JP5164405B2 - Nonvolatile semiconductor memory device - Google Patents

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Description

本発明は、電気的に書き込み、読み出し及び消去が可能な不揮発性半導体記憶装置並びにその作製方法に関する。特に当該不揮発性半導体記憶装置における浮遊ゲートの構成に関する。 The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory device which can be electrically written, read and erased, and a manufacturing method thereof. In particular, the present invention relates to a structure of a floating gate in the nonvolatile semiconductor memory device.

データを電気的に書き換え可能であり、電源を切ってもデータを記憶しておくことのできる不揮発性メモリの市場が拡大している。不揮発性メモリは、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field effect transistor)と類似の構造を有し、電荷を長期間蓄積することのできる領域がチャネル形成領域上に設けられているところに特徴がある。この電荷蓄積領域は絶縁層上に形成され、周囲と絶縁分離されていることから浮遊ゲートとも呼ばれている。浮遊ゲートは絶縁物で囲まれて周囲とは電気的に絶縁されているので、浮遊ゲートに電荷が注入されるとその電荷を保持し続けるという特性を持っている。浮遊ゲート上には、さらに絶縁層を介して制御ゲートと呼ばれるゲート電極を備えている。制御ゲートは、データの書き込みや読み出しの時に所定の電圧が印加されることから浮遊ゲートとは区別されている。 The market for nonvolatile memories that can electrically rewrite data and store data even when the power is turned off is expanding. The nonvolatile memory has a structure similar to that of a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) and is characterized in that a region capable of accumulating charges for a long period is provided on the channel formation region. This charge storage region is formed on an insulating layer and is also called a floating gate because it is isolated from the surroundings. Since the floating gate is surrounded by an insulator and is electrically insulated from the surroundings, the floating gate has a characteristic of continuing to hold the charge when the charge is injected into the floating gate. On the floating gate, a gate electrode called a control gate is further provided via an insulating layer. The control gate is distinguished from the floating gate because a predetermined voltage is applied when data is written or read.

このような構造を有する浮遊ゲート型の不揮発性メモリは、浮遊ゲートへの電荷の注入と、浮遊ゲートからの電荷の放出を電気的に制御してデータを記憶する仕組みとなっている。具体的に、浮遊ゲートへの電荷注入及び浮遊ゲートからの電荷放出は、チャネル形成領域が形成される半導体層と、制御ゲートの間に高電圧を印加して行われている。このときチャネル形成領域上の絶縁層には、ファウラー−ノルドハイム(Fowler−Nordheim)型(F−N型)トンネル電流(NAND型)又は熱電子(NOR型)が流れると言われている。このことより当該絶縁層はトンネル絶縁層とも呼ばれている。 The floating gate type nonvolatile memory having such a structure has a mechanism for storing data by electrically controlling charge injection into the floating gate and discharge of the charge from the floating gate. Specifically, charge injection into the floating gate and charge discharge from the floating gate are performed by applying a high voltage between the semiconductor layer in which the channel formation region is formed and the control gate. At this time, it is said that Fowler-Nordheim type (FN type) tunnel current (NAND type) or thermal electrons (NOR type) flow in the insulating layer on the channel formation region. Thus, the insulating layer is also called a tunnel insulating layer.

浮遊ゲート型の不揮発性メモリは、信頼性を保証するために、浮遊ゲートに貯えた電荷を10年以上保持できる特性が要求されている。そのためトンネル絶縁層には、トンネル電流が流れる厚さで形成しつつ、電荷が漏れてしまわないように、高い絶縁性が求められている。 Floating gate type non-volatile memories are required to have characteristics capable of retaining the charge stored in the floating gate for more than 10 years in order to guarantee reliability. For this reason, the tunnel insulating layer is required to have high insulating properties so as to prevent charges from leaking while being formed with a thickness through which a tunnel current flows.

また、トンネル絶縁層上に形成される浮遊ゲートは、チャネル形成領域が形成される半導体層と同じ半導体材料であるシリコンで形成されてる。具体的には、浮遊ゲートを多結晶シリコンで形成する方法が普及しており、例えば400nmの厚さにポリシリコン膜を堆積して形成したものが知られている(特許文献1参照)。
特開2000−58685号公報(第7頁、第7図)
The floating gate formed on the tunnel insulating layer is formed of silicon, which is the same semiconductor material as the semiconductor layer in which the channel formation region is formed. Specifically, a method of forming a floating gate with polycrystalline silicon is widespread, and for example, a method in which a polysilicon film is deposited to a thickness of 400 nm is known (see Patent Document 1).
JP 2000-58685 A (page 7, FIG. 7)

不揮発性メモリの浮遊ゲートとチャネル形成領域は同じシリコン材料で形成されるので、バンドモデルからみた伝導帯の底のエネルギーレベルは同じである。むしろ浮遊ゲートの方が、多結晶シリコンで形成され、その厚さを薄膜化しようとすると、伝導帯の底のエネルギーレベルがチャネル形成領域を形成する半導体層よりも高くなってしまう。このような状態が形成されると、チャネル形成領域を形成する半導体層から浮遊ゲートに電子が注入されにくくなってしまい、書き込み電圧を高くする必要がある。このため、浮遊ゲートを多結晶シリコンで形成する不揮発性メモリにおいて、書き込み電圧を少しでも下げるためには、当該浮遊ゲートにリン、ヒ素などのn型不純物を添加してフェルミ準位を伝導帯側にシフトさせる必要がある。 Since the floating gate and the channel formation region of the non-volatile memory are formed of the same silicon material, the energy level at the bottom of the conduction band as seen from the band model is the same. Rather, the floating gate is formed of polycrystalline silicon, and when the thickness is reduced, the energy level at the bottom of the conduction band becomes higher than that of the semiconductor layer forming the channel formation region. When such a state is formed, it becomes difficult to inject electrons from the semiconductor layer forming the channel formation region into the floating gate, and it is necessary to increase the writing voltage. For this reason, in a nonvolatile memory in which the floating gate is formed of polycrystalline silicon, in order to lower the write voltage as much as possible, an n-type impurity such as phosphorus or arsenic is added to the floating gate to bring the Fermi level to the conduction band side. It is necessary to shift to.

浮遊ゲートと半導体層の間に設けるゲート絶縁層に関しては、低電圧で浮遊ゲートに電荷を注入するためには当該ゲート絶縁層の厚さを薄くする必要がある。一方、浮遊ゲートの電荷を長期間安定的に保持させるためには、電荷の漏洩を防ぐために膜厚を厚くする必要がある。 With respect to the gate insulating layer provided between the floating gate and the semiconductor layer, it is necessary to reduce the thickness of the gate insulating layer in order to inject charges into the floating gate with a low voltage. On the other hand, in order to stably hold the charge of the floating gate for a long period of time, it is necessary to increase the film thickness in order to prevent charge leakage.

結局、従来の不揮発性メモリは、高い書き込み電圧が必要とされている。また電荷保持特性の繰り返しの書き換えによる劣化に対しては、冗長メモリセルを設けたりコントローラを工夫して、エラー検出/エラー訂正を行うなどの対処をして信頼性を確保している。 After all, the conventional nonvolatile memory requires a high write voltage. Further, with respect to deterioration due to repeated rewriting of the charge retention characteristic, reliability is ensured by taking measures such as providing redundant memory cells or devising a controller and performing error detection / error correction.

そこで本発明は、書き込み特性及び電荷保持特性に優れた不揮発性半導体記憶装置を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a nonvolatile semiconductor memory device that is excellent in writing characteristics and charge retention characteristics.

本発明は、互いに離間して形成された一対の不純物領域の間にチャネル形成領域が設けられる半導体層と、半導体層の上層部であってチャネル形成領域と略重なる位置に、第1の絶縁層、浮遊ゲート、第2の絶縁層、制御ゲートを有する不揮発性半導体記憶装置である。本発明において、浮遊ゲートは半導体材料を用いた複数の層で形成される。或いは、特定の半導体材料で形成される浮遊ゲートの第2の絶縁層側に接して、当該浮遊ゲートの耐水性を向上させ、腐食を防止するバリア性の層を設ける。浮遊ゲートを形成する半導体材料は、チャネル形成領域を形成する半導体層との関係において複数種の中から選択することができる。 The present invention includes a semiconductor layer in which a channel formation region is provided between a pair of impurity regions formed apart from each other, and a first insulating layer at a position that is an upper layer portion of the semiconductor layer and substantially overlaps the channel formation region , A non-volatile semiconductor memory device having a floating gate, a second insulating layer, and a control gate. In the present invention, the floating gate is formed of a plurality of layers using a semiconductor material. Alternatively, a barrier layer that improves the water resistance of the floating gate and prevents corrosion is provided in contact with the second insulating layer side of the floating gate formed of a specific semiconductor material. The semiconductor material for forming the floating gate can be selected from a plurality of types in relation to the semiconductor layer for forming the channel formation region.

浮遊ゲートを形成する半導体材料として、次に示す一又は複数の条件を満たすものを選択することができる。浮遊ゲートを形成する半導体材料のバンドギャップ(「バンドギャップ」ともいう)は、半導体層のバンドギャップより小さいことが好ましい。例えば、浮遊ゲートを形成する半導体材料のバンドギャップと、半導体層のバンドギャップは、0.1eV以上の差があって、前者の方が小さいことが好ましい。この浮遊ゲートに接して設ける第2の絶縁層のバンドギャップは、浮遊ゲートを形成する半導体材料のバンドギャップよりも大きいことが好ましい。 As a semiconductor material for forming the floating gate, a material that satisfies one or more of the following conditions can be selected. The band gap (also referred to as “band gap”) of the semiconductor material forming the floating gate is preferably smaller than the band gap of the semiconductor layer. For example, the band gap of the semiconductor material forming the floating gate and the band gap of the semiconductor layer have a difference of 0.1 eV or more, and the former is preferably smaller. The band gap of the second insulating layer provided in contact with the floating gate is preferably larger than the band gap of the semiconductor material forming the floating gate.

また、該半導体材料は、半導体層を形成する材料よりも電子親和力が大きい材料で形成されていることが好ましい。該半導体材料は、第1の絶縁層により形成される半導体層の電子に対する障壁エネルギーに対し、第1の絶縁層により形成される浮遊ゲートの電子に対する障壁エネルギーが高いことが好ましい。 The semiconductor material is preferably formed of a material having an electron affinity higher than that of the material forming the semiconductor layer. The semiconductor material preferably has a higher barrier energy against electrons of the floating gate formed by the first insulating layer than that of electrons of the semiconductor layer formed by the first insulating layer.

浮遊ゲートを形成する半導体材料として、代表的にはゲルマニウム若しくはゲルマニウム化合物であることが好ましい。 As a semiconductor material for forming the floating gate, typically, germanium or a germanium compound is preferable.

浮遊ゲートは電荷を蓄積する目的で、本発明に係る不揮発性半導体記憶装置に適用されるが、同様の機能を備えるものであれば、すなわち、電荷蓄積層として機能するものであれば、ゲルマニウム若しくはゲルマニウム化合物に限定されず、当該ゲルマニウム若しくはゲルマニウム化合物の酸化物若しくは窒化物、又は当該ゲルマニウム若しくはゲルマニウム化合物を含む酸化物若しくは窒化物の層で置き換えることもできる。 The floating gate is applied to the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention for the purpose of accumulating electric charge, but if it has a similar function, that is, if it functions as a charge accumulation layer, germanium or It is not limited to a germanium compound, and can be replaced with an oxide or nitride of the germanium or germanium compound, or an oxide or nitride layer containing the germanium or germanium compound.

また、ゲルマニウム若しくはゲルマニウム化合物で形成される浮遊ゲートに接する層として、シリコン若しくはシリコン化合物で形成される層を適用することが好ましい。シリコン化合物としては、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、炭化シリコン、ゲルマニウムを10原子%未満の濃度で含むシリコンゲルマニウム、金属窒化物、金属酸化物などを適用することができる。金属窒化物としては、窒化タンタル、窒化タングステン、窒化モリブデン、窒化チタンなどを用いることができる。金属酸化物としては、酸化タンタル、酸化チタン、酸化スズなどを用いることができる。 Further, it is preferable to apply a layer formed of silicon or a silicon compound as a layer in contact with the floating gate formed of germanium or a germanium compound. As the silicon compound, silicon nitride, silicon nitride oxide, silicon carbide, silicon germanium containing germanium at a concentration of less than 10 atomic%, metal nitride, metal oxide, or the like can be used. As the metal nitride, tantalum nitride, tungsten nitride, molybdenum nitride, titanium nitride, or the like can be used. As the metal oxide, tantalum oxide, titanium oxide, tin oxide, or the like can be used.

本発明に係る不揮発性半導体記憶装置において、半導体層は絶縁表面に形成され、島状に分離していることが好ましい。少なくとも、記憶素子を形成する半導体層と、ロジック回路を形成する半導体層は分割されていることが好ましい。すなわち本発明は、互いに離間して形成された一対の不純物領域の間にチャネル形成領域を有する半導体層と、半導体層の上層部であってチャネル形成領域と略重なる位置に、第1の絶縁層、浮遊ゲート、第2の絶縁層、制御ゲートを有する不揮発性半導体記憶装置であって、絶縁表面に半導体層が形成されたものを含んでいる。 In the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention, it is preferable that the semiconductor layer is formed on an insulating surface and separated into islands. At least a semiconductor layer forming a memory element and a semiconductor layer forming a logic circuit are preferably divided. That is, the present invention provides a semiconductor layer having a channel formation region between a pair of impurity regions formed apart from each other, and a first insulating layer at a position that is an upper layer portion of the semiconductor layer and substantially overlaps the channel formation region. , A non-volatile semiconductor memory device having a floating gate, a second insulating layer, and a control gate, in which a semiconductor layer is formed on an insulating surface.

半導体層上にトンネル絶縁層として機能する第1の絶縁層を介して浮遊ゲートを形成する場合に、少なくともゲルマニウムを含む半導体材料で浮遊ゲートを形成することにより、半導体層から浮遊ゲートへの電荷を注入しやすくし、浮遊ゲートにおける電荷保持特性を向上させることができる。さらに、浮遊ゲートに接して半導体材料若しくは、当該浮遊ゲートの耐水性を向上させ腐食を防止するバリア性の層を設けることにより、浮遊ゲートの劣化を抑制することができる。 In the case where the floating gate is formed over the semiconductor layer through the first insulating layer functioning as the tunnel insulating layer, the floating gate is formed of a semiconductor material containing at least germanium, so that the charge from the semiconductor layer to the floating gate can be reduced. Implantation can be facilitated, and charge retention characteristics in the floating gate can be improved. Further, by providing a semiconductor material or a barrier layer that prevents corrosion by improving the water resistance of the floating gate in contact with the floating gate, deterioration of the floating gate can be suppressed.

また、シリコンと近い性質の材料を用いて浮遊ゲートを形成することにより、生産性を損なうことなく特性の優れた不揮発性半導体記憶装置を製造することができる。ゲルマニウムはシリコンと同じ元素周期表第14族の材料であり、半導体であるので、製造設備に負担を強いることなく、薄膜の微細加工を行うことができる。 In addition, by forming a floating gate using a material having a property close to that of silicon, a nonvolatile semiconductor memory device having excellent characteristics can be manufactured without impairing productivity. Since germanium is a material belonging to Group 14 of the same periodic table as silicon and is a semiconductor, it can perform fine processing of a thin film without imposing a burden on a manufacturing facility.

本発明の実施の形態について、図面を用いて以下に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に説明する本発明の構成において、同じものを指す符号は異なる図面間で共通して用いる場合がある。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following description, and it is easily understood by those skilled in the art that modes and details can be variously changed without departing from the spirit and scope of the present invention. Therefore, the present invention should not be construed as being limited to the description of the embodiments below. Note that in the structures of the present invention described below, the same reference numerals may be used in common in different drawings.

図1は本発明に係る不揮発性半導体記憶装置の主要な構成を説明するための断面図である。図1は、特に不揮発性メモリ素子の要部を示している。この不揮発性メモリ素子は、絶縁表面を有する基板10を用いて作製されている。絶縁表面を有する基板10としては、ガラス基板、石英基板、サファイア基板、セラミック基板、表面に絶縁層が形成された金属基板などを用いることができる。 FIG. 1 is a cross-sectional view for explaining a main configuration of a nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention. FIG. 1 particularly shows the main part of the nonvolatile memory element. This nonvolatile memory element is manufactured using a substrate 10 having an insulating surface. As the substrate 10 having an insulating surface, a glass substrate, a quartz substrate, a sapphire substrate, a ceramic substrate, a metal substrate having an insulating layer formed on the surface, or the like can be used.

この絶縁表面を有する基板10上に半導体層14が形成されている。基板10と半導体層14の間には、下地絶縁層12を設けても良い。この下地絶縁層12は、基板10から半導体層14へアルカリ金属などの不純物が拡散して汚染することを防ぐものであり、ブロッキング層として適宜設ければ良い。 A semiconductor layer 14 is formed over the substrate 10 having the insulating surface. A base insulating layer 12 may be provided between the substrate 10 and the semiconductor layer 14. The base insulating layer 12 prevents impurities such as alkali metals from diffusing from the substrate 10 to the semiconductor layer 14 and contaminates them, and may be provided as a blocking layer as appropriate.

下地絶縁層12としては、CVD法やスパッタリング法等を用いて、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコン(SiOxNy、(x>y))、窒化酸化シリコン(SiNxOy、(x>y))等の絶縁材料を用いて形成する。例えば、下地絶縁層12を2構造とする場合、第1層目の絶縁膜として窒化酸化シリコン膜を形成し、第2層目の絶縁膜として酸化窒化シリコン膜を形成するとよい。また、第1層目の絶縁膜として窒化シリコン膜を形成し、第2層目の絶縁膜として酸化シリコン膜を形成してもよい。 As the base insulating layer 12, using a CVD method, a sputtering method, or the like, silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride (SiOxNy, (x> y)), silicon nitride oxide (SiNxOy, (x> y)), or the like is used. It is formed using an insulating material. For example, in the case where the base insulating layer 12 has two structures, a silicon nitride oxide film may be formed as a first insulating film and a silicon oxynitride film may be formed as a second insulating film. Alternatively, a silicon nitride film may be formed as the first insulating film, and a silicon oxide film may be formed as the second insulating film.

半導体層14は、単結晶半導体又は多結晶半導体で形成されたものを用いることが好ましい。例えば、基板10上にスパッタリング法、プラズマCVD法若しくは減圧CVD法によって基板10の全面に形成された半導体層を結晶化させた後、選択的にエッチングして半導体層14を形成することができる。すなわち、素子分離の目的から、絶縁表面に島状の半導体層を形成し、該半導体層に一又は複数の不揮発性メモリ素子を形成することが好ましい。半導体材料としては、シリコンが好ましく、その他にシリコンゲルマニウム半導体を用いることもできる。半導体膜の結晶化法としては、レーザー結晶化法、瞬間熱アニール(RTA)又はファーネスアニール炉を用いた熱処理による結晶化法、結晶化を助長する金属元素を用いる結晶化法又はこれら方法を組み合わせて行う方法を採用することができる。また、このような薄膜プロセスに換えて、絶縁表面に単結晶半導体層を形成した所謂SOI(Silicon on Insulator)基板を用いても良い。 The semiconductor layer 14 is preferably formed using a single crystal semiconductor or a polycrystalline semiconductor. For example, after the semiconductor layer formed on the entire surface of the substrate 10 is crystallized on the substrate 10 by a sputtering method, a plasma CVD method, or a low pressure CVD method, the semiconductor layer 14 can be formed by selective etching. That is, for the purpose of element isolation, it is preferable to form an island-shaped semiconductor layer on the insulating surface and to form one or more nonvolatile memory elements on the semiconductor layer. As the semiconductor material, silicon is preferable, and a silicon germanium semiconductor can also be used. As a method for crystallizing a semiconductor film, a laser crystallization method, a crystallization method using rapid thermal annealing (RTA) or a heat treatment using a furnace annealing furnace, a crystallization method using a metal element that promotes crystallization, or a combination of these methods. Can be used. Further, instead of such a thin film process, a so-called SOI (Silicon on Insulator) substrate in which a single crystal semiconductor layer is formed on an insulating surface may be used.

このように、絶縁表面に形成された半導体層を島状に分離形成することで、同一基板上にメモリ素子アレイと周辺回路を形成した場合にも、有効に素子分離をすることができる。すなわち、10V乃至20V程度の電圧で書き込みや消去を行う必要のあるメモリ素子アレイと、3V乃至7V程度の電圧で動作してデータの入出力や命令の制御を主として行う周辺回路を同一基板上に形成した場合でも、各素子に印加する電圧の違いによる相互の干渉を防ぐことができる。 Thus, by separating and forming the semiconductor layer formed on the insulating surface in an island shape, even when the memory element array and the peripheral circuit are formed on the same substrate, the element can be effectively separated. That is, a memory element array that needs to be written and erased at a voltage of about 10V to 20V and a peripheral circuit that operates at a voltage of about 3V to 7V and mainly performs data input / output and command control on the same substrate. Even when formed, mutual interference due to a difference in voltage applied to each element can be prevented.

半導体層14にはp型不純物が注入されていても良い。p型不純物として、例えばホウ素が用いられ、5×1015atoms/cm乃至1×1016atoms/cm程度の濃度で添加されていても良い。これは、トランジスタのしきい値電圧を制御するためのものであり、チャネル形成領域に添加されることで有効に作用する。チャネル形成領域は、後述するゲート26と略一致する領域に形成されるものであり、半導体層14の一対の不純物領域18の間に位置するものである。 A p-type impurity may be implanted into the semiconductor layer 14. For example, boron is used as the p-type impurity, and may be added at a concentration of about 5 × 10 15 atoms / cm 3 to 1 × 10 16 atoms / cm 3 . This is for controlling the threshold voltage of the transistor, and acts effectively when added to the channel formation region. The channel formation region is formed in a region substantially coinciding with the gate 26 described later, and is located between the pair of impurity regions 18 of the semiconductor layer 14.

一対の不純物領域18は不揮発性メモリ素子においてソース及びドレインとして機能する領域である。一対の不純物領域18はn型不純物であるリン若しくはヒ素を1×1019atoms/cm乃至1×1021atoms/cm程度の濃度で添加することで形成される。 The pair of impurity regions 18 functions as a source and a drain in the nonvolatile memory element. The pair of impurity regions 18 is formed by adding phosphorus or arsenic, which is an n-type impurity, at a concentration of about 1 × 10 19 atoms / cm 3 to 1 × 10 21 atoms / cm 3 .

半導体層14上には第1の絶縁層16、浮遊ゲート電極20、第2の絶縁層22、制御ゲート電極24が形成されるが、本明細書では、浮遊ゲート電極20から制御ゲート電極24まで積層構造をゲート26と呼ぶことがある。 A first insulating layer 16, a floating gate electrode 20, a second insulating layer 22, and a control gate electrode 24 are formed on the semiconductor layer 14. In this specification, from the floating gate electrode 20 to the control gate electrode 24. The stacked structure may be referred to as the gate 26.

第1の絶縁層16は酸化シリコン若しくは酸化シリコンと窒化シリコンの積層構造で形成する。第1の絶縁層16は、プラズマCVD法や減圧CVD法により絶縁膜を堆積することで形成しても良いが、好ましくはプラズマ処理による固相酸化若しくは固相窒化で形成すると良い。半導体層(代表的にはシリコン層)を、プラズマ処理により酸化又は窒化することにより形成される絶縁層は、緻密で絶縁耐圧が高く信頼性に優れているためである。第1の絶縁層16は、浮遊ゲート電極20に電荷を注入するためのトンネル絶縁層として用いるので、緻密で絶縁耐圧が高く信頼性に優れているものが好ましい。この第1の絶縁層16は1nm以上20nm以下の、好ましくは3nm以上6nm以下のの厚さに形成することが好ましい。例えば、ゲート長を600nmとする場合、第1の絶縁層16は3nm以上6nm以下のの厚さに形成することができる。 The first insulating layer 16 is formed of silicon oxide or a stacked structure of silicon oxide and silicon nitride. The first insulating layer 16 may be formed by depositing an insulating film by a plasma CVD method or a low pressure CVD method, but is preferably formed by solid phase oxidation or solid phase nitridation by plasma treatment. This is because an insulating layer formed by oxidizing or nitriding a semiconductor layer (typically a silicon layer) by plasma treatment is dense, has high withstand voltage, and is excellent in reliability. Since the first insulating layer 16 is used as a tunnel insulating layer for injecting charges into the floating gate electrode 20, a dense layer having high withstand voltage and excellent reliability is preferable. The first insulating layer 16 is preferably formed to a thickness of 1 nm to 20 nm, preferably 3 nm to 6 nm. For example, when the gate length is 600 nm, the first insulating layer 16 can be formed to a thickness of 3 nm to 6 nm.

プラズマ処理による固相酸化処理若しくは固相窒化処理として、マイクロ波(代表的には2.45GHz)で励起され、電子密度が1×1011cm−3以上1×1013cm−3以下、且つ電子温度が0.5eV以上1.5eV以下のプラズマを利用することが好ましい。固相酸化処理若しくは固相窒化処理において、500℃以下の温度において、緻密な絶縁膜を形成すると共に実用的な反応速度を得るためである。 As solid-phase oxidation treatment or solid-phase nitridation treatment by plasma treatment, the electron density is 1 × 10 11 cm −3 or more and 1 × 10 13 cm −3 or less when excited by microwaves (typically 2.45 GHz), and It is preferable to use plasma having an electron temperature of 0.5 eV to 1.5 eV. This is because in the solid phase oxidation treatment or solid phase nitridation treatment, a dense insulating film is formed at a temperature of 500 ° C. or lower and a practical reaction rate is obtained.

このプラズマ処理により半導体層14の表面を酸化する場合には、酸素雰囲気下(例えば、酸素(O)又は一酸化二窒素(NO)と希ガス(He、Ne、Ar、Kr、Xeの少なくとも一つを含む)雰囲気下、若しくは酸素又は一酸化二窒素と水素(H)と希ガス雰囲気下)で行う。また、プラズマ処理により窒化をする場合には、窒素雰囲気下(例えば、窒素(N)と希ガス(He、Ne、Ar、Kr、Xeの少なくとも一つを含む)雰囲気下、窒素と水素と希ガス雰囲気下、若しくはNHと希ガス雰囲気下)でプラズマ処理を行う。希ガスとしては、例えばArを用いることができる。また、ArとKrを混合したガスを用いてもよい。 When the surface of the semiconductor layer 14 is oxidized by this plasma treatment, oxygen (O 2 ) or dinitrogen monoxide (N 2 O) and a rare gas (He, Ne, Ar, Kr, Xe) are used in an oxygen atmosphere. Or in an atmosphere of oxygen or dinitrogen monoxide and hydrogen (H 2 ) and a rare gas). In the case of performing nitridation by plasma treatment, nitrogen and hydrogen are used in a nitrogen atmosphere (for example, nitrogen (N 2 ) and a rare gas (including at least one of He, Ne, Ar, Kr, and Xe)). Plasma treatment is performed in a rare gas atmosphere or in a rare gas atmosphere with NH 3 . As the rare gas, for example, Ar can be used. A gas in which Ar and Kr are mixed may be used.

図15にプラズマ処理を行うための装置の構成例を示す。このプラズマ処理装置は、基板10を配置するための支持台88と、ガスを導入するためのガス供給部84、ガスを排気するために真空ポンプに接続する排気口86、アンテナ80、誘電体板82、プラズマ発生用のマイクロ波を供給するマイクロ波供給部92を有している。また、支持台88に温度制御部90を設けることによって、基板10の温度を制御することも可能である。 FIG. 15 shows a configuration example of an apparatus for performing plasma processing. This plasma processing apparatus includes a support base 88 for arranging the substrate 10, a gas supply unit 84 for introducing gas, an exhaust port 86 connected to a vacuum pump for exhausting gas, an antenna 80, and a dielectric plate. 82, a microwave supply unit 92 for supplying microwaves for plasma generation. In addition, the temperature of the substrate 10 can be controlled by providing the temperature control unit 90 on the support base 88.

以下に、プラズマ処理について説明する。なお、プラズマ処理とは、半導体層、絶縁層、導電層に対する酸化処理、窒化処理、酸化窒化処理、水素化処理、表面改質処理を含んでいる。これらの処理は、その目的に応じて、ガス供給部84から供給するガスを選択すれば良い。 Hereinafter, the plasma treatment will be described. Note that plasma treatment includes oxidation treatment, nitridation treatment, oxynitridation treatment, hydrogenation treatment, and surface modification treatment for a semiconductor layer, an insulating layer, and a conductive layer. For these processes, a gas supplied from the gas supply unit 84 may be selected according to the purpose.

酸化処理若しくは窒化処理を行うには以下のようにすれば良い。まず、処理室内を真空にし、ガス供給部84から酸素又は窒素を含むプラズマ処理用ガスを導入する。基板10は室温若しくは温度制御部90により100℃乃至550℃に加熱する。なお、基板10と誘電体板82との間隔は、20mm乃至80mm(好ましくは20mm乃至60mm)程度である。次に、マイクロ波供給部92からアンテナ80にマイクロ波を供給する。そしてマイクロ波をアンテナ80から誘電体板82を通して処理室内に導入することによって、プラズマ94を生成する。マイクロ波の導入によりプラズマの励起を行うと、低電子温度(3eV以下、好ましくは1.5eV以下)で高電子密度(1×1011cm−3以上)のプラズマを生成することができる。この高密度プラズマで生成された酸素ラジカル(OHラジカルを含む場合もある)及び/又は窒素ラジカル(NHラジカルを含む場合もある)によって、半導体層の表面を酸化及び/又は窒化することができる。プラズマ処理用ガスにアルゴンなどの希ガスを混合させると、希ガスの励起種により酸素ラジカルや窒素ラジカルを効率良く生成することができる。この方法は、プラズマで励起した活性なラジカルを有効に使うことにより、500℃以下の低温で固相反応による酸化、窒化若しくは酸化窒化を行うことができる。 The oxidation treatment or nitridation treatment may be performed as follows. First, the processing chamber is evacuated and a plasma processing gas containing oxygen or nitrogen is introduced from the gas supply portion 84. The substrate 10 is heated to 100 ° C. to 550 ° C. by the room temperature or the temperature controller 90. The interval between the substrate 10 and the dielectric plate 82 is about 20 mm to 80 mm (preferably 20 mm to 60 mm). Next, the microwave is supplied from the microwave supply unit 92 to the antenna 80. Then, plasma 94 is generated by introducing the microwave from the antenna 80 through the dielectric plate 82 into the processing chamber. When plasma excitation is performed by introduction of microwaves, plasma with a low electron temperature (3 eV or less, preferably 1.5 eV or less) and a high electron density (1 × 10 11 cm −3 or more) can be generated. The surface of the semiconductor layer can be oxidized and / or nitrided by oxygen radicals (which may include OH radicals) and / or nitrogen radicals (which may include NH radicals) generated by this high-density plasma. When a rare gas such as argon is mixed with the plasma processing gas, oxygen radicals or nitrogen radicals can be efficiently generated by the excited species of the rare gas. This method can perform oxidation, nitridation, or oxynitridation by solid-phase reaction at a low temperature of 500 ° C. or lower by effectively using active radicals excited by plasma.

