JPH06275840A - Nonvolatile storage element - Google Patents

Nonvolatile storage element

Info

Publication number
JPH06275840A
JPH06275840A JP5062211A JP6221193A JPH06275840A JP H06275840 A JPH06275840 A JP H06275840A JP 5062211 A JP5062211 A JP 5062211A JP 6221193 A JP6221193 A JP 6221193A JP H06275840 A JPH06275840 A JP H06275840A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
film
floating gate
insulating film
control gate
gate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP5062211A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Takanori Ozawa
孝典 小澤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rohm Co Ltd
Original Assignee
Rohm Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Rohm Co Ltd filed Critical Rohm Co Ltd
Priority to JP5062211A priority Critical patent/JPH06275840A/en
Publication of JPH06275840A publication Critical patent/JPH06275840A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Abstract

PURPOSE:To improve performance of a nonvolatile storage element with a floating gate and a control gate and to make the geometry finer. CONSTITUTION:In a capacitor insulation film 15 which is included between a floating gate 14 and a control gate 16, an oxide film 15a, a nitride film 15b, and a ferroelectric film 15c are successively laminated. Therefore, since the flow of holes from the control gate 16 into the nitride film 15b is prevented, the holes from the control gate 16 do not combine with electrons from the floating gate 14 again in the nitride film 15b. Also, it is not necessary to apply a large heat stress when a ferroelectric film is loaded, thus responding to the request for reducing heat budget.

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、フローティングゲート
とコントロールゲートとを有し、このフローティングゲ
ートに電荷を注入したり、取り出したりすることで情報
の記憶を行う不揮発性記憶素子に関し、特にフローティ
ングゲートとコントロールゲートとの間に介在され、電
荷をフローティングゲートに長時間閉じ込めておくため
のキャパシタ絶縁層の構造に係る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a non-volatile memory element having a floating gate and a control gate, and information is stored in the floating gate by injecting or extracting electric charge, and more particularly to a floating gate. And a control gate, and relates to a structure of a capacitor insulating layer for confining charges in a floating gate for a long time.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来より、フローティングゲートとコン
トロールゲートとを有する不揮発性記憶素子は、フラッ
シュメモリ、EPROM(Erasable Programmable Read On Me
mory)、EEPROM(Electrically Erasable Programmable R
ead On Memory) およびDRAM(Dynamic Random Access Me
mory)等に使用されている。この不揮発性記憶素子を図
11に示す。図11に示した不揮発性記憶素子は、P型
シリコン基板1と、シリコン基板1の表面層に所定の間
隔をあけて形成されたN型ソース領域1bおよびN型ド
レイン領域1cと、ソース領域1bおよびドレイン領域
1cで挟まれるように生じるチャネル領域1a上に形成
されたトンネル酸化膜2と、トンネル酸化膜2上に形成
されたフローティングゲート3と、フローティングゲー
ト3上に形成されたキャパシタ絶縁膜4と、キャパシタ
絶縁膜4上に形成されたコントロールゲート5と、トン
ネル酸化膜2、フローティングゲート3、キャパシタ絶
縁膜4およびコントロールゲート5を覆う層間絶縁膜6
とを備えている。
2. Description of the Related Art Conventionally, a nonvolatile memory element having a floating gate and a control gate has been used in a flash memory, an EPROM (Erasable Programmable Read On Me).
mory), EEPROM (Electrically Erasable Programmable R
ead On Memory) and DRAM (Dynamic Random Access Me)
mory) etc. This nonvolatile memory element is shown in FIG. The nonvolatile memory element shown in FIG. 11 includes a P-type silicon substrate 1, an N-type source region 1b and an N-type drain region 1c formed on the surface layer of the silicon substrate 1 with a predetermined space, and a source region 1b. And a tunnel oxide film 2 formed on the channel region 1a that is sandwiched between the drain region 1c and the drain region 1c, a floating gate 3 formed on the tunnel oxide film 2, and a capacitor insulating film 4 formed on the floating gate 3. And a control gate 5 formed on the capacitor insulating film 4, an interlayer insulating film 6 covering the tunnel oxide film 2, the floating gate 3, the capacitor insulating film 4 and the control gate 5.
It has and.

【0003】つまり、フローティングゲート3は、トン
ネル酸化膜2、キャパシタ絶縁膜4および層間絶縁膜6
で囲まれており、外部と接続が取られていない。そし
て、フローティングゲート3は、トンネル酸化膜2を通
過してきた電荷を蓄積する。それゆえ、この不揮発性記
憶素子は、スタックゲート型あるいはフローティングゲ
ート型と呼ばれている。
That is, the floating gate 3 has a tunnel oxide film 2, a capacitor insulating film 4 and an interlayer insulating film 6.
It is surrounded by and is not connected to the outside. Then, the floating gate 3 accumulates the charges that have passed through the tunnel oxide film 2. Therefore, this nonvolatile memory element is called a stack gate type or a floating gate type.

【0004】上記不揮発性記憶素子では、例えばドレイ
ン領域1cおよびコントロールゲート5との間に正の高
電界をかけて、情報の書き込みが行われる。つまり、ド
レイン領域1cおよびコントロールゲート5との間にか
けられた正の高電界により、ドレイン領域1cとチャネ
ル領域1aとの境界で高いエネルギーを有する電子、い
わゆるホットエレクトロンが発生する。このホットエレ
クトロンがトンネル酸化膜2をFN(Fowler-Nordheim)
トンネルして、フローティングゲート3に注入される。
フローティングゲート3に注入されたエレクトロンは、
キャパシタ絶縁膜4によって、フローティングゲート3
内に長時間閉じ込められる。
In the above nonvolatile memory element, for example, information is written by applying a positive high electric field between the drain region 1c and the control gate 5. That is, due to the positive high electric field applied between the drain region 1c and the control gate 5, electrons having high energy, so-called hot electrons are generated at the boundary between the drain region 1c and the channel region 1a. This hot electron causes tunnel oxide film 2 to pass through FN (Fowler-Nordheim).
It is tunneled and injected into the floating gate 3.
The electrons injected into the floating gate 3 are
The floating gate 3 is formed by the capacitor insulating film 4.
Be trapped inside for a long time.

【0005】スタックゲート型不揮発性記憶素子の高性
能化、微細化する上で、フローティングゲートとコント
ロールゲートとの間に介在されるキャシタ絶縁膜の薄膜
化が最も重要な課題となっている。すなわち、スタック
ゲート型不揮発性記憶素子においては、キャシタ絶縁膜
を薄くすることで、コントロールゲートの電位を効率よ
くフローティングゲートに伝達できる。その結果、情報
の高速書き込み、読み出しが達成され、微細化が可能と
なる。一方、不揮発性の要求を満たすため、フローティ
ングゲートに注入された電荷を長時間閉じ込めておく必
要がある。そのため、キャパシタ絶縁膜には、極めて高
品質のものが要求される。
In order to improve the performance and miniaturization of the stack gate type non-volatile memory element, the thinning of the capacitor insulating film interposed between the floating gate and the control gate is the most important issue. That is, in the stack gate nonvolatile memory element, the potential of the control gate can be efficiently transmitted to the floating gate by thinning the capacitor insulating film. As a result, high-speed writing and reading of information are achieved, and miniaturization is possible. On the other hand, in order to satisfy the requirement of nonvolatility, it is necessary to confine the charges injected into the floating gate for a long time. Therefore, extremely high quality is required for the capacitor insulating film.

【0006】ところで、図11に示したスタックゲート
型不揮発性記憶素子では、フローティングゲート3には
ポリシリコンが使用されており、このポリシリコンを熱
酸化し、SiO2 膜を成長させてキャパシタ絶縁膜4が
形成されている。つまり、キャパシタ絶縁膜4には、S
iO2 膜が使用されている。このSiO2 膜であるキャ
パシタ絶縁膜4の薄膜化を追求していくと、膜の欠陥が
増大する。その結果、フロティングゲートに蓄積されて
いるエレクトロンがコントロールゲート内に流入し、コ
ントロールゲート内のホールと再結合する。そのため、
リーク電流が発生し、デバイスで要求される仕様を満た
さなくなる。すなわち、電荷保持特性が悪くなり、不揮
発性の要求を満たさくなる。
By the way, in the stack gate type nonvolatile memory element shown in FIG. 11, polysilicon is used for the floating gate 3, and this polysilicon is thermally oxidized to grow a SiO 2 film to grow a capacitor insulating film. 4 are formed. That is, in the capacitor insulating film 4, S
An iO 2 film is used. When the thinning of the capacitor insulating film 4 which is the SiO 2 film is pursued, the defects of the film increase. As a result, the electrons accumulated in the floating gate flow into the control gate and recombine with the holes in the control gate. for that reason,
Leakage current occurs and the specifications required by the device cannot be met. That is, the charge retention characteristic is deteriorated and the requirement for nonvolatility is not satisfied.

