JPH0799256A - Nonvolatile semiconductor storage device - Google Patents

Nonvolatile semiconductor storage device

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JPH0799256A
JPH0799256A JP5228523A JP22852393A JPH0799256A JP H0799256 A JPH0799256 A JP H0799256A JP 5228523 A JP5228523 A JP 5228523A JP 22852393 A JP22852393 A JP 22852393A JP H0799256 A JPH0799256 A JP H0799256A
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gate
floating gate
insulating film
film
polycrystalline silicon
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誠一 有留
Hiroshi Watabe
浩 渡部
Tetsuo Endo
哲郎 遠藤
Riichiro Shirata
理一郎 白田
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Abstract

PURPOSE:To provide an EEPROM, which can form a floating gate satisfying both the characteristics of the interface of a tunnel insulating film and the insulating film between the floating gate and a control gate and can improve the characteristics and the reliability of an element. CONSTITUTION:A floating gate is formed on a semiconductor substrate through a tunnel insulating film. A control gate is formed on the floating gate through a gate insulating film. Thus, an electrically rewritable memory cell is constituted. In the EEPROM, wherein a plurality of memory cells are integrated, the floating gate is formed of double-layered polycrystalline silicon films 40a and 40b. Arsenic is doped into the silicon film 40a at the lower layer as impurities. phosphorus is doped into the silicon film 40b at the upper layer as impurities.

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、不揮発性半導体記憶装
置に係わり、特に浮遊ゲートと制御ゲートとが積層され
た電気的書き替え可能なメモリセルを用いた不揮発性半
導体記憶装置(EEPROM)に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a non-volatile semiconductor memory device, and more particularly to a non-volatile semiconductor memory device (EEPROM) using electrically rewritable memory cells in which a floating gate and a control gate are stacked. .

【0002】[0002]

【従来の技術】従来より、EEPROMの中で高集積化
可能なものとして、メモリセルを複数個直列接続したN
ANDセル型のEEPROMが知られている。1つのメ
モリセルは、半導体基板上に絶縁膜を介して浮遊ゲート
と制御ゲートが積層されたFETMOS構造を有し、複
数個のメモリセルが隣接するもの同士でソース,ドレイ
ンを共用する形で直列接続されてNANDセルを構成す
る。このようなNANDセルがマトリックス配置されて
メモリセルアレイが構成される。
2. Description of the Related Art Conventionally, an N-type memory cell having a plurality of memory cells connected in series has been proposed as a highly-integrated EEPROM.
An AND cell type EEPROM is known. One memory cell has a FETMOS structure in which a floating gate and a control gate are stacked on a semiconductor substrate via an insulating film, and a plurality of memory cells adjacent to each other are connected in series to share a source and a drain. Connected to form a NAND cell. Such NAND cells are arranged in a matrix to form a memory cell array.

【0003】セルアレイの列方向に並ぶNANDセルの
一端側のドレインは、それぞれ選択ゲートを介してビッ
ト線に共通接続され、他端側はやはり選択ゲートを介し
てソース線となる共通ソース線に接続されている。メモ
リセルの制御ゲート及び選択ゲートのゲート電極は、メ
モリセルアレイの行方向にそれぞれ制御ゲート線(ワー
ド線),選択ゲート線として共通接続される。
The drains on one end side of the NAND cells arranged in the column direction of the cell array are commonly connected to the bit line through the select gates, and the other end side is also connected to the common source line which is also the source line through the select gates. Has been done. The gate electrodes of the control gates and select gates of the memory cells are commonly connected as control gate lines (word lines) and select gate lines in the row direction of the memory cell array.

【0004】このNANDセル型EEPROMの動作
は、次の通りである。データ書き込みは、ビット線から
遠い方のメモリセルから順に行われる。nチャネルの場
合を説明すれば、選択されたメモリセルの制御ゲートに
は高電圧VPP(例えば20V)が印加され、これよりビ
ット線側にある非選択のメモリセルの制御ゲート及び選
択ゲートには中間電位VM (例えば10V)が印加され
る。ビット線には、データに応じて0V(例えば
“1”)、又は中間電位VM (例えば“0”)が印加さ
れる。このときビット線の電位は、選択ゲート及び非選
択メモリセルを通して選択メモリセルのドレインまで伝
達される。
The operation of this NAND cell type EEPROM is as follows. Data writing is sequentially performed from the memory cell farther from the bit line. To explain the case of the n-channel, a high voltage VPP (for example, 20V) is applied to the control gate of the selected memory cell, and the control gate and the select gate of the non-selected memory cell on the bit line side from this are applied. An intermediate potential VM (for example, 10V) is applied. 0V (for example, "1") or an intermediate potential VM (for example, "0") is applied to the bit line depending on the data. At this time, the potential of the bit line is transmitted to the drain of the selected memory cell through the selection gate and the non-selected memory cell.

【0005】書き込むべきデータがあるとき(“1”デ
ータのとき)は、選択メモリセルのゲート・ドレイン間
に高電界がかかり、基板から浮遊ゲートに電子がトンネ
ル注入される。これにより、選択メモリセルのしきい値
は正方向に移動する。書き込むべきデータがないとき
(“0”データのとき)は、しきい値は変化しない。
When there is data to be written (“1” data), a high electric field is applied between the gate and drain of the selected memory cell, and electrons are tunnel-injected from the substrate to the floating gate. As a result, the threshold value of the selected memory cell moves in the positive direction. When there is no data to be written (“0” data), the threshold value does not change.

【0006】データ消去は、p型基板(ウェル構造の場
合はn型基板及びこれに形成されたp型ウェル)に高電
位が印加され、選択されたメモリセルの制御ゲート及び
選択ゲートが0Vとされ、選択メモリセルの制御ゲート
には高電位が印加される。これにより、選択されたメモ
リセルにおいて浮遊ゲートの電子が基板に放出され、し
きい値が負方向に移動する。
In data erasing, a high potential is applied to a p-type substrate (in the case of a well structure, an n-type substrate and a p-type well formed therein), and the control gate and select gate of the selected memory cell are set to 0V. Then, a high potential is applied to the control gate of the selected memory cell. As a result, electrons in the floating gate of the selected memory cell are emitted to the substrate, and the threshold value moves in the negative direction.

【0007】データ読み出しは、選択ゲート及び選択メ
モリセルよりビット線側の非選択メモリセルがオンとさ
れ、選択メモリセルのゲートに0Vが与えられる。この
とき、ビット線に流れる電流を検出することにより、
“0”,“1”の判定がなされる。
For data reading, a non-selected memory cell on the bit line side of the selected gate and the selected memory cell is turned on, and 0V is applied to the gate of the selected memory cell. At this time, by detecting the current flowing through the bit line,
A judgment of "0" or "1" is made.

【0008】このような従来のNANDセル型EEPR
OMでは、データ書き込みモードにおいて、基板から浮
遊ゲートにトンネル酸化膜を介して電子がトンネルす
る。このため、トンネル電流がばらつきなく安定に流れ
ることが不可欠となる。このトンネル電流は、ゲート電
極を構成する多結晶シリコンのグレインサイズに大きく
依存する。トンネル電流が安定に流れるためには、酸化
膜界面のグレインサイズが小さい方がよい。
Such a conventional NAND cell type EEPR
In the OM, in the data write mode, electrons tunnel from the substrate to the floating gate through the tunnel oxide film. Therefore, it is indispensable that the tunnel current flows stably without variation. This tunnel current largely depends on the grain size of the polycrystalline silicon forming the gate electrode. In order for the tunnel current to flow stably, the grain size at the oxide film interface should be small.

【0009】現在一般的に、EEPROMのゲート電極
用に使用されている燐注入した多結晶シリコンは、砒素
を注入した多結晶シリコンに比較してグレインサイズが
大きくなる傾向にある。このため、トンネル電流特性を
安定させるためには砒素注入のシリコンを用いた方が望
ましい。
Generally, phosphorus-implanted polycrystalline silicon, which is currently used for the gate electrode of EEPROM, tends to have a larger grain size than arsenic-implanted polycrystalline silicon. Therefore, it is desirable to use arsenic-implanted silicon in order to stabilize the tunnel current characteristics.

【0010】一方、浮遊ゲートと制御ゲートの間のリー
ク電流を考えた場合、ゲートとしての多結晶シリコンの
界面におけるグレインサイズが大きい方が、リーク電流
は少なくなる。このため、燐注入のシリコンを用いた方
が望ましい。
On the other hand, considering the leak current between the floating gate and the control gate, the leak current decreases as the grain size at the interface of the polycrystalline silicon as the gate increases. Therefore, it is preferable to use phosphorus-implanted silicon.

