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JP2003078048A - Nonvolatile semiconductor memory and its operating method - Google Patents

Nonvolatile semiconductor memory and its operating method

Info

Publication number
JP2003078048A
JP2003078048A JP2001267855A JP2001267855A JP2003078048A JP 2003078048 A JP2003078048 A JP 2003078048A JP 2001267855 A JP2001267855 A JP 2001267855A JP 2001267855 A JP2001267855 A JP 2001267855A JP 2003078048 A JP2003078048 A JP 2003078048A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
type semiconductor
conductivity type
conductivity
voltage
region
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2001267855A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Ichiro Fujiwara
一郎 藤原
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sony Corp filed Critical Sony Corp
Priority to JP2001267855A priority Critical patent/JP2003078048A/en
Publication of JP2003078048A publication Critical patent/JP2003078048A/en
Pending legal-status Critical Current

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  • Semiconductor Memories (AREA)
  • Non-Volatile Memory (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a nonvolatile semiconductor memory in which the occupied area by a nonvolatile semiconductor memory cell is reduced extremely, characteristics of the cell are prevented from lowering due to punch through, or the like, and high speed operation is realized. SOLUTION: The operating method of a nonvolatile semiconductor memory comprises a step for applying optimized voltages, respectively, to two second conductivity semiconductor regions (between BL2 and BL3, or BL3 and BL4) and a gate electrode 14, such that electrons supplied from one second conductivity semiconductor region 12 (BL2, BL4) become hot electrons in the vicinity of another semiconductor region 12 (BL3) so as to be injected into a charge storage means on the other side, at the time of writing in a nonvolatile semiconductor memory comprising a first conductivity semiconductor 11 having a level difference R on the surface, two second conductivity semiconductor regions 12 formed at the upper and bottom parts of the level difference and being separated vertically, a gate dielectric film 13 incorporating a spatially scattered charge storage means, and the gate electrode 14.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、例えばMONOS
(Metal Oxide Nitride Oxide Semiconductor)型におけ
る窒化膜内の電荷トラップのような空間的に離散化され
た電荷蓄積手段を有し、当該電荷蓄積手段に対し電荷を
注入しまたは引き抜く動作によりデータを記憶または消
去する不揮発性半導体メモリ装置と、その動作方法とに
関する。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to, for example, MONOS.
(Metal Oxide Nitride Oxide Semiconductor) has a spatially discrete charge storage means such as a charge trap in a nitride film, and stores or stores data by an operation of injecting or extracting charge from the charge storage means. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory device to be erased and a method of operating the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】不揮発性半導体記憶素子は、電荷を保持
する電荷蓄積手段(浮遊ゲート)が平面的に連続したF
G(Floating Gate)型と、電荷蓄積手段(キャリアトラ
ップ等)が空間的に離散化されたMONOS型、MNO
S型等が知られている。
2. Description of the Related Art In a non-volatile semiconductor memory device, a charge storage means (floating gate) for holding a charge is a continuous F
G (Floating Gate) type, MONOS type in which charge storage means (carrier traps, etc.) are spatially discretized, MNO
The S type and the like are known.

【0003】MONOS型記憶素子では、チャネルを形
成する半導体基板上に、ONO(Oxide Nitride Oxide)
膜とゲート電極とが積層されており、その積層パターン
の両側の基板表面領域に、チャネルと逆導電型のソース
・ドレイン領域が形成されている。そして、この電荷蓄
積能力を有するONO膜に対し、基板側から電荷を注入
して書き込みを行う。また、消去では、蓄積電荷を基板
側に抜き取るか、蓄積電荷を打ち消す逆極性の電荷を上
記ONO膜内に注入する。
In the MONOS type memory element, ONO (Oxide Nitride Oxide) is formed on a semiconductor substrate forming a channel.
A film and a gate electrode are laminated, and source / drain regions having a conductivity type opposite to that of the channel are formed in the substrate surface region on both sides of the laminated pattern. Then, writing is performed by injecting charges from the substrate side to the ONO film having this charge storage capability. Further, in the erasing, the accumulated charges are extracted to the substrate side, or the opposite polarity charges that cancel the accumulated charges are injected into the ONO film.

【0004】上記の従来のMONOS型記憶素子におい
ては、チャネルを平坦な単結晶シリコン基板の表面に形
成している。
In the conventional MONOS type storage element described above, the channel is formed on the surface of a flat single crystal silicon substrate.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、チャネ
ルを平坦な単結晶シリコン基板の表面に形成している場
合、情報記録密度を上げるためには、その基板面内の単
位記憶素子あたりのサイズを小さくせざるを得ない。こ
のため、半導体記憶素子の微細化のためには、半導体記
憶素子のソース領域とドレイン領域との間のチャネルの
長さ(またはゲート長)を短くしなければならないが、
ゲート長の微細化は、いわゆる短チャネル効果を生じ、
典型的にはゲート長が0.1μm以下になると半導体記
憶素子のトランジスタ特性が劣化してしまう。とくに、
チャネルが平坦な基板表面に沿って形成される従来型の
素子では、ゲート長を短縮するとドレイン電圧によりパ
ンチスルーが起きて、そのサイズ縮小が限界に達してい
る。
However, in the case where the channel is formed on the surface of a flat single crystal silicon substrate, in order to increase the information recording density, the size per unit storage element in the substrate surface should be reduced. I have to do it. Therefore, in order to miniaturize the semiconductor memory element, it is necessary to shorten the channel length (or gate length) between the source region and the drain region of the semiconductor memory element.
The miniaturization of the gate length causes a so-called short channel effect,
Typically, when the gate length is 0.1 μm or less, the transistor characteristics of the semiconductor memory element deteriorate. Especially,
In a conventional device in which a channel is formed along a flat substrate surface, when the gate length is shortened, punch-through occurs due to the drain voltage, and the size reduction reaches its limit.

【0006】本発明の目的は、半導体記憶素子の専有面
積が極めて小さく、しかもパンチスルー等による素子特
性低下を防止しやすい構造の不揮発性半導体メモリ装置
と、その動作方法を提供することにある。
An object of the present invention is to provide a non-volatile semiconductor memory device having a structure in which the area occupied by the semiconductor memory device is extremely small, and in which the deterioration of device characteristics due to punch through or the like can be easily prevented, and a method of operating the same.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の第1の観点に係る不揮発性半導体メモリ装
置の動作方法は、表面に段差を有する第1導電型半導体
と、段差の上部と底部に形成され、第1導電型半導体の
主面に垂直な方向で分離された2つの第2導電型半導体
領域と、空間的に離散化された電荷蓄積手段を内部に含
み、少なくとも上記段差の側面の一部を被覆するように
形成されたゲート誘電体膜と、ゲート誘電体膜を介在さ
せて上記段差の側面に対峙するゲート電極とを有した不
揮発性半導体メモリ装置の動作方法であって、書き込み
時に、一方の第2導電型半導体領域から供給された電子
が他方の第2導電型半導体領域の近傍でホットエレクト
ロンとなって当該他方側の電荷蓄積手段に注入されるよ
うに、上記2つの第2導電型半導体領域間と、上記ゲー
ト電極とに対し、それぞれ最適化された電圧を印加する
工程を含む。
In order to achieve the above object, a method of operating a nonvolatile semiconductor memory device according to a first aspect of the present invention includes a first conductivity type semiconductor having a step on its surface and an upper part of the step. And at least two second conductivity type semiconductor regions formed in the bottom and separated in a direction perpendicular to the main surface of the first conductivity type semiconductor, and a spatially discrete charge storage means, and at least the step difference. And a gate dielectric film formed so as to cover a part of the side surface of the non-volatile semiconductor memory, and a gate electrode facing the side surface of the step with the gate dielectric film interposed therebetween. Then, at the time of writing, the electrons supplied from one of the second conductivity type semiconductor regions become hot electrons in the vicinity of the other second conductivity type semiconductor region and are injected into the charge storage means on the other side. Two first And between conductive type semiconductor region, to the above gate electrode, comprising the step of applying the optimized voltage, respectively.

【0008】上記不揮発性半導体メモリ装置は、好適
に、上記第2導電型半導体領域のチャネル中央側の端部
に隣接し、チャネルが形成される上記第1導電型半導体
より高濃度な高抵抗チャネル形成領域をさらに有し、上
記書き込み時に、当該高抵抗チャネル形成領域で電界の
集中性を良くしてホットエレクトロンの注入効率を向上
させている。
The nonvolatile semiconductor memory device is preferably a high resistance channel adjacent to the end of the second conductivity type semiconductor region on the center side of the channel and having a higher concentration than the first conductivity type semiconductor in which the channel is formed. Further, it has a formation region, and at the time of writing, the electric field concentration is improved in the high resistance channel formation region to improve the injection efficiency of hot electrons.

【0009】書き込み時に、好適に、上記第1導電型半
導体に、上記第2導電型半導体領域との間に形成される
pn接合が逆バイアスされる電圧を印加する工程をさら
に含む。
Preferably, the method further comprises the step of applying a voltage to the first conductivity type semiconductor at the time of writing so that a pn junction formed between the first conductivity type semiconductor and the second conductivity type semiconductor region is reverse biased.

【0010】読み出し時に、好適に、書き込み時と同じ
方向の電圧を上記2つの第2導電型半導体領域に印加
し、書き込み時に注入された電荷の有無または電荷量に
応じてチャネルがオンまたはオフする電圧を上記ゲート
電極に印加する工程をさらに含む。
At the time of reading, a voltage in the same direction as that at the time of writing is preferably applied to the two second conductivity type semiconductor regions, and the channel is turned on or off depending on the presence or absence of the charges injected during the writing or the amount of the charges. The method further includes applying a voltage to the gate electrode.

【0011】本発明の第2の観点に係る不揮発性半導体
メモリ装置の動作方法は、表面に段差を有する第1導電
型半導体と、段差の上部と底部に形成され、第1導電型
半導体の主面に垂直な方向で分離された2つの第2導電
型半導体領域と、空間的に離散化された電荷蓄積手段を
内部に含み、少なくとも上記段差の側面の一部を被覆す
るように形成されたゲート誘電体膜と、ゲート誘電体膜
を介在させて上記段差の側面に対峙するゲート電極とを
有した不揮発性半導体メモリ装置の動作方法であって、
消去時に、上記電子が注入された側の第2導電型半導体
領域からホットホールが注入されるように、当該第2導
電型半導体領域と上記ゲート電極との間に電圧を印加す
る工程を含む。
A method of operating a nonvolatile semiconductor memory device according to a second aspect of the present invention is directed to a semiconductor of a first conductivity type having a step on its surface, and a semiconductor of the first conductivity type formed on top and bottom of the step. Two second conductivity type semiconductor regions separated in a direction perpendicular to the plane and a spatially discrete charge storage unit are included in the inside, and are formed so as to cover at least a part of the side surface of the step. A method for operating a non-volatile semiconductor memory device, comprising: a gate dielectric film; and a gate electrode facing the side surface of the step with the gate dielectric film interposed therebetween.
During erasing, a step of applying a voltage between the second conductivity type semiconductor region and the gate electrode is included so that hot holes are injected from the second conductivity type semiconductor region on the side where the electrons are injected.

