JPH0334670B2 - - Google Patents

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JPH0334670B2
JPH0334670B2 JP56019499A JP1949981A JPH0334670B2 JP H0334670 B2 JPH0334670 B2 JP H0334670B2 JP 56019499 A JP56019499 A JP 56019499A JP 1949981 A JP1949981 A JP 1949981A JP H0334670 B2 JPH0334670 B2 JP H0334670B2
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JP
Japan
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oxide film
threshold voltage
memory
source
semiconductor substrate
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JP56019499A
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Shozo Saito
Yukimasa Uchida
Kazuhiko Hashimoto
Norio Endo
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Toshiba Corp
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Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
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Publication of JPH0334670B2 publication Critical patent/JPH0334670B2/ja
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/76Unipolar devices, e.g. field effect transistors
    • H01L29/772Field effect transistors
    • H01L29/78Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate
    • H01L29/792Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate with charge trapping gate insulator, e.g. MNOS-memory transistors

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は記憶作用を有するゲート絶縁膜を有
し、しきい値電圧を自由に平行移動させることを
可能にした不揮発性半導体記憶装置に関するもの
である。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory device that has a gate insulating film having a memory function and that allows a threshold voltage to be freely shifted in parallel.

2層絶縁ゲート型電界効果トランジスタを用い
た電気的書替え可能な読出し専用メモリ
(EAROM)は不揮発性であること、電気的に書
替え可能であるという特徴を有した記憶装置とし
て最近注目を集めている。この種のメモリデバイ
スとしてはMNOS(Metal−Nitride−Oxide−
Semiconductor)がよく知られている。
Electrically rewritable read-only memory (EAROM), which uses two-layer insulated gate field-effect transistors, has recently attracted attention as a storage device that is nonvolatile and electrically rewritable. . This type of memory device is MNOS (Metal-Nitride-Oxide-
Semiconductor) is well known.

このメモリトランジスタは、一般に第1図のよ
うに構成されている。P型半導体基板1にN+
ドレイン領域2と、N+型ソース領域3とが離間
して形成され前記ドレイン領域2およびソース領
域3と、半導体基板1との接合部上に、厚さ500
〜1500〓の厚いシリコン酸化膜4を設け、更にこ
の間のチヤネル中央部には15〜30〓の極く薄いシ
リコン酸化膜5が形成されている。このシリコン
酸化膜5の上には記憶作用を有するシリコン窒化
膜6が厚さ400〜600〓で形成され、更にこの上に
アルミニウム等の導電体層を設けてゲート電極
7、ドレイン電極8およびソース電極9を夫々形
成した構成となつている。
This memory transistor is generally constructed as shown in FIG. An N + type drain region 2 and an N + type source region 3 are formed in a spaced apart manner in a P type semiconductor substrate 1, and a thickness of 500 mm is formed on the junction between the drain region 2 and source region 3 and the semiconductor substrate 1.
A thick silicon oxide film 4 of ~1500 mm is provided, and an extremely thin silicon oxide film 5 of 15 to 30 mm is further formed in the center of the channel between these layers. On this silicon oxide film 5, a silicon nitride film 6 having a memory function is formed to a thickness of 400 to 600 mm, and a conductor layer such as aluminum is further provided on this film to form a gate electrode 7, a drain electrode 8, and a source electrode. The structure is such that electrodes 9 are formed respectively.

このような構成をなすメモリトランジスタは一
般に第2図に示すような特性を示す。
A memory transistor having such a configuration generally exhibits characteristics as shown in FIG.

図に示すようにNチヤネルのメモリトランジス
タは消去後のしきい値電圧(以後VTHと称す)は
負側にあり、また厚いシリコン酸化膜4で形成し
たドレイン・ソース保護部のしきい値電圧VTH
メモリセルの選択性を得るためにエンハンスメン
ト型としているので、正側数ボルトとなつてい
る。従つてメモリ部消去後のVTHと書込後のVTH
との中間に位置してしまい、有効に使用できるし
きい値電圧差(以下しきい値電圧窓ΔVTHと称す)
はかなり狭くなり、このままLSIメモリを構成し
た場合、保証できる記憶保持時間が短くなる欠点
があつた。つまり、この種のメモリトランジスタ
は書込み後のVTHおよび消去後のVTHは時間とと
もに減衰し、しきい値電圧窓ΔVTHが時間と共に
小さくなる特性を有しており、しきい値電圧窓
ΔVTHが小さいということは、記憶保持時間が短
いことになる。
As shown in the figure, the threshold voltage of the N-channel memory transistor after erasing (hereinafter referred to as V TH ) is on the negative side, and the threshold voltage of the drain/source protection part formed with the thick silicon oxide film 4 is on the negative side. Since V TH is an enhancement type to obtain selectivity of memory cells, it is several volts on the positive side. Therefore, V TH after erasing the memory section and V TH after writing
(hereinafter referred to as threshold voltage window ΔV TH )
became quite narrow, and if LSI memory was configured as is, the guaranteed memory retention time would be shortened. In other words, this type of memory transistor has the characteristic that V TH after writing and V TH after erasing attenuate over time, and the threshold voltage window ΔV TH becomes smaller over time. A small TH means a short memory retention time.

