JP4875284B2 - Semiconductor memory device and manufacturing method thereof - Google Patents

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【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、特に、ダイレクトトンネル現象を利用してフローティングゲートにキャリアを注入する半導体記憶装置とその製造方法に関する
【従来の技術】
半導体記憶装置として、フラッシュメモリが知られている。フラッシュメモリは、1つのMISFETにより1つのメモリセルを構成するため、大容量化に適している。フラッシュメモリでは、コントロールゲートとドレインに電圧を印加してソースからドレインに電流を流し、チャネルホットエレクトロンをフローティングゲートに注入することによって電子注入を行う。あるいは、コントロールゲートに高電圧をかけてF−N(Fowler-Nordheim)トンネル電流によりフローティングゲートに電子を注入する。フローティングゲートに注入されたキャリアを保持するために、フローティングゲート電極とチャネル領域との間の絶縁膜の厚さは8〜10nm程度必要とされる。この厚さの絶縁膜を介してフローティングゲートにキャリアをトンネルさせるためには、10V〜20Vの高い電圧印加が必要である。また、F−Nトンネル電流を利用した場合は、注入効率はよいが、動作速度の高速化が図れないという問題がある。一方、チャネルホットエレクトロン利用した場合は、印加電圧は比較的低電圧化できるが、注入効率が悪いので消費電力が大きくなる。
【0002】
このため、低電圧高速化を図るべく、トンネル絶縁膜を薄くしてダイレクトトンネル現象によりフローティングゲートに対してキャリアの注入、引き抜きを行う方法が提案されている(たとえば、特許文献1参照)。もっとも、従来のフラッシュメモリのままトンネル絶縁膜(酸化膜)を薄くするだけでは、ソース・ドレインとフローティングゲートとの間のリーク電流が大きくなり、データ保持ができなくなる。そこで、ソース・ドレイン領域とゲートとの間のリークを防止するために、フローティングゲートとソース・ドレイン拡散領域がオーバーラップしないように配置する。
【0003】
図1(a)に従来のDTM素子の構成例を示す。DTM素子は、LOCOS酸化膜などの素子分離領域102によって区画された活性領域に、シリコン基板101上に形成された厚さ2〜3nm程度のトンネル絶縁膜103と、トンネル絶縁膜103上に形成されたフローティングゲート105と、フローティングゲート105上に位置する誘電体膜106と、誘電体膜106上の上部コントロールゲート電極107を備える。フローティングゲート105と、誘電体膜106と、上部コントロール電極107の側壁を覆って、側部コントロールゲート電極108が形成され、フローティングゲート106は、コントロールゲートに取り囲まれる。側部コントロールゲートの側壁はサイドウォール109で覆われる。この構成では、フローティングゲート105とソース・ドレイン拡散領域110とはオーバーラップしない。
【0004】
【特許文献1】
特開2002−16155号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
従来のDTM素子のセルサイズは、8F2(2F×4F)程度である。Fは、該当するデザインルールで基準となる設計寸法である。本発明は、DTM素子のセル面積をさらに低減して集積度を向上するために、4F2 (2F×2F)セル構造のダイレクトトンネル(DT)型メモリを提供するものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、メモリ素子のゲート構造に隣接してトレンチ型素子分離領域を配置し、トレンチ型素子分離領域の上部側壁に沿ってソース・ドレイン拡散領域を配置する。トレンチ型素子分離領域で区画される半導体基板上に、トンネル絶縁膜を介してフローティングゲート電極が位置し、フローティングゲート電極を覆って第2絶縁膜が位置する。第2絶縁膜上にコントロールゲート電極が位置し、トレンチ上部側壁に沿ったソース・ドレイン拡散領域は、半導体基板上のフローティングゲートとオーバーラップしない。
【0007】
より具体的には、本発明の第1の側面では、4F2 セルサイズを実現する半導体記憶装置としてのダイレクトトンネル(DT)型メモリを提供する。このような半導体記憶装置は、揮発性、あるいは揮発性と不揮発性の中間の特性を有し、準不揮発性メモリと位置づけられる。
【0008】
半導体記憶装置は、半導体基板と、半導体基板に形成されたトレンチ型の素子分離領域と、素子分離領域に区画される領域において半導体基板上に位置するトンネル絶縁膜と、トンネル絶縁膜上に位置するフローティングゲート電極と、フローティングゲート電極とトレンチ型の素子分離領域とを覆う第2絶縁膜であって、トレンチ型の素子分離領域の第2絶縁膜の上面が半導体基板の上面よりも下方に位置する第2絶縁膜と、第2絶縁膜上に形成されるコントロールゲート電極と、フローティングゲート電極とオーバーラップしないように前記トレンチ型素子分離領域の上部側壁に沿って延びるソース・ドレイン拡散領域とを備え、前記第2絶縁膜は前記フローティングゲート電極の端部から前記ソース・ドレイン拡散領域の端部の所定距離の間、前記半導体基板に接している。
【0009】
このような構成により、フローティングゲート電極とソース・ドレイン拡散領域との間のリークを防止しつつ、4F2 サイズのDTメモリセルを実現することができる。
【0010】
本発明の第2の側面では、4FサイズのDTメモリセルを有する半導体記憶装置の製造方法を提供する。半導体記憶装置の製造方法は、以下の工程を含む。
(a)半導体基板上に、トンネル絶縁膜を形成する工程、
(b)トンネル絶縁膜上にフローティングゲート電極を形成する工程、
(c)前記フローティングゲート電極の側壁に位置するダミー絶縁膜を形成する工程、
(d)ダミー絶縁膜をマスクとして、ソース・ドレイン拡散領域に必要な深さの第1トレンチを形成する工程、
(e)第1トレンチの側壁に沿ってソース・ドレイン拡散領域を形成する工程、
(f)前記第1トレンチの底面から、素子分離に必要な深さの第2トレンチを形成して第2トレンチを半導体基板の上面よりも下方に位置する部分まで絶縁膜を埋め込み、トレンチ型素子分離領域を形成する工程と、
(g)ダミー絶縁膜を除去して、前記フローティングゲート電極を覆う第2絶縁膜を形成する工程、および
(h)第2絶縁膜上にコントロールゲート電極を形成する工程、を含み、
前記第1トレンチを、前記半導体基板の表面から0nm〜200nmの深さに形成する。
【0011】
この方法によれば、ゲート構造に隣接して素子分離領域を形成し、素子分離領域の側壁に沿ってソース・ドレイン拡散領域を走らせるので、セルサイズを4F2 まで低減できる。また、浅い第1のトレンチを形成してソース・ドレイン拡散領域を形成してから、深い第2トレンチを形成して素子分離領域を形成するので、素子分離領域を形成するための絶縁膜のエッチングに関する困難な制御を伴うことがない。また、基板に直接形成するトレンチの深さは、厳密に制御できるので、ソース・ドレイン拡散領域を制御性よく形成することができる。
【0012】
すなわち、設計に応じて所望のソース・ドレインを形成するために、第1トレンチの形状および深さを任意の範囲で正確に制御することができる。同時に、素子分離領域の形成も制御性よく行うことができる。
【0013】
第1トレンチ側壁へのソース・ドレイン拡散工程は、第1トレンチへのイオン注入工程を含む。このときのイオン注入は、斜め注入でも、垂直イオン注入であってもよいが、垂直注入の場合は斜め方向への角度制御の必要がない。また、垂直注入ではイオン注入のパワーを上げることができる。基板材料をシリコンとすることで、いずれの注入方法によっても、不純物の水平方向への拡散を利用することができる。
【0014】
上述したように、シリコン基板へのトレンチ形成は正確に制御できるので、所望の範囲で第1トレンチおよび第2トレンチを形成することができる。たとえば、第1トレンチの深さを基板表面から0〜200nmの範囲、第2トレンチを基板表面から200〜400nmの範囲で、適切に設定することができる。
【0015】
半導体記憶装置の製造方法は、
(a)半導体基板上に、トンネル絶縁膜を形成する工程と、
(b)トンネル絶縁膜上にフローティングゲート電極を形成する工程と、
(c)フローティングゲート電極の側壁に位置するダミー絶縁膜を形成する工程と、
(d)ダミー絶縁膜をマスクとして、素子分離に必要な深さのトレンチを形成する工程と、
