JPH05129630A - Production of nonvolatile semiconductor storage device - Google Patents

Production of nonvolatile semiconductor storage device

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JPH05129630A
JPH05129630A JP31331491A JP31331491A JPH05129630A JP H05129630 A JPH05129630 A JP H05129630A JP 31331491 A JP31331491 A JP 31331491A JP 31331491 A JP31331491 A JP 31331491A JP H05129630 A JPH05129630 A JP H05129630A
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JP
Japan
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film
charge trap
oxide film
silicon
polysilicon
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Application number
JP31331491A
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Japanese (ja)
Inventor
Noriyuki Shimoji
規之 下地
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Rohm Co Ltd
Original Assignee
Rohm Co Ltd
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • 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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Abstract

PURPOSE:To provide the production of a nonvolatile semiconductor storage device which has a charge trap film which has a deep trap level and that allows excellent dielectric strength. CONSTITUTION:A tunnel oxide film 12 is formed on a silicon substrate 11 and after accumulating a polysilicon film on the film 12, the polysilicon film is thermally oxidized. Thus, a charge trap film 15 whose silicon grain 13 in the polysilicon film is covered with a thermal oxide film 14 is manufactured. After forming a conductive layer on the charge trap film 15, the tunnel oxide film 12, the charge trap film 15 and the conductive layer are patterned and a gate structure is provided. Impurity is ion-implanted using the gate structure as a mask and a drain and a source diffused layers 21 and 22 are formed by self- alignment. Since the thermal oxide film 14 allows excellent insulation, the charge trap film 15 is allowed to have high dielectric strength. The silicon grain 13 covered by the thermal oxide film 14 has a deep trap level and excellent signal charge maintaining characteristic is allowed.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、電荷トラップ膜を備え
た不揮発性半導体記憶装置の製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device having a charge trap film.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、電荷トラップ膜中に電荷を保持す
ることで情報を記憶する不揮発性半導体記憶装置とし
て、MNOS(Metal-Nitride-Oxide-Semiconductor)構
造のメモリセルや、MONOS(Metal-Oxide-Nitride-
Oxide-Semiconductor)構造のメモリセルが知られてい
る。
2. Description of the Related Art Conventionally, as a non-volatile semiconductor memory device that stores information by holding charges in a charge trap film, a memory cell having a MNOS (Metal-Nitride-Oxide-Semiconductor) structure or a MONOS (Metal-Oxide) structure. -Nitride-
A memory cell having an Oxide-Semiconductor structure is known.

【0003】図10に示すように、MNOS構造のメモ
リセルは、例えばP型シリコン基板1の上に、トンネル
酸化膜2、シリコン窒化膜3およびゲート電極4を積層
してなるゲート構造を備え、このゲート構造の両側の基
板中にN+領域であるドレイン拡散層5とソース拡散層
6とが形成された構造になっている。また、図11に示
すように、MONOS構造のメモリセルは、トンネル酸
化膜7、シリコン窒化膜8、トップ酸化膜9およびゲー
ト電極10を積層してなるゲート構造を備えている。
As shown in FIG. 10, a memory cell having a MNOS structure has a gate structure formed by laminating a tunnel oxide film 2, a silicon nitride film 3 and a gate electrode 4 on a P-type silicon substrate 1, for example. In this structure, a drain diffusion layer 5 and a source diffusion layer 6 which are N + regions are formed in the substrate on both sides of this gate structure. Further, as shown in FIG. 11, the memory cell having the MONOS structure has a gate structure in which a tunnel oxide film 7, a silicon nitride film 8, a top oxide film 9 and a gate electrode 10 are laminated.

