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JPH1140682A - Non-volatile semiconductor memory and its manufacture - Google Patents

Non-volatile semiconductor memory and its manufacture

Info

Publication number
JPH1140682A
JPH1140682A JP9194475A JP19447597A JPH1140682A JP H1140682 A JPH1140682 A JP H1140682A JP 9194475 A JP9194475 A JP 9194475A JP 19447597 A JP19447597 A JP 19447597A JP H1140682 A JPH1140682 A JP H1140682A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
film
oxide film
thickness
semiconductor memory
memory device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Abandoned
Application number
JP9194475A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Ichiro Fujiwara
一郎 藤原
Akihiro Nakamura
明弘 中村
Hiroshi Aozasa
浩 青笹
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sony Corp filed Critical Sony Corp
Priority to JP9194475A priority Critical patent/JPH1140682A/en
Publication of JPH1140682A publication Critical patent/JPH1140682A/en
Abandoned legal-status Critical Current

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

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce the data writing speed and voltage while maintaining and improving the charge holding characteristic. SOLUTION: A gate insulating film 6 interposed between a channel forming region 1a and a gate electrode 8 is formed by laminating a tunnel film 10, an intermediate film 12, and a top film 14 in this order from the bottom. The top film 14 is formed by laminating a plurality of insulating films (e.g. 14a and 14b), and the lowermost film 14a thereof is an oxide film. The intermediate film 12 is a silicon nitride film, etc., and the film thickness thereof is not larger than 5 nm. The tunnel film 10 may have a construction comprising an oxidized nitride film besides an oxide film. A transition layer with intermediate composition is interposed between the intermediate film 12 and the top film 14. Alternatively, there is a high concentration deep charge trap having a trap level greater than 2.0 eV near the interface between both of them.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、トンネル膜,中間
膜およびトップ膜からなるゲート絶縁膜を、半導体のチ
ャネル形成領域とゲート電極との間に有し、当該ゲート
絶縁膜中の平面的に離散化されたキャリアトラップに対
し電荷を電気的に蓄積し又は引き抜くことを基本動作と
する不揮発性半導体記憶装置及びその製造方法に関す
る。特定的には、本発明は、中間膜を薄くすることによ
る特性改善のために、その中間膜の薄膜化を可能とする
トップ膜構造及びその製法に関する。
The present invention relates to a semiconductor device having a gate insulating film comprising a tunnel film, an intermediate film and a top film between a semiconductor channel formation region and a gate electrode. The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory device having a basic operation of electrically accumulating or extracting electric charges from a discrete carrier trap and a method of manufacturing the same. More specifically, the present invention relates to a top film structure capable of reducing the thickness of an intermediate film in order to improve characteristics by reducing the thickness of the intermediate film, and a method of manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】高度情報化社会、或いは高域ネットワー
ク社会において、大容量のファイルメモリに対するニー
ズは大きい。現在、1ギガバイト(Gb)以上のデータ
を記憶する大容量メモリシステムとして、ハードディス
クおよび光ディスクなどのディスクを記録媒体としたデ
ィスクメモリシステムが使用されている。この大きな市
場を、不揮発性半導体メモリで置き換えようとする研究
が近年、活発化している。ところが、不揮発性半導体メ
モリは、ハード装置の小型化,軽量化のトレンドには合
致しているものの、現状では未だ記憶容量が不足し、1
Gb以上の大容量を有する一括消去型の半導体メモリ
(フラッシュメモリ)を実現するに至っていない。
2. Description of the Related Art In a highly information-oriented society or a high-area network society, there is a great need for a large-capacity file memory. At present, a disk memory system using a disk such as a hard disk and an optical disk as a recording medium is used as a large-capacity memory system for storing data of 1 gigabyte (Gb) or more. Research to replace this large market with non-volatile semiconductor memories has recently been active. However, although the nonvolatile semiconductor memory meets the trend of miniaturization and weight reduction of hardware devices, at present the storage capacity is still insufficient, and
A batch erase type semiconductor memory (flash memory) having a large capacity of Gb or more has not been realized.

【0003】不揮発性半導体メモリを高集積化するため
には、大別すると、半導体の微細加工技術を駆使し或い
はメモリセルの回路方式やデバイス構造を工夫して、メ
モリセルアレイおよび周辺回路の占有面積そのものを縮
小していく方法と、各メモリセルを構成するメモリトラ
ンジスタを多値化し、単一トランジスタに複数ビットを
記憶させて同じ集積度で実質的に記憶容量を上げる方法
が、現在、精力的に検討されている。
In order to increase the degree of integration of the nonvolatile semiconductor memory, the area occupied by the memory cell array and the peripheral circuit can be roughly classified by making full use of semiconductor fine processing technology or devising the circuit system and device structure of the memory cell. Currently, a method of reducing the size of the memory itself and a method of multiplying the value of the memory transistor constituting each memory cell and storing a plurality of bits in a single transistor to substantially increase the storage capacity with the same degree of integration are currently being energetic. Is being considered.

【0004】前者の方法のうち、微細化はいわゆるスケ
ーリング則によって行われるが、1Gb以上の大容量メ
モリをFG(Floating Gate) 型のフラッシュメモリで実
現するにはスケーリングに関する種々の本質的な問題
点、とくにデータ書き込み電圧の低電圧化が難しくなっ
ている点が指摘されている(日経マイクロデバイス1月
号及び2月号,1997年 参照)。すなわち、FG型
のフラッシュメモリではフローティングゲートでの電荷
の保持がトンネル酸化膜の膜厚のみに依存しているた
め、フローティングゲートからのバックトンネリング電
流の理論的な解析により、トンネル酸化膜の膜厚は6n
m程度に物理的に制限されている。しかし、この物理的
限界に達する以前の段階で、現行のFG型では、データ
の書き込みに10MV/cmの高電界を用いるために、
トンネル酸化膜のストレスリークに起因した膜厚限界が
存在することが指摘されている。ストレスリーク電流の
増大による膜厚制限により、トンネル酸化膜の厚みを理
論値の6nmまで薄膜化することが困難であり、現実的
なトンネル酸化膜の限界は8nmであるとされている。
低電圧書き込みのためにはトンネル酸化膜を薄くしなけ
ればならないが、上記したトンネル酸化膜の薄膜化の限
界は、低電圧化のスケーリング則に矛盾し、書き込み電
圧のスケーリングが困難になってきている。
In the former method, miniaturization is performed according to a so-called scaling rule. However, in order to realize a large-capacity memory of 1 Gb or more by an FG (Floating Gate) type flash memory, there are various essential problems relating to scaling. In particular, it has been pointed out that it is difficult to lower the data writing voltage (see Nikkei Micro Devices January and February, 1997). That is, in the FG type flash memory, since the retention of charge at the floating gate depends only on the thickness of the tunnel oxide film, the theoretical analysis of the back tunneling current from the floating gate indicates that the thickness of the tunnel oxide film is small. Is 6n
It is physically limited to about m. However, before reaching this physical limit, the current FG type uses a high electric field of 10 MV / cm for writing data, so that
It is pointed out that there is a film thickness limit due to the stress leak of the tunnel oxide film. It is difficult to reduce the thickness of the tunnel oxide film to the theoretical value of 6 nm due to the limitation of the film thickness due to an increase in the stress leak current, and the practical limit of the tunnel oxide film is 8 nm.
For low-voltage writing, the tunnel oxide film must be thinned.However, the above-mentioned limit of thinning the tunnel oxide film is inconsistent with the scaling rule of low voltage, and scaling of the writing voltage becomes difficult. I have.

【0005】一方、MONOS(Metal-Oxide-Nitride-O
xide Semiconductor) 型不揮発性メモリでは、電荷保持
を主体的に担っているSiN膜中のキャリアトラップが
膜厚方向及び平面方向に離散化して拡がっているため
に、データ保持特性が、トンネル酸化膜厚のほかに、S
iN膜中のキャリアトラップに捕獲される電荷のエネル
ギー的及び空間的な分布に依存する。このため、トンネ
ル酸化膜の薄膜化の問題はFG型ほど深刻ではない。
On the other hand, MONOS (Metal-Oxide-Nitride-O
xide Semiconductor) type non-volatile memory, the carrier retention in the SiN film, which is mainly responsible for the charge retention, is discrete and spreads in the film thickness direction and the plane direction, so that the data retention characteristic is the tunnel oxide film thickness. Besides, S
It depends on the energy and spatial distribution of the charge trapped by the carrier trap in the iN film. Therefore, the problem of thinning the tunnel oxide film is not as serious as that of the FG type.

【0006】図8は、従来のMONOS型不揮発性メモ
リトランジスタの基本的構造である。このMONOS型
不揮発性メモリトランジスタ100では、シリコン基板
102のチャネル形成領域102a上に、トンネル酸化
膜104,SiN膜106,トップ酸化膜108からな
るゲート絶縁膜110が形成され、ゲート絶縁膜110
を介してゲート電極112が積層されている。なお、図
8中、符号114は、チャネル形成領域102aを挟ん
でシリコン基板内に形成されたソース不純物領域および
ドレイン不純物領域である。
FIG. 8 shows a basic structure of a conventional MONOS type nonvolatile memory transistor. In the MONOS nonvolatile memory transistor 100, a gate insulating film 110 including a tunnel oxide film 104, a SiN film 106, and a top oxide film 108 is formed on a channel formation region 102a of a silicon substrate 102.
, The gate electrode 112 is laminated. In FIG. 8, reference numeral 114 denotes a source impurity region and a drain impurity region formed in the silicon substrate with the channel formation region 102a interposed therebetween.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のMON
OS型不揮発性メモリでは、データ保持特性と、データ
書き込みの速度および電圧はトレードオフの関係にあ
り、データ保持特性を満足なレベルで維持し又は向上し
ながら、データ書き込みの高速化及び低電圧化を図るこ
とが困難であった。データ保持特性を高レベルで満足さ
せるには、トンネル酸化膜とSiN膜の膜厚を更に最適
化する必要がある。ところが、製造上の理由からSiN
膜の薄膜化が難しいことが原因で、現状では、トンネル
酸化膜とSiN膜の膜厚の単なる最適化だけでは、デー
タ書き込みの高速化および低電圧化トレンドに適合でき
ないことが問題となっている。
However, the conventional MON
In the OS type non-volatile memory, there is a trade-off relationship between the data retention characteristic and the data writing speed and voltage, and while maintaining or improving the data retention characteristic at a satisfactory level, the speed of data writing and the reduction of the voltage are reduced. It was difficult to achieve. In order to satisfy the data retention characteristics at a high level, it is necessary to further optimize the thicknesses of the tunnel oxide film and the SiN film. However, for manufacturing reasons, SiN
At present, the problem is that simply optimizing the thicknesses of the tunnel oxide film and the SiN film cannot meet the trend of increasing the speed of data writing and lowering the voltage, because it is difficult to make the film thinner. .

【0008】以下、この従来のMONOS型不揮発性メ
モリが抱える課題を、トンネル酸化膜厚とSiN膜厚と
の関係、及び製造上の理由によるSiNの膜厚限界の2
つの視点から整理して述べる。
[0008] The problems of the conventional MONOS type non-volatile memory are as follows: the relationship between the tunnel oxide film thickness and the SiN film thickness;
It is organized and described from two viewpoints.

【0009】トンネル酸化膜厚とSiN膜厚との関係 先に記述したように、従来のMONOS型不揮発性メモ
リトランジスタは、FG型に比べデータ保持特性が劣る
ことが問題になっており、開発当初は、トンネル酸化膜
またはSiN膜の厚みを比較的厚く設計することによ
り、85℃で10年のデータ保持特性を達成してきた。
ところが、データ保持特性を維持しながら書き込みの高
速化及び低電圧化を進める上で、トンネル酸化膜とSi
N膜の膜厚の最適化が必要となってきた。この膜厚最適
化については、2種類の考え方が存在する。第1の考え
方によれば、トンネル酸化膜を2.0nm程度に薄膜化
して、SiN膜を比較的厚膜化(10nm以上に)す
る。対する第2の考え方では、トンネル酸化膜を約2.
5nm〜3.0nmに厚膜化して、SiN膜をある程度
薄膜化する(但し、SiN膜厚は、後述するように約5
nmが限度である)。
Relationship between Tunnel Oxide Film Thickness and SiN Film Thickness As described above, the conventional MONOS type nonvolatile memory transistor has a problem that its data retention characteristics are inferior to the FG type nonvolatile memory transistor. Has achieved a data retention characteristic of 10 years at 85 ° C. by designing the tunnel oxide film or SiN film to be relatively thick.
However, in order to increase the writing speed and lower the voltage while maintaining the data retention characteristics, the tunnel oxide film and the Si
It has become necessary to optimize the thickness of the N film. There are two ways to optimize the film thickness. According to the first concept, the thickness of the tunnel oxide film is reduced to about 2.0 nm, and the thickness of the SiN film is relatively increased (to 10 nm or more). On the other hand, the second concept is to set the tunnel oxide film to about 2.
The SiN film is thinned to some extent by increasing the thickness to 5 nm to 3.0 nm (however, the SiN film thickness is about 5
nm is the limit).

