JPH031574A - Nonvolatile semiconductor memory device and manufacture thereof - Google Patents

Nonvolatile semiconductor memory device and manufacture thereof

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Publication number
JPH031574A
JPH031574A JP1135086A JP13508689A JPH031574A JP H031574 A JPH031574 A JP H031574A JP 1135086 A JP1135086 A JP 1135086A JP 13508689 A JP13508689 A JP 13508689A JP H031574 A JPH031574 A JP H031574A
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JP
Japan
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region
gate electrode
semiconductor memory
floating gate
semiconductor substrate
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Application number
JP1135086A
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Japanese (ja)
Inventor
Hitoshi Kume
久米 均
Tetsuo Adachi
哲生 足立
Tokuo Kure
久礼 得男
Yuzuru Oji
譲 大路
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To realize a stereoscopic element structure and to reduce the area of a memory cell by utilizing the sidewall or bottom of a groove formed on the surface of a semiconductor substrate as a channel region of the cell. CONSTITUTION:A thick gate oxide film 12 formed on the sidewall of a groove 25 formed on the surface of a P-type semiconductor substrate 11, a thin gate oxide film 13, a floating gate electrode 14, first and second interlayer oxide films 15, 16 formed on the surface of the substrate 11 and the electrode 14, a control gate electrode 17 having a shape buried partly in the groove 25 for controlling the potential of the electrode 14 by a capacitance coupling, a N<+> type semiconductor region 18 and a N-type semiconductor region 20 (source region) provided on the surface of the substrate, a N<+> type semiconductor region 19 (drain region) formed in the bottom of the groove 25, and a P-type semiconductor region 21 (drain shield) are provided. A part between the drain region and the source region of the sidewall and bottom of the groove 25 becomes a channel region of a transistor.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention] 【産業上の利用分野】[Industrial application field]

本発明は半導体装置に係り、特に微細なセル面積と電気
的書替機能を兼ね備えた浮遊ゲート型不揮発性メモリセ
ルの構造と製造方法に関する。
The present invention relates to a semiconductor device, and particularly to a structure and manufacturing method of a floating gate type nonvolatile memory cell that has both a small cell area and an electrical rewrite function.

【従来の技術l 従来、記憶内容を書き換えることができる不揮発性半導
体記憶装置としては、EPROMとE2PROMが広く
用いられてきた。 上記のEPROMは高集積大容量とそれに伴う低コスト
を、E”FROMは記憶内容を電気的に(すなわち機器
に実装した状態で)1ビツト毎に書き替えることができ
る高機能(使い易さ)をそれぞれ特徴としてきたが、こ
れら両者の特徴を兼ね備えた不揮発性半導体記憶装置に
対する要求は強い。そしてフラッシュ型E”FROMは
、電気的書替機能が消去に関してチップー括(あるいは
ブロックー括)に限定されることを除けば,この要求を
満たすものとして位置付けられ、これを実現するための
新しい構造のメモリ素子が数多く提案,実用化されてい
る。 例えば、特開昭62−276878号公報において開示
されているF A S T (Floating Ga
teAsymmetric Source/ Drai
n工unnel Oxide)型メモリ素子は、その代
表的なものである。このメモリ素子は、FAMOS型メ
モリ素メモリ素子1素子/ビツトの浮遊ゲート型電界効
果トランジスタ蛸造を有しており、高集積性に優れてい
る。 上記の素子における書き込みはFAMOS型と同じくホ
ットエレクトロン注入を用いて行なわれる。一方、チッ
プー括の電気的消去は、従来のE”FROMと同様に、
電子のトンネル現象を利用して行なわれる。具体的には
,制御ゲート電極ならびに半導体基板を接地した状態で
ソース領域に正の高電圧を印加し、浮遊ゲート電極とソ
ース領域間のゲート酸化膜にIOMV/am以上の高電
界を印加することにより、浮遊ゲート電極に蓄えられた
電子をソース領域にトンネル放出させる。 このとき、浮遊ゲート電極下のゲート酸化膜を全面にわ
たって薄膜化する(トンネル酸化膜にする)とともに、
浮遊ゲート電極とソース領域の重なり部分を同領域の拡
散、回り込みによって自己整合的に形成しているため、
電子がトンネルする領域を極めて小さくできるのが、F
AST型の特徴である。この結果、浮遊ゲート電極と制
御ゲート電極の重なり面積を意識的に大きく取らなくて
も、外部から印加した電圧を効率的にトンネル酸化膜に
加えることが可能となる。すなわち、セルの微細性を損
なうことなく低電圧での電気的消去が実現される。 なお、FAST型メモリ素子においては、書き込みをド
レイン側、消去をソース側で行うため、各々の接合プロ
ファイルは、個別に最適化されている。すなわち、ドレ
イン接合には書き込み効率を高めるための電界集中型プ
ロファイルを用いる一方、ソース接合には消去時に高電
圧が印加可能な電界緩和型プロファイルを採用している
。こうした構造はソース、ドレイン非対称構造と呼ばれ
ている。 (発明が解決しようとする課題] 上記FAST型メモリ素子を用いた従来技術においては
、以下の三つの点が問題であった。 第一の問題点は、消去動作を行なう際、ソースから半導
体基板に寄生的なリーク電流が流れることである。これ
は、ゲート酸化膜が浮遊ゲート電極全面にわたって均一
に薄膜化されているため、浮遊ゲート電極とオーバーラ
ツプしたソース領域表面でバンド間トンネルによって発
生した電子、正孔対のうち、正孔が半導体基板側に流れ
出してしまうことによるものであり、本質的な現象であ
る。この正孔リーク電流の存在は消去動作時の消費電流
を著しく増加させるため、−括して同時に消去を行なえ
るメモリのビット数が制限される。 また、正孔が半導体基板側に取り去られることにより、
ソース領域表面では、バンド間トンネルの原因となるデ
ィープデプレション状態が消去動作の間中、定常的に続
くため、これに伴うゲート酸化膜(トンネル酸化膜)へ
の正孔注入、捕獲が無視できなくなり、消去動作の制御
性、信頼性が損なわれる。 第二の問題点は、同じくゲート酸化膜が浮遊ゲート電極
全面にわたって均一に薄膜化されているため、アレー状
に配置されたメモリ素子の一つを選択して書込動作を行
なう際、そのセルと同一データ線に接続された他のメモ
リ素子のしきい値電圧が低下する、いわゆるドレインデ
イスターブ現象が顕著になることである。 すなわち、ドレイン領域側のゲート電極端部においても
ゲート酸化膜が薄膜化されているため、データ線のみ書
込電圧が印加される、いわゆる半選択時に、ドレイン領
域端部での電界強度が著しく高まり、無視できないアバ
ランシェが起こる。 ここで発生したホットホールの一部が半導体基板から浮
遊ゲート電極へ注入されることにより、しきい値電圧が
低下する。また、データ線に印加される書込電圧によっ
て、浮遊ゲート電極からドレイン領域に電子が1〜ンネ
ル放出されるモードも無視できなくなる。 第三の問題点は、上記従来のFAST型メモリ素子にお
いては、素子はあくまでも平面的に配置されているため
、セル面積の微細化には自ずと限界があるという事実で
ある。 本発明の第一の目的は、従来のFAST型メモリ素子よ
りもセル面積が小さい、電気的に書替可能な不揮発性メ
モリ素子の構造ならびに製造方法を提供することにある
。 本発明の第二の目的は、従来のFAST型メモリ素子に
比べて消去動作時の消費電流(リーク電流)が小さく、
かつ、消去動作の制御性、信頼性に優れた、電気的に書
替可能な不揮発性メモリ素子の構造ならびに製造方法を
提供することにある。 本発明の第三の目的は、従来のFAST型メモリ素子の
電気的消去特性を損なうことなく、ドレインデイスター
ブ耐性が改善された、電気的に書替可能な不揮発性メモ
リ素子の構造ならびに製造方法を提供することにある。 【課題を解決するための手段】 上記第−の目的は、半導体基板表面に設けられた段差、
溝、穴のいずれかの側壁部あるいは底部をメモリ素子の
チャンネル領域として利用することによって達成される
。 また、上記第二、第三の目的は、ゲート絶縁膜の膜厚を
、上記側壁部で浮遊ゲート電極がソース領域あるいはド
レイン領域のいずれか一方とオーバーラツプする領域に
おいて、電子のトンネルに適した膜厚にまで局所的に薄
膜化することによって達成される。この際、上記の局所
的に薄膜化される領域は、上記のオーバーラツプする領
域のうちの所定の部分のみ、すなわちソースあるいはド
レイン高濃度領域の内側に限定して存在させる必要があ
る。このようにオーバーラツプ部分全体のうちの一部の
所定部分のみに薄膜化領域を存在させることを、以下、
′薄膜化領域を局在化させる″と表現する。 なお、上記ゲート絶縁膜の薄膜化された部分の膜厚は5
nm以上15nm以下程度とするのが望ましく、一方、
薄膜化されていない部分の膜厚は15nmより大で11
00n以下程度とするのが望ましい。
[Prior Art 1] Conventionally, EPROM and E2PROM have been widely used as nonvolatile semiconductor memory devices whose memory contents can be rewritten. The above-mentioned EPROM has a high degree of integration, large capacity, and the accompanying low cost, while the E"FROM has a high function (easy to use) that allows the memory contents to be rewritten bit by bit electrically (that is, while installed in the device). However, there is a strong demand for a non-volatile semiconductor memory device that has both of these characteristics.Flash type E"FROM has an electrical rewrite function that is limited to chip-based (or block-based) erasing. However, many memory elements with new structures have been proposed and put into practical use to meet this requirement. For example, Floating Ga
teAsymmetric Source/ Drai
A typical example of this type of memory device is an oxide (n-type) memory element. This memory element has a floating gate field effect transistor structure of FAMOS type memory element and one memory element/bit, and is excellent in high integration. Writing in the above element is performed using hot electron injection as in the FAMOS type. On the other hand, chip-to-chip electrical erasing is similar to the conventional E"FROM,
This is done using the electron tunneling phenomenon. Specifically, a high positive voltage is applied to the source region with the control gate electrode and the semiconductor substrate grounded, and a high electric field of IOMV/am or more is applied to the gate oxide film between the floating gate electrode and the source region. As a result, electrons stored in the floating gate electrode are tunnel-emitted to the source region. At this time, while thinning the gate oxide film under the floating gate electrode over the entire surface (making it a tunnel oxide film),
Because the overlapping portion of the floating gate electrode and source region is formed in a self-aligned manner by diffusion and wrapping in the same region,
F can make the area where electrons tunnel extremely small.
