JP5002172B2 - Nonvolatile semiconductor memory device - Google Patents
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本発明は、複数の絶縁膜からなる積層膜に電荷を蓄えて情報を記憶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 nonvolatile semiconductor memory device that stores information by storing charges in a laminated film composed of a plurality of insulating films.
半導体基板とゲート電極との間に設けた積層膜に電荷を蓄えることで情報を記憶する不揮発性半導体記憶装置には、大別して積層膜の種類が異なる2つの構造がある。1つは、積層膜の一部に導電膜を用い、この導電膜に電荷を蓄えるFG(Floating Gate:フローティングゲート)型であり、もう1つは、積層膜の一部に絶縁膜を用い、この絶縁膜に電荷を蓄えるMNOS(Metal−Nitride−Oxide−Silicon)型やMONOS(Metal−Oxide−Nitride−Oxide−Silicon)型である。
FG型は、電荷を蓄える導電膜を絶縁体である酸化膜で囲って電気的に絶縁した構造である。MNOS型やMONOS型は、異なる種類の絶縁膜である窒化膜と酸化膜とを積層した構造である。
Nonvolatile semiconductor memory devices that store information by storing charges in a stacked film provided between a semiconductor substrate and a gate electrode are roughly divided into two structures with different types of stacked films. One is a FG (floating gate) type in which a conductive film is used as a part of the laminated film and charges are stored in the conductive film, and the other is an insulating film as a part of the laminated film. There are a MNOS (Metal-Nitride-Oxide-Silicon) type and a MONOS (Metal-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon) type that store charges in this insulating film.
The FG type has a structure in which a conductive film for storing electric charges is surrounded by an oxide film as an insulator and electrically insulated. The MNOS type and the MONOS type have a structure in which a nitride film and an oxide film, which are different types of insulating films, are stacked.
半導体基板から電荷を引き抜き積層膜に蓄えるには、FN(Fowler Nordheim)書き込みと呼ばれる絶縁膜内での電荷のトンネル現象を利用する方法と、CHE(Channel Hot Electron)注入と呼ばれる最下層の絶縁膜の絶縁障壁を乗り越えられる程度にまで電荷をエネルギー的に励起する方法とがある。 In order to extract charges from a semiconductor substrate and store them in a laminated film, a method using charge tunneling in an insulating film called FN (Fowler Nordheim) writing and a lowermost insulating film called CHE (Channel Hot Electron) injection There is a method in which electric charges are excited energetically to such an extent that the insulating barrier can be overcome.
積層膜に導電膜を用いる不揮発性半導体記憶装置では、注入した電荷は導電膜に一様に分布する。MONOS型などの積層膜に絶縁膜を用いる不揮発性半導体記憶装置では、電荷は注入した絶縁膜の近傍にしか留まっていない。これが積層膜に用いる膜質の違いである。 In a nonvolatile semiconductor memory device using a conductive film as a stacked film, injected charges are uniformly distributed in the conductive film. In a non-volatile semiconductor memory device using an insulating film for a laminated film such as a MONOS type, electric charges remain only in the vicinity of the injected insulating film. This is the difference in film quality used for the laminated film.
積層膜に導電膜を用いると注入された電荷はすぐさま一様に分布するために、むらのない安定した書き込みや消去を行うことができる。一方、近年、積層膜に絶縁膜を用い、電荷が注入した場所に留まり、さほど移動しないという性質を利用して、絶縁膜の所定の部分に選択的に電荷を注入させることにより、多値情報を書き込む技術が知られており、多くの提案をみるものである(例えば、特許文献1参照。)。 When a conductive film is used for the laminated film, the injected charges are immediately and uniformly distributed, so that stable writing and erasure without unevenness can be performed. On the other hand, in recent years, by using an insulating film as a laminated film and staying in a place where charges are injected and not moving so much, by selectively injecting charges into a predetermined part of the insulating film, multi-value information The technique of writing is known, and many proposals are seen (for example, refer to Patent Document 1).
