KR100391559B1 - Non-volatile semiconductor memory device and method of manufacturing the same, volatile semiconductor memory device and method of manufacturing the same, and semiconductor memory device incorporating the non-volatile semiconductor memory device with the volatile semiconductor memory device and method of manufacturing thereof - Google Patents

Non-volatile semiconductor memory device and method of manufacturing the same, volatile semiconductor memory device and method of manufacturing the same, and semiconductor memory device incorporating the non-volatile semiconductor memory device with the volatile semiconductor memory device and method of manufacturing thereof Download PDF

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KR100391559B1 KR10-2000-0011598A KR20000011598A KR100391559B1 KR 100391559 B1 KR100391559 B1 KR 100391559B1 KR 20000011598 A KR20000011598 A KR 20000011598A KR 100391559 B1 KR100391559 B1 KR 100391559B1
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Abstract

본 발명은 복수 비트분의 정보를 기억할 수 있는 불휘발성 반도체기억장치의 신규한 구조를 개시한다. 본 발명에 따른 불휘발성 반도체기억장치는 게이트전극의 단부에 전자를 축적하는 전하축적층(4)을 갖추고 있다. 본 발명에 따른 불휘발성 반도체기억장치는, 이 전하축적층(4)에 전자를 축적함으로써, 복수 비트분의 정보를 기억한다.The present invention discloses a novel structure of a nonvolatile semiconductor memory device capable of storing a plurality of bits of information. The nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention has a charge storage layer 4 for accumulating electrons at the ends of the gate electrodes. The nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention stores electrons in the charge storage layer 4, thereby storing a plurality of bits of information.

Description

불휘발성 반도체기억장치 및 그 제조방법, 휘발성 반도체기억장치 및 그 제조방법, 및 불휘발성 반도체기억장치와 휘발성 반도체기억장치를 혼재한 반도체기억장치 및 그 제조방법 {NON-VOLATILE SEMICONDUCTOR MEMORY DEVICE AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME, VOLATILE SEMICONDUCTOR MEMORY DEVICE AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME, AND SEMICONDUCTOR MEMORY DEVICE INCORPORATING THE NON-VOLATILE SEMICONDUCTOR MEMORY DEVICE WITH THE VOLATILE SEMICONDUCTOR MEMORY DEVICE AND METHOD OF MANUFACTURING THEREOF}Nonvolatile semiconductor memory device and manufacturing method thereof, volatile semiconductor memory device and manufacturing method thereof, and nonvolatile semiconductor memory device and volatile semiconductor memory device in combination and manufacturing method thereof {NON-VOLATILE SEMICONDUCTOR MEMORY DEVICE AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME, VOLATILE SEMICONDUCTOR MEMORY DEVICE AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME, AND SEMICONDUCTOR MEMORY DEVICE INCORPORATING THE NON-VOLATILE SEMICONDUCTOR MEMORY DEVICE WITH THE VOLATILE SEMICONDUCTOR MEMORY DEVOFACT AND METHOD AND METHOD

본 발명은 전기적으로 기록·소거가능한 불휘발성 반도체기억장치 및 그 제조방법, 고속으로 기록·독출가능한 휘발성 반도체기억장치 및 그 제조방법, 및 불휘발성 반도체기억장치와 휘발성 반도체기억장치를 동일 칩상에 혼재한 반도체기억장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention provides a nonvolatile semiconductor memory device and a method of manufacturing the same, which can be electrically recorded and erased, a volatile semiconductor memory device and a method of manufacturing the same, and a nonvolatile semiconductor memory device and a volatile semiconductor memory device are mixed on the same chip. A semiconductor memory device and a method of manufacturing the same.

종래의 EEPROM(Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory) 등의 불휘발성 메모리에서는, 1개의 셀에 다른 2개의 임계치를 실현함으로써, 1개의 셀에 1비트분의 정보를 기억한다. 이에 대해 메모리 고밀도화를 위해, 1개의 셀에 4개 이상의 임계치를 갖게 하고, 2비트분 이상의 정보를 1개의 셀에 기억하는 기술이 제안되어 있다(M. Bauer et al., ISSCC95, p.132). 그러나, 이 기술을 실현하기 위해서는, 임계치전압의 정확한 제어, 임계치전압의 작은 변화분의 정확한 검지, 더욱이 종래 이상의 전하유지 신뢰성이 요구된다. 따라서, 이 기술에서는 실제로는 반드시 종래와 동등한 성능을 얻을 수는 없다. 또, 이 기술은 제조수율이 낮다고 하는 문제도 있다. 이 때문에, 전하를 물리적으로 다른 복수의 위치에 축적함으로써 복수 비트분의 정보를 기억하는 셀구조가 새롭게 제안되어 있다(B.Eitan et al. IEDM96, p.169, Fig 6). 또, 그것과 유사한 셀구조로서 본 발명자에 의해 게이트전극의 측벽에 전하축적층을 설치하는 구조가 이전에 제안되어 있다(미국 특허번호 제4,881,108호). 그러나, 그들 셀구조의 제조공정은 대단히 복잡한 것이고, 또 채널영역의 제어성도 충분치 않다고 하는 문제가 있다.In a nonvolatile memory such as a conventional EEPROM (Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory), one bit of information is stored in one cell by realizing two different threshold values in one cell. On the other hand, in order to increase the memory density, a technique of having four or more threshold values in one cell and storing two or more bits of information in one cell has been proposed (M. Bauer et al., ISSCC95, p. 132). . However, in order to realize this technique, accurate control of the threshold voltage, accurate detection of small changes in the threshold voltage, and moreover, charge holding reliability beyond the prior art are required. Therefore, in this technique, it is not always possible to obtain the performance equivalent to the conventional one. This technique also has a problem of low production yield. For this reason, a cell structure for storing a plurality of bits of information by accumulating charge in a plurality of physically different positions has been newly proposed (B. Eitan et al. IEDM 96, p. 169, Fig. 6). In addition, as the cell structure similar thereto, a structure for providing a charge storage layer on the sidewall of the gate electrode has been proposed by the present inventor (US Pat. No. 4,881,108). However, the manufacturing process of these cell structures is very complicated and there is a problem that the controllability of the channel region is not sufficient.

한편, 작금의 시스템 온 칩(system on chip)의 요구로부터 전기적으로 기록·소거가능한 불휘발성 메모리와 고속으로 기록·독출가능한 휘발성 메모리를 동일의 칩상에 실현할 필요가 높아지고 있다. 특히, EEPROM이나 플래시 메모리 등의 부유게이트구조를 갖는 불휘발성 메모리와 고속동작가능한 다이내믹 RAM을 혼재하는 VLSI의 요구가 급증하고 있다. 그렇지만, 근래의 다이내믹 RAM의 메모리셀은 트렌치 구조나 스태틱 구조라고 하는 대단히 복잡한 3차원 구조로 되어 있다. 이 때문에, 부유게이트형 불휘발성 메모리와 다이내믹 RAM을 혼재하려고 하면, 그 메모리셀 구조의 차이로부터 제조프로세스가 복잡화되고, 마스크공정수도 증대된다. 따라서, 그 혼재칩의 제조비용이 대단히 높은 것으로 되어 버린다.On the other hand, there is a growing need to realize a nonvolatile memory that can be electrically written and erased and a volatile memory that can be read and read at a high speed on the same chip. In particular, there is an increasing demand for a VLSI in which a nonvolatile memory having a floating gate structure such as an EEPROM or a flash memory is mixed with a dynamic RAM capable of high speed operation. However, memory cells of recent dynamic RAMs have a very complicated three-dimensional structure called a trench structure or a static structure. For this reason, when mixed floating gate type nonvolatile memory and dynamic RAM are attempted, the manufacturing process is complicated by the difference in the memory cell structure, and the number of mask processes is also increased. Therefore, the manufacturing cost of the mixed chip is very high.

부유게이트형의 불휘발성 메모리의 메모리셀 구조를 이용하여 다이내믹 RAM의 메모리셀을 실현하면, 셀구조의 공통화에 의해 제조프로세스가 단순화되어 제조비용을 저감하는 것은 가능하다. 그러나, 그 공통화된 메모리셀에서는 다이내믹 RAM의 특징인 고속기록을 실현하는 것이 곤란하다.When the memory cell of the dynamic RAM is realized by using the memory cell structure of the floating gate type nonvolatile memory, the manufacturing process can be simplified by reducing the common cell structure, thereby reducing the manufacturing cost. However, in such a common memory cell, it is difficult to realize high-speed writing, which is a characteristic of the dynamic RAM.

본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 간단한 셀구조로 복수 비트분의 정보를 기억할 수 있는 불휘발성 반도체기억장치의 구조를 제공하는 것을목적으로 한다.The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a structure of a nonvolatile semiconductor memory device capable of storing a plurality of bits of information in a simple cell structure.

본 발명의 다른 목적은, 간단한 제조프로세스로 복수 비트분의 정보를 기억하는 불휘발성 반도체기억장치를 제조하는 불휘발성 반도체기억장치의 제조방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device for storing a plurality of bits of information in a simple manufacturing process.

본 발명의 또 다른 목적은, 간단한 제조프로세스로 전기적으로 기록·소거가능한 불휘발성 메모리와 고속 기록·독출가능한 휘발성 메모리를 혼재한 반도체기억장치의 제조를 제공하는 것이다.It is still another object of the present invention to provide a semiconductor memory device in which a nonvolatile memory that can be electrically written and erased and a volatile memory that can be read and read at high speed in a simple manufacturing process.

본 발명의 더욱 다른 목적은, 간단한 제조프로세스로 전기적으로 기록·소거가능한 불휘발성 메모리와 고속 기록·독출가능한 휘발성 메모리를 혼재한 반도체기억장치의 제조방법을 제공하는 것이다.A further object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor memory device in which a nonvolatile memory which can be electrically written and erased by a simple manufacturing process and a volatile memory that can be read and read at high speed.

도 1은 본 발명의 제1실시형태에 따른 불휘발성 반도체 메모리의 메모리셀 구조를 나타낸 단면도,1 is a cross-sectional view showing a memory cell structure of a nonvolatile semiconductor memory according to a first embodiment of the present invention;

도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 제1실시형태에 따른 불휘발성 반도체 메모리의 동작을 설명하는 단면도,2A to 2C are cross-sectional views illustrating the operation of the nonvolatile semiconductor memory according to the first embodiment of the present invention;

도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 제1실시형태에 따른 불휘발성 반도체 메모리의 메모리셀의 제조공정을 나타낸 단면도,3A to 3E are sectional views showing the manufacturing process of the memory cell of the nonvolatile semiconductor memory according to the first embodiment of the present invention;

도 4는 본 발명의 제2실시형태에 따른 불휘발성 반도체 메모리의 메모리셀 구조를 나타낸 단면도,4 is a cross-sectional view showing a memory cell structure of a nonvolatile semiconductor memory according to a second embodiment of the present invention;

도 5a 및 도 5b는 본 발명의 제2실시형태에 따른 불휘발성 반도체 메모리의 조작을 설명하는 단면도,5A and 5B are cross-sectional views illustrating the operation of the nonvolatile semiconductor memory according to the second embodiment of the present invention;

도 6a 내지 도 6g는 본 발명의 제2실시형태에 따른 불휘발성 반도체 메모리의 메모리셀의 제조공정을 나타낸 단면도,6A to 6G are cross-sectional views illustrating a process for manufacturing a memory cell of a nonvolatile semiconductor memory according to the second embodiment of the present invention;

도 7은 본 발명의 제4실시형태에 따른 불휘발성 반도체 메모리의 메모리셀 구조를 나타낸 단면도,7 is a cross-sectional view showing a memory cell structure of a nonvolatile semiconductor memory according to the fourth embodiment of the present invention;

도 8a 및 도 8b는 본 발명의 제4실시형태에 따른 불휘발성 반도체 메모리의 동작을 설명하는 단면도,8A and 8B are cross-sectional views illustrating the operation of the nonvolatile semiconductor memory according to the fourth embodiment of the present invention;

도 9는 본 발명의 제5실시형태에 따른 불휘발성 메모리의 주변회로를 구성하는 MOS 트랜지스터의 구조를 나타낸 단면도,9 is a sectional view showing the structure of a MOS transistor constituting a peripheral circuit of a nonvolatile memory according to the fifth embodiment of the present invention;

도 10a 내지 도 10g는 도 9의 MOS 트랜지스터의 제조공정을 나타낸 단면도,10A to 10G are cross-sectional views illustrating a process of manufacturing the MOS transistor of FIG. 9;

도 11a는 본 발명의 제6실시형태에 따른 반도체기억장치에 탑재된 불휘발성 반도체 메모리의 메모리셀 구조를 나타낸 단면도,11A is a cross-sectional view showing a memory cell structure of a nonvolatile semiconductor memory mounted in the semiconductor memory device according to the sixth embodiment of the present invention;

도 11b는 본 발명의 제6실시형태에 따른 반도체기억장치에 탑재된 휘발성 반도체 메모리의 메모리셀 구조를 나타낸 단면도,Fig. 11B is a sectional view showing the memory cell structure of a volatile semiconductor memory mounted in the semiconductor memory device according to the sixth embodiment of the present invention;

도 12a 및 도 12b는 본 발명의 제6실시형태에 따른 불휘발성 반도체 메모리의 동작을 설명하는 단면도,12A and 12B are cross-sectional views illustrating the operation of the nonvolatile semiconductor memory according to the sixth embodiment of the present invention;

도 13a 내지 도 13i는 본 발명의 제6실시형태에 따른 불휘발성 반도체 메모리의 메모리셀의 제조공정을 나타낸 단면도,13A to 13I are sectional views showing the manufacturing process of the memory cell of the nonvolatile semiconductor memory according to the sixth embodiment of the present invention;

도 14a 내지 도 14i는 본 발명의 제6실시형태에 따른 휘발성 반도체 메모리의 메모리셀의 제조공정을 나타낸 단면도,14A to 14I are sectional views showing the manufacturing process of the memory cell of the volatile semiconductor memory according to the sixth embodiment of the present invention;

도 15a는 본 발명의 제7실시형태에 따른 반도체기억장치에 탑재된 불휘발성반도체 메모리의 메모리셀 구조를 나타낸 단면도,FIG. 15A is a cross-sectional view illustrating a memory cell structure of a nonvolatile semiconductor memory mounted in a semiconductor memory device according to the seventh embodiment of the present invention; FIG.

도 15b는 본 발명의 제7실시형태에 따른 반도체기억장치에 탑재된 휘발성 반도체 메모리의 메모리셀 구조를 나타낸 단면도,15B is a cross-sectional view showing a memory cell structure of a volatile semiconductor memory mounted in the semiconductor memory device according to the seventh embodiment of the present invention;

도 16a 내지 도 16i는 본 발명의 제7실시형태에 따른 불휘발성 반도체 메모리의 메모리셀의 제조공정을 나타낸 단면도,16A to 16I are sectional views showing the manufacturing process of the memory cell of the nonvolatile semiconductor memory according to the seventh embodiment of the present invention;

도 17a 내지 도 17i는 본 발명의 제7실시형태에 따른 휘발성 반도체 메모리의 메모리셀의 제조공정을 나타낸 단면도,17A to 17I are sectional views showing the manufacturing process of the memory cell of the volatile semiconductor memory according to the seventh embodiment of the present invention;

도 18은 본 발명의 제8실시형태에 따른 불휘발성 반도체 메모리의 메모리셀 구조를 나타낸 단면도,18 is a cross-sectional view showing a memory cell structure of a nonvolatile semiconductor memory according to the eighth embodiment of the present invention;

도 19a 및 도 19b는 본 발명의 제8실시형태에 따른 불휘발성 반도체 메모리의 동작을 설명하는 단면도,19A and 19B are cross-sectional views illustrating the operation of the nonvolatile semiconductor memory according to the eighth embodiment of the present invention;

도 20a 내지 도 20i는 본 발명의 제8실시형태에 따른 불휘발성 반도체 메모리의 메모리셀의 제조공정을 나타낸 단면도,20A to 20I are sectional views showing the manufacturing process of the memory cell of the nonvolatile semiconductor memory according to the eighth embodiment of the present invention;

도 21은 본 발명의 제9실시형태에 따른 불휘발성 반도체 메모리의 메모리셀 구조를 나타낸 단면도,21 is a cross-sectional view showing a memory cell structure of a nonvolatile semiconductor memory according to the ninth embodiment of the present invention;

도 22a 내지 도 22f는 본 발명의 제9실시형태에 따른 불휘발성 반도체 메모리의 메모리셀의 제조공정을 나타낸 단면도,22A to 22F are sectional views showing the manufacturing process of the memory cell of the nonvolatile semiconductor memory according to the ninth embodiment of the present invention;

도 23은 본 발명의 제10실시형태에 따른 불휘발성 반도체 메모리의 메모리셀 구조를 나타낸 단면도,23 is a sectional view showing the memory cell structure of the nonvolatile semiconductor memory according to the tenth embodiment of the present invention;

도 24a 및 도 24b는 본 발명의 제10실시형태에 따른 불휘발성 반도체 메모리의 동작을 설명하는 단면도,24A and 24B are cross-sectional views illustrating the operation of the nonvolatile semiconductor memory according to the tenth embodiment of the present invention;

도 25a 내지 도 25i는 본 발명의 제10실시형태에 따른 불휘발성 반도체 메모리의 메모리셀의 제조공정을 나타낸 단면도,25A to 25I are sectional views showing the manufacturing process of the memory cell of the nonvolatile semiconductor memory according to the tenth embodiment of the present invention;

도 26은 본 발명의 제11실시형태에 따른 불휘발성 반도체 메모리의 메모리셀 구조를 나타낸 단면도,Fig. 26 is a sectional view showing the memory cell structure of the nonvolatile semiconductor memory according to the eleventh embodiment of the present invention;

도 27a 내지 도 27f는 본 발명의 제11실시형태에 따른 불휘발성 반도체 메모리의 메모리셀의 제조공정을 나타낸 단면도,27A to 27F are sectional views showing the manufacturing process of the memory cell of the nonvolatile semiconductor memory according to the eleventh embodiment of the present invention;

도 28은 본 발명의 제12실시형태에 따른 불휘발성 반도체 메모리의 메모리셀 구조를 나타낸 단면도,28 is a cross-sectional view showing a memory cell structure of a nonvolatile semiconductor memory according to the twelfth embodiment of the present invention;

도 29a 내지 도 29i는 본 발명의 제12실시형태에 따른 불휘발성 반도체 메모리의 메모리셀의 제조공정을 나타낸 단면도,29A to 29I are sectional views showing the manufacturing process of the memory cell of the nonvolatile semiconductor memory according to the twelfth embodiment of the present invention;

도 30은 본 발명의 제13실시형태에 따른 불휘발성 반도체 메모리의 메모리셀 구조를 나타낸 단면도,30 is a cross-sectional view showing a memory cell structure of a nonvolatile semiconductor memory according to the thirteenth embodiment of the present invention;

도 31a 및 도 31b는 n형 MOS 트랜지스터로 구성된 본 발명의 제13실시형태에 따른 불휘발성 반도체 메모리의 동작을 설명하는 단면도,31A and 31B are cross-sectional views illustrating the operation of the nonvolatile semiconductor memory according to the thirteenth embodiment of the present invention constituted of an n-type MOS transistor;

도 32a 및 도 32b는 p형 MOS 트랜지스터로 구성된 본 발명의 제13실시형태에 따른 불휘발성 반도체 메모리의 동작을 설명하는 단면도,32A and 32B are cross-sectional views illustrating the operation of the nonvolatile semiconductor memory according to the thirteenth embodiment of the present invention constituted of a p-type MOS transistor;

도 33은 본 발명의 제13실시형태에 따른 불휘발성 반도체 메모리의 메모리셀과 동일한 게이트구조를 갖는 MOS 트랜지스터의 구조를 나타낸 단면도,33 is a sectional view showing the structure of a MOS transistor having the same gate structure as that of the memory cell of the nonvolatile semiconductor memory according to the thirteenth embodiment of the present invention;

도 34는 본 발명의 제14실시형태에 따른 불휘발성 반도체 메모리의 메모리셀구조를 나타낸 단면도,34 is a cross sectional view showing a memory cell structure of a nonvolatile semiconductor memory according to a fourteenth embodiment of the present invention;

도 35는 본 발명의 제14실시형태에 따른 불휘발성 반도체 메모리의 메모리셀과 동일한 게이트구조를 갖는 MOS 트랜지스터의 구조를 나타낸 단면도이다.35 is a cross-sectional view showing the structure of a MOS transistor having the same gate structure as that of the memory cell of the nonvolatile semiconductor memory according to the fourteenth embodiment of the present invention.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 제1특징은, 반도체기판의 주면상에 게이트절연막을 매개해서 배치된 제1게이트전극과, 제1게이트전극의 측면상에 배치된 전하축적층, 제1게이트전극의 측면상에 전하축적층을 매개해서 배치된 제2게이트전극 및, 제1게이트전극과 제2게이트전극을 전기적으로 접속하는 도전층을 적어도 구비하는 불휘발성 반도체기억장치인 점이다.In order to achieve the above object, a first aspect of the present invention provides a first gate electrode disposed on a main surface of a semiconductor substrate via a gate insulating film, and a charge storage layer and a first gate disposed on side surfaces of the first gate electrode. A nonvolatile semiconductor memory device includes at least a second gate electrode disposed on a side surface of an electrode via a charge storage layer and a conductive layer electrically connecting the first gate electrode and the second gate electrode.

본 발명의 제2특징은, 반도체기판의 주면상에 배치된 제1, 제2 및 제3절연막으로 이루어진 게이트절연막과, 제2절연막의 단부에 배치된 전하축적층 및, 게이트절연막상에 배치된 게이트전극을 적어도 구비하는 불휘발성 반도체기억장치인 점이다.According to a second aspect of the present invention, there is provided a gate insulating film comprising first, second and third insulating films disposed on a main surface of a semiconductor substrate, a charge storage layer disposed at an end of the second insulating film, and a gate insulating film. It is a nonvolatile semiconductor memory device having at least a gate electrode.

본 발명의 제3특징은, 불휘발성 반도체기억장치와 휘발성 반도체기억장치를 혼재하는 반도체기억장치로, 불휘발성 반도체기억장치는 반도체기판의 주면상에 배치된 제1하부절연막과, 제1하부절연막의 중앙의 상부에 배치된 제1중간절연막, 제1하부절연막의 단부의 상부에 배치된 제1전하축적층, 제1중간절연막 및 제1전하축적층의 상부에 배치된 제1상부절연막 및, 제1상부절연막의 상부에 배치된 제1게이트전극을 적어도 구비하고, 휘발성 반도체기억장치는 반도체기판의 주면상에 배치된 제1중간절연막과 동일 재료로 이루어진 제2하부절연막과, 반도체기판의 주면상에 또한 제2하부절연막의 양단에 배치된 극박(極薄)절연막, 극박절연막의 상부에 배치된 제1전하축적층과 동일 재료로 이루어진 제2전하축적층, 제2하부절연막 및 제2전하축적층의 상부에 배치된 제1상부절연막과 동일 재료로 이루어진 제2상부절연막 및, 제2상부절연막의 상부에 배치된 제2게이트전극을 적어도 구비한다.A third aspect of the present invention is a semiconductor memory device in which a nonvolatile semiconductor memory device and a volatile semiconductor memory device are mixed. The nonvolatile semiconductor memory device includes a first lower insulating film and a first lower insulating film disposed on a main surface of a semiconductor substrate. A first intermediate insulating film disposed on an upper portion of the center of the substrate, a first charge storage layer disposed on an end of the first lower insulating film, a first upper insulating film disposed on the first intermediate insulating film, and a first charge storage layer; A volatile semiconductor memory device comprising at least a first gate electrode disposed over the first upper insulating film, wherein the volatile semiconductor memory device comprises a second lower insulating film made of the same material as the first intermediate insulating film disposed on the main surface of the semiconductor substrate, and a main surface of the semiconductor substrate. An ultrathin insulating film disposed on both ends of the second lower insulating film and a second charge storage layer, a second lower insulating film, and a second charge made of the same material as the first charge storage layer disposed on the ultrathin insulating film; Accumulation layer The first and the second upper insulating film, a second gate electrode disposed on the second upper insulating film made of a first upper insulating film and arranged in the same material and provided with at least.

본 발명의 제4특징은, 불휘발성 반도체기억장치와 휘발성 반도체기억장치를 혼재하는 반도체기억장치로, 불휘발성 반도체기억장치는 반도체기판의 주면상에 배치된 제1하부절연막과, 제1하부절연막의 중앙의 상부에 배치된 제1중간절연막, 제1하부절연막의 단부의 상부에 배치된 제1전하축적층, 제1중간절연막 및 제1전하축적층의 상부에 배치된 제1상부절연막 및, 제1상부절연막의 상부에 배치된 제1게이트전극을 적어도 구비하고, 휘발성 반도체기억장치는 반도체기판의 주면상에 배치된 극박절연막과, 극박절연막상에 배치된 제1전하축적층과 동일 재료로 이루어진 제2전하축적층, 제2전하축적층상에 배치된 제2상부절연막 및, 제2상부절연막상에 배치된 제2게이트전극을 적어도 구비한다.A fourth aspect of the present invention is a semiconductor memory device that includes a nonvolatile semiconductor memory device and a volatile semiconductor memory device. The nonvolatile semiconductor memory device includes a first lower insulating film and a first lower insulating film disposed on a main surface of a semiconductor substrate. A first intermediate insulating film disposed on an upper portion of the center of the substrate, a first charge storage layer disposed on an end of the first lower insulating film, a first upper insulating film disposed on the first intermediate insulating film, and a first charge storage layer; And at least a first gate electrode disposed over the first upper insulating film, wherein the volatile semiconductor memory device is made of the same material as the ultrathin insulating film disposed on the main surface of the semiconductor substrate and the first charge storage layer disposed on the ultrathin insulating film. And at least a second upper insulating film disposed on the second charge storage layer, and a second gate electrode disposed on the second upper insulating film.

본 발명의 제5특징은, 반도체기판의 주면상에 배치된 철(凸)부 또는 요(凹)부와, 철부 또는 요부를 포함하는 반도체기판의 주면상에 배치된 제1, 제2 및 제3절연막으로 이루어진 게이트절연막, 제2절연막의 단부에 배치된 전하축적층 및, 게이트절연막상에 배치된 게이트전극을 적어도 구비하는 불휘발성 반도체기억장치인 점이다.A fifth aspect of the invention is the first, second and first portions disposed on the main surface of the semiconductor substrate including the iron portion or the recessed portion disposed on the main surface of the semiconductor substrate and the iron portion or the recessed portion. A nonvolatile semiconductor memory device includes at least a gate insulating film made of three insulating films, a charge storage layer disposed at an end of the second insulating film, and a gate electrode disposed on the gate insulating film.

본 발명의 제6특징은, 반도체기판의 주면상에 배치된 철부 또는 요부와, 철부 또는 요부를 포함하는 반도체기판의 주면상에 배치된 제1 및 제2절연막으로 이루어진 게이트절연막, 제1 및 제2절연막의 사이에 배치된 전하축적층 및, 게이트절연막상에 배치된 게이트전극을 적어도 구비하는 불휘발성 반도체기억장치인 점이다.A sixth aspect of the present invention is a gate insulating film comprising first and second insulating films disposed on a main surface of a semiconductor substrate including the iron portions or recesses and first and second insulating films disposed on the main surface of the semiconductor substrate. It is a nonvolatile semiconductor memory device having at least a charge storage layer disposed between two insulating films and a gate electrode disposed on the gate insulating film.

본 발명의 제7특징은, 반도체기판의 주면상에 게이트절연막을 매개해서 배치된 게이트전극과, 게이트전극의 단부에 배치된 요부 및, 요부에 절연막을 매개해서 배치된 전하축적층을 적어도 구비하고, 전하축적층은 채널영역 및 소스·드레인영역의 양쪽의 상부에 배치되는 불휘발성 반도체기억장치인 점이다.A seventh aspect of the invention includes at least a gate electrode disposed on a main surface of a semiconductor substrate via a gate insulating film, a recess disposed at an end of the gate electrode, and a charge storage layer disposed at an recess through an insulating film. The charge storage layer is a nonvolatile semiconductor memory device disposed above both the channel region and the source / drain region.

(실시형태)Embodiment

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 이하의 도면의 기재에 있어서, 동일 또는 유사한 부분에는 동일 또는 유사한 부호를 붙이고 있다. 다만, 도면은 모식적인 것이고, 두께와 평면치수와의 관계, 각 층의 두께의 비율 등은 현실의 것과는 다르다는 점에 유의해야 한다. 따라서, 구체적인 두께나 치수는 이하의 설명을 참작하여 판단해야 할 것이다. 또, 도면 상호간에 있어서도 서로의 치수의 관계나 비율이 다른 부분이 포함되어 있음은 물론이다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, embodiment of this invention is described with reference to drawings. In description of the following drawings, the same or similar code | symbol is attached | subjected to the same or similar part. It should be noted, however, that the drawings are schematic and that the relationship between thickness and planar dimension, the ratio of the thickness of each layer, and the like differ from those in reality. Therefore, specific thickness or dimension should be judged in consideration of the following description. Moreover, of course, the part from which the relationship and the ratio of a mutual dimension differ also in between drawings is contained.

제1실시형태First embodiment

도 1은 본 발명의 제1실시형태에 따른 불휘발성 반도체 메모리의 메모리셀 구조를 나타낸 단면도이다. 이 메모리셀은 n형 MOS 트랜지스터로 구성된다. 본 발명의 제1실시형태에 따른 불휘발성 반도체 메모리의 메모리셀 구조에서는, p형 반도체기판(1)의 표면에 게이트절연막(2)을 매개해서 제1게이트전극(3)이 설치되고, 제1게이트전극(3)의 양측면에는 전하축적층(4; 4a,4b)이 설치된다. 이 전하축적층(4)은 적층구조를 갖추고 있고, 제1층이 제1산화막(5), 제2층이 질화막(6), 제3층이 제2산화막(7)으로 구성된다. 더욱이, 전하축적층(4)의 상부에는 제2게이트전극(8)이 설치된다. 전하축적층(4)의 측면에는 측벽 스페이서(side wall spacer; 9)가 설치되고, 이 측벽 스페이서(9)의 하부의 p형 반도체기판(1)에는 채널영역에 접하는 저불순물농도의 n-형 확산층(10)과, 이 n-형 확산층(10)의 외측에 위치하는 고불순물농도의 n+형 확산층(11)이 설치된다. 제1게이트전극(3), 전하축적층(4), 제2게이트전극(8) 및 n+형 확산층(11) 각각의 표면에는 도전층(12)이 설치된다. 제1게이트전극(3)과 제2게이트전극(8)은 이 도전층(12)을 매개해서 전기적으로 접속된다.1 is a cross-sectional view showing a memory cell structure of a nonvolatile semiconductor memory according to the first embodiment of the present invention. This memory cell is composed of n-type MOS transistors. In the memory cell structure of the nonvolatile semiconductor memory according to the first embodiment of the present invention, the first gate electrode 3 is provided on the surface of the p-type semiconductor substrate 1 via the gate insulating film 2. Charge storage layers 4 (4a, 4b) are provided on both sides of the gate electrode 3. The charge storage layer 4 has a lamination structure, and the first layer is composed of the first oxide film 5, the second layer is formed of the nitride film 6, and the third layer is composed of the second oxide film 7. Further, the second gate electrode 8 is provided on the charge storage layer 4. A side wall spacer 9 is provided on the side of the charge storage layer 4, and a low impurity concentration n type in contact with the channel region is provided on the p-type semiconductor substrate 1 below the side wall spacer 9. A diffusion layer 10 and an n + type diffusion layer 11 having a high impurity concentration located outside the n type diffusion layer 10 are provided. A conductive layer 12 is provided on the surface of each of the first gate electrode 3, the charge storage layer 4, the second gate electrode 8, and the n + type diffusion layer 11. The first gate electrode 3 and the second gate electrode 8 are electrically connected via this conductive layer 12.

본 발명의 제1실시형태에 따른 불휘발성 반도체 메모리의 메모리셀은, 소스영역 및 드레인영역을 저불순물농도의 n-형 확산층(10)과 고불순물농도의 n+형 확산층(11)으로 구성한 LDD(Lightly doped drain)구조를 갖추고 있다. 그리고, 제1게이트전극(3)의 양측면에는 전하축적층(4)이 형성되고, 이 2개의 전하축적층(4)의 질화막(6)에 유지된 전자의 유무에 따라 생기는 임계치전압의 변화분을 기억정보의 "00", "01", "10", "11"에 대응시킨다. 더욱이, 전하축적층(4)의 상부에 제2게이트전극(8)을 형성하고, 이 제2게이트전극(8)을 제1게이트전극(3)에 전기적으로 접속함으로써, 채널영역의 제어성을 높여 임계치전압 변화분의 검지를 용이하게 한다.In the memory cell of the nonvolatile semiconductor memory according to the first embodiment of the present invention, an LDD comprising a source region and a drain region composed of an n type diffusion layer 10 having a low impurity concentration and an n + type diffusion layer 11 having a high impurity concentration. (Lightly doped drain) structure. The charge accumulation layer 4 is formed on both sides of the first gate electrode 3, and the change in the threshold voltage caused by the presence or absence of electrons held in the nitride film 6 of the two charge accumulation layers 4. To "00", "01", "10", and "11" of the stored information. Furthermore, the second gate electrode 8 is formed on the charge storage layer 4, and the second gate electrode 8 is electrically connected to the first gate electrode 3, thereby controlling the controllability of the channel region. It makes it easy to detect a threshold voltage change.

다음에는 본 발명의 제1실시형태에 따른 불휘발성 메모리의 동작에 대해 도 2a 내지 도 2c를 참조하여 설명한다. 도 2a는 기록동작을 설명하는 불휘발성 메모리의 단면도이다. 도 2b는 독출동작을 설명하는 불휘발성 메모리의 단면도이다. 도 2c는 소거동작을 설명하는 불휘발성 메모리의 단면도이다. 도 2a에 나타낸 바와 같이, 메모리셀의 기록시에는, 게이트(G)에 고전압(∼10V)을 인가하고, 동시에 전자를 축적하는 전하축적층(4b)에 근접한 드레인(D)에 고전압(∼8V)을 인가하며, 근접하지 않은 소스(S)를 접지한다. 이와 같이 전압을 인가하면, 채널열전자(Channel Hot Electron)가 발생하고, 이 열전자가 전하축적층(4b)의 질화막(6)에 포획된다. 전하축적층(4b)에 전자가 포획되면, 셀 트랜지스터의 임계치전압이 변화한다. 메모리셀의 독출은 임계치전압의 변화분을 검지함으로써 행해진다. 구체적으로는, 도 2b에 나타낸 바와 같이, 게이트(G)에 전압(5V)을 인가하고, 동시에 드레인(D)에 전압(3V)을 인가하며, 전류량의 차를 센스앰프에 의해 검지한다. 또, 메모리셀의 소거는 도 2c에 나타낸 바와 같이 게이트(G)에 부전압(∼-6V)을 인가하고, 소거되는 전하축적층(4b)에 근접한 드레인(D)에 정전압(∼9V)을 인가하며, 전하축적층(4b)에 포획된 전자를 방출함으로써 행해진다. 한편, 주지하고 있는 바와 같이, MOS 트랜지스터의 소스(S)와 드레인(D)은 대칭으로 할 수 있고, 일반적으로 소스(S)와 드레인(D)은 교체하는 것이 가능하다. 따라서, 상기의 설명에 있어서도, 소스(S)와 드레인(D)을 교체하는 것이 가능하다.Next, operations of the nonvolatile memory according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 2A to 2C. 2A is a cross-sectional view of the nonvolatile memory for explaining the write operation. 2B is a cross-sectional view of the nonvolatile memory for explaining the read operation. 2C is a cross-sectional view of the nonvolatile memory for explaining the erase operation. As shown in Fig. 2A, at the time of writing the memory cell, a high voltage (˜10 V) is applied to the gate G, and at the same time, a high voltage (˜8 V) is applied to the drain D adjacent to the charge storage layer 4 b that accumulates electrons. ) And ground the non-proximate source (S). When a voltage is applied in this manner, channel hot electrons are generated, and the hot electrons are captured in the nitride film 6 of the charge storage layer 4b. When electrons are trapped in the charge storage layer 4b, the threshold voltage of the cell transistor changes. Reading of the memory cell is performed by detecting a change in the threshold voltage. Specifically, as shown in FIG. 2B, a voltage 5V is applied to the gate G, a voltage 3V is applied to the drain D at the same time, and a difference in the amount of current is detected by the sense amplifier. In the erase of the memory cell, as shown in FIG. 2C, a negative voltage (˜-6 V) is applied to the gate G, and a constant voltage (˜9 V) is applied to the drain D adjacent to the charge storage layer 4 b to be erased. It is applied by emitting electrons trapped in the charge storage layer 4b. On the other hand, as is well known, the source S and the drain D of the MOS transistor can be symmetrical, and in general, the source S and the drain D can be replaced. Therefore, also in the above description, it is possible to replace the source S and the drain D. FIG.

다음에는 본 발명의 제1실시형태에 따른 불휘발성 반도체 메모리의 메모리셀의 제조방법을 도 3a 내지 도 3e를 참조하여 설명한다. 먼저, 도 3a에 나타낸 바와 같이, p형 반도체기판(1)상에 열산화에 의해 25㎚의 게이트절연막(2)을 형성한다. 이어서, p형 반도체기판(1) 전면에 LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)법에 의해 n형 또는 p형 불순물을 도프한 300㎚의 다결정실리콘막을 퇴적한 후, 주지의 노광기술 및 에칭기술에 의해 패터닝하여 제1게이트전극(3)을 형성한다.Next, a method of manufacturing a memory cell of a nonvolatile semiconductor memory according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 3A to 3E. First, as shown in FIG. 3A, a 25 nm gate insulating film 2 is formed on the p-type semiconductor substrate 1 by thermal oxidation. Subsequently, a 300 nm polycrystalline silicon film doped with n-type or p-type impurities was deposited on the entire surface of the p-type semiconductor substrate 1 by LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition), followed by well-known exposure and etching techniques. The first gate electrode 3 is formed by patterning.

다음에, 도 3b에 나타낸 바와 같이, 소스영역 및 드레인영역을 형성하는 영역의 p형 반도체기판(1)의 표면의 게이트절연막(2)을 제거한 후, p형 반도체기판(1)을 900℃∼1200℃의 산화분위기중에서 열산화하여 10㎚의 제1산화막(5)을 형성한다. 그리고, 제1산화막(5)상에 LPCVD법에 의해 10㎚∼100㎚의 질화막(6)을 퇴적하고, 그 후 900℃의 수소연소산화 또는 CVD법에 의해 질화막(6) 표면에 5㎚ 정도의 제2산화막(7)을 형성한다.Next, as shown in Fig. 3B, after removing the gate insulating film 2 on the surface of the p-type semiconductor substrate 1 in the region in which the source region and the drain region are formed, the p-type semiconductor substrate 1 is 900 deg. Thermal oxidation in an oxidation atmosphere at 1200 ° C. forms a first oxide film 5 of 10 nm. Then, a 10 nm to 100 nm nitride film 6 is deposited on the first oxide film 5 by LPCVD, and then about 5 nm on the surface of the nitride film 6 by 900 ° C hydrogen combustion oxidation or CVD. A second oxide film 7 is formed.

