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JP2004221448A - Non-volatile semiconductor memory device and its manufacturing method - Google Patents

Non-volatile semiconductor memory device and its manufacturing method Download PDF

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JP2004221448A
JP2004221448A JP2003009212A JP2003009212A JP2004221448A JP 2004221448 A JP2004221448 A JP 2004221448A JP 2003009212 A JP2003009212 A JP 2003009212A JP 2003009212 A JP2003009212 A JP 2003009212A JP 2004221448 A JP2004221448 A JP 2004221448A
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JP
Japan
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charge storage
layer
silicon nitride
storage layer
forming
Prior art date
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Pending
Application number
JP2003009212A
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Japanese (ja)
Inventor
Kazumasa Nomoto
和正 野本
Takeshi Asayama
豪 浅山
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
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Publication date
Application filed by Sony Corp filed Critical Sony Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a non-volatile semiconductor memory device capable of improving the charge holding characteristics of a silicon nitride film constituting a charge accumulation layer, and to provide a method for manufacturing the storage device. <P>SOLUTION: A data holding characteristic is improved by using a silicon nitride film of which Si-H coupling density is ≤1×10<SP>19</SP>cm<SP>-3</SP>as a charge accumulation layer 4 of a non-volatile memory such as an MNOS memory or an MONOS memory. In order to form the silicon nitride film, an LPCVD method using silicon tetrachloride (SiCl<SB>4</SB>) and ammonia (NH<SB>3</SB>) as material gas can be suitably used. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、不揮発性半導体記憶装置およびその製造方法に関し、特に、フラッシュメモリあるいはEEPROM(Electric Erasable−Programmable Read OnlyMemory) に代表される不揮発性半導体記憶装置およびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
MNOS(Metal−Nitride−Oxide−Semiconductor) 、またはMONOS(Metal−Oxide−Nitride−Oxide−Semiconductor) 不揮発性メモリにおける情報の保持は、電荷を窒化珪素膜に蓄積することとにより行われている。
【0003】
この不揮発性メモリの電荷蓄積層に用いる窒化珪素膜は、従来はモノシラン(SiH )またはジクロルシラン(SiH Cl )と、アンモニア(NH )を原料ガスとして用いていた(特許文献1参照)。また、電荷蓄積層上のトップ誘電体層と称される誘電体層には、電荷蓄積層である窒化珪素膜を酸化することにより形成された二酸化珪素膜を用いていた。
【0004】
【特許文献1】
特開2002−203917号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ジクロルシランやモノシランを原料として窒化珪素膜を成膜する場合、窒化珪素膜中に1×1020cm−3以上のSi−H結合が含まれる。窒化珪素膜形成後の熱工程により、Si−H結合の水素(H)が脱離することによって形成されたSiのダングリングボンドは浅い準位を形成すると考えられている。
【0006】
蓄積された電荷は浅い準位を介して容易に窒化珪素膜から脱離することが可能になる。実際に成膜直後の窒化珪素中のSi−H結合密度が高いほどMNOSメモリあるいはMONOSメモリの保持特性は劣ることとなる。
【0007】
また、トップ誘電体層と称される誘電体層を電荷蓄積層である窒化珪素膜を酸化することにより形成しようとすると、その酸化工程により窒化珪素膜中のSi−H結合からのH基の脱離が促進される。その結果、形成された浅い準位により、メモリの保持特性は劣化してしまう。このようにメモリの電荷保持特性が劣化してしまうと、高速アクセスを達成することができない。
【0008】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、電荷蓄積層を構成する窒化珪素層の電荷保持特性を向上させることができる不揮発性半導体記憶装置およびその製造方法を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の不揮発性半導体記憶装置は、半導体基板の活性領域上に形成された第1の誘電体層と、前記第1の誘電体層上に形成され、窒化珪素層を含む電荷蓄積層と、前記電荷蓄積層上に形成されたゲート電極と、前記ゲート電極の両側の前記半導体基板に形成され、ソースあるいはドレインとなる2つの半導体領域とを有し、前記窒化珪素層のSi−H結合密度が、1×1019cm−3以下に規定されている。
【0010】
前記電荷蓄積層と前記ゲート電極との間に形成された第2の誘電体層をさらに有する。
【0011】
上記の本発明の不揮発性半導体記憶装置では、電荷蓄積層となる窒化珪素層のSi−H結合密度を、1×1019cm−3以下と低く規定している。
Si−H結合におけるH基が脱離すると浅い準位が形成される。浅い準位が電荷蓄積層中に形成されると、蓄積された電荷は浅い準位を介して電荷蓄積層中から脱離することが可能となる。
本発明では、電荷蓄積層となる窒化珪素層自体のSi−H結合密度を1×1019cm−3以下と低く規定することにより、H基が脱離することによる浅い準位の形成が抑制される。
【0012】
さらに、上記の目的を達成するため、本発明の不揮発性半導体記憶装置の製造方法は、半導体基板の活性領域上に第1の誘電体層を形成する工程と、前記第1の誘電体層上に、成膜直後のSi−H結合密度が1×1019cm−3以下となるように窒化珪素層を成膜して電荷蓄積層を形成する工程と、前記電荷蓄積層上にゲート電極を形成する工程と、前記ゲート電極の両側の前記半導体基板に、ソースあるいはドレインとなる2つの半導体領域を形成する工程とを有する。
【0013】
前記電荷蓄積層を形成する工程において、四塩化珪素とアンモニアを原料ガスとして前記窒化珪素層を成膜する。
【0014】
前記電荷蓄積層を形成する工程の後、前記ゲート電極を形成する工程の前に、前記電荷蓄積層上に第2の誘電体層を形成する工程をさらに有し、前記ゲート電極を形成する工程において、前記第2の誘電体層上に前記ゲート電極を形成する。
【0015】
前記第2の誘電体層を形成する工程において、ジクロルシランまたは四塩化珪素と、一酸化二窒素を原料とした減圧化学気相堆積により二酸化珪素層を成膜する。
【0016】
上記の本発明の不揮発性半導体記憶装置の製造方法では、成膜直後のSi−H結合密度が1×1019cm−3以下となるように窒化珪素層を成膜して電荷蓄積層を形成する。
Si−H結合におけるH基が脱離すると浅い準位が形成される。浅い準位が電荷蓄積層中に形成されると、蓄積された電荷は浅い準位を介して電荷蓄積層中から脱離することが可能となる。
本発明では、電荷蓄積層となる窒化珪素層自体のSi−H結合密度が1×1019cm−3以下と低くなるように形成することにより、H基が脱離することによる浅い準位の形成が抑制される。
