JPH11260939A - Non-volatile semiconductor memory device and manufacture thereof - Google Patents

Non-volatile semiconductor memory device and manufacture thereof

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JPH11260939A
JPH11260939A JP10057980A JP5798098A JPH11260939A JP H11260939 A JPH11260939 A JP H11260939A JP 10057980 A JP10057980 A JP 10057980A JP 5798098 A JP5798098 A JP 5798098A JP H11260939 A JPH11260939 A JP H11260939A
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semiconductor substrate
floating gate
substrate
region
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve the data writing speed. SOLUTION: This is a non-volatile semiconductor memory device, using a mis-orientated substrate 10 which has a plurality of terraces 12 having crystallographocally smooth surfaces and having at least one step 11 located at the boundary part of the plurality of the terraces 12. In this case, the step 11 is formed substantially vertically with respect to the channel direction in the vicinity of a drain region 22. Hot electrons, which are injected into a floating gate 15 from the channel region through the step 11, are increased, and the data writing speed is improved.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、不揮発性半導体記
憶装置およびその製造方法に関する。
The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory device and a method for manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】電気的に情報の書き込みおよび消去が可
能な不揮発性半導体記憶装置としてフラッシュ型EEP
ROMが良く知られている。以下、図1(a)および
(b)を参照しながら、従来のフラッシュ型EEPRO
Mを説明する。図1(a)は、EEPROMのドレイン
領域近傍の局所領域を拡大して記載した断面図である。
図1(b)は、ソース/ドレイン領域およびチャネル領
域の全体的な配置を示す平面レイアウト図である。
2. Description of the Related Art A flash EEP is used as a nonvolatile semiconductor memory device capable of electrically writing and erasing information.
ROMs are well known. Hereinafter, a conventional flash type EEPROM will be described with reference to FIGS. 1 (a) and 1 (b).
M will be described. FIG. 1A is an enlarged cross-sectional view illustrating a local region near the drain region of the EEPROM.
FIG. 1B is a plan layout diagram showing the overall arrangement of the source / drain region and the channel region.

【0003】このEEPROMは、単結晶シリコン基板
51上に形成されたトンネル絶縁膜54、浮遊ゲート5
5、ゲート絶縁膜56および制御ゲート57と、シリコ
ン基板51に形成されたn+型不純物拡散層からなるソ
ース領域58およびドレイン領域59と、これらの間に
位置するチャネル領域とを備えている。制御ゲート57
に所定の電圧を与えることによって、シリコン基板51
とトンネル絶縁膜54との界面近傍にチャネル60が形
成される。ソース領域58の電位よりも高い電位をドレ
イン領域59に与えると、チャネル60内のキャリア
(電子)は基板表面近傍に形成された水平横方向の電位
勾配のために方向53に沿って加速され、その一部はホ
ットエレクトロン52となって浮遊ゲート55に注入さ
れる。このようなフラッシュ型EEPROMによれば、
データの書き込みは、チャネル60内のホットエレクト
ロン52を浮遊ゲート55へ注入することにより実現さ
れる。また、データの消去は、ソース領域58またはド
レイン領域59に高電圧を印加することによって浮遊ゲ
ート55から電子をソース領域58またはドレイン領域
59に放出させることによって実現される。
This EEPROM has a tunnel insulating film 54 and a floating gate 5 formed on a single crystal silicon substrate 51.
5, a gate insulating film 56 and a control gate 57, a source region 58 and a drain region 59 formed of an n + -type impurity diffusion layer formed on the silicon substrate 51, and a channel region located therebetween. Control gate 57
By applying a predetermined voltage to the silicon substrate 51
A channel 60 is formed in the vicinity of the interface between the semiconductor device and tunnel insulating film 54. When a potential higher than the potential of the source region 58 is applied to the drain region 59, carriers (electrons) in the channel 60 are accelerated along the direction 53 due to a horizontal and horizontal potential gradient formed near the substrate surface. A part thereof becomes hot electrons 52 and is injected into the floating gate 55. According to such a flash EEPROM,
Data writing is realized by injecting hot electrons 52 in the channel 60 into the floating gate 55. Further, data erasing is realized by applying electrons to the source region 58 or the drain region 59 by applying a high voltage to the source region 58 or the drain region 59.

【0004】浮遊ゲート55に電子が蓄積されているか
否かによってトランジスタ動作の閾値電圧が変化するた
め、データの読み出しは、ソース領域58とドレイン領
域59との間を流れる電流の大きさを検知することによ
って可能になる。
Since the threshold voltage of the transistor operation changes depending on whether or not electrons are accumulated in the floating gate 55, the data reading detects the magnitude of the current flowing between the source region 58 and the drain region 59. This is made possible by:

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】上記フラッシュ型EE
PROMのデータ書き込み速度はDRAMのデータ書き
込み速度に比べると2桁以上も小さい。典型的なフラッ
シュメモリとDRAMとの特性を比較すると、フラッシ
ュ型EEPROMの場合、「書き込み時間:10μs、
読み出し時間:100ns、保持電力の不要」に対し
て、DRAMの場合、「書き込み時間:70ns、読み
出し時間:70ns、保持電力の必要」という差があ
る。従来のフラッシュ型EEPROMによれば、データ
書き込みの際にゲート電圧を9V、ドレイン電圧を4.
5Vとした場合、データ読み出しに必要なトランジスタ
の閾値電圧の差(8V)を得るには、10μsもの長い
書き込み時間を要することになる。このような遅い書き
込み速度をある程度改善する目的のために、現在、書き
込み時のゲート電圧が高く設定されている。これらのこ
とが原因となって、従来の不揮発性半導体記憶措置では
低電圧動作/高速書き込みを望めないという問題があ
る。
SUMMARY OF THE INVENTION The above-mentioned flash type EE
The data writing speed of the PROM is at least two orders of magnitude lower than the data writing speed of the DRAM. Comparing the characteristics of a typical flash memory and a DRAM, in the case of a flash EEPROM, "writing time: 10 μs,
In the case of a DRAM, there is a difference between "read time: 100 ns, no holding power required" and "write time: 70 ns, read time: 70 ns, holding power required". According to the conventional flash EEPROM, the gate voltage is 9 V and the drain voltage is 4.
When the voltage is set to 5 V, it takes a long write time as long as 10 μs to obtain the difference (8 V) between the threshold voltages of the transistors required for data reading. For the purpose of improving such a slow writing speed to some extent, a gate voltage at the time of writing is currently set high. For these reasons, there is a problem that low-voltage operation / high-speed writing cannot be expected in the conventional nonvolatile semiconductor memory device.

【0006】本発明は上記課題に鑑みてなされたもので
あり、その目的とするところは、半導体/トンネル絶縁
膜の界面に意図的に形成した凹凸を利用してホットエレ
クトロンを浮遊ゲートに効率よく注入し得る不揮発性半
導体記憶装置およびその製造方法を提供するものであ
る。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to make it possible to efficiently apply hot electrons to a floating gate by utilizing irregularities intentionally formed at an interface between a semiconductor and a tunnel insulating film. It is intended to provide an implantable nonvolatile semiconductor memory device and a method of manufacturing the same.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明による不揮発性半
導体記憶装置は、半導体基板と、前記半導体基板の表面
に形成されたチャネル領域と、前記チャネル領域を間に
はさんで前記半導体基板の前記表面に形成されたソース
領域およびドレイン領域と、前記半導体基板の前記表面
上に形成された第1絶縁膜と、前記第1絶縁膜上に形成
された浮遊ゲートと、前記浮遊ゲート上に形成された第
2絶縁膜と、前記第2絶縁膜上を介して前記浮遊ゲート
に容量結合される制御ゲートと、を備えた不揮発性半導
体記憶装置であって、前記半導体基板はミスオリエンテ
ーション基板であり、前記半導体基板の前記表面は、結
晶学的に平滑な面を持つ複数のテラスと、前記複数のテ
ラスの境界部に位置する少なくとも1つのステップとを
有し、前記ステップは、チャネル長方向に対して実質的
に垂直である。
A nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention comprises a semiconductor substrate, a channel region formed on the surface of the semiconductor substrate, and the semiconductor substrate having the channel region interposed therebetween. A source region and a drain region formed on the surface, a first insulating film formed on the surface of the semiconductor substrate, a floating gate formed on the first insulating film, and a floating gate formed on the floating gate. A non-volatile semiconductor memory device, comprising: a second insulating film, and a control gate capacitively coupled to the floating gate via the second insulating film, wherein the semiconductor substrate is a mis-orientation substrate; The surface of the semiconductor substrate includes a plurality of terraces having a crystallographically smooth surface, and at least one step located at a boundary between the plurality of terraces. Is substantially perpendicular to the channel length direction.

【0008】前記ステップは、前記半導体基板の前記表
面において、前記ソース領域よりも前記ドレイン領域に
近い位置に形成されていることが好ましい。
Preferably, the step is formed on the surface of the semiconductor substrate at a position closer to the drain region than to the source region.

【0009】本発明による他の不揮発性半導体記憶装置
は、半導体基板と、前記半導体基板の表面に形成された
チャネル領域と、前記チャネル領域を間にはさんで前記
半導体基板の前記表面に形成されたソース領域およびド
レイン領域と、前記半導体基板の前記表面上に形成され
た第1絶縁膜と、前記第1絶縁膜上に形成された浮遊ゲ
ートと、前記浮遊ゲート上に形成された第2絶縁膜と、
前記第2絶縁膜上を介して前記浮遊ゲートに容量結合さ
れる制御ゲートと、を備えた不揮発性半導体記憶装置で
あって、前記半導体基板の前記表面はチャネル長方向に
対して実質的に垂直に延びる溝を有しており、前記半導
体基板の表面は、結晶学的に平滑な面を有している。
Another non-volatile semiconductor memory device according to the present invention comprises a semiconductor substrate, a channel region formed on the surface of the semiconductor substrate, and a channel region formed on the surface of the semiconductor substrate with the channel region interposed therebetween. Source and drain regions, a first insulating film formed on the surface of the semiconductor substrate, a floating gate formed on the first insulating film, and a second insulating film formed on the floating gate. Membrane and
A control gate capacitively coupled to the floating gate via the second insulating film, wherein the surface of the semiconductor substrate is substantially perpendicular to a channel length direction. And the surface of the semiconductor substrate has a crystallographically smooth surface.

【0010】前記半導体基板の前記表面は、結晶学的に
平滑な面を持つ複数のテラスと、前記複数のテラスの境
界部に位置する少なくとも1つのステップとを有してい
てもよい。
[0010] The surface of the semiconductor substrate may include a plurality of terraces having a crystallographically smooth surface, and at least one step located at a boundary between the plurality of terraces.

【0011】ある実施形態では、前記溝の少なくとも一
部が前記浮遊ゲートによって覆われている。
In one embodiment, at least a part of the groove is covered by the floating gate.