【0010】いずれの最適化法でも、85℃で10年の
データ保持が達成されているが、データ書き込み電圧
(プログラム電圧)は前者で約12V、後者で約10V
が限界である。メモリセル内のトランジスタが単一な1
トランジスタセルでは、プログラム電圧の低減につい
て、これ以上の改善は難しい。現状で更なる低電圧化を
達成するには、トンネル酸化膜を更に薄膜化する必要が
あり、これとともに劣化するデータ保持特性を、選択ト
ランジスタをセル毎に付加することでストレスリーク低
減の面から補償する必要がある。ところが、この場合、
セル面積が増大し高集積化,大容量化のトレンドに逆行
する結果を招いてしまう。データ書き込み速度(プログ
ラム速度)については、上記した如くトンネル酸化膜ま
たはSiN膜のいずれかが比較的厚く制限されていたた
め、現状では、約1ms〜10msと高速化が未だ充分
ではない。これ以上のプログラム高速化を達成したい場
合、プログラム電圧を10V以上と逆に上げなければな
らないが、これはプログラム電圧低減の要請、即ち素子
微細化が進むなかでデバイス信頼性を確保し、また高電
圧発生のための回路的な負担を減らしたいという要求に
合致しない。
In any of the optimization methods, data retention at 85 ° C. for 10 years is achieved, but the data write voltage (program voltage) is about 12 V in the former and about 10 V in the latter.
Is the limit. A single transistor in a memory cell
In the transistor cell, further reduction in the program voltage is difficult. In order to achieve even lower voltage at present, it is necessary to further reduce the thickness of the tunnel oxide film, and the data retention characteristics that deteriorate with this are added from the aspect of reducing stress leakage by adding a select transistor to each cell. Need to compensate. However, in this case,
As the cell area increases, a result that goes against the trend of higher integration and higher capacity is caused. As for the data writing speed (program speed), either the tunnel oxide film or the SiN film is relatively thick as described above, and at present, the speed is still not sufficiently increased to about 1 ms to 10 ms. If it is desired to achieve a higher programming speed, the programming voltage must be increased to 10 V or more. This is required to reduce the programming voltage, that is, to secure device reliability as device miniaturization progresses. It does not meet the requirement to reduce the circuit load for generating voltage.

【0011】製造上の理由によるSiNの膜厚限界 MONOS型不揮発性メモリにおいては、メモリトラン
ジスタの書換可能回数の低下防止を図るために、ゲート
電極からSiN膜へのホール注入をトップ酸化膜によっ
て有効に抑止しなければならない。このため、トップ酸
化膜の膜厚は、最低でも3.5nm〜4.5nm程度、
好ましくは4nm以上が必要であることが経験的に知ら
れている。このトップ酸化膜は、通常、SiN膜を熱酸
化することにより形成されるが、この場合のSiN膜の
熱酸化工程で、下地のSiN膜が薄いとピンホール或い
は膜質の不均一等のために生じる異常酸化が発生するこ
とがあり、これを抑止するためにSiN膜の薄膜化につ
いても一定の限界がある。
In a MONOS type nonvolatile memory having a thickness limit of SiN due to manufacturing reasons , in order to prevent a decrease in the number of rewritable times of a memory transistor, holes can be effectively injected from a gate electrode into a SiN film by a top oxide film. Must be deterred. For this reason, the thickness of the top oxide film is at least about 3.5 nm to 4.5 nm,
It is empirically known that 4 nm or more is required. This top oxide film is usually formed by thermally oxidizing the SiN film. In this case, in the thermal oxidation process of the SiN film, if the underlying SiN film is thin, pinholes or uneven film quality may occur. The resulting abnormal oxidation may occur, and there is a certain limit in reducing the thickness of the SiN film in order to suppress this.

【0012】図9のグラフは、4nmのトップ酸化膜を
形成する場合、SiN膜の熱酸化後の残り膜厚(最終膜
厚)の限界を異常酸化による膜厚増大を観察することで
調べた結果を示す。図9の横軸は、SiN膜の最終膜厚
を示し、縦軸は基板上に形成された絶縁膜(ONO膜)
の総膜厚を示す。また、図9には、トンネル酸化膜を高
温短時間熱窒化(RTN)した場合と、RTNしない場
合の結果を併記している。SiNの最終膜厚が比較的に
厚いときは、絶縁膜の総膜厚が10nm〜15nm程度
である。SiN膜を薄くすると、RTNなしの場合で、
絶縁膜の総膜厚が8nm付近から急激に増大している。
これは、SiN膜のピンホール,膜質の不均一等により
部分的に酸化が進みトップ酸化膜がトンネル酸化膜と一
部つながることによって、以後は基板からSiが大量に
供給されることにより増速酸化が起こったことを示唆し
ている。このトップ酸化膜を4nm形成するために必要
なSiN膜の膜厚限界は、RTNを行うことにより改善
されるが、それでも約5nmである。これは、SiN膜
上に4nm以上のトップ酸化膜を熱酸化により形成した
結果の残りSiN膜厚を約5nm以下と薄くすること
は、現状プロセスでは困難であることを示している。
In the graph of FIG. 9, when a 4 nm top oxide film is formed, the limit of the remaining film thickness (final film thickness) after thermal oxidation of the SiN film was examined by observing an increase in film thickness due to abnormal oxidation. The results are shown. The horizontal axis in FIG. 9 indicates the final thickness of the SiN film, and the vertical axis indicates the insulating film (ONO film) formed on the substrate.
Shows the total film thickness. FIG. 9 also shows the results when the tunnel oxide film is subjected to high-temperature and short-time thermal nitridation (RTN) and when the RTN is not performed. When the final thickness of SiN is relatively large, the total thickness of the insulating film is about 10 nm to 15 nm. When the SiN film is thinned, in the case without RTN,
The total thickness of the insulating film sharply increases from around 8 nm.
This is because the oxidation progresses partially due to the pinholes of the SiN film and the unevenness of the film quality, and the top oxide film is partially connected to the tunnel oxide film. Thereafter, a large amount of Si is supplied from the substrate to increase the speed. It indicates that oxidation has occurred. The thickness limit of the SiN film required to form this top oxide film of 4 nm is improved by performing RTN, but is still about 5 nm. This indicates that it is difficult with the current process to reduce the remaining SiN film thickness to about 5 nm or less as a result of forming a top oxide film of 4 nm or more on the SiN film by thermal oxidation.

【0013】本発明は、かかる実情に鑑みてなされたも
のであり、その目的は、離散的なキャリアトラップに電
荷を電気的に蓄積し又は引き抜くことを基本動作とする
不揮発性半導体記憶装置について、そのゲート絶縁膜構
造の最適化を阻んでいる律束条件を緩和することによ
り、データ保持特性の向上、データ書き込みの高速化お
よび低電圧化、セル面積縮小(低コスト化)の少なくと
も何れかを他を犠牲にすることなく達成できる不揮発性
半導体記憶装置の製造方法を提案し、これを用いた新た
な構造の不揮発性半導体記憶装置を提供することであ
る。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a nonvolatile semiconductor memory device having a basic operation of electrically storing or extracting electric charges in discrete carrier traps. By alleviating the restrictive condition that hinders the optimization of the gate insulating film structure, at least one of improvement of data retention characteristics, speeding up and lowering of voltage of data writing, and cell area reduction (cost reduction) is achieved. An object of the present invention is to propose a method of manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device that can be achieved without sacrificing others, and to provide a nonvolatile semiconductor memory device having a new structure using the same.

【0014】[0014]

【課題を解決するための手段】MONOS型メモリの電
荷保持は、比較的に浅いSiN膜のバルクトラップと、
SiN膜とトップ酸化膜の界面付近に存在する深いトラ
ップの2種類のキャリアトラップによると従来から言わ
れてきた。最近になり、MONOS型メモリの電荷保持
では、msオーダの高速書込みを達成するプログラム電
圧条件下、SiN膜の比較的に浅いバルクキャリアトラ
ップ(トラップエネルギーレベル:約0.8eV)を主
として用いていることが明らかにされた。本発明者は、
電荷保持にSiN膜のバルクキャリアトラップではな
く、トップ酸化膜との界面付近に存在する深いキャリア
トラップを主として用いることで、上述した膜厚最適化
の限界を打開できると考えた。また、深いキャリアトラ
ップを積極的に用いることはデータ保持特性の改善に有
効であると考え、この改善効果を後述するシミュレーシ
ョンにより確かめることができた。そして、深いキャリ
アトラップを主として用いるためには、SiN膜そのも
のの薄膜化が重要であるとの知見を得た。この知見をも
とに、SiN膜を薄くするには、熱酸化によるトップ酸
化膜の形成法を見直した。その結果、熱酸化膜は必要最
小限にとどめ、その上に減圧CVD法による堆積膜を積
み増すことによってホール注入阻止のためのトップ酸化
膜厚を確保すると、データ保持特性の改善、データ書き
込みの高速化および低電圧化が同時に図れると結論する
に至った。
Means for Solving the Problems Charge retention of a MONOS type memory is achieved by bulk trapping of a relatively shallow SiN film,
Conventionally, two types of carrier traps, a deep trap existing near the interface between the SiN film and the top oxide film, have been described. In recent years, charge retention of a MONOS type memory mainly uses a relatively shallow bulk carrier trap (trap energy level: about 0.8 eV) of a SiN film under program voltage conditions for achieving high-speed writing on the order of ms. It was revealed. The inventor has
It was considered that the above-mentioned limit of the film thickness optimization can be overcome by mainly using a deep carrier trap existing near the interface with the top oxide film instead of the bulk carrier trap of the SiN film for charge retention. Also, it was considered that the active use of the deep carrier trap was effective in improving the data retention characteristics, and the effect of this improvement could be confirmed by a simulation described later. Then, it was found that it is important to reduce the thickness of the SiN film itself in order to mainly use a deep carrier trap. Based on this knowledge, the method of forming the top oxide film by thermal oxidation was reviewed to make the SiN film thinner. As a result, the thermal oxide film is kept to a necessary minimum, and the top oxide film for preventing the hole injection is secured by increasing the deposited film by the low pressure CVD method. It was concluded that high speed and low voltage could be achieved at the same time.

【0015】本発明は、上記経緯を経て考案されたもの
であり、いわばMOONOS(Metal-Oxide-Oxide-Nitri
de-Oxide Semiconductor) 型のゲート絶縁膜構造を有す
る不揮発性半導体メモリ、及び、その製造方法を新たに
提案するものである。すなわち、本発明に係る不揮発性
半導体記憶装置は、半導体のチャネル形成領域とメモリ
トランジスタのゲート電極との間に介在し、平面的に離
散化された電荷蓄積手段を含むゲート絶縁膜が、前記チ
ャネル形成領域側から順にトンネル膜,中間膜,トップ
膜を積層してなる不揮発性半導体記憶装置であって、前
記トップ膜が複数の絶縁膜を積層してなり、当該複数の
絶縁膜の最下層の膜が酸化膜であることを特徴とする。
The present invention has been devised in view of the above circumstances, so to speak, MOONOS (Metal-Oxide-Oxide-Nitri
A non-volatile semiconductor memory having a gate insulating film structure of a (de-Oxide Semiconductor) type and a method for manufacturing the same are newly proposed. That is, in the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention, the gate insulating film interposed between the semiconductor channel forming region and the gate electrode of the memory transistor and including the charge storage means discretely formed in a plane is formed by the channel insulating film. What is claimed is: 1. A non-volatile semiconductor memory device comprising a tunnel film, an intermediate film, and a top film laminated in this order from a formation region side, wherein the top film is formed by laminating a plurality of insulating films, and a lowermost layer of the plurality of insulating films is formed. The film is an oxide film.

【0016】好ましくは、前記トップ膜が、前記中間膜
上の第1の酸化膜と、当該第1の酸化膜上の第2の酸化
膜とから構成されている。トップ酸化膜中に電荷トラッ
プを形成させないためである。また、ホール注入阻止の
観点から、好ましい前記トップ膜の膜厚は3.5nm以
上である。
[0016] Preferably, the top film includes a first oxide film on the intermediate film and a second oxide film on the first oxide film. This is because a charge trap is not formed in the top oxide film. Further, from the viewpoint of preventing hole injection, the preferable thickness of the top film is 3.5 nm or more.

