WO2001037347A1 - Non-volatile semiconductor memory location and method for producing the same - Google Patents

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WO2001037347A1
WO2001037347A1 PCT/DE2000/003990 DE0003990W WO0137347A1 WO 2001037347 A1 WO2001037347 A1 WO 2001037347A1 DE 0003990 W DE0003990 W DE 0003990W WO 0137347 A1 WO0137347 A1 WO 0137347A1
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layer
charge
semiconductor memory
storing
memory cell
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PCT/DE2000/003990
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Christoph Ludwig
Christoph Kutter
Peter Wawer
Elard Stein Von Kamienski
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Infineon Technologies Ag
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    • H01L29/40Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor
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    • H01L29/772Field effect transistors
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    • H01L29/792Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate with charge trapping gate insulator, e.g. MNOS-memory transistors
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10BELECTRONIC MEMORY DEVICES
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    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10BELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B43/00EEPROM devices comprising charge-trapping gate insulators
    • H10B43/30EEPROM devices comprising charge-trapping gate insulators characterised by the memory core region
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    • H10BELECTRONIC MEMORY DEVICES
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Definitions

  • Non-volatile semiconductor memory cell and method for its production
  • the present invention relates to a non-volatile semiconductor memory cell and a method for its production, and in particular to EPROM, EEPROM and FLASH-EPROM memory cells with improved temperature properties.
  • Non-volatile semiconductor memory cells such as those used in EPROM, EEPROM and FLASH-EPROM memories, usually consist of a semiconductor substrate, an insulating tunnel oxide layer, a conductive floating gate layer, an insulating dielectric layer and a conductive control layer.
  • a semiconductor substrate usually consist of a semiconductor substrate, an insulating tunnel oxide layer, a conductive floating gate layer, an insulating dielectric layer and a conductive control layer.
  • charges are introduced into the floating gate layer from a channel region formed in the semiconductor substrate via the tunnel oxide layer.
  • Methods for introducing the charges into the floating gate layer are, for example, injection of hot charge carriers, channel injection and Fowler-Nordheim tunnels.
  • FIG. 1 shows a simplified representation of a band model for such a conventional SONOS semiconductor memory cell structure, as described, for example, by the literature reference “A novel SONOS structure for nonvolatile me ories with improved data retention”, H. Reisinger et al, Symposium on VLSI Technology Digest of Technical Papers, 1997, pages 113 and 114.
  • an SiO 2 layer 3, an Si 3 N layer 4 and an SiO 2 layer 5 are formed on an Si semiconductor substrate 1 and then sweptd a polysilicon control layer 6 deposited.
  • the charges to be stored are preferably brought into the S 3 O 4 layer 3 by means of injection of hot charge carriers, channel injection or Fowler-Nordheim tunnels and the S 3 N 4 layer 4 and stored there, as a result of which a switching behavior of a in the semiconductor substrate 1 trained field effect transistor is affected.
  • a disadvantage of such a conventional SONOS semiconductor memory cell structure is the insufficient temperature properties. In particular at temperatures greater than 80 degrees Celsius, the charge holding properties of the Si 3 N 4 layer 4 deteriorate dramatically, which leads to loss of information. To prevent such temperature phenomena, the thickness of the oxide layers 3 and 5 is usually increased, disadvantageously increasing the write / read voltages for the non-volatile semiconductor memory cell.
  • FIG. 2 shows a simplified representation of the band model of a SONOS memory cell structure after application of a read / write voltage Uo.
  • the voltage value of such a read / write voltage U 0 is, for example, 8 V, this voltage present between semiconductor substrate 1 and control layer 6 being the individual voltages Ui and U 3 for the oxide layers and U 2 for the S 3 N layer 4 split.
  • the S 3 N 4 used as the charge-storing layer there is a further disadvantage in that, due to the low relative dielectric constant E r of approx V caused. This reduces the voltage drop occurring at the oxide layers, which is why higher write / read voltages must be used overall.
  • the charge storage layer being made of an electrically conductive material and special oxide layers being formed in order to improve the temperature properties. Due to the use of a conductive material for the charge-storing layer, a voltage drop when a read / write voltage is applied across the charge-storing layer can be reduced, the data retention capability and the durability of the nonvolatile memory cell even at elevated operating temperatures through the use of the special additional oxide layers is guaranteed.
  • the complex manufacturing process and the relatively high layer thicknesses between the charge-storing layer and the control layer are disadvantageous here.
  • the invention is therefore based on the object of providing a non-volatile semiconductor memory cell and an associated production method in which data retention and durability are reliably ensured, in particular at high operating temperatures, and programming with relatively low write / read voltages is realized can.
  • a non-volatile semiconductor memory cell which has sufficient charge retention and durability even at high operating temperatures.
  • Layer with a relative dielectric constant E r > 10 is also the voltage drop within the charge storage layer negligible compared to the voltage drop across the oxide, so that the programming voltage required for writing / reading is minimal.
  • the charge-storing layer preferably has a microcrystalline structure, as a result of which the charge-holding properties are further improved.
  • a further improvement in the charge holding properties results from the additional use of Si 3 N layers on the surfaces of the charge-storing layer.
  • FIG. 1 shows a simplified representation of a band model of a conventional SONOS structure
  • FIG. 2 shows a simplified illustration of the band model of the conventional SONOS structure when a write / read voltage is applied
  • FIG. 3 shows a simplified representation of a band model of a semiconductor memory cell according to a first exemplary embodiment
  • FIG. 4 shows a simplified representation of a band model of a semiconductor memory cell according to a second exemplary embodiment
  • FIG. 5 shows a simplified illustration of the band model of the semiconductor memory cell according to the first exemplary embodiment when a write / read voltage is applied.
  • FIG. 6a to 6e show perspective views of the semiconductor memory cell according to the first exemplary embodiment in respective manufacturing steps.
  • FIG. 3 shows a simplified representation of a band model of a semiconductor memory cell according to a first exemplary embodiment.
  • FIG. 6E shows an associated perspective illustration of the semiconductor memory cell according to the first exemplary embodiment, active areas being formed in a semiconductor substrate 1 by forming a shallow trench isolation 2 (shallow trench isolation, STI).
  • a first insulating layer 3 is formed on the surface of the semiconductor substrate 1 and has a relatively high band gap as a tunnel oxide layer and preferably consists of Si0 2 . 3 or 6E, a dielectric with a band gap Eg ⁇ 5 eV is used as the charge-storing layer 4, preferably titanium oxide and / or tungsten oxide with a band gap of approximately 3 eV being used.
  • the charge-storing layer 4 is completely surrounded by a second insulating layer 5, which in turn preferably consists of Si0 2 .
  • a control layer 6 on the one described above
  • control layer 6 preferably consists of polysilicon and is used to control the field effect transistor structure formed in this way.
  • the temperature properties of the semiconductor memory cell according to the invention are greatly improved since, in relative terms, the free electrons in the charge-storing layer 4 have a substantially higher energy barrier, i. H. must overcome first insulating layer 3 or second insulating layer 5.
  • the energy barriers of the first and second insulating layers 3 and 5 are therefore only overcome by thermal excitation at substantially higher temperatures, which results in the improved temperature sensitivity of the semiconductor memory cell.
  • FIG. 4 shows a simplified representation of a band model of a semiconductor memory cell in accordance with a second exemplary embodiment, wherein in addition to the charge-storing layer 4 consisting of a dielectric with a small band gap, S 3 N 4 layers are formed for the first and second insulating layers 3 and 5.
  • the S 3 N 4 layer 7a is located between the S 2 layer 3 and the charge-storing layer 4, which prevents charge retention in the first insulating layer 3 and improves charge retention in the event of a damaged insulation layer.
  • a further S 3 N layer can be formed on the surface of the second insulating layer 5, which in turn prevents charges from remaining in the second insulating layer 5 and improves the charge retention of the charge-storing layer 4 to the adjacent control layer 6 hm.
  • the charge-holding properties of the semiconductor memory cell according to the invention are further improved while the temperature properties remain the same.
  • FIG. 5 shows a simplified representation of the band model of the semiconductor memory cell according to the first exemplary embodiment when a programming voltage U 0 is applied .
  • the charge-storing layer 4 is formed with a microcrystalline structure and consists, as it were, of a large number of individual blocks.
  • the charge holding properties for storing introduced charges are thereby further improved, in particular a charge loss due to faults or defects in the insulating layers being further limited.