このため記憶保持時間を長くするには、初期の
しきい値電圧窓ΔVTHを出来る限り大きくするこ
とが望ましく、その方法として第3図に示すよう
にしきい値電圧窓ΔVTHをそのまま正方向に平行
移動することが考えられる。
Therefore, in order to lengthen the memory retention time, it is desirable to make the initial threshold voltage window ΔV TH as large as possible, and one way to do this is to change the threshold voltage window ΔV TH in the positive direction as shown in Figure 3. It is possible to move in parallel.

このように、しきい値電圧窓ΔVTHを正方向に
平行移動させる方法として、従来はメモリ部の半
導体基板表面にイオン注入を行ない、表面不純物
濃度が周辺より高い不純物層を形成させる方法が
知られている。この方法はMOSトランジスタの
VTHコントロールに使用されている方法と同様
で、例えばボロンを加速電圧50〜60kVで厚いゲ
ート絶縁膜を通してイオン注入し、次いで厚いゲ
ート絶縁膜を除去した後、除去した部分の半導体
基板表面に薄いシリコン酸化膜を設け、その上に
シリコン窒化膜を設け、更にその上にアルミニウ
ム等の導電体層を設けてMNOSトランジスタを
形成している。
As described above, the conventional method of moving the threshold voltage window ΔV TH parallelly in the positive direction is to implant ions into the surface of the semiconductor substrate in the memory area to form an impurity layer with a higher surface impurity concentration than the surrounding area. It is being This method uses MOS transistors.
This method is similar to the method used for V TH control. For example, boron is ion-implanted through a thick gate insulating film at an accelerating voltage of 50 to 60 kV, then the thick gate insulating film is removed, and a thin film is injected onto the semiconductor substrate surface in the removed area. A silicon oxide film is provided, a silicon nitride film is provided on top of the silicon oxide film, and a conductive layer of aluminum or the like is further provided on top of the silicon oxide film to form an MNOS transistor.

ここでEAROMにおけるメモリセルの選択原
理を第4図により簡単に説明する。
Here, the principle of selecting memory cells in EAROM will be briefly explained with reference to FIG.

一般にメモリセルとしては1個のMNOSトラ
ンジスタより構成される1トランジスタ/セル方
式が使用されている。この場合、消去動作は第4
図Aに示すようにMNOSトランジスタのゲート
電極を接地し、基板に書込み電圧VWを印加する
ことにより行なわれ、VTHは低レベル“0”とな
る。一方書込み動作は第4図Bに示すように基板
を接地し、ゲート電極に書込み電圧VWを印加す
ることにより行なわれ、VTHは高レベル“1”と
なる。更に“0”書込み、つまり書込み禁止動作
は第4図Cに示すようにゲート電極に書込み電圧
VWを印加し、ドレイン電極、ソース電極にも同
時に書込み電圧VWを印加することにより行なわ
れ、VTHは低レベル“0”にとどまる。
Generally, a 1-transistor/cell system consisting of one MNOS transistor is used as a memory cell. In this case, the erase operation is
As shown in Figure A, this is done by grounding the gate electrode of the MNOS transistor and applying a write voltage V W to the substrate, so that V TH becomes a low level "0". On the other hand, a write operation is performed by grounding the substrate and applying a write voltage V W to the gate electrode, as shown in FIG. 4B, and V TH becomes a high level "1". Furthermore, to write “0”, that is, write inhibit operation, a write voltage is applied to the gate electrode as shown in Figure 4C.
This is done by applying V W and simultaneously applying a write voltage V W to the drain electrode and source electrode, and V TH remains at a low level "0".