特許文献1に示した従来技術を説明する。図13は、MONOS型の不揮発性半導体記憶装置の構造を説明する簡略図であり、説明しやすいように特許文献1に示した従来技術の主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13において、100はMONOS型の不揮発性半導体記憶装置、11はp型の半導体基板、12はn型のソース領域、13はn型のドレイン領域、14は3層の絶縁膜からなるゲート絶縁膜、15はゲート電極、130はp型の高濃度領域、141はトンネル酸化膜、142はメモリ窒化膜、143はトップ酸化膜である。
In FIG. 13,
ソース領域12とドレイン領域13との間のチャネル領域の上部にゲート絶縁膜14を設けている。
ゲート絶縁膜14は、最も半導体基板11に近いトンネル酸化膜141と中間層の窒化シリコン膜であるメモリ窒化膜142と最上層に設けるトップ酸化膜143とを有している。ゲート絶縁膜14の上部にゲート電極15を設けている。
さらに、チャネル領域の端のドレイン領域13と接する部分に高濃度領域130を設け
ている。
A
The gate
Further, a
情報の書き込み時には、ソース領域12の電位を基準としてドレイン領域13に正電圧である書き込みドレイン電圧を印加し、ゲート電極15に正電圧である書き込みゲート電圧を印加する。
これにより、p型の半導体基板11にとっての少数キャリアである負の電荷が、電位の基準としたソース領域12からドレイン領域13へ向かってチャネル領域内を流れる。
負の電荷は、チャネル領域内でチャネル方向の電界によって加速される。
加速された負の電荷は、チャネル領域のドレイン領域13の端付近で高エネルギーを得て、複数の絶縁膜の電位障壁を乗り越えてゲート絶縁膜14に注入される。
At the time of writing information, a write drain voltage that is a positive voltage is applied to the
As a result, negative charges, which are minority carriers for the p-type semiconductor substrate 11, flow in the channel region from the
Negative charges are accelerated by the electric field in the channel direction within the channel region.
The accelerated negative charge obtains high energy near the end of the
このとき、高濃度領域130の存在により、チャネル方向の電界の集中性がチャネル領域のドレイン領域13の端付近で高くなり、より多くの負の電荷がゲート絶縁膜14に効率良く注入される。
At this time, due to the presence of the
情報の読み出し時には、ドレイン領域13の電位を基準としてソース領域12に正電圧である読み出しソース電圧を印加し、ゲート電極15に正電圧である読み出しゲート電圧を印加する。
書き込み時と同様に、このときも高濃度領域130の存在により、チャネル方向の電界の集中性が一部で高まる。
しかし、電界の集中性が高まる領域は、読み出し時に電荷が供給されるドレイン領域13の近くの領域である。そのため、電荷がこの領域を通過する時には、複数の絶縁膜の電位障壁を乗り越える程のエネルギーはまだ得られておらず、誤書き込みが防止される。
At the time of reading information, a read source voltage that is a positive voltage is applied to the
As in the writing, the concentration of the electric field in the channel direction is partially increased due to the presence of the
However, the region where the electric field concentration is high is a region near the
情報の消去時には、半導体基板11の電位を基準としてドレイン領域13に正電圧である消去ドレイン電圧を印加し、ゲート電極15に負電圧である消去ゲート電圧を印加する。
これにより、書き込まれた電荷と逆極性の正の電荷がドレイン領域13からゲート絶縁膜14内に供給され、極性の異なる電荷同士が結合し中和されるため、情報が消去される。
At the time of erasing information, an erase drain voltage that is a positive voltage is applied to the
As a result, positive charges having the opposite polarity to the written charges are supplied from the
特許文献1に示した従来技術は、高濃度領域130を設けたことにより、ゲート絶縁膜14の端に局所的に効率良く電荷が蓄えられるという特徴を有する。また、この技術によりゲート絶縁膜14の両端の各々に電荷を出し入れすることが可能となり、1つの不揮発性半導体記憶装置に多値情報を書き込むことが可能となる。
The prior art disclosed in
MNOS型やMONOS型の不揮発性半導体記憶装置において、チャネル領域上のゲート絶縁膜のソース領域側もしくはドレイン領域側に偏って電荷が蓄えられている状況では、読み出し時にソース領域側からドレイン領域側に電流を流す場合と、ドレイン領域側からソース領域側に電流を流す場合とで、読み出される不揮発性半導体記憶装置のしきい値も異なることが知られている。 In a MNOS type or MONOS type non-volatile semiconductor memory device, in a situation where charges are stored biased toward the source region side or the drain region side of the gate insulating film on the channel region, from the source region side to the drain region side during reading It is known that the threshold value of the non-volatile semiconductor memory device to be read is different between when a current is passed and when a current is passed from the drain region side to the source region side.
特許文献1に示した従来技術は、このことを利用した技術であるため、複数の電流経路を設ける必要がある。そして、読み出し時には書き込まれた情報に応じて電流経路を切り替える必要があり、読み出し回路も読み出し方法も複雑になるという問題がある。
Since the prior art shown in
また、情報の書き込み時などのゲート絶縁膜に電荷を蓄えるときには、一般にFN書き込みとCHE注入とでは、CHE注入の方が大きな消費電力を必要とする。これは、CHE注入がソース領域とドレイン領域との間に電流を流さなければならないためであって、その電流値は、ゲート絶縁膜を構成する最下層の絶縁膜の絶縁障壁を乗り越えられる程度にまで電荷をエネルギー的に励起する必要があるから、かなり大きな電流値となる。
特許文献1に示した従来技術は、情報の書き込み時にこのCHE注入を行うため、ソース領域12からドレイン領域13へと電流を流す必要がある。
近年の半導体装置には、微細化と共に低消費電力化も要求されている。特許文献1に示した従来技術は、そもそもCHE注入を行っているからその要求には対応できないという問題がある。
Further, when charge is stored in the gate insulating film at the time of information writing or the like, generally, FN writing and CHE injection require higher power consumption in CHE injection. This is because CHE injection requires a current to flow between the source region and the drain region, and the current value is such that it can overcome the insulating barrier of the lowermost insulating film constituting the gate insulating film. Since it is necessary to excite the charge energetically, the current value becomes considerably large.
