JP4427431B2 - Semiconductor memory device, semiconductor memory device manufacturing method, and semiconductor memory device operating method - Google Patents
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Description
この発明は、半導体記憶装置、半導体記憶装置の製造方法および半導体記憶装置の動作方法に関する。より具体的には、ゲート電極の両側面に絶縁膜を介してフローティングゲートを有する電界効果トランジスタからなる半導体記憶装置、その製造方法およびその動作方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor memory device, a semiconductor memory device manufacturing method, and a semiconductor memory device operating method. More specifically, the present invention relates to a semiconductor memory device including a field effect transistor having a floating gate on both side surfaces of a gate electrode via an insulating film, a manufacturing method thereof, and an operating method thereof.
ゲート側壁に絶縁膜を介してフローティングゲートを有する従来の半導体記憶装置(メモリデバイス)の一例を、図12を用いて説明する。 An example of a conventional semiconductor memory device (memory device) having a floating gate on the gate sidewall via an insulating film will be described with reference to FIG.
従来の半導体記憶装置は、半導体基板901上にゲート絶縁膜902を介してコントロールゲート電極903を有し、このゲート電極903の両側の上記半導体基板901の上部に、この半導体基板901と逆導電型の拡散領域、すなわちソース・ドレイン領域904、905を有している(特開平6−232412号公報:特許文献1参照)。
A conventional semiconductor memory device has a
また、上記ゲート電極903の両側面に、ゲート側壁絶縁膜908、909を介してフローティングゲート910、911を有しており、これらフローティングゲート910、911は、フローティングゲート絶縁膜906、907によって、上記半導体基板901および上記ソース・ドレイン領域904、905と絶縁されている。
In addition, floating
ここで、上記フローティングゲート絶縁膜906、907の膜厚は互いに異なっていてもよく、特に、この場合には、後述のように多値メモリとして動作させることができる。
Here, the thicknesses of the floating
また、上記半導体基板901、上記ゲート電極903および上記フローティングゲート910、911の上には、層間絶縁膜912が堆積され、さらに、この層間絶縁膜912上には、(図示しない)メタル配線が形成されており、上記ゲート電極903および上記ソース・ドレイン領域904、905と、上記メタル配線とは、コンタクトプラグによって電気的に接続されている。
An
ここでは、特に、上記メタル配線と上記ソース・ドレイン領域904、905とを接続するためのコンタクトプラグ913、914のみを図示している。なお、一般に、デバイス同士を電気的に分離するために、半導体表面に素子分離帯を設けるが、これについても省略している。
Here, in particular, only
次に、上記半導体記憶装置の製造方法の一例を、図12、図13Aおよび図13Bを用いて説明する。ここでは、特に、n型デバイスについて説明する。まず、図13Aに示すように、(図示しない)素子分離帯を形成したp型シリコン基板901の上を、全面熱酸化した後、ポリシリコン層をCVD法によって堆積し、周知のリソグラフィ及びドライエッチング方法によって、このポリシリコン層を加工して、コントロールゲート電極903を形成する。さらに、n型不純物、すなわちリンないし砒素のイオン注入を行うことによって、ソース・ドレイン領域904、905を形成する。
Next, an example of a method for manufacturing the semiconductor memory device will be described with reference to FIGS. 12, 13A, and 13B. Here, in particular, an n-type device will be described. First, as shown in FIG. 13A, the entire surface of a p-
その後、上記ソース・ドレイン領域904、905および上記ゲート電極903の表面(側面を含む)に熱酸化膜を形成した後、ドライエッチングによって、上記ソース・ドレイン領域904、905上の酸化膜の膜厚を薄くして、絶縁膜906、907を形成する。
Then, after forming a thermal oxide film on the surfaces (including side surfaces) of the source /
さらに、この後、上記ソース・ドレイン領域904、905上のそれぞれの上記絶縁膜906、907の膜厚を互いに変える場合は、再度酸化処理を加えた後、上記ソース・ドレイン領域904、905の一方、例えば図中右側の上記ソース・ドレイン領域905上のみをレジストで覆ってドライエッチングを行ってもよい。この場合には、図中左側の上記絶縁膜906が、図中右側の上記絶縁膜907よりも薄くなり、後述のように、多値のメモリデバイスを作成することができる。
Further, when the film thicknesses of the
続いて、全面にポリシリコンをCVD法によって堆積した後、ドライエッチングによるエッチバックを行って、図13Bに示すように、上記ゲート電極903の両側壁にフローティングゲート910、911を形成する。
Subsequently, after polysilicon is deposited on the entire surface by CVD, etch back is performed by dry etching to form
なお、このとき、上記フローティングゲート910、911は、上記ゲート電極903に沿ってその側壁を取り囲むように形成されている。具体的に述べると、上記フローティングゲート910、911は、紙面鉛直方向に延びており、上記ゲート電極903の末端部で、繋がった状態になっている。
At this time, the
このため、フォトレジストマスクとドライエッチング(またはウェットエッチング)技術を用いて、フローティングゲートの不要部をエッチングし、両側の上記フローティングゲート910、911を適宜分断しておくとよい。
For this reason, it is preferable to etch an unnecessary portion of the floating gate using a photoresist mask and dry etching (or wet etching) technique, and to divide the
その後、不純物の活性化アニールを窒素雰囲気下で施した後、周知の方法によって、図12に示すように、上記層間絶縁膜912、上記コンタクトプラグ913、914、および、(図示しない)上記メタル配線を形成し、上記従来のメモリデバイスを得る。
Thereafter, after annealing for impurity activation in a nitrogen atmosphere, as shown in FIG. 12, the interlayer
次に、上記従来のメモリデバイスへの書き込み方法の一例を、図14を用いて説明する。上記フローティングゲート910、911への電荷注入によって、情報の書き込みを行う。ここで、n型デバイスの場合について説明し、上記フローティングゲート910、911の少なくとも一方へ電子が蓄積された状態を「書き込み」、電子が蓄積されていない状態を「消去」と定義する。
Next, an example of a writing method to the conventional memory device will be described with reference to FIG. Information is written by charge injection into the
書き込み時において、例えば、上記半導体基板901および上記ソース・ドレイン領域904、905に0V、上記ゲート電極903に10Vなどのバイアスを印加すると、電界によって、上記ソース・ドレイン領域904、905から上記絶縁膜906、907を介して上記フローティングゲート910、911へと電子のトンネリングが起こり、電荷915、916が上記フローティングゲート910、911に注入される。
At the time of writing, for example, when a bias of 0 V or the like is applied to the
次に、上記従来のメモリデバイスの読み出し原理を、図15を用いて説明する。例えば、紙面左の活性層をソース領域904とし、紙面右の活性層をドレイン領域905とし、上記半導体基板901および上記ソース領域904へ0V、上記ゲート電極903へ5V、上記ドレイン領域905へ1Vなどの電圧を印加すると、上記ゲート電極903下のチャネル領域に反転層917が生じ、上記ソース領域904と上記ドレイン領域905の間に電流が流れる。
Next, the read principle of the conventional memory device will be described with reference to FIG. For example, the active layer on the left side of the drawing is the
このとき、上記フローティングゲート910、911に電荷915、916が蓄積されている場合には、この電荷915、916のポテンシャルによって、上記フローティングゲート910、911下に寄生抵抗918、919が生じ、上記電荷915、916が蓄積されていない場合に比べて電流量が小さくなる。すなわち、この電流量の多寡によって、電荷の蓄積状態を検出できるため、情報の読み出しが可能となる。
At this time, if
また、特に、上述した通り、図中左右の上記トンネル絶縁膜906、907を互いに異なる膜厚としたときには、メモリデバイスを多値動作させることができる。すなわち、図14において、図中左の上記絶縁膜906を図中右の上記絶縁膜907に対し適宜薄膜化することによって、例えば、上記コントロールゲート電極903へ10V印加時には、紙面左側の上記フローティングゲート910のみに電荷915が注入され(これを、第1の状態という)、上記コントロールゲート電極903へ15V印加時には紙面右の上記フローティングゲート911にも電荷916が注入される(これを、第2の状態という)ように膜厚を設計しておくと、電荷なし状態、第1の状態および第2の状態の各状態において、すべて読み出し電流が異なることから、それぞれの状態を情報記憶と結びつけることで、多値メモリとすることができる。
In particular, as described above, when the
図16を用いて、上記従来のメモリデバイスの消去動作について説明する。消去時には、例えば、上記半導体基板901および上記ソース・ドレイン領域904、905に0V、上記ゲート電極903に−10Vなどのバイアスを印加すると、電界によって、今度は、逆に、上記フローティングゲート910、911から上記絶縁膜906、907を介して上記ソース・ドレイン領域904、905へと電子のトンネリングが起こり、上記フローティングゲート910、911中に蓄積されていた電荷915、916が放出され、情報を消去することができる。
The erase operation of the conventional memory device will be described with reference to FIG. At the time of erasing, for example, when a bias of 0 V or the like is applied to the
メモリ装置の大容量化にとって、デバイス動作の高速化は極めて重要である。しかしながら、上記従来の半導体記憶装置においては、上記フローティングゲート910、911と上記ソース・ドレイン領域904、905の間の電子のトンネリングによって書き込みおよび消去動作を行うため、書き込みおよび消去の高速化が困難であるという課題があった。これは、書き込みおよび消去時に電子がトンネルを起こす領域が、上記フローティングゲート910、911と上記ソース・ドレイン領域904、905のオーバーラップ部分という、面積的に非常に限られた領域であるためである。
For increasing the capacity of a memory device, it is extremely important to increase the device operation speed. However, in the conventional semiconductor memory device, since writing and erasing operations are performed by electron tunneling between the
書き込みおよび消去を高速化させるために、この部分の面積を増加させることは、すなわち、ウェハ上のデバイス占有面積の増大を招き、製造コストを増加させることになるからである。これは、メモリ装置の大容量化に対して、大きな課題となっている。
そこで、この発明の課題は、書込みないし消去を高速に行い、かつ微細化が容易な(不揮発性メモリ)半導体記憶装置を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a semiconductor memory device that can perform writing or erasing at high speed and can be easily miniaturized (nonvolatile memory).
