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JP6258412B2 - Oxide-nitride-oxide stack having multilayer oxynitride layer - Google Patents

Oxide-nitride-oxide stack having multilayer oxynitride layer Download PDF

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JP6258412B2 JP2016123646A JP2016123646A JP6258412B2 JP 6258412 B2 JP6258412 B2 JP 6258412B2 JP 2016123646 A JP2016123646 A JP 2016123646A JP 2016123646 A JP2016123646 A JP 2016123646A JP 6258412 B2 JP6258412 B2 JP 6258412B2
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Description

関連出願の相互参照
本発明は、本特許出願は、35U.S.C119(e)に基づいて2007年5月25日に出願された米国仮特許出願第60/931,947号の優先権の利益を主張して2007年6月13日に出願された同時継続米国出願第11/811,958号の一部継続出願であり、その両出願とも引用することにより本明細書に組み込まれるものとする。
CROSS REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS This invention is based on the priority of US Provisional Patent Application No. 60 / 931,947, filed May 25, 2007, based on 35 U.S.C119 (e). A continuation-in-part of co-pending US application Ser. No. 11 / 811,958 filed on June 13, 2007, alleging benefit, both of which are incorporated herein by reference. To do.

本発明は、半導体製造技術に関し、特に改善された酸化物−窒化物層又は酸窒化物層を
有する酸化物−窒化物−酸化物積層体を及びその製造に関する。
The present invention relates to semiconductor manufacturing technology, and more particularly, to an oxide-nitride-oxide stack having an improved oxide-nitride layer or oxynitride layer and the manufacture thereof.

スプリットゲートフラッシュメモリ等の不揮発性半導体メモリは、典型的には、積層フ
ローティングゲート型電界効果トランジスタを使用する。この型の電界効果トランジスタ
では、メモリセルの制御ゲートをバイアスするとともにメモリセルが形成されている基板
の本体領域を接地することによってプログラムすべきメモリセルのフローティングゲート
内に電子が誘起される。
Nonvolatile semiconductor memories such as split gate flash memories typically use stacked floating gate field effect transistors. In this type of field effect transistor, electrons are induced in the floating gate of the memory cell to be programmed by biasing the control gate of the memory cell and grounding the body region of the substrate on which the memory cell is formed.

酸化物−窒化物−酸化物(ONO)積層体は、シリコン−酸化物−窒化物−酸化物−シ
リコン(SNON)トランジスタにおいて電荷蓄積層として使用され、またスプリットゲ
ートフラッシュメモリにおいて、フローティングゲート及び制御ゲートとの間の絶縁層と
して使用される。
Oxide-nitride-oxide (ONO) stacks are used as charge storage layers in silicon-oxide-nitride-oxide-silicon (SSON) transistors, and in split gate flash memories, floating gates and control Used as an insulating layer between the gate.

図1はメモリデバイス等の半導体デバイス100の断面図であり、このデバイス100
は、SONOSゲート積層体、即ちシリコン基板108の表面上に通常の方法に従って形
成された通常のONO積層体104を含む構造102を有する。更に、デバイス100は
、典型的には、ゲート積層体にアライメントされ且つゲートチャネル領域112で分離さ
れたソース及びドレイン等の1つ以上の拡散領域110を含む。簡単に説明すると、SO
NOS構造102は、ONO積層体104上に形成されこれと接触するポリシリコンゲー
ト層114を含む。このポリゲート層114はONO積層体104によって基板108か
ら分離され、電気的に絶縁される。ONO積層体104は一般に底部酸化物層116、デ
バイス100の電荷蓄積層又はメモリ層として作用する窒化物層又は酸窒化物層118、
及び窒化物層又は酸窒化物層を覆う上部高温酸化物(HTO)層120を含む。
FIG. 1 is a sectional view of a semiconductor device 100 such as a memory device.
Has a structure 102 that includes a SONOS gate stack, ie, a conventional ONO stack 104 formed according to conventional methods on the surface of a silicon substrate 108. In addition, the device 100 typically includes one or more diffusion regions 110 such as a source and drain that are aligned with the gate stack and separated by a gate channel region 112. In brief, SO
The NOS structure 102 includes a polysilicon gate layer 114 formed on and in contact with the ONO stack 104. The poly gate layer 114 is separated from the substrate 108 by the ONO stack 104 and is electrically insulated. The ONO stack 104 generally includes a bottom oxide layer 116, a nitride or oxynitride layer 118 that acts as a charge storage layer or memory layer of the device 100,
And an upper high temperature oxide (HTO) layer 120 covering the nitride or oxynitride layer.

従来のSONOS構造102及びその製造方法と関連する一つの問題は、窒化物層又は
酸窒化物層118のデータ保持性能が悪く、この層を通して漏れるリーク電流のために、
デバイス100の寿命及び/又はいくつかの用途における使用が制限される点にある。
One problem associated with the conventional SONOS structure 102 and its fabrication method is that the data retention performance of the nitride or oxynitride layer 118 is poor and due to leakage current leaking through this layer,
The lifetime of the device 100 and / or its use in some applications is limited.

SONOS構造102及びその製造方法と関連する別の問題は、酸窒化物層118の化
学量論的組成が層の厚さに亘って均一にならず、また最適にならない点にある。特に、酸
窒化物層118は、従来、比較的厚い層の厚さに亘って高い窒素及び高い酸素濃度を有す
る均一な層を得るために、単一のプロセスガス混合物及び固定又は一定の処理条件を用い
て単一のステップで形成又は堆積されている。しかし、トップ及びボトム効果のために、
この方法は従来の酸窒化物層118の厚さ全体に亘って変化する窒素、酸素及びシリコン
濃度を生じる。トップ効果は、プロセスガスが堆積後に遮断される順番に起因する。特に
、典型的にはシラン等のシリコン含有プロセスガスが最初に遮断されるので、酸窒化物層
118のトップ部分(上部)において酸素及び/又は窒素が高くシリコンが低くなる。同
様に、ボトム効果は、プロセスガスが堆積を開始するために導入される順序に起因する。
特に、酸窒化物層118の堆積は典型的にはアニール工程後であるから、堆積プロセスの
開始時にピーク又は比較的高い濃度のアンモニア(NH)が生じ、酸窒化物層のボトム
部分(底部)において酸素及びシリコンリコンが低く、窒素が高くなる。更に、ボトム効
果は、初期プロセスガス混合物中の使用可能な酸素及びシリコンが基板の表面でシリコン
と優先的に反応し、酸窒化物の形成に寄与しないという表面核形成現象にも起因する。従
って、ONO積層体104からなるメモリデバイス100は電荷蓄積特性、特にプログラ
ミング及び消去速度及びデータ保持性能が悪影響を受けている。
Another problem associated with the SONOS structure 102 and its method of manufacture is that the stoichiometric composition of the oxynitride layer 118 is not uniform and optimal across the thickness of the layer. In particular, the oxynitride layer 118 has traditionally been a single process gas mixture and fixed or constant processing conditions to obtain a uniform layer having high nitrogen and high oxygen concentrations over a relatively thick layer thickness. Is formed or deposited in a single step. But for the top and bottom effects,
This method results in nitrogen, oxygen and silicon concentrations that vary throughout the thickness of the conventional oxynitride layer 118. The top effect is due to the order in which process gases are shut off after deposition. In particular, typically a silicon-containing process gas such as silane is shut off first, so that oxygen and / or nitrogen is high and silicon is low in the top portion (top) of the oxynitride layer 118. Similarly, the bottom effect is due to the order in which process gases are introduced to initiate deposition.
In particular, since the deposition of the oxynitride layer 118 is typically after an annealing step, a peak or a relatively high concentration of ammonia (NH 3 ) occurs at the start of the deposition process, resulting in a bottom portion (bottom portion) of the oxynitride layer. ), Oxygen and silicon recon are low and nitrogen is high. Furthermore, the bottom effect is also attributed to a surface nucleation phenomenon where usable oxygen and silicon in the initial process gas mixture react preferentially with silicon on the surface of the substrate and do not contribute to the formation of oxynitrides. Accordingly, the memory device 100 comprising the ONO stack 104 is adversely affected by charge storage characteristics, particularly programming and erasing speed and data retention performance.

従って、メモリ層として改善されたプログラミング及び消去速度及びデータ保持性能を
示す酸窒化物層を含むONO積層体を有するメモリデバイスが必要とされている。更に、
改善された酸窒化物の化学量論組成を示す酸窒化物層を有するONO積層体を形成する方
法又はプロセスが必要とされている。
Accordingly, there is a need for a memory device having an ONO stack that includes an oxynitride layer that exhibits improved programming and erase speed and data retention performance as a memory layer. Furthermore,
What is needed is a method or process for forming an ONO stack having an oxynitride layer exhibiting improved oxynitride stoichiometry.