【0011】また、浮遊ゲートのエッジにおける加工形
状は上に凸に鋭角に形成される。そして、このエッジに
よる影響で浮遊ゲートと制御ゲート間の絶縁耐圧が劣化
する問題があった。
Further, the processed shape at the edge of the floating gate is formed in an upwardly convex acute angle. Then, there is a problem that the withstand voltage between the floating gate and the control gate deteriorates due to the influence of this edge.

【0012】[0012]

【発明が解決しようとする課題】このように従来のEE
PROMにおいては、浮遊ゲートとして燐を注入した多
結晶シリコンは、グレインサイズが大きくなり浮遊ゲー
ト・制御ゲート間のリーク電流は少なくなるが、浮遊ゲ
ート・基板間のトンネル電流特性が不安定になる。ま
た、砒素を注入した多結晶シリコンは、グレインサイズ
が小さくなりトンネル電流が安定化するが、リーク電流
が多くなり絶縁耐圧、メモリセルのデータ保持特性も劣
化する。つまり、トンネル絶縁膜特性と、浮遊ゲート・
制御ゲート間絶縁膜特性の両方を最適にするようなゲー
ト電極のグレインサイズを形成させることが難しいとい
う問題があった。
As described above, the conventional EE
In PROM, polycrystalline silicon in which phosphorus is implanted as a floating gate has a large grain size and a small leak current between the floating gate and the control gate, but the tunnel current characteristic between the floating gate and the substrate becomes unstable. Further, in the case of arsenic-implanted polycrystalline silicon, the grain size is reduced and the tunnel current is stabilized, but the leak current is increased and the dielectric strength and the data retention characteristic of the memory cell are deteriorated. In other words, the characteristics of the tunnel insulating film and the floating gate
There is a problem that it is difficult to form the grain size of the gate electrode that optimizes both the characteristics of the inter-control gate insulating film.

【0013】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、トンネル絶縁膜界面及
び浮遊ゲート/制御ゲート間絶縁膜特性の両方を満たす
ような浮遊ゲートを形成することができ、素子特性及び
信頼性の向上をはかり得るEEPROMを提供すること
にある。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to form a floating gate that satisfies both the tunnel insulating film interface and the floating gate / control gate insulating film characteristics. Another object of the present invention is to provide an EEPROM capable of improving the device characteristics and reliability.

【0014】[0014]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明は、次のような構成を採用している。即ち本発
明は、半導体基板上にトンネル絶縁膜を介して浮遊ゲー
トを形成し、この浮遊ゲート上にゲート絶縁膜を介して
制御ゲートを形成して電気的書き替え可能なメモリセル
を構成し、このメモリセルを複数個集積化した不揮発性
半導体記憶装置において、 (1) 浮遊ゲートは、単層又は複数層の半導体膜からな
り、該半導体膜に複数種の不純物がドープされているこ
と。
In order to solve the above problems, the present invention employs the following configurations. That is, the present invention forms a floating gate on a semiconductor substrate via a tunnel insulating film, and forms a control gate on the floating gate via a gate insulating film to form an electrically rewritable memory cell, In the nonvolatile semiconductor memory device in which a plurality of memory cells are integrated, (1) the floating gate is composed of a single-layer or multi-layer semiconductor film, and the semiconductor film is doped with a plurality of types of impurities.

【0015】(2) 浮遊ゲートは単層の多結晶シリコン膜
からなり、このシリコン膜に不純物として燐と砒素がド
ープされている。 (3) 浮遊ゲートは2層の多結晶シリコン膜からなり、下
層のシリコン膜には不純物として砒素がドープされ、上
層のシリコン膜には不純物として燐がドープされてい
る。 ことを特徴としている。
(2) The floating gate is made of a single-layer polycrystalline silicon film, and the silicon film is doped with phosphorus and arsenic as impurities. (3) The floating gate is composed of a two-layer polycrystalline silicon film, the lower silicon film is doped with arsenic as an impurity, and the upper silicon film is doped with phosphorus as an impurity. It is characterized by that.

【0016】[0016]

【作用】本発明によれば、浮遊ゲートを上下2層に形成
し、それぞれに異なる不純物をドープすることにより、
浮遊ゲートの上側界面では燐ドープによりグレインサイ
ズを大きくして、浮遊ゲート・制御ゲート間のリーク電
流を少なくすることができる。さらに、浮遊ゲートの下
側界面では、砒素ドープによりグレインサイズを小さく
して、トンネル電流の安定化をはかることができる。こ
れにより、トンネル絶縁膜及び浮遊ゲート・制御ゲート
間絶縁膜特性の両方を満足させることが可能となる。
According to the present invention, the floating gates are formed in the upper and lower two layers, and different impurities are doped into the floating gates.
At the upper interface of the floating gate, the grain size can be increased by phosphorus doping to reduce the leak current between the floating gate and the control gate. Further, at the lower interface of the floating gate, the grain size can be reduced by arsenic doping to stabilize the tunnel current. This makes it possible to satisfy both characteristics of the tunnel insulating film and the floating gate / control gate insulating film.

【0017】また、浮遊ゲートとしての多結晶シリコン
に複数種の不純物をドープすることにより、単一ドープ
では得られない良好な結果が得られる。特に、燐と砒素
の2種をドープした場合、浮遊ゲートの上側界面の浮遊
ゲート・制御ゲート間のリーク電流はpドープ浮遊ゲー
トと同等に抑えられ、下側界面のトンネル酸化膜では電
流ばらつき,高電界ストレス後のリーク電流も抑えられ
る。従って、トンネル酸化膜及び浮遊ゲート/制御ゲー
ト間絶縁膜特性の両方を満足させることが可能となる。
Also, by doping polycrystalline silicon as a floating gate with a plurality of types of impurities, good results that cannot be obtained by single doping can be obtained. In particular, when two kinds of phosphorus and arsenic are doped, the leak current between the floating gate and the control gate on the upper interface of the floating gate is suppressed to the same level as that of the p-doped floating gate, and the current variation in the tunnel oxide film on the lower interface is Leakage current after high electric field stress can also be suppressed. Therefore, it becomes possible to satisfy both the characteristics of the tunnel oxide film and the floating gate / control gate insulating film.

【0018】[0018]

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。図1は本発明の一実施例に係わるEEPROMの
NANDセル構成を示す平面図であり、図2(a)
(b)はそのA−A′,B−B′断面図である。また、
図3(a)(b)は周辺回路の第1のMOSトランジス
タ部(中間電位VM 系)と第2のMOSトランジスタ部
(高電位VPP系)の断面図であり、図4はNANDセル
の等価回路である。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a plan view showing a NAND cell structure of an EEPROM according to an embodiment of the present invention, and FIG.
(B) is the AA ', BB' sectional drawing. Also,
3A and 3B are cross-sectional views of the first MOS transistor section (intermediate potential VM system) and the second MOS transistor section (high potential VPP system) of the peripheral circuit, and FIG. 4 is an equivalent of a NAND cell. Circuit.

【0019】この実施例では、4個のメモリセルM1〜
M4がそれぞれソース,ドレイン拡散層を隣接するもの
同士で共用する形で直列接続されてNANDセルを構成
している。このようなNANDセルがマトリックス配置
されてセルアレイが構成される。NANDセルの一端の
ドレインは選択ゲートS1を介してビット線BLに接続
され、他端のソース線も選択ゲートS2を介して共通ソ
ース線(共通ソース拡散層)に接続されている。各メモ
リセルの制御ゲートCG1〜CG4は、ビット線BLと
交差する方向に配設されてワード線WLとなる。
In this embodiment, four memory cells M1 ...
M4s are connected in series in such a manner that the source and drain diffusion layers are shared by adjacent ones to form a NAND cell. Such NAND cells are arranged in a matrix to form a cell array. The drain at one end of the NAND cell is connected to the bit line BL via the selection gate S1, and the source line at the other end is also connected to the common source line (common source diffusion layer) via the selection gate S2. The control gates CG1 to CG4 of each memory cell are arranged in a direction intersecting the bit line BL to form a word line WL.

【0020】この実施例では、4個のメモリセルで1つ
のNANDセルを構成しているが、1段に2のn乗個
(n=1,2,…)のメモリセルで1つのNANDセル
を構成することもできる。
In this embodiment, one NAND cell is composed of four memory cells, but one NAND cell is composed of 2n (n = 1, 2, ...) Memory cells in one stage. Can also be configured.