【0012】本発明による不揮発性半導体記憶装置の製
造方法は、半導体基板と、前記半導体基板の表面に形成
されたチャネル領域と、前記チャネル領域を間にはさん
で前記半導体基板の前記表面に形成されたソース領域お
よびドレイン領域と、前記半導体基板の前記表面上に形
成された第1絶縁膜と、前記第1絶縁膜上に形成された
浮遊ゲートと、前記浮遊ゲート上に形成された第2絶縁
膜と、前記第2絶縁膜上を介して前記浮遊ゲートに容量
結合される制御ゲートとを備えた不揮発性半導体記憶装
置の製造方法であって、前記半導体基板としてミスオリ
エンテーション基板を用意する工程と、前記半導体基板
の前記表面に、結晶学的に平滑な面を持つ複数のテラス
と、前記複数のテラスの境界部に位置する少なくとも1
つのステップとを形成する工程と、前記ステップがチャ
ネル長方向に対して実質的に垂直となるように前記ソー
ス領域および前記ドレイン領域を形成する工程と、を包
含する。
According to a method of manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device of the present invention, a semiconductor substrate, a channel region formed on a surface of the semiconductor substrate, and a channel region formed on the surface of the semiconductor substrate with the channel region interposed therebetween. Source and drain regions, a first insulating film formed on the surface of the semiconductor substrate, a floating gate formed on the first insulating film, and a second gate formed on the floating gate. What is claimed is: 1. A method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device comprising: an insulating film; and a control gate capacitively coupled to said floating gate via said second insulating film, wherein a mis-orientation substrate is provided as said semiconductor substrate. A plurality of terraces having a crystallographically smooth surface on the surface of the semiconductor substrate; and at least one terrace located at a boundary between the plurality of terraces.
And forming the source region and the drain region such that the step is substantially perpendicular to the channel length direction.

【0013】ある実施形態では、前記浮遊ゲートが前記
ステップの少なくとも一部を覆うように前記浮遊ゲート
を形成する工程を包含する。
In one embodiment, the method includes forming the floating gate such that the floating gate covers at least a portion of the step.

【0014】前記ステップが前記半導体基板の前記表面
において前記ソース領域よりも前記ドレイン領域に近い
位置にくるように前記ソース領域およびドレイン領域を
形成する工程を包含することが好ましい。
Preferably, the step includes a step of forming the source region and the drain region so as to be closer to the drain region than the source region on the surface of the semiconductor substrate.

【0015】本発明による不揮発性半導体記憶装置の製
造方法は、半導体基板と、前記半導体基板の表面に形成
されたチャネル領域と、前記チャネル領域を間にはさん
で前記半導体基板の前記表面に形成されたソース領域お
よびドレイン領域と、前記半導体基板の前記表面上に形
成された第1絶縁膜と、前記第1絶縁膜上に形成された
浮遊ゲートと、前記浮遊ゲート上に形成された第2絶縁
膜と、前記第2絶縁膜上を介して前記浮遊ゲートに容量
結合される制御ゲートとを備えた不揮発性半導体記憶装
置の製造方法であって、前記半導体基板として表面に溝
が形成された基板を用意する工程と、前記半導体基板の
前記表面に、結晶学的に平滑な面を持つ複数のテラス
と、前記複数のテラスの境界部に位置する少なくとも1
つのステップとを形成する工程と、前記溝がチャネル長
方向に対して実質的に垂直にとなるように前記ソース領
域および前記ドレイン領域を形成する工程と、を包含す
る。
In a method of manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention, a semiconductor substrate, a channel region formed on a surface of the semiconductor substrate, and a channel region formed on the surface of the semiconductor substrate with the channel region interposed therebetween. Source and drain regions, a first insulating film formed on the surface of the semiconductor substrate, a floating gate formed on the first insulating film, and a second gate formed on the floating gate. A method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device, comprising: an insulating film; and a control gate capacitively coupled to the floating gate via the second insulating film, wherein a groove is formed on a surface as the semiconductor substrate. Providing a substrate; a plurality of terraces having a crystallographically smooth surface on the surface of the semiconductor substrate; and at least one terrace located at a boundary between the plurality of terraces.
And forming the source region and the drain region such that the trench is substantially perpendicular to the channel length direction.

【0016】ある実施形態では、前記浮遊ゲートが前記
溝の少なくとも一部を覆うように前記浮遊ゲートを形成
する工程を包含する。
In one embodiment, the method includes forming the floating gate so that the floating gate covers at least a part of the trench.

【0017】ある実施形態では、前記ステップを形成す
る工程は、前記半導体基板の表面原子を再配列させる工
程を包含する。
In one embodiment, the step of forming the step includes a step of rearranging surface atoms of the semiconductor substrate.

【0018】前記半導体基板の表面原子の再配列は、真
空中で前記半導体基板を加熱することによって行うこと
が好ましい。
Preferably, the rearrangement of the surface atoms of the semiconductor substrate is performed by heating the semiconductor substrate in a vacuum.

【0019】前記ソース領域および前記ドレイン領域と
は別に、前記チャネル長方向に垂直な方向に沿ったチャ
ネルを形成する他のソース領域およびドレイン領域を更
に備えていてもよい。
In addition to the source region and the drain region, the semiconductor device may further include another source region and a drain region forming a channel along a direction perpendicular to the channel length direction.

【0020】[0020]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
による不揮発性半導体記憶装置の実施形態を説明する。 (第1の実施形態)図2は、本実施形態にかかる不揮発
性半導体記憶装置の主要部断面を示している。この半導
体記憶装置は、図2に示されるように、p型の単結晶シ
リコン基板10と、シリコン基板10の表面上に形成さ
れたトンネル絶縁膜(第1絶縁膜)14と、トンネル絶
縁膜14上に形成された浮遊ゲート15と、浮遊ゲート
15上に形成された容量絶縁膜(第2絶縁膜)16と、
容量絶縁膜16を介して浮遊ゲート15に容量結合され
る制御ゲート17とを備えている。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of a nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention will be described with reference to the drawings. First Embodiment FIG. 2 shows a cross section of a main part of a nonvolatile semiconductor memory device according to the present embodiment. As shown in FIG. 2, the semiconductor memory device includes a p-type single crystal silicon substrate 10, a tunnel insulating film (first insulating film) 14 formed on the surface of the silicon substrate 10, and a tunnel insulating film 14 A floating gate 15 formed thereon, a capacitive insulating film (second insulating film) 16 formed on the floating gate 15,
A control gate 17 that is capacitively coupled to the floating gate 15 via the capacitive insulating film 16.

【0021】シリコン基板10はミスオリエンテーショ
ン基板であり、シリコン基板10の表面は、結晶学的に
平滑な面を持つ複数のテラス12と、複数のテラス12
の境界部に位置するステップ(atomic step)11とを
有するように処理されている。本実施形態では、シリコ
ン基板10として、表面が(001)面から角度θだけ
[110]方向にミスオリエンテーションを起こしたも
のを用いる。
The silicon substrate 10 is a mis-orientation substrate. The surface of the silicon substrate 10 has a plurality of terraces 12 having crystallographically smooth surfaces and a plurality of terraces 12.
And the step (atomic step) 11 located at the boundary of. In the present embodiment, a silicon substrate whose surface is misoriented in the [110] direction by an angle θ from the (001) plane is used.

【0022】シリコン基板10の表面には、n+型拡散
層からなるソース領域21およびドレイン領域22が形
成されており、その間の領域がチャネル領域として機能
する。チャネル領域内には少なくとも1つのステップ1
1が形成されており、浮遊ゲート15は、このチャネル
領域を完全に覆い、かつ、チャネル領域内のステップ1
1を跨ぐように形成されている。
On the surface of the silicon substrate 10, a source region 21 and a drain region 22 made of an n + type diffusion layer are formed, and a region between them functions as a channel region. At least one step 1 in the channel region
1 is formed, the floating gate 15 completely covers the channel region, and the step 1 in the channel region is formed.
1 is formed.

【0023】このような表面を持つシリコン基板10
は、ミスオリエンテーション基板の真空中加熱や、シリ
コンのホモエピタキシャル成長によって得られる。ステ
ップ11およびテラス12の密度(単位面積あたりの
数)は、シリコン基板10のミスオリエンテーション角
θ(基板に垂直な方向とテラス12の法線とが作る角
度)によって規定される。なお、本実施形態では、ステ
ップ11がシリコン基板10の表面において、ソース領
域21よりもドレイン領域22に近く位置するようにし
ている。
The silicon substrate 10 having such a surface
Can be obtained by heating the mis-orientation substrate in a vacuum or by homoepitaxial growth of silicon. The density (the number per unit area) of the step 11 and the terrace 12 is defined by the misorientation angle θ of the silicon substrate 10 (the angle between the direction perpendicular to the substrate and the normal line of the terrace 12). In this embodiment, the step 11 is located closer to the drain region 22 than the source region 21 on the surface of the silicon substrate 10.

【0024】このようなシリコン基板10を得るには、
次のようにすればよい。まず、シリコン基板の表面から
有機物などを除去するため、RCA洗浄をシリコン基板
に対して施す。次に、ウェット酸化によってシリコン基
板の表面に熱酸化膜を形成した後、その熱酸化膜をフッ
酸等で除去する。こうすることによって、シリコン基板
表面の加工層が除去される。この時点では、シリコン基
板の表面には微細な凹凸が不規則に形成されている。
To obtain such a silicon substrate 10,
You can do as follows. First, RCA cleaning is performed on a silicon substrate to remove organic substances and the like from the surface of the silicon substrate. Next, after forming a thermal oxide film on the surface of the silicon substrate by wet oxidation, the thermal oxide film is removed with hydrofluoric acid or the like. Thus, the processed layer on the surface of the silicon substrate is removed. At this point, fine irregularities are irregularly formed on the surface of the silicon substrate.

【0025】次に、シリコン基板を超高真空チャンバー
内にセットし、チャンバー内の圧力を約4〜6×10-9
Paに減圧する。次に、短時間加熱法によってシリコン
基板を急速に加熱し、約1〜5秒間程度で1150〜1
250℃にまで昇温する。その後、徐々に室温近くの温
度にまで冷却する。冷却の過程でシリコン基板表面にお
けるシリコンが再配列し、(2×1)構造が形成され
る。シリコン基板の主面が(001)面からオフしてい
るため、原子ステップと平坦なテラスのある構造が形成
される。これらの表面処理方法は、特開平9-51097号公
報に記載されている。なお、このような加熱清浄化法の
代わりに、水素雰囲気中での高温処理やホモエピタキシ
ャル成長技術を用いて、ミスオリエンテーション基板の
最表面でシリコン原子の再配列を生じさせても、同様の
表面構造を形成することができる。
Next, the silicon substrate is set in an ultrahigh vacuum chamber, and the pressure in the chamber is set to about 4 to 6 × 10 −9.
The pressure is reduced to Pa. Next, the silicon substrate is rapidly heated by a short-time heating method, and is heated for about 1 to 5 seconds to 1150 to 1
Raise the temperature to 250 ° C. Then, it is gradually cooled to a temperature close to room temperature. During the cooling process, silicon on the surface of the silicon substrate rearranges to form a (2 × 1) structure. Since the main surface of the silicon substrate is off from the (001) plane, a structure having an atomic step and a flat terrace is formed. These surface treatment methods are described in JP-A-9-51097. It should be noted that even if silicon atoms are rearranged on the outermost surface of the misorientation substrate by using a high-temperature treatment in a hydrogen atmosphere or a homoepitaxial growth technique instead of such a heat cleaning method, the same surface structure is obtained. Can be formed.

