JPH07106451A - Nonvolatile semiconductor memory - Google Patents

Nonvolatile semiconductor memory

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JPH07106451A
JPH07106451A JP5274836A JP27483693A JPH07106451A JP H07106451 A JPH07106451 A JP H07106451A JP 5274836 A JP5274836 A JP 5274836A JP 27483693 A JP27483693 A JP 27483693A JP H07106451 A JPH07106451 A JP H07106451A
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JP
Japan
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semiconductor substrate
insulating film
region
gate
view
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Application number
JP5274836A
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Japanese (ja)
Inventor
Yohei Hiura
洋平 樋浦
Yoshiko Yamaguchi
佳子 山口
Eiji Kamiya
栄二 神谷
Kazumi Amamiya
和美 雨宮
Tomoko Yamane
朋子 山根
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Toshiba Corp
Toshiba Electronic Device Solutions Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
Toshiba Microelectronics Corp
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Abstract

PURPOSE:To realize a two layer gate structure having high flatness and charge retaining characteristics. CONSTITUTION:A P<+> impurity diffusion region 5 is formed in stripe in an N well 2 made in a P type semiconductor substrate 1. A trench coated with an oxide 8 is made therein and polisilicon 10 is deposited in the trench. A polycrystalline or single crystal silicon semiconductor layer 12 is provided thereon with source region 14 and drain region 16 being formed therein through an insulation film 11. A metallization 20 of Al, for example, is further formed thereon through an interlayer insulation film 17, e.g. BPSG. A diffusion region 5 and the polysilicon 10 serve as a control gate and a floating gate, respectively. Since the transistor region is formed flat, the wiring region is also formed flat. Furthermore, infiltration of contaminants can be prevented effectively because the gate is embedded in the semiconductor substrate.

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、電荷保持特性に優れ、
段差がほとんど認められず配線の信頼性の高い2層ゲー
ト構造の不揮発性半導体記憶装置に関するものである。
The present invention is excellent in charge retention property,
The present invention relates to a non-volatile semiconductor memory device having a two-layer gate structure in which almost no steps are recognized and wiring is highly reliable.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来の書き換え可能な不揮発性半導体記
憶装置には、記憶内容を紫外線で消去するEPROM
(Erasable Programmable Read Only Memory)と電気的
に消去するEEPROM(Electorically Erasable Pro
grammable Read Only Memory)とがある。EEPROM
については各種のセルトランジスタが提案されている
が、その1つとして集積度の面で優れているEPROM
と同じ単純な2層ポリシリコン構造のセルトランジスタ
がある。この2層ポリシリコン構造のセルトランジスタ
は、半導体基板上に電荷を保持するフローティンゲート
と、ゲート電極の機能を果たすコントロールゲートから
構成される2層ポリシリコンゲートを持っている。EP
ROMセルとEEPROMセルの異なる点は、EPRO
Mは、消去を紫外線を照射して行うため、例えば、0.
6μmデザインルール相当の場合はゲート酸化膜が16
nm程度であるのに対し、EEPROMは、電気的な消
去を行うため、ゲート酸化膜はEPROMより薄い10
nm程度であるという点である。本発明はこのような2
層ポリシリコン構造を有する不揮発性メモリセルトラン
ジスタの抱える問題点を解決すべく新しいセル構造を提
案するものである。
2. Description of the Related Art A conventional rewritable nonvolatile semiconductor memory device includes an EPROM for erasing stored contents by ultraviolet rays.
(Erasable Programmable Read Only Memory) and electrically erasable EEPROM (Electorically Erasable Pro)
grammable Read Only Memory). EEPROM
Various cell transistors have been proposed, but one of them is an EPROM which is superior in terms of integration degree.
There is a cell transistor of the same simple two-layer polysilicon structure as the above. This cell transistor having a two-layer polysilicon structure has a two-layer polysilicon gate composed of a floating gate for holding charges on a semiconductor substrate and a control gate that functions as a gate electrode. EP
The difference between the ROM cell and the EEPROM cell is that the EPRO
Since M is erased by irradiating it with ultraviolet rays, for example, 0.
In case of 6 μm design rule, the gate oxide film is 16
The thickness of the gate oxide film is about 10 nm, but the EEPROM has a gate oxide film thinner than that of the EPROM because it electrically erases.
It is about nm. The present invention is such a 2
A new cell structure is proposed in order to solve the problems of the non-volatile memory cell transistor having the layer polysilicon structure.

【0003】次に、従来の2層ポリシリコン構造の不揮
発性メモリセルについて、図36乃至図43を参照して
説明する。図36は、2層ポリシリコン型EEPROM
の、メモリセル完成時の構成を断面図で示したものであ
り、p型シリコンウェーハ101上に第1のゲート絶縁
膜104、フローティングゲート114、第2のゲート
絶縁膜107およびコントロールゲート115が順次積
層形成されている。コントロールゲート115を含めて
シリコンウェーハ上にはシリコン酸化物の絶縁膜111
が形成されている。p型シリコンウェーハ101内に
は、前記積層体の間にn型ソース領域112、n型ドレ
イン領域113が形成されている。図37(a)はこの
EEPROMが形成されているシリコンウェーハの平面
図であり、このA−A′線に沿う断面図が図36であ
る。図37(b)、図38(a)、図38(b)は、そ
れぞれ図37(a)のB−B′、C−C′、D−D′線
に沿う断面図である。シリコンウェーハ101にはメモ
リセルトランジスタが繰返し形成されている。図37
(a)は、絶縁膜111を省略してある。ソース領域1
12は、各メモリセル共通に形成するので、シリコンウ
ェーハ101の表面領域にストライプ状に形成される。
各ソース領域112は、シリコンウェーハ上に形成さ
れ、やはり帯状であるゲート積層体によって挟まれてい
る。ゲート積層体は、第1のゲート絶縁膜104の上に
形成されたフローティングゲート114とその上に第2
のゲート絶縁膜107を介して形成されたコントロール
ゲート115からなる。フローティングゲート114
は、メモリセルごとに分割されているが、コントロール
ゲート115は、帯状に1つながりになっている。ドレ
イン領域113は、ゲ−ト積層体を中心にソース領域1
12と向かい合っており、フローティングゲート114
と同様にメモリセルごとに分離している。
Next, a conventional non-volatile memory cell having a two-layer polysilicon structure will be described with reference to FIGS. 36 to 43. FIG. 36 shows a two-layer polysilicon type EEPROM.
2 is a cross-sectional view showing the structure of the completed memory cell in which a first gate insulating film 104, a floating gate 114, a second gate insulating film 107 and a control gate 115 are sequentially formed on a p-type silicon wafer 101. It is formed by stacking. An insulating film 111 of silicon oxide is formed on the silicon wafer including the control gate 115.
Are formed. In the p-type silicon wafer 101, an n-type source region 112 and an n-type drain region 113 are formed between the stacked bodies. FIG. 37 (a) is a plan view of a silicon wafer in which this EEPROM is formed, and FIG. 36 is a sectional view taken along the line AA '. 37 (b), 38 (a), and 38 (b) are cross-sectional views taken along lines BB ', CC', and DD 'of FIG. 37 (a), respectively. Memory cell transistors are repeatedly formed on the silicon wafer 101. FIG. 37
In (a), the insulating film 111 is omitted. Source area 1
Since 12 is formed commonly to each memory cell, it is formed in a stripe shape on the surface region of the silicon wafer 101.
Each source region 112 is formed on a silicon wafer, and is sandwiched by gate stacks that are also strip-shaped. The gate stack includes a floating gate 114 formed on the first gate insulating film 104 and a second gate formed on the floating gate 114.
The control gate 115 is formed via the gate insulating film 107. Floating gate 114
Are divided into memory cells, but the control gates 115 are connected in a strip shape. The drain region 113 is centered on the gate stack and is the source region 1
12, facing the floating gate 114
In the same manner as above, each memory cell is separated.

【0004】次に、図37乃至図43を参照してこのE
EPROMの製造工程を説明する。まず、p型シリコン
101上にLOCOS(選択酸化)法により素子領域1
02とフィールド酸化膜103を帯状に形成する(図3
9)。次に、第1のゲート絶縁膜104としてシリコン
酸化膜を12nm程成長させ、その上に第1の多結晶シ
リコン105をCVDなどにより堆積する。これは後に
フローティングゲート114となる。次に、フォトレジ
ストによりパターニングを行い、エッチングによってフ
ローティングゲートのワード線方向の分割106を行う
(図40)。次に、第2のゲート絶縁膜107となる層
間絶縁膜を形成し、その上に第2の多結晶シリコン10
8をCVDなどにより堆積する。この多結晶シリコン1
08は後にコントロールゲートとなる。さらに、フォト
レジスト109により2層ゲートを形成するためにパタ
ーニングを行い、第2の多結晶シリコン108、絶縁膜
107、第1の多結晶シリコン105を順にエッチング
する(図41、図42)。これにより図43に示すよう
に前記フィールド酸化膜103の形成方向に直交したコ
ントロールゲート115及びフローティングゲート11
4が形成される。その後、前記フォトレジスト109を
除去し、再びフォトレジスト110を前記帯状のコント
ロールゲートの幅内に境界を有するようにパターニング
を行う。そして選択的に酸化膜をエッチングし、ソース
線パターンを形成する。これをSAS(Self-Aligned S
ource)技術という(図43)。
Next, referring to FIGS. 37 to 43, this E
The manufacturing process of the EPROM will be described. First, the element region 1 is formed on the p-type silicon 101 by the LOCOS (selective oxidation) method.
02 and the field oxide film 103 are formed in a strip shape (see FIG. 3).
9). Next, a silicon oxide film is grown to a thickness of about 12 nm as the first gate insulating film 104, and the first polycrystalline silicon 105 is deposited thereon by CVD or the like. This will later become the floating gate 114. Next, patterning is performed using a photoresist, and division 106 of the floating gate in the word line direction is performed by etching (FIG. 40). Next, an interlayer insulating film to be the second gate insulating film 107 is formed, and the second polycrystalline silicon 10 is formed thereon.
8 is deposited by CVD or the like. This polycrystalline silicon 1
08 will later become a control gate. Further, the photoresist 109 is patterned to form a two-layer gate, and the second polycrystalline silicon 108, the insulating film 107, and the first polycrystalline silicon 105 are sequentially etched (FIGS. 41 and 42). As a result, as shown in FIG. 43, the control gate 115 and the floating gate 11 perpendicular to the forming direction of the field oxide film 103 are formed.
4 is formed. Then, the photoresist 109 is removed, and the photoresist 110 is patterned again so as to have a boundary within the width of the strip-shaped control gate. Then, the oxide film is selectively etched to form a source line pattern. This is the SAS (Self-Aligned S
ource) technology (Fig. 43).

【0005】次に前記フォトレジスト110を除去し、
シリコン酸化膜111を全面に形成した後、ソース領域
112へイオン注入するためのフォトレジスト(図示せ
ず)を塗布し、パターニングし、例えばAsをイオン注
入し、熱拡散してソース拡散領域112を形成する。さ
らに同様の方法によりドレイン領域113を形成する
(図37、図38)。その後、周知の技術によりゲート
積層体を含む半導体基板101全面に絶縁膜110を形
成し、さらに、図示はしないがこの絶縁膜101にコン
タクトを開孔し電極を配線する。この様にして形成され
たメモリセルは、半導体基板上に2層のポリシリコンゲ
ートを持つため、半導体基板表面とメモリセルの最上部
との間は数100nm程度の段差が生じており、特にソ
ース拡散領域112を挟む側のゲート間隔は最小ピッチ
となっている。従ってこの厳しいアスペクトを有するパ
ターンを層間絶縁膜で平坦化するのは容易ではなく、平
坦性の悪さがいくつかの信頼性や性能に関わる幾つかの
問題を生じさせている。
Next, the photoresist 110 is removed,
After forming the silicon oxide film 111 on the entire surface, a photoresist (not shown) for ion-implanting into the source region 112 is applied and patterned, and, for example, As is ion-implanted and thermally diffused to form the source diffusion region 112. Form. Further, the drain region 113 is formed by the same method (FIGS. 37 and 38). After that, an insulating film 110 is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 101 including the gate stacked body by a well-known technique. Further, although not shown, a contact is opened in this insulating film 101 and an electrode is wired. Since the memory cell thus formed has a two-layer polysilicon gate on the semiconductor substrate, a step difference of about several hundred nm is generated between the surface of the semiconductor substrate and the uppermost portion of the memory cell. The gate pitch on the side sandwiching the diffusion region 112 is the minimum pitch. Therefore, it is not easy to flatten a pattern having this severe aspect with an interlayer insulating film, and poor flatness causes some reliability and performance problems.

