JPS59124768A - Nonvolatile semiconductor memory device and its manufacture - Google Patents

Nonvolatile semiconductor memory device and its manufacture

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JPS59124768A
JPS59124768A JP57233790A JP23379082A JPS59124768A JP S59124768 A JPS59124768 A JP S59124768A JP 57233790 A JP57233790 A JP 57233790A JP 23379082 A JP23379082 A JP 23379082A JP S59124768 A JPS59124768 A JP S59124768A
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layer
insulating layer
tantalum oxide
silicon
memory device
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隆 加藤
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土屋 真平
Nobuo Toyokura
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    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/76Unipolar devices, e.g. field effect transistors
    • H01L29/772Field effect transistors
    • H01L29/78Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate
    • H01L29/792Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate with charge trapping gate insulator, e.g. MNOS-memory transistors

Abstract

PURPOSE:To obtain the nondestructive type reading system 1-transistor type nonvolatile semiconductor memory device, writing voltage thereof is low, a DELTAVth margin thereof is large, operation thereof is stable and which can be rewritten electrically. CONSTITUTION:A layer consisting of silicon nitride (Si3N4) is formed on a P type silicon (psi) substrate 21, and removed through etching, and a tantalum oxide (Ta2O5) layer 29 is formed. A polycrystalline silicon layer is formed on said tantalum oxide (Ta2O5) 29 by using a chemical vapor deposition growth method, and removed selectively, and a gate electrode 26 consisting of polycrystalline silicon and a tantalum oxide layer 29' as a second insulator layer are formed. Ions are implanted, and a ground wire diffusion layer 22 and a bit wire diffusion layer 23 are formed. The tantalum oxide (Ta2O5) layer 29' also functions as an introducing path for oxidation seeds in a silicon region being in contact with tantalum oxide to cause oxidation, and a third insulator layer 30' and a first insulator layer 31' consisting of silicon dioxide (SiO2) are formed.

Description

【発明の詳細な説明】 (1)  発明の技術分野 本発明は不揮発性半導体記憶装置及びその製造方法に関
する。特に、電気的事物えが可能であ番〕、読出し方式
が非破壊型である1−トランジスタ型不挿発性#L、導
体記憶装置及びその製造方法に関する0 (2)技術の背景 現在の不揮発性半導体記憶装置は選択トランジスタとメ
モリートランジスタの2−トランジスタによって構成さ
れておl)、メモリーセル部の面積は少なくとも2つの
トランジスタ分だけ必要なために、車積化を進める上〒
大きな障害となっていた。そこで1−トランジスタネ揮
発性半導体記憶装置の提案がなされているが、この方式
を実現する一つの方法として第1図に示したフローティ
ングゲート構造が提案されている。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (1) Technical Field of the Invention The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory device and a method of manufacturing the same. In particular, electrical data can be transferred, the reading method is non-destructive, 1-transistor type non-instrument #L, conductive memory device and its manufacturing method, and 0. (2) Background of technology Current non-volatile A semiconductor memory device is composed of two transistors, a selection transistor and a memory transistor (1), and the area of the memory cell section is required to be at least the size of two transistors.
This was a major obstacle. Therefore, a one-transistor volatile semiconductor memory device has been proposed, and a floating gate structure shown in FIG. 1 has been proposed as one method for realizing this system.

図において、1は半導体基板〒あI)、2.3はソース
・ドレインであ冬)、4は絶縁物層〒あり、5は金属よ
I)なる70−テイングゲート〒あ1)、6けゲート電
極である。この構造において、書込みはゲート電極6に
比較的高電圧を印加してフローティングゲート5に電荷
を蓄積し、しきい値′べj庄を上げることによってt「
され、読出しはソース2、ドレイン3の間に所定の電F
トを印加して、このしとい値電圧の増大した素子を識別
することによってt「される。一方、消去の場合は、事
上込みと全く逆の動作シ行ない、し〜い(1ri ’電
圧を世帰させる。上記の読、出1.にあたってソース・
2247間に印加する電圧は3〜5〔■〕程度でよいが
、書込み乃び消去にイ炉用される電I+は、イケ!1ノ
げ、20(V)稈塵又はそね以上〒比較的高い。しかt
7、この値は〒六る限I)小さいことが望まL、い。
In the figure, 1 is a semiconductor substrate (A1), 2.3 is a source/drain), 4 is an insulator layer, and 5 is a metal gate (A1), 6-digit gate. This is the gate electrode. In this structure, writing is performed by applying a relatively high voltage to the gate electrode 6, accumulating charge in the floating gate 5, and raising the threshold value t'.
For reading, a predetermined voltage F is applied between the source 2 and drain 3.
On the other hand, in the case of erasing, the operation is actually the exact opposite of the erase operation, and the threshold voltage is increased. For the above reading, Ex. 1. Source:
The voltage applied between 2247 and 2247 may be about 3 to 5 [■], but the voltage I+ used in the furnace for writing and erasing is good! 1 shoot, 20 (V) culm dust or more 〒 Relatively high. Only?
7. It is desirable that this value be as small as possible.

かかる1−トランジスタ型不揮発性半導体記憶装置に安
定tr動作をさせる上で必須なことは、書込み宇去に伴
なうしきい値電圧の肇化(以下、△vthマージンとい
う。)が大きいことである。読。
What is essential for stable tr operation in such a 1-transistor type nonvolatile semiconductor memory device is that the threshold voltage variation (hereinafter referred to as Δvth margin) accompanying write erasure is large. . Read.