(e)ダミー絶縁膜をマスクとしてトレンチの側壁にイオンを斜めに注入してダミー絶縁膜の下方まで拡がる不純物拡散領域を形成する工程と、前記トレンチの上部側壁に沿って残る不純物拡散領域をソース・ドレイン拡散領域とする工程と、
(f)トレンチを埋め込んで素子分離領域を形成する工程と、
(g)ダミー絶縁膜を全て除去して、フローティングゲート電極を覆うとともに前記フローティングゲート電極に直接接するように第2絶縁膜を形成する工程と、
(h)第2絶縁膜上に、コントロールゲート電極を形成する工程と
を含む。
【0016】
本発明のその他の特徴、効果については、添付図面を参照して以下で述べる詳細な説明によりいっそう明確になる。
【0017】
【発明の実施の形態】
図2は、本発明の実施形態に係るDT(Direct Tunneling)メモリ10の平面構成図である。素子分離領域としての埋め込み酸化膜12で区画される活性領域に、フローティングゲート15がマトリクス状に配置されている。埋め込み酸化膜12に沿って、フローティングゲート15とオーバーラップしないようにソース・ドレイン拡散領域18が延びる。このソース・ドレイン拡散領域18は、そのままビット線18として機能する。ビット線18と直交する方向に、フローティングゲート電極を覆うコントロールゲート電極17が延びる。コントロールゲート電極17は、そのままワード線17として機能する。
【0018】
このような平面構成において、ひとつのメモリセル20は、隣接する2本のビット線18に挟まれるフローティングゲート15と、フローティングゲート15を覆ってビット線に直交するワード線17を含み、メモリセル20のサイズは4F2 となっている。4F2 のセルサイズを実現するために、素子分離領域12をトレンチ型の素子分離とし、ビット線(ソース・ドレイン拡散領域)を、トレンチの上部側壁に沿って走らせる。
【0019】
図3は、図2のA−A’ラインに沿った断面図である。DTメモリセル20は、シリコン基板11に、トレンチ25内を酸化膜で埋め込んだトレンチ型素子分離領域12と、トレンチ型素子分離領域12で区画される活性領域のシリコン基板11上に位置する膜厚2nm程度のトンネル絶縁膜13と、トンネル絶縁膜13上に位置するフローティングゲート電極15を有する。さらに、フローティングゲート電極15の上面および側面を覆う厚さ8〜10nm程度の第2絶縁膜16と、第2絶縁膜16上に位置するコントロールゲート電極17と、素子分離領域12を構成するトレンチ25の上部側壁に沿って延びるソース・ドレイン拡散領域18を有する。ソース・ドレイン拡散領域18は、薄いトンネル絶縁膜13からの電荷のリークを防止するために、フローティングゲート13とオーバーラップしない位置に形成されている。
【0020】
この構成により、ソース・ドレイン18とフローティングゲート15間のリークを防止してデータ保持の信頼性を維持しつつ、2F×2FサイズのDTメモリセルが実現される。
【0021】
DTメモリセル20への書き込み動作は、選択されたワード線(コントロールゲート電極)に5V、選択されたビット線(ドレイン)18に1V程度の電圧を印加してチャネルを形成し、このチャネル中の電子を、トンネル絶縁膜13を介したダイレクトトンネリングによりフローティングゲート15に注入する。消去動作は、コントロール電極を−5Vにして、ソースに接続されたビット線18に0Vの消去電圧を印加して、フローティングゲート15から基板へ電荷を引き抜く。トンネル絶縁膜13の膜厚が薄いため、従来のフローティングゲート型フラッシュメモリに比べて、印加電圧が低く、かつ動作速度が速い。
【0022】
次に、このようなDTメモリの作製方法について述べる。
<第1実施形態>
図4〜図7は、本発明の第1実施形態に係るDTメモリの作製工程を示す。作製工程は、図2のA−A’ラインに沿った断面構成として図示するものとする。
【0023】
まず、図4(a)に示すように、シリコン基板11上に、熱酸化により厚さ2nm程度のトンネル絶縁膜13を形成する。トンネル絶縁膜(熱酸化膜)13上に、CVD法により膜厚150nmのポリシリコンを堆積し、さらにCVD方により酸化膜を120nmに堆積した後、リソグラフィとRIE法によるエッチングでフローティングゲートのパターンを形成する。このパターニングにより、トンネル絶縁膜13上にフローティングゲート15と、それを覆う酸化膜ハードマスク21が残る。フローティングゲートパターン形成後に、全面に薄く熱酸化膜24をつけた後、CVD法により窒化膜を全面に堆積する。窒化膜を全面RIE法によりエッチバックすることにより、ダミー窒化膜23が、フローティングゲート15と酸化膜ハードマスク21の側壁に残る。
【0024】
次に、図4(b)に示すように、酸化膜ハードマスク21およびダミー窒化膜23をマスクとして、セルフアラインでシリコン基板11をRIE法によりエッチングして、深さが200nm〜400nm、好ましくは300nm〜400nm程度のトレンチ(溝)25を形成する。
【0025】
次に、図5(c)に示すように、トレンチ25、酸化膜ハードマスク21、ダミー窒化膜23の全面を覆って、絶縁膜(たとえば酸化膜)27をCVD法により堆積する。
【0026】
次に、図5(d)に示すように、絶縁膜27をRIE法により全面エッチングすることにより、トレンチ25の内部にのみ絶縁膜を残し、トレンチ型(あるいは埋め込み型)の素子分離領域12を形成する。このとき、トレンチ25の上部側壁が50nm〜80nm程度露出するようにエッチングを制御して、側壁露出面26を設ける。第1実施形態では、絶縁膜27として酸化膜を使用するため、RIEによるエッチング時に、酸化膜ハードマスク21も一緒に除去される。
【0027】
次に、図6(e)に示すように、トレンチ25の側壁露出面26に対して、斜めイオン注入する。注入された不純物イオンは、その後の熱処理により拡散して、トレンチ25の上部側壁に沿ってソース・ドレイン拡散領域28を形成する。斜めイオン注入は、加速エネルギー20KeV、ドーズ量4×1015cm-2で行う。
【0028】
次に、図6(f)に示すように、ダミー窒化膜23を、熱リン酸によるウェットエッチングにより除去する。また、フローティングゲート電極15の側壁およびシリコン基板上に残る薄い酸化膜24も、フッ酸系のエッチャントにより、いったん除去する。
【0029】
次に、図(g)に示すように、熱酸化によりゲート熱酸化膜16を8nm程度の膜厚で全面に形成する。このゲート酸化膜16は、第2の絶縁膜として、フローティングゲート15と、次工程で形成するコントロールゲート電極とを絶縁するための膜である。
【0030】
次に、図(h)に示すように、CVD法により、全面にポリシリコンを50nmの厚さに堆積し、リソグラフィとエッチングによりポリシリコンをワード線の形状にパターニングしてコントロールゲート電極(またはワード線)17を形成する。
【0031】
このようなDTメモリの作製方法によれば、フローティングゲートを覆うハードマスクとダミー側壁窒化膜とをマスクとして、セルフアラインでトレンチ型の素子分離領域が形成され、トレンチの上部側壁に沿ってソース・ドレイン領域が形成される。トレンチ側壁に沿ったソース・ドレイン領域は、フローティングゲート電極とオーバーラップしない。したがって、トンネル絶縁膜からのリークを防止して電荷をフローティングゲートに保持しつつ、4F2 サイズのメモリセルが実現される。
<第2実施形態>
次に、本発明の第2実施形態に係るDTメモリの作製工程を説明する。
【0032】
第1実施形態では、4F2 セルを実現するために、トレンチ型素子分離領域の上部側壁に沿ってソース・ドレイン拡散領域を形成する方法として、いったんトレンチを埋め込んだ厚い絶縁膜をエッチバックして、斜めイオン注入を行った。しかし、トレンチを酸化膜で厚く埋め込んだ後に、酸化膜のエッチングをコントロールしてトレンチの側壁を所定の深さだけ一部露出させるのは、制御面で困難になる場合もある。
【0033】
そこで、第2実施形態では、4F2 セルサイズを維持したまま、より制御性のよいソース・ドレイン拡散領域の形成プロセスを提供する。
【0034】
この目的を達成するために、まず、基板にソース・ドレインの形成に必要な深さの第1トレンチを形成して、イオン注入および熱拡散により不純物拡散領域を形成する。その後、さらにトレンチを深くエッチングして第2トレンチを形成し、第2トレンチの左右の上部側壁に不純物拡散領域を分離してソース・ドレイン拡散領域とする。その後、第2トレンチに酸化膜を埋め込んで素子分離領域を作る。
【0035】
図8〜図11は、第2実施形態に係るDTメモリの作製工程を示す図である。第2実施形態においても、図2のA−A’ラインに沿った断面構成として作製工程を示す。第1実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【0036】