【0004】これらのメモリセルは、いずれも信号電荷
を蓄積するための電荷トラップ膜としてシリコン窒化膜
3,8を用いており、書き込みに当たってはゲート電極
4,10に正の高電圧を印加することにより、基板1の
チャネル領域から電子がトンネル酸化膜2,7をトンネ
リングしてシリコン窒化膜3,8に注入されトラップさ
れる。ここで、電荷トラップ膜としてのシリコン窒化膜
3,8は、CVD(Chemical Vapor Deposition)法によ
って形成され、具体的には、SiH4 ガスあるいはSi
2 Cl2 ガスとNH3 ガスとを700〜900℃の雰
囲気で反応させることによって生成される。
Each of these memory cells uses the silicon nitride films 3 and 8 as charge trap films for accumulating signal charges, and a positive high voltage is applied to the gate electrodes 4 and 10 in writing. As a result, electrons are tunneled through the tunnel oxide films 2 and 7 from the channel region of the substrate 1 and injected into the silicon nitride films 3 and 8 to be trapped. Here, the silicon nitride films 3 and 8 as charge trap films are formed by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method, and specifically, SiH 4 gas or Si
It is generated by reacting H 2 Cl 2 gas and NH 3 gas in an atmosphere of 700 to 900 ° C.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな構成を有する従来例の場合には、次のような問題が
ある。すなわち、電荷トラップ膜としてのシリコン窒化
膜は、トラップ準位が浅いために、電荷がデトラップし
やすく、そのため、信号電荷の保持特性が悪いという問
題点がある。
However, the conventional example having such a structure has the following problems. That is, since the silicon nitride film as the charge trap film has a shallow trap level, charges are easily detrapped, and therefore, there is a problem that the signal charge retention property is poor.

【0006】そこで、本出願人は先に、電導性のシリコ
ンと絶縁性の二酸化シリコンが混在する膜(いわゆるS
iリッチ酸化膜)を電荷トラップ膜として用いた半導体
記憶装置を提案している(特願平2−210660
号)。Siリッチ酸化膜は、原理上、深い準位を持つた
め、信号電荷の保持特性が優れている。しかしながら、
先に提案したSiリッチ酸化膜は、スパッタリングやC
VD法で形成されていたので、酸化膜中のシリコン結晶
粒(以下、シリコングレインという)間の絶縁性をコン
トロールするのが難しいという問題点がある。特に、書
き込み電圧を低くするために、Siリッチ酸化膜を薄く
した場合、絶縁耐圧を確保するのが困難であり、信号電
荷の書き込み時にSiリッチ酸化膜に注入された電子が
そのままゲート電極に抜けてしまうという不都合な現象
が生じることもあった。
[0006] Therefore, the present applicant has previously proposed that a film in which conductive silicon and insulating silicon dioxide are mixed (so-called S
A semiconductor memory device using an i-rich oxide film as a charge trap film is proposed (Japanese Patent Application No. 210610/1990).
issue). Since the Si-rich oxide film has a deep level in principle, it has excellent signal charge retention characteristics. However,
The previously proposed Si-rich oxide film is used for sputtering and C
Since it is formed by the VD method, there is a problem that it is difficult to control the insulating property between silicon crystal grains (hereinafter referred to as silicon grains) in the oxide film. In particular, when the Si-rich oxide film is thinned in order to reduce the write voltage, it is difficult to secure the dielectric strength voltage, and the electrons injected into the Si-rich oxide film at the time of writing the signal charge are directly released to the gate electrode. The inconvenient phenomenon of being lost sometimes occurred.

【0007】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たものであって、深いトラップ準位を有し、しかも優れ
た絶縁耐圧を持った電荷トラップ膜を有する不揮発性半
導体記憶装置の製造方法を提供することを目的としてい
る。
The present invention has been made in view of such circumstances, and is a method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device having a deep trap level and a charge trap film having an excellent withstand voltage. Is intended to provide.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明は、このような目
的を達成するために、次のような構成をとる。すなわ
ち、本発明は、電荷トラップ膜中に電荷を保持すること
で情報を記憶する不揮発性半導体記憶装置の製造方法に
おいて、半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、前記
絶縁膜上にポリシリコン膜を堆積する工程と、前記ポリ
シリコン膜中のシリコン結晶粒を熱絶縁膜で覆う工程
と、前記ポリシリコン膜上に導電層を堆積する工程と、
前記絶縁膜、ポリシリコン膜、および導電層をパターン
ニングしてゲート構造を形成する工程と、前記ゲート構
造をマスクとして前記ゲート構造の両側の基板中にドレ
インおよびソース拡散層を自己整合によって形成する工
程と、を備えたものである。
The present invention has the following constitution in order to achieve such an object. That is, the present invention relates to a method for manufacturing a non-volatile semiconductor memory device in which information is stored by holding charges in a charge trap film, a step of forming an insulating film on a semiconductor substrate, and a step of forming polysilicon on the insulating film. Depositing a film, covering the silicon crystal grains in the polysilicon film with a thermal insulating film, depositing a conductive layer on the polysilicon film,
Patterning the insulating film, the polysilicon film, and the conductive layer to form a gate structure; and using the gate structure as a mask to form drain and source diffusion layers in a substrate on both sides of the gate structure by self-alignment And a process.