上記課題を解決するため、この発明の半導体記憶装置は、
半導体層と、
上記半導体層上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、
上記ゲート電極の両側にゲート側壁絶縁膜を介して形成されたフローティングゲートと、
上記半導体層に設けられると共に上記ゲート電極下に配置されたチャネル領域と、
上記半導体層に設けられると共に上記チャネル領域の両側に配置された拡散領域と、
上記拡散領域に接続されたコンタクトプラグと
を備え、
上記拡散領域は、上記フローティングゲートの一部とオーバーラップしており、
上記フローティングゲートの側面は、上記コンタクトプラグに略平行な形状であり、
上記フローティングゲートと上記コンタクトプラグとの間の距離は、上記ゲート電極と上記フローティングゲートとの間の距離よりも小さく、
上記コンタクトプラグと上記フローティングゲートの側面との間の電子のトンネリングによって、書き込みおよび消去動作を行うことを特徴としている。
In order to solve the above problems, a semiconductor memory device according to the present invention provides:
A semiconductor layer;
A gate electrode formed on the semiconductor layer via a gate insulating film;
A floating gate formed on both sides of the gate electrode via a gate sidewall insulating film;
A channel region provided in the semiconductor layer and disposed under the gate electrode;
A diffusion region provided in the semiconductor layer and disposed on both sides of the channel region;
A contact plug connected to the diffusion region,
The diffusion region overlaps a part of the floating gate,
The side surface of the floating gate has a shape substantially parallel to the contact plug,
The distance between the floating gate and the contact plug is smaller than the distance between the gate electrode and the floating gate,
Write and erase operations are performed by electron tunneling between the contact plug and the side surface of the floating gate .
この発明の半導体記憶装置によれば、上記拡散領域は、上記フローティングゲートの一部とオーバーラップしており、上記フローティングゲートの側面は、上記コンタクトプラグに略沿った形状であり、上記コンタクトプラグは、上記フローティングゲートの近傍にあるので、上記フローティングゲートと上記コンタクトプラグの間で電子をトンネルさせて半導体記憶装置の書き込みないし消去動作を行うことができる。このように、上記半導体層上のデバイス面積を増大させることなく、電子のトンネル領域面積を大きくとることができ、書き込みないし消去を高速に行う事ができる。また、上記フローティングゲートと上記コンタクトプラグとの間の距離は、上記ゲート電極と上記フローティングゲートとの間の距離よりも小さいので、上記コンタクトプラグから上記フローティングゲートへの電子のトンネル確率が、上記フローティングゲートから上記ゲート電極への電子のトンネル確率よりも高くなって、上記フローティングゲートへ注入された電荷がすべてそのまま上記ゲート電極へ再トンネルで放出されることはなく、上記フローティングゲート内に電荷を蓄積することができる。一方、上記ゲート電極から上記フローティングゲートへの電子のトンネル確率よりも、上記フローティングゲートから上記コンタクトプラグへの電子のトンネル確率が充分大きくなり、電荷の抜き取りをスムーズに行える。このように、書き込みないし消去を確実にかつ高速に行う事ができる。 According to the semiconductor memory device of the present invention, the diffusion region overlaps with a part of the floating gate, the side surface of the floating gate has a shape substantially along the contact plug, and the contact plug is Since it is in the vicinity of the floating gate, the semiconductor memory device can be programmed or erased by tunneling electrons between the floating gate and the contact plug. Thus, the area of the electron tunnel region can be increased without increasing the device area on the semiconductor layer, and writing or erasing can be performed at high speed. In addition, since the distance between the floating gate and the contact plug is smaller than the distance between the gate electrode and the floating gate, the tunneling probability of electrons from the contact plug to the floating gate is the floating floating. Since the tunneling probability of electrons from the gate to the gate electrode is higher, all the charges injected into the floating gate are not directly re-tunneled to the gate electrode, and charges are accumulated in the floating gate. can do. On the other hand, the tunneling probability of electrons from the floating gate to the contact plug is sufficiently larger than the tunneling probability of electrons from the gate electrode to the floating gate, and the charge can be extracted smoothly. Thus, writing or erasing can be performed reliably and at high speed.
また、一実施形態の半導体記憶装置では、上記コンタクトプラグに略沿った形状の上記フローティングゲートの上記側面の高さ寸法は、上記フローティングゲートの下面の内の上記拡散領域とオーバーラップしている上記一部のチャネル方向の長さ寸法よりも大きい。 In one embodiment, the height dimension of the side surface of the floating gate having a shape substantially along the contact plug overlaps the diffusion region in the lower surface of the floating gate. It is larger than the length dimension of some channel directions.
この一実施形態の半導体記憶装置によれば、上記フローティングゲートの上記側面の高さ寸法は、上記フローティングゲートの下面の内の上記拡散領域とオーバーラップしている上記一部のチャネル方向の長さ寸法よりも大きいので、上記コンタクトプラグに対向する上記フローティングゲートの面積を、上記拡散領域に対向する上記フローティングゲートの面積よりも大きくできて、上記フローティングゲートと上記コンタクトプラグの間で、確実に電子をトンネルさせることができる。 According to the semiconductor memory device of this embodiment, the height dimension of the side surface of the floating gate is the length in the channel direction of the part of the floating gate that overlaps the diffusion region in the lower surface of the floating gate. Since the area is larger than the dimension, the area of the floating gate facing the contact plug can be made larger than the area of the floating gate facing the diffusion region, so that the electrons can be reliably connected between the floating gate and the contact plug. Can be tunneled.
また、一実施形態の半導体記憶装置では、上記ゲート電極および上記拡散領域の上部に、層間絶縁膜を有し、上記フローティングゲートと上記コンタクトプラグの間に、上記層間絶縁膜の材質と異なる材質からなると共に上記コンタクトプラグと上記フローティングゲートとの間の距離を一定に規制する規制用絶縁膜を有する。 In one embodiment, the semiconductor memory device has an interlayer insulating film on the gate electrode and the diffusion region, and is made of a material different from the material of the interlayer insulating film between the floating gate and the contact plug. And a regulating insulating film that regulates the distance between the contact plug and the floating gate to be constant .
この一実施形態の半導体記憶装置によれば、上記フローティングゲートと上記コンタクトプラグの間に、上記層間絶縁膜の材質と異なる材質からなる規制用絶縁膜を有するので、上記フローティングゲートが上記層間絶縁膜と異なる材質の絶縁膜で保護されるため、上記コンタクトプラグの形成時に、上記層間絶縁膜を選択的にエッチングするエッチング手段を用いることにより、上記コンタクトプラグと上記フローティングゲートの接触を防止することができる。これに加え、上記コンタクトプラグと上記フローティングゲートの間の電子のトンネリングによって書き込みないし消去動作を行う場合に、このトンネル距離を一定とすることができるため、動作性能のバラツキを防止することができる。 According to the semiconductor memory device of this embodiment, since the regulating insulating film made of a material different from the material of the interlayer insulating film is provided between the floating gate and the contact plug, the floating gate has the interlayer insulating film. Therefore, the contact plug and the floating gate can be prevented from contacting each other by using an etching means for selectively etching the interlayer insulating film when forming the contact plug. it can. In addition, when a write or erase operation is performed by electron tunneling between the contact plug and the floating gate, the tunnel distance can be made constant, so that variations in operation performance can be prevented.
