JP5466815B2 - Semiconductor 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電荷蓄積層の構成に関する。 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 charge storage layer in the nonvolatile semiconductor memory device.

データを電気的に書き換えが可能であり、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。浮遊ゲート上には、さらに絶縁層を介して制御ゲートを備えている。 The market for non-volatile memories that can rewrite data electrically and store data even when the power is turned off is expanding. A nonvolatile memory has a structure similar to that of a MOSFET (Metal Oxide Field Effect Effect Transistor) and is characterized in that a region capable of accumulating charges for a long period is provided on a 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. A control gate is further provided on the floating gate via an insulating layer.

このような構造を有する所謂浮遊ゲート型の不揮発性メモリは、制御ゲートに印加する電圧により、浮遊ゲートに電荷を蓄積させ、また放出させる動作が行われる。すなわち浮遊ゲートに保持させる電荷の出し入れにより、データを記憶する仕組みになっている。具体的に、浮遊ゲートへの電荷の注入や引き抜きは、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)や、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。 In the so-called floating gate type nonvolatile memory having such a structure, an operation for accumulating and releasing electric charge in the floating gate is performed by a voltage applied to the control gate. In other words, data is stored by taking in and out charges held in the floating gate. Specifically, the injection and extraction of charges to and 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) and thermal electrons (NOR type) flow through 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いる。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 over 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)

不揮発性メモリ素子の浮遊ゲートは多結晶シリコンで形成されているので、同じシリコン材料で形成される半導体層(チャネル形成領域)の伝導帯の底のエネルギーレベルが同じとなる。むしろ浮遊ゲートの多結晶シリコン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。このようなエネルギーレベルの差が生じると、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、書き込み電圧が高くなってしまう。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 of the nonvolatile memory element is formed of polycrystalline silicon, the energy level at the bottom of the conduction band of the semiconductor layer (channel formation region) formed of the same silicon material is the same. Rather, when the thickness of the polycrystalline silicon of the floating gate 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 difference in energy level occurs, it becomes difficult for electrons to be injected from the semiconductor layer into the floating gate, and the write voltage becomes high. 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、低電圧で書き込むためには当該トンネル絶縁層の厚さを薄くすればよいがその一方で、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、電荷の漏洩や不純物の侵入を防ぐために厚さ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, the tunnel insulating layer can be thinned in order to write at a low voltage, while the floating gate charge is stably maintained for a long period of time. In order to prevent this, it is necessary to increase the thickness in order to prevent leakage of charges and intrusion of impurities.

このような現状から、従来の不揮発性メモリにおいて、情報を書き込むためには高い書き込み電圧が必要とされている。また、電荷保持特性や、繰り返しの書き換えによる劣化に対しては、冗長メモリセルの搭載やコントローラの工夫により、エラー検出及び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。 Under such circumstances, a high write voltage is required to write information in the conventional nonvolatile memory. In addition, with respect to deterioration due to charge retention characteristics and repetitive rewriting, reliability is ensured by taking measures such as error detection and error correction by mounting redundant memory cells and devising a controller.

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。また、書込み電圧を低減することが可能な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. It is another object of the present invention to provide a nonvolatile semiconductor memory device that can reduce a write voltage.

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または半導体基板と、半導体層または半導体基板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、電荷蓄積層、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、電荷蓄積層は絶縁性であり、かつ電荷をトラップすることが可能な層で形成される。 The present invention provides a semiconductor layer or semiconductor substrate having a channel formation region between a pair of impurity regions formed apart from each other, and an upper layer portion of the semiconductor layer or semiconductor substrate at a position substantially overlapping the channel formation region. The nonvolatile semiconductor memory device includes a first insulating layer, a charge storage layer, a second insulating layer, and a control gate. In the present invention, the charge storage layer is formed of an insulating layer capable of trapping charges.

電荷蓄積層を形成する材料として、窒化ゲルマニウム、酸化ゲルマニウム、酸素が添加された窒化ゲルマニウム、窒素が添加された酸化ゲルマニウム、酸素及び水素が添加された窒化ゲルマニウム、窒素及び水素が添加された酸化ゲルマニウム等のゲルマニウム化合物等の一又は複数を選択することができる。 As a material for forming the charge storage layer, germanium nitride, germanium oxide, germanium nitride to which oxygen is added, germanium oxide to which nitrogen is added, germanium nitride to which oxygen and hydrogen are added, germanium oxide to which nitrogen and hydrogen are added One or a plurality of germanium compounds such as can be selected.

また、電荷蓄積層として上記ゲルマニウム化合物で形成される層中に粒子が含まれた層で形成することができる。電荷蓄積層中に含まれる粒子のバンドギャップは、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、電荷蓄積層に含まれる粒子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。 Further, the charge accumulation layer can be formed of a layer in which particles are included in the layer formed of the germanium compound. The band gap of the particles contained in the charge storage layer is preferably smaller than the band gap of the semiconductor layer. For example, the band gap of the particles contained in the charge storage layer and the band gap of the semiconductor layer have a difference of 0.1 eV or more, and the former is preferably smaller.

電荷蓄積層に含まれる粒子材料として、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。電荷蓄積層に含まれる粒子を形成する材料のゲルマニウム化合物としては、シリコンゲルマニウム合金等がある。 As the particulate material contained in the charge storage layer, typically, germanium or a germanium compound is preferable. Examples of the germanium compound that forms the particles included in the charge storage layer include a silicon germanium alloy.

また、第1の絶縁層は、半導体層または半導体基板の表面を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ことが好ましい。当該手法により形成した絶縁層は、緻密で絶縁耐圧が高く信頼性に優れているため、厚さを薄く形成することが可能であり、電荷蓄積層に電荷を注入するためのトンネル絶縁層である第1の絶縁層に適している。   The first insulating layer is preferably formed by solid phase oxidation or solid phase nitridation by plasma treatment on the surface of the semiconductor layer or the semiconductor substrate. The insulating layer formed by this method is dense, has a high withstand voltage, and is excellent in reliability. Therefore, the insulating layer can be formed thin and is a tunnel insulating layer for injecting charges into the charge storage layer. Suitable for the first insulating layer.

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上に形成され、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、電荷蓄積層、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, the semiconductor layer is preferably 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. And a non-volatile semiconductor memory device having a charge storage layer, a second insulating layer, and a control gate, in which a semiconductor layer is formed on an insulating surface.

半導体領域(半導体層または半導体基板)上にトンネル絶縁層として機能する第1の絶縁層を介して電荷蓄積層を形成する場合に、絶縁性を有するゲルマニウム化合物で形成される層や、絶縁性を有するゲルマニウム化合物で形成される層中にゲルマニウムを含む粒子が分散された層を用いることにより、電荷蓄積層に電荷を保持するサイト(トラップやドット)を多数有するため、電荷を保持しやすい。また、電荷蓄積層は絶縁性であるため、第1の絶縁層に欠陥があったとしても、電荷蓄積層で保持された電荷が半導体層に漏洩することを低減することが可能である。その結果、電荷蓄積層における電荷保持性を向上させるとともに、第1の絶縁層の厚さを薄くすることが可能であるため、低電圧で高効率な書き込みをすることができる。 When a charge storage layer is formed on a semiconductor region (semiconductor layer or semiconductor substrate) via a first insulating layer that functions as a tunnel insulating layer, a layer formed of an insulating germanium compound or an insulating property By using a layer in which particles containing germanium are dispersed in a layer formed of a germanium compound, the charge storage layer has a large number of sites (traps and dots) that hold charges, so that charges can be easily held. In addition, since the charge storage layer is insulative, it is possible to reduce leakage of charges held in the charge storage layer to the semiconductor layer even if the first insulating layer has a defect. As a result, charge retention in the charge storage layer can be improved and the thickness of the first insulating layer can be reduced, so that high-efficiency writing can be performed at a low voltage.

また、シリコン系と合致する材料を用いて電荷蓄積層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。 Further, by forming the charge storage layer using a material that matches the silicon system, 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 finely process a thin film without imposing a burden on manufacturing equipment.

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(A)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. 1A particularly shows a main part of a 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、下地膜として機能する絶縁層12を設けても良い。この絶縁層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. An insulating layer 12 that functions as a base film may be provided between the substrate 10 and the semiconductor layer 14. This 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 appropriately provided as a blocking layer.

絶縁層12としては、CVD法やスパッタリング法等を用いて、酸化珪素、窒化珪素、酸素と窒素を含有した珪素(酸窒化珪素)等の絶縁材料を用いて形成する。例えば、絶縁層12を2層の構造とする場合、第1層目の絶縁層として酸窒化珪素層を形成し、第2層目の絶縁層として第1層目の酸窒化珪素層と組成の異なる酸窒化珪素層を形成するとよい。また、第1層目の絶縁層として窒化珪素層を形成し、第2層目の絶縁層として酸化珪素層を形成してもよい。 The insulating layer 12 is formed using an insulating material such as silicon oxide, silicon nitride, silicon containing oxygen and nitrogen (silicon oxynitride) by a CVD method, a sputtering method, or the like. For example, when the insulating layer 12 has a two-layer structure, a silicon oxynitride layer is formed as the first insulating layer, and the composition of the first silicon oxynitride layer is the same as that of the first insulating layer. Different silicon oxynitride layers may be formed. Alternatively, a silicon nitride layer may be formed as the first insulating layer, and a silicon oxide layer may be formed as the second insulating layer.

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薄膜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を複数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複数形成し、該半導体層を用いて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。 The semiconductor layer 14 is preferably a thin film formed of a single crystal semiconductor or a polycrystalline semiconductor. For example, after a 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, a plurality of semiconductor layers 14 can be formed by selective etching. . That is, for the purpose of element isolation, it is preferable to form a plurality of island-shaped semiconductor layers on the insulating surface and to form one or more nonvolatile memory elements using the semiconductor layers. 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.

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〜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〜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〜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と略重な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 overlapping with a gate 26 described later, and is located between a 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領域及びドレイン領域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ピーク濃度で約1021atoms/cmで添加することで形成される。 The pair of impurity regions 18 are regions functioning as a source region and a drain region 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 peak concentration of about 10 21 atoms / cm 3 .

半導体層14上には第1の絶縁層16、電荷蓄積層20、第2の絶縁層22、制御ゲート電極24が積層して形成されるが、本明細書では、電荷蓄積層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。 The first insulating layer 16, the charge storage layer 20, the second insulating layer 22, and the control gate electrode 24 are stacked on the semiconductor layer 14. In this specification, the charge storage layer 20 to the control gate are stacked. The stacked structure up to the electrode 24 may be called a gate 26.

第1の絶縁層16は、不揮発性メモリ素子においてトンネル絶縁層として機能しうる。第2の絶縁層22は、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うる。第1の絶縁層16は酸化珪素若しくは酸化珪素と窒化珪素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法により絶縁層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した絶縁層は、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、電荷蓄積層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、このように丈夫であると厚さを薄くしても、絶縁性を保つことが可能であるため好ましい。この第1の絶縁層16は1nm以上10nm以下、好ましくは1nm以上5nm以下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1nm以上3nm以下の厚さに形成することができる。 The first insulating layer 16 can function as a tunnel insulating layer in the nonvolatile memory element. The second insulating layer 22 can function as a control insulating layer in the nonvolatile memory element. 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 layer 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 charge storage layer 20, it is possible to maintain insulation even if the thickness is reduced as it is strong. Therefore, it is preferable. The first insulating layer 16 is preferably formed to a thickness of 1 nm to 10 nm, preferably 1 nm to 5 nm. For example, when the gate length is 600 nm, the first insulating layer 16 can be formed to a thickness of 1 nm to 3 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、緻密な絶縁層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 layer 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) atmosphere). 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80と、ガスを導入するためのガス供給部76、ガスを排気するために真空ポンプに接続する排気口78、アンテナ72、誘電体板74、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84を有している。また、支持台80に温度制御部82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 80 on which the substrate 10 is disposed, a gas supply unit 76 for introducing gas, an exhaust port 78 connected to a vacuum pump for exhausting gas, an antenna 72, a dielectric plate 74, a microwave supply unit 84 for supplying microwaves for plasma generation. In addition, the temperature of the substrate 10 can be controlled by providing the temperature control unit 82 on the support base 80.

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、半導体基板、絶縁層、導電層に対する酸化処理、窒化処理、酸窒化処理、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76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 the plasma treatment includes oxidation treatment, nitridation treatment, oxynitridation treatment, hydrogenation treatment, and surface modification treatment for a semiconductor substrate, an insulating layer, and a conductive layer. For these processes, a gas supplied from the gas supply unit 76 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76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82により100℃〜550℃に加熱する。なお、基板10と誘電体板74との間隔は、20nm〜80mm(好ましくは20nmから60mm)程度である。次に、マイクロ波供給部84からアンテナ72にマイクロ波を供給する。そしてマイクロ波をアンテナ72から誘電体板74を通して処理室内に導入することによって、プラズマ86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、半導体基板の表面を酸化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、窒化をすることができる。 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 unit 76. The substrate 10 is heated to 100 ° C. to 550 ° C. by the room temperature or the temperature control unit 82. The interval between the substrate 10 and the dielectric plate 74 is about 20 nm to 80 mm (preferably 20 nm to 60 mm). Next, a microwave is supplied from the microwave supply unit 84 to the antenna 72. Then, plasma 86 is generated by introducing microwaves from the antenna 72 through the dielectric plate 74 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 substrate can be oxidized 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. In this method, active radicals excited by plasma can be used effectively, whereby oxidation and nitridation by solid-phase reaction can be performed at a low temperature of 500 ° C. or lower.

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、酸化雰囲気下のプラズマ処理により半導体層14表面に3nm以上6nm以下の厚さで酸化珪素層を形成し、その後窒素雰囲気下でその酸化珪素層の表面を窒化プラズマで処理した窒素プラズマ処理層を形成する。具体的には、まず、酸素雰囲気下でのプラズマ処理により半導体層14上に3nm以上6nm以下の厚さで酸化珪素層を形成する。その後、続けて窒素雰囲気下でプラズマ処理を行うことにより酸化珪素層及び電荷蓄積層の界面、又は表面近傍に窒素濃度の高い窒素プラズマ処理層を設ける。なお、表面近傍とは、酸化珪素層の表面から概略0.5nm以上1.5nm以下の深さをいう。例えば、窒素雰囲気下でプラズマ処理を行うことによって、酸化珪素層16aの表面から概略1nmの深さに窒素を20〜50原子%の割合で含有した構造となる。 In FIG. 1, an example of a suitable first insulating layer 16 formed by plasma treatment is to form a silicon oxide layer with a thickness of 3 nm to 6 nm on the surface of the semiconductor layer 14 by plasma treatment under an oxidizing atmosphere, and then A nitrogen plasma treatment layer is formed by treating the surface of the silicon oxide layer with a nitriding plasma in a nitrogen atmosphere. Specifically, first, a silicon oxide layer is formed with a thickness of 3 nm to 6 nm on the semiconductor layer 14 by plasma treatment in an oxygen atmosphere. Subsequently, a plasma treatment is performed in a nitrogen atmosphere to provide a nitrogen plasma treatment layer having a high nitrogen concentration at the interface between the silicon oxide layer and the charge storage layer or in the vicinity of the surface. Note that the vicinity of the surface means a depth of about 0.5 nm to 1.5 nm from the surface of the silicon oxide layer. For example, by performing plasma treatment in a nitrogen atmosphere, a structure containing nitrogen at a ratio of 20 to 50 atomic% at a depth of approximately 1 nm from the surface of the silicon oxide layer 16a is obtained.

半導体層14の代表例としての珪素層の表面をプラズマ処理で酸化することで、界面に歪みのない緻密な酸化層を形成することができる。また、当該酸化層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、絶縁層をより薄く形成することが可能となる。また、プラズマ処理により窒化をすることにより、不揮発性メモリ素子においてホール伝導性が高まり消去しやすくなる利点がある。 By oxidizing the surface of a silicon layer as a typical example of the semiconductor layer 14 by plasma treatment, a dense oxide layer without distortion at the interface can be formed. Further, the oxide layer can be further densified by nitriding the oxide layer by plasma treatment to form a nitride layer by replacing oxygen in the surface layer portion with nitrogen. Accordingly, an insulating layer having a high withstand voltage can be formed, and the insulating layer can be formed thinner. Further, nitriding by plasma treatment has an advantage that hole conductivity is increased in the nonvolatile memory element and erasure is facilitated.

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℃〜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, the heat formed at 950 ° C. to 1050 ° C. even when a glass substrate having a heat resistant temperature of 700 ° C. or less is used by using the solid phase oxidation treatment or solid phase nitridation treatment by the 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.

電荷蓄積層20は第1の絶縁層16上に形成される。電荷蓄積層20は、絶縁性であり、電荷を保持するトラップを有する層であることが好ましい。このような材料の代表例として、代表的にはゲルマニウム化合物がある。ゲルマニウム化合物としては、窒化ゲルマニウム、酸化ゲルマニウム、酸素が添加された窒化ゲルマニウム、窒素が添加された酸化ゲルマニウム、酸素及び水素が添加された窒化ゲルマニウム、窒素及び水素が添加された酸化ゲルマニウム等がある。また、電荷蓄積層20にゲルマニウム粒子やシリコンゲルマニウム粒子が含まれていてもよい。 The charge storage layer 20 is formed on the first insulating layer 16. The charge storage layer 20 is preferably an insulating layer having a trap for holding charges. A typical example of such a material is a germanium compound. Examples of the germanium compound include germanium nitride, germanium oxide, germanium nitride to which oxygen is added, germanium oxide to which nitrogen is added, germanium nitride to which oxygen and hydrogen are added, germanium oxide to which nitrogen and hydrogen are added, and the like. Further, the charge storage layer 20 may contain germanium particles or silicon germanium particles.