This is a characteristic of the AST type. As a result, an externally applied voltage can be efficiently applied to the tunnel oxide film without intentionally increasing the overlapping area between the floating gate electrode and the control gate electrode. That is, electrical erasing at low voltage can be achieved without impairing the fineness of the cell. Note that in a FAST type memory element, writing is performed on the drain side and erasing is performed on the source side, so each junction profile is individually optimized. That is, an electric field concentration type profile is used for the drain junction to increase writing efficiency, while an electric field relaxation type profile is used for the source junction to which a high voltage can be applied during erasing. Such a structure is called a source-drain asymmetric structure. (Problems to be Solved by the Invention) In the conventional technology using the above-mentioned FAST type memory element, there were the following three problems.The first problem is that when performing an erase operation, the semiconductor substrate is This is because the gate oxide film is thinned uniformly over the entire surface of the floating gate electrode, so electrons generated by band-to-band tunneling on the surface of the source region that overlaps with the floating gate electrode. This is due to the hole out of the hole pair flowing out to the semiconductor substrate side, and is an essential phenomenon.The existence of this hole leakage current significantly increases the current consumption during erase operation. - The number of memory bits that can be erased simultaneously is limited. Also, as holes are removed to the semiconductor substrate side,
On the source region surface, the deep depletion state that causes band-to-band tunneling continues steadily throughout the erase operation, so the accompanying hole injection and trapping into the gate oxide film (tunnel oxide film) cannot be ignored. As a result, the controllability and reliability of the erase operation are impaired. The second problem is that the gate oxide film is thinned uniformly over the entire surface of the floating gate electrode, so when one of the memory elements arranged in an array is selected for a write operation, the cell The so-called drain disturb phenomenon, in which the threshold voltages of other memory elements connected to the same data line decrease, becomes noticeable. In other words, since the gate oxide film is also thinned at the end of the gate electrode on the drain region side, the electric field strength at the end of the drain region increases significantly during so-called half-selection, when a write voltage is applied only to the data line. , an avalanche occurs that cannot be ignored. A portion of the hot holes generated here are injected from the semiconductor substrate into the floating gate electrode, thereby lowering the threshold voltage. Furthermore, a mode in which electrons are emitted from the floating gate electrode to the drain region due to the write voltage applied to the data line cannot be ignored. The third problem is the fact that in the above-mentioned conventional FAST type memory element, since the elements are arranged in a plane, there is naturally a limit to miniaturization of the cell area. A first object of the present invention is to provide a structure and manufacturing method for an electrically rewritable nonvolatile memory element that has a smaller cell area than a conventional FAST type memory element. A second object of the present invention is to reduce current consumption (leakage current) during erase operation compared to conventional FAST type memory elements.
Another object of the present invention is to provide a structure and manufacturing method of an electrically rewritable nonvolatile memory element that has excellent controllability and reliability in erasing operations. A third object of the present invention is to provide a structure and manufacturing method for an electrically rewritable nonvolatile memory element that has improved drain disturb resistance without impairing the electrical erase characteristics of conventional FAST memory elements. Our goal is to provide the following. [Means for Solving the Problems] The above-mentioned objective is to solve the problem by
This is achieved by using the sidewall or bottom of either the trench or the hole as the channel region of the memory element. The second and third objectives are to adjust the thickness of the gate insulating film to a film suitable for electron tunneling in the region where the floating gate electrode overlaps either the source region or the drain region at the sidewall portion. This is achieved by locally thinning the film down to a thick layer. At this time, the locally thinned region needs to be present only in a predetermined portion of the overlapping region, that is, inside the high concentration source or drain region. Hereinafter, the existence of a thin film region only in a predetermined portion of the entire overlap region will be described below.
It is expressed as 'localizing the thinned region.' The thickness of the thinned part of the gate insulating film is 5.
It is desirable that the thickness be about 15 nm or more, and on the other hand,
The thickness of the part that has not been thinned is greater than 15 nm and is 11
It is desirable to set it to about 00n or less.

【作 用】[For use]

半導体基板表面に設けられた段差、溝、穴のいずれかの
側壁部あるいは底部をメモリ素子のチャンネル領域とし
て活用することにより、立体的な素子構造を実現するこ
とが可能となり、セル面積を縮小することができる。 また、後記第15図において詳述するごとく、上記側壁
部のゲート絶縁膜を、浮遊ゲート電極とソース領域(あ
るいはドレイン領域)がオーバーラツプする部分で局所
的に薄膜化し、かつ、この薄膜化領域を上記ソース(あ
るいはドレイン)高濃度領域の内側に局在化させること
により、消去動作時に半導体基板に流れるリーク電流を
除去することができる。これは、バンド間トンネルによ
って発生する正孔(ソース領域が浮遊ゲート電極とオー
バーラツプする部分で発生する)が、半導体基板側に流
れ出さなくなるためである。このことは、消去動作をト
ンネル消去本来の低消費電流で行うことを可能にすると
共に、ゲート酸化膜中への望ましくない正孔注入、捕獲
現象を防止し、消去動作の制御性、信頼性確保を可能に
する。 更に、ホットエレクトロン注入書込みが行われるドレイ
ン領域(あるいはソース領域)側ではゲート酸化膜厚が
厚くなるので、ドレインにのみ書込高電圧が印加される
半選択状態で引き起こされる望ましくない電界集中が緩
和される。この結果、しきい値電圧変動を引き起こす電
子のトンネル放出、および正孔発生、注入が抑制され、
ドレイン半選択デイスターブが問題とならなくなる。 こうして、従来はトレードオフの関係にあった消去特性
ならびにドレイン半選択デイスターブ耐性の改善が同時
に実現される。
By utilizing the sidewall or bottom of a step, groove, or hole provided on the surface of a semiconductor substrate as a channel region of a memory element, it becomes possible to realize a three-dimensional element structure and reduce the cell area. be able to. In addition, as will be described in detail in FIG. 15 below, the gate insulating film on the sidewall is locally thinned at the portion where the floating gate electrode and the source region (or drain region) overlap, and this thinned region is By localizing the source (or drain) inside the high concentration region, leakage current flowing to the semiconductor substrate during erasing operation can be removed. This is because holes generated by band-to-band tunneling (generated in the portion where the source region overlaps the floating gate electrode) no longer flow toward the semiconductor substrate. This makes it possible to perform the erase operation with the low current consumption inherent to tunnel erase, and also prevents undesirable hole injection and trapping phenomena into the gate oxide film, ensuring controllability and reliability of the erase operation. enable. Furthermore, since the gate oxide film is thicker on the drain region (or source region) side where hot electron injection programming is performed, undesirable electric field concentration caused in a half-selected state where a high programming voltage is applied only to the drain is alleviated. be done. As a result, electron tunneling and hole generation and injection, which cause threshold voltage fluctuations, are suppressed.
Drain half-select day starving is no longer a problem. In this way, improvements in erasing characteristics and drain half-selection disturb resistance, which have conventionally been in a trade-off relationship, can be simultaneously achieved.