In the prior art disclosed in
In recent years, semiconductor devices are required to be miniaturized and have low power consumption. The conventional technique shown in
本発明の目的は、上記問題を鑑みてなされたものであって、消費電力を低くすることができる多値情報が記憶可能な不揮発性半導体記憶装置を提供することである。 An object of the present invention is to provide a nonvolatile semiconductor memory device capable of storing multi-value information that can reduce power consumption.
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.
半導体基板にソース領域とドレイン領域とを離間して設けるとともにこれらの領域の間にチャネル領域を設け、
チャネル領域の上部に、半導体基板側からトンネル酸化膜,メモリ窒化膜,トップ酸化膜の順に積層する構造のゲート絶縁膜を有するとともにその上部にゲート電極を有する不揮発性半導体記憶装置において、
半導体基板のソース領域とドレイン領域とチャネル領域とを設けていない表面に素子分離酸化膜を設け、
トンネル酸化膜は、素子分離酸化膜のチャネル領域側の端部であるバーズビークと接するとともに、チャネル領域の電流が流れる向きと直交する方向に、バーズビークの膜厚とトンネル酸化膜の膜厚との違いによるトンネル酸化膜の膜厚が厚い部分と薄い部分とからなる段差部を有し、
書き込む情報に応じて、前記トンネル酸化膜の膜厚の薄い部分はトンネリング可能であるとともに前記トンネル酸化膜の膜厚の厚い部分はトンネリング不可能な第1の書込電圧と、前記トンネル酸化膜の膜厚の薄い部分も膜厚の厚い部分もトンネリング可能な第2の書込電圧とを切り替えて前記ゲート電極へ印加することでデータを書き込むことを特徴とする。
Semiconductor substrate provided apart source and drain regions when in the channel region provided between these regions and,
In a nonvolatile semiconductor memory device having 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 from the semiconductor substrate side above the channel region, and having a gate electrode above the gate insulating film.
An element isolation oxide film is provided on the surface of the semiconductor substrate where the source region, drain region, and channel region are not provided,
The tunnel oxide film is in contact with the bird's beak, which is the end of the element isolation oxide film on the channel region side, and the difference between the thickness of the bird's beak and the thickness of the tunnel oxide film is perpendicular to the direction in which the current flows in the channel region. have a stepped portion thickness of the tunnel oxide film is made of a thick portion and a thin portion by,
Depending on the information to be written, the tunnel oxide film having a thin film thickness can be tunneled, and the tunnel oxide film having a thick film thickness cannot be tunneled. Data is written by switching a thin write part and a thick film part to a second write voltage that can be tunneled and applying it to the gate electrode .
本発明の不揮発性半導体記憶装置は、MONOS型の不揮発性半導体記憶装置であり、半導体基板のチャネル領域上部に半導体基板側からトンネル酸化膜,メモリ窒化膜,トップ酸化膜の順に積層する構造のゲート絶縁膜を有している。
ゲート絶縁膜の最下層のトンネル酸化膜は、チャネル領域の電流が流れる向きと直交する方向にトンネル酸化膜の膜厚が厚い部分と薄い部分とからなる段差部を有している。
The non-volatile semiconductor memory device of the present invention is a MONOS type non-volatile semiconductor memory device, and has a structure in which a tunnel oxide film, a memory nitride film, and a top oxide film are stacked in this order from the semiconductor substrate side on the channel region of the semiconductor substrate It has an insulating film.
The tunnel oxide film at the lowest layer of the gate insulating film has a stepped portion composed of a thick portion and a thin portion of the tunnel oxide film in a direction orthogonal to the direction in which the current flows in the channel region.
また、書き込む情報に応じて、トンネル酸化膜の膜厚の薄い部分はトンネリング可能であるとともにトンネル酸化膜の膜厚の厚い部分はトンネリング不可能な第1の書込電圧と、トンネル酸化膜の膜厚の薄い部分も膜厚の厚い部分もトンネリング可能な第2の書込電圧とを切り替えてゲート電極へ印加する。 In addition, according to the information to be written, the tunnel oxide film having a thin film thickness can be tunneled, and the tunnel oxide film having a thick film thickness cannot be tunneled. A thin write portion and a thick portion are switched to the second write voltage that can be tunneled and applied to the gate electrode.
