JP5030656B2 - Manufacturing method of semiconductor memory device - Google Patents

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この発明は半導体記憶装置の製造方法に関し、より詳しくは、1電界効果トランジスタ当たり2ビットの情報を記憶する半導体記憶装置を作製する半導体記憶装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor memory device, and more particularly to a method for manufacturing a semiconductor memory device for manufacturing a semiconductor memory device that stores information of 2 bits per field effect transistor.

従来から、1つの電界効果トランジスタで2ビットの情報を記憶できる不揮発性メモリとして、サイファン・セミコンダクターズ・リミテッド社が開発したメモリがある(例えば、特許文献1(特表2001−512290号公報)参照。)。このメモリは、図16に示すように、P型ウェル領域901上に形成された3層構造をもつゲート絶縁膜904,905,906と、このゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極909と、P型ウェル領域901表面に形成された第1のN型拡散層領域902及び第2のN型拡散層領域903とから構成される。ゲート絶縁膜は、シリコン酸化膜904、905の間にシリコン窒化膜906が挟まれた、いわゆるONO(Oxide Nitride Oxide)膜からなる。シリコン窒化膜906中には、第1及び第2のN型拡散層領域902、903の端部付近に、それぞれ記憶保持部907、908が形成されている。動作時には、P型ウェル領域901、ゲート電極909、第1のN型拡散層領域902及び第2のN型拡散層領域903に所定の電圧を印加して、記憶保持部907、908にそれぞれ電荷を注入(または引き出す)ことにより情報を書き込み(または消去し)、また、それぞれの記憶保持部907、908が保持する電荷の多寡に応じてドレイン電流(領域902、903間の電流)を検出することにより情報を読み出す。このようにして、1電界効果トランジスタ当たり2ビットの情報を記憶できるようになっている。
特表2001−512290号公報
Conventionally, as a non-volatile memory capable of storing 2-bit information with a single field effect transistor, there is a memory developed by Cyphan Semiconductors Limited (for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-512290). reference.). As shown in FIG. 16, the memory includes a gate insulating film 904, 905, 906 having a three-layer structure formed on a P-type well region 901, a gate electrode 909 formed on the gate insulating film, The first N type diffusion layer region 902 and the second N type diffusion layer region 903 formed on the surface of the P type well region 901 are configured. The gate insulating film is a so-called ONO (Oxide Nitride Oxide) film in which a silicon nitride film 906 is sandwiched between silicon oxide films 904 and 905. In the silicon nitride film 906, memory holding portions 907 and 908 are formed near the ends of the first and second N-type diffusion layer regions 902 and 903, respectively. In operation, a predetermined voltage is applied to the P-type well region 901, the gate electrode 909, the first N-type diffusion layer region 902, and the second N-type diffusion layer region 903 to charge the memory holding portions 907 and 908, respectively. Information is written (or erased) by injecting (or extracting) and drain current (current between the regions 902 and 903) is detected in accordance with the amount of charge held in the respective memory holding portions 907 and 908. To read the information. In this way, 2 bits of information can be stored per field effect transistor.
JP-T-2001-512290

しかし、上記メモリでは、ゲート絶縁膜が3層構造(ONO膜)からなるため、薄膜化が困難であり、素子の微細化が困難であるという問題がある。すなわち、ゲート絶縁膜の膜厚に関するスケーリングが困難であり、短チャネル効果の増大を招くことにより、素子の微細化が阻まれる。また、チャネル長が短くなるにつれて、1つのトランジスタの記憶保持部907、908の2箇所を分離することが困難となることによっても、素子の微細化が阻まれる。   However, in the above memory, since the gate insulating film has a three-layer structure (ONO film), there is a problem that it is difficult to reduce the thickness and it is difficult to miniaturize the element. That is, scaling with respect to the thickness of the gate insulating film is difficult, and an increase in the short channel effect is caused, thereby preventing miniaturization of the element. Further, as the channel length becomes shorter, it becomes difficult to separate the two memory storage portions 907 and 908 of one transistor, which prevents the element from being miniaturized.

そこで、この発明の課題は、1電界効果トランジスタ当たり2ビットの情報を記憶でき、しかも微細化が容易な半導体記憶装置を作製する半導体記憶装置の製造方法を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a semiconductor memory device manufacturing method for manufacturing a semiconductor memory device that can store information of 2 bits per field effect transistor and can be easily miniaturized.

上記課題を解決するため、この発明は、半導体記憶装置を作製する半導体記憶装置の製造方法であって、In order to solve the above problems, the present invention is a method of manufacturing a semiconductor memory device for manufacturing a semiconductor memory device,
上記半導体記憶装置は、The semiconductor memory device is
半導体基板と、A semiconductor substrate;
上記半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜と、A gate insulating film formed on the semiconductor substrate;
上記ゲート絶縁膜上に形成された実質的に矩形状の断面をもつゲート電極と、A gate electrode having a substantially rectangular cross section formed on the gate insulating film;
上記半導体基板の上方で上記ゲート電極の両側に相当する位置に、それぞれ上記ゲート電極に対して側方に離間して形成された2つの電荷保持部と、Two charge holding portions formed at positions corresponding to both sides of the gate electrode above the semiconductor substrate and spaced apart from the gate electrode laterally;
上記半導体基板の表面のうち上記ゲート電極の両側に相当する部分を少なくとも占めるように、それぞれ上記ゲート電極および上記2つの電荷保持部に対して離間して形成された2つの拡散層領域と、Two diffusion layer regions formed separately from the gate electrode and the two charge holding portions so as to occupy at least portions corresponding to both sides of the gate electrode on the surface of the semiconductor substrate;
上記ゲート電極の下に配置されたチャネル領域とを備え、A channel region disposed under the gate electrode,
上記電荷保持部は、電荷を蓄積する機能を有する第1の材料からなるナノドットが、上記ナノドットよりも上記半導体基板の表面および/または上記ゲート電極の側壁に近い側に配置された第2の絶縁体と、上記ナノドットに関して上記第2の絶縁体と反対の側に配置された第3の絶縁体との間に挟まれた構造を有し、The charge holding unit includes a second insulating layer in which nanodots made of a first material having a function of accumulating charges are disposed closer to the surface of the semiconductor substrate and / or the side wall of the gate electrode than the nanodots. Having a structure sandwiched between a body and a third insulator disposed on the opposite side of the second insulator with respect to the nanodot,
上記第2の絶縁体と第3の絶縁体とは互いに密度、材料または結晶構造が異なり、上記ナノドットは、上記第2の絶縁体と第3の絶縁体との間の界面のうち、上記ゲート絶縁膜の表面と実質的に平行な面内に自己整合的に形成され、The second insulator and the third insulator are different from each other in density, material, or crystal structure, and the nanodot is connected to the gate of the interface between the second insulator and the third insulator. Formed in a self-aligned manner in a plane substantially parallel to the surface of the insulating film,
上記各電荷保持部の上記ナノドットに保持された電荷の多寡に応じて、上記ゲート電極に電圧を印加した際の上記一方の拡散層領域から他方の拡散層領域に流れる電流量を変化させるようになっており、The amount of current flowing from the one diffusion layer region to the other diffusion layer region when a voltage is applied to the gate electrode is changed according to the amount of charges held in the nanodots of the charge holding units. And
上記製造方法は、The above manufacturing method is
上記半導体基板上にシリコン酸窒化膜からなる上記ゲート絶縁膜を形成する工程と、Forming the gate insulating film made of a silicon oxynitride film on the semiconductor substrate;
上記ゲート絶縁膜上に、実質的に矩形状の断面をもつ上記ゲート電極を形成する工程と、Forming the gate electrode having a substantially rectangular cross section on the gate insulating film;
表面側に上記ゲート電極の断面形状を反映する厚さで、上記ゲート電極および上記ゲート電極の両側に相当する上記半導体基板上を覆うように、上記第2の絶縁体の材料となるシリコン酸化膜をCVD法により堆積又は熱酸化によって形成する工程と、A silicon oxide film serving as a material for the second insulator so as to cover the gate electrode and the semiconductor substrate corresponding to both sides of the gate electrode with a thickness reflecting the cross-sectional shape of the gate electrode on the surface side Forming by CVD or deposition by thermal oxidation,
表面側に上記ゲート電極の断面形状を反映する厚さで、上記シリコン酸化膜を覆うように、上記第3の絶縁体の材料となるシリコン窒化膜をCVD法により堆積する工程と、Depositing a silicon nitride film as a material of the third insulator by a CVD method so as to cover the silicon oxide film with a thickness reflecting the cross-sectional shape of the gate electrode on the surface side;
上記ゲート電極の両側に上記シリコン窒化膜のL状の断面が作るコーナ部を埋める厚さで、上記シリコン窒化膜を覆うように、犠牲シリコン酸化膜をCVD法により堆積する工程と、Depositing a sacrificial silicon oxide film by a CVD method so as to cover the silicon nitride film at a thickness that fills the corners formed by the L-shaped cross section of the silicon nitride film on both sides of the gate electrode;
異方性エッチングによるエッチバックを行って、上記ゲート電極の両側にそれぞれ上記第2の絶縁体の材料となるシリコン酸化膜、上記第3の絶縁体の材料となるシリコン窒化膜を断面L状に残すとともに、上記シリコン窒化膜のL状の断面が作るコーナ部に上記犠牲シリコン酸化膜を残して、上記ゲート電極の両側にサイドウォールスペーサを形成する工程と、Etch back by anisotropic etching is performed to form a silicon oxide film serving as the second insulator material on both sides of the gate electrode and a silicon nitride film serving as the third insulator material in an L-shaped cross section. Forming a sidewall spacer on both sides of the gate electrode, leaving the sacrificial silicon oxide film at a corner portion formed by an L-shaped cross section of the silicon nitride film;
上記ゲート電極及びサイドウォールスペーサをマスクとしてイオン注入して、それぞれ上記ゲート電極に対して側方に離間した上記2つの拡散層領域を形成する工程と、Ion implantation using the gate electrode and sidewall spacer as a mask to form the two diffusion layer regions laterally separated from the gate electrode,
シリコン窒化膜のエッチングレートがシリコン酸化膜のエッチングレートより小さくなるエッチング条件で、上記サイドウォールスペーサをなす犠牲シリコン酸化膜を異方性エッチングにより除去して、上記各シリコン窒化膜を露出させる工程と、Removing the sacrificial silicon oxide film forming the sidewall spacer by anisotropic etching under an etching condition in which the etching rate of the silicon nitride film is lower than the etching rate of the silicon oxide film, and exposing each of the silicon nitride films; ,
上記ナノドットとなる第1の材料を、イオン注入より上記各シリコン窒化膜を通して導入する工程と、Introducing the first material to be the nanodot through each silicon nitride film by ion implantation;
熱処理を行って、上記第1の材料からなるナノドットを形成する工程とを少なくとも含むことを特徴する。And performing a heat treatment to form nanodots made of the first material.

この発明の半導体記憶装置の製造方法によれば、以下の各局面の半導体記憶装置を、通常の半導体プロセスで使用する製造装置を用いて製造することが可能になる。According to the method for manufacturing a semiconductor memory device of the present invention, the semiconductor memory device of each aspect described below can be manufactured using a manufacturing apparatus used in a normal semiconductor process.

第1の局面の半導体記憶装置は、
半導体基板と、
上記半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜と、
上記ゲート絶縁膜上に形成された実質的に矩形状の断面をもつゲート電極と、
上記半導体基板の上方で上記ゲート電極の両側に相当する位置に、それぞれ上記ゲート電極に対して側方に離間して形成された2つの電荷保持部と、
上記半導体基板の表面のうち上記ゲート電極の両側に相当する部分を少なくとも占めるように、それぞれ上記ゲート電極および上記2つの電荷保持部に対して離間して形成された2つの拡散層領域と、
上記ゲート電極の下に配置されたチャネル領域とを備え、
上記電荷保持部は、電荷を蓄積する機能を有する第1の材料からなるナノドットが、上記ナノドットよりも上記半導体基板の表面および/または上記ゲート電極の側壁に近い側に配置された第2の絶縁体と、上記ナノドットに関して上記第2の絶縁体と反対の側に配置された第3の絶縁体との間に挟まれた構造を有し、
上記第2の絶縁体と第3の絶縁体とは互いに密度、材料または結晶構造が異なり、上記ナノドットは、上記第2の絶縁体と第3の絶縁体との間の界面のうち、上記ゲート絶縁膜の表面と実質的に平行な面内に自己整合的に形成され、
上記各電荷保持部の上記ナノドットに保持された電荷の多寡に応じて、上記ゲート電極に電圧を印加した際の上記一方の拡散層領域から他方の拡散層領域に流れる電流量を変化させるようになっていることを特徴とする。
The semiconductor memory device of the first aspect is
A semiconductor substrate;
A gate insulating film formed on the semiconductor substrate;
A gate electrode having a substantially rectangular cross section formed on the gate insulating film;
Two charge holding portions formed at positions corresponding to both sides of the gate electrode above the semiconductor substrate and spaced apart from the gate electrode laterally;
Two diffusion layer regions formed separately from the gate electrode and the two charge holding portions so as to occupy at least portions corresponding to both sides of the gate electrode on the surface of the semiconductor substrate;
A channel region disposed under the gate electrode,
The charge holding unit includes a second insulating layer in which nanodots made of a first material having a function of accumulating charges are disposed closer to the surface of the semiconductor substrate and / or the side wall of the gate electrode than the nanodots. Having a structure sandwiched between a body and a third insulator disposed on the opposite side of the second insulator with respect to the nanodot,
The second insulator and the third insulator are different from each other in density, material, or crystal structure, and the nanodot is connected to the gate of the interface between the second insulator and the third insulator. Formed in a self-aligned manner in a plane substantially parallel to the surface of the insulating film,
The amount of current flowing from the one diffusion layer region to the other diffusion layer region when a voltage is applied to the gate electrode is changed according to the amount of charges held in the nanodots of the charge holding units. It is characterized by becoming.

この第1の局面の半導体記憶装置では、上記2つの電荷保持部は、それぞれ上記ゲート電極に対して側方に離間して形成され、上記ゲート絶縁膜に対して離間している。したがって、電荷保持部が担うメモリ機能と、ゲート絶縁膜が担うトランジスタ動作機能とは分離される。そのため、十分なメモリ機能を有したままゲート絶縁膜を薄膜化して短チャンネル効果を抑制するのが容易である。また、上記2つの電荷保持部は上記ゲート電極に対して互いに反対側に離間して形成されているので、書換え時に上記2つの電荷保持部の間の干渉が効果的に抑制される。言い換えれば、上記2つの電荷保持部の間の距離を小さくすることができる。したがって、2ビット動作が可能で、かつ微細化が容易な半導体記憶装置が提供される。   In the semiconductor memory device according to the first aspect, each of the two charge holding portions is formed laterally separated from the gate electrode, and is separated from the gate insulating film. Therefore, the memory function performed by the charge holding portion and the transistor operation function performed by the gate insulating film are separated. Therefore, it is easy to reduce the short channel effect by thinning the gate insulating film while having a sufficient memory function. In addition, since the two charge holding portions are formed on the opposite sides of the gate electrode, the interference between the two charge holding portions is effectively suppressed during rewriting. In other words, the distance between the two charge holding units can be reduced. Therefore, a semiconductor memory device capable of 2-bit operation and easy to be miniaturized is provided.

更には、電荷を蓄積する機能を有する第1の材料からなるナノドットが、第2の絶縁体と第3の絶縁体とに挟まれた構造を有している。そのため、電荷の注入に際して、短い時間で第1の材料内の電荷密度を上げ、また、電荷密度を均一にすることができる。   Further, a nanodot made of a first material having a function of accumulating charges is sandwiched between a second insulator and a third insulator. Therefore, at the time of charge injection, the charge density in the first material can be increased and the charge density can be made uniform in a short time.

また、第2の絶縁体と第3の絶縁体は材料または結晶構造が異なり、第2の絶縁体と第3の絶縁体は界面を有する。したがって、上記ナノドットは上記界面に自己整合的に形成することが可能になる。この半導体記憶装置では、上記ナノドットは、上記第2の絶縁体と第3の絶縁体との間の界面のうち、上記ゲート絶縁膜の表面と実質的に平行な面内に自己整合的に形成されている。   The second insulator and the third insulator are different in material or crystal structure, and the second insulator and the third insulator have an interface. Accordingly, the nanodots can be formed on the interface in a self-aligning manner. In this semiconductor memory device, the nanodots are formed in a self-aligned manner in a plane substantially parallel to the surface of the gate insulating film in the interface between the second insulator and the third insulator. Has been.

また、上記ナノドットは、導電体部(ゲート電極、拡散層領域、半導体基板)とは第2の絶縁体で隔てられているので、電荷の漏れが抑制されて十分な保持時間を得ることができる。したがって、半導体記憶装置の高速書換え、信頼性の向上、十分な保持時間の確保が可能となる。   Further, since the nanodot is separated from the conductor portion (gate electrode, diffusion layer region, semiconductor substrate) by the second insulator, charge leakage is suppressed and sufficient holding time can be obtained. . Therefore, it is possible to rewrite the semiconductor memory device at high speed, improve reliability, and secure a sufficient holding time.

一実施形態の半導体記憶装置では、
上記第1の材料は金属または半導体であり、
上記第2の絶縁体はシリコン熱酸化膜からなり、
上記第3の絶縁体は化学的または物理的に堆積したシリコン酸化膜からなることを特徴とする。
In the semiconductor memory device of one embodiment,
The first material is a metal or a semiconductor;
The second insulator is made of a silicon thermal oxide film,
The third insulator is made of a silicon oxide film deposited chemically or physically.

この一実施形態の半導体記憶装置では、上記ナノドットをなす上記第1の材料は金属または半導体であり、電荷(電子あるいは正孔)をトラップする準位を多数有する。この結果、大きなヒステリシス特性を得ることができる。また、上記第2の絶縁体はシリコン熱酸化膜からなり、上記第3の絶縁体は化学的または物理的に堆積したシリコン酸化膜からなるので、第2の絶縁体は第3の絶縁体に比べて密度が高い。したがって、仮にナノドットを形成する原子が、上記第2の絶縁体を通って拡散しようとしても、上記半導体基板に達するのを有効に抑制できる。   In the semiconductor memory device of this embodiment, the first material forming the nanodot is a metal or a semiconductor and has a number of levels for trapping charges (electrons or holes). As a result, a large hysteresis characteristic can be obtained. Further, since the second insulator is made of a silicon thermal oxide film and the third insulator is made of a silicon oxide film deposited chemically or physically, the second insulator becomes a third insulator. The density is higher than that. Therefore, even if atoms that form nanodots try to diffuse through the second insulator, it is possible to effectively prevent the atoms from reaching the semiconductor substrate.

一実施形態の半導体記憶装置では、
上記第1の材料は金属または半導体であり、
上記第2の絶縁体はシリコン熱酸化膜からなり、
上記第3の絶縁体はシリコン窒化膜からなることを特徴とする。
In the semiconductor memory device of one embodiment,
The first material is a metal or a semiconductor;
The second insulator is made of a silicon thermal oxide film,
The third insulator is made of a silicon nitride film.

この一実施形態の半導体記憶装置では、上記第3の絶縁体はシリコン窒化膜からなるので、第3の絶縁体の誘電率を高めることができる。   In the semiconductor memory device of this embodiment, since the third insulator is made of a silicon nitride film, the dielectric constant of the third insulator can be increased.

一実施形態の半導体記憶装置では、
上記第2の絶縁体のうち上記半導体基板と上記ナノドットとを隔てる部分の厚さは1.5nm以上であって15nm以下であることを特徴とする。
In the semiconductor memory device of one embodiment,
A thickness of a portion of the second insulator that separates the semiconductor substrate and the nanodot is 1.5 nm or more and 15 nm or less.

この一実施形態の半導体記憶装置では、上記ナノドットに蓄積された電荷の漏れを抑制しつつ、上記ナノドットへの電荷の注入を十分に高速に行なうことができる。したがって、高速の書換え動作と十分な保持時間とを両立した半導体記憶装置が提供される。   In the semiconductor memory device according to this embodiment, it is possible to sufficiently inject charges into the nanodots while suppressing leakage of charges accumulated in the nanodots. Therefore, a semiconductor memory device that provides both a high-speed rewrite operation and a sufficient holding time is provided.

一実施形態の半導体記憶装置では、
上記ナノドットの大きさは0.1nm以上であって10nm以下であることを特徴とする。
In the semiconductor memory device of one embodiment,
The size of the nanodot is 0.1 nm or more and 10 nm or less.

この一実施形態の半導体記憶装置では、この半導体記憶装置における閾値変化(あるいは読出し電流変化)を十分として素子間ばらつきを抑えることができる。また、記憶保持中のナノドットからの電荷移動による閾値(あるいは読出し電流)の変化を抑制することができる。   In the semiconductor memory device according to this embodiment, the variation in the threshold value (or the change in read current) in the semiconductor memory device can be sufficient to suppress the variation between elements. In addition, it is possible to suppress a change in threshold value (or read current) due to charge transfer from the nanodots that are being stored.

一実施形態の半導体記憶装置では、
上記第2の絶縁体は上記半導体基板の表面と上記ゲート電極の側壁とに沿った断面L状の膜を含み、
上記第2の絶縁体のうち上記ゲート電極の側壁に沿った部分の厚さは上記半導体基板の表面に沿った部分の厚さよりも薄いことを特徴とする。
In the semiconductor memory device of one embodiment,
The second insulator includes a film having an L-shaped cross section along the surface of the semiconductor substrate and the side wall of the gate electrode.
A thickness of a portion along the side wall of the gate electrode in the second insulator is smaller than a thickness of a portion along the surface of the semiconductor substrate.

この一実施形態の半導体記憶装置では、上記第2の絶縁体のうち上記ゲート電極の側壁に沿った部分の厚さは上記半導体基板の表面に沿った部分の厚さよりも薄いから、上記ゲート電極から上記ナノドットへの電荷の注入(あるいは上記ナノドットから上記ゲート電極への電荷の放出)を効果的に抑制することができる。したがって、上記半導体基板と上記ナノドットとの間で電荷のやりとりを行わずとも、メモリ動作が可能となる。したがって、上記半導体基板の表面に沿って設けられた絶縁膜の劣化を抑制することができる。よって半導体記憶装置の書換え特性が安定し、信頼性が向上する。   In the semiconductor memory device according to this embodiment, the thickness of the portion of the second insulator along the side wall of the gate electrode is smaller than the thickness of the portion along the surface of the semiconductor substrate. The injection of charge into the nanodot (or release of charge from the nanodot into the gate electrode) can be effectively suppressed. Therefore, a memory operation can be performed without exchanging charges between the semiconductor substrate and the nanodot. Therefore, it is possible to suppress the deterioration of the insulating film provided along the surface of the semiconductor substrate. Therefore, the rewrite characteristics of the semiconductor memory device are stabilized and the reliability is improved.

一実施形態の半導体記憶装置では、
上記ナノドットは、上記ゲート電極の両側に、それぞれ上記半導体基板の表面に沿って複数設けられ、
上記ゲート電極の両側で、それぞれ上記ナノドットの少なくとも一部が、上記拡散層領域のうちの上記ゲート電極側の一部にオーバーラップするように形成されていることを特徴とする。
In the semiconductor memory device of one embodiment,
A plurality of the nanodots are provided on both sides of the gate electrode along the surface of the semiconductor substrate,
On both sides of the gate electrode, at least a part of the nanodot is formed so as to overlap a part of the diffusion layer region on the gate electrode side.

この一実施形態の半導体記憶装置では、読出し動作速度を高速にすることができる。   In the semiconductor memory device of this embodiment, the read operation speed can be increased.

一実施形態の半導体記憶装置では、
上記ナノドットは、上記ゲート電極の両側に、それぞれ上記半導体基板の表面に沿って複数設けられ、
上記ゲート電極の両側で、それぞれ上記ナノドットの少なくとも1組が、ゲート絶縁膜の表面と実質的に平行な面に沿って配置されていることを特徴とする。
In the semiconductor memory device of one embodiment,
A plurality of the nanodots are provided on both sides of the gate electrode along the surface of the semiconductor substrate,
On both sides of the gate electrode, at least one set of the nanodots is arranged along a plane substantially parallel to the surface of the gate insulating film.

この一実施形態の半導体記憶装置では、上記ナノドットに蓄積された電荷の多寡に応じたメモリ効果を効果的に制御することができ、ひいてはメモリ効果を大きくすることができる。更に、上記ナノドットの上部方向への電荷の移動が抑制され、記憶保持中に電荷移動による特性変化が起こるのを抑制することができる。   In the semiconductor memory device of this embodiment, the memory effect according to the amount of charges accumulated in the nanodot can be effectively controlled, and the memory effect can be increased. Furthermore, the movement of charges in the upward direction of the nanodots is suppressed, and it is possible to suppress a change in characteristics due to the charge movement during storage.

また、第2の局面半導体記憶装置は、
半導体基板と、
上記半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜と、
上記ゲート絶縁膜上に形成された実質的に矩形状の断面をもつゲート電極と、
上記半導体基板の上方で上記ゲート電極の両側に相当する位置に、それぞれ上記ゲート電極に対して側方に離間して形成された2つの電荷保持部と、
上記半導体基板の表面のうち上記ゲート電極の両側に相当する部分を少なくとも占めるように、それぞれ上記ゲート電極および上記2つの電荷保持部に対して離間して形成された2つの拡散層領域と、
上記ゲート電極の下に配置されたチャネル領域とを備え、
上記電荷保持部は、電荷を蓄積する機能を有する第1の材料からなるナノドットが、上記ナノドットよりも上記半導体基板の表面および/または上記ゲート電極の側壁に近い側に配置された第2の絶縁体と、上記ナノドットに関して上記第2の絶縁体と反対の側に配置された第3の絶縁体との間に挟まれた構造を有し、
上記第2の絶縁体と第3の絶縁体とは互いに密度、材料または結晶構造が異なり、
上記各電荷保持部の上記ナノドットに保持された電荷の多寡に応じて、上記ゲート電極に電圧を印加した際の上記一方の拡散層領域から他方の拡散層領域に流れる電流量を変化させるようになっており、
上記第1の材料における真空準位と伝導電子帯の最低準位とのエネルギー差をχ1とし、上記第2の絶縁体における真空準位と伝導電子帯の最低準位とのエネルギー差をχ2とし、上記第3の絶縁体における真空準位と伝導電子帯の最低準位とのエネルギー差をχ3とするとき、χ1>χ2かつχ1>χ3であることを特徴としている。
The semiconductor memory device of the second aspect is
A semiconductor substrate;
A gate insulating film formed on the semiconductor substrate;
A gate electrode having a substantially rectangular cross section formed on the gate insulating film;
Two charge holding portions formed at positions corresponding to both sides of the gate electrode above the semiconductor substrate and spaced apart from the gate electrode laterally;
Two diffusion layer regions formed separately from the gate electrode and the two charge holding portions so as to occupy at least portions corresponding to both sides of the gate electrode on the surface of the semiconductor substrate;
A channel region disposed under the gate electrode,
The charge holding unit includes a second insulating layer in which nanodots made of a first material having a function of accumulating charges are disposed closer to the surface of the semiconductor substrate and / or the side wall of the gate electrode than the nanodots. Having a structure sandwiched between a body and a third insulator disposed on the opposite side of the second insulator with respect to the nanodot,
The second insulator and the third insulator are different from each other in density, material or crystal structure,
The amount of current flowing from the one diffusion layer region to the other diffusion layer region when a voltage is applied to the gate electrode is changed according to the amount of charges held in the nanodots of the charge holding units. And
The energy difference between the vacuum level in the first material and the lowest level of the conduction electron band is χ1, and the energy difference between the vacuum level in the second insulator and the lowest level of the conduction electron band is χ2. When the energy difference between the vacuum level and the lowest level of the conduction electron band in the third insulator is χ3, χ1> χ2 and χ1> χ3.