まず、図8(a)に示すように、シリコン基板11上に、厚さ2nm程度のトンネル絶縁膜13を介して、ポリシリコンのフローティングゲート15と、フローティングゲート15の上面を覆う酸化膜ハードマスク21と、熱酸化膜24を介してフローティングゲート15および酸化膜ハードマスク21の側壁を覆うダミー窒化膜23を形成する。ここまでは、第1実施形態の図4(a)に示す工程と同一であり、各構成要素の詳細な形成方法は省略する。ダミー窒化膜23の厚さは、4F2 サイズのメモリセルを実現するためのトレンチ型素子分離領域の位置を決定するものであり、このダミー窒化膜を異方性エッチングすることにより、フローティングゲート15の側壁に所定の厚さのダミー窒化膜が残る。
【0037】
次に、図8(b)に示すように、RIE法により、ソース・ドレインの形成に必要な量だけ、たとえばシリコン基板11の表面から0〜200nmの深さまでエッチングして第1トレンチ45を形成する。図8(b)においては、一例として80nmの深さとするが、第1トレンチの深さはトランジスタの特性とも関連し、かならずしもこの値に限定されない。シリコン基板へのトレンチ形成は厳密に制御できるので、0〜200nmの範囲で設計に応じ所望の深さに設定可能である。第1トレンチ45は、フローティングゲート15を覆う酸化膜ハードマスク21とダミー窒化膜23をマスクとして、RIE法によりセルフアラインで形成する。
【0038】
次に、図9(c)に示すように、第1トレンチ45にイオン注入を行う。第2実施形態では、たとえば垂直にイオン注入を行う。垂直注入の際には、イオン注入にパワーをかけることができる。もっとも、第1トレンチ45内に斜めイオン注入を行ってもよい。基板に形成してある第1トレンチの深さが正確に制御されているので、ななめ注入によりイオン打ち込みされる領域も正確に決定できるからである。後の熱工程により打ち込まれた不純物が水平方向に拡散し、第1トレンチ45の側壁から拡がる不純物拡散領域38が形成される。また、第1トレンチ45の底面からもイオンが拡散して不純物拡散領域38’が形成される。垂直イオン注入した場合の加速エネルギーは60KeV、ドーズ量は4×1015cm-2である。
【0039】
次に、図9(d)に示すように、酸化膜ハードマスク21とダミー窒化膜23をマスクとして、RIE法により、第1トレンチ45をさらに深くエッチングして、第2トレンチ55を形成する。第2トレンチ55は、第1トレンチ45の底面から深さ方向にさらに掘り下げ、最終的に第1トレンチを吸収した状態で、深さ約200nm〜400nm、より好ましくは深さ300nm〜400nmの溝が形成される。第2トレンチ55の形成により、先の工程で第1トレンチ45の底面から拡がっていた不純物拡散領域38’が除去され、第2トレンチ55の上部側壁から拡散する不純物拡散領域38が左右に分離される。この第2トレンチ側壁に沿って残る不純物拡散領域38が、DTメモリのソース・ドレイン拡散領域38となり、ビット線となる。先の工程で第1トレンチ底面に形成された不純物拡散領域は、第2トレンチ形成とともに除去されるので、イオン注入時のパワー制御は必ずしも厳密に行わなくてもよい。
【0040】
次に、図10(e)に示すように、第2トレンチ55の内部および基板全面を覆う絶縁膜49をCVD法により形成する。絶縁膜49は、たとえば酸化膜で形成する。
【0041】
次に、図10(f)に示すように、絶縁膜49をRIE法によりエッチバックして、第2トレンチ55の内部にのみ絶縁膜を残す。これにより、素子分離領域12が形成される。
【0042】
次に、図11(g)に示すように、ダミー窒化膜23を熱リン酸によるウェットエッチングで除去する。フローティングゲート15の側壁に残る薄い酸化膜24をいったんフッ酸系のエッチャントで除去したあと、再度、熱酸化により膜厚8nm程度のゲート絶縁膜(第2絶縁膜)16を全面に形成する。
【0043】
次に、図11(h)に示すように、CVD法により、全面にポリシリコンを50nmの厚さに堆積し、リソグラフィとエッチングによりポリシリコンをワード線の形状にパターニングしてコントロールゲート電極(またはワード線)17を形成する。
【0044】
第2実施形態の方法によれば、素子分離用のトレンチ埋め込み後に、厚い絶縁膜をエッチバックしてトレンチの側壁を一部露出させる必要がない。また、ソース・ドレイン拡散領域の形成に、必ずしも斜めイオン注入を採用する必要がなく、エッチバックの制御と、ソース・ドレイン形成のためのイオン注入の制御の双方が容易になる。
【0045】
さらに、シリコン基板への第1トレンチおよび第2トレンチの形成は正確に制御できるため、トレンチの上部側壁に沿ったソース・ドレイン領域も、簡単な工程で制御性よく形成することができる。結果として、4F2 サイズのメモリセルが簡単な工程で実現される。
【0046】
また、第1トレンチから横方向への熱拡散を利用してソース・ドレイン拡散領域を形成した後、第2トレンチの形成と同時に、第1トレンチ底面から広がる拡散領域を完全に除去するので、隣り合うメモリセルを確実に分離できる。
【0047】
以上、ダイレクトトンネル現象を利用したDTメモリについて、実施形態に基づいて説明してきたが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。第1トレンチの深さは80nmに限定されるものでなく、0nm〜200nmの範囲で適宜設定できる。第1トレンチの深さを0nmとする場合は、第1トレンチを形成せずに、基板表面にイオン注入を行うことになる。水平方向の不純物の広がりとその後の熱拡散により、ダミー窒化膜の下方まで延びる不純物拡散領域を形成する。その後、一回のエッチングで所望の深さの素子分離用のトレンチを形成して、トレンチの上部側壁に沿って残る不純物拡散領域をソース・ドレイン拡散領域とすることができる。
【0048】
第2トレンチの深さは、200nm〜400nmの範囲が望ましいが、これ以外の範囲でも、素子分離に必要な任意に深さに設定することができる。トレンチ型素子分離領域の深さを深くすることによって実効的な素子間距離が長くなるが、製造上、微細化との兼ね合いもあり、200nm〜400nm、より望ましくは300nm〜400nmとする。
【0049】
第2絶縁膜の厚さは、フローティングゲート電極とコントロールゲート電極との間のリーク電流を防止できる厚さである限り、実施形態で述べた膜厚に限定されない。第2絶縁膜として酸化膜を用いた場合は緻密性に優れるので、6〜10nmの範囲で適宜膜厚を設定できる。
【0050】
また、フローティングゲート電極の不純物濃度分布を変化させる構成としてもよい。すなわち、フローティングゲートのうち、トンネル絶縁膜近傍の不純物濃度を低くすることによって、フローティングゲートに保持された電荷が基板方向にトンネリングする量を低減し、リーク防止効果を高める構成としてもよい。
【0051】
また、実施形態では、ダミー側壁をシリコン窒化膜とし、トレンチ型絶縁膜をシリコン酸化膜としたが、逆に、ダミー側壁をシリコン酸化膜で形成し、トレンチの埋め込みをシリコン窒化膜で行ってもよい。
【0052】
最後に、以上の説明に関して、以下の付記を開示する。
(付記1) 半導体基板と、
半導体基板に形成されたトレンチ型の素子分離領域と
前記素子分離領域に区画される領域において、半導体基板上に位置するトンネル絶縁膜と、
トンネル絶縁膜上に位置するフローティングゲート電極と、
フローティングゲート電極を覆う第2絶縁膜と、
第2絶縁膜上に位置するコントロールゲート電極と、
フローティングゲート電極とオーバーラップしないように前記トレンチ型素子分離領域の上部側壁に沿って延びるソース・ドレイン拡散領域と
を備えることを特徴とする半導体記憶装置。
(付記2) 半導体基板上に、トンネル絶縁膜を形成する工程と、
トンネル絶縁膜上にフローティングゲート電極を形成する工程と、
フローティングゲート電極の側壁に位置するダミー絶縁膜を形成する工程と、
ダミー絶縁膜をマスクとしてイオン注入し、前記ダミー絶縁膜の下方まで拡がる不純物拡散領域を形成する工程と、
ダミー絶縁膜をマスクとして、素子分離に必要な深さのトレンチを形成するとともに、前記トレンチの上部側壁に沿って残る前記不純物拡散領域をソース・ドレイン拡散領域とする工程と、
前記トレンチを埋め込んで素子分離領域を形成する工程と、
ダミー絶縁膜を除去して、フローティングゲート電極を覆う第2絶縁膜を形成する工程と、
第2絶縁膜上に、コントロールゲート電極を形成する工程と
を含む半導体記憶装置の製造方法。
(付記3) 半導体基板上にトンネル絶縁膜を形成する工程と、
トンネル絶縁膜上にフローティングゲート電極を形成する工程と、