電荷蓄積層20に含まれるゲルマニウム粒子やシリコンゲルマニウム粒子は、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により形成される電荷蓄積層20の電子に対する障壁エネルギーが高くなる。このため、半導体層14から電荷蓄積層20への電荷(電子)を注入しやすくし、電荷蓄積層20から電荷が消失することを防ぐことができる。 The germanium particles and silicon germanium particles contained in the charge storage layer 20 have a charge storage layer 20 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. The barrier energy for electrons increases. For this reason, it is possible to easily inject charges (electrons) from the semiconductor layer 14 to the charge storage layer 20, and to prevent the charge from disappearing from the charge storage layer 20.

なお、電荷蓄積層20に含まれるシリコンゲルマニウム粒子としては、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%以上であると、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。 The silicon germanium particles contained in the charge storage layer 20 preferably contain 10 atomic% or more of germanium with respect to silicon. This is because if the germanium concentration is 10 atomic% or more, the effect as a constituent element is reduced, and the band gap is not effectively reduced.

窒化ゲルマニウム、酸化ゲルマニウム、酸素が添加された窒化ゲルマニウム、窒素が添加された酸化ゲルマニウム、酸素及び水素が添加された窒化ゲルマニウム、窒素及び水素が添加された酸化ゲルマニウム等のゲルマニウム化合物を電荷蓄積層に用いる場合、ゲルマニウム元素を含む雰囲気中(例えば、GeH及びN2、GeH及びNH3、GeH及びNO等を含む雰囲気)でプラズマCVD法を行うことにより電荷蓄積層を形成することができる。また、酸化ゲルマニウムをアンモニア雰囲気で加熱した焼結体を蒸着して窒化ゲルマニウムを用いた電荷蓄積層を形成することができる。また、GeH及びH2、GeHとSiH及びH等を含む雰囲気でプラズマCVD法を行うことにより、ゲルマニウム粒子やシリコンゲルマニウム粒子を形成することができる。 Germanium compounds such as germanium nitride, germanium oxide, germanium nitride to which oxygen is added, germanium oxide to which nitrogen is added, germanium nitride to which oxygen and hydrogen are added, germanium oxide to which nitrogen and hydrogen are added are used as a charge storage layer. When used, a charge storage layer is formed by performing a plasma CVD method in an atmosphere containing a germanium element (for example, an atmosphere containing GeH 4 and N 2, GeH 4 and NH 3, GeH 4 and N 2 O, or the like). Can do. In addition, a charge storage layer using germanium nitride can be formed by vapor-depositing a sintered body obtained by heating germanium oxide in an ammonia atmosphere. Further, germanium particles or silicon germanium particles can be formed by performing a plasma CVD method in an atmosphere containing GeH 4 and H 2, GeH 4 and SiH 4 and H 2, and the like.

第2の絶縁層22は、酸化珪素、窒化珪素、酸窒化珪素、酸化アルミニウム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、好ましくは5nm以上10nm以下で形成する。例えば、窒化珪素層22aを3nmの厚さに堆積し、酸化珪素層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。 The second insulating layer 22 is formed of one or more layers such as silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, and aluminum oxide 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.

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.

また、図1(B)に示すように、不揮発性メモリ素子は、半導体基板30を用いて作製されてもよい。半導体基板30としては単結晶シリコン基板(シリコンウエハー)を用いることが好ましい。また、SOI(Si−On−Insulator)基板を用いることもできる。SOI基板として、鏡面研磨ウェーハに酸素イオンを注入した後、高温アニールすることにより、表面から一定の深さに酸化層を形成させるとともに、表面層に生じた欠陥を消滅させて作られた所謂SIMOX(Separation by IMplanted OXygen)基板を用いても良い。 In addition, as illustrated in FIG. 1B, the nonvolatile memory element may be manufactured using a semiconductor substrate 30. As the semiconductor substrate 30, a single crystal silicon substrate (silicon wafer) is preferably used. An SOI (Si-On-Insulator) substrate can also be used. As an SOI substrate, oxygen ions are implanted into a mirror-polished wafer and then annealed at a high temperature to form an oxide layer at a certain depth from the surface and so-called SIMOX made by eliminating defects generated in the surface layer. A (Separation by IMplanted Oxygen) substrate may be used.

半導体基板30がn型で有る場合にはp型不純物が注入されたpウェル32が形成されている。p型不純物として、例えばホウ素が用いられ、5×1015cm−3〜1×1016cm−3程度の濃度で添加されている。pウェル32を形成することにより、この領域にnチャネル型のトランジスタを形成することができる。また、pウェル32に添加するp型不純物は、トランジスタのしきい値電圧を制御する作用もある。半導体基板30に形成されると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、半導体基板30に形成される一対の不純物領域38の間に位置している。 When the semiconductor substrate 30 is n-type, a p-well 32 into which p-type impurities are implanted is formed. For example, boron is used as the p-type impurity, and is added at a concentration of about 5 × 10 15 cm −3 to 1 × 10 16 cm −3 . By forming the p-well 32, an n-channel transistor can be formed in this region. Further, the p-type impurity added to the p-well 32 also has an effect of controlling the threshold voltage of the transistor. A channel formation region to be formed in the semiconductor substrate 30 is formed in a region substantially coincident with a gate 26 described later, and is located between a pair of impurity regions 38 formed in the semiconductor substrate 30. .

一対の不純物領域38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ピーク濃度約1021cm−3で添加することで形成される。 The pair of impurity regions 38 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 peak concentration of about 10 21 cm −3 .

ゲート26の側壁にはスペーサ28が形成され、その端部においてリーク電流(例えば、電荷蓄積層20と制御ゲート電極24の間に流れてしまう電流)を防ぐ効果がある。また、このスペーサ28を利用して、ゲート26のチャネル長方向の両端に低濃度不純物領域38cを形成することができる。この低濃度不純物領域38cは低濃度ドレイン(LDD)として機能する。低濃度不純物領域38cは必須の構成とはならないが、この領域を設けることにより、ドレイン端の電界を緩和して、書き込み及び消去の繰り返しによる劣化を抑制することができる。 A spacer 28 is formed on the side wall of the gate 26, and has an effect of preventing leakage current (for example, current flowing between the charge storage layer 20 and the control gate electrode 24) at the end portion thereof. Further, the low concentration impurity regions 38 c can be formed at both ends of the gate 26 in the channel length direction by using the spacer 28. This low concentration impurity region 38c functions as a low concentration drain (LDD). Although the low-concentration impurity region 38c is not an essential structure, by providing this region, the electric field at the drain end can be relaxed and deterioration due to repeated writing and erasing can be suppressed.

半導体基板30上には、図1(A)に示す不揮発性メモリ素子と同様に、第1の絶縁層16、電荷蓄積層20、第2の絶縁層22、制御ゲート電極24が形成される。なお、第1の絶縁層16は熱酸化により半導体基板30の表面を酸化して形成しても良い。 On the semiconductor substrate 30, the first insulating layer 16, the charge storage layer 20, the second insulating layer 22, and the control gate electrode 24 are formed as in the nonvolatile memory element shown in FIG. Note that the first insulating layer 16 may be formed by oxidizing the surface of the semiconductor substrate 30 by thermal oxidation.

なお、図1においては、電荷蓄積層20及び制御ゲート電極24の幅が等しい形態を示したが、このほかに、制御ゲート電極24の幅より電荷蓄積層20の幅が大きい形態や、電荷蓄積層20の幅が制御ゲート電極24の幅より小さい形態とすることもできる。   In FIG. 1, the charge storage layer 20 and the control gate electrode 24 have the same width. However, in addition to this, the charge storage layer 20 is wider than the control gate electrode 24, The width of the layer 20 may be smaller than the width of the control gate electrode 24.

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。ここでは図1(A)に示されるような薄膜の半導体層を有する不揮発性記憶素子を用いて説明するが、図1(B)に示されるような単結晶半導体基板を用いた不揮発性記憶素子に適用することもできる。また、電荷蓄積層20として、ゲルマニウム粒子またはシリコンゲルマニウム粒子を含む層を用いて以下に示す。以下の説明においては電荷蓄積層20のゲルマニウム粒子を用いて説明する。 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. Here, a nonvolatile memory element having a thin semiconductor layer as shown in FIG. 1A will be described. However, a nonvolatile memory element using a single crystal semiconductor substrate as shown in FIG. It can also be applied to. Further, a layer containing germanium particles or silicon germanium particles is used as the charge storage layer 20 as follows. In the following description, germanium particles of the charge storage layer 20 are used.

図2は半導体層14、第1の絶縁層16、電荷蓄積層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 charge storage layer 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と電荷蓄積層20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)と電荷蓄積層20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)、電荷蓄積層20をとしてゲルマニウム(0.72eV)又はシリコンゲルマニウム(0.73〜1.0eV)を組み合わせることができる。ゲルマニウム又はシリコンゲルマニウムは水素化されていても良い。このときゲルマニウム又はシリコンゲルマニウムに対する水素の含有量は、1〜30原子%であれば良い。電荷蓄積層20を水素を含有するゲルマニウムで形成することで、第1の絶縁層16との界面における再結合中心を減少させることができる。 The semiconductor layer 14 and the charge storage layer 20 are 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 and the band gap Eg2 of the charge storage layer 20 are different, and the latter band gap is combined to be small. . For example, silicon (1.12 eV) can be combined as the semiconductor layer 14, and germanium (0.72 eV) or silicon germanium (0.73 to 1.0 eV) can be combined as the charge storage layer 20. Germanium or silicon germanium may be hydrogenated. At this time, the hydrogen content relative to germanium or silicon germanium may be 1 to 30 atomic%. By forming the charge storage layer 20 with germanium containing hydrogen, recombination centers at the interface with the first insulating layer 16 can be reduced.

なお、第1の絶縁層16は酸化珪素層16a(約8eV)と、当該酸化珪素をプラズマ処理により窒化した窒化処理した窒素プラズマ処理層16b(約5eV)で示してしている。また、第2の絶縁層22も、電荷蓄積層20側から、窒化珪素層22aと酸化珪素層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 nitrogen plasma treatment 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 a silicon nitride layer 22a and a silicon oxide layer 22b are stacked from the charge storage layer 20 side.

第1の絶縁層16を挟んで、半導体層14と電荷蓄積層20は異なる材料で形成している。この場合、半導体層14のバンドギャップと電荷蓄積層20のバンドギャップは異なるものであり、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をシリコン(1.12eV)として、電荷蓄積層20をゲルマニウム(0.72eV)又はシリコンゲルマニウム(0.73〜1.1eV)とすることができる。すなわち、半導体層14としてシリコンのバンドギャップEg1と、電荷蓄積層20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。半導体層14と電荷蓄積層20のそれぞれについて、第1の絶縁層16による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。このような状況においては、半導体層14と電荷蓄積層20の伝導帯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から電荷蓄積層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。 The semiconductor layer 14 and the charge storage layer 20 are formed of different materials with the first insulating layer 16 interposed therebetween. In this case, the band gap of the semiconductor layer 14 and the band gap of the charge storage layer 20 are different, and the latter band gap is combined to be small. For example, the semiconductor layer 14 can be silicon (1.12 eV), and the charge storage layer 20 can be germanium (0.72 eV) or silicon germanium (0.73 to 1.1 eV). That is, the band gap Eg1 of silicon as the semiconductor layer 14 and the band gap Eg2 of germanium as the charge storage layer 20 satisfy the relationship of Eg1> Eg2. For each of the semiconductor layer 14 and the charge storage layer 20, the energy barrier against electrons by the first insulating layer 16, that is, the first barrier Be1 and the second barrier Be2 have different values, and a relationship of Be2> Be1 can be obtained. . In such a situation, an energy difference ΔE between the energy levels of the conduction band bottoms of the semiconductor layer 14 and the charge storage layer 20 occurs. As will be described later, this energy difference ΔE acts in the direction of accelerating the electrons when injecting the electrons from the semiconductor layer 14 into the charge storage layer 20 and contributes to lowering the write voltage.

ところで、電荷蓄積層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に印加して、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、熱電子を電荷蓄積層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に印加して半導体層14からF−N型トンネル電流により電荷蓄積層20に注入する。 By the way, in order to inject electrons into the charge storage layer 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 charge storage layer 20. When the 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 charge storage layer 20 by the FN type tunnel current.

図47(A)はF−N型トンネル電流により電荷蓄積層20に注入するときの印加電圧を示している。また、図6(A)は、図1(B)に示すように半導体層14の代わりに半導体基板30を用いて不揮発性メモリ素子を形成したときの例を示す。制御ゲート電極24に正の高電圧(10V〜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、電荷蓄積層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電荷蓄積層20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. 47A shows the applied voltage when injecting into the charge storage layer 20 by the FN type tunnel current. FIG. 6A shows an example in which a nonvolatile memory element is formed using the semiconductor substrate 30 instead of the semiconductor layer 14 as shown in FIG. 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 with reference to FIG. 2, the relationship between the band gap Eg1 of the semiconductor layer 14 and the band gap Eg2 of the charge storage layer 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 charge storage layer 20. Thereby, the electron injection property can be improved.

電荷蓄積層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。そのため電子が電荷蓄積層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と電荷蓄積層20の組み合わせによって実現する。すなわち、半導体層14から電荷蓄積層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、熱電子を利用して電荷蓄積層20に電子を注入する場合にも同様である。 The energy level at the bottom of the conduction band of the charge storage layer 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. Therefore, when electrons are injected into the charge storage layer 20, an internal electric field caused by this energy difference acts. This is realized by the combination of the semiconductor layer 14 and the charge storage layer 20 as described above. That is, it becomes easy to inject electrons from the semiconductor layer 14 into the charge storage layer 20, and the write characteristics in the nonvolatile memory element can be improved. This effect is the same when electrons are injected into the charge storage layer 20 using thermoelectrons.

なお、電荷蓄積層20がゲルマニウム化合物を用いた層のみで形成する場合、半導体層14から注入される電子は第1の絶縁層16及び電荷蓄積層20の界面または界面近傍のゲルマニウム化合物層中のトラップに捕獲される。   Note that when the charge storage layer 20 is formed only of a layer using a germanium compound, electrons injected from the semiconductor layer 14 are in the germanium compound layer at or near the interface between the first insulating layer 16 and the charge storage layer 20. Captured in a trap.

電荷蓄積層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。電荷蓄積層20の電子は、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。電荷蓄積層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電荷蓄積層20から電子は放出されないことになる。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電荷蓄積層20から電子は放出されないことになる。また、電荷蓄積層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。すなわち、150℃の恒温放置においても、電荷蓄積層20に蓄積したキャリアを保持することができる。 While electrons are held in the charge storage layer 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. The electrons in the charge storage layer 20 are in a state of being confined in terms of energy by being sandwiched between the first insulating layer 16 and the second insulating layer 22. Although the potential is increased by carriers (electrons) stored in the charge storage layer 20, electrons are not emitted from the charge storage layer 20 unless energy exceeding the barrier energy is applied to the electrons. In this case, electrons are not emitted from the charge storage layer 20 unless energy exceeding the barrier energy is applied to the electrons. Further, the energy level at the bottom of the conduction band of the charge storage layer 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. That is, the carriers accumulated in the charge accumulation layer 20 can be held even when left at a constant temperature of 150 ° C.

このデータ”0”の検出は、電荷蓄積層20に電荷が保持されていない状態で不揮発性メモリ素子がオンとなるゲート電圧を印加したとき、トランジスタがオンしないことをセンス回路によって検出することで可能である。又は、図47(B)または図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。 The data “0” is detected by detecting that the transistor does not turn on when a gate voltage is applied to turn on the nonvolatile memory element in a state where no charge is held in the charge storage layer 20. Is possible. Alternatively, as shown in FIG. 47B or FIG. 6B, when the bias is applied between the source region 18a and the drain region 18b and the control gate electrode 24 is set to 0 V, is the nonvolatile memory element conductive? It can be judged by no.

図48(A)は電荷蓄積層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と電荷蓄積層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48(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. 48A shows a state in which charges are released from the charge storage layer 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 charge storage layer 20. Alternatively, as shown in FIG. 48B, by applying a negative bias to the control gate electrode 24 and applying a positive high voltage to the source region 18a, an FN type tunnel current is generated, and the source region Electrons may be extracted to the 18a side.

なお、半導体層14の代わりに図1(B)に示すような半導体基板を用いて不揮発性メモリ素子を形成する場合、図7に示すように、制御ゲート電極24を接地して、半導体基板30のpウェル32に負のバイアスを印加して、半導体基板30のチャネル形成領域と電荷蓄積層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38a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38a側に電子を引き抜いても良い。   When forming a non-volatile memory element using a semiconductor substrate as shown in FIG. 1B instead of the semiconductor layer 14, the control gate electrode 24 is grounded as shown in FIG. This is performed by applying a negative bias to the p-well 32 and causing an FN tunnel current to flow between the channel formation region of the semiconductor substrate 30 and the charge storage layer 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 38a, thereby generating an FN type tunnel current. The electrons may be extracted to the 38a 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電荷蓄積層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、電荷蓄積層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 in the charge storage layer 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 the holes into the charge storage layer 20.