本発明者等は、従来のイオン注入による方法
(ボロンを加速電圧60kV、ドーズ量〜1013cm-2
厚いゲート絶縁膜を通してイオン注入)で
MNOSトランジスタのメモリ部のしきい値電圧
VTHを3〜4平行移動させたが、書込み禁止モー
ドにおいて低レベルの“0”にとどまるべきVTH
が書込みレベル“1”の方向に移動してしまう
か、あるいは書込みレベル以上に移動してしまう
という誤動作が発生してしまつた。
The present inventors used a conventional ion implantation method (implanting boron through a thick gate insulating film at an acceleration voltage of 60 kV and a dose of ~10 13 cm -2 ).
Threshold voltage of the memory part of the MNOS transistor
Although V TH was moved in parallel by 3 to 4 times, V TH should remain at the low level “0” in write-protect mode.
A malfunction has occurred in which the signal moves toward the write level "1" or moves beyond the write level.

この現象を検討した結果、次の理由により誤動
作を生ずると考えられる。MNOS構造において
は、シリコン窒化膜の誘電率が高く、またゲート
絶縁膜が薄いためにVTHを3〜4V平行移動するに
は表面不純物濃度を〜1018cm-3にしなければなら
ない。またドレイン・ソース保護部と同じ厚さの
シリコン酸化膜を通してボロンを加速電圧60kV
でイオン注入したが、この場合の不純物プロフア
イルは半導体基板表面から1000〓以上の深さにピ
ーク不純物濃度をもつている。また従来方法では
イオン注入した後に1〜2回の熱処理工程が加わ
り、不純物プロフアイルが更に広がつてしまう。
As a result of studying this phenomenon, it is believed that the malfunction occurs due to the following reasons. In the MNOS structure, since the dielectric constant of the silicon nitride film is high and the gate insulating film is thin, the surface impurity concentration must be set to ~10 18 cm -3 in order to shift V TH in parallel by 3 to 4 V. In addition, boron is accelerated at a voltage of 60kV through a silicon oxide film of the same thickness as the drain/source protection part.
However, the impurity profile in this case has a peak impurity concentration at a depth of more than 1000 mm from the semiconductor substrate surface. Furthermore, in the conventional method, one or two heat treatment steps are added after ion implantation, which further broadens the impurity profile.

このような理由から、イオン注入されたボロン
はMNOSトランジスタのVTHを平行移動させる作
用にはあまり寄与せず、むしろ書込み禁止モード
における誤動作の原因となつている。これは、書
込み禁止モードにおいてゲート電極に書込み電圧
VWが印加され、ドレイン電極、ソース電極にも
同時に書込み電圧VWを印加された際に、半導体
基板表面に形成された1000〓以上の深さに不純物
濃度ピークをもつボロンの不純物層により、該基
板表面が高電界となつてアバランシエ・ブレイク
ダウンが生じ、電子が衝突電離を起こすまで加速
されて薄い酸化膜と窒化膜の境界付近に容易にト
ラツプされるためとであると考えられる。
For these reasons, the implanted boron ions do not contribute much to the effect of moving the V TH of the MNOS transistor in parallel, but rather become a cause of malfunction in the write inhibit mode. This is the write voltage applied to the gate electrode in write protect mode.
When V W is applied and a write voltage V W is simultaneously applied to the drain electrode and source electrode, a boron impurity layer with an impurity concentration peak at a depth of 1000 mm or more is formed on the semiconductor substrate surface. This is thought to be because avalanche breakdown occurs when the substrate surface is exposed to a high electric field, and electrons are accelerated until impact ionization occurs and are easily trapped near the boundary between the thin oxide film and the nitride film.

本発明は、かかる点に鑑みなされたもので、そ
の目的とするところは、書込み禁止モードにおい
て誤動作することなく、しきい値電圧窓を平行移
動して有効に使用できるしきい値電圧窓を拡大
し、長時間の記憶保持時間を維持することができ
る不揮発性半導体記憶装置を提供することにあ
る。
The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to expand the threshold voltage window so that it can be effectively used by moving the threshold voltage window in parallel without malfunctioning in write-protect mode. However, an object of the present invention is to provide a nonvolatile semiconductor memory device that can maintain a long memory retention time.