  • FIGS. 6A to 6E show perspective views to illustrate the method steps for the production of a semiconductor memory cell according to the first exemplary embodiment.
  • shallow trench isolation STI process
  • the semiconductor substrate 1 preferably consists of Si, SiGe, SiC, SOI, GaAs or another II IV semiconductor.
  • the trenches exposed by the STI process are then filled with a TEOS-Si0 2 - and planarized.
  • a first insulating layer 3 is then formed on the planarized surface.
  • the first insulating layer 3 is preferably made of SiO 2 and is deposited on the surface of the semiconductor substrate 1 or produced on it by thermal oxidation.
  • a charge-storing dielectric is now on the surface of the first insulating layer 3 Strei fen slaughter 4 formed with a small band gap (Eg ⁇ 5 eV).
  • the charge-storing dielectric strip layer 4 also has a large number of longitudinal trenches Gl and can be produced in various ways.
  • the charge-storing dielectric strip layer 4 can be formed, for example, by depositing a metal layer on the first insulating layer 3. Such deposition of the metal layer is preferably carried out in a sputtering process. In a subsequent process step, an oxidation of the metal layer is then carried out, wherein when using a Ti layer, for example in oxygen plasma at approximately 200 degrees Celsius to 300 degrees Celsius or in an RTP furnace at 700 degrees Celsius, the metal layer completely into a metal oxide layer or charge storage Layer 4 is converted. Subsequent to the oxidation of the metal layer, an etching is now carried out to produce the trenches Gl, an anisotropic reactive ion etching (RIE) preferably being carried out using an oxide hard mask. Such an oxide hard mask preferably has thicknesses of approximately 100 nm and can be formed by a TEOS deposition process using Si (C 2 H 5 0 4 ). This oxide hard mask is used, for example
  • a tungsten-containing layer a pure tungsten layer, a tungsten ra nitride or a Wolfra silicide layer can be applied, which is generated with a conventional sputtering process or CVD process.
  • the tungsten-containing layer After the tungsten-containing layer has been deposited, it is converted into a metal oxide layer in the same manner as described above, the conversion taking place in an oxygen atmosphere (for example 0 2 or H 2 0) at a temperature of 500 degrees Celsius to 1200 degrees Celsius ,
  • the charge-storing dielectric strip layer 4 can also be produced by depositing a metal layer and subsequent structuring, an oxidation and thus conversion into the charge-storing strip layer taking place in a last step.
  • a production method has significant advantages, particularly in the structuring, since the respective deposited metal layers or metal-containing layers, in contrast to their oxide layers, can be etched relatively easily and the structuring is thereby greatly simplified.
  • the metal oxide layer can also be applied directly, the deposition of the metal-containing layer and the thermal oxidation of this layer being eliminated.
  • the Wolfra The oxide layer is generated, for example, by a CVD process.
  • tungsten fluoride and water in a gaseous state are led to the substrate surface as precursors:
  • this material can be particularly easily integrated into the process.
  • the structuring takes place in the same way as described above.
  • the second insulating layer 5 is then applied to the charge-storing dielectric strip layer 4, which is used as a floating gate layer, as shown in FIG. 6C.
  • an LPCVD (low pressure chemical vapor deposition) process can be used to form this second insulating layer 5.
  • an SiO 2 layer is deposited either at a temperature of 650 degrees Celsius and a pressure of 100 mTorr using 100 SCCM TEOS.
  • an SiO 2 layer can be produced at a temperature of 680 degrees Celsius and a pressure of 500 mTorr using 150 SCCM TEOS. According to FIG.
  • a conductive control layer 6 is subsequently deposited on the second insulating layer 5, which consists, for example, of polysilicon or another conductive material.
  • the control layer 6 is preferably deposited over the entire surface as a polysilicon layer with a gas mixture of S lan and H 2 at a temperature of 620 degrees Celsius.
  • control layer 6, the second insulating layer 5 and the charge-storing strip layer 4 are structured in order to form control layer tracks.
  • This is preferably anisotropic reactive ion etching (RIE), an oxide hard mask (not shown) being used.
  • RIE reactive ion etching
  • oxide hard mask preferably has a thickness of 100 nm and can be formed by a TEOS deposition process using Si (C 2 H 5 O 4 ).
  • the actual etching for forming the further trenches G2 is carried out with respect to the poly-Si for the control layer 6 with Cl 2 or HBr or a mixture of these two gases, it being possible for He and 0 2 to be added.
  • This is an anisotropic etching.
  • a mixed gas of CF 4 and 0 2 is used, the temperature being approximately 250 degrees Celsius.
  • the mixed gas is in turn excited by an HF-E coupling or a microwave excitation to form a plasma.
  • the ratio of CF 4 to 0 2 is preferably about 2% to 98%.
  • the released fluorine and the associated reaction of the metal oxide (T ⁇ 0 2 ) with the fluorine is responsible for the etching of the metal oxide layer or charge-storing dielectric strip layer 4 itself.
  • Volatile metal-fluorine compounds form, with the oxygen acting as a passivator for the polysilicon that may be present takes over.
  • oxygen to form S ⁇ 0 2 whose binding energy ⁇ (without the use of additional ion energy) is too high to be significantly etched by the low fluorine content.
  • the charge-storing strip layer 4 is therefore etched selectively with respect to the control layer 6 (polysilicon).
  • titanium oxide or tungsten oxide is preferably used for the charge storage layer.
  • it is not restricted to this, but rather includes all other materials which represent a dielectric with a small band gap and a high relative dielectric constant.
  • the first insulating layer 3 preferably consists of an SiO 2 layer. However, it is not limited to this and can also consist of a Si 3 N 4 layer. In the same way, the second insulating layer is not limited to an Si0 2 layer, but rather comprises ONO (oxide / nitride / oxide) or Si 3 N 4 layers. Likewise, instead of the polysilicon for the control layer 6, another conductive material or a metal can be used.
  • the second insulating layer 5 can be formed in the same way by directly depositing a polysilicon layer on the charge-storing layer with subsequent temperature treatment, the second insulating layer 5 being subsequently formed at the border crossing to the charge-storing layer 4 during the heat treatment.

Abstract

The invention relates to a non-volatile semiconductor memory location comprising a semiconductor substrate (1), a first insulating layer (3), a charge-storing layer (4), a second insulating layer (5), and a control layer (6). The invention also relates to a corresponding production method according to which, in order to improve the temperature properties, the charge-storing layer (4) is constructed by a dielectric having a low energy gap.

Description

Beschreibungdescription
Nichtflüchtige Halbleiter-Speicherzelle sowie Verfahren zu deren HerstellungNon-volatile semiconductor memory cell and method for its production
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine nichtflüchtige Halbleiter-Speicherzelle sowie ein Verfahren zu deren Herstellung und insbesondere auf EPROM-, EEPROM- und FLASH- EPROM-Speicherzellen mit verbesserten Temperatureigenschaf- ten.The present invention relates to a non-volatile semiconductor memory cell and a method for its production, and in particular to EPROM, EEPROM and FLASH-EPROM memory cells with improved temperature properties.
Nichtflüchtige Halbleiter-Speicherzellen, wie sie beispielsweise in EPROM-, EEPROM- und FLASH-EPROM-Speichern verwendet werden, bestehen üblicherweise aus einem Halbleitersubstrat, einer isolierenden Tunneloxidschicht, einer leitenden Floating-Gate-Schicht, einer isolierenden dielektrischen Schicht und einer leitenden Steuerschicht. Zur Speicherung von Informationen werden Ladungen von einem im Halbleitersubstrat ausgebildeten Kanalbereich über die Tunneloxidschicht in die Floating-Gate-Schicht eingebracht. Verfahren zum Einbringen der Ladungen in die Floating-Gate-Schicht sind beispielsweise Injektion heißer Ladungsträger, Kanalinjektion und Fowler- Nordheim-Tunneln .Non-volatile semiconductor memory cells, such as those used in EPROM, EEPROM and FLASH-EPROM memories, usually consist of a semiconductor substrate, an insulating tunnel oxide layer, a conductive floating gate layer, an insulating dielectric layer and a conductive control layer. To store information, charges are introduced into the floating gate layer from a channel region formed in the semiconductor substrate via the tunnel oxide layer. Methods for introducing the charges into the floating gate layer are, for example, injection of hot charge carriers, channel injection and Fowler-Nordheim tunnels.