み出し電圧は、情報が望″込まれた状態におけるしきい
値電圧と情報が消去された状態におけるし永い値電圧と
の間マ設定されねばならないのマ、△vthマージンが
大入いほど誤動作の可能性が少なく trるから〒ある
The output voltage must be set between the threshold voltage in the state where information is desired and the long-term value voltage in the state where the information is erased; the larger the △vth margin, the more likely it will malfunction. There is a 〒 because there is little possibility of tr.

(3)  従来技術と問題点 上書ピのフローティングゲート構造を有するMO8型ト
ランジスタを使用した不揮発性半導体記憶装置は、△v
thマージンをある程度大きくすることは可能〒あるが
、ピンホール等の発生を避けるために基板とフローティ
ン7)?−トとの間に介在するトンネル酸化膜をある限
兜な越えて薄くすることができないという不利益がある
(3) Conventional technology and problems A non-volatile semiconductor memory device using an MO8 type transistor with a floating gate structure of
It is possible to increase the th margin to some extent, but in order to avoid the occurrence of pinholes etc., it is necessary to connect the board to the floating board7)? There is a disadvantage in that the tunnel oxide film interposed between the two layers cannot be made thinner than a certain limit.

またイlIJの不揮発性半導体記憶装置として、M工S
構造を有するトランジスタ、すなわち、金属よ0なるゲ
ート電極と半導体基板との間に絶縁物層を介在させたも
のがある。この絶縁物層を構成する物質によl)種々に
分類され、現在マはMNOS(met−alnitri
ae oxide semiconductor)構造
を有するものが主流となっている0@2図にこのMNO
8型トランジスタの基本構造の一例を示す。図において
、11けシリコン(Sl)基板〒あり、12.13はソ
ース・ドレイン〒あ11.14)オニャ化シリコン(S
10□)よI)なる絶縁物層〒あ1)、17は窒化シリ
コン(Si3N4’)  よ++77「る絶縁物層であ
を1116は金属よ0なるゲート電極〒ある。動作方法
は上述せるフローティングゲートを有するMO8型トラ
ンジスタを使用した不揮発性半導体記憶装置と同様で、
フローティングゲートの代りにトラップを有する窒化シ
リコン(813N4)層7中に電荷が蓄積される。ただ
、MNO8構造〒構造へみ電圧を10〔v〕程IW以下
に低域させることが容易ではないので、最近、このMN
O8構造の薄い窒化シリコン(Si3N4)層の土部(
ゲート型棒側)を酸化してFliO□とした構造、すな
わち、MONO8構造としてt込み電圧の低域、を図っ
た例かあ1)、8〔v〕程度のψ込み電圧が実親され従
来の2−トランジスタ型の不揮発メモリの1つの欠点は
改善されたが、△vthマージンがZ5[V)程度と小
さいために1−トランジスタに応用した場合、詩、出し
の際の誤動作の可能性を有する。ヌ、9什シリコン(S
i3N4)の薄膜の形成や、その表面酸化の制御が容易
ではない等の工程的不利益も避は難い欠点となっている
In addition, as a non-volatile semiconductor memory device for IlIJ,
Some transistors have a structure in which an insulating layer is interposed between a gate electrode made of metal and a semiconductor substrate. This insulator layer is classified into various types depending on the material that makes up it, and currently the material used is MNOS (met-alnitri
This MNO is in the 0@2 diagram, where those with a
An example of the basic structure of an 8-type transistor is shown. In the figure, 11 is a silicon (Sl) substrate, 12.13 is a source/drain.
10 □) and I) are the insulator layers, 17 is silicon nitride (Si3N4'), and 1116 is the metal, and the gate electrode is 0.The operation method is the floating type as described above. It is similar to a nonvolatile semiconductor memory device using an MO8 type transistor with a gate.
Charges are stored in the silicon nitride (813N4) layer 7 with traps instead of floating gates. However, since it is not easy to lower the dent voltage of the MNO8 structure to about 10 [V] below IW, recently this MN
The soil part of the thin silicon nitride (Si3N4) layer with O8 structure (
This is an example of a structure in which the gate type rod side) is oxidized to create FliO□, that is, a MONO8 structure with a low t-included voltage. Although one drawback of the 2-transistor type non-volatile memory has been improved, the △vth margin is as small as Z5 [V], so when applied to a 1-transistor, there is a possibility of malfunction during output. have 9. Silicon (S)
Process disadvantages such as difficulty in forming a thin film of i3N4) and control of surface oxidation are also unavoidable.

(4)発明の目的 本発明の目的は、この欠点を解消することにあI)、?
込み電圧が低く、△vthマージンが大きく、動作が安
定↑あI)、電気的に書換えが可能であl)、非破壊型
読、出し方式である1−トランジスタ型不揮発性牛導体
記憶装置を提供することにある。
(4) Purpose of the Invention The purpose of the present invention is to eliminate this drawback.
A 1-transistor type nonvolatile conductor memory device with low input voltage, large △vth margin, stable operation↑A), electrically rewritable, and non-destructive read/out method. It is about providing.