また、一実施形態の半導体記憶装置では、上記規制用絶縁膜は、上記ゲート側壁絶縁膜よりもトンネル障壁が低い材質からなる。 In one embodiment, the regulation insulating film is made of a material having a tunnel barrier lower than that of the gate sidewall insulating film.
この一実施形態の半導体記憶装置によれば、トンネル絶縁膜の少なくとも一部として作用する上記規制用絶縁膜が、高いトンネル効率を持つため、書き込みおよび消去を高速化することができる。 According to the semiconductor memory device of this embodiment, since the regulation insulating film that functions as at least a part of the tunnel insulating film has high tunnel efficiency, writing and erasing can be speeded up.
また、一実施形態の半導体記憶装置では、上記層間絶縁膜は、シリコン酸化物からなり、上記規制用絶縁膜は、シリコン窒化物からなる。 In one embodiment, the interlayer insulating film is made of silicon oxide, and the regulating insulating film is made of silicon nitride.
この一実施形態の半導体記憶装置によれば、上記層間絶縁膜は、シリコン酸化物からなり、上記規制用絶縁膜は、シリコン窒化物からなるので、上記層間絶縁膜に対するエッチングレートと、上記規制用絶縁膜に対するエッチングレートとの間に大きな選択比を持たせることが容易にできる。このため、上記コンタクトプラグを形成するときに、上記層間絶縁膜をエッチングする際、上記規制用絶縁膜をエッチングのストッパーとすることができ、上記コンタクトプラグと上記フローティングゲートとの接触を防止する。 According to the semiconductor memory device of this embodiment, since the interlayer insulating film is made of silicon oxide and the regulating insulating film is made of silicon nitride, the etching rate for the interlayer insulating film and the regulating It is possible to easily provide a large selection ratio with respect to the etching rate with respect to the insulating film. For this reason, when the interlayer insulating film is etched when forming the contact plug, the regulating insulating film can be used as an etching stopper, thereby preventing contact between the contact plug and the floating gate.
また、一実施形態の半導体記憶装置では、上記フローティングゲートの上記側面と上記コンタクトプラグとの間の距離は、10nm未満である。 In one embodiment, the distance between the side surface of the floating gate and the contact plug is less than 10 nm.
この一実施形態の半導体記憶装置によれば、上記フローティングゲートと上記コンタクトプラグの間の距離が近いため、両者間のトンネル効率が高くなり、高速に書き込みないし消去を行うことができる。 According to the semiconductor memory device of this embodiment, since the distance between the floating gate and the contact plug is short, the tunnel efficiency between the two becomes high, and writing or erasing can be performed at high speed.
また、この発明の半導体記憶装置の製造方法は、
半導体層上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程と、
上記ゲート電極の両側にゲート側壁絶縁膜を介してフローティングゲートを形成する工程と、
上記半導体層に上記フローティングゲートの一部とオーバーラップする拡散領域を形成する工程と、
上記拡散領域および上記フローティングゲートを覆うように、コンタクトプラグと上記フローティングゲートとの間の距離を一定に規制する規制用絶縁膜を形成する工程と、
上記規制用絶縁膜を覆うように、この規制用絶縁膜の材質と異なる材質からなる層間絶縁膜を形成する工程と、
異方性エッチングによって上記拡散領域上にコンタクトホールを形成する工程と、
ウェットエッチングによって上記規制用絶縁膜が露出するように上記コンタクトホールの内径を広げる工程と、
上記コンタクトホールに上記コンタクトプラグを形成する工程と
を備え、
上記コンタクトプラグと上記フローティングゲートの側面との間の電子のトンネリングによって、書き込みおよび消去動作を行うことを特徴としている。
Also, a method for manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention includes:
Forming a gate electrode on the semiconductor layer via a gate insulating film;
Forming a floating gate on both sides of the gate electrode via a gate sidewall insulating film;
Forming a diffusion region overlapping with a part of the floating gate in the semiconductor layer;
Forming a regulation insulating film that regulates a constant distance between the contact plug and the floating gate so as to cover the diffusion region and the floating gate;
Forming an interlayer insulating film made of a material different from the material of the regulatory insulating film so as to cover the regulatory insulating film;
Forming a contact hole on the diffusion region by anisotropic etching;
Expanding the inner diameter of the contact hole so that the regulation insulating film is exposed by wet etching;
And a step of forming the contact plug in the contact hole,
Write and erase operations are performed by electron tunneling between the contact plug and the side surface of the floating gate .
この発明の半導体記憶装置の製造方法によれば、異方性エッチングによって上記拡散領域上にコンタクトホールを形成する工程と、ウェットエッチングによって上記規制用絶縁膜が露出するように上記コンタクトホールの内径を広げる工程とを備えるので、上記コンタクトホールを形成するときに、アライメントずれを生じても、特殊なプロセス装置を用いることなく極めて容易に、上記フローティングゲートと上記コンタクトプラグの間の距離を一定とすることができる。 According to the method for manufacturing a semiconductor memory device of the present invention, the contact hole is formed on the diffusion region by anisotropic etching, and the inner diameter of the contact hole is adjusted so that the regulation insulating film is exposed by wet etching. A widening step, so that even when misalignment occurs when the contact hole is formed, the distance between the floating gate and the contact plug can be made constant without using a special process device. be able to.
また、上記拡散領域は、上記フローティングゲートの一部とオーバーラップしており、上記フローティングゲートの側面を、上記コンタクトプラグに略沿った形状にできると共に、上記コンタクトプラグを、上記フローティングゲートの近傍にできるので、上記フローティングゲートと上記コンタクトプラグの間で電子をトンネルさせて半導体記憶装置の書き込みないし消去動作を行うことができる。このように、上記半導体層上のデバイス面積を増大させることなく、電子のトンネル領域面積を大きくとることができ、書き込みないし消去を高速に行うことができる半導体記憶装置を製造することができる。 Further, the diffusion region overlaps with a part of the floating gate, and the side surface of the floating gate can be shaped substantially along the contact plug, and the contact plug is placed in the vicinity of the floating gate. Therefore, writing or erasing operation of the semiconductor memory device can be performed by tunneling electrons between the floating gate and the contact plug. As described above, a semiconductor memory device can be manufactured in which the area of the electron tunnel region can be increased without increasing the device area on the semiconductor layer, and writing or erasing can be performed at high speed.
また、一実施形態の半導体記憶装置の製造方法では、上記規制用絶縁膜として、上記ゲート側壁絶縁膜よりもトンネル障壁が低い材質を用いる。 In one embodiment of the method for manufacturing a semiconductor memory device, a material having a tunnel barrier lower than that of the gate sidewall insulating film is used as the regulating insulating film.
この一実施形態の半導体記憶装置の製造方法によれば、上記規制用絶縁膜として、上記ゲート側壁絶縁膜よりもトンネル障壁が低い材質を用いるので、トンネル絶縁膜の少なくとも一部として作用する上記規制用絶縁膜が、高いトンネル効率を持つため、高速に書き込みおよび消去ができる半導体記憶装置が得られる。 According to the method of manufacturing a semiconductor memory device of this embodiment, the regulation insulating film is made of a material having a tunnel barrier lower than that of the gate side wall insulating film, so that the regulation functioning as at least a part of the tunnel insulating film is used. Since the insulating film for use has a high tunneling efficiency, a semiconductor memory device capable of writing and erasing at high speed can be obtained.
また、一実施形態の半導体記憶装置の製造方法では、上記層間絶縁膜として、シリコン酸化物よりなる材質を用い、上記規制用絶縁膜として、シリコン窒化物よりなる材質を用いる。 In one embodiment of the method for manufacturing a semiconductor memory device, the interlayer insulating film is made of a material made of silicon oxide, and the regulating insulating film is made of a material made of silicon nitride.
この一実施形態の半導体記憶装置の製造方法によれば、上記層間絶縁膜として、シリコン酸化物よりなる材質を用い、上記規制用絶縁膜として、シリコン窒化物よりなる材質を用いるので、上記層間絶縁膜に対するエッチングレートと、上記規制用絶縁膜に対するエッチングレートとの間に大きな選択比を持たせることが、容易にできる。このため、上記コンタクトプラグを形成するときに、上記層間絶縁膜をエッチングする際、上記規制用絶縁膜をエッチングのストッパーとすることができ、上記コンタクトプラグと上記フローティングゲートの接触を防止する。 According to the method of manufacturing a semiconductor memory device of this embodiment, since the material made of silicon oxide is used as the interlayer insulating film and the material made of silicon nitride is used as the regulatory insulating film, the interlayer insulation is used. It is easy to provide a large selection ratio between the etching rate for the film and the etching rate for the regulation insulating film. For this reason, when the contact plug is formed, when the interlayer insulating film is etched, the regulating insulating film can be used as an etching stopper, thereby preventing contact between the contact plug and the floating gate.