Eine weitere herkömmliche Schichtstruktur ist die sogenannte SONOS-Struktur (Silizium/Oxid/Nitrid/Oxid/Silizium) , wobei die zu speichernden Ladungen nicht in einer elektrisch leitenden Floating-Gate-Schicht, sondern in einer Si3N4-Schicht abgelegt werden. Figur 1 zeigt eine vereinfachte Darstellung eines Bändermodells für eine derartige herkömmliche SONOS- Halbleiter-Speicherzellenstruktur wie sie beispielsweise aus der Literaturstelle „A novel SONOS structure for nonvolatile me ories with improved data retention", H. Reisinger et al, Symposium on VLSI Technology Digest of Technical Papers, 1997, Seiten 113 und 114 bekannt ist. Hierbei wird auf einem Si-Halbleitersubstrat 1 eine Si02-Schicht 3, eine Si3N- Schicht 4 sowie eine Si02-Schicht 5 ausgebildet und anschlie- ßend eine Polysiliziu -Steuerschicht 6 abgeschieden. Die zu speichernden Ladungen werden vorzugsweise über die Sι02- Schicht 3 mittels Injektion heißer Ladungsträger, Kanalinπek- tion oder Fowler-Nordheim-Tunneln m die Sι3N4-Schicht 4 em- gebracht und dort gespeichert, wodurch ein Schaltverhalten eines im Halbleitersubstrat 1 ausgebildeten Feldeffekttransistors beeinflußt wird. Nachteilig bei einer derartigen herkömmlichen SONOS-Halbleiter-Speicherzellenstruktur sind jedoch die ungenügenden Temperatureigenschaften. Insbesondere bei Temperaturen großer 80 Grad Celsius verschlechtern sich die Ladungshalteeigenschaften der Sι3N4-Schιcht 4 dramatisch, wodurch es zu Informationsverlusten kommt. Zur Verhinderung derartiger Temperaturphanomene wird üblicherweise die Dicke der Oxidschichten 3 und 5 vergrößert, wobei nachteiligerweise dadurch die Schreιb-/Lesespannungen für die nicht luchtige Halbleiter-Speicherzelle ansteigen.Another conventional layer structure is the so-called SONOS structure (silicon / oxide / nitride / oxide / silicon), the charges to be stored not being stored in an electrically conductive floating gate layer but in an Si 3 N 4 layer. FIG. 1 shows a simplified representation of a band model for such a conventional SONOS semiconductor memory cell structure, as described, for example, by the literature reference “A novel SONOS structure for nonvolatile me ories with improved data retention”, H. Reisinger et al, Symposium on VLSI Technology Digest of Technical Papers, 1997, pages 113 and 114. Here, an SiO 2 layer 3, an Si 3 N layer 4 and an SiO 2 layer 5 are formed on an Si semiconductor substrate 1 and then ßend a polysilicon control layer 6 deposited. The charges to be stored are preferably brought into the S 3 O 4 layer 3 by means of injection of hot charge carriers, channel injection or Fowler-Nordheim tunnels and the S 3 N 4 layer 4 and stored there, as a result of which a switching behavior of a in the semiconductor substrate 1 trained field effect transistor is affected. A disadvantage of such a conventional SONOS semiconductor memory cell structure, however, is the insufficient temperature properties. In particular at temperatures greater than 80 degrees Celsius, the charge holding properties of the Si 3 N 4 layer 4 deteriorate dramatically, which leads to loss of information. To prevent such temperature phenomena, the thickness of the oxide layers 3 and 5 is usually increased, disadvantageously increasing the write / read voltages for the non-volatile semiconductor memory cell.
Daruberhmaus sind bei einer derartigen Struktur relativ hohe Schreιb-/Lesespannungen erforderlich. Figur 2 zeigt eine ver- einfachte Darstellung des Bandermodells einer SONOS- Speicherzellenstruktur nach Anlegen einer Schreib- /Lesespannung Uo. Der Spannungswert einer derartigen Schreib- /Lesespannung U0 liegt beispielsweise bei 8 V, wobei sich diese zwischen Halbleitersubstrat 1 und Steuerschicht 6 an- liegende Spannung m die Einzelspannungen Ui und U3 für die Oxidschichten und U2 für die Sι3N-Schιcht 4 aufteilen. Gemäß Figur 2 ergibt sich aufgrund des verwendeten Sι3N4 als ladungsspeichemde Schicht ein weiterer Nachteil dadurch, daß aufgrund der geringen relativen Dielektrizitätskonstante Er von ca. 7,2 eine relativ starke Bandverbiegung hervorgerufen wird, die wiederum einen relativ hohen Spannungsabfall von beispielsweise 2 V verursacht. Dadurch verringert sich der an den Oxidschichten auftretende Spannungsabfall, weshalb insgesamt höhere Schreιb-/Lesespannungen verwendet werden müssen.In addition, with such a structure, relatively high write / read voltages are required. FIG. 2 shows a simplified representation of the band model of a SONOS memory cell structure after application of a read / write voltage Uo. The voltage value of such a read / write voltage U 0 is, for example, 8 V, this voltage present between semiconductor substrate 1 and control layer 6 being the individual voltages Ui and U 3 for the oxide layers and U 2 for the S 3 N layer 4 split. According to FIG. 2, due to the S 3 N 4 used as the charge-storing layer, there is a further disadvantage in that, due to the low relative dielectric constant E r of approx V caused. This reduces the voltage drop occurring at the oxide layers, which is why higher write / read voltages must be used overall.
Zur Beseitigung einer derartigen Te peraturempfmdlichkeit und Verbesserung der Schreιb-/Lese-Eιgenschaften ist aus der DE 19830477 AI eine nichtfluchtige Halbleiter-Speicherzelle bekannt, wobei die ladungsspeiche de Schicht aus einem elektrisch leitenden Material besteht und zur Verbesserung der Temperatureigenschaften zusätzlich spezielle Oxidschichten ausgebildet werden. Aufgrund der Verwendung eines leitenden Materials für die ladungsspeiche de Schicht kann ein Spannungsabfall beim Anlegen einer Schreib-/Lesespannung über die ladungsspeichemde Schicht verringert werden, wobei durch die Verwendung der speziellen zusatzlichen Oxidschichten die Da- tenhaltefahigkeit und die Dauerhaftigkeit der nichtflüchtigen Speicherzelle auch bei erhöhten Betriebstemperaturen gewährleistet ist. Nachteilig ist jedoch hierbei das aufwendige Herstellungsverfahren sowie die relativ hohen Schichtdicken zwischen ladungsspeichernder Schicht und Steuerschicht.To eliminate such a temperature sensitivity and improve the writing / reading properties is from the DE 19830477 AI discloses a non-volatile semiconductor memory cell, the charge storage layer being made of an electrically conductive material and special oxide layers being formed in order to improve the temperature properties. Due to the use of a conductive material for the charge-storing layer, a voltage drop when a read / write voltage is applied across the charge-storing layer can be reduced, the data retention capability and the durability of the nonvolatile memory cell even at elevated operating temperatures through the use of the special additional oxide layers is guaranteed. However, the complex manufacturing process and the relatively high layer thicknesses between the charge-storing layer and the control layer are disadvantageous here.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine nichtfluchtige Halbleiter-Speicherzelle sowie ein dazugehöriges Herstellungsverfahren zu schaffen, bei dem auf einfache Weise eine Datenhaltefähigkeit und Dauerhaftigkeit insbesondere bei hohen Betriebstemperaturen zuverlässig gewahrleistet ist und ein Programmieren mit relativ geringen Schreib-/Lesespannun- gen realisiert werden kann.The invention is therefore based on the object of providing a non-volatile semiconductor memory cell and an associated production method in which data retention and durability are reliably ensured, in particular at high operating temperatures, and programming with relatively low write / read voltages is realized can.
Diese Aufgebe wird hinsichtlich der Halbleiter-Speicherzelle durch die Merkmale des Patentanspruches 1 und hinsichtlich , des Verfahrens durch die Maßnahmen des Patentanspruchs 9 gelost.This task is solved with regard to the semiconductor memory cell by the features of claim 1 and with regard to the method by the measures of claim 9.
Insbesondere durch die Verwendung eines Dielektrikums mit ei- ne Bandabstand Eg < 5 eV für die ladungsspeichemde Schicht erhält man eine nichtfluchtige Halbleiter-Speicherzelle, die auch bei hohen Betriebstemperaturen eine ausreichende Ladungshaltung sowie Dauerhaftigkeit aufweist.In particular, by using a dielectric with a band gap E g <5 eV for the charge-storing layer, a non-volatile semiconductor memory cell is obtained which has sufficient charge retention and durability even at high operating temperatures.