【0026】ミスオリエンテーション角度θを2度とし
て、ステップ間隔(テラス幅)Lが約200nmとなる
ようにステップ形成工程の条件を制御すると、形成され
るステップ11の高さは約7nmになる。こに対して、
ミスオリエンテーション角度θが5.7度の場合、ステ
ップ間隔(テラス幅)Lを約200nmとすると、ステ
ップ11の高さは約20nmになる。ステップ間隔(テ
ラス幅)Lが約200nmの場合、チャネル長を約40
0nm(0.4μm)よりも短く設定すれば、1つのチ
ャネル領域を一本のステップ11が横切るようなレイア
ウトが実現できる。
When the misorientation angle θ is 2 degrees and the conditions of the step forming process are controlled so that the step interval (terrace width) L is about 200 nm, the height of the formed step 11 becomes about 7 nm. Against this
When the misorientation angle θ is 5.7 degrees and the step interval (terrace width) L is about 200 nm, the height of the step 11 is about 20 nm. When the step interval (terrace width) L is about 200 nm, the channel length is about 40
If the length is set shorter than 0 nm (0.4 μm), a layout in which one step 11 crosses one channel region can be realized.

【0027】図3は、シリコン基板10の表面から内部
への深さに応じて、チャネル領域内の電子密度がどのよ
うに分布するかを示すグラフである。電子密度が最も大
きくなる深さPの典型的な値は、0.5〜2.0nmで
ある。深さPは、温度やバイアス電圧の大きさによって
も変化する。図3からわかるように、深さPの大きさは
ステップ11の高さよりも小さいため、チャネル長方向
に沿って移動する電子は、ステップ11を十分に「感じ
る」ことになる。本実施形態によれば、図2に示される
ソース領域21からドレイン領域22に電子が移動する
途中において、ドレイン領域22に近い位置にステップ
11が存在するため、ドレイン領域22の近傍で生成し
たホットエレクトロンが矢印に沿ってステップ11を通
過し、浮遊ゲート15に注入されやすい。このため、デ
ータの書き込み時の電子注入効率が改善される。ホット
エレクトロンの多くはドレイン領域22の近傍で形成さ
れるため、ステップ11の位置がソース領域21に近す
ぎると、電子注入効率の改善は不十分になる。電子注入
効率を改善するには、少なくとも1つのステップ11を
ドレイン領域22の近くに位置させることが好ましい。
なお、ステップ11は、チャネルを直線的に横切る必要
はなく、複雑な平面パターンを有していてもよい。
FIG. 3 is a graph showing how the electron density in the channel region is distributed according to the depth from the surface to the inside of the silicon substrate 10. A typical value of the depth P at which the electron density becomes maximum is 0.5 to 2.0 nm. The depth P changes depending on the temperature and the magnitude of the bias voltage. As can be seen from FIG. 3, since the depth P is smaller than the height of the step 11, electrons moving along the channel length direction sufficiently “feel” the step 11. According to the present embodiment, since the step 11 exists at a position near the drain region 22 while electrons move from the source region 21 to the drain region 22 shown in FIG. Electrons pass through the step 11 along the arrow and are easily injected into the floating gate 15. Therefore, the electron injection efficiency at the time of writing data is improved. Since most of the hot electrons are formed near the drain region 22, if the position of the step 11 is too close to the source region 21, the improvement of the electron injection efficiency becomes insufficient. To improve the electron injection efficiency, it is preferable that at least one step 11 is located near the drain region 22.
Step 11 does not need to cross the channel linearly, and may have a complicated planar pattern.

【0028】ステップ11の形成工程は、浮遊ゲート1
5の形成工程や素子分離形成工程の前に行われる。その
ため、シリコン基板10の表面にステップ11を形成し
た後、その位置に合わせて活性領域および素子分離領域
を規定し、その後、浮遊ゲート15をパターニングする
ことになる。例えば活性領域を規定するレジストパター
ンを形成するためのリソグラフィ工程において、ステッ
プ11の位置と活性領域の位置を所定の関係に整合させ
る際、ステップ11の位置は、原子間力顕微鏡等によっ
て観察される。
The formation process of step 11 is performed by using the floating gate 1
5 is performed before the forming step and the element isolation forming step. Therefore, after the step 11 is formed on the surface of the silicon substrate 10, an active region and an element isolation region are defined in accordance with the position, and then the floating gate 15 is patterned. For example, in a lithography process for forming a resist pattern defining an active region, when matching the position of step 11 with the position of the active region in a predetermined relationship, the position of step 11 is observed by an atomic force microscope or the like. .

【0029】次に、図2の装置の製造方法を説明する。Next, a method of manufacturing the apparatus shown in FIG. 2 will be described.

【0030】まず、図2に示されるような表面を持つシ
リコン基板10を用意する。次に、通常の熱酸化法もし
くは化学的気相成長(CVD)法などの薄膜形成方法を
用いて、シリコン基板10上にトンネル絶縁膜14を形
成する。本実施形態では、乾燥酸素雰囲気の電気炉内で
750℃程度の温度でシリコン基板10を熱処理するこ
とによって、厚さ10nmのトンネル絶縁膜14をシリ
コン基板10の表面に形成する。この後、ピンホールな
どの酸化膜欠陥をトンネル絶縁膜14から除去するため
に、乾燥窒素中にてアニール処理を実行する。
First, a silicon substrate 10 having a surface as shown in FIG. 2 is prepared. Next, the tunnel insulating film 14 is formed on the silicon substrate 10 by using a thin film forming method such as a normal thermal oxidation method or a chemical vapor deposition (CVD) method. In the present embodiment, a 10-nm-thick tunnel insulating film 14 is formed on the surface of the silicon substrate 10 by heat-treating the silicon substrate 10 at a temperature of about 750 ° C. in an electric furnace in a dry oxygen atmosphere. Thereafter, an annealing process is performed in dry nitrogen to remove oxide film defects such as pinholes from the tunnel insulating film 14.

【0031】上記熱酸化の反応は、通常の熱酸化の場合
と同様にSiO2/Si界面にて生じるため、酸化反応
の進行に伴ってSiO2/Si界面はシリコン基板10
の内部へと移動する。一般には、形成される酸化膜が厚
くなるにつれて 酸化反応の機構は、初期過程から反応
律則過程を経て拡散律則過程に変化するが、本実施形態
の場合、形成される酸化膜が極めて薄いため、酸化反応
の機構は初期過程の域を超えない。本実施形態の不揮発
性半導体記憶装置が従来の不揮発性半導体記憶装置と大
きく異なる点の1つは、シリコン基板10の表面が原子
的に平坦な面(テラス12)を有していることにある。
このため、熱酸化工程において、特定の酸化種侵入経路
が発生しにくく、酸化種とシリコン表面原子との反応が
均一に進むと考えられる。その結果、トンネル絶縁膜1
4の質が向上し、装置の信頼性および寿命の改善がはか
られることになる。
Since the above-mentioned thermal oxidation reaction occurs at the SiO 2 / Si interface as in the case of the normal thermal oxidation, the SiO 2 / Si interface is changed to the silicon substrate 10 as the oxidation reaction proceeds.
Move inside the. Generally, as the thickness of the formed oxide film increases, the mechanism of the oxidation reaction changes from the initial process to the diffusion rule process through the reaction rule process, but in the case of the present embodiment, the formed oxide film is extremely thin. Therefore, the mechanism of the oxidation reaction does not go beyond the initial stage. One of the major differences between the nonvolatile semiconductor memory device of the present embodiment and the conventional nonvolatile semiconductor memory device is that the surface of the silicon substrate 10 has an atomically flat surface (terrace 12). .
For this reason, it is considered that a specific oxidizing species intrusion path hardly occurs in the thermal oxidation step, and the reaction between the oxidizing species and the silicon surface atoms proceeds uniformly. As a result, the tunnel insulating film 1
4 is improved, and the reliability and life of the device are improved.

【0032】次に、浮遊ゲート15として機能する第1
の多結晶シリコン膜(例えば厚さ200nm)をCVD
法によってトンネル絶縁膜14上に形成する。その後、
多結晶シリコン膜の表面を熱酸化することによって、厚
さ20nm程度の容量酸化膜16を多結晶シリコン膜上
に形成する。最後に、制御ゲート17として機能する第
2の多結晶シリコン膜(例えば厚さ200nm)をCV
D法によって容量絶縁膜16上に形成する。なお、各ゲ
ートの材料は多結晶シリコン膜に限定されない。また、
容量酸化膜16は、窒化層を二層の酸化層で挟んだON
O膜から形成されても良い。これらの積層構造を公知の
リソグラフィ技術およびドライエッチング技術によって
パターニングすることによって、図2のゲート構造が得
られる。その後、ゲート構造をマスクとして不純物イオ
ンを基板10に注入し、それによって、ソース領域21
およびドレイン領域22を形成する。
Next, the first functioning as the floating gate 15
CVD polycrystalline silicon film (eg, 200 nm thick)
It is formed on the tunnel insulating film 14 by a method. afterwards,
By thermally oxidizing the surface of the polycrystalline silicon film, a capacitance oxide film 16 having a thickness of about 20 nm is formed on the polycrystalline silicon film. Finally, a second polycrystalline silicon film (for example, 200 nm thick) functioning as the control gate 17 is
Formed on the capacitive insulating film 16 by the D method. Note that the material of each gate is not limited to a polycrystalline silicon film. Also,
The capacitance oxide film 16 has an ON state in which a nitride layer is sandwiched between two oxide layers.
It may be formed from an O film. The gate structure shown in FIG. 2 is obtained by patterning these laminated structures by a known lithography technique and dry etching technique. Thereafter, impurity ions are implanted into the substrate 10 using the gate structure as a mask, whereby the source region 21 is formed.
And a drain region 22 are formed.

【0033】本実施形態の装置によれば、書き込み動作
は、例えばドレイン領域22に5V、制御ゲート17に
7〜9V、ソース領域21および基板10に0Vの電圧
を印加した状態で実行される。この場合、ソース領域2
1から出た電子は、チャネル領域内をドレイン領域22
に向かって移動しながらチャネル領域内の水平横方向電
界からエネルギーを獲得し、チャネル領域内の高電界領
域でホットエレクトロンとなり、半導体基板10とトン
ネル絶縁膜14との間の障壁を超えて浮遊ゲート15に
注入される。前述したように、本実施形態の装置によれ
ば、チャネル長方向に垂直な方向に延びるステップ11
がチャネル領域を横切っている。このため、ステップ1
1の部分で、ホットエレクトロンの進行方向を横切るよ
うにトンネル絶縁膜14及び浮遊ゲート15の下面が位
置し、その部分からホットエレクトロンが浮遊ゲート1
5に効率的に注入される。
According to the apparatus of the present embodiment, the write operation is performed in a state where, for example, a voltage of 5 V is applied to the drain region 22, a voltage of 7 to 9 V is applied to the control gate 17, and a voltage of 0 V is applied to the source region 21 and the substrate 10. In this case, source region 2
The electrons emitted from the channel region 1 flow into the drain region 22 in the channel region.
While moving toward the horizontal direction, energy is obtained from the horizontal lateral electric field in the channel region, becomes hot electrons in the high electric field region in the channel region, and crosses the barrier between the semiconductor substrate 10 and the tunnel insulating film 14 to form a floating gate. 15 is injected. As described above, according to the apparatus of the present embodiment, the step 11 extending in the direction perpendicular to the channel length direction is performed.
Crosses the channel region. Therefore, step 1
1, the lower surfaces of the tunnel insulating film 14 and the floating gate 15 are located so as to cross the traveling direction of the hot electrons.
5 is efficiently injected.