(5)  発明の構成 本発明によねば、半導体基板、該半導体基板上に配設さ
ねた第1の絶縁物層、該第1の絶、縁物層上に1.設さ
れた元素周期表の第1VA族または第VA族に属する物
rの酸化物よを)なる第2の絶縁物層、該第2の絶縁物
層上に配設された第3の絶縁物層、該第3の絶縁物層上
に配設されたゲート電極を備えてなることを特徴とする
不揮発性半導体言e憶装置、並びに半導体基板上に元素
周期表の■A族またはVA族に属する物質の酸化物よI
)なる絶縁物層を形成する工程、該絶縁物層上に導電体
層を形成する工程前記絶縁物層及び導電体層を所望形状
にパターニングする工程、力p湿酸素雰囲気中で酸化処
理を行って前記導電体層と前記絶縁物層との界面並びに
前言1J絶縁物八鋳とチャンネル層との界i?nとに酸
化物層を形成する工程、しかる後前言1の絶縁物1−を
還元処理する工程を含むことを特徴とする、不揮発性半
導体記憶装置の製造方法が提供される。
(5) Structure of the Invention According to the present invention, a semiconductor substrate, a first insulating layer disposed on the semiconductor substrate, and 1. a second insulating layer made of an oxide of a substance belonging to Group 1 VA or Group VA of the Periodic Table of Elements; a third insulating layer disposed on the second insulating layer; A non-volatile semiconductor memory device comprising: a third insulating layer, a gate electrode disposed on the third insulating layer; Oxides of substances belonging to I
) a step of forming an insulator layer on the insulator layer, a step of patterning the insulator layer and the conductor layer into a desired shape, and an oxidation treatment in a humid oxygen atmosphere. The interface between the conductor layer and the insulator layer and the interface between the aforementioned 1J insulator and the channel layer i? There is provided a method for manufacturing a non-volatile semiconductor memory device, comprising the steps of forming an oxide layer on the insulator 1-, and then reducing the insulator 1- of the above-described 1.

上記の目的を達成し、裏込み電圧が低く、しがも、△v
thマージンが大きいゲート構造を実現するためには、
ゲート絶縁膜なt「す物質を、高誘電率を有する誘電体
とし、しかもその誘電体は内部にトラップを形成しゃす
い材料を辺択すればよい。
Achieving the above objectives, low backfilling voltage, and △v
In order to realize a gate structure with a large th margin,
The material forming the gate insulating film may be a dielectric having a high dielectric constant, and the dielectric may be a material that does not easily form traps inside.

すなわち、上記ゲート絶縁膜の層構造において、トラッ
プを多数含み高誘電率を有する酸化物R〜を第2の絶縁
物層とし、この層の上下をこれよ番)も・マントギャッ
プが大きく、蓄積された電荷を安定に保持し、かつ、誘
電率の小さい第1及び第3の絶縁物層〒挾んだ構造とな
したときに、最も効果的〒あり、鼾に、かかる構造を実
現するための製造方法としては、半導体基板上に、例え
ば、元素局期表のTVA族またはVA族よI)なる物質
の酸化物よI)なる第2の絶縁物層を形成したのち、多
結晶シリコン(pol、ySi)等、導電体よIIf「
る層を形成し、上記のTVA、VA族の物質の酸化物層
がWθt○2雰囲気において酸化種の導入路となりうる
という現象を利用して基板及び導電体層の酸化を行ない
、酸化物よりなる第3及び第1の絶縁物層を形成し、更
に、第2の絶縁物層を水素(N2)を含む雰囲気中で還
元して多数のトラップを発生させることとすると有利で
ある。
That is, in the layered structure of the gate insulating film, an oxide R~ containing many traps and having a high dielectric constant is used as the second insulating layer, and the upper and lower layers of this layer have a large mant gap and are It is most effective when the first and third insulating layers, which have a small dielectric constant and which hold the electric charge stably, are sandwiched between them. As a manufacturing method, a second insulating layer made of, for example, an oxide of a substance of the TVA group or VA group of the Periodic Table of the Elements is formed on a semiconductor substrate, and then polycrystalline silicon (I) is formed. pol, ySi), etc., conductors IIf
The substrate and conductor layer are oxidized by forming a layer containing the above-mentioned TVA and VA group substances, and by utilizing the phenomenon that the oxide layer of the above-mentioned TVA and VA group substances can serve as an introduction path for oxidizing species in a Wθt○2 atmosphere. Advantageously, the third and first insulator layers are formed, and the second insulator layer is further reduced in an atmosphere containing hydrogen (N2) to generate a large number of traps.