【0006】その1つにセルトランジスタ中に記憶して
いるデータ、つまり電荷の保持特性を良好に維持するこ
とが難しいということがある。前記構造のセルトランジ
スタでフローティングゲート中に電子が注入されている
状態と放出されている状態とで、“1”、“0”を区別
し、データを記憶している。ここで、もしも層間絶縁膜
中を通して、電子の注入されたフローティングゲート近
傍に正の可動イオン等が寄ってくると、フーティングゲ
ート中から電子が抜けたり、この可動イオンを引きつけ
ることにより見掛上フローティングゲート中の電子量が
変り、データが変わってしまう。このような挙動を防止
するために、この層間絶縁膜への不純物の進入を防止す
ることは大きな課題となる。そのため特に不揮発性デバ
イスの層間絶縁膜には不純物の進入を妨げるような質の
良さが要求される。しかし、この平坦性の悪いセル構造
においては、層間絶縁膜に対して質の良さに加え、カバ
レッジの良さも要求され、その分層間絶縁膜の選択にも
制限が生じてしまう。
One of the problems is that it is difficult to maintain the data stored in the cell transistor, that is, the charge retention characteristic in a good condition. In the cell transistor having the above structure, "1" and "0" are distinguished between the state where electrons are injected into the floating gate and the state where electrons are discharged, and data is stored. Here, if positive mobile ions and the like come near the floating gate into which electrons have been injected through the interlayer insulating film, electrons will escape from the footing gate, and this mobile ion will be apparently attracted. The amount of electrons in the floating gate changes and the data changes. In order to prevent such behavior, it is a major problem to prevent impurities from entering the interlayer insulating film. Therefore, the inter-layer insulating film of the non-volatile device is required to have good quality so as to prevent impurities from entering. However, in this cell structure having poor flatness, not only the quality of the interlayer insulating film but also the good coverage are required, and the selection of the interlayer insulating film is limited accordingly.

【0007】層間絶縁膜上に形成されているアルミニウ
ム(Al)配線はこの段差によってゲート積層体上を走
るA1と半導体基板上を走るA1との間にフォトレジス
トのフォーカスボケが生じ、配線の信頼性を低下させ
る。不揮発性メモリは、高速化などの性能の高さが要求
されるなど多層配線技術が必須の技術となっている。こ
の多層配線技術を導入する際には、この平坦性の悪さは
より大きな問題となっている。また、前記セルトランジ
スタではフィールド酸化膜によって素子を分離している
ため、図41、図42で説明したようにソース領域11
2を形成する際にSAS技術を用いているが、この方法
ではフィールド酸化膜除去時にセルトランジスタのソー
ス、ゲート境界部において、ソース部とゲート下のチャ
ネル部の半導体基板表面に段差のある構造となり、その
ためポスト酸化時に酸化されるゲート端部近傍のゲート
酸化膜厚にばらつきが生じ、セル消去特性がばらつくと
いう問題があった。また拡散領域を半導体基板中に持つ
ことから、拡散領域のジャンクション容量が電圧降下の
原因となり、これが大きな問題となっている。
In the aluminum (Al) wiring formed on the interlayer insulating film, this step causes a focus blur of the photoresist between A1 running on the gate laminated body and A1 running on the semiconductor substrate, and reliability of the wiring. Reduce sex. For non-volatile memory, multi-layer wiring technology has become an essential technology because high performance such as high speed is required. When introducing this multi-layer wiring technology, this poor flatness becomes a greater problem. Further, since the elements are separated by the field oxide film in the cell transistor, the source region 11 is formed as described in FIGS.
Although the SAS technique is used for forming 2, the structure in which the source and gate boundaries of the cell transistor have a step on the semiconductor substrate surface of the source and the channel below the gate when the field oxide film is removed by this method. Therefore, there is a problem in that the gate oxide film thickness in the vicinity of the gate end portion that is oxidized during post-oxidation varies and the cell erase characteristic also varies. Further, since the semiconductor substrate has the diffusion region, the junction capacitance of the diffusion region causes a voltage drop, which is a serious problem.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】この様な従来の2層ポ
リシリコン構造のセルトランジスタは、電荷を保持する
フロ−ティングゲ−ト114が絶縁膜107、111に
覆われているが、その被覆性が十分でないとフロ−ティ
ングゲ−トを被覆している絶縁膜から不純物が進入して
電荷保持特性が低下する。電荷保持特性を改善するため
には、絶縁膜の最適化が必要となるが、平坦性の悪さは
絶縁膜の選択を制限してしまう。また、絶縁膜の上に形
成されるアルミニウム配線は、この段差によって、フォ
トレジストのフォーカスぼけが生じ、配線の信頼性を低
下させる。さらに、多層配線技術を導入するならば、そ
の信頼性の低下はより著しくなる。この従来構造ではソ
ース領域を形成するために、素子分離を行うフィールド
酸化膜をSAS技術によって形成しているが、この方法
ではゲート酸化膜厚にばらつきが生じ、データ消去後の
しきい値にばらつきが生じる。また、半導体基板中に拡
散領域を持つので、そのジャンクション容量が大きく電
圧降下の原因になる。本発明は、このような事情によっ
て成されたものであり、フロ−ティングゲ−トの電荷保
持特性が優れ、段差が殆ど認められずに配線の信頼性の
高い不揮発性半導体記憶装置を提供する。
In such a conventional cell transistor having a two-layer polysilicon structure, the floating gate 114 for holding charges is covered with the insulating films 107 and 111. Is not sufficient, impurities enter from the insulating film covering the floating gate, and the charge retention characteristic deteriorates. In order to improve the charge retention characteristics, it is necessary to optimize the insulating film, but poor flatness limits the selection of the insulating film. Further, in the aluminum wiring formed on the insulating film, the step causes the photoresist to be defocused, which reduces the reliability of the wiring. Further, if the multi-layer wiring technology is introduced, the decrease in reliability becomes more remarkable. In this conventional structure, in order to form the source region, the field oxide film for element isolation is formed by the SAS technique. However, in this method, the gate oxide film thickness varies and the threshold value after data erasure varies. Occurs. Also, since the semiconductor substrate has a diffusion region, its junction capacitance is large and causes a voltage drop. The present invention has been made under such circumstances, and provides a non-volatile semiconductor memory device in which the floating gate has excellent charge retention characteristics, and a step is hardly recognized, and wiring is highly reliable.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明は、2層のゲート
積層体の内少なくとも一部はシリコン単結晶半導体基板
内に形成し、ゲート積層体の上の半導体基板の上に多結
晶シリコン又は単結晶シリコン半導体層を形成してその
中にソース領域、ドレイン領域及びソース/ドレイン領
域間のチャネル領域を形成することに特徴がある。即
ち、本発明の不揮発性半導体記憶装置は、主面に溝が形
成された半導体基板と、前記半導体基板主面上に形成さ
れ、少なくとも前記溝の底部を被覆している第1の絶縁
膜と、前記半導体基板内部に形成され、前記溝の底部と
は前記第1の絶縁膜を介して接しており、かつ、コント
ロールゲートとして用いられる不純物拡散領域と、前記
溝の中に埋め込まれ、フローティングゲートとして用い
られる導電層と、前記半導体基板に形成され、少なくと
も前記導電層を被覆している第2の絶縁膜と、前記半導
体基板主面上に形成され、前記導電層とは前記第2の絶
縁膜を介して接している半導体層と、前記半導体層に形
成されたソース/ドレイン領域とを備え、前記ソース/
ドレイン領域間のチャネル領域は、前記導電層の上の領
域に形成されていることを第1の特徴としている。
According to the present invention, at least a part of a two-layer gate stacked body is formed in a silicon single crystal semiconductor substrate, and polycrystalline silicon or a polycrystalline silicon is formed on the semiconductor substrate above the gate stacked body. It is characterized in that a single crystal silicon semiconductor layer is formed and a source region, a drain region, and a channel region between the source / drain regions are formed therein. That is, the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention comprises: a semiconductor substrate having a groove formed on its main surface; and a first insulating film formed on the main surface of the semiconductor substrate and covering at least the bottom of the groove. An impurity diffusion region that is formed inside the semiconductor substrate and is in contact with the bottom of the groove through the first insulating film, and that is used as a control gate, and is embedded in the groove to form a floating gate. Used as a conductive layer, a second insulating film formed on the semiconductor substrate and covering at least the conductive layer, and a conductive layer formed on the main surface of the semiconductor substrate and separated from the conductive layer by the second insulating film. A source / drain region formed in the semiconductor layer and a semiconductor layer in contact with the source / drain region;
The first feature is that the channel region between the drain regions is formed in a region above the conductive layer.

【0010】また、半導体基板と、前記半導体基板主面
に形成され、コントロールゲートとして用いられる不純
物拡散領域と、前記半導体基板主面上に形成され、少な
くとも前記不純物拡散領域を被覆する第1の絶縁膜と、
前記不純物拡散領域上に前記第1の絶縁膜を介して形成
され、フロ−ティングゲ−トとして用いられる導電層
と、前記半導体基板主面上に形成され、少なくとも前記
導電層を被覆する第2の絶縁膜と、前記半導体基板主面
上に形成され、前記導電層とは前記第2の絶縁膜を介し
て接している半導体層と、前記半導体層に形成されたソ
ース/ドレイン領域とを備え、前記ソース/ドレイン領
域間に形成されるチャネル領域は、前記導電層の上の領
域に形成されていることを第2の特徴としている。さら
に、主面に溝が形成された半導体基板と、前記半導体基
板主面上に形成され、少なくとも前記溝の底部を被覆し
ている第1の絶縁膜と、前記溝内の前記第1の絶縁膜上
に形成され、コントロールゲートとして用いられる第1
の導電層と、前記半導体基板主面上に形成され少なくと
も前記第1の導電層を被覆している第2の絶縁膜と、前
記溝内の前記第2の絶縁膜上に形成され、前記フロ−テ
ィングゲ−トとして用いられる第2の導電層と、前記半
導体基板主面上に形成され、少なくとも前記第2の導電
層を被覆している第3の絶縁膜と、前記半導体基板主面
上に形成され、前記導電層とは前記第3の絶縁膜を介し
て接している半導体層と、前記半導体層に形成されたソ
ース/ドレイン領域とを備え、前記ソース/ドレイン領
域間のチャネル領域は、前記導電層の上の領域に形成さ
れていることを第3の特徴としている。
A semiconductor substrate, an impurity diffusion region formed on the main surface of the semiconductor substrate and used as a control gate, and a first insulating layer formed on the main surface of the semiconductor substrate and covering at least the impurity diffusion region. A membrane,
A conductive layer formed on the impurity diffusion region via the first insulating film and used as a floating gate, and a second conductive layer formed on the main surface of the semiconductor substrate and covering at least the conductive layer. An insulating film; a semiconductor layer formed on the main surface of the semiconductor substrate and in contact with the conductive layer via the second insulating film; and source / drain regions formed in the semiconductor layer, A second feature is that the channel region formed between the source / drain regions is formed in a region above the conductive layer. Further, a semiconductor substrate having a groove formed on its main surface, a first insulating film formed on the main surface of the semiconductor substrate and covering at least the bottom of the groove, and the first insulating film in the groove. First formed on the film and used as a control gate
Of the conductive layer, a second insulating film formed on the main surface of the semiconductor substrate and covering at least the first conductive layer, and the second insulating film in the groove. A second conductive layer used as a gate, a third insulating film formed on the main surface of the semiconductor substrate and covering at least the second conductive layer, and a third conductive film on the main surface of the semiconductor substrate. A semiconductor layer formed and in contact with the conductive layer via the third insulating film, and a source / drain region formed in the semiconductor layer, the channel region between the source / drain regions, The third characteristic is that the conductive layer is formed in a region above the conductive layer.