【0017】好ましくは、前記中間膜は窒化膜,窒化シ
リコン膜,酸化窒化膜の何れかであり、その膜厚は5n
m以下である。また、前記中間膜と前記トップ膜との間
には、両者の中間の組成を有する遷移層が介在し、或い
は両者の界面付近に、トラップエネルギーのレベル(伝
導帯とのエネルギー差)が2.0eVより大きな深い電
荷トラップを高濃度に有する。一方、前記トンネル膜
は、前記チャネル形成領域上の酸化膜と、当該酸化膜上
の酸化窒化膜から構成させてもよい。
Preferably, the intermediate film is any one of a nitride film, a silicon nitride film, and an oxynitride film, and has a thickness of 5n.
m or less. Further, a transition layer having a composition intermediate between the intermediate film and the top film is interposed between the intermediate film and the top film, or the level of the trap energy (the energy difference from the conduction band) is 2. High concentration of deep charge traps greater than 0 eV. On the other hand, the tunnel film may include an oxide film on the channel formation region and an oxynitride film on the oxide film.

【0018】このような構成の不揮発性半導体記憶装置
では、トップ膜が複数の膜から構成され、その最下層の
膜が酸化膜であることから、このトップ酸化膜に必要な
3.5nm以上の膜厚全てを、中間膜(例えば、SiN
膜またはSiON膜)の熱酸化で形成する必要がない。
このため、熱酸化時間が短くてすみ、中間膜の初期膜厚
を薄く設定しても従来から問題となっていたトップ膜成
膜中の異常酸化(増速酸化)が起り難くなる。この結
果、中間膜の薄膜化(例えば、5nm以下)が可能とな
る。
In the nonvolatile semiconductor memory device having such a configuration, the top film is composed of a plurality of films, and the lowermost film is an oxide film. The entire film thickness is changed to an intermediate film (for example, SiN
(Film or SiON film).
For this reason, the thermal oxidation time can be short, and even if the initial film thickness of the intermediate film is set to be small, abnormal oxidation (increased oxidation) during the formation of the top film, which has conventionally been a problem, is unlikely to occur. As a result, the thickness of the intermediate film can be reduced (for example, 5 nm or less).

【0019】従来の不揮発性半導体記憶装置では、電荷
保持を担っているゲート絶縁膜中のキャリアトラップが
主にバルクトラップであり、これは中間膜の膜厚方向及
び平面方向に離散的に拡がっていた。上記中間膜の薄膜
化によって、トップ膜との界面付近に形成される深いキ
ャリアトラップをより積極的に利用することとなること
から、保持電荷の分布中心(電荷重心)が、中間膜厚で
規格化して比較すると従来に比べ相対的に基板から離れ
ることとなる。中間膜を薄膜化すると、バルクトラップ
による電荷保持量は減るが、深いキャリアトラップが電
荷保持に主体的な役割を果たすようになることから、総
電荷保持量の低下はみられない。また、中間膜厚の薄膜
化は電荷保持の面では不利であるが、深いキャリアトラ
ップ中の電荷は抜けにくいうえ、中間膜内における電荷
重心が基板から離れることから、電荷保持特性は劣化し
ない。さらに、中間膜を薄くすることよってゲート絶縁
膜全体の膜厚が減って、データ書き込みの低電圧化に有
利となる。このことは、書き込み電圧を下げる必要がな
いのであれば、中間膜を薄膜化しただけトンネル膜を厚
くできる余地が生じることを意味する。トンネル膜を厚
くすると、電荷保持特性が向上するのみならず、消去時
にゲート閾値電圧がディプレッション領域になりずらく
エンハンスメントで飽和するメモリ特性を得やすくな
る。
In a conventional non-volatile semiconductor memory device, carrier traps in a gate insulating film for retaining charges are mainly bulk traps, which are discretely spread in the thickness direction and the plane direction of an intermediate film. Was. By making the intermediate film thinner, deep carrier traps formed near the interface with the top film are more actively used, so that the center of charge distribution (charge center) is defined by the intermediate film thickness. In comparison, the distance from the substrate is relatively large as compared with the related art. When the intermediate film is made thinner, the amount of charge retained by the bulk trap decreases, but the total carrier retention does not decrease because the deep carrier trap plays a main role in retaining the charge. Although the thinning of the intermediate film is disadvantageous in terms of charge retention, the charge in a deep carrier trap is hard to escape, and the charge center in the intermediate film is separated from the substrate, so that the charge retention characteristics do not deteriorate. Further, by reducing the thickness of the intermediate film, the thickness of the entire gate insulating film is reduced, which is advantageous for lowering the voltage of data writing. This means that if the write voltage does not need to be reduced, there is room for increasing the thickness of the tunnel film by reducing the thickness of the intermediate film. When the tunnel film is thickened, not only the charge retention characteristics are improved, but also a memory characteristic in which the gate threshold voltage is unlikely to be in a depletion region at the time of erasure and is saturated by enhancement is easily obtained.

【0020】一方、上記した熱酸化時間の短縮にともな
って、デバイスが高温に曝される時間が短くなる。これ
によって、不純物再配置の抑制、即ち、基板またはウェ
ル中のチャネル形成領域の濃度分布、ソース・ドレイン
領域の深さ及び濃度分布の変動が小さくなる。この変動
が余りに大きいと最終的な不純物分布の予測が困難であ
るが、本製法では上記変動を小さく抑えることができる
ことから、不純物分布の制御性が向上する。この結果、
所望のゲート閾値電圧を得るため或いはショートチャネ
ル効果抑制等のために、最適な不純物分布が得やすくな
る。
On the other hand, as the thermal oxidation time is shortened, the time during which the device is exposed to a high temperature is shortened. As a result, suppression of impurity rearrangement, that is, fluctuations in the concentration distribution of the channel formation region in the substrate or the well, and the depth and concentration distribution of the source / drain regions are reduced. If this variation is too large, it is difficult to predict the final impurity distribution. However, in the present production method, since the above variation can be suppressed to a small value, the controllability of the impurity distribution is improved. As a result,
In order to obtain a desired gate threshold voltage or to suppress a short channel effect, an optimum impurity distribution is easily obtained.

【0021】本発明に係る不揮発性半導体記憶装置の製
造方法では、メモリトランジスタのゲート電極となる導
電膜の成膜に先立って、半導体のチャネル形成領域上に
トンネル膜,中間膜,トップ膜を順に積層させることに
より、平面的に離散化された電荷蓄積手段を含むゲート
絶縁膜を成膜する不揮発性半導体記憶装置の製造方法で
あって、前記中間膜を、その最終的な膜厚より厚い膜厚
で前記トンネル膜上に成膜し、前記中間膜上に前記トッ
プ膜を積層するに際し、中間膜の表面を熱酸化して熱酸
化膜を形成した後、当該熱酸化膜上に、CVD法により
酸化膜を堆積することを特徴とする。
In the method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention, a tunnel film, an intermediate film, and a top film are sequentially formed on a channel formation region of a semiconductor prior to formation of a conductive film serving as a gate electrode of a memory transistor. A method for manufacturing a non-volatile semiconductor memory device, comprising forming a gate insulating film including charge storage means discretized in a plane by stacking, wherein said intermediate film is a film thicker than its final film thickness. Forming a thermal oxide film by thermally oxidizing the surface of the intermediate film when laminating the top film on the intermediate film, and then forming a CVD method on the thermal oxide film. And depositing an oxide film.

【0022】この製法では、中間膜の表面を熱酸化した
後、当該熱酸化膜上にCVD法により酸化膜を積み増す
ことから、熱酸化は、中間膜との界面付近で深いキャリ
アトラップが高濃度に形成できる必要最小限でよい。C
VDでは、その成膜原料が中間膜からではなく導入ガス
から供給され、いくら厚く成膜しても増速酸化は起こら
ない。また、CVD法は熱酸化法にくらべ成膜温度が低
く、CVD法による酸化膜の割合が多ければそれだけ不
純物再配置が抑えられる。
In this manufacturing method, after the surface of the intermediate film is thermally oxidized, an oxide film is deposited on the thermal oxide film by the CVD method. Therefore, in the thermal oxidation, a deep carrier trap near the interface with the intermediate film is high. The minimum required to be able to form the concentration is sufficient. C
In the case of VD, the film forming raw material is supplied not from the intermediate film but from the introduced gas, and no accelerated oxidation occurs even if the film is formed thick. Further, the CVD method has a lower deposition temperature than the thermal oxidation method, and the higher the proportion of the oxide film formed by the CVD method, the more the impurity rearrangement can be suppressed.

【0023】[0023]

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る不揮発性半導
体記憶装置及びその製造方法を、図面を参照しながら詳
細に説明する。本発明は、従来よりも深いキャリアトラ
ップを主体的に活用できるメモリトランジスタのゲート
絶縁膜構造を提案するものである。このため、ここでの
説明はゲート絶縁膜構造を中心にメモリトランジスタの
構成及びその製造方法について行う。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a nonvolatile semiconductor memory device and a method of manufacturing the same according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The present invention proposes a gate insulating film structure of a memory transistor in which a deeper carrier trap can be mainly used than before. For this reason, the description here will focus on the configuration of the memory transistor and the method of manufacturing the memory transistor, focusing on the gate insulating film structure.

【0024】図1は、本発明の実施形態に係るMONO
S型メモリトランジスタの素子構造を示す断面図であ
る。また、図2及び図3は、当該MONOS型メモリト
ランジスタのゲート絶縁膜構造の変形例を示す断面図で
ある。図中、符号1はn型またはp型の導電型を有する
シリコンウェーハ等の半導体基板またはウェル、1aは
チャネル形成領域、2および4は当該メモリトランジス
タのソース領域およびドレイン領域を示す。本発明にお
ける「チャネル形成領域」とは、その表面側内部に電子
または正孔が導電するチャネルが形成される領域をい
い、図1に示すように半導体基板そのものの表面領域の
ほか、半導体基板内の表面側に形成されたウェルの表面
部分、半導体基板面に形成したエピタキシャル成長層の
表面部分、或いはSOI(Silicon On Insulator)型の絶
縁構造を有する半導体層など、種々の形態がある。ま
た、ソース領域2及びドレイン領域4は、チャネル形成
領域1aと逆導電型の不純物を高濃度に半導体基板1に
導入することにより形成された導電率が高い領域であ
り、種々の形態がある。通常、ソース領域2及びドレイ
ン領域4のチャネル形成領域1aに臨む基板表面位置
に、LDD(Lightly Doped Drain) と称する低濃度不純
物領域を具備させることが多い。
FIG. 1 shows a MONO according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating an element structure of an S-type memory transistor. 2 and 3 are cross-sectional views showing a modification of the gate insulating film structure of the MONOS memory transistor. In the figure, reference numeral 1 denotes a semiconductor substrate or well such as a silicon wafer having n-type or p-type conductivity, 1a denotes a channel formation region, and 2 and 4 denote a source region and a drain region of the memory transistor. The “channel forming region” in the present invention refers to a region in which a channel through which electrons or holes are conducted is formed inside the surface side, and as shown in FIG. 1, in addition to the surface region of the semiconductor substrate itself, There are various forms such as a surface portion of a well formed on the surface side of the semiconductor substrate, a surface portion of an epitaxial growth layer formed on a semiconductor substrate surface, or a semiconductor layer having an SOI (Silicon On Insulator) type insulating structure. The source region 2 and the drain region 4 are regions having high conductivity formed by introducing impurities of the opposite conductivity type to the channel formation region 1a into the semiconductor substrate 1 at a high concentration, and have various forms. Usually, a low-concentration impurity region called an LDD (Lightly Doped Drain) is often provided at the substrate surface position facing the channel forming region 1a of the source region 2 and the drain region 4.

【0025】チャネル形成領域1a上には、ゲート絶縁
膜6を介してメモリトランジスタのゲート電極8が積層
されている。ゲート電極8は、一般に、p型またはn型
の不純物が高濃度に導入されて導電化されたポリシリコ
ン(doped poly-Si) 、又はdoped poly-Si と高融点金属
シリサイドとの積層膜からなる。
On the channel forming region 1a, a gate electrode 8 of the memory transistor is stacked via a gate insulating film 6. The gate electrode 8 is generally made of polysilicon (doped poly-Si) doped with p-type or n-type impurities at a high concentration and made conductive, or a laminated film of doped poly-Si and refractory metal silicide. .

【0026】本実施形態におけるゲート絶縁膜6は、下
層から順に、トンネル膜10,中間膜12,トップ膜1
4(第1の酸化膜14aおよび第2の酸化膜14b)か
ら構成されている。
In the present embodiment, the gate insulating film 6 includes a tunnel film 10, an intermediate film 12, and a top film 1 in order from the lower layer.
4 (a first oxide film 14a and a second oxide film 14b).