図1において、プラズマ処理により形成される好適な第1の絶縁層16の一例は、酸素雰囲気下のプラズマ処理により半導体層14を3nm以上6nm以下の厚さで酸化シリコン層16aを形成し、その後窒素雰囲気下でその酸化シリコン層の表面を窒化して窒化シリコン層16bを形成した積層構造がである。半導体層14の代表例としてシリコン材料が適用される場合、そのシリコン層の表面をプラズマ処理で酸化することにより、界面に歪みのない緻密な酸化膜を形成することができる。また、当該酸化膜をプラズマ処理で窒化することで、表層部の酸素を窒素に置換して窒化層を形成すると、さらに緻密化することができる。それにより絶縁耐圧が高い絶縁層を形成することができる。 In FIG. 1, an example of a suitable first insulating layer 16 formed by plasma treatment is to form a silicon oxide layer 16a with a thickness of 3 nm or more and 6 nm or less on the semiconductor layer 14 by plasma treatment in an oxygen atmosphere, and then The silicon nitride layer 16b is formed by nitriding the surface of the silicon oxide layer in a nitrogen atmosphere. In the case where a silicon material is used as a typical example of the semiconductor layer 14, a dense oxide film without distortion at the interface can be formed by oxidizing the surface of the silicon layer by plasma treatment. Further, the oxide film can be further densified by nitriding the oxide film by plasma treatment to form a nitride layer by replacing oxygen in the surface layer portion with nitrogen. Thereby, an insulating layer having a high withstand voltage can be formed.

いずれにしても、上記のようなプラズマ処理による固相酸化処理若しくは固相窒化処理を用いることで、耐熱温度が700℃以下のガラス基板を用いても、950℃乃至1050℃で形成される熱酸化膜と同等な絶縁層を得ることができる。すなわち、不揮発性メモリ素子のトンネル絶縁層として信頼性の高いトンネル絶縁層を形成することができる。 In any case, heat generated at 950 ° C. to 1050 ° C. even when a glass substrate having a heat resistant temperature of 700 ° C. or lower is used by using the solid phase oxidation treatment or solid phase nitridation treatment by plasma treatment as described above. An insulating layer equivalent to the oxide film can be obtained. That is, a highly reliable tunnel insulating layer can be formed as the tunnel insulating layer of the nonvolatile memory element.

浮遊ゲート電極20は第1の絶縁層16上に形成される。この浮遊ゲート電極20は、第1の浮遊ゲート電極20aと第2の浮遊ゲート電極20bにより形成されている。勿論、この二層構造に限定されず、複数の層を積層して設ければ良い。しかしながら、第1の絶縁層16に接して形成される第1の浮遊ゲート電極20aは半導体材料で形成することが好ましく、次に示す一又は複数の条件を満たすものを選択することができる。 The floating gate electrode 20 is formed on the first insulating layer 16. The floating gate electrode 20 is formed of a first floating gate electrode 20a and a second floating gate electrode 20b. Of course, the present invention is not limited to this two-layer structure, and a plurality of layers may be stacked. However, the first floating gate electrode 20a formed in contact with the first insulating layer 16 is preferably formed of a semiconductor material, and a material that satisfies one or more of the following conditions can be selected.

第1の浮遊ゲート電極20aを形成する半導体材料のバンドギャップが、半導体層14のバンドギャップより小さいことが好ましい。例えば、第1の浮遊ゲート電極20aを形成する半導体材料のバンドギャップと、半導体層14のバンドギャップは、0.1eV以上の差があって、前者の方が小さいことが好ましい。半導体層14の伝導帯の底のエネルギーレベルより、浮遊ゲート電極20の伝導帯の底のエネルギーレベルを低くすることにより、電荷(電子)の注入性を向上させ、電荷保持特性を向上させるためである。 The band gap of the semiconductor material forming the first floating gate electrode 20 a is preferably smaller than the band gap of the semiconductor layer 14. For example, the band gap of the semiconductor material forming the first floating gate electrode 20a and the band gap of the semiconductor layer 14 are preferably 0.1 eV or more, and the former is preferably smaller. In order to improve the charge (electron) injection property and the charge retention characteristics by lowering the energy level of the bottom of the conduction band of the floating gate electrode 20 from the energy level of the bottom of the conduction band of the semiconductor layer 14. is there.

第1の浮遊ゲート電極20aを形成する半導体材料は、半導体層14を形成する材料よりも電子親和力が大きい材料であることが好ましい。半導体層14の伝導帯の底のエネルギーレベルより、第1の浮遊ゲート電極20aの伝導帯の底のエネルギーレベルを低くすることにより、電荷(電子)の注入性を向上させ、電荷保持特性を向上させるためである。電子親和力は半導体の場合、伝導帯の底から真空までのエネルギー差である。 The semiconductor material forming the first floating gate electrode 20a is preferably a material having a higher electron affinity than the material forming the semiconductor layer 14. By lowering the energy level of the bottom of the conduction band of the first floating gate electrode 20a from the energy level of the bottom of the conduction band of the semiconductor layer 14, the charge (electron) injection property is improved and the charge retention characteristics are improved. This is to make it happen. In the case of semiconductors, electron affinity is the energy difference from the bottom of the conduction band to vacuum.

第1の浮遊ゲート電極20aを形成する半導体材料は、第1の絶縁層16により形成される半導体層14の電子に対する障壁エネルギーに対し、第1の絶縁層16により形成される第1の浮遊ゲート電極20aの電子に対する障壁エネルギーが高くなるものであることが好ましい。半導体層14から第1の浮遊ゲート電極20aへの電荷(電子)を注入しやすくし、第1の浮遊ゲート電極20aから電荷が消失することを防ぐためである。 The semiconductor material forming the first floating gate electrode 20a is the first floating gate formed by the first insulating layer 16 against the barrier energy against electrons of the semiconductor layer 14 formed by the first insulating layer 16. It is preferable that the barrier energy for electrons of the electrode 20a is high. This is because it is easy to inject charges (electrons) from the semiconductor layer 14 to the first floating gate electrode 20a, and the charge is prevented from disappearing from the first floating gate electrode 20a.

このような条件を満たすものとして、代表的にはゲルマニウム若しくはゲルマニウム化合物で第1の浮遊ゲート電極20aを形成することができる。ゲルマニウム化合物の代表例としては、シリコンゲルマニウムであり、この場合シリコンに対してゲルマニウムが10原子%以上含まれていることが好ましい。ゲルマニウムの濃度が10原子%未満であると、構成元素としての効果が薄れ、バンドギャップが有効に小さくならないためである。 As a condition that satisfies such a condition, the first floating gate electrode 20a can be typically formed of germanium or a germanium compound. A typical example of the germanium compound is silicon germanium. In this case, it is preferable that germanium is contained at 10 atomic% or more with respect to silicon. This is because if the concentration of germanium is less than 10 atomic%, the effect as a constituent element is reduced, and the band gap is not effectively reduced.

勿論、第1の浮遊ゲート電極20aを形成するものとして同様な効果を発現するものであれば、他の材料を適用することもできる。例えば、ゲルマニウムを含む三元系の半導体材料を適用することができる。当該半導体材料が水素化されていても良い。また、不揮発性メモリ素子の電荷蓄積層としての機能を持つものとして、当該ゲルマニウム若しくはゲルマニウム化合物の酸化物若しくは窒化物、又は当該ゲルマニウム若しくはゲルマニウム化合物を含む酸化物若しくは窒化物の層で置き換えることもできる。 Of course, other materials can be applied as long as the same effect can be obtained as the first floating gate electrode 20a. For example, a ternary semiconductor material containing germanium can be used. The semiconductor material may be hydrogenated. Further, as a function of a charge storage layer of a nonvolatile memory element, an oxide or nitride of the germanium or germanium compound, or an oxide or nitride layer containing the germanium or germanium compound can be used. .

第1の浮遊ゲート電極20aに接して、第2の絶縁層22側に設ける第2の浮遊ゲート電極20bは、シリコン若しくはシリコン化合物で形成される層を適用することが好ましい。シリコン化合物としては、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、炭化シリコン、ゲルマニウムを10原子%未満の濃度で含むシリコンゲルマニウム、金属窒化物、金属酸化物などを適用することができる。このように第2の浮遊ゲート電極20bを、第1の浮遊ゲート電極20aよりもバンドギャップの大きな材料で形成することにより、浮遊ゲートに蓄積する電荷が第2の絶縁層22側にリークするのを防ぐことができる。また、第2の浮遊ゲート電極20bを形成するものとして、金属窒化物又は金属酸化物を用いることができる。金属窒化物としては、窒化タンタル、窒化タングステン、窒化モリブデン、窒化チタンなどを用いることができる。金属酸化物としては、酸化タンタル、酸化チタン、酸化スズなどを用いることができる。 A layer formed of silicon or a silicon compound is preferably used for the second floating gate electrode 20b provided on the second insulating layer 22 side in contact with the first floating gate electrode 20a. As the silicon compound, silicon nitride, silicon nitride oxide, silicon carbide, silicon germanium containing germanium at a concentration of less than 10 atomic%, metal nitride, metal oxide, or the like can be used. Thus, by forming the second floating gate electrode 20b with a material having a larger band gap than the first floating gate electrode 20a, the charge accumulated in the floating gate leaks to the second insulating layer 22 side. Can be prevented. Further, a metal nitride or a metal oxide can be used for forming the second floating gate electrode 20b. As the metal nitride, tantalum nitride, tungsten nitride, molybdenum nitride, titanium nitride, or the like can be used. As the metal oxide, tantalum oxide, titanium oxide, tin oxide, or the like can be used.

いずれにしても、上記したシリコン若しくはシリコン化合物、金属窒化物又は金属酸化物の第2の層は、ゲルマニウム若しくはゲルマニウム化合物で形成される第1の層の上層側に設けることにより、製造工程においては、耐水性や耐薬品性を目的としたバリア層として用いることができる。それにより、フォトリソ工程、エッチング工程、洗浄工程における基板の扱いが容易となり、生産性を向上させることができる。すなわち、浮遊ゲートの加工を容易なものとすることができる。 In any case, in the manufacturing process, the second layer of silicon or silicon compound, metal nitride, or metal oxide described above is provided on the upper layer side of the first layer formed of germanium or germanium compound. It can be used as a barrier layer for the purpose of water resistance and chemical resistance. Thereby, the handling of the substrate in the photolithography process, the etching process, and the cleaning process becomes easy, and the productivity can be improved. That is, the floating gate can be easily processed.

第2の絶縁層22は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン(SiOxNy、(x>y))、窒化シリコン(SiNx)又は窒化酸化シリコン(SiNxOy、(x>y))、酸化アルミニウム(AlxOy)などの一層若しくは複数層を、減圧CVD法やプラズマCVD法などで形成する。第2の絶縁層22の厚さは1nm以上20nm以下の、好ましくは5nm以上10nm以下で形成すると良い。例えば、窒化シリコン層22aを3nmの厚さに堆積し、酸化シリコン層22bの厚さを5nmの厚さに堆積したものを用いることができる。また、第2の浮遊ゲート電極20bにプラズマ処理を行い、その表面を窒化処理した窒化膜(例えば、第2の浮遊ゲート電極20bとしてシリコンを用いた場合には窒化シリコン)を形成してもよい。いずれにしても、第1の絶縁層16と第2の絶縁層22が、浮遊ゲート電極20と接する側の一方又は双方を窒化膜若しくは窒化処理された層とすることで、浮遊ゲート電極20の酸化を防ぐことができる。 The second insulating layer 22 is made of silicon oxide, silicon oxynitride (SiOxNy, (x> y)), silicon nitride (SiNx), silicon nitride oxide (SiNxOy, (x> y)), aluminum oxide (AlxOy), or the like. One layer or a plurality of layers are formed by a low pressure CVD method, a plasma CVD method, or the like. The thickness of the second insulating layer 22 is 1 nm to 20 nm, preferably 5 nm to 10 nm. For example, a silicon nitride layer 22a having a thickness of 3 nm and a silicon oxide layer 22b having a thickness of 5 nm can be used. Further, a plasma treatment may be performed on the second floating gate electrode 20b to form a nitride film (for example, silicon nitride when silicon is used as the second floating gate electrode 20b). . In any case, the first insulating layer 16 and the second insulating layer 22 are either a nitride film or a nitrided layer on one or both sides in contact with the floating gate electrode 20, so that the floating gate electrode 20 Oxidation can be prevented.

制御ゲート電極24はタンタル(Ta)、タングステン(W)、チタン(Ti)、モリブデン(Mo)、クロム(Cr)、ニオブ(Nb)等から選択された金属、又はこれらの金属を主成分とする合金材料若しくは化合物材料で形成することが好ましい。また、リン等の不純物元素を添加した多結晶シリコンを用いることができる。また、一層又は複数層の金属窒化物層24aと上記の金属層24bの積層構造で制御ゲート電極24を形成しても良い。金属窒化物としては、窒化タングステン、窒化モリブデン、窒化チタンを用いることができる。金属窒化物層24aを設けることにより、金属層24bの密着性を向上させることができ、剥離を防止することができる。また、窒化タンタルなどの金属窒化物は仕事関数が高いので、第2の絶縁層22との相乗効果により、第1の絶縁層16の厚さを厚くすることができる。 The control gate electrode 24 is a metal selected from tantalum (Ta), tungsten (W), titanium (Ti), molybdenum (Mo), chromium (Cr), niobium (Nb), or the like, or contains these metals as a main component. It is preferable to form with an alloy material or a compound material. Alternatively, polycrystalline silicon to which an impurity element such as phosphorus is added can be used. Further, the control gate electrode 24 may be formed by a laminated structure of one or more metal nitride layers 24a and the metal layer 24b. As the metal nitride, tungsten nitride, molybdenum nitride, or titanium nitride can be used. By providing the metal nitride layer 24a, the adhesion of the metal layer 24b can be improved and peeling can be prevented. Further, since the metal nitride such as tantalum nitride has a high work function, the thickness of the first insulating layer 16 can be increased by a synergistic effect with the second insulating layer 22.

図1に示す不揮発性メモリ素子の動作メカニズムを、バンド図を参照して説明する。以下に示すバンド図において、図1と同じ要素には同じ符号を付している。 An operation mechanism of the nonvolatile memory element shown in FIG. 1 will be described with reference to a band diagram. In the band diagram shown below, the same elements as those in FIG.

図2は半導体層14、第1の絶縁層16、浮遊ゲート電極20、第2の絶縁層22、制御ゲート電極24が積層された状態を示している。図2は制御ゲート電極24に電圧を印加していない場合であって、半導体層14のフェルミ準位Efと制御ゲート電極24のフェルミ準位Efmが等しい場合を示している。 FIG. 2 shows a state in which the semiconductor layer 14, the first insulating layer 16, the floating gate electrode 20, the second insulating layer 22, and the control gate electrode 24 are stacked. FIG. 2 shows a case where no voltage is applied to the control gate electrode 24 and the Fermi level Ef of the semiconductor layer 14 and the Fermi level Efm of the control gate electrode 24 are equal.

第1の絶縁層16を挟んで、半導体層14と浮遊ゲート電極20の内、少なくとも第1の浮遊ゲート電極20aは異なる材料で形成している。半導体層14のバンドギャップEg1(伝導帯の下端Ecと価電子帯の上端Evのエネルギー差)と第1の浮遊ゲート電極20aのバンドギャップEg2は異なるものとし、後者のバンドギャップは小さくなるように組み合わせている。例えば、半導体層14としてシリコン(1.12eV)、第1の浮遊ゲート電極20aとしてゲルマニウム(0.72eV)又はシリコンゲルマニウム(0.73eV乃至1.0eV)を組み合わせることができる。また、第2の浮遊ゲート電極20bとして多結晶シリコンを用いた場合には、第1の浮遊ゲート電極20aよりもバンドギャップが大きくなる。このバンドギャップの差は、第1の絶縁層16を通して第1の浮遊ゲート電極20aに注入されたキャリアに対する障壁となる。それにより、注入されたキャリアが第2の絶縁層22側にリークして、その界面にトラップされてしまうのを防ぐことができる。 Among the semiconductor layer 14 and the floating gate electrode 20, at least the first floating gate electrode 20a is formed of different materials with the first insulating layer 16 interposed therebetween. The band gap Eg1 (energy difference between the lower end Ec of the conduction band and the upper end Ev of the valence band) of the semiconductor layer 14 is different from the band gap Eg2 of the first floating gate electrode 20a, and the latter band gap is reduced. Combined. For example, silicon (1.12 eV) can be combined as the semiconductor layer 14 and germanium (0.72 eV) or silicon germanium (0.73 eV to 1.0 eV) can be combined as the first floating gate electrode 20a. When polycrystalline silicon is used as the second floating gate electrode 20b, the band gap is larger than that of the first floating gate electrode 20a. This difference in band gap serves as a barrier against carriers injected into the first floating gate electrode 20a through the first insulating layer 16. Thereby, the injected carriers can be prevented from leaking to the second insulating layer 22 side and trapped at the interface.

なお、第1の絶縁層16は酸化シリコン層16a(約8eV)と、当該酸化シリコンをプラズマ処理により窒化した窒化シリコン層16b(約5eV)で示してしている。また、第2の絶縁層22も、浮遊ゲート電極20側から、窒化シリコン層22aと酸化シリコン層22bが積層した状態を示している。 The first insulating layer 16 is represented by a silicon oxide layer 16a (about 8 eV) and a silicon nitride layer 16b (about 5 eV) obtained by nitriding the silicon oxide by plasma treatment. The second insulating layer 22 also shows a state in which the silicon nitride layer 22a and the silicon oxide layer 22b are stacked from the floating gate electrode 20 side.

真空準位を0eVとすると、シリコンの伝導帯のエネルギーレベルは−4.05eVであり、ゲルマニウムの伝導帯のエネルギーレベルは−4.1eVである。また酸化シリコンの伝導帯のエネルギーレベルは−0.9eVである。従って、このような半導体層14と第1の浮遊ゲート電極20aの組み合わせによって、第1の絶縁層16により形成される半導体層14の電子に対する障壁エネルギー(Be1)に対し、第1の絶縁層16により形成される第1の浮遊ゲート電極20aの電子に対する障壁エネルギー(Be2)を高くすることができる。すなわち、電子に対するエネルギー障壁、すなわち第1障壁Be1と第2障壁Be2は異なる値となり、Be2>Be1の関係を持たせることができる。 When the vacuum level is 0 eV, the energy level of the conduction band of silicon is −4.05 eV, and the energy level of the conduction band of germanium is −4.1 eV. The energy level of the conduction band of silicon oxide is -0.9 eV. Therefore, by the combination of the semiconductor layer 14 and the first floating gate electrode 20a, the first insulating layer 16 against the barrier energy (Be1) to electrons of the semiconductor layer 14 formed by the first insulating layer 16 is used. The barrier energy (Be2) for electrons of the first floating gate electrode 20a formed by the above can be increased. That is, the energy barrier against electrons, that is, the first barrier Be1 and the second barrier Be2 have different values, and can have a relationship of Be2> Be1.

また、このような状況において、半導体層14としてシリコンのバンドギャップEg1と、第1の浮遊ゲート電極20aとしてゲルマニウムのバンドギャップEg2は、Eg1>Eg2の関係を満たしている。さらに上記したように電子親和力を考慮すると、半導体層14と浮遊ゲート電極20の伝導帯の底のエネルギーレベルのエネルギー差ΔEが発生する。後述するように、このエネルギー差ΔEは、半導体層14から浮遊ゲート電極20に電子を注入するとき、電子を加速する方向に作用するので、書き込み電圧を低下させるのに寄与する。 In such a situation, the silicon band gap Eg1 as the semiconductor layer 14 and the germanium band gap Eg2 as the first floating gate electrode 20a satisfy the relationship of Eg1> Eg2. Furthermore, when the electron affinity is considered as described above, an energy difference ΔE between the energy levels at the bottom of the conduction band of the semiconductor layer 14 and the floating gate electrode 20 is generated. As will be described later, this energy difference ΔE acts in the direction of accelerating electrons when injecting electrons from the semiconductor layer 14 to the floating gate electrode 20, thereby contributing to a decrease in the write voltage.

比較のために、半導体層と浮遊ゲート電極を同じ半導体材料で形成した場合のバンド図を図16に示す。このバンド図は、半導体層01、第1の絶縁層02、浮遊ゲート電極03、第2の絶縁層04、制御ゲート電極05が順次積層された状態を示している。半導体層01と浮遊ゲート電極03を同じシリコン材料で形成した場合でも、浮遊ゲート電極03を薄く形成するとバンドギャップが異なってくる。図16では、半導体層01のバンドギャップをEg1、浮遊ゲート電極03のバンドギャップをEg2で示している。例えば、シリコンでは薄膜化すると、バンドギャップがバルクの1.12eVから1.4eV程度まで増大すると言われている。それにより、半導体層01と浮遊ゲート電極03の間には、電子の注入を遮る方向に−ΔEのエネルギー差が生じてしまう。このような状況では、半導体層01から浮遊ゲート電極03に電子を注入するために高電圧が必要になってしまう。すなわち、書き込み電圧を下げるために、浮遊ゲート電極03をバルクシリコン並に厚く形成するか、n型不純物としてリンやヒ素を高濃度にドーピングする必要がある。このことは、従来の不揮発性メモリにおける欠陥である。 For comparison, FIG. 16 shows a band diagram in the case where the semiconductor layer and the floating gate electrode are formed of the same semiconductor material. This band diagram shows a state in which the semiconductor layer 01, the first insulating layer 02, the floating gate electrode 03, the second insulating layer 04, and the control gate electrode 05 are sequentially stacked. Even when the semiconductor layer 01 and the floating gate electrode 03 are formed of the same silicon material, the band gap differs if the floating gate electrode 03 is formed thin. In FIG. 16, the band gap of the semiconductor layer 01 is represented by Eg1, and the band gap of the floating gate electrode 03 is represented by Eg2. For example, when silicon is thinned, it is said that the band gap increases from 1.12 eV in bulk to about 1.4 eV. As a result, an energy difference of −ΔE is generated between the semiconductor layer 01 and the floating gate electrode 03 in a direction that blocks electron injection. In such a situation, a high voltage is required to inject electrons from the semiconductor layer 01 into the floating gate electrode 03. In other words, in order to lower the write voltage, it is necessary to form the floating gate electrode 03 as thick as bulk silicon or dope phosphorus or arsenic as an n-type impurity at a high concentration. This is a defect in the conventional nonvolatile memory.

ところで、浮遊ゲート電極20に電子を注入するには、熱電子を利用する方法と、F−N型トンネル電流を利用する方法がある。熱電子を利用する場合には、正の電圧を制御ゲート電極24印加して、ドレインに高電圧を印加して熱電子を発生させる。それにより、熱電子を浮遊ゲート電極20に注入することができる。F−N型トンネル電流を利用する場合には、正の電圧を制御ゲート電極24印加して半導体層14からF−N型トンネル電流により浮遊ゲート電極20に注入する。 By the way, in order to inject electrons into the floating gate electrode 20, there are a method using thermal electrons and a method using FN tunnel current. When thermoelectrons are used, a positive voltage is applied to the control gate electrode 24, and a high voltage is applied to the drain to generate thermoelectrons. Thereby, thermoelectrons can be injected into the floating gate electrode 20. When an FN type tunnel current is used, a positive voltage is applied to the control gate electrode 24 and injected from the semiconductor layer 14 into the floating gate electrode 20 by the FN type tunnel current.

図6(A)はF−N型トンネル電流により浮遊ゲート電極20に注入するときの印加電圧を示している。制御ゲート電極24に正の高電圧(10V乃至20V)を印加すると共に、ソース領域18aとドレイン領域18bは0Vとしておく。このときのバンド図は図3に示すようになる。高電界により半導体層14の電子は第1の絶縁層16に注入され、F−N型トンネル電流が流れる。図2で説明したように、半導体層14のバンドギャップEg1と、浮遊ゲート電極20のバンドギャップEg2の関係は、Eg1>Eg2である。この差が自己バイアスとして、半導体層14のチャネル形成領域より注入された電子を浮遊ゲート電極の方に加速するように作用する。それにより、電子の注入性を向上させることができる。 FIG. 6A shows an applied voltage when injecting into the floating gate electrode 20 by the FN type tunnel current. A positive high voltage (10V to 20V) is applied to the control gate electrode 24, and the source region 18a and the drain region 18b are set to 0V. The band diagram at this time is as shown in FIG. Electrons in the semiconductor layer 14 are injected into the first insulating layer 16 by the high electric field, and an FN tunnel current flows. As described in FIG. 2, the relationship between the band gap Eg1 of the semiconductor layer 14 and the band gap Eg2 of the floating gate electrode 20 is Eg1> Eg2. This difference acts as a self-bias so that electrons injected from the channel formation region of the semiconductor layer 14 are accelerated toward the floating gate electrode. Thereby, the electron injection property can be improved.

浮遊ゲート電極20の伝導帯の底のエネルギーレベルは、半導体層14の伝導帯の底のエネルギーレベルに対して電子エネルギー的にΔEだけ低い準位にある。そのため電子が浮遊ゲート電極20に注入されるに当たっては、このエネルギー差に起因する内部電界が作用する。これは、上記したような半導体層14と浮遊ゲート電極20の組み合わせによって実現する。すなわち、半導体層14から浮遊ゲート電極20へ電子を注入しやすくなり、不揮発性メモリ素子における書き込み特性を向上させることができる。この作用は、熱電子を利用して浮遊ゲート電極20に電子を注入する場合にも同様である。 The energy level of the bottom of the conduction band of the floating gate electrode 20 is at a level lower by ΔE in terms of electronic energy than the energy level of the bottom of the conduction band of the semiconductor layer 14. Therefore, when electrons are injected into the floating gate electrode 20, an internal electric field caused by this energy difference acts. This is realized by the combination of the semiconductor layer 14 and the floating gate electrode 20 as described above. That is, it becomes easy to inject electrons from the semiconductor layer 14 into the floating gate electrode 20, and the write characteristics in the nonvolatile memory element can be improved. This effect is the same when electrons are injected into the floating gate electrode 20 using thermoelectrons.

浮遊ゲート電極20に電子が保持されている間は、不揮発性メモリ素子のしきい値電圧は正の方向にシフトする。この状態を、データ”0”が書き込まれた状態とすることができる。図4は、電荷保持状態のバンド図を示している。浮遊ゲート電極20のキャリアは、第1の絶縁層16と第2の絶縁層22に挟まれていることにより、エネルギー的に閉じこめられた状態にある。浮遊ゲート電極20に蓄積するキャリア(電子)によりポテンシャルは上がるが、障壁エネルギーを超えるエネルギーが電子に付与されない限り浮遊ゲート電極20から電子は放出されないことになる。すなわち、150℃の恒温放置による信頼性試験においても、浮遊ゲート電極に蓄積されたキャリアを保持することができる。 While electrons are held in the floating gate electrode 20, the threshold voltage of the nonvolatile memory element shifts in the positive direction. This state can be a state in which data “0” is written. FIG. 4 shows a band diagram in the charge holding state. Carriers of the floating gate electrode 20 are energeticly confined by being sandwiched between the first insulating layer 16 and the second insulating layer 22. Although the potential is increased by carriers (electrons) accumulated in the floating gate electrode 20, electrons are not emitted from the floating gate electrode 20 unless energy exceeding the barrier energy is applied to the electrons. In other words, the carriers accumulated in the floating gate electrode can be retained even in the reliability test by being kept at a constant temperature of 150 ° C.

より詳細には、第1の浮遊ゲート電極20aのキャリアは、第1の絶縁層16と第2の浮遊ゲート電極20bの間にエネルギー的に閉じこめられた状態と言える。この状態により、注入されたキャリアが第2の絶縁層22側にリークして、その界面にトラップされてしまうのを防ぐことができる。すなわち、消去動作において、浮遊ゲート領域に注入されたキャリアが残留して消去不良になってしまうのを防ぐことができる。尤も、第2の浮遊ゲート電極20bも浮遊ゲートとしてキャリアを蓄積する能力があるので、第1の浮遊ゲート電極20aを補って浮遊ゲートとして機能することができる。 More specifically, it can be said that the carrier of the first floating gate electrode 20a is energeticly confined between the first insulating layer 16 and the second floating gate electrode 20b. In this state, the injected carriers can be prevented from leaking to the second insulating layer 22 side and trapped at the interface. That is, in the erase operation, it is possible to prevent the carriers injected into the floating gate region from remaining and causing an erase failure. However, since the second floating gate electrode 20b also has the ability to accumulate carriers as a floating gate, the first floating gate electrode 20a can be supplemented to function as a floating gate.

いずれにしても、この場合、障壁エネルギーを超えるエネルギーが電子に付与されない限り浮遊ゲート電極20から電子は放出されないことになる。また、浮遊ゲート電極20の伝導帯の底のエネルギーレベルは、半導体層14の伝導帯の底のエネルギーレベルに対して電子エネルギー的にΔEだけ低い準位にあり、電子に対してエネルギー的な障壁が形成される。この障壁により、トンネル電流によって半導体層14に電子が流出してしまうのを防ぐことができる。 In any case, in this case, electrons are not emitted from the floating gate electrode 20 unless energy exceeding the barrier energy is applied to the electrons. The energy level at the bottom of the conduction band of the floating gate electrode 20 is at a level lower by ΔE in terms of electronic energy than the energy level at the bottom of the conduction band of the semiconductor layer 14, and is an energy barrier against electrons. Is formed. This barrier can prevent electrons from flowing out into the semiconductor layer 14 due to the tunnel current.