【0021】具体的なメモリセル構造及び周辺回路のM
OSトランジスタ構造は、図2及び図3に示す通りであ
る。n型シリコン基板1にこの実施例ではセルアレイ領
域と周辺回路領域になる異なるp型ウェル2,21が形
成され、これらのp型ウェル2,21にセルアレイ及び
周辺回路が形成されている。この実施例では、p型ウェ
ル2の素子分離絶縁膜10で囲まれた領域に4個のメモ
リセルと2個の選択ゲートが形成されている。
M of concrete memory cell structure and peripheral circuit
The OS transistor structure is as shown in FIGS. In this embodiment, different p-type wells 2 and 21 which are the cell array region and the peripheral circuit region are formed on the n-type silicon substrate 1, and the cell array and the peripheral circuit are formed in these p-type wells 2 and 21. In this embodiment, four memory cells and two select gates are formed in a region surrounded by the element isolation insulating film 10 of the p-type well 2.

【0022】各メモリセルにおいて、p型ウェル2上に
5〜20nmの熱酸化膜からなるトンネル絶縁膜3を介
して形成された50〜400nmの第1層多結晶シリコ
ン膜により浮遊ゲート4が形成されている。この浮遊ゲ
ート4上に15〜40nmの熱酸化膜からなるゲート絶
縁膜5を介して形成された100〜400nmの第2層
多結晶シリコンにより制御ゲート6が構成されている。
In each memory cell, the floating gate 4 is formed of the first-layer polycrystalline silicon film of 50 to 400 nm formed on the p-type well 2 through the tunnel insulating film 3 of the thermal oxide film of 5 to 20 nm. Has been done. The control gate 6 is composed of the second-layer polycrystalline silicon having a thickness of 100 to 400 nm formed on the floating gate 4 with the gate insulating film 5 made of a thermal oxide film having a thickness of 15 to 40 nm interposed therebetween.

【0023】ここで、第1層多結晶シリコン膜で形成さ
れたメモリセルの浮遊ゲートは、後述するように上下2
段の積層構造であり、それぞれ異なる種類(燐又は砒
素)のイオンが注入された多結晶シリコン膜により形成
されている。また、周辺回路の第1のMOSトランジス
タのゲート絶縁膜11、第2のMOSトランジスタのゲ
ート絶縁膜13を介して形成されたゲート電極12a,
6aは、メモリセルの制御ゲート6と同じ100〜40
0nmの第2層多結晶シリコン膜によるものである。
Here, the floating gates of the memory cells formed of the first-layer polycrystalline silicon film have upper and lower two gates, as will be described later.
It is a stacked structure of steps and is formed by a polycrystalline silicon film into which ions of different types (phosphorus or arsenic) are implanted. Further, the gate insulating film 11 of the first MOS transistor of the peripheral circuit, the gate electrode 12a formed via the gate insulating film 13 of the second MOS transistor,
6a is the same as the control gate 6 of the memory cell.
This is due to the 0-nm second-layer polycrystalline silicon film.

【0024】各メモリセル及びMOSトランジスタのソ
ース・ドレインとなるn型拡散層9は、各ゲート電極形
成後に砒素又は燐のイオン注入により形成されている。
メモリセルのソース・ドレイン拡散層となるn型層9
は、隣接するもの同士で共用する形で、4個のメモリセ
ルが直列接続されている。素子形成された基板上は、C
VD絶縁膜7により覆われ、この上にAl膜によりビッ
ト線8や周辺回路部の各電極配線23が形成されてい
る。
The n-type diffusion layer 9 serving as the source / drain of each memory cell and MOS transistor is formed by ion implantation of arsenic or phosphorus after formation of each gate electrode.
N-type layer 9 serving as source / drain diffusion layer of memory cell
Are shared by adjacent ones, and four memory cells are connected in series. On the substrate on which elements are formed, C
The bit line 8 and the electrode wirings 23 in the peripheral circuit portion are formed of an Al film and covered with the VD insulating film 7.

【0025】このような構成において、各メモリセルの
浮遊ゲート4と基板間の結合容量C1は、浮遊ゲート4
と制御ゲート6間の結合容量C2に比べて小さく設定さ
れている。この関係は、図2(a)に示されるように、
浮遊ゲート4を素子領域上から素子分離領域上に延在さ
せることにより得られている。
In such a structure, the coupling capacitance C1 between the floating gate 4 of each memory cell and the substrate is
Is set to be smaller than the coupling capacitance C2 between the control gate 6 and the control gate 6. This relationship is as shown in FIG.
It is obtained by extending the floating gate 4 from the element region to the element isolation region.

【0026】基本的なパラメータを挙げて説明すれば、
パターン寸法は1μmルールに従って、浮遊ゲート4及
び制御ゲート6は共に幅が1μm、チャネル幅が1μm
であり、浮遊ゲート4は素子分離絶縁膜上に両側1μm
ずつ延在させている。また、トンネル絶縁膜3は例えば
10nmの熱酸化膜であり、ゲート絶縁膜5は35nm
の熱酸化膜である。
The basic parameters will be described below.
According to the rule of pattern size of 1 μm, both floating gate 4 and control gate 6 have a width of 1 μm and a channel width of 1 μm.
And the floating gate 4 is 1 μm on both sides on the element isolation insulating film.
We are extending each. The tunnel insulating film 3 is, for example, a 10 nm thermal oxide film, and the gate insulating film 5 is 35 nm.
Is a thermal oxide film.

【0027】熱酸化膜の誘電率をεとすると、 C1 =ε/0.02 C2 =3ε/0.035 である。従って、C1 <C2 となっている。When the dielectric constant of the thermal oxide film is ε, C1 = ε / 0.02 C2 = 3ε / 0.035. Therefore, C1 <C2.

【0028】次に、この実施例のEEPROMの具体的
な製造工程について、図5,図6を参照して説明する。
なお、これらの図では、主にセルアレイの部分の構造を
示している。
Next, a specific manufacturing process of the EEPROM of this embodiment will be described with reference to FIGS.
Note that these drawings mainly show the structure of the cell array portion.

【0029】通常の工程に従ってまず、n型シリコン基
板1のセルアレイ領域と周辺回路領域にそれぞれ別工程
で、必要なしきい値電圧を得るための最適濃度を持って
p型ウェル2,21を形成する。次いで、図5(a)に
示すように、LOCOS工程で素子分離酸化膜10を形
成する。続いて、トンネル絶縁膜として熱酸化膜を形成
した後、例えば100nmの第1層第1段多結晶シリコ
ン膜40aを堆積し、必要な不純物のドーピングを行
う。ドーピング方法としては、例えばイオン注入により
2×1022cm-3の砒素をドーピングする。
According to a normal process, first, the p-type wells 2 and 21 are formed in the cell array region and the peripheral circuit region of the n-type silicon substrate 1 in separate steps with an optimum concentration for obtaining a required threshold voltage. . Next, as shown in FIG. 5A, the element isolation oxide film 10 is formed in the LOCOS process. Then, after forming a thermal oxide film as a tunnel insulating film, a first-layer first-stage polycrystalline silicon film 40a having a thickness of 100 nm, for example, is deposited and necessary impurities are doped. As a doping method, for example, 2 × 10 22 cm −3 arsenic is doped by ion implantation.

【0030】次いで、図5(b)に示すように、フォト
レジスト加工により、第1層第1段多結晶シリコン膜4
0aをパターニングして、セルアレイ部の第1段浮遊ゲ
ート電極4をパターン形成する。図5(c)は図5
(b)の平面図であり、SDGも同時に示している。
Next, as shown in FIG. 5B, a first layer first stage polycrystalline silicon film 4 is formed by photoresist processing.
0a is patterned to form the first-stage floating gate electrode 4 in the cell array portion by patterning. FIG. 5C shows FIG.
It is a top view of (b), and SDG is also shown simultaneously.