【0012】この第1および第2の観点に係る不揮発性
半導体メモリ装置の動作方法では、例えば第1導電型を
p型、第2導電型をn型とした場合、第1導電型半導体
(例えばp型ウエル)の段差の上部と下部に第2導電型
不純物領域(n+ 領域)が形成され、書き込み時に、そ
の段差の側面にチャネルが形成される。一方のn+ 領域
から供給された電荷、例えば電子がチャネル内を加速さ
れ、他方のn+ 領域側でホットエレクトロンとなって、
ゲート誘電体膜内の電荷蓄積手段(例えば電荷トラッ
プ)に注入され、当該記憶素子のしきい値電圧が、例え
ば高い側に変化する。この他方のn+ 領域側に高抵抗チ
ャネル形成領域(p+ 領域)が形成されている場合、こ
の高抵抗チャネル形成領域で電位ドロップが大きく電界
が集中している。このため、p+ 領域で高電界により効
率よくホットエレクトロンが生成され、書き込み効率が
高い。また、p型ウエルとn+ 領域との間に形成された
pn接合を逆バイアスするバックバイアスが印加されて
いる場合、ゲート電圧等を低減できる。
In the method of operating a nonvolatile semiconductor memory device according to the first and second aspects, for example, when the first conductivity type is p-type and the second conductivity type is n-type, the first conductivity type semiconductor (for example, A second conductivity type impurity region (n + region) is formed above and below the step of the p-type well, and a channel is formed on the side surface of the step during writing. Charges, such as electrons, supplied from one n + region are accelerated in the channel and become hot electrons on the other n + region side,
By being injected into the charge storage means (for example, charge trap) in the gate dielectric film, the threshold voltage of the storage element changes to, for example, the higher side. When the high resistance channel formation region (p + region) is formed on the other n + region side, the potential drop is large and the electric field is concentrated in this high resistance channel formation region. Therefore, hot electrons are efficiently generated by the high electric field in the p + region, and the writing efficiency is high. Further, when a back bias for reverse biasing the pn junction formed between the p-type well and the n + region is applied, the gate voltage and the like can be reduced.

【0013】消去時には、ゲート電極との電圧差が大き
なn+ 領域の表面が空乏化して高電界が印加され、バン
ド−バンド間トンネル電流が流れる。このトンネル電流
に起因してホットホールが生成され、これがゲート電圧
に引き寄せられて電荷トラップに注入される。これによ
り、書き込みにより蓄積した電子が打ち消されて、当該
記憶素子のしきい値電圧が、例えば低い側に変化する。
At the time of erasing, the surface of the n + region having a large voltage difference from the gate electrode is depleted, a high electric field is applied, and a band-to-band tunnel current flows. A hot hole is generated due to this tunnel current, which is attracted to the gate voltage and injected into the charge trap. As a result, the electrons accumulated by the writing are canceled and the threshold voltage of the memory element changes to, for example, the lower side.

【0014】読み出し時には、書き込み時と電圧の印加
方向が同じソース・ドレイン間電圧が印加され、ゲート
電極に所定の電圧が印加される。電荷トラップに蓄積さ
れた電荷の有無または電荷量に応じて当該記憶素子がオ
ンまたはオフする。これにより、記憶素子がオンした場
合のみn+ 領域間の電位差が変化し、これをセンスアン
プ等で増幅して読み出す。この読み出し方法では、ソー
ス・ドレイン間電圧の印加方向が書き込み時と同じであ
り、とくに書き込み後のベリファイに適用すると、n+
領域の充放電時間が短いため高速読み出しが可能であ
る。
During reading, a source-drain voltage having the same voltage application direction as during writing is applied, and a predetermined voltage is applied to the gate electrode. The storage element is turned on or off depending on the presence or absence of the charge accumulated in the charge trap or the amount of the charge. As a result, the potential difference between the n + regions changes only when the memory element is turned on, and this is amplified by the sense amplifier or the like and read. In this reading method, the source-drain voltage is applied in the same direction as in writing, and when applied to verify after writing, n +
High-speed reading is possible because the charge / discharge time of the area is short.

【0015】本発明の第3の観点に係る不揮発性半導体
メモリ装置は、表面に段差を有する第1導電型半導体
と、段差の上部と底部に形成され、第1導電型半導体の
主面に垂直な方向で分離された2つの第2導電型半導体
領域と、少なくとも一方の第2導電型半導体領域に隣接
した部分に形成され、周囲の第1導電型半導体より高濃
度な高抵抗チャネル形成領域と、空間的に離散化された
電荷蓄積手段を内部に含み、少なくとも上記段差の側面
の一部を被覆するように形成されたゲート誘電体膜と、
ゲート誘電体膜を介在させて上記段差の側面に対峙する
ゲート電極とを有している。また、好適に、書き込み時
に、上記第2導電型半導体領域との間に形成されるpn
接合を逆バイアスする電圧を上記第1導電型半導体に印
加する手段をさらに有している。
A non-volatile semiconductor memory device according to a third aspect of the present invention is a semiconductor of a first conductivity type having a step on its surface, and a top and bottom of the step, which are perpendicular to the main surface of the semiconductor of the first conductivity type. Two second conductivity type semiconductor regions separated in different directions, and a high resistance channel formation region formed in a portion adjacent to at least one second conductivity type semiconductor region and having a higher concentration than the surrounding first conductivity type semiconductor. A gate dielectric film including a spatially discrete charge storage means therein and formed so as to cover at least a part of a side surface of the step,
And a gate electrode facing the side surface of the step with a gate dielectric film interposed. Further, preferably, at the time of writing, a pn formed between the second conductivity type semiconductor region and
It further comprises means for applying a voltage for reverse biasing the junction to the first conductivity type semiconductor.

【0016】この不揮発性半導体メモリ装置では、チャ
ネルが段差の側面に形成されるため、段差に傾斜がある
場合はチャネル形成領域の平面パターン上の面積が極め
て小さく、段差が垂直な場合はチャネル形成領域の平面
パターン上の面積は殆どないに等しい。したがって、素
子占有面積が小さくて済む。また、チャネル長は段差の
深さで決まるため、パンチスルーおよび短チャネル効果
を抑制するために十分なチャネル長としても素子専有面
積が増大しない。また、電荷蓄積手段が空間的に離散化
されているため、ゲート誘電体膜にリークパスがあって
も消失する蓄積電荷は、そのリークパス周囲の一部に過
ぎず、その結果、電荷保持特性が優れている。第2導電
型不純物領域(n+ 領域)のチャネル側端部に高抵抗チ
ャネル形成領域(p+ 領域)が形成されているため、前
記したように書き込み効率が高く、高速データ記憶が可
能である。また、バックバイアスのための手段があるた
め、前記したように書き込み時にゲート電圧等が低くて
済み、低電圧動作が可能である。
In this non-volatile semiconductor memory device, since the channel is formed on the side surface of the step, the area on the plane pattern of the channel forming region is extremely small when the step is inclined, and the channel is formed when the step is vertical. The area of the area on the plane pattern is almost zero. Therefore, the area occupied by the element can be small. Further, since the channel length is determined by the depth of the step, even if the channel length is sufficient to suppress the punch through and the short channel effect, the area occupied by the element does not increase. In addition, since the charge storage means are spatially discrete, even if there is a leak path in the gate dielectric film, the accumulated charge that disappears is only part of the periphery of that leak path, and as a result, the charge retention characteristics are excellent. ing. Since the high resistance channel forming region (p + region) is formed at the channel side end of the second conductivity type impurity region (n + region), the writing efficiency is high and high speed data storage is possible as described above. . Further, since there is a means for back bias, the gate voltage and the like can be low at the time of writing as described above, and low voltage operation is possible.

【0017】[0017]

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態につ
いて、nチャネルMONOS型のメモリトランジスタを
有する不揮発性半導体メモリを例に、図面を参照して説
明する。なお、pチャネル型の場合は、メモリトランジ
スタ内の不純物の導電型、キャリアおよび電圧印加条件
の極性を適宜逆とすることで、以下の説明が同様に適用
できる。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings, taking a nonvolatile semiconductor memory having an n-channel MONOS type memory transistor as an example. In the case of the p-channel type, the following description can be similarly applied by appropriately reversing the conductivity type of impurities in the memory transistor, the polarities of carriers and voltage application conditions.

【0018】図1は、本発明の実施形態に係るメモリセ
ルアレイの平面図である。図1に示すように、半導体基
板(ウエルまたはSOI層の意も含む)には溝Rが一定
間隔おきにストライプ状に形成されており、当該溝Rに
直交してワード線WLが一定間隔おきにストライプ状に
形成されている。
FIG. 1 is a plan view of a memory cell array according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, trenches R are formed in stripes at regular intervals on a semiconductor substrate (including well or SOI layer), and word lines WL are orthogonal to the trench R at regular intervals. Are formed in stripes.

【0019】図2は、図1の平面図における半導体基板
に形成された不純物領域を示す図である。図2の斜線部
に示すようにソースあるいはドレインとなる不純物領域
(ソース・ドレイン領域)12が形成されており、半導
体基板に形成された溝Rの底部におけるソース・ドレイ
ン領域12によりビット線BL2,BL4,BL6が形
成され、溝Rが形成されていない半導体基板におけるソ
ース・ドレイン領域12によりビット線BL1,BL
3,BL5,BL7が形成されている。このようにし
て、ソース・ドレイン領域12が、一方向に長く互いに
平行に配置されており、これによりビット線BL1〜B
L7が形成されている。なお、図示はしないが、ビット
線BL1〜BL7には、コンタクトを介して、メタル配
線(主ビット線)に接続されている。また、図中、ソー
ス・ドレイン領域12をビット線BLと名称を付して役
割を明示してあるが、ソース・ドレイン領域12の電圧
印加方向により、ビット線BL1〜BL7は、ソース線
の役割を兼ねることとなる。
FIG. 2 is a diagram showing the impurity regions formed in the semiconductor substrate in the plan view of FIG. Impurity regions (source / drain regions) 12 to be sources or drains are formed as shown by the hatched portions in FIG. 2, and the source / drain regions 12 at the bottom of the groove R formed in the semiconductor substrate form the bit lines BL2. The bit lines BL1, BL1 are formed by the source / drain regions 12 in the semiconductor substrate in which BL4 and BL6 are formed and the groove R is not formed.
3, BL5 and BL7 are formed. In this way, the source / drain regions 12 are long in one direction and are arranged in parallel to each other, whereby the bit lines BL1 to B1.
L7 is formed. Although not shown, the bit lines BL1 to BL7 are connected to metal wirings (main bit lines) via contacts. In the drawing, the source / drain regions 12 are named bit lines BL and their roles are clearly shown. However, depending on the voltage application direction of the source / drain regions 12, the bit lines BL1 to BL7 serve as the source lines. Will also serve as.