上記のような構成とすることによって、トンネル酸化膜の膜厚の薄い部分と平面的に重なるメモリ窒化膜と、トンネル酸化膜の膜厚の厚い部分と平面的に重なるメモリ窒化膜とでは、電荷の蓄積状態が変わる。
よって、トンネル酸化膜の膜厚の薄い部分と平面的に重なるメモリ窒化膜にだけ電荷が書き込まれた状態、メモリ窒化膜の全面に電荷が書き込まれた状態、書き込みとは逆極性の電荷がメモリ窒化膜の全面に蓄えられた状態、以上の3つの状態でのしきい値に対応させた3値の情報を記憶することが可能となる。
By the configuration as described above, in a memory nitride film overlying the film thickness thin portion in plan view of the tunnel oxide film, a tunnel oxide film of the thickness of the thick portion and the memory nitride film planarly overlapping the The charge accumulation state changes.
Therefore, the state in which charges are written only in the memory nitride film that overlaps with the thin portion of the tunnel oxide film in a plane, the state in which charges are written on the entire surface of the memory nitride film, It is possible to store ternary information corresponding to the threshold values in the above three states, the state stored on the entire surface of the nitride film.
また、上記の3つの状態の全てにおいて、FN書き込みによって情報を書き込んでいるため、メモリ窒化膜中に蓄えられた電荷の分布は、チャネル領域の電流が流れる向きと平行な方向に一様である。そのため、読み出し時の電流の流れる向きによってしきい値が変わることもなく、1つの電流経路で多値情報を読み出すことが可能である。 In all the above three states, information is written by FN writing, so the distribution of charges stored in the memory nitride film is uniform in a direction parallel to the direction in which the channel region current flows. . Therefore, the threshold value does not change depending on the direction of current flow during reading, and multi-value information can be read out using one current path.
このように、本発明の不揮発性半導体記憶装置は、チャネル領域の電流が流れる向きと直交する方向のトンネル酸化膜に段差部を設け、膜厚の異なる部分を設けたことにより、FN書き込みを用いても多値情報を記憶することが可能となった。
さらに、CHE注入が必要な不揮発性半導体記憶装置とは異なり、書き込み時に電流を流す必要がないため、その消費電力が低く、また、情報の読み出しのために複数の電流経路を設ける必要がないため、配線本数が減り回路がシンプルになるという優れた利点を有する。
As described above, the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention uses the FN writing by providing the step portion in the tunnel oxide film in the direction orthogonal to the direction in which the current flows in the channel region, and providing the portion having a different thickness. Even multi-value information can be stored.
Further, unlike a nonvolatile semiconductor memory device that requires CHE injection, it is not necessary to pass a current at the time of writing, so its power consumption is low and it is not necessary to provide a plurality of current paths for reading information. This has the excellent advantage of reducing the number of wires and simplifying the circuit.
[実施の形態1の構造説明:図1、図2]
図1は、本発明の実施の形態1の不揮発性半導体記憶装置の構造を説明する平面図である。図2は、図1の切断線A−A´間の断面構造を説明する断面図である。図1において
、図を見やすくするためにゲート電極は省略している。
[Structure of Embodiment 1: FIGS. 1 and 2]
FIG. 1 is a plan view for explaining the structure of the nonvolatile semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a cross-sectional structure taken along the cutting line AA ′ in FIG. In FIG. 1, the gate electrode is omitted for easy understanding of the drawing.
図1および図2において、10はMONOS型の不揮発性半導体記憶装置、11はp型の半導体基板、12はn型のソース領域、13はn型のドレイン領域、14は3層の絶縁膜からなるゲート絶縁膜、15はゲート電極、16は素子分離酸化膜であるフィールド酸化膜である。20は段差部である。141はトンネル酸化膜、142はメモリ窒化膜、143はトップ酸化膜である。150はチャネル領域である。
1 and 2, 10 is a MONOS type nonvolatile semiconductor memory device, 11 is a p-type semiconductor substrate, 12 is an n-type source region, 13 is an n-type drain region, and 14 is a three-layer insulating film. A gate insulating film, 15 is a gate electrode, and 16 is a field oxide film which is an element isolation oxide film.