フローティングゲート電極の側壁に位置するダミー絶縁膜を形成する工程と、
ダミー絶縁膜をマスクとして、ソース・ドレイン拡散領域に必要な深さの第1トレンチを形成する工程と、
第1トレンチの側壁に沿って、ソース・ドレイン拡散領域を形成する工程と、
第1トレンチの底面から、素子分離に必要な深さの第2トレンチを形成して第2トレンチに絶縁膜を埋め込み、トレンチ型素子分離領域を形成する工程と、
ダミー絶縁膜を除去して、前記フローティングゲート電極を覆う第2絶縁膜を形成する工程と、
第2絶縁膜上にコントロールゲート電極を形成する工程と
を含む半導体記憶装置の製造方法。
(付記4) 前記第1トレンチを、半導体基板の表面から0nm〜200nmの深さに形成することを特徴とする付記3に記載の半導体記憶装置の製造方法。
(付記5) 前記第1トレンチ側壁へのソース・ドレイン拡散工程は、前記第1トレンチ内へのイオン注入工程を含むことを特徴とする付記3に記載の半導体記憶装置の製造方法。
(付記6) 第1トレンチ側壁へのソース・ドレイン拡散工程は、前記注入するイオンの水平方向への拡散を利用することを特徴とする付記4に記載の半導体記憶装置の製造方法。
(付記7) 第1トレンチへのイオン注入は、垂直注入であることを特徴とする付記5または6に記載の半導体記憶装置の製造方法。
(付記8) フローティングゲート電極の側壁に位置するダミー絶縁膜の厚さは、ソース・ドレイン拡散領域とフローティングゲート電極とをオーバーラップさせない厚さに設定されることを特徴とする付記2または3に記載の半導体記憶装置の製造方法。
【0053】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、4F2 セルサイズのDTメモリ素子が実現される。
【0054】
また、第2実施形態の製造方法によれば、トレンチの側壁を一部露出させるための酸化膜のエッチング制御の必要がない。ソース・ドレイン拡散領域の形成に必要な量だけ基板をエッチングして第1トレンチを形成すればよいので、ソース・ドレイン領域形成のための制御性が向上する。
【0055】
また、第1トレンチへのイオン注入の角度制御は特に必要なく、イオン注入後に第1トレンチをさらに掘り下げて素子分離領域を形成するので、ソース・ドレイン領域を確実に分離することができる。
【0056】
全体として、困難な制御を伴うことなく、効率よく4F2 セルサイズのDTメモリを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 従来のダイレクトトンネリングメモリ(DTM)素子の構成例を示す図である。
【図2】 本発明に係る、4F2 セルのDTメモリの平面構成図である。
【図3】 本発明のDTメモリ素子の構成を示す図であり、図2のA−A’ラインに沿った断面図である。
【図4】 本発明の第1実施形態に係るDTメモリの作製工程図(その1)である。
【図5】 本発明の第1実施形態に係るDTメモリの作製工程図(その2)である。
【図6】 本発明の第1実施形態に係るDTメモリの作製工程図(その3)である。
【図7】 本発明の第1実施形態に係るDTメモリの作製工程図(その4)である。
【図8】 本発明の第2実施形態に係るDTメモリの作製工程図(その1)である。
【図9】 本発明の第2実施形態に係るDTメモリの作製工程図(その2)である。
【図10】 本発明の第2実施形態に係るDTメモリの作製工程図(その3)である。
【図11】 本発明の第2実施形態に係るDTメモリの作製工程図(その4)である。
【符号の説明】
10 ダイレクトトンネル(DT)メモリ(半導体記憶装置)
11 シリコン基板(半導体基板)
12 トレンチ型素子分離領域
13 トンネル絶縁膜
15 フローティングゲート電極
16 第2絶縁膜
17 コントロールゲート電極
18、28、38 ソース・ドレイン拡散領域
21 酸化膜ハードマスク(ダミー絶縁膜)
23 ダミー窒化膜(ダミー絶縁膜)
24 熱酸化膜
25 トレンチ
26 側壁露出面
45 第1トレンチ
55 第2トレンチ
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor memory device injecting carriers into a floating gate using a direct tunnel phenomenon and a manufacturing method thereof.
[Prior art]
A flash memory is known as a semiconductor memory device. The flash memory is suitable for increasing the capacity because one MISFET constitutes one memory cell. In a flash memory, electrons are injected by applying a voltage to the control gate and drain to pass a current from the source to the drain, and injecting channel hot electrons into the floating gate. Alternatively, a high voltage is applied to the control gate, and electrons are injected into the floating gate by an FN (Fowler-Nordheim) tunnel current. In order to hold the carriers injected into the floating gate, the thickness of the insulating film between the floating gate electrode and the channel region is required to be about 8 to 10 nm. In order to tunnel carriers to the floating gate through the insulating film having this thickness, it is necessary to apply a high voltage of 10V to 20V. In addition, when the FN tunnel current is used, the injection efficiency is good, but there is a problem that the operation speed cannot be increased. On the other hand, when channel hot electrons are used, the applied voltage can be made relatively low, but the power consumption increases because the injection efficiency is poor.
[0002]
For this reason, in order to increase the voltage and speed, a method has been proposed in which the tunnel insulating film is thinned and carriers are injected and extracted from the floating gate by the direct tunnel phenomenon (see, for example, Patent Document 1). However, if the tunnel insulating film (oxide film) is simply made thin in the conventional flash memory, the leakage current between the source / drain and the floating gate increases, and data cannot be retained. Therefore, in order to prevent leakage between the source / drain region and the gate, the floating gate and the source / drain diffusion region are arranged so as not to overlap.