即ち、本発明は第1導電型の半導体基板と、こ
の基板表面に形成され、互いに電気的に分離され
た第2導電型のソース、ドレイン領域と、これら
ソース、ドレイン領域間のチヤンネルの該ソー
ス、ドレイン領域から所望距離はなれた中央部上
に形成された薄い酸化膜と、この薄い酸化膜以外
の前記チヤンネルの領域上に少なくとも形成され
た厚い酸化膜と、前記各酸化膜上に形成された記
憶作用を有するゲート絶縁膜と、このゲート絶縁
膜上に設けられたゲート電極と、前記薄い酸化膜
下の前記半導体基板表面に形成され、該基板表面
から500Å以下の深さに不純物濃度ピークをもち、
かつ500Åを越える深さでの不純物濃度が1018cm
-3以下である不純物濃度プロフアイルを有する第
1導電型の不純物層とを具備したことを特徴とす
る不揮発性半導体記憶装置である。
That is, the present invention provides a semiconductor substrate of a first conductivity type, a source/drain region of a second conductivity type formed on the surface of this substrate and electrically isolated from each other, and a channel between these source/drain regions. , a thin oxide film formed on a central portion separated from the drain region by a desired distance, a thick oxide film formed at least on a region of the channel other than this thin oxide film, and a thin oxide film formed on each of the oxide films. A gate insulating film having a memory function, a gate electrode provided on the gate insulating film, and a gate electrode formed on the semiconductor substrate surface under the thin oxide film, having an impurity concentration peak at a depth of 500 Å or less from the substrate surface. rice cake,
and the impurity concentration at a depth exceeding 500 Å is 10 cm.
The present invention is a nonvolatile semiconductor memory device characterized by comprising a first conductivity type impurity layer having an impurity concentration profile of -3 or less.

上記ゲート絶縁膜としては、例えばシリコン窒
化膜を用いることができる。
For example, a silicon nitride film can be used as the gate insulating film.

上記不純物プロフアイルを有する不純物層を形
成するには、例えばゲート絶縁膜の上から第2導
電型の不純物を加速電圧20kV程度の低加速電圧
で半導体基板にイオン注入を行なう方法を採用し
得る。
In order to form an impurity layer having the above impurity profile, for example, a method of ion-implanting impurities of the second conductivity type into the semiconductor substrate from above the gate insulating film at a low acceleration voltage of about 20 kV can be adopted.

従つて本発明により、MNOSトランジスタに
ボロンを加速電圧20kVでイオン注入した場合の
不純物プロフアイルは第5図のグラフに実線aで
示すように不純物濃度のピークは半導体基板表面
から500Å以下の深さの表面近傍に位置し、且つ
基板表面から500Åを越える深さでは1018cm-3
下の不純物濃度となる。このように不純物プロフ
アイルを形成することにより、しきい値電圧窓
ΔVTHを正方向に平行移動し、有効に使用できる
しきい値電圧窓ΔVTHを拡大し、しかも半導体基
板中に注入される総不純物量が少なく、注入後の
熱処理もないので、縦方向の電界が小さくなり、
誤動作を防止することができる。
Therefore, according to the present invention, when boron is ion-implanted into an MNOS transistor at an accelerating voltage of 20 kV, the impurity profile has a peak of impurity concentration at a depth of 500 Å or less from the semiconductor substrate surface, as shown by the solid line a in the graph of FIG. The impurity concentration is 10 18 cm -3 or less at a depth of more than 500 Å from the substrate surface. By forming the impurity profile in this way, the threshold voltage window ΔV TH can be translated in the positive direction, expanding the threshold voltage window ΔV TH that can be effectively used, and moreover, the impurity can be implanted into the semiconductor substrate. Since the total amount of impurities is small and there is no post-implantation heat treatment, the vertical electric field is small.
Malfunctions can be prevented.

これに対して、従来方法によりシリコン酸化膜
を通して加速電圧60kV、〜1013cm-2でボロンを
イオン注入した場合の不純物プロフアイルは第5
図のグラフに破線bで示すようになる。この場
合、不純物濃度のピークは半導体基板表面から深
さ500Å以上にあり、しかもピークの濃度は1018
cm-3に達しているため全体の総不純物量が多く、
この結果、しきい値電圧窓ΔVTHを3〜4V正方向
に平行移動できるが、前述した様に半導体基板表
面付近での縦方向の電界によるアバランシエ・ブ
レイクダウンを生じ、消去されたVTHが書込みレ
ベル以上に書込まれてしまうという誤動作を生じ
る。
On the other hand, when boron ions are implanted through a silicon oxide film using the conventional method at an acceleration voltage of 60 kV and ~10 13 cm -2, the impurity profile is 5th.
This is shown by the broken line b in the graph of the figure. In this case, the impurity concentration peak is at a depth of 500 Å or more from the semiconductor substrate surface, and the peak concentration is 10 18
cm -3 , so the total amount of impurities is large.
As a result, the threshold voltage window ΔV TH can be shifted in parallel by 3 to 4 V in the positive direction, but as mentioned above, avalanche breakdown occurs due to the vertical electric field near the semiconductor substrate surface, and the erased V TH A malfunction occurs in which data is written at a level higher than the write level.