また、一実施形態の半導体記憶装置の製造方法では、上記フローティングゲートと上記コンタクトプラグの少なくとも一部の距離を、10nm未満とする。 In one embodiment, the distance between at least a part of the floating gate and the contact plug is less than 10 nm.
この一実施形態の半導体記憶装置の製造方法によれば、上記フローティングゲートと上記コンタクトプラグの少なくとも一部の距離を、10nm未満とするので、上記フローティングゲートと上記コンタクトプラグの間の距離が近いため、両者間のトンネル効率が高くなり、高速に書き込みないし消去ができる半導体記憶装置が得られる。 According to the method of manufacturing a semiconductor memory device of this embodiment, since the distance between at least a part of the floating gate and the contact plug is less than 10 nm, the distance between the floating gate and the contact plug is short. As a result, the tunnel efficiency between the two becomes high, and a semiconductor memory device capable of writing or erasing at high speed can be obtained.
また、この発明の半導体記憶装置の動作方法は、
上記半導体記憶装置の動作方法であって、
上記コンタクトプラグと上記フローティングゲートの上記側面との間の電子のトンネリングによって、書き込みおよび消去動作を行うことを特徴としている。
Further, the operation method of the semiconductor memory device of the present invention is as follows:
An operation method of the semiconductor memory device,
Write and erase operations are performed by electron tunneling between the contact plug and the side surface of the floating gate.
この発明の半導体記憶装置の動作方法によれば、書き込みおよび消去において、ホットキャリアを生成せず、トンネル現象によって直接的に上記フローティングゲートへの電荷の注入ないし抜き取りを行うため、少ない消費電力で、かつ、高速に、書き込みおよび消去を行うことができる。 According to the operation method of the semiconductor memory device of the present invention, hot carriers are not generated in writing and erasing, and charge is directly injected into or extracted from the floating gate by a tunnel phenomenon. In addition, writing and erasing can be performed at high speed.
この発明の半導体記憶装置によれば、上記拡散領域は、上記フローティングゲートの一部とオーバーラップしており、上記フローティングゲートの側面は、上記コンタクトプラグに略沿った形状であり、上記コンタクトプラグは、上記フローティングゲートの近傍にあるので、デバイス面積を増大させることなく、メモリデバイスの書き込みおよび消去の速度を高速化させることができる。 According to the semiconductor memory device of the present invention, the diffusion region overlaps with a part of the floating gate, the side surface of the floating gate has a shape substantially along the contact plug, and the contact plug is Since it is in the vicinity of the floating gate, the writing and erasing speed of the memory device can be increased without increasing the device area.
この発明の半導体記憶装置の製造方法によれば、異方性エッチングによって上記拡散領域上にコンタクトホールを形成する工程と、ウェットエッチングによって上記規制用絶縁膜が露出するように上記コンタクトホールの内径を広げる工程とを備えるので、上記フローティングゲートの側面を、上記コンタクトプラグに略沿った形状にできると共に、上記コンタクトプラグを、上記フローティングゲートの近傍にできるので、書き込みないし消去が高速になり、かつ、性能バラツキの小さいデバイスを容易に得ることができる。 According to the method for manufacturing a semiconductor memory device of the present invention, the contact hole is formed on the diffusion region by anisotropic etching, and the inner diameter of the contact hole is adjusted so that the regulation insulating film is exposed by wet etching. A side surface of the floating gate can be shaped substantially along the contact plug, and the contact plug can be in the vicinity of the floating gate, so that writing or erasing becomes faster, and Devices with small performance variations can be easily obtained.
この発明の半導体記憶装置の動作方法によれば、上記コンタクトプラグと上記フローティングゲートの上記側面との間の電子のトンネリングによって、書き込みおよび消去動作を行うので、高速でかつ消費電力の低い、メモリデバイスの書き込みおよび消去動作を実現できる。 According to the operation method of the semiconductor memory device of the present invention, since writing and erasing operations are performed by electron tunneling between the contact plug and the side surface of the floating gate, the memory device has high speed and low power consumption. Can be written and erased.
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the illustrated embodiments.
(第1の実施形態)
図1は、この発明の半導体記憶装置の第1の実施形態である概略断面図を示している。なお、ここでは、n型デバイスについて説明するが、不純物の導電型と印加バイアスを逆にすれば、p型デバイスとして形成し使用することも可能である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a first embodiment of the semiconductor memory device of the present invention. Although an n-type device will be described here, it can also be formed and used as a p-type device if the conductivity type of the impurity and the applied bias are reversed.
この半導体記憶装置は、(半導体層としての)半導体基板101と、この半導体基板101上にゲート絶縁膜102を介して形成されたコントロールゲート電極103とを有する。
This semiconductor memory device has a semiconductor substrate 101 (as a semiconductor layer) and a
上記半導体基板101としては、例えば、p型シリコンを用い、上記ゲート絶縁膜102としては、例えば、厚さ12nmの熱酸化膜を用い、上記ゲート電極103としては、例えば、厚さ200nmのポリシリコンを用いる。
For example, p-type silicon is used as the
なお、ここでは、上記半導体基板101を用いているが、絶縁体等の基板上に設けた半導体層を用いても構わない。また、上記半導体基板101(すなわち、半導体層)の表面には、STI(Shallow Trench Isoration)などによる素子分離帯を適宜設けてもよい。
Note that although the
上記半導体基板101の上部で、上記ゲート電極103下側に、チャネル領域が設けられている。このチャネル領域(または上記ゲート電極103)の両側で、上記半導体基板101の上部に、上記半導体基板101と逆導電型の拡散領域、すなわち砒素等が注入されたソース・ドレイン領域104、105が設けられている。
A channel region is provided above the
上記ソース・ドレイン領域104、105に隣接して、p型不純物濃度が高いハロー領域を、上記ゲート電極103の近傍に形成しておいてもよい。
A halo region having a high p-type impurity concentration may be formed adjacent to the source /
上記ゲート電極103の両側面に、ゲート側壁絶縁膜108、109を介して、フローティングゲート110、111が設けられ、このフローティングゲート110、111は、フローティングゲート絶縁膜106、107によって、上記半導体基板101および上記ソース・ドレイン領域104、105と絶縁されている。
Floating
上記フローティングゲート絶縁膜106、107および上記ゲート側壁絶縁膜108、109としては、表面熱酸化によって形成されるシリコン酸化膜を用いてもよく、また、上記フローティングゲート110、111としては、ポリシリコンを用いてもよい。
A silicon oxide film formed by surface thermal oxidation may be used as the floating
上記フローティングゲート絶縁膜106、107および上記ゲート側壁絶縁膜108、109の形成は、上述の背景技術と同様の方法を用いてもよい。しかし、この第1の実施形態では、上記フローティングゲート絶縁膜106、107と、上記ゲート側壁絶縁膜108、109との膜厚は、同じであってもよい。つまり、上記半導体基板101の表面と上記ゲート電極103の表面(側面を含む)を熱酸化した後、ドライエッチング工程を行うことなく、全面にポリシリコンを堆積し、エッチバックにより、上記フローティングゲート110、111を形成してよい。
The floating
上述の背景技術において行っていた熱酸化膜に対するドライエッチングは、上記フローティングゲート110、111下に相当する上記半導体基板101の表面へもプラズマダメージを与え、デバイス特性を悪化させる可能性があるため、この第1の実施形態では、このドライエッチング工程が不要であることは、工程の簡略化のみならず、デバイス性能の面からも好ましい。
The dry etching performed on the thermal oxide film performed in the background art described above may cause plasma damage to the surface of the
また、上記ソース・ドレイン領域104、105と、上記フローティングゲート110、111と、上記コントロールゲート電極103との位置関係は、図1に示すように、上記ソース・ドレイン領域104(105)が、上記フローティングゲート110(111)の一部とオーバーラップしており、上記ゲート電極103とはオーバーラップしていない。
The positional relationship between the source /
上記ソース・ドレイン領域104、105、上記フローティングゲート110、111、および、上記コントロールゲート電極103の上には、層間絶縁膜112が堆積されている。
An interlayer insulating
上記ソース・ドレイン領域104、105に接続される上記コンタクトプラグ113、114が形成されている。また、上記ゲート電極103に接続される(図示しない)他のコンタクトプラグが形成されている。また、上記層間絶縁膜112上には、上記コンタクトプラグ113、114および上記他のコンタクトプラグに電気的に接続される(図示しない)メタル配線が形成されている。