この第2の局面の半導体記憶装置によってもまた、上記第1の局面の半導体記憶装置と同様な作用効果を奏することができる。更には、上記第1の材料の電子親和力が、上記第2及び第3の絶縁体の電子親和力よりも大きい。そのため、蓄積する電荷が電子の場合、上記第1の材料からなるナノドットからの電荷の散逸が効果的に抑制され、記憶保持時間が長くなる。更には、上記ナノドットへの電荷注入効率が高くなって書換え時間が短縮する。したがって、半導体記憶装置の書換え時間を短縮して、高速動作を実現することができる。   The semiconductor memory device according to the second aspect can provide the same effects as the semiconductor memory device according to the first aspect. Furthermore, the electron affinity of the first material is greater than the electron affinity of the second and third insulators. Therefore, when the accumulated charge is an electron, the dissipation of the charge from the nanodot made of the first material is effectively suppressed, and the memory retention time becomes long. Furthermore, the efficiency of charge injection into the nanodot is increased, and the rewriting time is shortened. Therefore, the rewrite time of the semiconductor memory device can be shortened and high-speed operation can be realized.

また、第3の局面半導体記憶装置は、
半導体基板と、
上記半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜と、
上記ゲート絶縁膜上に形成された実質的に矩形状の断面をもつゲート電極と、
上記半導体基板の上方で上記ゲート電極の両側に相当する位置に、それぞれ上記ゲート電極に対して側方に離間して形成された2つの電荷保持部と、
上記半導体基板の表面のうち上記ゲート電極の両側に相当する部分を少なくとも占めるように、それぞれ上記ゲート電極および上記2つの電荷保持部に対して離間して形成された2つの拡散層領域と、
上記ゲート電極の下に配置されたチャネル領域とを備え、
上記電荷保持部は、電荷を蓄積する機能を有する第1の材料からなるナノドットが、上記ナノドットよりも上記半導体基板の表面および/または上記ゲート電極の側壁に近い側に配置された第2の絶縁体と、上記ナノドットに関して上記第2の絶縁体と反対の側に配置された第3の絶縁体との間に挟まれた構造を有し、
上記第2の絶縁体と第3の絶縁体とは互いに密度、材料または結晶構造が異なり、
上記各電荷保持部の上記ナノドットに保持された電荷の多寡に応じて、上記ゲート電極に電圧を印加した際の上記一方の拡散層領域から他方の拡散層領域に流れる電流量を変化させるようになっており、
上記第1の材料における真空準位と価電子帯の最高準位とのエネルギー差をφ1とし、上記第2の絶縁体における真空準位と価電子帯の最高準位とのエネルギー差をφ2とし、上記第3の絶縁体における真空準位と価電子帯の最高準位とのエネルギー差をφ3とするとき、φ1<φ2かつφ1<φ3であることを特徴としている。
The semiconductor memory device of the third aspect is
A semiconductor substrate;
A gate insulating film formed on the semiconductor substrate;
A gate electrode having a substantially rectangular cross section formed on the gate insulating film;
Two charge holding portions formed at positions corresponding to both sides of the gate electrode above the semiconductor substrate and spaced apart from the gate electrode laterally;
Two diffusion layer regions formed separately from the gate electrode and the two charge holding portions so as to occupy at least portions corresponding to both sides of the gate electrode on the surface of the semiconductor substrate;
A channel region disposed under the gate electrode,
The charge holding unit includes a second insulating layer in which nanodots made of a first material having a function of accumulating charges are disposed closer to the surface of the semiconductor substrate and / or the side wall of the gate electrode than the nanodots. Having a structure sandwiched between a body and a third insulator disposed on the opposite side of the second insulator with respect to the nanodot,
The second insulator and the third insulator are different from each other in density, material or crystal structure,
The amount of current flowing from the one diffusion layer region to the other diffusion layer region when a voltage is applied to the gate electrode is changed according to the amount of charges held in the nanodots of the charge holding units. And
The energy difference between the vacuum level and the highest level of the valence band in the first material is φ1, and the energy difference between the vacuum level and the highest level of the valence band in the second insulator is φ2. When the energy difference between the vacuum level and the highest level of the valence band in the third insulator is φ3, φ1 <φ2 and φ1 <φ3.

この第3の局面の半導体記憶装置によってもまた、上記第1の局面の半導体記憶装置と同様な作用効果を奏することができる。更には、上記第1の材料における真空準位と価電子帯の最高準位とのエネルギー差が、上記第2及び第3の絶縁体における真空準位と価電子帯の最高準位とのエネルギー差よりも小さい。そのため、蓄積する電荷が正孔の場合、上記ナノドットからの電荷の散逸が効果的に抑制され、記憶保持時間が長くなる。更には、上記ナノドットへの電荷注入効率が高くなって書換え時間が短縮する。したがって、半導体記憶装置の書換え時間を短縮して、高速動作を実現することができる。   The semiconductor memory device according to the third aspect can also provide the same operational effects as those of the semiconductor memory device according to the first aspect. Furthermore, the energy difference between the vacuum level in the first material and the highest level of the valence band is the energy between the vacuum level and the highest level of the valence band in the second and third insulators. Smaller than the difference. Therefore, when the accumulated charge is a hole, the dissipation of the charge from the nanodot is effectively suppressed, and the memory retention time is increased. Furthermore, the efficiency of charge injection into the nanodot is increased, and the rewriting time is shortened. Therefore, the rewrite time of the semiconductor memory device can be shortened and high-speed operation can be realized.

また、第4の局面半導体記憶装置は、
半導体基板と、
上記半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜と、
上記ゲート絶縁膜上に形成された実質的に矩形状の断面をもつゲート電極と、
上記半導体基板の上方で上記ゲート電極の両側に相当する位置に、それぞれ上記ゲート電極に対して側方に離間して形成された2つの電荷保持部と、
上記半導体基板の表面のうち上記ゲート電極の両側に相当する部分を少なくとも占めるように、それぞれ上記ゲート電極および上記2つの電荷保持部に対して離間して形成された2つの拡散層領域と、
上記ゲート電極の下に配置されたチャネル領域とを備え、
上記電荷保持部は、電荷を蓄積する機能を有する第1の材料からなるナノドットが、上記ナノドットよりも上記半導体基板の表面および/または上記ゲート電極の側壁に近い側に配置された第2の絶縁体と、上記ナノドットに関して上記第2の絶縁体と反対の側に配置された第3の絶縁体との間に挟まれた構造を有し、
上記第2の絶縁体と第3の絶縁体とは互いに密度、材料または結晶構造が異なり、
上記各電荷保持部の上記ナノドットに保持された電荷の多寡に応じて、上記ゲート電極に電圧を印加した際の上記一方の拡散層領域から他方の拡散層領域に流れる電流量を変化させるようになっており、
上記第1の材料における真空準位と伝導電子帯の最低準位とのエネルギー差をχ1とし、上記第2の絶縁体における真空準位と伝導電子帯の最低準位とのエネルギー差をχ2とし、上記第3の絶縁体における真空準位と伝導電子帯の最低準位とのエネルギー差をχ3とし、上記第1の材料における真空準位と価電子帯の最高準位とのエネルギー差をφ1とし、上記第2の絶縁体における真空準位と価電子帯の最高準位とのエネルギー差をφ2とし、上記第3の絶縁体における真空準位と価電子帯の最高準位とのエネルギー差をφ3とするとき、χ1>χ2、χ1>χ3、φ1<φ2、φ1<φ3のいずれをも満たすことを特徴としている。
The semiconductor memory device of the fourth aspect is
A semiconductor substrate;
A gate insulating film formed on the semiconductor substrate;
A gate electrode having a substantially rectangular cross section formed on the gate insulating film;
Two charge holding portions formed at positions corresponding to both sides of the gate electrode above the semiconductor substrate and spaced apart from the gate electrode laterally;
Two diffusion layer regions formed separately from the gate electrode and the two charge holding portions so as to occupy at least portions corresponding to both sides of the gate electrode on the surface of the semiconductor substrate;
A channel region disposed under the gate electrode,
The charge holding unit includes a second insulating layer in which nanodots made of a first material having a function of accumulating charges are disposed closer to the surface of the semiconductor substrate and / or the side wall of the gate electrode than the nanodots. Having a structure sandwiched between a body and a third insulator disposed on the opposite side of the second insulator with respect to the nanodot,
The second insulator and the third insulator are different from each other in density, material or crystal structure,
The amount of current flowing from the one diffusion layer region to the other diffusion layer region when a voltage is applied to the gate electrode is changed according to the amount of charges held in the nanodots of the charge holding units. And
The energy difference between the vacuum level in the first material and the lowest level of the conduction electron band is χ1, and the energy difference between the vacuum level in the second insulator and the lowest level of the conduction electron band is χ2. The energy difference between the vacuum level of the third insulator and the lowest level of the conduction electron band is χ3, and the energy difference between the vacuum level of the first material and the highest level of the valence band is φ1 And the energy difference between the vacuum level and the highest level of the valence band in the second insulator is φ2, and the energy difference between the vacuum level and the highest level of the valence band in the third insulator Is characterized by satisfying all of χ1> χ2, χ1> χ3, φ1 <φ2, and φ1 <φ3.

この第4の局面の半導体記憶装置によってもまた、上記第1の局面の半導体記憶装置と同様な作用効果を奏することができる。更には、上記第1の材料の電子親和力が、上記第2及び第3の絶縁体の電子親和力よりも大きく、かつ、上記第1の材料における真空準位と価電子帯の最高準位とのエネルギー差が、上記第2及び第3の絶縁体における真空準位と価電子帯の最高準位とのエネルギー差よりも小さい。そのため、電子の注入効率と正孔の注入効率の両方が高くなる。例えば書込み時には上記ナノドットに電子を注入し、消去時には上記ナノドットに正孔を注入して蓄積された電子と再結合させる場合(電子と正孔を入れ替えても同様)、書込み動作と消去動作を共に高速化することができる。   The semiconductor memory device according to the fourth aspect can also provide the same operational effects as the semiconductor memory device according to the first aspect. Furthermore, the electron affinity of the first material is larger than the electron affinity of the second and third insulators, and the vacuum level and the highest level of the valence band in the first material are The energy difference is smaller than the energy difference between the vacuum level and the highest level of the valence band in the second and third insulators. Therefore, both the electron injection efficiency and the hole injection efficiency are increased. For example, when writing electrons into the nanodots at the time of writing and injecting holes into the nanodots at the time of erasing to recombine with the accumulated electrons (even if the electrons and holes are exchanged), both writing and erasing operations are performed. The speed can be increased.

また、第5の局面半導体記憶装置は、
半導体基板と、
上記半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜と、
上記ゲート絶縁膜上に形成された実質的に矩形状の断面をもつゲート電極と、
上記半導体基板の上方で上記ゲート電極の両側に相当する位置に、それぞれ上記ゲート電極に対して側方に離間して形成された2つの電荷保持部と、
上記半導体基板の表面のうち上記ゲート電極の両側に相当する部分を少なくとも占めるように、それぞれ上記ゲート電極および上記2つの電荷保持部に対して離間して形成された2つの拡散層領域と、
上記ゲート電極の下に配置されたチャネル領域とを備え、
上記電荷保持部は、電荷を蓄積する機能を有する第1の材料からなるナノドットが、上記ナノドットよりも上記半導体基板の表面および/または上記ゲート電極の側壁に近い側に配置された第2の絶縁体と、上記ナノドットに関して上記第2の絶縁体と反対の側に配置された第3の絶縁体との間に挟まれた構造を有し、
上記第1の材料は金属または半導体であり、
上記第2の絶縁体はシリコン熱酸化膜からなり、
上記第3の絶縁体は化学的または物理的に堆積したシリコン酸化膜からなり、
上記各電荷保持部の上記ナノドットに保持された電荷の多寡に応じて、上記ゲート電極に電圧を印加した際の上記一方の拡散層領域から他方の拡散層領域に流れる電流量を変化させるようになっていることを特徴とする。
The semiconductor memory device of the fifth aspect is
A semiconductor substrate;
A gate insulating film formed on the semiconductor substrate;
A gate electrode having a substantially rectangular cross section formed on the gate insulating film;
Two charge holding portions formed at positions corresponding to both sides of the gate electrode above the semiconductor substrate and spaced apart from the gate electrode laterally;
Two diffusion layer regions formed separately from the gate electrode and the two charge holding portions so as to occupy at least portions corresponding to both sides of the gate electrode on the surface of the semiconductor substrate;
A channel region disposed under the gate electrode,
The charge holding unit includes a second insulating layer in which nanodots made of a first material having a function of accumulating charges are disposed closer to the surface of the semiconductor substrate and / or the side wall of the gate electrode than the nanodots. Having a structure sandwiched between a body and a third insulator disposed on the opposite side of the second insulator with respect to the nanodot,
The first material is a metal or a semiconductor;
The second insulator is made of a silicon thermal oxide film,
The third insulator comprises a silicon oxide film deposited chemically or physically,
The amount of current flowing from the one diffusion layer region to the other diffusion layer region when a voltage is applied to the gate electrode is changed according to the amount of charges held in the nanodots of the charge holding units. It is characterized by becoming.

この第5の局面の半導体記憶装置では、上記2つの電荷保持部は、それぞれ上記ゲート電極に対して側方に離間して形成され、上記ゲート絶縁膜に対して離間している。したがって、電荷保持部が担うメモリ機能と、ゲート絶縁膜が担うトランジスタ動作機能とは分離される。そのため、十分なメモリ機能を有したままゲート絶縁膜を薄膜化して短チャンネル効果を抑制するのが容易である。また、上記2つの電荷保持部は上記ゲート電極に対して互いに反対側に離間して形成されているので、書換え時に上記2つの電荷保持部の間の干渉が効果的に抑制される。言い換えれば、上記2つの電荷保持部の間の距離を小さくすることができる。したがって、2ビット動作が可能で、かつ微細化が容易な半導体記憶装置が提供される。   In the semiconductor memory device according to the fifth aspect, the two charge holding portions are respectively formed laterally separated from the gate electrode and separated from the gate insulating film. Therefore, the memory function performed by the charge holding portion and the transistor operation function performed by the gate insulating film are separated. Therefore, it is easy to reduce the short channel effect by thinning the gate insulating film while having a sufficient memory function. In addition, since the two charge holding portions are formed on the opposite sides of the gate electrode, the interference between the two charge holding portions is effectively suppressed during rewriting. In other words, the distance between the two charge holding units can be reduced. Therefore, a semiconductor memory device capable of 2-bit operation and easy to be miniaturized is provided.

更には、電荷を蓄積する機能を有する第1の材料からなるナノドットが、第2の絶縁体と第3の絶縁体とに挟まれた構造を有している。そのため、電荷の注入に際して、短い時間で第1の材料内の電荷密度を上げ、また、電荷密度を均一にすることができる。   Further, a nanodot made of a first material having a function of accumulating charges is sandwiched between a second insulator and a third insulator. Therefore, at the time of charge injection, the charge density in the first material can be increased and the charge density can be made uniform in a short time.

また、上記ナノドットは、導電体部(ゲート電極、拡散層領域、半導体基板)とは第2の絶縁体で隔てられているので、電荷の漏れが抑制されて十分な保持時間を得ることができる。したがって、半導体記憶装置の高速書換え、信頼性の向上、十分な保持時間の確保が可能となる。   Further, since the nanodot is separated from the conductor portion (gate electrode, diffusion layer region, semiconductor substrate) by the second insulator, charge leakage is suppressed and sufficient holding time can be obtained. . Therefore, it is possible to rewrite the semiconductor memory device at high speed, improve reliability, and secure a sufficient holding time.

しかも、上記ナノドットをなす上記第1の材料は金属または半導体であり、電荷(電子あるいは正孔)をトラップする準位を多数有する。この結果、大きなヒステリシス特性を得ることができる。また、上記第2の絶縁体はシリコン熱酸化膜からなり、上記第3の絶縁体は化学的または物理的に堆積したシリコン酸化膜からなるので、第2の絶縁体は第3の絶縁体に比べて密度が高い。したがって、仮にナノドットを形成する原子が、上記第2の絶縁体を通って拡散しようとしても、上記半導体基板に達するのを有効に抑制できる。   Moreover, the first material forming the nanodot is a metal or a semiconductor, and has many levels for trapping charges (electrons or holes). As a result, a large hysteresis characteristic can be obtained. Further, since the second insulator is made of a silicon thermal oxide film and the third insulator is made of a silicon oxide film deposited chemically or physically, the second insulator becomes a third insulator. The density is higher than that. Therefore, even if atoms that form nanodots try to diffuse through the second insulator, it is possible to effectively prevent the atoms from reaching the semiconductor substrate.

また、第2及び第3の絶縁体はシリコン酸化膜であるから、上記第1の材料の電子親和力が、上記第2及び第3の絶縁体の電子親和力よりも大きく、かつ、上記第1の材料における真空準位と価電子帯の最高準位とのエネルギー差が、上記第2及び第3の絶縁体における真空準位と価電子帯の最高準位とのエネルギー差よりも小さい。したがって、書込み動作と消去動作を共に高速化することができる。更には、シリコン酸化膜および金属または半導体またはシリコン窒化物は共にLSIプロセスで用いられる材料であるから、製造プロセスが簡単になる。   In addition, since the second and third insulators are silicon oxide films, the electron affinity of the first material is larger than the electron affinity of the second and third insulators, and the first material The energy difference between the vacuum level in the material and the highest level of the valence band is smaller than the energy difference between the vacuum level and the highest level of the valence band in the second and third insulators. Therefore, both the write operation and the erase operation can be speeded up. Furthermore, since the silicon oxide film and the metal or semiconductor or silicon nitride are both materials used in the LSI process, the manufacturing process is simplified.

一実施形態の半導体記憶装置では、上記第2の絶縁体のうち上記半導体基板と上記ナノドットとを隔てる部分の厚さは1.5nm以上であって15nm以下であることを特徴とする。   In one embodiment of the semiconductor memory device, a thickness of a portion of the second insulator that separates the semiconductor substrate and the nanodot is 1.5 nm or more and 15 nm or less.

この一実施形態の半導体記憶装置では、上記ナノドットに蓄積された電荷の漏れを抑制しつつ、上記ナノドットへの電荷の注入を十分に高速に行なうことができる。したがって、高速の書換え動作と十分な保持時間とを両立した半導体記憶装置が提供される。   In the semiconductor memory device according to this embodiment, it is possible to sufficiently inject charges into the nanodots while suppressing leakage of charges accumulated in the nanodots. Therefore, a semiconductor memory device that provides both a high-speed rewrite operation and a sufficient holding time is provided.

また、一実施形態の半導体記憶装置では、上記ナノドットの大きさは2nm以上であって15nm以下、より好ましくは0.1nm以上であって10nm以下であることを特徴とする。   In one embodiment, the size of the nanodot is 2 nm or more and 15 nm or less, more preferably 0.1 nm or more and 10 nm or less.

この一実施形態の半導体記憶装置では、この半導体記憶装置における閾値変化(あるいは読出し電流変化)を十分として素子間ばらつきを抑えることができる。また、記憶保持中のナノドットからの電荷移動による閾値(あるいは読出し電流)の変化を抑制することができる。   In the semiconductor memory device according to this embodiment, the variation in the threshold value (or the change in read current) in the semiconductor memory device can be sufficient to suppress the variation between elements. In addition, it is possible to suppress a change in threshold value (or read current) due to charge transfer from the nanodots that are being stored.

また、第6の局面半導体記憶装置は、
半導体基板と、
上記半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜と、
上記ゲート絶縁膜上に形成された実質的に矩形状の断面をもつゲート電極と、
上記半導体基板の上方で上記ゲート電極の両側に相当する位置に、それぞれ上記ゲート電極に対して側方に離間して形成された2つの電荷保持部と、
上記半導体基板の表面のうち上記ゲート電極の両側に相当する部分を少なくとも占めるように、それぞれ上記ゲート電極および上記2つの電荷保持部に対して離間して形成された2つの拡散層領域と、
上記ゲート電極の下に配置されたチャネル領域とを備え、
上記電荷保持部は、電荷を蓄積する機能を有する第1の材料からなるナノドットが、上記ナノドットよりも上記半導体基板の表面および/または上記ゲート電極の側壁に近い側に配置された第2の絶縁体と、上記ナノドットに関して上記第2の絶縁体と反対の側に配置された第3の絶縁体との間に挟まれた構造を有し、
上記第2の絶縁体は上記半導体基板の表面と上記ゲート電極の側壁とに沿った断面L状の膜を含み、
上記第2の絶縁体のうち上記ゲート電極の側壁に沿った部分の厚さは上記半導体基板の表面に沿った部分の厚さよりも薄く、
上記各電荷保持部の上記ナノドットに保持された電荷の多寡に応じて、上記ゲート電極に電圧を印加した際の上記一方の拡散層領域から他方の拡散層領域に流れる電流量を変化させるようになっていることを特徴とする。
The semiconductor memory device of the sixth aspect is
A semiconductor substrate;
A gate insulating film formed on the semiconductor substrate;
A gate electrode having a substantially rectangular cross section formed on the gate insulating film;
Two charge holding portions formed at positions corresponding to both sides of the gate electrode above the semiconductor substrate and spaced apart from the gate electrode laterally;
Two diffusion layer regions formed separately from the gate electrode and the two charge holding portions so as to occupy at least portions corresponding to both sides of the gate electrode on the surface of the semiconductor substrate;
A channel region disposed under the gate electrode,
The charge holding unit includes a second insulating layer in which nanodots made of a first material having a function of accumulating charges are disposed closer to the surface of the semiconductor substrate and / or the side wall of the gate electrode than the nanodots. Having a structure sandwiched between a body and a third insulator disposed on the opposite side of the second insulator with respect to the nanodot,
The second insulator includes a film having an L-shaped cross section along the surface of the semiconductor substrate and the side wall of the gate electrode.
Of the second insulator, the thickness of the portion along the side wall of the gate electrode is thinner than the thickness of the portion along the surface of the semiconductor substrate,
The amount of current flowing from the one diffusion layer region to the other diffusion layer region when a voltage is applied to the gate electrode is changed according to the amount of charges held in the nanodots of the charge holding units. It is characterized by becoming.

この第6の局面の半導体記憶装置では、上記2つの電荷保持部は、それぞれ上記ゲート電極に対して側方に離間して形成され、上記ゲート絶縁膜に対して離間している。したがって、電荷保持部が担うメモリ機能と、ゲート絶縁膜が担うトランジスタ動作機能とは分離される。そのため、十分なメモリ機能を有したままゲート絶縁膜を薄膜化して短チャンネル効果を抑制するのが容易である。また、上記2つの電荷保持部は上記ゲート電極に対して互いに反対側に離間して形成されているので、書換え時に上記2つの電荷保持部の間の干渉が効果的に抑制される。言い換えれば、上記2つの電荷保持部の間の距離を小さくすることができる。したがって、2ビット動作が可能で、かつ微細化が容易な半導体記憶装置が提供される。   In the semiconductor memory device according to the sixth aspect, the two charge holding portions are formed laterally separated from the gate electrode, and are separated from the gate insulating film. Therefore, the memory function performed by the charge holding portion and the transistor operation function performed by the gate insulating film are separated. Therefore, it is easy to reduce the short channel effect by thinning the gate insulating film while having a sufficient memory function. In addition, since the two charge holding portions are formed on the opposite sides of the gate electrode, the interference between the two charge holding portions is effectively suppressed during rewriting. In other words, the distance between the two charge holding units can be reduced. Therefore, a semiconductor memory device capable of 2-bit operation and easy to be miniaturized is provided.

更には、電荷を蓄積する機能を有する第1の材料からなるナノドットが、第2の絶縁体と第3の絶縁体とに挟まれた構造を有している。そのため、電荷の注入に際して、短い時間で第1の材料内の電荷密度を上げ、また、電荷密度を均一にすることができる。   Further, a nanodot made of a first material having a function of accumulating charges is sandwiched between a second insulator and a third insulator. Therefore, at the time of charge injection, the charge density in the first material can be increased and the charge density can be made uniform in a short time.

また、上記ナノドットは、導電体部(ゲート電極、拡散層領域、半導体基板)とは第2の絶縁体で隔てられているので、電荷の漏れが抑制されて十分な保持時間を得ることができる。したがって、半導体記憶装置の高速書換え、信頼性の向上、十分な保持時間の確保が可能となる。   Further, since the nanodot is separated from the conductor portion (gate electrode, diffusion layer region, semiconductor substrate) by the second insulator, charge leakage is suppressed and sufficient holding time can be obtained. . Therefore, it is possible to rewrite the semiconductor memory device at high speed, improve reliability, and secure a sufficient holding time.

しかも、上記第2の絶縁体のうち上記ゲート電極の側壁に沿った部分の厚さは上記半導体基板の表面に沿った部分の厚さよりも薄いから、上記ゲート電極から上記ナノドットへの電荷の注入(あるいは上記ナノドットから上記ゲート電極への電荷の放出)を行うことができる。したがって、上記半導体基板と上記ナノドットとの間で電荷のやりとりを行わずとも、メモリ動作が可能となる。したがって、上記半導体基板の表面に沿って設けられた絶縁膜の劣化を抑制することができる。よって半導体記憶装置の書換え特性が安定し、信頼性が向上する。   In addition, since the thickness of the portion of the second insulator along the side wall of the gate electrode is thinner than the thickness of the portion along the surface of the semiconductor substrate, charge injection from the gate electrode to the nanodots is performed. (Or release of charges from the nanodots to the gate electrode) can be performed. Therefore, a memory operation can be performed without exchanging charges between the semiconductor substrate and the nanodot. Therefore, it is possible to suppress the deterioration of the insulating film provided along the surface of the semiconductor substrate. Therefore, the rewrite characteristics of the semiconductor memory device are stabilized and the reliability is improved.

一実施形態の半導体記憶装置では、上記第2の絶縁体のうち上記半導体基板の表面に沿った部分の厚さが、上記ゲート絶縁膜の厚さよりも薄く、かつ0.8nm以上であることを特徴とする。   In one embodiment, the thickness of the second insulator along the surface of the semiconductor substrate is thinner than the gate insulating film and 0.8 nm or more. Features.

この一実施形態の半導体記憶装置によれば、製造プロセスによる均一性や膜質を一定の水準を維持することが可能である。また、保持特性が極端に劣化しないメモリの耐圧性能を低下させることなく、書込み動作及び消去動作の電圧を低下させることができる。または、書込み動作及び消去動作を高速にし、さらにメモリ効果を増大することが可能となる。   According to the semiconductor memory device of this embodiment, it is possible to maintain a certain level of uniformity and film quality by the manufacturing process. In addition, the voltage of the write operation and the erase operation can be reduced without reducing the withstand voltage performance of the memory whose retention characteristics are not extremely deteriorated. Alternatively, it is possible to increase the memory effect by speeding up the write operation and the erase operation.

一実施形態の半導体記憶装置では、上記第2の絶縁体のうち上記半導体基板の表面に沿った部分の厚さが、上記ゲート絶縁膜の厚さよりも厚く、かつ20nm以下であることを特徴とする。   In one embodiment of the semiconductor memory device, the thickness of a portion of the second insulator along the surface of the semiconductor substrate is greater than the thickness of the gate insulating film and not more than 20 nm. To do.

この一実施形態の半導体記憶装置によれば、書換え速度を大幅に遅くすることなく、かつ、メモリの短チャネル効果を悪化させることなく保持特性を改善することが可能となる。   According to the semiconductor memory device of this embodiment, it is possible to improve the retention characteristics without significantly reducing the rewrite speed and without deteriorating the short channel effect of the memory.

一実施形態の半導体記憶装置では、
上記ナノドットは、上記ゲート電極の両側に、それぞれ上記半導体基板の表面に沿って複数設けられ、
上記ゲート電極の両側で、それぞれ上記ナノドットの少なくとも一部が、上記拡散層領域のうちの上記ゲート電極側の一部にオーバーラップするように形成されていることを特徴とする。
In the semiconductor memory device of one embodiment,
A plurality of the nanodots are provided on both sides of the gate electrode along the surface of the semiconductor substrate,
On both sides of the gate electrode, at least a part of the nanodot is formed so as to overlap a part of the diffusion layer region on the gate electrode side.

この一実施形態の半導体記憶装置では、読出し動作速度を高速にすることができる。   In the semiconductor memory device of this embodiment, the read operation speed can be increased.