【0034】また、ソース領域21から出た電子が半導
体表面のテラス12に沿って走行し、ステップ11に到
達する。テラス12は原子的尺度で平滑なため、散乱が
少なく、高いエネルギを持った電子が生成されやすい。
このことは、トンネル絶縁膜14によるエネルギー障壁
を越えて浮遊ゲート15に注入される電子の数を増大さ
せることになり、いっそう注入効率が向上する。
Also, the electrons emitted from the source region 21 travel along the terrace 12 on the semiconductor surface, and reach step 11. Since the terrace 12 is smooth on an atomic scale, scattering is small, and electrons having high energy are easily generated.
This increases the number of electrons injected into the floating gate 15 beyond the energy barrier of the tunnel insulating film 14, and the injection efficiency is further improved.

【0035】この不揮発性半導体記憶装置によれば、消
去動作は、制御ゲート17に−6〜−8V、ドレイン領
域22に5〜6V、ソース領域21および基板10に0
Vの電圧を印加した状態で実行される。この場合、トン
ネル絶縁膜14内を流れるトンネル電流によって浮遊ゲ
ート15内の電子をドレイン領域22に引き抜く。な
お、消去動作は、制御ゲート17に−6〜−8V、ソー
ス領域21に5〜6V、ドレイン領域22および基板1
0に0Vの電圧を印加した状態で実行してもよい。この
とき、電子の引き抜きは浮遊ゲート15のソース側エッ
ジ部分で起こる。この場合、書き込み動作時における電
子注入の位置と、消去動作時における電子のトンネリン
グ位置とが異なるため、トンネル絶縁膜14の劣化が少
なく、信頼性に優れるという効果が得られる。
According to this nonvolatile semiconductor memory device, the erasing operation is performed by controlling the control gate 17 at -6 to -8 V, the drain region 22 at 5 to 6 V, and the source region 21 and the substrate 10 at 0 V.
It is executed in a state where a voltage of V is applied. In this case, electrons in the floating gate 15 are extracted to the drain region 22 by a tunnel current flowing in the tunnel insulating film 14. The erasing operation is performed by controlling the control gate 17 at -6 to -8 V, the source region 21 at 5 to 6 V, the drain region 22 and the substrate 1.
It may be executed in a state where a voltage of 0 V is applied to 0. At this time, the extraction of electrons occurs at the source side edge of the floating gate 15. In this case, since the position of the electron injection during the writing operation is different from the position of the tunneling of the electrons during the erasing operation, there is obtained an effect that the tunnel insulating film 14 is less deteriorated and the reliability is excellent.

【0036】本実施形態では、各チャネル領域内に1つ
のステップ11形成されているが、複数のステップが1
つのチャネル領域内に形成されていても良い。
In this embodiment, one step 11 is formed in each channel region.
It may be formed in one channel region.

【0037】(第2の実施形態)図4(a)から(c)
を参照しながら、本発明による不揮発性半導体記憶装置
の第2の実施形態を説明する。
(Second Embodiment) FIGS. 4A to 4C
A second embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention will be described with reference to FIG.

【0038】図4(a)は、本実施形態の不揮発性半導
体記憶装置に用いるシリコン基板10の斜視図である。
このシリコン基板10は、表面が(001)面の単結晶
シリコンから構成されたミスオリエンテーション基板で
ある。このシリコン基板10の表面も、前述のシリコン
基板10と同様に、最表面シリコン原子の再配列によっ
て形成されたステップ11とテラス12と有している。
このようなステップ11およびテラス12の表面形態
は、前述のように、真空中の加熱清浄化やシリコンのホ
モエピタキシャル成長により得られる。本実施形態で
は、ステップ11がランダムに配列され、チャネル領域
内を複数のステップ11が横切っている。
FIG. 4A is a perspective view of the silicon substrate 10 used in the nonvolatile semiconductor memory device of the present embodiment.
The silicon substrate 10 is a misorientation substrate made of single crystal silicon having a (001) surface. The surface of the silicon substrate 10 also has a step 11 and a terrace 12 formed by rearrangement of the outermost silicon atoms, similarly to the above-described silicon substrate 10.
As described above, the surface morphology of the step 11 and the terrace 12 can be obtained by heat cleaning in vacuum or homoepitaxial growth of silicon. In this embodiment, the steps 11 are randomly arranged, and a plurality of steps 11 cross the channel region.

【0039】図4(b)は、本実施形態の不揮発性半導
体記憶装置の主要部の断面を示している。この半導体記
憶装置は、図4(b)に示されるように、シリコン基板
10と、シリコン基板10の表面上に形成されたトンネ
ル絶縁膜14と、トンネル絶縁膜14上に形成された浮
遊ゲート15と、浮遊ゲート15上に形成された容量絶
縁膜16と、容量絶縁膜16を介して浮遊ゲート15に
容量結合される制御ゲート17とを備えている。
FIG. 4B shows a cross section of a main part of the nonvolatile semiconductor memory device of the present embodiment. As shown in FIG. 4B, the semiconductor memory device includes a silicon substrate 10, a tunnel insulating film 14 formed on the surface of the silicon substrate 10, and a floating gate 15 formed on the tunnel insulating film 14. A capacitance insulating film 16 formed on the floating gate 15; and a control gate 17 capacitively coupled to the floating gate 15 via the capacitance insulating film 16.

【0040】前述したように、シリコン基板10はミス
オリエンテーション基板であり、シリコン基板10の表
面は、結晶学的に平滑な面を持つ複数のテラス12と、
複数のテラス12の境界部に位置するステップ11とを
有している。
As described above, the silicon substrate 10 is a mis-orientation substrate, and the surface of the silicon substrate 10 has a plurality of terraces 12 having crystallographically smooth surfaces.
And step 11 located at the boundary between the plurality of terraces 12.

【0041】図4(c)は、本実施形態の不揮発性半導
体記憶装置の平面レイアウト図である。この半導体記憶
装置は、シリコン基板10の表面に形成されたチャネル
領域18と、チャネル領域18を間にはさんでシリコン
基板10の表面に形成されたソース領域21およびドレ
イン領域22とを備えている。ステップ11は、Y方向
に平行に延びている。
FIG. 4C is a plan layout diagram of the nonvolatile semiconductor memory device of the present embodiment. This semiconductor storage device includes a channel region 18 formed on the surface of the silicon substrate 10 and a source region 21 and a drain region 22 formed on the surface of the silicon substrate 10 with the channel region 18 interposed therebetween. . Step 11 extends parallel to the Y direction.

【0042】以下に、本実施形態の半導体記憶装置の製
造方法を説明する。
Hereinafter, a method for manufacturing the semiconductor memory device according to the present embodiment will be described.

【0043】まず、図4(a)のシリコン基板10を用
意する。第1の実施形態について説明した方法によっ
て、本実施形態に使用し得るシリコン基板10が得られ
る。ただし、本実施形態では、ステップ11の数や間隔
は、第1の実施形態の場合のように制御される必要はな
い。本実施形態では、複数のステップ11がランダムな
間隔で各チャネル領域に存在してもよいからである。本
実施形態の場合、活性領域および素子分離領域の形成
は、下地基板10の表面の微細な構造に対して位置合わ
せすることなく実行される。
First, the silicon substrate 10 shown in FIG. 4A is prepared. By the method described in the first embodiment, a silicon substrate 10 that can be used in the present embodiment is obtained. However, in the present embodiment, the number and intervals of Step 11 do not need to be controlled as in the case of the first embodiment. This is because, in the present embodiment, a plurality of steps 11 may exist in each channel region at random intervals. In the case of the present embodiment, the formation of the active region and the element isolation region is performed without positioning the fine structure on the surface of the base substrate 10.

【0044】次に、通常の熱酸化法もしくはCVD法な
どの薄膜形成方法を用いて、シリコン基板10上にトン
ネル絶縁膜14を形成する。例えば、乾燥酸素雰囲気の
電気炉内で750℃程度の温度でシリコン基板10を熱
処理することによって、厚さ10nmのトンネル絶縁膜
14をシリコン基板10の表面に形成する。この後、ピ
ンホールなどの酸化膜欠陥をトンネル絶縁膜14から除
去するために、乾燥窒素中にてアニール処理を実行す
る。
Next, a tunnel insulating film 14 is formed on the silicon substrate 10 by using a normal thin film forming method such as a thermal oxidation method or a CVD method. For example, a 10-nm-thick tunnel insulating film 14 is formed on the surface of the silicon substrate 10 by heat-treating the silicon substrate 10 at a temperature of about 750 ° C. in an electric furnace in a dry oxygen atmosphere. Thereafter, an annealing process is performed in dry nitrogen to remove oxide film defects such as pinholes from the tunnel insulating film 14.

【0045】次に、浮遊ゲート15として機能する多結
晶シリコン膜(厚さ200nm)をCVD法によってト
ンネル絶縁膜14上に形成する。その後、浮遊ゲート1
5の表面を熱酸化することによって、厚さ20nmの容
量酸化膜16を浮遊ゲート15上に形成する。最後に、
制御ゲート17として機能する厚さ200nmの多結晶
シリコン膜をCVD法によって容量絶縁膜16上に堆積
し、多層膜を形成する。こうして、図4(b)に示され
る構造を得ることができる。この後、多層膜をパターニ
ングすることによって、ゲート構造を形成した後、イオ
ン注入法によって図4(c)に示される位置にソース領
域21およびドレイン領域22を形成する。
Next, a polycrystalline silicon film (200 nm thick) functioning as the floating gate 15 is formed on the tunnel insulating film 14 by the CVD method. Then, floating gate 1
5 is thermally oxidized to form a 20 nm-thick capacitive oxide film 16 on the floating gate 15. Finally,
A polycrystalline silicon film having a thickness of 200 nm functioning as the control gate 17 is deposited on the capacitance insulating film 16 by a CVD method to form a multilayer film. Thus, the structure shown in FIG. 4B can be obtained. Thereafter, a gate structure is formed by patterning the multilayer film, and then a source region 21 and a drain region 22 are formed at the positions shown in FIG. 4C by ion implantation.

【0046】本実施形態の装置によれば、書き込み動作
は、例えばドレイン領域22に5V、制御ゲート17に
7〜9V、ソース領域21および基板10に0Vの電圧
を印加した状態で実行される。この場合、ソース領域2
1から出た電子は、チャネル領域内をドレイン領域22
に向かって移動しながらチャネル領域内の水平横方向電
界からエネルギーを獲得し、チャネル領域内の高電界領
域でホットエレクトロンとなり、半導体基板10とトン
ネル絶縁膜14との間の障壁を超えて浮遊ゲート15に
注入される。前述したように、本実施形態の装置によれ
ば、チャネル長方向(X方向)に垂直な方向(Y方向)
に延びる複数のステップ11がチャネル19を横切って
いる。このため、ステップ11の部分で、ホットエレク
トロンの進行方向を横切るようにトンネル絶縁膜14及
び浮遊ゲート15の下面が位置し、その部分からホット
エレクトロンが浮遊ゲート15に効率的に注入される。
According to the apparatus of the present embodiment, the write operation is performed in a state where, for example, a voltage of 5 V is applied to the drain region 22, a voltage of 7 to 9 V is applied to the control gate 17, and a voltage of 0 V is applied to the source region 21 and the substrate 10. In this case, source region 2
The electrons emitted from the channel region 1 flow into the drain region 22 in the channel region.
While moving toward the horizontal direction, energy is obtained from the horizontal lateral electric field in the channel region, becomes hot electrons in the high electric field region in the channel region, and crosses the barrier between the semiconductor substrate 10 and the tunnel insulating film 14 to form a floating gate. 15 is injected. As described above, according to the device of the present embodiment, the direction (Y direction) perpendicular to the channel length direction (X direction)
Across the channel 19. Therefore, in step 11, the lower surfaces of the tunnel insulating film 14 and the floating gate 15 are located so as to cross the traveling direction of the hot electrons, and the hot electrons are efficiently injected into the floating gate 15 from that portion.