ミ 上記の構成において、第害の絶縁物層はがj込み動作に
おいて、すなわち、電荷注入時にチャンネル層から第a
の絶縁物層をトンネルした電荷が導電体層に放電、する
のを防止するためのものであり、第1、第3の絶縁物層
は共に電荷保持の機能を有する。第2の絶縁物層は本発
明の要旨に係l)、倒置げ、酸化タンタル(Ta205
)  を水素(N2)によ+1 ′R元し、酸素(0)
の空位よりなるトラップを多数発生させることによ番)
実現された電荷蓄積機能を有する誘電体層である。この
誘電体層は上記のフローティングゲートはど多くの電荷
を蓄積することはできないが、MNO8構造よI)は、
けるかに多くの電荷を蓄積することが可能であを)、ま
た、この屑自体が誘電体であるため電荷のFfhを許さ
t「いのでフローティングゲートのようにリーク電流が
発生する可卵件が小さく、第算のP縁物層を薄くしても
保持時間が十分升いといろ利点があるC鬼 一方、第害の絶縁物層を十分博くできるため婁込み電圧
を低減、することが可能となる。すなわち、かかるゲー
ト構造は、上*1.のフローティングゲート構造の利恢
七MNO8構造の利点とを兼ね備えた構造〒ある。
In the above structure, the harmful insulating layer is separated from the channel layer in the injection operation, that is, during charge injection.
This is to prevent charges tunneled through the insulating layer from being discharged to the conductive layer, and both the first and third insulating layers have a charge retention function. The second insulating layer is inverted, tantalum oxide (Ta205).
) by hydrogen (N2) and oxygen (0)
(by generating a large number of traps consisting of vacant positions)
This is a dielectric layer that has a realized charge storage function. This dielectric layer cannot store as much charge as the floating gate described above, but in the MNO8 structure I),
It is possible to accumulate a much larger amount of charge), and since this waste itself is a dielectric, it does not allow charge Ffh, so it is not possible to generate leakage current like a floating gate. On the other hand, C has the advantage that the retention time is small even if the P edge layer is made thinner, and the insulating layer, which is harmful, can be made sufficiently wide, so it is possible to reduce the built-in voltage. In other words, such a gate structure is a structure that combines the advantages of the floating gate structure and the MNO8 structure described above.

さらにP14体層の持つべき性γtについて述べる。Furthermore, the property γt of the P14 body layer will be described.

本発明による不揮発性半導体記憶装置のノ々ンド構造を
第7図に示す。書込み電圧を下げるために第ファウラー
ノーPハイムトンネルN Mtが支配的になるほどに薄
く形成される。また第害、第2の絶縁Jv!71.72
は′電界が高くなるのでショットキー効果も考慮シ、な
ければならない。よって本発明の目的を達成するにはト
ンネル確率とショットキー効果に影響する誘電率、電界
、ノ々ンPギャップ、嘆バのN1係を第1.2.3の絶
縁層について考えな叶わばfrらt「い。@7図(a)
はゲートに電圧な印加していt「い状態で第7図(b)
はゲートに正電圧を印加して電子を半導体基板74から
第2の絶縁層72に注入している状態である。一般に誘
電体中の電束密度りけD=ε・E(誘電率×電界強度)
の式1表わさね、誘電体が積層さハた場合電束密度一定
の条件よ番)、各誘電体の電界強守は誘電率に逆比例す
ることを考慮すると、第拾の絶縁層73で電子が注入さ
れて第害の絶縁層で止められるφ件は、IC73のそれ
旬、上に大きく、さらに第2の絶縁層72に注入された
電子を保持するために第2の絶縁層72のノ々ンrギャ
ップよヲ)8秒の絶縁層73のそれが大きいこと(F1
≧F3〉′F2)、■第害の絶縁層73の〕 誘電率よI)第害の絶縁層71のそれを大きくして集客
の絶縁か73の電界を強くすること(ε、≧83)、■
第ヤの絶縁層71の膜厚を第害の絶縁層73のそれよ1
1 ff くすること(/1≧/3)の少なくとも1つ
が満されること〒ある。また?11;子の注入電圧を下
げるため第2の絶縁層72に力りわろ電圧が低い方が良
いので、第2の絶縁層72のR市;率を仙の2つの絶縁
層より大きく1.て電界を小さくする(ε1・ε3〈ε
2)ことあるいは第ルのP線層73の基板側のノ々ンP
ギャノゾを小さくする、いわゆるグレイズP、Fンドギ
ャップを用いること〒轡込み電圧を下げることができる
FIG. 7 shows a nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention. In order to lower the write voltage, it is formed so thin that the Fowler-No-P-Heim tunnel N Mt becomes dominant. Also, the second harm, the second insulation Jv! 71.72
Since the electric field becomes high, the Schottky effect must also be taken into consideration. Therefore, in order to achieve the purpose of the present invention, it is necessary to consider the dielectric constant, electric field, non-p-gap, and N1 coefficient of the barrier, which affect the tunneling probability and the Schottky effect, for the 1.2.3 insulating layer. fret “I. @Figure 7 (a)
Figure 7(b) with no voltage applied to the gate.
is a state in which electrons are injected from the semiconductor substrate 74 into the second insulating layer 72 by applying a positive voltage to the gate. Generally, electric flux density in dielectric material D=ε・E (permittivity x electric field strength)
Equation 1 shows that when dielectrics are laminated, the electric flux density is constant), and considering that the electric field strength of each dielectric is inversely proportional to the dielectric constant, in the first insulating layer 73, The number of electrons injected and stopped by the harmful insulating layer is large at the top of the IC 73, and the second insulating layer 72 is further injected to hold the electrons injected into the second insulating layer 72. 8 seconds of insulating layer 73 is large (F1
≧F3〉'F2), ■ Dielectric constant of the second harmful insulating layer 73 I) Increase that of the second harmful insulating layer 71 to strengthen the electric field of the insulation layer 73 that attracts customers (ε, ≧83) , ■
The thickness of the second insulating layer 71 is set to 1 more than that of the third insulating layer 73.
At least one of the following conditions (/1≧/3) is satisfied. Also? 11; Since it is better to have a lower voltage applied to the second insulating layer 72 in order to lower the injection voltage, the R ratio of the second insulating layer 72 is set to 1. to reduce the electric field (ε1・ε3〈ε
2) Nonon P on the substrate side of the first P line layer 73
By using a so-called glaze P, F gap that reduces the gap, the voltage can be lowered.