一実施形態の半導体記憶装置では、
上記ナノドットは、上記ゲート電極の両側に、それぞれ上記半導体基板の表面に沿って複数設けられ、
上記ゲート電極の両側で、それぞれ上記ナノドットの少なくとも1組が、ゲート絶縁膜の表面と実質的に平行な面に沿って配置されていることを特徴とする。
In the semiconductor memory device of one embodiment,
A plurality of the nanodots are provided on both sides of the gate electrode along the surface of the semiconductor substrate,
On both sides of the gate electrode, at least one set of the nanodots is arranged along a plane substantially parallel to the surface of the gate insulating film.

この一実施形態の半導体記憶装置では、上記ナノドットに蓄積された電荷の多寡に応じたメモリ効果を効果的に制御することができ、ひいてはメモリ効果を大きくすることができる。更に、上記ナノドットの上部方向への電荷の移動が抑制され、記憶保持中に電荷移動による特性変化が起こるのを抑制することができる。   In the semiconductor memory device of this embodiment, the memory effect according to the amount of charges accumulated in the nanodot can be effectively controlled, and the memory effect can be increased. Furthermore, the movement of charges in the upward direction of the nanodots is suppressed, and it is possible to suppress a change in characteristics due to the charge movement during storage.

このように、この発明の半導体記憶装置の製造方法によれば、上記各局面の半導体記憶装置を、通常の半導体プロセスで使用する製造装置を用いて製造することが可能になる。 Thus , according to the method for manufacturing a semiconductor memory device of the present invention, the semiconductor memory device according to each aspect described above can be manufactured using a manufacturing apparatus used in a normal semiconductor process.

一実施形態の半導体記憶装置の製造方法では、
上記ナノドットとなる第1の材料を上記各シリコン窒化膜を通して導入した後、上記各シリコン窒化膜を除去して、層間絶縁膜となるシリコン酸化膜を堆積する工程を含むことを特徴とする。
In one embodiment of a method of manufacturing a semiconductor memory device,
The method includes the step of introducing the first material to be the nanodots through the silicon nitride films and then removing the silicon nitride films to deposit a silicon oxide film to be an interlayer insulating film.

この一実施形態の半導体記憶装置の製造方法によれば、注入ダメージをうけた窒化膜を除去することができる。   According to the method of manufacturing a semiconductor memory device of this embodiment, the nitride film that has been subjected to the implantation damage can be removed.

一実施形態の半導体記憶装置では、
上記熱処理を行って上記ナノドットを形成する工程では酸素が含まれる雰囲気中で熱処理を行うことを特徴とする。
In the semiconductor memory device of one embodiment,
In the step of forming the nanodots by performing the heat treatment, the heat treatment is performed in an atmosphere containing oxygen.

この一実施形態の半導体記憶装置の製造方法によれば、酸素欠損を減少させることができる。   According to the semiconductor memory device manufacturing method of this embodiment, oxygen vacancies can be reduced.

以下、この発明を実施形態により詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail by embodiments.

本発明の製造方法により作製される半導体記憶装置は、主として、ゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、ゲート電極の両側に側方に離間して形成された2つの電荷保持部と、ソース/ドレイン領域(拡散層領域)と、ゲート電極下に配置されたチャネル領域とから構成される。 The semiconductor memory device manufactured by the manufacturing method of the present invention mainly includes a gate insulating film, a gate electrode formed on the gate insulating film, and two charges formed laterally apart on both sides of the gate electrode. The holding unit, source / drain regions (diffusion layer regions), and a channel region disposed under the gate electrode.

この半導体記憶装置は、1つの電荷保持部に2値又はそれ以上の情報を記憶することにより、4値又はそれ以上の情報を記憶するメモリ素子として機能する。   This semiconductor memory device functions as a memory element that stores four or more information by storing binary or more information in one charge holding portion.

本発明の製造方法により作製される半導体記憶装置は、半導体基板上、好ましくは半導体基板内に形成された第1導電型のウェル領域上に形成されることが好ましい。 The semiconductor memory device manufactured by the manufacturing method of the present invention is preferably formed on a semiconductor substrate, preferably on a first conductivity type well region formed in the semiconductor substrate.

半導体基板としては、半導体装置に使用されるものであれば特に限定されるものではなく、例えば、シリコン、ゲルマニウム等の元素半導体、GaAs、InGaAs、ZnSe等の化合物半導体による基板、SOI基板又は多層SOI基板等の種々の基板を用いることができる。なかでもシリコン基板又は表面半導体層としてシリコン層が形成されたSOI基板が好ましい。この半導体基板上には、素子分離領域が形成されていることが好ましく、更にトランジスタ、キャパシタ、抵抗等の素子、これらによる回路、半導体装置や層間絶縁膜が組み合わせられて、シングル又はマルチレイヤー構造で形成されていてもよい。なお、素子分離領域は、LOCOS膜、トレンチ酸化膜、STI膜等種々の素子分離膜により形成することができる。半導体基板は、P型又はN型の導電型を有していてもよく、半導体基板には、少なくとも1つの第1導電型(P型又はN型)のウェル領域が形成されていることが好ましい。半導体基板及びウェル領域の不純物濃度は、当該分野で公知の範囲のものが使用できる。なお、半導体基板としてSOI基板を用いる場合には、表面半導体層には、ウェル領域が形成されていてもよいが、チャネル領域下にボディ領域を有していてもよい。   The semiconductor substrate is not particularly limited as long as it is used in a semiconductor device. For example, a substrate made of an elemental semiconductor such as silicon or germanium, a compound semiconductor such as GaAs, InGaAs, or ZnSe, an SOI substrate, or a multilayer SOI. Various substrates such as a substrate can be used. Among these, a silicon substrate or an SOI substrate on which a silicon layer is formed as a surface semiconductor layer is preferable. An element isolation region is preferably formed on this semiconductor substrate, and further, elements such as transistors, capacitors, resistors, etc., circuits using these, semiconductor devices, and interlayer insulating films are combined to form a single or multi-layer structure. It may be formed. The element isolation region can be formed by various element isolation films such as a LOCOS film, a trench oxide film, and an STI film. The semiconductor substrate may have a P-type or N-type conductivity type, and at least one first conductivity type (P-type or N-type) well region is preferably formed in the semiconductor substrate. . The impurity concentration in the semiconductor substrate and well region can be within the range known in the art. When an SOI substrate is used as the semiconductor substrate, a well region may be formed in the surface semiconductor layer, but a body region may be provided under the channel region.

ゲート絶縁膜は、通常、半導体装置に使用されるものであれば特に限定されるものではなく、例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜等の絶縁膜;酸化アルミニウム膜、酸化チタニウム膜、酸化タンタル膜、酸化ハフニウム膜などの高誘電体膜の単層膜又は積層膜を使用することができる。なかでも、シリコン酸化膜が好ましい。   The gate insulating film is not particularly limited as long as it is normally used in a semiconductor device. For example, an insulating film such as a silicon oxide film or a silicon nitride film; an aluminum oxide film, a titanium oxide film, or a tantalum oxide film. A single-layer film or a laminated film of a high dielectric film such as a hafnium oxide film can be used. Of these, a silicon oxide film is preferable.

ゲート電極は、ゲート絶縁膜上に、通常半導体装置に使用されるような形状で形成されている。ゲート電極は、実施形態のなかで特に指定がない限り、特に限定されるものではなく、導電膜、例えば、ポリシリコン:銅、アルミニウム等の金属:タングステン、チタン、タンタル等の高融点金属:高融点金属とのシリサイド等の単層膜又は積層膜等が挙げられる。ゲート電極の膜厚は、例えば50nm〜400nm程度の膜厚で形成することが適当である。なお、ゲート電極の下には、チャネル領域が形成されるが、チャネル領域は、ゲート電極下のみならず、ゲート電極とゲート長方向におけるゲート端の外側を含む領域下に形成されていることが好ましい。このように、ゲート電極で覆われていないチャネル領域が存在する場合には、そのチャネル領域は、ゲート絶縁膜又は後述する電荷保持部で覆われていることが好ましい。   The gate electrode is formed on the gate insulating film in a shape that is usually used in a semiconductor device. The gate electrode is not particularly limited unless otherwise specified in the embodiment. The conductive film, for example, polysilicon: metal such as copper and aluminum: refractory metal such as tungsten, titanium and tantalum: high Examples thereof include a single layer film or a laminated film such as silicide with a melting point metal. The gate electrode is suitably formed to a thickness of about 50 nm to 400 nm, for example. Note that a channel region is formed under the gate electrode, but the channel region may be formed not only under the gate electrode but also under the region including the gate electrode and the outside of the gate end in the gate length direction. preferable. Thus, when there is a channel region that is not covered with the gate electrode, the channel region is preferably covered with a gate insulating film or a charge holding portion described later.

電荷保持部は、電荷を蓄積する第1の材料からなるナノドットが、第2の絶縁体からなる膜と第3の絶縁体からなる膜とで挟まれたサンドウィッチ構造を有するのが好ましい。電荷を蓄積する第1の材料がナノドットであるから、電荷の注入により短い時間で第1の材料内の電荷密度を上げ、また、必要な電荷の量を少なくすることができる。電荷を蓄積する第1の材料内の電荷分布が不均一であった場合、保持中に第1の材料内を電荷が移動してメモリ素子の信頼性が低下する恐れがある。また、電荷を蓄積する第1の材料は、導電体部(ゲート電極、拡散層領域、半導体基板)とは他の絶縁膜で隔てられているので、電荷の漏れが抑制されて十分な保持時間を得ることができる。したがって、上記サンドウィッチ構造を有する場合、半導体記憶装置の高速書換え、信頼性の向上、十分な保持時間の確保が可能となる。   The charge holding unit preferably has a sandwich structure in which nanodots made of a first material that accumulates charges are sandwiched between a film made of a second insulator and a film made of a third insulator. Since the first material for accumulating charges is a nanodot, the charge density in the first material can be increased in a short time by injecting charges, and the amount of charge required can be reduced. If the charge distribution in the first material that accumulates the charge is non-uniform, the charge may move in the first material during holding, and the reliability of the memory element may be reduced. Further, since the first material for accumulating charges is separated from the conductor portion (gate electrode, diffusion layer region, semiconductor substrate) by another insulating film, leakage of charges is suppressed and sufficient holding time is obtained. Can be obtained. Therefore, in the case of having the sandwich structure, it is possible to rewrite the semiconductor memory device at high speed, improve reliability, and ensure a sufficient holding time.

更には、蓄積される電荷が電子の場合、上記第1の材料の電子親和力が、上記第2及び第3の絶縁体の電子親和力よりも大きいことが好ましい。ここで、電子親和力とは、真空準位と伝導電子体の最低準位とのエネルギー差である。もしくは、蓄積される電荷がホール(正孔)の場合、上記第1の材料における真空準位と価電子帯の最高準位とのエネルギー差が、上記第2及び第3の絶縁体における真空準位と価電子帯の最高準位とのエネルギー差よりも小さいことが好ましい。上記条件を満たす場合、電荷を蓄積する第1の材料からなるナノドットからの電荷の散逸が効果的に抑制され、記憶保持時間が長くなる。更には、電荷を蓄積する第1の材料への電荷注入効率が高くなって書換え時間が短縮する。上記条件を満たす電荷保持部としては、上記第1の材料を金属または半導体またはシリコン窒化物とし、第2及び第3の絶縁体をシリコン酸化膜とするのが特に好ましい。金属または半導体またはシリコン窒化物からなるナノドットは、電荷を多数保持するため大きなヒステリシス特性を得ることができる。また、シリコン酸化膜およびシリコン窒化物は共にLSIプロセスでごく標準的に用いられる材料であるため、好ましい。また、第1の材料として、金属または半導体または窒化シリコンのほかに、酸化ハフニウム、タンタルオキサイド、イットリウムオキサイドなどを用いることができる。更には、第2及び第3の絶縁体として、酸化シリコンのほかに、酸化アルミニウムなどを用いることができる。なお、上記第2及び第3の絶縁体は、異なる物質であってもよいし同一の物質であってもよい。   Furthermore, when the accumulated charge is electrons, it is preferable that the electron affinity of the first material is larger than the electron affinity of the second and third insulators. Here, the electron affinity is an energy difference between the vacuum level and the lowest level of the conduction electron body. Alternatively, when the accumulated charge is a hole (hole), the energy difference between the vacuum level of the first material and the highest level of the valence band is the vacuum level of the second and third insulators. It is preferable that the energy difference between the potential and the highest level of the valence band is smaller. When the above conditions are satisfied, the dissipation of charges from the nanodots made of the first material that accumulates charges is effectively suppressed, and the memory retention time becomes longer. Furthermore, the charge injection efficiency into the first material for accumulating charges is increased, and the rewriting time is shortened. As the charge holding portion that satisfies the above conditions, it is particularly preferable that the first material is a metal, a semiconductor, or silicon nitride, and the second and third insulators are silicon oxide films. Nanodots made of metal, semiconductor, or silicon nitride retain a large number of charges, and thus can provide a large hysteresis characteristic. In addition, both silicon oxide film and silicon nitride are preferable because they are very standard materials used in the LSI process. In addition to metal, semiconductor, or silicon nitride, hafnium oxide, tantalum oxide, yttrium oxide, or the like can be used as the first material. Furthermore, aluminum oxide or the like can be used as the second and third insulators in addition to silicon oxide. Note that the second and third insulators may be different materials or the same material.

電荷保持部は、ゲート電極の両側に側方に離間して形成されており、また、半導体基板(ウェル領域、ボディ領域又はソース/ドレイン領域もしくは拡散層領域)上に配置している。   The charge holding portions are formed on both sides of the gate electrode so as to be laterally separated, and are disposed on the semiconductor substrate (well region, body region, source / drain region or diffusion layer region).

ソース/ドレイン領域は、半導体基板又はウェル領域と逆導電型の拡散層領域として、電荷保持部のゲート電極と反対側のそれぞれに配置されている。ソース/ドレイン領域と半導体基板又はウェル領域との接合は、不純物濃度が急峻であることが好ましい。ホットエレクトロンやホットホールが低電圧で効率良く発生し、より低電圧で高速な動作が可能となるからである。ソース/ドレイン領域の接合深さは、特に限定されるものではなく、得ようとする半導体記憶装置の性能等に応じて、適宜調整することができる。なお、半導体基板としてSOI基板を用いる場合には、ソース/ドレイン領域は、表面半導体層の膜厚よりも小さな接合深さを有していてもよいが、表面半導体層の膜厚とほぼ同程度の接合深さを有していることが好ましい。   The source / drain regions are arranged on the opposite side of the gate electrode of the charge holding portion as diffusion layer regions having a conductivity type opposite to that of the semiconductor substrate or well region. The junction between the source / drain region and the semiconductor substrate or well region preferably has a steep impurity concentration. This is because hot electrons and hot holes are efficiently generated at a low voltage, and a high-speed operation can be performed at a lower voltage. The junction depth of the source / drain regions is not particularly limited, and can be appropriately adjusted according to the performance of the semiconductor memory device to be obtained. When an SOI substrate is used as the semiconductor substrate, the source / drain regions may have a junction depth smaller than the film thickness of the surface semiconductor layer, but approximately the same as the film thickness of the surface semiconductor layer. It is preferable to have the following junction depth.

ソース/ドレイン領域は、半導体基板の表面に、ゲート電極端とオーバーラップするように配置していてもよいし、ゲート電極端に対してオフセットされて配置されていてもよい。特に、オフセットされている場合には、ゲート電極に電圧を印加したときの電荷保持膜下のオフセット領域の反転しやすさが電荷保持部に蓄積された電荷量によって大きく変化し、メモリ効果が増大するとともに、短チャネル効果の低減をもたらすため、好ましい。ただし、あまりオフセットしすぎると、ソース・ドレイン間の駆動電流が著しく小さくなる。したがって、オフセット量はメモリ効果と駆動電流の双方が適切な値となるように決定すればよい。   The source / drain regions may be arranged on the surface of the semiconductor substrate so as to overlap with the gate electrode end, or may be arranged offset with respect to the gate electrode end. In particular, when offset is applied, the ease of inversion of the offset region under the charge retention film when a voltage is applied to the gate electrode varies greatly depending on the amount of charge accumulated in the charge retention portion, and the memory effect increases. In addition, the short channel effect is reduced, which is preferable. However, if the offset is too great, the drive current between the source and drain becomes remarkably small. Therefore, the offset amount may be determined so that both the memory effect and the drive current have appropriate values.

ソース/ドレイン領域は、その一部が、チャネル領域表面、つまり、ゲート絶縁膜下面よりも高い位置に延設されていてもよい。この場合には、半導体基板内に形成されたソース/ドレイン領域上に、このソース/ドレイン領域と一体化した導電膜が積層されて構成されていることが適当である。導電膜としては、例えば、ポリシリコン、アモルファスシリコン等の半導体、シリサイド、上述した金属、高融点金属等が挙げられる。なかでも、ポリシリコンが好ましい。ポリシリコンは、不純物拡散速度が半導体基板に比べて非常に大きいために、半導体基板内におけるソース/ドレイン領域の接合深さを浅くするのが容易で、短チャネル効果の抑制がしやすいためである。なお、この場合には、このソース/ドレイン領域の一部は、ゲート電極とともに、電荷保持膜の少なくとも一部を挟持するように配置することが好ましい。   A part of the source / drain region may be extended to a position higher than the surface of the channel region, that is, the lower surface of the gate insulating film. In this case, it is appropriate that a conductive film integrated with the source / drain region is laminated on the source / drain region formed in the semiconductor substrate. Examples of the conductive film include semiconductors such as polysilicon and amorphous silicon, silicide, the above-described metals, refractory metals, and the like. Of these, polysilicon is preferable. This is because polysilicon has a very large impurity diffusion rate compared to a semiconductor substrate, so that it is easy to reduce the junction depth of the source / drain regions in the semiconductor substrate and to easily suppress the short channel effect. . In this case, it is preferable that a part of the source / drain region is arranged so as to sandwich at least a part of the charge holding film together with the gate electrode.

本発明の製造方法により作製される半導体記憶装置は、ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極、ソース領域、ドレイン領域及び半導体基板を4個の端子として、この4個の端子のそれぞれに所定の電位を与えることにより、書込み、消去、読出しの各動作を行なう。具体的な動作原理及び動作電圧の例は、後述する。本発明の製造方法により作製される半導体記憶装置をアレイ状に配置してメモリセルアレイを構成した場合、単一の制御ゲートで各メモリセルを制御できるので、ワード線の本数を少なくすることができる。 The semiconductor memory device manufactured by the manufacturing method of the present invention has a gate electrode, a source region, a drain region, and a semiconductor substrate formed on a gate insulating film as four terminals, and each of the four terminals has a predetermined value. By applying a potential, writing, erasing and reading operations are performed. Examples of specific operating principles and operating voltages will be described later. When the semiconductor memory device manufactured by the manufacturing method of the present invention is arranged in an array to constitute a memory cell array, each memory cell can be controlled by a single control gate, so that the number of word lines can be reduced. .

本発明の製造方法により作製される半導体記憶装置の電荷保持部は、通常の半導体プロセスによって、例えば、ゲート電極の側壁に周知のサイドウォールスペーサを形成する方法とほぼ同様の方法あるいは多少の工程を加えることによって形成することができる。具体的には、ゲート電極を形成した後、絶縁膜(第2の絶縁体)/電荷蓄積膜(第1の材料)/絶縁膜(第3の絶縁体)の積層膜を形成し、適当な条件下でエッチバックしてこれらの膜を積層構造のサイドウォールスペーサとして残す方法が挙げられる。 The charge holding portion of the semiconductor memory device manufactured by the manufacturing method of the present invention is performed by a normal semiconductor process, for example, a method substantially similar to the method of forming a well-known side wall spacer on the side wall of the gate electrode or some steps. It can be formed by adding. Specifically, after forming the gate electrode, a laminated film of an insulating film (second insulator) / charge storage film (first material) / insulating film (third insulator) is formed, and an appropriate film is formed. A method of etching back under conditions to leave these films as sidewall spacers of a laminated structure can be mentioned.

本発明の製造方法により作製される半導体記憶装置を配列してメモリセルアレイを構成した場合、半導体記憶装置の最良の形態は、例えば、(1)複数の半導体記憶装置のゲート電極が一体となってワード線の機能を有する、(2)上記ワード線の両側には電荷保持部が形成されている、(3)電荷保持部内で電荷を保持するのは金属または半導体または絶縁体中のトラップである、(4)電荷保持部はナノドットで構成されており、ナノドットの少なくとも一組はゲート絶縁膜の表面と略平行な表面を有している、(5)電荷保持部中のワード線及びチャネル領域とシリコン酸化膜で隔てられている、(6)電荷保持部内のナノドットと拡散領域とがオーバーラップしている、(7)ゲート絶縁膜の表面と略平行な表面を有するナノドットの少なくとも一組とチャネル領域又は半導体層とを隔てる絶縁膜の厚さと、ゲート絶縁膜の厚さが異なる、(8)1個の半導体記憶装置の書込み及び消去動作は単一のワード線により行なう、(9)電荷保持部の上には書込み及び消去動作を補助する機能を有する電極(ワード線)がない、(10)電荷保持部の直下で拡散領域と接する部分に拡散領域の導電型と反対導電型の不純物濃度が濃い領域を有する、という要件の全てを満たすものである。ただし、これらの要件の1つでも満たすものであればよい。 When the memory cell array is configured by arranging the semiconductor memory devices manufactured by the manufacturing method of the present invention, the best mode of the semiconductor memory device is, for example, (1) gate electrodes of a plurality of semiconductor memory devices are integrated. (2) A charge holding portion is formed on both sides of the word line. (3) It is a trap in a metal, semiconductor or insulator that holds a charge in the charge holding portion. (4) The charge holding portion is composed of nanodots, and at least one set of nanodots has a surface substantially parallel to the surface of the gate insulating film. (5) Word line and channel region in the charge holding portion (6) Nanodots in the charge holding portion and the diffusion region overlap, (7) Nanodots having a surface substantially parallel to the surface of the gate insulating film The thickness of the insulating film separating at least one set from the channel region or the semiconductor layer is different from the thickness of the gate insulating film. (8) Writing and erasing operations of one semiconductor memory device are performed by a single word line. (9) There is no electrode (word line) having a function of assisting writing and erasing operations on the charge holding portion. (10) Opposite to the conductivity type of the diffusion region in the portion in contact with the diffusion region immediately below the charge holding portion All the requirements for having a region with a high impurity concentration of the conductivity type are satisfied. However, what is necessary is just to satisfy | fill one of these requirements.

上述した要件の特に好ましい組み合わせは、例えば、(3)電荷保持部内で電荷を保持するのが金属または半導体、特にナノドットであり、(6)電荷保持部内の金属または半導体の少なくとも一部と拡散領域とがオーバーラップしており、(9)電荷保持部の上には書込み及び消去動作を補助する機能を有する電極(ワード線)がない場合である。   Particularly preferable combinations of the above-mentioned requirements are, for example, (3) a metal or semiconductor, particularly nanodots, that holds charges in the charge holding portion, and (6) at least a part of the metal or semiconductor in the charge holding portion and the diffusion region. (9) The case where there is no electrode (word line) having a function of assisting writing and erasing operations on the charge holding portion.

要件(3)及び要件(9)を満たす場合には、以下のように、非常に有用である。   When the requirement (3) and the requirement (9) are satisfied, it is very useful as follows.

まず、ビット線コンタクトをワード線の側方に配置された電荷保持部と、より接近して配置することができる。または、半導体記憶装置間の距離が接近しても、複数の電荷保持部が干渉せず、記憶情報を保持できる。したがって、半導体記憶装置の微細化が容易となる。なお、電荷保持部内の電荷保持領域が連続体の場合、容量カップリングにより半導体記憶装置間が近づくにつれて電荷保持領域間で干渉が起き、記憶情報を保持できなくなる。   First, the bit line contact can be arranged closer to the charge holding unit arranged on the side of the word line. Alternatively, even when the distance between the semiconductor memory devices is close, the plurality of charge holding units do not interfere with each other and the stored information can be held. Therefore, miniaturization of the semiconductor memory device is facilitated. When the charge holding region in the charge holding unit is a continuous body, interference occurs between the charge holding regions as the semiconductor storage devices come closer due to capacitive coupling, and the stored information cannot be held.

また、電荷保持部内の電荷保持領域が離散的(例えば、ナノドット)である場合、メモリセル毎に電荷保持部を独立させる必要がなくなる。例えば、複数のメモリセルで共有される1本のワード線の両側に形成された電荷保持部は、メモリセル毎に分離する必要が無く、1本のワード線の両側に形成された電荷保持部を、ワード線を共有する複数のメモリセルで共有することが可能となる。そのため、電荷保持部を分離するフォトリソグラフィ工程、エッチング工程が不要となり、製造工程が簡略化される。さらに、フォトリソグラフィ工程の位置合わせマージン、エッチングの膜減りマージンが不要となるため、メモリセル間のマージンを縮小できる。したがって、電荷保持部内の電荷保持領域が導電体の連続体(例えば、多結晶シリコン膜)である場合と比較して、同じ微細加工レベルで形成しても、メモリセル占有面積を微細化することができる。なお、電荷保持部内の電荷保持領域が導電体の連続体である場合、電荷保持部をメモリセル毎に分離するフォト、エッチング工程が必要となり、フォトリソグラフィ工程の位置合わせマージン、エッチングの膜減りマージンが必要となる。   In addition, when the charge holding region in the charge holding part is discrete (for example, nanodots), it is not necessary to make the charge holding part independent for each memory cell. For example, the charge holding portions formed on both sides of one word line shared by a plurality of memory cells need not be separated for each memory cell, and the charge holding portions formed on both sides of one word line Can be shared by a plurality of memory cells sharing a word line. This eliminates the need for a photolithography process and an etching process for separating the charge holding portion, thereby simplifying the manufacturing process. Further, since the alignment margin of the photolithography process and the etching film reduction margin are not required, the margin between the memory cells can be reduced. Therefore, compared with the case where the charge holding region in the charge holding portion is a continuum of conductors (for example, a polycrystalline silicon film), the area occupied by the memory cell can be reduced even if formed at the same fine processing level. Can do. When the charge holding region in the charge holding portion is a continuum of conductors, a photo and etching process for separating the charge holding portion for each memory cell is required, and an alignment margin in the photolithography process and an etching film reduction margin are required. Is required.

さらに、電荷保持部の上には書込み及び消去動作を補助する機能を有する電極がなく素子構造が単純であるから工程数が減少し、歩留まりを向上させることができる。したがって、論理回路やアナログ回路を構成するトランジスタとの混載を容易にすることができるとともに、安価な半導体記憶装置を得ることができる。   Further, since there is no electrode having a function of assisting writing and erasing operations on the charge holding portion and the element structure is simple, the number of steps can be reduced and the yield can be improved. Therefore, it is possible to easily mount the logic circuit and the transistors constituting the analog circuit, and to obtain an inexpensive semiconductor memory device.

また、要件(3)及び(9)を満たす場合であって、さらに要件(6)を満たす場合には、より有用である。   Further, it is more useful when the requirements (3) and (9) are satisfied and the requirement (6) is satisfied.

つまり、電荷保持部内の電荷保持領域と拡散領域とをオーバーラップさせることにより、非常に低電圧で書込、消去が可能となる。具体的には、5V以下という低電圧により、書込み及び消去動作を行なうことができる。この作用は、回路設計上においても非常に大きな効果である。フラッシュメモリのような高電圧をチップ内で作る必要がなくなるため、莫大な占有面積が必要となるチャージポンピング回路を省略又は規模を小さくすることが可能となる。特に、小規模容量のメモリを調整用としてロジックLSIに内蔵する場合、メモリ部の占有面積はメモリセルよりも、メモリセルを駆動する周辺回路の占有面積が支配的となるため、メモリセル用電圧昇圧回路を省略又は規模を小さくすることは、チップサイズを縮小させるためには最も効果的となる。   That is, writing and erasing can be performed at a very low voltage by overlapping the charge holding region and the diffusion region in the charge holding portion. Specifically, write and erase operations can be performed with a low voltage of 5 V or less. This action is a very significant effect in circuit design. Since it is not necessary to produce a high voltage in the chip like a flash memory, it is possible to omit or reduce the scale of a charge pumping circuit that requires a huge occupation area. In particular, when a small-capacity memory is incorporated in a logic LSI for adjustment, the area occupied by the peripheral circuit that drives the memory cell is more dominant than the memory cell. Omitting the booster circuit or reducing the scale is most effective for reducing the chip size.