Bei Verwendung eines Materials für die ladungsspeichemdeWhen using a material for the charge storage
Schicht mit einer relativen Dielektrizitätskonstante Er > 10 ist darüber hinaus der Spannungsabfall innerhalb der ladungs- speichernden Schicht vernachlassigbar gegenüber dem Spannungsabfall über das Oxid, so daß die für ein Schreiben/Lesen notwendige Programmierspannung minimal ist.Layer with a relative dielectric constant E r > 10 is also the voltage drop within the charge storage layer negligible compared to the voltage drop across the oxide, so that the programming voltage required for writing / reading is minimal.
Vorzugsweise besteht die ladungsspeichemde Schicht aus TιOx und/oder WOx mit x = 2 bis 3, wodurch man einen ausreichend geringen Bandabstand Eg sowie eine ausreichend große relative Dielektrizitätskonstante Er erhalt.Preferably, the charge-storing layer consists of TιO x and / or WO x with x = 2 to 3, whereby a sufficiently small band gap E g and a sufficiently large relative dielectric constant E r is obtained .
Vorzugsweise besitzt die ladungsspeichemde Schicht eine mikrokristalline Struktur, wodurch die Ladungshalteeigenschaf- ten weiter verbessert sind. Eine weitere Verbesserung der La- dungshalteeigenschaften ergibt sich durch die zusätzliche Verwendung von Sι3N-Schιchten an den Oberflachen der la- dungsspeichernden Schicht.The charge-storing layer preferably has a microcrystalline structure, as a result of which the charge-holding properties are further improved. A further improvement in the charge holding properties results from the additional use of Si 3 N layers on the surfaces of the charge-storing layer.
In den weiteren Unteranspruchen sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gekennzeichnet.Further advantageous configurations of the invention are characterized in the further subclaims.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausfuhrungsbeispie- len unter Bezugnahme auf die Zeichnung naher beschrieben.The invention is described below with reference to exemplary embodiments with reference to the drawing.
Es zeigen:Show it:
Figur 1 eine vereinfachte Darstellung eines Bandermodells einer herkömmlichen SONOS-Struktur;1 shows a simplified representation of a band model of a conventional SONOS structure;
Figur 2 eine vereinfachte Darstellung des Bandermodells der herkömmlichen SONOS-Struktur beim Anlegen einer Schreιb-/Le- sespannung;FIG. 2 shows a simplified illustration of the band model of the conventional SONOS structure when a write / read voltage is applied;
Figur 3 eine vereinfachte Darstellung eines Bandermodells einer Halbleiter-Speicherzelle gemäß einem ersten Ausfuh- rungsbeispiel; Figur 4 eine vereinfachte Darstellung eines Bandermodells einer Halbleiter-Speicherzelle gemäß einem zweiten Ausfuhrungsbeispiel;FIG. 3 shows a simplified representation of a band model of a semiconductor memory cell according to a first exemplary embodiment; FIG. 4 shows a simplified representation of a band model of a semiconductor memory cell according to a second exemplary embodiment;
Figur 5 eine vereinfachte Darstellung des Bandermodells der Halbleiter-Speicherzelle gemäß dem ersten Ausfuhrungsbeispiel beim Anlegen einer Schreib-NLesespannung; undFIG. 5 shows a simplified illustration of the band model of the semiconductor memory cell according to the first exemplary embodiment when a write / read voltage is applied; and
Figuren 6a bis 6e perspektivische Darstellungen der Halb- leiter-Speicherzelle gemäß dem ersten Ausfuhrungsbeispiel in jeweiligen Herstellungsschritten.6a to 6e show perspective views of the semiconductor memory cell according to the first exemplary embodiment in respective manufacturing steps.
Figur 3 zeigt eine vereinfachte Darstellung eines Bandermodells einer Halbleiter-Speicherzelle gemäß einem ersten Aus- fuhrungsbeispiel . In Figur 6E ist eine dazugehörige perspektivische Darstellung der Halbleiter-Speicherzelle gemäß dem ersten Ausfuhrungsbeispiel dargestellt, wobei m einem Halbleitersubstrat 1 durch Ausbilden einer flachen Grabenisolati- on 2 (shallow trench Isolation, STI) aktive Bereiche ausge- bildet werden. An der Oberflache des Halbleitersubstrats 1 ist eine erste Isolierschicht 3 ausgebildet, die als Tunnel- oxidschicht einen relativ hohen Bandabstand aufweist und vorzugsweise aus Sι02 besteht. Als ladungsspeichemde Schicht 4 wird gemäß Figuren 3 bzw. 6E em Dielektrikum mit einem Bandabstand Eg < 5 eV verwendet, wobei vorzugsweise Titanoxid und/oder Wolframoxid mit einem Bandabstand von ca. 3 eV zum Einsatz kommt. Die ladungsspeichemde Schicht 4 wird von einer zweiten Isolierschicht 5 vollständig umgeben, die vorzugsweise wiederum aus Sι02 besteht. Abschließend befindet sich eine Steuerschicht 6 auf dem vorstehend beschriebenenFIG. 3 shows a simplified representation of a band model of a semiconductor memory cell according to a first exemplary embodiment. FIG. 6E shows an associated perspective illustration of the semiconductor memory cell according to the first exemplary embodiment, active areas being formed in a semiconductor substrate 1 by forming a shallow trench isolation 2 (shallow trench isolation, STI). A first insulating layer 3 is formed on the surface of the semiconductor substrate 1 and has a relatively high band gap as a tunnel oxide layer and preferably consists of Si0 2 . 3 or 6E, a dielectric with a band gap Eg <5 eV is used as the charge-storing layer 4, preferably titanium oxide and / or tungsten oxide with a band gap of approximately 3 eV being used. The charge-storing layer 4 is completely surrounded by a second insulating layer 5, which in turn preferably consists of Si0 2 . Finally, there is a control layer 6 on the one described above
Schichtstapel, wobei die Steuerschicht 6 vorzugsweise aus Po- lysilizium besteht und der Ansteuerung der so ausgebildeten FeldeffekttransistorStruktur dient .Layer stack, wherein the control layer 6 preferably consists of polysilicon and is used to control the field effect transistor structure formed in this way.
Durch die Verwendung eines Dielektrikums für die ladungsspeichemde Schicht 4 erhalt man in gleicher Weise wie bei der vorstehend beschriebenen SONOS-Struktur gemäß Figur 1 eine nichtfluchtige Halbleiter-Speicherzelle mit sehr guten La- dungshalteeigenschaften, die insbesondere bei teilweiser Zerstörung der ersten und/oder zweiten Isolierschicht 3 und 5 em vollständiges Austreten der gespeicherten Ladungen ver- hindert. Derartige Störungen bzw. Leckstrome durch die erste und/oder zweite Isolierschicht 3 und 5 können beispielsweise durch auftreffende α-Teilchen verursacht werden. Da das Dielektrikum im Gegensatz zu einer elektrisch leitenden ladungs- speichernden Schicht 4 die Ladungen im wesentlichen an seinen eingebauten Stellen behalt, wirkt sich eine derartige Störung der Isolierschichten lediglich auf einen begrenzten Raum in der ladungsspeichernden Schicht 4 aus, wodurch die Ladungshaltung verbessert ist.By using a dielectric for the charge-storing layer 4, one obtains one in the same way as in the above-described SONOS structure according to FIG non-volatile semiconductor memory cell with very good charge holding properties, which, in particular in the event of partial destruction of the first and / or second insulating layers 3 and 5, prevents the stored charges from escaping completely. Such disturbances or leakage currents through the first and / or second insulating layers 3 and 5 can be caused, for example, by incident α particles. Since the dielectric, in contrast to an electrically conductive charge-storing layer 4, essentially retains the charges in its installed locations, such a disturbance of the insulating layers only affects a limited space in the charge-storing layer 4, as a result of which the charge retention is improved.