(6)発明の吏施例 以下図面を滲照しつつ、本発明の一実施例に係ろ1−ト
ランジスタ型不捌4ζ件#:導体配憶装(ia”及びそ
の製造方法についてに9明し、本発明の構成と特有の効
果とを明らかにする。
(6) Embodiment of the Invention With reference to the drawings, an embodiment of the present invention will be described below. The structure and unique effects of the present invention will be explained below.

一例とし7で、シリコン(Sl)基板上に、多結晶シリ
コン(po17si)ゲート電極、二酸化シリコン(S
10□)よりなる第1の絶縁物層、タンタル酸化物(T
axOy)よりなる第2の絶縁物層、そして二酸化シリ
コン(S10□)よりなる第3の絶縁物層を有する構造
となした場合の製造工村について述べる。但し、第3図
乃至第6図は、fバ8図のA−A断面を示lたものマあ
る。
As an example, in 7, a polycrystalline silicon (PO17SI) gate electrode, a silicon dioxide (S
The first insulating layer consists of tantalum oxide (T
A manufacturing process for a structure having a second insulating layer made of silicon dioxide (S10□) and a third insulating layer made of silicon dioxide (S10□) will be described. However, FIGS. 3 to 6 show the A-A cross section of FIG.

第3図参照 p 型シリコン(psi)基板21上に銘〆化シリコン
(Si3N4)よりなる層(図示せず)を形成し、ノミ
ターニングを行なった後熱酸化法を使用して所望の領域
に二酸化シリコン(S10□)よl)ナルフィールドI
β縁層28を形成する。続いて、前記9化シリコン(8
13N4)層をエツチング除去し、たのち、スパッタリ
ング法を使用してタンタル(Ta)1200X程度の厚
さに形成し、これを500C℃)以下の温守をもってな
す熱酸化法により酸化し、酸化タンク/l/ (T a
 205 ) J?” 29を440 (ス〕程度の厚
さに形成する。
Refer to FIG. 3. A layer (not shown) of sealed silicon (Si3N4) is formed on a p-type silicon (psi) substrate 21, and after chisel turning is performed, desired regions are formed using a thermal oxidation method. Silicon dioxide (S10□) l) Nullfield I
A β edge layer 28 is formed. Subsequently, the silicon 9ide (8
13N4) layer is removed by etching, and then sputtering is used to form tantalum (Ta) to a thickness of about 1200X, which is oxidized by a thermal oxidation method maintained at a temperature of 500C or less. /l/ (T a
205) J? ” 29 to a thickness of about 440 (s).

第4図ね照 一ヒ言己の酸化タンタル(Ta20.)層29上に、化
学@1相成長法を使用して多結晶シリコン(poly6
1 )層を5,000(X)程度の厚さに形成t7た彷
、ゲートとなる領域を除く領域から上記の酸化タンタル
(Ta205)29と多結晶シリコン(polySl)
#とを11− 選択的に除去して、多結晶シリコン(polysi)よ
1)なるゲート電WI26及び第2のP縁物層となる酸
化タンタル(T a 205 )層29′とを形成する
。しかるのち、こわらをマスクと[7てイオン注入を実
行し、基板21内にn型不純物として離京(AS)を導
入して、ソース・ドレイン、すなわち、初地線拡散層2
2とビット線拡散層23とを形成する0第5図参照 次いで、8oo(’n)程のwet02雰囲気中、にお
いて約10分間の酸化を行なう○この工程によI)、基
板21、ゲート電vjL26の表出部30.31が、酸
化されるとともに酸化タンタルと接するシリコン領域も
酸化タンタル(Ta2(”14.)層29′が酸化釉の
導入路となって酸化が行なわね、二酸化シリコン(Si
C2)よりなる第3の絶→物層30′及び第1の絶縁物
層31′とが形成される。
Figure 4. Teruichi says polycrystalline silicon (poly6) is grown on the tantalum oxide (Ta20.
1) After forming the layer to a thickness of about 5,000 (X), the above-mentioned tantalum oxide (Ta205) 29 and polycrystalline silicon (polySl) are added from the region excluding the gate region.
#11- is selectively removed to form a gate electrode WI26 made of polycrystalline silicon (1) and a tantalum oxide (T a 205 ) layer 29' which becomes a second P edge layer. After that, ion implantation is performed using the stiffener as a mask to introduce AS as an n-type impurity into the substrate 21, and form the source/drain, that is, the original line diffusion layer 2.
2 and the bit line diffusion layer 23. Refer to FIG. 5. Next, oxidation is performed for about 10 minutes in a wet 02 atmosphere of about 800 ('n). This process oxidizes I), the substrate 21, and the gate electrode. The exposed portions 30.31 of vjL26 are oxidized, and the silicon region in contact with the tantalum oxide is also oxidized because the tantalum oxide (Ta2 ("14.) layer 29' serves as an introduction path for the oxidized glaze, and silicon dioxide ( Si
A third insulating layer 30' and a first insulating layer 31' made of C2) are formed.