【0011】[0011]

【作用】フローティングゲートは、半導体基板である単
結晶シリコン或いは単結晶シリコンとその上の多結晶シ
リコン膜に覆われているので不純物の進入は大きく制御
することができる。その上、従来段差の大きい2層のゲ
ート積層体が単結晶シリコン或いは単結晶シリコンとそ
の上の多結晶シリコンの中に埋め込まれているので、そ
の表面は平坦であり、絶縁膜の機能としては電荷保持特
性の維持に対する性能を考慮する必要が無い上に、カバ
レッジについても制限が無くなる。その結果、アルミニ
ウム配線のフォーカスボケも無くなる。また、ソース領
域は、半導体基板上に堆積形成した多結晶シリコン膜に
形成するので、マスクによるパターニングにより形成で
き、SAS技術を使わなくても良くなる。そのため、デ
ータ消去後のしきい値のばらつきも小さくできる。ソー
ス/ドレイン領域は、堆積した多結晶シリコン膜中に形
成するのでジャンクション容量を小さくできる。
Since the floating gate is covered with the single crystal silicon or the single crystal silicon which is the semiconductor substrate and the polycrystalline silicon film on the single crystal silicon, the penetration of impurities can be greatly controlled. In addition, since the conventional two-layer gate stacked body having a large step is embedded in the single crystal silicon or the single crystal silicon and the polycrystalline silicon on the single crystal silicon, the surface thereof is flat and the insulating film functions as There is no need to consider the performance for maintaining the charge retention characteristics, and there is no limitation on the coverage. As a result, the focus blur of the aluminum wiring is eliminated. Further, since the source region is formed in the polycrystalline silicon film deposited and formed on the semiconductor substrate, it can be formed by patterning with a mask, and it is not necessary to use the SAS technique. Therefore, the variation in the threshold value after the data is erased can be reduced. Since the source / drain regions are formed in the deposited polycrystalline silicon film, the junction capacitance can be reduced.

【0012】[0012]

【実施例】本発明の実施例について図面を参照して説明
する。まず、図1乃至図10を参照して第1の実施例を
説明する。図1は、アルミニウムなどの金属配線まで形
成された半導体記憶装置(EEPROM)のセルトラン
ジスタの断面図、図9は、半導体記憶装置の斜視図、図
4は、図3(a)の変形例の平面図、図2乃至図10
は、このEEPROMの製造工程断面図及び平面図であ
る。半導体基板1には、例えば、p型シリコン基板を用
い、この中にセルトランジスタが形成されるNウエル2
を周知の技術で形成する。この半導体基板1の表面を熱
酸化して、例えば、100nm程度のダミー酸化膜3を
形成する。その後、酸化膜3の上に所定のパターンを有
するフォトレジスト4をストライプ状に形成する。そし
て、ボロン(B)をドーピングしてコントロールゲート
となるp型拡散領域5をNウエル2中に形成する。コン
トロールゲート5は、半導体基板1に帯状に形成されて
いる。半導体基板1には、複数のNウエル2が繰返し形
成されており、各ウエルには、それぞれ複数の帯状のコ
ントロールゲート5が形成されている。すなわち、コン
トロールゲート5は、前記フォトレジスト4のストライ
プ状のパターンにしたがって、半導体基板1上にストラ
イプ状に形成される(図2)。図2(b)は、フォトレ
ジスト及び酸化膜を省いた図2(a)の半導体基板1の
平面図のB−B′線に沿う断面図である。
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. First, a first embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a cross-sectional view of a cell transistor of a semiconductor memory device (EEPROM) in which metal wiring such as aluminum is formed, FIG. 9 is a perspective view of the semiconductor memory device, and FIG. 4 is a modification of FIG. Plan view, FIG. 2 to FIG.
FIG. 4A is a sectional view and a plan view of the manufacturing process of the EEPROM. For example, a p-type silicon substrate is used as the semiconductor substrate 1, and an N well 2 in which cell transistors are formed therein
Are formed by a known technique. The surface of the semiconductor substrate 1 is thermally oxidized to form a dummy oxide film 3 having a thickness of, for example, about 100 nm. Then, a photoresist 4 having a predetermined pattern is formed on the oxide film 3 in a stripe shape. Then, boron (B) is doped to form a p-type diffusion region 5 serving as a control gate in the N well 2. The control gate 5 is formed in a strip shape on the semiconductor substrate 1. A plurality of N wells 2 are repeatedly formed in the semiconductor substrate 1, and a plurality of strip-shaped control gates 5 are formed in each well. That is, the control gates 5 are formed in stripes on the semiconductor substrate 1 according to the stripe pattern of the photoresist 4 (FIG. 2). FIG. 2B is a sectional view taken along the line BB ′ of the plan view of the semiconductor substrate 1 of FIG. 2A in which the photoresist and the oxide film are omitted.

【0013】次に、フォトレジスト4を剥離除去し、新
たにダミー酸化膜3の上に別なパターンを有するフォト
レジスト6を形成する。このフォトレジスト6をマスク
として半導体基板1の前記コントロールゲートの拡散領
域5の部分を異方性エッチングなどによってエッチング
して、溝7を各拡散領域5に繰返し形成する。後にこの
溝には多結晶シリコンのフローティングゲートが形成さ
れる。図3(b)は、図3(a)の半導体基板1の平面
図のB−B′線に沿う断面図である。溝7は、コントロ
ールゲート5の内部に形成されているので、溝7に形成
されるフローティングゲートとこのコントロールゲート
の重なる領域は一定となり、したがって多少のマスク合
わせずれがあってもカップリング比を一定にすることが
できる。また、図4は、フローティングゲートの形状が
図3(a)とは異なる他の例である。図3(a)の溝7
は、コントロールゲート5の中に形成されるが、図4の
溝7は、コントロールゲート5より幅が広くなっている
が、作用効果には格別の差異が認められない。次に、フ
ォトレジスト6とダミー酸化膜3を半導体基板1上から
剥離除去して、半導体基板1の全面にシリコン熱酸化膜
などの絶縁膜8とその上に多結晶シリコン膜9を形成す
る(図5(a))。
Next, the photoresist 4 is stripped and removed, and a photoresist 6 having another pattern is newly formed on the dummy oxide film 3. Using the photoresist 6 as a mask, the diffusion region 5 of the control gate of the semiconductor substrate 1 is etched by anisotropic etching or the like to form a groove 7 in each diffusion region 5 repeatedly. Later, a floating gate of polycrystalline silicon is formed in this groove. 3B is a sectional view taken along the line BB ′ of the plan view of the semiconductor substrate 1 of FIG. Since the groove 7 is formed inside the control gate 5, the region where the floating gate formed in the groove 7 and the control gate overlap is constant, so that the coupling ratio is constant even if there is some mask misalignment. Can be In addition, FIG. 4 is another example in which the shape of the floating gate is different from that of FIG. Groove 7 of FIG. 3 (a)
Is formed in the control gate 5, and the groove 7 in FIG. 4 is wider than the control gate 5, but no significant difference is observed in the action and effect. Next, the photoresist 6 and the dummy oxide film 3 are peeled off and removed from the semiconductor substrate 1, and an insulating film 8 such as a silicon thermal oxide film and a polycrystalline silicon film 9 are formed on the entire surface of the semiconductor substrate 1 ( FIG. 5A).

【0014】次に、この多結晶シリコン膜9をエッチバ
ックして前記溝7に埋込まれた多結晶シリコンのみ半導
体基板1に残るようにする。溝7内の多結晶シリコン
は、フローティングゲート10となる。フローティング
ゲート10には、イオン注入、リン拡散などの方法で不
純物を拡散してn型にしても良いし、リンなどのドープ
トポリを堆積する手法を用いても良い。その後半導体基
板1全面にシリコン酸化膜などの絶縁膜11を形成して
フローティングゲート10を完全に被覆する(図5
(b))。次に、多結晶シリコン膜からなる半導体層1
2をCVDなどにより半導体基板1表面全面に堆積させ
る。フローティングゲート10は、単結晶シリコン半導
体基板1に完全に覆われているので、不純物の侵入が十
分防止される。また、2層のゲート積層体は、単結晶シ
リコン半導体基板に埋込まれているので、表面は平坦に
なってその後の層間絶縁膜などの絶縁膜の堆積やアルミ
ニウムなどの金属配線の信頼性の向上につながる(図5
(c))。
Next, the polycrystalline silicon film 9 is etched back so that only the polycrystalline silicon embedded in the groove 7 remains on the semiconductor substrate 1. The polycrystalline silicon in the trench 7 becomes the floating gate 10. The floating gate 10 may be made into n-type by diffusing impurities by a method such as ion implantation or phosphorus diffusion, or a method of depositing a doped poly such as phosphorus may be used. After that, an insulating film 11 such as a silicon oxide film is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 1 to completely cover the floating gate 10 (FIG. 5).
(B)). Next, the semiconductor layer 1 made of a polycrystalline silicon film
2 is deposited on the entire surface of the semiconductor substrate 1 by CVD or the like. Since the floating gate 10 is completely covered with the single crystal silicon semiconductor substrate 1, the intrusion of impurities is sufficiently prevented. In addition, since the two-layer gate stacked body is embedded in the single crystal silicon semiconductor substrate, the surface becomes flat, and thereafter the deposition of an insulating film such as an interlayer insulating film and the reliability of metal wiring such as aluminum are improved. Leads to improvement (Fig. 5
(C)).

【0015】次に、多結晶シリコン膜からなる半導体層
12上にフォトレジスト13を形成し、これをマスクと
して、多結晶シリコン膜からなる半導体層12のフロー
ティングゲート10間上の領域にAsなどの不純物をイ
オン注入などの方法によりドープし、n型領域14を形
成し(図6(a))、その後この不純物を熱拡散してn
型ソース領域14を帯状に形成する。n型領域14を形
成してからフォトレジスト13を剥離除去し、代わりに
別のフォトレジスト15を多結晶シリコン膜からなる半
導体層12上に形成する。そして、多結晶シリコン膜か
らなる半導体層12のフローティングゲート10上の領
域を中心にしてソース領域14と対称の位置に、例え
ば、Asなどの不純物をイオン注入によりドープしてn
型領域16を形成する(図6(b))。その後、図7及
び図8に示すようにn型領域16を熱拡散してn型ドレ
イン領域16をセルごとに分離形成する。
Next, a photoresist 13 is formed on the semiconductor layer 12 made of a polycrystalline silicon film, and using this as a mask, a region such as As is formed in the region between the floating gates 10 of the semiconductor layer 12 made of the polycrystalline silicon film. Impurities are doped by a method such as ion implantation to form the n-type region 14 (FIG. 6A), and then the impurities are thermally diffused to n.
The mold source region 14 is formed in a strip shape. After forming the n-type region 14, the photoresist 13 is peeled and removed, and another photoresist 15 is formed instead on the semiconductor layer 12 made of a polycrystalline silicon film. Then, for example, an impurity such as As is doped by ion implantation at a position symmetrical to the source region 14 around the region of the semiconductor layer 12 made of a polycrystalline silicon film on the floating gate 10 and then n-doped.
The mold region 16 is formed (FIG. 6B). Then, as shown in FIGS. 7 and 8, the n-type region 16 is thermally diffused to separately form the n-type drain region 16 for each cell.