なお、電荷蓄積層20がゲルマニウム化合物を用いた層のみで形成する場合、半導体層14から第1の絶縁層16へ正孔が注入され、電荷蓄積層20のトラップに捕獲される。この結果、書き込みによってトラップに捕獲された電子を正孔が中和するため、閾値電圧を負の方向にシフトし、消去することができる。   When the charge storage layer 20 is formed only of a layer using a germanium compound, holes are injected from the semiconductor layer 14 into the first insulating layer 16 and are trapped in the trap of the charge storage layer 20. As a result, holes neutralize electrons trapped in the trap by writing, so that the threshold voltage can be shifted in the negative direction and erased.

電荷蓄積層20を絶縁性であるゲルマニウム化合物やゲルマニウム化合物層にゲルマニウム粒子が含まれる層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を介して電子を電荷蓄積層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 charge storage layer 20 with an insulating germanium compound or a layer containing germanium particles in the germanium compound layer, the thickness of the first insulating layer 16 can be reduced. Thereby, it becomes easy to inject electrons into the charge storage layer 20 through the first insulating layer 16 by a tunnel current, and a low voltage operation is 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と電荷蓄積層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14のチャネル形成領域から電荷蓄積層20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。逆に電荷蓄積層20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。 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 charge storage layer 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 14 into the charge storage layer 20. That is, the writing voltage can be lowered. On the contrary, it is difficult to release carriers from the charge storage layer 20. This acts to improve the storage retention characteristics of the nonvolatile memory element.

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14から電荷蓄積層20へ電荷を注入しやすくすることができ、電荷蓄積層20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 14 into the charge storage layer 20 and can prevent the charge from being lost from the charge storage layer 20. . 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、前述のように電荷蓄積層20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 writing data to the nonvolatile memory element M01, if the word line WL1 and the bit line BL0 are set to the H level, the BL1 is set to the L level, and a high voltage is applied to the word line WL11, the charge is stored in the charge storage layer 20 as described above. Accumulated. 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 each formed of a semiconductor layer formed in an island shape on the insulating surface, so that other element isolation regions can be provided without special provision. Interference with the selection transistor or the nonvolatile memory element 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〜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 nonvolatile memory element M01 is formed of a semiconductor layer formed on the insulating surface so as to be separated into islands, so that another nonvolatile memory can be obtained without providing an element isolation region. Interference with the 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, thereby making 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、これが電荷蓄積層に注入される。”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 writing data, 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 the H level is given, hot electrons are generated near the drain and injected into the charge storage layer. 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、これが電荷蓄積層に注入される。これにより、電荷蓄積層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、電荷蓄積層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 charge storage layer. As a result, the state in which the threshold voltage is increased by the injection of electrons into the charge storage layer is “0”. In the case of “1” data, hot electrons are not generated, electrons are not injected into the charge storage layer, 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)、電荷蓄積層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 charge storage layer. 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BLK1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〜WL31)。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 BLK1. The block BLK1 shown in FIG. 10 has 32 word lines (word lines WL0 to WL31). 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〜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の半導体層とNANDセルNS1の半導体層を分離して形成しても良い。不揮発性メモリ素子M0〜M31の電荷蓄積層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)を一つの半導体層で形成しても良い。 In this case, since the select 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. 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 layers of the select transistors S1 and S2 and the semiconductor layer of the NAND cell NS1 may be formed separately. When performing an erasing operation for extracting charges from the charge storage layers 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 with one semiconductor layer.

書込み動作では、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、メモリセル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BLの電圧は0Vなので、選択されたメモリセル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、メモリセルM0の電荷蓄積層には前述のようにF−Nトンネル電流により電子が注入される。これにより、メモリセルM0のしきい値電圧が正の状態(”0”が書込まれた状態)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 memory cell 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 BL is 0V, the potential of the channel formation region of the selected memory cell M0 is 0V. Since the potential difference between the word line WL0 and the channel formation region is large, electrons are injected into the charge storage layer of the memory cell M0 by the FN tunnel current as described above. As a result, the threshold voltage of the memory cell M0 becomes positive (a state in which “0” is written).

一方”1”書込みをする場合は、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、メモリセル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、メモリセルM0の電荷蓄積層には、F−Nトンネル電流による電子注入が起こらない。よって、メモリセルM31のしきい値は、負の状態(”1”が書込まれた状態)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 memory cell 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 charge storage layer of the memory cell M0. Therefore, the threshold value of the memory cell M31 is maintained in a negative state (a state in which “1” is written).

消去動作をする場合は、図49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電荷蓄積層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. 49, 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 charge storage layer 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.

また、半導体層14の代わりに、半導体基板30を用いて不揮発性メモリ素子を形成する場合は、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を0Vとして、pウェルに負の高電圧(Vers)を印加する。ビット線BL、ソース線SLは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電荷蓄積層中の電子がトンネル電流により半導体基板に放出される。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。   Further, when a nonvolatile memory element is formed using the semiconductor substrate 30 instead of the semiconductor layer 14, as shown in FIG. 12A, all word lines in the selected block are set to 0V, and p. A negative high voltage (Vers) is applied to the well. The bit line BL and the source line SL are in a floating state. Thereby, electrons in the charge storage layer are emitted to the semiconductor substrate 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、読出しの選択がされたメモリセル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WL1〜31及び選択ゲート線SG1、SG2を電源電圧より少し高い読出し用中間電圧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、読出しの選択がされたメモリセルM0に電流が流れるか否かを検出する。つまり、メモリセルM30に記憶されたデータが”0”の場合、メモリセルM0はオフなので、ビット線BLは放電しない。一方、”1”の場合、メモリセルM0はオンするので、ビット線BLが放電する。 In the read operation shown in FIG. 12B, the voltage Vr (for example, 0 V) of the word line WL0 of the memory cell M0 selected to be read is used, and the word lines WL1 to WL31 and the select gate line SG1 of the non-selected memory cells are selected. SG2 is set to a read intermediate voltage Vread that is 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 memory cell M0 selected for reading. That is, when the data stored in the memory cell M30 is “0”, the memory cell M0 is off, and the bit line BL is not discharged. On the other hand, in the case of “1”, since the memory cell 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1乃至3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, as in Examples 1 to 3 to be described below, the non-volatile memory element and the peripheral circuit transistor are formed of a semiconductor layer formed on an insulating surface, whereby the insulation can be easily separated. 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関して図面を参照して説明する。なお、ここでは、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. Here, in the nonvolatile semiconductor memory device, an element such as a non-volatile memory element that constitutes a memory portion and a transistor that constitutes a logic portion that is provided on the same substrate as the memory portion and controls the memory portion. 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模式図を図8に示す。   First, FIG. 8 shows a schematic diagram of a memory portion in a nonvolatile semiconductor memory device.

本実施例で示すメモリ部は、制御用トランジスタSと不揮発性メモリ素子Mを有するメモリセルが複数設けられている。図8では、制御用トランジスタ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、制御用トランジスタS02と不揮発性メモリ素子M02、制御用トランジスタS03と不揮発性メモリ素子M03、制御用トランジスタS11と不揮発性メモリ素子M11、制御用トランジスタS12と不揮発性メモリ素子M12、制御用トランジスタ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。   The memory portion shown in this embodiment includes a plurality of memory cells each having a control transistor S and a nonvolatile memory element M. In FIG. 8, one memory cell is formed by the control transistor S01 and the nonvolatile memory element M01. Similarly, the control transistor S02 and the nonvolatile memory element M02, the control transistor S03 and the nonvolatile memory element M03, the control transistor S11 and the nonvolatile memory element M11, the control transistor S12 and the nonvolatile memory element M12, the control A memory cell is formed by the transistor S13 and the nonvolatile memory element M13.

制御用トランジスタ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制御用トランジスタS01のソース又はドレインに接続され、他方はソース線SL0に接続されている。   The gate electrode of the control 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 control transistor S01, and the other is connected to the source line SL0.

なお、メモリ部に設けられる制御用トランジスタは、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 the control transistor provided in the memory portion has a higher driving voltage than the transistor provided in the logic portion. Therefore, 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 to do. 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 gate insulating film is required to have a withstand voltage, 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厚さ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が求められるメモリ部のトランジスタに対しては厚さ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22〜図24は上面図を示し図21〜図19は図22〜図24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電荷の蓄積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記憶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 thickness is formed for a transistor in the logic portion where the driving voltage is small and the threshold voltage variation is desired to be small, and the withstand voltage of the gate insulating film is required to be large. A case where an insulating layer having a large thickness is formed for a transistor in a memory portion will be described below with reference to the drawings. 22 to 24 are top views, and FIGS. 21 to 19 are cross-sectional views taken along lines AB, CD, EF, and GH in FIGS. 22 to 24. . 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. Further, in this embodiment, the thin film transistor provided between A and B is p-channel type, the thin film transistor provided between C and D, the thin film transistor provided between GH and the n channel type, and the charge of the nonvolatile memory element provided between EF Although the case where accumulation is performed by electrons will be described, the nonvolatile semiconductor memory 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を形成する(図16(A)、図22参照)。   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 is formed (see FIGS. 16A and 22).

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。   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. And the like, and an amorphous semiconductor layer can be formed by crystallizing the amorphous semiconductor layer 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。また、YAGレーザー、Yレーザー、GdVOレーザー、YVOレーザーなどのセラミックスレーザがある。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. Further, there are ceramic lasers such as YAG laser, Y 2 O 3 laser, GdVO 4 laser, and YVO 4 laser. 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、セラミック基板、金属基板(例えばステンレス基板など)、Si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レート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリエーテルサルフォン(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 semiconductor substrate such as a glass substrate, a quartz substrate, a ceramic substrate, a metal substrate (for example, a stainless steel substrate), and a Si substrate. In addition, a substrate such as polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), polyethersulfone (PES), or acrylic can be selected as the plastic substrate.

絶縁層102は、CVD法やスパッタリング法等を用いて、酸化珪素、窒化珪素、酸窒化珪素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酸窒化珪素層を形成し、第2層目の絶縁層として第1層目の酸窒化珪素層と組成の異なる酸窒化珪素層を形成するとよい。また、第1層目の絶縁層として窒化珪素層を形成し、第2層目の絶縁層として酸化珪素層を形成してもよい。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, or silicon oxynitride by a CVD method, a sputtering method, or the like. For example, in the case where the insulating layer 102 has a two-layer structure, a silicon oxynitride layer is formed as the first insulating layer, and the composition is different from that of the first silicon oxynitride layer as the second insulating layer. A silicon oxynitride layer is preferably formed. Alternatively, a silicon nitride layer may be formed as the first insulating layer, and a silicon oxide layer 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は、CVD法やスパッタリング法等を用いて、酸化珪素、窒化珪素、酸窒化珪素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1の絶縁層112を単層で設ける場合には、CVD法により酸窒化珪素層を5〜50nmの厚さで形成する。また、第1の絶縁層112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窒化珪素層を形成し、第2の絶縁層として窒化珪素層を形成し、第3の絶縁層として酸窒化珪素層を形成する。   The first insulating layer 112 is formed as a single layer or a stacked layer using an insulating material such as silicon oxide, silicon nitride, or silicon oxynitride by a CVD method, a sputtering method, or the like. For example, when the first insulating layer 112 is provided as a single layer, the silicon oxynitride layer is formed with a thickness of 5 to 50 nm by a CVD method. In the case where the first insulating layer 112 is provided with a three-layer structure, a silicon oxynitride layer is formed as the first insulating layer, a silicon nitride layer is formed as the second insulating layer, A silicon oxynitride layer is formed as the insulating layer.

なお、半導体層110の上方に形成された第1の絶縁層112は、後に完成する薄膜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 first insulating layer 112 formed over the semiconductor layer 110 functions as a gate insulating film in a thin film transistor to be completed later.

次に、半導体層104、106、108上に形成された、第1の絶縁層112を選択的に除去し、半導体層104、106、108の表面を露出させる。ここでは、メモリ部に設けられた半導体層110を選択的にレジスト114で覆い、半導体層104、106、108上に形成された、第1の絶縁層112をエッチングすることによって選択的に除去する(図16(B)参照)。   Next, the first insulating layer 112 formed over the semiconductor layers 104, 106, and 108 is selectively removed, so that the surfaces of the semiconductor layers 104, 106, and 108 are exposed. Here, the semiconductor layer 110 provided in the memory portion is selectively covered with a resist 114, and the first insulating layer 112 formed over the semiconductor layers 104, 106, and 108 is selectively removed by etching. (See FIG. 16B).

次に、半導体層104、106、108上に第2の絶縁層116、118、120をそれぞれ形成する(図16(C)参照)。   Next, second insulating layers 116, 118, and 120 are formed over the semiconductor layers 104, 106, and 108, respectively (see FIG. 16C).

第2の絶縁層116、118、120は、半導体層104、106、108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に酸化処理、窒化処理又は酸窒化処理を行うことによって、当該半導体層104、106、108上にそれぞれ酸化層、窒化層又は酸窒化層となる第2の絶縁層116、118、120を形成する。なお、第2の絶縁層116、118、120は、CVD法やスパッタ法により形成してもよいし、CVD法やスパッタ法で形成した層に高密度プラズマ処理を行うことにより形成してもよい。   The second insulating layers 116, 118, and 120 can be formed by performing heat treatment, plasma treatment, or the like on the semiconductor layers 104, 106, and 108. For example, an oxidation process, a nitridation process, or an oxynitride process is performed on the semiconductor layers 104, 106, and 108 by performing high-density plasma treatment on the semiconductor layers 104, 106, and 108, respectively. Second insulating layers 116, 118, and 120 are formed. Note that the second insulating layers 116, 118, and 120 may be formed by a CVD method or a sputtering method, or may be formed by performing high-density plasma treatment on a layer formed by a CVD method or a sputtering method. .

例えば、半導体層104、106、108としてSi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2の絶縁層116、118、120として酸化珪素層又は窒化珪素層が形成される。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に接して酸化珪素層が形成され、当該酸化珪素層及び電荷蓄積層の界面、又は当該界面の酸化珪素層に窒素プラズマ処理層が形成される。   For example, when a semiconductor layer containing Si as a main component is used as the semiconductor layers 104, 106, and 108 and is oxidized or nitrided by high-density plasma treatment, silicon oxide layers are used as the second insulating layers 116, 118, and 120. Alternatively, a silicon nitride layer is formed. Further, after the semiconductor layers 104, 106, and 108 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 layer is formed in contact with the semiconductor layers 104, 106, and 108, and a nitrogen plasma treatment layer is formed at the interface between the silicon oxide layer and the charge storage layer or at the silicon oxide layer at the interface.

ここでは、第2の絶縁層116、118、120を1nm以上10nm以下、好ましくは1nm以上5nm以下で形成する。例えば、高密度プラズマ処理により半導体層104、106、108に酸化処理を行い当該半導体層104、106、108の表面に概略3nmの酸化珪素層を形成した後、高密度プラズマ処理により窒化処理を行い酸化珪素層の表面又は表面の近傍に窒素プラズマ処理層を形成する。具体的には、まず、酸素雰囲気下のプラズマ処理により半導体層14上に3nm以上6nm以下の厚さで酸化珪素層16aを形成する。その後、続けて窒素雰囲気下でプラズマ処理を行うことにより酸化珪素層の表面又は表面近傍に窒素濃度の高い窒素プラズマ処理層を設ける。ここでは、窒素雰囲気下でプラズマ処理を行うことによって、酸化珪素層の表面から概略1nmの深さに窒素を20〜50原子%の割合で含有させた構造とする。窒素プラズマ処理層には、酸素と窒素を含有した珪素(酸窒化珪素)が形成されている。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。また、この際に、半導体層110上に形成された第1の絶縁層120の表面も酸化又は窒化され、酸窒化珪素層が形成される場合がある。   Here, the second insulating layers 116, 118, and 120 are formed with a thickness of 1 nm to 10 nm, preferably 1 nm to 5 nm. For example, an oxidation process is performed on the semiconductor layers 104, 106, and 108 by high-density plasma treatment to form a silicon oxide layer of approximately 3 nm on the surface of the semiconductor layers 104, 106, and 108, and then a nitridation process is performed by high-density plasma treatment. A nitrogen plasma treatment layer is formed on or near the surface of the silicon oxide layer. Specifically, first, the silicon oxide layer 16a is formed on the semiconductor layer 14 with a thickness of 3 nm to 6 nm by plasma treatment in an oxygen atmosphere. Then, a nitrogen plasma processing layer having a high nitrogen concentration is provided on or near the surface of the silicon oxide layer by subsequently performing plasma processing in a nitrogen atmosphere. Here, a plasma treatment is performed in a nitrogen atmosphere to form a structure in which nitrogen is contained at a ratio of 20 to 50 atomic% at a depth of approximately 1 nm from the surface of the silicon oxide layer. In the nitrogen plasma treatment layer, silicon (silicon oxynitride) containing oxygen and nitrogen is 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. At this time, the surface of the first insulating layer 120 formed over the semiconductor layer 110 may also be oxidized or nitrided to form a silicon oxynitride layer.