シリコン−酸化物−窒化物−酸化物−シリコン構造を含む半導体デバイス及びその製造
方法が提供される。一実施形態において、前記構造は、シリコンを含む基板の表面上のト
ンネル酸化物層と、前記トンネル酸化物層上にあって殆どトラップを生じない化学量論的
組成を有する酸素リッチな第1の酸窒化物層及び前記第1の酸窒化物層上にあって高密度
のトラップを生じる化学量論的組成を有する酸素リーンな第2の酸窒化物層を含む多層電
化蓄積層と、前記第2の酸窒化物層上の阻止酸化物層と、前記阻止酸化物層上のシリコン
含有ゲート層と、を備える。
A semiconductor device including a silicon-oxide-nitride-oxide-silicon structure and a method for manufacturing the same are provided. In one embodiment, the structure comprises a tunnel oxide layer on a surface of a silicon-containing substrate and an oxygen-rich first layer having a stoichiometric composition on the tunnel oxide layer and causing little trapping. A multilayer charge storage layer including an oxynitride layer and an oxygen lean second oxynitride layer on the first oxynitride layer and having a stoichiometric composition that produces a high density of traps; A blocking oxide layer on the second oxynitride layer, and a silicon-containing gate layer on the blocking oxide layer.

一実施形態において、前記方法は、(i)基板のシリコン含有層の上にトンネル酸化物層
を形成するステップと、(ii)前記トンネル酸化物層の上に、殆どトラップを生じない化学
量論的組成を有する酸素リッチな第1の酸窒化物層を堆積し、前記第1の酸窒化物層上に
、高密度のトラップを生じる化学量論的組成を有する酸素リーンな第2の酸窒化物層を堆
積することによって多層電化蓄積層を形成するステップと、(iii)前記第2の酸窒化物層
上に阻止酸化物層を形成するステップと、(iv)前記阻止酸化物層上にシリコン含有ゲート
層を形成するステップと、を備える。
In one embodiment, the method comprises the steps of (i) forming a tunnel oxide layer over the silicon-containing layer of the substrate; and (ii) a stoichiometry that generates little traps over the tunnel oxide layer. Depositing an oxygen-rich first oxynitride layer having a stoichiometric composition and having a stoichiometric composition that produces a high density of traps on the first oxynitride layer. Forming a multilayer charge storage layer by depositing a material layer; (iii) forming a blocking oxide layer on the second oxynitride layer; and (iv) on the blocking oxide layer. Forming a silicon-containing gate layer.

本発明の構造及び方法のこれらの及び他の様々な特徴及び利点は、以下の詳細な説明を
添付図面及び特許請求の範囲とともに参照することによって明らかになる。
These and various other features and advantages of the structure and method of the present invention will become apparent from the following detailed description, taken in conjunction with the accompanying drawings and the appended claims.

従来の方法に従って形成された酸化物−窒化物−酸化物(ONO)積層体を有するメモリデバイスの製造中の中間構造の断面を示すブロック線図である。1 is a block diagram illustrating a cross-section of an intermediate structure during manufacture of a memory device having an oxide-nitride-oxide (ONO) stack formed according to a conventional method. FIG. 本発明の一実施形態による、多層電荷蓄積層を含むシリコン−酸化物−窒化物−酸化物−シリコン構造を有する半導体デバイスの一部分の断面を示すブロック線図である。1 is a block diagram illustrating a cross-section of a portion of a semiconductor device having a silicon-oxide-nitride-oxide-silicon structure including a multilayer charge storage layer according to an embodiment of the present invention. FIG. 本発明の一実施形態による、多層電荷蓄積層を含む酸化物−窒化物−酸化物構造を形成する方法の流れ図である。3 is a flow diagram of a method for forming an oxide-nitride-oxide structure including a multilayer charge storage layer, according to one embodiment of the invention. 本発明により形成されたメモリ層を用いるメモリデバイスのデータ保持性能の改善を従来のメモリ層を用いるメモリデバイスと比較して示すグラフである。6 is a graph showing an improvement in data retention performance of a memory device using a memory layer formed according to the present invention compared to a memory device using a conventional memory layer. 本発明の別の実施形態による、多層電荷蓄積層を含む酸化物−窒化物−酸化物構造を形成する方法の流れ図である。4 is a flow diagram of a method for forming an oxide-nitride-oxide structure including a multilayer charge storage layer according to another embodiment of the invention. ONO構造を有するプログラムされた従来のメモリデバイスのエネルギーバンド図である。FIG. 3 is an energy band diagram of a programmed conventional memory device having an ONO structure. 図7A及び図7Bは本発明の一実施形態による多層電荷蓄積層を含むメモリデバイスのプログラミング前及び後のエネルギーバンド図である。7A and 7B are energy band diagrams before and after programming a memory device including a multilayer charge storage layer according to an embodiment of the present invention.

本発明は、一般に多層電荷蓄積層を含むシリコン−酸化物−酸窒化物−酸化物−シリコ
ンゲート構造を備えるデバイス及びその製造方法を対象とする。このゲート構造及び製造
方法はメモリトランジスタ等のメモリデバイスのメモリ層を形成するのに特に有用である
The present invention is generally directed to a device comprising a silicon-oxide-oxynitride-oxide-silicon gate structure including a multilayer charge storage layer and a method of manufacturing the same. This gate structure and manufacturing method is particularly useful for forming memory layers of memory devices such as memory transistors.

以下の記載において、本開示の十分な理解をもたらすために、説明の目的で、多くの特
定の細部について述べる。しかしながら、本発明の構造及び方法はこれらの特定の細部の
記載がなくても実施できることは当業者に明らかである。更に、本開示の理解を不必要に
不明瞭にしないように、周知の構造及び技術は詳細に示さないでブロック線図の形で示し
ている。
In the following description, for the purposes of explanation, numerous specific details are set forth in order to provide a thorough understanding of the present disclosure. However, it will be apparent to one skilled in the art that the structure and method of the present invention may be practiced without these specific details. Furthermore, well-known structures and techniques are shown in block diagram form, rather than in detail, in order to avoid unnecessarily obscuring an understanding of the present disclosure.

本明細書において、「一つの実施形態」又は「一実施形態」とは、実施形態と関連して
記載される特定の特徴、構造又は特性が少なくとも一つの実施形態に含まれることを意味
する。したがって本明細書の様々な箇所で「一実施形態」と呼ぶものは、必ずしもすべて
同じ実施形態を指すものではない。さらに本明細書で使用される「結合する」とは、一つ
以上の介在要素によって直接接続すること及び間接的に接続することの両方を意味する。
As used herein, “an embodiment” or “an embodiment” means that a particular feature, structure, or characteristic described in connection with the embodiment is included in at least one embodiment. Thus, references to “one embodiment” in various places in the specification are not necessarily all referring to the same embodiment. Furthermore, “coupled” as used herein means both directly connected and indirectly connected by one or more intervening elements.

簡単に説明すると、本方法は、異なる濃度の酸素、窒素及び/又はシリコンを有するシ
リコン酸窒化物(SiO)等の多層酸窒化物層を含む多層電荷蓄積層を形成するス
テップを含む。これらの酸窒化物層は、従来のONO構造内の窒化物又は酸窒化物より高
い温度で形成され、各層は異なるプロセスガス混合物及び/又は異なる流量を用いて形成
される。一般に、これらの酸酸化物層は少なくとも上部酸窒化物層及び底部酸窒化物層を
含む。特定の実施形態においては、これらの層の化学量論的組成は、下部又は底部酸窒化
物層が高い酸素及びシリコン含量を有するように且つ上部酸窒化物層が高いシリコン及び
高い窒素濃度及び低い酸素濃度を有し酸素リーン、シリコンリッチ窒化物又は酸窒化物を
生成するように調整又は選択される。シリコンリッチ及び酸素リッチな底部酸窒化物層は
、デバイス速度又は初期(寿命初期)のプログラミング電圧と消去電圧の差を低下するこ
となく蓄積電荷の損失を低減する。シリコンリッチ、酸素リーンな上部酸窒化物層はメモ
リデバイスのプログラミング電圧と消去電圧の差を増大し、それによりデバイス速度を向
上し、デバイス保持性能を増大し、デバイスの動作寿命を延長する。いくつかの実施形態
においては、シリコンリッチ、酸素リーンな上部酸窒化物層は層内のトラップ数を増大す
るように選択された濃度の炭素を更に含むことができる。
Briefly, the method comprises the steps of forming a multilayer charge storage layer comprising a multilayer oxynitride layer such as silicon oxynitride (Si 2 N 2 O) with different concentrations of oxygen, nitrogen and / or silicon. Including. These oxynitride layers are formed at higher temperatures than nitrides or oxynitrides in conventional ONO structures, and each layer is formed using different process gas mixtures and / or different flow rates. Generally, these oxyoxide layers include at least a top oxynitride layer and a bottom oxynitride layer. In certain embodiments, the stoichiometric composition of these layers is such that the bottom or bottom oxynitride layer has a high oxygen and silicon content and the top oxynitride layer has a high silicon and high nitrogen concentration and low. Adjusted or selected to produce oxygen lean, silicon rich nitride or oxynitride having an oxygen concentration. Silicon-rich and oxygen-rich bottom oxynitride layers reduce stored charge loss without reducing device speed or the difference between the initial (early life) programming and erase voltages. The silicon-rich, oxygen-lean top oxynitride layer increases the difference between the programming voltage and erase voltage of the memory device, thereby increasing device speed, increasing device retention performance, and extending device operating life. In some embodiments, the silicon-rich, oxygen-lean top oxynitride layer can further include a concentration of carbon selected to increase the number of traps in the layer.