また、第2の誘電体層を形成する工程において、減圧化学気相堆積により二酸化珪素層を成膜し、酸化による形成法よりも成膜温度の低温化を図ることにより、蓄積された電荷が放出されやすくなる浅い準位の形成が抑制される。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、記憶素子としてnチャネル型のメモリトランジスタを有する場合を例に図面を参照しながら説明する。なお、pチャネル型のメモリトランジスタは、以下の説明で不純物導電型および印加電圧の極性を逆にすることで実現される。
【0018】
第1実施形態
図1は、第1実施形態に係る不揮発性メモリトランジスタの断面構造を示す図である。
【0019】
このメモリトランジスタは、例えばp型シリコンウエハなどの半導体基板、半導体基板内表面に形成されたpウエル、またはSOI型基板分離構造のp型シリコン層(以下、単に基板1という)に形成されている。基板1の表面に、必要に応じて、例えばLOCOS(Local Oxidation of Silicon)またはSTI(ShallowTrench Isolation)などにより形成された素子分離絶縁膜2が形成されている。この素子分離絶縁膜2が形成されていない基板表面部分が当該メモリトランジスタを含む素子が形成される活性領域となる。
【0020】
活性領域上に、第1の誘電体層3、電荷蓄積層4、第2の誘電体層5、およびゲート電極6が積層されている。このゲート電極6自身、あるいは、ゲート電極6に接続された図示しない上層配線層により、メモリセルアレイのワード線が構成される。
【0021】
第1の誘電体層3は、ポテンシャルバリアとして機能し、例えば1nm〜12nm程度の膜厚を有する二酸化珪素SiO の膜からなる。
電荷蓄積層4は、電荷蓄積手段として機能し、窒化珪素SiN (x>0)からなる。本実施形態では、電荷蓄積層4となる窒化珪素膜中のSi−H結合密度が、1×1019cm−3以下に規定されている点に特徴を有する。
第2の誘電体層5は、例えば二酸化珪素膜からなり、その膜厚は3nm〜10nm程度である。
ゲート電極6は、高濃度に不純物がドーピングされた多結晶珪素、または、多結晶珪素Siと、その上に形成されたCoSi ,WSi ,TiN,TaSi ,TiSi ,Ti,W,Cu,Al,Au等との積層膜からなる。
【0022】
このような構成のゲート積層構造の両側のシリコン活性領域内表面に、いわゆるLDD(Lightly Doped Drain) を有した2つのソース・ドレイン領域7が互いに離れて形成されている。動作時の電圧印加方向に応じて、この2つのソース・ドレイン領域7の一方がソース、他方がドレインとして機能する。
また、ゲート積層構造の両側面には、いわゆるサイドウォール絶縁膜と称せられる絶縁層8が形成されている。サイドウォール絶縁膜8直下に位置する活性領域に、n型不純物が比較的低濃度で浅く導入されることにより、ソース・ドレイン領域7のn 不純物領域(LDD)7aが形成されている。また、サイドウォール絶縁膜8を自己整合マスクとして、その両外側にn型不純物を比較的高濃度で深くまで導入することにより、ソース・ドレイン領域7の主体をなすn 不純物領域7bが形成されている。
なお、2つのソース・ドレイン領域7の間の活性領域部分が、当該メモリトランジスタのチャネル形成領域9となる。
【0023】
次に、上記のメモリトランジスタの製造方法を、図面を参照しながら説明する。ここで、図2〜図4は、第1実施形態に係るメモリトランジスタの製造における断面図である。
図2(a)に示すように、基板1上にLOCOS法またはSTI法により素子分離絶縁膜2を形成する。その後、必要に応じて、メモリトランジスタのしきい値電圧を調整するための不純物ドーピングを、例えばイオン注入法により行う。
【0024】
次に、図2(b)に示すように、800℃から1000℃に昇温した基板1の表面をO またはN Oに曝すことにより、1nm〜12nm程度の二酸化珪素膜を成膜して、第1の誘電体層3を形成する。続いて、基板温度を700℃から1000℃に保った状態で、二酸化珪素膜の表面をアンモニアNH に数10分間曝し、二酸化珪素膜表面を窒化する。この高温窒化処理は、つぎの窒化珪素膜の堆積時のインキュベーション時間を低減するためである。
【0025】
次に、図2(c)に示すように、第1の誘電体層3上に電荷蓄積層4を形成する。電荷蓄積層4の形成では、基板温度を600℃から800℃程度にし、四塩化珪素(テトラクロルシラン)SiCl とアンモニアNH をチャンバ内の全圧力が数100Paとなる条件で流して、CVD(Chemical Vapor Deposition)法により窒化珪素膜を2nm〜30nm程度成膜する。例えば、四塩化珪素の流量を50sccmとし、アンモニアの流量を50sccmとして、チャンバ内の圧力が100Paとなるようにガスを流す。
上記の条件で作製した電荷蓄積層4を構成する窒化珪素膜のSi−H結合密度は、後述するように1×1019cm−3以下となる。
【0026】
次に、図3(d)に示すように、基板温度を900℃〜950℃程度にし、電荷蓄積層4を構成する窒化珪素膜膜の表面を熱酸化することにより、第2の誘電体層5を形成する。この熱酸化時の窒化珪素膜の膜減りを考慮して、図2(c)に示す工程で予め、窒化珪素膜を最終膜厚より厚く堆積しておく。
【0027】
次に、図3(e)に示すように、第2の誘電体層5上に50nm〜200nm程度の膜厚のゲート電極6を形成する。ゲート電極6の形成では、例えば、高濃度不純物がドーピングされた多結晶珪素を、第2の誘電体層5上にCVDする。この多結晶珪素の形成では、モノシラン(SiH ),ジクロルシラン(SiCl ),テトラクロルシラン(SiCl )などの珪素原子を含むガスを原料としたCVD法、または、多結晶珪素をターゲットとしたスパッタリング法を用いる。ここでは、基板温度650℃としたCVDにより多結晶珪素を堆積し、必要に応じて、多結晶珪素上に、金属、高融点金属、その金属シリサイドを含む合金などからなる低抵抗化層を形成する。低抵抗化層の材料としては、CoSi ,WSi ,TiN,TaSi ,TiSi ,Ti,W,Cu,Al,Auなどを用いる。
【0028】
次に、図4(f)に示すように、必要に応じてドライエッチング耐性の優れた誘電体膜のパターンを形成し、この誘電体膜あるいはレジストをマスクとして異方性のあるエッチング、例えばRIE(Reactive Ion Etching)を行うことにより、ゲート電極6,第2の誘電体層5,電荷蓄積層4をパターニングする。
【0029】
次に、ゲート積層膜を自己整合マスクとし第1の誘電体層3をスルー膜として、Si活性領域の表面にn型不純物を低濃度でイオン注入し、n 不純物領域(LDD領域)7aを形成する。このイオン注入では、例えば砒素イオン(As)を1〜5×1013cm−2ほどの密度でドーピングする。
その後、全面にCVDによりSiO 膜を100nm〜200nm程度堆積し、これをRIE等の異方性エッチングによりエッチバックする。これにより、図4(g)に示すように、ゲートの積層膜6,5,4の側面にサイドウォール絶縁膜8が形成される。
【0030】
以降の工程としては、サイドウォール絶縁膜8外側のSi活性領域にn型不純物を高濃度でイオン注入し、n 不純物領域7bを形成する。これにより、LDD構造のソース・ドレイン領域7が形成される(図1)。このイオン注入では、例えば、ゲートの積層膜およびサイドウォール絶縁膜8をマスクとして自己整合的にAs を1〜5×1015cm−2ほどの密度でドーピングする。
その後、層間誘電体膜および配線層の形成を行って、当該メモリトランジスタを完成させる。
【0031】
次に、第1実施形態に係るメモリトランジスタの動作のための第1のバイアス設定例を説明する。
書き込み時に、基板1の電位を基準として2つのソース・ドレイン領域7を0Vで保持し、ゲート電極6に正の電圧、例えば10Vを印加する。このとき、チャネル形成領域9に電子が蓄積されて反転層が形成され、その反転層内の電子の一部が第1の誘電体層3をトンネル効果により伝導し、電荷蓄積層4である窒化珪素膜に形成された電荷トラップに捕獲される。
【0032】
読み出し時に、基板1の電位を基準としてソース・ドレイン領域7の一方に0Vを印加し、他方に例えば1.5Vを印加し、電荷蓄積層4内の捕獲電子数をしきい値電圧に影響がでるまで変化させない範囲の電圧、例えば2.5Vをゲート電極6に印加する。このバイアス条件下、電荷蓄積層4内の捕獲電子の有無または捕獲電子量に応じてチャネルの導電率が顕著に変化する。すなわち、電荷蓄積層4に電子が十分注入されている場合、電荷蓄積層4に電子が十分注入されていない場合と比較して蓄積電子がチャネルの電位を相対的に上昇させチャネル内の電子密度を減少させるためソースとドレイン間の伝導度が小さい。逆に、電荷蓄積層4に電子が十分注入されていない場合は、チャネルの電位が相対的に低く、ソースとドレイン間の伝導度が大きくなる。このチャネルの伝導度の差は、チャネルの電流量またはドレイン電圧変化に効果的に変換される。このチャネルの電流量またはドレイン電圧変化を、例えば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、この第1のバイアス設定例では、書き込みをチャネル全面で行ったため、ソースとドレインの電圧印加方向を上記と逆にしても読み出しが可能である。
【0033】
消去時に、基板1の電位を基準とし2つのソース・ドレイン領域7の双方に0Vを印加し、ゲート電極6に負の電圧、例えば−10Vを印加する。このとき、電荷蓄積層4内で保持されていた電子が第1の誘電体層3をトンネルしてチャネル形成領域9に強制的に引き抜かれる。これにより、メモリトランジスタは、その電荷蓄積層4内の捕獲電子量が十分低い書き込み前の状態(消去状態)に戻される。