The contact plugs 113 and 114 connected to the source /
上記フローティングゲート110、111の側面は、上記コンタクトプラグ113、114に略沿った形状であり、上記コンタクトプラグ113、114は、上記フローティングゲート110、111の近傍にある。具体的に述べると、上記フローティングゲート110、111の側面は、上記半導体基板101に略垂直な形状である。
The side surfaces of the floating
上記フローティングゲート110、111の上記側面の高さ寸法は、上記フローティングゲート110、111の下面の内の上記ソース・ドレイン領域104、105とオーバーラップしている上記一部のチャネル方向の長さ寸法よりも大きい。
The height dimension of the side surface of the floating
上記フローティングゲート110、111と上記コンタクトプラグ113、114との間の距離は、上記ゲート電極103と上記フローティングゲート110、111との間の距離よりも小さい。例えば、上記フローティングゲート110、111と上記コンタクトプラグ113、114との間の距離を5nmとし、上記ゲート電極103と上記フローティングゲート110、111との間の距離を8nmとする。
The distance between the floating
次に、図2を用いて、この第1の実施形態の半導体記憶装置の書き込み動作を説明する。例えば、上記ソース・ドレイン領域104、105および上記半導体基板101へ0V、上記ゲート電極103へ10Vなどの電圧を印加する。この場合、上記ゲート電極103下には反転層117が生じ、上記ソース・ドレイン領域104、105は、ほぼ同電位となる。
Next, the write operation of the semiconductor memory device according to the first embodiment will be described with reference to FIG. For example, a voltage such as 0 V is applied to the source /
このとき、上記コンタクトプラグ113、114と上記ゲート電極103との間の電界によって、上記コンタクトプラグ113、114から上記フローティングゲート110、111へ電子のトンネリングが起こり、電荷115、116が注入される。
At this time, due to the electric field between the contact plugs 113 and 114 and the
この第1の実施形態では、上記コンタクトプラグ113(114)と上記フローティングゲート110(111)との間の距離を、上記フローティングゲート110(111)と上記コントロールゲート103との間距離よりも小さくなるように設定しているため、上記コンタクトプラグ113(114)から上記フローティングゲート110(111)への電子のトンネル確率が、上記フローティングゲート110(111)から上記ゲート側壁絶縁膜108(109)を介して上記コントロールゲート電極103へ電子がトンネルする確率よりも高くなる。このため、上記フローティングゲート110(111)へ注入された電荷115(116)がすべてそのまま上記コントロールゲート電極103へ再トンネルで放出されることはなく、上記フローティングゲート110(111)内に電荷115(116)を蓄積することができる。
In the first embodiment, the distance between the contact plug 113 (114) and the floating gate 110 (111) is smaller than the distance between the floating gate 110 (111) and the
この第1の実施形態では、電子のトンネリングが、主に、上記フローティングゲート110の側面から起きている。このように、トンネル領域が上記フローティングゲート110(111)の側面にあるため、トンネル領域面積を非常に大きくとることができ、高速に書き込みを行うことができる。さらに、高速化にするには、上記コントロールゲート103と上記フローティングゲート110、111の高さを高くすればよく、水平方向の面積を増加させる必要がないため、チップ面積の増大を招くことはない。
In the first embodiment, electron tunneling occurs mainly from the side surface of the floating
次に、図3を用いて、この第1の実施形態の半導体記憶装置の消去動作方法を説明する。例えば、一方の上記ソース・ドレイン領域104へ0V、他方の上記ソース・ドレイン領域105へ5V、上記半導体基板101へ0V、上記ゲート電極103へ−5Vなどの電圧を印加する。
Next, the erase operation method of the semiconductor memory device of the first embodiment will be described with reference to FIG. For example, a voltage such as 0V is applied to one of the source /
この場合、上記ゲート電極103のバイアスは、負であるため、いわゆる蓄積状態となり、上記ゲート電極103下に反転層は生じず、上記ソース・ドレイン領域104、105は、互いに絶縁されている。このとき、図中右側(一方)の上記コンタクトプラグ114と上記ゲート電極103との間には高電界がかかって、図中右側(一方)の上記フローティングゲート111から上記一方のコンタクトプラグ114への電子のトンネリングが起こり、図中右側(一方)に蓄積されている電荷116は、上記一方のコンタクトプラグ114へ放出される。
In this case, since the bias of the
上記書き込み動作と同様の理由、すなわち、上記コントロールゲート103と上記一方のフローティングゲート111との間の距離を、上記一方のフローティングゲート111と上記一方のコンタクトプラグ114との間の距離よりも大きく設定していることで、上記コントロールゲート電極103から上記一方のフローティングゲート111への電子のトンネル確率よりも、上記一方のフローティングゲート111から上記一方のコンタクトプラグ114へのトンネル確率が充分大きくなって、上記一方の電荷116の抜き取りがスムーズに行われる。
The same reason as the above write operation, that is, the distance between the
一方、上記一方のコンタクトプラグ114と上記ゲート電極103との間の電界は小さいため、上記一方のフローティングゲート111から上記一方のコンタクトプラグ114への電子のトンネリングは無視できるほど小さく、図中左側(他方)に蓄積されている電荷115は、図中左側(他方)の上記フローティングゲート110に保存されたままである。
On the other hand, since the electric field between the one
この消去動作においても、上記一方のフローティングゲート111の側面をトンネル領域としているため、トンネル領域面積を大きくとることができ、高速に消去が可能である。なお、消去時の上記ソース・ドレイン領域104、105の電圧を入れ替えると、左の上記フローティングゲート110中に、蓄積されている電荷115の消去が可能であり、また、消去時に上記ソース・ドレイン領域104、105の両方を5Vとすると、両側の上記フローティングゲート110、111の消去を同時に行うことも可能である。
Also in this erasing operation, the side surface of the one floating
ここで説明した書き込みおよび消去動作では、電子のトンネリングのみを用いているため、書き込みおよび消去ともに極めて少ない消費電力で行うことができる。 In the writing and erasing operations described here, since only electron tunneling is used, both writing and erasing can be performed with extremely low power consumption.
次に、図4Aおよび図4Bを用いて、この第1の実施形態の半導体記憶装置の読出し動作について説明する。なお、図4Aおよび図4Bでは、上記コンタクトプラグおよび上記層間絶縁膜を省略して描いている。 Next, the read operation of the semiconductor memory device according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. 4A and 4B. In FIG. 4A and FIG. 4B, the contact plug and the interlayer insulating film are omitted.
この読出し動作により、左の上記フローティングゲート110中の電荷の多寡、右の上記フローティングゲート111中の電荷の多寡を、別々に読み出すことができるので、1つのデバイスで2ビットの情報を記憶することができる。
By this read operation, the amount of charge in the
ここでは特に、上記左のフローティングゲート110内のみに負電荷115が蓄積されている場合を例に用いて説明する。
Here, a case where
図4Aは、上記左のフローティングゲート110中の電荷に対する読出しである。この場合には、上記ソース・ドレイン領域のうち左側をソース領域104として0V、上記ソース・ドレイン領域のうち右側をドレイン領域105として3Vなどの電圧を印加し、上記ゲート電極103へ例えば3Vなどの電圧を印加する。上記半導体基板101は0Vとする。
FIG. 4A is a readout for the charge in the
このとき、上記ゲート電極103下部に反転層117が生じて、上記ソース領域104から上記ドレイン領域105へと電子が流れるが、上記ソース領域104近傍の上記左のフローティングゲート110に蓄積されている負電荷115のポテンシャルの影響により、負電荷115が無い場合に比べて小さな電流量となる。つまり、この電流量の大きさを検出することによって、上記左のフローティングゲート110内の電荷の多寡を検出することができる。これを情報記憶として用いると、1ビットの情報を記憶することができる。
At this time, an
一方、図4Bは、右のフローティングゲート111中の電荷に対する読出しである。この場合には、図4Aとはソース・ドレインを入れ替えて、左側をドレイン領域104として3V、右側をソース領域105として0V、上記ゲート電極103へ3V、上記半導体基板101へ0Vなどの電圧を印加する。
On the other hand, FIG. 4B shows the readout of the charge in the
このとき、上記ソース領域105から上記ドレイン領域104へ電子が流れるが、上記ソース領域105近傍の右の上記フローティングゲート111中に蓄積されている電荷が無いため、負の蓄積電荷がある場合に比べて電流量が大きくなる。左の上記フローティングゲート110には負電荷115が蓄積されているが、その付近では反転層117がピンチオフしているため、電流量は負電荷115のポテンシャルの影響を受けにくく、負電荷115の有無によって電流量はほとんど変動しない。上記右のフローティングゲート111内の電荷の多寡が、上記ソース領域105から上記ドレイン領域104の電子の流量に中心的な影響を与えることになる。
At this time, electrons flow from the
つまり、上記ソース・ドレイン領域104、105のうち左右どちらをソースにとるかによって、そのソース側のフローティングゲート中の電荷量のみを検出することが可能であるので、両側のフローティングゲートのそれぞれを1ビットずつの情報記憶に用いることができる。すなわち、1つのメモリデバイスで2ビットの情報を記憶することができる利点がある。
That is, since it is possible to detect only the charge amount in the floating gate on the source side depending on which of the source /
この第1の実施形態の半導体記憶装置の代表的な使用方法としては、上述のとおりに、まず、図2に示すように、全フローティングゲート中に一括書き込みを行った後、図3に示すように、1ビットごとに適宜消去を行って情報を記憶し、図4Aおよび図4Bに示すように、1ビットごとに読出しを行う方法をとることができる。 As a typical method of using the semiconductor memory device of the first embodiment, as described above, first, as shown in FIG. 2, after batch writing is performed in all floating gates, as shown in FIG. In addition, a method can be used in which information is stored by appropriately erasing bit by bit and reading is performed bit by bit as shown in FIGS. 4A and 4B.