【0027】本発明における中間膜12は、熱酸化膜と
の間に深いキャリアトラップを高密度に形成する必要が
あり、このため、例えば窒化シリコン(SiN)または
酸化窒化シリコン(SiON)から構成される。この中
間膜12は、5nm以下と従来より薄膜化されており、
その理由については後述する。本発明におけるトップ膜
は、最下層の膜が熱酸化膜である積層膜であればよく、
その熱酸化膜上の上層膜の数および種類に限定はない。
ただし、熱酸化膜上の膜は、中間膜12を薄膜化するこ
ととの関係上、成膜時に中間膜の膜減りを伴わないこと
が要求される。また、成膜時の温度が熱酸化に比べて低
いこと、熱酸化膜との間に余り深いトラップを形成しな
いことも必要とされる。以上の要件を満足するトップ膜
の最も簡素な構成として、本実施形態では、トップ膜を
熱酸化膜(第1の酸化膜14a)とその上の第2の酸化
膜14bで構成し、しかも第2の酸化膜14bをCVD
法による堆積膜としている。なお、トップ膜14の膜厚
は、ゲート電極8からのホールの注入を有効に阻止して
データ書換可能な回数の低下防止を図るために、最低で
も3.5nm、好ましくは4.0nm以上が必要であ
る。
In the present invention, the intermediate film 12 needs to form deep carrier traps at a high density between the intermediate film 12 and the thermal oxide film. For this reason, the intermediate film 12 is made of, for example, silicon nitride (SiN) or silicon oxynitride (SiON). You. This intermediate film 12 is thinner than before, that is, 5 nm or less.
The reason will be described later. The top film in the present invention may be a laminated film in which the lowermost film is a thermal oxide film,
There is no limitation on the number and type of upper layers on the thermal oxide film.
However, the film on the thermal oxide film is required not to be reduced in the thickness of the intermediate film at the time of film formation because of the thinning of the intermediate film 12. It is also necessary that the temperature at the time of film formation is lower than that of thermal oxidation, and that a trap not too deep between the film and the thermal oxide film be formed. As the simplest configuration of the top film that satisfies the above requirements, in the present embodiment, the top film is constituted by a thermal oxide film (first oxide film 14a) and a second oxide film 14b thereon. 2 oxide film 14b by CVD
It is a deposited film by the method. The thickness of the top film 14 should be at least 3.5 nm, preferably at least 4.0 nm, in order to effectively prevent the injection of holes from the gate electrode 8 and prevent the number of times data can be rewritten. is necessary.

【0028】ところで、一般に、SiN膜を熱酸化する
ことにより発生し、両者の界面付近に形成される深いキ
ャリアトラップは、そのトラップエネルギーのレベル
(トラップレベル:伝導帯とのエネルギー差)が2.0
eV〜2.5eV程度であると推定されている。また、
アモルファスSiNのキャリアトラップの起源はSiダ
ングリングボンドであると推定され、電子スピン共鳴法
(ESR法)で確認されている。このSiダングリング
ボンドのトラップレベルは分光学的な方法で測定されて
おり、約2.5eVであることが知られている。
In general, a deep carrier trap generated by thermal oxidation of a SiN film and formed near the interface between the two has a trap energy level (trap level: energy difference from the conduction band) of 2. 0
It is estimated to be about eV to 2.5 eV. Also,
The origin of the carrier trap of amorphous SiN is assumed to be a Si dangling bond, and has been confirmed by an electron spin resonance method (ESR method). The trap level of this Si dangling bond is measured by a spectroscopic method and is known to be about 2.5 eV.

【0029】この深いキャリアトラップは、熱酸化膜が
ある程度の厚さがあれば形成されるとされるが、その厚
さの具体的な数値については余り知られていない。これ
に関し、5nmのSiN膜のうち、その1nmを熱酸化
すると1.6nmのSiO2膜が形成され、このときの
MONOS型トランジスタのゲート閾値電圧Vthの電荷
注入によるシフト量が約2Vになるとのデータがある。
このことから、熱酸化膜(第1の酸化膜14a)の膜厚
は、ゲート電極8からホールの注入を阻止するためにト
ップ膜として最低限必要な膜厚(3.5nm)より薄く
てよく、少なくとも1.6nm程度あれば、実用的なV
thソフト量は得られると結論できる。
This deep carrier trap is said to be formed if the thermal oxide film has a certain thickness, but the specific numerical value of the thickness is not known much. In this regard, of the 5 nm SiN film, when 1 nm is thermally oxidized, a 1.6 nm SiO 2 film is formed. At this time, the shift amount of the gate threshold voltage Vth of the MONOS transistor due to charge injection becomes about 2 V. There is data.
From this, the thickness of the thermal oxide film (first oxide film 14a) may be smaller than the minimum thickness (3.5 nm) required as the top film to prevent injection of holes from the gate electrode 8. If at least about 1.6 nm, a practical V
It can be concluded that th soft amount is obtained.

【0030】先に指摘したように、従来ではトップ膜に
必要な膜厚全てを熱酸化により形成していたため、Si
N膜を余り薄くすると増速酸化が生じ(図9)、膜構造
が破壊されることからSiN膜に膜厚制限があった。こ
のため、従来のMONOS型トランジスタでは、膜厚の
面内均一性やプロセス安定度を考慮すると、最終的なS
iN膜の膜厚を5nm以下にすることが難しかった。こ
れに対し、本発明では、トップ膜14を複数の層(例え
ば、2層酸化膜)とすることによって、最下層の熱酸化
膜14aの厚さを減らして増速酸化が起こるまえに熱酸
化を止め、以後は導入ガスから膜構成材が供給され増速
酸化の心配がないCVD法による酸化膜14bの積み増
しを可能としている。このため、本発明に係るMONO
S型トランジスタは、中間膜12の膜厚を薄く(例え
ば、5nm以下)しても信頼性上の問題を起こすことな
く安定にゲート絶縁膜構造を形成できる構造上の特徴が
あり、これが中間膜12の薄膜化が可能な理由である。
As pointed out above, conventionally, all the film thickness required for the top film is formed by thermal oxidation.
When the N film is too thin, accelerated oxidation occurs (FIG. 9), and the film structure is destroyed, so that the SiN film has a thickness limit. For this reason, in the conventional MONOS type transistor, considering the in-plane uniformity of the film thickness and the process stability, the final S
It was difficult to reduce the thickness of the iN film to 5 nm or less. On the other hand, in the present invention, by forming the top film 14 into a plurality of layers (for example, a two-layer oxide film), the thickness of the lowermost thermal oxide film 14a is reduced and thermal oxidation is performed before accelerated oxidation occurs. After that, the film constituent material is supplied from the introduced gas, and the accumulation of the oxide film 14b by the CVD method without the concern of the accelerated oxidation is made possible. For this reason, the MONO according to the present invention
The S-type transistor has a structural feature that enables a gate insulating film structure to be stably formed without causing a reliability problem even when the thickness of the intermediate film 12 is small (for example, 5 nm or less). This is the reason why the film thickness can be reduced to 12.

【0031】トンネル膜10は、一般に、熱酸化法によ
り形成したSiO2 膜で構成すると特性的に好ましいと
されるが、これをSiONから構成させてもよい。中間
膜12がSiNからなる場合、その下地となるトンネル
膜10をSiONから構成させると、特性的には劣るも
のの、中間膜12表面の荒さの増大を抑止できることか
らウェーハ前処理および成膜条件を最適化しやすいとい
った利点がある。また、両者の利点を兼ね備えた構成と
して、図2に変形例1として示すように、トンネル膜1
0を下層のSiO2 膜10aと、上層のSiON膜10
bから構成してもよい。トンネル膜10については特に
膜厚制限はないが、使用用途、又は後述する諸特性のう
ちどの特性を重視するかに応じて、2.0nmから3.
4nmまでの範囲で適宜、膜厚設定が可能である。さら
に好ましい(限定的な)膜厚範囲を例示すれば、これは
トンネル膜10がRTN処理されているか否かで異な
り、RTNを施さない場合は2.0nm〜2.5nm程
度、RTNを施す場合は2.6nm〜3.2nm程度と
なる。
It is generally considered that the tunnel film 10 is preferably formed of a SiO 2 film formed by a thermal oxidation method in terms of characteristics. However, the tunnel film 10 may be formed of SiON. When the intermediate film 12 is made of SiN, if the underlying tunnel film 10 is made of SiON, although the characteristics are inferior, an increase in the roughness of the surface of the intermediate film 12 can be suppressed. There is an advantage that it is easy to optimize. Further, as a configuration having both advantages, as shown in FIG.
0 is a lower SiO 2 film 10 a and an upper SiON film 10
b. There is no particular limitation on the film thickness of the tunnel film 10, but depending on the intended use or any of the characteristics described below, 2.0 nm to 3.
The film thickness can be appropriately set within a range up to 4 nm. An example of a more preferable (limited) film thickness range depends on whether or not the tunnel film 10 has been subjected to the RTN process. The case where the RTN is not performed is about 2.0 nm to 2.5 nm, and the case where the RTN is performed. Is about 2.6 nm to 3.2 nm.

【0032】なお、特に中間膜10がSiNからなる場
合、これを熱酸化すると熱酸化膜14aとの間に、図3
に示すように、組成がSiNからSiO2 に次第に変化
する遷移領域が形成されるが、この領域を一つの層(遷
移層13)と捉えれば、図3は本発明の変形例の一つ
(変形例2)であり、本発明の範疇に属する。特に図示
しないが、この場合の深いキャリアトラップは、遷移層
13内或いは遷移層13を中心とした領域に形成される
と予想される。
In particular, when the intermediate film 10 is made of SiN, when it is thermally oxidized, the intermediate film 10 and the thermal oxide film 14a are positioned between the intermediate film 10 and the thermal oxide film 14a.
As shown in FIG. 3, a transition region whose composition gradually changes from SiN to SiO 2 is formed. If this region is regarded as one layer (transition layer 13), FIG. Modification 2) and belongs to the category of the present invention. Although not particularly shown, a deep carrier trap in this case is expected to be formed in the transition layer 13 or in a region around the transition layer 13.

【0033】つぎに、本発明に係る不揮発性半導体記憶
装置の製造方法について説明する。本製法の要点は今ま
での説明で触れたので、ここでトランジスタ全体の製法
及び特徴部分について簡単に補足する。トランジスタの
製造工程全体の流れは従来と基本的に変わらない。すな
わち、半導体基板(またはウェル)1に対し絶縁分離領
域の形成、ゲート閾値電圧Vth調整用のイオン注入等を
必要に応じて行った後、半導体基板1の能動領域上にゲ
ート絶縁膜6を介してゲート電極8を積層し、これと自
己整合的にソース・ドレイン領域2,4を形成し、層間
絶縁膜の成膜とコンタクト孔の形成を行い、ソース・ド
レイン電極形成、及び必要に応じて行う層間絶縁層を介
した上層配線の形成およびオーバーコート成膜と窓開け
工程等を経て、当該不揮発性半導体記憶装置を完成させ
る。
Next, a method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention will be described. Since the main points of the present manufacturing method have been described in the above description, the manufacturing method and the characteristic portion of the entire transistor will be briefly supplemented here. The flow of the entire transistor manufacturing process is basically the same as the conventional one. That is, after forming an insulating isolation region, ion implantation for adjusting the gate threshold voltage Vth, and the like as necessary in the semiconductor substrate (or well) 1, the gate insulating film 6 is formed on the active region of the semiconductor substrate 1 via the gate insulating film 6. To form source / drain regions 2 and 4 in a self-aligned manner, forming an interlayer insulating film and forming contact holes, forming source / drain electrodes, and, if necessary, The non-volatile semiconductor memory device is completed through the formation of the upper layer wiring via the interlayer insulating layer, the overcoat film formation, the window opening step, and the like.