【0009】[0009]

【作用】本発明によれば、ポリシリコン膜中のシリコン
結晶粒が熱絶縁膜で覆われた電荷トラップ膜を持った半
導体記憶装置が得られる。ポリシリコン膜中のシリコン
結晶粒を覆う熱絶縁膜は、スパッタリングやCVD法に
よって得られる絶縁膜に比べて膜質が良好であるので、
高い絶縁耐圧を有する。しかも、熱絶縁膜で覆われたシ
リコン結晶粒は深いトラップ準位を有するので、信号電
荷の保持特性に優れた不揮発性半導体記憶装置が得られ
る。
According to the present invention, it is possible to obtain a semiconductor memory device having a charge trap film in which silicon crystal grains in a polysilicon film are covered with a thermal insulating film. The thermal insulating film that covers the silicon crystal grains in the polysilicon film has better film quality than the insulating film obtained by sputtering or the CVD method.
Has high withstand voltage. Moreover, since the silicon crystal grains covered with the thermal insulating film have a deep trap level, a nonvolatile semiconductor memory device having excellent signal charge retention characteristics can be obtained.

【0010】[0010]

【実施例】以下、図面を参照して本発明の一実施例を説
明する。図1は本発明の一実施例に係る電荷トラップ膜
の構造を示した断面図である。図中、符号11はシリコ
ン基板であり、このシリコン基板11の上に絶縁膜とし
てのトンネル酸化膜12が形成されている。このトンネ
ル酸化膜12の上に、信号電荷のトラップの中心として
働く多数のシリコングレイン13があり、これらのシリ
コングレイン13が熱絶縁膜としての例えば熱酸化膜1
4で覆われて相互に絶縁されている。なお、上述したト
ンネル酸化膜12および熱酸化膜14の替わりに、それ
ぞれ熱シリコン窒化膜を用いてもよい。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a sectional view showing a structure of a charge trap film according to an embodiment of the present invention. In the figure, reference numeral 11 is a silicon substrate, and a tunnel oxide film 12 as an insulating film is formed on the silicon substrate 11. On this tunnel oxide film 12, there are a large number of silicon grains 13 functioning as a center for trapping signal charges, and these silicon grains 13 serve as a thermal insulating film, for example, the thermal oxide film 1.
They are covered with 4 and insulated from each other. A thermal silicon nitride film may be used instead of the tunnel oxide film 12 and the thermal oxide film 14 described above.

【0011】熱酸化膜や熱シリコン窒化膜のような熱絶
縁膜は、スパッタリングやCVD法で形成された絶縁膜
に比べて絶縁性が高いので、シリコングレイン13は、
その相互間、およびシリコン基板11や、電荷トラップ
膜15の上に形成される図示しないゲート電極に対して
それぞれ良好に絶縁される。なお、電荷トラップ膜15
が薄過ぎると、シリコングレイン13を熱酸化膜14で
覆っても、絶縁性を確保するのが難しい場合もある。こ
のような場合は、図2に示すように、電荷トラップ膜1
5を多層構造にすればよい。
Since a thermal insulating film such as a thermal oxide film or a thermal silicon nitride film has a higher insulating property than an insulating film formed by sputtering or a CVD method, the silicon grain 13 is
They are well insulated from each other and from the silicon substrate 11 and the gate electrode (not shown) formed on the charge trap film 15. The charge trap film 15
If it is too thin, it may be difficult to secure the insulation even if the silicon grains 13 are covered with the thermal oxide film 14. In such a case, as shown in FIG.
5 may have a multilayer structure.