【0047】この不揮発性半導体記憶装置によれば、消
去動作は、制御ゲート17に−6〜−8V、ドレイン領
域22に5〜6V、ソース領域21および基板10に0
Vの電圧を印加した状態で実行される。この場合、トン
ネル絶縁膜14内を流れるトンネル電流によって浮遊ゲ
ート15内の電子をドレイン領域22に引き抜く。な
お、消去動作は、制御ゲート17に−6〜−8V、ソー
ス領域21に5〜6V、ドレイン領域22および基板1
0に0Vの電圧を印加した状態で実行してもよい。この
とき、電子の引き抜きは浮遊ゲート15のソース側エッ
ジ部分で起こる。この場合、書き込み動作時における電
子注入の位置と、消去動作時における電子のトンネリン
グ位置とが異なるため、トンネル絶縁膜14の劣化が少
なく、信頼性に優れるという効果が得られる。本実施形
態では、基板の表面に比較的に多数のステップが形成さ
れており、活性領域形成のためのリソグラフィ工程の際
に、ステップSと活性領域との間の高精度の位置合わせ
は不要である。
According to this nonvolatile semiconductor memory device, the erasing operation is performed by controlling the control gate 17 at −6 to −8 V, the drain region 22 at 5 to 6 V, and the source region 21 and the substrate 10 at 0 V.
It is executed in a state where a voltage of V is applied. In this case, electrons in the floating gate 15 are extracted to the drain region 22 by a tunnel current flowing in the tunnel insulating film 14. The erasing operation is performed by controlling the control gate 17 at -6 to -8 V, the source region 21 at 5 to 6 V, the drain region 22 and the substrate 1.
It may be executed in a state where a voltage of 0 V is applied to 0. At this time, the extraction of electrons occurs at the source side edge of the floating gate 15. In this case, since the position of the electron injection during the writing operation is different from the position of the tunneling of the electrons during the erasing operation, there is obtained an effect that the tunnel insulating film 14 is less deteriorated and the reliability is excellent. In the present embodiment, a relatively large number of steps are formed on the surface of the substrate, and a high-precision alignment between the step S and the active region is unnecessary during the lithography process for forming the active region. is there.

【0048】なお、図4(c)に示す領域23および領
域24に不純物拡散層を追加し、それらが第2のソース
領域23および第2のドレイン領域24として機能する
ように本実施形態を改変してもよい。この場合、第1の
ソース領域21と第1のドレイン領域22との間に電圧
を印可することによって第1のチャネル(X方向)が形
成され、ソース領域23とドレイン領域24との間に電
圧を印可することによって第2のチャネル(Y方向)が
形成される。ソース領域21とドレイン領域22との間
に電圧を印可する場合、前述のように、ソース領域21
から出た電子はX方向に沿ってドレイン領域22に到達
するまでに、基板10の表面に存在する大きなステップ
を感じながら走行することになる。これに対して、ソー
ス領域23とドレイン領域24との間に電圧を印可する
場合、電子はY方向に沿ってステップを感じることなく
原子レベルで平滑なテラス面上を走行するので、電子の
界面散乱は極めて小さくなり、その移動度が向上する。
このため、データの書き込みに際しては、ソース領域2
1とドレイン領域22との間に電圧を印加し、データの
読み出しに際しては、ソース領域23とドレイン領域2
4との間に電圧を印加するようにしてもよい。そうすれ
ば、データ書き込み時の電子注入効率を向上させる一
方、データの読み出し時の感度を向上させることも可能
になる。
An impurity diffusion layer is added to the regions 23 and 24 shown in FIG. 4C, and this embodiment is modified so that they function as the second source region 23 and the second drain region 24. May be. In this case, a first channel (X direction) is formed by applying a voltage between the first source region 21 and the first drain region 22, and a voltage is applied between the source region 23 and the drain region 24. Is applied to form a second channel (Y direction). When a voltage is applied between the source region 21 and the drain region 22, as described above,
The electrons emitted from the substrate travel while feeling the large steps existing on the surface of the substrate 10 before reaching the drain region 22 along the X direction. On the other hand, when a voltage is applied between the source region 23 and the drain region 24, the electrons travel on the smooth terrace surface at the atomic level without feeling a step in the Y direction. Scattering is extremely small and its mobility is improved.
Therefore, when writing data, the source region 2
1 is applied between the drain region 22 and the drain region 22 to read data.
4 may be applied. Then, while improving the electron injection efficiency at the time of writing data, it is also possible to improve the sensitivity at the time of reading data.

【0049】(第3の実施形態)図5(a)から(c)
を参照しながら、本発明による不揮発性半導体記憶装置
の第3の実施形態を説明する。
(Third Embodiment) FIGS. 5A to 5C
Third Embodiment A nonvolatile semiconductor memory device according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

【0050】本実施形態の装置は、図5(c)に示され
るように、p型の単結晶シリコン基板30と、シリコン
基板30の表面上に形成されたトンネル絶縁膜37と、
トンネル絶縁膜37上に形成された浮遊ゲート38と、
浮遊ゲート38上に形成された容量絶縁膜39と、容量
絶縁膜39を介して浮遊ゲート38に容量結合される制
御ゲート40とを備えている。
As shown in FIG. 5C, the device of this embodiment includes a p-type single-crystal silicon substrate 30, a tunnel insulating film 37 formed on the surface of the silicon substrate 30,
A floating gate 38 formed on the tunnel insulating film 37;
It includes a capacitance insulating film 39 formed on the floating gate 38, and a control gate 40 capacitively coupled to the floating gate 38 via the capacitance insulating film 39.

【0051】シリコン基板30の表面には、n+型拡散
層からなるソース領域41およびドレイン領域42が形
成されており、その間の領域がチャネル領域として機能
する。チャネル領域内には少なくとも1つの溝31が形
成されており、浮遊ゲート38は、このチャネル領域を
完全に覆い、かつ、チャネル領域内の溝31を跨ぐよう
に形成されている。
On the surface of the silicon substrate 30, a source region 41 and a drain region 42 formed of an n + type diffusion layer are formed, and a region therebetween functions as a channel region. At least one groove 31 is formed in the channel region, and the floating gate 38 is formed so as to completely cover the channel region and straddle the groove 31 in the channel region.

【0052】次に、この装置の製造方法を説明する。Next, a method of manufacturing this device will be described.

【0053】まず、図5(a)に示されるように、表面
が(001)面であるシリコン基板30に、リソグラフ
ィおよびドライエッチングなどの微細加工技術によって
直線状の溝31を形成する。溝の幅は、例えば50〜1
50nm、深さは、例えば100nmである。後述する
加熱処理前において、シリコン基板30の表面33や溝
31の底部32には、「原子的尺度からみて大きな凹
凸」が存在する。
First, as shown in FIG. 5A, a linear groove 31 is formed on a silicon substrate 30 having a (001) surface by a fine processing technique such as lithography and dry etching. The width of the groove is, for example, 50 to 1
The depth is 50 nm, for example, 100 nm. Before the heat treatment described later, the surface 33 of the silicon substrate 30 and the bottom 32 of the groove 31 have "large irregularities on an atomic scale".

【0054】次に、シリコン基板30に対して真空(例
えば5×10-9Pa)中で直流通電加熱清浄化を施し、
図5(b)に示されるように、原子レベルで平滑な溝底
部34やステップ36が形成された表面を得る。この加
熱清浄化は、真空中で、例えば600℃で12時間程度
の熱処理を行った後、1300℃で約1分の熱処理を行
うにより達成される。この加熱清浄化工程中、表面原子
の自己組織化過程によって原子レベルで平滑な表面が形
成される。すなわち、シリコン(001)表面上におい
て、最表面シリコン原子の再配列によってステップが形
成され、そのステップが電流によってマイグレートす
る。ステップは溝31に到達すると、その壁端部で吸収
され、その結果、シリコン基板30の表面は原子レベル
でみて平滑なテラスと、テラス間に存在するステップ3
6とから構成されることとなる。なお、このような現象
は、直流通電加熱清浄化法以外の方法、例えば、ヒータ
等を用いた傍熱加熱法によって生じる。シリコン基板3
0のミスオリエンテーション角が大きいほど、ステップ
36の数は多くなる傾向がある。なお、本実施形態の装
置には、ミスオリエンテーション基板の代わりに通常の
シリコン基板を用いても良い。その場合、基板の表面に
はステップが形成されず、表面は原子レベルで平滑な面
で覆われる。
Next, the silicon substrate 30 is subjected to direct current heating cleaning in a vacuum (for example, 5 × 10 −9 Pa),
As shown in FIG. 5B, a surface on which the groove bottom 34 and the step 36 are formed at the atomic level and smooth is obtained. This heat cleaning is achieved by performing a heat treatment in vacuum at, for example, about 600 ° C. for about 12 hours and then performing a heat treatment at 1300 ° C. for about 1 minute. During this heat cleaning step, a smooth surface at the atomic level is formed by the self-organizing process of surface atoms. That is, a step is formed on the silicon (001) surface by rearrangement of the outermost silicon atoms, and the step is migrated by the current. When the step reaches the groove 31, it is absorbed at the end of the wall, and as a result, the surface of the silicon substrate 30 has a smooth terrace at the atomic level and a step 3 existing between the terraces.
6. Such a phenomenon is caused by a method other than the direct current heating cleaning method, for example, an indirect heating method using a heater or the like. Silicon substrate 3
The number of steps 36 tends to increase as the misorientation angle of 0 increases. In the apparatus of the present embodiment, a normal silicon substrate may be used instead of the misorientation substrate. In that case, no steps are formed on the surface of the substrate, and the surface is covered with a smooth surface at the atomic level.

【0055】次に、図5(c)に示されるように、通常
の熱酸化法もしくは化学的気相成長(CVD)法などの
薄膜形成方法を用いて、シリコン基板30上にトンネル
絶縁膜37を形成する。本実施形態では、乾燥酸素雰囲
気の電気炉内で750℃程度の温度でシリコン基板30
を熱処理することによって、厚さ10nmのトンネル絶
縁膜37をシリコン基板30の表面に形成する。この
後、ピンホールなどの酸化膜欠陥をトンネル絶縁膜37
から除去するために、乾燥窒素中にてアニール処理を実
行する。なお、図5(c)では、簡略化のため、シリコ
ン基板30の表面の形態を詳細には記載していない。
Next, as shown in FIG. 5C, a tunnel insulating film 37 is formed on the silicon substrate 30 by using a thin film forming method such as a normal thermal oxidation method or a chemical vapor deposition (CVD) method. To form In this embodiment, the silicon substrate 30 is heated at a temperature of about 750 ° C. in an electric furnace in a dry oxygen atmosphere.
Is heat-treated to form a 10-nm-thick tunnel insulating film 37 on the surface of the silicon substrate 30. Thereafter, oxide film defects such as pinholes are removed from the tunnel insulating film 37.
Annealing is performed in dry nitrogen to remove from the substrate. In FIG. 5C, the form of the surface of the silicon substrate 30 is not described in detail for simplification.