【0031】次いで、図6(a)に示すように、第1層
第2段多結晶シリコン膜40bを例えば50nm厚に堆
積し、第1段とは異なる不純物種のドーピングを行う。
このとき、例えば燐を1×1014cm-2イオン注入によ
りドーピングする。このドーピングは、燐に限らず、砒
素,アンチモン,ボロン等のドーピング、又は2種類以
上のドーパントのドーピングであっても構わない。ま
た、イオン注入に限らず、例えば拡散であっても構わな
い。
Next, as shown in FIG. 6A, a first-layer second-stage polycrystalline silicon film 40b is deposited to a thickness of 50 nm, for example, and an impurity species different from the first-stage doping is performed.
At this time, for example, phosphorus is doped by 1 × 10 14 cm −2 ion implantation. This doping is not limited to phosphorus, and may be doping of arsenic, antimony, boron or the like, or doping of two or more kinds of dopants. Further, not only ion implantation but also diffusion may be used.

【0032】次いで、図6(b)に示すように、例えば
第1層第1段多結晶シリコン膜40aを覆うようにして
フォトレジスト加工をし、CDE処理により、第1層第
2段多結晶シリコン膜40bをパターニングして第1層
第2段多結晶シリコン膜40bのスリットを形成する。
このようにしてセルアレイ部の第1層第2段浮遊ゲート
電極を形成し、40a,40bを合わせてメモリセルの
浮遊ゲート4とする。図6(c)は図6(b)の平面図
であり、SDGも同時に示してある。
Next, as shown in FIG. 6B, for example, a photoresist process is performed so as to cover the first-layer first-stage polycrystalline silicon film 40a, and the first-layer second-stage polycrystalline film is subjected to CDE processing. The silicon film 40b is patterned to form slits in the first-layer second-stage polycrystalline silicon film 40b.
Thus, the first-layer second-stage floating gate electrode of the cell array portion is formed, and 40a and 40b are combined to form the floating gate 4 of the memory cell. FIG. 6C is a plan view of FIG. 6B, and SDG is also shown.

【0033】また、第1層多結晶シリコン膜は、次のよ
うにしても形成することができる。前記図5(a)に示
すのと同様にして、第1層第1段多結晶シリコン膜40
aを堆積しドーピングを行った後、図7に示すように例
えば窒化シリコンを堆積し、それからパターニングを行
う。この後は、また前記と同様にして第1層第2段多結
晶シリコン膜40bを堆積する。以下も前記の工程と同
じである。
The first-layer polycrystalline silicon film can also be formed as follows. In the same manner as shown in FIG. 5A, the first layer first stage polycrystalline silicon film 40.
After a is deposited and doping is performed, for example, silicon nitride is deposited as shown in FIG. 7, and then patterning is performed. Thereafter, the first-layer second-stage polycrystalline silicon film 40b is deposited in the same manner as described above. The following is the same as the above process.

【0034】第1段と第2段間に形成する膜は、例えば
シリコン酸化膜,シリコンオキシナイトライド膜(Si
OxNx)等不純物の拡散バリアになるものであればよ
い。また、膜厚も1nm程度の自然酸化膜でもよい。
The film formed between the first stage and the second stage is, for example, a silicon oxide film or a silicon oxynitride film (Si
Any material that can serve as a diffusion barrier for impurities such as OxNx) may be used. Further, a natural oxide film having a film thickness of about 1 nm may be used.

【0035】さて、前記図6(b)に示す工程又は図7
に示す工程の後、第1層多結晶シリコン膜上にはゲート
絶縁膜として例えば30nmの熱酸化膜を形成する。そ
して、フォトレジストでセルアレイを覆う。
Now, the process shown in FIG. 6B or the process shown in FIG.
After the step shown in, a thermal oxide film of, for example, 30 nm is formed as a gate insulating film on the first-layer polycrystalline silicon film. Then, the cell array is covered with photoresist.

【0036】そして、このフォトレジストをマスクとし
て、CDEにより周辺部の第1層目の多結晶シリコンを
エッチングし、弗化アンモニウム処理により周辺領域の
ゲート絶縁膜をエッチングした後、周辺領域に第1のM
OSトランジスタ用として例えば45nmの熱酸化膜、
第2のMOSトランジスタ用として例えば25nmの熱
酸化膜を形成する。続いて、第2層多結晶シリコン膜を
堆積する。第2層多結晶シリコン膜に所望の不純物をド
ーピングを行う。このドーピングも、前記第1層多結晶
シリコンの場合と同様、種々の方法がある。
Then, using this photoresist as a mask, the first-layer polycrystalline silicon in the peripheral portion is etched by CDE, and the gate insulating film in the peripheral region is etched by ammonium fluoride treatment. M
45 nm thermal oxide film for OS transistor,
A thermal oxide film of 25 nm, for example, is formed for the second MOS transistor. Then, a second layer polycrystalline silicon film is deposited. The second layer polycrystalline silicon film is doped with desired impurities. There are various methods for this doping as in the case of the first-layer polycrystalline silicon.

【0037】次いで、メモリセルの制御ゲート領域及び
周辺トランジスタ領域を覆うフォトレジストをパターン
形成する。そして、このフォトレジストを用いて、第2
層多結晶シリコン膜及びその下の第1層多結晶シリコン
膜を選択エッチングして、セルアレイ領域の制御ゲート
と浮遊ゲートを同時にパターン形成する。
Next, a photoresist is patterned to cover the control gate region and the peripheral transistor region of the memory cell. Then, using this photoresist, the second
The layer polycrystalline silicon film and the first layer polycrystalline silicon film thereunder are selectively etched to simultaneously pattern the control gate and the floating gate in the cell array region.

【0038】この後、周辺トランジスタ領域のゲートパ
ターニング用のフォトレジストをパターン形成する。そ
して、このフォトレジストをマスクとして、周辺トラン
ジスタ領域の第2層多結晶シリコン膜を選択エッチング
して、ゲートをパターン形成する。その後、不純物のイ
オン注入により、ソース・ドレイン拡散層となるn型層
を形成する。次いで、通常の層間絶縁膜形成工程を経て
EEPROMが完成する。
Thereafter, a photoresist for gate patterning in the peripheral transistor region is patterned. Then, using this photoresist as a mask, the second-layer polycrystalline silicon film in the peripheral transistor region is selectively etched to form a gate pattern. Then, ion implantation of impurities is performed to form an n-type layer to be a source / drain diffusion layer. Then, the EEPROM is completed through a normal interlayer insulating film forming process.

【0039】次に、この実施例のNANDセル型EEP
ROMの動作を説明する。まず、データ消去は、NAN
Dセルを構成するメモリセルについて一括消去が行われ
る。そのためこの実施例では、NANDセル内の全ての
メモリセルの制御ゲートCG1,CG4が0Vとされ、
n型基板1とp型ウェル2に昇圧された高電位VPP(例
えば18V)が与えられる。さらに、第1,第2の選択
ゲートS1,S2のゲート電極SG1,SG2及びビッ
ト線BL1,BL2にも高電位VPPが与えられる。これ
により、全てのメモリセルの制御ゲートとp型ウェル2
間に電界がかかり、浮遊ゲート4からp型ウェル2にト
ンネル電流により電子が放出される。全てのメモリセル
M1〜M4はこれによりしきい値が負方向に移動して
“0”状態になる。
Next, the NAND cell type EEP of this embodiment will be described.
The operation of the ROM will be described. First of all, data deletion is NAN
Batch erasing is performed on the memory cells forming the D cell. Therefore, in this embodiment, the control gates CG1 and CG4 of all the memory cells in the NAND cell are set to 0V,
The boosted high potential VPP (for example, 18V) is applied to the n-type substrate 1 and the p-type well 2. Further, the high potential VPP is applied to the gate electrodes SG1 and SG2 of the first and second selection gates S1 and S2 and the bit lines BL1 and BL2. As a result, the control gates of all memory cells and the p-type well 2
An electric field is applied between them, and electrons are emitted from the floating gate 4 to the p-type well 2 by a tunnel current. As a result, the threshold values of all the memory cells M1 to M4 are moved in the negative direction and become "0".