ソース領域12およびドレイン領域13は、半導体基板11の表層部に所定の間隔をあけて形成している。半導体基板11上には、ソース領域12とドレイン領域13とを橋渡しする領域であるチャネル領域150の上部にゲート絶縁膜14を設けている。ゲート絶縁膜14上にはゲート電極15を設けている。
フィールド酸化膜16は、ソース領域12とドレイン領域13とチャネル領域150とを設けていない半導体基板11上に設けている。
The
The
ゲート絶縁膜14は、最も半導体基板11に近いトンネル酸化膜141と中間層の窒化シリコン膜であるメモリ窒化膜142と最上層に設けるトップ酸化膜143とを有している。
トンネル酸化膜141は、チャネル領域の電流が流れる向きと直交する方向に、膜厚が厚い部分と薄い部分とからなる段差部20を有する。
図2に示す例では、段差部20を角部分を指し示すようにしているが、段差部20は、トンネル酸化膜141に形成される段差そのものを示すものである。
The
The
In the example shown in FIG. 2, the
[実施の形態1の動作説明:図1、図2]
次に、本発明の第1の実施の形態の不揮発性半導体記憶装置の動作を引き続き図1および図2を用いて説明する。
[Description of Operation of Embodiment 1: FIGS. 1 and 2]
Next, the operation of the nonvolatile semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
本発明の第1の実施の形態の不揮発性半導体記憶装置に情報を書き込む方法は、書き込む情報に応じて、負の電荷がトンネル酸化膜141の膜厚の薄い部分はトンネリング可能であるとともに膜厚の厚い部分はトンネリング不可能な第1の書込電圧VW1と、負の電荷がトンネル酸化膜の膜厚の薄い部分も膜厚の厚い部分もトンネリング可能な第2の書込電圧VW2と、正の電荷がトンネル酸化膜の膜厚の薄い部分も膜厚の厚い部分もトンネリング可能な消去電圧VEとを切り替えてゲート電極15へ印加する。
In the method of writing information to the nonvolatile semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention, the thin portion of the
第1の書込電圧VW1,第2の書込電圧VW2,消去電圧VEは、知られている電圧発生手段を用いることができるため、その説明は省略する。 Since the first write voltage VW1, the second write voltage VW2, and the erase voltage VE can use known voltage generating means, description thereof is omitted.
ここで、不揮発性半導体記憶装置のメモリ窒化膜142に正の電荷が一様に蓄えられている時のしきい値をVT1、正の電荷も負の電荷も蓄えられていない時のしきい値をVT2、負の電荷が一様に蓄えられている時のしきい値をVT3とする。
Here, the threshold value when the positive charge is uniformly stored in the
第1の状態として、半導体基板11の電位を基準としてゲート電極15に消去電圧VEを印加すると、正の電荷がトンネル酸化膜141をトンネリングしてメモリ窒化膜142に蓄積され、しきい値はVT1となる。
In the first state, when the erase voltage VE is applied to the
第2の状態として、半導体基板11の電位を基準としてゲート電極15に第1の書込電圧VW1を印加すると、トンネル酸化膜141の膜厚の薄い部分と平面的に重なるメモリ窒化膜142には負の電荷が蓄えられ、トンネル酸化膜141の膜厚の厚い部分と平面的に重なるメモリ窒化膜142には負の電荷も正の電荷も蓄えられない状態となる。
図2に示す例は、第2の状態での電荷の蓄積の状態を表している。
As a second state, when the first write voltage VW1 is applied to the
The example shown in FIG. 2 represents the state of charge accumulation in the second state.
第2の状態は、しきい値がVT3の不揮発性半導体記憶装置としきい値がVT2の不揮発性半導体記憶装置とが、電気的に並列に接続されている状態と同様の電気特性を示す。つまり、VT2以上の読み出し電圧をゲート電極15に印加すれば、トンネル酸化膜141の膜厚が厚い部分と平面的に重なる半導体基板11の表面にはチャネルが形成され、ソース領域12からドレイン領域13へと電流が流れる。
よって、第2の状態での不揮発性半導体記憶装置10のしきい値はVT2であると言える。
The second state shows the same electrical characteristics as a state in which the nonvolatile semiconductor memory device having the threshold value VT3 and the nonvolatile semiconductor memory device having the threshold value VT2 are electrically connected in parallel. In other words, when a read voltage of VT2 or higher is applied to the
Therefore, it can be said that the threshold value of the nonvolatile
第3の状態として、半導体基板11の電位を基準としてゲート電極15に第2の書込電圧VW2を印加すると、負の電荷がトンネル酸化膜141をトンネリングしてメモリ窒化膜142の全面に蓄積され、しきい値はVT3となる。
As a third state, when the second write voltage VW2 is applied to the
以上、第1,第2,第3の状態にそれぞれ情報を対応させることで、本発明の第1の実施の形態の不揮発性半導体記憶装置には3値の情報を記憶させることが可能となる。 As described above, by associating information with the first, second, and third states, it is possible to store ternary information in the nonvolatile semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention. .
[第2の実施の形態の構造説明:図3]
次に、本発明の第2の実施の形態の不揮発性半導体記憶装置の構造を説明する。図3はその断面図である。第2の実施の形態の平面構造は、既に説明した第1の実施の形態1と同様であるのでその説明は省略する。
[Description of Structure of Second Embodiment: FIG. 3]
Next, the structure of the nonvolatile semiconductor memory device according to the second embodiment of the present invention will be described. FIG. 3 is a sectional view thereof. Since the planar structure of the second embodiment is the same as that of the first embodiment already described, description thereof is omitted.