【0012】図1および図2に示したような電荷トラッ
プ膜に書き込み電圧が印加された場合、シリコングレイ
ン13に空乏層が発生し、電荷トラップ膜15の誘電率
が変化するおそれがある。電荷トラップ膜15の誘電率
が変化すると、トンネル酸化膜12に加わる電界が小さ
くなり書き込み効率が低下するので、書き込み電圧を高
く設定する必要が生じたり、また、トランジスタのチャ
ネル表面のポテンシャルが変化するので、トランジスタ
の閾値が変動するといった不都合も生じる。そこで、シ
リコングレイン13に燐等の不純物をドープして、シリ
コングレイン13の導電率を上げることにより、空乏層
の発生を抑制することが好ましい。
When a write voltage is applied to the charge trapping film as shown in FIGS. 1 and 2, a depletion layer is generated in the silicon grain 13 and the dielectric constant of the charge trapping film 15 may change. When the dielectric constant of the charge trap film 15 changes, the electric field applied to the tunnel oxide film 12 decreases and the writing efficiency decreases, so that it is necessary to set the writing voltage high, or the potential of the channel surface of the transistor changes. Therefore, there is a disadvantage that the threshold value of the transistor changes. Therefore, it is preferable to suppress the generation of the depletion layer by doping the silicon grains 13 with impurities such as phosphorus to increase the conductivity of the silicon grains 13.

【0013】図3は、上述した電荷トラップ膜15のエ
ネルギバンド構造を示している。図中、E1 ,E2 はト
ンネル酸化膜12および熱酸化膜14のエネルギバン
ド、E 3 はシリコングレイン13のエネルギバンドを示
している。シリコングレイン13と前記酸化膜12,1
4とのバンド間障壁は、約3.1eVである。シリコン
窒化膜のトラップ準位が約0.3eVであるの対し、本
実施例の電荷トラップ膜15のトラップ準位は充分に深
く、シリコン窒化膜を電荷トラップ膜に用いたものに比
べて信号電荷の保持特性が優れていることが理解でき
る。
FIG. 3 shows an example of the charge trap film 15 described above.
The nergi band structure is shown. E in the figure1, E2Is
Energy band of the tunnel oxide film 12 and the thermal oxide film 14
Do, E 3Indicates the energy band of silicon grain 13
is doing. Silicon grain 13 and the oxide film 12, 1
The inter-band barrier with 4 is about 3.1 eV. silicon
While the trap level of the nitride film is about 0.3 eV,
The trap level of the charge trap film 15 of the embodiment is deep enough.
Compared to the one using a silicon nitride film as the charge trap film.
It can be understood that all of them have excellent signal charge retention characteristics.
It

【0014】以下、上述した電荷トラップ膜の製造方法
の一例を図4を参照して説明する。まず、図4の(a)
に示すように、シリコン基板11の上に熱酸化により1
00オングストローム程度のトンネル酸化膜12を形成
する。
An example of a method of manufacturing the above charge trap film will be described below with reference to FIG. First, FIG. 4 (a)
As shown in FIG.
A tunnel oxide film 12 having a thickness of about 00 angstrom is formed.

【0015】次に、図4の(b)に示すように、減圧C
VD法により、トンネル酸化膜12の上に薄いポリシリ
コン膜16を堆積する。具体的には、570℃程度の温
度雰囲気でSiH4 を熱分解することにより、600オ
ングストローム程度のポリシリコン膜16を堆積する。
このポリシリコン膜16を厚く堆積することは好ましく
ない。何故なら、後の熱酸化工程において、酸素原子が
ポリシリコン膜16のグレインバウンダリ(結晶粒界)
16aに沿って内部に拡散し難くなり、ポリシリコン膜
16の内部においてシリコングレイン13の絶縁が不十
分になるおそれがあるからである。
Next, as shown in FIG. 4B, the reduced pressure C
A thin polysilicon film 16 is deposited on the tunnel oxide film 12 by the VD method. Specifically, SiH 4 is thermally decomposed in a temperature atmosphere of about 570 ° C. to deposit a polysilicon film 16 of about 600 Å.
It is not preferable to deposit the polysilicon film 16 thickly. Because, in the subsequent thermal oxidation step, the oxygen atoms become grain boundaries (grain boundaries) of the polysilicon film 16.
This is because it becomes difficult to diffuse inward along 16a and the insulation of the silicon grains 13 inside the polysilicon film 16 may become insufficient.