オプションとして、ドライ又はウェット酸化によるシリコン−酸化物−酸窒化物−酸化
物−シリコンゲート構造のトンネル又は第1の酸化物層の形成後におけるその第1の酸化
物層上への酸窒化物層の形成を容易にするために、上部酸窒化物層と底部酸窒化物層の厚
さの比を選択することができる。
Optionally, a silicon-oxide-oxynitride-oxide-silicon gate structure tunnel by dry or wet oxidation or an oxynitride layer on the first oxide layer after formation of the first oxide layer In order to facilitate the formation, the ratio of the thickness of the top oxynitride layer to the bottom oxynitride layer can be selected.

本発明の種々の実施形態によるシリコン−酸化物−酸窒化物−酸化物−シリコン構造及
びその製造方法について図2−4を参照して以下に詳細に説明する。
A silicon-oxide-oxynitride-oxide-silicon structure and method for fabricating the same according to various embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to FIGS.

図2は、本発明の一実施形態による、多層電荷蓄積層を含むシリコン−酸化物−酸窒化
物−酸化物−シリコンゲート構造を有する半導体メモリデバイス200の一部分の断面を
示すブロック線図である。図2を参照するに、メモリデバイス200は、基板又はシリコ
ン基板208上のシリコン層の表面206上に形成された、多層電荷蓄積層204を含む
シリコン−酸化物−酸窒化物−酸化物−シリコンゲート積層体202を備える。更に、デ
バイス200は、ゲート積層体202にアライメントされ且つゲートチャネル領域212
で分離されたソース及びドレイン領域又は構造等の1つ以上の拡散領域210を含む。一
般に、シリコン−酸化物−酸窒化物−酸化物−シリコンゲート構造202は、多層電荷蓄
積層204上に形成され該層と接触するシリコン含有ゲート層、例えばポリシリコン又は
ポリゲート層214及びシリコン層又は基板208の一部分を含む。ポリゲート層214
は多層電荷蓄積層204によってシリコン層又は基板208から分離され、電気的に絶縁
される。シリコン−酸化物−酸窒化物−酸化物−シリコン構造は、ゲート積層体202を
チャネル領域212から分離又は電気的に絶縁する薄い下部酸化物層又はトンネル酸化物
層216、上部又は阻止酸化物層218及び多層電荷蓄積層204を含む。上述され、図
2に示されるように、多層電荷蓄積層204は上部酸窒化物層220A及び底部酸窒化物
層220Bなどの少なくとも2つの酸窒化物層を含む。
FIG. 2 is a block diagram illustrating a cross-section of a portion of a semiconductor memory device 200 having a silicon-oxide-oxynitride-oxide-silicon gate structure including a multilayer charge storage layer, according to one embodiment of the invention. . Referring to FIG. 2, a memory device 200 includes a silicon-oxide-oxynitride-oxide-silicon that includes a multilayer charge storage layer 204 formed on a surface 206 of a silicon layer on a substrate or silicon substrate 208. A gate stack 202 is provided. In addition, device 200 is aligned with gate stack 202 and gate channel region 212.
One or more diffusion regions 210, such as source and drain regions or structures separated by. In general, the silicon-oxide-oxynitride-oxide-silicon gate structure 202 is a silicon-containing gate layer formed on and in contact with the multilayer charge storage layer 204, such as polysilicon or polygate layer 214 and silicon layer or A portion of the substrate 208 is included. Poly gate layer 214
Is separated from the silicon layer or substrate 208 by the multilayer charge storage layer 204 and is electrically isolated. The silicon-oxide-oxynitride-oxide-silicon structure is a thin bottom oxide or tunnel oxide layer 216, top or blocking oxide layer that isolates or electrically isolates the gate stack 202 from the channel region 212. 218 and a multilayer charge storage layer 204. As described above and shown in FIG. 2, the multilayer charge storage layer 204 includes at least two oxynitride layers, such as a top oxynitride layer 220A and a bottom oxynitride layer 220B.

基板208は、シリコン、シリコン−ゲルマニウム、シリコン・オン・インシュレータ
又はシステム・オン・サファイヤ基板等の既知のシリコンベース半導体材料を含むことが
できる。代わりに、基板208は砒化ガリウム、ゲルマニウム、窒化ガリウム又は燐化ア
ルミニウム等の非シリコンベースの半導体材料上に形成されたシリコン層を含むことがで
きる。特定の実施形態においては、基板208はドープ又はアンドープシリコン基板とす
る。
The substrate 208 can comprise a known silicon-based semiconductor material, such as silicon, silicon-germanium, silicon-on-insulator, or system-on-sapphire substrate. Alternatively, the substrate 208 can include a silicon layer formed on a non-silicon based semiconductor material such as gallium arsenide, germanium, gallium nitride, or aluminum phosphide. In particular embodiments, substrate 208 is a doped or undoped silicon substrate.

シリコン−酸化物−酸窒化物−酸化物−シリコン構造の下部酸化物層又はトンネル酸化
物層216は一般的には約15Å(オングストローム)〜約22Å、いくつかの実施形態
においては約18Åの二酸化シリコン(SiO)の比較的薄い層を含む。トンネル酸化
物層216は任意の適切な手段によって形成又は堆積することができ、例えば熱的に成長
させる、又は化学気相成長(CVD)を用いて堆積することができる。一般に、トンネル
酸化物層は酸素雰囲気中で熱酸化を用いて形成または成長される。一実施形態においては
、そのプロセスはドライ酸化法を使用し、この方法では基板208を堆積又は処理チャン
バ内に置き、約700℃〜約850℃の温度に加熱し、完成トンネル酸化物層216の所
望の厚さに基づいて選択される所定の期間に亘って酸素に暴露する。別の実施形態におい
ては、トンネル酸化物層は、ISSG(In-Situ Stream Generation)チャンバ内におい
て、少なくとも1000℃の温度で酸素(O)と水素(H)の反応を用いてラジカル
酸化により基板上に成長される。模範的な処理時間は約10〜100分である。酸化は大
気圧又は低圧力で実行できる。
The lower oxide layer or tunnel oxide layer 216 of the silicon-oxide-oxynitride-oxide-silicon structure is typically about 15 Å to about 22 Å, and in some embodiments about 18 Å dioxide. It includes a relatively thin layer of silicon (SiO 2 ). The tunnel oxide layer 216 can be formed or deposited by any suitable means, for example, thermally grown or deposited using chemical vapor deposition (CVD). In general, the tunnel oxide layer is formed or grown using thermal oxidation in an oxygen atmosphere. In one embodiment, the process uses a dry oxidation process in which the substrate 208 is placed in a deposition or processing chamber and heated to a temperature of about 700 ° C. to about 850 ° C. Exposure to oxygen for a predetermined period selected based on the desired thickness. In another embodiment, the tunnel oxide layer is formed by radical oxidation using a reaction of oxygen (O 2 ) and hydrogen (H 2 ) at a temperature of at least 1000 ° C. in an ISSG (In-Situ Stream Generation) chamber. Grown on the substrate. An exemplary processing time is about 10-100 minutes. Oxidation can be carried out at atmospheric or low pressure.

