることを特徴とする。
このような構成とすることによって、全ビットに一括で同電圧を印加することで、1ステップで選択的にビット毎の書き込みおよび消去が行えるのである。
The basic structure of the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention is no different from the conventional example when attention is paid to one bit of a specific memory element.
However, when all bits are compared, the first memory element having the thin top oxide film 143a as a constituent element and the second memory element having the thick
By adopting such a configuration, by applying the same voltage to all bits at once, writing and erasing can be selectively performed for each bit in one step.
[製造方法の説明:図1〜図6]
次に、本発明のメモリ素子を有する半導体装置の製造方法について図1から図6を参照しながら説明する。
[Description of Manufacturing Method: FIGS. 1 to 6]
Next, a method for manufacturing a semiconductor device having a memory element according to the present invention will be described with reference to FIGS.
図2から図6において、10、11、12a〜12c、15、141、142、143aおよび143bは図1と同様であるので説明は省略する。また、16aおよび16bはフォトレジスト、144はダミー酸化膜である。 2 to 6, 10, 11, 12a to 12c, 15, 141, 142, 143a and 143b are the same as those in FIG. Reference numerals 16a and 16b are photoresists, and 144 is a dummy oxide film.
先ず、図2に示すように、p型半導体基板11の表面に第1の酸化膜形成工程を用いてトンネル酸化膜141を形成する。第1の酸化膜形成工程は、知られている酸化方法を用いている。例えば、酸素(O2)と窒素(N2)とを混合した雰囲気中の熱酸化により形成する。
次に、窒化膜形成工程を用いてメモリ窒化膜142を形成する。この工程では、例えば、反応ガスにジクロルシラン(SiH2Cl2)とアンモニア(NH3)とを用いたCVD法により形成する。
次に、第2の酸化膜形成工程により、メモリ窒化膜142の上層部位にダミー酸化膜144を形成する。この工程は、例えば、酸化拡散炉を用いた水蒸気雰囲気中の熱酸化により形成する。
First, as shown in FIG. 2, a
Next, the
Next, a
次に、除去工程を説明する。まず、ダミー酸化膜144の上にフォトレジスト16aを知られているフォトリソグラフィ技術を用いて形成する。
ここでフォトレジスト16aを形成する領域は、図1に示すトップ酸化膜143bを形成する領域と同範囲である。すなわち、トップ酸化膜の膜厚が厚くしたい領域である。
次に、フォトレジスト16aをマスクとして、ダミー酸化膜144をドライエッチングした後に、フォトレジスト16aをウェットエッチングにより除去する。この工程によって、図3に示すように、メモリ窒化膜142の上の所望の領域にダミー酸化膜144が残る。
Next, the removal process will be described. First, a photoresist 16a is formed on the
Here, the region where the photoresist 16a is formed is in the same range as the region where the
Next, after the
次に、第3の酸化膜形成工程を説明する。メモリ窒化膜142の上層部位を、ダミー酸化膜144を形成した領域も含め熱酸化する。この工程では、例えば、酸化拡散炉を用いた水蒸気雰囲気中の熱酸化により形成する。この工程によって、再びメモリ窒化膜142の上にも酸化膜が形成され、すでに形成してあるダミー酸化膜144と一体となって形成される。
図4に示すように、ダミー酸化膜144の膜厚の薄い領域aは、図1に示す第1のトップ酸化膜であるトップ酸化膜143aと同値になり、ダミー酸化膜144の膜厚の厚い領域bは、図1に示す第2のトップ酸化膜であるトップ酸化膜143bと同値になる。
Next, the third oxide film forming step will be described. The upper layer portion of the
As shown in FIG. 4, the region a where the
次に、ゲート絶縁膜の形成工程を説明する。図5を参照しながら説明する。ダミー酸化膜144の上にフォトレジスト16bを知られているフォトリソグラフィ技術を用いて形成する。
ダミー酸化膜144の上に形成したフォトレジスト16bをマスクとして、ダミー酸化膜144、メモリ窒化膜142およびトンネル酸化膜141を順にドライエッチングする。
このドライエッチングによって、図5に示すように、ダミー酸化膜144の膜厚が薄いゲート絶縁膜と厚いゲート絶縁膜との領域が形成できる。後に、フォトレジスト16bをウェットエッチングにより除去する。
ここで、ダミー酸化膜144のドライエッチング後に残された領域の内、膜厚の薄い領域をトップ酸化膜143a、膜厚の厚い領域をトップ酸化膜143bと改めて定義する。
Next, a process for forming a gate insulating film will be described. This will be described with reference to FIG. A photoresist 16b is formed on the
Using the photoresist 16b formed on the
By this dry etching, as shown in FIG. 5, regions of a thin gate insulating film and a thick gate insulating film of the
Here, among the regions left after the dry etching of the
ゲート電極とソース・ドレインの形成工程を説明する。図6に示すように、CVD法を用いてコントロールゲート15を形成するためのポリシリコン膜(図示しない)を成膜する。この工程は、例えば、反応ガスにモノシラン(SiH4)を用いる。
その後、フォトレジスト(図示しない)を形成し、これをマスクとしてドライエッチングした後に、このフォトレジストをウェットエッチングにより除去する。これによって、ゲート絶縁膜14aと14bの上にコントロールゲート15が形成でき、ゲート電極が完成する。
次いで、知られているイオン注入法によりソース・ドレインとなる3つのn+拡散層12a、12bおよび12cを形成することで、メモリ素子の基本的な素子構造が完成する。
A process of forming the gate electrode and the source / drain will be described. As shown in FIG. 6, a polysilicon film (not shown) for forming the
Thereafter, a photoresist (not shown) is formed, dry-etched using this as a mask, and then removed by wet etching. Thereby, the
Next, the basic element structure of the memory element is completed by forming three n + diffusion layers 12a, 12b and 12c to be a source and a drain by a known ion implantation method.