次に本発明をMNOSトランジスタに適用した
場合の実施例について説明する。
Next, an embodiment in which the present invention is applied to an MNOS transistor will be described.

第6図A乃至同図Fは製造工程を順次示すもの
で先ず第6図Aに示すようにP型半導体基板(例
えば不純物濃度1015cm-3程度のシリコン基板)1
を用意し、この表面にN型不純物を選択的に拡散
して、N+ドレイン領域2とN+ソース領域3とを
離間して形成した後、その表面に厚さ1μm程度
のシリコン酸化膜10を形成する。
6A to 6F sequentially show the manufacturing process. First, as shown in FIG. 6A, a P-type semiconductor substrate (for example, a silicon substrate with an impurity concentration of about 10 15 cm -3 ) 1
A silicon oxide film 10 with a thickness of about 1 μm is formed on the surface after selectively diffusing N-type impurities into the surface to form an N + drain region 2 and an N + source region 3 apart from each other. form.

次にMNOSトランジスタのゲート部とコンタ
クト部のシリコン酸化膜10を選択的に除去した
後、露出した半導体基板表面を熱酸化して同図B
に示すように厚さ1000Å程度のドレイン・ソース
保護部のゲート絶縁膜となる厚いシリコン酸化膜
4を形成する。
Next, after selectively removing the silicon oxide film 10 on the gate and contact areas of the MNOS transistor, the exposed semiconductor substrate surface is thermally oxidized to
As shown in FIG. 2, a thick silicon oxide film 4 having a thickness of about 1000 Å and serving as a gate insulating film of the drain/source protection portion is formed.

次にMNOSトランジスタのドレイン領域2お
よびソース領域3から数μm離れたチヤネル中央
部のシリコン酸化膜4を除去した後、更に露出し
た半導体基板表面を熱酸化して同図Cに示すよう
に厚さ15〜30Å程度の極く薄いシリコン酸化膜5
を形成する。
Next, after removing the silicon oxide film 4 at the center of the channel several μm away from the drain region 2 and source region 3 of the MNOS transistor, the exposed semiconductor substrate surface is further thermally oxidized to a thickness as shown in FIG. Extremely thin silicon oxide film 5 of about 15 to 30 Å
form.

次に同図Dに示すように、全面に記憶作用を有
するゲート絶縁膜となるシリコン窒化膜6を厚さ
400〜600Åに形成する。この段階でMNOSトラ
ンジスタの表面移動度改善と、記憶保持特性改善
のための熱処理工程を適宜行なう。
Next, as shown in FIG.
Forms between 400 and 600 Å. At this stage, a heat treatment process is appropriately performed to improve the surface mobility of the MNOS transistor and to improve the memory retention characteristics.

次に同図Eに示すように、フオトレジストを使
用することなしに、加速電圧を例えば20kV程度、
ドーズ量を例えば1013cm-2程度のP型不純物(例
えばボロン)を直接イオン注入し、第5図のグラ
フに実線aで示すような半導体基板1の表面近傍
で不純物濃度がピークを持つ不純物プロフアイル
のP型不純物層11を形成する。この場合、ドレ
イン・ソース保護部は厚いシリコン酸化膜4が保
護マスクとなつてイオン注入されたP型不純物は
到達せず、濃度変化しない。またイオン注入は低
加速電圧を使用しているため、注入されたP型不
純物はメモリ部からドレイン・ソース保護部の半
導体基板表面への横方向のしみ出しは極くわずか
である。
Next, as shown in FIG.
A P-type impurity (for example, boron) is directly ion-implanted at a dose of, for example, about 10 13 cm -2 to form an impurity whose impurity concentration has a peak near the surface of the semiconductor substrate 1 as shown by the solid line a in the graph of FIG. A profile P-type impurity layer 11 is formed. In this case, the thick silicon oxide film 4 serves as a protective mask in the drain/source protection portion, and the implanted P-type impurity does not reach there, so that the concentration does not change. Furthermore, since a low accelerating voltage is used for ion implantation, the implanted P-type impurities seep out in the lateral direction from the memory section to the semiconductor substrate surface of the drain/source protection section to a very small extent.