다음에, 도 3c에 나타낸 바와 같이, 제2산화막(7)상에 예컨대 LPCVD법에 의해 25∼250㎚ 정도의 다결정실리콘을 퇴적한 후, RIE(Reactive Ion Etching)법에의한 이방성 에칭을 행하여, 이 다결정실리콘막, 제1산화막(5), 질화막(6) 및 제2산화막(7)을 그들의 막두께분만큼 제거함으로써, 상부에 제2게이트전극(8)을 갖는 전하축적층(4; 4a,4b)을 제1게이트전극 측면에 형성한다.Next, as shown in FIG. 3C, polysilicon having a thickness of about 25 to 250 nm is deposited on the second oxide film 7, for example, by LPCVD, followed by anisotropic etching by RIE (Reactive Ion Etching). The charge storage layer 4 having the second gate electrode 8 thereon by removing the polysilicon film, the first oxide film 5, the nitride film 6 and the second oxide film 7 by their film thicknesses; 4a and 4b are formed on the side of the first gate electrode.

다음에, 도 3d에 나타낸 바와 같이, 저불순물농도의 n-형 확산층(10)을 형성한다. n-형 확산층(10)은 이온주입기술에 의해 제1게이트전극(3) 및 전하축적층(4)을 마스크로 하여 n형 불순물을 주입하고, 그 후의 열처리에 의해 주입한 불순물을 활성화함으로써 형성된다.Next, as shown in FIG. 3D, an n type diffusion layer 10 having a low impurity concentration is formed. The n type diffusion layer 10 is formed by implanting n type impurities using the first gate electrode 3 and the charge storage layer 4 as a mask by ion implantation techniques, and activating the implanted impurities by subsequent heat treatment. do.

다음에, 도 3e에 나타낸 바와 같이, 전하축적층(4)의 측벽에 측벽 스페이서(9)를 형성한 후, 고불순물농도의 n+형 확산층(11)을 형성한다. n+형 확산층(11)은 이온주입기술에 의해 제1게이트전극(3), 전하축적층(4) 및 측벽 스페이서(9)를 마스크로 하여 n형 불순물을 주입하고, 그 후의 열처리에 의해 주입한 불순물을 활성화함으로써 형성된다.Next, as shown in FIG. 3E, after forming the sidewall spacers 9 on the sidewalls of the charge storage layer 4, the n + type diffusion layer 11 having a high impurity concentration is formed. The n + type diffusion layer 11 injects n-type impurities using the first gate electrode 3, the charge storage layer 4, and the sidewall spacers 9 as a mask by ion implantation technology, and then implants them by heat treatment thereafter. It is formed by activating one impurity.

다음에, p형 반도체기판(1)의 전면에 CVD법 또는 스퍼터법에 의해 텅스텐, 티탄, 코발트 등의 고융점금속막을 퇴적하고, 이어서 p형 반도체기판(1)을 불활성 분위기중에서 열처리함으로써 제1게이트전극(3), 전하축적층(4), 제2게이트전극(8) 및 n+형 확산층(11) 각각의 표면에 고융점금속실리사이드로 구성되는 도전층(12)을 형성한다. 이 때, 제1게이트전극(3) 및 제2게이트전극(8)상의 고융점금속실리사이드층이 브리징(bridging)하도록, 제1산화막(5), 질화막(6), 제2산화막(7), 특히 질화막(6)의 막두께가 설정되어 있을 필요가 있다. 도전층(12) 형성후, 상기 이외의 영역에 남은 미반응의 고융점금속을 제거하면, 도 1에 나타낸 메모리셀 구조가 완성된다.Next, a high melting point metal film such as tungsten, titanium, or cobalt is deposited on the entire surface of the p-type semiconductor substrate 1 by CVD or sputtering, and then the p-type semiconductor substrate 1 is heat-treated in an inert atmosphere. A conductive layer 12 made of high melting point metal silicide is formed on the surface of each of the gate electrode 3, the charge accumulation layer 4, the second gate electrode 8 and the n + type diffusion layer 11. At this time, the first oxide film 5, the nitride film 6, the second oxide film 7, so that the high melting point metal silicide layers on the first gate electrode 3 and the second gate electrode 8 are bridged. In particular, the film thickness of the nitride film 6 needs to be set. After the formation of the conductive layer 12, the unreacted high melting point metal remaining in the regions other than the above is removed, thereby completing the memory cell structure shown in FIG.

한편, 도시는 하지 않았지만, 도 1의 메모리셀 구조 완성후, 층간절연막 형성공정, 콘택트홀(contact hole) 형성공정, 배선형성공정, 패시베이션막 형성공정 등의 통상의 CMOS 제조공정을 순차 거쳐 최종적인 불휘발성 메모리셀이 완성된다.On the other hand, although not shown, after completion of the memory cell structure of FIG. 1, a final CMOS manufacturing process such as an interlayer insulating film forming process, a contact hole forming process, a wiring forming process, and a passivation film forming process is sequentially performed. The nonvolatile memory cell is completed.

본 발명의 제1실시형태에 따르면, 전하축적층(4)의 상부에도 제2게이트전극(8)이 설치되므로, 임계치전압의 제어성이 향상된다. 한편, 본 발명의 제1실시형태에서는, 메모리셀을 n형 MOS 트랜지스터로 구성하는 경우에 대해 설명했지만, P형 MOS 트랜지스터로 구성하는 경우라도 마찬가지의 효과가 얻어진다. 또, 메모리셀은 LDD구조를 갖추고 있지만, 싱글 드레인구조, 더블 드레인구조라도 상관없다.According to the first embodiment of the present invention, since the second gate electrode 8 is also provided on the charge storage layer 4, the controllability of the threshold voltage is improved. On the other hand, in the first embodiment of the present invention, the case where the memory cell is composed of the n-type MOS transistor has been described, but the same effect can be obtained even when the memory cell is composed of the P-type MOS transistor. In addition, although the memory cell has an LDD structure, it may be a single drain structure or a double drain structure.

제2실시형태Second embodiment

다음에는 본 발명의 제2실시형태를 설명한다. 도 4는 본 발명의 제2실시형태에 따른 불휘발성 반도체 메모리의 메모리셀 구조를 나타낸 단면도이다. 이 메모리셀은 n형 MOS 트랜지스터로 구성된다. 본 발명의 제2실시형태에 따른 불휘발성 메모리의 메모리셀 구조에서는, p형 반도체기판(1)의 표면에 제1게이트절연막(13)을 매개해서 제2게이트절연막(14)이 설치된다. 그리고, 제2게이트절연막(14)의 양단에는 전하축적층(4a,4b)이 형성된다. 제2게이트절연막(14) 및 전하축적층(4a,4b)상에는 제3게이트절연막(15)을 매개해서 게이트전극(3)이 설치된다. 게이트전극(3)의 측면에는 산화막(16)을 매개해서 측벽 스페이서(9)가 설치되고, 이 측벽 스페이서(9)의 하부의 p형 반도체기판(1)에는 채널영역에 접하는 저불순물농도의 n-형 확산층(10)과, 이 n-형 확산층(10)의 외측에 위치하는 고불순물농도의 n+형 확산층(11)이 설치된다. 게이트전극(3) 및 n+형 확산층(11) 각각의 표면에는 도전층(12)이 설치된다.Next, a second embodiment of the present invention will be described. 4 is a cross-sectional view showing a memory cell structure of a nonvolatile semiconductor memory according to the second embodiment of the present invention. This memory cell is composed of n-type MOS transistors. In the memory cell structure of the nonvolatile memory according to the second embodiment of the present invention, the second gate insulating film 14 is provided on the surface of the p-type semiconductor substrate 1 via the first gate insulating film 13. Charge storage layers 4a and 4b are formed at both ends of the second gate insulating film 14. The gate electrode 3 is provided on the second gate insulating film 14 and the charge storage layers 4a and 4b via the third gate insulating film 15. A sidewall spacer 9 is provided on the side of the gate electrode 3 via an oxide film 16, and a low impurity concentration n in contact with the channel region is provided on the p-type semiconductor substrate 1 below the sidewall spacer 9. The diffusion type diffusion layer 10 and the n + type diffusion layer 11 having a high impurity concentration located outside the n type diffusion layer 10 are provided. The conductive layer 12 is provided on the surface of each of the gate electrode 3 and the n + type diffusion layer 11.

본 발명의 제2실시형태에 따른 불휘발성 반도체 메모리의 메모리셀은, 소스영역 및 드레인영역을 저불순물농도의 n-형 확산층(10)과 고불순물농도의 n+형 확산층(11)으로 구성한 LDD구조를 갖추고 있다. 그리고, 게이트절연막이 제1게이트절연막(13; 하층), 제2게이트절연막(14; 중간층) 및 제3게이트절연막(15; 상층)으로 이루어진 3층 적층막으로 구성되고, 제2게이트절연막(14)의 양단부에는 전하축적층(4a,4b)이 형성된다. 이 2개의 전하축적층(4a,4b)에 전자를 축적하고, 그 축적상태는 (1) 전하축적층(4a,4b)이 모두 전자를 축적하고 있지 않은 상태, (2) 전하축적층(4a)만이 전자를 축적하고 있는 상태, (3) 전하축적층(4b)만이 전자를 축적하고 있는 상태, (4) 전하축적층(4a,4b)이 모두 전자를 축적하고 있는 상태의 4가지의 상태를 취할 수 있다. 이 2개의 전하축적층(4a,4b)에 유지된 전자의 유무에 따라 생기는 임계치전압의 변화분을 기억정보의 "00", "01", "10", "11"에 대응시킨다. 또, 이 메모리셀 구조에서는 전하축적층(4a,4b)은 채널영역 단부의 위쪽에 위치하므로, 채널영역 중앙부의 임계치전압은 채널영역의 불순물농도만으로 결정되고, 전하축적층(4a,4b)의 전자의 축적상태에 의존하지 않는다. 따라서, 전하축적층(4a,4b)의 전자의 과부족에 의한 과소거(over-erase)는 방지되고, 그에 따라 과소거에 기인하는 누설불량, 프로그램불량, 독출불량 등이 생길 수 없다. 또, 소스영역과 드레인영역간의 누설전류는 게이트전압만으로 억제할 수 있어 고신뢰성의 불휘발성 반도체 메모리를 실현할 수 있다. 전하축적층(4a,4b)은 CVD법에 의한 전하축적능력이 높은 실리콘질화막으로 구성하면 좋다. 실리콘질화막의 이산적인 전하포획준위에 전자를 축적함으로써, 하부 절연막의 막질에 영향을 받기 어려운 전하유지특성을 얻을 수 있기 때문이다. 또, 실리콘막, 다결정실리콘막으로 구성하면 저가로 제조할 수 있다. 더욱이, 제1게이트절연막(13), 제3게이트절연막(15)을 실리콘산화막(SiO2막)의 2배 정도의 유전률을 갖는 실리콘질화막(Si3N4막)으로 구성하면, 실리콘산화막 환산 막두께가 4㎚∼11㎚ 정도의 대단히 얇은 게이트절연막을 안정하게 실현할 수 있다. 예컨대 실리콘산화막 환산 막두께가 5㎚의 실리콘질화막의 실질막두께는 10㎚ 정도이므로, 직접터널(DT)주입도 유기되지 않는다. 따라서, 전자의 주입·추출동작시의 전압이 저전압화되어 메모리셀의 미세화뿐만 아니라 주변 고전압 동작소자의 미세화도 가능하게 된다.In the memory cell of the nonvolatile semiconductor memory according to the second embodiment of the present invention, an LDD comprising a source region and a drain region of an n type diffusion layer 10 having a low impurity concentration and an n + type diffusion layer 11 having a high impurity concentration. I have a structure. The gate insulating film is composed of a three-layer laminated film including a first gate insulating film 13 (lower layer), a second gate insulating film 14 (intermediate layer), and a third gate insulating film 15 (upper layer), and the second gate insulating film 14 Charge storage layers 4a and 4b are formed at both ends of the " Electrons are accumulated in these two charge storage layers 4a and 4b, and the accumulation state is that (1) the charge storage layers 4a and 4b do not accumulate electrons. (2) The charge storage layers 4a. (4) four states: the state in which only electrons accumulate, (3) the state in which only the charge accumulation layer 4b accumulates electrons, and (4) the state in which the charge accumulation layers 4a and 4b all accumulate electrons. Can be taken. Changes in the threshold voltage caused by the presence or absence of electrons held in these two charge storage layers 4a and 4b correspond to " 00 "," 01 "," 10 " and " 11 " In this memory cell structure, since the charge storage layers 4a and 4b are located above the end of the channel region, the threshold voltage at the center of the channel region is determined only by the impurity concentration of the channel region. It does not depend on the accumulation state of electrons. Therefore, over-erase due to the lack of electrons in the charge storage layers 4a and 4b is prevented, and therefore, leakage failure, program failure, reading failure, etc. due to over-erasure cannot occur. In addition, the leakage current between the source region and the drain region can be suppressed only by the gate voltage, thereby achieving a highly reliable nonvolatile semiconductor memory. The charge accumulation layers 4a and 4b may be composed of silicon nitride films having high charge accumulation capability by the CVD method. This is because by accumulating electrons at the discrete charge trapping level of the silicon nitride film, it is possible to obtain charge holding characteristics that are hardly affected by the film quality of the lower insulating film. Moreover, if it comprises a silicon film and a polycrystalline silicon film, it can manufacture at low cost. Further, when the first gate insulating film 13 and the third gate insulating film 15 are composed of a silicon nitride film (Si 3 N 4 film) having a dielectric constant about twice that of the silicon oxide film (SiO 2 film), a silicon oxide film conversion film A very thin gate insulating film having a thickness of about 4 nm to 11 nm can be stably realized. For example, since the actual thickness of the silicon nitride film having a silicon oxide film thickness of about 5 nm is about 10 nm, direct tunnel DT injection is not induced. Therefore, the voltage at the time of electron injection / extraction operation is lowered, so that not only the memory cell can be miniaturized but also the peripheral high voltage operating element can be miniaturized.

본 발명의 제2실시형태에 따른 불휘발성 반도체 메모리의 메모리셀에서는, 소스영역 및 드레인영역의 내압 향상의 목적으로 n-형 확산층(10)을 설치하여 LDD구조를 구성하고 있지만, 싱글 드레인구조, 더블 드레인구조로 소스영역 및 드레인영역을 구성해도 좋다. 제2게이트절연막(14)은 전하축적층 4a-4b간의 누설을 방지하는 바, 예컨대 실리콘산화막으로 구성할 수 있다. 또, 제2게이트절연막(14)에 고유전률을 갖는 금속산화막을 이용하면, 채널영역 중앙의 전류전달특성을 향상시킬 수 있다. 금속산화막으로서는, 예컨대 TiO2, Ta2O5, Al2O5, PZT, SBT가 있다.In the memory cell of the nonvolatile semiconductor memory according to the second embodiment of the present invention, the n - type diffusion layer 10 is provided for the purpose of improving the breakdown voltage of the source region and the drain region. The source region and the drain region may be configured in a double drain structure. The second gate insulating film 14 prevents leakage between the charge storage layers 4a-4b, and may be formed of, for example, a silicon oxide film. In addition, when a metal oxide film having a high dielectric constant is used for the second gate insulating film 14, the current transfer characteristic in the center of the channel region can be improved. Examples of the metal oxide film include TiO 2 , Ta 2 O 5 , Al 2 O 5 , PZT, and SBT.

다음에는 본 발명의 제2실시형태에 따른 불휘발성 메모리의 동작에 대해 도 5a 및 도 5b를 참조하여 설명한다. 도 5a는 기록동작을 설명하는 불휘발성 메모리의 단면도이다. 도 5b는 소거동작을 설명하는 불휘발성 메모리의 단면도이다. 도 5a에 나타낸 바와 같이, 메모리셀의 기록시에는, 게이트(G)에 7∼8V 정도, 드레인(D)에 5V 정도를 각각 인가하고, 소스(S)를 접지한다. 이와 같이 전압을 인가하고, 채널열전자(CHE)로 전자를 드레인영역측의 전하축적층(4b)에 주입한다. 소스영역측의 전하축적층(4a)에 전자를 주입하는 경우에는, 드레인(D), 소스(S) 각각에 인가하는 전압을 상기의 경우와 교체하면 좋다. 한편, 메모리셀의 소거는 도 5b에 나타낸 바와 같이 게이트(G)에 부전압(∼-5V)을 인가하고, 파울러 노드하임(FN)형 터널전류를 이용하여 전하축적층(4a,4b)으로부터 전자를 방출함으로써 행해진다. 또, 게이트전극(3)이 복수의 메모리셀에서 공유되고 있는 경우에는, 그들 메모리셀로부터 동시에 전자를 방출할 수 있다. 이 경우, 소스(S), 드레인(D)은 p형 반도체기판(1)과 동전위로 하면 좋다. 또, p형 반도체기판(1)의 전위와는 다른 정전압을 드레인(D)에 인가하고, 소스(S)를 부유전위(Floating)로 하면, 드레인(D)측의 전하축적층(4b)만으로부터 전자를 방출하는 것도 가능하다. 소스(S)측의 전하축적층(4a)만으로부터 전자를 방출하는 경우에는, 소스(S)에 정전압을 인가하고, 드레인(D)을 부유전위로 하면 좋다.Next, operations of the nonvolatile memory according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 5A and 5B. Fig. 5A is a sectional view of the nonvolatile memory for explaining the write operation. 5B is a cross-sectional view of the nonvolatile memory for explaining the erase operation. As shown in Fig. 5A, at the time of writing the memory cells, about 7 to 8V are applied to the gate G and about 5V to the drain D, respectively, and the source S is grounded. In this way, a voltage is applied and electrons are injected into the charge storage layer 4b on the drain region side by the channel thermal electrons CHE. When electrons are injected into the charge storage layer 4a on the source region side, the voltage applied to each of the drains D and S may be replaced with the above case. On the other hand, the memory cell is erased from the charge storage layers 4a and 4b by applying a negative voltage (˜-5V) to the gate G as shown in FIG. 5B and using a Fowler node-type (FN) tunnel current. By emitting electrons. When the gate electrode 3 is shared by a plurality of memory cells, electrons can be emitted from these memory cells at the same time. In this case, the source S and the drain D may be coincident with the p-type semiconductor substrate 1. If a constant voltage different from the potential of the p-type semiconductor substrate 1 is applied to the drain D, and the source S is floating, only the charge storage layer 4b on the drain D side is used. It is also possible to emit electrons. When electrons are emitted from only the charge storage layer 4a on the source S side, a constant voltage may be applied to the source S, and the drain D may be floating potential.

메모리셀의 기록은, 메모리셀의 소거와 마찬가지로, FN전류를 이용하여 행할 수도 있다. 게이트(G)와 p형 반도체기판(1) 사이에 10V 정도를 인가하고, FN전류로 전자를 전하축적층(4a,4b)에 주입한다. 이 경우, 게이트(G)가 공통하는 복수의 메모리셀에는 동시에 전자를 주입할 수 있다.The memory cell can be written using the FN current, similarly to erasing the memory cell. About 10V is applied between the gate G and the p-type semiconductor substrate 1, and electrons are injected into the charge storage layers 4a and 4b with an FN current. In this case, electrons can be injected simultaneously into a plurality of memory cells with which the gate G is common.

또, 도시는 하지 않았지만, 메모리셀의 독출은 소스(S)와 드레인(D) 사이를 흐르는 독출전류를 검지함으로써 행해진다. 전하축적층(4a,4b)의 축적상태에 따라 소스영역, 드레인영역 근방의 전류전달특성(채널 콘덕턴스)이 변조되는 것을 이용하는 것이다. 소스(S), 드레인(D)의 어느 쪽에 바이어스하는가는 전류전달특성의 변조가 현저하게 나타나는 쪽을 선택하면 좋다. 전하축적층(4a,4b)의 4가지의 축적상태에 따라 4개의 다른 전류전달특성이 얻어지고, 그에 따라 1개의 셀에서 2비트분의 정보를 기억할 수 있다.Although not shown, reading of the memory cell is performed by detecting a read current flowing between the source S and the drain D. FIG. The current transfer characteristic (channel conductance) in the vicinity of the source region and the drain region is modulated in accordance with the accumulation state of the charge accumulation layers 4a and 4b. Which one of the source S and the drain D is biased may be selected in which the modulation of the current transfer characteristic is remarkable. Four different current transfer characteristics are obtained according to the four accumulation states of the charge accumulation layers 4a and 4b, thereby storing two bits of information in one cell.

다음에는 본 발명의 제2실시형태에 따른 불휘발성 반도체 메모리의 메모리셀의 제조방법을 도 6a 내지 도 6g를 참조하여 설명한다. 먼저, 도 6a에 나타낸 바와 같이, p형 반도체기판(1) 전면에 전하축적능력이 작은 실리콘질화막을 퇴적하여 10㎚ 정도의 제1게이트절연막(13)을 형성한다. 전하축적능력이 작은 실리콘질화막의 퇴적은 예컨대 JVD(Jet-Vapor-Deposition)법으로 행한다. JVD법에 대해서는, 예컨대 참고문헌 「T. P. Ma. IEEE Transactions on Electron Devices, Volume 45 Number 3, March 1998 p.680」에 기재되어 있다. 제1게이트절연막(13) 형성후, CVD법에 의해 실리콘산화막을 퇴적하여 5∼10㎚ 정도의 제2게이트절연막(14)을 형성한다. 이어서, JVD법에 의해 전하축적능력이 작은 실리콘질화막을 퇴적하여 10㎚ 정도의 제3게이트절연막(15)을 형성한다.Next, a method of manufacturing a memory cell of a nonvolatile semiconductor memory according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 6A to 6G. First, as shown in FIG. 6A, a silicon nitride film having a small charge accumulation capability is deposited on the entire surface of the p-type semiconductor substrate 1 to form a first gate insulating film 13 of about 10 nm. The deposition of the silicon nitride film having a small charge accumulation capacity is performed by, for example, the Jet-Vapor-Deposition (JVD) method. Regarding the JVD method, for example, reference "T. P. Ma. IEEE Transactions on Electron Devices, Volume 45 Number 3, March 1998 p.680. After the first gate insulating film 13 is formed, a silicon oxide film is deposited by CVD to form a second gate insulating film 14 of about 5 to 10 nm. Subsequently, a silicon nitride film having a small charge accumulation capability is deposited by the JVD method to form a third gate insulating film 15 of about 10 nm.

다음에, 도 6b에 나타낸 바와 같이, p형 반도체기판(1) 전면에 LPCVD법에 의해 n형 또는 p형 불순물을 도프한 50∼250㎚ 정도의 다결정실리콘막을 퇴적한 후, 노광기술 및 에칭기술에 의해 패터닝하여 게이트전극(3)을 형성한다. 이어서, 게이트전극(3)을 마스크로 하여 소스영역 및 드레인영역을 형성하는 영역의 p형 반도체기판(1)의 표면의 제1게이트절연막(13), 제2게이트절연막(14) 및 제3게이트절연막(15)을 자기정합적으로 드라이 에칭(dry etching: 건식 에칭)한다.Next, as shown in FIG. 6B, a 50-250 nm polysilicon film doped with n-type or p-type impurities by LPCVD is deposited on the entire surface of the p-type semiconductor substrate 1, followed by exposure and etching techniques. Patterned by to form the gate electrode (3). Subsequently, the first gate insulating film 13, the second gate insulating film 14, and the third gate of the surface of the p-type semiconductor substrate 1 in the region where the source and drain regions are formed using the gate electrode 3 as a mask. The insulating film 15 is dry etched by dry matching.

다음에, 도 6c에 나타낸 바와 같이, 전하축적층 형성을 위한 공간(17)을 형성한다. 이 공간(17)은 제1게이트절연막(13) 및 제3게이트절연막(15)보다도 제2게이트절연막(14)의 에칭속도가 큰 에칭액을 이용하여 제2게이트절연막(14)의 단부를 선택적으로 웨트 에칭(wet etching: 습식 에칭)함으로써 형성한다. 본 발명의 제2실시형태에서는, 제1게이트절연막(13) 및 제3게이트절연막(15)을 실리콘질화막으로 구성하고, 제2게이트절연막(14)을 실리콘산화막으로 구성하고 있으므로, 에칭액으로서는 예컨대 불산계를 이용하면 좋다. 또, 전하축적층 형성을 위한 공간(17)은, 에칭액을 이용한 웨트 에칭법 대신에 HF가스를 함유한 가스를 이용한 플라즈마 드라이 에칭법으로 형성해도 좋다.Next, as shown in Fig. 6C, a space 17 for forming a charge storage layer is formed. The space 17 is selectively formed at an end portion of the second gate insulating film 14 by using an etchant having a larger etching rate of the second gate insulating film 14 than the first gate insulating film 13 and the third gate insulating film 15. It is formed by wet etching (wet etching). In the second embodiment of the present invention, since the first gate insulating film 13 and the third gate insulating film 15 are composed of a silicon nitride film, and the second gate insulating film 14 is composed of a silicon oxide film, the etching solution is, for example, hydrofluoric acid. It is good to use a system. The space 17 for forming the charge storage layer may be formed by a plasma dry etching method using a gas containing HF gas instead of the wet etching method using an etching solution.

다음에, 도 6d에 나타낸 바와 같이, p형 반도체기판(1) 전면에 LPCVD법에 의해 전하축적능력이 높은 실리콘질화막(18)을 전하축적층 형성을 위한 공간(17)이 완전히 매립되도록 퇴적한다. 그리고, 도 6e에 나타낸 바와 같이, p형 반도체기판(1) 전면에 대해 RIE에 의한 이방성 에칭을 행하여 전하축적능력이 높은실리콘질화막으로 구성된 전하축적층(4a,4b)을 형성한다.Next, as shown in FIG. 6D, the silicon nitride film 18 having high charge storage capability is deposited on the entire surface of the p-type semiconductor substrate 1 so as to completely fill the space 17 for forming the charge storage layer. . As shown in Fig. 6E, anisotropic etching is performed on the entire surface of the p-type semiconductor substrate 1 by RIE to form charge storage layers 4a and 4b made of silicon nitride films having high charge storage capability.

다음에, 도 6f에 나타낸 바와 같이, p형 반도체기판(1) 전면에 산화막(16)을 형성한 후, 저불순물농도의 n-형 확산층(10)을 형성한다. n-형 확산층(10)은 이온주입기술에 의해 게이트전극(3)을 마스크로 하여 n형 불순물을 주입하고, 그 후의 열처리에 의해 주입한 불순물을 활성화함으로써 형성한다.Next, as shown in FIG. 6F, after the oxide film 16 is formed over the entire surface of the p-type semiconductor substrate 1, the n type diffusion layer 10 having a low impurity concentration is formed. The n type diffusion layer 10 is formed by implanting n type impurities using the gate electrode 3 as a mask by ion implantation technology, and activating the implanted impurities by subsequent heat treatment.

다음에, 도 6g에 나타낸 바와 같이, 게이트전극(3)의 측벽에 측벽 스페이서(9)를 형성한 후, 고불순물농도의 n+형 확산층(11)을 형성한다. n+형 확산층(11)은 이온주입기술에 의해 게이트전극(3) 및 측벽 스페이서(9)를 마스크로 하여 n형 불순물을 주입하고, 그 후의 열처리에 의해 주입한 불순물을 활성화함으로써 형성한다.Next, as shown in Fig. 6G, after forming the sidewall spacers 9 on the sidewalls of the gate electrodes 3, an n + type diffusion layer 11 having a high impurity concentration is formed. The n + type diffusion layer 11 is formed by implanting n-type impurities using the gate electrode 3 and the sidewall spacers 9 as a mask by ion implantation techniques, and activating the implanted impurities by subsequent heat treatment.

다음에, p형 반도체기판(1)의 전면에 CVD법 또는 스퍼터법에 의해 텅스텐, 티탄, 코발트 등의 고융점금속막을 퇴적하고, 이어서 p형 반도체기판(1)을 불활성 분위기중에서 열처리함으로써 게이트전극(3) 및 n+형 확산층(11) 각각의 표면에 고융점금속실리사이드로 구성되는 도전층(12)을 형성한다. 도전층(12) 형성후, 상기 이외의 영역에 남은 미반응의 고융점금속을 제거하면, 도 4에 나타낸 메모리셀 구조가 완성된다.Next, a high melting point metal film such as tungsten, titanium or cobalt is deposited on the entire surface of the p-type semiconductor substrate 1 by CVD or sputtering, and then the p-type semiconductor substrate 1 is heat-treated in an inert atmosphere to form a gate electrode. A conductive layer 12 made of high melting point metal silicide is formed on the surface of each of (3) and n + type diffusion layer 11. After the formation of the conductive layer 12, the unreacted high melting point metal remaining in the region other than the above is removed, thereby completing the memory cell structure shown in FIG.

한편, 도시는 하지 않았지만, 도 4의 메모리셀 구조 완성후, 층간절연막 형성공정, 콘택트홀 형성공정, 배선형성공정, 패시베이션막 형성공정 등의 통상의 CMOS 제조공정을 순차 거쳐 최종적인 불휘발성 메모리셀이 완성된다.On the other hand, although not shown, after completion of the memory cell structure of FIG. 4, the nonvolatile memory cell is finally processed through a conventional CMOS manufacturing process such as an interlayer insulating film forming process, a contact hole forming process, a wiring forming process, and a passivation film forming process. This is done.

이와 같이 본 발명의 제2실시형태에서는, 전하축적층(4a,4b)을 게이트전극(3)의 양단의 아래쪽에 자기정합적으로 형성할 수 있다. 따라서, 셀 트랜지스터의 게이트길이 방향의 미세화가 가능하게 된다. 그에 따라, 대용량, 고밀도의 불휘발성 반도체 메모리를 제공할 수 있다. 또, 비트당의 셀면적은 종래와 비교하여 거의 반감되어 대폭적으로 축소된 불휘발성 반도체 메모리를 실현할 수 있다.As described above, in the second embodiment of the present invention, the charge storage layers 4a and 4b can be formed in self-alignment under both ends of the gate electrode 3. Therefore, the gate length direction of the cell transistor can be made smaller. Accordingly, a large capacity, high density nonvolatile semiconductor memory can be provided. In addition, the cell area per bit is almost reduced by half compared with the conventional one, and a non-volatile semiconductor memory can be substantially reduced.

또, 전하축적층(4a,4b)의 채널길이 방향의 폭은 제1게이트절연막(13) 및 제3게이트절연막(15)과 제2게이트절연막(14)의 에칭속도차 및 에칭시간의 조절에 의해 용이하게 제어할 수 있다. 그에 따라, 전하축적층(4a,4b)을 대칭으로 배치할 수 있다. 그리고, 전하축적층(4a,4b)은 제2게이트절연막(14)에 의해 전기적으로 완전히 분리되므로, 전하축적층(4a,4b)간의 상호작용은 일어나지 않는다. 더욱이, 전하축적층(4a,4b)은 소스영역, 드레인영역, 게이트전극(3) 및 채널영역으로부터, 제1절연막(13), 제3절연막(15) 및 산화막(16)에 의해 완전히 절연되므로, 전하유지특성이 우수한 불휘발성 반도체 메모리를 제공할 수 있다. 전하축적층(4a,4b)은 게이트전극(3)의 단부로부터 채널영역 방향으로 확장하여 형성되고, 전하축적층(4a,4b) 중의 채널영역측의 부분의 전하축적상태에 따라 메모리셀의 전류전달특성을 거의 결정한다. 따라서, 이 부분의 게이트길이 방향의 길이를 한계까지 축소하면, 보다 미세한 불휘발성 반도체 메모리를 제공할 수 있다.The width of the charge storage layers 4a and 4b in the channel length direction is used to control the etching rate difference and the etching time of the first gate insulating film 13, the third gate insulating film 15, and the second gate insulating film 14. It can be controlled easily. Thus, the charge storage layers 4a and 4b can be arranged symmetrically. Since the charge storage layers 4a and 4b are electrically separated completely by the second gate insulating film 14, the interaction between the charge storage layers 4a and 4b does not occur. Furthermore, the charge storage layers 4a and 4b are completely insulated from the source region, the drain region, the gate electrode 3 and the channel region by the first insulating film 13, the third insulating film 15 and the oxide film 16. In addition, it is possible to provide a nonvolatile semiconductor memory having excellent charge holding characteristics. The charge accumulation layers 4a and 4b extend from the end of the gate electrode 3 in the direction of the channel region, and the current of the memory cell depends on the charge accumulation state of the portion of the channel region side in the charge accumulation layers 4a and 4b. The transmission characteristics are almost determined. Therefore, when the length of the gate length direction of this portion is reduced to the limit, a finer nonvolatile semiconductor memory can be provided.

더욱이, 셀구조는 통상의 CMOS공정으로 용이하게 실현가능하므로, 기존의 제조라인을 사용하여 저비용으로 불휘발성 반도체 메모리를 제조할 수 있다.Moreover, since the cell structure can be easily realized by a conventional CMOS process, a nonvolatile semiconductor memory can be manufactured at low cost by using an existing manufacturing line.

제3실시형태Third embodiment

다음에는 본 발명의 제3실시형태를 설명한다. 본 발명의 제3실시형태는, 도 4에 나타낸 제2실시형태에 있어서, 제1게이트절연막(13)을 실리콘산화막, 제2게이트절연막(14)을 실리콘질화막, 제3게이트절연막(15)을 실리콘산화막으로 치환한 것이다. 이하, 본 발명의 제3실시형태에 따른 불휘발성 반도체 메모리의 메모리셀의 제조방법을, 도 6a 내지 도 6c를 참조하여 설명한다.Next, a third embodiment of the present invention will be described. According to the third embodiment of the present invention, in the second embodiment shown in Fig. 4, the first gate insulating film 13 is made of silicon oxide film, the second gate insulating film 14 is made of silicon nitride film and the third gate insulating film 15. It is replaced with the silicon oxide film. Hereinafter, a method of manufacturing a memory cell of a nonvolatile semiconductor memory according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 6A to 6C.

본 발명의 제3실시형태에 따른 불휘발성 반도체 메모리의 메모리셀은, 먼저 p형 반도체기판(1)을 열산화하여 10㎚ 정도의 제1게이트절연막(13)을 형성한다. 제1게이트절연막(13) 형성후, JVD법에 의한 전하축적능력이 낮은 실리콘질화막을 퇴적하여 5∼10㎚ 정도의 제2게이트절연막(14)을 형성한다. 이어서, CVD법에 의해 실리콘산화막을 퇴적하여 10㎚ 정도의 제3게이트절연막(15)을 형성한다(도 6a 참조).In the memory cell of the nonvolatile semiconductor memory according to the third embodiment of the present invention, first, the p-type semiconductor substrate 1 is thermally oxidized to form a first gate insulating film 13 of about 10 nm. After the formation of the first gate insulating film 13, a silicon nitride film having low charge storage capability by the JVD method is deposited to form a second gate insulating film 14 of about 5 to 10 nm. Subsequently, a silicon oxide film is deposited by CVD to form a third gate insulating film 15 of about 10 nm (see Fig. 6A).

다음에, p형 반도체기판(1) 전면에 LPCVD법에 의해 n형 또는 p형 불순물을 도프한 50∼250㎚ 정도의 다결정실리콘막을 퇴적한 후, 노광기술 및 에칭기술에 의해 패터닝하여 게이트전극(3)을 형성한다. 이어서, 게이트전극(3)을 마스크로 하여 소스영역 및 드레인영역을 형성하는 영역의 p형 반도체기판(1)의 표면의 제1게이트절연막(13), 제2게이트절연막(14) 및 제3게이트절연막(15)을 자기정합적으로 드라이 에칭한다(도 6b 참조).Next, a polysilicon film of about 50 to 250 nm doped with n-type or p-type impurities is deposited on the entire surface of the p-type semiconductor substrate 1, and then patterned by exposure and etching techniques to form a gate electrode ( 3) form. Subsequently, the first gate insulating film 13, the second gate insulating film 14, and the third gate of the surface of the p-type semiconductor substrate 1 in the region where the source and drain regions are formed using the gate electrode 3 as a mask. The insulating film 15 is dry etched self-aligning (see FIG. 6B).

다음에, p형 반도체기판(1)을 열산화하여 p형 반도체기판(1) 전면에 얇은 실리콘산화막을 형성한다. 그 후, 전하축적층 형성을 위한 공간(17)을 형성한다.이 전하축적층 형성을 위한 공간(17)은 제1게이트절연막(13) 및 제3게이트절연막(15)보다도 제2게이트절연막(14)의 에칭속도가 큰 에칭액을 이용하여 제2게이트절연막(14)의 단부를 선택적으로 웨트 에칭함으로써 형성한다. 본 발명의 제3실시형태에서는, 제1게이트절연막(13) 및 제3게이트절연막(15)을 실리콘산화막으로 구성하고, 제2게이트절연막(14)을 실리콘질화막으로 구성하고 있으므로, 에칭액으로서는 예컨대 인산계를 이용하면 좋다. 실리콘질화막(14)은 열산화처리에 의해서는 거의 산화되지 않으므로, 제2게이트절연막의 측면에는 산화막은 형성되지 않고, 이 때문에 에칭의 선택성이 향상된다(도 6c 참조). 또, 전하축적층 형성을 위한 공간(17)은, 에칭액을 이용한 웨트 에칭법 대신에 CF4가스를 함유한 가스를 이용한 플라즈마 드라이 에칭법으로 형성해도 좋다. 그 후의 공정은 제2실시형태와 동일하다.Next, the p-type semiconductor substrate 1 is thermally oxidized to form a thin silicon oxide film on the entire surface of the p-type semiconductor substrate 1. Thereafter, a space 17 for forming a charge storage layer is formed. The space 17 for forming a charge storage layer is formed by a second gate insulating film (ie, a first gate insulating film 13 and a third gate insulating film 15). It is formed by selectively wet etching the end portion of the second gate insulating film 14 using an etchant having a large etching rate. In the third embodiment of the present invention, since the first gate insulating film 13 and the third gate insulating film 15 are composed of a silicon oxide film, and the second gate insulating film 14 is composed of a silicon nitride film, the etching solution is, for example, phosphoric acid. It is good to use a system. Since the silicon nitride film 14 is hardly oxidized by the thermal oxidation process, an oxide film is not formed on the side surface of the second gate insulating film, so that the selectivity of etching is improved (see FIG. 6C). The space 17 for forming the charge storage layer may be formed by a plasma dry etching method using a gas containing CF 4 gas instead of the wet etching method using an etching solution. The subsequent steps are the same as in the second embodiment.