一方、要件(3)を満たさない場合、つまり、電荷保持部内で電荷を保持するのが導電体の連続体である場合は、要件(6)を満たさない、つまり、電荷保持部内の導電体と拡散領域がオーバーラップしていない場合でも、書込み動作を行なうことができる。これは、電荷保持部内の導電体がゲート電極との容量カップリングにより書込み補助を行なうからである。   On the other hand, when the requirement (3) is not satisfied, that is, when it is a conductor continuum that holds charges in the charge holding portion, the requirement (6) is not satisfied, that is, the conductor in the charge holding portion Even if the diffusion regions do not overlap, the write operation can be performed. This is because the conductor in the charge holding portion assists writing by capacitive coupling with the gate electrode.

また、要件(9)を満たさない場合、つまり、電荷保持部の上に書込み及び消去動作を補助する機能を有する電極がある場合は、要件(6)を満たさない、つまり、電荷保持部内の離散的電荷トラップと拡散領域とがオーバーラップしていない場合でも、書込み動作を行なうことができる。   Further, when the requirement (9) is not satisfied, that is, when there is an electrode having a function of assisting writing and erasing operations on the charge holding portion, the requirement (6) is not satisfied, that is, the discrete in the charge holding portion. Even if the static charge trap and the diffusion region do not overlap, the write operation can be performed.

本発明の製造方法により作製される半導体記憶装置においては、半導体記憶装置は、その一方又は両方に、トランジスタが直列に接続していてもよいし、ロジックトランジスタと、同一のチップ上に混載されていてもよい。このような場合には、本発明の製造方法により作製される半導体装置、特に半導体記憶装置を、トランジスタ及びロジックトランジスタなどの通常のトランジスタの形成プロセスと親和性が高い工程で形成することができるため、同時に形成することができる。したがって、半導体記憶装置とトランジスタ又はロジックトランジスタとを混載するプロセスは簡便なものとなり、安価な混載装置を得ることができる。 In the semiconductor memory device manufactured by the manufacturing method of the present invention, the transistor may be connected in series to one or both of the semiconductor memory devices, or the logic transistor and the logic transistor may be mounted on the same chip. May be. In such a case, a semiconductor device manufactured by the manufacturing method of the present invention, particularly a semiconductor memory device, can be formed by a process having high affinity with a process for forming a normal transistor such as a transistor and a logic transistor. Can be formed simultaneously. Therefore, the process of mounting the semiconductor memory device and the transistor or the logic transistor is simple, and an inexpensive mixed device can be obtained.

本発明の製造方法により作製される半導体記憶装置は、半導体記憶装置が、1つの電荷保持部に2値又はそれ以上の情報を記憶させることができ、これにより、4値又はそれ以上の情報を記憶する半導体記憶装置として機能させることができる。なお、半導体記憶装置は、2値の情報を記憶させるのみでもよい。また、半導体記憶装置を、電荷保持部による可変抵抗効果により、選択トランジスタとメモリトランジスタとの機能を兼ね備えたメモリセルとしても機能させることができる。 In the semiconductor memory device manufactured by the manufacturing method of the present invention, the semiconductor memory device can store binary information or more information in one charge holding portion, whereby quaternary information or more information can be stored. The semiconductor memory device can function as a memory. Note that the semiconductor memory device may store only binary information. In addition, the semiconductor memory device can be made to function as a memory cell having both the function of the selection transistor and the memory transistor by the variable resistance effect by the charge holding portion.

本発明の製造方法により作製される半導体記憶装置は、電池駆動の携帯電子機器、特に携帯情報端末に用いることができる。携帯電子機器としては、携帯情報端末、携帯電話、ゲーム機器等が挙げられる。 The semiconductor memory device manufactured by the manufacturing method of the present invention can be used for a battery-driven portable electronic device, particularly a portable information terminal. Examples of the portable electronic device include a portable information terminal, a mobile phone, and a game device.

以下に、本発明の製造方法およびその製造方法により作製される半導体記憶装置について、図面に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, a manufacturing method of the present invention and a semiconductor memory device manufactured by the manufacturing method will be described in detail with reference to the drawings.

(第1実施形態)
図1Aは、第1実施形態の半導体記憶装置としての不揮発性メモリ素子のチャネル長方向に沿った断面を示している。このメモリ素子は、2ビットの記憶が可能な電界効果トランジスタとして構成されている。
(First embodiment)
FIG. 1A shows a cross section along the channel length direction of the nonvolatile memory element as the semiconductor memory device of the first embodiment. This memory element is configured as a field effect transistor capable of storing 2 bits.

図1Aに示すように、半導体基板11の表面11a上にゲート絶縁膜12が形成され、このゲート絶縁膜12上に通常のトランジスタと同程度のゲート長、例えば0.015μm〜0.5μm程度の断面略矩形状のゲート電極13が形成されている。半導体基板11の上方でゲート電極13の両側に相当する位置に、それぞれゲート電極13に対して側方に離間して、離散的な電荷保持部61、62が形成されている。また、半導体基板11の表面11aのうちゲート電極13の両側に相当する部分を占めるように、第1の拡散層領域17及び第2の拡散層領域18(ソース/ドレイン領域)が形成されている。半導体基板11の表面11aのうち第1の拡散層領域17と第2の拡散層領域18との間に相当する領域がチャネル領域となる。この例では、ソース/ドレイン領域17、18は、ゲート電極13の側壁13b,13bに対して側方に離間(オフセット)している。つまり、半導体基板11の表面11aのうちゲート電極13の直下に対応する領域41とソース/ドレイン領域17、18との間に、それぞれゲート電極13に覆われていないオフセット領域42,42が設けられている。   As shown in FIG. 1A, a gate insulating film 12 is formed on a surface 11a of a semiconductor substrate 11, and a gate length similar to that of a normal transistor, for example, about 0.015 μm to 0.5 μm is formed on the gate insulating film 12. A gate electrode 13 having a substantially rectangular cross section is formed. Discrete charge holding portions 61 and 62 are formed at positions corresponding to both sides of the gate electrode 13 above the semiconductor substrate 11 and spaced apart from the gate electrode 13 laterally. Further, the first diffusion layer region 17 and the second diffusion layer region 18 (source / drain regions) are formed so as to occupy portions corresponding to both sides of the gate electrode 13 in the surface 11a of the semiconductor substrate 11. . A region corresponding to a portion between the first diffusion layer region 17 and the second diffusion layer region 18 in the surface 11a of the semiconductor substrate 11 is a channel region. In this example, the source / drain regions 17 and 18 are laterally separated (offset) from the side walls 13 b and 13 b of the gate electrode 13. That is, offset regions 42 and 42 that are not covered by the gate electrode 13 are provided between the region 41 corresponding to the region immediately below the gate electrode 13 and the source / drain regions 17 and 18 in the surface 11 a of the semiconductor substrate 11. ing.

メモリ素子の電荷保持部61、62は、ゲート絶縁膜12とは独立して形成されている。したがって、電荷保持部61、62が担うメモリ機能と、ゲート絶縁膜12が担うトランジスタ動作機能とは分離されている。また、ゲート電極13の両側に形成された2つの電荷保持部61、62は、ゲート電極13に対して互いに反対側に離間して形成されているので、書換え時の干渉が効果的に抑制される。したがって、このメモリ素子は、2ビットの記憶が可能で、かつ微細化が容易である。   The charge holding portions 61 and 62 of the memory element are formed independently of the gate insulating film 12. Therefore, the memory function performed by the charge holding units 61 and 62 and the transistor operation function performed by the gate insulating film 12 are separated. In addition, since the two charge holding portions 61 and 62 formed on both sides of the gate electrode 13 are formed on the opposite sides with respect to the gate electrode 13, interference during rewriting is effectively suppressed. The Therefore, this memory element can store 2 bits and can be easily miniaturized.

また、ソース/ドレイン領域17、18がゲート電極13からオフセットされていることにより、ゲート電極13に電圧を印加したときの電荷保持部下のオフセット領域42の反転しやすさを、電荷保持部61、62に蓄積された電荷量によって大きく変化させることができ、メモリ効果を増大させることが可能となる。更に、通常のロジックトランジスタと比較して、短チャネル効果を強力に防止することができ、より一層のゲート長の微細化を図ることができる。また、構造的に短チャネル効果抑制に適しているため、ロジックトランジスタと比較して膜厚の厚いゲート絶縁膜を採用することができ、信頼性を向上させることが可能となる。   Further, since the source / drain regions 17 and 18 are offset from the gate electrode 13, the ease of inversion of the offset region 42 below the charge holding portion when a voltage is applied to the gate electrode 13 is determined. The amount of charge accumulated in 62 can be changed greatly, and the memory effect can be increased. Further, compared with a normal logic transistor, the short channel effect can be strongly prevented, and the gate length can be further miniaturized. In addition, since it is structurally suitable for suppressing the short channel effect, it is possible to employ a gate insulating film that is thicker than a logic transistor, and it is possible to improve reliability.

離散的な電荷保持部61、62は、第1の材料かなる離散的電荷トラップの一例としてのナノドット(図中、●印で示す。)15が、第2の絶縁体からなる膜の一例としての下層をなすシリコン酸化膜14と、第3の絶縁体かなる膜の一例としての上層をなすシリコン酸化膜(層間絶縁膜)16で挟まれた構造を有している。すなわち本実施例では第2と第3の絶縁体は酸化シリコンである。ナノドット15は、電荷(電子又は正孔)をトラップして蓄積する機能を有している。このように、電荷保持部61、62はナノドット15がシリコン酸化膜14、16によって挟まれた構造を有するため、電荷保持部61、62への電荷注入効率が上がり、書換え動作(書込み及び消去動作)の高速化が実現する。   The discrete charge holding portions 61 and 62 are nanodots (indicated by ● marks in the figure) 15 as an example of a discrete charge trap made of the first material, as an example of a film made of the second insulator. And a silicon oxide film (interlayer insulating film) 16 as an upper layer as an example of a film made of a third insulator. That is, in this embodiment, the second and third insulators are silicon oxide. The nanodot 15 has a function of trapping and storing charges (electrons or holes). As described above, since the charge holding units 61 and 62 have a structure in which the nanodot 15 is sandwiched between the silicon oxide films 14 and 16, the charge injection efficiency into the charge holding units 61 and 62 is improved, and the rewriting operation (writing and erasing operation) is performed. ) Is realized.

ナノドット15の少なくとも一部が第1の拡散層領域17または第2の拡散層領域18の一部にオーバーラップするように形成されてなることが好ましい。   It is preferable that at least a part of the nanodot 15 is formed so as to overlap a part of the first diffusion layer region 17 or the second diffusion layer region 18.

また、ナノドット15は、ゲート絶縁膜12の表面(ゲート電極13の底面に接している面)と実質的に平行な面内に配列されているのが好ましい。   In addition, the nanodots 15 are preferably arranged in a plane substantially parallel to the surface of the gate insulating film 12 (the surface in contact with the bottom surface of the gate electrode 13).

図2Aは、図1Aに記載したメモリ素子の左側の電荷保持部61付近の拡大図である(右側の電荷保持部62付近は、図2Aと左右対称に構成されている。)。主として電荷を蓄積するのはナノドット15であるから、オフセット領域42上におけるシリコン酸化膜14の厚さT1及びナノドット15の大きさT2が、メモリ特性に大きな影響を与える。   2A is an enlarged view of the vicinity of the left charge holding portion 61 of the memory element illustrated in FIG. 1A (the vicinity of the right charge holding portion 62 is configured symmetrically with FIG. 2A). Since it is the nanodot 15 that mainly accumulates charges, the thickness T1 of the silicon oxide film 14 and the size T2 of the nanodot 15 on the offset region 42 have a great influence on the memory characteristics.

オフセット領域42上におけるシリコン酸化膜14の厚さT1は、以下のように設定するのが好ましい。シリコン酸化膜14の厚さT1が1.5nm以下の場合、ナノドット15に蓄積した電荷がシリコン酸化膜14を通して逃げやすくなり、保持時間が著しく短くなる。一方、T1が15nm以上では、ナノドット15への電荷注入効率が悪化し、書込み時間の増大が無視できなくなる。したがって、シリコン酸化膜14の厚さT1は、1.5nm〜15nmとすれば、十分な保持時間と高速な書換えが両立するので、好ましい。T1は、5nm〜12nmとするのが、より好ましい。   The thickness T1 of the silicon oxide film 14 on the offset region 42 is preferably set as follows. When the thickness T1 of the silicon oxide film 14 is 1.5 nm or less, the charges accumulated in the nanodots 15 can easily escape through the silicon oxide film 14, and the holding time is remarkably shortened. On the other hand, when T1 is 15 nm or more, the charge injection efficiency into the nanodot 15 is deteriorated, and an increase in the writing time cannot be ignored. Therefore, if the thickness T1 of the silicon oxide film 14 is 1.5 nm to 15 nm, it is preferable because sufficient holding time and high-speed rewriting are compatible. T1 is more preferably 5 nm to 12 nm.

オフセット領域42上におけるナノドット15の大きさT2は、以下のように設定するのが好ましい。ナノドット15の大きさT2が0.1nm以下の場合、ナノドット15中に電荷を注入しがたくなくなるため、メモリ素子の閾値変化(あるいは読出し電流変化)が十分でなくなる。更には、ナノドットの大きさばらつきが与える素子間ばらつきが無視できなくなる。一方、ナノドット15の大きさT2が10nm以上では、書換え時にナノドットに一様に電荷を注入するのが難しく、もしくはより長い時間を要する。また、ナノドットに一様に電荷が注入されなかった場合、記憶保持中にナノドット間で電荷が移動し、閾値(あるいは読出し電流)の変化が問題となる。したがって、ナノドット15の大きさT2は、0.1nm〜10nmとすれば、メモリ素子は十分な信頼性を備えるので、好ましい。T2は、1nm〜5nmとするのが、より好ましい。   The size T2 of the nanodot 15 on the offset region 42 is preferably set as follows. When the size T2 of the nanodot 15 is 0.1 nm or less, it is difficult to inject charges into the nanodot 15, and thus the threshold value change (or read current change) of the memory element becomes insufficient. Furthermore, the inter-element variation caused by the size variation of the nanodots cannot be ignored. On the other hand, when the size T2 of the nanodot 15 is 10 nm or more, it is difficult to uniformly inject charges into the nanodot during rewriting, or a longer time is required. In addition, when the charges are not uniformly injected into the nanodots, the charges move between the nanodots during storage and the threshold value (or read current) changes. Therefore, if the size T2 of the nanodot 15 is 0.1 nm to 10 nm, it is preferable because the memory element has sufficient reliability. T2 is more preferably set to 1 nm to 5 nm.

図3は、図2A中の切断面線A−A’における、電子に対するエネルギーダイヤグラム(エネルギーバンド図)を示している。なお、簡単のため、バンドは全てフラット(真空準位VLが位置によらず一定)としている。図3中、ECsは半導体(半導体基板11)の伝導電子帯の最低準位、EVsは半導体の価電子帯の最高準位、Efsは半導体のフェルミレベル、EC1は第1の材料(ナノドット15)の伝導電子帯の最低準位、EV1は第1の材料の価電子帯の最高準位、EC2は第2の絶縁体(シリコン酸化膜14)の伝導電子帯の最低準位、EV2は第2の絶縁体の価電子帯の最高準位、EC3は第3の絶縁体(シリコン酸化膜16または後述するシリコン窒化膜52)の伝導電子帯の最低準位、EV3は第3の絶縁体の価電子帯の最高準位である。したがって、χ1は第1の材料における真空準位と伝導電子帯の最低準位とのエネルギー差(電子親和力)、φ1は第1の材料における真空準位と価電子帯の最高準位とのエネルギー差、χ2は第2の絶縁体における真空準位と伝導電子帯の最低準位とのエネルギー差(電子親和力)、φ2は第2の絶縁体における真空準位と価電子帯の最高準位とのエネルギー差、χ3は第3の絶縁体における真空準位と伝導電子帯の最低準位とのエネルギー差(電子親和力)、φ3は第3の絶縁体における真空準位と価電子帯の最高準位とのエネルギー差を示している。   FIG. 3 shows an energy diagram (energy band diagram) for electrons at the section line A-A ′ in FIG. 2A. For simplicity, the bands are all flat (the vacuum level VL is constant regardless of the position). In FIG. 3, ECs is the lowest level of the conduction electron band of the semiconductor (semiconductor substrate 11), EVs is the highest level of the valence band of the semiconductor, Efs is the Fermi level of the semiconductor, and EC1 is the first material (nanodot 15). EV1 is the lowest level of the valence band of the first material, EC2 is the lowest level of the conduction electron band of the second insulator (silicon oxide film 14), and EV2 is the second level. The highest level of the valence band of the insulator, EC3 is the lowest level of the conduction electron band of the third insulator (silicon oxide film 16 or silicon nitride film 52 described later), and EV3 is the value of the third insulator. It is the highest level of the electronic band. Therefore, χ1 is the energy difference (electron affinity) between the vacuum level of the first material and the lowest level of the conduction electron band, and φ1 is the energy between the vacuum level of the first material and the highest level of the valence band. The difference, χ2 is the energy difference (electron affinity) between the vacuum level and the lowest level of the conduction electron band in the second insulator, and φ2 is the vacuum level and the highest level of the valence band in the second insulator. Χ3 is the energy difference (electron affinity) between the vacuum level of the third insulator and the lowest level of the conduction electron band, and φ3 is the highest level of the vacuum level and valence band of the third insulator. The energy difference from the position is shown.

電荷を蓄積する第1の材料に電子が蓄積する場合、χ1>χ2かつχ1>χ3であることが好ましい。この場合、第1の材料(ナノドット15)に電子を注入する際に、第3の絶縁体(シリコン酸化膜16または後述するシリコン窒化膜52)が障壁となって、電子の注入効率が高くなる。また、第1の材料に蓄積された電子が半導体基板11に漏れるのを効率的に防止することができる。したがって、高速の書込み動作と良好な保持特性が実現する。   When electrons accumulate in the first material that accumulates charges, it is preferable that χ1> χ2 and χ1> χ3. In this case, when electrons are injected into the first material (nanodots 15), the third insulator (silicon oxide film 16 or silicon nitride film 52 described later) serves as a barrier, and the electron injection efficiency increases. . In addition, it is possible to efficiently prevent electrons accumulated in the first material from leaking to the semiconductor substrate 11. Therefore, high-speed writing operation and good holding characteristics are realized.

電荷を蓄積する第1の材料に正孔が蓄積する場合、φ1<φ2かつφ1<φ3であることが好ましい。この場合、第1の材料(ナノドット15)に正孔を注入する際に、第3の絶縁体(シリコン酸化膜16または後述するシリコン窒化膜52)が障壁となって、正孔の注入効率が高くなる。また、第1の材料に蓄積された正孔が半導体基板11に漏れるのを効率的に防止することができる。したがって、高速の書込み動作と良好な保持特性が実現する。   When holes are accumulated in the first material that accumulates charges, it is preferable that φ1 <φ2 and φ1 <φ3. In this case, when holes are injected into the first material (nanodots 15), the third insulator (silicon oxide film 16 or silicon nitride film 52 described later) serves as a barrier, and the hole injection efficiency is improved. Get higher. In addition, holes accumulated in the first material can be efficiently prevented from leaking to the semiconductor substrate 11. Therefore, high-speed writing operation and good holding characteristics are realized.

なお、上記4条件(χ1>χ2、χ1>χ3、φ1<φ2、φ1<φ3)が全て満たされるのがより好ましい。例えば、電荷を蓄積する第1の材料に電子が蓄積する場合であっても、蓄積された電子を除去するために正孔を注入する場合は、正孔の注入効率が高くなり、消去動作をも高速化することができる。   It is more preferable that the above four conditions (χ1> χ2, χ1> χ3, φ1 <φ2, φ1 <φ3) are all satisfied. For example, even when electrons are accumulated in the first material for accumulating charges, when holes are injected to remove the accumulated electrons, the hole injection efficiency is increased, and the erase operation is performed. Can also be speeded up.

本実施例では、第1の材料は金属または半導体、第2の絶縁体はシリコン酸化膜、第3の絶縁体はシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜であったが、その限りではない。例えば、第1の材料や第2及び第3の絶縁体を酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムなどの高誘電材料や酸化アルミニウムとすることができる。   In this embodiment, the first material is a metal or semiconductor, the second insulator is a silicon oxide film, and the third insulator is a silicon oxide film or a silicon nitride film, but this is not restrictive. For example, the first material and the second and third insulators can be high dielectric materials such as hafnium oxide, tantalum oxide, yttrium oxide, and zirconium oxide, or aluminum oxide.

次に、図1Aに戻って、このメモリ素子の書込み動作原理を説明する。   Next, returning to FIG. 1A, the write operation principle of the memory element will be described.

ここで、書込みとは、電荷保持部61、62に電子を注入することを指すこととする。
第2の電荷保持部62に電子を注入する(書込む)ためには、第1の拡散層領域17をソース電極に、第2の拡散層領域18をドレイン電極とする。例えば、第1の拡散層領域17及び半導体基板11に0V、第2の拡散層領域18に+5V、ゲート電極13に+2Vを印加すればよい。このような電圧条件によれば、反転層が、第1の拡散層領域17(ソース電極)から伸びるが、第2の拡散層領域18(ドレイン電極)に達することなく、ピンチオフ点が発生する。電子は、ピンチオフ点から第2の拡散層領域18(ドレイン電極)まで高電界により加速され、いわゆるホットエレクトロン(高エネルギーの伝導電子)となる。このホットエレクトロンが第2の電荷保持部62(より正確にはナノドット15)に注入されることにより書込みが行なわれる。なお、第1の電荷保持部61近傍では、ホットエレクトロンが発生しないため、書込みは行なわれない。
Here, writing refers to injecting electrons into the charge holding units 61 and 62.
In order to inject (write) electrons into the second charge holding portion 62, the first diffusion layer region 17 is used as a source electrode, and the second diffusion layer region 18 is used as a drain electrode. For example, 0 V may be applied to the first diffusion layer region 17 and the semiconductor substrate 11, +5 V may be applied to the second diffusion layer region 18, and +2 V may be applied to the gate electrode 13. Under such a voltage condition, the inversion layer extends from the first diffusion layer region 17 (source electrode), but a pinch-off point is generated without reaching the second diffusion layer region 18 (drain electrode). The electrons are accelerated by a high electric field from the pinch-off point to the second diffusion layer region 18 (drain electrode), and become so-called hot electrons (high energy conduction electrons). Writing is performed by injecting the hot electrons into the second charge holding portion 62 (more precisely, the nanodot 15). In the vicinity of the first charge holding portion 61, no hot electrons are generated, so that writing is not performed.

このようにして、第2の電荷保持部62に電子を注入して、書込みを行なうことができる。   In this way, writing can be performed by injecting electrons into the second charge holding portion 62.

一方、第1の電荷保持部61に電子を注入する(書込む)ためには、第2の拡散層領域18をソース電極に、第1の拡散層領域17をドレイン電極とする。例えば、第2の拡散層領域18及び半導体基板11に0V、第1の拡散層領域17に+5V、ゲート電極13に+2Vを印加すればよい。このように、第2の電荷保持部62に電子を注入する場合とは、ソース/ドレイン領域を入れ替えることにより、第1の電荷保持部61に電子を注入して、書込みを行なうことができる。   On the other hand, in order to inject (write) electrons into the first charge holding portion 61, the second diffusion layer region 18 is used as a source electrode, and the first diffusion layer region 17 is used as a drain electrode. For example, 0 V may be applied to the second diffusion layer region 18 and the semiconductor substrate 11, +5 V may be applied to the first diffusion layer region 17, and +2 V may be applied to the gate electrode 13. As described above, when electrons are injected into the second charge holding portion 62, writing can be performed by injecting electrons into the first charge holding portion 61 by switching the source / drain regions.

次に、上記メモリ素子の読み出し動作原理を説明する。   Next, the principle of reading operation of the memory element will be described.

第1の電荷保持部61に記憶された情報を読み出す場合、第1の拡散層領域17をソース電極に、第2の拡散層領域18をドレイン電極とし、トランジスタを飽和領域動作させる。例えば、第1の拡散層領域17及び半導体基板11に0V、第2の拡散層領域18に+2V、ゲート電極13に+1Vを印加すればよい。この際、第1の電荷保持部61に電子が蓄積していない場合には、ドレイン電流が流れやすい。一方、第1の電荷保持部61に電子が蓄積している場合は、第1の電荷保持部61近傍で反転層が形成されにくいので、ドレイン電流は流れにくい。したがって、ドレイン電流を検出することにより、第1の電荷保持部61の記憶情報を読み出すことができる。このとき、第2の電荷保持部62における電荷蓄積の有無は、ドレイン近傍がピンチオフしているため、ドレイン電流に影響を与えない。   When the information stored in the first charge holding unit 61 is read, the transistor is operated in a saturation region by using the first diffusion layer region 17 as a source electrode and the second diffusion layer region 18 as a drain electrode. For example, 0 V may be applied to the first diffusion layer region 17 and the semiconductor substrate 11, +2 V may be applied to the second diffusion layer region 18, and +1 V may be applied to the gate electrode 13. At this time, if electrons are not accumulated in the first charge holding portion 61, the drain current tends to flow. On the other hand, when electrons are accumulated in the first charge holding unit 61, the inversion layer is not easily formed in the vicinity of the first charge holding unit 61, so that the drain current hardly flows. Accordingly, the storage information of the first charge holding unit 61 can be read by detecting the drain current. At this time, the presence or absence of charge accumulation in the second charge holding portion 62 does not affect the drain current because the vicinity of the drain is pinched off.

第2の電荷保持部62に記憶された情報を読み出す場合、第2の拡散層領域18をソース電極に、第1の拡散層領域17をドレイン電極とし、トランジスタを飽和領域動作させる。例えば、第2の拡散層領域18及び半導体基板11に0V、第1の拡散層領域17に+2V、ゲート電極13に+1Vを印加すればよい。このように、第1の電荷保持部61に記憶された情報を読み出す場合とは、ソース/ドレイン領域を入れ替えることにより、第2の電荷保持部62に記憶された情報の読出しを行なうことができる。   When the information stored in the second charge holding portion 62 is read, the second diffusion layer region 18 is used as a source electrode, the first diffusion layer region 17 is a drain electrode, and the transistor is operated in a saturation region. For example, 0 V may be applied to the second diffusion layer region 18 and the semiconductor substrate 11, +2 V may be applied to the first diffusion layer region 17, and +1 V may be applied to the gate electrode 13. As described above, when the information stored in the first charge holding unit 61 is read out, the information stored in the second charge holding unit 62 can be read out by switching the source / drain regions. .

以上の説明から明らかなように、一方の側の電荷保持部に注目した場合、書込みを行なう場合と、読み出し動作をおこなう場合とでは、ソースとドレインとを入れ替えている。言い換えれば、読み出し動作時と書込み動作時で、第1の拡散層領域と第2の拡散層領域とに印加する電圧の大小関係を反対にしている。そのため、2つの電荷保持部のそれぞれに記憶された情報を感度よく検出することができるのである。   As is clear from the above description, when attention is paid to the charge holding portion on one side, the source and the drain are switched between the case where writing is performed and the case where the reading operation is performed. In other words, the magnitude relationship between the voltages applied to the first diffusion layer region and the second diffusion layer region is reversed between the read operation and the write operation. Therefore, the information stored in each of the two charge holding units can be detected with high sensitivity.