【0020】以上の構成のメモリセルアレイの接続形式
は、ビット線BL1〜BL7それぞれが行方向の隣接メ
モリセル間で共有されたVG(Virtual Ground)型となっ
ている。
The connection type of the memory cell array having the above configuration is a VG (Virtual Ground) type in which each of the bit lines BL1 to BL7 is shared between adjacent memory cells in the row direction.

【0021】図3(a)は、図1のA−A’線における
断面図、図3(b)は、図1のB−B’線における断面
図である。
FIG. 3 (a) is a sectional view taken along the line AA 'in FIG. 1, and FIG. 3 (b) is a sectional view taken along the line BB' in FIG.

【0022】図3(a),(b)に示すように、例えば
p型のシリコン等からなる半導体基板11には、上述し
た溝Rが一定間隔おきに形成されており、これにより凸
部と凹部が繰り返し形成されている。この凸部又は凹部
の側壁で本発明の“第1導電型半導体の段差”が形成さ
れている。当該凹部の底面および凸部の上面には、n型
不純物が高濃度に導入された2つのソース・ドレイン領
域12が、互いに基板の垂直方向に分離されて形成され
ている。チャネル形成領域は、ソース・ドレイン領域1
2の間、すなわち、半導体基板11に形成された段差の
側面に沿って、基板面に対しほぼ垂直な方向に形成され
る。また、例えば上方のソース・ドレイン領域12に接
する段差側面の領域に、p型不純物がチャネル形成領域
より高濃度に導入され、これにより、高抵抗チャネル形
成領域15が形成されている。
As shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b), the above-described grooves R are formed at regular intervals in the semiconductor substrate 11 made of, for example, p-type silicon or the like. Recesses are repeatedly formed. The "step of the first conductivity type semiconductor" of the present invention is formed on the side wall of the convex portion or the concave portion. On the bottom surface of the concave portion and the top surface of the convex portion, two source / drain regions 12 into which n-type impurities are introduced at a high concentration are formed so as to be separated from each other in the vertical direction of the substrate. The channel formation region is the source / drain region 1
2, that is, along the side surface of the step formed on the semiconductor substrate 11, in a direction substantially perpendicular to the substrate surface. Further, for example, a p-type impurity is introduced at a higher concentration than the channel forming region in a region on the side surface of the step which is in contact with the upper source / drain region 12, whereby the high resistance channel forming region 15 is formed.

【0023】上記の段差を有する半導体基板11を被覆
して、例えば、複数の絶縁膜を積層させてなり電荷蓄積
能力を有する誘電体膜(ゲート誘電体膜)13が形成さ
れている。
A dielectric film (gate dielectric film) 13 having a charge storage ability is formed by covering the semiconductor substrate 11 having the above-mentioned step and laminating a plurality of insulating films, for example.

【0024】図4にゲート誘電体膜13の詳細な構造を
説明するための、拡大断面図を示す。図4に示すよう
に、ゲート誘電体膜13は、下層から順に、ボトム誘電
体膜13a、主に電荷蓄積を担う電荷蓄積膜13b、ト
ップ誘電体膜13cから構成されている。
FIG. 4 shows an enlarged sectional view for explaining the detailed structure of the gate dielectric film 13. As shown in FIG. 4, the gate dielectric film 13 is composed of a bottom dielectric film 13a, a charge storage film 13b mainly responsible for charge storage, and a top dielectric film 13c in order from the lower layer.

【0025】ボトム誘電体膜13aは、半導体基板11
よりも大きなバンドギャップを有する材料、例えば、二
酸化珪素SiO2 、窒化珪素SiNx (x>0)、また
は酸化窒化珪素SiOxy (x,y>0)等からなる
トラップの無いあるいはトランジスタのしきい値電圧を
変化させるに足る量のトラップを有しない膜により構成
され、その厚さは1nm〜20nm程度である。
The bottom dielectric film 13a is formed on the semiconductor substrate 11
Of a material having a larger bandgap, such as silicon dioxide SiO 2 , silicon nitride SiN x (x> 0), or silicon oxynitride SiO x N y (x, y> 0), without a trap or in a transistor. The film is composed of a film that does not have an amount of traps sufficient to change the threshold voltage, and its thickness is about 1 nm to 20 nm.

【0026】電荷蓄積膜13bは、ボトム誘電体膜13
aよりも小さいバンドギャップを有し、電荷蓄積手段と
しての電荷トラップを含む材料、例えば、窒化珪素Si
x(x>0)、または酸化窒化珪素SiOxy
(x,y>0)等からなる膜により構成され、その厚さ
は1nm〜20nm程度である。
The charge storage film 13b is the bottom dielectric film 13
a material having a bandgap smaller than a and including a charge trap as a charge storage means, for example, silicon nitride Si
N x (x> 0) or silicon oxynitride SiO x N y
It is composed of a film composed of (x, y> 0) and has a thickness of about 1 nm to 20 nm.

【0027】トップ誘電体膜13cは、例えば、二酸化
珪素SiO2 、窒化珪素SiNx (x>0)、または酸
化窒化珪素SiOxy (x,y>0)等からなるトラ
ップの無いあるいはトランジスタのしきい値電圧を変化
させるに足る量のトラップを有しない膜により構成さ
れ、ゲート電極14からのホールの注入を有効に阻止し
てデータ書き換え可能な回数の低下防止を図るために、
その厚さは3〜20nm程度である。
The top dielectric layer 13c is, for example, silicon dioxide SiO 2, silicon nitride SiN x (x> 0), or silicon oxynitride SiO x N y (x, y > 0) or transistor no trap consisting etc. In order to effectively prevent injection of holes from the gate electrode 14 and prevent a decrease in the number of times data can be rewritten, the film is composed of a film that does not have enough traps to change the threshold voltage of
Its thickness is about 3 to 20 nm.

【0028】このゲート誘電体膜13上にゲート電極1
4が形成されている。ゲート電極14は、例えば、不純
物が添加された多結晶珪素または非晶質珪素からなり、
ワード線を構成している。
A gate electrode 1 is formed on the gate dielectric film 13.
4 are formed. The gate electrode 14 is made of, for example, impurity-added polycrystalline silicon or amorphous silicon,
It composes a word line.

【0029】図5に、図4に示すメモリセルアレイの断
面図に対応する等価回路図を示す。図4に示した1つの
凸部およびその両サイドの凹部の底部から、図5に示す
2メモリセルトランジスタが形成されている。すなわ
ち、図4に示すメモリトランジスタでは、凸部の上面と
凹部の底面にソース・ドレイン領域12が形成されてお
り、その間の半導体基板11の段差の側壁面にチャネル
形成領域CHが形成される。従って、一つの凸部分に
は、両サイドにチャネル形成領域CHが形成されること
から、2メモリトランジスタが構成される。そして、各
ビット線BLは隣り合うメモリトランジスタに共通接続
されている。
FIG. 5 shows an equivalent circuit diagram corresponding to the sectional view of the memory cell array shown in FIG. The two memory cell transistors shown in FIG. 5 are formed from one convex portion shown in FIG. 4 and the bottom portions of the concave portions on both sides thereof. That is, in the memory transistor shown in FIG. 4, the source / drain region 12 is formed on the upper surface of the convex portion and the bottom surface of the concave portion, and the channel forming region CH is formed on the side wall surface of the step of the semiconductor substrate 11 between them. Therefore, since the channel forming region CH is formed on both sides of one convex portion, two memory transistors are formed. Each bit line BL is commonly connected to the adjacent memory transistors.

【0030】この不揮発性メモリでは、半導体基板11
上に形成した溝Rの側面に沿ってチャネル形成領域CH
を有する構造を採用することで、メモリトランジスタの
ゲート長を、短チャネル効果あるいはパンチスルーが生
じる領域まで短くすることなしに、情報記録密度の集積
度を向上させることができた。
In this nonvolatile memory, the semiconductor substrate 11
A channel forming region CH is formed along the side surface of the groove R formed above.
By adopting the structure having, it was possible to improve the degree of integration of information recording density without shortening the gate length of the memory transistor to a region where a short channel effect or punch through occurs.

【0031】次に、図1に示すメモリセルの製造方法
を、図6(a)〜図8(f)を参照して説明する。な
お、図6(a)〜図8(f)は、図3(a)に示した断
面構造に対応している。
Next, a method of manufacturing the memory cell shown in FIG. 1 will be described with reference to FIGS. 6 (a) to 8 (f). Note that FIGS. 6A to 8F correspond to the cross-sectional structure shown in FIG.

【0032】まず、用意したシリコンウェーハ等に、必
要に応じてB+ 、BF+ 等のイオン注入によりpウェル
を形成する。このようにしてできたメモリトランジスタ
を形成すべき半導体基板11の表面に、フォトリソグラ
フィー技術により図1に示す溝Rを形成するためのパタ
ーンを有する不図示のレジストを形成し、当該レジスト
をマスクに、異方性のある反応性イオンエッチング(R
IE:Reactive Ion Etching) を行うことにより、スト
ライプ状に溝Rを形成する。なお、半導体基板の溝Rを
形成しない領域に誘電体膜を形成しておき、当該誘電体
膜をマスクとして、エッチングを行うことにより、スト
ライプ状に溝Rを形成してもよい。
First, a p-well is formed in a prepared silicon wafer or the like by ion implantation of B + , BF + or the like, if necessary. A resist (not shown) having a pattern for forming the groove R shown in FIG. 1 is formed by photolithography on the surface of the semiconductor substrate 11 on which the memory transistor thus formed is to be formed, and the resist is used as a mask. , Anisotropic reactive ion etching (R
By performing IE (Reactive Ion Etching), the groove R is formed in a stripe shape. Alternatively, the dielectric film may be formed in a region of the semiconductor substrate where the groove R is not formed, and the dielectric film may be used as a mask to perform etching to form the stripes of the groove R.