データ”0”が書き込まれた状態を検出するには、中間電位Vreadを制御ゲート電極24に印加したときに、トランジスタがオンにならないことを回路によって判別すれば良い。中間電位とは、データ”1”におけるしきい値電圧Vth1と、データ”0”におけるしきい値電圧Vth2の中間の電位である(この場合、Vth1<Vread<Vth2)。又は、図6(B)に示すようにソース領域18aとドレイン領域18b間にバイアスを印加して、制御ゲート電極24を0Vとしたときに不揮発性メモリ素子が導通するか否かで判断することができる。 In order to detect the state in which the data “0” is written, it may be determined by a circuit that the transistor is not turned on when the intermediate potential Vread is applied to the control gate electrode 24. The intermediate potential is an intermediate potential between the threshold voltage Vth1 for data “1” and the threshold voltage Vth2 for data “0” (in this case, Vth1 <Vread <Vth2). Alternatively, as shown in FIG. 6B, it is determined whether or not the nonvolatile memory element is conductive when a bias is applied between the source region 18a and the drain region 18b and the control gate electrode 24 is set to 0V. Can do.

図7(A)は浮遊ゲート電極20から電荷を放出させ、不揮発性メモリ素子からデータを消去する状態を示している。この場合、制御ゲート電極24に負のバイアスを印加して、半導体層14と浮遊ゲート電極20の間にF−N型トンネル電流を流すことにより行う。或いは、図7(B)に示すように、制御ゲート電極24に負のバイアスを印加し、ソース領域18aに正の高電圧を印加することにより、F−N型トンネル電流を発生させ、ソース領域18a側に電子を引き抜いても良い。 FIG. 7A shows a state in which charges are released from the floating gate electrode 20 and data is erased from the nonvolatile memory element. In this case, a negative bias is applied to the control gate electrode 24 and an FN tunnel current is caused to flow between the semiconductor layer 14 and the floating gate electrode 20. Alternatively, as shown in FIG. 7B, a negative bias is applied to the control gate electrode 24, and a positive high voltage is applied to the source region 18a, thereby generating an FN type tunnel current. Electrons may be extracted to the 18a side.

図5は、この消去状態のバンド図を示している。消去動作では、第1の絶縁層16を薄く形成することができるので、F−N型トンネル電流により浮遊ゲート電極20の電子を半導体層14側に放出させることができる。また、半導体層14のチャネル形成領域から正孔がより注入されやすく、浮遊ゲート電極20に注入することにより、実質的な消去動作をすることができる。 FIG. 5 shows a band diagram in this erased state. In the erase operation, since the first insulating layer 16 can be formed thin, electrons of the floating gate electrode 20 can be emitted to the semiconductor layer 14 side by the FN tunnel current. Further, holes are more easily injected from the channel formation region of the semiconductor layer 14, and a substantial erasing operation can be performed by injecting into the floating gate electrode 20.

浮遊ゲート電極20をゲルマニウム若しくはゲルマニウム化合物で形成することにより、第1の絶縁層16の厚さを薄くすることができる。それにより、トンネル電流によって第1の絶縁層16を介して電子を浮遊ゲート電極20に注入することが容易となり、低電圧動作が可能となる。さらに、低エネルギーレベルで電荷を保存することが可能になり、電荷を安定した状態で保存できるという有意な効果を奏することができる。 By forming the floating gate electrode 20 from germanium or a germanium compound, the thickness of the first insulating layer 16 can be reduced. Thereby, it becomes easy to inject electrons into the floating gate electrode 20 through the first insulating layer 16 by a tunnel current, and a low voltage operation becomes possible. Furthermore, it becomes possible to store electric charges at a low energy level, and a significant effect can be obtained that electric charges can be stored in a stable state.

本発明に係る不揮発性メモリ素子では、図2、図3で示すように、半導体層14と浮遊ゲート電極20の間でEg1>Eg2として自己バイアスが生じるように構成している。この関係は極めて重要であり、半導体層のチャネル形成領域から浮遊ゲート電極にキャリアを注入するときに、注入しやすくするように作用する。すなわち、書き込み電圧の低電圧化を図ることができる。逆に浮遊ゲート電極からキャリアを放出させにくくしている。このことは、不揮発性メモリ素子の記憶保持特性を向上させるように作用する。また、浮遊ゲート電極としてのゲルマニウム層にn型不純物をドーピングすることにより、伝導帯の底のエネルギーレベルをさらに下げることが出来、よりキャリアを浮遊ゲート電極に注入しやすくするように自己バイアスを作用させることができる。すなわち、書き込み電圧を下げ、不揮発性メモリ素子の記憶保持特性を向上させることができる。 In the nonvolatile memory element according to the present invention, as shown in FIGS. 2 and 3, a self-bias is generated between the semiconductor layer 14 and the floating gate electrode 20 as Eg1> Eg2. This relationship is extremely important, and acts to facilitate injection when carriers are injected from the channel formation region of the semiconductor layer into the floating gate electrode. That is, the writing voltage can be lowered. Conversely, it is difficult to release carriers from the floating gate electrode. This acts to improve the storage retention characteristics of the nonvolatile memory element. In addition, by doping the germanium layer as the floating gate electrode with an n-type impurity, the energy level at the bottom of the conduction band can be further lowered, and the self-bias acts to make it easier to inject carriers into the floating gate electrode. Can be made. That is, the write voltage can be lowered and the memory retention characteristics of the nonvolatile memory element can be improved.

以上説明したように、本発明に係る不揮発性メモリ素子は、半導体層から浮遊ゲート電極へ電荷を注入しやすくすることができ、浮遊ゲート電極から電荷が消失することを防ぐことができる。つまり、メモリとして動作する場合に、低電圧で高効率な書き込みをすることが出来、且つ電荷保持特性を向上させることが可能となる。 As described above, the nonvolatile memory element according to the present invention can easily inject charges from the semiconductor layer to the floating gate electrode, and can prevent the charge from being lost from the floating gate electrode. That is, when operating as a memory, high-efficiency writing can be performed at a low voltage, and charge retention characteristics can be improved.

このような不揮発性メモリ素子を用いて、様々な態様の不揮発性半導体記憶装置を得ることができる。図8に不揮発性メモリセルアレイの等価回路の一例を示す。1ビットの情報を記憶するメモリセルMS01は、選択トランジスタS01と不揮発性メモリ素子M01で構成されている。選択トランジスタS01は、ビット線BL0と不揮発性メモリ素子M01の間に直列に挿入され、ゲートがワード線WL1に接続されている。不揮発性メモリ素子M01のゲートはワード線WL11に接続されている。不揮発性メモリ素子M01にデータの書き込むときは、ワード線WL1とビット線BL0をHレベル、BL1をLレベルとして、ワード線WL11に高電圧を印加すると、前述のように浮遊ゲートに電荷が蓄積される。データを消去する場合には、ワード線WL1とビット線BL0をHレベルとし、ワード線WL11に負の高電圧を印加すれば良い。 Various nonvolatile semiconductor memory devices can be obtained using such a nonvolatile memory element. FIG. 8 shows an example of an equivalent circuit of a nonvolatile memory cell array. The memory cell MS01 that stores 1-bit information includes a selection transistor S01 and a nonvolatile memory element M01. The selection transistor S01 is inserted in series between the bit line BL0 and the nonvolatile memory element M01, and the gate is connected to the word line WL1. The gate of the nonvolatile memory element M01 is connected to the word line WL11. When data is written to the nonvolatile memory element M01, when the word line WL1 and the bit line BL0 are set to the H level and the BL1 is set to the L level and a high voltage is applied to the word line WL11, charges are accumulated in the floating gate as described above. The When erasing data, the word line WL1 and the bit line BL0 are set to H level, and a negative high voltage is applied to the word line WL11.

このメモリセルMS01において、選択トランジスタS01と不揮発性メモリ素子M01をそれぞれ、絶縁表面に島状に分離して形成された半導体層30、32で形成することにより、素子分離領域を特段設けなくても、他の選択トランジスタ若しくは不揮発性メモリ素子との干渉を防ぐことができる。また、メモリセルMS01内の選択トランジスタS01と不揮発性メモリ素子M01は共にnチャネル型なので、この両者を一つの島状に分離した半導体層で形成することにより、この二つの素子を接続する配線を省略することができる。 In this memory cell MS01, the select transistor S01 and the non-volatile memory element M01 are formed by the semiconductor layers 30 and 32 formed in an island shape on the insulating surface, respectively, so that no element isolation region is provided. Interference with other selection transistors or nonvolatile memory elements can be prevented. Further, since both the select transistor S01 and the nonvolatile memory element M01 in the memory cell MS01 are n-channel type, by forming both of them in a semiconductor layer separated into one island shape, a wiring for connecting the two elements is formed. Can be omitted.

図9は、ビット線に不揮発性メモリ素子を直接接続したNOR型の等価回路を示している。このメモリセルアレイは、ワード線WLとビット線BLが互いに交差して配設し、各交差部に不揮発性メモリ素子を配置している。NOR型は、個々の不揮発性メモリ素子のドレインをビット線BLに接続する。ソース線SLには不揮発性メモリ素子のソースが共通接続される。 FIG. 9 shows a NOR-type equivalent circuit in which a nonvolatile memory element is directly connected to a bit line. In this memory cell array, word lines WL and bit lines BL are arranged so as to intersect with each other, and nonvolatile memory elements are arranged at each intersection. In the NOR type, the drain of each nonvolatile memory element is connected to the bit line BL. The sources of the nonvolatile memory elements are commonly connected to the source line SL.

この場合もこのメモリセルMS01において、不揮発性メモリ素子M01を絶縁表面に島状に分離して形成された半導体層32で形成することにより、素子分離領域を特段設けなくても、他の不揮発性メモリ素子との干渉を防ぐことができる。また、複数の不揮発性メモリ素子(例えば、図9に示すM01乃至M23)を一つのブロックとして扱い、これらの不揮発性メモリ素子を一つの島状に分離した半導体層で形成することにより、ブロック単位で消去動作を行うことができる。 Also in this case, in the memory cell MS01, the non-volatile memory element M01 is formed of the semiconductor layer 32 formed on the insulating surface so as to be separated into islands, so that other non-volatile elements can be provided without providing an element isolation region. Interference with the memory element can be prevented. Further, a plurality of nonvolatile memory elements (for example, M01 to M23 shown in FIG. 9) are handled as one block, and these nonvolatile memory elements are formed by a semiconductor layer separated into one island shape, so that a block unit. The erase operation can be performed with.

NOR型の動作は、例えば、次の通りである。データ書き込みは、ソース線SLを0Vとし、データを書き込むために選択されたワード線WLに高電圧を与え、ビット線BLにはデータ”0”と”1”に応じた電位を与える。例えば、”0”と”1”に対してそれぞれHレベル、Lレベルの電位をビット線BLに付与する。”0”データを書き込むべく、Hレベルが与えられた不揮発性メモリ素子ではドレイン近傍でホットエレクトロンが発生し、これが浮遊ゲートに注入される。”1”データの場合この様な電子注入は生じない。 The NOR type operation is, for example, as follows. In data writing, the source line SL is set to 0 V, a high voltage is applied to the word line WL selected for data writing, and a potential corresponding to data “0” and “1” is applied to the bit line BL. For example, H level and L level potentials are applied to the bit line BL for “0” and “1”, respectively. In order to write “0” data, in the nonvolatile memory element to which H level is given, hot electrons are generated in the vicinity of the drain, and this is injected into the floating gate. In the case of “1” data, such electron injection does not occur.

“0”データが与えられたメモリセルでは、ドレインとソースとの間の強い横方向電界により、ドレインの近傍でホットエレクトロンが生成され、これが浮遊ゲートに注入される。これにより、浮遊ゲートに電子が注入されてしきい値電圧が高くなった状態が”0”である。”1”データの場合はホットエレクトロンが生成されず、浮遊ゲートに電子が注入されずしきい値電圧の低い状態、すなわち消去状態が保持される。 In a memory cell to which “0” data is given, hot electrons are generated in the vicinity of the drain due to a strong lateral electric field between the drain and the source, and this is injected into the floating gate. As a result, the state where electrons are injected into the floating gate and the threshold voltage becomes high is “0”. In the case of “1” data, hot electrons are not generated, electrons are not injected into the floating gate, and a low threshold voltage state, that is, an erased state is maintained.

データを消去するときは、ソース線SLに10V程度の正の電圧を印加し、ビット線BLは浮遊状態としておく。そしてワード線WLに負の高電圧を印加して(制御ゲートに負の高電圧を印加して)、浮遊ゲートから電子を引き抜く。これにより、データ”1”の消去状態になる。 When erasing data, a positive voltage of about 10 V is applied to the source line SL, and the bit line BL is left floating. Then, a negative high voltage is applied to the word line WL (a negative high voltage is applied to the control gate), and electrons are extracted from the floating gate. As a result, the data “1” is erased.

データ読み出しは、ソース線SLを0Vにすると共にビット線BLを0.8V程度とし、選択されたワード線WLに、データ”0”と”1”のしきい値の中間値に設定された読み出し電圧を与え、不揮発性メモリ素子の電流引き込みの有無を、ビット線BLに接続されるセンスアンプで判定することにより行う。 For data reading, the source line SL is set to 0V and the bit line BL is set to about 0.8V, and the selected word line WL is set to an intermediate value between the threshold values of data “0” and “1”. A voltage is applied, and the presence / absence of current draw in the nonvolatile memory element is determined by a sense amplifier connected to the bit line BL.

図10は、NAND型メモリセルアレイの等価回路を示す。ビット線BLには、複数の不揮発性メモリ素子を直列に接続したNANDセルNS1が接続されている。複数のNANDセルが集まってブロックBLKを構成している。図10で示すブロックBLK1のワード線は32本である(ワード線WL0乃至LW31)。ブロックBLK1の同一行に位置する不揮発性メモリ素子には、この行に対応するワード線が共通接続されている。 FIG. 10 shows an equivalent circuit of the NAND memory cell array. A NAND cell NS1 in which a plurality of nonvolatile memory elements are connected in series is connected to the bit line BL. A plurality of NAND cells gather to constitute a block BLK. The block BLK1 shown in FIG. 10 has 32 word lines (word lines WL0 to LW31). The nonvolatile memory elements located in the same row of the block BLK1 are commonly connected to word lines corresponding to this row.

この場合、選択トランジスタS1、S2と不揮発性メモリ素子M0乃至M31が直列に接続されているので、これらを一つのまとまりとして一つの半導体層34で形成しても良い。それにより不揮発性メモリ素子を繋ぐ配線を省略することが出来るので、集積化を図ることができる。また、隣接するNANDセルとの分離を容易に行うことができる。また、選択トランジスタS1、S2の半導体層36とNANDセルの半導体層38を分離して形成しても良い。不揮発性メモリ素子M0乃至M31の浮遊ゲートから電荷を引き抜く消去動作を行うときに、そのNANDセルの単位で消去動作を行うことができる。また、一つのワード線に共通接続する不揮発性メモリ素子(例えばM30の行)を一つの半導体層40で形成しても良い。 In this case, since the selection transistors S1 and S2 and the nonvolatile memory elements M0 to M31 are connected in series, they may be formed as a single semiconductor layer 34. Accordingly, wiring for connecting the nonvolatile memory elements can be omitted, so that integration can be achieved. Further, it is possible to easily separate the adjacent NAND cells. Further, the semiconductor layer 36 of the select transistors S1 and S2 and the semiconductor layer 38 of the NAND cell may be formed separately. When performing an erasing operation for extracting charges from the floating gates of the nonvolatile memory elements M0 to M31, the erasing operation can be performed in units of the NAND cells. Further, the nonvolatile memory elements (for example, the row of M30) commonly connected to one word line may be formed by one semiconductor layer 40.

書き込み動作では、NANDセルNS1が消去状態、つまりNANDセルNS1の各不揮発性メモリ素子のしきい値が負電圧の状態にしてから実行される。書き込みは、ソース線SL側のメモリ素子M0から順に行う。メモリ素子M0への書き込みを例として説明すると概略以下のようになる。 The write operation is executed after the NAND cell NS1 is in the erased state, that is, the threshold value of each nonvolatile memory element of the NAND cell NS1 is in a negative voltage state. Writing is performed in order from the memory element M0 on the source line SL side. An example of writing to the memory element M0 is as follows.

図11(A)は、”0”書き込みをする場合、選択ゲート線SG2に例えばVcc(電源電圧)を印加して選択トランジスタS2をオンにすると共にビット線BL0を0V(接地電圧)にする。選択ゲート線SG1は0Vとして、選択トランジスタS1はオフとする。次に、不揮発性メモリ素子M0のワード線WL0を高電圧Vpgm(20V程度)とし、これ以外のワード線を中間電圧Vpass(10V程度)にする。ビット線BL0の電圧は0Vなので、選択された不揮発性メモリ素子M0のチャネル形成領域の電位は0Vとなる。ワード線WL0とチャネル形成領域との間の電位差が大きいため、不揮発性メモリ素子M0の浮遊ゲートには前述のようにF−Nトンネル電流により電子が注入される。これにより、不揮発性メモリ素子M0のしきい値電圧が正の状態(”0”が書き込まれた状態)となる。 In FIG. 11A, when “0” is written, for example, Vcc (power supply voltage) is applied to the selection gate line SG2 to turn on the selection transistor S2 and to set the bit line BL0 to 0 V (ground voltage). The selection gate line SG1 is set to 0V, and the selection transistor S1 is turned off. Next, the word line WL0 of the nonvolatile memory element M0 is set to the high voltage Vpgm (about 20V), and the other word lines are set to the intermediate voltage Vpass (about 10V). Since the voltage of the bit line BL0 is 0V, the potential of the channel formation region of the selected nonvolatile memory element M0 is 0V. Since the potential difference between the word line WL0 and the channel formation region is large, electrons are injected into the floating gate of the nonvolatile memory element M0 by the FN tunnel current as described above. As a result, the threshold voltage of the nonvolatile memory element M0 becomes positive (a state in which “0” is written).

一方”1”書き込みをする場合は、図11(B)に示すように、ビット線BLを例えばVcc(電源電圧)にする。選択ゲート線SG2の電圧がVccであるため、選択トランジスタS2のしきい値電圧Vthに対して、VccマイナスVth(Vcc−Vth)になると、選択トランジスタS2がカットオフする。従って、不揮発性メモリ素子M0のチャネル形成領域はフローティング状態となる。次に、ワード線WL0に高電圧Vpgm(20V)、それ以外のワード線に中間電圧Vpass(10V)の電圧を印加すると、各ワード線とチャネル形成領域との容量カップリングにより、チャネル形成領域の電圧がVcc−Vthから上昇し例えば8V程度となる。チャネル形成領域の電圧が高電圧に昇圧されるため、”0”の書き込みの場合と異なり、ワード線WL0とチャネル形成領域の間の電位差が小さい。したがって、不揮発性メモリ素子M0の浮遊ゲートには、F−Nトンネル電流による電子注入が起こらない。よって、不揮発性メモリ素子M0のしきい値は、負の状態(”1”が書き込まれた状態)に保たれる。 On the other hand, when "1" is written, the bit line BL is set to Vcc (power supply voltage), for example, as shown in FIG. Since the voltage of the selection gate line SG2 is Vcc, the selection transistor S2 is cut off when Vcc minus Vth (Vcc−Vth) with respect to the threshold voltage Vth of the selection transistor S2. Accordingly, the channel formation region of the nonvolatile memory element M0 is in a floating state. Next, when the high voltage Vpgm (20 V) is applied to the word line WL0 and the intermediate voltage Vpass (10 V) is applied to the other word lines, the capacitive coupling between each word line and the channel formation region causes the channel formation region. The voltage rises from Vcc-Vth and becomes about 8V, for example. Since the voltage of the channel formation region is boosted to a high voltage, the potential difference between the word line WL0 and the channel formation region is small unlike the case of writing “0”. Therefore, electron injection due to the FN tunnel current does not occur in the floating gate of the nonvolatile memory element M0. Therefore, the threshold value of the nonvolatile memory element M0 is maintained in a negative state (a state in which “1” is written).

消去動作をする場合は、図12(A)に示すように、選択されたブロック内の全てのワード線に負の高電圧(Vers)を印加する。ビット線BL、ソース線SLをフローティング状態とする。これにより、ブロックの全てのメモリセルにおいて浮遊ゲート中の電子がトンネル電流により半導体層に放出される。この結果、これらのメモリセルのしきい値電圧が負方向にシフトする。 When performing the erase operation, as shown in FIG. 12A, a negative high voltage (Vers) is applied to all the word lines in the selected block. The bit line BL and the source line SL are brought into a floating state. Thereby, electrons in the floating gate are emitted to the semiconductor layer by the tunnel current in all the memory cells of the block. As a result, the threshold voltages of these memory cells shift in the negative direction.

図12(B)に示す読み出し動作では、読み出しの選択がされた不揮発性メモリ素子M0のワード線WL0の電圧Vr(例えば0V)とし、非選択のメモリセルのワード線WL1乃至WL31及び選択ゲート線SG1、SG2を電源電圧より少し高い読み出し用中間電圧Vreadとする。すなわち、図13に示すように、選択メモリ素子以外のメモリ素子はトランスファートランジスタとして働く。これにより、読み出しの選択がされた不揮発性メモリ素子M0に電流が流れるか否かを検出する。つまり、不揮発性メモリ素子M0に記憶されたデータが”0”の場合、不揮発性メモリ素子M0はオフなので、ビット線BLは放電しない。一方、”1”の場合、不揮発性メモリ素子M0はオンするので、ビット線BLが放電する。 In the reading operation shown in FIG. 12B, the voltage Vr (for example, 0 V) of the word line WL0 of the nonvolatile memory element M0 selected for reading is used, and the word lines WL1 to WL31 and the selection gate lines of the unselected memory cells. SG1 and SG2 are read intermediate voltages Vread that are slightly higher than the power supply voltage. That is, as shown in FIG. 13, the memory elements other than the selected memory element function as transfer transistors. Thus, it is detected whether or not a current flows through the nonvolatile memory element M0 selected for reading. That is, when the data stored in the nonvolatile memory element M0 is “0”, the nonvolatile memory element M0 is off, and the bit line BL is not discharged. On the other hand, in the case of “1”, since the nonvolatile memory element M0 is turned on, the bit line BL is discharged.

図14は、不揮発性半導体記憶装置の回路ブロック図の一例を示している。不揮発性半導体記憶装置は、メモリセルアレイ52と周辺回路54が同一の基板上に形成されている。メモリセルアレイ52は、図8、図9、図10で示すような構成を有している。周辺回路54の構成は以下の通りである。 FIG. 14 shows an example of a circuit block diagram of a nonvolatile semiconductor memory device. In the nonvolatile semiconductor memory device, the memory cell array 52 and the peripheral circuit 54 are formed on the same substrate. The memory cell array 52 has a configuration as shown in FIG. 8, FIG. 9, and FIG. The configuration of the peripheral circuit 54 is as follows.

ワード線選択のためにロウデコーダ62と、ビット線選択のためにカラムデコーダ64が、メモリセルアレイ52の周囲に設けられている。アドレスは、アドレスバッファ56を介してコントロール回路58に送られ、内部ロウアドレス信号及び内部カラムアドレス信号がそれぞれロウデコーダ62及びカラムデコーダ64に転送される。 A row decoder 62 for selecting a word line and a column decoder 64 for selecting a bit line are provided around the memory cell array 52. The address is sent to the control circuit 58 via the address buffer 56, and the internal row address signal and the internal column address signal are transferred to the row decoder 62 and the column decoder 64, respectively.

データ書き込み及び消去には、電源電位を昇圧した電位が用いられる。このため、コントロール回路58により動作モードに応じて制御される昇圧回路60が設けられている。昇圧回路60の出力はロウデコーダ62やカラムデコーダ64を介して、ワード線WLやビット線BLに供給される。センスアンプ66はカラムデコーダ64から出力されたデータが入力される。センスアンプ66により読み出されたデータは、データバッファ68に保持され、コントロール回路58からの制御により、データがランダムアクセスされ、データ入出力バッファ70を介して出力されるようになっている。書き込みデータは、データ入出力バッファ70を介してデータバッファ68に一旦保持され、コントロール回路58の制御によりカラムデコーダ64に転送される。 For writing and erasing data, a potential obtained by boosting the power supply potential is used. Therefore, a booster circuit 60 controlled by the control circuit 58 according to the operation mode is provided. The output of the booster circuit 60 is supplied to the word line WL and the bit line BL via the row decoder 62 and the column decoder 64. The sense amplifier 66 receives the data output from the column decoder 64. Data read by the sense amplifier 66 is held in the data buffer 68, and the data is randomly accessed under the control of the control circuit 58 and output via the data input / output buffer 70. The write data is temporarily held in the data buffer 68 via the data input / output buffer 70 and transferred to the column decoder 64 under the control of the control circuit 58.

このように、不揮発性半導体記憶装置では、メモリセルアレイ52において、電源電位とは異なる電位を用いる必要がある。そのため、少なくともメモリセルアレイ52と周辺回路54の間は、電気的に絶縁分離されているこことが望ましい。この場合、以下で説明する実施例のように、不揮発性メモリ素子及び周辺回路のトランジスタを絶縁表面に形成した半導体層で形成することにより、容易に絶縁分離をすることができる。それにより、誤動作を無くし、消費電力の低い不揮発性半導体記憶装置を得ることができる。 Thus, in the nonvolatile semiconductor memory device, it is necessary to use a potential different from the power supply potential in the memory cell array 52. Therefore, it is desirable that at least the memory cell array 52 and the peripheral circuit 54 are electrically isolated from each other. In this case, insulation isolation can be easily performed by forming a nonvolatile memory element and a transistor of a peripheral circuit with a semiconductor layer formed on an insulating surface as in an embodiment described below. Thus, a non-volatile semiconductor memory device with no malfunction and low power consumption can be obtained.

以下、本発明に係る不揮発性半導体記憶装置について、実施例により詳細に説明する。以下に説明する本発明の構成において、同じ要素を指す符号は異なる図面で共通して用い、その場合における繰り返しの説明は省略する場合がある。 Hereinafter, the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention will be described in detail with reference to examples. In the structure of the present invention described below, reference numerals indicating the same elements are used in common in different drawings, and repetitive description in that case may be omitted.

本実施例では、不揮発性半導体記憶装置の一例について図面を参照して説明する。以下の説明では、不揮発性半導体記憶装置において、メモリ部を構成する不揮発性メモリ素子と、当該メモリ部と同一の基板上に設けられメモリ部の制御等を行うロジック部を構成するトランジスタ等の素子とを同時に形成する場合を示す。 In this embodiment, an example of a nonvolatile semiconductor memory device will be described with reference to the drawings. In the following description, in a nonvolatile semiconductor memory device, a non-volatile memory element that forms a memory unit, and an element such as a transistor that forms a logic unit that is provided on the same substrate as the memory unit and controls the memory unit. Are shown simultaneously.

まず、不揮発性半導体記憶装置におけるメモリ部の等価回路を図8に示す。 First, an equivalent circuit of a memory portion in the nonvolatile semiconductor memory device is shown in FIG.

本実施例で示すメモリ部は、選択トランジスタと不揮発性メモリ素子を有するメモリセルが複数設けられている。図8では、選択トランジスタS01と不揮発性メモリ素子M01により一つのメモリセルが形成されている。また、同様に、選択トランジスタS02と不揮発性メモリ素子M02、選択トランジスタS03と不揮発性メモリ素子M03、選択トランジスタS11と不揮発性メモリ素子M11、選択トランジスタS12と不揮発性メモリ素子M12、選択トランジスタS13と不揮発性メモリ素子M13とによりメモリセルが形成されている。 In the memory portion shown in this embodiment, a plurality of memory cells each including a selection transistor and a nonvolatile memory element are provided. In FIG. 8, one memory cell is formed by the select transistor S01 and the nonvolatile memory element M01. Similarly, the selection transistor S02 and the nonvolatile memory element M02, the selection transistor S03 and the nonvolatile memory element M03, the selection transistor S11 and the nonvolatile memory element M11, the selection transistor S12 and the nonvolatile memory element M12, and the selection transistor S13 and the nonvolatile transistor A memory cell is formed by the volatile memory element M13.

選択トランジスタS01のゲート電極はワード線WL1に接続され、ソース又はドレインの一方はビット線BL0に接続され、他方は不揮発性メモリ素子M01のソース又はドレインに接続されている。また、不揮発性メモリ素子M01のゲート電極はワード線WL11に接続され、ソース又はドレインの一方は選択トランジスタS01のソース又はドレインに接続され、他方はソース線SLに接続されている。 The gate electrode of the selection transistor S01 is connected to the word line WL1, one of the source and the drain is connected to the bit line BL0, and the other is connected to the source or the drain of the nonvolatile memory element M01. The gate electrode of the nonvolatile memory element M01 is connected to the word line WL11, one of the source and the drain is connected to the source or the drain of the selection transistor S01, and the other is connected to the source line SL.

なお、メモリ部に設けられる選択トランジスタは、ロジック部に設けられるトランジスタと比較して駆動電圧が高いため、メモリ部に設けるトランジスタとロジック部に設けるトランジスタのゲート絶縁膜等を異なる厚さで形成することが好ましい。例えば、駆動電圧が小さくしきい値電圧のばらつきを小さくしたい場合にはゲート絶縁膜が薄い薄膜トランジスタを設けることが好ましく、駆動電圧が大きくゲート絶縁膜の耐圧性能が求められる場合にはゲート絶縁膜が厚い薄膜トランジスタを設けることが好ましい。 Note that since the selection transistor provided in the memory portion has a higher driving voltage than the transistor provided in the logic portion, the gate insulating film of the transistor provided in the memory portion and the transistor provided in the logic portion are formed with different thicknesses. It is preferable. For example, it is preferable to provide a thin film transistor with a thin gate insulating film when the driving voltage is small and it is desired to reduce the variation in threshold voltage. When the driving voltage is large and the withstand voltage performance of the gate insulating film is required, the gate insulating film is It is preferable to provide a thick thin film transistor.