제4실시형태Fourth Embodiment

다음에는 본 발명의 제4실시형태를 설명한다. 도 7은 본 발명의 제4실시형태에 따른 불휘발성 반도체 메모리의 메모리셀 구조를 나타낸 단면도이다. 본 발명의 제4실시형태는, 메모리셀을 p형 MOS 트랜지스터로 구성한 예이다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 제4실시형태에 따른 불휘발성 메모리의 메모리셀 구조에서는, n형 반도체기판(19)의 표면에 제1게이트절연막(13)을 매개해서 제2게이트절연막(14)이 설치된다. 그리고, 제2게이트절연막(14)의 양단에는 전하축적층(4a,4b)이 형성된다. 제2게이트절연막(14) 및 전하축적층(4a,4b)상에는제3게이트절연막(15)을 매개해서 게이트전극(3)이 설치된다. 게이트전극(3)의 측면에는 산화막(16)을 매개해서 측벽 스페이서(9)가 설치되고, 이 측벽 스페이서(9)의 하부의 n형 반도체기판(19)에는 채널영역에 접하는 저불순물농도의 p-형 확산층(20)과, 이 p-형 확산층(20)의 외측에 위치하는 고불순물농도의 p+형 확산층(21)이 설치된다. 게이트전극(3) 및 p+형 확산층(21) 각각의 표면에는 도전층(12)이 설치된다.Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. 7 is a cross-sectional view showing a memory cell structure of a nonvolatile semiconductor memory according to the fourth embodiment of the present invention. The fourth embodiment of the present invention is an example in which a memory cell is composed of a p-type MOS transistor. As shown in Fig. 7, in the memory cell structure of the nonvolatile memory according to the fourth embodiment of the present invention, the second gate insulating film 13 is formed on the surface of the n-type semiconductor substrate 19 via the first gate insulating film 13. 14) is installed. Charge storage layers 4a and 4b are formed at both ends of the second gate insulating film 14. The gate electrode 3 is provided on the second gate insulating film 14 and the charge storage layers 4a and 4b via the third gate insulating film 15. The sidewalls of the gate electrode 3 are provided with sidewall spacers 9 via an oxide film 16. The n-type semiconductor substrate 19 below the sidewall spacers 9 has a low impurity concentration in contact with the channel region. The diffusion type diffusion layer 20 and the p + type diffusion layer 21 having a high impurity concentration located outside the p type diffusion layer 20 are provided. The conductive layer 12 is provided on the surface of each of the gate electrode 3 and the p + type diffusion layer 21.

다음에는 본 발명의 제4실시형태에 따른 불휘발성 메모리의 동작에 대해 도 8a 및 도 8b를 참조하여 설명한다. 도 8a는 기록동작을 설명하는 불휘발성 메모리의 단면도이다. 도 8b는 소거동작을 설명하는 불휘발성 메모리의 단면도이다. 도 8a에 나타낸 바와 같이, 메모리셀의 기록시에는, 게이트(G)에 5V 정도, 드레인(D)에 -5V 정도를 각각 인가하고, 소스(S)를 부유전위로 한다. 이와 같이 전압을 인가하고, 밴드간 터널현상 기인의 전자에 드레인영역 근방의 전계로 에너지를 공급하여 드레인영역측의 전하축적층(4b)으로 전자를 주입한다. 소스영역측의 전하축적층(4a)에 전자를 주입하는 경우에는, 드레인(D), 소스(S) 각각에 인가하는 전압을 상기와 바꾸면 좋다. 한편, 메모리셀의 소거는 도 8b에 나타낸 바와 같이 게이트(G)에 부전압(∼-5V)을 인가하고, FN전류를 이용하여 전하축적층(4a,4b)으로부터 전자를 방출함으로써 행해진다. 또, 게이트(G)가 복수의 메모리셀에서 공유되고 있는 경우에는, 그들 메모리셀로부터 동시에 전자를 방출할 수 있다. 이 경우, 소스(S) 및 드레인(D)은 n형 반도체기판(19)과 동전위 혹은 부유전위로 한다.Next, operations of the nonvolatile memory according to the fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 8A and 8B. 8A is a cross-sectional view of the nonvolatile memory for explaining the write operation. 8B is a cross-sectional view of the nonvolatile memory for explaining the erase operation. As shown in Fig. 8A, at the time of writing the memory cell, about 5V is applied to the gate G and about -5V to the drain D, respectively, and the source S is made a floating potential. In this way, a voltage is applied to supply electrons to the charge accumulation layer 4b on the drain region side by supplying energy to an electron near the drain region to electrons caused by the interband tunnel phenomenon. When electrons are injected into the charge storage layer 4a on the source region side, the voltage applied to each of the drains D and S may be changed from the above. On the other hand, the erasing of the memory cell is performed by applying a negative voltage (˜-5 V) to the gate G as shown in FIG. 8B and emitting electrons from the charge storage layers 4a and 4b using the FN current. When the gate G is shared by a plurality of memory cells, electrons can be emitted from these memory cells at the same time. In this case, the source S and the drain D are the n-type semiconductor substrate 19 and the coin or floating potential.

메모리셀의 기록은, 본 발명의 제2실시형태의 경우와 같이 채널열전자를 이용하여 행하는 것이 가능하다. 이 경우, 게이트(G)에 -2.5V 정도, 드레인(D)에 -5V 정도를 각각 인가하고, 소스(S)를 접지한다. 이와 같이 전압을 인가하고, 채널열전자로 전자를 드레인영역측의 전하축적층(4b)에 주입한다. 한편, 소스영역측의 전하축적층(4a)에 전자를 주입하는 경우에는, 드레인(D), 소스(S) 각각에 인가하는 전압을 교체하면 좋다.The memory cell can be written using channel column electrons as in the second embodiment of the present invention. In this case, about -2.5V is applied to the gate G and about -5V is applied to the drain D, respectively, and the source S is grounded. In this way, a voltage is applied, and electrons are injected into the charge storage layer 4b on the drain region side with channel thermal electrons. On the other hand, when electrons are injected into the charge storage layer 4a on the source region side, the voltages applied to each of the drains D and S may be replaced.

또, 도시는 하지 않았지만, 메모리셀의 독출은 소스(S)와 드레인(D) 사이를 흐르는 독출전류를 검지함으로써 행해진다. 전하축적층(4a,4b)의 축적상태에 따라 소스영역, 드레인영역 근방의 전류전달특성(채널 콘덕턴스)이 변조되는 것을 이용하는 것이다. 소스(S), 드레인(D)의 어느 쪽에 바이어스하는가는 전류전달특성의 변조가 현저하게 나타나는 쪽을 선택하면 좋다. 전하축적층(4a,4b)의 4가지의 축적상태에 따라 4개의 다른 전류전달특성이 얻어지고, 그에 따라 1개의 셀에서 2비트분의 정보를 기억할 수 있다.Although not shown, reading of the memory cell is performed by detecting a read current flowing between the source S and the drain D. FIG. The current transfer characteristic (channel conductance) in the vicinity of the source region and the drain region is modulated in accordance with the accumulation state of the charge accumulation layers 4a and 4b. Which one of the source S and the drain D is biased may be selected in which the modulation of the current transfer characteristic is remarkable. Four different current transfer characteristics are obtained according to the four accumulation states of the charge accumulation layers 4a and 4b, thereby storing two bits of information in one cell.

제5실시형태Fifth Embodiment

다음에는 본 발명의 제5실시형태를 설명한다. 일반적으로, 반도체 메모리에서는, 메모리셀 어레이 주변에 주변회로를 배치한다. 예컨대, 그 주변회로로서는 디코더, 기록/소거회로, 독출회로, 아날로그회로, 각종의 I/O회로, 각종의 캐패시터회로 등이 있다. 본 발명의 제5실시형태에서는, 이들 주변회로를 구성하는 MOS 트랜지스터를 제2∼제4실시형태의 메모리셀 트랜지스터의 제조공정을 이용하여 동시에 제조하는 예를 나타낸 것이다. 도 9는 본 발명의 제5실시형태에 따른 불휘발성 반도체 메모리의 주변회로를 구성하는 MOS 트랜지스터의 구조를 나타낸 단면도이다. 도 9에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 제5실시형태에 따르면, 메모리셀 트랜지스터(메모리셀 Tr) 이외에 게이트절연막이 다른 7종류의 MOS 트랜지스터(Tr1∼Tr7)를 실현할 수 있다. 여기서, 도 9의 메모리셀 트랜지스터는 도 4에 나타낸 메모리셀 트랜지스터이다. 또, MOS 트랜지스터(Tr1∼Tr7)는 모두 n형 MOS 트랜지스터를 나타내고 있다. 메모리셀 트랜지스터의 n-형 확산층(10) 및 n+형 확산층(11), 도전층(12)은 도면을 보기 쉽게 하기 위해 생략하고 있다. MOS 트랜지스터(Tr1∼Tr7)에 대해서도 마찬가지이다.Next, a fifth embodiment of the present invention will be described. In general, in a semiconductor memory, peripheral circuits are arranged around a memory cell array. For example, the peripheral circuits include decoders, write / erase circuits, read circuits, analog circuits, various I / O circuits, and various capacitor circuits. In the fifth embodiment of the present invention, an example in which the MOS transistors constituting these peripheral circuits are simultaneously manufactured using the manufacturing steps of the memory cell transistors of the second to fourth embodiments is shown. 9 is a cross-sectional view showing the structure of a MOS transistor constituting a peripheral circuit of the nonvolatile semiconductor memory according to the fifth embodiment of the present invention. As shown in Fig. 9, according to the fifth embodiment of the present invention, seven kinds of MOS transistors Tr1 to Tr7 having different gate insulating films in addition to the memory cell transistors (memory cell Tr) can be realized. 9 is a memory cell transistor shown in FIG. In addition, the MOS transistors Tr1 to Tr7 all represent n-type MOS transistors. The n type diffusion layer 10, the n + type diffusion layer 11, and the conductive layer 12 of the memory cell transistor are omitted for ease of view. The same applies to the MOS transistors Tr1 to Tr7.

다음에는 도 9에 나타낸 MOS 트랜지스터의 제조방법을 도 10a 내지 도 10g를 참조하여 설명한다. 먼저, 도 10a에 나타낸 바와 같이, p형 반도체기판(1)의 전면에 JVD법에 의해 전하축적능력이 작은 실리콘질화막을 퇴적하여 10㎚ 정도의 제1게이트절연막(13)을 형성한다. 제1게이트절연막(13) 형성후, 주지의 노광기술 및 드라이 에칭기술에 의해 p형 반도체기판(1)상의 일부의 영역의 제1게이트절연막(13)을 제거한다. 그리고 도 10b에 나타낸 바와 같이, CVD법에 의해 실리콘산화막을 퇴적하여 5∼10㎚ 정도의 제2게이트절연막(14)을 형성한다. 제2게이트절연막(14) 형성후, 노광기술 및 드라이 에칭기술에 의해 일부의 영역의 제2게이트절연막(14)을 제거한다. 이어서 도 10c에 나타낸 바와 같이, JVD법에 의해 전하축적능력이 작은 실리콘질화막을 퇴적하여 10㎚ 정도의 제3게이트절연막(15)을 형성한다. 제3게이트절연막(15) 형성후, 노광기술 및 드라이 에칭기술에 의해 일부의 영역의 제3게이트절연막(15)을 제거한다. 이와 같이 하여, 제1게이트절연막(13), 제2게이트절연막(14) 및 제3게이트절연막(15) 중의 적어도 1개로 구성되는 7종류의 게이트절연막이 실현된다.Next, a method of manufacturing the MOS transistor shown in FIG. 9 will be described with reference to FIGS. 10A to 10G. First, as shown in FIG. 10A, a silicon nitride film having a small charge accumulation capability is deposited on the entire surface of the p-type semiconductor substrate 1 by the JVD method to form a first gate insulating film 13 of about 10 nm. After the first gate insulating film 13 is formed, the first gate insulating film 13 in a part of the region on the p-type semiconductor substrate 1 is removed by a known exposure technique and a dry etching technique. As shown in Fig. 10B, a silicon oxide film is deposited by CVD to form a second gate insulating film 14 of about 5 to 10 nm. After the second gate insulating film 14 is formed, the second gate insulating film 14 in a part of the region is removed by an exposure technique and a dry etching technique. Next, as shown in Fig. 10C, a silicon nitride film having a small charge accumulation capability is deposited by the JVD method to form a third gate insulating film 15 of about 10 nm. After the third gate insulating film 15 is formed, the third gate insulating film 15 in a part of the region is removed by an exposure technique and a dry etching technique. In this manner, seven types of gate insulating films including at least one of the first gate insulating film 13, the second gate insulating film 14, and the third gate insulating film 15 are realized.

다음에, 도 10d에 나타낸 바와 같이, p형 반도체기판(1) 전면에 LPCVD법에 의해 n형 또는 p형 불순물을 도프한 50∼250㎚ 정도의 다결정실리콘막을 퇴적한 후, 노광기술 및 에칭기술에 의해 패터닝하여 복수의 게이트전극(3)을 형성한다. 더욱이, 게이트전극(3)을 마스크로 하여 드라이 에칭에 의해 메모리셀 트랜지스터, MOS 트랜지스터 각각의 소스영역 및 드레인영역을 형성하는 영역의 p형 반도체기판(1)의 표면의 제1게이트절연막(13), 제2게이트절연막(14) 및 제3게이트절연막(15)을 제거한다.Next, as shown in FIG. 10D, after depositing a polysilicon film of about 50 to 250 nm doped with n-type or p-type impurities by LPCVD on the entire surface of the p-type semiconductor substrate 1, an exposure technique and an etching technique Patterning is performed to form a plurality of gate electrodes 3. Further, the first gate insulating film 13 on the surface of the p-type semiconductor substrate 1 in the region where the source region and the drain region of each of the memory cell transistor and the MOS transistor are formed by dry etching using the gate electrode 3 as a mask. The second gate insulating film 14 and the third gate insulating film 15 are removed.

다음에, 도 10e에 나타낸 바와 같이, MOS 트랜지스터(Tr1∼Tr7)를 형성하는 영역을 포토레지스트로 피복하고, 메모리셀 트랜지스터를 형성하는 영역을 웨트 에칭한다. 에칭액은 제1게이트절연막(13) 및 제3게이트절연막(15)보다도 제2게이트절연막(14)의 에칭속도가 큰 것을 이용한다. 이 웨트 에칭에 의해 메모리셀 트랜지스터를 형성하는 영역의 제2게이트절연막(14)의 단부를 선택적으로 에칭하여 전하축적층 형성을 위한 공간(17)을 형성한다. 본 발명의 제5실시형태에서는, 제1게이트절연막(13) 및 제3게이트절연막(15)을 실리콘질화막으로 구성하고, 제2게이트절연막(14)을 실리콘산화막으로 구성하고 있으므로, 에칭액으로서는 예컨대 불산계를 이용하면 좋다. 그리고, 도 10f에 나타낸 바와 같이, p형 반도체기판(1) 전면에 LPCVD법에 의해 전하축적능력이 높은 실리콘질화막(18)을 전하축적층 형성을 위한 공간(17)이 완전히 매립되도록 퇴적한다. 이어서, 도 10g에 나타낸 바와 같이, p형 반도체기판(1) 전면에 대해 RIE에 의한 이방성 에칭을 행하여 메모리셀 트랜지스터를 형성하는 영역에 전하축적능력이 높은 실리콘질화막으로 구성된 전하축적층(4a,4b)을 형성한다. 그 후의 공정은 본 발명의 제2실시형태와 동일하다.Next, as shown in Fig. 10E, the regions for forming the MOS transistors Tr1 to Tr7 are covered with photoresist, and the regions for forming the memory cell transistors are wet etched. As the etching solution, the etching rate of the second gate insulating film 14 is higher than that of the first gate insulating film 13 and the third gate insulating film 15. By wet etching, the end portion of the second gate insulating film 14 in the region where the memory cell transistor is formed is selectively etched to form a space 17 for forming a charge storage layer. In the fifth embodiment of the present invention, since the first gate insulating film 13 and the third gate insulating film 15 are composed of a silicon nitride film, and the second gate insulating film 14 is composed of a silicon oxide film, the etching solution is, for example, hydrofluoric acid. It is good to use a system. As shown in Fig. 10F, a silicon nitride film 18 having high charge storage capability is deposited on the entire surface of the p-type semiconductor substrate 1 so as to completely fill the space 17 for forming the charge storage layer. Next, as shown in FIG. 10G, charge storage layers 4a and 4b composed of silicon nitride films having high charge storage capability in regions where memory cell transistors are formed by performing anisotropic etching by RIE on the entire surface of the p-type semiconductor substrate 1. ). The subsequent steps are the same as in the second embodiment of the present invention.

본 발명의 제5실시형태에 따르면, 막두께가 다른 게이트절연막을 갖는 7종류의 MOS 트랜지스터(Tr1∼Tr7)를 메모리셀 트랜지스터와 동시에 제조할 수 있다. 그에 따라, 고전압동작의 고내압 트랜지스터로부터 극저전압동작 트랜지스터까지 다양한 동작전압에 대응한 MOS 트랜지스터를 제공할 수 있다. 더욱이, n형 MOS 트랜지스터, p형 MOS 트랜지스터 모두 실현할 수 있다. 또, 메모리셀 트랜지스터 및 MOS 트랜지스터(Tr1∼Tr7)의 게이트전극(3)은 동일 재료로 구성되고, 동일의 노광공정 및 드라이 에칭공정으로 형성된다. 따라서, 포토마스크의 위치어긋남이 적은 미세한 트랜지스터를 제공할 수 있다.According to the fifth embodiment of the present invention, seven kinds of MOS transistors Tr1 to Tr7 having gate insulating films having different film thicknesses can be manufactured simultaneously with the memory cell transistors. Accordingly, it is possible to provide a MOS transistor corresponding to various operating voltages, from a high voltage transistor having a high voltage operation to an ultra low voltage operating transistor. Furthermore, both n-type MOS transistors and p-type MOS transistors can be realized. In addition, the gate electrodes 3 of the memory cell transistors and the MOS transistors Tr1 to Tr7 are made of the same material and are formed by the same exposure process and dry etching process. Therefore, a fine transistor with little misalignment of the photomask can be provided.

제6실시형태Sixth embodiment

다음에는 본 발명의 제6실시형태에 대해 설명한다. 이 제6실시형태는, 전기적으로 기록·소거가능한 불휘발성 메모리와 고속으로 기록·독출가능한 휘발성 메모리를 동일의 칩상에 실현하는 예를 나타낸 것이다. 도 11a는 본 발명의 제6실시형태에 따른 반도체기억장치에 탑재된 불휘발성 메모리의 메모리셀 구조를 나타낸 단면도, 도 11b는 본 발명의 제6실시형태에 따른 반도체기억장치에 탑재된 휘발성 메모리의 메모리셀 구조를 나타낸 단면도이다. 도 11a의 불휘발성 메모리와 도11b의 휘발성 메모리는 동일 칩상에 혼재되는 것이다.Next, a sixth embodiment of the present invention will be described. This sixth embodiment shows an example in which a nonvolatile memory that can be electrically written and erased and a volatile memory that can be written and read at high speed are realized on the same chip. FIG. 11A is a cross-sectional view illustrating a memory cell structure of a nonvolatile memory mounted in a semiconductor memory device according to a sixth embodiment of the present invention, and FIG. 11B is a cross-sectional view of a volatile memory mounted into a semiconductor memory device according to a sixth embodiment of the present invention. A cross-sectional view showing a memory cell structure. The nonvolatile memory of FIG. 11A and the volatile memory of FIG. 11B are mixed on the same chip.

(A) 불휘발성 메모리(A) nonvolatile memory

도 11a에 나타낸 바와 같이, 이 제6실시형태에 따른 불휘발성 메모리의 메모리셀은 n형 MOS 트랜지스터로 구성된다. 그리고, 이 불휘발성 메모리의 메모리셀 구조에서는, p형 반도체기판(1)의 표면에 제1게이트절연막(13)을 매개해서 제2게이트절연막(14)이 설치된다. 제2게이트절연막(14)의 양단에는 전하축적층(4; 4a,4b)이 형성된다. 제2게이트절연막(14) 및 전하축적층(4)상에는 제3게이트절연막(15)을 매개해서 게이트전극(3)이 설치된다. 게이트전극(3)의 측면에는 산화막(16)을 매개해서 측벽 스페이서(9)가 설치되고, 이 측벽 스페이서(9)의 하부의 p형 반도체기판(1)의 주면에는 채널영역에 접하는 저불순물농도의 n-형 확산층(10)과, 이 n-형 확산층(10)의 외측에 위치하는 고불순물농도의 n+형 확산층(11)이 설치된다. 게이트전극(3) 및 n+형 확산층(11) 각각의 표면에는 도전층(12)이 설치된다.As shown in Fig. 11A, the memory cell of the nonvolatile memory according to the sixth embodiment is composed of n-type MOS transistors. In the memory cell structure of the nonvolatile memory, the second gate insulating film 14 is provided on the surface of the p-type semiconductor substrate 1 via the first gate insulating film 13. Charge storage layers 4 (4a, 4b) are formed at both ends of the second gate insulating film 14. The gate electrode 3 is provided on the second gate insulating film 14 and the charge storage layer 4 via the third gate insulating film 15. Sidewall spacers 9 are provided on the side of the gate electrode 3 via an oxide film 16, and a low impurity concentration in contact with the channel region on the main surface of the p-type semiconductor substrate 1 below the sidewall spacers 9. The n type diffusion layer 10 and the n + type diffusion layer 11 having a high impurity concentration located outside the n type diffusion layer 10 are provided. The conductive layer 12 is provided on the surface of each of the gate electrode 3 and the n + type diffusion layer 11.

본 발명의 제6실시형태에 따른 불휘발성 메모리의 메모리셀은, 소스영역 및 드레인영역을 저불순물농도의 n-형 확산층(10)과 고불순물농도의 n+형 확산층(11)으로 구성한 LDD구조를 갖추고 있다. 그리고, 게이트절연막이 제1게이트절연막(13; 하층), 제2게이트절연막(14; 중간층) 및 제3게이트절연막(15; 상층)으로 이루어진 3층 적층막으로 구성되고, 제2게이트절연막(14)의 양단부에는 전하축적층(4; 4a,4b)이 형성된다. 이 2개의 전하축적층(4a,4b)에 전자를 축적하고, 그 축적상태는 (1) 전하축적층(4a,4b)이 모두 전자를 축적하고 있지 않은 상태, (2) 전하축적층(4a)만이 전자를 축적하고 있는 상태, (3) 전하축적층(4b)만이 전자를 축적하고 있는 상태, (4) 전하축적층(4a,4b)이 모두 전자를 축적하고 있는 상태의 4가지의 상태를 취할 수 있다. 이 2개의 전하축적층(4a,4b)에 유지된 전자의 유무에 따라 생기는 임계치전압의 변화분을 기억정보의 "00", "01", "10", "11"에 대응시킨다. 또, 이 메모리셀 구조에서는 전하축적층(4)은 채널영역 단부의 위쪽에 위치하므로, 채널영역 중앙부의 임계치전압은 채널영역의 불순물농도만으로 결정되고, 전하축적층(4)의 전자의 축적상태에 의존하지 않는다. 따라서, 전하축적층(4)의 전자의 과부족에 의한 과소거(over-erase)는 방지되고, 그에 따라 과소거에 기인하는 누설불량, 프로그램불량, 독출불량 등이 생길 수 없다. 또, 소스영역과 드레인영역간의 누설전류는 게이트전압만으로 억제할 수 있어 고신뢰성의 불휘발성 메모리를 실현할 수 있다. 전하축적층(4)은 CVD법에 의한 전하축적능력이 높은 실리콘질화막으로 구성하면 좋다. 실리콘질화막의 이산적인 전하포획준위에 전자를 축적함으로써, 하부 절연막의 막질에 영향을 받기 어려운 전하유지특성을 얻을 수 있기 때문이다. 또, 실리콘막, 다결정실리콘막으로 구성하면 저가로 제조할 수 있다. 더욱이, 제1게이트절연막(13), 제3게이트절연막(15)을 실리콘산화막(SiO2막)의 2배 정도의 유전률을 갖는 실리콘질화막(Si3N4막)으로 구성하면, 실리콘산화막 환산 막두께가 4㎚∼11㎚ 정도의 대단히 얇은 게이트절연막을 안정하게 실현할 수 있다. 예컨대 실리콘산화막 환산 막두께가 5㎚의 실리콘질화막의 실질막두께는 10㎚ 정도이므로, 직접터널(DT)주입도 유기되지 않는다. 따라서, 전자의 주입·추출동작시의 전압이 저전압화되어 메모리셀의 미세화뿐만 아니라 주변 고전압 동작소자의 미세화도 가능하게 된다.The memory cell of the nonvolatile memory according to the sixth embodiment of the present invention has an LDD structure in which a source region and a drain region are composed of an n type diffusion layer 10 having a low impurity concentration and an n + type diffusion layer 11 having a high impurity concentration. Equipped with. The gate insulating film is composed of a three-layer laminated film including a first gate insulating film 13 (lower layer), a second gate insulating film 14 (intermediate layer), and a third gate insulating film 15 (upper layer), and the second gate insulating film 14 At both ends, the charge storage layers 4 (4a, 4b) are formed. Electrons are accumulated in these two charge storage layers 4a and 4b, and the accumulation state is that (1) the charge storage layers 4a and 4b do not accumulate electrons. (2) The charge storage layers 4a. (4) four states: the state in which only electrons accumulate, (3) the state in which only the charge accumulation layer 4b accumulates electrons, and (4) the state in which the charge accumulation layers 4a and 4b all accumulate electrons. Can be taken. Changes in the threshold voltage caused by the presence or absence of electrons held in these two charge storage layers 4a and 4b correspond to " 00 "," 01 "," 10 " and " 11 " In this memory cell structure, since the charge storage layer 4 is located above the end of the channel region, the threshold voltage at the center of the channel region is determined only by the impurity concentration of the channel region, and the accumulation state of electrons in the charge storage layer 4 is achieved. Does not depend on Therefore, over-erase due to the lack of electrons in the charge storage layer 4 is prevented, and therefore, leakage failure, program failure, reading failure, etc. due to over-erasure cannot occur. In addition, the leakage current between the source region and the drain region can be suppressed only by the gate voltage, thereby achieving a highly reliable nonvolatile memory. The charge accumulation layer 4 may be made of a silicon nitride film having a high charge accumulation capability by the CVD method. This is because by accumulating electrons at the discrete charge trapping level of the silicon nitride film, it is possible to obtain charge holding characteristics that are hardly affected by the film quality of the lower insulating film. Moreover, if it comprises a silicon film and a polycrystalline silicon film, it can manufacture at low cost. Further, when the first gate insulating film 13 and the third gate insulating film 15 are composed of a silicon nitride film (Si 3 N 4 film) having a dielectric constant about twice that of the silicon oxide film (SiO 2 film), a silicon oxide film conversion film A very thin gate insulating film having a thickness of about 4 nm to 11 nm can be stably realized. For example, since the actual thickness of the silicon nitride film having a silicon oxide film thickness of about 5 nm is about 10 nm, direct tunnel DT injection is not induced. Therefore, the voltage at the time of electron injection / extraction operation is lowered, so that not only the memory cell can be miniaturized but also the peripheral high voltage operating element can be miniaturized.

본 발명의 제6실시형태에 따른 불휘발성 메모리의 메모리셀에서는, 소스영역 및 드레인영역의 내압 향상의 목적으로 n-형 확산층(10)을 설치하여 LDD구조를 구성하고 있지만, 싱글 드레인구조, 더블 드레인구조로 소스영역 및 드레인영역을 구성해도 좋다. 제2게이트절연막(14)은 전하축적층 4a-4b간의 누설을 방지하는 바, 예컨대 실리콘산화막으로 구성할 수 있다. 또, 제2게이트절연막(14)에 고유전률을 갖는 금속산화막을 이용하면, 채널영역 중앙의 전류전달특성을 향상시킬 수 있다. 금속산화막으로서는, 예컨대 TiO2, Ta2O5, Al2O5, PZT, SBT가 있다.In the memory cell of the nonvolatile memory according to the sixth embodiment of the present invention, although the n type diffusion layer 10 is provided for the purpose of improving the breakdown voltage of the source region and the drain region, the LDD structure is formed. The drain region may be composed of a source region and a drain region. The second gate insulating film 14 prevents leakage between the charge storage layers 4a-4b, and may be formed of, for example, a silicon oxide film. In addition, when a metal oxide film having a high dielectric constant is used for the second gate insulating film 14, the current transfer characteristic in the center of the channel region can be improved. Examples of the metal oxide film include TiO 2 , Ta 2 O 5 , Al 2 O 5 , PZT, and SBT.

다음에는 본 발명의 제6실시형태에 따른 불휘발성 반도체 메모리의 동작에 대해 도 12a 및 도 12b를 참조하여 설명한다. 도 12a는 기록동작을 설명하는 불휘발성 메모리의 단면도이다. 도 12b는 소거동작을 설명하는 불휘발성 메모리의 단면도이다. 도 12a에 나타낸 바와 같이, 메모리셀의 기록시에는, 게이트(G)에 7∼8V 정도, 드레인(D)에 5V 정도를 각각 인가하고, 소스(S)를 접지한다. 이와 같이 전압을 인가하고, 채널열전자(CHE)로 전자를 드레인영역측의 전하축적층(4b)에 주입한다. 소스영역측의 전하축적층(4a)에 전자를 주입하는 경우에는, 드레인(D), 소스(S) 각각에 인가하는 전압을 상기와 바꾸면 좋다. 한편, 메모리셀의 소거는 도 12b에 나타낸 바와 같이 게이트(G)에 부전압(∼-5V)을 인가하고, 파울러 노드하임(FN)형 터널전류를 이용하여 전하축적층(4a,4b)으로부터 전자를 방출함으로써 행해진다. 또, 게이트(G)가 복수의 메모리셀에서 공유되고 있는 경우에는, 그들 메모리셀로부터 동시에 전자를 방출할 수 있다. 이 경우, 소스(S), 드레인(D)은 p형 반도체기판(1)과 동전위로 하면 좋다. 또, p형 반도체기판(1)의 전위와는 다른 정전압을 드레인(D)에 인가하고, 소스(S)를 부유전위로 하면, 드레인전극측의 전하축적층(4b)만으로부터 전자를 방출하는 것도 가능하다. 소스전극측의 전하축적층(4a)만으로부터 전자를 방출하는 경우에는 소스전극에 정전압을 인가하고, 드레인전극을 부유전위로 하면 좋다.Next, operations of the nonvolatile semiconductor memory according to the sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 12A and 12B. 12A is a sectional view of a nonvolatile memory for explaining a write operation. 12B is a sectional view of the nonvolatile memory for explaining the erase operation. As shown in Fig. 12A, at the time of writing the memory cell, about 7 to 8V is applied to the gate G and about 5V to the drain D, respectively, and the source S is grounded. In this way, a voltage is applied and electrons are injected into the charge storage layer 4b on the drain region side by the channel thermal electrons CHE. When electrons are injected into the charge storage layer 4a on the source region side, the voltage applied to each of the drains D and S may be changed from the above. On the other hand, the memory cell is erased from the charge storage layers 4a and 4b by applying a negative voltage (˜-5V) to the gate G as shown in FIG. 12B and using a Fowler node-type (FN) tunnel current. By emitting electrons. When the gate G is shared by a plurality of memory cells, electrons can be emitted from these memory cells at the same time. In this case, the source S and the drain D may be coincident with the p-type semiconductor substrate 1. When a constant voltage different from the potential of the p-type semiconductor substrate 1 is applied to the drain D, and the source S is a floating potential, electrons are emitted from only the charge storage layer 4b on the drain electrode side. It is also possible. When electrons are emitted from only the charge storage layer 4a on the source electrode side, it is sufficient to apply a constant voltage to the source electrode and set the drain electrode to the floating potential.

메모리셀의 기록은, 메모리셀의 소거와 마찬가지로, FN전류를 이용하여 행할 수도 있다. 게이트(G)와 p형 반도체기판(1) 사이에 10V 정도를 인가하고, FN전류로 전자를 전하축적층(4a,4b)에 주입한다. 이 경우, 게이트(G)가 공통하는 복수의 메모리셀에는 동시에 전자를 주입할 수 있다.The memory cell can be written using the FN current, similarly to erasing the memory cell. About 10V is applied between the gate G and the p-type semiconductor substrate 1, and electrons are injected into the charge storage layers 4a and 4b with an FN current. In this case, electrons can be injected simultaneously into a plurality of memory cells with which the gate G is common.

또, 도시는 하지 않았지만, 메모리셀의 독출은 소스(S)와 드레인(D) 사이를 흐르는 독출전류를 검지함으로써 행해진다. 전하축적층(4a,4b)의 축적상태에 따라 소스영역, 드레인영역 근방의 전류전달특성(채널 콘덕턴스)이 변조되는 것을 이용하는 것이다. 소스(S), 드레인(D)의 어느 쪽에 바이어스하는가는 전류전달특성의 변조가 현저하게 나타나는 쪽을 선택하면 좋다. 전하축적층(4a,4b)의 4가지의 축적상태에 따라 4개의 다른 전류전달특성이 얻어지고, 그에 따라 1개의 셀에서 2비트분의 정보를 기억할 수 있다.Although not shown, reading of the memory cell is performed by detecting a read current flowing between the source S and the drain D. FIG. The current transfer characteristic (channel conductance) in the vicinity of the source region and the drain region is modulated in accordance with the accumulation state of the charge accumulation layers 4a and 4b. Which one of the source S and the drain D is biased may be selected in which the modulation of the current transfer characteristic is remarkable. Four different current transfer characteristics are obtained according to the four accumulation states of the charge accumulation layers 4a and 4b, thereby storing two bits of information in one cell.

(B) 휘발성 메모리(B) volatile memory

도 11b에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 제6실시형태에 따른 휘발성 메모리의 메모리셀은 n형 MOS 트랜지스터로 구성된다. 이 불휘발성 메모리의 메모리셀 구조에서는, p형 반도체기판(1)의 주면상에 도 11a의 제2게이트절연막(14)이 직접 배치된다. 그리고, 제2게이트절연막(14)의 양단에는, 도 11a의 불휘발성 메모리와 마찬가지로, 전하축적층(4; 4c,4d)이 형성되지만, 이들 전하축적층(4c,4d)이 터널절연막(23)을 매개해서 p형 반도체기판(1)의 주면상에 배치되는 점이 도 11a의 불휘발성 메모리와는 다르다. 제2게이트절연막(14) 및 전하축적층(4)상에는 제3게이트절연막(15)을 매개해서 게이트전극(3)이 설치된다. 게이트전극(3)의 측면에는 산화막(16)을 매개해서 측벽 스페이서(9)가 설치되고, 이 측벽 스페이서(9)의 하부의 p형 반도체기판(1)의 주면에는 채널영역에 접하는 저불순물농도의 n-형 확산층(10)과, 이 n-형 확산층(10)의 외측에 위치하는 고불순물농도의 n+형 확산층(11)이 설치된다. 게이트전극(3) 및 n+형 확산층(11) 각각의 표면에는 도전층(12)이 설치된다.As shown in Fig. 11B, the memory cell of the volatile memory according to the sixth embodiment of the present invention is composed of n-type MOS transistors. In the memory cell structure of this nonvolatile memory, the second gate insulating film 14 of FIG. 11A is directly disposed on the main surface of the p-type semiconductor substrate 1. On both ends of the second gate insulating film 14, as in the nonvolatile memory of FIG. 11A, charge storage layers 4; 4c and 4d are formed, but these charge storage layers 4c and 4d are formed in the tunnel insulating film 23. The point of being disposed on the main surface of the p-type semiconductor substrate 1 by means of) is different from that of the nonvolatile memory of FIG. 11A. The gate electrode 3 is provided on the second gate insulating film 14 and the charge storage layer 4 via the third gate insulating film 15. Sidewall spacers 9 are provided on the side of the gate electrode 3 via an oxide film 16, and a low impurity concentration in contact with the channel region on the main surface of the p-type semiconductor substrate 1 below the sidewall spacers 9. The n type diffusion layer 10 and the n + type diffusion layer 11 having a high impurity concentration located outside the n type diffusion layer 10 are provided. The conductive layer 12 is provided on the surface of each of the gate electrode 3 and the n + type diffusion layer 11.

본 발명의 제6실시형태에 따른 휘발성 메모리의 메모리셀은, 소스영역 및 드레인영역을 저불순물농도의 n-형 확산층(10)과 고불순물농도의 n+형 확산층(11)으로 구성한 LDD구조를 갖추고 있다. 그리고, 게이트절연막이 제2게이트절연막(14), 터널절연막(23) 및 제3게이트절연막(15)으로 구성되고, 제2게이트절연막(14)의 양단부에는 전하축적층(4c,4d)이 형성된다. 이 2개의 전하축적층(4c,4d)에 전자를 축적하고, 그 축적상태는 (1) 전하축적층(4c,4d)이 모두 전자를 축적하고 있지 않은상태, (2) 전하축적층(4c)만이 전자를 축적하고 있는 상태, (3) 전하축적층(4d)만이 전자를 축적하고 있는 상태, (4) 전하축적층(4c,4d)이 모두 전자를 축적하고 있는 상태의 4가지의 상태를 취할 수 있다. 이 2개의 전하축적층(4c,4d)에 유지된 전자의 유무에 따라 생기는 임계치전압의 변화분을 기억정보의 "00", "01", "10", "11"에 대응시킨다. 또, 이 메모리셀 구조에서는 전하축적층(4)은 채널영역 단부의 위쪽에 위치하므로, 채널영역 중앙부의 임계치전압은 채널영역의 불순물농도만으로 결정되고, 전하축적층(4)의 전자의 축적상태에 의존하지 않는다. 따라서, 전하축적층(4)의 전자의 과부족에 의한 과소거(over-erase)는 방지되고, 그에 따라 과소거에 기인하는 누설불량, 프로그램불량, 독출불량 등이 생길 수 없다. 또, 소스영역과 드레인영역간의 누설전류는 게이트전압만으로 억제할 수 있어 고신뢰성의 불휘발성 메모리를 실현할 수 있다. 전하축적층(4)은 CVD법에 의한 전하축적능력이 높은 실리콘질화막으로 구성하면 좋다. 실리콘질화막의 이산적인 전하포획준위에 전자를 축적함으로써, 하부 절연막의 막질에 영향을 받기 어려운 전하유지특성을 얻을 수 있기 때문이다. 또, 실리콘막, 다결정실리콘막으로 구성하면 저가로 제조할 수 있다. 더욱이, 제3게이트절연막(15)을 실리콘산화막(SiO2막)의 2배 정도의 유전률을 갖는 실리콘질화막(Si3N4막)으로 구성하면, 실리콘산화막 환산 막두께가 4㎚∼11㎚ 정도의 대단히 얇은 게이트절연막을 안정하게 실현할 수 있다. 예컨대 실리콘산화막 환산 막두께가 5㎚의 실리콘질화막의 실질막두께는 10㎚ 정도이므로, 직접터널(DT)주입도 유기되지 않는다. 따라서, 전자의 주입·추출동작시의 전압이 저전압화되어 메모리셀의 미세화뿐만 아니라 주변 고전압 동작소자의 미세화도 가능하게 된다.The memory cell of the volatile memory according to the sixth embodiment of the present invention has an LDD structure in which a source region and a drain region are composed of an n type diffusion layer 10 having a low impurity concentration and an n + type diffusion layer 11 having a high impurity concentration. Equipped. The gate insulating film 14 includes the second gate insulating film 14, the tunnel insulating film 23, and the third gate insulating film 15, and charge storage layers 4c and 4d are formed at both ends of the second gate insulating film 14. do. Electrons are accumulated in these two charge storage layers 4c and 4d, and the accumulation state thereof is (1) the state in which the charge storage layers 4c and 4d do not both store electrons, and (2) the charge storage layer 4c. (4) four states: only the electrons accumulate, (3) only the charge accumulation layer 4d accumulates electrons, and (4) all the charge accumulation layers 4c and 4d accumulate electrons. Can be taken. The change in the threshold voltage caused by the presence or absence of electrons held in these two charge storage layers 4c and 4d corresponds to "00", "01", "10", and "11" of the stored information. In this memory cell structure, since the charge storage layer 4 is located above the end of the channel region, the threshold voltage at the center of the channel region is determined only by the impurity concentration of the channel region, and the accumulation state of electrons in the charge storage layer 4 is achieved. Does not depend on Therefore, over-erase due to the lack of electrons in the charge storage layer 4 is prevented, and therefore, leakage failure, program failure, reading failure, etc. due to over-erasure cannot occur. In addition, the leakage current between the source region and the drain region can be suppressed only by the gate voltage, thereby achieving a highly reliable nonvolatile memory. The charge accumulation layer 4 may be made of a silicon nitride film having a high charge accumulation capability by the CVD method. This is because by accumulating electrons at the discrete charge trapping level of the silicon nitride film, it is possible to obtain charge holding characteristics that are hardly affected by the film quality of the lower insulating film. Moreover, if it comprises a silicon film and a polycrystalline silicon film, it can manufacture at low cost. Further, when the third gate insulating film 15 is composed of a silicon nitride film (Si 3 N 4 film) having a dielectric constant about twice that of the silicon oxide film (SiO 2 film), the silicon oxide film conversion film thickness is about 4 nm to 11 nm. The ultra-thin gate insulating film can be stably realized. For example, since the actual thickness of the silicon nitride film having a silicon oxide film thickness of about 5 nm is about 10 nm, direct tunnel DT injection is not induced. Therefore, the voltage at the time of electron injection / extraction operation is lowered, so that not only the memory cell can be miniaturized but also the peripheral high voltage operating element can be miniaturized.