【実施例】【Example】

(実施例1) 以下1本発明の第一の実施例を第1図乃至第15図を用
いて説明する。 第1図は本実施例のメモリセル4ビツト分の断面図、第
2図はその平面図(ただし8ビット分)、第3図は上記
メモリセルを用いたメモリセルアレーおよび周辺回路の
構成図、第4図乃至第9図、および第11図乃至第13
図は上記メモリセルの製造工程における第1図と同一部
分(第2図に示した平面図のA−A’部)の断面図、第
10図はメモリセルの製造工程における第2図と同一部
分の平面図、第14図は第2図に示した平面図のB−B
’部の断面図、そして第15図は本実施例における消去
動作時の接合リーク電流低減機構を説明するためのメモ
リセル内部のポテンシャル図である。 まず、第3図を用いて、メモリセルアレー回路の動作の
概略を説明する。 第3図において、31はワード線WLを選択するXデコ
ーダ、34はワード線駆動回路、32はデータ線DLお
よびソース線SLを選択するYデコーダ、33は読出、
書込、消去回路である。またQmはメモリセルであり、
浮遊ゲート電極と制御ゲート電極を有する絶縁ゲート型
電界効果トランジスタ1素子からなっている。制御ゲー
ト電極はワード線WLに接続されている。また、ドレイ
ン領域はデータ線DLに、ソース領域はソース線SLに
それぞれ接続されている。 アレー構成は、いわゆる仮想接地方式となっており、続
出、書込動作時にはデータ線に加えてソース線も選択す
ることが必要になる。すなわち、選択されたソース線に
は回路の接地電圧Vss、たとえばOvを印加し、非選
択ソース線は書込動作時にはソース線1本毎に分離して
電気的に開放状態にし、また読出動作時には後述する読
出データ線電位と同電位にする。一方、消去動作時には
。 すべてのソース線に消去電圧Vpp(IE)、たとえば
12Vを印加する。この時、チップ上の全ビットが一括
して同時に消去される。 データ線DLに関しては、書込動作時には選択されたデ
ータ線に所定の書込電圧V pp (VD) (たとえ
ば6V)を印加する。この時、非選択データ線は接地電
位Vssに保つ。読出動作時には全てのデータ線に所定
の続出電圧(たとえばIV)を同時に印加する。また、
消去動作時には、すべてのデータ線をYデコーダのとこ
ろで1本ごとに分離して電気的に開放状態とし、消去動
作の進行に伴いソース領域からドレイン領域へ無用なチ
ャネル電流が流れるのを防止する。 ワード線WLに関しては、続出、書込動作時には選択さ
れたワード線に所定の続出電圧(たとえば5v)、書込
電圧Vpp(VW) (たとえば12v)をそれぞれ印
加する。この時、非選択ワード線は接地電位Vssに保
たれる。一方、消去動作時には、すべてのワード線を接
地電圧Vssとする。 次に、第1図と第2図を用いて、本実施例によるメモリ
セルの構造と特徴について述べる。 メモリセルである絶縁ゲート型電界効果トランジスタは
、P−型半導体基板11の表面に設けた溝25の側壁に
形成された厚いゲート酸化膜12)薄いゲート酸化膜1
3.浮遊ゲート電極14)基板11と浮遊ゲート電極1
4の表面に形成された第一の眉間酸化膜15、および第
二の眉間酸化膜16、一部が溝25の中に埋め込まれた
形状を有し、容量結合で浮遊ゲート電極14の電位を制
御する制御ゲート電極1。7)基板表面に設けられたn
十型半導体領域18とn型半導体領域20(ソース領域
)、溝25の底面に形成されたn十型半導体領域19(
ドレイン領域)、p型半導体領域21(ドレインシール
ド)から構成されている。 上記のゲート酸化膜12及び13は、いずれも半導体基
板11の熱酸化による酸化シリコン膜からなり、薄い部
分13で10nm程度、厚い部分12で30nm程度の
膜厚を有している。そして薄いゲート酸化膜13を挾ん
でn÷型半導体領域18(ソース領域)と浮遊ゲート電
極14とが対向しており、この領域が電子のトンネル領
域となる。薄いゲート酸化膜13は、溝側壁の深さ方向
に0.2μmはど拡がっている。なお、この薄いゲート
酸化膜の部分は、n十型半導体領域18の内側の部分に
のみ局在化しており、n型半導体領域2oの部分にはみ
出してはいない。 第一、第二の層間酸化膜15および16は、半導体基板
11(単結晶シリコン)あるいは浮遊ゲート電極14(
多結晶シリコン)表面を熱酸化した酸化シリコン膜から
なり、それぞれ100 n、 m程度および20〜30
nm程度の膜厚を有している。 制御ゲート電極17はたとえば2層目の多結晶シリコン
膜からなり、その一部は溝25内に埋め込まれて容量結
合で浮遊ゲート電極の電位を制御する機能を果たすと共
に、ワード線WLと一体となって基板表面上に延在して
いる。 n十型半導体領域19は0.2μm程度の接合深さを有
し、メモリトランジスタのドレインとして働くと共に、
溝25の底面に沿ってデータ線を形成する。この拡散層
データ線は、第三の眉間絶縁膜22の上を並行して走る
アルミニウムデータ線23に接続される。 また、上記ドレイン領域を覆うように、p型半導体領域
21が形成されており、消去動作時のパンチスル防止お
よび書込動作時のチャネルホットエレクトロン注入効率
向上を実現している。p型半導体領域21のキャリア濃
度は、n十型半導体領域19との接合面において5 X
 10”/a m’程度であり、0.4μm程度の深さ
まで拡がっている。 また、n十型半導体領域18およびn型半導体領域20
はメモリトランジスタのソースとして働くと共に、基板
表面の溝25とその隣の溝との間にあってソース線を形
成する。この拡散層ソース線は、第三の眉間絶縁膜22
の上を並行して走るアルミニウムソース線24に接続さ
れる。 上記のn十型半導体領域18の接合深さは0.3μm程
度であり、薄いゲート酸化膜12(電子のトンネル領域
)が形成された溝25の側壁部は完全にn÷型半導体領
域18でカバーされている。 一方、n型半導体領域20は、n十型半導体領域18と
P−型半導体基板11の間に介在するように設けられて
おり、ソース接合の破壊耐圧を高める働きをしている。 n型半導体領域20のキャリア濃度は、n十型半導体領
域18との界面においてI X 1019/a m3程
度、その接合深さは0゜5μm程度であり、この時の接
合破壊耐圧は17Vを超える。 そして、溝25の側壁および底部のうち、上記ドレイン
領域とソース領域の間の部分がトランジスタのチャネル
領域となる。 第三の層間酸化膜22は、たとえば燐硅酸ガラス(PS
G)膜からなり、制御ゲート電極17(ワード線WL)
とアルミニウムデータ線23.ソース線24の間の層間
絶縁膜として働く。 メモリセルへの記憶情報の書込、消去および読出動作は
、既に第3図で説明した電圧を各領域にそれぞれ印加す
ることによって行われる。 まず、書込では、ドレイン領域のn十型半導体領域19
のチャネル側端部で発生するホットキャリアのうち、一
部のホットエレクトロンが浮遊ゲート電極14に注入さ
れ、制御ゲート電極17から見たしきい値電圧が高くな
る。 一方、消去では、浮遊ゲート電極14に保持されている
電子が、薄いゲート酸化膜13を通してソース領域の一
部であるn十型半導体領域18にトンネル放出され、制
御ゲート電極17から見たしきい値電圧は低くなる。 また、続出は、上記書込状態と消去状態のしきい値電圧
の差異をチャネル電流の差として検出することによって
行われる。 なお、消去動作の際に、メモリトランジスタのしきい値
電圧が1v程度になったところで消去を自動的に停止す
る制御回路をチップ上に設けることにより、1素子/ビ
ツト型のフラッシュE”FROMが実現される。 (製造方法) 次に、第4図から第14図を用いて、上記メモリセルの
製造方法について説明する。 第4図に示すように、p−型半導体基板11の主表面上
に熱酸化によって表面酸化膜41を成長させた後、ホト
レジスト膜パターン42をマスクにして、上記基板11
の表面に幅1μm、深さ1μmの溝25を2μmピッチ
で形成する。溝25形成後、ホトレジスト膜パターン4
2および表面酸化膜41は除去する。 次に、第5図に示すように、基板11の表面および溝2
5の側面と底面に、熱酸化によって厚いゲート酸化膜1
2′を成長させた後、溝25内にエッチバックの手法を
用いてホトレジスト膜43を埋め込む。 次に、上記ホトレジスト膜43をマスクにして、基板1
1表面および溝25側壁の厚いゲート酸化膜12′をウ
ェットエツチングの手法によってエツチングし、第6図
に示すように、基板11表面からおよそ0.2μmの深
さまで溝25側壁の厚いゲート酸化膜12′を除去する
。このウェットエツチング後、溝25内に埋め込まれた
ホトレジスト膜43は除去する。 次に、第7図に示すように、厚いゲート酸化膜12′を
除去した基板11表面および溝25側壁に、熱酸化によ
って10nmの薄いゲート酸化膜13を再び成長させる
。この時、溝25の側壁下部および底面に残っていた厚
いゲート酸化膜12′も厚さを増し、最終的に30nm
の厚いゲート酸化膜12となる。 次に、第8図に示すように、上記ゲート酸化膜12およ
び13の表面に、化学気相堆積法(CVD法)により、
厚さ250nmの多結晶シリコン膜14′を堆積させる
。続いて、熱拡散、あるいはイオン打ち込み等によって
上記多結晶シリコン膜14′にn型不純物、例えばリン
(P)を高濃度(I X 10”/ c m3以上)に
添加し、シート抵抗として1にΩ/口程度以下の導電性
を持たせる。 次に、第9図に示すように、多結晶シリコン膜14′全
面に異方性ドライエツチングを施し、実効的な膜厚が厚
く見える溝25の側壁に沿って多結晶シリコン膜14′
を残す。この時、下地のゲート酸化膜12.13に対す
る上記異方性ドライエツチングの選択比は10以上であ
った。 第10図は、溝25の側壁に沿って加工された多結晶シ
リコン膜14′を示す平面図である。基板11表面およ
び溝25底面部の多結晶シリコン膜は完全に取り除かれ
ている。また、多結晶シリコン膜14′は、後の工程で
制御ゲート電極と同時にもう一度加工を施され、最終的
に浮遊ゲート電極14となる。 次に、第11図に示すように、熱酸化によって多結晶シ
リコン膜14′の表面を20nm程度の酸化膜で覆った
後、ホトレジストによるマスキング工程とイオン打ち込
み工程を繰返し用いて、基板11表面には砒素(As)
5X101s/cm”とリン(P) 4 X 10”/
 c m”を、また溝25底面には砒素(As)IXI
O”/cm2と硼素(B)IX1014/ 0m2をそ
れぞれ選択的に導入する。これに続いて1000℃、6
0分間の高温熱処理を行なうことにより、ソース領域を
構成するn生型半導体領域18とn型半導体領域20、
ドレイン領域を構成するn串型半導体領域19)および
ドレイン領域をシールドするp型半導体領域21がそれ
ぞれ形成される。 上記のように、n生型半導体領域18等を形成する工程
の前に、ゲート酸化膜12.13を形成する工程を行な
う順序とすることにより、不純物を添加する前の基板か
らゲート酸化膜を形成することが出来、それによって良
質なゲート酸化膜を得ることが出来る。 次に、CVD法で堆積した厚さ50nmの窒化シリコン
膜を異方性ドライエツチングによって加工し、多結晶シ
リコン膜14′の側壁にのみ上記窒化シリコン膜を残す
。この窒化シリコン膜をマスクとして熱酸化を行うこと
により、第12図に示すように、基板11表面および溝
25の底面に第一の眉間酸化膜15を成長させる。この
第一の層間酸化膜15の膜厚は1100nとする。さら
に、上記窒化シリコン膜を熱リン酸によって除去した後
、再度熱酸化を行ない、多結晶シリコン膜14′の側壁
に厚さ25nmの第二の層間酸化膜16を成長させる。 次に、第13図に示すように、上記第一、第二の層間酸
化膜表面に、2層目の多結晶シリコン膜17’をCVD
法によって堆積させる。この膜厚は300nmとする。 次に、熱拡散あるいはイオン打ち込み等によって上記多
結晶シリコン膜17′にn型不純物、例えばリン(P)
を高濃度(lx102o/cm3以上)に添加した後、
ホトレジスト膜パターンをマスクとして異方性ドライエ
ツチングによる加工を行ない、第1図および第2図に示
す制御ゲート電極17(ワード線WL)を形成する。ま
た、制御ゲート電極17の加工に続いて、同じホトレジ
スト膜パターンをマスクとして多結晶シリコン膜14′
の加工を行ない、1ビツトごとに分離された浮遊ゲート
電極14を形成する。 次に、CVD法によって燐硅酸ガラス(PSG)膜を堆
積し、第三の層間酸化膜を形成する。続いて、第2図に
示すように、基板11表面のソース領域および溝25底
面のドレイン領域の上にコンタクトホール26を形成す
る。 次に、第14図に示すように、コンタクトホールにタン
グステンを埋め込んでメタルプラグ26を形成し、n生
型半導体領域18および19に対して電極の取り出しを
行う。最後に、アルミニウム膜の堆積、加工を行い、ア
ルミニウムデータ線23およびアルミニウムソース線2
4を形成して、メモリセルの製造工程を終了する。 以上述べた本実施例によれば、次の効果を得ることがで
きる。 (1)半導体基板表面に設けた溝の側壁をトランジスタ
のチャネルとして利用することにより、セル構造が三次
元化され、従来のFAST型メモダメモリセルて微細な
メモリセルが実現される。 例えば、0.5μmレベルのプロセス技術を用いた場合
、1ビツトあたりのセル面積はおよそ2μm2になる。 (2)電子をトンネルさせる薄いゲート酸化膜がソース
領域を構成するn÷型半導体領域の内側に設けられ、同
じn生型半導体領域の端部ではゲート酸化膜が厚くなる
ため、第15図に示すように、n÷型半導体領域6(第
1図の18に相当)と浮遊ゲート電極3(第1図の14
に相当)とのオーバーラツプ領域(両者が対向する部分
)のうち、厚いゲート絶縁膜2(第1図の12に相当)
の部分では側壁表面が反転状態とならない。そしてこの