上記構成の半導体記憶装置によれば、上記ソース・ドレイン領域104、105は、上記フローティングゲート110、111の一部とオーバーラップしており、上記フローティングゲート110、111の側面は、上記コンタクトプラグ113、114に略沿った形状であり、上記コンタクトプラグ113、114は、上記フローティングゲート110、111の近傍にあるので、上記フローティングゲート110、111と上記コンタクトプラグ113、114の間で電子をトンネルさせて半導体記憶装置の書き込みないし消去動作を行うことができる。このように、上記半導体基板101上のデバイス面積を増大させることなく、電子のトンネル領域面積を大きくとることができ、書き込みないし消去を高速に行う事ができる。
According to the semiconductor memory device having the above configuration, the source /
また、上記フローティングゲート110、111の上記側面の高さ寸法は、上記フローティングゲート110、111の下面の内の上記ソース・ドレイン領域104、105とオーバーラップしている上記一部のチャネル方向の長さ寸法よりも大きいので、上記コンタクトプラグ113、114に対向する上記フローティングゲート110、111の面積を、上記ソース・ドレイン領域104、105に対向する上記フローティングゲート110、111の面積よりも大きくできて、上記フローティングゲート110、111と上記コンタクトプラグ113、114の間で、確実に電子をトンネルさせることができる。
The height dimension of the side surface of the floating
なお、上記フローティングゲート110、111の上記側面と上記コンタクトプラグ113、114との間の距離は、10nm未満であることが好ましい。このように、上記フローティングゲート110、111と上記コンタクトプラグ113、114の間の距離が近いため、両者間のトンネル効率が高くなり、高速に書き込みないし消去を行うことができる。
The distance between the side surfaces of the floating
(参考例)
図5は、この発明の半導体記憶装置の参考例を示している。この参考例では、ホットキャリアを用いて1ビットずつ書き込みを行うことを特徴としている。なお、書き込み動作以外はすべて上記第1の実施形態に準拠する。
( Reference example )
FIG. 5 shows a reference example of the semiconductor memory device of the present invention. This reference example is characterized in that writing is performed bit by bit using hot carriers. All operations except for the write operation conform to the first embodiment.
上記右側のフローティングゲート111への書き込み動作について説明する。例えば、上記ゲート電極103に7V、上記半導体基板101へ0V、上記左側のソース・ドレイン領域104へ0V、上記右側のソース・ドレイン領域105へ7Vなどの電圧を印加する。
The write operation to the
ここでの電圧値は、上記コンタクトプラグ113、114から上記フローティングゲート110、111へとトンネルによって電子が注入されるには不十分な電圧を適宜選び、これによって、トンネル現象による電荷の注入は殆ど無視できる量に抑えられる。
As the voltage value here, a voltage that is insufficient to inject electrons from the contact plugs 113 and 114 to the floating
一方、上記ゲート電極103下に電子の流れ118が生じる。このとき、特に上記右側のフローティングゲート111下付近で、上記右側のソース・ドレイン領域105へ印加された電位による電界によって、ホットエレクトロン119が生じ、この電子が上記右側のフローティングゲート111へ注入される。左右のソース・ドレイン領域104、105の電圧を入れ替えれば、逆に、上記左側のフローティングゲート110のみへ電子を注入することも可能となる。上記第1の実施形態で説明した消去方法および読出し方法と組み合わせることで、個別ビットごとに書き込み、消去および読出しが可能となる。
On the other hand, an
(第2の実施形態)
この発明の第2の実施形態である半導体記憶装置の製造方法を、図6A〜図10を用いて説明する。ここでも、特にn型デバイスを製造する方法を例として説明する。
(Second Embodiment)
A method for manufacturing a semiconductor memory device according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. Here again, a method for manufacturing an n-type device will be described as an example.
まず、図6Aに示すように、半導体基板、例えばp型シリコン基板201の表面に、(図示しない)LOCOSあるいはSTIなどの素子分離帯を設ける。ここでは、p型シリコン基板を用いたが、ガラス基板等の上に設けたp型シリコン層を用いる事も可能である。
First, as shown in FIG. 6A, an element isolation band (not shown) such as LOCOS or STI is provided on the surface of a semiconductor substrate, for example, a p-
次に、上記シリコン基板201表面を熱酸化し、さらにCVD法などによってポリシリコン層を堆積した後、周知のリソグラフィ技術およびドライエッチング技術によって、パターニングし、ゲート絶縁膜202およびゲート電極203を形成する。
Next, after thermally oxidizing the surface of the
例えば、上記ゲート絶縁膜202の膜厚は7nmとし、上記ゲート電極203の高さは200nmとする。なお、上述のように、上記ゲート絶縁膜202として、ここでは熱酸化膜を用いているが、CVD法によって誘電膜を堆積して形成してもよい。また、周知のように、上記ゲート電極203として、タングステン等のメタル材料を用いてもよい。
For example, the thickness of the
次に、図6Bに示すように、上記半導体基板201および上記ゲート電極203の表面を熱酸化して、この表面に、例えば膜厚6nmの絶縁膜206、207、208を形成する。これらの絶縁膜206、207、208は、やはりCVD法によって形成する事も可能である。その後、全面に導電材料、ここではポリシリコン層を、周知のCVD法によって堆積した後、ドライエッチング法を用いたエッチバックを行って、上記ゲート電極203の側壁に、上記絶縁膜208を挟んでサイドウォール状にフローティングゲート210、211を形成する。
Next, as shown in FIG. 6B, the surfaces of the
このとき、図7Aの上部から見た模式図に示すように、上記ゲート電極203の側面および上面は、上記絶縁膜208に覆われており、さらに、上記絶縁膜208の側面の周囲を、上記フローティングゲート210、211が取り囲んでいる。活性領域231の表面にも、上記絶縁膜が存在している。
At this time, as shown in the schematic view seen from the upper part of FIG. 7A, the side surface and the upper surface of the
ここで、図7Aでは、上記ゲート電極203を簡略化し方形として図示しているが、実際には、必要に応じ適切な形状を選択する事ができる。また、簡略化のため、上記活性領域231(後にソース・ドレインを形成する領域)を1対のみ図示しているが、実際のメモリセルアレイでは、一本のゲート電極(いわゆるワード線)に対し複数対のソース・ドレインが配置される。
Here, in FIG. 7A, the
次に、図7Bに示すように、少なくとも上記活性領域231と上記フローティングゲート210、211が近接する部位を、(仮想線にて示す)フォトレジスト等の保護膜232で覆った後に、ドライエッチングを行う。
Next, as shown in FIG. 7B, at least a portion where the
この工程により、上記活性領域231に近接する領域の上記フローティングゲート210、211を残し、他の部分の上記フローティングゲート210、211を除去する。
By this step, the floating
上記ゲート電極203および上記活性領域231は、上述のように上記絶縁膜で保護されているため、エッチングされず、結局、上記保護膜232で覆われていない部位のフローティングゲートのみを除去することができる。その後、上記保護膜232を、アッシング等の方法を用いて除去する。なお、ここでは、フローティングゲートのエッチングにドライエッチング法を用いたが、ウェットエッチング方法を用いる事も可能である。要するに、上記活性領域231と上記ゲート電極203の間の領域に、上記フローティングゲート210、211がサイドウォール状に配置され、上記活性領域231、上記ゲート電極203および上記フローティングゲート210、211が相互に絶縁されているような構造が得られればよい。この後、必要に応じて、上記活性領域231上の絶縁膜をウェットエッチング等の方法で除去する。
Since the
次に、図8に示すように、表面に熱酸化ないしCVD法によって、表面に例えば厚さ2nmのシリコン酸化膜233を形成し、さらに、CVD法によって厚さ2nmのシリコン窒化膜等の規制用絶縁膜234を堆積する。この規制用絶縁膜234の材質は、シリコン窒化膜に限るものではなく、フッ酸系溶液に対するエッチングレートがシリコン酸化膜よりも十分に小さい材料を選べばよい。また、電子のトンネル障壁がシリコン酸化膜よりも低い材質がより好ましい。これらの条件を満たし、かつ、シリコンデバイスプロセスで容易に用いることができる点を鑑みて、ここでは、シリコン窒化膜をその代表例として用いている。他に、酸化アルミニウム、酸化ハフニウムなどの材質を用いてもかまわない。なお、シリコン酸化膜233は無くても構わない。
Next, as shown in FIG. 8, a
その後、高濃度の砒素ないしリンをイオン注入法によって注入し、さらに窒素雰囲気下でアニールを行うことによって、ソース・ドレイン領域204、205を形成する。また、さらにこれに加えて、求めるデバイス特性に応じ、上記砒素ないしリン注入よりも低い濃度のボロンを15度から45度の角度で注入し、いわゆるハロー領域を形成してもよい。
Thereafter, high-concentration arsenic or phosphorus is implanted by ion implantation, and annealing is performed in a nitrogen atmosphere to form source /