【0040】次に、データ書き込みは、NANDセル内
のソース線側のメモリセル、即ちビット線から遠い方の
メモリセルM4から順に行われる。いま、メモリセルM
4に選択的に“1”データ書き込みを行う場合を説明す
れば、ソース側の第2の選択ゲートS2のゲート電極S
G2が0Vとされ、制御ゲートCG4に高電位VPPが印
加され、残りの制御ゲートCG1〜CG3とドレイン側
の第1の選択ゲートS1のゲート電極SG1には電源電
位VCCと高電位VPPの間の中間電位VM (例えば(1/
2)VPP)が印加される。また、選択ビット線BL1に
は“L”レベル電位として0Vが与えられ、非選択ビッ
ト線BL2には中間電位VM が与えられる。p型ウェル
は0V、n型基板はVCCとする。
Next, data writing is sequentially performed from the memory cell on the source line side in the NAND cell, that is, the memory cell M4 farther from the bit line. Now, memory cell M
The case where the "1" data is selectively written in 4 will be described. The gate electrode S of the second select gate S2 on the source side will be described.
G2 is set to 0V, the high potential VPP is applied to the control gate CG4, and the remaining control gates CG1 to CG3 and the gate electrode SG1 of the drain side first selection gate S1 are between the power supply potential VCC and the high potential VPP. Intermediate potential VM (eg (1 /
2) VPP) is applied. Further, 0 V is applied as the "L" level potential to the selected bit line BL1 and the intermediate potential VM is applied to the non-selected bit line BL2. The p-type well is set to 0V and the n-type substrate is set to Vcc.

【0041】これにより、選択されたセルにおいては、
ビット線BL1の0Vがドレインまで伝達されて制御ゲ
ートとの間に高電界がかかり、浮遊ゲートに電子が注入
される。この結果、選択セルではしきい値が正方向に移
動して、“1”書き込みがなされる。ビット線BL1に
繋がる他のメモリセルM1〜M3では書き込みモードに
なるが、その電界は小さく、しきい値変化はない。非選
択(又は“0”書き込み)のビット線BL2側のCG1
〜CG3に層メモリセルでは、制御ゲートが中間電位V
M 、チャネル電位がVCCであり、その電位差は3〜4V
であって、やはりしきい値変化はない。ビット線BL2
側のCG4に沿うメモリセルも同様に書き込みモードで
あるが、やはりその電界は小さく、しきい値変化はな
い。
As a result, in the selected cell,
0V of the bit line BL1 is transmitted to the drain, a high electric field is applied between the bit line BL1 and the control gate, and electrons are injected into the floating gate. As a result, in the selected cell, the threshold value moves in the positive direction and "1" is written. The other memory cells M1 to M3 connected to the bit line BL1 are in the write mode, but the electric field thereof is small and the threshold value does not change. CG1 on the non-selected (or "0" write) bit line BL2 side
In the layer memory cell in CG3, the control gate has an intermediate potential V
M, channel potential is Vcc, and the potential difference is 3-4V
However, there is no threshold change. Bit line BL2
The memory cell along CG4 on the side is also in the write mode, but its electric field is also small and there is no threshold change.

【0042】このようにして選択メモリセルに対する書
き込みが終了すると、次にNANDセル内の1つ上のメ
モリセルもM3に対して同様に書き込みが行われ、順次
メモリセルM2 ,M1と書き込みが行われる。
When writing to the selected memory cell is completed in this manner, the memory cell immediately above in the NAND cell is similarly written to M3, and writing is sequentially performed to the memory cells M2 and M1. Be seen.

【0043】データ読み出し動作は、メモリセルM4 に
ついて説明すれば、選択ゲートのゲート電極SG1,S
G2にVCCが与えられ、非選択メモリセルM1〜M3の
制御ゲートCG1〜CG3には“1”状態のメモリセル
がオンする程度の電位としてやはりVCCが与えられ、選
択セルの制御ゲートCG4は0Vとされる。そして、選
択セルに繋がるビット線BL1には1〜5Vの読み出し
電位が与えられ、他の非選択ビット線BL2は0Vとさ
れる。これにより、ビット線BL1に電流が流れるか否
かによって、データ“0”,“1”の判別がなされる。
The data read operation will be described with reference to the memory cell M4.
V2 is applied to G2, Vcc is also applied to the control gates CG1 to CG3 of the unselected memory cells M1 to M3 as a potential for turning on the memory cells in the "1" state, and the control gate CG4 of the selected cell is set to 0V. It is said that Then, a read potential of 1 to 5V is applied to the bit line BL1 connected to the selected cell, and the other non-selected bit line BL2 is set to 0V. As a result, data "0" or "1" is discriminated depending on whether or not a current flows through the bit line BL1.

【0044】この実施例によれば、トンネル絶縁膜3と
接する多結晶シリコンの部分はグレインの比較的小さい
砒素ドープシリコンであり、多結晶シリコンのゲート絶
縁膜5と接する部分はグレインの比較的大きい燐ドープ
多結晶シリコンであるような浮遊ゲート4を実現するこ
とができる。このため、浮遊ゲート4と制御ゲート6の
間のリーク電流を小さくできると共に、トンネル電流特
性を安定化することができ、従来にない信頼性の高いE
EPROMが得られる。また、浮遊ゲート4を多結晶シ
リコンの2層とすることにより、浮遊ゲート4のエッジ
における加工形状を丸めることができ、エッジによる浮
遊ゲート4と制御ゲート6間の絶縁耐圧の劣化等の問題
を未然に防止することもできる。 (実施例2)この実施例は、浮遊ゲートを2層ポリで形
成するのではなく、単層ポリで形成し、ドープする不純
物として燐と砒素の2種を用いたものである。
According to this embodiment, the portion of polycrystalline silicon in contact with tunnel insulating film 3 is arsenic-doped silicon having a relatively small grain, and the portion of polycrystalline silicon in contact with gate insulating film 5 has a relatively large grain. It is possible to realize the floating gate 4 which is phosphorus-doped polycrystalline silicon. Therefore, the leakage current between the floating gate 4 and the control gate 6 can be reduced, and the tunnel current characteristic can be stabilized, so that the reliability E which has not been obtained in the past can be obtained.
EPROM is obtained. In addition, by forming the floating gate 4 with two layers of polycrystalline silicon, the processed shape at the edge of the floating gate 4 can be rounded, which causes a problem such as deterioration of withstand voltage between the floating gate 4 and the control gate 6 due to the edge. It can be prevented in advance. (Embodiment 2) In this embodiment, the floating gate is not formed of a two-layer poly, but is formed of a single-layer poly, and two kinds of phosphorus and arsenic are used as impurities to be doped.

【0045】まず、第1の実施例と同様に図8(a)に
示すように、多結晶シリコン膜40を堆積した。そし
て、燐を3×1015cm-2、砒素を3×1015cm-2
ープした。ドーピング方法としては、例えば850℃の
拡散或いはイオン注入を用いればよい。
First, similarly to the first embodiment, a polycrystalline silicon film 40 was deposited as shown in FIG. 8 (a). Then, phosphorus was doped at 3 × 10 15 cm −2 and arsenic was doped at 3 × 10 15 cm −2 . As a doping method, for example, diffusion at 850 ° C. or ion implantation may be used.

【0046】次いで、図8(b)に示すように、フォト
レジスト加工により、第1層多結晶シリコン膜40をパ
ターニングして、セルアレイ部の浮遊ゲート電極4をパ
ターン形成する。図8(c)は図8(b)の平面図であ
り、SDGも同時に示している。
Next, as shown in FIG. 8B, the first-layer polycrystalline silicon film 40 is patterned by photoresist processing to pattern the floating gate electrodes 4 in the cell array portion. FIG. 8C is a plan view of FIG. 8B, and SDG is also shown.

【0047】本実施例のように2種ドープの浮遊ゲート
を用いた場合と、従来の単一ドープの浮遊ゲートを用い
た場合との、それぞれの特性を調べた。その結果、次の
ような事実が判明した。
The respective characteristics of the case of using the two-type doped floating gate as in this embodiment and the case of using the conventional single-doped floating gate were examined. As a result, the following facts were revealed.

【0048】図9に示すように、トンネル絶縁膜の高い
ストレス印加後のリーク特性は、燐単独ドープに比して
砒素単独ドープの方が格段に良くなっているが、本実施
例のように燐及び砒素を1:1でドープした場合は砒素
単独ドープに近い値が得られた。即ち、浮遊ゲートに砒
素をドープすることでリーク電流は減少する効果があ
る。なお、図9において、縦軸のΔVG は、初期電圧と
ストレス印加後の電圧との差であり、ここでは1×10
-11 の電流が流れる各電圧の差とした。
As shown in FIG. 9, the leakage characteristic of the tunnel insulating film after the high stress application is much better in the arsenic single-doped layer than in the phosphorus single-doped layer. When phosphorus and arsenic were doped at a ratio of 1: 1, a value close to that obtained by arsenic alone was obtained. That is, doping the floating gate with arsenic has the effect of reducing the leak current. In FIG. 9, ΔVG on the vertical axis is the difference between the initial voltage and the voltage after stress application, and here is 1 × 10 5.
-11 is the difference between the voltages at which the current flows.