図3において、10はMONOS型の不揮発性半導体記憶装置、11はp型の半導体基板、14は3層の絶縁膜からなるゲート絶縁膜、15はゲート電極、16はフィールド酸化膜である。16aはフィールド酸化膜16の端部であるバーズビークである。20は段差部である。141はトンネル酸化膜、142はメモリ窒化膜、143はトップ酸化膜である。
In FIG. 3, 10 is a MONOS nonvolatile semiconductor memory device, 11 is a p-type semiconductor substrate, 14 is a gate insulating film made of a three-layer insulating film, 15 is a gate electrode, and 16 is a field oxide film. A bird's beak 16 a is an end of the
第2の実施の形態の構造が第1の実施の形態の構造と異なる点は、ゲート絶縁膜14の構成である。
第1の実施の形態では、トンネル酸化膜141は、膜厚の厚い部分と膜厚の薄い部分とを有し、メモリ窒化膜142とトップ酸化膜143とは、トンネル酸化膜141と平面的に重なる領域に設ける構成であった。
一方、第2の実施の形態では、トンネル酸化膜141は、膜厚の薄い部分だけで構成し、メモリ窒化膜142とトップ酸化膜143とは、トンネル酸化膜141と平面的に重なる領域だけでなく、フィールド酸化膜16の端部であるバーズビーク16aとトンネル酸化膜141とが接する部分にも重なっている。つまり、バーズビーク16aがトンネル酸化膜141と接し、同じ酸化膜として連続した形状を有しており、このバーズビーク16aとトンネル酸化膜141とで段差部20を構成している。したがって、図3に示す例では、段差部20は2箇所ある。
The structure of the second embodiment is different from the structure of the first embodiment in the configuration of the
In the first embodiment, the
On the other hand, in the second embodiment, the
このような構成では、バーズビーク16aもゲート絶縁膜の一部として機能することが可能であり、第1の実施の形態でトンネル酸化膜141の一部に膜厚の厚い部分を設けたことと同じ効果が得られるのである。
In such a configuration, the bird's beak 16a can also function as a part of the gate insulating film, which is the same as providing a thick part in the
第2の実施の形態の動作は、既に説明した第1の実施の形態の動作と同様であるのでその説明は省略する。 Since the operation of the second embodiment is similar to the operation of the first embodiment already described, the description thereof is omitted.
[第1の実施の形態の製造方法の説明:図4〜図9]
次に、本発明の第1の実施の形態の不揮発性半導体記憶装置の製造方法について図4から図9を参照しながら説明する。既に説明した同様の構成には同様の番号を付与している
のでその説明は省略する。なお、図4から図9に示す構成の向きは、図2に示す構成の向きと同様な向きである。
[Description of Manufacturing Method of First Embodiment: FIGS. 4 to 9]
Next, a method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. Since the same number is given to the same configuration as already described, the description is omitted. Note that the orientations of the configurations shown in FIGS. 4 to 9 are the same as the orientations of the configurations shown in FIG.
まず、図4に示すように、知られているLOCOS分離法を用いて、半導体基板11上に素子分離酸化膜であるフィールド酸化膜16を形成し、次いで、半導体基板11の表面にダミー酸化膜形成工程を用いてダミー酸化膜140を形成する。ここで、ダミー酸化膜形成工程は、例えば、酸素(O2)と窒素(N2)とを混合した雰囲気中の熱酸化工程である。
First, as shown in FIG. 4, a
次に、図5を用いて除去工程を説明する。
まず、フィールド酸化膜16とダミー酸化膜140との上にフォトレジスト30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30を形成する領域は、完成した本発明の不揮発性半導体記憶装置でトンネル酸化膜141の膜厚が薄くなる部分を除く領域である。
次に、フォトレジスト30をマスクとして、ダミー酸化膜140をドライエッチング技術を使って除去し、半導体基板11の表面を露出させる。
その後にフォトレジスト30をウェットエッチング技術を使って除去する。
Next, the removal process will be described with reference to FIG.
First, a
Here, the region where the
Next, using the
Thereafter, the
次に、図6を用いてトンネル酸化膜形成工程を説明する。
まず、半導体基板11とダミー酸化膜140とフィールド酸化膜16との表面を、例えば、酸素(O2)と窒素(N2)とを混合した雰囲気中で熱酸化する。
この熱酸化工程によって、フィールド酸化膜16が形成された領域以外の部分に酸化膜が形成されるので、チャネル領域150には新たに形成された酸化膜とダミー酸化膜140とが切れ目なく形成してなるトンネル酸化膜141が形成される。トンネル酸化膜141は、ダミー酸化膜140が形成されていた部分だけが膜厚が厚くなっており、これにより段差部20が形成される。
Next, the tunnel oxide film forming step will be described with reference to FIG.