上述したように、多層電荷蓄積層は一般にシリコン、酸素及び窒素の異なる組成を有す
る少なくとも2つの酸窒化物層を含み、約70Å〜150Å(特定の実施形態では100
Å)の総合厚さを有することができる。一実施形態においては、酸窒化物層は、シラン(
SiH)、クロロシラン(SiHCl)、ジクロロシラン(SiHCl)又はD
CS(SiHCl)、テトラクロロシラン(SiCl)又はビスターシャル ブチ
ル アミンシラン(BTBAS)等のシリコン源、窒素(N)、アンモニア(NH
、三酸化窒素(NO)又は亜酸化窒素(NO)等の窒素源、及び酸素(O)又はN
Oなどの酸素含有ガスを用いて低圧CVDプロセスで形成又は体積される。代わりに、
水素が重水素で置換されたガスを使用することもでき、例えばNHの代りに重水素化さ
れたアンモニア(ND)を使用することができる。水素を重水素と置換すると、シリコ
ン−酸化物界面におけるSiダングリングボンドが不活性化され、よってデバイスのNB
TI(Negative Bias Temperature Instability)寿命が増大する。
As described above, the multilayer charge storage layer generally includes at least two oxynitride layers having different compositions of silicon, oxygen, and nitrogen, and is about 70 to 150 inches (in certain embodiments, 100
Ii) can have a total thickness. In one embodiment, the oxynitride layer is a silane (
SiH 4 ), chlorosilane (SiH 4 Cl), dichlorosilane (SiH 4 Cl 2 ) or D
Silicon sources such as CS (SiH 2 Cl 2 ), tetrachlorosilane (SiCl 4 ), or binary butylamine silane (BTBAS), nitrogen (N 2 ), ammonia (NH 3 )
, Nitrogen sources such as nitric oxide (NO 3 ) or nitrous oxide (N 2 O), and oxygen (O 2 ) or N
Formed or volume at low pressure CVD process using oxygen-containing gas, such as 2 O. instead of,
A gas in which hydrogen is replaced with deuterium can also be used. For example, deuterated ammonia (ND 3 ) can be used instead of NH 3 . Replacing hydrogen with deuterium deactivates the Si dangling bonds at the silicon-oxide interface, and thus the NB of the device
TI (Negative Bias Temperature Instability) life is increased.

例えば、下部又は底部酸窒化物層220Bは、基板208を堆積チャンバ内に置き、約
2.5分〜約20分の期間に亘ってチャンバを約5ミリトル(mT)〜約500mTの圧
力に維持するとともに、基板を約700℃〜約850℃(特定の実施形態においては少な
くとも約760℃)の温度に維持しながら、NO,NH及びDCSを含むプロセスガ
スを導入することによって、トンネル酸化物層216の上に堆積することができる。特に
、プロセスガスは、約8:1〜1:8の比で混合されたN0及びNHの第1のガス混
合物及び約7:1〜1:7の比で混合されたDCS及びNHの第2のガス混合物を含む
ことができ、約5〜200立方センチメートル毎分(sccm)の流量で導入することが
できる。これらの条件で生成又は堆積された酸窒化物層はシリコンリッチ、酸素リッチな
底部酸窒化物層220Bをもたらすことが確かめられ、この底部酸窒化物層はプログラミ
ング後及び消去後の電荷損失レートを減少し、保持状態における電圧シフトを小さくする
For example, the bottom or bottom oxynitride layer 220B places the substrate 208 in the deposition chamber and maintains the chamber at a pressure of about 5 millitorr (mT) to about 500 mT for a period of about 2.5 minutes to about 20 minutes. And introducing a process gas comprising N 2 O, NH 3 and DCS while maintaining the substrate at a temperature of about 700 ° C. to about 850 ° C. (in certain embodiments at least about 760 ° C.). It can be deposited on the oxide layer 216. In particular, the process gas comprises a first gas mixture of N 2 0 and NH 3 mixed in a ratio of about 8: 1 to 1: 8 and DCS and NH mixed in a ratio of about 7: 1 to 1: 7. 3 second gas mixtures can be included and introduced at a flow rate of about 5-200 cubic centimeters per minute (sccm). An oxynitride layer produced or deposited under these conditions has been found to yield a silicon-rich, oxygen-rich bottom oxynitride layer 220B, which has a charge loss rate after programming and erasing. To reduce the voltage shift in the hold state.

上部酸窒化物層220Aは、NO,NH及びDCSを含むプロセスガスを使用し、
約5mT〜約500mTのチャンバ圧力及び約700℃〜約850℃(特定の実施形態に
おいては少なくとも約760℃)の温度で、約2.5分〜約20分の期間に亘るCVDプ
ロセスによって底部酸窒化物層220B上に堆積することができる。特に、プロセスガス
は、約8:1〜1:8の比で混合されたN0及びNHの第1のガス混合物及び約7:
1〜1:7の比で混合されたDCS及びNHの第2のガス混合物を含むことができ、約
5〜200sccmの流量で導入することができる。これらの条件で生成又は堆積された
酸窒化物層はシリコンリッチ、窒素リッチ及び酸素リーンな上部酸窒化物層220Aをも
たらすことが確かめられ、この上部酸窒化物層は、シリコン−酸化物−酸窒化物−酸化物
−シリコン構造を用いて製造されるメモリの電荷損失レートに妥協することなく、速度の
向上及びプログラミング電圧及び消去電圧の初期差の増大をもたらし、よってデバイスの
動作寿命の延長をもたらす。
The upper oxynitride layer 220A uses a process gas including N 2 O, NH 3 and DCS,
The bottom acid by a CVD process at a chamber pressure of about 5 mT to about 500 mT and a temperature of about 700 ° C. to about 850 ° C. (in certain embodiments, at least about 760 ° C.) for a period of about 2.5 minutes to about 20 minutes. A nitride layer 220B can be deposited. In particular, the process gas comprises a first gas mixture of N 2 0 and NH 3 mixed in a ratio of about 8: 1 to 1: 8 and about 7:
1 to 1: The second gas mixture of 7 DCS and NH 3 were mixed in a ratio of can include, it can be introduced at a flow rate of about 5~200Sccm. An oxynitride layer produced or deposited under these conditions has been found to yield a silicon-rich, nitrogen-rich and oxygen-lean upper oxynitride layer 220A, which is a silicon-oxide-acid. Without compromising the charge loss rate of a memory manufactured using a nitride-oxide-silicon structure, it provides increased speed and increased initial differences in programming and erase voltages, thus extending the operating life of the device. Bring.

いくつかの実施形態においては、シリコンリッチ、窒素リッチ及び酸素リーンな上部酸
窒化物層220Aは、層内のトラップ数を増大するように選択された濃度の炭素を含有さ
せるために、約7:1〜1:7の比で混合されたBTBAS及びアンモニア(NH)を
含むプロセスガスを用いてCVDで底部酸窒化物層220B上に堆積させることができる
。第2の酸窒化物層内の選択された濃度の炭素は約5%〜約15%の炭素濃度を含むこと
ができる。
In some embodiments, the silicon-rich, nitrogen-rich, and oxygen-lean top oxynitride layer 220A contains about 7: to contain a selected concentration of carbon to increase the number of traps in the layer. It can be deposited on the bottom oxynitride layer 220B by CVD using a process gas containing BTBAS and ammonia (NH 3 ) mixed in a ratio of 1: 1: 7. The selected concentration of carbon in the second oxynitride layer can include a carbon concentration of about 5% to about 15%.

特定の実施形態においては、上部窒化物層220Aは底部酸窒化物層20Bの形成に使
用した同じツール内において、実質的に堆積チャンバの真空を破ることなく連続的に堆積
される。特定の実施形態においては、上部酸窒化物層220Aは、下部酸窒化物層220
Bの堆積中に加熱される基板208の温度を殆ど変更することなく連続的に堆積される。
一実施形態においては、上部酸窒化物層220Aは、シリコンリッチ、窒素リッチ及び酸
素リーンな上部酸窒化物220Aが生成されるように、DCS/NHガス混合物に対し
てN0/NHガス混合物の流量を減少させて所望の比のガス混合物を供給することに
よって、底部酸窒化物層220Aの堆積の直後に連続的に堆積される。
In certain embodiments, the top nitride layer 220A is continuously deposited in the same tool used to form the bottom oxynitride layer 20B, substantially without breaking the deposition chamber vacuum. In certain embodiments, the upper oxynitride layer 220A is a lower oxynitride layer 220.
The deposition is continuously performed with almost no change in the temperature of the substrate 208 heated during the deposition of B.
In one embodiment, the top oxynitride layer 220A is N 2 0 / NH 3 relative to the DCS / NH 3 gas mixture so that silicon-rich, nitrogen-rich and oxygen-lean top oxynitride 220A is produced. By depositing the gas mixture at the desired ratio by reducing the gas mixture flow rate, it is continuously deposited immediately after deposition of the bottom oxynitride layer 220A.