この後、公知の技術を用いて、図示しない層間絶縁膜や種々の配線等を形成し、本発明の第1のメモリ素子と第2のメモリ素子とを有する半導体装置が完成する。 Thereafter, using a known technique, an interlayer insulating film (not shown), various wirings, and the like are formed, and a semiconductor device having the first memory element and the second memory element of the present invention is completed.
[電圧印加条件の説明:図1、図7]
以下、本発明のメモリ素子を有する半導体装置の電圧印加条件について図1および図7を参照しながら説明する。
[Description of voltage application conditions: FIGS. 1 and 7]
Hereinafter, voltage application conditions of a semiconductor device having a memory element of the present invention will be described with reference to FIGS.
図7は、図1のコントロールゲート15に正負電源20により電圧Vpを印加した場合のしきい値電圧Vtの変化を模式的に示す図である。
FIG. 7 is a diagram schematically showing changes in the threshold voltage Vt when the voltage Vp is applied to the
図7においては、横軸がデータの書き込みおよび消去時にコントロールゲート15に印加する電圧Vpを示す。縦軸との交点においてVpは0Vであり、右側がマイナス方向を表す。
縦軸はデータの読み出し時のしきい値電圧Vtを示す。横軸との交点を境にして上側がプラス方向(書き込み状態)、下側がマイナス方向(消去状態)を表す。
Vaは図1に示す薄いトップ酸化膜143aを構成要素とする第1のメモリ素子の場合、Vbは図1に示す厚いトップ酸化膜143bを構成要素とする第2のメモリ素子の場合を示す。
In FIG. 7, the horizontal axis indicates the voltage Vp applied to the
The vertical axis represents the threshold voltage Vt when reading data. The upper side represents the plus direction (written state) and the lower side represents the minus direction (erased state) at the intersection with the horizontal axis.
Va represents the case of the first memory element having the thin top oxide film 143a shown in FIG. 1 as a constituent element, and Vb represents the case of the second memory element having the thick
図7で示す通り、コントロールゲート15に印加する電圧Vpを0Vから徐々にマイナス方向(右側)にシフトさせていくにつれて、しきい値電圧Vtもマイナス方向に変化し、消去状態となる。
As shown in FIG. 7, as the voltage Vp applied to the
ここで、コントロールゲート15に印加する電圧Vpを更にマイナス方向(右側)にシフトさせていくと、しきい値電圧Vtは横軸(書き込み状態と消去状態の境)に近づいていき、最終的にはプラス方向に変化し、書き込み状態となる。
ここで、しきい値電圧Vtが消去状態から書き込み状態へと切り替わる点におけるVp(横軸)の値をVaではVpa、VbではVpbとする。
Here, as the voltage Vp applied to the
Here, the value of Vp (horizontal axis) at the point where the threshold voltage Vt switches from the erased state to the written state is Vpa for Va and Vpb for Vb.