なお、チャネル領域41,42としてゲート電極13で覆われない部分(オフセット領域42)が残されている場合、オフセット領域42においては、電荷保持部61、62の余剰電子の有無によって反転層が消失又は形成され、その結果、大きなヒステリシス(閾値の変化)が得られる。ただし、オフセット領域42の幅があまり大きいと、ドレイン電流が大きく減少し、読出し速度が大幅に遅くなる。したがって、十分なヒステリシスと読出し速度が得られるように、オフセット領域42の幅を決定することが好ましい。   In addition, when a portion (offset region 42) that is not covered with the gate electrode 13 remains as the channel regions 41 and 42, the inversion layer disappears in the offset region 42 depending on the presence or absence of surplus electrons in the charge holding portions 61 and 62. Or formed, resulting in a large hysteresis (threshold change). However, if the width of the offset region 42 is too large, the drain current is greatly reduced, and the reading speed is greatly reduced. Therefore, it is preferable to determine the width of the offset region 42 so that sufficient hysteresis and reading speed can be obtained.

第1、第2の拡散層領域17、18がゲート電極13端に達している場合、つまり、第1、第2の拡散層領域17、18とゲート電極13とがオーバーラップしている場合であっても、書込み動作によりトランジスタの閾値はほとんど変わらなかったが、ソース/ドレイン端での寄生抵抗が大きく変わり、ドレイン電流は大きく減少(1桁以上)した。したがって、ドレイン電流の検出により読出しが可能であり、メモリとしての機能を得ることができる。ただし、より大きなメモリヒステリシス効果を必要とする場合、第1、第2の拡散層領域17、18とゲート電極13とがオーバーラップしていない(オフセット領域42が存在する)ほうが好ましい。   When the first and second diffusion layer regions 17 and 18 reach the end of the gate electrode 13, that is, when the first and second diffusion layer regions 17 and 18 and the gate electrode 13 overlap. Even in such a case, the threshold value of the transistor was hardly changed by the write operation, but the parasitic resistance at the source / drain ends was greatly changed, and the drain current was greatly decreased (one digit or more). Therefore, reading can be performed by detecting the drain current, and a function as a memory can be obtained. However, when a larger memory hysteresis effect is required, it is preferable that the first and second diffusion layer regions 17 and 18 and the gate electrode 13 do not overlap (the offset region 42 exists).

更に、上記メモリ素子の消去動作原理を説明する。   Further, the erase operation principle of the memory element will be described.

まず、第1の方法として、第1の電荷保持部61に記憶された情報を消去する場合、第1の拡散層領域17に正電圧(例えば、+6V)、半導体基板11に0Vを印加して、第1の拡散層領域17と半導体基板11とのPN接合に逆バイアスをかけ、更にゲート電極13に負電圧(例えば、−5V)を印加すればよい。このとき、上記PN接合のうちゲート電極13付近では、負電圧が印加されたゲート電極の影響により、特にポテンシャルの勾配が急になる。そのため、バンド間トンネルによりPN接合の半導体基板11側にホットホール(高エネルギーの正孔)が発生する。このホットホールが負の電位をもつゲート電極13方向に引きこまれ、その結果、第1の電荷保持部61にホール注入が行なわれる。このようにして、第1の電荷保持部61の消去が行なわれる。このとき第2の拡散層領域18には0Vを印加すればよい。第2の電荷保持部62に記憶された情報を消去する場合は、上記において第1の拡散層領域と第2の拡散層領域の電位を入れ替えればよい。   First, as a first method, when erasing information stored in the first charge holding unit 61, a positive voltage (for example, +6 V) is applied to the first diffusion layer region 17 and 0 V is applied to the semiconductor substrate 11. A reverse bias may be applied to the PN junction between the first diffusion layer region 17 and the semiconductor substrate 11 and a negative voltage (for example, −5 V) may be applied to the gate electrode 13. At this time, in the vicinity of the gate electrode 13 in the PN junction, the potential gradient is particularly steep due to the influence of the gate electrode to which a negative voltage is applied. Therefore, hot holes (high energy holes) are generated on the side of the semiconductor substrate 11 of the PN junction due to the band-to-band tunnel. This hot hole is drawn in the direction of the gate electrode 13 having a negative potential. As a result, hole injection is performed in the first charge holding portion 61. In this way, the first charge holding unit 61 is erased. At this time, 0 V may be applied to the second diffusion layer region 18. When erasing the information stored in the second charge holding portion 62, the potentials of the first diffusion layer region and the second diffusion layer region may be switched in the above.

次に、第2の方法として、第1の電荷保持部61に記憶された情報を消去する場合、第1の拡散層領域17に正電圧(例えば、+5V)、第2の拡散層領域18に0V、ゲート電極13に負電圧(例えば、−4V)、半導体基板11に正電圧(例えば、+0.8V)を印加すればよい。この際、半導体基板11と第2の拡散層領域18との間に順方向電圧が印加され、半導体基板11に電子が注入される。注入された電子は、半導体基板11と第1の拡散層領域17とのPN接合まで拡散し、そこで強い電界により加速されてホットエレクトロンとなる。このホットエレクトロンは、PN接合において、電子−ホール対を発生させる。すなわち、半導体基板11と第2の拡散層領域18との間に順方向電圧を印加することにより、半導体基板11に注入された電子がトリガーとなって、反対側に位置するPN接合でホットホールが発生する。PN接合で発生したホットホールは負の電位をもつゲート電極13方向に引きこまれ、その結果、第1の電荷保持部61に正孔注入が行なわれる。第2の電荷保持部62に記憶された情報を消去する場合は、上記において第1の拡散層領域と第2の拡散層領域の電位を入れ替えればよい。   Next, as a second method, when erasing information stored in the first charge holding unit 61, a positive voltage (for example, +5 V) is applied to the first diffusion layer region 17, and a second diffusion layer region 18 is applied to the second diffusion layer region 18. A negative voltage (for example, −4 V) may be applied to the gate electrode 13 and a positive voltage (for example, +0.8 V) may be applied to the semiconductor substrate 11. At this time, a forward voltage is applied between the semiconductor substrate 11 and the second diffusion layer region 18, and electrons are injected into the semiconductor substrate 11. The injected electrons are diffused to the PN junction between the semiconductor substrate 11 and the first diffusion layer region 17, where they are accelerated by a strong electric field and become hot electrons. The hot electrons generate electron-hole pairs at the PN junction. That is, by applying a forward voltage between the semiconductor substrate 11 and the second diffusion layer region 18, electrons injected into the semiconductor substrate 11 become a trigger, and a hot hole is formed at the PN junction located on the opposite side. Will occur. Hot holes generated at the PN junction are attracted toward the gate electrode 13 having a negative potential, and as a result, holes are injected into the first charge holding portion 61. When erasing the information stored in the second charge holding portion 62, the potentials of the first diffusion layer region and the second diffusion layer region may be switched in the above.

この第2の方法によれば、半導体基板11と第1の拡散層領域17とのPN接合において、バンド間トンネルによりホットホールが発生するに足りない電圧しか印加されない場合においても、第2の拡散層領域18から注入された電子は、PN接合で電子−正孔対が発生するトリガーとなり、ホットホールを発生させることができる。したがって、消去動作時の電圧を低下させることができる。特に、オフセット領域42が存在する場合は、負の電位が印加されたゲート電極により上記PN接合が急峻となる効果が少ない。そのため、バンド間トンネルによるホットホールの発生が難しいのであるが、第2の方法はその欠点を補い、低電圧で消去動作を実現することができる。   According to the second method, even when only a voltage sufficient to generate hot holes due to the band-to-band tunnel is applied to the PN junction between the semiconductor substrate 11 and the first diffusion layer region 17, the second diffusion is performed. The electrons injected from the layer region 18 serve as a trigger for generating electron-hole pairs at the PN junction, and can generate hot holes. Therefore, the voltage during the erase operation can be reduced. In particular, when the offset region 42 exists, there is little effect that the PN junction is sharpened by the gate electrode to which a negative potential is applied. For this reason, although it is difficult to generate hot holes due to a band-to-band tunnel, the second method can compensate for the disadvantage and realize an erasing operation at a low voltage.

なお、第1の電荷保持部61に記憶された情報を消去する場合、第1の消去方法では、第1の拡散層領域17に+6Vを印加しなければならなかったが、第2の消去方法では、+5Vで足りた。このように、第2の方法によれば、消去時の電圧を低減することができるので、消費電力が低減され、ホットキャリアによるメモリ素子の劣化を抑制することができる。   In the case of erasing information stored in the first charge holding portion 61, in the first erasing method, +6 V must be applied to the first diffusion layer region 17, but the second erasing method Then, + 5V was enough. Thus, according to the second method, the voltage at the time of erasing can be reduced, so that power consumption is reduced and deterioration of the memory element due to hot carriers can be suppressed.

以上の動作方法により、1トランジスタ当り選択的に2ビットの書込み及び消去が可能となる。   With the above operation method, 2-bit writing and erasing can be selectively performed per transistor.

また、上記動作方法では、ソース電極とドレイン電極を入れ替えることによって1トランジスタ当り2ビットの書込み及び消去をさせているが、ソース電極とドレイン電極を固定して1ビットメモリとして動作させてもよい。この場合ソース/ドレイン領域の一方を共通固定電圧とすることが可能となり、ソース/ドレイン領域に接続されるビット線の本数を半減できる。   In the above operation method, writing and erasing of 2 bits per transistor are performed by switching the source electrode and the drain electrode. However, the source electrode and the drain electrode may be fixed to operate as a 1-bit memory. In this case, one of the source / drain regions can be set to a common fixed voltage, and the number of bit lines connected to the source / drain regions can be halved.

図1Bは、図1Aのメモリ素子の変形例を示している。   FIG. 1B shows a modification of the memory element of FIG. 1A.

図1Aのメモリ素子では、電荷保持部61、62の第3の絶縁体としてシリコン酸化膜(層間絶縁膜)16が用いられていた。これに対して、この図1Bのメモリ素子では、電荷保持部61、62の第3の絶縁体としてシリコン窒化膜52が用いられている点のみが異なっている。シリコン窒化膜52は、半導体基板11の表面11aに沿った部分52aとゲート電極13の側壁13bとに沿った部分52bとを含む断面L状の膜である。これに応じて、第2の絶縁体としてシリコン酸化膜14は、半導体基板11の表面11aに沿った部分とゲート電極13の側壁13bとに沿った部分とを含む断面L状の膜になっている。ナノドット15は、第3の絶縁体としてのシリコン窒化膜52のうち半導体基板11の表面11aに沿った部分52aとそれに接する第2の絶縁体としてシリコン酸化膜14との界面に沿って設けられている。なお、シリコン酸化膜(層間絶縁膜)16は、ゲート電極13の上面13aやシリコン窒化膜52上を厚く覆っている。   In the memory element of FIG. 1A, the silicon oxide film (interlayer insulating film) 16 is used as the third insulator of the charge holding portions 61 and 62. On the other hand, the memory element of FIG. 1B is different only in that the silicon nitride film 52 is used as the third insulator of the charge holding portions 61 and 62. The silicon nitride film 52 is a film having an L-shaped cross section including a portion 52 a along the surface 11 a of the semiconductor substrate 11 and a portion 52 b along the side wall 13 b of the gate electrode 13. Accordingly, the silicon oxide film 14 as the second insulator is a film having an L-shaped cross section including a portion along the surface 11 a of the semiconductor substrate 11 and a portion along the side wall 13 b of the gate electrode 13. Yes. The nanodot 15 is provided along the interface between the portion 52a along the surface 11a of the semiconductor substrate 11 of the silicon nitride film 52 as the third insulator and the silicon oxide film 14 as the second insulator in contact therewith. Yes. The silicon oxide film (interlayer insulating film) 16 covers the upper surface 13a of the gate electrode 13 and the silicon nitride film 52 thickly.

図2Bは、図1Bに記載したメモリ素子の左側の電荷保持部61付近の拡大図である。この図1Bのメモリ素子では、オフセット領域42上におけるシリコン酸化膜14の厚さT1及びナノドット15の大きさT2が、図1Aのメモリ素子におけるのと同様に設定されている。   2B is an enlarged view of the vicinity of the charge holding unit 61 on the left side of the memory element illustrated in FIG. 1B. In the memory element of FIG. 1B, the thickness T1 of the silicon oxide film 14 and the size T2 of the nanodot 15 on the offset region 42 are set in the same manner as in the memory element of FIG. 1A.

図3に関して触れたように、この図1Bのメモリ素子は、図1Aのメモリ素子のものと同様のエネルギーダイヤグラム(エネルギーバンド図)をもつ。したがって、図1Aのメモリ素子と全く同様に、書込み、消去、読み出し動作を行うことができ、同様の作用効果を奏することができる。しかも、第3の絶縁体はシリコン窒化膜52からなるので、第3の絶縁体の誘電率を高めることができる。   As mentioned with respect to FIG. 3, the memory element of FIG. 1B has an energy diagram (energy band diagram) similar to that of the memory element of FIG. 1A. Therefore, writing, erasing, and reading operations can be performed in exactly the same manner as the memory element of FIG. 1A, and similar effects can be obtained. In addition, since the third insulator is made of the silicon nitride film 52, the dielectric constant of the third insulator can be increased.

この図1Bのメモリ素子は、通常のロジックトランジスタとほぼ同様の製造工程を含む製造方法によって、次のようにして形成することができる。 The memory element of FIG. 1B can be formed as follows by a manufacturing method including manufacturing steps almost the same as those of a normal logic transistor.

まず、図4Aに示すように、半導体基板11の表面11a上に、膜厚1nm〜6nm程度のシリコン酸窒化膜からなるゲート絶縁膜12を形成するとともに、膜厚50nm〜400nm程度のポリシリコン、ポリシリコンと高融点金属シリサイドの積層膜又はポリシリコンと金属との積層膜からなるゲート電極材料膜を形成し、これらの膜を所望の形状にパターニングすることによりゲート電極13を形成した。ゲート電極13は、上面13a、側壁13b,13b、およびゲート絶縁膜12に接する底面をもつ略矩形状の断面をもつ。なお、ゲート絶縁膜及びゲート電極の材料は、上述したように、その時代のスケーリング則に則ったロジックプロセスにおいて使われる材料を用いればよく、上記材料に限定されるものではない。   First, as shown in FIG. 4A, a gate insulating film 12 made of a silicon oxynitride film having a thickness of about 1 nm to 6 nm is formed on the surface 11a of the semiconductor substrate 11, and polysilicon having a thickness of about 50 nm to 400 nm. A gate electrode material film made of a laminated film of polysilicon and refractory metal silicide or a laminated film of polysilicon and metal was formed, and the gate electrode 13 was formed by patterning these films into a desired shape. The gate electrode 13 has a substantially rectangular cross section having an upper surface 13 a, side walls 13 b and 13 b, and a bottom surface in contact with the gate insulating film 12. Note that, as described above, the material for the gate insulating film and the gate electrode may be a material used in a logic process in accordance with the scaling law of that era, and is not limited to the above materials.

続いて、図4Bに示すように、得られた半導体基板11上の全面に、より詳しくは、ゲート電極13およびゲート電極13の両側に相当する半導体基板11上を覆うように、表面側にゲート電極13の断面形状を反映する厚さ、この例では膜厚1.5nm〜15nm、より好ましくは膜厚5nm〜12nmのシリコン酸化膜14をCVD(Chemical Vapor Deposition)法により堆積した。なお、シリコン酸化膜14は熱酸化によって形成してもよい。次に、シリコン酸化膜14上の全面に、シリコン酸化膜を覆うように、表面側にゲート電極13の断面形状を反映する厚さ、この例では膜厚2nm〜15nm、より好ましくは3nm〜7nmのシリコン窒化膜52をCVD法により堆積した。更に、シリコン窒化膜52上の全面に、シリコン窒化膜52を覆うように、ゲート電極13の両側に上記シリコン窒化膜52のL状の断面が作るコーナ部52cを埋める厚さ、この例では膜厚20nm〜70nmの犠牲シリコン酸化膜としてのシリコン酸化膜53をCVD法により堆積した。   Subsequently, as shown in FIG. 4B, the gate is formed on the surface side so as to cover the entire surface of the obtained semiconductor substrate 11, more specifically, the semiconductor substrate 11 corresponding to both sides of the gate electrode 13 and the gate electrode 13. A silicon oxide film 14 having a thickness reflecting the cross-sectional shape of the electrode 13, in this example, a film thickness of 1.5 nm to 15 nm, more preferably a film thickness of 5 nm to 12 nm, was deposited by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method. The silicon oxide film 14 may be formed by thermal oxidation. Next, a thickness reflecting the cross-sectional shape of the gate electrode 13 on the surface side so as to cover the silicon oxide film over the entire surface of the silicon oxide film 14, in this example, a film thickness of 2 nm to 15 nm, more preferably 3 nm to 7 nm. The silicon nitride film 52 was deposited by the CVD method. Further, the entire surface of the silicon nitride film 52 is covered with the corner 52c formed by the L-shaped cross section of the silicon nitride film 52 on both sides of the gate electrode 13 so as to cover the silicon nitride film 52. A silicon oxide film 53 as a sacrificial silicon oxide film having a thickness of 20 nm to 70 nm was deposited by the CVD method.

続いて、図4Cに示すように、異方性エッチングによりシリコン酸化膜53、51及びシリコン窒化膜52をエッチバックすることにより、ゲート電極13の両側にそれぞれシリコン酸化膜14、シリコン窒化膜52を断面L状に残すとともに、シリコン窒化膜52のL状の断面が作るコーナ部52cにシリコン酸化膜53を残して、ゲート電極13の両側にサイドウォールスペーサ76,76を形成した。   Subsequently, as shown in FIG. 4C, the silicon oxide films 53 and 51 and the silicon nitride film 52 are etched back by anisotropic etching, whereby the silicon oxide film 14 and the silicon nitride film 52 are respectively formed on both sides of the gate electrode 13. Sidewall spacers 76 and 76 were formed on both sides of the gate electrode 13 while leaving the silicon oxide film 53 at the corner portion 52 c formed by the L-shaped cross section of the silicon nitride film 52 while leaving the cross section in the L shape.

その後、ゲート電極13及びサイドウォールスペーサ76,76をマスクとしてイオン注入することにより、ソース/ドレイン領域17、18を形成した。   Thereafter, ion implantation is performed using the gate electrode 13 and the sidewall spacers 76 and 76 as a mask, thereby forming the source / drain regions 17 and 18.

更に図4Dに示すように、フォトリソグラフィを行って、ゲート電極13に関してサイドウォールスペーサ76,76の外側に相当する領域に、フォトレジスト71,71を設ける。この時、ソース/ドレイン領域17、18の表面を位置合わせマージンをもって保護するために、サイドウォールスペーサ76,76の端部にフォトレジスト71,71をオーバーラップさせる。そして、サイドウォールスペーサ76,76をなすシリコン酸化膜53,53のうち少なくともゲート電極13の側壁13b,13bに近い部分を異方性エッチングにより除去する。この時、シリコン窒化膜のエッチングレートがシリコン酸化膜のエッチングレートより小さくなるエッチング条件を用いることができる。例えばシリコン酸化膜はエッチングするがシリコン窒化膜はほとんどエッチングされないような条件で異方性エッチングを行うことでシリコン窒化膜をエッチングストッパーとして用いる。この方法によりエッチングを正確にシリコン窒化膜で止めることができるで、素子により過度にエッチングを行い例えば基板にダメージを与えたり、逆にエッチングが不足して例えばエッチング残りが発生したりすることを防ぐことができる。したがって素子の特性ばらつきや不良の発生を抑制できる。   Further, as shown in FIG. 4D, photolithography is performed to provide photoresists 71 and 71 in regions corresponding to the outside of the side wall spacers 76 and 76 with respect to the gate electrode 13. At this time, in order to protect the surfaces of the source / drain regions 17 and 18 with an alignment margin, the photoresists 71 and 71 are overlapped with the end portions of the side wall spacers 76 and 76. Then, at least portions of the silicon oxide films 53 and 53 forming the side wall spacers 76 and 76 near the side walls 13b and 13b of the gate electrode 13 are removed by anisotropic etching. At this time, it is possible to use an etching condition in which the etching rate of the silicon nitride film is lower than the etching rate of the silicon oxide film. For example, the silicon nitride film is used as an etching stopper by performing anisotropic etching under conditions such that the silicon oxide film is etched but the silicon nitride film is hardly etched. By this method, etching can be accurately stopped with the silicon nitride film, so that excessive etching is performed by the element, for example, damage to the substrate, or conversely, etching is insufficient and, for example, etching residue is prevented from occurring. be able to. Therefore, variation in element characteristics and occurrence of defects can be suppressed.

続いて図4Eに示すように、この上から、ナノドットを作製するための材料72を例えばイオン注入より絶縁膜52,14中に導入する。同時に、この材料72は、ゲート電極13の上面13aやフォトレジスト71,71の表面にも導入される(注入された領域を点描73で示す。)。この材料72としては、例えばSiやGeなどの半導体あるいはAg,Au,Cu,Ti,Cr,Mn,Zr,Hf,Ta,W,Ptなどの金属を用いることができる。特に融点は高い材料を用いる方が、熱や経時変化によって拡散することによるデバイス特性の悪化を回避することができるので好ましい。   Subsequently, as shown in FIG. 4E, a material 72 for producing nanodots is introduced into the insulating films 52 and 14 by ion implantation, for example, from above. At the same time, the material 72 is also introduced into the upper surface 13a of the gate electrode 13 and the surfaces of the photoresists 71 and 71 (the implanted region is indicated by a dotted line 73). As the material 72, for example, a semiconductor such as Si or Ge or a metal such as Ag, Au, Cu, Ti, Cr, Mn, Zr, Hf, Ta, W, or Pt can be used. In particular, it is preferable to use a material having a high melting point, since deterioration of device characteristics due to diffusion due to heat or aging can be avoided.

フォトレジスト71,71を除去した後、必要に応じ熱処理工程を実施する。これにより、図4Fに示すように、ナノドット15をシリコン窒化膜52とシリコン酸化膜14との界面に形成した。注入条件によっては熱処理工程なしでナノドットを形成可能である。好ましくは熱処理工程を実施する。これにより絶縁膜中に存在する欠陥を減らすことが可能である。熱処理はアルゴン等の不活性ガス中、酸素等の酸化性雰囲気中、水素雰囲気中、あるいは窒化雰囲気中などを選択できる。特に絶縁体として酸化物絶縁体を用いる場合には酸素が少し含まれる雰囲気中で熱処理を行うことが好ましい。これにより、酸素欠損を減少させることができる。   After removing the photoresists 71, 71, a heat treatment step is performed as necessary. As a result, as shown in FIG. 4F, nanodots 15 were formed at the interface between the silicon nitride film 52 and the silicon oxide film 14. Depending on the implantation conditions, nanodots can be formed without a heat treatment step. Preferably, a heat treatment step is performed. As a result, defects present in the insulating film can be reduced. The heat treatment can be selected from an inert gas such as argon, an oxidizing atmosphere such as oxygen, a hydrogen atmosphere, or a nitriding atmosphere. In particular, when an oxide insulator is used as the insulator, heat treatment is preferably performed in an atmosphere containing a small amount of oxygen. Thereby, oxygen deficiency can be reduced.

この例では、ナノドット15をシリコン窒化膜52とシリコン酸化膜14との界面に形成したが、注入条件、熱処理条件を調整することで、ナノドットはシリコン窒化膜52中や、シリコン酸化膜14中に形成することが可能である。   In this example, the nanodot 15 is formed at the interface between the silicon nitride film 52 and the silicon oxide film 14. It is possible to form.

この後、ゲート電極13と図示しない上層の配線とを分離するための層間絶縁膜16を、CVD法により、ゲート電極13の厚さよりも厚く堆積する。層間絶縁膜16の材料としては、この例ではシリコン酸化膜を用いる。   Thereafter, an interlayer insulating film 16 for separating the gate electrode 13 from an upper wiring (not shown) is deposited thicker than the gate electrode 13 by CVD. In this example, a silicon oxide film is used as the material of the interlayer insulating film 16.

図1Aのメモリ素子は、図1Bのメモリ素子を作製する上述の製造工程を少し変形した工程によって、次のようにして形成することができる。   The memory element of FIG. 1A can be formed as follows by a process obtained by slightly modifying the above manufacturing process for manufacturing the memory element of FIG. 1B.

図5Aに示すように、図4Dに示した工程(つまり、サイドウォールスペーサ76,76をなすシリコン酸化膜53,53のうち少なくともゲート電極13の側壁13b,13bに近い部分を異方性エッチングにより除去する工程)まで、上述の製造工程を同様に進める。   As shown in FIG. 5A, at least a portion near the side walls 13b and 13b of the gate electrode 13 of the silicon oxide films 53 and 53 forming the side wall spacers 76 and 76 is anisotropically etched. The above-described manufacturing process proceeds in the same manner until the removal step).

次に、この例では図5Bに示すように、シリコン窒化膜52のうちレジスト71,72の間に露出している部分を除去する。この時、シリコン窒化膜52を除去する方法は、ドライエッチング法を用いることができる。例えば、シリコン酸化膜のエッチングレートがシリコン窒化膜のエッチングレートより小さくなるエッチング条件を用いることができる。例えばシリコン窒化膜はエッチングするがシリコン酸化膜はほとんどエッチングされないような条件で異方性エッチングを行うことでシリコン酸化膜をエッチングストッパーとして用いる。この方法によりエッチングを正確にシリコン酸化膜で止めることができるで、素子により過度にエッチングを行い例えば基板にダメージを与えたり、逆にエッチングが不足して例えばエッチング残りが発生したりすることを防ぐことができる。したがって素子の特性ばらつきや不良の発生を抑制できる。シリコン窒化膜を除去する他の方法としては、例えばリン酸等を用いたウエットエッチング法を用いることができる。   Next, in this example, as shown in FIG. 5B, a portion of the silicon nitride film 52 exposed between the resists 71 and 72 is removed. At this time, a dry etching method can be used as a method of removing the silicon nitride film 52. For example, an etching condition in which the etching rate of the silicon oxide film is smaller than the etching rate of the silicon nitride film can be used. For example, the silicon oxide film is used as an etching stopper by performing anisotropic etching under conditions such that the silicon nitride film is etched but the silicon oxide film is hardly etched. By this method, etching can be accurately stopped with a silicon oxide film, and it is possible to prevent excessive etching by the element, for example, damage to the substrate, or conversely, insufficient etching to cause, for example, etching residue. be able to. Therefore, variation in element characteristics and occurrence of defects can be suppressed. As another method for removing the silicon nitride film, for example, a wet etching method using phosphoric acid or the like can be used.

続いて図5Cに示すように、この上から、ナノドットを作製するための材料72を例えばイオン注入よりシリコン酸化膜14中に導入する。   Subsequently, as shown in FIG. 5C, a material 72 for forming nanodots is introduced into the silicon oxide film 14 by ion implantation, for example, from above.

なお、ナノドットを形成するための材料72を注入した後にシリコン窒化膜52を除去するほうが、注入による表面ダメージ層をシリコン窒化膜52とともに除去することが可能であるので好ましい。   It is preferable to remove the silicon nitride film 52 after injecting the material 72 for forming nanodots, because the surface damage layer caused by the implantation can be removed together with the silicon nitride film 52.

フォトレジスト71,71を除去した後、必要に応じ熱処理工程を実施する。これにより、図5Dに示すように、ナノドット15をシリコン酸化膜14中に形成する。   After removing the photoresists 71, 71, a heat treatment step is performed as necessary. As a result, nanodots 15 are formed in the silicon oxide film 14 as shown in FIG. 5D.

この後、層間絶縁膜16を、CVD法により、ゲート電極13の厚さよりも厚く堆積する。層間絶縁膜16の材料としては、この例では、シリコン酸化膜を用いる。   Thereafter, the interlayer insulating film 16 is deposited thicker than the gate electrode 13 by CVD. In this example, a silicon oxide film is used as the material for the interlayer insulating film 16.