【0056】次に、浮遊ゲート38として機能する多結
晶シリコン膜(厚さ200nm)をCVD法によってト
ンネル絶縁膜37上に形成する。その後、浮遊ゲート3
8の表面を熱酸化することによって、厚さ20nmの容
量酸化膜39を浮遊ゲート38上に形成する。その後、
制御ゲート40として機能する厚さ200nmの多結晶
シリコン膜をCVD法によって容量酸化膜39上に堆
積、多層膜を形成する。この多層膜をパターニングする
ことによって、図5(c)の積層ゲート構造を得る。こ
の後、イオン注入法によってソース領域41およびドレ
イン領域42を形成する。
Next, a polycrystalline silicon film (200 nm thick) functioning as the floating gate 38 is formed on the tunnel insulating film 37 by the CVD method. Then, floating gate 3
8 is thermally oxidized to form a 20 nm-thick capacitive oxide film 39 on the floating gate 38. afterwards,
A polycrystalline silicon film having a thickness of 200 nm functioning as a control gate 40 is deposited on the capacitance oxide film 39 by a CVD method to form a multilayer film. By patterning this multilayer film, the laminated gate structure shown in FIG. 5C is obtained. Thereafter, a source region 41 and a drain region 42 are formed by an ion implantation method.

【0057】本実施形態の装置によっても、書き込み動
作は、例えばドレイン領域42に5V、制御ゲート40
に7〜9V、ソース領域41および基板30に0Vの電
圧を印加した状態で実行される。この場合、ソース領域
41から出た電子は、チャネル領域内をドレイン領域4
2に向かって移動しながらチャネル領域内の水平横方向
電界からエネルギーを獲得し、チャネル領域内の高電界
領域でホットエレクトロンとなり、半導体基板30とト
ンネル絶縁膜37との間の障壁を超えて浮遊ゲート38
に注入される。前述したように、本実施形態の装置によ
れば、チャネル長方向に垂直な方向に延びる溝31がチ
ャネルを横切っている。このため、溝31の部分で、ホ
ットエレクトロンの進行方向を横切るようにトンネル絶
縁膜37及び浮遊ゲート38の下面が位置し、その部分
からホットエレクトロンが浮遊ゲート38に効率的に注
入される。また、本実施形態では、基板30の表面のう
ち溝31が形成されていない領域は原子レベルで平滑化
された面によって形成されているため、凹凸による電子
散乱が少なく、電子の移動度が向上している。そのた
め、ホットエレクトロンの生成効率が高くなっている。
According to the device of the present embodiment, the write operation is performed, for example, by applying 5 V to the drain
7 to 9 V, and 0 V to the source region 41 and the substrate 30. In this case, electrons emitted from the source region 41 flow through the drain region 4 in the channel region.
While moving toward 2, it acquires energy from the horizontal lateral electric field in the channel region, becomes hot electrons in the high electric field region in the channel region, and floats across the barrier between the semiconductor substrate 30 and the tunnel insulating film 37. Gate 38
Is injected into. As described above, according to the device of the present embodiment, the groove 31 extending in the direction perpendicular to the channel length direction crosses the channel. For this reason, the lower surface of the tunnel insulating film 37 and the lower surface of the floating gate 38 are located in the groove 31 so as to cross the traveling direction of the hot electrons, and the hot electrons are efficiently injected into the floating gate 38 from that portion. In the present embodiment, since the region of the surface of the substrate 30 where the grooves 31 are not formed is formed by a surface smoothed at the atomic level, electron scattering due to unevenness is small and electron mobility is improved. doing. Therefore, the generation efficiency of hot electrons is high.

【0058】この不揮発性半導体記憶装置によれば、消
去動作は、制御ゲート40に−6〜−8V、ドレイン領
域42に5〜6V、ソース領域41および基板30に0
Vの電圧を印加した状態で実行される。この場合、トン
ネル絶縁膜37内を流れるトンネル電流によって浮遊ゲ
ート38内の電子をドレイン領域42に引き抜く。な
お、消去動作は、制御ゲート40に−6〜−8V、ソー
ス領域41に5〜6V、ドレイン領域42および基板3
0に0Vの電圧を印加した状態で実行してもよい。この
とき、電子の引き抜きは浮遊ゲート38のソース側エッ
ジ部分で起こる。この場合、書き込み動作時における電
子注入の位置と、消去動作時における電子のトンネリン
グ位置とが異なるため、トンネル絶縁膜37の劣化が少
なく、信頼性に優れるという効果が得られる。
According to this nonvolatile semiconductor memory device, the erasing operation is performed by controlling the control gate 40 to -6 to -8 V, the drain region 42 to 5 to 6 V, and the source region 41 and the substrate 30 to 0 V.
It is executed in a state where a voltage of V is applied. In this case, electrons in the floating gate 38 are extracted to the drain region 42 by a tunnel current flowing in the tunnel insulating film 37. The erasing operation is performed by controlling the control gate 40 to -6 to -8 V, the source region 41 to 5 to 6 V, the drain region 42 and the substrate 3
It may be executed in a state where a voltage of 0 V is applied to 0. At this time, the extraction of electrons occurs at the edge of the floating gate 38 on the source side. In this case, since the position of the electron injection during the writing operation is different from the position of the tunneling of the electrons during the erasing operation, the tunnel insulating film 37 is less deteriorated, and the effect of excellent reliability is obtained.

【0059】なお、図5(c)では、ドレイン領域42
と溝31との間に僅かにギャップが存在しているように
図示されているが、平面レイアウト上、ドレイン領域4
2と溝31とが重なり合っていてもよい。ドレイン領域
42とチャネル領域との間のpn接合部において水平横
方向電界の強度ピークが形成されるため、その強度ピー
クの位置およびその周辺において多くのホットエレクト
ロンが生成される。そのため、溝31、特に溝31のソ
ース領域42に近い方の側面がホットエレクトロンが大
量に発生する位置またはその近傍に設けられるべきであ
る。また、溝31は必ずしも1つに限定されず、複数の
溝がチャネル領域を横切っていても良い。ただし、溝に
よる電子の散乱を避け、電子のエネルギを高くするに
は、ホットエレクトロンが大量に発生する領域内に選択
的に単数の溝31を設けることが好ましいと考えられ
る。
In FIG. 5C, the drain region 42
Although a slight gap exists between the drain region 4 and the groove 31 in FIG.
2 and the groove 31 may overlap. Since the intensity peak of the horizontal lateral electric field is formed at the pn junction between the drain region 42 and the channel region, a lot of hot electrons are generated at and around the intensity peak. For this reason, the groove 31, particularly the side surface of the groove 31 closer to the source region 42, should be provided at or near the position where a large amount of hot electrons are generated. Further, the number of the grooves 31 is not necessarily limited to one, and a plurality of grooves may cross the channel region. However, in order to avoid scattering of electrons by the grooves and increase the energy of the electrons, it is considered preferable to selectively provide the single groove 31 in a region where a large amount of hot electrons are generated.

【0060】(第4の実施形態)図6を参照しながら、
本発明による不揮発性半導体記憶装置の第4の実施形態
を説明する。
(Fourth Embodiment) Referring to FIG.
A fourth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention will be described.

【0061】本実施形態の装置は、図6に示されるよう
に、p型の単結晶シリコン基板43と、シリコン基板4
3の表面上に形成されたトンネル絶縁膜44と、トンネ
ル絶縁膜44上に形成された浮遊ゲート45と、浮遊ゲ
ート45上に形成された容量絶縁膜46と、容量絶縁膜
46を介して浮遊ゲート45に容量結合される制御ゲー
ト47とを備えている。
As shown in FIG. 6, the apparatus of this embodiment comprises a p-type single crystal silicon substrate 43 and a silicon substrate 4.
3, a tunnel insulating film 44 formed on the surface of the tunnel insulating film 44, a floating gate 45 formed on the tunnel insulating film 44, a capacitive insulating film 46 formed on the floating gate 45, and floating through the capacitive insulating film 46. And a control gate 47 capacitively coupled to the gate 45.

【0062】シリコン基板43の表面には、n+型拡散
層からなるソース領域48およびドレイン領域49が形
成されており、その間の領域がチャネル領域として機能
する。チャネル領域とドレイン領域49の境界部分を跨
ぐようにして溝が形成されており、浮遊ゲート45は、
このチャネル領域を完全に覆い、かつ、溝のチャネル側
の側面を跨ぐように形成されている。
On the surface of the silicon substrate 43, a source region 48 and a drain region 49 made of an n + type diffusion layer are formed, and a region therebetween functions as a channel region. A groove is formed so as to straddle the boundary between the channel region and the drain region 49, and the floating gate 45
The channel region is formed so as to completely cover the channel region and straddle the side surface of the groove on the channel side.

【0063】次に、この装置の製造方法を説明する。Next, a method of manufacturing this device will be described.

【0064】まず、リソグラフィおよびドライエッチン
グなどの微細加工技術によって半導体基板43の表面に
溝を形成する。溝の幅は、例えば200〜500nm、
深さは、例えば100nmである。後述する加熱処理前
において、シリコン基板43の表面や溝の底部には、
「原子的尺度からみて大きな凹凸」が存在する。
First, a groove is formed on the surface of the semiconductor substrate 43 by a fine processing technique such as lithography and dry etching. The width of the groove is, for example, 200 to 500 nm,
The depth is, for example, 100 nm. Before the heat treatment described later, the surface of the silicon substrate 43 and the bottom of the groove are
There is "a large irregularity on an atomic scale".

【0065】次に、シリコン基板43に対して真空中で
直流通電加熱清浄化を施す。この加熱により、シリコン
基板43の温度は約1000℃程度に上昇し、表面原子
の自己組織化過程によって原子レベルで平滑な表面が形
成される。すなわち、シリコン表面上において、最表面
シリコン原子の再配列によってステップが形成され、そ
のステップが電流によってマイグレートする。ステップ
は溝に到達すると、その壁端部で吸収され、その結果、
シリコン基板43の表面は原子レベルでみて平滑なテラ
スと、テラス間に存在するステップとから構成されるこ
ととなる。なお、このような現象は、直流通電加熱清浄
化法以外の方法、例えば、ヒータ等を用いた傍熱加熱法
によって生じる。シリコン基板43のミスオリエンテー
ション角が大きいほど、ステップの数は多くなる傾向が
ある。なお、本実施形態の装置には、ミスオリエンテー
ション基板の代わりに通常のシリコン基板を用いても良
い。その場合、基板の表面にはステップが形成されず、
表面は原子レベルで平滑な面で覆われる。図6では、ス
テップの記載が省略されている。
Next, the silicon substrate 43 is subjected to direct current heating cleaning in a vacuum. By this heating, the temperature of the silicon substrate 43 rises to about 1000 ° C., and a smooth surface at the atomic level is formed by the self-organizing process of surface atoms. That is, steps are formed on the silicon surface by rearrangement of the top surface silicon atoms, and the steps are migrated by the electric current. When the step reaches the groove, it is absorbed at the edge of the wall, so that
The surface of the silicon substrate 43 is composed of terraces that are smooth at the atomic level and steps that exist between the terraces. Such a phenomenon is caused by a method other than the direct current heating cleaning method, for example, an indirect heating method using a heater or the like. The number of steps tends to increase as the misorientation angle of the silicon substrate 43 increases. In the apparatus of the present embodiment, a normal silicon substrate may be used instead of the misorientation substrate. In that case, no steps are formed on the surface of the substrate,
The surface is covered with a smooth surface at the atomic level. In FIG. 6, the description of the steps is omitted.