従って、本実施例では、駆動電圧が小さくしきい値電圧のばらつきを小さくしたいロジック部のトランジスタに対しては膜厚が小さい絶縁層を形成し、駆動電圧が大きくゲート絶縁膜の耐圧性能が求められるメモリ部のトランジスタに対しては膜厚が大きい絶縁層を形成する場合に関して以下に図面を参照して説明する。なお、図32乃至図34は上面図を示し、図18乃至図21は図32乃至図34におけるA−B間、C−D間、E−F間及びG−H間の断面図を示している。また、A−B間及びC−D間はロジック部に設けられる薄膜トランジスタを示し、E−F間はメモリ部に設けられる不揮発性メモリ素子を示し、G−H間はメモリ部に設けられる薄膜トランジスタを示している。また、本実施例では、A−B間に設ける薄膜トランジスタをpチャネル型、C−D間、G−H間に設ける薄膜トランジスタをnチャネル型、E−F間に設けられる不揮発性メモリ素子のキャリアの移動を電子で行う場合に関して説明するが、本発明の不揮発性半導体装置はこれに限られるものでない。 Therefore, in this embodiment, an insulating layer having a small film thickness is formed for a transistor in the logic portion where the driving voltage is small and the variation in threshold voltage is small, and the withstand voltage performance of the gate insulating film is required because the driving voltage is large. A case where an insulating layer having a large film thickness is formed for a transistor in a memory portion will be described below with reference to the drawings. 32 to 34 are top views, and FIGS. 18 to 21 are cross-sectional views taken along lines AB, CD, EF, and GH in FIGS. 32 to 34. Yes. In addition, a thin film transistor provided in the logic portion is shown between AB and CD, a non-volatile memory element provided in the memory portion is shown between EF, and a thin film transistor provided in the memory portion is shown between GH. Show. In this embodiment, a thin film transistor provided between A and B is a p-channel type, a thin film transistor provided between C and D, a thin film transistor provided between GH and an n channel type, and a carrier of a nonvolatile memory element provided between EFs. Although the case where movement is performed by electrons will be described, the nonvolatile semiconductor device of the present invention is not limited to this.

まず、基板100上に絶縁層102を介して島状の半導体層104、106、108、110を形成し、当該島状の半導体層104、106、108、110を覆うように第1の絶縁層112、114、116、118をそれぞれ形成する。そして、第1の絶縁層112、114、116、118を覆うように後に完成する不揮発性メモリ素子の浮遊ゲートとして機能する電荷蓄積層120、123を積層して形成する(図18(A)参照)。島状の半導体層104、106、108、110は、基板100上にあらかじめ形成された絶縁層102上にスパッタ法、LPCVD法、プラズマCVD法等を用いてシリコン(Si)を主成分とする材料(例えばSiGe1−x等)等を用いて非晶質半導体層を形成し、当該非晶質半導体層を結晶化させた後に選択的にエッチングすることにより設けることができる。なお、非晶質半導体層の結晶化は、レーザー結晶化法、RTA又はファーネスアニール炉を用いる熱結晶化法、結晶化を助長する金属元素を用いる熱結晶化法またはこれら方法を組み合わせた方法等により行うことができる。 First, island-shaped semiconductor layers 104, 106, 108, 110 are formed over the substrate 100 with the insulating layer 102 interposed therebetween, and the first insulating layer is formed so as to cover the island-shaped semiconductor layers 104, 106, 108, 110. 112, 114, 116, and 118 are formed, respectively. Then, charge storage layers 120 and 123 functioning as floating gates of a nonvolatile memory element to be completed later are stacked so as to cover the first insulating layers 112, 114, 116, and 118 (see FIG. 18A). ). The island-shaped semiconductor layers 104, 106, 108, and 110 are materials whose main component is silicon (Si) using a sputtering method, an LPCVD method, a plasma CVD method, or the like over the insulating layer 102 formed in advance on the substrate 100. An amorphous semiconductor layer can be formed using (for example, Si x Ge 1-x ) or the like, and the amorphous semiconductor layer can be crystallized and then selectively etched. The crystallization of the amorphous semiconductor layer may be performed by laser crystallization, thermal crystallization using an RTA or furnace annealing furnace, thermal crystallization using a metal element that promotes crystallization, or a combination of these methods. Can be performed.

また、レーザー光の照射によって半導体層の結晶化若しくは再結晶化を行う場合には、レーザー光の光源としてLD励起の連続発振(CW)レーザー(YVO、第2高調波(波長532nm))を用いることができる。特に第2高調波に限定する必要はないが、第2高調波はエネルギー効率の点で、さらに高次の高調波より優れている。CWレーザーを半導体層に照射すると、連続的に半導体層にエネルギーが与えられるため、一旦半導体層を溶融状態にすると、溶融状態を継続させることができる。さらに、CWレーザーを走査することによって半導体層の固液界面を移動させ、この移動の方向に沿って一方向に長い結晶粒を形成することができる。また、固体レーザーを用いるのは、気体レーザー等と比較して、出力の安定性が高く、安定した処理が見込まれるためである。なお、CWレーザーに限らず、繰り返し周波数が10MHz以上のパルスレーザを用いることも可能である。繰り返し周波数が高いパルスレーザを用いると、半導体層が溶融してから固化するまでの時間よりもレーザーのパルス間隔が短ければ、常に半導体層を溶融状態にとどめることができ、固液界面の移動により一方向に長い結晶粒で構成される半導体層を形成することができる。その他のCWレーザー及び繰り返し周波数が10MHz以上のパルスレーザを使用することもできる。例えば、気体レーザーとしては、Arレーザー、Krレーザー、COレーザー等がある。固体レーザーとして、YAGレーザー、YLFレーザー、YAlOレーザー、GdVOレーザー、KGWレーザー、KYWレーザー、アレキサンドライトレーザー、Ti:サファイアレーザー、Yレーザー、YVOレーザー等がある。YAGレーザー、Yレーザー、GdVOレーザー、YVOレーザーなどはセラミックスレーザとも呼ばれる。金属蒸気レーザーとしてはヘリウムカドミウムレーザ等が挙げられる。また、レーザー発振器において、レーザー光をTEM00(シングル横モード)で発振して射出すると、被照射面において得られる線状のビームスポットのエネルギー均一性を上げることができるので好ましい。その他にも、パルス発振のエキシマレーザーを用いても良い。 In the case where the semiconductor layer is crystallized or recrystallized by laser light irradiation, an LD-excited continuous wave (CW) laser (YVO 4 , second harmonic (wavelength 532 nm)) is used as a laser light source. Can be used. The second harmonic is not particularly limited to the second harmonic, but the second harmonic is superior to higher harmonics in terms of energy efficiency. When the semiconductor layer is irradiated with the CW laser, energy is continuously given to the semiconductor layer. Therefore, once the semiconductor layer is in a molten state, the molten state can be continued. Furthermore, the solid-liquid interface of the semiconductor layer can be moved by scanning with a CW laser, and crystal grains that are long in one direction can be formed along the direction of this movement. The solid laser is used because the output stability is higher than that of a gas laser or the like, and stable processing is expected. Note that not only the CW laser but also a pulse laser having a repetition frequency of 10 MHz or more can be used. If a pulse laser with a high repetition frequency is used, the semiconductor layer can always remain in a molten state if the laser pulse interval is shorter than the time from when the semiconductor layer melts until it solidifies. A semiconductor layer including crystal grains that are long in one direction can be formed. Other CW lasers and pulse lasers with a repetition frequency of 10 MHz or more can also be used. For example, examples of the gas laser include an Ar laser, a Kr laser, and a CO 2 laser. Examples of the solid-state laser include a YAG laser, a YLF laser, a YAlO 3 laser, a GdVO 4 laser, a KGW laser, a KYW laser, an alexandrite laser, a Ti: sapphire laser, a Y 2 O 3 laser, and a YVO 4 laser. YAG laser, Y 2 O 3 laser, GdVO 4 laser, YVO 4 laser, and the like are also called ceramic lasers. Examples of the metal vapor laser include a helium cadmium laser. In addition, it is preferable to emit laser light in TEM 00 (single transverse mode) in a laser oscillator because energy uniformity of a linear beam spot obtained on the irradiated surface can be improved. In addition, a pulsed excimer laser may be used.

基板100は、ガラス基板、石英基板、金属基板(例えばセラミック基板またはステンレス基板など)、シリコン基板等の半導体基板から選択されるものである。他にもプラスチック基板として、ポリエチレンテレフタラート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリエーテルサルフィン(PES)、アクリルなどの基板を選択することもできる。 The substrate 100 is selected from a glass substrate, a quartz substrate, a metal substrate (for example, a ceramic substrate or a stainless steel substrate), and a semiconductor substrate such as a silicon substrate. In addition, as the plastic substrate, a substrate such as polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), polyethersulfine (PES), or acrylic can be selected.

絶縁層102は、CVD法やスパッタリング法等を用いて、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコン(SiOxNy、(x>y))、窒化酸化シリコン(SiNxOy、(x>y))等の絶縁材料を用いて形成する。例えば、絶縁層102を2層構造とする場合、第1層目の絶縁層として窒化酸化シリコン膜を形成し、第2層目の絶縁層として酸化窒化シリコン膜を形成するとよい。また、第1層目の絶縁層として窒化シリコン膜を形成し、第2層目の絶縁層として酸化シリコン膜を形成してもよい。このように、ブロッキング層として機能する絶縁層102を形成することによって、基板100からNaなどのアルカリ金属やアルカリ土類金属が、この上に形成する素子に悪影響を与えることを防ぐことができる。なお、基板100として石英を用いるような場合には絶縁層102を省略してもよい。 The insulating layer 102 is formed using an insulating material such as silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride (SiOxNy, (x> y)), or silicon nitride oxide (SiNxOy, (x> y)) using a CVD method, a sputtering method, or the like. It forms using. For example, in the case where the insulating layer 102 has a two-layer structure, a silicon nitride oxide film may be formed as the first insulating layer and a silicon oxynitride film may be formed as the second insulating layer. Alternatively, a silicon nitride film may be formed as the first insulating layer, and a silicon oxide film may be formed as the second insulating layer. In this manner, by forming the insulating layer 102 functioning as a blocking layer, alkali metal such as Na or alkaline earth metal from the substrate 100 can be prevented from adversely affecting the element formed thereon. Note that the insulating layer 102 may be omitted when quartz is used for the substrate 100.

第1の絶縁層112、114、116、118は、半導体層104、106、108、110に熱処理又はプラズマ処理等を行うことによって形成することができる。例えば、高密度プラズマ処理により当該半導体層104、106、108、110に酸化処理、窒化処理又は酸化窒化処理を行うことによって、当該半導体層104、106、108、110上にそれぞれ酸化膜、窒化膜又は酸化窒化膜となる第1の絶縁層112、114、116、118を形成する。なお、プラズマCVD法やスパッタ法により形成してもよい。 The first insulating layers 112, 114, 116, and 118 can be formed by performing heat treatment, plasma treatment, or the like on the semiconductor layers 104, 106, 108, and 110. For example, by performing oxidation treatment, nitridation treatment, or oxynitridation treatment on the semiconductor layers 104, 106, 108, and 110 by high-density plasma treatment, an oxide film and a nitride film are formed on the semiconductor layers 104, 106, 108, and 110, respectively. Alternatively, the first insulating layers 112, 114, 116, and 118 which are to be oxynitride films are formed. In addition, you may form by plasma CVD method or a sputtering method.

例えば、半導体層104、106、108、110としてシリコンを主成分とする半導体層を用いて高密度プラズマ処理により酸化処理又は窒化処理を行った場合、第1の絶縁層112、114、116、118として酸化シリコン(SiOx)膜又は窒化シリコン(SiNx)膜が形成される。また、高密度プラズマ処理により半導体層104、106、108、110に酸化処理を行った後に、再度高密度プラズマ処理を行うことによって窒化処理を行ってもよい。この場合、半導体層104、106、108、110に接して酸化シリコン膜が形成され、当該酸化シリコン膜上に酸素と窒素を有する膜(以下、「酸化窒化シリコン膜」と記す)が形成され、第1の絶縁層112、114、116、118は酸化シリコン膜と酸化窒化シリコン膜とが積層された膜となる。 For example, in the case where a semiconductor layer containing silicon as a main component is used as the semiconductor layers 104, 106, 108, and 110, oxidation treatment or nitridation treatment is performed by high-density plasma treatment, the first insulating layers 112, 114, 116, and 118 As a result, a silicon oxide (SiOx) film or a silicon nitride (SiNx) film is formed. Further, after the semiconductor layers 104, 106, 108, and 110 are oxidized by high-density plasma treatment, nitriding treatment may be performed by performing high-density plasma treatment again. In this case, a silicon oxide film is formed in contact with the semiconductor layers 104, 106, 108, and 110, and a film containing oxygen and nitrogen (hereinafter referred to as a “silicon oxynitride film”) is formed over the silicon oxide film. The first insulating layers 112, 114, 116, and 118 are films in which a silicon oxide film and a silicon oxynitride film are stacked.

本例では、第1の絶縁層112、114、116、118を1nm以上10nm以下の、好ましくは1nm以上5nm以下の膜厚で形成する。例えば、高密度プラズマ処理により半導体層104、106、108、110に酸化処理を行い当該半導体層104、106、108、110の表面に概略5nmの酸化シリコン膜を形成した後、高密度プラズマ処理により窒化処理を行い酸化シリコン膜の表面に概略2nmの酸化窒化シリコン膜を形成する。この場合、半導体層104、106、108、110の表面に形成された酸化シリコン膜の膜厚は、概略3nmとなっている。これは、酸化窒化シリコン膜が形成された分だけ減少するためである。また、このとき、高密度プラズマ処理による酸化処理と窒化処理は大気に一度も曝されることなく連続して行うことが好ましい。高密度プラズマ処理を連続して行うことによって、汚染物の混入の防止や生産効率の向上を実現することができる。 In this example, the first insulating layers 112, 114, 116, and 118 are formed with a thickness of 1 nm to 10 nm, preferably 1 nm to 5 nm. For example, the semiconductor layers 104, 106, 108, and 110 are oxidized by high-density plasma treatment to form a silicon oxide film with a thickness of about 5 nm on the surfaces of the semiconductor layers 104, 106, 108, and 110, and then the high-density plasma treatment. Nitriding is performed to form a silicon oxynitride film having a thickness of about 2 nm on the surface of the silicon oxide film. In this case, the film thickness of the silicon oxide film formed on the surface of the semiconductor layers 104, 106, 108, 110 is approximately 3 nm. This is because the silicon oxynitride film is reduced by the amount formed. At this time, it is preferable that the oxidation treatment and the nitriding treatment by the high-density plasma treatment are continuously performed without being exposed to the atmosphere. By continuously performing the high-density plasma treatment, it is possible to prevent contamination from entering and improve production efficiency.

なお、高密度プラズマ処理により半導体層を酸化する場合には、酸素を含む雰囲気下(例えば、酸素(O)又は一酸化二窒素(NO)と希ガス(He、Ne、Ar、Kr、Xeの少なくとも一つを含む)雰囲気下、若しくは酸素又は一酸化二窒素と水素(H)と希ガス雰囲気下)で行う。一方、高密度プラズマ処理により半導体層を窒化する場合には、窒素を含む雰囲気下(例えば、窒素(N)と希ガス(He、Ne、Ar、Kr、Xeの少なくとも一つを含む)雰囲気下、窒素と水素と希ガス雰囲気下、若しくはNHと希ガス雰囲気下)でプラズマ処理を行う。 Note that in the case where the semiconductor layer is oxidized by high-density plasma treatment, an atmosphere containing oxygen (for example, oxygen (O 2 ) or dinitrogen monoxide (N 2 O) and a rare gas (He, Ne, Ar, Kr And at least one of Xe), oxygen, or dinitrogen monoxide and hydrogen (H 2 ) and a rare gas atmosphere. On the other hand, in the case of nitriding a semiconductor layer by high-density plasma treatment, an atmosphere containing nitrogen (for example, an atmosphere containing nitrogen (N 2 ) and a rare gas (containing at least one of He, Ne, Ar, Kr, and Xe)) Under nitrogen, hydrogen, and rare gas atmosphere, or NH 3 and rare gas atmosphere).

希ガスとしては、例えばArを用いることができる。また、ArとKrを混合したガスを用いてもよい。高密度プラズマ処理を希ガス雰囲気中で行った場合、第1の絶縁層112、114、116、118は、プラズマ処理に用いた希ガス(He、Ne、Ar、Kr、Xeの少なくとも一つを含む)を含んでいる場合があり、Arを用いた場合には第1の絶縁層112、114、116、118にArが含まれている場合がある。 As the rare gas, for example, Ar can be used. A gas in which Ar and Kr are mixed may be used. When the high-density plasma treatment is performed in a rare gas atmosphere, the first insulating layers 112, 114, 116, and 118 are formed of at least one of rare gases (He, Ne, Ar, Kr, and Xe) used for the plasma treatment. In the case of using Ar, the first insulating layers 112, 114, 116, and 118 may contain Ar.

また、高密度プラズマ処理は、上記ガスの雰囲気中において、電子密度が1×1011cm−3以上であり、プラズマの電子温度が1.5eV以下で行う。より詳しくは、電子密度が1×1011cm−3以上1×1013cm−3以下で、プラズマの電子温度が0.5eV以上1.5eV以下で行う。プラズマの電子密度が高密度であり、基板100上に形成された被処理物(本例では、半導体層104、106、108、110)付近での電子温度が低いため、被処理物に対するプラズマによる損傷を防止することができる。また、プラズマの電子密度が1×1011cm−3以上と高密度であるため、プラズマ処理を用いて、被照射物を酸化または窒化することよって形成される酸化膜または窒化膜は、CVD法やスパッタ法等により形成された膜と比較して膜厚等が均一性に優れ、且つ緻密な膜を形成することができる。また、プラズマの電子温度が1.5eV以下と低いため、従来のプラズマ処理や熱酸化法と比較して低温度で酸化または窒化処理を行うことができる。例えば、ガラス基板の歪点よりも100℃以上低い温度でプラズマ処理を行っても十分に酸化または窒化処理を行うことができる。プラズマを形成するための周波数としては、マイクロ波(例えば、2.45GHz)等の高周波を用いることができる。 The high-density plasma treatment is performed in an atmosphere of the above gas at an electron density of 1 × 10 11 cm −3 or more and an electron temperature of plasma of 1.5 eV or less. More specifically, the electron density is 1 × 10 11 cm −3 to 1 × 10 13 cm −3 and the plasma electron temperature is 0.5 eV to 1.5 eV. Since the electron density of plasma is high and the electron temperature in the vicinity of the object to be processed (in this example, the semiconductor layers 104, 106, 108, and 110) formed on the substrate 100 is low, Damage can be prevented. In addition, since the electron density of plasma is as high as 1 × 10 11 cm −3 or higher, an oxide film or a nitride film formed by oxidizing or nitriding an object to be irradiated using plasma treatment is a CVD method. Compared with a film formed by sputtering or the like, a film having excellent uniformity in film thickness and the like and a dense film can be formed. In addition, since the electron temperature of plasma is as low as 1.5 eV or less, oxidation or nitridation can be performed at a lower temperature than conventional plasma treatment or thermal oxidation. For example, even if the plasma treatment is performed at a temperature lower than the strain point of the glass substrate by 100 ° C. or more, the oxidation or nitridation treatment can be sufficiently performed. As a frequency for forming plasma, a high frequency such as a microwave (eg, 2.45 GHz) can be used.

本実施例では、高密度プラズマ処理により被処理物の酸化処理を行う場合、酸素(O)、水素(H)とアルゴン(Ar)との混合ガスを導入する。ここで用いる混合ガスは、酸素を0.1sccm乃至100sccm、水素を0.1sccm乃至100sccm、アルゴンを100sccm乃至5000sccmとして導入すればよい。なお、酸素:水素:アルゴン=1:1:100の比率で混合ガスを導入することが好ましい。例えば、酸素を5sccm、水素を5sccm、アルゴンを500sccmとして導入すればよい。 In this embodiment, when an object to be processed is oxidized by high-density plasma treatment, a mixed gas of oxygen (O 2 ), hydrogen (H 2 ), and argon (Ar) is introduced. The mixed gas used here may be introduced with oxygen at 0.1 sccm to 100 sccm, hydrogen at 0.1 sccm to 100 sccm, and argon at 100 sccm to 5000 sccm. Note that the mixed gas is preferably introduced at a ratio of oxygen: hydrogen: argon = 1: 1: 100. For example, oxygen may be introduced at 5 sccm, hydrogen at 5 sccm, and argon at 500 sccm.

また、高密度プラズマ処理により窒化処理を行う場合、窒素(N)とアルゴン(Ar)との混合ガスを導入する。ここで用いる混合ガスは、窒素を20sccm乃至2000sccm、アルゴンを100sccm乃至10000sccmとして導入すればよい。例えば、窒素を200sccm、アルゴンを1000sccmとして導入すればよい。 In addition, when performing nitriding treatment by high-density plasma treatment, a mixed gas of nitrogen (N 2 ) and argon (Ar) is introduced. The mixed gas used here may be introduced at 20 sccm to 2000 sccm for nitrogen and 100 sccm to 10000 sccm for argon. For example, nitrogen may be introduced at 200 sccm and argon at 1000 sccm.

本実施例において、メモリ部に設けられた半導体層108上に形成される第1の絶縁層116は、後に完成する不揮発性メモリ素子において、トンネル酸化膜として機能する。従って、第1の絶縁層116の膜厚が薄いほど、トンネル電流が流れやすく、メモリとして高速動作が可能となる。また、第1の絶縁層116の膜厚が薄いほど、後に形成される浮遊ゲートに低電圧で電荷を蓄積させることが可能となるため、半導体装置の消費電力を低減することができる。そのため、第1の絶縁層112、114、116、118は、膜厚を薄く形成することが好ましい。 In this embodiment, the first insulating layer 116 formed over the semiconductor layer 108 provided in the memory portion functions as a tunnel oxide film in a nonvolatile memory element completed later. Therefore, the thinner the first insulating layer 116 is, the easier it is for the tunnel current to flow and the higher speed operation of the memory becomes possible. In addition, as the thickness of the first insulating layer 116 is thinner, charge can be accumulated in a floating gate formed later at a lower voltage, so that power consumption of the semiconductor device can be reduced. Therefore, the first insulating layers 112, 114, 116, and 118 are preferably formed thin.

一般的に、半導体層上に絶縁層を薄く形成する方法として熱酸化法があるが、基板100としてガラス基板等の融点が十分に高くない基板を用いる場合には、熱酸化法により第1の絶縁層112、114、116、118を形成することは非常に困難である。また、CVD法やスパッタ法により形成した絶縁層は、膜の内部に欠陥を含んでいるため十分な耐圧が得られない問題があり、膜厚を薄く形成した場合にはピンホール等の欠陥が生じる問題がある。また、CVD法やスパッタ法により絶縁層を形成した場合には、半導体層の端部の被覆が十分でなく、後に第1の絶縁層116上に形成される導電膜等と半導体層とがリークする場合がある。従って、本実施例で示すように、高密度プラズマ処理により第1の絶縁層112、114、116、118を形成することによって、CVD法やスパッタ法等により形成した絶縁層より緻密な絶縁層を形成することができ、また、半導体層104、106、108、110の端部を第1の絶縁層112、114、116、118で十分に被覆することができる。その結果、メモリとして高速動作や電荷保持特性を向上させることができる。なお、CVD法やスパッタ法により第1の絶縁層112、114、116、118を形成した場合には、絶縁層を形成した後に高密度プラズマ処理を行い当該絶縁層の表面に酸化処理、窒化処理又は酸化窒化処理を行うことが好ましい。 In general, there is a thermal oxidation method as a method for forming a thin insulating layer over a semiconductor layer. However, when a substrate having a sufficiently low melting point such as a glass substrate is used as the substrate 100, the first method is performed by the thermal oxidation method. It is very difficult to form the insulating layers 112, 114, 116, and 118. In addition, an insulating layer formed by CVD or sputtering has a problem that a sufficient breakdown voltage cannot be obtained because the film contains defects, and defects such as pinholes are caused when the film is formed thin. There are problems that arise. In addition, in the case where the insulating layer is formed by a CVD method or a sputtering method, the end portion of the semiconductor layer is not sufficiently covered, and the conductive layer and the like that are formed later on the first insulating layer 116 and the semiconductor layer leak. There is a case. Therefore, as shown in this embodiment, by forming the first insulating layers 112, 114, 116, and 118 by high-density plasma treatment, an insulating layer that is denser than the insulating layer formed by CVD or sputtering is used. The end portions of the semiconductor layers 104, 106, 108, 110 can be sufficiently covered with the first insulating layers 112, 114, 116, 118. As a result, high-speed operation and charge retention characteristics as a memory can be improved. Note that in the case where the first insulating layers 112, 114, 116, and 118 are formed by a CVD method or a sputtering method, high-density plasma treatment is performed after forming the insulating layer, and the surface of the insulating layer is oxidized or nitrided. Alternatively, oxynitriding treatment is preferably performed.

電荷蓄積層120、123は、ゲルマニウム(Ge)又はシリコンゲルマニウム合金等のゲルマニウムを含む膜とシリコン(シリコン)を含む膜の積層構造で形成する。本例では、電荷蓄積層120として、ゲルマニウム元素を含む雰囲気中(例えば、GeH)でプラズマCVD法を行うことにより、ゲルマニウムを主成分とする膜を1nm以上20nm以下の、好ましくは1nm以上10nm以下ので形成後、電荷蓄積層123としてシリコン元素を含む雰囲気中(例えば、SiH)でプラズマCVD法を行うことにより、シリコンを主成分とする膜を1nm以上50nm以下の、好ましくは1nm以上20nm以下ので形成することによって、ゲルマニウムとシリコンの積層構造で設ける。このように、半導体層としてシリコンを主成分とする材料を用いて形成し、当該半導体層上にトンネル酸化膜として機能する第1の絶縁層を介してシリコンよりエネルギーギャップの小さいゲルマニウムを含む膜を電荷蓄積層として設けた場合、半導体層の電荷に対する絶縁層により形成される第1の障壁に対して電荷蓄積層の電荷に対する絶縁層により形成される第2の障壁がエネルギー的に高くなる。その結果、半導体層から電荷蓄積層へ電荷を注入しやすくすることができ、電荷蓄積層から電荷が消失することを防ぐことができる。つまり、メモリとして動作する場合に、低電圧で高効率な書き込みをすることが出来、且つ電荷保持特性を向上させることができる。また、メモリ部に設けられた半導体層108上に形成される電荷蓄積層120及び電荷蓄積層123を含む積層構造は、後に完成する不揮発性メモリ素子において、浮遊ゲートとして機能する。 The charge storage layers 120 and 123 are formed with a stacked structure of a film containing germanium such as germanium (Ge) or a silicon germanium alloy and a film containing silicon (silicon). In this example, a plasma CVD method is performed as the charge storage layer 120 in an atmosphere containing a germanium element (for example, GeH 4 ), so that a film containing germanium as a main component is 1 nm to 20 nm, preferably 1 nm to 10 nm. After forming the film, a film containing silicon as a main component has a thickness of 1 nm to 50 nm, preferably 1 nm to 20 nm by performing plasma CVD in an atmosphere containing silicon element (for example, SiH 4 ) as the charge storage layer 123. By forming in the following, a stacked structure of germanium and silicon is provided. Thus, a film containing germanium having a smaller energy gap than silicon is formed over the semiconductor layer with the first insulating layer functioning as a tunnel oxide film formed using a material containing silicon as a main component as the semiconductor layer. When the charge storage layer is provided, the second barrier formed by the insulating layer for the charge of the charge storage layer is higher in energy than the first barrier formed by the insulating layer for the charge of the semiconductor layer. As a result, charge can be easily injected from the semiconductor layer into the charge storage layer, and the charge can be prevented from disappearing from the charge storage layer. That is, when operating as a memory, high-efficiency writing can be performed at a low voltage, and charge retention characteristics can be improved. A stacked structure including the charge storage layer 120 and the charge storage layer 123 formed over the semiconductor layer 108 provided in the memory portion functions as a floating gate in a nonvolatile memory element to be completed later.

次に、半導体層104、106、110上に形成された、第1の絶縁層112、114、118と電荷蓄積層120及び電荷蓄積層123を含む積層構造を選択的に除去し、半導体層108上に形成された、第1の絶縁層116と電荷蓄積層120及び電荷蓄積層123を含む積層構造を残存させる。本例では、メモリ部に設けられた半導体層108、第1の絶縁層116、電荷蓄積層120及び電荷蓄積層123を含む積層構造を選択的にレジストで覆い、半導体層104、106、110上に形成された、第1の絶縁層112、114、118と電荷蓄積層120及び電荷蓄積層123を含む積層構造をエッチングすることによって選択的に除去する(図18(B)参照)。 Next, the stacked structure including the first insulating layers 112, 114, and 118, the charge storage layer 120, and the charge storage layer 123 formed over the semiconductor layers 104, 106, and 110 is selectively removed, and the semiconductor layer 108 is removed. The stacked structure including the first insulating layer 116, the charge storage layer 120, and the charge storage layer 123 formed thereon is left. In this example, a stacked structure including the semiconductor layer 108, the first insulating layer 116, the charge storage layer 120, and the charge storage layer 123 provided in the memory portion is selectively covered with a resist, and the semiconductor layers 104, 106, and 110 are formed. The stacked structure including the first insulating layers 112, 114, 118, the charge storage layer 120, and the charge storage layer 123 is selectively removed by etching (see FIG. 18B).