図1A、図1Bのメモリ素子では、2つの電荷保持部61,62は、それぞれゲート電極13に対して側方に離間して形成され、ゲート絶縁膜12に対して離間している。したがって、電荷保持部61,62が担うメモリ機能と、ゲート絶縁膜12が担うトランジスタ動作機能とは分離される。そのため、十分なメモリ機能を有したままゲート絶縁膜12を薄膜化して短チャンネル効果を抑制するのが容易である。また、2つの電荷保持部61,62はゲート電極13に対して互いに反対側に離間して形成されているので、書換え時に2つの電荷保持部61,62の間の干渉が効果的に抑制される。言い換えれば、2つの電荷保持部61,62の間の距離を小さくすることができる。したがって、2ビット動作が可能で、かつ微細化が容易である。   In the memory element of FIGS. 1A and 1B, the two charge holding portions 61 and 62 are formed to be separated from the gate electrode 13 laterally and are separated from the gate insulating film 12. Therefore, the memory function performed by the charge holding units 61 and 62 and the transistor operation function performed by the gate insulating film 12 are separated. Therefore, it is easy to reduce the short channel effect by thinning the gate insulating film 12 while having a sufficient memory function. Further, since the two charge holding portions 61 and 62 are formed on the opposite sides with respect to the gate electrode 13, interference between the two charge holding portions 61 and 62 is effectively suppressed during rewriting. The In other words, the distance between the two charge holding portions 61 and 62 can be reduced. Therefore, 2-bit operation is possible and miniaturization is easy.

更には、図1A、図1Bのメモリ素子では、電荷を蓄積する機能を有する第1の材料からなるナノドット15が、第2の絶縁体としてのシリコン酸化膜14と第3の絶縁体としてのシリコン酸化膜16またはシリコン窒化膜52とに挟まれた構造を有している。そのため、電荷の注入に際して、短い時間で第1の材料内の電荷密度を上げ、また、電荷密度を均一にすることができる。   Further, in the memory elements of FIGS. 1A and 1B, the nanodots 15 made of the first material having a function of accumulating charges are formed by the silicon oxide film 14 as the second insulator and the silicon oxide as the third insulator. The structure is sandwiched between the oxide film 16 or the silicon nitride film 52. Therefore, at the time of charge injection, the charge density in the first material can be increased and the charge density can be made uniform in a short time.

また、図1A、図1Bのメモリ素子では、第2の絶縁体としてのシリコン酸化膜14と第3の絶縁体としてのシリコン酸化膜16とは密度が異なる。図1Bのメモリ素子では、第2の絶縁体としてのシリコン酸化膜14と第3の絶縁体としてのシリコン窒化膜52とは、材料が異なる。第2の絶縁体としてのシリコン酸化膜14と第3の絶縁体としてのシリコン酸化膜16またはシリコン窒化膜52とは界面を有する。したがって、上記ナノドット15は上記界面に自己整合的に形成することが可能になる。   1A and 1B, the silicon oxide film 14 as the second insulator and the silicon oxide film 16 as the third insulator have different densities. In the memory element of FIG. 1B, the silicon oxide film 14 as the second insulator and the silicon nitride film 52 as the third insulator are made of different materials. The silicon oxide film 14 as the second insulator and the silicon oxide film 16 or the silicon nitride film 52 as the third insulator have an interface. Therefore, the nanodot 15 can be formed in a self-aligned manner on the interface.

特に、図1Aのメモリ素子では、第2の絶縁体はシリコン熱酸化膜14からなり、第3の絶縁体は化学的または物理的に堆積したシリコン酸化膜16からなるので、第2の絶縁体14は第3の絶縁体16に比べて密度が高い。したがって、仮にナノドット15を形成する原子が、第2の絶縁体14を通って拡散しようとしても、半導体基板111に達するのを有効に抑制できる。   In particular, in the memory element of FIG. 1A, the second insulator is made of a silicon thermal oxide film 14, and the third insulator is made of a silicon oxide film 16 deposited chemically or physically. 14 has a higher density than the third insulator 16. Therefore, even if the atoms forming the nanodot 15 try to diffuse through the second insulator 14, it can be effectively prevented from reaching the semiconductor substrate 111.

また、上記ナノドット15は、導電体部(ゲート電極、拡散層領域、半導体基板)とは第2の絶縁体としてのシリコン酸化膜14で隔てられているので、電荷の漏れが抑制されて十分な保持時間を得ることができる。したがって、メモリ素子の高速書換え、信頼性の向上、十分な保持時間の確保が可能となる。   Further, since the nanodot 15 is separated from the conductor portion (gate electrode, diffusion layer region, semiconductor substrate) by the silicon oxide film 14 as the second insulator, charge leakage is suppressed and sufficient. Retention time can be obtained. Therefore, high-speed rewriting of the memory element, improvement of reliability, and securing of sufficient holding time can be achieved.

(第2実施形態)
図6A、図6Bは、それぞれ第2実施形態の半導体記憶装置としての不揮発性メモリ素子の電荷保持部61の近傍の断面を示している。残りの部分の構成は、それぞれ図1A、図1Bのメモリ素子におけるのと同様になっている。
(Second Embodiment)
6A and 6B show cross sections in the vicinity of the charge holding portion 61 of the nonvolatile memory element as the semiconductor memory device of the second embodiment. The structure of the remaining part is the same as that in the memory element of FIGS. 1A and 1B.

図6Aのメモリ素子は、図1Aのメモリ素子に対して、ゲート電極13の側壁13bとそれに最も近い位置にあるナノドット15との間の距離T1Bが、各ナノドット15と半導体基板上11の表面11aとの間の距離よりも大きいことを特徴としている。言い換えれば、シリコン酸化膜14のうちゲート電極13の側壁13bに沿った部分の厚さT1Bが、半導体基板上11の表面11a上でのシリコン酸化膜14の厚さT1Aよりも厚いことを特徴としている。   The memory element of FIG. 6A has a distance T1B between the sidewall 13b of the gate electrode 13 and the nanodot 15 located closest to the side wall 13b of the memory element of FIG. It is characterized by being larger than the distance between. In other words, the thickness T1B of the silicon oxide film 14 along the side wall 13b of the gate electrode 13 is thicker than the thickness T1A of the silicon oxide film 14 on the surface 11a of the semiconductor substrate 11. Yes.

同様に、図6Bは、図1Bのメモリ素子に対して、ゲート電極13の側壁13bとそれに最も近い位置にあるナノドット15との間の距離T1Bが、各ナノドット15と半導体基板上11の表面11aとの間の距離よりも大きいことを特徴としている。言い換えれば、シリコン酸化膜14のうちゲート電極13の側壁13bに沿った部分とシリコン窒化膜52のうちゲート電極13の側壁13bに沿った部分との合計の厚さT1Bが、半導体基板上11の表面11a上でのシリコン酸化膜14の厚さT1Aよりも厚いことを特徴としている。   Similarly, in FIG. 6B, the distance T1B between the side wall 13b of the gate electrode 13 and the nanodot 15 located closest to the side wall 13b of the memory element of FIG. It is characterized by being larger than the distance between. In other words, the total thickness T1B of the portion of the silicon oxide film 14 along the side wall 13b of the gate electrode 13 and the portion of the silicon nitride film 52 along the side wall 13b of the gate electrode 13 is It is characterized by being thicker than the thickness T1A of the silicon oxide film 14 on the surface 11a.

したがって、図6A、図6Bのメモリ素子では、ゲート電極13からナノドット15への電荷の注入(あるいはナノドット15からゲート電極13への電荷の放出)を効果的に抑制することができる。したがって、半導体基板111とナノドット15との間で電荷のやりとりを行わずとも、メモリ動作が可能となる。したがって、半導体基板11の表面11aに沿って設けられた絶縁膜の劣化を抑制することができる。よって、メモリ素子の書換え特性が安定し、信頼性が向上する。   Therefore, in the memory elements of FIGS. 6A and 6B, injection of charges from the gate electrode 13 to the nanodots 15 (or discharge of charges from the nanodots 15 to the gate electrode 13) can be effectively suppressed. Therefore, a memory operation can be performed without exchanging charges between the semiconductor substrate 111 and the nanodots 15. Therefore, the deterioration of the insulating film provided along the surface 11a of the semiconductor substrate 11 can be suppressed. Therefore, the rewrite characteristics of the memory element are stabilized and the reliability is improved.

図6A、図6Bのメモリ素子を作製する製造方法の手順を説明する。以下、半導体基板11は単結晶シリコン基板であり、ゲート電極13は多結晶シリコンからなる場合を説明する。 A procedure of a manufacturing method for manufacturing the memory element of FIGS. 6A and 6B will be described. Hereinafter, a case where the semiconductor substrate 11 is a single crystal silicon substrate and the gate electrode 13 is made of polycrystalline silicon will be described.

図6Aのメモリ素子を作製する場合、まず、図4Aに関して説明したのと同様の方法で、半導体(単結晶シリコン)基板11上にゲート絶縁膜12およびゲート電極13を形成した。次に、熱酸化により、ゲート電極13の表面およびシリコン基板11のうちゲート電極13の両側に相当する部分の表面にシリコン酸化膜14を形成した。この時、シリコン酸化膜14の膜厚は、シリコン基板11の表面11a上でのシリコン酸化膜14の厚さT1Aよりも、ゲート電極13の側壁13bに沿った部分の厚さT1Bの方が厚くなった。これは、単結晶シリコンよりも多結晶シリコンの熱酸化レートが大きいからである。その後、図1Aのメモリ素子に関して説明したのと同様の方法で工程を進める。これにより、図6Aのメモリ素子を完成することができる。   6A, first, the gate insulating film 12 and the gate electrode 13 were formed on the semiconductor (single crystal silicon) substrate 11 by the same method as described with reference to FIG. 4A. Next, a silicon oxide film 14 was formed on the surface of the gate electrode 13 and the surface of the silicon substrate 11 corresponding to both sides of the gate electrode 13 by thermal oxidation. At this time, the thickness of the silicon oxide film 14 is thicker at the portion T1B along the side wall 13b of the gate electrode 13 than at the thickness T1A of the silicon oxide film 14 on the surface 11a of the silicon substrate 11. became. This is because the thermal oxidation rate of polycrystalline silicon is higher than that of single crystal silicon. Thereafter, the process proceeds in the same manner as described for the memory element of FIG. 1A. Thereby, the memory element of FIG. 6A can be completed.

図6Bのメモリ素子を作製する場合は、まず、図4Aに関して説明したのと同様の方法で、半導体(単結晶シリコン)基板11上にゲート絶縁膜12およびゲート電極13を形成した。次に、熱酸化により、ゲート電極13の表面およびシリコン基板11のうちゲート電極13の両側に相当する部分の表面にシリコン酸化膜14を形成した。この時、シリコン酸化膜14の膜厚は、シリコン基板11の表面11a上でのシリコン酸化膜14の厚さT1Aよりも、ゲート電極13の側壁13bに沿った部分の厚さT1Bの方が厚くなった。これは、単結晶シリコンよりも多結晶シリコンの熱酸化レートが大きいからである。その後、図1Bのメモリ素子に関して説明したのと同様の方法で工程を進める。これにより、図6Bのメモリ素子を完成することができる。   6B, first, the gate insulating film 12 and the gate electrode 13 were formed on the semiconductor (single crystal silicon) substrate 11 by the same method as described with reference to FIG. 4A. Next, a silicon oxide film 14 was formed on the surface of the gate electrode 13 and the surface of the silicon substrate 11 corresponding to both sides of the gate electrode 13 by thermal oxidation. At this time, the thickness of the silicon oxide film 14 is thicker at the portion T1B along the side wall 13b of the gate electrode 13 than at the thickness T1A of the silicon oxide film 14 on the surface 11a of the silicon substrate 11. became. This is because the thermal oxidation rate of polycrystalline silicon is higher than that of single crystal silicon. Thereafter, the process proceeds in the same manner as described for the memory element of FIG. 1B. Thereby, the memory element of FIG. 6B can be completed.

上記手順によれば、結晶性の違いによる酸化レートの違いを利用することにより、特に工程を増やすことなく、シリコン酸化膜14のうちゲート電極13の側壁13bに沿った部分の膜厚を選択的に厚くすることができる。したがって、安定した書換え特性を有し、信頼性が高いメモリ素子を簡単な工程で形成することが可能となる。   According to the above procedure, by using the difference in the oxidation rate due to the difference in crystallinity, the film thickness of the portion along the side wall 13b of the gate electrode 13 in the silicon oxide film 14 can be selectively selected without increasing the number of processes. Can be thickened. Therefore, a memory element having stable rewriting characteristics and high reliability can be formed by a simple process.

(第3実施形態)
図7A、図7Bは、それぞれ第3実施形態の半導体記憶装置としての不揮発性メモリセルのチャネル長方向に沿った断面を示している。
(Third embodiment)
7A and 7B show cross sections along the channel length direction of the nonvolatile memory cell as the semiconductor memory device of the third embodiment.

図7Aに示すように、半導体基板111の表面111a上にゲート絶縁膜114が形成され、このゲート絶縁膜114上に通常のトランジスタと同程度のゲート長、例えば0.015μm〜0.5μm程度の断面略矩形状のゲート電極117が形成されている。半導体基板111の上方でゲート電極117の両側に相当する位置に、それぞれゲート電極117に対して側方に離間して、離散的な電荷保持部161、162が形成されている。また、半導体基板111の表面111aのうちゲート電極117の両側に相当する部分を占めるように、第1の拡散層領域112及び第2の拡散層領域113(ソース/ドレイン領域)が形成されている。半導体基板111の表面111aのうち第1の拡散層領域112と第2の拡散層領域113との間に相当する領域がチャネル領域となる。この例では、このソース/ドレイン領域112、113は、ゲート電極117の側壁117b,117bに対して側方に離間(オフセット)している。つまり、半導体基板111の表面111aのうちゲート電極117の直下に対応する領域170とソース/ドレイン領域17、18との間に、それぞれゲート電極117に覆われていないオフセット領域171,171が設けられている。   As shown in FIG. 7A, a gate insulating film 114 is formed on a surface 111a of a semiconductor substrate 111, and a gate length similar to that of a normal transistor, for example, about 0.015 μm to 0.5 μm is formed on the gate insulating film 114. A gate electrode 117 having a substantially rectangular cross section is formed. Discrete charge holding portions 161 and 162 are formed at positions corresponding to both sides of the gate electrode 117 above the semiconductor substrate 111 and spaced apart from the gate electrode 117 laterally. The first diffusion layer region 112 and the second diffusion layer region 113 (source / drain regions) are formed so as to occupy portions corresponding to both sides of the gate electrode 117 in the surface 111a of the semiconductor substrate 111. . A region corresponding to a portion between the first diffusion layer region 112 and the second diffusion layer region 113 in the surface 111a of the semiconductor substrate 111 is a channel region. In this example, the source / drain regions 112 and 113 are laterally separated (offset) from the side walls 117b and 117b of the gate electrode 117. That is, offset regions 171 and 171 that are not covered with the gate electrode 117 are provided between the region 170 corresponding to the surface 111 a of the semiconductor substrate 111 immediately below the gate electrode 117 and the source / drain regions 17 and 18, respectively. ing.

図7Aのメモリ素子では、電荷保持部161、162が電荷を保持する領域(電荷を蓄える領域であって、電荷を保持する機能を有する物体であってもよい)142と電荷を逃げにくくする領域(電荷を逃げにくくする機能を有する膜であってもよい)141、143とから構成される。例えば、上記メモリ素子はODO構造を有している。すなわち、第2の絶縁体からなる膜の一例としてのシリコン酸化膜141と、第3の絶縁体からなる膜の一例としてのシリコン酸化膜143との間に、第1の材料からなるナノドットの一例としてのナノドット142が挟まれ、電荷保持部161、162を構成している。ここで、ナノドット142は電荷を保持する機能を果たす。また、シリコン酸化膜141、143はナノドット142中に蓄えられた電荷を逃げにくくする機能を有する膜の役割を果たす。   In the memory element of FIG. 7A, the charge holding portions 161 and 162 hold a charge (a charge storage area and may be an object having a charge holding function) 142 and a charge prevention area. (It may be a film having a function of making it difficult to escape charges) 141 and 143. For example, the memory element has an ODO structure. That is, an example of the nanodot made of the first material between the silicon oxide film 141 as an example of the film made of the second insulator and the silicon oxide film 143 as an example of the film made of the third insulator. The nanodots 142 are sandwiched between the charge holding portions 161 and 162. Here, the nanodot 142 functions to retain electric charge. In addition, the silicon oxide films 141 and 143 serve as films having a function of making it difficult for the charges stored in the nanodots 142 to escape.

また、電荷保持部161、162における電荷を保持する領域(ナノドット)142は、拡散層領域112、113とそれぞれオーバーラップしている。ここで、オーバーラップするとは、拡散層領域112、113の少なくとも一部の領域上に、電荷を保持する領域(ナノドット142)の少なくとも一部が存在することを意味する。   In addition, the regions (nanodots) 142 for holding charges in the charge holding units 161 and 162 overlap with the diffusion layer regions 112 and 113, respectively. Here, the term “overlap” means that at least a part of the region (nanodot 142) that retains the charge exists on at least a part of the diffusion layer regions 112 and 113.

図8Aは、図7Aに記載したメモリ素子の右側の電荷保持部162付近の拡大図である。この図8Aを用いて、電荷保持部161、162における電荷を保持する領域(ナノドット142)と拡散層領域112、113とがオーバーラップすることによる効果を、次に説明する。   FIG. 8A is an enlarged view of the vicinity of the charge holding portion 162 on the right side of the memory element shown in FIG. 7A. Next, the effect of overlapping the charge holding regions 161 and 162 in the charge holding portions 161 and 162 (nanodots 142) and the diffusion layer regions 112 and 113 will be described with reference to FIG. 8A.

図8A中のW1はゲート電極114と拡散層領域113とのオフセット量を示す。また、W2はゲート電極114のチャネル長方向の切断面における電荷保持部162の幅を示す。なお、電荷保持部162のうちナノドット142のゲート電極117から遠い側の端が、ゲート電極117から遠い側の電荷保持部162の端と一致しているため、電荷保持部162の幅をW2として定義した。電荷保持部162と拡散層領域113とのオーバーラップ量はW2−W1で表される。この実施形態で、特に重要なことは、電荷保持部162のうちナノドット142が、拡散層領域113とオーバーラップする、つまり、W2>W1なる関係を満たすことである。   W1 in FIG. 8A indicates an offset amount between the gate electrode 114 and the diffusion layer region 113. W2 represents the width of the charge holding portion 162 at the cut surface of the gate electrode 114 in the channel length direction. In addition, since the end of the nanodot 142 far from the gate electrode 117 in the charge holding portion 162 coincides with the end of the charge holding portion 162 far from the gate electrode 117, the width of the charge holding portion 162 is set to W2. Defined. The amount of overlap between the charge holding portion 162 and the diffusion layer region 113 is represented by W2-W1. In this embodiment, what is particularly important is that the nanodots 142 in the charge holding portion 162 overlap with the diffusion layer region 113, that is, satisfy the relationship of W2> W1.

図8Aの構造において、電荷保持部162の幅W2を100nmに固定し、オフセット量W1を変化させたときのドレイン電流を調べた。ここで、ドレイン電流は、電荷保持部162を消去状態(ホールが蓄積されている)とし、シミュレーションを行った。その結果、W1が100nm以上(すなわち、ナノドット142と拡散層領域112とがオーバーラップしない)の場合は、ドレイン電流が急速に減少している。ドレイン電流値は、読出し動作速度にほぼ比例するので、W1が100nm以上の場合はメモリの性能は急速に劣化する。一方、ナノドット142と拡散層領域とがオーバーラップする範囲においては、ドレイン電流の減少は緩やかである。したがって、電荷を保持する機能を有するナノドット142の少なくとも一部とソース/ドレイン領域(拡散層領域)とがオーバーラップすることが好ましい。これと同様に、電荷保持部161においても、電荷を保持する機能を有するナノドット142の少なくとも一部とソース/ドレイン領域(拡散層領域)とがオーバーラップすることが好ましい。   In the structure of FIG. 8A, the drain current when the width W2 of the charge holding portion 162 is fixed to 100 nm and the offset amount W1 is changed was examined. Here, the drain current was simulated with the charge holding portion 162 in an erased state (holes accumulated). As a result, when W1 is 100 nm or more (that is, the nanodots 142 and the diffusion layer region 112 do not overlap), the drain current rapidly decreases. Since the drain current value is substantially proportional to the read operation speed, the memory performance deteriorates rapidly when W1 is 100 nm or more. On the other hand, in the range where the nanodot 142 and the diffusion layer region overlap, the decrease in the drain current is moderate. Therefore, it is preferable that at least a part of the nanodots 142 having a function of holding charges overlap with the source / drain regions (diffusion layer regions). Similarly, in the charge holding unit 161, it is preferable that at least a part of the nanodots 142 having a function of holding charges overlap with the source / drain regions (diffusion layer regions).

図7A中に示す電荷保持部161に記憶された情報の読み出しは、第1実施形態と同様に、拡散層領域112をソース電極とし、拡散層領域113をドレイン領域としてチャネル領域中のドレイン領域113に近い側にピンチオフ点を形成するのが好ましい。すなわち、2つの電荷保持部161、162のうち一方に記憶された情報を読み出す時に、ピンチオフ点をチャネル領域内であって、他方の電荷保持部に近い領域に形成させるのが好ましい。これにより、電荷保持部162の記憶状況の如何にかかわらず、電荷保持部161の記憶情報を感度よく検出することができ、2ビット動作を可能にする大きな要因となる。   As in the first embodiment, the information stored in the charge holding unit 161 shown in FIG. 7A is read out using the diffusion layer region 112 as a source electrode, the diffusion layer region 113 as a drain region, and the drain region 113 in the channel region. It is preferable to form a pinch-off point on the side close to. That is, when reading the information stored in one of the two charge holding portions 161 and 162, it is preferable to form the pinch-off point in the channel region and in the region close to the other charge holding portion. This makes it possible to detect the stored information of the charge holding unit 161 with high sensitivity regardless of the storage state of the charge holding unit 162, which is a major factor enabling 2-bit operation.

一方、2つの電荷保持部の片側のみに情報を記憶させる場合又は2つの電荷保持部を同じ記憶状態にして使用する場合には、読出し時に必ずしもピンチオフ点を形成しなくてもよい。   On the other hand, when information is stored only on one side of the two charge holding units or when the two charge holding units are used in the same storage state, the pinch-off point does not necessarily have to be formed at the time of reading.

なお、半導体基板111の表面111aにウェル領域(Nチャネル素子の場合はP型ウェル)を形成することが好ましい。ウェル領域を形成することにより、チャネル領域の不純物濃度をメモリ動作(書換え動作及び読出し動作)に最適な濃度にしつつ、その他の電気特性(耐圧、接合容量、短チャネル効果)を制御するのが容易になる。   Note that a well region (a P-type well in the case of an N-channel element) is preferably formed on the surface 111a of the semiconductor substrate 111. By forming the well region, it is easy to control other electrical characteristics (breakdown voltage, junction capacitance, short channel effect) while making the impurity concentration of the channel region optimal for memory operation (rewrite operation and read operation). become.

既述のように、電荷保持部161、162は、メモリの保持特性を向上させる観点から、電荷を保持する機能を有するナノドット142と絶縁膜とを含んでいるのが好ましい。図7Aのメモリ素子では、電荷保持膜として電荷をトラップする準位を有するナノドット142、絶縁膜として電荷保持膜に蓄積された電荷の散逸を防ぐ働きのあるシリコン酸化膜141、143を用いている。電荷保持部がナノドット142と絶縁膜とを含むことにより電荷の散逸を防いで保持特性を向上させることができる。さらに、電荷保持部がナノドット142のみで構成される場合に比べてナノドットの体積を適度に小さくすることができる。ナノドット142の体積を適度に小さくすることによりナノドット142間での電荷の移動を制限し、記憶保持中に電荷移動による特性変化が起こるのを抑制することができる。   As described above, the charge holding units 161 and 162 preferably include nanodots 142 having a function of holding charges and an insulating film from the viewpoint of improving the holding characteristics of the memory. In the memory element of FIG. 7A, nanodots 142 having a level for trapping charges are used as the charge holding film, and silicon oxide films 141 and 143 having a function of preventing the dissipation of charges accumulated in the charge holding film are used as the insulating film. . By including the nanodots 142 and the insulating film in the charge holding portion, charge dissipation can be prevented and the holding characteristics can be improved. Furthermore, the volume of the nanodots can be appropriately reduced as compared with the case where the charge holding portion is composed only of the nanodots 142. By appropriately reducing the volume of the nanodots 142, it is possible to limit the movement of charges between the nanodots 142, and to suppress the characteristic change caused by the movement of charges during storage.

また、電荷保持部161、162は、ゲート絶縁膜114の表面と略平行に配置されるナノドットを含むこと、言い換えると、電荷保持部162のナノドット142がゲート絶縁膜114の表面と実質的に平行な面上に配列されているのが好ましい。より具体的には、電荷保持部161、162における複数のナノドット142の下面が、ゲート絶縁膜114の上面に対して互いに等しい高低差を有するように配置されることが好ましい。電荷保持部162中に、ゲート絶縁膜114表面と略平行なナノドット142があることにより、ナノドット142に蓄積された電荷の多寡によりオフセット領域171での反転層の形成されやすさを効果的に制御することができ、ひいてはメモリ効果を大きくすることができる。また、ナノドット142をゲート絶縁膜114の表面と略平行とすることにより、オフセット量(W1)がばらついた場合でもメモリ効果の変化を比較的小さく保つことができ、メモリ効果のばらつきを抑制することができる。しかも、ナノドット142の上方への電荷の移動が抑制され、記憶保持中に電荷移動による特性変化が起こるのを抑制することができる。   In addition, the charge holding portions 161 and 162 include nanodots arranged substantially parallel to the surface of the gate insulating film 114, in other words, the nanodots 142 of the charge holding portion 162 are substantially parallel to the surface of the gate insulating film 114. It is preferable that they are arranged on a flat surface. More specifically, the lower surfaces of the plurality of nanodots 142 in the charge holding portions 161 and 162 are preferably arranged so as to have the same height difference with respect to the upper surface of the gate insulating film 114. The presence of the nanodots 142 substantially parallel to the surface of the gate insulating film 114 in the charge holding portion 162 effectively controls the ease with which the inversion layer is formed in the offset region 171 by the amount of charges accumulated in the nanodots 142. This can increase the memory effect. Further, by making the nanodots 142 substantially parallel to the surface of the gate insulating film 114, even when the offset amount (W1) varies, the change in the memory effect can be kept relatively small, and variations in the memory effect can be suppressed. Can do. In addition, the movement of charges upward of the nanodots 142 is suppressed, and it is possible to suppress changes in characteristics due to the charge movement during storage.

さらに、電荷保持部162は、ゲート絶縁膜114の表面と略平行なナノドット142とチャネル領域(又はウェル領域)とを隔てる絶縁膜(例えば、シリコン酸化膜141のうちオフセット領域171上の部分)を含むことが好ましい。この絶縁膜により、ナノドットに蓄積された電荷の散逸が抑制され、さらに保持特性の良いメモリ素子を得ることができる。   Further, the charge holding portion 162 is an insulating film (for example, a portion of the silicon oxide film 141 on the offset region 171) that separates the nanodot 142 substantially parallel to the surface of the gate insulating film 114 and the channel region (or well region). It is preferable to include. With this insulating film, dissipation of charges accumulated in the nanodots is suppressed, and a memory element with better holding characteristics can be obtained.