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、第2の絶縁層116、118、120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、第2の絶縁層116、118、120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 layer 112 and the second insulating layers 116, 118, and 120 are formed of the rare gas (He, Ne, Ar, Kr, Xe) used for the plasma treatment. In the case where Ar is used, the first insulating layer 112 and the second insulating layers 116, 118, and 120 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(ここでは、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層または窒化層は、CVD法やスパッタ法等により形成された層と比較して厚さ等が均一性に優れ、且つ緻密な層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度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 the plasma is high and the electron temperature in the vicinity of the object to be processed (here, the semiconductor layers 104, 106, 108, and 110) formed on the substrate 100 is low, the object to be processed is damaged by the plasma. Can be prevented. Further, since the electron density of plasma is as high as 1 × 10 11 cm −3 or higher, an oxide layer or a nitride layer formed by oxidizing or nitriding an irradiation object using plasma treatment is a CVD method. Compared with a layer formed by sputtering or the like, the thickness and the like are excellent in uniformity and a dense layer 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 that is 100 degrees or more lower than the strain point of the glass substrate, 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0.1〜100sccm、水素を0.1〜100sccm、アルゴンを100〜5000sccm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 0.1 to 100 sccm of oxygen, 0.1 to 100 sccm of hydrogen, and 100 to 5000 sccm of argon. 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20〜2000sccm、アルゴンを100〜10000sccm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 to 2000 sccm of nitrogen and 100 to 10,000 sccm of 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2の絶縁層120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2の絶縁層120の厚さが薄いほど、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2の絶縁層120の厚さが薄いほど、後に形成される電荷蓄積層に低電圧で電荷を蓄積させることが可能となるため、不揮発性半導体記憶装置の消費電力を低減することができる。そのため、第2の絶縁層116、118、120は、厚さを薄く(例えば、10nm以下)形成することが好ましい。   In this embodiment, the second insulating layer 120 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 second insulating layer 120 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 second insulating layer 120 is thinner, charges can be stored in a charge storage layer to be formed later at a lower voltage, so that power consumption of the nonvolatile semiconductor memory device can be reduced. it can. Therefore, the second insulating layers 116, 118, and 120 are preferably formed thin (for example, 10 nm or less).

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2の絶縁層116、118、120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、層の内部に欠陥を含んでいるため膜質が十分でなく、厚さ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2の絶縁層120上に形成される導電層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2の絶縁層116、118、120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の端部を第2の絶縁層116、118、120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2の絶縁層116、118、120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 second method is performed by the thermal oxidation method. It is very difficult to form the insulating layers 116, 118, and 120. In addition, an insulating layer formed by a CVD method or a sputtering method includes defects inside the layer, so that the film quality is not sufficient, and there is a problem that defects such as pinholes occur when the thickness is formed thin. In addition, when 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 second insulating layer 120 and the semiconductor layer leak. There is a case. Therefore, as shown in this embodiment, by forming the second insulating layers 116, 118, and 120 by high-density plasma treatment, an insulating layer that is denser than an insulating layer formed by a CVD method, a sputtering method, or the like is formed. In addition, end portions of the semiconductor layers 104, 106, and 108 can be sufficiently covered with the second insulating layers 116, 118, and 120. As a result, high-speed operation and charge retention characteristics as a memory can be improved. Note that in the case where the second insulating layers 116, 118, and 120 are formed by a CVD method or a sputtering method, after the insulating layer is formed, high-density plasma treatment is performed, and the surface of the insulating layer is oxidized, nitrided, or oxidized. Nitriding is preferably performed.

次に、第1の絶縁層112、第2の絶縁層116、118、120を覆うように電荷蓄積層122を形成する(図17(A)参照)。電荷蓄積層122として、膜中に電荷をトラップする欠陥を有している絶縁層、又は導電性粒子又はシリコン等の半導体粒子を含む絶縁層で形成することができる。例えば、電荷蓄積層122として、窒化ゲルマニウム、酸化ゲルマニウム、酸素が添加された窒化ゲルマニウム、窒素が添加された酸化ゲルマニウム、酸素及び水素が添加された窒化ゲルマニウム、窒素及び水素が添加された酸化ゲルマニウム等のゲルマニウム化合物で形成することができる。又はこれらのゲルマニウム化合物で形成される層中にゲルマニウム粒子やシリコンゲルマニウム粒子が含まれてもよい。   Next, the charge storage layer 122 is formed so as to cover the first insulating layer 112 and the second insulating layers 116, 118, and 120 (see FIG. 17A). The charge storage layer 122 can be formed using an insulating layer having defects that trap charges in the film, or an insulating layer containing conductive particles or semiconductor particles such as silicon. For example, as the charge storage layer 122, germanium nitride, germanium oxide, germanium nitride to which oxygen is added, germanium oxide to which nitrogen is added, germanium nitride to which oxygen and hydrogen are added, germanium oxide to which nitrogen and hydrogen are added, and the like The germanium compound can be used. Alternatively, germanium particles or silicon germanium particles may be included in the layer formed of these germanium compounds.

窒化ゲルマニウム、酸化ゲルマニウム、酸素が添加された窒化ゲルマニウム、窒素が添加された酸化ゲルマニウム、酸素及び水素が添加された窒化ゲルマニウム、窒素及び水素が添加された酸化ゲルマニウム等のゲルマニウム化合物で電荷蓄積層122が形成される場合、ゲルマニウム元素を含む雰囲気中(例えば、GeH及びN2、GeH及びNH3、GeH及びNO等を含む雰囲気)でプラズマCVD法を行うことにより電荷蓄積層122を形成することができる。また、酸化ゲルマニウムをアンモニア雰囲気で加熱した焼結体を蒸着して窒化ゲルマニウムを用いた電荷蓄積層122を形成することができる。電荷蓄積層122の厚さは1nm以上20nm以下、好ましくは1nm以上10nm以下が好ましい。 The charge storage layer 122 is formed of a germanium compound such as germanium nitride, germanium oxide, germanium nitride to which oxygen is added, germanium oxide to which nitrogen is added, germanium nitride to which oxygen and hydrogen are added, germanium oxide to which nitrogen and hydrogen are added. Is formed by performing plasma CVD in an atmosphere containing germanium (for example, an atmosphere containing GeH 4 and N 2, GeH 4 and NH 3, GeH 4 and N 2 O, or the like). Can be formed. Alternatively, the charge storage layer 122 using germanium nitride can be formed by vapor-depositing a sintered body obtained by heating germanium oxide in an ammonia atmosphere. The thickness of the charge storage layer 122 is 1 nm to 20 nm, preferably 1 nm to 10 nm.

また、GeH及びH2、GeHとSiH及びH等を含む雰囲気でプラズマCVD法を行うことにより、ゲルマニウム粒子やシリコンゲルマニウム粒子を形成することができる。例えば、水素で5%〜10%に希釈されたゲルマン(GeH)ガスを用い、基板100の加熱温度を200〜350℃として、13.56MHz〜60MHz(例えば、27MHz)の高周波電力を印加することで、ゲルマニウム粒子を形成することができる。電荷蓄積層122に含まれるゲルマニウム粒子やシリコンゲルマニウム粒子の径は0.1nm以上10nm以下、好ましくは1nm以上3nm以下が好ましい。 Further, germanium particles or silicon germanium particles can be formed by performing a plasma CVD method in an atmosphere containing GeH 4 and H 2, GeH 4 and SiH 4 and H 2, and the like. For example, germanium (GeH 4 ) gas diluted with hydrogen to 5% to 10% is used, the heating temperature of the substrate 100 is set to 200 to 350 ° C., and high frequency power of 13.56 MHz to 60 MHz (for example, 27 MHz) is applied. Thus, germanium particles can be formed. The diameter of germanium particles or silicon germanium particles contained in the charge storage layer 122 is 0.1 nm or more and 10 nm or less, preferably 1 nm or more and 3 nm or less.

ここでは、電荷蓄積層122として、GeH及びNHを原料とし、プラズマCVD法により形成した1nm以上20nm以下、好ましくは1nm以上10nm以下の厚さの窒化ゲルマニウムを用いる。なお、メモリ部に設けられた電荷蓄積層122は、後に完成する不揮発性メモリ素子において電荷をトラップする層として機能する。 Here, germanium nitride having a thickness of 1 nm to 20 nm, preferably 1 nm to 10 nm, which is formed by a plasma CVD method using GeH 4 and NH 3 as raw materials, is used for the charge storage layer 122. Note that the charge storage layer 122 provided in the memory portion functions as a layer for trapping charges in a nonvolatile memory element to be completed later.

次に、半導体層104、106上に形成された第2の絶縁層116、118、電荷蓄積層122と半導体層110上に形成された電荷蓄積層122を選択的に除去し、半導体層108上に形成された、第2の絶縁層120と電荷蓄積層122を残存させる。ここでは、メモリ部に設けられた半導体層108を選択的にレジスト124で覆い、レジスト124で覆われていない第2の絶縁層116、118と電荷蓄積層122をエッチングすることによって選択的に除去する(図17(B)参照)。なお、図17(B)では、電荷蓄積層122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122の一部を残存させ、電荷蓄積層126を形成する例を示している。   Next, the second insulating layers 116 and 118 formed over the semiconductor layers 104 and 106, the charge storage layer 122, and the charge storage layer 122 formed over the semiconductor layer 110 are selectively removed, and the semiconductor layer 108 is formed. The second insulating layer 120 and the charge storage layer 122 formed in the step are left. Here, the semiconductor layer 108 provided in the memory portion is selectively covered with a resist 124 and selectively removed by etching the second insulating layers 116 and 118 and the charge storage layer 122 which are not covered with the resist 124. (See FIG. 17B). Note that FIG. 17B illustrates an example in which the charge storage layer 122 is formed by etching to selectively remove the charge storage layer 122 so that part of the charge storage layer 122 remains.

次に、半導体層104、106、半導体層108の上方に形成された電荷蓄積層126、半導体層110の上方に形成された第1の絶縁層120を覆うように第3の絶縁層128を形成する(図17(C)参照)。   Next, a third insulating layer 128 is formed so as to cover the semiconductor layers 104 and 106, the charge storage layer 126 formed above the semiconductor layer 108, and the first insulating layer 120 formed above the semiconductor layer 110. (See FIG. 17C).

第3の絶縁層128は、CVD法やスパッタリング法等を用いて、酸化珪素、窒化珪素、酸窒化珪素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3の絶縁層128を単層で設ける場合には、CVD法により酸窒化珪素層を5nm以上50nm以下の厚さで形成する。また、第3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窒化珪素層を形成し、第2の絶縁層として窒化珪素層を形成し、第3の絶縁層として酸窒化珪素層を形成する。   The third insulating layer 128 is formed as a single layer or a stacked layer using an insulating material such as silicon oxide, silicon nitride, or silicon oxynitride by a CVD method, a sputtering method, or the like. For example, in the case where the third insulating layer 128 is provided as a single layer, the silicon oxynitride layer is formed with a thickness of 5 nm to 50 nm by a CVD method. In the case where the third insulating layer 128 is provided in a three-layer structure, a silicon oxynitride layer is formed as the first insulating layer, a silicon nitride layer is formed as the second insulating layer, A silicon oxynitride layer is formed as the insulating layer.

なお、半導体層108の上方に形成された第3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104、106の上方に形成された第3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 third 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 third insulating layer formed above the semiconductor layers 104 and 106. 128 functions as a gate insulating film in a transistor to be completed later.

次に、半導体層104、106、108、110の上方に形成された第3の絶縁層128を覆うように導電層を形成する(図18(A)参照)。ここでは、導電層として、導電層130と導電層132を順に積層して形成した例を示している。もちろん、導電層は、単層又は3層以上の積層構造で形成してもよい。   Next, a conductive layer is formed so as to cover the third insulating layer 128 formed over the semiconductor layers 104, 106, 108, and 110 (see FIG. 18A). Here, an example is shown in which the conductive layer 130 and the conductive layer 132 are sequentially stacked as the conductive layer. Of course, the conductive layer may be formed of a single layer or a stacked structure of three or more layers.

導電層130、132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層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珪素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 layers 130 and 132 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 layer 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.

ここでは、導電層130として窒化タンタルを用いて形成し、その上に導電層132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、導電層130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構造を用い、導電層132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構造を用いることができる。   Here, the conductive layer 130 is formed using tantalum nitride, and the conductive layer 132 is formed using tungsten over the stacked layer structure. In addition, as the conductive layer 130, a single layer or a stacked structure selected from tungsten nitride, molybdenum nitride, or titanium nitride is used, and as the conductive layer 132, a single layer or a stacked structure selected from tantalum, molybdenum, or titanium. Can be used.

次に、積層して設けられた導電層130、132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層130、132を残存させ、それぞれゲート電極として機能する導電層134、136、138、140を形成する(図18(B)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層138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、導電層134、136、140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 layers 130 and 132 provided in a stacked manner are selectively etched and removed, so that the conductive layers 130 and 132 are left in portions above the semiconductor layers 104, 106, 108, and 110. Conductive layers 134, 136, 138, and 140 that function as gate electrodes are formed (see FIG. 18B). Note that the conductive layer 138 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 layers 134, 136, and 140 function as gate electrodes in a transistor that is completed later.

次に、半導体層104を覆うようにレジスト142を選択的に形成し、当該レジスト142、導電層136、138、140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18(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。ここでは、不純物元素として、リン(P)を用いる。   Next, a resist 142 is selectively formed to cover the semiconductor layer 104, and an impurity element is introduced into the semiconductor layers 106, 108, and 110 using the resist 142 and the conductive layers 136, 138, and 140 as masks. (See FIG. 18C). 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. Here, phosphorus (P) is used as the impurity element.

図18(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146とチャネル形成領域144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150とチャネル形成領域148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154とチャネル形成領域152が形成される。この後レジスト142を除去する。   In FIG. 18C, an impurity element 146 that forms a source region or a drain region and a channel formation region 144 are formed in the semiconductor layer 106 by introducing an impurity element. In the semiconductor layer 108, an impurity region 150 and a channel formation region 148 that form a source region or a drain region are formed. In the semiconductor layer 110, an impurity region 154 that forms a source region or a drain region and a channel formation region 152 are formed. Thereafter, the resist 142 is removed.

次に、半導体層106、108、110を覆うようにレジスト156を選択的に形成し、当該レジスト156、導電層134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19(A)、図23参照)。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。ここでは、図18(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160とチャネル形成領域158を形成される。この後レジスト156を除去する。   Next, a resist 156 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 156 and the conductive layer 134 as a mask ( (See FIG. 19A and FIG. 23). 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. Here, 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. 18C is introduced. As a result, an impurity region 160 for forming a source region or a drain region and a channel formation region 158 are formed in the semiconductor layer 104. Thereafter, the resist 156 is removed.

次に、第3の絶縁層128、導電層134、136、138、140を覆うように絶縁層162を形成し、当該絶縁層162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146、150、154、160と電気的に接続する導電層164を形成する(図19(B)、図24参照)。   Next, an insulating layer 162 was formed so as to cover the third insulating layer 128 and the conductive layers 134, 136, 138, and 140, and the semiconductor layers 104, 106, 108, and 110 were formed over the insulating layer 162, respectively. A conductive layer 164 electrically connected to the impurity regions 146, 150, 154, and 160 is formed (see FIGS. 19B and 24).

絶縁層162は、CVD法やスパッタ法等により、酸化珪素、窒化珪素、酸窒化珪素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)等の炭素を含む層、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、芳香族炭化水素基)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 162 is formed by CVD, sputtering, or the like using an oxygen or nitrogen insulating layer such as silicon oxide, silicon nitride, or silicon oxynitride, or a layer containing carbon such as DLC (diamond-like carbon), epoxy, polyimide, or polyamide. , Polyvinylphenol, benzocyclobutene, an organic material such as acrylic, or a single layer or a laminated structure made of a siloxane material such as a siloxane resin. 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 group) 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.

導電層164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、炭素と珪素の一方又は両方とを含む合金材料に相当する。導電層164は、例えば、バリア層とアルミニウムシリコン(Al−Si)層とバリア層の積層構造、バリア層とアルミニウムシリコン(Al−Si)層と窒化チタン(TiN)層とバリア層の積層構造を採用するとよい。なお、バリア層とは、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、導電層164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層を形成すると、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 layer 164 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 layer 164 has, for example, a stacked structure of a barrier layer, an aluminum silicon (Al—Si) layer, and a barrier layer, or a stacked structure of a barrier layer, an aluminum silicon (Al—Si) layer, a titanium nitride (TiN) layer, and a barrier layer. Adopt it. Note that the barrier layer corresponds to a thin film formed of titanium, a nitride of titanium, molybdenum, or a nitride of molybdenum. Aluminum and aluminum silicon are optimal materials for forming the conductive layer 164 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 layer 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, and the crystalline semiconductor layer is excellent. Contact can be made.

なお、本実施例では、メモリ部に形成される不揮発性メモリ素子のコントロール絶縁膜として機能する絶縁層とロジック部に形成される薄膜トランジスタのゲート絶縁膜を同時に形成する例(図17(C))を示したがこれに限られない。例えば、図20に示すように形成してもよい。以下に、具体的に説明する。   In this embodiment, an example in which an insulating layer functioning as a control insulating film of a nonvolatile memory element formed in a memory portion and a gate insulating film of a thin film transistor formed in a logic portion are formed at the same time (FIG. 17C). However, the present invention is not limited to this. For example, it may be formed as shown in FIG. This will be specifically described below.