【0007】上記に対処するため、図12に示すような
スタックゲート型不揮発性記憶素子が提案されている。
この不揮発性記憶素子のキャパシタ絶縁膜4は、伝導機
構の異なる膜をサンドイッチした、いわゆるONO(oxi
de-nitride-oxide) 構造を有している。つまり、キャパ
シタ絶縁膜4は、SiO2 からなるボトム酸化膜4aお
よびトップ酸化膜4cでSi3 4 からなるトラップ窒
化膜4bをサンドイッチした構造を有している。このキ
ャパシタ絶縁膜4は、ポリシリコンを熱酸化して得た酸
化膜4aの上部に、CVD(chemical vapor depositio
n) 法により窒化膜4bを堆積し、さらに窒化膜4bを
熱酸化して窒化膜4b上に酸化膜4cを成長させること
で形成される。それゆえ、この不揮発性記憶素子では、
フローティングゲート3内のエレクトロンがボトム酸化
膜4aをトンネルしたとしても、トラップ窒化膜4bで
捕獲される。よって、エレクトロンは、コントロールゲ
ート5まで流出しない。
In order to deal with the above, a stack gate type nonvolatile memory element as shown in FIG. 12 has been proposed.
The capacitor insulating film 4 of this nonvolatile memory element is a so-called ONO (oxi (oxi) which sandwiches films having different conduction mechanisms.
de-nitride-oxide) structure. That is, the capacitor insulating film 4 has a structure in which the bottom oxide film 4a made of SiO 2 and the top oxide film 4c sandwich the trap nitride film 4b made of Si 3 N 4 . The capacitor insulating film 4 is formed on the oxide film 4a obtained by thermally oxidizing polysilicon by CVD (chemical vapor deposition).
n) method, the nitride film 4b is deposited, and the nitride film 4b is further thermally oxidized to grow the oxide film 4c on the nitride film 4b. Therefore, in this nonvolatile memory element,
Even if the electrons in the floating gate 3 tunnel through the bottom oxide film 4a, they are captured by the trap nitride film 4b. Therefore, electrons do not flow out to the control gate 5.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】図12に示したスタッ
クゲート型不揮発性記憶素子は、窒化膜4bのエレクト
ロントラップ効果によりエレクトロンのフローティング
ゲートからコントロールゲートへのリークを抑制してお
り、電荷保持特性を向上させる点で一応の効果があるも
のの、16Mビット以上の大容量の不揮発性メモリを実
現するためには、キャパシタ絶縁膜4をさらに薄膜化す
る必要がある。
In the stack gate type non-volatile memory element shown in FIG. 12, the electron leakage from the floating gate to the control gate is suppressed by the electron trap effect of the nitride film 4b, and the charge retention characteristic is reduced. However, in order to realize a large-capacity nonvolatile memory of 16 Mbits or more, it is necessary to further thin the capacitor insulating film 4.

【0009】しかしながら、上記不揮発性記憶素子にお
いて、キャパシタ絶縁膜をさらに薄膜化を追求していく
と、トラップ窒化膜内で、フローティングゲートからの
エレクトロンと、コントロールゲートからのホールとが
再結合し、リーク電流が発生する。その結果、記憶され
ている情報が破壊され、誤った情報の読み出しが行われ
る。つまり、電荷保持特性が悪くなり、信頼性に欠け
る。
However, in the above nonvolatile memory element, when the capacitor insulating film is further thinned, the electrons from the floating gate and the holes from the control gate are recombined in the trap nitride film, Leak current is generated. As a result, the stored information is destroyed and incorrect information is read. That is, the charge retention characteristic is deteriorated and the reliability is poor.

【0010】上記不揮発性記憶素子において、電荷保持
特性が悪くなるメカニズムを図13に示す。図13はO
NO構造を有するキャパシタ絶縁膜のエネルギーバンド
図である。図中、EFFはフローティングゲートのフェル
ミ準位、EFCはコントロールゲートのフェルミ準位、B
BOはボトム酸化膜のポテンシャル障壁、BTNはトラップ
窒化膜のポテンシャル障壁、BTOはトップ酸化膜のポテ
ンシャル障壁をそれぞれ示している。
FIG. 13 shows the mechanism of deterioration of the charge retention characteristic in the above nonvolatile memory element. 13 is O
FIG. 6 is an energy band diagram of a capacitor insulating film having an NO structure. In the figure, E FF is the Fermi level of the floating gate, E FC is the Fermi level of the control gate, B
BO is a potential barrier of the bottom oxide film, B TN is potential barrier trapping nitride film, B TO are respectively the potential barrier of the top oxide film.

【0011】図13を参照して、コントロールゲートに
正の電界を加えると、コントロールゲートとフローティ
ングゲートとの間に電界がかかり、フローティングゲー
トのフェルミ準位EFFおよびコントロールゲートのフェ
ルミ準位EFCがそれぞれ所定の方向にずれる。その結
果、キャシタ絶縁膜のエネルギーバンド構造に変形が生
じる。つまり、ボトム酸化膜のポテンシャル障壁BBO
エレクトロンが通過する幅WBOおよびトップ酸化膜のポ
テンシャル障壁BTOのホールが通過する幅WTOが狭くな
る。トラップ窒化膜中においては、ホールが低電界側で
流れやすい。そのため、コントロールゲートからのホー
ル注入量は、トップ酸化膜の膜厚によって左右される。
よって、素子の高速化、微細化に伴って、トップ酸化膜
の膜厚を例えば3nm以下まで薄膜化すると、ホールが
トップ酸化膜をトンネルしてトラップ窒化膜中に流入す
る。このトラップ窒化膜中に流入したホールと、ボトム
酸化膜をトンネルしてトラップ窒化膜中に流入してきた
エレクトロンとが再結合し、リーク電流が発生するので
ある。
Referring to FIG. 13, when a positive electric field is applied to the control gate, an electric field is applied between the control gate and the floating gate, and the Fermi level E FF of the floating gate and the Fermi level E FC of the control gate are applied. Are shifted in a predetermined direction. As a result, the energy band structure of the capacitor insulating film is deformed. That is, the width W BO through which electrons of the potential barrier B BO of the bottom oxide film pass and the width W TO through which holes of the potential barrier B TO of the top oxide film pass are narrowed. In the trap nitride film, holes easily flow on the low electric field side. Therefore, the amount of holes injected from the control gate depends on the thickness of the top oxide film.
Therefore, if the thickness of the top oxide film is reduced to, for example, 3 nm or less with the speeding up and miniaturization of the device, holes tunnel into the trap oxide film and flow into the trap nitride film. The holes flowing into the trap nitride film are recombined with the electrons tunneling through the bottom oxide film and flowing into the trap nitride film to generate a leak current.

【0012】また、ボトム酸化膜は、薄いといっても、
ONO構造を有するキャパシタ絶縁膜の実効膜厚に占め
る割合が最も大きいのが通例である。したがって、ボト
ム酸化膜中はホールが流れにくくなっている。そのた
め、トラップ窒化膜中に注入されたホールは、ボトム酸
化膜とトラップ窒化膜との界面付近に蓄積される。この
ボトム酸化膜とトラップ窒化膜との界面付近に蓄積され
たホールが、結果的にボトム酸化膜の電界を高める。そ
うすると、図13において一点鎖線で示すように、ボト
ム酸化膜のポテンシャル障壁BBOのエレクトロンが通過
する幅WBOがより狭くなり、FNトンネル電流Jo を増
加させる。このFNトンネル電流Jo の増加に伴い、ボ
トム酸化膜をトンネルしてトラップ窒化膜中に流入する
エレクトロンの量が増える結果、リーク電流量が増大す
る。
The bottom oxide film is thin,
It is customary that the ratio of the capacitor insulating film having the ONO structure to the effective film thickness is the largest. Therefore, it is difficult for holes to flow in the bottom oxide film. Therefore, the holes injected into the trap nitride film are accumulated near the interface between the bottom oxide film and the trap nitride film. The holes accumulated near the interface between the bottom oxide film and the trap nitride film consequently enhance the electric field of the bottom oxide film. Then, as shown by the alternate long and short dash line in FIG. 13, the width W BO through which the electrons of the potential barrier B BO of the bottom oxide film pass becomes narrower, and the FN tunnel current J o is increased. As the FN tunnel current J o increases, the amount of electrons that tunnel through the bottom oxide film and flow into the trap nitride film increases. As a result, the amount of leak current increases.