所定の実施形態においては、ゲート積層体202の形成後に、別の酸化物又は酸化物層
(これらの図には示されていない)が基板208上の異なる領域又はデバイス内に蒸気酸
化によって形成される。この実施形態においては、シリコン−酸化物−酸窒化物−酸化物
−シリコン構造の上部酸窒化物層220A及び上部又は阻止酸化物層218は蒸気酸化処
理中に蒸気アニールするのが有益である。特に、蒸気アニールは阻止酸化物層218の品
質を改善し、阻止酸化物層218の上面の近く及び底部酸窒化物層220Aの上面の近く
に形成されるトラップの数を低減する結果、さもなければ発生し得る阻止酸化物層を横切
る電界(電荷キャリアの逆流を生じ、電荷蓄積層のデータ又は電荷保持性能に悪影響を与
える)を低減もしくはほぼ除去することができる。
In certain embodiments, another oxide or oxide layer (not shown in these figures) is formed by vapor oxidation in different regions or devices on the substrate 208 after the gate stack 202 is formed. The In this embodiment, the silicon-oxide-oxynitride-oxide-silicon top oxynitride layer 220A and top or blocking oxide layer 218 are beneficially vapor annealed during the steam oxidation process. In particular, vapor annealing improves the quality of the blocking oxide layer 218 and reduces the number of traps formed near the top surface of the blocking oxide layer 218 and near the top surface of the bottom oxynitride layer 220A. This can reduce or substantially eliminate the electric field across the blocking oxide layer that can occur (which creates a backflow of charge carriers and adversely affects the data or charge retention performance of the charge storage layer).

底部酸窒化物層220Bの適切な厚さは、約10Å〜約80Åであり、底部酸窒化物層
及び上部酸窒化物層の厚さの比は約1:6〜6:1であり、特定の実施形態においては少
なくとも約1:4であることが確かめられた。
A suitable thickness for the bottom oxynitride layer 220B is about 10 mm to about 80 mm, and the ratio of the thickness of the bottom oxynitride layer to the top oxynitride layer is about 1: 6 to 6: 1 In this embodiment, it was confirmed to be at least about 1: 4.

シリコン−酸化物−酸窒化物−酸化物−シリコン構造の上部又は阻止酸化物層218は
、約30Å〜約70Å、特定の実施形態においては約45Åの比較的厚いSiO層を含
む。上部又は阻止酸化物層218は、任意の適切な手段、例えば熱成長又はCVDを用い
て成長又は堆積することができる。一実施形態においては、上部又は阻止酸化物層218
はCVDプロセスを用いて堆積された高温酸化物(HTO)である。一般に、この堆積プ
ロセスは、堆積チャンバ内において、基板208を約650℃〜約850℃の温度に維持
しながら、約50mT〜約1000mTの圧力で、約10分〜約120分の期間に亘って
、シラン、クロロシラン又はジクロロシラン等のシリコン源及びO又はNO等の酸素
含有ガスに暴露するステップを含む。
The top or blocking oxide layer 218 of the silicon-oxide-oxynitride-oxide-silicon structure includes a relatively thick SiO 2 layer of about 30 to about 70 inches, and in certain embodiments about 45 inches. The top or blocking oxide layer 218 can be grown or deposited using any suitable means, such as thermal growth or CVD. In one embodiment, the top or blocking oxide layer 218
Is high temperature oxide (HTO) deposited using a CVD process. In general, the deposition process involves maintaining the substrate 208 at a temperature of about 650 ° C. to about 850 ° C. in a deposition chamber at a pressure of about 50 mT to about 1000 mT for a period of about 10 minutes to about 120 minutes. Exposing to a silicon source such as silane, chlorosilane or dichlorosilane and an oxygen containing gas such as O 2 or N 2 O.

特定の実施形態においては、上部又は阻止酸化物層218は酸窒化物層220A,22
0Bの形成に使用した同じツール内で連続的に堆積される。特定の実施形態においては、
酸窒化物層220A,220B及び上部又は阻止酸化物層218は、トンネル酸化物層2
16の成長に使用した同じツール内で形成又は堆積される。適切なツールは、例えばカリ
フォルニア州スコッツバレーのAVIZAテクノロジー社から入手し得るONO、AVP
である。
In certain embodiments, the top or blocking oxide layer 218 is an oxynitride layer 220A, 22
Deposited continuously in the same tool used to form 0B. In certain embodiments,
The oxynitride layers 220A, 220B and the top or blocking oxide layer 218 are formed by the tunnel oxide layer 2
Formed or deposited in the same tool used for 16 growths. Suitable tools are, for example, ONO, AVP available from AVIZA Technology, Inc., Scotts Valley, California
It is.

一実施形態によるシリコン−酸化物−酸窒化物−酸化物−シリコン積層体を形成又は製
造する方法を図3の流れ図を参照して以下に説明する。
A method of forming or manufacturing a silicon-oxide-oxynitride-oxide-silicon stack according to one embodiment is described below with reference to the flowchart of FIG.

図3を参照するに、本方法は、シリコン−酸化物−酸窒化物−酸化物−シリコンゲート
積層体202のトンネル酸化物層216のような第1の酸化物層を基板208の表面上の
シリコン含有層の上に形成することから始まる(300)。次に、酸窒化物を含む多層電
荷蓄積層204の第1又は底部酸窒化物層220Bが第1の酸化物層の表面上に形成され
る(302)。上述したように、この第1又は底部酸窒化物層220Bは、シリコンリッ
チ及び酸素リッチな酸窒化物層が得られるように調整された比及び流量でN0/NH
及びDCS/NHガス混合物を含むプロセスガスを用いてCVDによって形成又は堆積
することができる。次に、多層電荷蓄積層204の第2又は上部酸窒化物層220Aが第
1又は底部酸窒化物層220Bの表面上に形成される(304)。第2又は上部酸窒化物
層220Aは第1又は底部酸窒化物層220Bと異なる酸素、窒素及び/又はシリコンの
化学量論的組成を有する。特に、上述したように、第2又は上部酸窒化物層220Aは、
シリコンリッチ、酸素リーンな酸窒化物層が得られるように調整された比及び流量でDC
S/NH及びN0/NHガス混合物を含むプロセスガスを用いてCVDによって形
成又は堆積することができる。最後に、シリコン−酸化物−酸窒化物−酸化物−シリコン
構造の上部又は阻止酸化物層218が多層電荷蓄積層の第2の層の表面上に形成される(
306)。上述したように、この上部又は阻止酸化物層218は任意の適切な手段によっ
て形成又は堆積できるが、いくつかの実施形態においてはCVDプロセスで堆積される。
一実施形態においては、上部又は阻止酸化物層218はHTO CVDプロセスで堆積さ
れる高温酸化物である。代わりに、上部又は阻止酸化物層218は熱的に成長させること
もできる。しかし、この実施形態においては、上部酸窒化物層220Aは、その酸窒化物
の一部分が上部又は阻止酸化物層218の熱成長プロセス中に有効に消費又は酸化される
ので、その厚さを調整もしくは増大することができる。
Referring to FIG. 3, the method includes a first oxide layer, such as a tunnel oxide layer 216 of a silicon-oxide-oxynitride-oxide-silicon gate stack 202, on the surface of the substrate 208. Begin by forming on the silicon-containing layer (300). Next, a first or bottom oxynitride layer 220B of the multilayer charge storage layer 204 comprising oxynitride is formed on the surface of the first oxide layer (302). As described above, the first or bottom oxynitride layer 220B is N 2 0 / NH 3 at a ratio and flow rate adjusted to obtain a silicon-rich and oxygen-rich oxynitride layer.
And can be formed or deposited by CVD using a process gas comprising a DCS / NH 3 gas mixture. Next, a second or top oxynitride layer 220A of the multilayer charge storage layer 204 is formed on the surface of the first or bottom oxynitride layer 220B (304). The second or top oxynitride layer 220A has a different stoichiometric composition of oxygen, nitrogen and / or silicon than the first or bottom oxynitride layer 220B. In particular, as described above, the second or upper oxynitride layer 220A is
DC at a ratio and flow rate adjusted to obtain a silicon-rich, oxygen-lean oxynitride layer
It can be formed or deposited by CVD using a process gas comprising a S / NH 3 and N 2 0 / NH 3 gas mixture. Finally, the top of the silicon-oxide-oxynitride-oxide-silicon structure or blocking oxide layer 218 is formed on the surface of the second layer of the multilayer charge storage layer (
306). As noted above, this top or blocking oxide layer 218 can be formed or deposited by any suitable means, but in some embodiments is deposited by a CVD process.
In one embodiment, the top or blocking oxide layer 218 is a high temperature oxide deposited by an HTO CVD process. Alternatively, the top or blocking oxide layer 218 can be grown thermally. However, in this embodiment, the thickness of the upper oxynitride layer 220A is adjusted because a portion of the oxynitride is effectively consumed or oxidized during the thermal growth process of the upper or blocking oxide layer 218. Or it can be increased.

オプションとして、本方法は、シリコン−酸化物−酸窒化物−酸化物−シリコン積層体
又は構造を形成するために上部又は阻止酸化物層218の表面上にシリコン含有層を形成
又は堆積するステップを更に含むことができる(308)。このシリコン含有層は、トラ
ンジスタ又はデバイス200の制御又はポリゲート層214を形成するために、例えばC
VDプロセスにより堆積されたポリシリコン層とすることができる。
Optionally, the method includes the step of forming or depositing a silicon-containing layer on the top or surface of the blocking oxide layer 218 to form a silicon-oxide-oxynitride-oxide-silicon stack or structure. Further (308) can be included. This silicon-containing layer may be used, for example, to form a control or polygate layer 214 of the transistor or device 200, for example C
It can be a polysilicon layer deposited by a VD process.