次に第6図Fに示すように電極取出し用のコン
タクトを形成した後、アルミニウムのような導電
体層を全面に蒸着し、更にエツチング処理を行な
つてゲート電極7、ドレイン電極8、ソース電極
9を夫々形成してMNOSトランジスタを製造す
る。
Next, as shown in FIG. 6F, after forming contacts for taking out the electrodes, a conductive layer such as aluminum is deposited on the entire surface, and an etching process is performed to form the gate electrode 7, drain electrode 8, and source electrode. 9 are respectively formed to manufacture an MNOS transistor.

このようにして得られたMNOSトランジスタ
は、イオン注入をシリコン窒化膜6の上から直接
低加速電圧で行なつていることから、厚いシリコ
ン酸化膜4で覆われたドレイン・ソース保護部の
表面不純物濃度を変化させることなくメモリ部の
半導体基板表面の深さ500Å以下に不純物濃度の
ピークを持ち、500Åを越える深さでは不純物濃
度が1018cm-3以下となるP型不純物層11を形成
させることができる。更に上記方法ではイオン注
入後に従来の如き熱処理工程がほとんどないの
で、イオン注入されたP型不純物の半導体基板中
への再拡散がなく、シヤープな形状の不純物プロ
フアイルを形成することができる。
In the MNOS transistor obtained in this way, ion implantation is performed directly onto the silicon nitride film 6 at a low acceleration voltage, so that surface impurities in the drain/source protection portion covered with the thick silicon oxide film 4 are removed. A P-type impurity layer 11 is formed that has a peak impurity concentration at a depth of 500 Å or less on the surface of the semiconductor substrate in the memory portion without changing the concentration, and has an impurity concentration of 10 18 cm -3 or less at a depth exceeding 500 Å. be able to. Further, in the above method, there is almost no heat treatment step as in the conventional method after ion implantation, so there is no re-diffusion of the ion-implanted P-type impurity into the semiconductor substrate, and a sharply shaped impurity profile can be formed.

従つて上記実施例により得られたMNOSトラ
ンジスタはP型不純物層11を形成することによ
り、しきい値電圧窓ΔVTHを正方向に平行移動し、
且つドレイン・ソース保護部のしきい値電圧を固
定したままにすることにより、第3図に示すよう
に有効に使用できるしきい値電圧窓ΔVTHは拡大
され、記憶保持特性を大幅に改善でき、また
MNOSトランジスタのしきい値電圧窓ΔVTHのレ
ベルを自由にコントロールすることが可能である
ため読み出し電圧の設定が容易となる。更にイオ
ン注入により形成されたP型不純物層11の不純
物プロフアイルを規定することにより書込み禁止
モードにおける誤動作を防止することができる。
Therefore, in the MNOS transistor obtained in the above embodiment, by forming the P-type impurity layer 11, the threshold voltage window ΔV TH is shifted in parallel in the positive direction,
In addition, by keeping the threshold voltage of the drain-source protection section fixed, the threshold voltage window ΔV TH that can be effectively used is expanded, as shown in Figure 3, and the memory retention characteristics can be greatly improved. ,Also
Since the level of the threshold voltage window ΔV TH of the MNOS transistor can be freely controlled, the read voltage can be easily set. Furthermore, by defining the impurity profile of the P-type impurity layer 11 formed by ion implantation, malfunctions in the write inhibit mode can be prevented.

実際に、チヤンネル中央部のp+型不純物層が
第5図中aで示される不純物濃度プロフアイルを
有する本願発明に係るMNOSトランジスタ(実
施例)と、チヤンネル中央部のp+型不純物層が
第5図中bで示される不純物濃度プロフアイルを
有する従来のMNOSトランジスタ(従来例)と
について、−30Vを印加して消去動作(第4図A)
を行つた後、VWを変化させて書込み動作(第4
図B)又は書込み禁止動作(第4図C)を行い、
その後しきい値電圧を測定した結果を第7図に示
す。
In fact, an MNOS transistor (example) according to the present invention in which the p + type impurity layer at the center of the channel has the impurity concentration profile shown by a in FIG. For the conventional MNOS transistor (conventional example) having the impurity concentration profile shown by b in Figure 5, erase operation is performed by applying -30V (Figure 4A)
After performing the write operation ( fourth
Figure B) or write inhibit operation (Figure 4 C),
Thereafter, the threshold voltage was measured and the results are shown in FIG.