【0013】また、素子の微細化に伴って、完成品にな
るまでにかけてよい熱ストレス、いわゆるサーマルパジ
ットの低減が要請されている。しかしながら、上記不揮
発性記憶素子では、キャパシタ絶縁膜を形成する際に、
ボトム酸化膜およびトップ酸化膜を成長させるため、2
回の熱酸化工程を要する。したがって、サーマルパジッ
ト低減の要請には応えることができず、さらなる素子の
微細化にはあまり貢献できないた。
Further, with the miniaturization of elements, there is a demand for reduction of thermal stress that may be applied to a finished product, that is, so-called thermal padding. However, in the above nonvolatile memory element, when the capacitor insulating film is formed,
2 for growing bottom oxide and top oxide
Two thermal oxidation steps are required. Therefore, it was not possible to meet the demand for reduction of thermal padit, and it was not possible to contribute much to further miniaturization of the device.

【0014】つまり、上記不揮発性記憶素子は、電荷保
持特性およびサーマルパジットの両面から、さらなる素
子の高性能化、微細化に不向きとなっている。よって、
さらなる素子の高性能化、微細化を可能とする不揮発性
記憶素子が要望されている。そもそも、電荷保持特性が
悪くなるのは、トップ酸化膜の比誘電率が低く、その膜
厚を薄くすると、窒化膜中にホールが流入するからで
る。そこで、本出願人は、窒化膜の上に膜厚を薄くして
もホールのトラップ窒化膜中への流入を十分にブロック
できる、高い誘電率を有する膜を積めば、エレクトロン
とホールとが窒化膜中で再結合するのを防止できるので
はないかと考えた。また、高い誘電率を有する膜とし
て、熱をかけなくても成長させることができるものを選
択することによって、サーマルパジット低減の要請に応
えることができるのではないかと着眼した。
That is, the non-volatile memory element is unsuitable for further improvement in performance and miniaturization of the element in terms of both charge retention characteristics and thermal padding. Therefore,
There is a demand for a non-volatile memory element that enables higher performance and miniaturization of the element. In the first place, the reason why the charge retention characteristic is deteriorated is that the relative permittivity of the top oxide film is low, and when the film thickness is made thin, holes flow into the nitride film. Therefore, the applicant of the present invention, if a film having a high dielectric constant that can sufficiently block the inflow of holes into the trap nitride film even if the film thickness is thin is deposited on the nitride film, the electrons and holes are nitrided. We thought that it could prevent recombination in the film. Further, it was found that it is possible to meet the demand for reduction of thermal padit by selecting a film that can be grown without applying heat as a film having a high dielectric constant.

【0015】本発明は、上記に鑑み、さらなる素子の高
性能化、微細化を可能とする不揮発性記憶素子の提供を
目的とする。
In view of the above, it is an object of the present invention to provide a non-volatile memory element which enables higher performance and miniaturization of the element.

【0016】[0016]

【課題を解決するための手段】本発明による課題解決手
段は、電荷を注入したり、取り出したりすることで情報
の記憶を行うものであって、予め定める第1の導電型式
をした半導体基板、上記半導体基板の表面層に所定の間
隔をあけて形成され、上記第1の導電型式とは反対の第
2の導電型式をしたソース領域およびドレイン領域、上
記ソース領域およびドレイン領域で挟まれるように生じ
るチャネル領域上に形成され、チャネル領域で発生した
電荷を通過させ得るトンネル絶縁膜、上記トンネル絶縁
膜上に形成され、トンネル絶縁膜を通過してきた電荷を
蓄積するフローティングゲート、上記フローティングゲ
ート上に形成され、フローティングゲートに注入された
電荷を長時間閉じ込めておくためのものであって、酸化
膜、窒化膜および高誘電体膜を順次積層したキャパシタ
絶縁膜、ならびに上記キャパシタ絶縁膜上に形成され、
所定の電圧が印加されるコントロールゲートを含むもの
である。
Means for Solving the Problems A means for solving the problems according to the present invention is to store information by injecting and extracting charges, and a semiconductor substrate having a predetermined first conductivity type, It is formed at a predetermined interval on the surface layer of the semiconductor substrate and is sandwiched by a source region and a drain region having a second conductivity type opposite to the first conductivity type and the source region and the drain region. A tunnel insulating film formed on the resulting channel region and capable of passing the charges generated in the channel region, a floating gate formed on the tunnel insulating film for accumulating the charges passing through the tunnel insulating film, and a floating gate on the floating gate An oxide film, a nitride film, and an oxide film are provided for confining charges formed and injected into the floating gate for a long time. Dielectric film sequentially laminated capacitor insulating film, and is formed on the capacitor insulating film,
It includes a control gate to which a predetermined voltage is applied.

【0017】[0017]

【作用】上記課題解決手段において、キャパシタ絶縁膜
の最上層に高誘電体膜を使用しいるので、コントロール
ゲートに正の電界を加えると、電圧の大部分は比誘電率
の低い酸化膜にかかり、高誘電体膜中の電界強度が非常
に弱くなる。そのため、高誘電体膜のポテンシャル障壁
の電荷が通過する幅はあまり変化しない。その結果、高
誘電体膜のポテンシャル障壁により、コントロールゲー
トからの電荷の窒化膜中への流入が阻止される。その結
果、窒化膜中において、コントロールゲートおよび、フ
ローティングゲートから流入してくる互いに極性の異な
る電荷が再結合せず、リーク電流が発生しない。よっ
て、電荷保持特性がよくなる。
In the above means for solving the problems, since the high dielectric film is used as the uppermost layer of the capacitor insulating film, when a positive electric field is applied to the control gate, most of the voltage is applied to the oxide film having a low relative dielectric constant. , The electric field strength in the high dielectric film becomes very weak. Therefore, the width of the potential barrier of the high dielectric film through which the charges pass does not change much. As a result, the potential barrier of the high-dielectric film prevents the charge from flowing from the control gate into the nitride film. As a result, in the nitride film, charges having different polarities flowing from the control gate and the floating gate do not recombine, and a leak current does not occur. Therefore, the charge retention characteristics are improved.

【0018】また、高誘電体膜は、スパッタリング、C
IB、ゾルゲル法等により、窒化膜上に積み込むことが
できる。そのため、高誘電体膜を積む際には大きな熱ス
トレスをかけなくて済み、サーマルパジットの低減の要
請に応えることができる。
The high dielectric film is formed by sputtering, C
It can be loaded on the nitride film by the IB, sol-gel method or the like. Therefore, it is not necessary to apply a large thermal stress when the high-dielectric film is stacked, and it is possible to meet the demand for reduction of the thermal budget.

【0019】[0019]

【実施例】以下、本発明の一実施例を図1ないし図10
に基づいて詳述する。図1は本発明の一実施例に係る不
揮発性記憶素子の構造を示す概略断面図である。図1を
参照しつつ、本実施例に係る不揮発性記憶素子の構造に
ついて説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.
Based on. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a nonvolatile memory element according to an embodiment of the present invention. The structure of the nonvolatile memory element according to the present embodiment will be described with reference to FIG.

【0020】本実施例の不揮発性記憶素子は、スタック
ゲート型であって、P型シリコン基板10の表面層に相
対的に厚く形成されたフィールド酸化膜11により素子
分離されている。そして、このフィールド酸化膜11に
より素子分離領域において、シリコン基板10の表面層
に所定の間隔をあけて形成されたN型ソース領域12a
およびN型ドレイン領域12bと、ソース領域12aお
よびドレイン領域12bで挟まれるように生じるチャネ
ル領域12a上に形成されたトンネル酸化膜13と、ト
ンネル酸化膜13上に形成されたフローティングゲート
14と、フローティングゲート14上に形成されたキャ
パシタ絶縁膜15と、キャパシタ絶縁膜15上に形成さ
れたコントロールゲート16とを備えている。
The nonvolatile memory element of this embodiment is of a stack gate type and is element-isolated by a field oxide film 11 formed relatively thick on the surface layer of a P-type silicon substrate 10. Then, in the element isolation region formed by the field oxide film 11, the N-type source region 12a formed in the surface layer of the silicon substrate 10 at a predetermined interval.
A tunnel oxide film 13 formed on the N-type drain region 12b, the channel region 12a formed so as to be sandwiched between the source region 12a and the drain region 12b, a floating gate 14 formed on the tunnel oxide film 13, and a floating state. The capacitor insulating film 15 formed on the gate 14 and the control gate 16 formed on the capacitor insulating film 15 are provided.