【0016】ポリシリコン膜16を堆積する初期段階で
は、ポリシリコンの核が発生し、その核を中心としてエ
ピタキシャル成長あるいはマイグレーションによってシ
リコングレイン13が成長する。したがって、ポリシリ
コン膜16が薄い段階では、図3の(b)に示すよう
に、グレインバウンダリ16aは、ポリシリコン膜16
を上下に貫通する。このグレインバウンダリ16aは格
子不整合面であり、酸素原子の拡散速度がシリコングレ
イン13内部よりも速くなる。したがって、この状態で
酸化を行ったとすると、酸化はポリシリコン膜16の上
面だけでなく、グレインバウンダリ16aに沿った側面
からも進行する。これにより、シリコングレイン13が
熱酸化膜14によって完全に覆われるのである。
At the initial stage of depositing the polysilicon film 16, nuclei of polysilicon are generated, and the silicon grains 13 are grown around the nuclei by epitaxial growth or migration. Therefore, when the polysilicon film 16 is thin, as shown in FIG. 3B, the grain boundary 16a becomes the polysilicon film 16
Penetrate up and down. This grain boundary 16a is a lattice mismatch surface, and the diffusion rate of oxygen atoms is faster than that inside the silicon grain 13. Therefore, if the oxidation is performed in this state, the oxidation proceeds not only from the upper surface of the polysilicon film 16 but also from the side surface along the grain boundary 16a. As a result, the silicon grains 13 are completely covered with the thermal oxide film 14.

【0017】ポリシリコン膜16を堆積すると、次に、
図4の(c)に示すように、900℃程度の温度雰囲気
でPOCl3 ガスを供給することにより、ポリシリコン
膜16中に燐をドープして、ポリシリコン膜16の導電
率を上げる。この理由は、前述した通りである。
After depositing the polysilicon film 16, next,
As shown in FIG. 4C, POCl 3 gas is supplied in an atmosphere at a temperature of about 900 ° C. to dope phosphorus into the polysilicon film 16 and increase the conductivity of the polysilicon film 16. The reason for this is as described above.

【0018】次に、図4の(d)に示すように、900
℃程度の雰囲気でウエット酸化を行うことにより、ポリ
シリコン膜16中のシリコングレイン13を熱酸化し、
その表面に300オングストローム程度の熱酸化膜14
を形成する。これまでの工程により、図1で説明したよ
うな電荷トラップ膜15が形成される。
Next, as shown in FIG.
The silicon grains 13 in the polysilicon film 16 are thermally oxidized by performing wet oxidation in an atmosphere of about ° C.
Thermal oxide film 14 of about 300 Å on the surface
To form. Through the steps up to this point, the charge trap film 15 as described with reference to FIG. 1 is formed.

【0019】図2に示したような多層構造の電荷トラッ
プ膜15を生成する場合には、図4の(e)に示したよ
うに、熱酸化膜14を形成した後に、再び薄いポリシリ
コン膜17を堆積する。そして、燐ドープ工程(図4の
(c))および熱酸化工程(図4の(d))を経て、図
4の(f)に示すように、多層構造の電荷トラップ膜1
5を得る。
When the charge trap film 15 having the multi-layer structure as shown in FIG. 2 is formed, as shown in FIG. 4E, after forming the thermal oxide film 14, the thin polysilicon film is formed again. 17 is deposited. Then, after the phosphorus doping step (FIG. 4C) and the thermal oxidation step (FIG. 4D), as shown in FIG. 4F, the charge trap film 1 having a multilayer structure is formed.
Get 5.

【0020】図5は、電荷トラップ膜15内のシリコン
グレイン13相互の絶縁性をより確実にするための製造
方法を示している。すなわち、図5の(a)は、図4の
(a)〜(d)までの工程によって得られた電荷トラッ
プ膜15である。ここでは、図5の(b)に示すよう
に、希釈HF溶液によって、熱酸化膜14を除去する。
そして、図5の(c)に示すように、基板を再び熱酸化
することにより、シリコングレイン13の表面に新たな
熱酸化膜14aを形成する。その結果、シリコングレイ
ン13が細って、その周囲が熱酸化膜14aで覆われる
ので、シリコングレイン13間の絶縁性が一層高められ
る。
FIG. 5 shows a manufacturing method for ensuring the insulation between the silicon grains 13 in the charge trap film 15. That is, FIG. 5A is the charge trap film 15 obtained by the steps of FIGS. 4A to 4D. Here, as shown in FIG. 5B, the thermal oxide film 14 is removed by a diluted HF solution.
Then, as shown in FIG. 5C, the substrate is thermally oxidized again to form a new thermal oxide film 14 a on the surface of the silicon grain 13. As a result, the silicon grains 13 are thinned and the periphery thereof is covered with the thermal oxide film 14a, so that the insulating property between the silicon grains 13 is further enhanced.