このようにコントロールゲート15に負電圧を印加しているにも係らず、しきい値電圧Vtがプラス方向、すなわち図1のメモリ窒化膜142に負電荷が蓄積された状態になる理由は次のようなものである。
Although the negative voltage is applied to the
すなわち、図1において、コントロールゲート15に印加する負電圧が大きくなると、コントロールゲート15内の電子がトップ酸化膜143aおよび143bを通過し、メモリ窒化膜142に進入する。この進入した電子の量が、メモリ窒化膜142からトンネル酸化膜141を通過してp型半導体基板11へ引き抜かれる電子の量を上回ることでメモリ窒化膜142に負電荷が蓄積された状態になるのである。
That is, in FIG. 1, when the negative voltage applied to the
以上の説明における、しきい値電圧Vtが消去状態から書き込み状態へと切り替わる点、すなわちVpaおよびVpbの値は、Vpaについてはトップ酸化膜143a、Vpbについてはトップ酸化膜143bの膜厚に依存する。
In the above description, the threshold voltage Vt switches from the erased state to the written state, that is, the values of Vpa and Vpb depend on the thickness of the top oxide film 143a for Vpa and the thickness of the
よって、図1において、コントロールゲート15に印加する電圧を図7に示すVpaとVpbとの間の値に設定することで、薄いトップ酸化膜143aを構成要素とする第1のメモリ素子の場合は書き込み状態を、厚いトップ酸化膜143bを構成要素とする第2のメモリ素子の場合は消去状態を作り出すことができる。
Accordingly, in the case of the first memory element having the thin top oxide film 143a as a constituent element in FIG. 1, the voltage applied to the
本発明のメモリ素子を有する半導体装置の製造に際しては、使用頻度の最も高い汎用データに対応させ、書き込み状態を所望するメモリ素子には図1に示すトップ酸化膜143aを形成し、消去状態を所望するメモリ素子には図1に示すトップ酸化膜143bを形成する。
In manufacturing the semiconductor device having the memory element of the present invention, the top oxide film 143a shown in FIG. 1 is formed in the memory element which desires the write state, corresponding to the most frequently used general-purpose data, and the erase state is desired. A
以上の説明のように、トップ酸化膜143aと143bとを使い分けることで、全ビットに一括で同一の電圧を印加するだけで、1ステップで選択的にビット毎の書き込みおよび消去が行える。
よって、従来行っていた2回の電圧印加(消去した後の書き込み)が1回で済み、時間と工数の削減が可能である。
また、ビット数が増えたとしても、書き込み時間と工数が増すことはない。
As described above, by selectively using the
Therefore, the conventional voltage application (writing after erasing) is performed only once, and the time and man-hours can be reduced.
Even if the number of bits increases, the writing time and man-hours do not increase.
ところで、メモリ素子を有する半導体装置を電子機器に搭載する直前に、製造バラツキの補正や急な仕様の変更のために、データの追加、あるいは書き換えをしなければならない場合がある。本発明においても、公知の電圧印加方法を用いることで特定のビットに対して自在に、データの追加、あるいは書き換えが可能である。 By the way, immediately before mounting a semiconductor device having a memory element on an electronic device, it may be necessary to add or rewrite data in order to correct manufacturing variations or suddenly change specifications. Also in the present invention, it is possible to freely add or rewrite data to a specific bit by using a known voltage application method.
データの追加、あるいは書き換え時には、図1に示すコントロールゲート15へ正電圧を印加することで書き込みを、負電圧を印加することで消去を行う。
その際の正電圧に関しての制限はない。負電圧に関しては、図7に示す0VとVpaの間の値を用いれば良い。
When data is added or rewritten, writing is performed by applying a positive voltage to the
There is no restriction on the positive voltage at that time. Regarding the negative voltage, a value between 0 V and Vpa shown in FIG. 7 may be used.
以上の説明のように、本発明により、メモリ素子へのデータの書き込み時間と工数の削減を、書き換えが可能であるというEEPROMの特徴は損わずに実現が可能である。 As described above, according to the present invention, it is possible to reduce the time and man-hour for writing data to the memory element without losing the feature of the EEPROM that can be rewritten.
本発明のメモリ素子を有する半導体装置は、従来、消去した後の書き込みと2回の工数が必要であった製造工程を短縮することができる。したがって、量産する半導体装置に適用することができる。 The semiconductor device having the memory element of the present invention can shorten the manufacturing process that conventionally requires writing after erasure and two man-hours. Therefore, it can be applied to mass-produced semiconductor devices.
10 MONOS型のメモリ素子
11 p型半導体基板
12a n+拡散層
12b n+拡散層
12c n+拡散層
13 空乏層
14a ゲート絶縁膜
14b ゲート絶縁膜
14c ゲート絶縁膜
15 コントロールゲート
16a フォトレジスト
16b フォトレジスト
20 正負電源
21 ドレイン端子
22 ゲート端子
23 ソース端子
141 トンネル酸化膜
142 メモリ窒化膜
143a トップ酸化膜
143b トップ酸化膜
143c トップ酸化膜
144 ダミー酸化膜
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記トップ酸化膜は、膜厚の薄い第1のトップ酸化膜と、膜厚の厚い第2のトップ酸化膜とからなり、
前記半導体基板に、データに対応するように形成された、書き込み状態を所望する前記第1のトップ酸化膜を有する第1のメモリ素子と消去状態を所望する前記第2のトップ酸化膜を有する第2のメモリ素子とを有し、
前記第1のメモリ素子と前記第2のメモリ素子とに同時に同一の負電圧を印加することで、1ステップで選択的にビット毎に前記書き込み状態あるいは前記消去状態にできることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 A gate insulating film having a structure in which a tunnel oxide film, a memory nitride film, and a top oxide film are stacked in this order on a semiconductor substrate, and charges are stored in the memory nitride film according to the voltage applied to the gate electrode. In a nonvolatile semiconductor memory device having a memory element that performs writing and erasing data by releasing electric charge,
The top oxide film is composed of a thin first top oxide film and a thick second top oxide film,
A first memory element having the first top oxide film desired to be written and having a second top oxide film desired to be erased is formed on the semiconductor substrate so as to correspond to data . Two memory elements,
By applying the same negative voltage simultaneously to the first memory element and the second memory element, the write state or the erase state can be selectively set for each bit in one step. Semiconductor memory device.