【0021】トンネル酸化膜13は、チャネル領域12
aで発生したエレクトロンをトンネルさせ得るものであ
る。このトンネル酸化膜13は、SiO2 からなり、そ
の膜厚は、エレクトロンをトンネルさせることができる
よう、相対的に薄く設定されている。フローティングゲ
ート14は、トンネル酸化膜13をトンネルしてきたエ
レクトロンを蓄積するためのものである。このフローテ
ィングゲート14は、例えばリンを高濃度にドープして
低抵抗化したポリシリコンからなる。
The tunnel oxide film 13 is formed in the channel region 12
The electrons generated in a can be tunneled. The tunnel oxide film 13 is made of SiO 2 , and its film thickness is set relatively thin so that electrons can be tunneled. The floating gate 14 is for accumulating electrons that have tunneled through the tunnel oxide film 13. The floating gate 14 is made of, for example, polysilicon which is doped with phosphorus at a high concentration to reduce its resistance.

【0022】キャパシタ絶縁膜15は、フローティング
ゲート14内に蓄積されているエレクトロンを長時間閉
じ込めておくものである。このキャパシタ絶縁膜15
は、フローティングゲート14からコントロールゲート
16に向かって、酸化膜15a、窒化膜15bおよび強
誘電体膜15cを順次積層した、いわゆるFNO(ferro
electric-nitride-oxide) 構造を有している。酸化膜1
5aは、SiO2 からなり、その膜厚は10nm程度に
設定されている。窒化膜15bは、Si3 4 からな
り、その膜厚は15nm程度に設定されている。強誘電
体膜15cは、BSN、PZT、チタン酸ストロンチウ
ム等の強誘電体からなり、その膜厚は50nm程度に設
定されている。なお、強誘電体は、その分極反転を目的
として使用するのではないから、配向性を考慮しないで
選択できる。
The capacitor insulating film 15 keeps the electrons accumulated in the floating gate 14 for a long time. This capacitor insulating film 15
Is a so-called FNO (ferro) in which an oxide film 15a, a nitride film 15b and a ferroelectric film 15c are sequentially stacked from the floating gate 14 to the control gate 16.
electric-nitride-oxide) structure. Oxide film 1
5a is made of SiO 2 , and its film thickness is set to about 10 nm. The nitride film 15b is made of Si 3 N 4 , and its film thickness is set to about 15 nm. The ferroelectric film 15c is made of a ferroelectric material such as BSN, PZT, and strontium titanate, and its thickness is set to about 50 nm. Since the ferroelectric substance is not used for the purpose of reversing its polarization, it can be selected without considering the orientation.

【0023】コントロールゲート16は、情報の書き込
み、消去および読み出し時に所定のコントロール電圧が
印加されるものである。このコントロールゲート16
は、例えばリンを高濃度にドープして低抵抗化したポリ
シリコンからなる。また、シリコン基板10の全面に
は、層間絶縁膜17で覆われている。この層間絶縁膜1
7は、PドープのSiO2 であるPSG(phospho-silic
ate glass)中にBを混入したBPSG(boron-phospho-s
ilicate glass)等からなる。これにより、フローティン
グゲート14は、トンネル酸化膜13、キャパシタ絶縁
膜15および層間絶縁膜17に囲まれて外部と接続がと
られていない。また、層間絶縁膜17のコントロールゲ
ート16と対応する部分には、ゲートコンタクトホール
18aが開口されており、このコンタクトホール18a
を通してゲート電極19aがコントロールゲート16と
接触するように形成されている。同様に、ソース領域1
2bと対応する部分には、ソースコンタクトホール18
bが開口されており、このコンタクトホール18bを通
してソース電極19bがソース領域12bと接触するよ
うに形成されている。さらに、ドレイン領域12cと対
応する部分には、ドレインコンタクトホール18cが開
口されており、このコンタクトホール18cを通してド
レイン電極19cがドレイン領域12cと接触するよう
に形成されている。それゆえ、ゲート電極19a、ソー
ス電極19bおよびドレイン電極19cは、層間絶縁膜
17によって互いに絶縁されている。なお、各電極19
a,19b,19cはAl等の導電性物質からなる。
The control gate 16 is for applying a predetermined control voltage when writing, erasing and reading information. This control gate 16
Is made of, for example, polysilicon in which phosphorus is doped at a high concentration to reduce resistance. Further, the entire surface of the silicon substrate 10 is covered with the interlayer insulating film 17. This interlayer insulating film 1
7 is P-doped SiO 2 PSG (phospho-silic)
BPSG (boron-phospho-s) with B mixed in ate glass)
ilicate glass) etc. As a result, floating gate 14 is surrounded by tunnel oxide film 13, capacitor insulating film 15 and interlayer insulating film 17 and is not connected to the outside. Further, a gate contact hole 18a is opened in a portion of the interlayer insulating film 17 corresponding to the control gate 16, and the contact hole 18a is formed.
The gate electrode 19a is formed so as to come into contact with the control gate 16. Similarly, source region 1
The source contact hole 18 is formed in the portion corresponding to 2b.
b is opened, and the source electrode 19b is formed so as to contact the source region 12b through the contact hole 18b. Further, a drain contact hole 18c is opened in a portion corresponding to the drain region 12c, and a drain electrode 19c is formed so as to contact the drain region 12c through the contact hole 18c. Therefore, the gate electrode 19a, the source electrode 19b, and the drain electrode 19c are insulated from each other by the interlayer insulating film 17. In addition, each electrode 19
a, 19b and 19c are made of a conductive material such as Al.

【0024】さらに、層間絶縁膜17の全面は、パッシ
ベーション膜20で被覆されている。このパッシベーシ
ョン膜20は、不揮発性記憶素子の表面を保護するとと
もに、外部からの汚染物質の侵入を防止するためのもの
であり、PSGやプラズマCVD法で堆積された窒化シ
リコン膜等が用いられている。図2ないし図4は不揮発
性記憶素子の製造方法を工程順に示す概略断面図であ
る。図2ないし図4を参照しつつ、上記不揮発性記憶素
子の製造方法について説明する。
Further, the entire surface of the interlayer insulating film 17 is covered with the passivation film 20. The passivation film 20 is for protecting the surface of the nonvolatile memory element and for preventing contaminants from entering from the outside, and is made of PSG, a silicon nitride film deposited by a plasma CVD method, or the like. There is. 2 to 4 are schematic cross-sectional views showing a method of manufacturing a nonvolatile memory element in the order of steps. A method of manufacturing the nonvolatile memory element will be described with reference to FIGS.

【0025】まず、素子分離を行う。すなわち、P型シ
リコン基板10を900〜1000℃で熱酸化し、パッ
ド酸化膜を形成する。次いで、CVD法により窒化シリ
コン膜を形成する。つづいて、窒化シリコン膜上にレジ
ストパターンを形成する。このレジストパターンがこれ
から形成するトランジスタ形成領域を規定するパターン
となる。そして、レジストパターンをマスクとして窒化
シリコン膜をエッチングする。この時点でマスクとして
用いたレジストパターンが用済みとなるので、O2 プラ
ズマ処理によってレジストを取り除く。その後、シリコ
ン基板10を約1000℃の水蒸気(H2 O)雰囲気で
所定時間酸化する。そうすると、窒化シリコン膜で覆わ
れていない部分のシリコン基板10の表面にSiO2
が成長する。このSiO2 膜が、図2(a)に示すフィ
ールド酸化膜11である。上記LOCOS(loacal oxid
ation of silicon) 法によりフィールド酸化膜11を形
成した後は、窒化シリコン膜は用済みとなるのでアッシ
ングされる。
First, element isolation is performed. That is, the P-type silicon substrate 10 is thermally oxidized at 900 to 1000 ° C. to form a pad oxide film. Then, a silicon nitride film is formed by the CVD method. Subsequently, a resist pattern is formed on the silicon nitride film. This resist pattern becomes a pattern that defines the transistor formation region to be formed. Then, the silicon nitride film is etched using the resist pattern as a mask. At this point, the resist pattern used as the mask is used up, so the resist is removed by O 2 plasma treatment. Then, the silicon substrate 10 is oxidized in a water vapor (H 2 O) atmosphere at about 1000 ° C. for a predetermined time. Then, the SiO 2 film grows on the surface of the silicon substrate 10 which is not covered with the silicon nitride film. This SiO 2 film is the field oxide film 11 shown in FIG. Above LOCOS (loacal oxid
After the field oxide film 11 is formed by the cation of silicon) method, the silicon nitride film is used and is ashed.