【0033】次に、不図示のレジストを除去後、ストラ
イプ状に溝Rが形成された半導体基板11上にゲート誘
電体膜13を形成する。まず、図4に示すボトム誘電体
13aとして、例えば、二酸化珪素(SiO2)、窒化
珪素SiNx (x>0)、または酸化窒化珪素SiOx
y (x,y>0)からなる膜を1nm〜20nm程度
堆積させる。上記のうち、二酸化珪素膜は、例えば熱酸
化法により形成する。また、窒化珪素膜は、例えば、ト
リクロルシラン(SiHCl3 )とアンモニア(NH
3 )、あるいは四塩化珪素(SiCl4 )とアンモニア
(NH3 )を原料とした化学気相成長(Chemical Vapor
Deposition:CVD) で形成する。あるいは、JVD
(Jet Vapor Deposition,M.Khara et al,“ Highly Ro
bust Ultra-Thin Gate Dielectric for Giga Scale Tec
hnology," Symp.VLSI Technology Digest,Honolulu,HI,
June 1998) 、あるいはRTCVD(Rapid Thermal Che
mical Vapor Deposition ,S.C.Song et al,“ Ultra T
hin CVD Si3H4 Gate Dielectric for Deep-Sub-Micron
CMOS Devices," IEDM Tech, Digest. SanFrancisco,CA,
December 1998 )で形成する。使用する原料ガスはC
VDと同じである。あるいはN2 ラジカルあるいは原子
状窒素ラジカルを用いた窒化によって形成する。また、
酸化窒化珪素膜は、熱酸化膜を窒素(N2 )、酸化二窒
素(N2 O)、アンモニア(NH3 )等のいずれかで窒
化するか、あるいはジクロルシラン(SiH2 Cl2
と酸化二窒素(N2 O)とアンモニア(NH3 )、また
は、トリクロルシラン(SiHCl3 )と酸化二窒素
(N2 O)とアンモニア(NH3 )、または、四塩化珪
素(SiCl4 )と酸化二窒素(N2 O)とアンモニア
(NH3 )のいずれかの組み合わせを原料ガスとして用
いたCVDにより形成する。
Next, after removing a resist (not shown), a gate dielectric film 13 is formed on the semiconductor substrate 11 having the stripe-shaped grooves R. First, as the bottom dielectric 13a shown in FIG. 4, for example, silicon dioxide (SiO 2 ), silicon nitride SiN x (x> 0), or silicon oxynitride SiO x is used.
A film made of N y (x, y> 0) is deposited on the order of 1 nm to 20 nm. Of the above, the silicon dioxide film is formed by, for example, a thermal oxidation method. Further, the silicon nitride film is formed of, for example, trichlorosilane (SiHCl 3 ) and ammonia (NH
3 ) or chemical vapor deposition using silicon tetrachloride (SiCl 4 ) and ammonia (NH 3 ) as raw materials (Chemical Vapor Deposition).
Deposition: CVD). Or JVD
(Jet Vapor Deposition, M.Khara et al, “Highly Ro
bust Ultra-Thin Gate Dielectric for Giga Scale Tec
hnology, "Symp.VLSI Technology Digest, Honolulu, HI,
June 1998), or RTCVD (Rapid Thermal Che)
mical Vapor Deposition, SCSong et al, “Ultra T
hin CVD Si 3 H 4 Gate Dielectric for Deep-Sub-Micron
CMOS Devices, "IEDM Tech, Digest. SanFrancisco, CA,
December 1998). The source gas used is C
Same as VD. Alternatively, it is formed by nitriding using N 2 radicals or atomic nitrogen radicals. Also,
The silicon oxynitride film is formed by nitriding a thermal oxide film with any one of nitrogen (N 2 ), dinitrogen oxide (N 2 O), ammonia (NH 3 ), or dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ).
And nitrous oxide (N 2 O) and ammonia (NH 3 ), or trichlorosilane (SiHCl 3 ) and nitrous oxide (N 2 O) and ammonia (NH 3 ), or silicon tetrachloride (SiCl 4 ). It is formed by CVD using any combination of nitrous oxide (N 2 O) and ammonia (NH 3 ) as a source gas.

【0034】次に、ボトム誘電体膜13a上に、図4に
示す電荷トラップを含む電荷蓄積膜13bとして、例え
ば、窒化珪素SiNx (x>0)、酸化窒化珪素SiO
x y (x,y>0)からなる膜を1nm〜20nm程
度堆積させる。上記のうち、窒化珪素は、例えば、ジク
ロルシラン(SiH2 Cl2 )とアンモニア(NH
3 )、あるいはトリクロルシラン(SiHCl3 )とア
ンモニア(NH3 )、あるいは四塩化珪素(SiCl
4 )とアンモニア(NH3 )を原料としたCVDにより
形成する。また、酸化窒化珪素膜は、例えば、ジクロル
シラン(SiH2 Cl2 )と酸化二窒素(N2 O)とア
ンモニア(NH3 )、または、トリクロルシラン(Si
HCl3 )と酸化二窒素(N2 O)とアンモニア(NH
3 )、または、四塩化珪素(SiCl4 )と酸化二窒素
(N2 O)とアンモニア(NH3 )のいずれかの組み合
わせを原料ガスとして用いたCVDにより形成する。
Next, on the bottom dielectric film 13a, as shown in FIG.
As the charge storage film 13b including the charge trap shown, for example,
For example, silicon nitride SiNx (X> 0), silicon oxynitride SiO
x N y A film composed of (x, y> 0) is about 1 nm to 20 nm
Deposit once. Of the above, silicon nitride is, for example,
Lorsilane (SiH2 Cl2 ) And ammonia (NH
3 ), Or trichlorosilane (SiHCl3 ) And a
Nmonia (NH3 ), Or silicon tetrachloride (SiCl)
Four ) And ammonia (NH3 ) As a raw material by CVD
Form. Further, the silicon oxynitride film is, for example, dichloro
Silane (SiH2 Cl2 ) And nitrous oxide (N2 O) and a
Nmonia (NH3 ) Or trichlorosilane (Si
HCl3 ) And nitrous oxide (N2 O) and ammonia (NH
3 ) Or silicon tetrachloride (SiClFour ) And nitrous oxide
(N2 O) and ammonia (NH3 ) Any combination of
It is formed by a CVD method using a bonito as a source gas.

【0035】次に、電荷蓄積膜13b上に、図4に示す
トップ誘電体膜13cとして、二酸化珪素(SiO
2 )、窒化珪素SiNx (x>0)、または酸化窒化珪
素SiO xy (x,y>0)からなる膜を1nm〜2
0nm程度堆積させる。上記のうち、二酸化珪素膜は、
例えば、ジクロルシラン(SiH2 Cl2 )と酸化二窒
素(N2 O)、または、トリクロルシラン(SiHCl
3 )と酸化二窒素(N2 O)、または、四塩化珪素(S
iCl4 )と酸化二窒素(N2 O)を原料としたCVD
により形成する。また、窒化珪素膜は、例えば、ジクロ
ルシラン(SiH2 Cl2 )とアンモニア(NH3 )、
または、トリクロルシラン(SiHCl3 )とアンモニ
ア(NH 3 )、あるいは四塩化珪素(SiCl4 )とア
ンモニア(NH3 )を原料としたCVDにより成膜す
る。あるいはJVDやRTCVDにより形成する。ま
た、酸化窒化珪素膜は、例えば、ジクロルシラン(Si
2 Cl2 )と酸化二窒素(N2 O)とアンモニア(N
3 )、または、トリクロルシラン(SiHCl3 )と
酸化二窒素(N2 O)とアンモニア(NH3 )、また
は、四塩化珪素(SiCl4 )と酸化二窒素(N2 O)
とアンモニア(NH3 )のいずれかの組み合わせを原料
ガスとして用いたCVDにより形成する。
Next, as shown in FIG. 4, on the charge storage film 13b.
Silicon dioxide (SiO 2) is used as the top dielectric film 13c.
2 ), Silicon nitride SiNx (X> 0), or silicon oxynitride
Elemental SiO x Ny A film made of (x, y> 0) has a thickness of 1 nm to 2
Deposit about 0 nm. Among the above, the silicon dioxide film is
For example, dichlorosilane (SiH2 Cl2 ) And nitrous oxide
Elementary (N2 O) or trichlorosilane (SiHCl
3 ) And nitrous oxide (N2 O) or silicon tetrachloride (S
iClFour ) And nitrous oxide (N2 O) as a raw material CVD
Formed by. Further, the silicon nitride film is, for example, a dichroic film.
Lusilane (SiH2 Cl2 ) And ammonia (NH3 ),
Alternatively, trichlorosilane (SiHCl3 ) And Ammoni
A (NH 3 ), Or silicon tetrachloride (SiCl)Four ) And a
Nmonia (NH3 ) Is used as a raw material to form a film by CVD.
It Alternatively, it is formed by JVD or RTCVD. Well
Further, the silicon oxynitride film is formed of, for example, dichlorosilane (Si
H2 Cl2 ) And nitrous oxide (N2 O) and ammonia (N
H3 ) Or trichlorosilane (SiHCl3 )When
Nitrous oxide (N2 O) and ammonia (NH3 ),Also
Is silicon tetrachloride (SiClFour ) And nitrous oxide (N2 O)
And ammonia (NH3 ) Any combination of ingredients
It is formed by CVD used as a gas.

【0036】以上のようにして、図6(b)に示すゲー
ト誘電体膜13が形成される。
As described above, the gate dielectric film 13 shown in FIG. 6B is formed.

【0037】次に、図7(c)に示すように、例えば、
As+ やP+ 等のn型不純物を基板面にほぼ垂直にイオ
ン注入することにより、凸部の上面および凹部の底面に
おける半導体基板11内にソース・ドレイン領域12を
形成する。なお、当該ソース・ドレイン領域12の形成
のためのイオン注入は、ゲート誘電体膜13を形成する
工程の前に行ってもよい。
Next, as shown in FIG. 7C, for example,
By ion-implanting n-type impurities such as As + and P + substantially perpendicularly to the substrate surface, the source / drain regions 12 are formed in the semiconductor substrate 11 on the upper surface of the convex portion and the bottom surface of the concave portion. The ion implantation for forming the source / drain regions 12 may be performed before the step of forming the gate dielectric film 13.

【0038】次に、不純物が添加された多結晶珪素また
は非晶質珪素を堆積させて凹部を埋め込み、これをRI
E等の異方性のあるエッチング方法によりエッチバック
する。これにより、図7(d)に示すように、凹部内の
隅に、サイドウォール14aが形成される。
Next, polycrystalline silicon or amorphous silicon to which impurities have been added is deposited to fill the concave portion, and this is filled with RI.
Etch back by an anisotropic etching method such as E. As a result, as shown in FIG. 7D, the sidewall 14a is formed at the corner of the recess.

【0039】図8(e)に示すように、このサイドウォ
ール14aでチャネル形成領域の下部を保護した状態
で、斜めイオン注入法によりp型不純物を注入し、チャ
ネル形成領域の上部を高濃度p型に変化させる。その結
果、チャネル形成領域の下部と上方のソース・ドレイン
領域12との間に、高抵抗チャネル形成領域15が形成
される。
As shown in FIG. 8E, p-type impurities are implanted by the oblique ion implantation method while the lower portion of the channel forming region is protected by the sidewalls 14a, and the upper portion of the channel forming region has a high concentration p. Change to type. As a result, a high resistance channel forming region 15 is formed between the lower portion of the channel forming region and the source / drain region 12 above.

【0040】図8(f)に示すように、サイドウォール
14aと同じ材料を厚く堆積させ、その後、これを図1
に示すストライプ状にパターニングし、ゲート電極14
を形成する。
As shown in FIG. 8 (f), the same material as the sidewall 14a is deposited thickly, and thereafter, this is deposited on FIG.
The gate electrode 14 is patterned into the stripe shape shown in FIG.
To form.