【0049】一方、浮遊ゲートと制御ゲート間のリーク
電流は、砒素単独ドープに比して燐単独ドープの方が小
さくなっているが、本実施例のように燐及び砒素を1:
1でドープした場合、燐単独ドープと砒素単独ドープの
中間よりも燐単独ドープに近い値が得られた。
On the other hand, the leakage current between the floating gate and the control gate is smaller in the phosphorus single doping than in the arsenic single doping.
When doped with 1, the value obtained was closer to that of phosphorus alone than that between the phosphorus alone and arsenic alone.

【0050】また、図10に示すように、シート抵抗
は、砒素単独ドープに比して燐単独ドープの方が小さく
なっているが、本実施例のように燐及び砒素を1:1で
ドープした場合、燐単独ドープと砒素単独ドープの中間
よりも燐ドープ単独のものに近いものとなった。
Further, as shown in FIG. 10, the sheet resistance is smaller in the phosphorus single doping than in the arsenic single doping, but the phosphorus and arsenic are doped 1: 1 as in the present embodiment. In that case, it was closer to that of phosphorus-doped alone than the intermediate between phosphorus-only doped and arsenic-only doped.

【0051】このように本実施例によれば、浮遊ゲート
としての多結晶シリコン膜にドープする不純物として燐
と砒素を両方ドープ、例えば1:1でドープすることに
よって、燐ドープ単独よりもトンネル電流の安定性が大
幅に向上し、砒素ドープ単独に近いトンネル電流の安定
性が得られた。さらに、砒素ドープ単独よりもリーク電
流を極めて小さく、燐ドープに近い浮遊ゲート・制御ゲ
ート間リーク電流特性が得られた。 (参考例)ここで、不純物ドープ量,ゲート電圧,アニ
ール時間等に対するリーク電流,絶縁破壊を起こすチャ
ージ量,リードディスターブ時間等の関係を測定した結
果を説明しておく。
As described above, according to the present embodiment, by doping both phosphorus and arsenic as impurities for doping the polycrystalline silicon film as the floating gate, for example, by doping at 1: 1, the tunnel current can be increased more than the phosphorus doping alone. The stability of the tunnel current was significantly improved, and the tunnel current stability similar to that of arsenic-doped alone was obtained. Furthermore, the leakage current was much smaller than that of arsenic-doped alone, and the floating gate-control gate leakage current characteristics similar to those of phosphorus-doped were obtained. (Reference Example) Here, the results of measuring the relationship between the impurity doping amount, the gate voltage, the leakage current with respect to the annealing time, the charge amount causing dielectric breakdown, the read disturb time, etc. will be described.

【0052】図11は、ゲートポリSiへのイオン注入
ドーズ量とストレスリーク電流(5MV/cmの電界印加
時)との関係を示す特性図である。ゲート酸化膜の膜厚
は8nm、ストレス電界は定電流±100mA/cm
2 ,5sec とした。Aはゲート側を負にしてストレスを
印加しゲート側を正にしてI−V特性を測定したもの、
Bはゲート側を正にしてストレスを印加しゲート側を負
にしてI−V特性を測定したもの、Cはゲート側を正に
してストレスを印加しゲート側を正にしてI−V特性を
測定したもの、Dはゲート側を負にしてストレスを印加
しゲート側を負にしてI−V特性を測定したものであ
る。
FIG. 11 is a characteristic diagram showing the relationship between the dose of ion implantation into the gate poly-Si and the stress leak current (when an electric field of 5 MV / cm is applied). The thickness of the gate oxide film is 8 nm, and the stress electric field is constant current ± 100 mA / cm.
It was set to 2.5 seconds. A is the one in which the gate side is negative, stress is applied, and the gate side is positive, and the IV characteristics are measured,
B shows the IV characteristic measured with the gate side positive and stress applied and the gate side negative, and C shows the IV characteristic measured with the gate side positive and stress applied. The measured value, D, is obtained by applying stress with the gate side being negative and applying the stress with the gate side being negative.

【0053】この図から分かるように、イオン注入ドー
ズ量を減らしていくに従い、Aの場合には、リーク電流
が減少する。P(燐),As(砒素)共に、5×1015
cm-2以下のドーズ量、即ち3.3×1020cm-3以下
の不純物濃度が望ましい。
As can be seen from this figure, in the case of A, the leak current decreases as the ion implantation dose amount decreases. 5 × 10 15 for both P (phosphorus) and As (arsenic)
A dose amount of cm −2 or less, that is, an impurity concentration of 3.3 × 10 20 cm −3 or less is desirable.

【0054】図12は、ゲートポリSiへイオン注入し
た不純物としてのPのドーズ量とストレスリーク電流
(5MV/cmの電界印加時)との関係を示す特性図であ
る。ゲート酸化膜の膜厚及びストレス電界は図11の場
合と同様にした。Aはゲート側を負にしてストレスを印
加しゲート側を正にしてI−V特性を測定したもの、B
はゲート側を正にしてストレスを印加しゲート側を負に
してI−V特性を測定したものである。
FIG. 12 is a characteristic diagram showing the relationship between the dose amount of P as an impurity ion-implanted into the gate poly-Si and the stress leak current (when an electric field of 5 MV / cm is applied). The thickness of the gate oxide film and the stress electric field were the same as in the case of FIG. A is the one in which the gate side is negative, stress is applied, and the gate side is positive, and the IV characteristics are measured, B
Shows the IV characteristic measured with the gate side being positive and the stress being applied and the gate side being negative.

【0055】この図から分かるように、Aの場合は、ス
トレスリークはP濃度に依存する。P濃度をできるだけ
下げて,Asで不純物を補う方法が良い。更には、As
のみをドープするのが良い。
As can be seen from this figure, in the case of A, the stress leak depends on the P concentration. It is preferable to lower the P concentration as much as possible and supplement the impurities with As. Furthermore, As
It is better to dope only.

【0056】図13は、不純物ドーズ量と絶縁破壊が生
じるチャージ量との関係、即ちTDDB(Time-Depende
nt Dielectric Breakdown )特性のイオン注入ドーズ量
依存性を示す特性図である。ゲート酸化膜の膜厚及び印
加ストレスは図11の場合と同様にした。Aはゲート側
を正にしてストレスを印加したもの、Bはゲート側を負
にしてストレスを印加したものである。この図から分か
るように、ストレスリークと同様に、不純物濃度が低い
方が、ゲート側正ストレスでは長寿命になり、ゲート側
負では短寿命になる。即ち、ストレスリークが大きいと
TDDB寿命が短くなり、ストレスリークが小さいとT
DDB寿命が長くなる。
FIG. 13 shows the relationship between the impurity dose amount and the charge amount causing dielectric breakdown, that is, TDDB (Time-Depende).
FIG. 6 is a characteristic diagram showing the dependence of nt Dielectric Breakdown) characteristics on the ion implantation dose amount. The thickness of the gate oxide film and the applied stress were the same as in the case of FIG. A indicates that the gate side is positive and stress is applied, and B indicates that the gate side is negative and stress is applied. As can be seen from this figure, like the stress leak, the lower the impurity concentration, the longer the life with positive stress on the gate side and the shorter the life with negative stress on the gate side. That is, if the stress leak is large, the TDDB life becomes short, and if the stress leak is small, T
The DDB life is extended.

【0057】図14は、ゲートに印加する電圧とリード
ディスターブ時間との関係を示す特性図である。この図
から分かるように、ゲート電圧が低くなるに伴いリード
ディスターブ時間は長くなり、W/Eサイクルが少ない
場合(102 )はAs,P共にほぼ同じ特性である。し
かし、W/Eサイクルが多い場合(106 )はAsドー
プの方がPドープの場合に比べて勝っている。
FIG. 14 is a characteristic diagram showing the relationship between the voltage applied to the gate and the read disturb time. As can be seen from this figure, as the gate voltage decreases, the read disturb time increases, and when the W / E cycle is small (10 2 ), As and P have almost the same characteristics. However, when the number of W / E cycles is large (10 6 ), As-doped is superior to P-doped.