【0066】次に、通常の熱酸化法もしくはCVD法な
どの薄膜形成方法を用いて、シリコン基板43上にトン
ネル絶縁膜44を形成する。本実施形態では、乾燥酸素
雰囲気の電気炉内で750℃程度の温度でシリコン基板
43を熱処理することによって、厚さ10nmのトンネ
ル絶縁膜44をシリコン基板43の表面に形成する。こ
の後、ピンホールなどの酸化膜欠陥をトンネル絶縁膜4
4から除去するために、乾燥窒素中にてアニール処理を
実行する。
Next, a tunnel insulating film 44 is formed on the silicon substrate 43 by using a normal thin film forming method such as a thermal oxidation method or a CVD method. In this embodiment, a 10-nm-thick tunnel insulating film 44 is formed on the surface of the silicon substrate 43 by heat-treating the silicon substrate 43 at a temperature of about 750 ° C. in an electric furnace in a dry oxygen atmosphere. Thereafter, oxide film defects such as pinholes are removed from the tunnel insulating film 4.
An annealing process is performed in dry nitrogen to remove from Step 4.

【0067】次に、浮遊ゲート45として機能する多結
晶シリコン膜(厚さ200nm)をCVD法によってト
ンネル絶縁膜44上に形成する。その後、浮遊ゲート4
5の表面を熱酸化することによって、厚さ20nmの容
量酸化膜46を浮遊ゲート45上に形成する。その後、
制御ゲート47として機能する厚さ200nmの多結晶
シリコン膜をCVD法によって浮遊ゲート46上に形成
し、多層膜を形成する。この多層膜をパターニングする
ことによつて、図6のゲート構造を得る。この後、イオ
ン注入法によってソース領域48およびドレイン領域4
9を形成する。
Next, a polycrystalline silicon film (thickness: 200 nm) functioning as the floating gate 45 is formed on the tunnel insulating film 44 by the CVD method. Then, floating gate 4
5 is thermally oxidized to form a 20-nm-thick capacitive oxide film 46 on the floating gate 45. afterwards,
A 200-nm-thick polycrystalline silicon film functioning as the control gate 47 is formed on the floating gate 46 by the CVD method, and a multilayer film is formed. By patterning this multilayer film, the gate structure shown in FIG. 6 is obtained. Thereafter, the source region 48 and the drain region 4 are formed by ion implantation.
9 is formed.

【0068】本実施形態の装置によっても、書き込み動
作は、例えばドレイン領域49に5V、制御ゲート47
に7〜9V、ソース領域48および基板43に0Vの電
圧を印加した状態で実行される。この場合、ソース領域
48から出た電子は、チャネル領域内をドレイン領域4
9に向かって移動しながらチャネル領域内の水平横方向
電界からエネルギーを獲得し、チャネル領域内の高電界
領域でホットエレクトロンとなり、半導体基板43とト
ンネル絶縁膜44との間の障壁を超えて浮遊ゲート45
に注入される。前述したように、本実施形態の装置によ
れば、チャネル長方向に垂直な方向に延びる溝がチャネ
ル領域とドレイン領域49との境界部分を横切ってい
る。このため、溝の側面で、ホットエレクトロンの進行
方向を横切るようにトンネル絶縁膜44及び浮遊ゲート
45の下面が位置し、その部分からホットエレクトロン
が浮遊ゲート45に効率的に注入される。また、本実施
形態では、基板43の表面のうち溝が形成されていない
領域は原子レベルで平滑化されているため、凹凸による
電子散乱がなく、電子の移動度が向上している。そのた
め、ホットエレクトロンの生成効率が高くなっている。
According to the device of this embodiment, the write operation is performed, for example, by applying 5 V to the drain
7 to 9 V, and 0 V to the source region 48 and the substrate 43. In this case, electrons emitted from the source region 48 flow through the drain region 4 in the channel region.
While moving toward 9, the device acquires energy from the horizontal lateral electric field in the channel region, becomes hot electrons in the high electric field region in the channel region, and floats across the barrier between the semiconductor substrate 43 and the tunnel insulating film 44. Gate 45
Is injected into. As described above, according to the device of the present embodiment, the groove extending in the direction perpendicular to the channel length direction crosses the boundary between the channel region and the drain region 49. For this reason, the lower surfaces of the tunnel insulating film 44 and the floating gate 45 are located on the side surfaces of the groove so as to cross the traveling direction of the hot electrons, and the hot electrons are efficiently injected into the floating gate 45 from that portion. Further, in the present embodiment, since the region of the surface of the substrate 43 where no groove is formed is smoothed at the atomic level, there is no electron scattering due to unevenness, and the mobility of electrons is improved. Therefore, the generation efficiency of hot electrons is high.

【0069】この不揮発性半導体記憶装置によれば、消
去動作は、制御ゲート47に−6〜−8V、ドレイン領
域49に5〜6V、ソース領域48および基板43に0
Vの電圧を印加した状態で実行される。この場合、トン
ネル絶縁膜44内を流れるトンネル電流によって浮遊ゲ
ート45内の電子をドレイン領域49に引き抜く。な
お、消去動作は、制御ゲート47に−6〜−8V、ソー
ス領域49に5〜6V、ドレイン領域48および基板4
3に0Vの電圧を印加した状態で実行してもよい。この
とき、電子の引き抜きは浮遊ゲート45のソース側エッ
ジ部分で起こる。この場合、書き込み動作時における電
子注入の位置と、消去動作時における電子のトンネリン
グ位置とが異なるため、トンネル絶縁膜44の劣化が少
なく、信頼性に優れるという効果が得られる。
According to this nonvolatile semiconductor memory device, the erasing operation is performed by controlling the control gate 47 to -6 to -8 V, the drain region 49 to 5 to 6 V, and the source region 48 and the substrate 43 to 0 V.
It is executed in a state where a voltage of V is applied. In this case, electrons in the floating gate 45 are extracted to the drain region 49 by a tunnel current flowing in the tunnel insulating film 44. The erasing operation is performed by controlling the control gate 47 at -6 to -8 V, the source region 49 at 5 to 6 V, the drain region 48 and the substrate 4.
3 may be executed with a voltage of 0 V applied. At this time, the extraction of electrons occurs at the source-side edge of the floating gate 45. In this case, since the position of the electron injection during the writing operation is different from the position of the tunneling of the electrons during the erasing operation, the tunnel insulating film 44 is less deteriorated, and the effect of being excellent in reliability is obtained.

【0070】ドレイン領域49とチャネル領域との間の
pn接合部において水平横方向電界の強度ピークが形成
されるため、その強度ピークの位置およびその周辺にお
いて多くのホットエレクトロンが生成される。そのた
め、溝のチャネル側の側面がホットエレクトロンが大量
に発生する位置またはその近傍に設けられるべきであ
る。
Since the intensity peak of the horizontal lateral electric field is formed at the pn junction between the drain region 49 and the channel region, a lot of hot electrons are generated at and around the intensity peak. Therefore, the channel side surface of the groove should be provided at or near a position where a large amount of hot electrons are generated.

【0071】以上の全ての実施形態では、面方位が(0
01)のシリコン基板を用いる例について発明を説明し
てきたが、面方位は(001)に限定されない。例え
ば、(111)面のシリコン基板を用いても良い。
In all of the above embodiments, the plane orientation is (0
Although the invention has been described with respect to the example using the silicon substrate of (01), the plane orientation is not limited to (001). For example, a (111) silicon substrate may be used.

【0072】[0072]

【発明の効果】本発明の不揮発性半導体記憶装置によれ
ば、半導体表面にステップ部分において、チャネルホッ
トエレクトロンが浮遊ゲートに注入される確率が増大す
るためる、データ書き込み時間の短縮や書き込み電圧の
低減が実現され、書き込み特性を向上させることができ
る。また、半導体表面のステップ以外の領域が原子レベ
ルで平滑なため、その領域での電子移動度が向上し、ホ
ットエレクトロンの発生効率を改善する。また、データ
の書き込み時と読み出し時とで、電子の走行方向を90
度回転させれば、データの書き込み時間を短縮する一方
で、データの読み出しを行いやすくすることも可能にな
る。
According to the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention, the probability that channel hot electrons are injected into the floating gate in the step portion on the semiconductor surface increases, so that the data write time and the write voltage are reduced. Is realized, and the writing characteristics can be improved. Further, since the region other than the step on the semiconductor surface is smooth at the atomic level, the electron mobility in that region is improved, and the generation efficiency of hot electrons is improved. In addition, the traveling direction of electrons is set to 90 when writing and reading data.
If the rotation is performed by a degree, the data writing time can be shortened, and the data can be easily read.

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

【図1】(a)は、従来の不揮発性半導体記憶装置の主
要部断面図であり、(b)はその装置の平面レイアウト
図である。
FIG. 1A is a sectional view of a main part of a conventional nonvolatile semiconductor memory device, and FIG. 1B is a plan layout diagram of the device.

【図2】本発明による不揮発性半導体記憶装置の第1の
実施形態の断面図である。
FIG. 2 is a sectional view of the first embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention;

【図3】本発明の不揮発性半導体記憶装置のチャネル領
域における電子の深さ方向分布を示すグラフである。
FIG. 3 is a graph showing a depth direction distribution of electrons in a channel region of the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention.

【図4】(a)は、本発明による不揮発性半導体記憶装
置の第2の実施形態に使用するシリコン基板の斜視図、
(b)は、第2の実施形態の主要部の断面図、(c)
は、第2の実施形態の平面レイアウト図である。
FIG. 4A is a perspective view of a silicon substrate used in a second embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention,
(B) is a sectional view of a main part of the second embodiment, (c).
FIG. 6 is a plan layout diagram of the second embodiment.

【図5】(a)から(c)は、本発明による不揮発性半
導体記憶装置の第3の実施形態の製造方法を示す工程断
面図である。
FIGS. 5A to 5C are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to a third embodiment of the present invention.