【0034】
次に、第1実施形態に係るメモリトランジスタの動作のための第2のバイアス設定例を説明する。
書き込み時に、基板1の電位を基準として2つのソース・ドレイン領域7の一方に0V、他方に5Vを印加し、ゲート電極6に正の電圧、例えば10Vを印加する。このとき、チャネル形成領域9に電子が蓄積されて反転層が形成され、その反転層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側で高い運動エネルギーを得てホットエレクトロンとなる。ホットエレクトロンの一部が、第1の誘電体層3で規定されるポテンシャル障壁高さより高いエネルギーを持つと、それらの電子は散乱過程によって第1の誘電体層3のポテンシャル障壁を乗り越え、電荷蓄積層4である窒化珪素膜内に形成された電荷トラップに捕獲される。
【0035】
読み出しは、第1のバイアス設定例と同様に行う。ただし、第2のバイアス設定例では、書き込み時に5Vを印加したドレイン側に電荷が蓄積されるため、読み出しでは、この電荷蓄積側がソースとなるようにソースとドレイン間に電圧を印加する必要がある。
消去時では、第1のバイアス設定例と同様にFNトンネリングを用いるか、または、バンド−バンド間トンネリングを用いる。後者の方法では、基板電位を基準としてソース・ドレイン領域7の一方または双方に5Vを印加し、5Vを印加しないソース・ドレイン領域7は0Vで保持し、ゲート電極6に−5Vを印加する。5Vを印加したソース・ドレイン領域7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層4を構成する窒化珪素膜内の電荷トラップに注入される。その結果、電荷蓄積層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。
【0036】
つぎに、第1実施形態に係るメモリトランジスタの動作のための第3のバイアス設定例を説明する。バイアス設定の基本は第2のバイアス設定例と同様であるが、この第3のバイアス設定例では2ビットを1メモリトランジスタ内に記憶する動作を説明する。
第1の情報の書き込み時に、基板1の電位を基準として2つのソース・ドレイン領域7の一方に0V、他方に5Vを印加し、ゲート電極6に正の電圧、例えば10Vを印加する。このとき、チャネル形成領域9に電子が蓄積されて反転層が形成され、その反転層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側で高い運動エネルギーを得てホットエレクトロンとなる。ホットエレクトロンの一部が、第1の誘電体層3で規定されるポテンシャル障壁高さより高いエネルギーを持つと、それらの電子は散乱過程によって第1の誘電体層3のポテンシャル障壁を乗り越え、電荷蓄積層4を構成する窒化珪素膜内に形成された電荷トラップに捕獲される。
第2の情報の書き込み時に、2つのソース・ドレイン領域7の電圧を上記した第1の情報の書き込み時と逆にする。上記した第1の情報の書き込み時には、5Vを印加したソース・ドレイン領域7側からチャネルホットエレクトロンが注入され、電荷蓄積層4の他方端部を中心とした一部の領域に電子が捕獲されている。これに対し、この第2の情報の書き込みでは、電荷蓄積層4の一方端部側に第1の情報とは独立に2値情報(第2の情報)を書き込むために、2つのソース・ドレイン領域7の他方に0Vを印加し、一方に5Vを印加する。0Vを印加した他方のソース・ドレイン領域7から供給された電子は、5Vを印加した一方のソース・ドレイン領域7側でホットエレクトロン化し、電荷蓄積層の一方側の一部に注入される。なお、この第3の動作例で2つの2ビット情報が互いに重ならないように、電子の注入量およびメモリトランジスタのゲート長が決められる。
【0037】
この2ビット情報の読み出しでは、読み出し対象の情報が書き込まれた側に近いほうのソース・ドレイン領域7がソースとなるように、ソースとドレイン間の電圧印加方向が決められる。
第1の情報を読み出す際には、第1の情報に近い他方のソース・ドレイン領域7に0Vを印加し、一方のソース・ドレイン領域7に1.5Vを印加し、電荷蓄積層4内の捕獲電子数をしきい値電圧に影響がでるまで変化させない範囲の電圧、例えば2.5Vをゲート電極6に印加する。このバイアス条件下、電荷蓄積層4内のソース側端部に存在する捕獲電子の有無または捕獲電子量に応じてチャネルの導電率が顕著に変化する。すなわち、電荷蓄積層4のソース側端部に電子が十分注入されている場合、電荷蓄積層4のソース側端部に電子が十分注入されていない場合と比較して蓄積電子がチャネルのソース側部分の電位を相対的に上昇させチャネル内の電子密度を減少させるためソースとドレイン間の伝導度が小さい。このとき、ドレイン側近傍ではドレイン電圧によって電子に対するポテンシャルが、電荷蓄積層4のドレイン側端部の電子の有無にかかわらず低くなっている。また、この読み出し時にドレイン端部がピンチオフ状態となるため、電荷蓄積層4のドレイン側端部の電子の有無がチャネルの伝導度に対する影響が小さくなる。すなわち、トランジスタのしきい値電圧は、より低い電界のソース側の捕獲電子の量を反映したものとなるため、このバイアス条件下では第1の情報が検出回路によって読み出される。
一方、第2の情報を読み出す際には、第2の情報に近い一方のソース・ドレイン領域7に0Vを印加し、他方のソース・ドレイン領域7に1.5Vを印加し、ゲート電極6に2.5Vを印加する。このバイアス条件下では、一方のソース・ドレイン領域7側が低電界となるため、上記した第1の情報の読み出し時と同様な原理で第2の情報が読み出される。
【0038】
消去時では、第1のバイアス設定例と同様にFNトンネリングを用いるか、または、第2のバイアス設定例と同様にバンド−バンド間トンネリングを用いる。
【0039】
次に、上記の本実施形態の不揮発性半導体記憶装置およびその製造方法の効果について、図面を参照して説明する。
【0040】
図5は、本実施形態に係る不揮発性メモリのデータ保持特性を説明するための図である。図5の横軸は、時間(s)を示し、縦軸は、データ書き込み時におけるしきい値電圧(V)を示す。図5は、85℃でデータを保持した場合におけるしきい値電圧の時間依存性を示している。
【0041】
図5において、グラフCV1は本実施形態に係る不揮発性メモリのデータ保持特性を示し、上記したように電荷蓄積層4となる窒化珪素膜を四塩化珪素(SiCl )とアンモニア(NH )を原料ガスとして作製したものである。この電荷蓄積層4となる窒化珪素膜は、後述するようにSi−H結合を1×1019cm−3以下の密度でしか含んでいないものである。
また、図5において、グラフCV2は比較例の不揮発性メモリのデータ保持特性を示し、電荷蓄積層4となる窒化珪素膜をジクロルシラン(SiH Cl )とアンモニア(NH )を原料ガスとして作製したものである。この窒化珪素膜は、後述するように、Si−H結合を1×1020cm−3以上の密度で含んでいるものである。なお、両者とも、第1の誘電体層3として膜厚が1.8nmの酸化シリコン膜を用い、電荷蓄積層4となる窒化シリコン膜の膜厚を20nmとし、第2の誘電体層5として3.5nmの膜厚を有する酸化シリコン膜を用いた。
【0042】
図5に示すように、四塩化珪素(SiCl )とアンモニア(NH )を原料ガスとして作製した窒化珪素膜からなる電荷蓄積層を有する不揮発性メモリは、10年後の時点Y10においても、1.5V以上のしきい値ウィンドウが得られていることがわかる。なお、図中においてV0は、チャネルのしきい値電圧を示し、V1は、データ消去時のしきい値電圧を示す。しきい値ウィンドウは、データ書き込み時の電圧からデータ消去時のしきい値電圧の差として算出される。
【0043】
これに対し、四塩化珪素(SiCl )とアンモニア(NH )を原料ガスとして作製した窒化珪素膜からなる電荷蓄積層を有する比較例の不揮発性メモリは、10年後の時点Y10において、0.5V程度のしきい値ウィンドウしか得られず、1.5V以上のしきい値ウィンドウが得られていない。
【0044】
図6は、電荷蓄積層となる窒化珪素膜のSi−H結合密度とデータ保持特性との関係を示す図である。図6の横軸は、窒化珪素膜のSi−H結合密度(cm)を示し、縦軸は、しきい値ウィンドウを示す。図6では、85℃で10年間データを保持した場合におけるしきい値ウィンドウの測定値を示している。
【0045】
図6に示すしきい値ウィンドウの測定では、第1の誘電体層3として1.8nmの酸化シリコン膜を用い、電荷蓄積層4として20nmの窒化珪素膜を用い、第2の誘電体層5として3.5nmの酸化シリコン膜を用いた。
【0046】
図6において、測定値W1は、四塩化珪素(SiCl )とアンモニア(NH )を原料ガスとして作製した窒化珪素膜からなる電荷蓄積層のSi−H結合密度およびしきい値ウィンドウを示す。
また、図6において、測定値W2は、ジクロルシラン(SiH Cl )とアンモニア(NH )を原料ガスとして作製した窒化珪素膜からなる電荷蓄積層のSi−H結合密度およびしきい値ウィンドウを示す。
【0047】
図6に示すように、四塩化珪素(SiCl )とアンモニア(NH )を原料ガスとして作製した窒化珪素膜からなる電荷蓄積層4は、Si−H結合密度が1×1019cm−3以下となっている。また、ジクロルシラン(SiH Cl )とアンモニア(NH )を原料ガスとして作製した窒化珪素膜からなる電荷蓄積層は、Si−H結合密度が1×1020cm−3以上となっている。