Andererseits sind die Temperatureigenschaften der erfmdungs- gemaßen Halbleiter-Speicherzelle stark verbessert, da die freien Elektronen in der ladungsspeichernden Schicht 4 relativ gesehen eine wesentlich höhere Energiebarriere, d. h. erste Isolierschicht 3 oder zweite Isolierschicht 5 überwinden müssen. Eine Überwindung der Energiebarrieren der ersten und zweiten Isolierschicht 3 und 5 durch thermische Anregung findet daher erst bei wesentlich höheren Temperaturen statt, wodurch sich die verbesserte Temperaturempfindlichkeit der Halbleiter-Speicherzelle ergibt.On the other hand, the temperature properties of the semiconductor memory cell according to the invention are greatly improved since, in relative terms, the free electrons in the charge-storing layer 4 have a substantially higher energy barrier, i. H. must overcome first insulating layer 3 or second insulating layer 5. The energy barriers of the first and second insulating layers 3 and 5 are therefore only overcome by thermal excitation at substantially higher temperatures, which results in the improved temperature sensitivity of the semiconductor memory cell.
Insbesondere bei Verwendung von TιOx oder W0X mit x = 2 bis 3 ergeben sich optimale Werte für den Bandabstand Eg und die entsprechende Energiebarriere einer jeweiligen Sι02-Schιcht .In particular when using TιO x or W0 X with x = 2 to 3, there are optimal values for the band gap Eg and the corresponding energy barrier of a respective Sι0 2 layer.
Figur 4 zeigt eine vereinfachte Darstellung eines Bandermodells einer Halbleiter-Speicherzelle gemäß einem zweiten Ausfuhrungsbeispiel, wobei zusätzlich zu der aus einem Dielektrikum mit geringem Bandabstand bestehenden ladungsspeichernden Schicht 4 Sι3N4-Schιchten zur ersten und zweiten Isolier- schicht 3 und 5 ausgebildet sind. Gemäß Figur 4 befindet sich auf einem Silizium-Halbleitersubstrat 1 eine Sι02-Schιcht 3 und eine ladungsspeichemde Schicht 4, welche vorzugsweise aus TιOx und/oder WOx mit x = 2 bis 3 besteht. Zwischen der Sι02-Schιcht 3 und der ladungsspeichernden Schicht 4 befindet sich die Sι3N4-Schιcht 7a, welche eine Ladungshaltung in der ersten Isolierschicht 3 verhindert und eine Ladungshaltung bei beschädigter Isolierschicht verbessert. In gleicher Weise kann an der Oberflache zur zweiten Isolierschicht 5 eine weitere Sι3N-Schιcht ausgebildet werden, die wiederum em Verbleiben von Ladungen m der zweiten Isolierschicht 5 verhindert und die Ladungshaltung der ladungsspeichernden Schicht 4 zur angrenzenden Steuerschicht 6 hm verbessert. Auf diese Weise werden die ladungshaltenden Eigenschaften der erfin- dungsgemaßen Halbleiter-Speicherzelle bei gleichbleibend guten Temperatureigenschaften weiter verbessert.FIG. 4 shows a simplified representation of a band model of a semiconductor memory cell in accordance with a second exemplary embodiment, wherein in addition to the charge-storing layer 4 consisting of a dielectric with a small band gap, S 3 N 4 layers are formed for the first and second insulating layers 3 and 5. According to FIG. 4, a Si 2 layer 3 and a charge-storing layer 4, which is preferably located on a silicon semiconductor substrate 1 consists of TιO x and / or WO x with x = 2 to 3. The S 3 N 4 layer 7a is located between the S 2 layer 3 and the charge-storing layer 4, which prevents charge retention in the first insulating layer 3 and improves charge retention in the event of a damaged insulation layer. In the same way, a further S 3 N layer can be formed on the surface of the second insulating layer 5, which in turn prevents charges from remaining in the second insulating layer 5 and improves the charge retention of the charge-storing layer 4 to the adjacent control layer 6 hm. In this way, the charge-holding properties of the semiconductor memory cell according to the invention are further improved while the temperature properties remain the same.
Durch die Verwendung eines Materials für die ladungsspeichemde Schicht 4 mit einer hohen relativen Dielektrizitätskonstante Er > 10 ergibt sich eine besonders vorteilhafte Verringerung der Einsatzspannungen für die Halbleiter- Speicherzelle und insbesondere für die Programmier- bzw. Schreιb-/Lesespannungen.The use of a material for the charge-storing layer 4 with a high relative dielectric constant E r > 10 results in a particularly advantageous reduction in the threshold voltages for the semiconductor memory cell and in particular for the programming or writing / reading voltages.
Figur 5 zeigt eine vereinfachte Darstellung des Bandermodells der Halbleiter-Speicherzelle gemäß dem ersten Ausfuhrungsbeispiel beim Anlegen einer ProgrammierSpannung U0. Gemäß Figur 5 wird als ladungsspeichemde Schicht wiederum TιOx und/oder WOx mit x = 2 bis 3 verwendet. Eine derartige ladungsspeichemde Schicht 4 besitzt eine relative Dielektrizitätskonstante Er von ca. 100 und liegt im Vergleich zur ladungsspeichernden Schicht der herkömmlichen SONOS-Struktur gemäß Figur 2 um ein Vielfaches über der relativen Dielektrizitätskonstante Er von Sι3N4 (Er = 7,2) . Aufgrund dieser hohen relativen Dielektrizitätskonstante Er ist beim Anlegen beispielsweise einer Programmierspannung Uo der Spannungsabfall über der ladungsspeichernden Schicht relativ gering und betragt beispielsweise U2 = 0,1 V. Die für ein Tunneln durch die erste und/oder zweite Isolierschicht 3 und 5 notwendigen Spannungen Ui und U3 = 3 V können daher mit einer wesentlich ge- ringeren Programmierspannung U0 = 6,1 V realisiert werden. Im Gegensatz zur herkömmlichen SONOS-Struktur ergeben sich daher wesentlich verbesserte Einsatzspannungen, was sich wiederum hei der Realisierung entsprechender Generatorschaltungen und dem dafür benötigten Platzbedarf positiv auswirkt.FIG. 5 shows a simplified representation of the band model of the semiconductor memory cell according to the first exemplary embodiment when a programming voltage U 0 is applied . According to FIG. 5, TιO x and / or WO x with x = 2 to 3 is again used as the charge-storing layer. Such a charge-storing layer 4 has a relative dielectric constant E r of approximately 100 and, compared to the charge-storing layer of the conventional SONOS structure according to FIG. 2, is many times higher than the relative dielectric constant E r of S 3 N 4 (E r = 7, 2). Because of this high relative dielectric constant E r , when a programming voltage Uo is applied, for example, the voltage drop across the charge-storing layer is relatively small and is, for example, U 2 = 0.1 V. The voltages required for tunneling through the first and / or second insulating layers 3 and 5 Ui and U 3 = 3 V can therefore be lower programming voltage U 0 = 6.1 V can be realized. In contrast to the conventional SONOS structure, this results in significantly improved threshold voltages, which in turn has a positive effect on the implementation of corresponding generator circuits and the space required for this.
Als besonders vorteilhaft hat sich dabei herausgestellt, wenn die ladungsspeichemde Schicht 4 mit einer mikrokristallinen Struktur ausgebildet wird und sozusagen aus einer Vielzahl von einzelnen Blöcken besteht. Die Ladungshalteeigenschaften zum Speichern von eingebrachten Ladungen werden dadurch weiter verbessert, wobei insbesondere ein Ladungsverlust aufgrund von Störungen oder Defekten in den Isolierschichten weiter begrenzt wird.It has proven to be particularly advantageous if the charge-storing layer 4 is formed with a microcrystalline structure and consists, as it were, of a large number of individual blocks. The charge holding properties for storing introduced charges are thereby further improved, in particular a charge loss due to faults or defects in the insulating layers being further limited.
Nachfolgend wird ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Halbleiter-Speicherzelle beschrieben . Die Figuren 6A bis 6E zeigen hierbei perspektivische Ansichten zur Veranschaulichung der Verfahrensschritte für die Herstellung einer Halbleiter-Speicherzelle gemäß dem ersten Ausfuhrungsbeispiel .A method for producing the semiconductor memory cell according to the invention is described below. FIGS. 6A to 6E show perspective views to illustrate the method steps for the production of a semiconductor memory cell according to the first exemplary embodiment.