領域が正孔に対するエネルギー障壁として働き、薄いゲ
ート絶縁膜2′(第1図の13に相当)の部分でバンド
間トンネル(band −to −bandtunne
ling )によって発生した正孔がP−型半導体基板
1へ流れだすのを防止することができる。 その結果、消去動作時のn生型半導体領域・基板間リー
ク電流が著しく低減され(1セルあたり1pA以下)、
消去動作をトンネル消去本来の低消費電流で行うことが
可能となる。更に、上記正孔がP−型半導体基板1に流
れ出すことなく薄いゲート絶縁膜2′の下に蓄積される
ことにより、正孔発生の原因となったディープデプレッ
ション状態が直ちに解消される。このことにより、ゲー
ト酸化膜中への望ましくない正孔注入、捕獲現象を抑制
し、消去動作の制御性、信頼性確保が可能となる。 (3)書込動作を行うドレイン領域側では、ソース側の
トンネル領域とは独立にゲート酸化膜厚を厚くできるた
め、消去速度を損なうことなく書込半選択時のドレイン
デイスターブ耐性が改善される。この結果、書込ドレイ
ン電圧の設計余裕度を拡げることが可能となる。 (4)薄いゲート酸化膜の拡がりがウェットエツチング
の時間によって決まるため、チップ内、チップ間、ウェ
ハ間、ロット間を通じて、該拡がりとn生型半導体領域
との関係を精度よく制御することが可能となる。 (5)電子をトンネルさせる薄いゲート酸化膜は低濃度
半導体基板を酸化して形成しているため、界面および膜
中のトラップが少ない。このことは、書替動作の信頼性
を高めるのに有効である。 (実施例2) 以下、本発明の第二の実施例を第16図乃至第18図を
用いて説明する。 第16図および第17図は本実施例のメモリセル2ビツ
ト分の断面図、第18図はその平面図(ただし4ビツト
分)である。なお、第16図は第18図のA−A’部に
、また第17図は第18図のB−B’部にそれぞれ対応
している。 上記メモリセルを用いたメモリセルアレーおよび周辺回
路の構成図およびその動作は実施例1の第3図の場合と
同様であり、ここでは説明しない。 以下、第16図乃至第18図を用いて、本実施例による
メモリセルの構造と特徴について述べる。 メモリセルである絶縁ゲート型電界効果トランジスタは
、P−型半導体基板51表面に設けた溝65の側壁に形
成された薄いゲート酸化膜53)側壁および底面に形成
された厚いゲート酸化膜52)浮遊ゲート電極54.基
板51の表面に形成された第一の眉間酸化膜55、浮遊
ゲート電極54の表面に形成された第二の眉間酸化膜5
6、容量結合で浮遊ゲート電極54の電位を制御する制
御ゲート電極5。7)溝65に接して基板51の表面に
形成されたn十型半導体領域58とn型半導体領域60
(ソース領域)、n十型半導体領域59(ドレイン領域
)、およびP型半導体領域(ドレインシールド)から構
成されている。 ゲート酸化膜52及び53は、いずれも半導体基板51
の熱酸化による酸化シリコン膜からなり、薄い部分53
では10nm程度、厚い部分52では30nm程度の膜
厚を有している。そして薄いゲート酸化膜53を挾んで
n十型半導体領域58と浮遊ゲート電極54とが対向し
ており、この領域が電子のトンネル領域となる。なお、
薄いゲート酸化膜53は、溝側壁の深さ方向に0.2μ
mほど拡がっている。 第一、第二の層間酸化膜55および56は、半導体基板
51(単結晶シリコン)あるいは浮遊ゲート電極54(
多結晶シリコン)表面を熱酸化した酸化シリコン膜から
なり、それぞれ1100n程度および20〜30nm程
度の膜厚を有している。 制御ゲート電極57はたとえば2層目の多結晶シリコン
膜からなり、容量結合で浮遊ゲート電極54の電位を制
御する機能を果たすと共に、ワードfiWLと一体とな
って基板表面上に延在している。 n十型半導体領域59は0.2μm程度の接合深さを有
し、メモリトランジスタのドレインとして働くと共に、
並行に設けられた溝65とその隣りの溝との間にあって
データ線を形成する。この拡散層データ線は、第三の層
間絶縁膜62の上を並行して走るアルミニウムデータf
i63と、コンタクトホール66に埋め込まれたタング
ステンメタルプラグ85を介して接続される。 また、上記ドレイン領域を覆うように、p型半導体領域
61が形成されており、消去動作時のパンチスル防止お
よび書込動作時のチャネルホットエレクトロン注入効率
向上を実現している。p型半導体領域61のキャリア濃
度は、n十型半導体領域59との接合面において5 X
 10”/c m3程度であり、0.4μm程度の深さ
まで拡がっている。 また、n中型半導体領域58およびn型半導体領域60
はメモリトランジスタのソースとして働くと共に、基板
表面の溝65とその隣の溝との間にあってソース線を形
成する。この拡散層ソース線は、第三の層間絶縁膜62
の上を並行して走るアルミニウムソース線64と、コン
タクトホール66に埋め込まれたタングステンメタルプ
ラグ85を介して接続される。 上記n十型半導体領域58の接合深さは、0.3μm程
度であり、薄いゲート酸化膜52(電子のトンネル領域
)が形成された溝65の側壁部は完全にn中型半導体領
域58でカバーされている。 一方、n型半導体領域60は、n中型半導体領域58と
p−型半導体基板51の間に介在するように設けられて
おり、ソース接合の破壊耐圧を高める働きをしている。 このn型半導体領域60のキャリア濃度は、n中型半導
体領域58との界面においてI X 10”/ c m
3程度、その接合深さは0.5μm程度であり、この時
の接合破壊耐圧は17Vを超える。 そして1m65の側壁および底部のうち、上記ドレイン
領域とソース領域の間の部分がトランジスタのチャネル
領域となる。 また、第三の眉間酸化膜62は例えば燐硅酸ガラス(P
SG)膜からなり、制御ゲート電極57(ワード線WL
)とアルミニウムデータ線63)ソース線64の間の眉
間絶縁膜として働く。 メモリセルへの記憶情報の書込、消去および読出動作は
、前記実施例1の第3図で説明した電圧を各領域に印加
することによって行われる。書込では、ドレイン領域の
n十型半導体領域59のチャネル側端部で発生するホッ
トキャリアのうち、一部のホットエレクトロンが浮遊ゲ
ート電極54に注入され、制御ゲート電極から見たしき
い値電圧が高くなる。一方、消去では、浮遊ゲート電極
54に保持されている電子が、薄いゲート酸化膜53を
通してソース領域の一部であるn中型半導体領域58に
トンネル放出され、制御ゲート電極から見たしきい値電
圧は低くなる。また、読出は。 上記書込状態と消去状態のしきい値電圧の差異をチャネ
ル電流の差として検出することによって行われる。 なお、消去動作の際に、メモリトランジスタのしきい値
電圧が1v程度になったところで消去を自動的に停止す
る制御回路をチップ上に設けることにより、1素子/ビ
ツト型のフラッシュE2FROMが実現されるのは、前
記実施例1と同様である。 以上述べた本実施例によれば、前記実施例1で述べた効
果の(2)、(3)、(4)、(5)と同様の効果を得
ることができる。
(Example 1) A first example of the present invention will be described below with reference to FIGS. 1 to 15. FIG. 1 is a cross-sectional view of a 4-bit memory cell of this embodiment, FIG. 2 is a plan view thereof (for 8 bits), and FIG. 3 is a configuration diagram of a memory cell array and peripheral circuit using the above memory cell. , FIGS. 4 to 9, and FIGS. 11 to 13.
The figure is a cross-sectional view of the same part as in Figure 1 (A-A' section of the plan view shown in Figure 2) in the process of manufacturing the memory cell, and Figure 10 is the same as Figure 2 in the process of manufacturing the memory cell. The plan view of the part, Fig. 14, is taken from B-B of the plan view shown in Fig. 2.
15 are potential diagrams inside the memory cell for explaining the junction leakage current reduction mechanism during erase operation in this embodiment. First, an outline of the operation of the memory cell array circuit will be explained using FIG. In FIG. 3, 31 is an X decoder that selects the word line WL, 34 is a word line drive circuit, 32 is a Y decoder that selects the data line DL and source line SL, 33 is a readout
This is a write/erase circuit. Also, Qm is a memory cell,
It consists of one insulated gate field effect transistor element having a floating gate electrode and a control gate electrode. The control gate electrode is connected to word line WL. Further, the drain region is connected to the data line DL, and the source region is connected to the source line SL. The array configuration is of a so-called virtual grounding type, and it is necessary to select a source line in addition to a data line during successive write operations. That is, the ground voltage Vss of the circuit, for example, Ov, is applied to the selected source line, and the unselected source lines are separated one by one and electrically opened during a write operation, and are electrically opened during a read operation. The potential is set to be the same as the read data line potential which will be described later. On the other hand, during erase operation. An erase voltage Vpp (IE), for example 12V, is applied to all source lines. At this time, all bits on the chip are erased simultaneously. Regarding the data line DL, a predetermined write voltage V pp (VD) (for example, 6V) is applied to the selected data line during the write operation. At this time, the unselected data lines are kept at the ground potential Vss. During a read operation, a predetermined continuous voltage (for example, IV) is simultaneously applied to all data lines. Also,