First, the surfaces of the semiconductor substrate 11, the
By this thermal oxidation process, an oxide film is formed in a portion other than the region where the
次に、図7を用いて窒化膜形成工程とトップ酸化膜形成工程とを説明する。
まず、トンネル酸化膜141とフィールド酸化膜16との表面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、トップ酸化膜形成工程により、メモリ窒化膜142の表面にトップ酸化膜143を形成する。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。
Next, the nitride film forming step and the top oxide film forming step will be described with reference to FIG.
First, the
Next, a
次に、図8を用いてゲート絶縁膜形成工程を説明する。
まず、図8に示すように、トップ酸化膜143の上にフォトレジスト31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。
トップ酸化膜143の上に形成したフォトレジスト31をマスクとして、トップ酸化膜143とメモリ窒化膜142とトンネル酸化膜141とをドライエッチング技術を使って除去する。この工程によって、チャネル領域150の上部にのみゲート絶縁膜14が形成される。
後に、フォトレジスト31をウェットエッチング技術を使って除去する。
Next, the gate insulating film forming process will be described with reference to FIG.
First, as shown in FIG. 8, a
Using the
Later, the
次に、図9を用いてゲート電極を形成する工程を説明する。
まず、図示はしないが、CVD法を用いてゲート電極15を形成するためのポリシリコン膜を半導体基板11の上部全面に成膜する。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、図9に示すように、ゲート電極15を形成したい部分にフォトレジスト32を知られているフォトリソグラフィ技術を用いて形成し、これをマスクとしてポリシリコン
膜をドライエッチング技術を使って除去する。
後に、フォトレジスト32をウェットエッチング技術を使って除去する。
これによって、ゲート絶縁膜14の上にゲート電極15が完成する。
Next, the process of forming a gate electrode is demonstrated using FIG.
First, although not shown, a polysilicon film for forming the
Thereafter, as shown in FIG. 9, a
Later, the
As a result, the
次いで、知られているイオン注入法によりソース領域12およびドレイン領域13を形成することで、本発明の第1の実施の形態の不揮発性半導体記憶装置の根幹を成す構造が完成する。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の実施の形態の不揮発性半導体記憶装置を有する半導体装置が完成する。
Next, the
[第2の実施の形態の製造方法の説明:図10〜図12]
次に、本発明の第2の実施の形態の製造方法について図10から図12を参照しながら説明する。既に説明した本発明の第1の実施の形態の製造方法と同様の工程についてはその説明は省略する。
[Description of Manufacturing Method of Second Embodiment: FIGS. 10 to 12]
Next, a manufacturing method according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The description of the same steps as those of the manufacturing method of the first embodiment of the present invention already described is omitted.
まず、図10を用いて素子分離酸化膜形成工程を説明する。
図10に示すように、知られているLOCOS分離法を用いて、半導体基板11上に素子分離酸化膜であるフィールド酸化膜16を形成する。この際、フィールド酸化膜16の端部には、フィールド酸化膜16の他の領域と比べて膜厚の薄いバーズビーク16aを形成する。
このバーズビーク16aの形成は、フィールド酸化膜16の形成条件を選択することにより、その形状、特にその膜厚を自由に形成することができる。
First, the element isolation oxide film forming step will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 10, a
The bird's beak 16a can be formed freely by selecting the formation conditions of the
次に、図11を用いてトンネル酸化膜形成工程を説明する。
まず、半導体基板11とフィールド酸化膜16との表面を、例えば、酸素(O2)と窒素(N2)とを混合した雰囲気中で熱酸化する。
この熱酸化工程によって、フィールド酸化膜16が形成された領域以外の部分にトンネル酸化膜141が形成される。トンネル酸化膜141はバーズビーク16aと接し、同じ酸化膜として連続した形状を有することになる。これにより段差部20が形成される。
Next, the tunnel oxide film forming step will be described with reference to FIG.
First, the surfaces of the semiconductor substrate 11 and the
By this thermal oxidation process, a
次に、図12を用いてゲート絶縁膜形成工程を説明する。
まず、図12に示すように、本発明の第1の実施の形態の製造方法と同様にトンネル酸化膜141とフィールド酸化膜16との表面にメモリ窒化膜142およびトップ酸化膜143を形成する。
次に、トップ酸化膜143の上にフォトレジスト33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。この際、フォトレジスト33は、チャネル領域150の上部のトンネル酸化膜141と平面的に重なる領域だけでなく、チャネル領域150の上部のバーズビーク16aと平面的に重なる領域にも形成する。つまり、フォトレジスト33は、バーズビーク16aの上部も覆っている。
Next, a gate insulating film forming process will be described with reference to FIG.