なお、ナノドット142の粒径、分布、膜厚を制御すると共に、ナノドット142下の絶縁膜(シリコン酸化膜141のうちオフセット領域171上の部分)の膜厚を一定に制御することにより、半導体基板111の表面111aからナノドット142中に蓄えられる電荷までの距離を概ね一定に保つことが可能となる。つまり、半導体基板表面111aからナノドット142に蓄えられる電荷までの距離を、ナノドット142下の絶縁膜の最小膜厚値から、ナノドット142下の絶縁膜の最大膜厚値とナノドット142の粒径値との和までの間に制御することができる。これにより、ナノドット142に蓄えられた電荷により発生する電気力線の密度を概ね制御することが可能となり、メモリ素子のメモリ効果の大きさばらつきを非常に小さくすることが可能となる。   The semiconductor substrate is controlled by controlling the particle size, distribution, and film thickness of the nanodots 142 and by controlling the film thickness of the insulating film below the nanodots 142 (the portion of the silicon oxide film 141 above the offset region 171) to be constant. It becomes possible to keep the distance from the surface 111a of 111 to the electric charge stored in the nanodot 142 substantially constant. That is, the distance from the semiconductor substrate surface 111a to the charge stored in the nanodots 142 is determined from the minimum film thickness value of the insulating film under the nanodot 142, the maximum film thickness value of the insulating film under the nanodot 142, and the particle size value of the nanodot 142. Can be controlled until the sum of As a result, the density of the lines of electric force generated by the charges stored in the nanodots 142 can be generally controlled, and the size variation of the memory effect of the memory element can be extremely reduced.

書換え動作時に電荷がナノドット142に注入されるのは、発生した電荷がオフセット領域171における電界により引き込まれるためである。したがって、オフセット領域171上に配置されたナノドット142を含むことにより、書換え動作時に電荷保持部162に注入される電荷が増加し、書換え速度が増大する。   The charge is injected into the nanodots 142 during the rewrite operation because the generated charges are drawn by the electric field in the offset region 171. Therefore, by including the nanodots 142 arranged on the offset region 171, the charge injected into the charge holding unit 162 during the rewrite operation increases, and the rewrite speed increases.

なお、シリコン酸化膜143の部分がシリコン窒化膜であった場合、つまり、電荷保持膜がゲート絶縁膜114の表面に対応する高さに対して均一でない場合、シリコン窒化膜の上方向への電荷の移動が顕著になって、保持特性が悪化する。   When the silicon oxide film 143 is a silicon nitride film, that is, when the charge holding film is not uniform with respect to the height corresponding to the surface of the gate insulating film 114, the upward charge of the silicon nitride film Movement becomes remarkable, and the holding characteristics deteriorate.

さらに、電荷保持部161、162は、ゲート絶縁膜114の表面と略平行なナノドットとチャネル領域(又はウェル領域)とを隔てる絶縁膜(シリコン酸化膜141のうちオフセット領域171上の部分)をさらに含むことが好ましい。この絶縁膜により、ナノドット142に蓄積された電荷の散逸が抑制され、さらに保持特性を向上させることができる。   Furthermore, the charge holding portions 161 and 162 further provide an insulating film (a portion of the silicon oxide film 141 on the offset region 171) that separates the nanodots substantially parallel to the surface of the gate insulating film 114 and the channel region (or well region). It is preferable to include. With this insulating film, dissipation of charges accumulated in the nanodots 142 is suppressed, and retention characteristics can be further improved.

図7Bは、図7Aのメモリ素子の変形例を示している。また、図8Bは、図7Bに記載したメモリ素子の右側の電荷保持部162付近の拡大図である。   FIG. 7B shows a modification of the memory element of FIG. 7A. FIG. 8B is an enlarged view of the vicinity of the charge holding portion 162 on the right side of the memory element shown in FIG. 7B.

図7Aのメモリ素子では、電荷保持部161、162の第3の絶縁体としてシリコン酸化膜(層間絶縁膜)143が用いられていた。これに対して、この図7Bのメモリ素子では、電荷保持部161、162の第3の絶縁体としてシリコン窒化膜152が用いられている点のみが異なっている。シリコン窒化膜152は、半導体基板111の表面111aに沿った部分152aとゲート電極117の側壁117bとに沿った部分152bとを含む断面L状の膜である。これに応じて、第2の絶縁体としてシリコン酸化膜141は、半導体基板111の表面111aに沿った部分とゲート電極117の側壁117bとに沿った部分とを含む断面L状の膜になっている。ナノドット142は、第3の絶縁体としてのシリコン窒化膜152のうち半導体基板111の表面111aに沿った部分152aとそれに接する第2の絶縁体としてシリコン酸化膜141との界面に沿って設けられている。なお、シリコン酸化膜(層間絶縁膜)143は、ゲート電極117の上面13aやシリコン窒化膜152上を厚く覆っている。   In the memory element of FIG. 7A, a silicon oxide film (interlayer insulating film) 143 is used as the third insulator of the charge holding portions 161 and 162. On the other hand, the memory element of FIG. 7B is different only in that the silicon nitride film 152 is used as the third insulator of the charge holding portions 161 and 162. The silicon nitride film 152 is a film having an L-shaped cross section including a portion 152 a along the surface 111 a of the semiconductor substrate 111 and a portion 152 b along the side wall 117 b of the gate electrode 117. Accordingly, the silicon oxide film 141 as the second insulator is an L-shaped film including a portion along the surface 111 a of the semiconductor substrate 111 and a portion along the side wall 117 b of the gate electrode 117. Yes. The nanodots 142 are provided along the interface between the portion 152a along the surface 111a of the semiconductor substrate 111 of the silicon nitride film 152 as the third insulator and the silicon oxide film 141 as the second insulator in contact therewith. Yes. The silicon oxide film (interlayer insulating film) 143 covers the upper surface 13a of the gate electrode 117 and the silicon nitride film 152 thickly.

図7Bのメモリ素子は、図7Aのメモリ素子におけるのと同様の作用効果を奏する。   The memory element of FIG. 7B has the same effect as that of the memory element of FIG. 7A.

(第4実施形態)
図9A、図9Bを用いて、ゲート電極117、電荷保持部161,162、及びソース/ドレイン領域112,113のチャネル長方向の配置の最適化について説明する。なお、図9A、図9B中に示すメモリ素子自体は、それぞれ図7A、図7Bのメモリ素子(第3実施形態)と同じものである。
(Fourth embodiment)
The optimization of the arrangement in the channel length direction of the gate electrode 117, the charge holding portions 161 and 162, and the source / drain regions 112 and 113 will be described with reference to FIGS. 9A and 9B. The memory elements themselves shown in FIGS. 9A and 9B are the same as the memory elements (third embodiment) in FIGS. 7A and 7B, respectively.

図9A、図9B中のAはチャネル長方向の切断面におけるゲート電極117の寸法(ゲート電極長)を示し、Bはソース/ドレイン領域112,113間の距離(チャネル長)を示している。また、Cは一方の電荷保持部161のゲート電極から遠い側の端と他方の電荷保持部162のゲート電極から遠い側の端との間の距離、つまり、チャネル長方向の切断面における一方の電荷保持部161内のゲート電極から最も遠いナノドット142の外端(ゲート電極から遠い側の端部)と他方の電荷保持部162のゲート電極から最も遠いナノドット142の外端(ゲート電極から遠い側の端部)との間の距離を示す。   9A and 9B, A indicates the dimension (gate electrode length) of the gate electrode 117 at the cut surface in the channel length direction, and B indicates the distance (channel length) between the source / drain regions 112 and 113. FIG. C is the distance between the end of one charge holding portion 161 far from the gate electrode and the end of the other charge holding portion 162 far from the gate electrode, that is, one of the cut surfaces in the channel length direction. The outer end of the nanodot 142 farthest from the gate electrode in the charge holding portion 161 (the end far from the gate electrode) and the outer end of the nanodot 142 farthest from the gate electrode of the other charge holding portion 162 (the side far from the gate electrode) The distance to the end of ().

これらのメモリ素子では、まず、B<Cであることが好ましい。チャネル領域のうちゲート電極117の直下の部分とソース/ドレイン領域112、113との間にはそれぞれオフセット領域171が存する。B<Cにより、電荷保持部161、162(ナノドット142)に蓄積された電荷により、オフセット領域171の全領域において、反転の容易性が効果的に変動する。したがって、メモリ効果が増大し、特に読出し動作の高速化が実現する。   In these memory elements, first, it is preferable that B <C. An offset region 171 exists between a portion of the channel region immediately below the gate electrode 117 and the source / drain regions 112 and 113. By B <C, the ease of inversion effectively varies in the entire region of the offset region 171 due to the charges accumulated in the charge holding portions 161 and 162 (nanodots 142). Therefore, the memory effect is increased, and in particular, the reading operation is speeded up.

また、ゲート電極117とソース/ドレイン領域112、113がオフセットしている場合、つまり、A<Bが成立する場合には、ゲート電極に電圧を印加したときのオフセット領域の反転のしやすさが電荷保持部に蓄積された電荷量によって大きく変化し、メモリ効果が増大するとともに、短チャネル効果を低減することができる。ただし、メモリ効果が発現する限りにおいては、オフセット領域171が必ずしも存在する必要はない。オフセット領域171がない場合においても、ソース/ドレイン領域112、113の不純物濃度が十分に薄ければ、電荷保持部161、162(ナノドット142)においてメモリ効果が発現し得る。   Further, when the gate electrode 117 and the source / drain regions 112 and 113 are offset, that is, when A <B is established, the ease of inversion of the offset region when a voltage is applied to the gate electrode. This greatly changes depending on the amount of charge accumulated in the charge holding portion, and the memory effect increases and the short channel effect can be reduced. However, as long as the memory effect appears, the offset region 171 does not necessarily exist. Even in the absence of the offset region 171, if the impurity concentration of the source / drain regions 112 and 113 is sufficiently low, the memory effect can be exhibited in the charge holding portions 161 and 162 (nanodots 142).

したがって、A<B<Cであるのが最も好ましい。   Therefore, it is most preferable that A <B <C.

(第5実施形態)
図10は、第5実施形態の半導体記憶装置としての不揮発性メモリ素子のチャネル長方向に沿った断面を示している。
(Fifth embodiment)
FIG. 10 shows a cross section along the channel length direction of the nonvolatile memory element as the semiconductor memory device of the fifth embodiment.

図10に示すように、半導体基板2300の表面2300a上にゲート絶縁膜2301が形成され、このゲート絶縁膜2301上に通常のトランジスタと同程度のゲート長、例えば0.015μm〜0.5μm程度の断面略矩形状のゲート電極2303が形成されている。半導体基板2300の上方でゲート電極2303の両側に相当する位置に、それぞれゲート電極2303に対して側方に離間して、離散的な電荷保持部2361、2362が形成されている。また、半導体基板2300の表面2300aのうちゲート電極2303の両側に相当する部分を占めるように、第1の拡散層領域2304及び第2の拡散層領域2305(ソース/ドレイン領域)が形成されている。半導体基板2300の表面2300aのうち第1の拡散層領域2304と第2の拡散層領域2305との間に相当する領域がチャネル領域となる。この例では、このソース/ドレイン領域2304、2305は、ゲート電極2303の側壁2303b,2303bに対して側方に離間(オフセット)している。つまり、半導体基板2300の表面2300aのうちゲート電極2303の直下に対応する領域2370とソース/ドレイン領域2304、2305との間に、それぞれゲート電極2303に覆われていないオフセット領域2371,2371が設けられている。   As shown in FIG. 10, a gate insulating film 2301 is formed on a surface 2300a of a semiconductor substrate 2300, and a gate length similar to that of a normal transistor, for example, about 0.015 μm to 0.5 μm is formed on the gate insulating film 2301. A gate electrode 2303 having a substantially rectangular cross section is formed. Discrete charge holding portions 2361 and 2362 are formed at positions corresponding to both sides of the gate electrode 2303 above the semiconductor substrate 2300 and spaced laterally with respect to the gate electrode 2303, respectively. Further, a first diffusion layer region 2304 and a second diffusion layer region 2305 (source / drain regions) are formed so as to occupy portions corresponding to both sides of the gate electrode 2303 in the surface 2300a of the semiconductor substrate 2300. . A region corresponding to a portion between the first diffusion layer region 2304 and the second diffusion layer region 2305 in the surface 2300a of the semiconductor substrate 2300 is a channel region. In this example, the source / drain regions 2304 and 2305 are laterally separated (offset) from the side walls 2303b and 2303b of the gate electrode 2303. That is, offset regions 2371 and 2371 that are not covered with the gate electrode 2303 are provided between the region 2370 and the source / drain regions 2304 and 2305 in the surface 2300a of the semiconductor substrate 2300, which are directly below the gate electrode 2303, respectively. ing.

このメモリ素子では、離散的な電荷保持部2361、2362は、第1の材料かなる離散的電荷トラップの一例としてのナノドット2306が、第2の絶縁体からなる膜の一例としての下層をなすシリコン酸化膜2302と、第3の絶縁体かなる膜の一例としての上層をなすシリコン酸化膜(層間絶縁膜)2316で挟まれた構造を有している。すなわち本実施例では第2と第3の絶縁体は酸化シリコンである。各ナノドット2306は金属または半導体などの電荷を蓄積する能力のある材質からなる。シリコン酸化膜2302は、半導体基板2300の表面2300aとゲート電極2303の側壁2303bとに沿った断面L状の膜を含む。シリコン酸化膜(層間絶縁膜)2316は、ゲート電極2303の上面2303a等の上を厚く覆っている。   In this memory element, the discrete charge holding portions 2361 and 2362 are formed of a silicon dot formed by a nanodot 2306 as an example of a discrete charge trap made of a first material and a lower layer as an example of a film made of a second insulator. It has a structure sandwiched between an oxide film 2302 and an upper silicon oxide film (interlayer insulating film) 2316 as an example of a film made of a third insulator. That is, in this embodiment, the second and third insulators are silicon oxide. Each nanodot 2306 is made of a material capable of accumulating charges such as metal or semiconductor. The silicon oxide film 2302 includes a film having an L-shaped cross section along the surface 2300a of the semiconductor substrate 2300 and the side wall 2303b of the gate electrode 2303. A silicon oxide film (interlayer insulating film) 2316 covers the upper surface 2303a and the like of the gate electrode 2303 thickly.

このメモリ素子では、通常のナノドットを浮遊ゲート電極に用いたメモリやゲート電極横にポリシリコンやシリコン窒化物の電荷蓄積部をもつメモリとは異なる特徴的な動作が可能である。次に、例えば電荷保持部であるナノドット2306に電荷として電子を注入し書き込む動作について説明する。   This memory element can perform characteristic operations different from those of a memory using normal nanodots as a floating gate electrode and a memory having a charge storage portion of polysilicon or silicon nitride on the side of the gate electrode. Next, for example, an operation of injecting and writing electrons as charges in the nanodot 2306 which is a charge holding unit will be described.

通常のメモリでは電子の注入はソース・ドレイン2304及び2305の間のチャネル部よりFN(ファウラ−ノルデハイム)トンネルやホットエレクトロン注入により行う。これに対して、このメモリ素子では、ソース領域2304を接地電位にし、ゲート電極2203を正電位にすることにより、ソース2304から複数のナノドット2306へ順次電子をトンネルさせる。   In a normal memory, electrons are injected from the channel portion between the source / drain 2304 and 2305 by FN (Fowler-Nordeheim) tunnel or hot electron injection. On the other hand, in this memory element, electrons are sequentially tunneled from the source 2304 to the plurality of nanodots 2306 by setting the source region 2304 to the ground potential and the gate electrode 2203 to the positive potential.

図11は、図10のメモリ素子の左側の電荷保持部2361付近の模式的な拡大図である。電荷保持部2361を構成する各ナノドット2306a,2306b,2306c(適宜、2306で総称する。)は正方形状に表している。この図11を用いて、メモリ素子の動作を具体的に説明する。   FIG. 11 is a schematic enlarged view of the vicinity of the charge holding portion 2361 on the left side of the memory element of FIG. Each nanodot 2306a, 2306b, 2306c (generically referred to as 2306) constituting the charge holding portion 2361 is represented in a square shape. The operation of the memory element will be specifically described with reference to FIG.

まず読み出しを行う場合は、例えば基板2300としてP型半導体基板を使うものとして、ソース領域2304に接地電位を与え、ゲート電極2303に正電位を与える。この時、各ナノドット2306に電荷が蓄積されていなければ、チャネル領域が反転して、ソース領域2304、ドレイン領域2305間に電流が流れる。一方、ナノドット2306に電子が十分に蓄積されていれば、ナノドット2306の負電位の影響を強く受けて、ソース領域2034近くのチャネル領域では反転層が形成されにくくなっている。したがって、ゲート電極2303に同一電圧を印加して電流の大小を検出することで、ナノドット2306に蓄積されている電荷の多寡に応じて読み出し動作を行うことができる。この読み出し時のソース領域2034、ドレイン領域2305、ゲート電極2303への電圧印加条件ではナノドット2306へは電子が出入りしないような設計にしておく。具体的には、ナノドット2306とソース領域2304との間の距離T11、ナノドット2306とゲート電極2303との間の距離T12を、それぞれ読み出し時のバイアス印加条件下では電子が出入りしない程度の距離に設定しておく。   When reading is performed first, for example, a P-type semiconductor substrate is used as the substrate 2300, and a ground potential is applied to the source region 2304 and a positive potential is applied to the gate electrode 2303. At this time, if no charge is accumulated in each nanodot 2306, the channel region is inverted, and a current flows between the source region 2304 and the drain region 2305. On the other hand, if electrons are sufficiently accumulated in the nanodot 2306, the inversion layer is hardly formed in the channel region near the source region 2034 due to the strong influence of the negative potential of the nanodot 2306. Therefore, by applying the same voltage to the gate electrode 2303 and detecting the magnitude of the current, a reading operation can be performed according to the amount of charges accumulated in the nanodot 2306. The design is such that electrons do not enter and exit the nanodot 2306 under the condition of voltage application to the source region 2034, the drain region 2305, and the gate electrode 2303 at the time of reading. Specifically, the distance T11 between the nanodot 2306 and the source region 2304 and the distance T12 between the nanodot 2306 and the gate electrode 2303 are set to such a distance that electrons do not enter and exit under the bias application condition at the time of reading. Keep it.

一方、書込みを行う場合には、ソース領域2304に接地電位を与え、ゲート電極2303に正電位を与えるとともに、ソース領域2304とゲート電極2303との間の電位差を大きくする。これにより、ソース2304からソース2304に最も近い位置に配置されたナノドット2306aへ電子をトンネルさせる。ソース2304に最も近い位置に配置されたナノドット2306aに注入された電子は、ゲート電極2303により近い位置に配置されたナノドット2306b,2303cへ順次トンネルすることが可能である。このようにして、複数のナノドット2306a,2306b,2306cに電子を蓄積させる。   On the other hand, when writing is performed, a ground potential is applied to the source region 2304, a positive potential is applied to the gate electrode 2303, and a potential difference between the source region 2304 and the gate electrode 2303 is increased. As a result, electrons are tunneled from the source 2304 to the nanodot 2306 a disposed at the closest position to the source 2304. Electrons injected into the nanodots 2306a arranged closest to the source 2304 can be sequentially tunneled to the nanodots 2306b and 2303c arranged closer to the gate electrode 2303. In this way, electrons are accumulated in the plurality of nanodots 2306a, 2306b, and 2306c.

消去を行う場合には、書込み時と電位を反転させる。これにより、各ナノドット2306から電子を追い出す。この時、半導体基板2300の電位を例えばソース領域2304と同電位にして、各ナノドット2306から半導体基板2300へ電子を追い出すことができる。なお、本実施形態ではソース領域2304はN型、半導体基板2300はP型であるから、半導体基板2300の電位はソース領域2304の電位より低く設定しないほうが好ましい。半導体基板2300とソース領域2304との間でPN順方向電流が流れるのを防ぐためである。   When erasing is performed, the potential is reversed from that during writing. Thereby, electrons are expelled from each nanodot 2306. At this time, the potential of the semiconductor substrate 2300 can be set to the same potential as that of the source region 2304, for example, and electrons can be expelled from each nanodot 2306 to the semiconductor substrate 2300. Note that in this embodiment, since the source region 2304 is N-type and the semiconductor substrate 2300 is P-type, the potential of the semiconductor substrate 2300 is preferably not set lower than the potential of the source region 2304. This is to prevent a PN forward current from flowing between the semiconductor substrate 2300 and the source region 2304.

また、変形例では、第2の絶縁体としてのシリコン酸化膜2302のうちゲート電極2303の側壁2303bに沿った部分の厚さT12は半導体基板2300の表面2300aに沿った部分の厚さよりも薄く設定される。このようにした場合、ゲート電極2303からナノドット2306への電荷の注入(あるいはナノドット2306からゲート電極2303への電荷の放出)を行うことができる。したがって、半導体基板2300とナノドット2306との間で電荷のやりとりを行わずとも、メモリ動作が可能となる。したがって、半導体基板2300の表面2300aに沿って設けられた絶縁膜の劣化を抑制することができる。よって、メモリ素子の書換え特性が安定し、信頼性が向上する。   In the modification, the thickness T12 of the portion along the side wall 2303b of the gate electrode 2303 in the silicon oxide film 2302 as the second insulator is set to be smaller than the thickness of the portion along the surface 2300a of the semiconductor substrate 2300. Is done. In this case, charge injection from the gate electrode 2303 to the nanodot 2306 (or discharge of charge from the nanodot 2306 to the gate electrode 2303) can be performed. Accordingly, a memory operation can be performed without charge exchange between the semiconductor substrate 2300 and the nanodot 2306. Therefore, deterioration of the insulating film provided along the surface 2300a of the semiconductor substrate 2300 can be suppressed. Therefore, the rewrite characteristics of the memory element are stabilized and the reliability is improved.

上の説明では、図11を用いて図10の左側の電荷保持部2361付近に着目して説明を行ったが、図12に示すように、2ビット動作を行うためには、両側の電荷保持部2361、2362がそれぞれ複数のナノドット2306a,2306b,2306cを含むのが好ましい。ゲート電極2303の両側に電荷保持部2361、2362があっても、動作は、ソース・ドレインの関係を入れ替えるだけで基本的には図11に関して説明したのと同様である。ゲート電極2303の両側に電荷保持部2361、2362がある場合は、一方の電荷保持部の書換えまたは消去動作時に、他方の電荷保持部の電荷の保持状態が変化しないような動作条件にすることが好ましい。   In the above description, FIG. 11 is used to focus attention on the vicinity of the charge holding portion 2361 on the left side of FIG. 10. However, as shown in FIG. The portions 2361 and 2362 preferably include a plurality of nanodots 2306a, 2306b, and 2306c, respectively. Even if there are charge holding portions 2361 and 2362 on both sides of the gate electrode 2303, the operation is basically the same as that described with reference to FIG. When there are the charge holding portions 2361 and 2362 on both sides of the gate electrode 2303, the operation condition may be set so that the charge holding state of the other charge holding portion does not change during the rewriting or erasing operation of one charge holding portion. preferable.

ナノドット2306の材料としては金属又は半導体を用いることが好ましい。ナノドット2306の材料が金属又は半導体であれば、例えば窒化シリコンなどの欠陥に電荷を捕獲する場合に比べて、電子とホールのトラップされる欠陥が異なったり、電子とホールで電荷の出し入れのしやすさ、すなわち保持力が異なったりして動作を複雑になることを回避できる。   As a material of the nanodot 2306, it is preferable to use a metal or a semiconductor. If the material of the nanodot 2306 is a metal or a semiconductor, the defects in which electrons and holes are trapped are different from those in the case where charges are trapped in defects such as silicon nitride. That is, it is possible to avoid complicated operation due to different holding forces.

また、変形例では、ナノドット2306を2次元平面的に備えることができる。そのようにした場合、3次元的にトラップが分布している欠陥に電荷を捕獲するような記憶装置に比べて、制御性が良好である。   In the modification, the nanodot 2306 can be provided in a two-dimensional plane. In such a case, controllability is better than that of a storage device that traps charges in defects in which traps are three-dimensionally distributed.

このように、上述のメモリ素子では、ナノドット2306を用いている。特にナノドット2306の大きさが10nmより小さくなってくると、クーロンブロッケード効果が次第に顕在化してくる。この場合、ナノドット2306へ電荷を注入するための電極となりうる例えばソース領域2304、ドレイン領域2305、ゲート電極2303あるいは半導体基板2300などとナノドット2306とが直接電荷がトンネルできるような薄い絶縁膜で隔てられているだけであっても、電荷の出入りが制限される。したがって、メモリ動作が可能となる。記憶保持部にこのようなナノドット2306を用いない従来の記憶装置にこのような薄膜を用いると、電荷がリークして記憶を保持できないとか、読み出し等のメモリ動作時に、電荷が出入りして誤書込み、誤消去などの誤動作が起こった。したがって、本発明の製造方法により作製される記憶装置では従来の記憶装置より電荷保持部の絶縁膜を薄膜化できるため素子を小型化でき、より微細化が可能となる。また、上記10nm未満のように微少なナノドット2306を用いた場合、最小で電子一個単位での記憶が可能となるので、メモリ動作で充放電する電荷量を非常に少なくすることが可能である。したがって消費電力を極めて少なくすることが可能である。 As described above, the nanodot 2306 is used in the memory element described above. In particular, when the size of the nanodot 2306 becomes smaller than 10 nm, the Coulomb blockade effect gradually becomes apparent. In this case, for example, the source region 2304, the drain region 2305, the gate electrode 2303, or the semiconductor substrate 2300, which can be an electrode for injecting charges into the nanodot 2306, and the nanodot 2306 are separated by a thin insulating film that can directly tunnel the charge. Even if it is only, the entry and exit of charges is limited. Therefore, a memory operation is possible. If such a thin film is used in a conventional storage device that does not use such a nanodot 2306 in the memory holding unit, the charge leaks and the memory cannot be held, or the charge enters and exits during memory operation such as reading. Malfunctions such as erroneous erasure occurred. Therefore, in the memory device manufactured by the manufacturing method of the present invention, since the insulating film of the charge holding portion can be made thinner than in the conventional memory device, the element can be downsized and further miniaturized. Further, when the nano dot 2306 as small as less than 10 nm is used, it is possible to store in units of one electron at a minimum, so that the amount of charge to be charged / discharged in the memory operation can be extremely reduced. Therefore, power consumption can be extremely reduced.

この現象を、図12に示すように、一方の電荷保持部2361、他方の電荷保持部2362がそれぞれ3個のナノドット2306a,2306b,2306c(合計6個)を含む場合を例に挙げて説明する。ソース領域2304またはドレイン2305を第1の電極とし、ゲート電極を第2の電極とした場合に、第1の電極と第2の電極との間に少なくとも第1の電極により近い第1のナノドットと第2の電極により近い第2のナノドットの少なくとも2個のナノドットを有しており、第1の電極をナノドットへの電荷を出し入れが比較的容易な電極とし、第2の電極はナノドットへの電荷の出し入れが比較困難な電極とする。すなわち、第1の電極と第1のナノドットとの間の障壁(第1の障壁)の方が、第2の電極と第2のナノドットの間の障壁(第2の障壁)よりも電荷が通り抜けやすいものとする。両障壁が同じ物質からなる場合には、第1の障壁の方が第2の障壁より障壁の厚さが薄い。また、第1の電極と第2の電極とに異なる電圧を印加することで、第1の電極と第2の電極との間には電位差を与えることができる。   This phenomenon will be described by taking as an example the case where one charge holding portion 2361 and the other charge holding portion 2362 include three nanodots 2306a, 2306b, and 2306c (6 in total) as shown in FIG. . When the source region 2304 or the drain 2305 is the first electrode and the gate electrode is the second electrode, the first nanodots closer to the first electrode between the first electrode and the second electrode It has at least two nanodots of the second nanodot closer to the second electrode, the first electrode is an electrode that is relatively easy to put in and out the charge to the nanodot, and the second electrode has a charge to the nanodot. The electrode is difficult to put in and out. That is, electric charges pass through the barrier between the first electrode and the first nanodot (first barrier) more than the barrier between the second electrode and the second nanodot (second barrier). It should be easy. When both barriers are made of the same material, the first barrier is thinner than the second barrier. Further, by applying different voltages to the first electrode and the second electrode, a potential difference can be applied between the first electrode and the second electrode.