During the erase operation, all the data lines are separated one by one at the Y decoder and electrically opened to prevent unnecessary channel current from flowing from the source region to the drain region as the erase operation progresses. Regarding the word line WL, a predetermined continuous voltage (for example, 5V) and a predetermined write voltage Vpp (VW) (for example, 12V) are applied to the selected word line during the continuous write operation. At this time, unselected word lines are kept at the ground potential Vss. On the other hand, during the erase operation, all word lines are set to the ground voltage Vss. Next, the structure and characteristics of the memory cell according to this embodiment will be described using FIGS. 1 and 2. An insulated gate field effect transistor, which is a memory cell, has a thick gate oxide film 12) a thin gate oxide film 1 formed on the side wall of a trench 25 provided on the surface of a P-type semiconductor substrate 11.
3. Floating gate electrode 14) Substrate 11 and floating gate electrode 1
The first glabellar oxide film 15 and the second glabellar oxide film 16 formed on the surface of the gate electrode 4 are partially embedded in the groove 25, and the potential of the floating gate electrode 14 is controlled by capacitive coupling. Control gate electrode 1.7) n provided on the substrate surface
The 10-type semiconductor region 18, the n-type semiconductor region 20 (source region), and the n0-type semiconductor region 19 (
(drain region) and a p-type semiconductor region 21 (drain shield). The gate oxide films 12 and 13 described above are both made of silicon oxide films formed by thermal oxidation of the semiconductor substrate 11, and have a film thickness of about 10 nm at the thin part 13 and about 30 nm at the thick part 12. The n÷ type semiconductor region 18 (source region) and the floating gate electrode 14 face each other with the thin gate oxide film 13 in between, and this region becomes an electron tunnel region. The thin gate oxide film 13 extends by 0.2 μm in the depth direction of the trench sidewall. Note that this thin gate oxide film portion is localized only in the inner portion of the n-type semiconductor region 18 and does not protrude into the n-type semiconductor region 2o. The first and second interlayer oxide films 15 and 16 are formed on the semiconductor substrate 11 (single crystal silicon) or the floating gate electrode 14 (
Polycrystalline silicon) consists of a silicon oxide film whose surface is thermally oxidized, and has a thickness of approximately 100 nm, 20 to 30 m, respectively.
It has a film thickness of about nm. The control gate electrode 17 is made of, for example, a second layer of polycrystalline silicon film, a part of which is buried in the trench 25 and functions to control the potential of the floating gate electrode through capacitive coupling, and is integrated with the word line WL. and extends over the substrate surface. The n-type semiconductor region 19 has a junction depth of about 0.2 μm, and serves as the drain of the memory transistor.
A data line is formed along the bottom surface of the groove 25. This diffusion layer data line is connected to an aluminum data line 23 running in parallel on the third glabellar insulating film 22. Further, a p-type semiconductor region 21 is formed to cover the drain region, thereby preventing punch-through during erase operation and improving channel hot electron injection efficiency during write operation. The carrier concentration of the p-type semiconductor region 21 is 5
10''/am' and extends to a depth of about 0.4 μm.
serves as the source of the memory transistor, and forms a source line between the trench 25 on the substrate surface and the adjacent trench. This diffusion layer source line is connected to the third glabella insulating film 22.
It is connected to an aluminum source line 24 running in parallel above. The junction depth of the above-mentioned n-type semiconductor region 18 is about 0.3 μm, and the sidewall portion of the trench 25 in which the thin gate oxide film 12 (electron tunnel region) is formed is completely covered with the n÷-type semiconductor region 18. Covered. On the other hand, the n-type semiconductor region 20 is provided so as to be interposed between the n-type semiconductor region 18 and the P- type semiconductor substrate 11, and serves to increase the breakdown voltage of the source junction. The carrier concentration of the n-type semiconductor region 20 is about I x 1019/am3 at the interface with the n-type semiconductor region 18, the junction depth is about 0.5 μm, and the junction breakdown voltage at this time exceeds 17V. . Of the sidewalls and bottom of the trench 25, a portion between the drain region and the source region becomes the channel region of the transistor. The third interlayer oxide film 22 is made of, for example, phosphosilicate glass (PS
G) Control gate electrode 17 (word line WL) consisting of a film
and aluminum data line 23. It acts as an interlayer insulating film between the source lines 24. Write, erase, and read operations of stored information in the memory cell are performed by applying the voltages already explained in FIG. 3 to each region. First, in writing, the n+ type semiconductor region 19 of the drain region is
Among the hot carriers generated at the channel side end, some hot electrons are injected into the floating gate electrode 14, and the threshold voltage as seen from the control gate electrode 17 increases. On the other hand, in erasing, electrons held in the floating gate electrode 14 are tunnel-emitted through the thin gate oxide film 13 to the n+ type semiconductor region 18, which is a part of the source region, and are The value voltage will be lower. Furthermore, successive reading is performed by detecting the difference in threshold voltage between the written state and erased state as a difference in channel current. Furthermore, by providing a control circuit on the chip that automatically stops erasing when the threshold voltage of the memory transistor reaches approximately 1V during erasing operation, 1-element/bit type flash E"FROM can be (Manufacturing method) Next, a method of manufacturing the above memory cell will be explained with reference to FIGS. 4 to 14. As shown in FIG. After growing a surface oxide film 41 by thermal oxidation, the substrate 11 is grown using the photoresist film pattern 42 as a mask.