[0003]
FIG. 1A shows a configuration example of a conventional DTM element. The DTM element is formed on the tunnel insulating film 103 and the tunnel insulating film 103 having a thickness of about 2 to 3 nm formed on the silicon substrate 101 in an active region partitioned by an element isolation region 102 such as a LOCOS oxide film. A floating gate 105, a dielectric film 106 located on the floating gate 105, and an upper control gate electrode 107 on the dielectric film 106. A side control gate electrode 108 is formed to cover the floating gate 105, the dielectric film 106, and the side wall of the upper control electrode 107, and the floating gate 106 is surrounded by the control gate. The side wall of the side control gate is covered with a sidewall 109. In this configuration, the floating gate 105 and the source / drain diffusion region 110 do not overlap.
[0004]
[Patent Document 1]
JP 2002-16155 A
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The cell size of the conventional DTM element is 8F2It is about (2F × 4F). F is a design dimension that serves as a reference in the corresponding design rule. In order to further reduce the cell area of the DTM device and improve the degree of integration, the present invention2 A direct tunnel (DT) type memory having a (2F × 2F) cell structure is provided.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to the present invention, a trench type element isolation region is disposed adjacent to the gate structure of the memory element, and a source / drain diffusion region is disposed along the upper sidewall of the trench type element isolation region. On the semiconductor substrate partitioned by the trench type element isolation region, the floating gate electrode is located via the tunnel insulating film, and the second insulating film is located so as to cover the floating gate electrode. The control gate electrode is located on the second insulating film, and the source / drain diffusion region along the trench upper side wall does not overlap the floating gate on the semiconductor substrate.
[0007]
More specifically, in the first aspect of the present invention, 4F2 Provided is a direct tunnel (DT) type memory as a semiconductor memory device realizing a cell size. Such a semiconductor memory device has volatile properties or characteristics between volatile and non-volatile, and is regarded as a semi-non-volatile memory.
[0008]
  A semiconductor memory device includes a semiconductor substrate, a trench type element isolation region formed in the semiconductor substrate, a tunnel insulating film positioned on the semiconductor substrate in a region partitioned by the element isolation region, and the tunnel insulating film A second insulating film that covers the floating gate electrode and the floating gate electrode and the trench type element isolation region, and the upper surface of the second insulating film in the trench type element isolation region is located below the upper surface of the semiconductor substrate. A second insulating film; a control gate electrode formed on the second insulating film; and a source / drain diffusion region extending along the upper sidewall of the trench type element isolation region so as not to overlap the floating gate electrode.The second insulating film is in contact with the semiconductor substrate for a predetermined distance from the end of the floating gate electrode to the end of the source / drain diffusion region.
[0009]
With this configuration, while preventing leakage between the floating gate electrode and the source / drain diffusion region, 4F2 A DT memory cell of a size can be realized.
[0010]
  In the second aspect of the present invention, 4F2A method of manufacturing a semiconductor memory device having a DT memory cell of a size is provided. A method for manufacturing a semiconductor memory device includes the following steps.
  (A) forming a tunnel insulating film on the semiconductor substrate;
  (B) forming a floating gate electrode on the tunnel insulating film;
  (C) forming a dummy insulating film located on a side wall of the floating gate electrode;
  (D) forming a first trench having a depth necessary for the source / drain diffusion region using the dummy insulating film as a mask;
  (E) forming a source / drain diffusion region along the sidewall of the first trench;
  (F) forming a second trench having a depth necessary for element isolation from the bottom surface of the first trench, and burying an insulating film from the bottom surface to a portion located below the top surface of the semiconductor substrate; Forming an isolation region;
  (G) removing the dummy insulating film to form a second insulating film covering the floating gate electrode; and
  (H) forming a control gate electrode on the second insulating filmIncluding,
  The first trench is formed at a depth of 0 nm to 200 nm from the surface of the semiconductor substrate.
[0011]
According to this method, the element isolation region is formed adjacent to the gate structure, and the source / drain diffusion region is run along the side wall of the element isolation region.2 Can be reduced. Since the shallow first trench is formed to form the source / drain diffusion region, and then the deep second trench is formed to form the element isolation region, etching of the insulating film for forming the element isolation region is performed. Without difficult control. Further, since the depth of the trench directly formed on the substrate can be strictly controlled, the source / drain diffusion regions can be formed with good controllability.
[0012]
That is, in order to form a desired source / drain according to the design, the shape and depth of the first trench can be accurately controlled within an arbitrary range. At the same time, the element isolation region can be formed with good controllability.
[0013]
The source / drain diffusion step into the first trench sidewall includes an ion implantation step into the first trench. The ion implantation at this time may be oblique implantation or vertical ion implantation, but in the case of vertical implantation, it is not necessary to control the angle in the oblique direction. Further, the power of ion implantation can be increased in the vertical implantation. By using silicon as the substrate material, the diffusion of impurities in the horizontal direction can be utilized by any implantation method.
[0014]
As described above, since the trench formation in the silicon substrate can be accurately controlled, the first trench and the second trench can be formed in a desired range. For example, the depth of the first trench can be appropriately set in the range of 0 to 200 nm from the substrate surface, and the second trench can be set in the range of 200 to 400 nm from the substrate surface.
[0015]
  The manufacturing method of the semiconductor memory device is as follows:
  (A) forming a tunnel insulating film on the semiconductor substrate;
  (B) forming a floating gate electrode on the tunnel insulating film;
  (C) forming a dummy insulating film located on the sidewall of the floating gate electrode;
  (D) forming a trench having a depth necessary for element isolation using the dummy insulating film as a mask;
  (E) a step of forming an impurity diffusion region extending to the lower side of the dummy insulating film by implanting ions obliquely into the sidewall of the trench using the dummy insulating film as a mask, and the impurity diffusion region remaining along the upper side wall of the trench as a source A step of forming a drain diffusion region;
  (F) forming a device isolation region by filling a trench;
  (G) The dummy insulating film is completely removed to cover the floating gate electrode.And so as to be in direct contact with the floating gate electrodeForming a second insulating film;
  (H) forming a control gate electrode on the second insulating film;
including.
[0016]
Other features and advantages of the present invention will become more apparent from the detailed description given below with reference to the accompanying drawings.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 2 is a plan configuration diagram of a DT (Direct Tunneling) memory 10 according to the embodiment of the present invention. Floating gates 15 are arranged in a matrix in an active region partitioned by a buried oxide film 12 as an element isolation region. A source / drain diffusion region 18 extends along the buried oxide film 12 so as not to overlap the floating gate 15. The source / drain diffusion region 18 functions as the bit line 18 as it is. A control gate electrode 17 covering the floating gate electrode extends in a direction orthogonal to the bit line 18. The control gate electrode 17 functions as the word line 17 as it is.
[0018]
In such a planar configuration, one memory cell 20 includes a floating gate 15 sandwiched between two adjacent bit lines 18 and a word line 17 covering the floating gate 15 and orthogonal to the bit line. Size is 4F2 It has become. 4F2 In order to realize this cell size, the element isolation region 12 is a trench type element isolation, and the bit line (source / drain diffusion region) runs along the upper side wall of the trench.
[0019]
FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line A-A ′ of FIG. 2. The DT memory cell 20 has a trench-type element isolation region 12 in which the trench 25 is filled with an oxide film in the silicon substrate 11 and a film thickness located on the silicon substrate 11 in an active region partitioned by the trench-type element isolation region 12. It has a tunnel insulating film 13 of about 2 nm and a floating gate electrode 15 located on the tunnel insulating film 13. Further, the second insulating film 16 having a thickness of about 8 to 10 nm covering the upper surface and the side surface of the floating gate electrode 15, the control gate electrode 17 located on the second insulating film 16, and the trench 25 constituting the element isolation region 12. Source / drain diffusion regions 18 extending along the upper side walls of the semiconductor device. The source / drain diffusion region 18 is formed at a position that does not overlap the floating gate 13 in order to prevent charge leakage from the thin tunnel insulating film 13.