【0016】多結晶シリコン膜からなる半導体層12に
形成されたPNジャンクション容量は、従来より小さく
なり、電圧降下が小さくなる。図7は多結晶シリコン膜
からなる半導体層12が形成された半導体基板の平面
図、図8(a)及び図8(b)は、この平面図のB−
B′線及びC−C′線に沿う断面図である。平面図で
は、半導体基板1の内部は、示されていないが、溝に埋
込まれたフロ−ティングゲ−ト10がセル毎に分離され
て2筋形成されている。その下に形成されたコントロ−
ルゲ−ト5は連続して帯状に形成されている。ソース領
域14は、連続して帯状に形成され、セル部分は幅広に
なっている。ドレイン領域16は、各セル毎に独立して
いる。また、図示はしないが、紫外線照射後のしきい値
を目的の値にするためにチャネル領域に不純物をドーピ
ングする事もできる。ドレイン領域と隣のドレイン領域
との間の領域18にボロンなどのイオン注入を行って電
気的な素子分離を行うこともできる。フォトレジスト1
5を取り除いてから、図8(a)に示すように多結晶シ
リコン膜からなる半導体層12を層間絶縁膜17で被覆
する。次に、フォトレジストを用いて層間絶縁膜17を
パターニングしてドレイン領域を露出するコンタクト孔
を形成し、次に、アルミニウムなどの金属電極20を配
線し、ドレイン領域16と電気的に接続させる。コント
ロ−ルゲ−ト5の電極には、複数個のセルに1つのコン
タクトを取る事により低抵抗な電極が得られる。そし
て、電極配線は平坦な層間絶縁膜の上に形成されるため
にフォーカスズレも無くパターニングが可能になる。
The PN junction capacitance formed in the semiconductor layer 12 made of a polycrystalline silicon film is smaller than the conventional one, and the voltage drop is small. FIG. 7 is a plan view of a semiconductor substrate on which a semiconductor layer 12 made of a polycrystalline silicon film is formed, and FIGS. 8A and 8B are B- of this plan view.
It is sectional drawing which follows the B'line and CC line. In the plan view, the inside of the semiconductor substrate 1 is not shown, but the floating gates 10 buried in the grooves are separated into cells to form two lines. The controller formed underneath
The lugate 5 is continuously formed in a strip shape. The source region 14 is continuously formed in a strip shape, and the cell portion is wide. The drain region 16 is independent for each cell. Although not shown, the channel region may be doped with impurities in order to set the threshold value after ultraviolet irradiation to a desired value. It is also possible to perform ion implantation of boron or the like into the region 18 between the drain region and the adjacent drain region for electrical element isolation. Photoresist 1
After removing 5, the semiconductor layer 12 made of a polycrystalline silicon film is covered with an interlayer insulating film 17 as shown in FIG. Next, the interlayer insulating film 17 is patterned using a photoresist to form a contact hole exposing the drain region, and then a metal electrode 20 of aluminum or the like is wired and electrically connected to the drain region 16. For the electrodes of the control gate 5, low resistance electrodes can be obtained by making one contact with a plurality of cells. Since the electrode wiring is formed on the flat interlayer insulating film, patterning can be performed without focus deviation.

【0017】上記の例では、半導体基板1上にセルトラ
ンジスタを構成するソース/ドレイン領域が形成される
多結晶シリコン膜からなる半導体層12は、半導体基板
全面に堆積させているがこの多結晶シリコン膜からなる
半導体層12をソース領域、ドレイン領域及びソース/
ドレイン領域間のチャネル領域にのみ形成し、半導体基
板1上にそれを網目状に形成しても良い。この場合、フ
ォトレジストによるパターニングが必要になるが、隣接
するドレイン領域−ドレイン領域間の領域18が絶縁膜
で完全に電気的に分離され、電気的に分離するためのボ
ロンの打込みは不要になる。図9は、図7の平面図の部
分的な斜視図である。この図では、半導体基板1に形成
された多結晶シリコン膜からなる半導体層12とそこに
形成されたソース/ドレイン領域などを示し、シリコン
膜からなる半導体層12上の層間絶縁膜等は示していな
い。半導体基板1のNウエル2に形成されたコントロー
ルゲート5はY方向に延びている。多結晶シリコン膜か
らなる半導体層12に形成されたソース領域14もコン
トロールゲート5と同じくY方向に延びている。ドレイ
ン領域16は、各セルトランジスタ毎に独立して形成さ
れている。ビット線となるドレイン線は、コントロール
ゲート5と直交させるので、Alなどの金属配線などで
X方向に配線する。Y方向のドレイン領域と隣接するド
レイン領域間の領域18には、ドレイン領域とは逆の導
電型の不純物を注入し、ドレイン−ドレイン領域間を電
気的に分離する。また、この領域18に多結晶シリコン
を形成しなければ、絶縁物が形成されることになるの
で、完全な電気的分離が可能になる。
In the above example, the semiconductor layer 12 made of a polycrystalline silicon film in which the source / drain regions constituting the cell transistor are formed on the semiconductor substrate 1 is deposited on the entire surface of the semiconductor substrate. The semiconductor layer 12 made of a film is used as a source region, a drain region and a source /
It may be formed only in the channel region between the drain regions, and may be formed in a mesh shape on the semiconductor substrate 1. In this case, patterning with a photoresist is required, but the region 18 between adjacent drain regions is completely electrically isolated by the insulating film, and boron implantation for electrical isolation is not necessary. . FIG. 9 is a partial perspective view of the plan view of FIG. 7. In this figure, the semiconductor layer 12 made of a polycrystalline silicon film formed on the semiconductor substrate 1 and the source / drain regions formed therein are shown, and the interlayer insulating film and the like on the semiconductor layer 12 made of a silicon film are shown. Absent. The control gate 5 formed in the N well 2 of the semiconductor substrate 1 extends in the Y direction. The source region 14 formed in the semiconductor layer 12 made of a polycrystalline silicon film also extends in the Y direction like the control gate 5. The drain region 16 is formed independently for each cell transistor. Since the drain line to be a bit line is orthogonal to the control gate 5, it is wired in the X direction by a metal wiring such as Al. An impurity having a conductivity type opposite to that of the drain region is implanted into the region 18 between the drain region in the Y direction and the adjacent drain region to electrically isolate the drain and the drain region. Also, if polycrystalline silicon is not formed in this region 18, an insulator will be formed, so that complete electrical isolation is possible.

【0018】次に、図10乃至図13を参照して第2の
実施例を説明する。コントロールゲート5を半導体基板
1に形成する工程までは、図2と同じなのでこの図で説
明する。半導体基板1には、例えば、p型シリコン基板
を用い、この中にセルトランジスタが形成されるNウエ
ル2を周知の技術で形成する。この半導体基板1の表面
を熱酸化して、酸化膜3を形成する。その後、酸化膜3
の上に所定のパターンを有するフォトレジスト4を形成
して、Bをドーピングしてコントロールゲートとなるp
型拡散領域5をNウエル2中に形成する。コントロール
ゲート5は、半導体基板1に帯状に形成されている。半
導体基板1には、複数のNウエル2が繰返し形成されて
おり、各ウエルには、それぞれ複数の帯状のコントロー
ルゲート5が形成されている。すなわち、コントロール
ゲート5は、前記フォトレジスト4のストライプ状のパ
ターンにしたがって、半導体基板1上にストライプ状に
形成される(図2)。その後、フォトレジスト4とダミ
ー酸化膜3を剥離除去して新たにシリコン酸化膜26を
その後の工程で成長させるエピ層(図11(a)の2
8)より、厚いかあるいは同程度の膜厚に形成し、これ
をフォトレジスト27を用いてパターニングしてフロ−
ティングゲ−ト形成領域に島状の酸化膜26を形成する
(図10)。図10(b)は図10(a)のB−B′線
に沿う断面図である。
Next, a second embodiment will be described with reference to FIGS. The process up to the step of forming the control gate 5 on the semiconductor substrate 1 is the same as that shown in FIG. As the semiconductor substrate 1, for example, a p-type silicon substrate is used, and the N well 2 in which the cell transistor is formed is formed by a well-known technique. The surface of this semiconductor substrate 1 is thermally oxidized to form an oxide film 3. After that, oxide film 3
A photoresist 4 having a predetermined pattern is formed on the p-type and is doped with B to form a control gate p.
A type diffusion region 5 is formed in the N well 2. The control gate 5 is formed in a strip shape on the semiconductor substrate 1. A plurality of N wells 2 are repeatedly formed in the semiconductor substrate 1, and a plurality of strip-shaped control gates 5 are formed in each well. That is, the control gates 5 are formed in stripes on the semiconductor substrate 1 according to the stripe pattern of the photoresist 4 (FIG. 2). After that, the photoresist 4 and the dummy oxide film 3 are peeled off and removed, and a new silicon oxide film 26 is grown in a subsequent step (2 in FIG. 11A).
8), a thicker film or a film having a similar thickness is formed.
An island-shaped oxide film 26 is formed in the area for forming the gate (FIG. 10). FIG. 10B is a sectional view taken along the line BB ′ of FIG.

【0019】次に、フォトレジスト27を取除いてから
半導体基板1の露出している表面にシリコン単結晶膜2
8を酸化膜26より低く、あるいは同じ高さまで、エピ
タキシャル成長により堆積する(図10(c))。酸化
膜26の上には、通常、単結晶が成長しないので、シリ
コン単結晶膜28には、島状の酸化膜26が配置され
る。その後、エッチングにより酸化膜26を除去し、溝
29が形成される。つぎに、シリコン膜28の表面を絶
縁膜30で被覆し、その上に多結晶シリコン膜31を形
成する(図11(b))。多結晶シリコン膜31をエッ
チングバックしてシリコン膜28の開孔部29内にのみ
残してこれをフロ−ティングゲ−ト10とする。このフ
ロ−ティングゲ−ト10は、イオン注入、リン拡散ある
いはリンなどのドープドポリなどの方法でn型にしてお
く。その後、第1の実施例と同様に絶縁膜32を形成し
てフロ−ティングゲ−ト10を被覆する(図11
(c))。次に、絶縁膜32の上に多結晶シリコン膜か
らなる半導体層12を形成し、この多結晶シリコン膜に
不純物をドープしてn型ソース/ドレイン領域14、1
6を形成する(図12、図13)。図12は半導体基板
の平面図であり図13(a)及び図13(b)は、その
B−B′線及びC−C′線に沿う断面図である。その
後、図示はしないが多結晶シリコン膜12の上に層間絶
縁膜を形成してから、この絶縁膜にコンタクト孔を形成
し、さらに、電極配線を行う。
Next, after removing the photoresist 27, the silicon single crystal film 2 is formed on the exposed surface of the semiconductor substrate 1.
8 is deposited by epitaxial growth to a height lower than that of the oxide film 26 or to the same height (FIG. 10C). Since a single crystal does not normally grow on the oxide film 26, the island-shaped oxide film 26 is arranged on the silicon single crystal film 28. After that, the oxide film 26 is removed by etching to form the groove 29. Next, the surface of the silicon film 28 is covered with the insulating film 30, and the polycrystalline silicon film 31 is formed thereon (FIG. 11B). The polycrystalline silicon film 31 is etched back and left only in the openings 29 of the silicon film 28, and this is used as the floating gate 10. The floating gate 10 is made n-type by a method such as ion implantation, phosphorus diffusion, or doped poly such as phosphorus. After that, the insulating film 32 is formed in the same manner as in the first embodiment to cover the floating gate 10 (FIG. 11).
(C)). Next, the semiconductor layer 12 made of a polycrystalline silicon film is formed on the insulating film 32, and the polycrystalline silicon film is doped with impurities to form the n-type source / drain regions 14 and 1.
6 is formed (FIGS. 12 and 13). FIG. 12 is a plan view of the semiconductor substrate, and FIGS. 13 (a) and 13 (b) are sectional views taken along the line BB 'and the line CC'. After that, although not shown, an interlayer insulating film is formed on the polycrystalline silicon film 12, a contact hole is formed in this insulating film, and further electrode wiring is performed.