このように、四塩化珪素(SiCl )とアンモニア(NH )を原料ガスとして作製した窒化珪素膜中のSi−H結合密度が1×1019cm−3以下と少ないのは、原料ガスである四塩化珪素(SiCl )自体がSi−H結合をもたないためと考えられる。反対に、ジクロルシラン(SiH Cl )とアンモニア(NH )を原料ガスとして作製した窒化珪素膜中のSi−H結合密度が1×1020cm−3以上と多いのは、原料ガスであるジクロルシラン(SiH Cl )自体にSi−H結合が含まれているためと考えられる。
【0048】
そして、窒化珪素膜中のSi−H結合密度が1×1019cm−3以下の電荷蓄積層をもつ不揮発性メモリは、10年後においてもしきい値ウィンドウが2.0V程度維持していることがわかる。これに対し、窒化珪素膜中のSi−H結合密度が1×1020cm−3以上の電荷蓄積層をもつ不揮発性メモリは、10年後においてしきい値ウィンドウが1.0V以下となってしまっていることがわかる。
【0049】
不揮発性メモリにおいて、約200ns以下の高速アクセスを達成するためには、しきい値ウィンドウが1.5V以上あることが必要であり、これを実現するためには、Si−H結合密度を1×1019cm−3以下にすることが必要であることがわかる。なお、Si−H結合密度の下限を規定していないのは、そのようなSi−H結合密度をもつ窒化珪素膜を作製できないことによる。
【0050】
以上のように、MNOSメモリまたはMONOSメモリ等の不揮発性メモリの電荷蓄積層4としてSi−H結合密度が1×1019cm−3以下の窒化珪素膜を用いることにより、データ保持特性の改善を図ることができる。この窒化珪素膜を形成するために、四塩化珪素(SiCl )とアンモニア(NH )を原料ガスとしたLPCVD法を好適に用いることができる。
【0051】
第2実施形態
本実施形態に係る不揮発性メモリトランジスタの断面構造は、実質的に図1に示す第1実施形態と同様であるが、第2の誘電体層5の作製法が異なる。
本実施形態では、図3(d)に示す第2の誘電体層5の形成工程において、ジクロルシラン(SiH Cl )と一酸化二窒素(N O)を原料ガスとしたLPCVD法により750℃で二酸化珪素膜を成膜することにより第2の誘電体層5を形成する。あるいは、四塩化珪素(SiCl )と一酸化二窒素(N O)を原料ガスとしたLPCVD法により750℃で二酸化珪素膜を成膜することにより第2の誘電体層5を形成する。その他の工程については、第1実施形態と実質的に同一であることから、重複説明は省略する。
【0052】
図7は、本実施形態に係る不揮発性メモリのデータ保持特性を説明するための図である。図7の横軸は、時間(s)を示し、縦軸は、データ書き込み時におけるしきい値電圧(V)を示す。図7は、85℃でデータを保持した場合におけるしきい値電圧の時間依存性を示している。
【0053】
図7において、グラフCV3は第2実施形態に係る不揮発性メモリのデータ保持特性を示し、第2の誘電体層5としてジクロルシラン(SiH Cl )と一酸化二窒素(N O)を原料ガスとしたLPCVD法により750℃で成膜した二酸化珪素膜を用いたものである。
また、図5において、グラフCV4は第1実施形態に係る不揮発性メモリのデータ保持特性を示し、第2の誘電体層5として電荷蓄積層4である窒化珪素膜を950℃で酸化して作製した二酸化珪素膜を用いたものである。
なお、両者とも、第1の誘電体層3として膜厚が2.4nmの酸化シリコン膜を用い、電荷蓄積層4となる窒化シリコン膜の膜厚を9nmとし、第2の誘電体層5として4nmの膜厚をもつ酸化シリコン膜を用いた。
【0054】
図7に示すように、LPCVD法により低温下において形成した二酸化珪素膜からなる第2の誘電体層5を有する不揮発性メモリの方が、熱酸化法により高温下において形成した二酸化珪素膜からなる第2の誘電体層5を有する不揮発性メモリに比べて、10年後の時点Y10までのしきい値電圧の減少の傾きが小さく、データ保持特性に優れているといえる。
【0055】
上述したように、第2の誘電体層5を下地の窒化珪素膜を熱酸化することにより形成しようとすると、その酸化工程により窒化珪素膜中のSi−H結合からのH基の脱離が促進されてしまい、その結果、電荷蓄積層4となる窒化珪素膜中に形成された浅い準位によりメモリの保持特性が劣化してしまうと考えられる。
これに対し、第2の誘電体層5をLPCVD法を用いて形成することにより、熱酸化法に比べて低温化を図ることができることから、電荷蓄積層4である窒化珪素膜中のSi−H結合のH基の脱離を抑制することができ、データ保持特性の向上を図ることができる。
【0056】
以上のように、電荷蓄積層4として第1実施形態において説明した窒化珪素膜を用いて不揮発性メモリを作製する場合に、第2の誘電体層5を熱酸化法よりも温度の低いLPCVD法を用いて成膜することにより、さらにデータ保持特性を向上させることができる。
【0057】
本発明は、上述の第1〜第2実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
例えば、電荷蓄積層4となる窒化珪素膜の成膜直後のSi−H結合密度が、1×1019cm−3以下となるように窒化珪素膜を形成することができれば、上述した実施形態とは原料ガスを変えることも可能である。
【0058】
第1の誘電体層3および第2の誘電体層5は、二酸化珪素に限定されず、たとえば、窒化珪素SiN ,酸化窒化珪素SiN ,酸化アルミニウムAl ,酸化タンタルTa ,酸化ジルコニウムZrO ,酸化ハフニウムHfO のいずれかの材料から形成してもよい。
【0059】
図1に示すメモリトランジスタが行列状に多数配置されてメモリセルアレイが構成されるが、そのセル方式に限定はない。NOR型では、ソース線が分離された方式、ソース線およびビット線がワード方向のセル間で共通化されたバーチャルグランドセル方式の何れも採用できる。また、NOR型の一種である、いわゆるAND型、HiCR型、DINOR型の何れでもよい。さらに、NAND型の採用も可能である。
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。
【0060】
【発明の効果】
本発明の不揮発性半導体記憶装置およびその製造方法によれば、従来の電荷蓄積層を構成する窒化珪素膜の電荷保持特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1および第2実施形態に係る不揮発性メモリトランジスタの断面図である。
【図2】第1および第2実施形態に係るメモリトランジスタの製造において、電荷蓄積層の形成までの断面図である。
【図3】第1および第2実施形態に係るメモリトランジスタの製造において、ゲート電極の形成までの断面図である。
【図4】第1および第2実施形態に係るメモリトランジスタの製造において、サイドウォール絶縁膜の形成までの断面図である。
【図5】第1実施形態に係る不揮発性メモリのデータ保持特性を説明するための図である。
【図6】電荷蓄積層となる窒化珪素膜のSi−H結合密度とデータ保持特性との関係を示す図である。
【図7】第2実施形態に係る不揮発性メモリのデータ保持特性を説明するための図である。
【符号の説明】
1…基板、2…素子分離絶縁膜、3…第1の誘電体層、4…電荷蓄積層、5…第2の誘電体層、6…ゲート電極、7…ソース・ドレイン領域、8…サイドウォール絶縁膜、9…チャネル形成領域。
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory device and a method of manufacturing the same, and more particularly to a nonvolatile semiconductor memory device represented by a flash memory or an EEPROM (Electrical Erasable-Programmable Read Only Memory) and a method of manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
The retention of information in an MNOS (Metal-Nitride-Oxide-Semiconductor) or MONOS (Metal-Oxide-Nitride-Oxide-Semiconductor) nonvolatile memory is performed by accumulating electric charges in a silicon nitride film.
[0003]
Conventionally, the silicon nitride film used for the charge storage layer of the nonvolatile memory is made of monosilane (SiH4  ) Or dichlorosilane (SiH2  Cl2  ) And ammonia (NH3  ) Was used as a source gas (see Patent Document 1). In addition, a silicon dioxide film formed by oxidizing a silicon nitride film, which is a charge storage layer, is used as a dielectric layer called a top dielectric layer on the charge storage layer.