【0021】なお、トンネル酸化膜12および熱酸化膜
14の替わりに、熱シリコン窒化膜を用いる場合は、シ
リコン基板11あるいはポリシリコン膜16が堆積され
た基板を、N2 やNH3 等の雰囲気中で高温処理すれば
よい。
When a thermal silicon nitride film is used instead of the tunnel oxide film 12 and the thermal oxide film 14, the silicon substrate 11 or the substrate on which the polysilicon film 16 is deposited is placed in an atmosphere of N 2 or NH 3. High temperature treatment may be performed inside.

【0022】次に、図6を参照して、上述した実施例に
係る電荷トラップ膜を用いた不揮発性メモリの構造を説
明する。この不揮発性メモリは、P型のシリコン基板1
1上に、トンネル酸化膜12、電荷トラップ膜15およ
びゲート電極20を積層してなるゲート構造を備え、そ
の両側の基板中にN+ 領域であるドレイン拡散層21お
よびソース拡散層22が形成されている。電荷トラップ
膜15は、図1あるいは図2で説明したように構成され
ている。
Next, with reference to FIG. 6, the structure of the non-volatile memory using the charge trap film according to the above-described embodiment will be described. This nonvolatile memory is a P-type silicon substrate 1
1 has a gate structure in which a tunnel oxide film 12, a charge trap film 15 and a gate electrode 20 are laminated on each other, and a drain diffusion layer 21 and a source diffusion layer 22 which are N + regions are formed in the substrate on both sides thereof. ing. The charge trap film 15 is configured as described in FIG. 1 or 2.

【0023】この不揮発性メモリへの信号電荷の書き込
み/消去/読み出しは次のように行われる。信号電荷の
書き込み時は、ゲート電極20に正の高電圧を印加する
とともに、チャネル領域23を接地する。これにより、
ゲート電極20とチャネル領域23との間に発生する電
界によって、チャネル領域23内の電子は高いエネルギ
を持つようになり、いくつかの電子はトンネル酸化膜1
2をトンネリングして電荷トラップ膜15に注入され、
電荷トラップ膜15内のシリコングレイン13にトラッ
プされる。これにより、不揮発性メモリトランジスタの
閾値は、図7に示すように、高い方にシフトする。
Writing / erasing / reading of the signal charges to / from the nonvolatile memory is performed as follows. At the time of writing the signal charge, a positive high voltage is applied to the gate electrode 20 and the channel region 23 is grounded. This allows
Due to the electric field generated between the gate electrode 20 and the channel region 23, the electrons in the channel region 23 have high energy, and some of the electrons are in the tunnel oxide film 1.
2 is tunneled and injected into the charge trap film 15,
It is trapped in the silicon grains 13 in the charge trap film 15. As a result, the threshold value of the nonvolatile memory transistor shifts to the higher side, as shown in FIG.

【0024】信号電荷の消去は、チャネル領域23に正
の高電圧を印加して信号電荷の書き込み時とは反対方向
の電界を発生させることにより、シリコングレイン13
にトラップされた電子をチャネル領域23に戻してや
る。これにより、不揮発性メモリトランジスタの閾値
は、図7に示すように、初期状態に戻る。
To erase the signal charges, a positive high voltage is applied to the channel region 23 to generate an electric field in the direction opposite to the direction in which the signal charges are written, whereby the silicon grains 13 are removed.
The electrons trapped in are returned to the channel region 23. As a result, the threshold value of the nonvolatile memory transistor returns to the initial state as shown in FIG.