【0020】次に、図14乃至図19を参照して第3の
実施例を説明する。図14(b)は図14(a)に示す
平面図のB−B′線に沿う断面図である。p型シリコン
基板を用い、この中にセルトランジスタが形成されるN
ウエル2を周知の技術で形成する。この半導体基板1の
表面を熱酸化して、例えば、100nm程度のダミー酸
化膜3を形成するその後、酸化膜3の上に所定のパター
ンを有するフォトレジスト4を形成してこの酸化膜3を
パターニングし、ストライプ状に半導体基板1表面を露
出させる(図14)。そして、このフォトレジスト4を
マスクとして半導体基板1主面を異方性エッチング法な
どでエッチングして、帯状の溝35を各Nウエル2毎に
複数本づつ繰返し形成する(図15(a))。図15
(a)は、図14(a)のB−B′線に沿う断面図であ
る。溝35を形成してから、半導体基板1表面に、例え
ば、熱酸化などにより絶縁膜36を形成する。次に、多
結晶シリコンを半導体基板1の全面に被覆し、エッチン
グバックによって多結晶シリコン膜37を溝35内に帯
状に形成し、これをコントロールゲート5とする。その
後、シリコン酸化物のような絶縁膜38をコントロール
ゲート5の上に形成する(図15(b))。
Next, a third embodiment will be described with reference to FIGS. 14 to 19. FIG. 14B is a sectional view taken along the line BB ′ of the plan view shown in FIG. A p-type silicon substrate is used, in which cell transistors are formed N
Well 2 is formed by a well-known technique. The surface of the semiconductor substrate 1 is thermally oxidized to form, for example, a dummy oxide film 3 having a thickness of about 100 nm. Then, a photoresist 4 having a predetermined pattern is formed on the oxide film 3 and the oxide film 3 is patterned. Then, the surface of the semiconductor substrate 1 is exposed in a stripe shape (FIG. 14). Then, using the photoresist 4 as a mask, the main surface of the semiconductor substrate 1 is etched by anisotropic etching or the like to repeatedly form a plurality of strip-shaped grooves 35 for each N well 2 (FIG. 15A). . Figure 15
FIG. 14A is a sectional view taken along the line BB ′ of FIG. After forming the groove 35, an insulating film 36 is formed on the surface of the semiconductor substrate 1 by, for example, thermal oxidation. Next, the entire surface of the semiconductor substrate 1 is covered with polycrystalline silicon, and the polycrystalline silicon film 37 is formed in a band shape in the groove 35 by etching back, and this is used as the control gate 5. After that, an insulating film 38 such as silicon oxide is formed on the control gate 5 (FIG. 15B).

【0021】その後再び多結晶シリコン39を半導体基
板1上に堆積し(図16(a))、エッチングバックを
行って絶縁膜38上に配置されるような状態で多結晶シ
リコン膜39を溝35に埋込む(図16(b))。次い
で、半導体基板1上にフォトレジスト40を塗布し、パ
ターニングしてコントロールゲート5を構成する多結晶
シリコン膜37の帯状体とは直交する方向にストライプ
を有するパターンを形成する。そして、このフォトレジ
スト40をマスクにして溝に埋込まれた多結晶シリコン
膜39をセル毎に分断して、フローティングゲート10
を形成する。多結晶シリコン膜39は、帯状のままでコ
ントロールゲート5とする。コントロールゲート5、フ
ローティングゲート10は、イオン注入、リン拡散ある
いはドープトポリなどの方法で、不純物をドーピングし
てn型にしておく。この実施例では、同一の溝の中にコ
ントロールゲート5、絶縁膜38、フローティングゲー
ト10と順次堆積させていくので、メモリセルのカップ
リング比は一定となる。エッチング除去された後には、
溝41が形成されている(図17、図18)。図17
(a)は、半導体基板の平面図、図17(b)はこの平
面図のD−D′線に沿う断面図、図18(b)は、この
平面図のC−C′線に沿う断面図であり、図18(a)
は、この平面図のB−B′線に沿う断面図である。半導
体基板1表面の半導体基板1上からフォトレジスト40
を剥離除去してから、新に半導体基板1表面にシリコン
酸化膜などの絶縁膜42を形成し、これをエッチバック
して各フローティングゲート10間の溝41に絶縁膜4
3を埋込む(図19)。
After that, polycrystalline silicon 39 is deposited again on the semiconductor substrate 1 (FIG. 16A), and etching back is performed to form the polycrystalline silicon film 39 in the groove 35 in a state of being arranged on the insulating film 38. (FIG. 16B). Next, a photoresist 40 is applied on the semiconductor substrate 1 and patterned to form a pattern having stripes in a direction orthogonal to the strip of the polycrystalline silicon film 37 forming the control gate 5. Then, using the photoresist 40 as a mask, the polycrystalline silicon film 39 buried in the groove is divided into cells, and the floating gate 10 is formed.
To form. The polycrystalline silicon film 39 is used as the control gate 5 in a strip shape. The control gate 5 and the floating gate 10 are made into n-type by doping impurities by a method such as ion implantation, phosphorus diffusion or doped poly. In this embodiment, the control gate 5, the insulating film 38, and the floating gate 10 are sequentially deposited in the same groove, so that the coupling ratio of the memory cell becomes constant. After being removed by etching,
Grooves 41 are formed (FIGS. 17 and 18). FIG. 17
17A is a plan view of the semiconductor substrate, FIG. 17B is a sectional view taken along the line DD ′ of this plan view, and FIG. 18B is a sectional view taken along the line CC ′ of this plan view. It is a figure and FIG.
FIG. 4 is a sectional view taken along the line BB ′ of this plan view. The photoresist 40 is formed on the surface of the semiconductor substrate 1 from above the semiconductor substrate 1.
Then, an insulating film 42 such as a silicon oxide film is newly formed on the surface of the semiconductor substrate 1 and is etched back to form the insulating film 4 in the groove 41 between the floating gates 10.
3 is embedded (FIG. 19).

【0022】以上の工程により、平坦な半導体基板表面
が形成される。以下の工程は、図示はしないが前述の第
1の実施例及び第2の実施例と同様である。即ち、フロ
ーティングゲート10を絶縁膜で被覆してから、半導体
層として多結晶シリコン膜をCVDなどにより半導体基
板1表面全面に堆積させる。そして、この半導体層にソ
ース/ドレイン領域及びその間のチャネル領域を形成す
る。フローティングゲート10は、この多結晶シリコン
膜に覆われているので、不純物の侵入が十分防止され
る。また、2層のゲート積層体は、単結晶のシリコン半
導体基板1に埋込まれているので、表面は平坦になって
その後の層間絶縁膜などの絶縁膜の堆積やアルミニウム
などの金属配線の信頼性の向上につながる。
Through the above steps, a flat semiconductor substrate surface is formed. Although not shown, the following steps are the same as those in the first and second embodiments described above. That is, after covering the floating gate 10 with an insulating film, a polycrystalline silicon film as a semiconductor layer is deposited on the entire surface of the semiconductor substrate 1 by CVD or the like. Then, a source / drain region and a channel region therebetween are formed in this semiconductor layer. Since the floating gate 10 is covered with this polycrystalline silicon film, the intrusion of impurities is sufficiently prevented. Further, since the two-layer gate laminated body is embedded in the single crystal silicon semiconductor substrate 1, the surface becomes flat and the deposition of an insulating film such as an interlayer insulating film thereafter and the reliability of metal wiring such as aluminum are reliable. It leads to improvement of sex.

【0023】次に、図20乃至図24を参照して第4の
実施例を説明する。図20(a)は、セルトランジスタ
が形成された半導体基板の平面図であり、図20(b)
は、この平面図のB−B′線に沿う断面図である。図中
のX方向はピット線方向、Y方向はワード線方向であ
る。この実施例でも、第1の実施例と同様に、まず、半
導体基板1上にNウエル2を形成し、そのNウエル2領
域内にセルトランジスタを形成する。フォトレジスト4
5を半導体基板1上に塗布形成し、そのフローティング
ゲート形成領域をパターニングする(図20)。次に、
エッチングにより溝44を形成する。この溝44は、後
の工程で多結晶シリコンが埋め込まれ、フローティング
ゲートとなる。次に、フォトレジスト45のパターニン
グのまま、例えば、ボロンなどの不純物を注入し、後に
コントロールゲートとなる不純物拡散領域5を形成する
(図21)。以上の工程によりコントロールゲートとフ
ローティングゲートは、セルフアラインになる。そのた
め合わせズレがなくなり、コントロールゲートとフロー
ティングゲートのカップリング比は一定となる。図22
に、この段階の半導体基板の斜視図を示す。不純物拡散
領域5はY方向、つまり、ワード線方向に帯状につなが
っていることが必要なので不純物拡散領域5形成後に窒
素アニールを行うか、又は後工程のゲート酸化膜形成や
ソース/ドレイン領域へのイオン注入の活性化のための
熱工程を利用して、Y方向の不純物拡散領域5を1つに
つなげる。この際、隣接するX方向の不純物拡散領域5
は接触しないように不純物拡散領域と不純物拡散領域の
距離(溝と溝の距離)を最適化させる。
Next, a fourth embodiment will be described with reference to FIGS. 20 (a) is a plan view of a semiconductor substrate having cell transistors formed thereon, and FIG.
FIG. 4 is a sectional view taken along the line BB ′ of this plan view. The X direction in the drawing is the pit line direction, and the Y direction is the word line direction. Also in this embodiment, similarly to the first embodiment, first, the N well 2 is formed on the semiconductor substrate 1, and the cell transistor is formed in the N well 2 region. Photoresist 4
5 is applied and formed on the semiconductor substrate 1, and the floating gate formation region is patterned (FIG. 20). next,
Grooves 44 are formed by etching. Polycrystalline silicon is embedded in the groove 44 in a later step to form a floating gate. Next, with the photoresist 45 being patterned, impurities such as boron are implanted to form the impurity diffusion region 5 which will later become the control gate (FIG. 21). Through the above steps, the control gate and the floating gate are self-aligned. Therefore, misalignment is eliminated and the coupling ratio between the control gate and the floating gate becomes constant. FIG. 22
A perspective view of the semiconductor substrate at this stage is shown in FIG. Since the impurity diffusion region 5 needs to be connected in a band shape in the Y direction, that is, the word line direction, nitrogen annealing is performed after the impurity diffusion region 5 is formed, or a gate oxide film is formed in a later process or a source / drain region is formed. A thermal process for activation of ion implantation is used to connect the impurity diffusion regions 5 in the Y direction together. At this time, the adjacent X-direction impurity diffusion regions 5
Optimizes the distance between the impurity diffusion region and the impurity diffusion region (distance between grooves) so that they do not contact each other.

【0024】また、図24(b)に示す様に、不純物拡
散領域5のイオン注入をY方向(ワード線方向)に、例
えば、7度の注入角度で行えば、不純物拡散領域5と不
純物拡散領域5の距離Dを小さくでき、後の熱工程でつ
なぐのが容易になる。その後図23に示す様に絶縁膜4
6を形成し、その後多結晶シリコン47を全面に被覆す
る。この多結晶シリコン47は第1〜第3の実施例と同
様に不純物をドーピングする。この実施例ではリンをド
ーピングしn型多結晶シリコン47を形成している。そ
の後、図23(b)に示す様にエッチバックにより多結
晶シリコン47を溝44に埋め込み、これをフローティ
ングゲート10とする。その後、図24(a)に示す様
に絶縁膜48と、ソース/ドレイン領域及びチャネル領
域を形成する半導体層となる多結晶シリコン49を堆積
する。以上の工程により基板表面は平坦になり、以降の
工程は前述の実施例と同様であり、これにより同様の効
果が得られる。また、チャネルを形成するためのシリコ
ンのデボ領域でのバリエーションについてもこの実施例
でも同様のことが可能である。
Further, as shown in FIG. 24B, if the impurity diffusion region 5 is ion-implanted in the Y direction (word line direction) at an implantation angle of, for example, 7 degrees, the impurity diffusion region 5 and the impurity diffusion region 5 are diffused. The distance D of the region 5 can be made small, and it becomes easy to connect the regions 5 in the subsequent heating process. After that, as shown in FIG.
6 is formed, and then the whole surface is covered with polycrystalline silicon 47. The polycrystalline silicon 47 is doped with impurities as in the first to third embodiments. In this embodiment, phosphorus is doped to form n-type polycrystalline silicon 47. After that, as shown in FIG. 23B, the polysilicon 44 is buried in the groove 44 by etching back to form the floating gate 10. After that, as shown in FIG. 24A, an insulating film 48 and polycrystalline silicon 49 to be a semiconductor layer forming source / drain regions and channel regions are deposited. The substrate surface is flattened by the above steps, and the subsequent steps are the same as those in the above-mentioned embodiment, and the same effect can be obtained. Also, the same can be applied to the variation in the devoted region of silicon for forming the channel in this embodiment.