なお、これらの注入工程は、この第2の実施形態では、上記シリコン窒化膜234の形成後に行っているが、必ずしもこのタイミングである必要はなく、上記シリコン窒化膜234の形成前で、上記ゲート電極203の形成後の、適当なタイミングで行えばよい。
In the second embodiment, these implantation steps are performed after the formation of the
ただし、上記ソース・ドレイン領域204、205は、上記フローティングゲート210、211の一部とオーバーラップしており、上記ゲート電極203とはオーバーラップしていない。特に、上記フローティングゲート210、211直下の部位の一部が、キャリア空乏状態にあるのが望ましく、読出し時に、書き込みおよび消去のウィンドウを大きくとることができる。この第2の実施形態では、この構造を得る適切な手段として、上記シリコン窒化膜234堆積後に注入およびアニールを行っている。
However, the source /
次に、図9に示すように、シリコン酸化膜を主成分とする層間絶縁膜212を全面に堆積し、上記ソース・ドレイン領域204、205へ接続するコンタクトプラグのためのコンタクトホール235を、周知のリソグラフィおよびエッチング技術によって形成する。このとき、このコンタクトホール235の開口位置は、上記フローティングゲート210、211に近接し、かつ、上記フローティングゲート210、211の側面の上記シリコン窒化膜234には直接接触しない位置とする。
Next, as shown in FIG. 9, an
このコンタクトホール235を形成するエッチング方法は、まず、シリコン窒化膜(規制用絶縁膜234)よりもシリコン酸化膜(層間絶縁膜212)に対するエッチレートが高い条件でエッチングを行って、シリコン窒化膜(規制用絶縁膜234)に達するまでエッチングを行い、次に、シリコン酸化膜よりもシリコン窒化膜に対するエッチレートが高い条件でエッチングを行って、上記コンタクトホール235底部のシリコン窒化膜(規制用絶縁膜234)を除去する。この方法が、上記コンタクトホール235底部の上記ソース・ドレイン領域204、205の表面へのダメージが少なく、好ましい方法である。
In this etching method for forming the
なお、上記コンタクトホール235の口径は、後にウェットエッチングで広げるため、この段階でのコンタクトホール235の内径は、最終的に所望するコンタクトプラグの径よりも小さくてよく、後のウェットエッチプロセスを考慮して設計しておけばよい。
Since the diameter of the
次に、上述のように、フッ酸を含む溶液によるウェットエッチングによって、上記コンタクトホール235の内径を広げ、同時に、上記コンタクトホール235の底部の酸化膜を除去する。このウェットエッチングは、上記フローティングゲート210、211の側面のシリコン窒化膜(規制用絶縁膜234)が上記コンタクトホール235の内部で露出する程度まで行う。このとき、シリコン窒化膜はフッ酸に対しほとんど溶解しないため、上記フローティングゲート210、211が露出することはない。
Next, as described above, the inner diameter of the
その後、図10に示すように、この開口を広げたコンタクトホール235へ、周知の方法で、タングステン等のプラグ材料を埋め込み、上記ソース・ドレイン領域204、205に接続するコンタクトプラグ213、214を形成する。
Thereafter, as shown in FIG. 10, a
この後、適宜、(図示しない)上記メタル配線を形成する。また、上記ゲート電極203への他のコンタクトプラグについても図示していないが、この他のコンタクトプラグの形成は、上記ソース・ドレイン領域204、205への上記コンタクトプラグ213、214の形成工程と同時に形成できることは、周知のコンタクトプラグ形成技術から見て明らかである。
Thereafter, the metal wiring (not shown) is appropriately formed. Although other contact plugs to the
次に、上記工程を経て得られた第2の実施形態の半導体記憶装置の書き込み、消去および読出しは、既述の第1の実施形態および参考例と同様に行うことができる。 Next, writing, erasing, and reading of the semiconductor memory device of the second embodiment obtained through the above steps can be performed in the same manner as the first embodiment and the reference example described above.
図11に、上記第1の実施形態で説明した書き込み方法に基づいて、上記第2の実施形態の半導体記憶装置の書き込み動作を示している。例えば、上記ソース・ドレイン領域204、205および上記半導体基板201へ0V、上記ゲート電極203へ7Vなどの電圧を印加する。なお、この際に生じる反転層は、図示省略している。
FIG. 11 shows a write operation of the semiconductor memory device of the second embodiment based on the write method described in the first embodiment. For example, a voltage such as 0 V is applied to the source /
このとき、上記コンタクトプラグ213、214と、上記ゲート電極203との間の電界によって、上記コンタクトプラグ213、214から上記フローティングゲート210、211へ電子のトンネリングが起こり、電荷215、216が注入されて、書き込みが行われる。
At this time, due to the electric field between the contact plugs 213 and 214 and the
このように、トンネル領域が、上記フローティングゲート210、211の側面にあるために、デバイスの面積を増大させずにトンネル領域を大きくとることができ、高速に書き込みができる。
Thus, since the tunnel region is on the side surface of the floating
一方、消去に関しても、上記第1の実施形態と同様である。例えば、上記半導体基板201を0V、上記ゲート電極203を−4V、上記ソース・ドレイン領域204、205の一方を4V、上記ソース・ドレイン領域204、205の他方を0Vなどとすれば、4V印加側のフローティングゲート内の電荷を消去できる。なお、上記ソース・ドレイン領域204、205の両方に、4V印加すれば、両側のフローティングゲート内の電荷を同時に消去できる。
On the other hand, the erasing is the same as in the first embodiment. For example, if the
さらに、この第2の実施形態においては、上記第1の実施形態の利点に加えて、次のような利点がある。すなわち、上記フローティングゲート210(211)と上記コンタクトプラグ213(214)との間のトンネル距離が、上記シリコン酸化膜233と上記シリコン窒化膜234との膜厚によって規定される。
Further, the second embodiment has the following advantages in addition to the advantages of the first embodiment. That is, the tunnel distance between the floating gate 210 (211) and the contact plug 213 (214) is defined by the film thickness of the
この製造方法によれば、コンタクトホール形成時のリソグラフィ工程で目合わせズレが生じても、最終的に形成される上記コンタクトプラグ213、214と上記フローティングゲート210、211との距離は、一定とすることができ、特に、左右のフローティングゲート210、211においてアンバランスになることがない。
According to this manufacturing method, even if misalignment occurs in the lithography process at the time of contact hole formation, the distance between the contact plugs 213 and 214 to be finally formed and the floating
このトンネル距離は、トンネル効率に大きく影響するため、この実施形態で示したトンネル距離を自己整合的に一定とする方法は、書き込みおよび消去の速度における、ロット間バラツキ、および、左右フローティングゲート間のバラツキを防ぐために、非常に効果的な手段である。 Since this tunnel distance greatly influences the tunnel efficiency, the method of making the tunnel distance constant in the self-alignment shown in this embodiment is the variation between lots in the writing and erasing speed and between the left and right floating gates. This is a very effective means for preventing variation.
また、この実施形態では、トンネル絶縁膜としてその一部に上記シリコン窒化膜234を使用しているが、このシリコン窒化膜はシリコン酸化膜よりも電子のトンネル障壁が低いため、効率的に電子をトンネルさせることができ、書き込み・消去を高速化させることができる。
In this embodiment, the
なお、書き込み動作は、上記参考例と同様に、ホットキャリア注入を用い、消去動作のみに電子のトンネリングを用いることも可能である。この場合、書き込み動作において、左右のフローティングゲートに対し個別に書き込みを行うことができ、消去において、電子のトンネリングを用いて少ない消費電力で行うことができる。 As in the above reference example , the write operation can use hot carrier injection, and electron tunneling can be used only for the erase operation. In this case, in the writing operation, writing can be performed individually for the left and right floating gates, and in erasing, electron tunneling can be used with low power consumption.