前記トップ酸化膜は、膜厚の薄い第1のトップ酸化膜と、膜厚の厚い第2のトップ酸化膜とからなり、The top oxide film is composed of a thin first top oxide film and a thick second top oxide film,
前記半導体基板に、データに対応するように形成された、消去状態を所望する前記第1のトップ酸化膜を有する第1のメモリ素子と書き込み状態を所望する前記第2のトップ酸化膜を有する第2のメモリ素子とを有し、A first memory element having the first top oxide film desired to be erased and a second top oxide film desired to be written is formed on the semiconductor substrate so as to correspond to data. Two memory elements,
前記第1のメモリ素子と前記第2のメモリ素子とに同時に同一の負電圧を印加することで、1ステップで選択的にビット毎に前記書き込み状態あるいは前記消去状態にできることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。The nonvolatile state, wherein the same negative voltage is simultaneously applied to the first memory element and the second memory element, so that the write state or the erase state can be selectively made bit by bit in one step. Semiconductor memory device.
前記ダミー酸化膜の所望の部分を残しその他の部分を除去し前記メモリ窒化膜を露出す
る除去工程と、
前記メモリ窒化膜の表面と前記ダミー酸化膜の表面とを酸化し、前記メモリ窒化膜上に酸化膜厚の薄い第1のトップ酸化膜と酸化膜厚の厚い第2のトップ酸化膜とを形成する第3の酸化膜形成工程と、
前記第1のトップ酸化膜を有する第1のメモリ素子と前記第2のトップ酸化膜を有する第2のメモリ素子とを、データに対応して形成する工程と、
前記第1のメモリ素子と前記第2のメモリ素子とに同時に同一の負電圧を印加し、1ステップで前記第1のメモリ素子を書き込み状態とし、前記第2のメモリ素子を消去状態とする工程と、
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。 A first oxide film forming step of forming a tunnel oxide film on the semiconductor substrate; a nitride film forming step of forming a memory nitride film on the tunnel oxide film; and a dummy oxide film on the memory nitride film A second oxide film forming step of forming a film;
A removal step of leaving the desired part of the dummy oxide film and removing the other part to expose the memory nitride film;
The surface of the memory nitride film and the surface of the dummy oxide film are oxidized to form a first top oxide film with a thin oxide film thickness and a second top oxide film with a thick oxide film film on the memory nitride film. A third oxide film forming step,
Forming a first memory element having the first top oxide film and a second memory element having the second top oxide film corresponding to data ;
Applying the same negative voltage to the first memory element and the second memory element at the same time, setting the first memory element in a writing state and setting the second memory element in an erasing state in one step; When,
A method of manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device, comprising:
前記ダミー酸化膜の所望の部分を残しその他の部分を除去し前記メモリ窒化膜を露出する除去工程と、A removal step of leaving the desired part of the dummy oxide film and removing the other part to expose the memory nitride film;
前記メモリ窒化膜の表面と前記ダミー酸化膜の表面とを酸化し、前記メモリ窒化膜上に酸化膜厚の薄い第1のトップ酸化膜と酸化膜厚の厚い第2のトップ酸化膜とを形成する第3の酸化膜形成工程と、The surface of the memory nitride film and the surface of the dummy oxide film are oxidized to form a first top oxide film with a thin oxide film thickness and a second top oxide film with a thick oxide film film on the memory nitride film. A third oxide film forming step,
前記第1のトップ酸化膜を有する第1のメモリ素子と前記第2のトップ酸化膜を有する第2のメモリ素子とを、データに対応して形成する工程と、Forming a first memory element having the first top oxide film and a second memory element having the second top oxide film corresponding to data;
前記第1のメモリ素子と前記第2のメモリ素子とに同時に同一の負電圧を印加し、1ステップで前記第1のメモリ素子を消去状態とし、前記第2のメモリ素子を書き込み状態とする工程と、Applying the same negative voltage to the first memory element and the second memory element at the same time, bringing the first memory element into an erasure state and making the second memory element into a writing state in one step; When,
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。A method of manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device, comprising:
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