まず、図17(A)まで同様に形成した後、電荷蓄積層122上に第3の絶縁層128を形成する(図20(A))。次に、半導体層108を覆うようにレジスト124を選択的に形成した後、半導体層104、106、110の上方に形成された電荷蓄積層122と第3の絶縁層128を選択的に除去する(図20(B))。その後、露出した半導体層104、106の表面にゲート絶縁膜として機能する絶縁層168、170を形成する(図20(C))。絶縁層168、170は、第2の絶縁層116、118、120の形成で説明したように高密度プラズマ処理を用いて設けてもよいし、CVD法やスパッタ法によって形成することができる。   First, after forming similarly to FIG. 17A, a third insulating layer 128 is formed over the charge storage layer 122 (FIG. 20A). Next, after selectively forming a resist 124 so as to cover the semiconductor layer 108, the charge storage layer 122 and the third insulating layer 128 formed over the semiconductor layers 104, 106, and 110 are selectively removed. (FIG. 20B). After that, insulating layers 168 and 170 functioning as gate insulating films are formed on the exposed surfaces of the semiconductor layers 104 and 106 (FIG. 20C). The insulating layers 168 and 170 may be provided using high-density plasma treatment as described in the formation of the second insulating layers 116, 118, and 120, or can be formed by a CVD method or a sputtering method.

図20に示すように形成することによって、ロジック部に形成される薄膜トランジスタのゲート絶縁膜とメモリ部に形成される不揮発性メモリ素子のコントロール絶縁膜とを異なる厚さや材料で設けることもできる。   By forming as shown in FIG. 20, the gate insulating film of the thin film transistor formed in the logic portion and the control insulating film of the nonvolatile memory element formed in the memory portion can be provided with different thicknesses and materials.

また、本実施例で示した工程において、ゲート電極として機能する導電層134、136、138、140の側面に接するように絶縁層172(サイドウォールともいう)を設けてもよい(図21参照)。半導体層104、106、108、110に絶縁層172をマスクとして不純物元素を導入することによって、当該半導体層104、106、108、110にそれぞれLDDとして機能する低濃度不純物領域180、174、176、178を形成することができる。   In the process shown in this embodiment, an insulating layer 172 (also referred to as a sidewall) may be provided so as to be in contact with the side surfaces of the conductive layers 134, 136, 138, and 140 that function as gate electrodes (see FIG. 21). . By introducing an impurity element into the semiconductor layers 104, 106, 108, and 110 using the insulating layer 172 as a mask, low-concentration impurity regions 180, 174, 176, which function as LDDs, respectively, are added to the semiconductor layers 104, 106, 108, and 110, respectively. 178 can be formed.

なお、絶縁層172は、半導体層104と直接接するように設けてもよいし(図21(A)参照)、当該絶縁層172の下方に他の絶縁層や電荷蓄積層が設けられた構造としてもよい(図21(B)参照)。   Note that the insulating layer 172 may be provided so as to be in direct contact with the semiconductor layer 104 (see FIG. 21A), or another insulating layer or a charge storage layer is provided below the insulating layer 172. It is also possible (see FIG. 21B).

また、本実施例では、メモリ部に設けられた半導体層108の上方全面に電荷蓄積層126を設けた構成を示したが、これに限られない。例えば、半導体層108と導電層138が交差する部分に選択的に電荷蓄積層126を設けた構造としてもよい(図46参照)。なお、不揮発性メモリ素子において、チャネル長をL、チャネル幅をWとした場合、電荷蓄積層126はチャネル長L及びチャネル幅Wより大きくなるように設けてもよいし(図46参照)、チャネル長Lとチャネル幅Wの一方より大きくなるように設けてもよいし、チャネル長L及びチャネル幅Wより小さくなるように(半導体層108上に設けられた状態)設けてもよい。   In this embodiment, the structure in which the charge storage layer 126 is provided on the entire upper surface of the semiconductor layer 108 provided in the memory portion is shown, but the present invention is not limited to this. For example, a structure in which the charge storage layer 126 is selectively provided at a portion where the semiconductor layer 108 and the conductive layer 138 intersect (see FIG. 46) may be employed. Note that in the nonvolatile memory element, when the channel length is L and the channel width is W, the charge storage layer 126 may be provided so as to be larger than the channel length L and the channel width W (see FIG. 46). It may be provided so as to be larger than one of the length L and the channel width W, or may be provided so as to be smaller than the channel length L and the channel width W (provided on the semiconductor layer 108).

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、上記実施例と異なる不揮発性半導体記憶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25〜図27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 nonvolatile semiconductor memory device, which is different from the above embodiment, will be 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. 25 to 27, 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、上記実施例で示したように、図16(A)まで同様に形成後、半導体層104、106、108の端部と、半導体層110を覆うようにレジスト114を選択的に形成し、当該レジスト114に覆われていない第1の絶縁層112を選択的に除去する(図25(A)参照)。つまり、ここでは、半導体層110と半導体層104、106、108の端部が第1の絶縁層112に覆われた構造となる。   First, as shown in the above embodiment, after forming in the same manner up to FIG. 16A, a resist 114 is selectively formed so as to cover the end portions of the semiconductor layers 104, 106, and 108 and the semiconductor layer 110, The first insulating layer 112 which is not covered with the resist 114 is selectively removed (see FIG. 25A). In other words, here, the semiconductor layer 110 and the semiconductor layers 104, 106, and 108 are covered with the first insulating layer 112.

これは、半導体層104、106、108上に形成された第1の絶縁層112をエッチングにより全て除去した場合に、半導体層104、106、108の端部と絶縁層102との部分において絶縁層102に凹部(ザグリ)が形成されるのを防止するために設ける。絶縁層102に凹部が形成された場合、その後に半導体層104、106、108を覆う絶縁層等を形成した場合に被覆不良等の問題が生じるため、このように、半導体層104、106、108の端部を第1の絶縁層112で覆うことが有効となる。この後レジスト114を除去する。   This is because when the first insulating layer 112 formed on the semiconductor layers 104, 106, and 108 is all removed by etching, the insulating layer is formed at the end portions of the semiconductor layers 104, 106, and 108 and the insulating layer 102. It is provided in order to prevent the formation of a recess (counterbore) in 102. In the case where a recess is formed in the insulating layer 102, a problem such as poor coverage occurs when an insulating layer or the like that covers the semiconductor layers 104, 106, and 108 is formed thereafter. Thus, the semiconductor layers 104, 106, and 108 are thus formed. It is effective to cover the end of the first insulating layer 112 with the first insulating layer 112. Thereafter, the resist 114 is removed.

次に、半導体層104、106、108上に第2の絶縁層116、118、120をそれぞれ形成する(図25(B)参照)。第2の絶縁層116、118、120は、上記実施例で説明したいずれかの方法で形成することができる。ここでは、高密度プラズマ処理を用いて酸化処理と窒化処理を続けて行うことによって、第2の絶縁層116、118、120として酸化珪素層を形成した後、酸化珪素層の表面又は表面近傍に窒素濃度の高い窒素プラズマ処理層を形成する。   Next, second insulating layers 116, 118, and 120 are formed over the semiconductor layers 104, 106, and 108, respectively (see FIG. 25B). The second insulating layers 116, 118, and 120 can be formed by any of the methods described in the above embodiments. Here, a silicon oxide layer is formed as the second insulating layers 116, 118, and 120 by continuously performing oxidation treatment and nitridation treatment using high-density plasma treatment, and then is formed on or near the surface of the silicon oxide layer. A nitrogen plasma treatment layer having a high nitrogen concentration is formed.

次に、半導体層110の上方に形成された第1の絶縁層112と、第2の絶縁層116、118、120を覆うように電荷蓄積層122を形成する(図25(C)参照)。電荷蓄積層122は、上記実施例で説明したいずれかの材料で形成することができる。ここでは、ゲルマニウム粒子を含有した窒化ゲルマニウム層を形成する。   Next, the charge storage layer 122 is formed so as to cover the first insulating layer 112 and the second insulating layers 116, 118, and 120 formed above the semiconductor layer 110 (see FIG. 25C). The charge storage layer 122 can be formed of any of the materials described in the above embodiments. Here, a germanium nitride layer containing germanium particles is formed.

次に、半導体層104、106上に形成された第2の絶縁層116、118、電荷蓄積層122を選択的に除去し、半導体層108上に形成された第2の絶縁層120、電荷蓄積層122と、半導体層110の上方に形成された電荷蓄積層122を残存させる。ここでは、メモリ部に設けられた半導体層108、半導体層110を選択的にレジスト124で覆い、レジスト124で覆われていない第2の絶縁層116、118と電荷蓄積層122をエッチングすることによって選択的に除去する(図26(A)参照)。なお、図26(A)では、電荷蓄積層122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122の一部を残存させ、電荷蓄積層126を形成する例を示している。なお、上記実施例で示したように、半導体層110の上方に形成された電荷蓄積層122を除去してもよい。この後レジスト124を除去する。   Next, the second insulating layers 116 and 118 and the charge storage layer 122 formed over the semiconductor layers 104 and 106 are selectively removed, and the second insulating layer 120 and the charge storage formed over the semiconductor layer 108 are removed. The layer 122 and the charge storage layer 122 formed above the semiconductor layer 110 are left. Here, the semiconductor layer 108 and the semiconductor layer 110 provided in the memory portion are selectively covered with a resist 124, and the second insulating layers 116 and 118 and the charge storage layer 122 that are not covered with the resist 124 are etched. This is selectively removed (see FIG. 26A). Note that FIG. 26A illustrates an example in which the charge storage layer 122 is formed by etching to selectively remove the charge storage layer 122 so that part of the charge storage layer 122 remains. Note that as shown in the above embodiment, the charge storage layer 122 formed above the semiconductor layer 110 may be removed. Thereafter, the resist 124 is removed.

次に、半導体層104、106、半導体層108、110の上方に形成された電荷蓄積層126を覆うように第3の絶縁層128を形成する(図26(B)参照)。   Next, a third insulating layer 128 is formed so as to cover the charge accumulation layer 126 formed over the semiconductor layers 104 and 106 and the semiconductor layers 108 and 110 (see FIG. 26B).

第3の絶縁層128は、上記実施例で説明したいずれかの材料を用いて形成する。例えば、第3の絶縁層128を、CVD法により酸窒化珪素層を5nm以上50nm以下の厚さで形成する。   The third insulating layer 128 is formed using any of the materials described in the above embodiments. For example, as the third insulating layer 128, a silicon oxynitride layer is formed with a thickness of 5 nm to 50 nm by a CVD method.

なお、半導体層108の上方に形成された第3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104、106の上方に形成された第3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 third 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 third insulating layer formed above the semiconductor layers 104 and 106. 128 functions as a gate insulating film in a transistor to be completed later.

次に、半導体層104、106、108、110の上方にそれぞれゲート電極として機能する導電層134、136、138、140を形成する(図26(C)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層138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、導電層134、136、140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, conductive layers 134, 136, 138, and 140 that function as gate electrodes are formed over the semiconductor layers 104, 106, 108, and 110, respectively (see FIG. 26C). Note that the conductive layer 138 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 layers 134, 136, and 140 function as gate electrodes in a transistor that is completed later.

次に、半導体層104を覆うようにレジスト142を選択的に形成し、当該レジスト142、導電層136、138、140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。ここでは、不純物元素として、リン(P)を用いる。この後レジスト142を除去する。   Next, a resist 142 is selectively formed to cover the semiconductor layer 104, and an impurity element is introduced into the semiconductor layers 106, 108, and 110 using the resist 142 and the conductive layers 136, 138, and 140 as masks. (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. Here, phosphorus (P) is used as the impurity element. Thereafter, the resist 142 is removed.

図27(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146とチャネル形成領域144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150とチャネル形成領域148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154とチャネル形成領域152が形成される。   In FIG. 27A, an impurity element 146 that forms a source region or a drain region and a channel formation region 144 are formed in the semiconductor layer 106 by introducing an impurity element. In the semiconductor layer 108, an impurity region 150 and a channel formation region 148 that form a source region or a drain region are formed. In the semiconductor layer 110, an impurity region 154 that forms a source region or a drain region and a channel formation region 152 are formed.

次に、半導体層106、108、110を覆うようにレジスト156を選択的に形成し、当該レジスト156、導電層134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(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。ここでは、図27(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160とチャネル形成領域158を形成される。この後レジスト156を除去する。   Next, a resist 156 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 156 and the conductive layer 134 as a mask ( FIG. 27 (B)). 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. Here, 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. 27A is introduced. As a result, an impurity region 160 for forming a source region or a drain region and a channel formation region 158 are formed in the semiconductor layer 104. Thereafter, the resist 156 is removed.

次に、第3の絶縁層128、導電層134、136、138、140を覆うように絶縁層162を形成し、当該絶縁層162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160、150、154、146と電気的に接続する導電層164を形成する(図27(C)参照)。   Next, an insulating layer 162 was formed so as to cover the third insulating layer 128 and the conductive layers 134, 136, 138, and 140, and the semiconductor layers 104, 106, 108, and 110 were formed over the insulating layer 162, respectively. A conductive layer 164 electrically connected to the impurity regions 160, 150, 154, and 146 is formed (see FIG. 27C).

絶縁層162、導電層164は、上記実施例で説明したいずれかの材料を用いて形成することができる。   The insulating layer 162 and the conductive layer 164 can be formed using any of the materials described in the above embodiments.

なお、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。   Note that this example can be implemented in combination with any of the other embodiments and examples shown in this specification.

本実施例では、上記実施例と異なる不揮発性半導体記憶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28〜図30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 nonvolatile semiconductor memory device, which is different from the above embodiment, will be 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. 28 to 30, thin film transistors provided in the logic portion are shown between AB and CD, 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、基板100上に絶縁層102を介して半導体層103を形成し、当該半導体層103上に第1の絶縁層112を形成する(図28(A)参照)。   First, the semiconductor layer 103 is formed over the substrate 100 with the insulating layer 102 interposed therebetween, and the first insulating layer 112 is formed over the semiconductor layer 103 (see FIG. 28A).

半導体層103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。   The semiconductor layer 103 is an amorphous semiconductor layer formed using a material having silicon (Si) as a main component by using a sputtering method, an LPCVD method, a plasma CVD method, or the like over an insulating layer 102 formed in advance on the substrate 100. And the amorphous semiconductor layer can be crystallized. 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.

次に、第1の絶縁層112上に選択的にレジスト114を設け、当該レジスト114をマスクとしてエッチングすることによって、第1の絶縁層112を残存させて、第2の絶縁層113を形成する(図28(B)参照)。   Next, a resist 114 is selectively provided over the first insulating layer 112, and etching is performed using the resist 114 as a mask, so that the first insulating layer 112 is left and the second insulating layer 113 is formed. (See FIG. 28B).

次に、露出した半導体層103上に第2の絶縁層115を形成する(図28(C)参照)。   Next, a second insulating layer 115 is formed over the exposed semiconductor layer 103 (see FIG. 28C).

第2の絶縁層115は、露出した半導体層103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103に酸化処理、窒化処理又は酸窒化処理を行うことによって、当該半導体層103それぞれの上に、窒素プラズマ処理層を表面または表面近傍に有する酸化珪素層を第2の絶縁層115として形成する。なお、第2の絶縁層115は、CVD法やスパッタ法により形成してもよいし、CVD法やスパッタ法で形成した層に高密度プラズマ処理を行うことにより形成してもよい。   The second insulating layer 115 can be formed by performing heat treatment, plasma treatment, or the like on the exposed semiconductor layer 103. For example, by performing oxidation treatment, nitridation treatment, or oxynitridation treatment on the semiconductor layer 103 by high-density plasma treatment, a silicon oxide layer having a nitrogen plasma treatment layer on or near the surface is formed on each semiconductor layer 103. The second insulating layer 115 is formed. Note that the second insulating layer 115 may be formed by a CVD method or a sputtering method, or may be formed by performing high-density plasma treatment on a layer formed by a CVD method or a sputtering method.

例えば、半導体層103としてSi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2の絶縁層115として酸化珪素層又は窒化珪素層が形成される。また、高密度プラズマ処理により半導体層103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103に接して酸化珪素層が形成され、当該酸化珪素層の表面またはその近傍に窒素プラズマ処理層が形成される。   For example, in the case where a semiconductor layer containing Si as a main component is used as the semiconductor layer 103 and oxidized or nitrided by high-density plasma treatment, a silicon oxide layer or a silicon nitride layer is formed as the second insulating layer 115. . Alternatively, after the semiconductor layer 103 is oxidized by high-density plasma treatment, nitriding treatment may be performed by performing high-density plasma treatment again. In this case, a silicon oxide layer is formed in contact with the semiconductor layer 103, and a nitrogen plasma treatment layer is formed on or near the surface of the silicon oxide layer.

ここでは、第2の絶縁層115を1nm以上10nm以下、好ましくは1nm以上5nm以下で形成する。例えば、高密度プラズマ処理により半導体層103に酸化処理を行い当該半導体層103の表面に酸化珪素層を形成した後、高密度プラズマ処理により窒化処理を行い酸化珪素層の表面またはその近傍に窒素プラズマ処理層を形成する。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。また、この際に、第1の絶縁層113の表面も酸化又は窒化され、酸窒化珪素層が形成される場合がある。   Here, the second insulating layer 115 is formed with a thickness of 1 nm to 10 nm, preferably 1 nm to 5 nm. For example, after oxidizing the semiconductor layer 103 by high-density plasma treatment and forming a silicon oxide layer on the surface of the semiconductor layer 103, nitriding treatment is performed by high-density plasma treatment and nitrogen plasma is formed on or near the surface of the silicon oxide layer. A treatment layer is 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. At this time, the surface of the first insulating layer 113 may also be oxidized or nitrided to form a silicon oxynitride layer.