【0025】信号電荷の読み出しは、図7に示した初期
状態の閾値と書き込み後の閾値の中間にあたる電圧VS
をゲート電極20に、ドレイン拡散領域21に正電圧
(例えば、5V程度)をそれぞれ印加することによって
行われる。シリコングレイン13に電子がトラップされ
た状態では、図8(a)に示すように、ソース、ドレイ
ン間にチャネルが形成されず非導通状態となる。この状
態をデータ『0』として読み出す。シリコングレイン1
3に電子がトラップされていない状態では、図8(b)
に示すように、ソース、ドレイン間にチャネルが形成さ
れ、導通状態となり、この状態をデータ『1』として読
み出す。
The signal charge is read out by the voltage V S which is between the threshold value in the initial state and the threshold value after writing shown in FIG.
Is applied to the gate electrode 20 and to the drain diffusion region 21 by applying a positive voltage (for example, about 5 V). In the state where the electrons are trapped in the silicon grain 13, as shown in FIG. 8A, a channel is not formed between the source and the drain and the state becomes non-conductive. This state is read as data "0". Silicon grain 1
8 (b) when electrons are not trapped in 3
As shown in FIG. 5, a channel is formed between the source and the drain, and the channel becomes conductive, and this state is read as data "1".

【0026】次に、図6に示した不揮発性メモリの製造
方法を、図9を参照して説明する。まず、LOCOS
(Local Oxidation of Silicon) 法によりシリコン基板
上に素子領域を分離形成した後、図9の(a)に示すよ
うに、P型シリコン基板11の上に20オングストロー
ム程度のトンネル酸化膜12を形成する。そして、図9
の(b)に示すように、トンネル酸化膜12の上に20
0オングストローム程度の電荷トラップ膜15を堆積す
る。電荷トラップ膜15の生成方法は、図4および図5
で説明した通りであるので、ここでの説明は省略する。
電荷トラップ膜15の上に、ゲート電極となる4000
オングストローム程度のポリシリコン膜を堆積し、燐等
の不純物をドープして導電性を付与する。次に、フォト
エッチング法により、トンネル酸化膜12、電荷トラッ
プ膜15およびポリシリコン膜をパターンニングして、
図9の(c)に示すようなゲート構造を形成する。この
ゲート構造をマスクとして、シリコン基板11に砒素等
のN型不純物をイオン注入することにより、ドレイン拡
散層21およびソース拡散層22を自己整合によって形
成する。
Next, a method for manufacturing the nonvolatile memory shown in FIG. 6 will be described with reference to FIG. First, LOCOS
After the element region is formed separately on the silicon substrate by the (Local Oxidation of Silicon) method, as shown in FIG. 9A, a tunnel oxide film 12 of about 20 angstrom is formed on the P-type silicon substrate 11. .. And in FIG.
As shown in (b) of FIG.
A charge trap film 15 of about 0 Å is deposited. The method of forming the charge trapping film 15 will be described with reference to FIGS.
Since it is the same as that described above, the description here is omitted.
4000 as a gate electrode on the charge trap film 15
A polysilicon film of about angstrom is deposited, and impurities such as phosphorus are doped to provide conductivity. Next, the tunnel oxide film 12, the charge trap film 15 and the polysilicon film are patterned by photoetching,
A gate structure as shown in FIG. 9C is formed. Using this gate structure as a mask, N type impurities such as arsenic are ion-implanted into the silicon substrate 11 to form the drain diffusion layer 21 and the source diffusion layer 22 by self-alignment.

【0027】なお、上述の実施例では本発明の要旨とな
る電荷トラップ膜を備えたNチャネル型の不揮発性メモ
リについて説明したが、本発明はPチャネル型の不揮発
性メモリにも適用できることは勿論である。
Although the N-channel non-volatile memory provided with the charge trapping film, which is the subject matter of the present invention, has been described in the above embodiments, the present invention is of course applicable to a P-channel non-volatile memory. Is.

【0028】[0028]

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、半導体基板上に絶縁膜(トンネル絶縁膜)を
形成し、この絶縁膜上にポリシリコン膜を堆積した後、
前記ポリシリコン膜中のシリコン結晶粒を熱絶縁膜で覆
って電荷トラップ膜を形成しているので、高い絶縁耐圧
を有し、しかも、信号電荷の保持特性に優れた信頼性の
高い不揮発性半導体記憶装置を実現することができる。
As is apparent from the above description, according to the present invention, after forming an insulating film (tunnel insulating film) on a semiconductor substrate and depositing a polysilicon film on this insulating film,
Since the charge trap film is formed by covering the silicon crystal grains in the polysilicon film with a thermal insulation film, the nonvolatile semiconductor has a high withstand voltage and is excellent in signal charge retention characteristics and highly reliable. A storage device can be realized.