Grooves 25 having a width of 1 μm and a depth of 1 μm are formed at a pitch of 2 μm on the surface of the substrate. After forming the groove 25, the photoresist film pattern 4
2 and the surface oxide film 41 are removed. Next, as shown in FIG. 5, the surface of the substrate 11 and the groove 2 are
A thick gate oxide film 1 is formed by thermal oxidation on the side and bottom surfaces of 5.
After growing 2', a photoresist film 43 is buried in the trench 25 using an etch-back technique. Next, using the photoresist film 43 as a mask, the substrate 1 is
The thick gate oxide film 12' on the surface of the substrate 11 and the side walls of the groove 25 is etched by a wet etching method, and as shown in FIG. ′ is removed. After this wet etching, the photoresist film 43 buried in the trench 25 is removed. Next, as shown in FIG. 7, a thin gate oxide film 13 of 10 nm is grown again by thermal oxidation on the surface of the substrate 11 from which the thick gate oxide film 12' has been removed and on the side walls of the trench 25. At this time, the thick gate oxide film 12' remaining on the lower side wall and bottom of the trench 25 also increased in thickness, and finally reached a thickness of 30 nm.
This results in a thick gate oxide film 12. Next, as shown in FIG. 8, the surfaces of the gate oxide films 12 and 13 are deposited by chemical vapor deposition (CVD).
A polycrystalline silicon film 14' having a thickness of 250 nm is deposited. Next, an n-type impurity such as phosphorus (P) is added to the polycrystalline silicon film 14' at a high concentration (I x 10"/cm3 or more) by thermal diffusion or ion implantation, and the sheet resistance is set to 1. The conductivity is made to be about Ω/hole or less.Next, as shown in FIG. 9, anisotropic dry etching is applied to the entire surface of the polycrystalline silicon film 14' to form the grooves 25 that appear to have a large effective film thickness. Polycrystalline silicon film 14' along the sidewalls
leave. At this time, the selectivity of the anisotropic dry etching with respect to the underlying gate oxide films 12 and 13 was 10 or more. FIG. 10 is a plan view showing the polycrystalline silicon film 14' processed along the sidewalls of the groove 25. The polycrystalline silicon film on the surface of the substrate 11 and the bottom of the trench 25 has been completely removed. Further, the polycrystalline silicon film 14' is processed once again at the same time as the control gate electrode in a later step, and finally becomes the floating gate electrode 14. Next, as shown in FIG. 11, after the surface of the polycrystalline silicon film 14' is covered with an oxide film of about 20 nm by thermal oxidation, the surface of the substrate 11 is coated by repeating a photoresist masking process and an ion implantation process. is arsenic (As)
5X101s/cm" and phosphorus (P) 4X10"/
cm” and arsenic (As) IXI on the bottom of the groove 25.
O”/cm2 and boron (B) IX1014/0m2 are selectively introduced respectively. This is followed by heating at 1000°C for 6
By performing high-temperature heat treatment for 0 minutes, the n-type semiconductor region 18 and the n-type semiconductor region 20 constituting the source region,
An n-shaped semiconductor region 19) constituting a drain region and a p-type semiconductor region 21 shielding the drain region are respectively formed. As described above, by performing the step of forming the gate oxide film 12.13 before the step of forming the n-type semiconductor region 18, etc., the gate oxide film can be removed from the substrate before adding impurities. As a result, a high quality gate oxide film can be obtained. Next, the 50 nm thick silicon nitride film deposited by the CVD method is processed by anisotropic dry etching, leaving the silicon nitride film only on the side walls of the polycrystalline silicon film 14'. By performing thermal oxidation using this silicon nitride film as a mask, a first glabellar oxide film 15 is grown on the surface of the substrate 11 and the bottom of the groove 25, as shown in FIG. The thickness of this first interlayer oxide film 15 is 1100n. Furthermore, after removing the silicon nitride film with hot phosphoric acid, thermal oxidation is performed again to grow a second interlayer oxide film 16 with a thickness of 25 nm on the side wall of the polycrystalline silicon film 14'. Next, as shown in FIG. 13, a second polycrystalline silicon film 17' is deposited on the surfaces of the first and second interlayer oxide films by CVD.
Deposit by method. The thickness of this film is 300 nm. Next, an n-type impurity such as phosphorus (P) is added to the polycrystalline silicon film 17' by thermal diffusion or ion implantation.
After adding at a high concentration (lx102o/cm3 or more),
Using the photoresist film pattern as a mask, processing is performed by anisotropic dry etching to form the control gate electrode 17 (word line WL) shown in FIGS. 1 and 2. Further, following the processing of the control gate electrode 17, a polycrystalline silicon film 14' is formed using the same photoresist film pattern as a mask.
Then, floating gate electrodes 14 separated for each bit are formed. Next, a phosphosilicate glass (PSG) film is deposited by CVD to form a third interlayer oxide film. Subsequently, as shown in FIG. 2, contact holes 26 are formed above the source region on the surface of the substrate 11 and the drain region on the bottom surface of the groove 25. Next, as shown in FIG. 14, tungsten is buried in the contact hole to form a metal plug 26, and electrodes are taken out from the n-type semiconductor regions 18 and 19. Finally, an aluminum film is deposited and processed to form an aluminum data line 23 and an aluminum source line 2.
4 is formed, and the manufacturing process of the memory cell is completed. According to this embodiment described above, the following effects can be obtained. (1) By using the sidewalls of the trenches provided on the surface of the semiconductor substrate as channels of transistors, the cell structure becomes three-dimensional, and a fine memory cell can be realized compared to the conventional FAST type memory cell. For example, when a 0.5 μm level process technology is used, the cell area per bit is approximately 2 μm2. (2) A thin gate oxide film that tunnels electrons is provided inside the n÷-type semiconductor region that constitutes the source region, and the gate oxide film becomes thicker at the edges of the same n-type semiconductor region. As shown, the n÷ type semiconductor region 6 (corresponding to 18 in FIG. 1) and the floating gate electrode 3 (corresponding to 14 in FIG.
The thick gate insulating film 2 (corresponding to 12 in FIG.
The side wall surface is not in an inverted state in the portion. This region acts as an energy barrier for holes, and band-to-band tunneling occurs in the thin gate insulating film 2' (corresponding to 13 in Figure 1).
ling) can be prevented from flowing to the P-type semiconductor substrate 1. As a result, the leakage current between the n-type semiconductor region and the substrate during erase operation is significantly reduced (less than 1 pA per cell).
It becomes possible to perform the erase operation with the low current consumption inherent in tunnel erase. Furthermore, since the holes are accumulated under the thin gate insulating film 2' without flowing out into the P-type semiconductor substrate 1, the deep depression state that caused the hole generation is immediately eliminated. This suppresses undesirable hole injection and trapping phenomena into the gate oxide film, making it possible to ensure controllability and reliability of the erase operation. (3) On the drain region side where the write operation is performed, the gate oxide film thickness can be increased independently from the tunnel region on the source side, so the drain disturb resistance during write half selection is improved without impairing the erase speed. Ru. As a result, it becomes possible to expand the design margin of the write drain voltage. (4) Since the spread of the thin gate oxide film is determined by the wet etching time, the relationship between the spread and the n-type semiconductor region can be precisely controlled within a chip, between chips, between wafers, and between lots. becomes. (5) Since the thin gate oxide film that tunnels electrons is formed by oxidizing a low-concentration semiconductor substrate, there are fewer traps at the interface and in the film. This is effective in increasing the reliability of rewriting operations. (Embodiment 2) Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described using FIGS. 16 to 18. 16 and 17 are cross-sectional views of two bits of the memory cell of this embodiment, and FIG. 18 is a plan view thereof (for four bits). Note that FIG. 16 corresponds to section AA' in FIG. 18, and FIG. 17 corresponds to section BB' in FIG. 18. The configuration diagram and operation of a memory cell array and peripheral circuits using the above memory cells are the same as in FIG. 3 of the first embodiment, and will not be described here. The structure and characteristics of the memory cell according to this embodiment will be described below with reference to FIGS. 16 to 18. An insulated gate field effect transistor, which is a memory cell, has a thin gate oxide film 53) formed on the sidewalls of a trench 65 provided on the surface of a P-type semiconductor substrate 51) and a thick gate oxide film 52) formed on the sidewalls and bottom surface. Gate electrode 54. A first glabellar oxide film 55 formed on the surface of the substrate 51, and a second glabellar oxide film 5 formed on the surface of the floating gate electrode 54.