【0025】次に、図25乃至図29を参照して第5の
実施例を説明する。図25(a)は、セルトランジスタ
が形成された半導体基板の平面図であり、図中のX方向
はビット線方向、Y方向はワード線方向である。この平
面図のB−B′線に沿う断面図が図25(b)であり、
図26乃至図29は、この部分を説明する製造工程平面
図及び断面図である。まず、半導体基板1上にNウエル
2を形成し、そのNウエル2領域内にセルトランジスタ
を形成する。半導体基板を酸化し、その後の工程で成長
させるエピ層((図26(b))の55)より厚く、あ
るいは同程度の膜厚に酸化膜3を形成し、パターニング
を行ってフォトレジスト53をフローティングゲート形
成領域に塗布形成する(図25)。次に、エッチングを
行って、フォトレジスト53の所定のパターンに酸化膜
3を残す(図26(a))。その後、フォトレジスト5
3を剥離し、シリコン半導体基板1の露出部に選択的に
単結晶のシリコン単結晶膜55を堆積する(図26
(b))。これは、例えば、エピタキシャル成長によっ
て実現できる。このエピタキシャル成長の際にフォスフ
ィン(PH3 ) やアルシン(AsH3 ) をドーピングガ
スとして用いれば、PやAsをドーピングでき、Nタイ
プのシリコン単結晶膜を形成することができる。シリコ
ン単結晶膜55は、酸化膜3よりも低く、あるいは同程
度の高さまで成長させる。その後エッチングにより、酸
化膜3を10nmまで薄膜化し、島状の溝54を形成す
ることができる。その後、パターニングされたフォトレ
ジスト56で、溝54を含んだ帯状部分以外を被覆する
(図27)。
Next, a fifth embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 25A is a plan view of a semiconductor substrate on which cell transistors are formed, where the X direction is the bit line direction and the Y direction is the word line direction. FIG. 25B is a sectional view taken along the line BB ′ of this plan view.
26 to 29 are plan views and cross-sectional views of the manufacturing process for explaining this portion. First, the N well 2 is formed on the semiconductor substrate 1, and the cell transistor is formed in the N well 2 region. The semiconductor substrate is oxidized, and the oxide film 3 is formed to be thicker than or equal to the thickness of the epi layer (55 in FIG. 26 (b)) grown in the subsequent step, and patterned to form the photoresist 53. It is formed by coating in the floating gate formation region (FIG. 25). Next, etching is performed to leave the oxide film 3 in a predetermined pattern of the photoresist 53 (FIG. 26A). Then photoresist 5
3 is peeled off, and a single crystal silicon single crystal film 55 is selectively deposited on the exposed portion of the silicon semiconductor substrate 1 (FIG. 26).
(B)). This can be achieved, for example, by epitaxial growth. When phosphine (PH 3 ) or arsine (AsH 3 ) is used as a doping gas during this epitaxial growth, P or As can be doped and an N type silicon single crystal film can be formed. The silicon single crystal film 55 is grown to a height lower than or equal to the height of the oxide film 3. After that, the oxide film 3 can be thinned to 10 nm by etching to form the island-shaped groove 54. After that, the patterned photoresist 56 covers the portions other than the strip-shaped portion including the groove 54 (FIG. 27).

【0026】その後ボロンなどのp型不純物を注入して
不純物拡散領域57を形成する(図28(a))。図2
7のA−A′線に沿う断面図が図28(b)、B−B′
線に沿う断面図が図28(a)である。不純物拡散領域
57は、基板中のNウエル内と、Nタイプにドーピング
されたシリコン単結晶膜55内に帯状に形成されてい
る。次に、多結晶シリコン59を堆積し(図29)、そ
の後、エッチバックすることにより、溝に多結晶シリコ
ンを埋め込むことができる。この埋め込まれた島状のポ
リシリコンは、フローティングゲート10になり、不純
物拡散領域は、コントロールゲート5となる(図23参
照)。その後の工程は、第2の実施例と同じであり、図
25に示すようにフローティングゲート10を絶縁膜3
2で被覆してから半導体層12を形成し、さらにその後
の工程を行う。
Thereafter, a p-type impurity such as boron is implanted to form an impurity diffusion region 57 (FIG. 28 (a)). Figure 2
28 is a sectional view taken along the line AA ′ of FIG.
A sectional view taken along the line is FIG. The impurity diffusion region 57 is formed in a strip shape in the N well in the substrate and in the N type doped silicon single crystal film 55. Next, polycrystalline silicon 59 is deposited (FIG. 29) and then etched back to fill the trench with polycrystalline silicon. The buried island-shaped polysilicon becomes the floating gate 10, and the impurity diffusion region becomes the control gate 5 (see FIG. 23). The subsequent steps are the same as those in the second embodiment, and the floating gate 10 and the insulating film 3 are formed as shown in FIG.
After being covered with 2, the semiconductor layer 12 is formed, and further subsequent steps are performed.

【0027】図28(a)で説明したフォトレジスト5
6の帯の幅を溝54より太くするかあるいは細くするこ
とにより、多少のフォトレジストの合わせずれがあって
も、不純物拡散領域と溝の接触面積を一定にでき、フロ
ーティングゲートとコントロールゲートのカップリング
比を一定にすることができる。フローティングゲートと
して埋め込まれたポリシリコンは第1〜第4の実施例と
同様の方法で不純物をドーピングする。以降の工程は実
施例1〜4と同様であり、これにより同様の効果が得ら
れる。また、チャネルを形成するためのシリコンのデポ
ジション領域でのバリエーションについては、第4の実
施例でも同様のことが考え得る。
The photoresist 5 described with reference to FIG.
By making the width of the strip 6 thicker or thinner than the groove 54, the contact area between the impurity diffusion region and the groove can be made constant even if there is some misalignment of the photoresist, and the cup of the floating gate and the control gate can be made uniform. The ring ratio can be kept constant. The polysilicon embedded as the floating gate is doped with impurities in the same manner as in the first to fourth embodiments. The subsequent steps are the same as those in Examples 1 to 4, and the same effect is obtained. Further, regarding the variation in the deposition region of silicon for forming the channel, the same thing can be considered in the fourth embodiment.

【0028】次に、本発明の不揮発性半導体記憶装置の
セルトランジスタの動作について説明する。 1.ソース/ドレイン領域がn型の場合について。ま
ず、図30を参照して説明する。図は、セルトランジス
タの模式断面図である。この例は、コントロールゲート
(ワード線)をp型にした場合である。このセルトラン
ジスタは、n型トランジスタを基本にしており、トラン
ジスタの下に絶縁膜を介して形成されたフローティング
ゲートは、n型であり、フローティングゲートの下に絶
縁膜を介して形成されたp型半導体基板のNウエル内の
拡散領域から構成されたコントロールゲートは、p型で
ある。以上のセル構造は、第1の実施例と同じである
が、第2及び第3の実施例とも同じである。
Next, the operation of the cell transistor of the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention will be described. 1. For the case where the source / drain region is n-type. First, a description will be given with reference to FIG. The figure is a schematic cross-sectional view of a cell transistor. In this example, the control gate (word line) is of p-type. This cell transistor is basically an n-type transistor, and a floating gate formed below the transistor via an insulating film is an n-type and a p-type transistor formed below the floating gate via an insulating film. The control gate formed of the diffusion region in the N well of the semiconductor substrate is p-type. The above cell structure is the same as that of the first embodiment, but is also the same as that of the second and third embodiments.

【0029】セルトランジスタのしきい値電圧(Vth)
は、書き込み状態、消去状態ともマイナスである。従っ
て読み出し電位は書き込み状態のしきい値電圧(Vth)
と、消去状態のしきい値電圧の中間電位である。書き込
みの場合は、コントロ−ルゲ−トとつながるワード線
(Vg )にマイナス電位、ドレイン領域につながるビッ
ト線(Vd )にプラス電位を印加し、ソース領域が構成
するソース線(Vs )はオープン(open)にしてお
く。Nウエルの電位(Vwell)は、0Vにしておく。ワ
ード線とビット線とが直交したセルを選び出し、フロ−
ティングゲ−トからドレイン領域へトンネル電流によっ
て電子を引き抜く。消去する場合は、チャネル領域を接
地電位(Vs =Vd =0V)にし、Nウエル(Vwell)
とコントロ−ルゲ−ト(Vg )にプラスの高電位を印加
してチャネル領域から電子を注入する。消去は、一括消
去またはウエル単位のブロック消去が行われる。なお、
読み出しの際、Nウエルにプラスの電位(Vwell)を印
加すれば、読み出し電位を0Vにすることができる。
Threshold voltage (Vth) of cell transistor
Is negative in both the written state and the erased state. Therefore, the read potential is the threshold voltage (Vth) in the written state.
And the intermediate potential of the threshold voltage in the erased state. In the case of writing, a negative potential is applied to the word line (Vg) connected to the control gate and a positive potential is applied to the bit line (Vd) connected to the drain region, and the source line (Vs) formed by the source region is opened ( open). The potential (Vwell) of the N well is set to 0V. Select a cell in which the word line and the bit line are orthogonal and select the flow
Electrons are extracted from the gate to the drain region by a tunnel current. When erasing, the channel region is set to the ground potential (Vs = Vd = 0V) and the N well (Vwell) is set.
Then, a positive high potential is applied to the control gate (Vg) to inject electrons from the channel region. For erasing, batch erasing or block erasing in well units is performed. In addition,
At the time of reading, if a positive potential (Vwell) is applied to the N well, the reading potential can be set to 0V.

【0030】次に、図31を参照してコントロールゲー
トをn型にした場合を説明する。セルトランジスタは、
n型トランジスタを用い、p型半導体基板を利用する。
このセルトランジスタのしきい値電圧(Vth)は、書き
込み状態、消去状態ともプラスである。読み出し電位
は、書き込み状態のしきい値電圧(Vthと、消去状態の
しきい値電圧の中間電位である。書き込みの場合はコン
トロ−ルゲ−トとつながるワード線(Vg )にプラス電
位、ビット線(Vd )にもプラス電位を印加し、ソース
線(Vs )は0Vにしておく。ワード線とビット線とが
直交したセルを選び出し、ドレイン領域からフロ−ティ
ングゲ−トへ電子を引き抜く。即ち、このようにバイア
スすると、ドレイン近傍のピンチオフ領域で加速された
電子の一部がホットエレクトロンとなり、これがn型フ
ローティングゲートに捕獲される。消去する場合は、ソ
ース線(Vs )をプラス電位にし、ワード線(Vg )を
0Vにし、ビット線(Vd )をオープンにする。そし
て、ソース領域を共有している単位でソースへ電子を引
抜いて一括消去する。
Next, a case where the control gate is of n type will be described with reference to FIG. The cell transistor is
An n-type transistor is used and a p-type semiconductor substrate is used.
The threshold voltage (Vth) of this cell transistor is positive both in the written state and the erased state. The read potential is an intermediate potential between the threshold voltage in the written state (Vth and the threshold voltage in the erased state. In the case of writing, the word line (Vg) connected to the control gate is positive potential, the bit line A positive potential is also applied to (Vd) and the source line (Vs) is set to 0 V. A cell in which the word line and the bit line are orthogonal to each other is selected and electrons are extracted from the drain region to the floating gate. When biased in this way, some of the electrons accelerated in the pinch-off region near the drain become hot electrons, which are trapped by the n-type floating gate.When erasing, the source line (Vs) is set to a positive potential and word The line (Vg) is set to 0 V and the bit line (Vd) is opened, and then electrons are extracted to the sources collectively in the unit sharing the source region. It is removed by.

【0031】次に、図32を参照してコントロールゲー
トをn型にし、しかも、半導体基板にPウエルを形成し
た場合を説明する。セルトランジスタは、n型トランジ
スタを用い、n型半導体基板を用いる。図31では、ワ
ード線(Vg )にプラス電位しか印加できないが、Pウ
エルを半導体基板に入れることで、マイナスの電位を印
加することができる。即ち、書き込み動作は、図31と
同じであるが、消去する場合は、ソース線(Vs )をプ
ラス電位、ワード線(Vg )をマイナス電位にし、ビッ
ト線(Vd )をオープンにする。そして、Pウエルの電
位(Vwell)をマイナス電位にすることによって、ソー
ス領域を共有している単位でソースへ電子を引抜いて一
括消去する。ただし、Pウエルの電位の絶対値は、ワー
ド線の電位の絶対値より大きくする必要がある(|Vwe
ll|>|Vg |)。ワード線単位の消去が可能であり、
ソース領域に高電圧を印加する必要がない。
Next, with reference to FIG. 32, description will be made on a case where the control gate is of n type and a P well is formed on the semiconductor substrate. An n-type transistor is used as the cell transistor, and an n-type semiconductor substrate is used. In FIG. 31, only a positive potential can be applied to the word line (Vg), but a negative potential can be applied by inserting the P well in the semiconductor substrate. That is, the write operation is the same as in FIG. 31, but when erasing, the source line (Vs) is set to a positive potential, the word line (Vg) is set to a negative potential, and the bit line (Vd) is opened. Then, by setting the potential (Vwell) of the P well to a negative potential, electrons are extracted to the source in a unit sharing the source region, and erased at once. However, the absolute value of the potential of the P well must be larger than the absolute value of the potential of the word line (| Vwe
ll |> | Vg |). It is possible to erase in word line units,
It is not necessary to apply a high voltage to the source region.