次に、半導体層104、106、110と、半導体層108の上方に形成された電荷蓄積層120及び電荷蓄積層123を含む積層構造の一部を選択的に覆うようにレジスト122を形成し、当該レジスト122に覆われていない電荷蓄積層120、123をエッチングして選択的に除去することによって、電荷蓄積層120及び電荷蓄積層123を含む積層構造の一部を残存させ、浮遊ゲートとして機能する電荷蓄積層121及び電荷蓄積層125を含む積層構造を形成する(図18(C)、図32参照)。 Next, a resist 122 is formed so as to selectively cover a part of the stacked structure including the semiconductor layers 104, 106, and 110 and the charge storage layer 120 and the charge storage layer 123 formed above the semiconductor layer 108. The charge storage layers 120 and 123 not covered with the resist 122 are selectively removed by etching, so that a part of the stacked structure including the charge storage layer 120 and the charge storage layer 123 remains and functions as a floating gate. A stacked structure including the charge storage layer 121 and the charge storage layer 125 is formed (see FIGS. 18C and 32).

次に、半導体層110の特定の領域に不純物領域を形成する。本例では、レジスト122を除去後、半導体層104、106、108と、半導体層110の一部を選択的に覆うようにレジスト124を形成し、当該レジスト124に覆われていない半導体層110に不純物元素を導入することによって、不純物領域126を形成する(図19(A)参照)。不純物元素としては、n型を付与する不純物元素又はp型を付与する不純物元素を用いる。n型を示す不純物元素としては、リン(P)やヒ素(As)等を用いることができる。p型を示す不純物元素としては、ボロン(B)やアルミニウム(Al)やガリウム(Ga)等を用いることができる。本例では、不純物元素として、リン(P)を半導体層110に導入する。 Next, an impurity region is formed in a specific region of the semiconductor layer 110. In this example, after removing the resist 122, a resist 124 is formed so as to selectively cover the semiconductor layers 104, 106, and 108 and part of the semiconductor layer 110, and the semiconductor layer 110 not covered with the resist 124 is formed. By introducing an impurity element, an impurity region 126 is formed (see FIG. 19A). As the impurity element, an impurity element imparting n-type conductivity or an impurity element imparting p-type conductivity is used. As the impurity element exhibiting n-type, phosphorus (P), arsenic (As), or the like can be used. As the p-type impurity element, boron (B), aluminum (Al), gallium (Ga), or the like can be used. In this example, phosphorus (P) is introduced into the semiconductor layer 110 as the impurity element.

次に、半導体層104、106、110と、半導体層108の上方に形成された第1の絶縁層116と浮遊ゲートとして機能する電荷蓄積層121及び電荷蓄積層125を含む積層構造を覆うように第2の絶縁層128を形成する(図19(B)参照)。 Next, the semiconductor layer 104, 106, 110, the first insulating layer 116 formed above the semiconductor layer 108, and the stacked structure including the charge storage layer 121 and the charge storage layer 125 functioning as a floating gate are covered. The second insulating layer 128 is formed (see FIG. 19B).

第2の絶縁層128は、CVD法やスパッタリング法等を用いて、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコン(SiOxNy、(x>y))、窒化酸化シリコン(SiNxOy、(x>y))等の絶縁材料を用いて単層又は積層して形成する。例えば、第2の絶縁層128を単層で設ける場合には、CVD法により酸化窒化シリコン膜又は窒化酸化シリコン膜を5nm以上50nm以下の膜厚で形成する。また、第2の絶縁層128を3層構造で設ける場合には、第1層目の絶縁層として酸化窒化シリコン膜を形成し、第2の絶縁層として窒化シリコン膜を形成し、第3の絶縁層として酸化窒化シリコン膜を形成する。また、他にも第2の絶縁層128として、ゲルマニウムの酸化物又は窒化物を用いてもよい。 The second insulating layer 128 is formed using silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride (SiOxNy, (x> y)), silicon nitride oxide (SiNxOy, (x> y)), or the like using a CVD method, a sputtering method, or the like. These insulating materials are used to form a single layer or a stacked layer. For example, when the second insulating layer 128 is provided as a single layer, a silicon oxynitride film or a silicon nitride oxide film is formed with a thickness of 5 nm to 50 nm by a CVD method. In the case where the second insulating layer 128 is provided with a three-layer structure, a silicon oxynitride film is formed as the first insulating layer, a silicon nitride film is formed as the second insulating layer, A silicon oxynitride film is formed as the insulating layer. In addition, germanium oxide or nitride may be used for the second insulating layer 128.

なお、半導体層108の上方に形成された第2の絶縁層128は、後に完成する不揮発性メモリ素子においてコントロール絶縁層として機能し、半導体層110の上方に形成された第2の絶縁層128は、後に完成するトランジスタにおいてゲート絶縁膜として機能する。 Note that the second insulating layer 128 formed above the semiconductor layer 108 functions as a control insulating layer in a nonvolatile memory element to be completed later, and the second insulating layer 128 formed above the semiconductor layer 110 is It functions as a gate insulating film in a transistor to be completed later.

次に、半導体層108、110の上方に形成された第2の絶縁層128を覆うようにレジスト130を選択的に形成し、半導体層104、106上に形成された第2の絶縁層128を選択的に除去する(図19(C)参照)。 Next, a resist 130 is selectively formed so as to cover the second insulating layer 128 formed over the semiconductor layers 108 and 110, and the second insulating layer 128 formed over the semiconductor layers 104 and 106 is formed. This is selectively removed (see FIG. 19C).

次に、半導体層104、106を覆うように第3の絶縁層132、134をそれぞれ形成する(図20(A)参照)。 Next, third insulating layers 132 and 134 are formed so as to cover the semiconductor layers 104 and 106, respectively (see FIG. 20A).

第3の絶縁層132、134は、上記第1の絶縁層112、114、116、118の形成方法で示したいずれかの方法を用いて形成する。例えば、高密度プラズマ処理により半導体層104、106、108、110に酸化処理、窒化処理又は酸化窒化処理を行うことによって、当該半導体層104、106上にそれぞれシリコンの酸化膜、窒化膜又は酸化窒化膜となる第3の絶縁層132、134を形成する。 The third insulating layers 132 and 134 are formed by any one of the methods described for forming the first insulating layers 112, 114, 116, and 118. For example, by performing oxidation treatment, nitridation treatment, or oxynitridation treatment on the semiconductor layers 104, 106, 108, and 110 by high-density plasma treatment, a silicon oxide film, a nitride film, or oxynitridation is performed on the semiconductor layers 104 and 106, respectively. Third insulating layers 132 and 134 to be films are formed.

本例では、第3の絶縁層132、134を1nm以上20nm以下の、好ましくは1nm以上10nm以下の膜厚で形成する。例えば、高密度プラズマ処理により半導体層104、106に酸化処理を行い当該半導体層104、106の表面に酸化シリコン膜を形成した後、高密度プラズマ処理により窒化処理を行い酸化シリコン膜の表面に酸化窒化シリコン膜を形成する。また、この場合、半導体層108、110の上方に形成された第2の絶縁層128の表面にも酸化処理又は窒化処理が行われ、酸化膜又は酸化窒化膜が形成される。半導体層104、106の上方に形成された第3の絶縁層132、134は、後に完成するトランジスタにおいてゲート絶縁膜として機能する。 In this example, the third insulating layers 132 and 134 are formed with a thickness of 1 nm to 20 nm, preferably 1 nm to 10 nm. For example, the semiconductor layers 104 and 106 are oxidized by high-density plasma treatment to form a silicon oxide film on the surfaces of the semiconductor layers 104 and 106, and then nitridation is performed by high-density plasma treatment to oxidize the surface of the silicon oxide film. A silicon nitride film is formed. In this case, the surface of the second insulating layer 128 formed above the semiconductor layers 108 and 110 is also subjected to oxidation treatment or nitridation treatment, so that an oxide film or an oxynitride film is formed. The third insulating layers 132 and 134 formed over the semiconductor layers 104 and 106 function as gate insulating films in transistors to be completed later.

次に、半導体層104、106の上方に形成された第3の絶縁層132、134、半導体層108、110の上方に形成された第2の絶縁層128を覆うように導電膜を形成する(図20(B)参照)。本例では、導電膜として、導電膜136と導電膜138を順に積層して形成した例を示している。もちろん、導電膜は、単層又は3層以上の積層構造で形成してもよい。 Next, a conductive film is formed so as to cover the third insulating layers 132 and 134 formed above the semiconductor layers 104 and 106 and the second insulating layer 128 formed above the semiconductor layers 108 and 110 (see FIG. (See FIG. 20B). In this example, the conductive film 136 and the conductive film 138 are sequentially stacked as the conductive film. Needless to say, the conductive film may be formed of a single layer or a stacked structure of three or more layers.

導電膜136、138としては、タンタル(Ta)、タングステン(W)、チタン(Ti)、モリブデン(Mo)、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、クロム(Cr)、ニオブ(Nb)等から選択された元素またはこれらの元素を主成分とする合金材料若しくは化合物材料で形成することができる。また、これらの元素を窒化した金属窒化膜で形成することもできる。他にも、リン等の不純物元素をドーピングした多結晶シリコンに代表される半導体材料により形成することもできる。 The conductive films 136 and 138 are selected from tantalum (Ta), tungsten (W), titanium (Ti), molybdenum (Mo), aluminum (Al), copper (Cu), chromium (Cr), niobium (Nb), and the like. Or an alloy material or a compound material containing these elements as main components. Alternatively, a metal nitride film obtained by nitriding these elements can be used. In addition, a semiconductor material typified by polycrystalline silicon doped with an impurity element such as phosphorus can be used.

本例では、導電膜136として窒化タンタルを用いて形成し、その上に導電膜138としてタングステンを用いて積層構造で設ける。また、他にも、導電膜136として、窒化タングステン、窒化モリブデン又は窒化チタンから選ばれた単層又は積層膜を用い、導電膜138として、タンタル、モリブデン、チタンから選ばれた単層又は積層膜を用いることができる。 In this example, the conductive film 136 is formed using tantalum nitride, and the conductive film 138 is formed using tungsten over the stacked structure. In addition, a single layer or stacked film selected from tungsten nitride, molybdenum nitride, or titanium nitride is used as the conductive film 136, and a single layer or stacked film selected from tantalum, molybdenum, or titanium is used as the conductive film 138. Can be used.

次に、積層して設けられた導電膜136、138を選択的にエッチングして除去することによって、半導体層104、106、108、110の上方の一部に導電膜136、138を残存させ、それぞれゲート電極として機能する導電膜140、142、144、146を形成する(図20(C)、図33参照)。なお、メモリ部に設けられた半導体層108の上方に形成される導電膜144は、後に完成する不揮発性メモリ素子において制御ゲートとして機能する。また、導電膜140、142、146は、後に完成するトランジスタにおいてゲート電極として機能する。 Next, the conductive films 136 and 138 provided in a stacked manner are selectively etched and removed, so that the conductive films 136 and 138 are left over part of the semiconductor layers 104, 106, 108, and 110. Conductive films 140, 142, 144, and 146 each functioning as a gate electrode are formed (see FIGS. 20C and 33). Note that the conductive film 144 formed over the semiconductor layer 108 provided in the memory portion functions as a control gate in a nonvolatile memory element to be completed later. In addition, the conductive films 140, 142, and 146 function as gate electrodes in transistors that are completed later.

次に、半導体層104を覆うようにレジスト148を選択的に形成し、当該レジスト148、導電膜142、144、146をマスクとして半導体層106、108、110に不純物元素を導入することによって不純物領域を形成する(図21(A)参照)。不純物元素としては、n型を付与する不純物元素又はp型を付与する不純物元素を用いる。n型を示す不純物元素としては、リン(P)やヒ素(As)等を用いることができる。p型を示す不純物元素としては、ボロン(B)やアルミニウム(Al)やガリウム(Ga)等を用いることができる。本例では、不純物元素として、リン(P)を用いる。 Next, a resist 148 is selectively formed so as to cover the semiconductor layer 104, and an impurity element is introduced into the semiconductor layers 106, 108, and 110 using the resist 148 and the conductive films 142, 144, and 146 as masks. (See FIG. 21A). As the impurity element, an impurity element imparting n-type conductivity or an impurity element imparting p-type conductivity is used. As the impurity element exhibiting n-type, phosphorus (P), arsenic (As), or the like can be used. As the p-type impurity element, boron (B), aluminum (Al), gallium (Ga), or the like can be used. In this example, phosphorus (P) is used as the impurity element.

図21(A)においては、不純物元素を導入することによって、半導体層106にソース領域又はドレイン領域を形成する不純物領域152とチャネル形成領域150が形成される。また、半導体層108には、ソース領域又はドレイン領域を形成する不純物領域156とLDD領域を形成する低濃度不純物領域158とチャネル形成領域154が形成される。また、半導体層110には、ソース領域又はドレイン領域を形成する不純物領域162とLDD領域を形成する低濃度不純物領域164とチャネル形成領域160が形成される。 In FIG. 21A, an impurity element 152 and a channel formation region 150 which form a source region or a drain region are formed in the semiconductor layer 106 by introducing an impurity element. In the semiconductor layer 108, an impurity region 156 that forms a source region or a drain region, a low-concentration impurity region 158 that forms an LDD region, and a channel formation region 154 are formed. In the semiconductor layer 110, an impurity region 162 that forms a source region or a drain region, a low-concentration impurity region 164 that forms an LDD region, and a channel formation region 160 are formed.

また、半導体層108に形成される低濃度不純物領域158は、図21(A)において導入された不純物元素が浮遊ゲートとして機能する電荷蓄積層121及び電荷蓄積層125を含む積層構造を突き抜けることによって形成される。従って、半導体層108において、導電膜144及び電荷蓄積層121及び電荷蓄積層125を含む積層構造の双方と重なる領域にチャネル形成領域154が形成され、電荷蓄積層121及び電荷蓄積層125を含む積層構造と重なり導電膜144と重ならない領域に低濃度不純物領域158が形成され、電荷蓄積層121及び電荷蓄積層125を含む積層構造及び導電膜144の双方と重ならない領域に高濃度不純物領域156が形成される。 Further, the low-concentration impurity region 158 formed in the semiconductor layer 108 penetrates the stacked structure including the charge storage layer 121 and the charge storage layer 125 in which the impurity element introduced in FIG. 21A functions as a floating gate. It is formed. Therefore, in the semiconductor layer 108, a channel formation region 154 is formed in a region overlapping with both the stacked structure including the conductive film 144, the charge storage layer 121, and the charge storage layer 125, and the stack including the charge storage layer 121 and the charge storage layer 125 is formed. A low concentration impurity region 158 is formed in a region that overlaps with the structure and does not overlap with the conductive film 144, and a high concentration impurity region 156 exists in a region that does not overlap with both the stacked structure including the charge storage layer 121 and the charge storage layer 125 and the conductive film 144. It is formed.

次に、半導体層106、108、110を覆うようにレジスト166を選択的に形成し、当該レジスト166、導電膜140をマスクとして半導体層104に不純物元素を導入することによって不純物領域を形成する(図21(B)参照)。不純物元素としては、n型を付与する不純物元素又はp型を付与する不純物元素を用いる。n型を示す不純物元素としては、リン(P)やヒ素(As)等を用いることができる。p型を示す不純物元素としては、ボロン(B)やアルミニウム(Al)やガリウム(Ga)等を用いることができる。本例では、図21(A)で半導体層106、108、110に導入した不純物元素と異なる導電型を有する不純物元素(例えば、ボロン(B))を導入する。その結果、半導体層104にソース領域又はドレイン領域を形成する不純物領域170とチャネル形成領域168を形成される。 Next, a resist 166 is selectively formed so as to cover the semiconductor layers 106, 108, and 110, and an impurity region is formed by introducing an impurity element into the semiconductor layer 104 using the resist 166 and the conductive film 140 as a mask ( (See FIG. 21B). As the impurity element, an impurity element imparting n-type conductivity or an impurity element imparting p-type conductivity is used. As the impurity element exhibiting n-type, phosphorus (P), arsenic (As), or the like can be used. As the p-type impurity element, boron (B), aluminum (Al), gallium (Ga), or the like can be used. In this example, an impurity element (for example, boron (B)) having a conductivity type different from that of the impurity element introduced into the semiconductor layers 106, 108, and 110 in FIG. As a result, an impurity region 170 and a channel formation region 168 that form a source region or a drain region are formed in the semiconductor layer 104.

次に、第2の絶縁層128、第3の絶縁層132、134、導電膜140、142、144、146を覆うように絶縁層172を形成し、当該絶縁層172上に半導体層104、106、108、110にそれぞれ形成された不純物領域170、152、156、162と電気的に接続する導電膜174を形成する(図21(C)、図34参照)。 Next, an insulating layer 172 is formed so as to cover the second insulating layer 128, the third insulating layers 132 and 134, and the conductive films 140, 142, 144, and 146, and the semiconductor layers 104 and 106 are formed over the insulating layer 172. , 108, and 110, conductive films 174 that are electrically connected to the impurity regions 170, 152, 156, and 162, respectively, are formed (see FIGS. 21C and 34).

絶縁層172は、CVD法やスパッタ法等により、酸化シリコン(SiOx)、窒化シリコン(SiNx)、酸化窒化シリコン(SiOxNy、(x>y))、窒化酸化シリコン(SiNxOy、(x>y))等の酸素または窒素を有する絶縁層やDLC(ダイヤモンドライクカーボン)等の炭素を含む膜、エポキシ、ポリイミド、ポリアミド、ポリビニルフェノール、ベンゾシクロブテン、アクリル等の有機材料またはシロキサン樹脂等のシロキサン材料からなる単層または積層構造で設けることができる。なお、シロキサン材料とは、Si−O−Si結合を含む材料に相当する。シロキサンは、シリコン(Si)と酸素(O)との結合で骨格構造が構成される。置換基として、少なくとも水素を含む有機基(例えばアルキル基、芳香族炭化水素)が用いられる。置換基として、フルオロ基を用いることもできる。または置換基として、少なくとも水素を含む有機基と、フルオロ基とを用いてもよい。 The insulating layer 172 is formed by CVD, sputtering, or the like using silicon oxide (SiOx), silicon nitride (SiNx), silicon oxynitride (SiOxNy, (x> y)), silicon nitride oxide (SiNxOy, (x> y)). An insulating layer having oxygen or nitrogen such as a film, a film containing carbon such as DLC (diamond-like carbon), an organic material such as epoxy, polyimide, polyamide, polyvinylphenol, benzocyclobutene, acrylic, or a siloxane material such as a siloxane resin A single layer or a stacked structure can be provided. Note that the siloxane material corresponds to a material including a Si—O—Si bond. Siloxane has a skeleton structure formed of a bond of silicon (Si) and oxygen (O). As a substituent, an organic group containing at least hydrogen (for example, an alkyl group or an aromatic hydrocarbon) is used. A fluoro group can also be used as a substituent. Alternatively, an organic group containing at least hydrogen and a fluoro group may be used as a substituent.

導電膜174は、CVD法やスパッタリング法等により、アルミニウム(Al)、タングステン(W)、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、モリブデン(Mo)、ニッケル(Ni)、白金(Pt)、銅(Cu)、金(Au)、銀(Ag)、マンガン(Mn)、ネオジウム(Nd)、炭素(C)、シリコン(Si)から選択された元素、又はこれらの元素を主成分とする合金材料若しくは化合物材料で、単層又は積層で形成する。アルミニウムを主成分とする合金材料とは、例えば、アルミニウムを主成分としニッケルを含む材料、又は、アルミニウムを主成分とし、ニッケルと、炭素とシリコンの一方又は両方とを含む合金材料に相当する。導電膜174は、例えば、バリア膜とアルミニウムシリコン(Al−Si)膜とバリア膜の積層構造、バリア膜とアルミニウムシリコン(Al−Si)膜と窒化チタン(TiN)膜とバリア膜の積層構造を採用するとよい。なお、バリア膜とは、チタン、チタンの窒化物、モリブデン、又はモリブデンの窒化物からなる薄膜に相当する。アルミニウムやアルミニウムシリコンは抵抗値が低く、安価であるため、導電膜174を形成する材料として最適である。また、上層と下層のバリア層を設けると、アルミニウムやアルミニウムシリコンのヒロックの発生を防止することができる。また、還元性の高い元素であるチタンからなるバリア膜を形成すると、結晶質半導体層上に薄い自然酸化膜ができていたとしても、この自然酸化膜を還元し、結晶質半導体層と良好なコンタクトをとることができる。 The conductive film 174 is formed by a CVD method, a sputtering method, or the like by aluminum (Al), tungsten (W), titanium (Ti), tantalum (Ta), molybdenum (Mo), nickel (Ni), platinum (Pt), copper ( Cu), gold (Au), silver (Ag), manganese (Mn), neodymium (Nd), carbon (C), silicon (Si), or an alloy material containing these elements as a main component or The compound material is formed as a single layer or a stacked layer. The alloy material containing aluminum as a main component corresponds to, for example, a material containing aluminum as a main component and containing nickel, or an alloy material containing aluminum as a main component and containing nickel and one or both of carbon and silicon. The conductive film 174 has, for example, a stacked structure of a barrier film, an aluminum silicon (Al—Si) film, and a barrier film, or a stacked structure of a barrier film, an aluminum silicon (Al—Si) film, a titanium nitride (TiN) film, and a barrier film. Adopt it. Note that the barrier film corresponds to a thin film formed of titanium, titanium nitride, molybdenum, or molybdenum nitride. Aluminum and aluminum silicon are optimal materials for forming the conductive film 174 because they have low resistance and are inexpensive. In addition, when an upper layer and a lower barrier layer are provided, generation of hillocks of aluminum or aluminum silicon can be prevented. In addition, when a barrier film made of titanium, which is a highly reducing element, is formed, even if a thin natural oxide film is formed on the crystalline semiconductor layer, the natural oxide film is reduced, so that the crystalline semiconductor layer is in good condition. Contact can be made.

なお、本実施例では、浮遊ゲートとして機能する電荷蓄積層121及び電荷蓄積層125を含む積層構造が半導体層108の端部を乗り越えるように横断して形成している(図32参照)。従って、島状に設けられた半導体層108の端部においてはトンネル絶縁層として機能する第1の絶縁層116を介して浮遊ゲートとして機能する電荷蓄積層121及び電荷蓄積層125を含む積層構造が形成されている。そのため、第1の絶縁層116の被覆不良や作製プロセスに伴う何らかの電荷の蓄積により、不揮発性メモリ素子の特性に影響が生じるおそれがある。従って、上述した構成において、半導体層108の端部であって、電荷蓄積層121及び電荷蓄積層125を含む積層構造と重なる領域及びその近傍の領域に選択的に不純物領域194を設けた構成としてもよい(図35参照)。 In this embodiment, the stacked structure including the charge storage layer 121 and the charge storage layer 125 functioning as a floating gate is formed so as to cross over the end portion of the semiconductor layer 108 (see FIG. 32). Accordingly, a stacked structure including the charge storage layer 121 and the charge storage layer 125 functioning as a floating gate through the first insulating layer 116 functioning as a tunnel insulating layer is formed at an end portion of the semiconductor layer 108 provided in an island shape. Is formed. Therefore, there is a possibility that the characteristics of the nonvolatile memory element may be affected by poor coverage of the first insulating layer 116 or accumulation of some charges accompanying the manufacturing process. Therefore, in the above structure, the impurity region 194 is selectively provided in an end portion of the semiconductor layer 108 and in a region overlapping with the stacked structure including the charge storage layer 121 and the charge storage layer 125 and a region in the vicinity thereof. It is also possible (see FIG. 35).

不純物領域194は、半導体層108のソース領域又はドレイン領域として機能する不純物領域156と異なる導電型となるように設ける。例えば、不純物領域156をn型を示す導電型で設けた場合には、不純物領域194はp型を示す導電型で設ける。 The impurity region 194 is provided so as to have a different conductivity type from the impurity region 156 functioning as a source region or a drain region of the semiconductor layer 108. For example, when the impurity region 156 is provided with a conductivity type indicating n-type, the impurity region 194 is provided with a conductivity type indicating p-type.

また、図35においては、不純物領域194を半導体層108の端部であって浮遊ゲートとして機能する電荷蓄積層121及び電荷蓄積層125を含む積層構造と重なる領域及びその近傍に不純物領域194を設けた例を示したが、これに限られない。例えば、不純物領域194を半導体層108の端部であって電荷蓄積層121及び電荷蓄積層125を含む積層構造と重なる領域にのみ設けてもよいし、半導体層108の端部の外周部分全てに設けることができる。また、例えば、不純物領域194を半導体層108の端部であって電荷蓄積層121及び電荷蓄積層125を含む積層構造と重なる領域の近傍に設け、電荷蓄積層121及び電荷蓄積層125を含む積層構造の下方には設けない構造としてもよい(図36参照)。 In FIG. 35, the impurity region 194 is provided at the vicinity of the stacked region including the charge storage layer 121 and the charge storage layer 125 which are the end portions of the semiconductor layer 108 and function as floating gates, and in the vicinity thereof. However, the present invention is not limited to this. For example, the impurity region 194 may be provided only in a region that is an end portion of the semiconductor layer 108 and overlaps with a stacked structure including the charge storage layer 121 and the charge storage layer 125, or may be provided in the entire outer peripheral portion of the end portion of the semiconductor layer 108. Can be provided. Further, for example, the impurity region 194 is provided in the vicinity of a region overlapping with the stacked structure including the charge storage layer 121 and the charge storage layer 125 at the end portion of the semiconductor layer 108 and includes the charge storage layer 121 and the charge storage layer 125. A structure that is not provided below the structure may be employed (see FIG. 36).

このように、不純物領域194を設けることにより、不純物領域156と不純物領域194の隣接する部分はpn接合により抵抗が高くなるため、第1の絶縁層116の被覆不良や作製プロセスに伴う何らかの電荷の蓄積等による不揮発性メモリ素子の特性へ及ぼす影響を抑制することが可能となる。 In this manner, by providing the impurity region 194, the adjacent portion of the impurity region 156 and the impurity region 194 has a high resistance due to the pn junction. It is possible to suppress the influence on the characteristics of the nonvolatile memory element due to accumulation or the like.

なお、本例では、E−F間における不揮発性メモリ素子に関して説明を行ったが、同様にA−B間、C−D間、G−H間に設けるトランジスタにも図35、図36に示したように、不純物領域194を設けてもよい。   In this example, the nonvolatile memory element between E and F has been described. Similarly, the transistors provided between A and B, between CD and GH are also illustrated in FIGS. As described above, an impurity region 194 may be provided.

本実施例の不揮発性半導体記憶装置は、回路の構成に合わせてトランジスタにおけるゲート絶縁層の膜厚を異ならせることにより、低消費電力化を図ることができる。また、不揮発性半導体記憶装置の動作の安定化を図ることができる。具体的には、ロジック部を構成するトランジスタのゲート絶縁層の膜厚を薄くすることで、しきい値電圧のばらつきを小さくすることができ、低電圧で駆動させることが可能となる。メモリ部の選択トランジスタのゲート絶縁層の膜厚を厚くすることで、不揮発性メモリ素子に対する書き込み及び消去動作において、ロジック部よりも高電圧が適用される場合においても、動作の安定性を高めることができる。不揮発性メモリ素子においては、半導体層から浮遊ゲート電極へ電荷を注入しやすくすることができ、浮遊ゲート電極から電荷が消失することを防ぐことができる。すなわち、メモリとして動作する場合に、低電圧で高効率な書き込みをすることが出来、且つ電荷保持特性を向上させることが可能となる。本実施例によれば、このような優れた効果を奏する不揮発性半導体記憶装置を連続した工程で作製することが可能となる。 In the nonvolatile semiconductor memory device of this embodiment, power consumption can be reduced by changing the thickness of the gate insulating layer in the transistor in accordance with the circuit configuration. In addition, the operation of the nonvolatile semiconductor memory device can be stabilized. Specifically, by reducing the thickness of the gate insulating layer of a transistor included in the logic portion, variation in threshold voltage can be reduced and driving with a low voltage is possible. By increasing the thickness of the gate insulating layer of the selection transistor in the memory portion, the operation stability is improved even when a higher voltage is applied than in the logic portion in the writing and erasing operations for the nonvolatile memory element. Can do. In the nonvolatile memory element, it is possible to easily inject charges from the semiconductor layer to the floating gate electrode, and it is possible to prevent the charge from being lost from the floating gate electrode. That is, when operating as a memory, high-efficiency writing can be performed at a low voltage, and charge retention characteristics can be improved. According to the present embodiment, it is possible to manufacture a nonvolatile semiconductor memory device having such excellent effects in a continuous process.

本実施例は、本明細書で示した他の実施の形態又は実施例と組み合わせて行うことができる。 This example can be implemented in combination with any of the other embodiments or examples shown in this specification.

本実施例では、上記実施例1で示した構造において、一つの島状の半導体層に複数の不揮発性メモリ素子を設けた場合に関して図面を参照して説明する。なお、上記実施例と同じものを指す場合には同様の符号を用いて示し説明を省略する。なお、図37は上面図を示し、図38は図37におけるE−F間、G−H間の断面図を示している。 In this embodiment, a case where a plurality of nonvolatile memory elements are provided in one island-like semiconductor layer in the structure shown in Embodiment 1 will be described with reference to the drawings. In addition, when referring to the same thing as the said Example, it shows using the same code | symbol and abbreviate | omits description. 37 shows a top view, and FIG. 38 shows a cross-sectional view between EF and GH in FIG.

本実施例で示す不揮発性半導体記憶装置は、ビット線BL0、BL1にそれぞれ電気的に接続された島状の半導体層200a、200bが設けられており、島状の半導体層200a、200bの各々に複数の不揮発性メモリ素子が設けられている(図37、図38参照)。具体的には、半導体層200aにおいて、選択トランジスタS01、S02の間に複数の不揮発性メモリ素子M0乃至M31を有するNANDセル202aが設けられている。また、半導体層200bにおいても、選択トランジスタの間に複数の不揮発性メモリ素子を有するNANDセル202bが設けられている。また、半導体層200a、200bを分離して設けることによって、隣接するNANDセル202aとNANDセル202bを絶縁分離することが可能となる。 The nonvolatile semiconductor memory device shown in this embodiment includes island-shaped semiconductor layers 200a and 200b that are electrically connected to the bit lines BL0 and BL1, respectively. The island-shaped semiconductor layers 200a and 200b are provided in the island-shaped semiconductor layers 200a and 200b, respectively. A plurality of nonvolatile memory elements are provided (see FIGS. 37 and 38). Specifically, in the semiconductor layer 200a, a NAND cell 202a having a plurality of nonvolatile memory elements M0 to M31 is provided between the select transistors S01 and S02. In the semiconductor layer 200b, a NAND cell 202b having a plurality of nonvolatile memory elements is provided between the select transistors. Further, by providing the semiconductor layers 200a and 200b separately, the adjacent NAND cells 202a and NAND cells 202b can be insulated and separated.