【0058】図15は、アニール時間(アニール温度は
950℃)とリーク電流との関係を示す特性図である。
ゲート酸化膜の膜厚は8nm、ストレスは定電流±10
0mA/cm2 ,3sec とし、さらにドーズ量は3×1
15cm-2、アニール温度は1000℃とした。また、
予め1000℃,20min のアニールを施したものと、
このアニールを行わなかったものの2種を測定した。
FIG. 15 is a characteristic diagram showing the relationship between the annealing time (annealing temperature is 950 ° C.) and the leak current.
Gate oxide film thickness is 8nm, stress is constant current ± 10
0 mA / cm 2 , 3 sec, and the dose amount is 3 × 1
0 15 cm -2 , and the annealing temperature was 1000 ° C. Also,
That has been previously annealed at 1000 ° C. for 20 minutes,
Two types, which were not annealed, were measured.

【0059】Aはゲート側を負にしてストレスを印加し
ゲート側を正にしてI−V特性を測定したもの、Bはゲ
ート側を正にしてストレスを印加しゲート側を負にして
I−V特性を測定したものである。この図から分かるよ
うに、1000℃のアニールを施さなかったものに関し
ては、熱工程を下げる(アニール時間を短くする)に従
いリーク電流は減少している。 (実施例3)NAND型EEPROMでは、書き込み時
に制御ゲートに印加する電圧VPPが約20Vと高い電圧
を必要としている。一般に、 VFG={C1 /(C1 +C2 )}VPP C1 :浮遊ゲートと制御ゲート間の容量 C2 :浮遊ゲートと基板間の容量 VFG:浮遊ゲートの電位 と表され、VFGを一定と考えると、VPPを下げるために
はC1 /(C1 +C2 )を大きく、即ちC1 を大きくす
る必要がある。そこで本実施例では、ワード線方向にお
ける浮遊ゲートのスペースを最小加工寸法よりも小さく
している。
A is a characteristic in which the gate side is negative and stress is applied and the gate side is positive and the IV characteristic is measured. B is the gate side is positive and stress is applied and the gate side is negative and I-. This is a measurement of V characteristics. As can be seen from this figure, with respect to the sample which was not annealed at 1000 ° C., the leakage current decreased as the thermal process was lowered (the annealing time was shortened). (Embodiment 3) In the NAND type EEPROM, the voltage VPP applied to the control gate at the time of writing needs to be as high as about 20V. Generally, VFG = {C1 / (C1 + C2)} VPP C1: capacitance between floating gate and control gate C2: capacitance between floating gate and substrate VFG: potential of floating gate In order to lower C1, it is necessary to increase C1 / (C1 + C2), that is, C1. Therefore, in this embodiment, the space of the floating gate in the word line direction is made smaller than the minimum processing size.

【0060】まず、図16(a)に示すように、基板6
1表面に素子分離酸化膜62及びトンネル絶縁膜63を
形成した後、これらの上に第1層第1段多結晶シリコン
膜64を堆積する。そして、所望不純物のドーピングを
行った後、フォトレジスト加工によりパターニングし
て、セルアレイ部の第1段浮遊ゲートをパターン形成す
る。
First, as shown in FIG. 16A, the substrate 6
After the element isolation oxide film 62 and the tunnel insulating film 63 are formed on the first surface, the first layer first stage polycrystalline silicon film 64 is deposited on them. Then, after doping desired impurities, patterning is performed by photoresist processing to pattern the first-stage floating gate of the cell array portion.

【0061】次いで、図16(b)に示すように、フォ
トレジスト66を除去した後、第2段多結晶シリコン膜
65を堆積し、所望不純物のドーピングを行う。続い
て、フォトレジスト66を塗布形成し、第1段多結晶シ
リコン64のパターンとずらして、フォトレジスト加工
する。
Next, as shown in FIG. 16B, after removing the photoresist 66, a second stage polycrystalline silicon film 65 is deposited and desired impurities are doped. Subsequently, a photoresist 66 is applied and formed, and is shifted from the pattern of the first-stage polycrystalline silicon 64 to process the photoresist.

【0062】次いで、図16(c)に示すように、例え
ばRIE処理により第1層第2段多結晶シリコン膜65
をパターニングして、第1層多結晶シリコン膜のスリッ
トを形成する。このようにして、セルアレイ部の第1層
第2段浮遊ゲート電極を形成し、64,65を合わせて
メモリセルの浮遊ゲートとする。これ以降は、図16
(d)に示すように、ゲート絶縁膜としての熱酸化膜6
7を介して第2層多結晶シリコン膜68からなる制御ゲ
ートを形成する。
Next, as shown in FIG. 16C, the first layer second stage polycrystalline silicon film 65 is formed by, eg, RIE processing.
Is patterned to form slits in the first-layer polycrystalline silicon film. Thus, the first-layer second-stage floating gate electrode of the cell array portion is formed, and 64 and 65 are combined to form the floating gate of the memory cell. After this, FIG.
As shown in (d), the thermal oxide film 6 as a gate insulating film
A control gate made of the second-layer polycrystalline silicon film 68 is formed via 7.

【0063】このように本実施例では、第1層多結晶シ
リコン膜の1段目と2段目のパターン除去部分をずらし
て形成しているので、浮遊ゲートのスペース部分を最小
パターンサイズよりも小さくすることができる。これに
より、浮遊ゲートと基板間の容量を十分大きくすること
ができ、書き込み時に制御ゲートに印加する電圧を低く
することが可能となる。
As described above, in this embodiment, since the pattern removal portions of the first and second steps of the first-layer polycrystalline silicon film are shifted, the space portion of the floating gate is made smaller than the minimum pattern size. Can be made smaller. As a result, the capacitance between the floating gate and the substrate can be sufficiently increased, and the voltage applied to the control gate during writing can be lowered.

【0064】なお、上記実施例はLOCOSによる素子
分離であったが、図17に示すようにトレンチ分離を用
いたメモリセルでも同様に製造することができる。な
お、図17において、69は層間絶縁膜、70はビット
線を示している。 (実施例4)この実施例は、側壁残しにより浮遊ゲート
と基板間の容量を大きくしたものである。
Although the above-mentioned embodiment uses the LOCOS for element isolation, a memory cell using trench isolation as shown in FIG. 17 can be manufactured in the same manner. In FIG. 17, 69 indicates an interlayer insulating film and 70 indicates a bit line. (Embodiment 4) In this embodiment, the capacitance between the floating gate and the substrate is increased by leaving the side wall.

【0065】図18(a)に示すように、素子分離トレ
ンチ内にTEOS83が埋め込まれた基板81上に、ト
ンネル酸化膜82を介して浮遊ゲートとしての多結晶シ
リコン膜84を例えば200nm形成する。続いて、マ
スクとしてのSiN膜85を例えば200nm形成した
後、これをフォトレジスト加工により選択エッチングし
てスリットを形成する。さらに、SiN膜86を例えば
100nm堆積する。
As shown in FIG. 18A, a polycrystalline silicon film 84 as a floating gate is formed to a thickness of, for example, 200 nm on a substrate 81 having a TEOS 83 buried in an element isolation trench, with a tunnel oxide film 82 interposed therebetween. Subsequently, a SiN film 85 as a mask is formed to have a thickness of 200 nm, for example, and this is selectively etched by photoresist processing to form a slit. Further, a SiN film 86 is deposited to a thickness of 100 nm, for example.

【0066】次いで、図18(b)に示すように、Si
N膜86をRIEすることにより、SiN膜85の側壁
にSiN膜86を残存させる。これにより、SiNマス
クは最小パターンサイズよりも小さいスリットを有する
ことになる。
Then, as shown in FIG.
By performing RIE on the N film 86, the SiN film 86 is left on the sidewall of the SiN film 85. As a result, the SiN mask has slits smaller than the minimum pattern size.

【0067】次いで、図18(c)に示すように、Si
N膜85,86をマスクとして多結晶シリコン膜84を
選択エッチングし、浮遊ゲートを形成する。そして、図
18(d)に示すように、SiN膜85,86を剥離す
る。これ以降は、絶縁膜を介して多結晶シリコン膜を堆
積し、さらにこの多結晶シリコン膜をパターニングする
ことにより、制御ゲートが形成される。
Then, as shown in FIG.
The polycrystalline silicon film 84 is selectively etched using the N films 85 and 86 as a mask to form a floating gate. Then, as shown in FIG. 18D, the SiN films 85 and 86 are peeled off. After that, a control gate is formed by depositing a polycrystalline silicon film via an insulating film and further patterning the polycrystalline silicon film.