【0032】2.ソース/ドレイン領域がp型の場合に
ついて。図33のセルトランジスタは、ワード線につな
がるコントロールゲートをn型にした場合である。この
セルトランジスタは、p型トランジスタを基本にしてお
り、トランジスタの下に絶縁膜を介して形成されたフロ
ーティングゲートは、n型であり、フローティングゲー
トの下に絶縁膜を介して形成されたp型半導体基板のP
ウエル内の拡散領域から構成されたコントロールゲート
はn型である。このPウエルは、半導体基板内のNウエ
ル内に形成される。つまり、半導体基板内には、2重ウ
エルが形成されている。
2. When the source / drain region is p-type. In the cell transistor of FIG. 33, the control gate connected to the word line has an n-type. This cell transistor is based on a p-type transistor, and the floating gate formed below the transistor via an insulating film is n-type, and the p-type transistor formed below the floating gate via an insulating film. P of semiconductor substrate
The control gate composed of the diffusion region in the well is n-type. The P well is formed in the N well in the semiconductor substrate. That is, a double well is formed in the semiconductor substrate.

【0033】このセルトランジスタのしきい値電圧(V
th)は、書き込み状態、消去状態ともプラスである。従
って読み出し電位は、書き込み状態のしきい値電圧(V
th)と、消去状態のしきい値電圧の中間電位である。書
き込み動作の場合は、コントロ−ルゲ−トとつながるワ
ード線(Vg )にプラス電位を印加し、ドレイン領域に
つながるビット線(Vd )にマイナス電位を印加し、ソ
ース領域が構成するソース線(Vs )は、オープン(o
pen)にしておき、Nウエルの電位(VNwell )は、
0Vにしておく。ワード線とビット線とが直交したセル
を選び出し、ドレイン領域からフロ−ティングゲ−トへ
トンネル電流によって電子を注入する。消去する場合
は、ソース/ドレイン領域を接地電位(Vs =Vd =0
V)にし、Pウエル(VPwell )とコントロ−ルゲ−ト
(Vg )にマイナス電位を印加してソース/ドレイン領
域から電子を引抜く。VNwell も0Vにしておく。消去
は、一括消去またはウエル単位のブロック消去が行われ
る。なお、読み出しの際、Nウエルにプラスの電位(V
well)を印加すれば、読み出し電位を0Vにすることが
できる。前記消去方法では、コントロールゲートにマイ
ナスの電位を印加するので、セル領域を2重ウエルに入
れ周辺部と電気的に分離する必要がある。
The threshold voltage (V
th) is positive both in the written state and the erased state. Therefore, the read potential is the threshold voltage (V
th) and the threshold voltage in the erased state. In the write operation, a positive potential is applied to the word line (Vg) connected to the control gate, a negative potential is applied to the bit line (Vd) connected to the drain region, and a source line (Vs) formed by the source region is formed. ) Is open (o
Pen) and the potential of the N well (VNwell) is
Leave at 0V. A cell in which a word line and a bit line are orthogonal to each other is selected, and electrons are injected from the drain region to the floating gate by a tunnel current. When erasing, the source / drain regions are grounded (Vs = Vd = 0).
V), and a negative potential is applied to the P well (VPwell) and the control gate (Vg) to extract electrons from the source / drain regions. VNwell is also set to 0V. For erasing, batch erasing or block erasing in well units is performed. When reading, a positive potential (V
well) is applied, the read potential can be set to 0V. In the erasing method, since a negative potential is applied to the control gate, it is necessary to put the cell region in the double well and electrically separate it from the peripheral portion.

【0034】次に、図34を参照してワード線につなが
るコントロールゲートをp型にした場合を説明する。こ
のセルトランジスタはp型トランジスタを基本にしてお
り、トランジスタの下に絶縁膜を介して形成されたフロ
ーティングゲートは、p型であり、フローティングゲー
トの下に絶縁膜を介して形成されたp型半導体基板内の
拡散領域から構成されたコントロールゲートはp型であ
る。このセルトランジスタのしきい値電圧(Vth)は、
書き込み状態、消去状態ともマイナスである。従って読
み出し電位は、書き込み状態のしきい値電圧(Vthと消
去状態のしきい値電圧の中間電位である。書き込み動作
の場合は、コントロ−ルゲ−トとつながるワード線(V
g )とドレイン領域につながるビット線(Vd )にマイ
ナス電位を印加し、ソース領域が構成するソース線(V
s )は、0Vにしておく。ワード線とビット線とが直交
したセルを選び出し、ドレイン領域からフロ−ティング
ゲ−トへ正孔を注入する。即ち、このようにバイアスす
ると、ドレイン近傍のピンチオフ領域で加速された正孔
の一部がホットホールとなり、これがフローティングゲ
ートに捕獲される。消去する場合はソース線(Vs )を
マイナス電位にし、ワード線(Vg )を0Vにしビット
線(Vd )をオープンにする。そして、ソース領域を共
有している単位でソースへ電子を引抜いて一括消去す
る。
Next, the case where the control gate connected to the word line is of p-type will be described with reference to FIG. This cell transistor is based on a p-type transistor, and the floating gate formed below the transistor via an insulating film is p-type, and a p-type semiconductor formed below the floating gate via an insulating film. The control gate composed of the diffusion region in the substrate is p-type. The threshold voltage (Vth) of this cell transistor is
Both the written state and the erased state are negative. Therefore, the read potential is an intermediate potential between the threshold voltage in the written state (Vth and the threshold voltage in the erased state. In the case of the writing operation, the word line (V) connected to the control gate.
g) and a bit line (Vd) connected to the drain region, a negative potential is applied to the source line (V
s) is set to 0V. A cell in which a word line and a bit line are orthogonal to each other is selected, and holes are injected from the drain region to the floating gate. That is, when biased in this way, some of the holes accelerated in the pinch-off region near the drain become hot holes, which are trapped by the floating gate. When erasing, the source line (Vs) is set to a negative potential, the word line (Vg) is set to 0V, and the bit line (Vd) is opened. Then, electrons are extracted to the source in a unit of sharing the source region, and erased collectively.

【0035】次に、図35を参照してコントロールゲー
トをp型にし、しかも、半導体基板にNウエルを形成し
た場合を説明する。セルトランジスタは、p型トランジ
スタを用い、p型半導体基板を用いる。図31では、ワ
ード線(Vg )にマイナス電位しか印加できないが、N
ウエルを半導体基板に入れることで、プラス電位を印加
することができる。即ち、書き込み動作は、図34と同
じであるが、消去する場合はソース線(Vs )をマイナ
ス電位、ワード線(Vg )をプラス電位にし、ビット線
(Vd )をオープンにする。そして、Nウエルの電位
(Vwell)をプラス電位にすることによって、ソース領
域を共有している単位でソースへ電子を引抜いて一括消
去する。ただし、Nウエルの電位の絶対値は、ワード線
の電位の絶対値より大きくする必要がある(|Vwell|
>|Vg |)。ワード線単位の消去が可能であり、ソー
ス領域に高電圧を印加する必要がない。以上、本発明に
おいては半導体基板にn型基板でもp型基板でも用いる
ことができ、半導体基板にウエルを使用しない場合は、
直接コントロールゲートを持つセルトランジスタを形成
する。
Next, with reference to FIG. 35, the case where the control gate is of p type and the N well is formed in the semiconductor substrate will be described. A p-type transistor is used as the cell transistor, and a p-type semiconductor substrate is used. In FIG. 31, only a negative potential can be applied to the word line (Vg), but N
A positive potential can be applied by putting the well in the semiconductor substrate. That is, the write operation is the same as in FIG. 34, but when erasing, the source line (Vs) is set to a negative potential, the word line (Vg) is set to a positive potential, and the bit line (Vd) is opened. Then, by setting the potential (Vwell) of the N well to a positive potential, electrons are extracted to the source in a unit of sharing the source region and erased collectively. However, the absolute value of the potential of the N well must be larger than the absolute value of the potential of the word line (| Vwell |
> | Vg |). It is possible to erase in word line units, and it is not necessary to apply a high voltage to the source region. As described above, in the present invention, either an n-type substrate or a p-type substrate can be used as the semiconductor substrate, and when the well is not used as the semiconductor substrate,
A cell transistor having a direct control gate is formed.

【0036】ソース領域は、堆積した多結晶または単結
晶シリコンの半導体層に形成するのでマスクを用いたパ
ターニングによって形成することができ、SAS技術を
使わなくても良い。したがって消去後のしきい値(Vt
h)のバラツキも小さくなる。さらに、ソース/ドレイ
ン領域は、堆積した多結晶シリコン中に形成する場合に
は、ジャンクション容量を小さくすることができる。本
実施例で用いるコントロールゲートの材料には、多結晶
シリコンに限らずにシリサイドやW、Mo、Tiなどの
高融点金属やこれら高融点金属のシリサイド或いは多結
晶シリコンとシリサイドとの積層体などがある。
Since the source region is formed in the deposited semiconductor layer of polycrystalline or single crystal silicon, it can be formed by patterning using a mask, and it is not necessary to use the SAS technique. Therefore, the threshold value (Vt
The variation in h) is also small. Further, the source / drain regions can have a small junction capacitance when formed in the deposited polycrystalline silicon. The material of the control gate used in this embodiment is not limited to polycrystalline silicon, but may be silicide, refractory metal such as W, Mo, or Ti, silicide of these refractory metals, or a laminated body of polycrystalline silicon and silicide. is there.

【0037】[0037]

【発明の効果】本発明は、以上のような構成により、フ
ローティングゲートが単結晶シリコンに覆われているの
で、例えば、層間絶縁膜などに用いられるBPSG膜か
らの不純物のフローティングゲートへの侵入を大きく制
限することができる。また、従来は、段差の大きい2層
ゲート(フローティングゲート/コントロールゲート)
が半導体基板に埋め込まれているので、表面が平坦であ
り、層間絶縁膜の機能としては電荷保持特性の維持に対
する特性を格別考慮する必要がなくなる上、カバレッジ
にも制限されなくなって、アルミニウムなどの金属配線
のパターニングにおけるフォーカスボケも無くなる。
According to the present invention, since the floating gate is covered with the single crystal silicon by the above structure, for example, impurities from the BPSG film used as an interlayer insulating film can be prevented from entering the floating gate. It can be greatly restricted. Also, in the past, two-layer gates with large steps (floating gate / control gate)
Since it is embedded in the semiconductor substrate, the surface is flat, and as the function of the interlayer insulating film, it is not necessary to consider the characteristics for maintaining the charge retention characteristics, and the coverage is not limited. Focus blur in patterning of metal wiring is also eliminated.

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

【図1】本発明の第1の実施例の不揮発性半導体記憶装
置の断面図。
FIG. 1 is a sectional view of a nonvolatile semiconductor memory device according to a first embodiment of the present invention.

【図2】第1の実施例の製造工程平面図及び断面図。FIG. 2 is a plan view and a cross-sectional view of a manufacturing process of the first embodiment.

【図3】第1の実施例の製造工程平面図及び断面図。FIG. 3 is a plan view and a sectional view of the manufacturing process of the first embodiment.

【図4】第1の実施例の半導体基板の平面図。FIG. 4 is a plan view of the semiconductor substrate of the first embodiment.

【図5】第1の実施例の製造工程断面図。FIG. 5 is a sectional view of a manufacturing process of the first embodiment.

【図6】第1の実施例の製造工程断面図。FIG. 6 is a sectional view of a manufacturing process of the first embodiment.

【図7】第1の実施例の製造工程平面図。FIG. 7 is a plan view of the manufacturing process of the first embodiment.

【図8】第1の実施例の製造工程断面図。FIG. 8 is a sectional view of a manufacturing process of the first embodiment.