Im Verfahrensschritt gemäß Figur 6A wird zunächst in einem Halbleitersubstrat 1 eine flache Grabenisolation 2 ( shallow trench isolation, STI-Prozess ) zur Ausbildung von aktiven Be- ■ reichen ( active area, AA) durchgeführt . Vorzugsweise besteht das Halbleitersubstrat 1 aus Si , SiGe, SiC, SOI, GaAs oder einem sonstigen I I I-V-Halbleiter . Die durch den STI-Prozeß freigelegten Gräben werden anschließend mit einem TEOS-Si02- aufgefüllt und planarisiert . Auf der planarisierten Fläche wird anschließend eine erste Isolierschicht 3 ausgebildet . Vorzugsweise besteht die erste Isolierschicht 3 aus Si02 und wird an der Oberfläche des Halbleitersubstrats 1 abgeschieden oder durch thermische Oxidation an dieser erzeugt .In the method step according to FIG. 6A, shallow trench isolation (STI process) is first carried out in a semiconductor substrate 1 to form active areas (AA). The semiconductor substrate 1 preferably consists of Si, SiGe, SiC, SOI, GaAs or another II IV semiconductor. The trenches exposed by the STI process are then filled with a TEOS-Si0 2 - and planarized. A first insulating layer 3 is then formed on the planarized surface. The first insulating layer 3 is preferably made of SiO 2 and is deposited on the surface of the semiconductor substrate 1 or produced on it by thermal oxidation.
Gemäß Figur 6B wird an der Oberfläche der ersten Isolierschicht 3 nunmehr eine ladungsspeichemde dielektrische Strei fenschicht 4 mit einem kleinen Bandabstand (Eg < 5 eV) ausgebildet . Die l adungsspeichemde diel ektri sche Strei fens chicht 4 bes it z t hi erbei eine Viel zahl von Längsgräben Gl und kann auf vers chi edene Arten hergeste llt werden .According to FIG. 6B, a charge-storing dielectric is now on the surface of the first insulating layer 3 Strei fenschicht 4 formed with a small band gap (Eg <5 eV). The charge-storing dielectric strip layer 4 also has a large number of longitudinal trenches Gl and can be produced in various ways.
Beispiel 1 :Example 1 :
Das Ausbilden der ladungsspeichernden dielektrischen Streifenschicht 4 kann beispielsweise durch Abscheiden einer Me- tallschicht auf der ersten Isolierschicht 3 erfolgen. Ein derartiges Abscheiden der Metallschicht wird vorzugsweise in einem Sputter-Verfahren durchgeführt. In einem nachfolgenden Verfahrensschritt wird daraufhin eine Oxidation der Metallschicht durchgeführt, wobei bei Verwendung einer Ti-Schicht beispielsweise im Sauerstoffplasma bei ca. 200 Grad Celsius bis 300 Grad Celsius oder im RTP-Ofen bei 700 Grad Celsius die Metallschicht vollständig in eine Metalloxidschicht bzw. ladungsspeichemde Schicht 4 umgewandelt wird. Im Anschluß an die Oxidation der Metallschicht erfolgt nunmehr zum Erzeugen der Gräben Gl eine Ätzung, wobei vorzugsweise eine anisotrope reaktive Ionenätzung (RIE) unter Verwendung einer Oxid-Hartmaske durchgeführt wird. Eine derartige Oxid-Hartmaske besitzt vorzugsweise Dicken von ca. 100 nm und kann durch ein TEOS-Abscheideverfahren unter Verwendung von Si (C2H504) aus- gebildet werden. Diese Oxid-Hartmaske wird beispielsweiseThe charge-storing dielectric strip layer 4 can be formed, for example, by depositing a metal layer on the first insulating layer 3. Such deposition of the metal layer is preferably carried out in a sputtering process. In a subsequent process step, an oxidation of the metal layer is then carried out, wherein when using a Ti layer, for example in oxygen plasma at approximately 200 degrees Celsius to 300 degrees Celsius or in an RTP furnace at 700 degrees Celsius, the metal layer completely into a metal oxide layer or charge storage Layer 4 is converted. Subsequent to the oxidation of the metal layer, an etching is now carried out to produce the trenches Gl, an anisotropic reactive ion etching (RIE) preferably being carried out using an oxide hard mask. Such an oxide hard mask preferably has thicknesses of approximately 100 nm and can be formed by a TEOS deposition process using Si (C 2 H 5 0 4 ). This oxide hard mask is used, for example
'■ durch CHF3, durch CF4 oder durch ein Gemisch aus CHF3 und CF4 anisotrop geätzt. Für das Ätzen der Metalloxidschicht bzw. ladungsspeichernden Schicht 4 wird bei Verwendung von Ti02 beispielsweise ein Mischgas aus CF4 und 02 verwendet, wobei die Temperatur bei ca. 250 Grad Celsius liegt. Das Mischgas wird durch eine HF-Einkopplung oder eine Mikrowellenanregung zur Bildung eines Plasmas angeregt. Vorzugsweise beträgt das Verhältnis von CF4 zu 02 etwa 2% bis 98%.'■ Anisotropically etched by CHF 3 , by CF 4 or by a mixture of CHF 3 and CF 4 . For the etching of the metal oxide layer or charge-storing layer 4, for example, when using TiO 2 , a mixed gas of CF 4 and O 2 is used, the temperature being approximately 250 degrees Celsius. The mixed gas is excited by RF coupling or microwave excitation to form a plasma. The ratio of CF 4 to 0 2 is preferably about 2% to 98%.
Alternativ kann zum Ausbilden einer WOx-Schicht als Metalloxidschicht bzw. ladungsspeichernden Streifenschicht 4 eine wolframhaltige Schicht, eine reine Wolframschicht, eine Wolf- ra nitrid- oder eine Wolfra silizidschicht aufgebracht werden, die mit einem herkömmlichen Sputterprozeß oder CVD- Verfahren erzeugt wird. Nach Abscheiden der wolframhaltigen Schicht wird diese in gleicher Weise wie vorstehend beschrie- ben in eine Metalloxidschicht umgewandelt, wobei die Umwandlung in einer Sauerstoffatmosphäre (z. B. 02 oder H20) bei einer Temperatur von 500 Grad Celsius bis 1200 Grad Celsius stattfindet .Alternatively, to form a WO x layer as a metal oxide layer or charge-storing strip layer 4, a tungsten-containing layer, a pure tungsten layer, a tungsten ra nitride or a Wolfra silicide layer can be applied, which is generated with a conventional sputtering process or CVD process. After the tungsten-containing layer has been deposited, it is converted into a metal oxide layer in the same manner as described above, the conversion taking place in an oxygen atmosphere (for example 0 2 or H 2 0) at a temperature of 500 degrees Celsius to 1200 degrees Celsius ,
Beispiel 2:Example 2:
Alternativ kann die ladungsspeichemde dielektrische Streifenschicht 4 auch durch Abscheiden einer Metallschicht und anschließendes Strukturieren erzeugt werden, wobei in einem letzten Schritt eine Oxidation und damit Umwandlung in die ladungsspeichemde Streifenschicht erfolgt. Ein derartiges Herstellungsverfahren hat insbesondere bei der Strukturierung wesentliche Vorteile, da die jeweiligen abgeschiedenen Metallschichten bzw. metallhaltigen Schichten im Gegensatz zu ihren Oxidschichten relativ leicht geätzt werden können und sich die Strukturierung dadurch stark vereinfacht.Alternatively, the charge-storing dielectric strip layer 4 can also be produced by depositing a metal layer and subsequent structuring, an oxidation and thus conversion into the charge-storing strip layer taking place in a last step. Such a production method has significant advantages, particularly in the structuring, since the respective deposited metal layers or metal-containing layers, in contrast to their oxide layers, can be etched relatively easily and the structuring is thereby greatly simplified.
Für das Ätzen der Metallschichten werden hierbei herkömmliche Ätzverfahren verwendet, wie sie vorzugsweise für wolframhal- tige oder Ti-Schichten verwendet werden. Auf eine detaillier- te Beschreibung dieser Ätzverfahren wird daher an dieser Stelle verzichtet.Conventional etching methods, such as are preferably used for tungsten-containing or Ti layers, are used for the etching of the metal layers. A detailed description of these etching processes is therefore not given here.
Die Oxidation der ausgebildeten und strukturierten Metall- Schicht erfolgt anschließend in gleicher Weise wie im Beispiel 1.The oxidation of the formed and structured metal layer then takes place in the same way as in Example 1.