ここで、図4を参照して本発明の一つの実施形態に従って形成されたメモリ層を用いて
なるメモリデバイスのデータ保持性能と従来のメモリ層を用いてなるメモリデバイスのデ
ータ保持性能との比較を行う。特に、図4は、従来のONO構造及び本発明の多層酸窒化
物層を有するシリコン−酸化物−酸窒化物−酸化物構造を用いる電気的に消去可能なリー
ドオンリメモリ(EEPROM)内のメモリデバイスのデバイス寿命中のプログラミング
時中のしきい値電圧(VTP)及び消去時のしきい値電圧(VTE)の変化を示す。この
図のためのデータ収集において、両デバイスを85℃の周囲温度で100Kサイクルに亘
り予め循環動作させた。
Here, referring to FIG. 4, the data retention performance of a memory device using a memory layer formed according to one embodiment of the present invention is compared with the data retention performance of a memory device using a conventional memory layer. I do. In particular, FIG. 4 illustrates a memory in an electrically erasable read only memory (EEPROM) using a conventional ONO structure and a silicon-oxide-oxynitride-oxide structure having a multi-layered oxynitride layer of the present invention. Fig. 6 shows the change in threshold voltage (VTP) during programming and threshold voltage (VTE) during erasing of the device during device lifetime. In data collection for this figure, both devices were pre-circulated for 100K cycles at an ambient temperature of 85 ° C.

図4を参照するに、グラフ又は線402は、初期書き込み(プログラム又は消去)後に
メモリをリフレッシュしない単一の酸窒化物層を有する従来のONO構造を用いたEEP
ROMに対するVTPの経時変化を示す。線402上の実際のデータ点は白丸で示され、
この線の残部はEEPROMの規定の寿命の終り(EOL)までのVTPの外挿値を示す
。グラフ又は線404は、従来のONO構造を用いたEEPROMに対するVTEの経時
変化を示す。線404上の実際のデータ点は黒丸で示され、この線の残部はEEPROM
の規定のEOLまでのVTEの外挿値を示す。一般に、EOLにおけるEEPROMのV
TE及びVTP間の規定の差は、プログラム状態と消去状態との差を識別又は検知可能に
するために0.5V以上である。この図から明らかなように、従来のONO構造を用いた
EEPROMは、20年の規定のEOLにおいて約0.35VのVTE及びVTP間の差
を有する。従って、従来のONO構造を用いたEEPROMは、上記の条件の下で動作す
ると、少なくとも約17年で規定の操作寿命を満たさなくなる。
Referring to FIG. 4, a graph or line 402 is an EEP using a conventional ONO structure with a single oxynitride layer that does not refresh the memory after initial write (program or erase).
The time-dependent change of VTP with respect to ROM is shown. The actual data points on line 402 are indicated by white circles,
The remainder of this line represents the extrapolated value of VTP up to the end of the specified lifetime of the EEPROM (EOL). A graph or line 404 shows the change in VTE over time for an EEPROM using a conventional ONO structure. The actual data points on line 404 are indicated by black circles and the rest of this line is EEPROM
The extrapolated value of VTE up to the specified EOL is shown. In general, EEPROM V in EOL
The specified difference between TE and VTP is 0.5V or more in order to be able to identify or detect the difference between the programmed state and the erased state. As is apparent from this figure, an EEPROM using a conventional ONO structure has a difference between VTE and VTP of about 0.35 V at a 20 year specified EOL. Therefore, an EEPROM using a conventional ONO structure does not meet the specified operating life in at least about 17 years when operated under the above conditions.

これに対し、多層酸窒化物層を有するシリコン−酸化物−酸窒化物−酸化物−シリコン
構造を用いたEEPROMのVTP及びVTEの経時変化はそれぞれ線406及び408
で示され、規定のEOLにおいて少なくとも1.96VのVTE及びVTP間の差を示す
。従って、本発明の一つの実施形態によるシリコン−酸化物−酸窒化物−酸化物−シリコ
ン構造を用いたEEPROMは20年の規定の動作寿命を上回る。特に、グラフ又は線4
06は本発明の一つの実施形態によるシリコン−酸化物−酸窒化物−酸化物−シリコン構
造を用いたEEPROMのVTPの経時変化を示す。線406上の実際のデータ点は白四
角で示され、この線の残部は規定のEOLまでのVTPの外挿値を示す。グラフ又は線4
08は、EEPROMに対するVTEの経時変化を示し、線408上の実際のデータ点は
黒四角で示され、この線の残部はEEPROMの規定のEOLまでのVTEの外挿値を示
す。
In contrast, the time course of VTP and VTE of the EEPROM using a silicon-oxide-oxynitride-oxide-silicon structure having a multi-layered oxynitride layer is shown by lines 406 and 408, respectively.
And shows the difference between VTE and VTP of at least 1.96V at the specified EOL. Thus, an EEPROM using a silicon-oxide-oxynitride-oxide-silicon structure according to one embodiment of the present invention exceeds the specified operating life of 20 years. In particular, the graph or line 4
06 shows the time course of VTP of the EEPROM using the silicon-oxide-oxynitride-oxide-silicon structure according to one embodiment of the present invention. The actual data points on line 406 are shown as white squares, and the remainder of this line shows the extrapolated value of VTP up to the specified EOL. Graph or line 4
08 shows the change in VTE over time for EEPROM, the actual data points on line 408 are shown as black squares, and the remainder of this line shows the extrapolated value of VTE up to the specified EOL of the EEPROM.

次に、別の実施形態による半導体デバイスの形成又は製造方法を図5を参照して説明す
る。
Next, a method of forming or manufacturing a semiconductor device according to another embodiment will be described with reference to FIG.

図5を参照するに、本方法は、トンネル酸化物層216を基板上に形成することから始
まる(500)。次に、多層電荷蓄積層204の酸素リッチな第1又は底部酸窒化物層2
20Bがトンネル酸化物層216の表面上に形成される(502)。上述したように、こ
の酸素リッチな第1又は底部酸窒化物層220Bは、約5:1〜15:1の範囲の比で混
合されたジクロロシラン(SiHCl)/アンモニア(NH)混合物及び約2:1
〜4:1の範囲の比で混合された亜酸化窒素(NO)/NH混合物を含むプロセスガ
スをシリコンリッチ及び酸素リッチでほぼトラップのない酸窒化物層が得られるように調
整された流量で用いて、CVDによって形成又は堆積することができる。即ち、第1又は
底部酸窒化物層220Bの化学量論的組成は多層電荷蓄積層の保持性能を増大するように
選択された高濃度の酸素を含み、第2又上部酸窒化物層220Aにトラップされる電荷と
及び基板208との間の障壁として作用する。第1又は底部酸窒化物層220B内の選択
された酸素濃度は約15%〜約40%の酸素濃度であり、特定の実施形態においては約3
5%である。
Referring to FIG. 5, the method begins by forming a tunnel oxide layer 216 on the substrate (500). Next, the oxygen-rich first or bottom oxynitride layer 2 of the multilayer charge storage layer 204
20B is formed on the surface of tunnel oxide layer 216 (502). As described above, this oxygen-rich first or bottom oxynitride layer 220B is dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ) / ammonia (NH 3 ) mixed in a ratio ranging from about 5: 1 to 15: 1. Mixture and about 2: 1
A process gas comprising a nitrous oxide (N 2 O) / NH 3 mixture mixed in a ratio in the range of ˜4: 1 is tuned to obtain a silicon-rich and oxygen-rich, almost trap-free oxynitride layer. Can be formed or deposited by CVD using different flow rates. That is, the stoichiometric composition of the first or bottom oxynitride layer 220B includes a high concentration of oxygen selected to increase the retention performance of the multilayer charge storage layer, and the second or top oxynitride layer 220A includes It acts as a barrier between the trapped charge and the substrate 208. The selected oxygen concentration in the first or bottom oxynitride layer 220B is about 15% to about 40% oxygen concentration, and in certain embodiments about 3%.
5%.