본 발명의 제6실시형태에 따른 휘발성 메모리의 메모리셀에서는, 소스영역 및 드레인영역의 내압 향상의 목적으로 n-형 확산층(10)을 설치하여 LDD구조를 구성하고 있지만, 싱글 드레인구조, 더블 드레인구조로 소스영역 및 드레인영역을 구성해도 좋다. 제2게이트절연막(14)은 전하축적층 4c-4d간의 누설을 방지하는 바, 예컨대 실리콘산화막으로 구성할 수 있다. 또, 제2게이트절연막(14)에 고유전률을 갖는 금속산화막을 이용하면, 채널영역 중앙의 전류전달특성을 향상시킬 수 있다. 금속산화막으로서는, 예컨대 TiO2, Ta2O5, Al2O5, PZT, SBT가 있다.In the memory cell of the volatile memory according to the sixth embodiment of the present invention, although the n type diffusion layer 10 is provided for the purpose of improving the breakdown voltage of the source region and the drain region, the LDD structure is formed. The structure may include a source region and a drain region. The second gate insulating film 14 prevents leakage between the charge storage layers 4c-4d, and may be formed of, for example, a silicon oxide film. In addition, when a metal oxide film having a high dielectric constant is used for the second gate insulating film 14, the current transfer characteristic in the center of the channel region can be improved. Examples of the metal oxide film include TiO 2 , Ta 2 O 5 , Al 2 O 5 , PZT, and SBT.

본 발명의 제6실시형태에 따른 휘발성 메모리에서는, 전하축적층(4c,4d)의 하부에 터널절연막(23)을 배치하고 있다. 터널절연막(23)은 직접 터널링가능한 막두께를 갖는 박막의 실리콘산화막으로 구성되고, 다이내믹 RAM에 요구되는 100ns 이하에서의 고속으로 기록·독출을 가능하게 한다. 터널절연막(23)을 실리콘산화막으로 구성한 경우, 그 막두께는 3㎚ 이하로 하면 좋다. 또, 3㎚ 이하의 실리콘질화막으로 구성하면, 실리콘산화막 환산 막두께가 1.5㎚ 정도의 대단히 얇은 게이트절연막을 안정하게 실현할 수 있다. 터널절연막(23)을 매개하는 누설전류에 의해 전하축적층(4)에 축적된 전자는 서서히 줄어들어 가므로, 실제는 장시간의 데이터 유지는 곤란하다. 그러나, 통상의 다이내믹 RAM으로서의 동작에는 전혀 문제없다고 생각된다. 이것은, C. H-J. Wann 등에 의해 1995 IEDM digest p.867에 나타내어져 있다.In the volatile memory according to the sixth embodiment of the present invention, the tunnel insulating film 23 is disposed under the charge storage layers 4c and 4d. The tunnel insulating film 23 is composed of a thin silicon oxide film having a directly tunnelable film thickness, and enables high speed recording and reading at 100 ns or less required for the dynamic RAM. When the tunnel insulating film 23 is made of a silicon oxide film, the film thickness may be 3 nm or less. When the silicon nitride film has a thickness of 3 nm or less, an extremely thin gate insulating film having a silicon oxide film conversion film thickness of about 1.5 nm can be stably realized. Since the electrons accumulated in the charge storage layer 4 gradually decrease due to the leakage current through the tunnel insulating film 23, it is difficult to actually maintain data for a long time. However, it is considered that there is no problem in operation as a normal dynamic RAM. This is C. H-J. Wann et al., 1995 IEDM digest p.867.

메모리셀의 독출은, 소스전극과 드레인전극 사이를 흐르는 독출전류를 검지함으로써 행해진다. 전하축적층(4c,4d)의 축적상태에 따라 소스영역, 드레인영역 근방의 전류전달특성(채널 콘덕턴스)이 변조되는 것을 이용하는 것이다. 소스전극, 드레인전극의 어느 쪽에 바이어스하는가는 전류전달특성의 변조가 현저하게 나타나는 쪽을 선택하면 좋다. 전하축적층(4c,4d)의 4가지의 축적상태에 따라 4개의 다른 전류전달특성이 얻어지고, 그에 따라 1개의 셀에서 2비트분의 정보를 기억할 수 있다.The reading of the memory cell is performed by detecting a read current flowing between the source electrode and the drain electrode. The current transfer characteristic (channel conductance) in the vicinity of the source region and the drain region is modulated in accordance with the accumulation state of the charge storage layers 4c and 4d. Which one of the source electrode and the drain electrode is biased may be selected in which the modulation of the current transfer characteristic is remarkable. Four different current transfer characteristics are obtained according to the four accumulation states of the charge storage layers 4c and 4d, thereby storing two bits of information in one cell.

더욱이, 본 발명의 제6실시형태에 따른 휘발성 메모리는, 전하축적층(4c,4d)에 전하를 주입하지 않으면, 통상의 MOS 트랜지스터로서 동작시키는 것이 가능하다.Furthermore, the volatile memory according to the sixth embodiment of the present invention can be operated as a normal MOS transistor unless charge is injected into the charge storage layers 4c and 4d.

(C) 불휘발성 및 휘발성 메모리의 제조방법(C) Method of manufacturing nonvolatile and volatile memory

다음에는 본 발명의 제6실시형태에 따른 불휘발성 메모리 및 휘발성 메모리의 메모리셀의 제조방법을 도 13a 내지 도 13i 및 도 14a 내지 도 14i를 참조하여 설명한다. 도 13a 내지 도 13i는 본 발명의 제6실시형태에 따른 불휘발성 메모리의 제조방법을 나타낸 단면도, 도 14a 내지 도 14i는 본 발명의 제6실시형태에 따른 휘발성 메모리의 제조방법을 나타낸 단면도이다.Next, a method of manufacturing a nonvolatile memory and a memory cell of a volatile memory according to the sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 13A to 13I and 14A to 14I. 13A to 13I are sectional views showing the manufacturing method of the nonvolatile memory according to the sixth embodiment of the present invention, and FIGS. 14A to 14I are sectional views showing the manufacturing method of the volatile memory according to the sixth embodiment of the present invention.

먼저, 도 13a 및 도 14a에 나타낸 바와 같이, p형 반도체기판(1) 전면에 전하축적능력이 작은 실리콘질화막을 퇴적하여 10㎚ 정도의 제1게이트절연막(13)을 형성한다. 제1게이트절연막(13) 형성후, 도 13a의 불휘발성 메모리 형성영역을 예컨대 포토레지스트로 피복하고, 도 14a의 휘발성 메모리 형성영역의 제1게이트절연막(13)만을 예컨대 가열인산용액을 이용한 웨트 에칭에 의해 제거한다. 따라서, 제1게이트절연막(13)은 도 13a의 불휘발성 메모리 형성영역에만 형성된다. 전하축적능력이 작은 실리콘질화막의 퇴적은, 예컨대 JVD법으로 행한다.First, as shown in FIGS. 13A and 14A, a silicon nitride film having a small charge accumulation capability is deposited on the entire surface of the p-type semiconductor substrate 1 to form a first gate insulating film 13 of about 10 nm. After the formation of the first gate insulating film 13, the non-volatile memory formation region of FIG. 13A is covered with a photoresist, for example, and only the first gate insulation layer 13 of the volatile memory formation region of FIG. 14A is wet-etched using, for example, a heating phosphoric acid solution. Remove by Therefore, the first gate insulating film 13 is formed only in the nonvolatile memory formation region of FIG. 13A. The silicon nitride film with a small charge accumulation capacity is deposited by, for example, the JVD method.

다음에, 도 13b 및 도 14b에 나타낸 바와 같이, CVD법에 의해 실리콘산화막을 p형 반도체기판(1) 전면에 퇴적하여 5∼10㎚ 정도의 제2게이트절연막(14)을 형성한다. 이어서, JVD법에 의해 전하축적능력이 작은 실리콘질화막을 퇴적하여 10㎚ 정도의 제3게이트절연막(15)을 형성한다. 결국, 도 13b의 불휘발성 메모리 형성영역에는 제1, 제2 및 제3게이트절연막(13,14,15)이 형성되고, 도 14b의 휘발성 메모리 형성영역에는 제2 및 제3게이트절연막(14,15)이 형성된다.13B and 14B, a silicon oxide film is deposited on the entire surface of the p-type semiconductor substrate 1 by CVD to form a second gate insulating film 14 of about 5 to 10 nm. Subsequently, a silicon nitride film having a small charge accumulation capability is deposited by the JVD method to form a third gate insulating film 15 of about 10 nm. As a result, the first, second, and third gate insulating layers 13, 14, and 15 are formed in the nonvolatile memory formation region of FIG. 13B, and the second and third gate insulation layers 14 are formed in the volatile memory formation region of FIG. 14B. 15) is formed.

다음에, 도 13c 및 도 14c에 나타낸 바와 같이, p형 반도체기판(1) 전면에 LPCVD법에 의해 n형 또는 p형 불순물을 도프한 50∼250㎚ 정도의 다결정실리콘막을 퇴적한 후, 노광기술 및 에칭기술에 의해 패터닝하여 게이트전극(3)을 형성한다. 이어서, 게이트전극(3)을 마스크로 하여, 도 13c의 불휘발성 메모리 형성영역에서는 소스영역 및 드레인영역을 형성하는 영역의 p형 반도체기판(1)의 표면의 제1게이트절연막(13), 제2게이트절연막(14) 및 제3게이트절연막(15)을 자기정합적으로 드라이 에칭한다. 한편, 도 14c의 휘발성 메모리 형성영역에서는, 제2게이트절연막(14) 및 제3게이트절연막(15)을 자기정합적으로 드라이 에칭한다.Next, as shown in FIGS. 13C and 14C, a 50-250 nm polycrystalline silicon film doped with n-type or p-type impurities by LPCVD is deposited on the entire surface of the p-type semiconductor substrate 1, followed by exposure technique. And the gate electrode 3 is patterned by an etching technique. Subsequently, in the nonvolatile memory formation region of Fig. 13C, the first gate insulating film 13 and the first gate insulating film 13 on the surface of the p-type semiconductor substrate 1 are formed in the nonvolatile memory formation region of Fig. 13C. The two-gate insulating film 14 and the third gate insulating film 15 are dry etched in a self-aligned manner. On the other hand, in the volatile memory formation region of Fig. 14C, the second gate insulating film 14 and the third gate insulating film 15 are dry-etched in a self-aligned manner.

다음에, 도 13d 및 도 14d에 나타낸 바와 같이, 전하축적층 형성을 위한 공간(17)을 형성한다. 이 공간(17)은, 제1게이트절연막(13) 및 제3게이트절연막(15)보다도 제2게이트절연막(14)의 에칭속도가 큰 에칭액을 이용하여 제2게이트절연막(14)의 단부를 선택적으로 웨트 에칭함으로써 형성한다. 도 13d의 불휘발성 메모리 형성영역의 전하축적층 형성을 위한 공간(17) 및 도 14d의 휘발성 메모리 형성영역의 전하축적층 형성을 위한 공간(17)은 동시에 형성된다. 본 발명의 제6실시형태에서는, 제1게이트절연막(13) 및 제3게이트절연막(15)을 실리콘질화막으로 구성하고, 제2게이트절연막(14)을 실리콘산화막으로 구성하고 있으므로, 에칭액으로서는 예컨대 불산계를 이용하면 좋다. 또, 이 공간(17)은, 에칭액을 이용한 웨트 에칭법 대신에 HF가스를 함유한 가스를 이용한 플라즈마 드라이 에칭법으로 형성해도 좋다.Next, as shown in FIGS. 13D and 14D, a space 17 for forming a charge storage layer is formed. The space 17 selectively selects an end portion of the second gate insulating film 14 by using an etchant having a higher etching rate of the second gate insulating film 14 than the first gate insulating film 13 and the third gate insulating film 15. It is formed by wet etching. A space 17 for forming a charge accumulation layer of the nonvolatile memory formation region of FIG. 13D and a space 17 for forming a charge accumulation layer of the volatile memory formation region of FIG. 14D are simultaneously formed. In the sixth embodiment of the present invention, since the first gate insulating film 13 and the third gate insulating film 15 are composed of a silicon nitride film, and the second gate insulating film 14 is composed of a silicon oxide film, the etching solution is, for example, hydrofluoric acid. It is good to use a system. The space 17 may be formed by a plasma dry etching method using a gas containing HF gas instead of the wet etching method using an etching solution.

다음에, 도 13e 및 도 14e에 나타낸 바와 같이, p형 반도체기판(1) 전면을 예컨대 RTO법에 의해 산화하여, 직접 터널가능한 실리콘산화막으로 이루어진 터널절연막(23)을 형성한다.Next, as shown in FIGS. 13E and 14E, the entire surface of the p-type semiconductor substrate 1 is oxidized by, for example, an RTO method to form a tunnel insulating film 23 made of a silicon oxide film that can be directly tunneled.

다음에, 도 13f 및 도 14f에 나타낸 바와 같이, p형 반도체기판(1) 전면에 LPCVD법에 의해 전하축적능력이 높은 실리콘질화막(18)을 전하축적층 형성을 위한 공간(17)이 완전히 매립되도록 퇴적한다. 그리고, 도 13g 및 도 14g에 나타낸 바와 같이, p형 반도체기판(1) 전면에 대해 RIE에 의한 이방성 에칭을 행하여 전하축적능력이 높은 실리콘질화막으로 구성된 전하축적층(4; 4a,4b,4c,4d)을 동시에 형성한다.Next, as shown in FIGS. 13F and 14F, the space 17 for filling the silicon nitride film 18 having high charge storage capability by the LPCVD method on the entire surface of the p-type semiconductor substrate 1 is formed. Deposit as much as possible. 13G and 14G, anisotropic etching is performed on the entire surface of the p-type semiconductor substrate 1 by RIE to form charge storage layers 4 (4; 4a, 4b, 4c) composed of silicon nitride films having high charge storage capability. Simultaneously form 4d).

다음에, 도 13h 및 도 14h에 나타낸 바와 같이, p형 반도체기판(1) 전면에산화막(16)을 형성한 후, 저불순물농도의 n-형 확산층(10)을 형성한다. n-형 확산층(10)은 이온주입기술에 의해 게이트전극(3)을 마스크로 하여 n형 불순물을 주입하고, 그 후의 열처리에 의해 주입한 불순물을 활성화함으로써 형성한다.Next, as shown in FIGS. 13H and 14H, after the oxide film 16 is formed over the entire surface of the p-type semiconductor substrate 1, the n type diffusion layer 10 having a low impurity concentration is formed. The n type diffusion layer 10 is formed by implanting n type impurities using the gate electrode 3 as a mask by ion implantation technology, and activating the implanted impurities by subsequent heat treatment.

다음에, 도 13i 및 도 14i에 나타낸 바와 같이, 게이트전극(3)의 측벽에 측벽 스페이서(9)를 형성한 후, 고불순물농도의 n+형 확산층(11)을 형성한다. n+형 확산층(11)은 이온주입기술에 의해 게이트전극(3) 및 측벽 스페이서(9)를 마스크로 하여 n형 불순물을 주입하고, 그 후의 열처리에 의해 주입한 불순물을 활성화함으로써 형성한다.Next, as shown in Figs. 13I and 14I, after forming the sidewall spacers 9 on the sidewalls of the gate electrodes 3, an n + type diffusion layer 11 having a high impurity concentration is formed. The n + type diffusion layer 11 is formed by implanting n-type impurities using the gate electrode 3 and the sidewall spacers 9 as a mask by ion implantation techniques, and activating the implanted impurities by subsequent heat treatment.

그리고, p형 반도체기판(1)의 전면에 CVD법 또는 스퍼터법에 의해 텅스텐, 티탄, 코발트 등의 고융점금속막을 퇴적하고, 이어서 p형 반도체기판(1)을 불활성 분위기중에서 열처리함으로써 게이트전극(3) 및 n+형 확산층(11) 각각의 표면에 고융점금속실리사이드로 구성되는 도전층(12)을 형성한다. 도전층(12) 형성후, 상기 이외의 영역에 남은 미반응의 고융점금속을 제거하면, 도 11a에 나타낸 불휘발성 메모리 및 도 11b에 나타낸 휘발성 메모리의 메모리셀 구조가 완성된다.Then, a high melting point metal film such as tungsten, titanium, cobalt, etc. is deposited on the entire surface of the p-type semiconductor substrate 1 by CVD or sputtering, and then the p-type semiconductor substrate 1 is heat-treated in an inert atmosphere. 3) and a conductive layer 12 composed of a high melting point metal silicide is formed on the surface of each of the n + type diffusion layer 11. After the formation of the conductive layer 12, the unreacted high melting point metal remaining in the regions other than the above is removed, thereby completing the memory cell structures of the nonvolatile memory shown in FIG. 11A and the volatile memory shown in FIG. 11B.

한편, 도시는 하지 않았지만, 도 11a 및 도 11b의 메모리셀 구조 완성후, 층간절연막 형성공정, 콘택트홀 형성공정, 배선형성공정, 패시베이션막 형성공정 등의 통상의 CMOS 제조공정을 순차 거쳐 최종적인 불휘발성 메모리 및 휘발성 메모리를 탑재한 반도체장치가 완성된다.Although not shown, after completion of the memory cell structures shown in FIGS. 11A and 11B, the final process is performed after the normal CMOS manufacturing process such as the interlayer insulating film forming process, the contact hole forming process, the wiring forming process, and the passivation film forming process. A volatile memory and a semiconductor device having a volatile memory are completed.

이와 같이 본 발명의 제6실시형태에서는, 전하축적층(4; 4a,4b,4c,4d)을 게이트전극(3)의 단부의 아래쪽에 자기정합적으로 형성할 수 있다. 따라서, 도 11a 및 도 11b의 메모리셀 트랜지스터의 게이트길이 방향의 미세화가 가능하게 된다. 그에 따라, 대용량, 고밀도의 불휘발성 메모리 및 휘발성 메모리를 제공할 수 있다. 또, 비트당의 셀면적은 종래와 비교하여 거의 반감되어 대폭적으로 축소된 불휘발성 반도체 메모리를 실현할 수 있다.As described above, in the sixth embodiment of the present invention, the charge storage layers 4 (4a, 4b, 4c, 4d) can be formed in self-alignment under the ends of the gate electrodes 3. Therefore, the gate length direction of the memory cell transistors of FIGS. 11A and 11B can be miniaturized. Accordingly, a large capacity, high density nonvolatile memory and volatile memory can be provided. In addition, the cell area per bit is almost reduced by half compared with the conventional one, and a non-volatile semiconductor memory can be substantially reduced.

전하축적층(4)의 채널길이 방향의 폭은, p형 반도체기판(1), 제1게이트절연막(13) 및 제3게이트절연막(15)과 제2게이트절연막(14)의 에칭속도차 및 에칭시간의 조절에 의해 용이하게 제어할 수 있다. 그에 따라, 전하축적층(4)을 대칭으로 배치할 수 있다. 그리고 전하축적층(4)간은 제2게이트절연막(14)에 의해 전기적으로 완전히 분리되므로, 전하축적층(4)간의 상호작용은 일어나지 않는다. 더욱이, 전하축적층(4)은 소스영역, 드레인영역, 게이트전극(3) 및 채널영역으로부터는, 제1절연막(13), 터널절연막(23), 제3절연막(15) 및 산화막(16)에 의해 완전히 절연되므로, 전하유지특성이 우수한 불휘발성 메모리 및 휘발성 메모리를 제공할 수 있다. 전하축적층(4)은 게이트전극(3)의 단부로부터 채널영역 방향으로 확장하여 형성되고, 전하축적층(4) 중의 채널영역측의 부분의 전하축적상태에 따라 메모리셀의 전류전달특성을 거의 결정한다. 따라서, 이 부분의 게이트길이 방향의 길이를 한계까지 축소하면, 보다 미세한 불휘발성 메모리 및 휘발성 메모리를 제공할 수 있다.The width of the charge storage layer 4 in the channel length direction is determined by the etching rate difference between the p-type semiconductor substrate 1, the first gate insulating film 13, the third gate insulating film 15, and the second gate insulating film 14. It can be controlled easily by adjusting the etching time. Thus, the charge storage layer 4 can be arranged symmetrically. Since the charge storage layers 4 are electrically separated completely by the second gate insulating film 14, the interaction between the charge storage layers 4 does not occur. In addition, the charge storage layer 4 includes the first insulating film 13, the tunnel insulating film 23, the third insulating film 15, and the oxide film 16 from the source region, the drain region, the gate electrode 3, and the channel region. Since it is completely insulated by, a nonvolatile memory and a volatile memory having excellent charge holding characteristics can be provided. The charge accumulation layer 4 is formed extending from the end of the gate electrode 3 toward the channel region, and substantially improves the current transfer characteristics of the memory cell in accordance with the charge accumulation state of the portion of the channel region side in the charge accumulation layer 4. Decide Therefore, when the length of the gate length direction of this portion is reduced to the limit, a finer nonvolatile memory and a volatile memory can be provided.

셀구조는 통상의 CMOS공정으로 용이하게 실현가능하므로, 기존의 제조라인을 사용하여 저비용으로 불휘발성 메모리 및 휘발성 메모리를 제조할 수 있다.Since the cell structure can be easily realized by a conventional CMOS process, a nonvolatile memory and a volatile memory can be manufactured at low cost by using an existing manufacturing line.

더욱이, 상기 불휘발성 메모리와 휘발성 메모리는, 그 제조공정의 대부분이 공통화되어 있으므로, 저비용이면서 짧은 제조공기(製造工期)로 불휘발성 메모리와 휘발성 메모리를 혼재한 반도체장치를 제조할 수 있다.In addition, since most of the manufacturing processes of the nonvolatile memory and the volatile memory are common, it is possible to manufacture a semiconductor device in which the nonvolatile memory and the volatile memory are mixed with low cost and short manufacturing air.

한편, 본 발명의 제6실시형태에서는, 제1게이트절연막(13)을 실리콘질화막, 제2게이트절연막(14)을 실리콘산화막, 제3게이트절연막(15)을 실리콘질화막으로 구성하고 있지만, 제1게이트절연막(13)을 실리콘산화막, 제2게이트절연막(14)을 실리콘질화막, 제3게이트절연막(15)을 실리콘산화막으로 구성해도 좋다. 이 경우, 예컨대 제1게이트절연막(13)은 p형 반도체기판(1)을 열산화한 10㎚ 정도의 실리콘산화막으로 구성한다. 제2게이트절연막(14)은 JVD법에 의해 퇴적한 5∼10㎚ 정도의 전하축적능력이 낮은 실리콘질화막으로 구성한다. 제3게이트절연막(15)은 CVD법에 의해 퇴적한 10㎚ 정도의 실리콘산화막으로 구성하면 좋다. 또, 전하축적층 형성을 위한 공간(17)의 형성은, 제1게이트절연막(13) 및 제3게이트절연막(15)을 실리콘산화막으로 구성하고, 제2게이트절연막(14)을 실리콘질화막으로 구성하고 있으므로, 에칭액으로서는 예컨대 인산계를 이용하면 좋다.In the sixth embodiment of the present invention, the first gate insulating film 13 is formed of a silicon nitride film, the second gate insulating film 14 is formed of a silicon oxide film, and the third gate insulating film 15 is formed of a silicon nitride film. The gate insulating film 13 may be formed of a silicon oxide film, the second gate insulating film 14 may be formed of a silicon nitride film, and the third gate insulating film 15 may be formed of a silicon oxide film. In this case, for example, the first gate insulating film 13 is composed of a silicon oxide film of about 10 nm obtained by thermally oxidizing the p-type semiconductor substrate 1. The second gate insulating film 14 is composed of a silicon nitride film having a low charge accumulation capability of about 5 to 10 nm deposited by the JVD method. The third gate insulating film 15 may be made of a silicon oxide film of about 10 nm deposited by CVD. In the formation of the space 17 for forming the charge storage layer, the first gate insulating film 13 and the third gate insulating film 15 are composed of a silicon oxide film, and the second gate insulating film 14 is composed of a silicon nitride film. As the etching solution, for example, a phosphoric acid system may be used.

제7실시형태Seventh embodiment

다음에는 본 발명의 제7실시형태에 대해 설명한다. 이 제7실시형태는, 상기 제6실시형태와 마찬가지로, 전기적으로 기록·소거가능한 불휘발성 메모리와 고속으로 기록·독출가능한 휘발성 메모리를 동일의 칩상에 실현하는 예를 나타낸 것이다. 도 15a는 본 발명의 제7실시형태에 따른 반도체기억장치에 탑재된 불휘발성 메모리의 메모리셀 구조를 나타낸 단면도, 도 15b는 본 발명의 제7실시형태에 따른반도체기억장치에 탑재된 휘발성 메모리의 메모리셀 구조를 나타낸 단면도이다. 도 15a의 불휘발성 메모리와 도 15b의 휘발성 메모리는 동일 칩상에 혼재되는 것이다. 도 15a에 나타낸 불휘발성 메모리에 대해서는 상기 제6실시형태와 동일하므로, 여기서는 그 설명을 생략한다.Next, a seventh embodiment of the present invention will be described. This seventh embodiment shows an example of realizing, on the same chip, a nonvolatile memory that can be electrically written and erased and a volatile memory that can be written and read at high speed, similarly to the sixth embodiment. FIG. 15A is a cross-sectional view illustrating a memory cell structure of a nonvolatile memory mounted in a semiconductor memory device according to a seventh embodiment of the present invention. FIG. 15B illustrates a volatile memory mounted in a semiconductor memory device according to a seventh embodiment of the present invention. A cross-sectional view showing a memory cell structure. The nonvolatile memory of FIG. 15A and the volatile memory of FIG. 15B are mixed on the same chip. Since the nonvolatile memory shown in FIG. 15A is the same as in the sixth embodiment, the description thereof is omitted here.

도 15b에 나타낸 바와 같이, 이 제7실시형태에 따른 휘발성 메모리의 메모리셀은 n형 MOS 트랜지스터로 구성된다. 그리고, 이 휘발성 메모리의 메모리셀 구조에서는, p형 반도체기판(1)의 주면상에 터널절연막(23)을 매개해서 전하축적층(4e)이 배치된다. 전하축적층(4e)상에는 제4게이트절연막(24)을 매개해서 게이트전극(3)이 설치된다. 게이트전극(3)의 측면에는 산화막(16)을 매개해서 측벽 스페이서(9)가 설치되고, 이 측벽 스페이서(9)의 하부의 p형 반도체기판(1)의 주면에는 채널영역에 접하는 저불순물농도의 n-형 확산층(10)과, 이 n-형 확산층(10)의 외측에 위치하는 고불순물농도의 n+형 확산층(11)이 설치된다. 게이트전극(3) 및 n+형 확산층(11) 각각의 표면에는 도전층(12)이 설치된다.As shown in Fig. 15B, the memory cell of the volatile memory according to the seventh embodiment is composed of n-type MOS transistors. In the memory cell structure of this volatile memory, the charge storage layer 4e is disposed on the main surface of the p-type semiconductor substrate 1 via the tunnel insulating film 23. The gate electrode 3 is provided on the charge storage layer 4e via the fourth gate insulating film 24. Sidewall spacers 9 are provided on the side of the gate electrode 3 via an oxide film 16, and a low impurity concentration in contact with the channel region on the main surface of the p-type semiconductor substrate 1 below the sidewall spacers 9. The n type diffusion layer 10 and the n + type diffusion layer 11 having a high impurity concentration located outside the n type diffusion layer 10 are provided. The conductive layer 12 is provided on the surface of each of the gate electrode 3 and the n + type diffusion layer 11.

본 발명의 제7실시형태에 따른 휘발성 메모리의 메모리셀은, 소스영역 및 드레인영역을 저불순물농도의 n-형 확산층(10)과 고불순물농도의 n+형 확산층(11)으로 구성한 LDD구조를 갖추고 있다. 그리고, 게이트절연막이 터널절연막(23) 및 제4게이트절연막(24)으로 이루어진 적층구조로 구성되고, 터널절연막(23)과 제4게이트절연막(24) 사이에는 전하축적층(4e)이 배치된다. 이 전하축적층(4e)에 전자를 축적하고, 이 전하축적층(4e)에 유지된 전자의 유무에 따라 생기는 임계치전압의 변화분을 기억정보의 "0", "1"에 대응시킨다. 전하축적층(4e)은 CVD법에 의한 전하축적능력이 높은 실리콘질화막으로 구성하면 좋다. 실리콘질화막의 이산적인 전하포획준위에 전자를 축적함으로써, 하부 절연막의 막질에 영향을 받기 어려운 전하유지특성을 얻을 수 있기 때문이다. 또, 실리콘막, 다결정실리콘막으로 구성하면 저가로 제조할 수 있다. 더욱이, 제4게이트절연막(24)을 실리콘산화막(SiO2막)의 2배 정도의 유전률을 갖는 실리콘질화막(Si3N4막)으로 구성하면, 실리콘산화막 환산 막두께가 4㎚∼11㎚ 정도의 대단히 얇은 게이트절연막을 안정하게 실현할 수 있다. 예컨대 실리콘산화막 환산 막두께가 5㎚의 실리콘질화막의 실질막두께는 10㎚ 정도이므로, 직접터널(DT)주입도 유기되지 않는다. 따라서, 전자의 주입·추출동작시의 전압이 저전압화되어 메모리셀의 미세화뿐만 아니라 주변 고전압 동작소자의 미세화도 가능하게 된다.The memory cell of the volatile memory according to the seventh embodiment of the present invention has an LDD structure in which a source region and a drain region are composed of an n type diffusion layer 10 having a low impurity concentration and an n + type diffusion layer 11 having a high impurity concentration. Equipped. The gate insulating film has a laminated structure including the tunnel insulating film 23 and the fourth gate insulating film 24, and a charge storage layer 4e is disposed between the tunnel insulating film 23 and the fourth gate insulating film 24. . Electrons are accumulated in the charge accumulation layer 4e, and changes in the threshold voltage caused by the presence or absence of electrons held in the charge accumulation layer 4e correspond to "0" and "1" of the storage information. The charge accumulation layer 4e may be composed of a silicon nitride film having a high charge accumulation capability by the CVD method. This is because by accumulating electrons at the discrete charge trapping level of the silicon nitride film, it is possible to obtain charge holding characteristics that are hardly affected by the film quality of the lower insulating film. Moreover, if it comprises a silicon film and a polycrystalline silicon film, it can manufacture at low cost. Further, when the fourth gate insulating film 24 is composed of a silicon nitride film (Si 3 N 4 film) having a dielectric constant about twice that of the silicon oxide film (SiO 2 film), the silicon oxide film conversion film thickness is about 4 nm to 11 nm. The ultra-thin gate insulating film can be stably realized. For example, since the actual thickness of the silicon nitride film having a silicon oxide film thickness of about 5 nm is about 10 nm, direct tunnel DT injection is not induced. Therefore, the voltage at the time of electron injection / extraction operation is lowered, so that not only the memory cell can be miniaturized but also the peripheral high voltage operating element can be miniaturized.

본 발명의 제7실시형태에 따른 휘발성 메모리의 메모리셀에서는, 소스영역 및 드레인영역의 내압 향상의 목적으로 n-형 확산층(10)을 설치하여 LDD구조를 구성하고 있지만, 싱글 드레인구조, 더블 드레인구조로 소스영역 및 드레인영역을 구성해도 좋다.In the memory cell of the volatile memory according to the seventh embodiment of the present invention, although the n type diffusion layer 10 is provided for the purpose of improving the breakdown voltage of the source region and the drain region, the LDD structure is formed. The structure may include a source region and a drain region.

본 발명의 제7실시형태에 따른 휘발성 메모리에서는, 전하축적층(4e)의 하부에 터널절연막(23)을 배치하고 있다. 터널절연막(23)은 직접 터널링가능한 막두께를 갖는 박막의 실리콘산화막으로 구성되고, 다이내믹 RAM에 요구되는 100ns 이하에서의 고속으로 기록·독출이 가능하게 된다. 터널절연막(23)을 실리콘산화막으로 구성한 경우, 그 막두께는 3㎚ 이하로 하면 좋다. 또, 3㎚ 이하의 실리콘질화막으로 구성하면, 실리콘산화막 환산 막두께가 1.5㎚ 정도의 대단히 얇은 터널절연막(23)을 안정하게 실현할 수 있다.In the volatile memory according to the seventh embodiment of the present invention, the tunnel insulating film 23 is disposed under the charge storage layer 4e. The tunnel insulating film 23 is composed of a thin silicon oxide film having a directly tunnelable film thickness, and enables recording and reading at a high speed of 100 ns or less required for the dynamic RAM. When the tunnel insulating film 23 is made of a silicon oxide film, the film thickness may be 3 nm or less. When the silicon nitride film has a thickness of 3 nm or less, an extremely thin tunnel insulating film 23 having a silicon oxide film conversion film thickness of about 1.5 nm can be stably realized.

더욱이, 본 발명의 제7실시형태에 따른 휘발성 메모리는, 전하축적층(4e)에 전하를 주입하지 않으면, 통상의 MOS 트랜지스터로서 동작시키는 것도 가능하다.Furthermore, the volatile memory according to the seventh embodiment of the present invention can also be operated as a normal MOS transistor unless charge is injected into the charge storage layer 4e.

다음에는 본 발명의 제7실시형태에 따른 불휘발성 메모리 및 휘발성 메모리의 메모리셀의 제조방법을 도 16a 내지 도 16h 및 도 17a 내지 도 17h를 참조하여 설명한다. 도 16a 내지 도 16h는 본 발명의 제7실시형태에 따른 불휘발성 메모리의 제조방법을 나타낸 단면도, 도 17a 내지 도 17h는 본 발명의 제7실시형태에 따른 휘발성 메모리의 제조방법을 나타낸 단면도이다.Next, a method of manufacturing a nonvolatile memory and a memory cell of a volatile memory according to the seventh embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 16A to 16H and 17A to 17H. 16A to 16H are cross-sectional views showing the manufacturing method of the nonvolatile memory according to the seventh embodiment of the present invention, and FIGS. 17A to 17H are cross-sectional views showing the manufacturing method of the volatile memory according to the seventh embodiment of the present invention.

먼저, 도 16a 및 도 17a에 나타낸 바와 같이, p형 반도체기판(1) 전면에 전하축적능력이 작은 실리콘질화막을 퇴적하여 10㎚ 정도의 제1게이트절연막(13)을 형성한다. 전하축적능력이 작은 실리콘질화막의 퇴적은 예컨대 JVD법으로 행한다. 제1게이트절연막(13) 형성후, CVD법에 의해 실리콘산화막을 퇴적하여 5∼10㎚ 정도의 제2게이트절연막(14)을 형성한다. 이어서, JVD법에 의해 전하축적능력이 작은 실리콘질화막을 퇴적하여 10㎚ 정도의 제3게이트절연막(15)을 형성한다.First, as shown in FIGS. 16A and 17A, a silicon nitride film having a small charge accumulation capability is deposited on the entire surface of the p-type semiconductor substrate 1 to form a first gate insulating film 13 of about 10 nm. The deposition of the silicon nitride film having a small charge accumulation capacity is performed by, for example, the JVD method. After the first gate insulating film 13 is formed, a silicon oxide film is deposited by CVD to form a second gate insulating film 14 of about 5 to 10 nm. Subsequently, a silicon nitride film having a small charge accumulation capability is deposited by the JVD method to form a third gate insulating film 15 of about 10 nm.

다음에, 도 16b 및 도 17b에 나타낸 바와 같이, p형 반도체기판(1) 전면에 LPCVD법에 의해 n형 또는 p형 불순물을 도프한 50∼250㎚ 정도의 다결정실리콘막을 퇴적한 후, 도 16b의 불휘발성 메모리 형성영역에서는 노광기술 및 에칭기술에 의해 패터닝하여 게이트전극(3)을 형성한다. 이어서, 게이트전극(3)을 마스크로 하여 소스영역 및 드레인영역을 형성하는 영역의 p형 반도체기판(1)의 표면의 제1게이트절연막(13), 제2게이트절연막(14) 및 제3게이트절연막(15)을 자기정합적으로 드라이 에칭한다. 도 17b의 휘발성 메모리 형성영역에서는, 다결정실리콘막, 제1게이트절연막(13), 제2게이트절연막(14) 및 제3게이트절연막(15)은 모두 제거되고, p형 반도체기판(1) 표면이 노출된다.Next, as shown in Figs. 16B and 17B, after depositing a polysilicon film of about 50 to 250 nm doped with n-type or p-type impurities by LPCVD on the entire surface of the p-type semiconductor substrate 1, Fig. 16B. In the nonvolatile memory formation region of the gate electrode 3, the gate electrode 3 is formed by patterning by exposure technique and etching technique. Subsequently, the first gate insulating film 13, the second gate insulating film 14, and the third gate of the surface of the p-type semiconductor substrate 1 in the region where the source and drain regions are formed using the gate electrode 3 as a mask. The insulating film 15 is dry-etched in self-alignment. In the volatile memory formation region of FIG. 17B, the polysilicon film, the first gate insulating film 13, the second gate insulating film 14, and the third gate insulating film 15 are all removed, and the surface of the p-type semiconductor substrate 1 is removed. Exposed.