次に、第2の絶縁層115と第1の絶縁層113上に電荷蓄積層122を形成する(図29(A)参照)。電荷蓄積層122は、上記実施例で説明したいずれかの材料で形成することができる。ここでは、電荷蓄積層122として窒化ゲルマニウム層を形成する。   Next, the charge accumulation layer 122 is formed over the second insulating layer 115 and the first insulating layer 113 (see FIG. 29A). The charge storage layer 122 can be formed of any of the materials described in the above embodiments. Here, a germanium nitride layer is formed as the charge storage layer 122.

次に、第1の絶縁層133と第2の絶縁層115上に選択的にレジスト123を形成し、当該レジスト123をマスクとして、第2の絶縁層115と電荷蓄積層122を選択的に除去することによって、第2の絶縁層115、電荷蓄積層122の積層構造を残存させて第2の絶縁層120、電荷蓄積層126を形成する。また、第1の絶縁層113上に形成された電荷蓄積層122を残存させて電荷蓄積層127を形成する。なお、電荷蓄積層127は、除去することも可能である(図29(B)参照)。メモリ部に形成された第2の絶縁層120は、後に完成する不揮発性記憶素子においてトンネル絶縁膜として機能する。   Next, a resist 123 is selectively formed over the first insulating layer 133 and the second insulating layer 115, and the second insulating layer 115 and the charge storage layer 122 are selectively removed using the resist 123 as a mask. Thus, the second insulating layer 120 and the charge storage layer 126 are formed while the stacked structure of the second insulating layer 115 and the charge storage layer 122 is left. In addition, the charge storage layer 127 is formed by leaving the charge storage layer 122 formed over the first insulating layer 113. Note that the charge storage layer 127 can be removed (see FIG. 29B). The second insulating layer 120 formed in the memory portion functions as a tunnel insulating film in a nonvolatile memory element to be completed later.

次に、半導体層103を選択的にエッチングして島状の半導体層104、106、108、110を形成する(図29(C)参照)。   Next, the semiconductor layer 103 is selectively etched to form island-shaped semiconductor layers 104, 106, 108, and 110 (see FIG. 29C).

次に、半導体層104、106、半導体層108の上方に形成された電荷蓄積層126、半導体層110の上方に形成された電荷蓄積層127を覆うように第3の絶縁層128を形成する(図30(A)参照)。   Next, a third insulating layer 128 is formed so as to cover the semiconductor layers 104 and 106, the charge storage layer 126 formed above the semiconductor layer 108, and the charge storage layer 127 formed above the semiconductor layer 110 (see FIG. (See FIG. 30A).

次に、半導体層104、106、108、110の上方にそれぞれゲート電極として機能する導電層134、136、138、140を形成する(図30(B)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層138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、導電層134、136、140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, conductive layers 134, 136, 138, and 140 that function as gate electrodes are formed over the semiconductor layers 104, 106, 108, and 110, respectively (see FIG. 30B). Note that the conductive layer 138 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 layers 134, 136, and 140 function as gate electrodes in a transistor that is completed later.

次に、上記実施例で示したように、半導体層104、106、108、110にそれぞれチャネル形成領域及び不純物領域を形成した後、第3の絶縁層128、導電層134、136、138、140を覆うように絶縁層162を形成し、当該絶縁層162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160、150、154、146と電気的に接続する導電層164を形成する(図30(C)参照)。   Next, as shown in the above embodiment, after forming a channel formation region and an impurity region in the semiconductor layers 104, 106, 108, and 110, respectively, the third insulating layer 128, the conductive layers 134, 136, 138, and 140 are formed. An insulating layer 162 is formed so as to cover the conductive layer 164, and a conductive layer 164 electrically connected to the impurity regions 160, 150, 154, and 146 formed in the semiconductor layers 104, 106, 108, and 110, respectively, is formed over the insulating layer 162. It is formed (see FIG. 30C).

なお、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。   Note that this example can be implemented in combination with any of the other embodiments and examples shown in this specification.

本実施例では、上記実施例と異なる半導体基板を用いた不揮発性半導体記憶装置の作製方法に関して図面を参照して説明する。なお、図37〜図39は上面図を示し、図31〜図35は図37〜図39におけるA−B間、E−F間の断面図を示しており、図40は図37〜図39におけるC−D間の断面図を示している。また、A−B間はメモリ部に設けられるトランジスタと不揮発性メモリ素子を示し、C−D間はメモリ部に設けられる不揮発性メモリ素子を示し、E−F間はロジック部に設けられるトランジスタを示している。また、本実施例では、E−F間に示す基板1200の領域1207に設けられるトランジスタをpチャネル型、領域1208に設けられるトランジスタをnチャネル型とし、A−B間に示す基板1200の領域1209に設けられるトランジスタをnチャネル型、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。   In this embodiment, a method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device using a semiconductor substrate different from the above embodiment will be described with reference to drawings. 37 to 39 are top views, FIGS. 31 to 35 are cross-sectional views taken along lines AB and EF in FIGS. 37 to 39, and FIG. 40 is FIGS. Sectional drawing between CD in FIG. A line between A and B shows a transistor and a non-volatile memory element provided in the memory part, a line between CD and a non-volatile memory element provided in the memory part, and a line between E and F a transistor provided in the logic part. Show. In this embodiment, the transistor provided in the region 1207 of the substrate 1200 between E and F is a p-channel type, the transistor provided in the region 1208 is an n-channel type, and the region 1209 of the substrate 1200 between A and B is used. The case where the transistor provided in the transistor is an n-channel type and the carrier of the nonvolatile memory element is moved by electrons will be described; however, the nonvolatile semiconductor device of the present invention is not limited to this.

まず、基板1200上に絶縁層を形成する。ここでは、n型の導電型を有する単結晶Siを基板1200として用い、当該基板1200上に絶縁層1201と絶縁層1202を形成する(図31(A)参照)。例えば、基板1200に熱処理を行うことにより絶縁層1201として酸化珪素を形成し、当該絶縁層1202上にCVD法を用いて窒化珪素を形成する。   First, an insulating layer is formed over the substrate 1200. Here, single crystal Si having n-type conductivity is used as the substrate 1200, and the insulating layer 1201 and the insulating layer 1202 are formed over the substrate 1200 (see FIG. 31A). For example, silicon oxide is formed as the insulating layer 1201 by performing heat treatment on the substrate 1200, and silicon nitride is formed over the insulating layer 1202 by a CVD method.

また、基板1200は、半導体基板であれば特に限定されず用いることができる。例えば、n型又はp型の導電型を有する単結晶Si基板、化合物半導体基板(GaAs基板、InP基板、GaN基板、SiC基板、サファイア基板、ZnSe基板等)、貼り合わせ法またはSIMOX(Separation by IMplanted OXygen)法を用いて作製されたSOI(Silicon on Insulator)基板等を用いることができる。   Further, the substrate 1200 can be used without any particular limitation as long as it is a semiconductor substrate. For example, a single crystal Si substrate having an n-type or p-type conductivity, a compound semiconductor substrate (GaAs substrate, InP substrate, GaN substrate, SiC substrate, sapphire substrate, ZnSe substrate, etc.), bonding method or SIMOX (Separation by IMplanted) An SOI (Silicon on Insulator) substrate manufactured using an OXygen method or the like can be used.

また、絶縁層1202は、絶縁層1201を形成した後に高密度プラズマ処理により当該絶縁層1201を窒化することにより設けてもよい。なお、基板1200上に設ける絶縁層は単層又は3層以上の積層構造で設けてもよい。   The insulating layer 1202 may be provided by nitriding the insulating layer 1201 by high-density plasma treatment after the insulating layer 1201 is formed. Note that the insulating layer provided over the substrate 1200 may be a single layer or a stacked structure including three or more layers.

次に、絶縁層1202上に選択的にレジストマスク1203のパターンを形成し、当該レジストマスク1203をマスクとして選択的にエッチングを行うことによって、基板1200に選択的に凹部1204を形成する(図31(B)参照)。基板1200、絶縁層1201、1202のエッチングとしては、プラズマを利用したドライエッチングにより行うことができる。   Next, a pattern of a resist mask 1203 is selectively formed over the insulating layer 1202, and selective etching is performed using the resist mask 1203 as a mask, whereby a recess 1204 is selectively formed in the substrate 1200 (FIG. 31). (See (B)). Etching of the substrate 1200 and the insulating layers 1201 and 1202 can be performed by dry etching using plasma.

次に、レジストマスク1203のパターンを除去した後、基板1200に形成された凹部1204を充填するように絶縁層1205を形成する(図31(C)参照)。   Next, after removing the pattern of the resist mask 1203, an insulating layer 1205 is formed so as to fill the concave portion 1204 formed in the substrate 1200 (see FIG. 31C).

絶縁層1205は、CVD法やスパッタリング法等を用いて、酸化珪素、窒化珪素、酸素を含む窒化珪素、窒素を含む酸化珪素等の絶縁材料を用いて形成する。ここでは、絶縁層1205として、常圧CVD法または減圧CVD法によりTEOS(テトラエチルオルソシリケート)ガスを用いて酸化珪素を形成する。   The insulating layer 1205 is formed using an insulating material such as silicon oxide, silicon nitride, silicon nitride containing oxygen, or silicon oxide containing nitrogen by a CVD method, a sputtering method, or the like. Here, as the insulating layer 1205, silicon oxide is formed using TEOS (tetraethylorthosilicate) gas by an atmospheric pressure CVD method or a low pressure CVD method.

次に、研削処理、研磨処理又はCMP(Chemical Mechanical Polishing)処理を行うことによって、基板1200の表面を露出させる。ここでは、基板1200の表面を露出させることにより、基板1200の凹部1204に形成された絶縁層1206間に領域1207〜1209が設けられる。なお、絶縁層1206は、基板1200の表面に形成された絶縁層1205が研削処理、研磨処理又はCMP処理により除去されることにより得られたものである。続いて、p型の導電型を有する不純物元素を選択的に導入することによって、基板1200の領域1208、1209にpウェル1210を形成する(図32(A)、図37(A)、(B)、図40(A)参照)。   Next, the surface of the substrate 1200 is exposed by performing a grinding process, a polishing process, or a CMP (Chemical Mechanical Polishing) process. Here, regions 1207 to 1209 are provided between the insulating layers 1206 formed in the recesses 1204 of the substrate 1200 by exposing the surface of the substrate 1200. Note that the insulating layer 1206 is obtained by removing the insulating layer 1205 formed over the surface of the substrate 1200 by grinding, polishing, or CMP. Subsequently, an impurity element having p-type conductivity is selectively introduced to form p-wells 1210 in the regions 1208 and 1209 of the substrate 1200 (FIGS. 32A, 37A, and 37B). ), FIG. 40 (A)).

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。ここでは、不純物元素として、ボロン(B)を領域1208、1209に導入する。   As the p-type impurity element, boron (B), aluminum (Al), gallium (Ga), or the like can be used. Here, boron (B) is introduced into the regions 1208 and 1209 as the impurity element.

なお、本実施例では、基板1200としてn型の導電型を有する半導体基板を用いているため、領域1207には不純物元素の導入を行っていないが、n型を示す不純物元素を導入することにより領域1207にnウェルを形成してもよい。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。   Note that in this embodiment, since a semiconductor substrate having n-type conductivity is used as the substrate 1200, no impurity element is introduced into the region 1207, but by introducing an impurity element exhibiting n-type conductivity. An n-well may be formed in the region 1207. As the impurity element exhibiting n-type, phosphorus (P), arsenic (As), or the like can be used.

一方、p型の導電型を有する半導体基板を用いる場合には、領域1207にn型を示す不純物元素を導入してnウェルを形成し、領域1208、1209には不純物元素の導入を行わない構成としてもよい。   On the other hand, in the case where a semiconductor substrate having p-type conductivity is used, an n-type impurity element is introduced into the region 1207 to form an n-well, and no impurity element is introduced into the regions 1208 and 1209. It is good.

次に、基板1200に設けられた領域1207〜1209上に第1の絶縁層1211を形成する(図32(B)参照)。   Next, the first insulating layer 1211 is formed over the regions 1207 to 1209 provided in the substrate 1200 (see FIG. 32B).

第1の絶縁層1211は、実施例1に示す第1の絶縁層112と同様に形成することができる。ここでは、第1の絶縁層1211として、酸窒化珪素をCVD法を用いて形成する。   The first insulating layer 1211 can be formed in a manner similar to that of the first insulating layer 112 described in Embodiment 1. Here, silicon oxynitride is formed as the first insulating layer 1211 by a CVD method.

なお、基板1200の部の露出した領域1209に形成された第1の絶縁層1211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 first insulating layer 1211 formed in the exposed region 1209 of the substrate 1200 functions as a gate insulating film in a transistor to be completed later.

次に、基板1200の領域1209に形成された第1の絶縁層1211を覆うようにレジストマスク1212を選択的に形成し、基板1200の領域1207、1208に形成された第1の絶縁層1211を選択的に除去し、領域1209に設けられた一部の第1の絶縁層1211を残存させて、第1の絶縁層1213とする(図32(C)参照)。   Next, a resist mask 1212 is selectively formed so as to cover the first insulating layer 1211 formed in the region 1209 of the substrate 1200, and the first insulating layer 1211 formed in the regions 1207 and 1208 of the substrate 1200 is formed. The portion of the first insulating layer 1211 provided in the region 1209 is selectively removed, so that the first insulating layer 1213 is formed (see FIG. 32C).

次に、レジストマスク1212を除去した後、基板1200の領域1207、1208、及び領域1209の一部の表面上に第2の絶縁層1214〜1216をそれぞれ形成する。次に、第1の絶縁層1213及び第2の絶縁層1214〜1216を覆うように電荷蓄積層1217を形成する。(図33(A)参照)。   Next, after the resist mask 1212 is removed, second insulating layers 1214 to 1216 are formed over the surfaces 1207 and 1208 and part of the region 1209 of the substrate 1200, respectively. Next, a charge storage layer 1217 is formed so as to cover the first insulating layer 1213 and the second insulating layers 1214 to 1216. (See FIG. 33A).

第2の絶縁層1214〜1216は、上述したように、プラズマ処理を用いて形成してもよい。例えば、基板1200を加熱して領域1207〜1209の表面を酸化し酸化珪素層を形成した後、酸化珪素層の表面をプラズマ処理して酸化珪素層表面又は表面近傍に窒素濃度の高い窒素プラズマ処理層を形成する。また、高密度プラズマ処理により領域1207〜1209の表面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、領域1207〜1209の表面に接して酸化珪素層が形成され、当該酸化珪素層及び電荷蓄積層の界面、または当該界面近傍の酸化珪素層に窒素濃度の高い窒素プラズマ処理層が形成される。即ち、表面又は表面近傍に窒素濃度の高い窒素プラズマ処理層を有する酸化珪素層により第2の絶縁層1214〜1216を形成することができる。   The second insulating layers 1214 to 1216 may be formed using plasma treatment as described above. For example, after the substrate 1200 is heated to oxidize the surfaces of the regions 1207 to 1209 to form a silicon oxide layer, the surface of the silicon oxide layer is subjected to plasma treatment and nitrogen plasma treatment with a high nitrogen concentration on or near the silicon oxide layer surface. Form a layer. Alternatively, after the surface of the regions 1207 to 1209 is oxidized by high-density plasma treatment, nitriding treatment may be performed by performing high-density plasma treatment again. In this case, a silicon oxide layer is formed in contact with the surface of the regions 1207 to 1209, and a nitrogen plasma treatment layer having a high nitrogen concentration is formed at the interface between the silicon oxide layer and the charge storage layer or in the silicon oxide layer near the interface. The That is, the second insulating layers 1214 to 1216 can be formed using a silicon oxide layer having a nitrogen plasma treatment layer with a high nitrogen concentration on the surface or in the vicinity of the surface.

他にも、熱処理を行い基板1200に設けられた領域1207〜1209の表面を酸化させることにより第2の絶縁層1214〜1216を酸化珪素層で形成することができる。   Alternatively, the second insulating layers 1214 to 1216 can be formed using a silicon oxide layer by performing heat treatment to oxidize the surfaces of the regions 1207 to 1209 provided in the substrate 1200.

ここでは、第2の絶縁層1214〜1216として、基板1200に設けられた領域1207〜1209の表面を高密度プラズマ処理により酸化処理を行った後、窒化処理を行って、酸化珪素層及び窒素プラズマ処理層を積層して形成する。   Here, as the second insulating layers 1214 to 1216, the surface of the regions 1207 to 1209 provided in the substrate 1200 is subjected to oxidation treatment by high-density plasma treatment, and then nitridation treatment is performed to obtain a silicon oxide layer and a nitrogen plasma. A treatment layer is laminated and formed.

本実施例において、基板1200においてメモリ部に設けられた領域1209上に形成される第2の絶縁層1216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2の絶縁層1216の厚さが薄いほど、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2の絶縁層1216の厚さが薄いほど、電荷蓄積層1217に低電圧で電荷を蓄積させることが可能となるため、不揮発性半導体記憶装置の消費電力を低減することができる。そのため、第2の絶縁層1216は、厚さを薄く形成することが好ましい。   In this embodiment, the second insulating layer 1216 formed over the region 1209 provided in the memory portion in the substrate 1200 functions as a tunnel oxide film in a nonvolatile memory element completed later. Therefore, the thinner the second insulating layer 1216 is, the easier it is for the tunnel current to flow and the higher speed operation of the memory becomes possible. Further, as the thickness of the second insulating layer 1216 is thinner, charges can be stored in the charge storage layer 1217 at a lower voltage, so that power consumption of the nonvolatile semiconductor memory device can be reduced. Therefore, the second insulating layer 1216 is preferably formed thin.