また、一つの島状の半導体層に複数の不揮発性メモリ素子を設けることによって、より不揮発性メモリ素子の集積化が可能となり、大容量の不揮発性半導体記憶装置を形成することができる。 Further, by providing a plurality of nonvolatile memory elements in one island-like semiconductor layer, the nonvolatile memory elements can be more integrated and a large-capacity nonvolatile semiconductor memory device can be formed.

本実施例は、実施例1と同様にNANDセルの選択トランジスタのゲート絶縁層の膜厚を厚くすることで、不揮発性メモリ素子に対する書き込み及び消去動作において、ロジック部よりも高電圧が適用される場合においても、動作の安定性を高めることができる。不揮発性メモリ素子においては、半導体層から浮遊ゲート電極へ電荷を注入しやすくすることができ、浮遊ゲート電極から電荷が消失することを防ぐことができる。このような構成により、本実施例の不揮発性半導体記憶装置は、不揮発性半導体記憶装置の動作の安定化を図ることができる。 In this embodiment, as in the first embodiment, the gate insulating layer of the selection transistor of the NAND cell is thickened so that a higher voltage is applied than in the logic portion in the write and erase operations for the nonvolatile memory element. Even in this case, the stability of the operation can be improved. In the nonvolatile memory element, it is possible to easily inject charges from the semiconductor layer to the floating gate electrode, and it is possible to prevent the charge from being lost from the floating gate electrode. With such a configuration, the nonvolatile semiconductor memory device of this embodiment can stabilize the operation of the nonvolatile semiconductor memory device.

本実施例は、本明細書で示した他の実施の形態又は実施例と組み合わせて行うことができる。 This example can be implemented in combination with any of the other embodiments or examples shown in this specification.

本実施例では、上記実施例1と異なる半導体装置の作製方法に関して図面を参照して説明する。なお、上記実施例と同じものを指す場合には同様の符号を用いて示し説明を省略する。なお、図22乃至図24において、A−B間及びC−D間はロジック部に設けられる薄膜トランジスタを示し、E−F間はメモリ部に設けられる不揮発性メモリ素子を示し、G−H間はメモリ部に設けられる薄膜トランジスタを示している。 In this embodiment, a method for manufacturing a semiconductor device different from that in Embodiment 1 is described with reference to drawings. In addition, when referring to the same thing as the said Example, it shows using the same code | symbol and abbreviate | omits description. 22 to 24, the thin film transistors provided in the logic portion are shown between AB and CD, the non-volatile memory elements provided in the memory portion are shown between EF, and between GH are shown. A thin film transistor provided in a memory portion is shown.

まず、図18(C)まで、同様に形成後、レジスト122を除去し、半導体層104、106、110と、半導体層108の上方に形成された第1の絶縁層116と電荷蓄積層121及び電荷蓄積層125を含む積層構造を覆うように第2の絶縁層128を形成する(図22(A)参照)。 First, until the formation of FIG. 18C, similarly, the resist 122 is removed, and the semiconductor layers 104, 106, and 110, the first insulating layer 116 formed above the semiconductor layer 108, the charge storage layer 121, and A second insulating layer 128 is formed so as to cover the stacked structure including the charge accumulation layer 125 (see FIG. 22A).

次に、半導体層108、110の上方に形成された第2の絶縁層128を覆うようにレジスト130を選択的に形成し、半導体層104、106上に形成された第2の絶縁層128を選択的に除去する(図22(B)参照)。 Next, a resist 130 is selectively formed so as to cover the second insulating layer 128 formed over the semiconductor layers 108 and 110, and the second insulating layer 128 formed over the semiconductor layers 104 and 106 is formed. This is selectively removed (see FIG. 22B).

次に、半導体層104、106を覆うように第3の絶縁層132、134をそれぞれ形成する(図22(C)参照)。 Next, third insulating layers 132 and 134 are formed so as to cover the semiconductor layers 104 and 106, respectively (see FIG. 22C).

次に、半導体層104、106の上方に形成された第3の絶縁層132、134、半導体層108、110の上方に形成された第2の絶縁層128を覆うように導電膜を形成する(図23(A)参照)。本例では、導電膜として、導電膜136と導電膜138を順に積層して形成した例を示している。もちろん、導電膜は、単層又は3層以上の積層構造で形成してもよい。 Next, a conductive film is formed so as to cover the third insulating layers 132 and 134 formed above the semiconductor layers 104 and 106 and the second insulating layer 128 formed above the semiconductor layers 108 and 110 (see FIG. (See FIG. 23A). In this example, the conductive film 136 and the conductive film 138 are sequentially stacked as the conductive film. Needless to say, the conductive film may be formed of a single layer or a stacked structure of three or more layers.

次に、積層して設けられた導電膜136、138を選択的にエッチングして除去することによって、半導体層104、106、108、110の上方の一部に導電膜136、138を残存させ、それぞれゲート電極として機能する導電膜140、142、144、146を形成する(図23(B)参照)。なお、導電膜140は、残存した導電膜136、138により積層して設けられた導電膜182a、184aを有している。また、本実施例では、導電膜140において、下方に形成される導電膜182aの幅(キャリアがチャネル形成領域を流れる方向(ソース領域とドレイン領域を結ぶ方向)に概略平行な方向に対する幅)が導電膜184aの幅より大きくなるようにする。同様に、導電膜142においては導電膜182bと導電膜182bより幅の小さい184bを順に積層して形成し、導電膜144においては導電膜182cと導電膜182cより幅の小さい184cを順に積層して形成し、導電膜146においては導電膜182dと導電膜182dより幅の小さい184dを順に積層して形成する。 Next, the conductive films 136 and 138 provided in a stacked manner are selectively etched and removed, so that the conductive films 136 and 138 are left over part of the semiconductor layers 104, 106, 108, and 110. Conductive films 140, 142, 144, and 146 each functioning as a gate electrode are formed (see FIG. 23B). Note that the conductive film 140 includes conductive films 182 a and 184 a provided by being stacked using the remaining conductive films 136 and 138. In this embodiment, the width of the conductive film 182a formed below in the conductive film 140 (width with respect to a direction substantially parallel to the direction in which carriers flow in the channel formation region (the direction connecting the source region and the drain region)). The width is larger than the width of the conductive film 184a. Similarly, the conductive film 142 is formed by sequentially stacking a conductive film 182b and a width 184b smaller than the conductive film 182b, and the conductive film 144 is formed by sequentially stacking a conductive film 182c and a width 184c smaller than the conductive film 182c. In the conductive film 146, the conductive film 182d and the conductive film 182d having a smaller width than the conductive film 182d are sequentially stacked.

次に、半導体層104を覆うようにレジスト148を選択的に形成し、当該レジスト148、導電膜142、144、146をマスクとして半導体層106、108、110に不純物元素を導入することによって不純物領域を形成する(図23(C)参照)。不純物元素としては、n型を付与する不純物元素又はp型を付与する不純物元素を用いる。n型を示す不純物元素としては、リン(P)やヒ素(As)等を用いることができる。p型を示す不純物元素としては、ボロン(B)やアルミニウム(Al)やガリウム(Ga)等を用いることができる。本例では、不純物元素として、リン(P)を用いる。 Next, a resist 148 is selectively formed so as to cover the semiconductor layer 104, and an impurity element is introduced into the semiconductor layers 106, 108, and 110 using the resist 148 and the conductive films 142, 144, and 146 as masks. (See FIG. 23C). As the impurity element, an impurity element imparting n-type conductivity or an impurity element imparting p-type conductivity is used. As the impurity element exhibiting n-type, phosphorus (P), arsenic (As), or the like can be used. As the p-type impurity element, boron (B), aluminum (Al), gallium (Ga), or the like can be used. In this example, phosphorus (P) is used as the impurity element.

図23(C)においては、不純物元素を導入することによって、半導体層106にソース領域又はドレイン領域を形成する高濃度不純物領域152とLDD領域を形成する低濃度不純物領域186とチャネル形成領域150が形成される。また、半導体層108には、ソース領域又はドレイン領域を形成する不純物領域156とLDD領域を形成する低濃度不純物領域158とチャネル形成領域154が形成される。また、半導体層110には、ソース領域又はドレイン領域を形成する高濃度不純物領域162とLDD領域を形成する低濃度不純物領域164とチャネル形成領域160が形成される。 In FIG. 23C, by introducing an impurity element, a high concentration impurity region 152 that forms a source region or a drain region, a low concentration impurity region 186 that forms an LDD region, and a channel formation region 150 are formed in the semiconductor layer 106. It is formed. In the semiconductor layer 108, an impurity region 156 that forms a source region or a drain region, a low-concentration impurity region 158 that forms an LDD region, and a channel formation region 154 are formed. In the semiconductor layer 110, a high-concentration impurity region 162 that forms a source region or a drain region, a low-concentration impurity region 164 that forms an LDD region, and a channel formation region 160 are formed.

半導体層106に形成される低濃度不純物領域186は、図23(C)において導入された不純物元素が導電膜182bを突き抜けることによって形成される。従って、半導体層106において、導電膜182b及び導電膜184bの双方と重なる領域にチャネル形成領域150が形成され、導電膜182bと重なり導電膜184bと重ならない領域に低濃度不純物領域186が形成され、導電膜182b及び導電膜184bの双方と重ならない領域に高濃度不純物領域152が形成される。 The low-concentration impurity region 186 formed in the semiconductor layer 106 is formed when the impurity element introduced in FIG. 23C penetrates the conductive film 182b. Accordingly, in the semiconductor layer 106, a channel formation region 150 is formed in a region overlapping with both the conductive film 182b and the conductive film 184b, and a low concentration impurity region 186 is formed in a region overlapping with the conductive film 182b and not overlapping with the conductive film 184b. A high concentration impurity region 152 is formed in a region which does not overlap with both the conductive film 182b and the conductive film 184b.

また、半導体層108に形成される低濃度不純物領域158は、図23(C)において導入された不純物元素が電荷蓄積層121及び電荷蓄積層125を含む積層構造を突き抜けることによって形成される。従って、半導体層108において、導電膜182c及び電荷蓄積層121及び電荷蓄積層125を含む積層構造の双方と重なる領域にチャネル形成領域154が形成され、電荷蓄積層121及び電荷蓄積層125を含む積層構造と重なり導電膜182cと重ならない領域に低濃度不純物領域158が形成され、電荷蓄積層121及び電荷蓄積層125を含む積層構造及び導電膜182cの双方と重ならない領域に高濃度不純物領域156が形成される。なお、導電膜182cの膜厚を薄く形成した場合には、半導体層108において導電膜182c及び電荷蓄積層121及び電荷蓄積層125を含む積層構造の双方と重なり且つ導電膜184cと重ならない領域に低濃度不純物領域158と同等又はそれより低い濃度を有する低濃度不純物領域が形成される場合がある。 The low-concentration impurity region 158 formed in the semiconductor layer 108 is formed by the impurity element introduced in FIG. 23C penetrating through the stacked structure including the charge storage layer 121 and the charge storage layer 125. Accordingly, in the semiconductor layer 108, a channel formation region 154 is formed in a region overlapping with both the stacked structure including the conductive film 182c, the charge storage layer 121, and the charge storage layer 125, and the stack including the charge storage layer 121 and the charge storage layer 125 is formed. A low concentration impurity region 158 is formed in a region that overlaps with the structure and does not overlap with the conductive film 182c, and a high concentration impurity region 156 exists in a region that does not overlap with both the stacked structure including the charge storage layer 121 and the charge storage layer 125 and the conductive film 182c. It is formed. Note that in the case where the conductive film 182c is thin, the semiconductor layer 108 overlaps with both the stacked structure including the conductive film 182c, the charge storage layer 121, and the charge storage layer 125 and does not overlap with the conductive film 184c. In some cases, a low concentration impurity region having a concentration equal to or lower than that of the low concentration impurity region 158 may be formed.

半導体層110に形成される低濃度不純物領域164は、図23(C)において導入された不純物元素が導電膜182dを突き抜けることによって形成される。従って、半導体層110において、導電膜182d及び導電膜184dの双方と重なる領域にチャネル形成領域160が形成され、導電膜182dと重なり導電膜184dと重ならない領域に低濃度不純物領域164が形成され、導電膜182d及び導電膜184dの双方と重ならない領域に高濃度不純物領域162が形成される。 The low-concentration impurity region 164 formed in the semiconductor layer 110 is formed by the impurity element introduced in FIG. 23C penetrating through the conductive film 182d. Accordingly, in the semiconductor layer 110, a channel formation region 160 is formed in a region overlapping with both the conductive film 182d and the conductive film 184d, and a low concentration impurity region 164 is formed in a region overlapping with the conductive film 182d and not overlapping with the conductive film 184d. A high concentration impurity region 162 is formed in a region which does not overlap with both the conductive film 182d and the conductive film 184d.

次に、半導体層106、108、110を覆うようにレジスト166を選択的に形成し、当該レジスト166、導電膜140をマスクとして半導体層104に不純物元素を導入することによって不純物領域を形成する(図24(A)参照)。不純物元素としては、n型を付与する不純物元素又はp型を付与する不純物元素を用いる。n型を示す不純物元素としては、リン(P)やヒ素(As)等を用いることができる。p型を示す不純物元素としては、ボロン(B)やアルミニウム(Al)やガリウム(Ga)等を用いることができる。本例では、図23(C)で半導体層106、108、110に導入した不純物元素と異なる導電型を有する不純物元素(例えば、ボロン(B))を導入する。その結果、半導体層104にソース領域又はドレイン領域を形成する高濃度不純物領域170とLDD領域を形成する低濃度不純物領域188とチャネル形成領域168を形成される。 Next, a resist 166 is selectively formed so as to cover the semiconductor layers 106, 108, and 110, and an impurity region is formed by introducing an impurity element into the semiconductor layer 104 using the resist 166 and the conductive film 140 as a mask ( (See FIG. 24A). As the impurity element, an impurity element imparting n-type conductivity or an impurity element imparting p-type conductivity is used. As the impurity element exhibiting n-type, phosphorus (P), arsenic (As), or the like can be used. As the p-type impurity element, boron (B), aluminum (Al), gallium (Ga), or the like can be used. In this example, an impurity element (eg, boron (B)) having a conductivity type different from that of the impurity element introduced into the semiconductor layers 106, 108, and 110 in FIG. 23C is introduced. As a result, a high concentration impurity region 170 that forms a source region or a drain region, a low concentration impurity region 188 that forms an LDD region, and a channel formation region 168 are formed in the semiconductor layer 104.

半導体層104に形成される低濃度不純物領域188は、図24(A)において導入された不純物元素が導電膜182aを突き抜けることによって形成される。従って、半導体層104において、導電膜182a及び導電膜184aの双方と重なる領域にチャネル形成領域168が形成され、導電膜182aと重なり導電膜184aと重ならない領域に低濃度不純物領域188が形成され、導電膜182a及び導電膜184aの双方と重ならない領域に高濃度不純物領域170が形成される。 The low-concentration impurity regions 188 formed in the semiconductor layer 104 are formed by the impurity element introduced in FIG. 24A penetrating through the conductive film 182a. Accordingly, in the semiconductor layer 104, a channel formation region 168 is formed in a region overlapping with both the conductive film 182a and the conductive film 184a, and a low-concentration impurity region 188 is formed in a region overlapping with the conductive film 182a and not overlapping with the conductive film 184a. A high concentration impurity region 170 is formed in a region which does not overlap with both the conductive film 182a and the conductive film 184a.

次に、第2の絶縁層128、第3の絶縁層132、134、導電膜140、142、144、146を覆うように絶縁層172を形成し、当該絶縁層172上に半導体層104、106、108、110にそれぞれ形成された不純物領域170、152、156、162と電気的に接続する導電膜174を形成する(図24(B)参照)。 Next, an insulating layer 172 is formed so as to cover the second insulating layer 128, the third insulating layers 132 and 134, and the conductive films 140, 142, 144, and 146, and the semiconductor layers 104 and 106 are formed over the insulating layer 172. , 108, and 110, conductive films 174 that are electrically connected to the impurity regions 170, 152, 156, and 162, respectively, are formed (see FIG. 24B).

なお、本実施例で示した構造においても、上記図35、図36に示したように不純物領域194を設けてもよい。 Even in the structure shown in this embodiment, the impurity region 194 may be provided as shown in FIGS.

本実施例の不揮発性半導体記憶装置は、回路の構成に合わせてトランジスタにおけるゲート絶縁層の膜厚を異ならせることにより、低消費電力化を図ることができる。また、不揮発性半導体記憶装置の動作の安定化を図ることができる。具体的には、ロジック部を構成するトランジスタのゲート絶縁層の膜厚を薄くすることで、しきい値電圧のばらつきを小さくすることができ、低電圧で駆動させることが可能となる。メモリ部の選択トランジスタのゲート絶縁層の膜厚を厚くすることで、不揮発性メモリ素子に対する書き込み及び消去動作において、ロジック部よりも高電圧が適用される場合においても、動作の安定性を高めることができる。不揮発性メモリ素子においては、半導体層から浮遊ゲート電極へ電荷を注入しやすくすることができ、浮遊ゲート電極から電荷が消失することを防ぐことができる。すなわち、メモリとして動作する場合に、低電圧で高効率な書き込みをすることが出来、且つ電荷保持特性を向上させることが可能となる。本実施例によれば、このような優れた効果を奏する不揮発性半導体記憶装置を連続した工程で作製することが可能となる。 In the nonvolatile semiconductor memory device of this embodiment, power consumption can be reduced by changing the thickness of the gate insulating layer in the transistor in accordance with the circuit configuration. In addition, the operation of the nonvolatile semiconductor memory device can be stabilized. Specifically, by reducing the thickness of the gate insulating layer of a transistor included in the logic portion, variation in threshold voltage can be reduced and driving with a low voltage is possible. By increasing the thickness of the gate insulating layer of the selection transistor in the memory portion, the operation stability is improved even when a higher voltage is applied than in the logic portion in the writing and erasing operations for the nonvolatile memory element. Can do. In the nonvolatile memory element, it is possible to easily inject charges from the semiconductor layer to the floating gate electrode, and it is possible to prevent the charge from being lost from the floating gate electrode. That is, when operating as a memory, high-efficiency writing can be performed at a low voltage, and charge retention characteristics can be improved. According to the present embodiment, it is possible to manufacture a nonvolatile semiconductor memory device having such excellent effects in a continuous process.

本実施例は、本明細書で示した他の実施の形態又は実施例と組み合わせて行うことができる。 This example can be implemented in combination with any of the other embodiments or examples shown in this specification.

本実施例では、上記実施例1又は2と異なる半導体装置の作製方法に関して図面を参照して説明する。なお、上記実施例1又は2と同じものを指す場合には同様の符号を用いて示し説明を省略する。なお、図39乃至図41は上面図を示し、図28乃至図30は図39乃至図41におけるA−B間、C−D間、E−F間及びG−H間の断面図を示している。また、A−B間及びC−D間はロジック部に設けられる薄膜トランジスタを示し、E−F間はメモリ部に設けられる不揮発性メモリ素子を示し、G−H間はメモリ部に設けられる薄膜トランジスタを示している。 In this embodiment, a method for manufacturing a semiconductor device different from that in Embodiment 1 or 2 will be described with reference to drawings. In addition, when referring to the same thing as the said Example 1 or 2, it shows using the same code | symbol and abbreviate | omits description. 39 to 41 are top views, and FIGS. 28 to 30 are cross-sectional views taken along lines AB, CD, EF, and GH in FIGS. 39 to 41. Yes. In addition, a thin film transistor provided in the logic portion is shown between AB and CD, a non-volatile memory element provided in the memory portion is shown between EF, and a thin film transistor provided in the memory portion is shown between GH. Show.

まず、上記実施例1の図18(C)まで、同様に形成後、レジスト122をマスクとして半導体層108に不純物元素を導入することによって不純物領域190を形成する(図28(A)参照)。不純物元素としては、n型を付与する不純物元素又はp型を付与する不純物元素を用いる。n型を示す不純物元素としては、リン(P)やヒ素(As)等を用いることができる。p型を示す不純物元素としては、ボロン(B)やアルミニウム(Al)やガリウム(Ga)等を用いることができる。本例では、不純物元素として、リン(P)を半導体層108に導入する。なお、本実施例では、浮遊ゲートとして機能する電荷蓄積層121及び電荷蓄積層125を含む積層構造の幅が半導体層108の幅より小さくなるように形成する。つまり、電荷蓄積層121及び電荷蓄積層125を含む積層構造が半導体層108を乗り越えない(半導体層108と浮遊ゲートとして機能する電荷蓄積層121及び電荷蓄積層125を含む積層構造が常に重なる)ように設ける(図39参照)。 First, after the formation up to FIG. 18C of the first embodiment, an impurity region 190 is formed by introducing an impurity element into the semiconductor layer 108 using the resist 122 as a mask (see FIG. 28A). As the impurity element, an impurity element imparting n-type conductivity or an impurity element imparting p-type conductivity is used. As the impurity element exhibiting n-type, phosphorus (P), arsenic (As), or the like can be used. As the p-type impurity element, boron (B), aluminum (Al), gallium (Ga), or the like can be used. In this example, phosphorus (P) is introduced into the semiconductor layer 108 as the impurity element. Note that in this embodiment, the stacked structure including the charge storage layer 121 and the charge storage layer 125 functioning as a floating gate is formed to have a width smaller than that of the semiconductor layer 108. That is, the stacked structure including the charge storage layer 121 and the charge storage layer 125 does not overcome the semiconductor layer 108 (the stacked structure including the charge storage layer 121 and the charge storage layer 125 functioning as a floating gate always overlaps). (See FIG. 39).

次に、半導体層104、106、110と、半導体層108の上方に形成された第1の絶縁層116と電荷蓄積層121及び電荷蓄積層125を含む積層構造を覆うように第2の絶縁層128を形成する(図28(B)参照)。 Next, the second insulating layer is formed so as to cover the semiconductor layers 104, 106, 110, the first insulating layer 116 formed above the semiconductor layer 108, the stacked structure including the charge storage layer 121 and the charge storage layer 125. 128 is formed (see FIG. 28B).

次に、半導体層108、110の上方に形成された第2の絶縁層128を覆うようにレジスト130を選択的に形成し、半導体層104、106上に形成された第2の絶縁層128を選択的に除去する(図28(C)参照)。 Next, a resist 130 is selectively formed so as to cover the second insulating layer 128 formed over the semiconductor layers 108 and 110, and the second insulating layer 128 formed over the semiconductor layers 104 and 106 is formed. This is selectively removed (see FIG. 28C).

次に、半導体層104、106を覆うように第3の絶縁層132、134をそれぞれ形成する(図29(A)参照)。
Next, third insulating layers 132 and 134 are formed so as to cover the semiconductor layers 104 and 106, respectively (see FIG. 29A).

次に、半導体層104、106の上方に形成された第3の絶縁層132、134、半導体層108、110の上方に形成された第2の絶縁層128を覆うように導電膜を形成する(図29(B)参照)。本例では、導電膜として、導電膜136と導電膜138を順に積層して形成した例を示している。もちろん、導電膜は、単層又は3層以上の積層構造で形成してもよい。 Next, a conductive film is formed so as to cover the third insulating layers 132 and 134 formed above the semiconductor layers 104 and 106 and the second insulating layer 128 formed above the semiconductor layers 108 and 110 (see FIG. (See FIG. 29B). In this example, the conductive film 136 and the conductive film 138 are sequentially stacked as the conductive film. Needless to say, the conductive film may be formed of a single layer or a stacked structure of three or more layers.

次に、積層して設けられた導電膜136、138を選択的にエッチングして除去することによって、半導体層104、106、108、110の上方の一部に導電膜136、138を残存させ、それぞれゲート電極として機能する導電膜140、142、144、146を形成する(図29(C)、図40参照)。 Next, the conductive films 136 and 138 provided in a stacked manner are selectively etched and removed, so that the conductive films 136 and 138 are left over part of the semiconductor layers 104, 106, 108, and 110. Conductive films 140, 142, 144, and 146 each functioning as a gate electrode are formed (see FIGS. 29C and 40).

なお、本実施例では、半導体層108上に形成される導電膜144が電荷蓄積層121及び電荷蓄積層125を含む積層構造の幅(少なくともキャリアがチャネルを流れる方向に概略平行な方向に対する幅)よりも大きくなるように形成する。 Note that in this embodiment, the width of the stacked structure in which the conductive film 144 formed over the semiconductor layer 108 includes the charge accumulation layer 121 and the charge accumulation layer 125 (at least in the direction substantially parallel to the direction in which carriers flow through the channel). It is formed so as to be larger.

次に、半導体層104を覆うようにレジスト148を選択的に形成し、当該レジスト148、導電膜142、144、146をマスクとして半導体層106、108、110に不純物元素を導入することによって不純物領域を形成する(図30(A)参照)。不純物元素としては、n型を付与する不純物元素又はp型を付与する不純物元素を用いる。n型を示す不純物元素としては、リン(P)やヒ素(As)等を用いることができる。p型を示す不純物元素としては、ボロン(B)やアルミニウム(Al)やガリウム(Ga)等を用いることができる。本例では、不純物元素として、リン(P)を用いる。 Next, a resist 148 is selectively formed so as to cover the semiconductor layer 104, and an impurity element is introduced into the semiconductor layers 106, 108, and 110 using the resist 148 and the conductive films 142, 144, and 146 as masks. (See FIG. 30A). As the impurity element, an impurity element imparting n-type conductivity or an impurity element imparting p-type conductivity is used. As the impurity element exhibiting n-type, phosphorus (P), arsenic (As), or the like can be used. As the p-type impurity element, boron (B), aluminum (Al), gallium (Ga), or the like can be used. In this example, phosphorus (P) is used as the impurity element.

図30(A)においては、不純物元素を導入することによって、半導体層106にソース領域又はドレイン領域を形成する高濃度不純物領域152とチャネル形成領域150が形成される。また、半導体層108には、ソース領域又はドレイン領域を形成する不純物領域156とLDD領域を形成する低濃度不純物領域158とチャネル形成領域154が形成される。また、半導体層110には、ソース領域又はドレイン領域を形成する高濃度不純物領域162とチャネル形成領域160が形成される。 In FIG. 30A, a high-concentration impurity region 152 and a channel formation region 150 which form a source region or a drain region are formed in the semiconductor layer 106 by introducing an impurity element. In the semiconductor layer 108, an impurity region 156 that forms a source region or a drain region, a low-concentration impurity region 158 that forms an LDD region, and a channel formation region 154 are formed. In the semiconductor layer 110, a high-concentration impurity region 162 that forms a source region or a drain region and a channel formation region 160 are formed.

次に、半導体層106、108、110を覆うようにレジスト166を選択的に形成し、当該レジスト166、導電膜140をマスクとして半導体層104に不純物元素を導入することによって不純物領域を形成する(図30(B)参照)。不純物元素としては、n型を付与する不純物元素又はp型を付与する不純物元素を用いる。n型を示す不純物元素としては、リン(P)やヒ素(As)等を用いることができる。p型を示す不純物元素としては、ボロン(B)やアルミニウム(Al)やガリウム(Ga)等を用いることができる。本例では、図30(A)で半導体層106、108、110に導入した不純物元素と異なる導電型を有する不純物元素(例えば、ボロン(B))を導入する。その結果、半導体層104にソース領域又はドレイン領域を形成する高濃度不純物領域170とチャネル形成領域168を形成される。 Next, a resist 166 is selectively formed so as to cover the semiconductor layers 106, 108, and 110, and an impurity region is formed by introducing an impurity element into the semiconductor layer 104 using the resist 166 and the conductive film 140 as a mask ( (See FIG. 30B). As the impurity element, an impurity element imparting n-type conductivity or an impurity element imparting p-type conductivity is used. As the impurity element exhibiting n-type, phosphorus (P), arsenic (As), or the like can be used. As the p-type impurity element, boron (B), aluminum (Al), gallium (Ga), or the like can be used. In this example, an impurity element (eg, boron (B)) having a conductivity type different from that of the impurity element introduced into the semiconductor layers 106, 108, and 110 in FIG. As a result, a high concentration impurity region 170 and a channel formation region 168 that form a source region or a drain region are formed in the semiconductor layer 104.

次に、第2の絶縁層128、第3の絶縁層132、134、導電膜140、142、144、146を覆うように絶縁層172を形成し、当該絶縁層172上に半導体層104、106、108、110にそれぞれ形成された不純物領域170、152、156、162と電気的に接続する導電膜174を形成する(図30(C)、図41参照)。 Next, an insulating layer 172 is formed so as to cover the second insulating layer 128, the third insulating layers 132 and 134, and the conductive films 140, 142, 144, and 146, and the semiconductor layers 104 and 106 are formed over the insulating layer 172. , 108, and 110, conductive films 174 that are electrically connected to the impurity regions 170, 152, 156, and 162, respectively, are formed (see FIGS. 30C and 41).