다음에, 도 16c에 나타낸 바와 같이, 불휘발성 메모리 형성영역에서는 전하축적층 형성을 위한 공간(17)을 형성한다. 이 전하축적층 형성을 위한 공간(17)은, 제1게이트절연막(13) 및 제3게이트절연막(15)보다도 제2게이트절연막(14)의 에칭속도가 큰 에칭액을 이용하여 제2게이트절연막(14)의 단부를 선택적으로 웨트 에칭함으로써 형성한다. 본 발명의 제7실시형태에서는, 제1게이트절연막(13) 및 제3게이트절연막(15)을 실리콘질화막으로 구성하고, 제2게이트절연막(14)을 실리콘산화막으로 구성하고 있으므로, 에칭액으로서는 예컨대 불산계를 이용하면 좋다. 또, 전하축적층 형성을 위한 공간(17)은, 에칭액을 이용한 웨트 에칭법 대신에 HF가스를 함유한 가스를 이용한 플라즈마 드라이 에칭법으로 형성해도 좋다. 한편, 도 17c에 나타낸 바와 같이, 휘발성 메모리 형성영역에서는 p형 반도체기판(1)의 표면이 노출된 그대로이다.Next, as shown in FIG. 16C, a space 17 for forming a charge storage layer is formed in the nonvolatile memory formation region. The space 17 for forming the charge storage layer is formed by using the etching solution having a larger etching rate of the second gate insulating film 14 than the first gate insulating film 13 and the third gate insulating film 15. The end of 14) is formed by selectively wet etching. In the seventh embodiment of the present invention, since the first gate insulating film 13 and the third gate insulating film 15 are composed of a silicon nitride film, and the second gate insulating film 14 is composed of a silicon oxide film, the etching solution is, for example, hydrofluoric acid. It is good to use a system. The space 17 for forming the charge storage layer may be formed by a plasma dry etching method using a gas containing HF gas instead of the wet etching method using an etching solution. 17C, the surface of the p-type semiconductor substrate 1 remains exposed in the volatile memory formation region.

다음에, 도 16d 및 도 17d에 나타낸 바와 같이, p형 반도체기판(1) 전면을 예컨대 RTO법에 의해 산화하여, 직접 터널가능한 실리콘산화막으로 이루어진 터널절연막(23)을 형성한다. 터널절연막(23) 형성후, p형 반도체기판(1) 전면에 LPCVD법에 의해 전하축적능력이 높은 실리콘질화막(18)을 퇴적한다. 이 때, 전하축적층 형성을 위한 공간(17)이 실리콘질화막(18)에 의해 완전히 매립된다. 그리고, 도 16e에 나타낸 바와 같이, 불휘발성 메모리 형성영역에서는 p형 반도체기판(1) 전면에 대해 RIE에 의한 이방성 에칭을 행하여 전하축적능력이 높은 실리콘질화막(18)으로 구성된 전하축적층(4; 4a,4b)을 형성한다. 그 때, 도 17e의 휘발성 메모리 형성영역은 포토레지스트로 피복되어 있어 실리콘질화막(18)은 에칭되지 않는다.Next, as shown in Figs. 16D and 17D, the entire surface of the p-type semiconductor substrate 1 is oxidized by, for example, the RTO method to form a tunnel insulating film 23 made of a silicon oxide film that can be directly tunneled. After the tunnel insulating film 23 is formed, a silicon nitride film 18 having high charge storage capability is deposited on the entire surface of the p-type semiconductor substrate 1 by the LPCVD method. At this time, the space 17 for forming the charge storage layer is completely filled by the silicon nitride film 18. As shown in FIG. 16E, in the nonvolatile memory formation region, anisotropic etching is performed on the entire surface of the p-type semiconductor substrate 1 by RIE to form a charge storage layer 4 composed of a silicon nitride film 18 having a high charge storage capability; 4a, 4b). At that time, the volatile memory formation region in Fig. 17E is covered with photoresist so that the silicon nitride film 18 is not etched.

실리콘질화막(18)의 에칭종료후, p형 반도체기판(1) 전면에 실리콘산화막을 퇴적하여 제4게이트절연막(24)을 형성한다. 여기서, 도 16e의 불휘발성 메모리 형성영역의 제4게이트절연막(24)은 제거된다. 그 제거는, 도 17e의 휘발성 메모리 형성영역을 포토레지스트로 피복하고, 도 16e의 불휘발성 메모리 형성영역에 퇴적된 제4게이트절연막(24)을 에칭함으로써 행해진다.After the etching of the silicon nitride film 18 is finished, a silicon oxide film is deposited on the entire surface of the p-type semiconductor substrate 1 to form a fourth gate insulating film 24. Here, the fourth gate insulating film 24 of the nonvolatile memory formation region of FIG. 16E is removed. The removal is performed by covering the volatile memory formation region of FIG. 17E with photoresist and etching the fourth gate insulating film 24 deposited in the nonvolatile memory formation region of FIG. 16E.

다음에, 도 17f에 나타낸 바와 같이, p형 반도체기판(1) 전면에 LPCVD법에 의해 n형 또는 p형 불순물을 도프한 50∼250㎚ 정도의 다결정실리콘막을 퇴적한다. 그리고, 노광기술 및 에칭기술에 의해 그 다결정실리콘막을 패터닝하여 게이트전극(3a)을 형성한다. 이어서, 게이트전극(3a)을 에칭마스크로 하여 소스영역 및 드레인영역을 형성하는 영역의 p형 반도체기판(1)의 표면의 터널절연막(23), 전하축적층(4e) 및 제4게이트절연막(24)을 자기정합적으로 드라이 에칭한다. 한편, 불휘발성 메모리 형성영역에서는, 도 16f에 나타낸 바와 같이 다결정실리콘막을 전부 제거해도 좋고, 게이트전극(3)에 맞추어 패터닝하여 새로운 게이트전극을 형성해도 좋다.Next, as shown in FIG. 17F, a polysilicon film of about 50 to 250 nm doped with n-type or p-type impurities is deposited on the entire surface of the p-type semiconductor substrate 1 by the LPCVD method. Then, the polysilicon film is patterned by an exposure technique and an etching technique to form the gate electrode 3a. Subsequently, the tunnel insulating film 23, the charge storage layer 4e and the fourth gate insulating film on the surface of the p-type semiconductor substrate 1 in the region where the gate electrode 3a is used as an etching mask to form the source region and the drain region. 24) dry-etch self-aligned. On the other hand, in the nonvolatile memory formation region, as shown in Fig. 16F, all of the polysilicon films may be removed or may be patterned in accordance with the gate electrode 3 to form new gate electrodes.

다음에, 도 16g 및 도 17g에 나타낸 바와 같이, p형 반도체기판(1)의 전면에 산화막(16)을 형성한 후, 저불순물농도의 n-형 확산층(10)을 형성한다. n-형 확산층(10)은 이온주입기술에 의해 게이트전극(3)을 마스크로 하여 n형 불순물을 주입하고, 그 후의 열처리에 의해 주입한 불순물을 활성화함으로써 형성한다.Next, as shown in Figs. 16G and 17G, after the oxide film 16 is formed on the entire surface of the p-type semiconductor substrate 1, an n type diffusion layer 10 having a low impurity concentration is formed. The n type diffusion layer 10 is formed by implanting n type impurities using the gate electrode 3 as a mask by ion implantation technology, and activating the implanted impurities by subsequent heat treatment.

다음에, 도 16h 및 도 17h에 나타낸 바와 같이, 게이트전극(3)의 측벽에 측벽 스페이서(9)를 형성한 후, 고불순물농도의 n+형 확산층(11)을 형성한다. n+형 확산층(11)은 이온주입기술에 의해 게이트전극(3) 및 측벽 스페이서(9)를 마스크로 하여 n형 불순물을 주입하고, 그 후의 열처리에 의해 주입한 불순물을 활성화함으로써 형성한다.Next, as shown in Figs. 16H and 17H, after forming the sidewall spacers 9 on the sidewalls of the gate electrode 3, an n + type diffusion layer 11 having a high impurity concentration is formed. The n + type diffusion layer 11 is formed by implanting n-type impurities using the gate electrode 3 and the sidewall spacers 9 as a mask by ion implantation techniques, and activating the implanted impurities by subsequent heat treatment.

다음에, p형 반도체기판(1)의 전면에 CVD법 또는 스퍼터법에 의해 텅스텐, 티탄, 코발트 등의 고융점금속막을 퇴적하고, 이어서 p형 반도체기판(1)을 불활성 분위기중에서 열처리함으로써 게이트전극(3) 및 n+형 확산층(11) 각각의 표면에 고융점금속실리사이드로 구성되는 도전층(12)을 형성한다. 도전층(12) 형성후, 상기 이외의 영역에 남은 미반응의 고융점금속을 제거하면, 도 15a에 나타낸 불휘발성 메모리 및 도 15b에 나타낸 휘발성 메모리의 메모리셀 구조가 완성된다.Next, a high melting point metal film such as tungsten, titanium or cobalt is deposited on the entire surface of the p-type semiconductor substrate 1 by CVD or sputtering, and then the p-type semiconductor substrate 1 is heat-treated in an inert atmosphere to form a gate electrode. A conductive layer 12 made of high melting point metal silicide is formed on the surface of each of (3) and n + type diffusion layer 11. After the conductive layer 12 is formed, the unreacted high melting point metal remaining in the regions other than the above is removed to complete the memory cell structures of the nonvolatile memory shown in FIG. 15A and the volatile memory shown in FIG. 15B.

도시는 하지 않았지만, 도 15a 및 도 15b의 메모리셀 구조 완성후, 층간절연막 형성공정, 콘택트홀 형성공정, 배선형성공정, 패시베이션막 형성공정 등의 통상의 CMOS 제조공정을 순차 거쳐 최종적인 불휘발성 메모리 및 휘발성 메모리가 완성된다.Although not shown, after completion of the memory cell structures shown in FIGS. 15A and 15B, the final nonvolatile memory is sequentially processed through ordinary CMOS manufacturing processes such as an interlayer insulating film forming process, a contact hole forming process, a wiring forming process, and a passivation film forming process. And a volatile memory is completed.

본 발명의 제7실시형태에서는, 제1게이트절연막(13)을 실리콘질화막, 제2게이트절연막(14)을 실리콘산화막, 제3게이트절연막(15)을 실리콘질화막으로 구성하고 있지만, 제1게이트절연막(13)을 실리콘산화막, 제2게이트절연막(14)을 실리콘질화막, 제3게이트절연막(15)을 실리콘산화막으로 구성해도 좋다. 이 경우, 예컨대 제1게이트절연막(13)은 p형 반도체기판(1)을 열산화한 10㎚ 정도의 실리콘산화막으로 구성한다. 제2게이트절연막(14)은 JVD법에 의해 퇴적한 5∼10㎚ 정도의 전하축적능력이 낮은 실리콘질화막으로 구성한다. 제3게이트절연막(15)은 CVD법에 의해 퇴적한 10㎚ 정도의 실리콘산화막으로 구성하면 좋다. 또, 전하축적층 형성을 위한 공간(17)의 형성은, 제1게이트절연막(13) 및 제3게이트절연막(15)을 실리콘산화막으로 구성하고, 제2게이트절연막(14)을 실리콘질화막으로 구성하고 있으므로, 에칭액으로서는 예컨대 인산계를 이용하면 좋다.In the seventh embodiment of the present invention, the first gate insulating film 13 is formed of a silicon nitride film, the second gate insulating film 14 is formed of a silicon oxide film, and the third gate insulating film 15 is formed of a silicon nitride film. (13) may be composed of a silicon oxide film, a second gate insulating film 14 of a silicon nitride film, and a third gate insulating film 15 of a silicon oxide film. In this case, for example, the first gate insulating film 13 is composed of a silicon oxide film of about 10 nm obtained by thermally oxidizing the p-type semiconductor substrate 1. The second gate insulating film 14 is composed of a silicon nitride film having a low charge accumulation capability of about 5 to 10 nm deposited by the JVD method. The third gate insulating film 15 may be made of a silicon oxide film of about 10 nm deposited by CVD. In the formation of the space 17 for forming the charge storage layer, the first gate insulating film 13 and the third gate insulating film 15 are composed of a silicon oxide film, and the second gate insulating film 14 is composed of a silicon nitride film. As the etching solution, for example, a phosphoric acid system may be used.

본 발명의 제6 및 제7실시형태에서는, 불휘발성 메모리 및 휘발성 메모리의 메모리셀은 모두 n형 MOS 트랜지스터로 구성되는 예에 대해 설명했지만, 반대도전형의 p형 MOS 트랜지스터의 메모리셀이라도 좋은 것은 물론이다. 이 경우에는, 상기의 설명에 있어서 적절히 기판이나 확산층의 도전형을 반대의 것으로 바꿔 읽으면 좋다.In the sixth and seventh embodiments of the present invention, an example in which the memory cells of the nonvolatile memory and the volatile memory are all composed of n-type MOS transistors has been described. However, the memory cells of the anti-conductive type p-type MOS transistors may be used. Of course. In this case, in the above description, the conductivity type of the substrate and the diffusion layer may be changed to the opposite one as appropriate.

제8실시형태8th Embodiment

다음에는 본 발명의 제8실시형태에 대해 설명한다. 상기의 제1 내지 제7실시형태에서는, 전하축적층의 구조는 전자주입효율의 향상에 직접적으로는 기여하지 않는다. 플로팅 게이트(부유 게이트)구조의 불휘발성 반도체 메모리에서는, 채널부분에 단차를 설치하여 전자주입효율을 향상시키는 시도가 제안되어 있다(S. Ogura, 1988 IDEM p.987, 미국 특허번호 제5,780,341호). 그렇지만, 이 제안에서는 플로팅 게이트구조를 채용하기 때문에, 산화막 중의 결함이나 누설사이트에 대해서는 약하다. 또, 단차구조 형성시에 발생할 수 있는 결함에 대해서도, 충분한 신뢰성을 얻지 못할 우려가 있다. 본 발명의 제8실시형태는, 간단한 프로세스로 전자주입효율을 향상시킬 수 있는 것이다.Next, an eighth embodiment of the present invention will be described. In the above first to seventh embodiments, the structure of the charge accumulation layer does not directly contribute to the improvement of the electron injection efficiency. In a nonvolatile semiconductor memory having a floating gate structure, attempts have been made to improve electron injection efficiency by providing a step in a channel portion (S. Ogura, 1988 IDEM p.987, US Patent No. 5,780,341). . However, this proposal employs a floating gate structure, which is weak against defects and leakage sites in the oxide film. Moreover, also about the defect which may arise at the time of forming a stepped structure, there exists a possibility that sufficient reliability may not be obtained. In the eighth embodiment of the present invention, the electron injection efficiency can be improved by a simple process.

도 18은 본 발명의 제8실시형태에 따른 불휘발성 반도체 메모리의 메모리셀 구조를 나타낸 단면도이다. 이 제8실시형태는, 메모리셀의 채널영역에 단차나 경사를 설치함으로써, 기록시의 전자주입효율의 향상을 도모하는 것이다. 도 18에 나타낸 바와 같이, 이 메모리셀은 n형 MOS 트랜지스터로 구성된다. 그리고, 본 발명의 제8실시형태에 따른 불휘발성 메모리의 메모리셀 구조에서는, p형 반도체기판(1)의 표면에 제1게이트절연막(13)을 매개해서 제2게이트절연막(14)이 설치된다. 제2게이트절연막(14)의 양단에는 전하축적층(4a,4b)이 형성된다. 제2게이트절연막(14) 및 전하축적층(4a,4b)상에는 제3게이트절연막(15)을 매개해서 게이트전극(3)이 설치된다. 게이트전극(3)의 측면에는 산화막(16)을 매개해서 측벽 스페이서(9)가 설치되고, 이 측벽 스페이서(9)의 하부의 p형 반도체기판(1)에는 채널영역에 접하는 저불순물농도의 n-형 확산층(10)과, 이 n-형 확산층(10)의 외측에 위치하는 고불순물농도의 n+형 확산층(11)이 설치된다. 게이트전극(3) 및 n+형 확산층(11) 각각의 표면에는 도전층(12)이 설치된다.18 is a cross-sectional view showing a memory cell structure of a nonvolatile semiconductor memory according to the eighth embodiment of the present invention. In the eighth embodiment, the step of providing a step and an inclination in the channel region of the memory cell improves the electron injection efficiency during recording. As shown in Fig. 18, this memory cell is composed of n-type MOS transistors. In the memory cell structure of the nonvolatile memory according to the eighth embodiment of the present invention, the second gate insulating film 14 is provided on the surface of the p-type semiconductor substrate 1 via the first gate insulating film 13. . Charge storage layers 4a and 4b are formed at both ends of the second gate insulating film 14. The gate electrode 3 is provided on the second gate insulating film 14 and the charge storage layers 4a and 4b via the third gate insulating film 15. A sidewall spacer 9 is provided on the side of the gate electrode 3 via an oxide film 16, and a low impurity concentration n in contact with the channel region is provided on the p-type semiconductor substrate 1 below the sidewall spacer 9. The diffusion type diffusion layer 10 and the n + type diffusion layer 11 having a high impurity concentration located outside the n type diffusion layer 10 are provided. The conductive layer 12 is provided on the surface of each of the gate electrode 3 and the n + type diffusion layer 11.

더욱이, 본 발명의 제8실시형태에 따른 불휘발성 메모리의 메모리셀 구조에서는, 채널영역(25)에 단차(26)가 설치된다. 이 단차(26)에 의해 p형 반도체기판(1)내의 전자의 산란방향으로 전하축적층(4)이 위치하게 된다. 따라서, 기록시의 전자의 주입효율이 향상된다.Further, in the memory cell structure of the nonvolatile memory according to the eighth embodiment of the present invention, a step 26 is provided in the channel region 25. The step 26 causes the charge storage layer 4 to be positioned in the scattering direction of electrons in the p-type semiconductor substrate 1. Therefore, the electron injection efficiency at the time of recording is improved.

본 발명의 제8실시형태에 따른 불휘발성 반도체 메모리의 메모리셀은, 소스영역 및 드레인영역을 저불순물농도의 n-형 확산층(10)과 고불순물농도의 n+형 확산층(11)으로 구성한 LDD구조를 갖추고 있다. 그리고, 게이트절연막이 제1게이트절연막(13; 하층), 제2게이트절연막(14; 중간층) 및 제3게이트절연막(15; 상층)으로 이루어진 3층 적층막으로 구성되고, 제2게이트절연막(14)의 양단부에는 전하축적층(4a,4b)이 형성된다. 이 2개의 전하축적층(4a,4b)에 전자를 축적하고, 그 축적상태는 (1) 전하축적층(4a,4b)이 모두 전자를 축적하고 있지 않은 상태, (2) 전하축적층(4a)만이 전자를 축적하고 있는 상태, (3) 전하축적층(4b)만이 전자를 축적하고 있는 상태, (4) 전하축적층(4a,4b)이 모두 전자를 축적하고 있는 상태의 4가지의 상태를 취할 수 있다. 이 2개의 전하축적층(4a,4b)에 유지된 전자의 유무에 따라 생기는 임계치전압의 변화분을 기억정보의 "00", "01", "10", "11"에 대응시킨다. 또, 이 메모리셀 구조에서는 전하축적층(4a,4b)은 채널영역 단부의 위쪽에 위치하므로, 채널영역 중앙부의 임계치전압은 채널영역의 불순물농도만으로 결정되고, 전하축적층(4a,4b)의 전자의 축적상태에 의존하지 않는다. 따라서, 전하축적층(4a,4b)의 전자의 과부족에 의한 과소거는 방지되고, 그에 따라 과소거에기인하는 누설불량, 프로그램불량, 독출불량 등이 생길 수 없다. 또, 소스영역과 드레인영역간의 누설전류는 게이트전압만으로 억제할 수 있어 고신뢰성의 불휘발성 반도체 메모리를 실현할 수 있다. 전하축적층(4a,4b)은 CVD법에 의한 전하축적능력이 높은 실리콘질화막으로 구성하면 좋다. 실리콘질화막의 이산적인 전하포획준위에 전자를 축적함으로써, 하부 절연막의 막질에 영향을 받기 어려운 전하유지특성을 얻을 수 있기 때문이다. 또, 실리콘막, 다결정실리콘막으로 구성하면 저가로 제조할 수 있다. 더욱이, 제1게이트절연막(13), 제3게이트절연막(15)을 실리콘산화막(SiO2막)의 2배 정도의 유전률을 갖는 실리콘질화막(Si3N4막)으로 구성하면, 실리콘산화막 환산 막두께가 4㎚∼11㎚ 정도의 대단히 얇은 게이트절연막을 안정하게 실현할 수 있다. 예컨대 실리콘산화막 환산 막두께가 5㎚의 실리콘질화막의 실질막두께는 10㎚ 정도이므로, 직접터널(DT)주입도 유기되지 않는다. 따라서, 전자의 주입·추출동작시의 전압이 저전압화되어 메모리셀의 미세화뿐만 아니라 주변 고전압 동작소자의 미세화도 가능하게 된다.In the memory cell of the nonvolatile semiconductor memory according to the eighth embodiment of the present invention, an LDD comprising a source region and a drain region composed of an n type diffusion layer 10 having a low impurity concentration and an n + type diffusion layer 11 having a high impurity concentration. I have a structure. The gate insulating film is composed of a three-layer laminated film including a first gate insulating film 13 (lower layer), a second gate insulating film 14 (intermediate layer), and a third gate insulating film 15 (upper layer), and the second gate insulating film 14 Charge storage layers 4a and 4b are formed at both ends of the " Electrons are accumulated in these two charge storage layers 4a and 4b, and the accumulation state is that (1) the charge storage layers 4a and 4b do not accumulate electrons. (2) The charge storage layers 4a. (4) four states: the state in which only electrons accumulate, (3) the state in which only the charge accumulation layer 4b accumulates electrons, and (4) the state in which the charge accumulation layers 4a and 4b all accumulate electrons. Can be taken. Changes in the threshold voltage caused by the presence or absence of electrons held in these two charge storage layers 4a and 4b correspond to " 00 "," 01 "," 10 " and " 11 " In this memory cell structure, since the charge storage layers 4a and 4b are located above the end of the channel region, the threshold voltage at the center of the channel region is determined only by the impurity concentration of the channel region. It does not depend on the accumulation state of electrons. Therefore, over-erasing due to the lack of electrons in the charge storage layers 4a and 4b is prevented, and accordingly, leakage failure, program failure, reading failure, etc. due to over-exposure cannot occur. In addition, the leakage current between the source region and the drain region can be suppressed only by the gate voltage, thereby achieving a highly reliable nonvolatile semiconductor memory. The charge accumulation layers 4a and 4b may be composed of silicon nitride films having high charge accumulation capability by the CVD method. This is because by accumulating electrons at the discrete charge trapping level of the silicon nitride film, it is possible to obtain charge holding characteristics that are hardly affected by the film quality of the lower insulating film. Moreover, if it comprises a silicon film and a polycrystalline silicon film, it can manufacture at low cost. Further, when the first gate insulating film 13 and the third gate insulating film 15 are composed of a silicon nitride film (Si 3 N 4 film) having a dielectric constant about twice that of the silicon oxide film (SiO 2 film), a silicon oxide film conversion film A very thin gate insulating film having a thickness of about 4 nm to 11 nm can be stably realized. For example, since the actual thickness of the silicon nitride film having a silicon oxide film thickness of about 5 nm is about 10 nm, direct tunnel DT injection is not induced. Therefore, the voltage at the time of electron injection / extraction operation is lowered, so that not only the memory cell can be miniaturized but also the peripheral high voltage operating element can be miniaturized.

본 발명의 제8실시형태에 따른 불휘발성 반도체 메모리의 메모리셀에서는, 소스영역 및 드레인영역의 내압 향상의 목적으로 n-형 확산층(10)을 설치하여 LDD구조를 구성하고 있지만, 싱글 드레인구조, 더블 드레인구조로 소스영역 및 드레인영역을 구성해도 좋다. 제2게이트절연막(14)은 전하축적층 4a-4b간의 누설을 방지하는 바, 예컨대 실리콘산화막으로 구성할 수 있다. 또, 제2게이트절연막(14)에 고유전률을 갖는 금속산화막을 이용하면, 채널영역 중앙의 전류전달특성을 향상시킬수 있다. 금속산화막으로서는, 예컨대 TiO2, Ta2O5, Al2O5, PZT, SBT가 있다.In the memory cell of the nonvolatile semiconductor memory according to the eighth embodiment of the present invention, the n - type diffusion layer 10 is provided for the purpose of improving the breakdown voltage of the source region and the drain region. The source region and the drain region may be configured in a double drain structure. The second gate insulating film 14 prevents leakage between the charge storage layers 4a-4b, and may be formed of, for example, a silicon oxide film. In addition, when a metal oxide film having a high dielectric constant is used for the second gate insulating film 14, the current transfer characteristic in the center of the channel region can be improved. Examples of the metal oxide film include TiO 2 , Ta 2 O 5 , Al 2 O 5 , PZT, and SBT.

본 발명의 제8실시형태에서는, 소스측, 드레인측의 양쪽에 단차(26)를 설치했지만, 어느 쪽인가 한쪽에만 설치해도 좋다. 특히, 1비트분의 정보를 기억하는 메모리에서는 한쪽만 있으면 충분하다.In the eighth embodiment of the present invention, the step 26 is provided on both the source side and the drain side, but either may be provided only on one side. In particular, only one side is sufficient in a memory that stores one bit of information.

다음에는 본 발명의 제8실시형태에 따른 불휘발성 메모리의 동작에 대해 도 19a 및 도 19b를 참조하여 설명한다. 도 19a는 기록동작을 설명하는 불휘발성 메모리의 단면도이다. 도 19b는 소거동작을 설명하는 불휘발성 메모리의 단면도이다. 도 19a에 나타낸 바와 같이, 메모리셀의 기록시에는, 게이트(G)에 6∼8V 정도, 드레인(D)에 4∼5V 정도를 각각 인가하고, 소스(S)를 접지한다. 이와 같이 전압을 인가하고, 채널열전자(CHE)로 전자를 드레인영역측의 전하축적층(4b)에 주입한다. 채널영역(25)에 단차(26)를 설치함으로써, 전자의 산란방향으로 전하축적층(4b)이 위치하고 있다. 이 때문에, 전하축적층(4b)에 대한 전자의 주입효율이 향상되고, 주입속도의 고속화, 인가전압의 저감화를 도모할 수 있다. 소스영역측의 전하축적층(4a)에 전자를 주입하는 경우에는, 드레인(D), 소스(S) 각각에 인가하는 전압을 상기의 경우와 교체하면 좋다. 한편, 메모리셀의 소거는 도 19b에 나타낸 바와 같이 게이트(G)에 부전압(∼-5V)을 인가하고, 파울러 노드하임(FN)형 터널전류를 이용하여 전하축적층(4a,4b)으로부터 전자를 방출함으로써 행해진다. 또, 게이트전극(3)이 복수의 메모리셀에서 공유되고 있는 경우에는, 그들 메모리셀로부터 동시에 전자를 방출할 수 있다. 이 경우, 소스(S), 드레인(D)은 p형 반도체기판(1)과 동전위로 하면 좋다. 또, p형 반도체기판(1)의 전위와는 다른 정전압을 드레인(D)에 인가하고, 소스(S)를 부유전위로 하면, 드레인(D)측의 전하축적층(4b)만으로부터 전자를 방출하는 것도 가능하다. 소스(S)측의 전하축적층(4a)만으로부터 전자를 방출하는 경우에는, 소스(S)에 정전압을 인가하고, 드레인(D)을 부유전위로 하면 좋다.Next, operations of the nonvolatile memory according to the eighth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 19A and 19B. 19A is a sectional view of a nonvolatile memory for explaining a write operation. 19B is a sectional view of the nonvolatile memory for explaining the erase operation. As shown in Fig. 19A, at the time of writing a memory cell, about 6 to 8 V is applied to the gate G and about 4 to 5 V to the drain D, respectively, and the source S is grounded. In this way, a voltage is applied and electrons are injected into the charge storage layer 4b on the drain region side by the channel thermal electrons CHE. By providing the step 26 in the channel region 25, the charge storage layer 4b is positioned in the scattering direction of the electrons. For this reason, the injection efficiency of the electron to the charge storage layer 4b is improved, and the injection speed can be increased and the applied voltage can be reduced. When electrons are injected into the charge storage layer 4a on the source region side, the voltage applied to each of the drains D and S may be replaced with the above case. On the other hand, erasing the memory cell is performed by applying a negative voltage (˜-5 V) to the gate G as shown in FIG. By emitting electrons. When the gate electrode 3 is shared by a plurality of memory cells, electrons can be emitted from these memory cells at the same time. In this case, the source S and the drain D may be coincident with the p-type semiconductor substrate 1. When a constant voltage different from the potential of the p-type semiconductor substrate 1 is applied to the drain D, and the source S is made a floating potential, electrons are drawn from only the charge accumulation layer 4b on the drain D side. It is also possible to emit. When electrons are emitted from only the charge storage layer 4a on the source S side, a constant voltage may be applied to the source S, and the drain D may be floating potential.

또, 도시는 하지 않았지만, 메모리셀의 독출은 소스(S)와 드레인(D) 사이를 흐르는 독출전류를 검지함으로써 행해진다. 전하축적층(4a,4b)의 축적상태에 따라 소스영역, 드레인영역 근방의 전류전달특성(채널 콘덕턴스)이 변조되는 것을 이용하는 것이다. 소스(S), 드레인(D)의 어느 쪽에 바이어스하는가는 전류전달특성의 변조가 현저하게 나타나는 쪽을 선택하면 좋다. 전하축적층(4a,4b)의 4가지의 축적상태에 따라 4개의 다른 전류전달특성이 얻어지고, 그에 따라 1개의 셀에서 2비트분의 정보를 기억할 수 있다.Although not shown, reading of the memory cell is performed by detecting a read current flowing between the source S and the drain D. FIG. The current transfer characteristic (channel conductance) in the vicinity of the source region and the drain region is modulated in accordance with the accumulation state of the charge accumulation layers 4a and 4b. Which one of the source S and the drain D is biased may be selected in which the modulation of the current transfer characteristic is remarkable. Four different current transfer characteristics are obtained according to the four accumulation states of the charge accumulation layers 4a and 4b, thereby storing two bits of information in one cell.

다음에는 본 발명의 제8실시형태에 따른 불휘발성 반도체 메모리의 메모리셀의 제조방법을 도 20a 내지 도 20i를 참조하여 설명한다. 먼저, 도 20a에 나타낸 바와 같이, 채널영역(25)이 형성되는 영역을 피복하는 포토레지스트 패턴(27)을, p형 반도체기판(1)상에 형성한다. 그리고, 도 20b에 나타낸 바와 같이, 예컨대 RIE법에 의해 p형 반도체기판(1)을 에칭함으로써 단차(26)를 형성한다.Next, a method of manufacturing a memory cell of a nonvolatile semiconductor memory according to an eighth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 20A to 20I. First, as shown in FIG. 20A, a photoresist pattern 27 covering the region where the channel region 25 is formed is formed on the p-type semiconductor substrate 1. As shown in FIG. 20B, the step 26 is formed by etching the p-type semiconductor substrate 1 by, for example, the RIE method.

다음에, 도 20c에 나타낸 바와 같이, p형 반도체기판(1) 전면에 전하축적능력이 작은 실리콘질화막을 퇴적하여 10㎚ 정도의 제1게이트절연막(13)을 형성한다. 전하축적능력이 작은 실리콘질화막의 퇴적은 예컨대 JVD법으로 행한다. 제1게이트절연막(13) 형성후, CVD법에 의해 실리콘산화막을 퇴적하여 5∼10㎚ 정도의 제2게이트절연막(14)을 형성한다. 이어서, JVD법에 의해 전하축적능력이 작은 실리콘질화막을 퇴적하여 10㎚ 정도의 제3게이트절연막(15)을 형성한다.Next, as shown in FIG. 20C, a silicon nitride film having a small charge accumulation capability is deposited on the entire surface of the p-type semiconductor substrate 1 to form a first gate insulating film 13 of about 10 nm. The deposition of the silicon nitride film having a small charge accumulation capacity is performed by, for example, the JVD method. After the first gate insulating film 13 is formed, a silicon oxide film is deposited by CVD to form a second gate insulating film 14 of about 5 to 10 nm. Subsequently, a silicon nitride film having a small charge accumulation capability is deposited by the JVD method to form a third gate insulating film 15 of about 10 nm.

다음에, 도 20d에 나타낸 바와 같이, p형 반도체기판(1) 전면에 LPCVD법에 의해 n형 또는 p형 불순물을 도프한 50∼250㎚ 정도의 다결정실리콘막을 퇴적한 후, 노광기술 및 에칭기술에 의해 패터닝하여 게이트전극(3)을 형성한다. 이어서, 게이트전극(3)을 마스크로 하여 소스영역 및 드레인영역을 형성하는 영역의 p형 반도체기판(1)의 표면의 제1게이트절연막(13), 제2게이트절연막(14) 및 제3게이트절연막(15)을 자기정합적으로 드라이 에칭한다.Next, as shown in FIG. 20D, a 50-250 nm polycrystalline silicon film doped with n-type or p-type impurities by LPCVD is deposited on the entire surface of the p-type semiconductor substrate 1, followed by exposure and etching techniques. Patterned by to form the gate electrode (3). Subsequently, the first gate insulating film 13, the second gate insulating film 14, and the third gate of the surface of the p-type semiconductor substrate 1 in the region where the source and drain regions are formed using the gate electrode 3 as a mask. The insulating film 15 is dry-etched in self-alignment.

다음에, 도 20e에 나타낸 바와 같이, 전하축적층 형성을 위한 공간(17)을 형성한다. 이 공간(17)은 제1게이트절연막(13) 및 제3게이트절연막(15)보다도 제2게이트절연막(14)의 에칭속도가 큰 에칭액을 이용하여 제2게이트절연막(14)의 단부를 선택적으로 웨트 에칭함으로써 형성한다. 본 발명의 제8실시형태에서는, 제1게이트절연막(13) 및 제3게이트절연막(15)을 실리콘질화막으로 구성하고, 제2게이트절연막(14)을 실리콘산화막으로 구성하고 있으므로, 에칭액으로서는 예컨대 불산계를 이용하면 좋다. 또, 전하축적층 형성을 위한 공간(17)은, 에칭액을 이용한 웨트 에칭법 대신에 HF가스를 함유한 가스를 이용한 플라즈마 드라이 에칭법으로 형성해도 좋다.Next, as shown in Fig. 20E, a space 17 for forming a charge storage layer is formed. The space 17 is selectively formed at an end portion of the second gate insulating film 14 by using an etchant having a larger etching rate of the second gate insulating film 14 than the first gate insulating film 13 and the third gate insulating film 15. It forms by wet etching. In the eighth embodiment of the present invention, since the first gate insulating film 13 and the third gate insulating film 15 are composed of a silicon nitride film, and the second gate insulating film 14 is composed of a silicon oxide film, the etching solution is, for example, hydrofluoric acid. It is good to use a system. The space 17 for forming the charge storage layer may be formed by a plasma dry etching method using a gas containing HF gas instead of the wet etching method using an etching solution.

다음에, 도 20f에 나타낸 바와 같이, p형 반도체기판(1) 전면에 LPCVD법에 의해 전하축적능력이 높은 실리콘질화막(18)을 전하축적층 형성을 위한 공간(17)이완전히 매립되도록 퇴적한다. 그리고, 도 20g에 나타낸 바와 같이, p형 반도체기판(1) 전면에 대해 RIE에 의한 이방성 에칭을 행하여 전하축적능력이 높은 실리콘질화막으로 구성된 전하축적층(4a,4b)을 형성한다.Next, as shown in FIG. 20F, a silicon nitride film 18 having high charge storage capability is deposited on the entire surface of the p-type semiconductor substrate 1 so as to completely fill the space 17 for forming the charge storage layer. . As shown in Fig. 20G, anisotropic etching is performed on the entire surface of the p-type semiconductor substrate 1 by RIE to form charge storage layers 4a and 4b made of silicon nitride film having high charge storage capability.

다음에, 도 20h에 나타낸 바와 같이, p형 반도체기판(1) 전면에 산화막(16)을 형성한 후, 저불순물농도의 n-형 확산층(10)을 형성한다. n-형 확산층(10)은 이온주입기술에 의해 게이트전극(3)을 마스크로 하여 n형 불순물을 주입하고, 그 후의 열처리에 의해 주입한 불순물을 활성화함으로써 형성한다.Next, as shown in FIG. 20H, after the oxide film 16 is formed over the entire surface of the p-type semiconductor substrate 1, the n type diffusion layer 10 having a low impurity concentration is formed. The n type diffusion layer 10 is formed by implanting n type impurities using the gate electrode 3 as a mask by ion implantation technology, and activating the implanted impurities by subsequent heat treatment.

다음에, 도 20i에 나타낸 바와 같이, 게이트전극(3)의 측벽에 측벽 스페이서(9)를 형성한 후, 고불순물농도의 n+형 확산층(11)을 형성한다. n+형 확산층(11)은 이온주입기술에 의해 게이트전극(3) 및 측벽 스페이서(9)를 마스크로 하여 n형 불순물을 주입하고, 그 후의 열처리에 의해 주입한 불순물을 활성화함으로써 형성한다.Next, as shown in FIG. 20I, after forming the sidewall spacers 9 on the sidewalls of the gate electrodes 3, an n + type diffusion layer 11 having a high impurity concentration is formed. The n + type diffusion layer 11 is formed by implanting n-type impurities using the gate electrode 3 and the sidewall spacers 9 as a mask by ion implantation techniques, and activating the implanted impurities by subsequent heat treatment.