また、上記規制用絶縁膜234として、上記ゲート側壁絶縁膜208よりもトンネル障壁が低い材質を用いるのが好ましい。このように、トンネル絶縁膜の少なくとも一部として作用する上記規制用絶縁膜234が、高いトンネル効率を持つため、高速に書き込みおよび消去ができる半導体記憶装置が得られる。
Further, it is preferable to use a material having a tunnel barrier lower than that of the gate sidewall insulating
また、上記フローティングゲート210、211と上記コンタクトプラグ213、214の少なくとも一部の距離を、10nm未満とするのが好ましい。このように、上記フローティングゲート210、211と上記コンタクトプラグ213、214の間の距離が近いため、両者間のトンネル効率が高くなり、高速に書き込みないし消去ができる半導体記憶装置が得られる。
Further, it is preferable that the distance between at least a part of the floating
なお、この発明は上述の実施形態に限定されない。例えば、この実施形態で示した各膜の膜種、膜厚および印加する電圧は、あくまで一例であり、デバイスの使用目的等に合わせて適宜設計すればよい。 In addition, this invention is not limited to the above-mentioned embodiment. For example, the film type, film thickness, and applied voltage shown in this embodiment are merely examples, and may be appropriately designed according to the purpose of use of the device.
101、201 半導体基板
102、202 ゲート絶縁膜
103、203 (コントロール)ゲート電極
104、105、204、205 ソース・ドレイン領域
106、107、206、207 フローティングゲート絶縁膜
108、109、208 ゲート側壁絶縁膜
110、111、210、211 フローティングゲート
112、212 層間絶縁膜
113、114、213、214 コンタクトプラグ
115、116、215、216 電荷
117 反転層
118 電子の流れ
119 ホットエレクトロン
231 活性領域
232 保護膜(フォトレジスト)
233 シリコン酸化膜
234 規制用絶縁膜(シリコン窒化膜)
235 コンタクトホール
101, 201
233
235 contact hole
Claims (11)
上記半導体層上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、
上記ゲート電極の両側にゲート側壁絶縁膜を介して形成されたフローティングゲートと、
上記半導体層に設けられると共に上記ゲート電極下に配置されたチャネル領域と、
上記半導体層に設けられると共に上記チャネル領域の両側に配置された拡散領域と、
上記拡散領域に接続されたコンタクトプラグと
を備え、
上記拡散領域は、上記フローティングゲートの一部とオーバーラップしており、
上記フローティングゲートの側面は、上記コンタクトプラグに略平行な形状であり、
上記フローティングゲートと上記コンタクトプラグとの間の距離は、上記ゲート電極と上記フローティングゲートとの間の距離よりも小さく、
上記コンタクトプラグと上記フローティングゲートの側面との間の電子のトンネリングによって、書き込みおよび消去動作を行うことを特徴とする半導体記憶装置。 A semiconductor layer;
A gate electrode formed on the semiconductor layer via a gate insulating film;
A floating gate formed on both sides of the gate electrode via a gate sidewall insulating film;
A channel region provided in the semiconductor layer and disposed under the gate electrode;
A diffusion region provided in the semiconductor layer and disposed on both sides of the channel region;
A contact plug connected to the diffusion region,
The diffusion region overlaps a part of the floating gate,
The side surface of the floating gate has a shape substantially parallel to the contact plug,
The distance between the floating gate and the contact plug is smaller than the distance between the gate electrode and the floating gate,
A semiconductor memory device , wherein writing and erasing operations are performed by electron tunneling between the contact plug and the side surface of the floating gate .
上記コンタクトプラグに略沿った形状の上記フローティングゲートの上記側面の高さ寸法は、上記フローティングゲートの下面の内の上記拡散領域とオーバーラップしている上記一部のチャネル方向の長さ寸法よりも大きいことを特徴とする半導体記憶装置。 The semiconductor memory device according to claim 1,
The height dimension of the side surface of the floating gate having a shape substantially along the contact plug is larger than the length dimension of the part of the channel direction overlapping the diffusion region in the lower surface of the floating gate. A semiconductor memory device characterized by being large.
上記ゲート電極および上記拡散領域の上部に、層間絶縁膜を有し、
上記フローティングゲートと上記コンタクトプラグの間に、上記層間絶縁膜の材質と異なる材質からなると共に上記コンタクトプラグと上記フローティングゲートとの間の距離を一定に規制する規制用絶縁膜を有することを特徴とする半導体記憶装置。 The semiconductor memory device according to claim 1,
An interlayer insulating film on the gate electrode and the diffusion region;
A regulating insulating film that is made of a material different from the material of the interlayer insulating film and that regulates the distance between the contact plug and the floating gate to be constant is provided between the floating gate and the contact plug. A semiconductor memory device.
上記規制用絶縁膜は、上記ゲート側壁絶縁膜よりもトンネル障壁が低い材質からなることを特徴とする半導体記憶装置。 The semiconductor memory device according to claim 3 .
The semiconductor memory device, wherein the regulating insulating film is made of a material having a tunnel barrier lower than that of the gate sidewall insulating film.
上記層間絶縁膜は、シリコン酸化物からなり、上記規制用絶縁膜は、シリコン窒化物からなることを特徴とする半導体記憶装置。 The semiconductor memory device according to claim 3 .
2. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the interlayer insulating film is made of silicon oxide, and the regulating insulating film is made of silicon nitride.
上記フローティングゲートの上記側面と上記コンタクトプラグとの間の距離は、10nm未満であることを特徴とする半導体記憶装置。 The semiconductor memory device according to claim 1,
A distance between the side surface of the floating gate and the contact plug is less than 10 nm.
上記ゲート電極の両側にゲート側壁絶縁膜を介してフローティングゲートを形成する工程と、
上記半導体層に上記フローティングゲートの一部とオーバーラップする拡散領域を形成する工程と、
上記拡散領域および上記フローティングゲートを覆うように、コンタクトプラグと上記フローティングゲートとの間の距離を一定に規制する規制用絶縁膜を形成する工程と、
上記規制用絶縁膜を覆うように、この規制用絶縁膜の材質と異なる材質からなる層間絶縁膜を形成する工程と、
異方性エッチングによって上記拡散領域上にコンタクトホールを形成する工程と、
ウェットエッチングによって上記規制用絶縁膜が露出するように上記コンタクトホールの内径を広げる工程と、
上記コンタクトホールに上記コンタクトプラグを形成する工程と
を備え、
上記コンタクトプラグと上記フローティングゲートの側面との間の電子のトンネリングによって、書き込みおよび消去動作を行うことを特徴とする半導体記憶装置の製造方法。 Forming a gate electrode on the semiconductor layer via a gate insulating film;
Forming a floating gate on both sides of the gate electrode through a gate sidewall insulating film;
Forming a diffusion region overlapping with a part of the floating gate in the semiconductor layer;
Forming a regulation insulating film that regulates a constant distance between the contact plug and the floating gate so as to cover the diffusion region and the floating gate;
Forming an interlayer insulating film made of a material different from the material of the regulatory insulating film so as to cover the regulatory insulating film;
Forming a contact hole on the diffusion region by anisotropic etching;
Expanding the inner diameter of the contact hole so that the regulation insulating film is exposed by wet etching;
And a step of forming the contact plug in the contact hole,
A method of manufacturing a semiconductor memory device, wherein write and erase operations are performed by electron tunneling between the contact plug and the side surface of the floating gate .
上記規制用絶縁膜として、上記ゲート側壁絶縁膜よりもトンネル障壁が低い材質を用いることを特徴とする半導体記憶装置の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor memory device according to claim 7 .
A method of manufacturing a semiconductor memory device, characterized in that a material having a tunnel barrier lower than that of the gate sidewall insulating film is used as the regulating insulating film.
上記層間絶縁膜として、シリコン酸化物よりなる材質を用い、上記規制用絶縁膜として、シリコン窒化物よりなる材質を用いることを特徴とする半導体記憶装置の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor memory device according to claim 7 .
A method of manufacturing a semiconductor memory device, wherein a material made of silicon oxide is used for the interlayer insulating film, and a material made of silicon nitride is used for the regulating insulating film.
上記フローティングゲートと上記コンタクトプラグの少なくとも一部の距離を、10nm未満とすることを特徴とする半導体記憶装置の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor memory device according to claim 7 .
A method of manufacturing a semiconductor memory device, wherein a distance between at least a part of the floating gate and the contact plug is less than 10 nm.
上記コンタクトプラグと上記フローティングゲートの上記側面との間の電子のトンネリングによって、書き込みおよび消去動作を行うことを特徴とする半導体記憶装置の動作方法。 An operation method of the semiconductor memory device according to claim 1,
A method of operating a semiconductor memory device, wherein write and erase operations are performed by electron tunneling between the contact plug and the side surface of the floating gate.
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