電荷蓄積層1217は、窒化ゲルマニウム、酸化ゲルマニウム、酸素が添加された窒化ゲルマニウム、窒素が添加された酸化ゲルマニウム、酸素及び水素が添加された窒化ゲルマニウム、窒素及び水素が添加された酸化ゲルマニウム等のゲルマニウム化合物で形成することができる。ここでは、電荷蓄積層1217として、実施例1に示す電荷蓄積層122と同様に形成する。   The charge storage layer 1217 includes germanium such as germanium nitride, germanium oxide, germanium nitride to which oxygen is added, germanium oxide to which nitrogen is added, germanium nitride to which oxygen and hydrogen are added, germanium oxide to which nitrogen and hydrogen are added, and the like. Can be formed with compounds. Here, the charge storage layer 1217 is formed in the same manner as the charge storage layer 122 described in Embodiment 1.

次に、電荷蓄積層1217上にレジストマスク1218を形成し、当該レジストマスク1218をマスクとして電荷蓄積層1217と、第2の絶縁層1214〜1216を選択的に除去する。ここでは、基板1200において領域1209の一部を覆うようにレジストマスク1218を形成し、当該レジストマスク1218に覆われていない電荷蓄積層1217、第2の絶縁層1214〜1216を除去することによって、領域1209に設けられた一部の第2の絶縁層1216と電荷蓄積層1217を残存させ、第2の絶縁層1219、電荷蓄積層1220とする(図33(B)参照)。具体的には、領域1209のうち、後に不揮発性メモリ素子が形成される領域に設けられた第2の絶縁層1219と電荷蓄積層1220を残存させる。また、基板1200の領域1207、1208と領域1209の一部の表面が露出する。   Next, a resist mask 1218 is formed over the charge accumulation layer 1217, and the charge accumulation layer 1217 and the second insulating layers 1214 to 1216 are selectively removed using the resist mask 1218 as a mask. Here, a resist mask 1218 is formed so as to cover part of the region 1209 in the substrate 1200, and the charge storage layer 1217 and the second insulating layers 1214 to 1216 that are not covered with the resist mask 1218 are removed, Part of the second insulating layer 1216 and the charge storage layer 1217 provided in the region 1209 are left to be the second insulating layer 1219 and the charge storage layer 1220 (see FIG. 33B). Specifically, in the region 1209, the second insulating layer 1219 and the charge storage layer 1220 provided in a region where a nonvolatile memory element is to be formed later are left. In addition, regions 1207 and 1208 of the substrate 1200 and a part of the surface of the region 1209 are exposed.

次に、レジストマスク1218を除去した後、基板1200の領域1207〜1209、電荷蓄積層1220を覆うように第3の絶縁層1221を形成する(図33(C)参照)。   Next, after removing the resist mask 1218, a third insulating layer 1221 is formed so as to cover the regions 1207 to 1209 and the charge storage layer 1220 of the substrate 1200 (see FIG. 33C).

第3の絶縁層1221は、第1の絶縁層1211と同様に、CVD法やスパッタリング法等を用いて、酸化珪素、窒化珪素、酸窒化珪素等の絶縁材料を用いて単層又は積層して形成する。ここでは、第3の絶縁層1221として、酸窒化珪素をCVD法を用いて形成する。 The third insulating layer 1221 is a single layer or a stacked layer using an insulating material such as silicon oxide, silicon nitride, or silicon oxynitride by a CVD method, a sputtering method, or the like, like the first insulating layer 1211. Form. Here, silicon oxynitride is formed as the third insulating layer 1221 by a CVD method.

なお、基板1200の領域1209における電荷蓄積層1220上に形成された第3の絶縁層1221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膜として機能する。 Note that the third insulating layer 1221 formed over the charge storage layer 1220 in the region 1209 of the substrate 1200 functions as a control insulating film in a nonvolatile memory element completed later.

次に、第3の絶縁層1221上に導電層を形成する(図34(A)参照)。ここでは、導電層として、導電層1222と導電層1223を順に積層して形成した例を示している。もちろん、導電層は、単層又は3層以上の積層構造で形成してもよい。   Next, a conductive layer is formed over the third insulating layer 1221 (see FIG. 34A). Here, an example is shown in which a conductive layer 1222 and a conductive layer 1223 are sequentially stacked as the conductive layer. Of course, the conductive layer may be formed of a single layer or a stacked structure of three or more layers.

導電層1222、1223としては、実施例1に示す導電層130、132と同様に形成することができる。   The conductive layers 1222 and 1223 can be formed in the same manner as the conductive layers 130 and 132 described in Embodiment 1.

ここでは、導電層1222として窒化タンタルを用いて形成し、その上に導電層1223としてタングステンを用いて積層構造で設ける。   Here, the conductive layer 1222 is formed using tantalum nitride, and the conductive layer 1223 is formed using tungsten in a stacked structure.

次に、積層して設けられた導電層1222、1223を選択的にエッチングして除去することによって、基板1200の領域1207〜1209の上方の一部に導電層1222、1223を残存させ、それぞれゲート電極として機能する導電層1224〜1227を形成する(図34(B)、図40(B)参照)。また、ここでは、基板1200において、導電層1224〜1227と重ならない領域1207〜1209の表面が露出するようにする。なお、導電層1227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。   Next, the conductive layers 1222 and 1223 provided in a stacked manner are selectively etched and removed, so that the conductive layers 1222 and 1223 remain in a part above the regions 1207 to 1209 of the substrate 1200, respectively. Conductive layers 1224-1227 that function as electrodes are formed (see FIGS. 34B and 40B). Here, in the substrate 1200, the surfaces of the regions 1207 to 1209 that do not overlap with the conductive layers 1224-1227 are exposed. Note that the conductive layer 1227 functions as a control gate in a nonvolatile memory element to be completed later.

具体的には、基板1200の領域1207において、導電層1224の下方に形成された第3の絶縁層1221のうち当該導電層1224と重ならない部分を選択的に除去し、導電層1224と第3の絶縁層1221の端部が概略一致するように形成する。また、基板1200の領域1208において、導電層1225の下方に形成された第3の絶縁層1221のうち当該導電層1225と重ならない部分を選択的に除去し、導電層1225とエッチングされた第3の絶縁層1221の端部が概略一致するように形成する。また、基板1200の領域1209において、導電層1226の下方に形成された第3の絶縁層1221うち当該導電層1226と重ならない部分を選択的に除去し、導電層1226とエッチングされた第3の絶縁層1221の端部が概略一致するように形成する。また、基板1200の領域1209において、導電層1227の下方に形成された第3の絶縁層1221、電荷蓄積層1220、第2の絶縁層1219のうち当該導電層1227と重ならない部分を選択的に除去し、導電層1227、エッチングされた第3の絶縁層1221(第3の絶縁層1229と示す。)、電荷蓄積層1228及びエッチングされた第2の絶縁層1219(第2の絶縁層1230と示す。)の端部が概略一致するように形成する。   Specifically, in a region 1207 of the substrate 1200, a portion of the third insulating layer 1221 formed below the conductive layer 1224 that does not overlap with the conductive layer 1224 is selectively removed, so that the conductive layer 1224 and the third layer The insulating layer 1221 is formed so that the end portions thereof substantially coincide with each other. Further, in a region 1208 of the substrate 1200, a portion of the third insulating layer 1221 formed below the conductive layer 1225 that does not overlap with the conductive layer 1225 is selectively removed, and the conductive layer 1225 and the etched third layer are selectively removed. The insulating layer 1221 is formed so that the end portions thereof substantially coincide with each other. Further, in the region 1209 of the substrate 1200, a portion of the third insulating layer 1221 formed below the conductive layer 1226 that does not overlap with the conductive layer 1226 is selectively removed, and the third layer etched with the conductive layer 1226 is removed. The insulating layer 1221 is formed so that the end portions thereof substantially coincide with each other. In the region 1209 of the substrate 1200, a portion of the third insulating layer 1221, the charge storage layer 1220, and the second insulating layer 1219 formed below the conductive layer 1227 that does not overlap with the conductive layer 1227 is selectively selected. The removed and conductive layer 1227, the etched third insulating layer 1221 (referred to as a third insulating layer 1229), the charge storage layer 1228, and the etched second insulating layer 1219 (with the second insulating layer 1230) It is formed so that the end portions of FIG.

この場合、導電層1224〜1227の形成と同時に、導電層1224〜1227と重ならない部分の絶縁層等を除去してもよいし、導電層1224〜1227を形成した後残存したレジストマスク又は当該導電層1224〜1227をマスクとして導電層1224〜1227と重ならない部分の絶縁層等を除去してもよい。   In this case, the insulating layer or the like that does not overlap with the conductive layers 1224-1227 may be removed simultaneously with the formation of the conductive layers 1224-1227, or the resist mask remaining after the formation of the conductive layers 1224-1227 or the conductive layer The insulating layer or the like that does not overlap with the conductive layers 1224-1227 may be removed using the layers 1224-1227 as a mask.

次に、基板1200の領域1207〜1209に不純物元素を選択的に導入し、低濃度不純物領域1231〜1233を形成する(図34(C)参照)。ここでは、領域1208、1209に導電層1225〜1227をマスクとしてn型を付与する低濃度の不純物元素を選択的に導入して低濃度不純物領域1232、1233を形成し、領域1207に導電層1224をマスクとしてp型を付与する低濃度の不純物元素を選択的に導入して低濃度不純物領域1231を形成する。n型を付与する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型を付与する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。   Next, an impurity element is selectively introduced into the regions 1207 to 1209 of the substrate 1200, so that low-concentration impurity regions 1231 to 1233 are formed (see FIG. 34C). Here, a low concentration impurity element imparting n-type conductivity is selectively introduced into the regions 1208 and 1209 using the conductive layers 1225 to 1227 as masks to form the low concentration impurity regions 1232 and 1233, and the conductive layer 1224 is formed in the region 1207. As a mask, a low concentration impurity element imparting p-type is selectively introduced to form a low concentration impurity region 1231. As the impurity element imparting n-type conductivity, phosphorus (P), arsenic (As), or the like can be used. As the impurity element imparting p-type conductivity, boron (B), aluminum (Al), gallium (Ga), or the like can be used.

次に、導電層1224〜1227の側面に接する絶縁層1234〜1237(サイドウォールともよばれる)を形成する。具体的には、プラズマCVD法やスパッタリング法等により、珪素、酸化珪素又は窒化珪素等の無機材料を含む層や、有機樹脂などの有機材料を含む層を、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、導電層1224〜1227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1234〜1237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、ここでは、絶縁層1234〜1237は、導電層1224〜1227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。   Next, insulating layers 1234 to 1237 (also referred to as sidewalls) in contact with the side surfaces of the conductive layers 1224 to 1227 are formed. Specifically, a layer containing an inorganic material such as silicon, silicon oxide, or silicon nitride, or a layer containing an organic material such as an organic resin is formed as a single layer or a stacked layer by a plasma CVD method, a sputtering method, or the like. 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 layers 1224-1227. Note that the insulating layers 1234 to 1237 are used as masks for doping when an LDD (Lightly Doped Drain) region is formed. In addition, here, the insulating layers 1234 to 1237 are formed so as to be in contact with the side surfaces of the insulating layer and the charge storage layer formed below the conductive layers 1224 to 1227.

続いて、当該絶縁層1234〜1237、導電層1224〜1227をマスクとして基板1200の領域1207〜1209に不純物元素を導入することによって、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1238〜1240を形成する(図35(A)、図38(A)、(B)参照)。ここでは、基板1200の領域1208、1209に絶縁層1235〜1237と導電層1225〜1227をマスクとして高濃度のn型を付与する不純物元素を導入して不純物領域1239、1240を形成し、領域1207に絶縁層1234と導電層1224をマスクとして高濃度のp型を付与する不純物元素を導入して不純物領域1238を形成する。   Subsequently, impurity regions 1238 to 1240 functioning as a source region or a drain region are formed by introducing an impurity element into the regions 1207 to 1209 of the substrate 1200 using the insulating layers 1234 to 1237 and the conductive layers 1224 to 1227 as masks. (See FIGS. 35A, 38A, and 38B). Here, impurity regions 1239 and 1240 are formed in regions 1208 and 1209 of the substrate 1200 by introducing an impurity element imparting a high concentration of n-type using the insulating layers 1235 to 1237 and the conductive layers 1225 to 1227 as masks. An impurity region 1238 is formed by introducing an impurity element imparting high concentration p-type into the insulating layer 1234 and the conductive layer 1224 as masks.

その結果、基板1200の領域1207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1238と、LDD領域を形成する低濃度不純物領域1241と、チャネル形成領域1245が形成される。また、基板1200の領域1208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1239と、LDD領域を形成する低濃度不純物領域1242と、チャネル形成領域1246が形成される。また、基板1200の領域1209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1240と、LDD領域を形成する低濃度不純物領域1243、1244と、チャネル形成領域1247、1248が形成される。   As a result, an impurity region 1238 that forms a source region or a drain region, a low-concentration impurity region 1241 that forms an LDD region, and a channel formation region 1245 are formed in the region 1207 of the substrate 1200. In the region 1208 of the substrate 1200, an impurity region 1239 that forms a source region or a drain region, a low-concentration impurity region 1242 that forms an LDD region, and a channel formation region 1246 are formed. In the region 1209 of the substrate 1200, impurity regions 1240 that form source and drain regions, low-concentration impurity regions 1243 and 1244 that form LDD regions, and channel formation regions 1247 and 1248 are formed.

なお、本実施例では、導電層1224〜1227と重ならない基板1200の領域1207〜1209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、基板1200の領域1207〜1209にそれぞれ形成されるチャネル形成領域1245〜1248は導電層1224〜1227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 is introduced in a state where the regions 1207 to 1209 of the substrate 1200 which do not overlap with the conductive layers 1224-1227 are exposed. Accordingly, channel formation regions 1245 to 1248 formed in the regions 1207 to 1209 of the substrate 1200 can be formed in self-alignment with the conductive layers 1224-1227.

次に、基板1200の領域1207〜1209上に設けられた絶縁層や導電層等を覆うように絶縁層1249を形成し、当該絶縁層1249に開口部1250〜1254を形成する(図35(B)参照)。   Next, an insulating layer 1249 is formed so as to cover an insulating layer, a conductive layer, or the like provided over the regions 1207 to 1209 of the substrate 1200, and openings 1250 to 1254 are formed in the insulating layer 1249 (FIG. 35B )reference).

絶縁層1249は、実施例1に示す絶縁層162と同様に形成することができる。ここでは、ポリシラザンを用いて形成する。   The insulating layer 1249 can be formed in a manner similar to that of the insulating layer 162 described in Embodiment 1. Here, it is formed using polysilazane.

次に、CVD法を用いて開口部1250〜1254に導電層1255〜1259を形成し、当該導電層1255〜1259と電気的に接続するように絶縁層1249上に導電層1260〜1263を選択的に形成する(図35(C)、図39(A)、(B)、図40(C)参照)。   Next, conductive layers 1255 to 1259 are formed in the openings 1250 to 1254 by a CVD method, and the conductive layers 1260 to 1263 are selectively formed over the insulating layer 1249 so as to be electrically connected to the conductive layers 1255 to 1259. (See FIGS. 35C, 39A, 39B, and 40C).

導電層1255〜1259、1260〜1263は、実施例1に示す導電層164と同様に形成することができる。ここでは、導電層1255〜1259はCVD法によりタングステン(W)を選択成長することにより形成することができる。   The conductive layers 1255 to 1259 and 1260 to 1263 can be formed in a manner similar to that of the conductive layer 164 described in Embodiment 1. Here, the conductive layers 1255 to 1259 can be formed by selectively growing tungsten (W) by a CVD method.

以上の工程により、基板1200の領域1207に形成されたp型のトランジスタ1264と、領域1208に形成されたn型のトランジスタ1265と、領域1209に形成されたn型のトランジスタ1266及び不揮発性メモリ素子1267とを具備する不揮発性半導体記憶装置を得ることができる。   Through the above steps, the p-type transistor 1264 formed in the region 1207 of the substrate 1200, the n-type transistor 1265 formed in the region 1208, the n-type transistor 1266 formed in the region 1209, and the nonvolatile memory element 1267 can be obtained.

なお、素子分離領域として機能する絶縁層1206の代わりに、選択酸化法(LOCOS(Local Oxidation of Silicon)法)を用いて形成した絶縁層1291〜1295を用いることができる(図36参照)。   Note that insulating layers 1291 to 1295 formed by a selective oxidation method (LOCOS (Local Oxidation of Silicon) method) can be used instead of the insulating layer 1206 functioning as an element isolation region (see FIG. 36).

また、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 embodiment can be implemented in combination with any of the other embodiments or examples shown in this specification.

本実施例では、上記実施例と異なる不揮発性半導体記憶装置の作製方法に関して図面を参照して説明する。   In this embodiment, a method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device, which is different from the above embodiment, will be described with reference to drawings.

実施例4と同様の工程により、基板1200上に第1の絶縁層1213、第2の絶縁層1214〜1216、電荷蓄積層1217を形成する。次に、電荷蓄積層1217上に第3の絶縁層1271を形成する。(図41(A)参照)。   Through a process similar to that in Embodiment 4, a first insulating layer 1213, second insulating layers 1214 to 1216, and a charge storage layer 1217 are formed over a substrate 1200. Next, a third insulating layer 1271 is formed over the charge storage layer 1217. (See FIG. 41A).