[0004]
[Patent Document 1]
JP 2002-203917 A
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
When a silicon nitride film is formed using dichlorosilane or monosilane as a raw material, 1 × 1020cm-3The above Si-H bonds are included. It is considered that the dangling bond of Si formed by the elimination of hydrogen (H) of the Si—H bond by a thermal process after the formation of the silicon nitride film forms a shallow level.
[0006]
The accumulated charges can be easily released from the silicon nitride film through a shallow level. Actually, the higher the Si—H bond density in silicon nitride immediately after film formation, the lower the retention characteristics of the MNOS memory or MONOS memory.
[0007]
Further, when an attempt is made to form a dielectric layer called a top dielectric layer by oxidizing a silicon nitride film as a charge storage layer, the oxidation step causes the formation of H groups from Si-H bonds in the silicon nitride film. Desorption is promoted. As a result, the retention characteristics of the memory deteriorate due to the formed shallow level. If the charge retention characteristics of the memory are degraded in this way, high-speed access cannot be achieved.
[0008]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a nonvolatile semiconductor memory device capable of improving the charge retention characteristics of a silicon nitride layer forming a charge storage layer, and a method of manufacturing the same. It is in.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention comprises a first dielectric layer formed on an active region of a semiconductor substrate, and a silicon nitride formed on the first dielectric layer. A charge storage layer including a layer, a gate electrode formed on the charge storage layer, and two semiconductor regions formed on the semiconductor substrate on both sides of the gate electrode and serving as a source or a drain. Si—H bond density of the silicon layer is 1 × 1019cm-3It is specified below.
[0010]
The semiconductor device further includes a second dielectric layer formed between the charge storage layer and the gate electrode.
[0011]
In the above-described nonvolatile semiconductor memory device of the present invention, the Si—H bond density of the silicon nitride layer serving as the charge storage layer is set to 1 × 1019cm-3It is specified low as follows.
When the H group in the Si—H bond is eliminated, a shallow level is formed. When a shallow level is formed in the charge storage layer, the stored charges can be released from the charge storage layer through the shallow level.
In the present invention, the Si—H bond density of the silicon nitride layer itself serving as the charge storage layer is set to 1 × 1019cm-3By setting it as low as the following, formation of a shallow level due to elimination of the H group is suppressed.
[0012]
Further, in order to achieve the above object, a method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention comprises a step of forming a first dielectric layer on an active region of a semiconductor substrate; The Si—H bond density immediately after film formation is 1 × 1019cm-3Forming a silicon nitride layer to form a charge storage layer as follows, forming a gate electrode on the charge storage layer, and forming a source or drain on the semiconductor substrate on both sides of the gate electrode. Forming two semiconductor regions to be formed.
[0013]
In the step of forming the charge storage layer, the silicon nitride layer is formed using silicon tetrachloride and ammonia as source gases.
[0014]
Forming a second dielectric layer on the charge storage layer after forming the charge storage layer and before forming the gate electrode, forming the gate electrode Forming the gate electrode on the second dielectric layer.
[0015]
In the step of forming the second dielectric layer, a silicon dioxide layer is formed by low pressure chemical vapor deposition using dichlorosilane or silicon tetrachloride and dinitrogen monoxide as raw materials.
[0016]
In the method of manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention, the Si—H bond density immediately after the film formation is 1 × 1019cm-3A charge storage layer is formed by forming a silicon nitride layer as described below.
When the H group in the Si—H bond is eliminated, a shallow level is formed. When a shallow level is formed in the charge storage layer, the stored charges can be released from the charge storage layer through the shallow level.
According to the present invention, the Si—H bond density of the silicon nitride layer itself serving as the charge storage layer is 1 × 1019cm-3By forming so as to be as low as below, formation of a shallow level due to elimination of the H group is suppressed.
Further, in the step of forming the second dielectric layer, a silicon dioxide layer is formed by low pressure chemical vapor deposition, and the film formation temperature is made lower than the formation method by oxidation, so that the accumulated electric charge is reduced. The formation of shallow levels that are easily emitted is suppressed.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings, taking a case where an n-channel type memory transistor is used as a storage element as an example. The p-channel memory transistor is realized by reversing the impurity conductivity type and the polarity of the applied voltage in the following description.
[0018]
First embodiment
FIG. 1 is a diagram illustrating a cross-sectional structure of the nonvolatile memory transistor according to the first embodiment.
[0019]
This memory transistor is formed, for example, on a semiconductor substrate such as a p-type silicon wafer, a p-well formed on the inner surface of the semiconductor substrate, or a p-type silicon layer having an SOI type substrate isolation structure (hereinafter simply referred to as substrate 1). . An element isolation insulating film 2 formed by, for example, LOCOS (Local Oxidation of Silicon) or STI (Shallow Trench Isolation) is formed on the surface of the substrate 1 as necessary. The substrate surface portion where the element isolation insulating film 2 is not formed becomes an active region where an element including the memory transistor is formed.
[0020]
A first dielectric layer 3, a charge storage layer 4, a second dielectric layer 5, and a gate electrode 6 are stacked on the active region. The word line of the memory cell array is constituted by the gate electrode 6 itself or an upper wiring layer (not shown) connected to the gate electrode 6.
[0021]
The first dielectric layer 3 functions as a potential barrier, and has a thickness of, for example, about 1 nm to 12 nm.2  Consisting of a film.
The charge storage layer 4 functions as a charge storage unit, and is formed of silicon nitride SiNX  (X> 0). In this embodiment, the Si—H bond density in the silicon nitride film serving as the charge storage layer 4 is 1 × 1019cm-3It is characterized by the points specified below.
The second dielectric layer 5 is made of, for example, a silicon dioxide film, and has a thickness of about 3 nm to 10 nm.
The gate electrode 6 is made of polycrystalline silicon doped with impurities at a high concentration, or polycrystalline silicon Si, and CoSi formed thereon.x  , WSi2  , TiN, TaSi2  , TiSi2  , Ti, W, Cu, Al, Au and the like.
[0022]
Two source / drain regions 7 having a so-called LDD (Lightly Doped Drain) are formed apart from each other on the inner surface of the silicon active region on both sides of the gate laminated structure having such a configuration. One of the two source / drain regions 7 functions as a source and the other functions as a drain according to the voltage application direction during operation.
In addition, on both side surfaces of the gate laminated structure, an insulating layer 8 called a so-called sidewall insulating film is formed. The n-type impurity is introduced at a relatively low concentration and shallowly into the active region located immediately below the sidewall insulating film 8, so that the n-type  An impurity region (LDD) 7a is formed. Further, by using the sidewall insulating film 8 as a self-alignment mask and introducing n-type impurities at a relatively high concentration and deeply on both sides thereof, the n-type impurity which forms the main part of the source / drain region 7 is formed.+  Impurity region 7b is formed.
Note that an active region portion between the two source / drain regions 7 becomes a channel forming region 9 of the memory transistor.
[0023]
Next, a method for manufacturing the above memory transistor will be described with reference to the drawings. Here, FIG. 2 to FIG. 4 are cross-sectional views in manufacturing the memory transistor according to the first embodiment.
As shown in FIG. 2A, an element isolation insulating film 2 is formed on a substrate 1 by a LOCOS method or an STI method. Thereafter, if necessary, impurity doping for adjusting the threshold voltage of the memory transistor is performed by, for example, an ion implantation method.
[0024]
Next, as shown in FIG. 2B, the surface of the substrate 1 heated from 800 ° C. to 1000 ° C.2  Or N2  By exposing to O, a silicon dioxide film of about 1 nm to 12 nm is formed to form the first dielectric layer 3. Subsequently, with the substrate temperature kept at 700 ° C. to 1000 ° C., the surface of the silicon dioxide3  For several tens of minutes to nitride the surface of the silicon dioxide film. This high temperature nitriding treatment is for reducing the incubation time at the time of depositing the next silicon nitride film.
[0025]
Next, as shown in FIG. 2C, a charge storage layer 4 is formed on the first dielectric layer 3. In forming the charge storage layer 4, the substrate temperature is raised from about 600 ° C. to about 800 ° C., and silicon tetrachloride (tetrachlorosilane) SiCl4  And ammonia NH3  Is flowed under the condition that the total pressure in the chamber is several hundred Pa, and a silicon nitride film is formed in a thickness of about 2 nm to 30 nm by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method. For example, the flow rate of silicon tetrachloride is set to 50 sccm, the flow rate of ammonia is set to 50 sccm, and the gas is supplied so that the pressure in the chamber becomes 100 Pa.