【0068】このように本実施例では、単層の浮遊ゲー
トであっても、側壁残しの技術を利用することにより、
リソグラフィの最小寸法よりも小さいスリットを形成す
ることができ、浮遊ゲートと基板間の容量を大きくし
て、書き込み時の制御ゲートに印加する電圧を低くする
ことが可能となる。
As described above, in this embodiment, even if the floating gate is a single layer, the technique of leaving the side wall is used,
A slit smaller than the minimum dimension of lithography can be formed, the capacitance between the floating gate and the substrate can be increased, and the voltage applied to the control gate at the time of writing can be lowered.

【0069】なお、本発明は上述した各実施例に限定さ
れるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、種々
変形して実施することができる。実施例では浮遊ゲート
を構成する半導体膜として多結晶シリコン膜を用いた
が、他の半導体材料を用いることも可能である。さら
に、多結晶シリコン膜にドープする不純物種も燐,砒素
に限るものではなく、仕様に応じて適宜変更可能であ
る。
The present invention is not limited to the above-mentioned embodiments, but various modifications can be carried out without departing from the scope of the invention. In the embodiment, a polycrystalline silicon film is used as the semiconductor film forming the floating gate, but other semiconductor materials can be used. Further, the impurity species to be doped in the polycrystalline silicon film is not limited to phosphorus and arsenic, and can be changed appropriately according to the specifications.

【0070】[0070]

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、浮
遊ゲートとしての半導体膜にドープする不純物種として
複数種を選択することにより、トンネル絶縁膜界面及び
浮遊ゲート/制御ゲート間絶縁膜特性の両方を満たすよ
うな浮遊ゲートを形成することができ、素子特性及び信
頼性の向上をはかり得るEEPROMを実現することが
可能となる。
As described above in detail, according to the present invention, by selecting a plurality of impurity species to be doped into the semiconductor film as the floating gate, the tunnel insulating film interface and the floating gate / control gate insulating film are formed. A floating gate satisfying both characteristics can be formed, and an EEPROM capable of improving the element characteristics and reliability can be realized.

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

【図1】第1の実施例に係わるEEPROMのNAND
セル構成を示す平面図。
FIG. 1 is a NAND of an EEPROM according to a first embodiment.
The top view which shows a cell structure.

【図2】図1の矢視A−A′,B−B′断面を示す図。FIG. 2 is a view showing a cross section taken along the line AA ′ and BB ′ of FIG.

【図3】周辺回路のトランジスタ部の構成を示す断面
図。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a configuration of a transistor portion of a peripheral circuit.

【図4】第1の実施例のNANDセルの等価回路図。FIG. 4 is an equivalent circuit diagram of the NAND cell according to the first embodiment.

【図5】第1の実施例のNANDセルの製造工程を示す
図。
FIG. 5 is a diagram showing a manufacturing process of the NAND cell of the first embodiment.

【図6】第1の実施例のNANDセルの製造工程を示す
図。
FIG. 6 is a diagram showing a manufacturing process of the NAND cell of the first embodiment.

【図7】第1の実施例の変形例を示す図。FIG. 7 is a diagram showing a modification of the first embodiment.

【図8】第2の実施例のNANDセルの製造工程を示す
図。
FIG. 8 is a view showing a manufacturing process of the NAND cell of the second embodiment.

【図9】不純物ドープ量とトンネル電流特性との関係を
示す図。
FIG. 9 is a diagram showing a relationship between an impurity doping amount and tunnel current characteristics.

【図10】不純物ドープ量とシート抵抗との関係を示す
図。
FIG. 10 is a diagram showing a relationship between an impurity doping amount and a sheet resistance.

【図11】不純物ドープ量とリーク電流との関係を示す
図。
FIG. 11 is a diagram showing a relationship between an impurity doping amount and a leak current.

【図12】不純物としての燐ドープ量とリーク電流との
関係を示す図。
FIG. 12 is a diagram showing a relationship between a doping amount of phosphorus as an impurity and a leak current.

【図13】不純物ドープ量と絶縁破壊が生じる電荷量と
の関係を示す図。
FIG. 13 is a diagram showing a relationship between an impurity doping amount and a charge amount causing dielectric breakdown.

【図14】ゲート電圧とリードディスターブ時間との関
係を示す図。
FIG. 14 is a diagram showing a relationship between a gate voltage and a read disturb time.

【図15】アニール時間とリーク電流との関係を示す
図。
FIG. 15 is a diagram showing a relationship between annealing time and leak current.

【図16】第3の実施例のNANDセルの製造工程を示
す図。
FIG. 16 is a diagram showing a manufacturing process of the NAND cell according to the third embodiment.

【図17】第3の実施例の変形例を示す図。FIG. 17 is a diagram showing a modification of the third embodiment.

【図18】第4の実施例のNANDセルの製造工程を示
す図。
FIG. 18 is a view showing a manufacturing process of the NAND cell of the fourth embodiment.

【符号の説明】 1…n型シリコン基板 2,21…p型ウ
ェル 3…トンネル絶縁膜 4…浮遊ゲート 5…ゲート絶縁膜 6…制御ゲート 7…CVD絶縁膜 8…ビット線 10…素子分離絶縁膜 11…ゲート絶縁
膜 6a,12a…ゲート電極 23…電極配線 40a…第1層第1段多結晶シリコン膜 40b…第1層第2段多結晶シリコン膜 41…SiN膜
[Explanation of Codes] 1 ... N-type silicon substrate 2, 21 ... P-well 3 ... Tunnel insulating film 4 ... Floating gate 5 ... Gate insulating film 6 ... Control gate 7 ... CVD insulating film 8 ... Bit line 10 ... Element isolation insulation Film 11 ... Gate insulating film 6a, 12a ... Gate electrode 23 ... Electrode wiring 40a ... 1st layer 1st stage polycrystalline silicon film 40b ... 1st layer 2nd stage polycrystalline silicon film 41 ... SiN film

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 白田 理一郎 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝研究開発センター内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Riichiro Shirata 1 Komukai Toshiba-cho, Kouki-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa Incorporated Toshiba Research and Development Center

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】半導体基板上にトンネル絶縁膜を介して浮
遊ゲートを形成し、この浮遊ゲート上にゲート絶縁膜を
介して制御ゲートを形成して電気的書き替え可能なメモ
リセルを構成し、このメモリセルを複数個集積化した不
揮発性半導体記憶装置において、 前記浮遊ゲートは、半導体膜に複数種の不純物種がドー
プされてなることを特徴とする不揮発性半導体記憶装
置。
1. A floating gate is formed on a semiconductor substrate via a tunnel insulating film, and a control gate is formed on the floating gate via a gate insulating film to form an electrically rewritable memory cell. In the nonvolatile semiconductor memory device in which a plurality of memory cells are integrated, the floating gate is formed by doping a semiconductor film with a plurality of impurity species.
【請求項2】半導体基板上にトンネル絶縁膜を介して浮
遊ゲートを形成し、この浮遊ゲート上にゲート絶縁膜を
介して制御ゲートを形成して電気的書き替え可能なメモ
リセルを構成し、このメモリセルを複数個集積化した不
揮発性半導体記憶装置において、 前記浮遊ゲートは単層の多結晶シリコン膜からなり、こ
のシリコン膜に不純物として燐と砒素がそれぞれドープ
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 floating gate is formed on a semiconductor substrate via a tunnel insulating film, and a control gate is formed on the floating gate via a gate insulating film to form an electrically rewritable memory cell. In the nonvolatile semiconductor memory device in which a plurality of the memory cells are integrated, the floating gate is made of a single-layer polycrystalline silicon film, and the silicon film is doped with phosphorus and arsenic as impurities, respectively. Nonvolatile semiconductor memory device.
【請求項3】半導体基板上にトンネル絶縁膜を介して浮
遊ゲートを形成し、この浮遊ゲート上にゲート絶縁膜を
介して制御ゲートを形成して電気的書き替え可能なメモ
リセルを構成し、このメモリセルを複数個集積化した不
揮発性半導体記憶装置において、 前記浮遊ゲートは2層の多結晶シリコン膜からなり、下
層のシリコン膜には不純物として砒素がドープされ、上
層のシリコン膜には不純物として燐がドープされている
ことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
3. A floating gate is formed on a semiconductor substrate via a tunnel insulating film, and a control gate is formed on the floating gate via a gate insulating film to form an electrically rewritable memory cell. In the nonvolatile semiconductor memory device in which a plurality of memory cells are integrated, the floating gate is composed of a two-layer polycrystalline silicon film, the lower silicon film is doped with arsenic as an impurity, and the upper silicon film is doped with an impurity. A non-volatile semiconductor memory device, characterized in that it is doped with phosphorus.
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