[0020]
With this configuration, a 2F × 2F size DT memory cell is realized while preventing leakage between the source / drain 18 and the floating gate 15 and maintaining the reliability of data retention.
[0021]
A write operation to the DT memory cell 20 is performed by applying a voltage of about 5 V to the selected word line (control gate electrode) and a voltage of about 1 V to the selected bit line (drain) 18 to form a channel. Electrons are injected into the floating gate 15 by direct tunneling through the tunnel insulating film 13. In the erasing operation, the control electrode is set to −5 V, an erasing voltage of 0 V is applied to the bit line 18 connected to the source, and the charge is extracted from the floating gate 15 to the substrate. Since the tunnel insulating film 13 is thin, the applied voltage is lower and the operation speed is faster than the conventional floating gate type flash memory.
[0022]
Next, a method for manufacturing such a DT memory will be described.
<First Embodiment>
4 to 7 show a manufacturing process of the DT memory according to the first embodiment of the present invention. The manufacturing process is illustrated as a cross-sectional configuration along the line A-A ′ in FIG. 2.
[0023]
First, as shown in FIG. 4A, a tunnel insulating film 13 having a thickness of about 2 nm is formed on a silicon substrate 11 by thermal oxidation. A polysilicon film having a thickness of 150 nm is deposited on the tunnel insulating film (thermal oxide film) 13 by a CVD method, an oxide film is further deposited by a CVD method to a thickness of 120 nm, and then a floating gate pattern is formed by lithography and etching by an RIE method. Form. By this patterning, the floating gate 15 and the oxide film hard mask 21 covering the floating gate 15 remain on the tunnel insulating film 13. After forming the floating gate pattern, a thin thermal oxide film 24 is formed on the entire surface, and then a nitride film is deposited on the entire surface by CVD. The dummy nitride film 23 remains on the sidewalls of the floating gate 15 and the oxide film hard mask 21 by etching back the nitride film by the entire surface RIE method.
[0024]
Next, as shown in FIG. 4B, using the oxide film hard mask 21 and the dummy nitride film 23 as a mask, the silicon substrate 11 is etched by RIE by self-alignment to have a depth of 200 nm to 400 nm, preferably A trench 25 having a thickness of about 300 nm to 400 nm is formed.
[0025]
Next, as shown in FIG. 5C, an insulating film (for example, an oxide film) 27 is deposited by the CVD method so as to cover the entire surface of the trench 25, the oxide film hard mask 21, and the dummy nitride film.
[0026]
Next, as shown in FIG. 5D, the entire surface of the insulating film 27 is etched by the RIE method so that the insulating film remains only in the trench 25 and the trench type (or buried type) element isolation region 12 is formed. Form. At this time, the etching is controlled so that the upper side wall of the trench 25 is exposed to about 50 nm to 80 nm to provide the side wall exposed surface 26. In the first embodiment, since an oxide film is used as the insulating film 27, the oxide film hard mask 21 is also removed at the time of etching by RIE.
[0027]
Next, as shown in FIG. 6E, oblique ion implantation is performed on the sidewall exposed surface 26 of the trench 25. The implanted impurity ions are diffused by a subsequent heat treatment to form source / drain diffusion regions 28 along the upper side wall of the trench 25. Inclined ion implantation uses an acceleration energy of 20 KeV and a dose of 4 × 10.15Perform at cm-2.
[0028]
Next, as shown in FIG. 6F, the dummy nitride film 23 is removed by wet etching with hot phosphoric acid. Further, the thin oxide film 24 remaining on the side wall of the floating gate electrode 15 and the silicon substrate is once removed with a hydrofluoric acid-based etchant.
[0029]
  Next, figure7As shown in (g), a gate thermal oxide film 16 is formed on the entire surface with a thickness of about 8 nm by thermal oxidation. This gateheatOxide film16Is a film for insulating the floating gate 15 and the control gate electrode formed in the next process as the second insulating film.
[0030]
  Next, figure7As shown in (h), polysilicon is deposited to a thickness of 50 nm on the entire surface by CVD, and the polysilicon is patterned into the shape of a word line by lithography and etching to form a control gate electrode (or word line) 17. Form.
[0031]
According to such a method of manufacturing a DT memory, a trench type element isolation region is formed by self-alignment using a hard mask covering a floating gate and a dummy sidewall nitride film as a mask, and a source / source region is formed along the upper sidewall of the trench. A drain region is formed. The source / drain regions along the trench sidewall do not overlap with the floating gate electrode. Therefore, while preventing leakage from the tunnel insulating film and holding the charge in the floating gate, 4F2 A memory cell of a size is realized.
<Second Embodiment>
Next, a manufacturing process of the DT memory according to the second embodiment of the present invention will be described.
[0032]
In the first embodiment, 4F2 In order to realize the cell, as a method of forming the source / drain diffusion region along the upper side wall of the trench type element isolation region, the thick insulating film once filled with the trench was etched back and oblique ion implantation was performed. However, it may be difficult on the control surface to control the etching of the oxide film to partially expose the sidewall of the trench by a predetermined depth after the trench is filled with the oxide film.
[0033]
Therefore, in the second embodiment, 4F2 Provided is a process for forming a source / drain diffusion region with better controllability while maintaining the cell size.
[0034]
In order to achieve this object, first, a first trench having a depth necessary for forming a source / drain is formed in a substrate, and an impurity diffusion region is formed by ion implantation and thermal diffusion. Thereafter, the trench is further deeply etched to form a second trench, and the impurity diffusion regions are separated from the left and right upper sidewalls of the second trench to form source / drain diffusion regions. Thereafter, an oxide film is buried in the second trench to form an element isolation region.
[0035]
8 to 11 are views showing a manufacturing process of the DT memory according to the second embodiment. Also in the second embodiment, a manufacturing process is shown as a cross-sectional configuration along the line A-A ′ of FIG. 2. The same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
[0036]
First, as shown in FIG. 8A, a polysilicon floating gate 15 and an oxide film hard mask covering the upper surface of the floating gate 15 are formed on the silicon substrate 11 via a tunnel insulating film 13 having a thickness of about 2 nm. 21 and a dummy nitride film 23 covering the sidewalls of floating gate 15 and oxide film hard mask 21 through thermal oxide film 24. Up to this point, the process is the same as that shown in FIG. 4A of the first embodiment, and a detailed method of forming each component is omitted. The thickness of the dummy nitride film 23 is 4F2 The position of a trench type element isolation region for realizing a memory cell of a size is determined. This dummy nitride film is anisotropically etched to form a dummy nitride film having a predetermined thickness on the side wall of the floating gate 15 Remains.
[0037]
Next, as shown in FIG. 8B, the first trench 45 is formed by etching to the depth of 0 to 200 nm from the surface of the silicon substrate 11, for example, by an amount necessary for forming the source / drain by RIE. To do. In FIG. 8B, the depth is set to 80 nm as an example, but the depth of the first trench is also related to the characteristics of the transistor and is not necessarily limited to this value. Since the trench formation on the silicon substrate can be strictly controlled, it can be set to a desired depth in the range of 0 to 200 nm according to the design. The first trench 45 is formed by self-alignment by the RIE method using the oxide hard mask 21 and the dummy nitride film 23 covering the floating gate 15 as a mask.
[0038]
Next, as shown in FIG. 9C, ion implantation is performed on the first trench 45. In the second embodiment, for example, ion implantation is performed vertically. In the case of vertical implantation, power can be applied to ion implantation. However, oblique ion implantation may be performed in the first trench 45. This is because the depth of the first trench formed in the substrate is accurately controlled, so that the region to be ion-implanted by the tanning can be accurately determined. Impurities implanted by the subsequent thermal process diffuse in the horizontal direction, and an impurity diffusion region 38 extending from the side wall of the first trench 45 is formed. Also, ions diffuse from the bottom surface of the first trench 45 to form an impurity diffusion region 38 ′. In the case of vertical ion implantation, the acceleration energy is 60 KeV and the dose amount is 4 × 10.15cm-2It is.