第6図参が 次に、体積百分率で5%の水素ガス(N2)を含む窒素
ガス(N2)とよ0なる温度1,000 (’O)程度
の混合ガス中においてFJ20分間アニールを行ない、
12− 酸化タンタル(’ra2o5)829’を還元する。還
元されたタンタル酸化物(TaxOy)層2イ中には酸
齋(0)の空位によるトラップが多数発生する。該トラ
ップは電荷を蓄積する機能を有する。
Next, FJ annealing is performed for 20 minutes in a mixed gas of nitrogen gas (N2) containing 5% hydrogen gas (N2) by volume percentage at a temperature of about 1,000 ('O).
12- Reduce tantalum oxide ('ra2o5)829'. A large number of traps are generated in the reduced tantalum oxide (TaxOy) layer 2 due to vacancies of acid salts (0). The trap has the function of accumulating charge.

t「お、この工程においてゲート電極26及び基板21
のシリコン(Sl)が多少酸化される。これは、酸化タ
ンタル(T a 20 y、 )中の酸素(0)の一部
とシリコン(Sl)とが反応するためであると考えられ
るが、この現象を第11用して導電体層と基板との酸化
を行なえば、上記の800〔℃〕におけるweto□中
〒の酸什工稈を省略することができる。また、これとN
1時に、イオン注入された砒’J (As)が拡散され
るが、この拡散を大きくなす場合は上記のwet02酸
化の時間を短縮し、アニール時間を延長すればよい。
t "Oh, in this process, the gate electrode 26 and the substrate 21
silicon (Sl) is oxidized to some extent. This is thought to be due to the reaction between some of the oxygen (0) in tantalum oxide (T a 20 y, ) and silicon (Sl). If the oxidation with the substrate is performed, the acid process in weto□ at 800[° C.] mentioned above can be omitted. Also, this and N
At 1:00, the ion-implanted arsenic (As) is diffused, but if this diffusion is to be increased, the above-mentioned wet02 oxidation time may be shortened and the annealing time may be extended.

続いて、化学気相成長法(OVD法)を使用して二酸化
シリコン(S1O2)層28′を形成したのち、公知の
方法ち・使用してゲート電極26上にコンタクトホール
を形成し、アルミニウム(A/)よl)なる層を選択的
に形成することによ1)ワード線32を形成する。
Next, a silicon dioxide (S1O2) layer 28' is formed using a chemical vapor deposition method (OVD method), and a contact hole is formed on the gate electrode 26 using a known method. 1) Word lines 32 are formed by selectively forming layers such as A/).

第8図に、以上の工程により製造さゎな1〜トランジラ
ス肋不揮発性牛導体紀憧装置の基板平面[りを示す。図
において?8けフィールド絶@層〒あ番)、26は多結
晶シリコン(丁、olysj)よI)なるゲート電fi
l〒あ番)、26′けゲート屯極26上に形成されたコ
ンタクトホール〒ある。また一点鎖線B〒挾tねた領域
23はビット線を構成するn@領領域あり、破細Cで挾
まわた領域22け接地線を構成するn型領域である。(
I−1,l、、この図においては層間絶縁層28′及び
アルミニウム(AIりよI)なるワード線32は省略さ
れている。
FIG. 8 shows the plane of the substrate of the transilous non-volatile conductor measurement device manufactured by the above process. In the diagram? 8 field isolation @ layer 〒A number), 26 is polycrystalline silicon (I) gate voltage fi
There is a contact hole 26' formed on the gate electrode 26. Further, the region 23 surrounded by the dashed dotted line B is an n@ region constituting a bit line, and the region 22 surrounded by the broken lines C is an n type region constituting a ground line. (
I-1, l, In this figure, the interlayer insulating layer 28' and the word line 32 made of aluminum (AI) are omitted.

さらに、第8図に示した不揮発性半導体記憶装置の等価
回路を第9図に示す。以下、この図をもって、本発明の
一実施例に係る1−トランジスタ型不揮発性半導体記憶
装置の動作原理について説明する。図において、B1 
、B2 r 01 + 02は夫々ビット線、接地線〒
あ11.41〜46の各メモリセルな構成スるトランジ
スタのソース・ドレインに接続さねている。また、T)
、 、 B2. B3けワーP@〒あ番)、各トランジ
スタのゲートに接続されている。
Furthermore, an equivalent circuit of the nonvolatile semiconductor memory device shown in FIG. 8 is shown in FIG. The operating principle of a one-transistor type nonvolatile semiconductor memory device according to an embodiment of the present invention will be explained below with reference to this figure. In the figure, B1
, B2 r 01 + 02 are the bit line and ground line, respectively.
A11. Each of the memory cells 41 to 46 is connected to the source and drain of the transistor. Also, T)
, , B2. B3 key P@〒A number) is connected to the gate of each transistor.