【図9】第1の実施例の製造工程平面図及び断面図。FIG. 9 is a plan view and a sectional view of the manufacturing process of the first embodiment.

【図10】第2の実施例の製造工程平面図及び断面図。FIG. 10 is a plan view and a sectional view of the manufacturing process of the second embodiment.

【図11】第2の実施例の製造工程断面図。FIG. 11 is a sectional view of a manufacturing process of the second embodiment.

【図12】第2の実施例の製造工程平面図。FIG. 12 is a plan view of the manufacturing process of the second embodiment.

【図13】第2の実施例の製造工程断面図。FIG. 13 is a sectional view of a manufacturing process of the second embodiment.

【図14】第3の実施例の製造工程平面図及び断面図。FIG. 14 is a plan view and a sectional view of the manufacturing process of the third embodiment.

【図15】第3の実施例の製造工程断面図。FIG. 15 is a sectional view of a manufacturing process of the third embodiment.

【図16】第3の実施例の製造工程断面図。FIG. 16 is a sectional view of a manufacturing process of the third embodiment.

【図17】第3の実施例の製造工程平面図及び断面図。FIG. 17 is a plan view and a sectional view of the manufacturing process of the third embodiment.

【図18】第3の実施例の製造工程平面図及び断面図。FIG. 18 is a plan view and a sectional view of the manufacturing process of the third embodiment.

【図19】第3の実施例の製造工程平面図及び断面図。FIG. 19 is a plan view and a sectional view of the manufacturing process of the third embodiment.

【図20】第4の実施例の製造工程平面図及び断面図。FIG. 20 is a plan view and a sectional view of the manufacturing process of the fourth embodiment.

【図21】第4の実施例の製造工程断面図。FIG. 21 is a sectional view of a manufacturing process of the fourth embodiment.

【図22】第4の実施例の半導体基板の斜視図。FIG. 22 is a perspective view of a semiconductor substrate according to a fourth embodiment.

【図23】第4の実施例の製造工程断面図。FIG. 23 is a sectional view of a manufacturing process of the fourth embodiment.

【図24】第4の実施例の製造工程断面図。FIG. 24 is a sectional view of a manufacturing process according to the fourth embodiment.

【図25】第5の実施例の製造工程平面図及び断面図。FIG. 25 is a plan view and a sectional view of the manufacturing process of the fifth embodiment.

【図26】第5の実施例の製造工程断面図。FIG. 26 is a sectional view of a manufacturing process of the fifth embodiment.

【図27】第5の実施例の製造工程平面図。FIG. 27 is a plan view of the manufacturing process of the fifth embodiment.

【図28】第5の実施例の製造工程断面図。FIG. 28 is a sectional view of a manufacturing process of the fifth embodiment.

【図29】第5の実施例の製造工程断面図。FIG. 29 is a sectional view of a manufacturing process according to the fifth embodiment.

【図30】本発明の動作原理説明図。FIG. 30 is an explanatory diagram of the operating principle of the present invention.

【図31】本発明の動作原理説明図。FIG. 31 is an explanatory diagram of an operating principle of the present invention.

【図32】本発明の動作原理説明図。FIG. 32 is an explanatory diagram of the operating principle of the present invention.

【図33】本発明の動作原理説明図。FIG. 33 is an explanatory diagram of the operating principle of the present invention.

【図34】本発明の動作原理説明図。FIG. 34 is an explanatory view of the operating principle of the present invention.

【図35】本発明の動作原理説明図。FIG. 35 is an explanatory diagram of the operating principle of the present invention.

【図36】従来の不揮発性半導体記憶装置の断面図。FIG. 36 is a sectional view of a conventional nonvolatile semiconductor memory device.

【図37】従来の不揮発性半導体記憶装置の平面図及び
断面図。
37A and 37B are a plan view and a cross-sectional view of a conventional nonvolatile semiconductor memory device.

【図38】従来の不揮発性半導体記憶装置の断面図。FIG. 38 is a sectional view of a conventional nonvolatile semiconductor memory device.

【図39】従来の不揮発性半導体記憶装置の製造工程平
面図及び断面図。
FIG. 39 is a plan view and a cross-sectional view of a manufacturing process of a conventional nonvolatile semiconductor memory device.

【図40】従来の不揮発性半導体記憶装置の製造工程平
面図及び断面図。
FIG. 40 is a plan view and a cross-sectional view of a manufacturing process of a conventional nonvolatile semiconductor memory device.

【図41】従来の不揮発性半導体記憶装置の製造工程平
面図及び断面図。
FIG. 41 is a plan view and a cross-sectional view of a manufacturing process of a conventional nonvolatile semiconductor memory device.

【図42】従来の不揮発性半導体記憶装置の製造工程断
面図。
FIG. 42 is a cross-sectional view of manufacturing steps of a conventional nonvolatile semiconductor memory device.

【図43】従来の不揮発性半導体記憶装置の製造工程平
面図及び断面図。
FIG. 43 is a plan view and a cross-sectional view of a manufacturing process of a conventional nonvolatile semiconductor memory device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 半導体基板 2 Nウエル 3 ダミー酸化膜 4、6、13、15、27、34、40、45、53
フォトレジスト 5 コントロールゲート(不純物拡散領
域) 7、29、35、41、44 溝 8、11、26、30、32、36、38、42、4
3、46、48 絶縁膜 9、31、37、39、47 多結晶シリコン膜 10 フローティングゲート 12、49 半導体層 14 不純物拡散領域(ソース領域) 16 不純物拡散領域(ドレイン領域) 17 層間絶縁膜 18 半導体層のドレイン/ドレイン領域間
の領域 20 金属配線 28 半導体エピタキシャル成長層
1 semiconductor substrate 2 N well 3 dummy oxide film 4, 6, 13, 15, 27, 34, 40, 45, 53
Photoresist 5 Control gate (impurity diffusion region) 7, 29, 35, 41, 44 Groove 8, 11, 26, 30, 32, 36, 38, 42, 4
3, 46, 48 Insulating film 9, 31, 37, 39, 47 Polycrystalline silicon film 10 Floating gate 12, 49 Semiconductor layer 14 Impurity diffusion region (source region) 16 Impurity diffusion region (drain region) 17 Interlayer insulating film 18 Semiconductor Region between the drain / drain regions of the layer 20 metal wiring 28 semiconductor epitaxial growth layer

フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 27/115 (72)発明者 神谷 栄二 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝総合研究所内 (72)発明者 雨宮 和美 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝総合研究所内 (72)発明者 山根 朋子 神奈川県川崎市川崎区駅前本町25番地1 東芝マイクロエレクトロニクス株式会社内Front page continuation (51) Int.Cl. 6 Identification number Office reference number FI Technical indication location H01L 27/115 (72) Inventor Eiji Kamiya 1 Komukai Toshiba-cho, Sachi-ku, Kawasaki City, Kanagawa Prefecture Toshiba Corporation In-house (72) Inventor Kazumi Amemiya, 1 Komukai Toshiba-cho, Sachi-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa, Ltd. Toshiba Research Institute Co., Ltd. (72) Inventor Tomoko Yamane, 25, Kawasaki-ku, Kawasaki-ku, Kanagawa, Japan 1 Toshiba Microelectronics Co., Ltd. In the company

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 主面に溝が形成された半導体基板と、 前記半導体基板主面上に形成され、少なくとも前記溝の
底部を被覆している第1の絶縁膜と、 前記半導体基板内部に形成され、前記溝の底部とは前記
第1の絶縁膜を介して接しており、かつ、コントロール
ゲートとして用いられる不純物拡散領域と、 前記溝の中に埋め込まれ、フローティングゲートとして
用いられる導電層と、 前記半導体基板に形成され、少なくとも前記導電層を被
覆している第2の絶縁膜と、 前記半導体基板主面上に形成され、前記導電層とは前記
第2の絶縁膜を介して接している半導体層と、 前記半導体層に形成されたソース/ドレイン領域とを備
え、 前記ソース/ドレイン領域間のチャネル領域は、前記導
電層の上の領域に形成されていることを特徴とする不揮
発性半導体記憶装置。
1. A semiconductor substrate having a groove formed on a main surface, a first insulating film formed on the main surface of the semiconductor substrate and covering at least a bottom portion of the groove, and formed inside the semiconductor substrate. An impurity diffusion region that is in contact with the bottom of the groove through the first insulating film and that is used as a control gate; and a conductive layer that is embedded in the groove and is used as a floating gate, A second insulating film formed on the semiconductor substrate and covering at least the conductive layer is in contact with the conductive layer formed on the main surface of the semiconductor substrate via the second insulating film. A semiconductor layer and a source / drain region formed in the semiconductor layer, wherein a channel region between the source / drain regions is formed in a region above the conductive layer. Nonvolatile semiconductor memory device.
【請求項2】 半導体基板と、 前記半導体基板主面に形成され、コントロールゲートと
して用いられる不純物拡散領域と、 前記半導体基板主面上に形成され、少なくとも前記不純
物拡散領域を被覆する第1の絶縁膜と、 前記不純物拡散領域上に前記第1の絶縁膜を介して形成
され、フロ−ティングゲ−トとして用いられる導電層
と、 前記半導体基板主面上に形成され、少なくとも前記導電
層を被覆する第2の絶縁膜と、 前記半導体基板主面上に形成され、前記導電層とは前記
第2の絶縁膜を介して接している半導体層と、 前記半導体層に形成されたソース/ドレイン領域とを備
え、 前記ソース/ドレイン領域間に形成されるチャネル領域
は、前記導電層の上の領域に形成されていることを特徴
とする不揮発性半導体記憶装置。
2. A semiconductor substrate, an impurity diffusion region formed on the main surface of the semiconductor substrate and used as a control gate, and a first insulation formed on the main surface of the semiconductor substrate and covering at least the impurity diffusion region. A film, a conductive layer formed on the impurity diffusion region through the first insulating film and used as a floating gate, and formed on the main surface of the semiconductor substrate to cover at least the conductive layer. A second insulating film, a semiconductor layer formed on the main surface of the semiconductor substrate and in contact with the conductive layer via the second insulating film, and source / drain regions formed in the semiconductor layer And a channel region formed between the source / drain regions, the channel region being formed in a region above the conductive layer.
【請求項3】 主面に溝が形成された半導体基板と、 前記半導体基板主面上に形成され、少なくとも前記溝の
底部を被覆している第1の絶縁膜と、 前記溝内の前記第1の絶縁膜上に形成され、コントロー
ルゲートとして用いられる第1の導電層と、 前記半導体基板主面上に形成され、少なくとも前記第1
の導電層を被覆している第2の絶縁膜と、 前記溝内の前記第2の絶縁膜上に形成され、前記フロ−
ティングゲ−トとして用いられる第2の導電層と、 前記半導体基板主面上に形成され、少なくとも前記第2
の導電層を被覆している第3の絶縁膜と、 前記半導体基板主面上に形成され、前記導電層とは前記
第3の絶縁膜を介して接している半導体層と、 前記半導体層に形成されたソース/ドレイン領域とを備
え、 前記ソース/ドレイン領域間のチャネル領域は、前記導
電層の上の領域に形成されていることを特徴とする不揮
発性半導体記憶装置。
3. A semiconductor substrate having a groove formed on a main surface thereof, a first insulating film formed on the main surface of the semiconductor substrate and covering at least a bottom portion of the groove, and the first insulating film in the groove. A first conductive layer formed on the first insulating film and used as a control gate, and formed on the main surface of the semiconductor substrate, and at least the first conductive layer.
A second insulating film covering the conductive layer of the second insulating film, and the second insulating film in the groove.
A second conductive layer used as a gate, and at least the second conductive layer formed on the main surface of the semiconductor substrate.
A third insulating film covering the conductive layer, a semiconductor layer formed on the main surface of the semiconductor substrate, and in contact with the conductive layer via the third insulating film; A source / drain region formed, wherein a channel region between the source / drain regions is formed in a region above the conductive layer.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10117037A1 (en) * 2001-04-05 2002-10-17 Infineon Technologies Ag Memory cell array with individually addressable memory cells and method for producing the same
US6888753B2 (en) 2001-04-05 2005-05-03 Infineon Technologies Ag Memory cell array comprising individually addressable memory cells and method of making the same

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