次に、酸素リーンな第2又は上部酸窒化物層220Aが第1又は低部酸窒化物層220
Bの表面上に形成される(504)。第2又は上部酸窒化物層220Aは第1酸窒化物層
とは異なる酸素、窒素及び/又はシリコンの化学量論的組成を有する。特に、上述したよ
うに、第2又は上部酸窒化物層220Aは、約5%以下の酸素濃度を有するトラップ密度
の高い酸窒化物層を得るために、約1:6〜1:8の範囲の比で混合されたN0/NH
混合物を及び約1.5:1〜3:1の範囲の比で混合されたSiHCl/NH
合物を含むプロセスガスを用いて、CVDによって形成又は堆積することができる。こう
して、第2又は上部酸窒化物層220Aは第1又は底部酸窒化物層220Bの1000倍
以上の電荷トラップ密度を含むものとなる。
Next, the oxygen-lean second or upper oxynitride layer 220A is replaced by the first or lower oxynitride layer 220.
Formed on the surface of B (504). The second or upper oxynitride layer 220A has a different stoichiometric composition of oxygen, nitrogen and / or silicon than the first oxynitride layer. In particular, as described above, the second or upper oxynitride layer 220A has a range of about 1: 6 to 1: 8 in order to obtain a high trap density oxynitride layer having an oxygen concentration of about 5% or less. N 2 0 / NH mixed in the ratio
The three mixtures can be formed or deposited by CVD using a process gas comprising a SiH 2 Cl 2 / NH 3 mixture mixed in a ratio ranging from about 1.5: 1 to 3: 1. Thus, the second or top oxynitride layer 220A includes a charge trap density that is 1000 times or more that of the first or bottom oxynitride layer 220B.

最後に、上部又は阻止酸化物層218が多層電荷蓄積層204の第2又は上部酸窒化物
層220A上に形成される。上述したように、この上部又は阻止酸化物層218は、第2
又は上部酸窒化物層220Aの一部分の酸化によって第2又は上部酸窒化物層220Aの
所定の厚さへの肉薄化が生じるように形成することができる。最後に、図4につき述べた
ように、多層電荷蓄積層204の保持性能の向上によって、プログラム電圧(VTP)及
び消去電圧(VTE)間の規定の差における半導体デバイスの寿命の終り(EOL)が2
0年以上に延長する。
Finally, an upper or blocking oxide layer 218 is formed on the second or upper oxynitride layer 220A of the multilayer charge storage layer 204. As described above, this top or blocking oxide layer 218 is a second layer.
Alternatively, the second oxynitride layer 220A may be thinned to a predetermined thickness by oxidation of a portion of the upper oxynitride layer 220A. Finally, as described with reference to FIG. 4, the endurance (EOL) of the semiconductor device at the specified difference between the program voltage (VTP) and the erase voltage (VTE) is improved by the improvement in the retention performance of the multilayer charge storage layer 204. 2
Extend to 0 years or more.

他の態様においては、本発明の多層電荷蓄積層はプログラムされた状態における電荷蓄
積層内の蓄積電荷により発生される電界と反対方向の電界を発生するように設計されたバ
ンドギャップエネルギーを有し、その結果プログラム電圧及び/又は消去電圧に影響を与
えることなくデータ保持性能が向上する。シリコン基板602内のチャネル、トンネル酸
化物層604、均質な窒化物又は酸窒化物電界蓄積層606、阻止酸化物層608及びポ
リシリコン制御ゲート610を含むプログラムされた従来のデバイスのエネルギーバンド
図が図6に示されている。図6を参照するに、電荷蓄積層608の中心近くに位置するト
ラップされた多数の電荷はトンネル酸化物層604からトラップされた電荷に向かう大き
な電界を発生し、この電界は蓄積電荷の損失を生じ得る点に注意されたい。
In another aspect, the multilayer charge storage layer of the present invention has a bandgap energy designed to generate an electric field in a direction opposite to that generated by the stored charge in the charge storage layer in the programmed state. As a result, the data retention performance is improved without affecting the program voltage and / or the erase voltage. An energy band diagram of a programmed conventional device including a channel in a silicon substrate 602, a tunnel oxide layer 604, a homogeneous nitride or oxynitride field storage layer 606, a blocking oxide layer 608 and a polysilicon control gate 610 is shown. It is shown in FIG. Referring to FIG. 6, a large number of trapped charges located near the center of the charge storage layer 608 generate a large electric field from the tunnel oxide layer 604 toward the trapped charge, which reduces the stored charge loss. Note that this can happen.

これに対し、本発明の多層電荷蓄積層を含むメモリ装置においては、多層電荷蓄積層に
生じるバンドギャップエネルギーは蓄積電荷により発生される電界と反対の内向き(電荷
蓄積層からトンネル酸化物に向う方向)の電界を発生し、電荷保持性能を高める。多層電
荷蓄積層706を含むプログラムされてないメモリデバイスが図7Aに示されている。こ
のデバイスは、シリコン基板702内のチャネル、トンネル酸化物層704、酸素リーン
な酸窒化物層706A、酸素リッチな底部酸窒化物層706B、阻止酸化物層708及び
ポリシリコン制御ゲート710を含む。図7Aを参照するに、酸素リーンな上部酸窒化物
層706A内のトラップサイトは、プログラムされたデバイスにおいてトラップされた電
荷により発生される電界と反対の方向の電界を発生する。プログラムされた状態において
得られる多層電荷蓄積層706を含むデバイスのバンドギャップ図は図7Bに示されてい
る。
In contrast, in the memory device including the multilayer charge storage layer of the present invention, the band gap energy generated in the multilayer charge storage layer is inwardly opposite to the electric field generated by the stored charge (from the charge storage layer toward the tunnel oxide). Direction) to enhance the charge retention performance. An unprogrammed memory device including a multilayer charge storage layer 706 is shown in FIG. 7A. The device includes a channel in a silicon substrate 702, a tunnel oxide layer 704, an oxygen lean oxynitride layer 706A, an oxygen rich bottom oxynitride layer 706B, a blocking oxide layer 708, and a polysilicon control gate 710. Referring to FIG. 7A, the trap sites in the oxygen lean upper oxynitride layer 706A generate an electric field in the opposite direction to that generated by the trapped charge in the programmed device. A bandgap diagram of a device including a multilayer charge storage layer 706 obtained in a programmed state is shown in FIG. 7B.

多層電荷蓄積層は2つの酸窒化物層、即ち上部及び底部層を有するものとして図示し説
明したが、本発明はこれに限定されず、任意の数の酸窒化物層を含み、それらの一部又は
すべてが酸素、窒素及び/又はシリコンの異なる化学量論的組成を有するものとすること
ができる。特に、それぞれ異なる化学慮論的組成を有する5つの酸窒化物層を有する多層
電荷蓄積層を製造し、試験した。しかしながら、当業者に明らかなように、一般には所望
の結果を達成するのにできるだけ少数の層を使用し、より簡単でよりロバストなプロセス
を提供するのが好ましい。更に、できるだけ少数の層を使用すると、少数の層の化学量論
的組成及び寸法の制御がより簡単になるので、歩留まりも更に高くなる。
Although the multilayer charge storage layer has been illustrated and described as having two oxynitride layers, a top and a bottom layer, the present invention is not so limited and includes any number of oxynitride layers, one of them. Parts or all may have different stoichiometric compositions of oxygen, nitrogen and / or silicon. In particular, a multilayer charge storage layer having five oxynitride layers, each having a different chemical composition, was fabricated and tested. However, as will be apparent to those skilled in the art, it is generally preferable to use as few layers as possible to achieve the desired result, providing a simpler and more robust process. In addition, using as few layers as possible makes the yield even higher because the control of the stoichiometric composition and dimensions of the few layers is easier.

更に、シリコン−酸化物−酸窒化物−酸化物−シリコン構造はメモリデバイスのシリコ
ン−酸化物−酸窒化物−酸化物−シリコンスタックの一部分として図示し説明したが、本
発明はこの構造及びその製造に限定されず、このシリコン−酸化物−酸窒化物−酸化物−
シリコン構造は、本発明の範囲から逸脱することなく、電荷蓄積又は絶縁層又は積層を必
要とする任意の半導体技術又は任意のデバイス、例えばスプリットゲートフラッシュメモ
リ、TaNOSスタック、IT(トランジスタ)SNOS型セル、2T SONOS型セ
ル、3T SNOS型セル、局所化2ビットセル、マルチレベルプログラミングセル、及
び/又は9T又は12T不揮発性半導体メモリ(NVSM)等に又はとともに使用するこ
とができる。図8A−8Eは、本発明の多層電荷蓄積層が特に有用な模範的なメモリセル
構造の概略図を示す。
Further, although the silicon-oxide-oxynitride-oxide-silicon structure has been illustrated and described as part of the silicon-oxide-oxynitride-oxide-silicon stack of a memory device, the present invention describes this structure and its structure. This silicon-oxide-oxynitride-oxide- is not limited to manufacturing
The silicon structure may be any semiconductor technology or any device that requires a charge storage or insulating layer or stack without departing from the scope of the invention, such as split gate flash memory, TaNOS stack, IT (transistor) SNOS type cell. It can be used for or in conjunction with 2T SONOS type cells, 3T SNOS type cells, localized 2-bit cells, multi-level programming cells, and / or 9T or 12T non-volatile semiconductor memory (NVSM) and the like. 8A-8E show schematic diagrams of exemplary memory cell structures in which the multilayer charge storage layer of the present invention is particularly useful.