いま、eット線B1、接地線C1、及びワード% D、
をもって動作させうるメモリセル、すなわちセル41を
例にとって説明すると、まず、セル41のみに書込みを
行なう場合は、ワーF′線り、を10 Vに設定し、ビ
ット線B1を接地する。この操作によl)、セル41の
ゲートには10(V)の書込み電圧が印加されることと
fr+1、電子がビット線を構成するn型領域よl)ゲ
ート部のタンタル酸化物(Tawny)よl〕なる第2
の絶縁物層に注入され蓄積される。なお、セル41と同
一のワード線に接続されたセル43マの書込みを禁止す
るため、セル43のビットM B2は開放電位に保たれ
、また、セル41.43での接地線からの電子注入を防
ぐために、接地線C1・C2も共に開放電位とする。次
に、セル41の読、出しを行なう場合は、ワード線D1
を+3V、 ビット線B1を+5(V)に設定し、セル
のON 、 OFFを検出する。すなわち、ゲートに電
子が蓄積されているとソース・ドレイン間には電流が流
れず、電子が蓄積されていないと電流が流れる。本発明
によれば、△vtbマージンlフ5〜10(V)程度で
あI)、従来技術において91州さハていた値25〔■
〕 程度に比してけるかに大きいため、陛出し電圧の設
定の自由度が太きく、誤動作の可能性が少ない。さらに
、セル41の消去を行なう場合には、ツ込みのと六と全
く逆の操作を行なう。すなわち、ワーYlaD1を接地
し、ビットN Blを10〔V)に設定する。これによ
り、ゲートに蓄積されていた電子は、ビット線を構成す
るn型領彼ま〒トンネル現像によ冬)ぬけて消去されろ
。このとき、♂ットMBIに接続された(117のセル
、すt「わち、セル42.44及び45に、仮に484
%が書込まれている場合、これらのセル〒の消去を防ぐ
ために、ワードg B2 * B3を+5■に設定すバ
げ、実効的電子放出電圧け5〔v〕となI]、トンネル
は起こらない。更に、ビット線B1の両側の接地@c1
゜C2は開放電位に保たれ、仙のセルに電流が流れるこ
とを防止する。
Now, the et line B1, the ground line C1, and the word % D,
Taking as an example a memory cell that can be operated, that is, cell 41, first, when writing only to cell 41, the word F' line is set to 10 V and the bit line B1 is grounded. By this operation, a write voltage of 10 (V) is applied to the gate of the cell 41, and fr+1, an n-type region where electrons form a bit line. The second
is injected into the insulator layer and accumulated. Note that in order to prohibit writing to cell 43 connected to the same word line as cell 41, bit MB2 of cell 43 is kept at an open potential, and electron injection from the ground line in cell 41. In order to prevent this, both the grounding lines C1 and C2 are set to an open potential. Next, when reading the cell 41, the word line D1
Set the bit line B1 to +3V and the bit line B1 to +5 (V), and detect whether the cell is ON or OFF. That is, if electrons are accumulated in the gate, no current will flow between the source and drain, and if no electrons are accumulated, current will flow. According to the present invention, the △vtb margin l is approximately 5 to 10 (V), which is a value of 25 [■
] Since it is much larger than the current level, there is a greater degree of freedom in setting the output voltage, and there is less possibility of malfunction. Furthermore, when erasing the cell 41, the operation is completely opposite to that of the insertion. That is, the voltage YlaD1 is grounded and the bit NBL is set to 10 [V]. As a result, the electrons accumulated in the gate pass through the n-type region that makes up the bit line (due to tunnel development) and are erased. At this time, if the cell 42, 44 and 45 were connected to the ♂tMBI (cell 117, 484
% are written, to prevent erasure of these cells, set the word gB2*B3 to +5. If the effective electron emission voltage is 5 [V], the tunnel will be It won't happen. Furthermore, ground @c1 on both sides of bit line B1
C2 is held at an open potential to prevent current from flowing through the cell.

上Wi″せる工程をもってその構造が実現されろ1−ト
ランジスタ型不揮発性半導体RAMは、碧込み電圧が+
Bv)と低減されてお番)、シかも△vthマージンは
5〜10(V)程度と大きく、動作が安定〒あl)、か
つ、高集積化に有効に寄右する。
The structure is realized through the process of making the upper wiring.1-Transistor type non-volatile semiconductor RAM
The Δvth margin is as large as about 5 to 10 (V), and the operation is stable and contributes effectively to high integration.

なお、本発明の要旨は、ゲート部のP造を導電体W/第
1の絶縁物層/多数のトラップを含む第2の絶縁物層/
第3の絶縁物層/半導体層となしたことにあI)、上記
ツ施例においては、ゲート部を構成する材料と17で多
結晶シリコン(p 01 y S :l )/二酸化シ
リコン(S10□)/タンタル酸化物(Taxoy) 
/二酸化シリコン(SiO2)/シリコン(Sl)を撰
択し、こ、+′Iらによるゲート構造となしたが、この
材料に限定されるものではl「い。
Note that the gist of the present invention is that the P structure of the gate portion is formed by a conductor W/a first insulator layer/a second insulator layer containing a large number of traps/
Regarding the third insulating layer/semiconductor layer, in the above embodiment, polycrystalline silicon (p 01 y S :l)/silicon dioxide (S10 □)/Tantalum oxide (Taxoy)
/silicon dioxide (SiO2)/silicon (Sl) was selected to form the gate structure according to I et al., but it is not limited to these materials.