【0026】上記素子分離工程が終了すると、トンネル
酸化膜を形成する。すなわち、シリコン基板10を90
0〜1000℃で熱酸化する。そうすると、SiO2
が成長し、図2(b)に示すように、シリコン基板10
上にトンネル酸化膜13が形成される。上記トンネル酸
化膜形成工程が終了すると、図2(b)に示すように、
フローティングゲートを形成する。すなわち、LPCV
D(low pressure chemical vapor deposition)法により
ポリシリコンを堆積し、このポリシリコンに対してリン
等の導電物質を高濃度にドープして、トンネル酸化膜1
3上にフローティングゲート14を形成する。
When the element isolation process is completed, a tunnel oxide film is formed. That is, the silicon substrate 10 is
Thermally oxidize at 0 to 1000 ° C. Then, the SiO 2 film grows, and as shown in FIG.
A tunnel oxide film 13 is formed on top. When the tunnel oxide film forming step is completed, as shown in FIG.
Form a floating gate. That is, LPCV
Polysilicon is deposited by the D (low pressure chemical vapor deposition) method, and the polysilicon is doped with a conductive material such as phosphorus at a high concentration to form a tunnel oxide film 1.
The floating gate 14 is formed on the upper surface 3.

【0027】上記フローティングゲート形成工程が終了
すると、図2(b)(c)に示すように、キャパシタ絶
縁膜を形成する。すなわち、図2(b)に示すように、
約850℃程度の熱酸化により、フローティングゲート
14上にSiO2 を成長させて酸化膜15aを形成す
る。つづいて、CVD法によりSi3 4 を堆積させ
て、酸化膜15a上に窒化膜15bを形成する。さら
に、図2(c)に示すように、スパッタリング、CIB
(cluster ion beam)、ゾルゲル法等により、BSN、P
ZT、チタン酸ストロンチウム等の強誘電体を堆積し
て、窒化膜15b上に強誘電体膜15cを形成する。こ
の時点で、FNO構造を有するキャパシタ絶縁膜15が
完成する。
When the floating gate forming process is completed, a capacitor insulating film is formed as shown in FIGS. That is, as shown in FIG.
By thermal oxidation at about 850 ° C., SiO 2 is grown on the floating gate 14 to form an oxide film 15a. Subsequently, Si 3 N 4 is deposited by the CVD method to form a nitride film 15b on the oxide film 15a. Further, as shown in FIG. 2C, sputtering, CIB
(cluster ion beam), sol-gel method, BSN, P
A ferroelectric such as ZT or strontium titanate is deposited to form a ferroelectric film 15c on the nitride film 15b. At this point, the capacitor insulating film 15 having the FNO structure is completed.

【0028】上記キャパシタ絶縁膜形成工程が終了する
と、図3(a)に示すように、コントロールゲートを形
成する。すなわち、LPCVD法によりポリシリコンを
堆積し、このポリシリコンに対してリン等の導電物質を
高濃度にドープして、キャパシタ絶縁膜15上にコント
ロールゲート16を形成する。上記コントロールゲート
形成工程が終了すると、図3(b)(c)に示すよう
に、ソース領域およびドレイン領域を形成する。すなわ
ち、図3(b)に示すように、コントロールゲート16
の予め定める領域上にレジスト30を塗布する。その
後、異性エッチングにより、レジスト30からはみ出た
コントロールゲート16、キャパシタ絶縁膜15、フロ
ーティングゲート14およびトンネル酸化膜13の一部
を除去し、シリコン基板10の表面を露出させる。次い
で、図3(c)に示すように、レジスト30および残存
したコントロールゲート16、キャパシタ絶縁膜15、
フローティングゲート14、トンネル酸化膜13をマス
クとして、インプラ(implantation)等により、N型の不
純物である、例えばリン等をシリコン基板10にイオン
注入し、N型ソース領域12bおよびN型ドレイン領域
12cを自己整合的に形成する。
When the capacitor insulating film forming process is completed, a control gate is formed as shown in FIG. That is, polysilicon is deposited by the LPCVD method, and a conductive material such as phosphorus is doped in the polysilicon at a high concentration to form the control gate 16 on the capacitor insulating film 15. When the control gate forming step is completed, a source region and a drain region are formed as shown in FIGS. That is, as shown in FIG. 3B, the control gate 16
The resist 30 is applied onto a predetermined area of the above. After that, the control gate 16, the capacitor insulating film 15, the floating gate 14 and a part of the tunnel oxide film 13 protruding from the resist 30 are removed by isomer etching to expose the surface of the silicon substrate 10. Then, as shown in FIG. 3C, the resist 30 and the remaining control gate 16, the capacitor insulating film 15,
Using the floating gate 14 and the tunnel oxide film 13 as a mask, N-type impurities such as phosphorus are ion-implanted into the silicon substrate 10 by implantation or the like, and the N-type source region 12b and the N-type drain region 12c are removed. Form in a self-aligned manner.

【0029】上記ソース領域およびドレイン領域形成工
程が終了すると、図4(a)に示すように、層間絶縁膜
の形成およびメタライゼーションを行う。すなわち、C
VD法によりBPSGを堆積し、全面に層間絶縁膜17
を形成する。そして、全面にレジストを塗布し、配線の
取り出し口にのみレジストに孔を開ける。次に、レジス
トをマスクとして、層間絶縁膜17をRIE(reacitive
ion etching) によってエッチング除去し、コントロー
ルゲート16およびソース領域12b、ドレイン領域1
2c上にゲートコンタクトホール18a、ソースコンタ
クトホール18bおよびドレインコンタクトホール18
cを開口する。つづけて、レジストを剥離した後、例え
ばスパッタリング等によりAl等を堆積し、マスク合わ
せおよびRIEを用いて、ゲート電極19a、ソース電
極19bおよびドレイン電極19cを形成する。
When the source region and drain region forming steps are completed, an interlayer insulating film is formed and metallization is performed, as shown in FIG. That is, C
BPSG is deposited by the VD method, and the interlayer insulating film 17 is formed on the entire surface.
To form. Then, a resist is applied on the entire surface, and a hole is formed in the resist only at the wiring outlet. Next, using the resist as a mask, the interlayer insulating film 17 is subjected to RIE (reacitive).
Ion etching) to remove the control gate 16, the source region 12b, and the drain region 1
2c on the gate contact hole 18a, the source contact hole 18b and the drain contact hole 18
Open c. Subsequently, after removing the resist, Al or the like is deposited by, for example, sputtering, and the gate electrode 19a, the source electrode 19b, and the drain electrode 19c are formed by mask alignment and RIE.

【0030】上記層間絶縁膜の形成およびメタライゼー
ションが終了すると、図4(b)に示すように、パッシ
ベーション膜を形成する。すなわち、CVD法によりP
SGや窒化シリコン膜等を全面に堆積してパッシベーシ
ョン膜20を形成する。ところで、図3(a)に示す工
程において、異方性エッチングにて強誘電体膜15cを
切る際に、強誘電体膜15cと、その下方の膜との選択
比がとれない場合には、一旦コントロールゲート16を
ドライエッチングした後、強誘電体膜15cをHClを
主成分とするウェットエッチングにより除去してから、
強誘電体膜15cと、その下方の膜をエッチング除去す
ればよい。
After the formation of the interlayer insulating film and the metallization are completed, a passivation film is formed as shown in FIG. 4 (b). That is, P by the CVD method
A passivation film 20 is formed by depositing SG, a silicon nitride film or the like on the entire surface. By the way, in the step shown in FIG. 3A, when the ferroelectric film 15c is cut by anisotropic etching and the selection ratio between the ferroelectric film 15c and the film thereunder cannot be obtained, After dry etching the control gate 16 once, the ferroelectric film 15c is removed by wet etching containing HCl as a main component,
The ferroelectric film 15c and the film below it may be removed by etching.