したがって、第1の電極から第1のナノドットへ注入した電荷は更に第1の電極と第2の電極との間の電位差からくる電場によって、第2のナノドットへ移動させることができる。ここで、第1の電極と第2の電極との間の電位差がなくなっても、第1の電極へ電荷がリークするためには第1のナノドットと第2のナノドットとの間の障壁(第3の障壁)と第1の障壁との少なくとも2重障壁となる。このため、更にリークを抑制することができる。また、第1の電極と第2の電極との間のナノドットの数を増やすことにより、上記のようなリークに対する障壁数を増やすことができ、更にリークの抑制が可能となる。   Therefore, the charge injected from the first electrode to the first nanodot can be further moved to the second nanodot by the electric field resulting from the potential difference between the first electrode and the second electrode. Here, even if the potential difference between the first electrode and the second electrode disappears, the barrier between the first nanodot and the second nanodot (the first nanodot) in order to leak the charge to the first electrode. 3 barriers) and the first barrier. For this reason, leak can be further suppressed. Further, by increasing the number of nanodots between the first electrode and the second electrode, it is possible to increase the number of barriers against the leak as described above, and to further suppress the leak.

(第6実施形態)
この第6実施形態のメモリ素子は、図7A、図7Bのメモリ素子(第3実施形態)における半導体基板111をSOI基板とする以外は、実質的に同様の構成を有する。
(Sixth embodiment)
The memory device of the sixth embodiment has substantially the same configuration except that the semiconductor substrate 111 in the memory device (third embodiment) of FIGS. 7A and 7B is an SOI substrate.

この場合、メモリ素子は、図示しない半導体基板上に埋め込み酸化膜が形成され、さらにその上にSOI層(シリコン層)が形成されている。このSOI層内には拡散層領域112,113が形成され、SOI層のうち拡散層領域112,113以外の領域はいわゆるボディ領域となっている。   In this case, in the memory element, a buried oxide film is formed on a semiconductor substrate (not shown), and an SOI layer (silicon layer) is further formed thereon. Diffusion layer regions 112 and 113 are formed in the SOI layer, and regions other than the diffusion layer regions 112 and 113 in the SOI layer are so-called body regions.

このメモリ素子によっても、第3実施形態のメモリ素子と同様の作用効果を奏する。さらに、拡散層領域112,113とボディ領域との接合容量を著しく小さくすることができるので、素子の高速化や低消費電力化が可能となる。   This memory element also has the same operational effects as the memory element of the third embodiment. Furthermore, since the junction capacitance between the diffusion layer regions 112 and 113 and the body region can be remarkably reduced, the device can be increased in speed and power consumption can be reduced.

(第7実施形態)
図13A、図13Bは、それぞれ第7実施形態の半導体記憶装置としての不揮発性メモリ素子のチャネル長方向に沿った断面を示している。
(Seventh embodiment)
13A and 13B show cross sections along the channel length direction of the nonvolatile memory element as the semiconductor memory device of the seventh embodiment, respectively.

図13A、図13Bのメモリ素子は、それぞれ図7A、図7Bのメモリ素子(第3実施形態)において、N型のソース/ドレイン領域112、113のチャネル側に隣接して、P型高濃度領域191、191を追加した構成をもつ。それ以外の構成は、実質的に第3実施形態のものと同様である。   13A and 13B are the P-type high-concentration regions adjacent to the channel side of the N-type source / drain regions 112 and 113 in the memory device of FIG. 7A and FIG. 7B, respectively (third embodiment). 191 and 191 are added. The other configuration is substantially the same as that of the third embodiment.

P型高濃度領域191におけるP型を与える不純物(例えばボロン)濃度は、チャネル領域内の他の領域192におけるP型を与える不純物濃度より高く設定されている。P型高濃度領域191におけるP型の不純物濃度は、例えば、5×1017cm−3〜1×1019cm−3程度が適当である。また、領域192のP型の不純物濃度は、例えば、5×1016cm−3〜1×1018cm−3とすることができる。 The P-type impurity concentration (for example, boron) concentration in the P-type high concentration region 191 is set higher than the impurity concentration in other regions 192 in the channel region. An appropriate P-type impurity concentration in the P-type high concentration region 191 is, for example, approximately 5 × 10 17 cm −3 to 1 × 10 19 cm −3 . The P-type impurity concentration in the region 192 can be set to, for example, 5 × 10 16 cm −3 to 1 × 10 18 cm −3 .

このように、P型高濃度領域191を設けることにより、拡散層領域112、113と半導体基板111との接合が、電荷保持部161、162の直下で急峻となる。そのため、書込み及び消去動作時にホットキャリアが発生し易くなり、書込み動作及び消去動作の電圧を低下させ、あるいは書込み動作及び消去動作を高速にすることが可能となる。さらに、領域192の不純物濃度は比較的薄いので、メモリが消去状態にあるときの閾値が低く、ドレイン電流は大きくなる。そのため、読出し速度が向上する。したがって、書換え電圧が低く又は書換え速度が高速で、かつ、読出し速度が高速なメモリ素子を得ることができる。   As described above, by providing the P-type high concentration region 191, the junction between the diffusion layer regions 112 and 113 and the semiconductor substrate 111 becomes steep immediately below the charge holding portions 161 and 162. For this reason, hot carriers are likely to be generated during writing and erasing operations, and the voltage of the writing and erasing operations can be reduced, or the writing and erasing operations can be performed at high speed. Further, since the impurity concentration in the region 192 is relatively low, the threshold value when the memory is in the erased state is low, and the drain current is large. Therefore, the reading speed is improved. Therefore, it is possible to obtain a memory element having a low rewrite voltage or a high rewrite speed and a high read speed.

また、半導体基板111の表面111aのうち、ソース/ドレイン領域112、113の端部に隣接して電荷保持部161、162の直下(すなわち、ゲート電極117の直下ではない)に相当する箇所にP型高濃度領域191、191を設けることにより、トランジスタ全体としての閾値は著しく上昇する。この上昇の程度は、P型高濃度領域191がゲート電極117の直下に設けられた場合に比べて著しく大きい。電荷保持部161、162のナノドット142に書込み電荷(トランジスタがNチャネル型の場合は電子)が蓄積した場合は、この差がいっそう大きくなる。一方、電荷保持部のナノドット142に十分な消去電荷(トランジスタがNチャネル型の場合は正孔)が蓄積された場合は、トランジスタ全体としての閾値は、ゲート電極下のチャネル領域(領域192)の不純物濃度で決まる閾値まで低下する。すなわち、消去時の閾値は、P型高濃度領域191の不純物濃度には依存せず、一方で、書込み時の閾値は非常に大きな影響を受ける。よって、半導体基板111の表面111aのうち、ソース/ドレイン領域112、113の端部に隣接して電荷保持部161、162の直下(すなわち、ゲート電極117の直下ではない)に相当する箇所にP型高濃度領域191、191を設けることにより、書込み時の閾値のみが非常に大きく変動し、メモリ効果(書込時と消去時での閾値の差)を著しく増大させることができる。   Further, P on the surface 111a of the semiconductor substrate 111 is adjacent to the end portions of the source / drain regions 112 and 113 and is located immediately below the charge holding portions 161 and 162 (that is, not directly below the gate electrode 117). By providing the mold high-concentration regions 191 and 191, the threshold value of the entire transistor is remarkably increased. The degree of this increase is significantly greater than when the P-type high concentration region 191 is provided immediately below the gate electrode 117. When write charges (electrons when the transistor is an N channel type) are accumulated in the nanodots 142 of the charge holding portions 161 and 162, this difference becomes even larger. On the other hand, when sufficient erasing charges (holes when the transistor is an N channel type) are accumulated in the nanodots 142 of the charge holding portion, the threshold value of the entire transistor is the channel region (region 192) under the gate electrode. Decreases to a threshold determined by the impurity concentration. That is, the threshold value at the time of erasing does not depend on the impurity concentration of the P-type high concentration region 191, while the threshold value at the time of writing is greatly influenced. Therefore, P on the surface 111 a of the semiconductor substrate 111 is adjacent to the ends of the source / drain regions 112 and 113 and is located immediately below the charge holding portions 161 and 162 (that is, not directly below the gate electrode 117). By providing the mold high-concentration regions 191 and 191, only the threshold value at the time of writing varies greatly, and the memory effect (the difference between the threshold value at the time of writing and the erasing time) can be remarkably increased.

(第8実施形態)
図14A、図14Bは、それぞれ第8実施形態の半導体記憶装置としての不揮発性メモリ素子のチャネル長方向に沿った断面を示している。
(Eighth embodiment)
14A and 14B show cross sections along the channel length direction of the nonvolatile memory element as the semiconductor memory device of the eighth embodiment, respectively.

図14A、図14Bのメモリ素子は、それぞれ図7A、図7Bのメモリ素子(第3実施形態)において、第2絶縁体としてのシリコン酸化膜141のうち電荷保持部161、162のナノドット142と半導体基板111の表面111a(チャネル領域又はウェル領域)とを隔てる部分の厚さ(T3)を、ゲート絶縁膜114の厚さ(T4)よりも薄く設定した構成をもつ。それ以外の構成は、実質的に第3実施形態のものと同様である。   14A and 14B are the same as the memory elements (third embodiment) of FIGS. 7A and 7B, respectively, and the nanodots 142 of the charge holding portions 161 and 162 and the semiconductor in the silicon oxide film 141 as the second insulator. The thickness (T3) of the portion separating the surface 111a (channel region or well region) of the substrate 111 is set to be thinner than the thickness (T4) of the gate insulating film 114. The other configuration is substantially the same as that of the third embodiment.

ゲート絶縁膜114については、メモリ素子の書換え動作時における耐圧の要請から、その厚さT4に下限値が存在する。しかし、シリコン酸化膜141の厚さT3は、ゲート絶縁膜114に対する耐圧の要請を受けないので、ゲート絶縁膜114の厚さT4よりも薄くすることが可能である。第2絶縁体としてのシリコン酸化膜141の厚さT3を薄くすることにより、電荷保持部161、162のナノドット142への電荷の注入が容易になり、書込み動作及び消去動作の電圧を低下させ、又は書込み動作及び消去動作を高速にすることが可能となる。また、ナノドット142に電荷が蓄積された時にチャネル領域又はウェル領域に誘起される電荷量が増えるため、メモリ効果を増大させることができる。   The gate insulating film 114 has a lower limit value in the thickness T4 due to a demand for withstand voltage during the rewrite operation of the memory element. However, since the thickness T3 of the silicon oxide film 141 does not receive a request for withstand voltage to the gate insulating film 114, it can be made thinner than the thickness T4 of the gate insulating film 114. By reducing the thickness T3 of the silicon oxide film 141 as the second insulator, it becomes easy to inject charges into the nanodots 142 of the charge holding portions 161 and 162, and the voltage for the write operation and the erase operation is reduced. Alternatively, the write operation and the erase operation can be performed at high speed. In addition, since the amount of charge induced in the channel region or the well region when charges are accumulated in the nanodots 142 increases, the memory effect can be increased.

したがって、T3<T4とすることにより、メモリ素子の耐圧性能を低下させることなく、書込み動作及び消去動作の電圧を低下させ、又は書込み動作及び消去動作を高速にし、さらにメモリ効果を増大することが可能となる。   Therefore, by setting T3 <T4, the voltage of the write operation and the erase operation can be lowered or the write operation and the erase operation can be speeded up and the memory effect can be further increased without reducing the withstand voltage performance of the memory element. It becomes possible.

なお、第2絶縁体としてのシリコン酸化膜141の厚さT3は、製造プロセスによる均一性や膜質が一定の水準を維持することが可能であり、かつ保持特性が極端に劣化しない限界となる0.8nm以上であることがより好ましい。   Note that the thickness T3 of the silicon oxide film 141 as the second insulator is a limit that allows the uniformity and film quality of the manufacturing process to be maintained at a constant level and that the holding characteristics are not extremely deteriorated. More preferably, it is 8 nm or more.

(第9実施形態)
図15A、図15Bは、それぞれ第9実施形態の半導体記憶装置としての不揮発性メモリ素子のチャネル長方向に沿った断面を示している。
(Ninth embodiment)
15A and 15B show cross sections along the channel length direction of the nonvolatile memory element as the semiconductor memory device of the ninth embodiment, respectively.

図15A、図15Bのメモリ素子は、それぞれ図7A、図7Bのメモリ素子(第3実施形態)において、第2絶縁体としてのシリコン酸化膜141のうち電荷保持部161、162のナノドット142と半導体基板111の表面111a(チャネル領域又はウェル領域)とを隔てる部分の厚さ(T3)を、ゲート絶縁膜114の厚さ(T4)よりも厚く設定した構成をもつ。それ以外の構成は、実質的に第3実施形態のものと同様である。   15A and 15B are the same as those in FIGS. 7A and 7B (third embodiment), and the nanodots 142 of the charge holding portions 161 and 162 and the semiconductor in the silicon oxide film 141 as the second insulator. The thickness (T3) of the portion separating the surface 111a (channel region or well region) of the substrate 111 is set to be thicker than the thickness (T4) of the gate insulating film 114. The other configuration is substantially the same as that of the third embodiment.

ゲート絶縁膜114については、メモリ素子の短チャネル効果防止の要請から、その厚さT4に上限値が存在する。しかし、シリコン酸化膜141の厚さT3は、短チャネル効果防止の要請とは無関係であるから、ゲート絶縁膜114の厚さT4よりも厚くすることが可能である。第2絶縁体としてのシリコン酸化膜141のT3を厚くすることにより、電荷保持部161、162のナノドット142に蓄積された電荷が散逸するのを防ぎ、メモリ素子の保持特性を改善することが可能となる。   The gate insulating film 114 has an upper limit on the thickness T4 due to the demand for preventing the short channel effect of the memory element. However, since the thickness T3 of the silicon oxide film 141 is irrelevant to the request for preventing the short channel effect, it can be made thicker than the thickness T4 of the gate insulating film 114. By increasing the thickness T3 of the silicon oxide film 141 as the second insulator, it is possible to prevent the charge accumulated in the nanodots 142 of the charge holding portions 161 and 162 from being dissipated and to improve the holding characteristics of the memory element. It becomes.

したがって、T3>T4とすることにより、メモリ素子の短チャネル効果を悪化させることなく、保持特性を改善することが可能となる。   Therefore, by setting T3> T4, the retention characteristics can be improved without deteriorating the short channel effect of the memory element.

なお、第2絶縁体としてのシリコン酸化膜141の厚さT3は、書換え速度の低下を考慮して、20nm以下であることが好ましい。   Note that the thickness T3 of the silicon oxide film 141 as the second insulator is preferably 20 nm or less in consideration of a decrease in the rewrite speed.

この発明の製造方法により作製される第1実施形態の半導体記憶装置としての不揮発性メモリ素子のチャネル長方向に沿った断面を示す図である。It is a figure which shows the cross section along the channel length direction of the non-volatile memory element as a semiconductor memory device of 1st Embodiment produced with the manufacturing method of this invention. 図1Aのメモリ素子の変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of the memory element of FIG. 1A. 図1Aに示したメモリ素子の左側の電荷保持部付近の拡大図である。FIG. 1B is an enlarged view of the vicinity of a charge holding unit on the left side of the memory element shown in FIG. 1A. 図1Bに示したメモリ素子の左側の電荷保持部付近の拡大図である。FIG. 3 is an enlarged view of the vicinity of a charge holding unit on the left side of the memory element shown in FIG. 1B. 図2A中の切断面線A−A’における、電子に対するエネルギーダイヤグラムを示す図である。It is a figure which shows the energy diagram with respect to the electron in the cut surface line A-A 'in FIG. 2A. 図1Bに示したメモリ素子の製造過程を示す図である。FIG. 1B is a diagram showing a manufacturing process of the memory element shown in FIG. 1B. 図1Bに示したメモリ素子の製造過程を示す図である。FIG. 1B is a diagram showing a manufacturing process of the memory element shown in FIG. 1B. 図1Bに示したメモリ素子の製造過程を示す図である。FIG. 1B is a diagram showing a manufacturing process of the memory element shown in FIG. 1B. 図1Bに示したメモリ素子の製造過程を示す図である。FIG. 1B is a diagram showing a manufacturing process of the memory element shown in FIG. 1B. 図1Bに示したメモリ素子の製造過程を示す図である。FIG. 1B is a diagram showing a manufacturing process of the memory element shown in FIG. 1B. 図1Bに示したメモリ素子の製造過程を示す図である。FIG. 1B is a diagram showing a manufacturing process of the memory element shown in FIG. 1B. 図1Aに示したメモリ素子の製造過程を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing process of the memory element shown to FIG. 1A. 図1Aに示したメモリ素子の製造過程を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing process of the memory element shown to FIG. 1A. 図1Aに示したメモリ素子の製造過程を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing process of the memory element shown to FIG. 1A. 図1Aに示したメモリ素子の製造過程を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing process of the memory element shown to FIG. 1A. この発明の製造方法により作製される第2実施形態の半導体記憶装置としての不揮発性メモリ素子のチャネル長方向に沿った断面を示す図である。It is a figure which shows the cross section along the channel length direction of the non-volatile memory element as a semiconductor memory device of 2nd Embodiment produced with the manufacturing method of this invention. 図6Aのメモリ素子の変形例を示す図である。FIG. 6B is a diagram showing a modification of the memory element in FIG. 6A. この発明の製造方法により作製される第3実施形態の半導体記憶装置としての不揮発性メモリ素子のチャネル長方向に沿った断面を示す図である。It is a figure which shows the cross section along the channel length direction of the non-volatile memory element as a semiconductor memory device of 3rd Embodiment produced by the manufacturing method of this invention. 図7Aのメモリ素子の変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of the memory element of FIG. 7A. 図7Aに示したメモリ素子の右側の電荷保持部付近の拡大図である。FIG. 7B is an enlarged view of the vicinity of the charge holding unit on the right side of the memory element shown in FIG. 7A. 図7Bに示したメモリ素子の右側の電荷保持部付近の拡大図である。FIG. 7B is an enlarged view of the vicinity of the charge holding unit on the right side of the memory element shown in FIG. 7B. 図7Aのメモリ素子における、ゲート電極、電荷保持部、及びソース/ドレイン領域のチャネル長方向の配置の最適化について説明する図である。FIG. 7B is a diagram illustrating optimization of the arrangement in the channel length direction of the gate electrode, the charge holding unit, and the source / drain region in the memory element of FIG. 7A. 図7Bのメモリ素子における、ゲート電極、電荷保持部、及びソース/ドレイン領域のチャネル長方向の配置の最適化について説明する図である。FIG. 7B is a diagram illustrating optimization of the arrangement in the channel length direction of the gate electrode, the charge holding unit, and the source / drain region in the memory element of FIG. 7B. この発明の第5実施形態の半導体記憶装置としての不揮発性メモリ素子のチャネル長方向に沿った断面を示す図である。It is a figure which shows the cross section along the channel length direction of the non-volatile memory element as a semiconductor memory device of 5th Embodiment of this invention. 図10のメモリ素子の左側の電荷保持部付近の模式的な拡大図である。FIG. 11 is a schematic enlarged view of the vicinity of a charge holding unit on the left side of the memory element of FIG. 10. 図10のメモリ素子の両側の電荷保持部を模式化して示す図である。FIG. 11 is a diagram schematically showing charge holding portions on both sides of the memory element of FIG. 10. この発明の製造方法により作製される第7実施形態の半導体記憶装置としての不揮発性メモリ素子のチャネル長方向に沿った断面を示す図である。It is a figure which shows the cross section along the channel length direction of the non-volatile memory element as a semiconductor memory device of 7th Embodiment produced by the manufacturing method of this invention. 図13Aのメモリ素子の変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of the memory element of FIG. 13A. この発明の製造方法により作製される第8実施形態の半導体記憶装置としての不揮発性メモリ素子のチャネル長方向に沿った断面を示す図である。It is a figure which shows the cross section along the channel length direction of the non-volatile memory element as a semiconductor memory device of 8th Embodiment produced by the manufacturing method of this invention. 図14Aのメモリ素子の変形例を示す図である。FIG. 14B is a diagram showing a modification of the memory element in FIG. 14A. この発明の製造方法により作製される第9実施形態の半導体記憶装置としての不揮発性メモリ素子のチャネル長方向に沿った断面を示す図である。It is a figure which shows the cross section along the channel length direction of the non-volatile memory element as a semiconductor memory device of 9th Embodiment produced by the manufacturing method of this invention. 図15Aのメモリ素子の変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of the memory element of FIG. 15A. 従来の不揮発性メモリの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the conventional non-volatile memory.

11、111、2300 半導体基板
13、117、2303 ゲート電極
61、62、161、162、2361、2362 電荷保持部
15、142、2306、2306a、2306b、2306c ナノドット
11, 111, 2300 Semiconductor substrate 13, 117, 2303 Gate electrode 61, 62, 161, 162, 2361, 2362 Charge holding unit 15, 142, 2306, 2306a, 2306b, 2306c Nanodot

Claims (3)

導体記憶装置を作製する半導体記憶装置の製造方法であって、
上記半導体記憶装置は、
半導体基板と、
上記半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜と、
上記ゲート絶縁膜上に形成された実質的に矩形状の断面をもつゲート電極と、
上記半導体基板の上方で上記ゲート電極の両側に相当する位置に、それぞれ上記ゲート電極に対して側方に離間して形成された2つの電荷保持部と、
上記半導体基板の表面のうち上記ゲート電極の両側に相当する部分を少なくとも占めるように、それぞれ上記ゲート電極および上記2つの電荷保持部に対して離間して形成された2つの拡散層領域と、
上記ゲート電極の下に配置されたチャネル領域とを備え、
上記電荷保持部は、電荷を蓄積する機能を有する第1の材料からなるナノドットが、上記ナノドットよりも上記半導体基板の表面および/または上記ゲート電極の側壁に近い側に配置された第2の絶縁体と、上記ナノドットに関して上記第2の絶縁体と反対の側に配置された第3の絶縁体との間に挟まれた構造を有し、
上記第2の絶縁体と第3の絶縁体とは互いに密度、材料または結晶構造が異なり、上記ナノドットは、上記第2の絶縁体と第3の絶縁体との間の界面のうち、上記ゲート絶縁膜の表面と実質的に平行な面内に自己整合的に形成され、
上記各電荷保持部の上記ナノドットに保持された電荷の多寡に応じて、上記ゲート電極に電圧を印加した際の上記一方の拡散層領域から他方の拡散層領域に流れる電流量を変化させるようになっており、
上記製造方法は、
上記半導体基板上にシリコン酸窒化膜からなる上記ゲート絶縁膜を形成する工程と、
上記ゲート絶縁膜上に、実質的に矩形状の断面をもつ上記ゲート電極を形成する工程と、
表面側に上記ゲート電極の断面形状を反映する厚さで、上記ゲート電極および上記ゲート電極の両側に相当する上記半導体基板上を覆うように、上記第2の絶縁体の材料となるシリコン酸化膜をCVD法により堆積又は熱酸化によって形成する工程と、
表面側に上記ゲート電極の断面形状を反映する厚さで、上記シリコン酸化膜を覆うように、上記第3の絶縁体の材料となるシリコン窒化膜をCVD法により堆積する工程と、
上記ゲート電極の両側に上記シリコン窒化膜のL状の断面が作るコーナ部を埋める厚さで、上記シリコン窒化膜を覆うように、犠牲シリコン酸化膜をCVD法により堆積する工程と、
異方性エッチングによるエッチバックを行って、上記ゲート電極の両側にそれぞれ上記第2の絶縁体の材料となるシリコン酸化膜、上記第3の絶縁体の材料となるシリコン窒化膜を断面L状に残すとともに、上記シリコン窒化膜のL状の断面が作るコーナ部に上記犠牲シリコン酸化膜を残して、上記ゲート電極の両側にサイドウォールスペーサを形成する工程と、
上記ゲート電極及びサイドウォールスペーサをマスクとしてイオン注入して、それぞれ上記ゲート電極に対して側方に離間した上記2つの拡散層領域を形成する工程と、
シリコン窒化膜のエッチングレートがシリコン酸化膜のエッチングレートより小さくなるエッチング条件で、上記サイドウォールスペーサをなす犠牲シリコン酸化膜を異方性エッチングにより除去して、上記各シリコン窒化膜を露出させる工程と、
上記ナノドットとなる第1の材料を、イオン注入より上記各シリコン窒化膜を通して導入する工程と、
熱処理を行って、上記第1の材料からなるナノドットを形成する工程とを少なくとも含むことを特徴する半導体記憶装置の製造方法。
A method of manufacturing a semiconductor memory device for producing a semi-conductor memory device,
The semiconductor memory device is
A semiconductor substrate;
A gate insulating film formed on the semiconductor substrate;
A gate electrode having a substantially rectangular cross section formed on the gate insulating film;
Two charge holding portions formed at positions corresponding to both sides of the gate electrode above the semiconductor substrate and spaced apart from the gate electrode laterally;
Two diffusion layer regions formed separately from the gate electrode and the two charge holding portions so as to occupy at least portions corresponding to both sides of the gate electrode on the surface of the semiconductor substrate;
A channel region disposed under the gate electrode,
The charge holding unit includes a second insulating layer in which nanodots made of a first material having a function of accumulating charges are disposed closer to the surface of the semiconductor substrate and / or the side wall of the gate electrode than the nanodots. Having a structure sandwiched between a body and a third insulator disposed on the opposite side of the second insulator with respect to the nanodot,
The second insulator and the third insulator are different from each other in density, material, or crystal structure, and the nanodot is connected to the gate of the interface between the second insulator and the third insulator. Formed in a self-aligned manner in a plane substantially parallel to the surface of the insulating film,
The amount of current flowing from the one diffusion layer region to the other diffusion layer region when a voltage is applied to the gate electrode is changed according to the amount of charges held in the nanodots of the charge holding units. And
The above manufacturing method is
Forming the gate insulating film made of a silicon oxynitride film on the semiconductor substrate;
Forming the gate electrode having a substantially rectangular cross section on the gate insulating film;
A silicon oxide film serving as a material for the second insulator so as to cover the gate electrode and the semiconductor substrate corresponding to both sides of the gate electrode with a thickness reflecting the cross-sectional shape of the gate electrode on the surface side Forming by CVD or deposition by thermal oxidation,
Depositing a silicon nitride film as a material of the third insulator by a CVD method so as to cover the silicon oxide film with a thickness reflecting the cross-sectional shape of the gate electrode on the surface side;
Depositing a sacrificial silicon oxide film by a CVD method so as to cover the silicon nitride film at a thickness that fills the corners formed by the L-shaped cross section of the silicon nitride film on both sides of the gate electrode;
Etch back by anisotropic etching is performed to form a silicon oxide film serving as the second insulator material on both sides of the gate electrode and a silicon nitride film serving as the third insulator material in an L-shaped cross section. Forming a sidewall spacer on both sides of the gate electrode, leaving the sacrificial silicon oxide film at a corner portion formed by an L-shaped cross section of the silicon nitride film;
Ion implantation using the gate electrode and sidewall spacer as a mask to form the two diffusion layer regions laterally separated from the gate electrode,
Removing the sacrificial silicon oxide film forming the sidewall spacer by anisotropic etching under an etching condition in which the etching rate of the silicon nitride film is lower than the etching rate of the silicon oxide film, and exposing each of the silicon nitride films; ,
Introducing the first material to be the nanodot through each silicon nitride film by ion implantation;
A method for manufacturing a semiconductor memory device, comprising: performing at least heat treatment to form nanodots made of the first material.
請求項に記載の半導体記憶装置の製造方法において、
上記ナノドットとなる第1の材料を上記各シリコン窒化膜を通して導入した後、上記各シリコン窒化膜を除去して、層間絶縁膜となるシリコン酸化膜を堆積する工程を含むことを特徴とする半導体記憶装置の製造方法。
The method of manufacturing a semiconductor memory device according to claim 1 ,
A semiconductor memory comprising: introducing the first material to be the nanodots through the silicon nitride films; and removing the silicon nitride films to deposit a silicon oxide film to be an interlayer insulating film. Device manufacturing method.
請求項に記載の半導体記憶装置の製造方法において、
上記熱処理を行って上記ナノドットを形成する工程では酸素が含まれる雰囲気中で熱処理を行うことを特徴とする半導体記憶装置の製造方法。
The method of manufacturing a semiconductor memory device according to claim 1 ,
A method for manufacturing a semiconductor memory device, characterized in that in the step of forming the nanodots by performing the heat treatment, the heat treatment is performed in an atmosphere containing oxygen.
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