第3の絶縁層1271は、実施例4で示した第3の絶縁層1221と同様に形成することができる。   The third insulating layer 1271 can be formed in a manner similar to that of the third insulating layer 1221 described in Embodiment 4.

次に、第3の絶縁層1271上にレジストマスク1218を形成し、当該レジストマスク1218をマスクとして、第3の絶縁層1271、電荷蓄積層1217と、第2の絶縁層1214〜1216を選択的に除去する。領域1209に設けられた一部の第2の絶縁層1216、電荷蓄積層1217、及び第3の絶縁層1271を残存させ、第2の絶縁層1219、電荷蓄積層1220、第3の絶縁層1272とする(図41(B)参照)。   Next, a resist mask 1218 is formed over the third insulating layer 1271, and the third insulating layer 1271, the charge storage layer 1217, and the second insulating layers 1214 to 1216 are selectively formed using the resist mask 1218 as a mask. To remove. A part of the second insulating layer 1216, the charge storage layer 1217, and the third insulating layer 1271 provided in the region 1209 are left, and the second insulating layer 1219, the charge storage layer 1220, and the third insulating layer 1272 are left. (See FIG. 41B).

レジストマスク1218を除去した後、基板1200の領域1207〜1209の露出部に第4の絶縁層1273〜1275を形成する。第4の絶縁層1273〜1275は実施例4に示す第2の絶縁層1214、1215と同様に、加熱処理による基板1200の表面の酸化や、プラズマ処理による基板1200表面の酸化処理または窒化処理により形成することができる。このため第4の絶縁層1273〜1275の厚さを薄くすることが可能である。また、第4の絶縁層1273、1274は、ロジック部に形成されるトランジスタのゲート絶縁膜として機能する。このため、高速動作が可能なトランジスタを作製することができる。   After the resist mask 1218 is removed, fourth insulating layers 1273 to 1275 are formed in exposed portions of the regions 1207 to 1209 of the substrate 1200. Similarly to the second insulating layers 1214 and 1215 described in Embodiment 4, the fourth insulating layers 1273 to 1275 are formed by oxidizing the surface of the substrate 1200 by heat treatment or oxidizing or nitriding the surface of the substrate 1200 by plasma treatment. Can be formed. Therefore, the thickness of the fourth insulating layers 1273 to 1275 can be reduced. Further, the fourth insulating layers 1273 and 1274 function as gate insulating films of transistors formed in the logic portion. Therefore, a transistor capable of high speed operation can be manufactured.

ここでは、第4の絶縁層1273〜1275として、基板1200に設けられた領域1207〜1209の表面を高密度プラズマ処理により酸化処理を行った後、窒化処理を行って、表面又は表面近傍に窒素濃度の高い窒素プラズマ処理層を有する酸化珪素を形成する。   Here, as the fourth insulating layers 1273 to 1275, the surfaces of the regions 1207 to 1209 provided in the substrate 1200 are oxidized by high-density plasma treatment, and then nitridation is performed, so that nitrogen is formed on or near the surface. Silicon oxide having a nitrogen plasma treatment layer having a high concentration is formed.

次に、第1の絶縁層1213、第3の絶縁層1272、第4の絶縁層1273〜1275上に、導電層1222、1223を形成する(図41(C)参照)。   Next, conductive layers 1222 and 1223 are formed over the first insulating layer 1213, the third insulating layer 1272, and the fourth insulating layers 1273 to 1275 (see FIG. 41C).

次に、実施例4と同様に、積層して設けられた導電層1222、1223を選択的にエッチングして除去して、基板1200の領域1207〜1209の上方の一部に導電層1222、1223を残存させ、それぞれゲート電極として機能する導電層1224〜1226及び制御ゲートとして機能する導電層1227を形成する(図42(A)、図40(B)参照)。また、基板1200の領域1209において、導電層1227の下方に形成された第3の絶縁層1221、電荷蓄積層1228、第2の絶縁層1219のうち当該導電層1227と重ならない部分を選択的に除去し、導電層1227、第3の絶縁層1229、電荷蓄積層1228及び第2の絶縁層1230の端部が概略一致するように形成する。   Next, similarly to Example 4, the conductive layers 1222 and 1223 provided in a stacked manner are selectively removed by etching, and the conductive layers 1222 and 1223 are partially formed above the regions 1207 to 1209 of the substrate 1200. Then, conductive layers 1224-1226 functioning as gate electrodes and conductive layers 1227 functioning as control gates are formed (see FIGS. 42A and 40B). In the region 1209 of the substrate 1200, a portion of the third insulating layer 1221, the charge accumulation layer 1228, and the second insulating layer 1219 that are formed below the conductive layer 1227 is not selectively overlapped with the conductive layer 1227. The conductive layer 1227, the third insulating layer 1229, the charge storage layer 1228, and the second insulating layer 1230 are formed so as to substantially match with each other.

次に、実施例4と同様に、導電層1224〜1227の側面に接する絶縁層1234〜1237、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1238〜1240、LDD領域を形成する低濃度不純物領域1241〜1244を形成する(図42(B)、図38(A)、(B)参照)。   Next, as in Example 4, the insulating layers 1234 to 1237 in contact with the side surfaces of the conductive layers 1224 to 1227, the impurity regions 1238 to 1240 functioning as the source region or the drain region, and the low-concentration impurity regions 1241 to form the LDD regions 1244 is formed (see FIGS. 42B, 38A, and 38B).

次に、絶縁層1249、導電層1255〜1259、当該導電層1255〜1259と電気的に接続する導電層1260〜1263を選択的に形成する(図42(C)、図39(A)、(B)、図40(C)参照)。   Next, the insulating layer 1249, the conductive layers 1255 to 1259, and the conductive layers 1260 to 1263 electrically connected to the conductive layers 1255 to 1259 are selectively formed (FIGS. 42C, 39A, and 39A). B), see FIG.

以上の工程により、基板1200の領域1207に形成されたp型のトランジスタ1274と、領域1208に形成されたn型のトランジスタ1275と、領域1209に形成されたn型のトランジスタ1276及び不揮発性メモリ素子1277とを具備する不揮発性半導体記憶装置を得ることができる。   Through the above steps, the p-type transistor 1274 formed in the region 1207 of the substrate 1200, the n-type transistor 1275 formed in the region 1208, the n-type transistor 1276 formed in the region 1209, and the nonvolatile memory element 1277 can be obtained.

本実施例では、実施例4及び実施例5において、ゲート電極として機能する導電層1224〜1227について図43を用いて説明する。ここでは、実施例4を用いて説明するが、実施例5に本実施例を適用することもできる。   In this embodiment, conductive layers 1224-1227 functioning as gate electrodes in Embodiments 4 and 5 will be described with reference to FIGS. Here, description will be made using the fourth embodiment, but the present embodiment can also be applied to the fifth embodiment.

本実施例においては、ゲート電極として機能する導電層1280a〜1280dは、それぞれ積層構造であり、金属窒化物からなる第1層1281〜1284及び金属から成る第2層1285〜1288を積層させた構造であり、第1層の端部が第2層の端部より外側に突き出した形状である。このとき第1層を金属窒化物とすることで、バリアメタルとすることができる。すなわち、第2層の金属元素が、ゲート絶縁膜として機能する絶縁層やその下層の基板1200に拡散することを防ぐことができる。   In this embodiment, the conductive layers 1280a to 1280d functioning as gate electrodes have a stacked structure, and a structure in which first layers 1281 to 1284 made of metal nitride and second layers 1285 to 1288 made of metal are stacked. The end of the first layer protrudes outward from the end of the second layer. At this time, a barrier metal can be formed by using a metal nitride for the first layer. In other words, the metal element of the second layer can be prevented from diffusing into the insulating layer functioning as the gate insulating film and the substrate 1200 below the insulating layer.

このような形状の導電層1280a〜1280dをゲート電極として用いると、基板1200の領域1207〜1209に不純物元素を導入することによって、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1238〜1240を形成すると同時に、LDD領域を形成する低濃度不純物領域1241〜1244を形成することができる。即ち、第2層の端部より外側に突き出た第1層の領域が、低濃度不純物領域のマスクとして機能する。このため、工程数を削減することが可能であり、スループットを向上させることができる。   When the conductive layers 1280a to 1280d having such shapes are used as gate electrodes, impurity elements 1238 to 1240 functioning as a source region or a drain region are formed at the same time by introducing an impurity element into the regions 1207 to 1209 of the substrate 1200. , Low concentration impurity regions 1241 to 1244 for forming LDD regions can be formed. That is, the first layer region protruding outward from the end of the second layer functions as a mask for the low concentration impurity region. For this reason, the number of steps can be reduced, and the throughput can be improved.

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44(A))。高周波回路810はアンテナ890より信号を受信して、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り、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. 44A). The high-frequency circuit 810 is a circuit that receives a signal from the antenna 890 and outputs the signal received from the data modulation circuit 860 from the antenna 890, and the power supply circuit 820 is a circuit that generates a power supply potential from the received signal, and a reset circuit 830. Is a circuit that generates a reset signal, the clock generation circuit 840 is a circuit that generates various clock signals based on the reception signal input from the antenna 890, and the data demodulation circuit 850 demodulates the reception signal to control the 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を通った信号およびクロック発生回路840を通った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, the signal passing through the reset circuit 830 and the demodulated signal passing through the clock generation circuit 840 are sent to the control circuit 870 via the high frequency circuit 810. 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として、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。   In addition, the semiconductor device 800 may be a type in which the power supply voltage is supplied to each circuit by an electromagnetic wave without mounting a power supply (battery), or each power supply (battery) is mounted and electromagnetic waves and the power supply (battery) are used. The circuit may be a type that supplies a power supply voltage to the circuit.

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44(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44(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. 44B). 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. 44C). 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.

また、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、ビデオカメラや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45に示す。   In addition, 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45(A)、(B)は、デジタルカメラを示している。図45(B)は、図45(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、シャッターボタン2115などを有する。また、取り出し可能な不揮発性のメモリ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メモリ部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当該メモリ部2116に適用することができる。   45A and 45B show a digital camera. FIG. 45B 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 button 2115, and the like. In addition, a removable nonvolatile memory 2116 is provided, and data captured by the digital camera is stored in the memory unit 2116. A nonvolatile semiconductor memory device formed using the present invention can be applied to the memory portion 2116.

また、図45(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のメモリ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、音楽データ等をメモリ2125部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当該メモリ部2125に適用することができる。   FIG. 45C 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 memory 2125 and played back. A nonvolatile semiconductor memory device formed using the present invention can be applied to the memory portion 2125.

また、図45(D)は、デジタルオーディオ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45(D)に示すデジタルオーディオプレーヤーは、本体2130、表示部2131、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。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20〜200ギガバイト(GB)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、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. 45D illustrates a digital audio player, which is a typical example of an audio device. A digital audio player shown in FIG. 45D includes a main body 2130, a display portion 2131, a 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 memory portion 2132, a nonvolatile semiconductor memory device formed using the present invention can be used. For example, by using a NAND nonvolatile memory with a recording capacity of 20 to 200 gigabytes (GB) and operating the operation unit 2133, video and audio (music) can be recorded and reproduced. 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 memory portion 2132 may be removable.

また、図45(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、メモリ部2144等を含んでいる。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。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20〜200ギガバイト(GB)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、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. 45E 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, a memory portion 2144, and the like. 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 memory portion 2144, a nonvolatile semiconductor memory device formed using the present invention can be used. For example, by using a NAND nonvolatile memory with a recording capacity of 20 to 200 gigabytes (GB) and operating the operation key 2143, video and audio (music) can be recorded and reproduced. Note that the nonvolatile semiconductor memory device provided in the 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である。It is sectional drawing for demonstrating the main structures of the non-volatile semiconductor memory device based on this invention. 初期状態(電荷放出状態)における不揮発性メモリ素子のバンド図である。It is a band figure of the non-volatile memory element in an initial state (charge discharge state). 書き込み状態における不揮発性メモリ素子のバンド図である。It is a band figure of the non-volatile memory element in a writing state. 電荷保持状態における不揮発性メモリ素子のバンド図である。It is a band figure of the non-volatile memory element in a charge retention state. 消去状態における不揮発性メモリ素子のバンド図である。It is a band diagram of the nonvolatile memory element in the erased state. 不揮発性メモリ素子の書き込み及び読み出し動作を説明する図である。It is a figure explaining write-in and read-out operation of a non-volatile memory element. 不揮発性メモリ素子の消去動作を説明する図である。It is a figure explaining erase operation of a non-volatile memory element. 不揮発性メモリセルアレイの等価回路の一例を示す図である。It is a 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である。It is a 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である。It is a 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である。It is a figure explaining write-in operation of NAND type non-volatile 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である。It is a figure explaining erasure | elimination and read-out operation | movement 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素子のしきい値電圧の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the threshold voltage of a non-volatile memory element in the case of "0" with which charge was accumulate | stored, and the case of "1" erased. 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である。It is a figure which shows an example of the circuit block diagram of a non-volatile semiconductor memory device. プラズマ処理装置の構成を説明する図である。It is a figure explaining the structure of a plasma processing apparatus. 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である。It is a figure which shows an example of the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device of this 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である。It is a figure which shows an example of the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device of this 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である。It is a figure which shows an example of the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device of this 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である。It is a figure which shows an example of the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device of this 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である。It is a figure which shows an example of the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device of this 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である。It is a figure which shows an example of the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device of this 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である。It is a figure which shows an example of the upper surface of the non-volatile semiconductor memory device of this 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である。It is a figure which shows an example of the upper surface of the non-volatile semiconductor memory device of this 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である。It is a figure which shows an example of the upper surface of the non-volatile semiconductor memory device of this 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である。It is a figure which shows an example of the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device of this 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である。It is a figure which shows an example of the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device of this 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である。It is a figure which shows an example of the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device of this 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である。It is a figure which shows an example of the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device of this 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である。It is a figure which shows an example of the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device of this 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である。It is a figure which shows an example of the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device of this 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である。It is a figure which shows an example of the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device of this 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である。It is a figure which shows an example of the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device of this 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である。It is a figure which shows an example of the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device of this 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である。It is a figure which shows an example of the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device of this 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である。It is a figure which shows an example of the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device of this 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である。It is a figure which shows an example of the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device of this 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である。It is a figure which shows an example of the upper surface of the non-volatile semiconductor memory device of this 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である。It is a figure which shows an example of the upper surface of the non-volatile semiconductor memory device of this 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である。It is a figure which shows an example of the upper surface of the non-volatile semiconductor memory device of this 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である。It is a figure which shows an example of the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device of this 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である。It is a figure which shows an example of the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device of this 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である。It is a figure which shows an example of the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device of this 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である。It is a figure which shows an example of the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device of this invention. 本発明の不揮発性半導体記憶装置の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the non-volatile semiconductor memory device of this invention. 本発明の不揮発性半導体記憶装置の使用形態を示す図である。It is a figure which shows the usage condition of the non-volatile semiconductor memory device of this 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である。It is a figure which shows an example of the upper surface of the non-volatile semiconductor memory device of this invention. 不揮発性メモリ素子の書き込み及び読み出し動作を説明する図である。It is a figure explaining write-in and read-out operation of a non-volatile memory element. 不揮発性メモリ素子の消去動作を説明する図である。It is a figure explaining erase operation of a non-volatile memory element. 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である。It is a figure explaining erasure | elimination and read-out operation | movement of NAND type non-volatile memory.

Claims (2)

半導体領域と、
半導体領域の上方の第1の絶縁層と、
前記第1の絶縁層の上方の電荷蓄積層と、
前記電荷蓄積層の上方の第2の絶縁層と、
前記第2の絶縁層の上方の制御ゲート電極と、を有し、
前記電荷蓄積層は、水素を含有し、絶縁性を有するゲルマニウム化合物を有し、
前記制御ゲート電極は、金属と、前記金属と前記第2の絶縁層との間に設けられた金属窒化物と、を有することを特徴とする半導体装置。
A semiconductor region;
A first insulating layer above the semiconductor region;
A charge storage layer above the first insulating layer;
A second insulating layer above the charge storage layer;
A control gate electrode above the second insulating layer,
The charge storage layer includes a germanium compound containing hydrogen and having an insulating property,
The control gate electrode includes a metal and a metal nitride provided between the metal and the second insulating layer.
半導体領域と、
半導体領域の上方の第1の絶縁層と、
前記第1の絶縁層の上方の電荷蓄積層と、
前記電荷蓄積層の上方の第2の絶縁層と、
前記第2の絶縁層の上方の制御ゲート電極と、
前記半導体領域の端部を覆う第3の絶縁層と、を有し、
前記電荷蓄積層は、水素を含有し、絶縁性を有するゲルマニウム化合物を有し、
前記制御ゲート電極は、金属と、前記金属と前記第2の絶縁層との間に設けられた金属窒化物と、を有し、
前記第3の絶縁層は、前記第1の絶縁層及び前記第2の絶縁層とは異なる層であることを特徴とする半導体装置。
A semiconductor region;
A first insulating layer above the semiconductor region;
A charge storage layer above the first insulating layer;
A second insulating layer above the charge storage layer;
A control gate electrode above the second insulating layer;
A third insulating layer covering an end portion of the semiconductor region,
The charge storage layer includes a germanium compound containing hydrogen and having an insulating property,
The control gate electrode, possess a metal, and a metal nitride provided between said metal second insulating layer,
The third dielectric layer, wherein a different layer der Rukoto from the first insulating layer and said second insulating layer.
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