なお、前述したように、実施例は予め薄い酸化
膜及びその上に窒化膜を形成した後、これらを通
してボロンを加速電圧20kV、ドーズ量8×1012
cm-2の条件でイオン注入することによりチヤンネ
ル中央部にp+型不純物層を形成したものであり、
従来例は厚い酸化膜を通してボロンを加速電圧
60kV、ドーズ量2×1013cm-2の条件でイオン注
入することによりチヤンネル中央部にp+型不純
物層を形成した後、薄い酸化膜及びその上に窒化
膜を形成したものである。また、しきい値電圧は
5.0Vのドレイン電圧を印加して、ゲート電圧と
ソース・ドレイン電流との関係を調べ、外挿して
ソース・ドレイン電流=0μAとなるときのゲート
電圧で定義している。
As mentioned above, in this example, after forming a thin oxide film and a nitride film on it in advance, boron was passed through them at an acceleration voltage of 20 kV and a dose of 8×10 12
A p + type impurity layer is formed in the center of the channel by ion implantation under cm -2 conditions.
In the conventional example, boron is accelerated through a thick oxide film using a voltage
A p + -type impurity layer is formed in the center of the channel by ion implantation at 60 kV and a dose of 2 x 10 13 cm -2 , and then a thin oxide film and a nitride film are formed on it. Also, the threshold voltage is
A drain voltage of 5.0V is applied, the relationship between the gate voltage and the source/drain current is examined, and by extrapolation, the gate voltage is defined as the value when the source/drain current = 0 μA.

第7図から明らかなように、しきい値電圧窓
(書込み動作後のしきい値電圧と消去動作後のし
きい値電圧との差)については、実施例の方が従
来例よりも1V程度大きくなつている。また、従
来例では書込み禁止動作時の印加電圧が高くなる
につれ、しきい値電圧が急激に上昇し、書込みが
行われたのと同じ状態となつている。一方、実施
例では書込み禁止動作時の印加電圧が高くなつて
も、しきい値電圧は変化しない。ここで、実施例
及び従来例のメモリセルを用いてそれぞれメモリ
マトリツクスを構成し、同一ゲート線に接続され
た複数のメモリセルにおいて、書込み動作と書込
み禁止動作とを行つて選択的書込みを行う場合に
ついて考える。前述したように、従来例では書込
み禁止動作を行つているにもかかわらず、書込み
が行われたのと同じ状態になり、誤書込みが生じ
る。一方、実施例ではこのような問題は生じな
い。
As is clear from FIG. 7, the threshold voltage window (the difference between the threshold voltage after a write operation and the threshold voltage after an erase operation) is about 1 V higher in the embodiment than in the conventional example. It's getting bigger. Furthermore, in the conventional example, as the applied voltage during the write inhibit operation increases, the threshold voltage rapidly rises, resulting in the same state as when writing has been performed. On the other hand, in the embodiment, even if the applied voltage during write inhibit operation increases, the threshold voltage does not change. Here, a memory matrix is constructed using the memory cells of the embodiment and the conventional example, and selective writing is performed by performing a write operation and a write inhibit operation in a plurality of memory cells connected to the same gate line. Think about the case. As described above, in the conventional example, even though a write inhibit operation is performed, the state remains the same as if writing had been performed, resulting in erroneous writing. On the other hand, such a problem does not occur in the embodiment.

なお、上記実施例では、nチヤネル形のデバイ
スを製造する場合について示したが、本発明はこ
れに限らずpチヤネル形のデバイスを製造する場
合にも適用でき、この場合しきい値電圧窓ΔVTH
は負の方向に平行移動させることになる。また本
発明の不揮発性半導体記憶装置としては、
MNOS構造のデバイスに限らず、MAOS構造等
トラツプ準位を含む記憶作用を有するゲート絶縁
膜よりなるデバイスにも適用することができる。
Although the above embodiments have been described with reference to the case where an n-channel type device is manufactured, the present invention is not limited to this, and can also be applied to the case where a p-channel type device is manufactured. In this case, the threshold voltage window ΔV T.H.
will translate in the negative direction. Further, the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention includes:
It can be applied not only to devices with the MNOS structure but also to devices such as the MAOS structure, which are made of a gate insulating film that has a memory function including trap levels.

以上説明した如く、本発明に係わる不揮発性半
導体記憶装置によれば、半導体基板の表面近傍に
ピークを持つ不純物層を形成することにより、書
込み禁止モードにおいて誤動作することなく、し
きい値電圧窓を平行移動して、有効に使用できる
しきい値電圧窓を拡大し、長時間の記憶保持特性
を良好に維持することができるものである。
As explained above, according to the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention, by forming an impurity layer having a peak near the surface of the semiconductor substrate, the threshold voltage window can be closed without malfunctioning in the write inhibit mode. By moving in parallel, the threshold voltage window that can be effectively used can be expanded, and long-term memory retention characteristics can be maintained satisfactorily.