【0031】あるいは、図5および図6に示すように、
窒化膜を積んだ段階で1回目のエッチングを行い、次に
強誘電体膜を積んだ段階で2回目のエッチングを行い、
さらにコントロールゲートを積んだ段階で3回目のエッ
チングを行った後、イオン注入をしてもよい。すなわ
ち、図2(a)(b)と同様にして窒化膜15bまで積
んだ段階で、図5(a)に示すように、窒化膜15bに
レジスト41を塗布し、窒化膜15b、酸化膜15a、
フローティングゲート14およびトンネル酸化膜13の
はみ出し部をエッチング除去して、シリコン基板10を
露出させる。この状態で、図5(b)に示すように、全
面に強誘電体膜15cを積む。そして、図5(c)に示
すように、強誘電体膜15c上にレジスト42を塗布
し、強誘電体膜15cのはみ出し部をエッチング除去し
て、シリコン基板10を露出させる。さらに、図6
(a)に示すように、全面にコントロールゲート16を
積む。そして、図6(b)に示すように、コントロール
ゲート16上にレジスト43を塗布し、コントロールゲ
ート16のはみ出し部をエッチング除去して、シリコン
基板10を露出させる。その後の工程は、図3(c)お
よび図4(a)(b)と同様であるので、その説明を省
略する。
Alternatively, as shown in FIGS. 5 and 6,
The first etching is performed when the nitride film is stacked, then the second etching is performed when the ferroelectric film is stacked,
Further, ion implantation may be performed after the third etching is performed at the stage where the control gate is stacked. That is, at the stage where the nitride film 15b is stacked in the same manner as in FIGS. 2A and 2B, as shown in FIG. 5A, the resist 41 is applied to the nitride film 15b to form the nitride film 15b and the oxide film 15a. ,
The protruding portions of the floating gate 14 and the tunnel oxide film 13 are removed by etching to expose the silicon substrate 10. In this state, as shown in FIG. 5B, the ferroelectric film 15c is stacked on the entire surface. Then, as shown in FIG. 5C, a resist 42 is applied on the ferroelectric film 15c, and a protruding portion of the ferroelectric film 15c is removed by etching to expose the silicon substrate 10. Furthermore, FIG.
As shown in (a), the control gate 16 is stacked on the entire surface. Then, as shown in FIG. 6B, a resist 43 is applied on the control gate 16 and the protruding portion of the control gate 16 is removed by etching to expose the silicon substrate 10. Subsequent steps are the same as those in FIGS. 3C and 4A and 4B, and thus description thereof will be omitted.

【0032】上記製造工程において、キャパシタ絶縁膜
15の最上層に強誘電体膜15cを使用しているので、
スパッタリング、CIB、ゾルゲル法等により、強誘電
体膜15を窒化膜15b上に積み込むことができる。そ
のため、強誘電体膜15を積む際には大きな熱ストレス
をかけなくて済み、サーマルパジットの低減の要請に応
えることができる。よって、さらなる素子の微細化に貢
献する。
In the above manufacturing process, since the ferroelectric film 15c is used as the uppermost layer of the capacitor insulating film 15,
The ferroelectric film 15 can be stacked on the nitride film 15b by sputtering, CIB, sol-gel method, or the like. Therefore, when the ferroelectric film 15 is stacked, it is not necessary to apply a large thermal stress, and it is possible to meet the demand for reduction of the thermal budget. Therefore, it contributes to further miniaturization of the device.

【0033】図7は不揮発性記憶素子における情報の書
込動作を示す図、図8は不揮発性記憶素子における情報
の消去動作を示す図、図9は不揮発性記憶素子における
情報の読出動作を示す図である。図7ないし図9を参照
しつつ、上記不揮発性記憶素子における情報の書き込
み、消去および読み出しの各動作について説明する。情
報の書き込みは、ソース領域12bを接地電位としてお
き、コントロールゲート16とドレイン領域12cとの
間に正の高電界をかけることにより達成される。つま
り、コントロールゲート16とドレイン領域12cとの
間に正の高電界をかけると、ソース領域12b−ドレイ
ン領域12c間に飽和チャネル電流が流れる。その結
果、図7に示すように、ドレイン領域12cの近傍のピ
ンチオフ領域(pinch off region)では、高電界により加
速されたエレクトロンがイオン化(impact ionization)
を起こし、ホットエレクトロンが発生する。このホット
エレクトロンは、トンネル酸化膜13をFNトンネルし
てフローティングゲート14内に注入される。これによ
り、情報の書き込み状態となる。このフローティングゲ
ート14内に注入されたエレクトロンは、キャパシタ絶
縁膜15によってフローティングゲート14内に長時間
閉じ込められる。また、フローティングゲート14内に
エレクトロンが蓄積されることによって、コントロール
ゲート16のキャパシタ絶縁膜15との界面付近には、
ホールが整列する。
FIG. 7 is a diagram showing an information writing operation in the nonvolatile memory element, FIG. 8 is a diagram showing an information erasing operation in the nonvolatile memory element, and FIG. 9 is a diagram showing an information reading operation in the nonvolatile memory element. It is a figure. Information writing, erasing, and reading operations in the nonvolatile memory element will be described with reference to FIGS. 7 to 9. Writing of information is accomplished by setting the source region 12b to the ground potential and applying a positive high electric field between the control gate 16 and the drain region 12c. That is, when a positive high electric field is applied between the control gate 16 and the drain region 12c, a saturated channel current flows between the source region 12b and the drain region 12c. As a result, as shown in FIG. 7, in the pinch off region near the drain region 12c, the electrons accelerated by the high electric field are ionized.
And hot electrons are generated. The hot electrons are injected into the floating gate 14 by FN tunneling through the tunnel oxide film 13. As a result, the information writing state is set. The electrons injected into the floating gate 14 are confined in the floating gate 14 for a long time by the capacitor insulating film 15. Further, since electrons are accumulated in the floating gate 14, near the interface between the control gate 16 and the capacitor insulating film 15,
The holes line up.

【0034】情報の消去は、ドレイン領域13cを接地
電位としておき、コントロールゲート16とソース領域
12bとの間に正に高電界をかけることにより達成され
る。つまり、コントロールゲート16とソース領域12
bとの間に正に高電界をかけると、図8に示すように、
フローティングゲート14内に蓄積されていたエレクト
ロンがソース領域12b内に引き抜かれる。これによ
り、情報の消去状態となる。
Information can be erased by setting the drain region 13c at the ground potential and applying a positive high electric field between the control gate 16 and the source region 12b. That is, the control gate 16 and the source region 12
When a positive high electric field is applied to the point b, as shown in FIG.
The electrons accumulated in the floating gate 14 are extracted into the source region 12b. As a result, the information is erased.

【0035】ところで、フローティングゲート内にエレ
クトロンが蓄積されている状態と、蓄積されていない状
態とでは、不揮発性記憶素子のソース−ドレイン間を導
通させるための必要なゲート電圧が変化する。すなわ
ち、不揮発性記憶素子のソース−ドレイン間を導通させ
るためのしきい値電圧VTHは、フローティングゲート内
にエレクトロンを注入した状態で高いしきい値電圧V1
をとり、エレクトロンが未注入の状態では低いしきい値
V2をとる。このように、上記しきい値電圧VTHを2種
類に設定することで、「1」または「0」の二値データ
を不揮発性記憶素子に記憶させることができる。
By the way, the gate voltage required for conducting between the source and the drain of the nonvolatile memory element changes depending on whether electrons are accumulated in the floating gate or not. That is, the threshold voltage V TH for making the source-drain of the nonvolatile memory element conductive is high when the electrons are injected into the floating gate.
Therefore, a low threshold value V2 is set in a state where electrons have not been injected. Thus, by setting the threshold voltage V TH to two types, binary data of “1” or “0” can be stored in the nonvolatile memory element.

【0036】情報の読み出しは、ソース領域12bを接
地電位としておき、ドレイン領域12cにソース領域1
2b−ドレイン領域12c間で電流を発生させ得る所定
の電圧を印加し、コントロールゲート16に上記しきい
値電圧V1とV2の中間電圧であるセンス電圧を印加す
ることで達成される。つまり、フローティングゲート1
4内にエレクトロンが蓄積されている場合、コントロー
ルゲート16のホールの影響は、図9(a)に示すよう
に、フローティングゲート14内に蓄積されているエレ
クトロンで打ち消されてしまい、このホールの影響がシ
リコン基板10の表面まで到達しない。そのため、ソー
ス領域12b−ドレイン領域12c間にチャネルが形成
されず、ドレイン領域12cからソース領域12bに電
流が流れない。一方、フローティングゲート14内にエ
レクトロンが蓄積されていない場合には、図9(c)に
示すように、コントロールゲート16のホールの影響が
シリコン基板10の表面まで及ぶ。そのため、ソース領
域12b−ドレイン領域12c間にチャネルが形成さ
れ、ドレイン領域12cからソース領域12bに電流が
流れる。この状態を図示しないデコーダおよびセンスア
ンプでセンシングすれば、不揮発性記憶素子に記憶され
ている情報が読み出される。
To read information, the source region 12b is set to the ground potential and the drain region 12c is set to the source region 1.
This is achieved by applying a predetermined voltage capable of generating a current between the 2b-drain region 12c and applying a sense voltage, which is an intermediate voltage between the threshold voltages V1 and V2, to the control gate 16. That is, floating gate 1
When electrons are accumulated in the control gate 16, the influence of the holes in the control gate 16 is canceled out by the electrons accumulated in the floating gate 14 as shown in FIG. Does not reach the surface of the silicon substrate 10. Therefore, no channel is formed between the source region 12b and the drain region 12c, and no current flows from the drain region 12c to the source region 12b. On the other hand, when electrons are not accumulated in the floating gate 14, the holes of the control gate 16 affect the surface of the silicon substrate 10 as shown in FIG. 9C. Therefore, a channel is formed between the source region 12b and the drain region 12c, and a current flows from the drain region 12c to the source region 12b. If this state is sensed by a decoder and a sense amplifier (not shown), the information stored in the nonvolatile memory element is read.