6. A control gate electrode 5 that controls the potential of the floating gate electrode 54 through capacitive coupling. 7) An n-type semiconductor region 58 and an n-type semiconductor region 60 formed on the surface of the substrate 51 in contact with the groove 65.
(source region), n+ type semiconductor region 59 (drain region), and P-type semiconductor region (drain shield). Both gate oxide films 52 and 53 are formed on the semiconductor substrate 51.
The thin portion 53 is made of a silicon oxide film formed by thermal oxidation of
The thick portion 52 has a film thickness of about 10 nm, and the thick portion 52 has a film thickness of about 30 nm. The n+ type semiconductor region 58 and the floating gate electrode 54 face each other with the thin gate oxide film 53 in between, and this region becomes an electron tunnel region. In addition,
The thin gate oxide film 53 has a thickness of 0.2μ in the depth direction of the trench sidewall.
It has spread about m. The first and second interlayer oxide films 55 and 56 are formed on the semiconductor substrate 51 (single crystal silicon) or the floating gate electrode 54 (
They are made of silicon oxide films whose surfaces are thermally oxidized (polycrystalline silicon), and have film thicknesses of approximately 1100 nm and 20 to 30 nm, respectively. The control gate electrode 57 is made of, for example, a second layer of polycrystalline silicon film, functions to control the potential of the floating gate electrode 54 through capacitive coupling, and extends over the substrate surface integrally with the word fiWL. . The n-type semiconductor region 59 has a junction depth of about 0.2 μm, and serves as the drain of the memory transistor.
A data line is formed between the parallel groove 65 and the adjacent groove. This diffusion layer data line is an aluminum data line running in parallel on the third interlayer insulating film 62.
i63 through a tungsten metal plug 85 embedded in the contact hole 66. Further, a p-type semiconductor region 61 is formed so as to cover the drain region, thereby realizing punch-through prevention during erase operation and improvement of channel hot electron injection efficiency during write operation. The carrier concentration of the p-type semiconductor region 61 is 5
10"/cm3, and extends to a depth of about 0.4 μm. Also, the n-medium semiconductor region 58 and the n-type semiconductor region 60
serves as the source of the memory transistor, and forms a source line between the trench 65 on the substrate surface and the adjacent trench. This diffusion layer source line is connected to the third interlayer insulating film 62.
It is connected to an aluminum source line 64 running in parallel thereon via a tungsten metal plug 85 embedded in a contact hole 66 . The junction depth of the n-type semiconductor region 58 is about 0.3 μm, and the sidewall portion of the trench 65 in which the thin gate oxide film 52 (electron tunnel region) is formed is completely covered by the n-medium semiconductor region 58. has been done. On the other hand, the n-type semiconductor region 60 is provided to be interposed between the n-medium semiconductor region 58 and the p- type semiconductor substrate 51, and serves to increase the breakdown voltage of the source junction. The carrier concentration of this n-type semiconductor region 60 is I x 10"/cm at the interface with the n-medium semiconductor region 58.
The junction depth is approximately 0.5 μm, and the junction breakdown voltage at this time exceeds 17V. Of the sidewalls and bottom of 1 m65, the portion between the drain region and the source region becomes the channel region of the transistor. Further, the third glabellar oxide film 62 is made of, for example, phosphosilicate glass (P
SG) film, and the control gate electrode 57 (word line WL
) and the aluminum data line 63 ) and the source line 64 . Writing, erasing, and reading operations of stored information in a memory cell are performed by applying the voltages described in FIG. 3 of the first embodiment to each region. In writing, some hot electrons among hot carriers generated at the channel side end of the n-type semiconductor region 59 in the drain region are injected into the floating gate electrode 54, and the threshold voltage as seen from the control gate electrode increases. becomes higher. On the other hand, in erasing, electrons held in the floating gate electrode 54 are tunnel-emitted through the thin gate oxide film 53 to the n-medium semiconductor region 58, which is a part of the source region, and the threshold voltage as seen from the control gate electrode is becomes lower. Also, reading. This is performed by detecting the difference in threshold voltage between the written state and erased state as a difference in channel current. Furthermore, by providing a control circuit on the chip that automatically stops erasing when the threshold voltage of the memory transistor reaches approximately 1V during erasing operation, a 1-element/bit type flash E2FROM can be realized. This is the same as in the first embodiment. According to this embodiment described above, effects similar to (2), (3), (4), and (5) described in the first embodiment can be obtained.

【発明の効果】【Effect of the invention】

本発明によれば、消去動作時の消費電流が小さく、かつ
、信頼性に優れた、電気的書替可能な微細不揮発性メモ
リセルを実現することができる。 このセルにより、従来の紫外線消去型E P ROM以
上の集積度を有するフラッシュ型(チップ−括消去型)
E”FROMを実現することが可能となる。 4)
According to the present invention, it is possible to realize an electrically rewritable microscopic nonvolatile memory cell that consumes little current during an erase operation and has excellent reliability. This cell enables flash type (chip-batch erase type) which has higher integration density than conventional ultraviolet erase type EP ROM.
It becomes possible to realize E”FROM. 4)

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明の実施例1のメモリセル断面図、第2図
は本発明の実施例1のメモリセル平面図、第3図は本発
明の実施例1のメモリセルアレーおよび周辺回路の構成
図、第4図乃至第14図は本発明の実施例1のメモリセ
ルの製造工程を示す図、第15図は本発明における消去
動作時接合リーク電流低減機構を説明するためのメモリ
セル内部のポテンシャル図、第16図および第17図は
本発明の実施例2のメモリセル断面図、第18図は本発
明の実施例2のメモリセル平面図である。 く符号の説明〉 1・・・p−型半導体基板  2・・・ゲート酸化膜2
″・・・ゲート酸化膜薄膜化領域 3・・・浮遊ゲート電極   4・・・層間絶縁膜5・
・・制御ゲート電極 6・・・n十型半導体領域(ソース領域の一部)7・・
・n型半導体領域(ソース領域の一部)1・・・P−型
半導体基板 2・・・厚いゲート酸化膜 2′・・・厚いゲート酸化膜 3・・・薄いゲート酸化膜(トンネル酸化膜)4・・・
浮遊ゲート電極 4′・・・多結晶シリコン膜 5・・・第一の眉間酸化膜 6・・・第二の層間酸化膜 17・・・制御ゲート電極
7′・・・多結晶シリコン膜 8・・・n十型半導体領域(ソース領域の一部)9・・
・n十型半導体領域(ドレイン領域の一部)0・・・n
型半導体領域(ソース領域の一部)1・・・p型半導体
領域(ドレインシールド)2・・・第三の層間酸化膜 23・・・アルミニウムデータ線DL(ドレイン領域と
接続) 24・・・アルミニウムソース線SL(ソース領域と接
続) 25・・・半導体基板表面の溝 26・・・コンタクトホール  31・・・Xデコーダ
32・・・Yデコーダ 33・・・読出、書込、消去回路 34・・・ワード線駆動回路  41・・・表面酸化膜
42・・・ホトレジスト膜 43・・・ホトレジスト膜   44・・・表面酸化膜
45・・・タングスタンプラグ 51・・・p−型半導体基板 52・・・厚いゲート酸化膜 53・・・薄いゲート酸化膜(トンネルさんか膜)54
・・・浮遊ゲート電極 55・・・第一の層間酸化膜 56・・・第二の眉間酸化膜 57・・・制御ゲート電極 58・・・n十型半導体領域(ソース領域の一部)59
・・・n十型半導体領域(ドレイン領域の一部)60・
・・n型半導体領域(ソース領域の一部)61・・・p
型半導体領域(ドレインシールド)62・・・第三の眉
間酸化膜 63・・・アルミニウムデータ線DL(ドレイン領域と
接続) 63・・・アルミニウムソース線SL(ソース領域と接
続) 65・・・半導体基板表面の溝 66・・・コンタクトホール 85・・・タングステンプラグ。 WL・・・ワiド線      DL・・・データ線S
L・・・ソース線
FIG. 1 is a cross-sectional view of a memory cell according to a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a plan view of a memory cell according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a diagram of a memory cell array and peripheral circuit according to a first embodiment of the present invention. 4 to 14 are diagrams showing the manufacturing process of the memory cell of Example 1 of the present invention, and FIG. 15 is a diagram showing the inside of the memory cell for explaining the mechanism for reducing junction leakage current during erase operation in the present invention. 16 and 17 are cross-sectional views of a memory cell according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 18 is a plan view of a memory cell according to a second embodiment of the present invention. Explanation of symbols> 1...p-type semiconductor substrate 2...gate oxide film 2
″...Gate oxide film thinning region 3...Floating gate electrode 4...Interlayer insulating film 5...
...Control gate electrode 6...n-type semiconductor region (part of source region) 7...