なお、本実施例では、不揮発性メモリ素子において浮遊ゲートとして機能する電荷蓄積層121及び電荷蓄積層125を含む積層構造が半導体層108の幅より小さくなるように設けている(図40参照)。電荷蓄積層121及び電荷蓄積層125を含む積層構造の端部が半導体層108の上方に形成されており、半導体層108の端部においては制御ゲートとして機能する導電膜144が乗り越えるように横断して形成されている。そのため、電荷蓄積層121及び電荷蓄積層125を含む積層構造の端部において、作製プロセスに伴うエッチング等により不均一な形状で形成されることにより、不揮発性メモリ素子の特性に影響が生じるおそれがある。また、第1の絶縁層116の被覆不良や作製プロセスに伴う何らかの電荷の蓄積により、不揮発性メモリ素子の特性に影響が生じるおそれがある。従って、上述した構成において、電荷蓄積層121及び電荷蓄積層125を含む積層構造の端部(本例では、キャリアがチャネル形成領域を流れる方向(ソース領域とドレイン領域を結ぶ方向)に対して概略垂直な方向における電荷蓄積層121及び電荷蓄積層125を含む積層構造の端部)の領域と重なる半導体層108及びその近傍の領域に選択的に不純物領域194を設けた構成としてもよい(図42参照)。 Note that in this embodiment, the stacked structure including the charge storage layer 121 and the charge storage layer 125 functioning as a floating gate in the nonvolatile memory element is provided to be smaller than the width of the semiconductor layer 108 (see FIG. 40). An end portion of the stacked structure including the charge storage layer 121 and the charge storage layer 125 is formed above the semiconductor layer 108, and the conductive layer 144 functioning as a control gate crosses over the end portion of the semiconductor layer 108. Is formed. Therefore, the end portion of the stacked structure including the charge storage layer 121 and the charge storage layer 125 may be formed in a non-uniform shape by etching or the like accompanying a manufacturing process, which may affect the characteristics of the nonvolatile memory element. is there. In addition, there is a possibility that the characteristics of the nonvolatile memory element may be affected by poor coverage of the first insulating layer 116 or accumulation of some charges accompanying the manufacturing process. Therefore, in the above-described configuration, the edge of the stacked structure including the charge storage layer 121 and the charge storage layer 125 (in this example, the direction in which carriers flow in the channel formation region (the direction connecting the source region and the drain region) is roughly illustrated. The impurity region 194 may be selectively provided in the semiconductor layer 108 that overlaps with the region of the stacked structure including the charge storage layer 121 and the charge storage layer 125 in the vertical direction and a region in the vicinity thereof (FIG. 42). reference).

不純物領域194は、半導体層108のソース領域又はドレイン領域として機能する不純物領域156と異なる導電型となるように設ける。例えば、不純物領域156をn型を示す導電型で設けた場合には、不純物領域194はp型を示す導電型で設ける。 The impurity region 194 is provided so as to have a different conductivity type from the impurity region 156 functioning as a source region or a drain region of the semiconductor layer 108. For example, when the impurity region 156 is provided with a conductivity type indicating n-type, the impurity region 194 is provided with a conductivity type indicating p-type.

図42においては、不純物領域194を導電膜144と重ならない領域にも延伸して形成した例を示したが、導電膜144と重なる領域にのみ形成してもよい。また、半導体層108の外周部分全てに設けてもよい。 42 shows an example in which the impurity region 194 is extended to a region that does not overlap with the conductive film 144, but may be formed only in a region that overlaps with the conductive film 144. Further, it may be provided on the entire outer peripheral portion of the semiconductor layer 108.

このように、不純物領域194を設けることにより、不純物領域156と不純物領域194の隣接する部分はpn接合により抵抗が高くなるため、電荷蓄積層121及び電荷蓄積層125を含む積層構造の端部の形状等によって不揮発性メモリ素子の特性へ及ぼす影響を抑制することが可能となる。 In this manner, by providing the impurity region 194, the adjacent portion of the impurity region 156 and the impurity region 194 has a high resistance due to the pn junction. Therefore, the end portion of the stacked structure including the charge storage layer 121 and the charge storage layer 125 is provided. It is possible to suppress the influence on the characteristics of the nonvolatile memory element depending on the shape and the like.

なお、本例では、E−F間における不揮発性メモリ素子に関して説明を行ったが、同様にA−B間、C−D間、G−H間に設けるトランジスタにも図35乃至図42に示したように、不純物領域194を設けてもよい。 In this example, the nonvolatile memory element between E and F has been described. Similarly, the transistors provided between AB and between CD and GH are also illustrated in FIGS. As described above, an impurity region 194 may be provided.

本実施例の不揮発性半導体記憶装置は、回路の構成に合わせてトランジスタにおけるゲート絶縁層の膜厚を異ならせることにより、低消費電力化を図ることができる。また、不揮発性半導体記憶装置の動作の安定化を図ることができる。具体的には、ロジック部を構成するトランジスタのゲート絶縁層の膜厚を薄くすることで、しきい値電圧のばらつきを小さくすることができ、低電圧で駆動させることが可能となる。メモリ部の選択トランジスタのゲート絶縁層の膜厚を厚くすることで、不揮発性メモリ素子に対する書き込み及び消去動作において、ロジック部よりも高電圧が適用される場合においても、動作の安定性を高めることができる。不揮発性メモリ素子においては、半導体層から浮遊ゲート電極へ電荷を注入しやすくすることができ、浮遊ゲート電極から電荷が消失することを防ぐことができる。すなわち、メモリとして動作する場合に、低電圧で高効率な書き込みをすることが出来、且つ電荷保持特性を向上させることが可能となる。本実施例によれば、このような優れた効果を奏する不揮発性半導体記憶装置を連続した工程で作製することが可能となる。 In the nonvolatile semiconductor memory device of this embodiment, power consumption can be reduced by changing the thickness of the gate insulating layer in the transistor in accordance with the circuit configuration. In addition, the operation of the nonvolatile semiconductor memory device can be stabilized. Specifically, by reducing the thickness of the gate insulating layer of a transistor included in the logic portion, variation in threshold voltage can be reduced and driving with a low voltage is possible. By increasing the thickness of the gate insulating layer of the selection transistor in the memory portion, the operation stability is improved even when a higher voltage is applied than in the logic portion in the writing and erasing operations for the nonvolatile memory element. Can do. In the nonvolatile memory element, it is possible to easily inject charges from the semiconductor layer to the floating gate electrode, and it is possible to prevent the charge from being lost from the floating gate electrode. That is, when operating as a memory, high-efficiency writing can be performed at a low voltage, and charge retention characteristics can be improved. According to the present embodiment, it is possible to manufacture a nonvolatile semiconductor memory device having such excellent effects in a continuous process.

本実施例は、本明細書で示した他の実施の形態又は実施例と組み合わせて行うことができる。 This example can be implemented in combination with any of the other embodiments or examples shown in this specification.

本実施例では、上記実施例1乃至3と異なる半導体装置の作製方法に関して図面を参照して説明する。なお、上記実施例1乃至3のいずれかに示したものと同じものを指す場合には同様の符号を用いて示し説明を省略する。なお、図43乃至図45は上面図を示し、図25乃至図27は図43乃至図45におけるA−B間、C−D間、E−F間及びG−H間の断面図を示している。また、A−B間及びC−D間はロジック部に設けられる薄膜トランジスタを示し、E−F間はメモリ部に設けられる不揮発性メモリ素子を示し、G−H間はメモリ部に設けられる薄膜トランジスタを示している。 In this embodiment, a method for manufacturing a semiconductor device, which is different from those in Embodiments 1 to 3, will be described with reference to drawings. In addition, when the same thing as what was shown in either of the said Example 1 thru | or 3 is pointed out, it uses the same code | symbol and abbreviate | omits description. 43 to 45 are top views, and FIGS. 25 to 27 are cross-sectional views taken along lines AB, CD, EF, and GH in FIGS. 43 to 45. Yes. In addition, a thin film transistor provided in the logic portion is shown between AB and CD, a non-volatile memory element provided in the memory portion is shown between EF, and a thin film transistor provided in the memory portion is shown between GH. Show.

まず、図18(C)まで同様に形成した後、図19(A)に示したように、半導体層104、106、108と、半導体層110の一部を選択的に覆うようにレジストを形成し、当該レジストに覆われていない半導体層110に不純物元素を導入することによって、不純物領域126を形成する。そして、レジストを除去し、半導体層104、106、110と、半導体層108の上方に形成された第1の絶縁層116と電荷蓄積層120及び電荷蓄積層123を含む積層構造を覆うように第2の絶縁層128を形成する(図25(A)、図43参照)。 First, after forming similarly to FIG. 18C, a resist is formed so as to selectively cover the semiconductor layers 104, 106, and 108 and part of the semiconductor layer 110 as shown in FIG. 19A. Then, an impurity region 126 is formed by introducing an impurity element into the semiconductor layer 110 not covered with the resist. Then, the resist is removed, and the semiconductor layers 104, 106, 110, the first insulating layer 116 formed above the semiconductor layer 108, the charge storage layer 120, and the stacked structure including the charge storage layer 123 are covered. Two insulating layers 128 are formed (see FIGS. 25A and 43).

次に、半導体層108、110の上方に形成された第2の絶縁層128を覆うようにレジスト130を選択的に形成し、半導体層104、106上に形成された第2の絶縁層128を選択的に除去する(図25(B)参照)。 Next, a resist 130 is selectively formed so as to cover the second insulating layer 128 formed over the semiconductor layers 108 and 110, and the second insulating layer 128 formed over the semiconductor layers 104 and 106 is formed. This is selectively removed (see FIG. 25B).

次に、半導体層104、106を覆うように第3の絶縁層132、134をそれぞれ形成する(図25(C)参照)。 Next, third insulating layers 132 and 134 are formed so as to cover the semiconductor layers 104 and 106, respectively (see FIG. 25C).

次に、半導体層104、106の上方に形成された第3の絶縁層132、134、半導体層108、110の上方に形成された第2の絶縁層128を覆うように導電膜を形成する(図26(A)参照)。本例では、導電膜として、導電膜136と導電膜138を順に積層して形成した例を示している。もちろん、導電膜は、単層又は3層以上の積層構造で形成してもよい。 Next, a conductive film is formed so as to cover the third insulating layers 132 and 134 formed above the semiconductor layers 104 and 106 and the second insulating layer 128 formed above the semiconductor layers 108 and 110 (see FIG. (See FIG. 26A). In this example, the conductive film 136 and the conductive film 138 are sequentially stacked as the conductive film. Needless to say, the conductive film may be formed of a single layer or a stacked structure of three or more layers.

次に、積層して設けられた導電膜136、138を選択的にエッチングして除去することによって、半導体層104、106、108、110の上方の一部に導電膜136、138を残存させ、それぞれゲート電極として機能する導電膜140、142、144、146を形成する(図26(B)図43参照)。また、本実施例では、導電膜140、142、144、146と重ならない半導体層104、106、108、110の表面を露出させる。 Next, the conductive films 136 and 138 provided in a stacked manner are selectively etched and removed, so that the conductive films 136 and 138 are left over part of the semiconductor layers 104, 106, 108, and 110. Conductive films 140, 142, 144, and 146 each functioning as a gate electrode are formed (see FIG. 26B and FIG. 43). In this embodiment, the surfaces of the semiconductor layers 104, 106, 108, and 110 that do not overlap with the conductive films 140, 142, 144, and 146 are exposed.

具体的には、半導体層104において、導電膜140の下方に形成された第3の絶縁層132のうち当該導電膜140と重ならない部分を選択的に除去し、導電膜140と第3の絶縁層132の端部が概略一致するように形成する。また、半導体層106において、導電膜142の下方に形成された第3の絶縁層134のうち当該導電膜142と重ならない部分を選択的に除去し、導電膜142と第3の絶縁層134の端部が概略一致するように形成する。また、半導体層108において、導電膜144の下方に形成された第2の絶縁層128、電荷蓄積層120及び電荷蓄積層123を含む積層構造、第1の絶縁層116のうち当該導電膜144と重ならない部分を選択的に除去し、導電膜144と第2の絶縁層128、電荷蓄積層121及び電荷蓄積層125を含む積層構造及び第1の絶縁層116の端部が概略一致するように形成する。また、半導体層110において、導電膜146の下方に形成された第2の絶縁層128うち当該導電膜146と重ならない部分を選択的に除去し、導電膜146と第2の絶縁層128の端部が概略一致するように形成する(図44参照)。 Specifically, in the semiconductor layer 104, a portion of the third insulating layer 132 formed below the conductive film 140 that does not overlap with the conductive film 140 is selectively removed, so that the conductive film 140 and the third insulating layer are removed. The layer 132 is formed so that the end portions thereof substantially coincide with each other. Further, in the semiconductor layer 106, a portion of the third insulating layer 134 formed below the conductive film 142 that does not overlap with the conductive film 142 is selectively removed, so that the conductive film 142 and the third insulating layer 134 It forms so that an edge part may correspond substantially. Further, in the semiconductor layer 108, a stacked structure including the second insulating layer 128, the charge storage layer 120, and the charge storage layer 123 formed below the conductive film 144, and the conductive film 144 of the first insulating layer 116 A portion that does not overlap is selectively removed so that the conductive film 144, the second insulating layer 128, the stacked structure including the charge storage layer 121 and the charge storage layer 125, and the end portion of the first insulating layer 116 substantially coincide with each other. Form. In addition, in the semiconductor layer 110, a portion of the second insulating layer 128 formed below the conductive film 146 that does not overlap with the conductive film 146 is selectively removed, so that the ends of the conductive film 146 and the second insulating layer 128 are removed. The portions are formed so as to substantially match (see FIG. 44).

この場合、導電膜140、142、144、146の形成と同時に重ならない部分の絶縁層等を除去してもよいし、導電膜140、142、144、146を形成後残存したレジスト又は当該導電膜140、142、144、146をマスクとして重ならない部分の絶縁層等を除去してもよい。 In this case, a portion of the insulating layer that does not overlap with the formation of the conductive films 140, 142, 144, and 146 may be removed, or the resist remaining after the formation of the conductive films 140, 142, 144, and 146 or the conductive film may be removed. 140, 142, 144, and 146 may be used as a mask to remove portions of the insulating layer that do not overlap.

次に、半導体層104を覆うようにレジスト148を選択的に形成し、当該レジスト148、導電膜142、144、146をマスクとして半導体層106、108、110に不純物元素を導入することによって不純物領域を形成する(図26(C)参照)。不純物元素としては、n型を付与する不純物元素又はp型を付与する不純物元素を用いる。n型を示す不純物元素としては、リン(P)やヒ素(As)等を用いることができる。p型を示す不純物元素としては、ボロン(B)やアルミニウム(Al)やガリウム(Ga)等を用いることができる。本例では、不純物元素として、リン(P)を用いる。 Next, a resist 148 is selectively formed so as to cover the semiconductor layer 104, and an impurity element is introduced into the semiconductor layers 106, 108, and 110 using the resist 148 and the conductive films 142, 144, and 146 as masks. (See FIG. 26C). As the impurity element, an impurity element imparting n-type conductivity or an impurity element imparting p-type conductivity is used. As the impurity element exhibiting n-type, phosphorus (P), arsenic (As), or the like can be used. As the p-type impurity element, boron (B), aluminum (Al), gallium (Ga), or the like can be used. In this example, phosphorus (P) is used as the impurity element.

図26(C)においては、不純物元素を導入することによって、半導体層106にソース領域又はドレイン領域を形成する不純物領域152とチャネル形成領域150が形成される。また、半導体層108には、ソース領域又はドレイン領域を形成する不純物領域156とチャネル形成領域154が形成される。また、半導体層110には、ソース領域又はドレイン領域を形成する高濃度の不純物領域162とLDD領域を形成する低濃度不純物領域164とチャネル形成領域160が形成される。 In FIG. 26C, an impurity element 152 and a channel formation region 150 which form a source region or a drain region are formed in the semiconductor layer 106 by introducing an impurity element. Further, an impurity region 156 and a channel formation region 154 that form a source region or a drain region are formed in the semiconductor layer 108. In the semiconductor layer 110, a high-concentration impurity region 162 that forms a source region or a drain region, a low-concentration impurity region 164 that forms an LDD region, and a channel formation region 160 are formed.

次に、半導体層106、108、110を覆うようにレジスト166を選択的に形成し、当該レジスト166、導電膜140をマスクとして半導体層104に不純物元素を導入することによって不純物領域を形成する(図27(A)参照)。不純物元素としては、n型を付与する不純物元素又はp型を付与する不純物元素を用いる。n型を示す不純物元素としては、リン(P)やヒ素(As)等を用いることができる。p型を示す不純物元素としては、ボロン(B)やアルミニウム(Al)やガリウム(Ga)等を用いることができる。本例では、図26(C)で半導体層106、108、110に導入した不純物元素と異なる導電型を有する不純物元素(例えば、ボロン(B))を導入する。その結果、半導体層104にソース領域又はドレイン領域を形成する不純物領域170とチャネル形成領域168を形成される。 Next, a resist 166 is selectively formed so as to cover the semiconductor layers 106, 108, and 110, and an impurity region is formed by introducing an impurity element into the semiconductor layer 104 using the resist 166 and the conductive film 140 as a mask ( (See FIG. 27A). As the impurity element, an impurity element imparting n-type conductivity or an impurity element imparting p-type conductivity is used. As the impurity element exhibiting n-type, phosphorus (P), arsenic (As), or the like can be used. As the p-type impurity element, boron (B), aluminum (Al), gallium (Ga), or the like can be used. In this example, an impurity element (eg, boron (B)) having a conductivity type different from that of the impurity element introduced into the semiconductor layers 106, 108, and 110 in FIG. 26C is introduced. As a result, an impurity region 170 and a channel formation region 168 that form a source region or a drain region are formed in the semiconductor layer 104.

なお、本実施例では、図26(C)又は図27(A)において、導電膜140、142、144、146と重ならない半導体層104、106、108、110を露出させた状態で不純物元素の導入を行っている。従って、半導体層104、106、108、110にそれぞれ形成されるチャネル形成領域150、154、160、168は導電膜140、142、144、146と自己整合的に形成することができる。 Note that in this embodiment, the impurity element in FIG. 26C or FIG. 27A is exposed with the semiconductor layers 104, 106, 108, and 110 not overlapping with the conductive films 140, 142, 144, and 146 exposed. We are introducing. Therefore, the channel formation regions 150, 154, 160, and 168 formed in the semiconductor layers 104, 106, 108, and 110 can be formed in a self-aligned manner with the conductive films 140, 142, 144, and 146, respectively.

次に、露出した半導体層104、106、108、110と導電膜140、142、144、146を覆うように絶縁層192を形成する(図27(B)参照)。 Next, an insulating layer 192 is formed so as to cover the exposed semiconductor layers 104, 106, 108, and 110 and the conductive films 140, 142, 144, and 146 (see FIG. 27B).

絶縁層192は、CVD法やスパッタ法等により、酸化シリコン(SiOx)、窒化シリコン(SiNx)、酸化窒化シリコン(SiOxNy、(x>y))、窒化酸化シリコン(SiNxOy、(x>y))等の酸素または窒素を有する絶縁層やDLC(ダイヤモンドライクカーボン)等を用いて単層又は積層構造で設けることができる。 The insulating layer 192 is formed by silicon oxide (SiOx), silicon nitride (SiNx), silicon oxynitride (SiOxNy, (x> y)), silicon nitride oxide (SiNxOy, (x> y)) by CVD or sputtering. The insulating layer having oxygen or nitrogen such as DLC (diamond-like carbon) or the like can be used to form a single layer or a stacked structure.

次に、第2の絶縁層128、第3の絶縁層132、134、導電膜140、142、144、146を覆うように絶縁層172を形成し、当該絶縁層172上に半導体層104、106、108、110にそれぞれ形成された不純物領域170、152、156、162と電気的に接続する導電膜174を形成する(図27(C)、図45参照)。 Next, an insulating layer 172 is formed so as to cover the second insulating layer 128, the third insulating layers 132 and 134, and the conductive films 140, 142, 144, and 146, and the semiconductor layers 104 and 106 are formed over the insulating layer 172. , 108, and 110, conductive films 174 that are electrically connected to the impurity regions 170, 152, 156, and 162, respectively, are formed (see FIGS. 27C and 45).

絶縁層172としては、上記実施例1で説明したいずれかの材料を用いることができる。例えば、絶縁層192として酸化シリコン(SiOx)、窒化シリコン(SiNx)、酸化窒化シリコン(SiOxNy、(x>y))、窒化酸化シリコン(SiNxOy、(x>y))等の酸素または窒素を有する無機材料を有する絶縁層を用い、絶縁層172としてエポキシ、ポリイミド、ポリアミド、ポリビニルフェノール、ベンゾシクロブテン、アクリル等の有機材料で設けることができる。もちろん、絶縁層192と絶縁層172の双方を無機材料を有する絶縁層で形成してもよい。 As the insulating layer 172, any of the materials described in Embodiment 1 can be used. For example, the insulating layer 192 includes oxygen or nitrogen such as silicon oxide (SiOx), silicon nitride (SiNx), silicon oxynitride (SiOxNy, (x> y)), or silicon nitride oxide (SiNxOy, (x> y)). An insulating layer containing an inorganic material can be used, and the insulating layer 172 can be formed using an organic material such as epoxy, polyimide, polyamide, polyvinylphenol, benzocyclobutene, or acrylic. Needless to say, both the insulating layer 192 and the insulating layer 172 may be formed using an insulating layer containing an inorganic material.

なお、本実施例において、半導体層104、106、108、110にサイドウォールを利用してLDD領域を形成することも可能である。例えば、図26(B)まで形成した後に、導電膜140、142、144、146をマスクとして半導体層104、106、108、110に低濃度の不純物元素を導入した後に、導電膜140、142、144、146の側面に接する絶縁層198(サイドウォールともよばれる)を形成する(図31(A)参照)。 Note that in this embodiment, LDD regions can be formed in the semiconductor layers 104, 106, 108, and 110 by using sidewalls. For example, after the formation up to FIG. 26B, a low concentration impurity element is introduced into the semiconductor layers 104, 106, 108, and 110 using the conductive films 140, 142, 144, and 146 as masks, and then the conductive films 140, 142, An insulating layer 198 (also referred to as a sidewall) in contact with the side surfaces of 144 and 146 is formed (see FIG. 31A).

そして、当該絶縁層198と導電膜140、142、144、146をマスクとして高濃度の不純物元素を導入することによって、半導体層104にソース領域又はドレイン領域を形成する高濃度不純物領域170とLDD領域を形成する低濃度不純物領域188とチャネル形成領域168が形成される。また、半導体層106にソース領域又はドレイン領域を形成する高濃度不純物領域152とLDD領域を形成する低濃度不純物領域186とチャネル形成領域150が形成される。また、半導体層108には、ソース領域又はドレイン領域を形成する不純物領域156とLDD領域を形成する低濃度不純物領域158とチャネル形成領域154が形成される。また、半導体層110には、ソース領域又はドレイン領域を形成する高濃度不純物領域162とLDD領域を形成する低濃度不純物領域164とチャネル形成領域160が形成される(図31(A)参照)。 Then, by introducing a high concentration impurity element using the insulating layer 198 and the conductive films 140, 142, 144, and 146 as masks, a high concentration impurity region 170 and an LDD region that form a source region or a drain region in the semiconductor layer 104. A low concentration impurity region 188 and a channel formation region 168 are formed. Further, a high concentration impurity region 152 for forming a source region or a drain region, a low concentration impurity region 186 for forming an LDD region, and a channel formation region 150 are formed in the semiconductor layer 106. In the semiconductor layer 108, an impurity region 156 that forms a source region or a drain region, a low-concentration impurity region 158 that forms an LDD region, and a channel formation region 154 are formed. In the semiconductor layer 110, a high-concentration impurity region 162 that forms a source region or a drain region, a low-concentration impurity region 164 that forms an LDD region, and a channel formation region 160 are formed (see FIG. 31A).

なお、絶縁層198の形成方法としては、プラズマCVD法やスパッタリング法等により、シリコン、シリコンの酸化物又はシリコンの窒化物の無機材料を含む膜や、有機樹脂などの有機材料を含む膜を、単層又は積層して形成する。そして、当該絶縁層を、垂直方向を主体とした異方性エッチングにより選択的にエッチングして、導電膜140、142、144、146の側面に接するように形成することができる。なお、絶縁層198は、LDD(Lightly Doped drain)領域を形成する際のドーピング用のマスクとして用いる。また、本例では、絶縁層198は、導電膜140、142、144、146の下方に形成された絶縁層や電荷蓄積層の側面にも接するように形成されている。 Note that as a method for forming the insulating layer 198, a film containing an inorganic material of silicon, silicon oxide, or silicon nitride, or a film containing an organic material such as an organic resin by a plasma CVD method, a sputtering method, or the like. A single layer or a stacked layer is formed. Then, the insulating layer can be selectively etched by anisotropic etching mainly in the vertical direction so as to be in contact with the side surfaces of the conductive films 140, 142, 144, and 146. Note that the insulating layer 198 is used as a mask for doping when an LDD (Lightly Doped Drain) region is formed. In this example, the insulating layer 198 is formed so as to be in contact with the side surfaces of the insulating layer and the charge storage layer formed below the conductive films 140, 142, 144, and 146.

その後、上述したように、絶縁層192、172、導電膜174を形成することによって、不揮発性半導体記憶装置を得ることができる(図31(B)参照)。 After that, as described above, the insulating layers 192 and 172 and the conductive film 174 are formed, whereby a nonvolatile semiconductor memory device can be obtained (see FIG. 31B).

なお、本実施例で示した構造においても、上記実施例3で示したように浮遊ゲートとして機能する電荷蓄積層121及び電荷蓄積層125を含む積層構造の幅が半導体層108の幅より小さくなるように設けた構造としてもよい。また、本実施例で示した構造においても、上記図35、図36に示したように不純物領域194を設けてもよい。 Even in the structure shown in this embodiment, the width of the stacked structure including the charge storage layer 121 and the charge storage layer 125 functioning as a floating gate is smaller than the width of the semiconductor layer 108 as shown in the third embodiment. It is good also as a structure provided. Also in the structure shown in this embodiment, the impurity region 194 may be provided as shown in FIGS.

本実施例の不揮発性半導体記憶装置は、回路の構成に合わせてトランジスタにおけるゲート絶縁層の膜厚を異ならせることにより、低消費電力化を図ることができる。また、不揮発性半導体記憶装置の動作の安定化を図ることができる。具体的には、ロジック部を構成するトランジスタのゲート絶縁層の膜厚を薄くすることで、しきい値電圧のばらつきを小さくすることができ、低電圧で駆動させることが可能となる。メモリ部の選択トランジスタのゲート絶縁層の膜厚を厚くすることで、不揮発性メモリ素子に対する書き込み及び消去動作において、ロジック部よりも高電圧が適用される場合においても、動作の安定性を高めることができる。不揮発性メモリ素子においては、半導体層から浮遊ゲート電極へ電荷を注入しやすくすることができ、浮遊ゲート電極から電荷が消失することを防ぐことができる。すなわち、メモリとして動作する場合に、低電圧で高効率な書き込みをすることが出来、且つ電荷保持特性を向上させることが可能となる。本実施例によれば、このような優れた効果を奏する不揮発性半導体記憶装置を連続した工程で作製することが可能となる。 In the nonvolatile semiconductor memory device of this embodiment, power consumption can be reduced by changing the thickness of the gate insulating layer in the transistor in accordance with the circuit configuration. In addition, the operation of the nonvolatile semiconductor memory device can be stabilized. Specifically, by reducing the thickness of the gate insulating layer of a transistor included in the logic portion, variation in threshold voltage can be reduced and driving with a low voltage is possible. By increasing the thickness of the gate insulating layer of the selection transistor in the memory portion, the operation stability is improved even when a higher voltage is applied than in the logic portion in the writing and erasing operations for the nonvolatile memory element. Can do. In the nonvolatile memory element, it is possible to easily inject charges from the semiconductor layer to the floating gate electrode, and it is possible to prevent the charge from being lost from the floating gate electrode. That is, when operating as a memory, high-efficiency writing can be performed at a low voltage, and charge retention characteristics can be improved. According to the present embodiment, it is possible to manufacture a nonvolatile semiconductor memory device having such excellent effects in a continuous process.

本実施例は、本明細書で示した他の実施の形態又は実施例と組み合わせて行うことができる。 This example can be implemented in combination with any of the other embodiments or examples shown in this specification.

本実施例では、上述した本発明の不揮発性半導体記憶装置を備えた非接触でデータの入出力が可能である半導体装置の適用例に関して図面を参照して以下に説明する。非接触でデータの入出力が可能である半導体装置は利用の形態によっては、RFIDタグ、IDタグ、ICタグ、ICチップ、RFタグ、無線タグ、電子タグまたは無線チップともよばれる。 In this embodiment, an application example of a semiconductor device including the above-described nonvolatile semiconductor memory device of the present invention and capable of inputting and outputting data without contact will be described with reference to the drawings. A semiconductor device in which data can be input / output without contact is also referred to as an RFID tag, an ID tag, an IC tag, an IC chip, an RF tag, a wireless tag, an electronic tag, or a wireless chip depending on the application.

半導体装置800は、非接触でデータを交信する機能を有し、高周波回路810、電源回路820、リセット回路830、クロック発生回路840、データ復調回路850、データ変調回路860、他の回路の制御を行う制御回路870、記憶回路880およびアンテナ890を有している(図46(A))。高周波回路810はアンテナ890より信号を受信する。また、高周波回路810はデータ変調回路860より受信した信号をアンテナ890から出力する回路である。電源回路820は受信信号から電源電位を生成する回路であり、リセット回路830はリセット信号を生成する回路であり、クロック発生回路840はアンテナ890から入力された受信信号を基に各種クロック信号を生成する回路であり、データ復調回路850は受信信号を復調して制御回路870に出力する回路であり、データ変調回路860は制御回路870から受信した信号を変調する回路である。また、制御回路870としては、例えばコード抽出回路910、コード判定回路920、CRC判定回路930および出力ユニット回路940が設けられている。なお、コード抽出回路910は制御回路870に送られてきた命令に含まれる複数のコードをそれぞれ抽出する回路であり、コード判定回路920は抽出されたコードとリファレンスに相当するコードとを比較して命令の内容を判定する回路であり、CRC判定回路930は判定されたコードに基づいて送信エラー等の有無を検出する回路である。 The semiconductor device 800 has a function of exchanging data without contact, and controls a high frequency circuit 810, a power supply circuit 820, a reset circuit 830, a clock generation circuit 840, a data demodulation circuit 850, a data modulation circuit 860, and other circuits. A control circuit 870, a memory circuit 880, and an antenna 890 are provided (FIG. 46A). The high frequency circuit 810 receives a signal from the antenna 890. The high frequency circuit 810 is a circuit that outputs the signal received from the data modulation circuit 860 from the antenna 890. The power supply circuit 820 is a circuit that generates a power supply potential from a reception signal, the reset circuit 830 is a circuit that generates a reset signal, and the clock generation circuit 840 generates various clock signals based on the reception signal input from the antenna 890. The data demodulating circuit 850 is a circuit that demodulates the received signal and outputs the demodulated signal to the control circuit 870. The data modulation circuit 860 is a circuit that modulates the signal received from the control circuit 870. As the control circuit 870, for example, a code extraction circuit 910, a code determination circuit 920, a CRC determination circuit 930, and an output unit circuit 940 are provided. The code extraction circuit 910 is a circuit that extracts a plurality of codes included in the instruction sent to the control circuit 870, and the code determination circuit 920 compares the extracted code with a code corresponding to a reference. The CRC determination circuit 930 is a circuit that detects the presence or absence of a transmission error or the like based on the determined code.