【0037】なお、上記動作の説明においては、ホット
エレクトロン注入により情報の書き込みを行い、情報の
消去に際してはエレクトロンをソース側に抜く例につい
て説明したが、例えばゲート−基板間に高電圧をかけ、
ゲート−基板間にFNトンネル電流を発生させて、エレ
クトロンをバンド間トンネリング(band to band tunnel
ing)によりフローティングゲートに注入し、情報の消去
時にはゲート−基板間に書き込み時とは逆のバイアスを
かけ、エレクトロンをバンド間トンネリングにより基板
側に抜く等、その動作方法は種々考えられる。また、情
報の消去に際しては、紫外線を照射して、フローティン
グゲート内のエレクトロンを散逸させてもよい。
In the description of the above operation, information is written by hot electron injection and electrons are discharged to the source side when erasing information. However, for example, a high voltage is applied between the gate and the substrate,
An FN tunnel current is generated between the gate and the substrate to cause electrons to pass through the band to band tunnel.
Injecting into a floating gate by ing), applying a reverse bias between the gate and the substrate at the time of erasing information, and extracting electrons to the substrate side by band-to-band tunneling. In erasing information, ultraviolet rays may be irradiated to dissipate the electrons in the floating gate.

【0038】ところで、上記不揮発性記憶素子において
は、キャパシタ絶縁膜の最上層に強誘電体膜を使用して
いるので、コントロールゲートに正の電界をかけても、
コントロールゲートからホールがキャパシタ絶縁膜の窒
化膜中に注入されず、窒化膜中でホールがフローティン
グゲートからのエレクトロンと再結合することはない。
By the way, in the above nonvolatile memory element, since the ferroelectric film is used as the uppermost layer of the capacitor insulating film, even if a positive electric field is applied to the control gate,
Holes are not injected from the control gate into the nitride film of the capacitor insulating film, and holes are not recombined with electrons from the floating gate in the nitride film.

【0039】このように、キャパシタ絶縁膜の窒化膜中
において、フローティングゲートからのエレクトロン
と、コントロールゲートからのホールとが再結合しない
メカニズムを図10に示す。図10はFNO構造を有す
るキャパシタ絶縁膜のエネルギーバンド図である。図
中、EFFはフローティングゲートのフェルミ準位、EFC
はコントロールゲートのフェルミ準位、BO は酸化膜の
ポテンシャル障壁、BN は窒化膜のポテンシャル障壁、
F は強誘電体膜のポテンシャル障壁をそれぞれ示して
いる。
FIG. 10 shows a mechanism in which electrons from the floating gate and holes from the control gate are not recombined in the nitride film of the capacitor insulating film. FIG. 10 is an energy band diagram of a capacitor insulating film having an FNO structure. In the figure, E FF is the Fermi level of the floating gate, E FC
Is the Fermi level of the control gate, B O is the potential barrier of the oxide film, B N is the potential barrier of the nitride film,
B F indicates the potential barrier of the ferroelectric film, respectively.

【0040】図10を参照して、コントロールゲートに
正の電界を加えると、電圧の大部分は比誘電率の低い酸
化膜にかかる。そのため、フローティングゲートのフェ
ルミ準位EFFのみが所定の方向にずれる。その結果、酸
化膜のポテンシャル障壁BOのエレクトロンが通過する
幅WO が狭くなる。これに伴って、フローティングゲー
ト内のエレクトロンが酸化膜をトンネルして、窒化膜中
に流入する。一方、強誘電体膜中の電界強度が非常に弱
い。そのため、強誘電体膜のポテンシャル障壁BF のホ
ールが通過する幅WF はあまり変化しない。その結果、
強誘電体膜のポテンシャル障壁BF により、ホールの窒
化膜中への流入が阻止される。よって、窒化膜中におい
て、コントロールゲートからのホールと、フローティン
グゲートからのエレクトロンとが再結合することはな
く、リーク電流が発生しない。つまり、電荷保持特性が
よくなる。
Referring to FIG. 10, when a positive electric field is applied to the control gate, most of the voltage is applied to the oxide film having a low relative dielectric constant. Therefore, only the Fermi level E FF of the floating gate shifts in the predetermined direction. As a result, the width W O of the potential barrier B O of the oxide film through which the electrons pass becomes narrow. Along with this, the electrons in the floating gate tunnel through the oxide film and flow into the nitride film. On the other hand, the electric field strength in the ferroelectric film is very weak. Therefore, the width W F through which the holes of the potential barrier B F of the ferroelectric film pass does not change much. as a result,
The potential barrier B F of the ferroelectric film prevents the holes from flowing into the nitride film. Therefore, holes from the control gate and electrons from the floating gate are not recombined in the nitride film, and a leak current does not occur. That is, the charge retention characteristic is improved.

【0041】また、窒化膜中へのホールの注入は、強誘
電体膜で十分にブロックされるため、窒化膜に注入され
たホールによって酸化膜の電界を高めるといったことも
なくなる。したがって、酸化膜のポテンシャル障壁BO
のエレクトロンが通過する幅WO がより狭くなることも
なく、FNトンネル電流Jo を必要以上に増加させない
で済む。よって、エレクトロンはフローティングゲート
内に効率よく蓄積される。つまり、素子の高速動作が可
能となる。
Further, since the holes injected into the nitride film are sufficiently blocked by the ferroelectric film, the holes injected into the nitride film do not increase the electric field of the oxide film. Therefore, the potential barrier B O of the oxide film
The width W O through which the electrons pass does not become narrower, and the FN tunnel current J o need not be increased more than necessary. Therefore, the electrons are efficiently accumulated in the floating gate. That is, high speed operation of the device becomes possible.

【0042】さらに、前述したように、強誘電体膜を使
用することにより、電圧の大部分は比誘電率の低い酸化
膜にかかるため、プログラム電圧の低電圧化を図れる。
以上のことから、上記キャシタ絶縁膜の最上層に強誘電
体膜を使用した不揮発性記憶素子は、さらなる素子の高
性能化、微細化に適したものとなる。なお、本発明は上
記実施例に限定されるものではなく、本発明の範囲内で
多くの修正および変更を加え得ることは勿論である。
Further, as described above, by using the ferroelectric film, most of the voltage is applied to the oxide film having a low relative dielectric constant, so that the program voltage can be lowered.
From the above, the nonvolatile memory element using the ferroelectric film as the uppermost layer of the above-mentioned capacitor insulating film is suitable for further high performance and miniaturization of the element. The present invention is not limited to the above embodiment, and many modifications and changes can be made within the scope of the present invention.

【0043】例えば、上記実施例において、強誘電体膜
に代えて、例えばTa25,BSTO等、誘電率が50以
上の高誘電体膜を使用しても同様の効果を得ることがで
きる。また、P型シリコン基板に代えてN型シリコン基
板を使用してもよい。さらに、本発明のキャシタ構造を
DRAMのキャパシタに適用してもよい。
For example, in the above embodiment, the same effect can be obtained by using a high-dielectric film having a dielectric constant of 50 or more, such as Ta 2 O 5 or BSTO, instead of the ferroelectric film. . Further, an N-type silicon substrate may be used instead of the P-type silicon substrate. Further, the capacitor structure of the present invention may be applied to a DRAM capacitor.

【0044】[0044]

【発明の効果】以上の説明から明らかな通り、本発明に
よると、電荷保持特性がよくなり、しかもサーマルパジ
ットの低減の要請に応えることができる。そのため、さ
らなる素子の高性能化、微細化に大きく貢献し得るとい
った優れた効果がある。
As is apparent from the above description, according to the present invention, it is possible to meet the demand for improving the charge retention characteristics and reducing the thermal padding. Therefore, there is an excellent effect that it can greatly contribute to higher performance and miniaturization of the element.

【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不揮発性記憶素子の構
造を示す概略断面図である。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a nonvolatile memory element according to an example of the present invention.

【図2】不揮発性記憶素子の製造方法を工程順に示す概
略断面図である。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a method of manufacturing a nonvolatile memory element in the order of steps.