【図6】本発明による不揮発性半導体記憶装置の4の実
施形態の断面図である。
FIG. 6 is a sectional view of a fourth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 シリコン基板 11 最表面シリコン原子の再配列で形成されたステッ
プ 12 最表面シリコン原子の再配列で形成されたテラス 14 トンネル絶縁膜 15 浮遊ゲート 16 容量酸化膜 17 コントロールゲート 18 チャネル領域 19 チャネル 20 酸化前のステップの位置 21 ソース領域 22 ドレイン領域 23 ソース領域 24 ドレイン領域 30 表面が(001)面であるシリコン基板、 31 微細加工により形成した直線上の溝 32 溝の底部の原子レベルで大きな凹凸 33 基板表面上の原子レベルで大きな凹凸 34 原子レベルで平滑な溝底部 36 真空中加熱清浄化後の基板表面ステップ 37 トンネル絶縁膜 38 浮遊ゲート 39 容量酸化膜 40 コントロールゲート 41 ソース領域 42 ドレイン領域 43 チャネル領域 51 シリコン基板 52 チャネル中のホットエレクトロン 53 チャネル中のホットエレクトロンの走行方向 54 トンネル絶縁膜 55 浮遊ゲート 56 容量絶縁膜 57 制御ゲート 58 ソース領域 59 ドレイン領域 60 チャネル
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Silicon substrate 11 Step formed by rearrangement of top surface silicon atoms 12 Terrace formed by rearrangement of top surface silicon atoms 14 Tunnel insulating film 15 Floating gate 16 Capacitance oxide film 17 Control gate 18 Channel region 19 Channel 20 Oxidation Position of previous step 21 Source region 22 Drain region 23 Source region 24 Drain region 30 Silicon substrate having a (001) surface 31 Groove on a straight line formed by micromachining 32 Large irregularities at the atomic level at bottom of groove 33 Atomic level large irregularities on substrate surface 34 Atomic level smooth groove bottom 36 Substrate surface step after heat cleaning in vacuum 37 Tunnel insulating film 38 Floating gate 39 Capacitance oxide film 40 Control gate 41 Source region 42 Drain region 43 Channel Area 1 silicon substrate 52 channels in hot electron 53 channels in the hot electron in the running direction 54 the tunnel insulating film 55 a floating gate 56 capacitive insulating film 57 control gate 58 source region 59 drain region 60 channel

Claims (13)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 半導体基板と、 前記半導体基板の表面に形成されたチャネル領域と、 前記チャネル領域を間にはさんで前記半導体基板の前記
表面に形成されたソース領域およびドレイン領域と、 前記半導体基板の前記表面上に形成された第1絶縁膜
と、 前記第1絶縁膜上に形成された浮遊ゲートと、 前記浮遊ゲート上に形成された第2絶縁膜と、 前記第2絶縁膜上を介して前記浮遊ゲートに容量結合さ
れる制御ゲートと、を備えた不揮発性半導体記憶装置で
あって、 前記半導体基板はミスオリエンテーション基板であり、 前記半導体基板の前記表面は、結晶学的に平滑な面を持
つ複数のテラスと、前記複数のテラスの境界部に位置す
る少なくとも1つのステップとを有し、 前記ステップは、チャネル長方向に対して実質的に垂直
である不揮発性半導体記憶装置。
A semiconductor substrate; a channel region formed on a surface of the semiconductor substrate; a source region and a drain region formed on the surface of the semiconductor substrate with the channel region interposed therebetween; A first insulating film formed on the surface of the substrate, a floating gate formed on the first insulating film, a second insulating film formed on the floating gate, and a second insulating film formed on the second insulating film. A control gate that is capacitively coupled to the floating gate through the semiconductor substrate, wherein the semiconductor substrate is a misorientation substrate, and the surface of the semiconductor substrate is crystallographically smooth. A plurality of terraces each having a surface, and at least one step located at a boundary between the plurality of terraces, wherein the steps are substantially perpendicular to a channel length direction. Volatile semiconductor storage device.
【請求項2】 前記ステップは、前記半導体基板の前記
表面において、前記ソース領域よりも前記ドレイン領域
に近い位置に形成されている請求項1記載の不揮発性半
導体記憶装置。
2. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein said step is formed at a position closer to said drain region than said source region on said surface of said semiconductor substrate.
【請求項3】 半導体基板と、 前記半導体基板の表面に形成されたチャネル領域と、 前記チャネル領域を間にはさんで前記半導体基板の前記
表面に形成されたソース領域およびドレイン領域と、 前記半導体基板の前記表面上に形成された第1絶縁膜
と、 前記第1絶縁膜上に形成された浮遊ゲートと、 前記浮遊ゲート上に形成された第2絶縁膜と、 前記第2絶縁膜上を介して前記浮遊ゲートに容量結合さ
れる制御ゲートと、を備えた不揮発性半導体記憶装置で
あって、 前記半導体基板の前記表面はチャネル長方向に対して実
質的に垂直に延びる溝を有しており、 前記半導体基板の表面は、結晶学的に平滑な面を有して
いる不揮発性半導体記憶装置。
3. A semiconductor substrate; a channel region formed on a surface of the semiconductor substrate; a source region and a drain region formed on the surface of the semiconductor substrate with the channel region interposed therebetween; A first insulating film formed on the surface of the substrate, a floating gate formed on the first insulating film, a second insulating film formed on the floating gate, and a second insulating film formed on the second insulating film. A control gate that is capacitively coupled to the floating gate through the semiconductor substrate, wherein the surface of the semiconductor substrate has a groove extending substantially perpendicular to a channel length direction. A nonvolatile semiconductor memory device, wherein a surface of the semiconductor substrate has a crystallographically smooth surface.
【請求項4】 前記半導体基板の前記表面は、結晶学的
に平滑な面を持つ複数のテラスと、前記複数のテラスの
境界部に位置する少なくとも1つのステップとを有して
いる、請求項3に記載の不揮発性半導体記憶装置。
4. The semiconductor device according to claim 1, wherein the surface of the semiconductor substrate includes a plurality of terraces having a crystallographically smooth surface and at least one step located at a boundary between the plurality of terraces. 4. The nonvolatile semiconductor memory device according to 3.
【請求項5】 前記溝の少なくとも一部が前記浮遊ゲー
トによって覆われている請求項3に記載の不揮発性半導
体記憶装置。
5. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 3, wherein at least a part of said trench is covered by said floating gate.
【請求項6】 半導体基板と、前記半導体基板の表面に
形成されたチャネル領域と、前記チャネル領域を間には
さんで前記半導体基板の前記表面に形成されたソース領
域およびドレイン領域と、前記半導体基板の前記表面上
に形成された第1絶縁膜と、前記第1絶縁膜上に形成さ
れた浮遊ゲートと、前記浮遊ゲート上に形成された第2
絶縁膜と、前記第2絶縁膜上を介して前記浮遊ゲートに
容量結合される制御ゲートとを備えた不揮発性半導体記
憶装置の製造方法であって、 前記半導体基板としてミスオリエンテーション基板を用
意する工程と、 前記半導体基板の前記表面に、結晶学的に平滑な面を持
つ複数のテラスと、前記複数のテラスの境界部に位置す
る少なくとも1つのステップとを形成する工程と、 前記ステップがチャネル長方向に対して実質的に垂直と
なるように前記ソース領域および前記ドレイン領域を形
成する工程と、を包含する不揮発性半導体記憶装置の製
造方法。
6. A semiconductor substrate; a channel region formed on a surface of the semiconductor substrate; a source region and a drain region formed on the surface of the semiconductor substrate with the channel region interposed therebetween; A first insulating film formed on the surface of the substrate, a floating gate formed on the first insulating film, and a second gate formed on the floating gate;
What is claimed is: 1. A method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device comprising: an insulating film; and a control gate capacitively coupled to said floating gate via said second insulating film, wherein a misorientation substrate is provided as said semiconductor substrate. Forming a plurality of terraces having a crystallographically smooth surface on the surface of the semiconductor substrate, and at least one step located at a boundary between the plurality of terraces; Forming the source region and the drain region so as to be substantially perpendicular to a direction.
【請求項7】 前記浮遊ゲートが前記ステップの少なく
とも一部を覆うように前記浮遊ゲートを形成する工程を
包含する請求項6に記載の不揮発性半導体記憶装置の製
造方法。
7. The method according to claim 6, further comprising the step of forming the floating gate so that the floating gate covers at least a part of the step.
【請求項8】 前記ステップが前記半導体基板の前記表
面において前記ソース領域よりも前記ドレイン領域に近
い位置にくるように前記ソース領域およびドレイン領域
を形成する工程を包含する請求項7に記載の不揮発性半
導体記憶装置の製造方法。
8. The non-volatile memory according to claim 7, wherein said step includes a step of forming said source and drain regions at a position closer to said drain region than said source region on said surface of said semiconductor substrate. Of manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device.
【請求項9】 半導体基板と、前記半導体基板の表面に
形成されたチャネル領域と、前記チャネル領域を間には
さんで前記半導体基板の前記表面に形成されたソース領
域およびドレイン領域と、前記半導体基板の前記表面上
に形成された第1絶縁膜と、前記第1絶縁膜上に形成さ
れた浮遊ゲートと、前記浮遊ゲート上に形成された第2
絶縁膜と、前記第2絶縁膜上を介して前記浮遊ゲートに
容量結合される制御ゲートとを備えた不揮発性半導体記
憶装置の製造方法であって、 前記半導体基板として表面に溝が形成された基板を用意
する工程と、 前記半導体基板の前記表面に、結晶学的に平滑な面を持
つ複数のテラスと、前記複数のテラスの境界部に位置す
る少なくとも1つのステップとを形成する工程と、 前記溝がチャネル長方向に対して実質的に垂直にとなる
ように前記ソース領域および前記ドレイン領域を形成す
る工程と、を包含する不揮発性半導体記憶装置の製造方
法。
9. A semiconductor substrate; a channel region formed on a surface of the semiconductor substrate; a source region and a drain region formed on the surface of the semiconductor substrate with the channel region interposed therebetween; A first insulating film formed on the surface of the substrate, a floating gate formed on the first insulating film, and a second gate formed on the floating gate;
A method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device, comprising: an insulating film; and a control gate capacitively coupled to the floating gate via the second insulating film, wherein a groove is formed on a surface as the semiconductor substrate. Providing a substrate; forming a plurality of terraces having a crystallographically smooth surface on the surface of the semiconductor substrate; and forming at least one step located at a boundary between the plurality of terraces; Forming the source region and the drain region such that the groove is substantially perpendicular to the channel length direction.
【請求項10】 前記浮遊ゲートが前記溝の少なくとも
一部を覆うように前記浮遊ゲートを形成する工程を包含
する請求項9に記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方
法。
10. The method according to claim 9, further comprising the step of forming the floating gate so that the floating gate covers at least a part of the trench.
【請求項11】 前記ステップを形成する工程は、前記
半導体基板の表面原子を再配列させる工程を包含する請
求項6または9に記載の不揮発性半導体記憶装置の製造
方法。
11. The method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to claim 6, wherein said step of forming a step includes a step of rearranging surface atoms of said semiconductor substrate.
【請求項12】 前記半導体基板の表面原子の再配列
は、真空中で前記半導体基板を加熱することによって行
う請求項11に記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方
法。
12. The method according to claim 11, wherein the rearrangement of the surface atoms of the semiconductor substrate is performed by heating the semiconductor substrate in a vacuum.
【請求項13】 前記ソース領域および前記ドレイン領
域とは別に、前記チャネル長方向に垂直な方向に沿った
チャネルを形成する他のソース領域およびドレイン領域
を更に備えた請求項1または3に記載の不揮発性半導体
記憶装置。
13. The device according to claim 1, further comprising another source region and a drain region which form a channel along a direction perpendicular to the channel length direction, separately from the source region and the drain region. Non-volatile semiconductor storage device.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US6559518B1 (en) 1998-10-01 2003-05-06 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. MOS heterostructure, semiconductor device with the structure, and method for fabricating the semiconductor device
KR100908824B1 (en) 2006-12-27 2009-07-21 주식회사 하이닉스반도체 Non-volatile memory device manufacturing method
CN107195680A (en) * 2017-05-10 2017-09-22 南京邮电大学 A kind of MOSFET structure

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6559518B1 (en) 1998-10-01 2003-05-06 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. MOS heterostructure, semiconductor device with the structure, and method for fabricating the semiconductor device
KR100908824B1 (en) 2006-12-27 2009-07-21 주식회사 하이닉스반도체 Non-volatile memory device manufacturing method
CN107195680A (en) * 2017-05-10 2017-09-22 南京邮电大学 A kind of MOSFET structure

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