次に、上述した半導体装置の動作の一例について説明する。まず、アンテナ890により無線信号が受信される。無線信号は高周波回路810を介して電源回路820に送られ、高電源電位(以下、VDDと記す)が生成される。VDDは半導体装置800が有する各回路に供給される。また、高周波回路810を介してデータ復調回路850に送られた信号は復調される(以下、復調信号)。さらに、高周波回路810を介してリセット回路830およびクロック発生回路840を通った信号及び復調信号は制御回路870に送られる。制御回路870に送られた信号は、コード抽出回路910、コード判定回路920およびCRC判定回路930等によって解析される。そして、解析された信号にしたがって、記憶回路880内に記憶されている半導体装置の情報が出力される。出力された半導体装置の情報は出力ユニット回路940を通って符号化される。さらに、符号化された半導体装置800の情報はデータ変調回路860を通って、アンテナ890により無線信号に載せて送信される。なお、半導体装置800を構成する複数の回路においては、低電源電位(以下、VSS)は共通であり、VSSはGNDとすることができる。また、本発明の不揮発性半導体記憶装置を記憶回路880に適用することができる。本発明の不揮発性半導体記憶装置は、駆動電圧を低くすることができるため、非接触でデータを交信できる距離をのばすことが可能となる。 Next, an example of operation of the above-described semiconductor device will be described. First, a radio signal is received by the antenna 890. The wireless signal is sent to the power supply circuit 820 via the high frequency circuit 810, and a high power supply potential (hereinafter referred to as VDD) is generated. VDD is supplied to each circuit included in the semiconductor device 800. The signal sent to the data demodulation circuit 850 via the high frequency circuit 810 is demodulated (hereinafter, demodulated signal). Further, a signal and a demodulated signal that have passed through the reset circuit 830 and the clock generation circuit 840 via the high frequency circuit 810 are sent to the control circuit 870. The signal sent to the control circuit 870 is analyzed by the code extraction circuit 910, the code determination circuit 920, the CRC determination circuit 930, and the like. Then, information on the semiconductor device stored in the memory circuit 880 is output in accordance with the analyzed signal. The output semiconductor device information is encoded through the output unit circuit 940. Further, the encoded information of the semiconductor device 800 passes through the data modulation circuit 860 and is transmitted on the radio signal by the antenna 890. Note that a low power supply potential (hereinafter referred to as VSS) is common in the plurality of circuits included in the semiconductor device 800, and VSS can be GND. Further, the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention can be applied to the memory circuit 880. In the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention, since the driving voltage can be lowered, it is possible to extend the distance in which data can be communicated without contact.

このように、リーダ/ライタから半導体装置800に信号を送り、当該半導体装置800から送られてきた信号をリーダ/ライタで受信することによって、半導体装置のデータを読み取ることが可能となる。 As described above, by transmitting a signal from the reader / writer to the semiconductor device 800 and receiving the signal transmitted from the semiconductor device 800 by the reader / writer, the data of the semiconductor device can be read.

また、半導体装置800は、各回路への電源電圧の供給を電源(バッテリー)を搭載せず電磁波により行うタイプとしてもよいし、電源(バッテリー)を搭載して電磁波と電源(バッテリー)により各回路に電源電圧を供給するタイプとしてもよい。 Further, the semiconductor device 800 may be of a type in which the power supply voltage is supplied to each circuit by an electromagnetic wave without mounting the power source (battery), or each circuit is mounted by the electromagnetic wave and the power source (battery). It is good also as a type which supplies a power supply voltage to.

次に、非接触でデータの入出力が可能な半導体装置の使用形態の一例について説明する。表示部3210を含む携帯端末の側面には、リーダ/ライタ3200が設けられ、品物3220の側面には半導体装置3230が設けられる(図46(B))。品物3220が含む半導体装置3230にリーダ/ライタ3200をかざすと、表示部3210に品物の原材料や原産地、生産工程ごとの検査結果や流通過程の履歴等、更に商品の説明等の商品に関する情報が表示される。また、商品3260をベルトコンベアにより搬送する際に、リーダ/ライタ3240と、商品3260に設けられた半導体装置3250を用いて、該商品3260の検品を行うことができる(図46(C))。このように、システムに半導体装置を活用することで、情報の取得を簡単に行うことができ、高機能化と高付加価値化を実現する。 Next, an example of a usage pattern of a semiconductor device capable of inputting and outputting data without contact will be described. A reader / writer 3200 is provided on the side surface of the portable terminal including the display portion 3210, and a semiconductor device 3230 is provided on the side surface of the article 3220 (FIG. 46B). When the reader / writer 3200 is held over the semiconductor device 3230 included in the product 3220, information about the product such as the description of the product, such as the raw material and origin of the product, the inspection result for each production process and the history of the distribution process, is displayed on the display unit 3210. Is done. Further, when the product 3260 is conveyed by the belt conveyor, the product 3260 can be inspected using the reader / writer 3240 and the semiconductor device 3250 provided in the product 3260 (FIG. 46C). In this manner, by using a semiconductor device in the system, information can be easily acquired, and high functionality and high added value are realized.

本発明の不揮発性半導体記憶装置は、メモリを具備したあらゆる分野の電子機器に用いることが可能である。例えば、本発明の不揮発性半導体記憶装置を適用した電子機器として、ビデオカメラ、デジタルカメラ等のカメラ、ゴーグル型ディスプレイ(ヘッドマウントディスプレイ)、ナビゲーションシステム、音響再生装置(カーオーディオ、オーディオコンポ等)、コンピュータ、ゲーム機器、携帯情報端末(モバイルコンピュータ、携帯電話、携帯型ゲーム機または電子書籍等)、記録媒体を備えた画像再生装置(具体的にはDVD(digital versatile disc)等の記録媒体を再生し、その画像を表示しうるディスプレイを備えた装置)などが挙げられる。それら電子機器の具体例を図17に示す。 The nonvolatile semiconductor memory device of the present invention can be used for electronic devices in various fields equipped with a memory. For example, as an electronic device to which the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention is applied, a camera such as a video camera or a digital camera, a goggle type display (head mounted display), a navigation system, a sound reproduction device (car audio, audio component, etc.), Plays back recording media such as computers, game machines, portable information terminals (mobile computers, mobile phones, portable game machines or electronic books), and image playback devices (specifically DVDs (digital versatile discs)) equipped with recording media And an apparatus provided with a display capable of displaying the image). Specific examples of these electronic devices are shown in FIGS.

図17(A)、(B)は、デジタルカメラを示している。図17(B)は、図17(A)の裏側を示す図である。このデジタルカメラは、筐体2111、表示部2112、レンズ2113、操作キー2114、シャッター2115などを有する。また、取り出し可能な不揮発性メモリ2116を備えており、当該デジタルカメラで撮影したデータを不揮発性メモリ2116に記憶させておく構成となっている。本発明を用いて形成された不揮発性の半導体記憶装置は不揮発性メモリ2116に適用することができる。 17A and 17B show a digital camera. FIG. 17B is a diagram showing the back side of FIG. This digital camera includes a housing 2111, a display portion 2112, a lens 2113, operation keys 2114, a shutter 2115, and the like. In addition, a removable nonvolatile memory 2116 is provided, and data captured by the digital camera is stored in the nonvolatile memory 2116. A nonvolatile semiconductor memory device formed using the present invention can be applied to the nonvolatile memory 2116.

図17(C)は、携帯電話を示しており、携帯端末の1つの代表例である。この携帯電話は筐体2121、表示部2122、操作キー2123などを含む。また、携帯電話は、取り出し可能な不揮発性メモリ2125を備えており、当該携帯電話の電話番号等のデータ、映像、音楽データ等を不揮発性メモリ2125に記憶させ再生することができる。本発明を用いて形成された不揮発性の半導体記憶装置は不揮発性メモリ2125に適用することができる。 FIG. 17C illustrates a mobile phone, which is a typical example of a mobile terminal. This mobile phone includes a housing 2121, a display portion 2122, operation keys 2123, and the like. In addition, the mobile phone includes a removable nonvolatile memory 2125, and data such as a phone number of the mobile phone, video, music data, and the like can be stored in the nonvolatile memory 2125 and played back. A nonvolatile semiconductor memory device formed using the present invention can be applied to the nonvolatile memory 2125.

図17(D)は、デジタルプレーヤーを示しており、オーディオ装置の1つの代表例である。図17(D)に示すデジタルプレーヤーは、本体2130、表示部2131、不揮発性メモリ部2132、操作部2133、イヤホン2134等を含んでいる。なお、イヤホン2134の代わりにヘッドホンや無線式イヤホンを用いることができる。不揮発性メモリ部2132は、本発明を用いて形成された不揮発性の半導体記憶装置を用いることができる。例えば、記録容量が20ギガバイト乃至200ギガバイトのNAND型不揮発性メモリを用い、操作部2133を操作することにより、映像や音声(音楽)を記録、再生することができる。なお、表示部2131は黒色の背景に白色の文字を表示することで消費電力を抑えられる。これは携帯型のオーディオ装置において特に有効である。なお、不揮発性メモリ部2132に設けられた不揮発性の半導体記憶装置は、取り出し可能な構成としてもよい。 FIG. 17D illustrates a digital player, which is a typical example of an audio device. A digital player shown in FIG. 17D includes a main body 2130, a display portion 2131, a nonvolatile memory portion 2132, an operation portion 2133, an earphone 2134, and the like. Note that headphones or wireless earphones can be used instead of the earphones 2134. As the nonvolatile memory portion 2132, a nonvolatile semiconductor memory device formed using the present invention can be used. For example, video and audio (music) can be recorded and reproduced by operating the operation unit 2133 using a NAND type nonvolatile memory having a recording capacity of 20 to 200 gigabytes. Note that the display unit 2131 can reduce power consumption by displaying white characters on a black background. This is particularly effective in a portable audio device. Note that the nonvolatile semiconductor memory device provided in the nonvolatile memory portion 2132 may be removable.

図17(E)は、電子ブック(電子ペーパーともいう)を示している。この電子ブックは、本体2141、表示部2142、操作キー2143、不揮発性メモリ部2144を含んでいる。またモデムが本体2141に内蔵されていてもよいし、無線で情報を送受信できる構成としてもよい。不揮発性メモリ部2144は、本発明を用いて形成された不揮発性の半導体記憶装置を用いることができる。例えば、記録容量が20ギガバイト乃至200ギガバイトのNAND型不揮発性メモリを用い、操作キー2143を操作することにより、映像や音声(音楽)を記録、再生することができる。なお、不揮発性メモリ部2144に設けられた不揮発性の半導体記憶装置は、取り出し可能な構成としてもよい。 FIG. 17E illustrates an electronic book (also referred to as electronic paper). This electronic book includes a main body 2141, a display portion 2142, operation keys 2143, and a nonvolatile memory portion 2144. Further, a modem may be incorporated in the main body 2141 or a configuration in which information can be transmitted and received wirelessly may be employed. As the nonvolatile memory portion 2144, a nonvolatile semiconductor memory device formed using the present invention can be used. For example, video and audio (music) can be recorded and reproduced by operating an operation key 2143 using a NAND nonvolatile memory having a recording capacity of 20 to 200 gigabytes. Note that the nonvolatile semiconductor memory device provided in the nonvolatile memory portion 2144 may be removable.

以上の様に、本発明の不揮発性半導体記憶装置の適用範囲は極めて広く、メモリを有するものであればあらゆる分野の電子機器に用いることが可能である。 As described above, the applicable range of the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention is so wide that it can be used for electronic devices in various fields as long as it has a memory.

本発明に係る不揮発性半導体記憶装置の主要な構成を説明するための断面図。1 is a cross-sectional view for explaining a main structure of a nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention. 初期状態(電荷放出状態)における不揮発性メモリのバンド図。The band figure of the non-volatile memory in the initial state (charge discharge state). 書き込み状態における不揮発性メモリのバンド図。The band diagram of the non-volatile memory in the writing state. 電荷保持状態における不揮発性メモリのバンド図。The band figure of the non-volatile memory in a charge retention state. 消去状態における不揮発性メモリのバンド図。The band diagram of the non-volatile memory in the erased state. 不揮発性メモリの書き込み及び読み出し動作を説明する図。4A and 4B illustrate writing and reading operations of a nonvolatile memory. 不揮発性メモリの消去動作を説明する図。10A and 10B illustrate an erase operation of a nonvolatile memory. 不揮発性メモリセルアレイの等価回路の一例を示す図。The figure which shows an example of the equivalent circuit of a non-volatile memory cell array. NOR型不揮発性メモリセルアレイの等価回路の一例を示す図。The figure which shows an example of the equivalent circuit of a NOR type non-volatile memory cell array. NAND型不揮発性メモリセルアレイの等価回路の一例を示す図。The figure which shows an example of the equivalent circuit of a NAND type non-volatile memory cell array. NAND型不揮発性メモリの書き込み動作を説明する図。4A and 4B illustrate a write operation of a NAND nonvolatile memory. NAND型不揮発性メモリの消去及び読み出し動作を説明する図。The figure explaining erase and read-out operation of NAND type non-volatile memory. 電荷が蓄積された”0”の場合と消去された”1”の場合における不揮発性メモリのしきい値電圧の変化を示す図。The figure which shows the change of the threshold voltage of a non-volatile memory in the case of "0" with which charge was accumulate | stored, and the case of "1" erase | eliminated. 不揮発性半導体記憶装置の回路ブロック図の一例を示す図。1 is a diagram illustrating an example of a circuit block diagram of a nonvolatile semiconductor memory device. プラズマ処理装置の構成を説明する図。The figure explaining the structure of a plasma processing apparatus. 従来の不揮発性メモリのバンド図。The band figure of the conventional non-volatile memory. 本発明の不揮発性半導体記憶装置の使用形態の一例を示す図。FIG. 11 shows an example of a usage pattern of a nonvolatile semiconductor memory device of the present invention. 本発明の不揮発性半導体記憶装置の作製方法の一例を示す図。8A and 8B illustrate an example of a method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device of the present invention. 本発明の不揮発性半導体記憶装置の作製方法の一例を示す図。8A and 8B illustrate an example of a method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device of the present invention. 本発明の不揮発性半導体記憶装置の作製方法の一例を示す図。8A and 8B illustrate an example of a method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device of the present invention. 本発明の不揮発性半導体記憶装置の作製方法の一例を示す図。8A and 8B illustrate an example of a method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device of the present invention. 本発明の不揮発性半導体記憶装置の作製方法の一例を示す図。8A and 8B illustrate an example of a method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device of the present invention. 本発明の不揮発性半導体記憶装置の作製方法の一例を示す図。8A and 8B illustrate an example of a method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device of the present invention. 本発明の不揮発性半導体記憶装置の作製方法の一例を示す図。8A and 8B illustrate an example of a method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device of the present invention. 本発明の不揮発性半導体記憶装置の作製方法の一例を示す図。8A and 8B illustrate an example of a method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device of the present invention. 本発明の不揮発性半導体記憶装置の作製方法の一例を示す図。8A and 8B illustrate an example of a method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device of the present invention. 本発明の不揮発性半導体記憶装置の作製方法の一例を示す図。8A and 8B illustrate an example of a method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device of the present invention. 本発明の不揮発性半導体記憶装置の作製方法の一例を示す図。8A and 8B illustrate an example of a method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device of the present invention. 本発明の不揮発性半導体記憶装置の作製方法の一例を示す図。8A and 8B illustrate an example of a method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device of the present invention. 本発明の不揮発性半導体記憶装置の作製方法の一例を示す図。8A and 8B illustrate an example of a method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device of the present invention. 本発明の不揮発性半導体記憶装置の作製方法の一例を示す図。8A and 8B illustrate an example of a method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device of the present invention. 本発明の不揮発性半導体記憶装置の上面の一例を示す図。FIG. 6 shows an example of the top surface of a nonvolatile semiconductor memory device of the present invention. 本発明の不揮発性半導体記憶装置の上面の一例を示す図。FIG. 6 shows an example of the top surface of a nonvolatile semiconductor memory device of the present invention. 本発明の不揮発性半導体記憶装置の上面の一例を示す図。FIG. 6 shows an example of the top surface of a nonvolatile semiconductor memory device of the present invention. 本発明の不揮発性半導体記憶装置の上面の一例を示す図。FIG. 6 shows an example of the top surface of a nonvolatile semiconductor memory device of the present invention. 本発明の不揮発性半導体記憶装置の上面の一例を示す図。FIG. 6 shows an example of the top surface of a nonvolatile semiconductor memory device of the present invention. 本発明の不揮発性半導体記憶装置の一例を示す図。1 is a diagram showing an example of a nonvolatile semiconductor memory device of the present invention. 本発明の不揮発性半導体記憶装置の一例を示す図。1 is a diagram showing an example of a nonvolatile semiconductor memory device of the present invention. 本発明の不揮発性半導体記憶装置の上面の一例を示す図。FIG. 6 shows an example of the top surface of a nonvolatile semiconductor memory device of the present invention. 本発明の不揮発性半導体記憶装置の上面の一例を示す図。FIG. 6 shows an example of the top surface of a nonvolatile semiconductor memory device of the present invention. 本発明の不揮発性半導体記憶装置の上面の一例を示す図。FIG. 6 shows an example of the top surface of a nonvolatile semiconductor memory device of the present invention. 本発明の不揮発性半導体記憶装置の上面の一例を示す図。FIG. 6 shows an example of the top surface of a nonvolatile semiconductor memory device of the present invention. 本発明の不揮発性半導体記憶装置の上面の一例を示す図。FIG. 6 shows an example of the top surface of a nonvolatile semiconductor memory device of the present invention. 本発明の不揮発性半導体記憶装置の上面の一例を示す図。FIG. 6 shows an example of the top surface of a nonvolatile semiconductor memory device of the present invention. 本発明の不揮発性半導体記憶装置の上面の一例を示す図。FIG. 6 shows an example of the top surface of a nonvolatile semiconductor memory device of the present invention. 本発明の不揮発性半導体記憶装置の使用形態の一例を示す図。FIG. 11 shows an example of a usage pattern of a nonvolatile semiconductor memory device of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

M0 不揮発性メモリ素子
M01 不揮発性メモリ素子
M02 不揮発性メモリ素子
M03 不揮発性メモリ素子
M11 不揮発性メモリ素子
M12 不揮発性メモリ素子
M13 不揮発性メモリ素子
S1 選択トランジスタ
S2 選択トランジスタ
S01 選択トランジスタ
S02 選択トランジスタ
S03 選択トランジスタ
S11 選択トランジスタ
S12 選択トランジスタ
S13 選択トランジスタ
MS01 メモリセル
WL ワード線
WL0 ワード線
WL1 ワード線
WL11 ワード線
BL ビット線
BL0 ビット線
SL ソース線
NS1 NANDセル
01 半導体層
02 第1の絶縁層
03 浮遊ゲート電極
04 第2の絶縁層
05 制御ゲート電極
10 基板
12 下地絶縁層
14 半導体層
16 第1の絶縁層
16a 酸化シリコン層
16b 窒化シリコン層
18 不純物領域
18a ソース領域
18b ドレイン領域
20 浮遊ゲート電極
20a 第1の浮遊ゲート電極
20b 第2の浮遊ゲート電極
22 第2の絶縁層
22a 窒化シリコン層
22b 酸化シリコン層
24 制御ゲート電極
24a 金属窒化物層
24b 金属層
26 ゲート
30 半導体層
32 半導体層
34 半導体層
36 半導体層
38 半導体層
40 半導体層
52 メモリセルアレイ
54 周辺回路
56 アドレスバッファ
58 コントロール回路
60 昇圧回路
62 ロウデコーダ
64 カラムデコーダ
66 センスアンプ
68 データバッファ
70 データ入出力バッファ
80 アンテナ
82 誘電体板
84 ガス供給部
86 排気口
88 支持台
90 温度制御部
92 マイクロ波供給部
94 プラズマ
100 基板
101 基板
102 絶縁層
104 半導体層
106 半導体層
108 半導体層
110 半導体層
112 第1の絶縁層
116 第1の絶縁層
120 電荷蓄積層
121 電荷蓄積層
123 電荷蓄積層
125 電荷蓄積層
122 レジスト
124 レジスト
126 不純物領域
128 第2の絶縁層
130 レジスト
132 絶縁層
134 絶縁層
136 導電膜
138 導電膜
140 導電膜
142 導電膜
144 導電膜
146 導電膜
148 レジスト
150 チャネル形成領域
152 不純物領域
154 チャネル形成領域
156 不純物領域
158 低濃度不純物領域
160 チャネル形成領域
162 不純物領域
164 低濃度不純物領域
166 レジスト
168 チャネル形成領域
170 不純物領域
172 絶縁層
174 導電膜
182a 導電膜
182b 導電膜
182c 導電膜
182d 導電膜
184a 導電膜
184b 導電膜
184c 導電膜
184d 導電膜
186 低濃度不純物領域
188 低濃度不純物領域
190 不純物領域
192 絶縁層
194 不純物領域
198 絶縁層
200a 半導体層
200b 半導体層
202a NANDセル
202b NANDセル
800 半導体装置
810 高周波回路
820 電源回路
830 リセット回路
840 クロック発生回路
850 データ復調回路
860 データ変調回路
870 制御回路
880 記憶回路
890 アンテナ
910 コード抽出回路
920 コード判定回路
930 CRC判定回路
940 出力ユニット回路
2111 筐体
2112 表示部
2113 レンズ
2114 操作キー
2115 シャッター
2116 不揮発性メモリ
2121 筐体
2122 表示部
2123 操作キー
2125 不揮発性メモリ
2130 本体
2131 表示部
2132 不揮発性メモリ部
2133 操作部
2134 イヤホン
2141 本体
2142 表示部
2143 操作キー
2144 不揮発性メモリ部
3200 リーダ/ライタ
3210 表示部
3220 品物
3230 半導体装置
3240 リーダ/ライタ
3250 半導体装置
3260 商品
M0 Non-volatile memory element M01 Non-volatile memory element M02 Non-volatile memory element M03 Non-volatile memory element M11 Non-volatile memory element M12 Non-volatile memory element M13 Non-volatile memory element S1 Select transistor S2 Select transistor S01 Select transistor S02 Select transistor S03 Select transistor S11 Select transistor S12 Select transistor S13 Select transistor MS01 Memory cell WL Word line WL0 Word line WL1 Word line WL11 Word line BL Bit line BL0 Bit line SL Source line NS1 NAND cell 01 Semiconductor layer 02 First insulating layer 03 Floating gate electrode 04 Second insulating layer 05 Control gate electrode 10 Substrate 12 Underlying insulating layer 14 Semiconductor layer 16 First insulating layer 16a Silicon oxide layer 16b Silicon nitride layer 18 Pure region 18a Source region 18b Drain region 20 Floating gate electrode 20a First floating gate electrode 20b Second floating gate electrode 22 Second insulating layer 22a Silicon nitride layer 22b Silicon oxide layer 24 Control gate electrode 24a Metal nitride layer 24b metal layer 26 gate 30 semiconductor layer 32 semiconductor layer 34 semiconductor layer 36 semiconductor layer 38 semiconductor layer 40 semiconductor layer 52 memory cell array 54 peripheral circuit 56 address buffer 58 control circuit 60 booster circuit 62 row decoder 64 column decoder 66 sense amplifier 68 data buffer 70 Data Input / Output Buffer 80 Antenna 82 Dielectric Plate 84 Gas Supply Unit 86 Exhaust Port 88 Support Stand 90 Temperature Control Unit 92 Microwave Supply Unit 94 Plasma 100 Substrate 101 Substrate 102 Insulating Layer 104 Semiconductor Layer 106 Semiconductor Layer 108 Semiconductor layer 110 Semiconductor layer 112 First insulating layer 116 First insulating layer 120 Charge storage layer 121 Charge storage layer 123 Charge storage layer 125 Charge storage layer 122 Resist 124 Resist 126 Impurity region 128 Second insulating layer 130 Resist 132 Insulating layer 136 insulating layer 136 conductive film 138 conductive film 142 conductive film 144 conductive film 146 conductive film 148 resist 150 channel formation region 152 impurity region 154 channel formation region 156 impurity region 158 low-concentration impurity region 160 channel formation region 162 impurity Region 164 Low-concentration impurity region 166 Resist 168 Channel formation region 170 Impurity region 172 Insulating layer 174 Conductive film 182a Conductive film 182b Conductive film 182c Conductive film 182d Conductive film 184a Conductive film 184b Conductive film 184 Conductive film 184d Conductive film 186 Low-concentration impurity region 188 Low-concentration impurity region 190 Impurity region 192 Insulating layer 194 Insulating layer 198 Insulating layer 200a Semiconductor layer 200b Semiconductor layer 202a NAND cell 202b NAND cell 800 Semiconductor device 810 High-frequency circuit 820 Power supply circuit 830 Reset Circuit 840 Clock generation circuit 850 Data demodulation circuit 860 Data modulation circuit 870 Control circuit 880 Storage circuit 890 Antenna 910 Code extraction circuit 920 Code determination circuit 930 CRC determination circuit 940 Output unit circuit 2111 Case 2112 Display unit 2113 Lens 2114 Operation key 2115 Shutter 2116 Nonvolatile memory 2121 Housing 2122 Display unit 2123 Operation key 2125 Nonvolatile memory 2130 Main body 2131 Display unit 2132 Non-volatile Source memory unit 2133 Operation unit 2134 Earphone 2141 Main body 2142 Display unit 2143 Operation key 2144 Non-volatile memory unit 3200 Reader / writer 3210 Display unit 3220 Product 3230 Semiconductor device 3240 Reader / writer 3250 Semiconductor device 3260 Product

Claims (9)

一対の不純物領域の間にチャネル形成領域を有する半導体層と、A semiconductor layer having a channel formation region between a pair of impurity regions;
前記チャネル形成領域の上方の第1の絶縁層と、A first insulating layer above the channel formation region;
前記第1の絶縁層の上方の第1のゲートと、A first gate above the first insulating layer;
前記第1のゲートの上方の第2の絶縁層と、A second insulating layer above the first gate;
前記第2の絶縁層の上方の第2のゲートと、を有し、A second gate above the second insulating layer;
前記第1のゲートは、第1の層と、第2の層とを有し、The first gate has a first layer and a second layer;
前記第1の層は、前記第1の絶縁層と接し、The first layer is in contact with the first insulating layer;
前記第1の層は、ゲルマニウムと、酸素と、を有することを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。The nonvolatile semiconductor memory device, wherein the first layer includes germanium and oxygen.
一対の不純物領域の間にチャネル形成領域を有する半導体層と、A semiconductor layer having a channel formation region between a pair of impurity regions;
前記チャネル形成領域の上方の第1の絶縁層と、A first insulating layer above the channel formation region;
前記第1の絶縁層の上方の第1のゲートと、A first gate above the first insulating layer;
前記第1のゲートの上方の第2の絶縁層と、A second insulating layer above the first gate;
前記第2の絶縁層の上方の第2のゲートと、を有し、A second gate above the second insulating layer;
前記第1のゲートは、第1の層と、第2の層とを有し、The first gate has a first layer and a second layer;
前記第1の層は、前記第1の絶縁層と接し、The first layer is in contact with the first insulating layer;
前記第1の層は、ゲルマニウムと、窒素と、を有することを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。The nonvolatile semiconductor memory device, wherein the first layer includes germanium and nitrogen.
請求項1又は2において、In claim 1 or 2,
前記半導体層が有する材料のバンドギャップは、前記第1の層が有する材料のバンドギャップより大きいことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。The nonvolatile semiconductor memory device, wherein a band gap of a material included in the semiconductor layer is larger than a band gap of a material included in the first layer.
請求項において、
前記半導体層が有する材料のバンドギャップと、前記第1の層が有る材料のバンドギャップと、の差が0.1V以上であることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
In claim 3 ,
Wherein the band gap of the material semiconductor layer is perforated, the first and the band gap of the layer to that timber fees Yes, the difference is non-volatile semiconductor memory device, characterized in that at 0.1V or more.
請求項1乃至4のいずれか一項において、In any one of Claims 1 thru | or 4,
前記半導体層が有する材料の電子親和力は、前記第1の層が有する材料の電子親和力より小さいことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。A non-volatile semiconductor memory device, wherein an electron affinity of a material included in the semiconductor layer is smaller than an electron affinity of a material included in the first layer.
請求項1乃至5のいずれか一項において、In any one of Claims 1 thru | or 5,
前記第1の絶縁層は、第3の層と、前記第4の層と、を有し、The first insulating layer has a third layer and the fourth layer,
前記第3の層は、酸素と、シリコンと、を有し、The third layer includes oxygen and silicon;
前記第4の層は、窒素と、シリコンと、を有することを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。The fourth layer includes a non-volatile semiconductor memory device including nitrogen and silicon.
請求項において、
前記第1の層は、前記第4の層に接していることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
In claim 6 ,
The nonvolatile semiconductor memory device, wherein the first layer is in contact with the fourth layer .
請求項6又は7において、
前記第3の層は、前記半導体層をプラズマ処理により酸化されたものであり、
前記第4の層は、前記第1の層をプラズマ処理により窒化されたものであることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
In claim 6 or 7 ,
The third layer is obtained by oxidizing the semiconductor layer by plasma treatment.
The nonvolatile semiconductor memory device, wherein the fourth layer is obtained by nitriding the first layer by plasma treatment.
請求項1乃至8のいずれか一項において、In any one of Claims 1 thru | or 8,
前記第2の層は、シリコンと、窒素、炭素又はゲルマニウムのいずれか一と、を有することを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。The nonvolatile semiconductor memory device, wherein the second layer includes silicon and any one of nitrogen, carbon, and germanium.
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