【図3】図2につづく不揮発性記憶素子の製造方法を工
程順に示す概略断面図である。
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the method of manufacturing the nonvolatile memory element following FIG. 2 in step order.

【図4】図3につづく不揮発性記憶素子の製造方法を工
程順に示す概略断面図である。
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing the method of manufacturing the nonvolatile memory element following FIG. 3 in step order.

【図5】不揮発性記憶素子に係る他の製造方法を工程順
に示す概略断面図である。
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing another manufacturing method of the nonvolatile memory element in the order of steps.

【図6】図5につづく不揮発性記憶素子に係る他の製造
方法を工程順に示す概略断面図である。
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing another manufacturing method of the nonvolatile memory element following FIG. 5, in step order.

【図7】不揮発性記憶素子における情報の書込動作を示
す図である。
FIG. 7 is a diagram showing an information writing operation in a nonvolatile memory element.

【図8】不揮発性記憶素子における情報の消去動作を示
す図である。
FIG. 8 is a diagram showing an information erasing operation in a nonvolatile memory element.

【図9】不揮発性記憶素子における情報の読出動作を示
す図である。
FIG. 9 is a diagram showing an operation of reading information from a nonvolatile storage element.

【図10】FNO構造を有するキャパシタ絶縁膜のエネ
ルギーバンド図である。
FIG. 10 is an energy band diagram of a capacitor insulating film having an FNO structure.

【図11】従来の不揮発性記憶素子の構造を示す概略断
面図である。
FIG. 11 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a conventional nonvolatile memory element.

【図12】従来のONO構造を有する不揮発性記憶素子
の構造を示す概略断面図である。
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a conventional nonvolatile memory element having an ONO structure.

【図13】ONO構造を有するキャパシタ絶縁膜のエネ
ルギーバンド図である。
FIG. 13 is an energy band diagram of a capacitor insulating film having an ONO structure.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 シリコン基板 12a チャネル領域 12b ソース領域 12c ドレイン領域 13 トンネル酸化膜 14 フローティングゲート 15 キャパシタ絶縁膜 15a 酸化膜 15b 窒化膜 15c 強誘電体膜 16 コントロールゲート 10 Silicon Substrate 12a Channel Region 12b Source Region 12c Drain Region 13 Tunnel Oxide Film 14 Floating Gate 15 Capacitor Insulation Film 15a Oxide Film 15b Nitride Film 15c Ferroelectric Film 16 Control Gate

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】電荷を注入したり、取り出したりすること
で情報の記憶を行うものであって、 予め定める第1の導電型式をした半導体基板、 上記半導体基板の表面層に所定の間隔をあけて形成さ
れ、上記第1の導電型式とは反対の第2の導電型式をし
たソース領域およびドレイン領域、 上記ソース領域およびドレイン領域で挟まれるように生
じるチャネル領域上に形成され、チャネル領域で発生し
た電荷を通過させ得るトンネル絶縁膜、 上記トンネル絶縁膜上に形成され、トンネル絶縁膜を通
過してきた電荷を蓄積するフローティングゲート、 上記フローティングゲート上に形成され、フローティン
グゲートに注入された電荷を長時間閉じ込めておくため
のものであって、酸化膜、窒化膜および高誘電体膜を順
次積層したキャパシタ絶縁膜、ならびに上記キャパシタ
絶縁膜上に形成され、所定の電圧が印加されるコントロ
ールゲートを含むことを特徴とする不揮発性記憶素子。
1. A semiconductor substrate which stores information by injecting and extracting electric charges and has a predetermined first conductivity type, and a predetermined interval is provided in a surface layer of the semiconductor substrate. Formed on the channel region formed between the source region and the drain region having a second conductivity type opposite to the first conductivity type and the source region and the drain region. A tunnel insulating film that allows the electric charges to pass therethrough; a floating gate that is formed on the tunnel insulating film and accumulates the electric charges that have passed through the tunnel insulating film; and a charge that is formed on the floating gate and that is injected into the floating gate. A capacitor insulating film for temporal confinement, in which an oxide film, a nitride film, and a high dielectric film are sequentially stacked. And it is formed on the capacitor insulating film, the nonvolatile memory element, characterized in that it comprises a control gate to which a predetermined voltage is applied.
JP5062211A 1993-03-22 1993-03-22 Nonvolatile storage element Pending JPH06275840A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP5062211A JPH06275840A (en) 1993-03-22 1993-03-22 Nonvolatile storage element

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP5062211A JPH06275840A (en) 1993-03-22 1993-03-22 Nonvolatile storage element

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH06275840A true JPH06275840A (en) 1994-09-30

Family

ID=13193586

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP5062211A Pending JPH06275840A (en) 1993-03-22 1993-03-22 Nonvolatile storage element

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JPH06275840A (en)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0776045A2 (en) * 1995-11-23 1997-05-28 LG Semicon Co., Ltd. Semiconductor memory device and method for fabricating the same
JP2002026150A (en) * 2000-07-03 2002-01-25 Sharp Corp Nonvolatile semiconductor storage device, and its manufacturing method and operating method
KR100395762B1 (en) * 2001-07-31 2003-08-21 삼성전자주식회사 Non-volatile memory device and method of fabricating the same
KR20040051178A (en) * 2002-12-12 2004-06-18 주식회사 하이닉스반도체 Method for manufacturing of non-volatilization memory device
KR100455365B1 (en) * 1997-05-07 2005-02-28 삼성전자주식회사 Method for forming inter-polysilicon dielectric layer of non-volitile memory device

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0776045A2 (en) * 1995-11-23 1997-05-28 LG Semicon Co., Ltd. Semiconductor memory device and method for fabricating the same
JPH09153602A (en) * 1995-11-23 1997-06-10 Lg Semicon Co Ltd Semiconductor memory and its manufacture
EP0776045A3 (en) * 1995-11-23 1997-08-27 Lg Semicon Co Ltd Semiconductor memory device and method for fabricating the same
KR100455365B1 (en) * 1997-05-07 2005-02-28 삼성전자주식회사 Method for forming inter-polysilicon dielectric layer of non-volitile memory device
JP2002026150A (en) * 2000-07-03 2002-01-25 Sharp Corp Nonvolatile semiconductor storage device, and its manufacturing method and operating method
KR100395762B1 (en) * 2001-07-31 2003-08-21 삼성전자주식회사 Non-volatile memory device and method of fabricating the same
KR20040051178A (en) * 2002-12-12 2004-06-18 주식회사 하이닉스반도체 Method for manufacturing of non-volatilization memory device

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI415269B (en) High-κ capped blocking dieletric bandgap engineered sonos and monos
KR101208785B1 (en) Floating gate memory device with interpoly charge trapping structure
KR101017713B1 (en) Charge-trapping memory arrays resistant to damage from contact hole formation
US7247538B2 (en) Methods of fabricating floating trap non-volatile semiconductor memory devices including high dielectric constant blocking insulating layers
KR100542510B1 (en) Semiconductor memory device
KR100810710B1 (en) Simultaneous formation of charge storage and bitline to worldline isolation
US8343840B2 (en) Blocking dielectric engineered charge trapping memory cell with high speed erase
JP4346228B2 (en) Nonvolatile semiconductor memory device and manufacturing method thereof
US7462533B2 (en) Memory cell and method for fabricating same
US7034355B2 (en) Nonvolatile semiconductor storage and its manufacturing method
EP1308990A2 (en) Ferroelectric capacitor and a semiconductor device
JP2002280465A (en) Nonvolatile semiconductor memory and its fabricating method
US8044454B2 (en) Non-volatile memory device
JPH118325A (en) Nonvolatile semiconductor device, its manufacturing method, its writing method, its reading method, storage medium and semiconductor device
JP3630491B2 (en) Semiconductor device
TWI473253B (en) Nonvolatile memory array with continuous charge storage dielectric stack
JP4792620B2 (en) Nonvolatile semiconductor memory device and manufacturing method thereof
JPH05267684A (en) Nonvolatile storage element
JP2003100914A (en) Nonvolatile semiconductor memory, its operating method and method for manufacturing semiconductor device
JP4770061B2 (en) Nonvolatile semiconductor memory device and manufacturing method thereof
JP2002261175A (en) Nonvolatile semiconductor memory and its manufacturing method
JPH06275840A (en) Nonvolatile storage element
JP4969748B2 (en) Nonvolatile semiconductor memory device and method of manufacturing nonvolatile memory cell
JPH06188430A (en) Nonvolatile storage element and manufacture thereof
JP2002368142A (en) Non-volatile semiconductor memory device and production method therefor