다음에, p형 반도체기판(1)의 전면에 CVD법 또는 스퍼터법에 의해 텅스텐, 티탄, 코발트 등의 고융점금속막을 퇴적하고, 이어서 p형 반도체기판(1)을 불활성 분위기중에서 열처리함으로써 게이트전극(3) 및 n+형 확산층(11) 각각의 표면에 고융점금속실리사이드로 구성되는 도전층(12)을 형성한다. 도전층(12) 형성후, 상기 이외의 영역에 남은 미반응의 고융점금속을 제거하면, 도 18에 나타낸 메모리셀 구조가 완성된다.Next, a high melting point metal film such as tungsten, titanium or cobalt is deposited on the entire surface of the p-type semiconductor substrate 1 by CVD or sputtering, and then the p-type semiconductor substrate 1 is heat-treated in an inert atmosphere to form a gate electrode. A conductive layer 12 made of high melting point metal silicide is formed on the surface of each of (3) and n + type diffusion layer 11. After the formation of the conductive layer 12, when the unreacted high melting point metal remaining in the region other than the above is removed, the memory cell structure shown in Fig. 18 is completed.

한편, 도시는 하지 않았지만, 도 18의 메모리셀 구조 완성후, 층간절연막 형성공정, 콘택트홀 형성공정, 배선형성공정, 패시베이션막 형성공정 등의 통상의 CMOS 제조공정을 순차 거쳐 최종적인 불휘발성 메모리셀이 완성된다.On the other hand, although not shown, after completion of the memory cell structure shown in FIG. This is done.

이와 같이 본 발명의 제8실시형태에서는, 전하축적층(4a,4b)을 게이트전극(3)의 양단의 아래쪽에 자기정합적으로 형성할 수 있다. 따라서, 셀 트랜지스터의 게이트길이 방향의 미세화가 가능하게 된다. 그에 따라, 대용량, 고밀도의 불휘발성 반도체 메모리를 제공할 수 있다. 또, 비트당의 셀면적은 종래와 비교하여 거의 반감되어 대폭적으로 축소된 불휘발성 반도체 메모리를 실현할 수 있다.As described above, in the eighth embodiment of the present invention, the charge storage layers 4a and 4b can be formed in self-alignment under both ends of the gate electrode 3. Therefore, the gate length direction of the cell transistor can be made smaller. Accordingly, a large capacity, high density nonvolatile semiconductor memory can be provided. In addition, the cell area per bit is almost reduced by half compared with the conventional one, and a non-volatile semiconductor memory can be substantially reduced.

또, 전하축적층(4a,4b)의 채널길이 방향의 폭은 제1게이트절연막(13) 및 제3게이트절연막(15)과 제2게이트절연막(14)의 에칭속도차 및 에칭시간의 조절에 의해 용이하게 제어할 수 있다. 그에 따라, 전하축적층(4a,4b)을 대칭으로 배치할 수 있다. 그리고 전하축적층(4a,4b)은 제2게이트절연막(14)에 의해 전기적으로 완전히 분리되므로, 전하축적층(4a,4b)간의 상호작용은 일어나지 않는다. 더욱이, 전하축적층(4a,4b)은 소스영역, 드레인영역, 게이트전극(3) 및 채널영역으로부터는, 제1절연막(13), 제3절연막(15) 및 산화막(16)에 의해 완전히 절연되므로, 전하유지특성이 우수한 불휘발성 반도체 메모리를 제공할 수 있다. 전하축적층(4a,4b)은 게이트전극(3)의 단부로부터 채널영역 방향으로 확장하여 형성되고, 전하축적층(4a,4b) 중의 채널영역측의 부분의 전하축적상태에 따라 메모리셀의 전류전달특성을 거의 결정한다. 따라서, 이 부분의 게이트길이 방향의 길이를 한계까지 축소하면, 보다 미세한 불휘발성 반도체 메모리를 제공할 수 있다.The width of the charge storage layers 4a and 4b in the channel length direction is used to control the etching rate difference and the etching time of the first gate insulating film 13, the third gate insulating film 15, and the second gate insulating film 14. It can be controlled easily. Thus, the charge storage layers 4a and 4b can be arranged symmetrically. Since the charge storage layers 4a and 4b are completely electrically separated by the second gate insulating film 14, the interaction between the charge storage layers 4a and 4b does not occur. Further, the charge storage layers 4a and 4b are completely insulated from the source region, the drain region, the gate electrode 3 and the channel region by the first insulating film 13, the third insulating film 15 and the oxide film 16. Therefore, it is possible to provide a nonvolatile semiconductor memory having excellent charge holding characteristics. The charge accumulation layers 4a and 4b extend from the end of the gate electrode 3 in the direction of the channel region, and the current of the memory cell depends on the charge accumulation state of the portion of the channel region side in the charge accumulation layers 4a and 4b. The transmission characteristics are almost determined. Therefore, when the length of the gate length direction of this portion is reduced to the limit, a finer nonvolatile semiconductor memory can be provided.

더욱이, 셀구조는 통상의 CMOS공정으로 용이하게 실현가능하므로, 기존의 제조라인을 사용하여 저비용으로 불휘발성 반도체 메모리를 제조할 수 있다.Moreover, since the cell structure can be easily realized by a conventional CMOS process, a nonvolatile semiconductor memory can be manufactured at low cost by using an existing manufacturing line.

그리고, 본 발명의 제8실시형태에서는, 기록시의 전자주입효율을 향상시킬 수 있다. 이 때문에, 기록속도의 고속화, 기록시의 인가전압의 저감화를 도모할 수 있다.In the eighth embodiment of the present invention, the electron injection efficiency at the time of recording can be improved. For this reason, the recording speed can be increased and the applied voltage at the time of recording can be reduced.

제9실시형태9th Embodiment

다음에는 본 발명의 제9실시형태에 대해 설명한다. 본 발명의 제9실시형태는, 상기의 제8실시형태에 있어서, 도 18의 전하축적층(4a)과 전하축적층(4b) 사이에 배치된 제2절연막(14)을 불필요하게 하고, 2개의 전하축적층(4a,4b)을 일체화시킨 구성을 채용하고 있다. 도 21은 본 발명의 제9실시형태에 따른 불휘발성 반도체 메모리의 메모리셀 구조를 나타낸 단면도이다. 도 21에 나타낸 바와 같이, 이 메모리셀 구조는 상기의 제8실시형태의 전하축적층(4a,4b) 및 제2절연막(14) 대신에 전하축적층(4f)을 배치한 것이다.Next, a ninth embodiment of the present invention will be described. In the ninth embodiment of the present invention, in the eighth embodiment, the second insulating film 14 disposed between the charge storage layer 4a and the charge storage layer 4b in FIG. The structure which integrated the two charge storage layers 4a and 4b is employ | adopted. 21 is a cross-sectional view showing a memory cell structure of a nonvolatile semiconductor memory according to the ninth embodiment of the present invention. As shown in Fig. 21, the memory cell structure is such that the charge storage layer 4f is disposed in place of the charge storage layers 4a and 4b and the second insulating film 14 of the eighth embodiment.

다음에는 본 발명의 제9실시형태에 따른 불휘발성 메모리의 메모리셀의 제조방법을 도 22a 내지 도 22f를 참조하여 설명한다. 상기 제8실시형태와 마찬가지로, 먼저 도 22a에 나타낸 바와 같이, 채널영역(25)이 형성되는 영역을 피복하는 포토레지스트 패턴(27)을, p형 반도체기판(1)상에 형성한다. 그리고, 도 22b에 나타낸 바와 같이, 예컨대 RIE법에 의해 p형 반도체기판(1)을 에칭함으로써 단차(26)를 형성한다.Next, a method of manufacturing a memory cell of a nonvolatile memory according to the ninth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 22A to 22F. As in the eighth embodiment, first, as shown in FIG. 22A, a photoresist pattern 27 covering the region where the channel region 25 is formed is formed on the p-type semiconductor substrate 1. As shown in Fig. 22B, the step 26 is formed by etching the p-type semiconductor substrate 1 by, for example, the RIE method.

다음에, 도 22c에 나타낸 바와 같이, p형 반도체기판(1) 전면에 전하축적능력이 작은 실리콘질화막을 퇴적하여 10㎚ 정도의 제1게이트절연막(13)을 형성한다. 전하축적능력이 작은 실리콘질화막의 퇴적은 예컨대 JVD법으로 행한다. 제1게이트절연막(13) 형성후, LPCVD법에 의해 전하축적능력이 높은 실리콘질화막(18)을 5∼10㎚ 정도 형성한다. 이어서, JVD법에 의해 전하축적능력이 작은 실리콘질화막을 퇴적하여 10㎚ 정도의 제3게이트절연막(15)을 형성한다.Next, as shown in FIG. 22C, a silicon nitride film having a small charge accumulation capability is deposited on the entire surface of the p-type semiconductor substrate 1 to form a first gate insulating film 13 of about 10 nm. The deposition of the silicon nitride film having a small charge accumulation capacity is performed by, for example, the JVD method. After the first gate insulating film 13 is formed, a silicon nitride film 18 having a high charge storage capability is formed by about 5 to 10 nm by the LPCVD method. Subsequently, a silicon nitride film having a small charge accumulation capability is deposited by the JVD method to form a third gate insulating film 15 of about 10 nm.

다음에, 도 22d에 나타낸 바와 같이, p형 반도체기판(1) 전면에 LPCVD법에 의해 n형 또는 p형 불순물을 도프한 50∼250㎚ 정도의 다결정실리콘막을 퇴적한 후, 노광기술 및 에칭기술에 의해 패터닝하여 게이트전극(3)을 형성한다. 이어서, 게이트전극(3)을 마스크로 하여 소스영역 및 드레인영역을 형성하는 영역의 p형 반도체기판(1)의 표면의 제1게이트절연막(13), 실리콘질화막(18) 및 제3게이트절연막(15)을 자기정합적으로 드라이 에칭한다. 여기서, 전하축적층(4f)이 형성된다.Next, as shown in FIG. 22D, after depositing a polysilicon film of about 50 to 250 nm doped with n-type or p-type impurities by LPCVD on the entire surface of the p-type semiconductor substrate 1, an exposure technique and an etching technique Patterned by to form the gate electrode (3). Subsequently, the first gate insulating film 13, the silicon nitride film 18, and the third gate insulating film of the surface of the p-type semiconductor substrate 1 in the region where the source electrode and the drain region are formed using the gate electrode 3 as a mask are formed. Dry-etch 15) self-aligned. Here, the charge storage layer 4f is formed.

다음에, 도 22e에 나타낸 바와 같이, p형 반도체기판(1) 전면에 산화막(16)을 형성한 후, 저불순물농도의 n-형 확산층(10)을 형성한다. n-형 확산층(10)은 이온주입기술에 의해 게이트전극(3)을 마스크로 하여 n형 불순물을 주입하고, 그 후의 열처리에 의해 주입한 불순물을 활성화함으로써 형성한다.Next, as shown in FIG. 22E, after the oxide film 16 is formed over the entire surface of the p-type semiconductor substrate 1, the n type diffusion layer 10 having a low impurity concentration is formed. The n type diffusion layer 10 is formed by implanting n type impurities using the gate electrode 3 as a mask by ion implantation technology, and activating the implanted impurities by subsequent heat treatment.

다음에, 도 22f에 나타낸 바와 같이, 게이트전극(3)의 측벽에 측벽 스페이서(9)를 형성한 후, 고불순물농도의 n+형 확산층(11)을 형성한다. n+형 확산층(11)은 이온주입기술에 의해 게이트전극(3) 및 측벽 스페이서(9)를 마스크로 하여 n형 불순물을 주입하고, 그 후의 열처리에 의해 주입한 불순물을 활성화함으로써 형성한다.Next, as shown in Fig. 22F, after forming the sidewall spacers 9 on the sidewalls of the gate electrodes 3, an n + type diffusion layer 11 having a high impurity concentration is formed. The n + type diffusion layer 11 is formed by implanting n-type impurities using the gate electrode 3 and the sidewall spacers 9 as a mask by ion implantation techniques, and activating the implanted impurities by subsequent heat treatment.

다음에, p형 반도체기판(1)의 전면에 CVD법 또는 스퍼터법에 의해 텅스텐, 티탄, 코발트 등의 고융점금속막을 퇴적하고, 이어서 p형 반도체기판(1)을 불활성 분위기중에서 열처리함으로써 게이트전극(3) 및 n+형 확산층(11) 각각의 표면에 고융점금속실리사이드로 구성되는 도전층(12)을 형성한다. 도전층(12) 형성후, 상기 이외의 영역에 남은 미반응의 고융점금속을 제거하면, 도 21에 나타낸 메모리셀 구조가 완성된다.Next, a high melting point metal film such as tungsten, titanium or cobalt is deposited on the entire surface of the p-type semiconductor substrate 1 by CVD or sputtering, and then the p-type semiconductor substrate 1 is heat-treated in an inert atmosphere to form a gate electrode. A conductive layer 12 made of high melting point metal silicide is formed on the surface of each of (3) and n + type diffusion layer 11. After the formation of the conductive layer 12, the unreacted high melting point metal remaining in the regions other than the above is removed, thereby completing the memory cell structure shown in FIG.

한편, 도시는 하지 않았지만, 도 21의 메모리셀 구조 완성후, 층간절연막 형성공정, 콘택트홀 형성공정, 배선형성공정, 패시베이션막 형성공정 등의 통상의 CMOS 제조공정을 순차 거쳐 최종적인 불휘발성 메모리셀이 완성된다.On the other hand, although not shown in the drawing, after completion of the memory cell structure shown in FIG. This is done.

제10실시형태Tenth Embodiment

다음에는 본 발명의 제10실시형태에 대해 설명한다. 도 23은 본 발명의 제10실시형태에 따른 불휘발성 반도체 메모리의 메모리셀 구조를 나타낸 단면도이다. 상기 제8 및 제9실시형태에서는, 채널영역을 반도체기판에 대해 철(凸)상태로 함으로써, 채널영역의 양단에 단차를 설치했지만, 이 제10실시형태에서는 채널영역을 반도체기판에 대해 요(凹)상태로 함으로써, 채널영역에 단차를 설치한 것이다. 그리고, 이 제10실시형태도 메모리셀의 채널영역에 단차나 경사를 설치함으로써, 기록시의 전자주입효율의 향상을 도모하는 것이다.Next, a tenth embodiment of the present invention will be described. Fig. 23 is a sectional view showing the memory cell structure of the nonvolatile semiconductor memory according to the tenth embodiment of the present invention. In the eighth and ninth embodiments, steps are provided at both ends of the channel region by making the channel region iron with respect to the semiconductor substrate. In this tenth embodiment, however, the channel region is formed relative to the semiconductor substrate. In this state, steps are provided in the channel region. This tenth embodiment also aims to improve the electron injection efficiency at the time of writing by providing a step or a slope in the channel region of the memory cell.

도 23에 나타낸 바와 같이, 이 메모리셀은 p형 MOS 트랜지스터로 구성된다. 그리고, 이 제10실시형태에 따른 메모리셀의 구조에서는, n형 반도체기판(19)의 표면에 제1게이트절연막(13)을 매개해서 제2게이트절연막(14)이 설치된다. 제2게이트절연막(14)의 양단에는 전하축적층(4a,4b)이 형성된다. 제2게이트절연막(14) 및 전하축적층(4a,4b)상에는 제3게이트절연막(15)을 매개해서 게이트전극(3)이 설치된다. 게이트전극(3)의 측면에는 산화막(16)을 매개해서 측벽 스페이서(9)가 설치되고, 이 측벽 스페이서(9)의 하부의 n형 반도체기판(19)에는 채널영역에 접하는 저불순물농도의 p-형 확산층(20)과, 이 p-형 확산층(20)의 외측에 위치하는 고불순물농도의 p+형 확산층(21)이 설치된다. 게이트전극(3) 및 p+형 확산층(21) 각각의 표면에는 도전층(12)이 설치된다.As shown in Fig. 23, this memory cell is composed of a p-type MOS transistor. In the structure of the memory cell according to the tenth embodiment, the second gate insulating film 14 is provided on the surface of the n-type semiconductor substrate 19 via the first gate insulating film 13. Charge storage layers 4a and 4b are formed at both ends of the second gate insulating film 14. The gate electrode 3 is provided on the second gate insulating film 14 and the charge storage layers 4a and 4b via the third gate insulating film 15. The sidewalls of the gate electrode 3 are provided with sidewall spacers 9 via an oxide film 16. The n-type semiconductor substrate 19 below the sidewall spacers 9 has a low impurity concentration in contact with the channel region. The diffusion type diffusion layer 20 and the p + type diffusion layer 21 having a high impurity concentration located outside the p type diffusion layer 20 are provided. The conductive layer 12 is provided on the surface of each of the gate electrode 3 and the p + type diffusion layer 21.

더욱이, 본 발명의 제10실시형태에 따른 불휘발성 반도체 메모리의 메모리셀 구조에서는, 채널영역(25)에 단차(26)가 설치된다. 이 단차(26)에 의해 p형 반도체기판(1)내의 전자의 산란방향으로 전하축적층(4)이 위치하게 된다. 따라서, 기록시의 전자의 주입효율이 향상된다.Further, in the memory cell structure of the nonvolatile semiconductor memory according to the tenth embodiment of the present invention, a step 26 is provided in the channel region 25. The step 26 causes the charge storage layer 4 to be positioned in the scattering direction of electrons in the p-type semiconductor substrate 1. Therefore, the electron injection efficiency at the time of recording is improved.

본 발명의 제10실시형태에 따른 불휘발성 반도체 메모리의 메모리셀은, 소스영역 및 드레인영역을 저불순물농도의 p-형 확산층(20)과 고불순물농도의 p+형 확산층(21)으로 구성한 LDD구조를 갖추고 있다. 그리고, 게이트절연막이 제1게이트절연막(13; 하층), 제2게이트절연막(14; 중간층) 및 제3게이트절연막(15; 상층)으로 이루어진 3층 적층막으로 구성되고, 제2게이트절연막(14)의 양단부에는전하축적층(4a,4b)이 형성된다. 이 2개의 전하축적층(4a,4b)에 전자를 축적하고, 그 축적상태는 (1) 전하축적층(4a,4b)이 모두 전자를 축적하고 있지 않은 상태, (2) 전하축적층(4a)만이 전자를 축적하고 있는 상태, (3) 전하축적층(4b)만이 전자를 축적하고 있는 상태, (4) 전하축적층(4a,4b)이 모두 전자를 축적하고 있는 상태의 4가지의 상태를 취할 수 있다. 이 2개의 전하축적층(4a,4b)에 유지된 전자의 유무에 따라 생기는 임계치전압의 변화분을 기억정보의 "00", "01", "10", "11"에 대응시킨다. 또, 이 메모리셀 구조에서는 전하축적층(4a,4b)은 채널영역 단부의 위쪽에 위치하므로, 채널영역 중앙부의 임계치전압은 채널영역의 불순물농도만으로 결정되고, 전하축적층(4a,4b)의 전자의 축적상태에 의존하지 않는다. 따라서, 전하축적층(4a,4b)의 전자의 과부족에 의한 과소거는 방지되고, 그에 따라 과소거에 기인하는 누설불량, 프로그램불량, 독출불량 등이 생길 수 없다. 또, 소스영역과 드레인영역간의 누설전류는 게이트전압만으로 억제할 수 있어 고신뢰성의 불휘발성 반도체 메모리를 실현할 수 있다. 전하축적층(4a,4b)은 CVD법에 의한 전하축적능력이 높은 실리콘질화막으로 구성하면 좋다. 실리콘질화막의 이산적인 전하포획준위에 전자를 축적함으로써, 하부 절연막의 막질에 영향을 받기 어려운 전하유지특성을 얻을 수 있기 때문이다. 또, 실리콘막, 다결정실리콘막으로 구성하면 저가로 제조할 수 있다. 더욱이, 제1게이트절연막(13), 제3게이트절연막(15)을 실리콘산화막(SiO2막)의 2배 정도의 유전률을 갖는 실리콘질화막(Si3N4막)으로 구성하면, 실리콘산화막 환산 막두께가 4㎚∼11㎚ 정도의 대단히 얇은 게이트절연막을 안정하게실현할 수 있다. 예컨대 실리콘산화막 환산 막두께가 5㎚의 실리콘질화막의 실질막두께는 10㎚ 정도이므로, 직접터널(DT)주입도 유기되지 않는다. 따라서, 전자의 주입·추출동작시의 전압이 저전압화되어 메모리셀의 미세화뿐만 아니라 주변 고전압 동작소자의 미세화도 가능하게 된다.In the memory cell of the nonvolatile semiconductor memory according to the tenth embodiment of the present invention, an LDD including a source region and a drain region as a p type diffusion layer 20 having a low impurity concentration and a p + type diffusion layer 21 having a high impurity concentration. I have a structure. The gate insulating film is composed of a three-layer laminated film including a first gate insulating film 13 (lower layer), a second gate insulating film 14 (intermediate layer), and a third gate insulating film 15 (upper layer), and the second gate insulating film 14 Charge accumulation layers 4a and 4b are formed at both ends of the " Electrons are accumulated in these two charge storage layers 4a and 4b, and the accumulation state is that (1) the charge storage layers 4a and 4b do not accumulate electrons. (2) The charge storage layers 4a. (4) four states: the state in which only electrons accumulate, (3) the state in which only the charge accumulation layer 4b accumulates electrons, and (4) the state in which the charge accumulation layers 4a and 4b all accumulate electrons. Can be taken. Changes in the threshold voltage caused by the presence or absence of electrons held in these two charge storage layers 4a and 4b correspond to " 00 "," 01 "," 10 " and " 11 " In this memory cell structure, since the charge storage layers 4a and 4b are located above the end of the channel region, the threshold voltage at the center of the channel region is determined only by the impurity concentration of the channel region. It does not depend on the accumulation state of electrons. Therefore, overexposure due to the lack of electrons in the charge storage layers 4a and 4b is prevented, and therefore, leakage failure, program failure, reading failure, and the like due to overerasure cannot occur. In addition, the leakage current between the source region and the drain region can be suppressed only by the gate voltage, thereby achieving a highly reliable nonvolatile semiconductor memory. The charge accumulation layers 4a and 4b may be composed of silicon nitride films having high charge accumulation capability by the CVD method. This is because by accumulating electrons at the discrete charge trapping level of the silicon nitride film, it is possible to obtain charge holding characteristics that are hardly affected by the film quality of the lower insulating film. Moreover, if it comprises a silicon film and a polycrystalline silicon film, it can manufacture at low cost. Further, when the first gate insulating film 13 and the third gate insulating film 15 are composed of a silicon nitride film (Si 3 N 4 film) having a dielectric constant about twice that of the silicon oxide film (SiO 2 film), a silicon oxide film conversion film A very thin gate insulating film having a thickness of about 4 nm to 11 nm can be stably realized. For example, since the actual thickness of the silicon nitride film having a silicon oxide film thickness of about 5 nm is about 10 nm, direct tunnel DT injection is not induced. Therefore, the voltage at the time of electron injection / extraction operation is lowered, so that not only the memory cell can be miniaturized but also the peripheral high voltage operating element can be miniaturized.

본 발명의 제10실시형태에 따른 불휘발성 반도체 메모리의 메모리셀에서는, 소스영역 및 드레인영역의 내압 향상의 목적으로 p-형 확산층(20)을 설치하여 LDD구조를 구성하고 있지만, 싱글 드레인구조, 더블 드레인구조로 소스영역 및 드레인영역을 구성해도 좋다. 제2게이트절연막(14)은 전하축적층 4a-4b간의 누설을 방지하는 바, 예컨대 실리콘산화막으로 구성할 수 있다. 또, 제2게이트절연막(14)에 고유전률을 갖는 금속산화막을 이용하면, 채널영역 중앙의 전류전달특성을 향상시킬 수 있다. 금속산화막으로서는, 예컨대 TiO2, Ta2O5, Al2O5, PZT, SBT가 있다.In the memory cell of the nonvolatile semiconductor memory according to the tenth embodiment of the present invention, the p - type diffusion layer 20 is provided for the purpose of improving the breakdown voltage of the source region and the drain region. The source region and the drain region may be configured in a double drain structure. The second gate insulating film 14 prevents leakage between the charge storage layers 4a-4b, and may be formed of, for example, a silicon oxide film. In addition, when a metal oxide film having a high dielectric constant is used for the second gate insulating film 14, the current transfer characteristic in the center of the channel region can be improved. Examples of the metal oxide film include TiO 2 , Ta 2 O 5 , Al 2 O 5 , PZT, and SBT.

본 발명의 제10실시형태에서는, 소스측, 드레인측의 양쪽에 단차(26)를 설치했지만, 어느 쪽인가 한쪽에만 설치해도 좋다. 특히, 1비트분의 정보를 기억하는 메모리에서는 한쪽만 있으면 충분하다.In the tenth embodiment of the present invention, the step 26 is provided on both the source side and the drain side, but either may be provided only on one side. In particular, only one side is sufficient in a memory that stores one bit of information.

다음에는 본 발명의 제10실시형태에 따른 불휘발성 메모리의 동작에 대해 도 24a 및 도 24b를 참조하여 설명한다. 도 24a는 기록동작을 설명하는 불휘발성 메모리의 단면도이다. 도 24b는 소거동작을 설명하는 불휘발성 메모리의 단면도이다. 도 24a에 나타낸 바와 같이, 메모리셀의 기록시에는, 게이트(G)에 5V 정도, 드레인(D)에 -5V 정도를 각각 인가하고, 소스(S)를 부유전위로 한다. 이와 같이 전압을 인가하고, 밴드간 터널현상 기인의 전자에 드레인 근방의 전계로 에너지를 공급하여 드레인영역측의 전하축적층(4b)에 주입한다. 채널영역(25)에 단차(26)를 설치함으로써, 전자의 주입방향으로 전하축적층(4b)이 위치하고 있다. 이 때문에, 전하축적층(4b)에 대한 전자의 주입효율이 향상되고, 주입속도의 고속화, 인가전압의 저감화를 도모할 수 있다. 소스영역측의 전하축적층(4a)에 전자를 주입하는 경우에는, 드레인(D), 소스(S) 각각에 인가하는 전압을 상기의 경우와 교체하면 좋다. 한편, 메모리셀의 소거는 도 24b에 나타낸 바와 같이 게이트(G)에 부전압(∼-5V)을 인가하고, 파울러 노드하임(FN)형 터널전류를 이용하여 전하축적층(4a,4b)으로부터 전자를 방출함으로써 행해진다. 또, 게이트전극(3)이 복수의 메모리셀에서 공유되고 있는 경우에는, 그들 메모리셀로부터 동시에 전자를 방출할 수 있다. 이 경우, 소스(S), 드레인(D)은 p형 반도체기판(1)과 동전위로 하면 좋다. 또, p형 반도체기판(1)의 전위와는 다른 정전압을 드레인(D)에 인가하고, 소스(S)를 부유전위로 하면, 드레인(D)측의 전하축적층(4b)만으로부터 전자를 방출하는 것도 가능하다. 소스(S)측의 전하축적층(4a)만으로부터 전자를 방출하는 경우에는, 소스(S)에 정전압을 인가하고, 드레인(D)을 부유전위로 하면 좋다.Next, operations of the nonvolatile memory according to the tenth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 24A and 24B. 24A is a sectional view of a nonvolatile memory for explaining a write operation. 24B is a cross-sectional view of the nonvolatile memory for explaining the erase operation. As shown in FIG. 24A, at the time of writing the memory cell, about 5V is applied to the gate G and about -5V to the drain D, respectively, and the source S is made a floating potential. In this way, a voltage is applied, and energy is supplied to the electrons caused by the interband tunnel phenomenon by an electric field near the drain and injected into the charge storage layer 4b on the drain region side. By providing the step 26 in the channel region 25, the charge storage layer 4b is positioned in the electron injection direction. For this reason, the injection efficiency of the electron to the charge storage layer 4b is improved, and the injection speed can be increased and the applied voltage can be reduced. When electrons are injected into the charge storage layer 4a on the source region side, the voltage applied to each of the drains D and S may be replaced with the above case. On the other hand, erasing of the memory cells is performed by applying a negative voltage (˜-5 V) to the gate G as shown in FIG. By emitting electrons. When the gate electrode 3 is shared by a plurality of memory cells, electrons can be emitted from these memory cells at the same time. In this case, the source S and the drain D may be coincident with the p-type semiconductor substrate 1. When a constant voltage different from the potential of the p-type semiconductor substrate 1 is applied to the drain D, and the source S is made a floating potential, electrons are drawn from only the charge accumulation layer 4b on the drain D side. It is also possible to emit. When electrons are emitted from only the charge storage layer 4a on the source S side, a constant voltage may be applied to the source S, and the drain D may be floating potential.

또, 도시는 하지 않았지만, 메모리셀의 독출은 소스(S)와 드레인(D) 사이를 흐르는 독출전류를 검지함으로써 행해진다. 전하축적층(4a,4b)의 축적상태에 따라 소스영역, 드레인영역 근방의 전류전달특성(채널 콘덕턴스)이 변조되는 것을 이용하는 것이다. 소스(S), 드레인(D)의 어느 쪽에 바이어스하는가는 전류전달특성의 변조가 현저하게 나타나는 쪽을 선택하면 좋다. 전하축적층(4a,4b)의 4가지의 축적상태에 따라 4개의 다른 전류전달특성이 얻어지고, 그에 따라 1개의 셀에서 2비트분의 정보를 기억할 수 있다.Although not shown, reading of the memory cell is performed by detecting a read current flowing between the source S and the drain D. FIG. The current transfer characteristic (channel conductance) in the vicinity of the source region and the drain region is modulated in accordance with the accumulation state of the charge accumulation layers 4a and 4b. Which one of the source S and the drain D is biased may be selected in which the modulation of the current transfer characteristic is remarkable. Four different current transfer characteristics are obtained according to the four accumulation states of the charge accumulation layers 4a and 4b, thereby storing two bits of information in one cell.

다음에는 본 발명의 제10실시형태에 따른 불휘발성 반도체 메모리의 메모리셀의 제조방법을 도 25a 내지 도 25i를 참조하여 설명한다. 먼저, 도 25a에 나타낸 바와 같이, 채널영역(25)이 형성되는 영역 이외를 피복하는 포토레지스트 패턴(27)을, n형 반도체기판(19)상에 형성한다. 그리고, 도 25b에 나타낸 바와 같이, 예컨대 RIE법에 의해 n형 반도체기판(19)을 에칭함으로써 단차(26)를 형성한다.Next, a method of manufacturing a memory cell of a nonvolatile semiconductor memory according to the tenth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 25A to 25I. First, as shown in FIG. 25A, a photoresist pattern 27 is formed on the n-type semiconductor substrate 19 to cover other than the region where the channel region 25 is formed. As shown in Fig. 25B, the step 26 is formed by etching the n-type semiconductor substrate 19 by, for example, the RIE method.

다음에, 도 25c에 나타낸 바와 같이, n형 반도체기판(19) 전면에 전하축적능력이 작은 실리콘질화막을 퇴적하여 10㎚ 정도의 제1게이트절연막(13)을 형성한다. 전하축적능력이 작은 실리콘질화막의 퇴적은 예컨대 JVD법으로 행한다. 제1게이트절연막(13) 형성후, CVD법에 의해 실리콘산화막을 퇴적하여 5∼10㎚ 정도의 제2게이트절연막(14)을 형성한다. 이어서, JVD법에 의해 전하축적능력이 작은 실리콘질화막을 퇴적하여 10㎚ 정도의 제3게이트절연막(15)을 형성한다.Next, as shown in FIG. 25C, a silicon nitride film having a small charge storage capability is deposited on the entire surface of the n-type semiconductor substrate 19 to form a first gate insulating film 13 of about 10 nm. The deposition of the silicon nitride film having a small charge accumulation capacity is performed by, for example, the JVD method. After the first gate insulating film 13 is formed, a silicon oxide film is deposited by CVD to form a second gate insulating film 14 of about 5 to 10 nm. Subsequently, a silicon nitride film having a small charge accumulation capability is deposited by the JVD method to form a third gate insulating film 15 of about 10 nm.

다음에, 도 25d에 나타낸 바와 같이, n형 반도체기판(19) 전면에 LPCVD법에 의해 n형 또는 p형 불순물을 도프한 50∼250㎚ 정도의 다결정실리콘막을 퇴적한 후, 노광기술 및 에칭기술에 의해 패터닝하여 게이트전극(3)을 형성한다. 이어서, 게이트전극(3)을 마스크로 하여 소스영역 및 드레인영역을 형성하는 영역의 n형 반도체기판(19)의 표면의 제1게이트절연막(13), 제2게이트절연막(14) 및 제3게이트절연막(15)을 자기정합적으로 드라이 에칭한다.Next, as shown in FIG. 25D, a 50-250 nm polycrystalline silicon film doped with n-type or p-type impurities by LPCVD is deposited on the entire surface of the n-type semiconductor substrate 19, followed by an exposure technique and an etching technique. Patterned by to form the gate electrode (3). Next, the first gate insulating film 13, the second gate insulating film 14, and the third gate of the surface of the n-type semiconductor substrate 19 in the region where the source electrode and the drain region are formed using the gate electrode 3 as a mask. The insulating film 15 is dry-etched in self-alignment.

다음에, 도 25e에 나타낸 바와 같이, 전하축적층 형성을 위한 공간(17)을 형성한다. 이 공간(17)은 제1게이트절연막(13) 및 제3게이트절연막(15)보다도 제2게이트절연막(14)의 에칭속도가 큰 에칭액을 이용하여 제2게이트절연막(14)의 단부를 선택적으로 웨트 에칭함으로써 형성한다. 본 발명의 제10실시형태에서는, 제1게이트절연막(13) 및 제3게이트절연막(15)을 실리콘질화막으로 구성하고, 제2게이트절연막(14)을 실리콘산화막으로 구성하고 있으므로, 에칭액으로서는 예컨대 불산계를 이용하면 좋다. 또, 전하축적층 형성을 위한 공간(17)은, 에칭액을 이용한 웨트 에칭법 대신에 HF가스를 함유한 가스를 이용한 플라즈마 드라이 에칭법으로 형성해도 좋다.Next, as shown in Fig. 25E, a space 17 for forming a charge storage layer is formed. The space 17 is selectively formed at an end portion of the second gate insulating film 14 by using an etchant having a larger etching rate of the second gate insulating film 14 than the first gate insulating film 13 and the third gate insulating film 15. It forms by wet etching. In the tenth embodiment of the present invention, since the first gate insulating film 13 and the third gate insulating film 15 are composed of a silicon nitride film, and the second gate insulating film 14 is composed of a silicon oxide film, the etching solution is, for example, hydrofluoric acid. It is good to use a system. The space 17 for forming the charge storage layer may be formed by a plasma dry etching method using a gas containing HF gas instead of the wet etching method using an etching solution.

다음에, 도 25f에 나타낸 바와 같이, n형 반도체기판(19) 전면에 LPCVD법에 의해 전하축적능력이 높은 실리콘질화막(18)을 전하축적층 형성을 위한 공간(17)이 완전히 매립되도록 퇴적한다. 그리고, 도 25g에 나타낸 바와 같이, n형 반도체기판(19) 전면에 대해 RIE에 의한 이방성 에칭을 행하여 전하축적능력이 높은 실리콘질화막으로 구성된 전하축적층(4a,4b)을 형성한다.Next, as shown in FIG. 25F, a silicon nitride film 18 having high charge storage capability is deposited on the entire surface of the n-type semiconductor substrate 19 so as to completely fill the space 17 for forming the charge storage layer. . As shown in Fig. 25G, anisotropic etching is performed on the entire surface of the n-type semiconductor substrate 19 by RIE to form charge storage layers 4a and 4b made of silicon nitride films having high charge storage capability.

다음에, 도 25h에 나타낸 바와 같이, n형 반도체기판(19) 전면에 산화막(16)을 형성한 후, 저불순물농도의 p-형 확산층(20)을 형성한다. p-형 확산층(20)은 이온주입기술에 의해 게이트전극(3)을 마스크로 하여 p형 불순물을 주입하고, 그 후의 열처리에 의해 주입한 불순물을 활성화함으로써 형성한다.Next, as shown in FIG. 25H, after the oxide film 16 is formed over the entire surface of the n-type semiconductor substrate 19, a p type diffusion layer 20 having a low impurity concentration is formed. The p type diffusion layer 20 is formed by implanting p type impurities using the gate electrode 3 as a mask by ion implantation technology and activating the implanted impurities by subsequent heat treatment.

다음에, 도 25i에 나타낸 바와 같이, 게이트전극(3)의 측벽에 측벽스페이서(9)를 형성한 후, 고불순물농도의 p+형 확산층(21)을 형성한다. p+형 확산층(21)은 이온주입기술에 의해 게이트전극(3) 및 측벽 스페이서(9)를 마스크로 하여 p형 불순물을 주입하고, 그 후의 열처리에 의해 주입한 불순물을 활성화함으로써 형성한다.Next, as shown in FIG. 25I, after forming the sidewall spacer 9 on the sidewall of the gate electrode 3, the p + type diffusion layer 21 having a high impurity concentration is formed. The p + type diffusion layer 21 is formed by implanting p-type impurities using the gate electrode 3 and the sidewall spacers 9 as a mask by ion implantation techniques, and activating the implanted impurities by subsequent heat treatment.

다음에, n형 반도체기판(19)의 전면에 CVD법 또는 스퍼터법에 의해 텅스텐, 티탄, 코발트 등의 고융점금속막을 퇴적하고, 이어서 n형 반도체기판(19)을 불활성 분위기중에서 열처리함으로써 게이트전극(3) 및 p+형 확산층(21) 각각의 표면에 고융점금속실리사이드로 구성되는 도전층(12)을 형성한다. 도전층(12) 형성후, 상기 이외의 영역에 남은 미반응의 고융점금속을 제거하면, 도 23에 나타낸 메모리셀 구조가 완성된다.Next, a high melting point metal film such as tungsten, titanium or cobalt is deposited on the entire surface of the n-type semiconductor substrate 19 by CVD or sputtering, and then the n-type semiconductor substrate 19 is heat-treated in an inert atmosphere to form a gate electrode. A conductive layer 12 made of high melting point metal silicide is formed on the surface of each of (3) and p + type diffusion layer 21. After the formation of the conductive layer 12, when the unreacted high melting point metal remaining in the region other than the above is removed, the memory cell structure shown in Fig. 23 is completed.

한편, 도시는 하지 않았지만, 도 23의 메모리셀 구조 완성후, 층간절연막 형성공정, 콘택트홀 형성공정, 배선형성공정, 패시베이션막 형성공정 등의 통상의 CMOS 제조공정을 순차 거쳐 최종적인 불휘발성 메모리셀이 완성된다.On the other hand, although not shown, after completion of the memory cell structure shown in FIG. This is done.

이와 같이 본 발명의 제10실시형태에서는, 전하축적층(4a,4b)을 게이트전극(3)의 양단의 아래쪽에 자기정합적으로 형성할 수 있다. 따라서, 셀 트랜지스터의 게이트길이 방향의 미세화가 가능하게 된다. 그에 따라, 대용량, 고밀도의 불휘발성 반도체 메모리를 제공할 수 있다. 또, 비트당의 셀면적은 종래와 비교하여 거의 반감되어 대폭적으로 축소된 불휘발성 반도체 메모리를 실현할 수 있다.As described above, in the tenth embodiment of the present invention, the charge storage layers 4a and 4b can be formed in self-alignment under both ends of the gate electrode 3. Therefore, the gate length direction of the cell transistor can be made smaller. Accordingly, a large capacity, high density nonvolatile semiconductor memory can be provided. In addition, the cell area per bit is almost reduced by half compared with the conventional one, and a non-volatile semiconductor memory can be substantially reduced.