・N-type semiconductor region (part of source region) 1...P-type semiconductor substrate 2...Thick gate oxide film 2'...Thick gate oxide film 3...Thin gate oxide film (tunnel oxide film) )4...
Floating gate electrode 4'...Polycrystalline silicon film 5...First glabellar oxide film 6...Second interlayer oxide film 17...Control gate electrode 7'...Polycrystalline silicon film 8... . . . n-type semiconductor region (part of source region) 9 . . .
・n ten type semiconductor region (part of drain region) 0...n
type semiconductor region (part of source region) 1...p type semiconductor region (drain shield) 2...third interlayer oxide film 23...aluminum data line DL (connected to drain region) 24... Aluminum source line SL (connected to source region) 25... Groove 26 on semiconductor substrate surface... Contact hole 31... X decoder 32... Y decoder 33... Read, write, erase circuit 34... ...Word line drive circuit 41...Surface oxide film 42...Photoresist film 43...Photoresist film 44...Surface oxide film 45...Tungsten plug 51...P- type semiconductor substrate 52... ... Thick gate oxide film 53 ... Thin gate oxide film (tunnel diagonal film) 54
...Floating gate electrode 55...First interlayer oxide film 56...Second glabellar oxide film 57...Control gate electrode 58...N0 type semiconductor region (part of source region) 59
. . . n-type semiconductor region (part of the drain region) 60.
...n-type semiconductor region (part of source region) 61...p
type semiconductor region (drain shield) 62...Third eyebrow oxide film 63...Aluminum data line DL (connected to drain region) 63...Aluminum source line SL (connected to source region) 65...Semiconductor Groove 66 on the substrate surface...Contact hole 85...Tungsten plug. WL...Wide line DL...Data line S
L...source line

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1)周囲を絶縁膜に囲まれた浮遊ゲート電極を有する絶
縁ゲート型電界効果トランジスタであって、半導体基板
表面に設けられた段差、溝、穴の少なくともいずれか一
つの側壁部あるいは底部の少なくともいずれかを、該絶
縁ゲート型電界効果トランジスタの反転チャネル部とし
て用いることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 2)周囲を絶縁膜に囲まれた浮遊ゲート電極を有し、半
導体基板表面に設けられた段差、溝、穴の少なくともい
ずれか一つの側壁部を反転チャネル部として用いる絶縁
ゲート型電界効果トランジスタであって、上記段差、溝
、穴の底部に設けられた上記半導体基板と反対導電型の
高濃度不純物領域をドレイン領域として用い、かつ、上
記半導体基板表面に上記段差、溝、穴に接して設けられ
た該半導体基板と反対導電型の高濃度不純物領域をソー
ス領域として用いることを特徴とする不揮発性半導体記
憶装置。 3)周囲を絶縁膜に囲まれた浮遊ゲート電極を有する絶
縁ゲート型電界効果トランジスタであって、半導体基板
表面に設けられた段差、溝、穴の少なくともいずれか一
つの側壁部で、上記浮遊ゲート電極のゲート絶縁膜の一
部分が局所的に他の部分よりも薄膜化されていることを
特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 4)周囲を絶縁膜に囲まれた浮遊ゲート電極を有する絶
縁ゲート型電界効果トランジスタであって、半導体基板
表面に設けられた段差、溝、穴の少なくともいずれか一
つの側壁部で、上記浮遊ゲート電極のゲート絶縁膜の一
部分が局所的に他の部分よりも薄膜化されており、かつ
、上記半導体基板表面に形成された該半導体基板とは反
対導電型の高濃度不純物領域が上記側壁に接する領域の
内側に、上記の局所的に薄膜化された領域が配設されて
いることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 5)上記高濃度不純物領域に該領域が逆バイアスされる
極性の高電圧を印加することにより、上記ゲート絶縁膜
の局所的に薄膜化された部分で電荷(電子または正孔)
のトンネル遷移が起こるような高電界を発生させ、上記
浮遊ゲート電極に蓄えられた電荷を上記高濃度不純物領
域に引き抜くように構成したことを特徴とする第4請求
項に記載の不揮発性半導体記憶装置。 6)上記浮遊ゲート電極に電荷(電子または正孔)を蓄
えることにより、電源遮断時も情報が保持されることを
特徴とする第1乃至第5請求項に記載の不揮発性半導体
記憶装置。 7)上記浮遊ゲート電極に蓄えられた電荷(電子または
正孔)の有無あるいは量を、外部端子から判定する手段
を有することを特徴とする第1乃至第5請求項に記載の
不揮発性半導体記憶装置。 8)上記浮遊ゲート電極の電位を外部端子から制御する
手段を有することを特徴とする第1乃至第5請求項に記
載の不揮発性半導体記憶装置。 9)上記浮遊ゲート電極の電位を容量結合によって制御
する制御ゲート電極を有することを特徴とする第1乃至
第5請求項に記載の不揮発性半導体記憶装置。 10)上記第4請求項に記載の不揮発性半導体記憶装置
を製造する際に、上記高濃度不純物領域を形成する工程
より前に、上記ゲート絶縁膜を形成する工程を行なうこ
とを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の製造方法。 11)少なくとも下記(イ)〜(ハ)の工程を含むこと
を特徴とする不揮発性半導体記憶装置の製造方法。 (イ)半導体基板表面に段差、溝、穴の少なくともいず
れか一つを形成する工程。 (ロ)上記段差、溝、穴の少なくとも側壁部に第1のゲ
ート酸化膜を成長させる工程。 (ハ)上記側壁部の上記半導体基板表面に隣接する領域
の所定の一部分で上記第1のゲート酸化膜を選択的に除
去する工程。 (ニ)上記のように第1のゲート酸化膜を除去した所定
の部分に他の部分よりも薄い第2のゲート酸化膜を成長
させる工程。
[Claims] 1) An insulated gate field effect transistor having a floating gate electrode surrounded by an insulating film, the sidewall of at least one of a step, a groove, or a hole provided on the surface of a semiconductor substrate. 1. A nonvolatile semiconductor memory device characterized in that at least one of the top and bottom portions is used as an inversion channel portion of the insulated gate field effect transistor. 2) An insulated gate field effect transistor having a floating gate electrode surrounded by an insulating film, and using a side wall of at least one of a step, a groove, or a hole provided on the surface of a semiconductor substrate as an inversion channel part. A high concentration impurity region of a conductivity type opposite to that of the semiconductor substrate provided at the bottom of the step, groove, or hole is used as a drain region, and is provided on the surface of the semiconductor substrate in contact with the step, groove, or hole. A nonvolatile semiconductor memory device characterized in that a highly concentrated impurity region having a conductivity type opposite to that of the semiconductor substrate is used as a source region. 3) An insulated gate field effect transistor having a floating gate electrode surrounded by an insulating film, in which the floating gate is connected to a sidewall of at least one of a step, a groove, and a hole provided on the surface of a semiconductor substrate. A nonvolatile semiconductor memory device characterized in that a part of a gate insulating film of an electrode is locally made thinner than other parts. 4) An insulated gate field effect transistor having a floating gate electrode surrounded by an insulating film, in which the floating gate is connected to a side wall of at least one of a step, a groove, and a hole provided on the surface of the semiconductor substrate. A portion of the gate insulating film of the electrode is locally made thinner than other portions, and a high concentration impurity region of a conductivity type opposite to that of the semiconductor substrate formed on the surface of the semiconductor substrate is in contact with the side wall. A nonvolatile semiconductor memory device characterized in that the locally thinned region described above is provided inside the region. 5) By applying a high voltage with a polarity that reverse biases the region to the high concentration impurity region, charges (electrons or holes) are generated in the locally thinned portion of the gate insulating film.
4. The nonvolatile semiconductor memory according to claim 4, wherein the nonvolatile semiconductor memory is configured to generate a high electric field that causes a tunnel transition, and extract the charges stored in the floating gate electrode to the high concentration impurity region. Device. 6) The nonvolatile semiconductor memory device according to any one of claims 1 to 5, wherein information is retained even when power is cut off by storing charges (electrons or holes) in the floating gate electrode. 7) The nonvolatile semiconductor memory according to any one of claims 1 to 5, further comprising means for determining the presence or absence or amount of charges (electrons or holes) stored in the floating gate electrode from an external terminal. Device. 8) The nonvolatile semiconductor memory device according to any one of claims 1 to 5, further comprising means for controlling the potential of the floating gate electrode from an external terminal. 9) The nonvolatile semiconductor memory device according to any one of claims 1 to 5, further comprising a control gate electrode that controls the potential of the floating gate electrode through capacitive coupling. 10) When manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device according to claim 4, a step of forming the gate insulating film is performed before the step of forming the high concentration impurity region. A method for manufacturing a semiconductor memory device. 11) A method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device, characterized by including at least the following steps (a) to (c). (a) A process of forming at least one of steps, grooves, and holes on the surface of the semiconductor substrate. (b) A step of growing a first gate oxide film on at least the sidewall portions of the steps, grooves, and holes. (c) selectively removing the first gate oxide film from a predetermined portion of the side wall portion adjacent to the surface of the semiconductor substrate; (d) A step of growing a second gate oxide film, which is thinner than other parts, in a predetermined portion from which the first gate oxide film has been removed as described above.
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