The Si—H bond density of the silicon nitride film constituting the charge storage layer 4 manufactured under the above conditions is 1 × 1019cm-3It is as follows.
[0026]
Next, as shown in FIG. 3D, the substrate temperature is set to about 900 ° C. to 950 ° C., and the surface of the silicon nitride film forming the charge storage layer 4 is thermally oxidized to form the second dielectric layer. 5 is formed. In consideration of the reduction in the thickness of the silicon nitride film during the thermal oxidation, a silicon nitride film is deposited in advance in the step shown in FIG.
[0027]
Next, as shown in FIG. 3E, a gate electrode 6 having a thickness of about 50 nm to 200 nm is formed on the second dielectric layer 5. In the formation of the gate electrode 6, for example, polycrystalline silicon doped with a high concentration impurity is CVD-formed on the second dielectric layer 5. In the formation of this polycrystalline silicon, monosilane (SiH4  ), Dichlorosilane (SiCl2  H2  ), Tetrachlorosilane (SiCl4  ), Or a sputtering method using polycrystalline silicon as a target. Here, polycrystalline silicon is deposited by CVD at a substrate temperature of 650 ° C., and a low-resistance layer made of a metal, a high melting point metal, an alloy containing the metal silicide, or the like is formed on the polycrystalline silicon as necessary. I do. The material of the low resistance layer is CoSix  , WSi2  , TiN, TaSi2  , TiSi2  , Ti, W, Cu, Al, Au and the like are used.
[0028]
Next, as shown in FIG. 4F, a pattern of a dielectric film having excellent dry etching resistance is formed as necessary, and anisotropic etching such as RIE is performed using the dielectric film or a resist as a mask. By performing (Reactive Ion Etching), the gate electrode 6, the second dielectric layer 5, and the charge storage layer 4 are patterned.
[0029]
Next, an n-type impurity is ion-implanted at a low concentration into the surface of the Si active region using the gate laminated film as a self-alignment mask and the first dielectric layer 3 as a through film, and n  An impurity region (LDD region) 7a is formed. In this ion implantation, for example, arsenic ions (As+) Is 1-5 × 10Thirteencm-2Doping at a moderate density.
After that, the entire surface is SiO2  A film is deposited to a thickness of about 100 nm to 200 nm, and this is etched back by anisotropic etching such as RIE. As a result, as shown in FIG. 4G, the sidewall insulating films 8 are formed on the side surfaces of the stacked films 6, 5, and 4 of the gate.
[0030]
In the subsequent steps, high-concentration n-type impurities are ion-implanted into the Si active region outside the sidewall insulating film 8,+  An impurity region 7b is formed. Thus, the source / drain regions 7 having the LDD structure are formed (FIG. 1). In this ion implantation, for example, As is self-aligned using the gate laminated film and the sidewall insulating film 8 as a mask.+  From 1 to 5 × 10Fifteencm-2Doping at a moderate density.
After that, an interlayer dielectric film and a wiring layer are formed to complete the memory transistor.
[0031]
Next, a first bias setting example for the operation of the memory transistor according to the first embodiment will be described.
At the time of writing, the two source / drain regions 7 are held at 0 V with reference to the potential of the substrate 1, and a positive voltage, for example, 10 V is applied to the gate electrode 6. At this time, electrons are accumulated in the channel formation region 9 to form an inversion layer, and a part of the electrons in the inversion layer are conducted through the first dielectric layer 3 by a tunnel effect, and the charge accumulation layer 4 is nitrided. The charge is trapped in the charge trap formed in the silicon film.
[0032]
At the time of reading, 0 V is applied to one of the source / drain regions 7 based on the potential of the substrate 1 and 1.5 V is applied to the other, and the number of trapped electrons in the charge storage layer 4 affects the threshold voltage. A voltage in a range that does not change until it comes out, for example, 2.5 V, is applied to the gate electrode 6. Under this bias condition, the conductivity of the channel changes significantly depending on the presence or absence of trapped electrons in the charge storage layer 4 or the amount of trapped electrons. That is, when electrons are sufficiently injected into the charge storage layer 4, the stored electrons relatively increase the potential of the channel and increase the electron density in the channel, as compared with the case where electrons are not sufficiently injected into the charge storage layer 4. The conductivity between the source and drain is small to reduce Conversely, when electrons are not sufficiently injected into the charge storage layer 4, the potential of the channel is relatively low, and the conductivity between the source and the drain increases. This difference in channel conductivity is effectively converted to a change in channel current or drain voltage. The change in the current amount or the drain voltage of the channel is amplified by a detection circuit such as a sense amplifier and read out as stored information to the outside.
In the first bias setting example, writing is performed on the entire surface of the channel, so that reading is possible even when the voltage application directions of the source and the drain are reversed.
[0033]
At the time of erasing, 0 V is applied to both of the two source / drain regions 7 based on the potential of the substrate 1, and a negative voltage, for example, −10 V is applied to the gate electrode 6. At this time, the electrons held in the charge storage layer 4 tunnel through the first dielectric layer 3 and are forcibly extracted to the channel formation region 9. As a result, the memory transistor is returned to the state before writing (erasing state) in which the amount of captured electrons in the charge storage layer 4 is sufficiently low.
[0034]
Next, a second bias setting example for the operation of the memory transistor according to the first embodiment will be described.
At the time of writing, 0 V is applied to one of the two source / drain regions 7 and 5 V to the other, and a positive voltage, for example, 10 V, is applied to the gate electrode 6 based on the potential of the substrate 1. At this time, electrons are accumulated in the channel forming region 9 to form an inversion layer. In the inversion layer, electrons supplied from the source are accelerated by an electric field between the source and the drain, and a high kinetic energy is generated at the end of the drain. It becomes hot electrons. If some of the hot electrons have an energy higher than the potential barrier height defined by the first dielectric layer 3, those electrons will cross the potential barrier of the first dielectric layer 3 by a scattering process and accumulate charge. The charge is trapped in the charge trap formed in the silicon nitride film that is the layer 4.
[0035]
Reading is performed in the same manner as in the first bias setting example. However, in the second bias setting example, electric charges are accumulated on the drain side to which 5 V is applied at the time of writing. Therefore, in reading, it is necessary to apply a voltage between the source and the drain such that the electric charge accumulation side becomes the source. .
At the time of erasing, FN tunneling is used as in the first bias setting example, or band-to-band tunneling is used. In the latter method, 5 V is applied to one or both of the source / drain regions 7 based on the substrate potential, and the source / drain regions 7 to which 5 V is not applied are kept at 0 V, and -5 V is applied to the gate electrode 6. The surface of the source / drain region 7 to which 5 V is applied is depleted, and a high electric field is generated in the depletion layer, so that a band-to-band tunnel current is generated. Holes caused by the band-to-band tunnel current are accelerated by an electric field to obtain high energy. The high energy holes are attracted to the gate voltage and injected into the charge traps in the silicon nitride film forming the charge storage layer 4. As a result, the charges of the stored electrons in the charge storage layer are canceled by the injected holes, and the memory transistor is returned to an erased state, that is, a state in which the threshold voltage is low.
[0036]
Next, a third bias setting example for the operation of the memory transistor according to the first embodiment will be described. The basics of the bias setting are the same as those in the second bias setting example. In the third bias setting example, an operation of storing two bits in one memory transistor will be described.
At the time of writing the first information, 0 V is applied to one of the two source / drain regions 7 and 5 V to the other, and a positive voltage, for example, 10 V, is applied to the gate electrode 6 based on the potential of the substrate 1. At this time, electrons are accumulated in the channel forming region 9 to form an inversion layer. In the inversion layer, electrons supplied from the source are accelerated by an electric field between the source and the drain, and a high kinetic energy is generated at the end of the drain. It becomes hot electrons. If some of the hot electrons have an energy higher than the potential barrier height defined by the first dielectric layer 3, those electrons will cross the potential barrier of the first dielectric layer 3 by a scattering process and accumulate charge. The charge is trapped in the charge trap formed in the silicon nitride film forming the layer 4.