또, 전하축적층(4a,4b)의 채널길이 방향의 폭은 제1게이트절연막(13) 및 제3게이트절연막(15)과 제2게이트절연막(14)의 에칭속도차 및 에칭시간의 조절에 의해 용이하게 제어할 수 있다. 그에 따라, 전하축적층(4a,4b)을 대칭으로 배치할 수 있다. 그리고 전하축적층(4a,4b)은 제2게이트절연막(14)에 의해 전기적으로 완전히 분리되므로, 전하축적층(4a,4b)간의 상호작용은 일어나지 않는다. 더욱이, 전하축적층(4a,4b)은 소스영역, 드레인영역, 게이트전극(3) 및 채널영역으로부터는, 제1절연막(13), 제3절연막(15) 및 산화막(16)에 의해 완전히 절연되므로, 전하유지특성이 우수한 불휘발성 반도체 메모리를 제공할 수 있다. 전하축적층(4a,4b)은 게이트전극(3)의 단부로부터 채널영역 방향으로 확장하여 형성되고, 전하축적층(4a,4b) 중의 채널영역측의 부분의 전하축적상태에 따라 메모리셀의 전류전달특성을 거의 결정한다. 따라서, 이 부분의 게이트길이 방향의 길이를 한계까지 축소하면, 보다 미세한 불휘발성 반도체 메모리를 제공할 수 있다.The width of the charge storage layers 4a and 4b in the channel length direction is used to control the etching rate difference and the etching time of the first gate insulating film 13, the third gate insulating film 15, and the second gate insulating film 14. It can be controlled easily. Thus, the charge storage layers 4a and 4b can be arranged symmetrically. Since the charge storage layers 4a and 4b are completely electrically separated by the second gate insulating film 14, the interaction between the charge storage layers 4a and 4b does not occur. Further, the charge storage layers 4a and 4b are completely insulated from the source region, the drain region, the gate electrode 3 and the channel region by the first insulating film 13, the third insulating film 15 and the oxide film 16. Therefore, it is possible to provide a nonvolatile semiconductor memory having excellent charge holding characteristics. The charge accumulation layers 4a and 4b extend from the end of the gate electrode 3 in the direction of the channel region, and the current of the memory cell depends on the charge accumulation state of the portion of the channel region side in the charge accumulation layers 4a and 4b. The transmission characteristics are almost determined. Therefore, when the length of the gate length direction of this portion is reduced to the limit, a finer nonvolatile semiconductor memory can be provided.

더욱이, 셀구조는 통상의 CMOS공정으로 용이하게 실현가능하므로, 기존의 제조라인을 사용하여 저비용으로 불휘발성 반도체 메모리를 제조할 수 있다.Moreover, since the cell structure can be easily realized by a conventional CMOS process, a nonvolatile semiconductor memory can be manufactured at low cost by using an existing manufacturing line.

그리고, 본 발명의 제10실시형태에서는, 기록시의 전자주입효율을 향상시킬 수 있다. 이 때문에, 기록속도의 고속화, 기록시의 인가전압의 저감화를 도모할 수 있다.In the tenth embodiment of the present invention, the electron injection efficiency at the time of recording can be improved. For this reason, the recording speed can be increased and the applied voltage at the time of recording can be reduced.

제11실시형태Eleventh Embodiment

다음에는 본 발명의 제11실시형태에 대해 설명한다. 본 발명의 제11실시형태는, 상기의 제10실시형태에 있어서, 도 23의 전하축적층(4a)과 전하축적층(4b)사이에 배치된 제2절연막(14)을 불필요하게 하고, 2개의 전하축적층(4a,4b)을 일체화시킨 구성을 채용하고 있다. 도 26은 본 발명의 제11실시형태에 따른 불휘발성 반도체 메모리의 메모리셀 구조를 나타낸 단면도이다. 도 26에 나타낸 바와 같이, 이 메모리셀 구조는 상기의 제10실시형태의 전하축적층(4a,4b) 및 제2절연막(14) 대신에 전하축적층(4f)을 배치한 것이다.Next, an eleventh embodiment of the present invention will be described. In the eleventh embodiment of the present invention, in the tenth embodiment, the second insulating film 14 disposed between the charge storage layer 4a and the charge storage layer 4b of FIG. The structure which integrated the two charge storage layers 4a and 4b is employ | adopted. Fig. 26 is a sectional view showing the memory cell structure of the nonvolatile semiconductor memory according to the eleventh embodiment of the present invention. As shown in Fig. 26, the memory cell structure has a charge storage layer 4f instead of the charge storage layers 4a and 4b and the second insulating film 14 of the tenth embodiment.

다음에는 본 발명의 제11실시형태에 따른 불휘발성 메모리의 메모리셀의 제조방법을 도 27a 내지 도 27f를 참조하여 설명한다. 상기 제10실시형태와 마찬가지로, 먼저 도 27a에 나타낸 바와 같이, 채널영역(25)이 형성되는 영역 이외를 피복하는 포토레지스트 패턴(27)을, n형 반도체기판(19)상에 형성한다. 그리고, 도 27b에 나타낸 바와 같이, 예컨대 RIE법에 의해 n형 반도체기판(19)을 에칭함으로써 단차(26)를 형성한다.Next, a method of manufacturing a memory cell of a nonvolatile memory according to the eleventh embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 27A to 27F. As in the tenth embodiment, first, as shown in Fig. 27A, a photoresist pattern 27 is formed on the n-type semiconductor substrate 19 to cover other than the region where the channel region 25 is formed. 27B, the step 26 is formed by etching the n-type semiconductor substrate 19 by, for example, the RIE method.

다음에, 도 27c에 나타낸 바와 같이, n형 반도체기판(19) 전면에 전하축적능력이 작은 실리콘질화막을 퇴적하여 10㎚ 정도의 제1게이트절연막(13)을 형성한다. 전하축적능력이 작은 실리콘질화막의 퇴적은 예컨대 JVD법으로 행한다. 제1게이트절연막(13) 형성후, LPCVD법에 의해 전하축적능력이 높은 실리콘질화막(18)을 5∼10㎚ 정도 형성한다. 이어서, JVD법에 의해 전하축적능력이 작은 실리콘질화막을 퇴적하여 10㎚ 정도의 제3게이트절연막(15)을 형성한다.Next, as shown in FIG. 27C, a silicon nitride film having a small charge accumulation capability is deposited on the entire surface of the n-type semiconductor substrate 19 to form a first gate insulating film 13 of about 10 nm. The deposition of the silicon nitride film having a small charge accumulation capacity is performed by, for example, the JVD method. After the first gate insulating film 13 is formed, a silicon nitride film 18 having a high charge storage capability is formed by about 5 to 10 nm by the LPCVD method. Subsequently, a silicon nitride film having a small charge accumulation capability is deposited by the JVD method to form a third gate insulating film 15 of about 10 nm.

다음에, 도 27d에 나타낸 바와 같이, n형 반도체기판(19) 전면에 LPCVD법에 의해 n형 또는 p형 불순물을 도프한 50∼250㎚ 정도의 다결정실리콘막을 퇴적한 후, 노광기술 및 에칭기술에 의해 패터닝하여 게이트전극(3)을 형성한다. 이어서,게이트전극(3)을 마스크로 하여 소스영역 및 드레인영역을 형성하는 영역의 n형 반도체기판(19)의 표면의 제1게이트절연막(13), 실리콘질화막(18) 및 제3게이트절연막(15)을 자기정합적으로 드라이 에칭한다. 여기서, 전하축적층(4f)이 형성된다.Next, as shown in FIG. 27D, a 50-250 nm polycrystalline silicon film doped with n-type or p-type impurities is deposited on the entire surface of the n-type semiconductor substrate 19 by LPCVD, followed by an exposure technique and an etching technique. Patterned by to form the gate electrode (3). Subsequently, the first gate insulating film 13, the silicon nitride film 18, and the third gate insulating film on the surface of the n-type semiconductor substrate 19 in the region where the source electrode and the drain region are formed using the gate electrode 3 as a mask are formed. Dry-etch 15) self-aligned. Here, the charge storage layer 4f is formed.

다음에, 도 27e에 나타낸 바와 같이, n형 반도체기판(19) 전면에 산화막(16)을 형성한 후, 저불순물농도의 p-형 확산층(20)을 형성한다. p-형 확산층(20)은 이온주입기술에 의해 게이트전극(3)을 마스크로 하여 p형 불순물을 주입하고, 그 후의 열처리에 의해 주입한 불순물을 활성화함으로써 형성한다.Next, as shown in FIG. 27E, after the oxide film 16 is formed over the entire surface of the n-type semiconductor substrate 19, a p type diffusion layer 20 having a low impurity concentration is formed. The p type diffusion layer 20 is formed by implanting p type impurities using the gate electrode 3 as a mask by ion implantation technology and activating the implanted impurities by subsequent heat treatment.

다음에, 도 27f에 나타낸 바와 같이, 게이트전극(3)의 측벽에 측벽 스페이서(9)를 형성한 후, 고불순물농도의 p+형 확산층(21)을 형성한다. p+형 확산층(21)은 이온주입기술에 의해 게이트전극(3) 및 측벽 스페이서(9)를 마스크로 하여 p형 불순물을 주입하고, 그 후의 열처리에 의해 주입한 불순물을 활성화함으로써 형성한다.Next, as shown in FIG. 27F, the sidewall spacers 9 are formed on the sidewalls of the gate electrode 3, and then a p + type diffusion layer 21 having a high impurity concentration is formed. The p + type diffusion layer 21 is formed by implanting p-type impurities using the gate electrode 3 and the sidewall spacers 9 as a mask by ion implantation techniques, and activating the implanted impurities by subsequent heat treatment.

다음에, n형 반도체기판(19)의 전면에 CVD법 또는 스퍼터법에 의해 텅스텐, 티탄, 코발트 등의 고융점금속막을 퇴적하고, 이어서 n형 반도체기판(19)을 불활성 분위기중에서 열처리함으로써 게이트전극(3) 및 p+형 확산층(21) 각각의 표면에 고융점금속실리사이드로 구성되는 도전층(12)을 형성한다. 도전층(12) 형성후, 상기 이외의 영역에 남은 미반응의 고융점금속을 제거하면, 도 26에 나타낸 메모리셀 구조가 완성된다.Next, a high melting point metal film such as tungsten, titanium or cobalt is deposited on the entire surface of the n-type semiconductor substrate 19 by CVD or sputtering, and then the n-type semiconductor substrate 19 is heat-treated in an inert atmosphere to form a gate electrode. A conductive layer 12 made of high melting point metal silicide is formed on the surface of each of (3) and p + type diffusion layer 21. After the formation of the conductive layer 12, the unreacted high melting point metal remaining in the regions other than the above is removed, thereby completing the memory cell structure shown in FIG.

한편, 도시는 하지 않았지만, 도 26의 메모리셀 구조 완성후, 층간절연막 형성공정, 콘택트홀 형성공정, 배선형성공정, 패시베이션막 형성공정 등의 통상의 CMOS 제조공정을 순차 거쳐 최종적인 불휘발성 메모리셀이 완성된다.On the other hand, although not shown, after completion of the memory cell structure shown in FIG. This is done.

제12실시형태12th Embodiment

다음에는 본 발명의 제12실시형태에 대해 설명한다. 도 28은 본 발명의 제12실시형태에 따른 불휘발성 반도체 메모리의 메모리셀 구조를 나타낸 단면도이다. 상기 제10실시형태에서는 게이트전극(3)의 패터닝에 노광기술 및 에칭기술을 이용했지만, 이 제12실시형태에서는 게이트전극(3)의 패터닝에 화학적 기계적 연마법을 이용하는 예이다.Next, a twelfth embodiment of the present invention will be described. Fig. 28 is a sectional view showing the memory cell structure of the nonvolatile semiconductor memory according to the twelfth embodiment of the present invention. In the tenth embodiment, an exposure technique and an etching technique are used for patterning the gate electrode 3, but in the twelfth embodiment, a chemical mechanical polishing method is used for the patterning of the gate electrode 3.

다음에는 본 발명의 제12실시형태에 따른 불휘발성 메모리의 메모리셀의 제조방법을 도 29a 내지 도 29i를 참조하여 설명한다. 먼저, 도 29a에 나타낸 바와 같이, 채널영역(25)이 형성되는 영역 이외를 피복하는 포토레지스트 패턴(27)을, n형 반도체기판(19)상에 형성한다. 그리고, 도 29b에 나타낸 바와 같이, 예컨대 RIE법에 의해 n형 반도체기판(19)을 에칭함으로써 단차(26)를 형성한다.Next, a method of manufacturing a memory cell of a nonvolatile memory according to the twelfth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 29A to 29I. First, as shown in FIG. 29A, a photoresist pattern 27 is formed on the n-type semiconductor substrate 19 to cover other than the region where the channel region 25 is formed. As shown in Fig. 29B, the step 26 is formed by etching the n-type semiconductor substrate 19 by, for example, the RIE method.

다음에, 도 29c에 나타낸 바와 같이, n형 반도체기판(19) 전면에 전하축적능력이 작은 실리콘질화막을 퇴적하여 10㎚ 정도의 제1게이트절연막(13)을 형성한다. 전하축적능력이 작은 실리콘질화막의 퇴적은 예컨대 JVD법으로 행한다. 제1게이트절연막(13) 형성후, CVD법에 의해 실리콘산화막을 퇴적하여 5∼10㎚ 정도의 제2게이트절연막(14)을 형성한다. 이어서, JVD법에 의해 전하축적능력이 작은 실리콘질화막을 퇴적하여 10㎚ 정도의 제3게이트절연막(15)을 형성한다. 더욱이, n형 반도체기판(19) 전면에 LPCVD법에 의해 n형 또는 p형 불순물을 도프한 50∼500㎚ 정도의 다결정실리콘막(28)을 퇴적한다.Next, as shown in FIG. 29C, a silicon nitride film having a small charge storage capability is deposited on the entire surface of the n-type semiconductor substrate 19 to form a first gate insulating film 13 of about 10 nm. The deposition of the silicon nitride film having a small charge accumulation capacity is performed by, for example, the JVD method. After the first gate insulating film 13 is formed, a silicon oxide film is deposited by CVD to form a second gate insulating film 14 of about 5 to 10 nm. Subsequently, a silicon nitride film having a small charge accumulation capability is deposited by the JVD method to form a third gate insulating film 15 of about 10 nm. Further, a polysilicon film 28 of about 50 to 500 nm doped with n-type or p-type impurities is deposited on the entire surface of the n-type semiconductor substrate 19 by LPCVD.

다음에, 도 29d에 나타낸 바와 같이, 화학적 기계적 연마법에 의해 다결정실리콘막(28)의 매립을 행함으로써, 게이트전극(3)을 형성한다. 이때, 통상 n형 반도체기판(19)상에 잔존하는 제1게이트절연막(13), 제2게이트절연막(14) 및 제3게이트절연막(15)은, 예컨대 웨트 에칭에 의해 제거된다.Next, as shown in FIG. 29D, the gate electrode 3 is formed by embedding the polysilicon film 28 by chemical mechanical polishing. At this time, the first gate insulating film 13, the second gate insulating film 14, and the third gate insulating film 15 remaining on the n-type semiconductor substrate 19 are normally removed by wet etching.

다음에, 도 29e에 나타낸 바와 같이, 전하축적층 형성을 위한 공간(17)을 형성한다. 이 공간(17)은 제1게이트절연막(13) 및 제3게이트절연막(15)보다도 제2게이트절연막(14)의 에칭속도가 큰 에칭액을 이용하여 제2게이트절연막(14)의 단부를 선택적으로 웨트 에칭함으로써 형성한다. 본 발명의 제12실시형태에서는, 제1게이트절연막(13) 및 제3게이트절연막(15)을 실리콘질화막으로 구성하고, 제2게이트절연막(14)을 실리콘산화막으로 구성하고 있으므로, 에칭액으로서는 예컨대 불산계를 이용하면 좋다. 또, 전하축적층 형성을 위한 공간(17)은, 에칭액을 이용한 웨트 에칭법 대신에 HF가스를 함유한 가스를 이용한 플라즈마 드라이 에칭법으로 형성해도 좋다.Next, as shown in FIG. 29E, a space 17 for forming a charge storage layer is formed. The space 17 is selectively formed at an end portion of the second gate insulating film 14 by using an etchant having a larger etching rate of the second gate insulating film 14 than the first gate insulating film 13 and the third gate insulating film 15. It forms by wet etching. In the twelfth embodiment of the present invention, since the first gate insulating film 13 and the third gate insulating film 15 are composed of a silicon nitride film, and the second gate insulating film 14 is composed of a silicon oxide film, the etching solution is, for example, hydrofluoric acid. It is good to use a system. The space 17 for forming the charge storage layer may be formed by a plasma dry etching method using a gas containing HF gas instead of the wet etching method using an etching solution.

다음에, 도 29f에 나타낸 바와 같이, n형 반도체기판(19) 전면에 LPCVD법에 의해 전하축적능력이 높은 실리콘질화막(18)을 전하축적층 형성을 위한 공간(17)이 완전히 매립되도록 퇴적한다. 그리고, 도 29g에 나타낸 바와 같이, n형 반도체기판(19) 전면에 대해 RIE에 의한 이방성 에칭을 행하여 전하축적능력이 높은 실리콘질화막으로 구성된 전하축적층(4a,4b)을 형성한다.Next, as shown in FIG. 29F, the silicon nitride film 18 having high charge storage capability is deposited on the entire surface of the n-type semiconductor substrate 19 so as to completely fill the space 17 for forming the charge storage layer. . As shown in FIG. 29G, anisotropic etching is performed on the entire surface of the n-type semiconductor substrate 19 by RIE to form charge storage layers 4a and 4b made of silicon nitride film having high charge storage capability.

다음에, 도 29h에 나타낸 바와 같이, n형 반도체기판(19) 전면에 산화막(16)을 형성한 후, 저불순물농도의 p-형 확산층(20)을 형성한다. p-형 확산층(20)은 이온주입기술에 의해 게이트전극(3)을 마스크로 하여 p형 불순물을 주입하고, 그 후의 열처리에 의해 주입한 불순물을 활성화함으로써 형성한다.Next, as shown in FIG. 29H, after the oxide film 16 is formed over the entire surface of the n-type semiconductor substrate 19, a p type diffusion layer 20 having a low impurity concentration is formed. The p type diffusion layer 20 is formed by implanting p type impurities using the gate electrode 3 as a mask by ion implantation technology and activating the implanted impurities by subsequent heat treatment.

다음에, 도 29i에 나타낸 바와 같이, 게이트전극(3)의 측벽에 측벽 스페이서(9)를 형성한 후, 고불순물농도의 p+형 확산층(21)을 형성한다. p+형 확산층(21)은 이온주입기술에 의해 게이트전극(3) 및 측벽 스페이서(9)를 마스크로 하여 p형 불순물을 주입하고, 그 후의 열처리에 의해 주입한 불순물을 활성화함으로써 형성한다.Next, as shown in FIG. 29I, the sidewall spacers 9 are formed on the sidewalls of the gate electrode 3, and then a p + type diffusion layer 21 having a high impurity concentration is formed. The p + type diffusion layer 21 is formed by implanting p-type impurities using the gate electrode 3 and the sidewall spacers 9 as a mask by ion implantation techniques, and activating the implanted impurities by subsequent heat treatment.

다음에, n형 반도체기판(19)의 전면에 CVD법 또는 스퍼터법에 의해 텅스텐, 티탄, 코발트 등의 고융점금속막을 퇴적하고, 이어서 n형 반도체기판(19)을 불활성 분위기중에서 열처리함으로써 게이트전극(3) 및 p+형 확산층(21) 각각의 표면에 고융점금속실리사이드로 구성되는 도전층(12)을 형성한다. 도전층(12) 형성후, 상기 이외의 영역에 남은 미반응의 고융점금속을 제거하면, 도 28에 나타낸 메모리셀 구조가 완성된다.Next, a high melting point metal film such as tungsten, titanium or cobalt is deposited on the entire surface of the n-type semiconductor substrate 19 by CVD or sputtering, and then the n-type semiconductor substrate 19 is heat-treated in an inert atmosphere to form a gate electrode. A conductive layer 12 made of high melting point metal silicide is formed on the surface of each of (3) and p + type diffusion layer 21. After the formation of the conductive layer 12, the unreacted high melting point metal remaining in the regions other than the above is removed, thereby completing the memory cell structure shown in FIG.

한편, 도시는 하지 않았지만, 도 28의 메모리셀 구조 완성후, 층간절연막 형성공정, 콘택트홀 형성공정, 배선형성공정, 패시베이션막 형성공정 등의 통상의 CMOS 제조공정을 순차 거쳐 최종적인 불휘발성 메모리셀이 완성된다.On the other hand, although not shown, after completion of the memory cell structure shown in FIG. This is done.

제13실시형태Thirteenth embodiment

다음에는 본 발명의 제13실시형태에 대해 설명한다. 상기의 제1 내지 제12실시형태에서는, 메모리셀 이외의 트랜지스터의 고속화에 대한 충분한 검토는 이루어지고 있지 않았다. 한편, 고속 CMOS 트랜지스터의 구조로서, 게이트전극과 소스·드레인확산층 사이에 요(凹)상태의 노치를 형성함으로써 게이트전극과 확산층 사이의 용량을 저감하여 논리게이트를 고속화하는 시도가 이루어지고 있다(T. Ghani et al., IDEM99, p.415). 이 제13실시형태는, 이 구조를 불휘발성 반도체 메모리에 이용함으로써, 메모리기능을 갖지 않는 통상의 트랜지스터와 불휘발성 반도체 메모리를 혼재하는 반도체장치의 대폭적인 고속화를 가능하게 하는 것이다.Next, a thirteenth embodiment of the present invention will be described. In the above first to twelfth embodiments, sufficient consideration has not been given to speeding up transistors other than memory cells. On the other hand, as a structure of a high-speed CMOS transistor, attempts have been made to speed up the logic gate by reducing the capacitance between the gate electrode and the diffusion layer by forming a notch in the recessed state between the gate electrode and the source / drain diffusion layer (T). Ghani et al., IDEM99, p. 415). In this thirteenth embodiment, by using this structure for a nonvolatile semiconductor memory, it is possible to significantly speed up a conventional transistor having no memory function and a semiconductor device in which a nonvolatile semiconductor memory is mixed.

도 30은 본 발명의 제13실시형태에 따른 불휘발성 반도체 메모리의 메모리셀 구조를 나타낸 단면도이다. 이 메모리셀은 n형 MOS 트랜지스터로 구성된다. 본 발명의 제13실시형태에 따른 불휘발성 반도체 메모리의 메모리셀 구조에서는, p형 반도체기판(1)의 표면에 제1게이트절연막(13)을 매개해서 게이트전극(3)이 설치된다. 게이트전극(3)의 양단에는 요부가 설치되고, 각 요부내에는 전하축적층(4; 4a,4b)이 형성된다. 전하축적층(4)과 게이트전극(3)의 사이에는 산화막(30)이 형성되어 있다. 게이트전극(3)의 측면에는 산화막(16)을 매개해서 측벽 스페이서(9)가 설치되고, 이 측벽 스페이서(9)의 하부의 p형 반도체기판(1)의 주면에는 채널영역에 접하는 저불순물농도의 n-형 확산층(10)과, 이 n-형 확산층(10)의 외측에 위치하는 고불순물농도의 n+형 확산층(11)이 설치된다. 제1게이트전극(3) 및 n+형 확산층(11) 각각의 표면에는 도전층(12)이 설치된다.30 is a cross-sectional view showing a memory cell structure of a nonvolatile semiconductor memory according to the thirteenth embodiment of the present invention. This memory cell is composed of n-type MOS transistors. In the memory cell structure of the nonvolatile semiconductor memory according to the thirteenth embodiment of the present invention, the gate electrode 3 is provided on the surface of the p-type semiconductor substrate 1 via the first gate insulating film 13. Recesses are provided at both ends of the gate electrode 3, and charge storage layers 4 (4a, 4b) are formed in each recess. An oxide film 30 is formed between the charge storage layer 4 and the gate electrode 3. Sidewall spacers 9 are provided on the side of the gate electrode 3 via an oxide film 16, and a low impurity concentration in contact with the channel region on the main surface of the p-type semiconductor substrate 1 below the sidewall spacers 9. The n type diffusion layer 10 and the n + type diffusion layer 11 having a high impurity concentration located outside the n type diffusion layer 10 are provided. The conductive layer 12 is provided on the surface of each of the first gate electrode 3 and the n + type diffusion layer 11.

본 발명의 제13실시형태에 따른 불휘발성 메모리의 메모리셀은, 소스영역 및드레인영역을 저불순물농도의 n-형 확산층(10)과 고불순물농도의 n+형 확산층(11)으로 구성한 LDD구조를 갖추고 있다. 그리고, 게이트전극(3)의 양단면에는 전하축적층(4; 4a,4b)이 형성된다. 이 2개의 전하축적층(4a,4b)에 전자를 축적하고, 그 축적상태는 (1) 전하축적층(4a,4b)이 모두 전자를 축적하고 있지 않은 상태, (2) 전하축적층(4a)만이 전자를 축적하고 있는 상태, (3) 전하축적층(4b)만이 전자를 축적하고 있는 상태, (4) 전하축적층(4a,4b)이 모두 전자를 축적하고 있는 상태의 4가지의 상태를 취할 수 있다. 이 2개의 전하축적층(4a,4b)에 유지된 전자의 유무에 따라 생기는 임계치전압의 변화분을 기억정보의 "00", "01", "10", "11"에 대응시킨다. 또, 이 메모리셀 구조에서는 전하축적층(4)은 채널영역 단부의 위쪽에 위치하므로, 채널영역 중앙부의 임계치전압은 채널영역의 불순물농도만으로 결정되고, 전하축적층(4)의 전자의 축적상태에 의존하지 않는다. 따라서, 전하축적층(4)의 전자의 과부족에 의한 과소거는 방지되고, 그에 따라 과소거에 기인하는 누설불량, 프로그램불량, 독출불량 등이 생길 수 없다. 또, 소스영역과 드레인영역간의 누설전류는 게이트전압만으로 억제할 수 있어 고신뢰성의 불휘발성 메모리를 실현할 수 있다. 전하축적층(4)은 CVD법에 의한 전하축적능력이 높은 실리콘질화막으로 구성하면 좋다. 실리콘질화막의 이산적인 전하포획준위에 전자를 축적함으로써, 하부 절연막의 막질에 영향을 받기 어려운 전하유지특성을 얻을 수 있기 때문이다. 또, 실리콘막, 다결정실리콘막으로 구성하면 저가로 제조할 수 있다. 더욱이, 제1게이트절연막(13)을 실리콘산화막(SiO2막)의 2배 정도의 유전률을 갖는 실리콘질화막(Si3N4막)으로 구성하면, 실리콘산화막 환산 막두께가 4㎚∼11㎚ 정도의 대단히 얇은 게이트절연막을 안정하게 실현할 수 있다. 예컨대 실리콘산화막 환산 막두께가 5㎚의 실리콘질화막의 실질막두께는 10㎚ 정도이므로, 직접터널(DT)주입도 유기되지 않는다. 따라서, 전자의 주입·추출동작시의 전압이 저전압화되어 메모리셀의 미세화뿐만 아니라 주변 고전압 동작소자의 미세화도 가능하게 된다.The memory cell of the nonvolatile memory according to the thirteenth embodiment of the present invention has an LDD structure in which a source region and a drain region are composed of an n type diffusion layer 10 having a low impurity concentration and an n + type diffusion layer 11 having a high impurity concentration. Equipped with. Charge accumulation layers 4 (4a, 4b) are formed on both end surfaces of the gate electrode (3). Electrons are accumulated in these two charge storage layers 4a and 4b, and the accumulation state is that (1) the charge storage layers 4a and 4b do not accumulate electrons. (2) The charge storage layers 4a. (4) four states: the state in which only electrons accumulate, (3) the state in which only the charge accumulation layer 4b accumulates electrons, and (4) the state in which the charge accumulation layers 4a and 4b all accumulate electrons. Can be taken. Changes in the threshold voltage caused by the presence or absence of electrons held in these two charge storage layers 4a and 4b correspond to " 00 "," 01 "," 10 " and " 11 " In this memory cell structure, since the charge storage layer 4 is located above the end of the channel region, the threshold voltage at the center of the channel region is determined only by the impurity concentration of the channel region, and the accumulation state of electrons in the charge storage layer 4 is achieved. Does not depend on Therefore, over-erasing due to the excessive shortage of the electrons in the charge storage layer 4 is prevented, and accordingly, leakage failure, program failure, reading failure, etc. due to over-erasure cannot occur. In addition, the leakage current between the source region and the drain region can be suppressed only by the gate voltage, thereby achieving a highly reliable nonvolatile memory. The charge accumulation layer 4 may be made of a silicon nitride film having a high charge accumulation capability by the CVD method. This is because by accumulating electrons at the discrete charge trapping level of the silicon nitride film, it is possible to obtain charge holding characteristics that are hardly affected by the film quality of the lower insulating film. Moreover, if it comprises a silicon film and a polycrystalline silicon film, it can manufacture at low cost. Further, when the first gate insulating film 13 is composed of a silicon nitride film (Si 3 N 4 film) having a dielectric constant about twice that of the silicon oxide film (SiO 2 film), the silicon oxide film conversion film thickness is about 4 nm to 11 nm. The ultra-thin gate insulating film can be stably realized. For example, since the actual thickness of the silicon nitride film having a silicon oxide film thickness of about 5 nm is about 10 nm, direct tunnel DT injection is not induced. Therefore, the voltage at the time of electron injection / extraction operation is lowered, so that not only the memory cell can be miniaturized but also the peripheral high voltage operating element can be miniaturized.

본 발명의 제13실시형태에 따른 불휘발성 메모리의 메모리셀에서는, 소스영역 및 드레인영역의 내압 향상의 목적으로 n-형 확산층(10)을 설치하여 LDD구조를 구성하고 있지만, 싱글 드레인구조, 더블 드레인구조로 소스영역 및 드레인영역을 구성해도 좋다.In the memory cell of the nonvolatile memory according to the thirteenth embodiment of the present invention, although the n type diffusion layer 10 is provided for the purpose of improving the breakdown voltage of the source region and the drain region, the LDD structure is formed. The drain region may be composed of a source region and a drain region.

다음에는 본 발명의 제13실시형태에 따른 불휘발성 메모리의 동작에 대해 도 31a 및 도 31b를 참조하여 설명한다. 도 31a는 기록동작을 설명하는 불휘발성 메모리의 단면도이다. 도 31b는 소거동작을 설명하는 불휘발성 메모리의 단면도이다. 도 31a 및 도 31b의 메모리셀은 n형 MOS 트랜지스터로 구성된다. 도 31a에 나타낸 바와 같이, 메모리셀의 기록시에는, 게이트(G)에 6∼8V 정도, 드레인(D)에 4∼5V 정도를 각각 인가하고, 소스(S)를 접지한다. 이와 같이 전압을 인가하고, 채널열전자(CHE)로 전자를 드레인영역측의 전하축적층(4b)에 주입한다. 소스영역측의 전하축적층(4a)에 전자를 주입하는 경우에는, 드레인(D), 소스(S) 각각에 인가하는 전압을 상기와 바꾸면 좋다. 한편, 메모리셀의 소거는 도 31b에 나타낸 바와 같이 게이트(G)에 부전압(∼-5V)을 인가하고, 파울러 노드하임(FN)형 터널전류를 이용하여 전하축적층(4a,4b)으로부터 전자를 방출함으로써 행해진다. 또, 게이트(G)가 복수의 메모리셀에서 공유되고 있는 경우에는, 그들 메모리셀로부터 동시에 전자를 방출할 수 있다. 이 경우, 소스(S), 드레인(D)은 p형 반도체기판(1)과 동전위로 하면 좋다. 또, p형 반도체기판(1)의 전위와는 다른 정전압을 드레인전극에 인가하고, 소스전극을 부유전위로 하면, 드레인전극측의 전하축적층(4b)만으로부터 전자를 방출하는 것도 가능하다. 소스전극측의 전하축적층(4a)만으로부터 전자를 방출하는 경우에는 소스전극에 정전압을 인가하고, 드레인전극을 부유전위로 하면 좋다.Next, operations of the nonvolatile memory according to the thirteenth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 31A and 31B. Fig. 31A is a sectional view of the nonvolatile memory for explaining the write operation. Fig. 31B is a sectional view of the nonvolatile memory for explaining the erase operation. The memory cells of FIGS. 31A and 31B are composed of n-type MOS transistors. As shown in Fig. 31A, at the time of writing a memory cell, about 6 to 8 V is applied to the gate G and about 4 to 5 V to the drain D, respectively, and the source S is grounded. In this way, a voltage is applied and electrons are injected into the charge storage layer 4b on the drain region side by the channel thermal electrons CHE. When electrons are injected into the charge storage layer 4a on the source region side, the voltage applied to each of the drains D and S may be changed from the above. On the other hand, the memory cell is erased from the charge storage layers 4a and 4b by applying a negative voltage (˜-5V) to the gate G as shown in FIG. 31B and using a Fowler node-heim (FN) type tunnel current. By emitting electrons. When the gate G is shared by a plurality of memory cells, electrons can be emitted from these memory cells at the same time. In this case, the source S and the drain D may be coincident with the p-type semiconductor substrate 1. If a constant voltage different from the potential of the p-type semiconductor substrate 1 is applied to the drain electrode, and the source electrode is a floating potential, electrons can be emitted from only the charge storage layer 4b on the drain electrode side. When electrons are emitted from only the charge storage layer 4a on the source electrode side, it is sufficient to apply a constant voltage to the source electrode and set the drain electrode to the floating potential.

또, 도시는 하지 않았지만, 메모리셀의 독출은 소스(S)와 드레인(D) 사이를 흐르는 독출전류를 검지함으로써 행해진다. 전하축적층(4a,4b)의 축적상태에 따라 소스영역, 드레인영역 근방의 전류전달특성(채널 콘덕턴스)이 변조되는 것을 이용하는 것이다. 소스(S), 드레인(D)의 어느 쪽에 바이어스하는가는 전류전달특성의 변조가 현저하게 나타나는 쪽을 선택하면 좋다. 전하축적층(4a,4b)의 4가지의 축적상태에 따라 4개의 다른 전류전달특성이 얻어지고, 그에 따라 1개의 셀에서 2비트분의 정보를 기억할 수 있다.Although not shown, reading of the memory cell is performed by detecting a read current flowing between the source S and the drain D. FIG. The current transfer characteristic (channel conductance) in the vicinity of the source region and the drain region is modulated in accordance with the accumulation state of the charge accumulation layers 4a and 4b. Which one of the source S and the drain D is biased may be selected in which the modulation of the current transfer characteristic is remarkable. Four different current transfer characteristics are obtained according to the four accumulation states of the charge accumulation layers 4a and 4b, thereby storing two bits of information in one cell.

다음에는 p형 MOS 트랜지스터로 구성되는 본 발명의 제13실시형태에 따른 불휘발성 메모리의 동작에 대해 도 32a 및 도 32b를 참조하여 설명한다. 도 32a는 기록동작을 설명하는 불휘발성 메모리의 단면도이다. 도 32b는 소거동작을 설명하는 불휘발성 메모리의 단면도이다. 도 32a 및 도 32b의 메모리셀은 p형 MOS 트랜지스터로 구성된다. 도 32a에 나타낸 바와 같이, 메모리셀의 기록시에는,게이트(G)에 5V 정도, 드레인(D)에 -5V 정도를 각각 인가하고, 소스(S)를 부유전위로 한다. 이와 같이 전압을 인가하고, 밴드간 터널현상 기인의 전자에 드레인영역 근방의 전계로 에너지를 공급하여 드레인영역측의 전하축적층(4b)에 전자를 주입한다. 소스영역측의 전하축적층(4a)에 전자를 주입하는 경우에는, 드레인(D), 소스(S) 각각에 인가하는 전압을 상기와 바꾸면 좋다. 한편, 메모리셀의 소거는 도 32b에 나타낸 바와 같이 게이트(G)에 부전압(∼-5V)을 인가하고, FN전류를 이용하여 전하축적층(4a,4b)으로부터 전자를 방출함으로써 행해진다. 또, 게이트(G)가 복수의 메모리셀에서 공유되고 있는 경우에는, 그들 메모리셀로부터 동시에 전자를 방출할 수 있다. 이 경우, 소스(S), 드레인(D)은 n형 반도체기판(19)과 동전위 혹은 부유전위로 한다.Next, the operation of the nonvolatile memory according to the thirteenth embodiment of the present invention constituted of the p-type MOS transistor will be described with reference to FIGS. 32A and 32B. 32A is a sectional view of a nonvolatile memory for explaining a write operation. 32B is a sectional view of the nonvolatile memory for explaining the erase operation. The memory cells of FIGS. 32A and 32B are composed of p-type MOS transistors. As shown in Fig. 32A, at the time of writing a memory cell, about 5V is applied to the gate G and about -5V to the drain D, respectively, and the source S is made a floating potential. In this way, a voltage is applied, and electrons are supplied to the charge accumulation layer 4b on the drain region side by supplying energy to the electrons caused by the interband tunnel phenomenon by an electric field near the drain region. When electrons are injected into the charge storage layer 4a on the source region side, the voltage applied to each of the drains D and S may be changed from the above. On the other hand, the erasing of the memory cells is performed by applying a negative voltage (˜-5 V) to the gate G as shown in Fig. 32B and emitting electrons from the charge storage layers 4a and 4b using the FN current. When the gate G is shared by a plurality of memory cells, electrons can be emitted from these memory cells at the same time. In this case, the source S and the drain D are the n-type semiconductor substrate 19 and coin or floating potential.

또, 도시는 하지 않았지만, 메모리셀의 독출은 소스(S)와 드레인(D) 사이를 흐르는 독출전류를 검지함으로써 행해진다. 전하축적층(4a,4b)의 축적상태에 따라 소스영역, 드레인영역 근방의 전류전달특성(채널 콘덕턴스)이 변조되는 것을 이용하는 것이다. 소스(S), 드레인(D)의 어느 쪽에 바이어스하는가는 전류전달특성의 변조가 현저하게 나타나는 쪽을 선택하면 좋다. 전하축적층(4a,4b)의 4가지의 축적상태에 따라 4개의 다른 전류전달특성이 얻어지고, 그에 따라 1개의 셀에서 2비트분의 정보를 기억할 수 있다.Although not shown, reading of the memory cell is performed by detecting a read current flowing between the source S and the drain D. FIG. The current transfer characteristic (channel conductance) in the vicinity of the source region and the drain region is modulated in accordance with the accumulation state of the charge accumulation layers 4a and 4b. Which one of the source S and the drain D is biased may be selected in which the modulation of the current transfer characteristic is remarkable. Four different current transfer characteristics are obtained according to the four accumulation states of the charge accumulation layers 4a and 4b, thereby storing two bits of information in one cell.