First, as shown in FIG. 12, the
Next, a photoresist 33 is formed on the
このようにしてトップ酸化膜143の上に形成したフォトレジスト33をマスクとして、トップ酸化膜143とメモリ窒化膜142とトンネル酸化膜141とをドライエッチング技術を使って除去する。この工程によって、トップ酸化膜143とメモリ窒化膜142とトンネル酸化膜141とバーズビーク16aとにより構成するゲート絶縁膜を形成する。
後に、フォトレジスト33をウェットエッチング技術を使って除去する。
Using the photoresist 33 thus formed on the
Later, the photoresist 33 is removed using a wet etching technique.
次いで、本発明の第1の実施の形態の製造方法と同様にゲート電極15を形成し、知られているイオン注入法によりソース領域12およびドレイン領域13を形成することで、本発明の第2の実施の形態の不揮発性半導体記憶装置の根幹を成す構造が完成する。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2
の実施の形態の不揮発性半導体記憶装置を有する半導体装置が完成する。
Next, the
A semiconductor device having the nonvolatile semiconductor memory device of the embodiment is completed.
本発明の第2の実施の形態の製造方法が本発明の第1の実施の形態の製造方法と異なる点は、ダミー酸化膜140の形成工程とダミー酸化膜140の一部の除去工程が無いことである。これは、段差部20をバーズビーク16aの膜厚とトンネル酸化膜141の膜厚との違いで形成しているためである。
The manufacturing method according to the second embodiment of the present invention differs from the manufacturing method according to the first embodiment of the present invention in that there is no
以上説明した本発明の第2の実施の形態の製造方法では、トンネル酸化膜141は、バーズビーク16aより薄い膜厚で形成する例を示したが、これに限定されない。トンネル酸化膜141の膜厚は、バーズビーク16aの膜厚より厚くして形成してもよい。大切なことは、トンネル酸化膜141とバーズビーク16aとの膜厚が異なっているということであって、それにより段差部20が形成されるのである。
In the manufacturing method of the second embodiment of the present invention described above, the
本発明の不揮発性半導体記憶装置は、消費電力が低く、多値情報を記憶可能であることから、低消費電力化を求められる携帯電子機器用や高い集積度を求められるコンピュータ装置用として好適である。 The nonvolatile semiconductor memory device of the present invention has low power consumption and can store multi-value information. Therefore, the nonvolatile semiconductor memory device is suitable for portable electronic devices that require low power consumption and computer devices that require high integration. is there.
10 不揮発性半導体記憶装置
11 半導体基板
12 ソース領域
13 ドレイン領域
14 ゲート絶縁膜
15 ゲート電極
16 フィールド酸化膜
16a バーズビーク
20 段差部
30〜33 フォトレジスト
100 不揮発性半導体記憶装置
130 高濃度領域
140 ダミー酸化膜
141 トンネル酸化膜
142 メモリ窒化膜
143 トップ酸化膜
150 チャネル領域
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記チャネル領域の上部に、前記半導体基板側からトンネル酸化膜,メモリ窒化膜,トップ酸化膜の順に積層する構造のゲート絶縁膜を有するとともにその上部にゲート電極を有する不揮発性半導体記憶装置において、
前記半導体基板の前記ソース領域と前記ドレイン領域と前記チャネル領域とを設けていない表面に素子分離酸化膜を設け、
前記トンネル酸化膜は、前記素子分離酸化膜の前記チャネル領域側の端部であるバーズビークと接するとともに、前記チャネル領域の電流が流れる向きと直交する方向に、前記バーズビークの膜厚と前記トンネル酸化膜の膜厚との違いによる前記トンネル酸化膜の膜厚が厚い部分と薄い部分とからなる段差部を有し、
書き込む情報に応じて、前記トンネル酸化膜の膜厚の薄い部分はトンネリング可能であるとともに前記トンネル酸化膜の膜厚の厚い部分はトンネリング不可能な第1の書込電圧と、前記トンネル酸化膜の膜厚の薄い部分も膜厚の厚い部分もトンネリング可能な第2の書込電圧とを切り替えて前記ゲート電極へ印加することでデータを書き込むことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
A source region and a drain region are provided apart from each other on a semiconductor substrate, and a channel region is provided between these regions,
In the nonvolatile semiconductor memory device having 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 from the semiconductor substrate side above the channel region, and having a gate electrode above the gate insulating film.
An element isolation oxide film is provided on the surface of the semiconductor substrate where the source region, the drain region, and the channel region are not provided.
The tunnel oxide film is in contact with a bird's beak that is an end portion of the element isolation oxide film on the channel region side, and the thickness of the bird's beak and the tunnel oxide film are perpendicular to the direction in which the current flows in the channel region. Having a step portion consisting of a thick portion and a thin portion of the tunnel oxide film due to the difference in film thickness,
Depending on the information to be written, the tunnel oxide film having a thin film thickness can be tunneled, and the tunnel oxide film having a thick film thickness cannot be tunneled. A nonvolatile semiconductor memory device, wherein data is written by switching a thin write portion and a thick portion to a second write voltage that can be tunneled and applying the second write voltage to the gate electrode.
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