At the time of writing the second information, the voltages of the two source / drain regions 7 are reversed from those at the time of writing the first information. At the time of writing the first information, channel hot electrons are injected from the side of the source / drain region 7 to which 5 V is applied, and electrons are captured in a part of the charge storage layer 4 centered on the other end. I have. On the other hand, in the writing of the second information, binary information (second information) is written into one end of the charge storage layer 4 independently of the first information. 0 V is applied to the other side of the region 7 and 5 V is applied to one side. Electrons supplied from the other source / drain region 7 to which 0 V is applied are turned into hot electrons on the side of the one source / drain region 7 to which 5 V is applied, and injected into a part of one side of the charge storage layer. In the third operation example, the amount of injected electrons and the gate length of the memory transistor are determined so that the two pieces of 2-bit information do not overlap each other.
[0037]
In the reading of the 2-bit information, the voltage application direction between the source and the drain is determined so that the source / drain region 7 closer to the side where the information to be read is written becomes the source.
When reading the first information, 0 V is applied to the other source / drain region 7 close to the first information, and 1.5 V is applied to one source / drain region 7. A voltage in a range that does not change the number of trapped electrons until the threshold voltage is affected, for example, 2.5 V, is applied to the gate electrode 6. Under this bias condition, the conductivity of the channel changes remarkably in accordance with the presence or absence of trapped electrons or the amount of trapped electrons existing at the source side end in the charge storage layer 4. That is, when electrons are sufficiently injected into the end of the charge storage layer 4 on the source side, the stored electrons are not sufficiently injected into the end on the source side of the charge storage layer 4 compared to when the electrons are sufficiently injected into the end of the channel. The conductivity between the source and the drain is small because the potential of the portion is relatively increased to reduce the electron density in the channel. At this time, in the vicinity of the drain side, the potential for electrons is lowered by the drain voltage regardless of the presence or absence of electrons at the end of the charge storage layer 4 on the drain side. In addition, since the drain end is in a pinch-off state at the time of this reading, the presence or absence of electrons at the end on the drain side of the charge storage layer 4 has less influence on the conductivity of the channel. That is, since the threshold voltage of the transistor reflects the amount of trapped electrons on the source side with a lower electric field, the first information is read out by the detection circuit under this bias condition.
On the other hand, when reading the second information, 0 V is applied to one source / drain region 7 near the second information, 1.5 V is applied to the other source / drain region 7, and Apply 2.5V. Under this bias condition, a low electric field is applied to one of the source / drain regions 7, so that the second information is read according to the same principle as when reading the first information.
[0038]
At the time of erasing, FN tunneling is used as in the first bias setting example, or band-to-band tunneling is used as in the second bias setting example.
[0039]
Next, the effects of the nonvolatile semiconductor memory device of the present embodiment and the method of manufacturing the same will be described with reference to the drawings.
[0040]
FIG. 5 is a diagram for explaining the data retention characteristics of the nonvolatile memory according to the present embodiment. The horizontal axis in FIG. 5 indicates time (s), and the vertical axis indicates threshold voltage (V) during data writing. FIG. 5 shows the time dependence of the threshold voltage when data is held at 85 ° C.
[0041]
In FIG. 5, a graph CV1 shows the data retention characteristic of the nonvolatile memory according to the present embodiment. As described above, the silicon nitride film serving as the charge storage layer 4 is made of silicon tetrachloride (SiCl4  ) And ammonia (NH3  ) As a source gas. The silicon nitride film serving as the charge storage layer 4 has an Si—H bond of 1 × 1019cm-3It is contained only at the following densities.
In FIG. 5, a graph CV2 shows the data retention characteristic of the nonvolatile memory of the comparative example, in which the silicon nitride film serving as the charge storage layer 4 is made of dichlorosilane (SiH2  Cl2  ) And ammonia (NH3  ) As a source gas. This silicon nitride film has an Si—H bond of 1 × 1020cm-3It is included at the above density. In both cases, a silicon oxide film having a thickness of 1.8 nm is used as the first dielectric layer 3, a silicon nitride film serving as the charge storage layer 4 is set to have a thickness of 20 nm, and a second dielectric layer 5 is used. A silicon oxide film having a thickness of 3.5 nm was used.
[0042]
As shown in FIG. 5, silicon tetrachloride (SiCl4  ) And ammonia (NH3  It can be seen that the non-volatile memory having the charge storage layer made of the silicon nitride film manufactured using (1) as the source gas has a threshold window of 1.5 V or more at Y10 ten years later. In the figure, V0 indicates the threshold voltage of the channel, and V1 indicates the threshold voltage at the time of data erasure. The threshold window is calculated as the difference between the voltage at the time of data writing and the threshold voltage at the time of data erasing.
[0043]
In contrast, silicon tetrachloride (SiCl4  ) And ammonia (NH3  The non-volatile memory of the comparative example having the charge storage layer made of the silicon nitride film manufactured using) as the source gas has a threshold window of only about 0.5 V at time Y10 ten years later. The above threshold window has not been obtained.
[0044]
FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the Si—H bond density of a silicon nitride film serving as a charge storage layer and data retention characteristics. The horizontal axis in FIG. 6 is the Si—H bond density (cm3), And the vertical axis indicates the threshold window. FIG. 6 shows a measured value of the threshold window when data is held at 85 ° C. for 10 years.
[0045]
In the measurement of the threshold window shown in FIG. 6, a 1.8 nm silicon oxide film is used as the first dielectric layer 3, a 20 nm silicon nitride film is used as the charge storage layer 4, and the second dielectric layer 5 is used. A silicon oxide film having a thickness of 3.5 nm was used.
[0046]
In FIG. 6, the measured value W1 is a value obtained by measuring silicon tetrachloride (SiCl4  ) And ammonia (NH3  3) shows a Si—H bond density and a threshold window of a charge storage layer made of a silicon nitride film manufactured using ()) as a source gas.
Also, in FIG. 6, the measured value W2 is the value of dichlorosilane (SiH2  Cl2  ) And ammonia (NH3  3) shows a Si—H bond density and a threshold window of a charge storage layer made of a silicon nitride film manufactured using ()) as a source gas.
[0047]
As shown in FIG. 6, silicon tetrachloride (SiCl4  ) And ammonia (NH3  The charge storage layer 4 made of a silicon nitride film manufactured using ()) as a source gas has a Si—H bond density of 1 × 1019cm-3It is as follows. In addition, dichlorosilane (SiH2  Cl2  ) And ammonia (NH3  The charge storage layer made of a silicon nitride film manufactured using ()) as a source gas has a Si—H bond density of 1 × 1020cm-3That is all.
Thus, silicon tetrachloride (SiCl4  ) And ammonia (NH3  ) Is used as a source gas, the Si—H bond density in the silicon nitride film is 1 × 1019cm-3The lesser number is less than silicon tetrachloride (SiCl4  ) Itself does not have a Si-H bond. Conversely, dichlorosilane (SiH2  Cl2  ) And ammonia (NH3  ) Is used as a source gas, the Si—H bond density in the silicon nitride film is 1 × 1020cm-3The reason for the above is that dichlorosilane (SiH2  Cl2  ) Itself contains Si-H bonds.
[0048]
Then, the Si—H bond density in the silicon nitride film is 1 × 1019cm-3It can be seen that the threshold window of the nonvolatile memory having the following charge storage layer is maintained at about 2.0 V even after 10 years. On the other hand, the Si—H bond density in the silicon nitride film is 1 × 1020cm-3It can be seen that the threshold window of the nonvolatile memory having the above-described charge storage layer has been reduced to 1.0 V or less after 10 years.
[0049]
In a non-volatile memory, a threshold window needs to be 1.5 V or more in order to achieve high-speed access of about 200 ns or less. In order to realize this, the Si—H bond density must be 1 × 1019cm-3It turns out that it is necessary to do the following. The reason why the lower limit of the Si—H bond density is not specified is that a silicon nitride film having such a Si—H bond density cannot be manufactured.
[0050]
As described above, as the charge storage layer 4 of the nonvolatile memory such as the MNOS memory or the MONOS memory, the Si—H bond density is 1 × 1019cm-3By using the following silicon nitride film, data retention characteristics can be improved. In order to form this silicon nitride film, silicon tetrachloride (SiCl4  ) And ammonia (NH3  ) Can be suitably used as a source gas.
[0051]
Second embodiment
The cross-sectional structure of the nonvolatile memory transistor according to the present embodiment is substantially the same as that of the first embodiment shown in FIG. 1, but differs in the method of forming the second dielectric layer 5.