본 발명의 제13실시형태에서는, 도 33에 나타낸 바와 같이 메모리기능을 갖지 않는 통상의 MOS 트랜지스터도 실현가능하다. 왜냐하면, 이 MOS 트랜지스터에서는, 전하축적층(4)은 소스·드레인영역(10,11)상에만 배치되고, 채널영역상에는배치되어 있지 않다. 이 때문에, 이 MOS 트랜지스터의 전도특성은, 전하축적층(4)의 전하의 유지상태에 하등 영향을 받는 일은 없기 때문이다. 더욱이, 게이트전극(3)의 요부의 존재에 따라 게이트-소스·드레인간의 기생용량이 저감되어 MOS 트랜지스터의 고속동작이 가능하게 된다고 하는 유리한 점도 지니고 있다.In the thirteenth embodiment of the present invention, as shown in Fig. 33, a normal MOS transistor having no memory function can also be realized. This is because in this MOS transistor, the charge storage layer 4 is disposed only on the source and drain regions 10 and 11, but not on the channel region. For this reason, the conduction characteristic of this MOS transistor is not influenced at all by the holding state of the electric charge of the charge storage layer 4. In addition, the parasitic capacitance between the gate, the source, and the drain is reduced due to the presence of the recessed portion of the gate electrode 3, so that the high speed operation of the MOS transistor is possible.

제14실시형태Fourteenth Embodiment

다음에는 본 발명의 제14실시형태에 대해 설명한다. 이 제14실시형태는, 상기 제13실시형태에 있어서, 전하축적층(4)과 측벽 스페이서(9)를 일체화시킨 구성으로 되어 있다. 도 34는 본 발명의 제14실시형태에 따른 불휘발성 반도체 메모리의 메모리셀 구조를 나타낸 단면도이다. 이 메모리셀은 n형 MOS 트랜지스터로 구성된다. 본 발명의 제14실시형태에 따른 불휘발성 반도체 메모리의 메모리셀 구조에서는, p형 반도체기판(1)의 표면에 제1게이트절연막(13)을 매개해서 게이트전극(3)이 설치된다. 게이트전극(3)의 양단에는 요부가 설치되고, 각 요부내에는 전하축적층(4; 4a,4b)이 형성된다. 전하축적층(4)과 게이트전극(3)의 사이에는 산화막(30)이 형성되어 있다. 게이트전극(3)의 측면에는 산화막(16)을 매개해서 측벽 스페이서(9)가 설치되고, 이 측벽 스페이서(9)의 일부가 전하축적층(4)을 구성한다. 측벽 스페이서(9)의 하부의 p형 반도체기판(1)의 주면에는 채널영역에 접하는 저불순물농도의 n-형 확산층(10)과, 이 n-형 확산층(10)의 외측에 위치하는 고불순물농도의 n+형 확산층(11)이 설치된다. 제1게이트전극(3) 및 n+형 확산층(11) 각각의 표면에는 도전층(12)이 설치된다.Next, a fourteenth embodiment of the present invention will be described. In the thirteenth embodiment, in the thirteenth embodiment, the charge storage layer 4 and the sidewall spacers 9 are integrated. 34 is a sectional view showing the memory cell structure of the nonvolatile semiconductor memory according to the fourteenth embodiment of the present invention. This memory cell is composed of n-type MOS transistors. In the memory cell structure of the nonvolatile semiconductor memory according to the fourteenth embodiment of the present invention, the gate electrode 3 is provided on the surface of the p-type semiconductor substrate 1 via the first gate insulating film 13. Recesses are provided at both ends of the gate electrode 3, and charge storage layers 4 (4a, 4b) are formed in each recess. An oxide film 30 is formed between the charge storage layer 4 and the gate electrode 3. Sidewall spacers 9 are provided on the side of the gate electrode 3 via the oxide film 16, and a part of the sidewall spacers 9 constitutes the charge storage layer 4. The main surface of the p-type semiconductor substrate 1 below the sidewall spacer 9 has an n type diffusion layer 10 having a low impurity concentration in contact with the channel region and a high impurity positioned outside the n type diffusion layer 10. The concentration n + type diffusion layer 11 is provided. The conductive layer 12 is provided on the surface of each of the first gate electrode 3 and the n + type diffusion layer 11.

본 발명의 제14실시형태에서는, 측벽 스페이서(9) 및 전하축적층(4)은 CVD법에 의한 전하축적능력이 높은 실리콘질화막으로 구성하면 좋다. 실리콘질화막의 이산적인 전하포획준위에 전자를 축적함으로써, 하부 절연막의 막질에 영향을 받기 어려운 전하유지특성을 얻을 수 있기 때문이다. 또, 실리콘막, 다결정실리콘막으로 구성하면 저가로 제조할 수 있다.In the fourteenth embodiment of the present invention, the sidewall spacer 9 and the charge accumulation layer 4 may be made of a silicon nitride film having a high charge accumulation capability by the CVD method. This is because by accumulating electrons at the discrete charge trapping level of the silicon nitride film, it is possible to obtain charge holding characteristics that are hardly affected by the film quality of the lower insulating film. Moreover, if it comprises a silicon film and a polycrystalline silicon film, it can manufacture at low cost.

본 발명의 제14실시형태에서는, 상기의 제13실시형태와 마찬가지로, 도 35에 나타낸 바와 같은 통상의 MOS 트랜지스터도 실현할 수 있다. 왜냐하면, 이 MOS 트랜지스터에서는, 전하축적층(4)은 소스·드레인영역(10,11)상에만 배치되고, 채널영역상에는 배치되어 있지 않다. 이 때문에, 이 MOS 트랜지스터의 전도특성은, 전하축적층(4)의 전하의 유지상태에 하등 영향을 받는 일은 없기 때문이다. 더욱이, 게이트전극(3)의 요부의 존재에 따라 게이트-소스·드레인간의 기생용량이 저감되어 MOS 트랜지스터의 고속동작이 가능하게 된다고 하는 유리한 점도 지니고 있다.In the fourteenth embodiment of the present invention, similarly to the thirteenth embodiment, a normal MOS transistor as shown in FIG. 35 can also be realized. This is because in this MOS transistor, the charge storage layer 4 is disposed only on the source and drain regions 10 and 11, but not on the channel region. For this reason, the conduction characteristic of this MOS transistor is not influenced at all by the holding state of the electric charge of the charge storage layer 4. In addition, the parasitic capacitance between the gate, the source, and the drain is reduced due to the presence of the recessed portion of the gate electrode 3, so that the high speed operation of the MOS transistor is possible.

그 외, 본 발명은 상술한 각 실시형태에 한정되지 않고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위내에서 여러 가지로 변형하여 실시할 수 있다.In addition, this invention is not limited to each embodiment mentioned above, It can variously deform and implement within the range which does not deviate from the summary.

본 발명에 의하면, 간단한 셀구조로 복수 비트분의 정보를 기억할 수 있는 불휘발성 반도체기억장치의 구조를 제공할 수 있다.According to the present invention, a structure of a nonvolatile semiconductor memory device capable of storing a plurality of bits of information in a simple cell structure can be provided.

또, 본 발명에 의하면, 간단한 제조프로세스로 복수 비트분의 정보를 기억하는 불휘발성 반도체기억장치를 제조하는 불휘발성 반도체기억장치의 제조방법을 제공할 수 있다.Further, according to the present invention, it is possible to provide a method of manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device which manufactures a nonvolatile semiconductor memory device for storing a plurality of bits of information in a simple manufacturing process.

또, 본 발명에 의하면, 간단한 제조프로세스로 전기적으로 기록·소거가능한 불휘발성 메모리와 고속 기록·독출가능한 휘발성 메모리를 혼재한 반도체기억장치의 제조를 제공할 수 있다.In addition, according to the present invention, it is possible to provide a semiconductor memory device in which a nonvolatile memory that can be electrically written and erased and a volatile memory that can be read and read at high speed can be provided in a simple manufacturing process.

또, 본 발명에 의하면, 간단한 제조프로세스로 전기적으로 기록·소거가능한 불휘발성 메모리와 고속 기록·독출가능한 휘발성 메모리를 혼재한 반도체기억장치의 제조방법을 제공할 수 있다.According to the present invention, there can be provided a method of manufacturing a semiconductor memory device in which a nonvolatile memory that can be electrically written and erased and a volatile memory that can be read and read at high speed in a simple manufacturing process.

Claims (45)

(a) 반도체기판의 주면상에 게이트절연막을 매개해서 배치된 제1게이트전극과,(a) a first gate electrode disposed on a main surface of the semiconductor substrate via a gate insulating film; (b) 이 제1게이트전극의 양단의 측면상에 배치된 전하축적층,(b) charge storage layers disposed on side surfaces of both ends of the first gate electrode, (c) 상기 제1게이트전극의 측면상에 상기 전하축적층을 매개해서 배치된 제2게이트전극 및,(c) a second gate electrode disposed on the side surface of the first gate electrode via the charge storage layer; (d) 상기 제1게이트전극과 상기 제2게이트전극을 전기적으로 접속하는 자기정합에 의해 배치된 도전층을 포함하는 것을 특징으로 하는 불휘발성 반도체기억장치.and (d) a conductive layer arranged by self-matching to electrically connect the first gate electrode and the second gate electrode. 제1항에 있어서, 상기 전하축적층은 실리콘산화막과 실리콘질화막의 적층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 불휘발성 반도체기억장치.The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein the charge storage layer is formed by stacking a silicon oxide film and a silicon nitride film. 제1항에 있어서, 상기 전하축적층은, 제1실리콘산화막, 실리콘질화막 및 제2실리콘산화막의 3층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 불휘발성 반도체기억장치.The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein the charge storage layer is composed of three layers of a first silicon oxide film, a silicon nitride film, and a second silicon oxide film. (a) 반도체기판의 주면상에 게이트절연막을 매개해서 제1게이트전극을 형성하는 공정과,(a) forming a first gate electrode on the main surface of the semiconductor substrate through a gate insulating film; (b) 상기 제1게이트전극의 양 측면상에 전하축적층 및 제2게이트전극을 순차 형성하는 공정 및,(b) sequentially forming a charge storage layer and a second gate electrode on both side surfaces of the first gate electrode; (c) 상기 제1게이트전극과 상기 제2게이트전극을 전기적으로 접속하는 도전층을 자기정합에 의해 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 불휘발성 반도체기억장치의 제조방법.and (c) forming a conductive layer which electrically connects the first gate electrode and the second gate electrode by self-alignment. (a) 반도체기판의 주면상에 배치된 제1, 제2 및 제3절연막으로 이루어진 게이트절연막과,(a) a gate insulating film composed of first, second and third insulating films disposed on a main surface of the semiconductor substrate, (b) 상기 제2절연막의 양 단부에 배치된 실리콘질화막으로 이루어진 전하축적층 및,(b) a charge storage layer comprising silicon nitride films disposed at both ends of the second insulating film; (c) 상기 게이트절연막상에 배치된 게이트전극을 구비하고,(c) a gate electrode disposed on the gate insulating film, 상기 제1 및 제3절연막의 에칭속도와 상기 제2절연막의 에칭속도가 다른 것을 특징으로 하는 불휘발성 반도체기억장치.A nonvolatile semiconductor memory device, characterized in that the etching rates of the first and third insulating films are different from the etching rates of the second insulating films. 삭제delete 삭제delete (a) 반도체기판의 주면상에 제1, 제2 및 제3절연막을 순차 형성하고, 이들 제1, 제2 및 제3절연막으로 이루어진 게이트절연막을 형성하는 공정과,(a) a step of sequentially forming first, second and third insulating films on the main surface of the semiconductor substrate, and forming a gate insulating film composed of these first, second and third insulating films; (b) 이 게이트절연막의 상부에 게이트전극 구성재료를 퇴적한 후, 이 게이트전극 구성재료 및 게이트절연막을 패터닝함으로써 게이트전극을 형성하는 공정,(b) forming a gate electrode by depositing a gate electrode constituent material on the gate insulating film, and then patterning the gate electrode constituent material and the gate insulating film; (c) 상기 제2절연막의 양 단부를 선택적으로 제거하여 공간을 형성하는 공정 및,(c) forming a space by selectively removing both ends of the second insulating film; (d) 그 공간에 전하축적층을 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 불휘발성 반도체기억장치의 제조방법.(d) A method of manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device, comprising: forming a charge storage layer in a space thereof. 제8항에 있어서, 상기 공간형성공정은, 상기 제1 및 제3절연막과 상기 제2절연막의 에칭속도차를 이용하여 상기 제2절연막만을 선택적으로 에칭하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 불휘발성 반도체기억장치의 제조방법.The method of claim 8, wherein the space forming step includes a step of selectively etching only the second insulating layer using a difference in etching rates between the first and third insulating layers and the second insulating layer. Method of manufacturing a semiconductor memory device. 제8항에 있어서, 상기 전하축적층 형성공정은, 상기 게이트전극을 피복하도록 전하축적층 구성재료를 퇴적하는 공정과, 이 전하축적층 구성재료를 이방성 에칭하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 불휘발성 반도체기억장치의 제조방법.The method of claim 8, wherein the charge accumulation layer forming step includes a step of depositing a charge accumulation layer constituent material to cover the gate electrode, and an anisotropic etching of the charge accumulation layer constituent material. Method of manufacturing volatile semiconductor memory device. (a) 불휘발성 반도체기억장치로, (ⅰ) 반도체기판의 주면상에 배치된 제1하부절연막과, (ⅱ) 이 제1하부절연막의 중앙의 상부에 배치된 제1중간절연막, (ⅲ) 상기 제1하부절연막의 양 단부의 상부에 배치된 제1전하축적층, (ⅳ) 상기 제1중간절연막 및 제1전하축적층의 상부에 배치된 제1상부절연막 및, (ⅴ) 이 제1상부절연막의 상부에 배치된 제1게이트전극을 포함하는 불휘발성 반도체기억장치와,(a) a nonvolatile semiconductor memory device comprising: (i) a first lower insulating film disposed on a main surface of a semiconductor substrate; and (ii) a first intermediate insulating film disposed on an upper portion of the center of the first lower insulating film. A first charge storage layer disposed over both ends of the first lower insulating film, (i) a first upper insulating film disposed over the first intermediate insulating film and the first charge storage layer, and (v) A nonvolatile semiconductor memory device including a first gate electrode disposed on an upper insulating layer; (b) 휘발성 반도체기억장치로, (ⅰ) 상기 제1중간절연막과 동일 재료로 이루어지고, 상기 반도체기판의 주면상에 배치된 제2하부절연막과, (ⅱ) 상기 반도체기판의 주면상에 또한 상기 제2하부절연막의 양단에 배치된 극박(極薄)절연막, (ⅲ) 이 극박절연막의 상부에 배치된 상기 제1전하축적층과 동일 재료로 이루어진 제2전하축적층, (ⅳ) 상기 제2하부절연막 및 제2전하축적층의 상부에 배치된 상기 제1상부절연막과 동일 재료로 이루어진 제2상부절연막 및, (ⅴ) 이 제2상부절연막의 상부에 배치된 제2게이트전극을 포함하는 휘발성 반도체기억장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체기억장치.(b) a volatile semiconductor memory device comprising (i) a second lower insulating film made of the same material as the first intermediate insulating film and disposed on the main surface of the semiconductor substrate, and (ii) on the main surface of the semiconductor substrate. An ultra-thin insulating film disposed on both ends of the second lower insulating film, a second charge storage layer made of the same material as the first charge storage layer disposed on the ultra-thin insulating film, and A second upper insulating film made of the same material as the first upper insulating film disposed on the second lower insulating film and the second charge storage layer, and (iii) a second gate electrode disposed on the second upper insulating film. And a volatile semiconductor memory device. 제11항에 있어서, 상기 제1하부절연막 및 제1상부절연막의 에칭속도와 상기 제1중간절연막의 에칭속도가 다르고, 상기 제2하부절연막의 에칭속도와 상기 제2상부절연막의 에칭속도가 다른 것을 특징으로 하는 반도체기억장치.12. The method of claim 11, wherein the etching rate of the first lower insulating film and the first upper insulating film is different from that of the first intermediate insulating film, and the etching rate of the second lower insulating film is different from that of the second upper insulating film. A semiconductor memory device, characterized in that. 제11항에 있어서, 상기 제1 및 제2전하축적층은 실리콘질화막으로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체기억장치.12. The semiconductor memory device according to claim 11, wherein the first and second charge storage layers are formed of a silicon nitride film. 제11항에 있어서, 상기 극박절연막은 직접 터널링현상을 일으키는 것이 가능한 막두께를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체기억장치.12. The semiconductor memory device according to claim 11, wherein the ultrathin insulating film has a film thickness capable of directly causing tunneling. (a) 불휘발성 반도체기억장치로, (ⅰ) 반도체기판의 주면상에 배치된 제1하부절연막과, (ⅱ) 이 제1하부절연막의 중앙의 상부에 배치된 제1중간절연막, (ⅲ) 상기 제1하부절연막의 양 단부의 상부에 배치된 제1전하축적층, (ⅳ) 상기 제1중간절연막 및 제1전하축적층의 상부에 배치된 제1상부절연막 및, (ⅴ) 이 제1상부절연막의 상부에 배치된 제1게이트전극을 포함하는 불휘발성 반도체기억장치와,(a) a nonvolatile semiconductor memory device comprising: (i) a first lower insulating film disposed on a main surface of a semiconductor substrate; and (ii) a first intermediate insulating film disposed on an upper portion of the center of the first lower insulating film. A first charge storage layer disposed over both ends of the first lower insulating film, (i) a first upper insulating film disposed over the first intermediate insulating film and the first charge storage layer, and (v) A nonvolatile semiconductor memory device including a first gate electrode disposed on an upper insulating layer; (b) 휘발성 반도체기억장치로, (ⅰ) 상기 반도체기판의 주면상에 배치된 극박절연막과, (ⅱ) 이 극박절연막상에 배치된 상기 제1전하축적층과 동일 재료로 이루어진 제2전하축적층, (ⅲ) 이 제2전하축적층상에 배치된 제2상부절연막 및, (ⅳ) 이 제2상부절연막상에 배치된 제2게이트전극을 포함하는 휘발성 반도체기억장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체기억장치.(b) a volatile semiconductor memory device comprising: (i) an ultrathin insulating film disposed on the main surface of the semiconductor substrate; and (ii) a second charge accumulation layer made of the same material as the first charge accumulation layer disposed on the ultrathin insulating film. A volatile semiconductor memory device comprising a layer, (i) a second upper insulating film disposed on a second charge storage layer, and (iii) a second gate electrode disposed on a second upper insulating film. Semiconductor memory device. 제15항에 있어서, 상기 제1하부절연막 및 제1상부절연막의 에칭속도와 상기 제1중간절연막의 에칭속도가 다른 것을 특징으로 하는 반도체기억장치.The semiconductor memory device according to claim 15, wherein an etching rate of the first lower insulating layer and the first upper insulating layer is different from an etching rate of the first intermediate insulating layer. 제15항에 있어서, 상기 제1 및 제2전하축적층은 실리콘질화막으로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체기억장치.16. The semiconductor memory device according to claim 15, wherein the first and second charge storage layers are made of a silicon nitride film. 제15항에 있어서, 상기 극박절연막은 직접 터널링현상을 일으키는 것이 가능한 막두께를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체기억장치.16. The semiconductor memory device according to claim 15, wherein the ultrathin insulating film has a film thickness capable of directly causing tunneling. (a) 반도체기판의 주면상에 배치된 하부절연막과,(a) a lower insulating film disposed on the main surface of the semiconductor substrate, (b) 상기 반도체기판의 주면상에 또한 상기 하부절연막의 양단에 배치된 극박절연막,(b) an ultrathin insulating film disposed on the main surface of the semiconductor substrate and on both ends of the lower insulating film, (c) 이 극박절연막의 상부에 배치된 전하축적층,(c) a charge storage layer disposed on the ultrathin insulating film, (d) 상기 하부절연막 및 전하축적층의 상부에 배치된 상부절연막 및,(d) an upper insulating film disposed over the lower insulating film and the charge storage layer, (e) 이 상부절연막의 상부에 배치된 게이트전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 휘발성 반도체기억장치.(e) a volatile semiconductor memory device comprising a gate electrode disposed over the upper insulating film. (a) 반도체기판의 주면상에 배치된 직접 터널링현상을 일으키는 것이 가능한 막두께를 갖는 극박절연막과,(a) an ultrathin insulating film having a film thickness capable of causing direct tunneling phenomenon disposed on a main surface of a semiconductor substrate; (b) 이 극박절연막상의 양단에 배치된 전하축적층,(b) charge storage layers disposed on both ends of the ultrathin insulating film; (c) 이 전하축적층상에 배치된 상부절연막 및,(c) an upper insulating film disposed on the charge storage layer, (d) 이 상부절연막상에 배치된 게이트전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 휘발성 반도체기억장치.and (d) a gate electrode disposed on the upper insulating film. (a) 반도체기판의 주면상의 일부에 제1절연막을 형성하는 공정과,(a) forming a first insulating film on a part of the main surface of the semiconductor substrate; (b) 이 제1절연막의 상부 및 상기 반도체기판의 주면의 일부 이외에 제2 및 제3절연막을 순차 형성하는 공정,(b) sequentially forming second and third insulating films on top of the first insulating film and a part of the main surface of the semiconductor substrate; (c) 이 제3절연막의 상부에 게이트전극 구성재료를 퇴적하는 공정,(c) depositing a gate electrode constituent material on top of this third insulating film; (d) 이 게이트전극 구성재료, 상기 제3절연막, 상기 제2절연막 및 상기 제1절연막을 패터닝함으로써 제1게이트전극을 형성하는 공정,(d) forming a first gate electrode by patterning the gate electrode constituent material, the third insulating film, the second insulating film and the first insulating film, (e) 상기 게이트전극 구성재료, 상기 제3절연막 및 상기 제2절연막을 패터닝함으로써 제2게이트전극 구성재료를 형성하는 공정,(e) forming a second gate electrode constituent material by patterning the gate electrode constituent material, the third insulating film and the second insulating film, (f) 상기 제1 및 제2게이트전극의 양쪽의 제2절연막의 양 단부를 선택적으로 제거하여 공간을 형성하는 공정 및,(f) forming a space by selectively removing both ends of the second insulating film on both sides of the first and second gate electrodes; (g) 그 공간에 전하축적층을 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체기억장치의 제조방법.(g) forming a charge storage layer in the space. 제21항에 있어서, 상기 공간형성공정은, 상기 제1 및 제3절연막과 상기 제2절연막의 에칭속도차를 이용하여 상기 제2절연막만을 선택적으로 에칭하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체기억장치의 제조방법.22. The semiconductor memory according to claim 21, wherein the space forming step includes a step of selectively etching only the second insulating film by using a difference in etching rates between the first and third insulating films and the second insulating film. Method of manufacturing the device. 제21항에 있어서, 상기 전하축적층 형성공정은, 상기 제1 및 제2게이트전극을 피복하도록 전하축적층 구성재료를 퇴적하는 공정과, 이 전하축적층 구성재료를 이방성 에칭하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체기억장치의 제조방법.22. The method of claim 21, wherein the charge accumulation layer forming step includes depositing a charge accumulation layer constituent material to cover the first and second gate electrodes, and anisotropically etching the charge accumulation layer constituent material. A method of manufacturing a semiconductor memory device, characterized in that. (a) 반도체기판의 주면상에 제1, 제2 및 제3절연막을 순차 형성하는 공정과,(a) sequentially forming first, second and third insulating films on the main surface of the semiconductor substrate; (b) 상기 제3절연막의 상부에 제1게이트전극 구성재료를 퇴적한 후, 이 제1게이트전극 구성재료, 상기 제3절연막, 상기 제2절연막 및 상기 제1절연막을 패터닝함으로써 제1게이트전극을 형성하는 공정,(b) after depositing a first gate electrode constituent material on the third insulating film, patterning the first gate electrode constituent material, the third insulating film, the second insulating film, and the first insulating film to form a first gate electrode. Forming process, (c) 상기 제1게이트전극 형성공정과 동시에 행해지는 공정으로, 상기 반도체기판의 주면의 일부에 상기 게이트전극 구성재료, 상기 제3절연막, 상기 제2절연막 및 상기 제1절연막을 제거함으로써 제2게이트전극을 형성하기 위한 영역을 형성하는 공정,(c) a step performed simultaneously with the first gate electrode forming step, wherein the gate electrode constituent material, the third insulating film, the second insulating film, and the first insulating film are removed from a part of the main surface of the semiconductor substrate. Forming a region for forming a gate electrode, (d) 상기 제1게이트전극의 제2절연막의 양 단부를 선택적으로 제거하여 공간을 형성하는 공정,(d) selectively removing both ends of the second insulating film of the first gate electrode to form a space; (e) 상기 반도체기판의 주면상에 극박절연막을 형성하는 공정,(e) forming an ultrathin insulating film on the main surface of the semiconductor substrate, (f) 상기 반도체기판의 주면상에 전하축적층을 구성하는 재료를 퇴적한 후, 이 전하축적층 구성재료를 이방성 에칭함으로써 상기 제1게이트전극의 공간에 전하축적층을 형성하는 공정 및,(f) forming a charge storage layer in the space of the first gate electrode by anisotropically etching the charge storage layer constituting material after depositing a material constituting the charge storage layer on the main surface of the semiconductor substrate; (g) 상기 반도체기판의 주면상에 제4절연막 및 제2게이트전극 구성재료를 퇴적한 후, 이 제2게이트전극 구성재료, 상기 제4절연막, 상기 전하축적층 구성재료 및 극박절연막을 패터닝함으로써 제2게이트전극을 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체기억장치의 제조방법.(g) depositing a fourth insulating film and a second gate electrode constituent material on the main surface of the semiconductor substrate, and then patterning the second gate electrode constituent material, the fourth insulating film, the charge accumulation layer constituent material, and an ultrathin insulating film. A method of manufacturing a semiconductor memory device comprising the step of forming a second gate electrode. (a) 반도체기판의 주면상에 배치된 철(凸)부와,(a) an iron portion disposed on the main surface of the semiconductor substrate, (b) 이 철부를 포함하는 상기 반도체기판의 주면상에 배치된 제1, 제2 및 제3절연막으로 이루어진 게이트절연막,(b) a gate insulating film composed of first, second and third insulating films disposed on a main surface of the semiconductor substrate including the convex portion, (c) 상기 제2절연막의 양 단부에 배치된 전하축적층 및,(c) charge storage layers disposed at both ends of the second insulating film; (d) 상기 게이트절연막상에 배치된 게이트전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 불휘발성 반도체기억장치.and (d) a gate electrode arranged on the gate insulating film. 제25항에 있어서, 상기 전하축적층은 실리콘질화막으로 이루어진 것을 특징으로 하는 불휘발성 반도체기억장치.27. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 25, wherein the charge storage layer is formed of a silicon nitride film. 제25항에 있어서, 상기 제1 및 제3절연막의 에칭속도와 상기 제2절연막의 에칭속도가 다른 것을 특징으로 하는 불휘발성 반도체기억장치.27. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 25, wherein the etching rates of the first and third insulating films are different from the etching rates of the second insulating films. (a) 반도체기판의 주면상에 철부를 형성하는 공정과,(a) forming a convex portion on the main surface of the semiconductor substrate; (b) 이 철부를 포함하는 상기 반도체기판의 주면상에 제1, 제2 및 제3절연막을 순차 형성하고, 이들 제1, 제2 및 제3절연막으로 이루어진 게이트절연막을 형성하는 공정,(b) a step of sequentially forming first, second and third insulating films on the main surface of the semiconductor substrate including the convex portions, and forming a gate insulating film composed of these first, second and third insulating films; (c) 이 게이트절연막의 상부에 게이트전극 구성재료를 퇴적한 후, 이 게이트전극 구성재료 및 게이트절연막을 패터닝함으로써 게이트전극을 형성하는 공정,(c) forming a gate electrode by depositing a gate electrode constituent material on the gate insulating film, and then patterning the gate electrode constituent material and the gate insulating film; (d) 상기 제2절연막의 양 단부를 선택적으로 제거하여 공간을 형성하는 공정 및,(d) selectively removing both ends of the second insulating film to form a space; (e) 그 공간에 전하축적층을 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 불휘발성 반도체기억장치의 제조방법.(e) A method of manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device comprising the step of forming a charge storage layer in a space thereof. 제28항에 있어서, 상기 공간형성공정은, 상기 제1 및 제3절연막과 상기 제2절연막의 에칭속도차를 이용하여 상기 제2절연막만을 선택적으로 에칭하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 불휘발성 반도체기억장치의 제조방법.29. The nonvolatile method as claimed in claim 28, wherein the space forming step includes a step of selectively etching only the second insulating film using a difference in etching rates between the first and third insulating films and the second insulating film. Method of manufacturing a semiconductor memory device. 제28항에 있어서, 상기 전하축적층 형성공정은, 상기 게이트전극을 피복하도록 전하축적층 구성재료를 퇴적하는 공정과, 이 전하축적층 구성재료를 이방성 에칭하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 불휘발성 반도체기억장치의 제조방법.29. The method of claim 28, wherein the charge accumulation layer forming step includes depositing a charge accumulation layer constituent material to cover the gate electrode, and anisotropic etching the charge accumulation layer constituent material. Method of manufacturing volatile semiconductor memory device. (a) 반도체기판의 주면상에 배치된 철부와,(a) a convex portion disposed on the main surface of the semiconductor substrate, (b) 이 철부를 포함하는 상기 반도체기판의 주면상에 배치된 제1 및 제2절연막으로 이루어진 게이트절연막,(b) a gate insulating film composed of first and second insulating films disposed on a main surface of the semiconductor substrate including the convex portion; (c) 상기 제1 및 제2절연막의 사이에 배치된 전하축적층 및,(c) a charge storage layer disposed between the first and second insulating films; (d) 상기 게이트절연막상에 배치된 게이트전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 불휘발성 반도체기억장치.and (d) a gate electrode arranged on the gate insulating film. 제31항에 있어서, 상기 전하축적층은 실리콘질화막으로 이루어진 것을 특징으로 하는 불휘발성 반도체기억장치.32. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 31, wherein the charge storage layer is formed of a silicon nitride film. (a) 반도체기판의 주면상에 철부를 형성하는 공정과,(a) forming a convex portion on the main surface of the semiconductor substrate; (b) 이 철부를 포함하는 상기 반도체기판의 주면상에 제1절연막, 전하축적층 구성재료 및 제3절연막을 순차 형성하는 공정 및,(b) sequentially forming a first insulating film, a charge accumulation layer constituent material, and a third insulating film on the main surface of the semiconductor substrate including the iron portions; (c) 상기 제1절연막, 전하축적층 구성재료 및 제3절연막을 패터닝함으로써 게이트전극을 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 불휘발성 반도체기억장치의 제조방법.(c) forming a gate electrode by patterning the first insulating film, the charge accumulation layer constituent material, and the third insulating film. (a) 반도체기판의 주면상에 배치된 요(凹)부와,(a) a concave portion disposed on the main surface of the semiconductor substrate, (b) 이 요부를 포함하는 상기 반도체기판의 주면상에 배치된 제1, 제2 및 제3절연막으로 이루어진 게이트절연막,(b) a gate insulating film composed of first, second and third insulating films disposed on the main surface of the semiconductor substrate including the recessed portions, (c) 상기 제2절연막의 양 단부에 배치된 전하축적층 및,(c) charge storage layers disposed at both ends of the second insulating film; (d) 상기 게이트절연막상에 배치된 게이트전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 불휘발성 반도체기억장치.and (d) a gate electrode arranged on the gate insulating film. 제34항에 있어서, 상기 전하축적층은 실리콘질화막으로 이루어진 것을 특징으로 하는 불휘발성 반도체기억장치.35. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 34, wherein the charge storage layer is formed of a silicon nitride film. 제34항에 있어서, 상기 제1 및 제3절연막의 에칭속도와 상기 제2절연막의 에칭속도가 다른 것을 특징으로 하는 불휘발성 반도체기억장치.35. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 34, wherein the etching rates of the first and third insulating films are different from the etching rates of the second insulating films. (a) 반도체기판의 주면상에 요부를 형성하는 공정과,(a) forming recesses on the main surface of the semiconductor substrate; (b) 이 요부를 포함하는 상기 반도체기판의 주면상에 제1, 제2 및 제3절연막을 순차 형성하고, 이들 제1, 제2 및 제3절연막으로 이루어진 게이트절연막을 형성하는 공정,(b) a step of sequentially forming first, second and third insulating films on the main surface of the semiconductor substrate including this recessed portion, and forming a gate insulating film composed of these first, second and third insulating films; (c) 이 게이트절연막의 상부에 게이트전극 구성재료를 퇴적한 후, 이 게이트전극 구성재료 및 게이트절연막을 패터닝함으로써 게이트전극을 형성하는 공정,(c) forming a gate electrode by depositing a gate electrode constituent material on the gate insulating film, and then patterning the gate electrode constituent material and the gate insulating film; (d) 상기 제2절연막의 양 단부를 선택적으로 제거하여 공간을 형성하는 공정 및,(d) selectively removing both ends of the second insulating film to form a space; (e) 그 공간에 전하축적층을 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 불휘발성 반도체기억장치의 제조방법.(e) A method of manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device comprising the step of forming a charge storage layer in a space thereof. 제37항에 있어서, 상기 공간형성공정은, 상기 제1 및 제3절연막과 상기 제2절연막의 에칭속도차를 이용하여 상기 제2절연막만을 선택적으로 에칭하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 불휘발성 반도체기억장치의 제조방법.38. The nonvolatile method according to claim 37, wherein the space forming step includes a step of selectively etching only the second insulating film by using a difference in etching rates between the first and third insulating films and the second insulating film. Method of manufacturing a semiconductor memory device. 제37항에 있어서, 상기 전하축적층 형성공정은, 상기 게이트전극을 피복하도록 전하축적층 구성재료를 퇴적하는 공정과, 이 전하축적층 구성재료를 이방성 에칭하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 불휘발성 반도체기억장치의 제조방법.38. The method of claim 37, wherein the charge accumulation layer forming step includes depositing a charge accumulation layer constituent material so as to cover the gate electrode, and anisotropic etching the charge accumulation layer constituent material. Method of manufacturing volatile semiconductor memory device. (a) 반도체기판의 주면상에 배치된 요부와,(a) a recess disposed on the main surface of the semiconductor substrate, (b) 이 요부를 포함하는 상기 반도체기판의 주면상에 배치된 제1 및 제2절연막으로 이루어진 게이트절연막,(b) a gate insulating film composed of first and second insulating films disposed on a main surface of the semiconductor substrate including the recessed portion, (c) 상기 제1 및 제2절연막의 사이에 배치된 전하축적층 및,(c) a charge storage layer disposed between the first and second insulating films; (d) 상기 게이트절연막상에 배치된 게이트전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 불휘발성 반도체기억장치.and (d) a gate electrode arranged on the gate insulating film. (a) 반도체기판의 주면상에 요부를 형성하는 공정과,(a) forming recesses on the main surface of the semiconductor substrate; (b) 이 요부를 포함하는 상기 반도체기판의 주면상에 제1절연막, 전하축적층구성재료 및 제3절연막을 순차 형성하는 공정 및,(b) sequentially forming a first insulating film, a charge storage layer forming material, and a third insulating film on the main surface of the semiconductor substrate including the recesses; (c) 상기 제1절연막, 전하축적층 구성재료 및 제3절연막을 패터닝함으로써 게이트전극을 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 불휘발성 반도체기억장치의 제조방법.(c) forming a gate electrode by patterning the first insulating film, the charge accumulation layer constituent material, and the third insulating film. (a) 반도체기판의 주면상에 요부를 형성하는 공정과,(a) forming recesses on the main surface of the semiconductor substrate; (b) 이 요부를 포함하는 상기 반도체기판의 주면상에 제1, 제2 및 제3절연막을 순차 형성하고, 이들 제1, 제2 및 제3절연막으로 이루어진 게이트절연막을 형성하는 공정,(b) a step of sequentially forming first, second and third insulating films on the main surface of the semiconductor substrate including this recessed portion, and forming a gate insulating film composed of these first, second and third insulating films; (c) 이 게이트절연막의 상부에 게이트전극 구성재료를 퇴적한 후, 이 게이트전극 구성재료를 화학적 기계적 연마방법으로 제거함으로써 상기 요부에 매립된 게이트전극을 형성하는 공정,(c) depositing a gate electrode component on top of the gate insulating film, and then removing the gate electrode component by chemical mechanical polishing to form a gate electrode embedded in the recess; (d) 상기 제2절연막의 양 단부를 선택적으로 제거하여 공간을 형성하는 공정 및,(d) selectively removing both ends of the second insulating film to form a space; (e) 그 공간에 전하축적층을 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 불휘발성 반도체기억장치의 제조방법.(e) A method of manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device comprising the step of forming a charge storage layer in a space thereof. (a) 반도체기판의 주면상에 요부를 형성하는 공정과,(a) forming recesses on the main surface of the semiconductor substrate; (b) 이 요부를 포함하는 상기 반도체기판의 주면상에 제1절연막, 전하축적층 구성재료 및 제3절연막을 순차 형성하는 공정 및,(b) a step of sequentially forming a first insulating film, a charge storage layer constituent material, and a third insulating film on the main surface of the semiconductor substrate including this recess; (c) 이 제3절연막의 상부에 게이트전극 구성재료를 퇴적한 후, 이 게이트전극 구성재료를 화학적 기계적 연마방법으로 제거함으로써 상기 요부에 매립된 게이트전극을 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 불휘발성 반도체기억장치의 제조방법.(c) depositing a gate electrode component on top of the third insulating film, and then removing the gate electrode component by chemical mechanical polishing to form a gate electrode embedded in the recess. Method for manufacturing nonvolatile semiconductor memory device. (a) 반도체기판의 주면상에 게이트절연막을 매개해서 배치된 게이트전극과,(a) a gate electrode arranged on the main surface of the semiconductor substrate via a gate insulating film; (b) 이 게이트전극의 단부에 배치된 요부 및,(b) a recess disposed at an end of the gate electrode, (c) 이 요부에 절연막을 매개해서 배치된 전하축적층을 포함하고,(c) the recess includes a charge storage layer disposed through an insulating film, 상기 전하축적층은 채널영역 및 소스·드레인영역의 양쪽의 상부에 배치되는 것을 특징으로 하는 불휘발성 반도체기억장치.And the charge storage layer is disposed above both the channel region and the source and drain regions. 제44항에 있어서, 상기 전하축적층은 상기 게이트전극의 측면에 배치되는 측벽과 일체화되어 있는 것을 특징으로 하는 불휘발성 반도체기억장치.45. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 44, wherein the charge storage layer is integrated with sidewalls arranged on the side surfaces of the gate electrode.
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