【0041】以降の工程としては、必要に応じて層間絶
縁膜の形成、コンタクトの形成、上層配線層の形成など
を経て、当該不揮発性半導体メモリを完成させる。
In the subsequent steps, the non-volatile semiconductor memory is completed by forming an interlayer insulating film, forming a contact, forming an upper wiring layer, etc., if necessary.

【0042】上記の製造方法では、半導体基板11に段
差がない従来型のセルに比して、半導体基板11のパタ
ーニングの工程および高抵抗チャネル形成領域15の形
成工程が追加される。これらの工程は、不揮発性半導体
メモリの全製造工程に比べても僅かであり、大幅なコス
ト増の要因とならない。しかも、構造が極めて簡単であ
り、作りやすいという利点がある。
In the above manufacturing method, the step of patterning the semiconductor substrate 11 and the step of forming the high-resistance channel forming region 15 are added as compared with the conventional cell in which the semiconductor substrate 11 has no step. These steps are few compared to the total manufacturing steps of the non-volatile semiconductor memory, and do not cause a significant cost increase. Moreover, there is an advantage that the structure is extremely simple and easy to make.

【0043】次に、上記のメモリトランジスタの動作例
を説明する。具体的には、図4に示すメモリトランジス
タM21への、1ビット情報の書き込み、消去、データ
読み出しの方法を説明する。なお、この動作例に用いた
メモリトランジスタのゲート誘電体膜(ONO膜)仕様
は、二酸化珪素/窒化珪素/二酸化珪素=5nm/8n
m/5nmとする。また、溝Rの深さは350nmとす
る。
Next, an operation example of the above memory transistor will be described. Specifically, a method of writing, erasing, and reading data of 1-bit information in the memory transistor M21 shown in FIG. 4 will be described. The specifications of the gate dielectric film (ONO film) of the memory transistor used in this operation example are as follows: silicon dioxide / silicon nitride / silicon dioxide = 5 nm / 8 n
m / 5 nm. The depth of the groove R is 350 nm.

【0044】データ書き込みは、半導体基板11の電位
を基準として、2つのソース・ドレイン領域12の一方
に0V、他方に5Vを印加し、ゲート電極14に正の電
圧、例えば5〜6Vを印加する。このとき、チャネル形
成領域CHに電子が蓄積されて反転層(チャネル)が形
成され、そのチャネル内にソースから供給された電子が
ソースとドレイン間の電界により加速されてドレイン端
部で高い運動エネルギーを得て、ボトム誘電体膜(二酸
化珪素膜)13aのエネルギー障壁を越えるエネルギー
をもつホットエレクトロンとなる。ホットエレクトロン
の一部は、ある確率で電荷蓄積膜(窒化珪素膜)13b
のドレイン側部分に形成されたトラップに捕獲される。
For data writing, with reference to the potential of the semiconductor substrate 11, 0 V and 5 V are applied to one of the two source / drain regions 12, and a positive voltage, for example, 5 to 6 V is applied to the gate electrode 14. . At this time, electrons are accumulated in the channel formation region CH to form an inversion layer (channel), and the electrons supplied from the source in the channel are accelerated by the electric field between the source and the drain, so that high kinetic energy is generated at the end of the drain. As a result, hot electrons having energy exceeding the energy barrier of the bottom dielectric film (silicon dioxide film) 13a are obtained. Part of the hot electrons has a certain probability of being a charge storage film (silicon nitride film) 13b.
Trapped in the trap formed on the drain side of the.

【0045】データ読み出しでは、半導体基板11の電
位を基準として、ソース・ドレイン領域12の一方に0
Vを印加し、他方に例えば1.5Vを印加する。フォア
ードリードの場合、高抵抗チャネル形成領域15が設け
られた上側のソース・ドレイン領域12に1.5Vを印
加し、下側のソース・ドレイン領域12に基準電圧0V
を印加する。また、電荷蓄積膜13b内の捕獲電子数を
変化させない範囲の電圧、例えば、2.5Vをゲート電
極14に印加する。このバイアス条件下、電荷蓄積膜1
3b内の捕獲電子の有無または捕獲電子量に応じてメモ
リトランジスタがオンまたはオフする。すなわち、電荷
蓄積膜13bに電子が十分注入されている場合はメモリ
トランジスタがオフ状態を維持し、電荷蓄積膜13bに
電子が十分注入されていない場合はメモリトランジスタ
がオンする。このメモリトランジスタがオンした場合の
み、ソース・ドレイン領域12間の電位差が変化し、こ
の変化の有無を、例えばえセンスアンプなどの検出回路
で増幅し、記憶情報として外部に読み出す。なお、ソー
スとドレイン間の電圧印加方向を書き込み時と逆にする
必要があるが、リバースリードでも読み出しが可能であ
る。
In the data reading, the potential of the semiconductor substrate 11 is used as a reference and 0 is applied to one of the source / drain regions 12.
V is applied and, for example, 1.5 V is applied to the other. In the case of fore read, 1.5 V is applied to the upper source / drain region 12 where the high resistance channel forming region 15 is provided, and the reference voltage 0 V is applied to the lower source / drain region 12.
Is applied. Further, a voltage within a range that does not change the number of trapped electrons in the charge storage film 13b, for example, 2.5 V is applied to the gate electrode 14. Under this bias condition, the charge storage film 1
The memory transistor is turned on or off depending on the presence or absence of trapped electrons in 3b or the amount of trapped electrons. That is, the memory transistor maintains the off state when the electrons are sufficiently injected into the charge storage film 13b, and the memory transistor is turned on when the electrons are not sufficiently injected into the charge storage film 13b. Only when the memory transistor is turned on, the potential difference between the source / drain regions 12 changes, and the presence or absence of this change is amplified by a detection circuit such as a sense amplifier and read out as stored information to the outside. Note that the voltage application direction between the source and the drain needs to be opposite to that at the time of writing, but reading can also be performed by reverse reading.

【0046】データ消去では、バンド−バンド間トンネ
リングを用いる。具体的に、半導体基板11の電位を基
準としてソース・ドレイン領域12の一方、ここでは蓄
積電荷に近い上側のソース・ドレイン領域12に正電
圧、例えば5Vを印加する。また、下側のソース・ドレ
イン領域12をオープンとして、ゲート電極14に負電
圧、例えば−5Vを印加する。このとき、5Vを印加し
たソース・ドレイン領域12の表面が空乏化し、その空
乏層内が高電界となるためにバンド−バンド間トンネル
電流が発生する。バンド−バンド間トンネル電流に起因
した正孔は電界で加速されて高エネルギーを得る。この
高いエネルギーの正孔は、ゲート電圧に引きつけられて
電荷蓄積膜13b内の電荷トラップに注入される。その
結果、電荷蓄積膜13b内の蓄積電子は注入された正孔
により電荷が打ち消され、当該メモリトランジスタが消
去状態、すなわち、しきい値電圧が低い状態に戻され
る。
In data erasing, band-to-band tunneling is used. Specifically, a positive voltage, for example, 5V, is applied to one of the source / drain regions 12, here, the upper source / drain region 12 near the accumulated charge, based on the potential of the semiconductor substrate 11. Further, the source / drain region 12 on the lower side is opened, and a negative voltage, for example, −5 V is applied to the gate electrode 14. At this time, the surface of the source / drain region 12 to which 5V is applied is depleted, and a high electric field is generated in the depletion layer, so that a band-band tunnel current is generated. The holes resulting from the band-to-band tunnel current are accelerated by the electric field to obtain high energy. This high energy hole is attracted to the gate voltage and injected into the charge trap in the charge storage film 13b. As a result, the charges of the stored electrons in the charge storage film 13b are canceled by the injected holes, and the memory transistor is returned to the erased state, that is, the state where the threshold voltage is low.

【0047】本実施形態に係る不揮発性メモリの動作方
法では、高抵抗チャネル形成領域15を有することか
ら、書き込み時に電子の注入効率が高い。したがって、
その分、書き込みゲート電圧が従来の10Vに近い電圧
から5〜6V程度に低減された。また、書き込み速度も
10μs以下と高速化が達成された。なお、基板11に
ウエルが形成されている場合、例えばウエルに、ソース
・ドレイン領域12により形成されたpn接合を逆バイ
アスする電圧、ここでは負電圧を印加すると、その分、
さらに書き込みゲート電圧等を低減でき望ましい。この
バックバイアスを印加する手段は、特に図示しないが、
当該メモリセルアレイの周辺回路内に含まれる。
In the method of operating the non-volatile memory according to this embodiment, since the high resistance channel forming region 15 is provided, the efficiency of electron injection during writing is high. Therefore,
As a result, the write gate voltage has been reduced to about 5 to 6 V from the conventional voltage close to 10 V. In addition, the writing speed was increased to 10 μs or less. When a well is formed in the substrate 11, for example, when a voltage for reverse biasing the pn junction formed by the source / drain regions 12, here a negative voltage is applied to the well,
Furthermore, the write gate voltage and the like can be reduced, which is desirable. The means for applying this back bias is not particularly shown,
It is included in the peripheral circuit of the memory cell array.

【0048】以上の書き込み、消去および読み出しのオ
ペレーションを用いて、メモリセルの電気的信頼性を調
べた。その結果、データ書き換え特性、データ保持特性
およびリードディスターブ特性に関し、データ書き換え
が10万回以上、データ保持およびリードディスターブ
が10年間保証できることが分かった。また、データ保
持特性は、10万回のデータ書き換え後でも85℃,1
0年を満足した。
The electrical reliability of the memory cell was examined by using the above write, erase and read operations. As a result, regarding the data rewriting characteristics, the data holding characteristics, and the read disturb characteristics, it was found that the data rewriting can be guaranteed 100,000 times or more, and the data holding and read disturb can be guaranteed for 10 years. In addition, the data retention characteristic is 85 ° C, 1 degree after rewriting 100,000 times.
Satisfied with 0 years.