In the present embodiment, in the step of forming the second dielectric layer 5 shown in FIG.2  Cl2  ) And nitrous oxide (N2  A second dielectric layer 5 is formed by forming a silicon dioxide film at 750 ° C. by LPCVD using O) as a source gas. Alternatively, silicon tetrachloride (SiCl4  ) And nitrous oxide (N2  A second dielectric layer 5 is formed by forming a silicon dioxide film at 750 ° C. by LPCVD using O) as a source gas. The other steps are substantially the same as those of the first embodiment, and thus redundant description will be omitted.
[0052]
FIG. 7 is a diagram for explaining data retention characteristics of the nonvolatile memory according to the present embodiment. The horizontal axis of FIG. 7 indicates time (s), and the vertical axis indicates threshold voltage (V) at the time of data writing. FIG. 7 shows the time dependency of the threshold voltage when data is held at 85 ° C.
[0053]
In FIG. 7, a graph CV3 shows the data retention characteristic of the nonvolatile memory according to the second embodiment, in which dichlorosilane (SiH2  Cl2  ) And nitrous oxide (N2  A silicon dioxide film formed at 750 ° C. by LPCVD using O) as a source gas is used.
In FIG. 5, a graph CV4 shows the data retention characteristic of the nonvolatile memory according to the first embodiment, which is formed by oxidizing a silicon nitride film as the charge storage layer 4 as the second dielectric layer 5 at 950 ° C. In this case, a silicon dioxide film is used.
In both cases, a silicon oxide film having a thickness of 2.4 nm is used as the first dielectric layer 3, a silicon nitride film serving as the charge storage layer 4 is set to have a thickness of 9 nm, and the second dielectric layer 5 is used as the second dielectric layer 5. A silicon oxide film having a thickness of 4 nm was used.
[0054]
As shown in FIG. 7, the nonvolatile memory having the second dielectric layer 5 made of a silicon dioxide film formed at a low temperature by an LPCVD method is made of a silicon dioxide film formed at a high temperature by a thermal oxidation method. Compared with the non-volatile memory having the second dielectric layer 5, the slope of the decrease in the threshold voltage until the time point Y10 ten years later is smaller, and it can be said that the data retention characteristics are excellent.
[0055]
As described above, when the second dielectric layer 5 is to be formed by thermally oxidizing the underlying silicon nitride film, the oxidization process causes desorption of the H group from the Si—H bond in the silicon nitride film. It is supposed that the retention characteristics of the memory are degraded by the shallow level formed in the silicon nitride film serving as the charge storage layer 4 as a result.
On the other hand, by forming the second dielectric layer 5 by using the LPCVD method, the temperature can be reduced as compared with the thermal oxidation method. The elimination of the H group of the H bond can be suppressed, and the data retention characteristics can be improved.
[0056]
As described above, when the nonvolatile memory is manufactured using the silicon nitride film described in the first embodiment as the charge storage layer 4, the second dielectric layer 5 is formed by the LPCVD method having a lower temperature than the thermal oxidation method. By forming a film using, the data retention characteristics can be further improved.
[0057]
The present invention is not limited to the above-described first and second embodiments, and various modifications based on the technical idea of the present invention are possible.
For example, the Si—H bond density immediately after the formation of the silicon nitride film serving as the charge storage layer 4 is 1 × 1019cm-3If the silicon nitride film can be formed as described below, the source gas can be changed from that of the above-described embodiment.
[0058]
The first dielectric layer 3 and the second dielectric layer 5 are not limited to silicon dioxide, for example, silicon nitride SiNX  , Silicon oxynitride SiNX  Oy  , Aluminum oxide Al2O3  , Tantalum oxide Ta2  O5  , Zirconium oxide ZrO2  , Hafnium oxide HfO2  May be formed from any of the above materials.
[0059]
Although a large number of memory transistors shown in FIG. 1 are arranged in a matrix to form a memory cell array, the cell system is not limited. In the NOR type, any of a system in which a source line is separated and a virtual ground cell system in which a source line and a bit line are shared between cells in a word direction can be adopted. Further, any of the so-called AND type, HiCR type, and DINOR type, which are a kind of NOR type, may be used. Furthermore, the adoption of a NAND type is also possible.
In addition, various changes can be made without departing from the spirit of the present invention.
[0060]
【The invention's effect】
According to the nonvolatile semiconductor memory device and the method of manufacturing the same of the present invention, it is possible to improve the charge retention characteristics of the conventional silicon nitride film forming the charge storage layer.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view of a nonvolatile memory transistor according to first and second embodiments.
FIG. 2 is a cross-sectional view until a charge storage layer is formed in the manufacture of the memory transistor according to the first and second embodiments.
FIG. 3 is a sectional view until a gate electrode is formed in the manufacture of the memory transistor according to the first and second embodiments.
FIG. 4 is a cross-sectional view up to formation of a sidewall insulating film in the manufacture of the memory transistor according to the first and second embodiments.
FIG. 5 is a diagram for explaining data retention characteristics of the nonvolatile memory according to the first embodiment.
FIG. 6 is a diagram showing a relationship between a Si—H bond density of a silicon nitride film serving as a charge storage layer and data retention characteristics.
FIG. 7 is a diagram for explaining data retention characteristics of a nonvolatile memory according to a second embodiment.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Substrate, 2 ... Element isolation insulating film, 3 ... First dielectric layer, 4 ... Charge storage layer, 5 ... Second dielectric layer, 6 ... Gate electrode, 7 ... Source / drain region, 8 ... Side Wall insulating film, 9: channel formation region.

Claims (6)

半導体基板の活性領域上に形成された第1の誘電体層と、
前記第1の誘電体層上に形成され、窒化珪素層を含む電荷蓄積層と、
前記電荷蓄積層上に形成されたゲート電極と、
前記ゲート電極の両側の前記半導体基板に形成され、ソースあるいはドレインとなる2つの半導体領域とを有し、
前記窒化珪素層のSi−H結合密度が、1×1019cm−3以下に規定されている
不揮発性半導体記憶装置。
A first dielectric layer formed on an active region of the semiconductor substrate;
A charge storage layer formed on the first dielectric layer and including a silicon nitride layer;
A gate electrode formed on the charge storage layer;
Having two semiconductor regions formed on the semiconductor substrate on both sides of the gate electrode and serving as a source or a drain,
A nonvolatile semiconductor memory device in which the Si—H bond density of the silicon nitride layer is specified to be 1 × 10 19 cm −3 or less.
前記電荷蓄積層と前記ゲート電極との間に形成された第2の誘電体層をさらに有する
請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置。
2. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, further comprising a second dielectric layer formed between said charge storage layer and said gate electrode.
半導体基板の活性領域上に第1の誘電体層を形成する工程と、
前記第1の誘電体層上に、成膜直後のSi−H結合密度が1×1019cm−3以下となるように窒化珪素層を成膜して電荷蓄積層を形成する工程と、
前記電荷蓄積層上にゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極の両側の前記半導体基板に、ソースあるいはドレインとなる2つの半導体領域を形成する工程と
を有する不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
Forming a first dielectric layer on an active region of a semiconductor substrate;
Forming a charge storage layer by forming a silicon nitride layer on the first dielectric layer such that the Si—H bond density immediately after the formation is 1 × 10 19 cm −3 or less;
Forming a gate electrode on the charge storage layer;
Forming two semiconductor regions serving as a source or a drain on the semiconductor substrate on both sides of the gate electrode.
前記電荷蓄積層を形成する工程において、四塩化珪素とアンモニアを原料ガスとして前記窒化珪素層を成膜する
請求項3記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
4. The method according to claim 3, wherein, in the step of forming the charge storage layer, the silicon nitride layer is formed using silicon tetrachloride and ammonia as source gases.
前記電荷蓄積層を形成する工程の後、前記ゲート電極を形成する工程の前に、前記電荷蓄積層上に第2の誘電体層を形成する工程をさらに有し、
前記ゲート電極を形成する工程において、前記第2の誘電体層上に前記ゲート電極を形成する
請求項3記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
After the step of forming the charge storage layer, before the step of forming the gate electrode, the method further includes a step of forming a second dielectric layer on the charge storage layer,
4. The method according to claim 3, wherein, in the step of forming the gate electrode, the gate electrode is formed on the second dielectric layer.
前記第2の誘電体層を形成する工程において、ジクロルシランまたは四塩化珪素と、一酸化二窒素を原料とした減圧化学気相堆積により二酸化珪素層を成膜する
請求項5記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
6. The nonvolatile semiconductor memory according to claim 5, wherein in the step of forming the second dielectric layer, a silicon dioxide layer is formed by low pressure chemical vapor deposition using dichlorosilane or silicon tetrachloride and dinitrogen monoxide as raw materials. Device manufacturing method.
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