【0034】本発明では、ゲート絶縁膜6の形成、特に
トップ膜(第1および第2の酸化膜14a,14b)の
成膜工程に特徴を有する。まず、半導体基板1の能動領
域(素子分離領域等により画成された基板表面)上にト
ンネル膜10を必要な膜厚、例えば2.0nmから3.
4nmまでの範囲で適宜設定する。トンネル膜10の形
成法は、基板表面を熱酸化してSiO2 膜を形成する
(図1又は図3)、基板表面を熱酸化して形成したSi
2 膜を窒化処理して全体をSiON膜とする(図1又
は図3)、或いは熱酸化SiO2 膜の一部を窒化処理し
てSiON膜とする(図2)等、トンネル膜10の材質
および構成に応じて適宜最適な方法を選択する。つぎ
に、トンネル膜10上に中間膜12を成膜する。中間膜
10の成膜は、CVD法により行う。このとき、中間膜
12の材質(SiN又はSiON)に応じて導入ガスが
適宜選択される。中間膜12の膜厚設定では、次の熱酸
化による膜減りを考慮して最終的な膜厚(5nm以下)
が得られるように、これより厚めの値が設定される。そ
して、中間膜表面を熱酸化することにより第1の酸化膜
14aを成膜し、次いで第1の酸化膜14a上にCVD
法、例えば減圧CVD法により第2の酸化膜14bを堆
積する。第1の酸化膜14aの膜厚は、例えば1.6n
m〜2.0nm程度が好ましく、第2の酸化膜14bの
膜厚はトップ膜14の合計膜厚が3.5nm以上で所定
値になるように設定される。その後は、ゲート電極8と
なる導電層の成膜工程に進み、以後、常法に従って当該
メモリトランジスタを完成させる。
The present invention is characterized by the formation of the gate insulating film 6, particularly the step of forming the top films (the first and second oxide films 14a and 14b). First, a tunnel film 10 is formed on the active region (substrate surface defined by element isolation regions and the like) of the semiconductor substrate 1 with a required thickness, for example, 2.0 nm to 3.
It is set appropriately within the range up to 4 nm. The tunnel film 10 is formed by thermally oxidizing the substrate surface to form an SiO 2 film (FIG. 1 or FIG. 3), and forming Si by thermally oxidizing the substrate surface.
The O 2 film is nitrided to form an entire SiON film (FIG. 1 or FIG. 3), or a part of the thermally oxidized SiO 2 film is nitrided to form an SiON film (FIG. 2). An optimal method is appropriately selected according to the material and the configuration. Next, an intermediate film 12 is formed on the tunnel film 10. The formation of the intermediate film 10 is performed by the CVD method. At this time, the introduced gas is appropriately selected according to the material (SiN or SiON) of the intermediate film 12. In setting the film thickness of the intermediate film 12, the final film thickness (5 nm or less) is taken into account in consideration of the film reduction due to the next thermal oxidation.
Is set to a value thicker than this. Then, a first oxide film 14a is formed by thermally oxidizing the surface of the intermediate film, and then CVD is performed on the first oxide film 14a.
The second oxide film 14b is deposited by a method, for example, a low pressure CVD method. The thickness of the first oxide film 14a is, for example, 1.6 n.
The thickness of the second oxide film 14b is preferably set to a predetermined value when the total thickness of the top film 14 is 3.5 nm or more. Thereafter, the process proceeds to the step of forming a conductive layer to be the gate electrode 8, and thereafter, the memory transistor is completed according to a conventional method.

【0035】つぎに、本発明でトップ膜14を複数の膜
(本例では、2層酸化膜14a,14b)から構成する
ことの利点(効果)を、中間膜12の薄膜化による特性
改善を明らかにすることによって述べる。
Next, the advantage (effect) of forming the top film 14 from a plurality of films (in this example, the two-layer oxide films 14a and 14b) in the present invention is to improve the characteristics by reducing the thickness of the intermediate film 12. Stated by clarification.

【0036】データ保持特性 データ保持特性を向上させるためには、トラップレベル
を深くして、保持電荷重心とチャネル形成領域1aとの
距離を大きくすることが重要となる。ここでは、データ
保持特性の解析モデルとしてランドキストのバックトン
ネリングモデルを用いた解析(シミュレーション)を行
い、その解析結果からトラップレベルの深さによるデー
タ保持特性の違いを調べた。このモデルでは、電極の散
逸の緩和定数(τ)を下記に示すように直接トンネリン
グの式で記述している。
Data Retention Characteristics In order to improve the data retention characteristics, it is important to increase the trap level and increase the distance between the center of gravity of the retained charges and the channel forming region 1a. Here, an analysis (simulation) was performed using a Landkist back tunneling model as an analysis model of the data retention characteristics, and the difference in the data retention characteristics depending on the trap level depth was examined from the analysis results. In this model, the relaxation constant (τ) of the dissipation of the electrode is described by a direct tunneling equation as shown below.

【0037】[0037]

【数1】 ここで、τO は固有トンネル確率、POXは酸化膜のトン
ネル確率、PN は窒化膜のトンネル確率、m* は有効質
量、φ2 は導電帯不連続、φt はトラップレベル、WOX
はトンネル酸化膜厚、xはトンネル酸化膜と窒化膜の界
面からの距離を示す。
(Equation 1) Here, τ O is the intrinsic tunnel probability, P OX is the tunnel probability of the oxide film, PN is the tunnel probability of the nitride film, m * is the effective mass, φ 2 is the conduction band discontinuity, φ t is the trap level, W OX
Indicates the thickness of the tunnel oxide film, and x indicates the distance from the interface between the tunnel oxide film and the nitride film.

【0038】図4〜図6は、ランドキストモデルを物理
モデルに用いたシミュレーションによるデータ保持を示
すグラフである。ここで、図4はトラップレベルが0.
8eVのバルクトラップを想定した場合、図5はトラッ
プレベルが1.5eVの場合、図6はトラップレベルが
2.2eVの深いキャリアトラップを想定した場合を示
す。また、各図とも電荷量は初期電荷で規格化したもの
をプロットしている。図7は、設定条件としての電荷分
布を示すグラフである。このときの膜構造条件として
は、トンネル酸化膜厚(RTN処理なし)を2.5n
m、SiN膜厚を4nm、トップ酸化膜厚を4nmとし
た。実際のバルクトラップは膜厚方向にほぼ一様に分布
しているとされるが、ここではトラップレベルの相違を
みるため電荷分布を深いキャリアトラップと同様にトッ
プ側に偏在させた。SiN膜とトップ酸化膜との界面付
近を想定して、キャリアトラップを他方界面を起点とし
てSiN膜中でほぼ3.4nmから4.0nmの間に分
布させている。
FIGS. 4 to 6 are graphs showing data retention by simulation using a Landkist model as a physical model. Here, FIG.
FIG. 5 shows a case where a trap level of 1.5 eV is assumed, and FIG. 6 shows a case where a deep carrier trap whose trap level is 2.2 eV is assumed. In each of the figures, the charge amount is plotted as normalized by the initial charge. FIG. 7 is a graph showing a charge distribution as a setting condition. At this time, the film structure condition is that the tunnel oxide film thickness (without RTN processing) is 2.5 n.
m, the SiN film thickness was 4 nm, and the top oxide film thickness was 4 nm. Although the actual bulk traps are assumed to be distributed almost uniformly in the film thickness direction, the charge distribution is unevenly distributed on the top side similarly to the deep carrier traps in order to see the difference in the trap levels. Assuming the vicinity of the interface between the SiN film and the top oxide film, the carrier traps are distributed between approximately 3.4 nm and 4.0 nm in the SiN film starting from the other interface.

【0039】図4のバルクトラップが0.8eVの場
合、保持電荷量は保持時間が経つにつれて減少してい
る。比較的長い時間(2時間以降)では、減少量がlo
g(t)に比例する傾向を示している。これに対し、図
5のトラップレベルが1.5eVの場合では、0.8e
Vのバルクトラップを用いた図4の場合と比較して、デ
ータ保持特性が格段に改善されていることが分かる。ま
た、2.2eVの深いキャリアトラップを用いた場合で
は、更にデータ保持特性が改善されていることが分か
る。この結果、深いキャリアトラップを主体的に用いる
と、SiN膜厚4.0nmと薄膜化された場合でも良好
なデータ保持特性を示すことに対し確証を得ることがで
きた。なお、このSiO2 /SiN界面の深いキャリア
トラップの濃度について、1〜2×1013/cm2 との
報告例があり、この数値からみてもメモリトランジスタ
のゲート閾値電圧Vthのシフト量を1.5V程度以上に
することは可能であると考えられる。また、上記シミュ
レーションによって、先に記述した実デバイスデータで
SiO2 /SiN=1.6nm/4nmにおいてVthシ
フト量2.0Vを示したことに対し理論的な裏づけをと
ることができた。
When the bulk trap shown in FIG. 4 has a voltage of 0.8 eV, the amount of retained charges decreases as the retention time elapses. In a relatively long time (after 2 hours), the amount of decrease is lo
It shows a tendency that is proportional to g (t). On the other hand, when the trap level of FIG. 5 is 1.5 eV, 0.8 e
It can be seen that the data retention characteristics are significantly improved as compared with the case of FIG. 4 using the V bulk trap. Also, it can be seen that when a deep carrier trap of 2.2 eV is used, the data retention characteristics are further improved. As a result, it was confirmed that when the deep carrier trap was mainly used, good data retention characteristics were exhibited even when the thickness of the SiN film was reduced to 4.0 nm. In addition, there is a report that the concentration of the deep carrier trap at the SiO 2 / SiN interface is 1 to 2 × 10 13 / cm 2, and the numerical value indicates that the shift amount of the gate threshold voltage Vth of the memory transistor is 1. It is considered possible to set the voltage to about 5 V or more. Further, the above simulations can theoretically support that the Vth shift amount of 2.0 V was exhibited at the SiO 2 /SiN=1.6 nm / 4 nm in the actual device data described above.

【0040】このランドキストモデルを物理モデルに用
いたシミュレーションは、中間膜12またはトンネル膜
10がSiONからなる場合、トンネル膜10が熱酸化
シリコン膜10aとSiON膜10bからなる場合(図
2)についても、それぞれ行った。トンネル膜10の表
面がSiONである場合、有効質量、バンド不整合の値
など物理定数は上記と異なるが、基本的にはほぼ同様な
結果が得られ中間膜厚4.0nmと薄膜化された場合で
も良好なデータ保持特性を示すことが分かった。
The simulation using this Landkist model as a physical model is based on the case where the intermediate film 12 or the tunnel film 10 is made of SiON, and the case where the tunnel film 10 is made of the thermally oxidized silicon film 10a and the SiON film 10b (FIG. 2). Also went respectively. When the surface of the tunnel film 10 is SiON, although the physical constants such as the effective mass and the band mismatch value are different from those described above, basically similar results were obtained, and the intermediate film thickness was reduced to 4.0 nm. It was found that even in this case, good data retention characteristics were exhibited.

【0041】データ書込み/消去における動作電圧 ゲート絶縁膜構造に関与するもう一つの重要な性能指標
として、データ書き込み/消去における動作電圧および
書き込み/消去時間がある。MONOS型不揮発性メモ
リにおけるデータ書き込み動作は、電子の絶縁膜内伝導
メカニズムが Modified FN(Fowler-Nordheim) Tunnel
ing 機構で説明されているため、低電圧書き込みにおい
ても、トンネル膜およびSiN膜に十分な高電界を印加
することが必要になる。このためには、ゲート絶縁膜の
SiO2 膜厚換算での薄膜化が重要である。従来はトン
ネル膜の表面をRTN処理した場合でもSiN膜は5n
m程度、膜厚の面内均一性およびプロセス安定度を考慮
すれば実際には更に厚くすることが必要であった(図9
参照)。本発明では、トップ膜厚を図9と同じく4nm
形成した場合、熱酸化膜(第1の酸化膜14a)が2n
mで済むことから中間膜12を4nm程度と薄くでき
る。この場合、電界強度を従来と同じと仮定すると、プ
ログラム電圧は従来の10Vから9V以下に低減できる
計算になる。このときのプログラム時間として1ms以
下が期待できる。また、中間膜12を4nmより薄くす
るか、第2の酸化膜14bを1.5nmとしてトップ膜
14を3.5nmと更に薄膜化することによりプログラ
ム電圧8V以下も達成可能である。
Operating Voltage in Data Writing / Erasing Another important performance index related to the gate insulating film structure is the operating voltage and writing / erasing time in data writing / erasing. In the data write operation in the MONOS type nonvolatile memory, the conduction mechanism of electrons in the insulating film is based on a modified FN (Fowler-Nordheim) Tunnel.
Because of the description of the ing mechanism, it is necessary to apply a sufficiently high electric field to the tunnel film and the SiN film even in low-voltage writing. For this purpose, it is important to reduce the thickness of the gate insulating film in terms of SiO 2 film thickness. Conventionally, even if the surface of the tunnel film is subjected to RTN treatment, the SiN film
In consideration of the in-plane uniformity of the film thickness and the process stability, it was actually necessary to further increase the thickness (FIG. 9).
reference). In the present invention, the top film thickness is set to 4 nm as in FIG.
If formed, the thermal oxide film (first oxide film 14a) is 2n
m, the thickness of the intermediate film 12 can be reduced to about 4 nm. In this case, assuming that the electric field strength is the same as the conventional one, the calculation is such that the program voltage can be reduced from the conventional 10 V to 9 V or less. At this time, a program time of 1 ms or less can be expected. In addition, a program voltage of 8 V or less can be achieved by making the intermediate film 12 thinner than 4 nm, or further reducing the thickness of the top film 14 to 3.5 nm with the second oxide film 14b being 1.5 nm.