【0049】このデータ保持特性に関し、本実施形態の
MONOS型メモリトランジスタは、フローティングゲ
ート型に比して、以下の点でメリットがある。まず、半
導体基板11に溝Rを形成する工程において、溝の側壁
の垂直性を上げるため、例えば異方性の強いエッチング
を採用した場合、溝Rの側壁には多少なりともエッチン
グダメージを受けることがある。その場合、当該エッチ
ングダメージを受けた側壁に形成するボトム誘電体膜1
3aも質の良くない膜、すなわち、欠陥の多いボトム誘
電体膜13aが形成され得る。当該縦型構造をフロティ
ングゲート型に適用した場合には、フローティングゲー
トはその層内において電荷の移動が自由であるため、ボ
トム誘電体膜13aに局所的に欠陥が形成されている場
合には、フローティングゲート内に保持された電荷の全
てが当該欠陥を介して基板にリークしてしまう恐れがあ
る。これに対し、当該ボトム誘電体膜13a上に形成す
る膜内の電荷トラップは空間的に離散化されていること
から、当該欠陥近傍の電荷トラップに蓄積された電荷が
リークするにすぎず、当該欠陥を介して半導体基板へ電
荷がリークするのを低減でき、データ保持特性、信頼性
の面でフローティングゲート型に比して特性が良くな
る。
Regarding this data retention characteristic, the MONOS type memory transistor of this embodiment has the following merits as compared with the floating gate type. First, in the step of forming the groove R in the semiconductor substrate 11, in order to improve the verticality of the side wall of the groove, for example, when etching with strong anisotropy is adopted, the side wall of the groove R is somewhat damaged by etching. There is. In that case, the bottom dielectric film 1 formed on the side wall damaged by the etching
3a also has a poor quality film, that is, the bottom dielectric film 13a having many defects can be formed. When the vertical structure is applied to the floating gate type, the floating gate allows free movement of charges within the layer, and therefore, when a defect is locally formed in the bottom dielectric film 13a, However, all the charges held in the floating gate may leak to the substrate via the defect. On the other hand, since the charge traps in the film formed on the bottom dielectric film 13a are spatially discrete, the charges accumulated in the charge traps near the defect only leak, and Leakage of charges to the semiconductor substrate via defects can be reduced, and the characteristics are improved in comparison with the floating gate type in terms of data retention characteristics and reliability.

【0050】変形例1 この変形例1は、メモリトランジスタの電荷蓄積手段と
してゲート誘電体膜中に埋め込まれ例えば10ナノメー
タ以下の粒径を有する多数の互いに絶縁された導電体
(以下、小粒径導電体と称する)を用いた不揮発性半導
体記憶装置に関する。
Modification 1 In this modification 1, a large number of electrically insulated conductors (hereinafter, referred to as small particle size) embedded in a gate dielectric film as a charge storage means of a memory transistor and having a particle size of, for example, 10 nanometers or less. A non-volatile semiconductor memory device using a conductor).

【0051】図9は、この電荷蓄積手段としての小粒径
導電体を用いたメモリトランジスタの構造を示す拡大断
面図である。このメモリトランジスタでは、そのゲート
誘電体膜23が、ボトム誘電体膜23a、その上の電荷
蓄積手段としての離散的な小粒径導電体23b、および
小粒径導電体23bを覆う誘電体膜23cとからなる。
その他の構成、即ち半導体基板11、チャネル形成領域
CH、ソース・ドレイン領域12、ゲート電極14、高
抵抗チャネル形成領域15は、図4と同様である。
FIG. 9 is an enlarged cross-sectional view showing the structure of a memory transistor using a small grain conductor as the charge storage means. In this memory transistor, the gate dielectric film 23 has a bottom dielectric film 23a, discrete small-particle-diameter conductors 23b as charge storage means, and a dielectric film 23c covering the small-particle conductors 23b. Consists of.
Other configurations, that is, the semiconductor substrate 11, the channel formation region CH, the source / drain region 12, the gate electrode 14, and the high resistance channel formation region 15 are the same as those in FIG.

【0052】各小粒径導電体23bは、例えば、微細な
非晶質Six Ge1-x (0≦x≦1)または多結晶Si
x Ge1-x (0≦x≦1)等の導電体により構成されて
いる。また、小粒径導電体23bは、そのサイズ(直
径)が、好ましくは10nm以下、例えば4.0nm程
度であり、個々の小粒径導電体同士が誘電体膜23cで
空間的に、例えば4nm程度の間隔で分離されている。
なお、本例におけるボトム誘電体膜23aは、使用用途
に応じて2.6nmから5.0nmまでの範囲内で適宜
選択できる。ここでは、4.0nm程度の膜厚とした。
Each of the small grain conductors 23b is, for example, a fine amorphous Si x Ge 1-x (0≤x≤1) or polycrystalline Si.
It is made of a conductor such as x Ge 1-x (0 ≦ x ≦ 1). The size (diameter) of the small-particle conductors 23b is preferably 10 nm or less, for example, about 4.0 nm, and the individual small-particle conductors are spatially separated by the dielectric film 23c, for example, 4 nm. They are separated by a certain distance.
The bottom dielectric film 23a in this example can be appropriately selected within the range of 2.6 nm to 5.0 nm depending on the intended use. Here, the film thickness is set to about 4.0 nm.

【0053】上記構成のメモリトランジスタの製造方法
について説明する。まず、図6(a)の段差形成後、図
6(b)の説明で記述したと同様な方法によりボトム誘
電体膜23aを成膜する。その後、例えばLP−CVD
を用いたSix Ge1-x 成膜の初期過程に生じるSix
Ge1-x の小粒径導電体の集合体をボトム誘電体膜23
a上に形成する。Six Ge1-x の小粒径導電体は、シ
ラン(SiH4 )あるいはジクロルシラン(DCS)と
ゲルマン(GeH4 )と水素を原料ガスとして用い、5
00℃〜900℃程度の成膜温度で形成される。小粒径
導電体の密度、大きさは、シランあるいはジクロルシラ
ンと水素の分圧あるいは流量比を調整することによって
制御できる。水素分圧が大きい方が小粒径導電体のもと
となる核の密度を高くできる。あるいは、非化学量論的
組成のSiOx をシランあるいはジクロルシランと酸化
二窒素(N2 O)を原料ガスとして500℃〜800℃
程度の成膜温度で形成し、その後900℃〜1100℃
の高温でアニールすることで、SiO2 とSi小粒径導
電体相が分離し、SiO2に埋め込まれたSi小粒径導
電体の集合体が形成される。次に、小粒径導電体23b
を埋め込むように、誘電体膜23cを、例えば7nmほ
どLP−CVDにより成膜する。このLP−CVDで
は、原料ガスがジクロルシラン(DCS)と酸化二窒素
(N2 O)の混合ガス、基板温度が例えば700℃とす
る。このとき小粒径導電体23bは誘電体膜23cに埋
め込まれる。その後、ワード線となる導電膜を成膜し、
ゲート電極14を一括してパターンニングする工程を経
て、当該メモリトランジスタを完成させる。
A method of manufacturing the memory transistor having the above structure will be described. First, after forming the step of FIG. 6A, the bottom dielectric film 23a is formed by the same method as described in the description of FIG. 6B. Then, for example, LP-CVD
Si x occurring in the initial process of the Si x Ge 1-x film formation using the
An assembly of Ge 1-x small-diameter conductors is used as the bottom dielectric film 23.
It is formed on a. The small particle size conductor of Si x Ge 1-x uses silane (SiH 4 ) or dichlorosilane (DCS), germane (GeH 4 ) and hydrogen as source gases.
It is formed at a film forming temperature of about 00 ° C to 900 ° C. The density and size of the small particle size conductor can be controlled by adjusting the partial pressure or flow rate ratio of silane or dichlorosilane and hydrogen. The larger the hydrogen partial pressure, the higher the density of the nuclei that are the source of the small particle size conductor. Alternatively, a non-stoichiometric composition of SiO x is silane or dichlorosilane and nitrous oxide (N 2 O) is a raw material gas at 500 ° C. to 800 ° C.
It is formed at a film forming temperature of about 900 ° C. to 1100 ° C.
By annealing at a high temperature, the SiO 2 and Si small-particle-diameter conductor phases are separated, and an aggregate of Si small-particle-size conductors embedded in SiO 2 is formed. Next, the small particle size conductor 23b
A dielectric film 23c is formed by LP-CVD to have a thickness of, for example, about 7 nm so as to be embedded therein. In this LP-CVD, the source gas is a mixed gas of dichlorosilane (DCS) and dinitrogen oxide (N 2 O), and the substrate temperature is 700 ° C., for example. At this time, the small particle size conductor 23b is embedded in the dielectric film 23c. After that, a conductive film to be a word line is formed,
The memory transistor is completed through a step of collectively patterning the gate electrode 14.

【0054】このように形成された小粒径導電体23b
は、平面方向に離散化されたキャリアトラップとして機
能する。個々の小粒径導電体23bは、数個の注入電子
を保持できる。なお、小粒径導電体23bを更に小さく
して、これに単一電子を保持させてもよい。
The small-particle-diameter conductor 23b thus formed
Functions as a carrier trap discretized in the plane direction. Each small particle conductor 23b can hold several injected electrons. Note that the small-particle-diameter conductor 23b may be made smaller to hold a single electron.

【0055】変形例2 この変形例2は、AMG(Alternate Metal virtual Gro
und)型のメモリセルアレイ構造に関する。
Modification 2 This modification 2 is an AMG (Alternate Metal virtual Gro
und) type memory cell array structure.

【0056】図10に、AMG型メモリセルアレイの等
価回路図を示す。このメモリセルアレイは、各メモリセ
ルを構成するメモリトランジスタが行列状にn×m個配
置され、各行のメモリトランジスタのゲートがワード線
WL1,WL2,…,WLnの何れかに接続されてい
る。
FIG. 10 shows an equivalent circuit diagram of the AMG type memory cell array. In this memory cell array, n × m memory transistors forming each memory cell are arranged in a matrix, and the gates of the memory transistors in each row are connected to any of the word lines WL1, WL2, ..., WLn.

【0057】不純物拡散層DR1,DR2,…,DR
5,…が列方向に長く、行方向に一定間隔で繰り返し形
成されている。これら不純物拡散層は、通常のVG型メ
モリセルアレイと同様に、ソース・ドレイン領域として
機能し、隣接した2つのメモリトランジスタ列で共有さ
れている。奇数番目の不純物拡散層DR1,DR3,D
R5,…は、セレクトトランジスタST0を介して、そ
の上層に配置されたビット線BL1,BL2,BL3,
…に接続されている。セレクトトランジスタST0は、
ビット線選択信号BLSELにより制御される。ビット
線は金属層、例えばアルミニウムの層からなる。偶数番
目の不純物拡散層DR2,DR4,…は、ビット線間の
ほぼ中央に配置され、両側のビット線の何れかに選択的
に接続可能に構成されている。すなわち、偶数番目の不
純物拡散層は、選択信号SELにより制御されるセレク
トトランジスタST1を介して右側のビット線に接続さ
れ、選択信号の反転信号SEL_により制御されるセレ
クトトランジスタST2を介して左側のビット線に接続
される。
Impurity diffusion layers DR1, DR2, ..., DR
5, are long in the column direction and are repeatedly formed at regular intervals in the row direction. These impurity diffusion layers function as source / drain regions and are shared by two adjacent memory transistor columns, as in a normal VG type memory cell array. Odd-numbered impurity diffusion layers DR1, DR3, D
R5, ... Are bit lines BL1, BL2, BL3, which are arranged above the bit lines BL1, BL2, BL3 via the select transistor ST0.
…It is connected to the. The select transistor ST0 is
It is controlled by the bit line selection signal BLSEL. The bit line comprises a metal layer, for example a layer of aluminum. The even-numbered impurity diffusion layers DR2, DR4, ... Are arranged substantially in the center between the bit lines and are configured to be selectively connectable to either of the bit lines on both sides. That is, the even-numbered impurity diffusion layers are connected to the right bit line via the select transistor ST1 controlled by the select signal SEL, and the left bit via the select transistor ST2 controlled by the inverted signal SEL_ of the select signal. Connected to the wire.