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

第1図は従来構造のNチヤネルMNOSトラン
ジスタの断面図、第2図はMNOSトランジスタ
の書込み後、消去後、およびドレイン・ソース保
護部のしきい値電圧を示すIDS−VG特性図、第3
図は第2図のしきい値電圧を平行移動した状態を
示すIDS−VG特性図、第4図A乃至同図Cはメモ
リセルの書込み、消去、書込み禁止モードを説明
する原理図、第5図はメモリ部にイオン注入され
た不純物プロフアイルを、本発明の場合と従来の
場合とを比較して示すグラフ、第6図A乃至同図
Fは本発明によるMNOSトランジスタを製造す
る工程を順次示す断面図、第7図は本発明の実施
例及び従来例のMNOSトランジスタについて、
消去、書込み及び書込み禁止動作における印加電
圧と、各動作後のしきい値電圧との関係を示す図
である。 1……半導体基板、2……ドレイン領域、3…
…ソース領域、4,5,10……シリコン酸化
膜、6……シリコン窒化膜、7……ゲート電極、
8……ドレイン電極、9……ソース電極、11…
…不純物層。
Figure 1 is a cross-sectional view of an N-channel MNOS transistor with a conventional structure. Figure 2 is an I DS -V G characteristic diagram showing the threshold voltage of the drain-source protection section after writing and erasing of the MNOS transistor. 3
The figure is an I DS -V G characteristic diagram showing a state in which the threshold voltage of FIG. 2 is shifted in parallel, and FIGS. FIG. 5 is a graph showing the impurity profile implanted into the memory area in the case of the present invention and in the conventional case, and FIGS. 6A to 6F show the steps for manufacturing the MNOS transistor according to the present invention. FIG. 7 is a cross-sectional view sequentially showing the MNOS transistor of the embodiment of the present invention and the conventional example.
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between applied voltages in erase, write, and write inhibit operations and threshold voltages after each operation. 1... Semiconductor substrate, 2... Drain region, 3...
...source region, 4,5,10...silicon oxide film, 6...silicon nitride film, 7...gate electrode,
8...Drain electrode, 9...Source electrode, 11...
...Impurity layer.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 第1導電型の半導体基板と、この基板表面に
形成され、互いに電気的に分離された第2導電型
のソース、ドレイン領域と、これらソース、ドレ
イン領域間のチヤンネルの該ソース、ドレイン領
域から所望距離はなれた中央部上に形成された薄
い酸化膜と、この薄い酸化膜以外の前記チヤンネ
ルの領域上に少なくとも形成された厚い酸化膜
と、前記各酸化膜上に形成された記憶作用を有す
るゲート絶縁膜と、このゲート絶縁膜上に設けら
れたゲート電極と、前記薄い酸化膜下の前記半導
体基板表面に形成され、該基板表面から500〓以
下の深さに不純物濃度ピークをもち、かつ500〓
を越える深さでの不純物濃度が1018cm-3以下であ
る不純物濃度プロフアイルを有する第1導電型の
不純物層とを具備したことを特徴とする不揮発性
半導体記憶装置。 2 記憶作用を有するゲート絶縁膜がシリコン窒
化膜であることを特徴とする特許請求の範囲第1
項記載の不揮発性半導体記憶装置。
[Claims] 1. A semiconductor substrate of a first conductivity type, source and drain regions of a second conductivity type formed on the surface of this substrate and electrically isolated from each other, and a channel between these source and drain regions. a thin oxide film formed on a central portion separated from the source and drain regions by a desired distance; a thick oxide film formed at least on a region of the channel other than this thin oxide film; and a thick oxide film formed on each of the oxide films. a gate insulating film having a memory function; a gate electrode provided on the gate insulating film; Has a concentration peak and 500〓
a first conductivity type impurity layer having an impurity concentration profile of 10 18 cm -3 or less at a depth exceeding 10 18 cm -3 . 2. Claim 1, characterized in that the gate insulating film having a memory function is a silicon nitride film.
The non-volatile semiconductor memory device described in 2.
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JPS511588A (en) * 1974-05-23 1976-01-08 Ici Ltd
JPS55146980A (en) * 1979-05-07 1980-11-15 Citizen Watch Co Ltd Mnos storage element

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