【0042】また、上記した中間膜12の薄膜化は、動
作電圧の上昇を招くことなくトンネル膜10を厚くする
余裕を生じさせる。トンネル膜10を厚くすると、更な
るデータ保持特性の向上、またトンネル膜10のストレ
スリークが低減されてデータ書換回数の向上が期待でき
るほか、メモリセルを1トランジスタ化することが容易
となる。1トランジスタ構成のメモリセルでは、メモリ
トランジスタのゲート閾値電圧Vthがディプレッション
領域に入らない、常時エンハンス領域で動作するメモリ
セルとする必要がある。また、ディプレッション領域に
なった場合であっても、ソース領域2を正にバイアスし
た状態でデータ読み出すことができ、これにより読み出
し後のVthが実効的にエンハンスメント領域となり、1
トランジスタ構成のメモリセルが実現できる。この1ト
ランジスタ化することが容易となることにより、従来の
MONOS型不揮発性半導体記憶装置にセルごとに必要
であった選択トランジスタを省略でき、メモリセル面積
を縮小し、ひいてはチップ面積の縮小によるコスト削減
を図ることが可能となる。これにより、FG型不揮発性
半導体メモリのNOR型、AND型、NAND型あるい
はDINOR型等と同等のセル面積が、MONOS型不
揮発性半導体記憶装置でも達成できる。さらに、読み出
し速度の遅い用途については、メモリトランジスタ及び
高耐圧系トランジスタの面積を縮小することができ、更
なるコスト削減が達成できる。
The thinning of the intermediate film 12 provides a margin for increasing the thickness of the tunnel film 10 without increasing the operating voltage. When the thickness of the tunnel film 10 is increased, further improvement in data retention characteristics, reduction in stress leak of the tunnel film 10 and improvement in the number of times of data rewriting can be expected, and it becomes easy to make the memory cell into one transistor. In a memory cell having a one-transistor configuration, it is necessary that the gate threshold voltage Vth of the memory transistor does not enter the depletion region and the memory cell always operates in the enhancement region. Further, even in the case of the depletion region, data can be read out while the source region 2 is positively biased, so that Vth after readout effectively becomes the enhancement region and becomes one.
A memory cell having a transistor configuration can be realized. Since it is easy to use one transistor, the selection transistor required for each cell in the conventional MONOS type nonvolatile semiconductor memory device can be omitted, the memory cell area can be reduced, and the cost due to the chip area can be reduced. Reduction can be achieved. As a result, a cell area equivalent to that of the NOR type, AND type, NAND type, DINOR type, etc. of the FG type nonvolatile semiconductor memory can be achieved even with the MONOS type nonvolatile semiconductor memory device. Furthermore, for applications where the reading speed is low, the areas of the memory transistor and the high breakdown voltage transistor can be reduced, and further cost reduction can be achieved.

【0043】また、データ書込み/消去の際に用いるプ
ログラム電圧を低減できることにより、トランジスタの
世代によっては工程の兼用化が進む結果、高耐圧系のフ
ォトマスクマスクの一部が不要になり、低コスト化が図
れる。この一例として、例えばプログラム回路でのトラ
ンジスタ形成フォトマスクのうち、ゲート電極エッチン
グ、所望のVth調整イオン注入マスク形成(nチャネル
用,pチャネル用各1枚)およびドレイン耐圧を上げる
ための不純物領域オフセット用(nチャネル用,pチャ
ネル用各1枚)の最大で合計5枚のフォトマスクが省略
でき得る。
In addition, since the program voltage used for data writing / erasing can be reduced, the process can be shared depending on the generation of the transistor. As a result, a part of a high-breakdown-voltage photomask is not required, and the cost is reduced. Can be achieved. As an example of this, for example, of a transistor forming photomask in a program circuit, a gate electrode is etched, a desired Vth adjustment ion implantation mask is formed (one for n-channel and one for p-channel), and an impurity region offset for increasing drain withstand voltage is used. In this case, a total of five photomasks (one for n-channel and one for p-channel) can be omitted.

【0044】ところで、2.0eV以下の深いキャリア
トラップが形成される中間膜12の熱酸化工程では、デ
バイスが例えば900℃〜1000℃の高温に曝され
る。本発明では、熱酸化SiO2 膜が1.6nm〜2n
m程度と従来の半分以下の膜厚ですむことから、高温加
熱によるデバイスへの影響が緩和される。たとえば、不
純物再配置の抑制が図れる。すなわち、半導体基板1に
既に形成されているチャネル形成領域1aの濃度分布、
ソース・ドレイン領域2,4の深さ及び濃度分布の変動
が小さくなる。この変動が余りに大きいと最終的な不純
物分布の予測が困難であるが、本製法では上記変動を小
さく抑えることができることから、不純物分布の制御性
が向上する。この結果、所望のゲート閾値電圧を得るた
め或いはショートチャネル効果抑制等のために、最適な
不純物分布が得やすくなる。
In the thermal oxidation step of the intermediate film 12 in which a deep carrier trap of 2.0 eV or less is formed, the device is exposed to a high temperature of, for example, 900 ° C. to 1000 ° C. In the present invention, the thermally oxidized SiO 2 film has a thickness of 1.6 nm to 2 n.
Since the film thickness is only about m, which is less than half of the conventional thickness, the influence of high-temperature heating on the device is reduced. For example, impurity rearrangement can be suppressed. That is, the concentration distribution of the channel forming region 1a already formed on the semiconductor substrate 1,
Variations in the depth and concentration distribution of the source / drain regions 2 and 4 are reduced. If this variation is too large, it is difficult to predict the final impurity distribution. However, in the present production method, since the above variation can be suppressed to a small value, the controllability of the impurity distribution is improved. As a result, it becomes easier to obtain an optimum impurity distribution for obtaining a desired gate threshold voltage or suppressing a short channel effect.

【0045】[0045]

【実施例】以下、さらに具体的に、本発明の実施例につ
いて説明する。なお、以下の説明は、ゲート絶縁膜構造
とその成膜方法について行い、その他の特に言及しない
構成およびその製法は、上述した実施形態に従うものと
する。
EXAMPLES Hereinafter, examples of the present invention will be described more specifically. In the following description, the structure of the gate insulating film and the method of forming the gate insulating film will be described, and the structure and the manufacturing method thereof that are not particularly described will be in accordance with the above-described embodiment.

【0046】実施例1 本実施例は、図1の形態でトンネル膜10を熱酸化シリ
コン、中間膜12をSiNから構成させた場合である。
ゲート絶縁膜6の各構成膜厚は、トンネル酸化膜10が
2.5nm、中間膜(SiN膜)12が4.0nm、第
1の酸化膜(熱酸化膜)14aが2.0nm、第2の酸
化膜(CVD堆積膜)14bが2.0nmである。ゲー
ト電極8には、n型ポリシリコン電極を用いた。
Embodiment 1 This embodiment is a case where the tunnel film 10 is made of thermally oxidized silicon and the intermediate film 12 is made of SiN in the form shown in FIG.
The constituent thicknesses of the gate insulating film 6 are 2.5 nm for the tunnel oxide film 10, 4.0 nm for the intermediate film (SiN film) 12, 2.0 nm for the first oxide film (thermal oxide film) 14a, and 2.0 nm for the second oxide film. Oxide film (CVD deposited film) 14b is 2.0 nm. As the gate electrode 8, an n-type polysilicon electrode was used.

【0047】このゲート絶縁膜を形成は、まず、窒素で
希釈した高温短時間酸化法(RTO法)でシリコン基板
を熱酸化して、トンネル酸化膜10(厚み2.5nm)
を形成した。つぎに、減圧CVD法でSiN膜12を最
終膜厚が4.0nmとなるように、これより厚めに堆積
した。このCVDは、ジクロロシラン(DCS)とアン
モニアを混合した導入ガスを用い、基板温度650℃で
行った。この熱酸化膜上にSiN膜を形成では、予め、
出来上がり膜表面の荒さの増大を抑止するため下地面の
前処理(ウェーハ前処理)及び成膜条件を最適化した。
ウェーハ前処理を最適化していないとSiN膜の表面モ
フォロジーが悪く正確な膜厚測定ができないことから、
このウェーハ前処理を充分に最適化した上で、次の熱酸
化工程で膜減りするSiN膜の減少分を考慮した膜厚設
定を行った。形成したSiN膜表面を熱酸化法により酸
化して、第1の酸化膜14aを2.0nmの膜厚で形成
した。この熱酸化は、H2 O雰囲気中で950℃で行っ
た。これにより、トラップレベル(SiNの伝導帯から
のエネルギー差)が2.0eV〜2.5eV程度の深い
キャリアトラップが約1〜2×1013/cm2 の密度で
形成される。また、SiN膜12が1nmに対し熱酸化
シリコン膜が1.6nm形成され、この割合でSiN膜
厚が減少し、SiN膜12の最終膜厚は4nmとなっ
た。続いて、第1の酸化膜14a上に、第2の酸化膜1
4bを減圧CVD法により2.0nmだけ形成した。こ
のCVDは、DCSとN2 Oを混合した導入ガスを用い
て基板温度700℃で行った。最後に、ゲート電極8と
なるn型ポリシリコン膜を成膜した。その後、常法にし
たがい、ゲート電極加工、ソース・ドレイン領域および
電極の形成を行った。
To form this gate insulating film, first, a silicon substrate is thermally oxidized by a high-temperature short-time oxidation method (RTO method) diluted with nitrogen to form a tunnel oxide film 10 (2.5 nm thick).
Was formed. Next, the SiN film 12 was deposited thicker by a low pressure CVD method so that the final film thickness became 4.0 nm. This CVD was performed at a substrate temperature of 650 ° C. using an introduction gas in which dichlorosilane (DCS) and ammonia were mixed. In forming a SiN film on this thermal oxide film,
In order to suppress the increase in the roughness of the finished film surface, the pretreatment (wafer pretreatment) of the base surface and the film formation conditions were optimized.
Unless wafer pretreatment is optimized, the surface morphology of the SiN film is poor and accurate film thickness measurement is not possible.
After sufficiently optimizing the wafer pretreatment, the film thickness was set in consideration of the decrease in the SiN film which would decrease in the next thermal oxidation step. The surface of the formed SiN film was oxidized by a thermal oxidation method to form a first oxide film 14a having a thickness of 2.0 nm. This thermal oxidation was performed at 950 ° C. in an H 2 O atmosphere. As a result, a deep carrier trap having a trap level (energy difference from the conduction band of SiN) of about 2.0 eV to 2.5 eV is formed at a density of about 1 to 2 × 10 13 / cm 2 . In addition, the thermally oxidized silicon film was formed to 1.6 nm with respect to the SiN film 12 at 1 nm, and the SiN film thickness decreased at this ratio, and the final film thickness of the SiN film 12 became 4 nm. Subsequently, the second oxide film 1 is formed on the first oxide film 14a.
4b was formed to a thickness of 2.0 nm by a low pressure CVD method. This CVD was performed at a substrate temperature of 700 ° C. using an introduction gas in which DCS and N 2 O were mixed. Finally, an n-type polysilicon film to be the gate electrode 8 was formed. Thereafter, gate electrode processing, source / drain regions and electrodes were formed according to a conventional method.

【0048】このようにして試作した不揮発性メモリト
ランジスタをついて、その特性を評価した結果、予測通
りの良好な特性が得られることを確認した。すなわち、
動作速度に関しては、書き込み時間が0.2ms(書き
込み電圧9V)であり、消去時間がブロック1括消去で
50msを満足した。データ書換回数はキャリアトラッ
プが空間的に離散化されているために良好で100万回
を満足した。また、データ保持時間は、データ書換10
0万回後であっても85℃で10年を満足した。
The characteristics of the thus-produced nonvolatile memory transistor were evaluated. As a result, it was confirmed that good characteristics as expected were obtained. That is,
Regarding the operation speed, the writing time was 0.2 ms (writing voltage 9 V), and the erasing time satisfied 50 ms for the block erasing. Since the carrier trap is spatially discretized, the number of times of data rewriting was satisfactory and satisfied 1 million times. In addition, the data retention time is the data rewrite 10
Even after 100,000 times, 85 years was satisfied for 10 years.

【0049】実施例2 本実施例は、実施例1の中間膜12をSiN膜ではなく
SiON膜とした場合である。その他の膜、即ちトンネ
ル膜10,第1の酸化膜14aおよび第2の酸化膜14
bの構成(材質および膜厚)と成膜方法は、実施例1と
同じである。また、ゲート電極8の形成以後の工程も実
施例1と同様である。
Embodiment 2 This embodiment is a case where the intermediate film 12 of the embodiment 1 is not a SiN film but an SiON film. Other films, that is, the tunnel film 10, the first oxide film 14a, and the second oxide film 14
The configuration (material and film thickness) of b and the film forming method are the same as those in the first embodiment. The steps after the formation of the gate electrode 8 are the same as those in the first embodiment.

【0050】中間膜12の形成では、減圧CVD法でS
iON膜を最終膜厚4.0nmより所定量だけ、即ち次
工程の熱酸化での減少分だけ厚めに堆積した。このCV
Dは、DCSとアンモニアに加えN2 Oを混合した導入
ガスを用い、基板温度650℃で行った。このとき、実
施例1と同じ理由により、SiON膜の下地となる熱酸
化膜表面の前処理と成膜条件を最適化した上でCVDを
行った。実施例1と同様な条件で、SiON膜表面を熱
酸化して第1の酸化膜14aを形成した。これにより、
実施例1と同様なトラップレベルおよび密度で深いキャ
リアトラップが形成される。以後、実施例1と同様な工
程を経て当該トランジスタを完成させた。
In the formation of the intermediate film 12, S is formed by a low pressure CVD method.
An iON film was deposited thicker by a predetermined amount than the final film thickness of 4.0 nm, that is, by an amount reduced by thermal oxidation in the next step. This CV
D was performed at a substrate temperature of 650 ° C. using an introduction gas obtained by mixing N 2 O in addition to DCS and ammonia. At this time, for the same reason as in Example 1, CVD was performed after optimizing the pretreatment and the film forming conditions for the surface of the thermal oxide film serving as the base of the SiON film. Under the same conditions as in Example 1, the surface of the SiON film was thermally oxidized to form a first oxide film 14a. This allows
A deep carrier trap is formed at the same trap level and density as in the first embodiment. Thereafter, the transistor was completed through the same steps as in Example 1.