先行又は従来技術に対する本発明の一実施形態による構造及びその製造方法の利点は、
(i)酸窒化物層を複数の膜又は層に分割し、各層の酸素、窒素及びシリコンプロファイル
を調整してなる構造を用いてメモリデバイスのデバイス保持性能を高める能力、(ii)デー
タ保持性能を譲歩することなくメモリデバイスの速度を高める能力、(iii) 本発明の一実
施形態によるシリコン−酸化物−酸窒化物−酸化物−シリコンを約125℃以上で用いて
メモリデバイスのデータ保持及び速度の仕様を満足もしくは超える能力、及び(iv)100
,00サイクル以上のヘビーデューティープログラム消去サイクルを提供する能力を有す
る。
The advantages of the structure and its manufacturing method according to an embodiment of the present invention over the prior art or the prior art are:
(i) Ability to improve the device retention performance of memory devices using a structure formed by dividing the oxynitride layer into multiple films or layers and adjusting the oxygen, nitrogen and silicon profiles of each layer, (ii) Data retention performance (Iii) using silicon-oxide-oxynitride-oxide-silicon according to an embodiment of the present invention above about 125 ° C. and Ability to meet or exceed speed specifications, and (iv) 100
, With the ability to provide heavy duty program erase cycles of over 00 cycles.

本開示は特定の模範的な実施形態について記載したが、これらの実施形態には本開示の
範囲を逸脱することなく様々な変更や変形を加えることができること明らかろう。従って
、本明細書及び図面は限定のためではなく説明のためであるみなされたい。
Although this disclosure has described certain exemplary embodiments, it will be apparent that various changes and modifications can be made to these embodiments without departing from the scope of this disclosure. The specification and drawings are accordingly to be regarded in an illustrative rather than a restrictive sense.

技術的な開示の特徴を読者が迅速に確認するのを可能にする要約書を要求している37C.
F.R.§1.72(b)に準じて要約書が付与されている。要約書は、請求の範囲又は意味を解釈
又は制限するために使用されないことを理解されたい。さらに、上述された詳細な説明に
おいて、本開示を整理するために1つの実施形態において様々な特徴が互いにグループ化
されることがわかる。この開示の方法は、特許請求される実施の形態がそれぞれの請求項
に明示的に記載されるよりも多くの特徴を必要とするという意図を反映するものと解釈さ
れるべきではない。むしろ、以下の請求項に反英されるように、発明の要旨は1つの開示
の実施形態の全ての特徴に満たないものにある。したがって、以下の特許請求の範囲は、
発明の詳細な説明に盛り込まれており、それぞれの請求項は、個別の実施の形態に立脚し
ている。
37C requesting a summary that allows readers to quickly identify the characteristics of technical disclosure.
A summary is provided pursuant to FR § 1.72 (b). It should be understood that the abstract is not used to interpret or limit the scope or meaning of the claims. Furthermore, in the detailed description given above, it can be seen that various features are grouped together in one embodiment to organize the present disclosure. This method of disclosure is not to be interpreted as reflecting an intention that the claimed embodiments require more features than are expressly recited in each claim. Rather, as subject to the following claims, the subject matter of the invention resides in less than all features of one disclosed embodiment. Accordingly, the following claims are
It is incorporated in the detailed description of the invention, with each claim standing on a separate embodiment.

以上の記載においては、説明の目的で、本開示の多層電荷蓄積層及びその製造方法の完
全な理解を与えるために、多くの特定の細部について説明した。しかしながら、本発明の
デバイス及び方法はこれらの特定の細部の説明がなくても実施できることは当業者に明ら
かである。更に、本開示の理解を不必要に不明瞭にしないように、周知の構造及び技術は
詳細に示さないでブロック線図の形で示している。
In the foregoing description, for the purposes of explanation, numerous specific details have been set forth in order to provide a thorough understanding of the multilayer charge storage layer of the present disclosure and the method of making the same. However, it will be apparent to those skilled in the art that the devices and methods of the present invention may be practiced without these specific details. Furthermore, well-known structures and techniques are shown in block diagram form, rather than in detail, in order to avoid unnecessarily obscuring an understanding of the present disclosure.

本明細書において、「一つの実施形態」又は「一実施形態」とは、実施形態と関連して
記載される特定の特徴、構造又は特性が少なくとも一つの実施形態に含まれることを意味
する。したがって本明細書の様々な箇所で「一実施形態」と呼ぶものは、必ずしもすべて
同じ実施形態を指すものではない。さらに本明細書で使用される「結合する」とは、一つ
以上の介在要素によって直接接続すること及び間接的に接続することの両方を意味する。
As used herein, “an embodiment” or “an embodiment” means that a particular feature, structure, or characteristic described in connection with the embodiment is included in at least one embodiment. Thus, references to “one embodiment” in various places in the specification are not necessarily all referring to the same embodiment. Furthermore, “coupled” as used herein means both directly connected and indirectly connected by one or more intervening elements.

Claims (6)

シリコンを含む基板の表面上のトンネル酸化物層と、
前記トンネル酸化物層上にあって殆どトラップを生じない化学量論的組成を有する酸素リッチな第1の酸窒化物層及び前記第1の酸窒化物層上にあって高密度のトラップを生じる化学量論的組成を有する酸素リーンな第2の酸窒化物層を含む多層電化蓄積層と、
前記第2の酸窒化物層上の阻止酸化物層と、
前記阻止酸化物層上のシリコン含有ゲート層と、
を備え、
前記第2の酸窒化物層は前記第1の酸窒化物層の1000倍以上の電荷トラップ密度を含み、
前記第2の酸窒化物層は、炭素をさらに含み、炭素濃度が約5%〜約15%である、シリコン−酸化物−酸窒化物−酸化物−シリコン構造。
A tunnel oxide layer on the surface of the substrate comprising silicon;
Oxygen-rich first oxynitride layer having a stoichiometric composition on the tunnel oxide layer that hardly generates traps and high density traps on the first oxynitride layer A multilayer charge storage layer comprising an oxygen lean second oxynitride layer having a stoichiometric composition;
A blocking oxide layer on the second oxynitride layer;
A silicon-containing gate layer on the blocking oxide layer;
With
The second oxynitride layer includes a charge trap density of 1000 times or more of the first oxynitride layer;
The second oxynitride layer further includes carbon and has a silicon-oxide-oxynitride-oxide-silicon structure having a carbon concentration of about 5% to about 15%.
前記第1の酸窒化物層内の酸素の濃度は約15%〜約40%である、請求項1記載の構造。   The structure of claim 1, wherein the concentration of oxygen in the first oxynitride layer is about 15% to about 40%. 前記第2の酸窒化物層内の酸素の濃度は約5%未満である、請求項1記載の構造。   The structure of claim 1, wherein the concentration of oxygen in the second oxynitride layer is less than about 5%. 横方向に間隔を置いて配置されたソース及びドレイン領域を有するシリコンを含む基板と、
前記基板の表面上のトンネル酸化物層と、
前記トンネル酸化物層上にあって殆どトラップを生じない化学量論的組成を有する酸素リッチな第1の酸窒化物層及び前記第1の酸窒化物層上にあって高密度のトラップを生じる化学量論的組成を有する酸素リーンな第2の酸窒化物層を含む多層電化蓄積層と、
前記第2の酸窒化物層上の阻止酸化物層と、
前記阻止酸化物層上のシリコン含有ゲート層と、
を備え、
前記第2の酸窒化物層は前記第1の酸窒化物層の1000倍以上の電荷トラップ密度を含み、
前記第2の酸窒化物層は、炭素をさらに含み、炭素濃度が約5%〜約15%である、半導体デバイス。
A substrate comprising silicon having laterally spaced source and drain regions;
A tunnel oxide layer on the surface of the substrate;
Oxygen-rich first oxynitride layer having a stoichiometric composition on the tunnel oxide layer that hardly generates traps and high density traps on the first oxynitride layer A multilayer charge storage layer comprising an oxygen lean second oxynitride layer having a stoichiometric composition;
A blocking oxide layer on the second oxynitride layer;
A silicon-containing gate layer on the blocking oxide layer;
With
The second oxynitride layer includes a charge trap density of 1000 times or more of the first oxynitride layer;
The second oxynitride layer further includes carbon, and the carbon concentration is about 5% to about 15%.
前記第1の酸窒化物層内の酸素の濃度は約15%〜約40%である、請求項4記載の半導体デバイス。   The semiconductor device of claim 4, wherein the concentration of oxygen in the first oxynitride layer is about 15% to about 40%. 前記第2の酸窒化物層内の酸素の濃度は約5%未満である、請求項4記載の半導体デバイス。   The semiconductor device of claim 4, wherein the concentration of oxygen in the second oxynitride layer is less than about 5%.
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