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

【図1】本発明の一実施例に係る電荷トラップ膜の構成
を示した断面図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a structure of a charge trap film according to an embodiment of the present invention.

【図2】多層構造の電荷トラップ膜の構成を示した断面
図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a structure of a charge trap film having a multilayer structure.

【図3】実施例に係る電荷トラップ膜のバンド構造図で
ある。
FIG. 3 is a band structure diagram of a charge trap film according to an example.

【図4】実施例に係る電荷トラップ膜の製造方法の説明
図である。
FIG. 4 is an explanatory diagram of the method for manufacturing the charge trap film according to the example.

【図5】電荷トラップ膜の製造方法の別実施例の説明図
である。
FIG. 5 is an explanatory diagram of another embodiment of the method of manufacturing the charge trap film.

【図6】実施例に係る電荷トラップ膜を用いた不揮発性
メモリの構成を示した断面図である。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a configuration of a nonvolatile memory using a charge trap film according to an example.

【図7】図6に示した不揮発性メモリの書き込み前後の
閾値のシフト状態を示した説明図である。
FIG. 7 is an explanatory diagram showing a threshold shift state before and after writing in the nonvolatile memory shown in FIG. 6;

【図8】図6に示した不揮発性メモリの読み出し動作の
説明図である。
8 is an explanatory diagram of a read operation of the nonvolatile memory shown in FIG.

【図9】図6に示した不揮発性メモリの製造方法の説明
図である。
9 is an explanatory diagram of a method of manufacturing the nonvolatile memory shown in FIG.

【図10】従来例に係るMNOS素子の構造を示した断
面図である。
FIG. 10 is a sectional view showing a structure of a MNOS element according to a conventional example.

【図11】従来例に係るMONOS素子の構造を示した
断面図である。
FIG. 11 is a cross-sectional view showing the structure of a MONOS element according to a conventional example.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11…シリコン基板 12…トンネル酸化膜 13…シリコングレイン 14…熱酸化膜 15…電荷トラップ膜 16,17…ポリシリコン膜 16a…グレインバウンダリ 20…ゲート電極 21…ドレイン拡散層 22…ソース拡散層 23…チャネル領域 11 ... Silicon substrate 12 ... Tunnel oxide film 13 ... Silicon grain 14 ... Thermal oxide film 15 ... Charge trap film 16, 17 ... Polysilicon film 16a ... Grain boundary 20 ... Gate electrode 21 ... Drain diffusion layer 22 ... Source diffusion layer 23 ... Channel area

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 電荷トラップ膜中に電荷を保持すること
で情報を記憶する不揮発性半導体記憶装置の製造方法に
おいて、 半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、 前記絶縁膜上にポリシリコン膜を堆積する工程と、 前記ポリシリコン膜中のシリコン結晶粒を熱絶縁膜で覆
う工程と、 前記ポリシリコン膜上に導電層を堆積する工程と、 前記絶縁膜、ポリシリコン膜、および導電層をパターン
ニングしてゲート構造を形成する工程と、 前記ゲート構造をマスクとして前記ゲート構造の両側の
基板中にドレインおよびソース拡散層を自己整合によっ
て形成する工程と、 を備えたことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の製
造方法。
1. A method of manufacturing a non-volatile semiconductor memory device in which information is stored by holding charges in a charge trap film, the method comprising: forming an insulating film on a semiconductor substrate; and forming a polysilicon film on the insulating film. A step of depositing a silicon crystal grain in the polysilicon film with a heat insulating film, a step of depositing a conductive layer on the polysilicon film, and a step of depositing the insulating film, the polysilicon film, and the conductive layer. Patterning to form a gate structure; and using the gate structure as a mask to form drain and source diffusion layers in the substrates on both sides of the gate structure by self-alignment. Of manufacturing a non-volatile semiconductor memory device.
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