【0051】このようにして試作した不揮発性メモリト
ランジスタをついて、その特性を評価した結果、予測通
りの良好な特性が得られることを確認した。すなわち、
動作速度に関しては、書き込み時間が0.2ms(書き
込み電圧9V)であり、消去時間がブロック1括消去で
50msを満足した。データ書換回数はキャリアトラッ
プが空間的に離散化されているために良好で100万回
を満足した。また、データ保持時間は85℃で10年を
満足した。
The characteristics of the thus-produced nonvolatile memory transistor were evaluated. As a result, it was confirmed that good characteristics as expected were obtained. That is,
Regarding the operation speed, the writing time was 0.2 ms (writing voltage 9 V), and the erasing time satisfied 50 ms for the block erasing. Since the carrier trap is spatially discretized, the number of times of data rewriting was satisfactory and satisfied 1 million times. The data retention time was 10 years at 85 ° C.

【0052】実施例3 本実施例は、実施例1のトンネル膜10を、熱酸化膜そ
のものではなく熱酸化膜を窒化してSiON膜にした場
合である。このトンネル膜10の膜厚は、実施例1より
若干厚い2.8nmとした。その他の膜、即ち中間膜1
2,第1の酸化膜14aおよび第2の酸化膜14bの構
成(材質および膜厚)と成膜方法は、実施例1と同じで
ある。また、ゲート電極8の形成以後の工程も実施例1
と同様である。
Embodiment 3 In the present embodiment, the tunnel film 10 of the embodiment 1 is formed not by the thermal oxide film itself but by nitriding the thermal oxide film to form a SiON film. The thickness of the tunnel film 10 was 2.8 nm, which was slightly thicker than that of the first embodiment. Other films, ie, intermediate film 1
2. The configurations (materials and film thicknesses) of the first oxide film 14a and the second oxide film 14b and the film forming method are the same as those in the first embodiment. The steps after the formation of the gate electrode 8 are also the same as those in the first embodiment.
Is the same as

【0053】トンネル膜10の形成では、酸素を窒素で
希釈した高温短時間酸化(RTO)法でシリコン基板を
熱酸化して、まず熱酸化シリコン膜(厚み2.8nm)
を形成した。つぎに、短時間窒化(RTN)法を用い
て、熱酸化シリコン膜を窒化していき全てSiON膜に
した。この熱酸化膜全ての酸窒化は、NH3 ,N2 Oな
どのガス雰囲気中で、1000℃の加熱処理を数分間行
うことにより達成した。その後は、実施例1と同様に、
前処理と成膜条件を最適化したCVDによりSiN膜1
2を成膜した。このときの膜制御性は実施例1のときよ
り改善されていた。以後、同様な工程を経て当該トラン
ジスタを完成させた。なお、この場合も、第1の酸化膜
14aを形成する熱酸化時に実施例1と同様なトラップ
レベルおよび密度で深いキャリアトラップが形成され
る。
In forming the tunnel film 10, a silicon substrate is thermally oxidized by a high-temperature short-time oxidation (RTO) method in which oxygen is diluted with nitrogen, and a thermally oxidized silicon film (2.8 nm in thickness) is first formed.
Was formed. Next, the thermally oxidized silicon film was nitrided using a short-time nitridation (RTN) method, so that the entire silicon oxide film was turned into a SiON film. The oxynitridation of all the thermal oxide films was achieved by performing a heat treatment at 1000 ° C. for several minutes in a gas atmosphere such as NH 3 or N 2 O. After that, as in Example 1,
SiN film 1 by CVD with optimized pretreatment and film formation conditions
2 was formed. At this time, the film controllability was improved from that of Example 1. Thereafter, the transistor was completed through similar steps. Also in this case, a deep carrier trap is formed at the same trap level and density as in the first embodiment during the thermal oxidation for forming the first oxide film 14a.

【0054】このようにして試作した不揮発性メモリト
ランジスタについて、その特性を評価した。この場合、
トンネル膜がSiONであることから、これが熱酸化膜
である実施例1と比較して書き込み速度は若干遅くなる
が、他の特性は実施例1と同等で良好な特性が得られる
ことを確認した。すなわち、動作速度に関しては、書き
込み時間が1ms(書き込み電圧9V)であり、消去時
間がブロック1括消去で50msを満足した。データ書
換回数はキャリアトラップが空間的に離散化されている
ために良好で100万回を満足した。また、データ保持
時間は85℃で10年を満足した。
The characteristics of the thus manufactured non-volatile memory transistor were evaluated. in this case,
Since the tunnel film was SiON, the writing speed was slightly lower than that in Example 1 in which this was a thermal oxide film, but it was confirmed that other characteristics were the same as in Example 1 and good characteristics were obtained. . That is, as for the operating speed, the writing time was 1 ms (writing voltage 9 V), and the erasing time was 50 ms for the block erasing. Since the carrier trap is spatially discretized, the number of times of data rewriting was satisfactory and satisfied 1 million times. The data retention time was 10 years at 85 ° C.

【0055】実施例4 本実施例は、実施例1のトンネル膜10を、熱酸化膜1
0aとSiON膜10bの2層膜構造にした場合であ
る。このトンネル膜10の膜厚は、熱酸化膜10aが
2.4nm,SiON膜10bが0.4nmとし、合計
で実施例1より若干厚い2.8nmとした。その他の
膜、即ち中間膜12,第1の酸化膜14aおよび第2の
酸化膜14bの構成(材質および膜厚)と成膜方法は、
実施例1と同じである。また、ゲート電極8の形成以後
の工程も実施例1と同様である。
Embodiment 4 In this embodiment, the tunnel film 10 of the embodiment 1 is replaced with the thermal oxide film 1.
This is a case where a two-layer film structure of Oa and SiON film 10b is used. The thickness of the tunnel film 10 was 2.4 nm for the thermal oxide film 10a and 0.4 nm for the SiON film 10b. The configuration (material and film thickness) of the other films, that is, the intermediate film 12, the first oxide film 14a, and the second oxide film 14b, and the film forming method are as follows.
This is the same as the first embodiment. The steps after the formation of the gate electrode 8 are the same as those in the first embodiment.

【0056】トンネル膜10の形成では、酸素を窒素で
希釈した高温短時間酸化(RTO)法でシリコン基板を
熱酸化して、まず熱酸化シリコン膜10a(厚み2.8
nm)を形成した。つぎに、高温短時間窒化(RTN)
法を用いて、熱酸化シリコン膜10aの表面層(厚さ
0.4nm)からSiON膜10bを形成した。その後
は、実施例1と同様に、前処理と成膜条件を最適化した
CVDによりSiN膜12を成膜した。このときの膜制
御性は実施例1のときより改善されていた。以後、同様
な工程を経て当該トランジスタを完成させた。なお、こ
の場合も、第1の酸化膜14aを形成する熱酸化時に実
施例1と同様なトラップレベルおよび密度で深いキャリ
アトラップが形成される。
In forming the tunnel film 10, a silicon substrate is thermally oxidized by a high-temperature short-time oxidation (RTO) method in which oxygen is diluted with nitrogen, and first, a thermally oxidized silicon film 10a (having a thickness of 2.8) is formed.
nm). Next, high temperature short time nitriding (RTN)
The SiON film 10b was formed from the surface layer (thickness: 0.4 nm) of the thermal silicon oxide film 10a by using the method. Thereafter, as in Example 1, the SiN film 12 was formed by CVD in which the pretreatment and the film formation conditions were optimized. At this time, the film controllability was improved from that of Example 1. Thereafter, the transistor was completed through similar steps. Also in this case, a deep carrier trap is formed at the same trap level and density as in the first embodiment during the thermal oxidation for forming the first oxide film 14a.

【0057】このようにして試作した不揮発性メモリト
ランジスタをついて、その特性を評価した。この場合、
トンネル膜表面のみSiONであることから、実施例1
と同等特性が得られた。すなわち、動作速度に関して
は、書き込み時間が0.2ms(書き込み電圧9V)で
あり、消去時間がブロック1括消去で50msを満足し
た。データ書換回数はキャリアトラップが空間的に離散
化されているために良好で100万回を満足した。ま
た、データ保持時間は85℃で10年を満足した。
The characteristics of the thus manufactured non-volatile memory transistor were evaluated. in this case,
Example 1 since only the surface of the tunnel film was SiON
The same characteristics were obtained. That is, with respect to the operation speed, the writing time was 0.2 ms (writing voltage 9 V), and the erasing time was 50 ms in the block erasing. Since the carrier trap is spatially discretized, the number of times of data rewriting was satisfactory and satisfied 1 million times. The data retention time was 10 years at 85 ° C.

【0058】なお、上述した実施例1〜実施例4ではゲ
ート電極8がn型ポリシリコンからなる場合について示
したが、ゲート電極8がp型ポリシリコンからなる場合
では、とくに消去特性が改善され、本発明が適用可能で
あることは言うまでもない。
In the above-described first to fourth embodiments, the case where the gate electrode 8 is made of n-type polysilicon is shown. However, when the gate electrode 8 is made of p-type polysilicon, the erasing characteristics are particularly improved. Needless to say, the present invention is applicable.

【0059】[0059]

【発明の効果】本発明で新たに提案したMOONOS型
不揮発性半導体記憶装置では、電荷保持に2eVより深
い中間膜上部界面のキャリアトラップを用いることによ
り、中間膜を薄膜化してもデータ保持特性を維持又は向
上させることができる。とくに、 Modified FN Tunne
lingというメカニズムにより書き込み側の特性を落とす
ことなく、MONOS型不揮発性半導体記憶装置の欠点
であるデータ保持特性の改善ができる。
According to the MOONOS type nonvolatile semiconductor memory device newly proposed in the present invention, the carrier retention at the upper interface of the intermediate film, which is deeper than 2 eV, is used for the electric charge retention. Can be maintained or improved. Especially, Modified FN Tunne
The ling mechanism can improve the data retention characteristic, which is a drawback of the MONOS type nonvolatile semiconductor memory device, without deteriorating the characteristics on the write side.

【0060】また、中間膜の薄膜化により、データ保持
特性を維持又は向上させながらデータ書き込みの電圧、
速度の少なくとも何れかを低減できる。データ書き込み
電圧の低減により、微細化の進展にともなうデバイス信
頼性の確保および高電圧発生のための回路的負担を低減
できる。
Further, by reducing the thickness of the intermediate film, the data writing voltage,
At least one of the speeds can be reduced. By reducing the data write voltage, it is possible to secure device reliability and to reduce a circuit load for generating a high voltage as the miniaturization progresses.

【0061】中間膜の薄膜化は、書き込み時の電圧およ
び速度を悪化させることなくトンネル膜を厚くする余地
を生じさせる。このため、メモリトランジスタのゲート
閾値電圧Vthが消去時にディプレッション領域に入ら
ず、エンハンスメント領域で飽和する常時エンハンス型
のメモリセル実現が容易である。この結果、1トランジ
スタ構成のメモリセルの達成が容易となる。トンネル膜
を厚くし、メモリトランジスタのゲート閾値電圧Vthが
ディプレッション領域に入りずらくすると、ホールの注
入がおさえられ、このため、従来いわれているホールに
よるトンネル膜の劣化が抑止され、書き込み/消去の繰
り返し特性が向上する。
The reduction in the thickness of the intermediate film leaves room for increasing the thickness of the tunnel film without deteriorating the voltage and speed during writing. Therefore, it is easy to realize an always-enhanced memory cell in which the gate threshold voltage Vth of the memory transistor does not enter the depletion region at the time of erasing and saturates in the enhancement region. As a result, it is easy to achieve a one-transistor memory cell. If the thickness of the tunnel film is increased and the gate threshold voltage Vth of the memory transistor hardly enters the depletion region, injection of holes is suppressed. Therefore, the deterioration of the tunnel film due to holes, which is conventionally known, is suppressed, and writing / erasing is prevented. The repetition characteristics are improved.