【0058】このn×m個のメモリトランジスタ群と3
種類のセレクトトランジスタST0,ST1,ST2と
により基本単位(サブアレイ)が構成され、サブアレイ
が繰り返し配置されて全体のメモリセルアレイが構成さ
れている。
This n × m memory transistor group and 3
A basic unit (sub-array) is configured by the select transistors ST0, ST1, ST2 of the type, and the sub-array is repeatedly arranged to configure the entire memory cell array.

【0059】AMG型メモリセルアレイでは、その構成
上、用意されたメモリセルアレイの1列おきにしか選択
できない。しかし、例えばサブアレイのセル列数を必要
なデータ列の倍に設定しておき、動作可能なメモリセル
列を奇数列と偶数列との間で切り換えることで、実質的
に全てのメモリセルが有効にデータ記憶に用いられる。
また、この列切り換えが可能な構成により、通常のVG
型メモリセルアレイと異なりページ単位の動作が可能で
ある。さらに、ビット線の間隔が緩和されるので、メモ
リトランジスタが微細化されてもビット線の配線ピッチ
がメモリセルアレイ面積縮小の制限となり難い。
In the AMG type memory cell array, it is possible to select only every other column of the prepared memory cell array due to its structure. However, for example, by setting the number of cell columns in the sub-array to twice the number of required data columns and switching the operable memory cell columns between odd and even columns, virtually all memory cells are effective. Used for data storage.
In addition, due to the configuration capable of switching columns, a normal VG
Unlike the memory cell array of the type, it is possible to operate in page units. Further, since the distance between the bit lines is relaxed, even if the memory transistor is miniaturized, the wiring pitch of the bit lines is unlikely to be a limitation for reducing the memory cell array area.

【0060】本実施形態の不揮発性メモリは、上記した
変形例1以外のメモリトランジスタ構造、上記した変形
例2以外のメモリセルアレイ構造においても適用可能で
ある。
The nonvolatile memory of the present embodiment can be applied to a memory transistor structure other than the modification 1 described above and a memory cell array structure other than the modification 2 described above.

【0061】メモリトランジスタのゲート誘電体膜13
の構成は、上記実施形態で例示したいわゆるMONOS
型に用いられる3層の誘電体膜に限定されない。ゲート
誘電体膜の要件は、積層された複数の誘電体膜を含むこ
とと、電荷トラップ等の電荷蓄積手段が離散化されてい
ることの2点であり、これらの要件を満たす種々の他の
構成を採用可能である。たとえば、いわゆるMNOS型
等のように、二酸化珪素等からなるボトム誘電体膜と、
その上に形成された窒化珪素等からなる電荷保持能力を
有した膜との2層構成であってもよい。
Gate dielectric film 13 of memory transistor
The configuration of is the so-called MONOS exemplified in the above embodiment.
The present invention is not limited to the three-layer dielectric film used in the mold. There are two requirements for the gate dielectric film, that is, a plurality of dielectric films that are stacked are included and that charge storage means such as a charge trap is discretized. A configuration can be adopted. For example, a bottom dielectric film made of silicon dioxide or the like, such as a so-called MNOS type,
It may have a two-layer structure with a film having charge holding ability made of silicon nitride or the like formed thereon.

【0062】また、酸化アルミニウムAl23 、酸化
タンタルTa25 、酸化ジルコニウムZrO2 等の金
属酸化物等からなる誘電体膜も多くのトラップを含むこ
とが知られており、MONOS型またはMNOS型にお
いて、電荷保持能力を有した膜として採用可能である。
さらに、電荷蓄積膜13bの材料として、その他の金属
酸化物を上げると、例えば、チタン、ハフニウム、ラン
タンの酸化物よりなる膜があり、あるいはタンタル、チ
タン、ジルコニウム、ハフニウム、ランタンのシリケイ
トよりなる膜を採用することもできる。
It is known that a dielectric film made of a metal oxide such as aluminum oxide Al 2 O 3 , tantalum oxide Ta 2 O 5 and zirconium oxide ZrO 2 also contains many traps. In the MNOS type, it can be adopted as a film having a charge retention ability.
Furthermore, when other metal oxides are used as the material of the charge storage film 13b, for example, there are films made of oxides of titanium, hafnium and lanthanum, or films made of silicates of tantalum, titanium, zirconium, hafnium and lanthanum. Can also be adopted.

【0063】電荷蓄積膜13bの材料として、酸化アル
ミニウム(Al23 )が選択された場合には、例え
ば、塩化アルミニウム(AlCl3 )と二酸化炭素(C
2 )と水素(H2 )をガスの原料としたCVD法、ま
たはアルミニウムアルコキシド(Al(C25 O)
3 ,Al(C37 O)3 ,Al(C49 O)3 等)
の熱分解を用いる。電荷蓄積膜13bの材料として、酸
化タンタル(Ta25 )が選択された場合には、例え
ば、塩化タンタル(TaCl5 )と二酸化炭素(CO
2 )と水素(H2 )をガスの原料としたCVD法、また
はTaCl2 (OC2525 72 、あるいは
Ta(OC255 の熱分解を用いる。電荷蓄積膜1
3bの材料として、酸化ジルコニウム(ZrOx )が選
択された場合には、例えば、Zrを酸素雰囲気中でスパ
ッタリングする方法を用いる。
Alkali oxide is used as the material of the charge storage film 13b.
Minium (Al2 O3 ) Is selected, for example,
For example, aluminum chloride (AlCl3 ) And carbon dioxide (C
O2 ) And hydrogen (H2 ) Is used as a gas source,
Or aluminum alkoxide (Al (C2 HFive O)
3 , Al (C3 H7 O)3 , Al (CFour H9 O)3 etc)
Pyrolysis of is used. As the material of the charge storage film 13b, acid
Tantalum oxide (Ta2 OFive ) Is selected, for example,
For example, tantalum chloride (TaClFive ) And carbon dioxide (CO
2 ) And hydrogen (H2 ) Gas as a raw material for CVD,
Is TaCl2 (OC2 HFive )2 CFive H 7 O2 , Or
Ta (OC2 HFive )Five Pyrolysis of is used. Charge storage film 1
As a material for 3b, zirconium oxide (ZrOx ) Is selected
If selected, for example, Zr in an oxygen atmosphere
Tattering method is used.

【0064】同様に、ボトム誘電体膜13aおよびトッ
プ誘電体膜13cは、上述した二酸化珪素、窒化珪素、
酸化窒化珪素に限られず、例えば、酸化アルミニウムA
23 、酸化タンタルTa25 、酸化ジルコニウム
ZrO2 のいずれの材料から選択してもよい。なお、こ
れらの金属酸化物の形成方法については、上述した通り
である。さらに、ボトム誘電体膜13aおよびトップ誘
電体膜13cは、その他の金属酸化膜として、チタン、
ハフニウム、ランタンの酸化物よりなる膜でもよいし、
あるいはタンタル、チタン、ジルコニウム、ハフニウ
ム、ランタンのシリケイトよりなる膜を採用することも
できる。
Similarly, the bottom dielectric film 13a and the top dielectric film 13c are made of silicon dioxide, silicon nitride,
Not limited to silicon oxynitride, for example, aluminum oxide A
The material may be selected from any of l 2 O 3 , tantalum oxide Ta 2 O 5 , and zirconium oxide ZrO 2 . The method for forming these metal oxides is as described above. Further, the bottom dielectric film 13a and the top dielectric film 13c are made of titanium,
A film made of hafnium or lanthanum oxide may be used,
Alternatively, a film made of silicate of tantalum, titanium, zirconium, hafnium, or lanthanum can be used.

【0065】その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲
で、種々の変更が可能である。
Besides, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

【0066】[0066]

【発明の効果】本発明の不揮発性半導体メモリ装置およ
びその動作方法によれば、平坦な表面を有する第1導電
型半導体面内にチャネルを有する半導体記憶素子と比較
してサイズ(専有面積)が極めて小さく、また、素子の
微細化を進めても微細形状効果による電気特性低下が防
止でき、データ保持特性等の低下もない。さらに、高抵
抗チャネル形成領域を有していることから、電荷の注入
効率が高く高速動作が可能である。
According to the nonvolatile semiconductor memory device and the method of operating the same of the present invention, the size (occupied area) is smaller than that of a semiconductor memory element having a channel in the first conductivity type semiconductor surface having a flat surface. It is extremely small, and even if the element is miniaturized, deterioration of electrical characteristics due to the effect of fine shape can be prevented, and the data retention characteristics and the like are not deteriorated. Further, since it has a high resistance channel forming region, the charge injection efficiency is high and a high speed operation is possible.

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

【図1】本発明の実施形態に係るメモリセルアレイの平
面図である。
FIG. 1 is a plan view of a memory cell array according to an embodiment of the present invention.

【図2】本発明の実施形態に係り、図1に示す平面図に
おける不純物を導入する領域を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing a region into which impurities are introduced in the plan view shown in FIG. 1 according to the embodiment of the present invention.

【図3】本発明の実施形態に係り、(a)は図1のA−
A’線における断面図、(b)は図1のB−B’線にお
ける断面図である。
FIG. 3 relates to an embodiment of the present invention, (a) is A- of FIG.
FIG. 2B is a sectional view taken along line A ′, and FIG. 1B is a sectional view taken along line BB ′ in FIG. 1.

【図4】本発明の実施形態に係るメモリセルアレイにお
いて、行方向に隣接する2セル分の拡大断面図である。
FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view of two cells adjacent in the row direction in the memory cell array according to the embodiment of the present invention.

【図5】本発明の実施形態に係るメモリセルアレイにお
いて、図4の断面図に対応する等価回路図である。
5 is an equivalent circuit diagram corresponding to the cross-sectional view of FIG. 4 in the memory cell array according to the embodiment of the present invention.

【図6】本発明の実施形態に係るメモリセルアレイの製
造において、(a)は半導体基板への溝部の形成後の断
面図、(b)はゲート誘電体膜の形成後の断面図であ
る。
6A and 6B are cross-sectional views after formation of a groove portion in a semiconductor substrate and FIG. 6B is a cross-sectional view after formation of a gate dielectric film in manufacturing a memory cell array according to an embodiment of the present invention.

【図7】本発明の実施形態に係るメモリセルアレイの製
造において、(c)はソース・ドレイン領域の形成後の
断面図、(d)はサイドウォールの形成後の断面図であ
る。
FIG. 7 is a cross-sectional view after formation of source / drain regions and a cross-sectional view after formation of sidewalls in manufacturing a memory cell array according to an embodiment of the present invention.