Beispiel 3:Example 3:
Alternativ kann die Metalloxidschicht auch direkt aufgebracht werden, wobei das Abscheiden der metallhaltigen Schicht sowie die thermische Oxidation dieser Schicht entfällt. Die Wolfra- oxidschicht wird beispielsweise durch ein CVD-Verfahren erzeugt. Dazu werden Wolframfluorid und Wasser in gasförmigem Zustand als Präkursoren auf die Substratoberfläche geführt:Alternatively, the metal oxide layer can also be applied directly, the deposition of the metal-containing layer and the thermal oxidation of this layer being eliminated. The Wolfra The oxide layer is generated, for example, by a CVD process. For this purpose, tungsten fluoride and water in a gaseous state are led to the substrate surface as precursors:
2WFS + 4H20 → (WOF4) + W03 + (HF) oder2WF S + 4H 2 0 → (WOF 4 ) + W0 3 + (HF) or
WF6 + H20 + Si → W - 0 + (2HF) + (Si + F4 ) .WF 6 + H 2 0 + Si → W - 0 + (2HF) + (Si + F 4 ).
Durch eine nachfolgende Wärmebehandlung bei einer Temperatur von ca. 550 bis 1100 Grad Celsius wird anschließend in gleicher Weise wie vorstehend beschrieben die Wolframoxidschicht (WOx mit x = 2 bis 3) in einer mikrokristallinen oder gesinterten Phase (z. B. orthorhombisch oder tetragonale Symmetrie) erzeugt.Subsequent heat treatment at a temperature of approx. 550 to 1100 degrees Celsius subsequently results in the tungsten oxide layer (WO x with x = 2 to 3) in a microcrystalline or sintered phase (e.g. orthorhombic or tetragonal symmetry) in the same way as described above ) generated.
Insbesondere durch die hohe Temperaturstabilität des WOx läßt sich dieses Material besonders einfach in das Verfahren integrieren.In particular due to the high temperature stability of WO x , this material can be particularly easily integrated into the process.
Die Strukturierung erfolgt hierbei in gleicher Weise, wie vorstehend beschrieben wurde.The structuring takes place in the same way as described above.
Nach dem Ausbilden der ladungsspeichernden dielektrischen Streifenschicht 4 mit den drei vorstehend beschriebenen Aus- führungsarten wird gemäß Figur 6C anschließend die zweite Isolierschicht 5 auf die ladungsspeichemde dielektrische Streifenschicht 4 aufgebracht die als Floating-Gate-Schicht verwendet wird. Zum Ausbilden dieser zweiten Isolierschicht 5 kann beispielsweise ein LPCVD-Verfahren (low pressure che i- cal vapor deposition) verwendet werden. Hierbei wird entweder bei einer Temperatur von 650 Grad Celsius und einem Druck von 100 mTorr mittels 100 SCCM TEOS eine Si02-Schicht abgeschieden. Alternativ hierzu kann bei einer Temperatur von 680 Grad Celsius und einem Druck von 500 mTorr mittels 150 SCCM TEOS eine Si02-Schicht erzeugt werden. Gemäß Figur 6D wird anschließend auf die zweite Isolierschicht 5 eine leitende Steuerschicht 6 abgeschieden, die beispielsweise aus Polysilizium oder einem anderen leitenden Material besteht. Vorzugsweise wird die Steuerschicht 6 als Polysilizium-Schicht mit einem Gasgemisch aus S lan und H2 bei einer Temperatur von 620 Grad Celsius ganzflachig abgeschieden.After the formation of the charge-storing dielectric strip layer 4 with the three above-described embodiments, the second insulating layer 5 is then applied to the charge-storing dielectric strip layer 4, which is used as a floating gate layer, as shown in FIG. 6C. For example, an LPCVD (low pressure chemical vapor deposition) process can be used to form this second insulating layer 5. Here, an SiO 2 layer is deposited either at a temperature of 650 degrees Celsius and a pressure of 100 mTorr using 100 SCCM TEOS. Alternatively, an SiO 2 layer can be produced at a temperature of 680 degrees Celsius and a pressure of 500 mTorr using 150 SCCM TEOS. According to FIG. 6D, a conductive control layer 6 is subsequently deposited on the second insulating layer 5, which consists, for example, of polysilicon or another conductive material. The control layer 6 is preferably deposited over the entire surface as a polysilicon layer with a gas mixture of S lan and H 2 at a temperature of 620 degrees Celsius.
Gemäß Figur 6E wird m einem weiteren Verfahrensschπtt zum Ausbilden von weiteren Graben G2 ein Strukturieren der Steuerschicht 6, der zweiten Isolierschicht 5 und der ladungsspeichernden Streifenschicht 4 zur Ausbildung von Steuerschicht-Bahnen durchgeführt. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um eine anisotrope reaktive Ionenatzung (RIE) , wobei eine nicht dargestellte Oxid-Hartmaske verwendet wird. Eine derartige Oxid-Hartmaske besitzt vorzugsweise eine Dicke von 100 nm und kann durch em TEOS-Abscheideverfahren unter Verwendung von Si (C2H5O4) ausgebildet werden.According to FIG. 6E, in a further method step for forming further trenches G2, the control layer 6, the second insulating layer 5 and the charge-storing strip layer 4 are structured in order to form control layer tracks. This is preferably anisotropic reactive ion etching (RIE), an oxide hard mask (not shown) being used. Such an oxide hard mask preferably has a thickness of 100 nm and can be formed by a TEOS deposition process using Si (C 2 H 5 O 4 ).
Das eigentliche Atzen zum Ausbilden der weiteren Graben G2 wird hinsichtlich des Poly-Si für die Steuerschicht 6 mit Cl2 oder HBr oder einer Mischung dieser beiden Gase durchgeführt, wobei He und 02 zugesetzt werden kann. Es handelt sich hierbei um ein anisotropes Atzen. Für das Atzen der ladungsspei- chernden Streifenschicht 4 wird bei Verwendung von Tι02 beispielsweise ein Mischgas aus CF4 und 02 verwendet, wobei die Temperatur bei ca. 250 Grad Celsius liegt. Das Mischgas wird durch eine HF-E kopplung oder eine Mikrowellenanregung zur Bildung eines Plasmas wiederum angeregt. Vorzugsweise betragt das Verhältnis von CF4 zu 02 etwa 2% bis 98%.The actual etching for forming the further trenches G2 is carried out with respect to the poly-Si for the control layer 6 with Cl 2 or HBr or a mixture of these two gases, it being possible for He and 0 2 to be added. This is an anisotropic etching. For the etching of the charge-storing strip layer 4, when using Tι0 2, for example, a mixed gas of CF 4 and 0 2 is used, the temperature being approximately 250 degrees Celsius. The mixed gas is in turn excited by an HF-E coupling or a microwave excitation to form a plasma. The ratio of CF 4 to 0 2 is preferably about 2% to 98%.
Für die Atzung der Metalloxidschicht bzw. ladungsspeichernden dielektrischen Streifenschicht 4 selbst ist das freiwerdende Fluor und die damit verbundene Reaktion des Metalloxids (Tι02) mit dem Fluor verantwortlich. Es bilden sich fluchtige Metall-Fluor-Verb dungen, wobei der Sauerstoff die Aufgabe als Passivator für das eventuell vorhandene Polysilizium übernimmt. Durch Sauerstoff bildet sich Sι02, dessen Bindungs¬ energie (ohne den Einsatz von zusätzlicher Ionenenergie) zu hoch ist, um durch den geringen Fluoranteil signifikant geatzt zu werden. Die Atzung der ladungsspeichernden Streifen- schicht 4 erfolgt daher selektiv zur Steuerschicht 6 (Polysilizium) .The released fluorine and the associated reaction of the metal oxide (Tι0 2 ) with the fluorine is responsible for the etching of the metal oxide layer or charge-storing dielectric strip layer 4 itself. Volatile metal-fluorine compounds form, with the oxygen acting as a passivator for the polysilicon that may be present takes over. By oxygen to form Sι0 2, whose binding energy ¬ (without the use of additional ion energy) is too high to be significantly etched by the low fluorine content. The charge-storing strip layer 4 is therefore etched selectively with respect to the control layer 6 (polysilicon).
Abschließend wird in einem nicht dargestellten Verfahrensschritt eine weitere Isolierschicht bzw. Passivierungsschicht aufgebracht.Finally, a further insulating layer or passivation layer is applied in a method step, not shown.
Gemäß der vorliegenden Beschreibung wird vorzugsweise Titanoxid oder Wolframoxid für die ladungsspeichemde Schicht verwendet. Sie ist jedoch nicht darauf beschrankt, sondern umfaßt vielmehr alle weiteren Materialien, die ein Dielektrikum mit einem geringen Bandabstand und einer hohen relativen Dielektrizitätskonstante darstellen.According to the present description, titanium oxide or tungsten oxide is preferably used for the charge storage layer. However, it is not restricted to this, but rather includes all other materials which represent a dielectric with a small band gap and a high relative dielectric constant.