[0039]
Next, as shown in FIG. 9D, the first trench 45 is etched deeper by the RIE method using the oxide film hard mask 21 and the dummy nitride film 23 as a mask to form the second trench 55. The second trench 55 is further dug down in the depth direction from the bottom surface of the first trench 45 and finally has a depth of about 200 nm to 400 nm, more preferably a depth of 300 nm to 400 nm in a state where the first trench is absorbed. It is formed. By forming the second trench 55, the impurity diffusion region 38 ′ that has spread from the bottom surface of the first trench 45 in the previous step is removed, and the impurity diffusion region 38 that diffuses from the upper side wall of the second trench 55 is separated to the left and right. The The impurity diffusion region 38 remaining along the side wall of the second trench becomes the source / drain diffusion region 38 of the DT memory and becomes a bit line. Since the impurity diffusion region formed on the bottom surface of the first trench in the previous step is removed together with the formation of the second trench, power control at the time of ion implantation is not necessarily strictly performed.
[0040]
Next, as shown in FIG. 10E, an insulating film 49 covering the inside of the second trench 55 and the entire surface of the substrate is formed by the CVD method. The insulating film 49 is formed of an oxide film, for example.
[0041]
Next, as shown in FIG. 10F, the insulating film 49 is etched back by the RIE method to leave the insulating film only inside the second trench 55. Thereby, the element isolation region 12 is formed.
[0042]
Next, as shown in FIG. 11G, the dummy nitride film 23 is removed by wet etching using hot phosphoric acid. After the thin oxide film 24 remaining on the side wall of the floating gate 15 is once removed with a hydrofluoric acid-based etchant, a gate insulating film (second insulating film) 16 having a thickness of about 8 nm is formed again on the entire surface by thermal oxidation.
[0043]
Next, as shown in FIG. 11 (h), polysilicon is deposited to a thickness of 50 nm on the entire surface by CVD, and the polysilicon is patterned into the shape of a word line by lithography and etching to control gate electrodes (or Word line) 17 is formed.
[0044]
According to the method of the second embodiment, after embedding a trench for element isolation, it is not necessary to etch back the thick insulating film to partially expose the trench sidewall. In addition, it is not always necessary to employ oblique ion implantation for forming the source / drain diffusion regions, and both the control of etch back and the control of ion implantation for forming the source / drain are facilitated.
[0045]
Furthermore, since the formation of the first trench and the second trench in the silicon substrate can be accurately controlled, the source / drain regions along the upper side wall of the trench can be formed with good controllability by a simple process. As a result, 4F2 A memory cell of a size can be realized by a simple process.
[0046]
In addition, since the source / drain diffusion regions are formed by utilizing the thermal diffusion in the lateral direction from the first trench, the diffusion region extending from the bottom surface of the first trench is completely removed simultaneously with the formation of the second trench. Matching memory cells can be reliably separated.
[0047]
As described above, the DT memory using the direct tunnel phenomenon has been described based on the embodiments, but the present invention is not limited to these examples. The depth of the first trench is not limited to 80 nm, and can be appropriately set in the range of 0 nm to 200 nm. When the depth of the first trench is set to 0 nm, ion implantation is performed on the substrate surface without forming the first trench. An impurity diffusion region extending to below the dummy nitride film is formed by spreading the impurities in the horizontal direction and subsequent thermal diffusion. Thereafter, an element isolation trench having a desired depth is formed by a single etching, and the impurity diffusion region remaining along the upper sidewall of the trench can be used as a source / drain diffusion region.
[0048]
The depth of the second trench is preferably in the range of 200 nm to 400 nm, but can be set to an arbitrary depth necessary for element isolation in other ranges. Increasing the depth of the trench type element isolation region increases the effective inter-element distance. However, there is a balance with miniaturization in manufacturing, and the thickness is set to 200 nm to 400 nm, and more preferably 300 nm to 400 nm.
[0049]
The thickness of the second insulating film is not limited to the thickness described in the embodiment as long as the leakage current between the floating gate electrode and the control gate electrode can be prevented. When an oxide film is used as the second insulating film, it is excellent in denseness, so that the film thickness can be appropriately set in the range of 6 to 10 nm.
[0050]
Alternatively, the impurity concentration distribution of the floating gate electrode may be changed. That is, by reducing the impurity concentration in the vicinity of the tunnel insulating film in the floating gate, the amount of charges held in the floating gate tunneling in the substrate direction may be reduced, and the leakage prevention effect may be enhanced.
[0051]
In the embodiment, the dummy sidewall is a silicon nitride film and the trench insulating film is a silicon oxide film. Conversely, the dummy sidewall may be formed of a silicon oxide film, and the trench may be embedded with a silicon nitride film. Good.
[0052]
Finally, the following notes are disclosed regarding the above description.
(Appendix 1) a semiconductor substrate;
A trench type element isolation region formed in a semiconductor substrate;
A tunnel insulating film located on a semiconductor substrate in a region partitioned by the element isolation region;
A floating gate electrode located on the tunnel insulating film;
A second insulating film covering the floating gate electrode;
A control gate electrode located on the second insulating film;
A source / drain diffusion region extending along the upper side wall of the trench type element isolation region so as not to overlap the floating gate electrode;
A semiconductor memory device comprising:
(Appendix 2) A step of forming a tunnel insulating film on a semiconductor substrate;
Forming a floating gate electrode on the tunnel insulating film;
Forming a dummy insulating film located on a sidewall of the floating gate electrode;
Ion implantation using a dummy insulating film as a mask, and forming an impurity diffusion region extending below the dummy insulating film;
Forming a trench having a depth necessary for element isolation using a dummy insulating film as a mask, and making the impurity diffusion region remaining along the upper sidewall of the trench a source / drain diffusion region;
Forming a device isolation region by filling the trench;
Removing the dummy insulating film to form a second insulating film covering the floating gate electrode;
Forming a control gate electrode on the second insulating film;
A method for manufacturing a semiconductor memory device.
(Appendix 3) A step of forming a tunnel insulating film on a semiconductor substrate;
Forming a floating gate electrode on the tunnel insulating film;
Forming a dummy insulating film located on a sidewall of the floating gate electrode;
Forming a first trench having a required depth in the source / drain diffusion region using the dummy insulating film as a mask;
Forming a source / drain diffusion region along the sidewall of the first trench;
Forming a second trench having a depth necessary for element isolation from the bottom surface of the first trench, embedding an insulating film in the second trench, and forming a trench type element isolation region;
Removing the dummy insulating film and forming a second insulating film covering the floating gate electrode;
Forming a control gate electrode on the second insulating film;
A method for manufacturing a semiconductor memory device.
(Additional remark 4) The said 1st trench is formed in the depth of 0 nm-200 nm from the surface of a semiconductor substrate, The manufacturing method of the semiconductor memory device of Additional remark 3 characterized by the above-mentioned.
(Supplementary note 5) The method of manufacturing a semiconductor memory device according to supplementary note 3, wherein the source / drain diffusion step into the first trench sidewall includes an ion implantation step into the first trench.
(Additional remark 6) The manufacturing method of the semiconductor memory device of Additional remark 4 characterized by using the diffusion to the horizontal direction of the said ion to implant the source / drain diffusion process to the 1st trench side wall.
(Additional remark 7) The manufacturing method of the semiconductor memory device according to Additional remark 5 or 6, wherein the ion implantation into the first trench is vertical implantation.
(Supplementary note 8) The supplementary note 2 or 3, wherein the thickness of the dummy insulating film located on the side wall of the floating gate electrode is set to a thickness that does not overlap the source / drain diffusion region and the floating gate electrode. A manufacturing method of the semiconductor memory device described.
[0053]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, 4F2 A cell-sized DT memory device is realized.