【図8】本発明の実施形態に係るメモリセルアレイの製
造において、(e)は高抵抗チャネル形成領域の形成時
の断面図、(f)はワード線形成後の断面図である。
8A and 8B are cross-sectional views at the time of forming the high resistance channel formation region and FIG. 8F is a cross-sectional view after the word lines are formed in the manufacturing of the memory cell array according to the embodiment of the present invention.

【図9】本発明の実施形態の変形例1を示すメモリトラ
ンジスタの断面図である。
FIG. 9 is a sectional view of a memory transistor showing a first modification of the embodiment of the present invention.

【図10】本発明の実施形態の変形例2におけるメモリ
セルアレイ方式を示す等価回路図である。
FIG. 10 is an equivalent circuit diagram showing a memory cell array system in Modification 2 of the embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11…半導体基板、12…ソース・ドレイン領域、13
…ゲート誘電体膜、13a…ボトム誘電体膜、13b…
電荷蓄積膜、13c…トップ誘電体膜、14…ゲート電
極、15…高抵抗チャネル形成領域、R…溝。
11 ... Semiconductor substrate, 12 ... Source / drain region, 13
... Gate dielectric film, 13a ... Bottom dielectric film, 13b ...
Charge storage film, 13c ... Top dielectric film, 14 ... Gate electrode, 15 ... High resistance channel forming region, R ... Trench.

フロントページの続き Fターム(参考) 5F083 EP17 EP18 EP22 EP48 EP49 EP64 EP69 EP75 ER02 ER05 ER06 ER11 ER21 GA01 GA09 JA02 JA03 JA06 KA08 KA13 PR21 PR37 5F101 BA42 BA44 BA45 BA46 BA47 BA54 BB02 BC06 BC11 BC12 BC13 BD10 BD13 BD15 BD16 BD33 BH02 BH09 Continued front page    F-term (reference) 5F083 EP17 EP18 EP22 EP48 EP49                       EP64 EP69 EP75 ER02 ER05                       ER06 ER11 ER21 GA01 GA09                       JA02 JA03 JA06 KA08 KA13                       PR21 PR37                 5F101 BA42 BA44 BA45 BA46 BA47                       BA54 BB02 BC06 BC11 BC12                       BC13 BD10 BD13 BD15 BD16                       BD33 BH02 BH09

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】表面に段差を有する第1導電型半導体と、 段差の上部と底部に形成され、第1導電型半導体の主面
に垂直な方向で分離された2つの第2導電型半導体領域
と、 空間的に離散化された電荷蓄積手段を内部に含み、少な
くとも上記段差の側面の一部を被覆するように形成され
たゲート誘電体膜と、 ゲート誘電体膜を介在させて上記段差の側面に対峙する
ゲート電極とを有した不揮発性半導体メモリ装置の動作
方法であって、 書き込み時に、一方の第2導電型半導体領域から供給さ
れた電子が他方の第2導電型半導体領域の近傍でホット
エレクトロンとなって当該他方側の電荷蓄積手段に注入
されるように、上記2つの第2導電型半導体領域間と、
上記ゲート電極とに対し、それぞれ最適化された電圧を
印加する工程を含む不揮発性半導体メモリ装置の動作方
法。
1. A first-conductivity-type semiconductor having a step on its surface, and two second-conductivity-type semiconductor regions formed at the top and bottom of the step and separated in a direction perpendicular to the main surface of the first-conductivity-type semiconductor. And a gate dielectric film which includes a spatially discrete charge storage means inside and is formed so as to cover at least a part of the side surface of the step, and the step of the step with the gate dielectric film interposed. A method of operating a non-volatile semiconductor memory device having a gate electrode facing each other, wherein electrons supplied from one of the second conductivity type semiconductor regions at the time of writing in the vicinity of the other second conductivity type semiconductor region. Between the two second-conductivity-type semiconductor regions, so that hot electrons are injected into the charge storage means on the other side,
A method of operating a non-volatile semiconductor memory device, comprising the step of applying an optimized voltage to each of the gate electrodes.
【請求項2】上記不揮発性半導体メモリ装置は、上記第
2導電型半導体領域のチャネル中央側の端部に隣接し、
チャネルが形成される上記第1導電型半導体より高濃度
な高抵抗チャネル形成領域をさらに有し、 上記書き込み時に、当該高抵抗チャネル形成領域で電界
の集中性を良くしてホットエレクトロンの注入効率を向
上させた請求項1記載の不揮発性半導体メモリ装置の動
作方法。
2. The non-volatile semiconductor memory device is adjacent to an end of the second conductivity type semiconductor region on a channel center side,
The semiconductor device further has a high-resistance channel formation region having a higher concentration than the first conductivity type semiconductor in which a channel is formed, and improves the concentration of an electric field in the high-resistance channel formation region during writing to improve hot electron injection efficiency. An improved method of operating a non-volatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein the method is improved.
【請求項3】書き込み時に、上記第1導電型半導体に、
上記第2導電型半導体領域との間に形成されるpn接合
が逆バイアスされる電圧を印加する工程をさらに含む請
求項1記載の不揮発性半導体メモリ装置の動作方法。
3. The first conductivity type semiconductor, at the time of writing,
2. The method of operating a non-volatile semiconductor memory device according to claim 1, further comprising the step of applying a voltage such that a pn junction formed between the second conductivity type semiconductor region and the second conductivity type semiconductor region is reverse biased.
【請求項4】書き込み時に、上記第1導電型半導体に、
上記第2導電型半導体領域との間に形成されるpn接合
が逆バイアスされる電圧を印加する工程をさらに含む請
求項2記載の不揮発性半導体メモリ装置の動作方法。
4. The first conductivity type semiconductor, at the time of writing,
3. The method of operating a nonvolatile semiconductor memory device according to claim 2, further comprising the step of applying a voltage such that a pn junction formed between the second conductivity type semiconductor region and the second conductivity type semiconductor region is reverse biased.
【請求項5】消去時に、上記電子が注入された側の第2
導電型半導体領域からホットホールが注入されるよう
に、当該第2導電型半導体領域と上記ゲート電極との間
に電圧を印加する工程をさらに含む請求項1記載の不揮
発性半導体メモリ装置の動作方法。
5. The second side on the side where the electrons are injected at the time of erasing.
2. The method of operating a nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, further comprising the step of applying a voltage between the second conductive type semiconductor region and the gate electrode so that hot holes are injected from the conductive type semiconductor region. .
【請求項6】読み出し時に、書き込み時と同じ方向の電
圧を上記2つの第2導電型半導体領域に印加し、書き込
み時に注入された電荷の有無または電荷量に応じてチャ
ネルがオンまたはオフする電圧を上記ゲート電極に印加
する工程をさらに含む請求項1記載の不揮発性半導体メ
モリ装置の動作方法。
6. A voltage for applying a voltage in the same direction as that for writing to the two second conductivity type semiconductor regions at the time of reading, and turning on or off the channel depending on the presence or absence of charges injected during the writing or the amount of charges. The method of operating a nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, further comprising applying a voltage to the gate electrode.
【請求項7】読み出し時に、書き込み時と同じ方向の電
圧を上記2つの第2導電型半導体領域に印加し、書き込
み時に注入された電荷の有無または電荷量に応じてチャ
ネルがオンまたはオフする電圧を上記ゲート電極に印加
する工程をさらに含む請求項3記載の不揮発性半導体メ
モリ装置の動作方法。
7. A voltage for applying a voltage in the same direction as that for writing to the two second conductivity type semiconductor regions during reading, and turning on or off the channel depending on the presence or absence of charges injected during writing and the amount of charges. 4. The method for operating a nonvolatile semiconductor memory device according to claim 3, further comprising applying a voltage to the gate electrode.
【請求項8】表面に段差を有する第1導電型半導体と、 段差の上部と底部に形成され、第1導電型半導体の主面
に垂直な方向で分離された2つの第2導電型半導体領域
と、 空間的に離散化された電荷蓄積手段を内部に含み、少な
くとも上記段差の側面の一部を被覆するように形成され
たゲート誘電体膜と、 ゲート誘電体膜を介在させて上記段差の側面に対峙する
ゲート電極とを有した不揮発性半導体メモリ装置の動作
方法であって、 消去時に、上記電子が注入された側の第2導電型半導体
領域からホットホールが注入されるように、当該第2導
電型半導体領域と上記ゲート電極との間に電圧を印加す
る工程を含む不揮発性半導体メモリ装置の動作方法。
8. A first-conductivity-type semiconductor having a step on the surface, and two second-conductivity-type semiconductor regions formed on the top and bottom of the step and separated in a direction perpendicular to the main surface of the first-conductivity-type semiconductor. And a gate dielectric film which includes a spatially discrete charge storage means inside and is formed so as to cover at least a part of the side surface of the step, and the step of the step with the gate dielectric film interposed. A method of operating a non-volatile semiconductor memory device having a gate electrode facing each other, wherein a hot hole is injected from a second conductivity type semiconductor region on a side where the electron is injected during erasing. A method of operating a non-volatile semiconductor memory device, comprising the step of applying a voltage between a second conductivity type semiconductor region and the gate electrode.
【請求項9】表面に段差を有する第1導電型半導体と、 段差の上部と底部に形成され、第1導電型半導体の主面
に垂直な方向で分離された2つの第2導電型半導体領域
と、 少なくとも一方の第2導電型半導体領域に隣接した部分
に形成され、周囲の第1導電型半導体より高濃度な高抵
抗チャネル形成領域と、 空間的に離散化された電荷蓄積手段を内部に含み、少な
くとも上記段差の側面の一部を被覆するように形成され
たゲート誘電体膜と、 ゲート誘電体膜を介在させて上記段差の側面に対峙する
ゲート電極とを有した不揮発性半導体メモリ装置。
9. A first-conductivity-type semiconductor having a step on the surface, and two second-conductivity-type semiconductor regions formed on the top and bottom of the step and separated in a direction perpendicular to the main surface of the first-conductivity-type semiconductor. And a high resistance channel forming region formed in a portion adjacent to at least one of the second conductivity type semiconductor regions and having a higher concentration than the surrounding first conductivity type semiconductor region, and a spatially discretized charge storage means inside. A non-volatile semiconductor memory device including a gate dielectric film formed to cover at least a part of the side surface of the step and a gate electrode facing the side surface of the step with the gate dielectric film interposed. .
【請求項10】書き込み時に、上記第2導電型半導体領
域との間に形成されるpn接合を逆バイアスする電圧を
上記第1導電型半導体に印加する手段をさらに有した請
求項9記載の不揮発性半導体メモリ装置。
10. The non-volatile memory according to claim 9, further comprising means for applying a voltage for reverse biasing a pn junction formed between the second conductivity type semiconductor region and the second conductivity type semiconductor region, to the first conductivity type semiconductor during writing. Semiconductor memory device.
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