Vorzugsweise besteht die erste Isolierschicht 3 aus einer Si02-Schicht . Sie ist jedoch nicht darauf beschränkt und kann ebenso aus einer Si3N4-Schicht bestehen. In gleicher Weise ist die zweite Isolierschicht nicht auf eine Si02-Schicht beschrankt, sondern umfaßt vielmehr ONO- (Oxid/Nitrid/Oxid) oder Si3N4-Schichten. Ebenso kann anstelle des Polysiliziums für die Steuerschicht 6 ein anderes leitendes Material oder ein Metall verwendet werden.The first insulating layer 3 preferably consists of an SiO 2 layer. However, it is not limited to this and can also consist of a Si 3 N 4 layer. In the same way, the second insulating layer is not limited to an Si0 2 layer, but rather comprises ONO (oxide / nitride / oxide) or Si 3 N 4 layers. Likewise, instead of the polysilicon for the control layer 6, another conductive material or a metal can be used.
Das Ausbilden der zweiten Isolierschicht 5 kann in gleicher Weise durch unmittelbares Abscheiden einer Polysilizium- Schicht auf der ladungsspeichernden Schicht mit nachfolgender Temperaturbehandlung erfolgen, wobei wahrend der Wärmebehandlung die zweite Isolierschicht 5 am Grenzübergang zur ladungsspeichernden Schicht 4 nachträglich ausgebildet wird. The second insulating layer 5 can be formed in the same way by directly depositing a polysilicon layer on the charge-storing layer with subsequent temperature treatment, the second insulating layer 5 being subsequently formed at the border crossing to the charge-storing layer 4 during the heat treatment.

Claims

Patentansprüche claims
1. Nichtflüchtige Halbleiter-Speicherzelle mit: einem Halbleitersubstrat (1); einer ersten Isolierschicht (3) ; einer ladungsspeichernden Schicht (4) ; einer zweiten Isolierschicht (5) ; und einer Steuerschicht (6) d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die la- dungsspeichernde Schicht (4) ein Dielektrikum mit einem Bandabstand Eg < 5 eV aufweist.1. A non-volatile semiconductor memory cell comprising: a semiconductor substrate (1); a first insulating layer (3); a charge storage layer (4); a second insulating layer (5); and a control layer (6) so that the charge-storing layer (4) has a dielectric with a band gap Eg <5 eV.
2. Nichtflüchtige Halbleiter-Speicherzelle nach Patentanspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die ladungsspeichemde Schicht (4) eine relative Dielektrizitätskonstante Er > 10 aufweist.2. Non-volatile semiconductor memory cell according to claim 1, characterized in that the charge-storing layer (4) has a relative dielectric constant E r > 10.
3. Nichtflüchtige Halbleiter-Speicherzelle nach Patentan- spruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die ladungsspeichemde Schicht (4) TiOx und/oder WOx mit x = 2 bis 3 aufweist.3. Non-volatile semiconductor memory cell according to claim 1 or 2, characterized in that the charge-storing layer (4) has TiO x and / or WO x with x = 2 to 3.
4. Nichtflüchtige Halbleiter-Speicherzelle nach einem der ' Patentansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die ladungsspeichemde Schicht (4) eine mikrokristalline Struktur aufweist.4. Non-volatile semiconductor memory cell according to one of the ' claims 1 to 3, characterized in that the charge-storing layer (4) has a microcrystalline structure.
5. Nichtflüchtige Halbleiter-Speicherzelle nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß zumindest an einer Oberfläche der ladungsspeichernden Schicht (4) eine Si3N4-Schicht ausgebildet ist. 5. Non-volatile semiconductor memory cell according to one of the claims 1 to 4, characterized in that an Si 3 N 4 layer is formed at least on one surface of the charge-storing layer (4).
6. Nichtflüchtige Halbleiter-Speicherzelle nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die erste Isolierschicht (3) eine Si02- oder Si3N4-Schicht aufweist.6. Non-volatile semiconductor memory cell according to one of claims 1 to 5, characterized in that the first insulating layer (3) has an Si0 2 - or Si 3 N 4 layer.
7. Nichtflüchtige Halbleiter-Speicherzelle nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die zweite Isolierschicht (5) eine Si02-, ONO- oder Si3N4-Schicht auf- weist.7. Non-volatile semiconductor memory cell according to one of claims 1 to 6, characterized in that the second insulating layer (5) has a Si0 2 , ONO or Si 3 N 4 layer.
8. Nichtflüchtige Halbleiter-Speicherzelle nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Steuer- schicht (6) Polysilizium oder ein Metall aufweist.8. Non-volatile semiconductor memory cell according to one of the claims 1 to 7, that the control layer (6) comprises polysilicon or a metal.
9. Verfahren zur Herstellung einer nichtflüchtigen Halbleiter-Speicherzelle mit den Schritten: a) Ausbilden von aktiven Bereichen in einem Halbleitersub- strat (1) ; b) Ausbilden einer ersten Isolierschicht (3) ; c) Ausbilden einer ladungsspeichernden dielektrischen Streifenschicht (4) mit einem Bandabstand Eg < 5 eV; d) Ausbilden einer zweiten Isolierschicht (5) ; e) Ausbilden einer Steuerschicht (6); und f) Strukturieren der Steuerschicht (6) und der ladungsspeichernden Schicht (4) .9. A method for producing a non-volatile semiconductor memory cell, comprising the steps of: a) forming active regions in a semiconductor substrate (1); b) forming a first insulating layer (3); c) forming a charge-storing dielectric strip layer (4) with a band gap Eg <5 eV; d) forming a second insulating layer (5); e) forming a control layer (6); and f) structuring the control layer (6) and the charge storage layer (4).
10. Verfahren nach Patentanspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß in Schritt c) eine Metallschicht zunächst abgeschieden, anschließend oxidiert und abschließend strukturiert wird.10. The method according to claim 9, d a d u r c h g e k e n e z e i c h n e t that in step c) a metal layer is first deposited, then oxidized and finally structured.
11. Verfahren nach Patentanspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß in Schritt c) eine Metallschicht zunächst abgeschieden, anschließend strukturiert und abschließend oxidiert wird. 11. The method according to claim 9, characterized in that in step c) a metal layer is first deposited, then structured and finally oxidized.
12. Verfahren nach Patentanspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß in Schritt c) eine Metalloxidschicht zunächst abgeschieden und abschlie- ßend strukturiert wird.12. The method according to claim 9, so that a metal oxide layer is first deposited and finally structured in step c).
13. Verfahren nach einem der Patentansprüche 9 bis 12, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h den Schritt: bl) Ausbilden einer SiN4-Schicht vor dem Ausbilden der la- dungsspeichernden dielektrischen Streifenschicht (4) .13. The method according to any one of claims 9 to 12, characterized by the step: bl) forming an SiN 4 layer before forming the charge-storing dielectric strip layer (4).
14. Verfahren nach einem der Patentansprüche 9 bis 13, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h den Schritt: cl) Ausbilden einer Si3N4-Schicht nach dem Ausbilden der la- dungsspeichernden dielektrischen Streifenschicht (4) .14. The method according to any one of claims 9 to 13, characterized by the step: cl) forming an Si 3 N 4 layer after the formation of the charge-storing dielectric strip layer (4).
15. Verfahren nach einem der Patentansprüche 9 bis 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß in Schritt c) eine Ti-Schicht oder W-Schicht abgeschieden wird.15. The method according to any one of claims 9 to 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that a Ti layer or W layer is deposited in step c).
16. Verfahren nach einem der Patentansprüche 9 bis 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß in Schritt e) eine Polysiliziu -Schicht abgeschieden wird.16. The method according to any one of claims 9 to 15, d a d u r c h g e k e n n e e i c h n e t that a polysilicon layer is deposited in step e).
17. Verfahren nach Patentanspruch 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Schritt d) entfällt und die zweite Isolierschicht (5) durch einen Wärmebehandlungsschritt teilweise aus der Steuerschicht (6) ausgebildet wird. 17. The method according to claim 16, so that the step d) is omitted and the second insulating layer (5) is partially formed from the control layer (6) by a heat treatment step.
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