[0054]
Further, according to the manufacturing method of the second embodiment, it is not necessary to control the etching of the oxide film in order to partially expose the sidewall of the trench. Since the first trench may be formed by etching the substrate by an amount necessary for forming the source / drain diffusion regions, the controllability for forming the source / drain regions is improved.
[0055]
Further, it is not necessary to control the angle of ion implantation into the first trench, and since the element isolation region is formed by further digging the first trench after the ion implantation, the source / drain region can be reliably separated.
[0056]
Overall, 4F efficiently without difficult control2 A cell-sized DT memory can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a conventional direct tunneling memory (DTM) element.
FIG. 2 shows 4F according to the present invention.2 It is a plane block diagram of DT memory of a cell.
3 is a diagram showing a configuration of a DT memory device of the present invention, and is a cross-sectional view taken along the line A-A ′ of FIG. 2;
FIG. 4 is a manufacturing process diagram (No. 1) of the DT memory according to the first embodiment of the invention;
FIG. 5 is a manufacturing process diagram (No. 2) of the DT memory according to the first embodiment of the invention;
FIG. 6 is a manufacturing process diagram (No. 3) of the DT memory according to the first embodiment of the invention;
FIG. 7 is a manufacturing process diagram (No. 4) of the DT memory according to the first embodiment of the invention;
FIG. 8 is a manufacturing process diagram (No. 1) of a DT memory according to a second embodiment of the invention;
FIG. 9 is a manufacturing process diagram (No. 2) of the DT memory according to the second embodiment of the invention;
FIG. 10 is a manufacturing process diagram (No. 3) of the DT memory according to the second embodiment of the invention;
FIG. 11 is a manufacturing process diagram (No. 4) of the DT memory according to the second embodiment of the invention;
[Explanation of symbols]
10 Direct tunnel (DT) memory (semiconductor memory device)
11 Silicon substrate (semiconductor substrate)
12 Trench type element isolation region
13 Tunnel insulating film
15 Floating gate electrode
16 Second insulating film
17 Control gate electrode
18, 28, 38 Source / drain diffusion regions
21 Oxide hard mask (dummy insulating film)
23 Dummy nitride film (dummy insulating film)
24 Thermal oxide film
25 trench
26 Side wall exposed surface
45 First trench
55 Second trench

Claims (4)

半導体基板と、
前記半導体基板に形成されたトレンチ型の素子分離領域と前記素子分離領域に区画される領域において、前記半導体基板上に位置するトンネル絶縁膜と、
前記トンネル絶縁膜上に位置するフローティングゲート電極と、
前記フローティングゲート電極と前記トレンチ型の素子分離領域とを覆う第2絶縁膜であって、前記トレンチ型の素子分離領域の前記第2絶縁膜の上面が前記半導体基板の上面よりも下方に位置する第2絶縁膜と、
前記第2絶縁膜上に位置するコントロールゲート電極と、
前記フローティングゲート電極とオーバーラップしないように前記トレンチ型素子分離領域の上部側壁に沿って延びるソース・ドレイン拡散領域とを備え
前記第2絶縁膜は前記フローティングゲート電極の端部から前記ソース・ドレイン拡散領域の端部の所定距離の間、前記半導体基板に接していることを特徴とする半導体記憶装置。
A semiconductor substrate;
A trench-type element isolation region formed in the semiconductor substrate and a tunnel insulating film located on the semiconductor substrate in a region partitioned by the element isolation region;
A floating gate electrode located on the tunnel insulating film;
A second insulating film covering the floating gate electrode and the trench type element isolation region, wherein an upper surface of the second insulating film of the trench type element isolation region is located below an upper surface of the semiconductor substrate; A second insulating film;
A control gate electrode located on the second insulating film;
A source / drain diffusion region extending along the upper side wall of the trench type element isolation region so as not to overlap the floating gate electrode ,
The semiconductor memory device, wherein the second insulating film is in contact with the semiconductor substrate for a predetermined distance from an end of the floating gate electrode to an end of the source / drain diffusion region .
半導体基板上に、トンネル絶縁膜を形成する工程と、
前記トンネル絶縁膜上にフローティングゲート電極を形成する工程と、
前記フローティングゲート電極の側壁に位置するダミー絶縁膜を形成する工程と、
前記ダミー絶縁膜をマスクとして、素子分離に必要な深さのトレンチを形成する工程と、
前記ダミー絶縁膜をマスクとして前記トレンチの側壁にイオンを斜めに注入して前記ダミー絶縁膜の下方まで拡がる不純物拡散領域を形成する工程と、
前記トレンチの上部側壁に沿って残る前記不純物拡散領域をソース・ドレイン拡散領域とする工程と、
前記トレンチを埋め込んで素子分離領域を形成する工程と、
前記ダミー絶縁膜を全て除去して、前記フローティングゲート電極を覆うとともに前記フローティングゲート電極に直接接するように第2絶縁膜を形成する工程と、
前記第2絶縁膜上に、コントロールゲート電極を形成する工程と、
を含む半導体記憶装置の製造方法。
Forming a tunnel insulating film on the semiconductor substrate;
Forming a floating gate electrode on the tunnel insulating film;
Forming a dummy insulating film located on a sidewall of the floating gate electrode;
Forming a trench having a depth necessary for element isolation using the dummy insulating film as a mask;
Using the dummy insulating film as a mask, implanting ions obliquely into the sidewall of the trench to form an impurity diffusion region extending to the lower side of the dummy insulating film;
Forming the impurity diffusion region remaining along the upper sidewall of the trench as a source / drain diffusion region;
Forming a device isolation region by filling the trench;
Removing all the dummy insulating film, covering the floating gate electrode and forming a second insulating film so as to be in direct contact with the floating gate electrode ;
Forming a control gate electrode on the second insulating film;
A method for manufacturing a semiconductor memory device.
半導体基板上にトンネル絶縁膜を形成する工程と、
前記トンネル絶縁膜上にフローティングゲート電極を形成する工程と、
前記フローティングゲート電極の側壁に位置するダミー絶縁膜を形成する工程と、
前記ダミー絶縁膜をマスクとして、ソース・ドレイン拡散領域に必要な深さの第1トレンチを形成する工程と、
前記第1トレンチの側壁に沿って、ソース・ドレイン拡散領域を形成する工程と、
前記第1トレンチの底面から素子分離に必要な深さの第2トレンチを形成し、前記第2トレンチを前記半導体基板の上面よりも下方に位置する部分まで絶縁膜で埋め込んでトレンチ型素子分離領域を形成する工程と、
前記ダミー絶縁膜を除去して、前記フローティングゲート電極を覆う第2絶縁膜を形成する工程と、
前記第2絶縁膜上にコントロールゲート電極を形成する工程とを含み、
前記第1トレンチを、前記半導体基板の表面から0nm〜200nmの深さに形成することを特徴とする半導体記憶装置の製造方法。
Forming a tunnel insulating film on the semiconductor substrate;
Forming a floating gate electrode on the tunnel insulating film;
Forming a dummy insulating film located on a sidewall of the floating gate electrode;
Forming a first trench having a required depth in the source / drain diffusion region using the dummy insulating film as a mask;
Forming a source / drain diffusion region along the sidewall of the first trench;
A trench-type element isolation region is formed by forming a second trench having a depth necessary for element isolation from the bottom surface of the first trench and filling the second trench with an insulating film up to a portion located below the upper surface of the semiconductor substrate. Forming a step;
Removing the dummy insulating film to form a second insulating film covering the floating gate electrode;
Look including a step of forming a control gate electrode on the second insulating film,
The method of manufacturing a semiconductor memory device, wherein the first trench is formed at a depth of 0 nm to 200 nm from the surface of the semiconductor substrate .
前記第1トレンチ側壁へのソース・ドレイン拡散工程は、前記第1トレンチ内へのイオン注入工程を含むことを特徴とする請求項3に記載の半導体記憶装置の製造方法。  4. The method of manufacturing a semiconductor memory device according to claim 3, wherein the source / drain diffusion step into the first trench side wall includes an ion implantation step into the first trench.
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