(7)  発明の効果 以上些明せるとおI)、本発明によれば、書込み電圧が
低く、△vthマージンが大きく、111作が安定〒あ
I)、電気的に組換えが可能であl)、非破壊型読出し
方式である1−トランジスタ型不揮発性半導体記憶装置
を提供することができる。
(7) The effects of the invention can be explained in detail.According to the present invention, the write voltage is low, the △vth margin is large, the 111 operation is stable, and electrical recombination is possible. ), it is possible to provide a 1-transistor type nonvolatile semiconductor memory device that uses a non-destructive readout method.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は、従来技術における不揮発性半導体配憶装置を
構成する70−ティングゲートを有するMO8型トラン
ジスタの基本構造の一例を示す断面1ミに、第2図は従
来技術における不揮発性半導体記憶装置を構成するMN
O8型トランジスタの基本構造の一例を示す断面図、第
3図乃至第6図は本発明の一実楕例に係る1−トランジ
スタ型不揮発性生害体配憶装置の製造方法における主要
工程完了後の基板断面図、f87図は本発明による不揮
発外生導体配憶装置の・々ンl−′構造を示す図、第8
図1は完成された1−トランジスタ型不揮発メモリの基
板平面図1、第9図はその等価回路を示す回路図である
。 1.11.21・・・S1基板、2.12.22・・・
ソース・すなわち、接地線拡散層、3.13.23・・
・ドレイン・すなわち、ビット線拡散層、4.14・・
・5i02絶縁物層、5・・・フローティングゲート(
金漠)、6.16・・・ゲート型棒、17・・・813
N、層、28.28′、3()、31・・・SiO□層
、29・・・Ta205層、29′・・・第2の絶縁物
層となるTa206層、32・・・ゲート配線、すなわ
ち、ワーP線(A/)、26・・・ゲート型棒(pol
ysi)、26・・・ゲート電極に形成されたコンタク
トホール、31′・・・第1の絶縁物層(S10゜)、
29’・・・第2の絶縁物層(TaXO7) 、3(1
’=−@ 3の絶、縁物層(61102)、41〜46
・・・メモリセル0 ハ        〉 D十 319
FIG. 1 is a 1 mm cross section showing an example of the basic structure of an MO8 type transistor having a 70-ring gate constituting a non-volatile semiconductor storage device in the prior art, and FIG. The MNs that make up
3 to 6 are cross-sectional views showing an example of the basic structure of an O8 type transistor, after completion of the main steps in a method for manufacturing a 1-transistor type non-volatile organic storage device according to an embodiment of the present invention. Figure 8 is a cross-sectional view of the substrate, and Figure f87 is a diagram showing the structure of the non-volatile external conductor storage device according to the present invention.
FIG. 1 is a plan view of a substrate of a completed one-transistor type nonvolatile memory, and FIG. 9 is a circuit diagram showing its equivalent circuit. 1.11.21...S1 board, 2.12.22...
Source i.e. ground line diffusion layer, 3.13.23...
-Drain, that is, bit line diffusion layer, 4.14...
・5i02 insulator layer, 5... floating gate (
Metal), 6.16...Gate type rod, 17...813
N, layer, 28.28', 3(), 31...SiO□ layer, 29...Ta205 layer, 29'...Ta206 layer serving as second insulator layer, 32...gate wiring , that is, the wire P line (A/), 26... gate type rod (pol
ysi), 26... contact hole formed in the gate electrode, 31'... first insulator layer (S10°),
29'...Second insulator layer (TaXO7), 3(1
'=-@3's isolation layer (61102), 41-46
...Memory cell 0 C > D1319

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)半導体基板、該半導体基板上に配設された第1の
P縁物層、該第1のP縁物層上に配設された元素周期表
の第1VA極または甲VA族に鳴する物質の酸什物よ番
)なる% 2の絶縁物層、該第2の絶縁物層上に配設さ
れか?t3の絶縁物層、該第3の絶縁物層上に配設され
たゲート′市極を倫すてなることを特徴とする不揮発性
半導体記憶装置婦。 f21 #!−導体基板上に元素周期表のIVA塵また
はVA族に属する物質の酸什物よflなる絶縁!!ユク
・6・l′A・形成する工程、該絶縁物層上(−導電体
層を形成する工程、前記絶縁物層及び導゛ル体層を首望
形状にパターニングする工程、力ρ溝酸素′雰μm」気
中1酸化処理を行って前記導電体層と前記絶縁′肉層と
の界面並びに前記絶縁物層とチャンネル胎との界面とに
酸化物層を形成する工程、しかる林前五[′の絣吋物層
を還元処理する工程を含むことを特徴とする、 1− 不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
(1) A semiconductor substrate, a first P-edge layer disposed on the semiconductor substrate, and an element having a ring on the first VA pole or VA group A of the periodic table of elements disposed on the first P-edge layer. Is an insulating layer of 2% of the acid content of the substance disposed on the second insulating layer? 1. A non-volatile semiconductor memory device comprising an insulating layer at t3 and a gate electrode disposed on the third insulating layer. f21 #! - Insulation on the conductive substrate from IVA dust or acid substances belonging to the VA group of the periodic table! ! Yuk.6.l'A. On the insulator layer (-step of forming a conductor layer, step of patterning the insulator layer and conductor layer into a desired shape, force ρ groove oxygen A step of forming an oxide layer at the interface between the conductive layer and the insulating layer and at the interface between the insulating layer and the channel layer by performing an oxidation treatment in the atmosphere. 1- A method for manufacturing a non-volatile semiconductor memory device, comprising the step of reducing the kasuri oxide layer of ['.
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