【0062】1トランジスタ構成のメモリセルでは、選
択トランジスタを省略できることからメモリセル面積の
縮小化ができ、低コスト化,大容量化を図ることができ
る。データ書き込み電圧の低減の面からも、メモリトラ
ンジスタ及び高耐圧系トランジスタの面積縮小による低
コスト化、大容量化が図れる。加えて、この電圧低減
は、電圧振幅の縮小による低消費電力化をも可能とす
る。さらに、書き込み/消去の際に用いるプログラム回
路でのトランジスタと、読み出しの際に用いる論理回路
でのトランジスタが、同一のゲート酸化膜厚とすること
が、トランジスタの世代によっては可能となる。ゲート
酸化膜厚を同一とできれば、工程の兼用化に加えて高耐
圧系回路のフォトマスクの一部が不要となり、更なる低
コストにつながる。
In a one-transistor memory cell, the selection transistor can be omitted, so that the memory cell area can be reduced, and the cost and the capacity can be reduced. From the viewpoint of reducing the data write voltage, cost reduction and large capacity can be achieved by reducing the area of the memory transistor and the high breakdown voltage transistor. In addition, this voltage reduction enables lower power consumption by reducing the voltage amplitude. Further, depending on the generation of the transistor, it is possible that the transistor in the program circuit used for writing / erasing and the transistor in the logic circuit used for reading have the same gate oxide film thickness depending on the generation of the transistor. If the gate oxide film thickness can be made the same, a part of the photomask of the high breakdown voltage circuit becomes unnecessary in addition to the common use of the process, which leads to further lower cost.

【0063】以上より、本発明は、MONOS型トラン
ジスタのゲート絶縁構造において、中間膜を薄膜化する
ことによって、従来から指摘されてきたゲート絶縁構造
の最適化限界を打開するものであり、また、その結果と
して、微細ゲート長(0.18μm世代以降)での大容
量な不揮発性半導体メモリの実現に向けて大きく途を開
くものである。
As described above, according to the present invention, the optimization limit of the gate insulating structure, which has been pointed out conventionally, is overcome by reducing the thickness of the intermediate film in the gate insulating structure of the MONOS transistor. As a result, there is a huge gap in realizing a large-capacity nonvolatile semiconductor memory with a fine gate length (0.18 μm generation or later).

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

【図1】本発明の実施形態に係るMONOS型メモリト
ランジスタの素子構造を示す断面図である。
FIG. 1 is a sectional view showing an element structure of a MONOS type memory transistor according to an embodiment of the present invention.

【図2】図1のMONOS型メモリトランジスタのゲー
ト絶縁膜構造の変形例を示す断面図である。
FIG. 2 is a sectional view showing a modification of the gate insulating film structure of the MONOS type memory transistor of FIG. 1;

【図3】図1のMONOS型メモリトランジスタのゲー
ト絶縁膜構造の他の変形例を示す断面図である。
FIG. 3 is a sectional view showing another modification of the gate insulating film structure of the MONOS type memory transistor of FIG. 1;

【図4】ランドキストモデルを物理モデルに用いたシミ
ュレーションによるデータ保持のグラフを示し、トラッ
プレベルが0.8eVのバルクトラップを想定した場合
である。
FIG. 4 shows a graph of data retention by simulation using a Landkist model as a physical model, in which a trap level of 0.8 eV is assumed.

【図5】同データ保持のグラフを示し、トラップレベル
が1.5eVの場合である。
FIG. 5 shows a graph of the data retention, in which the trap level is 1.5 eV.

【図6】同データ保持のグラフを示し、トラップレベル
が2.2eVの深いキャリアトラップを想定した場合で
ある。
FIG. 6 shows a graph of the data retention, and assumes a case where a deep carrier trap having a trap level of 2.2 eV is assumed.

【図7】図4〜図6のシミュレーションにおける設定条
件としての電荷分布を示すグラフである。
FIG. 7 is a graph showing a charge distribution as a setting condition in the simulations of FIGS. 4 to 6;

【図8】従来のMONOS型不揮発性メモリトランジス
タの基本的構造を示す断面図である。
FIG. 8 is a sectional view showing a basic structure of a conventional MONOS type nonvolatile memory transistor.

【図9】従来の問題点を指摘するために用いるもので、
4nmのトップ酸化膜を形成する場合、SiN膜の熱酸
化後の残り膜厚(最終膜厚)の限界を異常酸化による膜
厚増大を観察することで調べた結果を示すグラフであ
る。
FIG. 9 is used to point out a conventional problem.
11 is a graph showing the result of examining the limit of the remaining film thickness (final film thickness) of a SiN film after thermal oxidation when forming a 4 nm top oxide film by observing an increase in film thickness due to abnormal oxidation.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…半導体基板、1a…チャネル形成領域、2…ソース
領域、4…ドレイン領域、6…ゲート絶縁膜、8…ゲー
ト電極、10…トンネル膜、10a…熱酸化膜、10b
…SiON膜、12…中間膜、14…トップ膜、14a
…第1の酸化膜(熱酸化膜)、14b…第2の酸化膜。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Semiconductor substrate, 1a ... Channel formation region, 2 ... Source region, 4 ... Drain region, 6 ... Gate insulating film, 8 ... Gate electrode, 10 ... Tunnel film, 10a ... Thermal oxide film, 10b
... SiON film, 12 ... intermediate film, 14 ... top film, 14a
... first oxide film (thermal oxide film), 14b ... second oxide film.

Claims (19)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】半導体のチャネル形成領域とメモリトラン
ジスタのゲート電極との間に介在し、平面的に離散化さ
れた電荷蓄積手段を含むゲート絶縁膜が、前記チャネル
形成領域側から順にトンネル膜,中間膜,トップ膜を積
層してなる不揮発性半導体記憶装置であって、 前記トップ膜が、複数の絶縁膜を積層してなり、 当該複数の絶縁膜の最下層の膜が、酸化膜である不揮発
性半導体記憶装置。
A gate insulating film interposed between a channel forming region of a semiconductor and a gate electrode of a memory transistor and including charge storage means discretely formed in a plane; What is claimed is: 1. A non-volatile semiconductor storage device comprising an intermediate film and a top film, wherein the top film is formed by laminating a plurality of insulating films, and a lowermost film of the plurality of insulating films is an oxide film. Non-volatile semiconductor storage device.
【請求項2】前記トップ膜が、前記中間膜上の第1の酸
化膜と、 当該第1の酸化膜上の第2の酸化膜とから構成されてい
る請求項1に記載の不揮発性半導体記憶装置。
2. The non-volatile semiconductor according to claim 1, wherein said top film comprises a first oxide film on said intermediate film and a second oxide film on said first oxide film. Storage device.
【請求項3】前記トップ膜の膜厚が、3.5nm以上で
ある請求項1に記載の不揮発性半導体記憶装置。
3. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein said top film has a thickness of 3.5 nm or more.
【請求項4】前記中間膜は、窒化膜,窒化シリコン膜,
酸化窒化膜の何れかである請求項1に記載の不揮発性半
導体記憶装置。
4. The method according to claim 1, wherein the intermediate film is a nitride film, a silicon nitride film,
2. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein the nonvolatile semiconductor memory device is any one of an oxynitride film.
【請求項5】前記中間膜の膜厚が、5nm以下である請
求項1に記載の不揮発性半導体記憶装置。
5. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein said intermediate film has a thickness of 5 nm or less.
【請求項6】前記中間膜と前記トップ膜との間に、当該
中間膜と酸化膜の中間の組成を有する遷移層が介在して
いる請求項1に記載の不揮発性半導体記憶装置。
6. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein a transition layer having an intermediate composition between said intermediate film and said oxide film is interposed between said intermediate film and said top film.
【請求項7】前記中間膜と前記トップ膜との界面付近
に、トラップエネルギーのレベルが2.0eVより大き
な深い電荷トラップを高濃度に有する請求項1に記載の
不揮発性半導体記憶装置。
7. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein a deep charge trap having a trap energy level of more than 2.0 eV is provided at a high concentration near an interface between said intermediate film and said top film.
【請求項8】前記トンネル膜は、前記チャネル形成領域
上の酸化膜と、 当該酸化膜上の酸化窒化膜とからなる請求項1に記載の
不揮発性半導体記憶装置。
8. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein said tunnel film comprises an oxide film on said channel formation region and an oxynitride film on said oxide film.
【請求項9】前記不揮発性半導体記憶装置のメモリセル
は、当該メモリセルが有するトランジスタが単一な1ト
ランジスタ構成である請求項1に記載の不揮発性半導体
記憶装置。
9. The non-volatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein the memory cell of the non-volatile semiconductor memory device has a single-transistor configuration in which the memory cell has a single transistor.
【請求項10】前記中間膜と前記トップ膜との界面付近
に、トラップエネルギーのレベルが2.0eVより大き
な深い電荷トラップを高濃度に有する請求項5に記載の
不揮発性半導体記憶装置。
10. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 5, wherein a deep charge trap having a trap energy level higher than 2.0 eV is provided at a high concentration near an interface between said intermediate film and said top film.
【請求項11】メモリトランジスタのゲート電極となる
導電膜の成膜に先立って、半導体のチャネル形成領域上
にトンネル膜,中間膜,トップ膜を順に積層させること
により、平面的に離散化された電荷蓄積手段を含むゲー
ト絶縁膜を成膜する不揮発性半導体記憶装置の製造方法
であって、 前記中間膜を、その最終的な膜厚より厚い膜厚で前記ト
ンネル膜上に成膜し、 中間膜上に前記トップ膜を積層するに際し、前記中間膜
の表面を熱酸化して熱酸化膜を形成した後、 当該熱酸化膜上に、CVD法により酸化膜を堆積する不
揮発性半導体記憶装置の製造方法。
11. Prior to forming a conductive film serving as a gate electrode of a memory transistor, a tunnel film, an intermediate film, and a top film are sequentially laminated on a channel forming region of a semiconductor, thereby being discretely planarized. What is claimed is: 1. A method for manufacturing a non-volatile semiconductor storage device, comprising: forming a gate insulating film including a charge storage means, wherein the intermediate film is formed on the tunnel film with a thickness greater than a final thickness thereof. In stacking the top film on the film, the surface of the intermediate film is thermally oxidized to form a thermal oxide film, and then the oxide film is deposited on the thermal oxide film by a CVD method. Production method.
【請求項12】前記トップ膜の積層工程では、当該トッ
プ膜を構成する膜の膜厚合計を3.5nm以上にする請
求項11に記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
12. The method of manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to claim 11, wherein in the step of laminating the top film, a total thickness of films constituting the top film is set to 3.5 nm or more.
【請求項13】前記中間膜は、窒化膜,窒化シリコン
膜,酸化窒化膜の何れかである請求項11に記載の不揮
発性半導体記憶装置の製造方法。
13. The method according to claim 11, wherein said intermediate film is one of a nitride film, a silicon nitride film, and an oxynitride film.
【請求項14】前記中間膜の成膜後の膜厚を、前記最終
的な膜厚が5nm以下となる膜厚に設定する請求項11
に記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
14. The film thickness of the intermediate film after being formed is set to a film thickness such that the final film thickness is 5 nm or less.
3. The method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to 1.
【請求項15】前記中間膜と前記熱酸化膜との間に、そ
の中間の組成を有する遷移層を前記熱酸化によって形成
する請求項11に記載の不揮発性半導体記憶装置の製造
方法。
15. The method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to claim 11, wherein a transition layer having an intermediate composition is formed between said intermediate film and said thermal oxide film by said thermal oxidation.
【請求項16】前記熱酸化によって、トラップエネルギ
ーのレベルが2.0eVより大きな深い電荷トラップ
を、前記中間膜と前記熱酸化膜との界面付近に高濃度に
形成する請求項11に記載の不揮発性半導体記憶装置の
製造方法。
16. The non-volatile memory according to claim 11, wherein a deep charge trap having a trap energy level larger than 2.0 eV is formed at a high concentration near an interface between said intermediate film and said thermal oxide film by said thermal oxidation. Of manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device.
【請求項17】前記トンネル膜の形成では、前記チャネ
ル形成領域上に酸化膜を成膜した後、当該酸化膜の表面
を熱窒化する請求項11に記載の不揮発性半導体記憶装
置の製造方法。
17. The method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to claim 11, wherein in forming the tunnel film, after forming an oxide film on the channel formation region, the surface of the oxide film is thermally nitrided.
【請求項18】前記不揮発性半導体記憶装置のメモリセ
ルは、当該メモリセルが有するトランジスタが単一な1
トランジスタ構成である請求項11に記載の不揮発性半
導体記憶装置の製造方法。
18. A memory cell of the nonvolatile semiconductor memory device, wherein the memory cell has a single transistor.
The method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to claim 11, wherein the method has a transistor configuration.
【請求項19】前記熱酸化によって、トラップエネルギ
ーのレベルが2.0eVより大きな深い電荷トラップ
を、前記中間膜と前記熱酸化膜との界面付近に高濃度に
形成する請求項14に記載の不揮発性半導体記憶装置の
製造方法。
19. The non-volatile memory according to claim 14, wherein a deep charge trap having a trap energy level larger than 2.0 eV is formed at a high concentration near an interface between the intermediate film and the thermal oxide film by the thermal oxidation. Of manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device.
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